(Đồ án) đồ án thiết kế hệ thống cơ điệntửđề bài thiết kế, chế tạo robot dò line phânphốihànghoá theo màu sắc

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

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

THIẾT KẾ, CHẾ TẠO ROBOT DỊ LINE PHÂN PHỐI HÀNG
HỐ THEO MÀU SẮC
GVHD: PGS. TS. Nguyễn Duy Anh
SVTH:
Nguyễn Tấn Dũng
Lâm Hiệp Hưng
Ngơ Trần Tuấn Đạt
Hồng Thanh Thế

TP. HCM, tháng 12 năm 2022

h


DANH SÁCH THÀNH VIÊN VÀ PHÂN CÔNG CÔNG VIỆC
Họ và tên

MSSV

Phân cơng cơng việc

Nguyễn Tấn Dũng

Thiết kế cơ khí

Lâm Hiệp Hưng

Lập trình điều khiển, giải
thuật

Ngơ Trần Tuấn Đạt

1911009

Phân tích động học, bộ
điều khiển, mơ hình hố
và mơ phỏng

Hồng Thanh Thế

1910555

Thiết kế hệ thống điện,
cảm biến, thiết kế giao
diện

i

h


LỜI CẢM ƠN
Chúng em xin gửi lời cám ơn đến PGS. TS. Nguyễn Duy Anh đã tận tình hướng

dẫn, trợ giúp nhóm hồn thành đồ án Thiết kế hệ thống Cơ Điện Tử. Những kiến thức
được tiếp thu từ môn học này sẽ là hành trang vững chắc cho mỗi thành viên trong
nhóm để vững bước trong con đường học tập và phát triển sự nghiệp sau này.
Xin chân thành cám ơn Thầy!
Nhóm sinh viên thực hiện
TP. HCM, tháng 12 năm 2022

ii

h


MỤC LỤC
DANH MỤC HÌNH ẢNH .................................................................................. vii
DANH MỤC BẢNG BIỂU ................................................................................. xi
TỔNG QUAN .................................................................................1
1.1. Mục tiêu thiết kế .........................................................................................1
1.2. Tổng quan về robot phân loại hàng hoá .................................................... 1
1.2.1. Giới thiệu về robot phân phối hàng hố ............................................. 1
1.2.2. Tình hình nghiên cứu trong và ngồi nước ........................................ 2
1.2.3. Các thiết kế cơ khí của robot tự hành ................................................. 3
1.2.4. Các thiết kế phần điện .........................................................................9
1.2.5. Các thiết kế bộ điều khiển ................................................................ 13
1.3. Bài toán thiết kế và các thông số đầu vào ............................................... 16
LỰA CHỌN PHƯƠNG ÁN ........................................................ 19
2.1. Lựa chọn phương án cơ khí ..................................................................... 19
2.1.1. Lựa chọn phương án nguyên lý của xe .............................................19
2.1.2. Lựa chọn phương án động cơ dẫn động ........................................... 20
2.1.3. Lựa chọn phương án động cơ rẽ hướng ............................................20
2.1.4. Lựa chọn phương án vật liệu bánh xe dẫn động .............................. 20

2.2. Lựa chọn phương án điện ........................................................................ 21
2.2.1. Lựa chọn phương án cảm biến ......................................................... 21
2.2.2. Lựa chọn nguồn điện ........................................................................ 22
2.3. Lựa chọn phương án điều khiển .............................................................. 23
2.3.1. Lựa chọn cấu trúc điều khiển ............................................................23
2.3.2. Lựa chọn thuật toán điều khiển ........................................................ 23

iii

h


2.4. Tổng hợp lựa chọn phương án thiết kế ....................................................23
TÍNH TỐN THIẾT KẾ CƠ KHÍ .............................................. 25
3.1. Tính tốn kích thước xe ........................................................................... 25
3.1.1. Khoảng cách giữa 2 bánh xe trên 1 trục ........................................... 25
3.1.2. Kích thước xe theo chiều dọc và ngang ........................................... 25
3.1.3. Kích thước cơ cấu 4 khâu bản lề ...................................................... 26
3.2. Tính tốn động cơ dẫn động .................................................................... 27
3.3. Tính tốn động cơ rẽ hướng .....................................................................30
3.3.1. Số bậc tự do của cơ cấu .................................................................... 30
3.3.2. Phân tích lực ......................................................................................30
3.3.3. Chọn động cơ rẽ hướng: ................................................................... 35
3.4. Lựa chọn dung sai .................................................................................... 35
3.5. Tổng quan thiết kế cơ khí ........................................................................ 35
THIẾT KẾ HỆ THỐNG ĐIỆN .................................................... 38
4.1. Sơ đồ khối hệ thống điện ......................................................................... 38
4.2. Hệ thống cảm biến dò line ....................................................................... 39
4.2.1. Yêu cầu thiết kế .................................................................................39
4.2.2. Lựa chọn cảm biến dị line ................................................................39

4.2.3. Tính tốn giá trị điện trở ................................................................... 40
4.2.4. Xác định độ cao đặt cảm biến ...........................................................42
4.2.5. Xác định cách bố trí cảm biến .......................................................... 44
4.2.6. Xác định số lượng và khoảng cách giữa các cảm biến .................... 45
4.2.7. Thiết kế mạch dò line ........................................................................47
4.2.8. Calib cảm biến .................................................................................. 47

iv

h


4.3. Lựa chọn mạch Driver cho động cơ ........................................................ 49
4.3.1. Tiêu chí lựa chọn mạch Driver ......................................................... 49
4.3.2. Lựa chọn mạch Driver ...................................................................... 49
4.4. Lựa chọn cảm biến màu sắc .....................................................................50
4.4.1. Tiêu chí lựa chọn cảm biến màu sắc .................................................50
4.4.2. Lựa chọn cảm biến màu sắc ..............................................................51
4.5. Lựa chọn module thu phát Bluetooth ...................................................... 51
4.5.1. Tiêu chí lựa chọn module thu phát Bluetooth .................................. 51
4.5.2. Lựa chọn mạch thu phát Bluetooth ...................................................52
4.6. Lựa chọn mạch giảm áp ...........................................................................52
4.6.1. Tiêu chí lựa chọn mạch giảm áp .......................................................52
4.6.2. Lựa chọn mạch giảm áp ....................................................................53
4.7. Lựa chọn Pin ............................................................................................ 54
4.7.1. Tiêu chí lựa chọn Pin ........................................................................ 54
4.7.2. Tính tốn dung lượng cần thiết .........................................................54
4.7.3. Lựa chọn Pin ..................................................................................... 54
4.8. Sơ đồ nguyên lý mạch tổng ..................................................................... 55
MƠ HÌNH HỐ ........................................................................... 58

5.1. Xây dựng phương trình động học ............................................................58
5.2. Mơ hình tốn xác định sai số ................................................................... 59
5.3. Mơ hình hố động cơ ............................................................................... 60
5.3.1. Xác định thông số lấy mẫu của động cơ ...........................................60
5.3.2. Kiểm tra quan hệ tuyến tính giữa động cơ – driver với tín hiệu đầu
vào ...........................................................................................................................61

v

h


5.3.3. Xây dựng hàm truyền động cơ ......................................................... 61
5.4. Thiết kế bộ điều khiển ..............................................................................63
5.4.1. Tiêu chí thiết kế bộ điều khiển ......................................................... 63
5.4.2. Xây dựng bộ điều khiển mô hình tốn ............................................. 65
5.5. Mơ phỏng chuyển động xe .......................................................................69
5.6. Nhận xét kết quả mô phỏng ..................................................................... 71
THIẾT KẾ HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN ...................................... 73
6.1. Lưu đồ giải thuật điều khiển .................................................................... 73
6.2. Thiết kế giao diện điều khiển ...................................................................77
THỰC NGHIỆM .......................................................................... 79

vi

h


DANH MỤC HÌNH ẢNH
Hình 1.1. Các phương pháp sử dụng để dẫn hướng cho AGV ....................................... 2

Hình 1.2. Sơ đồ nguyên lý sử dụng trong robot của nghiên cứu .................................... 3
Hình 1.3. Robot Q3-600C ................................................................................................4
Hình 1.4. Sơ đồ nguyên lý Q3-600C ...............................................................................4
Hình 1.5. Robot vận chuyển cho dây chuyền lắp ráp SMT ............................................ 5
Hình 1.6. Sơ đồ nguyên lý robot vận chuyển cho dây chuyền lắp ráp SMT ..................6
Hình 1.7. Kết cấu xe 3 bánh gồm 2 bánh dẫn động và 1 bánh bị động .......................... 7
Hình 1.8. Sơ đồ nguyên lý xe 4 bánh rẽ hướng chủ động ...............................................8
Hình 1.9. Cơ cấu điều khiển rẽ hướng bốn khâu bản lề cho sơ đồ (a) ........................... 8
Hình 1.10. Điều khiển rẽ hướng sơ đồ (b) ...................................................................... 9
Hình 1.11. Các loại cảm biến nhận diện đường dẫn có thể sử dụng .............................. 9
Hình 1.12. Các phương pháp bố trí cảm biến ............................................................... 12
Hình 1.13. Phương pháp so sánh ...................................................................................12
Hình 1.14. Thuật tốn phát hiện đường line theo phương pháp ................................... 13
Hình 1.15. Sơ đồ giải thuật PID .................................................................................... 15
Hình 1.16. Bộ điều khiển fuzzy .....................................................................................15
Hình 1.17. Sơ đồ sa bàn cho robot phân phối hàng hố theo màu sắc ......................... 18
Hình 2.1. Sơ đồ nguyên lý xe 3 bánh ............................................................................ 19
Hình 2.2. Sơ đồ nguyên lý xe 4 bánh ............................................................................ 19
Hình 2.3. Sơ đồ nguyên lý được lựa chọn .....................................................................24
Hình 3.1. Sơ đồ nguyên lý dẫn hướng sử dụng cơ cấu Ackermann ............................. 25
Hình 3.2. Mơ hình xe khi tiến hành vào cua với cơ cấu ackermann lý tưởng ..............26
Hình 3.3. Sơ đồ nguyên lý cơ cấu 4 khâu bản lề được sử dụng ................................... 27

vii

h


Hình 3.4. Phân tích lực ở một bánh xe .......................................................................... 28
Hình 3.5. Thành phần lực ma sát cản trở lên bánh dẫn hướng ..................................... 31

Hình 3.6. Cơ cấu tác động trực tiếp lên bánh xe rẽ hướng ........................................... 31
Hình 3.7. Cơ cấu điều khiển rẽ hướng .......................................................................... 32
Hình 3.8. Khâu dẫn 1 .....................................................................................................32
Hình 3.9. Nhóm tĩnh định ..............................................................................................32
Hình 3.10. Hoạ đồ véc tơ của nhóm tĩnh định .............................................................. 33
Hình 3.11. Khâu dẫn 6 (khâu điều khiển) ..................................................................... 33
Hình 3.12. Nhóm tĩnh định cơ cấu điều khiển .............................................................. 34
Hình 3.13. Hoạ đồ véc tơ của nhóm tĩnh định .............................................................. 34
Hình 3.14. Mơ hình 3D robot phân phối hàng hố theo màu sắc ................................. 36
Hình 3.15. Mơ hình cơ cấu rẽ hướng ............................................................................ 37
Hình 4.1. Sơ đồ khối hệ thống điện ...............................................................................38
Hình 4.2. Kích thước cảm biến TCRT5000 .................................................................. 39
Hình 4.3. Ngun lý hoạt động của TCRT5000 ........................................................... 40
Hình 4.4. Đường đặc tuyến �� với �� .......................................................................... 41
Hình 4.5. Đường đặc tuyến ��� với �� ........................................................................41
Hình 4.6. Giá trị analog theo chiều cao gá đặt cảm biến .............................................. 43
Hình 4.7. Giá trị analog so với vị trí tâm line tại độ cao h=12 mm ..............................44
Hình 4.8. Các cách bố trí cảm biến ............................................................................... 44
Hình 4.9. Vùng hoạt động của cảm biến ....................................................................... 45
Hình 4.10. Sơ đồ vùng quét của cảm biến trên đường line ...........................................45
Hình 4.11. Khoảng cách ngắn nhất giữa đầu thu của 2 cảm biến .................................46
Hình 4.12. Bố trí dãy cảm biến theo chiều ngang line ..................................................47

viii

h


Hình 4.13. Sơ đồ ngun lý mạch cảm biến dị line ..................................................... 47
Hình 4.14. Sai lệch giữa vị trí thực tế với vị trí được xấp xỉ bởi phương pháp trung

bình trọng số ................................................................................................................... 49
Hình 4.15. Driver TB6612 .............................................................................................50
Hình 4.16. Cảm biến màu sắc TCS3200 ....................................................................... 51
Hình 4.17. Module Bluetooth HC-05 ............................................................................52
Hình 4.18. Mạch giảm áp DC-DC BUCK LM2596 3A ............................................... 53
Hình 4.19. Pin Lipo 2200mAh ...................................................................................... 55
Hình 4.20. Khối điều khiển ........................................................................................... 55
Hình 4.21. Khối nguồn .................................................................................................. 56
Hình 4.22. Các khối cảm biến và bluetooth .................................................................. 56
Hình 4.23. Khối Driver và Động cơ .............................................................................. 57
Hình 5.1. Mơ hình tốn xe dị line .................................................................................58
Hình 5.2. Đồ thị mối quan hệ giữa %PWM và số vòng quay của động cơ - driver
JGB37 và TB6612 .......................................................................................................... 61
Hình 5.3. Import dữ liệu lấy được vào System Identification ...................................... 62
Hình 5.4. Kết quả tính tốn từ System Identification ................................................... 63
Hình 5.5. Sơ đồ khối hệ thống .......................................................................................65
Hình 5.6. Sơ đồ khối bộ điều khiển động cơ – driver ...................................................65
Hình 5.7. Sơ đồ khối bộ điều khiển PID động cơ – driver ........................................... 65
Hình 5.8. Sử dụng PID Tuner trong Matlab Simulink ..................................................66
Hình 5.9. Thơng số đáp ứng của hệ thống .................................................................... 67
Hình 5.10. Kết quả mơ hình hố robot bám theo line trường hợp line dưới ................ 69
Hình 5.11. Kết quả sai số e2 trường hợp rẽ line dưới ...................................................69
Hình 5.12. Kết quả vận tốc góc trường hợp rẽ line dưới .............................................. 70
ix

h


Hình 5.13. Kết quả mơ hình hố robot bám theo line trường hợp line trên ................. 70
Hình 5.14. Kết quả sai số e2 trường hợp rẽ line trên .................................................... 71

Hình 5.15. Kết quả vận tốc góc trường hợp rẽ line trên ............................................... 71
Hình 6.1. Lưu đồ giải thuật chương trình chính ............................................................74
Hình 6.2. Chương trình con thực hiện bám line ............................................................75
Hình 6.3. Chương trình con đọc cảm biến .................................................................... 76
Hình 6.4. Giao diện bluetooth trên máy tính .................................................................78

x

h


DANH MỤC BẢNG BIỂU
Bảng 1.1. Thông số robot Q3-600C ................................................................................ 4
Bảng 1.2. Thông số robot vân chuyển cho dây chuyền lắp ráp SMT .............................6
Bảng 1.3. So sánh các loại cảm biến nhận diện đường dẫn ............................................ 9
Bảng 1.4. So sánh các cảm biến nhận diện màu sắc ..................................................... 10
Bảng 1.5. So sánh các loại động cơ dẫn động ............................................................... 11
Bảng 3.1. Thông số đầu vào lựa chọn động cơ ............................................................. 27
Bảng 3.2. Thông số cần thiết lựa chọn động cơ ............................................................ 29
Bảng 3.3. Thông số động cơ JGB37 ..............................................................................30
Bảng 3.4. Thông số động cơ RC servo MG996R ......................................................... 35
Bảng 3.5. Tổng kết thiết kế cơ khí .................................................................................35
Bảng 4.1. Thơng số kỹ thuật cảm biến TCRT5000 .......................................................39
Bảng 4.2. Giá trị analog đọc được từ nền trắng và nền đen ứng với từng cảm biến .... 42
Bảng 4.3. Giá trị analog lớn nhất và nhỏ nhất đọc được từ các cảm biến .................... 48
Bảng 4.4. Thông số kỹ thuật Module Bluetooth HC-05 ............................................... 52
Bảng 4.5. Thông số kỹ thuật giảm áp DC-DC BUCK LM2596 3A .............................53

xi

h


TỔNG QUAN
1.1. Mục tiêu thiết kế
Mục tiêu của dự án nhằm thiết kế robot có khả năng bám theo đường dẫn cho
trước trên sa bàn, đến đúng vị trí yêu cầu và nhận khối hàng và phân loại màu sắc.
Về khối hàng
-

Hình dạng:

Hình hộp chữ nhật

-

Kích thước:

-

Khối lượng:

140 × 100 × 18

-

Màu sắc cần phân loại của khối hàng:

Đỏ và Xanh

2 ��

1.2. Tổng quan về robot phân loại hàng hoá
1.2.1. Giới thiệu về robot phân phối hàng hoá
Robot phân loại hàng hoá là khái niệm để chỉ tất cả các hệ thống vận chuyển
hàng hoá và phân loại sản phẩm mà khơng cần có sự can thiệp của con người. Trong
cơng nghiệp, robot phân phối hàng hố được hiểu là các xe chở hàng tự động được áp
dụng trong rất nhiều các lĩnh vực khác nhau như:
-

Cung cấp, sắp xếp hàng hoá tại các khu kho vận, các nhà máy sản xuất.

-

Vận chuyển hàng hoá giữa các trạm trong nhà máy.

-

Phân phối, cung ứng sản phẩm trong buôn bán.

-

Phân phối vật phẩm trong các lĩnh vực như y tế, siêu thị, văn thư.
Cụ thể đối với đề bài đặt ra, ta thực hiện khảo sát trên rôbot phân phối hàng hố

ở dạng xe (mobile robot). Trong thực té có thể kể đến AGV, ẢM.
AGV (Automated Guided Vehicles)
AGV là loại phương tiện sử dụng các công nghệ dẫn đường để vận chuyển hàng
hoá đến những địa điểm đã được quy định sẵn mà không cần đến sự can thiệp của con
người.

Các công nghệ dẫn đường thường được sử dụng cho xe AGV hiện nay bao gồm:
điều hướng bằng đường line, điều hướng bằng từ tính bao gồm dây từ hoặc điểm từ,
1

h


điều hướng bằng mã QR, điều hướng bằng laser, điều hường bằng con quay hồi
chuyển, điều hướng bằng GPS, …
AMR (Autonomous Mobile Robot)
AMR tương tự với AGV là loại phương tiện dùng để vận chuyển hàng hoá giữa
các địa điểm trong nhà máy. Tuy nhiên AMR được trang bị những cơng nghệ hiện đại
hơn nhằm có khả năng di chuyển nhanh hơn, thông minh hơn so với AGV. Nhờ khả
năng tự hoạch định đường đi để né vật cản và chọn đường đi ngắn nhất thông qua cảm
biến LiDAR.
Thông qua yêu cầu đề bài đặt ra, ta xác định được hoạt động của robot cần thiết
kế là một AGV được điều hướng bằng line có màu sắc tương phản (trắng và đen).
1.2.2. Tình hình nghiên cứu trong và ngồi nước
Trên thế giới hiện nay đã có rất nhiều những tài liệu, sách, bài báo, bài nghiên
cứu về robot di động, AGV như:
Sách của tác giả Gregor Klančar, Andrej Zdešar, ... Igor Škrjanc, “Wheeled
Mobile Robotics: From Fundamentals Towards Autonomous Systems”. Sác đã tập
trung đề cập đến các vấn đề từ cơ bản đến nâng cao của robot di động (wheeled mobile
robot).
Nghiên cứu của Lero Research Centre, “Automated Ground Vehicle (AGV) and
Sensor Technologies”. Nghiên cứu tập trung vào tìm hiểu, so sánh các phương pháp
dẫn hướng của các AGV. Các phương pháp mà nhóm nghiên cứu tìm hiểu và so sánh
bao gồm: điều hướng bằng laser, điều hướng bằng đường từ tính, điều hướng bằng
đường line, điều hướng bằng mã vạch.

Hình 1.1. Các phương pháp sử dụng để dẫn hướng cho AGV

2

h


Nghiên cứu “Smooth Tracking Controller for AGV through Junction using
CMU Camera” tại “Hội nghị Cơ điện tử Toàn quốc lần thứ 7”. Trong nghiên cứu, các
tác giả đã đề xuất một dạng đường qua giao lộ cho AGV sử dụng CMU camera, sơ đồ
tính tốn sai số cho AGV, mơ hình hóa động học của AGV, xây dựng bộ điều khiển
bám đường của AGV.

Hình 1.2. Sơ đồ nguyên lý sử dụng trong robot của nghiên cứu
1.2.3. Các thiết kế cơ khí của robot tự hành
Dựa trên các nghiên cứu về sự di chuyển của mobile robot, ta xác định được
AGV chỉ cần di chuyển theo 2 bậc tự do (1 bậc tịnh tiến và 1 bậc xoay). Do vậy, để dễ
dàng trong việc thiết kế phần điều khiển, ta có thể loại các cấu trúc cho phép xe di
chuyển 3 bậc tự do.
Robot chở hàng Q3-600C
Q3-600C là một AGV dẫn hướng bằng mã QR dùng để vận chuyển hàng hoá
trong nhà kho hoặc trong các nhà máy sản xuát tự dộng. Ngồi ra robot cịn được trang
bị cơng nghệ SLAM nhằm định vị và lập bản đồ đồng thời. Công nghệ này giúp AGV
có khả năng dựng lại bản đồ khu vực hoạt động và định hướng chính xác trong bản đồ
theo thời gian thực.

3

h

Hình 1.3. Robot Q3-600C
Bảng 1.1. Thơng số robot Q3-600C
Thơng số

Giá trị

Đơn vị

Kích thước bao

940 × 650 × 253

��

Số bánh xe chủ động
Số bánh xe bị động
Tải trọng tối đa
Vận tốc tối đa
Sai số vị trí

2

bánh

600

��

4

bánh

200

��/�

8

�ℎ

Pin

±10

Dẫn hướng

QR Code

��
–

Hình 1.4. Sơ đồ nguyên lý Q3-600C

4

h


Phương pháp rẽ hướng: Differrential drive. Đối với các sơ đồ nguyên lý

dạng này, khi tốc độ quay của các động cơ gắn vào bánh xe chủ động khác nhau,
robot sẽ có khả năng rẽ hướng. Do đó, độ đồng tâm giữa 2 bánh xe chủ động là
rất quan trọng, có ảnh hưởng đến bán kính cong của robot (Đối với robot Q3600C bán kính cong bé nhất là 996 mm).
Ưu điểm sơ đồ nguyên lý:
-

Kết cấu gồm 6 bánh xe làm tăng khả năng chịu tải.

-

Trọng tâm của khối hàng khi đặt lên thường nằm trên trục bánh dẫn động, khử
qn tính khi vào cua.

-

Có khả năng quay quanh trục vng góc với đường nối tâm của 2 bánh xe
(quay quanh chính nó).
Nhược điểm sơ đồ ngun lý:

-

Phải đảm bảo đồng phẳng giữa 6 bánh xe.
Robot vận chuyển cho dây chuyền lắp ráp SMT:
Robot vân chuyển hàng hoá cho dây chuyền lắp ráp của Shenzen Jaguar

Automation Equipment Co. được sử dụng nhằm thay thế nhân công vận chuyển các bộ
phận trong dây chuyền lắp ráp, được dẫn hướng bằng đường line từ tính.

Hình 1.5. Robot vận chuyển cho dây chuyền lắp ráp SMT

5

h


Bảng 1.2. Thông số robot vân chuyển cho dây chuyền lắp ráp SMT
Thơng số
Kích thước bao
Số bánh xe chủ động

Giá trị

Đơn vị

550 × 430 × 550

��

Số bánh xe bị động
Tải trọng tối đa
Vận tốc tối đa
Sai số khi dừng

2

bánh

40

��

2

bánh

400

��/�

10

�ℎ

±50

Pin
Dẫn hướng

Đường từ tính

��
–

Hình 1.6. Sơ đồ ngun lý robot vận chuyển cho dây chuyền lắp ráp SMT
Phương pháp rẽ hướng: Differrential drive.
Ưu điểm của sơ đồ nguyên lý:
-

Thiết kế đơn giản, áp dụng phổ biến rộng rãi cho các ứng dụng tải hàng nhẹ.
Nhược điểm của sơ đồ nguyên lý:

-

Trọng tâm của khối hàng thường nằm khác đường tâm nối hai bánh xe làm khả
năng chuyển hướng của xe bị hạn chế.
6

h


-

Xe dễ lật đầu nếu đặt khối hàng ở vị trí trọng tâm khối hàng nằm trên trục chính
của xe.
Các kết cấu xe 3 bánh:

Hình 1.7. Kết cấu xe 3 bánh gồm 2 bánh dẫn động và 1 bánh bị động
Phương pháp rẽ hướng: Differrential drive
Ưu điểm của sơ đồ nguyên lý:
-

Kết cấu xe 3 bánh giúp toàn bộ các bánh xe tiếp xúc dễ dàng trên mặt phẳng.
Từ đó, tạo ra độ cân bằng ở trạng thái tĩnh.
Nhược điểm của sơ đồ nguyên lý:

-

Sử dụng các bánh xe tự lựa làm giảm tính chủ động của hệ thống khi di chuyển.

-

Trọng tâm của khối hàng thường nằm khác đường tâm nối hai bánh xe làm khả
năng chuyển hướng của xe bị kém đi.

-

Sử dụng cả hai động cơ đều là dẫn động dẫn đến tiêu thụ năng lượng nhiều.
Các kết cấu xe 4 bánh rẽ hướng chủ động

a)

b)
7

h


Hình 1.8. Sơ đồ nguyên lý xe 4 bánh rẽ hướng chủ động
Ưu điểm của các sơ đồ nguyên lý:
-

Các bánh trước dẫn hướng xe một cách chủ động cho phép vào cua tốt hơn.

-

Có một động cơ dẫn động nên tiêu thụ ít năng lượng hơn so với các xe sử dụng
phương thức rẽ hướng Differrential drive. Bên cạnh đó kết cấu sử dụng vi sai
cho phép xe vào cua mà các bánh xe không bị trượt.

-

So với xe 3 bánh, công suaats để dẫn động xe giảm đáng kể.
Nhược điểm của sơ đồ nguyên lý:

-

Kết cấu cơ kí phức tạp.

-

Thu hẹp khơng gian bố trí do bánh trước rẽ cần được xoay đối với sơ đồ (b).
Đối với sơ đồ (a), để điều khiển rẽ hướng cho robot, ta có thể sử dụng
các cơ cấu như sau:

Hình 1.9. Cơ cấu điều khiển rẽ hướng bốn khâu bản lề cho sơ đồ (a)
Đối với sơ đồ (b), để điều khiển rẽ hướng cho robot, ta điều khiển như
sau:

8

h


Hình 1.10. Điều khiển rẽ hướng sơ đồ (b)
1.2.4. Các thiết kế phần điện
Về cảm biến
 Nhận diện đường line

Hình 1.11. Các loại cảm biến nhận diện đường dẫn có thể sử dụng
Như đã tìm hiểu, AGV là những robot sử dụng các đường dẫn để di chuyển.

Đối với đề tài này, phương pháp dẫn hướng mà bộ môn đặt ra là sử dụng đường dẫn là
line có màu tương phản với sa bàn (trắng, đen). Màu trắng là màu có thể phản xạ tồn
bộ ánh sáng chiếu vào nó. Ngược lại, màu đen hấp thụ toàn bộ ánh sáng chiếu vào nó.
Chính nhờ đặc tính này, ta có thể sử dụng các loại cảm biến sau để xác định đường dẫn:
Bảng 1.3. So sánh các loại cảm biến nhận diện đường dẫn
Cảm biến

Ưu điểm

Nhược điểm

- Ít chịu nhiễu từ mơi trường - Cần phải xử lý bằng thuật tốn
(cường độ ánh sáng).
Camera

phức tạp.

- Nhận diện chính xác vị trí của - Khó dùng trong vi điều khiển
line cần bám.

thơng thường.
- Giá thành cao.

9

h


- Ít chịu nhiễu từ mơi trường - Cần phải tính tốn các vị trí
Cảm biến

hồng ngoại

Cảm biến
quang trở

(cường độ ánh sáng).

cảm biến để không bị hiện
tượng cross over.

- Giá thành thấp hơn camera.

- Xử lý tín hiệu nhanh hơn - Dễ ảnh hưởng bởi các ánh sáng
bên ngoài.
camera.
- Giá thành thấp hơn camera.

- Chịu nhiễu từ môi trường
(cường độ ánh sáng).

- Xử lý tín hiệu nhanh hơn
camera.

 Nhận diện màu sắc
Theo mục tiêu thiết kế ban đầu, việc phân biệt và đưa khối hàng đến đúng vị trí
chỉ định là nhờ màu sắc của khối hàng. Khối hàng này có 2 màu: màu đỏ và màu xanh.
Đây là hai màu có sự khác biệt rất lớn, về dải tần số. Do đó, để phân biệt 2 màu này,
cảm biến có thể sử dụng là:
Bảng 1.4. So sánh các cảm biến nhận diện màu sắc
Ưu điểm

Nhược điểm

Cảm biến - Giá thành rẻ hơn camera.
màu

- Số màu nhận diện được ít hơn

- Xử lý tín hiệu trả về đơn giản
hơn camera.

camera.
- Khó xử lý các vùng màu chồng
lấn.

Camera

- Số màu nhận diện lớn.

- Giá thành cao

- Có nhiều thuật tốn xử lý các - Cần vi điều khiển đủ mạnh để xử
vùng màu chồng lấn.

lý tín hiệu.

Về động cơ
Với các sơ đồ nguyên lý giới thiệu ở mục 1.2.3., các động cơ dẫn động có thể
10

h


sử dụng bao gồm: động cơ bước, động cơ DC, động cơ DC kèm encoder và hộp số.
Bảng 1.5. So sánh các loại động cơ dẫn động
Loại
động cơ

Động cơ DC kèm

Động cơ bước

Động cơ DC

- Điều khiển vòng hở

- Điều khiển vịng hở

- Điều khiển vịng kín

- Cao

- Thấp

- Cao

- Khơng có độ vọt lố.

- Giá thành rẻ.

- Có tín hiệu trả về.

encoder kèm hộp số

Dạng
điều
khiển
Độ chính
xác
Ưu điểm

- Điều

khiển

chính - Phương thức điều - Tốc độ được điều

xác theo góc quay.

khiển đơn giản.

khiển chính xác.

- Phương thức điều

- Tốc

khiển đơn giản.

độ

giảm

và

moment tăng sau khi
đi qua hộp giảm tốc.
- Hoạt động ổn định
hơn động cơ DC.

Nhược
điểm

- Khơng

kiểm

sốt - Gây ồn và giảm hiệu - Gây ồn và giảm hiệu

được tốc độ khi trượt

suất khi sử dụng

suất khi sử dụng

do tải.

chổi góp.

chổi góp.

- Khó

điều

khiển

chính xác tốc độ của
động cơ.
- Giới hạn sử dụng
các thuật toán điều
khiển khác nhau.

11

h


Về phương pháp bố trí cảm biến nhận diện đường line
Các phương pháp bố trí cảm biến nhận diện đường dẫn bao gồm: bố trí theo
hình chữ V, bố trí theo đường thẳng, bố trí dạng ma trận.

Hình 1.12. Các phương pháp bố trí cảm biến
Về phương pháp xử lý tín hiệu trả về từ cảm biến nhận diện line
 Chuyển đổi tín hiệu từ analog sang digital
Tín hiệu đầu ra của cảm biến được lấy ngưỡng để chuyển thành các giá trị 0
hoặc 1. Sau đó sử dụng giải thuật so sánh với các trạng thái được định sẵn để suy ra vị
trí tương đối giữa đường line so với cảm biến.
1100000
0110000

0011000
0001100
0000110
0000011
Hình 1.13. Phương pháp so sánh
Ưu điểm: Tốc độ xử lý nhanh.
Nhược điểm: Độ chính xác thấp.
 Sử dụng tín hiệu analog
Các giá trị analog đọc được xấp xỉ theo trọng số hoặc xấp xỉ hàm bậc 2 để xác
12

h


định khoảng cách từ cảm biến đến tâm đường line.
-

Phương pháp xấp xỉ hàm bậc 2: Thuật toán sẽ so sánh ra 3 cảm biến liên tiếp
có tín hiệu cao nhất, từ đó xấp xỉ một hàm bậc 2 đi qua 3 điểm đó, so sánh
tọa độ đỉnh của đường cong với gốc tọa độ (tâm xe), ta thu được sai số giữa
xe và đường line.

-

Phương pháp xấp xỉ theo trọng số: Gán tọa độ vào các cảm biến, từ đó sử
dụng cơng thức để tìm tọa độ của giá trị tín hiệu trung bình, dựa trên tín hiệu
trả về của mỗi cảm biến. Ta quy ước tọa độ tâm xe bằng 0, do đó tọa độ
trung bình đó chính là sai số giữa xe và đường line theo phương pháp này.

Hình 1.14. Thuật tốn phát hiện đường line theo phương pháp a) Xấp xỉ bậc hai và b)

Trung bình trọng số
Khi sử dụng tín hiệu analog đọc trực tiếp từ cảm biến về, việc xét vị trí của xe
đến đường line chính xác hơn. Tuy nhiên, cũng làm tăng thời gian xử lý tín hiệu.
1.2.5. Các thiết kế bộ điều khiển
Về cấu trúc điều khiển
Có 2 cấu trúc điều khiển phổ biến: điều khiển tập trung và điều khiển phân cấp.
Cấu trúc
điều khiển

Ưu điểm

Nhược điểm

- Sử dụng 1 vi điều khiển.
Tập trung

- Khó xác định lỗi.

- Khơng sử dụng giao tiếp - Không linh hoạt trong mở rộng hệ
giữa các vi điều khiển.

thống (bộ nhớ vi điều khiển).

13

h