chế tạo và điều khiển mobile platform to track a reference line (AGV)

Trong các dạng Mobile robot, thì AGV Automatic guided vehiclemobile robot có nhiều ứng dụng trong thực tế, phổ biến ở các nhà máy, bếncảng, hệ thống giao thông…những nơi cần sự vận chuyể

Mục Lục

PHẦN 1: XÂY DỰNG ĐỀ BÀI

1.1.1 Mobile robot và AGV mobile robot

Cùng với sự phát triển không ngừng của các ngành khoa học kỹthuật, các ngành công nghiệp cũng phát triển nhanh chóng Việc áp dụngcác máy móc hiện đại vào sản suất là một yêu cầu không thể thiếu trongcác nhà máy nhằm tăng năng suất, tăng chất lượng và giảm giá thành sảnphẩm Nằm trong sự phát triển đó, công nghệ chế tạo các Mobile robottrên thế giới cũng đang phát triển nhanh chóng nhằm đáp các nhu cầu vềsản xuất, quốc phòng, nghiêng cứu… Mobile robot có thể thực hiệnnhững công việc với năng suất cao, hiệu quả và có thể ở trong những môitrường mà con người không thể thực hiện được

Trong các dạng Mobile robot, thì AGV (Automatic guided vehicle)mobile robot có nhiều ứng dụng trong thực tế, phổ biến ở các nhà máy, bếncảng, hệ thống giao thông…những nơi cần sự vận chuyển liên tục theo mộttuyến đường cố định, năng suất cao và làm việc được trong thời gian dài

1.1.2 Lịch sử phát triển của AGV mobile robot

AGV mobile robot đầu tiên được phát minh bởi Barrett Electronicsvào năm 1953 ở Mỹ Lúc đầu nó chỉ là một chiếc xe kéo nhỏ chạy theo mộtđường dẫn, dùng các cảm biến dò theo từ trường AGV tồn tại ở mức nàycho đến giữa những năm 70 Công nghệ lúc này cho phép mở rộng khảnăng và tính linh hoạt của AVG Xe không chỉ còn được dùng để kéo rơmoóc trong kho, mà còn được sử dụng trong quá trình sản xuất, làm việc,

tố cần thiết

1.1.3 Phân loại AGV mobile robot

Theo chức năng: có 4 kiểu AGV:

• Xe kéo (Towing machine): xe kéo xuất hiện đầu tiên và bay giờ vẫncòn thịnh hành Loại này có thể kéo nhiều loại toa hàng có khối lượngkhác nhau

• Xe chở (Unit Load Machine): xe chở được trang bị các tầng khaychứa để chuyên chở.

• Xe đẩy (Cart Vehicle): xe đẩy có tính linh hoạt cao và rẻ tiền Chúngđược 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 sànhoặc 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

để xác định tọa độ tức thời,…Việc thiết kế loại xe này đòi hỏi côngnghệ cao và phức tạp hơn so với các loại AGV khác

• Loại chạy theo đường dẫn (Fixed path navigation) :Xe AGV thuộcloại này được thiết kế chạy theo các đường dẫn định sẵn gồm các loạiđường dẫn như sau:

- Đường dẫn từ: là loại đường dẫn có cấu tạo là dây từ (Magneticwire) chôn ngầm dưới nền sàn Khi di chuyển, nhờ có các cảmbiến 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 mỹquan tốt, không ảnh hưởng đến các công việc vận hành khác.Tuy nhiên khi sử dụng phải tiêu tốn năng lượng cho việc tạo từtính trong dây, đồng thời đường dẫn là cố định và không thể thayđổi được

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

- Đường băng kẻ trên sàn: xe AGV di chuyển theo các đườngbăng 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 vạchdẫn Tuy nhiên khi sử dụng, các vạch dẫn có thể bị bẩn hay hưhại gây khó khăn cho việc điều khiển chính xác xe

1.1.4 Ứng dụng của Mobile robot và AGV mobile robot

AGV đã được sử dụng rộng rãi trong nhiều lĩnh vực công nghiệp vàdịch vụ như giao thông vận tải, quân sự, an ninh, không gian, hộ gia đình,văn phòng tự động hóa và các hệ thống phòng thí nghiệm khoa học…

Ví dụ như trong môi trường độc hại, nguy hiểm, Robot Pioneer đượcthiết kế để dò tìm và kiểm tra nồng độ phóng xạ trong thảm họa Chernobyl.Hay những nơi mà con người không thể tới được, Robot MBARI’s ALTEXAUV hoạt động ở dưới đáy biển

Trong quân sự: Robot TALON dùng trong quân sự được trang bịsúng, rađa dò tìm, di chuyển linh hoạt trên các loại địa hình

Trong công nghiệp: AGV Mobile robot được sử dụng chủ yếu để dichuyển các thiết bị, mang vác nguyên liệu và phụ kiện cần thiết

Trong đời sống : Robot lau nhà RC 3000 có khả năng tự nhận biếtkhu vực chưa được quét dọn dựa trên sensor trang bị trên nó Các sensorquang trang bị trên robot sẽ tự động đo độ bẩn của sàn nhà và đưa ra chế độlàm việc cho robot…

1.2 Xác định đầu bài

Trong phạm vi đồ án Thiết kế hệ thống Cơ điện tử, chúng em thực hiện chếtạo và điều khiển Mobile Platform to Track a Reference Line, một dạng khá phổbiến và có nhiều ứng dụng cụ thể Mục đích của đề tài là bước đầu tìm hiểu, tiếpxúc với dạng Mobile robot này, áp dụng và kiểm chứng những kiến thức đã họctrong thực tiễn

Thiết kế mobile robot dò line

Đường line màu xanh trên nền đỏ, độ rộng line 3,5mm

Bán kính cong 200mm

Độ chính xác của robot (khả năng bám line) là ± 2mm

Tốc độ tối đa của robot có thể đạt được là 0,5m/s

Thời gian thực hiện 15 tuần

Đường line dự kiến:

1.3 Chọn phương án sơ bộ

1.3.1 Cấu hình xe

Để có thể di chuyển theo line thì có rất nhiều phương án có thể đượclựa chọn cho mobile robot

- Wheeled robot: Robot di chuyển bằng bánh xe

- Tracked robot: Robot di chuyển bằng xích

- Legged robot: Robot di chuyển bằng chân

- Air – based robot: Robot di chuyển trên không

- Water – based robot: Robot di chuyển trong môi trường nước

- Combination/hybrid robot: Robot có cấu tạo hỗn hợp các kiểutrên

Mỗi phương án trên đều có những ưu và nhược điểm riêng Vậy, taphải lựa chọn phương án hợp lí nhất với điều kiện thực tế, mục đích của đềbài cũng như trình độ của các thành viên trong nhóm:

- Trong thực tế hiện nay, nhất là tại Việt Nam, để đi từ A đến B thìphương án di chuyển bằng bánh xe vẫn là lựa chọn tối ưu nhất,với những ưu điểm như gọn nhẹ, ít ma sát (so với bánh xích), giữthăng bằng tốt (so với di chuyển bằng chân), đơn giản và dễ điềukhiển (so với Air – based robot và Combination robot), có nhiềulựa chọn (2 bánh, 3 bánh hay 4 bánh…) và giá thành rẻ

- Mục đích của đề bài là thiết kế một mobile robot di chuyển trêncạn (Water – based robot bị loại bỏ vì yếu tố này)

- Các thành viên trong nhóm đều là sinh viên nên trình độ có giớihạn, các phương án quá phức tạp sẽ khó có thể thực hiện được

Với những lí do trên, phương án di chuyển bằng bánh xe trở nên thiếtthực nhất với những yêu cầu như đơn giản, gọn nhẹ, dễ điều khiển, giữthăng bằng tốt, di chuyển được trên nhiều dạng địa hình, an toàn và nhất làgiá thành rẻ.

Trong phương án di chuyển bằng bánh xe, ta cũng có nhiều sự lựachọn như hai bánh, ba bánh hay bốn bánh

- Hai bánh: Đơn giản về cơ cấu tuy nhiên phức tạp về mặt điềukhiển vì phải thêm yếu tố cân bằng

- Bốn bánh: Dễ điều khiển tuy nhiên cơ cấu lái phức tạp

- Ba bánh: Đơn giản về cả cơ cấu lẫn điều khiển

Phương án lựa chọn cuối cùng: 3 - Wheeled robot

1.3.2 Chọn loại động cơ

Có rất nhiều loại động cơ như DC, DC servo, AC servo, step motor,BLDC Mỗi động cơ có những ưu khuyết điểm riêng Nhưng xét theo yêucầu của đề bài cũng như điều kiện thực tế, nhóm lựa chọn động cơ DCservo với những ưu điểm dùng nguồn một chiều, điều khiển với độ tin cậycao hơn Step motor, moment tốt ở tốc độ cao và giá thành hợp lý

1.3.3 Chọn cảm biến sơ bộ

Xét đến đòi hỏi về độ chính xác ± 2mm thì camera có thể đáp ứngđược, tùy giá thành cao nhưng camera là lựa chọn phù hợp với nhu cầu cầntìm hiểu, học hỏi của nhóm Vậy cảm biến được sử dụng là Pixy -CMUCam5

1.3.4 Chọn giải thuật điều khiển

Để điều khiển Mobile robot ta có các luật điều khiển sau:

line là cố định Vậy nên nhóm sử dụng luật điều khiển Lyapunov để tính toán từ 3 sai số thành vận tốc cần thiết của 2 bánh xe chủ động.

1.4 Phân công công việc

Vũ Quang Huy (trưởng nhóm): thiết kế phần điều khiển và tiến hành thựcnghiệm

Trần Vũ Quang Trung: thiết kế phần điện và lấy tín hiệu cảm biến

Trương Quang Bảo: thiết kế phần cơ

Lê Khắc Trình: mô hình hóa và mô phỏng

1.5 Biểu đồ Gainn

PHẦN 2: TIẾN HÀNH THỰC HIỆN ĐỀ TÀI

2.1 Thiết kế phần cơ

2.1.1 Cấu hình xe

Wheeled robot sẽ có 3 bánh, với 2 bánh chủ động, điều khiển độc lập

ở trục sau và bánh xe tự lựa ở phía trước Ưu điểm giải quyết vấn đề cânbằng của xe, có thể chuyển hướng bằng cách thay đổi tốc 2 động cơ, cơ cấuđơn giản, dễ chế tạo

Kích thước xe: 260 x 260 x 84mm

2.1.2 Động cơ (motor)

Công suất động cơ được tính theo công thức: P = M.ωTrong đó: M: momen xoắn của động cơ

ω: tốc độ gócVới vận tốc tối đa là 0.5m/s, đường kính bánh là 90mm, khối lượng xe

dự tính là 2kg ta tính được tốc độ góc của động cơ:

Để cho xe có thể chuyển động được thì lực kéo tiếp tuyến sinh ra ởvùng tiếp xúc giữa bánh xe chủ động và mặt đường phải lớn hơn hoặc bằngtổng các lực cản chuyển động, nghĩa là:

Ff + Fj ≤ FTrong đó:

Lực cản lăn: Ff = f x GVới: Trọng lượng phân bố trên hai bánh xe: G = 20N

Hệ số cản lăn: f = 0,015[ Bảng II.1 – Lý thuyết ô tô máy kéo (Nguyễn Hữu Cẩn) ]

 Ff = 0,015.20 = 0,3 (N)Lực cản quán tính: Fj = m.j

Với: Khối lượng của xe: m = 2kgGia tốc của xe: j = 0,5m/s2

 Fj = 2.0,5 = 1 (N)Vậy ta suy ra: 0.3 + 1 ≤ F

1,3 ≤ F1,3 x 0,045 ≤ M0,06 ≤ M

 6,36 ≤ PVậy ta phải chọn động cơ có công suất lớn hơn 6,36WCăn cứ vào công suất sơ bộ và vận tốc tối đa của xe, chọn động cơ DCservo encoder + hộp giảm tốc:

Dựa vào đồ thị, ta có nhận xét:

- Khoảng điều khiển tuyến tính của động cơ là 50 – 200 xung

- Tốc độ 2 động cơ không bằng nhau khi cho cùng một xung điềukhiển, động cơ trái nhanh hơn động cơ phải

 Khoảng điều khiển của động cơ 50 – 200 xung, sử dụng điềukhiển vòng kín để loại bỏ sai số của động cơ

2.2.1 Mô hình hóa robot bám line

• (,) : hệ tọa độ cố định.

• (,) :hệ tọa độ gắn với mobile robot

• , : tọa độ của tâm mobile robot so với hệ tọa độ (,)

• : bán kính bánh xe

• :khoảng cách tâm quay của mobile robot đến bánh xe

• điểm tham chiếu trên đường line

• đường tiếp tuyến của line tại điểm

• góc của tiếp tuyến t-t tại điểm tham chiếu

• vận tốc cố định của điểm tham chiếu trên đường line

• óc di chuyển của robot so với phương ngang

• vận tốc dài của tâm robot (điểm cảm biến)

• vận tốc góc xoay của tâm mobile robot (điểm cảm biến)

• , : vận tốc góc của bánh trái và bánh phải

• vận tốc dài của điểm tham chiếu

• vận tốc góc của điểm tham chiếu

• , , các sai số

2.2.2 Tính toán các thông số để thiết kế bộ điều khiển

• Phương trình chuyển động của robot tracing line có thể được viết nhưsau:

• Sai số được xác định như sau:

• Ta cần thiết kế bộ điều khiển sao cho → 0 ; → 0 ; → 0 khi → ∞

+

• Ta chọn hàm Lyapunov:

Điểm cân bằng: = = = 0: hàm xác định dương

= ( + + ) + (- + r + )

Ta chọn luật điều khiển để Luật điều khiển:

v = + = + +Trong đó là 3 số dương

2.2.3 Kết quả mô phỏng

Fig 1 Đường line tham chiếu

Fig 2 Mô phỏng mobile robot chạy bám theo line.

Fig 3 Vận tốc bánh xe trái và vận tốc bánh xe phải khi bám theo đường

line như mô phỏng

Fig 4 Các sai số , ,

2.3 Thiết kế phần điện và cảm biến

2.3.1 Thiết kế hệ thống điện

• Ống kính loại : tiêu chuẩn M12.

• Tầm quay : 75o theo phương ngang, 47o theo phương thẳng đứng

• Dòng : 140 mA

• Áp vào : 5V( dùng USB) hoặc từ 6V- 10V

CMUcam5 có thể nhận dạng tốt với 7 màu: Đỏ, cam, vàng, xanh lá,xanh nước biển đậm, xanh nước biển nhạt và tím

Khoảng cách tối thiểu từ thấu kính tới vật để ảnh không bị nhòe là2.8mm

Ta kết nối sử dụng cổng giao tiếp ICSP trên chip vi xử lý Arduino nốivới port J2 trên cảm biến camera

Để nhận diện màu ta sử dụng chương trình PixyMon Sau khi khởiđộng chương trình Ta xác định màu cần nhận diện bằng cách vào Action

Set signature 1 và quét khối màu muốn nhận dạng (Đỏ, cam, vàng, xanh

lá, xanh nước biển đậm, xanh nước biển nhạt, và tím)

Ta được kết quả như hình dưới:

Sau khi kết nối với arduino, và nạp chương trình để xuất ra các giá trị:

- x : tọa độ x của tâm block

- y : tọa độ y của tâm block

- W: bề rộng của block

- H : chiều cao của block

Cách xác định tỷ lệ mm/pixel : ta dịch chuyển xe và đường line saocho hình ảnh đường line nằm gọn trong ô block Sau đó ta đo độ rộng củađường line đó và xác định độ rộng của ô block W Lấy tỷ số hai số liệu tađược tỷ lệ của mm/pixel

Để xác định được dấu của góc quay của xe ta dùng cách chia đườngline hiển thị trên màn hình ra hai block Bằng cách chia đổi thấu kính củacamera ra làm hai ta được kết quả như hình dưới:

Ta lấy được các thông số:

- Block 0 (tính theo pixel) W1,H1, X1, Y1

- Block 1 (tính theo pixel) W2, H2, X2, Y2

- Tâm màn hình camera I ( 160; 99 ) pixel

- Tỉ lệ (pixel/mm ) = 13.43

Điều kiện chiếu sáng và chống nhiễu:

- Sử dụng hệ thống đèn led để chiếu sáng cho camera

- Sử dụng đường line có nền là các màu tối để tránh hiện tượng chói nền cho camera

2.4 Giải thuật lập trình

2.4.1 Sơ đồ truyền tính hiệu

2.4.2 Sơ đồ giải thuật

2.4.3 Vi điều khiển trung tâm

Arduino Mega 2560 sử dụng chip ATmega2560 Nó bao gồm 54

digital input/output pins, 15 PWM output pins, 16 analog input pins Điện

áp hoạt động 5V Tốc độ xử lý 16MHz

2.4.4 Giao tiếp Driver

Pin Input1: cấp xung PWM (C)

Pin Input2: cấp tín hiệu LOW (D)

Pin Enable1: tín hiệu tắt mở động cơ (Ven)

2.4.5 Giao tiếp Pixy CMUcam5

• Thêm thư viện

#include <Servo.h>

#include <Wire.h>

#include <PixyI2C.h>

• Xác định tọa độ đất

Pixy pixy; (khai báo phải được đặt ngoài hàm void setup() và voidloop())

• Xác định đối tượng của CMU

- pixy.blocks[i].signature The signature number of the detectedobject (1-7)

- pixy.blocks[i].x The x location of the center of the detectedobject (0 to 319)

- pixy.blocks[i].y The y location of the center of the detectedobject (0 to 199)

- pixy.blocks[i].width The width of the detected object (1 to 320)

- pixy.blocks[i].height The height of the detected object (1 to 200)

- pixy.blocks[i].print() A member function that prints the detectedobject information to the serial port

• Phương thức giao tiếp

- Uart

Arduino TX kết nối pin 1 Pixy's I/O connector

Arduino RX kết nối pin 4 of Pixy's I/O connector

Arduino GND kết nối pin 6, 8 or 10 of Pixy's I/Oconnector

- Pin 1 bằng 3.3V khi có vật thể được xác định, bằng 0V khikhông có vật thể nào được xác định (dòng 5mA)

Phương hướng giải quyết: kiểm tra hoạt động của từng module một,

có thể thay thế bằng các module mới cùng loại để chạy thử

Trình tự tiến hành kiểm tra: camera CMU => Arduino mega => Pic16F887 => mạch driver => 2 động cơ => nguồn pin 12V => nguồn 5V

=> dây dẫn và jack cắm

Nguyên nhân ghi nhận được:

- Camera CMU nhận màu không chính xác, hệ thống chiếu sángkhông tốt gây nhiễu tín hiệu.

- Do nguồn 5V được chia sẽ từ nguồn pin 12V (nguồn công suất),khi các bánh xe tăng tốc, nguồn pin bị sụt áp dẫn đến nguồn 5Vcũng sụt áp => vi điều khiển không nhận đủ mức điện áp cầnthiết => ngừng hoạt động => động cơ không đáp ứng và xe bịmất bám line Quá trình này xảy ra khá nhanh nên khó phát hiện,trong khi phần lớn thời gian ta thấy nguồn 5V vẫn hoạt độngbình thường

2.5.2 Giai đoạn 2

• Kết quả thực nghiệm:

Nhờ vào việc điều chỉnh camera CMU và sử dụng một nguồn 5Vriêng, sử dụng ổn áp cho nguồn 12V, mobile robot của nhóm có thểchạy ổn định và hoàn thành được hết vòng chạy

- Nhận xét về nguyên nhân gây sai số thực nghiệm:

Cấu trúc cơ khí của xe chưa hoàn toàn chính xác, do quatrình gia công và vật liệu sử dụng là mica

Khi mô phỏng ta chưa tính đến Động lực học, nhưng trongthực tế thì khối lượng xe và moment quán tính của xe cũng cóảnh hưởng đáng kể đến kết quả

TÀI LIỆU THAM KHẢO

• Tan Lam Trung, Trong Hieu Bui, Sang bong Kim, Myung Suck Oh and Tan TienNguyen “ Wall- Following Control of a Two – Wheeled Mobile Robot”, KSME Internationnal Journal, Vol 18 ,No 8, pp 1288~1296, 2004

• S.S Ge , “ LYAPUNOV DESIGN”

• http://arduino.cc

• Dung Sai Lắp Ghép (Ninh Đức Tốn)

• Vẽ Kỹ Thuật (Vũ Tiến Đạt)