MỤC LỤC
MỤC LỤC ............................................................................................................. 1
LỜI MỞ ĐẦU ....................................................................................................... 3
CHƢƠNG 1. GIỚI THIỆU VỀ MÔ HÌNH MÔ PHỎNG LÁI XE ...................... 6
1.1. TỔNG QUAN MÔ HÌNH MÔ PHỎNG .................................................... 6
1.2. TỔNG QUAN MÔ HÌNH LÁI XE TRÊN THẾ GIỚI............................... 8
1.3. TỔNG QUAN VỀ MÔ HÌNH LÁI XE TRONG NƢỚC........................... 9
1.4. ĐẶT VẤN ĐỀ BÀI TOÁN NGHIÊN CỨU ............................................ 11
1.4.1. Lựa chọn phần mềm mô phỏng .......................................................... 11
1.4.2. Chọn mô hình mô phỏng và những yêu cầu của mô hình mô phỏng . 16
1.4.3. Mục đích và nội dung nghiên cứu ...................................................... 18
1.5. KẾT LUẬN CHƢƠNG 1 ......................................................................... 18
CHƢƠNG 2: TÍNH TOÁN THIẾT KẾ, ĐỘNG HỌC MÔ HÌNH LÁI XE ...... 19
2.1. TÍNH TOÁN THIẾT KẾ MÔ HÌNH LÁI XE ......................................... 19
2.1.1. Thiết kế mô hình lái xe ....................................................................... 19
2.1.2. Tính toán chọn động cơ ...................................................................... 21
2.1.3. Kiểm tra bền các cơ cấu chịu tải trọng ............................................... 24
2.2. TÍNH TOÁN ĐỘNG HỌC MÔ HÌNH LÁI XE ...................................... 27
2.2.1. Các bậc tự do mô hình mô phỏng ....................................................... 27
2.2.2. Mô hình hóa quỹ đạo của mô hình lái xe ........................................... 28
2.3. KẾT LUẬN CHƢƠNG 2 ........................................................................ 31
CHƢƠNG 3: XÂY DỰNG BỘ ĐIỀU KHIỂN .................................................. 32
3.1. PHẦN CỨNG BỘ ĐIỀU KHIỂN ............................................................ 32
3.1.1. Tay lái logitech formula force ex........................................................ 33
3.1.2. Mạch điều khiển Arduino UNO R3 .................................................... 34
3.1.3. Mạch driver điều khiển động cơ VNH2SP30 ..................................... 39
3.1.4. Cảm biến góc WDD35 D1 .................................................................. 43
3.1.5. Bộ biến đổi nguồn AC – DC............................................................... 44
3.1.6. Động cơ điện một chiều DC ............................................................... 44
3.2. XÂY DỰNG BỘ ĐIỀU KHIỂN MÔ HÌNH LÁI XE .............................. 46

1


3.2.1. Ghép nối mạch điều khiển và phần mềm mô phỏng .......................... 46
3.2.2 Ghép nối mô hình lái xe với bộ điều khiển ......................................... 51
3.2.3. Thuật toán PID .................................................................................... 54
3.2.4. Sơ đồ cấu trúc hệ thống điều khiển mô hình lái xe bán tự nhiên ....... 57
3.2.5. Lập trình điều khiển mô hình.............................................................. 57
3.3. KẾT LUẬN CHƢƠNG 3 ......................................................................... 60
CHƢƠNG 4: THỰC THI VÀ THỬ NGHIỆM MÔ HÌNH LÁI XE ................. 61
4.1. THỰC THI, CHẾ TẠO MÔ HÌNH LÁI XE ............................................ 61
4.2. THỬ NGHIỆM MÔ HÌNH ....................................................................... 62
4.3. KẾT LUẬN CHƢƠNG 4 ......................................................................... 65
KẾT LUẬN ......................................................................................................... 66
TÀI LIỆU THAM KHẢO ................................................................................... 68
PHỤ LỤC ............................................................................................................ 69

2


LỜI MỞ ĐẦU
Trong thời đại phát triển của khoa học kỹ thuật ngày nay, mọi công
việc mà trƣớc đây phải trực tiếp làm việc với nó, thì ngày nay đƣợc thay thế
bằng các dây chuyền sản xuất, điều khiển và xử lý công việc từ xa bằng các
thiết bị tiên tiến mà khoa học kỹ thuật mang lại. Ngày nay với sự phát triển
của công nghiệp vi điều khiển, điện tử, kỹ thuật số, các hệ thống điều khiển
dần dần đƣợc tự động hoá với những kỹ thuật tiên tiến nhƣ vi xử lý, vi mạch
số….. đƣợc ứng dụng vào lĩnh vực điều khiển, thì các hệ thống điều khiển cơ
khí thô sơ với tốc độ xử lý chậm, ít chính xác sẽ đƣợc thay thế bằng các
chƣơng trình điều khiển tự động với các lệnh chƣơng trình đã đƣợc con ngƣời

chúng ta thiết lập trƣớc. Đặc biệt với nghành cơ điện tử thì kỹ thuật lập trình
vi điều khiển và điều khiển động cơ từ xa là đƣợc áp dụng rộng rãi nhất. Hầu
hết trong các nhà máy xí nghiệp hiện nay, mọi công việc dần dần đƣợc tự
động hóa hoàn toàn.
Cùng với sự phát triển của kỹ thuật, mô hình hóa bằng phƣơng pháp
khoa học dựa trên việc xây dựng mô hình của đối tƣợng nghiên cứu, sao cho
việc nghiên cứu mô hình cho ta những thông tin (về thuộc tính, cấu trúc, chức
năng, cơ chế vận hành ….) tƣơng tự đối tƣợng nghiên cứu đó. Cơ sở logic của
phƣơng pháp mô hình hóa là phép loại suy. Phƣơng pháp mô hình hóa cho phép
tiến hành nghiên cứu trên những mô hình (vật chất hay ý niệm (tƣ duy)) do
ngƣời nghiên cứu tạo ra (lớn hơn, bằng hoặc nhỏ hơn đối tƣợng thực) để thay
thế việc nghiên cứu đối tƣợng thực. Điều này thƣờng xảy ra khi ngƣời nghiên
cứu không thể hoặc rất khó nghiên cứu đối tƣợng thực trong điều kiện thực tế.
Phƣơng pháp mô hình hóa xem xét đối tƣợng nghiên cứu nhƣ một hệ thống
(tổng thể), song tách ra từ hệ thống (đối tƣợng) các mối quan hệ, liên hệ có tính
quy luật có trong thực tế nghiên cứu, phản ánh đƣợc các mối quan hệ, liên hệ đó
của các yếu tố cấu thành hệ thống đó là sự trừu tƣợng hóa hệ thống thực.

3


Trong đó việc nghiên cứu, phát triển mô hình lái xe bán tự nhiên cũng là
một trong những trọng tâm đƣợc rất nhiều các nhà khoa học hay các tố chức
phát triển nhằm tạo ra những mô hình mang tính thực tế cao giúp cho cuộc sống
của chúng ta ngày càng phát triển hơn.
1. Đặt vấn đề
Mô hình lái xe bán tự nhiên là mô hình mô phỏng hoạt động lái xe thông
qua các phần mềm mô phỏng, các quá trình điều khiển cho ta các trạng thái của
mô hình giống nhƣ xe đang vận hành. Mô hình lái xe đƣợc ứng dụng vào thực tế
nhƣ một phƣơng tiện cho ngƣời học lái xe thực hành, hơn thế nó còn là một

công cụ giải trí cho những ngƣời yêu thích các trò chơi đua xe.
2. Mục đích đề tài
Đề tài nhằm nghiên cứu, thiết kế, chế tạo một mô hình lái xe bán tự nhiên
nhằm mô phỏng lại quá trình lái xe trong thực tế. Giúp chúng ta hiểu đƣợc quá
trình một chiếc xe đang chạy sẽ có những bậc tự do nào tác dụng lên và nguyên
lý hoạt động của một chiếc xe.
Phạm vi nghiên cứu của đề tài
- Thiết kế cơ khí và tính toán mô hình lái xe
- Nghiên cứu, xây dựng bộ điều khiển phù hợp với mô hình lái xe
3. Bố cục đồ án
Đồ án gồm 4 chƣơng:
Mở đầu
Chƣơng 1. Tổng quan về mô hình lái xe, và phần mềm mô phỏng
- Tổng quan về mô hình lái xe trong nƣớc;
- Tổng quan về mô hình lái xe trên thế giới;
- Nghiên cứu, chọn phần mềm mô phỏng lái xe.
Chƣơng 2. Tính toán thiết kế, động học mô hình lái xe
- Tính toán thiết kế cơ khí mô hình lái xe;
- Tính toán động học mô hình lái xe.

4


Chƣơng 3. Xây dựng bộ điều khiển
- Tìm hiểu các thành phần trong bộ điều khiển;
- Ghép nối phần cứng và phần mềm;
- Xây dựng bộ điều khiển.
Chƣơng 4. Thực nghiệm và đánh giá
Kết luận và kiến nghị


Hà Nội ngày 25 tháng 4 năm 2016
Sinh viên thực hiện

Hoàng Hải Huy

5

Nguyễn Trần Hiếu


CHƢƠNG 1. GIỚI THIỆU VỀ MÔ HÌNH MÔ PHỎNG LÁI XE
1.1. TỔNG QUAN MÔ HÌNH MÔ PHỎNG
Trong những năm gần đây công nghệ thông tin đã đạt đƣợc những bƣớc
phát triển nhảy vọt cả về phần cứng lẫn phần mềm. Những ứng dụng của nó vào
cuộc sống ngày càng phong phú đa dạng và thiết thực hơn. Từ các lĩnh vực cơ
bản nhƣ khoa học cơ bàn, kinh tế kỹ thuật cho các lĩnh vực nhƣ: giải trí, du
lịch… không lĩnh vực nào không có sự ứng dụng thiết thực và hiệu quả của công
nghệ thông tin. Sự phát triển không ngừng của sức mạnh máy tính đã làm cho
một số lĩnh vực khó phát triển trƣớc kia nay đã có khả năng phát triển và đã đạt
đƣợc những thành tựu đáng kể. Trong đó công nghệ mô phỏng ngày càng đƣợc
quan tâm và phát triển vì nó cho phép các nhà khoa học nghiên cứu trên hệ
thống thực nhƣng lại tiết kiệm đƣợc rất nhiều thời gian, tiền bạc và công sức.
Mô phỏng (Simulation) đƣợc ứng dụng rộng rãi trong kinh tế, kĩ thuật và nhiều
lĩnh vực khác. Theo từ điển OXFORD "mô phỏng có nghĩa là giả cách, làm ra
vẻ nhƣ, hành động nhƣ, bắt chƣớc giống với, mang hình thức của, giả bộ nhƣ...
làm giả các điều kiện của tình huống nào đó thông qua một mô hình với mục
đích huấn luyện hoặc tiện lợi". Về mặt ý nghĩa kĩ thuật, mô phỏng (hay nói đúng
hơn, phƣơng pháp mô phỏng) hàm chứa việc áp dụng một mô hình nào đó để tạo
ra kết quả, chứ không có nghĩa là thử nghiệm một hệ thống thực tế nào đó đang
cần nghiên cứu hay khảo sát. Nếu mô hình có chứa các thành phần hay yếu tố

ngẫu nhiên thì chúng ta có mô phỏng ngẫu nhiên. Chúng ta xét mô phỏng trên
hai quan điểm: nghệ thuật và kĩ thuật (với tƣ cách một công cụ), mà trong một
số trƣờng hợp rất khó phân định ranh giới rạch ròi. Trong chƣơng này chúng ta
nghiên cứu mô phỏng ngẫu nhiên về phƣơng diện một số kĩ thuật. Ngày nay
công nghệ mô phỏng đƣợc ứng dụng trong nhiều lĩnh vực nhƣ mô phỏng các
hiện tƣợng vật lý, hóa học, y học…một trong số đó có lĩnh vực mô phỏng số và
công nghệ ảo điển hình nhƣ mô phỏng lái xe ô tô, xe máy, máy bay, tàu ngầm
nhầm phục vụ nhiều mục đích trong cuộc sống nhƣ huấn luyện quân sự, sản xuất
hay các hệ thống giải trí:

6


- Trong huấn luyện quân sự các kỹ sƣ chế tạo các buồng lái đặc biệt để
huấn luyện binh sĩ học lái xe quân sự, tàu ngầm hay máy bay nhằm giải
quyết những vấn đề khó khăn trong huấn luyện nhƣ thao trƣờng, vũ khí,
thời tiết…

Hình 1.1. Các phi công đƣợc huấn luyện lái máy bay mô phỏng.
- Trong công nghiệp sản xuất các kỹ sƣ có thể áp dụng công nghệ mô
phỏng để học cách sử dụng một hệ thống, kiểm nghiệm hệ thống hay
nghiên cứu về hệ thống đó. Ví dụ nhƣ trong các hãng sản xuất xe hơi họ
đều phát triển mô hình lái xe riêng để thiết kế và đƣa ra những hệ thống
lái chính xác và an toàn cho khách hàng, công nghệ này giúp cho các kỹ
sƣ tiết kiệm đƣợc rất nhiều thời gian và tiền bạc vào việc phát triển một
chiếc xe thay vì họ phải làm trên một mô hình thật với rất nhiều các chi
tiết phức tạp.

7



Hình 1.2. Mô hình nghiên cứu hệ thống lái xe của Lexus.
- Trong lĩnh vực giải trí các nhà phát triển thiết bị chơi game cũng áp dụng
công nghệ mô phỏng để tạo ra các thiết bị chơi game có thể mang đến cho
khách hàng cảm nhận toàn bộ cảm giác thật sự nhất

Hình 1.3. Hệ thống ghế lái xe giải trí của Obutto.
1.2. TỔNG QUAN MÔ HÌNH LÁI XE TRÊN THẾ GIỚI
Trên thế giới mô phỏng lái xe đƣợc sử dụng để giải trí cũng nhƣ trong đào
tạo của các khóa học đào tạo lái xe đã dạy trong các cơ sở giáo dục và các doanh
nghiệp tƣ nhân. Chúng cũng đƣợc sử dụng để nghiên cứu các mục đích trong

8


các khu vực của yếu tố con ngƣời và nghiên cứu y học, để theo dõi hành vi của
lái xe, hiệu suất, và sự chú ý.Trong ngành công nghiệp xe hơi để thiết kế và
đánh giá xe mới hoặc các hệ thống hỗ trợ lái xe cao cấp mới mô phỏng lái xe
đƣợc sử dụng tại các cơ sở nghiên cứu trong nhiều mục đích. Một số nhà sản
xuất xe vận hành lái xe mô phỏng. Nhiều trƣờng đại học cũng hoạt động mô
phỏng dùng cho nghiên cứu.
Mô hình mô phỏng lái xe trên thế giới không chỉ phát triển riêng phục vụ
cho mục đích nghiên cứu, giáo dục mà nó còn nhƣ là một thú chơi của những
ngƣời yêu công nghệ, thích khám phá, thích cảm giác mạnh với những trò chơi
đua xe. Họ có hẳn những forum trao đổi kiến thức, chia sẻ kinh nghiệm chế tạo
những mô hình mô phỏng cho riêng mình với rất nhiều chủng loại, kết cấu cơ
khí và hình dáng vô cùng đa dạng, phong phú.

Hình 1.4. Mô hình mô phỏng đua xe.
1.3. TỔNG QUAN VỀ MÔ HÌNH LÁI XE TRONG NƢỚC

Ở nƣớc ta hiện nay, chúng ta thƣờng mô phỏng lại các hệ thống thực đã
có nhằm mục đích phục vụ đào tạo cấp bằng lái xe. Trong các trƣờng đào tạo
bằng lái xe các kỹ sƣ xây dựng một hệ thống mô phỏng dạy lái xe ô tô bằng
công nghệ thực tại ảo 3D đƣợc chế tạo nhằm tạo ra một ca bin giống nhƣ cabine
thật của xe ô tô. Ngƣời học sẽ sử dụng chiếc xe mô phỏng này để thực hiện các
bài tập của mình trong một thế giới ảo 3D đƣợc lập trình sẵn tƣơng tự nhƣ thế
9


giới thật mà khi thi lấy bằng lái xe hoặc tham gia giao thông chúng ta sẽ gặp
phải. Hệ thống đào tạo lái xe cơ bản giống với chiếc xe thực sự về mặt phần
cứng vật lý nhƣ vô lăng, chân ga, ly hợp, phanh, hộp số, đồng hồ đo và phƣơng
pháp hoạt động. Vì vậy hệ thống đào tạo này cung cấp cho ngƣời dùng tất cả
những cảm giác nhƣ lái xe một chiếc xe thật. Hệ thống góp phần giải quyết
những vấn đề phức tạp mà ngƣời học lái xe thƣờng gặp phải, không đủ thời gian
để tham gia vào công tác đào tạo lái xe, thiếu kinh nghiệm, giáo viên khó tính,
áp lực ganh đua học lái xe, tâm lý căng thẳng, kết quả kiểm tra thấp, và sau khi
có giấy phép lái xe nhƣng không dám lái xe trên đƣờng,… Hệ thống đào tạo
mô phỏng lái xe ô tô cho phép học trong sự thuận tiện và thoải mái, giải quyết
đƣợc các vấn đề bất cập nói trên

Hình 1.5. Hệ thống mô phỏng dạy lái xe ở Việt Nam.

10


1.4. ĐẶT VẤN ĐỀ BÀI TOÁN NGHIÊN CỨU
PHẦN MỀM
LÁI XE


PHẦN MỀM MÔ
PHỎNG
(SIMTOOL)

MẠCH ĐIỀU
KHIỂN

CƠ CẤU CHẤP
HÀNH

HỆ CƠ KHÍ

CẢM BIẾN
GÓC

Hình 1.6. Sơ đồ khối cấu trúc bài toán.
Cấu trúc bài toán sẽ nghiên cứu trong đề tài đƣợc trình bày trên hình 1.6
với các khối chức năng chính sau:
- Khối vô lăng và chân phanh, chân ga: khối này tạo tín hiệu lái xe, thay đổi
ga và phanh đƣa vào phần mềm lái xe thông qua cổng USB.
- Khối phần mềm lái xe: đây là phần mềm lái xe có chức năng kết nối động
với phần mềm mô phỏng SIMTOOL để truyền những trạng thái của xe.
- Khối phần mềm mô phỏng SIMTOOL: là khối nhận các tín hiệu từ phần
mềm lái xe và truyền các thông tin này ra phần cứng thông qua cổng USB.
- Khối mạch điều khiển: nhận các thông tin từ khối phần mềm mô phỏng
SIMTOOL, thực hiện các thuật toán điều khiển vòng kín điều khiển 02
động cơ chấp hành theo các thông tin đặt từ khối SIMTOOL và thông tin
phản hồi góc từ khối phàn hồi góc.
- Khối cơ cấu chấp hành là hai động cơ chấp hành thực hiện các chuyển
động tạo rung động của khối cơ khí theo trạng của xe .

- Hệ cơ khí là một ghế ngồi lái xe
- Khối cảm biến góc đo hai góc của hai động cơ chấp hành.
1.4.1. Lựa chọn phần mềm mô phỏng
Phần mềm mô phỏng là một tập hợp các thuật toán (chƣơng trình máy
tính) “bắt chƣớc” dựa trên quá trình hoạt động của mô hình một hiện tƣợng thực
tế. Về cơ bản, đó là một chƣơng trình máy tính cho phép ngƣời sử dụng dùng để

11


quan sát một hoạt động thông qua mô phỏng mà không phải thực hiện thật hoạt
động đó. Phần mềm mô phỏng đƣợc sử dụng rộng rãi để kiểm tra thiết kế một
sản phẩm nào đó để thấy đƣợc sản phẩm cuối cùng với đầy đủ thông số kỹ thuật
tốt nhất mà không tốn kém trong quá trình sửa đổi. Hiện nay số lƣợng các phần
mềm mô phỏng trong lĩnh vực CNHH rất lớn, trong đó phải kể đến một số phần
mềm mạnh và nổi tiếng nhƣ : PRO/II, Dynsim (Simsci); HYSIM, HYSYS,
HTFS, STX/ACX, BDK (Hyprotech); PROSIM, TSWEET (Bryan research &
engineering); Design II (Winsim); IDEAS Simulation; Simulator 42; Sim Tool;
Flight Simulator X; 3D Driving school, Xsim… trong đó phần mềm mô phỏng
lái xe thông dụng là Sim Tool và X-simulator.
Qua quá trình nghiên cứu nhóm đồ án đã chọn phần mềm Sim Tool làm
phần mềm mô phỏng cho đồ án của mình vì đây là một phần mềm đơn giản,
giao diện thân thiện với ngƣời dùng, có thể đƣa ra đƣợc nhiều thông số chi tiết,
có thể mô phỏng đƣợc nhiều bậc tự do, điều chỉnh đƣợc nhiều thông số chi tiết
và có thể hoạt động trên rất nhiều game đua xe khác nhau. Phần mềm Sim Tool
gồm có 2 phần là Sim Tools Game Engine và Sim Tools Game Manager.
a) Sim Tool Game Engine: phần truyền nhận dữ liệu mô phỏng

Hình 1.7. Giao diện chính của Sim Tool Game Engine
- Axis Assignments: là phần giao diện thiết lập thông số đầu vào, phân chia các

trục, chọn trục, các bậc tự do cần mô phỏng. Trong phần này có sáu trục cho ta

12


lựa chọn từ trục một tới trục sáu tùy theo mô hình mô phỏng, và các lực tác
động theo các bậc tự do cần mô phỏng. Ngoài ra, có thể cài đặt số phần trăm
một trục sẽ mô phỏng một bậc tự do so với tính hiệu đầu vào của bậc tự do đó.

Hình 1.8. Giao diện trong phần Axis Assignments
- Interface Settings: là phần giao diện cài đặt các thông số truyền nhận giữ liệu,
giao tiếp giữa phần cứng và phần mềm. Phần mềm simtool engine có thể lƣu
đƣợc nhiều giao diện giao tiếp cho nhiều mục đích mô phỏng khác nhau, nhƣng
nhìn chung các giao diện giao tiếp điều bao gồm các thông số giống nhau, cần
thiết cho việc giao tiếp, truyền nhận dữ liệu giữa chƣơng trình game và phần
cứng. Các thông số đƣợc cài đặt ở đây bao gồm:
+ Output Type: giao thức giao tiếp giữa phần phần cứng và phần mềm.
+ Comport: cổng com sẽ đƣợc sử dụng cho việc truyền nhận.
+ BitsperSec: là tốc độ truyền nhận số bit truyền nhận trên một giây.
+ Data bits: số bit dữ liệu trong một khung dữ liệu.
+ Parity: bit kiểm tra dữ liệu.
+ Loại số đƣợc dùng để truyền nhận mã nhị phân, mã mƣời hay mã mƣời
sáu.

13


Hình 1.9. Giao diện trong phần Interface Settings
- Output Testing: là phần giao diện kiểm tra các thông số đầu ra. Phần này đƣợc
dùng để kiểm tra kết nối, truyền nhận giữa phần mềm và phần cứng bằng cách

bật chế độ lên, chƣơng trình cho phép ta giả tạo tín hiệu đầu vào và kiểm tra tín
hiệu ra trên phần cứng.

Hình 1.10. Giao diện trong phần Output Testing
- Tools: là phần giao diện để cài đặt, nhập một phần cài đặt các thông số ở phần
trên đã có sẵn từ một file bên ngoài hoặc cũng có thể lƣu phần cài đặt các thông
số ở phần trên thành một file chia sẻ với ngƣời khác.

14


Hình 1.11. Giao diện trong phần Tools

b) Sim Tool Game Manager:

Hình 1.12. Giao diện của Sim Tools Game Manager
Simtool – Game Manager phần quản lý các chƣơng trình game đƣợc kết
nối với phần mềm mô phỏng. Khi một trong số các game đã đƣợc kết nối với
phần mềm mô phỏng thì nó có nhiềm vụ kết nối game với phần game engine để
thực hiện truyền nhận dữ liệu mô phỏng. Simtool – Game Manager có ba trạng
thái đƣợc báo trên màn hình:

15


+ Not connect: trạng thái báo hai phần Simtool – Game Manager và Simtool
– engine không đƣợc kết nối với nhau.
+ Connected: trạng thái báo hai phần của simtool đã đƣợc kết nối với nhau,
sẵn sàng cho việc chạy chƣơng trình game.
+ Game running: trạng thái báo simtool kết nối thành công với chƣơng trình

game và đang gửi dữ liệu cần mô phỏng tới phần Game engine.
Chức năng của các phần trong Simtool – Game Manager:
- Game selection: cho phép chọn game muốn sử dụng để mô phỏng và đã
đƣợc cài đặt, kết nối sẵn với chƣơng trình.
- Profile selection: chọn các chế độ khác nhau đã đƣợc cài đặt để phù hợp
với từng mô phỏng.
- Patching: liên kết một game mới với phần mềm mô phỏng.
1.4.2. Chọn mô hình mô phỏng và những yêu cầu của mô hình mô phỏng
Công nghệ mô phỏng ngày càng đƣợc sử dụng rộng rãi trong mọi lĩnh vực
hoạt động của con ngƣời từ mô phỏng trong nghiên cứu, phát triển khoa học,
công nghệ đến ứng dụng mô phỏng trong lĩnh vực giáo dục, đào tạo. Một
chƣơng trình máy tính có thể mô phỏng các mạch điện tử, cơ điện tử, hệ thống
điều khiển tƣơng tác. Về lý thuyết, bất kỳ sự vật, hiện tƣợng nào có thể đƣợc mô
tả bằng dữ liệu và phƣơng trình toán học đều có thể đƣợc mô phỏng trên máy
tính. Mô phỏng thƣờng là rất khó khăn vì hầu hết các hiện tƣợng tự nhiên có số
lƣợng gần nhƣ vô hạn các tham số gây ảnh hƣởng. Vì vậy để phát triển các ứng
dụng mô phỏng có hiệu quả cần xác định những yếu tố quan trọng nhất ảnh
hƣởng đến mục tiêu của nhiệm vụ mô phỏng. Trên thế giới có rất nhiều mô hình
mô phỏng lái xe khác nhau đƣợc sử dụng với nhiều mục đích khác nhau. Mỗi
mô hình sẽ mô phỏng số bậc tƣ do khác nhau để phù hợp với công việc, giá
thành hay nhu cầu của ngƣời sử dụng.

16


Hình 1.13: Mô hình mô phỏng lái xe 6 bậc tự do
Sau khi nghiên cứu kỹ lƣỡng về các mô hình mô phỏng lái xe hai bậc tự
do cùng với sự học tập các thiết kế đã có sẵn trên thị trƣờng trong nƣớc và trên
thế giới, căn cứ vào điều kiện thực tế, khả năng gia công chế tạo của mình,
nhóm đề tài đã lựa chọn mô hình mô phỏng có dạng nhƣ hình vẽ:


Hình 1.14: Mô hình mô phỏng lái xe hai bậc tự do nhóm sẽ nghiên cứu
17


Các yêu cầu của mô hình là gia công cơ khí gọn nhẹ chính xác, có độ bền
cao, hoạt động ổn định, trơn tru trong quá trình vận hành.
1.4.3. Mục đích và nội dung nghiên cứu
a. Mục đích nghiên cứu:
Đề tài nhằm nghiên cứu, thiết kế, chế tạo cơ khí và mạch điều khiển cho
một mô hình lái xe bán tự nhiên nhằm mô phỏng lại quá trình lái xe trong thực
tế. Giúp chúng ta hiểu đƣợc quá trình một chiếc xe đang chạy sẽ có những bậc
tự do nào tác dụng lên và nguyên lý hoạt động của một chiếc xe.
b. Nội dung nghiên cứu:
Bài toán nghiên cứu mô phỏng quá trình lái xe với 2 bậc tự do quay quanh
trục X và Y, thiết kế bộ điều khiển phù hợp với mô hình.
1.5. KẾT LUẬN CHƢƠNG 1
Trong chƣơng này nhóm đã trình bày về tổng quan mô hình lái xe, các
phần mềm mô phỏng và mô hình mô phỏng lái xe từ đó chọn ra phần mềm mô
phỏng và mô hình mô phỏng thích hợp để nghiên cứu và chế tạo.

18


CHƢƠNG 2: TÍNH TOÁN THIẾT KẾ, ĐỘNG HỌC MÔ HÌNH LÁI XE
2.1. TÍNH TOÁN THIẾT KẾ MÔ HÌNH LÁI XE
Việc tính toán thiết kế mô hình lái xe bao gồm tính chọn công suất động
cơ phù hợp với tải trọng yêu cầu và thiết kế các cơ cấu đảm bảo đƣợc độ bền cơ
học, độ an toàn, tin cậy trong quá trình vận hành đồng thời cũng giảm đƣợc chi
phí và thời gian trong quá trình chế tạo và thử nghiệm mô hình. Công đoạn tính

toán này đặc biệt quan trọng và cần thiết đối với những cơ cấu làm việc ở điều
kiện chịu tải trọng lớn, còn với các cơ cấu chịu tải trọng nhẹ hoặc không chịu tải
trọng thì chỉ tiêu độ bền, độ cứng vững có tầm quan trọng thấp hơn so với các
tiêu chí khác nhƣ tiêu chí về giá thành, tiêu chí thẩm mỹ, và tiêu chí gọn nhẹ.
2.1.1. Thiết kế mô hình lái xe
Mô hình đƣợc xây dựng trong đề tài có kết cấu gồm các phần chính: phần
đế, phần thân ghế, khớp cầu đóng vai trò là trục quay, động cơ, cơ cấu phát
động, cơ cấu thanh truyền . Qua quá trình nghiên cứu các kết cấu, mô hình ghế
học lái xe và các mô hình mô phỏng lái xe đã có trong nƣớc và trên thế giới, kế
thừa từ những tìm hiểm đó và căn cứ với điều kiện thực tế có thể của mình, mô
hình lái xe bán tự nhiên trong đồ án sẽ đƣợc xây dựng với hình dạng và những
kích thƣớc cơ bản nhƣ sau:

Hình 2.1. Các kích thƣớc cơ bản của mô hình lái xe.
19


Mô hình lái xe đƣợc gia công bằng phƣơng pháp hàn các thanh thép hộp để tạo
hình mô hình ghế lái xe, mô hình gồm ba phần chính: phần đế có kích thức dài
105 cm, rộng 37 cm đƣợc làm từ hộp kẽm 20x40(mm),ghế lái có kích thức dài
105 cm, rộng 37 cm đƣợc làm từ thanh thép mã kẽm 20x20(mm). Tâm quay của
mô hình là cơ cấu giúp cho ghế lái có thể chuyển động đƣợc theo các hƣớng
khác nhau theo ý đồ mô phỏng. để đáp ứng đƣợc yêu cầu này, cơ cấu đƣợc chọn
là khớp cầu trong hệ thống dẫn động của ôto.

Hình2.2. Khớp cầu.

Hình 2.3. Khớp cầu đƣợc ghép với phần đế.

20



Hình 2.4. Mô hình lái xe đƣợc thiết kế hoàn chỉnh
2.1.2. Tính toán chọn động cơ
Để chọn đƣợc động cơ có đủ công suất cần xác định vị trí của mô hình mà
tại đó tải trọng đặt lên động cơ là lớn nhất, tính công suất động cơ cần thiết đáp
ứng đƣợc tải trọng tại vị trí đó rồi nhân với một hệ số an toàn sẽ đƣợc công suất
của động cơ cần chọn.

Hình 2.5. Mô hình vị trí tải trọng lớn nhất đặt lên động cơ

21


Đặt vào tâm quay O của mô hình một hệ trục tọa độ Oxyz, lấy vị trí gốc của hệ
trục tọa độ là vị trí mô hình ở trạng thái cân bằng, tại vị trí đó có trục Ox trùng
với phƣơng chiều dài mô hình, Oy là trục trùng với phƣơng chiều ngang của mô
hình, Oz trùng với phƣơng chiều cao của mô hình. Tải trọng lớn nhất mà mô
hình lái xe đặt lên động cơ là vị trí mà ghế lái xe có độ nghiêng lớn nhất (vị trí
mà một động cơ tại vị trí thấp nhất, một động cơ ở vị trí cao nhất trong quỹ đạo
chuyển động của nó) đƣợc mô tả nhƣ trên Hình 2.5. Chiếu các thành phần tải
trọng lên mặt phẳng Oxz, các thành phần lực đƣợc biểu diễn nhƣ trong hình:

Hình 2.6. Mô hình đặt lực
Trong đó:
- P’=P.cos(α) là trọng lực của cơ thể ngƣời và thân ghế (P = 100kg, α=45°);
- F là lực đẩy động cơ tác động lên thân ghế (N);
- M là momen của động cơ (Nm);
- L1, L2 là khoảng cách của các điểm đặt lực tới tâm quay (L1=10cm, L2=40 cm);
- AB là cánh tay đòn (cơ cấu phát động, AB = 3 cm);

- BC là thanh truyền (30 cm).
Viết phƣơng trình cân bằng momen tại tâm quay O ta có:
P’ . L1 = F . L2  P .cos(45°) . L1 = F . L2
F=

= 176,8 (N)

=> lực cần đặt vào điểm C là F = 176,8(N)

22


Xét các lực đặt tại điểm B nhƣ hình vẽ:

Hình 2.7. Sơ đồ đặt lực tại B
Trong đó:
- F là lực động cơ truyền cho thanh dẫn động BC (F = 176,8 N);
- F1 là lực do momen động cơ tạo ra;
- Θ là góc lệc giữa F1 và F (θ = 45°).
Theo nhƣ sơ đồ đặt lực nhƣ hình vẽ ta có thể xác định lực F1:
F1 =

=

= 250 (N)

Theo công thức tính công suất động cơ:
P=M.
Trong đó:
- M là momen đƣợc tạo ra bởi động cơ: M = F1 . R;

- F1 là lực phát động từ động cơ (250 N);
- R độ dài cơ cấu phát động (0.025 m)
=> M = F1 . R = 6,25(Nm);
- ω là vận tốc góc của động cơ.
Dữ liệu từ chƣơng trình điều khiển gửi vị trí mới của động cơ xuống mạch
điều khiển động cơ sau mỗi 110 (ms). Động cơ có quỹ đạo chuyển động trong
phạm vi góc bằng 90°. Có nghĩa là, trong trƣờng hợp động cơ phải quay từ vị trí
cao nhất xuống vị trí thấp, động cơ phải hoàn thành trong khoảng 110(ms) =>
động cơ cần có vận tốc góc ω = 14,3(rad/s). Gọi k là hệ số an toàn, lấy k =1,5.
Công suất động cơ yêu cầu:
P = M . ω . k = 6,25 . 14,3 .1.5 = 134,1(w)

23


=> Nhƣ vậy, cần chọn động cơ có công suất tối thiểu là 134,1(w) để đáp ứng
đủ tải mô hình lái xe có thể hoạt động.
2.1.3. Kiểm tra bền các cơ cấu chịu tải trọng
Cơ cấu chịu tải trọng lớn trên mô hình lái xe là khâu phát động, và khâu
truyền động, phần này sẽ đƣợc dành để tính bền cho các cơ cấu trên bằng phần
mềm Inventor. Các cơ cấu đƣợc thiết kế trên phần mềm Inventor nhƣ trong hình:

Hình 2.8. Khâu phát động

Hình 2.9. Khâu truyền động
Các cơ cấu trên đƣợc thiết kế bằng phần mềm inventor và sử dụng
Inventor để tính toán độ bền biến dạng và độ bền chịu tải trọng dựa trên tải trọng
đã đƣợc tính toán ở phần 2.1.1 và thu đƣợc kết quả nhƣ sau:

24



Hình 2.10. Kết quả kiểm nghiệm độ bền cơ học cơ cấu phát động
Cơ cấu phát động đƣợc thiết kế có kích thƣớc 2cm x 5 cm, vật liệu sắt
xám. Và theo nhƣ kết quả kiểm nghiệm bằng phần mềm Inventor, cơ cấu có thể
chịu tải trọng tối đa 57540 MPa. Đối với tải trên mô hình lái xe đặt vào cơ cấu,
dựa vào sự phân bố các vùng màu trên cơ cấu sau mô phỏng cho kết quả cơ cấu
có thể hoạt động an toàn với tải trọng yêu cầu của mô hình.

Hình 2.11. Kết quả kiểm nghiệm cơ học cơ cấu thanh truyền
Cơ cấu thanh truyền đƣợc thiết kế 2cm x 40cm, chất liệu là thép cacbon.
Và theo nhƣ kết quả kiểm nghiệm bằng phần mềm Inventor, cơ cấu có thể chịu
tải trọng tối đa 20,740 MPa. Đối với tải trên mô hình lái xe đặt vào cơ cấu, sau
25