Thiết kế, chế tạo và điều khiển xe bám line tự động bằng bộ điều khiển Fuzzy

ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP HỒ CHÍ MINH
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA

KHOA CƠ KHÍ
BỘ MƠN CƠ ĐIỆN TỬ

---------------o0o---------------

ĐỒ ÁN THIẾT KẾ HỆ THỐNG CƠ ĐIỆN TỬ
Đề tài:

“THIẾT KẾ, CHẾ TẠO VÀ ĐIỀU KHIỂN
XE BÁM LINE TỰ ĐỘNG”

GVHD: PGS.TS Nguyễn Quốc Chí
SVTH:
Võ Thường San
1612923
Trần Ngơ Hồng Sang 1612938
Nguyễn Việt Sơn
1611981
Bùi Đức Thắng
1613249

TP HỒ CHÍ MINH, ngày 04 tháng 12 năm 2019


SVTH:
Võ Thường San
Trần Ngơ Hồng Sang
Nguyễn Việt Sơn

Bùi Đức Thắng

1612923
1612938
1611981
1613249

Tên đề tài: “Thiết kế, chế tạo và điều khiển
Xe bám line tự động”
Nhận xét của giảng viên hướng dẫn
.............................................................................................................
.............................................................................................................
.............................................................................................................
.............................................................................................................
.............................................................................................................
.............................................................................................................
.............................................................................................................
.............................................................................................................
.............................................................................................................
.............................................................................................................
.............................................................................................................
.............................................................................................................
.............................................................................................................
Giảng viên hướng dẫn ký tên

i


LỜI CẢM ƠN
Xin gửi lời cảm ơn đến PGS.TS Nguyễn Quốc Chí đã tận tình hướng dẫn nhóm

hồn thành đồ án này trong suốt học kỳ vừa qua. Những kiến thức học được từ môn
Đồ án Thiết kế hệ thống cơ điện tử là những kinh nghiệm quý giá cho mỗi thành viên
trong nhóm để có thể tiếp tục học tập rèn luyện cũng như vững vàng hơn trong con
đường sự nghiệp sau này.
Xin kính chúc thầy sức khỏe, hạnh phúc và có nhiều cống hiến hơn cho ngành Cơ
khí nói chung và Cơ điện tử nói riêng. Hy vọng từ những điều thầy đã hướng dẫn cho
từng sinh viên trong nhóm mỗi người sẽ gặt hái được những thành cơng sau và đóng
góp cho ngành trong tương lai sau này.
Xin chân thành cảm ơn thầy!

ii


MỤC LỤC
Trang
Chương 1.
1.1.

Giới thiệu đồ án ....................................................................................1

Yêu cầu đề bài .............................................................................................1

1.1.1.

Khái niệm .............................................................................................1

1.1.2.

Yêu cầu kỹ thuật robot .........................................................................1

1.1.3.

Sa bàn hệ thống line .............................................................................1

1.2.

Xác định thông số kỹ thuật..........................................................................2

1.3.

Kế hoạch, phân công thực hiện ...................................................................2

Chương 2.
2.1.

Chọn nguyên lý xe ................................................................................3

Các mẫu xe dị line trong và ngồi nước .....................................................3

2.1.1.

Các mẫu xe trong nước .........................................................................3

2.1.2.

Các mẫu xe nước ngoài ........................................................................4

2.2.

Đánh giá lựa chọn các phương án ...............................................................6

2.2.1.

Xét vận tốc thẳng ..................................................................................6

2.2.2.

Xét khả năng chuyển hướng .................................................................9

2.2.3.

Vận tốc trên đoạn đường cong ...........................................................11

2.2.4.

Chi phí ................................................................................................12

2.3.

Kết luận .....................................................................................................14

Chương 3.

Phân tích động học .............................................................................15

Chương 4.

Chọn động cơ .....................................................................................18

Chương 5.

Chọn cảm biến ....................................................................................20

5.1.

Minh họa các phương án ...........................................................................20

5.2.

Đánh giá so sánh các phương án ...............................................................20

5.3.

Chọn loại cảm biến quang .........................................................................22

Chương 6.

Chọn giải thuật xác định tọa độ line ...................................................23

6.1.

Thuật toán so sánh .....................................................................................23

6.2.

Thuật toán nội suy hàm bậc hai.................................................................23

6.3.

Thuật tốn trọng số trung bình ..................................................................24

iii


Chương 7.

Thiêt kế bộ điều khiển ........................................................................26

7.1.

Sơ đồ khối bộ điều khiển...........................................................................26

7.2.

Giải thuật bộ điều khiển 1 .........................................................................26

7.2.1.

Yêu cầu ...............................................................................................26

7.2.2.

Cấu trúc của bộ fuzzy .........................................................................27

7.2.3.

Miền giá trị các biến và hàm liên thuộc .............................................27

7.2.4.

Bộ luật fuzzy ......................................................................................28

7.2.5.

Lưu đồ giải thuật ................................................................................29

7.2.6.

Mô phỏng bộ điều khiển .....................................................................31

7.3.

Giải thuật bộ điều khiển 2 .........................................................................35

7.3.1.

Yêu cầu ...............................................................................................35

7.3.2.

Tìm hàm truyền động cơ ....................................................................35

7.3.3.

Bộ điều khiển động cơ ........................................................................36

Chương 8.

Chọn vi điều khiển .............................................................................38

8.1.

Phân tích cấu trúc bộ điều khiển ...............................................................38

8.2.

Lựa chọn vi điều khiển ..............................................................................38

Chương 9.

Chọn thiết bị mạch nguồn ..................................................................40

9.1.

Chọn mạch cầu ..........................................................................................40

9.2.

Chọn pin ....................................................................................................41

9.3.

Mạch giảm áp ............................................................................................42

Chương 10. Gá đặt cảm biến ..................................................................................43
10.1. Thông số kỹ thuật TCRT5000...................................................................43
10.2. Chọn hướng đặt cảm biến .........................................................................43
10.3. Chọn khoảng cách giữa cảm biến với sa bàn ............................................44
10.4. Chọn khoảng cách giữa các cảm biến .......................................................46
Chương 11. Thiết kế khung xe ...............................................................................49
11.1. Mô phỏng vật liệu .....................................................................................49

11.2. Các ràng buộc kích thước khung xe ..........................................................50
11.2.1. Điều kiện chống lật ngang ..................................................................50
11.2.2. Điều kiện chống lật dọc ......................................................................51
iv


11.2.3. Điều kiện bám đường của 2 bánh chủ động .......................................51
11.3. Thiết kế sơ bộ ............................................................................................52
Chương 12. Chế tạo và vận hành mơ hình .............................................................55
12.1. Chế tạo mơ hình ........................................................................................55
12.1.1. Chế tạo mạch cảm biến ......................................................................55
12.1.2. Chế tạo khung xe ................................................................................56
12.2. Vận hành mơ hình .....................................................................................57
12.2.1. Điều kiện thử nghiệm mơ hình ...........................................................57
12.2.2. Phương pháp kiểm tra sai số ..............................................................58
12.2.3. Kết quả kiểm tra sai số .......................................................................58
KẾT LUẬN ...............................................................................................................60
TÀI LIỆU THAM KHẢO .........................................................................................61

v


DANH MỤC CÁC BẢNG
Bảng 1.1 Bảng phân công tạm thời ............................................................................2
Bảng 2.1 Một số mơ hình xe dị line nước ngồi........................................................5
Bảng 2.2 Bảng tiêu chí lựa chọn ngun lý xe ...........................................................6
Bảng 2.3 Chi phí phương án 4 động cơ ....................................................................13
Bảng 2.4 Chi phí phương án có bẻ lái ......................................................................13
Bảng 2.5 Chi phí phương án 2 bánh chủ động .........................................................13
Bảng 2.6 Chi phí phương án 3 bánh omni ................................................................13

Bảng 2.7 Chi phí phương án 4 bánh omni ................................................................14
Bảng 2.8 Bảng tổng hợp chi phí các phương án .......................................................14
Bảng 2.9 Bảng đánh giá chung các phương án.........................................................14
Bảng 5.1 Bảng giá một số loại cảm biến và camera .................................................21
Bảng 5.2 Bảng giá cho các phương án cảm biến ......................................................21
Bảng 5.3 Đánh giá kích thước các phương án cảm biến ..........................................21
Bảng 5.4 Đánh giá độ phức tạp tính tốn của các phương án cảm biến ...................21
Bảng 5.5 Đánh giá các phương án bố trí cảm biến ...................................................22
Bảng 6.1 Bảng đánh giá giải thuật xác định tọa độ line ...........................................25
Bảng 7.1 Bộ luật fuzzy áp dụng cho vận tốc v .........................................................29
Bảng 7.2 Bộ luật fuzzy áp dụng cho vận tốc góc 𝜔 .................................................29
Bảng 8.1 Tiêu chí lực chọn cấu trúc bộ điều khiển ..................................................38
Bảng 8.2 Bảng so sánh các loại vi điều khiển thông dụng .......................................39
Bảng 8.3 Bảng đánh giá các loại vi điều khiển ........................................................39
Bảng 10.1 Thông số kỹ thuật cảm biến TCRT5000 .................................................43

vi


DANH MỤC CÁC HÌNH
Hình 1.1 Sa bàn ..........................................................................................................2
Hình 2.1 Sơ đồ xe UIT-Mon ......................................................................................3
Hình 2.2 Sơ đồ xe Mr.zero .........................................................................................3
Hình 2.3 Hình ảnh và sơ đồ nguyên lý xe FRAGILE013RT .....................................4
Hình 2.4 Hình ảnh và sơ đồ nguyên lý xe Fireball-line .............................................4
Hình 2.5 Sơ đồ vận tốc thẳng phương án 4 động cơ ..................................................6
Hình 2.6 Sơ đồ vận tốc thẳng phương án có bẻ lái ....................................................7
Hình 2.7 Sơ đồ vận tốc thẳng phương án 2 chủ động ................................................7
Hình 2.8 Sơ đồ vận tốc thẳng phương án omni 3 bánh ..............................................8
Hình 2.9 Sơ đồ vận tốc thẳng phương án omni 4 bánh ..............................................9

Hình 2.10 Sơ đồ vận tốc góc phương án 4 động cơ .................................................10
Hình 2.11 Sơ đồ vận tốc góc phương án có bẻ lái....................................................10
Hình 2.12 Sơ đồ vận tốc góc phương án 2 bánh chủ động.......................................10
Hình 2.13 Sơ đồ vận tốc góc phương án 3 bánh omni .............................................11
Hình 2.14 Sơ đồ vận tốc góc phương án 4 bánh omni .............................................11
Hình 3.1 Minh họa sai số e2 và e3 ...........................................................................15
Hình 3.2 Mơ hình động học khi xe đi thẳng .............................................................16
Hình 3.3 Mơ hình động học khi xe xoay tại chỗ ......................................................17
Hình 4.1 Sơ đồ phân tích động lực học ....................................................................18
Hình 4.2 Sơ đồ phân tích động lực học 1 bánh xe....................................................19
Hình 4.3 Đường đặc tính momen – vận tốc GA25...................................................19
Hình 5.1 Một số phương án bố trí cảm biến quang ..................................................20
Hình 5.2 Một số phương án bố trí camera ................................................................20
Hình 5.3 Quan hệ độ nhạy của cảm biến quang trở CdS và bước sóng ánh sáng ....22
Hình 6.1 Thuật tốn so sánh .....................................................................................23
Hình 6.2 Thuật tốn nội suy hàm bậc hai .................................................................23
Hình 6.3 Thuật tốn trọng số trung bình ..................................................................25
Hình 7.1 Sơ đồ khối bộ điều khiển ...........................................................................26
Hình 7.2 Miền giá trị các hàm liên thuộc biến e2 .....................................................27
vii


Hình 7.3 Miền giá trị các hàm liên thuộc biến e3 .....................................................27
Hình 7.4 Miền giá trị các hàm liên thuộc biến 𝜔 .....................................................28
Hình 7.5 Miền giá trị các hàm liên thuộc biến v ......................................................28
Hình 7.6 Lưu đồ chương trình điều khiển động cơ và tính tốn theo fuzzy ............29
Hình 7.7 Lưu đồ giải thuật chương trình chính ........................................................30
Hình 7.8 Lưu đồ chương trình rẽ tại điểm A và đọc sai số bám line .......................31
Hình 7.9 Kết quả mơ phỏng vị trí của xe điều kiện khơng nhiễu.............................32
Hình 7.10 Kết quả mơ phỏng sai số điều kiện khơng nhiễu.....................................32

Hình 7.11 Vận tốc góc 2 động cơ điều kiện khơng nhiễu ........................................33
Hình 7.12 Kết quả mơ phỏng vị trí của xe điều kiện có nhiễu .................................33
Hình 7.13 Kết quả mơ phỏng sai số điều kiện có nhiễu ...........................................34
Hình 7.14 Vận tốc góc 2 động cơ điều kiện có nhiễu ..............................................34
Hình 7.15 Quan hệ tốc độ động cơ theo duty cycle .................................................35
Hình 7.16 Đáp ứng của động cơ khi có tải với duty cycle 100% .............................36
Hình 7.17 Đáp ứng của động cơ trái ........................................................................36
Hình 7.18 Đáp ứng của động cơ phải .......................................................................37
Hình 9.1 Mạch cầu L9110 ........................................................................................40
Hình 9.2 Mạch cầu DRV 8833 .................................................................................40
Hình 9.3 Mạch cầu TB6612 .....................................................................................41
Hình 9.4 Mạch cầu L298N .......................................................................................41
Hình 9.5 Pin 18650 ...................................................................................................42
Hình 9.6 Mạch giảm áp LM2596 .............................................................................42
Hình 10.1 Kích thước cảm biến TCRT5000 ............................................................43
Hình 10.2 Mạch điện cặp bóng phát-thu ..................................................................43
Hình 10.3 Ảnh hưởng vùng phản chiếu lên đồ thị dịng IC ......................................44
Hình 10.4 Đồ thị quan hệ Switching Distance và khoảng cách cảm biến................44
Hình 10.5 Mối quan hệ giữa ICrel và khoảng cách với sa bàn...................................45
Hình 10.6 Mơ hình đo chiều cao cảm biến...............................................................46
Hình 10.7 Mối quan hệ giữa chiều cao cảm biến và giá trị Analog đọc được. ........46
Hình 10.8 Phạm vi quét của led thu và led phát của 2 cảm biến liền kề nhau. ........47
viii


Hình 10.9 Vùng hoạt động của một cảm biến TCRT5000.......................................47
Hình 10.10 Vùng bất định của cảm biến ..................................................................48
Hình 11.1 Kết quả mơ phỏng biến dạng ...................................................................49
Hình 11.2 Kết quả mơ phỏng hệ số an tồn .............................................................49
Hình 11.3 Sơ đồ lực khi xe vào cua .........................................................................50

Hình 11.4 Sơ đồ lực tác động lên trọng tâm xe ........................................................51
Hình 11.5 Phân tích lực tác dụng lên xe ...................................................................51
Hình 11.6 Phân tích lực tác dụng lên bánh chủ động ...............................................52
Hình 11.7 Thiết kế sơ bộ xe .....................................................................................53
Hình 11.8 Bố trí thiết bị phía trên sàn xe .................................................................53
Hình 11.9 Bố trí thiết bị phía dưới sàn xe ................................................................54
Hình 12.1 Sơ đồ nguyên lý mạch cảm biến..............................................................55
Hình 12.2 Mạch PCB cảm biến thiết kế trên Proteus ...............................................55
Hình 12.3 Mạch cảm biến thực tế ............................................................................56
Hình 12.4 Tổng thể xe ..............................................................................................56
Hình 12.5 Bố trí thiết bị phía trên sàn xe .................................................................57
Hình 12.6 Bố trí thiết bị phía dưới sàn xe ................................................................57
Hình 12.7 Cơ cấu kiểm tra sai số..............................................................................58

ix


Chương 1. Giới thiệu đồ án
1.1. Yêu cầu đề bài
1.1.1. Khái niệm
Robot dò line (Line following Robot) là một dạng robot di động (mobile robot) di
chuyển bằng bánh xe. Robot sẽ di chuyển bám theo các đường line được kẻ/vẽ/dán
trên mặt đất. Quỹ đạo di chuyển của robot phụ thuộc và sa bàn của hệ thống các
đường line được kẻ/vẽ/dán sẵn.
1.1.2. Yêu cầu kỹ thuật robot
- Tốc độ di chuyển của robot: tối thiểu 0.2m/s.
- Mỗi robot mang trên người một vật nặng hình hộp chữ nhật có trọng lượng 2kg
với
kích thước tối đa của tải trọng (dài x rộng x cao): 200mm x 100mm x 300mm. Nhóm
sinh viên tự chế tạo tải trọng để đặt và cố định lên thên robot.

- Số lượng bánh xe của robot (bao gồm bánh xe dẫn động và bánh xe bị động) được
chọn tùy thuộc vào thiết kế của các nhóm.
- Trên robot được trang bị hệ thống cảm biến để giúp robot nhận biết đường line
trên
bề mặt sàn/mặt đất và di chuyển bám theo đường line đó. Nhóm sinh viên tự chọn
loại cảm biến phù hợp.
Điều kiện ràng buộc
- Đường kính các bánh xe: d ≤ 200mm.
- Số lượng bánh xe (chủ động + bị động): tùy chọn
- Kích thước tối đa các chiều của robot (dài x rộng x cao): 300mm x 220mm x
300mm.
- Màu sắc đường line: đen.
- Màu nền: Trắng.
- Bề rộng đường line: 26mm.
- Bề mặt địa hình hình di chuyển: phẳng.
1.1.3. Sa bàn hệ thống line


Chương 1. Giới thiệu đồ án

Hình 1.1 Sa bàn
Khi bắt đầu, robot được đặt tại vị trí START (điểm A), sau đó robot chạy theo thứ
tự đi qua các điểm nút quy định lần lượt như sau:
(START) A  B  C  D  E F  C  G  A  C  E (END)
1.2. Xác định thông số kỹ thuật
- Khối lượng của xe: nhỏ hơn 4kg (kể cả tải)
- Tốc độ tối đa: 0,65 m/s
- Vận tốc trung bình trên 0.6 m/s (thời gian hồn thành dưới 20 giây)
- Đạt tốc độ tối đa trong 1 giây
- Sai số điều khiển eC<13mm (điểm điều khiển tại trung điểm trục bánh dẫn động)

1.3. Kế hoạch, phân công thực hiện
Thời gian thực hiện: 12 tuần (tuần 2-13)
Bảng 1.1 Bảng phân công tạm thời
STT Tên thành viên
1
2
3
4

Võ Thường San
Trần Ngơ
Hồng Sang
Nguyễn Việt
Sơn
Bùi Đức Thắng

Nội dung chịu trách nhiệm chính
Phân tích động học, thiết kế bộ điều khiển, mơ phỏng,
bản vẽ giải thuật, thiết kế khung xe, bản vẽ lựa chọn
phương án
Giải thuật xác định tọa độ line, gá đặt cảm biến, thiết
kế và thi công mạch cảm biến, bản vẽ điện
Nguyên lý xe, tổng quan về robot bám line tự động,
bản vẽ cơ khí
Chọn mạch cầu, vi điều khiển, thiết kế bộ PID vận
tốc, lựa chọn cấu trúc bộ điều khiển, lập trình

2

Ghi

chú


Chương 2. Chọn nguyên lý xe
2.1. Các mẫu xe dò line trong và ngoài nước
2.1.1. Các mẫu xe trong nước
a) Xe UIT-Mon - Nguyễn Tiến Đình - Giải nhất cuộc thi năm 2013.
Cảm biến sử dụng: Led hồng ngoại 7 cặp, đọc tín hiệu digital, quét led song song.
Số lượng bánh xe: 3 bánh, 2 bánh sau gắn dẫn động, bánh trước tự lựa.

Hình 2.1 Sơ đồ xe UIT-Mon
-

Tốc độ đạt được: 1,5m/s.
Sai số: 20 mm.
Ưu điểm : 3 bánh xe luôn tiếp xúc với bề mặt di chuyển.
Nhược điểm : dễ bị lật khi tải trọng đặt lệch so với trọng tâm.

b) Xe Mr.zero - Trịnh Nguyễn Trọng Hữu – Giành giải nhì trong cuộc thi 2015.
Cảm biến sử dụng: Led hồng ngoại 5 cặp, đọc tín hiệu analog, quét led nối tiếp. Số
lượng bánh xe: 4 bánh, 2 bánh sau gắn dẫn động, 2 bánh trước tự lựa.

Hình 2.2 Sơ đồ xe Mr.zero
-

Tốc độ đạt được: 1.6 m/s.
Sai số: 15 mm.
Ưu điểm : xe đảm bảo khả năng cân bằng tốt.
3

Chương 2. Chọn nguyên lý xe
-

Nhược điểm : không đảm bảo độ đồng phẳng do đó cần một hệ thống treo
để đảm bảo xe tiếp xúc với mặt đường.

2.1.2. Các mẫu xe nước ngoài
a) Xe FRAGILE013RT
Cấu tạo gồm 2 bánh chủ động, 1 bánh dãn hướng, 5 cảm biến hồng ngoại SHARP
GP2S40, khối lượng 126g, động cơ DC 12V, vi sử lí H8 – 3694 20MHz, vận tốc: 6,5
m/s.

Hình 2.3 Hình ảnh và sơ đồ nguyên lý xe FRAGILE013RT
Ưu điểm : nhỏ gọn, tốc độ cao.
Nhược điểm : khi quẹo cua với tốc độ cao xe bị mất ổn định do trọng tâm xe bị
lệch về 2 bánh còn lại.
b) Xe Fireball-line
Thành tích: Đạt giải nhất tại cuộc thi Chibots ở Mỹ
Cảm biến: 8 bộ cảm biến hồng ngoại. Bốn bánh chủ động - 4 động cơ DC,vận tốc
: 1.5 m/s.

Hình 2.4 Hình ảnh và sơ đồ nguyên lý xe Fireball-line
Ưu điểm : tốc độ cao, dễ cân bằng.
4


Chương 2. Chọn nguyên lý xe
Nhược điểm : vì sử dụng 4 động cơ nên khối lượng xe tăng, tốn kinh phí.
Ngồi ra cịn có một số cơ cấu và vận tốc xe như sau:

Bảng 2.1 Một số mơ hình xe dị line nước ngồi
Tên

Silvestre

Hình ảnh

Thành tích

Giải 3 tại JET
International
Robotics
Competition

Tốc độ (m/s)

2,6

Giải nhất tại
Mostly Red cuộc đua xe dò
Racer
line ở được tổ
chức bởi
LVBots

1,2

Giải nhì tại cuộc
Usain Volt
đua xe dị line ở

2.0
được tổ chức bởi
LVBots

1,02

The Chariot

2

Pionier

2,1

5


Chương 2. Chọn nguyên lý xe
2.2. Đánh giá lựa chọn các phương án
Bảng 2.2 Bảng tiêu chí lựa chọn nguyên lý xe
Trọng số
Tiêu chí
Định nghĩa
(thang 10)
vận tốc trung bình của trọng tâm xe trên
Vận tốc thẳng
9
đoạn thẳng
Khả năng
vận tốc quay của robot ω, với tâm quay

8
chuyển hướng
tại tâm các bánh của robot
Vận tốc trên
vận tốc tại tâm các bánh trên đoạn
6
đoạn cong
đường cong với bán kính R=500mm
tổng chi phí linh kiện tối thiểu cho từng
Chi phí
10
cơ cấu xe (chưa tính mạch điều khiển)
2.2.1. Xét vận tốc thẳng
Vận tốc tại mỗi bánh tối đa là V. Thang điểm được xét với vận tốc tối thiểu:
1

0,5V – 0,6125V

2

0,6125V – 0,75V

3

0,75V – 0,875V

4

0,875V – V
a) 4 bánh song song, 4 động cơ

Hình 2.5 Sơ đồ vận tốc thẳng phương án 4 động cơ
Trong chuyển động trong vật rắn, vận tốc của các chất điểm bằng vận tốc của khối
tâm:
 ⃗⃗⃗⃗
vo = v
⃗
 Vận tốc của khối tâm là v. Đánh giá 4/4 điểm

6


Chương 2. Chọn nguyên lý xe
b) 4 bánh song song có bẻ lái

Hình 2.6 Sơ đồ vận tốc thẳng phương án có bẻ lái
Trong chuyển động trong vật rắn, vận tốc của các chất điểm bằng vận tốc của khối
tâm:
 ⃗⃗⃗⃗
vo = v
⃗
 Vận tốc của khối tâm là v. Đánh giá 4/4 điểm
c) 2 bánh chủ động, 1 bị động

Hình 2.7 Sơ đồ vận tốc thẳng phương án 2 chủ động
Trong chuyển động trong vật rắn, vận tốc của các chất điểm bằng vận tốc của khối
tâm:
 ⃗⃗⃗⃗
vo = v
⃗

 Vận tốc của khối tâm là v. Đánh giá 4/4 điểm

7


Chương 2. Chọn nguyên lý xe
d) Omni 3 bánh

Hình 2.8 Sơ đồ vận tốc thẳng phương án omni 3 bánh
Xe omni có khả năng di chuyển đa hướng tuy nhiên ta chỉ xét 2 hướng vng góc
nhau (các hướng cịn lại sẽ là tổng hợp của 2 hướng này):
+ Vận tốc các bánh theo phương vng góc với phương di chuyển của bánh 3:

 V1x   V1.cos(30) 
Vx   V2x    V2 .cos(30) 
  

 V3x  

0
+ Theo phương trùng với phương di chuyển của bánh 3

 V1y   V1.cos(60) 
 
Vy   V2y    V2 .cos(60) 


 V3y  

V

3
 
+ Với mỗi trường hợp ta chỉ muốn robot chạy theo 1 hướng (khơng có chuyển
động xoay) nên vận tốc góc tổng hợp bằng 0 => 𝑉1 . 𝑟 + 𝑉2 . 𝑟 + 𝑉3 . 𝑟 = 0 hay 𝑉1 +
𝑉2 + 𝑉3 = 0
Trong đó V1, V2, V3 Є (-V,V)

 V1.cos(30)   V.cos(30) 
Vx   V2 .cos(30)    V.cos(30) 

 


 

0
0

Dấu “=” xảy ra khi V1=-V2=V
+ Do đặc điểm của bánh omni có thể trượt theo phương vng góc với bánh vận
tốc bất kì nên ta có: Vận tốc của 3 bánh theo phương X là V.cos(30)
 Vận tốc khối tâm theo phương X bằng vận tốc của 3 bánh là
8

√3
2

𝑉

Chương 2. Chọn nguyên lý xe

 V1.cos(60)   V.cos(60) 
Vy   V2 .cos(60)    V.cos(60) 

 





V3
V
 

Dấu “=” xảy ra khi V1=V2=-V3=-V
+ Do đặc điểm của bánh omni có thể trượt theo phương vng góc với bánh vận
tốc bất kì nên ta có: Vận tốc của 3 bánh theo phương Y là V
 Vận tốc khối tâm theo phương Y bằng vận tốc của 3 bánh là V. Đánh giá 3/4
điểm
e) Omni 4 bánh

Hình 2.9 Sơ đồ vận tốc thẳng phương án omni 4 bánh
Do kết cấu đối xứng khác với loại 3 bánh nên loại 4 bánh chỉ cần xét theo 1 phương.

 V1   V 
 0  0
V  
 V2   V 
   

 0  0
+ Do đặc điểm của bánh omni có thể trượt theo phương vng góc với bánh vận
tốc bất kì nên ta có: Vận tốc của 4 bánh theo phương trong hình là V
 Vận tốc khối tâm theo phương trong hình bằng vận tốc của 4 bánh là V. Đánh
giá 4/4 điểm
2.2.2. Xét khả năng chuyển hướng
Vận tốc quay của robot ω, với tâm quay tại tâm các bánh của robot
1

0 – 0,25 V/r (Hoặc không tự quay được)

2

0,25 V/r – 0,5 V/r

3

0,5 V/r – 0,75 V/r

4

0,75 V/r – V/r

a) 4 bánh song song, 4 động cơ

9


Chương 2. Chọn nguyên lý xe

Hình 2.10 Sơ đồ vận tốc góc phương án 4 động cơ
Trong chuyển động trong vật rắn, vận tốc quay của các chất điểm bằng vận tốc góc
của khối tâm:
 ⃗⃗⃗⃗⃗
ωo = ω
⃗⃗ =

𝑉
𝑟

 Vận tốc góc của khối tâm là ω. Đánh giá 4/4 điểm.
b) 4 bánh song song có bẻ lái

Hình 2.11 Sơ đồ vận tốc góc phương án có bẻ lái
Do cơ cấu vi sai gắn trên bánh chủ động hoạt động dựa vào sự chênh lệch momen
cản trên hai bánh nên hai bánh phải quay cùng chiều và cùng chiều với hai bánh dẫn
hướng phía trước. Vì vậy xe 4 bánh song song có bẻ lái khơng thể tự quay quanh
chính nó. Đánh giá 1/4 điểm
c) 2 bánh chủ động, 1 bị động

Hình 2.12 Sơ đồ vận tốc góc phương án 2 bánh chủ động
10


Chương 2. Chọn nguyên lý xe
Trong chuyển động trong vật rắn, vận tốc quay của các chất điểm bằng vận tốc góc
của khối tâm:
 ⃗⃗⃗⃗⃗
ωo = ω
⃗⃗ =

𝑉
𝑟

 Vận tốc góc của khối tâm là ω. Đánh giá 4/4 điểm
d) Omni 3 bánh

Hình 2.13 Sơ đồ vận tốc góc phương án 3 bánh omni
Trong chuyển động trong vật rắn, vận tốc quay của các chất điểm bằng vận tốc góc
của khối tâm:
 ⃗⃗⃗⃗⃗
ωo = ω
⃗⃗ =

𝑉
𝑟

 Vận tốc góc của khối tâm là ω. Đánh giá 4/4 điểm
e) Omni 4 bánh

Hình 2.14 Sơ đồ vận tốc góc phương án 4 bánh omni
Trong chuyển động trong vật rắn, vận tốc quay của các chất điểm bằng vận tốc góc
của khối tâm:
 ⃗⃗⃗⃗⃗
ωo = ω
⃗⃗ =

𝑉
𝑟

 Vận tốc góc của khối tâm là ω. Đánh giá 4/4 điểm
2.2.3. Vận tốc trên đoạn đường cong
Vận tốc tại mỗi bánh tối đa là V. Xét vận tốc tại tâm các bánh trên đoạn đường
cong với bán kính R=500mm. Khoảng cách giữa các bánh là d=220mm

11


Chương 2. Chọn nguyên lý xe
1

0,5V – 0,6125V

2

0,6125V – 0,75V

3

0,75V – 0,875V

4

0,875V – V

a) 4 bánh song song, 4 động cơ
Trong chuyển động quay, vận tốc dài của 1 điểm bất kì là v=ω.r
Với cùng tốc độ quay ta có vận tốc dài càng lớn khi bán kính càng lớn
 Vận tốc dài của cặp bánh ngoài cùng là lớn nhất.
Khi đó tốc độ quay của chuyển động là  

V
R

Vận tốc dài tại tâm các bánh là vo 

d
2

V.R
 0,82V . Đánh giá 3/4 điểm.
d
R
2

b) 4 bánh song song có bẻ lái
4 bánh song song có bẻ lái tương tự với trường hợp 4 bánh song song không bẻ lái
(bánh ngoài cùng quay với vận tốc lớn nhất). Điểm khác biệt giữa 2 phương án là 4
bánh song song có bẻ lái bị trượt bánh khi đi trên đoạn đường cong. Đánh giá 3/4
điểm
c) 2 bánh chủ động, 1 bị động
2 bánh chủ động, 1 bị động tương tự với trường hợp 4 bánh song song có bẻ lái.
Đánh giá 3/4 điểm
d) Omni 3 bánh
Xe Omni có khả năng di chuyển theo mọi hướng nên vận tốc trên đoạn đường cong
cũng tương tự như vận tốc trên đoạn đường thẳng: Vo Є[

3
V,V ]. Đánh giá 3/4
2

điểm
e) Omni 4 bánh
Xe Omni có khả năng di chuyển theo mọi hướng nên vận tốc trên đoạn đường cong
cũng tương tự như vận tốc trên đoạn đường thẳng: Vo = V. Đánh giá 4/4 điểm.
2.2.4. Chi phí
Giá của 1 bánh xe: 22,000 đ (V1 65mm)
12


Chương 2. Chọn nguyên lý xe
Giá của 1 động cơ là: 35,000 đ (V1 1:120)
Giá của 1 động cơ servo là: 40,000 đ
Giá của 1 bánh omni là: 250,000 đ (58mm)
Giá của cơ cấu vi sai là: 230,000 đ (vi sai cầu sau RC trục 5mm)
Giá của 1 bánh mắt trâu (bánh bị động): 25,000 đ (đường kính bi 12mm)
Giả sử: Giá thành của khung xe và các bộ phận khác tương đương nhau trong các
phương án.
a) 4 bánh song song, 4 động cơ
Bảng 2.3 Chi phí phương án 4 động cơ
Thiết bị Số lượng

Giá

Tổng

Động cơ

4

35,000

140,000

Bánh xe

4

22,000

88,000

Tổng cộng: 228,000 đ
b) 4 bánh song song có bẻ lái
Bảng 2.4 Chi phí phương án có bẻ lái
Thiết bị
Số lượng
Giá

Tổng

Bánh xe

4

22,000

88,000

Động cơ

1

35,000

35,000

Động cơ
servo

1

40,000

40,000

Cơ cấu vi
sai

1

230,000

230,000

Ghi chú
Thêm 1 động cơ
cho cơ cấu bẻ lái

Tổng cộng: 393,000 đ

c) 2 bánh chủ động, 1 bị động
Bảng 2.5 Chi phí phương án 2 bánh chủ động
Thiết bị
Số lượng
Giá

Tổng

Động cơ

2

35,000

70,000

Bánh xe chủ động

2

22,000

66,000

Bánh xe bị động

1

25,000

25,000

Giá

Tổng

Tổng cộng: 161,000 đ
d) Omni 3 bánh
Bảng 2.6 Chi phí phương án 3 bánh omni
Thiết bị
Số lượng
13


Chương 2. Chọn nguyên lý xe
Động cơ

3

35,000

105,000

Bánh xe omni

3

250,000

750,000

Tổng cộng: 855,000 đ
e) Omni 4 bánh
Bảng 2.7 Chi phí phương án 4 bánh omni
Thiết bị
Số lượng
Giá

Tổng

Động cơ

4

35,000

140,000

Bánh xe omni

4

250,000

1,000,000

Tổng cộng: 1,140,000 đ
Kết luận chi phí:
Bảng 2.8 Bảng tổng hợp chi phí các phương án
Chi phí

Điểm đánh giá
(thang 4)

4 bánh song song, 4 động

228,000

3

4 bánh song song có bẻ lái

393,000

3

2 bánh chủ động, 1 bị động

161,000

4

Omni 3 bánh

855,000

2

Omni 4 bánh

1,140,000

1

Phương án

Trong đó thang điểm được chấm như sau:





Từ 0 – 200,000 đ: 4 điểm
Từ 200,000 – 500,000 đ: 3 điểm
Từ 500,000 – 1,000,000 đ: 2 điểm
Trên 1,000,000 đ: 1 điểm

2.3. Kết luận
Bảng 2.9 Bảng đánh giá chung các phương án
4 bánh
4 bánh
2 bánh chủ động,
Phương án
thường có bẻ lái
1 bánh bị động
Vận tốc thẳng
4
4
4
Khả năng

4
1
4
chuyển hướng
Vận tốc trên
3
3
3
đoạn cong
Chi phí
3
3
4
Tổng cộng
49
40
53
Kết luận: chọn cơ cấu xe 2 bánh chủ động, 1 bánh bị động.

14

4 bánh
Omni
4

3 bánh
Omni
3

4

4

4

3

1
44

1
37


Chương 3. Phân tích động học
Mơ hình động học của robot được biểu diễn như hình
Để xác định vị trí của xe so với line, ta sử dụng 2 thông số là e2 và e3 được định
nghĩa như hình dưới:

Hình 3.1 Minh họa sai số e2 và e3
Theo phương trình động học của một vật vừa tịnh tiến vừa xoay:
𝑣=𝑣
⃗⃗⃗𝑐 + 𝜔
⃗ × 𝑅⃗ = 𝑣
⃗⃗⃗𝑐 + ⃗⃗⃗⃗
𝑣𝜔
ta có thể xem vật xoay quanh một trục với tốc độ góc 𝜔 và trục di động với vận
tốc 𝑣𝑐 . Nói cách khác, vận tốc của mọi điểm trên vật bằng tổng vector vận tốc tịnh
tiến và vận tốc dài khi vật quay quanh chính nó.
Xét trường hợp xe đi thẳng:

15