Luận văn thiết kế robot tự hành theo vết hoạt động trong nhà xưởng

ĐẠI HỌC QUỐC GIA THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA KHOA CƠ KHÍ – BỘ MƠN CƠ ĐIỆN TỬ LUẬN VĂN TỐT NGHIỆP ĐẠI HỌC THIẾT KẾ ROBOT TỰ HÀNH THEO VẾT HOẠT ĐỘNG TRONG NHÀ XƯỞNG SVTH: Võ Phong Thiện MSSV: 21303868 GVHD: TS Nguyễn Quốc Chí TPHCM, 2017 LỜI CẢM ƠN Trong q trình thực hoàn thành luận văn tốt nghiệp, em nhận hỗ trợ động viên lớn nhiều người Trước hết, xin cảm ơn ba mẹ quan tâm, tạo điều kiện cho học tập Em xin gửi lời cám ơn chân thành đến quý Thầy Cô môn Cơ Điện Tử khoa Cơ Khí, Trường Đại Học Bách Khoa TPHCM nhiệt tình giảng dạy, truyền đạt kiến thức quý báu cho em suốt thời gian học tập trường Em xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc đến TS Nguyễn Quốc Chí nhiệt tình hướng dẫn bảo cho em trình làm đề tài Em xin chân thành cám ơn anh CaLab bạn bè động viên, khích lệ giúp đỡ em suốt trình làm đề tài Sau cùng, em xin kính chúc quý Thầy Cô môn Cơ Điện Tử, Thầy TS Nguyễn Quốc Chí anh CaLab dồi sức khỏe, đạt nhiều thành công tốt đẹp sống Tp Hồ Chí Minh, ngày 24 tháng 12 năm 2017 Võ Phong Thiện TÓM TẮT LUẬN VĂN Vận chuyển hàng hóa tự động sản xuất, lưu trữ điểm mấu chốt để tối ưu hóa chỗi cung ứng sản phẩm Hệ thống robot tự hành (AGVS) giải pháp để cải tiến trình vận chuyển Đề tài đưa tổng quan, phân tích thiết kế robot tự hành nhà xưởng, đồng thời xây dựng giải thuật tính tốn đường cho robot tự hành nhà xưởng Nội dung đề tài gồm: tổng quan, phân tích mơ hình tốn, thiết kế khí, xây dựng hệ thống điện, xây dựng lập trình giải thuật cho hệ thống robot MỤC LỤC CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN 1.1 Giới thiệu robot tự hành nhà xưởng 1.2 Một số nghiên cứu nước robot tự hành nhà xưởng 1.3 Mục tiêu, nhiệm vụ phạm vi luận văn 1.3.1 Mục tiêu luận văn 1.3.2 Nhiệm vụ luận văn 1.3.3 Giới hạn phạm vi luận văn 1.4 Tổ chức luận văn CHƯƠNG 2: LỰA CHỌN PHƯƠNG ÁN THIẾT KẾ ROBOT 10 2.1 Phương án khí 10 2.1.1 Lựa chọn cấu lái 10 2.1.2 Lựa chọn truyền 12 2.2 Phương án điện – điện tử 16 2.2.1 Lựa chọn động 16 2.2.2 Lựa chọn phương pháp dẫn đường 18 2.2.3 Lựa chọn phương án điều khiển 20 CHƯƠNG 3: THIẾT KẾ HỆ THỐNG CƠ KHÍ 22 3.1 Yêu cầu thiết kế 22 3.2 Phân tích mơ hình động học robot 23 3.3 Tính tốn lựa chọn công suất động 26 3.4 Tính tốn thiết kế trục dẫn động 29 3.4.1 Phân tích lực chọn đường kính trục dẫn động 29 3.4.2 Chọn kiểm nghiệm then 33 CHƯƠNG 4: THIẾT KẾ HỆ THỐNG ĐIỆN – ĐIỆN TỬ 34 4.1 Sơ đồ khối chung hệ thống điện 34 4.2 Lựa chọn thông số thiết bị 34 4.2.1 Vi điều khiển 34 4.2.2 Mạch công suất động 35 4.3 Sử dụng cảm biến từ 37 4.3.1 Các thông số cảm biến: 37 1.1.1 Mơ hình thí nghiệm cảm biến từ 38 4.3.2 Kết thí nghiệm cảm biến 40 4.4 Điều khiển động DC encoder 41 4.5 Thiết kế điều khiển bám đường 44 CHƯƠNG 5: XÂY DỰNG GIẢI THUẬT DI CHUYỂN 45 5.1 Giải thuật máy tính 45 5.2 Giải thuật robot 48 CHƯƠNG 6: THỰC NGHIỆM VÀ ĐÁNH GIÁ KẾT QUẢ 52 6.1 Phương pháp thực nghiệm 52 6.2 Thực nghiệm điều khiển động 52 6.3 Thực nghiệm điều khiển bám line 55 6.4 Thực nghiệm giải thuật di chuyển kho hàng 58 CHƯƠNG 7: TỔNG KẾT VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN ĐỀ TÀI 64 7.1 Đánh giá kết đề tài 64 7.1.1 Những công việc đạt 64 7.1.2 Những hạn chế thực đề tài 64 7.2 Các hướng phát triển đề tài 65 TÀI LIỆU THAM KHẢO 66 DANH MỤC CÁC HÌNH ẢNH Hình 1.1: Cấu trúc hệ thống AGV Hình 1.2: Sơ đồ hệ thống kho hàng Kiva [4] Hình 1.3: AGV kiểu kéo hàng Hình 1.4: AGV kiểu chở hàng Hình 1.5: AGV kiểu xe nâng Hình 1.6: Kiva Robot nâng kệ hàng Hình 1.7: Smart AGV công ty Changsing Việt Nam Hình 2.1: Robot Pioneer 3DX [3] 10 Hình 2.2: Robot Athena sử dụng cấu lái xe bánh [7] 11 Hình 2.3: DEWBOT XIII sử dụng cấu lái đồng bánh [8] 12 Hình 2.4: Bộ truyền đai 13 Hình 2.5: Bộ truyền đai 14 Hình 2.6: Bộ truyền xích 14 Hình 2.7: Bộ truyền bánh 15 Hình 2.8: Động bước 17 Hình 2.9: Động DC servo 18 Hình 2.10: Đường dẫn màu đen trắng 19 Hình 2.11: Đường dẫn từ cảm biến từ 20 Hình 2.12: Nguyên lý dẫn đường cảm ứng điện 20 Hình 2.13: Anten dị đường dẫn cảm ứng điện 21 Hình 2.14: PLC Miubishi 21 Hình 2.15: Vi điều khiển Arduino Mega 2560 22 Hình 3.1: Sơ đồ ngun lý mơ hình xe tự hành 23 Hình 3.2: Hệ trục tọa độ cho phương trình chuyển động hệ thống với 24 Hình 3.3: Xe di chuyển đoạn thời gian lấy mẫu 27 Hình 3.4: Bánh xe dẫn động 28 Hình 3.5: Sơ đồ phân tích lực 28 Hình 3.6: Động 57BL03A DC servo có giảm tốc 30 Hình 3.7: Sơ đồ phân tích lực trục dẫn động 31 Hình 3.8: Biểu đồ momen trục dẫn động 33 Hình 4.1: Sơ đồ khối hệ thống điều khiển 35 Hình 4.2: Vi điều khiển Arduino Mega 2560 36 Hình 4.3: Mạch công suất động DC Hbr-M công suất 200(W) 37 Hình 4.4: Cảm biến từ trường MACOME GS-2744B 38 Hình 4.5: Sơ đồ nguyên lý hoạt động cảm biến từ 38 Hình 4.6: Nguyên lý mạch phân áp 39 Hình 4.7: Mơ hình thí nghiệm cảm biến 40 Hình 4.8: Sơ đồ mơ hình thí nghiệm cảm biến 41 Hình 4.9: Đồ thị giá trị đọc từ cảm biến 41 Hình 4.10: Sơ đồ điều khiển PID cho động 42 Hình 4.11: Chương trình PID điều khiển tốc độ động 43 Hình 4.12: Chương trình đọc giá trị encoder 44 Hình 4.13: Lưu đồ giải thuật chương trình bám line 45 Hình 5.1: Sơ đồ bố trí hàng nhà xưởng 46 Hình 5.2: Lưu đồ giải thuật tạo đường đến vị trí hàng 48 Hình 5.3: Lưu đồ giải thuật từ kệ hàng lại vị trí xuất phát 49 Hình 5.4: Lưu đồ giải thuật hàm kiện nhận liệu 50 Hình 5.5: Lưu đồ giải thuật chương trình ngắt gặp giao điểm 50 Hình 5.6: Lưu đồ giải thuật chương trình xử lý giao điểm 51 Hình 5.7: Lưu đồ giải thuật chương trình 52 Hình 6.1: Mạch bluetooth HC-05 53 Hình 6.2: Đồ thị vận tốc động trái đạt độ lợi tới hạn 54 Hình 6.3: Đồ thị vận tốc động phải đạt độ lợi tới hạn 55 Hình 6.4: Đồ thị đáp ứng động bên trái 55 Hình 6.5: Đồ thị đáp ứng động bên phải 56 Hình 6.6: Đồ thị dao động vị trí tâm line đọc từ cảm biến 57 Hình 6.7: Xử lý ảnh vng góc với camera 58 Hình 6.8: Xoay ảnh để line từ song song trục tọa độ ảnh 58 Hình 6.9: Đo khoảng lệch lớn 59 Hình 6.10: Khoảng lệch giảm xuống sau nhiều lần chỉnh 59 Hình 6.11: Sơ đồ kho hàng thực nghiệm 60 Hình 6.12: Sơ đồ lắp đặt line từ thực nghiệm 61 Hình 6.13: Hệ thống line từ thực nghiệm 61 Hình 6.14: Giao diện điều khiển máy tính kết vị trí tính 62 Hình 6.15: Giao diện chọn vị trí B1 63 Hình 6.16: Đồ thị sai số bám line thực nghiệm 63 DANH MỤC CÁC BẢNG Bảng 2.1: So sánh động bước động DC servo 18 Bảng 4.1: Cơng thức tính thơng số điều khiển 44 - Động bên trái dao động = 4,1và = 0,525 (s) 300 250 200 150 100 50 0 10 Thời gian (s) Hình 6.2: Đồ thị vận tốc động trái đạt độ lợi tới hạn Theo bảng 4.1, tính đước hệ số điều khiển PID động bên trái: = 0,6 = 0,6 × 4,1 = 2,46 = × 2,46 = = 9,37 0,525 = 2,46 × 0,525 == 0,16 Thời gian (s) Hình 6.3: Đồ thị vận tốc động phải đạt độ lợi tới hạn Suy thông số điều khiển PID động bên phải = 2,46; = 9,37; = 0,16 Đưa thông số vào điều khiển, thử nghiệm lại với tốc độ mong muốn 180 (rpm) tương đương khoảng 0,6 (m/s) qua bánh xe thử nghiệm Đáp ứng động trái 0,6 (s) động phải khoảng 0,8 (s) Như đáp ứng vận tốc động thỏa điều kiện tăng tốc lớn 0,5 (m/s ) 200 180 160 140 120 100 80 60 40 20 0 0.2 0.4 0.6 0.8 1.2 Thời gian (s) Hình 6.4: Đồ thị đáp ứng động bên trái 1.4 1.6 1.8 200 180 160 140 120 100 80 60 40 20 0 0.2 0.4 0.6 0.8 1.2 1.4 1.6 1.8 Thời gian (s) Hình 6.5: Đồ thị đáp ứng động bên phải 6.3 Thực nghiệm điều khiển bám line Sử dụng phương pháp Ziegler-Nichols để tìm thơng số cho luật điều khiển PID điều khiển bám line Tăng độ lợi lên đến mức xe bắt đầu dao động, thu thông số = 0,26 dựa vào đồ thị dao động xác định = 0,62 (s) Từ bảng 4.1, tính hệ số: = 0,6 = 0,6 × 0,26 = 0,156 = = = 0,5 0,156 × 0,62 == 0,01 = 80 60 40 20 -20 -40 -60 -80 Thời gian (s) Hình 6.6: Đồ thị dao động vị trí tâm line đọc từ cảm biến Thay giá trị tìm vào điều khiển, cho xe chạy bám theo line thẳng để kiểm tra sai số Gắn thêm ngòi bút 0,1mm trung điểm cảm biến để vẽ lại đường chạy Dùng camera chụp lại đường chạy, sau xử lý ảnh LabView lấy sai số lớn Các bước xử lý ảnh sử dụng công cụ Image Calibration NI Vision Assistant sau: - Chỉnh ảnh mặt phẳng vng góc với camera - Chỉnh đường dẫn từ song song với trục tọa độ ảnh - Đo độ lệch lớn cơng cụ Clamp (Rack) Hình 6.7: Xử lý ảnh vng góc với camera Hình 6.8: Xoay ảnh để line từ song song trục tọa độ ảnh Hình 6.9: Đo khoảng lệch lớn Sau bước đo sai số bám line ± 10 (mm) Nguyên nhân hệ số PID sai lệch so với đáp ứng hệ thống robot Để cải thiện sai số bám line cần thực nghệm lại phương pháp Ziegler-Nichols nhiều lần Tiến hành nhiều lần thực nghiệm lại nhiều lần đạt sai số ±6 (mm), đủ điều kiện để robot di chuyển ổn định Hình 6.10: Khoảng lệch giảm xuống sau nhiều lần chỉnh 6.4 Thực nghiệm giải thuật di chuyển kho hàng Sơ đồ thử nghiệm phải đảm bảo có đủ trường hợp giải thuật thiết kế Sơ đồ line sau dùng để kiểm nghiệm giải thuật Start A Pick B C D Hình 6.11: Sơ đồ kho hàng thực nghiệm Sơ đồ có hai nhánh rẽ bốn cột đủ để kiểm tra giải thuật theo cột khác Tương tự cần hai hàng để phân biệt giải thuật theo hàng khác Để thuận tiện cho phân biệt ký hiệu, số cột đánh theo chữ A, B, C, D Tiến hành lắp đặt hệ thống line thực nghiệm có kích thước: 1,2 × 1,6 (m) Trong q trình thực nghiệm, vị trí giao điểm cần đánh dấu để robot dễ dàng nhận biết Pick Start Marker B C D A Hình 6.12: Sơ đồ lắp đặt line từ thực nghiệm Hình 6.13: Hệ thống line từ thực nghiệm Giao diện máy tính lập trình ngơn ngữ C# có vị trí tương ứng sơ đồ để chọn Lập trình giao diện tạo lệnh dẫn đường để gửi xuống vi điều khiển Hình 6.14: Giao diện điều khiển máy tính kết vị trí tính Thử nghiệm cho robot thực lệnh điều khiển từ máy tính Sau khoảng thời gian 0,2 (s) gửi giá trị sai số bám line lần sau nhận lệnh Các bước thực hiện: - Tiến hành đặt robot vào vị trí bắt đầu, bật nguồn cho robot - Kết nối máy tính với cổng giao tiếp, gửi xuống liệu đường điểm B1 có hành trình tính tốn máy tính là: rlbrrsbsse - Chờ robot di chuyển hết quãng đường - Lưu liệu nhận được, vẽ lại đồ thị Hình 6.15: Giao diện chọn vị trí B1 80 70 60 50 40 30 20 10 -10 -20 -30 -40 -50 -60 -70 -80 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 65 Thời gian (s) Hình 6.16: Đồ thị sai số bám line thực nghiệm Phân tích đồ thị, với giá trị sai số lệch phải âm, lệch trái dương: - Khoảng thời gian từ đến giây: di chuyển đoạn đường thẳng, có thời điểm bị nhiễu đánh dấu giao điểm vị trí xuất phát Khoảng đến 12 giây: robot nhận biết giao điểm rẽ phải - theo lệnh Đồ thị cho thấy robot xoay qua phải gặp nhánh rẽ bên phải nên giá trị thay đổi nhanh chóng từ lệch phải sang trái - Khoảng 14 đến 18 giây: đoạn robot rẽ trái - Khoảng 18 đến 26 giây: đoạn xoay 180° ngược chiều kim đồng hồ, vị trí robot nhận biết giao điểm kệ hàng thực lện quay lại - Khoảng 26 đến 30 giây: robot rẽ phải - Khoảng 38 đến 40 giây: robot rẽ phải, nhiên khơng có line phía trước nên khơng có tín hiệu lệch phải (âm) Khoảng 50 đến 54 giây: robot đến vị trí Pick nên quay lại ngược chiều kim đồng hồ Robot di chuyển đoạn thẳng có sai số nhỏ 10 (mm) - Nhận xét - Robot hoạt động với tín hiệu điều khiển, cho thấy giải thuật vi điều khiển hoạt động tốt, cảm biến phát giao điểm tốt - Hệ thống line thực nghiệm nhỏ nên robot di chuyển chưa liên tục, bị rẽ nhiều nhánh - Thời gian di chuyển để lấy hàng hệ thống kho hàng tương đối ngắn Nên áp dụng thực tế với quy mô lớn hơn, robot đáp ứng thời gian vận chuyển Chương hoàn thành việc thực nghiệm điều khiển hệ thống robot, phân tích kết đưa nhận xét hệ thống robot thử nghiệm CHƯƠNG 7: TỔNG KẾT VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN ĐỀ TÀI CHƯƠNG 7: TỔNG KẾT VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN ĐỀ TÀI 7.1 Đánh giá kết đề tài 7.1.1 Những công việc đạt Đề tài hoàn thành cơng việc sau: - Phân tích mơ hình động học, tìm mối qua hệ vận tốc hai bánh góc lệch mơ hình robot - Thiết kế khí cho mơ hình robot tự hành nhà xưởng thử nghiệm - Xây dựng hệ thống điện, cảm biến, điều khiển hoàn thiện kết nối mô đun điện - Thực nghiệm sử dụng cảm biến, điều khiển động cơ, tìm sai số bám đường cho robot - Xây dựng giải thuật chương trình tìm đường, thực nghiệm giải thuật cho robot hệ thống kho hàng Kết thực nghiệm cho thấy robot thực nhiệm vụ di chuyển kho hàng 7.1.2 Những hạn chế thực đề tài - Giải thuật máy tính chưa đáp ứng cho tất dạng bố trí kho hàng, sử dụng cho mơ hình kho hàng định - Giải thuật điều khiển robot đáp ứng số điều kiện môi trường định Điều kiện thực tế kho hàng đa dạng, có nhiều yếu tố bên ngồi ảnh hưởng đến robot di chuyển - Mơ hình thí nghiệm cịn hạn chế khí: chưa đảm bảo độ đồng tâm trục động nên robot chạy thẳng cần điều chỉnh lập trình Mơ hình đáp ứng nhu cầu chở hàng di chuyển nhà xưởng - Robot trình thực di chuyển chưa thực sử ổn định môi trường bên ngồi có nhiều tác động mà khơng thể kiểm soát 65 CHƯƠNG 7: TỔNG KẾT VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN ĐỀ TÀI 7.2 Các hướng phát triển đề tài Để nghiên cứu phát triển mở rộng đề tài, tận dụng ưu điểm robot tự hành nhà xưởng, số hướng nghiên cứu phát triển dựa đề tài sau: - Sử dụng phương pháp dẫn đường khác đáp ứng yêu cầu hoạt động nhà xưởng dẫn đường laser - Thay đổi giải thuật điều khiển máy tính cho mơ hình nhà xường có cách bố trí khác Hoặc tìm giải thuật giảm thời gian chờ từ lúc lấy hàng đến lúc giao hàng - Thiết kế cấu lấy hàng tự động robot Khi di chuyển đến vị trí hàng hóa, robot tự động lấy hàng đem đến nơi nhận hàng 66 TÀI LIỆU THAM KHẢO TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] Wurman, P R., D'Andrea, R., & Mountz, M (2008) Coordinating hundreds of cooperative, autonomous vehicles in warehouses AI magazine, 29(1), [2] Dr Mats Andersson (2012) Wireless Technologies for Industrial Applications connectBlue AB , Sweden [3] Adept Technology, Inc Pioneer3DX-P3DX Catalog [4] Schulze, L., Behling, S., & Buhrs, S (2008, May) Automated Guided Vehicle Systems: a driver for increased business performance In Proceedings of the International MultiConference of Engineers and Computer Scientists (Vol 2) [5] Lê Khánh Điền (2013) Vẽ kỹ thuật khí Nhà xuất Đại học Quốc gia Tp.HCM [6] Trịnh Chất – Lê Văn Uyển (2003) Tính tốn thiết kế hệ dẫn động khí, tập 1, Nhà xuất giáo dục [7] https://www.ecnmag.com/blog/2010/10/creating-autonomous-robotigvcautonomous-challenge [8] http://team1640.com/wiki/index.php?title=DEWBOT_XIII 67 ... robot tự hành nhà xưởng 1.2 Một số nghiên cứu nước robot tự hành nhà xưởng 1.3 Mục tiêu, nhiệm vụ phạm vi luận văn 1.3.1 Mục tiêu luận văn 1.3.2 Nhiệm vụ luận văn. .. thống robot tự hành (AGVS) giải pháp để cải tiến trình vận chuyển Đề tài đưa tổng quan, phân tích thiết kế robot tự hành nhà xưởng, đồng thời xây dựng giải thuật tính tốn đường cho robot tự hành nhà. .. ? ?Robot tự hành hoạt động nhà xưởng? ?? Nội dung chương gồm dạng robot tự hành, nghiên cứu thực nghiệm robot sử dụng cho nhà xưởng Từ đó, rút mục tiêu, sở định hướng thực đề tài 1.1 Giới thiệu robot