Thuyết minh Đồ án xe dò line phân loại hàng theo khối lượng Đại học Bách khoa Tp.HCM

Robot dò line là một máy tự động có thể đi theo một con đường nhất định ngay cả khi con đường bị thay đổi bằng cách thay đổi hình dạng của đường. Trong trường hợp cơ bản nhất, đường đi có thể nhìn thấy được như đường đen trên bề mặt trắng (hoặc ngược lại) hoặc có thể không nhìn thấy được như từ trường. Bên cạnh chức năng dò line, robot còn được thiết kế một hệ thống tải hàng hóa cần phân phối. Hệ thống này có khả năng nhận biết hàng hóa đã được tải lên hay chưa, đồng thời phân biệt được khối lượng của hàng hóa. Từ đó phân phối về vị trí thích hợp với khối lượng hàng hóa đã biết trước. Một con robot phân phối hàng bám line chủ yếu bao gồm các khối sau: nguồn điện, bộ phận cảm biến, cơ cấu chấp hành, hệ thống điều khiển, giao tiếp giữa cảm biến và hệ thống điều khiển và giao tiếp giữa hệ thống điều khiển và cơ cấu chấp hành.

LỜI CẢM ƠN

Nhóm chúng em xin gửi lời cám ơn đến thầy TS Phạm Công Bằng đã tận tình chỉdạy, hướng dẫn để nhóm chúng em hoàn thành đồ án này trong suốt một học kì vừaqua Những kiến thức học được từ môn học này đã góp phần đem đến nhiều kinhnghiệm quý giá cho bản thân những thành viên trong nhóm để có thể tiếp tục học tập

và rèn luyện trên con đường tương lai sau này

Xin kính chúc thầy sức khỏe, hạnh phúc và có nhiều cống hiến hơn cho ngành Cơkhí nói chung và Cơ điện tử nói riêng Hy vọng từ những điều thầy đã hướng dẫn chotừng sinh viên trong nhóm mỗi người sẽ gặt hái được những thành công sau và đónggóp cho ngành trong tương lai sau này

Xin chân thành cảm ơn thầy!

Nhóm sinh viên thực hiện

Hồng Đức LinhNguyễn Sơn Lâm

Hồ Việt KhánhĐào Lê Tấn Lộc

MỤC LỤC

LỜI CẢM ƠN i

BIỂU ĐỒ GANTT THỂ HIỆN TIẾN ĐỘ CÔNG VIỆC ix

MỞ ĐẦU ……… x

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN 1

1.1 Tổng quan về robot phân phối hàng dò line 1

1.1.1 Khái niệm về robot phân phối hàng dò line 1

1.1.2 Nguyên lí hoạt động của robot phân phối hàng dò line 1

1.1.3 Các sản phẩm trên thị trường có ứng dụng robot phân phối hàng dò line 3

1.1.4 Ứng dụng của robot phân phối hàng dò line 6

1.2 Xác định mục tiêu thiết kế 7

1.3 Các phương án thiết kế robot tải hàng dò line 8

CHƯƠNG 2 LỰA CHỌN PHƯƠNG ÁN THIẾT KẾ 9

2.1 Thiết kế cơ khí 9

2.1.1 Loại ba bánh với hai bánh chủ động và một bánh bị động 9

2.1.2 Loại bốn bánh với hai bánh độc lập chủ động và hai bánh bị động 10

2.1.3 Loại bốn bánh chủ động độc lập 11

2.1.4 Loại bốn bánh sử dụng cơ cấu lái skid drive 12

2.2 Cấu trúc điều khiển 13

2.2.1 Điều khiển tập trung 14

2.2.2 Điều khiển phân cấp 14

2.3 Các loại cảm biến 15

2.3.1 Camera 15

2.3.2 Cảm biến hồng ngoại 16

2.3.3 Quang điện trở (photoresistor) 17

2.3.4 Cảm biến khối lượng 18

2.4 Bộ điều khiển 19

2.4.1 Giải thuật điều khiển 19

2.4.2 Giải thuật so sánh 20

2.4.3 Giải thuật vị trí trung bình (Weighted Average) 21

2.4.4 Giải thuật nội suy bậc 2 (Quadratic Interpolation) 22

Tổng kết mục tiêu đồ án: 23

CHƯƠNG 3 THIẾT KẾ CƠ KHÍ CHO XE 25

3.1 Lựa chọn bánh xe 25

3.1.1 Bánh chủ động 25

3.1.2 Bánh xe bị động 25

3.2 Tính toán động cơ 26

3.3 Thiết kế khung xe 30

3.4 Dung sai 31

3.5 Thiết kế gá khung động cơ 36

3.5.1 Chọn dung sai lắp ghép 36

3.5.2 Tính toán kích thước chuỗi 37

3.5.3 Kiểm tra bền 38

3.6 Tổng kết chương 3 39

3.6.1 Giá trị vị trí của robot dò line theo thời gian 39

3.6.2 Giá trị vận tốc của robot theo thời gian 40

CHƯƠNG 4 ĐIỀU KHIỂN ĐỘNG CƠ 44

4.1 Lựa chọn Driver và điều khiển động cơ 44

4.1.1 Lựa chọn Driver cho động cơ 44

4.1.2 Điều khiển động cơ 45

4.1.3 Thiết kế bộ điều khiển PID cho động cơ 45

4.2 Sơ đồ mạch điện 49

CHƯƠNG 5 CẢM BIẾN 50

5.1 Yêu cầu thiết kế mạch 50

5.2 Chọn cảm biến dò Line 50

5.3 Tính toán giá trị điện trở 51

5.4 Xác định chiều cao đặt cảm biến 54

5.5 Xác định cách bố trí cảm biến 57

5.6 Xác định số lượng và khoảng cách giữa các cảm biến 58

5.7 Thiết kế mạch dò line 59

5.8 Khảo nghiệm mạch cảm biến dò Line sau in 60

5.9 Cảm biến khối lượng 62

5.10 Lựa chọn vi điều khiển 68

5.11 Thiết kế giao diện HMI điều khiển robot dò line thông qua bluetooth 71

5.11.1 Tổng quan về HMI 71

5.11.2 Ứng dụng MIT App Inventor 72

5.11.3 Tiêu chí lựa chọn mạch thu phát bluetooth 72

5.11.4 Lựa chọn mạch thu phát Bluetooth 72

5.11.5 Thiết kế giao diện 74

CHƯƠNG 6 MÔ HÌNH HÓA HỆ THỐNG 75

6.1 Mô hình hóa động học 75

6.2 Mô phỏng kết quả bám line: 76

CHƯƠNG 7 SƠ ĐỒ GIẢI THUẬT 81

7.1 Giải thuật lựa chọn chế độ cho xe 81

7.2 Thuật toán nhận hàng, rẽ phải và trái 82

7.3 Thuật toán kiểm tra trạng thái sa bàn 83

CHƯƠNG 8 THỰC NGHIỆM VÀ ĐÁNH GIÁ 84

TÀI LIỆU THAM KHẢO 86

MỤC LỤC HÌNH ẢNH

Hình 1.1 Xe đẩy AGV 4

Hình 1.2 Xe nâng AGV 4

Hình 1.3 Xe kéo AGV 5

Hình 1.4 Xe tự hành AGV KUKA 5

Hình 1.5 Xe từ hành AGV của TPA 6

Hình 1.6 Hình vẽ kích thước sa bàn 7

Hình 2.1 Xe dò line 2 chủ động – 1 bị động 9

Hình 2.2 Xe dò line 2 chủ động – 2 bị động 10

Hình 2.3 Xe dò line Fireball 11

Hình 2.4 Xe dò line cơ cấu lái skid drive 12

Hình 2.5 Cấu trúc điều khiển tập trung 14

Hình 2.6 Cấu trúc điều khiển phân cấp 14

Hình 2.7 Camera Raspberry 16

Hình 2.8 Cảm biến hồng ngoại TCRT5000 16

Hình 2.9 CdS Photoresistor 17

Hình 2.10 Cách bố trí cảm biến 17

Hình 2.11 Cấu tạo của Strain Gauge 18

Hình 2.12 Cấu tạo cảm biến khối lượng loadcell 19

Hình 2.13 Sơ đồ điều khiển hệ thống 20

Hình 2.14 Giải thuật so sánh 20

Hình 2.15 Giải thuật vị trí trung bình 21

Hình 2.16 Giải thuật nội suy bậc 2 22

Hình 3.1 Bánh mắt trâu 26

Hình 3.2 Hệ trục tọa độ robot dò line 26

Hình 3.3 Sơ đồ phân tích các lực tác dụng lên xe 27

Hình 3.4 Mô tả các lực tác dụng lên bánh xe 28

Hình 3.5 Các lực xuất hiện khi xe vào cua 29

Hình 3.6 Thiết kế tấm đế robot dò line 30

Hình 3.7 Kết quả kiểm tra ứng suất của tấm đế 31

Hình 3.8 Kết quả kiểm tra biến dạng của tấm đế 31

Hình 3.9 Khoảng cách sai lệch tâm giữa hai bánh xe 32

Hình 3.10 Chuỗi kích thước hình thành theo phương y 32

Hình 3.11 Chuỗi kích thước trên tấm base 34

Hình 3.12 Dung sai lắp ghép giữa động cơ và khung gắn động cơ 36

Hình 3.13 Dung sai hình dáng của khung gá động cơ so với khung xe 36

Hình 3.14 Khung gá động cơ 37

Hình 3.15 Chuỗi kích thước 37

Hình 3.16 Kết quả kiểm tra ứng suất của khung gá động cơ 38

Hình 3.17 Kết quả kiểm tra biến dạng của khung gá động cơ 38

Hình 3.18 Tọa độ x, y theo thời gian 39

Hình 3.19 Hướng của robot dò line theo thời gian 39

Hình 3.20 Tốc độ dài của xe 40

Hình 3.21 Tốc độ góc của xe 41

Hình 3.22 Tốc độ góc của bánh phải 41

Hình 3.23 Tốc độ góc bánh trái 42

Hình 3.24 Tốc độ góc 2 bánh xe với vật nặng 1kg 42

Hình 3.25 Tốc độ góc 2 bánh xe với vật nặng 2kg 43

Hình 3.26 Thiết kế sơ bộ robot dò line trên SolidWorks 43

Hình 4.1 Driver TB6612 44

Hình 4.2 Đồ thị biểu diễn mối liên hệ giữa vận tốc góc theo PWM 45

Hình 4.3 Đáp ứng vận tốc của động cơ trái 46

Hình 4.4 Đáp ứng vận tốc của động cơ phải 46

Hình 4.5 Mô hình thiết kế PID cho động cơ GA25 bên trái 47

Hình 4.6 Mô hình thiết kế PID cho động cơ GA25 bên phải 47

Hình 4.7 Thông số bộ điều khiển PID cho động trái 47

Hình 4.8 Thông số bộ điều khiển PID cho động phải 48

Hình 4.9 Đáp ứng vận tốc bánh trái 48

Hình 4.10 Đáp ứng vận tốc bánh phải 48

Hình 4.11 Tốc độ động cơ khi sử dụng bộ điều khiển PID 49

Hình 4.12 Sơ đồ điện 49

Hình 5.1 Kích thước cảm biến TCRT5000 50

Hình 5.2 Nguyên lý hoạt động của 1 cặp led 51

Hình 5.3 Đường đặc tuyến VF với IF 52

Hình 5.4 Đường đặc tuyến VCE với IC 52

Hình 5.5 Kết quả analog trả về thu được trên nền đen của sa bàn 53

Hình 5.6 Kết quả analog trả về thu được trên nền trắng của sa bàn 54

Hình 5.7 Giá trị analog theo chiều cao cảm biến 56

Hình 5.8 Giá trị analog so với vị trí tâm line tại độ cao h=12 mm 56

Hình 5.10 Vùng hoạt động của cảm biến 57

Hình 5.11 Sơ đồ vùng quét của cảm biến trên đường line 58

Hình 5.12 Khoảng cách ngắn nhất giữa đầu thu của 2 cảm biến 58

Hình 5.13 Bố trí dãy cảm biến so với bề rộng line 59

Hình 5.14 Sơ đồ nguyên lý khối cảm biến 59

Hình 5.15 Mạch PCB cho dãy cảm biến 60

Hình 5.16 Mạch PCB sau in có thiết kế gá chống nhiễu và bảo vệ 60

Hình 5.17 Sai lệch giữa giá trị thực tế và giá trị xấp xỉ 62

Hình 5.18 Sự thay đổi của điện trở khi bị kéo (nén) 63

Hình 5.19 Mạch cầu Wheatstone 64

Hình 5.20 Cấu tạo module ADC HX711 65

Hình 5.21 Sơ đồ đấu nối Loadcell với HX711 66

Hình 5.22 Đồ thị biểu hiện khối cần đo sau khi hiệu chỉnh 68

Hình 5.23 Hình ảnh STM32F103C8T6 69

Hình 5.24 mạch 18650 Battery Shield V3 70

Hình 5.25 Module Bluetooth 3.0 SP 73

Hình 5.26 Giao diện HMI 74

Hình 6.1 Mô hình động học robot dò line 75

Hình 6.2 Mô hình sa bàn trên Matlab 76

Hình 6.3 Mô phỏng robot bám line 78

Hình 6.4 Sai số e 1 79

Hình 6.5 Sai số e 2 79

Hình 6.6 Sai số e 3 79

Hình 6.7 Vận tốc của hai bánh xe 80

Hình 7.1 Giải thuật lựa chọn chế độ 81

Hình 7.2 Giải thuật xe nhận hàng và rẽ hướng 82

Hình 7.3 Thuật toán kiểm tra sa bàn 83

Hình 8.1 Hình ảnh thực tế của xe 84

MỤC LỤC BẢNG

Bảng 1.1 Chuyển động của robot 2

Bảng 2.1 Bảng thông số xe dò line 10

Bảng 2.2 Bảng thông số xe dò line 11

Bảng 2.3 Bảng thông số xe dò line 11

Bảng 2.4 Bảng thông số xe dò line 12

Bảng 2.5 So sánh các kết cấu xe dò line 13

Bảng 2.6 So sánh 2 phương pháp điều khiển 15

Bảng 2.7 So sánh các loại cảm biến 18

Bảng 2.8 Thông số xe 23

Bảng 2.9 Bảng lựa chọn sơ bộ 23

Bảng 3.1 Thông số bánh xe 65mm 25

Bảng 3.2 Thông số động cơ GA25-V1 28

Bảng 3.3 Thông số lựa chọn dung sai 35

Bảng 5.1 Thông số kỹ thuật cảm biến TCRT5000 51

Bảng 5.2 Giá trị analog trả về cho nền trắng và nền đen với chiều cao cụ thể 55

Bảng 5.3 Giá trị analog lớn nhất và nhỏ nhất từ bộ 7 cảm biến 61

Bảng 5.4 Thông số kỹ thuật của loadcell 63

Bảng 5.5 Thông số kỹ thuật HX711 65

Bảng 5.6 Bảng giá trị đo được của loadcell 66

Bảng 5.7 Thông số kỹ thuật module Bluetooth 73

Bảng 6.1 Thông số đầu vào mô phỏng 77

BIỂU ĐỒ GANTT THỂ HIỆN TIẾN ĐỘ CÔNG VIỆC

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15

I Tổng quan

1 Tìm hiểu các vấn đề liên quan đến

robot dò line vận chuyển hàng

2 Đề xuất chọn các phương án cho

Vẽ 3D và thiết kế sơ bộ mô hình xe

Hiệu chỉnh thông số cơ khí

2 Thiết kế điện

Tìm hàm truyền động cơ

Tính toán PID cho động cơ

Hiệu chỉnh thông số động cơ

3 Cảm biến

Lựa chọn cảm biến dò line, cảm biến

khối lượng, thiết kế mạch cảm biến

4 Bộ điều khiển và mô phỏng

Nghiêng cứu lý thuyết điều khiển

Mô hình hoá sa bàn

Mô hình hóa matlab

Hiệu chỉnh thông số mô phỏng

III Chỉnh sửa mô hình

1 Cải tạo kết cấu xe

2 Chỉnh sửa bo mạch

3 Lắp ráp xe hoàn chỉnh để thực

nghiệm

IV Kết quả thực nghiệm

Hiệu chỉnh xe khi thực nghiệm

V Hoàn thành thuyết minh, bản vẽ

VI Bảo vệ

MỞ ĐẦU

Vận chuyển hàng hóa tự động trong sản xuất, lưu trữ là điểm mấu chốt để tối ưu hóachỗi cung ứng sản phẩm Hệ thống robot tự hành (AGVS) là một trong những giảipháp để cải tiến quá trình vận chuyển

Trong quá trình hình thành và phát triển, các môi trường công nghiệp đã ứng dụng

hệ thống robot tự hành trong các nhà xưởng xí nghiệp ngày càng nhiều, rõ ràng thấyđược hiệu quả mà nó mang lại là khá to lớn Những mô hình hoạt động có ứng dụngrobot trên thu được năng suất cao hơn nhiều so với trước khi ứng dụng Ngày nay, với sự phát triển nhanh chóng, robot dò line còn được dùng để nhiều mụcđích phục vụ đời sống chứ không đặc thù là phục vụ sản xuất nhà máy xí nghiệp Cụthể nó được ứng dụng vào robot vận chuyển thức ăn nước uống trong các nhà hàng,quán ăn chẳng hạn

Với những ứng dụng trên, nhóm em xin phép chọn đề tài robot dò line tải hàng.Chúng em tiến hành tìm hiểu tổng quan, phân tích và thiết kế một robot bám line vàphân phối hàng hóa dưới không gian phòng thí nghiệm

Nội dung đề tài gồm: tổng quan, phân tích mô hình toán, thiết kế cơ khí, xây dựng hệthống điện, xây dựng và lập trình giải thuật cho robot

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN

1.1 Tổng quan về robot phân phối hàng dò line

1.1.1 Khái niệm về robot phân phối hàng dò line

Robot dò line là một máy tự động có thể đi theo một con đường nhất định ngay cảkhi con đường bị thay đổi bằng cách thay đổi hình dạng của đường Trong trường hợp

cơ bản nhất, đường đi có thể nhìn thấy được như đường đen trên bề mặt trắng (hoặcngược lại) hoặc có thể không nhìn thấy được như từ trường

Bên cạnh chức năng dò line, robot còn được thiết kế một hệ thống tải hàng hóa cầnphân phối Hệ thống này có khả năng nhận biết hàng hóa đã được tải lên hay chưa,đồng thời phân biệt được khối lượng của hàng hóa Từ đó phân phối về vị trí thích hợpvới khối lượng hàng hóa đã biết trước

Một con robot phân phối hàng bám line chủ yếu bao gồm các khối sau: nguồn điện,

bộ phận cảm biến, cơ cấu chấp hành, hệ thống điều khiển, giao tiếp giữa cảm biến và

hệ thống điều khiển và giao tiếp giữa hệ thống điều khiển và cơ cấu chấp hành

1.1.2 Nguyên lí hoạt động của robot phân phối hàng dò line

Dò line là một nhiệm vụ trong đó robot phải đi bám sát đường line Robot phải cókhả năng phát hiện đường line cụ thể và tiếp tục bám sát nó Bên cạnh đó, robot cònphải nhận biết được khối lượng của khối hàng được đặt lên, từ đó xác định con đườngcần đi đến vị trí đã định sẵn theo khối lượng của hàng hóa Khi băng qua giao lộ nơirobot có thể có nhiều hơn một con đường có thể đi, và robot phải xác định được conđường đi theo yêu cầu đã thiết lập

Trong dự án này, robot sau sẽ di chuyển theo đường vẽ trên sa bàn cho trước Robottheo dõi đường màu đen được vẽ trên bề mặt màu trắng Các cảm biến dòng được sửdụng để cảm nhận đường line Khi tín hiệu hồng ngoại rơi trên bề mặt trắng, nó sẽ bịphản xạ và nếu nó rơi trên bề mặt đen, nó sẽ bị phản xạ một phần, nguyên tắc nàyđược sử dụng để quét các đường cho robot Khi tới khu vực tải hàng, một khối hàngđược đặt lên bằng tay, robot sẽ phát hiện, cân khối lượng hàng và xác định đường điđến vị trí kết thúc tương ứng với khối lượng gói hàng Ngoài ra, robot phải có khả

năng xoay nhiều mức độ khác nhau để bám các đường cong và phải không nhạy cảmvới các yếu tố môi trường như ánh sáng môi trường

Thông thường, có sáu loại chuyển động cơ của robot dò line như sau:

 Thứ nhất, động cơ trái và động cơ phải cùng chuyển động theo chiều thuận sẽcho kết quả của chuyển động tiến lên của robot Điều ngược lại tương tự chochuyển động lùi lại của robot

 Thứ hai, động cơ bên trái bị dừng và động cơ bên phải chuyển động theo chiềuthuận, kết quả cho chuyển động của robot rẽ trái Điều ngược lại tương tự chochuyển động của robot rẽ phải

 Thứ ba, động cơ trái và động cơ phải chuyển động theo chiều nghịch và thuận,tương ứng, kết quả cho chuyển động của robot ngoặt trái Điều ngược lại tương

tự cho chuyển động của robot ngoặt phải

Bảng 1.1 Chuyển động của robot

STT Chuyển động robot

Xoay động cơ

1.1.3 Các sản phẩm trên thị trường có ứng dụng robot phân phối hàng dò line

Xe tự hành AVG:

Robot vận chuyển hàng hóa hay được biết đến là xe tự hành AGV (AutonomousGuided Vehicles) Đây là Robot được vận hành rất nhiều trong các khu công nghiệplớn Với nhiệm vụ phân phối và vận chuyển hàng hóa một cách tự động Với sự kếthợp của các Sensor quang điện giúp định hướng đường đi Và Sensor siêu âm tránh vachạm gây ảnh hướng đến hàng hóa và nhân viên kỹ thuật trong nhà máy

Ưu điểm hoạt động được lâu dài, vận chuyển lượng hàng hóa có khối lượng lớn.AGV đang ngày càng được lựa chọn để thay thế hoàn toàn con người để giảm chi phíthuê nhân công, cũng như tăng độ chính xác trong công việc

Công nghệ hướng dẫn cho xe tự hành AVG:

 Wire – Dây: dây dẫn được gắn xuống sàn nhà để truyền tín hiệu AGV sẽ bắt tínhiệu dựa vào cảm biến được gắn ở mặt dưới Loại dẫn hướng bằng dây khônglinh hoạt vì không thể thay đổi hướng đi của AGV Đường dẫn bị cố định trênmặt sàn

 Guided tape – Băng từ: một băng từ hoặc các điểm được dán trên mặt sàn để dẫnhướng AGV Dù nhược điểm dễ bị bẩn và hư hại khi có nhiều người qua lại,nhưng băng từ có thể bóc ra dán lại khi muốn thay đổi đường đi của AGV

 Laser target navigation - Dẫn đường bằng quang học: Xe tự hành AGV được gắn

bộ thu phát laser, còn trên lối đi sẽ gắn các băng phản quang

 Inertial navigation - Điều hướng quán tính: Các xe AGV sẽ di chuyển theo bộ tínhiệu được tín hiệu được gắn trên sàn nhà Điều khiển bộ tín hiệu đó bằng hệthống điều khiển máy tính

 Ở mức độ cao hơn với công nghệ điều hướng nhờ camera 360 độ-Visionguidance Chúng hoạt động bằng cách sử dụng camera để ghi lại các đặc điểmdọc theo tuyến đường cần phải di chuyển Sử dụng hình ảnh 360 độ và xây dựngbản đồ 3D, cho phép AGV hướng dẫn tầm nhìn đi theo tuyến đường đã được lậptrình

 Công nghệ Geoguidance: xe tự hành được trang bị công nghệ geoguidance pháthiện và xác định các cột, vật cản cố định và tường trong nhà kho Sử dụng các

tham chiếu cố định này, nó có thể định vị chính nó, trong thời gian thực và xácđịnh tuyến đường của nó Không có giới hạn về khoảng cách bao gồm số lượngđịa điểm nhận và trả hàng Các tuyến đường có thể thay đổi vô hạn.

Có 3 loại AGV chính:

Xe đẩy AGV (Hình 1.1) : Xe đẩy có hướng dẫn tự động là loại AVG cơ bản Các hệ

thống điều hướng có thể bao gồm từ các hệ thống đơn giản như băng từ đến các hệthống đường dẫn phức tạp, dựa trên cảm biến sử dụng AI để điều hướng

Hình 1.1 Xe đẩy AGV

Xe nâng hàng AVG (Hình 1.2): xe nâng dẫn hướng tự động là loại AVG được thiết

kể với mục đích sử dụng chúng như là một xe nâng, điều khác biệt ở đây chính là xekhông cần người vận hành và được điều hướng dựa trên hệ thống điều hướng được lắpđặt sẵn

Hình 1.2 Xe nâng AGV

Xe AVG kéo (Hình 1.3): Các phương tiện kéo dẫn đường tự động, kéo phương tiện

tải hàng hóa phía sau không sử dụng động cơ Xe được sử dụng để vận chuyển hànghóa nặng trên quãng đường dài hơn, chứng có thể có một số điểm dừng dọc theo conđưởng xác định của nhà máy hoặc nhà kho

Hình 1.3 Xe kéo AGV Các loại xe tự hành có mặt trên thị trường:

Robot tự hành AVG KUKA (Hình 1.4): Robot thiết kế có được sự hỗ trợ của

phương pháp SLAM một bản đồ môi trường được tạo ra, cho phép robot di động đượcđến đích an toàn Robot nhận lệnh qua mạng WLAN sau đó thực hiện nhiệm vụ lái xe

và xử lý vòng kín, AGV sử dụng thuật toán để xác định vị trí lập kế hoạch tuyếnđường và đảm nhận tải trọng

Tất cả hệ thống tự hành AVG của KUKA đều được trang bị phần mềm điều hướngKUKA Navigation Solution, điều này làm cho chúng linh hoạt và di động đáp ứngđược nhu cầu một cách chính xác.

Hình 1.4 Xe tự hành AGV KUKA

Xe tự hành AGV SLAM của TPA (Hình 1.5): Điều hướng SLAM AGV sử dụng

hệ dẫn động vi sai hai bánh hoặc bánh lái ổn định, và được áp dụng cho cảnh vớinhững thay đổi môi trường nhỏ và điều kiệnmặt đất tương đối tốt Các đường viềntrong môi trường được sử dụng để tham chiếu định vị và phương pháp tính toán phụtrợ mã hóa và định vị quét đầu laser được áp dụng Điều này làm cho độ chính xácđịnh vị cao hơn, không có bất kỳ cơ sở hạ tầng nào (như gương phản xạ, đinh từ, v.v.)

Đó là một phương pháp điều hướng hoàn toàn tự chủ Ưu điểm của nó bao gồmgiảm độ khó thi công và có thể mở rộng đến chức năng tự động tránh chướng ngại vật,cải thiện đáng kể khả năng uốn dẻo.Xe nâng nhỏ gọn AGV sử dụng công nghệ điềuhướng SLAM

Hình 1.5 Xe từ hành AGV của TPA

1.1.4 Ứng dụng của robot phân phối hàng dò line

Việc sử dụng các phương tiện robot dò line phân phối hàng là để vận chuyển vậtliệu từ nơi này đến nơi khác dựa theo khối lượng của chúng, mỗi khối lượng có một vịtrí đã được định sẵn Trong các ngành công nghiệp, yêu cầu vận chuyển các sản phẩm

từ khu vực sản xuất này đến khu vực sản xuất khác thường nằm trong các tòa nhà khácnhau hoặc thậm chí các khối riêng biệt

Xe tải hoặc xe đẩy thông thường được sử dụng với sự điều khiển trực tiếp của conngười, điều này vô hình chung làm giảm năng suất lao động và đôi khi còn có nhữngbất cập xảy ra trong quá trình vận chuyển như là vận chuyển không đúng theo yêu cầuthậm chí đôi khi còn xảy ra những tai nạn đáng tiếc đối với nhân viên vận hành

Vì vậy, quá trình tự động hóa trong khu vực này đã xảy ra, sử dụng robot để bámtheo một đường line thay vì đặt đường ray vừa tốn kém vừa bất tiện Chuyển động củarobot này hoàn toàn phụ thuộc vào đường line, thường là một đường vẽ trực quan,hoặc một dây điện như một khái niệm từ trường

Robot phân phối hàng dò line thường được sử dụng để hổ trợ quá trình sản xuất tựđộng, trong các ứng dụng quân sự, mục đích hỗ trợ con người, dịch vụ giao hàng,… vàđặc biệt là trong lĩnh vực Logistics và quản lý kho vận

Hình 1.6 Hình vẽ kích thước sa bàn

Robot phải đáp ứng được yêu cầu vận hành của hệ thống:

- Robot di chuyển từ vị trí “Bắt đầu” đến “Khu vực tải hàng” và dừng lại.

- Tại “Khu vực tải hàng”, một khối hàng có trọng lượng 1 kg hoặc 2 kg sẽ được

đặt bằng tay lên trên robot Robot có khả năng nhận biết khối hàng đã tải lênxong

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

lượng gói hàng

Với mục tiêu thiết kế và chế tạo xe dò line phân phối hàng và bám được sa bàn, cácthông số cần được quan tâm: vận tốc của robot trên sa bàn, tải trọng robot mang, khảnăng đổi hướng của robot, sai số tối đa của robot trong quá trình bám theo đường line

Về vận tốc của robot phải đảm bảo vận chuyển hàng thành công đến vị trí được chỉđịnh Về tải trọng, robot có thể mang vật có khối lượng tối thiểu 2 kg Về khả năng đổihướng, robot có thể bám được các bán kính cong 500mm và 800mm trên sa bàn Vềsai số tối đa của robot trong suốt quá trình, sai số trong quá trình xe di chuyển trênđường thẳng hay cong sẽ phụ thuộc vào sai số xác định vị trí của xe do hệ thống cảmbiến và sai số do bộ điều khiển, và cách chọn điểm trên xe để xác định sai số bám line

1.3 Các phương án thiết kế robot tải hàng dò line

Thiết kế cơ khí:

- Loại 3 bánh với 2 bánh chủ động 1 bánh bị động

- Loại 4 bánh với 2 bánh chủ động 2 bánh bị động

- Loại 4 bánh chủ động độc lập.

- Loại 4 bánh sử dụng cơ cái lái skid drive.Cấu trúc điều khiển:

- Điều khiển tập trung

- Điều khiển phân cấp

CHƯƠNG 2 LỰA CHỌN PHƯƠNG ÁN THIẾT KẾ

2.1 Thiết kế cơ khí

Đối với xe dò line, phần cơ khí đóng vai trò là bộ khung, nâng đỡ, chịu tải Khôngchỉ vậy, phần cơ khí còn ảnh hưởng đến việc điều khiển và quyết định các đặc tính kĩthuật sau khi thiết kế như: tốc độ tối đa, bán kính cong, khối lượng chịu tải

2.1.1 Loại ba bánh với hai bánh chủ động và một bánh bị động

- Bánh trước có xu hướng trượt do trọng tâm của xe không nằm trên trục nối giữa

2 động cơ nhưng nhược điểm này có thể được khắc phục thông qua bộ điềukhiển

Trong thiết kế hình 2.1, xe được dẫn động bằng 2 bánh sau, mỗi bánh gắn với một

động cơ riêng biệt Bánh thứ 3 của xe là bánh mắt trâu có khả năng xoay theo mọi

hướng Thông số của cơ cấu được trình bày ở bảng 2.1

2.1.2 Loại bốn bánh với hai bánh độc lập chủ động và hai bánh bị động

Trong thiết kế hình 2.2 xe được dẫn động bằng 2 bánh sau, có 2 bánh mắt trâu 2 bên phía trước Thông số của cơ cấu được thể hiện ở bảng 2.2.

Hình 2.8 Xe dò line 2 chủ động – 2 bị động

Ưu điểm:

- Trọng tâm nằm giữa giúp xe có thể vào những đường cua có bán kính cong nhỏ

- Xe có 4 bánh nên khi chịu tải nặng ít bị lật hơn so với xe 3 bánh.

2.1.4 Loại bốn bánh sử dụng cơ cấu lái skid drive

Trong thiết kế hình 2.4 xe được dẫn động bằng 4 bánh,mỗi động cơ điều khiển 2 bánh cùng bên Thông số được trình bày ở bảng 2.4.

Hình 2.10 Xe dò line cơ cấu lái skid drive

- Xe sử dụng 4 bánh nên khó kiểm soát đồng phẳng

- Giải thuật điều khiển phức tạp hơn nhiều

So sánh các thiết kế cơ khí xe dò line

Bảng 2.6 So sánh các kết cấu xe dò line

A

2 bánh chủđộng, 1 bánhmắt trâu

B

2 bánh chủđộng, 2 bánhmắt trâu

C

4 bánh chủđộng độc lập

D

4 bánh sửdụng skiddrive

Khả năng

chuyển hướng

Linh hoạt vớibán kính congrất nhỏ

Linh hoạt vớibán kính conglớn

Không linhhoạt, dễ bịtrượt

Dễ kiểm soáthơn loại c

Phức tạp vì có

4 động cơ

Đơn giản vìchỉ có 2 độngcơ

Độ phức tạp

Phức tạp hơnloại A, khóđồng phẳng

Cao, khó bịlật hơn do cónhiều điểmtiếp xúc đất

Tương đối cao,nhưng dễ bịtrượt do lực lytâm

Cao, nhưng

dễ bị trượt

2.2 Cấu trúc điều khiển

Mạch điện xe dò line gồm các phần cơ bản chính bao gồm mạch cảm biến, mạchđiều khiển và mạch lái động cơ

Hai phương pháp chính dùng kết nối các phần với nhau là điều khiển tập trung vàđiều khiển phân cấp

2.2.1 Điều khiển tập trung

Trong điều khiển tâp trung (hình 2.5), một vi điều khiển dùng để thực hiện nhận và

xử lý tín hiệu từ cảm biến, hai encoder của động cơ; thực hiện chương trình chính, tínhgiá trị điều khiển và truyền cho driver điều khiển hai động cơ

Hình 2.11 Cấu trúc điều khiển tập trung

2.2.2 Điều khiển phân cấp

Trong điều khiển phân cấp (hình 2.6), một vi điều khiển được sử dụng như một

master dùng tính toán cho chương trình điều khiển chính Các slave còn lại sử dụngcác vi điều khiển khác, thực hiện các tác vụ riêng biệt như: thu nhận và xử lí tín hiệu

từ cảm biến, tính toán vị trí tương đối của xe so với line và truyền về cho master; thunhận tín hiệu từ encoder, tính toán luật điều khiển cho động cơ, đảm bảo cho động cơhoạt động theo đúng yêu cầu của master; v.v Tín hiệu trao đổi giữa các MCU có thểtheo nhiều chuẩn khác nhau: I2C, CAN, v.v Cấu trúc này giúp giảm nhẹ khối lượngtính toán cho master và cho phép robot thực hiện nhiều tác vụ cùng lúc

phân cấp

Bảng 2.7 So sánh 2 phương pháp điều khiển

tạp trong việc thiết kế schematic

Kết nối phức tạp, tuy nhiêntrực quan và dễ hình dung

Nguồn nuôi

Phải đảm bảo nguồn nuôi vừa đủcho cảm biến, vi điều khiển,driver, động cơ, encoder →thông thường phải dùng thêmcác mạch giảm áp, ổn áp…

Đơn giản hơn trong việc tínhtoán nguồn nuôi

Tốc độ xử lý Do 1 vi điều khiển xử lý mọi tác

Hình 2.13 Camera Raspberry

Ưu điểm của camera là độ chính xác cao nhưng kèm theo nó là các thuật toán xử lí ảnh phức tạp làm giảm tốc độ xử lí chỉ phù hợp với các loại mobile robot có vận tốc chậm với nhiều tác vụ xử lí kèm theo Ngoài ra giá thành của camera cũng là một vấn

đề để cân nhắc lựa chọn loại cảm biến

2.3.2 Cảm biến hồng ngoại

Cảm biến hồng ngoại (hình 2.8): Thường được sử dụng ngày nay Khi tia hồngngoại phát ra từ đèn LED, nếu có bộ phản xạ hồng ngoại, cảm biến hồng ngoại hoạtđộng và tạo ra điện áp giữa hai đèn LED Led phát và thu phải được đặt cách nhau với

bề mặt của đường sao cho vùng hoạt động của chúng cản trở lẫn nhau và không trùngvới bộ tiếp giáp

Ưu điểm: tốc độ phản hồi nhanh tầm ns, đơn giản dễ sử dụng

Nhược điểm: dễ bị ánh sáng ảnh hưởng đến kết quả

2.3.3 Quang điện trở (photoresistor)

Hình 2.15 CdS Photoresistor

Quang điện trở có nguyên lí hoạt động giống với transistor quang là chuyển nănglượng ánh sáng thành năng lượng điện nhưng nó chỉ tạo ra dòng điện chứ không tạo rađiện thế như transistor quang

Khi sử dụng quang điện trở hoặc trasistor quang, ta luôn sử dụng nhiều hơn 2 cảmbiến vì với 2 cảm biển sẽ không đủ thông tin để xác định đường đi khi vào chỗ đườngcong Có 2 cách bố trí cảm biến theo dãy là: bố trí ma trận hoặc bố trí trên đườngthẳng đơn lẻ

a) dạng ma trận b) dạng đường thẳng đơn lẻ

Hình 2.16 Cách bố trí cảm biến

Bố trí dạng ma trận như hình 2.10a là một cách để xác định đường đi, với nhiều

cảm biến thì sẽ có nhiều thông tin để biết được vị trí và hướng của xe

Nhược điểm là nó sử dụng quá nhiều cảm biển nên cần phải cân nhắc lựa chọn phụthuộc vào kích thước, tốc độ đáp ứng của xe

Bố trí dạng đường thẳng như hình 2.10b có ưu điểm là vẫn đảm bảo đủ thông tin để

xử lí và ít cảm biến hơn dạng ma trận nên dạng đường thẳng thích hợp cho việc xácđịnh đường đi Bố trí cảm biến 2 phía ngoài cùng không được quá gần hoặc quá xa.Nếu quá xa so với hướng di chuyển thì cảm biến có thể không còn chính xác khi xe đi

vào các đoạn cong Nếu các cảm biến quá gần nhau thì xe khó xác định được chỗ giaonhau của đường line

Để lựa chọn được thiết bị ta tiến hành so sánh sơ bộ giữa các thiết bị được thể hiện

ở bảng 2.7

Bảng 2.8 So sánh các loại cảm biến

2.3.4 Cảm biến khối lượng

Loadcell được cấu tạo bởi hai thành phần, thành phần thứ nhất là “Strain gage” vàthành phần còn lại là “Load”

Strain gage là một điện trở đặc biệt chỉ nhỏ bằng móng tay Có điện trở thay đổi khi

bị nén hay kéo dãn và được nuôi bằng một nguồn điện ổn định, được dán chết lênLoad – một thanh kim loại chịu tải có tính đàn hồi Cấu tạo trên được mô tả ở hình2.11

Hình 2.17 Cấu tạo của Strain Gauge

Loadcell hoạt động dựa trên nguyên lý cầu điện trở cân bằng Wheatstone qua sự

biến dạng theo bề mặt “strain” hình 2.12 Giá trị lực tác dụng tỉ lệ với sự thay đổi điện

trở cảm ứng trong cầu điện trở, và do đó trả về tín hiệu điện áp tỉ lệ

Hình 2.18 Cấu tạo cảm biến khối lượng loadcell

Quá trình sensing: m → L → R → V

Khi có tải trọng hoặc lực tác động lên thân loadcell làm cho thân loadcell bị biếndạng (giãn hoặc nén), điều đó dẫn tới sự thay đổi chiều dài và tiết diện của các sợi kimloại của điện trở strain gauges dán trên thân loadcell dẫn đến một sự thay đổi giá trịcủa các điện trở strain gauges Sự thay đổi này dẫn tới sự thay đổi trong điện áp đầu ra

2.4 Bộ điều khiển

Nhiều bộ điều khiển có thể được sử dụng cho bài toán xe đua bám line như: PD,PID, fuzzy, v.v Tuy nhiên để áp dụng các giải thuật này, robot cần sử dụng thêm cảmbiến gyro để nắm được trạng thái gia tốc của xe trong suốt quá trình chuyển động

2.4.1 Giải thuật điều khiển

Dựa vào yêu cầu robot phải bám được trên các đoạn đường thẳng, cong và do là xeđua nên yêu cầu cao về tốc độ và sự ổn định trong di chuyển Qua quá trình phân tíchnhóm chọn bộ điều khiển PID, vì đây là bộ điểu khiển phổ biến trong các nghiên cứu

về khả năng bám theo quỹ đạo cho trước cho mobile robot, đáp ứng được các sai số vàvận tốc nhóm đặt ra

Ngoài ra nhóm dự định sử dụng bộ điều khiển PID kết hợp ghi nhớ đường đi Tuyviệc giải thuật tự học phức tạp nhưng việc kết hợp thêm cảm biến để robot có thể ghinhớ đường đi giúp cho robot có thể nhớ được trạng thái gia tốc và gốc của robot trongsuốt đường đua nhằm tạo ra một tốc độ nhanh và ổn định trong suốt quá trình dichuyển.

Encoder 2 Sensor

Desired value

+

_

+ _

+ _

Giải thuật này dùng các tín hiệu ON/OFF đọc từ dãy cảm biến về bộ điều

khiển và từ đó tính toán xác định vị trí tương đối giữa hướng xe so với đường

line được thể hiện ở hình 2.14 Sai số phụ thuộc vào khả năng xử lí tín hiệu đọc

được từ cảm biến và khoảng cách giữa các cảm biến

Bằng những thao tác so sánh tín hiệu trả về giúp ta nhận biết được đường line vàđiều khiển một các dễ dàng Do đó, giải thuật này tương đối đơn giản, thực hiện khánhanh nhưng bên cạnh đó, giải thuật này bị hạn chế về việc độ chính xác không đượcđảm bảo.

2.4.3 Giải thuật vị trí trung bình (Weighted Average)

Giải thuật này dùng để tính toán vị trí tâm của line dựa vào giá trị trả về của tất cảcảm biến Trong đó, vị trí các cảm biến trả về giá trị cao hơn sẽ có trọng số cao hơn.Thể hiện qua công thức:

Hình 2.21 Giải thuật vị trí trung bình

Ví dụ, đối với xe có 7 cảm biến, sẽ chạy từ −3 đến 3 được bố trí như Hình 2.15

Công thức trên sẽ có dạng:

x=3(y6−y0)+2(y5−y1)+(y4−y2)

∑

i=0 n

y i

Giải thuật này không xử lý nhanh như giải thuật so sánh, nhưng độ chính xác caohơn và thường được sử dụng trong các bộ điều khiển Fuzzy

2.4.4 Giải thuật nội suy bậc 2 (Quadratic Interpolation)

Giải thuật này cũng tương tự giải thuật trên, nhằm tìm ra tâm đường line Giải thuậtnày có điểm khác biệt là chỉ tập trung vào 3 cảm biến liên tiếp trả về giá trị lớn nhấtthay vì dùng dữ liệu của tất cả cảm biến

Với 3 cảm biến liên tiếp đạt giá trị trả về lớn nhất là 𝑥1, 𝑥1 + 1 và 𝑥2 + 2, các giá trịtrả về tương ứng là 𝑦1, 𝑦2, 𝑦3, ta có được mối quan hệ của chúng theo hàm bậc 2 nhưsau:

𝑦1 = 𝑎𝑥12 + 𝑏𝑥1 + 𝑐

𝑦2 = 𝑎(𝑥1 + 1)2 + 𝑏(𝑥1 + 1) + 𝑐

𝑦3 = 𝑎(𝑥1 + 2)2 + 𝑏(𝑥1 + 2) + 𝑐Dựa vào 3 phương trình trên, ta có thể nội suy ra phương trình bậc 2 đi qua 3 điểm,

từ đó tính được vị trí để hàm đạt cực trị – cũng là vị trí tâm của line Kết quả thu đượcsau nội suy:

Hình 2.22 Giải thuật nội suy bậc 2

Giải thuật này có độ phức tạp cao, thời gian xử lý lâu nhưng độ chính xác đạt đượckhá cao Vì tập trung vào 3 cảm biến nên hạn chế được nhiễu do ảnh hưởng của môitrường đến các cảm biến khác

Tổng kết mục tiêu đồ án:

Mục tiêu thiết kế: Thiết kế xe đua bám đường đua cho trước và chạy với tốc độ nhanhnhất và độ chính xác thỏa mãn tiêu chí đánh giá

Sa bàn quỹ đạo robot dò line

Màu line: đen, màu nền: trắng

Các đối tượng được lựa chọn ở bảng 2.9:

Cấu trúc điều khiển Điều khiển tập trung

Vi điều khiển

Driver

Cảm biến dò line(TCRT5000)

Cảm biến khối lượng(Loadcell)

Bộ điều khiển

Bộ điều khiển PID controller cho động

cơ, bộ điều khiển ổ định Lyapunov, giải

thuật so sánh dò line

CHƯƠNG 3 THIẾT KẾ CƠ KHÍ CHO XE

Yêu cầu đặt ra:

Xe chạy vận tốc tối thiểu là 0.1m/s và tốc độ tối đa là 0.5m/s

Kết cấu chắc chắn, không rung lắc

Xe có thể đi qua đoạn cong (bánh kính cong 500mm và 800mm) mà xe không bị lật

Bánh có thể bị trượt do khi bẻ lái với vận tốc lớn thì bánh xe không kịp đáp ứng

từ đó làm ảnh hưởng đến tốc độ di chuyển của xe, làm xe bị lật

Bánh mắt trâu được làm bằng sắt thép nên rất bền, bên trong có ổ bi di chuyểntrơn tru Nhược điểm là bị kẹt khi hoạt động trong môi trường bụi, cát

Từ những phân tích trên, nhóm quyết định chọn bánh mắt trâu là bánh dẫn hướngcho robot dò line

Chọn bánh mắt trâu có đường kính 12mm, các kích thước được mô tả như hình3.1

𝐿 2

𝑥

𝑦

𝑂

Hình 3.24 Hệ trục tọa độ robot dò line

Chọn vị trí đặt vật nặng ở vị trí cách gốc tọa độ L/2 theo trục Ox, với L là khoảngcách giữa hai bánh xe G1 , G2 lần lượt là trọng tâm của xe và của tải trọng Hoành độtrọng tâm của hệ:

2 =20(N )

Hai bánh xe sau sẽ chịu một lực tương đương với 2kg

Ta có gia tốc của bánh xe:

a= v max

t =

0,5

1 =0,5¿Xét lực tác dụng lên một bánh chủ động thể hiện ở hình 3.3, ta có:

Hình 3.25 Sơ đồ phân tích các lực tác dụng lên xe

Động cơ khi được điều khiển sẽ sinh ra một torque τ ở bánh xe sau, dưới tác dụngcủa moment tạo ra lực F đẩy làm cho xe chuyển động Xe sẽ tạo ra một phản lực đúngbằng độ lớn của lực F tác dụng ngược lại vào bánh sau của xe

Độ lớn của giá trị lực F:

F=ma−F ms bánh xe sau−F ms bánhmắt trâu−F ms ổ lăn

Trong trường hợp này, có thể bỏ qua F ms bánhmắt trâu và F ms ổ lăn

→ F=ma+Fms bánh xe sau=(m xe+m tải) a+μ lăn (m xe+m tải

2 ) g

Chống lật khi vào cua:

Các lực xuất hiện khi xe vào đoạn đường cong được phân tích như hình 3.5:

Hình 3.27 Các lực xuất hiện khi xe vào cua