Đồ án THIẾT KẾ ROBOT TỰ HÀNH THEO VẾT HOẠT ĐỘNG TRONG NHÀ XƯỞNG

Những cải tiến quan trọng trong công nghệ cảm biến và dẫn đường, bộ xử lý và truyền thông, thiết bị truyền động, nguồn năng lượng giúp tạo ra hệ thống robot tự hành AGVS có năng suất hoạ

Giới thiệu robot tự hành trong nhà xưởng

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

Robot tự hành trong nhà xưởng (AGV) là loại robot di động có khả năng di chuyển tự động nhờ vào các tín hiệu dẫn đường như laser, hình ảnh, từ trường hoặc đường ray Kể từ cuối thế kỷ XX, AGV ngày càng trở nên phổ biến nhờ vào những tiến bộ trong khoa học và công nghệ Các 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 tạo ra 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 nhà xưởng, Hệ thống xe tự động (AGVS) được sử dụng để tự động vận chuyển hàng hóa từ khu vực cấp hàng đến các vị trí sản xuất AGVS bao gồm các thành phần chính như phương tiện vận chuyển (xe), bộ điều khiển tích hợp, phần mềm quản lý, cùng với hệ thống giao tiếp và dẫn đường.

Hệ thống giao tiếp Phần mềm quản lý

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 và quản lý yêu cầu hàng hóa, cũng như theo dõi và thống kê hàng trong kho Năng suất của hệ thống AGV phụ thuộc lớn vào hiệu quả của phần mềm quản lý Tùy thuộc vào ứng dụng cụ thể của hệ thống AGV, chức năng và cách thức quản lý của phần mềm sẽ có sự khác biệt.

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 cho từng AGV Đường đi từ khu sản xuất đến khu lắp ráp được xác định cố định, giúp giảm thiểu tính toán cần thiết của máy chủ Tốc độ di chuyển của AGV được điều chỉnh theo tốc độ lắp ráp, tối ưu hóa quy trình sản xuất.

Dây chuyền lắp ráp sử dụng nhân công cần điều khiển robot bằng tay, trong khi trung tâm xử lý kho hàng phải thu nhận thông tin về vị trí và hàng hóa trên AGV để quản lý hệ thống hiệu quả Việc chọn vị trí robot, tính toán đường đi tối ưu và điều chỉnh vận tốc phù hợp giúp tránh va chạm giữa các robot, đồng thời giảm thời gian di chuyển khi sắp xếp hàng hóa trong kho.

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

Giao tiếp trong hệ thống robot di động bao gồm tương tác giữa máy chủ và robot, cũng như giữa các robot với nhau Để đáp ứng tính di động, các robot sử dụng phương thức giao tiếp không dây Công nghệ sóng vô tuyến phổ biến trong ngành công nghiệp bao gồm Wireless LAN (IEEE 802.11), IEEE 802.15.4 và Bluetooth (IEEE 802.15.1) Các yêu cầu về công nghệ không dây cho hệ thống AGV cần được xem xét kỹ lưỡng.

- 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 tiêu thụ năng lượng thấp và chi phí hợp lý Mặc dù tầm hoạt động tiêu chuẩn của Bluetooth khoảng 10 mét, 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, phân tích dữ liệu với tốc độ cao Băng thông 2.4 GHz có tầm hoạt động lên tới 200 mét, trong khi băng thông 5 GHz đạt khoảng 50 mét.

 Các loại phương pháp vận chuyển

Mỗi loại hàng hóa đều có yêu cầu riêng về lưu trữ và vận chuyển, dẫn đến sự đa dạng trong các phương pháp vận chuyển Trong môi trường nhà xưởng, có ba kiểu AGV chính, mỗi loại đều được thiết kế để đáp ứng hầu hết các công việc vận chuyển hàng hóa hiệu quả.

AGV kéo hàng là một loại thiết bị vận chuyển được trang bị móc và ngàm để di chuyển các khay hàng Loại AGV này rất thích hợp cho việc di chuyển hàng hóa với khoảng cách xa và có thể điều chỉnh theo số lượng cũng như kích thước của hàng hóa Tuy nhiên, để đảm bảo an toàn, cần có đường đi rộng rãi và các đoạn cua phải có bán kính lớn nhằm tránh va chạm trong quá trình vận hành.

Hình 1.3: AGV kiểu kéo hàng

AGV chở hàng được trang bị bộ phận chứa hàng, nâng hàng hoặc băng tải, cho phép lấy hàng một cách hiệu quả Loại AGV này có thể tích hợp với băng tải trong dây chuyền sản xuất và lắp ráp, mang lại sự linh hoạt cao hơn so với AGV kéo hàng Điều này đặc biệt hữu ích trong hệ thống kho hàng có không gian hạn chế, với đường đi hẹp và góc cua nhỏ.

Hình 1.4: AGV kiểu chở hàng

Xe nâng AGV là loại xe nâng tự động có khả năng nâng hàng hóa, đặc biệt là các pallet, lên nhiều độ cao khác nhau Một trong những ưu điểm nổi bật của AGV là khả năng nâng hàng một cách hiệu quả Tuy nhiên, để hoạt động tốt, AGV kiểu xe nâng cần một không gian rộng rãi để có thể xoay chuyển khi nâng hàng.

Hình 1.5: AGV kiểu xe nâng

Robot tự hành chở hàng mang lại nhiều lợi ích trong việc vận chuyển linh hoạt và hoạt động hiệu quả trong không gian hạn chế Chính vì vậy, loại robot này ngày càng được ưa chuộng trong các nhà xưởng có mật độ hàng hóa cao, và sẽ là đối tượng nghiên cứu chính trong đề tài này.

 Các loại phương pháp tìm đường

AGV là loại xe tự hành có quỹ đạo di chuyển theo đường dẫn cố định, bao gồm các loại như đường ray, từ trường và dây điện Những đường dẫn này được lắp đặt sẵn, giúp AGV hoạt động hiệu quả và chính xác trong quá trình di chuyển.

6 có lợi khi quỹ đạo xác định rõ, đơn giản và tồn tại lâu dài Bộ điều khiển tích hợp trên robot đơn giản

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 các công nghệ tiên tiến, điển hình là Kiva Robot Được sản xuất bởi Amazon Robotics (Mỹ), Kiva Robot có khả năng nhận và thực hiện đơn hàng, hoàn thành nhiệm vụ và tự động nhận nhiệm vụ mới sau khi sạc pin Với khối lượng khoảng 150 kg, robot này có thể nâng kệ hàng lên đến 320 kg và di chuyển với vận tốc tối đa 1 m/s trong kho hàng.

Hình 1.6: Kiva Robot nâng kệ hàng

Các công ty trong nước đang nghiên cứu và ứng dụng robot tự hành 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 Năm 2013, công ty Changsing Việt Nam đã triển khai hệ thống AGV để tự động vận chuyển hàng 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 các khúc cua và vị trí sạc AGV có trọng lượng 150 kg, có khả năng kéo hàng lên đến 400 kg, với tốc độ di chuyển 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

Mục tiêu luận văn

Nhu cầu sản xuất và mua bán hàng hóa tại Việt Nam đang gia tăng, dẫn đến yêu cầu cải tiến quy trình vận chuyển hàng hóa trong các nhà máy để nâng cao năng suất Do đó, xe tự hành đã được nghiên cứu, phát triển và ứng dụng Mục tiêu của đề tài là phân tích và thiết kế robot tự hành hoạt động hiệu quả trong môi trường nhà xưởng.

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, chúng ta tiến hành xác định các thông số kỹ thuật và sử dụng các thiết bị phù hợp, kết hợp chúng thành một hệ thống hoàn chỉnh Công việc này bao gồm việc lựa chọn thiết bị, cấu hình và lắp đặt để đảm bảo hiệu suất tối ưu cho hệ thống điện.

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

Sử dụng các cảm biến của robot để thiết kế bộ điều khiển, áp dụng 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.

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 yếu tố như cơ cấu lái và bộ truyền Bên cạnh đó, chương cũng đề cập đến việc chọn lựa các thành phần điện – điện tử cho robot, bao gồm động cơ, cảm biến dẫn đường và bộ điều khiển.

Chương 3 tập trung vào việc phân tích phương trình động học và các biểu thức liên quan đến vận tốc của robot Nội dung bao gồm việc 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 cách 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 xe sử dụng hai bánh dẫn động phía sau nhằm đạt được tốc độ và góc xoay mong muốn Để duy trì sự ổn định, xe cần trang bị bánh tự lựa.

- 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 áp dụng một động cơ dẫn động cho hai bánh sau với bộ vi sai, kết hợp với một động cơ điều khiển cho bánh trước, có thể là chỉ lái hoặc vừa lái vừa dẫn động.

- 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 có 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 Điều kiện di chuyển trong nhà xưởng thường là bằng phẳng, vì vậy cơ cấu lái vi sai là lựa chọn phù hợp cho mô hình này Giải pháp lý tưởng là sử dụng cơ cấu lái vi sai đơn giản, bao gồm hai bánh dẫn động phía sau và một bánh tự lựa phía trước.

Bộ truyền đai bao gồm bánh dẫn gắn trên trục động cơ và bánh bị dẫn gắn trên tải Momen được truyền đi nhờ lực ma sát 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 bao gồm xích cùng với các đĩa xích dẫn và 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 là cơ cấu truyền tải chuyển động và mô-men xoắn thông qua sự ăn khớp giữa các bánh răng Trục dẫn động và trục bị dẫn có thể được bố trí theo nhiều cách, bao gồm song song, giao nhau, chéo nhau, hoặc có khả năng biến 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 ở vận tốc cao, tiếng ồn trở thành một vấn đề quan trọng Trong nghiên cứu này, robot chế tạo có kích thước và khối lượng nhỏ, do đó, việc sử dụng bộ truyền đai và bộ truyền xích không được xem xét 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 đạt yêu cầu như các bánh răng Bộ truyền bánh răng nổi bật với hiệu suất cao, khả năng tải tốt và kích thước phù hợp, vì vậy nó được lựa chọn làm phương án tối ưu cho 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 điều khiển chính xác mà không cần hồi tiếp nhưng giá thành cao Vì vậy, động cơ bước hoặc động cơ DC servo là 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 của robot tự hành.

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 cấp vào Mỗi vòng quay của động cơ có số bước cố định, và tốc độ quay có thể được điều chỉnh bằng cách thay đổi tốc độ tín hiệu điện cung 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 như góc quay và vận tốc quay Bộ điều khiển sử dụng thông tin từ các sai số góc quay và vận tốc để điều chỉnh dòng điện cung cấp cho động cơ, nhằm đạt được góc quay và vận tốc 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

- 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, cho thấy động cơ bước có khả năng điều khiển góc quay và vận tốc nhưng tốc độ tối đa thấp và không có hồi tiếp Ngược lại, động cơ DC servo có khả năng điều khiển góc quay và vận tốc cao, đồng thời hỗ trợ hồi tiếp.

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, phương án tối ưu là sử dụng động cơ DC servo kết hợp với bộ truyền bánh răng Với yêu cầu thiết kế robot cần linh hoạt và nhỏ gọn, việc chọn động cơ DC servo tích hợp sẵn hộp giảm tốc là lựa chọn hợp lý.

2.2.2 Lựa chọn phương pháp dẫn đường

Từ chương tổng quan, chúng ta đã xác định được các 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 sắc tương phản với mặt sàn giúp robot nhận biết thông qua cảm biến quang học Ưu điểm của loại đường dẫn này là dễ dàng lắp đặt và thay đổi mà không ảnh hưởng đến mặt sàn Tuy nhiên, cảm biến quang có thể bị nhiễu bởi ánh sáng từ đèn điện hoặc mặt trời, và bề mặt đường dẫn dễ bám bẩn, mài mòn, dẫn đến sai lệch trong quá trình di chuyển của robot.

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 âm sàn yêu cầu sử dụng máy móc chuyên dụng, trong khi việc dán băng từ lên mặt sàn dễ dàng hơn và cho phép điều chỉnh linh hoạt Tuy nhiên, cần lưu ý rằng tuổi thọ của đường dẫn từ trường sẽ giảm khi có nhiều phương tiện hoạt động với tải trọng lớn.

20 nặng Ưu điểm của đường dẫn từ là không ảnh hưởng bởi ánh sáng, bụi bẩn Nhược điểm của đường dẫn là nhiễu do từ trường

Hình 2.11: Đường dẫn từ và cảm biến từ

Đường dẫn cảm ứng điện 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 bao gồm việc cần có bộ nguồn điều khiển dòng điện và việc lắp đặt yêu cầu cắt xuống bề mặt sàn, dẫn đến chi phí cao Thêm vào đó, 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 cao Các thành phần của hệ thống PLC được chuẩn hóa, giúp dễ dàng tìm mua trên thị trường Tuy nhiên, hệ thống điều khiển sử dụng PLC có kích thước lớn và chi phí đầu tư cao.

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

Hình 2.15: Vi điều khiển Arduino Mega 2560

Trong các hoạt động thực tế, bộ điều khiển PLC với độ tin cậy cao thường được sử dụng Tuy nhiên, đối với các mô hình thử nghiệm, việc lựa chọn vi điều khiển sẽ 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:

1 Bánh xe dẫn động 4 Khung robot

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:

 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, hệ tọa độ của xe cần được xác định rõ ràng Hệ trục tọa độ tuyệt đối được thiết lập, trong khi hệ trục tọa độ tương đối được 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: ̇̇̇

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: ̇̇̇

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

Bộ điều khiển được thiết kế 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.

Sau khi có giá trị sai số vị trí, ta đạo hàm chúng để có được sai số về vận tốc như sau: ̇ ̇ ̇

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

Mục đích của giải thuật điều khiển là làm cho điểm C bám theo điểm tham chiếu

R Để làm điều này ta phải xác định các sai số , , Trên thực tế, vận tốc thực của xe xấp xỉ với vận tốc mong muốn nên sai số = 0, sai số được đo từ cảm biến và

Để tính toán sai số trong chuyển động của xe, cần cho xe di chuyển một đoạn nhỏ theo phương trước đó Việc này giúp nối hai điểm và xác định tiếp tuyến của đường cong Từ đó, có thể áp dụng công thức để xác định sai số một cách chính xác.

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 định loại bỏ 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 thiết kế với phương án chuyển động thẳng, trong đó hai bánh dẫn động di chuyển đồng thời với tốc độ 0,5 m/s Tốc độ quay của bánh xe sẽ được tính toán dựa trên vận tốc này.

100 = 95,5 (rpm) (3.13) 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:

2 = 245 (N) 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:

Công suất cần thiết để xe tăng tốc lên 0,5 (m/s) là:

Dựa trên kết quả từ các phương trình (3.14) và (3.15), công suất động cơ cần thiết được xác định là 135 W với tốc độ vòng yêu cầu 95,5 rpm Để đáp ứng các yêu cầu này, động cơ DC servo 57BL03A được chọn, hoạt động ở điện áp 12V, có công suất 135 W và hộp giảm tốc, với tốc độ không tải đạt 95 rpm.

Hình 3.6: Động cơ 57BL03A DC servo có giảm tốc.

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]

Chọn đường kính trục tại vị trí lắp ổ lăn là: = = 17 (mm) theo kích thước vòng trong ổ lăn tiêu chuẩn bảng 6.5 [5] Đường kính tại vị trí lắp bánh răng chọn

= 18 (mm) Vị trí lắp với bánh xe chọn đường kính 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, tiến hành kiểm nghiệm then theo độ bền dập và độ bền cắt.

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

Mặt cắt (mm) (mm) (mm) (mm)

ℎ (mm) (mm) (MPa) (MPa) (Nmm)

Các mặt cắt trên có độ bền cắt và độ bền dập thấp hơn độ bền giới hạn của then, vì vậy cả hai loại then đều đáp ứng tiêu chuẩn về 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 thông tin về góc quay và vận tốc Động cơ được điều khiển thông qua driver công suất bằng xung PWM từ vi điều khiển Cảm biến từ đo độ lệch của xe và truyền tín hiệu analog về vi điều khiển Lệnh từ máy tính được truyền xuống vi điều khiển qua cổng COM của mô đun bluetooth, cho phép vi điều khiển nhận chỉ dẫn đường đi qua kết nối bluetooth.

VI ĐIỀU KHIỂN Nguồn DC 5V Cảm biến từ

Encoder động cơ phải Driver công suất

Máy tính Động cơ phải

Hình 4.1: Sơ đồ khối hệ thống điều khiển.

Lựa chọn thông số các thiết bị

Arduino là vi điều khiển phổ biến 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 việc lập trình trở nên thuận tiện hơn.

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

- 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 được thiết kế để đáp ứng nhu cầu sử dụng 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:

Các phần tử cảm biến Đường dẫn từ

Mạch ngõ ra lệch trái lệch phải

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

Cảm biến từ GS-2744B có tín hiệu ngõ ra từ 2 đến 8 (V), trong khi vi điều khiển chỉ có khả năng đọc giá trị từ 0 đến 5 (V) Để đảm bảo tính tương thích, cần sử dụng mạch chuyển đổi điện áp Theo datasheet, cảm biến này có thể chịu tải với điện trở tối thiểu là 2 (kΩ) Do đó, mạch phân áp có thể được áp dụng với các thông số điện trở là 1,2 (kΩ) và 2 (kΩ) để đọc giá trị phù hợp cho 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 sử dụng công thức tính điện áp Tuy nhiên, việc mắc điện trở tại đầu ra có thể dẫn đến suy giảm tín hiệu, gây ra giá trị đọc không chính xác Vì vậy, 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

Sử dụng mô hình để xác định đường dẫn từ tịnh tiến từ cạnh trái đến cạnh phải của cảm biến Vi điều khiển sẽ đọc giá trị cảm biến sau mỗi lần dịch chuyển 0,1 mm, và dừng lại một giây trước khi đọc để giảm thiểu rung lắc Các giá trị điện áp cần xác định bao gồm: lệch phải lớn nhất, lệch trái lớn nhất và vị trí không lệch.

1 Động cơ bước 2 Cơ cấu tịnh tiến

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 nằm trong khoảng 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 sao cho cạnh cảm biến chạm vào cạnh đường dẫn và sau đó gá chặt cảm biến để đảm bảo độ chính xác.

- 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 và loại bỏ các giá trị nằm trong khoảng từ 0 đến 12,5 mm và từ 162,5 đến 175 mm Kết quả thí nghiệm sẽ được thu thập trong khoảng từ 12,5 đến 162,5 mm.

Để lấy giá trị cảm biến, tâm đường dẫn được xác định là tâm ảo và chỉ có thể suy ra từ một cạnh đường dẫn Theo phương pháp gá cảm biến, tâm đường dẫn ban đầu được đặt tại vị trí −12,5 mm, điều này được thể hiện rõ trong sơ đồ kèm theo.

Vị trí tâm line kết thúc

Vị trí tâm line ban đầu Hướng di chuyển 25mm

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 dịch chuyển cảm biến (mm)

Vị trí tâm line lý thuyết được xác định là 75 mm, trong khi khoảng nhận biết thực tế của cảm biến nằm trong khoảng từ 70,6 đến 76,2 mm Điều này cho thấy khi tín hiệu cảm biến báo về vị trí 75 mm, sai lệch tối đa có thể lên tới ±5,6 mm.

Giá trị điện áp thu được từ cảm biến là 1,92 V và 4,72 V, trong khi giá trị điện áp không lệch line từ là 3,32 V Những giá trị này cho phép thiết lập mối quan hệ giữa điện áp và độ lệch line từ của cảm biến Các thông số này rất quan trọng trong việc 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 kiểm soát vận tốc hiệu quả Bộ điều khiển này nhận tín hiệu đầu vào từ encoder dưới dạng số xung, sau đó tạo ra giá trị độ rộng xung để điều khiển 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

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 4.11: Chương trình PID điều khiển tốc độ động cơ

Encoder Kênh A: A ngắt Kênh B: B input

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 Ban đầu, độ lợi được thiết lập bằng không và 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 Dựa vào kết quả này, chúng ta có thể suy ra độ lợi cho các bộ điều khiển thông qua bảng hướng dẫn tương ứng.

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

Tiến hành lập trình để tối ưu hóa độ lợi của từng động cơ bằng cách sử dụng Serial Plotter trong Arduino IDE Khi vận tốc ổn định, ghi lại giá trị đo được Sau đó, cho động cơ hoạt động với độ lợi đã xác định và lưu lại kết quả vận tốc Dựa trên kết quả thu được, tiến hành tính toán và xác định các thông số của bộ điều khiển PID cho động cơ.

Thiết kế bộ điều khiển bám đường

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

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

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

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 bắt đầu bằng việc nhận tín hiệu yêu cầu món hàng, sau đó di chuyển đến đúng kệ hàng để lấy hàng và cuối cùng chuyển đến điểm giao hàng.

Hình 5.1: Sơ đồ bố trí hàng trong nhà xưởng

Một nhánh rẽ robot có khả năng phục vụ hai dãy hàng, giúp giảm chiều dài đường dẫn và tiết kiệm chi phí Trong sơ đồ, các ký hiệu chữ đại diện cho cột, các số thể hiện 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 được lập trình trên máy tính cho phép người dùng chọn món hàng, sau đó đường đi đến vị trí hàng sẽ được gửi đến robot Robot sẽ di chuyển theo lộ trình đã chỉ định để lấy hàng và vận chuyển đến điểm giao hàng.

Chương trình tính toán đường đi dựa vào thứ tự các cột và hàng, trong đó cột A tương ứng với thứ tự cột 1 và các cột tiếp theo được đánh số tương ứng Từ đường đi chính, các nhánh rẽ được đánh số từ trái qua phải, bắt đầu từ số 1 Giải thuật yêu cầu phải xác định rõ hướng đi khi gặp các giao điểm.

Robot di chuyển từ vị trí xuất phát đến kệ hàng ở tọa độ (x,y) để lấy hàng, sau đó chuyển hàng đến vị trí kết thúc Cuối cùng, robot quay trở lại vị trí ban đầu để chờ lệnh tiếp theo Trong quá trình di chuyển, robot thực hiện quay xe 180° giữa ba giai đoạn này.

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

Robot sẽ bắt đầu di chuyển từ vị trí xuất phát đến vị trí hàng theo một giải thuật nhất định Đầu tiên, robot đi thẳng n-1 giao điểm, sau đó rẽ phải và tiếp tục đi thẳng x-1 giao điểm Công thức n = y/2 giúp xác định các bước di chuyển của robot một cách chính xác.

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 sau đó quay về vị trí chờ lệnh tiếp theo, với trình tự di chuyển được điều khiển theo một thuật toán cụ thể.

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

Giải thuật trên robot

Robot phải thực hiện 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 dưới dạng chuỗi và thực hiện chúng cho đến khi hoàn tất 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 làm tăng độ trễ cho hệ thống.

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

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

Robot cần xác định giao điểm và nhanh chóng đưa ra quyết định về lộ trình Vì vậy, việc sử dụng chương trình ngắt cho cảm biến là cần thiết khi robot gặp giao điểm.

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

Khi phát hiện giao điểm, robot cần xử lý để di chuyển đúng hướng Quá trình này bao gồm việc chuyển lệnh thành lựa chọn đường đi và thực hiện lựa chọn đó Giải thuật xử lý giao điểm đóng vai trò quan trọng trong việc giúp robot thực hiện các nhiệm vụ này một cách hiệu quả.

Kết thúc S cài vL > vR path[i] = r

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

Góc quay đạt turn = 0, i++ turn = 1 Đ

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

Chương trình chính trên robot tích hợp các giải thuật con để thực hiện nhiệm vụ hiệu quả Việc sử dụng đúng các giải thuật con vào thời điểm thích hợp cho phép robot nhận và lưu trữ vị trí điểm đến, ra lệnh di chuyển, cũng như nhận kết quả từ cảm biến để lựa chọn lộ trình phù hợp.

Khởi động các mô đun, khởi tạo các biến Đ

Xử lý giao điểm turn = 1

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

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 bluetooth Sau khi kết nối, máy tính sẽ có một cổng COM để giao tiếp với mạch Arduino gửi dữ liệu cho mạch bluetooth qua cổng UART Các thông số kỹ thuật của mạch bluetooth HC-05 rất quan trọng để đảm bảo kết nối ổn định.

- 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:

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

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

Suy ra thông số bộ điều khiển PID động cơ bên phải là = 2,46; = 9,37;

= 0,16 Đưa các thông số vào bộ điều khiển, thử nghiệm lại với tốc độ mong muốn là

Tốc độ 180 vòng/phút tương đương với khoảng 0,6 mét/giây qua bánh xe thử nghiệm Thời gian đáp ứng của động cơ trái là 0,6 giây, trong khi động cơ phải là khoảng 0,8 giây Điều này cho thấy rằng tốc độ tăng tốc của động cơ đạt yêu cầu lớn hơn 0,5 mét/giây.

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 thông số cho luật điều khiển PID trong bộ điều khiển bám line Độ lợi được tăng lên cho đến khi xe bắt đầu dao động, từ đó thu được thông số là 0,26 và xác định thời gian dao động là 0,62 giây Dựa vào bảng 4.1, các hệ số cần thiết cũng được tính toán.

Vị trí tâm line (mm)

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

Để kiểm tra sai số, hãy thay các giá trị tìm được vào bộ điều khiển và cho xe chạy theo đường thẳng Tiếp theo, gắn ngòi bút 0,1mm tại trung điểm cảm biến để vẽ lại đường chạy Sử dụng camera để chụp lại đường chạy và sau đó xử lý ảnh bằng LabView nhằm lấy sai số lớn nhất Các bước xử lý ảnh sẽ 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)

Vị trí tâm line (mm)

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 đạc, sai số bám line được xác định là ± 10 mm Nguyên nhân chính là do các hệ số PID vẫn chưa phù hợp với đáp ứng của hệ thống robot Để cải thiện 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 được thiết kế với 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 biết, các cột được đánh số bằng các chữ cái A, B, C, D.

Lắp đặt hệ thống line thực nghiệm với kích thước 1,2 × 1,6 mét là bước quan trọng trong quá trình thí nghiệm Để robot có thể dễ dàng nhận biết, các vị trí giao điểm cần được đánh dấu rõ ràng.

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 đã được thử nghiệm để thực hiện lệnh điều khiển từ máy tính Sau khoảng thời gian 0,2 giây, robot 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 6.15: Giao diện chọn vị trí B1

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

Sai số bám line (mm)

Trong khoảng thời gian từ 6 đến 12 giây, robot đã nhận diện giao điểm đầu tiên và thực hiện lệnh rẽ phải một cách chính xác Đồ thị minh họa cho thấy robot xoay qua phải và gặp nhánh rẽ bên phải, dẫn đến sự thay đổi nhanh chóng trong giá trị từ lệch phải sang 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 kho là rất ngắn, cho thấy rằng khi áp dụng công nghệ robot vào quy mô lớn, khả năng đáp ứng thời gian vận chuyển sẽ được cải thiện đáng kể.

Chương này đã hoàn thành việc thực nghiệm điều khiển hệ thống robot, phân tích kết quả và đưa ra nhận xét về hệ thống robot thử nghiệm

TỔNG KẾT VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN ĐỀ TÀI

Đánh giá kết quả đề tài

7.1.1 Những công việc đã đạt được 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 tiến hành thực nghiệm Kết quả cho thấy robot đã hoàn thành nhiệm vụ di chuyển hiệu quả trong kho.

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, trong thực tế, kho hàng có rất nhiều yếu tố bên ngoài đa dạng, ảnh hưởng đến khả năng di chuyển của robot.

Mô hình thí nghiệm hiện tại còn hạn chế về cơ khí, chưa đạt được độ đồng tâm của trục động cơ, dẫn đến việc cần phải điều chỉnh bằng lập trình khi robot di chuyển thẳng Bên cạnh đó, mô hình chỉ đáp ứng 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

Các hướng phát triển của đề tài

Để phát triển và mở rộng đề tài nghiên cứu về robot tự hành trong nhà xưởng, cần xác định một số hướng nghiên cứu và phát triển nhằm tận dụng tối đa những lợi ích mà robot mang lại.

- 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 cách bố trí khác nhau có thể giúp tối ưu hóa quy trình sản xuất Ngoài ra, việc tìm kiếm các thuật toán nhằm giảm thời gian chờ từ lúc lấy hàng đến khi giao hàng cũng là một yếu tố quan trọng để nâng cao hiệu suất và giảm thiểu lãng phí trong chuỗi cung ứng.

Robot được thiết kế với cơ cấu lấy hàng tự động, cho phép chúng di chuyển đến vị trí hàng hóa và tự động thu thập hàng hóa, sau đó vận chuyển đến địa điểm nhận hàng một cách hiệu quả.