Đồ Án Thiết Kế Hệ Thống Cơ Điệntửđề Bài Thiết Kế, Chế Tạo Robot Dò Line Phânphốihànghoá Theo Màu Sắc.pdf

ĐẠI HỌC QUỐC GIA THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA KHOA CƠ KHÍ – BỘ MÔN CƠ ĐIỆN TỬ oOo ĐỒ ÁN THIẾT KẾ HỆ THỐNG CƠ ĐIỆN TỬ Đề bài THIẾT KẾ, CHẾ TẠO ROBOT DÒ LINE PHÂN PHỐI HÀNG HOÁ THEO MÀ[.]

ĐẠI HỌC QUỐC GIA THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOAKHOA CƠ KHÍ – BỘ MÔN CƠ ĐIỆN TỬ

-oOo -ĐỒ ÁN THIẾT KẾ HỆ THỐNG CƠ ĐIỆN TỬ

Đề bài:

THIẾT KẾ, CHẾ TẠO ROBOT DÒ LINE PHÂN PHỐI HÀNG

HOÁ THEO MÀU SẮC

GVHD: PGS TS Nguyễn Duy AnhSVTH:

Nguyễn Tấn DũngLâm Hiệp HưngNgô Trần Tuấn ĐạtHoàng Thanh Thế

DANH SÁCH THÀNH VIÊN VÀ PHÂN CÔNG CÔNG VIỆC

thuật

điều khiển, mô hình hoá

và mô phỏng

cảm biến, thiết kế giao

diện

LỜI CẢM ƠN

Chúng em xin gửi lời cám ơn đến PGS TS Nguyễn Duy Anh đã tận tình hướngdẫn, trợ giúp nhóm hoàn thành đồ án Thiết kế hệ thống Cơ Điện Tử Những kiến thứcđược tiếp thu từ môn học này sẽ là hành trang vững chắc cho mỗi thành viên trongnhóm để vững bước trong con đường học tập và phát triển sự nghiệp sau này

Xin chân thành cám ơn Thầy!

Nhóm sinh viên thực hiện

TP HCM, tháng 12 năm 2022

MỤC LỤC

DANH MỤC HÌNH ẢNH vii

DANH MỤC BẢNG BIỂU xi

TỔNG QUAN 1

1.1 Mục tiêu thiết kế 1

1.2 Tổng quan về robot phân loại hàng hoá 1

1.2.1 Giới thiệu về robot phân phối hàng hoá 1

1.2.2 Tình hình nghiên cứu trong và ngoài nước 2

1.2.3 Các thiết kế cơ khí của robot tự hành 3

1.2.4 Các thiết kế phần điện 9

1.2.5 Các thiết kế bộ điều khiển 13

1.3 Bài toán thiết kế và các thông số đầu vào 16

LỰA CHỌN PHƯƠNG ÁN 19

2.1 Lựa chọn phương án cơ khí 19

2.1.1 Lựa chọn phương án nguyên lý của xe 19

2.1.2 Lựa chọn phương án động cơ dẫn động 20

2.1.3 Lựa chọn phương án động cơ rẽ hướng 20

2.1.4 Lựa chọn phương án vật liệu bánh xe dẫn động 20

2.2 Lựa chọn phương án điện 21

2.2.1 Lựa chọn phương án cảm biến 21

2.2.2 Lựa chọn nguồn điện 22

2.3 Lựa chọn phương án điều khiển 23

2.3.1 Lựa chọn cấu trúc điều khiển 23

2.3.2 Lựa chọn thuật toán điều khiển 23

2.4 Tổng hợp lựa chọn phương án thiết kế 23

TÍNH TOÁN THIẾT KẾ CƠ KHÍ 25

3.1 Tính toán kích thước xe 25

3.1.1 Khoảng cách giữa 2 bánh xe trên 1 trục 25

3.1.2 Kích thước xe theo chiều dọc và ngang 25

3.1.3 Kích thước cơ cấu 4 khâu bản lề 26

3.2 Tính toán động cơ dẫn động 27

3.3 Tính toán động cơ rẽ hướng 30

3.3.1 Số bậc tự do của cơ cấu 30

3.3.2 Phân tích lực 30

3.3.3 Chọn động cơ rẽ hướng: 35

3.4 Lựa chọn dung sai 35

3.5 Tổng quan thiết kế cơ khí 35

THIẾT KẾ HỆ THỐNG ĐIỆN 38

4.1 Sơ đồ khối hệ thống điện 38

4.2 Hệ thống cảm biến dò line 39

4.2.1 Yêu cầu thiết kế 39

4.2.2 Lựa chọn cảm biến dò line 39

4.2.3 Tính toán giá trị điện trở 40

4.2.4 Xác định độ cao đặt cảm biến 42

4.2.5 Xác định cách bố trí cảm biến 44

4.2.6 Xác định số lượng và khoảng cách giữa các cảm biến 45

4.2.7 Thiết kế mạch dò line 47

4.2.8 Calib cảm biến 47

4.3 Lựa chọn mạch Driver cho động cơ 49

4.3.1 Tiêu chí lựa chọn mạch Driver 49

4.3.2 Lựa chọn mạch Driver 49

4.4 Lựa chọn cảm biến màu sắc 50

4.4.1 Tiêu chí lựa chọn cảm biến màu sắc 50

4.4.2 Lựa chọn cảm biến màu sắc 51

4.5 Lựa chọn module thu phát Bluetooth 51

4.5.1 Tiêu chí lựa chọn module thu phát Bluetooth 51

4.5.2 Lựa chọn mạch thu phát Bluetooth 52

4.6 Lựa chọn mạch giảm áp 52

4.6.1 Tiêu chí lựa chọn mạch giảm áp 52

4.6.2 Lựa chọn mạch giảm áp 53

4.7 Lựa chọn Pin 54

4.7.1 Tiêu chí lựa chọn Pin 54

4.7.2 Tính toán dung lượng cần thiết 54

4.7.3 Lựa chọn Pin 54

4.8 Sơ đồ nguyên lý mạch tổng 55

MÔ HÌNH HOÁ 58

5.1 Xây dựng phương trình động học 58

5.2 Mô hình toán xác định sai số 59

5.3 Mô hình hoá động cơ 60

5.3.1 Xác định thông số lấy mẫu của động cơ 60

5.3.2 Kiểm tra quan hệ tuyến tính giữa động cơ – driver với tín hiệu đầu vào 61

5.3.3 Xây dựng hàm truyền động cơ 61

5.4 Thiết kế bộ điều khiển 63

5.4.1 Tiêu chí thiết kế bộ điều khiển 63

5.4.2 Xây dựng bộ điều khiển mô hình toán 65

5.5 Mô phỏng chuyển động xe 69

5.6 Nhận xét kết quả mô phỏng 71

THIẾT KẾ HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN 73

6.1 Lưu đồ giải thuật điều khiển 73

6.2 Thiết kế giao diện điều khiển 77

THỰC NGHIỆM 79

DANH MỤC HÌNH ẢNH

Hình 1.1 Các phương pháp sử dụng để dẫn hướng cho AGV 2

Hình 1.2 Sơ đồ nguyên lý sử dụng trong robot của nghiên cứu 3

Hình 1.3 Robot Q3-600C 4

Hình 1.4 Sơ đồ nguyên lý Q3-600C 4

Hình 1.5 Robot vận chuyển cho dây chuyền lắp ráp SMT 5

Hình 1.6 Sơ đồ nguyên lý robot vận chuyển cho dây chuyền lắp ráp SMT 6

Hình 1.7 Kết cấu xe 3 bánh gồm 2 bánh dẫn động và 1 bánh bị động 7

Hình 1.8 Sơ đồ nguyên lý xe 4 bánh rẽ hướng chủ động 8

Hình 1.9 Cơ cấu điều khiển rẽ hướng bốn khâu bản lề cho sơ đồ (a) 8

Hình 1.10 Điều khiển rẽ hướng sơ đồ (b) 9

Hình 1.11 Các loại cảm biến nhận diện đường dẫn có thể sử dụng 9

Hình 1.12 Các phương pháp bố trí cảm biến 12

Hình 1.13 Phương pháp so sánh 12

Hình 1.14 Thuật toán phát hiện đường line theo phương pháp 13

Hình 1.15 Sơ đồ giải thuật PID 15

Hình 1.16 Bộ điều khiển fuzzy 15

Hình 1.17 Sơ đồ sa bàn cho robot phân phối hàng hoá theo màu sắc 18

Hình 2.1 Sơ đồ nguyên lý xe 3 bánh 19

Hình 2.2 Sơ đồ nguyên lý xe 4 bánh 19

Hình 2.3 Sơ đồ nguyên lý được lựa chọn 24

Hình 3.1 Sơ đồ nguyên lý dẫn hướng sử dụng cơ cấu Ackermann 25

Hình 3.2 Mô hình xe khi tiến hành vào cua với cơ cấu ackermann lý tưởng 26

Hình 3.3 Sơ đồ nguyên lý cơ cấu 4 khâu bản lề được sử dụng 27

Hình 3.4 Phân tích lực ở một bánh xe 28

Hình 3.5 Thành phần lực ma sát cản trở lên bánh dẫn hướng 31

Hình 3.6 Cơ cấu tác động trực tiếp lên bánh xe rẽ hướng 31

Hình 3.7 Cơ cấu điều khiển rẽ hướng 32

Hình 3.8 Khâu dẫn 1 32

Hình 3.9 Nhóm tĩnh định 32

Hình 3.10 Hoạ đồ véc tơ của nhóm tĩnh định 33

Hình 3.11 Khâu dẫn 6 (khâu điều khiển) 33

Hình 3.12 Nhóm tĩnh định cơ cấu điều khiển 34

Hình 3.13 Hoạ đồ véc tơ của nhóm tĩnh định 34

Hình 3.14 Mô hình 3D robot phân phối hàng hoá theo màu sắc 36

Hình 3.15 Mô hình cơ cấu rẽ hướng 37

Hình 4.1 Sơ đồ khối hệ thống điện 38

Hình 4.2 Kích thước cảm biến TCRT5000 39

Hình 4.3 Nguyên lý hoạt động của TCRT5000 40

Hình 4.4 Đường đặc tuyến �� với �� 41

Hình 4.5 Đường đặc tuyến ��� với �� 41

Hình 4.6 Giá trị analog theo chiều cao gá đặt cảm biến 43

Hình 4.7 Giá trị analog so với vị trí tâm line tại độ cao h=12 mm 44

Hình 4.8 Các cách bố trí cảm biến 44

Hình 4.9 Vùng hoạt động của cảm biến 45

Hình 4.10 Sơ đồ vùng quét của cảm biến trên đường line 45

Hình 4.11 Khoảng cách ngắn nhất giữa đầu thu của 2 cảm biến 46

Hình 4.12 Bố trí dãy cảm biến theo chiều ngang line 47

Hình 4.13 Sơ đồ nguyên lý mạch cảm biến dò line 47

Hình 4.14 Sai lệch giữa vị trí thực tế với vị trí được xấp xỉ bởi phương pháp trung bình trọng số 49

Hình 4.15 Driver TB6612 50

Hình 4.16 Cảm biến màu sắc TCS3200 51

Hình 4.17 Module Bluetooth HC-05 52

Hình 4.18 Mạch giảm áp DC-DC BUCK LM2596 3A 53

Hình 4.19 Pin Lipo 2200mAh 55

Hình 4.20 Khối điều khiển 55

Hình 4.21 Khối nguồn 56

Hình 4.22 Các khối cảm biến và bluetooth 56

Hình 4.23 Khối Driver và Động cơ 57

Hình 5.1 Mô hình toán xe dò line 58

Hình 5.2 Đồ thị mối quan hệ giữa %PWM và số vòng quay của động cơ - driver JGB37 và TB6612 61

Hình 5.3 Import dữ liệu lấy được vào System Identification 62

Hình 5.4 Kết quả tính toán từ System Identification 63

Hình 5.5 Sơ đồ khối hệ thống 65

Hình 5.6 Sơ đồ khối bộ điều khiển động cơ – driver 65

Hình 5.7 Sơ đồ khối bộ điều khiển PID động cơ – driver 65

Hình 5.8 Sử dụng PID Tuner trong Matlab Simulink 66

Hình 5.9 Thông số đáp ứng của hệ thống 67

Hình 5.10 Kết quả mô hình hoá robot bám theo line trường hợp line dưới 69

Hình 5.11 Kết quả sai số e2 trường hợp rẽ line dưới 69

Hình 5.12 Kết quả vận tốc góc trường hợp rẽ line dưới 70

Hình 5.13 Kết quả mô hình hoá robot bám theo line trường hợp line trên 70

Hình 5.14 Kết quả sai số e2 trường hợp rẽ line trên 71

Hình 5.15 Kết quả vận tốc góc trường hợp rẽ line trên 71

Hình 6.1 Lưu đồ giải thuật chương trình chính 74

Hình 6.2 Chương trình con thực hiện bám line 75

Hình 6.3 Chương trình con đọc cảm biến 76

Hình 6.4 Giao diện bluetooth trên máy tính 78

DANH MỤC BẢNG BIỂU

Bảng 1.1 Thông số robot Q3-600C 4

Bảng 1.2 Thông số robot vân chuyển cho dây chuyền lắp ráp SMT 6

Bảng 1.3 So sánh các loại cảm biến nhận diện đường dẫn 9

Bảng 1.4 So sánh các cảm biến nhận diện màu sắc 10

Bảng 1.5 So sánh các loại động cơ dẫn động 11

Bảng 3.1 Thông số đầu vào lựa chọn động cơ 27

Bảng 3.2 Thông số cần thiết lựa chọn động cơ 29

Bảng 3.3 Thông số động cơ JGB37 30

Bảng 3.4 Thông số động cơ RC servo MG996R 35

Bảng 3.5 Tổng kết thiết kế cơ khí 35

Bảng 4.1 Thông số kỹ thuật cảm biến TCRT5000 39

Bảng 4.2 Giá trị analog đọc được từ nền trắng và nền đen ứng với từng cảm biến 42

Bảng 4.3 Giá trị analog lớn nhất và nhỏ nhất đọc được từ các cảm biến 48

Bảng 4.4 Thông số kỹ thuật Module Bluetooth HC-05 52

Bảng 4.5 Thông số kỹ thuật giảm áp DC-DC BUCK LM2596 3A 53

TỔNG QUAN 1.1 Mục tiêu thiết kế

Mục tiêu của dự án nhằm thiết kế robot có khả năng bám theo đường dẫn chotrước trên sa bàn, đến đúng vị trí yêu cầu và nhận khối hàng và phân loại màu sắc

Về khối hàng

- Màu sắc cần phân loại của khối hàng: Đỏ và Xanh

1.2 Tổng quan về robot phân loại hàng hoá

1.2.1 Giới thiệu về robot phân phối hàng hoá

Robot phân loại hàng hoá là khái niệm để chỉ tất cả các hệ thống vận chuyểnhàng hoá và phân loại sản phẩm mà không cần có sự can thiệp của con người Trongcông nghiệp, robot phân phối hàng hoá được hiểu là các xe chở hàng tự động được ápdụng trong rất nhiều các lĩnh vực khác nhau như:

- Cung cấp, sắp xếp hàng hoá tại các khu kho vận, các nhà máy sản xuất

- Vận chuyển hàng hoá giữa các trạm trong nhà máy

- Phân phối, cung ứng sản phẩm trong buôn bán

- Phân phối vật phẩm trong các lĩnh vực như y tế, siêu thị, văn thư

Cụ thể đối với đề bài đặt ra, ta thực hiện khảo sát trên rôbot phân phối hàng hoá

ở dạng xe (mobile robot) Trong thực té có thể kể đến AGV, ẢM

AGV (Automated Guided Vehicles)

AGV là loại phương tiện sử dụng các công nghệ dẫn đường để vận chuyển hànghoá đến những địa điểm đã được quy định sẵn mà không cần đến sự can thiệp của conngười

Các công nghệ dẫn đường thường được sử dụng cho xe AGV hiện nay bao gồm:điều hướng bằng đường line, điều hướng bằng từ tính bao gồm dây từ hoặc điểm từ,

điều hướng bằng mã QR, điều hướng bằng laser, điều hường bằng con quay hồichuyển, điều hướng bằng GPS, …

AMR (Autonomous Mobile Robot)

AMR tương tự với AGV là loại phương tiện dùng để vận chuyển hàng hoá giữacác địa điểm trong nhà máy Tuy nhiên AMR được trang bị những công nghệ hiện đạihơn nhằm có khả năng di chuyển nhanh hơn, thông minh hơn so với AGV Nhờ khảnăng tự hoạch định đường đi để né vật cản và chọn đường đi ngắn nhất thông qua cảmbiến LiDAR

Thông qua yêu cầu đề bài đặt ra, ta xác định được hoạt động của robot cần thiết

kế là một AGV được điều hướng bằng line có màu sắc tương phản (trắng và đen)

1.2.2 Tình hình nghiên cứu trong và ngoài nước

Trên thế giới hiện nay đã có rất nhiều những tài liệu, sách, bài báo, bài nghiêncứu về robot di động, AGV như:

Sách của tác giả Gregor Klančar, Andrej Zdešar, Igor Škrjanc, “Wheeled

Mobile Robotics: From Fundamentals Towards Autonomous Systems” Sác đã tập

trung đề cập đến các vấn đề từ cơ bản đến nâng cao của robot di động (wheeled mobilerobot)

Nghiên cứu của Lero Research Centre, “Automated Ground Vehicle (AGV) and

Sensor Technologies” Nghiên cứu tập trung vào tìm hiểu, so sánh các phương pháp

dẫn hướng của các AGV Các phương pháp mà nhóm nghiên cứu tìm hiểu và so sánhbao gồm: điều hướng bằng laser, điều hướng bằng đường từ tính, điều hướng bằngđường line, điều hướng bằng mã vạch

Hình 1.1 Các phương pháp sử dụng để dẫn hướng cho AGV

Nghiên cứu “Smooth Tracking Controller for AGV through Junction using

CMU Camera” tại “Hội nghị Cơ điện tử Toàn quốc lần thứ 7” Trong nghiên cứu, các

tác giả đã đề xuất một dạng đường qua giao lộ cho AGV sử dụng CMU camera, sơ đồtính toán sai số cho AGV, mô hình hóa động học của AGV, xây dựng bộ điều khiểnbám đường của AGV

Hình 1.2 Sơ đồ nguyên lý sử dụng trong robot của nghiên cứu

1.2.3 Các thiết kế cơ khí của robot tự hành

Dựa trên các nghiên cứu về sự di chuyển của mobile robot, ta xác định đượcAGV chỉ cần di chuyển theo 2 bậc tự do (1 bậc tịnh tiến và 1 bậc xoay) Do vậy, để dễdàng trong việc thiết kế phần điều khiển, ta có thể loại các cấu trúc cho phép xe dichuyển 3 bậc tự do

Robot chở hàng Q3-600C

Q3-600C là một AGV dẫn hướng bằng mã QR dùng để vận chuyển hàng hoátrong nhà kho hoặc trong các nhà máy sản xuát tự dộng Ngoài ra robot còn được trang

bị công nghệ SLAM nhằm định vị và lập bản đồ đồng thời Công nghệ này giúp AGV

có khả năng dựng lại bản đồ khu vực hoạt động và định hướng chính xác trong bản đồtheo thời gian thực

Hình 1.3 Robot Q3-600C Bảng 1.1 Thông số robot Q3-600C

Phương pháp rẽ hướng: Differrential drive Đối với các sơ đồ nguyên lýdạng này, khi tốc độ quay của các động cơ gắn vào bánh xe chủ động khác nhau,robot sẽ có khả năng rẽ hướng Do đó, độ đồng tâm giữa 2 bánh xe chủ động làrất quan trọng, có ảnh hưởng đến bán kính cong của robot (Đối với robot Q3-600C bán kính cong bé nhất là 996 mm).

Ưu điểm sơ đồ nguyên lý:

- Kết cấu gồm 6 bánh xe làm tăng khả năng chịu tải

- Trọng tâm của khối hàng khi đặt lên thường nằm trên trục bánh dẫn động, khửquán tính khi vào cua

- Có khả năng quay quanh trục vuông góc với đường nối tâm của 2 bánh xe(quay quanh chính nó)

Nhược điểm sơ đồ nguyên lý:

- Phải đảm bảo đồng phẳng giữa 6 bánh xe

Robot vận chuyển cho dây chuyền lắp ráp SMT:

Robot vân chuyển hàng hoá cho dây chuyền lắp ráp của Shenzen JaguarAutomation Equipment Co được sử dụng nhằm thay thế nhân công vận chuyển các bộphận trong dây chuyền lắp ráp, được dẫn hướng bằng đường line từ tính

Hình 1.5 Robot vận chuyển cho dây chuyền lắp ráp SMT

Bảng 1.2 Thông số robot vân chuyển cho dây chuyền lắp ráp SMT

Hình 1.6 Sơ đồ nguyên lý robot vận chuyển cho dây chuyền lắp ráp SMT

Phương pháp rẽ hướng: Differrential drive

Ưu điểm của sơ đồ nguyên lý:

- Thiết kế đơn giản, áp dụng phổ biến rộng rãi cho các ứng dụng tải hàng nhẹ

Nhược điểm của sơ đồ nguyên lý:

- Trọng tâm của khối hàng thường nằm khác đường tâm nối hai bánh xe làm khảnăng chuyển hướng của xe bị hạn chế

- Xe dễ lật đầu nếu đặt khối hàng ở vị trí trọng tâm khối hàng nằm trên trục chínhcủa xe.

Các kết cấu xe 3 bánh:

Hình 1.7 Kết cấu xe 3 bánh gồm 2 bánh dẫn động và 1 bánh bị động

Phương pháp rẽ hướng: Differrential drive

Ưu điểm của sơ đồ nguyên lý:

- Kết cấu xe 3 bánh giúp toàn bộ các bánh xe tiếp xúc dễ dàng trên mặt phẳng

Từ đó, tạo ra độ cân bằng ở trạng thái tĩnh

Nhược điểm của sơ đồ nguyên lý:

- Sử dụng các bánh xe tự lựa làm giảm tính chủ động của hệ thống khi di chuyển

- Trọng tâm của khối hàng thường nằm khác đường tâm nối hai bánh xe làm khảnăng chuyển hướng của xe bị kém đi

- Sử dụng cả hai động cơ đều là dẫn động dẫn đến tiêu thụ năng lượng nhiều

Các kết cấu xe 4 bánh rẽ hướng chủ động

Hình 1.8 Sơ đồ nguyên lý xe 4 bánh rẽ hướng chủ động

Ưu điểm của các sơ đồ nguyên lý:

- Các bánh trước dẫn hướng xe một cách chủ động cho phép vào cua tốt hơn

- Có một động cơ dẫn động nên tiêu thụ ít năng lượng hơn so với các xe sử dụngphương thức rẽ hướng Differrential drive Bên cạnh đó kết cấu sử dụng vi saicho phép xe vào cua mà các bánh xe không bị trượt

- So với xe 3 bánh, công suaats để dẫn động xe giảm đáng kể

Nhược điểm của sơ đồ nguyên lý:

- Kết cấu cơ kí phức tạp

- Thu hẹp không gian bố trí do bánh trước rẽ cần được xoay đối với sơ đồ (b)

Đối với sơ đồ (a), để điều khiển rẽ hướng cho robot, ta có thể sử dụngcác cơ cấu như sau:

Hình 1.9 Cơ cấu điều khiển rẽ hướng bốn khâu bản lề cho sơ đồ (a)

Đối với sơ đồ (b), để điều khiển rẽ hướng cho robot, ta điều khiển nhưsau:

Hình 1.10 Điều khiển rẽ hướng sơ đồ (b)

1.2.4 Các thiết kế phần điện

Về cảm biến

 Nhận diện đường line

Hình 1.11 Các loại cảm biến nhận diện đường dẫn có thể sử dụng

Như đã tìm hiểu, AGV là những robot sử dụng các đường dẫn để di chuyển.Đối với đề tài này, phương pháp dẫn hướng mà bộ môn đặt ra là sử dụng đường dẫn làline có màu tương phản với sa bàn (trắng, đen) Màu trắng là màu có thể phản xạ toàn

bộ ánh sáng chiếu vào nó Ngược lại, màu đen hấp thụ toàn bộ ánh sáng chiếu vào nó.Chính nhờ đặc tính này, ta có thể sử dụng các loại cảm biến sau để xác định đường dẫn:

Bảng 1.3 So sánh các loại cảm biến nhận diện đường dẫn

Camera

- Ít chịu nhiễu từ môi trường(cường độ ánh sáng)

- Nhận diện chính xác vị trí củaline cần bám

- Cần phải xử lý bằng thuật toánphức tạp

- Khó dùng trong vi điều khiểnthông thường

- Giá thành cao

Cảm biến

hồng ngoại

- Ít chịu nhiễu từ môi trường(cường độ ánh sáng)

- Giá thành thấp hơn camera

- Xử lý tín hiệu nhanh hơncamera

- Cần phải tính toán các vị trícảm biến để không bị hiệntượng cross over

- Dễ ảnh hưởng bởi các ánh sángbên ngoài

Cảm biến

quang trở

- Giá thành thấp hơn camera

- Xử lý tín hiệu nhanh hơncamera

- Chịu nhiễu từ môi trường(cường độ ánh sáng)

 Nhận diện màu sắc

Theo mục tiêu thiết kế ban đầu, việc phân biệt và đưa khối hàng đến đúng vị tríchỉ định là nhờ màu sắc của khối hàng Khối hàng này có 2 màu: màu đỏ và màu xanh.Đây là hai màu có sự khác biệt rất lớn, về dải tần số Do đó, để phân biệt 2 màu này,cảm biến có thể sử dụng là:

Bảng 1.4 So sánh các cảm biến nhận diện màu sắc

Cảm biến

màu

- Giá thành rẻ hơn camera

- Xử lý tín hiệu trả về đơn giản

hơn camera

- Số màu nhận diện được ít hơncamera

- Khó xử lý các vùng màu chồnglấn

Camera - Số màu nhận diện lớn

- Có nhiều thuật toán xử lý các

sử dụng bao gồm: động cơ bước, động cơ DC, động cơ DC kèm encoder và hộp số.

Bảng 1.5 So sánh các loại động cơ dẫn động

Loại

Động cơ DC kèmencoder kèm hộp số

- Có tín hiệu trả về

- Tốc độ được điềukhiển chính xác

- Tốc độ giảm vàmoment tăng sau khi

đi qua hộp giảm tốc

- Hoạt động ổn địnhhơn động cơ DC

Nhược

điểm

- Không kiểm soát

được tốc độ khi trượt

do tải

- Gây ồn và giảm hiệusuất khi sử dụngchổi góp

- Khó điều khiểnchính xác tốc độ củađộng cơ

- Giới hạn sử dụngcác thuật toán điềukhiển khác nhau

- Gây ồn và giảm hiệusuất khi sử dụngchổi góp

Về phương pháp bố trí cảm biến nhận diện đường line

Các phương pháp bố trí cảm biến nhận diện đường dẫn bao gồm: bố trí theohình chữ V, bố trí theo đường thẳng, bố trí dạng ma trận

Hình 1.12 Các phương pháp bố trí cảm biến

Về phương pháp xử lý tín hiệu trả về từ cảm biến nhận diện line

 Chuyển đổi tín hiệu từ analog sang digital

Tín hiệu đầu ra của cảm biến được lấy ngưỡng để chuyển thành các giá trị 0hoặc 1 Sau đó sử dụng giải thuật so sánh với các trạng thái được định sẵn để suy ra vịtrí tương đối giữa đường line so với cảm biến

110000001100000011000000110000001100000011

định khoảng cách từ cảm biến đến tâm đường line.

- Phương pháp xấp xỉ hàm bậc 2: Thuật toán sẽ so sánh ra 3 cảm biến liên tiếp

có tín hiệu cao nhất, từ đó xấp xỉ một hàm bậc 2 đi qua 3 điểm đó, so sánhtọa độ đỉnh của đường cong với gốc tọa độ (tâm xe), ta thu được sai số giữa

xe và đường line

- Phương pháp xấp xỉ theo trọng số: Gán tọa độ vào các cảm biến, từ đó sửdụng công thức để tìm tọa độ của giá trị tín hiệu trung bình, dựa trên tín hiệutrả về của mỗi cảm biến Ta quy ước tọa độ tâm xe bằng 0, do đó tọa độtrung bình đó chính là sai số giữa xe và đường line theo phương pháp này

Hình 1.14 Thuật toán phát hiện đường line theo phương pháp a) Xấp xỉ bậc hai và b)

Trung bình trọng số

Khi sử dụng tín hiệu analog đọc trực tiếp từ cảm biến về, việc xét vị trí của xeđến đường line chính xác hơn Tuy nhiên, cũng làm tăng thời gian xử lý tín hiệu

1.2.5 Các thiết kế bộ điều khiển

Về cấu trúc điều khiển

Có 2 cấu trúc điều khiển phổ biến: điều khiển tập trung và điều khiển phân cấp

- Đòi hỏi sức mạnh của vi điều khiển dokhối lượng công việc lớn.

Phân cấp

- Nhanh chóng xác định lỗi

- Dễ dàng điều khiển từngmodule

- Giảm thời gian xử lý của

 Bộ điều khiển ON/OFF

Phương pháp điều khiển AGV dò line truyền thống là phương pháp ON/OFF,nghĩa là khi robot di chuyển lệch sang trái của đường đi thì robot thực hiện lái về bênphải, điều này sẽ giúp cho robot quay lại đường đi ban đầu; ngược lại, khi robot dichuyển lệch sang phải của đường đi thì robot sẽ lái về bên trái Phương pháp lái củarobot phụ thuộc vào cấu trúc của từng loại khác nhau Đây là phương pháp điều khiểnrobot rất đơn giản Tuy nhiên, hạn chế của phương pháp này là robot di chuyển khôngmịn màng, robot luôn dao động sang phải và sang trái của đường đi

 Bộ điều khiển P, PI, PD, PID

Bộ điều khiển vi tích phân tỉ lệ là giải thuật điều khiển phản hồi vòng kín, còngọi là giải thuật PID, được ứng dụng rất rộng rãi trong các hệ thống điều khiển tự động.Giải thuật này cố gắng chỉnh sửa các sai số giữa những giá trị đo đạc thực tế và giá trịmong muốn bằng việc tính toán và xuất ra giá trị sửa lỗi từ đó hiệu chỉnh hệ thống vậnhành theo yêu cầu đặt ra

Việc sử dụng giải thuật PID giúp cho việc điều khiển đạt được hiệu quả nhưmong muốn với thời gian đáp ứng nhanh và độ ổn định cao

Giải thuật PID là một chuỗi các phép toán để xác định các giá trị của khâu điềukhiển tỉ lệ, khâu điều khiển vi phân và khâu điều khiển tích phân Sau đó, kết hợp cácgiá trị lại với nhau và xuất ra giá trị điều rộng xung PWM để điều khiển 2 động cơbánh dẫn động của robot Bộ điều khiển PID gồm ba phần chính P, I, D đặc trưng bởi

hệ số ��, ��, ��

- ��: Khâu điều khiển tỷ lệ tính toán độ lệch của robot, xác định được robot đanglệch phải hay lệch trái đường và xuất ra các giá trị PWM để điều khiển hai động

cơ Giúp xe bám theo đường thẳng để làm giảm sai số

- ��: Khâu điều khiển tích phân tính toán dựa trên sai số tích lũy theo thời gian.Robot càng lệch xa đường thì sai số tích lũy càng lớn Khâu này thể hiện rằngtrong quá khứ robot có bám đường đi tốt hay không Giúp xe chuyển độngmượt mà hơn

- ��: Khâu vi phân tính toán dựa trên sai số hiện tại Khâu này cho biết tốc độrobot dao động qua lại của đường đi Hạn chế rung lắc, tăng độ ổn định cho xe

Hình 1.15 Sơ đồ giải thuật PID

 Bộ điều khiển logic mờ (fuzzy, fuzzy PID)

Đặc điểm của bộ điều khiển: Bộ điều khiển Fuzzy hoạt động dựa trên logic mờ,ứng dụng cho đối tượng phức tạp mà chưa biết rõ hàm truyền, logic mờ có thể giảiquyết các vấn đề mà điều khiển kinh điển không làm được mà phụ thuộc vào kinhnghiệm người vận hành.

Cấu trúc của bộ điều khiển Fuzzy:

- Khâu mờ hóa: Chuyển các điều kiện có giá trị cụ thể thành những khoảng phùhợp theo kinh nghiệm và sự hiểu biết hệ thống của người lập trình ứng kết quảmong muốn tương ứng

- Thực hiện luật hợp thành: Hình thành luật mờ theo dạng IF … THEN

- Khâu giải mờ: từ luật hợp thành tính toán ra giá trị kết quả trong những trườnghợp cụ thể Sử dụng phương pháp cực đại, phương pháp trọng tâm…

 Bộ điều khiển Following tracking

Bộ điều khiển Following tracking được phát triển cho các mô hình robot bámline Hiện nay, bộ điều khiển này vận hành dựa trên 3 sai số giữa xe và đường linetheo phương tiếp tuyến �1, theo phương pháp tuyến �2, và theo góc lệch giữa xe vớiline �3, dựa vào các sai số này để điều khiển xe thông qua các biến điều khiển là vậntốc góc ω và vận tốc dài v theo phương trình sau:

{� = �� ������ ��� �3 + �1�1, � = �2���2 + ��+ �3������ ��� �3

Trong đó:

- �1, �2, �3 − Các hệ số của bộ điều khiển

1.3 Bài toán thiết kế và các thông số đầu vào

Thiết kế và chế tạo robot dò line có đặc điểm như sau: phục vụ việc vận chuyểnhàng và phân phối hàng theo màu sắc Robot di chuyển trên sa bàn có các đặc điểm vàhình dạng:

Đặc tính của sa bàn:

- Gia tốc lớn nhất của xe: 0,3 � �2

Yêu cầu vận hành của hệ thống:

- Robot từ vị trí “Bắt đầu” di chuyển đến “Khu vực tải hàng” (được đánh dấubằng 1 vạch cắt đường dẫn, vạch cắt ngang dài 50 mm và rộng 26 mm) vàdừng lại chờ khối hàng được đặt lên bằng tay Robot có khả năng nhận biếtkhối hàng đã tải lên xong

- Tại “Khu vực tải hàng”, một khối hàng có màu đỏ hoặc xanh sẽ được đặt

bằng tay lên trên robot Khối lượng khối hàng là 2 kg Robot có khả năngnhận biết khối hàng đã tải lên xong

- Trên quãng đường di chuyển, vật nặng không rơi khỏi xe

- Trên quãng đường di chuyển, xe không bị hư hại do quá tải

- Sau khi nhận hàng, robot phải di chuyển đến vị trí “Kết thúc” tương ứng với

màu sắc của gói hàng

- Kết quả phân loại hàng hóa và bám line của robot ổn định.

Hình 1.17 Sơ đồ sa bàn cho robot phân phối hàng hoá theo màu sắc

LỰA CHỌN PHƯƠNG ÁN 2.1 Lựa chọn phương án cơ khí

2.1.1 Lựa chọn phương án nguyên lý của xe

- Chủ động trong việc chuyển hướng, đáp ứng được việc chuyển hướng đột ngột

Kết luận: Lựa chọn kết cấu xe bốn bánh với sơ đồ nguyên lý (f), hai bánh trước với

chứng năng dẫn hướng, hai bánh sau dẫn động

Lý do:

- Kết cấu 4 bánh xe đảm bảo độ cứng vũng chắc chắn khi tải hàng so với kết cấu

3 bánh

- Hai bánh trước rẽ hướng ổng định hơn so với các loại bánh tự lựa

- Sử dụng bộ vi sai để dẫn động giúp các bánh xe không bị trượt khi vào cua

- Khả năng chuyển hướng cơ cấu (f) tốt hơn cơ cấu (g) dựa theo việc phân tíchtâm vận tốc tức thời

2.1.2 Lựa chọn phương án động cơ dẫn động

 Yêu cầu đặt ra đối với động cơ:

- Có thể kiểm soát được tốc độ của động cơ

- Hoạt động ổn định khi có tải

- Hoạt động ổn định khi có tải

2.1.3 Lựa chọn phương án động cơ rẽ hướng

 Yêu cầu đặt ra đối với động cơ rẽ hướng:

- Có thể điều chỉnh góc quay dễ dàng

- Phù hợp với phương án nguồn điện của robot

- Không xảy ra hiện tượng trượt khi quá tải

Kết luận: Sử dụng động cơ RC servo làm động cơ dẫn hướng.

Lý do: So với động cơ bước, RC servo không bị trượt khi xảy ra quá tải.

2.1.4 Lựa chọn phương án vật liệu bánh xe dẫn động

 Yêu cầu đặt ra đối với bánh xe dẫn động:

- Bám đường tốt

- Ma sát vừa phải để không cản trở việc điều hướng.

Kết luận: Sử dụng bánh xe có vỏ được làm từ cao su.

Lý do: Khi chuyển động trên mặt sàn hệ số ma sát của nhựa đối với mặt đường giúp xe

bám đường tốt nhưng không gây ảnh hưởng tới việc điều hướng

2.2 Lựa chọn phương án điện

2.2.1 Lựa chọn phương án cảm biến

Cảm biến nhận diện màu sắc

 Yêu cầu đặt ra đối với cảm biến nhận dạng màu sắc:

- Có thể nhận diện được màu sắc của khối hàng (xanh và đỏ)

- Ít bị nhiễu, tránh đưa ra thông tin màu sai lệch

 Các loại cảm biến có thể sử dụng: camera và cảm biến màu sắc.

Kết luận: Sử dụng phương án cảm biến màu sắc.

- Giá thành thấp hơn rất nhiều so với camera

Cảm biến nhận diện đường line

 Yêu cầu đặt ra đối với cảm biến giúp xe bám line:

- Xử lý tín hiệu phù hợp với vi điều khiển sử dụng

- Ít bị nhiễu tác động

- Khả năng đáp ứng phù hợp với tốc độ robot

 Các loại cảm biến có thể sử dụng: Cảm biến quang trở, cảm biến hồng ngoại,

cảm biến phototransistor, camera,

Kết luận: Sử dụng cảm biến phototransistor làm cảm biến bám line.

Lý do:

- Giải thuật xử lý và tính toán đường line đơn giản hơn so với camera

- Tốc độ xử lý sẽ nhanh hơn so với việc dùng camera

- Không ảnh hưởng bởi cường độ ánh sáng nhiều như cảm biến quang trở

- Cảm biến chữ V phù hợp khi có các khúc cua gấp trên sa bàn, không cần thiết

sử dụng trong bài toán được đặt ra

Số lượng cảm biến:

Theo sơ đồ bố trí cảm biến theo dạng đường thẳng nằm ngang, tín hiệu trả về sẽquyết định sai số bám line của robot Trong quá trình dò line, số lượng cảm biến nên là

số lẻ để có thể lấy cảm biến ngay chính giữa làm mốc 0 cho các cảm biến còn lại

Căn cứ vào chiều rộng đường line và cấu trúc sa bàn, có thể xác định 3 vị trícần lưu ý khi robot hoạt động: vị trí dừng nhận khối hàng, vị trí ngã ba, vị trí kết thúc

Do đó, các cảm biến phải bố trí để đẽ dạng nhận biết các điểm này

Kết luận: Sử dụng 7 cảm biến phototransistor, được bố trí theo đường thẳng nằm

ngang để xác định line

Lý do: Sử dụng 3 hoặc 5 cảm biến sẽ làm giảm độ chính xác khi điều khiển.

2.2.2 Lựa chọn nguồn điện

Nguồn điện sử dụng cho toàn bộ hệ thống phải đảm bảo cách ly giữa nguồnđộng lực và nguồn điều khiển, nhỏ gọn, đáp ứng yêu cầu cung cấp năng lượng chotoàn bộ hệ thống hoạt động

2.3 Lựa chọn phương án điều khiển

2.3.1 Lựa chọn cấu trúc điều khiển

 Yêu cầu với cấu trúc điều khiển:

- Hạn chế sai lệch dữ liệu đọc về từ cảm biến

- Không bị thiếu bộ nhớ khi xử lí các I/O

 Các loại cấu trúc điều khiển có thể được sử dụng: tập trung và phân cấp.

Kết luận: Sử dụng cấu trúc điều khiển tập trung cho hệ thống.

2.3.2 Lựa chọn thuật toán điều khiển

 Yêu cầu đối với thuật toán điều khiển động cơ:

- Điều khiển chính xác được tốc độ động cơ mong muốn

- Thuật toán đơn giản, dễ tiếp cận

Kết luận: sử dụng thuật toán điều khiển P, PI, PD hoặc PID cho động cơ.

Lý do:

- Sử dụng bộ điều khiển vòng kín làm tăng độ chính xác khi điều khiển tốc độđộng cơ

- Bộ điều khiển P, PI, PD, PID là hạn chế quán tính của đại lượng điều khiển

2.4 Tổng hợp lựa chọn phương án thiết kế

Đối với phương án thiết kế cơ khí:

- Sơ đồ nguyên lý: Lựa chọn kết cấu xe bốn bánh với hai bánh trước dẫn hướng,hai bánh sau dẫn động.

Hình 2.3 Sơ đồ nguyên lý được lựa chọn

- Động cơ dẫn động: Sử dụng động cơ DC không chổi than có kèm encoder vàhộp số làm động cơ dẫn động

- Động cơ rẽ hướng: Sử dụng động cơ RC servo làm động cơ dẫn hướng

- Vật liệu các bánh xe: Sử dụng bánh xe có vỏ làm từ cao su

Đối với phương án thiết kế điện:

- Cảm biến nhận diện màu sắc của khối hàng: sử dụng cảm biến màu sắc

- Cảm biến nhận diện đường line: sử dụng cảm biến phototransistor

Đối với phương án thiết kế bộ điều khiển:

- Cấu trúc điều khiển: Sử dụng cấu trúc điều khiển tập trung

- Thuật toán điều khiển: Sử dụng thuật toán điều khiển P, PI, PD hoặc PID chođộng cơ và hệ thống robot

TÍNH TOÁN THIẾT KẾ CƠ KHÍ 3.1 Tính toán kích thước xe

Trong phần lựa chọn phương án nguyên lí của xe, phương án được lựa chọn là

cơ cấu robot di chuyển bằng bốn bánh với 2 bánh dẫn động ở phía sau và 2 bánh dẫnhướng sử dụng cơ cấu ackermann để rẽ hướng

Hình 3.1 Sơ đồ nguyên lý dẫn hướng sử dụng cơ cấu Ackermann

Ta có các thông số để lựa chọn kích thước của xe:

- Bán kính cua xe nhỏ nhất: ���� = 500 ��

- Kích thước khối hàng chở: � × � × � = 140 × 100 × 18.

Khối hàng sẽ được đặt trên thân xe với chiều dài nằm song song với chiềungang của xe, được bố trí gần với bánh dẫn động của xe để tránh tác động lực lên 2bánh điều hướng khiến ma sát 2 bánh điều hướng tăng và làm cản trở hoạt động của cơcấu Ackermann điều hướng

3.1.1 Khoảng cách giữa 2 bánh xe trên 1 trục

Từ kích thước của khối hàng, chọn lựa khoảng cách giữa 2 bánh sao cho có thểchứa được khối hàng có chiều dài 140 �� Nhóm quyết định chọn sơ bộ khoảng cáchgiữa 2 bánh xe là 170 �� Khoảng cách này sẽ được canh chỉnh trong quá trình thiết

kế cũng như lắp ráp để phù hợp với các chi tiết lắp ghép đã có tiêu chuẩn

Theo tài liệu [], thông thường góc rẽ lớn nhất của xe khi sử dụng cơ cấu rẽhướng ackermann trong khi cua là ����� = 40° , tỉ lệ giữa chiều dài ( ��) và chiềungang (��) của xe để tối ưu về mặt động lực học sẽ nằm trong khoảng từ 1,4 ÷ 2,4.

Chọn sơ bộ tỷ số �� �� = 1,5

Chọn kích thước �� = 130 �� và �� = 200 ��

Hình 3.2 Mô hình xe khi tiến hành vào cua với cơ cấu ackermann lý tưởng

Để xe có thể có được bán kính cong nhỏ nhất là ���� = 500 �� thì góc rẽ củabánh xe trong �� phải đạt giá trị nhỏ hơn giá trị lớn nhất Do đó, nhóm tiến hành kiểmtra điều kiện của �� với thông số đầu vào:

Vậy kích thước đa chọn thoả mãn điều kiện đạt được bán kinh cong nhỏ nhất

3.1.3 Kích thước cơ cấu 4 khâu bản lề

Trong thực tế, cơ cấu rẽ Ackermann không đạt được lý tưởng mà chỉ có thểthực hiện với tính tương đối qua cơ cấu 4 khâu bản lề bên dưới với tên gọi trapezoid.

Hình 3.3 Sơ đồ nguyên lý cơ cấu 4 khâu bản lề được sử dụng

Mối quan hệ giữa góc rẽ ở bánh trong �� và góc rẽ ở bánh ngoài �� khi cơ cấuAckermann là lý tưởng:

cot �� − cot �� =���

�Khi sử dụng cơ cấu trapezoid, mối quan hệ giữa góc rẽ ở bánh trong và góc rẽ ởbánh ngoài này thay đổi và trở thành:

sin (� + ��) + sin (� − ��)

=�� +� ��� − 2 sin � 2− cos (� − ��) − cos (� + ��) 2Với: � là độ dài khâu AB

� = 180° − �0.Chính vì vậy sẽ xảy ra sai số giữa góc rẽ bánh ngoài của cơ cấu trapezoid vàgóc rẽ bánh ngoài của cơ cấu Ackermann lý tưởng, sai số đó sẽ chịu sự ảnh hưởng của

� và góc � Tối ưu hoá sai số này ta được � = 27�� và � = 10° Từ đó ta tính đượckích thước của khâu �� ≈ 120��

Do đó, ta chọn khâu �� = 27��, �� = 120��

3.2 Tính toán động cơ dẫn động

Bảng 3.1 Thông số đầu vào lựa chọn động cơ