Nghiên cứu công cụ ros điều khiển cho robot tự hành phục vụ trong nhà máy công nghiệp

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI

LUẬN VĂN THẠC SĨ

NGHIÊN CỨU CÔNG CỤ ROS ĐIỀU
KHIỂN CHO ROBOT TỰ HÀNH PHỤC
VỤ TRONG NHÀ MÁY CÔNG NGHIỆP
NGUYỄN VĂN HIỂU


Ngành Kỹ Thuật Cơ Điện Tử

Giảng viên hướng dẫn:

TS. Nguyễn Thị Ngọc Huyền

Viện:

Cơ Khí

Chữ ký của GVHD

HÀ NỘI, 03/2021


TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI

LUẬN VĂN THẠC SĨ

NGHIÊN CỨU CÔNG CỤ ROS ĐIỀU
KHIỂN CHO ROBOT TỰ HÀNH PHỤC

VỤ TRONG NHÀ MÁY CÔNG NGHIỆP
NGUYỄN VĂN HIỂU


Ngành Kỹ Thuật Cơ Điện Tử

Giảng viên hướng dẫn:

TS. Nguyễn Thị Ngọc Huyền

Viện:

Cơ Khí

Chữ ký của GVHD

HÀ NỘI, 04/2021


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

BẢN XÁC NHẬN CHỈNH SỬA LUẬN VĂN THẠC SĨ
Họ và tên tác giả luận văn : Nguyễn Văn Hiểu
Đề tài luận văn: Nghiên cứu công cụ ROS điều khiển cho rô bốt tự hành phục vụ
trong nhà máy công nghiệp
Chuyên ngành: Kỹ thuật Cơ Điện Tử
Mã số học viên: CB190045
Tác giả, Người hướng dẫn khoa học và Hội đồng chấm luận văn xác nhận tác giả
đã sửa chữa, bổ sung luận văn theo biên bản họp Hội đồng

ngày….........................………… với các nội dung sau:
- Nên bổ sung mở đầu: tính cấp thiết, phạm vị và đối tượng nghiên cứu và tóm tắt
nội dung luận văn.
- Nên bổ sung trang từ và cụm từ viết tắt, đặt biệt trong đó cụm ROS.
- Chương 2:
+Cần có phân tích rõ và có cơ sở hơn khi chọn bộ điều khiển, lựa chọn cảm biến
dị đường, từ đó đưa ra bài toán tránh vật cản của robot.
+Cần chỉ rõ tài liệu tham khảo khi tính chọn động cơ ở mục 2, 3,4.
- Hướng phát triển của đề tài cần trình bày rõ hơn (chưa rõ câu đầu tiên của mục
này)
- Phụ lục “Chương trình trên Arduino” dùng cho việc gì cần chỉ rõ trong luận
văn.
- Trang lời cảm ơn, nếu có nên để sau cùng luận văn.
- Cần trích dẫn đủ tài liệu tham khảo và bổ sung hầu hết một số chỉ dẫn dùng
hình và bảng
Ngày
Giáo viên hướng dẫn

tháng

năm

Tác giả luận văn

CHỦ TỊCH HỘI ĐỒNG


ĐỀ TÀI LUẬN VĂN
Nghiên cứu công cụ ROS điều khiển cho robot tự hành phục vụ trong nhà máy
công nghiệp

Lời cảm ơn
Trong suốt thời gian thực hiện đề tài này, em đã nhận được rất nhiều sự quan tâm,
giúp đỡ của q thầy cơ, gia đình và bạn bè. Em xin gửi lời cảm ơn sâu sắc nhất
đến thầy cô Bộ môn Máy và Ma sát học – Viện Cơ Khí – Trường Đại Học Bách
Khoa Hà Nội. Đặc biệt hơn hết là sự quan tâm tận tình của TS Nguyễn Thị Ngọc
Huyền, người đã trực tiếp hướng dẫn em trong thời gian làm luận văn.
Em xin chân thành cảm ơn!
Tóm tắt nội dung luận văn
Trong luận văn này, việc nghiên cứu công cụ ROS điều khiển cho robot tự hành
phục vụ trong nhà máy công nghiệp được chia làm 3 chương:
Chương 1: Tổng quan về robot tự hành trong cơng nghiệp
Trong chương này, luận văn thể hiện tình hình thực tiễn của robot tự hành trong
thực tế sản xuất. Để tăng tính hiệu quả sử dụng robot, cần nâng cao khả năng giám
sát điều khiển bằng công cụ mới, điển hình là ROS. Việc ứng dụng cơng cụ mới
này cần thực nghiệm nên em đã tiến hành xây dựng một mơ hình robot.
Chương 2: Thiết kế hệ thống điều khiển cho xe tự hành
Trong chương này, nội dung tập trung xây dựng phương pháp thiết kế tích hợp hệ
thống thực nghiệm robot tự hành và kết quả của luận văn. Chương 2 gồm các nội
dung cơ bản như sau:
-Tính tốn thiết kế hệ thống cơ khí, truyền động của robot
-Thiết kế hệ thống điều khiển cho robot
-Tích hợp ứng dụng ROS vào điều khiển robot
Chương 3: Xây dựng mơ hình và kết quả mơ phỏng
Kết quả thiết kế và dữ liệu mơ phỏng. Một mơ hình mơ phỏng đã được xây dựng
và rút ra những kết luận.

Học viên
Ký và ghi rõ họ tên

MỤC LỤC

CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN VỀ ROBOT TỰ HÀNH TRONG CÔNG
NGHIỆP ................................................................................................................ 1
1.1

Định nghĩa AGV. ....................................................................................... 1

1.2

Lịch sử phát triển của AGV. ...................................................................... 1

1.3

Tổng quan................................................................................................... 1

1.4

1.3.1

Phương tiện ................................................................................. 1

1.3.2

Hệ thống ...................................................................................... 4

Các nghiên cứu được công bố: ................................................................... 6

CHƯƠNG 2. THIẾT KẾ HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN CHO ROBOT TỰ
HÀNH .................................................................................................................. 16
2.1
Phân tích yêu cầu xe tự hành dùng nhà máy cơng nghiệp và lựa chọn loại
mơ hình xe tự hành ............................................................................................... 16

2.2

2.3

2.4

2.1.1

Phân tích u cầu trong nhà máy cơng nghiệp. ........................ 16

2.1.2

Lựa chọn loại mơ hình .............................................................. 17

Phương án thiết kế cơ khí......................................................................... 18
2.2.1

Lựa chọn cơ cấu lái ................................................................... 18

2.2.2

Lựa chọn bộ truyền ................................................................... 20

Phương án thiết kế điều khiển .................................................................. 24

2.3.1

Lựa chọn bộ điều khiển ............................................................. 25

2.3.2

Bài toán tránh vật cản ............................................................... 26

2.3.3

Tính chọn động cơ. ................................................................... 27

2.3.4

Lựa chọn Drive điều khiển động cơ.......................................... 29

2.3.5

Phương pháp điều chế độ rộng xung (PWM) ........................... 30

2.3.6
robot.

Ứng dụng giải thuật PID kết hợp với phương pháp PWM trên
31

2.3.7

Bài tốn đọc vị trí trạm. ............................................................ 33

2.3.8

Bài toán truyền nhận dữ liệu ..................................................... 34

Tổng quan về hệ điều hành Robot (ROS) ................................................ 34
2.4.1

ROS File system........................................................................ 35

2.4.2

ROS Computation Graph .......................................................... 36

2.4.3

Ứng dụng công cụ ROS cho xe tự hành(Tránh vật cản). .......... 38


CHƯƠNG 3. XÂY DỰNG MƠ HÌNH VÀ KẾT QUẢ MƠ PHỎNG ........... 44
3.1

3.2

Phương pháp thực nghiệm ....................................................................... 44
3.1.1

Yêu cầu thực tế tại nhà máy. ..................................................... 44

3.1.2

Sơ đồ mô phỏng áp dụng : ........................................................ 44

Kết quả ..................................................................................................... 48

TÀI LIỆU THAM KHẢO.................................................................................... 52


DANH MỤC HÌNH VẼ
Hình 1.1 AGV kéo hàng trong nhà máy[1] ............................................................ 2
Hình 1.2 Xe chở AGV dùng hệ thống băng chuyền[1] ......................................... 2
Hình 1.3 AGV dạng đẩy trong nhà máy sản xuất cơ khí[1] .................................. 3
Hình 1.4 AGV dạng xe nâng[1] ............................................................................. 3
Hình 1.5 Phân vùng an tồn cho AGV[2] .............................................................. 4
Hình 1.6 Hệ thống an tồn giữa thiết bị và AGV[2] .............................................. 5
Hình 1.7 Hệ thống kho hàng của Kiva ................................................................... 5
Hình 1.8 Sơ đồ tháp hoạt động của AGV[2] .......................................................... 6
Hình 1.9 Mơ hình 3D của AGV[3] ........................................................................ 7
Hình 1.10 Sơ đồ ngun lí hoạt động của AGV[3] ............................................... 7
Hình 1.11 Màn hình điều khiển AGV[3] ............................................................... 8
Hình 1.12 Sơ đồ mơ phỏng của AGV[3] ............................................................... 8
Hình 1.13 Sơ đồ khối phần cứng của AGV[4] ....................................................... 9
Hình 1.14 Sơ đồ khối phần mềm của AGV[4]..................................................... 10
Hình 1.15 Thiết kế 3D[5] ..................................................................................... 10
Hình 1.16 Kết quả kiểm tra vị trí[4]..................................................................... 10
Hình 1.17 Kiểm tra vật cản[4] ............................................................................. 11
Hình 1.18 Kiểm tra bám đường[4] ....................................................................... 11
Hình 1.19 Kiểm tra gắp đặt hàng[4] .................................................................... 11
Hình 1.20 Hình ảnh thực tế của robot tự hành[5] ................................................ 12
Hình 1.21 Sơ đồ kết nối các thành phần hệ thống[5] ........................................... 13
Hình 1.22 Vị trí các thiết bị trên khung robot[5] ................................................. 13

Hình 1.23 Sơ đồ khối hệ thống phần mềm điều khiển[5] .................................... 14
Hình 1.24 Hình ảnh thực tế và bản đồ 2D[5] ....................................................... 14
Hình 2.1 Layout nhà máy ..................................................................................... 17
Hình 2.2 Xe AGV dạng xe chở ............................................................................ 18
Hình 2.3 Robot Pioneer 3DX[6] .......................................................................... 18
Hình 2.4 Robot Athena sử dụng cơ cấu lái xe 3 bánh[7] ..................................... 19
Hình 2.5 DEWBOT XIII sử dụng cơ cấu lái đồng bộ 4 bánh[8] ......................... 19
Hình 2.6 Bộ truyền đai[9] .................................................................................... 20
Hình 2.7 Bộ truyền đai răng[9] ............................................................................ 21
Hình 2.8 Bộ truyền xích[9] .................................................................................. 21
Hình 2.9 Bộ truyền bánh răng[9] ......................................................................... 22
Hình 2.10 Sơ đồ nguyên lý mơ hình xe tự hành. ................................................. 23
Hình 2.11 Xe đi vào đường rẽ .............................................................................. 24
Hình 2.12 Xe quay tại chỗ.................................................................................... 24


Hình 2.13 Sơ đồ khối điều khiển chung của hệ thống ......................................... 24
Hình 2.14 Arduino Mega 2560[10] ..................................................................... 25
Hình 2.15 Cảm biến siêu âm HC-SR05[11] ........................................................ 26
Hình 2.16 Bánh xe dẫn động................................................................................ 27
Hình 2.17 Sơ đồ phân tích lực ............................................................................. 27
Hình 2.18 Động cơ 57BL03A DC servo có giảm tốc[12] ................................... 29
Hình 2.19 Mạch cơng suất động cơ DC Hbr-M cơng suất 200(W)[13]. ............. 30
Hình 2.20 Giản đồ thời gian của xung PWM ...................................................... 30
Hình 2.21 Sơ đồ khối giải thuật PID của Robot .................................................. 31
Hình 2.22 Lưu đồ thuật tốn hiệu chỉnh thơng số PID ........................................ 33
Hình 2.23 Modul đọc thẻ RC522[14] .................................................................. 33
Hình 2.24 Mơ hình xe thiết kế trên Solidwork 1- Cảm biến tiệm cận, 2- Cảm biến
siêu âm, 3-Mạch điều khiển Arduino ................................................................... 34
Hình 2.25 Mơ tả cơ chế quản lý thông số kỹ thuật trên Master.[15] ................... 36

Hình 2.26 Mơ hình giao tiếp cơ bản trong ROS.[15] .......................................... 37
Hình 2.27 ROS Repository và repository trong tồn tài ngun ROS.[15]......... 38
Hình 2.28 Computation Graph của Navigation Stack.[15] .................................. 38
Hình 2.29 5 Costmap function[21] ...................................................................... 40
Hình 2.30 Recovery Behavior của move_base[17] ............................................. 42
Hình 2.31 Chạy quét Map[16] ............................................................................. 42
Hình 2.32 Kết quả qt map của mơ hình nhà xưởng. ........................................ 43
Hình 3.1 Sơ đồ xưởng sản xuất ............................................................................ 44
Hình 3.2 Sơ đồ khối mơ phỏng [18] .................................................................... 45
Hình 3.3 Sơ đồ thuật tốn chính .......................................................................... 46
Hình 3.4 Sơ đồ khối thuật toán dẫn đường cơ bán .............................................. 47
Hình 3.5 Sơ đồ khối thuật tốn dẫn đường thẳng ................................................ 48
Hình 3.6 Kết quả số chuyến hàng được thực hiện khi thay đổi AGVt, thuật tốn
điều khiển ............................................................................................................. 49
Hình 3.7 Kết quả thời gian vận chuyển trung bình khi thay đổi số AGV, thuật tốn
điều khiển ............................................................................................................. 49
Hình 3.8 Kết quả thời gian chờ trung bình khi thay đổi số AGV, thuật toán điều
khiển ..................................................................................................................... 50


DANH MỤC BẢNG BIỂU
Bảng 1.1 Định vị các vị trí trên bản đồ[6] ........................................................... 15
Bảng 1.2 Bảng đánh giá khoảng cách các đường trên bản đồ và thực tế tại phòng
[6] ......................................................................................................................... 15
Bảng 2.1 Thống kê yêu cầu từ nhà máy ............................................................... 16
Bảng 2.2 Thông số kỹ thuật Arduino Uno[10] .................................................... 26
Bảng 3.1 Thống kê yêu cầu từ nhà máy ............................................................... 44


CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN VỀ ROBOT TỰ HÀNH TRONG CÔNG

NGHIỆP
1.1 Định nghĩa AGV.
AGV ( Automated guided vehicle -AGV ) là một khái niệm chung chỉ tất cả các
hệ thống có khả năng vận chuyển mà không cần người lái. Trong công nghiệp
AGV được hiểu là các xe chuyên chở tự động được áp dụng trong các lĩnh vực:
cung cấp sắp xếp linh kiện tại khu vực kho và sản xuất, Chuyển hàng giữa các trạm
sản xuất, phân phối, cung ứng sản phẩm, đặc biệt trong buôn bán. Cung cấp, sắp
xếp trong các lĩnh vực đặc biệt như bệnh viện, siêu thị, văn phòng. Qua tất cả các
ứng dụng trên, AGV thể hiện rất rõ hiệu quả của mình như: giúp giảm thiệt hại
trong kiểm kê, sắp xếp sản xuất linh hoạt hơn, giảm thiểu nguồn nhân lực. AGV
còn giúp giảm chi phí chế tạo, tăng hiệu quả sản xuất. chúng có thể được chế tạo
để chuyển hàng, kéo hành, cấp phát cho một số vị trí làm việc cố đinh[1].
1.2 Lịch sử phát triển của AGV.
AGV đầu tiên được đưa ra thị trường vào những năm 1950, bởi Barrett Electronics
ở Northbrook, Illinois. Vào thời điểm đó nó chỉ là một chiếc xe kéo đi theo một
sợi dây dài trên sàn thay vì là đường ray. Ra khỏi cơng nghệ này đã xuất hiện một
loại AGV mới, đi theo các dấu UV vơ hình trên sàn thay vì được kéo bởi một
chuỗi. Hệ thống đầu tiên như vậy được triển khai tại tháp Willis( trước đây là Tháp
Sears) ở Chicago, Illinois để chuyền thư đi khắp các văn phịng của mình. Trong
những năm qua, công nghệ đã trở nên tinh vi hơn và ngày nay các phương tiện tự
động chủ yếu được điều hướng bằng laser. Ví dụ như LGV ( xe có hướng dẫn bằng
Laser). Trong quy trình tự động LGV được lập trình để liên lạc với các robot khác
để đảm bảo sản phẩm được di chuyển trơn tru qua kho, cho dù nó được lưu trữ để
sử dụng trong tương lai hay được gửi trực tiếp đến các khu vực vận chuyển. Ngày
nay, AGV đóng một vai trị quan trọng trong việc thiết kế các nhà máy và kho hàng
mới, di chuyển hàng hóa một cách an tồn đến đích chính của họ.
1.3 Tổng quan
AGV (Automated Guided Vehicle) gồm các phần: Hệ thống quản lí, hệ thống giao
tiếp, xe, hệ thống an toàn, hệ thống cấp/trả hàng...
1.3.1 Phương tiện

Mỗi loại hàng hóa có yêu cầu khi lưu trữ và vận chuyển khác nhau, do đó có nhiều
phương pháp vận chuyển hàng. Trong nhà xưởng thường có 3 loại AGV, các loại
AGV này đáp ứng hầu hết công việc vận chuyển.
Xe kéo (Towing Vehicle)
Xe kéo xuất hiện đầu tiên và bây giờ vẫn được sử dụng thịnh hành. Loại này có
thể kéo được nhiều loại hàng khác nhau và chở được từ 2000-160000 pounds.
Ưu điểm của hệ thống xe kéo:
-Khả năng chuyên chở lớn.
1


-Có thể dự đốn và lên kế hoạch về tính hiệu quả của việc chuyên chở cũng như
đảm bảo an tồn.
-Tăng tính an tồn.

Hình 1.1 AGV kéo hàng trong nhà máy[1]

Xe chở (Unit Load Vehicle)
Xe chở được trang bị các tầng khay chứa có thể là nâng, hạ hay chuyển động bằng
băng tải, đai hoặc xích.
Loại này có ưu điểm:
-Tải trọng được phân phối và di chuyển theo yêu cầu.
-Thời gian đáp ứng nhanh gọn.
-Giảm hư hại sản phẩm.
-Đường đi linh hoạt.
-Giảm thiểu các tắc nghẽn giao thông chuyên chở.
-Lập kế hoạch hiệu quả.

Hình 1.2 Xe chở AGV dùng hệ thống băng chuyền[1]
2

Xe đẩy (Cart Vehicle)
Xe đẩy được cho là có tính linh hoạt cao và rẻ tiền. Chúng được sử dụng để chuyên
chở vật liệu và các hệ thống lắp ráp.

Hình 1.3 AGV dạng đẩy trong nhà máy sản xuất cơ khí[1]

Xe nâng (Fork Vehicle)
Có khả năng nâng các tải trọng đặt trên sàn hoặc trên các bục cao hay các khối
hàng đặt trên giá.
Ưu điểm: Vận chuyển hàng hóa với kích thước lớn, tải trọng lớn
Tuy nhiên xe cần khơng gian hoạt động rộng, kích thước xe lớn hơn các loại cịn
lại.

Hình 1.4 AGV dạng xe nâng[1]
3


1.3.2

Hệ thống

Hệ thống định vị dẫn đường:
Loại định vị không theo đường dẫn (Free pathnavigation): Có thể di chuyển đến
các vị trí bất kì trong khơng gian hoạt động. Đây là loại xe có tính linh hoạt cao
được định vị nhờ các cảm biến con quay hồi chuyển (Gyroscop Sensor) để xác
định hướng di chuyển, cảm biến laser để xác định vị trí các vật thể xung quanh
trong q trình chuyển động, hệ thống định vị cục bộ (Local navigation Location)
để xác định tọa độ thức thời.. Việt thiết kế loại xe này địi hỏi cơng nghệ cao và

phức tạp hơn so với loại AGV khác[2].
Loại định vị theo dẫn hướng ( Fixed pathnavigation): AGV thuộc lại này được
thiết kế chạy theo các đường dẫn hướng chỉ định sẵn gồm các loại đường sao:
-Đường dẫn từ: Là loại đường có cấu tạo dây từ (Magnetic Wire) chôn ngầm dưới
nền sàn, Khi di chuyển, nhờ có các cảm biến cảm ứng từ mà xe có thể di chuyển
theo đường dây dẫn. Loại đường này không nằm bên trên mặt sản nên có mỹ quan
tốt, khơng ảnh hưởng đến các cơng việc vận hành khác. Tuy nhiên khi sử dụng
phải tiêu tốn năng lượng cho việc tạo từ tính trong dây, đồng thời đường dẫn là cố
định và không thể thay đổi được
-Đường ray dẫn: Xe AGV được chạy trên các ray định trước trên sàn . Loại này
chỉ được dùng đối với hệ thống chuyên dụng. Nó cho phép thiết kế xe đơn giản
hơn và có thể di chuyển với tốc độ cao nhưng tính linh hoạt thấp.
-Đường băng kẻ trên sàn: AGV di chuyển theo các đường băng kẻ sẵn trên sàn nhờ
các loại cảm biến nhận dạng vạch kẻ. Loại này có tính linh hoạch cao. Vì trong
qua trình sử dụng người ta có tể thay đổi đường đi một cách dễ hàng nhờ kẻ lại cac
vạch dẫn, Tuy nhiên khi sử dụng các vạch dẫn có thể bị bẩn hay hư hại gây khó
khan cho việc điều khiển chính xác xe.
Hệ thống an tồn:
Để an tồn cho cơng nhân, các thiết bị xung quang cần hệ thông an tồn.
Dùng càm biến phát hiện vật cản. Có thể chia vùng an toàn thành 4 vùng.
Vùng 4 Phát hiện vật cản cảnh báo va chạm.
Vùng 3 Cảnh báo và giảm tốc độ
Vùng 2 Dừng
Vùng 1 Có cơ cấu giảm chấn va chạm, có thế off AGV

Hình 1.5 Phân vùng an toàn cho AGV[2]
4


Trong nhà máy AGV sẽ làm việc, tương tác với thiết bị khác robot, máy, băng

truyền. để đảm bảo an toàn giữa các thiết bị cần trang bị hệ thống an tồn khối

Hình 1.6 Hệ thống an tồn giữa thiết bị và AGV[2]

Hệ thống điều khiển:
Phần mềm quản lí:
Phần mềm trên máy tính cần giải quyết việc quản lý tất cả AGV. Những nhiệm vụ
máy chủ là: tối ưu việc sử dụng AGV, nhận yêu cầu và quản lý hàng, theo dõi và
thống kê hàng hóa trong kho…. Như vậy, một hệ thống AGV có năng suất cao hay
thấp phụ thuộc rất nhiều vào phần mềm quản lý. Tùy vào ứng dụng của hệ thống
AGV mà phần mềm quản lý sẽ đóng vai trị và cách thức quản lý cũng khác nhau
Hệ thống AGV sử dụng trong dây chuyền lắp ráp sử dụng phần mềm quản lý chỉ
thu nhận thông tin loại hàng, vì các bước di chuyển có thể lập trình sẵn trên từng
AGV. Đường đi từ khu sản xuất, lưu trữ đến khu lắp ráp cố định, theo trình tự
khơng cần nhiều tính tốn của máy chủ. Tốc độ di chuyển của AGV phụ thuộc tốc
độ lắp ráp của dây chuyền. Dây chuyền lắp ráp sử dụng nhân cơng có thể u cầu
điều khiển robot bằng tay.
Đối với một kho hàng, trung tâm xử lý phải thu nhận tất cả thơng tin về vị trí, hàng
hóa trên AGV để điều khiển tồn bộ hệ thống. Đó có thể là chọn AGV vị trí nào,
tính tốn đường đi hiệu quả, vận tốc phù hợp để tránh gặp các AGV khác, giảm
thời gian di chuyển khi sắp xếp hàng trong kho hàng

Hình 1.7 Hệ thống kho hàng của Kiva
5


Phần giao tiếp
Bao gồm giao tiếp giữa máy chủ với AGV và giữa AGV với nhau. Do AGV di
động nên các sử dụng phương thức giao tiếp không dây. Công nghệ sóng vơ tuyến
áp dụng trong cơng nghiệp thơng dụng như Wireless LAN (IEEE 802.11), IEEE

802.15.4 và Bluetooth (IEEE802.15.1). Những yêu cầu về công nghệ không dây
của hệ thống AGV là:
-

Kết nối ổn định.
Có tính năng bảo mật cao.
Cấu hình và phương thức giao tiếp đơn giản.

Cơng nghệ Bluetooth thích hợp cho thiết bị tự động yêu cầu sử dụng năng lượng
thấp, chi phí thấp. Tầm hoạt động của Bluetooth khoảng 10 (m), tuy nhiên một vài
module đặc biệt có thể bao phủ vùng 200 ÷ 400 (m).
Cơng nghệ Wireless LAN (IEEE 802.11) rất thích hợp cho các hệ thống AGV
thường xuyên mở rộng quy mô, theo dõi và phân tích dữ liệu tốc độ cao. Tầm hoạt
động thơng thường của băng thông 2.4 GHz là 200 (m), băng thông 5 GHz là 50
(m).

Hình 1.8 Sơ đồ tháp hoạt động của AGV[2]

1.4 Các nghiên cứu được công bố:
Nghiên cứu xe tự hành(AGV) điều khiển bằng PLC.
Một nghiên cứu nước ngoài vào năm (2019) [4]đã nghiên cứu thiết kế một mô hình
robot tự hành có điều khiểu ROS ứng dụng trong nhà máy sản xuất. Kết quả thử
nghiệm cho thấy hệ thống có đặc điểm vận hành đơn giản, hoạt động ổn định, tin
cậy,… đáp ứng được các yêu cầu của nhà máy.
Thiết kế phần cứng:
-Kết cấu cơ khí

6

Từ hình minh họa, kết cấu cơ khí của AGV gồm khung xe, mô đun phát hiện, 2
bánh lái và mô đun điều khiển, 2 bánh bị động. Hệ thống lái dựa trên cơ cấu vi sai
bằng 2 động cơ.
-Hệ thống truyền động (động cơ bước PWM)
-Nguồn động lực (pin, bộ chuyển đổi DC-DC)
-Hệ thống cảm biến phát hiện vật cản, bám đường.
-Hệ thống điều khiển và giám sát (sử dụng PLC)

Hình 1.9 Mơ hình 3D của AGV[3]

Ngun lý hoạt động

Hình 1.10 Sơ đồ ngun lí hoạt động của AGV[3]
7


Như trong hình trên sau khi phương tiện vận chuyển AGV được bật nguồn, nó sẽ
được khởi tạo trước, và giá trị ban đầu được gán cho góc. Để thuận tiện cho việc
tính tốn và kiểm sốt, một số số vòng quay trong phạm vi 0-100 được xác định
và giá trị trung gian là 50. Giá trị góc khi đi thẳng là 50, khi giá trị góc nhỏ hơn 50
thì rẽ trái và khi giá trị góc là lớn hơn 50 thì rẽ phải. Giá trị ban đầu của tốc độ
động cơ được đặt thành 80, nghĩa là, tỷ lệ làm việc của PWM có giá trị ban đầu là
80, và sau đó xe tải bắt đầu đi thẳng. Thời gian thực quét số lượng tương ứng kỹ
thuật số của 5 cuộn cảm trong PLC, góc thời gian thực thu được bằng cơng thức
(1), và sau đó tỷ lệ làm việc của động cơ trái và phải được xác định theo sự thay
đổi của giá trị góc để nhận ra tốc độ vi sai của động cơ và hoàn thành việc lái.
Thiết kế phần mềm điều khiển giám sát và mơ phỏng xe tự hành

Hình 1.11 Màn hình điều khiển AGV[3]

Hình 1.12 Sơ đồ mơ phỏng của AGV[3]

Kết luận
Từ kết quả mơ phỏng trên máy tính, các tác giả đã nhận thấy AGV được phát triển
có thể đạt được hiệu suất yêu cầu và khả năng chống tắc nghẽn AGV của mẫu xe
đẩy là chìa khóa để duy trì hoạt động. Bài báo cung cấp thêm kinh nghiệm để xây
dựng hệ thống robot điều khiển bằng ROS(robot operating system), cách thứ điều
khiển AGV bám quỹ đạo đã định
8


Nghiên cứu áp dụng IoT vào xe tự hành có cầu trục thẳng.
Một nghiên cứu nước ngoài khác vào năm 2020 [5] đã nghiên cứu áp dụng IoT
vào xe tự hành có cầu trục thẳng. AGV có thể được thực hiện linh hoạt hơn trong
việc chuyển sản phẩm bằng lắp thêm robot để gắp/dỡ hàng. Tuy nhiên, cánh tay
robot 6 trục có giá thành cao và khơng được sử dụng tối đa cho các ứng dụng chọn
và đặt đơn giản. Mục đích của việc này dự án là thiết kế và phát triển một AGV
với bộ điều khiển tuyến tính với chi phí thấp hơn cho ứng dụng kho hàng. Trong
dự án này, hệ thống được thiết kế và phát triển với các bộ điều khiển xử lý nhiệm
vụ thực tế như tránh chướng ngại vật, điều hướng đường đi và vận chuyển đối
tượng với giao diện người dùng cho phép người dùng được ủy quyền gửi lệnh
không dây đến rô bốt bằng các thiết bị di động. Các hệ thống có thể thực hiện
nhiệm vụ chọn và đặt với độ chính xác hơn 95%. Phương pháp tránh chướng ngại
vật và vật thể tốt hơn bản địa hóa có thể được khám phá thêm cho các tác phẩm
trong tương lai.
Giới thiệu chung về hệ thống
Sơ đồ khối phần cứng:
Phần nguồn 12V cho cảm biến, động cơ 5V dùng cho hệ thống điều khiển.
Phần sensor cảm biến đường, vật cản, công tác hành trình.
Phần cơ cấu chấp hành động cơ bước, DC

Hình 1.13 Sơ đồ khối phần cứng của AGV[4]

Sơ đồ khối phần mềm:
9


Như dưới hình hệ thống chứa 2 hệ thống của AGV và IoT

WiFi
GU

Rasberry Pi

Node-Red

Computer

Sensor System
Arduino
Motion Control
System

Software Design

Hình 1.14 Sơ đồ khối phần mềm của AGV[4]

Thiết kế kết cấu xe :
Kích thước xe 890*590*1605mm bao gồm phần AGV và cầu trục

Hình 1.15 Thiết kế 3D[5]

Từ hệ thống mơ hình thực nghiệm, các tác giả nhận thấy hệ thống có thể đáp ứng
độ chính xác về vị trí >95.99%

Hình 1.16 Kết quả kiểm tra vị trí[4]
10


Việc kiểm tra tại các khoảng cách 20-30-40 cm. Ở khoảng cách 40cm phát hiện
vật cản >90%

Hình 1.17 Kiểm tra vật cản[4]

Kết quả việc bám sát lộ trình khơng ổn định, dao động trong khoảng 50-100% do
hạn chế hệ thống khơng có bộ điều khiển PID

Hình 1.18 Kiểm tra bám đường[4]

Kiểm tra gắp, đặt hàng không ổn định dao động 20-100%

Hình 1.19 Kiểm tra gắp đặt hàng[4]

Kết luận
11


Bài báo cho thấy hoạt động của robot còn gặp phải nhiều vấn đề như điều khiển
kém chính xác do hạn chế của bộ điều khiển, việc gắp hàng không ổn định. Từ
những kết quả đã thêm kinh nghiệm để xây dựng hệ thống robot điều khiển bằng

ROS, cách thứ điều khiển robot bám quỹ đạo đã định, tăng cường độ ổn định chính
xác.
Nghiên cứu phát triển robot xây dựng bản đồ và định vị đồng thời trên nền
tảng ROS
Cuối cùng là một nghiên cứu trong nước vào năm 2020 [6] đã trình nghiên cứu,
thiết kế một robot có khả năng xây dựng bản đồ và định vị đồng thời dựa trên nền
tảng mã nguồn mở ROS. Robot được thiết kế ới kích thước nhỏ gọn và chi phí
thấp, có khả năng tự động di chuyển, thu thập dữ liệu của môi trường, xây dựng
bản đồ và định vị vị trí trên bản đồ của mơi trường phịng khơng xác định. Hiệu
quả hoạt động của robot được kiểm nghiệm thông qua các đánh giá thực nghiệm
trong mơi trường thực.

Hình 1.20 Hình ảnh thực tế của robot tự hành[5]

Hệ thống phần cứng
Hệ thống gồm 2 khối chính: khối xây dựng bàn đồ và định vị sử dụng camera
Realsense D435 kết nối với máy tính Jetson Nano với ROS trên Ubuntu. Khối
chuyển động là cơ cấu di chuyển 2 bánh vi sai kết nối với Arduino. Điện áp cung
cấp cho thiết bị từ 1 ắc quy, với 2 dạng điện áp là 5 VDC và 12 VDC.
Khung robot được làm bằng công nghệ in 3D cho khối lượng nhẹ, dễ lắp đặt và
điều chỉnh. Kích thước robot 180 x 150 x 118 (mm). Đường kính bánh xe 65 mm,
khoảng cách 2 bánh là 150 mm.

12


Hình 1.21 Sơ đồ kết nối các thành phần hệ thống[5]

Hình 1.22 Vị trí các thiết bị trên khung robot[5]

Hệ thống phần mềm
Chương trình điều khiển chức năng xây dựng bản đồ và vẽ (SLAM) theo ngun
lý vịng khép kín. Có 2 khối chính là SLAM và chuyển động

13


Hình 1.23 Sơ đồ khối hệ thống phần mềm điều khiển[5]

-Khối SLAM: sử dụng ca, camera Realsense D345 để thu ảnh qua thư viện. Sử
dụng phương pháp RTAB_Map, Front-end trích xuất ảnh RGB và lấy chiều sâu
ảnh từ đó tính chuyển động các ảnh trước đó bằng các đặc trưng 3D; Back-end liên
kết giữa các node, sau khi cập nhật bản đồ, nó so sánh hình ảnh mới với các hình
ảnh trước và tìm ra vịng lặp, tối ưu và giảm sai số.
-Khối chuyển động: dựa trên 2 bánh vị sai được mơ phỏng hóa bằng sơ đồ từ đó
tìm ra được phương trình chuyển động của hệ.
 x (t ) = u (t ) cos(θ (t ))

 y (t ) = u (t ) sin(θ (t ))

θ = ω (t )


Kết quả thực nghiệm
Phịng có diện tích 50 m2 lát đá, robot sẽ di chuyển xung quanh phòng, sử dụng
camera để thu ảnh khi di chuyển, từ đó tái tạo bản đồ phòng. Tác giả lấy 1 số điểm
gốc trên bảng đồ (bảng 1.1) để đánh giá độ chính xác của mơ hình thực nghiệm.

Hình 1.24 Hình ảnh thực tế và bản đồ 2D[5]

14


Bảng 1.1 Định vị các vị trí trên bản đồ[6]

Bảng 1.2 Bảng đánh giá khoảng cách các đường trên bản đồ và thực tế tại phòng [6]

Kết luận
Từ kết quả trên, phương pháp Visual SLAM trên nền tảng ROS đã cho phép robot
có thể thu thập dữ liệu của mơi trường, xây dựng bản đồ và định vị vị trí của robot
trên bản đồ. Hiệu quả hoạt động của robot được kiểm chứng thông qua các đánh
giá thực nghiệm trong phòng thực tế đạt kết quả cao, làm tiền đề cho những ứng
dụng trong việc xây dựng mơ hình trong luận văn này.
KẾT LUẬN CHƯƠNG 1
AGV là xe tự hành chuyên chở tự động được áp dụng trong các lĩnh vực:
cung cấp sắp xếp linh kiện tại khu vực kho và sản xuất, Chuyển hàng giữa các trạm
sản xuất, phân phối, cung ứng sản phẩm, đặc biệt trong buôn bán. Cung cấp, sắp
xếp trong các lĩnh vực đặc biệt như bệnh viện, siêu thị, văn phòng. Từ các nghiên
cứu AGV hiện nay có thể thấy áp dụng vào thực tế có nhiều vấn đề phát sinh
phương pháp điều khiển, phương thức định vị, ứng dụng cơng nghệ tự động, tính
kinh tế.
Trong luận văn này tập trung giải quyết bài toán thực tế: áp dụng AGV trong trong
nhà máy sử dụng cơng cụ ROS đạt được tính tự động, hiệu quả vận hành, tính kinh
tế.

15