ĐỒ ÁN XE CHỞ HÀNG bám LINE MOBILE platform to track a reference line

Sử dụng mobile robot để vận chuyển hàng hóa trong nhà máy, xí nghiệp là một trong những phương án hiệu quả và đã được nhiều nước trên thế giới áp dụng vào sản xuất..  Loại không

MỤC LỤC

MỤC LỤC i

LỜI NÓI ĐẦU iii

Chương 1: TỔNG QUAN 1

1 Tổng quan 1

2 Xác định đầu bài 4

Chương 2: LỰA CHỌN PHƯƠNG ÁN 8

1 Cách thức chuyển động 8

2 Số lượng bánh xe 9

3 Cấu trúc điều khiển 15

Chương 3: KẾ HOẠCH TRIỂN KHAI 17

Chương 4: TRIỂN KHAI CỤ THỂ 18

Phần 1: THIẾT KẾ PHẦN CƠ 18

1 Cấu hình xe : 18

2 Khung xe : 18

3 Tính toán chọn động cơ : 19

4 Chọn bánh tự lựa : 20

5 Dung sai chế tạo trên thân xe : 20

Phần 2: THIẾT KẾ PHẦN ĐIỆN 22

1 Chọn cảm biến 22

CẢM BIẾN MGS1600 23

 Lắp đặt cảm biến: 23

 Cổng xuất nhập và cấp nguồn: 23

 Dấu từ (track marker) : 24

2 Chọn động cơ 25

3 Chọn nguồn ắc quy: 26

4 Chọn mạch nguồn 27

5 Chọn driver điều khiển động cơ 27

Phần 3: THIẾT KẾ MÁY TÍNH 30

I Tổng Quan 30

1 Các vi điều khiển thường dùng trong điều khiển động cơ 30

2 Lựa chọn vi điều khiển 32

II PIC16F887 33

1 Cấu trúc 33

2 Sơ đồ chân 35

3 Tính năng 36

III Sơ đồ mạch điều khiển 36

1 Điều khiển tốc độ động cơ bằng phương pháp điều chế xung PWM 37

2 Sơ đồ mạch điều khiển 39

IV – Lưu Đồ Giải Thuật 41

Phần 4: MÔ HÌNH HÓA 43

1 Cấu trúc AGV 43

2 Mô hình toán hệ thống 43

3 Thiết kế bộ điều khiển 46

4 Kết quả mô phỏng 47

Chương 5 : KẾT LUẬN 49

Tài liệu tham khảo 51

LỜI NÓI ĐẦU

Thiết kế hệ thống cơ điện tử là nội dung không thể thiếu trong chương trình đào tạo kĩ sư cơ điện tử Môn học giúp cho sinh viên có thể hệ thống hóa lại các kiến thức của các môn học như : Chi tiết máy, Dung sai & lắp ghép, Vẽ kĩ thuật, vi điều khiển và link chúng lại với nhau,đồng thời giúp cho sinh viên làm quen với công việc và thiết kế chuẩn bị cho việc thiết kế đồ án tốt nghiệp sau này

Trong quá trình thực hiện project này, nhóm xin chân thành cảm ơn Thầy Nguyễn Tấn Tiến đã tận tình hướng dẫn và giúp đỡ nhóm thực hiện tốt đề tài này Mặc dù vậy nhưng không thể tránh khỏi sai sót, mong thầy và các bạn đóng góp ý kiến để đề tài được hoàn thiện hơn

Tp.HCM Ngày 15 tháng 11 năm 2015

Nhóm thực hiện

Nhóm 1

Chương 1: TỔNG QUAN

1 Tổng quan

Cùng với sự phát triển của sản xuất, nhu cầu vận chuyển nguyên liệu, hàng hóa trong

xí nghiệp, nhà máy ngày càng gia tăng

Với sự phát triển của khoa học kỹ thuật, quá trình vận chuyển này có thể dễ dàng tự động hóa nhằm tăng năng suất, tiết kiệm chi phí, giảm giá thành sảm phẩm

Sử dụng mobile robot để vận chuyển hàng hóa trong nhà máy, xí nghiệp là một trong những phương án hiệu quả và đã được nhiều nước trên thế giới áp dụng vào sản xuất Ngày nay, AGV đã trở nên phổ biến và có nhiều ứng dụng hiệu quả, thay thế được sức lao động của con người, đặc biệt là ở các nước tiên tiến

Ở nước ta, công nghệ chế tạo AGV mobile robot và việc ứng dụng chúng vào sản xuất mới chỉ ở giai đoạn đầu và đây cũng là một lĩnh vực hứa hẹn nhiều tiềm năng trong tương lai Muốn phát triển công nghiệp hóa, hiện đại hóa thì việc ứng dụng robot vào sản xuất và đời sống là yếu tố cần thiết

AGV được phân loại như sau:

Theo chức năng: có 4 kiểu AGV:

 Xe kéo (Towing machine): xe kéo xuất hiện đầu tiên và bay giờ vẫn còn thịnh

hành Loại này có thể kéo nhiều loại toa hàng có khối lượng khác nhau

 Xe chở (Unit Load Machine): xe chở được trang bị các tầng khay chứa để

chuyên chở

 Xe đẩy (Cart Vehicle): xe đẩy có tính linh hoạt cao và rẻ tiền Chúng được sử

dụng để chuyên chở vật liệu và các hệ thống lắp ráp

 Xe nâng (Fork Vehicle): có khả năng nâng các tải trọng đặt trên sàn hoặc trên

các bục cao hay các khối hàng đặt trên giá

Theo dạng đường đi : theo dạng đường đi thì AGV chia làm các loại như sau:

 Loại không chạy theo đường dẫn (Free path navigation): có thể di chuyển đến các vị trí bất kỳ trong không gian hoạt động Đây là loại xe AGV có tính linh hoạt cao được định vị vị trí nhờ các cảm biến con quay hồi chuyển (Gyroscop sensor) để xác định hướng di chuyển, cảm biến laser để xác định vị trí các vật thể xung quanh trong quá trình di chuyển, hệ thống định vị cục bộ (Local navigation Location) để xác định tọa độ tức thời,…Việc thiết kế loại xe này

đòi hỏi công nghệ cao và phức tạp hơn so với các loại AGV khác

 Loại chạy theo đường dẫn (Fixed path navigation) :Xe AGV thuộc loại này được thiết kế chạy theo các đường dẫn định sẵn gồm các loại đường dẫn như

tính trong dây, đồng thời đường dẫn là cố định và không thể thay đổi được

- Đường ray dẫn: xe AGV được chạy trên các ray định trước trên mặt sàn Loại này chỉ sử dụng đối với những hệ thống chuyên dụng Nó cho phép thiết kế xe đơn giản hơn và có thể di chuyển với tốc độ cao nhưng tính linh

hoạt thấp

- Đường băng kẻ trên sàn: xe AGV di chuyển theo các đường băng kẻ sẵn trên sàn nhờ các loại cảm biến nhận dạng vạch kẻ Loại này có tính linh hoạt cao vì trong quá trình sử dụng người ta có thể thay đổi đường đi một cách dễ dàng nhờ kẻ lại các vạch dẫn Tuy nhiên khi sử dụng, các vạch dẫn

có thể bị bẩn hay hư hại gây khó khăn cho việc điều khiển chính xác xe

Một số mobile robot vận chuyển hàng hóa trên thế giới:

a Pioneer LX

AGV PioneerLX có cơ cấu 6 bánh: 2 bánh chủ động nằm ở giữa và 4 bánh tự lựa

nằm ở 4 góc Với cơ cấu này giúp xe có thể xoay với góc nhỏ nhất là 0o

Với cơ cấu hai bánh xe trung tâm, khi xe rẽ sẽ không xảy ra hiện tượng trượt

Cơ cấu AGV Pioneer-LX

Khung xe được làm bằng hợp kim nhôm, để giảm tải trọng chiếc xe Với kích thước xe nhỏ ngọn có thể vận chuyển được khối lượng tối đa 60kg Vì vậy xe có thể đạt được vận tốc lớn nhất là 1,8 m/s Phía trước xe có lắp laser S600 để quét vật cản

AGV Pioneer LX có thể di chuyển đến vị trí nhờ vào hệ thống GPS được lắp trên

xe cùng với hệ thống la bàn có độ chính xác tới 15mm

Trong môi trường công nghiệp, việc sử dụng đồng thời nhiều mobile robot là nhu cầu tất yếu Vì thế để dễ dàng quản lý, các AGV sẽ được cấu hình theo kiểu Wireless Access Point

Khung xe được làm bằng hợp kim thép, đường kính bánh dẫn 8 inch = 203.2 mm, đường kính bánh lái 9 inch và rộng 2.75 inch với kích thước như trên xe có thể chịu tải lên tới 650 pound Vận tốc xe có thể đạt tới 1.016 m/s và bán kính cong nhỏ nhất xe có thể đạt được 2m

Xe được lắp đặt cảm biến Laser để dò đường với dung sai ±20 mm Phía trước xe có lắp Laser để quét các trở ngại và vị trí nhận hang, trả hang Cảm biến có thể đạt đến độ chính xác khi dừng ±20 mm

2 Xác định đầu bài

Ở nước ta hiện nay, công nghệ chế tạo mobile robot và việc ứng dụng chúng trong sản xuất mới chỉ ở giai đoạn đầu và đây cũng là một lĩnh vực hứa hẹn nhiều tiềm năng trong tương lai Muốn phát triển công nghiệp hóa, hiện đại hóa thì việc ứng dụng robot vào sản xuất và đời sống là hết sức cần thiết

Với những thông tin và số liệu thu thập được sau khi tham khảo những mobile robot vận chuyển hàng hóa trên thế giới, trong phạm vi của project môn học, nhóm đã quyết định thiết kế một mobile flatform vận chuyển hàng hóa hoạt động trong một mô hình nhà máy bia có thật ngoài thực tế

Nhiệm vụ cụ thể của robot là nâng chuyển những thùng bia từ khu vực hoàn thiện sản phẩm đến kho lưu trữ của nhà máy trước khi xuất ra ngoài

Mô hình nhà xưởng của nhà máy bia :

Đường đi cụ thể của robot:

Đặc điểm của sản phẩm:

Hình thùng bia

Hình dạng: hình hộp chữ nhật Kích thước: 26x39 cm

Khối lượng: ≈ 10Kg/thùng

-Tải trọng tối đa của robot là 40 thùng/lần tương đương với khối lượng khoảng 400Kg

- Sau khi so sánh với các robot vận chuyển trên thế giới cùng với điều kiện thực tế nhóm quyết định các thông số của robot như sau:

+ Vận tốc tối đa Vmax = 0.5 m/s

+ Bán kính cong nhỏ nhất Rmin = 2m

Chương 2: LỰA CHỌN PHƯƠNG ÁN

1 Cách thức chuyển động

- Chuyển động bằng xích:

 Loại chuyển động này bằng bánh có lắp xích như xe tăng, rất phù hợp khi di chuyển trên các địa hình phức tạp

 Khả năng bám địa hình tốt do ma giữa hai bề mặt tiếp xúc lớn

 Khi đổi hướng, nó thay đổi tốc độ quay của 2 bánh xích chủ động

 Tuy nhiên do chuyển động bằng xích nên khi đổi hướng sẽ xảy ra hiện tượng trượt do đó khó điều khiển chính xác

 Một vấn đề nữa là loại di chuyển này rất dễ làm hỏng bề mặt của nền, đặt biệt

là khi chuyển hướng

 Chúng ta đang cần một AGV vận chuyển một khối hàng lớn nên di chuyển bằng xích không khả thi

- Di chuyển bằng bánh xe

 Loại này dùng bánh xe di chuyển

 Bánh xe dễ điều khiển, ổn định và chuyển động nhanh hơn so với xích

 Nhược điểm là chỉ phù hợp với địa hình có bề mặt phẳng và cứng, với bề mặt mềm AGV rất dễ bị xa lầy

 Do AGV di chuyển trong nhà, nền nhà luôn đảm bảo độ cứng nên nhược điểm bánh xe có thể khắc phục Với phương án này rất phù hợp với yêu cầu

 Bánh trước bẻ lái, bánh sau dẫn động

 Xe cần có cơ cấu tự cân bằng

 Không khả thi

 Nhưng khó khăn trong cân bằng động vì

phải luôn giữ di chuyển cân bằng, tránh đỗ

hàng hóa

 Tại sao ta không tăng thêm số bánh để xe được cân bằng không phải dùng

cơ cấu tự cân bằng

 Vì vậy xe 2 bánh không khả thi

- 3 bánh

 Xe 3 bánh cân bằng tĩnh học

 Có nhiều kiểu cho xe 3 bánh cùng với các loại bánh xe

+ 2 bánh dẫn cố định được điều khiển bởi 2 động cơ và một bánh tự lựa

 Bán kính quay nhỏ nhất là 0

 Hạn chế là khó di chuyển trên bề mặt

không bằng phẳng

 Một trong những bánh xe dẫn động

không tiếp xúc được với đất, hướng

chuyển động sẽ bị thay đổi đột ngột

 Giữa hai bánh xe và tâm xe tồn tại

o Có d>0 : khi điều khiển dễ dàng, độ chính xác tốt hơn

 Điều khiển chưa tốt, với độ chính xác ±20𝑚𝑚 thì phương án này không khả thi

+ 3 bánh dẫn động đồng bộ

 Bánh lái và bánh dẫn được chuyền động cùng lúc bằng xích hoặc đai

 Di chuyển theo bất cứ hướng nào có thể đạt được bằng điều khiển hướng của bánh xe theo hướng vận tốc mong muốn

 Lực dẫn động được phân bố đồng đều giữa các bánh xe

 Điều khiển dể dàng

 Tuy nhiên cấu trúc khá phức tạp, nếu ghép lỏng xích hoặc đai thì tốc độ các bánh xe sẽ khác nhau

 Khi bé lái xe dễ bị trượt do tâm vận tốc tức thời không trùng nhau

+ 3 bánh omni

 Sử dụng ít nhất 3 bánh xe vô hướng

Omni để xe chạy được mọi hướng

 Không cần điều khiển hướng bánh xe

 Chỉ cần 2 bánh dẫn động

 Tuy nhiên độ bền của lớp tương đối thấp

 Cơ cấu dẫn động đồi hỏi chính xác

 Điều khiển khó khăn do phải điều khiển cùng lúc ba bánh xe

- 4 bánh

+ 2-by-2 bánh

 Ổn định hơn các phiên bản ba bánh

 Sử dụng 2 cặp bánh xe

 Mỗi cặp (nối với nhau bằng một dòng) rẽ trong cùng một hướng

 Phần khó của loại động cơ đẩy là nhận được tất cả các bánh xe quay với cùng một

tốc độ

 Nếu các bánh xe trong một cặp không chạy với tốc độ tương tự, là chậm hơn sẽ

trượt (không hiệu quả)

 Nếu các cặp không chạy ở cùng tốc độ sẽ không thể lái xe thẳng được

+ 4 bánh như ô tô

 Nó đòi hỏi cơ cấu lái phức tạp hơn

 Nếu góc lái của bánh trước không thể vươn tới 90 ◦, bán kính quay trở thành khác 0

 Hai bánh xe trước lái cùng một lúc khi bẻ lái sẽ xảy ra hiện tượng trượt

o Có d>0 : khi điều khiển dễ dàng, độ chính xác tốt hơn

- 6 bánh

 Điều khiển bằng 2 bánh xe

 2 bánh dẫn động nằm ở trung tâm

 Khi bẻ lái không xảy ra hiện tượng trượt

 Điểm giữa 2 bánh xe và tâm xe trùng

nhau -> sai số nhỏ

 Điều khiển dễ dàng

 Qua những phương án được phân tích ở trên so với yêu cầu được đặt ra nhóm quyết định sử dụng cơ cấu xe 6 bánh, loại 2 bánh dẫn động, đồng thời lái và 4 bánh xoay tự do

Sơ đồ nguyên lý:

3 Cấu trúc điều khiển

- Cấu trúc tập trung

 Sử dụng 1 Vi điều khiển điều khiển tất cả bao gồm động cơ và cảm biến

 Rất khó chỉnh sửa khi chương trình gặp sự cố

 Sản phẩm khó nâng cấp và bảo trì

 Khó thay đổi chức năng

- Cấu trúc phân cấp

 Sử dụng 1 Vi điều khiển trung tâm và nhiều modul nên chi phí tốn kém

 Dễ dàng chỉnh sửa khi chương trình gặp lỗi

 Thuận tiện trong việc nâng cấp và bảo trì

 Có thể thay đổi chức năng

VĐKCảm Biến

Chương 3: KẾ HOẠCH TRIỂN KHAI

Thời gian thực hiện : từ 24/8/2015 đến 28/12/2015 (biểu đồ gantt đính kèm phụ lục)

viên thực hiện

Thời gian

Tính toán công suất & xd thông số động cơ 25/9-14/10

Chọn loại động cơ và thiết kế driver động cơ 22/9-9/10

Chương 4: TRIỂN KHAI CỤ THỂ Phần 1: THIẾT KẾ PHẦN CƠ

1 Cấu hình xe :

AGV sẽ có 6 bánh với 2 bánh chủ động điều khiển độc lập ở giữa, 2 bánh xe tự lựa ở phía trước và 2 bánh ở phía sau

2 Khung xe :

Để đảm bảo yêu cầu của đề bài xe chở được lô hàng có kích thước rộng 790

mm, dài 1170mm nên ta chọn kích thước cho xe như sau : dài 1400 mm, rộng 850mm

Khung xe được chế tạo bởi hai thanh thép hộp 40x60x2 theo chiều dọc và 3 thanh hình hộp theo chiều ngang

3 Tính toán chọn động cơ :

Thông số đầu vào:

- Khối lượng khi xe tải hàng: m = 400 kg

- Gia tốc của xe khi xe tăng tốc: a = 0.5 𝑚/𝑠2

- Bán kính bánh xe: r = 75 mm

- Vận tốc xe di chuyển: 𝑣 = 0,5 𝑚/𝑠

Khi xe tăng tốc với gia tốc 0.5 𝑚/𝑠2 tổng lực tác động lên xe là:

𝐹 = 𝑚 ∗ 𝑎 = 400 ∗ 0.5 = 200 (𝑁) Momen cần thiêt trên bánh xe:

𝑇 = 𝐹 𝑟 = 200 ∗ 0.075 = 15 (𝑁 𝑚) Vận tốc góc của bánh xe:

𝜔 = 𝑣

𝑟 =

0,50,075 = 6.67 (

𝑟𝑎𝑑

𝑠 )

Công suất của bánh xe là:

𝑃 = 𝑇 ∗ 𝜔 = 15 ∗ 6.67 = 100 (𝑊)

Vì có 2 bánh xe chủ động nên công suất cần thiết mỗi bánh là 50 W

Chọn động cơ :

Chọn động cơ DT MWE-B4020A

Công suất trên trục : 52 W

Điện áp : 22 V Dòng không tải : 4.1 A Tốc độ quay : 2600 RPM TORQUE : 1.95 kg-cm

Tỉ số truyền hộp giảm tốc : 40 : 1

5 Dung sai chế tạo trên thân xe :

Chọn dung sai lắp ghép theo cấp chính xác IT7

Dung sai hình dạng và vị trí các lỗ định vị xác định theo cấp chính xác 8

Hình ảnh xe :

Phần 2: THIẾT KẾ PHẦN ĐIỆN

1 Chọn cảm biến

Hiện nay trong công nghiệp sử dụng 3 công nghệ dò đường chính cho AGV:

- Dò đường bằng cảm biến quang (optical)

- Dò đường bằng cảm biến cảm ứng từ (induction)

- Dò đường bằng cảm biến từ (magnetic)

Bảng so sánh các công nghệ cảm biến

Loại đường dẫn Bị động Bị động Chủ động

- Sử dụng băng từ có chiều rộng 25 mm

- Hoạt động ở độ cao cách mặt sàn 10-60mm, độ cao tốt nhất là 30mm

- Kích thước: 165x30x25

- Có thể kết nối với hầu hết PLC và máy tính

- Có các led trạng thái khi phát hiện được băng từ hoặc dấu từ

- Có thể xuất dữ liệu ra cổng USB hoặc RS232

- Vị trí của băng từ được báo về bằng xung với tần số 250 hoặc 500hz

- Hoạt động trong vùng điện áp từ 4,5 đén 30V DC

- Nhiệt độ môi trường từ -40 đến 85 độ C

 Lắp đặt cảm biến:

Cảm biến phải được lắp đặt song song với sàn và băng từ, có 2 lỗ để bắt ốc nằm ở hai

bên của vỏ cảm biến

- Cổng 4: cổng analog output luôn được kích hoạt và gửi về vị trí của băng từ bằng cách thay đổi giá trị điện áp từ 1,5V khi băng từ ở vị trí trung tâm đến 1,2 và 1,8V

khi băng từ ở một trong 2 mép của cảm biến Khi không có băng từ phát hiện thì giá trị trả về là 1,5V

- Cổng 13: cổng track present sẽ xuất ra tín hiệu 5V khi một băng từ nằm trong vùng cảm biến, nếu không có băng từ được phát hiện, tín hiệu xuất ra là 0V

- Cổng 9 ( left marker ) và cổng 11 ( right marker ) sẽ xuất ra tín hiệu 5V khi một dấu từ trái hoặc một dấu từ phải được phát hiện bởi cảm biến

Sơ đồ tín hiệu trả về từ cảm biến

 Dấu từ (track marker) :

MAIN TRACK

V = 1,2 Vol

SENSOR

V = 1,8 Vol SENSOR

MAIN TRACK

V = 1,5 Vol SENSOR

25 mm

165 mm

x