Báo cáo đo án chuyên ngành cơ điên tử thiết kế robot dò line tải hàng

ĐẠI HỌC QUỐC GIA THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA
KHOA CƠ KHÍ
BỘ MƠN CƠ ĐIỆN TỬ

BÁO CÁO ĐỒ ÁN CHUYÊN NGÀNH CƠ ĐIỆN TỬ
THIẾT KẾ ROBOT DÒ LINE TẢI HÀNG
Giảng viên hướng dẫn: PGS.TS Ngô Hà Quang Thịnh

Nhóm sinh viên thực hiện:
Hồng Anh Ngọc 1914335
Nguyễn Duy Nhân 1914437
Phan Trọng Nguyễn 1914411
Lê Sĩ Nguyên 1914374

TP.Hồ Chí Minh, ngày 29 tháng 11 năm 2022


CHƯƠNG 1

LỜI CẢM ƠN
Để hoàn thành đồ án chuyên ngành Cơ Điện Tử , chúng em xin gửi lời cảm
ơn đến Thầy PGS.TS Ngơ Hà Quang Thịnh đã tận tình hướng dẫn, giảng dạy
chúng em trong suốt quá trình học tập, nghiên cứu và rèn luyện để có th ể th ực
hiện tốt đồ án này.
Nhóm cũng xin chân thành cảm ơn đến các thành viên và các bạn trong
khoa đã cùng nhau thảo luận, thu thập tài liệu và giúp đỡ nhau giải quyết các
vấn đề nảy sinh trong quá trình thực hiện đồ án.
Mặc dù đã cố gắng để hoàn thành bằng các kiến thức đã học, nhiều nguồn
tài liệu tham khảo đáng tin cậy, nhưng trong quá trình thực hiện vẫn cịn sự hạn
chế về kiến thức chuyên môn cũng như kinh nghiệm thực nghiệm nên không

tránh khỏi những sai sót. Rất mong sự đóng góp báu của quý Thầy Cô và độc giả
để đề tài được hồn thiện hơn.
Nhóm xin chân thành cảm ơn!
TP. Hồ Chí Minh, ngày 29 tháng 11 năm 2022
Nhóm sinh viên thực hiện

1


CHƯƠNG 1

MỤC LỤC

Danh mục hình ảnh..............................................................................................................................5
Danh sách bảng biểu............................................................................................................................8
CHƯƠNG 1: TÌM HIỂU TỔNG QUAN...........................................................................................9
1.1.

Sơ lược về robot dị line:...................................................................................................9

1.2.

Mục tiêu thiết kế:.................................................................................................................9

1.3.

Tìm hiểu về các mẫu robot dị line:...........................................................................10

1.4.

Thơng tin đầu bài:..............................................................................................................16

CHƯƠNG 2: ĐỀ XUẤT,LỰA CHỌN PHƯƠNG ÁN...............................................................17
VÀ KẾ HOẠCH TRIỂN KHAI THIẾT KẾ...................................................................................17
2.1.

Phương án về cấu trúc xe:.............................................................................................17

2.2.

Phương án về bánh xe.....................................................................................................18

2.3.

Phương án về động cơ.....................................................................................................19

2.4.

Phương án về Driver........................................................................................................21

2.5.

Phương án về cảm biến..................................................................................................22

2.6.

Phương án về giải thuật xử lý tín hiệu cảm biến và bố trí cảm biến.......25

2.7.

Phương án về điều khiển...............................................................................................27

2.8.

Phương án về cấu trúc điều triển..............................................................................29

2.9.

Lựa chọn phương án thiết kế......................................................................................30

CHƯƠNG 3: THIẾT KẾ HỆ THỐNG CƠ KHÍ.........................................................................31
3.1.

Lựa chọn bánh xe:..............................................................................................................31

3.2.

Tính tốn chọn động cơ:.................................................................................................32

3.3.

Tính tốn kích thước xe:..................................................................................................35

3.4.

Yêu cầu đồ gá động cơ:...................................................................................................37

3.5.

Kiểm tra bền của tấm đế và đồ gá:...........................................................................39

3.6.

Tính tốn độ đồng trục của 2 động cơ:...................................................................42

CHƯƠNG 4: THIẾT KẾ HỆ THỐNG ĐIỆN..............................................................................49
4.1.

Cảm biến phototransistor TCRT5000......................................................................49

4.2.

Cảm biến loadcell TLA 220B.........................................................................................58

4.3.

Nguồn cấp.............................................................................................................................60

4.4.

Sơ đồ khối hệ thống điện..............................................................................................62
1


CHƯƠNG 1

CHƯƠNG 5: LẬP TRÌNH..................................................................................................................66
5.1.

Lựa chọn vi điều khiển:..................................................................................................66

5.2.

Giải thuật điều khiển:.....................................................................................................67

CHƯƠNG 6: THIẾT KẾ BỘ ĐIỀU KHIỂN VÀ MÔ PHỎNG..............................................69
CHƯƠNG 7: KẾT QUẢ THỰC NGHIỆM...................................................................................91
TÀI LIỆU THAM KHẢO.....................................................................................................................95

1


CHƯƠNG 1

Danh mục hình ảnh
Hình 1. 1: Sơ đồ sa bàn cho robot phân phối hàng hóa theo khối lượng......................................9
Hình 1. 2: Xe tự hành ACA................................................................................................................................. 11
Hình 1. 3: Xe tự hành STI.................................................................................................................................. 11
Hình 1. 4: Xe tự hành SLA.................................................................................................................................. 12
Hình 1. 5: Mơ hình Steer drive......................................................................................................................... 12
Hình 1. 6: Cấu tạo vơ lăng khớp nối của AGV steer drive...................................................................13
Hình 1. 7: Mơ hình quad drive......................................................................................................................... 13
Hình 1. 8: Mơ hình differential drive............................................................................................................. 14
Hình 1. 9: Mơ hình xe fireball........................................................................................................................... 15
Hình 1. 10: Mơ hình xe Usain Volt 2.0........................................................................................................... 15
Hình 2. 1: Sơ đồ ngun lí mơ hình xe ba bánh........................................................................................18
Hình 2. 2: Bánh xe V1.......................................................................................................................................... 18
Hình 2. 3: Bánh mắt trâu................................................................................................................................... 19
Hình 2. 4: Bánh tự lựa........................................................................................................................................ 19
Hình 2. 5: Động cơ DC khơng encoder......................................................................................................... 20

Hình 2. 6: Động cơ DC gắn encoder.............................................................................................................. 20
Hình 2. 7: Động cơ bước.................................................................................................................................... 20
Hình 2. 8: Driver L298N..................................................................................................................................... 21
Hình 2. 9: Driver TB6612................................................................................................................................... 22
Hình 2. 10: Cảm biến Camera......................................................................................................................... 22
Hình 2. 11: Cảm biến TCRT5000................................................................................................................... 23
Hình 2. 12: Cảm biến Loadcell........................................................................................................................ 23
Hình 2. 13: Cấu tạo mạch bên trong Loadcell.........................................................................................24
Hình 2. 14: Nguyên lí hoạt động của Loadcell.........................................................................................25
Hình 2. 15: Cảm biến lực dạng film............................................................................................................. 25
Hình 2. 16: Phương pháp sấp xỉ bậc 2 và trọng số...............................................................................26
Hình 2. 17: Phương pháp so sánh.................................................................................................................. 26
Hình 2. 18: Các cách bố trí cảm biến........................................................................................................... 27
Hình 2. 19: Các loại vi điều khiển thơng dụng........................................................................................27
Hình 2. 20: Mơ hình điều khiển tập trung.................................................................................................29
Hình 2. 21: Mơ hình điều khiển phân cấp................................................................................................. 30
Hình 3. 1: Bánh xe V3 85mm............................................................................................................................ 31
Hình 3. 2: Bánh mắt trâu................................................................................................................................... 32
Hình 3. 3: Các lực tác động lên bánh xe...................................................................................................... 33
Hình 3. 4: Mơ hình tốn khi xe chuyển hướng......................................................................................... 35
Hình 3. 5: Sơ đồ bố trí trên xe......................................................................................................................... 37
Hình 3. 6: Gá động cơ GA25.............................................................................................................................. 38
Hình 3. 7: Nối trục lục giác.............................................................................................................................. 39
Hình 3. 8: Chuyển vị của tấm platform...................................................................................................... 40
Hình 3. 9: Ứng suất bên trong tấm platform...........................................................................................40
Hình 3. 10: Chuyển vị của gá động cơ........................................................................................................ 41
1


CHƯƠNG 1

Hình 3. 11: Ứng suất trong gá động cơ...................................................................................................... 42
Hình 3. 12: Mơ hình độ đồng trục của hai động cơ..............................................................................43
Hình 3. 13: Độ lệch của hai trục động cơ theo phương Y.................................................................43
Hình 3. 14: Độ lệch trục 2 động cơ theo phương X..............................................................................46
Hình 3. 15: Mơ hình chuỗi kích thước......................................................................................................... 46
Hình 4. 1: Cảm biến TCRT5000...................................................................................................................... 49
Hình 4. 2: Cấu hình chân TCRT5000............................................................................................................. 49
Hình 4. 3: Mạch diode của cảm biến.......................................................................................................... 50
Hình 4. 4: Đồ thị A,V của diode....................................................................................................................... 50
Hình 4. 5: Đồ thị V,A và mạch phototransisto..........................................................................................51
Hình 4. 6: Cách đặt cảm biến.......................................................................................................................... 51
Hình 4. 7: Vùng thu phát của cảm biến TCRT5000...............................................................................52
Hình 4. 8: Bố trí chiều cao cảm biến........................................................................................................... 52
Hình 4. 9: Đo giá trị ADC nền trắng khoảng các từ 1 tới 15mm.....................................................53
Hình 4. 10: Đo giá trị ADC nền đen khoảng các từ 1 tới 15mm......................................................53
Hình 4. 11: Giá trị analog thu về khi di chuyển cảm biến ra xa nền đen...................................54
Hình 4. 12: Giá trị analog khi cho cảm biến ra xa trên nền trắng.................................................55
Hình 4. 13: Khoảng cách vùng phát và vùng thu của 2 cảm biến khơng chồng lên nhau...56
Hình 4. 14: Tín hiệu cảm biến khi chưa được calib..............................................................................57
Hình 4. 15: Loadcell 5kg..................................................................................................................................... 58
Hình 4. 16: Sơ đồ nối dây.................................................................................................................................. 59
Hình 4. 17: Bộ chuyển đổi HX711................................................................................................................. 59
Hình 4. 18: Lắp đặt test cảm biến Loadcell..............................................................................................60
Hình 4. 19: Giá trị Loadcell sau khi calib trả về......................................................................................60
Hình 4. 20: Sơ đồ khối hệ thống điện......................................................................................................... 63
Hình 4. 21: Đồ thị giữa %PWM và RPM vận tốc quay của động cơ.............................................64
Hình 4. 22: Đồ thị giữa %PWM và RPM vận tốc quay của động cơ.............................................64
Hình 5. 1: Sơ đồ khối chung bộ điều khiển............................................................................................. 66
Hình 5. 2: Sơ đồ chân vi điều khiển PIC18F4550...................................................................................67
Hình 5. 3: Sa bàn đề bài..................................................................................................................................... 67

Hình 5. 4: Lưu đồ giải thuật chính............................................................................................................... 68
Hình 6. 1: Mơ hình động học của mobile platform................................................................................69
Hình 6. 2: Sa bàn di chuyển.............................................................................................................................. 73
Hình 6. 3: Sai số quá trình di chuyển........................................................................................................... 74
Hình 6. 4: Vận tốc robot và tốc độ 2 bánh................................................................................................ 74
Hình 6. 5: Sa bàn di chuyển.............................................................................................................................. 75
Hình 6. 6: Sai số quá trình di chuyển........................................................................................................... 75
Hình 6. 7: Vận tốc robot và tốc độ 2 bánh................................................................................................ 76
Hình 6. 8: Sa bàn di chuyển.............................................................................................................................. 77
Hình 6. 9: Sai số quá trình di chuyển........................................................................................................... 77
Hình 6. 10: Vận tốc robot và tốc độ 2 bánh.............................................................................................. 78
Hình 6. 11: Sa bàn di chuyển........................................................................................................................... 79
Hình 6. 12: Vận tốc robot và tốc độ 2 bánh.............................................................................................. 79
1


CHƯƠNG 1
Hình 6. 13: Vận tốc robot và tốc độ 2 bánh.............................................................................................. 80
Hình 6. 14: Sa bàn di chuyển........................................................................................................................... 81
Hình 6. 15: Sai số quá trình di chuyển........................................................................................................ 81
Hình 6. 16: Vận tốc robot và tốc độ 2 bánh.............................................................................................. 81
Hình 6. 17: Sa bàn di chuyển........................................................................................................................... 82
Hình 6. 18: Sai số quá trình di chuyển........................................................................................................ 82
Hình 6. 19: Vận tốc robot và tốc độ 2 bánh.............................................................................................. 83
Hình 6. 20: Sa bàn di chuyển........................................................................................................................... 84
Hình 6. 21: Sai số quá trình di chuyển........................................................................................................ 84
Hình 6. 22: Vận tốc robot và tốc độ 2 bánh.............................................................................................. 85
Hình 6. 23: Sa bàn di chuyển........................................................................................................................... 85
Hình 6. 24: Sai số quá trình di chuyển........................................................................................................ 86
Hình 6. 25: Vận tốc robot và tốc độ 2 bánh.............................................................................................. 86

Hình 6. 26: Đáp ứng động cơ trái theo thời gian...................................................................................87
Hình 6. 27: Đáp ứng động cơ phải theo thời gian.................................................................................87
Hình 6. 28: Đồ thị đường cong đáp ứng của hệ bậc nhất.................................................................88
Hình 6. 29: Sơ đồ khối hệ Driver - Động cơ............................................................................................. 88
Hình 6. 30: Mơ hình bộ điều khiển PID trái..............................................................................................89
Hình 6. 31: Đáp ứng của động cơ trái sau khi sử dụng bộ điều khiển PID...............................89
Hình 6. 32: Mơ hình bộ điều khiển PID phải........................................................................................... 90
Hình 6. 33: Đáp ứng của động cơ phải sau khi sử dụng bộ điều khiển PID.............................90
Hình 7. 1: Xe dị line sau khi lắp ráp............................................................................................................. 91
Hình 7. 3: Xe dừng ở khu vực tải hàng........................................................................................................ 91
Hình 7. 4: Tới ngã 3 tải 1kg.............................................................................................................................. 92
Hình 7. 5: Tải 1 kg rẽ lên.................................................................................................................................... 92
Hình 7. 6: Xe đi hết sa bàn, dừng lại kết thúc..........................................................................................93
Hình 7. 7: Tới ngã 3 tải 2 kg............................................................................................................................. 93
Hình 7. 8: Tải 2 kg rẽ xuống............................................................................................................................. 94
Hình 7. 9: Xe đi hết sa bàn, dừng lại kết thúc..........................................................................................94

Danh sách bảng biểu
1


CHƯƠNG 1
Bảng 2. 1: So sánh bánh bị động.................................................................................................................... 19
Bảng 2. 2: So sánh giữa các động cơ........................................................................................................... 21
Bảng 2. 3: So sánh các loại cảm biến dò line...........................................................................................23
Bảng 2. 4: So sánh cảm biến cân nặng....................................................................................................... 25
Bảng 2. 5: So sánh các phương pháp xử lý tín hiệu cảm biến.........................................................26
Bảng 2. 6: Thông số các loại vi điều khiển............................................................................................... 28
Bảng 3. 1: Thơng số đầu vào cho tính tốn chọn động cơ................................................................32
Bảng 3. 2: Các thiết bị có trên khung xe..................................................................................................... 37

Bảng 4. 1: Thông số của cảm biến TCRT5000........................................................................................49
Bảng 4. 2: Phương trình calib của 7 cảm biến.......................................................................................58
Bảng 4. 3: Thông số của cảm biến loadcell 5kg.....................................................................................58
Bảng 4. 4: Thông số bộ chuyển đổi HX711.............................................................................................. 59
Bảng 4. 5: So sánh giữa pin lithium và pin lipo.......................................................................................61
Bảng 4. 6: Các thiết bị dùng nguồn điều khiển..................................................................................... 61
Bảng 4. 7: Các thiết bị dùng nguồn động lực..........................................................................................62
Bảng 5. 1: Thông số vi điều khiển Pic18F4550...................................................................................... 66

1


ĐỒ ÁN CHUYÊN NGÀNH CƠ ĐIỆN TỬ

GVHD: PGS.TS NGÔ HÀ QUANG THỊNH

CHƯƠNG 1: TÌM HIỂU TỔNG QUAN
1.1.

Sơ lược về robot dị line:

Robot dị line là một loại robot có thể đi theo đường vẽ có sẵn hoặc các vật
cản, bản đồ để robot có thể nhận biết và di chuyển nhằm mục đích đ ến vị
trí để ra. Robot dị line được ứng dụng rất nhiều và phổ biến trong các cơng
xưởng, nhà máy với vai trị vận chuyển hàng hóa, vật liệu theo một lộ trình
được thiết kế sẵn mà không yêu cầu sự tham gia của con người.
Hiện nay, có rất nhiều thiết kế cơ khí được thiết kế để cải thiện khả năng di
chuyển của robot dò line như đáp ứng tốc độ, độ chính xác bám line,... và các
kiểu kết cấu phổ biến hiện nay như là : cấu trúc hai bánh, ba bánh, bốn
bánh, bánh xích,...

1.2.

Mục tiêu thiết kế:

Thiết kế robot bám đường có khả năng bám đường với độ ổn định tốt và
hoàn thành sa bàn đúng yêu cầu với thời gian ngắn nhất có thể.
1.2.1. Về xe:
+ Tốc độ di chuyển tối thiểu của robot: 0,1m/s
+ Khối lượng tải tối thiểu robot có thể mang là 2 kg.
+ Sai số bám đường dẫn (tính từ mép trái hoặc mép phải của line): ± 3
mm.
+ Sai số vị trí dừng cuối đường dẫn là ± 5 mm
+ Trên robot phải được thiết kế hệ thống cảm biến để có thể phát hiện
ra vạch line có bề rộng 26mm và có thể di chuyển theo line ổn định.
Cũng như trang bị cảm biến nhận diện được khối lượng để có thể
hồn thành u cầu đề bài.
1.2.2. Về sa bàn:

8


ĐỒ ÁN CHUYÊN NGÀNH CƠ ĐIỆN TỬ

GVHD: PGS.TS NGÔ HÀ QUANG THỊNH

Hình 1. 1: Sơ đồ sa bàn cho robot phân phối hàng hóa theo khối lượng

+ Màu sắc sa bàn: Trắng
+ Màu sắc đường line: Đen
+ Bề rộng đường dẫn: 26mm

+ Sa bàn là mặt phẳng
1.2.3. Phân tích sa bàn:
Độ dài tương đối Robot cần đi:
2000 + 500 + 500 π + 800 × 2 ×

π
+ 1500 = 6409 mm
6

Với vận tốc tối thiểu: 0,1m/s, thời gian tối đa là 64,09s
Ta nhận thấy sẽ có 2 loại chuyển động khác nhau trên sa bàn :
- Chuyển động thẳng: hầu hết các kết cấu cơ khí đều phù hợp
- Chuyển động cong (tròn): Chuyển động chịu ảnh hưởng bởi lực quán
tính li tâm. Xe sẽ dễ bị trượt khỏi đường đi do thiếu lực ma sát hướng
tâm, công thức của lực ma sát Fms=μ.N. Để tăng lực ma sát cho xe
khơng bị trượt, ta có thể thay đổi hệ số bằng cách mua các loại bánh
xe có độ bám cao (bánh có rãnh, bánh có gai), hoặc thiết kế xe có trọng
lượng lớn (đế xe thiết kế bằng kim loại).
1.3.

Tìm hiểu về các mẫu robot dị line:

1.3.1. Trong cơng nghiệp:
a. Xe tự hành chở hàng ACA-TR-300-01.
Đây là dòng xe chở hàng của TRV đã được tối ưu hóa về kết cấu và kích
thước giúp xe hoạt động bền bỉ.
Xe được dẫn đường bằng từ tính có ưu điểm ổn định, giá thành thấp hơn các
phương pháp khác. Bộ khung được gia cơng tỉ mỉ, cứng vững từ vật liệu có cơ
tính tốt và tuổi thọ cao.
Xe có thể đạt tốc độ tối đa 0,75 m/s và có thể mang hàng lên tới 300kg nên

rất phù hợp sử dụng để vận chuyển vật tư, hàng hóa trong các nhà máy, xí
nghiệp.

9


ĐỒ ÁN CHUYÊN NGÀNH CƠ ĐIỆN TỬ

GVHD: PGS.TS NGÔ HÀ QUANG THỊNH

Hình 1. 2: Xe tự hành ACA

b. Xe vận chuyển hàng tự động STI-AGV.
STI là loại robot tự hành được cấu tạo từ các thiết bị được nhập khẩu từ Đức
và Nhật. Cảm biến Sick an toàn 360 độ kết hợp với hệ thống phát hiện vật
cản. AGV có khả năng kết nối với các hệ thống quản lý nhà máy, Kế hoạch sẽ
được truyền xuống AGV thông qua các lệnh để thực hiện.
STI có thể mang khối lượng hàng tối đa lên tới 350kg và đạt tốc độ tối đa
0,6 m/s nên hồn tồn có khả năng đảm bảo vấn đề chuyển hàng hóa trong
các nhà kho, xí nghiệp.

Hình 1. 3: Xe tự hành STI

c. Xe tự hành AGV SLAM BFQ960-500.
SLAM AGV sử dụng hệ dẫn động vi sai hai bánh hoặc bánh lái ổn định, và
được áp dụng cho cảnh với những thay đổi môi trường nhỏ và điều kiện mặt
đất tương đối tốt. Các đường viền trong môi trường được sử dụng để tham
chiếu định vị và phương pháp tính tốn phụ trợ mã hóa và định vị quét đ ầu
10

ĐỒ ÁN CHUYÊN NGÀNH CƠ ĐIỆN TỬ

GVHD: PGS.TS NGÔ HÀ QUANG THỊNH

laser được áp dụng. Điều này làm cho độ chính xác định vị cao hơn, khơng có
bất kỳ cơ sở hạ tầng nào (như gương phản xạ, đinh từ, v.v.).
SLAM có thể mang tải lên đến 500kg và tốc độ tối đa 1 m/s.Nó được thiết k ế
cho các ứng dụng vận chuyển pallet và là một trợ thủ đắc lực cho việc vận
chuyển pallet lưu trữ.

Hình 1. 4: Xe tự hành SLA

1.3.2. Phương án thiết kế
Trong thiết kế về xe robot chở hàng, có 3 phương thức thiết kế chính
Steer drive:

Hình 1. 5: Mơ hình Steer drive

Tạm dịch là vô lăng đơn thường được chia thành các mô hình ba bánh, là
thiết kế hệ thống truyền động phổ biến nhất. Nó chủ yếu dựa vào một vơ
lăng dẫn động khớp nối ở phía trước của AGV như một bánh lái với hai bánh
xe tiếp theo trong cấu hình tam giác. Bánh trước duy nhất được sử dụng để
vừa đánh lái vừa di chuyển xe. Cấu trúc truyền động vô lăng c ủa vô lăng đ ơn
giản và chi phí thấp. Vì nó là một ổ đĩa một bánh, không cần phải xem xét sự
11


ĐỒ ÁN CHUYÊN NGÀNH CƠ ĐIỆN TỬ

GVHD: PGS.TS NGÔ HÀ QUANG THỊNH

phối hợp của động cơ. Cấu trúc ba bánh có độ bám tốt hơn và yêu cầu thấp
hơn trên mặt đất, vì vậy nó phù hợp cho các dịp môi trường sử dụng chung.
Tuy nhiên, sự nhanh nhẹn của nó yếu hơn một chút, và sẽ có bán kính quay
vịng trong tay lái, có thể đạt được các chuyển động đơn giản. Trong thiết kế
này cung cấp đủ khả năng cơ động cho hầu hết các ứng dụng AGV / AMR.

Hình 1. 6: Cấu tạo vơ lăng khớp nối của AGV steer drive

QUAD DRIVE:

Hình 1. 7: Mơ hình quad drive

Mơ hình bốn bánh, là thiết kế hệ thống truyền động rất phổ biến. Sử dụng 2
động cơ lái và 2 động cơ truyền động ở phía trước và sau dọc phía thân xe
của AGV. Hai bánh hai bên tạo nên sự ổn định cho xe.
Nó cũng cực kỳ cơ động, nhưng phức tạp hơn các cấu hình ổ đĩa khác. Chiếc
xe cũng có thể cho phép xe di chuyển theo hướng bất kỳ.Điểm chính giữa của
12


ĐỒ ÁN CHUYÊN NGÀNH CƠ ĐIỆN TỬ

GVHD: PGS.TS NGÔ HÀ QUANG THỊNH

xe ln ở chính giữa đường dẫn hướng. Chuyển động 360 ° theo bất kỳ
hướng nào. Mức độ cơ động cao nhất.
DIFFERENTIAL DRIVE:

Hình 1. 8: Mơ hình differential drive

Cũng là mơ hình bốn bánh, là thiết kế hệ thống truyền đ ộng cũng rất ph ổ
biến. Differential Drive điều khiển xe bằng cách sử dụng tốc độ vi sai và
hướng của 2 bánh lái. Chúng bao gồm hai động cơ giảm tốc cho các bánh xe
truyền động.
Nó cực kỳ cơ động vì nó có thể xoay tại tâm của trục, chuyển động tiến và
lùi, chuyển động 360 ° ,theo bất kỳ hướng nào nhưng định vị góc cạnh kém
chính xác hơn.
Hoạt động tốt trong các hệ thống lặp lại
Qua tìm hiểu sơ bộ về các hệ thống truyền động của xe chở hàng (AGV) trên,
nhận thấy rằng độ phức tạp về kết cấu, cũng như việc điều khiển của 2
phương thức QUAD & DIFFERENTIAL khá là đáng kể so với phương thức
SINGLE. Khi vào cua thì 2 phương thức QUAD & DIFFERENTIAL có thể đi vào
với tốc độ nhanh và với bán kính cong nhỏ là nửa thân xe, điều đó hồn tồn
ngược lại với phương thức SINGLE.
Với đặc điểm tiếp xúc mặt đường của phương thức SINGLE là 3 tiếp xúc
đường, theo định lý 3 điểm tạo thành 1 mặp phẳng thì độ ổn định của
SINGLE sẽ hơn 2 phương thức QUAD & DIFFERENTIAL.
Để phù hợp với tài chính và trong cách điều khiển, nhóm sẽ chọn hệ thống
truyền động 3 bánh nhưng có cải biến lại đó là 2 động cơ truyền động ở phía
sau và bánh phụ ở phía trước, sử dụng phương pháp điều khiển vi sai.
13


ĐỒ ÁN CHUYÊN NGÀNH CƠ ĐIỆN TỬ

GVHD: PGS.TS NGÔ HÀ QUANG THỊNH

1.3.3. Trong các cuộc thi:

a. Xe Fireball.

Hình 1. 9: Mơ hình xe fireball

Thơng số kỹ thuật:
+ Cảm biến: 8 bộ cảm biến hồng ngoại
+ 4 bánh chủ động - 4 động cơ DC
+ Phần trung tâm của xe là vi điều khiển Parallax Propeller.
+ Vận tốc trung bình : 1.5 m/s
 Ưu điểm: Khối lượng nhẹ, kết cấu cân bằng tốt, tải được chia ra cho các
động cơ nên giảm tải cho mỗi động cơ.
 Nhược điểm: bốn động cơ nên tốn kém về mặt chi phí, khi cua dễ xảy ra
hiện tượng trượt bánh, giải thuật điều khiển phức tạp.
b. Xe Usain Volt 2.0.

Hình 1. 10: Mơ hình xe Usain Volt 2.0

Thông số kỹ thuật:
14


ĐỒ ÁN CHUYÊN NGÀNH CƠ ĐIỆN TỬ

GVHD: PGS.TS NGÔ HÀ QUANG THỊNH

+ Dẫn động bằng hai động cơ riêng biệt bởi 2 bánh sau
+ Cảm biến: thanh cảm biến hồng ngoại 2QTR – 3RC.
+ Vận tốc trung bình : 1.1 m/s
 Ưu điểm: Khả năng bám line tốt, khả năng lật khi vào cua thấp, kết cấu
đơn giản, dễ chế tạo.

 Nhược điểm: Tiếp xúc với mặt đường không tốt (khi đường chạy khơng
bằng phẳng), khó cua hơn so với xe cua bằng hai bánh trước nên bám
đường kém hơn.
1.4.

Thông tin đầu bài:

Từ những thông tin về tổng quan và yêu cầu từ đề bài, nhóm đã tiến hành
thiết
kế xe dị line với thơng số ban đầu sau :
+ Khối lượng vật nặng tối thiểu xe có thể tải được: 2kg
+ Vận tốc tối thiểu đạt được: 0.1 m/s
+ Bán kính cong tối thiểu: 500 mm (theo sa bàn)
+ Sai số bám đường dẫn (tính từ mép trái hoặc mép phải của line): ± 3
mm.
+ Sai số vị trí dừng cuối đường dẫn là ± 5 mm
+ Thời gian hoàn thành tối đa là 70s

15


ĐỒ ÁN CHUYÊN NGÀNH CƠ ĐIỆN TỬ

GVHD: PGS.TS NGÔ HÀ QUANG THỊNH

CHƯƠNG 2: ĐỀ XUẤT,LỰA CHỌN PHƯƠNG ÁN
VÀ KẾ HOẠCH TRIỂN KHAI THIẾT KẾ
2.1.

Phương án về cấu trúc xe:

2.1.1. Xe 4 bánh chủ động:
Trên đường thẳng: vận tốc dài của xe sẽ bằng vận tốc dài của mỗi bánh :
𝑣0 =𝑣
Trên đường cong:

Khả năng chuyển hướng: cơ cấu 4 bánh chủ động có khả năng quay quanh
tâm cực tốc bằng cách điều khiển tốc độ góc và chiều quay cho mỗi bánh =>
Khả năng chuyển hướng tốt.
Độ ổn định khi chuyển hướng: Vì cả bốn bánh xe đều truyền lực như nhau,
thay vì chỉ có hai bánh truyền lực nên tải trọng trên m ỗi lốp xe sẽ giảm đi =>
Có thể sử dụng lực quay vịng của các lốp có hiệu quả => Sự quay vịng rất
ổn
định
2.1.2. Xe 3 bánh:
a. 2 bánh chủ động trước, 1 bánh chủ động sau:
Cơ cấu không ảnh hưởng đến vận tốc thẳng. Vận tốc của xe bằng với vận
tốc tâm mỗi bánh xe chủ động
Khả năng chuyển hướng: Xe có thể chuyển hướng quanh trung điểm trục
chủ động với vận tốc góc ω =

v
có thể chuyển hướng 90o, Khả năng
r

chuyển
hướng của xe là rất tốt.
b. 2 bánh chủ động sau, 1 bánh chủ trước:
Vận tốc trên đường thẳng: Cơ cấu không ảnh hưởng đến vận tốc thẳng.
Vận
tốc của xe bằng với vận tốc tâm mỗi bánh xe chủ động.

Khả năng chuyển hướng:
Xe có thể chuyển hướng quanh trung điểm trục chủ động với vận tốc
góc
v
ω=
có thể chuyển hướng 90o , Khả năng chuyển hướng của xe là rất
r
tốt.
16


ĐỒ ÁN CHUYÊN NGÀNH CƠ ĐIỆN TỬ

GVHD: PGS.TS NGÔ HÀ QUANG THỊNH

Kết luận: Chọn phương án 3 bánh ( 2 bánh chủ động sau và một bánh
bị động trước)

Hình 2. 1: Sơ đồ ngun lí mơ hình xe ba bánh

2.2.

Phương án về bánh xe.
2.2.1. Lựa chọn bánh chủ động:

Bánh chủ động là bộ phận trực tiếp làm xe chuyển động. Bánh xe phải có
khả
năng bám đường tốt, khơng trơn trượt, chịu tải ổn định, dễ tháo lắp và thay
thế.
Từ những yêu cầu trên, ta có thể sử dụng bánh xe V1-V3 để làm bánh chủ

động cho xe.

Hình 2. 2: Bánh xe V1

2.2.2. Lựa chọn bánh bị động:
Có hai loại bánh được sử dụng : bánh mắt trâu và bánh tự lựa.
Bánh mắt trâu : cấu tạo là khối cầu được đặt trong rãnh cầu có
khe hở. Được
làm từ vật liệu kim loại nên bền, bên trong có ổ bi nên di chuyển
trơn tru. Tuy nhiên bánh này có nhược điểm là chỉ chạy được
17


ĐỒ ÁN CHUYÊN NGÀNH CƠ ĐIỆN TỬ

GVHD: PGS.TS NGÔ HÀ QUANG THỊNH

trong mơi trường ít bụi, cát vì chúng có thể bám vào khe hở trong
ổ làm kẹt hoặc hư bánh.

Hình 2. 3: Bánh mắt trâu

Bánh tự lựa : Có đặc điểm di chuyển ổn định. Tuy nhiên khi bẻ lái
ở vận tốc
lớn, bẻ lái nhiều lần hoặc khi xe khởi động với vận tốc lớn, bánh
xe không đáp ứng kịp chiều của xe sẽ gây hiện tượng trượt, ảnh
hưởng đến hướng chuyển động của xe.

Hình 2. 4: Bánh tự lựa

Bánh mắt trâu

Bánh tự lựa

- Chịu ảnh hưởng bởi điều kiện

- Ít chịu ảnh hưởng bởi điều kiện

sa bàn

sa bàn

- Kết cấu nhỏ gọn

- Kết cấu phức tạp hơn bánh mắt
trâu
Bảng 2. 1: So sánh bánh bị động

2.3.

Phương án về động cơ.
2.3.1. Động cơ DC khơng có Encoder

18


ĐỒ ÁN CHUYÊN NGÀNH CƠ ĐIỆN TỬ

GVHD: PGS.TS NGÔ HÀ QUANG THỊNH

Động cơ điện một chiều là loại động cơ được dùng rộng rãi trong
các hệ thống
truyền động điện chất lượng cao, dải công suất động cơ một
chiều từ vài W đến vài MW. Đây là loại động cơ đa dạng linh hoạt,
có thể đáp ứng yêu cầu momen, tăng tốc, và hãm với tải trọng
nặng.

Hình 2. 5: Động cơ DC khơng encoder

2.3.2. Động cơ DC có gắn Encoder
Các xe đua dò line của các cuộc thi như Robocon, Cuộc đua số…
đều sử dụng
động cơ DC có gắn encoder làm cơ cấu chấp hành. Đặc điểm của
động cơ DC đa
dạng về kích thước, momen, chủng loại driver, dễ dàng lắp đặt và
điều khiển chính
xác do có thể kết hợp thêm encoder và được ứng dụng thêm bộ
điều khiển PID để có thể điều chỉnh tốc độ hoặc vị trí chính xác
theo yêu cầu.

Hình 2. 6: Động cơ DC gắn encoder

2.3.3. Động cơ bước
Cho phép điều khiển vịng hở chính xác trong khoảng moment
cho phép. Tuy
nhiên nhược điểm của động cơ này là khối lượng lớn, kích thước
19