ĐỒ án tốt NGHIỆP đề tài thiết kế hệ thống xe tự hành vận chuyển hàng tự động

HỌC VIỆN CƠNG NGHỆ BƯU CHÍNH VIỄN THƠNG
KHOA KỸ THUẬT ĐIỆN TỬ 1
----------

ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP
Đề tài: Thiết kế hệ thống xe tự hành
vận chuyển hàng tự động
Giảng viên hướng dẫn: Nguyễn Quý Sỹ
Sinh viên thực hiện:

Vũ Văn Minh

Mã sinh viên:

B18DCDT159

Số điện thoại:

0334336261

Lớp:

D18DTMT2

Hà Nội, 2022

1

TIEU LUAN MOI download : moi nhat

ĐỀ CƯƠNG ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP ĐẠI HỌC
Họ và tên sinh viên: Vũ Văn Minh
Lớp: D18DTMT2

Khoá: 2018 – 2023

Ngành đào tạo: Kỹ thuật Điện – Điện tử

Hệ đào tạo: Đại học chính quy

1.Tên đồ án/khóa luận tốt nghiệp:
“Thiết kế hệ thống xe tự hành vận chuyển hàng tự động”.
2.Lý do chọn đề tài:
Một trong những giải pháp bởi robot tự hành đang được ứng dụng hiện nay, đó là xe tự hành
(AGV) trong các xưởng, nhà kho, với chức năng chính là tự lấy hàng tại một điểm và vận chuyển
tới nơi được đánh dấu.
Mặc dù đây không phải là chủ đề mới nhưng tính ứng dụng lại khá cao trong thực tiễn nên em
chọn đề tài này để nghiên cứu và phát triển .
Mục tiêu của đề tài: Thiết kế hệ thống vận chuyển hàng hoá bằng xe tự hành từ một hoặc
nhiều điểm tới điểm cụ thể được định sẵn trong hệ thống.
3.Nội dung chính của đồ án:
Chương 1: Tổng quan về hệ thống xe tự hành và các cơng nghệ liên quan.
Chương 2: Phân tích và thiết kế xe tự hành vận chuyển hàng tự động.
Chương 3: Chế tạo và thử nghiệm.
4.Cơ sở dữ liệu ban đầu:
Môn học: Hệ thống nhúng, Kỹ thuật vi xử lý, CAD/CAM,.. Các nghiên cứu về tính chất
MIMO (Multi – Input Multi - Output), Bộ lọc Kalman, Thuật toán điều khiển PID,…
5.Ngày giao đề tài: ......./......./20…
6.Ngày nộp quyển: ....../....../20....
GIẢNG VIÊN HƯỚNG DẪN

SINH VIÊN THỰC HIỆN

(Ký, ghi rõ họ tên)

(Ký, ghi rõ họ tên)

TRƯỞNG KHOA
(Ký, ghi rõ họ tên)

2

TIEU LUAN MOI download : moi nhat


NHẬN XÉT CỦA GIẢNG VIÊN HƯỚNG DẪN
.................................................................................................................................
.................................................................................................................................
.................................................................................................................................
NỘI DUNG ĐỒ ÁN:
.................................................................................................................................
.................................................................................................................................
.................................................................................................................................
1.

HÌNH THỨC TRÌNH BÀY:

Thuyết minh:
.................................................................................................................................
.................................................................................................................................

Bản vẽ:
.................................................................................................................................
.................................................................................................................................
.................................................................................................................................
NHẬN XÉT KHÁC:
.................................................................................................................................
.................................................................................................................................
.................................................................................................................................
2.

Ý KIẾN ĐÁNH GIÁ:
.................................................................................................................................
.................................................................................................................................
3.

.................................................................................................................................
.................................................................................................................................
Ngày tháng năm 2022
Giáo viên hướng dẫn (ký tên)

3

TIEU LUAN MOI download : moi nhat


LỜI MỞ ĐẦU

4

TIEU LUAN MOI download : moi nhat

MỤC LỤC
LỜI MỞ ĐẦU............................................................................................................................................. 4
Danh mục hình ảnh..................................................................................................................................... 6
CHƯƠNG I: TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG XE TỰ HÀNH VÀ CÁC CÔNG NGHỆ LIÊN QUAN.7
1.1.

Giới thiệu về xe tự hành....................................................................................................... 7

1.2.

Xe tư hanh hoat đông như thê nao...................................................................................... 8

1.2.1.

Hệ thống vận hành của xe tự hành.............................................................................. 8

1.2.2.

Phần mềm quản lý:....................................................................................................... 8

1.2.3.

Hệ thống giao tiếp......................................................................................................... 9

1.2.4.

Các loại phương pháp vận chuyển............................................................................... 9

1.2.5.

Các loại phương pháp dò đường................................................................................ 11

1.3.

Ưu điểm và nhược điểm của xe tự hành............................................................................ 11

1.3.1.

Ưu điểm mà xe tự hành mang lại:............................................................................. 11

1.3.2.

Nhược điểm của xe tự hành........................................................................................ 12

1.4.

Một số nghiên cứu trong và ngoài nước về xe tự hành..................................................... 12

1.5.

Mục tiêu, nhiệm vụ và phạm vi đề tài............................................................................... 14

1.5.1.

Mục tiêu đề tài............................................................................................................. 14

1.5.2.

Nhiệm vụ chính trong đề tài....................................................................................... 14

1.5.3.

Phạm vi đề tài.............................................................................................................. 15

CHƯƠNG II. Phân tích và thiết kế xe tự hành vận chuyển hàng tự động.................................... 16
2.1.

Phân tích và lựa chọn các phương án thiết kế.................................................................. 16

2.1.1.

Lựa chọn cơ cấu lái..................................................................................................... 16

2.1.2.

Lựa chọn bánh xe........................................................................................................ 17

2.1.3.

Lựa chọn động cơ........................................................................................................ 18

2.1.4.

Lựa chọn phương pháp dẫn đường........................................................................... 20

2.1.5.

Lựa chọn phương án điều khiển và giải thuật điều khiển........................................21

2.1.6.

Giải thuật bộ điều khiển............................................................................................. 22

TÀI LIỆU THAM KHẢO............................................................................................................. 23

5

TIEU LUAN MOI download : moi nhat


Danh mục hình ảnh
Hình 1: Hình ảnh một loại xe tự hành................................................................................................ 7
Hình 2: Cấu trúc cơ bản của một hệ thống xe tự hành...................................................................... 8
Hình 3: Sơ đồ hệ thống kho hàng của Kiva........................................................................................ 9
Hình 4: Xe tự hành kiểu kéo hàng.................................................................................................... 10
Hình 5: Xe tự hàng kiểu chở hàng.................................................................................................... 10
Hình 6: Xe tự hành kiểu nâng hàng.................................................................................................. 10
Hình 7: Xe tự hành với cơng nghệ dị đường................................................................................... 11
Hình 8: Kiva Robot nâng kệ hàng.................................................................................................... 13
Hình 9: Smart AGV trong cơng ty Changsing Việt Nam................................................................. 13
Hình 10: Minh hoạ xe ba bánh và sơ đồ nguyên lý.......................................................................... 16
Hình 11: Minh hoạ xe bốn bánh và sơ đồ nguyên lý........................................................................ 17
Hình 12: Bánh xe được lựa chọn....................................................................................................... 17
Hình 13: Bánh bị động được chọn.................................................................................................... 18
Hình 14: Động cơ bước...................................................................................................................... 18
Hình 15: Động cơ DC servo............................................................................................................... 19
Hình 16: Đường dẫn màu đen trên nền trắng.................................................................................. 20
Hình 17: Nguyên lý dẫn đường bằng cảm ứng điện........................................................................ 20

Hình 18: Cấu trúc hệ điều khiển tập trung...................................................................................... 21
Hình 19: Cấu trúc hệ điều khiển phân cấp....................................................................................... 21
Hình 20: Bộ điều khiển PID.............................................................................................................. 22
Hình 21: Bộ điều khiển Fuzzy........................................................................................................... 22

6

TIEU LUAN MOI download : moi nhat


CHƯƠNG I: TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG XE TỰ HÀNH VÀ
CÁC CÔNG NGHỆ LIÊN QUAN
1.1. Giới thiệu về xe tự hành.

Hình 1: Hình ảnh một loại xe tự hành.
Xe tự hành hay còn gọi là AGV tiếng anh là Automated Guided Vehicle. Đây Là
một robot di chuyển tự động từ địa điểm này đến địa điểm khác theo các đường đánh
dấu, dây trên sàn nhà, hoặc sử dụng sóng radio, camera dẫn hướng, nam châm, hoặc
laser để điều hướng.
Ngày nay, với sự phát triển của cơng nghệ thì các cảm biến dẫn đường, module
chức năng, bộ xử lý và truyền thông, thiết bị truyền động cũng như nguồn năng lượng
giúp cho việc tạo ra một hệ thống xe tự hành có năng suất cao, ổn định và chi phí phù
hợp so với nhu cầu.
Xe tự hành được sử dụng để vận chuyển hàng hố, ngun liệu thơ, thành phẩm
hoặc bất cứ thứ gì mà con người cần hỗ trợ di chuyển. Bên cạnh đó xe tự hành được
sử dụng trong nhiều lĩnh vực khác nhau để hỗ trợ xử lý trong toàn bộ khu vực hoạt
động của nhà máy, nhà hàng, bệnh viện,..Cụ thể như sau:
Đối với lắp ráp: xe tự hành di chuyển nguyên liệu, thành phẩm qua các dây
truyền trong quy trình sản xuất.
Đối với vận chuyển: xe tự hành dùng để tải, đẩy hoặc kéo pallet và các bộ

phận.
Đối với giai đoạn: xe tự hành cung cấp pallet cho quy trình sản xuất.
Đối với lưu kho: xe tự hành giúp di chuyển sản phẩm từ vị trí nhận hàng tới
7

TIEU LUAN MOI download : moi nhat


kho hoặc xe vận chuyển.
Đối với chọn đơn hàng: xe tự hành dùng để di chuyển và đặt hàng đến khu
vực xếp hàng bằng xe kéo để phân phối và vận chuyển tới vị trí đóng gói.
1.2. Xe tư hanh hoat đông như thê nao
1.2.1. Hệ thống vận hành của xe tự hành
Trong nhà xưởng, AGVS sử dụng để vận chuyển hàng tự động từ nơi
cấp hàng đến các vị trí sản xuất. AGVS thơng thường bao gồm phương tiện
(xe), bộ điều khiển tích hợp trên AGV, phần mềm quản lý, hệ thống giao tiếp và
dẫn đường.

Hình 2: Cấu trúc cơ bản của một hệ thống xe tự hành

1.2.2. Phần mềm quản lý:
Phần mềm trên máy tính cần giải quyết việc quản lý tất cả các AGV.
Những nhiệm vụ máy chủ là: tối ưu việc sử dụng AGV, nhận yêu cầu và quản
lý hàng, theo dõi và thống kê hàng hóa trong kho…. Như vậy, một hệ thống
AGV có năng suất cao hay thấp phụ thuộc rất nhiều vào phần mềm quản lý.
Tùy vào ứng dụng của hệ thống AGV mà phần mềm quản lý sẽ đóng vai trị và
cách thức quản lý cũng khác nhau.
Hệ thống AGV sử dụng trong dây chuyền lắp ráp sử dụng phần mềm
quản lý chỉ thu nhận thơng tin loại hàng, vì các bước di chuyển có thể lập trình
sẵn trên từng AGV. Đường đi từ khu sản xuất, lưu trữ đến khu lắp ráp cố định,

theo trình tự khơng cần nhiều tính tốn của máy chủ. Tốc độ di chuyển của
AGV phụ thuộc tốc độ lắp ráp của dây chuyền. Dây chuyền lắp ráp sử dụng
nhân cơng có thể u cầu điều khiển robot bằng tay.
Đối với một kho hàng, trung tâm xử lý phải thu nhận tất cả thơng tin về
vị trí, hàng hóa trên AGV để điều khiển tồn bộ hệ thống. Đó có thể là chọn
robot vị trí nào, tính toán đường đi hiệu quả, vận tốc phù hợp để tránh gặp các
robot khác, giảm thời gian di chuyển khi sắp xếp hàng trong kho hàng.
8

TIEU LUAN MOI download : moi nhat


Hình 3: Sơ đồ hệ thống kho hàng của Kiva.
1.2.3. Hệ thống giao tiếp
Bao gồm giao tiếp giữa máy chủ với robot và giữa các robot với nhau.
Do robot di chuyển một cách tự động nên cần sử dụng phương thức giao tiếp
khơng dây. Cơng nghệ sóng vơ tuyến áp dụng trong công nghiệp như Wireless
LAN (IEEE 802.11), IEEE 802.15.4 và Bluetooth (IEEE 802.15.1).
Những yêu cầu về công nghệ không dây mà hệ thống xe tự hành yêu cầu là:
 Đảm bảo kết nối ổn định.
 Có tính năng bảo mật cao.
 Cho phép cấu hình và phương thức giao tiếp đơn giản.
Cơng nghệ Bluetooth thích hợp cho các thiết bị tự động yêu cầu mức sử dụng
năng lượng thấp, chi phí thấp. Tầm hoạt động trong phạm vi của Bluetooth
khoảng 10(m), tuy nhiên có một vài module đặc biệt có thể bao phủ vùng sóng
hoạt động từ 200 ÷ 400( m).
Với sự thay đổi và mở rộng thường xuyên quy mơ làm việc, có thể theo dõi và
phân tích dữ liệu tốc độ cao của hệ thống xe tự hành thì cơng nghệ Wireless LAN
(IEEE 802.11) rất thích hợp để lựa chọn, bởi tầm hoạt động thông thường của
băng thông 2.4 GHz là 200(m) và băng thông 5 GHz là 50(m).

1.2.4. Các loại phương pháp vận chuyển
Mỗi loại hàng hố có u cầu khi lưu trữ và vận chuyển khác nhau, do
đó có nhiều phương pháp vận chuyển hàng. Trong đó có 3 kiểu được sử dụng
phổ biến hiện nay:
- Kiểu kéo hàng: Xe tự hành sẽ có một bộ móc để kéo các khay hàng. Kiểu
này thích hợp sử dụng di chuyển hàng với số lượng đủ lớn các khay hàng
phù hợp về khoảng cách và kích thước. Tuy nhiên, đường đi cần rộng rãi, có
những đoạn vịng cua bán kính lớn để tránh va chạm.

9

TIEU LUAN MOI download : moi nhat


Hình 4: Xe tự hành kiểu kéo hàng.
-

Kiểu chở hàng: Xe tự hành có bộ phận chứa hàng, nâng hàng hoặc băng tải
để lấy hàng. Kiểu chở hàng này có thể kết hợp với băng tải trong dây
chuyền sản xuất, lắp ráp. Xe tự hành chở hàng di chuyển linh hoạt hơn so
với kiểu kéo hàng, đặc biệt là trong hệ thống kho hàng có đường hẹp, góc
cua nhỏ.

Hình 5: Xe tự hàng kiểu chở hàng.
-

Kiểu xe nâng: Xe tự hành có bộ phận nâng hàng tự động. Ưu điểm của kiểu
này là đưa được hàng hoá lên nhiều độ cao tuỳ ý thiết kế, nhưng cũng yêu
cầu không gian rộng để xoay khi nâng hàng.

Hình 6: Xe tự hành kiểu nâng hàng.
10

TIEU LUAN MOI download : moi nhat


1.2.5. Các loại phương pháp dị đường

Hình 7: Xe tự hành với cơng nghệ dị đường.
-

Loại dị theo đường dẫn cố định:
Xe tự hành có quỹ đạo di chuyển theo đường dẫn được lắp ráp sẵn
trên sàn. Đường dẫn có thể là đường ray, từ trường, dây điện… Đường
dẫn cố định có lợi khi quỹ đạo được xác định rõ, đơn giản và có khả
năng sử dụng lâu dài. Bộ điều khiển được tích hợp trên robot đơn giản.

-

Loại di chuyển tự do:
Có thể di chuyển đến các vị trí bất kỳ trong không gian hoạt động.
Xe tự hành xác định vị trí nhờ các cảm biến như laser, camera sau đó
robot tự tính tốn đường đi. Do vậy, quỹ đạo của robot rất linh hoạt và
phương pháp này có lợi khi môi trường làm việc thay đổi liên tục. Tuy
nhiên, trong khơng gian hạn chế, nhiều vật cản có thể gây định vị khó
khăn hơn. Bộ xử lý cần xử lý các thuật toán phức tạp nên yêu cầu tốc độ
xử lý cao.
1.3.

Ưu điểm và nhược điểm của xe tự hành

1.3.1. Ưu điểm mà xe tự hành mang lại:
- Giảm chi phí th nhân cơng: việc sử dụng xe tự hành giúp sẽ giảm chi phí
lao động vì bạn đang thay thế một hoặc nhiều nhân viên hiện bằng hệ thống
xe AGV.
- Loại bỏ việc tăng lương và phúc lợi: Khi một chiếc máy đã hoạt động đủ lâu
để thu lại khoản đầu tư ban đầu, bất kỳ khoản tiền thu thêm nào mà việc sử
dụng nó mang lại đều là lợi nhuận thuần túy (không bao gồm chi phí bảo
trì , sửa chữa và tiêu thụ năng lượng). Cịn chi phí cho lao động ln có xu
hướng tăng và thay đổi theo địa phương.

11


TIEU LUAN MOI download : moi nhat


-

-

-

-

Trách nhiệm giải trình: Khi một sản phẩm được tích hợp với AGV, nó sẽ
được theo dõi để giảm thiểu tình trạng “thất lạc” sản phẩm hoặc va chạm tai
nạn khơng đáng có do lơ là, mất tập trung…
Cân bằng dây chuyền tự động: Trong môi trường sản xuất với nhiều hoạt
động được triển khai tự động hóa, AGV dễ dàng tích hợp và hỗ trợ cân bằng
dây chuyền sản xuất.

Tính linh hoạt: Đường đi của AGV có thể thay đổi khi nhu cầu sản xuất
hoặc quy mơ thay đổi.
Ít hạn chế hơn: Chuyển vùng tự do, AGV nhỏ gọn phù hợp với lối đi nhỏ,
tiết kiệm diện tích.
Giảm chi phí vận hành: Sạc và xử lý pin có thể tự động với hệ thống AGV
và việc tăng / giảm tốc được kiểm sốt giúp giảm thiểu mài mịn các bộ
phận.
Giảm hư hỏng sản phẩm: xe tự hành là sản phẩm nhẹ nhàng, giảm phế liệu
và chất thải.
An toàn: xe tự hành hoạt động luôn đi theo con đường được dẫn hướng, có
cảm biến dừng khi gặp vật cản…nên sẽ đảm bảo được an toàn trong khi di
chuyển.

Do vậy, xe tự hành được sử dụng chủ yếu trong các nhà máy sản xuất, lắp ráp
và nhà kho thông minh giúp cho các doanh nghiệp nâng cao hiệu quả sản xuất so
với phương pháp vận chuyển hàng hoá truyền thống.
1.3.2. Nhược điểm của xe tự hành
- Chi phí đầu tư ban đầu cao: Dù giảm chi phí lao động và năng suất, nhưng
chi phí để mua 1 xe tự hành là khá cao. Nó có thể đắt hơn so với việc thuê
nhân viên hoặc sử dụng thiết bị như xe nâng. Vì vậy, chỉ nên đầu tư xe tự
hành khi đã chuẩn bị vốn và kế hoạch phát triển kinh doanh.
- Chi phí bảo trì: Xe tự hành sẽ cần được bảo dưỡng định kỳ và sửa chữa
không thường xuyên. Và mặc dù các AGV sẽ không được vận hành trực tiếp
bởi nhân viên, nhưng chắc chắn sẽ có một số thời gian ngừng hoạt động để
bảo trì được tốt hơn.
- Khơng thích hợp cho các nhiệm vụ khơng lặp lại: AGV có ý nghĩa nhất
trong các hoạt động giải quyết các thao tác lặp đi lặp lại vì đó là những gì
chúng được lập trình để làm. Nếu các nhiệm vụ trong hoạt động của bạn có
xu hướng khơng lặp lại, thì sẽ tiết kiệm hơn nếu bạn sử dụng xe nâng hoặc
các thiết bị hỗ trợ khác.

- Giảm tính linh hoạt: xe tự hành chỉ hoạt động theo hệ thống và quy trình đặt
trước nên nếu hoạt động thì cần phải thao tác cài đặt trước.
1.4.

Một số nghiên cứu trong và ngoài nước về xe tự hành.
Trên thế giới, xe tự hành đã được nghiên cứu phát triển trong các khu vực
sản xuất , nhà xưởng từ lâu và ngày càng có nhiều ứng dụng đa dạng do được tích
hợp các cơng nghệ mới nhất, điển hình là Kiva Robot. Đây là robot vận chuyển
trong nhà kho hàng được nghiên cứu và sản xuất bởi Amazon Robotics (USA). Nó

12

TIEU LUAN MOI download : moi nhat


được lập trình các tính năng: nhận và thực hiện đơn hàng, hồn thành nhiệm vụ và
tiếp tục cơng việc mới, tự động nhận nhiệm vụ khi sạc pin xong. Khối lượng robot
khoảng 150 (kg), nâng được kệ hàng lên đến 320 (kg). Vận tốc di chuyển của robot
trong nhà kho tối đa 1 (m/s).

Hình 8: Kiva Robot nâng kệ hàng.
Các cơng ty trong nước cũng có những nghiên cứu, ứng dụng robot tự hành vào
các nhà máy. Mục đích nghiên cứu trong nước là giảm giá thành của robot, nắm bắt
được các công nghệ mới. Những hạn chế về cơng nghệ sản xuất cũng ảnh hưởng ít
nhiều đến quy mô và chất lượng của sản phẩm robot trong nước. Năm 2013, công ty
Chansing Việt Nam đã sử dụng AGV vận chuyển hàng tự động giữa các công đoạn sản
xuất giày. Dự án AGV được thực hiện bởi nhóm Azauto của trường Đại học Lạc Hồng.
Công nghệ dẫn đường của AGV là hệ thống line từ trường và sử dụng RFID để nhận
biết khúc cua, vị trí sạc bình. Agv có khối lượng 150 (kg) kéo được xe hàng lên đến
400 (kg). Tốc độ di chuyển khi hoạt động khoảng 0,5 (m/s).

Hình 9: Smart AGV trong cơng ty Changsing Việt Nam.
13

TIEU LUAN MOI download : moi nhat


1.5.

Mục tiêu, nhiệm vụ và phạm vi đề tài.
1.5.1. Mục tiêu đề tài
Xã hội phát triển, nhu cầu sản xuất, mua bán hàng hố ngày càng cao.
Các nhà máy ln phải cải tiến năng suất, đặc biệt là khâu vận chuyển hàng
hố. 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 được một hệ thống xe tự hành
vận chuyển hàng tự động”.

1.5.2. Nhiệm vụ chính trong đề tài
 Phân tích và lựa chọn phương án
Đây là bước đầu tiên của quá trình thiết kế, nhằm đưa ra được
hướng giải quyết vấn đề:
- Đề xuất về: cơ khí, điện, điều khiển.
- 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, module,..
 Thiết kế hệ thống cơ khí

Với kết cấu cơ khí đã chọn, tiến hành tính tốn thiết kế. Bao gồm
các công việc:
- Thiết lập các phương trình động học, quan hệ giữa vận tốc

góc của động cơ và vận tốc của xe.
- Tính tốn cơng suất để lựa chọn động cơ.
- Tính tốn thiết kế các chi tiết cơ khí của xe.
 Thiết kế hệ thống điện-điện tử

Với các phương án đã chọn, tiến hành lựa chọn thông số và sử
dụng các thiết bị, kết hợp các thiết bị thành một khối hoàn chỉnh.
Bao gồm các công việc:
- Lựa chọn thông số vi điều khiển, các module công suất và
cảm biến.
- Sử dụng được các cảm biến của robot, thiết kế bộ điều khiển
sử dụng hồi tiếp vận tốc để điều khiển động cơ.
 Xây dựng giải thuật điều khiển

Tiến hành thiết kế các giải thuật điều khiển cho xe tự hành với các
công việc như 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.
 Lập trình

Lập trình trên máy tính và vi điều khiển, bao gồm các công việc:
14

TIEU LUAN MOI download : moi nhat


-

Lập trình giải thuật tìm đường đi tới tất cả vị trí hàng hố.
Thu thập và xử lý dữ liệu, trạng thái về hàng hoá mà xe chịu
trách nhiệm.

 Thực nghiệm và đánh giá kết quả
- Tiến hành thực nghiệm.
- Đánh giá kết quả thực nghiệm, nêu lên những nổi bật cũng như

hạn chế của giải thuật và mơ hình.
1.5.3. Phạm vi đề tài

15

TIEU LUAN MOI download : moi nhat


CHƯƠNG II. Phân tích và thiết kế xe tự hành vận chuyển hàng
tự động.
2.1. Phân tích và lựa chọn các phương án thiết kế
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 dùng với xe trong nhà xưởng như sau:
Xe ba bánh: Cơ cấu này điều khiển với hai bánh dẫn động phía trước để
đạt được vận tốc và góc xoay mong muốn, nhưng xe cần có bánh tự lựa để
giữ cân bằng.

Hình 10: Minh hoạ xe ba bánh và sơ đồ nguyên lý.
+ Ưu điểm: Vì xe có 3 bánh nên ln đồng phẳng, moment qn tính giảm do

trọng tâm được đặt dịch về phía trước, khoảng cách từ tâm đến cảm biến ngắn

và khá cân đối, hạn chế hiện tượng trượt khi đi qua các góc lượn. So với xe bốn
bánh (có 2 bánh chủ động phía sau và 2 bánh tự lựa phía trước) thì nó chuyển
hướng dễ dàng và chính xác hơn.
+ Nhược điểm: Khó chạy thẳng do hai động cơ chạy độc lập, dễ lật đối với xe

chỉ có một bánh tự lựa trên địa hình gồ ghề, việc bố trí cảm biến yêu cầu độ cân
bằng tốt vì xe sẽ bị lộn nhào khi thay đổi vận tốc đột ngột.
→Phương án này thường được sử dụng trong trường hợp xe di chuyển trên mặt

phẳng, xe chở thêm tải được đặt cân bằng.

16

TIEU LUAN MOI download : moi nhat


Xe bốn bánh có hai bánh chủ động phía sau và hai bánh tự lựa phía
trước: Tất cả các bánh đều được gắn động cơ và bẻ lái.

Hình 11: Minh hoạ xe bốn bánh và sơ đồ nguyên lý.
+ Ưu điểm: Xe di chuyển linh hoạt, gia tốc và hãm nhanh, khoảng cách giữa
các cảm biến và mặt đường được đảm bảo, bán kính quay xe bằng khơng, di
chuyển tốt trên địa hình gồ ghề.
+ Nhược điểm: Xe được dẫn động bởi bốn động cơ riêng biệt nên sẽ rất phức

tạp để đồng bộ các động cơ này
→Phương án này được sử dụng khi xe cần độ đứng vững cao, khó lật khi di

chuyển hướng gấp.
Với mục tiêu mơ hình có cơ cấu lái đơn giản, linh hoạt khi xoay và trong điều

kiện di chuyển là bằng phẳng, do đó phương án xe ba bánh là phù hợp cho mô hình.
2.1.2. Lựa chọn bánh xe
- Bánh chủ động:
Yêu cầu: Đường kính bánh xe: d ≤200 mm,di chuyển trên địa hình
bằng phẳng không trơn trượt, bám đường tốt.
Chọn bánh xe: Loại bánh xe cao su có bề rộng lớn.

Hình 12: Bánh xe được lựa chọn.

17

TIEU LUAN MOI download : moi nhat


-

Bánh bị động:
Yêu cầu: bánh xe có khả năng thay đổi hướng dễ dàng, ma sát nhỏ.
Chọn bánh xe: Chọn bánh mắt trâu, có thể di chuyển đa hướng, khi
đổi hướng không bị trượt, không thay đổi trọng tâm xe lúc di chuyển.

Hình 13: Bánh bị động được chọn.
2.1.3. Lựa chọn loại động cơ
Yêu cầu đối với động cơ:
- Động cơ phải có moment và tốc độ đủ lớn để thoả mãn yêu cầu đề
bài.
- Dễ dàng kiểm soát sai số để xe có thể bám line tốt.
Xe tự hành di dộng nên thông thường sử dụng động cơ dùng dòng DC.
Một số loại động cơ dùng dòng điện DC như: động cơ bước, động cơ DC, động
cơ DC servo. Xe tự hành cần điều khiển vận tốc nên động cơ DC phải có hồi

tiếp vận tốc (mặc dù một số động cơ DC điều khiển được chính xác vận tốc,
không cần hồi tiếp nhưng giá sẽ rất cao). Do đó chọn động cơ bước hoặc động
cơ DC servo là phương án khả thi. Sau đây là những phân tích về ưu, nhược
điểm của hai loại động cơ này, từ đó có thể xác định được loại động cơ cần
dùng để phù hợp với yêu cầu đặt ra:
 Động cơ bước:

Động cơ bước là loại động cơ điều khiển vòng hở, biến đổi các xung điện
rời rạc kế tiếp nhau thành chuyển động quay của rotor. Giá trị góc quay phụ
thuộc vào số xung điện cấp vào động cơ. Mỗi vịng quay có số bước cố
định, thay đổi tốc độ quay bằng cách thay đổi tín hiệu cấp cho động cơ.

Hình 14: Động cơ bước.
+ Ưu điểm:
- Khơng cần hồi tiếp tín hiệu.
- Điều khiển chính xác, khơng có vọt lố và có moment giữ tại một vị trí.
+ Nhược điểm:
- Dễ bị trượt bước và gây rung động khi mang tải lớn.

18

TIEU LUAN MOI download : moi nhat


- Tốc độ của động cơ không cao, tối đa từ 1000 ÷ 2000(rpm) .
 Động cơ DC servo

Động cơ DC servo là động cơ DC có thêm bộ phận đo thông số đầu ra của
động cơ thông thường là góc quay, vận tốc quay. Từ các sai số góc quay, vận
tốc quay thì bộ điều khiển sẽ tăng hay giảm dịng cấp cho động cơ để đạt góc

quay, vận tốc mong muốn.

Hình 15: Động cơ DC servo.
+ Ưu điểm:
- Moment 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, tuỳ 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:

Mạch Driver
Nhiễu và rung động
Tốc độ
Moment
Hiện tượng trượt
Phương pháp điều
khiển
Giá thành (Động cơ +
Driver)

Độ phân giải

19

TIEU LUAN MOI download : moi nhat


→ Do động cơ bước được điều khiển theo dạng vịng hở (khơng Encoder)

khơng có sai số trả về nên không phù hợp với mục tiêu điều khiển. Động cơ DC servo
thường được dùng trong một số trường hợp cần có khả năng đáp ứng nhanh, chính xác
và ổn định. Do đó, lựa chọn cuối cùng phù hợp với đề tài là động cơ DC servo.
 Phân tích và lựa chọn thơng tin động cơ

Hình 16: Phân tích lực tác dụng lên bánh xe.
Giả sử bánh xe là dạng tròn, đồng chất, có moment qn tính là:
1
I = 2 k r2
Phương trình cân bằng moment đối với trọng tâm xe:
Với lực ma sát:
Suy ra:

M −Fms=ma
Fms=μ . N =μ . m. g
M =m ( μg+α )r + Iε

Trong đó:
k: là khối lượng bánh xe, k = 0,006kg.
M: moment tán dụng lên bánh xe (Nmm).
μ: hệ sát nghỉ là 0.7 theo tài liệu sổ tay thiết kế oto-tải.
v: vận tốc mong muốn (m/s), v = 0.9m/s.
t: thời gian để xe đạt vận tốc cao nhất trên đoạn đường thẳng: t = 2(s).
a: gia tốc mong muốn (m/s2).

dv
1
−2
α=
dt = 2=0.45(m . s )
r: đường kính bánh xe (mm)
ε :gia tốc góc (rad / s2 )
ε=

v

2

r

I: moment quán tính (kg .m2 )
m: khối lượng xe và tải trọng (kg), m = 3kg.
Moment tác dụng lên xe là:
−3

M =3. (0,7.9,81+0,45) .0,0325+1,95.10 =0,72( Nm)

Moment cần thiết cho mỗi động cơ:

20

TIEU LUAN MOI download : moi nhat


T=

0,72

2 =0,36( Nm)

Số vòng quay:
n=

60000.0,9

≈ 265 vòng / phút

π .65

Vận tốc góc:
Cơng suất động cơ:

ω=27,75 rad / s
P=T . ω=9,99(W )

2.1.4. Lựa chọn phương pháp và loại cảm biến dẫn đường
Từ chương tổng quan, chúng ta có thể thấy được các loại đường dẫn cố định
phù hợp cho đề tài này. Sau đây sẽ là phân tích đặc điểm của một số loại đường
dẫn thơng dụng:
-

Đường dẫn màu:

Hình 17: Đường dẫn màu đen trên nền trắng.
Dán đường dẫn có màu sắc tương phản với mặt sàn, xe tự hành sử dụng các loại

cảm biến quang học để nhật biết. Đường dẫn màu có các ưu điểm là việc lắp đặt,
thay đổi đường dẫn không ảnh hưởng đến mặt sàn. Tuy nhiên, các loại cảm biến
quang dễ bị nhiễu bởi ánh sáng đèn điện, mặt trời. Bề mặt đường dẫn dễ bám bẩn,
mài mòn gây ra sai lệch khi xe di chuyển nên phải bảo dưỡng và kiểm tra thường
xuyên.
-

Đường dẫn cảm ứng điện:

Hình 18: Nguyên lý dẫn đường bằng cảm ứng điện.
21

TIEU LUAN MOI download : moi nhat


Sử dụng dòng điện thay đổi để tạo ra từ trường quanh dây dẫn. Đường đi
được chôn dưới bề mặt sàn, xe tự hành được lắp anten gồm các cuộn dây quấn
để nhận biết đường đi. Ưu điểm của loại này là nhiều đường dẫn có thể phân
biệt bằng tần số khác nhau. Nhược điểm của đường dẫn là: phải có bộ nguồn
điều khiển dịng điện qua dây dẫn, khi lắp đặt cần cắt xuống bề mặt sàn dẫn đến
chi phí cao.
→Từ những phân tích trên, dựa vào yêu cầu từ giá thành tới điều kiện thiết kế

hệ thống, đường dây dẫn màu được lựa chọn.
Với lựa chọn kiểu dò line này, chúng ta sẽ có hai lựa chọn: quang điện trở hoặc
phototransistor kết hợp với LED. Hai loại cảm biến này đều có nguyên lý hoạt động
giống nhau, bộ thu sẽ thu tín hiệu phản xạ từ bộ phát xuống mặt đất. Từ đó xử lý kết
quả để xác định vị trí của xe so với đường line.
Dựa trên đặc tính độ nhạy cao của phototransistor so với các loại cảm biến quang
khác, ta sẽ có 2 phương án kết hợp:

-

Phototransistor kết hợp với LED thường.
Phototransistor kết hợp với LED hồng ngoại.

Nguyên tắc hoạt động của phototransistor dựa vào tín hiệu ánh sáng phản xạ từ
nguồn phát để tạo tín hiệu dạng điện áp. Đối với đường đua mà màu line với màu của
nền có độ tương phản cao (ví dụ như line đen nền trắng), LED hồng ngoại có độ nhạy
cao hơn nhưng cần phải che chắn để chống bị nhiễu. Đối với đường đi mà màu line
với màu nền có độ tương phản thấp, sử dụng LED thường sẽ hiệu quả hơn.
 Giải thuật xử lý tín hiệu
Có hai giải thuật xử lý được đề xuất:
- So sánh.
- Xấp xỉ.
Với phương pháp so sánh:
Dùng bộ so sánh để xác định trạng thái đóng/ngắt của các sensor, sau đó suy ra
vị trí xe theo một bảng trạng thái đã được định sẵn. Với phương pháp này, sai
số dò line sẽ phụ thuộc vào số khả năng phân biệt của các trạng thái của hệ
thống, hay khoảng cách giữa các sensor và cho tốc độ xử lý nhanh.

22

TIEU LUAN MOI download : moi nhat


Hình 19: Giải thuật xử lý tín hiệu bằng phương pháp so sánh.

 Phương pháp xấp xỉ

Hình 20: Giải thuật xử lý tín hiệu bằng phương pháp xấp xỉ

a) Xấp xỉ bậc 2; b) Xấp xỉ theo trọng số.
Vị trí của xe được suy ra từ giá trị analog đọc về từ cảm biến. Thời gian
xử lý phụ thuộc vào thời gian đọc ADC tất cả các sensor của vi điều khiển, do
đó sẽ lâu hơn phương pháp so sánh, tuy nhiên độ chính xác cao hơn nhiều.
2.1.5. Lựa chọn phương án điều khiển và giải thuật điều khiển
a. Cấu trúc điều khiển
Một xe tự hành bao gồm rất nhiều bộ phận như: module sensor, module
điều khiển và module điều khiển động cơ. Để kết nối các module đó lại với
nhau chúng ta có hai phương pháp chính là: điều khiển tập trung và điều khiển
phân cấp:
 Điều khiển tập trung

Hình 21: Cấu trúc hệ điều khiển tập trung.
23

TIEU LUAN MOI download : moi nhat