Đồ án xe tự hành AGV

Cho tới năm 1961, Mobile Robot điện tử đầu tiên trên thế giới ra đời, được đặt tên là Unimate.Trong các loại Mobile Robot áp dụng trong lĩnh vực công nghiệp, thì Robot tự hành trên mặt đ

TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHIỆP HÀ NỘI

KHOA CƠ KHÍ

- -BÁO CÁO ĐỒ ÁN MÔN CƠ ĐIỆN TỬ NGHIÊN CỨU, THIẾT KẾ MOBILE ROBOT DẠNG BỐN BÁNH VẬN

CHUYỂN PHÔI TRONG NHÀ MÁY

Giáo viên hướng dẫn: TS.Nguyễn Văn Trường

Tên thành viên nhóm:

Trần Văn Linh 2017600551

Lê Minh Hùng 2017600190Nguyễn Văn Hiệu 2017601118

Hà Nội 2020

NHẬN XÉT CỦA GIÁO VIÊN HƯỚNG DẪN

NHẬN XÉT CỦA GIÁO VIÊN PHẢN BIỆN

MỤC LỤC

21 Vận tốc góc của bánh Rad/s

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ MOBILE ROBOT

1 LỊCH SỬ NGHIÊN CỨU

2 Lịch sử phát triển của xe AGV

Robot được ra đời từ thế kỷ 3 trước công nguyên do Chu Mục Vương (Trung Quốc) và một người nữa là Yan Shi đã phác thảo ra các ý tưởng về máy tự động và cơ khí đầu tiên Đến năm 1927, robot điện tử lần đầu tiên xuất hiện trên phim ảnh Năm

1948, các nguyên lý nền tảng về robot và tự động hóa ra đời, tạo tiền đề cho robot học sau này

Cho tới năm 1961, Mobile Robot điện tử đầu tiên trên thế giới ra đời, được đặt tên là Unimate.Trong các loại Mobile Robot áp dụng trong lĩnh vực công nghiệp, thì Robot tự hành trên mặt đất AGV( Autonomous Guided Vehicles) đang được cả thế giớiquan tâm đến

Hệ thống xe tự hành (AGV) đã tồn tại từ năm 1953 bởi Barrett Electronics Of Northbrook, bang Illinois – USA, nay là Savant Automation of Walker, bang Michigan– USA Một nhà phát minh đã sáng chế ra một phương pháp tự động hoá con người trên chiếc xe tải kéo mà đã được sử dụng trong các nhà máy trong nhiều năm nhờ vào giấc mơ của mình

Robot tự hành AGV được chế tạo để vận chuyển các phôi gia công vào những năm 70, vấn đề định hướng của xe tự hành là một trong những vấn đề quan trọng Ban đầu AGV chỉ là một chiếc xe kéo nhỏ chạy theo một đường dẫn Công nghệ những năm 70 đã điều khiển các hệ thống để nâng cao khả năng và tính linh hoạt của xe AGV, xe không chỉ được dùng để kéo, đẩy hàng trong kho, mà còn có chức năng trunggian , kết nối trong quá trình sản xuất, lắp ráp, phân loại hàng hóa

Trải qua nhiều năm, khi công nghệ phát triển mạnh hơn, trong quá trình tự hành, AGV 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 giữ lại hoặc chuyển đến một vị trí khác

3 Phân loại xe AGV

Xe AGV được sử dụng với mục đích chung là để chuyển hàng trong các nhà máy, các kho chứa sản phẩm

Hình 1 1: Sơ đồ vận hành xe AGV trong nhà máy

Ngày nay, xe AGV đã có rất nhiều các dòng sản phẩm khác nhau ở trên thị trường Các sản phẩm AGV này bao gồm:

Xe kéo xuất hiện đầu tiên trong các dòng xe AGV và bây giờ vẫn còn rất thịnh hành trên thị trường Loại này có thể kéo được nhiều toa hàng khác nhau và trở được

Hình 1 2: Xe AGV kéo hàng

Xe chở được trang bị các tâng khay chứa có thể nâng, hạ chuyênr động bằng băng tải, đai hoặc xích

Ưu điểm của xe chở:

Hình 1 3: Xe AGV chở hàng

 Xe đẩy ( Cart Vehicle)

Xe đẩy được cho là có tính linh hoạt và rẻ tiền Chúng được sử dụng để chuyên chở vật liệu và các hệ thống lắp ráp.

Có khả năng nâng các tải trọng trên sàn hoặc trên các bục cao hay khối hàng đặttrên giá

Có thể di chuyển đến vị trí bất kì trong không gian làm việc Đây là loại xe AGV có tính linh hoạt cao được định vị 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 trog quá trình di chuyển, hệ thống định vị cục bộ (Local navigationLocation) để xác định tọa đọ tức thời, việc thiết kế loại xe này đòi hỏi công nghệ cao

và phức tạp hơn các xe AGV khác

• Loại chạy theo đường dẫn ( fixed path navigation)

Xe AGV loại này được thiết kế chạy theo đường dẫn định sẵn bao gồm các loại đường như sau:

Đường dẫn từ: là loại đường dẫn có cấu tạo là dây từ chôn ngầm dưới nền sàn Khi di chuyển, nhờ các cảm biến cảm ứng từ mà xe có thể di chuyển theo đường dẫn

Hình 1 4: Xe AGV nâng hàng

Loại đường dẫn này không nằm trên mặt sàn nên có mỹ quan tốt, không ảnh hưởng đến công việc vận hành khác Tuy nhiên khi sử dụng phải tiêu tốn năng lượng cho việctạo từ tính trong dây, đồng thời đường dẫn là cố định không thay đổi được.

Đường ray dẫn: xe AGV được chạy trên các ray đặt sẵn trên mặt sàn.loại này chỉ sử dụng với những hệ thống chuyên dụng Nó cho phép thiết kế đơn giản hơn và cóthể di chuyển với tốc độ cao nhưng không linh hoạt

Đường băng kẻ trên sàn: xe AGV di chuyển theo các đường băng kẻ sẵn trên sàn nhờ 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 vẽ lại các vạch kẻ đường Tuy nhiên trong quá trình sử dụng, các vạch dẫn có thể bị bẩn hay hư hại gây khó khăn trong quá trình điều khiển xe hoạt động

4 MỤC TIÊU CỦA ĐỀ TÀI

Mục tiêu của đề tài chính là nghiên cứu và chế tạo Mobile Robot 4 bánh làm việc trong một không gian rộng ( nhà máy, nhà kho, ) với nhiệm vụ của Robot là vận chuyển hàng giữa các vị trí khác nhau trong không gian đó

Giới hạn của đề tài: khi nhóm đồ án nhận đề tài về thiết kế và chế tạo một Mobile Robot tự động 4 bánh, nhóm đã quyết định thiết kế và chế tạo một xe nâng hàng AGV với mục đích dùng để vận chuyển hàng trong một kho chứa của một công ty

5 PHƯƠNG PHÁP THỰC HIỆN ĐỀ TÀI

Phương pháp quan sát thực tế: nhóm chúng em đã có thời gian tiếp cận với quy trình sản xuất trong công ty HOYA nằm trong khu công nghiệp Bắc Thăng Long từ đó tìm ra được những công đoạn trong quá trình sản xuất cần cải tiến về máy móc nhằm nâng cao năng suất lao động

Phương pháp nghiên cứu lý thuyết: Trong thời gian nghiên cứu, nhóm đồ án đã tìm hiểu qua các sách tài liệu, các đồ án sinh viên khóa trước, các trang web, … liên quan đến đề tài Mobile Bobot 4 bánh

Từ quá trình bên trên, nhóm đồ án đã quyết định tiến hành xây dựng một robot

tự động 4 bánh để nâng hàng Giúp quá trình vận chuyển hàng trong công ty được năng suất hơn

Để đạt được việc chế tạo ra một con robot tự động 4 bánh, thì những vấn đề saucần được tìm hiểu và nghiên cứu:

Bài toán dò đường sử dụng cảm biến dò line qua bộ điều khiển PID

Tính toán bài toán động học xác định mối liên hệ giữa các chuyển động và tìm quy luật thay đổi vị trí, quy luật chuyển hướng của AGV

Tính toán bài toán động lực học tìm hiểu nguyên nhân gây chuyển động và sự liên kết giữa các robot

Bài toán điều khiển động cơ planet và điều khiển tốc độ bằng xung PWM.Tính toán bộ truyền đai xích

Sau khi đã tìm hiểu và nghiên cứu, việc tiến hành làm ra sản phẩm cũng rất quan trọng Khi sản phẩm được hoàn thành thì sản phẩm phải đạt được những tiêu chí sau:

CHƯƠNG 2: MÔ HÌNH ĐỘNG HỌC, ĐỘNG LỰC HỌC MOBILE ROBOT 4 BÁNH

2.1 TÍNH TOÁN ĐỘNG HỌC

Hình 2 1: Hệ tọa độ của Robot

Hệ tọa độ tuyệt đối ( hệ tọa độ gốc) là hệ tọa độ cố định được đặt trong môi trường và được biểu diễn bằng (X,Y)

Hệ tọa độ tương đối ( hệ tạo độ robot) là hệ tọa độ gắn liền với robot và được biểu thị bằng (Xr,Yr)

Gốc của hệ tọa độ robot là P

Vị trí robot so với hệ tọa độ robot được xác định bằng ma trận vị trí

Để chuyển đổi vị trí của robot từ hệ tạo độ tương đối (PxrYr) sang hệ tọa độ tuyệt đối (OXY) ta sử dụng ma trận chuyển đổi R được xác định như sau:

( ) RR

(2-2)Trong đó R(θ) là ma trận quay của robot quanh trục thẳng đứng

20

2

p r p

x R y R

r p

R

p

L r

R R x

q y

L L

ϕϕθ

L=0.3 : là khoảng cách giữa 2 bánh xe

: là vận tốc của bánh phải, trái của robot

=0: là góc quay của bánh xeThay vào ta được:

Ma trận còn được thể hiện theo vận tốc dài v và vận tốc ω theo công thức sau:

2.2.TÍNH TOÁN ĐỘNG LỰC HỌC

Phương pháp tiếp cận động năng Lagrange là một phương pháp phổ biến để xâydựng phương trình chuyển động cho các động cơ Phương pháp được phát minh bởi Lagrange

Phương trình Lagrange được viết dưới dạng như sau:

: là ngoại lực

Cấu trúc chuyển động của hệ gồm 2 bánh sau dẫn động và 2 bánh omni phía trước dẫn hướng Vì vậy mọi chuyển động của robot phụ thuộc vào việc điều khiển vận tốc 2 bánh sau và

Ta có tổng động năng của robot:

Hình 2 2: Mô hình phân tích lực bánh sau của robot [6]

(2-12)Trong đó:

: là động năng tịnh tiến của thân xe

: là khối lượng thânxe

K = m vω + m vω + Jω ϕ &ω + Jω ϕ &ω

(2-14)Trong đó:

: là động năng của bánh xe: là momen quán tính của từng bánh xe

m/s

Thay vào công thức (2-12),(2-13), (2-14),(2-15) ta được:

1 0.5 0.5 0.5 / 1.8 / 2

Thế năng của robot

Xét robot chạy trên mặt phẳng nên thế năng bằng 0

Ngoại lực của robot

1 4

R: là bán kính bánh xe G: là gia tốc trọng trường K: là hệ số ma sát bánh xe với mặt đường

: là khối lượng thân xe: là khối lượng bánh xe

a R

t

−

=

: là gia tốc góc của bánh xe (rad/)

a: là gia tốc dài (m/)

: là vận tốc tại điểm A,B (m/s)

t: là thời gian di chuyển từ A đến B (s)

Thay số vào ta tính được :

dc

M = kN m

CHƯƠNG 3: THIẾT KẾ HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN

Trong quá trình tìm hiểu và nghiên cứu, nhóm đồ án đã biết được ưu, nhược củanhiều loại thiết bị khác nhau từ đó đã đưa ra được sự lựa chọn các thiết bị phù hợp nhất cho đồ án này Dưới đây là các thiết bị đó:

3.1.BỘ ĐIỀU KHIỂN TRUNG TÂM ARDUINO MEGA 2560

Arduino mega 2560 là sản phẩm tiêu biểu cho dòng mạch mega, là dòng mạch

có nhiều cải tiến hơn so với Arduino Uno Đặc biệt bộ nhớ Flash của Mega được tăng lên một cách đáng kể, gấp 4 lần so với những phiên bản cũ của Uno R3 Cùng với việcđược trang bị 3 timer và 6 cổng interput khiến cho bo mạch Mega hoàn toàn có thể giải quyết được nhiều bài toán khó, sử dụng nhiều động cơ và có thể xử lý song song nhiều luồng dữ liệu số cũng như tương tự

21

Các tính năng nổi bật của Arduino Mega 2560:

Arduino Mega 2560 là một vi điều khiển hoạt động dựa trên chip ATmega2560.Bao gồm:

54 chân digital (trong đó có 15 chân có thể được sủ dụng như những chân PWM là từ chân số 2 → 13 và chân 44 45 46)

6 ngắt ngoài: chân 2 (interrupt 0), chân 3 (interrupt 1), chân 18 (interrupt 5), chân 19 (interrupt 4), chân 20 (interrupt 3), and chân 21 (interrupt 2)

16 chân vào analog (từ A0 đến A15)

4 cổng Serial giao tiếp với phần cứng:

Bảng 3.2 Các cổng Serial của Arduino Mega 2560

1 thạch anh với tần số dao động 16 MHz

Một số lưu ý khi sử dụng Arduino Mega 2560

Khi bắt đầu sử dụng Arduino Mega 2560, bạn nên chú ý lựa chọn lại board Bằng cách vào Tool → Board → Arduino Mega 2560 Nhằm tránh trước đó bạn đã sử dụng loại Arduino khác cổng vẫn còn nhận là board cũ nên khi build bạn sẽ gặp lỗi

Khi sử dụng chân RX, TX cuả Arduino, các bạn nên nhớ rút dây cắm tại 2 chân này ra rồi hãy bắt đầu upload Sau đó hãy cắm lại bình thường và sử dụng để tránh gặpphải lỗi

Không được phép cắm trực tiếp chân GND vào chân nguồn 5V, có thể dẫn tới hỏng mạch

3.2.MẠCH CẦU H ĐIỀU KHIỂN TỐC ĐỘ ĐỘNG CƠ

Hình 3 2: Mạch cầu H dung IR2184

Tín hiệu vào điều khiển bao gồm: DIR+, DIR-, PWM+, PWM- Điều này giúp người dùng dễ dàng tùy chọn tín hiệu điều khiển tác động mức cao hay mức thấp.

Board gồm 2 led SMD báo nguồn và báo chiều quay động cơ

Board được thiết kế nhỏ gọn

Board mạch 2 lớp, chất lượng cao, phủ màu đỏ ,rất thích hợp cho Robocon

3.3.MODULE LM 2596

Là module giảm áp có khả năng điều chỉnh được dòng ra đến 3A LM2596 là

IC nguồn tích hợp đầy đủ bên trong Tức là khi cấp nguồn 9v vào module, sau khi giảm áp ta có thể lấp được nguồn 3A < 9v như 5V hay 3.3V

Thông số kỹ thuật:

Module nguồn không sử dụng cách ly

Nguồn đầu vào từ 4V - 35V

Nguồn đầu ra: 1V - 30V

Dòng ra Max: 3A

Kích thước mạch: 53mm x 26m

Hình 3 3: Module LM2596

3.4.BỘ NGUỒN

Với đề tài này, nhóm đồ án sử dụng 2 ác quy 12V nối tiếp với nhau tạo thành bộnguồn 24V để cấp nguồn cho động cơ trong quá trình hoạt động

Hình 3 4: Ác quy 12V

Thông số kỹ thuật:

Điện thế ra: 12V

Dung lượng: 1.2Ah

Sạc vào: 0.1A – 1.2A – 12V

Kích thước: 9.5 x 4 x 5 Cm

Trọng lượng: 568 gam

Để arduino hoạt động ổn định thì cần bộ nguồn riêng phù hợp với arduino Nên nhóm đồ án quyết định sử dụng pin Lipo

Hình 3 5: Pin Lipo

3.5.HỆ THỐNG DÒ ĐƯỜNG

Module dò line được dùng nhiều trong các cuộc thi robot như robocon, đua xe

dò line, robo sumo Sử dụng cho robot tự động hoặc bán tự động Ngay cả trong công nghiệp cũng dùng tính năng dò line cho các robot tự hành

Hình 3 6: Cảm biến dò line 8 LED

Bộ sản phẩm dò line gồm có :

bảo cho các bạn dò line trắng cực tốt

Hình 3 7: Module dò line

Lưu ý: khi sử dụng module cần setup khoảng cách từ mặt quang trở đến mặt sàn là 5mm-10mm để tối ưu độ chính xác của quang trở

đổi nhanh giúp người dùng dễ dàng đọc và xử lí tín hiệu Trên module có 8 led hiển thị kết quả chuyển đổi adc tương ứng với 8 kênh và nút nhấn điều chỉnh độnhạy của cảm biến

Hình 3 8: Module đọc ADC

Hướng dẫn sử dụng:

• Cấp nguồn vào thì thấy 8 led đơn chớp 4 lần (dấu hiệu bo tốt)

• Sau khi gắn vào robot thì tiến hành canh chỉnh lấy thông số trên sân như sau:Đưa phần bo quang trở tới vùng sáng nhất trên sân thường là mầu

đỏ hoặc xanh lá (không phải các vạch trắng) vùng nền trên sân

b Nhấn nút mode thì thấy 8 led đơn chạy từ ngoài vào trong

c Bạn có thể nhấn nút 0 cho tới nút 6 , các nút này cho ta các độ nhạy

khác nhau, nút 0 là nhạy nhất và nút 6 là ít nhạy nhất

d Sau khi nhân nút xong thì đưa vào vạch trắng trên sân để quan sát, nếu

chưa tốt thì đưa ra nền sân (không phải vạch trắng) để chụp lại nút

khác, rồi lại thử đưa vào vạch trắng để xem kết quả có ok không, nếu

ok rồi thì nhấn nút mode để thoát khỏi chương trình setup và lưu kết

quả lại vào eeprom thì thấy 8 led đơn sẽ chạy từ trong ra ngoài

Ngoài ra nếu các chế độ trên vẫn còn nhạy các bạn có thể tổ hợp nút mode + nút

0 hoặc nút mode + nút 1 để vào chế độ setup thì độ nhạy của modul được giảm bớt đi, sau đó các bước thao tác cũng như trên, dấu hiệu phân biệt giữa 3 chế độ là :

• mode + nút 0 khi nhấn tổ hợp thì có led 0 sáng

• mode + nút 1 khi nhấn tổ hợp thì có led 1 sáng

Các chân tín hiệu từ 0 -> 7 trên module chuyển đổi tương ứng với các kênh từ

0 -> 7 trên module dò line Khi các kênh không phát hiện line trắng chân tương ứng sẽ

ở mức 1 (5V) Ngược lại khi bất kỳ kênh nào phát hiện line trắng thì chân tương ứng với kênh đó sẽ kéo xuống mức 0 (0V)

CHƯƠNG 4: ĐỀ XUẤT MÔ HÌNH XE AGV

PHƯƠNG PHÁP GIA CÔNG

Cắt lazer, khoan, taro

khoan, taro

4.2 CỤM NÂNG

- Yêu cầu module phải nâng, hạ được một khối lượng hàng hóa nhất định, tối đa là 50 kg

- Đảm bảo được sự vững chắc để hàng hóa an toàn trong quá trình vận chuyển

- Khả năng nâng hạ trơn chu để thuận tiện cho điều khiển lấy hàng

- Phù hợp với kích thước của khung xe

Nhóm đề xuất mô hình cụm module nâng hàng như sau:

1 Mặt

tấm

Cắt lazer,khoan

bạc

trượt

ThépCT3tấm

Cắt lazer, dấp,uốn, hàn,khoan taro

Cắt lazer, dấp,uốn, hàn,khoan taro

Cắt lazer, dấp,uốn, hàn,khoan taro

4.3 KHUNG VÀ VỎ MÔ HÌNH AGV

- Khung xe yêu cầu phải có khả năng chịu tải trọng cao, dễ dàng lắp ráp với các module bánh, cảm biến, module mạch, hệ thống nút điều khiển của xe

- Kích thước phù hợp với chức năng và không gian làm việc

- Đảm bảo được sự an toàn của hàng hóa trong quá trình di chuyển

- Có được sự bền chắc và có tính thẩm mỹ

Nhóm để xuất mô hình vỏ AGV như sau:

Hình 4 3:Khung và mô hình AGV

tấm CT3

Cắt lazer, gấp, khoan, taro

nắp

Thép tấm CT3

Cắt lazer, uốn, sơn tĩnh điện

3 Vỏ

mặt

trước

Thép tầm CT3

Cắt lazer, sơn tĩnh điện

mặt

sau

Thép CT3

Cắt lazer, sơn tĩnh điện

mặt

bên

Thép CT3 Cắt lazer, sơn tĩnh

điện