Báo cáo cuối kỳ môn tư duy công nghệ và thiết kế kỹ thuật đề tài thiết kế robot dò đường

Xác định vấn đềTrong một cuộc sống hiện đại, nơi các máy móc được áp dụng phổ biến vào mọi lĩnh vực để giảm những tác động trực tiếp của con người đến các hoạt động đời sống, từ đó giúp

ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI

TRƯỜNG ĐIỆN - ĐIỆN TỬ

BÁO CÁO CUỐI KỲ

Môn: Tư duy công nghệ và thiết kế kỹ thuật

ĐỀ TÀI: THIẾT KẾ ROBOT DÒ ĐƯỜNG

Họ và tên sinh viên: Nhóm 4

Phạm Thanh Hà Nguyễn Sỹ Hiếu

Hồ Minh Quân Phạm Quang Sơn Bùi Thanh Xuân

Giảng viên hướng dẫn: TS Nguyễn Thái Hà

I Xác định vấn đề 3

II Nghiên cứu, thu thập dữ liệu 3

III Xác định yêu cầu 4

Mục tiêu thiết kế 4

Yêu cầu chức năng 4

Yêu cầu phi chức năng 4

IV Phương án thiết kế 4

Nguyên lý hoạt động 4

V Thiết kế tổng quan 5

Thiết kế tổng quan 5

Thiết kế sơ bộ 6

VI Lựa chọn linh kiện 6

Khối nguồn 6

Khối cảm biến 8

Khối điều khiển 9

Khối động cơ 10

VII Tạo nguyên mẫu 11

VIII Đánh giá 12

I Xác định vấn đề

Trong một cuộc sống hiện đại, nơi các máy móc được áp dụng phổ biến vào mọi lĩnh vực để giảm những tác động trực tiếp của con người đến các hoạt động đời sống, từ đó giúp tăng năng suất, cũng như độ chính xác trong vận hành Các phương tiện tự vận hành (Automated guided vehicle – AGV) là một trong những robot tự động được sử dụng nhiều nhất trong các ứng dụng kể trên Nói cách khác AGV đã trở thành một trong những giải pháp để cái tiến thời gian vận hành

Nhóm chúng tôi thực sự ấn tượng với những loại robot tự vận hành kể trên Với đa dạng ứng dụng trong đời sống thực tiễn có thể kể tới như:

- Sản xuất: robot vận chuyển hàng hóa

- Vận tải: ô tô tự lái

- Đồ gia dụng: robot lau nhà

- Y tế: xe phục vụ

II Nghiên cứu, thu thập dữ liệu

Hiện nay, thị trường AGV là một thị trường có tốc độ tăng trưởng với tốc độ khoảng 35% / năm Giá trị thị trường dự kiến tăng nhanh và đạt ngưỡng 13,2 tỷ USD năm 2026 Như vậy, đây là một thị trường có tiềm năng phát triển nhanh

Đối với một mô hình xe dò đường đơn giản, chúng ta có những phân loại được chia thành những loại chính sau:

- Điều hướng bằng lazer

- Điều hướng bằng đường viền

- Điều hướng bằng điểm từ tính

- Điều hướng bằng module hồng ngoại

Với mục tiêu mong muốn tạo ra một mô hình đơn giản và có giá thành rẻ với mục

đích nghiên cứu thử nghiệm thiết kế Nhóm chúng tôi lựa chọn đề tài “Thiết kế robot

rò đường” với phân loại được điều hướng bằng module hồng ngoại.

III Xác định yêu cầu

Mục tiêu thiết kế

- Mô hình xe dò line tránh vật cản

- Tự vận hành và hoạt động chính xác

Yêu cầu chức năng

- Dò đường theo đường line (có lộ trình)

- Tự vận hành

- Tránh được các vật cản

- Di chuyển ổn định

- Dừng lại đúng chỗ

Yêu cầu phi chức năng

- Kích thước mạch: đơn giản.

- Tuổi thọ: sử dụng được trong thời gian dài, an toàn trong quá trình sử dụng

- Giá thành: rẻ

IV Phương án thiết kế

Nguyên lý hoạt động

Sản phẩm sẽ hoạt động dựa trên nguyên lý thu – phát ánh sáng.

Hình 1: Nguyên lý thu – phát ánh sáng

Các mắt phát sẽ phát ra tia hồng ngoại có bước sóng hồng ngoại Mắt thu ở bề mặt chứa vùng sáng sẽ hấp thụ ánh sáng hồng ngoại đó Ở trạng thái bình mắt thu có nội trở rất lớn (hàng trăm Ohm) Khi thu tia hồng ngoại vào nội trở của mắt thu giảm (giảm vài chục Kilo-Ohm).

V Thiết kế tổng quan

Thiết kế tổng quan

Mạch gồm 5 khối chính:

Hình 2: Sơ đồ khối hệ thống

- Khối nguồn: Đây là khối cung cấp năng lượng điện để duy trì hoạt động của các khối còn lại

- Khối cảm biến: Khối này thực hiện dò đường và nhận biết vật cản

- Khối điều khiển: Đây là khối xử lý trung tâm của hệ thống, bao gồm: điều khiển động cơ 1 chiều và đọc dữ liệu từ khối cảm biến, so sánh, xuất ra dữ liệu ra khối hiển thị

để hiển thị kết quả đo được đồng thời gửi dữ liệu ra phần mềm

- Khối động cơ: Khối này bao gồm xe vận hành giúp thiết kế có thể chuyển động

Thiết kế sơ bộ

- Xe vận hành có 3 bánh, 2 bánh sau chủ động, bánh trước xoay tròn định hướng (bánh lái)

- Xe dẫn động bằng 2 động cơ 1 chiều đặt ở hai bánh sau

- Phần điều khiển chuyển động chọn 2 mạch cầu H được tích hợp sẵn trong L298

- Phần dò đường dung 3 cặp cảm biến (1 led phát hồng ngoại, 1 quang trở)

VI Lựa chọn linh kiện

Hình 3: Sơ đồ nguyên lý

Khối nguồn

Ở đây, chúng tôi sử dụng nguồn điện cung cấp là pin 18650 loại không có đầu bịt với mục đích cung cấp nguồn điện 7.4V cho toàn mạch

Hình 4: Nguồn điện: Pin 18650

Đây là một dòng pin phổ biến trên thị trường, có khả năng sạc lại được sản xuất bởi nhiều thương hiệu lớn nổi tiếng khác nhau: Sony, Panasonic, Akasha, …

Cấu tạo cơ bản

- Cathode – điện cực dương: Pin 18650 sử dụng LiMn05 hoặc LiCoO2 để làm vật liệu cực dương Khi có dòng điện chạy qua thì LiMnO5 hoặc LiCoO2 sẽ bị tác động và nguyên tử Li nhanh chóng bị tách khỏi tạo thành ion Li+

- Anco – điện cực âm: Sử dụng graphene – than chì và carbon khác có chức năng giữ ion Li+ trong tinh thể của chúng

- Bộ phận phân tách – màng ngăn cách điện: Được làm từ nhựa PP hoặc PE giúp ngăn cách các phân tử cực dương và cực âm trong pin

- Chất phân điện: Phần chất lỏng giữa 2 cực và bộ phận phân tách Thông thường chất phân điện này là dung dịch chứa dung môi hữu cơ và LiPF6

Hình 5: Cấu tạo của pin 18650 Tuổi thọ

Với vòng đời từ 300 đến 500 chu kỳ sạc, pin 18650 sử dụng được lâu và bền nhất so với các loại pin thông thường Song, khi pin quá nóng hoặc quá lạnh có thể làm giảm tuổi thọ của pin

Cách tính dụng lượng:

- Vôn tính trên hiệu điện thế: U = I x R

- Công suất của pin: P = U x I

Khối cảm biến

Sử dụng 3 cảm biến vật cản hồng ngoại, có khả năng thích nghi với môi trường tốt

Nguyên lý cảm biến

- Nguồn phát hồng ngoại: Sử dụng một bóng đèn LED để phát tia sóng hồng ngoại

- Cảm biến hồng ngoại

Khi gặp vật thể, tia hồng ngoại bật ngược lại và đi vào cảm biến hồng ngoại

Hình 6: Nguyên lý cảm biến hồng ngoại

Khối điều khiển

Điều khiển động cơ một chiều bằng L298 là một cách dung phố biến hiện nay Với

IC điều khiển cầu kép toàn kỳ có dải điện áp hoạt động rộng, xử lý dòng tải có mức tối đa 3A Bao gồm điện áp bão hòa thấp và bảo vệ quá nhiệt Cấu tạo từ hai mạch cầu

H transistor

Hình 8: L298 DC Motor Driver

ra phần mềm Từ đó thấy được mạch Arduino UNO R3 là một lựa chọn hợp lý, do dễ dàng lập trình cũng như lắp đặt mạch

Hình 7: Mạch Arduino UNO R3 Cấu tạo

- Các chân nguồn: Được cung cấp nguồn 5V Bao gồm Vin (Voltage Input), GND (Ground), IOREF, RESET

- Các chân vào/ra: Gồm 14 chân digital dùng để đọc ghi dữ liệu Chúng chỉ hoạt động ở 2 mức điện áp 0V và 5V với các dòng vào/ra tối đa 40mA Bao gồm 2 chân Serial, Chân PWM, Chân giao tiếp SPI, LED 13

Khối động cơ

Khối động cơ giúp mô hình chuyển động Bao gồm 2 phần là các motor giảm tốc vàng V1 kèm bánh xe sử dụng điện áp hoạt động 3~6V và bánh xe dò đường xoay tròn định hướng

Hình 9: Motor giảm tốc vàng V1 kèm bánh xe

Hình 10: Bộ khung xe

VII Tạo nguyên mẫu

Sau khi lập trình mạch điều khiển và lắp ráp, chúng tôi có được sản phẩm mẫu với kích thước 15 x 20 cm, và chạy thử nghiệm trên băng từ tính, cũng như thử nghiệm cảm biến tránh vật cản

Hình 11: Nguyên mẫu sản phẩm

VIII Đánh giá

Ở hiện tại, sau những lần đánh giá cho thấy, hệ thống vận hành có những ưu điểm sau là xe đã di chuyển bám theo line và đã dừng lại khi gặp vật cản Song trong môi trường ánh sáng có cường độ mạnh, độ chính xác của hệ thống bị giảm Ngoài ra, khả năng tránh vật cản còn chưa hoạt động được và còn thiếu an toàn khi sử dụng nguồn không đầu bịt bảo vệ

Những hạn chế trên có thể do hệ thống vận hành có số lượng cảm biến còn hạn chế nên độ chính xác chưa cao và code lập trình còn chưa được chi tiết để kiểm tra toàn bộ các trường hợp thực tế Nhận thấy những điều trên, nhóm chúng tôi định hướng phát triển chủ yếu tăng cường độ an toàn cho nguồn điện, cải thiện độ chính xác cảm biến

và kiểm tra nâng cấp code Arduino cho mô hình