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

BÁ O CÁ O ĐỒ Á N CHUYÊ N NGÀ NH CƠ ĐIỆ N TỬ
THIẾT KẾ ROBOT DÒ LINE TẢI HÀNG
Giả ng viên hướ ng dẫ n: PGS.TS Ngơ Hà Quang Thịnh

Nhó m sinh viên thự c hiện:
Hoà ng Anh Ngọ c 1914335
Nguyễn Duy Nhâ n 1914437
Phan Trọ ng Nguyễn 1914411
Lê Sĩ Nguyên 1914374

TP.Hồ Chí Minh, ngà y 29 thá ng 11 nă m 2022


CHƯƠNG 1

LỜ I CẢ M ƠN
Để hoà n thà nh đồ á n chuyên ngà nh Cơ Điện Tử , chú ng em xin gử i lờ i cả m ơn
đến Thầ y PGS.TS Ngô Hà Quang Thịnh đã tậ n tình hướ ng dẫ n, giả ng dạ y chú ng em
trong suố t quá trình họ c tậ p, nghiên cứ u và rèn luyện để có thể thự c hiện tố t đồ
á n này.
Nhó m cũ ng xin châ n thà nh cả m ơn đến cá c thà nh viên và cá c bạ n trong khoa
đã cù ng nhau thả o luậ n, thu thậ p tà i liệu và giú p đỡ nhau giả i quyết cá c vấ n đề
nảy sinh trong quá trình thự c hiện đồ á n.
Mặ c dù đã cố gắ ng để hoà n thà nh bằ ng cá c kiến thứ c đã họ c, nhiều nguồ n tà i
liệu tham khả o đá ng tin cậ y, nhưng trong quá trình thự c hiện vẫn cò n sự hạ n chế
về kiến thứ c chuyên mô n cũ ng như kinh nghiệm thự c nghiệm nên khơ ng trá nh

khỏ i nhữ ng sai só t. Rấ t mong sự đó ng gó p bá u củ a quý Thầ y Cô và độ c giả để đề
tà i đượ c hồ n thiện hơn.
Nhó m xin châ n thà nh cả m ơn!
TP. Hồ Chí Minh, ngà y 29 thá ng 11 nă m 2022
Nhó m sinh viên thự c hiện

1


CHƯƠNG 1

MỤC LỤC

Danh mụ c hình ả nh.............................................................................................................................5
Danh sá ch bả ng biểu.......................................................................................................................... 8
CHƯƠNG 1: TÌM HIỂ U TỔ NG QUAN............................................................................................9
1.1.

Sơ lượ c về robot dò line:..................................................................................................9

1.2.

Mụ c tiêu thiết kế:.................................................................................................................9

1.3.

Tìm hiểu về cá c mẫ u robot dị line:...........................................................................10

1.4.

Thơ ng tin đầ u bà i:............................................................................................................16

CHƯƠNG 2: ĐỀ XUẤ T,LỰ A CHỌ N PHƯƠNG Á N..................................................................17
VÀ KẾ HOẠ CH TRIỂ N KHAI THIẾ T KẾ .....................................................................................17
2.1.

Phương á n về cấ u trú c xe:.............................................................................................17

2.2.

Phương á n về bá nh xe....................................................................................................18

2.3.

Phương á n về độ ng cơ....................................................................................................19

2.4.

Phương á n về Driver.......................................................................................................21

2.5.

Phương á n về cả m biến..................................................................................................22

2.6.

Phương á n về giả i thuậ t xử lý tín hiệu cả m biến và bố trí cả m biến............25

2.7.

Phương á n về điều khiển...............................................................................................27

2.8.

Phương á n về cấ u trú c điều triển...............................................................................29

2.9.

Lự a chọ n phương á n thiết kế.......................................................................................30

CHƯƠNG 3: THIẾ T KẾ HỆ THỐ NG CƠ KHÍ............................................................................31
3.1.

Lự a chọ n bá nh xe:............................................................................................................31

3.2.

Tính tố n chọ n độ ng cơ:................................................................................................32

3.3.

Tính tố n kích thướ c xe:................................................................................................35

3.4.

u cầ u đồ gá độ ng cơ:...................................................................................................37

3.5.

Kiểm tra bền củ a tấ m đế và đồ gá :.............................................................................39

3.6.

Tính tố n độ đồ ng trụ c củ a 2 độ ng cơ:....................................................................42

CHƯƠNG 4: THIẾ T KẾ HỆ THỐ NG ĐIỆ N.................................................................................49
4.1.

Cả m biến phototransistor TCRT5000......................................................................49

4.2.

Cả m biến loadcell TLA 220B........................................................................................58
1


CHƯƠNG 1

4.3.

Nguồ n cấ p............................................................................................................................60

4.4.

Sơ đồ khố i hệ thố ng điện...............................................................................................62

CHƯƠNG 5: LẬ P TRÌNH.................................................................................................................66
5.1.

Lự a chọ n vi điều khiển:..................................................................................................66

5.2.

Giả i thuậ t điều khiển:......................................................................................................67

CHƯƠNG 6: THIẾ T KẾ BỘ ĐIỀ U KHIỂ N VÀ MÔ PHỎ NG...................................................69
CHƯƠNG 7: KẾ T QUẢ THỰ C NGHIỆ M.....................................................................................91
TÀ I LIỆ U THAM KHẢ O....................................................................................................................95

1


CHƯƠNG 1

Danh mụ c hình ả nh
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 vô 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: Ngun 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
1


CHƯƠNG 1
Hình 3. 10: Chuyển vị của gá động cơ.......................................................................................................... 41

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
1


CHƯƠNG 1
Hình 6. 12: Vận tốc robot và tốc độ 2 bánh................................................................................................ 79
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

1


CHƯƠNG 1

Danh sá ch bả ng biểu
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: Thơng số các loại vi điều khiển................................................................................................. 28
Bảng 3. 1: Thông 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 dò line:

Robot dò line là mộ t loạ i robot có thể đi theo đườ ng vẽ có sẵ n hoặ c cá c vậ t
cả n, bả n đồ để robot có thể nhậ n biết và di chuyển nhằ m mụ c đích đến vị trí
để ra. Robot dò line đượ c ứ ng dụ ng rấ t nhiều và phổ biến trong cá c cô ng
xưở ng, nhà má y vớ i vai trò vậ n chuyển hà ng hó a, vậ t liệu theo mộ t lộ trình
đượ c thiết kế sẵ n mà khơ ng yêu cầ u sự tham gia củ a con ngườ i.
Hiện nay, có rấ t nhiều thiết kế cơ khí đượ c thiết kế để cả i thiện khả năng di
chuyển củ a robot dò line như đá p ứ ng tố c độ , độ chính xá c bá m line,... và cá c
kiểu kết cấ u phổ biến hiện nay như là : cấ u trú c hai bá nh, ba bá nh, bố n bá nh,

bá nh xích,...
1.2.

Mục tiêu thiết kế:

Thiết kế robot bá m đườ ng có khả nă ng bá m đườ ng vớ i độ ổ n định tố t và hoà n
thà nh sa bà n đú ng yêu cầ u vớ i thờ i gian ngắ n nhấ t có thể.
1.2.1. Về xe:
+ Tố c độ di chuyển tố i thiểu củ a robot: 0,1m/s
+ Khố i lượ ng tả i tố i thiểu robot có thể mang là 2 kg.
+ Sai số bá m đườ ng dẫ n (tính từ mép trá i hoặ c mép phả i củ a line): ± 3
mm.
+ Sai số vị trí dừ ng cuố i đườ ng dẫ n là ± 5 mm
+ Trên robot phả i đượ c thiết kế hệ thố ng cả m biến để có thể phá t hiện ra
vạ ch line có bề rộ ng 26mm và có thể di chuyển theo line ổ n định. Cũ ng
như trang bị cả m biến nhậ n diện đượ c khố i lượ ng để có thể hồ n thà nh
u cầ u đề bà i.
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

+ Mà u sắ c sa bà n: Trắ ng
+ Mà u sắ c đườ ng line: Đen

+ Bề rộ ng đườ ng dẫ n: 26mm
+ Sa bà n là mặ t phẳ ng
1.2.3. Phân tích sa bàn:
Độ dà i tương đố i Robot cầ n đi:
2000 + 500 + 500 π + 800 × 2 ×

π
+ 1500 = 6409 mm
6

Vớ i vậ n tố c tố i thiểu: 0,1m/s, thờ i gian tố i đa là 64,09s
Ta nhậ n thấ y sẽ có 2 loạ i chuyển độ ng khá c nhau trên sa bà n :
- Chuyển độ ng thẳ ng: hầ u hết cá c kết cấ u cơ khí đều phù hợ p
- Chuyển độ ng cong (trò n): Chuyển độ ng chịu ả nh hưở ng bở i lự c quá n
tính li tâ m. Xe sẽ dễ bị trượ t khỏ i đườ ng đi do thiếu lự c ma sá t hướ ng
tâ m, cô ng thứ c củ a lự c ma sá t Fms=μ.N. Để tă ng lự c ma sá t cho xe
khô ng bị trượ t, ta có thể thay đổ i hệ số bằ ng cá ch mua cá c loạ i bá nh xe
có độ bá m cao (bá nh có rã nh, bá nh có gai), hoặ c thiết kế xe có trọ ng
lượ ng lớ n (đế xe thiết kế bằ ng kim loạ i).
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.
Đâ y là dò ng xe chở hà ng củ a TRV đã đượ c tố i ưu hó a về kết cấ u và kích thướ c
giú p xe hoạ t độ ng bền bỉ.
Xe đượ c dẫ n đườ ng bằ ng từ tính có ưu điểm ổ n định, giá thà nh thấ p hơn cá c
phương phá p khá c. Bộ khung đượ c gia cô ng tỉ mỉ, cứ ng vữ ng từ vậ t liệu có cơ
tính tố t và tuổ i thọ cao.

Xe có thể đạ t tố c độ tố i đa 0,75 m/s và có thể mang hà ng lên tớ i 300kg nên rấ t
phù hợ p sử dụ ng để vậ n chuyển vậ t tư, hà ng hó a trong cá c nhà má y, 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 loạ i robot tự hà nh đượ c cấ u tạ o từ cá c thiết bị đượ c nhậ p khẩ u từ Đứ c
và Nhậ t. Cả m biến Sick an toà n 360 độ kết hợ p vớ i hệ thố ng phá t hiện vậ t cả n.
AGV có khả nă ng kết nố i vớ i cá c hệ thố ng quả n lý nhà má y, Kế hoạ ch sẽ đượ c
truyền xuố ng AGV thô ng qua cá c lệnh để thự c hiện.
STI có thể mang khố i lượ ng hà ng tố i đa lên tớ i 350kg và đạ t tố c độ tố i đa 0,6
m/s nên hồ n tồ n có khả năng đả m bả o vấ n đề chuyển hàng hó a trong cá c
nhà kho, xí nghiệp.
Hình 1. 3: Xe tự

hành STI

c. Xe
SLAM

tự hành AGV
BFQ960-500.

SLAM AGV sử dụ ng hệ dẫ n độ ng vi sai hai bá nh hoặ c bá nh lá i ổ n định, và đượ c
á p dụ ng cho
cả nh vớ i nhữ ng
thay đổ i mô i
trườ ng nhỏ và
điều kiện
mặ t đấ t tương đố i
tố t. Cá c
đườ ng viền trong
mô i trườ ng
đượ c sử dụ ng để
tham chiếu định vị và phương phá p tính tố n phụ trợ mã hó a và định vị quét
đầ u laser đượ c á p dụ ng. Điều nà y là m cho độ chính xá c định vị cao hơn, khơ ng
có bấ t kỳ cơ sở hạ tầ ng nà o (như gương phả n xạ , đinh từ , v.v.).
SLAM có thể mang tả i lên đến 500kg và tố c độ tố i đa 1 m/s.Nó đượ c thiết kế
cho cá c ứ ng dụ ng vậ n chuyển pallet và là mộ t trợ thủ đắ c lự c cho việc vậ n
chuyển pallet lưu trữ .
10


ĐỒ ÁN CHUYÊN NGÀNH CƠ ĐIỆN TỬ

GVHD: PGS.TS NGÔ HÀ QUANG THỊNH

Hình 1. 4: Xe tự hành SLA

1.3.2. Phương án thiết kế
Trong thiết kế về xe robot chở hà ng, có 3 phương thứ c thiết kế chính
Steer drive:

Hình 1. 5: Mơ hình Steer drive

Tạ m dịch là vơ lă ng đơn thườ ng đượ c chia thà nh cá c mơ hình ba bá nh, là thiết
kế hệ thố ng truyền độ ng phổ biến nhấ t. Nó chủ yếu dự a và o mộ t vô lă ng dẫ n
độ ng khớ p nố i ở phía trướ c củ a AGV như mộ t bá nh lá i vớ i hai bá nh xe tiếp
theo trong cấ u hình tam giá c. Bá nh trướ c duy nhấ t đượ c sử dụ ng để vừ a đá nh
lá i vừ a di chuyển xe. Cấ u trú c truyền độ ng vô lă ng củ a vơ lă ng đơn giả n và chi
phí thấ p. Vì nó là mộ t ổ đĩa mộ t bá nh, khô ng cầ n phả i xem xét sự phố i hợ p củ a
độ ng cơ. Cấ u trú c ba bá nh có độ bá m tố t hơn và yêu cầ u thấ p hơn trên mặ t
đấ t, vì vậ y nó phù hợ p cho cá c dịp mô i trườ ng sử dụ ng chung. Tuy nhiên, sự
nhanh nhẹn củ a nó yếu hơn mộ t chú t, và sẽ có bá n kính quay vị ng trong tay
lá i, có thể đạ t đượ c cá c chuyển độ ng đơn giả n. Trong thiết kế nà y cung cấ p đủ
khả nă ng cơ độ ng cho hầ u hết cá c ứ ng dụ ng AGV / AMR.
11


ĐỒ ÁN CHUYÊN NGÀNH CƠ ĐIỆN TỬ

GVHD: PGS.TS NGÔ HÀ QUANG THỊNH

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

QUAD DRIVE:

Hình 1. 7: Mơ hình quad drive

Mơ hình bố n bá nh, là thiết kế hệ thố ng truyền độ ng rấ t phổ biến. Sử dụ ng 2
độ ng cơ lá i và 2 độ ng cơ truyền độ ng ở phía trướ c và sau dọ c phía thâ n xe củ a
AGV. Hai bá nh hai bên tạ o nên sự ổ n định cho xe.
Nó cũ ng cự c kỳ cơ độ ng, nhưng phứ c tạ p hơn cá c cấ u hình ổ đĩa khá c. Chiếc xe

cũ ng có thể cho phép xe di chuyển theo hướ ng bấ t kỳ.Điểm chính giữ a củ a xe
l n ở chính giữ a đườ ng dẫ n hướ ng. Chuyển độ ng 360 ° theo bấ t kỳ hướ ng
nà o. Mứ c độ cơ độ ng cao nhấ t.
DIFFERENTIAL DRIVE:

12


ĐỒ ÁN CHUYÊN NGÀNH CƠ ĐIỆN TỬ

GVHD: PGS.TS NGÔ HÀ QUANG THỊNH

Hình 1. 8: Mơ hình differential drive

Cũ ng là mơ hình bố n bá nh, là thiết kế hệ thố ng truyền độ ng cũ ng rấ t phổ biến.
Differential Drive điều khiển xe bằ ng cá ch sử dụ ng tố c độ vi sai và hướ ng củ a
2 bá nh lá i. Chú ng bao gồ m hai độ ng cơ giả m tố c cho cá c bá nh xe truyền độ ng.
Nó cự c kỳ cơ độ ng vì nó có thể xoay tạ i tâ m củ a trụ c, chuyển độ ng tiến và lù i,
chuyển độ ng 360 ° ,theo bấ t kỳ hướ ng nà o nhưng định vị gó c cạ nh kém chính
xá c hơn.
Hoạ t độ ng tố t trong cá c hệ thố ng lặ p lạ i
Qua tìm hiểu sơ bộ về cá c hệ thố ng truyền độ ng củ a xe chở hà ng (AGV) trên,
nhậ n thấ y rằ ng độ phứ c tạ p về kết cấ u, cũ ng như việc điều khiển củ a 2
phương thứ c QUAD & DIFFERENTIAL khá là đá ng kể so vớ i phương thứ c
SINGLE. Khi và o cua thì 2 phương thứ c QUAD & DIFFERENTIAL có thể đi và o
vớ i tố c độ nhanh và vớ i bá n kính cong nhỏ là nử a thâ n xe, điều đó hoà n toà n
ngượ c lạ i vớ i phương thứ c SINGLE.
Vớ i đặ c điểm tiếp xú c mặ t đườ ng củ a phương thứ c SINGLE là 3 tiếp xú c
đườ ng, theo định lý 3 điểm tạ o thà nh 1 mặ p phẳ ng thì độ ổ n định củ a SINGLE
sẽ hơn 2 phương thứ c QUAD & DIFFERENTIAL.

Để phù hợ p vớ i tà i chính và trong cá ch điều khiển, nhó m sẽ chọ n hệ thố ng
truyền độ ng 3 bá nh nhưng có cả i biến lạ i đó là 2 độ ng cơ truyền độ ng ở phía
sau và bá nh phụ ở phía trướ c, sử dụ ng phương phá p điều khiển vi sai.
1.3.3. Trong các cuộc thi:
a. Xe Fireball.

13


ĐỒ ÁN CHUYÊN NGÀNH CƠ ĐIỆN TỬ

GVHD: PGS.TS NGÔ HÀ QUANG THỊNH

Hình 1. 9: Mơ hình xe fireball

Thơ ng số kỹ thuậ t:
+ Cả m biến: 8 bộ cả m biến hồ ng ngoạ i
+ 4 bá nh chủ độ ng - 4 độ ng cơ DC
+ Phầ n trung tâ m củ a xe là vi điều khiển Parallax Propeller.
+ Vậ n tố c trung bình : 1.5 m/s
 Ưu điểm: Khố i lượ ng nhẹ, kết cấ u câ n bằ ng tố t, tả i đượ c chia ra cho cá c
độ ng cơ nên giả m tả i cho mỗ i độ ng cơ.
 Nhượ c điểm: bố n độ ng cơ nên tố n kém về mặ t chi phí, khi cua dễ xả y ra
hiện tượ ng trượ t bá nh, giả i thuậ t điều khiển phứ c tạ p.
b. Xe Usain Volt 2.0.

Hình 1. 10: Mơ hình xe Usain Volt 2.0

Thơ ng số kỹ thuậ t:
+ Dẫ n độ ng bằ ng hai độ ng cơ riêng biệt bở i 2 bá nh sau

+ Cả m biến: thanh cả m biến hồ ng ngoạ i 2QTR – 3RC.
+ Vậ n tố c trung bình : 1.1 m/s
14


ĐỒ ÁN CHUYÊN NGÀNH CƠ ĐIỆN TỬ

GVHD: PGS.TS NGÔ HÀ QUANG THỊNH

 Ưu điểm: Khả nă ng bá m line tố t, khả nă ng lậ t khi và o cua thấ p, kết cấ u đơn
giả n, dễ chế tạ o.
 Nhượ c điểm: Tiếp xú c vớ i mặ t đườ ng khô ng tố t (khi đườ ng chạ y khơ ng
bằ ng phẳ ng), khó cua hơn so vớ i xe cua bằ ng hai bá nh trướ c nên bá m
đườ ng kém hơn.
1.4.

Thông tin đầu bài:

Từ nhữ ng thô ng tin về tổ ng quan và yêu cầ u từ đề bà i, nhó m đã tiến hà nh
thiết
kế xe dò line vớ i thô ng số ban đầ u sau :
+ Khố i lượ ng vậ t nặ ng tố i thiểu xe có thể tả i đượ c: 2kg
+ Vậ n tố c tố i thiểu đạ t đượ c: 0.1 m/s
+ Bá n kính cong tố i thiểu: 500 mm (theo sa bà n)
+ Sai số bá m đườ ng dẫ n (tính từ mép trá i hoặ c mép phả i củ a line): ± 3
mm.
+ Sai số vị trí dừ ng cuố i đườ ng dẫ n là ± 5 mm
+ Thờ i gian hoà n thà nh tố i 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 đườ ng thẳ ng: vậ n tố c dà i củ a xe sẽ bằ ng vậ n tố c dà i củ a mỗ i bá nh :
𝑣0 =𝑣
Trên đườ ng cong:
Khả nă ng chuyển hướ ng: cơ cấ u 4 bá nh chủ độ ng có khả nă ng quay quanh

tâ m cự c tố c bằ ng cá ch điều khiển tố c độ gó c và chiều quay cho mỗ i bá nh =>
Khả năng chuyển hướ ng tố t.
Độ ổ n định khi chuyển hướ ng: Vì cả bố n bá nh xe đều truyền lự c như nhau,
thay vì chỉ có hai bá nh truyền lự c nên tả i trọ ng trên mỗ i lố p xe sẽ giả m đi =>
Có thể sử dụ ng lự c quay vị ng củ a cá c lố p có hiệu quả => Sự quay vò ng rấ t ổ n
định
2.1.2. Xe 3 bánh:
a. 2 bánh chủ động trước, 1 bánh chủ động sau:
Cơ cấ u khô ng ả nh hưở ng đến vậ n tố c thẳ ng. Vậ n tố c củ a xe bằ ng vớ i vậ n
tố c tâ m mỗ i bá nh xe chủ độ ng
Khả năng chuyển hướ ng: Xe có thể chuyển hướ ng quanh trung điểm trụ c
chủ độ ng vớ i vậ n tố c gó c ω =

v
có thể chuyển hướng 90o, Khả nă ng chuyển
r

hướ ng củ a xe là rấ t tố t.
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 tốt.
r
Kết luận: Chọn phương án 3 bánh ( 2 bánh chủ động sau và một bánh bị động trước)

16


ĐỒ ÁN CHUYÊN NGÀNH CƠ ĐIỆN TỬ

GVHD: PGS.TS NGÔ HÀ QUANG THỊNH

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:

Bá nh chủ độ ng là bộ phậ n trự c tiếp là m xe chuyển độ ng. Bá nh xe phả i có khả

năng bá m đườ ng tố t, khô ng trơn trượ t, chịu tả i ổ n định, dễ thá o lắ p và thay
thế.
Từ nhữ ng yêu cầ u trên, ta có thể sử dụ ng bá nh xe V1-V3 để là m bá nh chủ
độ ng 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 trong mơi trường ít bụi, cát vì
chúng có thể bám vào khe hở trong ổ làm kẹt hoặc hư bánh.

17


ĐỒ ÁN CHUYÊN NGÀNH CƠ ĐIỆN TỬ

GVHD: PGS.TS NGÔ HÀ QUANG THỊNH

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

Bá nh mắ t trâ u

Bá nh tự lự a

- Chịu ả nh hưở ng bở i điều kiện

- Ít chịu ả nh hưở ng bở i điều kiện

sa bà n

sa bà n

- Kết cấ u nhỏ gọ n

- Kết cấ u phứ c tạ p hơn bá nh mắ t
trâ u
Bảng 2. 1: So sánh bánh bị động

2.3.

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

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.
18

ĐỒ ÁN CHUYÊN NGÀNH CƠ ĐIỆN TỬ

GVHD: PGS.TS NGÔ HÀ QUANG THỊNH

Hình 2. 5: Động cơ DC khơng encoder

2.3.2. Động cơ DC có gắn Encoder
Các xe đua dị 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 quá lớn so với
yêu cầu của xe, nếu gặp vật cản có thể sẽ bị trượt bước gây sai số.

Hình 2. 7: Động cơ bước

19


ĐỒ ÁN CHUYÊN NGÀNH CƠ ĐIỆN TỬ

GVHD: PGS.TS NGÔ HÀ QUANG THỊNH

Ưu

Độ ng cơ DC
khô ng encoder

Dễ thay đổi tốc độ động cơ, có khả năng
kéo tải lớn, …

Độ ng cơ DC có
encoder

Tốc độ chính xác cao, giá thành
thấp, kích thước nhỏ, dễ điều khiển

Độ ng cơ bướ c

Điều khiển vịng hở chính xác trong khoảng
moment cho phép

Bảng 2. 2: So sánh giữa các động cơ

2.4.

Nhượ c
Phát ra tiếng ồn, tia lửa
điện, nhiễu cao
Có thể nhiễu tín hiệu
encoder, gây ra điều
khiển khơng chính xác
Kích thước lớn, điều
khiển có thể bị trượt
bước

Phương án về Driver.
2.4.1. Driver L298N

- Nguồn áp vào: 12V
- Nguồn dong ra của một cầu là: 2A
- Đồ thị tuyến tính của xung PWM và tốc độ quay của động cơ đạt tuyến tính thấp.
- Dịng ra tương đối đáp ứng được nguồn dòng động cơ tiêu thụ khi q tải và khả
năng tuyến tính vẫn có thể đáp ứng tốt cho động cơ hoạt động ổn định.

Hình 2. 8: Driver L298N

2.4.2. Driver TB6612
- Nguồn áp vào: 12V
- Nguồn dịng đầu ra lớn nhất: 1.2A
- Tuyến tính giữa xung PWM và tốc độ quay của động cơ đạt độ tuyến tính cao
- Dịng đầu ra q nhỏ,khi động cơ quá tải Driver có thể sẽ bị cháy

20


ĐỒ ÁN CHUYÊN NGÀNH CƠ ĐIỆN TỬ

GVHD: PGS.TS NGÔ HÀ QUANG THỊNH

Hình 2. 9: Driver TB6612

2.5.

Phương án về cảm biến.

2.5.1. Cảm biến dò line
a. Camera

Camera dù ng để ghi lạ i hình ả nh củ a đườ ng line, sau đó xử lý đưa ra thơ ng tin
sai lệch vị trí tương đố i củ a line so vớ i xe.
Phương phá p này cho độ chính xá c cao, nhưng tố c độ xử lý ả nh cầ n nhiều thờ i
gian và giả i thuậ t ử lý hơi phứ c tạ p.

Hình 2. 10: Cảm biến Camera

b. Cảm biến hồng ngoại:
Led hồ ng ngoạ i sẽ giả m nộ i trở khi có bứ c xạ hồ ng ngoạ i chiếu và o. Bứ c xạ
hồ ng ngoạ i từ led phá t gặ p mà u đen củ a đườ ng line sẽ phả n chiếu lạ i đượ c led
thu tạ o ra tín hiệu điện á p, kết hợ p nhiều cặ p led hồ ng ngoạ i thu phá t và xử lý
tín hiệu điện á p đọ c về ta biết đượ c vị trí tương đố i củ a xe so vớ i đườ ng line.
Mộ t số loạ i cả m biến thườ ng dù ng: Cá c cả m biến TSOP382, TSOP384, …để
thu só ng IR, cá c module QTRX-HD-07, QTR-8, QTR-1, TCRT5000, ….có thể thu

21


ĐỒ ÁN CHUYÊN NGÀNH CƠ ĐIỆN TỬ

GVHD: PGS.TS NGÔ HÀ QUANG THỊNH

phá t và xử lýtín hiệu từ đườ ng chạ y.Cá c sensor có thể tích hợ p thà nh dã y hoặ c
để rờ i.

Hình 2. 11: Cảm biến TCRT5000

Cả m biến

Ưu
Độ chính xác cao và ít bị
nhiễu.

Camera

Cả m biến hồ ng ngoạ i

Giá thà nh rẻ, giả i thuậ t
xử lý đơn giả n.

Nhượ c
Cần xử lý nhiều, địi hỏi bộ
xử lý phải nhanh nếu khơng
sẽ giảm tốc độ của xe. Giá
thành đắt.
Dễ bị nhiễu
Tốc độ đáp ứng chậm
( 40𝑢𝑠).
Sai số lớn

Bảng 2. 3: So sánh các loại cảm biến dò line

2.5.2. Cảm biến xác định khối lượng
a. Loadcell.

Hình 2. 12: Cảm biến Loadcell

Cả m biến câ n nặ ng loadcell là cả m biến có thể chuyển đổ i mộ t lự c, trọ ng
lượ ng thà nh mộ t tín hiệu điện. Giá trị tá c dụ ng tỉ lệ vớ i sự thay đổ i điện trở
cả m ứ ng trong cầ u điện trở , do đó trả về tín hiệu điện á p tỉ lệ. Loadcell điện
22


ĐỒ ÁN CHUYÊN NGÀNH CƠ ĐIỆN TỬ

GVHD: PGS.TS NGÔ HÀ QUANG THỊNH

trở là m việc dự a và o nguyên lý á p lự c – trở khá ng. Khi mộ t tả i trọ ng, mộ t lự c
tá c độ ng lên cả m biến sẽ là m trở khá ng thay đổ i. Sự thay đổ i trở khá ng này
dẫ n đến dự thay đổ i điện á p đầ u ra khi điện á p đầ u và o đượ c cấ p.
Loadcell đượ c cấ u tạ o bở i hai thà nh phầ n là : Strain gauge và Load. Strain
gauge là mộ t điện trở đặ c biệt, có điện trở thay đổ i khi bị nén hay kéo dã n và
đượ c nuô i bằ ng mộ t nguồ n ổ n định. Load là mộ t thanh kim loạ i có tính đà n
hồ i.
R=

Lρ
S

Trong đó :
R = Điện trở strain gauge (Ohm)
L = Chiều dà i củ a sợ i kim loạ i strain gauge (m)
A = Tiết diện củ a sợ i kim loạ i strain gauge (m2)
ρ = Điện trở suấ t vậ t liệu củ a sợ i kim loạ i strain gauge

Khi dâ y kim loạ i bị lự c tá c độ ng sẽ thay đổ i điện trở
Khi dâ y bị lự c nén, chiều dà i strain gauge giả m, điện trở sẽ giả m xuố ng.

Khi dâ y bi kéo dã n, chiều dà i strain gauge tă ng, điện trở sẽ tă ng lên
Điện trở thay đổ i tỷ lệ vớ i lự c tá c độ ng.
Nguyên lý hoạ t độ ng:

Hình 2. 13: Cấu tạo mạch bên trong Loadcell

Mộ t điện á p đượ c cung cấ p cho ngõ và o loadcell (2 gó c (1) và (4) củ a cầ u điện
trở Wheatstone) và điện á p tín hiệu ra đượ c đo giữ a hai gó c khá c.
Tạ i trạ ng thá i câ n bằ ng (trạ ng thá i khô ng tả i), điện á p tín hiệu ra là số khơ ng
hoặ c gầ n bằ ng khô ng khi bố n điện trở đượ c gắ n phù hợ p về giá trị. Khi có tả i
trọ ng hoặ c lự c tá c độ ng lên thâ n loadcell là m cho thâ n loadcell bị biến dạ ng
(giã n hoặ c nén), dẫ n đến sự thay đổ i về chiều dà i và tiết diện củ a cá c sợ i kim
23


ĐỒ ÁN CHUYÊN NGÀNH CƠ ĐIỆN TỬ

GVHD: PGS.TS NGÔ HÀ QUANG THỊNH

loạ i củ a điện trở strain gauge -> thay đổ i giá trị điện trở -> thay đổ i điện á p
đầ u ra.

Hình 2. 14: Ngun lí hoạt động của Loadcell

b. Cảm biến lực dạng film.
Cả m biến á p lự c dạ ng Film FSR402 đượ c sử dụ ng trong cá c ứ ng dụ ng điều
khiển, Robot như: nú t nhấn cả m ứ ng, đo lự c tay kẹp Robot, đo á p lự c nhấ n tạ i
1 điểm,...thô ng qua sự thay đổ i trở khá ng trên hai tiếp xú c củ a cả m biến, cả m
biến có cá ch sử dụ ng dễ dà ng, độ bền và độ ổ n định cao.

Hình 2. 15: Cảm biến lực dạng film

Cả m biến
Loadcell

Cả m biến lự c
dạ ng film

Ưu

Nhượ c

Giá thà nh rẻ, dễ lậ p trình.

Kết cấ u lớ n hơn cả m
biến dạ ng film, dễ bị
nhiễu.

Kết cấ u nhỏ gọ n, độ bền và độ
ổ n định cao

Giá thà nh đắ t

Bảng 2. 4: So sánh cảm biến cân nặng

2.6. Phương án về giải thuật xử lý tín hiệu cảm biến và bố trí cảm biến
24