Luận văn thiết kế robot tự hành theo vết hoạt động trong nhà xưởng

TỔNG QUAN

Giới thiệu robot tự hành trong nhà xưởng

Nhà xưởng là nơi tập trung nhân lực, trang thiết bị và nguyên vật liệu cho quá trình sản xuất và di chuyển hàng hóa Phương pháp di chuyển hàng hóa truyền thống thường sử dụng xe đẩy và xe nâng do con người điều khiển, dẫn đến công việc nặng nhọc và tiềm ẩn nhiều nguy hiểm Hiện nay, robot tự hành đã được ứng dụng rộng rãi trong việc di chuyển hàng hóa, mang lại hiệu quả cao cho các nhà máy và kho bãi.

Robot tự hành trong nhà xưởng (AGV) là loại robot di động tự động di chuyển nhờ vào các tín hiệu dẫn đường như laser, hình ảnh, từ trường và đường ray Kể từ cuối thế kỷ XX, AGV ngày càng trở nên phổ biến nhờ vào sự tiến bộ trong khoa học và công nghệ Những cải tiến quan trọng trong công nghệ cảm biến, dẫn đường, bộ xử lý, truyền thông, thiết bị truyền động và nguồn năng lượng đã giúp phát triển hệ thống robot tự hành (AGVS) với năng suất hoạt động cao, ổn định và chi phí vận hành thấp.

Việc áp dụng AGVS vào kho hàng, nhà xưởng có lợi ích sau:

- Hoạt động liên tục: cả ngày và đêm

- Thay thế con người vận chuyển hàng hóa nặng nhọc, có tính lặp lại

- Giảm chi phí vận hành, đặc biệt là chi phí đào tạo, sử dụng nhân công

- Tính chính xác và độ ổn định cao giúp quá trình sản xuất được liên tục

- Giảm thời gian vận chuyển

Do đó, các công ty sản xuất, thương mại đã và đang đẩy mạnh phát triển hệ thống nhà xưởng, kho hàng tự động dùng AGV

Trong môi trường nhà xưởng, hệ thống AGVS được sử dụng để tự động vận chuyển hàng hóa từ khu vực cấp hàng đến các vị trí sản xuất AGVS thường bao gồm các thành phần như phương tiện (xe), bộ điều khiển tích hợp trên AGV, phần mềm quản lý, cùng với hệ thống giao tiếp và dẫn đường.

Hình 1.1: Cấu trúc cơ bản của một hệ thống AGV

Phần mềm quản lý AGV trên máy tính đóng vai trò quan trọng trong việc tối ưu hóa sử dụng AGV, nhận yêu cầu, quản lý hàng hóa và theo dõi thống kê kho Năng suất của hệ thống AGV phụ thuộc nhiều vào phần mềm quản lý, và cách thức quản lý sẽ khác nhau tùy thuộc vào ứng dụng của hệ thống AGV.

Hệ thống AGV trong dây chuyền lắp ráp sử dụng phần mềm quản lý để thu nhận thông tin loại hàng, với các bước di chuyển được lập trình sẵn trên từng AGV Đường đi từ khu sản xuất đến khu lắp ráp được thiết lập cố định, giúp giảm thiểu tính toán của máy chủ Tốc độ di chuyển của AGV được điều chỉnh theo tốc độ lắp ráp của dây chuyền, trong khi dây chuyền lắp ráp có nhân công có thể yêu cầu điều khiển robot bằng tay.

Hệ thống giao tiếp Phần mềm quản lý

Hệ thống dẫn đường trong kho hàng đóng vai trò quan trọng trong việc thu nhận thông tin về vị trí và hàng hóa trên AGV Điều này giúp trung tâm xử lý điều khiển toàn bộ hệ thống một cách hiệu quả, bao gồm việc lựa chọn robot phù hợp, tính toán lộ trình tối ưu và điều chỉnh vận tốc để tránh va chạm với các robot khác, từ đó giảm thiểu thời gian di chuyển khi sắp xếp hàng hóa.

Hình 1.2: Sơ đồ hệ thống kho hàng của Kiva [4]

Hệ thống AGV bao gồm giao tiếp giữa máy chủ và robot, cũng như giao tiếp giữa các robot với nhau Do tính chất di động của robot, phương thức giao tiếp không dây là cần thiết Công nghệ sóng vô tuyến phổ biến trong ngành công nghiệp như Wireless LAN (IEEE 802.11), IEEE 802.15.4 và Bluetooth (IEEE 802.15.1) được áp dụng Các yêu cầu về công nghệ không dây cho hệ thống AGV rất quan trọng để đảm bảo hiệu quả hoạt động.

- Có tính năng bảo mật cao

- Cấu hình và phương thức giao tiếp đơn giản

Công nghệ Bluetooth là lựa chọn lý tưởng cho các thiết bị tự động nhờ vào khả năng tiết kiệm năng lượng và chi phí thấp Tầm hoạt động của Bluetooth thông thường khoảng 10 mét, nhưng một số module đặc biệt có thể mở rộng phạm vi lên đến 200 đến 400 mét.

Công nghệ Wireless LAN (IEEE 802.11) là lựa chọn lý tưởng cho các hệ thống AGV, giúp mở rộng quy mô và theo dõi dữ liệu với tốc độ cao Băng thông 2.4 GHz có tầm hoạt động lên đến 200 mét, trong khi băng thông 5 GHz có tầm hoạt động khoảng 50 mét.

Các loại phương pháp vận chuyển

Mỗi loại hàng hóa yêu cầu phương pháp lưu trữ và vận chuyển riêng biệt, dẫn đến sự đa dạng trong các phương thức vận chuyển Trong môi trường nhà xưởng, có ba kiểu AGV chính, đáp ứng hầu hết các nhu cầu vận chuyển hàng hóa hiệu quả.

AGV kéo hàng được thiết kế với móc và ngàm để di chuyển các khay hàng, phù hợp cho việc vận chuyển hàng hóa ở khoảng cách xa với nhiều kích thước và số lượng khác nhau Để đảm bảo an toàn và hiệu quả, cần có không gian rộng rãi và các đoạn cua với bán kính lớn nhằm tránh va chạm trong quá trình di chuyển.

Hình 1.3: AGV kiểu kéo hàng

AGV chở hàng được trang bị bộ phận chứa hàng, nâng hàng hoặc băng tải để lấy hàng, cho phép tích hợp dễ dàng với các dây chuyền sản xuất và lắp ráp So với kiểu kéo hàng, AGV chở hàng di chuyển linh hoạt hơn, đặc biệt trong các kho hàng có không gian hạn chế và góc cua nhỏ.

Hình 1.4: AGV kiểu chở hàng

Xe nâng AGV là loại xe tự động có khả năng nâng hàng hóa, bao gồm các pallet, lên nhiều độ cao khác nhau Một trong những ưu điểm nổi bật của AGV kiểu xe nâng là khả năng thao tác linh hoạt trong không gian rộng, giúp dễ dàng xoay trở khi nâng hàng.

Hình 1.5: AGV kiểu xe nâng

Robot tự hành chở hàng mang lại nhiều lợi ích trong việc vận chuyển hàng hóa linh hoạt và hoạt động hiệu quả trong không gian hạn chế Chính vì vậy, loại robot này ngày càng phổ biến trong các nhà xưởng có mật độ hàng hóa cao, trở thành lựa chọn hàng đầu cho các nghiên cứu trong lĩnh vực này.

Các loại phương pháp tìm đường

AGV loại dò theo đường dẫn cố định di chuyển theo quỹ đạo được lắp đặt sẵn, bao gồm các loại đường ray, từ trường hoặc dây điện Việc sử dụng đường dẫn cố định mang lại lợi ích nhờ quỹ đạo rõ ràng, đơn giản và bền vững theo thời gian Hệ thống điều khiển tích hợp trên robot cũng trở nên đơn giản hơn.

Một số nghiên cứu trong và ngoài nước về robot tự hành trong nhà xưởng

Robot tự hành trong nhà xưởng đã được nghiên cứu và phát triển từ lâu, với nhiều ứng dụng đa dạng nhờ vào việc tích hợp công nghệ tiên tiến Kiva Robot, một sản phẩm của Amazon Robotics (Mỹ), là một ví dụ điển hình trong lĩnh vực này Robot này được lập trình để nhận và thực hiện đơn hàng, hoàn thành nhiệm vụ và tự động tiếp nhận công việc mới khi đã sạc pin Với khối lượng khoảng 150 kg, Kiva Robot có khả năng nâng kệ hàng lên đến 320 kg.

Vận tốc di chuyển của robot trong kho hàng tối đa 1 (m/s)

Hình 1.6: Kiva Robot nâng kệ hàng

Các công ty trong nước đang nghiên cứu và ứng dụng robot tự hành trong các nhà máy nhằm giảm giá thành và cập nhật công nghệ mới Tuy nhiên, hạn chế về công nghệ sản xuất ảnh hưởng đến quy mô và chất lượng sản phẩm robot nội địa Năm 2013, công ty Changsing Việt Nam đã triển khai hệ thống AGV để tự động vận chuyển hàng hóa trong quy trình sản xuất giày, với sự hỗ trợ từ nhóm AZauto của trường Đại học Lạc Hồng Hệ thống AGV sử dụng công nghệ dẫn đường bằng line từ trường và RFID để nhận diện khúc cua cũng như vị trí sạc AGV có khả năng kéo hàng hóa lên đến 400 kg với khối lượng bản thân 150 kg, hoạt động với tốc độ khoảng 0,5 m/s.

Hình 1.7: Smart AGV trong công ty Changsing Việt Nam.

Mục tiêu, nhiệm vụ và phạm vi luận văn

1.3.1 Mục tiêu luận văn Ở Việt Nam hiện nay, nhu cầu sản xuất, mua bán hàng hoá ngày càng cao Các nhà máy luôn đòi hỏi cải tiến trong quá trình vận chuyển hàng hoá để nâng cao năng suất Chính vì vậy mà xe tự hành được nghiên cứu phát triển và ứng dụng Mục tiêu của đề tài như sau: phân tích và thiết kế robot tự hành hoạt động trong nhà xưởng

1.3.2 Nhiệm vụ luận văn a) Phân tích và lựa chọn phương án Đây là bước đầu tiên của quá trình thiết kế nhằm đưa ra hướng giải quyết vấn đề:

- Đề xuất phương án khả thi: cơ khí, điện, điều khiển

- Đánh giá và lựa chọn phương án thiết kế

- Tìm hiểu và đánh giá các thiết bị trên thị trường để thực hiện phương án: động cơ, vi điều khiển… b) Thiết kế hệ thống cơ khí

Với kết cấu cơ khí đã chọn, tiến hành tính toán thiết kế Các công việc bao gồm:

- Thiết lập các phương trình động học, quan hệ giữa vận tốc góc của động cơ và vận tốc của robot

- Tính toán công suất để lựa chọn động cơ

- Tính toán thiết kế các chi tiết cơ khí của robot c) Thiết kế hệ thống điện – điện tử

Với các phương án điện đã được lựa chọn, cần xác định thông số kỹ thuật và sử dụng các thiết bị phù hợp để kết hợp chúng thành một hệ thống hoàn chỉnh Công việc này bao gồm việc lựa chọn thiết bị và lắp ráp chúng một cách hiệu quả.

- Lựa chọn thông số vi điều khiển, các mô đun công suất và cảm biến

Sử dụng cảm biến của robot để thiết kế bộ điều khiển, kết hợp hồi tiếp vận tốc nhằm điều khiển động cơ hiệu quả Đồng thời, xây dựng giải thuật điều khiển tối ưu cho hệ thống.

Tiến hành thiết kế các giải thuật điều khiển cho robot với các công việc sau:

- Thiết kế giải thuật tìm đường trên máy tính cho một hệ thống kho hàng cụ thể

- Thiết kế giải thuật điều khiển robot tự hành để đáp ứng các yêu cầu e) Lập trình

Lập trình trên máy tính và vi điều khiển, các công việc gồm:

Lập trình giao diện chọn hàng hóa trên máy tính

- Lập trình giải thuật tìm đường đi đến tất cả vị trí hàng hóa

- Gửi dữ liệu đã xử lý cho robot

Lập trình vi điều khiển trên robot

- Nhận dữ liệu từ máy tính, thực hiện di chuyển

- Gửi về máy tính những thông số về trạng thái của robot f) Thực nghiệm và đánh giá kết quả

- Đánh giá kết quả thực nghiệm, nêu lên những hạn chế của giải thuật và mô hình

1.3.3 Giới hạn và phạm vi luận văn

Robot tự hành trong điều kiện địa hình bằng phẳng, với các thông số sau:

- Khối lượng robot ước tính: 50 (kg)

- Khối lượng vận chuyển: tối đa 50 (kg)

- Vận tốc di chuyển tối đa: 0,5 (m/s)

- Thời gian làm việc ước tính: 8 (giờ).

Tổ chức luận văn

Chương 2 tập trung vào việc lựa chọn phương án thiết kế cơ khí cho robot, bao gồm các cơ cấu lái và bộ truyền Bên cạnh đó, chương cũng đề cập đến việc chọn lựa các thành phần điện – điện tử, bao gồm động cơ, cảm biến dẫn đường và bộ điều khiển, nhằm tối ưu hóa hiệu suất hoạt động của robot.

Chương 3 tập trung vào việc phân tích phương trình động học và các biểu thức vận tốc của robot Nội dung bao gồm tính toán công suất cần thiết cho động cơ và thiết kế cơ khí, cũng như tính toán các trục chịu tải của robot.

Chương 4 tập trung vào việc xây dựng hệ thống điện, bao gồm việc lập sơ đồ kết nối các mô đun trong hệ thống điện và hướng dẫn sử dụng cũng như điều khiển các thiết bị trên robot.

- Chương 5: thiết kế giải thuật chương trình tìm đường trên máy tính, chương trình điều khiển trên robot

- Chương 6: thực nghiệm và đánh giá kết quả

- Chương 7: tổng kết và nêu phương hướng phát triển đề tài.

LỰA CHỌN PHƯƠNG ÁN THIẾT KẾ ROBOT

Phương án cơ khí

2.1.1 Lựa chọn cơ cấu lái Để có phương án di chuyển phù hợp, ta cần phân tích các dạng cơ cấu lái thường được sử dụng cho robot trong nhà xưởng như sau:

• Cơ cấu lái vi sai (differential drive)

Cơ cấu điều khiển sử dụng hai bánh dẫn động phía sau nhằm đạt được vận tốc và góc xoay mong muốn, đồng thời xe cần được trang bị bánh tự lựa để duy trì sự cân bằng.

- Đơn giản về cơ khí và dễ dàng áp dụng

- Không cần cơ cấu bẻ lái

- Bán kính quay xe bằng không

- Điều khiển đồng thời vận tốc và hướng của xe bằng hai động cơ

- Khó điều khiển chạy thẳng do hai động cơ độc lập

- Dễ lật đối với xe chỉ có một bánh tự lựa trên địa hình gồ ghề

• Cơ cấu lái xe ba bánh (tricycle)

Cơ cấu này trang bị một động cơ dẫn động cho hai bánh sau, đi kèm với bộ vi sai, cùng với một động cơ cho bánh trước, có thể đảm nhiệm vai trò lái hoặc vừa dẫn động vừa lái.

- Điều khiển dẫn động và bẻ lái độc lập

- Cơ cấu lái đơn giản (nếu bánh dẫn động phía sau)

- Di chuyển qua đoạn đường cong ổn định

- Dẫn động bánh sau cần có bộ vi sai (nếu không có sẽ bị trượt bánh lái)

- Dễ lật trên địa hình gồ ghề

Hình 2.2: Robot Athena sử dụng cơ cấu lái xe 3 bánh [7]

• Cơ cấu lái đồng bộ (Synchronous drive, swerve drive) Tất cả các bánh xe đều gắn động cơ dẫn động và bẻ lái

Hình 2.3: DEWBOT XIII sử dụng cơ cấu lái đồng bộ 4 bánh [8]

- Bán kính quay xe bằng không

- Di chuyển tốt trên địa hình gồ ghề (đối với xe bốn bánh trở lên)

- Di chuyển về mọi hướng mà không cần quay xe

- Hệ thống cơ khí phức tạp vì mỗi bánh phải có động cơ dẫn động và bẻ lái

- Điều khiển phức tạp do có nhiều động cơ

Mô hình robot cần một cơ cấu lái đơn giản và linh hoạt để dễ dàng xoay trở trong kho hàng, với ưu điểm lớn là bán kính góc quay bằng không Do điều kiện di chuyển trong nhà xưởng là bằng phẳng, cơ cấu lái vi sai là lựa chọn phù hợp Giải pháp tối ưu là sử dụng cơ cấu lái vi sai đơn giản với hai bánh dẫn động phía sau và một bánh tự lựa phía trước.

Bộ truyền đai gồm bánh dẫn lắp trên trục động cơ, bánh bị dẫn lắp trên tải

Momen truyền đi nhờ vào lực ma sát sinh ra giữa dây đai và các bánh đai

- Không gây ồn ào, làm việc êm

- Khi động cơ bị quá tải sẽ không gây thiệt hại do sự trượt của đai

- Có thể truyền động giữa các trục cách xa nhau

- Tỷ số truyển khi làm việc thay đổi do đai bị trượt

- Kích thước bộ truyền, cơ cấu căng đai lớn, cồng kềnh

Bộ truyền đai răng có cơ cấu tương tự bộ truyền đai nhưng momen truyền đi nhờ ăn khớp giữa dây đai và các bánh đai

Hình 2.5: Bộ truyền đai răng

- Kích thước bánh đai nhỏ

- Không có hiện tượng trượt giữa đai và bánh đai

- Kích thước bộ truyền, cơ cấu căng đai lớn, cồng kềnh

Bộ truyền xích gồm có xích và các đĩa xích dẫn, bị dẫn, giúp chuyển động và tải trọng từ trục dẫn động sang trục bị dẫn Sự ăn khớp giữa các mắt xích và răng của đĩa xích là yếu tố quan trọng trong quá trình truyền động này.

- Không có hiện tượng trượt

- Lực tác dụng lên trục nhỏ hơn bộ truyền đai

- Có thể truyền động giữa các trục cách xa nhau

- Kích thước bộ truyền lớn, cồng kềnh, tốc độ chậm

- Gây ra tiếng ồn, không thích hợp khi làm việc ở vận tốc cao

- Dễ bị ăn mòn, biến dạng xích, phải thường xuyên thay thế

Bộ truyền bánh răng truyền tải chuyển động và mô men thông qua sự ăn khớp giữa các bánh răng Các trục dẫn động và bị dẫn có thể sắp xếp theo nhiều cách, bao gồm song song, giao nhau, chéo nhau hoặc chuyển đổi chuyển động quay thành chuyển động tịnh tiến.

Hình 2.7: Bộ truyền bánh răng

- Kích thước bộ truyền nhỏ, khả năng tải lớn

- Tỷ số truyền không đổi, hiệu suất cao

- Vận tốc làm việc và tỉ số truyền lớn nhờ lắp nhiều bánh răng ăn khớp

- Tuổi thọ và độ bền cao

- Chế tạo tương đối phức tạp, đòi hỏi độ chính xác cao

Khi làm việc với vận tốc lớn, tiếng ồn là một vấn đề cần lưu ý Trong đề tài này, robot chế tạo có kích thước và khối lượng nhỏ, vì vậy các phương án sử dụng bộ truyền đai và bộ truyền xích đã bị loại bỏ Mặc dù bộ truyền đai răng có kích thước nhỏ hơn bộ truyền đai thông thường, nhưng độ bền và tuổi thọ của nó không bằng các bánh răng Hơn nữa, bộ truyền bánh răng có nhiều ưu điểm như hiệu suất cao, khả năng tải tốt và kích thước phù hợp, nên được chọn làm phương án tối ưu cho robot trong đề tài này.

Phương án điện – điện tử

Robot tự hành di động thường sử dụng động cơ dòng điện DC, bao gồm động cơ bước, động cơ DC và động cơ DC servo Để điều khiển vận tốc, động cơ DC cần có hồi tiếp vận tốc, mặc dù một số động cơ DC có thể kiểm soát chính xác mà không cần hồi tiếp nhưng chi phí rất cao Do đó, động cơ bước và động cơ DC servo trở thành những lựa chọn khả thi Bài viết sẽ phân tích ưu, nhược điểm của hai loại động cơ này để xác định loại động cơ phù hợp với yêu cầu cụ thể.

Động cơ bước là loại động cơ điều khiển vòng hở, chuyển đổi các xung điện thành chuyển động quay của rotor Giá trị góc quay của động cơ phụ thuộc vào số xung điện được cung cấp, với mỗi vòng quay có số bước cố định Tốc độ quay có thể được điều chỉnh bằng cách thay đổi tốc độ tín hiệu điện cấp cho động cơ.

- Không cần hồi tiếp tín hiệu

- Điều khiển chính xác, không có vọt lố và có momen giữ tại một vị trí

- Dễ bị trượt bước khi mang tải lớn

- Tốc độ của động cơ không cao, tối đa từ 1000 ÷ 2000 (rpm)

Động cơ DC servo là loại động cơ DC được trang bị bộ phận đo lường thông số đầu ra, chủ yếu là góc quay và vận tốc quay Bộ điều khiển sẽ điều chỉnh dòng điện cung cấp cho động cơ dựa trên các sai số về góc quay và vận tốc quay, nhằm đạt được các giá trị mong muốn.

Hình 2.9: Động cơ DC servo

- Momen khởi động và vận tốc lớn

- Động cơ chạy êm khi đạt vận tốc cố định

- Có tín hiệu hồi tiếp nên có thể điều khiển được góc quay và vận tốc + Nhược điểm:

- Khi dừng lại, tùy theo chất lượng của bộ điều khiển ảnh hưởng đến đáp ứng nên có thể gây dao động, rung lắc

- Tín hiệu hồi tiếp có thể bị nhiễu

Dưới đây là bảng tổng kết các đặc điểm của hai loại động cơ đã được phân tích

Bảng 2.1: So sánh động cơ bước và động cơ DC servo

Dựa vào phân tích và điều kiện hoạt động của robot, động cơ DC servo sẽ là phương án được lựa chọn để thiết kế robot

Dựa trên các so sánh, quyết định lựa chọn động cơ DC servo kết hợp với bộ truyền bánh răng là hợp lý Với các yêu cầu thiết kế robot như tính linh hoạt và kích thước nhỏ gọn, việc sử dụng động cơ DC servo tích hợp sẵn hộp giảm tốc là sự lựa chọn tối ưu.

2.2.2 Lựa chọn phương pháp dẫn đường

Từ chương tổng quan, chúng ta nhận thấy những loại đường dẫn cố định phù hợp cho đề tài này Bài viết sẽ phân tích các đặc điểm của những loại đường dẫn thông dụng, bao gồm màu sắc, từ trường và dây cảm ứng điện.

Đường dẫn màu là một giải pháp hiệu quả cho robot, sử dụng cảm biến quang học để nhận diện Việc lắp đặt và thay đổi đường dẫn màu không làm ảnh hưởng đến mặt sàn, mang lại tính linh hoạt cao Tuy nhiên, cảm biến quang có thể bị ảnh hưởng bởi ánh sáng từ đèn điện và mặt trời, làm giảm độ chính xác Bề mặt đường dẫn cũng dễ bị bám bẩn và mài mòn, dẫn đến sai lệch trong quá trình di chuyển của robot Các đặc điểm như loại động cơ, điều khiển góc quay và vận tốc, cùng với tốc độ tối đa và hồi tiếp, cũng cần được xem xét để tối ưu hóa hiệu suất hoạt động.

Không Động cơ bước Có Thấp

Có Động cơ DC servo Có Cao

Hình 2.10: Đường dẫn màu đen trên nền trắng

Đường dẫn từ trường có hai phương pháp lắp đặt chính: dán trực tiếp lên mặt sàn và thi công âm sàn Phương pháp thi công âm sàn yêu cầu sử dụng máy móc, trong khi dán băng từ lên mặt sàn dễ dàng hơn và cho phép điều chỉnh linh hoạt Tuy nhiên, tuổi thọ của đường dẫn dán có thể giảm khi tiếp xúc với nhiều phương tiện nặng Một ưu điểm nổi bật của đường dẫn từ là khả năng không bị ảnh hưởng bởi ánh sáng và bụi bẩn, nhưng cũng có nhược điểm là có thể bị nhiễu do từ trường.

Hình 2.11: Đường dẫn từ và cảm biến từ

Đường dẫn cảm ứng điện hoạt động bằng cách sử dụng dòng điện thay đổi để tạo ra từ trường quanh dây dẫn, được chôn dưới bề mặt sàn Robot được trang bị anten với các cuộn dây quấn để nhận biết đường đi Ưu điểm của hệ thống này là khả năng phân biệt nhiều đường dẫn bằng tần số khác nhau Tuy nhiên, nhược điểm là cần có bộ nguồn điều khiển dòng điện, và việc lắp đặt yêu cầu cắt xuống bề mặt sàn, dẫn đến chi phí cao Hơn nữa, các thiết bị dẫn đường này hiện đang rất hiếm trên thị trường trong nước.

Hình 2.12: Nguyên lý dẫn đường bằng cảm ứng điện

Hình 2.13: Anten dò đường dẫn cảm ứng điện

Từ những phân tích trên và điều kiện thiết kế hệ thống robot cũng như giá thành, đường dẫn từ trường được chọn cho đề tài này

2.2.3 Lựa chọn phương án bộ điều khiển

Có ba phương án điều khiển có thể sử dụng cho robot đó là:

Bộ điều khiển PLC được ưa chuộng trong ngành công nghiệp nhờ vào độ bền và tính tin cậy vượt trội Các thành phần của hệ thống PLC được chuẩn hóa, dễ dàng tìm thấy trên thị trường Tuy nhiên, hệ thống điều khiển sử dụng PLC có kích thước lớn và chi phí đầu tư tương đối cao.

Sử dụng vi điều khiển là phương án phổ biến cho robot di chuyển, với ưu điểm là kích thước nhỏ gọn và giá thành rẻ Tuy nhiên, phương pháp này chỉ phù hợp cho các hệ thống vừa và nhỏ, đồng thời thời gian hoạt động không kéo dài.

Hình 2.15: Vi điều khiển Arduino Mega 2560

Trong các hoạt động thực tế, bộ điều khiển PLC được ưa chuộng nhờ vào độ tin cậy cao Tuy nhiên, đối với những mô hình thử nghiệm, việc lựa chọn vi điều khiển có thể giúp tiết kiệm chi phí hiệu quả.

Chương này đã hoàn thành việc phân tích và lựa chọn phương án cơ cấu cơ khí cũng như phương án điện – điện tử cho robot.

THIẾT KẾ HỆ THỐNG CƠ KHÍ

Yêu cầu thiết kế

Dựa trên các phương án đã lựa chọn sơ đồ cho mô hình cơ khí được thết kế như sau:

2 Cơ cấu truyền động 5 Động cơ DC encoder

3 Bánh xe tự lựa 6 Trục dẫn động

Hình 3.1: Sơ đồ nguyên lý mô hình xe tự hành

Các thông số của robot cho trước:

1 Bánh xe dẫn động 4 Khung robot

• là bán kính bánh xe dẫn động

• là khoảng cách trung điểm trục xe đến điểm bám line

• là khoảng cách giữa hai bánh chủ động

Phân tích mô hình động học của robot

Để bộ điều khiển có thể theo dõi một điểm mong muốn, cần xác định hệ tọa độ của xe Hệ trục tọa độ tuyệt đối được chọn, trong khi hệ trục tọa độ tương đối gắn liền với xe.

Hình 3.2: Hệ trục tọa độ cho phương trình chuyển động của hệ thống với

- , là vận tốc dài tức thời bánh trái và bánh phải

- là khoảng cách trung điểm trục xe đến điểm bám line

- là khoảng cách trung điểm trục xe với tâm vận tốc tức thời

- là trung điểm của tâm 2 bánh xe

- là hướng của xe tại điểm bám line

- là khoảng cách giữa 2 bánh chủ động

Tọa độ tâm vận tốc tức thời trên hệ tọa độ là:

Với bán kính quay tức thời là:

Phương trình động học của xe tại điểm là: ̇ 0 ̇ = 0 ̇ 0 1

Phương trình động học của xe quy về điểm bám line C là:

Trong đó: , là vận tốc dài, vận tốc góc của xe được tính như sau:

- là bán kính bánh xe

- , là tốc độ quay của bánh phải và bánh trái

Phương trình động học của điểm tham chiếu R nằm trên đường line là: ̇ 0 ̇ = 0 (3.8) ̇ 0 1

Với , là vận tốc dài, vận tốc góc mong muốn thiết kế cho xe

Bộ điều khiển được phát triển nhằm điều chỉnh điểm bám đường đến vị trí và vận tốc mong muốn Để thực hiện điều này, cần xác định các sai số bám line trong hệ tọa độ một cách chính xác.

− )(− ) + ( − ) − (3.10) Sau khi có giá trị sai số vị trí, ta đạo hàm chúng để có được sai số về vận tốc như sau: ̇ ̇ ̇ = +

(3.11) Thay (3.7) vào (3.11) ta được sai số về vận tốc:

Mục đích của giải thuật điều khiển là đảm bảo điểm C bám sát điểm tham chiếu R Để đạt được điều này, cần xác định các sai số liên quan Trong thực tế, vận tốc thực của xe gần bằng vận tốc mong muốn, dẫn đến sai số bằng 0 Sai số này được đo từ cảm biến, và chúng ta cần tính toán sai số chính xác Để tính toán sai số, xe sẽ di chuyển theo phương trước đó một đoạn nhỏ, sao cho khi nối hai điểm, ta có thể xác định được tiếp tuyến của đường cong.

Hình 3.3: Xe di chuyển đoạn trong thời gian lấy mẫu.

Tính toán lựa chọn công suất động cơ

Robot hoạt động trên địa hình phẳng, với giả thiết không tính đến sự biến dạng của bánh xe và lực cản của không khí trong quá trình di chuyển.

Các thông số của robot:

- Khối lượng robot ước tính: = 50 (kg)

- Khối lượng hàng tối đa: 50 (kg)

- Chọn bánh xe có đường kính: 2 = 100 (mm)

- Tốc độ tối đa là: 0,5 (m/s)

Hình 3.4: Bánh xe dẫn động

Thông số cơ bản của bánh xe là: đường kính là 100 (mm), bề rộng của bánh xe là 40 (mm), tải trọng tối đa 350 (kg)

Phân tích lực tác dụng lên một bánh xe chủ động gồm 4 lực tác dụng như sau:

Hình 3.5: Sơ đồ phân tích lực

- ⃗ là lực ma sát nghỉ giữa bánh xe và bề mặt sàn bê tông

- ⃗ là lực kéo sinh ra do momen của động cơ

- ⃗ là phản lực của mặt sàn

- ⃗ là một nửa trọng lực của xe, = /2

- ⃗ là momen xoắn của động cơ

- là một nửa tổng trọng lượng của robot và hàng, = /2

Robot được lập trình để di chuyển theo phương thức chuyển động thẳng, với hai bánh dẫn động hoạt động đồng thời và cùng tốc độ tiến về phía trước, đạt vận tốc 0,5 m/s Tốc độ quay của bánh xe được tính toán dựa trên thông số này.

Phương trình cân bằng lực:

⃗ + ⃗ + ⃗ + ⃗ = ⃗ Với là gia tốc của xe

• Khi xe chuyển động đều

Vận tốc không đổi là = 0,5 (m/s), nên gia tốc = 0 (m/s ) Khi đó:

Lực kéo sinh ra do momen của động cơ là:

= = = 0,015 × 245 = 3,7 (N) Với: hệ số ma sát lăn = 0,015 khi di chuyển trên sàn bê tông

Công suất cần thiết để xe di chuyển ổn định với vận tốc 0,5 (m/s) là:

Xe tăng tốc với gia tốc = 0,5 (m/s ) để hàng không rơi

Lực kéo sinh ra do momen của động cơ là:

Với hệ số ma sát tĩnh là = 1

Momen xoắn cần thiết để xe tăng tốc là:

= = 270 × 0,05 = 13,5 (Nm) Công suất cần thiết để xe tăng tốc lên 0,5 (m/s) là:

Công suất động cơ cần thiết là 135W với tốc độ yêu cầu 95,5 rpm, dựa trên kết quả từ (3.14) và (3.15) Để đáp ứng các yêu cầu này, chúng tôi chọn động cơ 57BL03A DC servo, sử dụng điện áp 12V, có công suất 135W và hộp giảm tốc, với tốc độ không tải đạt 95 rpm.

Tính toán thiết kế trục dẫn động

3.4.1 Phân tích lực và chọn đường kính trục dẫn động

Các thông số ban đầu như sau:

- Số vòng quay là: = 95,5 (rpm)

- Đường kính vòng lăn bánh răng bị động là: = 30 (mm)

Phản lực từ bánh xe là: = = 50 × 9,8 = 490 (N)

Lực vòng tác dụng lên bánh răng là:

= = 450 (N) Lực hướng tâm tác dụng lên bánh răng là:

Sơ đồ phân tích lực:

Hình 3.7: Sơ đồ phân tích lực trục dẫn động

Phương trình cân bằng lực và momen là:

/ = 0 ⇔ 12 − 24 = 0 Suy ra phản lực tại các gối tựa là:

= 689 (N) Moment tương đương tại các tiết diện là:

Tính toán đường kính các đoạn trục tại các tiết diện với [ ] = 63 (MPa) là ứng suất cho phép của thép CT6 theo bảng 10.5 [6]

Đường kính trục tại vị trí lắp ổ lăn được chọn là 17 mm theo kích thước vòng trong của ổ lăn tiêu chuẩn bảng 6.5 Đối với vị trí lắp bánh răng, đường kính được chọn là 18 mm, trong khi đó, đường kính tại vị trí lắp bánh xe là 16 mm.

Hình 3.8: Biểu đồ momen trục dẫn động

3.4.2 Chọn và kiểm nghiệm then

Chọn mối ghép then bằng với vật liệu là thép C45

Dựa vào bảng 9.1a, chọn kích thước then × ℎ dựa trên tiết diện lớn nhất của trục Chiều dài của then cần được chọn theo tiêu chuẩn, nhỏ hơn chiều dài mayeu từ 5 đến 10mm Cuối cùng, thực hiện kiểm nghiệm then để đảm bảo độ bền dập và độ bền cắt.

= − là chiều dài làm việc của then bằng 2 đầu tròn Đường kính d

Các mặt cắt trên có độ bền cắt và độ bền dập nhỏ hơn độ bền giới hạn của then

Do đó hai then đều thỏa độ bền cắt và độ bền dập

Chương này đã hoàn thành phân tích, tính toán thiết kế cơ khí cho mô hình robot thử nghiệm.

THIẾT KẾ HỆ THỐNG ĐIỆN – ĐIỆN TỬ

Sơ đồ khối chung của hệ thống điện

Mô hình robot sử dụng vi điều khiển làm bộ điều khiển trung tâm, với mỗi động cơ được trang bị encoder để hồi tiếp góc quay và vận tốc về vi điều khiển Động cơ được điều khiển thông qua driver công suất bằng tín hiệu xung PWM từ vi điều khiển Cảm biến từ đo độ lệch của xe và gửi tín hiệu analog về vi điều khiển Máy tính truyền lệnh đến vi điều khiển qua cổng COM của mô đun bluetooth, cho phép vi điều khiển nhận chỉ dẫn đường đi qua kết nối với mô đun này.

Hình 4.1: Sơ đồ khối hệ thống điều khiển.

Lựa chọn thông số các thiết bị

Arduino là một trong những vi điều khiển phổ biến nhất hiện nay nhờ vào tính dễ sử dụng và sự phong phú của tài liệu hỗ trợ Phần mềm biên dịch Arduino IDE sử dụng ngôn ngữ C++, giúp quá trình lập trình trở nên thuận lợi và hiệu quả hơn.

Board mạch được sử dụng ở đây là Arduino Mega 2560 có các thông số sau:

VI ĐIỀU KHIỂN Nguồn DC 5V Cảm biến từ

Encoder động cơ phải Driver công suất

Máy tính Động cơ phải

- Chip vi xử lý: ATmega2560

- Số chân digital: 54 (chân), 15 chân có thể xuất xung PWM

- Các bộ giao tiếp: 4 bộ UART, 1 bộ SPI, 1 bộ I2C

- Có 6 chân ngắt ngoài là: 2, 3, 18, 19, 20, 21

Hình 4.2: Vi điều khiển Arduino Mega 2560 4.2.2 Mạch công suất động cơ

Các yêu cầu của mạch công suất:

- Dòng ngõ ra đủ đáp ứng cho động cơ

- Điều khiển được bằng xung PWM

- Hoạt động ổn định trong thời gian dài

- Có thể lắp đặt trên robot thường xuyên di chuyển

Thông số động cơ 57BL03A DC servo như sau:

Từ những thông số động cơ, có thể chọn mạch Hbr-M công suất 200 (W) có thông số như sau:

- Điện áp hoạt động: 10÷28 (VDC)

- Dòng điện liên tục lên đến: 10 (A)

- Điện áp tín hiệu điều khiển: 3,3÷5 (V)

- Tần số PWM tối đa: 100 (KHz)

- Có bảo vệ quá nhiệt

Hình 4.3: Mạch công suất động cơ DC Hbr-M công suất 200(W)

Các chân của mạch công suất là:

- P , GND: nguồn cấp cho phần công suất

- VCC, GND: nguồn điều khiển

- PWM: cấp xung PWM cho mạch cầu H

- DIR: đảo chiều động cơ

Sử dụng cảm biến từ

4.3.1 Các thông số của cảm biến:

Cảm biến từ trường dẫn đường MACOME GS-2744B hoạt động với điện áp từ 10,8 đến 30 VDC và có đường dẫn từ bề rộng 25 mm Các thông số kỹ thuật của cảm biến từ này đảm bảo hiệu suất tối ưu trong các ứng dụng dẫn đường.

- Điện áp hoạt động: từ 10,8 ÷ 30 (VDC)

- Điện áp đầu ra: analog 2 ÷ 8 (V), trả về 5 (V) khi không lệch tâm line

- Chiều cao lắp đặt: từ 5 ÷ 40 (mm)

Hình 4.4: Cảm biến từ trường MACOME GS-2744B

Sử dụng vi điều khiển đọc cảm biến từ

Sơ đồ nguyên lý hoạt động của cảm biến từ GS-2744B như sau:

Hình 4.5: Sơ đồ nguyên lý hoạt động cảm biến từ

Các phần tử cảm biến Đường dẫn từ

Mạch ngõ ra lệch trái lệch phải

Cảm biến từ GS-2744B có tín hiệu ngõ ra từ 2 ÷ 8 (V), trong khi vi điều khiển chỉ có khả năng đọc giá trị từ 0 ÷ 5 (V) Để đảm bảo sự tương thích, cần sử dụng mạch chuyển đổi điện áp Theo datasheet, cảm biến này yêu cầu điện trở tải nhỏ nhất là 2 (kΩ) Do đó, mạch phân áp với các thông số điện trở là 1,2 (kΩ) và 2 (kΩ) có thể được áp dụng để đọc giá trị phù hợp với vi điều khiển.

Hình 4.6: Nguyên lý mạch phân áp

Để xác định giá trị điện áp tương ứng với độ lệch thực của cảm biến qua cầu chia áp, cần áp dụng công thức tính điện áp Tuy nhiên, việc mắc điện trở tại đầu ra có thể dẫn đến sự suy giảm tín hiệu, gây ảnh hưởng đến độ chính xác của giá trị đọc được Do đó, việc tiến hành thí nghiệm là cần thiết để đạt được kết quả chính xác hơn.

1.1.1 Mô hình thí nghiệm cảm biến từ

Mô hình được sử dụng để xác định đường dẫn từ tịnh tiến bên trái sang bên phải của cảm biến Vi điều khiển sẽ đọc giá trị cảm biến sau mỗi lần dịch chuyển 0,1 mm Trước khi thực hiện việc đọc, cần dừng dịch chuyển trong một giây để tránh rung lắc Các giá trị điện áp cần xác định bao gồm: lệch phải lớn nhất, lệch trái lớn nhất và trạng thái không lệch.

3 Cảm biến từ trường 4 Đường dẫn từ

5 Đai răng truyền động 6 Công tắc hành trình

Hình 4.7: Mô hình thí nghiệm cảm biến

Các bước tiến hành thí nghiệm là:

- Gá đường dẫn từ lên bề mặt cơ cấu tịnh tiến

- Cho đường dẫn chạy đến chạm công tắc hành trình Chọn vị trí này là vị trí ban đầu

Cảm biến từ được lắp đặt song song với mặt phẳng tịnh tiến, với chiều cao 20 mm so với mặt phẳng này Khoảng hoạt động của cảm biến từ dao động từ 5 đến 40 mm.

Di chuyển cảm biến gần sát cạnh bên đường dẫn, đảm bảo nó vẫn nằm ngoài đường dẫn Sử dụng ê-ke để canh chỉnh cho cạnh cảm biến tiếp xúc với cạnh đường dẫn và cố định cảm biến một cách chắc chắn.

- Dùng vi điều khiển để đọc giá trị đồng thời điều khiển động cơ bước dịch chuyển Khoảng cách di chuyển là 175 (mm) rồi dừng lại

Để xử lý tín hiệu thu được, cần đọc toàn bộ giá trị Các giá trị nằm trong khoảng 0÷12,5(mm) và 162,5÷175(mm) sẽ bị loại bỏ Kết quả thí nghiệm được thu nhận trong khoảng từ 12,5÷162,5(mm).

1 Động cơ bước 2 Cơ cấu tịnh tiến

Để lấy giá trị cảm biến, tâm đường dẫn được coi là tâm ảo và chỉ có thể suy ra từ một cạnh của đường dẫn Theo phương pháp gá cảm biến, tâm đường dẫn ban đầu được xác định tại vị trí cụ thể.

−12,5 (mm) Có thể nhìn thấy rõ theo sơ đồ sau:

Hình 4.8: Sơ đồ mô hình thí nghiệm cảm biến

4.3.2 Kết quả thí nghiệm cảm biến

Kết quả thu được từ mô hình thực nghiệm là giá trị điện áp của cảm biến ứng với mỗi vị trí từ phải qua trái

Hình 4.9: Đồ thị giá trị đọc được từ cảm biến

Vị trí tâm line lý thuyết đo được giữa cảm biến là 75 mm, trong khi khoảng nhận biết thực tế nằm trong khoảng 70,6 đến 76,2 mm Khi tín hiệu cảm biến báo về vị trí 75 mm, khoảng sai lệch được xác định là ±5,6 mm.

Vị trí tâm line kết thúc

Vị trí tâm line ban đầu Hướng di chuyển

Vị trí dịch chuyển cảm biến (mm)

Các giá trị thu được cho điện áp là 1,92 V và 4,72 V, trong khi điện áp khi không lệch line từ là 3,32 V Dựa trên những giá trị này, có thể thiết lập mối quan hệ giữa điện áp và độ lệch line từ của cảm biến Những thông số này sẽ được áp dụng trong lập trình và hiệu chỉnh robot trong quá trình vận hành.

Điều khiển động cơ DC encoder

Sử dụng bộ điều khiển PID cho từng động cơ giúp điều chỉnh vận tốc hiệu quả Bộ điều khiển này nhận tín hiệu đầu vào từ encoder dưới dạng số xung, từ đó tạo ra giá trị độ rộng xung để cung cấp cho mạch công suất của động cơ.

Hình 4.10: Sơ đồ bộ điều khiển PID cho động cơ Áp dụng sơ đồ và các công thức toán để xây dựng giải thuật điều khiển cho động cơ

Hình 4.11: Chương trình PID điều khiển tốc độ động cơ

Speed = Pulse – pre_Pulse pre_Pulse = Pulse Err = ctrl_Speed – Speed

D = kD*(Err – pre_Err)/sam_Time

Output = Period xuất xung PWM pre_Err = Err Kết thúc

Hình 4.12: Chương trình đọc giá trị encoder

Phương pháp Ziegler-Nichols được sử dụng để xác định các thông số cho bộ điều khiển PID Bắt đầu với độ lợi được đặt bằng không, sau đó tăng dần cho đến khi tín hiệu phản hồi bắt đầu dao động Khi đạt được độ lợi tới hạn, tín hiệu sẽ dao động với một chu kỳ nhất định Từ đó, chúng ta có thể suy ra độ lợi cho các bộ điều khiển dựa vào bảng tham chiếu.

Bảng 4.1: Công thức tính thông số các bộ điều khiển

Encoder Kênh A: A ngắt Kênh B: B input

Tiến hành lập trình để tối ưu hóa độ lợi của từng động cơ thông qua Serial Plotter trong Arduino IDE Khi vận tốc của động cơ ổn định, ghi nhận giá trị vận tốc Tiến hành cho động cơ hoạt động với độ lợi đã xác định và lưu lại kết quả vận tốc Dựa vào kết quả thu được, thực hiện tính toán để xác định thông số cho bộ điều khiển PID của động cơ.

Thiết kế bộ điều khiển bám đường

Bộ điều khiển có nhiệm vụ điều chỉnh sai lệch đường đi về không bằng cách tính toán vận tốc phù hợp cho cả hai động cơ của robot Để đơn giản hóa, chênh lệch vận tốc giữa hai động cơ được sử dụng làm đầu ra của bộ điều khiển, chỉ cần một ngõ vào và một đầu ra Nhờ đó, luật điều khiển PID có thể được áp dụng hiệu quả cho bộ điều khiển robot bám đường.

Hình 4.13: Lưu đồ giải thuật chương trình bám line

Chương này đã hoàn thành lựa chọn thông số cho các thiết bị điện Cũng như sử dụng và thiết kế giải thuật điều khiển các thiết bị

Bắt đầu Đọc giá trị cảm biến

Tính giá trị chênh lệch vận tốc bằng công thức PID

PID điều khiển vận tốc từng động cơ

XÂY DỰNG GIẢI THUẬT DI CHUYỂN

Giải thuật trên máy tính

Sơ đồ nhà xưởng thử nghiệm bao gồm khu vực xuất phát của robot, các vị trí đặt hàng và nơi giao hàng Quá trình vận chuyển hàng của robot diễn ra qua các bước: nhận tín hiệu yêu cầu món hàng từ thông tin vị trí kệ hàng, di chuyển đến đúng kệ hàng để nhận hàng và sau đó chuyển đến điểm giao hàng.

Hình 5.1: Sơ đồ bố trí hàng trong nhà xưởng

Một nhánh rẽ robot có khả năng tiếp cận hai dãy hàng, giúp giảm chiều dài đường dẫn và tiết kiệm chi phí Trong bố trí này, các ký hiệu chữ đại diện cho các cột, các số chỉ thứ tự hàng, ô vuông biểu thị vị trí kệ hàng, và các đường nối cùng rẽ nhánh là các đường dẫn từ trường.

Giao diện điều khiển trên máy tính cho phép người dùng chọn món hàng, sau đó gửi đường đi đến vị trí hàng cho robot Robot sẽ di chuyển theo lộ trình đã được chỉ định để lấy hàng và chuyển đến điểm giao hàng.

Chương trình tính toán đường đi dựa trên thứ tự các cột và hàng, trong đó cột A được đánh số là 1 và các cột tiếp theo theo thứ tự tương ứng Đường đi chính từ Bắt đầu đến Kết thúc có các nhánh rẽ được đánh số từ trái qua phải, bắt đầu từ số 1 Giải thuật yêu cầu chỉ rõ hướng đi khi gặp giao điểm.

Robot di chuyển từ vị trí xuất phát đến kệ hàng tại tọa độ (x,y) để lấy hàng Sau khi lấy hàng, robot chuyển đến vị trí kết thúc Cuối cùng, robot quay trở lại vị trí bắt đầu và chờ lệnh tiếp theo, với một lần quay xe 180° giữa ba giai đoạn di chuyển.

Quy định hướng đi bằng các kí hiệu như sau: s là đi thẳng, b là quay 180°, l là rẽ trái, r là rẽ phải, e là kết thúc

Ban đầu, robot sẽ di chuyển từ vị trí xuất phát đến vị trí hàng Giải thuật giúp robot có thể thực hiện đúng các bước di chuyển đó

Hình 5.2: Lưu đồ giải thuật tạo đường đi đến vị trí một món hàng

Khi nhận hàng, robot sẽ di chuyển đến điểm giao hàng và quay về vị trí chờ lệnh tiếp theo Quy trình di chuyển được điều khiển theo thuật toán: n = y/2 Robot sẽ xuất phát, đi thẳng đến n-1 giao điểm, sau đó rẽ phải và tiếp tục đi thẳng đến x-1 giao điểm.

Hình 5.3: Lưu đồ giải thuật đi từ kệ hàng về lại vị trí xuất phát.

Giải thuật trên robot

Robot phải tuân thủ chính xác các lệnh từ máy tính, bao gồm: 's' để đi thẳng, 'b' để quay 180°, 'l' để rẽ trái, 'r' để rẽ phải, và 'e' để kết thúc Vi điều khiển sẽ lưu trữ các lệnh này dưới dạng biến chuỗi và thực hiện theo độ dài của chuỗi lệnh Cần thiết lập các thông số cho chế độ rẽ phải, rẽ trái và quay 180° thông qua tính toán và thực nghiệm.

Vi điều khiển nhận lệnh di chuyển qua giao thức UART, và trong Arduino, hàm serialEvent() cho phép đọc dữ liệu ngay khi nhận mà không gây ra độ trễ cho hệ thống.

Kệ hàng Đi thẳng x-1 giao điểm, rẽ phải, đi thẳng 2-n giao điểm

Quay đầu lại, đi thẳng n giao điểm

Hình 5.4: Lưu đồ giải thuật hàm sự kiện nhận dữ liệu

Robot cần nhận diện giao điểm và lập tức đưa ra quyết định về lộ trình Để thực hiện điều này, cần sử dụng chương trình ngắt cho cảm biến khi robot gặp giao điểm.

Hình 5.5: Lưu đồ giải thuật chương trình ngắt gặp giao điểm

Sự kiện nhận dữ liệu UART ready_flag = 1, i = 0, path = chuỗi đường đi

Kết thúc Gặp giao điểm turn = 1, i++

Khi phát hiện giao điểm, robot cần xử lý để chọn đúng lộ trình Các bước bao gồm chuyển lệnh thành lựa chọn đường đi và thực hiện lựa chọn đó Giải thuật xử lý giao điểm hỗ trợ robot trong việc thực hiện các công việc này một cách hiệu quả.

Hình 5.6: Lưu đồ giải thuật chương trình xử lý giao điểm

S cài vL < vR path[i] = s cài vL < vR Đ Đ Đ Bắt đầu

Góc quay đạt turn = 0, i++ turn = 1 Đ

Chương trình chính trên robot tổng hợp các giải thuật con để thực hiện nhiệm vụ hiệu quả Việc sử dụng các giải thuật con đúng lúc giúp robot nhận và lưu vị trí điểm đến, ra lệnh di chuyển, và xử lý thông tin từ cảm biến để lựa chọn lộ trình phù hợp.

Hình 5.7: Lưu đồ giải thuật chương trình chính

Chương này đã thiết kế được giải thuật điều khiển gồm: giải thuật chương trình điều khiển trên máy tính và giải thuật thực hiện lệnh của robot

Khởi động các mô đun, khởi tạo các biến Đ

Xử lý giao điểm turn = 1

THỰC NGHIỆM VÀ ĐÁNH GIÁ KẾT QUẢ

Phương pháp thực nghiệm

Sử dụng mô hình thí nghiệm không giống hoàn toàn nhưng vẫn đảm bảo đúng các yêu cầu về:

- Cơ cấu lái của robot

- Phương án điều khiển: sử dụng vi điều khiển

- Đáp ứng được một số tín hiệu để điều khiển robot như động cơ có encoder, sử dụng cảm biến từ trường, sử dụng giao tiếp với máy tính

Mạch giao tiếp sử dụng mô đun bluetooth HC-05 để truyền dữ liệu từ vi điều khiển đến máy tính có hỗ trợ bluetooth Sau khi kết nối, máy tính sẽ xuất hiện một cổng COM để giao tiếp với mạch Arduino thực hiện việc truyền dữ liệu cho mạch bluetooth qua cổng UART Các thông số kỹ thuật của mạch bluetooth HC-05 bao gồm

- Giao tiếp với vi điều khiển bằng UART

Thực nghiệm điều khiển động cơ

Kết quả thực nghiệm tìm hai thông số là độ lợi và chu kì dao động của hai động cơ như sau:

- Động cơ bên trái dao động khi = 4,1và = 0,525 (s)

Hình 6.2: Đồ thị vận tốc động cơ trái khi đạt độ lợi tới hạn

Theo bảng 4.1, tính đước các hệ số bộ điều khiển PID động cơ bên trái:

Hình 6.3: Đồ thị vận tốc động cơ phải khi đạt độ lợi tới hạn

Thông số bộ điều khiển PID cho động cơ bên phải được xác định là = 2,46; = 9,37; = 0,16 Sau khi đưa các thông số này vào bộ điều khiển, tiến hành thử nghiệm với tốc độ mong muốn là 180 rpm, tương đương khoảng 0,6 m/s qua bánh xe thử nghiệm Đáp ứng của động cơ trái là 0,6 s, trong khi động cơ phải có thời gian đáp ứng khoảng 0,8 s Kết quả cho thấy đáp ứng vận tốc của động cơ đáp ứng điều kiện tăng tốc lớn hơn 0,5 m/s.

Hình 6.4: Đồ thị đáp ứng của động cơ bên trái

Hình 6.5: Đồ thị đáp ứng của động cơ bên phải.

Thực nghiệm điều khiển bám line

Phương pháp Ziegler-Nichols được áp dụng để xác định các thông số cho luật điều khiển PID trong bộ điều khiển bám line Bằng cách tăng độ lợi cho đến khi xe bắt đầu dao động, chúng ta có thể thu được các thông số cần thiết cho hệ thống điều khiển.

= 0,26 và dựa vào đồ thị dao động xác định = 0,62 (s) Từ bảng 4.1, tính được các hệ số:

Hình 6.6: Đồ thị dao động của vị trí tâm line đọc từ cảm biến

Để kiểm tra sai số, thay các giá trị tìm được vào bộ điều khiển và cho xe chạy bám theo đường thẳng Gắn ngòi bút 0,1mm tại trung điểm cảm biến để vẽ lại đường chạy Sử dụng camera để chụp lại đường chạy và xử lý ảnh bằng LabView để xác định sai số lớn nhất Các bước xử lý ảnh được thực hiện thông qua công cụ Image Calibration trên NI Vision Assistant.

- Chỉnh bức ảnh về mặt phẳng vuông góc với camera

- Chỉnh đường dẫn từ song song với trục tọa độ của bức ảnh

- Đo độ lệch lớn nhất bằng công cụ Clamp (Rack)

Hình 6.7: Xử lý bức ảnh vuông góc với camera

Hình 6.8: Xoay bức ảnh để line từ song song trục tọa độ bức ảnh

Hình 6.9: Đo khoảng lệch lớn nhất

Sau khi thực hiện các bước đo lường, sai số bám line được xác định là ± 10 mm Nguyên nhân chính là do các hệ số PID chưa tối ưu so với phản ứng của hệ thống robot Để giảm thiểu sai số bám line, cần tiến hành thực nghiệm lại phương pháp Ziegler-Nichols nhiều lần.

Tiến hành nhiều lần thực nghiệm lại nhiều lần và đạt được sai số là ±6 (mm), đủ điều kiện để robot di chuyển ổn định

Hình 6.10: Khoảng lệch giảm xuống sau nhiều lần chỉnh.

Thực nghiệm giải thuật di chuyển trong kho hàng

Sơ đồ thử nghiệm phải đảm bảo có đủ các trường hợp của giải thuật đã thiết kế

Sơ đồ line sau dùng để kiểm nghiệm giải thuật

Hình 6.11: Sơ đồ kho hàng thực nghiệm

Sơ đồ bao gồm hai nhánh và bốn cột, cho phép kiểm tra giải thuật theo các cột khác nhau Tương tự, chỉ cần hai hàng để phân biệt giải thuật theo hàng Để dễ dàng nhận diện, các cột được đánh dấu bằng các chữ cái A, B, C, D.

Lắp đặt một hệ thống line thực nghiệm có kích thước 1,2 × 1,6 (m) là cần thiết Trong quá trình thực nghiệm, việc đánh dấu các vị trí giao điểm sẽ giúp robot nhận biết dễ dàng hơn.

Hình 6.12: Sơ đồ lắp đặt line từ thực nghiệm

Hình 6.13: Hệ thống line từ thực nghiệm

Giao diện trên máy tính lập trình bằng ngôn ngữ C# có các vị trí tương ứng trên sơ đồ để chọn

Lập trình trên giao diện và tạo ra lệnh dẫn đường để gửi xuống vi điều khiển

Hình 6.14: Giao diện điều khiển trên máy tính và kết quả vị trí tính được

Robot thực hiện lệnh điều khiển từ máy tính và sau 0,2 giây, nó gửi lại giá trị sai số bám line một lần sau khi nhận lệnh.

- Tiến hành đặt robot vào vị trí bắt đầu, bật nguồn cho robot

- Kết nối máy tính với cổng giao tiếp, gửi xuống dữ liệu đường đi là điểm B1 có hành trình tính toán trên máy tính là: rlbrrsbsse

- Chờ robot di chuyển hết quãng đường

- Lưu dữ liệu nhận được, vẽ lại đồ thị

Hình 6.16: Đồ thị sai số bám line thực nghiệm

Phân tích đồ thị, với giá trị sai số lệch phải là âm, lệch trái là dương:

- Khoảng thời gian từ 0 đến 6 giây: di chuyển trên đoạn đường thẳng, có một thời điểm bị nhiễu là do đánh dấu giao điểm tại vị trí xuất phát

Hình 6.15: Giao diện chọn vị trí B1

Trong khoảng thời gian từ 6 đến 12 giây, robot đã xác định giao điểm đầu tiên và thực hiện việc rẽ phải theo lệnh đã được đưa ra Đồ thị minh họa rằng robot xoay sang phải và tiếp cận nhánh rẽ bên phải, dẫn đến sự thay đổi giá trị nhanh chóng từ lệch phải sang lệch trái.

- Khoảng 14 đến 18 giây: là đoạn robot rẽ trái

- Khoảng 18 đến 26 giây: là đoạn xoay 180° ngược chiều kim đồng hồ, tại vị trí này robot nhận biết giao điểm là kệ hàng và thực hiện lện quay lại

- Khoảng 26 đến 30 giây: robot rẽ phải

- Khoảng 38 đến 40 giây: robot rẽ phải, tuy nhiên không có line phía trước nên không có tín hiệu lệch phải (âm)

- Khoảng 50 đến 54 giây: robot đã đến vị trí Pick nên quay lại ngược chiều kim đồng hồ

- Robot di chuyển trên các đoạn thẳng có sai số nhỏ hơn 10 (mm)

- Robot đã hoạt động đúng với tín hiệu điều khiển, cho thấy giải thuật trên vi điều khiển hoạt động tốt, các cảm biến phát hiện giao điểm tốt

- Hệ thống line thực nghiệm khá nhỏ nên robot di chuyển chưa liên tục, bị rẽ nhiều nhánh

Thời gian di chuyển để lấy hàng trong hệ thống kho hàng rất ngắn, cho thấy rằng khi áp dụng quy mô lớn hơn, robot có khả năng đáp ứng tốt thời gian vận chuyển Chương này đã hoàn thành việc thực nghiệm điều khiển hệ thống robot, đồng thời phân tích kết quả và đưa ra nhận xét về hiệu quả của hệ thống robot thử nghiệm.

TỔNG KẾT VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN ĐỀ TÀI

Đánh giá kết quả đề tài

Đề tài này đã hoàn thành được các công việc như sau:

- Phân tích mô hình động học, tìm ra mối qua hệ giữa vận tốc hai bánh và góc lệch của mô hình robot

- Thiết kế cơ khí cho mô hình robot tự hành trong nhà xưởng thử nghiệm

- Xây dựng được hệ thống điện, cảm biến, điều khiển và hoàn thiện kết nối các mô đun điện

- Thực nghiệm sử dụng cảm biến, điều khiển động cơ, tìm sai số bám đường cho robot

Chúng tôi đã phát triển một giải thuật tìm đường cho robot trong hệ thống kho hàng, và thực nghiệm cho thấy robot có khả năng di chuyển hiệu quả trong kho Kết quả này chứng minh tính khả thi của giải thuật trong việc tối ưu hóa quá trình vận chuyển hàng hóa.

7.1.2 Những hạn chế trong thực hiện đề tài

- Giải thuật trên máy tính chưa đáp ứng được cho tất cả các dạng bố trí kho hàng, chỉ sử dụng cho một mô hình kho hàng nhất định

Giải thuật điều khiển robot thường chỉ hoạt động hiệu quả trong những điều kiện môi trường cụ thể Tuy nhiên, môi trường kho hàng lại rất đa dạng và chịu ảnh hưởng của nhiều yếu tố bên ngoài, điều này có thể tác động đến khả năng di chuyển của robot.

Mô hình thí nghiệm hiện tại gặp hạn chế về cơ khí, đặc biệt là ở độ đồng tâm của trục động cơ, dẫn đến việc cần điều chỉnh bằng lập trình khi robot di chuyển thẳng Mặc dù vậy, mô hình này vẫn đáp ứng được nhu cầu chở hàng và di chuyển trong nhà xưởng.

- Robot trong quá trình thực hiện di chuyển chưa thực sử ổn định do môi trường bên ngoài có nhiều tác động mà không thể kiểm soát được

CHƯƠNG 7: TỔNG KẾT VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN ĐỀ TÀI

Các hướng phát triển của đề tài

Để khai thác tối đa lợi ích của robot tự hành trong nhà xưởng, cần nghiên cứu và phát triển theo một số hướng nhất định Những hướng nghiên cứu này sẽ giúp mở rộng ứng dụng và nâng cao hiệu quả hoạt động của robot trong môi trường sản xuất.

- Sử dụng các phương pháp dẫn đường khác có thể đáp ứng được yêu cầu hoạt động trong nhà xưởng như dẫn đường bằng laser

Thay đổi thuật toán điều khiển trên máy tính cho các mô hình nhà xưởng với bố trí khác nhau là cần thiết Ngoài ra, việc tìm kiếm các thuật toán nhằm giảm thời gian chờ từ lúc lấy hàng đến khi giao hàng cũng rất quan trọng để tối ưu hóa quy trình logistics.

Robot được thiết kế với cơ cấu lấy hàng tự động, cho phép chúng di chuyển đến vị trí hàng hóa và tự động lấy hàng để vận chuyển đến nơi nhận.