báo cáo đề tài mobile flatform

Con người từ việc vận chuyển hàng hóa bằng tay chân đến việc sử dụng sức của các loài gia súc, phát triển hơn là sử dụng các phương tiện vận chuyển do con người trực tiếp điều khiển như

Đại Học Quốc Gia TP Hồ Chí Minh

Trường Đại Học Bách Khoa

ĐỀ TÀI: MOBILE FLATFORM

GVHD: PGS.TS Nguyễn Tấn Tiến

I TỔNG QUAN

Ngày nay, với sự phát triển của khoa học-kỹ thuật sức lao động của con người dần được thay thế bởi các thiết bị tự động Con

người từ việc vận chuyển hàng hóa bằng tay chân đến việc sử dụng sức của các loài gia súc, phát triển hơn là sử dụng các

phương tiện vận chuyển do con người trực tiếp điều khiển như xe kéo, xe đẩy hàng

Tuy nhiên, trong môi trường công nghiệp, đối với những công việc có tính chất lặp đi lặp lại hoặc công việc yêu cầu độ chính xác cao, mang tính dây chuyền, đòi hỏi năng suất lớn thì với các hình thức vận chuyển trên khó có thể đáp ứng được những yêu cầu đó Trước những yêu cầu trên, những thiết bị có khả năng tự di chuyển, mang hàng hóa từ nơi này đến nơi khác, theo một lộ trình cho trước hoặc làm những công việc đặc thù do con người lập trình sẵn dần ra đời

Nhằm đáp ứng được yêu cầu trên, trong nội dung báo cáo này sẽ thực hiện việc nghiên cứu và thiết kế một loại Mobile

Platform có khả năng mang hàng hóa từ nơi này đến nơi khác và đi trên một quỹ đạo được định sẵn

Một số sản phẩm đã được nghiên cứu trên

• Bộ điều khiển: Atmega 128-16AU

• Cảm biến dò đường: sử dụng cảm biến quang

• Nguồn: sử dụng nguồn DC 24v

• Góc xoay : có thể <900 hoặc >90 tùy kết cấu.

Với yêu cầu công việc xoay góc < , dùng cơ cấu 1 cặp bánh chủ động.

Với yêu cầu công việc xoay góc > , dùng cơ cấu 2 cặp bánh chủ động

Có thể thay đổi tốc độ hoặc nhận tín hiệu điều khiển tại các trạm, thông qua việc đọc mã vạch từ cảm biến

Sơ đồ nguyên lý

Các đường dẫn được làm bằng từ được dán hoặc cố định trên sàn nhà do đó có thể linh hoạt trong việc thay đổi và do đường dẫn làm bằng từ tại các nơi yêu cầu phải dừng lại để thực hiện cũng được dán trên sàn nhà.

Sơ đồ vận hành Indeva

Sơ đồ nguyên lý

Xe chở hàng Weasel của SSI Schaefer

 Khối lượng vận chuyển lên đến 35 kg

 Kích thước vận chuyển: 120 x 120 x 45 mm – 650 x 450 x 510 mm

 Kích thước của xe loại nhỏ:

(LxBxH): 810 x 420 x 285 mm

 Thời gian hoạt động lên đến 18 tiếng

 Điện được cung cấp bởi pin chì dạng gel, có thể được sạc riêng bên ngoài

 Các trạm sạc pin luôn sẵn sàng để duy trì hoạt động 3 ca 1 ngày

 Tốc độ lên tới 1m/s, phụ thuộc vào tải trọng

 Gia tốc lên đến 0.8m/s2 >

 Xe có thể di chuyển trong bán kính 1000 mm

 Có thể leo nghiêng đến 20%

Sơ đồ nguyên lý

Tóm tắt:

 Từ ba sản phẩm nêu trên, ta nhận thấy điểm chung là:

 Các sản phẩm trên đều được sử dụng để vận chuyển hàng trong mô hình các nhà xưởng.

 Vận tốc trung bình dao dông trong khoảng : 0,5 -> 1 m/s

 Có 1 cặp bánh chủ động và các bánh tự lựa hướng (1,2,4 bánh)

 Có khả năng tự di chuyển trên 1 đường line cho trước

 Khối lượng hàng chở(kéo) được :35 kg -> 750 kg

 Bán kính cong có thể đi được : 1000mm, góc xoay có thể thực hiện được : 0->360, tùy kết cấu.

- Bán kính cong thực hiện được: 2.5 m

- Sai số khi di chuyển : 10mm

Sơ đồ đường đi

II LỰA CHỌN PHƯƠNG ÁN

A Phương án cơ khí

Lựa chọn phương án di chuyển

• 2 bánh : với yêu cầu kích thước kiện hàng là L750xH300xW350, nên phương án 2 bánh khó đảm bảo được điều kiện đứng vững

• 3 bánh: khả năng đứng vững cao hơn 2 bánh, nhưng với kích thước kiện hàng như đề bài, khó đảm bảo đứng vững được

• 4 bánh: khả năng đứng vững tốt, đảm bảo được yêu cầu đề bài, nhưng với chiều dài kiện hàng là L700, bánh kính cong rẽ là 1m, khối lượng hàng là m=40 kg, thì rẽ sẽ khó khăn

Sơ đồ nguyên lý

- Động cơ DC servo : điều khiển chính xác vị trí, tuy nhiên khả năng chịu tải nhỏ, nên không phù hợp

- Động cơ DC : khả năng chịu tải tương đối lớn Có thể điều khiển chính xác vị trí nhờ encode Tuổi thọ động cơ cao hơn so với

DC chổi than

Từ sự so sánh trên, ta chọn động cơ DC với hồi tiếp encode

• Lựa chọn cảm biến

 Cảm biến camera số: khả năng dò đường và di chuyển theo một quỹ đạo cho trước tốt, tuy nhiên đòi hỏi giải thuật phức tạp, thường được sử dụng

để dò line phức tạp, thích hợp cho những bài toán tránh vật cản Với yêu cầu đề bài là di chuyển trong nhà xưởng, bằng phẳng, không có vật cản,

sử dụng camera là không cần thiết

 Led hồng ngoại : độ nhạy tốt, tuy nhiên Độ nhiễu lớn, cần được che chắn tốt và dùng phần mềm để giảm thiểu độ nhiễu, rất dễ bị lạch đường do cường độ ánh sáng xung quanh làm ảnh hưởng tới hoạt động của cảm biến

 Quang điện: độ nhạy tốt, tuổi thọ cao, thời gian đáp ưng nhanh, có khả năng nhận biết vật ở xa, tuy nhiên khoảng cách nhận biết được vật phụ thuộc vào màu sắc và hệ số phản xạ của vật, độ nhiễu lớn

 Cảm biến line từ : tốc độ đáp ứng cao, độ bền, độ nhạy cao, khả năng chống nhiễu lớn, thích hợp trong môi trường công nghiệp

Vì vậy ta sử dụng cảm biến từ là tốt nhất

• Chọn phương án điều khiển

- Điều khiển tập trung : dùng một vi điều khiển để điều khiển 2 động cơ

Ưu điểm: mạch điều khiển nhỏ gọn

Nhược điểm: giải thuật phức tạp, khó bảo trì, sửa chữa phức tạp

- Mạch điều khiển phân cấp: dùng hai vi điều khiển để điều khiển 2 động cơ

Ưu điểm: giải thuật đơn gian, dễ bảo trì và sửa chữa

Nhược điểm: mạch điều khiển cần không gian lớn hơn điều khiển tập trung

 Dựa vào những ưu điểm dễ bảo trì, giải thuật đơn giản nên nhóm chọn phương án điều khiển phân cấp

Kết cấu khung xe gồm những thanh thép được hàn lại với nhau, xe gồm hai phần:

• Phần dưới: gồm 2 thanh thép hộp 25x20x750 dày 2mm, 2 thanh thép hộp 50x20x300 dày 2mm

• Phần trên: gồm 4 thanh thép hộp 22x22x366, 2 thanh thép hộp 22x22x300 dày 2mm và được nối với nhau bằng những ống nối chữ T

Kích thước khung trên

Kích thước khung dưới

Kết cấu khung xe

Tính toán công suất, chọn động cơ

- Phần dưới: 5,1kg

- Phần trên: 3kg

- Sàn xe: 4,13kg

- Nguồn pin và mạch điện: 9kg

- Hộp bảo vệ nguồn và mạch điện: 2kg

- Khối lượng xe: 23,23 + 1% kg

Chọn động cơ:

 Yêu cầu tính toán:

Thông số đầu vào:

- Khối lượng khi xe tải hàng: m = 70 kg

- Gia tốc của xe khi xe tăng tốc: a = 0,5

- Bán kính bánh xe: r = 75 mm (= 0,075 m)

- Vận tốc xe di chuyển:

Khi xe tăng tốc với gia tốc 0.5 tổng lực tác động lên xe là:

Momen cần thiêt trên bánh xe:

Ta chọn một bộ kits bao gồm: động cơ DC, encode, hộp giảm tốc và bánh xe gắn liền với nhau của hãng Parallax

Mô hình hóa

Hệ thống tọa độ mô tả động học

Moblie flatform sử dụng 2 bánh dẫn động và 4 bánh dẫn hướng Yêu cầu đặt ra: moblie flatform bám theo một đường dẫn được biết trước.

Phương trình động học của xe:

Phương trình động học tại điểm đặt cảm biến :

Phương trình động học tại điểm R ta mong muốn đạt được

Ta cần điều khiển từ điểm C đến điểm R với vận tốc mong muốn xác định sai số của hệ thống

Sai số động học của hệ thống:

Mô hình hóa cảm biến.

Cảm biến MGS1600 có để đo sai số e2

Giả sử cảm biến di chuyển trong khoảng thời gian dt với sai số cảm biến có thể đọc trực tiếp từ đó ta tính được sai số e3

mô hình hóa cảm biến

Sai số e3 tính được:

Ta có được mối quan hệ giữa điện áp đầu ra và sai số e2

Mối quan hệ giữa điện áp và sai số:

Vị trí đặt cảm biến : d = 150 mm

Cảm biến

Thiết kế phần điện

Vi điều khiển để điều khiển driver bánh xe

- Nhận lệnh điều khiển từ vi điều khiển trung tâm (vận tốc mong muốn của mỗi bánh xe)

- Điều khiển vận tốc của bánh xe để đạt giá trị mong muốn

Ta cần dung 2 port, chuyền nhận dữ liệu với driver và nhận dữ liệu từ bộ xử lí trung tâm

- Nhận tín hiệu trả về từ encoder để biết vận tốc chính xác Ta cần 4 chân I/O

- Có module PWM hỗ trợ điều khiển động cơ

Chọn vi điều khiển PIC 16F877A của MICROCHIP

Ngoài ra, nó còn sử dụng đế tải nhiệt cho diver, nhằm nâng cao khả năng khả năng điều khiển mà không cần dùng thêm bộ làm mát.

 Theo những ưu điểm trên, nhóm chọn driver cho động cơ là HB-25 motor controller

Cảm biến

Chọn loại cảm biến cảm ứng từ MGS1600

- Mạch dò line dùng cảm biến cảm ứng từ có ưu điểm là chống nhiễu tốt trong môi trường công nghiệp, việc sử dụng cảm biến tiệm cận giúp cho mạch ít bị ảnh hưởng bởi yếu tố bên ngoài

- Có khả năng phát hiện và báo cáo vị trí , sử dụng băng từ để hướng dẫn đường đi trên sàn nhà nên dễ sửa đổi đường đi

- Với việc sử dụng băng từ thì bụi bẩn và điều kiện ánh sáng trong nhà máy, kho sẽ không ảnh hưởng tới hoạt động của cảm biến

- Và là xu hướng lựa chọn cho việc dò đường của AGV trên thế giới

Khối nguồn

Yêu cầu: khối nguồn phải cung cấp đủ dòng và điện áp cho các vi điều khiển , driver , sensor và 2 động cơ

Các khối tiêu thụ điện:

- 2 động cơ motor mount and wheel kit 12VDC, 1.5A

- 2 encoder 3 VDC , 3.0mA

- Sensor MGS1600 12V ; 20mA

- 2 module diver HB - 25 12V ; 80mA

Vì vi điều khiển và mạch driver có sử dụng nguồn 5V nên ta dùng thêm mạch chuyển đổi:

Sơ đồ điện

Thiết kế phần điều khiển

Vi điều khiển nhận dữ liệu từ sensor

Vi điều khiển trung tâm

Vi điều khiển điều khiển tốc độ động cơ

Yêu cầu của xe:

Kết quả mô phỏng

Góc định hướng của xe và góc tiếp tuyến line

Hình 3.3.7: Sai số

Vận tốc bánh trái và phải

• Nhận xét kết quả mô phỏng:

- Xe có thể chạy tốt trên bán kính cong 2,5m

- Tốc độ lớn nhất của xe đạt được 135rpm và nằm trong khoảng đáp ứng của động cơ 150rpm Nhược điểm khi đi vào góc cua sự thay đổi tốc độ của 2 bánh trái và phải lớn trong khoảng thời gian nhỏ

- Sai số tối đa của tracking point so với tâm line là 3,5mm thỏa điều kiện sai số 10mm của yêu cầu