(Đồ án hcmute) nghiên cứu, thiết kế và chế tạo xe vận chuyển tài liệu trong văn phòng tự động

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT
THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH

ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP
NGÀNH CƠNG NGHỆ KỸ THUẬT CƠ ĐIỆN TỬ

NGHIÊN CỨU, THIẾT KẾ VÀ CHẾ TẠO XE VẬN CHUYỂN
TÀI LIỆU TRONG VĂN PHÒNG TỰ ÐỘNG

GVHD: BÙI HÀ ĐỨC
SVTH : TRƯƠNG ĐỒNG BẢO
MSSV: 15146007
SVTH : VÕ TRỊNH ANH KHOA
MSSV: 15146060
SVTH : NGUYỄN NGỌC THẠCH
MSSV: 15146098

SKL 0 0 5 5 1 7

Tp. Hồ Chí Minh, tháng 07/2019

do an


TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT TP. HỒ CHÍ MINH
KHOA ĐÀO TẠO CHẤT LƯỢNG CAO
BỘ MÔN CÔNG NGHỆ KỸ THUẬT CƠ ĐIỆN TỬ

ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP
NGHIÊN CỨU, THIẾT KẾ VÀ CHẾ TẠO XE VẬN CHUYỂN

TÀI LIỆU TRONG VĂN PHÒNG TỰ ĐỘNG

GVHD: TS. BÙI HÀ ĐỨC
SVTH: TRƯƠNG ĐỒNG BẢO
MSSV: 15146007
SVTH: VÕ TRỊNH ANH KHOA
MSSV: 15146060
SVTH: NGUYỄN NGỌC THẠCH
MSSV: 15146098
KHÓA: K15
Tp. Hồ Chí Minh, tháng 7 năm 2019

do an


LỜI CẢM ƠN
Chúng em xin gửi lời cảm ơn chân thành đến các thầy cô của trường Đại học sư
phạm kỹ thuật TP Hồ Chí Minh, đặc biệt là các thầy cô khoa Đào tạo Chất lượng cao của
trường.
Và chúng em cũng xin chân thành cám ơn thầy Bùi Hà Đức đã nhiệt tình hướng dẫn
hướng dẫn em hồn thành tốt đồ án.
Trong quá trình thực tập, cũng như là trong q trình làm bài báo cáo, khó tránh
khỏi sai sót, rất mong các thầy, cơ bỏ qua. Đồng thời do trình độ cũng như kinh nghiệm
thực tiễn cịn hạn chế nên bài báo cáo không thể tránh khỏi những thiếu sót, em rất mong
nhận được ý kiến đóng góp thầy, cô để em học thêm được nhiều kinh nghiệm và sẽ hoàn
thành tốt hơn bài báo cáo tốt nghiệp sắp tới.
Em xin chân thành cảm ơn!

i

do an


TÓM TẮT ĐỒ ÁN
Cùng với sự mở rộng của các nhà máy được tự động hóa và cơ khí hóa, các vấn đề
về việc vận chuyển, bốc dỡ và tích trữ hàng hóa trở nên ngày càng quan trọng hơn. Tuy
nhiên hiện nay xe AGV chỉ tập trung chủ yếu ở các nhà máy, xưởng sản xuất mà vẫn chưa
thấy ứng dụng nhiều trong cơng việc văn phịng, một lĩnh vực cũng cần phải cải thiện và
nâng cao hiệu suất làm việc. Hiện nay, các công ty ở Việt Nam được phát triển theo mơ
hình phịng, ban gồm các văn phòng sát cạnh nhau trong một tòa nhà. Với việc phải xử lý
các tài liệu bằng giấy tờ như hợp đồng, hồ sơ, các giấy tờ cần sếp ký… dẫn tới nhu cầu
giao nhận tài liệu giữa các phòng với nhau. Do đó, nhu cầu có một thiết bị tự động giải
quyết được việc giao nhận tài liệu giữa các văn phịng sẽ giúp các cơng ty nâng cao năng
suất làm việc của các nhân viên. Từ ý tưởng và những kiến thức đã học về cơ, điện, lập
trình… nhóm chúng em quyết định thực hiện đề tài:
“XE VẬN CHUYỂN TÀI LIỆU TỰ ĐỘNG TRONG VĂN PHÒNG”

ii

do an


MỤC LỤC
LỜI CẢM ƠN .......................................................................................... i
TÓM TẮT ĐỒ ÁN .................................................................................ii
MỤC LỤC ............................................................................................ iii
DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT ........................................................ vi
DANH MỤC CÁC BẢNG BIỂU ......................................................... vii
DANH SÁCH CÁC BIỂU ĐỒ, HÌNH ẢNH .......................................viii
TÀI LIỆU THAM KHẢO....................................................................... x

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN................................................................. 1
1.1. Tính cấp thiết của đề tài ......................................................................................... 1
1.2. Mục tiêu đề tài......................................................................................................... 1
1.3. Giới hạn đề tài ......................................................................................................... 1
1.4. Bố cục báo cáo ......................................................................................................... 2

CHƯƠNG 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT..................................................... 3
2.1. Giới thiệu xe AGV: ................................................................................................. 3
Xe AGV là gì:................................................................................................. 3
Các ưu điểm và ứng dụng của AGV: ............................................................ 3
Phân loại xe AGV: ......................................................................................... 4
Loại chạy không theo đường dẫn: .......................................................... 4
Loại chạy theo đường dẫn: ..................................................................... 4
Các phương pháp nhận diện đường băng kẻ trên sàn ................................. 5
Sử dụng cảm biến dò line ........................................................................ 5
Sử dụng camera để nhận diện đường line .............................................. 6
2.2. Giới thiệu bánh omni .............................................................................................. 7
Bánh Omni là gì? ........................................................................................... 7
Các loại bánh omni: ...................................................................................... 7
Các ứng dụng của bánh omni ....................................................................... 7
iii

do an


Ứng dụng bánh omni vào thiết kế xe AGV .................................................. 8
2.3. Tính tốn động học cho xe AGV ............................................................................ 9
2.4. Nhận dạng đường đi bằng xử lý ảnh .................................................................... 12
Thu nhận hình ảnh từ camera .................................................................... 12
Tiền xử lý ..................................................................................................... 14

Cân bằng sáng ....................................................................................... 15
Hệ màu HSV .......................................................................................... 17
Thuật toán Threshold inRangel............................................................ 19
Xác định cạnh (edge detection) ............................................................. 20
Nhận diện và xử lý lane ............................................................................... 23
Tìm và xử lý các contour....................................................................... 24
Thuật toán Hough ................................................................................. 28
Nhận diện trạng thái và đường tâm của Lane ..................................... 31
2.5. Giới thiệu Lamp Server ........................................................................................ 35
Lamp Server là gì? ...................................................................................... 35
Các thành phần của Lamp server............................................................... 35

CHƯƠNG 3: THIẾT KẾ CƠ KHÍ .................................................... 37
3.1. Yêu cầu kỹ thuật ................................................................................................... 37
Phần dẫn động: ............................................................................................ 38
Phần khung đỡ ............................................................................................ 39
Phần đựng tài liệu: ...................................................................................... 39
3.2. Tính tốn sức bền cho khung ............................................................................... 41
3.3. Tính tốn chọn động cơ: ....................................................................................... 44

CHƯƠNG 4: BỘ ĐIỀU KHIỂN ........................................................ 46
4.1. Thiết kế bộ điều khiển .......................................................................................... 46
4.2. Chọn phần cứng cho phần điều khiển ................................................................. 47
Chọn bộ điều khiển Master ......................................................................... 47
Giới thiệu Raspberry ............................................................................ 47
iv

do an

Chọn bộ điều khiển Slave ............................................................................ 48
Giới thiệu Adruino nano ....................................................................... 48
Chọn driver điều khiển động cơ ................................................................. 48
Chọn pin ...................................................................................................... 49
4.3. Sơ đồ nối dây chi tiết ............................................................................................. 50
Bộ điều khiển trung tâm ............................................................................. 50
Arduino điều khiển động cơ DC servo: ...................................................... 51
Arduino điều khiển mạch RFID để nhận biết trạm ................................... 52
Arduino điều khiển mạch RFID để đóng mở tủ và điều khiển cảm biến
siêu âm HC-SR04 .................................................................................................. 53

CHƯƠNG 5: LẬP TRÌNH ĐIỀU KHIỂN ........................................ 54
5.1. Thuật tốn xử lý ảnh............................................................................................. 55
5.2. Thuật toán xử lý trên web server ......................................................................... 56
5.3. Thuật tốn xử lý tính hiệu RFID .......................................................................... 57
5.4. Xử lý vận tốc theo giá trị database manual được chọn ....................................... 58

CHƯƠNG 6: KẾT QUẢ ..................................................................... 60
6.1. Kết quả đạt được .................................................................................................. 60
Mơ hình cơ khí ............................................................................................. 60
Vận tốc xe .................................................................................................... 61
Điều khiển .................................................................................................... 62
Hệ thống web server .............................................................................. 62
Hệ thống xử lý ảnh ................................................................................ 65
Chạy thực tế ................................................................................................. 68
6.2. Tổng kết

......................................................................................................... 71

Ưu điểm: ...................................................................................................... 71

Khuyết điểm: ............................................................................................... 71
Phương án phát triển .................................................................................. 71

v

do an


DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT
PID: Proportional-Integral-Derivative
RGB: Red, Green, Blue
HSV: Hue, Saturation, Value
AVG: Automated Guided Vehicle
IR: Infrared remote
RFID: Radio Frequency Identification
DC: Direct current
IC: Integrated Circuit

vi

do an


DANH MỤC CÁC BẢNG BIỂU
Bảng 2.1: So sánh ưu nhược điểm của phương pháp thiết kế xe AGV ............................. 8
Bảng 2.2: Giá trị chuyển đổi một số màu cơ bản từ RGB sang HSV. ............................. 18
Bảng 3.1: Thông số động cơ GA 37 ............................................................................... 45
Bảng 6.1: Thông số kỷ thuật của xe ............................................................................... 60
Bảng 6.2: Bảng thời gian chạy thử xe ............................................................................ 61

vii

do an


DANH SÁCH CÁC BIỂU ĐỒ, HÌNH ẢNH
Hình
Hình
Hình
Hình
Hình
Hình
Hình
Hình
Hình
Hình
Hình
Hình
Hình
Hình
Hình
Hình
Hình
Hình
Hình
Hình
Hình
Hình
Hình
Hình

Hình
Hình
Hình
Hình
Hình
Hình
Hình
Hình
Hình
Hình
Hình
Hình
Hình
Hình

2.1: Cơ chế hoạt động của IR hồng ngoại ............................................................... 5
2.2: Nguyên lý hoạt động cơ chế điều hướng ......................................................... 5
2.3: Ví dụ về thuật tốn nhận diện của xe ơ tơ tự hành ........................................... 6
2.4: Các loại bánh omni thông dụng ....................................................................... 7
2.5: Tính tốn động học cho xe .............................................................................. 9
2.6: Xe di chuyển với vận tốc Vd ......................................................................... 10
2.7: Xe di chuyển trong hệ tọa độ chính ............................................................... 11
2.8: Lưu đồ thuật toán xử lý ảnh tổng quát ........................................................... 12
2.9: Ảnh đầu vào thu được từ camera ................................................................... 12
2.10: Ảnh có kích thước 5x5 ................................................................................ 13
2.11: Giá trị i chạy từ 1 tới 5 theo chiều ngang ..................................................... 13
2.12: Gía trị j chạy từ 1 tới 5 theo chiều dọc ......................................................... 14
2.13: Ảnh đầu vào thu được từ camera ................................................................. 14
2.14: Ảnh thu được trong điều kiện đủ và thiếu sáng ............................................ 15
2.15: Ảnh trước và sau qua trình cân bằng sáng ................................................... 16

2.16: Ý nghĩa các thông số hệ màu HSV .............................................................. 17
2.17: Ảnh trước sau khi qua sử lý Threshold inRange .......................................... 19
2.18: Ma trận Sobel .............................................................................................. 21
2.19: Hướng làm trịn của góc gradient ................................................................ 21
2.20: Cách lấy ngưỡng khơng cực đại .................................................................. 22
2.21: Ảnh mình họa hoạt động lọc ngưỡng........................................................... 22
2.22: Ảnh sau khi xử lý canny .............................................................................. 23
2.23: Lưu đồ thuật toán nhận diện và xử lý lane ................................................... 23
2.24: Ví dụ về 4-connectivity và 8-connectivity ................................................... 25
2.25: Mơ tả q trình tìm contour của thuật tốn Square Tracing ......................... 25
2.26: Ví dụ trường hợp thuật tốn chạy sai ........................................................... 26
2.27: Ví dụ trường hợp thuật tốn chạy đúng ....................................................... 26
2.28: Mơ tả q trình tìm contour của thuật toán Moore-Neighbor Tracking ........ 27
2.29: Kết quả sau khi tìm và xử lý contour ........................................................... 28
2.30: Biểu diễn đường thẳng qua hai thông số ρ và θ ........................................... 28
2.31: Đường thằng là một điểm trong tọa độ cực.................................................. 29
2.32: Biểu diễn nhiều đường thẳng đi qua một điểm trong không gian Hough...... 29
2.33: Biểu diễn tất cả đường thẳng đi qua một điểm trong không gian Hough ...... 30
2.34: Đường thẳng là điểm giao giữa các đường sin torng khơng gian Hough ...... 30
2.35: Hình biểu diễn AB trong trục tọa độ Oxy .................................................... 31
2.36: Các điểm cần được xác định trên lane ......................................................... 32
2.37: Trạng thái lane thẳng và xe lệch trái ............................................................ 34
2.38: Trạng thái lane rẽ phải................................................................................. 34
viii

do an


Hình
Hình

Hình
Hình
Hình
Hình
Hình
Hình
Hình
Hình
Hình
Hình
Hình
Hình
Hình
Hình
Hình
Hình
Hình
Hình
Hình
Hình
Hình
Hình
Hình
Hình
Hình
Hình
Hình
Hình
Hình
Hình

Hình
Hình
Hình
Hình
Hình

2.39: Giới thiệu LAMP server ............................................................................. 35
2.40: Các thành phần của Lamp server ................................................................. 35
3.1: Phương án thiết kế ........................................................................................ 37
3.2: Bản vẽ tháo lắp phần dẫn động...................................................................... 38
3.3: Bản vẽ lắp phần dẫn động ............................................................................. 38
3.4: Bản vẽ lắp phần khung đỡ ............................................................................. 39
3.5: Bản vẽ tháo rồi phần đựng tài liệu ................................................................. 40
3.6: Bản vẽ lắp phần đựng tài liệu ........................................................................ 40
3.7: Sơ đồ phân bố lực ......................................................................................... 42
3.8: Tính tốn bằng phần mềm Ansys .................................................................. 43
4.1: Sơ đồ hệ thống điều khiển của xe .................................................................. 46
4.2: Pin và bộ chuyển nguồn ................................................................................ 49
4.3: Bộ điều khiển trung tâm ................................................................................ 50
4.4: Arduino điều khiển động cơ .......................................................................... 51
4.5: Arduino điều khiển mạch RFID để nhận biết trạm ........................................ 52
4.6: Arduino điều khiển mạch RFID để đóng mở tủ ............................................. 53
5.1: Tổng quan thuật tốn điều khiển mơ hình...................................................... 54
5.2: Thuật toán xử lý ảnh tổng thế ........................................................................ 55
5.3: Sơ đồ khối tổng quan thuật toán tren web server ........................................... 56
5.4: Sơ đồ thuật tốn xử lý tính hiệu RFID ........................................................... 57
5.5: Lưu đồ Xử lý vận tốc theo giá trị database manual được chọn ....................... 58
6.1: Mơ hình cơ khí hồn chỉnh ............................................................................ 60
6.2: Các bộ phận của xe ....................................................................................... 61
6.3: Tab điều khiển auto và điều khiển ................................................................. 62

6.4: Tab hiệu chỉnh PID. ...................................................................................... 63
6.5: Tab hiệu chỉnh màu sắc lane. ........................................................................ 63
6.6: Tab điều khiển manual. ................................................................................. 64
6.7: Tab điều khiển nguồn hệ thống. .................................................................... 64
6.8: Kết quả thu được khi xe chạy trong điều kiện ánh sáng bình thường ............. 65
6.9: Kết quả thu được khi xe chạy trong điều kiện ánh sáng chiếu trực tiếp .......... 65
6.10: Kết quả thu được khi xe chạy trong điều kiện thiếu sáng nhẹ ...................... 66
6.11: Xe chạy trên đường thẳng ........................................................................... 66
6.12: Kết quả xử lý ảnh khi xe tới góc cua ........................................................... 67
6.13: Xe chạy trên đường thẳng ........................................................................... 68
6.14: Xe quay khi gặp góc cua ............................................................................. 68
6.15: Xe tiếp tục chạy sau khi nhận diện được đường thẳng ................................. 69
6.16: Người dùng quẹt thẻ để lấy tài liệu và xác nhận sau khi lấy......................... 69

ix

do an


TÀI LIỆU THAM KHẢO
Sách
Tiếng anh
[1].
[2].
[3].
[4].
[5].
[6].
[7].
[8].

Adrian Kaehler & Gary Bradski (2017), “Learning OpenCV 3 Computer
Vision in C++ with the OpenCV Library”, pp. 990.
Christopher Hallinan (2010), “Embedded Linux Primer: A Practical RealWorld Approach - Second Edition”, pp. 656.
Derek Molloy (2016) “Exploring Raspberry Pi: Interfacing to the Real World
with Embedded Linux”, pp 720.
Gareth Cawood (2012), “Summary of Omni-Directional Drive Choices”, pp. 15.
Roland Siegwart and Illah R. Nourbakhsh (2004),” Autonomous Mobile
Robots”, pp 336.
Robert Laganiere (2017), “OpenCV 3 Computer Vision Application
Programming Cookbook - Third Edition”, pp. 559.
Roger Bostelman and Tsai Hong (2016). “Review of Research for Docking
Automatic Guided Vehicles and Mobile Robots”, pp. 22.
Roy Shilkrot, David Millán Escrivá (2018). “Mastering OpenCV 4: A
comprehensive guide to building computer vision and image processing
applications with C++, 3rd Edition”, pp 280.

x

do an


CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN
1.1. Tính cấp thiết của đề tài
Cùng với sự mở rộng của các nhà máy được tự động hóa và cơ khí hóa, các vấn đề
về việc vận chuyển, bốc dỡ và tích trữ hàng hóa trở nên ngày càng quan trọng hơn. Theo
xu hướng gia tăng sự tự động hóa trong các lĩnh vực sản xuất, các hệ thống vận chuyển bên
trong các nhà máy dưới dạng “hệ thống máy dẫn đường tự động” (AGV) ngày càng chiếm
một vị trí quan trọng trong tồn bộ lĩnh vực xử lý vật liệu. Với việc sử dụng các xe AGV
giúp các doanh nghiệp tiết kiệm được thời gian cũng như chi phí tiền lương cho cơng nhân.

Tuy nhiên hiện nay xe AGV chỉ tập trung chủ yếu ở các nhà máy, xưởng sản xuất mà vẫn
chưa thấy ứng dụng nhiều trong cơng việc văn phịng, một lĩnh vực cũng cần phải cải thiện
và nâng cao hiệu suất làm việc. Hiện nay, các công ty ở Việt Nam được phát triển theo mơ
hình phịng, ban gồm các văn phịng sát cạnh nhau trong một tòa nhà. Với việc phải xử lý
các tài liệu bằng giấy tờ như hợp đồng, hồ sơ, các giấy tờ cần sếp ký… dẫn tới nhu cầu
giao nhận tài liệu giữa các phòng với nhau. Việc này được thực hiện bởi các nhân viên tuy
nhiên việc đi lại của mỗi cá nhân gây tốn nhiều thời gian, ảnh hưởng tới hiệu suất làm việc
dẫn đến lãng phí nhân lực khơng đáng có. Tuy nhiên thực hiện việc vận chuyển tài liệu
trong văn phịng cũng có những mặt khó khăn như: xử lý việc hoạt động của xe để không
làm ảnh hưởng đến công việc của các nhân viên hay việc di chuyển của xe trong môi trường
chật hẹp, điều kiện thiếu sáng, các vấn đề về thiết kế, thi công,... Tuy nhiên với mong muốn
đem lại một ứng dụng giúp cho nâng cao năng suất hiệu quả công việc cho mọi người và
với những kiến thức về cơ khí, lập trình nhóm chứng em quyết định thực hiện đề tài:
“XE VẬN CHUYỂN TÀI LIỆU TỰ ĐỘNG TRONG VĂN PHÒNG”
1.2. Mục tiêu đề tài
Thiết kế được 1 mơ hình cơ khí với 2 phần riêng biệt bao gồm phần xe di chuyển
và phần trên đựng tài liệu, khi cần có thể tháo rời ra
Gia cơng hồn thiện sản phẩm
Điều khiển được tốc độ động cơ
Xử lý ảnh nhận diện vật cản và đường đi cho xe
Thiết kế webserver để theo dõi vị trí của xe cũng như để thiết lập lại các thông số
của xe khi cần thiết
1.3. Giới hạn đề tài
Đề tài tập trung vào thiết kế, chế tạo mơ hình xe hồn chỉnh cũng như nghiên cứu
các vấn đề về xử lý ảnh nhận diện đường line, nhận diện người. Ngoài ra đề tài còn thiết
kế giao diện sử dụng và giám sát xe thông qua webserver.

1

do an

Nội dung đề tài bao gồm:
Phần mơ hình:
Thiết kế, chế tạo mơ hình xe vận chuyển tài liệu tự động trong văn phòng sử dụng
bánh omni
Phần điều khiển:
Sử dụng thuật toán xử lý ảnh để nhận diện vật cản và đường đi thông qua thiết bị
raspberry.
Thiết kế webserver để theo dõi vị trí xe cũng như điều chỉnh các thơng số của xe khi
cần thiết.
Sử dụng Adruino điều khiển động cơ DC servo thông qua mạch cầu H LMD18200T.
Sử dụng IC RFID nhận diện mật khẩu từng tủ tài liệu nhầm tang cao độ bảo mật
đồng thời nhận diện vị trí từng trên đường đi của xe.
1.4. Bố cục báo cáo
Báo cáo đồ án tốt nghiệp gồm 6 chương:
Chương 1: Tổng quan đề tài
Chương 2: Cơ sở lý thuyết
Chương 3: Thiết kế cơ khí
Chương 4: Thiết kế bộ điều khiển
Chương 5: Lập trình điều khiển
Chương 6: Kết quả đạt được

2

do an


CHƯƠNG 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT
2.1. Giới thiệu xe AGV:

Xe AGV là gì:
Xe tự hành AGV (Automated Guided Vehicle) là loại Mobile robot có khả năng
năng tự hoạt động, thực thi nhiệm vụ mà không cần sự can thiệp của con người [1]. Chúng
có khả năng nhận biết về mơi trường xung quanh. Robot tự hành ngày càng có nhiều ý
nghĩa trong các ngành công nghiệp, thương mại, y tế, các ứng dụng khoa học và phục vụ
đời sống của con người.
Xe tự hành AGV được thiết kế để thực hiện việc giao/nhận giữa các trạm đã được
thiết lập sẵn với những ưu thế vượt trội so với con người như:
Giảm thiểu thiệt hại trong vận hành: Người lái xe có thể bị phân tâm, mệt mỏi từ đó
gây nguy hiểm cho người khác hoặc làm hư hỏng hàng hóa. Tuy nhiên với xe AGV có thể
hoạt động bền bỉ, đảm bảo năng suất và hoạt động gần như suốt ngày mà chỉ cần phải nạp
năng lượng
Giảm chi phí hoạt động: Có thể lúc đầu chi phí đầu tư sẽ cao nhưng với thời gian
hoạt động cũng như năng suất làm việc, về lâu dài sẽ ít tốn kém hơn so với thuê 1 công
nhân làm việc
Dễ dàng quản lý: Chỉ với việc ngồi 1 chỗ, người quản lý có thể theo dõi tồn bộ các
AGV thơng qua màn hình, kịp thời phản ứng khi có tình huống xấu xảy ra
Từ những lợi thế xe AGV so với con người cộng với khoa học công nghệ ngày càng
phát triển, hiện nay có nhiều khu cơng nghiệp, nhà máy lớn trên thế giới nói chung và Việt
Nam nói riêng đầu tư hệ thống xe AGV để vận chuyển hàng hóa trong khu sản xuất của
mình. Từ đó tối ưu hóa lợi nhuận và tạo sức cạnh tranh so với các đối thủ của mình
Các ưu điểm và ứng dụng của AGV:
− Có khả năng tự động vận hành mà khơng cần tác động của con người.
− Có thể tự động nhận diện, tính tốn đường đi ngắn nhất.
− Có thể nhận diện vật cản trước mắt và đưa ra phương pháp né tránh.
− Cung cấp sắp xếp linh kiện tại khu vực kho và sản xuất.
− Chuyển hàng giữa các trạm sản xuất.
− Phân phối, cung ứng sản phẩm, đặc biệt trong bán buôn.
− Cung cấp, sắp xếp trong các lĩnh vực đặc biệt như bệnh viện, siêu thị, văn phòng,
…

3

do an


Phân loại xe AGV:
Loại chạy khơng theo đường dẫn:
Có thể di chuyển đến các vị trí bất kỳ trong khơng gian hoạt động. Đây là loại xe
AGV có tính linh hoạt cao nhưng ngược lại việc thiết kế loại xe này địi hỏi cơng nghệ cao
và phức tạp hơn rất nhiều so với loại AGV khác.
Loại chạy theo đường dẫn:
Đường dẫn từ: Là loại đường dẫn có cấu tạo dây từ chôn ngầm dưới mặt đất. Khi
di chuyển, nhờ các cảm biến cảm ứng từ mà xe có thể di chuyển theo dây dẫn. Tuy nhiên
khi sử dụng phải tiêu tốn nhiều năng lượng cho việc tạo ra từ tính trong dây, đồng thời
đường dẫn là cố định và không thể thay đổi được.
Đường ray dẫn: Xe AGV được chạy trên các ray định sẵn trên mặt sẵn. Loại này
chỉ sử dụng đối với những hệ thống chuyên dụng. Nó cho phép thiết kế xe đơn giản hơn và
có thể di chuyển với tốc độ cao nhưng tính linh hoạt thấp.
Đường băng kẻ trên sàn: Xe AVG di chuyển theo các đường băng kẻ sẵn trên sàn
nhờ camera nhận dạng bằng sử lý ảnh. Loại này có tính linh hoạt cao vì trong q trình sử
dụng có thể đổi đường kẻ 1 các dễ dàng nhờ kẻ lại các vạch dẫn đường. Tuy nhiên khi sử
dụng, các vạch dẫn có thể bị bẩn hay hư hại gây khó khăn cho việc điều khiển chính xác
xe.
Từ những ưu, nhược điểm đã nêu ra cũng như điều kiện thực tế khi tiến hành chế
tạo, nhóm chúng em quyết định chọn thực hiện đề tài AVG theo hướng xe chạy theo lộ
trình nhờ nhận diện các những đường băng kẻ trên sàn.

4

do an


Các phương pháp nhận diện đường băng kẻ trên sàn
Sử dụng cảm biến dò line
Nguyên lý hoạt động: Trong đây, ta sẽ cho xe thực hiện một công việc khá đơn giản
là chạy theo đoạn đường màu đen đã kẻ sẵn. IR hồng ngoại sẽ phát hiện ra vạch qua việc
phát ra bước sóng hồng ngoại và phản xạ lại trên bởi bề mặt có màu sáng tức là ở những nơi
khơng có màu đen là vạch thì sẽ có phản hồi, cịn trên vạch thì khơng, ngun lý này sẽ dẫn
hướng cho xe đi đúng vạch đã định.
Dưới đây là sơ đồ cơ chế hoạt động của IR hồng ngoại qua việc phản xạ và khơng
phản xạ

Hình 2.1: Cơ chế hoạt động của IR hồng ngoại

Nhờ đó robot phát hiện được đoạn đường nào màu đen, đoạn đường nào khơng mà
di chuyển chính xác.
Khi robot di chuyển về phía trước,cả hai cảm biến sẽ ở trạng thái chờ,nếu 1 trong
hai cảm biến ở 2 phía phát hiện vạch màu đen ở phía của mình tức là sẽ sẽ rẽ theo một
hướng trái hoặc phải, vi điều khiển sẽ phát hiện ra sự thay đổi này và điều hướng 2 động
cơ thông qua driver để điều khiển theo hướng phù hợp

Hình 2.2: Nguyên lý hoạt động cơ chế điều hướng

5

do an


Sử dụng camera để nhận diện đường line

Nguyên lý hoạt động: Camera sẽ nhận diện đường line được vẽ sẵn trên đường rồi
tiền hành tính tốn, điều khiển cho động cơ di chuyển theo lane
Phương pháp này có ưu điểm hơn phương pháp sử dụng cảm biến vì với camera
chúng ta có thể làm được nhiều việc hơn là chỉ nhận diện lane như cùng lúc nhận diện lane
và đồng thời cũng nhận diện người, nhận diện vật cản, … và nếu như với phương pháp dùng
ic dị line thì yêu cầu thường là line phải liên tục và không bị vật gì che dù cho dù chỉ là một
đoạn nhỏ nếu không xe sẽ không thể tiếp tục di chuyển hoặc đi ra ngồi, cịn với thuật tốn
xử lý ảnh nếu đường line dị đứt quãng hoặc bị che mất một đoạn nhỏ thì ta vẫn có thể nhận
diện được đường line trên và tiếp tục di chuyển. Nhưng đồng thời với phương án sử dụng
camera để nhận diện đường line cũng có những điểm yếu hơn so với sử dụng cảm biến dò
line là độ nhiễu cao tùy thuộc vào chất lượng ảnh thu được từ camera và ảnh hưởng bởi điều
kiện của môi trường xung quanh, thuật toán để điều khiển xe cũng phức tạp hơn, …
Phương dò line bằng camera được áp dụng rộng rãi đối với các hệ thống xe tự hành
cần tính linh động và đa tác vụ, ví dụ cụ thể như là hệ thống xe tự lái của các công ty xe ô tô
trên thế giới, hệ thống của họ có thể tự động nhận diện đường đi cho xe, nhận diện vật cản
trước xe (xe khác hoặc người đi đường), nhận diện tính hiệu đèn giao thơng, biến báo giao
thơng và rất nhiều thứ khác xuất hiện trên đường đi của xe để từ đó có thể phân tích và đưa
ra hình thức di chuyển hợp lý cho xe trong mọi điều kiện khác nhau

Hình 2.3: Ví dụ về thuật tốn nhận diện của xe ô tô tự hành

➔ So sánh 2 phương pháp này ta thấy phương pháp dụng camera để nhận diện đường line
là phương pháp phù hợp với những yêu cầu được đặt ra và có thể phát triển thêm các tính
năng về sau nếu muốn.

6

do an

2.2. Giới thiệu bánh omni
Bánh Omni là gì?
Là những bánh xe có các đĩa nhỏ xung quanh, vng góc với hướng quay. HIệu quả
là bánh xe có thể được điều khiển với tồn bộ lực, nhưng cũng có thể trượt theo chiều
ngang rất dễ dàng.
Bánh xe omni có độ bền cao, thiết kế chắc chắn có thể chịu được tải trọng lớn tuy
nhiên bánh xe omni thường có giá thành cao gấp nhiều lần so với các loại bánh xe thơng
thường
Các loại bánh omni:

a) OmniWheel singular
b) OmniWheel Double
c) Continuous OmniWheel
Hình 2.4: Các loại bánh omni thông dụng

Các ứng dụng của bánh omni
Bánh xe omni thường được sử dụng trong các robot yêu cầu độ linh hoạt cao, có thể
di chuyển theo mọi hướng. Với thiết kế đặc biệt của mình, bánh xe omni là giải pháp hoàn
hảo cho các sản phẩm hoạt động trong không gian nhỏ hẹp, bị giới hạn diện tích hoạt
động và cần tiết kiệm thời gian thực hiện hành động của mình. Bằng cách kết hợp các
chuyển động của từng bánh, kết cấu sử dụng bánh xe omni có thể thực hiện các chuyển
động cơ bản tiến – lùi, chuyển động xoay tròn dễ dàng trong một không gian rất nhỏ,
đặc biệt là khả năng di chuyển ngang khi cần thiết.Đôi khi cũng được sử dụng trong bộ
vi sai để làm cho chuyển động nhanh hơn, linh hoạt hơn.

7

do an

Ứng dụng bánh omni vào thiết kế xe AGV
Xe AGV thường được thiết kế gồm 3 hoặc 4 bánh Omni. Mỗi thiết kế có các ưu và
ngược điểm khác nhau:

•
•

•

•

Omni 3 bánh

Omni 4 bánh

- Ưu:
Ma sát tốt hơn, và cân bằng trên
mặt phẳng hơn so với 4 bánh.
Giá thành rẻ hơn do bánh Omni
khá mắc.

- Ưu:
Tính tốn đơn giản hơn.
Tận dụng được hiệu suất động
cơ tốt hơn do bố trí vng góc.

- Nhược:
Khơng sử dụng tốt hiệu suất
động cơ các bánh bố trí cách
nhau 120 độ.

Tính tốn khó hơn so với 4
bánh.

•
•

•
•

- Nhược:
Giá thành cao
Khó để đảm bảo tiếp xúc cho cả
4 bánh khi di chuyển, nhất là
khi mặt đường không bằng
phẳng

Bảng 2.1: So sánh ưu nhược điểm của phương pháp thiết kế xe AGV

 Từ những phân tích như trên ta thấy phương án thiết kế xe AGV 3 bánh omni sẽ
phù hợp với đề tài này hơn.

8

do an


2.3. Tính tốn động học cho xe AGV

Hình 2.5: Tính toán động học cho xe

Robot tự hành được thiết kế với ba bánh omni, mỗi bánh tạo với bánh còn lại 1 góc
120 .Gọi hệ tọa độ OX1Y1 là hệ tọa độ của xe với trục Y1 vng góc với vecto V1. Giả sử
bánh quay ngược chiều kim đồng hồ là chiều dương nên ta có phương trình động học:
0

𝑉1
−1
[𝑉2 ] = ⌈cos 𝜃
𝑉3
cos 𝜃

𝐿 𝑉𝑥1
𝐿⌉ [𝑉𝑦1 ] = ⌈
⌈
𝐿
𝜔
⌈
Trong đó: 𝑉1 , 𝑉2 , 𝑉3 :tốc độ quay của bánh 1,2,3
𝜃 = 60° (góc tạo bởi bánh 2,3 và trục Y1)
𝑉𝑥1 , 𝑉𝑦1: Vận tốc của xe theo phương x1, y1
0
−𝑠𝑖𝑛𝜃
𝑠𝑖𝑛𝜃

−1

0

1

√3

2
1

2
√3
2

2

𝐿

𝑉
𝐿⌉ [𝑉𝑥1 ]
𝑦1
⌉ 𝜔
0⌉

(2.1)

L: Khoảng cách từ tâm đến bánh xe
𝜔: Tốc độ góc của xe

9

do an


Hình 2.6: Xe di chuyển với vận tốc Vd

Gọi 𝑉𝑑 là tốc độ của xe khi di chuyển.
Ta có: 𝑉𝑥1 = 𝑉𝑑 𝑐𝑜𝑠𝛼
𝑉𝑦1 = 𝑉𝑑 𝑠𝑖𝑛𝛼
 Phương trình động học trở thành:
−1 0 𝐿
𝑉1
𝑉𝑑 𝑐𝑜𝑠𝛼
1
√3
𝐿
⌉ [ 𝑉𝑑 𝑠𝑖𝑛𝛼 ]
[𝑉2 ] = ⌈ 2
2
⌈
⌉
1
3
√
𝑉3
𝜔
0⌉
⌈ 2
2

(2.2)

10

do an

Hình 2.7: Xe di chuyển trong hệ tọa độ chính

Vị trí của xe trong hệ tọa độ chính được xác định bởi hệ trục tọa độ OXY, và góc
giữa 2 hệ tọa tọa chính và hệ tọa độ của xe chính là góc 𝛽. Vậy ta có thể mơ tả chuyển
động của xe trong hệ tọa chính bằng ma trận sau:
𝑐𝑜𝑠𝛽 𝑠𝑖𝑛𝛽 0
⌈−𝑠𝑖𝑛𝛽 𝑐𝑜𝑠𝛽 0⌉
(2.3)
0
0
1
Từ đó ta có vận tốc của các bánh xe khi xe di chuyển trong hệ tọa độ chính:
−1 0 𝐿
𝑉1
𝑐𝑜𝑠𝛽 𝑠𝑖𝑛𝛽 0 1 √3
𝑉𝑑 𝑐𝑜𝑠𝛼
𝐿
⌈
⌉
𝑉
[ 2 ] = ⌈−𝑠𝑖𝑛𝛽 𝑐𝑜𝑠𝛽 0⌉ 2
[ 𝑉𝑑 𝑠𝑖𝑛𝛼 ]
(2.4)
2
⌈
⌉
1
3

√
𝑉3
𝜔
0
0
1
0]
[ 2
2
Nhân các ma trận lại với nhau ta có cơng thức tổng quát
𝜔𝐿(𝑠𝑖𝑛𝛽 + 𝑐𝑜𝑠𝛽 ) + 𝑉𝑑 𝑐𝑜𝑠𝛼𝑐𝑜𝑠𝛽 + 𝑉𝑑 𝑐𝑜𝑠(60 + 𝛼) 𝑠𝑖𝑛𝛽
𝑉1
[𝑉2 ] = [𝜔𝐿(𝑐𝑜𝑠𝛽 − 𝑠𝑖𝑛𝛽 ) − 𝑉𝑑 𝑐𝑜𝑠𝛼𝑠𝑖𝑛𝛽 + 𝑉𝑑 𝑐𝑜𝑠(60 + 𝛼) 𝑐𝑜𝑠𝛽 ]
𝑉3
𝜔𝐿 + 𝑉𝑑 𝑐𝑜𝑠(60 − 𝛼)

(2.5)

11

do an


2.4. Nhận dạng đường đi bằng xử lý ảnh
Thuật toán xử lý ảnh chia thành 3 phẩn chính là:

Thu nhận hình
ảnh từ camera

Tiền xử lý ảnh

Nhận diện và
xử lý lane
Hình 2.8: Lưu đồ thuật toán xử lý ảnh tổng quát

Thu nhận hình ảnh từ camera
Hình ảnh được thu qua camera Logitech với độ phân giải HD (1280x720 pixels)
với tốc độ 30 khung hình/s theo thơng số từ nhà sản xuất và là ảnh màu hệ màu RGB.

Hình 2.9: Ảnh đầu vào thu được từ camera

12

do an


Trước khi vào phần tiền xử lý ta cần phải hiểu về một thuật toán sẽ được sử dụng
nhiều trong q trình xử lý ảnh đó là thuật tốn qt tồn bộ pixel có trong ảnh. Cụ thể với
thuật tốn này ta có thể xem xét, phân tích và chỉnh sửa các giá trị, tính chất, ... Và từ đó
thay đổi màu sắc của từng pixel cấu thành nên tấm hình đó.
Giả sử ta có một tấm hình với kích thước là 5x5 pixel như hình dưới:

Hình 2.10: Ảnh có kích thước 5x5

Gọi i=1 và j=1 là vị trí của ô 1x1, ta tiến hành cho tăng giá trị của i lần lượt lên 1
như trong hình.

Hình 2.11: Giá trị i chạy từ 1 tới 5 theo chiều ngang

Sau khi i=5 ta tiến hành tăng giá trị của j lên 1, sau đó cho i=1 và tiếp tục tăng giá

trị của i lần lượt lên 1 tới khi bằng 5 như hình.

13

do an