GIỚI THIỆU CHUNG
Tổng quan
Hình 1.1 Hình ảnh một khách sạn
Khách sạn là doanh nghiệp chuyên cung cấp dịch vụ lưu trú, được trang bị tiện nghi đầy đủ nhằm đáp ứng nhu cầu nghỉ ngơi, giải trí và ẩm thực của khách hàng trong thời gian lưu trú.
Khách sạn hiện nay chủ yếu cung cấp hai dịch vụ chính là lưu trú và ăn uống, nhưng với sự phát triển của du lịch và mức sống ngày càng cao, nhiều hình thức kinh doanh mới đã xuất hiện Ngoài các dịch vụ truyền thống, khách sạn còn tổ chức hội nghị, tiệc cưới và các hoạt động giải trí Một số dịch vụ như lưu trú, ăn uống và vui chơi giải trí được khách sạn cung cấp trực tiếp, trong khi các dịch vụ khác như đồ uống, giặt ủi có thể được bán qua trung gian Ngoài ra, khách hàng có thể được miễn phí cho một số dịch vụ như khuân vác hành lý và giữ gìn đồ đạt, nhưng cũng có những dịch vụ yêu cầu trả phí khi sử dụng.
Lý do chọn đề tài
Khách sạn hiện đại và thông minh với trang thiết bị kỹ thuật tiên tiến đang trở thành xu hướng tất yếu trong ngành du lịch Việc ưu tiên sử dụng công nghệ không chỉ nâng cao trải nghiệm của khách hàng mà còn tối ưu hóa quy trình vận hành, đáp ứng nhu cầu ngày càng cao của thị trường.
Internet vạn vật và robot đang trở thành xu hướng công nghệ mới trong ngành khách sạn và dịch vụ Những giải pháp tự động hóa và tự phục vụ này không chỉ nâng cao trải nghiệm của khách hàng mà còn giúp giảm bớt gánh nặng công việc cho nhân viên Nhóm nghiên cứu đã chọn đề tài "Robot mang hành lý trong khách sạn sử dụng cơ cấu vi sai" nhằm phát triển sản phẩm hỗ trợ nhân viên trong việc vận chuyển đồ đạt tới phòng cho khách hàng.
Tính cấp thiết của đề tài
Trong ngành khách sạn, việc vận chuyển hành lý và đồ dùng cần thiết cho khách là rất quan trọng Điều này bao gồm việc đưa hành lý lên phòng, chuyển đồ từ phòng này sang phòng khác khi khách có yêu cầu, và hỗ trợ vận chuyển hành lý từ phòng tới quầy lễ tân khi khách làm thủ tục trả phòng.
Khoảng cách giữa sảnh và các phòng khách sạn thường xa, gây khó khăn trong việc vận chuyển và đòi hỏi nhiều nhân lực Để giải quyết vấn đề này, robot trở thành một giải pháp hiệu quả, hoạt động liên tục 24 giờ mà không cần trả lương, giúp doanh nghiệp giảm chi phí và tăng lợi nhuận.
Ý nghĩa thực tiễn của đề tài
Nhóm nghiên cứu đang phát triển một robot có khả năng vận chuyển vali hành lý và đồ vật trong khách sạn một cách đơn giản và tiết kiệm Robot này còn được trang bị camera để giám sát từ xa, giúp ngăn chặn trộm cắp và cướp bóc Dự án nhằm ứng dụng tự động hóa trong ngành khách sạn, nâng cao chất lượng dịch vụ, giảm chi phí lao động và tối ưu hóa lợi nhuận cho doanh nghiệp lưu trú.
Mục tiêu của đề tài
Nghiên cứu, thiết kế ra một robot thông minh, gọn nhẹ, với ngoại hình thân thiện với người dùng trong môi trường khách sạn chuyên nghiệp, hiện đại
Giao diện điều khiển được thiết kế đơn giản và dễ sử dụng, tương thích với hành khách và các cơ cấu cơ khí Các thiết bị ngoại vi hoạt động đồng bộ và hợp nhất, giúp robot hoạt động hiệu quả.
Thiết lập được quỹ đạo cho các vị trí phòng trong khách sạn, để việc di chuyển được thuận lợi nhất
Sử dụng camera giám sát, robot có khả năng theo dõi quá trình vận hành và tình hình an ninh của khách sạn từ xa Tính năng này cho phép người dùng quan sát di chuyển của robot thông qua máy tính cá nhân, giúp họ không cần phải có mặt trực tiếp tại chỗ Nhờ vào chức năng camera giám sát, việc quản lý và giám sát trở nên thuận tiện và hiệu quả hơn.
Robot tự động phát hiện vật cản để tự động di chuyển tránh chướng ngại vật và khách lưu trú, tránh hư hại đến robot và đồ đạt
Có thể điều khiển từ xa thông qua internet.
Phương pháp nghiên cứu
Để thực hiện đề tài, phương pháp nghiên cứu chủ yếu kết hợp lý thuyết và thực nghiệm, bao gồm việc tham khảo tài liệu về cơ khí, điện-điện tử và hệ thống IoT, cũng như các bài báo khoa học trong và ngoài nước Sau khi hoàn thành nghiên cứu, thiết kế và chế tạo, nhóm tiến hành đánh giá thực nghiệm để nhận xét và đánh giá kết quả đạt được so với mục tiêu ban đầu Đặc biệt, sự hỗ trợ của công cụ máy tính là rất quan trọng trong việc tính toán, thiết kế, mô phỏng và xây dựng mô hình thực nghiệm.
Tình hình nghiên cứu trong và ngoài nước
Hiện nay, chưa có nghiên cứu nào trong và ngoài nước áp dụng robot cho việc vận chuyển hành lý và đồ đạc Tuy nhiên, đã có một số ứng dụng về vali thông minh được phát triển nhằm nâng cao hiệu quả trong việc di chuyển hành lý.
Công ty Cowarobot tại Thượng Hải đã phát triển chiếc vali thông minh đầu tiên trên thế giới, cho phép du khách di chuyển dễ dàng từ nhà ga này sang nhà ga khác như một chiếc xe go-kart Sản phẩm mới này không chỉ đơn thuần là hành lý, mà còn hoạt động như một người bạn trung thành, theo sát bạn như một chú cún.
Cowarobot R1 là một chiếc vali độc đáo với chiều cao 20 inches và dung tích 33 lít, có nhiều màu sắc phong phú Vali được thiết kế với khung nhôm chắc chắn và ngoại thất hoàn toàn bằng polycarbonate Đặc biệt, R1 không chỉ là một chiếc vali thông thường mà còn tích hợp nhiều công nghệ máy tính tiên tiến.
Va li R1 tự hào sở hữu công nghệ cảm biến tiên tiến như sonar, camera cảm biến độ sâu, cảm biến ánh sáng và chip GPS, giúp tự động điều hướng qua các địa hình khác nhau Nhờ vào dây đeo cổ tay đi kèm, R1 có khả năng theo dõi chủ sở hữu và đồng thời tránh được các chướng ngại vật và va chạm tiềm ẩn.
Dây đeo cổ tay R1 được trang bị mô-đun phát thanh băng rộng, cho phép va li theo dõi chủ nhân và di chuyển cùng với tốc độ lên đến 4.5 dặm một giờ Ngoài ra, dây đeo còn đóng vai trò quan trọng trong việc khóa thông minh của va li, sẽ rung lên nếu bạn vô tình để lại nó phía sau.
Nhưng ngay cả khi bạn để lại R1 phía sau, nó có thể dễ dàng tìm đường về nhà một lần nữa
Cowarobot đã phát triển một ứng dụng đồng hành cho thiết bị Android và iOS, giúp người dùng dễ dàng theo dõi và triệu hồi va li chỉ bằng một cú vuốt Với công nghệ GPS, R1 có khả năng tự di chuyển để tìm lại chủ nhân, có thể đi được 12.5 dặm sau mỗi lần sạc Mặc dù được trang bị nhiều công nghệ hiện đại, nhưng chỉ khoảng 4% trọng lượng của R1 là thiết bị điện tử Các nhà thiết kế cũng chú ý đến an ninh bằng cách thiết kế pin USB có thể tháo rời dễ dàng.
Robot KLM, hay còn gọi là Care-E, là một xe đẩy tự lái được thiết kế giống như một chiếc xe đẩy hành lý Với trí tuệ nhân tạo tiên tiến, Care-E không chỉ hỗ trợ vận chuyển hành lý mà còn mang lại trải nghiệm tiện lợi cho hành khách.
Care-E có khả năng vận chuyển 40kg hành lý và đạt tốc độ tối đa khoảng 5km/giờ, tương đương với tốc độ đi bộ trung bình của con người.
Khi hành khách đến, các robot sẽ chào đón và kiểm tra hộ chiếu để nhận diện từng cá nhân Nếu bạn muốn mua sắm, uống cà phê hay ăn nhẹ, Care-E sẽ hướng dẫn bạn đến địa điểm mong muốn và chờ đợi bên ngoài các quầy hàng.
Theo các nhà phát triển Care-E, robot này có thể được sử dụng hiệu quả bởi mọi người mà không cần kỹ năng ngôn ngữ đặc biệt Giao diện người dùng thân thiện, gợi nhớ đến nhân vật Eva trong bộ phim hoạt hình Wall-E của Pixar.
Giới hạn của đề tài
- Nghiên cứu, thiết kế cơ khí cho robot di chuyển với vận tốc 0.3 m/s đến 1 m/s, cao 1m đề người dùng có thể dễ dàng tương tác qua màn hình
- Xây dựng bộ điều khiển cho robot thông minh đồng thời hoạch định vị trí cho robot
CƠ SỞ LÝ THUYẾT
Lựa chọn cơ cấu lái
2.1.1 Cơ cấu lái đồng bộ 4 bánh chủ động
Cơ cấu này gồm 4 bánh chủ động, tất cả các bánh xe đều có gắn động cơ để dẫn động và đều có cơ lắp cấu để bẻ lái
Hình 2.1: Cơ cấu lái 4 bánh chủ động
Giữ thăng bằng tốt, di chuyển trên bè mặt không bằng phẳng
Bán kính quay xe bằng 0
Sử dụng nhiều động cơ dẫn đến chi phí phát sinh lớn Điều khiển phức tạp hơn vì có nhiều động cơ
Hệ thống cơ khí phải có cơ cấu bẻ lái riêng cho từng bánh xe.
2.1.2 Cơ cấu lái sử dụng 3 bánh trong đó có 1 bánh điều hướng
Hình 2.2: Cơ cấu lái 3 bánh có 1 bánh điều hướng
Cơ cấu bẻ lái được dùng cho bánh trước là 1 bánh điều hướng, một động cơ dẫn động dùng cho 2 bánh sau
Thiết kế cơ khí đơn giản, đảm bảo 3 bánh cùng tiếp xúc trên 1 mặt phẳng
Sử dụng ít động cơ, tiện, gọn
Di chuyển ổn định trong những đoạn đường cua
Phải dùng bộ vi sai cho 2 bánh sau để xe vào cua được ổn định, nếu không sẽ gây ra hiện tượng trượt bánh
Tâm quay không trùng với tâm robot nên khó điều khiển hơn
2.1.3 Cơ cấu lái vi sai
Hình 2 3: Cơ cấu lái 2 bánh vi sai
Cơ cấu sử dụng dẫn động trên 2 bánh xe, trong đó 2 bánh này không chỉ điều khiển vận tốc mà còn giúp điều chỉnh hướng di chuyển Để robot giữ được cân bằng, cần có bánh tự lựa, và tùy thuộc vào thiết kế, cơ cấu có thể trang bị 1 hoặc 2 bánh xe tự lựa.
Hình 2.4: Cơ cấu lái vi sai 1 bánh tự lựa
Hệ thống cơ khí đơn giản, không cần thiết kế cơ cấu bẻ lái
Bán kính quay bằng không
Trong trường hợp chỉ sử dụng một bánh tự lựa, dễ xảy ra tình trạng lật Nếu sử dụng hai bánh tự lựa, cần thiết phải trang bị hệ thống nhún đàn hồi cho cả hai bánh để đảm bảo rằng chúng luôn tiếp xúc với mặt phẳng di chuyển.
Vì sử dụng 2 động cơ riêng biệt cho 2 bánh dẫn động nên điều khiển di chuyển thẳng khó.
Lựa chọn bộ truyền động
Bộ truyền đai truyền động từ bánh chủ động cho bánh bị động nhờ ma sát giữa
25 dây đai và bánh đai Để tạo ma sát giữa dây đai và bánh đai ta phải tạo lưng căng ban đầu để tạo lực pháp tuyền
Hình 2.5: Bộ truyền đai dẹt
Kết cấu đơn giản,giá thành thấp
Truyền động khoảng cách xa, truyền động được vận tốc lớn
Xảy ra hiện tượng trượt nên hạn chế các trường hợp quá tải động cơ
Làm việc êm, không gây tiếng ồn, không cần bôi trơn
Xảy ra hiện tượng trượt nên tỷ số truyền thay đổi
Phải có cơ cấu căng đai
Tuổi thọ thấp khi làm việc tốc độ cao
2.2.2 Bộ truyền đai răng Đai răng tương tự như đai dẹt nhưng bề mặt trong có các gờ hình thang hoặc tròn Bánh đai là loại bánh răng tương ứng Bộ truyền hoạt động dựa vào nguyên lí
26 là sự ăn khớp giữa đai và các răng của bánh đai
Hình 2.6: Bộ truyền đai răng
Tốc độ dường như không đổi, không xảy ra hiện tưởng trượt
Dễ dàng lắp đắt hoặc tháo rời
Bộ truyền làm việc êm, không gây tiếng ồn, không cần bôi trơn
Kích thước bộ truyền nhỏ
Chi phí cao, puly và đai phải có răng phù hợp
Bộ truyền xích hoạt động dựa trên nguyên lý ăn khớp giữa các mắc xích và răng của đĩa xích, giúp truyền động hiệu quả từ bánh xích chủ động sang bánh xích bị động.
Có thể truyền động giữa các trục cách xa nhau
Kéo tải lớn, không có hiện tượng trượt, hiệu suất cao
Có kết cấu nhỏ gọn
Kích thước bộ truyền xích nhỏ hơn bộ truyền đai nếu cùng công suất
Có thể va đập gây tiếng ồn, thích hợp cho những trường hợp di chuyển chậm
Có tỷ số truyền không ổn định
Bản lề xích bị mòn gây nên tải trọng động, ồn
Mau bị mòn trong môi trường nhiều bụi hoặc ít bôi trơn nên phải thường xuyên bôi trơn
Hình 2.8: Bộ truyền bánh răng
Bộ truyền bánh răng là thiết bị quan trọng giúp truyền chuyển động giữa hai trục thông qua tỷ số truyền xác định, nhờ vào sự ăn khớp của các răng trên bánh răng Nó có khả năng truyền động giữa các trục song song hoặc cắt nhau, tạo ra sự linh hoạt trong các ứng dụng cơ khí.
Tỉ số truyền không đổi, hiệu suất cao do không có hiện tượng trượt
Chế tạo phức tạp, đòi hỏi đọ chính xác cao
Gây ồn ở vận tốc lớn.
Máy tính Raspberry Pi
2.3.1 Giới thiệu về Raspberry Pi
Raspberry Pi là một máy tính nhỏ gọn nhưng mạnh mẽ, có khả năng chạy các hệ điều hành như Linux và Windows 10 IoT.
Pi cho phép người dùng lập trình bằng các ngôn ngữ như Python và Scratch Thiết bị này có khả năng thực hiện tất cả các chức năng của một máy tính để bàn, bao gồm soạn thảo văn bản, xem video, duyệt web và chơi game.
Hình 2.9: Sơ đồ cấu tạo của Raspberry Pi model B
Thông số kỹ thuật chi tiết của Raspberry Pi model B:
• Vi xử lý: Broadcom BCM2837B0, quad-core A53 (ARMv8) 64-bit SoC
• Kết nối: 2.4GHz and 5GHz IEEE 802.11 b/g/n/ac wireless LAN, Bluetooth 4.2, BLE, Gigabit Ethernet over USB 2.0 (Tối đa 300Mbps)
• Video và âm thanh: 1 cổng full-sized HDMI, Cổng MIPI DSI Display, cổng MIPI CSI Camera, cổng stereo output và composite video 4 chân
• Multimedia: H.264, MPEG-4 decode (1080p30), H.264 encode (1080p30); OpenGL ES 1.1, 2.0 graphics
• Multimedia: H.264, MPEG-4 decode (1080p30), H.264 encode (1080p30); OpenGL ES 1.1, 2.0 graphics
Công nghệ IoT
IoT (Internet of Things) hay Internet vạn vật là một mạng lưới toàn cầu kết nối các thiết bị với nhau thông qua Internet Điều này cho phép con người dễ dàng thu thập, xử lý và truyền tải dữ liệu Sự phát triển của IoT xuất phát từ sự kết hợp của công nghệ không dây, vi điều khiển và Internet, tạo thành một hệ thống các thiết bị có khả năng kết nối và tương tác để thực hiện các nhiệm vụ cụ thể.
IoT đã mang đến một bước ngoặt quan trọng cho thế giới hiện đại, cho phép mọi vật kết nối qua Internet không dây Xu hướng ứng dụng công nghệ IoT trong sản xuất ngày càng gia tăng nhờ khả năng mở rộng vô hạn và tính linh hoạt trong hầu hết các lĩnh vực, cùng với chi phí sản xuất ngày càng giảm.
Truy cập thông tin từ mọi lúc, mọi nơi trên mọi thiết bị
Cải thiện việc giao tiếp giữa các thiết bị điện tử được kết nối
Chuyển dữ liệu qua mạng Internet giúp tiết kiệm thời gian và tiền bạc
Tự động hóa các nhiệm vụ giúp cải thiện chất lượng dịch vụ của doanh nghiệp
Khi nhiều thiết bị được kết nối và nhiều thông tin được chia sẻ giữa các thiết bị, có thể lấy cắp thông tin bí mật
Do thiếu tiêu chuẩn quốc tế về khả năng tương thích cho Internet of Things (IoT), việc giao tiếp giữa các thiết bị từ các nhà sản xuất khác nhau trở nên khó khăn.
Nếu có lỗi trong hệ thống, có khả năng mọi thiết bị được kết nối sẽ bị hỏng
Mã nguồn nodeJS
2.5.1 Giới thiệu về Web Server
Website là tập hợp các trang web chứa văn bản, hình ảnh, video và flash, được lưu trữ trên máy chủ web và có thể truy cập qua Internet Các website có thể được phát triển bằng nhiều ngôn ngữ lập trình khác nhau như PHP, NET và Java.
Website mang lại nhiều ưu điểm, bao gồm khả năng cập nhật và thay đổi thông tin một cách dễ dàng Người dùng có thể truy cập thông tin ngay lập tức từ bất kỳ đâu, giúp tiết kiệm chi phí in ấn và không bị giới hạn về khu vực hay phạm vi sử dụng.
Một website thông thường được chia thành 2 phần :
Giao diện người dùng (front-end) là phần hiển thị của trang web trên màn hình máy tính qua các trình duyệt như Internet Explorer, Firefox, và cần đảm bảo tính thẩm mỹ, bố cục đơn giản, tiện lợi, dễ hiểu và dễ sử dụng Ngày nay, các website ngày càng trở nên sống động nhờ vào hiệu ứng đa dạng của hình ảnh, chữ viết và âm thanh.
Các chương trình lập trình back-end là phần quan trọng giúp website hoạt động, được lưu trữ trên máy chủ (Server) Sự khác biệt trong lập trình back-end sẽ phân loại các loại website khác nhau.
Website tĩnh là loại trang web được xây dựng hoàn toàn bằng ngôn ngữ HTML, không sử dụng cơ sở dữ liệu và thường có nội dung ít thay đổi Người dùng gần như không có khả năng tương tác với trang web này.
Website động là loại website sử dụng cơ sở dữ liệu, cho phép thông tin trên trang web được cập nhật và thay đổi liên tục Những website này thường được phát triển bằng các ngôn ngữ lập trình như PHP, ASP.NET, JSP, và Perl, đồng thời quản lý cơ sở dữ liệu thông qua SQL hoặc MySQL.
2.5.1.2 Ngôn ngữ lập trình web a) Ngôn ngữ lập trình phía máy chủ
Hiện nay, PHP và JavaScript là hai ngôn ngữ lập trình phía máy chủ phổ biến nhất trên thế giới Cả hai đều dễ học và được sử dụng rộng rãi trong phát triển web.
PHP là ngôn ngữ lập trình kịch bản phổ biến, chủ yếu được sử dụng để phát triển ứng dụng máy chủ Nó hoạt động trên phía server để tạo ra mã HTML cho client, cho phép xây dựng các ứng dụng web hiệu quả Một trong những ưu điểm nổi bật của PHP là tính dễ học, khả năng chạy trên mọi hệ điều hành và tương thích với tất cả các trình duyệt.
JavaScript là ngôn ngữ lập trình theo kịch bản, cho phép phát triển ứng dụng dựa trên các đối tượng có sẵn hoặc tự định nghĩa Với hiệu quả và tính tiện lợi cao, JavaScript trở thành một trong những ngôn ngữ lập trình phổ biến nhất trên thế giới Hiện nay, ngôn ngữ này không chỉ được sử dụng để xây dựng các ứng dụng web tương tác mà còn có khả năng phát triển ứng dụng di động JavaScript có nhiều ưu điểm tương tự như PHP, nhưng được ưa chuộng hơn nhờ khả năng lập trình cả phía máy chủ và giao diện người dùng Để lập trình web phía giao diện người dùng, ba ngôn ngữ chính thường được sử dụng là HTML, CSS và JavaScript.
HTML (Hyper Text Markup Language) là ngôn ngữ đánh dấu siêu văn bản, được sử dụng để định dạng bố cục và hiển thị nội dung trên các trình duyệt như Chrome và Cốc Cốc Cấu trúc của một trang web HTML bắt đầu với thẻ , bên trong có hai thẻ chính là và Các thẻ con nằm trong hai thẻ này, với mỗi thẻ đều có thẻ mở và thẻ đóng, ví dụ như … Nội dung giữa các thẻ sẽ được trình duyệt định dạng theo loại thẻ để hiển thị đúng nội dung.
CSS, viết tắt của Cascading Style Sheets, là ngôn ngữ dùng để tạo phong cách cho trang web, giúp trang web trở nên sinh động và thẩm mỹ hơn Trong khi HTML định dạng các phần tử như đoạn văn, tiêu đề và bảng, CSS cho phép thêm các kiểu dáng cho các phần tử HTML, bao gồm việc thay đổi màu sắc, font chữ và kích cỡ chữ của các đoạn văn bản.
JavaScript là một ngôn ngữ lập trình chạy trên trình duyệt web, cho phép tự động truyền nhận dữ liệu và truy cập vào các thẻ HTML để hiển thị thông tin.
NodeJS là một mã nguồn mở dựa trên nền tảng Javascript V8 Engine, được thiết kế để phát triển các ứng dụng internet có khả năng mở rộng, đặc biệt là máy chủ web Nó có thể chạy trên nhiều hệ điều hành khác nhau như Windows và Linux NodeJS cung cấp nhiều thư viện phong phú dưới dạng Javascript Module, giúp đơn giản hóa quá trình lập trình và tối ưu hóa thời gian phát triển.
2.5.2.2 Các đặc tính của NodeJS
Tất cả các API của NodeJS đều hoạt động theo cơ chế không đồng bộ (non-blocking), cho phép máy chủ tiếp tục xử lý các yêu cầu mà không phải chờ đợi dữ liệu trả về Điều này giúp cải thiện hiệu suất và khả năng phản hồi của ứng dụng, nhờ vào việc di chuyển giữa các API sau khi thực hiện cuộc gọi và cơ chế thông báo sự kiện của Node.js, mang lại trải nghiệm thời gian thực (Realtime) cho người dùng.
• Chạy rất nhanh: NodeJ được xây dựng dựa vào nền tảng V8 Javascript Engine nên việc thực thi chương trình rất nhanh
Node.js sử dụng mô hình đơn luồng với cơ chế sự kiện lặp, cho phép các máy chủ hoạt động một cách không ngăn chặn và mở rộng cao Điều này giúp Node.js vượt trội hơn so với các máy chủ truyền thống, vốn bị giới hạn trong khả năng xử lý yêu cầu.
• Không đệm: NodeJS không đệm bất kì một dữ liệu nào và các ứng dụng này chủ yếu là đầu ra dữ liệu
• Có giấy phép: NodeJS đã được cấp giấy phép bởi MIT License
Thuật toán điều khiển động cơ DC PID
Hình 2.10: Thuật toán điều khiển động cơ PID
Thuật toán PID (Tỉ lệ - Tích phân - Vi phân) được sử dụng rộng rãi trong các hệ thống điều khiển phản hồi công nghiệp để điều khiển các đối tượng như nhiệt độ, mức nước, tốc độ động cơ và áp suất Để điều khiển hiệu quả, PID cần lấy giá trị đầu ra y của hệ thống và so sánh với giá trị đặt y0 để xác định sai số e Dựa trên sai số này, PID sẽ điều chỉnh tác động vào đối tượng nhằm đảm bảo giá trị đầu ra y bám sát giá trị đặt ban đầu Bộ điều khiển PID bao gồm ba khâu điều khiển: tỉ lệ (P), tích phân (I) và vi phân (D), với ngõ ra cuối cùng là tổng của ba ngõ ra này.
Khâu tỉ lệ là tích giữa sai số hiện tại với độ lợi K p : out p ( )
Khâu tích phân là tích giữa tổng sai số tức thời theo thời gian với độ lợi K I :
Khâu vi phân là tích giữa độ dốc sai số theo thời gian với độ lợi vi phân K D : out D ( )
Vậy ngõ ra tác động là:
Hàm truyền của bộ điều khiển PID liên tục:
Sự phát triển của hệ thống điều khiển số đòi hỏi các bộ điều khiển rời rạc, dẫn đến việc thuật toán điều khiển PID rời rạc trở nên phổ biến trong máy tính và hệ thống nhúng Quá trình chuyển đổi sang miền thời gian rời rạc được thực hiện cho từng khâu cụ thể.
Với T là chu kì lấy mẫu theo thời gian (giây) Từ đó cho ta ngõ ra tác động u (kT) là:
Truyền thông UART
UART là một mạch tích hợp quan trọng cho việc truyền dữ liệu nối tiếp giữa máy tính và các thiết bị ngoại vi Chức năng chính của UART là truyền dữ liệu theo phương thức nối tiếp, cho phép giao tiếp giữa hai thiết bị thông qua hai cách: giao tiếp dữ liệu nối tiếp và giao tiếp dữ liệu song song.
Trong giao tiếp UART có các thông số chính:
Baud rate (tốc độ baud ): Khoảng thời gian để 1 bit được truyền đi Phải được cài đặt giống nhau ở cả phần gửi và nhận
Frame (khung truyền): Khung truyền quy định về mỗi lần truyền bao nhiêu bit
Start bit là bit đầu tiên được truyền trong một Frame, có nhiệm vụ thông báo cho thiết bị nhận rằng một gói dữ liệu sắp được gửi đến Đây là bit bắt buộc trong quá trình truyền dữ liệu.
Data: dữ liệu cần truyền Bit có trọng số nhỏ nhất LSB được truyền trước sau đó đến bit MSB
Parity bit: kiểm tra dữ liệu truyền có đúng không
Stop bit là một hoặc nhiều bit thông báo cho thiết bị rằng quá trình gửi bit đã hoàn tất Thiết bị nhận sẽ kiểm tra khung truyền để đảm bảo tính chính xác của dữ liệu Đây là loại bit bắt buộc trong giao tiếp dữ liệu.
THIẾT KẾ HỆ THỐNG CƠ KHÍ
Yêu cầu thiết kế
Để hoàn thành một mô hình hoàn chỉnh dựa trên ứng dụng của Robot chúng ta cần đạt những yêu cầu thiết kế dưới đây:
- Robot di chuyển trên bề mặt bằng phẳng
- Vì sử dụng trong khách sạn nên cơ cấu di chuyển phải linh hoạt
- Khối lượng hành lý từ 7 – 10 kg
- Kích thước robot vừa phù hợp không gian di chuyển vừa để có đủ không gian lắp đặt các chi tiết bên trong robot
- Vì di chuyển trong khách sạn nên lực cản gây ra do gió rất nhỏ
- Tính toán các cơ cấu từ đó xác định được vị trí lắp đặt các chi tiết
- Thiết kế mô hình 3D để có thể nhìn thấy mô hình trực quan nhất
Sơ đồ khối
Nguyên lý hoạt động của robot
Hình 3.1: Sơ đồ khối ý tưởng
Hình 3.2: Sơ đồ nguyên lý hoạt động
Máy tính gửi vị trí đích cho robot, sau đó bộ điều khiển so sánh với vị trí hiện tại và truyền hai giá trị vận tốc đến bộ điều khiển PID trên Driver Driver điều khiển động cơ quay dựa trên giá trị vận tốc này, giúp robot di chuyển Trong quá trình di chuyển, hai encoder đo số xung phát ra, từ đó xác định vị trí của robot thông qua bài toán động học thuận Khi vị trí hiện tại trùng khớp với vị trí đích, robot sẽ dừng lại.
Tính toán hệ thống truyền động
Sau khi phân tích ưu nhược điểm và tính khả thi của các cơ cấu lái, phương án tối ưu được chọn là cơ cấu lái vi sai 2 bánh tự lựa Cơ cấu này có tâm quay tại trung tâm robot, cho phép bánh kính quay xe bằng 0, đồng thời sử dụng 2 động cơ so le, giúp robot linh hoạt trong không gian hẹp Hơn nữa, thiết kế cơ khí cho cơ cấu này đơn giản hơn so với các cơ cấu khác, vì không cần hệ thống bẻ lái cho robot.
Khi sử dụng 2 bánh tự lựa, cần thiết phải trang bị hệ thống nhún đàn hồi cho cả hai bánh để đảm bảo rằng chúng luôn tiếp xúc với bề mặt di chuyển.
Hình 3.4: Phân tích lực tác dụng lên robot khi di chuyển 40
3.4.2 Tính toán chọn động cơ
Các thông số ban đầu của Robot:
- Khối lượng tối đa ước tính của robot m0kg
- Bánh xe có đường kính d=2r5mm
Hình 3.3: Sơ đồ truyền động
Trong đó: θ là độ dốc của robot so với phương ngang
F là lực tác của robot tác dụng lên mặt đất N
F N = m g cos r là bán kính của bánh xe; a là gia tốc của robot v là vận tốc của robot
F là lực ma sát, ms F ms = m g cos (μlà hệ số ma sát)
Fwlà lực kéo động cơ
Do robot chỉ di chuyển trên mặt phẳng ngang của xưởng nên độ dốc = 0, F N = P Tổng các lực tác dụng lên robot: w ms
Lực kéo do động cơ sinh ra:
Với : xe tăng tốc với gia tốc a= 0.8 m/s 2 hệ số ma sát của bánh xe μ = 0.03; g = 9.8 m/s 2
Công suất cần thiết của động cơ:
Với: n 1 =0,97: hiệu suất của hộp số n 2 =0,99: hiệu suất khớp nối n 3 =0,96: hiệu suất bộ truyền đai răng n 4 =0,99: hiệu suất 1 cặp ổ lăn
Vậy công suất động cơ:
Để đáp ứng yêu cầu moment T = 2,38 N.m và công suất P = 28,77W, động cơ N5 với số vòng quay 120rpm đã được chọn Động cơ Planet 24V 60W 120rpm 13ppr được lựa chọn với các thông số cơ bản được trình bày trong bảng dưới đây.
TT Đặc điểm Giá trị
1 Loại động cơ Động cơ DC Planet có hộp số
6 Số xung trên mỗi kênh 13
Bảng 3.1: Thông số động cơ
Trong đồ án này, phương pháp truyền động bằng đai răng được lựa chọn vì những ưu điểm nổi bật như không xảy ra trượt đai, hiệu suất cao và lực tác dụng lên trục cùng ổ đỡ nhỏ Bên cạnh đó, bộ truyền đai răng có sẵn trên thị trường với các tiêu chuẩn định sẵn, giúp quá trình hoàn thiện cơ cấu diễn ra nhanh chóng và dễ dàng trong việc bảo trì, thay thế.
Trong đó: P là công suất truyền, kW;
Hình 3.5: Kích thước động cơ
N là số vòng quay bánh dẫn, vg/ph; k = 35 là đai gờ hình thang, k = 25 là đai gờ hình tròn;
Cr là hệ số tải trọng động,có giá trị 1,3…2,4 (giá trị lớn với thiết bị làm việc có va đập hoặc quá tải cục bộ thường xuyên)
Bước răng của đai: p=m. =6, 28 (mm) (3.6)
Dựa vào bảng 4.28 tài liệu ( trang 69 1.trịnh chất)
Với m=2, chọn bề rộng đai b= 10(mm)
Dựa trên các thông số môđun m=2, bước răng p=6.28 và bề rộng đai b=10, việc lựa chọn loại đai phù hợp là khá khó khăn Do đó, loại đai XL với bước đai p=5.08 đã được chọn làm lựa chọn thích hợp.
Thông số Kí hiệu Giá trị
Dựa vào bảng 4.29 trang 70 tài liệu Trịnh chất:
Nhằm đảm bảo tuổi thọ cho đai, số răng bánh đai chủ động Z 1 12
Chọn tỉ số truyền U= 1 giúp giảm tính toán và sai số trong quá trình điều khiển
Số răng bánh đai bị động:
Khoảng cách trục được chọn theo điều kiện: a min a a max
Trong đó: min 0,5 .( 1 2) 2 0,5.2.(20 20) 2.2 44 a = m Z +Z + m= + + = (mm) max 2 .( 1 2) 2.2.(20 20) 160 a = m Z +Z = + = (mm)
Chọn khoảng cách trục sơ bộ a = 100 mm
Với số răng đai Z đ = 60, chọn loại đai 120XL với chiều dài đai L = 304,8 (mm) Xác định lại khoảng cách trục:
= − Khoảng cách trục chính xác là:
= = Thỏa điều kiện a min a a max Đường kính vòng chia của các bánh đai:
2 2 2.20 40 d =m Z = = mm Đường kính ngoài của bánh đai:
Trong đó: - khoảng cách từ đáy răng đến đường trung bình của lớp chịu tải, bảng 4.27
Kiểm nghiệm đai về lực vòng riêng
Hệ số tải trọng Kđ được chọn theo bảng 4.7 trong tài liệu [3] với giá trị Kđ = 1 Khối lượng của 1 mét đai có chiều rộng 1mm được tra cứu từ bảng 4.31 trong tài liệu [1], cho giá trị q m = 0,0032 Bề rộng đai được xác định là b = 10 mm, trong khi vận tốc vòng được chọn là v = 0,4 m/s.
Với m =2 thì lực vòng riêng cho phép [q] = 5
Lực vòng riêng trên đai thỏa mãn điều kiện q < [q]
Trục sử dụng trong mô hình là dạng trụ truyền, có thể tiếp nhận đồng thời cả momen uốn và mô men xoắn
Theo tài liệu [1] trang 189 Chọn đường kính trục d t =(0,8 1, 2). d dc
Với trục đầu ra của hộp giảm tốc động cơ d dc nên chọn d t
Thông số Kí hiệu Giá trị
Số răng bánh răng chủ động Z1 20 răng
Số răng bánh răng bị động Z2 20 răng
Bánh răng có bề rộng B = b + m 12mm, với đường kính ngoài của bánh đai chủ động là da1 38,8 mm và bánh đai bị động là da2 38,8 mm Đường kính vòng chia của bánh răng chủ động là d1 40 mm, trong khi đường kính vòng chia của bánh răng bị động là d2 40 mm Đường kính trục Puly được xác định là dt 12mm.
Bảng 3.3: Tổng hợp các thông số
Hình 3.6: Bộ truyền đai răng XL
Thiết kế khung vỏ robot
Việc thiết kế đế robot là rất quan trọng, vì nó cần đủ không gian để lắp đặt các linh kiện như động cơ, mạch điện và pin, đồng thời phải tránh tình trạng quá chật gây nóng linh kiện và lỗi di chuyển Kích thước của đế cũng cần được tính toán hợp lý để thuận tiện cho việc di chuyển trong môi trường khách sạn Hơn nữa, đế robot còn là nơi chịu tải chính, do đó cần đảm bảo độ bền và ổn định cho toàn bộ hệ thống.
Phần đế của robot được thiết kế với 2 rãnh vuông đối xứng để lắp đặt 2 bánh xe dẫn động và 2 rãnh tròn đối xứng cho 2 bánh xe tự lựa Thiết kế này giúp trọng tâm robot thấp, tăng cường tính ổn định khi di chuyển Ngoài ra, các rãnh cũng được cắt để gắn động cơ, hỗ trợ cho hoạt động của robot.
Hình 3.7: Thiết kế đế robot
3.5.1.1 Kiểm nghiệm độ bền đế robot
Bài báo cáo sẽ sử dụng phần mềm Ansys Workbench 19.2 để khảo sát ứng suất của đế robot
• Kiểm nghiệm độ bền uốn Đế robot sử dụng vật liệu thép CT3, ta có ứng suất uốn lớn nhất của vật liệu thép CT3 là 490Mpa
Do các thành phần có tải được phân bố đều trên đế, tải trọng được coi là phân bố đồng đều Tổng khối lượng của robot, hành lý và các tải phát sinh ước tính khoảng 30 kg, tương ứng với lực phân bố là 300N Các thành phần chịu tải bao gồm các lỗ dùng để lắp đặt chi tiết trên đế.
Hình 3.8: Bố trí cơ cấu và chi tiết trên đế robot
Hình 3.9: Phân bố ứng suất uốn trên bề mặt đế robot
Nhận xét: Quan sát kết quả phân tích trên từ phần mềm Ansys Workbench ta thấy ứng suất uốn lớn nhất trên đế là 13,1 MPa
Kết luận cho thấy rằng ứng suất uốn lớn nhất trên đế (13.1MPa) thấp hơn ứng suất uốn lớn nhất của vật liệu thép CT3 (490MPa), điều này đảm bảo độ bền uốn cho đế.
• Khảo sát chuyển vị trên đế robot
Hình 3.10: Phân tích chuyển vị của khung robot
Nhận xét: quan sát kết quả ta thấy chuyển vị lớn nhất trên trụ nhôm là
0,056333mm, chuyển vị của khung không đáng kể
Hình 3.10: Phân bố ứng suất uốn trên bề mặt đế chứa hành lý
Nhận xét: Quan sát phần kết quả phân tích từ phần mềm Ansys Workbench ta thấy ứng suất uốn lớn nhất trên đế là 18,326 MPa
Kết luận cho thấy rằng ứng suất uốn lớn nhất trên đế nhỏ hơn ứng suất uốn lớn nhất của vật liệu thép CT3, cụ thể là 18,326 MPa so với 490 MPa Điều này đảm bảo rằng đế có độ bền uốn tốt.
Hình 3.11: Phân tích ứng suất uốn của trụ nhôm
Nhận xét: Quan sát phần kết quả phân tích từ phần mềm ta thấy ứng suất uốn lớn nhất trên thanh nhôm định hình 20x20 là 1,9371 MPa
Kết luận cho thấy rằng ứng suất uốn lớn nhất trên trụ nhôm là 1,9371 MPa, thấp hơn nhiều so với ứng suất uốn lớn nhất của vật liệu nhôm là 30 MPa Điều này đảm bảo rằng trụ nhôm có khả năng chịu đựng bền vững trong các điều kiện uốn.
Nhận xét: Quan sát kết quả ta thấy đọ chuyển vị lớn nhất trên trụ nhôm là 0,00085551 mm, chuyển vị của thanh nhôm không đáng kể
Phần vỏ robot được thiết kế theo hình dạng của đế robot trước đó, với chiều cao phù hợp để bao phủ các chi tiết bên trong Vỏ robot có các lỗ tròn ở phía trước và sau để lắp đặt cảm biến siêu âm phát hiện vật cản Vì vỏ chủ yếu chỉ có chức năng bảo vệ các chi tiết bên trong và chịu lực nhỏ, nên nó được làm từ thép tấm dày 1mm, giúp giảm khối lượng tổng thể của robot.
Hình 3.12: Phân tích chuyển vị của trụ nhôm
ĐỘNG HỌC, ĐỘNG LỰC HỌC VÀ GIẢI THUẬT ĐIỀU KHIỂN ROBOT
Bài toán động học robot
Động học là nghiên cứu chuyển động của robot mà không xem xét các yếu tố ngoại lực, tập trung vào các yếu tố hình học xác định vị trí của robot Nó thể hiện mối quan hệ giữa các thông số điều khiển và trạng thái của robot trong không gian Phần này sẽ trình bày mô hình toán học của robot, từ đó xác định bài toán động học thuận và động học nghịch.
4.1.1 Mô hình toán của robot
Nhiều robot di động hiện nay sử dụng hệ thống bánh xe dạng vi sai, bao gồm hai bánh xe gắn trên một trục chung với khả năng điều khiển độc lập về hướng di chuyển Bằng cách điều chỉnh vận tốc của từng bánh xe, chúng ta có thể kiểm soát chuyển động của robot Khi di chuyển, robot sẽ xoay quanh một điểm nằm dọc theo trục bánh xe, được gọi là ICC (tâm vận tốc tức thời).
Hình 4.1: Mô hình toán của robot
Bằng cách điều chỉnh vận tốc của hai bánh xe, chúng ta có thể kiểm soát quỹ đạo di chuyển của robot Để đảm bảo tốc độ quay ω của Trung tâm Quay (ICC) là đồng nhất cho cả hai bánh, chúng ta có thể thiết lập các phương trình tương ứng.
Trong đó, l là khoảng cách giữa tâm hai bánh xe, Vr và Vl lần lượt là vận tốc của bánh xe bên phải và bên trái trên mặt đất, và R là khoảng cách từ ICC đến điểm giữa các bánh xe Tại mọi thời điểm, chúng ta có thể tính toán giá trị của R và ω.
Có 3 trường hợp xảy ra:
- Nếu V = l V thì ta có chuyển động tịnh tiến theo đường thẳng R bằng vô cùng r và không có phép quay
- Nếu V = - l V thì R = 0 và chúng ta có xoay quanh điểm giữa của trục bánh xe r
- Nếu V = 0 thì robot quay quanh bánh xe trái Khi đó R = l/2 Tương tự với l trường hợp V = 0 r
Robot có bánh xe dạng vi sai không thể di chuyển theo hướng dọc theo trục, điều này tạo ra một điểm kỳ dị trong thiết kế của chúng Chúng rất nhạy cảm với những thay đổi nhỏ về vận tốc ở từng bánh xe, và những lỗi nhỏ về vận tốc tương đối giữa các bánh có thể ảnh hưởng đến quỹ đạo di chuyển của robot Ngoài ra, robot cũng nhạy cảm với các biến đổi nhỏ trên mặt đất, do đó có thể cần thêm bánh xe tự lựa để hỗ trợ trong quá trình di chuyển.
Trong hình 1, robot được đặt tại các vị trí (x, y) và di chuyển theo một hướng tạo góc với trục X Trọng tâm của robot nằm ở giữa trục bánh xe Bằng cách điều chỉnh các tham số điều khiển Vl và Vr, chúng ta có thể hướng dẫn robot đến các vị trí mong muốn.
57 hướng khác nhau (Vl, Vr là vận tốc bánh xe dọc theo mặt đất)
Biết vận tốc Vl, Vr và sử dụng phương trình 3.3, chúng ta có thể tìm thấy vị trí ICC:
Tại vị trí 𝑡 + 𝛿𝑡 vị trí robot được tính như sau: cos( ) sin( ) 0 sin( ) cos( ) 0
Phương trình này chỉ đơn giản là mô tả chuyển động của robot quay một khoảng cách R quanh ICC của nó với vận tốc góc là
Chúng ta có thể mô tả vị trí của robot có khả năng di chuyển theo một hướng cụ thể 𝜃t với vận tốc V (t) là:
= (4.8) Đối với trường hợp đặc biệt như robot sử dụng hệ chuyển động vi sai, phương trình trở thành:
Hình 4.2: Vị trí tâm quay tức thời của robot
Một trong những thách thức trong điều khiển robot là làm thế nào để đạt được vị trí xác định (x, y, 𝜃), được gọi là bài toán động học nghịch Robot có bánh xe dạng vi sai không thể di chuyển thẳng theo trục của nó, điều này yêu cầu một bộ điều khiển phức tạp hơn Do đó, không thể chỉ định một vị trí tùy ý (x, y, 𝜃) và tìm vận tốc cần thiết để đạt được vị trí đó Trong trường hợp đặc biệt khi vận tốc của hai bánh là bằng nhau (v r = v l), robot sẽ di chuyển theo đường thẳng và các phương trình chuyển động trở thành: cos(𝜃) * v * t cho tọa độ x và sin(𝜃) * v * t cho tọa độ y.
Nếu v r = − =v l v, thì robot quay tại chỗ và các phương trình trở thành:
Phương pháp điều khiển robot có bánh xe dạng vi sai bao gồm việc di chuyển robot theo đường thẳng, sau đó thực hiện quay vòng tại chỗ và cuối cùng lại tiếp tục di chuyển thẳng.
Bài toán động lực học robot
Bài toán động lực học nghiên cứu chuyển động của robot dưới tác động của ngoại lực, với giả thiết không có trượt theo trục nối hai bánh xe và không trượt theo chiều vuông góc với trục bánh xe Dựa trên hai ràng buộc này, robot được mô tả thông qua hai phương trình cơ bản.
Tọa độ của tâm robot di động được biểu thị bằng (x M, y M), trong khi θ là góc tiêu đề của robot được đo từ trục X Ngoài ra, ∅r và ∅l đại diện cho vị trí góc của bánh bên phải và bên trái.
Phương trình động lực học chung của robot bánh xe:
• G (q) là ma trận lực hấp dẫn
• B (q) là ma trận biến đổi đầu vào
• A T (q) là ma trận Jacobian liên kết với các ràng buộc
• λ là vectơ lực ràng buộc và q là vectơ trạng thái đại diện cho các tọa độ tổng quát
• Τd biểu thị nhiễu loạn bên ngoài không rõ ràng
Hình 4.3: Mô hình động lực học
Trong nghiên cứu về robot, khối lượng của robot được ký hiệu là m, trong khi là thời điểm quán tính tại trọng tâm Các đầu vào điều khiển mô-men xoắn, ký hiệu là l và r, được tạo ra bởi bánh xe trái và phải tương ứng Để mô tả động học của robot, các phương trình động cần được thể hiện dựa trên vận tốc quán tính Đặc biệt, khi robot di chuyển theo cách non-holonomic, phương trình khống chế sẽ được áp dụng để xác định chuyển động.
Giải thuật điều khiển
Để tối ưu hóa quãng đường di chuyển của robot đến vị trí mong muốn, nhóm đã phát triển hai giải thuật Giải thuật đầu tiên là tìm đường, giúp xác định lộ trình ngắn nhất cho robot đến mục tiêu Để robot di chuyển theo lộ trình này, nhóm chia quỹ đạo thành nhiều đoạn nhỏ; càng nhiều đoạn, quỹ đạo thực tế càng gần với lộ trình hoạch định, giảm thiểu sai số Giải thuật thứ hai là điều khiển điểm đến điểm, cho phép robot lần lượt đi qua các điểm đã định Chi tiết về hai giải thuật này sẽ được trình bày trong phần tiếp theo.
4.3.1 Di chuyển điểm đến điểm Điều hướng robot di động vẫn là một vấn đề mở trong hai thập kỷ qua Đầu vào của bộ điều khiển là góc giữa robot và mục tiêu (góc lỗi) và khoảng cách từ robot đến mục tiêu Đầu ra của bộ điều khiển là vận tốc của động cơ bên trái và bên phải Lưu đồ giải thuật của bộ điều khiển được trình bày như hình sau:
Trong quá trình điều khiển robot, hệ thống được chia thành hai bộ điều khiển: bộ điều khiển cấp cao và bộ điều khiển cấp thấp Bộ điều khiển cấp cao thu thập vị trí hiện tại của robot so với vị trí đích và xuất ra vận tốc cho hai bánh xe Trong khi đó, bộ điều khiển cấp thấp sử dụng phương pháp PID để điều khiển hai bánh xe ổn định tại vận tốc đã được chỉ định.
Bài toán động học thuận
Bài toán động học thuận
Xác định vị trí hiện tại Start Đ Đ Đ
Hình 4.4: Lưu đồ di chuyển điểm đến điểm
4.3.2 Giải thuật tìm đường cho robot
Bộ điều khiển cấp cao nhận giá trị đặt x, y và góc cần thiết, sau đó xuất ra hai giá trị vận tốc Vl và Vr cho hai bánh xe Bộ điều khiển cấp thấp tiếp nhận giá trị vận tốc từ bộ điều khiển cấp cao và điều chỉnh hai bánh xe để duy trì ổn định quanh giá trị vận tốc đó Trong quá trình vận hành, hai encoder sẽ đo số vòng quay và thông qua bài toán động học thuận, tính toán giá trị hiện tại của robot, sau đó gửi thông tin này trở lại bộ điều khiển cấp cao.
Hiện nay, có nhiều phương pháp xác định đường đi cho robot, chủ yếu được chia thành hai loại cơ bản Loại thứ nhất là robot di chuyển trong môi trường đã được hoạch định trước, với các chướng ngại vật đã biết và ở trạng thái tĩnh Loại thứ hai là robot hoạt động trong môi trường có chướng ngại vật di động Trong nghiên cứu này, nhóm đã lựa chọn phương pháp tìm đường cho robot trong môi trường đã xác định được các chướng ngại vật.
Phương pháp thiết kế bản đồ trong khách sạn bao gồm việc tạo ra một bức ảnh đen trắng hoặc ảnh nhị phân, tương ứng với kích thước thực của không gian Bản đồ này được chuyển đổi thành ma trận, trong đó mỗi pixel là một phần tử Các khu vực có vật cản được biểu thị bằng màu đen với giá trị 1, trong khi màu trắng có giá trị 0 Cuối cùng, áp dụng giải thuật tìm đường để xác định lộ trình cho robot.
Hình 4.5: Sơ đồ khối bộ điều khiển
Hình 4.7: Lưu đồ giải thuật tìm đường
Phương pháp này có ưu điểm về sự đơn giản và dễ dàng tính toán trên máy tính, nhưng lại gặp nhược điểm ở quá trình chuyển đổi phức tạp Để đảm bảo quỹ đạo của robot chính xác, số lượng node cần lưu trữ sẽ rất lớn, dẫn đến khối lượng tính toán nặng nề và làm giảm tốc độ xử lý của robot Hơn nữa, quỹ đạo di chuyển vẫn chưa tối ưu do sai số trong việc liên kết các node theo lân cận 8.
Quá trình thực hiện được nhóm tóm tắt trong sơ đồ sau:
Hình 4.6: Sơ đồ tạo bộ điều khiển
64 Giải thuật điều khiển robot được nhóm mô tả trong lưu đồ sau:
Hình 4.8: Lưu đồ điều khiển robot
THIẾT KẾ HỆ THỐNG ĐIỆN
Tổng quan hệ thống điện
Hệ thống điện của robot được trình bày như sơ đồ ở hình 5.1
Robot hoạt động chủ yếu nhờ vào nguồn pin Lipo 24V, cung cấp năng lượng cho động cơ và mạch điều khiển Để cấp nguồn cho các thiết bị như Raspberry, camera, cảm biến và màn hình, nguồn 5V được hạ áp từ nguồn 24V Pin Lipo có kích thước nhỏ gọn và dung lượng 5500 mAh, cho phép robot hoạt động liên tục trong khoảng 5 giờ mà không cần sạc.
An toàn điện
Hình 5.1: Hệ thống điện robot
Để đảm bảo an toàn điện cho hệ thống và bảo vệ thiết bị điện khỏi hư hỏng, nhóm đã lắp đặt nút dừng khẩn cấp (E-stop) tại đầu vào của các thiết bị Khi xảy ra sự cố, việc nhấn nút này sẽ tự động ngắt mạch, giúp bảo vệ an toàn cho hệ thống điện của robot.
Các thiết bị điện sử dụng trên robot
Vi điều khiển STM32F407 VGE,là dòng ARM có sức mạnh vừa phải thích hợp với các ứng dụng điều khiển phần cứng
Động cơ DC servo có tốc độ 100 vòng/phút, được trang bị hộp giảm tốc với tỉ số 1/148, giúp tối ưu hóa hiệu suất hoạt động Đặc biệt, động cơ này đi kèm với encoder từ 13 xung, cho phép theo dõi chính xác vị trí và tốc độ.
3 Driver Dirver động cơ DC có công suất 400w, có nhiều chế độ điều khiển như pulse/dir, uart, hỗ trợ giao tiếp mạng qua RS232
4 Pin Pin lipo 24V dung lượng 5500mAh
5 Raspberry Raspberry Pi3+ kết nối được wifi
7 LCD LCD 7inch,độ phân giải 800x480
Cảm biến đo khoảng cách tốt từ 30mm đến 2000mm
Bảng 5.1: Các thiết bị điện sử dụng trên robot
THIẾT KẾ HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN
Hệ thống điều khiển robot
Thiết kế mạch điều khiển robot đóng vai trò quan trọng trong việc điều khiển động cơ, xác định vị trí robot qua tín hiệu từ encoder, và phát hiện vật cản bằng cảm biến siêu âm Nó cũng cho phép giao tiếp với Raspberry để truyền nhận dữ liệu với máy tính Giao diện người dùng cung cấp các tín hiệu đầu vào thông qua tương tác trực tiếp trên màn hình hoặc từ xa qua internet.
Hình 6.1: Tổng quan hệ thống điều khiển động cơ
Máy tính Raspberry Pi trên robot sẽ gửi ba giá trị x, y và góc đến mainboard, đồng thời giao tiếp với một máy tính khác qua wifi Mainboard sẽ truyền tải giá trị vận tốc xuống hai driver qua giao thức UART, giúp driver điều khiển động cơ theo các giá trị vận tốc đã được cài đặt Màn hình và camera được kết nối với Raspberry Pi thông qua cổng USB.
6.1.1 Điều khiển động cơ Để điều khiển động cơ hoạt động ổn định, có thể vận tốc theo mong muốn, nhóm sử dụng hai driver cho hai động cơ Mạch điều khiển nhận được dữ liệu từ máy tính
Bộ điều khiển tính toán các giá trị vận tốc (Vl, Vr) và truyền dữ liệu này cho driver Driver sử dụng thông tin vận tốc để xuất xung PWM, điều chỉnh ổn định tốc độ động cơ và đọc giá trị encoder để phản hồi vận tốc Giá trị vận tốc từ encoder được mạch điều khiển sử dụng để tính toán vị trí robot, trong khi driver điều khiển PID cho động cơ dựa trên các thông số này.
Hình 6.2: Sơ đồ hệ thống điều khiển robot
Robot phục vụ trong khách sạn cần tính năng phát hiện vật cản như người và chậu cây để tránh va chạm, bảo vệ robot và đảm bảo an toàn cho con người, từ đó nâng cao chất lượng dịch vụ Vật cản được chia thành hai loại: cố định và di động Để phát hiện vật cản, có thể sử dụng nhiều phương pháp như lidar, camera, cảm biến radar và cảm biến siêu âm Trong nghiên cứu này, nhóm lựa chọn cảm biến siêu âm do ít bị nhiễu bởi môi trường, độ chính xác vừa phải và dễ dàng lập trình điều khiển.
Robot được trang bị 3 cảm biến phía trước được bố trí lệch nhau một góc 60 độ, cho phép phát hiện các vật cản trong phạm vi 120 độ Ngoài ra, ba cảm biến phía sau giúp robot nhận diện các vật thể phía sau một cách hiệu quả.
Hình 6.4: Sơ đồ hệ thống điều khiển động cơ
Hình 6.3: Bộ điều khiển PID cho động cơ
71 cản phía sau robot đang tiến đến robot Khi phát hiện vật cản robot sẽ lựa chọn đường khác để di chuyển
Cảm biến siêu trả về tính hiệu dạng xung Để tính ra được khoản cách ta áp dụng công thức sau: d = 2 v t (6.1)
• d: Khoảng cách cho cảm biến đối tượng
• T: Thời gian giữa sóng phát ra và sóng thu được
6.1.3 Hệ thống thu nhập thông tin a Camera
Hình 6.5: Sơ đồ bố trí cảm biến trên robot
Robot hỗ trợ người tiếp tân khách sạn có khả năng quan sát và điều khiển từ xa qua internet Để thực hiện điều này, nhóm đã quyết định sử dụng camera gắn trên robot Robot được trang bị một máy tính nhúng để xử lý và đọc dữ liệu từ camera, giúp nâng cao hiệu quả quản lý và phục vụ khách hàng.
Dữ liệu từ camera sẽ được máy tính nhúng truyền tải lên máy chủ thông qua kết nối wifi Người dùng có thể xem dữ liệu từ camera trên một máy tính khác miễn là máy tính đó được kết nối internet và truy cập vào máy chủ.
Định vị robot là quá trình xác định vị trí hiện tại của robot và được chia thành ba phương pháp chính Phương pháp đầu tiên sử dụng các cảm biến như GPS và cảm biến gia tốc, phù hợp cho ứng dụng ngoài trời nhưng có sai số lớn Phương pháp thứ hai áp dụng công nghệ Laser (RP lidar) và camera, mang lại độ chính xác cao cho các ứng dụng trong nhà, tuy nhiên chi phí cao và quá trình tính toán phức tạp Cuối cùng, phương pháp thứ ba, được sử dụng phổ biến nhất trên robot di động, là sử dụng bộ mã hóa số vòng quay bánh xe (encoder) vì tính đơn giản và dễ thực hiện Trong nghiên cứu này, nhóm quyết định sử dụng phương pháp thứ ba để định vị robot.
Encoder cung cấp số vòng quay của bánh xe, cho phép tính toán vận tốc của từng bánh Bằng cách áp dụng bài toán động học, ta có thể xác định vị trí của robot dựa trên vận tốc của hai bánh xe Tuy nhiên, phương pháp này có nhược điểm là sai số lớn, phụ thuộc vào độ phân giải của encoder và dễ bị ảnh hưởng bởi bề mặt địa hình nơi robot hoạt động.
Hình 6.7: Sơ đồ định vị robot từ encoder
