ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP THIẾT KẾ THI CÔNG MÔ HÌNH CHƠI GAME TÀU LƯỢN SIÊU TỐC
NỘI DUNG ĐỒ ÁN
ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP THIẾT KẾ THI CÔNG MÔ HÌNH CHƠI GAME
I.MÔ TẢ CHỨC NĂNG
- Mô hình sử dụng để trải nghiệm cảm giác thật khi chơi game.
- Kết nối và lấy tín hiệu từ game.
II.YÊU CẦU
- Mô hình cứng vững điều khiển bởi 2 khớp.
- Chịu tải trọng 100kg.
III. NHIỆM VỤ THỰC HIỆN
- CƠ KHÍ
- Thiết kế và thi công mô hình cơ khí hoàn chỉnh.
- Thi công mô hình với 2 bậc tự do có thể điều khiển được.
- Mô hình thẩm mỹ.
- ĐIỆN, LẬP TRÌNH
- Có bản vẽ điện và đấu nối theo bản vẽ.
- Lựa chọn bộ điều khiển phù hợp.
- Lập trình kết nối với game để đọc thông số và điều khiển.
Mục Lục:
CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN THIẾT KẾ, THI CÔNG MÔ HÌNH CHƠI GAME ….1
Mô phỏng chuyển động là gì ? …………………………………………………………..1
CHƯƠNG 2: THIẾT KẾ MÔ HÌNH CHƠI GAME 2DOF …………………………..4
2.1 Yêu cầu ……………………………………………………………………………….4
2.2 Tổng quan về thiết kế ………………………………………………………………..4
2.3 Thiết kế chi tiết………………………………………………………………………6
2.3.1 Bệ cố định ………………………………………………………………………..7
2.3.2 Bệ di động ………………………………………………………………………..7
2.3.3 Tay quay …………………………………………………………………………9
2.3.4 Pat biến trở ……………………………………………………………………..10
2.3.4 Tay đòn …………………………………………………………………………11
2.3.5 Trục cardan …………………………………………………………………….12
2.3.6 Thiết kế trục động cơ …………………………………………………………..13
2.4 Tính toán chọn động cơ …………………………………………………………….14
CHƯƠNG 3. CHỌN THIẾT BỊ ĐIỆN CHO TỦ ĐIỆN …………………………….15
3.1 Các linh kiện ………………………………………………………………………..15
3.1.1 Mạch Arduino R3 ………………………………………………………………15
3.1.2 Mạch Arduino Nano CH340 …………………………………………………..16
3.1.3 Động cơ DC có giảm tốc NMRV40 ……………………………………………17
3.1.4 Biến trở 50K Ohm công nghiệp ……………………………………………….18
3.1.5 Module BTS7960 43A …………………………………………………………19
3.1.6 Terminal………………………………………………………………………..20
3.1.7 Nút nhấn khẩn cấp ……………………………………………………………..20
3.1.8 Đèn báo …………………………………………………………………………20
3.1.9 Quạt tản nhiệt 120x120mm 220V 0.14A ……………………………………...21
3.1.10 Quạt tản nhiệt cho cầu H 24V ………………………………………………..21
Loại động cơ: Không chổi than ……………………………………………………..21
3.1.11 Nguồn tổ ong 24V 15A ……………………………………………………….21
3.1.12 Solid State Relay SSR-40 DA ………………………………………………..22
3.1.13 Ổ cắm công nghiệp 3 phac 16A ………………………………………………23
3.1.14 Đầu nối dây cực kim loại GX16-3P ………………………………………….23
3.1.15 Ổ cắm gắn chìm AC WN-801 ………………………………………………..23
3.1.16 Quạt giả lập gió thổi………………………………………………………….24
3.1.17 CB đôi 10A …………………………………………………………………….24
3.2 Sơ đồ mạch điều khiển 2 động cơ ………………………………………………….25
3.3 Sơ đồ khối chức năng điều khiển …………………………………………………..26
3.4 Sơ đồ khối bộ điều kiển PID ……………………………………………………….27
3.5 Sơ đồ khối điều khiển hướng và xung ra cho động cơ ……………………………28
3.6 Bộ điều khiển PID ………………………………………………………………….29
3.7 Tủ điện ………………………………………………………………………………31
3.7.1 Chọn tủ điện kích thước 400x500x200mm ……………………………………31
3.7.2 Thiết kế lắp đặt tủ điện mô phỏng trên SOLIDWORKS …………………...32
CHƯƠNG 4: XÂY DỰNG HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN CHO MÔ HÌNH CHƠI GAME …………………………………………………………………………………..34
4.1 Giới thiệu về Simtools ………………………………………………………………34
4.2 Hướng di chuyển của tàu lượn trong SimTools …………………………………..34
4.2.1 Trình quản lý trò chơi………………………………………………………….38
4.2.2 Công cụ trò chơi SimTools Game Engine …………………………………….39
4.2.3 Công cụ trò chơi SimTools Dash Game ………………………………………40
4.3 Các bước kết nối Simtools với Nolimits 2.………………………………………...41
4.4 Cách vận hành mô hình.…………………………………………………………44
CHƯƠNG 5: KẾT QUẢ VÀ HƯỚNG NGHIÊN CỨU ……………………………...45
5.1 Kết quả đạt được ……………………………………………………………………45
5.2 Hạn chế ……………………………………………………………………………...46
5.3 Hướng phát triển …………………………………………………………………...46
TÀI LIỆU THAM KHẢO ……………………………………………………………47
PHỤ LỤC ……………………………………………………………………………….47
DANH MỤC HÌNH ẢNH
Hình 1. 1 Sáu bậc tự do trong chuyển động.. 1
Hình 1. 2 Mô hình mô phỏng sử dụng 2 DOF(1)2
Hình 1. 3 Mô hình mô phỏng sử dụng 2 DOF(2)2
Hình 1. 4 Mô hình mô phỏng game đua xe(3)3
Hình 2. 1 Tổng quan về thiết kế mô hình trên Solidworks. 4
Hình 2. 2 Vị trí ban đầu qui ước của tay quay.. 5
Hình 2. 3 Tổng thể mô hình.. 6
Hình 2. 4 Bệ cố định.. 7
Hình 2. 5 Bệ di động với tay cầm.. 8
Hình 2. 6 Pat sắt gắn với bệ di động.. 9
Hình 2. 7 Tay quay.. 9
Hình 2. 8 Tay quay khi gắn với trục động cơ.. 10
Hình 2. 9 Pat biến trở.. 10
Hình 2. 10 Tay quay gắn 2 bên trục động cơ và pat biến trở.. 11
Hình 2. 11 Khớp cầu và trục thép tròn có ren 2 đầu.. 11
Hình 2. 12 Tay đòn khi được gắn hoàn chỉnh với khớp cầu.. 12
Hình 2. 13 Trục cardan.. 12
Hình 2. 14 Khi cardan được kết nối giữa bệ cố định và bệ di động.. 12
Hình 2. 15 Kích thước trục động cơ.. 13
Hình 2. 16 Kích thước then 6x6x20mm và khoảng cách của then trên trục.. 13
Hình 2. 17 Phe cài trục Ø 17. 13
Hình 2. 18 Trục sau khi lắp then và phe cài14
Hình 2. 19 Ước lượng khoảng cách từ tâm khớp cầu tới trục động cơ.. 14
Hình 3. 1 Arduino R3. 15
Hình 3. 2 Sơ đồ chân kết nối Arduino Uno.. 16
Hình 3. 3 Arduino Nano CH340. 16
Hình 3. 4 Sơ đồ chân kết nối Arduino Nano.. 17
Hình 3. 5 Động cơ 5D300GN và hộp số NMRV40. 17
Hình 3. 6 Hình ảnh động cơ trái / phải18
Hình 3. 7 Biến trở 50k Ohm.. 18
Hình 3. 8 Biến trở gắn với trục động cơ qua khớp nối mềm.. 19
Hình 3. 9 Module BTS7960 43A.. 19
Hình 3. 10 Sơ đồ chân kết nối Module BTS7960. 19
Hình 3. 11 Terminal. 20
Hình 3. 12 Nút nhấn khẩn cấp. 20
Hình 3. 13 Đèn báo.. 20
Hình 3. 14 Quạt tản nhiệt 120x120mm 220V.. 21
Hình 3. 15 Quạt tản nhiệt 24V.. 21
Hình 3. 16 Nguồn tổ ong 24V 15A.. 21
Hình 3. 17 Rơ le bán dẫn DC SSR-40DA 40A chính hãng FOTEK - A9H20. 22
Hình 3. 18 Sơ đồ chân kết nối SSR.. 22
Hình 3. 19 Ổ cắm công nghiệp. 23
Hình 3. 20 Đầu nối dây cực kim loại23
Hình 3. 21 Ổ cắm găn chìm AC WM-801. 23
Hình 3. 22 Quạt. 24
Hình 3. 23 CB đôi 10A.. 24
Hình 3. 24 Sơ đồ mạch điều khiển 2 động cơ.. 25
Hình 3. 25 Sơ đồ khối chức năng điều khiển.. 26
Hình 3. 26 Sơ đồ khối chức năng điều khiển.. 27
Hình 3. 27 Sơ đồ khối điều khiển hướng và xung động cơ.. 28
Hình 3. 28 Sơ đồ khối của bộ P.I.D điều khiển động cơ DC.. 29
Hình 3. 29 Các thông số đặc trưng cho mức ổn định của hệ thống.. 30
Hình 3. 30 Mặt trước tủ điện.. 31
Hình 3. 31 Các thiết điện bên trong tủ điện.. 32
Hình 3. 32 Mặt bên của tủ điện.. 33
Hình 4. 1 Xe rẽ trái35
Hình 4. 2 Xe rẽ phải35
Hình 4. 3 Xe xuống dốc( cả 2 động cơ đi lên)36
Hình 4. 4 Xe lên dốc( cả 2 động cơ di xuống)36
Hình 4. 5 Xe nghiêng trái37
Hình 4. 6 Xe nghiêng phải38
Hình 4. 7 Giao diện trình quản lý trò chơi38
Hình 4. 8 Thiết lập trục giả lập cho công cụ trò chơi39
Hình 4. 9 Cài đặt giao tiếp với các thiết bị khác cho công cụ trò chơi40
Hình 4. 10 Chế độ chạy và tinh chỉnh thử bằng tay.. 40
Hình 4. 11 Thiết lập dữ liệu giả lập cho công cụ trò chơi41
Hình 4. 12 Cài đặt giao tiếp với các thiết bị khác cho công cụ trò chơi41
Hình 4. 13 SimTools Plugin Updater.. 42
Hình 4. 14 Nolimits2-Shortcut Properties. 42
Hình 4. 15 Giao diện Interface 1 của Simtools.43
Hình 4. 16 Cấu hình cơ bản của giao diện Interface 1 của Simtools.43
Hình 4. 17 Cài đặt dữ liệu truyền.. 44
Hình 5 1 Tổng quan mô hình.. 45
DANH MỤC BẢNG
Bảng 1 1 So sánh ưu nhược điểm của hệ thống mô phỏng từ 2-6 DOF. 2
Bảng 3. 1 Thiết bị trong tủ điện.. 15
Bảng 3. 2 So sánh thông số PID.. 30
DANH MỤC CHÚ THÍCH
(1): https://motionforsimulators.com/2dofs3dofmotionplatforms/
(2): https://active-game.com/2dof-platform/
(3): https://www.reddit.com/r/simracing/comments/127h45e/its_race_week_heres_a_lap_of_albert_park_in_my_2/
LỜI NÓI ĐẦU
Công nghệ Kỹ thuật Cơ điện tử, một ngành học kết hợp đa dạng từ các ngành kỹ thuật khác, tập trung chuyên sâu vào nền tảng kỹ thuật cơ khí và điện tử. Bên cạnh đó cũng bao gồm việc kết hợp kỹ thuật robot, điện, công nghệ thông tin, truyền thông, hệ thống, kỹ thuật điều khiển và vận hành, kỹ thuật sản xuất. Công nghệ kỹ thuật ngày càng tiến bộ và luôn luôn phát triển qua thời gian, nhiều lĩnh vực mới xuất hiện tạo nên sự đa dạng, phong phú trong kỹ thuật. Và cơ điện tử được tạo ra để kết hợp những lĩnh vực đó lại với nhau, thống nhất làm một.
Sự hạn chế của công nghệ 2D trở thành 1 rào cản cho sự phát triển, nó không phát huy được hết các ưu điểm của các hệ thống mô phỏng. Công nghệ mô phỏng 3D là bước tiến tiếp theo, về thực tế công nghệ 3D đã hầu như khắc phục được các yếu điểm của công nghệ mô phỏng 2D như: các điểm khuất, góc khuất khi mô phỏng lại các vật thể, máy móc,không gian. Với Công nghệ 3D, các mô phỏng, góc nhìn, tương tác không còn bị hạn chế nữa. Mọi thứ có thể biểu diễn trong không gian 3 chiều và xử lý hầu như dưới mọi góc độ vị trí.
Với sự phát triển công nghệ như hiện nay, việc phát triển các hệ thống mô phỏng trở nên dễ dàng hơn, cùng với đó các dự án đào tạo, huấn luyện, thực hành đặc biệt là nhu cầu giải trí.
Trong các môi trường cần thực hành trải nghiệm mà thiết bị, công cụ, máy móc không đủ, không gian thực hành bị hạn chế do điều kiện thực tế không thể tiếp cận, hoặc giá thành quá cao…
Các dự án mô phỏng thực tế ảo là giải pháp công nghệ tốt nhất hiện nay cho việc đào tạo và vui chơi giải trí, nâng cao chất lượng cuộc sống về mặt tinh thần và giảm chi phí, đặc biệt phù hợp với xu hướng công nghệ hiện nay.
CHƯƠNG 1:TỔNG QUAN THIẾT KẾ, THI CÔNG MÔ HÌNH CHƠI GAME
Mô phỏng chuyển động là gì ?
Mô phỏng chuyển động (Motion Simulation) hoặc nền tảng chuyển động
(Motion Platform ) là một cơ chế tạo cảm giác về chuyển động trong hệ thống mô phỏng lái. Giúp người sử dụng có thêm cảm giác về chuyển động ngoài cảm giác có được từ các hình ảnh 3D, từ đó để cải thiện chất lượng mô phỏng cho hệ thống giúp người dùng có được trải nghiệm như đang lái xe trong một môi trường thật. Trong một trình mô phỏng, chuyển động được đồng bộ hóa với màn hình/ kính thực tế ảo hiển thị hình ảnh thế giới bên ngoài. Hệ thống còn cung cấp các chuyển động cho 2 bậc tự do (Degress Of Freedom - DOF) 2 DOF gồm 2 bật tự do quay theo Ox (Roll) và quay theo Oy (Pitch). Khả năng mô phỏng phụ thuộc vào số bậc tự do(DOF) mà robot có thể cung cấp. Bậc tự do càng nhiều thì mô phỏng càng chân thực, chất lượng mô phỏng càng đảm bảo, nhưng gây khó khăn cho khâu thiết kế và tính toán.
Hình 1. 1 Sáu bậc tự do trong chuyển động
Bảng 1 1 So sánh ưu nhược điểm của hệ thống mô phỏng từ 2-6 DOF
Hình 1. 2 Mô hình mô phỏng sử dụng 2 DOF(1)
Hình 1. 3 Môhình mô phỏng sử dụng 2 DOF(2)
Hình 1. 4 Mô hình mô phỏng game đua xe(3)
CHƯƠNG 2: THIẾT KẾ MÔ HÌNH CHƠI GAME 2DOF
2.1 Yêu cầu
- Khối lượng yêu cầu của người sử dụng: <=75kg
- Giới hạn góc quay :
- Động cơ trái: φmin = 40°, φmax=160°
- Động cơ phải: φmin = 40°, φmax=160°
- Góc nghiêng của mặt bàn:
- Mặt bàn xoay theo trục X : ±17°
2.2 Tổng quan về thiết kế
Hình 2. 1 Tổng quan về thiết kế mô hình trên Solidworks
|
1: Tay cầm 2: Bệ di dộng 3: Bệ cố định |
4: Trục cardan 5: Tay quay 6: Khớp cầu |
7: Động cơ 8: Tay đòn
|
Hệ thống thiết kế chỉ dành cho người có khối lượng tối đa là 75kg sử dụng, tải trọng thuộc loại vừa nên ta sẽ lựa chọn thiết kế chân dẫn động là tay quay động cơ kết hợp với thanh đòn có hai đầu gắn khớp cầu. Động cơ được đặt ở hai bên khung của bệ cố định để tăng độ vững, tránh bị lật trong quá trình hoạt động.
Hình 2. 2 Vị trí ban đầu qui ước của tay quay
Giới hạn góc quay của tay quay động cơ: φmin = 40°, φmax=160°
Tương đương hmin=280mm, hmax=580mm (khoảng cách mặt bàn tới đế cố định khi trục di chuyển lên/xuống).
Qui ước vị trí 0 của động cơ, tất cả tay quay đều nằm ngang. Lúc này kích thước của mô hình:
- Chiều cao cao nhất H=1200mm (chiều cao từ khung đế dưới lên đến điểm cao nhất của tay cầm).
- Chiều cao từ đế đến mặt bàn h=430mm
- Rộng nhất W=1000mm
- Dài nhất L=1000mm
2.3 Thiết kế chi tiết
Hình 2. 3 Tổng thể mô hình
2.3.1 Bệ cố định
- Gồm các chi tiết cấu tạo thành:
- Khung đế cố định dưới
- Trục cardan
- 2 Động cơ
- Tay quay
- Pat cố định biến trở
- Nhiệm vụ chính của bệ cố định :
- Làm trụ vững cho cả hệ thống thiết bị
- Là vị trí đặt động cơ và thiết bị kết nối
- Cấu tạo gồm các thanh thép hộp 40x20 được hàn cứng với nhau tạo thành một khối như hình.
Hình 2. 4 Bệ cố định
2.3.2 Bệ di động
- Gồm các chi tiết tạo thành:
- Khung trên
- Tay cầm
- Mặt bàn
- Tay đòn
- Nhiệm vụ:
Là khung sắt cứng vững, chịu tải cao để người chơi có thể đứng lên được, đồng thời được hàn cứng với khung tay cầm lại với nhau để người trải nghiệm có điểm tựa đảm bảo sự an toàn.
Tương tự bệ cố định, bệ di động được cấu tạo từ các thanh thép hộp 40x20 hàn cứng lại với nhau tạo thành một khối như hình.
Hình 2. 5 Bệ di động với tay cầm
Bệ di động được hàn cứng với pat bắt khớp cầu, pat gắn với khớp cầu qua bulong và đai ốc. Cần cố định vị trí khớp cầu để khi chuyển động khớp cầu có không gian hoạt động lớn nhất.
Hình 2. 6 Pat sắt gắn với bệ di động
2.3.3 Tay quay
Hình 2. 7 Tay quay
Chiều dài : 140mm
Chiều rộng lớn nhất nhất: 50mm
Chiều rộng nhỏ nhất: 32mm
Đường kính lỗ: 16mm
Đường kính bulong: 18mm
Số lượng: 2 cái
Tay quay dùng để truyền chuyển động từ trục động cơ ra tay đòn. Được chế tạo từ sắt ghép nối với trục động cơ bằng bulong (M18) cố định và một bulong kẹp chặt. Ghép nối với khớp cầu qua bulong và đai ốc (M16).
Hình 2. 8 Tay quay khi gắn với trục động cơ
2.3.4 Pat biến trở
|
Hình 2. 9 Pat biến trở |
Công dụng: Dùng cố định bién trở với khớp nối mềm và trục động cơ. Chiều cao: 90mm Chiều rộng:40mm Số lượng: 2 cái Đường kính lỗ gắn biến trở : 9mm
|
Hình 2. 10 Tay quay gắn 2 bên trục động cơ và pat biến trở
2.3.4 Tay đòn
Tay đòn dùng để truyền chuyển động từ tay quay tới bệ di động.
Khớp cầu dùng để kết nối truyền động giữa tay quay và khung trên. Có trục ren ở giữa để có thể tăng chỉnh được độ dài của tay đòn.
Cấu tạo gồm 2 khớp cầu M16 gắn ở 2 đầu một trục thép tròn có ren 2 đầu, chiều dài tay đòn có thể thay đổi được do hai đầu ren có thể tăng chỉnh.
Hình 2. 11 Khớp cầu và trục thép tròn có ren 2 đầu
Hình 2. 12 Tay đòn khi được gắn hoàn chỉnh với khớp cầu
2.3.5 Trục cardan
Trục cardan là một chi tiết có thể dùng để truyền chuyển động, truyền lực mà trong qua trình vận hành luôn có vị trí tay đổi. Cardan được chọn là của phụ tùng xe hơi chịu tải lên đến 500kg.
Hình 2. 13 Trục cardan
Hình 2. 14 Khi cardan được kết nối giữa bệ cố định và bệ di động
2.3.6 Thiết kế trục động cơ
Trục dùng để truyền lực từ động cơ và hộp số cho ra lực tay quay để dẫn động cho bệ trên di chuyển.
Trục có chiều dài: 178.5mm
Đường kính trục: 18mm, bước ren 2.5mm
Gối cố định: đường kính 25x5mm
Rãnh cài phe: đường kính 17mm, rộng 1.3mm, độ sâu 0.3mm
Rảnh then : 6x6x20mm
Hình 2. 15 Kích thước trục động cơ
Hình 2. 16 Kích thước then 6x6x20mm và khoảng cách của then trên trục
Then dùng để cố định trục với hộp số động cơ qua rãnh then.
Hình 2. 17Phe cài trục Ø 17
Phe cài dùng để cài cố định trục động cơ không cho trục di chuyển tới lui.
Hình 2. 18 Trục sau khi lắp then và phe cài
2.4 Tính toán chọn động cơ
Theo quy ước động cơ đặt tại điểm ban đầu tại vị trí 0.
Hình 2. 19 Ước lượng khoảng cách từ tâm khớp cầu tới trục động cơ
Qua phần mềm thiết kế Solidworks, ta ước lượng được khối lượng bệ di chuyển là M1 = 25 kg. Khối lượng người sử dụng tối đa là M2 = 75 kg. Giả sử rằng mỗi điểm tâm khớp chịu một lực F = ( M1 + M2 ). g/2 . Sử dụng phần mềm, ta đo được khoảng cách từ tâm khớp cầu tới trục động cơ là l= 100mm
Bỏ qua tác động của tay đòn và tay quay
Momen đặt lên động cơ:
Tính công suất chọn động cơ:
Chọn động cơ có số vòng quay là: vòng/phút
Vì vậy, chọn động cơ có P=300W,có số vòng quay là 1800 vòng/phút và hộp giảm tốc có tỉ số truyền là.
CHƯƠNG 3. CHỌN THIẾT BỊ ĐIỆN CHO TỦ ĐIỆN
3.1 Các linh kiện
|
STT |
Tên gọi |
Số lượng |
|
1 |
Mạch Arduino R3 |
1 |
|
2 |
Mạch Arduino Nano |
1 |
|
3 |
Động cơ 5D300GN-RV40 |
2 |
|
4 |
Biến trở công nghiệp 50K Ohm |
2 |
|
5 |
Nút nhấn khẩn cấp |
1 |
|
6 |
Bộ nguồn tổ ong 24V 15A |
2 |
|
7 |
Module BTS7960 43A |
2 |
|
8 |
Đèn báo hiệu |
1 |
|
9 |
Quạt tản nhiệt 120x120mm 220V |
1 |
|
10 |
Quạt tản nhiệt cho cầu H 24V |
2 |
|
11 |
Quạt giả lập gió thổi |
1 |
|
12 |
Terminal |
3 |
|
13 |
CB đôi 10A |
1 |
|
14 |
SSR |
1 |
|
15 |
Ổ cắm công nghiệp 3 pha 16A |
1 |
|
16 |
Đầu nối dây cực kim loại GX16-3P |
2 |
|
17 |
Ổ cắm gắn chìm AC WN-801 |
1 |
Bảng 3. 1 Thiết bị trong tủ điện
3.1.1 Mạch Arduino R3
Hình 3. 1 Arduino R3
Mạch Arduino R3 được sử dụng để nhận dữ liệu vị trí từ máy tính, kết nối qua cổng uart và điều khiển động cơ DC qua chân I/O và chân băm xung và truyền tín hiệu đến mạch cầu để điều khiển động cơ và nhận phản hồi vị trí qua các chân analog.
Hình 3. 2 Sơ đồ chân kết nối Arduino Uno
3.1.2 Mạch Arduino Nano CH340
Hình 3. 3 Arduino Nano CH340
Mạch Arduino Nano được sử dụng để nhận dữ liệu tốc độ từ máy tính, kết nối qua cổng uart và điều khiển động cơ quạt AC qua chân I/O và chân băm xung và truyền tín hiệu đến SSR để điều khiển tốc độ quạt.
Hình 3. 4 Sơ đồ chân kết nối Arduino Nano
3.1.3 Động cơ DC có giảm tốc NMRV40
Động cơ DC hoạt động khi đặt điện áp một chiều vào động cơ và một dòng điện một chiều sẽ chạy qua động cơ, động cơ sẽ chạy theo chiều đó. Nếu đảo chiều của dòng điện thì motor sẽ quay ngược lại.
Hình 3. 5 Động cơ 5D300GN và hộp số NMRV40
|
|
Hình 3. 6 Hình ảnh động cơ trái / phải
3.1.4 Biến trở 50K Ohm công nghiệp
Hình 3. 7 Biến trở 50k Ohm
Biến trở có 3 chân VCC, GND và Signal là chân lấy điện áp thay đổi. Biến trở được nối với trục động cơ, khi trục động cơ quay biến trở làm thay đổi giá trị chân Signal. Điện áp này được kết nối với chân analog của Arduino để làm tín hiệu phản hồi đo vị trí của động cơ. Nếu núm vặn ở vị trí 1 thì điện áp ra là thấp nhất, do điện trở là cao nhất, tương ứng với điện áp đầu Output là 0V, nếu núm vặn ở vị trí 3 thì điện áp là cao nhất, do điện trở là thất nhất, tương ứng với điện áp đầu ra chân Output là 5V. Khi truyền điện áp chân Output vào chân analog của Arduino sẽ biến đổi điện áp (0V~5V) thành tín hiệu analog (0~1023).
Hình 3. 8 Biến trở gắn với trục động cơ qua khớp nối mềm
3.1.5 Module BTS7960 43A
Hình 3. 9 Module BTS7960 43A
Mỗi mạch điều khiển động cơ DC BTS7960 43A có khả năng nhận tín hiệu PWM từ Arduino để điều khiển động cơ.
Hình 3. 10 Sơ đồ chân kết nối Module BTS7960
|
Hình 3. 11 Terminal Dùng để mở rộng chân kết nối. |
Thông số kỹ thuật: Hướng cắm dây: thẳng Dòng định mức: 15A Điện áp định mức: 600V Vật liệu tiếp điểm: Đồng Ốc: M3 Số hàng chân: 2 Vật liệu cách điện: Nhựa chịu nhiệt
|
3.1.6 Terminal
3.1.7 Nút nhấn khẩn cấp
|
Hình 3. 12 Nút nhấn khẩn cấp Dùng để ngắt nguồn động lực khi có sự cố. |
Thông số kỹ thuật:
|
3.1.8 Đèn báo
|
Hình 3. 13 Đèn báo Dùng báo tín hiệu khi có nguồn vào. |
Thông số kỹ thuật: Điện áp: 220V Hiệu ứng: Không chớp Màu sắc: Xanh lá Đường kính: 22mm Chiều cao: 30mm Chiều dài : 52MM |
3.1.9 Quạt tản nhiệt 120x120mm 220V 0.14A
|
Hình 3. 14 Quạt tản nhiệt 120x120mm 220V Tản nhiệt cho tủ điện. |
Thông số kỹ thuật:
|
3.1.10 Quạt tản nhiệt cho cầu H 24V
|
Hình 3. 15 Quạt tản nhiệt 24V Tản nhiệt cho Module BTS7960 43A.
|
Thông số kỹ thuật: Điện áp: 24VDC Kích thước: 50x50x15mm Loại động cơ: Không chổi than |
3.1.11 Nguồn tổ ong 24V 15A
Nguồn tổ ong 24V 15A có điện áp đầu vào 110 – 220VAC có thể điều chỉnh bằng công tắc gạt, công suất: 360W, kích thước: 215x115x50mm
Hình 3. 16 Nguồn tổ ong 24V 15A
Nguồn tổ ong 24V 15A là bộ nguồn với thiết kế vỏ ngoài bằng kim loại với những khe tản nhiệt được thiết kế hợp lý giúp cho tuổi thọ của Nguồn tổ ong 24V 15A lên đến 20.000h.
Thông số kỹ thuật:
Điện áp đầu vào: 110 – 220VAC chỉnh bằng công tắc gạt
- Công suất: 360W
- Dòng đầu ra tối đa: 15A
- Nhiệt độ làm việc: -10 ~ 60 độ C
- Kích thước: 215x115x50mm
3.1.12 Solid State Relay SSR-40 DA
Hình 3. 17 Rơ le bán dẫn DC SSR-40DA 40A chính hãng FOTEK - A9H20
Relay bán dẫn với điện áp đầu vào DC Input 4~32VDC, đầu ra đóng ngắt tải AC mắc nối tiếp 24~380VAC dòng điện tối đa 40A (theo thông số nhà SX), Relay SSR thường được thiết kế như một công tắc bật tắt đơn giản với đầu cực nguồn và đầu cực tải có nhiệm vụ chuyển đổi khi tín hiệu điều khiển bên ngoài được chuyển đến rơle qua một đầu cực khác. Khi điều này xảy ra thì việc chuyển đổi xảy ra rất nhanh và tải được cấp nguồn.
Hình 3. 18 Sơ đồ chân kết nối SSR
3.1.13 Ổ cắm công nghiệp 3 phac 16A
|
Hình 3. 19 Ổ cắm công nghiệp Dùng kết nối nhanh hai động cơ với tủ điện. |
Thông số kĩ thuật: Kích thước chui cắm : 122x49mm Kích thước ổ cắm: 70x56mm Phích cắm công nghiệp 4 pha 16A có lớp polyamide 6 bọc bên ngoài giúp sản phẩm cách nhiệt tốt, chịu được va chạm hay chống mài mòn khi sử dụng. |
3.1.14 Đầu nối dây cực kim loại GX16-3P
|
Hình 3. 20 Đầu nối dây cực kim loại GX16-3P Đầu kết nối nhanh cho dây biến trở. |
Thông số kĩ thuật (jack cái):
Thông số kĩ thuật (jack đực):
|
3.1.15 Ổ cắm gắn chìm AC WN-801
|
Hình 3. 21 Ổ cắm găn chìm AC WM-801 Để kết và cấp nguồn với quạt mô phỏng. |
Thông số kĩ thuật: Kích thước: 36x36mm Số chân: 3mm Dòng điện địch mức: 13A/250VAC Phương pháp lắp đặt: Gắn chìm hộp
|
3.1.16 Quạt giả lập gió thổi
|
Hình 3. 22 Quạt |
Điện áp: 220V Chức năng: tạo gió gải lập gió cho game. |
3.1.17 CB đôi 10A
|
Hình 3. 23 CB đôi 10A Dùng đóng ngắt nguồn tủ điện. |
Số cực: 2P Dòng điện định mức: 10A Dòng cắt ngắn mạch: 4.5kA Đặc tính cắt: Loại C Điện áp định mức: 230/400VAC Bề rộng 1 cực: 18mm
|
3.2 Sơ đồ mạch điều khiển 2 động cơ
Hình 3. 24 Sơ đồ mạch điều khiển 2 động cơ
Chân VCC của chiết áp và chân VCC của mạch cầu H DC BTS7960 nối vào nguồn 5V của Arduino R3
Chân GND của chiết áp và chân GND của mạch cầu H DC BTS7960 nối vào nguồn GND của Arduino R3
Chân số 6 và số 9 của arduino R3 nối vào RPWM1 và LPWM1 của mạch cầu H
Chân số 10 và số 11 của arduino R3 nối vào RPWM2 và LPWM2 của mạch cầu H
Chân số A0 và A1 của arduino R3 nối vào hai chân tín hiệu của chiết áp
3.3 Sơ đồ khối chức năng điều khiển
Hình 3. 25 Sơ đồ khối chức năng điều khiển
Khi bắt đầu, arduino sẽ cấu hình các chân để có thể điều khiển được động cơ và đọc được tín hiệu Analog. Chờ khoảng thời gian lấy mẫu, Arduino sẽ đọc tín hiệu vị trí hiện tại của động cơ 1. Nếu vị trí nằm trong khoảng cho phép, Arduino sẽ tính toán tín hiệu điều khiển thông qua bộ điều khiển PID và xuất ra điện áp điều khiển vị trí cũng như hướng quay của động cơ. Nếu ngoài khoảng cho phép thì sẽ tắt động cơ. Tiếp theo, Arduino sẽ kiểm tra xem có lệnh điều khiển từ Simtools thông qua kiểm tra trạng thái cổng truyền thông UART, nếu có sẽ thực hiện theo trình tự nhận dữ liệu, phân tích và xử lý dữ liệu nhận được, phản hồi lại các thông tin về Simtools. Nếu không có tín hiệu từ Simtools, Arduino sẽ bỏ qua các bước trên gửi lại phản hỏi ngay lập tức. Đối với lần bắt đầu khởi động, Arduino sẽ khởi tại giá trị vị trí điều khiển là giá trị vị trí cân bằng nên khi hệ thống có điện tất cả các động cơ sẽ được điều khiển về vị trí cân bằng sau đó mới nhận các lệnh điều khiển từ Simtool.
3.4 Sơ đồ khối bộ điều kiển PID
Hình 3. 26 Sơ đồ khối chức năng điều khiển
Để tính toán tín hiệu đầu ra của bộ điều khiển PID, nhận vị trí hiện tại của motor (Input) và vị trí cần đặt trước (Setpoint)
Sau đó tính toán bằng bộ PID để được tín hiệu output
3.5 Sơ đồ khối điều khiển hướng và xung ra cho động cơ
Hình 3. 27 Sơ đồ khối điều khiển hướng và xung động cơ
Khi bắt đầu, chương trình sẽ kiểm tra vị trí hiện tại của động cơ có nằm trong phạm vi Input max không, nếu nằm trong phạm vi này arduino sẽ xuất ra tín hiệu điều khiển với hướng ngược lại để cản trở động cơ đến giới hạn Max Limits trên. Tương tự arduino kiểm tra xem vị trí hiện tại của động cơ có nằm trong phạm vi Input min, nếu nằm trong phạm vi này arduino sẽ xuất ra tín hiệu điều khiển để cản trở động cơ đến giới hạn Max Limits dưới. Nếu tín hiệu vị trí cần đạt được và vị trí hiện tại không bằng nhau, nếu đúng thì gán tín hiệu điều khiển bằng tín hiệu PWM. Trường hợp vị trí mục tiêu và tín hiệu hiện tại bằng nhau, arduino sẽ dừng động cơ.
3.6 Bộ điều khiển PID
Hình 3. 28 Sơ đồ khối của bộ P.I.D điều khiển động cơ DC
Công thức:
- e: Sai số giữa tín hiệu đặt và tín hiệu thực tế
- u: tín hiệu điều khiển hệ thống.
- Khâu tỷ lệ:
+ Kp: Hệ số tỷ lệ. Khi Kp tăng sẽ giúp hệ thống đáp ứng nhanh nhưng có sai số xác lập lớn, Kp lớn thì e(t) nhỏ cũng làm u tăng lên nhanh. Hệ thống sẽ vọt lên nhanh chóng để làm e(t) càng nhỏ càng tốt. Nhưng nếu tăng quá nhanh sẽ sinh ra vọt lố, làm hệ thống mất ổn định.
- Khâu tích phân:
+ Ki: Hệ số tích phân. Khi Ki tăng sẽ giúp sai số xác lập nhỏ (tăng nhanh đến tín hiệu đặt), nếu Ki quá lớn sẽ có vọt lố, gây ra dao động, hệ mất ổn định.
- Khâu vi phân:
+ Kd: Hệ số vi phân là tốc độ thay đổi của sai số e. Khi Kd lớn hệ số sẽ chậm phản hồi có thể dẫn đến nhiều nhưng sẽ ổn định hơn, giảm độ vọt lố.
|
Tham số tăng |
Thời giam tăng (Rise time) |
Độ vọt lố (Overshoot) |
Thời gian quá Độ(Setting time) |
Sai số xác lập (Steady-state-error) |
|
Kp |
Giảm |
Tăng |
Ít thay đổi |
Giảm |
|
Ki |
Giảm |
Tăng |
Tăng |
Giảm nhiều |
|
Kd |
Ít thay đổi |
Giảm |
Giảm |
Ít thay đổi |
Bảng 3. 2 So sánh thông số PID
Hình 3. 29 Các thông số đặc trưng cho mức ổn định của hệ thống
Do điều chỉnh PID từng thông số PID thủ công sẽ phức tạp và mất thời gian nên sử dụng phần mềm để có thể tìm được Ki, Kp, Kd nhanh và gần đúng nhất.
3.7 Tủ điện
3.7.1 Chọn tủ điện kích thước 400x500x200mm
Hình 3. 30 Mặt trước tủ điện
3.7.2 Thiết kế lắp đặt tủ điện mô phỏng trên SOLIDWORKS
Hình 3. 31 Các thiết điện bên trong tủ điện
Hình 3. 32 Mặt bên của tủ điện
CHƯƠNG 4: XÂY DỰNG HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN CHO MÔ HÌNH CHƠI GAME
4.1 Giới thiệu về Simtools
Simtools là một phần mềm mô phỏng chuyển động chung có thể điều khiển bằng nhiều giao diện phần cứng như bộ truyền động arduino, simAxe, JRK, SCN5.
Phần mềm này là liên kết kết nối giữa trò chơi và trình mô phỏng chuyển động.
Nó trích xuất các giá trị trò chơi như lực tốc độ, hướng chuyển động, chuyển số, tốc độ quay của động cơ, lực tăng tốc và nhiều hơn nữa. Sau đó, tất cả các giá trị này sẽ được trộn vào một tập dữ liệu được sử dụng để điều khiển các động cơ của trình mô phỏng chuyển động
Có những sản phẩm phần mềm khác như SimTools trên thị trường(BFF, X- Sim), nhưng SimTools sở hữu một số ưu điểm:
l Rất dễ sử dụng.
l Cộng đồng hỗ trợ lớn.
l Hỗ trợ hơn 95% các trò chơi đua xe tàu lượn và lái máy bay phổ biến nhất hiện nay.
l Hỗ trợ đa dạng các bộ truyền động, nhiều DOF,…
Bộ công cụ simtools bao gồm 3 các công cụ chính:
- Game PluginUpdater: cài đặt plugin trò chơi.
- Game Manager: cài đặt đường dẫn kết nối với game, cài đặt trích xuất dữ liệu từ game, Ip và cổng UDP để Game Plugin gửi dữ liệu.
- Game Engine: Cài đặt trục, tạo bộ lọc, cài đặt giao diện giao tiếp(NET,SCN,SER…), chạy thử kiểm tra trục.
- Game Dash: trích xuất các giá trị nâng cao hơn của trò chơi.
4.2 Hướng di chuyển của tàu lượn trong SimTools
Mỗi chuyển động của tàu lượn được phân tích thành các chuyển động cơ bản:
Xe rẽ trái: Thanh Sway di chuyển sang trái, động cơ trái hướng xuống, động cơ phải hướng lên.
Hình 4. 1 Xe rẽ trái
Xe rẽ phải: Thanh Sway di chuyển sang phải, động cơ trái hướng lên, động cơ phải hướng xuống.
Hình 4. 2 Xe rẽ phải
Lái xe xuống dốc → thanh Pitch di chuyển sang trái, cả 2 động cơ hướng lên.
Hình 4. 3 Xe xuống dốc( cả 2 động cơ đi lên)
Lái xe lên dốc → thanh Pitch di chuyển sang phải, cả 2 động cơ hướng xuống.
Hình 4. 4 Xe lên dốc( cả 2 động cơ di xuống)
Lái xe nghiêng trái → thanh Roll di chuyển sang trái, động cơ trái hướng xuống, động cơ phải hướng lên.
Hình 4. 5 Xe nghiêng trái
Lái xe nghiêng phải → thanh Roll di chuyển sang phải, động cơ trái hướng lên động cơ trái hướng xuống.
4.2.1 Trình quản lý trò chơi
Sau khi cài đặt plugingame, mở Game Manager để kết nối giữa trò chơi và Công cụ trò chơi (SimTools Game Engine). Trích xuất và cung cấp các lực mô phỏng trò chơi cho SimTools GameEngine.
Hình 4. 7 Giao diện trình quản lý trò chơi
Trình quản lý trò chơi là một ứng dụng hay hệ thống với quyền truy cập nhanh vào các công cụ cần thiết dể quản lý trải nghiệm giả lập. Nó cung cấp một cách dễ dàng để chọn cấu hình chuyển động bạn muốn sử dụng với bất kỳ trò chơi nào được SimTools hỗ trợ.
Quản lý trò chơi cho phép bạn tạo, xóa và chỉnh sửa tất cả các hồ sơ. Nó cũng cung cấp quyền truy cập vào Patching Game và bất kỳ thông tin bổ sung và cài đặt được sử dụng cho một trò chơi cụ thể.
Cài đặt game cho chuyển động( Nolimits2) tại đường dẫn Patch
Biên tập trò chơi: Cài đặt và điều chỉnh các lực mô phỏng chuyển động có thể được trích xuất từ game bao gồm : Roll, pitch, yaw, heave, surge, sway, Extral1,
Extra2, Extra3( xem danh pháp chuyển động trong Simtools).
4.2.2 Công cụ trò chơi SimTools Game Engine
Thiết lập trục giả lập: Nếu trình giả lập của được cung cấp bởi mốt số thiết bị truyền động (nhiều DOF). Hãy xem rằng mỗi cơ cấu chấp hành ( động cơ) được Sim Tools xem là một “Trục”. SimTools có thể trích xuất tối đa 9 dữ liệu từ xa (“DOF 1” đến “DOF 9”) từ các trò chơi và có thể xử lý tối đa 6 bộ truyền động(“Axis1a” đến “Axis6a”).
Bước này sẽ chỉ ra cho Công cụ Sim việc trộn dữ liệu để vận hành trước khi gửi
hướng dẫn đến giao diện của trình giả lập cùng với cấu hình giả lập.
Hình 4. 8 Thiết lập trục giả lập cho công cụ trò chơi
Giao tiếp với trình giả lập: Simtools hỗ trợ 6 giao diện khác nhau từ Interface 1 đến Interface 6. Các loại giao diện có thể chọn là Net - Giao diện cần được kết nối qua địa chỉ IP, SCN - để sử dụng bộ truyền động tuyến tính servo SCN5 / SCN6, cuối cùng là tất cả các thiết bị được kết nối Ser-serial.
Hình 4. 9 Cài đặt giao tiếp với các thiết bị khác cho công cụ trò chơi
Kiểm tra đầu ra: Bắt đầu thử nghiệm chuyển động và tinh chỉnh cho nền tảng mô phỏng. Có 2 chế độ chạy kiểm tra là trục thực ( Axis output) - điều khiển mỗi động cơ và trục ảo (DOF Output) - điều khiển mỗi tư thế.
Hình 4. 10 Chế độ chạy và tinh chỉnh thử bằng tay
4.2.3 Công cụ trò chơi SimTools Dash Game
Tương tự như công cụ trò chơi Simtools Game Engine, Simtools Dash game cũng là công cụ trích xuất các thông số của game. Nhưng đây là các dữ liệu nâng cao hơn của công cụ Simtools Game Engine
Hình 4. 11 Thiết lập dữ liệu giả lập cho công cụ trò chơi
Giao tiếp với trình giả lập Simtools hỗ trợ 20 giao diện khác nhau từ Dash1 đến Dash20.
Hình 4. 12 Cài đặt giao tiếp với các thiết bị khác cho công cụ trò chơi
4.3 Các bước kết nối Simtools với Nolimits 2.
Liên kết Nolimits 2 với Simtools qua phần mềm Simtools Plugin Updater: kéo và thả file game plugin của Nolimits 2 vào khung phần mềm Simtools Plugin Updater.
Hình 4. 13 SimTools Plugin Updater
Để Simtools đọc được dữ liệu của Nolimits 2:
l Tạo file Shortcut của Nolimits 2.
l Thêm “--telemetry” vào đuôi mục Target trong mục Shortcut của phần Properties.
Hình 4. 14 Nolimits2-Shortcut Properties
Cài đặt plugin Nolimits 2 trong giao diện Interface 1 của Simtools.
Hình 4. 15 Giao diện Interface 1 của Simtools.
Cấu hình cơ bản:
Hình 4. 16 Cấu hình cơ bản của giao diện Interface 1 của Simtools.
Dữ liệu đầu vào: từ Simtools
Cài đặt cổng nối tiếp ra với Arduino
Dữ liệu truyền cho Arduino qua cổng COM có dạng chuỗi:
PC
Trong đó là dữ liệu vị trí mỗi động cơ được mã hóa.
Hình 4. 17 Cài đặt dữ liệu truyền
4.4 Cách vận hành mô hình.
Sau khi thiết lập các thông số cho các công cụ trò chơi, để vận hành mô hình:
Bước 1: kết nối các thiết bị của mô hình: 2 động cơ phải, trái, 2 chiết áp phải, trái, quạt qua các ổ cắm điện. Kết nối 2 Arduino qua cáp với các COM đã được cài đặt trong các công cụ trò chơi Simtools.
Bước 2: Cấp nguồn 220V cho mô hình.
Bước 3: Bật CB. Lúc này, khi chưa nhận được dữ liệu từ các công cụ trò chơi, mô hình sẽ về vị trí mặc định với cánh tay đòn nằm ngang và góc mặc định được cài đặt là 100 độ.
Bước 4: Khởi động các công cụ trò chơi Simtools: Simtools GameManager, Simtools GameEngine, Simtools GameDash.
Bước 5: Khởi động Nolimits2.
Bước 6: Bật Turn On trong mục Virtual Axis của Output Testing của công cụ trò chơi Simtools GameEngine để bắt đầu trích xuất dữ liệu từ Nolimits2.
Bước 7: Tải map của Nolimits2 và bắt đầu mô phỏng.
CHƯƠNG 5: KẾT QUẢ VÀ HƯỚNG NGHIÊN CỨU
5.1 Kết quả đạt được
Sau khoảng thời gian tìm hiểu nghiên cứu “THIẾT KẾ, THI CÔNG MÔ HÌNH GAME” đã giúp em hiểu tổng quan hơn về môn học của ngành Cơ điện tử. Ngành Cơ Điện Tử đã vận dụng hoàn toàn ở đồ án này. Phần cơ khí chúng em vận dụng phần mềm Solidworks để thiết kế phần khung, trục động, thiết kế các pat cố định, từ đó chọn vật liệu và kích thước, cơ tính phù hợp, sử dụng thành thạo máy hàn, máy cắt, máy mài, máy khoan.… để chế tạo phần khung. Phần thiết kế điện giúp cho chúng em chọn tủ điện hớp lý với nhu cầu sử dụng, đi dây điện theo chuẩn đảm bảo an toàn, chọn thiết bị điện cho phù hợp. Về lập trình hiểu rộng hợn về cách lập trình và xử lí tí hiệu của Arduino.
Trong quá trình thiết kế và thi công mô hình đồ án nhờ sự hỗ trợ, tư vấn, giải thích những thắc mắc của thầy Nguyễn Mậu Tuấn Vương thì chúng em mới có thể hoàn thành được. Chúng em xin chân thành cảm ơn thầy.
5.2 Hạn chế
Bên cạnh đó phần điều khiển động cơ còn chưa ổn định vì sử dụng PID bù xung, liên quan đến lí thuyết PID thì chúng em còn gặp nhiều khó khăn dù tham khảo rất nhiều tài liệu. Chúng em sẽ phải cố gắng hơn để dành nhiều thời gian để nghiên cứu về phần này.
5.3 Hướng phát triển
Đề tài còn rất nhiều hướng phát triển rộng hơn cho các loại mô hình mô phỏng khác nhau. Ở đây nhóm em sử dụng hai động cơ ( 2DOF), hướng phát triển sau này có thể nâng cấp lên 3 DOF, 4 DOF, 6 DOF….Bậc tự do càng nhiều thì mô phỏng càng chân thực, chất lượng mô phỏng càng đảm bảo, nhưng có thể gây khó khăn cho khâu thiết kế và tính toán về sau.
Có thể nâng cấp động cơ có công suất lớn hơn để tăng sức chịu tải của mô hình lên cao và đạt kết quả tốt hơn hiện tại.
Nâng cấp hệ thống điều khiển, kết hợp thêm truyền và nhận tín hiệu để điều khiển từ xa.
Có thể kết hợp thêm kính thực tế ảo để nâng cao trải nghiệm người dùng được chân thực, sinh động và tạo cảm giác kích thích hơn.
Nâng cấp mô hình lên một hướng khác đa dạng hơn để chơi được nhiều trò chơi khác nhau như: đua xe, lướt ván,….
