THIẾT KẾ, CHẾ TẠO XE AGV

1.2 Mục đích nghiên cứuThiết kế và tạo ra một chiếc xe có khả năng dò đường như một robot tự động và phải tránh được các chướng ngại vật nhờ vào các cảm biến.Nâng cao năng suất lao động, thời gian và số chuyến vận chuyển sản phẩm tăng lên và đem lại lợi nhuận cho doanh nghiệp.Đề tài gồm nhiều môn học chuyên ngành liên quan vì vậy qua đề tài giúp nhóm hiểu rõ, nắm sâu hơn về những kiến thức đã đượchọc.1.3 Nội dung và phạm vi nghiên cứuNghiên cứu và tạo ra một kết cấu cơ khí hợp lý và vững chắc cho AGV.Thiết kế bộ driver điều khiển động cơ dùng mạch cầu H và kết hợp với bộ PID điều khiển một cách chính xác vị trí, tốcđộ.Thiết kế các module cảm biến giúp xe xác định đường đi, vật cản và nhận định chính xác xe khi kếtnối..Thiết kế mạch đo dung lượng của Acquy, kết hợp lập trình tạo nên một xe AGV có khả năng sạc bình tự động nhằm đảm bảo năng lượng cho xe hoạtđộng.Cách kết nối các mạch lại với nhau để tạo một AGV hoànchỉnh.

THIẾT KẾ VÀ CHẾ TẠO XEAGV

Chương 1: Giới thiệu chung

1.1 Lý do chọn đề tài

Đất nước ta đang trong giai đoạn công nghiệp hóa và hiện đại hóa Để tiến kịp các nước trong khu vực và trên thế giới, nền công nghiệp nước nhà cần tiếp cận các công nghệ và thiết bị hiện đại Các cán bộ kĩ thuật cần được trang bị các kiến thức mới, như vậy mới có thể đẩy nhanh các quá trình phát triển của đất nước

Kĩ thuật robot đã và đang được ứng dụng rộng rãi trong nhiều lĩnh vực ở nhiều nước, nó đã đem lại hiệu quả to lớn trong sản xuất công nghiệp, trong quốc phòng, y tế, xã hội, thám hiểm vũ trụ Tuy nhiên, tình hình sử dụng robot trong sản xuất ở Việt Namcòn ít Việc ứng dụng robot công nghiệphiện vẫn còn

là lĩnh vực mới mẻ đối với nền công nghiệp nước nhà Trong xu hướng phát triển chung việc nghiên cứu và sử dụng robot ở Việt Nam chắc chắn sẽ phát triển

AGV là một loại robot được sử dụng tại nước ngoài trong các ngành công nghiệp dùng để chuyên chở tự động Tuy nhiên đối với Việt Nam thì công nghệ này vẫn chưa được áp dụng nhiều trong thựctế

Hiện nay, hầu hết các ngành công nghiệp ở Việt Nam đều có quy mô lớn nhưng chất lượng chưa cao do những hạn chế về khoa học kĩ thuật, máy móc thiết bị còn thô sơ nên năng suất lao động chỉ đạt ở mức trung bình vì lợi nhuận giảm do phải thuê mướn một lượng công nhân rất lớn

Do đó đề tài của nhóm tác giảmang tên “THIẾT KẾ, CHẾ TẠO XE AGV”

1.2 Mục đích nghiên cứu

- Thiết kế và tạo ra một chiếc xe có khả năng dò đường như một robot tự động

và phải tránh được các chướng ngại vật nhờ vào các cảm biến

- Nâng cao năng suất lao động, thời gian và số chuyến vận chuyển sản phẩm tăng lên và đem lại lợi nhuận cho doanh nghiệp

- Đề tài gồm nhiều môn học chuyên ngành liên quan vì vậy qua đề tài giúp nhóm hiểu rõ, nắm sâu hơn về những kiến thức đã đượchọc

1.3 Nội dung và phạm vi nghiên cứu

- Nghiên cứu và tạo ra một kết cấu cơ khí hợp lý và vững chắc cho AGV

- Thiết kế bộ driver điều khiển động cơ dùng mạch cầu H và kết hợp với bộ PID điều khiển một cách chính xác vị trí, tốcđộ

THIẾT KẾ VÀ CHẾ TẠO XEAGV

định chính xác xe khi kếtnối

- Thiết kế mạch đo dung lượng của Acquy, kết hợp lập trình tạo nên một xe AGV có khả năng sạc bình tự động nhằm đảm bảo năng lượng cho xe hoạtđộng

- Cách kết nối các mạch lại với nhau để tạo một AGV hoànchỉnh

1.4 Ý nghĩa khoa học

- Mang đến những bước tiến vượt trội trong việc áp dụng khoa học công nghệ hiện đại vào trong quy trình sản xuất, là nền tảng cơ sở để xây dựng những quy trình tự động hóa với những thiết bị máy móc tốt nhất trong tương lai

- Thể hiện bản lĩnh cũng như tầm hiểu biết ngày càng được nâng cao của sinh viên khi có thể nắm bắt những kiến thức về khoa học kỹ thuật và vận dụng một cách sáng tạo, có hiệu quả vào thực tiễn cuộcsống

1.6 Nhiệm vụ nghiên cứu

• AGV trong đề tài nghiên cứu là các xe chở hàng công nghiệp không người lái Nó có kích thước khác nhau để mang các tải trọng từ một vài kg đến tải trọng hàng trăm tấn.Tuy nhiên vì trong khuôn khổ của một đồ án tốt nghiệp với khả năng hạn hẹp, nên để đề tài có tính khả thi cao, nhóm đã đề ra các nhiệm vụ trong việc thiết kế và chế tạo xe AGV như sau:

- Chế tạo kết cấu kết cấu cơ khí cho xe AGV là loại xe chở có khay để hàng với tải trọng là 150kg (không tính trọng lượng của xe).Đảm bảo được được độ vững chắc của xe và hàng hóa trong quá trình di chuyển, tạo sự ổn định và thuận lợi cho phần điềukhiển

- Thiết kế được mạch điện tử cho AGV hoạt động ổnđịnh

- Lập trình điều khiển cho AGV chạy bám theo vạch kim loại với tốc

độ ổn định 25m/phút Thiết kế cho AGV có khả năng phát hiện được vật cản trong quá trình di chuyển đồng thời đưa ra cảnh báo an toàn

THIẾT KẾ VÀ CHẾ TẠO XEAGV

thông qua còi báo và đènbáo

- Tìm hiểu và thiết kế nguồn năng lượng cho xe là nguồn một chiều DC

1.7 Phương pháp nghiên cứu:

- Tìm hiểu thông qua sách, báo, các bài viết chuyên đề và thông qua mạng internet nhằm rút ra những mô hình phù hợpnhất

- Học hỏi những thầy có nhiều kinh nghiệm trong lĩnh vực robocon để có hướng giải quyết nhanh và tốthơn

1.8 Bố cục đề tài

Nội dung báo cáo gồm 4chương:

• Chương 1: Giới thiệu chung

• Chương 2: Tổng quan về xe tự hành AVG

• Chương 3: Mô hình hóa và mô phỏng hệ thống

• Chương 4: Thiết kế hệ thống

Phần cuối của bài báo cáo là danh mục tài liệu thamkhảo

2.1 Xe AGV là gì?

Khái niệm xe tự hành AGV (Automated Guided Vehicle) là một khái niệm chung chỉ tất cả các hệ thống có khả năng vận chuyển mà không cần người lái Trong công nghiệp AGV được hiểu là các xe chuyên chở tự động được áp dụng trong các lĩnh vực:

- Cung cấp sắp xếp linh kiện tại khu vực kho và sảnxuất

- Chuyển hàng giữa các trạm sảnxuất

- Phân phối, cung ứng sản phẩm, đặc biệt trong bánbuôn

- Cung cấp, sắp xếp trong các lĩnh vực đặc biệt như bệnh viên, siêu thị, văn phòng

Qua tất cả các ứng dụng trên, AGV thể hiện rất rõ hiệu quả của mình như: giúp giảm thiệt hại trong kiểm kê, sắp xếp sản xuất linh hoạt hơn, giảm thiểu nguồn nhân lựcv.v…

AGV còn giúp giảm chi phí chế tạo, tăng hiệu quả sản xuất Chúng có thể được chế tạo để chuyển hàng, kéo hàng, nâng hoàng cấp phát cho một số vị trí làm việc nhất định

xe kéo nhỏ chạy theo một đường dẫn Hệ thống hướng dẫn đầu tiên được tạo

ra khi xuất hiện các cảm biến dò theo một từ trường AGV tồn tại ở mức này cho đến giữa những năm 70 Công nghệ lúc này đã điều khiển các hệ thống

để mở rộng khả năng và tính linh hoạt Xe không chỉ còn được dùng để kéo

rơ móc trong kho, mà còn được sử dụng trong quá trình sản xuất, làm việc,

và các hệ thống lắp ráp ôtô

• Qua nhiều năm, khi công nghệ trở nên tinh vi hơn, thì ngày nay các AGV chủ yếu được định vị bởi hệ thống Lazer LGV (Lazer Guided Vehicle)

5Trong quá trình tự hành, LGV được lập trình để giao tiếp với các robot khác nhằm đảm bảo sản phẩm được chuyển qua các trạm, kho nơi mà sau đó chúng được giữa lại hoặc chuyển đến một vị trí khác Ngày nay, AGV đóngvai trò quan trọng trong thiết kế các nhà máy và nhà kho, đưa hàng hóa đến đúng địa điểm một cách antoàn.

2.3 Phân loại AGV

2.3.1 Phân loại theo chức năng: thì có 4 kiểuAGV

- Tải trọng được phân phối và di chuyển theo yêucầu

- Thời gian đáp ứng nhanhgọn

- Giảm hư hại tàisản

- Đường đi linhhoạt

- Giảm thiểu các tắc nghẽn giao thông chuyênchở

2.3.2 Phân loại theo dạng đường đi

• Loại chạy không chạy theo đường dẫn (Free pathnavigation)

Có thể di chuyển đến các vị trí bất kỳ trong không gian hoạt động Đây là loại xe

(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 AGVkhác.

Loại chạy theo đường dẫn (Fixed pathnavigation)

• Xe AGV thuộc loại này được thiết kế chạy theo các đường dẫn định sẵn gồm các loại đường dẫn nhưsau:

- Đường dẫn từ: Là loại đường dẫn có cấu tạo là dây từ (Magnetic wire) chôn ngầm dưới nền sàn Khi di chuyển, nhờ có các cảm biến cảm ứng từ

mà xe có thể di chuyển theo đường dây dẫn Loại đường dẫn này không nằm bên trên mặt sàn nên có mỹ quan tốt, không ảnh hưởng đến các công việc vận hành khác Tuy nhiên khi sử dụng phải tiêu tốn năng lượng cho việc tạo

từ 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 hoạtthấp

- 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 bẩnhayhư hạigâykhókhănchoviệcđiềukhiểnchínhxácxe

2.4 Tình hình nghiên cứu trong và ngoài nước

Qua tìm hiểu trên sách báo, internet và các phương tiện thông tin, truyền thông, chúng em thấy rằng đề tài chế tạo xe tự hành là một đề tài mới, rất ít được đề cập đến trong nền công nghiệp nước ta, cụ thểlà:

2.4.1 Ở trong nước:

Ngành tự động hóa trong nước mới chỉ ở những bước khởi đầu nên vẫn chỉ có rất ít những nghiên cứu về xe tự hành (AGV) Do đó việc ứng dụng AGV trong công nhgiệp ở nước ta vẫn còn rất hạnchế

2.4.2 Ở ngoài nước:

7Hiện nay với trình độ khoa học kĩ thuật phát triển nhất là về lĩnh vực tự động hóa, đề tài Automatic Guided Vehicle (AGV) đã có những nghiên cứu và ứng dụng vào thực tế AGV góp mặt trong hầu hết các ngành công nghiệp thay thế sức lao động của con người trong các lĩnh vực khác nhau như y tế, nhà xưởng, kho hàng AGV xuất hiện với đủ mọi hình dạng, kích thước từ nhỏ bé đến to lớn.

2.5 Mục tiêu hướng tới của đề tài

- Thiết kế xe AGV là một robot không người lái nhằm tạo ra bước cải tiến trong quy trình sản xuất và thay thế một phần công việc nào đó cho công nhân đảm bảo an toàn lao động

- Đưa tự động hóa vào sản xuất để giảm lao động chân tay và đem lại lợi nhuận cho doanh nghiệpgấp nhiều lần khi thay thế ngườicông nhân

Chương 3: Mô hình hóa và mô phỏng hệ thống

3.1 Các thành phần của xe AGV

Tổng thể của xe AVG nhưsau:

• Bộ truyền chuyển động: Có nhiệm vụ truyền động năng từ động cơ qua các bộ giảm tốc đến bánh xe giúp xe di chuyển một cách linh hoạt và đạt được vận tốc cũng như lực kéo phù hợp, đáp ứng được yêu cầu côngviệc

• Bộ định vị khớp kết nối: Có nhiệm vụ giúp xe định vị xe chở phía sau xe nhằm đến đúng vị trí thực hiện kết nối, ghép nối xe chở và AGV Chốt giữ cho phần kết nối chắc chắn và tạo khớp xoay giúp cho việc chuyển động ở góc cua linh hoạthơn

• Bánh xe chủ động lớn, dày và có độ bám đường tốt nhằm đảm bảo xe không bị trượt trên đường di chuyển khi phải kéo theo trọng lượng

• Bánh xe vô hướng giúp cho việc dò tìm đường linh hoạt hơn, giúp AGV di chuyển linh hoạt trong các khúc cua hay quayđầu

• Hệ thống các loại cảm biến giúp AGV nhận biết line chạy, xe cũng như phát hiện các chướng ngại trên đường di chuyển củaxe

• Bộ nguồn gồm có acquy 12V/100A và bộ chuyển đổi nguồn 5V cho vi điều khiển hoạtđộng

• Bộ driver điều khiển động cơ có nhiệm vụ thay đổi chiều quay và tốc độ của động cơ

• Bộ board mạch chủ để điều khiển mọi hoạt động xe AGV thông qua giao tiếp với các bộdriver

xe đã được chất đầy hàng rồi kéo xe đến đầu line sản xuất AGV sẽ thực hiện thả

xe vào các vị trí định sẵn tại bến xe có hàng Tiếp tục, xe sẽ đến khu vực chờ xe không hàng, thực hiện kết nối với xe đã được dỡ hết rồi kéo xe về cuối line sản xuất, thả xe vào khu vực xếp xe khi vận chuyển về AGV sẽ tiếp tục tiến về khu vực chờ xe có hàng và tiếp tục thực hiện côngviệc

Hình 3.2 Hệ thống line và quytrình hoạt động củaAGV

3.3 Phần điều khiển của xe AGV

11Hình 3.3: Sơ dồ kết nối phần điều khiển của xeTrong xe AGV mạch điều khiển đóng vai trò quan trọng không kém gì phần cơ khí, nó được xem như là CPU điều khiển mọi hoạt động của xe Bộ điều khiển bao gồm mạch

xử lý trung tâm, tiếp nhận các dữ liệu thông qua các cảm biến đưa về sau đó phân tích

và đưa ra phương án điều khiển AGV một cách tốiưu.

3.4 Phần đảm bảo an toàn

 SRF05 là một bước phát triển từ SRF04, được thiết kế để làm tăng tính linhhoạt, tăng phạm vi, ngoài ra còn giảm bớt chi phí SRF05 là hoàn toàn tương thích với SRF04 Khoảng cách là tăng từ 3 mét đến 4 mét Một chế độ hoạt động mới, SRF05 cho phép sử dụng một chân duy nhất cho cả kích hoạt vàphản hồi, do đó tiết kiệm có giá trị trên chân điều khiển của bạn Khi chân chế độ không kết nối, SRF05 các hoạt động riêng biệt chân kích hoạt và chân hồi tiếp, như SRF04 SRF05 bao gồm một thời gian trễ trước khi xung phản hồi để mang lại điều khiển chậm hơn chẳng hạn như bộ điều khiển thời gian cơ bản

Stamps và Picaxe để thực hiện các xunglệnh.

Hình 3.4:Cách kết nối chân cho cảm biến siêu âmSRF05

 Chế độ 1 – tương ứng SRF04 – tách biệt kích hoạt và phảnhồi

Chế độ này sử dụng riêng biệt chân kích hoạt và chân phản hồi, và là chế độ đơn giản nhất để sử dụng Tất cả các chương trình điển hình cho SRF04 sẽ làm việc cho SRF05 ở chế độ này Để sử dụng chế độ này, chỉ cần chân chế độ không kết nối - SRF05 có một nội dừng trên chân này

 Chế độ 2 – Dùng một chân cho cả kích hoạt và phản hồi

Chế độ này sử dụng một chân duy nhất cho cả tín hiệu kích hoạt và hồi tiếp, và được thiết kế để lưu các giá trị trên chân lên bộ điều khiển nhúng Để sử dụng chế độ này, chân chế độ kết nối vào chân mát Tín hiệu hồi tiếp sẽ xuất hiện trên cùng một chân với tín hiệu kích hoạt SRF05 sẽ không tăng dòng phản hồi cho đến 700uS sau khi kết thúc các tín hiệu kích hoạt Bạn đã có thời gian để kích hoạt pin xoay quanh và làm cho nó trở thành một đầu vào và để có pulse đo mã của bạn đã sẵn sàng Lệnh PULSIN được tìm ra và được dùng phổ biến hiện nay để điều khiển tựđộng

 Tính toán khoảng cách

Giản đồ định thời SRF05 thể hiện trên đây cho mọi chế độ Bạn chỉ cần cung cấp một đoạn xung ngắn 10uS kích hoạt đầu vào để bắt đầu đo khoảng cách Các SRF05 sẽ gửi cho ra một chu kỳ 8 burst của siêu âm ở 40khz và tăng cao dòng phản hồicủanó(hoặckíchhoạtchếđộdòng2).Sauđóchờphảnhồi,vàngaysaukhi

13phát hiện nó giảm các dòng phản hồi lại Dòng phản hồi là một xung có chiều rộng

là tỷ lệ với khoảng cách đến đối tượng Bằng cách đo xung, ta hoàn toàn có thể để tính toán khoảng cách theo inch / centimét hoặc bất cứ điều gì khác Nếu không phát hiện gì cả SRF05 giảm thấp hơn dòng phản hồi của nó sau khoảng 30mS SRF04 cung cấp một xung phản hồi tỷ lệ với khoảng cách Nếu độ rộng của pulse được đo trong hệ uS, sau đó chia cho 58 sẽ cho khoảng cách theo cm, hoặc chia cho 148 sẽ cho khoảng cách theoinch

Khoảng cách(cm)=Thời gian xung lên(us)/58

Khoảng cách(inches)=Thời gian xunglên(us)/148

SRF05 có thể được kích hoạt nhanh chóng với mọi 50mS, hoặc 20 lần m i giây Bạn nên chờ 50ms trước khi kích hoạt kế tiếp, ngay cả khi SRF05 phát hiện một đối tượng gần và xung phản hồi ngắn hơn Điều này là để đảm bảo các siêu âm

"beep" đã phai mờ và sẽ không gây ra sai phản hồi ở lần đo kếtiếp

Lưu đồ thuậtgiải

Hình 3.5:Lưu đồ thuật giải của mạch siêuâm

Chương 4: Thiết kế hệ thống

4.1 Lựa chọn và thi công cơ khí

4.1.1 Phần khung xe

Phần khung xe là một phần rất quan trọng của AGV, nâng đỡ toàn bộ các

bộ phận của xe Vì vậy, khung phải đảm bảo đáp ứng đủ mọi điều kiện về độ cứng vững tuy nhiên phải nhỏ gọn để phù hợp với điều kiện môi trường làm việc nhỏ hẹp nơi phân xưởng sảnxuất

Hình 4.1Khung xe thiếtkếKhung xe được chế tạo bằng vật liệu inox, là loại thép không rỉ, có độ sáng bóng

và rất cứng vững nhằm đảm bảo độ bền cho khungxe

4.1.2 Phần BánhXe

Bánh xe là một bộ phận cực kì quan trọng, giúp toàn bộ kết cấu xe có thể di chuyển trơn tru Đồng thời cũng là bộ phận nâng đỡ kết cấuxe

Trong AGV sử dụng hai loại bánhxe:

•Bánh xe chủ động: Là loại bánh xe chắc chắn có đường kính ngoài 200mm, bề rộng bánh là 50mm Lốp của bánh được đóng bắng cao su nhằm đem lại độ bám đường tốt nhất khi mà xe phải kéo theo một khối lượng hàng không nhỏ(120kg)