Đồ án nghiên cứu, thiết kế và chế tạo xe hỗ trợ vận chuyển hàng hóa thông minh

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

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

NGHIÊN CỨU, THIẾT KẾ, VÀ CHẾ TẠO
XE HỖ TRỢ VẬN CHUYỂN HÀNG HĨA THƠNG MINH

GVHD: TS. NGUYỄN NGỌC PHƯƠNG
SVTH:NGUYỄN QUANG HUY
VÕ HUỲNH NHẬT TÂN
NGUYỄN KHẮC TRƯỜNG

SKL011297

Tp. Hồ Chí Minh, tháng 7/2023


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

KHOA CƠ KHÍ CHẾ TẠO MÁY

ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP
Đề tài: “NGHIÊN CỨU, THIẾT KẾ, VÀ CHẾ TẠO
XE HỖ TRỢ VẬN CHUYỂN HÀNG HĨA THƠNG MINH”

Giảng viên hướng dẫn:

PGS.TS NGUYỄN NGỌC PHƯƠNG

Sinh viên thực hiện:

NGUYỄN QUANG HUY

MSSV: 19146075

VÕ HUỲNH NHẬT TÂN

MSSV: 19146060

NGUYỄN KHẮC TRƯỜNG

MSSV: 19146413

Lớp:

191462

Khoá:

2019 - 2023
Tp. Hồ Chí Minh, tháng 07/2023


NHIỆM VỤ ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP

TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT TP. HCM

CỘNG HOÀ XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM

KHOA CƠ KHÍ CHẾ TẠO MÁY

Độc lập - Tự do – Hạnh phúc

Bộ môn cơ điện tử

NHIỆM VỤ ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP
Học kỳ II / năm học 2022 - 2023
Giảng viên hướng dẫn: PGS.TS NGUYỄN NGỌC PHƯƠNG
Sinh viên thực hiện:
1. Nguyễn Quang Huy
2. Võ Huỳnh Nhật Tân
3. Nguyễn Khắc Trường
1. Mã số đề tài: 22223DT145

MSSV: 19146075
MSSV: 19146060
MSSV: 19146413

Điện thoại: 0785697450
Điện thoại: 0778115547
Điện thoại: 0389093121

Tên đề tài: NGHIÊN CỨU, THIẾT KẾ, VÀ CHẾ TẠO
XE HỖ TRỢ VẬN CHUYỂN HÀNG HĨA THƠNG MINH
2. Các số liệu, tài liệu ban đầu:
Kích thước xe dự kiến: 𝐷80 × 𝑅60 × 𝐶60
Khối lượng hàng hóa dự kiến: 40kg

Tống khối lượng xe dự kiến: 70kg
Vận tốc dự kiến: 1m/s
3. Nội dung chính của đồ án:
Nội dung: Thiết kế xe hỗ trợ vận chuyền hàng hóa sử dụng camera để tracking theo
người sử dụng.
Phạm vi hoạt động: trường học, bệnh viện
Điều kiện hoạt động: ngoài trời, di chuyển trên mặt đường nhựa, đường bê tông.
4. Các sản phẩm dự kiến:
Mơ hình: Xe hỗ trợ vận chuyển hàng hóa sử dụng camera.
Tập bảng vẽ thiết kế (Điện, cơ khí).
Báo cáo đồ án.
5. Ngày giao đồ án: 15/03/2023
6. Ngày nộp đồ án: 15/07/2023

-i-


NHIỆM VỤ ĐỒ ÁN TỚT NGHIỆP

7. Ngơn ngữ trình bày:

Bản báo cáo:

Tiếng Anh 

Tiếng Việt 

Trình bày bảo vệ:

Tiếng Anh 

Tiếng Việt 

TRƯỞNG KHOA

TRƯỞNG BỘ MÔN

(Ký, ghi rõ họ tên)

(Ký, ghi rõ họ tên)

 Được phép bảo vệ ...................................................................
(GVHD ký, ghi rõ họ tên)

GIẢNG VIÊN HƯỚNG DẪN
(Ký, ghi rõ họ tên)


LỜI CAM KẾT

LỜI CAM KẾT

-

Tên đề tài: NGHIÊN CỨU, THIẾT KẾ, VÀ CHẾ TẠO XE HỖ TRỢ VẬN
CHUYỂN HÀNG HÓA THÔNG MINH
GVHD: PGS.TS NGUYỄN NGỌC PHƯƠNG

-

Họ tên sinh viên (đại diện): Nguyễn Khắc Trường
MSSV: 19146413
Lớp: 191462A

-

Địa chỉ sinh viên: 684/15 Xơ Viết Nghệ Tĩnh, Phường 13, Quận Bình Thạnh, TP. Hồ

-

Chí Minh.
Số điện thoại liên lạc: 0389093121

-

Email:
Ngày nộp khố luận tốt nghiệp (ĐATN): 15/07/2023

-

Lời cam kết: “Chúng tôi xin cam đoan khố luận tốt nghiệp (ĐATN) này là cơng
trình do chính chúng tơi nghiên cứu và thực hiện. Chúng tôi không sao chép từ bất kỳ
một bài viết nào đã được cơng bố mà khơng trích dẫn nguồn gốc. Nếu có bất kỳ một

-

sự vi phạm nào, chúng tơi xin chịu hồn tồn trách nhiệm”.

Tp. Hồ Chí Minh, ngày …. tháng …. năm 2023
Đại diện nhóm

(ký, ghi rõ họ tên)

- ii -


LỜI CẢM ƠN

LỜI CẢM ƠN
Trước tiên, chúng tôi xin gửi lời cảm ơn chân thành nhất đến thầy Nguyễn Ngọc Phương
– thầy hướng dẫn đồ án tốt nghiệp, vì đã tận tình giúp đỡ chúng tơi trong q trình thực hiện
dự án. Dù chúng tơi cịn nhiều thiếu sót và hạn chế về kiến thức, thầy vẫn hỗ trợ một cách
nhiệt tình, cung cấp và hướng dẫn cụ thể cho từng phần của dự án. Thầy đã đề ra nhiều trường
hợp quan trọng để chúng tôi xác định phương án điều khiển và giải quyết các vấn đề, đồng
thời hướng dẫn chúng tơi một cách rõ ràng về những khía cạnh mà chúng tơi cịn gặp khó
khăn. Chúng tơi xin chúc thầy ngày càng thành công trong công việc, đồng thời gửi lời chúc
sức khỏe, niềm vui và hạnh phúc đến thầy và gia đình.
Nhóm xin cảm ơn thầy tất cả những thầy cô đã chỉ dạy, hướng dẫn, cũng như giúp đỡ chúng
tôi trong bốn năm đại học đầy gian nan và thách thức. Tôi cũng bày tỏ sự trân trọng dành cho
Nguyễn Quang Huy và Võ Huỳnh Nhật Tân đã cùng tơi hồn thành đồ án tốt nghiệp này, cảm
ơn những người bạn đã giúp đỡ nhóm chúng tơi trong suốt q trình thực hiện đề tài.
Ngồi ra, chúng tơi cũng nhận được sự giúp đỡ nhiệt tình từ bạn bè trong quá trình thực
hiện dự án này. Vì kiến thức cịn hạn chế, nên chúng tơi khơng thể tránh khỏi một số phần
chưa hoàn thiện hoàn toàn và mắc phải một số sai sót. Chúng tơi rất mong nhận được ý kiến
đóng góp từ thầy cơ và các bạn để chúng tơi có thể hồn thiện dự án tốt hơn.
Xin chân thành cảm ơn!
Đại diện nhóm

Nguyễn Khắc Trường

- iii -

TÓM TẮT ĐỒ ÁN

TÓM TẮT ĐỒ ÁN
NGHIÊN CỨU, THIẾT KẾ, VÀ CHẾ TẠO
XE HỖ TRỢ VẬN CHUYỂN HÀNG HĨA THƠNG MINH
Xe hỗ trợ vận chuyển hàng hóa thơng minh là một dạng robot dịch vụ sử dụng cơ cấu di
động bốn bánh xe chủ động. Chức năng chính của robot là bám theo người sử dụng, giúp vận
chuyển hàng hóa trong những khu vực có khn viên lớn như bệnh viện, trường học, nhà
xưởng, sân bay, hoặc hỗ trợ những người già, người tàn tật. Để thực hiện đề tài, nhóm đã tiến
hành khảo sát khơng gian trong các khn viên này để đưa ra các yêu cầu kĩ thuật ban đầu
cho việc thiết kế cơ khí. Nhóm đã thiết kế, xây dựng hệ thống cơ khí, thuật tốn điều khiển
cho robot. Với mục tiêu nhận diện được người và bám theo họ, nhóm đã sử dụng camera và
ứng dụng cơng nghệ xử lí ảnh vào robot. Kết quả đạt được là nhóm đã chế tạo thành cơng một
robot dịch vụ hỗ trợ vận chuyển hàng dễ sử dụng, có thể bám theo người, có thể phân biệt
được nhiều người thông qua màu áo. Hướng phát triển tiếp theo là nâng cấp phần cứng, cũng
như hệ thống điều khiển để có thể nhận diện được các đặc điểm khác của người cần theo dõi
như màu quần, trang sức hay các đặc trưng khác để tối ưu việc phân biệt người, thêm vào đó
cần bổ sung cho robot tính năng tự động tìm kiếm để khi lạc mất người cần theo dõi có thể di
chuyển xung quanh để tìm và phát hiện người để tiếp tục bám theo. Ngoài ra, để robot trở
thành một sản phẩm hoạt động hoàn chỉnh, cần có thêm tính năng sau khi người dùng sử dụng
xong robot sẽ xác định và di chuyển về vị trí ban đầu một cách tự động trong một không gian
nhất định. Ngồi ra, phần kết cấu cơ khí cũng cần cải tiến thêm để tăng khả năng linh hoạt
cũng như khả năng vượt địa hình.

- iv -


MỤC LỤC

MỤC LỤC

NHIỆM VỤ ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP ................................................................................. i
LỜI CAM KẾT .................................................................................................................. ii
LỜI CẢM ƠN ................................................................................................................... iii
TÓM TẮT ĐỒ ÁN ............................................................................................................ iv
MỤC LỤC .......................................................................................................................... v
DANH MỤC BẢNG BIỂU .............................................................................................. ix
DANH MỤC SƠ ĐỒ, HÌNH VẼ ...................................................................................... x
DANH MỤC TỪ VIẾT TẮT ......................................................................................... xiii
CHƯƠNG 1. GIỚI THIỆU ............................................................................................ 1
1.1. Tính cấp thiết của đề tài ............................................................................................. 1
1.2. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài ................................................................... 1
1.2.1. Ý nghĩa khoa học ...................................................................................................... 1
1.2.2. Ý nghĩa thực tiễn ...................................................................................................... 2
1.3. Mục tiêu nghiên cứu của đề tài .................................................................................. 2
1.4. Đối tượng và phạm vi nghiên cứu .............................................................................. 2
1.4.1. Đối tượng nghiên cứu ............................................................................................... 2
1.4.2. Phạm vi nghiên cứu .................................................................................................. 2
1.4.3. Cách tiếp cận ............................................................................................................ 3
1.5. Phương pháp nghiên cứu ............................................................................................ 3
1.5.1. Cơ sở phương pháp luận ........................................................................................... 3
1.5.2. Các phương pháp nghiên cứu cụ thể ........................................................................ 3
1.6. Kết cấu của đồ án tốt nghiệp ...................................................................................... 4
CHƯƠNG 2. TỔNG QUAN NGHIÊN CỨU ĐỀ TÀI ................................................. 5
2.1. Giới thiệu .................................................................................................................... 5
2.2. Nghiên cứu tổng quan trong và ngoài nước ............................................................... 5

-v-

MỤC LỤC

2.2.1. Tình hình nghiên cứu ở nước ngồi.......................................................................... 5
2.2.2. Tình hình nghiên cứu trong nước ............................................................................. 7
2.3. Giới hạn đề tài ............................................................................................................ 7
CHƯƠNG 3. CƠ SỞ LÝ THUYẾT............................................................................... 8
3.1. Phương pháp điều chế độ rộng xung PWM ............................................................... 8
3.2. Bộ điều khiển PID ...................................................................................................... 8
3.3. Lý thuyết về xử lý ảnh và ứng dụng học sâu (Deep Learning) ................................ 10
CHƯƠNG 4. PHƯƠNG HƯỚNG VÀ CÁC GIẢI PHÁP THIẾT KẾ .................... 14
4.1. Yêu cầu của đề tài và Thông số thiết kế ................................................................... 14
4.1.1. Chức năng của robot ............................................................................................... 14
4.1.2. Yêu cầu kỹ thuật ..................................................................................................... 14
4.1.3. Giả thiết về khả năng vận hành của robot .............................................................. 14
4.2. Phương hướng và giải pháp thực hiện thiết kế hệ thống lái ..................................... 15
4.2.1. Phương án 1: Sử dụng hệ thống bánh xích. ............................................................ 15
4.2.2. Phương án 2: Di chuyển 4 bánh với hệ thống lái ở cầu trước và bộ visai cho cầu sau.
15
4.2.3. Phương án 3: Cơ cấu lái với 4 bánh chủ động........................................................ 16
4.2.4. Phương án 4: Di chuyển bằng 2 bánh xe chủ động ở cầu sau và hai bánh xe tự lựa ở
cầu trước. ....................................................................................................................... 16
4.3. Lựa chọn phương án thiết kế .................................................................................... 17
4.4. Trình tự cơng việc tiến hành..................................................................................... 17
CHƯƠNG 5. TÍNH TỐN, THIẾT KẾ HỆ THỚNG CƠ KHÍ............................... 18
5.1. Xác định trọng tâm và điều kiện lật của robot. ........................................................ 18
5.1.1. Khi xe không chở hàng ........................................................................................... 20
5.1.2. Khi xe chở đầy hàng ............................................................................................... 22
5.2. Tính tốn cơng suất động cơ và phân phối tỉ số truyền............................................ 24

5.2.1. Các lực tác dụng lên robot (khi tăng tốc và khi leo dốc) ........................................ 25
5.2.2. Tính tốn moment xoắn và cơng suất cho động cơ ................................................ 26
5.3. Tính tốn lựa chọn lị xo giảm xóc ........................................................................... 28

- vi -


MỤC LỤC

5.3.1. Phân tích lực tác dụng lên giảm xóc ....................................................................... 28
5.3.2. Tính tốn lựa chọn và kiểm nghiệm độ bền của lị xo............................................ 29
5.4. Tính tốn và kiểm nghiệm độ bền của trục. ............................................................. 34
CHƯƠNG 6. XÂY DỰNG HỆ THỐNG ĐIỆN ĐIỀU KHIỂN ................................ 37
6.1. Sơ đồ khối hệ thống điện điều khiển ........................................................................ 37
6.2. Khối nguồn ............................................................................................................... 38
6.2.1. Nhiệm vụ ................................................................................................................ 38
6.2.2. Tính tốn, lựa chọn thiết bị ..................................................................................... 38
6.3. Khối cảm biến chính ................................................................................................ 41
6.3.1. Nhiệm vụ ................................................................................................................ 41
6.3.2. Intel RealSense Camera D435 ................................................................................ 42
6.4. Khối xử lý dữ liệu .................................................................................................... 43
6.4.1. Nhiệm vụ ................................................................................................................ 43
6.4.2. Board NVIDIA Jetson Nano .................................................................................. 43
6.5. Khối điều khiển ........................................................................................................ 44
6.5.1. Nhiệm vụ ................................................................................................................ 44
6.5.2. Thơng tin và cấu hình các thiết bị .......................................................................... 45
6.6. Khối chấp hành ......................................................................................................... 51
6.6.1. Nhiệm vụ ................................................................................................................ 51
6.6.2. Động cơ Planet với encoder tích hợp ..................................................................... 51
6.6.3. Encoder ................................................................................................................... 51

6.6.4. Cụm đèn báo AD16-22DS và module hiển thị điện áp - mức dung lượng Pin ...... 54
CHƯƠNG 7. XÂY DỰNG THUẬT TOÁN XỬ LÝ ẢNH ........................................ 56
7.1. Nhiệm vụ của thuật toán........................................................................................... 56
7.2. Thuật toán phát hiện người (Person Detection) ....................................................... 57
7.3. Thuật toán phát hiện màu áo (Shirt Color Detection) .............................................. 59
7.4. Xử lý dữ liệu (Data Processing) và gửi dữ liệu qua UART ..................................... 62
CHƯƠNG 8. THUẬT TOÁN ĐIỀU KHIỂN CHUYỂN ĐỘNG ROBOT .............. 63
8.1. Nhiệm vụ thuật toán ................................................................................................. 63
- vii -


MỤC LỤC

8.2. Cấu trúc bộ điều khiển PI điều khiển tốc độ động cơ .............................................. 63
8.2.1. Sơ đồ khối của bộ điều khiển ................................................................................. 63
8.2.2. Tìm hàm truyền của hệ thống bằng phương pháp bán thực nghiệm ...................... 64
8.2.3. Tính tốn hệ số PID ................................................................................................ 66
8.2.4. Tính tốn vận tốc cài đặt cho các động cơ trong việc dẫn hướng robot ................. 67
8.3. Lưu đồ giải thuật điều khiển và đèn báo .................................................................. 68
CHƯƠNG 9. THI CƠNG MƠ HÌNH VÀ PHÂN TÍCH KẾT QUẢ ........................ 72
9.1. Kết quả thi cơng mơ hình ......................................................................................... 72
9.2. Kết quả giải thuật xử lý ảnh ..................................................................................... 73
9.3. Kết quả giải thuật điều khiển và kiểm nghiệm tải trọng .......................................... 75
CHƯƠNG 10. KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN.......................................... 79
10.1. Kết luận .................................................................................................................... 79
10.2. Hướng phát triển đề tài ............................................................................................. 79
TÀI LIỆU THAM KHẢO............................................................................................... 80

- viii -

DANH MỤC BẢNG BIỂU

DANH MỤC BẢNG BIỂU
Trang
Bảng 4. 1: Yêu cầu kỹ thuật của robot .............................................................................. 14
Bảng 5. 1: Bảng phân bố trọng lượng xe ........................................................................... 19
Bảng 5. 2: Thông số động cơ truyền động cho bánh xe .................................................... 27
Bảng 5. 3: Những thông số cần quan tâm khi sử dụng lò xo xoắn ốc nén ........................ 30
Bảng 6. 1: Ước tính cơng suất tiêu thụ các linh kiện ........................................................ 38
Bảng 6. 2: Thông số khối pin đã chọn ............................................................................... 39
Bảng 6. 3: Ước tính cơng suất các thiết bị sử dụng nguồn 5VDC .................................... 40
Bảng 6. 4: Thông số mạch buck converter XH-M404 XL4016E1 ................................... 41
Bảng 6. 5: Cấu hình ngoại vi của vi điều khiển ................................................................ 46
Bảng 6. 6: Thông số kỹ thuật của module BTS7960 H-Driver ......................................... 47
Bảng 6. 7: Cấu hình kết nối các chân của BTS7960 với vi điều khiển ............................. 48
Bảng 6. 8: Cấu hình kết nối module relay và vi điều khiển .............................................. 50
Bảng 6. 9: Thơng tin encoder tích hợp trên động cơ đã chọn ........................................... 53
Bảng 9. 1: Bảng so sánh giá trị thiết kế và giá trị thực tế của mơ hình ............................. 75

- ix -


DANH MỤC SƠ ĐỒ, HÌNH VẼ

DANH MỤC SƠ ĐỒ, HÌNH VẼ
Trang
Hình 2. 1: Robot vận chuyển hàng tự động Piaggio Gita .................................................... 5
Hình 2. 2: Khoang hàng của robot Piaggio Gita ................................................................. 6
Hình 3. 1: Điều chế độ rộng xung PWM Điều chế độ rộng xung PWM ............................ 8

Hình 3. 2: Sơ đồ khối cơ bản của bộ điều khiển PID .......................................................... 9
Hình 3. 3: Cơng thức tìm mơ hình tốn hệ thống từ đường cong đáp ứng ....................... 10
Hình 3. 4: Mơ tả tổng qt về CNN .................................................................................. 11
Hình 3. 5: Cơ bản cấu trúc của ResNet-34 ........................................................................ 12
Hình 3. 6: So sánh tổng quát accuracy của các model CNN thơng dụng.......................... 12
Hình 4. 1: Hệ thống bánh xích........................................................................................... 15
Hình 4. 2: Hệ thống lái xe 4 bánh ...................................................................................... 15
Hình 4. 3: Hệ thống lái 4 bánh xe chủ động ...................................................................... 16
Hình 4. 4: Hệ thống lái có 2 bánh tự lựa ........................................................................... 16
Hình 5. 1: Phân tích trọng tâm của robot (đơn vị: mm) .................................................... 18
Hình 5. 2: Phân tích lực và moment khi xe lên dốc .......................................................... 19
Hình 5. 3: Phân tích lực khi xe chuyển động trên đường nghiêng .................................... 20
Hình 5. 4: Sơ đồ phân tích các lực và moment tác dụng lên robot khi lên dốc ................. 24
Hình 5. 5: Hình ảnh thực tế của động cơ Planet ................................................................ 27
Hình 5. 6: Phân tích lực tác dụng lên giảm xóc................................................................. 28
Hình 5. 7: Phân tích lực tác dụng lên giảm xóc tại bánh xe A .......................................... 29
Hình 5. 8: Lị xo xoắn ốc nén tiết diện trịn ....................................................................... 30
Hình 5. 9: Chiều cao của lò xo dưới tải trong tác dụng khác nhau ................................... 31
Hình 5. 10: Thơng tin chọn chỉ số lị xo c ........................................................................ 32
Hình 5. 11: Cơ tính của vật liệu làm lị xo ........................................................................ 32
Hình 5. 12: Mơ hình phân tích lực tác dụng lên trục ......................................................... 34
Hình 5. 13: Biểu đồ ứng suất trên trục dẫn động............................................................... 35
Hình 6. 1: Sơ đồ khối tổng quát hệ thống điện điều khiển ................................................ 37
-x-


DANH MỤC SƠ ĐỒ, HÌNH VẼ

Hình 6. 2: Pin 18650 của UltraFire ................................................................................... 39
Hình 6. 3: Hình ảnh thực tế của khối pin, kèm mạch cân bằng cell pin và mạch sạc ....... 40

Hình 6. 4: Hình ảnh thực tế của mạch buck converter XH-M404 XL4016E1.................. 41
Hình 6. 5: Hình ảnh thực tế Intel RealSense Dept Camera D435 ..................................... 42
Hình 6. 6: Hình ảnh thực tế của NVIDIA Jetson Nano Embedded Computer.................. 44
Hình 6. 7: Sơ đồ khối mơ tả các kết nối giữa Jetson Nano và STM32 Board................... 44
Hình 6. 8: Hình ảnh thực tế của NUCLEO-F411RE Board .............................................. 45
Hình 6. 9: Cấu hình các chân vi điều khiển ....................................................................... 46
Hình 6. 10: Hình ảnh thực tế module BTS7960 ................................................................ 48
Hình 6. 11: Hình ảnh thực tế module relay ....................................................................... 50
Hình 6. 13: Mơ tả cấu tạo cơ bản encoder tương đối ........................................................ 52
Hình 6. 14: Mơ tả cách đọc encoder tương đối và cách xác định hướng động cơ ............ 53
Hình 6. 15: Hình ảnh thực tế đèn AD16-22DS ................................................................. 54
Hình 6. 16: Hình ảnh thực tế Module hiển thị điện áp - mức dung lượng Pin .................. 54
Hình 7. 1: Lưu đồ thuật tốn xử lý ảnh ............................................................................. 57
Hình 7. 2: Một vài thơng tin về độ chính xác và FPS của các model ............................... 58
Hình 7. 3: Lưu đồ phát hiện người và tạo bounding box .................................................. 59
Hình 7. 4: Mơ tả hệ màu HSV ........................................................................................... 60
Hình 7. 5: Lưu đồ detect người sử dụng với điều kiện màu áo ......................................... 61
Hình 8. 1: Sơ đồ cơ bản bộ điều khiển động cơ ................................................................ 63
Hình 8. 2: Sơ đồ khối chi tiết của bộ điều khiển động cơ ................................................. 64
Hình 8. 3: Đường cong đáp ứng của vận tốc (RPM) khi thay đổi giá trị PWM ............... 65
Hình 8. 4: Giải thuật đọc dữ liệu từ Jetson Nano .............................................................. 69
Hình 8. 5: Giải thuật điều khiển chính .............................................................................. 70
Hình 8. 6: Giải thuật xét trạng thái đèn ............................................................................. 71
Hình 9. 1: Kết quả khung cơ khí của mơ hình ................................................................... 72
Hình 9. 2: Kết quả mạch điện điều khiển .......................................................................... 72
Hình 9. 3: Cụm đèn báo và công tắc ................................................................................. 73
- xi -


DANH MỤC SƠ ĐỒ, HÌNH VẼ

Hình 9. 4: Kết quả Detect người của model PeopleNet .................................................... 73
Hình 9. 5: Kết quả thuật toán xử lý phát hiện màu áo đỏ .................................................. 74
Hình 9. 6: Mơ hình vận hành khi leo vỉa hè (độ nghiêng 15 độ) ...................................... 75
Hình 9. 7: Mơ hình vận hành khi xuống khỏi vỉa hè (độ nghiêng 15 độ) ......................... 76
Hình 9. 8: Đồ thị đáp ứng vận tốc khi vận tốc cài đặt là 100 RPM, khơng có tải trọng ... 77
Hình 9. 9: Đồ thị đáp ứng vận tốc khi vận tốc cài đặt là 50 RPM, có tải trọng ................ 78
Hình 9. 10: Đồ thị đáp ứng vận tốc khi vận tốc cài đặt là 100 RPM, có tải trọng ............ 78

- xii -


DANH MỤC TỪ VIẾT TẮT

DANH MỤC TỪ VIẾT TẮT
AC

Alternating Current

AI

Artificial Intelligence

BSP

Binary Space Partitioning

CNN

Convolutional Neural Network

COCO

Common Objects in Context

CUDA

Compute Unified Device Architecture

CV

Controlled Variable

DC

Direct current

DMA

Direct Memory Access

FC

Fully Connected

FPS

Frames Per Second

GAP

Global Average Pooling

GND

Ground

GPIO

General Purpose Input/Output

GPS

Global Positioning System

GPU

Graphics Processing Unit

HMI

Human-Machine Interface

IC

Integrated Circuit

IMC

Internal Model Control

LED

Light-Emitting Diode

ML

Machine Learning

MOSFET

Metal-Oxide-Semiconductor Field-Effect Transistor

MV

Manipulated Variable

PID

Proportional-Integral-Derivative

PPR

Pulses Per Revolution

PV

Process Variable

PWM

Pulse Width Modulation
- xiii -


DANH MỤC TỪ VIẾT TẮT

ROI

Region of Interest

RPM

Revolutions Per Minute

SDK

Software Development Kit

SP

Setpoint

UART

Universal Asynchronous Receiver-Transmitter

VCC

Voltage Collector-to-Collector

- xiv -


CHƯƠNG 1. GIỚI THIỆU

CHƯƠNG 1.
1.1.

GIỚI THIỆU

Tính cấp thiết của đề tài

Khi cần di chuyển những đồ vật nặng và cồng kềnh từ vị trí này đến vị trí khác với khoảng
cách xa ví dụ như trong các mơi trường như trường học, bệnh viện, nhà kho, sân bay, những
khu vực ngoài trời hay chỉ đơn giản là hỗ trợ người cao tuổi mang vác vật nặng trong một
không gian nhất định, cần một loại robot có thể hỗ trợ những cơng việc kể trên một cách thơng
minh hơn thay vì sử dụng những loại xe đẩy hàng thông thường hiện tại. Cùng với sự phát
triển của thị giác máy, robot hỗ trợ vận chuyển hang thông minh hiện đang là chủ đề được rất
nhiều quốc gia quan tâm và phát triển. Việc thiết kế và phát triển một robot có thể giúp nhận
diện và điều hướng theo một người cụ thể để giúp người đó vận chuyển hang hóa là một việc
rất cần thiết. Vì vậy nhóm tác giả đã phát triển đề tài “Nghiên Cứu, Thiết Kế và Chế Tạo Xe
Hỗ Trợ Vận Chuyển Hàng Hóa Thơng Minh”. Đây là một giải pháp giúp vừa tiết kiệm được
thời gian vận chuyển hàng hóa trong nhiều mơi trường khác nhau, vừa giúp tiết kiệm được
công sức của người vận chuyển.
Về việc khảo sát yêu cầu liên quan đến đề tài, robot có thể nhận diện được một người cần
theo dõi cụ thể bằng cách nhận diện màu áo của người cần theo dõi và đi theo cũng như giữ
khoảng cụ thể với người đó, robot có thể dừng lại khi phát hiện vật cản hoặc chuyển sang chế
độ tìm kiếm khi người cần theo dõi đã đi quá xa so với robot, để làm được những việc trên,
robot được trang bị một loại camera vừa có thể cung cấp thơng tin chi tiết về mơi trường xung

quanh thơng qua hình ảnh màu thơng qua cảm biến RGB vừa có thể cung cấp thông tin về dữ
liệu chiều sâu 3D thông qua cảm biến chiều sâu.
1.2.

Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài

1.2.1. Ý nghĩa khoa học
Nghiên cứu phát triển về lĩnh vực trí tuệ nhân tạo và xử lý ảnh: Việc áp dụng thuật toán xử
lý ảnh và trí tuệ nhân tạo vào việc nhận diện và bám theo người trong xe vận chuyển hàng
hóa thơng minh địi hỏi việc nghiên cứu và phát triển các phương pháp tiên tiến trong lĩnh
vực này. Điều này đóng góp vào sự phát triển của trí tuệ nhân tạo và xử lý ảnh, mở ra những
tiềm năng ứng dụng rộng lớn trong các lĩnh vực khác.
Việc phát triển thuật toán xử lý ảnh để nhận diện và bám theo người trong xe vận chuyển
hàng hóa thơng minh địi hỏi sự nghiên cứu, thử nghiệm và cải tiến các thuật toán hiện có.
Điều này có ý nghĩa khoa học trong việc tìm hiểu và đề xuất những phương pháp mới, cải
thiện hiệu suất và độ chính xác của thuật tốn.
Tiềm năng phát triển và ứng dụng tương lai: Đề tài này mở ra những tiềm năng ứng dụng
tương lai rộng lớn. Việc nghiên cứu và phát triển các công nghệ nhận diện và bám theo người

1


CHƯƠNG 1. GIỚI THIỆU

có thể áp dụng vào nhiều lĩnh vực khác nhau, như dịch vụ chăm sóc sức khỏe, hỗ trợ người
già và người khuyết tật, giao thông thông minh và nhiều lĩnh vực khác. Việc khám phá và
phát triển các ứng dụng tương lai trong lĩnh vực này có ý nghĩa khoa học và có thể mang lại
lợi ích lớn cho xã hội.
1.2.2. Ý nghĩa thực tiễn
Tối ưu hóa q trình vận chuyển hàng hóa: Xe vận chuyển hàng hóa thơng minh sẽ có khả

năng nhận diện và bám theo người để hỗ trợ quá trình vận chuyển giúp tối ưu thời gian và
thiết kiệm sức lao động, tăng năng suất và hiệu quả lao động.
Ứng dụng trong ngành cơng nghiệp: Xe vận chuyển hàng hóa thơng minh có thể được áp
dụng rộng rãi trong các ngành cơng nghiệp như kho vận, nhà máy sản xuất, hệ thống phân
phối và logistics, các bệnh viện, trường học hay sân bay.
Giảm thiểu rủi ro và tai nạn: Với khả năng nhận diện và bám theo người, xe vận chuyển
hàng hóa thơng minh có thể giảm thiểu rủi ro va chạm và tai nạn trong quá trình vận chuyển,
cũng như giảm rủi ro gặp chấn thương cho người lao động khi phải mang vác những vật năng
trong một quãng đường dài.
1.3.

Mục tiêu nghiên cứu của đề tài

Có thể thực hiện nhận diện một người cụ thể và điều hướng di chuyển theo người đó bằng
cách sử dụng một loại camera vừa có thể cung cấp thơng tin chi tiết về mơi trường xung quanh
thơng qua hình ảnh màu thơng qua cảm biến RGB vừa có thể cung cấp thơng tin về dữ liệu
chiều sâu 3D thông qua cảm biến chiều sâu.
Robot có thể duy trì một khoảng cách nhất định với người đã nhận diện để có thể hỗ trợ
người đó vận chuyển hàng cũng như có thể dừng lại khi có vật cản đến gần hoặc tìm kiếm
người đã nhận diện khi người đó đi quá xa khỏi robot.
Thiết kế cơ khí kết hợp sử dụng phuộc giúp robot khơng chỉ có thể hoạt động trên những
mơi trường bằng phẳng như nhà kho hoặc bệnh viện mà vẫn có thể hoạt động trên những môi
trường khác chẳng hạn như đường nhựa hoặc trong khuôn viên trường học.
1.4.

Đối tượng và phạm vi nghiên cứu

1.4.1. Đối tượng nghiên cứu
Robot hỗ trợ giao hàng thơng minh ứng dụng xử lý ảnh để có thể nhận diện và điều hướng
theo một người cụ thể.

1.4.2. Phạm vi nghiên cứu
Nghiên cứu các robot cùng lĩnh vực hiện có ở Việt Nam và trên thế giới.

2


CHƯƠNG 1. GIỚI THIỆU

Thiết kế robot có thể di chuyển theo người để hỗ trợ vận chuyển hàng
Phạm vi hoạt động trong khu vực nhà kho, khuôn viên bệnh viện, khn viên trường học
hay các khơng gian ngồi trời.
1.4.3. Cách tiếp cận
Nghiên cứu, tham khảo và rút kinh nghiệm từ các mẫu robot tiêu biểu của các hãng sản
xuất ở các nước tiên tiến trên thế giới. Đồng thời tìm hiểu những công nghệ, điều kiện phù
hợp với đề tài để từ đó lựa chọn cơng nghệ và giải pháp tối ưu.
1.5.

Phương pháp nghiên cứu

1.5.1. Cơ sở phương pháp luận
Phương pháp nghiên cứu tài liệu.
Phương pháp phân tích tổng hợp.
Phương pháp thực nghiệm.
Phương pháp thu thập thông tin, dữ liệu.
1.5.2. Các phương pháp nghiên cứu cụ thể
Dựa trên những tài liệu tham khảo liên quan của các robot hiện có trên thị trường trong
nước và thế giới và kiến thức đã học ở các mơn học liên quan.
Nghiên cứu, tính toán và thiết kế cấu tạo liên quan đến cấu tạo cơ khí.
Tính tốn lựa chọn cơ cấu truyền động, động học của robot.
Phân tích kết cấu, độ bền, khả năng chịu tải, lựa chọn động cơ.

Mô phỏng và thử nghiệm trên phần mềm Solidwork.
Nghiên cứu và ứng dụng xử lý ảnh để có thể nhận diện được người cần đi theo.
Thiết kế mạch điều khiển
Lập trình điều khiển robot
Khảo sát chế độ điều khiển và cơ cấu truyền động của các robot đã được dùng rộng rãi
trong công nghiệp, dịch vụ.
Tham khảo các kết quả nghiên cứu đã có trong nước.
Tìm hiểu khả năng (về kinh phí, độ phức tạp của mơ hình), điều kiện cơng nghệ chế tạo
trong thực tế và đề ra phương án thiết kế phù hợp.

3


CHƯƠNG 1. GIỚI THIỆU

1.6.

Kết cấu của đồ án tốt nghiệp

Đồ án tốt nghiệp bao gồm 10 chương, trong đó:
Chương 1: Tổng quan về tính cấp thiết của đề tài, ý nghĩa về mặt khoa học và áp dụng và
thực tiễn. Chương này sẽ làm rõ mục tiêu nghiên cứu của đề tài, cũng như phạm vi nghiên
cứu và nêu lên phương pháp giải quyết vấn đề.
Chương 2: Chương này bao gồm tình hình nghiên cứu trong và ngồi nước về robot hỗ trợ
vận chuyển hàng hóa thơng minh. Đồng thời nêu ra những điểm giới hạn của đề tài khi tiến
hành thực hiện đề tài.
Chương 3: Trình bày cơ sở lý thuyết ứng dụng vào ĐATN
Chương 4: Nêu lên chức năng, những đăc tính về kỹ thuật và từ đó đề ra phương án thiết
kế tối ưu nhất. Đồng thời tóm tắt q trình nghiển cứu và thực hiện đề tài.
Chương 5: Trình bày q trình tính tốn thiết kế cơ khí. Lựa chọn động cơ, giảm xóc,

trục… dựa trên yêu cầu về khả năng vận hành và sức bền của chi tiết.
Chương 6: Sơ lược về chức năng của từng khối câu thành bộ điều khiển. Giới thiệu về
thông số kỹ thuật, chức năng và cách thức hoạt động của các linh kiện.
Chương 7: Giải thích thuật tốn xử lý ảnh để nhận diện người muốn tracking.
Chương 8: Lý thuyết về điều khiển PID và các tính tốn lựa chọn thông số PID cho robot.
Ứng dụng PID vào điều khiển vận tốc của robot.
Chương 9. Thi cơng mơ hình và phân tích kết quả đạt được
Chương 10. Kết luận và hướng phát triển

4


CHƯƠNG 2. TỔNG QUAN NGHIÊN CỨU ĐỀ TÀI

CHƯƠNG 2.
2.1.

TỔNG QUAN NGHIÊN CỨU ĐỀ TÀI

Giới thiệu

Mobile robot là một lĩnh vực nghiên cứu và phát triển trong lĩnh vực robot học, tập trung
vào thiết kế và xây dựng các robot di động có khả năng hoạt động tự động và tương tác với
môi trường xung quanh. Trong đề tài này, chúng tôi đã thiết kế một mobile robot dùng để vận
chuyển hàng hóa thơng minh, sử dụng camera và thuật tốn xử lý ảnh để nhận diện và theo
dõi người sử dụng. Camera này cung cấp dữ liệu cho thuật toán xử lý ảnh để robot có thể
nhận biết và tương tác với người và các vật thể trong quá trình vận chuyển hàng hóa. Ứng
dụng của đề tài này là hỗ trợ q trình vận chuyển hàng hóa thơng minh và tự động. Mobile
robot có khả năng tự động xác định vị trí và hướng di chuyển của người, điều chỉnh tốc độ và
hướng đi để theo kịp người sử dụng. Điều này giúp cải thiện hiệu suất và an tồn trong q

trình vận chuyển hàng hóa, đồng thời giảm công sức và tài nguyên con người. Với sự phát
triển của cơng nghệ mobile robot, xử lý ảnh và trí tuệ nhân tạo, đề tài này có tiềm năng ứng
dụng rộng rãi trong các ngành công nghiệp, giao thông thông minh và nhiều lĩnh vực khác.
2.2.

Nghiên cứu tổng quan trong và ngồi nước

2.2.1. Tình hình nghiên cứu ở nước ngồi
Một ví dụ về các cơng ty cơng nghệ hàng đầu trong các quốc gia lớn là Piaggio Fast
Forward, một công ty cơng nghệ có trụ sở tại Mỹ. Cơng ty này có ưu thế về khoa học và cơng
nghệ, và đã phát triển và triển khai loại robot có khả năng nhận diện và điều hướng theo người
để hỗ trợ vận chuyển hàng hóa trong nhiều ứng dụng, đặc biệt là trong mơi trường đơ thị.

Hình 2. 1: Robot vận chuyển hàng tự động Piaggio Gita

5


CHƯƠNG 2. TỞNG QUAN NGHIÊN CỨU ĐỀ TÀI

Robot này có tên là Piaggio Gita, có hình dạng hình trịn, với một khung chắc chắn để bảo
vệ hàng hóa bên trong. Kích thước của robot nhỏ gọn, đủ nhỏ để di chuyển trên vỉa hè và qua
cửa hẹp, trong khi vẫn đủ lớn để chứa một số lượng lớn hàng hóa. Trọng lượng tải của Piaggio
Gita khoảng 40 pounds (khoảng 18 kg), và robot có thể chứa các đồ vật như túi xách, hành
lý, thực phẩm hay đồ dùng hàng ngày.
Piaggio Gita được trang bị nhiều cảm biến và camera để theo dõi mơi trường xung quanh
và di chuyển an tồn. Robot sử dụng công nghệ định vị và nhận dạng để xác định vị trí và di
chuyển theo con người hoặc xe đi trước nó. Robot này có khả năng di chuyển trên nhiều loại
địa hình, bao gồm cả đường phố, vỉa hè, cầu thang và thang máy.
Piaggio Gita có khả năng tương tác với con người thông qua giao diện điều khiển đơn giản.

Người dùng có thể chỉ định đích đến hoặc hướng dẫn robot theo ý muốn. Ngồi ra, robot cũng
có thể tự động đi theo người dùng trong q trình di chuyển, giữ khoảng cách an tồn và đảm
bảo hàng hóa an tồn. Mục tiêu của Piaggio Gita là giảm gánh nặng của việc vận chuyển hàng
hóa cho con người trong đô thị. Robot này mang lại sự tiện lợi và giảm thiểu công sức cho
người dùng khi di chuyển hàng hóa từ điểm này đến điểm khác.

Hình 2. 2: Khoang hàng của robot Piaggio Gita

Robot có thể di chuyển 9,5km trong tối đa 4 giờ sử. Khoang hàng của robot có thể chứa
được rất nhiều món đồ từ laptop 14 inch, sách vở, tài liệu, thức ăn.
Ưu điểm: Robot trang bị nhiều công nghệ tiên tiến.
Nhược điểm: Tải trọng nhỏ, giá thành cao khó có thể tiếp cận.

6


CHƯƠNG 2. TỞNG QUAN NGHIÊN CỨU ĐỀ TÀI

2.2.2. Tình hình nghiên cứu trong nước
Hiện nay, thị trường phát triển robot nói chung và robot hỗ trợ vận chuyển hàng hóa thông
minh ở Việt Nam hầu như không được quan tâm đến nhiều bởi có nhiều lí do khiến do ít
nghiên cứu đến nó. Thứ nhất là do địa hình đường xá của Việt Nam không đảm bảo, giao
thông phức tạp làm cho quá trình chế tạo và nghiên cứu trở nên khó khăn hơn. Thứ hai, việc
sử dụng robot để thay thế công việc lao động trong lĩnh vực vận chuyển và logistics có thể
liên quan đến các vấn đề quy định lao động và quyền lợi của người lao động. Điều này có thể
yêu cầu sự điều chỉnh và thích ứng từ các cơ quan chức năng và tổ chức lao động. Thứ ba,
chi phí để chế tạo cũng như bảo trì và vận hành robot có thể là một thách thức lớn với nhiều
tổ chức và doanh nghiệp Việt Nam. Nhưng trong tương lai gần, việc điều chỉnh và đáp ứng
những điều kể trên là một việc rất cần thiết để có thể sử dụng robot như một cơng cụ hiệu quả
góp phần tăng năng suất lao động, tăng tính cạnh tranh của sản phẩm, đảm bảo an toàn cho

người lao động cũng như thúc đẩy sản xuất và phát triển nhiều ngành công nghiệp. Đặc biệt
là với những robot có tính ứng dụng cao như robot hỗ trợ vận chuyển hàng hóa thơng minh.
2.3.

Giới hạn đề tài

Robot di chuyển trong điều kiện địa hình bằng phẳng hoặc tương đối bằng phẳng.
Kích thước tổng thể (D×R×C) = (90cm×60cm×60cm)
Khối lượng robot ước tính 30kg.
Khối lượng tải ước tính 30-40kg.
Vận tốc di chuyển tối đa 2m/s.
Thời gian làm việc ước tính 4h.
Phạm vi hoạt động trong khu vực nhà kho, khuôn viên bệnh viện, khuôn viên trường học
hay các không gian ngoài trời.

7


CHƯƠNG 3. CƠ SỞ LÝ THUYẾT

CHƯƠNG 3.
3.1.

CƠ SỞ LÝ THUYẾT

Phương pháp điều chế độ rộng xung PWM

Động cơ sử dụng trong dự án là loại động cơ kích từ độc lập dùng nam châm vĩnh cửu. Để
thay đổi được tốc độ, cần phải thay đổi điện áp cung cấp cho roto. Việc cấp áp một chiều thay
đổi thường khó khăn. Vì vậy, phương pháp đơn giản nhất là dùng phương pháp điều chế độ

rộng xung (PWM - Pulse Width Modulation).

Hình 3. 1: Điều chế độ rộng xung PWM Điều chế độ rộng xung PWM

Phương pháp điều khiển tốc độ động cơ PWM hoạt động bằng cách cấp nguồn cho động
cơ thơng qua một chuỗi xung mở và đóng với tốc độ rất nhanh. Nguồn DC được chuyển đổi
thành tín hiệu xung vuông chỉ gồm hai mức là 0V và xấp xỉ điện áp hoạt động. Khi tần số
chuyển mạch đủ lớn, động cơ sẽ hoạt động ở một tốc độ ổn định phụ thuộc vào moment của
trục quay.
Với phương pháp này, tốc độ của động cơ được điều chỉnh bằng cách thay đổi độ rộng của
xung, tức là thay đổi thời gian mức cao của chuỗi xung vuông cấp cho động cơ. Việc điều
chỉnh này tác động đến điện áp trung bình được cấp cho động cơ, từ đó thay đổi tốc độ của
động cơ. Khi độ rộng xung tăng lên, tốc độ của động cơ sẽ tăng lên tương ứng.
3.2.

Bộ điều khiển PID

Bộ điều khiển vi tích phân tỉ lệ (PID) là một dạng bộ điều khiển có cơ chế hồi tiếp vòng
điều khiển dựa theo lý thuyết điều khiển tự động. PID được sử dụng rộng rãi trong các ứng
dụng điều khiển hệ thống công nghiệp và là bộ điều khiển được sử dụng nhiều nhất trong các
bộ điều khiển phản hồi. Bộ điều khiển PID sẽ điều chỉnh giá trị điều khiển đầu vào để giảm
sai số giữa đầu vào và đầu ra đến mức tối thiểu. Đối với những hệ thống mà mơ hình tốn học
khơng xác định được, bộ điều khiển PID là một trong những lựa chọn tối ưu nhất. Tuy nhiên,
để đạt được kết quả tốt nhất, các thông số của bộ điều khiển PID cần được điều chỉnh phù
hợp dựa trên tính chất của hệ thống cụ thể.

8