BÁO CÁO ĐỒ ÁN MOBILE ROBOT BÁM BIÊN QUỸ ĐẠO VẬT CẢN

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 CƠ ĐIỆN TỬ

NGHIÊN CỨU, THIẾT KẾ VÀ CHẾ TẠO MOBILE
ROBOT BÁM BIÊN QUỸ ĐẠO VẬT CẢN

GVHD: TS. Trần Minh Thiên
SVTH:
MSSV:
Nguyễn Bá Trọng
20146444
Nguyễn Minh Thành
20146422
Trảo An Tân
20146416
Khóa: 2020
Ngành: Cơng nghệ kỹ thuật cơ điện tử

TP. Hồ Chí Minh, tháng 1 năm 2024


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 CƠ ĐIỆN TỬ

NGHIÊN CỨU, THIẾT KẾ VÀ CHẾ TẠO MOBILE
ROBOT BÁM BIÊN QUỸ ĐẠO VẬT CẢN

GVHD: TS. Trần Minh Thiên
SVTH:
MSSV:
Nguyễn Bá Trọng
20146444
Nguyễn Minh Thành
20146422
Trảo An Tân
20146416
Khóa: 2020
Ngành: Cơng nghệ kỹ thuật cơ điện tử

TP. Hồ Chí Minh, tháng 1 năm 2024


TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT
TP. HCM
KHOA ĐÀO TẠO CHẤT LƯỢNG CAO

CỘNG HOÀ XÃ HỘI CHỦ NGHĨA
VIỆT NAM
Độc lập - Tự do – Hạnh phúc

NHIỆM VỤ ĐỒ ÁN CƠ ĐIỆN TỬ
Giảng viên hướng dẫn: TS. Trần Minh Thiên
Sinh viên thực hiện:1. Nguyễn Bá Trọng

MSSV: 20146444
2. Nguyễn Minh Thành
MSSV: 20146416
3. Trảo An Tân
MSSV: 20146422
Ngày nhận đề tài: 04/09/2023
Ngày bảo vệ: 04-05/01/2024
1. Tên đề tài:
NGHIÊN CỨU, THIẾT KẾ VÀ CHẾ TẠO MOBILE ROBOT BÁM BIÊN QUỸ
ĐẠO VẬT CẢN
2. Các số liệu, tài liệu ban đầu:
Kích thước, kết cấu, cách chuyển động của robot.
Cảm biến và các giao thức truyền thông.
Các phần mềm và trí tệ nhân tạo.
3. Nội dung chính của đồ án:
Quy hoạch quỹ đạo chuyển động.
Tính tốn, lựa chọn động cơ và cấu trúc phù hợp.
Thiết kế phần mềm điều khiển (giao diện người dùng) và các thuật toán liên quan.
4. Các sản phẩm dự kiến
Mơ hình robot giải trí.
Code điều khiển cho robot.
Báo cáo đồ án.
TRƯỞNG NGÀNH

GIẢNG VIÊN HƯỚNG
DẪN

NHÓM SV THỰC HIỆN

(Ký, ghi rõ họ tên)

(Ký, ghi rõ họ tên)

(Ký, ghi rõ họ tên)

i

KHOA CƠ KHÍ CHẾ TẠO MÁY


TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT
TP. HCM
KHOA ĐÀO TẠO CHẤT LƯỢNG CAO

CỘNG HOÀ XÃ HỘI CHỦ NGHĨA
VIỆT NAM
Độc lập - Tự do – Hạnh phúc

PHIẾU NHẬN XÉT CỦA GIÁO VIÊN HƯỚNG DẪN
Giảng viên hướng dẫn: TS. Trần Minh Thiên
Sinh viên thực hiện:1. Nguyễn Bá Trọng
MSSV: 20146444
2. Nguyễn Minh Thành
MSSV: 20146416
3. Trảo An Tân
MSSV: 20146422
NHẬN XÉT:
1. Về nội dung đề tài và khối lượng thực hiện:
…………………………………………...........................................................................
……………………………………………………………………………………….......

…………………………………………………………………………………………...
…………………………………………………………………………………………...
2. Ưu điểm:
…………………………………………………………………………………………...
…………………………………………………………………………………………...
…………………………………………………………………………………………...
3. Khuyết điểm:
…………………………………………………………………………………………...
…………………………………………………………………………………………...
…………………………………………………………………………………………...
4. Đề nghị cho bảo vệ hay không?
…………………………………………………………………………………………...
5. Đánh giá loại:
…………………………………………………………………………………………...
6. Điểm:…………………………………………(Bằng chữ:…………………………..)
Tp. Hồ Chí Minh, ngày….tháng 12 năm2023
Giáo viên hướng dẫn
(Ký & ghi rõ họ tên)
ii

KHOA CƠ KHÍ CHẾ TẠO MÁY


TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT
TP. HCM
KHOA ĐÀO TẠO CHẤT LƯỢNG CAO

CỘNG HOÀ XÃ HỘI CHỦ NGHĨA
VIỆT NAM
Độc lập - Tự do – Hạnh phúc

PHIẾU NHẬN XÉT CỦA GIÁO VIÊN PHẢN BIỆN
Giảng viên hướng dẫn: TS. Trần Minh Thiên
Sinh viên thực hiện:1. Nguyễn Bá Trọng
MSSV: 20146444
2. Nguyễn Minh Thành
MSSV: 20146416
3. Trảo An Tân
MSSV: 20146422
NHẬN XÉT:
1. Về nội dung đề tài và khối lượng thực hiện:
…………………………………………...........................................................................
……………………………………………………………………………………….......
…………………………………………………………………………………………...
…………………………………………………………………………………………...
2. Ưu điểm:
…………………………………………………………………………………………...
…………………………………………………………………………………………...
…………………………………………………………………………………………...
3. Khuyết điểm:
…………………………………………………………………………………………...
…………………………………………………………………………………………...
…………………………………………………………………………………………...
4. Đề nghị cho bảo vệ hay không?
…………………………………………………………………………………………...
5. Đánh giá loại:
…………………………………………………………………………………………...
6. Điểm:…………………………………………(Bằng chữ:…………………………..)
Tp. Hồ Chí Minh, ngày….tháng 01 năm2023
Giáo viên phản biện

(Ký & ghi rõ họ tên)
iii

KHOA CƠ KHÍ CHẾ TẠO MÁY


LỜI CẢM ƠN
Để hoàn thành Đồ án Cơ điện tử này nhóm đã nhận được sự hỗ trợ, giúp đỡ
rất nhiều từ thầy Trần Minh Thiên. Đồng thời xin cám ơn bộ môn Cơ điện tử đã đưa
môn học này vào chương trình đào tạo, đây vừa là cơ hội để sinh viên có thể áp dụng
những kiến thức đã học trong trương trình học vừa là bước đệm để sinh viên có thể
thực hiện tốt Luận văn tốt nghiệp sắp tới.
Trong suốt quá trình thực hiện báo cáo đồ án, do khả năng lý luận và kinh
nghiệm thực tiễn cịn hạn chế nên khó tránh được thiếu sót. Rất mong nhận được
những ý kiến đóng góp từ thầy, cơ cũng như hội đồng phản biện, để nhóm có thêm
kinh nghiệm và hồn thành tốt các mơn học sắp tới trong tương lai gần và cả công
việc sau này.
Xin chân thành cám ơn!

iv

KHOA CƠ KHÍ CHẾ TẠO MÁY


MỤC LỤC
NHIỆM VỤ ĐỒ ÁN CƠ ĐIỆN TỬ ....................................................................................... i
PHIẾU NHẬN XÉT CỦA GIÁO VIÊN HƯỚNG DẪN ......................................................ii
PHIẾU NHẬN XÉT CỦA GIÁO VIÊN PHẢN BIỆN ........................................................iii
LỜI CẢM ƠN ....................................................................................................................... iv
DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT .....................................................................................vii

DANH MỤC CÁC BẢNG BIỂU .......................................................................................viii
DANH MỤC CÁC HÌNH ẢNH ........................................................................................... ix
CHƯƠNG 1: GIỚI THIỆU CHUNG .................................................................................... 1
1.1 Tổng quan..................................................................................................................... 1
1.2 Đặt vấn đề .................................................................................................................... 4
1.3 Giới hạn của đề tài ....................................................................................................... 5
1.4 Nội dung trình bày trong các chương........................................................................... 6
CHƯƠNG 2: CƠ SỞ LÍ THUYẾT........................................................................................ 7
2.1 Cơ sở lí thuyết về cơng nghệ ........................................................................................ 7
2.1.1 Tổng quan về mobile robot.................................................................................... 7
2.1.2 Nguyên lý làm việc của robot bám quỹ đạo .......................................................... 8
2.1.3 Một số thuật toán cho robot bám quỹ đạo ............................................................. 8
2.2 Cơ sở lý thuyết về cơ khí ........................................................................................... 10
2.3 Cơ sở lí thuyết về điện, điện tử .................................................................................. 12
CHƯƠNG 3: THIẾT KẾ ..................................................................................................... 17
3.1 Khảo sát thị trường ..................................................................................................... 17
3.2 Thông số kỹ thuật ....................................................................................................... 17
3.3 Thiết kế hệ thống cơ khí ............................................................................................. 17
3.3.1 Chọn cơ cấu ......................................................................................................... 17
3.3.2 Tính tốn kích thước xe ....................................................................................... 18
3.3.2.1 Tính tốn chọn động cơ ................................................................................ 18
3.3.2.2 Tính tốn thiết kế thân xe ............................................................................. 20
3.3.3 Phân tích và lựa chọn dung sai ............................................................................ 23
3.3.3.1 Xét ảnh hưởng độ song song và vng góc lên đồ gá động cơ .................... 23
3.3.3.2 Các trường hợp sai lệch song song ............................................................... 24
3.3.3.3 Xét ảnh hưởng độ song song và vng góc lên phần đế lắp gá động cơ ...... 24
3.3.3.4 Xét ảnh hưởng độ đồng trục khi lắp động cơ ............................................... 25
v

KHOA CƠ KHÍ CHẾ TẠO MÁY

3.3.4 Mô phỏng kiểm tra bền........................................................................................ 25
3.3.4.1 Mô phỏng kiểm tra bền của tấm lắp phần gá động cơ .................................. 25
3.4 Thiết kế kỹ thuật điện, điện tử ................................................................................... 26
3.4.1 Sơ đồ khối ............................................................................................................ 26
3.4.2 Test driver với động cơ ........................................................................................... 26
3.5 Thiết kế hệ thống điều khiển ...................................................................................... 30
3.5.1 Mơ hình động học của robot ............................................................................... 30
3.5.2 Thiết kế bộ điều khiển ........................................................................................ 32
3.5.3 Sơ đồ khối bộ điều khiển ..................................................................................... 34
CHƯƠNG 4: THI CÔNG, THỰC NGHIỆM, THU THẬP KẾT QUẢ VÀ PHÂN TÍCH 37
4.1 Thi cơng mơ hình ....................................................................................................... 37
4.1.1 Thiết bị cơ khí...................................................................................................... 37
4.1.1.1 Bánh xe ......................................................................................................... 37
4.1.1.2 Đồ gá ............................................................................................................. 37
4.1.2 Thiết bị điện, điện tử............................................................................................ 38
4.1.2.1 Nguồn pin ..................................................................................................... 38
4.1.2.2 Mạch ổn áp.................................................................................................... 39
4.1.2.3 Cảm biến ....................................................................................................... 39
4.1.3 Thiết bị xử lý trung tâm ....................................................................................... 41
4.1.4 Mơ hình hệ thống sau khi thi cơng ...................................................................... 43
4.2 Thực nghiệm và phân tích .......................................................................................... 44
4.2.1 Thực Nghiệm ....................................................................................................... 44
4.2.2 Phân tích .............................................................................................................. 45
CHƯƠNG 5: KẾT LUẬN ................................................................................................... 46
5.1 Kết luận ...................................................................................................................... 46
5.2 Hạn chế của đề tài ...................................................................................................... 46
5.3 Hướng phát triển của đề tài ........................................................................................ 46
TÀI LIỆU THAM KHẢO ................................................................................................... 47

vi

KHOA CƠ KHÍ CHẾ TẠO MÁY


DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT
PID: Proportional-Integral-Derivative
NASA: National Aeronautics and Space Administration
MPC: Model Predictive Control
LCD: Liquid Crystal Display
PWM: Pulse Width Modulation
RPM: Revolutions Per Minute
STM32: ST Microelectronics 32-bit

vii

KHOA CƠ KHÍ CHẾ TẠO MÁY


DANH MỤC CÁC BẢNG BIỂU
Bảng 2.1: Bảng so sánh một số cơ cấu……………………………………………..11
Bảng 3.1: Thông số của động cơ JGA25-370 ...........................................................20
Bảng 3.2: Số liệu driver với động cơ trái phía trước xe ............................................26
Bảng 3.3: Số liệu driver với động cơ phải phía trước xe .........................................27
Bảng 3.4: Số liệu driver với động cơ trái phía sau xe ...............................................28
Bảng 3.5: Số liệu driver với động cơ phải phía sau xe .............................................29
Bảng 4.1: Tóm tắt về nguồn sử dụng ........................................................................38
Bảng 4.2: Thơng số pin 18650 ..................................................................................38
Bảng 4.3 Thông số kỹ thuật cảm biến siêu âm HC-SRF04. .....................................41

viii

KHOA CƠ KHÍ CHẾ TẠO MÁY


DANH MỤC CÁC HÌNH ẢNH
Hình 1.1: Robot AMR và Robot di động dùng AI theo dõi ........................................3
Hình 1.2: Robot cắt cỏ và Robot hút bụi.....................................................................4
Hình 2.1: Một số hình ảnh về mobile robot ................................................................7
Hình 2.2: Sơ đồ khối bộ điều khiển PID ...................................................................12
Hình 2.3: Đồ thị tín hiệu ra theo thời gian, ba giá trị KP (KI và KD là hằng số)….13
Hình 3.1: Mơ hình các lực tác dụng lên bánh xe ......................................................18
Hình 3.2: Phân tích tính tốn chiều dài thân xe ........................................................20
Hình 3.3: Mơ tả hệ số K ............................................................................................22
Hình 3.4 : Bản vẽ đồ gá động cơ ...............................................................................23
Hình 3.5: Dung sai hình học các kích thước quan trọng ...........................................23
Hình 3.6: Các trường hợp sai lệch theo phương y ....................................................24
Hình 3.7: Các trường hợp sai lệch theo phương x ....................................................24
Hình 3.8: Độ song song và vng góc lên phần đế lắp gá động cơ ..........................24
Hình 3.9: Kết mơ phỏng chuyển vị của khung xe khi có tải .....................................25
Hình 3.10: Sơ đồ khối của hệ thống điện, điện tử.....................................................26
Hình 3.11: Đồ thị giữa PWM(%) và vận tốc quay động cơ trái phía trước xe .........27
Hình 3.12: Đồ thị giữa PWM(%) và vận tốc quay động cơ phải phía trước xe .......28
Hình 3.13: Đồ thị giữa PWM(%) và vận tốc quay động cơ trái phía sau xe ............29
Hình 3.14: Đồ thị giữa PWM(%) và vận tốc quay động cơ phải phía sau xe ...........30
Hình 3.15: Mơ hình động học của robot ...................................................................30
Hình 3.16: Hình ảnh sai số e2 ....................................................................................34
Hình 3.17: Hình ảnh sai số e3 ....................................................................................34
Hình 3.18: Sơ đồ khối của hệ thống điện ..................................................................35

Hình 4.1: Bánh xe V2................................................................................................37
Hình 4.2: Đồ gá động cơ ...........................................................................................38
Hình 4.3: Module LM2596 .......................................................................................39
Hình 4.4 Cảm biến siêu âm .......................................................................................39
Hình 4.5 Nguyên lý hoạt động của sensor ................................................................40
Hình 4.6: Các trường hợp cảm biến khơng thể đo được ...........................................40
Hình 4.7: Kit STM32F103C8T6 ...............................................................................43
Hình 4.8: Mơ hình trước khi thi cơng .......................................................................43
Hình 4.8: Mơ hình trước khi thi cơng .......................................................................43
Hình 4.9: Kết quả mơ phỏng vị trí bám quỹ đạo theo trục X ...................................44
Hình 4.10: Kết quả mơ phỏng vị trí bám quỹ đạo theo trục y ..................................44

ix

KHOA CƠ KHÍ CHẾ TẠO MÁY


CHƯƠNG 1: GIỚI THIỆU CHUNG
1.1 Tổng quan
Hình dạng Robot xuất hiện đầu tiên ở Hoa Kỳ, là loại tay máy chép hình dung
trong phịng thí nghiệm vật liệu phóng xạ. Vào những năm 50 của thế kỷ trước, bên
cạnh các loại tay máy chép hình cơ khí, các loại tay máy chép hình thủy lực điện tử
đã xuất hiện. Tuy nhiên, các tay máy thương mại đều có chung nhược điểm là thiếu
sự di động, các tay máy này hoạt động hạn chế quanh vị trí của nó. Ngược lại, Mobile
Robot là lại Robot di động có thể di chuyển từ không gian này đến không gian khác
một cách độc lập hay được điều khiển từ xa, do đó tạo không gian hoạt động lớn.
Từ năm 1939 đến năm 1945: Trong cuộc chiến thế giới lần thứ II, những con
Robot di động đầu tiên xuất hiện. Nó là kết quả của những thành tựu công nghệ trong
những lĩnh vực nghiên cứu mới có liên quan như khoa học máy tính và điều khiển
học, hầu hết chúng là những quả bom bay, ví dụ như những quả bom chỉ nổ trong

những dãy mục tiêu nhất định, sử dụng trong hệ thống hướng dẫn vad rada điều khiển.
Tên lửa V1 và V2 có “ phi cơng tự động” và hệ thống phát nổ, chúng là tiền thân của
đầu đạn hạt nhân tự điều khiển hiện đại.
Từ năm 1948 đến 1948: W.Gray Walter tạo nên Elmer và Elsie, hai con Robot
trông giống con đồi mồi. Về mặc hành chính, chúng được gọi là Machina Speculatrix
bởi vì những con Robot này hoạt động trong môi trường như những chú chim đồi
mồi. Elmer và Elsie được trang bị một bộ cảm biến sáng. Nếu chúng nhận ra một
nguồn sáng, chúng sẽ di chuyển về phía nguồn sáng. Chúng có thể tránh hoặc chuyển
những chướng ngại trên đường di chuyển. Những con Robot này chứng mình rằng
những cử chỉ phức tạp có thể phát sinh từ một thiết kế đơn giản. Elmer và Elsie chỉ
được thiết kế tương đương hai tế bào thần kinh.
Từ năm 1961 đến 1963: Trường đại học Johns Hopkins phát triển “Beast”.
Beast sử dụng hệ thống định vị di chuyển xung quanh. Khi pin yếu nó sẽ tự tìm ổ cắm
điện và cắm vào.
Năm 1969: Mowbot là con Robot đầu tiên cắt cả bãi cỏ một cách tự động. The
Stanford Cart line follower là một con Robot di động có thể di chuyển thông qua nhận
dạng đường kẻ trắng, sử dụng một camera để nhìn. Nó bao gồm một “kênh truyền
thanh” gắn với hệ thống máy tính lớn để tạo ra những tính tốn.
Năm 1970: Cùng thời điểm 1969-1972, viện nghiên cứu Stanford đang xây
dựng và nghiên cứu ra Shakey. Shakey có một camera, một dãy kính gắm, một bộ
cảm biến và một bộ truyền thanh. Shakey là con Robot đầu tiên lý giải về những
chuyển động của nó. Điều này có nghĩa là Shakey có thể đưa nhiều mệnh lệnh chung
và và Robot này sẽ tính tốn những bước cần thiết để hồn thiện nhiệm vụ được giao.
1

KHOA CƠ KHÍ CHẾ TẠO MÁY


Năm 1976: trong chương trình Vikiry, tổ chức NASA đã phóng hai tàu vũ trụ
khơng người lái lên sao hỏa.

Năm 1977: Bộ phim “Chiến tranh giữa các vì sao” phần I, A new Hope mô tả
R2D2, một con Robot di động hoạt động độc lập và C3P0, một con robot hình người.
Họ đã khiến cơng chúng biết đến những con Robot.
Năm 1980: Thị hiếu của người tiêu dùng về Robot tăng, robot được bày bán
và mua về để sử dụng trong nhà. Ví dụ RB5X vẫn tồn tại tới ngày nay và một loạt
mẫu robot HERO. Robot The Stanford Cart được phát triển mạnh, nó đã có thể lái
tàu biển vượt qua những trở ngại và tạo lên bản đồ những nơi nó đi qua.
Năm 1989: Mark Tinden phát minh ra BEAM robotics.
Năm 1990: Cha đẻ của nền rôbốt công nghiệp Joseph Engelberger làm việc
với các đồng nghiệp và đã phát minh ra những con rôbốt tự động trong ngành y tế và
được bán bởi Helpmate. Sở an ninh Mỹ gây quỹ cho dự án MDARS-I dựa vào robot
bảo vệ trong nhà Cybermotion.
Năm 1993-1994: Dante-I và Dante-II được phát triển bởi trường đại học
Carnegie Mellon, cả hai con Robot dung để thám hiểm núi lửa đang hoạt động.
Năm 1995: Robot di động có thể lập trình Pioneer (người tiên phong)
được bán sẵn ở một mức giá chấp nhận được, điều đó dẫn tới sự gia tăng rộng rãi về
nghiên cứu Robot và các trường đại học nghiên cứu về Robot trong suốt các thập sau.
Robot di động trở thành một phần khơng thể thiếu trong chương trình giảng dạy
của các trường đại học.
Năm 1996-1997: NASA phóng con tàu Mars Pathfinder có 2 Robot Rover và
Sojourner lên sao Hoả. The Rover thám hiểm bề mặt sao hoả được điều khiển từ mặt
đất. Sojourner được trang bị với một hệ thống tránh rủi do cao. Hệ thống này làm cho
Sojourner có thể tìm thấy đường đi của nó một cách độc lập trên địa hình của sao
Hoả.
Năm 1999: Sony giới thiệu Aibo, một con rơbốt có khả năng đi lại, quan sát
và tác động qua lại tới môi trường. Robot điều khiển từ xa dùng cho quân sự PackBot
cũng được giới thiệu.
Năm 2001: Dự án Swaim-Bots, Swaim-Bots giống những bầy côn trùng được
khởi động. Chúng bao gồm một số lượng lớn các con Robot đơn lẻ, có thể tác động
lẫn nhau và cùng nhau thực hiện những nhiệm vụ phức tạp.

Năm 2002: Roomaba, một con robot di động dung trong gia đình, thực hiện
công việc lau nhà xuất hiện. Tiếp tục phát triển hiện nay có rất nhiều loại Robot phục
vụ cho con người dần xuất hiện ngày càng thân thiện hơn.
Năm 2004: Robosapien, một con rôbốt đồ chơi, thiết kế bởi Mark Tilden được
2

KHOA CƠ KHÍ CHẾ TẠO MÁY


bán sẵn. Trong dự án “The Centibots Project” 100 con Robot cùng làm việc với
nhau để tạo lên một bản đồ cho một vùng khơng xác định và tìm những vật thể trong
mơi trường đó. Trong cuộc thi đầu tiên DARPA Grand Challenge, các con Robot tự
động đã cùng nhau tranh tài cùng nhau trên sa mạc.
Năm 2006: Sony dừng việc sản xuất Aibo và Helpmate. PatrolBot trở lên phổ
biến khi các Robot di động vẫn tiếp tục cạnh tranh nhau để trở thành mặt hàng độc
quyền. Sở an ninh Mỹ đã bỏ dự án MDARS-I, nhưng lại gây quỹ cho dự án MDARSE một loại Robot an ninh tự động khác. TALON-Sword, một loạiRobot tự động dùng
để bán sẵn với dàn phóng lựu đạn và những sự lựa chọn về vũ khí hợp thành khác đã
ra đời. Asimo của Honda biết cách chạy và leo cầu thang chỉ với hai chân như con
người.
Năm 2007: Hệ thống KiVa, Robot thông minh tăng nhanh về số lượng trong
quy trình phân phối, những Robot thông minh này được phân loại theo mức độ phổ
biến những nội dung của chúng. Robot Tug trở thành phương tiện phổ biến trong các
bệnh viện dùng để vận chuyển đồ trong kho từ nơi này sang nơi khác. ARCSinside
Speci-Minder mang máu và các vật mẫu từ trạm y tá tới phòng xét nghiệm. Seekur,
Robot dịch vụ dùng ngồi trời với mục đích phi qn sự có thể kéo một xe qua một
bãi đậu xe, lái một cách độc lập (tự động) vào trong nhà và bắt đầu học cách lái ra
ngồi. Trong khi đó, PatrolBot học cách theo sau con người và nếu cửa mà mở thì
đóng lại.

Hình 1.1: Robot AMR và Robot di động dùng AI theo dõi

3

KHOA CƠ KHÍ CHẾ TẠO MÁY


Hình 1.2: Robot cắt cỏ và Robot hút bụi
Trong bối cảnh tồn cầu, sự phát triển nhanh chóng của cơng nghệ đang tạo ra
những đột phá đáng kể, mở ra những cơ hội mới và đồng thời đặt ra những thách thức
lớn trong nhiều lĩnh vực. Trong lĩnh vực robot hợp tác với con người, việc nghiên
cứu và phát triển các hệ thống tự động hóa di chuyển ngày càng trở nên quan trọng.
Đối với đề tài "Nguyên cứu, thiết kế, chế tạo mobile robot bám biên theo quỹ đạo vật
cản," chúng tơi đặt chân mình vào một thách thức đầy thú vị và tiềm năng. Trên thế
giới hiện nay nhu cầu sử dụng robot trong dịch vụ, sản xuất, giải trí,... ngày càng gia
tăng. Đặc biệt sự tự động hóa đang trở thành một xu hướng như hiện nay thì robot
đang khơng ngừng phát triển. Tại Việt Nam, mặc dù có sự đầu tư và phát triển nhanh
chóng trong lĩnh vực công nghiệp, nhưng việc ứng dụng robot trong các ứng dụng
thực tế vẫn chưa đạt được sự hiệu quả cao. Đề tài của chúng tơi chính là một bước
tiến mới, hứa hẹn mang lại giải pháp hiệu quả cho việc vượt qua vật cản và tối ưu hóa
quá trình di chuyển của robot trong mơi trường phức tạp.
Đề tài “Nghiên cứu, thiết kế, chế tạo mobile robot bám biên quỹ đạo vật
cản” đề tài của nhóm nhấn mạnh vào việc phát triển một hệ thống robot linh hoạt, có
khả năng tự động phân tích và theo dõi biên của các vật cản. Hệ thống này không chỉ
giải quyết một vấn đề cụ thể mà còn mở ra nhiều cơ hội trong việc ứng dụng robot
trong các môi trường khó khăn và đa dạng.
1.2 Đặt vấn đề
Đối với nước ta thì nền nơng nghiệp vẫn đóng vai trị quan trọng, tạo ra nguồn
thu nhập lớn cho nhiều gia đình. Tuy nhiên, đây là một ngành có độ lao động cao,
nhiều cơng việc nặng nhọc và địi hỏi sự chăm sóc và quản lý một cách chính xác.
Việc giải phóng sức lao động và nâng cao hiệu suất là một thách thức lớn trong môi

trường nông nghiệp.
Cùng với sự phát triển của nơng nghiệp nhìn từ xa cũng gây ra những hệ lụy
như ơ nhiễm mơi trường và tình hình giao thông phức tạp. Do áp lực vận chuyển sản
phẩm từ nơi này sang các nơi khác (từ nơi sản xuất đến các địa điểm để tiêu thụ sản
phẩm) và phải cần có những qui trình an tồn và hiệu quả để vận chuyển hàng hóa
4

KHOA CƠ KHÍ CHẾ TẠO MÁY


cũng là một thách thức. Trước những thách thức trên, việc giải quyết bằng cách áp
dụng robot tự động hóa trong môi trường nông nghiệp trở nên cực kỳ cần thiết. Hệ
thống robot bám biên theo quỹ đạo vật cản mà nhóm đề xuất khơng chỉ giúp giải
phóng sức lao động mà cịn tối ưu hóa quy trình làm việc, từ đó nâng cao năng suất
và hiệu suất của ngành nông nghiệp. Với sự kết hợp giữa sự linh hoạt của robot và
khả năng tự động hóa trong việc vượt qua các vật cản, hệ thống của chúng tôi không
chỉ giúp giải quyết vấn đề lao động mà cịn đóng góp tích cực vào sự hiện đại hóa của
nơng nghiệp và giảm áp lực giao thông đô thị. Điều này không chỉ làm giảm bớt tác
động xấu đối với môi trường mà cịn tạo ra một mơ hình nơng nghiệp thơng minh và
bền vững.
Ngồi việc giải quyết vấn đề trong nơng nghiệp, hệ thống robot bám biên của
nhóm cịn có khả năng ứng dụng trong nhiều lĩnh vực khác như quản lý đơ thị, an
tồn giao thơng và khám phá môi trường. Điều này mở ra cánh cửa cho việc ứng dụng
rộng rãi, tạo ra giá trị không chỉ trong nơng nghiệp mà cịn trong các ngành cơng
nghiệp và dịch vụ khác. chúng tôi cũng chú trọng đặc biệt vào khía cạnh bảo mật và
an tồn. Điều này đặt ra một thách thức mới, nhưng cũng là cơ hội để xây dựng một
hệ thống khơng chỉ hiệu quả mà cịn đảm bảo tính an tồn cao, đặc biệt là khi tiếp xúc
với mơi trường đa dạng và khơng dự đốn được.
Hệ thống robot bám biên theo quỹ đạo vật cản không chỉ giải quyết vấn đề lao
động trong nông nghiệp mà cịn mang lại cơ hội mới cho nơng dân và ứng dụng đa

dạng trong nhiều lĩnh vực khác. Đồng thời, việc đặt sự an toàn và bảo mật lên hàng
đầu cũng đảm bảo rằng giải pháp của chúng tôi là bền vững và có thể áp dụng rộng
rãi trong thực tế.
1.3 Giới hạn của đề tài
Để đảm bảo tính khả thi và độ hiệu quả của đề tài thì sẽ giới hạn một số phạm
vi củ thể. Đầu tiên nhóm sẽ thiết kế ra một mơ hình xe đơn giản để dễ tìm hiểu hơn
trong quá trình điều khiển ban đầu. Sau khi có thể điều khiển được những tính năng
phù hợp của robot thì từ đó có thế phát triển mơ hình tùy theo những ứng dụng và ta
sử dụng cho robot này.
Do tính chất phức tạp của vấn đề, nhóm đầu tiên sẽ tiến hành mơ phỏng thực
nghiệm trước tiến hành thực tế để từ đó có cái nhìn rõ ràng hơn và phân tích được các
yếu tố khác một cách tương đối để từ đó có thể đưa ra mơ hình. Chủ yếu là thực
nghiệm về khả năng bám biên theo những vật cản cơ bản.
Đối với ứng dụng củ thể nó hiện chưa có một ứng dụng nào quá rõ ràng trong
một vấn đề nào đó. Nhưng nhóm tin rằng nếu phát triển thành cơng thì nó có thể áp
dụng được trong nhiều lĩnh vực khác nhau.
5

KHOA CƠ KHÍ CHẾ TẠO MÁY


Kết quả mong muốn đạt được sau khi nghiên cứu:
- Robot phải có thê hoạt động được chính xác trên những hình dạng bất
kỳ mà nó gặp
- Kích thước nhỏ gọn nhưng vẫn đảm bảo độ cứng vững và tính linh hoạt.
- Năng suất làm việc cao, đảm bảo tính ổn định trong quá trình làm việc.
- Khung vỏ dễ dàng tháo lắp, thuận lợi cho việc sửa chữa, nâng cấp.
- Áp dụng được lí thuyết PID vào để điều khiển robot.
1.4 Nội dung trình bày trong các chương
Trình tự thực hiện của bài báo cáo bao gồm nội dung các chương, tài liệu tham

khảo và phụ lục kèm theo:
CHƯƠNG 1: GIỚI THIỆU CHUNG
CHƯƠNG 2: CƠ SỞ LÍ THUYẾT
CHƯƠNG 3: THIẾT KẾ
CHƯƠNG 4: THI CÔNG, THỰC NGHIỆM, THU THẬP KẾT QUẢ VÀ
PHÂN TÍCH
CHƯƠNG 5: KẾT LUẬN

6

KHOA CƠ KHÍ CHẾ TẠO MÁY


CHƯƠNG 2: CƠ SỞ LÍ THUYẾT
2.1 Cơ sở lí thuyết về công nghệ
2.1.1 Tổng quan về mobile robot
Robot đã ra đời rất sớm thay thế con người làm những việc nặng nhọc và độc
hại. Trong thời đại công nghiệp hiện nay, robot ngày càng được ứng dụng rộng rãi
trong sản xuất cũng như trong đời sống. Do yêu cầu ngày càng cao và phức tạp, robot
cần có sự thay đổi linh hoạt và đáp ứng nhanh, nhất là mobile robot. Cùng với sự phát
triển vượt bậc của ngành Cơ - Điện tử, mobile robot ngày càng được hoàn thiện và
ứng dụng nhiều hơn nhằm tạo sự tự động hóa trong quá trình sản xuất, giảm sức lao
động con người. Tiềm năng ứng dụng của mobile robot vào cuộc sống là rất lớn, có
thê kể đến robot vận chuyển hàng hóa trong các nhà máy, robot phục vụ quét dọn,
robot phun sơn, robot hàn, robot khử trùng dùng trong bệnh viện hay thậm chí là
những mobile robot trong ngành hàng khơng vũ trụ. Hình dưới cho thấy một vài
mobile robot khác nhau được ứng dụng vào thực tế.

a. Robot vận chuyển hàng hóa
b. Robot lau sàn

Hình 2.1: Một số hình ảnh về mobile robot
Mobile robot là một loại robot có khả năng tự dịch chuyển, tự vận động có khả
năng hồn thành cơng việc được giao. Trong đó robot bám biên quỹ đạo vật cản là
loại robot có thể tự xác và di chuyển theo biên của vật cản. Dựa trên dữ liệu từ các
cảm biến như cảm biến hồng ngoại, cảm biến siêu âm, camera, hoặc lidar thường
được tích hợp vào robot để cung cấp thông tin về môi trường xung quanh. Dựa trên
dữ liệu từ các cảm biến này, robot có thể xác định vị trí của biên vật cản và điều chỉnh
hướng di chuyển của mình để duy trì một khoảng cách an tồn hoặc thực hiện các
nhiệm vụ cụ thể.
7

KHOA CƠ KHÍ CHẾ TẠO MÁY


Ứng dụng của robot bám biên quỹ đạo vật cản rất đa dạng, từ cơng nghiệp tự
động hóa đến dịch vụ và y tế. Chẳng hạn, trong môi trường công nghiệp, robot có thể
được sử dụng để di chuyển hàng hóa qua các khu vực có nhiều vật cản mà không cần
sự can thiệp của con người. Trong lĩnh vực y tế, chúng có thể hỗ trợ việc di chuyển
và theo dõi bệnh nhân trong môi trường bệnh viện.
2.1.2 Nguyên lý làm việc của robot bám quỹ đạo
Robot bám quỹ đạo (trajectory tracking robot) là loại robot được thiết kế để
theo dõi một quỹ đạo (trajectory) đã được xác định trước đó. Nguyên lý hoạt động
của robot bám quỹ đạo thường bao gồm các bước sau:
- Xác định quỹ đạo:
Trước hết, hệ thống điều khiển của robot xác định quỹ đạo mà robot cần đi
qua. Quỹ đạo này có thể được mơ tả bằng các hàm tốn học hoặc bằng các điểm cụ
thể trong không gian.
- Cảm biến và Lấy thông tin:
Robot sử dụng các cảm biến như bộ cảm biến vị trí, cảm biến hình ảnh, hoặc
cảm biến siêu âm để lấy thông tin về môi trường xung quanh và vị trí của nó.

- Điều khiển và Điều chỉnh:
Hệ thống điều khiển của robot sẽ so sánh thông tin lấy được từ cảm biến với
quỹ đạo đã xác định trước đó. Nếu có sự chệch giữa vị trí thực tế và vị trí mong muốn
trên quỹ đạo, hệ thống điều khiển sẽ tạo ra các tín hiệu điều chỉnh để đưa robot về
đúng quỹ đạo.
- Tính tốn điều khiển:
Hệ thống điều khiển sử dụng các thuật toán điều khiển để tính tốn các tín hiệu
điều chỉnh dựa trên sự chệch giữa vị trí thực tế và vị trí trên quỹ đạo. Các thuật toán
PID (Proportional-Integral-Derivative) thường được sử dụng để điều khiển vị trí của
robot.
- Lặp lại quy trình:
Q trình này được lặp lại liên tục trong khi robot di chuyển, giúp nó liên tục
điều chỉnh hướng đi để duy trì trên quỹ đạo. Ngồi việc duy trì vị trí trên quỹ đạo,
robot cũng có thể cần kiểm sốt tốc độ di chuyển để đảm bảo rằng nó có thể theo kịp
quỹ đạo đã định. Cụ thể, để rẽ trái tốc độ bánh xe bên phải robot nhanh hơn bên trái,
ngược lại để rẽ phải tốc độ bánh xe bên trái nhanh hơn tốc độ bên phải, để đi thẳng
tốc độ hai bánh xe đều nhau. Khi robot đi thẳng thì tốc độ di chuyển của robot lớn
nhât, khi robot lệch khỏi quỹ đạo tốc độ di chuyển robot chậm dần.
2.1.3 Một số thuật toán cho robot bám quỹ đạo
Để nghiên cứu về lĩnh vực mobile robot thì những vấn đề đặt ra là vị trí (đang
8

KHOA CƠ KHÍ CHẾ TẠO MÁY


ở đâu, sẽ đi đến đâu), cách thức di chuyển (đi đến mục tiêu bằng cách nào) và làm
sao để di chuyển từ điểm xuất phát đến điểm đích mà khơng va chạm các vật cản.
Theo Lagoudakis, Michail G thì để di chuyển được, robot cần thực hiện một
loạt các tác vụ (còn gọi là task), mỗi tác vụ này sẽ gắn với một bài toán nhỏ trong bài
toán di chuyển (navigation). Các bài tốn đó bao gồm:

- Mapping (Lập bản đồ): lập bản đồ môi trường hoạt động của robot.
- Localization (Định vị robot): Robot phải có khả năng biết được vị trí
mình đang ở đâu trong bản đồ.
- Path planning (tạo đường đi): sau khi robot có được bản đồ và biết mình
đang ở vị trí nào thì sẽ hoạch định di chuyển để đi tới mục tiêu.
- Obstacle avoidance (Tránh vật cản): mobile robot có khả năng tránh vật
cản trên đường di chuyển.
Trong những bài toán nêu trên, bài toán được quan tâm nhiều nhất là bài tốn
“Bám quỹ đạo”. Nó giữ vai trị quan trọng giúp cho robot di chuyển từ điểm xuất phát
đến mục tiêu một cách tối ưu.
- Một số thuật toán điều khiển
+ Điều Khiển Tương Ứng-Tích Phân-Đạo Hàm (PID):
Đây là một thuật toán điều khiển cổ điển điều chỉnh đầu ra điều khiển của
robot dựa trên các thành phần tỷ lệ, tích phân và đạo hàm của tín hiệu lỗi. Nó được
sử dụng rộng rãi để theo dõi quỹ đạo trong nhiều ứng dụng.
+ Ưu Điểm:
Dễ triển khai và hiệu quả trong nhiều ứng dụng.
Có thể điều chỉnh thơng qua các hệ số PID để đáp ứng yêu cầu cụ thể.
+ Nhược Điểm:
Không xử lý được động chậm và động nhanh cùng lúc.
Yêu cầu hiệu chỉnh cẩn thận để tránh dao động.
+ Điều Khiển Dựa Trên Mơ Hình (MPC)
MPC là một chiến lược điều khiển tiên tiến dự đoán hành vi tương lai của hệ
thống và tối ưu hóa đầu ra điều khiển trong một khoảng thời gian hữu hạn. Nó hiệu
quả để xử lý ràng buộc và nhiễu.
+ Ưu Điểm:
Tối ưu hóa đầu ra trong khoảng thời gian hữu hạn.
Xử lý tốt ràng buộc và nhiễu.
+ Nhược Điểm:
Địi hỏi tính tốn lớn, đặc biệt là đối với các mơ hình phức tạp.

Độ trễ tính tốn có thể làm tăng độ phức tạp của hệ thống.
9

KHOA CƠ KHÍ CHẾ TẠO MÁY


+ Pure Pursuit:
Thuật toán này liên quan đến việc chọn một điểm mục tiêu dọc theo quỹ đạo
mong muốn và điều chỉnh hướng của robot để giảm thiểu khoảng cách đến điểm đó.
Nó thường được sử dụng để theo dõi đường đi trong robot di động.
+ Ưu Điểm:
Đơn giản và dễ triển khai.
Hoạt động tốt cho các robot di động đơn giản.
+ Nhược Điểm:
Có thể gặp vấn đề khi đối mặt với quỹ đạo có độ cong lớn.
Yêu cầu xử lý đặc biệt nếu có sự trượt bánh xe.
+ Lập Kế Hoạch và Theo Dõi Quỹ Đạo:
Các thuật toán lập kế hoạch quỹ đạo khác nhau, như A (A-star) hoặc RRT
(Rapidly-exploring Random Tree), có thể được sử dụng để tạo ra một quỹ đạo mượt
và khả thi. Sau đó, robot sẽ đi theo quỹ đạo này bằng cách sử dụng thuật toán điều
khiển như PID.
+ Ưu Điểm:
Tạo ra quỹ đạo mượt và tối ưu.
Xử lý tốt môi trường phức tạp.
+ Nhược Điểm:
Địi hỏi nhiều tính tốn và bộ nhớ nếu mơi trường động.
Khó khăn khi cần điều chỉnh quỹ đạo trong thời gian thực.
- Điều Khiển Logic Mờ:
Điều khiển logic mờ sử dụng biến ngôn ngữ để đại diện cho hành vi của hệ
thống. Nó đặc biệt hữu ích khi xử lý thơng tin khơng chính xác hoặc khơng chắc chắn.

+ Ưu Điểm:
Linh hoạt và giúp xử lý thông tin khơng chính xác.
Dễ hiểu và áp dụng trong mơi trường khơng chắc chắn.
+ Nhược Điểm:
Khó đặt các quy tắc mờ phù hợp.
Khơng tối ưu trong mọi tình huống.
2.2 Cơ sở lý thuyết về cơ khí
Cơ cấu cơ khí của Mobile Robot cơ bản bao gồm:
Khung Robot: Định hình và kết cấu của khung xương cơ bản của robot, bao
gồm các bộ phận như bánh xe, khung, cánh tay, và các bộ phận khác.
Bánh xe và hệ thống làm chuyển động: Nghiên cứu về hệ thống bánh xe, trục,
và cơ cấu lái để đảm bảo chuyển động hiệu quả và ổn định của robot.
10

KHOA CƠ KHÍ CHẾ TẠO MÁY


Bảng 2.1: Bảng so sánh một số cơ cấu
Xe 3 bánh

Xe 4 bánh

2 bánh chủ động

2 bánh chủ động

phía sau và bánh

phía trước và bánh trước và 2 bánh chủ trước có hệ thống

tự lựa phía trước.

tự lựa phía sau.

* Ưu điểm:
- 3 bánh xe luôn

* Ưu điểm:
- 3 bánh xe luôn

đồng phẳng tiếp

đồng phẳng tiếp

xúc với mặt đất.

xúc với mặt đất.

- Kết cấu cơ khí

- Kết cấu cơ khí

đơn giản.

đơn giản.

- Qua cua dễ

- Xe dù có lực bên

dàng.

ngồi cũng khó bị
văng hơn là bánh

2 bánh tự lựa phía
động phía sau.

* Ưu điểm:
- Xe có kết cấu đơn
giản.
-Xe có 4 bánh nên
khi qua cua dù
mang tải nặng cũng
không bị lật như xe
3 bánh.

2 bánh tự lựa phía

treo.

* Ưu điểm:
-Xe bẻ lái dễ
dàng khi qua cua
và không bị lật dù
mang tải nặng.
- 4 bánh xe ln
đồng phẳng do có
hệ thống treo.

tự lựa phía trước.
-Qua cua dễ dàng.
* Nhược điểm:

*Nhược điểm:

- Bánh tự lựa

- Khi xe mang tải

phía trước nên chỉ

nặng nên khi qua

cần chịu một tác

cua xe dễ bị lật.

*Nhược điểm:
-Khó đảm bảo cho
4 bánh xe ln

* Nhược điểm:
- Thiết kế cơ khí
phức tạp khó chế
tạo.
11

KHOA CƠ KHÍ CHẾ TẠO MÁY

động nhỏ cũng có

đồng phẳng, đồng

thể làm cho xe

trục.

văng, lật.

- khó qua cua do

- Xe mang tải

đặc điểm của bánh

nặng nên khi qua

xe tự lựa.

- khó điều khiển

cua dễ bị lật.

2.3 Cơ sở lí thuyết về điện, điện tử
Trong phần này sẽ nêu ra một số thì thuyết cơ bản ban đầu cần tiến hành nghiên
cứu ban đầu. Từ đó có thêm phát triển thêm ví dụ như trí tuệ nhân tạo, học máy,…
để tích hợp vào bộ điều khiển cũng như các tính năng của robot sau này.
Đầu tiên để điều khiển mobile robot việc áp dụng lý thuyết về bộ điều khiển

PID để điều khiển cho động cơ để duy trì sự ổn định cho robot là điều cần thiết.
Phương pháp này kết hợp tỷ lệ, tích lũy, và đạo hàm để giúp điều khiển động cơ và
hướng di chuyển của robot một cách chính xác. Sự linh hoạt PID giúp robot đạt được
hiệu suất tốt trong việc duy trì bám theo quỹ đạo của vật cản. Ở đây là một số lý
thuyết cơ bản về bộ điều khiển PID. Bộ điều khiển PID (Proportional-IntegralDerivative) là một trong những phương pháp điều khiển phổ biến nhất trong lĩnh vực
điều khiển tự động. Nó được sử dụng rộng rãi trong các hệ thống điều khiển để đạt
được mục tiêu điều khiển như duy trì một giá trị đặt trước (setpoint) hoặc điều chỉnh
một quá trình đến một trạng thái mong muốn. Bộ điều khiển PID kết hợp ba thành
phần chính: tỷ lệ (proportional), tích phân (integral) và đạo hàm (derivative):

Hình 2.2: Sơ đồ khối bộ điều khiển PID
Thành phần tỷ lệ (Proportional - P): Thành phần tỷ lệ tạo ra tín hiệu điều khiển
tỷ lệ với sự sai lệch giữa giá trị đặt trước và giá trị đo được. Khi sự sai lệch càng lớn,
12

KHOA CƠ KHÍ CHẾ TẠO MÁY


tín hiệu điều khiển cũng càng lớn. Thành phần tỷ lệ giúp giảm thiểu độ lệch giữa giá
trị đặt trước và giá trị đo được, nhưng nó có thể gây ra dao động và không ổn định
nếu được sử dụng độc lập.
Thành phần tích phân (Integral - I): Thành phần tích phân tính tốn tổng lượng
lỗi tích phân theo thời gian. Nó giúp giảm thiểu độ lệch dài hạn và đảm bảo rằng giá
trị đặt trước và giá trị đo được sẽ càng gần nhau hơn. Thành phần tích phân có thể
giúp loại bỏ độ lệch tĩnh, nhưng nếu được sử dụng khơng đúng cách, nó có thể gây ra
hiện tượng overshoot (vượt quá mức đặt trước) và ổn định không tốt.
Thành phần đạo hàm (Derivative - D): Thành phần đạo hàm đo lường tốc độ
thay đổi của giá trị đo được và sử dụng nó để giảm thiểu tốc độ thay đổi q mức
trong q trình điều khiển. Nó giúp ổn định hệ thống và giảm thiểu hiện tượng
overshoot.

Gọi e là sai số của quá trình, được xác định:
e = SP – PV
Trong đó:
- SP: Giá trị đặt.
- PV: Giá trị tín hiệu đầu ra.
Nhiệm vụ của bộ điều khiển phản hồi là điểu chỉnh giá trị đầu vào theo giá trị
e đo được để giá trị đầu ra tiến tới giá trị đặt. Tuy nhiên nếu chỉ cộng thêm hoặc trừ
đi e vào giá trị điều khiển thì thời gian đáp ứng của hệ thống có thể sẽ nhanh hơn hoặc
chậm hơn thời gian đáp ứng mong muốn. Do đó cần đến khâu tỉ lệ P. Khâu tỉ lệ làm
thay đổi giá trị đầu ra, tỉ lệ với giá trị sai số hiện tại. Đáp ứng tỉ lệ có thể được điều
chỉnh bằng cách nhân sai số đó với một hằng số KP , được gọi là hệ số tỉ lệ. Khâu tỉ
lệ được cho bởi:
P = KP . e

Hình 2.3: Đồ thị tín hiệu ra theo thời gian, ba giá trị KP (KI và KD là hằng
số)
13

KHOA CƠ KHÍ CHẾ TẠO MÁY


Nếu hệ số tỉ lệ quá cao, hệ thống sẽ không ổn định. Nếu hệ số tỉ lệ quá thấp,
tác động điều khiển có thể sẽ quá bé khi đáp ứng với các nhiễu của hệ thống.
Khi sai số tồn tại trong một khoảng thời gian dài về một phía của giá trị đặt, ta
cần tăng tốc chuyển động của q trình tới điểm đặt. Nhờ có khâu tích phân ta có thể
giải quyết được vấn đề này. Khâu tích phân tỉ lệ thuận với cả biên độ sai số lẫn quãng
thời gian xảy ra sai số. Tổng sai số tức thời theo thời gian cho ta tích lũy bù đã được
hiệu chỉnh trước đó. Tích lũy sai số sau đó được nhân với độ lợi tích phân và cộng
với tín hiệu đầu ra của bộ điều khiển. Biên độ phân phối của khâu tích phân trên tất
cả tác động điều chỉnh được xác định bởi hệ số tích phân KI.

Thừa số tích phân được cho bởi:

Trong đó:
- KI: Hệ số tích phân.
- e (): Hàm sai lệch theo thời gian.
Tốc độ thay đổi của sai số qua trình được tính tốn bằng cách xác định độ dốc
của sai số theo thời gian (tức là đạo hàm bậc một theo thời gian) và nhân tốc độ này
với hệ số vi phân KD . Thừa số vi phân được cho bởi:

Trong đó:
- KD: Hệ số vi phân.
- e(t): Hàm sai lệch theo thời gian.
Khâu vi phân làm chậm tốc độ thay đổi của đầu ra bộ điều khiển và đặc tính
này là đang chú ý nhất để đạt tới điểm đặt của bộ điều khiển. Từ đó, điều khiển vi
phân được sử dụng để làm giảm biên độ vọt lố được tạo ra bởi thành phần tích phân
và tăng cường độ ổn định của bộ điều khiển hỗn hợp.
Khâu tỉ lệ, tích phân, vi phân được cộng lại với nhau để tính tốn đầu ra của
bộ điều khiển PID. Gọi u là tín hiệu điều khiển, ta có:

Tóm lại, bộ điều khiển PID là một phương pháp điều khiển tỷ lệ, tích phân và
đạo hàm được sử dụng trong các hệ thống điều khiển tự động. Bằng cách kết hợp các
thành phần này, nó giúp điều chỉnh và duy trì hiệu suất của hệ thống điều khiển trong
các ứng dụng thực tế.
14

KHOA CƠ KHÍ CHẾ TẠO MÁY