Nghiên cứu, thiết kế và vận hành thiết bị tự hành có dẫn hướng phục vụ công tác kho vận

BÁO CÁO ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP ĐỀ TÀI “NGHIÊN CỨU, THIẾT KẾ VÀ VẬN HÀNH THIẾT BỊ TỰ HÀNH CÓ DẪN HƯỚNG PHỤC VỤ CÔNG TÁC KHO VẬN” NGÀNH KỸ THUẬT CƠ ĐIỆN TỬ GIẢNG VIÊN HƯỚNG DẪN TS NGÔ HÀ QUANG THỊNH Sinh viên thực hiện Mssv Lớp Tiêu Đình Anh Phúc 1711030072 17DCTA1 Võ Văn Hậu 1711030070 17DCTA1 Tôn Thất Huy 1711030120 17DCTA1 TP HCM, ngày 5 tháng 9 năm 2021 BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐẠO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ TP HỒ CHÍ MINH vii TÓM TẮT LUẬN VĂN Đề tài “NGHIÊN CỨU, THIẾT KẾ VÀ VẬN HÀNH THIẾT BỊ TỰ HÀNH CÓ DẪN.

TỔNG QUAN

Thực trạng

1.1.1 Công tác hậu cần kho vận là gì?

Công tác hậu cần kho vận bao gồm tất cả các hoạt động cần thiết để cung cấp hàng hóa đã đặt cho khách hàng, cùng với các dịch vụ khách hàng liên quan.

- Kiểm tra sản phẩm, nhập kho

- Quản lý hàng hoá, tồn kho

- Lấy hàng, in nhãn, đóng gói

- Giao hàng – vận chuyển – thu tiền

- Nhập lại hàng đổi trả, chuyển hoàn

Ngành kho vận tại Việt Nam đang thu hút sự chú ý với tốc độ tăng trưởng khoảng 20% mỗi năm, theo báo cáo của Công ty Cổ phần Chứng khoán Bản Việt Tổng chi phí dịch vụ kho vận đạt 38,85 tỉ USD vào năm 2015, tương đương 20,8% GDP, theo báo cáo Thị trường kho vận Việt Nam 2016 của StoxPlus Điều này chứng tỏ rằng thị trường kho vận Việt Nam đang có nhiều tiềm năng phát triển.

Hiện nay, công tác kho vận đang bị ảnh hưởng mạnh mẽ bởi sự phát triển của khoa học kỹ thuật hiện đại Các phương pháp vận chuyển, lưu trữ và quản lý truyền thống không còn hiệu quả, thay vào đó là các hệ thống kho hiện đại, tự động hoặc bán tự động, mang lại năng suất cao và dễ dàng quản lý.

1.1.2 Các hệ thống nhà kho phân phối sản phẩm hiện đại trên thế giới

Hệ thống KIVA của tập đoàn bán lẻ Amazon (Mỹ)

Amazon, một trong những tập đoàn bán lẻ trực tuyến hàng đầu thế giới, đã thành công trong việc triển khai hệ thống kho phân phối hiện đại với sự hỗ trợ của robot, mở ra một kỷ nguyên mới đầy hứa hẹn cho ngành Logistics toàn cầu.

Nhận đơn hàng AGV di chuyển đến vị trí kệ hàng, nâng hàng

AGV di chuyển kệ hàng đến địa điểm lấy hàng

AGV trả kệ hàng về vị trí cũ, chờ nhiệm vụ

Hệ thống KIVA của Amazon đã cách mạng hóa quy trình lấy hàng và đóng gói sản phẩm, khắc phục những nhược điểm của phương pháp truyền thống như năng suất thấp và khó khăn trong quản lý Khi đơn hàng được xác nhận, KIVA xác định vị trí kệ hàng và chỉ đạo các thiết bị tự hành (AGV) đến lấy sản phẩm, sau đó chuyển đến trạm phân phối để công nhân đóng gói Cuối cùng, AGV sẽ đưa kệ hàng trở lại vị trí cũ, sẵn sàng cho nhiệm vụ tiếp theo, giúp giảm thiểu nhân công và tối ưu hóa quy trình làm việc.

Hình 1.1: Sơ đồ vận hành hệ thống KIVA sử dụng AGV

Hình 1.2: Mô hình nhà kho của Amazon [1]

Hình 1.3: Nhà kho thực tế của Amazon sử dụng hệ thống KIVA [1]

Hình 1 4: Thiết bị tự hành có dẫn hướng được sử dụng trong hệ thống KIVA [2]

Bảng 1 1: Ưu điểm hệ thống KIVA

Yếu tố Đánh giá Điều kiện làm việc của công nhân Giảm thiểu khối lượng và áp lực công việc

Quản lý thông tin trở nên dễ dàng, hiệu quả và chính xác hơn nhờ vào hệ thống quản lý thông tin tự động Đồng thời, việc tiết kiệm năng lượng trong điều kiện chiếu sáng và làm mát cũng đóng vai trò quan trọng trong việc tối ưu hóa hiệu suất sử dụng năng lượng.

An toàn lao động Giảm thiểu tai nạn lao động cho công nhân

Bảng 1 2: Nhược điểm hệ thống KIVA

Chi phí Chi phí đầu tư ban đầu vô cùng lớn, chi phí bảo trì, bảo dưỡng

Để quản lý và vận hành hệ thống hiệu quả, cần có đội ngũ kỹ sư trình độ cao Tuy nhiên, việc áp dụng yêu cầu này gặp khó khăn, đặc biệt đối với các công ty nhỏ lẻ.

Diện tích Tốn nhiều diện tích mặt sàn nhà kho

Hệ thống AutoStore công ty SWISSLOG - tập đoàn KUKA

Khác với hệ thống KIVA, SWISSLOG đưa ra mô hình hệ thống nhà kho

AutoStore với nhiều điểm khác biệt, khắc phục được một số nhược điểm của hệ thống KIVA

Hình 1 5: Mô hình nhà kho theo hệ thống AutoStore [3]

Mô hình kết cấu hệ thống AutoStore được thể hiện ở hình 1.5 Hệ thống bao gồm

Bảng 1 3: Thành phần của hệ thống AutoStore

Hoạt động trên tầng cao nhất của kho, có nhiệm vụ lấy và di chuyển thùng hàng đến các vị trí, di chuyển theo 2 phương X – Y, tải tối đa 30kg

Thùng hàng Kết cấu dạng thùng rỗng hình chữ nhật, nơi để các sản phẩm, kích thước quy định Kết cấu khung

Cấu trúc kho được thiết kế bằng nhôm với dạng ô lưới, bao gồm nhiều tầng xếp chồng, mỗi tầng chia thành các ô chứa thùng hàng Điểm nhận hàng và đóng gói được đặt ở tầng cuối cùng, nơi công nhân tiếp nhận thùng hàng, lấy sản phẩm và thực hiện quy trình đóng gói.

Bộ điều khiển Quản lý hoạt động của toàn bộ hệ thống Điểm truy cập Cho phép các robot kết nối, truyền nhận tín hiệu

Hệ thống AutoStore hoạt động hiệu quả khi nhận tín hiệu từ Bộ điều khiển trung tâm, cho phép robot di chuyển đến tầng cao nhất để lấy thùng hàng Robot sử dụng cơ cấu kéo để nâng thùng hàng và di chuyển đến vị trí thả hàng Sau đó, thùng hàng được vận chuyển xuống điểm công nhân nhận hàng qua băng chuyền, hoàn tất quá trình đóng gói, trước khi robot trở về vị trí ban đầu.

➢ So sánh với hệ thống KIVA

Bảng 1 4: So sánh hệ thống KIVA và AutoStore

Yếu tố Hệ thống KIVA Hệ thống AutoStore

Khả năng nâng tải 500kg 30kg

Diện tích Diện tích rộng, cần đường di chuyển cho robot

Tối ưu hóa diện tích sử dụng là điều kiện quan trọng khi xây dựng nhà kho Việc áp dụng mô hình nhà kho truyền thống giúp cải thiện hiệu quả không gian Tuy nhiên, điều này đòi hỏi một kết cấu phức tạp và cần tuân thủ các tiêu chuẩn xây dựng mô hình chuẩn để đảm bảo tính bền vững và hiệu quả.

Hệ thống AutoStore mang lại nhiều lợi thế về việc tiết kiệm diện tích kho, nhưng việc áp dụng tại Việt Nam gặp nhiều thách thức Cụ thể, hệ thống này yêu cầu xây dựng một kết cấu kho riêng biệt, điều này khiến cho việc nâng cấp các kho truyền thống trở nên khó khăn.

Bài viết này sẽ phân tích và nghiên cứu thiết bị tự hành (AGV) dựa trên hệ thống KIVA của tập đoàn Amazon (Mỹ) Thiết bị AGV này có khả năng di chuyển theo lộ trình đã định sẵn, đồng thời thực hiện chức năng nâng hạ và vận chuyển hàng hóa.

Tổng quan

Thiết bị tự hành có dẫn hướng đang được nghiên cứu và phát triển mạnh mẽ, bao gồm các yếu tố cấu thành như sơ đồ nguyên lý xe, kết cấu cơ cấu nâng hạ, các phương pháp dẫn hướng, định vị vị trí, và cấu trúc cùng giải thuật điều khiển.

Nhiều sơ đồ nguyên lý được sử dụng cho thiết bị tự hành AGV, nhưng để thiết kế AGV có khả năng nâng hạ tải, một loại sơ đồ rất phổ biến hiện nay đã được áp dụng.

Robot được trang bị 6 bánh, trong đó có 2 bánh chủ động độc lập đặt giữa thân xe và 2 cặp bánh tự lựa đặt ở phía trước và sau Thiết kế này được ứng dụng rộng rãi trong các loại robot như Kiva Robot (Mỹ), HIKVISION Robot, Swisslog Robot (Thụy Sĩ), DB Chenker Robot (Đức) và Scallog Robot (Pháp).

Hình 1.6: Sơ đồ nguyên lý [4]

Hình 1 7: Swisslog Robot, HIKVISION Robot, IKV Robot, Kiva Robot [4]

+ Sơ đồ nguyên lý gồm 2 bánh chủ động chạy bằng 2 động cơ được đặt ở giữa xe,

4 bánh tự lựa đặt ở 2 đầu, với kết cấu này cho phép xe đảm bảo thăng bằng khi chở các kệ hàng với khối lượng lớn

Hai bánh xe được đặt giữa giúp robot có khả năng quay đầu linh hoạt và thực hiện quay tại chỗ 360 độ khi hai bánh quay ngược chiều với cùng vận tốc.

Khi đảm bảo kết cấu cơ khí chính xác, việc điều khiển thiết bị di chuyển đi thẳng sẽ trở nên dễ dàng hơn Điều này phụ thuộc vào việc vận tốc của hai bánh luôn bằng nhau, giúp thiết bị di chuyển mượt mà và ổn định Việc kiểm soát tốc độ của hai bánh là yếu tố quan trọng để đảm bảo thiết bị di chuyển theo đúng hướng mong muốn.

Qua tìm hiểu, có 3 cơ cấu nâng hạ được sử dụng phổ biến cho các Robot trên thế giới bao gồm:

Bàn nâng trực tiếp (Hình 1.8b) hoạt động thông qua các xylanh thủy lực, khí nén hoặc xylanh điện, cho phép nâng bàn một cách hiệu quả Công nghệ này được ứng dụng trong các hệ thống của Swisslog Robot, HIKVISION Robot và DB Chenker Robot.

Cấu trúc nâng sử dụng cơ cấu cắt kéo (Hình 1.8a) rất phổ biến trong ngành sửa chữa ô tô Lực nâng được truyền qua các xilanh thủy lực, khí nén hoặc xilanh điện, và ứng dụng này được thực hiện tại IKV Robot.

Kết cấu nâng độc đáo của robot Kiva, thuộc Amazon, sử dụng động cơ truyền động qua cơ cấu vít me, cho phép robot nâng hàng mà không làm kệ hàng quay theo Khi thực hiện quá trình nâng, robot sẽ quay ngược chiều, giữ cho kệ hàng ổn định và không bị ảnh hưởng.

4 a) Cơ cấu cắt kéo b) Nâng trực tiếp

❖ Công nghệ dẫn hướng Laser

Hình 1 9: Dẫn hướng bằng phương pháp Laser [5]

Khu vực nhà kho được lập bản đồ và lưu trữ trong bộ nhớ của robot Khi robot di chuyển, các điểm phản chiếu được phát hiện bằng Laser cố định trong kho, giúp đầu Laser gắn trên robot gửi tín hiệu vị trí, từ đó điều khiển robot di chuyển theo quỹ đạo mong muốn.

Phương pháp sử dụng tia Laser mang lại khả năng thay đổi và mở rộng hướng di chuyển của robot một cách dễ dàng và linh hoạt Đây là một hình thức chuyển hướng đáng tin cậy và an toàn, cho phép hệ thống được mở rộng mà không cần thay đổi phần cứng.

❖ Công nghệ dẫn hướng bằng dải băng từ

Hình 1 10: Dẫn hướng bằng dải băng từ [5]

Các dải băng từ được lắp đặt dưới sàn kho giúp robot nhận diện đường dẫn và điều chỉnh sai số, từ đó theo dõi quỹ đạo chính xác Công nghệ này mang lại độ chính xác cao về vị trí, đồng thời không bị ảnh hưởng bởi các yếu tố môi trường trong công nghiệp.

❖ Công nghệ dẫn hướng bằng đường băng kẻ

Hình 1 11: Dẫn hướng bằng đường băng kẻ [5]

Công nghệ này thường được áp dụng cho xe tự hành (AGV), với các đường kẻ được dán dưới sàn có màu sắc tương phản để dễ nhận diện Các cảm biến sẽ phát hiện băng kẻ này, giúp xe di chuyển chính xác và hiệu quả.

❖ Công nghệ dẫn hướng tự nhiên

Hình 1 12: Dẫn hướng tự nhiên [5]

Phương pháp này áp dụng công nghệ quét laser để xác định không gian hoạt động của robot, kết hợp với dữ liệu hiện có nhằm tự động tạo bản đồ di chuyển cho robot Công nghệ này yêu cầu mức độ phức tạp cao.

1.2.4 Phương pháp định vị vị trí

Hiện nay, một trong những phương pháp phổ biến để định vị robot là sử dụng các mã thẻ hoặc mã QR được gắn cố định dưới mặt sàn Robot được trang bị thiết bị đọc đặt dưới gầm xe, cho phép nó quét và nhận diện các mã này trong quá trình di chuyển Khi robot đọc được mã, nó sẽ gửi tín hiệu về máy chủ, từ đó giúp xác định vị trí chính xác của robot.

Công nghệ Nhận dạng Tần số Radio (RFID) sử dụng sóng vô tuyến để xác định đối tượng Hai thiết bị RFID hoạt động bằng cách thu phát sóng điện từ ở cùng một tần số, giúp nhận diện và theo dõi các vật thể một cách hiệu quả.

Mục tiêu, nhiệm vụ và giới hạn của đề tài

Thiết kế xe tự hành có dẫn hướng, có khả năng nâng – hạ kệ hàng, di chuyển tải đến vị trí mong muốn trong nhà kho

Bảng 1 5:Thông số thiết kế yêu cầu

Thông số kỹ thuật Giá trị

Vận tốc nhanh nhất vmax = 0.3 (m/s)

Gia tốc lớn nhất amax = 0.25 (m/s 2 )

Sai số bám line lớn nhất (e2) ±12 (mm)

Tải trọng nâng mnâng = 50 (kg) Độ cao nâng tối đa h= 150 (mm)

Tốc độ nâng vnâng = 10 (mm/s)

Khối lượng xe (ước lượng) Mxe = 50 (kg)

- Tìm hiểu, phân tích, lựa chọn phương án kết cấu xe (số lượng bánh xe bị động, chủ động, chiều dài, chiều rộng, chiều cao)

- Tìm hiểu, phân tích, lựa chọn, tính toán phương án cơ cấu nâng cho xe

- Tính toán kết sức bền kết cấu cho xe, tính toán cơ cấu bánh xe (truyền động trục bánh xe, chịu lực, thông số động cơ)

Trong quá trình phát triển robot, việc phân tích và đánh giá các loại cảm biến dò đường, cảm biến định vị vị trí, cùng với khả năng truyền thông giao tiếp qua sóng WIFI và cảm biến tránh vật cản là vô cùng quan trọng Lựa chọn đúng loại cảm biến không chỉ giúp robot hoạt động hiệu quả mà còn nâng cao khả năng tự động hóa và an toàn trong quá trình di chuyển Các cảm biến này cần được tối ưu hóa để đảm bảo tính chính xác và độ tin cậy, từ đó cải thiện hiệu suất tổng thể của robot trong các môi trường khác nhau.

- Thiết kế hệ thống điện và điều khiển cho bộ phận di chuyển, cơ cấu nâng, hệ thống cảm biến và truyền thông WIFI

- Thiết kế giao diện điều khiển bằng C++, cho phép điều khiển, giao tiếp với robot thông qua truyền thông WIFI

- Mô hình hóa hệ thống để đưa ra phương trình động học cho robot

- Thiết kế giải thuật tìm đường đi ngắn nhất ASTAR

- Thực nghiệm, kiểm tra khả năng di chuyển bám line khi có tải và không tải, khả năng nâng – hạ - chịu tải của robot

AGV được thiết kế để hoạt động hiệu quả trong kho hàng, với các thông số yêu cầu phù hợp Bảng 1.6 cung cấp thông tin về các tiêu chuẩn kệ hàng theo quy định của tập đoàn Amazon (Mỹ).

Khoảng cách giữa hai kệ liên tiếp 250mm

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN Để mô phỏng quy trình hoạt động của robot, sa bàn được thiết kế theo quy trình hoạt động của hệ thống Amazon như sau:

Hình 1 16: Sa bàn mô phỏng hoạt động của robot

Sa bàn mô phỏng hoạt động của robot trong kho, với các kệ hàng được đặt tại vị trí 8, 9, 10 và điểm 12 là nơi công nhân nhận hàng Robot khởi động tại điểm START để thực hiện nhiệm vụ của mình.

Tổ chức luận văn

Với mục tiêu và nhiệm vụ của đề tài, luận văn được chia ra làm ra 7 chương Các chương tiếp theo có nội dung dung như sau:

Chương 2 tập trung vào việc phân tích và lựa chọn các phương án di chuyển cho AGV, bao gồm số lượng bánh xe chủ động và bị động, cũng như các thông số kích thước như chiều dài, chiều rộng và chiều cao Ngoài ra, chương còn đề cập đến các phương án cơ cấu nâng hạ tải, hệ thống cảm biến bám đường và định vị vị trí, cũng như cảm biến tránh vật cản Cuối cùng, việc lựa chọn phương án điều khiển phù hợp cho AGV cũng được phân tích kỹ lưỡng nhằm đảm bảo hiệu suất hoạt động tối ưu.

- CHƯƠNG 3: THIẾT KẾ CƠ KHÍ: Tính toán, thiết kế phần cơ khí bộ phận di chuyển, sức bền kết cấu xe, cơ cấu nâng – hạ tải

- CHƯƠNG 4: THIẾT KẾ HỆ THỐNG ĐIỆN: Thiết kế hệ thống điện cho robot: mạch điều khiển và mạch truyền nhận tín hiệu

Chương 5 tập trung vào thiết kế bộ điều khiển PID cho động cơ robot trong điều kiện tải thay đổi Bài viết trình bày cách thiết kế chương trình điều khiển bằng ngôn ngữ C++ và áp dụng giải thuật xác định vị trí theo đường line, nhằm tối ưu hóa hiệu suất hoạt động của robot.

Chương 6: Phần lập trình – Mô hình hóa, tập trung vào thiết kế giải thuật điều khiển cho robot ở chế độ chỉnh tay và tự động Nội dung bao gồm việc áp dụng giải thuật tìm đường đi ngắn nhất ASTAR, cùng với quá trình mô phỏng và thực nghiệm Đặc biệt, chương này kiểm tra khả năng di chuyển bám line của robot trong các điều kiện có tải và không tải, cũng như đánh giá khả năng nâng, hạ và chịu tải của robot.

- CHƯƠNG 7: KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN CỦA ĐỀ TÀI.

PHÂN TÍCH, LỰA CHỌN PHƯƠNG ÁN

Phân tích, lựa chọn phương án di chuyển

Kết cấu của xe là yếu tố then chốt ảnh hưởng đến sự ổn định trong quá trình vận hành của AGV Các phương án đề xuất cần phải đáp ứng đầy đủ các yêu cầu liên quan đến hiệu suất và an toàn.

- Robot di chuyển linh hoạt trên bề mặt sàn, khả năng chuyển hướng dễ dàng

- Đảm bảo bám đường tốt, không bị trơn, trượt trong quá trình hoạt động

- Kết cấu cứng vững, độ ổn định cao, đảm bảo khả năng chịu tải và di chuyển cùng tải

Dựa trên những tìm hiểu trong phần tổng quan, các phương án được đề xuất phù hợp với yêu cầu xe có cơ cấu nâng như sau:

2.1.1 Phương án 1: Bốn bánh dẫn động

Hình 2 1: Kết cấu 4 bánh dẫn động

CHƯƠNG 2: PHÂN TÍCH, LỰA CHỌN PHƯƠNG ÁN

Sơ đồ nguyên lý của phương án bốn bánh dẫn động, như thể hiện trong hình 2.1, sử dụng bốn động cơ để điều khiển vận tốc cho từng bánh Phương án này cho thấy sự linh hoạt và hiệu quả trong việc điều chỉnh tốc độ di chuyển của xe.

Bảng 2 1: Đánh giá phương án bốn bánh dẫn động Ưu điểm Nhược điểm

Bốn động cơ đặt tại bốn bánh cho moment xoắn lớn, chịu tải tốt Đòi hỏi cơ cấu đồng phẳng Giá thành tăng cao do sử dụng 4 động cơ

Xe bốn bánh giữ được sự ổn định khi vào cua với tốc độ cao nhờ vào khả năng bám đường tốt Tuy nhiên, việc điều khiển xe trở nên phức tạp do cần phải đồng bộ hóa bốn động cơ, đảm bảo rằng vận tốc của tất cả các động cơ là bằng nhau trên những đoạn đường thẳng.

2.1.2 Phương án 2: 6 bánh, 2 bánh chủ động, 4 bánh tự lựa

Hình 2.2 minh họa cấu trúc 6 bánh xe, với 2 bánh chủ động ở giữa xe đảm nhận vai trò dẫn động và dẫn hướng, trong khi 4 bánh tự lựa được bố trí ở 4 góc xe Cấu trúc này tối ưu hóa khả năng điều khiển và ổn định cho phương tiện.

Bảng 2 2: Đánh giá phương án 6 bánh, 2 bánh chủ động, 4 bánh tự lựa

CHƯƠNG 2: PHÂN TÍCH, LỰA CHỌN PHƯƠNG ÁN Ưu điểm Nhược điểm

Khả năng chịu tải trọng lớn, kết cấu cứng vững, độ ổn định cao

Sử dụng nhiều bánh tự lựa dễ gây hiện tượng Shopping - Cart

Xe di chuyển đổi hướng linh hoạt, bám đường, thăng bằng tốt Có khả năng quay tại tâm xe

Kết cấu cơ khí phức tạp, đòi hỏi cơ cấu đồng phẳng cho 6 bánh xe

2.1.3 Phương án 3: 2 bánh chủ động, 2 bánh tự lựa

Hình 2.3 minh họa cấu trúc 4 bánh xe với 2 bánh chủ động ở giữa và 2 bánh tự lựa ở phía trước và sau, tạo thành hình thoi Phương án này cho thấy sự phân bố hợp lý của các bánh xe, giúp cải thiện khả năng điều khiển và ổn định cho xe.

Bảng 2 3: Đánh giá phương án 2 bánh chủ động, 2 bánh tự lựa Ưu điểm Nhược điểm

Kết cấu cứng vững, độ ổn định cao

Sử dụng bánh tự lựa ít hơn giúp cải thiện khả năng đổi hướng và giảm thiểu tác động của hiện tượng Shopping-Carts, đồng thời yêu cầu một cơ cấu đồng phẳng cho bốn bánh xe.

Có khả năng quay tại tâm xe

2.1.4 Lựa chọn phương án di chuyển

Bảng 2 4: So sánh 2 phương án kết cấu xe

Tiêu chí đánh giá Trọng số Phương án 1 Phương án 2 Phương án 3

Giá thành 1 0 1 1 Điều kiện triển khai 1 0 1 1

So sánh các phương án kết cấu xe cho thấy cả 3 phương án đều yêu cầu độ phức tạp cao về cơ khí với các cơ cấu đồng phẳng để đảm bảo bánh xe luôn tiếp xúc với mặt sàn Tuy nhiên, với yêu cầu tải trọng 50kg không lớn, phương án 3 là lựa chọn thích hợp nhất Sử dụng phương án 3 sẽ giúp giảm thiểu áp lực thiết kế cho phần cơ khí liên quan đến cơ cấu đồng phẳng của bánh xe.

Vậy phương án số 3 được lựa chọn làm phương án thiết kế: robot gồm 2 bánh chủ động, 2 bánh tự lựa.

Phân tích, lựa chọn kết cấu bộ phận nâng – hạ

Bộ phận nâng – hạ là một cơ cấu quan trọng trong robot, đảm nhiệm chức năng nâng và giữ thăng bằng kệ hàng trong quá trình di chuyển Yêu cầu đối với bộ phận này bao gồm khả năng duy trì ổn định và hiệu quả trong các hoạt động của robot.

- Kết cấu cơ khí vững chắc, ổn định

- Có khả năng nâng – hạ linh hoạt, điều khiển dễ dàng

- Trong quá trình nâng và giữ kệ hàng, đảm bảo kệ hàng ko bị lật, rung lắc

Các phương án được đề xuất như sau:

2.2.1 Phương án 1: Bàn nâng sử dụng cơ cấu cắt kéo

Bàn nâng sử dụng cơ cấu cắt kéo, như thể hiện trong Hình 2.3, có khả năng nâng khối lượng lớn hàng tấn một cách ổn định và không rung lắc Lực nâng được tạo ra nhờ hệ thống xy-lanh thủy lực, điện hoặc khí nén, mang lại hiệu quả cao trong việc nâng hạ hàng hóa.

Tuy nhiên, điểm hạn chế của phương án nằm ở kết cấu cồng kềnh, chiếm nhiều diện tích

2.2.2 Phương án 2: Sử dụng xy-lanh nâng trực tiếp

Hình 2 5: Phương án sử dụng lực nâng trực tiếp từ xylanh 1: Bàn nâng 2: Xylanh nâng 3: Trục dẫn hướng 4: Mặt đế

Sơ đồ nguyên lý phương án 2, như thể hiện trong hình 2.4, cho thấy xylanh tác dụng lực trực tiếp lên bàn nâng Bàn nâng được dẫn hướng và giữ cân bằng nhờ 4 trục dẫn hướng cùng 4 bạc dẫn, tạo nên kết cấu nhỏ gọn và tiết kiệm diện tích hơn so với phương án 1.

CHƯƠNG 2: PHÂN TÍCH, LỰA CHỌN PHƯƠNG ÁN Ở phương án này, toàn bộ lực do tải tác dụng sẽ tác động trực tiếp vào xylanh, vì vậy tải trọng nâng được sẽ hoàn toàn phụ thuộc vào khả năng tải của xylanh Đồng thời kết cấu cơ khí đòi hỏi độ chính xác cao, đảm bảo các trục dẫn luôn song song với nhau và vuông góc với mặt đế để bàn nâng không bị kẹt, vênh

2.2.3 Lựa chọn phương án bộ phận nâng - hạ

Bảng 2 5: So sánh 2 phương án lựa chọn cho cơ cấu nâng – hạ

Tiêu chí đánh giá Trọng số Phương án 1 Phương án 2

Kết cấu nhỏ gọn 1 0 1 Điều kiện triển khai 1 0 1

Kết quả đánh giá cho thấy phương án số 2, sử dụng lực nâng trực tiếp từ xylanh, là lựa chọn ưu việt hơn Phương án này đòi hỏi sự chính xác cao trong thiết kế cơ khí, đồng thời cần chú trọng đến việc quản lý sai số trong quá trình chế tạo và lắp đặt.

Vậy phương án số 2 được lựa chọn: sử dụng lực nâng trực tiếp từ xylanh.

Phân tích, lựa chọn xylanh trong cơ cấu nâng

Xylanh đóng vai trò quan trọng trong việc tạo lực nâng và chịu lực dọc trục khi robot thực hiện nhiệm vụ nâng và di chuyển tải Các yêu cầu kỹ thuật cần được đáp ứng để đảm bảo hiệu suất và độ an toàn trong quá trình hoạt động của robot.

- Xylanh nâng và chịu lực tối thiểu 50kg (yêu cầu đề bài)

- Kết cấu gọn, không quá cồng kềnh, chiếm diện tích

Dựa trên yêu cầu trên, các phương án xylanh được đề xuất:

Bảng 2 6: Phân tích các phương án xylanh

Tên phương án Ưu điểm Nhược điểm

Xy lanh điện (linear actuator)

Nguyên lý hoạt động của xylanh điện là chuyển đổi chuyển động quay của động cơ thành chuyển động tịnh tiến thông qua cơ cấu vít me đai ốc tích hợp trong xy lanh Điều này giúp xylanh điện dễ dàng sử dụng và có độ ổn định cao.

Tốc độ chậm, gây ồn do sử dụng bộ truyền bánh răng

Khả năng tải vượt trội, tốc độ cao

Khó khăn trong việc thiết kế, lắp đặt trong robot do phải kèm theo hệ thống bơm dầu

Tích hợp động cơ ngay trên xylanh thủy lực, nên khắc phục được các yếu tố của 2 loại xylanh trên

Không được sử dụng phổ biến, hành trình ngắn, tải không cao

Dựa trên các phân tích và yêu cầu của bài toán, robot nâng tải với khối lượng tối đa 50kg cần có kích thước nhỏ gọn, không cồng kềnh Do đó, phương án sử dụng xilanh điện đã được lựa chọn.

Lựa chọn bánh xe

2.4.1 Lựa chọn bánh chủ động

Các phương án đề xuất:

Bánh đa hướng, bao gồm bánh omni và bánh mecanum, là loại bánh được thiết kế với các bánh vệ tinh nhỏ xung quanh chu vi, có hướng vuông góc với trục bánh chính.

+ Di chuyển linh hoạt, có thể chuyển hướng tại chỗ

+ Ma sát với mặt sàn nhỏ

+ Làm việc trong môi trường nhiều bụi bẩn sẽ khiến các bánh vệ tinh dễ bị kẹt và mài mòn

+ Kết cấu đơn giản, chịu lực tốt

+ Di chuyển nhanh, linh hoạt

+ Ma sát với mặt sàn lớn

Sau khi xem xét và tham khảo đường kính bánh của các thiết bị AGV toàn cầu, phương án sử dụng bánh cao su đã được lựa chọn, với đường kính bánh chủ động được xác định là 170mm.

2.4.2 Lựa chọn bánh bị động

Với đặc điểm chịu tải trọng lớn, bánh Caster được lựa chọn Với kết cấu sử dụng

Thiết kế đồng phẳng cho 4 bánh là yêu cầu bắt buộc, và hiện nay, bánh Caster có khả năng đàn hồi đang được ưa chuộng trên thị trường Việc lựa chọn loại bánh này không chỉ giảm áp lực cơ khí mà còn đảm bảo khả năng đồng phẳng cho 4 bánh xe.

Phân tích, lựa chọn thiết bị định vị vị trí

Trong hoạt động của robot trong nhà xưởng, việc xác định vị trí chính xác của robot trong kho rộng lớn là rất quan trọng Quản lý vị trí cho phép hệ thống điều khiển ra lệnh cho robot di chuyển đến vị trí yêu cầu, từ đó thực hiện các tác vụ vận chuyển kệ hàng hiệu quả Một phương pháp được đề xuất để giải quyết vấn đề này là sử dụng công nghệ RFID và mã QR, như đã được trình bày trong Chương 1.

Phương án Ưu điểm Nhược điểm

Mã RFID cho phép đọc tín hiệu nhanh và chính xác, khoảng cách đọc lớn

Khả năng ứng dụng cao, phổ biến, thẻ có khả năng tái chế sử dụng nhiều lần

Chi phí thẻ RFID cao hơn thẻ mã vạch rất nhiều

Việc đọc RFID có thể bị ảnh hưởng khi đi qua kim loại hoặc chất lỏng, dẫn đến hiện tượng nhiễu tín hiệu Đầu đọc RFID thường gặp khó khăn trong việc phân biệt dữ liệu khi tín hiệu bị chồng chéo, gây ra sự không chính xác trong quá trình đọc.

Mã QR cho khả năng lưu trữ một lượng thông tin lớn, và có thể hiệu chỉnh Độ chính xác về thông tin cao

Để đọc mã QR, cần sử dụng camera hoặc thiết bị chuyên dụng cùng với thuật toán xử lý ảnh Điều quan trọng là bề mặt mã QR phải sạch sẽ, không bị trầy xước hay bụi bẩn, và mã phải còn nguyên vẹn.

Mã thẻ RFID cho phép ứng dụng linh hoạt với tốc độ đọc cao và dễ sử dụng Thiết kế mã được cố định dưới mặt sàn giúp tránh tình trạng trầy xước và bụi bẩn, điều này khác với mã QR có thể bị hư hỏng, dẫn đến mất thông tin và ảnh hưởng tiêu cực đến hoạt động quản lý của hệ thống.

➢ Phương án sử dụng mã thẻ RFID được sử dụng.

Phân tích, lựa chọn phương án dẫn hướng

Để đảm bảo robot di chuyển đúng hành trình, hệ thống dẫn hướng là rất cần thiết Trên thế giới hiện nay, có nhiều phương pháp dẫn hướng khác nhau cho AGV, và dưới đây là một số phương án phổ biến được sử dụng.

Phương án đánh giá đường dẫn có độ chính xác và ổn định cao nhờ sử dụng đầu đọc và dải băng từ chuyên dụng, tuy nhiên chi phí đầu tư ban đầu lớn Ngược lại, đường băng kẻ dễ dàng tùy chỉnh, với độ chính xác phụ thuộc vào thiết bị đọc, cho phép thay đổi và mở rộng linh hoạt, đồng thời có chi phí đầu tư ban đầu thấp và ứng dụng phổ biến.

Dẫn hướng laser chính xác cung cấp đầy đủ thông tin về vị trí, mặc dù chi phí đầu tư ban đầu khá cao Thiết bị đọc không bị che chắn và được lắp đặt ở độ cao so với mặt đất, giúp tối ưu hóa hiệu suất sử dụng.

Tự động thiết lập bản đồ đường đi, phù hợp sử dụng trong môi trường tự nhiên Giải thuật xử lý phức tạp, chưa phổ biến

Lựa chọn phương án dẫn hướng

Dựa trên các phân tích, phương pháp sử dụng đường băng kẻ cho thấy độ linh hoạt cao và giá thành thiết bị phù hợp với điều kiện triển khai Để áp dụng các phương pháp khác, cần phải lựa chọn các yếu tố bắt buộc.

CHƯƠNG 2: PHÂN TÍCH, LỰA CHỌN PHƯƠNG ÁN đầu đọc Transpoter chuyên dụng, giá thành rất cao Vì vậy phương án sử dụng đường băng kẻ sàn được sử dụng.

Phân tích lựa chọn phương án điều khiển

Phương án điều khiển là yếu tố quan trọng trong thiết kế hệ thống điện và xây dựng thuật toán điều khiển cho robot Bộ phận điều khiển cần phải đáp ứng các yêu cầu cụ thể để đảm bảo hiệu suất hoạt động của robot.

- Có khả năng đáp ứng được tốc độ cao, làm việc ổn định

- Đơn giản, dễ tính toán, thiết lập và sửa chửa

Hình 2 6: Bộ điều khiển tập trung Ưu điểm

- Giải thuật phức tạp, khó chỉnh sửa

- Tốc độ đáp ứng chậm một vì một vi điều khiển thực hiện tất cả các nhiệm vụ –

Việc có nhiều tín hiệu ngắt và mô đun xử lý dữ liệu hoạt động đồng thời có thể dẫn đến xung khắc hoặc sai lệch trong quá trình điều khiển.

Hình 2 7: Bộ điều khiển phân cấp

Sử dụng một vi điều khiển trung tâm kết hợp với các vi điều khiển con (slave) giúp chia nhỏ nhiệm vụ điều khiển robot thành các mô đun độc lập Vi điều khiển trung tâm sẽ tính toán nhiệm vụ riêng cho từng mô đun và gửi giá trị điều khiển cho các vi điều khiển slave Các vi điều khiển slave thực hiện nhiệm vụ được giao và gửi kết quả phản hồi về cho vi điều khiển trung tâm.

CHƯƠNG 2: PHÂN TÍCH, LỰA CHỌN PHƯƠNG ÁN Ưu điểm

- Giải thuật đơn giản do được mô đun hóa, dễ dàng điều chỉnh khi cần thay đổi

Việc xử lý độc lập giữa các vi điều khiển giúp tăng tốc độ xử lý của hệ thống, đồng thời giảm thiểu xung đột ngắt và xử lý tín hiệu xảy ra đồng thời.

- Chi phí đắt do sử dụng nhiều vi điều khiển

- Phải xử lý thêm mô đun truyền nhận dữ liệu giữa các vi điều khiển với nhau

2.7.3 Lựa chọn phương án điều khiển

Bảng 2 7: So sánh 2 phương án điều khiển

Tiêu chí đánh giá Trọng số Điều khiển tập trung Điều khiển phân cấp

Giải thuật đơn giản, dễ chỉnh sửa

Khối lượng nhỏ gọn 1 1 0 Điều kiện triển khai 1 1 0

Dựa trên những phân tích đánh giá trên, phương án điều khiển tập trung được lựa chọn.

Tổng kết 27 CHƯƠNG 3: THIẾT KẾ CƠ KHÍ

Chương 2 đã tiến hành phân tích và đánh giá các phương án thiết kế cho kết cấu xe, bộ phận nâng hạ kệ hàng, xylanh, thiết bị định vị vị trí và phương án điều khiển robot Những phương án thiết kế được lựa chọn sẽ là nền tảng cho việc phát triển thiết kế cơ khí và hệ thống điện trong chương 3 và chương 4.

Bảng 2 8: Tổng kết các phương án lựa chọn Đặc tính yêu cầu Phương án được lựa chọn

Phương án di chuyển 2 bánh chủ động, 2 bánh tự lựa Phương án cơ cấu nâng Nâng trực tiếp bởi xylanh

Phương án sử dụng xylanh Xylanh điện

Phương án thiết bị định vị Mã thẻ RFID

Phương án điều khiển Bộ điều khiển tập trung

Phương án dẫn hướng Đường băng kẻ sàn

CHƯƠNG 3: THIẾT KẾ HỆ CƠ KHÍ

CHƯƠNG 3: THIẾT KẾ CƠ KHÍ

Kết cấu cơ khí đóng vai trò quyết định trong khả năng hoạt động của robot, đảm bảo sự di chuyển ổn định và khả năng chịu tải trọng cần thiết Để đáp ứng yêu cầu và nhiệm vụ của đề tài, robot cần sở hữu một kết cấu cứng vững với kích thước phù hợp.

Chương 3 sẽ tiến hành thiết kế cơ khí cho cơ cấu nâng – hạ, tính toán bền cho kết cấu, tính toán và lựa chọn động cơ.

Yêu cầu bài toán

AGV được thiết kế để nâng hạ kệ hàng với tải trọng tối đa 50kg, đáp ứng tiêu chuẩn kệ hàng của tập đoàn Amazon (Mỹ) Các thông số yêu cầu đối với AGV cũng được thiết lập theo tiêu chuẩn này.

Bảng 3.1: Thông số thiết kế AGV

Khoảng cách giữa hai kệ liên tiếp 250mm

Khoảng cách từ mặt sàn tới mặt dưới cùng của kệ

Vận tốc tối đa vmax = 0.3 (m/s)

Gia tốc lớn nhất amax = 0.25 (m/s 2 )

Sai số bám line lớn nhất ±12 (mm)

Tốc độ nâng vnâng = 10 (mm/s)

Khối lượng xe (ước lượng) Mxe = 50 (kg)

Tính toán kích thước cho AGV

Trong quá trình hoạt động, AGV tiến hành vận chuyển kệ hàng đến vị trí mong muốn theo nguyên tắc như sau:

AGV di chuyển dưới gầm kệ hàng và dừng lại khi tâm xe trùng với tâm kệ Khi đó, cơ cấu nâng sẽ hoạt động để nâng kệ hàng khỏi mặt đất Trong quá trình quay 90 độ, robot hạ kệ hàng xuống tiếp xúc với mặt đất, thực hiện quay một góc 90 độ, sau đó nâng kệ hàng lên và tiếp tục di chuyển thẳng.

Kích thước của AGV cần được thiết kế sao cho robot có thể dễ dàng di chuyển vào gầm kệ hàng và thực hiện quay 90 độ mà không gặp trở ngại từ bốn chân kệ.

Hình 3 1: Mô hình tính toán kích thước robot

Mô hình tính toán được thiết lập như hình 3.1 Trong đó: A, B, C lần lượt là chiều dài, chiều rộng, bán kính quay lớn nhất của AGV

Theo phân tích, ta có được các điều kiện ràng=======>

Với sai số dò line là ±12mm và dựa trên kích thước của KIVA Robot, bề rộng B của AGV được chọn là 630mm để đảm bảo robot có thể di chuyển vào gầm kệ mà không bị cản trở bởi chân kệ.

Chiều cao của AGV lúc không nâng phải nhỏ hơn khoảng cách từ sàn đến mặt dưới cùng của kệ Chọn H = 350 (mm)

Khi lựa chọn AGV cho kho hàng, Kiva Robot là một trong những lựa chọn hàng đầu với khả năng nâng tải lên đến 500kg Kích thước của AGV này bao gồm chiều dài 740mm, chiều rộng 630mm và chiều cao 350mm khi không nâng.

Tính toán cơ cấu nâng – hạ

3.3.1 Tính toán kích thước tấm nâng - hạ

Tấm nâng hạ là bộ phận tiếp xúc trực tiếp giữ AGV và kệ hàng Tấm nâng hạ phải được thiết kế đảm bảo các yêu cầu sau:

- Giữ kệ hàng thăng bằng, không rung lắc trong quá trình robot nâng – hạ, di chuyển

- Không bị cong, vênh khi chịu lực từ tải kệ hàng

Khi AGV tăng tốc, hoặc giảm tốc với gia tốc a=0.25 m/s 2

+ P P0N : tải trọng do tải tác dụng

+ Fqt = m.a = 50.0,25 = 12,5 N : lực quán tính do quá trình tăng tốc

+ M= Fqt.h = 12,5 0.5 = 6,25 Nm : Moment do lực quán tính tác dụng tại biên bàn nâng

+ h = 500 (mm) : Chiều cao trọng tâm C của tải

+ b : Chiều rộng tấm nâng tính từ tâm xe Để kệ hàng không bị lật khi tăng tốc và giảm tốc, cần đảm bảo điều kiện:

500 = 0,0125 Kết hợp việc tham khảo từ các robot có sẵn trên thị trường, chọn kích thước tấm nâng như sau : dài 500mm, rộng 400mm

3.3.2 Tính toán cơ cấu nâng – hạ

Tính toán chọn Linear Actuator

Hình 3 3: Phân tích lực cơ cấu nâng hạ

F𝑛: 𝐿ự𝑐 𝑛â𝑛𝑔 P1 ∶ 𝑇𝑟ọ𝑛𝑔 𝑙ự𝑐 tả P: Trọng lực bàn nâng

Fn = P1 + P = 50.9,81+0.5.9,81 = 496 (N) Chọn xylanh điện XTL100 của hãng JUGETEK với các thông số như sau :

Bảng 3 2: Thông số xylanh điện

Tính toán then chịu lực tại đầu trục Linear Actuator

1: Then chịu lực 3: Bàn nâng 2: Linear Actuator

Hình 3.4 : Sơ đồ then chịu lực

Tiết diện hình tròn của then đóng vai trò quan trọng trong việc truyền lực từ xylanh lên bàn nâng, đồng thời cũng chịu tải trọng của kệ hàng sau khi quá trình nâng hoàn tất.

Thông số Giá trị Điện áp 24VDC

Tải trọng chịu dọc trục 9000N

Hành trình tối đa 100mm

Kết cấu của bàn nâng nghiêng được thiết kế để chịu lực, cho phép nó nghiêng một góc nhỏ khi xe tăng tốc hoặc giảm tốc Điều này giúp tránh được lực hướng tâm tác động trực tiếp vào xylanh, từ đó giảm nguy cơ cong vênh hoặc gãy xylanh.

Hình 3.5: Sơ đồ tính toán then chịu lực quy về bài toán sức bền Các thông số đầu vào :

+ [𝜎] = 600 MPa Ứng suất uốn cho phép của thép C45 thường hóa (tiêu chuẩn TCVN 8301_2009_901814)

Biểu đồ nội lực trong thanh :

Hình 3 6: Biểu đồ nội lực then

Moment uốn gây ứng suất pháp lớn nhất :

Do hệ không có moment xoắn nên ứng suất tiếp 𝜏 = 0 Điều kiện bền theo thuyết bền thứ ba:

Tính toán chọn đường kính trục dẫn

Nhiệm vụ của 4 trục dẫn là hướng dẫn bàn nâng và đảm bảo sự cân bằng khi tải trọng đặt lệch tâm, cũng như trong quá trình xe tăng tốc hoặc giảm tốc Mô hình tính toán được sử dụng để phân tích hiệu quả hoạt động của hệ thống này.

Hình 3 7: Sơ đồ lực tác dụng khi tăng, giảm tốc

Trường hợp 1: Xe tăng tốc, hoặc giảm tốc với gia tốc a=0.25 m/s 2

+ P P0N : tải trọng do tải tác dụng

+ Fqt = m.a = 50.0,25 = 12,5 N : lực quán tính do quá trình tăng tốc

+ M= Fqt.h = 12,5 0.5 = 6,25 Nm : Moment do lực quán tính tác dụng tại biên bàn nâng

+ h : Chiều cao trọng tâm C của tải

+ [𝜎] = 600MPa Ứng suất uốn cho phép của thép C45 thường hóa

Quy về bài toán sức bền: Thanh chịu uốn

Moment uốn gây ứng suất pháp lớn nhất

Do hệ không có moment xoắn nên ứng suất tiếp 𝜏 = 0 h

CHƯƠNG 3: THIẾT KẾ HỆ CƠ KHÍ Điều kiện bền theo thuyết bền thứ ba :

Trường hợp 2: Tải đặt lệch tâm

Xét trường hợp tải đặt lệch tâm tại vị trí nguy hiểm (cạnh ngoài của tấm nâng)

Hình 3 8: Sơ đồ lực tải đặt lệch tâm + P P0N : tải trọng do tải tác dụng

+ M = P.b = 500.0.25 = 120 Nm : Moment uốn do tải lệch tâm (tâm quay tại C) + b : bề rộng tấm nâng

+ [𝜎] = 600MPa Ứng suất uốn cho phép của thép C45 thường hóa

Moment uốn gây ứng suất pháp lớn nhất :

Do hệ không có moment xoắn nên ứng suất tiếp 𝜏 = 0 Điều kiện bền theo thuyết bền thứ ba :

3.3.3 Mô hình thiết kế cơ cấu nâng

Hình 3 9: Kết cấu cơ cấu nâng

3.3.4 Thiết kế - tính toán kết cấu bánh xe dẫn động

AGV được thiết kế với cấu trúc 6 bánh, bao gồm 2 cặp bánh tự lựa ở hai đầu và 2 bánh dẫn động ở giữa, được điều khiển bởi 2 động cơ DC encoder Thiết kế này mang lại khả năng di chuyển linh hoạt cho xe, nhờ vào việc điều chỉnh tốc độ của 2 bánh dẫn động, đồng thời cho phép xe quay tại chỗ với một góc tùy ý khi 2 bánh quay cùng tốc độ nhưng ngược chiều nhau.

Xe AGV có kết cấu đặc biệt với hai bánh dẫn động không chỉ đảm nhận vai trò dẫn hướng mà còn phải chịu tải trọng từ kệ hàng Điều này tạo ra thách thức trong việc thiết kế và vận hành xe AGV để đảm bảo hiệu suất và độ bền.

Mô hình thiết kế được thiết lập như sau :

Hình 3 11: Sơ đồ nguyên lý cơ cấu truyền động bánh xe

Để giảm thiểu độ đảo, rung lắc và va đập do sự không đồng tâm giữa trục động cơ và trục bánh xe, việc lựa chọn nối trục đàn hồi cần đảm bảo các yếu tố quan trọng liên quan đến động cơ.

- Chịu được moment xoắn : 1890 Nmm

 Chọn nối trục đàn hồi có các thông số như sau :

Thép 45 có  b = 600MPa , ứng suất xoắn cho phép    = 12  20MPa

Xác định sơ bộ đường kính trục thứ k :

Tra bảng 10.2 tài liệu [1] ta chọn sơ bộ đường kính trục và bề rộng ổ lăn theo tiêu chuẩn : d 1 = 20( mm ) ;b 1 = 15 ( mm )

Sơ đồ phân tích lực tác dụng lên trục:

Hình 3 12: Lực tác dụng lên trục bánh xe

Tìm phản lực tại các gối đỡ :

10 11 A Đường kính các đoạn trục:

Theo bảng 10.5 tài liệu [1] với d1 mm     = 65MPa td = 1944,6Nmm td = 5270,6Nmm d 10  = 6,87mm ; d 11  9, 6 mm

Với hệ số an toàn k=3

Do đó theo kết cấu ta chọn: d 10 = 20 mm ; d 11 = 25mm

Vậy kết cấu trục được hình thành để đảm bảo độ bền và bánh xe có thể gá đặt được vào trục như sau:

Hình 3 14: Kích thước trục bánh xe

Số vòng quay n 1 = 19,1(vg / ph)

Tải trọng tác dụng lên các ổ:

+ Tải trọng hướng tâm tác dụng lên ổ A:

Do trục bánh xe chịu lực hướng tâm do trọng lượng của Robot tác dụng, vì vậy ổ đũa trụ ngắn đỡ được sử dụng

Kí hiệu ổ d (mm) D (mm) B (mm) C (kN) C0 (kN)

Do không có lực dọc trục, nên ta chọn K t = 1, K  = 1, V =1, X=1, Y=0 Tải trọng quy ước:

Thời gian làm việc tính bằng triệu vòng quay:

Khả năng tải động tính toán:

Vì C t C ,9 kN nên ổ đảm bảo khả năng tải động

3.3.6 Tính toán công suất động cơ

Truyền động từ động cơ – hộp số – bánh xe

Hình 3 15: Mô hình phân tích lực bánh xe Chọn động cơ có vận tốc sau khi qua hộp giảm tốc > 19,1 vg/ph

Khối lượng bánh xe mbánh = 0,5 kg

Khối lượng tổng tải = 50+50 = 100 kg

Khối lượng bánh xe mbánh = 0,5 kg

Khối lượng tổng tải = 50+50 = 100 kg

Tính toán tại đầu ra hộp giảm tốc:

Moment bánh xe có thể tính gần đúng: l = 1 mR 2

2 Cân bằng moment quanh tâm bánh xe, ta có:

 𝜏 = 𝑙𝛾 + 𝐹 𝑚𝑥 𝑅 Phương trinh định luật 2 Newton theo phương ngang :

Thay 𝐹 𝑚𝑠 vào phương trình moment ở trên ta được :

2 ) = 1,89 𝑁𝑚 Điều kiện để bánh xe không bị trượt khi động cơ quay, monent 𝜏 phải thỏa điều kiện sau :

CHƯƠNG 3: THIẾT KẾ HỆ CƠ KHÍ Điều này có nghĩa với thông số đầu bài, xe chạy với moment < 59,45Nm sẽ không có hiện tượng trượt

Công suất mỗi động cơ cần cung cấp sơ bộ:

Chọn động cơ DC servo F5D60-12 5GN50K có gắn hộp giảm tốc với các thông số như sau:

Bảng 3 3: Thông số động cơ

Thông số Giá trị Điện áp 24V

3.3.7 Kết cấu tổng thể cụm bánh xe

Hình 3.16 mô tả các chi tiết lắp ghép trục bánh xe, bao gồm ổ đũa kết hợp với gối đỡ và vòng găng để ngăn trục di chuyển dọc Bánh xe được gắn chặt vào trục thông qua cơ cấu bạc chắn và được định vị bằng đai ốc Động cơ kết nối với trục bánh xe qua nối trục mềm, giúp loại trừ độ rung.

Tên chi tiết, cụm chi tiết Hình thiết kế 3D

XE TỰ HÀNH CÓ DẪN

Bao gồm xylanh nâng, kết cấu 3 tầng: mặt đế (tầng dưới cùng), mặt định vị (tầng 2), mặt nâng (tầng 3)

Tầng 2: lắp cụm dẫn hướng cho cơ cấu nâng, gồm 4 trục dẫn hướng, liên kết với tầng 1 bằng 2 trụ định vị và 4 ty-ren

KẾT CẤU BÊN TRONG TOÀN

THIẾT KẾ HỆ THỐNG ĐIỆN

Mô-đun giao tiếp dữ liệu

Trong quá trình hoạt động của AGV trong kho, giao tiếp dữ liệu giữa robot và máy tính là thiết yếu để kiểm soát tốc độ và vị trí của robot trong không gian rộng lớn Điều này cũng giúp xử lý các tình huống khẩn cấp và gửi lệnh điều khiển robot thông qua ứng dụng máy tính.

Các yêu cầu đối với mô đun truyền nhận dữ liệu như sau:

- Có khả năng truyền nhận trong phạm vi rộng lớn, bao phủ được hết toàn bộ diện tích nhà kho

- Có khả năng kết nối, giao tiếp với máy tính

- Truyền nhận dữ liệu ổn định

Dựa trên các yêu cầu được nêu, lựa chọn phương án truyền thông qua sóng WIFI

Mô đun thu phát wifi BLE SoC ESP32 V1 được sử dụng

ESP32 cho phép hoạt động ở 2 bộ giao thức: TCP (Transmission Control

Protocol) và UDP (User Datagram Protocol)

TCP là giao thức hoạt động theo hướng kết nối, yêu cầu thiết lập một kết nối giữa hai máy trước khi truyền dữ liệu thông qua phương thức "bắt tay 3 bước" Quá trình này bắt đầu bằng việc gửi gói tin ACK từ máy đích đến máy gửi Trong suốt quá trình truyền tải, máy gửi sẽ yêu cầu máy đích xác nhận đã nhận đủ các gói tin Nếu có gói tin bị mất, máy đích sẽ yêu cầu máy gửi gửi lại các gói tin đó.

CHƯƠNG 4: THIẾT KẾ HỆ THỐNG ĐIỆN được đầy đủ các gói tin mà máy gửi gửi đi, vì vậy truyền dữ liệu chậm hơn UDP nhưng đáng tin cậy hơn UDP

UDP là giao thức không kết nối, không yêu cầu thiết lập kết nối giữa máy gửi và nhận Giao thức này không đảm bảo việc truyền tải gói tin, không thông báo khi mất gói tin và cũng không kiểm tra lỗi Mặc dù UDP cho phép truyền dữ liệu nhanh hơn nhờ vào cơ chế hoạt động đơn giản, nhưng độ tin cậy của nó thấp hơn so với TCP.

Quá trình truyền nhận dữ liệu từ AGV đến máy tính không yêu cầu tốc độ cao mà ưu tiên độ tin cậy và ổn định, đảm bảo dữ liệu không bị mất trong quá trình truyền Do đó, giao thức TCP được lựa chọn làm phương thức truyền thông giữa mô đun ESP32 và máy tính qua sóng WIFI.

Bảng 4 1: Thông số mô đun ESP32

IC chính Wifi BLE Soc ESP32 Điện áp sử dụng 2.2V – 3.6 VDC

Dòng điện sử dụng 90mA

Wifi mode Station – softAP – SoftAP+station/P2P

Bảo mật WPA/WPA2/WPA2-Enterprise/WPS

Giao tiếp SD-card, UART, SPI, SDIO, I2C

Hình 4 1: Mô đun WIFI ESP32 [8]

Lựa chọn thiết bị đọc RFID

CHƯƠNG 4: THIẾT KẾ HỆ THỐNG ĐIỆN

Các thẻ RFID được lắp đặt tại các điểm giao nhau trên sàn kho, cho phép robot xác định vị trí của mình thông qua tín hiệu được đọc bởi đầu đọc thẻ gắn dưới gầm AGV khi di chuyển.

- Đọc được thẻ RFID trong khoảng cách

8,57mm Cảm biến có độ phân giải tốt nhất trong khoảng 2-10cm Qua phân tích chọn h = 10mm

Tính toán khoảng cách giữa 2 led

+ Phạm vi hoạt động của 2 led không chồng lên nhau

CHƯƠNG 4: THIẾT KẾ HỆ THỐNG ĐIỆN Để cảm biến hoạt động tốt thì các led phải tách biệt nhau, các led không được giao thoa với nhau, vì sẽ gây nên sai số khi hoạt động Phạm vi quét của 2 led liền kề được mô tả lại như sau:

Hình 4 12: Phạm vi quét của led thu và led phát ở 2 cảm biến đặt liền kề nhau Khoảng cách giữa 2 led phát vầ thu liền kề phải đảm bảo:

Khoảng cách giữa 2 led trong 1 cảm biến là 5 mm Do đó khoảng cách tối thiểu giữa 2 cảm biến sẽ là:

Khi cảm biến hoạt động, có thể xảy ra trường hợp cảm biến nằm trong vùng bất định, dẫn đến giá trị analog đọc được sẽ giống nhau Điều này gây khó khăn trong việc xác định chính xác vị trí của cảm biến so với tâm đường line Vùng bất định của cảm biến được mô tả như sau:

Hình 4 13: Vùng bất định của cảm biến

Khi cảm biến dịch chuyển sang phải một đoạn 26-d, luôn có 2 LED nằm trong đường line, dẫn đến tín hiệu analog đo được giống nhau Ngược lại, khi cảm biến di chuyển sang trái đoạn 2d-26, chỉ có 1 LED nằm trong đường line Do đó, cần chọn giá trị của d sao cho các khoảng cách này là nhỏ nhất.

Lựa chọn vi điều khiển trung tâm

Vi điều khiển trong bộ điều khiển tập trung cần thực hiện nhiều tác vụ quan trọng để điều khiển toàn bộ hoạt động của robot Các nhiệm vụ bao gồm đọc tín hiệu ADC từ cảm biến dò đường, nhận tín hiệu từ cảm biến vật cản, điều chỉnh tốc độ của hai động cơ, và điều khiển cơ cấu nâng hạ thông qua một xylanh điện Ngoài ra, vi điều khiển cũng phải giao tiếp truyền nhận dữ liệu với đầu đọc thẻ RFID qua chuẩn SPI và mô đun WIFI ESP32 thông qua chuẩn truyền UART.

+ Có ít nhất 7 chân đọc ADC từ cảm biến, 1 chân đọc ADC từ Loadcell

+ Ít nhất 3 chân xung PWM và 4 chân IO điều khiển chiều động cơ

+ Hỗ trợ giao tiếp SPI với RC522, giao tiếp UART với ESP32

+ 6 chân IO đọc tín hiệu từ cảm biến vật cản, 1 IO đọc tín hiệu từ công tắc hành trình xylanh điện

+ Đọc tín hiệu hồi tiếp encoder từ 2 động cơ

Vi điều khiển Tiva C với chip TM4C123GH6PM của hãng Texas Instruments được lựa chọn với các thông số sau:

- Có 12 kênh chuyển đổi ADC

- 6 chân ngắt ngoài đọc encoder

- Hỗ trợ giao tiếp SPI, I2C, UART

Hình 4 14: Vi điều khiển TIVA C của hãng TI [8]

Lựa chọn nguồn

Bảng 4 4: Điệp áp – dòng điện các thiết bị được sử dụng

Thiết bị Số lượng Dòng max Điện áp Tổng cộng Động cơ 2 2500 mA 24V 5000 mA – 24V Động cơ nâng 1 1500 mA 24V 1500 mA – 24V

Cảm biến dò line 1 40 mA 5V 40 mA – 5V

Cảm biến vật cản 6 100mA 5V 600mA – 5V

Vậy nguồn điện cung cấp cần có công suất tối thiểu:

Chọn bình Acquy SB2450 LITHIUM ION BATTERY với thông số:

Sơ đồ kết nối hệ thống

Đường tín hiệu Nguồn cung cấp

Sensor 1 Sensor 2 Sensor 3 Sensor 4 Sensor 5 Sensor 6 Sensor 7

Encoder DC Xy lanh dẫn hướng

Vậ t cản 1 Vậ t cản 2 Vậ t cản 3 Vậ t cản 4 Vậ t cản 5 Vậ t c ản 6

- Nguồn 3.3VDC cung cấp cho mô đun RFID và mô đun WIFI ESP32, sử dụng mạch giảm áp ASM1117 chuyển từ nguồn 5V=> 3.3V

Nguồn 5VDC được cung cấp cho các thiết bị như encoder, nút nhấn, cảm biến dò đường, cảm biến vật cản, vi điều khiển Tiva C và cảm biến loadcell Mạch giảm áp LM2596 được sử dụng để chuyển đổi điện áp từ 24VDC xuống 5VDC với dòng điện tối đa đạt 3A.

- Nguồn 24VDC cung cấp cho 3 driver động cơ

Sơ đồ kết nối nguồn và thiết bị trong hình 4.8 minh họa nguyên lý hoạt động tổng thể của mạch điều khiển, và việc kết nối giữa các chân của vi điều khiển với các thiết bị sẽ được giải thích chi tiết trong các phần tiếp theo.

Kết nối mạch và thiết lập thông số mạch giao tiếp dữ liệu giữa ESP32 và

Hình 4 16: Sơ đồ kết nối giữa ESP32 và Tiva C

Sơ đồ hình 4.9 minh họa mối quan hệ truyền nhận dữ liệu giữa tiva C và ESP32 qua giao tiếp UART Để đảm bảo độ chính xác trong quá trình truyền nhận, cần thiết lập các thông số truyền nhận dữ liệu mặc định tương thích cho cả hai thiết bị Cụ thể, thiết lập tốc độ Baud là 115200, khung truyền 8 bits dữ liệu, không sử dụng parity và 1 bit stop.

Thiết lập các thông số của mô-đun ESP32 thông qua tập lệnh AT như sau: Bảng 4 5: Tập lệnh AT thiết lập cho ESP32

AT+CWMODE=3 ESP32 được thiết lập trong vai trò máy khách (Client)

AT+CWJAP="SSID","password" ESP32 tự động kết nối vào mạng khi cung cấp đúng tên WIFI và mật khẩu

AT+CIPSTART="TCP","192.168.101.110",8080 ESP32 kết nối vào máy chủ có địa chỉ IP và Port được nhập, truyền thông bằng giao thức TCP

ESP32 được cấu hình với TIVA C để tự động kết nối với máy chủ trên máy tính thông qua ứng dụng viết bằng C++ Khi kết nối thành công, TIVA C và máy tính có thể giao tiếp qua sóng WIFI, với mô đun ESP32 đóng vai trò trung gian trong việc truyền nhận dữ liệu.

Hình 4 17: Mô hình truyền nhận dữ liệu bằng ESP32

Máy tính sử dụng giao thức TCP để truyền nhận dữ liệu với ESP32, trong khi ESP32 giao tiếp với TIVA C thông qua giao thức UART để nhận lệnh và dữ liệu.

Kết nối và thiết lập thông số mạch giao tiếp dữ liệu giữa mô-đun RFID

Hình 4 18: Sơ đồ kết nối RC522 và Tiva C

Sơ đồ hình 4.10 minh họa mối quan hệ truyền nhận dữ liệu giữa tiva C và ESP32 qua giao tiếp SPI Mô-đun RC522 có chức năng đọc mã thẻ RFID được lắp đặt dưới mặt sàn tại các điểm giao nhau, giúp hệ thống quản lý vị trí hiện tại của AGV một cách hiệu quả.

Để điều khiển hai động cơ DC servo bằng driver DCS3T-28, cần kết nối một chân IO để điều chỉnh chiều quay và một chân PWM để điều chỉnh tốc độ động cơ Mỗi driver chỉ cho phép điều khiển tốc độ của một động cơ.

Hình 4 19: Sơ đồ kết nối mạch điều khiển động cơ

Kết nối mạch điều khiển xylanh điện

Để điều khiển xylanh điện, mạch BTS7960 được sử dụng kết nối với Tiva C Hai chân IO của Tiva C được kết nối vào chân LPWM và RPWM của BTS7960 để điều chỉnh chiều Đồng thời, hai chân R_EN và L_EN từ driver được nối chung vào một chân PWM của Tiva C.

Xylanh điện hoạt động theo cơ chế điều khiển vòng hở, không nhận tín hiệu hồi tiếp từ ENCODER, vì vậy công tắc hành trình cận dưới được sử dụng Khi xylanh đạt đủ chiều cao yêu cầu, công tắc hành trình sẽ gửi tín hiệu về vi điều khiển để kết thúc quá trình nâng tải.

Hình 4 20: Sơ đồ kết nối mạch điều khiển xylanh

Kết nối mạch cảm biến dò đường

Mạch cảm biến dò đường sử dụng cảm biến Photo-Transistor được kết nối với các chân đọc tín hiệu ADC của vi điều khiển Tiva C

Hình 4 21: Sơ đồ kết nối cảm biến dò line

Kết nối cảm biến khối lượng Loadcell

Cảm biến khối lượng loadcell được kết nối với kit Tiva C thông qua mô-đun ADC HX711 Phương pháp kết nối được trình bày ở hình 4.22

Hình 4 22: Sơ đồ kết nối Loadcell

Thiết kế mạch in bằng phần mềm Altium Designer

Để đảm bảo hoạt động ổn định của robot, mạch in được thiết kế bằng phần mềm Altium Designer, giúp giảm thiểu việc sử dụng dây điện theo phương pháp truyền thống và nâng cao độ chính xác trong việc kết nối các thiết bị.

Mạch cảm biến dò line

Hình 4 23: Sơ đồ nguyên lý cảm biến dò line

Hình 4 24: Mạch PCB cảm biến dò line Mạch kết nối các thiết bị

Hình 4 25: Sơ đồ nguyên lý thiết kế bằng Altium Designer

CHƯƠNG 5: THIẾT KẾ HỆ BỘ ĐIỀU KHIỂN

CHƯƠNG 5: THIẾT KẾ BỘ ĐIỀU KHIỂN

Dựa trên kết quả từ chương 4, cấu trúc phần cứng của thiết bị đã hoàn thiện, bao gồm thiết kế kết cấu cơ khí và hệ thống điện Chương này sẽ tập trung vào việc thiết kế bộ điều khiển cho robot, trong đó bao gồm việc phát triển ứng dụng điều khiển bằng ngôn ngữ C++, thiết kế bộ điều khiển PID cho động cơ với chế độ tải thay đổi, và triển khai thuật toán xác định vị trí line sử dụng cảm biến Photo-Transistor.

Thiết kế ứng dụng điều khiển bằng ngôn ngữ C++

Như phần trước đã trình bày, AGV và máy tính sẽ giao tiếp được với nhau khi đủ các điều kiện sau:

- ESP32 và máy tính cùng kết nối chung một mạng WIFI

- Thiết lập ESP32 bằng lệnh AT như bảng 4.4

Máy tính cần thiết lập một server với địa chỉ IP và Port, sau đó cung cấp thông tin này cho ESP32 để mô-đun có thể tự động kết nối với vai trò là Client.

Yêu cầu thiết kế ứng dụng:

- Có khả năng thiết lập một Server và cho phép các Client kết nối vào

- Có khả năng truyền – nhận dữ liệu thông qua giao thức TCP

Phần mềm Visual Studio hỗ trợ thiết kế giao diện bằng ngôn ngữ C++, cho phép tạo một Server kết nối với các thiết bị khác qua giao thức TCP để truyền nhận dữ liệu Ứng dụng hiển thị bản đồ mô phỏng hoạt động của AGV trong kho, cho phép theo dõi tốc độ hai bánh và sai số dò line Ngoài ra, ứng dụng còn tích hợp các nút nhấn và chế độ điều khiển robot bằng tay hoặc tự động.

Hình 5 1: Giao diện ứng dụng điều khiển AGV bằng máy tính Ở mục Connection, yêu cầu nhập 2 thông số đó là:

- Server: Địa chỉ IP của máy tính trong mạng đang kết nối (kiểm tra IP thông qua máy tính)

- Port: Cổng giao tiếp đăng kí mở (lựa chọn tùy ý)

Sau khi nhập 2 thông số trên và nhấn nút Connect, một Server đã được mở ở cho phép các Client kết nối và giao tiếp

Bài viết đề xuất ba chế độ hoạt động: Chế độ Tự động, Chế độ Bằng tay và Chế độ Nâng hạ Kệ hàng, tương ứng với các chức năng tự động, điều khiển thủ công và nâng hạ hàng hóa.

Trong chế độ Auto Mode, robot sẽ tự động tìm đường đi ngắn nhất sau khi nhận 3 điểm yêu cầu: Start Node, End Node và Cargo Node, bằng cách sử dụng thuật toán tìm đường ngắn nhất ASTAR.

Trong chế độ Manual Mode: Robot được điều khiển di chuyển bám line thẳng, quay trái, quay phải 90 0

Nhập địa chỉ IP Nhập địa chỉ PORT

Robot đã kết nối S Đ Hiển thị đã kết nối

Hiển thị sai số bám line, vận tốc 2 bánh, vị trí hiện tại

Gửi danh sách các điểm tìm được từ giải thuật ASTAR Đọc tín hiệu từ Robot gửi lên Đ Đ Chọn Auto

Nhập Start Node, Cargo Node, End Node

Giải thuật ASTAR tìm được ngắn nhất

Chế độ Lift Cargo: Cho phép người sử dụng điều khiển cơ cấu nâng hạ, nâng lên, hạ xuống, dừng ở vị trí bất kì

Chương trình điều khiển robot được phát triển bằng ngôn ngữ C++ nhằm giám sát và điều khiển hoạt động của robot Khi khởi động, người dùng cần nhập địa chỉ IP của máy tính kết nối mạng và thiết lập cổng PORT trước khi bắt đầu.

Khi máy chủ ở chế độ chờ, nó sẽ đợi robot kết nối Khi kết nối thành công, thông báo sẽ hiển thị và người sử dụng có thể lựa chọn các chức năng điều khiển.

Bộ điều khiển PID u(t) được sử dụng để điều khiển robot, như đã nêu ở trên Trong quá trình di chuyển, robot liên tục nhận dữ liệu về các sai số dò line, vận tốc của hai bánh xe và vị trí hiện tại của nó.

Thiết kế bộ điều khiển PID cho chế độ tải trọng thay đổi

Trong quá trình hoạt động của thiết bị tự hành, việc nâng và di chuyển kệ hàng có khối lượng từ 0 – 50kg đòi hỏi động cơ phải đáp ứng tốt khi tải trọng thay đổi Để giải quyết vấn đề này, thuật toán PID được áp dụng cùng với cảm biến Loadcell để xác định khối lượng kệ hàng Tùy thuộc vào chế độ tải trọng cụ thể, một bộ số PID phù hợp sẽ được lựa chọn từ thực nghiệm, nhằm đảm bảo động cơ luôn hoạt động trong khoảng yêu cầu.

Khối lượng tải xác định từ Loadcell y(t)

Hình 5 3: Mô hình tổng quát hệ thống điều khiển Yêu cầu thiết kế bộ điều khiển PID:

5.2.1 Bộ điều khiển PID chế độ không tải

Lựa chọn hệ số PID

Tiến hành khảo sát tốc độ động cơ và điện áp cấp vô ở chế độ không tải, sử dụng Driver DCS3T cho kết quả như sau:

Hình 5 4: Đáp ứng 2 động cơ ở chế độ không tải

Từ kết quả khảo sát cho thấy:

- Quan hệ giữa tốc độ động cơ và xung PWM là tuyến tính với cả 2 động cơ

- Hệ số góc của đường đáp ứng 2 động cơ được xấp xỉ là 3.18

Tiến hành khảo sát đáp ứng của động cơ trái ở chế độ không tải, PWM U%

Hình 5 5: Đồ thị đáp ứng của động cơ trái ở PWM 55%

Hệ thống có dạng bậc nhất:

Hình 5 6: Độ thị đường cong đáp ứng của hệ bậc nhất

Từ đồ thị, hàm truyền động cơ trái:

Sử dụng PID Tuner của Matlab để tìm bộ PID:

Tiến hành hiệu chỉnh các hệ số qua thực nghiệm, ta tìm được các hệ số:

K P = 0.29, K I = 5.36, K D = 0.00153 Đáp ứng của động cơ trái:

Tiến hành tương tự cho động cơ phải, hàm truyền tìm được:

0,15𝑠+ 1 Tiến hành hiệu chỉnh các hệ số qua thực nghiệm, ta tìm được các hệ số:

K P = 0.14, K I = 6.21, K D = 0.00235 Đáp ứng của động cơ trái:

5.2.2 Bộ điều khiển PID ở chế độ có tải

Tiến hành khảo sát đáp ứng của 2 động cơ ở chế độ có tải 10kg:

Hình 5 8: Đáp ứng của hệ 2 động cơ ở tải 10kg

Từ kết quả khảo sát cho thấy:

- Quan hệ giữa tốc độ động cơ và xung PWM là tuyến tính với cả 2 động cơ

- Hệ số góc của đường đáp ứng 2 động cơ được xấp xỉ là 2.01

Tiến hành tương tự các bước thiết kế ở chế độ không tải, xác định được hàm truyền của 2 động cơ và đáp ứng bộ điều khiển như sau:

0,32𝑠+ 1 Tiến hành hiệu chỉnh các hệ số qua thực nghiệm, ta tìm được các hệ số:

Hình 5 9: Đáp ứng hệ động cơ trái ở PWM 55% Đáp ứng của động cơ trái:

Tiến hành hiệu chỉnh các hệ số qua thực nghiệm, ta tìm được các hệ số:

Hình 5 10: Đáp ứng hệ động cơ phải PWM 55% Đáp ứng của động cơ phải:

Quá trình được tiếp tục ở các chế độ tải từ 1 – 50 kg, các bộ hệ số PID được trình bày ở Phụ lục A.

Giải thuật xử lý tín hiệu, xác định vị trí đường line sử dụng cảm biến

Hiện nay, có hai phương pháp phổ biến để xác định vị trí tâm đường line trong phương pháp dẫn hướng bằng đường băng kẻ sử dụng cảm biến Photo-Transistor, đó là so sánh và xấp xỉ.

Phương pháp đầu tiên sử dụng bộ so sánh để xác định trạng thái đóng/ngắt của các sensor, từ đó suy ra vị trí xe dựa trên bảng trạng thái đã được định sẵn Sai số trong việc dò line sẽ phụ thuộc vào thông số và khoảng cách giữa các sensor Phương pháp này chủ yếu phụ thuộc vào mức ngưỡng so sánh của các sensor, giúp tăng tốc độ xử lý một cách hiệu quả.

Phương pháp thứ hai xác định vị trí của xe so với tâm đường bằng cách sử dụng tín hiệu từ cảm biến, với ba giải thuật xấp xỉ được giới thiệu: xấp xỉ bậc 2, tuyến tính và theo trọng số Phương pháp này chủ yếu phụ thuộc vào thời gian đọc ADC của tất cả các cảm biến trên vi điều khiển, dẫn đến thời gian xử lý lâu hơn so với phương pháp đầu tiên Tuy nhiên, nó cung cấp độ phân giải cao hơn đáng kể.

Mỗi cảm biến tạo ra tín hiệu analog khác nhau, ngay cả khi hoạt động trong cùng một điều kiện Vì vậy, việc hiệu chuẩn cảm biến là cần thiết để đảm bảo độ chính xác trong các giá trị đo được.

+ 𝑥 𝑚𝑎𝑥,𝑖 , 𝑥 𝑚𝑖𝑛,𝑖 là giá trị nhỏ nhất và lớn nhất từ cảm biến thứ i

+ 𝑦 𝑚𝑎𝑥 , 𝑦 𝑚𝑖𝑛 là giá trị lớn nhất và nhỏ nhất mà ta mong muốn cho tất cả cảm biến

+ 𝑥 𝑗,𝑖 là giá trị đọc được lần thứ j của cảm biến thứ i

+ 𝑦 𝑗0 giá trị sau khi điều chỉnh 𝑥 𝑗,𝑖

Từ giá trị thực nghiệm ta thu được công thức calip cho 7 cảm biến

5.3.2 Xác định vị trí tâm đường line

Sử dụng giải thuật xấp xỉ bậc 2

Hình 5 11: Giải thuật xấp xỉ bậc 2 Lấy 3 cảm biến cho giá trị cao nhất Ta xấp xỉ tín hiệu đầu ra:

Vị trí tâm đường line sẽ là vị trí mà hàm xấp xỉ đạt giá trị cực đại:

Kết quả phân tích mối quan hệ giữa giá trị tính toán và giá trị thực của vị trí tâm đường line so với tâm cảm biến cho thấy sai số tối đa e2max là 1,7 mm, sai số tối thiểu e2min là 0,8 mm, và sai số trung bình so với sai số lý tưởng là 1,2 mm.

Dựa vào kết quả và sai số từ Hình 5.5, chúng ta có thể xác định đường tuyến tính xấp xỉ là y = 0,51x - 0,31 Đường xấp xỉ này đáp ứng yêu cầu về sai số e2 theo đề bài.

Hình 5 12: Đồ thị quan hệ giá trị tính toán và giá trị thực tâm đường line

PHẦN LẬP TRÌNH – MÔ PHỎNG

TỔNG KẾT VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN ĐỀ TÀI

Tiêu đề	Nghiên Cứu, Thiết Kế Và Vận Hành Thiết Bị Tự Hành Có Dẫn Hướng Phục Vụ Công Tác Kho Vận
Tác giả	Tiêu Đình Anh Phúc, Võ Văn Hậu, Tôn Thất Huy
Người hướng dẫn	TS. Ngô Hà Quang Thịnh
Trường học	Trường Đại Học Công Nghệ Tp. Hồ Chí Minh
Chuyên ngành	Kỹ Thuật Cơ Điện Tử
Thể loại	báo cáo đồ án tốt nghiệp
Năm xuất bản	2021
Thành phố	Tp.HCM

Định dạng
Số trang	109
Dung lượng	3,99 MB