Nghiên cứu, thiết kế robot dò line theo phương pháp thiết kế hệ thống cơ điện tử

Việc tích hợp các nội dung trong đề tài “Nghiên cứu, thiết kế Robot dò line trong các trường đại học đào tạo chuyên ngành cơ điện tử có tài liệu tham khảo về thiết kế hệ thống robot dò

ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP HCM

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA

CÔNG TRÌNH ĐƯỢC HOÀN THÀNH TẠI TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA –ĐHQG -HCM

Cán bộ hướng dẫn khoa học : PGS TS Nguyễn Tấn Tiến

Thành phần Hội đồng đánh giá luận văn thạc sĩ gồm:

(Ghi rõ họ, tên, học hàm, học vị của Hội đồng chấm bảo vệ luận văn thạc sĩ)

1 PGS.TS Võ Tường Quân

2 PGS.TS Nguyễn Duy Anh

3 PGS.TS Nguyễn Thanh Phương

ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP.HCM

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA

CỘNG HÒA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM

Độc lập - Tự do - Hạnh phúc

NHIỆM VỤ LUẬN VĂN THẠC SĨ

Họ tên học viên: TRẦN THANH TÙNG MSHV: 1670316

Ngày, tháng, năm sinh: 26/02/1984 Nơi sinh: Thừa Thiên Huế

Chuyên ngành: Kỹ Thuật Cơ Điện Tử Mã số : 60520114

I TÊN ĐỀ TÀI: Nghiên cứu, thiết kế robot dò line theo phương pháp thiết kế

hệ thống cơ điện tử

II NHIỆM VỤ VÀ NỘI DUNG:

1) Tìm hiểu tổng quan phương pháp thiết kế cơ điện tử

2) Quy trình thiết kế hệ thống cơ điện tử

- Thiết kế kết cấu cơ khí (2D&3D) cho robot dò line (Mechanical Design)

- Thiết kế hệ thống điện cho robot dò line ( Electrical Systems)

- Mô hình hóa, thiết kế bộ điều khiển robot dò line ( Modeling, Control Design)

- Thiết kế mạch điều khiển và chương trình điều khiển (Embed hardware/Software co-design)

- Thử nghiệm và hiệu chỉnh ( Manufacturing Test System Design)

3) Ứng dụng vào ví dụ thiết kế robot dò line

4 ) Kết luận

III NGÀY GIAO NHIỆM VỤ : 16/01/2017

IV NGÀY HOÀN THÀNH NHIỆM VỤ : 03/12/2017

V CÁN BỘ HƯỚNG DẪN : PGS.TS Nguyễn Tấn Tiến

LỜI CẢM ƠN

Để hoàn thành tốt luận văn thạc sĩ này tôi xin gửi lời cảm ơn đến quý thầy cô Trường Đại học Bách Khoa Tp Hồ Chí Minh đặc biệt các thầy, cô trong Bộ môn Cơ Điện Tử đã trang bị và giúp đỡ cho tôi nhiều kiến thức hay và bổ ích

Tôi xin chân thành cảm ơn thầy PGS.TS Nguyễn Tấn Tiến người đã tận tình chỉ bảo định hướng cho tôi trong suốt thời gian thực hiện đề tài, những chỉ bảo và góp ý của thầy là vô cùng quý giá đối với tôi để có thể thực hiện thành công đề tài này Bên cạnh đó tôi cũng xin cảm ơn các bạn trong Lab Hi-Tech Mechatronics đã giúp tôi rất nhiều trong quá trình thực hiện đề tài

Cuối cùng, xin cảm ơn các anh, chị và các bạn trong lớp cao học Cơ Điện Tử K2016, đã giúp đỡ tôi trong quá trình học tập và nghiên cứu tại trường

Luận văn không tránh khỏi những thiếu sót và sai lầm Rất mong nhận được sự chỉ dẫn và đóng góp của quý thầy cô và các bạn để luận văn được hoàn thiện hơn

Tp Hồ Chí Minh, ngày 02 tháng12 năm 2017 Học viên thực hiện

Trần Thanh Tùng

TÓM TẮT LUẬN VĂN

Luận văn sẽ đưa ra cơ sở lý thuyết về các nội dung cụ thể của phần thiết kế robot dò line theo phương pháp thiết kế hệ thống cơ điện tử được đề xuất

Đề tài tập trung xây dựng quy trình thiết kế hệ thống cơ điện tử, đưa ra ví

dụ cụ thể cho quá trình thiết kế hệ thống cơ điện tử ; quá trình thiết kế robot dò line với yêu cầu đã cho và đi xây dựng nhiều phương án tính toán và kết nối để đưa ra một robot dò line đáp ứng tốt nhất yêu cầu

Việc tích hợp các nội dung trong đề tài “Nghiên cứu, thiết kế Robot dò line

trong các trường đại học đào tạo chuyên ngành cơ điện tử có tài liệu tham khảo về thiết kế hệ thống robot dò line theo quy trình thiết kế hệ thống cơ điện tử được đưa

ra

ABSTRACT

The thesis will provide a theoretical basis for specific contents of the design

of Line Follower Robot under the proposed design method of mechatronic system The thesis focuses on building the process of designing mechatronic system, giving detailed examples on the process of designing mechatronic systems as well as Line Follower Robot and setting up many calculating methods and connections to produce a Line Follower Robot adapting the requirements

The integration of contents in the thesis "STUDY AND DESIGN A

LINE-FOLLOWING ROBOT BASED ON MECHATRONICS SYSTEM DESIGN

APPROACH" will help students, lecturers in mechatronics universities to have

more reference documents on designing the system of Line Follower Robot under the proposed design process of mechatronic system

LỜI CAM ĐOAN

Tôi cam đoan đây là công trình nghiên cứu của riêng tôi Các số liệu, kết quả nêu trong luận văn là trung thực và chưa từng được công bố trong bất kỳ công trình nào khác

(Tác giả luận văn ký và ghi rõ họ tên) Trần Thanh Tùng

MỤC LỤC

DANH MỤC CÁC HÌNH i

DANH MỤC BẢNG SỐ LIỆU ii

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ THIẾT KẾ HỆ THỐNG CƠ ĐIỆN TỬ 1

1.1 Giới thiệu hệ thống cơ điện tử 1

1.1.1 Cơ điện tử 1

1.1.2 Hệ thống cơ điện tử 3

1.2 Thiết kế cơ điện tử 3

1.2.1 Phương pháp thiết kế truyền thống 5

1.2.2 Phương pháp thiết kế hiện đại 7

CHƯƠNG 2: QUY TRÌNH THIẾT KẾ HỆ THỐNG CƠ ĐIỆN TỬ 11

2.1 Xác định mục tiêu thiết kế 11

2.2 Tìm hiểu tổng quan 11

2.3 Lựa chọn phương án 11

2.4 Xây dựng kế hoạch thiết kế 12

2.5 Thiết kế 14

2.6 Thực nghiệm và hiệu 14

2.7 Xây dựng hồ sơ thiết kế 15

CHƯƠNG 3: ỨNG DỤNG VÀO VÍ DỤ THIẾT KẾ ROBOT DÒ LINE 17

3.1 Xác định mục tiêu thiết kế 17

3.2 Xác định mục tiêu thiết kế 17

3.2.1 Tình hình trong nước và quốc tế về thiết kế robot dò line 17

3.2.2 Về cơ khí 19

3.2.3 Về cấu trúc điều khiển 25

3.2.4 Thiết kế phần điện 27

3.2.5 Về bộ điều khiển 33

3.2.6 Bài toán thiết kế với số liệu cụ thể 36

3.3 Phương án triển khai 36

3.4 Xây dựng kế hoạch thiết kế 38

3.5 Thiết kế 38

3.5.2 Về điện 45

3.5.3 Mô hình hóa và mô phỏng 61

3.6 Thực nghiệm và hiệu chỉnh 71

3.7 Xây dựng hồ sơ thiết kế 71

CHƯƠNG 4: KẾT LUẬN 72

4.1 Kết quả đạt được 72

4.2 Hướng phát triển đề tài 72

TÀI LIỆU THAM KHẢO

PHỤ LỤC BẢN VẼ

PHỤ LỤC BIỂU ĐỒ GANTT

PHỤ LỤC CODE CHƯƠNG TRÌNH

PHỤ LỤC BÀI BÁO HỘI NGHỊ

LÝ LỊCH KHOA HỌC

Hình 2.2 Sơ đồ nguyên lý xe chở hàng AGV 12 Hình 2.3 Mẫu ảo thiết kế bằng phần mềm 15 Hình 3.1 Sa bàn di chuyển robot dò line 17 Hình 3.2 Sơ đồ động học tính toán sai số cho robot dò line AGV [4] 18 Hình 3.3 Thành phần của robot dò line và cấu trúc bộ điều khiển 18

Hình 3.25 Bản vẽ thiết kế 2D robot dò line 39

Hình 3.28 Bản vẽ thiết kế 3D robot dò line 45 Hình 3.29 Sơ đồ nguyên lí hệ thống điện 46

Hình 3.32 Đồ thị quan hệ giữa 𝐼𝐹 và 𝐼𝐶 [23] 48 Hình 3.33 Đồ thị quan hệ giữa áp và dòng của led thu 49 Hình 3.34 Ảnh hưởng của cách đặt cảm biến với Switching distance 𝑋𝑑 [24] 49

Hình 3.36 Phạm vi hoạt động của cảm biến dựa theo góc chiếu 51

Hình 3.37 Đồ thị kết quả thí nghiệm đo giá trị điện áp trả về từ cảm biến tại

từng vị trí so với tâm đường line

51

Hình 3.38 Bộ thí nghiệm Xác định khoảng cách phù hợp giữa cảm biến và

mặt đường

52

Hình 3.39 Mô hình vùng giao thoa của cực phát và cực thu 53 Hình 3.40 Xác định khoảng cách phù hợp giữa 2 cảm biến 53 Hình 3.41 Vị trí của cảm biến so với đường line 54

Hình 3.42 Đồ thị quan hệ giữa giá trị tính toán và giá trị thực của vị trí tâm

đường line so với tâm cảm biến

54

Hình 3.43 Đồ thị quan hệ giữa vị trí tâm line và sai số 55

Hình 3.46 Đồ thị quan hệ giữa %PWM với vận tốc quay của động cơ 58

Hình 3.47 Đồ thị đáp ứng theo thời gian của động cơ( t sample = 0.01s,

Hình 3.54 Hành trình xe trên đoạn A-B-C-D 67

Hình 3.56 Hành trình xe trên đoạn D-E-F 68

Bảng 3.3 Đánh giá ưu và nhược sơ đồ nguyên lý 23

Bảng 3.5 Kế hoạch triển khai dự án được lập 37

Bảng 3.10 Thông số kĩ thuật của phototransistor TCRT 5000 46 Bảng 3.11 Công suất tiêu thụ của các thiết bị trên xe 55 Bảng 3.12 Bảng số liệu đáp ứng xung PWM 58 Bảng 3.13 Kết quả thiết kế và thực nghiệm 59

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ THIẾT KẾ HỆ THỐNG CƠ ĐIỆN TỬ 1.1 Giới thiệu hệ thống cơ điện tử (Mechatronics Systems)

1.1.1 Cơ điện tử

Khái niệm cơ điện tử được xuất hiện lần đầu tiên vào những năm 1976 ở Nhật Sau đó thuật ngữ này được sử dụng rộng rãi trong các ngành công nghiệp sản xuất

Cơ điện tử là một hệ thống cơ cấu máy móc có thiết bị điều khiển đã được lập

trình và có khả năng hoạt động một cách linh hoạt

Một số khái niệm về hệ thống cơ điện tử được định nghĩa như sau:

Theo công ty Yasakawa Electric: “ thuật ngữ Mechatronics (Cơ điện tử) được tạo ra bởi (Mecha) trong Mechanism (trong Cơ cấu) và tronics trong electronics (Điện

tử)

Theo Harashima Tomizukava và Fuduka đưa ra năm 1996: “ Cơ điện tử là sự

tích hợp chặt chẽ của kỹ thuật cơ khí với điện tử và điều khiển máy tính thông minh trong thiết kế chế tạo các sản phẩm và quy trình công nghiệp”

Theo International Federation of Automation Control (IFAC) – Technical Comittee on Mechatronics Systems [8] Cơ điện tử là sự phối hợp của cơ khí chính xác, điều khiển điện tử, hệ thống điều khiển sản phẩm và quá trình sản xuất

Theo Devdas Shetty, Richard A.Kolk [16]: Cơ điện tử là một phương thức sử dụng tối ưu thiết kế hệ thống của sản phẩm cơ điện Đó là một sự kết hợp trong tích hợp của cơ khí, điện và hệ thống máy tính với hệ thống thông tin cho quá trình thiết kế

và sản xuất của các sản phẩm và quy trình sản phẩm Sự hiệp lực được thể hiện tổng quát bằng tham số kết hợp chuẩn xác; và sản phẩm cuối cùng có thể tốt hơn tổng từng

bộ phận của hệ thống Thành phần của cơ điện tử được thể hiện hình 1.1 gồm các thành phần :

• Hệ thống cơ khí

• Hệ thống điện tử

• Hệ thống máy tính

• Hệ thống thông tin

Hình 1.1: Thành phần cơ điện tử [16]

Như vậy, có rất nhiều khái niệm về cơ điện tử nhưng có định nghĩa được coi là

đúng nhất theo V.S Vasić and M.P Lazarević đó là: Cơ điện tử là sự tích hợp của hệ

thống cơ khí với điện tử; điều khiển thông minh có sự trợ giúp của máy tính trong quá trình thiết kế và sản xuất sản phẩm [19] Cơ điện tử bao gồm:

* Hệ thống cơ khí (mechanical systems): cơ cấu cơ khí, cơ khí chính xác

* Hệ thống điện tử (electronics systems): vi điều khiển, nguồn, cảm biến và kỹ thuật cơ cấu chấp hành

* Hệ thống máy tính (information technology): lý thuyết điều khiển, tự động hóa, phần mềm, điều khiển

Hình 1.2:Thành phần cơ điện tử [19]

1.1.2 Hệ thống Cơ điện tử

Hệ thống cơ điện tử là một hệ thống phức tạp, tích hợp các phần điện, cơ, lý thuyết điều khiển tự động và công nghệ thông tin Do đó, việc thiết kế đòi hỏi một quy trình thiết kế phù hợp và hiệu quả

Theo Klaus Janschek [8] hệ thống cơ điện tử là quá trình tạo ra sản phẩm có phương thức mới, tối ưu của nhiều nền tảng khác nhau của thiết kế hệ thống, sản phẩm

là sự kết hợp của cấu trúc chức năng, chất lượng, kinh tế, và quá trình hợp tác làm việc nhóm

Hình 1.3: Cấu trúc chức năng cơ bản của một hệ thống cơ điện tử [8]

Hệ thống cơ điện tử (Mechatronics systems) theo quan điểm của Okyay Kaynak,

giáo sư đại học Thổ Nhĩ Kỳ thì hệ thống cơ điện tử được khái niệm theo hình sau:

Hình 1.4:Cấu trúc hệ thống cơ điện tử theo quan điểm Okyay Kaynak

Theo S.Ashley hệ thống cơ điện tử là hệ thống sử dụng cơ khí chính xác, hệ thống máy tính và các cảm biến; kỹ thuật điều khiển để tạo ra (thiết kế) cải tiến một sản phẩm và quá trình sản xuất

Theo A.Saleem Philadenphia University, Amman, Jordan hệ thống cơ điện tử là một hệ thống bao gồm các cơ cấu, các cảm biến, tích hợp thuyết điều khiển, bộ điều khiển và hệ thống điện, điện tử [13]

Hình 1.5: Hệ thống cơ điện tử theo A.Saleem Philadenphia [13]

Theo National Instruments, hệ thống cơ điện tử là hệ thống tích hợp của các thiết bị điện tử và thành phần điện đưa vào kết cấu cơ khí [2]

Một hệ thống cơ điện tử bao gồm: sự thay đổi của hệ thống cơ khí, hệ thống điện và thành phần phần mềm được đưa vào Khi có sự thay đổi của thành phần kết hợp, kết quả là một hệ thống cơ điện thay đổi

Hệ thống cơ điện tử là một trong những hệ thống tốt nhất trong việc thiết kế tối

ưu cho các sản phẩm, dựa vào sự phức tạp cao của việc thiết kế và những yêu cầu tích hợp của cơ khí, điện tử, và thành phần quá trình thông tin Để tốt cho các nhóm thiết

kế bằng cách thuận lợi cho quá trình thay đổi thành phần hệ thống không ảnh hưởng lớn đến hệ thống cần chọn công cụ thiết kế hệ thống cơ điện tử phức tạp [2]

Hình 1.6:Thành phần của hệ thống cơ điện tử (Theo National Instruments) [2]

1.2 Thiết kế hệ thống cơ điện tử

1.2.1 Phương pháp thiết kế truyền thống

Thiết kế hệ thống cơ điện tử là sự kết hợp thiết kế bao gồm cơ khí chính xác, hệ thống điện tử và điều khiển hệ thống trong việc thiết kế sản phẩm và quy trình sản xuất

Thiết kế hệ thống cơ điện tử bắt đầu từ mục tiêu nhiệm vụ của người khách hàng, người sử dụng sản phẩm cho đến tích hợp các chức năng, tích hợp kỹ thuật, tích hợp thuộc không gian [8]

Hình 1.7: Cấu trúc chức năng cơ bản của một hệ thống cơ điện tử với phân tích các

cấu trúc chức năng [8]

Thiết kế hệ thống cơ điện tử là nhiệm vụ đòi hỏi người thiết kế phải kế thừa, có kiến thức, hay tổ chức từ những ngành khác nhau như cơ khí, điện tử, điều khiển, máy tính Những kiến thức của nhiều ngành khác nhau được kết hợp để tạo ra một hệ

những bước sau theo [12], việc thiết kế tuần tự theo [12] có thể dẫn đến khó thực hiện nhiều công việc đồng thời, và quá trình thiết kế bị ràng buộc lần nhau qua nhiều khâu

Hình 1.8 Thiết kế hệ thống cơ điện tử [12]

Hình 1.8 trình bày quá trình thiết kế hệ thống cơ điện tử đơn giản, mũi tên bên

trong chỉ các bước tuần tự của quá trình thiết kế cơ khí, điện, điều khiển và sản phẩm cuối cùng chịu sự chi phối của các hệ thống tương tác với nhau

Trong quá trình này, sự tác động giữa 3 hệ thống này và ảnh hưởng của từng hệ thống sẽ làm thay đổi thiết kế và nhiệm vụ ban đầu của sản phẩm, thiết kế cuối cùng

và nhiệm vụ được đưa ra xem như tại mỗi bước của thiết kế của hệ thống Ảnh hưởng của bước thứ hai trong quá trình thiết kế được xem như là hiển nhiên Một trong những ảnh hưởng chính được làm cho thiết kế tốt nhất là mỗi một hệ thống sẽ làm cho nhiệm

thông tin nhằm tạo sự thuận lợi trong quá trình thiết kế và kỹ thuật đồng thời được áp dụng ở tất cả các giai đoạn thiết kế chứ không phải chỉ ở giai đoạn thiết kế cơ sở

Theo [1] việc thiết kế một hệ thống cơ điện tử thường được thiết kế theo quy trình: Xác định các yêu cầu kỹ thuật Thiết kế cơ khí Thiết kế điện Thiết kế phần cứng mạch điện Thiết kế phần mềm Thiết kế bộ điều khiển Thử nghiệm và tối ưu hóa sản phẩm mẫu Thiết kế sản xuất thử nghiệm sản xuất support and service sản xuất bền vững

Hình 1.9: Quy trình thiết kế truyền thống [1]

Theo A Saleem, Tutunji and L Al-Sharif [13], Mechatronic System Design

Course for Undergraduate Programmes, thiết kế hệ thống cơ điện tử là quá trình đòi hỏi phải thiết kế các phần cơ khí, cảm biến, giải thuật điều khiển

Hình 1.10: Thiết kế hệ thống cơ điện tử [13]

1.2.2 Phương pháp thiết kế hiện đại

Có nhiều phương pháp thiết kế cơ điện tử hiện nay được áp dụng, mặc dù có rất nhiều lợi ích từ thiết kế hệ thống cơ điện tử, nhưng người thiết kế thông thường làm chi phí sản phẩm cao lên bởi lý do quá nhiều bộ phận phải thay thế, thiếu kinh nghiệm

với những sản phẩm mới và kỹ thuật kiểm tra và sử dụng kỹ thuật trong xây dựng và kết nối cấu trúc thiết kế [19]

Vì vậy sản phẩm được tạo ra cũng dựa trên thành phần độc lập của cơ khí, điện,

phần mềm điều khiển Các bước của thiết kế sản phẩm được trình bày bởi hình 1.11

Hình 1.11:Hướng dẫn phát triển sản phẩm từ cơ khí, điện, và sản phẩm IT [19]

Hình 1.12:Phát triển sản phẩm cơ điện tử với độ tin cậy a) cơ bản b) tích hợp phát

triển sản phẩm [19]

Như vậy có rất nhiều tác giả đề cập đến thiết kế hệ thống cơ điện tử nhưng quy trình do National Instrument [2] đề xuất được xem xét vì tính đơn giản và thực tế của quy trình

Quá trình thiết kế hệ thống cơ điện tử được đưa ra kế thừa mô hình tuần tự: Thiết

kế đồng thời phần cơ khí, điện, phần cứng/ phần mềm, bộ điều khiển -> Mẫu sản phẩm

ảo -> Đồng thời; Sản xuất thật, thiết kế sản phẩm Quá trình thiết kế hệ thống cơ điện

tử kế thừa mô hình tuần tự truyền thống với một số thay đổi như Hình 1.13 : Mẫu vật

lý được sử dụng để thực nghiệm, hiệu chỉnh và tối ưu hóa thiết kế; Các bước thiết kế được triển khai đồng thời (cơ khí, điện, phần cứng/phần mềm, bộ điều khiển); Việc sử dụng mẫu ảo trong quá trình thiết kế trước khi sử dụng mẫu thật giúp giảm thiểu thời gian và kinh phí thiết kế sản phẩm

Hình 1.13: Quy trình thiết kế cơ điện tử[1]

Theo cho rằng thiết kế hệ thống cơ điện tử: cần tích hợp thiết kế phần điều khiển

và cơ khí vào trong quá trình thiết kế hệ thống cơ điện tử

Hình 1.14: Công cụ hỗ trợ thiết kế cơ điện tử [2]

Hình 1.15: Ví dụ sản phẩm của thiết kế hệ thống cơ điện tử (tay máy khoan

mạch)

CHƯƠNG 2: QUY TRÌNH THIẾT KẾ HỆ THỐNG CƠ ĐIỆN TỬ

2.1 Xác định mục tiêu thiết kế

Xác định rõ mục tiêu thiết kế là gì? Mục tiêu thiết kế càng rõ ràng, càng bám theo yêu cầu của khách hàng, yêu cầu kỹ thuật của sản phẩm hay yêu cầu của người sử dụng càng thuận lợi cho quá trình thiết kế

Xác định mục tiêu của thiết kế, ví dụ: thiết kế xe đua, thiết kế xe vận chuyển hàng trong nhà kho, thiết kế AVG vận chuyển container, …

2.2 Tìm hiểu tổng quan

Từ mục tiêu đã xác định ở trên, trình bày tổng quan về vấn đề thiết kế bao gồm: những nghiên cứu trong và ngoài nước, các patent, thiết bị sản phẩm đã có, sơ đồ nguyên lý (kết cấu, điều khiển, …), tính năng, ưu nhược điểm, … cuối phần này phải

đặt được bài toán cụ thể cho vấn đề thiết kế (system specification)

Một số số liệu thiết kế ban đầu có thể chưa chuẩn xác, có thể được đặt lại trong quá trình nghiên cứu

Kết thúc phần tổng quan là đầu bài cụ thể về vấn đề thiết kế, ví dụ: sơ đồ line (map), vận tốc lớn nhất của mobile platform , bán kính cong nhỏ nhất trên line

, sai số bám line cho phép

2.3 Lựa chọn phương án

Từ đầu bài đã có, đề xuất các phương án khả thi và chọn phương án phù hợp nhất cho thiết kế Kết quả của phần lựa chọn phương án là sơ đồ nguyên lý tổng thể cho thiết kế Tùy thuộc vào mục tiêu đề ra, sơ đồ nguyên lý tổng thể có thể là một hoặc các

sơ đồ nguyên lý phần cơ, điện, điều khiển, …

Kết thúc phần phương án là sơ đồ nguyên lý của thiết kế

Ví dụ kết thúc phương án của thiết kế robot dò line là sơ đồ nguyên lý

Hình 2.1: Sơ đồ nguyên lý robot dò line (sử dụng cuộc thi đua xe)

Ví dụ: Kết thúc phương án của thiết kế xe chở hàng AGV là sơ đồ nguyên lý

Hình 2.2: Sơ đồ nguyên lý xe chở hàng AGV

Ví dụ Kết thúc phương án của thiết kế robot chùi sàn là sơ đồ nguyên lý

2.4 Xây dựng kế hoạch thiết kế

Dựa trên phương án triển khai, biểu đồ Gantt được xây dựng cho quá trình thiết

kế Trong quá trình thiết kế sau khi hoàn thiện có thể đối chiếu so sánh biểu đồ cho quá trình thiết kế thực tế và lý thuyết để so sánh

Trên cơ sở kế hoạch thiết kế thuận lợi cho nhóm hay sinh viên phân chia nhiệm

vụ và công việc thuận lợi giúp người quản lý dự án có thể giám sát quá trình thiết kế

và hoàn thiện sản phẩm cuối cùng

Bảng 2.1: Biểu đồ Gantt cho quá trình thiết kế

Công việc

Phần Chung 1 Tồng quan

3 Đưa ra lưu đồ giải thuật

4 Viết chương trình điều khiển

5 Mô phỏng và thử nghiệm thuật toán

6 Làm báo cáo

Phần Toán

1 Chọn cảm biến

2 Mô hình hóa hệ thống và cảm biến

3 Thiết kế và chọn bộ điều khiển

4 Chỉnh sửa file Word + Powerpoint

5 Kiểm tra tiến độ công việc

6 Tổng hợp báo cáo

2.5 Thiết kế

Phần thiết kế bao gồm: Thiết kế cơ khí (mechanical design); Thiết kế điện (electrical design); Thiết kế bộ điều khiển (control design); Thiết kế mạch điều khiển

và Chương trình điều khiển (embed hardware/software co-design) Kết quả của thiết

kế là một mẫu ảo (virtual prototype) Mẫu ảo thiết kế được hiệu chỉnh dựa trên kết quả

mô phỏng trước khi xuất bản vẽ kỹ thuật cho sản xuất mẫu thật (physical prototype)

- Thiết kế phần cơ (Mechanical Systems)

 Thiết kế nguyên lý, chi tiết, kết cấu, …

 Tính toán công suất và xác định các thông số của động cơ (tốc độ, hộp giảm tốc, …)

 Thiết lập bản vẽ cơ khí theo đúng TCVN

- Thiết kế phần điện (Electrical Systems)

 Lựa chọn động cơ điện: step, DC, DC servo, …

 Thiết kế driver cho động cơ

 Thiết kế cảm biến, mạch cảm biến

 Thiết lập bản vẽ điện theo đúng TCVN

- Thiết kế phần máy tính (Computer Systems)

 Xác định yêu cầu (input, output, …) và lựa chọn bộ vi điều khiển phù hợp

 Xây dựng sơ đồ khối hệ thống điều khiển

 Coding cho hệ thống (với luật điều khiển từ nhóm Computer Systems)

 Thiết lập bản vẽ mạch điều khiển theo đúng TCVN

- Thiết kế phần công nghệ thông tin (Information Systems)

 Mô hình hóa: cảm biến, mạch động lực, mobile robot, hệ thống

 Thiết kế bộ điều khiển bám line

 Mô phỏng để xác định các thông số thích hợp cho bộ điều khiển bám line

 Xuất kết quả mô phỏng cho báo cáo

2.6 Thực nghiệm và hiệu chỉnh

Dựa trên mẫu ảo thiết kế, mẫu thật được chế tạo để thực nghiệm và hiệu chỉnh thiết

kế

- Xác định yêu cầu mô phỏng và thực nghiệm

- Từ yêu cầu trên, xác định các thông số cụ thể cần đo để đánh giá

- Đề xuất phương án mô phỏng/thực nghiệm

- Số liệu thực nghiệm

- Đánh giá số liệu thực nghiệm

- Đề xuất hiệu chỉnh thiết kế nếu có

Hình 2.3: Mẫu ảo thiết kế bằng phần mềm

2.7 Xây dựng hồ sơ thiết kế

Thiết kế sau khi được kiểm tra hoàn thiện trên sản phẩm mẫu sẽ được xuất hồ sơ thiết kế Hồ sơ thiết kế bao gồm:

* Thuyết minh quá trình thiết kế gồm các nội dung sau:

1 Tổng quan về vấn đề được giao

2 Đề xuất phương án khả thi và chọn phương án triển khai

3 Xây dựng biểu đồ Gantt cho dự án

4 Thiết kế kết cấu cơ khí (2D &3D) cho hệ thống (Mechanical Systems)

5 Mô hình hóa, thiết kế bộ điều khiển và mô phỏng (Information Systems)

6 Thiết kế mạch driver cho động cơ và mạch liên quan (Electrical Systems)

7 Thiết kế vi điều khiển, lưu đồ giải thuật và chương trình điều khiển (Computer Systems)

8 Thực nghiệm và kết luận

* Tập bản vẽ

1 Bản vẽ sơ đồ nguyên lý

2.Bản vẽ các chi tiết cơ khí

CHƯƠNG 3 : ỨNG DỤNG VÀO VÍ DỤ THIẾT KẾ ROBOT DÒ LINE

Thiết kế, chế tạo và điều khiển robot dò line (line-following robot) thực hiện

nhiệm vụ đua xe theo sa bàn (Hình 3.1) cho trước và có các đặt tính sau:

Hình 3.1: Sa bàn di chuyển robot dò line

Màu sắc đường line: đen

3.2.1 Tình hình nghiên cứu trong nước và quốc tế về thiết kế robot dò line

Nghiên cứu trong nước về robot dò line: “Nghiên cứu thiết kế bộ điều khiển bám line cho AGV qua giao lộ sử dụng CMU camera” [4] đề tài thiết kế động học và đưa ra bộ điều khiển cho robot dò line AGV

Hình 3.2: Sơ đồ động học tính toán sai số cho robot dò line AGV [4]

Nghiên cứu trình bày sơ đồ tính toán sai số cho AGV được thiết lập, từ đó xây dựng bộ điều khiển bền vững cho bài toán bám đường

Nghiên cứu của H Su et al., An Intelligent Line-Following Robot Project for

Introductory Robot Courses [16] Nghiên cứu tập trung và thiết kế mạch điều khiển và

sử dụng PIC 30F6011, mạch cầu H , giao tiếp RS 232 để kết nối với máy tính Sử dụng ngôn ngữ C để lập trình

Hình 3.3 : Thành phần của robot dò line và cấu trúc bộ điều khiển

Nghiên cứu về “Line Detection and Lane Following for an Autonomous Mobile Robot”, MS Thesis, Virginia Polytechnic Institute and State University, 2005 Nghiên cứu tập trung thiết kế robot dò line theo cuộc thi IGVC (Intelligent Ground Vehicle Competion) đòi hỏi robot có khả năng thông minh đi theo những đường line bị chặn bởi các khối theo các màu sắc, các chướng ngại vật và bề mặt không phẳng của các line Việc điều khiển robot Jonhny-5 hoàn thành nhiệm vụ thông qua phần mềm điều khiển, và sử dụng single digital camera Các giải thuật về sử lý ảnh cũng được đưa ra

để điều khiển một cách chính xác robot

Hình 3.4 Robot Jonhny 5

Hình 3.5 : Mạch điều khiển Robot Jonhny 5

- Việc thiết kế các robot dò line trong nước và thế giới chỉ tập trung vào từng nghiên cứu cụ thể về điều khiển hay động lực học cho robot dò line

- Chưa có thiết kế robot dò line nào theo quy trình thiết kế hệ thống cơ điện tử

do National Instruments and SolidWorks [2] đưa ra bởi vì phần thiết kế kết cấu cơ khí hay (Actuator) cho các robot hết sức quan trọng phải tiến hành đồng thời thử nghiệm

và tích hợp với điều khiển

- Các thiết kế sau khi hoàn thành rất khó để đánh giá tác động của các cơ cấu chấp hành của robot dò line đến bộ điều khiển, mà thông thường sử dụng các thuật toán điều khiển để tối ưu hoạt động của robot

3.2.2 Về cơ khí

Có nhiều thiết kế về cơ khí cho robot dò line được sử dụng trong các cuộc thi dưới đây là bảng mô hình các robot dò line được sử dụng

Chariot Silvestre Đặc tính:

- Phần cứng A-Star 32u4 Mini LV LPC2148 ARM7

Bảng 3.1: Các mô hình xe đua dò line ngoài nước

(MCU ATmega32u4)

- Cấu trúc điều khiển Điều khiển tập trung Điều khiển tập trung

Thông tin thêm Đạt thành tích về nhì

cuộc thi LVBots April

- Sơ đồ nguyên lý 2 bánh sau chủ động

2 bánh tự lựa cầu

2 bánh sau chủ động

Điện:

- Cảm biến nhận biết line Hồng ngoại

- Cấu trúc điều khiển Điều khiển tập trung Điều khiển tập trung

challenge Lódz 2015

Vô địch 2014 Japan Robotrace contest

Vận tốc qua khúc cua cao

Xe có khả năng nhớ đường, tốc độ xe cao Vận tốc qua khúc cua cao

Có nhiều cấu hình khác nhau cho bài toán mobile robot, khi lựa chọn số bánh xe

cần quan tâm đến khả năng cân bằng của robot và sự tiếp xúc của bánh xe với mặt đường

Bảng 3.2: Đánh giá sơ đồ nguyên lý

- Vị trí lắp Sau Trước Sau Trước Trước,

Thay đổi tốc độ hai bánh chủ động

Thay đổi tốc độ hai bánh chủ động

Thay đổi tốc độ hai bánh chủ động

Thay đổi tốc độ các bánh chủ động

Lái hai bánh trước

Đặc điểm

tiếp xúc

mặt đường

2 tiếp xúc đường, 1 tiếp xúc điểm

2 tiếp xúc đường, 1 tiếp xúc điểm

2 tiếp xúc đường, 2 tiếp xúc điểm

4 tiếp xúc đường

4 tiếp xúc đường

4 tiếp xúc đường

3 bánh(dẫn động 2 bánh - Tiếp xúc mặt đường tốt - Khi ôm cua, xe mang tải

sau) (do 3 điểm tạo mặt phẳng) dễ bị lật

-Trọng lượng phân bố không tốt(trên hình tam giác)

-Trọng lượng phân bố không tốt(trên hình tam giác)

4 bánh ( dẫn động 2 bánh

sau, 2 bánh trước tự lựa)

- Khi rẽ hướng mang theo tải khó lật hơn do có hai điểm tựa ở bánh

- Xe cân bằng tốt hơn do trọng lượng phân phối trên một tứ giác

- Tiếp với mặt đường không tốt ( đường đua không bằng phẳng)

- Khó cua hơn dẫn động bằng hai bánh trước

- Bám đường không tốt

4 bánh (dẫn động 2 bánh

trước,2 bánh sau tự lựa)

- 2 bánh trước dẫn hướng kéo tải nên xe khó lật

- Xe cân bằng tốt hơn do trọng lượng phân phối trên một tứ giác

- Bánh tự lựa phía sau ma sát nhỏ khiến xe có thể bị xoay khi cua ở tốc độ cao

- Bám đường không tốt

4 bánh ( 4 bánh chủ động) - Tải chia ra cho các động

cơ nên giảm tải cho động

Bánh xe chủ động phải đáp ứng được yêu cầu: nhẹ, bền, khả năng bám đường tốt,

có sẵn trên thị trường Vì vậy, bánh chủ động được chọn là các loại bánh cho xe đua

mô hình chuyên dụng, vỏ bằng cao su và khung bằng nhựa

Hình 3.7: Một số bánh xe chủ động

b) Bánh xe bị động

Bánh xe bị động phải đáp ứng yêu cầu chuyển hướng linh hoạt, kích thước nhỏ gọn, khối lượng nhẹ và có sẵn trên thị trường Có 03 loại bánh dẫn hướng thường dùng: bi cầu (hay còn gọi là bánh mắt trâu), bánh OMNI, bánh caster So sánh về kích thước vật lý thì bi cầu có kích thước nhỏ hơn đồng thời không làm thay đổi tính chất động học của robot khi robot chuyển hướng gấp Do đó việc chọn bi cầu làm bánh tự lựa là hợp lý

Hình 3.8: Một số bánh xe bị động

3.2.3 Về cấu trúc điều khiển

Mạch điện xe dò line gồm các thành phần cơ bản chính bao gồm mạch cảm biến, mạch điều khiển và mạch lái động cơ Có hai cấu trúc điều khiển chính dùng kết nối các phần trên lại với nhau là:

- Điều khiển tập trung (Hình 3.9 a)

b) Tập trung Hình 3.9 : Cấu trúc hệ điều khiển robot dò line

Trong điều khiển tập trung ( Hình 3.9a) một MCU duy nhất đồng thời: nhận và

xử lý tín hiệu từ cảm biến; nhận và xử lý tín hiệu từ hai encoder; thực hiện chương trình chính, tính giá trị điều khiển và truyền cho hai động cơ Đây là cấu trúc được sử dụng khá nhiều trong các xe đua dò line thực tế như xe CartisX04, Pika

Trong điều khiển phân cấp một MCU được sử dụng như một master dùng tính toán cho chương trình điều khiển chính Các slave còn lại sử dụng các MCU khác, thực hiện các tác vụ riêng biệt như: thu và xử lí tín hiệu từ cảm biến, tính toán vị trí tương đối của xe so với line và truyền về cho master; thu nhận tín hiệu từ encorder, tính toán luật điều khiển cho động cơ, đảm bảo cho động cơ hoạt động theo đúng yêu