Đồ án hệ thống có điện tử: Robot tự hành (bao gồm code + thuyết minh + bản vẽ chi tiết)

Đề tài robot tự hành tải hàng được thiết kế phục vụ nhu cầu vận chuyển hàng hóa của con người.Robot bao gồm 2 chế độ: indoor và outdoor. outdoor vận chuyển ngoài trời sẽ sử dụng GPS để định vị được vị trí kho hàng cũng như vị trí đặt sản phẩm. Indoor sử dụng HCM5883l để xác định phương hướng cũng như quảng đường đặt trước của robot.Tài liệu bao gồm thuyết minh+bản vẽ robot+ code Arduino Zalo: 0705577771

ĐỒ ÁN: HỆ THỐNG CƠ ĐIỆN TỬ

GVHD: TS Đỗ Thế Cần SVTH : Nguyễn Đăng Quang Nguyễn Công Cường Lớp : 17CĐT2

Nhóm : 17.04A

LỜI MỞ ĐẦU 3

CHƯƠNG I: TỔNG QUAN VỀ ROBOT TỰ HÀNH TẢI HÀNG 5

1.1 Tổng quan về Robot 5

1.1.1 Giới thiệu về robot sự hình thành và phát triển 5

1.1.2 Phân loại và ứng dụng của robot 7

1.2 Giới thiệu về robot tự hành tránh vật cản 9

1.2.1 Giới thiệu về robot tự hành tránh vật cản 9

1.2.2 Tổng quan robot tự hành tránh vật cản 9

CHƯƠNG 2: THIẾT KẾ CƠ KHÍ 18

2.1 Sơ lược về phần mềm thiết kế 18

2.2 Hệ thống robot tự hành 21

2.2.1 Mô hình hóa hệ thống Sơ đồ khối hệ thống 21

2.2.2 Thiết bị cơ khí 22

CHƯƠNG 3: THIẾT KẾ HỆ THỐNG ĐIỆN TỬ 24

3.1 Thiết bị điện tử 24

3.1.2 Module wifi ESP8266 nodeMCU 26

3.1.3 Module Bluetooth 29

3.1.4 La bàn số HMC5883L 30

3.1.5 Khối nhận tín hiệu GPS 32

3.1.7 Động cơ DC Servo JGY371 36

3.2 Sơ đồ nguyên lý toàn mạch 38

CHƯƠNG 4: LẬP TRÌNH ĐIỀU KHIỂN 39

4.1 Giới thiệu phần mềm lập trình 39

4.1.1 Ngôn ngữ lập trình cho arduino 39

4.1.2 Công cụ tạo ứng dụng trên Smartphone 39

4.2 Lập trình trên app INVENTOR 41

4.3 Nguyên lý điều khiển 44

4.4 Lưu đồ thuật toán 44

4.4.1 Lưu đồ thuật toán điều khiển robot bằng GPS(outdoor) 44

4.4.2 Lưu đồ thuật toán điều khiển robot bằng HMC5883L(indoor) 48

CHƯƠNG 5: TỔNG KẾT 50

5.1 Kết quả đạt được 50

5.2 Hạn chế 51

5.3 Hướng phát triển 51

TÀI LIỆU THAM KHẢO 53

PHỤ LỤC 54

LỜI MỞ ĐẦU

Ngày nay cùng với sự phát triển nhanh chóng của Công nghệ thông tin và việc ứng dụng nó vào thực tế của các ngành nghề và đời sống đem lại những lợi ích vô cùng to lớn.Với mong muốn tìm tòi , sáng tạo và mang công nghệ đến gần với cuộc sống, nhóm chúng em dưới sự hướng dẫn tận tình của thầy Đỗ Thế Cần xin được giới thiệu tới các thầy, cô giáo và các bạn sinh viên sản phẩm Robot tự hành tải hàng.

Có thể nói , điều khiển tự động ngày càng trở nên một phần không thể thiếu trong cuộc sống của con người.Chính vì lí do này mà nhóm chúng em đang cố gắng sáng tạo ra một sản phẩm Robot có tính ứng dụng cao và có khả năng làm việc thay con người.Với sản phẩm Robot dò đường tích hợp thêm chức năng cảnh báo khí gây cháy có thể ứng dụng trong nhà kho của các công

ty, xí nghiệp, phần nào đó thay thế con người trong một số công việc Bên cạnh

đó, sản phẩm Robot này còn ứng dụng thêm công nghệ IoT, giúp con người có thể điều khiển Robot thông qua hành động của mình

Mặc dù nhóm chúng em đã cố gắng hết sức mình, nhưng do thời gian có hạn và lượng kiến thức eo hẹp nên không tránh khỏi những thiếu sót.Do vậy, chúng em rất mong nhận được sự góp ý quý báu của thầy cô và các bạn để nhóm có thể hoàn thiện bài tốt hơn nữa

Cuối cùng, em xin thay mặt nhóm gửi lời cảm ơn sâu sắc đến thầy hướng dẫn Đỗ Thế Cần đã tận tình giúp đỡ và chỉ bảo để chúng em hoàn thành bài nghiên cứu này tốt nhất!

SVTH Nguyễn Đăng Quang Nguyễn Công Cường GVHD

TS Đỗ Thế Cần

MỞ ĐẦU

Thế kỷ 20 sự phát triển vượt bậc của cả nhân loại về khoa học, kỹ thuật lẫnkinh tế Ngày nay robot không còn là cái gì đó xa lạ với những cái tên như Asimo,Titan…Chúng là sự kết tinh thành tựu to lớn về khoa học kỹ thuật của nhân loại.robot được ứng dụng rộng rãi trong các ngành công nghiệp, y tế, nghiên cứu khoahọc, giải trí Trong các loại robot, chúng ta không thể không nhắc tới robot di độngvới những đặc thù riêng mà các loại robot khác không có Các tay máy cố định chỉhoạt động trong một không gian bị giới hạn trong phạm vi của nó Ngược lại robot

di động có thể tự do di chuyển, do đó tạo nên không gian hoạt động rất lớn và chođến nay nó đã khẳng định vai trò quan trọng không thể thiếu trong nhiều lĩnh vựcdân sự và quân sự, thu hút được nhiều sự đầu tư nghiên cứu Do đó chúng em đãchọn đề tài: “Thiết kế và chế tạo robot tự hành tải hàng ”

Nhiệm vụ của đồ án

- Tính toán thiết kế robot di động

- Tính toán thiết kế hệ thống tải hàng

- Thiết kế mạch điều khiển

- Thiết kế app điều khiển robot

Nội dung nghiên cứu của đề tại có ý nghĩa cao gắn liền thực tiễn Hệ thống là

mô hình thu nhỏ của robot di động trong kho

Tiềm năng ứng dụng của xe tự hành là lớn, có thể kể đến robot vận hành vậtliệu, hàng hóa trong các tòa nhà, nhà máy, cửa hàng, sân bay hay thư viện…Nghiên cứu tài liệu, các thiết bị và sản phẩm liên quan đến đề tài:

- Nghiên cứu cơ sở lý thuyết của thiết kế robot di động.

- Trên cơ sở lý thuyết và các tính toán, thiết kế và chế tạo mô hình

CHƯƠNG I: TỔNG QUAN VỀ ROBOT TỰ HÀNH TẢI HÀNG

hệ thống cơ khí-điện tử

Từ ngữ "robot" thường được hiểu với hai nghĩa: robot cơ khí và phần mềm

tự hoạt động Do sự đa dạng mức độ tự động của hệ thống cơ-điện tử mà ranh giớiphân chia robot với phần còn lại không được rõ ràng, thể hiện ở quan niệm về địnhnghĩa robot Về lĩnh vực Robot, Mỹ và Nhật Bản là những nước đi đầu thế giới vềlĩnh vực này

Hầu hết các robot đều sử dụng động cơ điện, chủ yếu là động cơ DC chổithay hoặc không chổi than được dùng trong các robot di động hoặc động cơ ACdùng trong các robot cong nghiệp và các máy CNC Chúng thích hợp trong các hệthống nhẹ tải, và dạng chuyển động chủ yếu là chuyển động quay

1.1.1.2 Tình hình phát triển

Robot tổng hợp trong nó có cả khoa học và công nghệ Để thiết kế và chế tạođược robot, ta cần có các tri thức của toán học, cơ học, vật lý, điện tử, lý thuyết

điều khiển, khoa học tính toán và nhiều tri thức khác Để có thể ứng dụng được rôbốt, ta cần biết rõ về đối tượng ứng dụng Robot là sản phẩm tích hợp cả khoa học

và công nghệ với độ phức tạp cao

Robot đã có những tiến bộ đáng kể trong hơn nửa thế kỷ qua Robot đầu tiênđược ứng dụng trong công nghiệp vào những năm 60 để thay thế con người làmcác công việc nặng nhọc, nguy hiểm trong môi trường độc hại Do nhu cầu cần sửdụng ngày càng nhiều trong các quá trình sản xuất phức tạp nên robot cần cónhững khả năng thích ứng linh họat và thông minh hơn Ngày nay, ngoài ứng dụng

sơ khai ban đầu của rô bốt trong chế tạo máy thì các ứng dụng khác như trong y tế,chăm sóc sức khỏe, nông nghiệp, đóng tàu, xây dựng, an ninh quốc phòng và giađình đang có nhu cầu gia tăng đang là động lực cho các robot địa hình và robotdịch vụ phát triển

Hình 1.1 Ứng dụng robot trong công nghiệp

Có thể kể đến một số loại rô bốt được quan tâm nhiều trong thời gian qua là:tay máy robot, robot di động, robot phỏng sinh học và robot cá nhân ( Tay máy

robot bao gồm các loại robot công nghiệp, robot y tế và robot trợ giúp người tàntật Robot di động được nghiên cứu nhiều như xe tự hành trên mặt đất AGV, robot

tự hành dưới nước AUV, robot tự hành trên không UAV và robot vũ trụ Với robotphỏng sinh học, các nghiên cứu thời gian qua tập trung vào 2 loại chính là robot đi

và robot dáng người.Bên cạnh đó, các loại robot phỏng sinh học dưới nước nhưrobot cá, các cấu trúc chuyển động phỏng theo sinh vật biển cũng được nhiềunhóm nghiên cứu phát triển

Hình 1.2 Ứng dụng robot trong nghiên cứu khoa học

1.1.2 Phân loại và ứng dụng của robot

1.1.2.1 Phân loại robot

Thế giới robot hiện nay đã rất phong phú và đa dạng, vì vậy phân loại chúngkhông đơn giản Có rất nhiều quan điểm phân loại khác nhau Mỗi quan điểm phục

vụ một mục đích riêng Tuy nhiên, có thể nêu ra đây 3 cách phân loại cơ bản: theokết cấu, theo điều khiển và theo phạm vi ứng dụng của robot

 Phân loại theo kết cấu

Theo kết cấu (hay theo hình học), người ta phân robot thành các loại: đề các,trụ, cầu, SCARA, kiểu tay người và các dạng khác

 Phân loại theo điều khiển

Có 2 kiểu điều khiển robot: điểu khiển hở và điều khiển kín Điều khiển hở,dùng truyền động bước (động cơ điện hoặc động cơ thủy lực, khí tránhn,… )

mà quãng đường hoặc góc dịch chuyển tỷ lệ với số xung điều khiển Kiểuđiều khiển này đơn giản, nhưng đạt độ chính xác thấp

Điều khiển kín (hay điều khiển servo), sử dụng tín hiệu phản hồi vị trí đểtãng độ chính xác điều khiển Có 2 kiểu điều khiển servo: điều khiển điểm –điểm và điều khiển theo đường (contour)

Với kiểu điều khiển điểm – điểm, phần công tác dịch chuyển từ điểm nàyđến điểm kia theo đường thẳng với tốc độ cao (không làm việc) Nó chỉ làmviệc tại các điểm dừng Kiểu điều khiển này được dùng trên các robot hànđiểm, vận chuyển, tán đinh, bắn đinh,…

Điều khiển contour đảm bảo cho phần công tác dịch chuyển theo quỹ đạobất kỳ, với tốc độ có thể điều khiển được Có thể gặp kiểu điểu khiển nàytrên các robot hàn hồ quang, phun sơn

 Phân loại theo ứng dụng

Cách phân loại này dựa vào ứng dụng của robot Ví dụ, có robot côngnghiệp, robot dùng trong nghiên cứu khoa học, robot dùng trong kỹ thuật vũtrụ, robot dùng trong quân sự,…

1.1.2.2 Ứng dụng của robot

Robot ra đời giúp các dây chuyền sản xuất được tổ chức lại, năng suất và

hiệu quả sản xuất được tăng lên rõ rệt.Trong ngành cơ khí chúng ta thì Robot được

sử dụng nhiều trong công nghệ Đúc , công nghệ hàn cắt kim loại, sơn, phun phủkim loại, tháo lắp vận chuyển phôi lắp ráp sản phẩm Ngay nay thì xuất hiện nhiềudây chuyền sản xuất tự động gồm các máy CNC với Robot công nghiệp, các dâychuyền đó đạt mức độ tự động hóa cao, hoạt động linh hoạt…

1.2 Giới thiệu về robot tự hành tránh vật cản

1.2.1 Giới thiệu về robot tự hành tránh vật cản

Xe tự hành tránh vật cản hay xe di động được định nghĩa là 1 loại xe có khảnăng tự di chuyển, tự vận động (có thể lập trình lại được) dưới sự điều khiển tựđộng để thực hiện thành công công việc được giao.Theo lý thuyết môi trường hoạtđộng của xe tự hành có thể là đất, nước, không khí, không gian vũ trụ hay sự tổhợp giữa chúng Địa hình bề mặt của xe di chuyển trên đó có thể bằng phẳng hoặcthay đổi lồi lõm

Theo bộ phận thực hiện chuyển động ta có thể chia robot tự hành thành 2lớp: chuyển động bằng chân hoặc bằng bánh Trong đề tài này chúng ta sẽ nghiêncứu xe tự hành chuyển động bằng bánh, xe tự hành chuyển động bằng bánh làmviệc tốt trong hầu hết các địa hình do con người tạo ra Điều khiển di chuyển bằngbánh cũng đơn giản hơn nhiều, gần như luôn đảm bảo tính ổn định Lớp chuyểnđộng bằng bánh có thể chia ra làm 3 loại: loại chuyển động bằng bánh xe, loạichuyển động bằng vòng xích và loại hỗn hợp bánh xe vòng xích.Tiềm năng ứngdụng của xe tự hành là lớn, có thể kể đến robot vận hành vật liệu, hàng hóa trongcác tòa nhà, nhà máy, cửa hàng, sân bay hay thư viện… robot xe lăn phục vụ ngườikhuyết tật,…

Mặc dù nhu cầu ứng dụng cao, nhưng những hạn chế chưa giải quyết được

của robot tự hành như chi phí chế tạo cao đã không cho phép chúng được ứng dụngrộng rãi Ngoài ra còn phải kể thêm nhược điểm của robot tự hành là thiếu tính linhhoạt và thích ứng khi làm việc ở những vị trí khác nhau

do tay máy và vị trí gắn chúng.Ngược lại, các Robot tự hành laị có khả năng hoạtđộng một cách linh hoạt trong các môi trường khác nhau

1.2.2.2 Mô hình hóa của robot

Hình 1.3 Mô hình hóa của robot

Vấn đề của robot tự hành tránh vật cản là làm thế nào để robot tự hành tránhvật cản có thể hoạt động, nhận biết môi trường và thực thi các nhiệm vụ đề ra Vấn

đề đầu tiên là di chuyển, Robot tự hành tránh vật cản nên di chuyển như thế nào và

cơ cấu di chuyển nào là sự lựa chọn tốt nhất Điều hướng là vấn đề cơ bản trongnghiên cứu và chế tạo Robot tự hành tránh vật cản Trong hiệp hội nghiên cứu vềRobot tự hành tránh vật cản có 2 hướng nghiên cứu khác nhau:

 Hướng thứ nhất: là nghiên cứu về Robot tự hành tránh vật cản có khả năngđiều hướng ở tốc độ cao nhờ thông tin thu được từ cảm biến, đây là loạirobot có khả năng hoạt động ở môi trường trong phòng cũng như môi trườngbên ngoài Loại robot này yêu câù khả năng tính toán đồ sộ và được trang bịcảm biến có độ nhạy cao, dải đo lớn để có thể điều khiển robot di chuyển ởtốc độ cao, trong những môi trường có địa hình phức tạp

 Hướng thứ hai: nhằm giải quyết các vấn đề về các loại robot tự hành tránhvật cản chỉ dùng để hoạt động trong môi trường trong phòng Loại robot tự

hành tránh vật cản này có kết cấu đơn giản hơn loại trên, thực hiện nhữngnhiệm vụ đơn giản

Bài toán dẫn hướng cho robot tự hành tránh vật cản được chia làm 2 loại: bàitoán toàn cục ( global) và bài toán cục bộ (local) Ở bài toàn cục, môi trường làmviệc của robot hoàn toàn xác định, đường đi và vật cản là hoàn toàn biết trước Ởbài toán cục bộ, môi trường hoạt động của robot là chưa biết trước hoặc chỉ biếtmột phần Các cảm biến và thiết bị định vị cho phép robot xác định được vật cản,

vị trí của nó trong môi trường giúp nó đi tới được mục tiêu

Các vấn đề gặp phải khi điều hướng cho Robot tự hành tránh vật cản thườnggiống như các loại robot khác Để có thể điều hướng cho Robot tránh vật cản,quyết định theo thời gian thực phải dựa vào thông tin liên tục về môi trường thôngqua các cảm biến, hoặc ở môi trường trong phòng hoặc ngoài trời, đây là điểmkhác biệt lớn nhất so với kỹ thuật lập kế hoạch ngoại tuyến Robot tự hành tránhvật cản phải có khả năng tự quyết định về phương thức điều hướng, định hướngchuyển động để có thể tới đích thực hiện nhiệm vụ nhất định

Điều hướng cho robot tự hành tránh vật cản là công việc đòi hỏi phải thực hiệnđược một số khả năng khác nhau, bao gồm : khả năng di chuyển ở mức cơ bản, ví

dụ như hoạt động đi tới vị trí cho trước, khả năng phản ứng các sự kiện theo thờigian thực, ví dụ như khi có sự xuất hiện đột ngột của vật cản; khả năng xây dựng,

sử dụng và suy trì bản đồ môi trường hoạt động; khả năng xác định vị trí của robottrong bản đồ đó; khả năng thiết lập kế hoạch để đi tới đích hoặc tránh các tìnhhuống không mong muốn và khả năng thích ghi với các thay đổi của môi trườnghoạt động

1.2.2.3 Yêu cầu công nghệ và nhu cầu thực tế

Trong các nhà xưởng, người công nhân bị gò bó bởi năng suất lao động, vì vậy robot tự hành tránh vật cản là một giải pháp nhằm cung cấp nguyên liệu từ nhàkho đến tay người công nhân, giúp giảm nhân công, tăng năng suất Tùy theo loại nguyên liệu có đặc thù, khối lưọng, kích thước khác nhau mà khi thiết kế người ta căn cứ vào đó và đưa ra các yêu cầu về:

 Kích thước

 Khối lượng

 Công suất

 Tốc độ di chuyển Trong đồ án này em chủ yếu tập trung nghiên cứu và thiết kế modul chuyểnđộng và điều khiển robot chở nguyên liệu trong dây chuyền sản xuất, cùng với kíchthước và các thông số đều nhỏ hơn thực tế:

Kết quả là một robot tự động có khả năng di chuyển tự do trong môi trường cóvật cản

Đề tài thiết kế và chế tạo robot tự hành tránh vật cản chủ yếu giúp cho sinh viênlàm quen với vi điều khiển, kỹ năng lập trình, phương pháp tự thập dữ liệu từ cáccảm biến sensor, điều khiển động cơ, các mạch phụ trợ

1.2.2.4 Ưu điểm, nhược điểm của robot tự hành tránh vật cản

 Ưu điểm

 Không gây ô nhiễm, sử dụng pin sạc, và có thể sac

 Sử dụng không gian hiệu quả, đa năng trong các nhà máy xínghiệp

 Giá thành không đắt

ĐỒ ÁN HỆ THÔNG CƠ ĐIỆN TỬ GVHD: TS ĐỖ THẾ CẦN

Hình 1.6 Ứng dụng của robot tự hành trong các siêu thị

Ngoài ra Robot tự hành tránh vật cản có khả năng tự hoạt động, thực thi nhiệm

vụ mà không cần sự can thiệp của con người Với những cảm biến, chúng có khảnăng nhận biết về môi trường xung quanh Robot tự hành tránh vật cản ngày càng

có nhiều ý nghĩa trong các ngành công nghiệp, thương mại, y tế, các ứng dụngkhoa học và phục vụ đời sống của con người Với sự phát triển của ngành Robothọc, robot tự hành tránh vật cản ngày càng có khả năng hoạt động trong các môitrường khác nhau, tùy mỗi lĩnh vực áp dụng mà chúng có nhiều loại khác nhau nhưrobot sơn, robot hàn, robot cắt cỏ, robot thám hiểm đại dương, robot làm việcngoài vũ trụ Cùng với sự phát triển của yêu cầu trong thực tế , robot tự hành tránhvật cản tiếp tục đưa ra những thách thức mới cho các nhà nghiên cứu

 Các phương án thiết kế:

1 Phương án dò line:

Các vật liệu được sử dụng để tạo ra đường dẫn gồm: Vạch màu, băng từ, đườngdây từ, đường ray,… Khi đó các xe tự hành AGV sẽ chạy theo các đường dẫn nàytới các vị trí được xác định trên bản đồ di chuyển

Loại này có đặc điểm là có đường đi cố định Khi muốn thay đổi đường đi cầnthiết lập lại hệ thống dẫn đường Tuy nhiên công nghệ điều khiển này đơn giản hơn

và có chi phí thấp hơn loại chạy không theo đường dẫn Các cảm biến sử dụng choloại này có thể là cảm biến từ trường, cảm biến quang, cảm biến kim loại

Hệ thống cảm biến tiệm cận nhận dạng đường dẫn để điều khiển

xe có độ chính xáccao Cảm biến được thiết kế gồm hai hàng đặt trước và sau xe.Khi xe tiến về phía trước thì dùng hàng cảm biến phía trước để dò đường, khi

xe di chuyển về phía sau thì dùng hàng cảm biến phía sau Mỗi hàng gồm 4 cảmbiến đặt cách nhau 30 mm Khi xe AGV lệch ra khỏi vạch, cảm biến sẽ thông báocho bộ điều khiển thực hiện quá trình thay đổi vận tốc của hai bánh lái để xe dichuyển đúng hướng.

Hệ thống an toàn sử dụng cảm biến quang kết hợp cảm biến siêu âm có nhiệm

vụ đảm bảo cho xe AGV hoạt động một cách an toàn, đưa ra các cảnh báo đèn, còi

về các đối tượng nằm trong vùng hoạt động, tác động giảm tốc độ hoặc dừng đểtránh va chạm với vật cản trong quá trình xe vận hành Để xác định các vật cảntrong vùng hoạt động, hai cảm biến quang được sử dụng, gắn ở trước và sau

xe kết hợp cảm biến siêu âm Vật cản ở khoảng cách xa trong vùng di chuyển tới

sẽ được cảnh báo bằng đèn, còi, ở khoảng cách gần hơn xe tự động giảm tốc độ, ởkhoảng cách quá gần xe dừng lại và chờ đến khi an toàn mới tiếp tục di chuyển.Khi dừng lại, xe chuyển sang trạng thái chờ, các giá trị tức thời về vị trí và quãngđường dịch chuyển sẽ được lưu lại cho đến khi xe AGV tiếp tục di chuyển

Phương án này gồm các phương án nhỏ chia theo loại line như sau:

Đường dẫn từ: là loại đường dẫn có cấu tạo là dây từ (Magnetic wire) chônngầm dưới nền sàn Khi di chuyển, nhờ có các cảm biến cảm ứng từ mà xe có thể

di chuyển theo đường dẫn Loại đường dẫn này không nằm trên bề mặt sàn nên có

mý quan tốt, không ảnh hưởng đến các công việc vận hành khác Tuy nhiên khi sửdụng 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 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 đơn giản hơn

và có thể di chuyển với tốc độ cao nhưng tính linh hoạt thấp

Đường băng kẻ trên sàn: xe 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 quátrình sử dụng người ta có thể thay đổi đường đi một cách dễ dàng Tuy nhiên khi

sử dụng, các vạc dẫn có thể bị bẩn hay hư hại gây khó khăn cho việc điều khiểnchính xác xe

2 Phương án không dò line

Là loại xe AGV có tính linh hoạt cao được định vị vị trí nhờ các cảm biến con quay hồi chuyển (gyroscop sensor) Các cảm biến này có nhiệm vụ xác định hướng

di chuyển Ngoài ra còn có cảm biến laser dùng để xác định vị trí các vật thể xung quanh trong quá trình di chuyển Hay hệ thống định vị cục bộ (local navigation location) phụ trách xác định tọa độ tức thời,…

Loại này có đặc điểm có thể di chuyển đến bất kỳ vị trí nào trong phạm vi điều khiển Nó có thể tự động tìm kiếm đường đi ngắn nhất Tuy nhiên chi phí chế tạo lớn và đòi hỏi công nghệ cao

CHƯƠNG 2: THIẾT KẾ CƠ KHÍ

2.1 Sơ lược về phần mềm thiết kế

Robot được thiết kế trên phần mềm solidworks 2013

Theo [2], Solidworks là phần mềm thiết kế cơ khí 3D, chạy trên hệ điều hànhWindowns Solidworks được phát triển bởi Dassault Systèmes Solidworks Corp,một công ty con của Dassault Systèmes, SA (Vélizy, Pháp) Solidworks hiện đangđược sử dụng bởi hơn 2 triệu kỹ sư và nhà thiết kế ở mức hơn 178.000 công ty trêntoàn thế giới

Solidworks đang là đối thủ cạnh tranh trực tiếp với Autodesk Inventor và SolidEdge Về lich sử: Tổng công ty Solidworks được thành lập vào tháng 12/1993 bởiViện Công nghệ Massachusetts của Jon Hirschtick Hirschtick sử dụng số tiền

$1.000.000 của ông kiếm được khi là thành viên của nhóm MIT Blackjack đểthành lập công ty Ban đầu công ty có trụ sở tại Waltham, Massachusetts, Hoa Kỳ,Hirschtick tuyển dụng một đội ngũ kỹ sư với mục tiêu xây dựng phần mềm CAD3D mà dễ sử dụng, giá cả phải chăng, và chạy trên nền Windows Hoạt động sau từConcord, Massachusetts, Solidworks phát hành sản phẩm đầu tiên của mìnhSolidworks 95 vào năm 1995 Năm 1997, Dassault nổi tiếng với phần mềmCATIA CAD, mua lại Solidworks với giá $ 310.000.000

Solidworks đang tiếp thị một số phiên bản của phần mềm Solidworks CADngoài eDrawings-một công cụ cộng tác và DraftSight-một sản phẩm 2D CAD.Solidworks đã được lãnh đạo bởi John McEleney từ năm 2001 đến tháng 7 năm

2007 và Jeff Ray từ năm 2007 đến tháng 1 năm 2011 Giám đốc điều hành hiệnnay là Bertrand Sicot

Các phiên bản đã phát hành như: SolidWorks 95, SolidWorks 96, SolidWorks

97, SolidWorks 97 Plus, SolidWorks 98, SolidWorks 98 Plus,…, SolidWorks2013,… Các sản phẩm solidworks cung cấp:

Ứng dụng thiết kế cơ khí 3D: SolidWorks Standar, SolidWorks Professional,SolidWorks Premium cung cấp một bộ công cụ phát triển sản phẩm thiết kế, thẩmtra thiết kế, quản lý dữ liệu, thông tin liên lạc và các công cụ cơ khí SolidWorksPremium bao gồm tất cả các khả năng của SolidWorks chuyên nghiệp cũng nhưđịnh tuyến và các công cụ phân tích, bao gồm SolidWorks Routing, SolidWorksSimulation, và SolidWorks Motion SolidWorks Education Edition cung cấp cácchức năng thiết kế tương tự nhưng được cấu hình và đóng gói cho kỹ thuật và sinhviên thiết kế công nghiệp

Thiết kế các công cụ chứng nhận: SolidWorks Simulation là một công cụ xácnhận thiết kế cho thấy các kỹ sư cách thiết kế của họ sẽ cư xử như các đối tượngvật lý SolidWorks Motion là một công cụ tạo mẫu ảo cung cấp khả năng môphỏng chuyển động để đảm bảo chức năng thiết kế đúng cách SolidWorks FlowSimulation là một công cụ kiểm tra mô phỏng chất lỏng dòng chảy bên trong vàbên ngoài và phân tích nhiệt để các nhà thiết kế có thể tiến hành thử nghiệm trênnguyên mẫu ảo SolidWorks Simulation Premium là một phân tích phần tử hữu hạn(FEA) công cụ xác nhận thiết kế có thể xử lý một số mô phỏng đa môi trường cũngnhư các vật liệu phi tuyến SolidWorks phát triển bền vững là một sản phẩm màcác biện pháp tác động môi trường của thiết kế trong khi họ được mô phỏng trongSolidWorks

Sản phẩm công cụ quản lý dữ liệu: SolidWorks Workgroup PDM là một công

cụ PDM cho phép người dùng SolidWorks hoạt động trong nhóm 10 thành viênhoặc ít hơn để làm việc trên các thiết kế đồng thời Với SolidWorks PDM nhóm

làm việc, các nhà thiết kế có thể tìm kiếm, chỉnh sửa, và dữ liệu ngăn CAD trongkhi duy trì một lịch sử thiết kế chính xác SolidWorks Enterprise PDM là một công

cụ PDM cho phép người dùng SolidWorks hoạt động theo nhóm tại các cơ sở riêngbiệt khác nhau để làm việc trên các thiết kế đồng thời Với SolidWorks Doanhnghiệp PDM, các nhà thiết kế có thể tìm kiếm, chỉnh sửa, và dữ liệu ngăn CADtrong khi duy trì một lịch sử thiết kế chính xác Doanh nghiệp PDM duy trì mộtđường mòn kiểm toán, tương thích với một loạt các gói CAE (Autodesk, Siemens,PTC, Catia, vv) để duy trì quan hệ interfile, và sẽ quản lý các phiên bản của bất kỳtài liệu lưu trong khu vực lưu trữ chung PDM doanh nghiệp cũng sử dụng một sơ

đồ quy trình làm việc để tự động thông báo cho thành viên trong nhóm khi một dự

án di chuyển từ một giai đoạn đến, cũng như ý kiến theo dõi tiếp theo PDM doanhnghiệp có khả năng giao tiếp với các hệ thống MRP / ERP và có thể được sử dụngtrực tuyến để giao tiếp với khách hàng và chuỗi cung ứng

Công cụ thiết kế đặc biệt: SolidWorks Routing, SolidWorks Electrical,olidWorks Plastics là một công cụ xác nhận thiết kế khuôn mẫu đã được xây dựngthành một môi trường mô hình rắn Nó cho phép các nhà thiết kế khuôn để nhanhchóng và dễ dàng xác minh xem một phần đúc nhựa có thể được lấp đầy.SolidWorks MoldBase là một danh mục các hội đồng cơ sở khuôn tiêu chuẩn vàcác thành phần Các gói phần mềm cho phép các nhà thiết kế để tạo ra một cơ sởkhuôn lắp ráp hoàn chỉnh Print3D là một tính năng in 3D cho phép người dùngchuyển đổi mô hình CAD 3D của họ vào một tập tin STL Và sau đó có nó đượcgửi đến các nhà sản xuất đặc biệt cho báo giá Các tập tin STL Có thể được sửdụng để tạo ra một liên kết ngay lập tức trích dẫn bằng cách sử dụng công nghệQuickquote

Solidworks với tính mở và tính tương thích của mình, Solidworks cho phépnhiều phần mềm ứng dụng khác chạy trực tiếp trên môi trường của nó, Solidworkscũng kết xuất ra các tập tin dữ liệu định dạng chuẩn để người sử dụng có thể khaithác trong môi trường các phần mềm khác.

Những nhà sản xuất, họ không những sử dụng máy CNC mà còn sử dụng nóvới các phần mềm CAD/CAM như Pro-Engineer, Cimatron, MasterCam… lànhững phần mềm khá nổi tiếng đang được sử dụng ở nước ta Những phần mềmnhư Cimatron, MasterCam có tính năng CAM rất tốt nhưng lại có tính năng thiết

kế 3D không mạn như Pro-Engineer

Nhưng theo phản ánh của các kỹ sư thì giao diện của Pro-Engineer làm chậmquá trình thiết kế và thậm chí làm rối các nhà thiết kế vì sự xuất hiện quá nhiều cửa

sổ Chính vì vậy các nhà sản xuất trên thế giới đang dần chuyển qua phần mềmSolidworks ( Edited by congtd )

Hình 2.1 Giao diện chính của solidworks 2013

2.2 Hệ thống robot tự hành

2.2.1 Mô hình hóa hệ thống Sơ đồ khối hệ thống

Để một Robot tự hành có thể hoạt động được cơ bản cần có sự kết hợp giữacác khối sau để tạo nên một hệ thống

Hình 2.2 Sơ đồ khối của hệ thống Hệ thống robot tự hành

 Hệ thống điều khiển: Arduino, điện thoại và máy tính

 Hệ thống đầu vào: Camera và cảm biến siêu âm

 Hệ thống đầu ra (cơ cấu chấp hành): Động cơ JGY371

 Các hệ thống riêng biệt này được thiết kế để kết nối với nhau thành một hệthống hoàn chỉnh, đảm bảo thực hiện tốt nhiệm vụ đặt ra của đề tài

 Hệ thống sau khi hoàn chỉnh có thể hoạt động theo các chế độ:

 Chế độ điều khiển tay: Robot di chuyển theo hướng của người điều khiểnthông qua bàn phím máy tính hoặc điện thoại

 Chế độ tự động: Robot di chuyển tự động né vật cản và bậc cấp, xác địnhđược vùng không nên vào.

2.2.2 Thiết bị cơ khí

Bao gồm khung của robot và cơ cấu chấp hành:

 Khung của robot bằng nhôm

Hình 2.3 Một vài thiết bị sử dụng

Hình 2.4 Hình ảnh mô phỏng

CHƯƠNG 3: THIẾT KẾ HỆ THỐNG ĐIỆN TỬ

3.1 Thiết bị điện tử

 Bao gồm các thiết bị điều khiển, cảm biến, camera

 Bộ nguồn pin sạc Li-Ion

 Arduino Mega 2560

 Modul L298

 Module hạ áp

 Module băm xung

 Board vi điều khiển Arduino Mega 2560

 Cảm biến siêu âm.

 GPS

3.1.1 Arduino Mega 2560

 Sơ lược về Arduino Mega

Arduino Mega 2560 R3 sử dụng vi điều khiển Atmega 2560 cho số ngoại vi, cácchuẩn giao tiếp và số chân nhiều nhất, bộ nhớ rất lớn (256kb) có thể mở rộng thêm

số chân Board có cấu trúc tương thích với các board mạch như Uno.Và sử dụngđiện áp 5VDC

Hình 3.1: Board mạch arduino mega 2560

- Giao tiếp UART: 4 bộ UART.

- Giao tiếp SPI: 1 bộ ( chân 50 đến chân 53) dùng với thư viện SPI của

 Vi điều khiển trung tâm ATmega 2560

- Sơ đồ chân của ATmega 2560

Hình 3.2 Sơ đồ chân ATMEGA 2560

Board arduino mega 2560 sử dụng chip ATmega2560 của ATmel, bộ nhớ

chương trình lên đến 256KB trong đó có 8KB được sử dụng bởi bootloader Với

bộ nhớ chương trình lớn, bạn có thể viết nhiều chương trình phức tạp, điều khiểnđược nhiều thiết bị hơn Dung lượng RAM là 8KB 4KB EEPROM

3.1.2 Module wifi ESP8266 nodeMCU

ESP8266 NodeMCU là dạng vi điều khiển tích hợp Wifi (Wifi SoC) đượcphát triển bởi Espressif Systems Với vi điều khiển và Wifi tích hợp, ESP8266 chophép lập trình viên có thể thực hiện vô số các tác vụ TCP/IP đơn giản để thực hiện

vô số các ứng dụng khác nhau, đặc biệt là các ứng dụng IoT

Các modem Wi-Fi hiện tại đều hỗ trợ chuẩn IEEE 802.11n và hoạt động ởtần số 2.4GHz ESP8226 nodeMCU là một trong những mô đun hỗ trợ chuẩn Wi-

Fi này Được phát triển trên chip Wi-Fi ESP8266, nodeMCU được dùng cho cácứng dụng kết nối, thu thập dữ liệu và điều khiển thông qua sóng Wi-Fi NodeMCU

có kích thước nhỏ gọn, hỗ trợ chuẩn giao tiếp UART, hỗ trợ kết nối Wi-Fi vớinhiều giao thức mạng

Hơn nữa bản thân NodeMCU là một phiên bản đặc biệt của dòng vi điềukhiển Arduino nên nó có thể sử dụng trực tiếp trình biên dịch của Arduino để lậptrình và nạp mã Sử dụng các mã nguồn mở thuận tiện cho việc lập trình và phùhợp với khả năng của sinh viên

Hình 3.3 Hình ảnh thực tế Module Wifi esp8266

 Thông số kỹ thuật của module wifi ESP8266:

 Giao thức truyền thông: UART, SPI, I2C…

 Led báo trạng thái GPIO16, nút Reset

 Tương thích với Arduino IDE

 Lập trình trên các ngôn ngữ: C/C++, Micropython, NodeMCU Lua

Interrupt/PWM/I2C/One-wire, trừ chân D0)

 Số chân Analog: 1 (điện áp vào tối đa là 3.3V)

 Bộ nhớ Flash: 4MB

 Giao tiếp: Cable Micro USB

Hình 3.4: Sơ đồ chân của ESP8266

Ở chế độ MASTER: module sẽ tự động dò tìm thiết bị bluetooth khác (1module bluetooth HC-06, usb bluetooth, bluetooth của laptop ) và tiến hành pair

chủ động mà không cần thiết lập gì từ máy tính hoặc smartphone.

Module bluetooth HC05 được điều khiển bằng tập lệnh AT để thực hiện cáctác vụ mong muốn Để bluetooth module chuyển từ chế độ thông thường qua điềukhiển bằng AT, ta có 2 cách như sau:

Cấp nguồn cho module bluetooth (Vcc và Gnd) đồng thời cấp mức điện ápcao (=Vcc) cho chân KEY của module bluetooth Khi đó giao tiếp bằng tập lệnh

AT với module bằng cổng Serial (Tx và Rx) với baud rate là 38400 (khuyên dùng)

Cấp nguồn cho module bluetooth trước, sau đó cấp mức điện áp cao chochân KEY của module bluetooth Lúc này bạn có thể giao tiếp với module bằng tậplệnh AT với baud rate là 9600.Sau khi pair thành công với thiết bị bluetooth khác,đèn trên module bluetooth HC05 sẽ nhấp nháy chậm cho thấy kết nối Serial đãđược thiết lập Nguồn cung cấp cho module bluetooth là nguồn từ 3.6V đến 6V.Quá áp sẽ gây cháy module Ngoài ra module tương thích với các vi điều khiển 5V

mà không cần chuyển đổi mức giao tiếp 5V về 3.3V như nhiều loại modulebluetooth khác

Hình 3.5 Module Bluetooth HC-05 (nguồn ảnh: dientu360.com)

3.1.4 La bàn số HMC5883L

Cảm biến la bàn số HMC5883L có kích thước nhỏ gọn sử dụng giao tiếp I2C,được dùng để đo từ trường của trái đất nhằm xác định phương hướng với độ chínhxác lên đến 1 hoặc 2 độ, cảm biến có cách đo riêng biệt cho từng trục và có thể kếthợp lại để tính toán 3D

Cảm biến la bàn số HMC5883L còn có thể dùng để đo từ trường thô hoặc cácnguồn từ trường mạnh hơn gần nó, cảm biến có thể cảm nhận được nguồn từtrường xung quanh nó như của nam châm hoặc điện trường, khi phát hiện được từtrường từ bên ngoài, nó có thể xác định được khoảng cách tương đối hoặc chiềuđến vật phát ra từ trường đó

 Thông số kỹ thuật:

 Immersion Gold PCB, machine welding process to ensure quality

 Name: HMC5883L module (three-axis magnetic field module)

 Use the chip: HMC5883L

 Arduino A5 (SCL) -> HMC5883L SCL

3.1.5 Khối nhận tín hiệu GPS

Module GPS là được coi như là một máy thu của vệ tinh GPS, điều này là rấtcần thiết để làm các dự án về định vị vị trí và chuyển động Nó có tốc độ cập nhậtrất nhanh, trả về tọa độ rất chính xác, đã được tích hợp cả anten nên GPS độ nhaycao trên mạch, kết nối và sử dụng rất đơn giản là những ưu điểm của loại modulenày Thay vì chọn GPS Neo 7 và GPS Neo 8 thì GPS Neo 6 mặc dù là phiên bản

cũ, có tốc độ cập nhật tọa độ chậm hơn, tuy vậy có giá thành rẻ và công suất tiêuthụ ít hơn và xác định tọa độ cũng khá chính xác sau một vài lần test, phù hợp vớiyêu cầu của đề tài nên được dùng để sử dụng Một số tính năng chúng ta có thể dễnhận thấy như:

- Xác định tọa độ (kinh tuyến, vĩ tuyến) hiện tại của module trên bề mặt tráiđất với sai số nhỏ nhất < 1m

- Xác định thời gian quốc tế được cấp bởi đồng hồ nguyên tử trên vệ tinh gửi

về Từ đó bạn cũng có thể suy ra thời gian đồng hồ nơi ở của bạn theo tắc trừ múigiờ Khỏi cần module RTC

- Chỉ cần 3 vệ tinh là bạn có thể xác định được tọa độ, chỉ cần 4 vệ tinh là bạn

có thể xác định được độ cao hiện tại so với mực nước biển

- Có thể tính toán ra tốc độ di chuyển, hướng di chuyển của vật thể được gắnmodule GPS

- Giải các bài toán về tính toán giữa 2 điểm bất kì, tính diện tích ở một khônggian cực kì rộng lớn

 Sơ đồ chân:

Hình 3.6: Sơ đồ chân của module GPS Neo 6

Tương ứng

- E: Để hở chân này (không nối)

- G (GND): Nối với GND của arduino

- R: là chân RX của module này

- T: là chân TX của module này

- V: nối pin này với nguồn 3.3v (đến 5v)

- P: chân này để đặt ngắt báo module đã cập nhật xong vị trí sẵn sàng truyền

dữ liệu (để hở pin này nếu không biết dùng)

- Giao tiếp: Serial (UART TTL)

- Anten rời hoặc Anten gốm- dán trực tiếp lên mạch để bắt sóng GPS tốt hơn

- Chu kỳ cập nhật tọa độ 0,1 s đến 1s tùy từng địa hình có thuận lợi haykhông

Module GPS-Neo 6 được thiết kế với hai chân TXD và RXD chuẩn UART đểgiao tiếp với chân TX và RX của Aruino nên rất tiện lợi cho việc kết nối Tín hiệu

mà module GPS-Neo 6 thu đươc phụ thuộc khá nhiều về thời gian và không gian.Trong ngày những khoảng thời gian khác nhau thì GPS sẽ trả về những tọa độtương ứng khác nhau, sai số xấp xỉ khoảng 3-5m Đồng thời, những nơi quangđãng, thoáng, ít vật cản sẽ là một yếu tố quan trọng để vệ tinh truyền về tín hiệuchính xác nhất

3.1.6 Module điều khiển động cơ L298N

Module điều khiển động cơ (Motor Driver) sử dụng chip cầu H L298N giúp điềukhiển tốc độ và chiều quay của động cơ DC một cách dễ dàng, ngoài ra moduleL298N còn điều khiển được 1 động cơ bước lưỡng cực Mạch cầu H của IC L298N

- Điện áp điều khiển: +5 V ~ +35 V

- Dòng tối đa cho mỗi cầu H: 2A

- Điện áp tín hiệu điều khiển: +5 V ~ +7 V

- Dòng tín hiệu điều khiển: 0 ~ 36mA

- Công suất hao phí: 20W (khi nhiệt độ T = 75 )℃)

- Nhiệt độ vận hành: -25 ~ +130 ℃) ℃)

 Sơ đồ chân tín hiệu module L298N:

Hình 3.7: Module điều khiển động cơ L298N

1 DC motor 1 “+” hoặc stepper motor A+

2 DC motor 1 “-” hoặc stepper motor A-

3 12V jumper – tháo jumper này nếu sử dụng nguồn trên 12V cấp vàochân 4 Jumper này dùng để cấp nguồn cho IC ổn áp tạo ra nguồn 5Vnếu nguồn trên 12V sẽ làm cháy IC 78M05

4 Cấp dương nguồn cho motor vào đây từ 6V đến 35V

5 Cắm chân GND (đất, cực âm) của nguồn vào đây

6 Nguồn ra 5V, nếu jumper (3) được cắm thì có nguồn ra 5V ở đây

7 Chân Enable của Motor 1, chân này cũng dùng để cấp xung PWM chomotor Nếu điều khiển tốc độ thì rút jumper ra và cắm chân PWM củaVĐK vào đây Giữ nguyên khi dùng với động cơ bước

DC motor 2 “+” hoặc stepper motor B+.

DC motor 2 “-” hoặc stepper motor B-

3.1.7 Động cơ DC Servo JGY371

a Giới thiệu về động cơ DC Servo JGY371

Động cơ DC Servo JGY371 High Torque Self-Lock DC Geared Motor làphiên bản tích hợp thêm Encoder hai kênh AB của động cơ JGY371 giúp đọc vàđiều kiển chính xác vị trí, chiều quay của động cơ trong các ứng dụng cần độ cóchính xác cao: điều khiển PID, Robot tự hành,

Động cơ DC Servo JGY371 High Torque Self-Lock DC Geared Motor có cấutrúc hộp giảm tốc đặc biệt giúp trục chính bị khóa gần như không thể di chuyển khiđộng cơ không hoạt động, phù hợp với các ứng dụng Robot Sumo, trục kéo, xoaykhóa cố định, hộp giảm tốc của động cơ có nhiều tỉ số truyền giúp bạn dễ dànglựa chọn giữa lực kéo và tốc độ (lực kéo càng lớn thì tốc độ càng chậm và ngượclại), động cơ sử dụng nguyên liệu chất lượng cao (lõi dây đồng nguyên chất, láthép 407, vòng tiếp xúc niken, nam châm từ tính mạnh, ) cho sức mạnh và độ bềnvượt trội hơn các loại giá rẻ trên thị trường hiện nay (sử dụng lõi dây nhôm, namchâm từ tính yếu)