Header Page 1 of 126.

1

2

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO

Công trình ñược hoàn thành tại
ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG

ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG

VŨ TRUNG KIÊN

NGHIÊN CỨU THIẾT KẾ VÀ
CHẾ TẠO MÔ HÌNH THIẾT BỊ XÁC ĐỊNH
GÓC ĐẶT BÁNH XE Ô TÔ

Người hướng dẫn khoa học: PGS. TS. Phạm Đăng Phước

Phản biện 1: PGS.TS. Lê Cung

Phản biện 2: PGS.TS. Trần Xuân Tùy

Chuyên ngành: SẢN XUẤT TỰ ĐỘNG
Mã số: 60.52.60

Luận văn ñã ñược bảo vệ trước hội ñồng chấm Luận
văn tốt nghiệp Thạc sĩ Kỹ thuật họp tại Đại học Đà Nẵng
vào ngày 05 tháng 12 năm 2011.


tính toán góc ñặt bánh xe.

ñó, thiết bị kiểm tra góc ñặt bánh xe dùng xử lý ảnh hoặc kỹ thuật

5. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn

hồng ngoại, laser mua của nước ngoài rất ñắt tiền, vì thế việc nghiên

+ Ứng dụng vào việc rút ngắn thời gian kiểm tra, xác ñịnh góc ñặt

cứu một thiết bị xác ñịnh góc ñặt bánh xe có thể hạn chế ñược các

bánh xe; nâng cao ñộ chính xác ño lường, giảm giá thành thiết bị.

nhược ñiểm trên là việc rất cần thiết nhằm rút ngắn thời gian kiểm tra

+ Gọn nhẹ và linh hoạt, thích hợp với những gara ôtô có quy mô

và chuẩn ñoán các góc ñặt bánh xe, giảm số lượng thao tác của người

vừa và nhỏ, hoặc cá nhân sử dụng.

kiểm tra, nâng cao ñộ chính xác ño ñạc, ñồng thời có thể tích hợp vào

6. Cấu trúc của luận văn: luận văn bao gồm 4 chương

hệ thống thử phanh của công ty Dameco.

+ Chương 1: Tổng quan về các góc ñặt bánh xe ô tô, vai trò và


tính toán góc ñặt bánh xe trên ô tô.

hình thiết bị kiểm tra góc ñặt bánh xe ô tô.

+ Kiểm tra xác ñịnh góc ñặt bánh xe trên thực tế.
3. Phạm vi nghiên cứu
Đề tài chỉ giới hạn trong phạm vi xác ñịnh các góc ñặt bánh xe
camber, caster của bánh xe ô tô.
4. Phương pháp nghiên cứu
+ Nghiên cứu lý thuyết về các dạng sai lệch góc ñặt bánh xe,

Footer Page 2 of 126.

+ Chương 4: Kết quả ñạt ñược và nhận xét
Trình bày kết quả ñạt ñược, ưu nhược ñiểm và hướng phát
triển ñề tài.
( Toàn bộ bánh xe trong luận văn là ñều nói ñến bánh xe ô tô )


Header Page 3 of 126.

5

6

Chương 1. TỔNG QUAN VỀ CÁC GÓC ĐẶT BÁNH XE VÀ

Chương 3. THIẾT KẾ MÔ HÌNH THIẾT BỊ XÁC ĐỊNH GÓC



+ 2 mạch trên giao tiếp nhau thông qua module thu phát không

1.2.2. Ảnh hưởng của góc caster

dây

1.2.3. Ảnh hưởng của góc kingpin

+ Mạch giao tiếp máy tính sẽ kết nối máy tính qua cổng USB

1.2.4. Ảnh hưởng của góc chụm (hay ñộ chụm)
1.2.5. Ảnh hưởng của bán kính quay vòng

+ Chương trình giao diện tính toán trên máy tính, có thể in báo
cáo.
3.2. SƠ ĐỒ KHỐI MÔ HÌNH

1.3. NHẬN XÉT
Chương 2. MỘT SỐ PHƯƠNG PHÁP XÁC ĐỊNH GÓC ĐẶT
BÁNH XE Ô TÔ
2.1. PHƯƠNG PHÁP XÁC ĐỊNH BẰNG DỤNG CỤ CƠ KHÍ
ĐO GÓC
2.2. PHƯƠNG PHÁP XÁC ĐỊNH BẰNG KỸ THUẬT LASER
2.3. PHƯƠNG PHÁP XÁC ĐỊNH BẰNG XỬ LÝ ẢNH
2.4. NHẬN XÉT
Hình 3.1: Sơ ñồ khối mô hình

Footer Page 3 of 126.



∗ Phương pháp 3 (Freefall calibration)
∗ Phương pháp 4 (Simple 0g X, 0g Y, +1g Z calibration)
3.3.1.3. Các phương pháp xác ñịnh góc nghiêng bằng cảm biến gia

Ay
A2 x + A2 z
A2 x + A2 y

∗ Xác ñịnh góc nghiêng bằng giá trị gia tốc trên 1 trục

3.3.3. Module vi ñiều khiển

∗ Xác ñịnh góc nghiêng bằng giá trị gia tốc trên 2 trục

3.3.3.1. Giới thiệu vi ñiều khiển PIC

∗ Xác ñịnh góc nghiêng bằng giá trị gia tốc trên 3 trục

∗ Họ cấp thấp (low-end)
∗ Họ cấp chung (Mid-range)
∗ Họ cấp cao (High-end) 17Cxxx
∗ Họ cấp cao (High- performance)
3.3.3.2. Vi ñiều khiển PIC 18F2550

∗ Thông số tổng quát
∗ Sơ ñồ chân
Hình 3.13: Các góc Pitch (ρ), Roll (φ) và Theta (θ)

Footer Page 4 of 126.


3.4. THIẾT KẾ PHẦN CỨNG MÔ HÌNH

VCC

3.4.1. Mạch ñiện tử

J4
J3

VCC

D1
1N4148

3.4.1.1. Mạch thu thập dữ liệu từ cảm biến

R1 10K RST

∗ Khối nguồn

1
2
3
4
5

data
clock



IN

C3
104

OUT

3

3

VIN

VOUT

Hình 3.23: Khối nạp chương trình, khối giao tiếp với module cảm

3_3V

2

C5
C4
220uF

2

J2



GN D

1
2

U1
LM7805

SW3

9VDC

TX

104

3.4.1.2. Mạch giao tiếp máy tính
LED

∗ Khối vi ñiều khiển

D2

PIC18F2550

C1

33p


RB3/AN9/CCP2/VP0
RA3/AN3/Vref +
RB4/AN11/KBI0
RA4/T0CKI/C1OUT/RCV
RB5/KBI1/PGM
RA5/AN4/SS*/HLVDIN/C2OUT
RB6/KBI2/PGC
RB7/KBI3/PGD

8

VSS

X
Y
Z
G1
G2

VSS

33p

19

C2

21
22
23


33p

RC0/T1OSO/T13CKI
RC1/T1OSI/CCP2/UOE*
RC2/CCP1
VUSB
RC4/D-/VM
RC5/D+/VP
RC6/TX/CK
RC7/RX/DT/SD0

RB0/AN12/INT0/FLT0/SDI/SDA
RA0/AN0
RB1/AN10/INT1/SCK/SCL
RA1/AN1
RB2/AN8/INT2/VM0
RA2/AN2/Vref -/CVref
RB3/AN9/CCP2/VP0
RA3/AN3/Vref +
RB4/AN11/KBI0
RA4/T0CKI/C1OUT/RCV
RB5/KBI1/PGM
RA5/AN4/SS*/HLVDIN/C2OUT
RB6/KBI2/PGC
RB7/KBI3/PGD

TX
RX



Hình 3.24: PIC18F2550 trên mạch giao tiếp máy tính
ENB
clock
data

∗ Khối giao tiếp khác
VCC

VCC

20

C1

MCLR*/VPP/RE3

OSC1/CLKIN

VSS

9

PIC18F2550
1

OSC2/CLKOUT/RA6

Y1
20Mhz


J2
D1
1N4148

LED
VCC

R1 10K RST
data
clock

1
2
3
4
5

J1

1
2
3
4
5
6

J3
1
2

3.5.1.2. Góc caster

Mạch thu thập dữ liệu và pin cấp nguồn sẽ ñược gắn trên khung

Gắn hệ trục tọa ñộ vuông góc (x, y, z) có gốc tọa ñộ tại giao ñiểm

ñỡ ñể gá ñặt vào bánh xe. Do mạch thu thập dữ liệu khá nhỏ gọn và

P1 của trục bánh xe và trục lái, trục y trùng với trục chuyển ñộng của

pin có khối lượng nhỏ nên khung ñỡ không chịu lực nhiều. Yêu cầu

cầu, trục z là trục thẳng ñứng (hình 3.27).

thiết kế khung nhỏ gọn, thẩm mỹ, bền và có thể gá ñặt lên nhiều loại
bánh khác nhau. Từ yêu cầu ñó em ñã thiết kế khung ñỡ như hình
3.26.

Kí hiệu:
+ K: góc caster, là góc giữa trục z và hình chiếu của trục lái lên
mặt phẳng (y, z)

R15

+ S: góc nghiêng của trục lái (SAI), là góc giữa trục z và hình
60

R3

chiếu của trục lái lên mặt phẳng (x, z)

R5

lên mặt phẳng (x, y)

80

30
220

+ C0: là góc camber khi góc toe = 0
Ta có:
sin C = (cos C0 − cos C cos T ) tan S − cos C sin T tan K + sin C0

Hình 3.26: Khung ñỡ gá ñặt lên bánh xe

(3.23)

3.5. XÂY DỰNG CHƯƠNG TRÌNH XỬ LÝ DỮ LIỆU
3.5.1. Tính toán góc ñặt bánh xe
3.5.1.1. Góc camber
Đặt cảm biến xuống nền, ta ño ñược góc nghiêng của nền so với
phương nằm ngang θ.
Khi gá ñặt cảm biến lên mặt phẳng bánh xe, ta ño ñược góc
nghiêng α, trừ ñi góc θ ta ñược góc camber của bánh xe.

Hình 3.27: Hình minh họa trục lái với các góc caster,
SAI, camber và toe

Footer Page 6 of 126.


K = tan −1 (
tan S )
sin T2 − sin T1 sin T2 − sin T1
Khi ta xoay T1 = T2 thì cosT1 = cosT2, góc K trở thành:
sin C1 − sin C2
K = tan −1 (
)
sin T2 − sin T1
Ta có:

tan x ≈ x(π / 180)
sin x ≈ x(π / 180)

Hình 3.28: Tín hiệu từ cảm biến gia tốc
sau khi qua bộ lọc thông thấp

(3.26)

Ta thấy tín hiệu còn nhiều gợn sóng, kết quả sẽ không ổn ñịnh.
3.5.2.1. Giới thiệu chung về bộ lọc Kalman cho hệ tuyến tính

rời

rạc
(3.27)

Thuật toán Kalman cho hệ rời rạc như hình 3.29.

(3.28)


−
ño ñược zk. Chú ý rằng x$ k là giá trị dự ñoán ñược cập nhật từ giá

trị ước lượng x$ k −1 .
3.5.2.2. Thiết lập bộ lọc Kalman cho bài toán cảm biến
Mô hình của bài toán:

xk = Axk −1 + Buk −1 + w k −1

Hình 3.30: Tín hiệu từ cảm biến gia tốc sau khi qua bộ lọc Kalman

Với giá trị thu ñược:

3.5.3. Chương trình trên vi ñiều khiển

zk = Hxk + v k

3.5.3.1. Giới thiệu phần mềm CCS

Trạng thái không ñổi từ bước này sang bước kia nên A = 1, không
có ñiều khiển nên u = 0, ño lường trực tiếp nên H = 1, như vậy ta có:

xk = xk −1 + w k −1
zk = xk + v k

(3.34)

3.5.3.2. Lưu ñồ thuật toán chương trình thu thập dữ liệu và giao
tiếp máy tính



Footer Page 8 of 126.


Header Page 9 of 126.

17

Chương trình ngắt timer1 (hình 3.32)

18

∗ Chương trình mạch giao tiếp máy tính
Chương trình chính (hình 3.34)

Hình 3.32: Thuật toán chương trình ngắt timer1
mạch thu thập dữ liệu
Chương trình ngắt RDA (hình 3.33)

Hình 3.33: Thuật toán chương trình ngắt RDA mạch thu thập dữ liệu

Footer Page 9 of 126.

Hình 3.34: Thuật toán chương trình chính mạch giao tiếp máy tính


Header Page 10 of 126.

19


Chương trình ño góc caster (hình 3.39)

Hình 3.37: Thuật toán chương trình calib trên máy tính

Hình 3.39: Thuật toán chương trình tính góc caster trên máy tính

Footer Page 11 of 126.


Header Page 12 of 126.

23

24

3.5.4.3. Giao diện chương trình

Hình 3.43: Giao diện ño góc caster
Hình 3.40: Giao diện chính
Chương 4. KẾT QUẢ ĐẠT ĐƯỢC VÀ NHẬN XÉT
4.1. KẾT QUẢ ĐẠT ĐƯỢC
Đề tài ñã ñạt ñược những kết quả:
+ Tìm hiểu tổng quan về các góc ñặt bánh xe ô tô.
+ Xây dựng ñược biểu thức tính toán giá trị góc camber, caster.
+ Ứng dụng cảm biến gia tốc ñể xác ñịnh góc nghiêng tĩnh.
Hình 3.41: Giao diện calib cảm biến gia tốc

+ Xây dựng bộ lọc Kalman nhằm khử nhiễu từ cảm biến gia
tốc.
+ Chế tạo thành công mô hình thiết bị kiểm tra góc camber,


(ñộ)

1
2
3

1
1.78
1.11

1
2
3

7.23
8.55
3.5

Đo bằng dụng cụ
cơ khí ño góc (ñộ)
Camber
1
1.7
1.1
Caster
7.1
8.5
3.6



khá nhiều do rất nhiều nguồn nhiễu tác ñộng vào cảm biến như nhiễu

cũng ñược lập trình và hiển thị chỉ dẫn cho người dùng thông qua

từ môi trường, nhiễu nguồn cung cấp, nhiễu do quá trình xử lý… Sau

giao tiếp LCD. Khi ñó nó sẽ trở thành một thiết bị xách tay ñộc lập

khi thiết kế bộ lọc Kalman, kết quả thí nghiệm cho giá trị rất ổn ñịnh,

với máy tính, thuận lợi với những khách hàng cá nhân, có thể dùng

ñiều này sẽ nâng cao ñộ chính xác ño lường khi tiến hành ño ñạc

mọi lúc mọi nơi.

thực tế.

Ngoài ra, thiết bị còn có thể tích hợp thêm module la bàn ñiện tử
ñể việc ño góc caster ñược chính xác và thuận tiện hơn, không phải
vạch các góc lên nền. (Đề tài không sử dụng la bàn ñiện tử vì tận
dụng mâm xoay có sẵn của hệ thống thử phanh).

Footer Page 13 of 126.