Lịch sử phát triển
Robot tự hành AGV là hệ thống vận chuyển tự động không cần người điều khiển, thường được sử dụng trong ngành công nghiệp để tối ưu hóa quy trình vận chuyển hàng hóa Các xe AGV có khả năng hoạt động độc lập, giúp nâng cao hiệu quả và giảm chi phí trong các lĩnh vực logistics và sản xuất.
Cung cấp, sắp xếp linh kiện tại khu vực kho và sản xuất
Vận chuyển hàng giữa các trạm sản xuất
Phân phối, cung ứng sản phẩm trong hệ thống kho hàng tự động của hệ thống logictics
Robot tự hành AGV được ứng dụng rộng rãi trong các lĩnh vực đặc biệt như bệnh viện, siêu thị và văn phòng Qua từng thời kỳ phát triển, AGV đã được phân chia và nhận diện dựa trên trình độ công nghệ cũng như khả năng tương tác với môi trường làm việc Điều này phản ánh sự tiến bộ trong khoa học và công nghệ toàn cầu, bắt đầu từ giai đoạn đầu tiên của Robot tự hành AGV.
Robot tự hành AGV đầu tiên được phát minh tại Mỹ vào năm 1953, sau đó lan rộng sang châu Âu Với sự phát triển của khoa học công nghệ, những Robot tự hành này đã được cải tiến và dẫn đường bằng cách sử dụng cảm biến thay vì các công tắc hành trình truyền thống.
Hình 1.1: Robot tự hành AGV trong giai đoạn đầu b) Thời kì thứ 2 - Bùng nổ của tự động hóa
Kỷ nguyên thứ hai của sự phát triển AGV diễn ra từ năm 1970 đến đầu những năm 1990, đánh dấu sự tích hợp đầu tiên của Robot tự hành AGV vào hệ thống sản xuất Trong giai đoạn này, AGV đã cải thiện khả năng ứng dụng với các tính năng như đảo chiều, dỡ hàng, di chuyển và dừng tại các vị trí định trước Công nghệ điều khiển và truyền tín hiệu bằng sóng vô tuyến và hồng ngoại, cùng với việc dẫn đường thông qua dây dẫn hoặc vạch kẻ, đã được áp dụng rộng rãi Ngành công nghiệp sản xuất ô tô, đặc biệt là tại các nhà máy ở Đức, đã chứng kiến sự phát triển mạnh mẽ của AGV, trở thành một phần thiết yếu trong dây chuyền sản xuất ô tô.
Trong lắp ráp ô tô, Robot tự hành AGV được ứng dụng như một trạm lắp ráp di động
Trong sản xuất linh kiện, Robot tự hành AGV là một mô đun liên kết các máy móc sản xuất theo một quy trình
Các loại Robot tự hành AGV kéo, nâng dùng để cung cấp linh kiện trong dây chuyền sản xuất
Trong công tác kho vận Robot tự hành AGV được ứng dụng để vận hành và phân phối sản phẩm
Hình 1.2: Robot tự hành AGV hoạt động trong nhà máy sản xuất Ô tô c) Thời kì thứ 3- Công nghệ đã được chứng minh
Kỷ nguyên thứ ba (1990-2010) đánh dấu sự thiết lập các tiêu chuẩn công nghệ cho Robot tự hành AGV, với việc trang bị cảm biến không tiếp xúc, công nghệ nhận dạng hình ảnh và xử lý tín hiệu thông qua bộ vi xử lý Trong giai đoạn này, hệ thống dẫn đường bằng dây và vạch kẻ đã không còn vai trò quan trọng, cho phép Robot tự hành AGV phát triển các tính năng vượt trội hơn so với giai đoạn thứ hai.
Tốc độ di chuyển cao hơn trong vận chuyển, vận tải nhờ cải tiến công nghệ cảm biến
Robot tự hành AGV có chi phí thấp hơn, nhưng hoạt động tin cậy hơn
Tích kiệm niệm năng lượng và có khả năng tự nạp năng lượng
Robot tự hành AGV được trang bị máy tính công nghiệp, giúp xử lý và kiểm soát thiết bị hiệu quả Chúng tương tác với môi trường làm việc thông qua các cảm biến thông minh, nâng cao khả năng tự động hóa trong quá trình vận hành.
Truyền dữ liệu chủ yếu qua WLAN d) Thời kì thứ 4 Bùng nổ và thách thức
Kỷ nguyên thứ 4 được bắt đầu từ năm 2010 đến nay, những thách thức về chức năng được đặt ra:
Hoạt động an toàn, tin cậy, tích hợp
Liên kết tự động và thông minh hóa
Robot tự hành AGV có khả năng hoạt động theo bầy đàn, cho phép chúng nhận dạng và giao tiếp hiệu quả với nhau cũng như với các thiết bị khác trong dây chuyền sản xuất.
Ứng dụng trí tuệ nhân tạo và cơ sở dữ liệu lớn trong vận hành và quản lý hệ thống
Phát triển các ứng dụng khác trong các lĩnh vực của cuộc sống như: bệnh viện, nông nghiệp v.v
Cấu tạo cơ bản của Robot AGV
Cấu tạo cơ bản của Robot tự hành AGV được mô tả trên hình 1.3 bao gồm các bộ phận chính sau:
Hình 1.3: Các bộ phận chính của Robot AGV
Bộ truyền chuyển động đóng vai trò quan trọng trong việc truyền động năng từ động cơ qua các bộ giảm tốc đến bánh xe, giúp AGV di chuyển linh hoạt với vận tốc và lực kéo phù hợp, đáp ứng hiệu quả các yêu cầu công việc.
Bánh xe chủ động: Phải có độ bám đường tốt nhằm đảm bảo xe không bị trượt trên đường di chuyển khi chịu tải lớn
Bánh xe bị động (vô hướng) đóng vai trò quan trọng trong việc tăng cường khả năng di chuyển linh hoạt cho AGV, cho phép nó chịu tải chính và dễ dàng di chuyển qua các khúc cua hoặc khi quay đầu.
Hệ thống cảm biến đóng vai trò quan trọng trong việc giúp xe tự hành (AGV) nhận diện lộ trình, phát hiện chướng ngại vật và tương tác hiệu quả với môi trường làm việc xung quanh.
Bộ nguồn nuôi: Ắc quy và pin để nuôi bộ điều khiển trung tâm và cơ cấu chấp hành của AGV
Bộ Driver điều khiển động cơ: Có nhiệm vụ thay đổi chiều quay và tốc độ của động cơ dẫn động hệ thống.
Một số loại Robot tự hành vận chuyển hàng hóa
Về cơ bản Robot tự hành AGV được phân loại theo chức năng và hệ thống nhận dạng đường đi
1.3.1 Phân loại theo chức năng
Khi phân loại theo chức năng thì Robot tự hành AGV lại được phân thành 4 loại như sau:
Xe kéo, một phương tiện đã xuất hiện từ lâu và vẫn được sử dụng phổ biến hiện nay, có khả năng kéo nhiều loại hàng hóa với trọng tải từ 8.000 đến 60.000 pounds Hệ thống xe kéo mang lại nhiều ưu điểm đáng kể cho việc vận chuyển hàng hóa.
Khả năng chuyên chở lớn
Có thể dự đoán và lên kế hoạch về tính hiệu quả của việc chuyên chở cũng như đảm bảo an toàn
Hình 1.4: AGV kéo hàng trong nhà máy
Hình 1.5: Xe chở AGV sử dụng hệ thống nâng, hạ
Xe chở được trang bị các tầng khay chứa có thể là nâng, hạ hay chuyển động bằng băng tải, đai hoặc xích
Hình 1.6: Xe AGV sử dụng hệ thống băng tải
Loại này có ưu điểm:
Tải trọng được phân phối và di chuyển theo yêu cầu
Thời gian đáp ứng nhanh gọn
Giảm hư hại sản phẩm
Giảm thiểu các tắc nghẽn giao thông chuyên chở
Lập kế hoạch hiệu quả
Xe đẩy có tính linh hoạt cao và giá thành thấp Chúng được sử dụng để chuyên chở vật liệu và các hệ thống lắp ráp
Hình 1.7: Robot tự hành AGV trong một nhà máy sản xuất cơ khí
Có khả năng nâng các tải trọng đặt trên sàn hoặc trên các bục cao hay các khối hàng đặt trên giá
Xe nâng tự hành AGV có ưu điểm nổi bật trong việc vận chuyển hàng hóa có kích thước và tải trọng lớn Tuy nhiên, để hoạt động hiệu quả, xe cần một không gian rộng rãi do kích thước của nó lớn hơn so với các loại xe nâng khác.
Hình 1.9: Xe nâng AGV hoạt động trong nhà máy thời đại công nghệ 4.0
1.3.2 Phân loại theo dạng đường đi
Loại chạy không đi theo đường dẫn (Free pathnavigation)
Xe AGV loại này có khả năng di chuyển linh hoạt đến bất kỳ vị trí nào trong không gian hoạt động Nó được trang bị cảm biến con quay hồi chuyển (Gyroscop sensor) để xác định hướng di chuyển, cảm biến laser để nhận diện các vật thể xung quanh, cùng với hệ thống định vị cục bộ (Local navigation Location) để xác định tọa độ tức thời Thiết kế của loại xe này yêu cầu công nghệ cao và phức tạp hơn so với các loại AGV thông thường.
Loại chạy theo đường dẫn (Fixed pathnavigation)
Hình 1.10: Xe AGV chạy theo đường dẫn trên nền
Xe AGV thuộc loại này được thiết kế để chạy theo các đường dẫn định sẵn gồm các loại đường dẫn như sau:
Đường dẫn từ là hệ thống dẫn đường được cấu tạo từ dây từ chôn ngầm dưới nền sàn, cho phép xe di chuyển theo đường dây nhờ cảm biến từ Ưu điểm của loại đường dẫn này là tính thẩm mỹ cao, không gây cản trở cho các hoạt động khác trong nhà xưởng Tuy nhiên, nhược điểm là tiêu tốn năng lượng để duy trì từ tính và tính cố định của đường dẫn, khiến việc thay đổi công nghệ hoặc mở rộng sản xuất trở nên tốn kém và lãng phí tài nguyên.
Xe AGV hoạt động trên các đường ray dẫn được xác định sẵn trên mặt sàn, thường được sử dụng trong các hệ thống chuyên dụng Loại hình này giúp thiết kế xe trở nên đơn giản hơn và cho phép di chuyển với tốc độ cao, tuy nhiên tính linh hoạt của nó lại khá hạn chế.
Xe AGV di chuyển theo các đường quang kẻ sẵn trên sàn nhờ cảm biến quay nhận dạng vạch kẻ, mang lại tính linh hoạt cao khi có thể dễ dàng thay đổi lộ trình bằng cách kẻ lại các vạch dẫn Tuy nhiên, sau một thời gian sử dụng, các vạch dẫn có thể bị bẩn hoặc hư hại, gây khó khăn trong việc điều khiển chính xác xe, do đó cần thường xuyên làm mới các vạch kẻ.
CƠ SỞ LÝ THUYẾT
Mô hình động học của robot
2.1.1 Khái niệm Động học là phạm vi chuyển động hoặc thay đổi mà một hệ thống có thể trải qua, hoặc không gian trạng thái mà nó hoạt động
Động học của một vật cứng trong không gian bao gồm việc mô tả các vị trí tọa độ, hướng di chuyển, phạm vi vận tốc và vận tốc góc của vật.
2.1.2 Tính toán động học Để bộ điều khiển bám theo một điểm mong muốn, hệ tọa độ của xe được xác định như hình bên dưới Chọn hệ trục tọa độ tuyệt đối là Oxy, hệ trục tọa độ tương đối là Muv gắn với xe
Hình 2.1: Hệ trục tọa độ cho phương trình của hệ thống
• 𝑣 𝑙 , 𝑣 𝑟 là vận tốc dài tức thời bánh trái và bánh phải
• d là khoảng cách trung điểm trục xe đến điểm bám line C
• a là khoảng cách trung điểm trục xe với tâm vận tốc tức thời I
• M là trung điểm của tâm 2 bánh xe
• 𝜑 là hướng của xe tại điểm bám line C
• L là khoảng cách giữa 2 bánh chủ động
Tọa độ tâm vận tốc tức thời I trên hệ tọa độ O xy là:
𝑦 1 = 𝑦 + 𝑑 cos 𝜑 (2-1) Với bán kính quay tức thời là:
Phương trình động học của xe tại điểm M là:
Phương trình động học của xe quy về điểm bám line C là:
Trong đó: v,w là vận tốc dài, vận tốc góc của xe được tính như sau:
• r là bán kính bánh xe
• w r , w l là tốc độ quay của bánh phải và bánh trái
Phương trình động học của điểm tham chiếu R nằm trên đường line là:
Với 𝑣 𝑅 , 𝑤 𝑅 là vận tốc dài, vận tốc góc mong muốn thiết kế cho xe
Bộ điều khiển được thiết kế để đưa điểm bám đường C đến vị trí mong muốn
R với vận tốc mong muốn 𝑣 𝑅 Để điều khiển được, ta cần xác định các sai số bám line trong hệ tọa độ M uv như sau:
Sau khi có giá trị sai số vị trí, ta đạo hàm chúng để có được sai số về vận tốc như sau:
] [𝑣 𝑤] (2-11) Thay (2-7) vào (3-11) ta được sai số về vận tốc:
Mục đích của giải thuật điều khiển là làm cho điểm C bám theo điểm tham chiếu R bằng cách xác định các sai số x e, y e và 𝜃 𝑒 Trong thực tế, vận tốc thực của xe gần giống với vận tốc mong muốn, dẫn đến sai số x e = 0 Sai số y e được đo từ cảm biến, và cần tính toán sai số 𝜃 𝑒 Để tính sai số này, xe di chuyển theo hướng trước đó một đoạn d s nhỏ, nhằm tạo ra tiếp tuyến cho đường cong khi nối hai điểm R và R′, từ đó áp dụng công thức để xác định 𝜃 𝑒.
Hình 2.2: Xe di chuyển đoạn d s trong thời gian lấy mẫu
Bộ điều khiển PID
PID là một bộ điều khiển sử dụng cơ chế phản hồi trong hệ thống công nghiệp, giúp tính toán các giá trị sai số giữa thực tế và giá trị mong muốn (Setpoint) Thuật toán PID bao gồm ba thông số chính: điều khiển tỉ lệ (Proportional), tích phân (Integral) và đạo hàm (Derivative) Điều này cho phép PID xác định sai số hiện tại, tác động của sai số trong quá khứ và dự đoán sai số trong tương lai dựa vào tốc độ thay đổi của sai số hiện tại.
Sơ đồ điều khiển PID được đặt tên theo ba khâu hiệu chỉnh chính, bao gồm tỷ lệ (P), tích phân (I) và vi phân (D) Tổng hợp của ba khâu này tạo thành các biến điều khiển (MV) trong hệ thống.
Trong đó: Pout + Iout + Dout là các thành phần đầu ra từ ba khâu của bộ điều khiển PID, được xác định như bên dưới
Hình 2.3: Bộ điều khiển PID a) Khâu tỉ lệ ( Proportional)
Khâu tỉ lệ, hay còn gọi là độ lợi, ảnh hưởng đến giá trị đầu ra theo tỷ lệ với giá trị sai số hiện tại Để điều chỉnh đáp ứng tỉ lệ, sai số được nhân với một hằng số Kp, được gọi là hệ số tỉ lệ.
𝐾 𝑝 : là độ lợi tỉ lệ, thông số điều chỉnh
𝑒 : sai số 𝑡: thời gian tức thời b) Khâu tích phân ( Integral)
Phân phối của khâu tích phân, hay còn gọi là reset, tỉ lệ thuận với biên độ sai số và khoảng thời gian xảy ra sai số Tổng sai số tức thời theo thời gian, hay còn gọi là tích phân sai số, giúp ta tích lũy bù đã được hiệu chỉnh trước đó Sai số tích lũy sau đó được nhân với độ lợi tích phân và cộng với tín hiệu đầu ra của bộ điều khiển Biên độ phân phối của khâu tích phân trên tất cả tác động điều chỉnh được xác định bởi độ lợi tích phân, 𝐾𝑖 Thừa số tích phân được xác định rõ ràng.
𝐼 𝑜𝑢𝑡 : thừa số tích phân của đầu ra
𝐾 𝑖 : độ lợi tích phân, 1 thông số điều chỉnh
𝑒: sai số 𝑡: thời gian tức thời 𝑟: một biến trung gian c) Khâu vi phân ( Derivational)
Tốc độ thay đổi của sai số quá trình được xác định bằng cách tính độ dốc của sai số theo thời gian, tương đương với đạo hàm bậc một theo thời gian, và nhân với độ lợi tỉ lệ 𝐾 𝑑 Biên độ của phân phối khâu vi phân, hay còn gọi là tốc độ, trên tất cả các hành vi điều khiển bị giới hạn bởi độ lợi vi phân 𝐾 𝑑 Thừa số vi phân được xác định như sau:
𝐷 𝑜𝑢𝑡 : thừa số vi phân đầu ra
𝐾 𝑑 : Độ lợi vi phân, một thông số điều chỉnh
𝑒: sai số 𝑡: thời gian tức thời d) Tóm lại
Đầu ra của bộ điều khiển PID được tính toán bằng cách cộng lại các khâu tỉ lệ, tích phân và vi phân Định nghĩa u(t) là đầu ra của bộ điều khiển, biểu thức cuối cùng của thuật toán PID được xác định.
Độ lợi tỉ lệ có giá trị lớn sẽ giúp đáp ứng nhanh chóng, nhưng cũng đồng nghĩa với việc sai số có thể gia tăng và cần bù khâu tỉ lệ lớn hơn Nếu giá trị độ lợi tỉ lệ quá cao, quá trình điều khiển có thể trở nên mất ổn định và gây ra dao động.
Độ lợi tích phân có ảnh hưởng lớn đến sự ổn định của hệ thống; giá trị cao giúp khử sai số ổn định nhanh chóng Tuy nhiên, điều này cũng dẫn đến độ vọt lố lớn, đòi hỏi mọi sai số âm tích lũy trong quá trình đáp ứng quá độ phải được bù đắp bằng sai số dương để đạt được trạng thái ổn định.
Độ lợi vi phân có ảnh hưởng lớn đến hiệu suất của hệ thống; giá trị càng cao sẽ giảm độ vọt lố nhưng lại làm chậm đáp ứng quá độ, có thể dẫn đến mất ổn định do khuếch đại nhiễu tín hiệu trong phép vi phân sai số.
2.2.2 Sơ đồ khối ứng dụng bộ điều khiển PID vào Robot AGV Để khi chạy robot bám sát đường nhất, ta cần xây dựng 1 bộ PID phù hợp Vị trí robot bám sát đường nhất ở đây là giá trị mục tiêu, bộ PID sẽ tính toán giá trị sai lệch là hiệu số đo được từ cảm biến dò đường đi vạch sẵn và giá trị mục tiêu Đầu ra của bộ PID dùng để điều khiển mạch driver điều khiển tốc độ 2 động cơ để cho robot bám đường nhất Từ đó ta xây dựng được sơ đồ khối như hình 2.4
Hình 2.4: Sơ đồ khối điều khiển PID cho robot AGV
Các bước thực hiện chương trình PID như sau:
PID_value= (Kp * P) + (Ki * I) + (Kd * D) previous_I=error previous_error = error
P là sai số hiện tại
I là sai số trong quá khứ
D là sai số tương lai
Error là sai số previous_I là sai số trong quá khứ trước đó previous_error là sai số trước đó.
THIẾT KẾ HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN CHO
Yêu cầu thiết kế của Robot AGV
Yêu cầu thiết kế của Robot AGV được đặt ra là:
Mô hình Robot tự hành mini cần có các chức năng thiết yếu của một robot vận chuyển hàng hóa, bao gồm khả năng di chuyển tự động và thủ công, đến điểm nhận và trả hàng, dừng lại khi gặp vật cản, và hiển thị thông tin trên màn hình.
Chi phí cấu thành thấp
Nguyên lý hoạt động chung của Robot AGV
Khởi động robot bằng cách bấm nút Switch khởi động robot Sau đó nhấn nút nhấn màu xanh để chọn nền tảng điều khiển:Web hoặc App
Hình 3.1: Chú thích phần cứng
Cả hai nền tảng đều có cách điều khiển tương tự nhau Để sử dụng nền tảng web, trước tiên, người dùng cần mở một trình duyệt web như Google Chrome Tiếp theo, kết nối thiết bị với điểm wifi của robot (tên người dùng: Robot AGV, không cần mật khẩu) như minh họa trong hình 3.2.
Hình 3.2: Kết nối đến điểm wifi của robot
Sau đó ở trình duyệt web ta truy cập đến địa chỉ IP được hiển thị trên màn hình robot để vào giao diện điều khiển của nền tảng web
Hình 3.3: Truy cập vào nền tảng điều khiển web
Để bắt đầu, hãy nhấn nút RESET ALL trên giao diện điều khiển để khôi phục tất cả các thông số về mặc định Sau đó, chuyển sang Tab Cài đặt trạm để thiết lập số trạm và hướng đi mong muốn, rồi nhấn nút Thiết lập Tiếp theo, chọn chế độ điều khiển cho robot, có hai chế độ là thủ công và tự động Đối với chế độ tự động, cần hiệu chỉnh line bằng cách vào Tab Điều khiển và nhấn nút Hiệu chỉnh Line, đồng thời nhập điểm đến Cuối cùng, nhấn nút Go để robot di chuyển; khi đến đúng điểm, robot sẽ dừng lại, còi kêu và đèn cảnh báo sẽ tắt.
Sơ đồ khối hệ thống của Robot AGV
Hệ thống bao gồm 6 khối chính: khối nguồn cung cấp năng lượng cho toàn bộ hệ thống, khối driver và động cơ thực hiện các chức năng điều khiển, khối cảm biến thu thập dữ liệu, khối giao tiếp kết nối các thành phần, khối xử lý trung tâm nhận dữ liệu từ khối giao tiếp và khối cảm biến, và cuối cùng là khối hiển thị và cảnh báo để thông báo trạng thái hệ thống.
Hình 3.4: Sơ đồ khối hệ thống của Robot AGV
Hệ thống sử dụng nguồn điện áp 12V cho module driver L298N nhằm cấp nguồn cho động cơ Module L298N có bộ hạ áp 5V, được sử dụng để cung cấp năng lượng cho Arduino Uno, ESP32, màn hình LCD và cảm biến phát hiện vật cản Các module khác như cảm biến dò line, còi và đèn LED cảnh báo được cấp nguồn từ Arduino Uno Sơ đồ kết nối các chân tín hiệu của các module điều khiển được thể hiện trong hình 3.5.
Hình 3.5: Sơ đồ đấu dây các module điều khiển
Chi tiết đấu nối giữa các chân của các module ngoại vi với module điều khiển có trong sơ đồ nguyên lý của hệ thống ở Phụ lục 1
Khối xử lý trung tâm Khối cảm biến
• Dung lượng pin vừa đủ
• Có mạch bảo vệ sạc xả
• Có khả năng xạc pin
Từ các yêu cầu trên ta lựa chọn pin Lithium 3S 12,6V làm khối nguồn cho Robot AGV (hình 3.6)
Hình 3.6: Hình ảnh pin lithium 3S 12V
Thông số kỹ thuật: Điện áp ra: 12,6V; Dung lượng: 2,6Ah; Dòng xả liên tục 25A.
3.3.2 Khối Driver và Động cơ
1 Động cơ Đối với cơ cấu di chuyển của xe, lực cản tĩnh phụ thuộc vào khối lượng chuyên chở và khối lượng của xe, trạng thái đường đi (cong, thẳng, ổ gà, dốc…) Do vậy lực cản được tính theo công thức sau:
G là khối lượng chuyên chở (khối lượng hàng tối đa), Kg
G x là khối lượng của xe, Kg g là gia tốc trọng trường, m/s 2
R b là bán kính bánh xe, m r ct là bán kính cổ trục của bánh xe, m f là hệ số ma sát lăn
Momen của động cơ sinh ra để thắng lực cản chuyển động đó bằng:
F là lực cản chuyển động
Công suất của động cơ khi di chuyển có tải bằng:
Trong đó: v là tốc độ di chuyển, m/s
Thực tế ta có được:
G = 1Kg; G x = 2Kg; R b = 0.033m; r ct = 0.008m; f = 0.015 khi di chuyển trên sàn bê tông; g=9,81m/s 2 ;
Lực cản chuyển động bằng:
Momen sinh ra để thắng lực cản chuyển động:
Với vận tốc 0,25(m/s) Công suất cần thiết của động cơ khi di chuyển có tải trong chế độ xác lập bằng:
Công suất động cơ cho xe AGV cần được lựa chọn dựa trên các thông số tối ưu để đáp ứng yêu cầu hoạt động Trong quá trình vận hành, xe sẽ chịu ảnh hưởng từ các lực cản bên ngoài như địa hình và không khí Do đó, động cơ có công suất 6W, 12V là lựa chọn lý tưởng, vừa đảm bảo tốc độ cần thiết vừa có khả năng chịu quá tải cho xe AGV.
Dòng điện cần thiết để cấp cho động cơ:
Hình 3.7: Hình ảnh động cơ DC giảm tốc
Thông số kỹ thuật của mô hình HN345-35GAD-1063Y bao gồm tốc độ từ 50-100 vòng/phút, phạm vi điện áp làm việc từ 12V đến 24V, dòng không tải 0.1A và dòng có tải 0.5A Mô-men xoắn đạt 6 kg-cm với chiều dài động cơ là 59mm, đường kính trục 6mm, đường kính động cơ 37mm và chiều dài trục 15.5mm.
2 Driver điều khiển động cơ
• Cho phép cấp điện áp vào được 12V
• Có hai mạch cầu H để điều khiển hai động cơ
Từ các yêu cầu trên ta lựa chọn Driver L298 làm driver điều khiển động cơ cho Robot AGV
Bài viết cung cấp thông số kỹ thuật cho một mạch cầu H, bao gồm hai bộ cầu H và sử dụng IC công suất L298 (ST NEW) Mạch hoạt động với điện áp tín hiệu 5V và dòng điện từ 0mA đến 36mA, trong khi điện áp hoạt động cho động cơ dao động từ 5V đến 35V Dòng điều khiển cho mỗi mạch cầu H đạt 2A, với khả năng hoạt động trong dải nhiệt độ từ -20 đến +135 độ C.
1 cầu H 25W; Trọng lượng 30g; Kích thước 43*43*27mm
Cảm biến dò đường giúp Robot phát hiện đường dẫn và bám theo đường dẫn để đi theo đúng đường dẫn đã được sắp đặt
• Tín hiệu đầu ra dạng tương tự
• Nhỏ gọn, giá thành rẻ
• Thời gian đáp ứng nhỏ hơn 0,01(s)
• Sai số nhỏ hơn 5(mm)
Từ các yêu cầu trên ta lựa chọn cảm biến dò đường 8 kênh QTR8A -TH063 làm cảm biến dò đường cho Robot AGV
Cảm biến dò đường 8 kênh QTR8A -TH063 hoạt động với điện áp từ 3.3V đến 5V, có thời gian đáp ứng nhanh và độ sai số thấp Tín hiệu đầu ra của cảm biến ở dạng tương tự và có thể được hiệu chỉnh để phù hợp với các loại đường dẫn trong nhiều môi trường khác nhau.
Kích thước nhỏ gọn 17x67mm
Tín hiệu trả về từ MCU được xác định qua các chân D1 đến D8 trên module chuyển đổi, tương ứng với các kênh từ 0 đến 7 trên module dò đường Khi các kênh không phát hiện đường dẫn màu đen, hoặc khi phát hiện đường dẫn, chân tín hiệu sẽ ở một mức nhất định tùy thuộc vào điều kiện môi trường và việc hiệu chỉnh cảm biến.
2 Cảm biến phát hiện vật cản
Cảm biến phát hiện vật cản giúp robot nhận biết có vật cản hướng cảm biến để robot có thể dừng hoặc di chuyển tránh vật cản
Từ các yêu cầu trên ta lựa chọn cảm biến siêu âm phát hiện vật cản HC-SR04 làm cảm biến phát hiện vật cản cho Robot AGV
Cảm biến siêu âm HC-SR04 là một module phát hiện vật cản, hoạt động dựa trên nguyên lý thu phát sóng siêu âm thông qua hai loa cao tần.
Cảm biến siêu âm HC-SR04 thường được sử dụng kết hợp với các bộ vi điều khiển như Arduino, PIC, và AVR để thực hiện nhiều ứng dụng, bao gồm phát hiện vật cản trên xe robot và đo khoảng cách vật.
Hình 3.10: Hình ảnh Module cảm biến siêu âm HC-SR04 a) Cấu tạo của cảm biến siêu âm HC-SR04 gồm 3 phần:
Bộ phận phát sóng siêu âm:
Hình 3.11: Phát sóng trên cảm biến siêu âm HC-SR04
Đầu phát và đầu thu siêu âm được cấu tạo từ các loa gốm đặc biệt, có khả năng phát ra sóng siêu âm với cường độ cao ở tần số thường là 40kHz, phục vụ cho nhu cầu đo khoảng cách.
Các loa này yêu cầu nguồn điện áp cao để hoạt động hiệu quả, với mức điện áp được nhà sản xuất công bố là 30V Mạch công suất sử dụng IC MAX232 để đệm tín hiệu, khuếch đại biên độ lên +/-30V cung cấp cho loa Để giảm thiểu tiêu thụ dòng điện, IC này được điều khiển đóng ngắt thông qua một transistor.
Bộ phận thu sóng siêu âm phản xạ:
Thiết bị thu là loa gốm nhạy với tần số 40KHz, sử dụng linh kiện như OPAM TL072 và transistor NPN để khuếch đại tín hiệu Tín hiệu sau đó được đưa qua bộ so sánh và kết hợp với tín hiệu từ bộ điều khiển, nhằm gửi thông tin về bộ điều khiển.
Bộ phận xử lý, điều khiển tín hiệu:
Vi điều khiển như PIC16F688 và STC11 đóng vai trò quan trọng trong việc phát xung và tính toán thời gian từ khi phát đến khi nhận sóng siêu âm qua tín hiệu TRIG Cảm biến siêu âm HC-SR04 hoạt động bằng cách phát một xung ngắn 5 μs từ chân Trig, sau đó tạo ra một xung HIGH ở chân Echo cho đến khi nhận được sóng phản xạ Độ rộng của xung Echo phản ánh thời gian sóng siêu âm được phát đi và quay lại, từ đó cho phép đo khoảng cách chính xác.
Tốc độ âm thanh trong không khí là 340 m/s, tương đương với 29,412 μs/cm Để tính khoảng cách từ cảm biến đến vật, bạn cần lấy độ rộng xung ở chân Echo chia 2, sau đó chia tiếp cho 29,412.
Hệ thống giao tiếp sử dụng mạng wifi kết nối giữa kit ESP32 với ứng dụng Blynk và Web Server (AP) a) Module ESP32
Nguyên lý hoạt động và lưu đồ thuật toán của hệ thống điều khiển 26 3.5 Lập trình điều khiển cho Robot AGV
Robot có 2 nền tảng Điều Khiển :
Thông qua trình duyệt Web
Thông qua App blynk trên điện thoại
Robot được trang bị hai chế độ điều khiển: thủ công và tự hành Trong chế độ thủ công, người dùng có thể điều khiển robot di chuyển bằng các phím TOP, BOT, LEFT, RIGHT hoặc sử dụng JoyStick trên nền tảng điều khiển.
Trước khi cho robot tự vận hành ở chế độ điều khiển tự động, người dùng cần cài đặt các trạm và hiệu chỉnh đường đi Sau đó, họ sẽ gửi mã lệnh yêu cầu robot di chuyển đến các vị trí đã được đánh dấu Robot sẽ tự động thực hiện di chuyển dựa trên vị trí hiện tại và vị trí đích, với quá trình di chuyển từ điểm A đến điểm B được chia thành hai bước: Bước 1, robot tính toán và điều chỉnh góc quay để hướng đi trùng với hướng của véc tơ.
Robot sẽ điều chỉnh tốc độ di chuyển dựa vào khoảng cách từ vị trí hiện tại đến điểm B Nếu khoảng cách lớn, robot sẽ di chuyển nhanh, ngược lại, nếu khoảng cách ngắn, robot sẽ giảm tốc độ Trong quá trình di chuyển, robot cũng sẽ điều chỉnh vận tốc của hai bánh để luôn hướng về điểm B Khi đến đích, còi của robot sẽ kêu.
Chế độ tự động Sai Nhận lệnh điều khiển từ thiết bị điều khiển
Lệnh di chuyển Có Di chuyển robot
Không Đứng lại Đọc lệnh từ người dùng Đúng
Xác định vị trí robot Đọc vị trí cần đến
Di chuyển robot đến vị trí cần đến
Chế độ phát hiện vật cản
Robot đã đến vị trí cần đến Đứng lại Đúng
Chế độ điều khiển thủ công
Robot hoạt động theo lưu đồ điều khiển tổng quát, trong đó chờ lệnh từ thiết bị điều khiển Nếu người dùng chọn chế độ tự động, robot sẽ xác định vị trí hiện tại và nhận lệnh đến vị trí cần di chuyển Trong quá trình di chuyển, nếu cảm biến phát hiện vật cản, robot sẽ dừng lại cho đến khi không còn vật cản trước mặt, sau đó tiếp tục di chuyển Khi đến vị trí đích, robot sẽ thực hiện các chức năng cảnh báo Nếu chế độ điều khiển là thủ công, robot sẽ chờ lệnh từ người dùng thông qua các nút di chuyển như TOP, LEFT, RIGHT, BOT hoặc joystick trên ứng dụng, và di chuyển theo hướng chỉ định.
3.5 Lập trình điều khiển cho Robot AGV
3.5.1 Sơ đồ khối của chương trình
Để robot hoạt động ổn định, không chỉ cần thiết kế cơ khí tốt mà còn phải có chương trình điều khiển ổn định Chương trình này cần linh hoạt và dễ quản lý, cho phép lập trình viên thay đổi để robot hoạt động hiệu quả Quy trình lập trình nên được thực hiện từ tổng quát đến cụ thể, bắt đầu bằng việc viết khung chương trình chính trước khi phát triển các chương trình con Việc viết và kiểm tra các chương trình con, vốn dùng để điều khiển hoạt động của robot, thường tốn nhiều thời gian và cần được thực hiện một cách cẩn thận.
Hình 3.22: Sơ đồ khối của chương trình cho một robot
Một chương trình cho robot sẽ bao gồm các khối:
Khối khởi tạo đóng vai trò quan trọng trong việc thiết lập các giá trị ban đầu cho thanh ghi, biến và ô nhớ, cũng như khởi tạo các ngắt Trong khối này, chương trình con quét phím và quét LED được triển khai, cho phép robot hoạt động hiệu quả và lựa chọn lộ trình phù hợp.
• Vòng lặp chính: Nhận dữ liệu từ điện thoại và Tính vị trí
• Khối các chương trình con xử lý hoạt động: Khối này sẽ chứa các chương trình con quản lý các hoạt động, các thao tác của robot
Các chương trình con phục vụ ngắt, bao gồm ngắt ngoài và ngắt timer, sẽ giúp robot chống nhiễu hiệu quả hơn và hoạt động chính xác hơn.
3.5.2 Lưu đồ thuật toán của các chương trình
1 Lưu đồ thuật toán chương trình chính
Chương trình sẽ khởi động và nhận tín hiệu điều khiển từ thiết bị, sau đó hiển thị và xử lý dữ liệu để điều khiển robot.
Khởi tạo ban đầu, khai báo biến
Hiển thị Điều khiển Robot
Hình 3.23: Sơ đồ khối của chương trình chính
Khi khởi động robot, quá trình bắt đầu bằng việc khởi tạo các biến và hằng số cần thiết Sau đó, robot sẽ chờ lệnh từ thiết bị điều khiển; nếu nhận được lệnh, nó sẽ hiển thị trên màn hình LCD và thực hiện theo lệnh đó Nếu không có lệnh nào được gửi xuống, robot sẽ tiếp tục chờ và chu trình này sẽ lặp lại từ bước nhận dữ liệu.
2 Lưu đồ chương trình điều khiển thủ công
Chương trình được lựa chọn ở chế độ thủ công trên nền tảng điều khiển, sau đó dữ liệu được gửi tới robot để thực hiện các chức năng điều khiển.
Nhận dữ liệu từ thiết bị
Robot di chuyển lùi Đúng
Robot di chuyển phải Đúng
Robot di chuyển trái Đúng
Hình 3.24: Lưu đồ chương trình điều khiển thủ công
Lưu đồ mô tả quy trình nhận lệnh từ thiết bị điều khiển, sau đó kiểm tra loại lệnh được gửi xuống, bao gồm di chuyển tiến, trái, phải, lùi hoặc dừng Cuối cùng, thực hiện di chuyển theo lệnh đã chỉ định.
3 Lưu đồ chương trình điều khiển tự động
Chương trình tự động trên thiết bị sẽ gửi dữ liệu đến robot và bắt đầu thực hiện chế độ tự động đã được thiết lập trước đó (hình 3.25).
Nhận dữ liệu từ thiết bị
Tìm Line Đúng Xác định vị trí hiện tại Đọc vị trí cần đến
Di chuyển đến Đúng vị trí cần đến
Robot đã đến vị trí Đứng lại Đúng
Hình 3.25: Lưu đồ chương trình điều khiển tự động
Lưu đồ hoạt động của robot bắt đầu bằng việc chờ lệnh từ thiết bị điều khiển Sau khi nhận lệnh, robot sẽ kiểm tra xem có đang di chuyển trên đường line hay không Nếu đúng, robot xác định vị trí hiện tại và chờ lệnh đến vị trí cần đến Khi đã xác định được vị trí, robot sẽ kiểm tra xem có lệnh cho phép di chuyển hay chưa; nếu có, nó sẽ di chuyển đến vị trí đó Khi đến nơi, robot sẽ dừng lại để thực hiện chức năng cảnh báo Nếu chưa có lệnh, robot sẽ đứng im và tiếp tục chờ lệnh.
CHẾ TẠO VÀ THỬ NGHIỆM
Thi công phần cứng
Lựa chọn kết cấu xe: Thiết kế xe 3 bánh, 2 bánh chủ động ở phía sau điều khiển bằng 2 động cơ DC độc lập, bánh trước là bánh mắt trâu
Phần cứng bao gồm: Khung vỏ của Robot, 2 bánh xe chủ động, 2 khớp nối trục động cơ với bánh xe, 1 bánh xe bị động, 2 gá động cơ
Khung vỏ robot không chỉ liên kết các bộ phận bên trong mà còn tăng cường độ cứng vững và bảo vệ robot khỏi các tác động bên ngoài Để đạt được điều này, chúng tôi sử dụng Hộp Nhựa ABS 265x185x95mm với khả năng chống nước IP65 làm vật liệu cho khung vỏ.
Hình 4.1: Hình ảnh hộp nhựa ABS
Sản phẩm được làm từ chất liệu nhựa ABS, với màu sắc xám trắng, có khả năng chịu nhiệt từ -20℃ đến 90℃ Nó đạt tiêu chuẩn chống nước IP65 và chống bụi, đảm bảo độ bền trong nhiều điều kiện môi trường Kích thước của sản phẩm là 265x185x95mm, với chiều dài 265mm, chiều rộng 185mm và chiều cao 95mm.
Bánh chủ động là bộ phận quan trọng giúp xe di chuyển, yêu cầu có độ bám đường tốt, không trơn trượt, chịu tải ổn định và dễ dàng tháo lắp, thay thế với chi phí hợp lý.
Từ những yêu cầu trên ta có thể sử dụng bánh xe mô hình 66mm để làm bánh chủ động cho xe
Hình 4.2: Hình ảnh bánh xe mô hình 66mm
Thụng số kĩ thuật: Chất liệu Nhựa, lốp cao su; Màu sắc Vàng; Kớch thước: ỉ 66mm; Đường kính lỗ trục: 5mm
3 Khớp nối trục động cơ với bánh xe
Khớp nối trục động cơ với bánh xe là thiết bị quan trọng giúp kết nối trục động cơ và trục bánh xe, đóng vai trò như bộ phận trung gian đảm bảo sự kết nối chắc chắn Thiết bị này giúp giảm tải trọng, hạn chế sai lệch và quá tải, đồng thời bù lệch các tâm trục, nâng cao hiệu quả hoạt động của robot Với đường kính trục động cơ là 6mm và trục bánh xe là 8mm, loại khớp nối trục cứng được chọn có đường kính 2 đầu là 6x8mm.
Hình 4.3: Hình ảnh khớp nối trục động cơ với bánh xe
Thông số kĩ thuật: Chất liệu: Nhôm; Màu sắc: Xanh tím; Chiều dài: 25mm; Đường kính thân: 19mm; Cân nặng: 15g; Đường kính 2 đầu vào: 6x8mm
Bánh xe bị động là bộ phận quan trọng giúp điều hướng cho xe di chuyển, trong đó bánh xe mắt trâu được sử dụng phổ biến cho robot Với vỏ ngoài bằng sắt hoặc thép, bánh mắt trâu có độ bền cao và được trang bị ổ bi bên trong, giúp cho quá trình di chuyển diễn ra trơn tru và hiệu quả.
Hình 4.4: Hình ảnh bánh xe mắt trâu
Thông số kĩ thuật: Chất liệu: Sắt; Màu sắc: Xám Trắng; Chịu tải: 10Kg; Trọng lượng: 40g.
Gá động cơ là thiết bị quan trọng giúp cố định động cơ trong quá trình hoạt động của robot Để giảm trọng lượng và chi phí, mô hình này ưu tiên sử dụng chất liệu nhựa Cần điều chỉnh gá để phù hợp với kích thước và kiểu dáng của động cơ.
Hình 4.5: Hình ảnh gá cố định động cơ
Thông số kĩ thuật: Gá động cơ bước size 42 nema17; Chất liệu bằng Nhựa ABS; Màu Đen
4.2 Thiết kế và thi công lắp đặt phần cứng của Robot AGV
4.2.1 Thiết kế trên phần mền Inventor
Các bước thiết kế trên phần mền Inventor được thực hiện như sau:
Bước 1: Mở phần mềm Inventor lên và chọn "New" để tạo bản vẽ mới
Bước 2: Chọn "Part" hoặc "Assembly" tùy vào mục đích vẽ của người dùng
Bước 3: Chọn "Sketch" để bắt đầu vẽ
Bước 4: Tạo các khối hình 3D bằng cách sử dụng các công cụ vẽ cơ bản như đường thẳng, hình tròn, hình vuông, đường cong, v.v
Bước 5: Sử dụng các công cụ để di chuyển, xoay hoặc co giãn các đối tượng để hoàn thiện khối hình 3D
Bước 6: Để lưu và xuất bản vẽ, người dùng có thể chọn "Save as" và chọn định dạng tương ứng để lưu tệp
Các bộ phận được thiết kế hoàn thiện trên phần mền Inventer như hình 4.6 ÷ 4.12
Hình 4.6: Bộ phận khung vỏ của robot
Hình 4.7: Bộ phận lắp của robot
Hình 4.8: Bộ phận gá động cơ của robot
Hình 4.9: Tổng quan bên trái của robot
Hình 4.10: Tổng quan bên phải của robot
Hình 4.11: Tổng quan mặt dưới của robot
Hình 4.12: Tổng quan bên trong của robot
Các thông số kích thước của các bộ phận khung vỏ, lắp, gá động cơ có trong các bản vẽ chi tiết tên tương ứng ở phụ lục 1
4.2.2 Thi công lắp đặt phần cứng
Thi công lắp đặt phần cứng bao gồm 4 bước sau:
Bước 1: Chế tạo các bộ phận khung vỏ, lắp, gá động cơ như trong các bản vẽ đã được thiết kế
Bước 2: Lắp đặt hệ thống dẫn động như: động cơ, bánh xe chủ động, bánh xe bị động,…
Bước 3: Lắp đặt và đấu nối hệ thống mạch điện như: kit Arduino Uno, kit Esp32, Driver L298, các cảm biến,…
Bước 4: Nạp chương trình kiểm tra chạy thử robot
Bên dưới là một số hình ảnh trong quá trình thi công lắp đặt robot
Hình 4.13: Công đoạn lắp đặt đấu nối hệ thống mạch điện
Hình 4.14: Thi công lắp đặt hoàn tất
Hình 4.15: Kiểm tra chạy thử robot
4.3 Giao diện hai nền tảng điều khiển Robot AGV
4.3.1 Nền tảng App Blynk (legacy)
Blynk đã chính thức gỡ bỏ ứng dụng Blynk Legacy 1.0 trên cả App Store và CHPlay, khiến người dùng không thể tạo tài khoản và sử dụng server gốc Hiện tại, người dùng chỉ có thể cài đặt ứng dụng thông qua file apk cho điện thoại Android, với yêu cầu hệ điều hành từ 5.0 trở lên Đối với iPhone, phương pháp cài đặt này hiện chưa khả thi Để cài đặt, bạn cần tìm kiếm "Blynk legacy APK" trên trình duyệt web, tải file apk về và thực hiện cài đặt.
Mở ứng dụng và tiến hành tạo tài khoản Chọn Create New Account và nhập thông tin tài khoản gmail như hình 4.16
Hình 4.16: Giao diện tạo tài khoản Blynk
Sau đó chọn nút tùy chọn để chuyển sang Custom Server, cài đặt thông số như hình 4.17 và chọn OK và cuối cùng là LOGIN
Hình 4.17: Giao diện custom Server blynk
Sau khi hoàn tất việc đăng ký, bạn hãy nhấn vào dấu cộng (+) "New Project" trên thanh công cụ để bắt đầu tạo dự án mới Đặt tên cho dự án và chọn "Create" để hoàn tất quá trình tạo dự án như hình 4.18.
Hình 4.18: Giao diện tạo 1 project trong app Blynk
Blynk sẽ gửi một mã Token trực tiếp vào email mà bạn đã đăng ký, mã này cần được chèn vào code của dự án như hình 4.19.
Hình 4.19: Giao diện chèn mã token vào code
Ở góc bên phải hình lục giác, bạn sẽ thấy chế độ cài đặt; hãy nhấn vào dấu + để truy cập Widget Box và lấy các nút chức năng Sau khi hoàn tất cài đặt các tính năng, hãy nhấn vào dấu tam giác để chuyển đổi sang hình vuông, đánh dấu chế độ điều khiển thiết bị (hình 4.20).
Hình 4.20: Chú thích các nút trong app Blynk
Tạo giao diện điều khiển: Vào Widget Box, lấy các nút chức năng và cài đặt các chân ảo (virtual pin) như hình 4.21 để tạo giao diện điều khiển
Hình 4.21: Giao diện App blynk
Lần sau vào lại chỉ cần chọn đúng Project đã tạo như hình 4.22 và nhấn nút tam giác trên góc phải để vào chế độ điều khiển
Hình 4.22: Chọn Project đã tạo trước đó 4.3.2 Nền tảng Web
Giao diện website điều khiển được xây dựng từ ba thành phần chính: HTML, CSS và JavaScript HTML tạo nên cấu trúc cơ bản của website, trong khi CSS đảm nhận nhiệm vụ trang trí và tạo kiểu cho giao diện JavaScript đóng vai trò quan trọng trong việc xử lý các sự kiện và quản lý việc gửi nhận dữ liệu từ phía máy chủ.
Tác giả sử dụng Visual Studio Code để lập trình website, nhờ vào các công cụ hỗ trợ giúp viết code nhanh chóng; tuy nhiên, người dùng cũng có thể chọn bất kỳ trình soạn thảo mã nào khác Đầu tiên, cần tạo bộ khung cho website bằng cách mở Visual Studio Code, tạo một file HTML và bắt đầu lập trình giao diện.
Để kiểm tra giao diện HTML, bạn cần mở file HTML trong một trình duyệt web bất kỳ, ví dụ như Chrome, như được minh họa trong hình 4.24.
Hình 4.24: Giao diện html trên google chrome
Để trang trí website bằng CSS, có hai phương pháp để thêm CSS vào file HTML Phương pháp đầu tiên là tạo một file CSS riêng và sau đó nhập vào file HTML Phương pháp thứ hai là viết mã trực tiếp trong cặp thẻ trong file HTML Trong bài viết này, tác giả đã sử dụng phương pháp thứ hai, tạo một cặp thẻ và viết mã CSS bên trong.
Hình 4.25: Giao diện code css trong file html
Để xử lý các sự kiện và dữ liệu gửi nhận từ server, chúng ta cần sử dụng JavaScript Có hai cách để thêm JavaScript vào mã, tương tự như việc thêm CSS Trong bài viết này, tác giả chọn cách viết mã trực tiếp trong file HTML bằng cách tạo một cặp thẻ.
để viết code trong đó như hình 4.26
Hình 4.26: Giao diện code javascript trong file html