Đồ án thiết kế và chế tạo xe agv ứng dụng slam tối ưu hóa đường đi

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

THIẾT KẾ VÀ CHẾ TẠO XE AGV
ỨNG DỤNG SLAM TỐI ƯU HÓA ĐƯỜNG ĐI

GVHD: TS. VŨ QUANG HUY
SVTH: NGUYỄN XUÂN VIỆT
TRẦN HIẾU QUÂN
VÕ NGUYỄN HỒNG PHONG

SKL011296

Tp. Hồ Chí Minh, tháng 3/2023


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

KHOA ĐÀO TẠO CHẤT LƯỢNG CAO

ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP
Đề tài: “THIẾT KẾ VÀ CHẾ TẠO XE AGV
ỨNG DỤNG SLAM TỐI ƯU HÓA ĐƯỜNG ĐI”

GVHD:

TS. Vũ Quang Huy

SVTH:

Nguyễn Xuân Việt

19146303

Trần Hiếu Quân

19146247

Võ Nguyễn Hồng Phong

19146237

Tp. Hồ Chí Minh, tháng 3 năm 2023


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 2 / năm học 2023
Giảng viên hướng dẫn: TS. Vũ Quang Huy
Sinh viên thực hiện:
1. Nguyễn Xuân Việt

MSSV: 19146303 Điện thoại: 0362922403

2. Võ Nguyễn Hồng Phong

MSSV: 19146237 Điện thoại: 0969214620

3. Trần Hiếu Quân

MSSV: 19146247 Điện thoại: 0865220059

1. Mã số đề tài: 22223DT187
Tên đề tài: Thiết kế và chế tạo xe AGV ứng dụng SLAM tối ưu quãng đường
2. Các số liệu, tài liệu ban đầu:
- Trịnh Chất – Lê Văn Uyển. Tính tốn, thiết kế hệ dẫn động cơ khí tập 1, NXB Giáo
dục
- Trịnh Chất – Lê Văn Uyển. Tính tốn, thiết kế hệ dẫn động cơ khí tập 2, NXB Giáo
dục
- Trần Hữu Quế, Vẽ kỹ thuật cơ khí tập 1, NXB Giáo dục, 2005
- Trần Hữu Quế, Vẽ kỹ thuật cơ khí tập 2, NXB Giáo dục, 2005
- Nguyễn Thị Phương Hà, Lý thuyết điều khiển tự động, NXB ĐH QG TP.HCM,

2005
- Nguồn tài liệu từ Internet
3. Nội dung chính của đồ án:
- Tìm hiểu cơ sở lý thuyết: xe AGV, SLAM, nghiên cứu điều hướng robot, bộ điều
khiển PID, Uart, động lục học Robot.
- Thiết kế hệ thống cơ khí.
- Thiết kế bộ điều khiển.
- Thực nghiệm và đánh giá kết quả.
- Kết luận và đưa ra hướng phát triển.
i


4. Các sản phẩm dự kiến:
- Một mơ hình xe AGV dùng SLAM tối ưu hóa đường đi.
- Một quyển báo cáo.
- Một powerpoint thuyết trình.
- Một poster trình bày sản phẩm.
- Một video giới thiệu sản phẩm.
5. Ngày giao đồ án: 15/03/2023
6. Ngày nộp đồ án: 15/07/2023
Tiếng Anh 

Tiếng Việt 

Trình bày bảo vệ: Tiếng Anh 

Tiếng Việt 

7. Ngơn ngữ trình bày: Bản báo cáo:

TRƯỞNG KHOA

TRƯỞNG BỘ MƠN

GIẢNG VIÊN HƯỚNG DẪN

(Ký, ghi rõ họ tên)

(Ký, ghi rõ họ tên)

(Ký, ghi rõ họ tên)

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

ii


LỜI CAM KẾT
- Tên đề tài: “Thiết kế và chế tạo xe AGV ứng dụng SLAM tối ưu hóa đường đi”
- GVHD: TS. Vũ Quang Huy
- Họ tên sinh viên: Nguyễn Xuân Việt
- MSSV: 19146303

Lớp: 19146CL5A

- Địa chỉ sinh viên: 16/3/11 đường 297, P. Phước Long B, thành phố Thủ Đức, Thành
phố Hồ Chí Minh
- Số điện thoại liên lạc: 0362922403
- Email:

- Ngày nộp khoá luận tốt nghiệp (ĐATN): 18/07/2023
- Lời cam kết: “Tơi xin cam đoan khố luận tốt nghiệp (ĐATN) này là cơng trình do
chính tơi nghiên cứu và thực hiện. Tôi không sao chép từ bất kỳ một bài viết nào đã
được công bố mà không trích dẫn nguồn gốc. Nếu có bất kỳ một sự vi phạm nào, tơi xin
chịu hồn tồn trách nhiệm”.

Tp. Hồ Chí Minh, ngày 18 tháng 07 năm 2023
Ký tên

iii


LỜI CÁM ƠN
Trước tiên, nhóm chúng em xin gửi lời cảm ơn chân thành sâu sắc đến thầy TS. Vũ
Quang Huy đã tận tình hướng dẫn, chia sẻ nhiều kinh nghiệm quý báu trong suốt quá
trình thực hiện đồ án tốt nghiệp này.
Xin gửi lời cảm ơn đến quý thầy cô Khoa Đào tạo Chất lượng cao, Trường Đại học Sư
phạm Kỹ thuật Thành phố Hồ Chí Minh, đã tạo cơ hội cho nhóm chúng em được học
tập, rèn luyện và tích lũy kiến thức, kỹ năng để thực hiện đồ án.
Và nhóm khơng qn gửi lời cảm ơn đến gia đình, bạn bè đã ln động viên, giúp đỡ
nhóm trong quá trình học tập cũng như thực hiện đồ án.
Dù đã cố gắng hết sức nhưng do kiến thức của các thành viên còn nhiều hạn chế và thiếu
kinh nghiệm thực tiễn nên khó tránh những thiếu sót. Nhóm rất mong nhận sự góp ý,
chỉ dạy thêm từ Quý Thầy cơ để học hỏi và tích lũy thêm kiến thức và kinh nghiệm, để
hoàn thiện và phát triển bản thân và là cơ hội giúp nhóm chuẩn bị tốt cho một hành trình
dài phía trước.
Cuối cùng, em xin chúc Quý Thầy Cô luôn thật nhiều sức khỏe và đạt được nhiều thành
công trong công việc.
Trân trọng.

iv


TÓM TẮT ĐỒ ÁN
THIẾT KẾ VÀ CHẾ TẠO XE AGV
ỨNG DỤNG SLAM TỐI ƯU HÓA ĐƯỜNG ĐI
Trong nhiều năm qua, với sự phát triển mạnh mẽ của công nghệ kỹ thuật. Các thiết bị
điện tử thông minh ngày càng phổ biến, được ứng dụng rộng rãi trong đời sống và luôn
tồn tại quanh ta. Để bắt kịp xu hướng phát triển đó, nhóm muốn triển khai một đề tài
nghiên cứu tạo ra sản phẩm góp phần cải thiện cuộc sống. Chính vì vậy mà nhóm đưa
ra đề tài “Thiết kế và chế tạo xe AGV- Ứng dụng SLAM tối ưu hóa đường đi” làm
mục tiêu nguyên cứu. Việc nghiên cứu một sản phẩm khoa học – kỹ thuật đòi hỏi thực
hiện đúng các quy trình, bao gồm tính tốn, thiết kế cơ khí; thiết kế bộ điều khiển và lập
trình cho bộ điều khiển. Trong bài báo cáo này chủ yếu là tập trung vào phần tính tốn,
thiết kế cơ khí và được chia thành 5 chương chính gồm:
•

Chương 1: Tổng quan đề tài

•

Chương 2: Cơ sở lý thuyết

•

Chương 3: Thiết kế hệ thống cơ khí

•

Chương 4: Thiết kế bộ điều khiển

•

Chương 5: Thực nghiệm và đánh giá kết quả

•

Chương 6: Kết luận và hướng phát triển

Trong mỗi chương sẽ trình bày các nội dung cụ thể. Nội dung kiến thức đều dựa trên
kiến thức học được và tài liệu tham khảo bên ngoài.
Trong chương đầu tiên, chủ yếu giới thiệu tổng quan, lịch sử hình thành và phát triển
của robot. Trình bày sơ lược về đề tài, đưa ra giới hạn cũng như phương pháp nghiên
cứu của đề tài. Từ đó nhận xét về điểm mới của đề tài.
Chương 2 trình bày tổng quan, đưa ra các phân tích về robot AGV cũng như phân loại
AGV. Cơ sở lý thuyết ứng dụng SLAM và thuật toán PID điều khiển động cơ. Trình
bày giao thức UART và động học di chuyển của robot AGV.
Chương 3 trình bày về phần thiết kết cơ khí, cách bố trí cơ cấu chấp hành và bộ điều
khiển. Phân tích, lựa chọn bộ truyền động cũng như tính tốn lựa chọn động cơ, trục
bánh xe, gối đỡ và các chi tiết khác. Đưa ra các yêu cầu đầu vào và đầu ra, từ đó lên ý
tưởng thiết kế cơ khí sao đáp ứng yêu cầu mong muốn.
Chương 4 sẽ trình bày sơ đồ khối các thiết bị dùng trong bộ điều khiển, thông số và chức
năng từng thiết bị.

v


Chương 5 tiến hành các thử nghiệm để đánh giá hiệu suất của xe AGV theo các tiêu chí
như tốc độ, độ chính xác, khả năng định vị và tương tác với môi trường.
Chương 6 sẽ đưa ra kết luận từ những yêu cầu đạt được và không mong muốn. Từ đó,

đề xuất các cải tiến, đưa ra hướng phát triển đề tài nghiên cứu.

vi


MỤC LỤC
NHIỆM VỤ ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP .............................................................................i
LỜI CAM KẾT .......................................................................................................... iii
LỜI CÁM ƠN .............................................................................................................iv
TÓM TẮT ĐỒ ÁN....................................................................................................... v
MỤC LỤC ..................................................................................................................vii
DANH MỤC BẢNG BIỂU ........................................................................................xi
DANH MỤC HÌNH ẢNH .........................................................................................xii
DANH MỤC TỪ VIẾT TẮT ..................................................................................... xv
CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN ĐỀ TÀI.......................................................................... 1
1.1 Tổng quan về Robot ............................................................................................... 1
1.2 Tình hình nghiên cứu trong và ngoài nước ............................................................ 2
1.2.1 Ngoài nước.......................................................................................................2
1.2.2 Trong nước.......................................................................................................3
1.3 Lý do chọn đề tài .................................................................................................... 4
1.4 Giới hạn và phạm vi đề tài ..................................................................................... 4
1.5 Phương pháp nguyên cứu ....................................................................................... 4
CHƯƠNG 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT ............................................................................ 6
2.1 Tổng quan về Robot AGV ..................................................................................... 6
2.1.1 Khái niệm .........................................................................................................6
2.1.2 Những loại AGV trên thị trường ......................................................................6
2.1.3 Ứng dụng .........................................................................................................6
2.1.4 Ưu điểm và nhược điểm xe AGV......................................................................7
2.1.5 Động học của robot di động ............................................................................7
2.2 Tổng quan về ROS ................................................................................................. 9

2.2.1 Khái niệm .........................................................................................................9
2.2.2 Lịch sử về ROS ...............................................................................................10
2.2.3 Các thành phần quan trọng của ROS ............................................................10
vii


2.2.4 Ứng dụng của ROS ........................................................................................11
2.3 Tổng quan về SLAM ............................................................................................ 13
2.3.1 Khái niệm .......................................................................................................13
2.3.2 Quy trình xử lý của SLAM .............................................................................14
2.3.3 Ứng dụng của SLAM......................................................................................15
2.4 Tổng quan về Navigation ..................................................................................... 15
2.4.1 Khái niệm .......................................................................................................15
2.4.2 Các thành phần chính ....................................................................................16
2.4.3 Ứng dụng về Navigation ................................................................................16
2.5 Nghiên cứu điều hướng robot .............................................................................. 17
2.6 Hàm truyền động cơ DC [1] ................................................................................. 18
2.7 Bộ điều khiển PID ................................................................................................ 20
2.7.1 Tổng quan về điều khiển PID ........................................................................20
2.7.2 Lý thuyết thuật toán PID................................................................................20
2.7.3 Phương pháp điều chỉnh PID ........................................................................24
2.8 Giao thức truyền thông UART ............................................................................. 25
CHƯƠNG 3: THIẾT KẾ HỆ THỐNG CƠ KHÍ ....................................................... 27
3.1 Yêu cầu kỹ thuật của xe AGV.............................................................................. 27
3.1.1 Đặt vấn đề ......................................................................................................27
3.1.2 Yêu cầu thiết kế ..............................................................................................27
3.1.3 Yêu cầu kỹ thuật .............................................................................................28
3.2 Tính tốn thiết kế và lựa chọn hệ thống cơ khí .................................................... 28
3.2.1 Phân tích lựa chọn hệ thống bộ truyền dẫn động..........................................28
3.2.2 Tính tốn và lựa chọn động cơ ......................................................................31

3.2.3 Tính tốn và lựa chọn truyền động đai răng .................................................34
3.2.4 Tính tốn thiết kế trục dẫn động ....................................................................38
3.2.5 Lựa chọn gối đỡ .............................................................................................44
3.2.6 Lựa chọn bánh xe cho AGV ...........................................................................45
viii


3.3 Mơ hình thiết kế 3D xe AGV ............................................................................... 47
CHƯƠNG 4: THIẾT KẾ BỘ ĐIỀU KHIỂN ............................................................. 49
4.1 Sơ đồ khối ............................................................................................................ 49
4.1.1 Sơ đồ khối ......................................................................................................49
4.1.2 Danh sách các thiết bị ...................................................................................49
4.2 Thiết kế hệ thống điện. ......................................................................................... 50
4.2.1 Sơ đồ khối ......................................................................................................50
4.2.2 Danh sách các thiết bị trong bộ điều khiển ...................................................50
4.2.3 Lựa chọn nguồn điện .....................................................................................53
4.3 Thiết kế bộ điều khiển PID cho động cơ.............................................................. 54
4.4 Đọc Lidar ............................................................................................................. 56
4.5 Mơ tả hoạt động của mơ hình xe AGV ................................................................ 56
CHƯƠNG 5: THỰC NGHIỆM VÀ ĐÁNH GIÁ KẾT QUẢ ................................... 58
5.1 Đồ thị kết quả đáp ứng tốc độ .............................................................................. 58
5.1.1 Tiến về phía trước: ........................................................................................58
5.1.2 Lùi về phía sau: .............................................................................................58
5.1.3 Rẻ sang bên trái: ............................................................................................58
5.1.4 Rẻ sang bên phải: ..........................................................................................59
5.1.5 Trạng thái dừng .............................................................................................59
5.1.6 Tốc độ xoay của xe robot AGV: .....................................................................60
5.2 Chạy thực nghiệm và nhận xét ............................................................................. 60
5.3 Đánh giá kết quả................................................................................................... 63
5.3.1 Mặt đạt được : ...............................................................................................63

5.3.2 Mặt hạn chế : .................................................................................................63
CHƯƠNG 6: KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN ........................................... 64
6.1 Kết luận ................................................................................................................ 64
6.1.1 Kết quả đạt được............................................................................................64
6.1.2 Kết quả không mong muốn ............................................................................64
ix


6.2 Hướng phát triển tương lai ................................................................................... 64
TÀI LIỆU THAM KHẢO .......................................................................................... 65
PHỤ LỤC A. BẢN VẼ ................................................................................................ I
PHỤ LỤC B. CODE CHƯƠNG TRÌNH ............................................................... VIII

x


DANH MỤC BẢNG BIỂU
Bảng 2.1: Tác động của việc tăng các thông số Kp, Ki, Kd ………………………. 25
Bảng 3.1: Các thông số vật lý cụ thể………………………………………………..… 31
Bảng 3.2: Lựa chọn giá trị Modun m của dây đai …………………………………… 35
Bảng 3.3: Lựa chọn giá trị b dây đai răng…………………………………………….. 36
Bảng 3.4: Thông số ký thuật các bộ truyền đai răng…………………………….. 37
Bảng 3.5: Thông số ký thuật các bộ truyền đai răng……………………………….. 38
Bảng 3.6: Thơng số kích thước trục tại các điểm…………………………………….. 43
Bảng 4.1: Bảng danh sách các thiết bị………………………………………………... 49
Bảng 5.1: Kết quả quá trình SLAM…………………………………………………... 60
Bảng 5.2: Quá trình Navigation & avoid obstacles………………………………….. 61

xi

DANH MỤC HÌNH ẢNH
Hình 1.1: Robot pepper - Robot đầu tiên đọc được cảm xúc con người ………..

1

Hình 1.2: Hình vẽ minh họa robot thám hiểm tự hành Curiosity của NASA……

2

Hình 1.3: Kiva robot nâng kệ hàng ………………………………………………….

3

Hình 1.4: Smart AGV trong cơng ty Changsing Việt Nam…..……………………

3

Hình 2.1: Bố trí cơ cấu bánh xe chủ động ………………………………………….

8

Hình 2.2: Phân tích động học robot……………..…………………………………..

8

Hình 2.3 Ứng dụng của ROS………………………..………………………………..

9

Hình 2.4: Mơ hình cấu trúc của ROS………………………………………………..

11

Hình 2.5: Ứng dụng ROS trong robot……………………………………………….

12

Hình 2.6: Ứng dụng ROS trong robot lau nhà………………….………………….

13

Hình 2.7: Tổng quan về SLAM……………………………………..…...……………

13

Hình 2.8: Các thành phần cấu hình nên Navigation……………………..…..………

15

Hình 2.9: Quá trình thực hiện của Navigation…………………………………

16

Hình 2.10: Sơ đồ khối hệ thống dẫn đường cho robot di động…………………...

17

Hình 2.11: Điều hướng tối ưu robot………………………………………………….

18

Hình 2.12: Sơ đồ nguyên lý hoạt động động cơ một chiều DC…………………...

18

Hình 2.13: Sơ đồ cấu trúc động cơ điện một chiều………………………………...

20

Hình 2.14: Sơ đồ khối thuật tốn bộ điều khiển PID………………………………

20

Hình 2.15: Sơ đồ khối điều khiển PID động cơ DC………………………………..

21

Hình 2.16: Đồ thị PV theo thời gian, ba giá trị Kp (Ki, Kd là hằng số) …………

22

Hình 2.17: Đồ thị PV theo thời gian, tương ứng với 3 giá trị Ki ………………...

23

Hình 2.18: Đồ thị PV theo thời gian, với 3 giá trị Kd (Kp và Ki khơng đổi)……

24

Hình 2.19: Hai UART giao tiếp trực tiếp với nhau………………………….……..

26

Hình 3.1: Sơ đồ mơ hình cơ khí…………………………………………………........

27

Hình 3.2: Bộ truyền đai………………………………………….…………………….

28

Hình 3.3: Bộ truyền đai…………………………………………..……………………

29

Hình 3.4: Bộ truyền xích…………………………………………….………………..

30

Hình 3.5: Bộ truyền bánh răng………………………………………….……………

30

Hình 3.6: Sơ đồ phân tích lực…………………………………………………………

32

xii

Hình 3.7: Động cơ 895……………………………………………………….………..

34

Hình 3.8: Sơ đồ phân tích lực trên trục dẫn động………………………………….

39

Hình 3.9: Sơ đồ phân tích ứng suất……………………………………….…..…..…

40

Hình 3.10: Gối đỡ KP08………………………………………………………..…..…

44

Hình 3.11: Bánh xe chủ động…………………………………………………...…….

46

Hình 3.12: Bánh xe đa hướng…………………………………………….…..………

46

Hình 3.13: Hình ảnh khung xe trên phần mềm Inventor….…….…………………

47

Hình 3.14 Hình ảnh lắp ráp xe AGV trên phần mềm Inventor………..……….…

47

Hình 3.15 Hình dạng xe AGV sau lắp ráp…………………………………………..

48

Hình 4.1: Sơ đồ khối hệ thống điều khiển………….………………………………..

49

Hình 4.2: Sơ đồ khối hệ thống điện điều khiển………….……………………….....

50

Hình 4.3: Rasberry Pi4………………………………….……………………………..

50

Hình 4.4: Arduino mega R3………………………….…………….………………….

51

Hình 4.5: Cảm biến Lidar A1…………………………….……………………….…..

51

Hình 4.6: Encoder LPD3806-600BM NPN 600 xung………….……………….....

52

Hình 4.7: Cầu H BTS7960……………………………………….……………………

52

Hình 4.8: Acquy Yamato 6 - DZF – 15………………………..……………………..

53

Hình 4.9: Test chương trình tìm thơng số PID bằng app C#...............................

56

Hình 4.10: Ảnh đọc map từ Lidar………………………………………..…………..

56

Hình 5.1: Đáp ứng vận tốc hai bánh xe khi ở trạng thái đang chạy tiến………..

58

Hình 5.2: Đáp ứng vận tốc hai bánh xe khi ở trạng thái đang chạy lùi…………

58

Hình 5.3: Đáp ứng vận tốc hai bánh xe khi ở trạng thái đang chạy rẻ trái…….

59

Hình 5.4: Đáp ứng vận tốc hai bánh xe khi ở trạng thái đang chạy rẻ phải……

59

Hình 5.5: Đáp ứng vận tốc hai bánh xe khi ở trạng thái đang chạy về dừng…..

59

Hình 5.6: Đáp ứng vận tốc góc khi xe AGV xoay…………………………………..

60

Hình 5.7: Hiện tượng chồng map, ảnh hưởng thuật tốn ……….………………..

61

Hình 5.8: Q trình SLAM ở khoảng vận tốc (0.1 – 0.3), cho ra kết quả khả
quan, tốt .…………………………………………………………………………………

61

Hình 5.9 : Quá trình Navigation ở vận tốc cho phép và khơng có vật cản xuất

62

hiện …………………………………………………… …………………………………
Hình 5.10 : Quá trình Navigation ở vận tốc cho phép và có vật cản xuất hiện….

xiii

62

Hình 5.11: Khi tăng vận tốc cho phép ở xe, nếu có vật cản xuất hiện bất ngờ,
sẽ có va chạm khơng mong muốn …………………………………………………….

63

Hình 6.1: Tổng quan mơ hình xe AGV thực tế……………………………………...

64

Hình A.1: Xe AGV……………………………………………………………….……..

I

Hình A.2: Cụm điều khiển…………………………………………………………..…

I

Hình A.3: Cụm động cơ………………………………………….…………………….

II

Hình A.4: Cụm LiDAR…………………………………………….…………………...

II

Hình A.5: Cụm nguồn…………………………………………….……………………

III

Hình A.6: Khung xe……………………………………………………………..……..

III

Hình A.7: Tấm vỏ trước ……………………………………………………………….

IV

Hình A.8: Tấm vỏ sau…...……………………………………………………………..

IV

Hình A.9: Tấm vỏ hai bên……………………………………………………………..

V

Hình A.10: Tấm vỏ trên……………………………………………………….……….

V

Hình A.11: Tấm vỏ dưới…………….…………………………………………………

VI

Hình A.12: Mica hai bên mắt………………………………………………………. ..

VI

Hình A.13: Mica ở giữa……………………………………………………………….. VII

xiv


DANH MỤC TỪ VIẾT TẮT
AGV

: Automation Guided Vehicle

GND

: Ground (tiếp địa), một khái niệm trong kỹ thuật điện

PID

: Proportional Integral Derivative

SP

: Set point

PV

: Process Variable

UART :

: Universal Asynchronous Receiver-Transmitter

SLAM

: Simultaneous Localization And Mapping

xv


CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN ĐỀ TÀI
Trong chương này sẽ giới thiệu tổng quan, lịch sử hình thành và phát triển của robot.
Trình bày sơ lược về đề tài, đưa ra giới hạn cũng như phương pháp nghiên cứu của đề
tài. Từ đó nhận xét về điểm mới của đề tài.
1.1 Tổng quan về Robot
Robot là một loại máy tự động làm các cơng việc hồn tồn tự động hố theo sự lập
trình của máy tính hoặc những vi mạch điện tử được lập trình.
Thuật ngữ "robot" xuất phát từ tiếng Séc robota, có nghĩa là "lao động cưỡng bức", và
từ "robot" lần đầu tiên được dùng để chỉ một nhân vật người máy trong vở nhạc kịch
"Những Robot Toàn năng của Rossum" năm 1920 của nhà văn người Séc Karel Capek.
Sự bùng nổ của công nghệ điện tử dẫn đến sự xuất hiện của robot tự động hóa điện tử
đầu tiên, được chế tạo bởi William Grey Walter ở Bristol, Anh năm 1948, cũng như
những chiếc máy tính điều khiển số (CNC) cuối những năm 1940 do John T. Parsons và
Frank L. Stulen. Năm 1954, robot tên là Unimate, là robot kỹ thuật số và lập trình đầu
tiên được phát triển bởi George Devol (Hình 1.1).
Nếu robot được thể hiện ra hình dạng, hình thái và những hành vi chuyển động của nó
mơ phỏng hoặc tạo cảm giác giống con người thì robot đó thường được gọi là người
máy. Robot đầu tiên trên thế giới có thể đọc được cảm xúc của con người do cơng ty
SoftBank ra mắt có tên là Pepper và được đưa ra thị trường Nhật Bản vào năm 2015,
cao 121cm, nặng 28kg, khơng có tóc, được trang bị “động cơ tình cảm” và trí tuệ nhân
tạo giúp nghiên cứu cử chỉ, giọng nói và biểu cảm của con người. Pepper được sử dụng
để bảo vệ an tồn, chăm sóc sức khỏe cho những người lớn tuổi; tạo niềm vui bằng việc
hát, nhảy, kể chuyện cười giúp giảm cảm giác cô đơn, căng thẳng cho người sử dụng.

Hình 1.1: Robot pepper - Robot đầu tiên đọc được cảm xúc con người
1


Robot hỗ trợ rất nhiều cho con người, chúng được sử dụng trong công việc lắp ráp, sản
xuất hoặc chế biến sản phẩm và đặc biệt là trong những môi trường khắc nghiệt, độc hại
và nguy hiểm. Robot công nghiệp có tính chính xác cao và hiệu quả vượt trội so với sản
xuất bằng thủ công. Robot được sử dụng ngay cả trong lĩnh vực hàng không vũ trụ như
xe tự hành (rover) do NASA phóng thành cơng vào ngày 26 tháng 11 năm 2011 và đã
đổ bộ lên sao Hỏa ngày 6 tháng 8 năm 2012 với nhiệm vụ đánh giá khả năng ở được của
sao Hỏa trong dự án “Phịng thí nghiệm khoa học Sao Hỏa”.

Hình 1.2: Hình vẽ minh họa robot thám hiểm tự hành Curiosity của NASA
1.2 Tình hình nghiên cứu trong và ngồi nước
1.2.1 Ngồi nước
Được sản xuất ở Illinois bởi Barrett Electronics, xe tự hành đã xuất hiện trong các
nhà máy từ đầu những năm 1950. Kể từ đó cho đến nay, vì những lợi ích mà AGV
đem lại, nó được ứng dụng khắp các nơi trên thế giới.
Trên thế giới, robot tự hành trong nhà xưởng đã được nghiên cứu và phát triển từ
lâu và ngày càng có nhiều ứng dụng đa dạng, điển hình là Kiva Robot được nghiên
cứu và sản xuất bởi Amazon Robotics (USA). Nó được lập trình các tính năng: nhận
và thực hiện đơn hàng, hoàn thành nhiệm vụ và tiếp tục công việc mới, tự động nhận
nhiệm vụ khi đã sạc xong pin. Nó nặng khoảng 150 (kg), sức nâng lên đến 320 (kg),
có vận tốc di chuyển trong kho hàng tối đa 1 (m/s). [4]

2


Hình 1.3: Kiva robot nâng kệ hàng
1.2.2 Trong nước

Tại Việt Nam, AGV được xem là xu hướng phát triển mới về tự động hóa trong
cơng cuộc cách mạng cơng nghiệp 4.0. Nhiều doanh nghiệp, nhà máy sản xuất công
nghiệp và nhà kho thông minh đã bắt đầu tiếp cận và ứng dụng xe tự hành trong sản
xuất. Vinamilk, Thaco Trường Hải, …là các đơn vị tiên phong trong việc ứng dụng
xe tự hành AGV vào nhà máy và đã đem về hiệu quả to lớn.

Hình 1.4: Smart AGV trong cơng ty Changsing Việt Nam

3


Các cơng ty trong nước cũng có các nghiên cứu và ứng dụng robot tự hành vào trong
các nhà máy. Mục đích nghiên cứu trong nước là giảm giá thành của robot, nắm bắt
được các công nghệ mới. Quy mô và chất lượng của sản phẩm robot trong nước bị
ảnh hưởng không nhỏ do những hạn chế về công nghệ sản xuất. Năm 2013, công ty
Chang Shin Việt Nam đã sử dụng AGV vận chuyển hàng tự động giữa các công
đoạn sản xuất giày. Dự án AGV được thực hiện bởi nhóm AZauto của trường Đại
học Lạc Hồng. Cơng nghệ dẫn đường của AGV là hệ thống line từ trường và sử
dụng RFID để nhận biết khúc cua, vị trí sạc bình. Khối lượng của AGV là 150 (kg)
kéo được xe hàng lên tới 400 (kg). Tốc độ di chuyển khi hoạt động khoảng 0,5 (m/s).
1.3 Lý do chọn đề tài
Trên thế giới, robot tự hành đã và đang ứng dụng rộng rãi phục vụ cho công việc sản
xuất, mang lại hiệu quả to lớn trong nhà máy, kho bãi. Giúp thay thế cho công nhân
trong những công việc vận chuyển hàng hóa vốn hết sức nặng nhọc và thường xuyên
xảy ra tai nạn đáng tiếc.
Trong khi đó, nền khoa học kỹ thuật việt nam đang trên đà phát triển, nhất là lĩnh vực
tự động hóa nhưng lại có rất ít những nghiên cứu về xe tự hành để ứng dụng vào thực
tế. Nên hầu hết, xe AGV được nhập khẩu từ nước ngoài với giá khá cao.
Nắm bắt được tình hình đó nên nhóm đã bắt đầu nghiên cứu và chế tạo xe AGV.
1.4 Giới hạn và phạm vi đề tài

Robot tự hành trong điều kiện địa hình bằng phẳng, với các thông số sau:
- Khối lượng tổng của robot ước tính: 30 (kg), trong đó:
+ Khối lượng robot ước tính: 20 (kg).
+ Khối lượng hàng hóa vận chuyển: tối đa 10 (kg).
- Vận tốc di chuyển tối đa: 1 (m/s).
- Thời gian làm việc ước tính: 2 (giờ).
1.5 Phương pháp nguyên cứu
Đề tài này đa dạng nên yêu cầu có một quy trình nghiên cứu cẩn thận và phương pháp
hợp lý. Nhóm tác giả đã tiến hành các phương pháp nghiên cứu sau:
➢ Tìm hiểu về AGV và công nghệ liên quan như điều khiển tự động, điện tử, cơ khí,
cảm biến, ... Tìm hiểu về các hệ thống AGV đã được phát triển trước đó và các ứng
dụng của chúng.
➢ Đặt mục tiêu nghiên cứu: Xác định mục tiêu cụ thể của đồ án tốt nghiệp.

4


➢ Tìm hiểu và lựa chọn các cơng nghệ phù hợp: Tìm hiểu và so sánh các cơng nghệ,
phương pháp có thể sử dụng xây dựng xe AGV. (Các loại động cơ, hệ thống điều
khiển, giao thức truyền thông, cảm biến và phần mềm điều khiển)
➢ Thiết kế: Sử dụng phần mềm Inventor thiết kế mơ hình 3D của xe AGV. Sau đó, sử
dụng phần mềm mơ phỏng.
➢ Gia cơng chế tạo: Dựa trên mơ hình và mơ phỏng, tiến hành gia công và lắp ráp xe
AGV thực tế.
➢ Thực nghiệm và đánh giá: Tiến hành các thử nghiệm và đánh giá hiệu suất của xe
AGV theo các tiêu chí như tốc độ, độ chính xác, khả năng định vị và tương tác với
mơi trường.
➢ Phân tích kết quả và hướng phát triển tương lai: Đánh giá những kết quả đạt được và
phân tích các vấn đề và hạn chế trong quá trình nghiên cứu. Đề xuất các cải tiến hoặc
hướng phát triển tiếp theo cho xe AGV.

➢ Ngoài ra, trong quá trình nghiên cứu thì việc tìm kiếm và đọc các cơng trình nghiên
cứu liên quan, tham khảo sách, bài báo, hướng dẫn kỹ thuật và tài liệu kỹ thuật để
nắm bắt kiến thức sâu hơn về đề tài. Cũng rất quan trọng để thực hiện thí nghiệm và
thử nghiệm để kiểm tra và đánh giá hiệu suất của xe AGV.

5


CHƯƠNG 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT
Chương này sẽ trình bày tổng quan, đưa ra các phân tích về robot AGV cũng như phân
loại AGV. Cơ sở lý thuyết ứng dụng SLAM và thuật tốn PID điều khiển động cơ. Trình
bày giao thức UART và động học di chuyển của robot AGV.
2.1 Tổng quan về Robot AGV
2.1.1 Khái niệm
Xe tự hành AGV (Automation Vehicle Guide) là một thiết bị tự động di chuyển
bằng đường dẫn sẵn (dây dẫn, các đường dẫn hướng, laser…) để vận chuyển nguyên
vật liệu, hàng hóa tới các địa điểm đã được đánh dấu sẵn mà không cần đến sự can
thiệp của con người.
Xe tự hành là một phần trong q trình phát triển của kho thơng minh, nhà máy
thông minh (Smart Factory) cũng như lĩnh vực Tự động hóa trong cơng nghiệp.
Hiện nay, xe tự hành AGV được sử dụng trong hoạt động vận chuyển nguyên vật
liệu, hàng hóa của nhiều ngành nghề như: cơng nghiệp ô tô, điện điện tử, logistic, y
tế, dược phẩm, hàng tiêu dùng ...
2.1.2 Những loại AGV trên thị trường
Phân loại theo cấu tạo và chức năng:
- AGV Towing Vehicle: dòng sản phẩm đầu đời của AGV và vẫn đang phổ biến
cho tới nay.
- AGV Unit Load: dùng để lấy và giao hộp, pallet hoặc container, được trang bị sàn
để vận chuyển tải và chuyển tải.
- AGV Fork Truck - AGV xe nâng: dùng để di chuyển và nâng pallet cả ở mức sàn

và trên giá đỡ.
- AGV Hybrid: xe có thể được điều khiển bởi tài xế hoặc di chuyển tự động như các
dịng xe AGV kéo hoặc tích hợp bộ nâng hạ.
- AGV tải nhẹ: dùng trong vận chuyển các bộ phận nhỏ hoặc giỏ, ví dụ như dùng
trong bệnh viện.
- AGV Assembly Line Vehicles: để chuyển các bộ phận đang thực hiện sang dây
chuyền lắp ráp, thường ở tốc độ chậm.
2.1.3 Ứng dụng
Robot AGV, xe tự hành AGV được sử dụng, vận hành trong các nhà kho thông
minh, nhà máy sản xuất. So với các phương pháp vận chuyển hàng hóa truyền thống
thì nó mang lại rất nhiều lợi ích cho doanh nghiệp:
- Vận chuyển vật liệu nhận được đến khu vực lưu trữ.
6


- Hỗ trợ trong các hoạt động giao hàng.
- Cung cấp các bộ phận đang thực hiện cho các dây chuyền sản xuất.
- Đưa thành phẩm đến nơi vận chuyển, …
2.1.4 Ưu điểm và nhược điểm xe AGV

-

Ưu điểm:
Làm giảm chi phí th nhân cơng: AGV có thể hoạt động một cách độc lập mà
không cần tới sự can thiệp của con người, đáp ứng vận chuyển hàng hóa có khối
lượng với tải trọng lớn.

-

Tuyệt đối an toàn: Xe tự hành AGV hoạt động theo hệ thống đã được lập trình

sẵn với độ chính xác và an tồn cao. Xe tự hành AGV hoạt động tốt trong các

-

môi trường quá khắc nghiệt, mơi trường hóa chất độc hại nơi mà con người khó
hoặc khơng thể tiếp cận được.
Nâng cao năng suất lao động: Để đảm bảo quá trình vận chuyển khơng xảy ra lỗi

-

hay sai sót, hầu hết các AGV đều được thiết kế với độ chính xác rất cao.
AGV có thể làm việc liên tục giúp tối ưu hóa năng suất lao động.
Dễ dàng thay đổi và mở rộng module: Để đáp ứng yêu cầu của người sử dụng

-

-

-

như: nâng cấp, thay đổi quãng đường, giảm tải trọng… thì hầu như Module của
các xe AGV có thể thay đổi.
Nhược điểm:
Chi phí đầu tư ban đầu cao: Mặc dù giảm được chi phí lao động và đem về năng
suất lớn, nhưng chi phí để mua một AGV là khá cao. Nó có thể đắt hơn so với
việc sử dụng thiết bị như xe nâng hoặc thuê thêm nhân viên. Vì vậy, chỉ nên đầu
tư xe tự hành khi đã chuẩn bị vốn và kế hoạch phát triển kinh doanh.
Chi phí bảo trì: Như bất kỳ thiết bị nào thì việc bảo trì, bảo dưỡng định kỳ hết
sức cần thiết.
Khơng thích hợp cho các nhiệm vụ khơng lặp lại: Vì được lập trình sẵn nên các

xe AGV phù hợp nhất trong các hoạt động giải quyết các thao tác lặp đi lặp lại.
Sẽ tiết kiệm hơn nếu bạn sử dụng xe nâng hoặc các thiết bị hỗ trợ khác trong các
nhiệm vụ trong hoạt động có xu hướng khơng lặp lại.
Giảm tính linh hoạt: AGV được hoạt động theo quy trình hệ thống đã thiết lập
trước.

2.1.5 Động học của robot di động
Động học của robot AGV sẽ được thiết kế dựa trên truyền động vi sai, trong đó bao
gồm hai bánh xe đặt hai bên làm bánh dẫn động chính, được đặt ở giữa AGV. Ứng
với mỗi bánh xe sẽ gắn một động cơ tương ứng. Hướng, tư thế robot sẽ được điều
khiển thông qua tốc độ trên mỗi động cơ.
7


Hình 2.1: Bố trí cơ cấu bánh xe chủ động
Để điều khiển robot di chuyển điểm điểm chính xác địi hỏi phải tính tốn chính
xác động học của từng bánh xe. Từ encoder ta có thể biết được vị trí và hướng
của robot hiện tại và đi đến điểm dừng một cách chính xác. Để dự đốn vị trí và
hướng hiện tại của robot, ta cần giải phương trình động học của robot, phương
trình động học robot bao gồm động học thuận và động học nghịch:

Hình 2.2: Phân tích động học robot
Khi không tồn tại hiện tượng trượt bánh xe, ta có vận tốc dài v và vận tốc góc ω lần lượt
được tính theo cơng thức:
8