Nghiên cứu, thiết kế và lập trình điều khiển mô hình xe tự hành dùng la bàn số

LỜI CẢM ƠN
Sau một thời gian học tập, nghiên cứu tại Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật
Hưng Yên, được sự đồng ý của Khoa Điện - Điện tử, sự hướng dẫn của TS. Trần
Quang Phú, tôi đã thực hiện đề tài “Nghiên cứu, thiết kế và lập trình điều khiển
mơ hình xe tự hành dùng la bàn số”.
Để hồn thành bản luận văn này, tơi xin bày tỏ lịng biết ơn sâu sắc tới các
thầy cô giáo Khoa Điện - Điện tử đã trực tiếp giảng dạy, truyền đạt những kiến thức
quý giá cho tôi trong thời gian học tập tại trường. Đặc biệt, tơi xin bày tỏ lịng biết
ơn sâu sắc đến TS. Trần Quang Phú đã trực tiếp tận tình hướng dẫn cũng như
cung cấp tài liệu, thông tin khoa học cần thiết cho luận văn này. Đồng thời, tôi xin
chân thành cảm ơn Lãnh đạo Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật Hưng Yên, khoa
Điện - Điện tử và Bộ môn Điều khiển và Tự động hóa đã tạo điều kiện cho tơi q
trình học tập tại trường và làm luận văn.
Do thời gian và trình độ có hạn nên luận văn của tơi khơng tránh khỏi những
thiếu sót. Vì vậy, tơi rất mong được sự đóng góp, chỉ bảo của các thầy giáo, cơ giáo
bạn bè, và đồng nghiệp để luận văn của tôi được hoàn thiện hơn.
Hưng Yên, ngày 01 tháng 02 năm 2023
TÁC GIẢ

Nguyễn Thị Thắm

i


LỜI CAM ĐOAN
Tên tôi là: Nguyễn Thị Thắm
Học viên lớp Cao học H60211 (khóa 2021-2023), chuyên ngành Kỹ thuật Điều
khiển và Tự động hoá, Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật Hưng n.
Tơi xin cam đoan đây là cơng trình nghiên cứu của cá nhân tôi dưới sự hướng
dẫn của TS. Trần Quang Phú và tham khảo tài liệu đã được liệt kê. Tơi khơng sao
chép cơng trình của các cá nhân khác dưới bất cứ hình thức nào. Nếu sai tơi xin hồn

tồn chịu trách nhiệm.
TÁC GIẢ

Nguyễn Thị Thắm

ii


MỤC LỤC
LỜI CẢM ƠN ..............................................................................................................i
LỜI CAM ĐOAN ...................................................................................................... ii
MỤC LỤC ................................................................................................................. iii
DANH MỤC BẢNG BIỂU .......................................................................................vi
DANH MỤC HÌNH VẼ ........................................................................................... vii
MỞ ĐẦU .....................................................................................................................1
I. LÝ DO CHỌN ĐỀ TÀI .......................................................................................1
II. MỤC TIÊU NGHIÊN CỨU ...............................................................................2
III. ĐỐI TƯỢNG VÀ PHẠM VI NGHIÊN CỨU ..................................................2
IV. PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU ....................................................................2
V. TĨM TẮT CƠ ĐỌNG CÁC LUẬN ĐIỂM CƠ BẢN VÀ ĐÓNG GÓP MỚI
CỦA TÁC GIẢ .......................................................................................................2
CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN VỀ ĐỀ TÀI ..................................................................3
1.1

CƠ SỞ NGHIÊN CỨU VÀ Ý NGHĨA .........................................................3

1.2

LỊCH SỬ PHÁT TRIỂN CỦA XE AGV ......................................................5

1.3

NGUYÊN LÝ HOẠT ĐỘNG CỦA XE TỰ HÀNH ....................................5

1.3.1

Điều hướng AGV bằng điện từ ...............................................................6

1.3.2

Điều hướng AGV bằng dải từ .................................................................7

1.3.3

Điều hướng AGV bằng mã QR ..............................................................8

1.3.4

Điều hướng AGV bằng phản xạ laser .....................................................8

1.3.5

AGV với điều hướng tự nhiên ..............................................................10

1.4

CẤU TẠO CHUNG CỦA XE TỰ HÀNH .................................................11

1.5

ỨNG DỤNG CỦA XE TỰ HÀNH .............................................................13

1.5.1

Lợi ích của xe tự hành mang lại............................................................13

1.5.2

Ứng dụng của xe tự hành AGV ............................................................14

1.6

KẾT LUẬN CHƯƠNG 1 ............................................................................18

CHƯƠNG 2. THIẾT KẾ VÀ CHẾ TẠO MƠ HÌNH XE TỰ HÀNH DÙNG LA
BÀN SỐ ....................................................................................................................19
iii


2.1

HÌNH ẢNH THIẾT KẾ MƠ HÌNH XE TỰ HÀNH ...................................19

2.2

SƠ ĐỒ KHỐI PHẦN ĐIỆN ........................................................................20

2.3

TÍNH CHỌN LINH KIỆN CHO TỪNG KHỐI .........................................21

2.3.1

Khối điều khiển trung tâm ....................................................................21

2.3.2

Khối cảm biến .......................................................................................27

2.3.3

Khối Wifi ..............................................................................................29

2.3.4

Khối hiển thị .........................................................................................31

2.3.5

Khối chấp hành .....................................................................................33

2.4

SƠ ĐỒ NGUYÊN LÝ MẠCH ĐIỀU KHIỂN VÀ MƠ HÌNH XE TỰ

HÀNH THIẾT KẾ ................................................................................................37
2.4.1. Sơ đồ nguyên lý mạch điều khiển ...........................................................37
2.4.2. Mơ hình xe tự hành chế tạo .....................................................................38
2.5

KẾT LUẬN CHƯƠNG 2 ............................................................................42

CHƯƠNG 3. XÂY DỰNG THUẬT TỐN ............................................................43
VÀ CHƯƠNG TRÌNH ĐIỀU KHIỂN .....................................................................43
3.1

KHÁI QUÁT CHUNG ................................................................................43

3.2

LƯU ĐỒ THUẬT TOÁN ...........................................................................44

3.2.1

Lưu đồ thuật tốn chương trình chính ..................................................44

3.2.2

Lưu đồ thuật tốn chương trình ESP8266 ............................................45

3.2.3

Lưu đồ thuật tốn chương trình điều khiển thơng qua phím ấn ...........46

3.2.4

Lưu đồ thuật tốn chương trình điều khiển tự động .............................47

3.3

GIAO DIỆN ĐIỀU KHIỂN.........................................................................48

3.4

KHẢO SÁT HOẠT ĐỘNG CỦA XE.........................................................48

3.4.1

Chế độ điều khiển thông qua các nút ấn ...............................................49

3.4.2

Chế độ điều khiển tự động ....................................................................49

3.5

ĐỊNH HƯỚNG ỨNG DỤNG CỦA MƠ HÌNH .........................................53

3.6

KẾT LUẬN CHƯƠNG 3 ............................................................................53

KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN ................................................................55
A. KẾT LUẬN ......................................................................................................55
iv


B. HƯỚNG PHÁT TRIỂN ...................................................................................56
TÀI LIỆU THAM KHẢO .........................................................................................57
PHỤ LỤC ..................................................................................................................58

1. Chương trình chính ...........................................................................................58
2 Chương trình con di chuyển ...............................................................................58
3 Chương trình con điều khiển ..............................................................................64
4 Chương trình con hiển thị trên LCD ..................................................................68
5 Chương trình con thu phát Wifi ESP8266 .........................................................71

v


DANH MỤC BẢNG BIỂU
Bảng 2.1 Thông số kỹ thuật của Arduino Nano ........................................................23
Bảng 2.2 Bảng chức năng các chân của GY-521 MPU6050 ....................................28
Bảng 2.3 Bảng chức năng các chân của A4988 ........................................................36

vi


DANH MỤC HÌNH VẼ
Hình 1.1 Hình ảnh về xe tự hành trong xưởng sản xuất .............................................3
Hình 1.2 AGV đời đầu được dẫn hướng bằng dải từ gần dưới sàn nhà......................6
Hình 1.3 AGV di chuyển theo điều hướng dải từ .......................................................7
Hình 1.4 AGV di chuyển theo điều hướng laser .........................................................9
Hình 1.5 AGV di chuyển theo điều hướng tự nhiên .................................................10
Hình 1.6 AGV ứng dụng trong chuỗi sản xuất – cung ứng vật tư ............................15
Hình 1.7 Ứng dụng AGV trong vận chuyển rác thải ................................................16
Hình 1.8 Ứng dụng AGV trong lưu kho ...................................................................17
Hình 1.9 AGV vận chuyển pallet hàng hóa ..............................................................17
Hình 2.1 Hình ảnh thiết kế của mơ hình xe tự hành .................................................20
Hình 2.2 Sơ đồ khối phần điện của mơ hình xe tự hành thiết kế ..............................20
Hình 2.3 Hình ảnh các phiên bản của Arduino .........................................................22

Hình 2.4 Sơ đồ chân board Arduino Nano ................................................................23
Hình 2.5 Cấu trúc chương trình của Arduino ...........................................................26
Hình 2.6 Sơ đồ khối quá trình thực hiện chương trình trong Arduino IDE ..............26
Hình 2.7 Hình ảnh module cảm biến GY-521 MPU6050 ........................................27
Hình 2.8 Sơ đồ các thiết bị kết nối với nhau theo chuẩn I2C ...................................28
Hình 2.9 Hình ảnh sơ đồ chân của ESP8266 ............................................................30
Hình 2.10 Sơ đồ khối truyền thơng UART ...............................................................31
Hình 2.11 Sơ đồ ngun lý kết nối của LCD16×02.................................................32
Hình 2.12 Hình ảnh động cơ bước ............................................................................34
Hình 2.13 Hình ảnh module driver A4988 ...............................................................35
Hình 2.14 Hình ảnh chân chức năng của module driver A4988 ...............................36
Hình 2.15 Sơ đồ nguyên lý mạch điều khiển ............................................................37
Hình 2.16 Hình ảnh mơ hình xe tự hành chế tạo ......................................................38
Hình 2.17 Hình ảnh phần điều khiển của xe .............................................................39
Hình 2.18 Cơ cấu bánh xe .........................................................................................40
Hình 2.19 Kết nối các module trong xe ....................................................................41
vii


Hình 3.1 Lưu đồ thuật tốn chương trình chính ........................................................44
Hình 3.2 Lưu đồ thuật tốn chương trình ESP8266 ..................................................45
Hình 3.3 Lưu đồ thuật tốn chương trình điều khiển thơng qua phím ấn .................46
Hình 3.5 Giao diện điều khiển hệ thống ...................................................................48
Hình 3.6 Hình ảnh mơi trường thực nghiệm .............................................................49
Hình 3.7 Kịch bản thực nghiệm 1 với chế độ điều khiển theo hành trình ................50
Hình 3.8 Nhập hành trình di chuyển của xe theo kịch bản 1 ....................................50
Hình 3.9 Kịch bản thực nghiệm 2 với chế độ điều khiển theo hành trình ................51
Hình 3.10 Nhập hành trình di chuyển của xe theo kịch bản 2 ..................................51
Hình 3.11 Kịch bản thực nghiệm 3 với chế độ điều khiển theo hành trình ..............52
Hình 3.12 Nhập hành trình di chuyển của xe theo kịch bản 3 ..................................53

viii


MỞ ĐẦU
I. LÝ DO CHỌN ĐỀ TÀI
Tốc độ phát triển như vũ bão của nền công nghiệp 4.0 sẽ làm thay đổi lớn
hơn nữa, mạnh mẽ hơn nữa các ngành sản xuất và dịch vụ. Đặc biệt là ứng dụng các
robot tự động hoá hay các thiết bị tự hành vào quá trình sản xuất, kinh doanh và
cung ứng dịch vụ.
Xe tự hành (Aumated Guided Vehicle, AGV) là một dạng phương tiện di
chuyển tự động từ nơi này đến nơi khác để chở trọng tải, thường là trong quá trình
sản xuất [1-3]. Ở Việt nam hiện nay, việc nghiên cứu điều khiển và phát triển AGV
đang là nhiệm vụ hàng đầu của các phòng phát triển sản xuất của các công ty. Triển
khai nghiên cứu và ứng dụng AGV vận chuyển hàng hoá trong kho sẽ tăng năng
suất lao động, tự động hố nhiều q trình sản xuất tăng sự thoả mãn khách hàng và
tăng lợi nhuận. Do đó, thiết kế về cơ khí và lập trình điều khiển cho AGV di chuyển
linh hoạt và tối ưu là những vấn đề cốt lõi đặt ra hiện nay.
Bài toán điều khiển bám quỹ đạo của AGV được các nhà nghiên cứu quan
tâm và phát triển rộng rãi [3-5]. Trong bài toán bám quỹ đạo, việc áp dụng các thuật
toán điều khiển hiện đại như điều khiển trượt, điều khiển mờ đã thu được các kết
quả khả quan [5,6]. Để xe tự hành AGV di chuyển đúng theo quỹ đạo thì cần phải
có cơng nghệ dẫn hướng. Ứng dụng của cơng nghệ dẫn hướng tự động đã được phát
triển từ cuối thế kỷ 20 và hiện nay được nâng cấp lên một tầm cao mới khi nhu cầu
về tự động hoá trong sản xuất và kho bãi ngày càng cao. Trước kia, thường sử dụng
công nghệ dẫn hướng bằng băng từ, điều hướng bằng mục tiêu laser, điều hướng
quán tính, điều hướng tự nhiên. Hiện nay công nghệ dẫn hướng đang được nâng cấp
lên mức độ cao hơn, ví dụ như ứng dụng xử lý ảnh, GPS, cảm biến Lida [7-9] cho
kết quả khả quan. Tuy nhiên, thuật toán điều khiển sẽ phức tạp hơn và đặc biệt là
giá thành của AGV sau khi chế tạo cao.

Vì vậy, em đã nhận luận văn tốt nghiệp với tên đề tài: “Nghiên cứu, thiết kế
và lập trình điều khiển mơ hình xe tự hành dùng la bàn số”. Luận văn sẽ nghiên
cứu và ứng dụng la bàn số trong mơ hình AGV nhằm giải quyết bài tốn di chuyển
theo lộ trình đặt trước. Với việc sử dụng la bàn số sẽ giảm thiểu được chi phí chế
tạo AGV so với ứng dụng cảm biến xử lý ảnh hoặc cảm biến khoảng cách Lida.

1


II. MỤC TIÊU NGHIÊN CỨU
➢ Nghiên cứu về cấu tạo và phương thức điều khiển xe tự hành.
➢ Thiết kế và chế tạo mơ hình xe tự hành dùng la bàn số.
➢ Lập trình điều khiển cho mơ hình xe tự hành dùng la bàn số.
III. ĐỐI TƯỢNG VÀ PHẠM VI NGHIÊN CỨU
➢ Đối tượng nghiên cứu: Mơ hình xe tự hành
➢ Phạm vi nghiên cứu: Lập trình điều khiển xe tự hành dùng la bàn số.
IV. PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU
➢ Nghiên cứu tài liệu, thu thập dữ liệu cần thiết cho q trình nghiên cứu.
➢ Phân tích trên cơ sở kiến thức có sẵn và trên cơ sở đi khảo sát thực tế.
➢ Nghiên cứu lý thuyết liên quan đến điều khiển xe tự hành.
V. TĨM TẮT CƠ ĐỌNG CÁC LUẬN ĐIỂM CƠ BẢN VÀ ĐÓNG GÓP MỚI
CỦA TÁC GIẢ
➢ Nghiên cứu các phương pháp tìm đường của xe tự hành ứng dụng vận
chuyển.
➢ Thiết kế và chế tạo được mơ hình xe tự hành dùng la bàn số.
➢ Thiết kế được giao diện điều khiển cho xe tự hành.
➢ Lập trình điều khiển cho xe tự hành chạy đúng theo yêu cầu.

2

CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN VỀ ĐỀ TÀI
1.1

CƠ SỞ NGHIÊN CỨU VÀ Ý NGHĨA
Xe tự hành viết tắt là AGV (tên tiếng anh là Automated Guided Vehicle), là

một dạng phương tiện di chuyển tự động từ nơi này đến nơi khác để chở trọng tải,
thường là trong quá trình sản xuất.
Chúng không nên điều hành bởi người vận hành khi hoạt động trong điều
kiện thơng thường. Cách thức di chuyển có thể ảnh hưởng đến dây dẫn hướng, cảm
biến tín hiệu điện, hoặc cảm biến ánh sáng.

Hình 1.1 Hình ảnh về xe tự hành trong xưởng sản xuất

Những phương tiện robot này có khả năng chịu tải, có thể vận chuyển khối
lượng tải lớn lên tới vài nghìn ki-lơ-gam. Nguồn điện cung cấp bằng ắc quy, chúng
có chi phí bảo trì tương đối thấp và thân thiện với mơi trường. Ngồi ra, chúng có
có thể hoạt động trong khơng gian lối đi chật hẹp.

3


Có nhiều tiện ích khi sử dụng cơng nghệ xe tự hành trong công nghiệp và sản
xuất, chẳng hạn như:
o Tăng năng suất: AGV có thể cơng việc hầu như liên tục, chỉ dừng lại để sạc
lại hoặc thay pin khi cần thiết. Không giống như những người điều khiển
phương tiện giao thông chúng ta, họ không bị ốm hoặc xin nghỉ phép.
o Tăng độ chính xác: AGV cực kỳ chính xác với việc dùng các cảm biến,
quang học và chỉ dẫn laser trên bo mạch. Sản phẩm có thể được vận chuyển

và định vị trong một phần nhỏ của centimet.
o Tăng tính an tồn: Được đảm bảo với việc loại bỏ yếu tố lỗi do con người và
các cảm biến chống va chạm.
o Ít tốn kém hơn FAS (Hệ thống tự động hóa cố định): cho dù cơng nghệ FAS
có vị trí thích hợp riêng khi nói đến một vài phần mềm nhất định, ví dụ như
dây đai băng tải, nhưng nó có thể trở nên khá tốn kém và nó khơng di động
hoặc khơng thể thích ứng được như các bộ máy AGV.
o Giảm khoản chi tổng thể: Không cần trả lương cho robot, cũng giống như
làm thêm giờ hoặc tiền thưởng. Ngồi ra cịn giảm chi phí phát sinh do hư
hỏng hàng hóa vì AGV chính xác hơn.
o Tính linh hoạt và dễ dàng tùy chỉnh: tùy thuộc vào loại hệ thống định vị
AGV, nhiệm vụ và tuyến đường của xe có thể được điều chỉnh gấp rút và dễ
dàng.
Tại Việt Nam hiện nay, nhu cầu sử dụng robot thay thế con người trong việc
xếp, dỡ hàng hóa ngày càng nhiều và mở ra một thị trường vô cùng tiềm năng cho
các nhà nghiên cứu, sinh viên và các nhà sản xuất. Tuy nhiên để có thể tận dụng
phát triển một hệ thống, chúng ta cũng cần phải có sự hiểu biết nhất định về chúng.
Triển khai mơ hình robot di động vận chuyển hàng trong kho sẽ tăng năng
suất lao động, tự động hóa nhiều quá trình sản xuất tăng sự thỏa mãn khách hàng và
tăng lợi nhuận. Robot vận chuyển hàng trong kho sẽ trở thành một công nghệ được
ứng dụng rộng rãi trong tương lai ví dụ: ứng dụng xếp hàng trong kho thực phẩm,
kho vận của các đơn vị vận chuyển.

4


1.2

LỊCH SỬ PHÁT TRIỂN CỦA XE AGV
Robot được ra đời từ thế kỷ 3 trước công nguyên do Chu Mục Vương (Trung

Quốc) và Yan Shi đã phác thảo ra các ý tưởng về máy tự động và cơ khí đầu tiên.
Đến năm 1927, robot điện tử lần đầu tiên xuất hiện trên phim ảnh. Năm 1948, các
nguyên lý nền tảng về robot và tự động hóa ra đời, tạo tiền đề cho robot học sau
này.
Cho tới năm 1961, Mobile Robot điện tử đầu tiên trên thế giới ra đời, được
đặt tên là Unimate. Trong các loại Mobile Robot áp dụng trong lĩnh vực cơng
nghiệp, thì robot tự hành trên mặt đất được cả thế giới quan tâm đến.
Hệ thống xe tự hành đã tồn tại từ năm 1953 bởi Barrett Electronics Of
Northbrook, bang Illinois – USA, nay là Savant Automation of Walker, bang
Michigan – USA. Một nhà phát minh đã sáng chế ra một phương pháp tự động hoá
con người trên chiếc xe tải kéo mà đã được sử dụng trong các nhà máy trong nhiều
năm nhờ vào giấc mơ của mình.
AGV được chế tạo để vận chuyển các phơi gia công vào những năm 70, vấn
đề định hướng của xe tự hành là một trong những vấn đề quan trọng. Ban đầu AGV
chỉ là một chiếc xe kéo nhỏ chạy theo một đường dẫn. Công nghệ những năm 70 đã
điều khiển các hệ thống để nâng cao khả năng và tính linh hoạt của AGV, xe khơng
chỉ được dùng để kéo, đẩy hàng trong kho, mà cịn có chức năng trung gian, kết nối
trong quá trình sản xuất, lắp ráp, phân loại hàng hóa.
Trải qua nhiều năm, khi cơng nghệ phát triển mạnh hơn, trong quá trình tự
hành, AGV được lập trình để giao tiếp với các robot khác nhằm đảm bảo sản phẩm
được chuyển qua các trạm, kho nơi mà sau đó chúng được giữ lại hoặc chuyển đến
một vị trí khác.
1.3

NGUYÊN LÝ HOẠT ĐỘNG CỦA XE TỰ HÀNH
AGV khi sử dụng cần có dẫn hướng để đi đúng đường. Cách điều

hướng AGV đầu tiên là sử dụng dây dẫn gắn trên sàn nhà. Dần dần, với sự phát
triển nhanh chóng về cơng nghệ, đã có nhiều cách điều hướng ra đời. Mỗi cách điều

hướng xe tự hành đều có những ưu nhược điểm riêng.

5


1.3.1 Điều hướng AGV bằng điện từ
Đây là cách điều hướng cơ bản nhất và ra đời sớm nhất. Bằng cách sử dụng
RFID nhúng vào dây kim loại, sau đó gắn chìm dưới sàn nhà, AGV sẽ dị theo tín
hiệu của dây dẫn để di chuyển.
Với bộ thu phát tần số, AGV nhận dạng từ trường phát ra từ dòng điện tần số
thấp truyền trong dây dẫn. Từ trường được tạo ra sẽ truyền tới thiết bị cảm biến điện
từ trên thân xe AGV. Thẻ RFID được nhúng sẵn sẽ điều hướng AGV đi theo lộ
trình. AGV đọc thẻ và nhận dạng theo độ mạnh hay yếu của tín hiệu để di chuyển.

Hình 1.2 AGV đời đầu được dẫn hướng bằng dải từ gần dưới sàn nhà

Dây dẫn kim loại được gắn chìm dưới sàn nhà (sâu khoảng 2 cm). Không bị
hư hại, không xuất hiện trong tầm mắt, không lo bị ảnh hưởng bởi các yếu tố ngoại
quan. Lộ trình di chuyển dễ dàng, thời gian hoạt động 24/7 cũng là một ưu điểm của
phương pháp này. Một phương pháp đơn giản, chi phí thấp và đáng tin cậy.
Tuy nhiên, khơng có gì là hồn hảo cả. Phương pháp này chỉ phù hợp với
nhu cầu cố định quy mô sản xuất đủ lâu để hồn vốn và có lãi. Vì nhược điểm của
phương pháp điều hướng AGV này là khó thay đổi và mở rộng khơng gian đường
dẫn. Nó cũng không phù hợp để làm việc trong xưởng sản xuất có nhiều nguyên
liệu gây ảnh hưởng cảm ứng điện từ như kim loại.

6