Bao cao tot nghiệp robot dò line phân loại hàng hóa theo màu sắc
Bạn đang xem bản rút gọn của tài liệu. Xem và tải ngay bản đầy đủ của tài liệu tại đây (3.96 MB, 133 trang )
TRƯỜNG ĐẠI HỌC PHẠM VĂN ĐỒNG
KHOA KỸ THUẬT CÔNG NGHỆ
ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP
Đề tài:
THIẾT KẾ, CHẾ TẠO ĐIỀU KHIỂN ROBOT
PHÂN PHỐI HÀNG HÓA THEO MÀU SẮC
Sinh viên thực hiện:
PHẠM MINH THẾ
Lớp ĐCDL21
ĐÀO NHƯ Ý
Lớp ĐCDL21
Giảng viên hướng dẫn:
TS. PHẠM VĂN ANH
Quảng Ngãi, 07-2023
TRƯỜNG ĐẠI HỌC PHẠM VĂN ĐỒNG
KHOA KỸ THUẬT CÔNG NGHỆ
ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP
Đề tài:
THIẾT KẾ, CHẾ TẠO ĐIỀU KHIỂN ROBOT
PHÂN PHỐI HÀNG HÓA THEO MÀU SẮC
Sinh viên thực hiện:
PHẠM MINH THẾ
Lớp ĐCDL21
ĐÀO NHƯ Ý
Lớp ĐCDL21
Giảng viên hướng dẫn:
TS. PHẠM VĂN ANH
Giảng viên duyệt:
Th.s TRẦN THANH TÙNG
Quảng Ngãi, 07-2023
ĐÀO NHƯ Ý07-2023
THIẾT KẾ, CHẾ TẠO ĐIỀU KHIỂN ROBOT PHÂN PHỐI HÀNG HĨA THEO MÀU SẮC
PHẠM MINH THẾ
Bìa gáy:
NHẬN XÉT TÓM TẮT CỦA GIẢNG VIÊN HƯỚNG DẪN
1. Tinh thần thái độ, sự cố gắng của sinh viên trong quá trình làm đồ án:
.........................................................................................................................................
.........................................................................................................................................
.........................................................................................................................................
.........................................................................................................................................
.........................................................................................................................................
2. Đánh giá chất lượng đồ án tốt nghiệp (so với nội dung yêu cầu đã đề ra trên các
mặt: lý luận, thực tiễn, chất lượng thuyết minh và các bản vẽ):
.........................................................................................................................................
.........................................................................................................................................
.........................................................................................................................................
.........................................................................................................................................
.........................................................................................................................................
3. Chấm điểm của giảng viên hướng dẫn:
Quảng Ngãi, ngày
tháng
năm 2023
Giảng viên hướng dẫn
TS. PHẠM VĂN ANH
NHẬN XÉT TÓM TẮT CỦA GIẢNG VIÊN DUYỆT
1. Tinh thần thái độ, sự cố gắng của sinh viên trong quá trình làm đồ án:
.........................................................................................................................................
.........................................................................................................................................
.........................................................................................................................................
.........................................................................................................................................
.........................................................................................................................................
2. Đánh giá chất lượng đồ án tốt nghiệp (so với nội dung yêu cầu đã đề ra trên các
mặt: lý luận, thực tiễn, chất lượng thuyết minh và các bản vẽ):
.........................................................................................................................................
.........................................................................................................................................
.........................................................................................................................................
.........................................................................................................................................
.........................................................................................................................................
3. Chấm điểm của giảng viên duyệt:
Quảng Ngãi, ngày
tháng
năm 2023
Giảng viên duyệt
Th.s TRẦN THANH TÙNG
MỤC LỤC
LỜI CẢM ƠN......................................................................................................1
CHƯƠNG I. TỔNG QUAN................................................................................2
1. Tổng quan về Mobile Robot..........................................................................2
2. Xác định mục tiêu thiết kế.............................................................................2
2.1. Yêu cầu đặt ra..........................................................................................2
2.2. Tình hình nghiên cứu...............................................................................3
3. Các phương án thiết kế..................................................................................8
3.1. Kết cấu cơ khí..........................................................................................8
3.2. Kết cấu điện...........................................................................................13
3.3. Cấu trúc điều khiển................................................................................23
4. Biểu đồ Gantt phân công nhiệm vụ các thành viên......................................28
CHƯƠNG 2: LỰA CHỌN PHƯƠNG ÁN......................................................31
1. Phương án cơ khí.........................................................................................31
1.1. Lựa chọn kết cấu....................................................................................31
1.2. Lựa chọn bánh xe..................................................................................31
2. Phương án điện............................................................................................33
2.1. Lựa chọn động cơ..................................................................................33
2.2. Lựa chọn cảm biến dò line.....................................................................33
2.3. Lựa chọn cảm biến màu sắc...................................................................33
3. Lựa chọn phương án điều khiển và giải thuật điều khiển.............................34
4. Lựa chọn vật liệu làm khung........................................................................35
CHƯƠNG 3. TÍNH TỐN THIẾT KẾ CƠ KHÍ...........................................37
iv
1. Lựa chọn cơ khí...........................................................................................37
1.1. Bánh xe chủ động..................................................................................37
1.2. Bánh xe bị động.....................................................................................38
2. Tính tốn kích thước và chọn động cơ.........................................................39
3. Tính tốn độ ổn định khi vào cua.................................................................43
4. Dung sai.......................................................................................................44
4.1. Xác định dung sai mặt đế.......................................................................44
4.2. Kiểm nghiệm bền...................................................................................48
4.3. Mơ hình xe 3D.......................................................................................50
CHƯƠNG 4: THIẾT KẾ HỆ THỐNG ĐIỆN.................................................51
1. Sơ đồ khối mạch điện...................................................................................51
2. Thiết kế hệ thống cảm biến dị line..............................................................51
2.1. Khả năng nhận diện line........................................................................51
2.2. Tính tốn hệ thống.................................................................................55
3. Mạch nguồn ổn áp........................................................................................73
3.1. Mạch giảm áp DC-DC Buck XL4015...................................................73
3.2. DC-DC Buck Boost Conveter FP5139 60W..........................................76
4. Driver...........................................................................................................77
5. Cảm biến màu sắc........................................................................................79
6. Mạch kết hợp chung.....................................................................................82
Chương 5: CẤU TRÚC ĐIỀU KHIỂN............................................................85
1. Tổng quan cấu trúc điều khiển.....................................................................85
1.1. Điều khiển tập trung..............................................................................85
v
1.2. Điều khiển phân cấp..............................................................................85
2. Tổng quan bộ điều khiển..............................................................................86
2.1. Điều khiển ON-OFF..............................................................................86
2.2. Điều khiển mờ.......................................................................................86
2.3. Điều khiển PID......................................................................................87
2.4. Bộ điều khiển Following Tracking........................................................88
3. Lựa chọn phương án....................................................................................88
3.1. Lựa chọn phương án điều khiển............................................................88
3.2. Lựa chọn giải thuật điều khiển...............................................................89
4. Thiết kế bộ điều khiển..................................................................................90
4.1. Mơ hình hóa động học xe dò line...........................................................90
4.2. Thiết kế bộ điều khiển bám line cho robot.............................................91
4.3. Mơ hình hóa driver – động cơ:..............................................................94
4.4. Xây dựng hàm truyền............................................................................96
4.5. Kết quả mô phỏng chuyển động của xe.................................................97
4.6. Thiết kế bộ điều khiển PID cho động cơ..............................................100
4.7. Lưu đồ giải thuật cho xe bám line........................................................102
CHƯƠNG 6: KẾT QUẢ THỰC NGHIỆM..................................................104
TÀI LIỆU THAM KHẢO..............................................................................108
vi
DANH MỤC HÌNH ẢNH
Hình 1. Sơ đồ sa bàn cho robot phân phối hàng hóa theo khối lượng...................3
Hình 2. Mơ hình IT-AGV-F trong nhà máy và sơ đồ ngun lí............................4
Hình 3.Mơ hình IT-AGV-R trong nhà máy và sơ đồ ngun lí.............................6
Hình 4. Sơ đồ ngun lí xe ba bánh có hai bánh chủ động độc lập ở phía sau và
một bánh tự lựa ở phía trước.................................................................................8
Hình 5. Sơ đồ ngun lí xe ba bánh có hai bánh chủ động độc lập ở phía tước và
một bánh tự lựa ở phía sau....................................................................................9
Hình 6. Sơ đồ ngun lí xe có hai bánh chủ động độc lập ở giữa và hai bánh bánh
tự lựa ở phía trước và sau....................................................................................10
Hình 7. Bánh Castor............................................................................................12
Hình 8. Bánh mắt trâu.........................................................................................13
Hình 9. Cảm biến camera....................................................................................13
Hình 10. Cảm biến quang hồng ngoại.................................................................14
Hình 11. Cảm biến Photoresistor.........................................................................15
Hình 12. Cảm biến Phototransistor......................................................................15
Hình 13. Cảm biến tương phản...........................................................................16
Hình 14. Cảm biến màu sắc.................................................................................17
Hình 15. Cảm biến huỳnh quang.........................................................................18
Hình 16. Tín hiệu đọc về Digital.........................................................................19
Hình 17. Thuật tốn xấp xỉ đọc tín hiệu analog, a) Xấp xỉ bậc hai, b) Xấp xỉ theo
trọng số................................................................................................................19
Hình 18. Động cơ Servo......................................................................................20
Hình 19. Động cơ DC giảm tốc...........................................................................22
Hình 20. Động cơ DC khơng chổi than...............................................................22
Hình 21. Động cơ bước.......................................................................................23
Hình 22. Sơ đồ khối phương pháp điều khiển tập trung......................................24
Hình 23. Sơ đồ khối phương pháp điều khiển phân cấp......................................25
Hình 24. Sơ đồ ngun lí của Robot đã chọn......................................................31
Hình 25. Bánh xe 85mm.....................................................................................32
Hình 26. Bánh mắt trâu.......................................................................................32
Hình 27. Sơ đồ ngun lí TCS3200....................................................................34
Hình 28. Bánh xe V2 85mm khớp lục giác 12mm..............................................37
Hình 29. Bánh đa hướng mắt trâu đa hướng kim loại lớn...................................38
Hình 30. Thơng số kỹ thuật của bánh mắt trâu....................................................38
Hình 31. Sơ đồ phân tích lực của xe dựa theo sơ đồ ngun lí đã chọn..............39
Hình 32. JGB37-520 DC Geared Motor..............................................................42
Hình 33. Phân tích động lực học khi xe đang vào đường cong...........................43
Hình 34. Chuỗi kích thước của base trên.............................................................45
Hình 35. Chuỗi kích thước của base dưới...........................................................47
Hình 36. Chuyển vị base dưới.............................................................................48
Hình 37. Chuyển vị base trên..............................................................................49
Hình 38. Mơ hình xe Robot 3D...........................................................................50
Hình 39. Sơ đồ khối mạch điện...........................................................................51
Hình 40. Cấu hình chân TCRT5000....................................................................52
Hình 41. Cảm biến TCRT5000...........................................................................53
Hình 42. Sơ đồ mắc điện trở trong TCRT5000...................................................54
Hình 43. Sơ đồ quan hệ giữa tỉ lệ truyền và dịng điện tức thời..........................54
Hình 44. Đồ thị quan hệ giữa 𝐼𝑐, 𝐼𝐹 và 𝑉𝐶𝐸............................................................................... 55
Hình 45. Thơng số đầu vào của cảm biến............................................................56
Hình 46. Đồ thị giá trị chiều cao đặt cảm biến thu được từ thực nghiệm 100 Ohm
và 4k7 Ohm.........................................................................................................57
Hình 47. Đồ thị giá trị chiều cao đặt cảm biến thu được từ thực nghiệm với cặp
điện trở 220 Ohm và 10k Ohm............................................................................59
Hình 48. Giá trị chiều cao đặt cảm biến thu được với cặp điện trở 220 Ohm và
10k Ohm..............................................................................................................60
Hình 49. Vùng nhận diện của cảm biến...............................................................61
Hình 50. Vùng giao thoa của cảm biến...............................................................61
Hình 51. Bố trí line cảm biến thường gặp...........................................................62
Hình 52. Line cảm biến 2 dãy gồm trước và sau.................................................62
Hình 53. Khoảng cách giữa 2 Collector..............................................................63
Hình 54. Góc nghiêng tối đa dãy cảm biến.........................................................64
Hình 55. Sai số tính tốn góc cua........................................................................65
Hình 56. Tọa độ cảm biến so với đường line.......................................................67
Hình 57. Sơ đồ nguyên lý....................................................................................68
Hình 58. Mạch PCB thiết kế...............................................................................68
Hình 59. Mạch PCB 3D......................................................................................68
Hình 60. Pin Li-po...............................................................................................69
Hình 61. Pin Li-on...............................................................................................70
Hình 62. Mạch giảm áp DC-DC Buck XL4015 5A.............................................73
Hình 63. Sơ đồ nguyên lý....................................................................................74
Hình 64. Tín hiệu điệp áp đầu vào và đầu ra khi dùng tụ lọc..............................75
Hình 65. 2.3.2. DC-DC Buck Boost Conveter FP5139 60W...............................76
Hình 66. Cảm biến màu sắc TCS3200................................................................79
Hình 67. Cảm biến màu sắc TCS34725..............................................................81
Hình 68. Thiết kế Schematic mạch tổng..............................................................83
Hình 69. Thiết kế PCB mạch tổng.......................................................................84
Hình 70. Mơ phỏng 3D PCB mạch tổng.............................................................84
Hình 71. Luật điều khiển mờ...............................................................................87
Hình 72. Luật điều khiển PID.............................................................................88
Hình 73. Phương án điều khiển tập trung............................................................89
Hình 74. Sử dụng kết hợp bộ điều khiển Following Tracking và PID.................89
Hình 75. Mơ hình hóa động học..........................................................................90
Hình 76. Xác định thơng số e3............................................................................92
Hình 77. Đồ thị mối liên hệ PWM (%) và RPM..................................................95
Hình 78. Đáp ứng động cơ 1...............................................................................97
Hình 79. Đáp ứng động cơ 2...............................................................................97
Hình 80. Quỹ đạo bám line khi tải hàng màu đỏ của xe với vận tốc 0,4 m/s.......98
Hình 81. Tốc độ đáp ứng của 2 bánh xe..............................................................99
Hình 82. Sai số bám line 𝑒2................................................................................. 99
Hình 83. Hiển thị các thông số mô phỏng trên giao diện GUIDE Matlab...........99
Hình 84. Bộ điều khiển PID cho động cơ..........................................................100
Hình 85. Thơng số điều khiển PID động cơ 1...................................................101
Hình 86. Thông số điều khiển PID động cơ 2...................................................101
Hình 87. Lưu đồ giải thuật chương trình chính.................................................102
Hình 88. Lưu đồ giải thuật chương trình điều khiển động cơ............................103
Hình 89. Mơ hình Robot làm thực nghiệm........................................................104
Hình 90. Robot dừng tại vị trí chỉ định để đặt khối hàng..................................105
Hình 91. Robot bám line tương ứng với khối hàng màu xanh...........................106
Hình 92. Robot bám line tương ứng với khối hàng màu xanh...........................107
DANH MỤC BẢNG BIỂU
Bảng 1. Thông số kĩ thuật của IT-AGV-F.............................................................5
Bảng 2. Thông số kĩ thuật của IT-AGV-R............................................................8
Bảng 3. So sánh giữa hai phương pháp điều khiển tập trung và phân cấp...........26
Bảng 4. Bảng thông số đầu vào của Robot..........................................................28
Bảng 5. Phân công nhiệm vụ thực hiện các thành viên.......................................30
Bảng 6. Các chân nối của TCS3200....................................................................34
Bảng 7. Phương pháp điều khiển tập trung..........................................................35
Bảng 8. So sánh ưu, nhược điểm các loại vật liệu có thể dùng làm khung xe.....36
Bảng 9. Thông số bánh xe V2.............................................................................38
Bảng 10. Thông số động lực học đầu vào của xe................................................41
Bảng 11. Thơng số tính tốn được.......................................................................41
Bảng 12. Thông số động cơ JGB37-520 DC Geared Motor 12V........................43
Bảng 13. Giá trị chiều cao đặt cảm biến thu được với cặp điện trở 100 Ohm và
4k7 Ohm..............................................................................................................58
Bảng 14. Giá trị trả về của mỗi cảm biến............................................................66
Bảng 15. So sánh ưu, nhược điểm của pin Li-po và pin Lion..............................71
Bảng 16. Mức tiêu thụ năng lượng của các thiết b điện.......................................72
Bảng 17. Các thông số đầu vào của LM298, TB6612.........................................79
Bảng 18. Các nối chân của TCS3200..................................................................80
Bảng 19. Giá trị số vịng quay của động cơ theo xung PWM..............................95
Bảng 20. Thơng số mô phỏng đầu vào của Robot...............................................98
ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP
Trang 1
LỜI CẢM ƠN
Bên dưới là quá trình nghiên cứu đề tài của nhóm em trong Đồ án tốt nghiệp
chuyên ngành Cơ điện tử trong khóa học. Đầu tiên, nhóm xin gửi lời cám ơn chân
thành đến thầy Phạm Văn Anh đã trực tiếp hướng dẫn, gợi ý phương án, cách giải
quyết, khắc phục những khó khăn trong suốt quá trình thực hiện đồ án. Cảm ơn thầy
đã dành thời gian và hướng dẫn tận tình cho tụi em trong thời gian qua. Sau khi thực
hiện xong đồ án, chúng em cũng biết được thêm nhiều kiến thức cũng như củng cố lại
phần kiến thức đã được học giúp chúng em có cái nhìn rộng hơn, sâu hơn hơn về khối
ngành Cơ điện tử, nó cũng là hành trang cốt lõi để trang bị cho chúng em sau khi ra
trường. Mặc dù đã hoàn thành đồ án nhưng chúng em biết tất nhiên cịn thiếu sót và
lỗi sai trong bài làm, kính mong q thầy/cơ tận tình góp ý, chỉ bảo để chúng em hồn
thiện hơn. Nhóm em xin chân thành cảm ơn!
SVTH: Phạm Minh Thế
Đào Như Ý
Lớp: DCDL21
ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP
Trang 2
CHƯƠNG I. TỔNG QUAN
1. Tổng quan về Mobile Robot
Ngày nay, robot là một lĩnh vực phát triển nhanh chóng. Nhờ cơng nghệ phát
triển liên tục, robot đã được chế tạo để phục vụ cho nhiều mục đích khác nhau, robot
dưới nước, robot cơng nghiệp, robot qn sự,… Nhiều robot đã thay con người làm
các công việc độc hại và nặng nhọc như thăm dò mỏ quặng, vận chuyển hàng hóa, mơi
trường có độ ơ nhiễm cao,…
Một trong những loại robot phổ biến hiện nay đó là robot đi theo đường line.
Robot có thể đi theo một quỹ đạo do chúng ta đưa ra nhằm các mục đích khác nhau, ví
dụ: giám sát nhà xưởng, đua tốc độ trong các cuộc thi hoặc dùng để phân phối hàng
hóa (theo khối lượng, màu sắc, chiều cao,…) và vận chuyển đến vị trí mong muốn.
Đề tài này được thực hiện để thiết kế, điều khiển Robot đi theo line và phân phối
hàng hóa theo màu sắc. Robot có khả năng phân biệt được màu sắc của khối hàng đặt
lên trên nó bằng cảm biến, và di chuyển theo đúng đường line cho sẵn với sai số nhỏ
nhất để đi đến điểm kết thúc tương ứng với khối hàng mà nó đang vận chuyển.
2. Xác định mục tiêu thiết kế
2.1. Yêu cầu đặt ra
Thiết kế một Robot phục vụ việc tải hàng và phân phối hàng hóa theo màu sắc.
Robot di chuyển trên sa bàn mơ tả trong Hình 1. Tốc độ di chuyển thấp nhất là 0,1 (m/
s), mang theo khối hàng 2 (kg)
ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP
Trang 3
3000
500
500
1500
Kết thúc
(Đỏ)
R800
1500
R800
R500
Kết thúc
(Xanh)
300
Bắt đầu
2000
Khu vực tải hàng
Hình 1. Sơ đồ sa bàn cho robot phân phối hàng hóa theo khối lượng
Robot được thiết kế di chuyển bám line trên sa bàn với các đặc tính được mơ
tả như sau:
Nền sa bàn có màu trắng.
Đường dẫn có màu đen.
Bề rộng đường dẫn: 26 (mm).
Di chuyển trong mặt phẳng.
Sai số bám đường dẫn (tính từ mép trái hoặc mép phải của đường line): ±
3 (mm).
Sai số vị trí dừng cuối đường dẫn là ± 5 (mm).
2.2. Tình hình nghiên cứu
2.2.1. Robot nâng hàng di chuyển IT-AGV-F
ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP
Hình 2. Mơ hình IT-AGV-F trong nhà máy và sơ đồ ngun lí
Là một dịng AGV di chuyển với tốc độ cao rất ổn định mượt mà. Xe tự hành
robot IT-AGV-F dùng công nghệ định vị & di chuyển ma trận điểm. Các vị trí khơng
gian di chuyển được định vị bằng các ma trận QR code or RFID. AGV tích hợp đầu
đọc, để xác định vị trí và cách thức di chuyển đến vị trí mong muốn.
Vận chuyển bằng cách chui vào gầm giá hàng, nâng cả giá khỏi mặt đất và mang
đến vị trí mong muốn. Xe thiết kế nhỏ gọn nên có thể xoay dưới gàn giá, rất ưu việt
khi cần chuyển hướng mà hướng của hàng hóa khơng thay đổi.
Ứng dụng
Thường dùng vận chuyển và sắp xếp hàng hóa trong kho.
Dùng trong các kho hàng thương mại điện tử rất hiệu quả.
Ưu điểm
Di chuyển với mật độ và tính tự động hóa cao.
Tính ổn định & chính xác di chuyển cao
Mọi di chuyển, tương tác của các AGV đều được điều tiết tối ưu hóa
bằng hệ thống điều khiển trung tâm.
Nhược điểm
Trang 4
ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP
Trang 5
Giá thành tương đối cao
Không phù hợp với tải trọng cao
Mặt bằng di chuyển phải đồng đều và sạch sẽ
Khơng có những yếu tố xung đột vào không gian di chuyển, như con
người, dị vật.
Cần kiểm tra hệ thống ma trận điểm thường xuyên
Các hệ thống giá kệ phải đồng nhất
Thơng số kĩ thuật
Mã sản phẩm
Kích thước
IT-AGV-F
800x600x300 (mm)
Cơng nghệ dị đường
QR/RFID
Tốc độ
45m/phút
Tải trọng max
200kg
Sai số di chuyển
10mm
Sai số dừng
10mm
Nguồn
48V/24V
Hỗ trợ kết nối control system
Có
Đầu bọc barcode/RFID
Có
Di chuyển hai đầu
Có
Bảng 1. Thông số kĩ thuật của IT-AGV-F
ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP
2.2.2. Robot vận chuyển tích hợp băng tải con lăn IT-AGV-R
Hình 3.Mơ hình IT-AGV-R trong nhà máy và sơ đồ nguyên lí
Đây là mẫu xe AGV thứ 2 được Intech-group nghiên cứu và triển khai trong
những năm gần đây dùng để cải tiến cho phiê với chức năng chính là vận chuyển các
hàng hóa nặng lên tới 1000kg. Robot IT-AGV-R được thiết kế băng tải con lăn nên
với các hệ thống nhà máy thông minh hoặc kết nối trực tiếp với các dây chuyền sản
xuất tự động để thực hiện chức năng vận hóa. Đây là chiếc xe AGV thế hệ mới sử
dụng ông nghệ điều hướng bằng Lidar nên còn thể gọi tên là Robot AMR
Ứng dụng
Dùng để thay thế con người trong việc vận chuyển hàng hóa trong
xưởng sản xuất và trong nhà kho.
Giúp kết nối các hệ thống tự động độc lập với nhau mà không cần sự
can thiệp của con người.
Ưu điểm
Trang 6
