ĐỒ án tốt NGHIỆP đề tài thiết kế hệ thống xe tự hành vận chuyển hàng tự động

HỌC VIỆN CƠNG NGHỆ BƯU CHÍNH VIỄN THƠNG KHOA KỸ THUẬT ĐIỆN TỬ - - ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP Đề tài: Thiết kế hệ thống xe tự hành vận chuyển hàng tự động Giảng viên hướng dẫn: Nguyễn Quý Sỹ Sinh viên thực hiện: Vũ Văn Minh Mã sinh viên: B18DCDT159 Số điện thoại: 0334336261 Lớp: D18DTMT2 Hà Nội, 2022 TIEU LUAN MOI download : skknchat123@gmail.com moi nhat BM.HV-KT.01/06 HỌC VIỆN CƠNG NGHỆ BƯU CHÍNH VIỄN THƠNG KHOA KỸ THUẬT ĐIỆN TỬ CỘNG HỒ XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM Độc lập – Tự – Hạnh phúc ĐỀ CƯƠNG ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP ĐẠI HỌC Họ tên sinh viên: Vũ Văn Minh Lớp: D18DTMT2 Khoá: 2018 – 2023 Ngành đào tạo: Kỹ thuật Điện – Điện tử Hệ đào tạo: Đại học quy 1.Tên đồ án/khóa luận tốt nghiệp: “Thiết kế hệ thống xe tự hành vận chuyển hàng tự động” 2.Lý chọn đề tài: Một giải pháp robot tự hành ứng dụng nay, xe tự hành (AGV) xưởng, nhà kho, với chức tự lấy hàng điểm vận chuyển tới nơi đánh dấu Mặc dù chủ đề tính ứng dụng lại cao thực tiễn nên em chọn đề tài để nghiên cứu phát triển Mục tiêu đề tài: Thiết kế hệ thống vận chuyển hàng hoá xe tự hành từ nhiều điểm tới điểm cụ thể định sẵn hệ thống 3.Nội dung đồ án: Chương 1: Tổng quan hệ thống xe tự hành cơng nghệ liên quan Chương 2: Phân tích thiết kế xe tự hành vận chuyển hàng tự động Chương 3: Chế tạo thử nghiệm 4.Cơ sở liệu ban đầu: Môn học: Hệ thống nhúng, Kỹ thuật vi xử lý, CAD/CAM, Các nghiên cứu tính chất MIMO (Multi – Input Multi - Output), Bộ lọc Kalman, Thuật toán điều khiển PID,… 5.Ngày giao đề tài: ./ ./20… 6.Ngày nộp quyển: / /20 GIẢNG VIÊN HƯỚNG DẪN SINH VIÊN THỰC HIỆN (Ký, ghi rõ họ tên) (Ký, ghi rõ họ tên) TRƯỞNG KHOA (Ký, ghi rõ họ tên) TIEU LUAN MOI download : skknchat123@gmail.com moi nhat NHẬN XÉT CỦA GIẢNG VIÊN HƯỚNG DẪN  NỘI DUNG ĐỒ ÁN: HÌNH THỨC TRÌNH BÀY: Thuyết minh: Bản vẽ: NHẬN XÉT KHÁC: Ý KIẾN ĐÁNH GIÁ: Ngày tháng năm 2022 Giáo viên hướng dẫn (ký tên) TIEU LUAN MOI download : skknchat123@gmail.com moi nhat LỜI MỞ ĐẦU TIEU LUAN MOI download : skknchat123@gmail.com moi nhat MỤC LỤC LỜI MỞ ĐẦU Danh mục hình ảnh CHƯƠNG I: TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG XE TỰ HÀNH VÀ CÁC CÔNG NGHỆ LIÊN QUAN.7 1.1 Giới thiệu xe tự hành .7 1.2 Xe tự hành hoạt động thế nào 1.2.1 Hệ thống vận hành xe tự hành 1.2.2 Phần mềm quản lý: .8 1.2.3 Hệ thống giao tiếp .9 1.2.4 Các loại phương pháp vận chuyển .9 1.2.5 Các loại phương pháp dò đường 11 1.3 Ưu điểm nhược điểm xe tự hành 11 1.3.1 Ưu điểm mà xe tự hành mang lại: 11 1.3.2 Nhược điểm xe tự hành 12 1.4 Một số nghiên cứu nước xe tự hành 12 1.5 Mục tiêu, nhiệm vụ phạm vi đề tài .14 1.5.1 Mục tiêu đề tài 14 1.5.2 Nhiệm vụ đề tài .14 1.5.3 Phạm vi đề tài 15 CHƯƠNG II Phân tích thiết kế xe tự hành vận chuyển hàng tự động 16 2.1 Phân tích lựa chọn phương án thiết kế 16 2.1.1 Lựa chọn cấu lái 16 2.1.2 Lựa chọn bánh xe 17 2.1.3 Lựa chọn động 18 2.1.4 Lựa chọn phương pháp dẫn đường 20 2.1.5 Lựa chọn phương án điều khiển giải thuật điều khiển 21 2.1.6 Giải thuật điều khiển 22 TÀI LIỆU THAM KHẢO 23 TIEU LUAN MOI download : skknchat123@gmail.com moi nhat Danh mục hình ảnh Hình 1: Hình ảnh loại xe tự hành Hình 2: Cấu trúc hệ thống xe tự hành Hình 3: Sơ đồ hệ thống kho hàng Kiva Hình 4: Xe tự hành kiểu kéo hàng 10 Hình 5: Xe tự hàng kiểu chở hàng 10 Hình 6: Xe tự hành kiểu nâng hàng 10 Hình 7: Xe tự hành với cơng nghệ dò đường 11 Hình 8: Kiva Robot nâng kệ hàng 13 Hình 9: Smart AGV cơng ty Changsing Việt Nam 13 Hình 10: Minh hoạ xe ba bánh sơ đồ nguyên lý 16 Hình 11: Minh hoạ xe bốn bánh sơ đồ nguyên lý 17 Hình 12: Bánh xe lựa chọn .17 Hình 13: Bánh bị động chọn 18 Hình 14: Động bước 18 Hình 15: Động DC servo .19 Hình 16: Đường dẫn màu đen trắng 20 Hình 17: Nguyên lý dẫn đường cảm ứng điện .20 Hình 18: Cấu trúc hệ điều khiển tập trung 21 Hình 19: Cấu trúc hệ điều khiển phân cấp .21 Hình 20: Bộ điều khiển PID .22 Hình 21: Bộ điều khiển Fuzzy 22 TIEU LUAN MOI download : skknchat123@gmail.com moi nhat CHƯƠNG I: TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG XE TỰ HÀNH VÀ CÁC CÔNG NGHỆ LIÊN QUAN 1.1 Giới thiệu xe tự hành Hình 1: Hình ảnh loại xe tự hành Xe tự hành hay gọi là AGV tiếng anh là Automated Guided Vehicle Đây Là robot di chuyển tự động từ địa điểm đến địa điểm khác theo đường đánh dấu, dây sàn nhà, sử dụng sóng radio, camera dẫn hướng, nam châm, laser để điều hướng Ngày nay, với phát triển cơng nghệ cảm biến dẫn đường, module chức năng, xử lý truyền thông, thiết bị truyền động nguồn lượng giúp cho việc tạo hệ thống xe tự hành có suất cao, ổn định chi phí phù hợp so với nhu cầu Xe tự hành sử dụng để vận chuyển hàng hố, ngun liệu thơ, thành phẩm thứ mà người cần hỗ trợ di chuyển Bên cạnh xe tự hành sử dụng nhiều lĩnh vực khác để hỗ trợ xử lý toàn khu vực hoạt động nhà máy, nhà hàng, bệnh viện, Cụ thể sau:  Đối với lắp ráp: xe tự hành di chuyển nguyên liệu, thành phẩm qua dây truyền quy trình sản xuất  Đối với vận chuyển: xe tự hành dùng để tải, đẩy kéo pallet phận  Đối với giai đoạn: xe tự hành cung cấp pallet cho quy trình sản xuất  Đối với lưu kho: xe tự hành giúp di chuyển sản phẩm từ vị trí nhận hàng tới TIEU LUAN MOI download : skknchat123@gmail.com moi nhat kho xe vận chuyển  Đối với chọn đơn hàng: xe tự hành dùng để di chuyển đặt hàng đến khu vực xếp hàng xe kéo để phân phối vận chuyển tới vị trí đóng gói 1.2 Xe tự hành hoạt động thế nào 1.2.1 Hệ thống vận hành xe tự hành Trong nhà xưởng, AGVS sử dụng để vận chuyển hàng tự động từ nơi cấp hàng đến vị trí sản xuất AGVS thơng thường bao gồm phương tiện (xe), điều khiển tích hợp AGV, phần mềm quản lý, hệ thống giao tiếp dẫn đường Hình 2: Cấu trúc hệ thống xe tự hành 1.2.2 Phần mềm quản lý: Phần mềm máy tính cần giải việc quản lý tất AGV Những nhiệm vụ máy chủ là: tối ưu việc sử dụng AGV, nhận yêu cầu quản lý hàng, theo dõi thống kê hàng hóa kho… Như vậy, hệ thống AGV có suất cao hay thấp phụ thuộc nhiều vào phần mềm quản lý Tùy vào ứng dụng hệ thống AGV mà phần mềm quản lý đóng vai trị cách thức quản lý khác Hệ thống AGV sử dụng dây chuyền lắp ráp sử dụng phần mềm quản lý thu nhận thơng tin loại hàng, bước di chuyển lập trình sẵn AGV Đường từ khu sản xuất, lưu trữ đến khu lắp ráp cố định, theo trình tự khơng cần nhiều tính tốn máy chủ Tốc độ di chuyển AGV phụ thuộc tốc độ lắp ráp dây chuyền Dây chuyền lắp ráp sử dụng nhân cơng u cầu điều khiển robot tay Đối với kho hàng, trung tâm xử lý phải thu nhận tất thông tin vị trí, hàng hóa AGV để điều khiển tồn hệ thống Đó chọn robot vị trí nào, tính tốn đường hiệu quả, vận tốc phù hợp để tránh gặp robot khác, giảm thời gian di chuyển xếp hàng kho hàng TIEU LUAN MOI download : skknchat123@gmail.com moi nhat Hình 3: Sơ đồ hệ thống kho hàng Kiva 1.2.3 Hệ thống giao tiếp Bao gồm giao tiếp máy chủ với robot robot với Do robot di chuyển cách tự động nên cần sử dụng phương thức giao tiếp không dây Công nghệ sóng vơ tuyến áp dụng cơng nghiệp Wireless LAN (IEEE 802.11), IEEE 802.15.4 Bluetooth (IEEE 802.15.1) Những yêu cầu công nghệ không dây mà hệ thống xe tự hành yêu cầu là:  Đảm bảo kết nối ổn định  Có tính bảo mật cao  Cho phép cấu hình phương thức giao tiếp đơn giản Cơng nghệ Bluetooth thích hợp cho thiết bị tự động yêu cầu mức sử dụng lượng thấp, chi phí thấp Tầm hoạt động phạm vi Bluetooth khoảng 10(m), nhiên có vài module đặc biệt bao phủ vùng sóng hoạt động từ 200 ÷ 400( m) Với thay đổi mở rộng thường xun quy mơ làm việc, theo dõi phân tích liệu tốc độ cao hệ thống xe tự hành cơng nghệ Wireless LAN (IEEE 802.11) thích hợp để lựa chọn, tầm hoạt động thông thường băng thông 2.4 GHz 200(m) băng thông GHz 50(m) 1.2.4 Các loại phương pháp vận chuyển Mỗi loại hàng hoá có yêu cầu lưu trữ vận chuyển khác nhau, có nhiều phương pháp vận chuyển hàng Trong có kiểu sử dụng phổ biến nay: - Kiểu kéo hàng: Xe tự hành có móc để kéo khay hàng Kiểu thích hợp sử dụng di chuyển hàng với số lượng đủ lớn khay hàng phù hợp khoảng cách kích thước Tuy nhiên, đường cần rộng rãi, có đoạn vịng cua bán kính lớn để tránh va chạm TIEU LUAN MOI download : skknchat123@gmail.com moi nhat Hình 4: Xe tự hành kiểu kéo hàng - Kiểu chở hàng: Xe tự hành có phận chứa hàng, nâng hàng băng tải để lấy hàng Kiểu chở hàng kết hợp với băng tải dây chuyền sản xuất, lắp ráp Xe tự hành chở hàng di chuyển linh hoạt so với kiểu kéo hàng, đặc biệt hệ thống kho hàng có đường hẹp, góc cua nhỏ Hình 5: Xe tự hàng kiểu chở hàng - Kiểu xe nâng: Xe tự hành có phận nâng hàng tự động Ưu điểm kiểu đưa hàng hoá lên nhiều độ cao tuỳ ý thiết kế, yêu cầu khơng gian rộng để xoay nâng hàng Hình 6: Xe tự hành kiểu nâng hàng 10 TIEU LUAN MOI download : skknchat123@gmail.com moi nhat - Trách nhiệm giải trình: Khi sản phẩm tích hợp với AGV, theo dõi để giảm thiểu tình trạng “thất lạc” sản phẩm va chạm tai nạn không đáng có lơ là, tập trung… Cân dây chuyền tự động: Trong môi trường sản xuất với nhiều hoạt động triển khai tự động hóa, AGV dễ dàng tích hợp hỗ trợ cân dây chuyền sản xuất Tính linh hoạt: Đường AGV thay đổi nhu cầu sản xuất quy mơ thay đổi Ít hạn chế hơn: Chuyển vùng tự do, AGV nhỏ gọn phù hợp với lối nhỏ, tiết kiệm diện tích Giảm chi phí vận hành: Sạc xử lý pin tự động với hệ thống AGV việc tăng / giảm tốc kiểm sốt giúp giảm thiểu mài mịn phận Giảm hư hỏng sản phẩm: xe tự hành sản phẩm nhẹ nhàng, giảm phế liệu chất thải An tồn: xe tự hành hoạt động ln theo đường dẫn hướng, có cảm biến dừng gặp vật cản…nên đảm bảo an toàn di chuyển Do vậy, xe tự hành sử dụng chủ yếu nhà máy sản xuất, lắp ráp nhà kho thông minh giúp cho doanh nghiệp nâng cao hiệu sản xuất so với phương pháp vận chuyển hàng hoá truyền thống 1.3.2 Nhược điểm xe tự hành - Chi phí đầu tư ban đầu cao: Dù giảm chi phí lao động suất, chi phí để mua xe tự hành cao Nó đắt so với việc thuê nhân viên sử dụng thiết bị xe nâng Vì vậy, nên đầu tư xe tự hành chuẩn bị vốn kế hoạch phát triển kinh doanh.  - Chi phí bảo trì: Xe tự hành cần bảo dưỡng định kỳ sửa chữa không thường xuyên Và AGV không vận hành trực tiếp nhân viên, chắn có số thời gian ngừng hoạt động để bảo trì tốt - Khơng thích hợp cho nhiệm vụ khơng lặp lại: AGV có ý nghĩa hoạt động giải thao tác lặp lặp lại chúng lập trình để làm Nếu nhiệm vụ hoạt động bạn có xu hướng khơng lặp lại, tiết kiệm bạn sử dụng xe nâng thiết bị hỗ trợ khác - Giảm tính linh hoạt: xe tự hành hoạt động theo hệ thống quy trình đặt trước nên hoạt động cần phải thao tác cài đặt trước.  1.4 Một số nghiên cứu nước xe tự hành Trên giới, xe tự hành nghiên cứu phát triển khu vực sản xuất , nhà xưởng từ lâu ngày có nhiều ứng dụng đa dạng tích hợp cơng nghệ nhất, điển hình Kiva Robot Đây robot vận chuyển nhà kho hàng nghiên cứu sản xuất Amazon Robotics (USA) Nó 12 TIEU LUAN MOI download : skknchat123@gmail.com moi nhat lập trình tính năng: nhận thực đơn hàng, hoàn thành nhiệm vụ tiếp tục công việc mới, tự động nhận nhiệm vụ sạc pin xong Khối lượng robot khoảng 150 (kg), nâng kệ hàng lên đến 320 (kg) Vận tốc di chuyển robot nhà kho tối đa (m/s) Hình 8: Kiva Robot nâng kệ hàng Các cơng ty nước có nghiên cứu, ứng dụng robot tự hành vào nhà máy Mục đích nghiên cứu nước giảm giá thành robot, nắm bắt công nghệ Những hạn chế cơng nghệ sản xuất ảnh hưởng nhiều đến quy mô chất lượng sản phẩm robot nước Năm 2013, công ty Chansing Việt Nam sử dụng AGV vận chuyển hàng tự động công đoạn sản xuất giày Dự án AGV thực nhóm Azauto trường Đại học Lạc Hồng Công nghệ dẫn đường AGV hệ thống line từ trường sử dụng RFID để nhận biết khúc cua, vị trí sạc bình Agv có khối lượng 150 (kg) kéo xe hàng lên đến 400 (kg) Tốc độ di chuyển hoạt động khoảng 0,5 (m/s) Hình 9: Smart AGV công ty Changsing Việt Nam 13 TIEU LUAN MOI download : skknchat123@gmail.com moi nhat 1.5 Mục tiêu, nhiệm vụ phạm vi đề tài 1.5.1 Mục tiêu đề tài Xã hội phát triển, nhu cầu sản xuất, mua bán hàng hoá ngày cao Các nhà máy phải cải tiến suất, đặc biệt khâu vận chuyển hàng hố Chính mà xe tự hành nghiên cứu phát triển ứng dụng Mục tiêu đề tài sau: “Phân tích thiết kế hệ thống xe tự hành vận chuyển hàng tự động” 1.5.2 Nhiệm vụ đề tài  Phân tích lựa chọn phương án Đây bước trình thiết kế, nhằm đưa hướng giải vấn đề: - Đề xuất về: khí, điện, điều khiển - Lựa chọn phương án thiết kế - Tìm hiểu đánh giá thiết bị thị trường để thực phương án: động cơ, vi điều khiển, module,  Thiết kế hệ thống khí Với kết cấu khí chọn, tiến hành tính tốn thiết kế Bao gồm cơng việc: - Thiết lập phương trình động học, quan hệ vận tốc góc động vận tốc xe - Tính tốn cơng suất để lựa chọn động - Tính tốn thiết kế chi tiết khí xe  Thiết kế hệ thống điện-điện tử Với phương án chọn, tiến hành lựa chọn thông số sử dụng thiết bị, kết hợp thiết bị thành khối hoàn chỉnh Bao gồm công việc: - Lựa chọn thông số vi điều khiển, module công suất cảm biến - Sử dụng cảm biến robot, thiết kế điều khiển sử dụng hồi tiếp vận tốc để điều khiển động  Xây dựng giải thuật điều khiển Tiến hành thiết kế giải thuật điều khiển cho xe tự hành với công việc sau: - Thiết kế giải thuật tìm đường máy tính cho hệ thống kho hàng cụ thể - Thiết kế giải thuật điều khiển robot tự hành để đáp ứng yêu cầu  Lập trình Lập trình máy tính vi điều khiển, bao gồm công việc: 14 TIEU LUAN MOI download : skknchat123@gmail.com moi nhat - Lập trình giải thuật tìm đường tới tất vị trí hàng hố Thu thập xử lý liệu, trạng thái hàng hoá mà xe chịu trách nhiệm  Thực nghiệm đánh giá kết - Tiến hành thực nghiệm - Đánh giá kết thực nghiệm, nêu lên bật hạn chế giải thuật mơ hình 1.5.3 Phạm vi đề tài 15 TIEU LUAN MOI download : skknchat123@gmail.com moi nhat CHƯƠNG II Phân tích thiết kế xe tự hành vận chuyển hàng tự động 2.1 Phân tích lựa chọn phương án thiết kế 2.1.1 Lựa chọn cấu lái Để có phương án di chuyển phù hợp, ta cần phân tích dạng cấu lái thường dùng với xe nhà xưởng sau:  Xe ba bánh: Cơ cấu điều khiển với hai bánh dẫn động phía trước để đạt vận tốc góc xoay mong muốn, xe cần có bánh tự lựa để giữ cân Hình 10: Minh hoạ xe ba bánh sơ đồ nguyên lý + Ưu điểm: Vì xe có bánh nên ln đồng phẳng, moment quán tính giảm trọng tâm đặt dịch phía trước, khoảng cách từ tâm đến cảm biến ngắn cân đối, hạn chế tượng trượt qua góc lượn So với xe bốn bánh (có bánh chủ động phía sau bánh tự lựa phía trước) chuyển hướng dễ dàng xác + Nhược điểm: Khó chạy thẳng hai động chạy độc lập, dễ lật xe có bánh tự lựa địa hình gồ ghề, việc bố trí cảm biến yêu cầu độ cân tốt xe bị lộn nhào thay đổi vận tốc đột ngột →Phương án thường sử dụng trường hợp xe di chuyển mặt phẳng, xe chở thêm tải đặt cân 16 TIEU LUAN MOI download : skknchat123@gmail.com moi nhat  Xe bốn bánh có hai bánh chủ động phía sau hai bánh tự lựa phía trước: Tất bánh gắn động bẻ lái Hình 11: Minh hoạ xe bốn bánh sơ đồ nguyên lý + Ưu điểm: Xe di chuyển linh hoạt, gia tốc hãm nhanh, khoảng cách cảm biến mặt đường đảm bảo, bán kính quay xe khơng, di chuyển tốt địa hình gồ ghề + Nhược điểm: Xe dẫn động bốn động riêng biệt nên phức tạp để đồng động →Phương án sử dụng xe cần độ đứng vững cao, khó lật di chuyển hướng gấp Với mục tiêu mơ hình có cấu lái đơn giản, linh hoạt xoay điều kiện di chuyển phẳng, phương án xe ba bánh phù hợp cho mơ hình 2.1.2 Lựa chọn bánh xe - Bánh chủ động: Yêu cầu: Đường kính bánh xe: d ≤200 mm , di chuyển địa hình phẳng không trơn trượt, bám đường tốt Chọn bánh xe: Loại bánh xe cao su có bề rộng lớn Hình 12: Bánh xe lựa chọn 17 TIEU LUAN MOI download : skknchat123@gmail.com moi nhat - Bánh bị động: Yêu cầu: bánh xe có khả thay đổi hướng dễ dàng, ma sát nhỏ Chọn bánh xe: Chọn bánh mắt trâu, di chuyển đa hướng, đổi hướng không bị trượt, không thay đổi trọng tâm xe lúc di chuyển Hình 13: Bánh bị động chọn 2.1.3 Lựa chọn loại động Yêu cầu động cơ: - Động phải có moment tốc độ đủ lớn để thoả mãn yêu cầu đề - Dễ dàng kiểm sốt sai số để xe bám line tốt Xe tự hành di dộng nên thơng thường sử dụng động dùng dịng DC Một số loại động dùng dòng điện DC như: động bước, động DC, động DC servo Xe tự hành cần điều khiển vận tốc nên động DC phải có hồi tiếp vận tốc (mặc dù số động DC điều khiển xác vận tốc, không cần hồi tiếp giá cao) Do chọn động bước động DC servo phương án khả thi Sau phân tích ưu, nhược điểm hai loại động này, từ xác định loại động cần dùng để phù hợp với yêu cầu đặt ra:  Động bước: Động bước loại động điều khiển vòng hở, biến đổi xung điện rời rạc thành chuyển động quay rotor Giá trị góc quay phụ thuộc vào số xung điện cấp vào động Mỗi vòng quay có số bước cố định, thay đổi tốc độ quay cách thay đổi tín hiệu cấp cho động Hình 14: Động bước + Ưu điểm: - Khơng cần hồi tiếp tín hiệu - Điều khiển xác, khơng có vọt lố có moment giữ vị trí + Nhược điểm: - Dễ bị trượt bước gây rung động mang tải lớn 18 TIEU LUAN MOI download : skknchat123@gmail.com moi nhat - Tốc độ động khơng cao, tối đa từ 1000 ÷ 2000 ( rpm )  Động DC servo Động DC servo động DC có thêm phận đo thông số đầu động thơng thường góc quay, vận tốc quay Từ sai số góc quay, vận tốc quay điều khiển tăng hay giảm dòng cấp cho động để đạt góc quay, vận tốc mong muốn Hình 15: Động DC servo + Ưu điểm: - Moment khởi động vận tốc lớn - Động chạy êm đạt vận tốc cố định - Có tín hiệu hồi tiếp nên điều khiển góc quay vận tốc + Nhược điểm: - Khi dừng lại, tuỳ theo chất lượng điều khiển ảnh hưởng đến đáp ứng nên gây dao động, rung lắc - Tín hiệu hồi tiếp bị nhiễu Dưới bảng tổng kết đặc điểm hai loại động phân tích: Động bước Mạch Driver Đơn giản, tự tạo Nhiễu rung động Đáng kể Chậm Động DC servo Mạch phức tạp, thường sẵn theo động từ nhà sản xuất Rất Nhanh Khơng phụ thuộc vào tải Xảy tải lớn Tải tăng moment tăng Khó xảy Vịng hở (khơng Encoder) Vịng kín (có Encoder) Rẻ Đắt pha PM: 7.5° pha HB: 1.8° 0.9° pha HB: 0.72° 0.36° Phụ thuộc vào độ phân giải Encoder, thông thường Tốc độ Moment Hiện tượng trượt Phương pháp điều khiển Giá thành (Động + Driver) Độ phân giải 1000 ÷ 2000(rpm) 3000 ÷5000 (rpm) 0.36° đến0.036 ° 19 TIEU LUAN MOI download : skknchat123@gmail.com moi nhat →Do động bước điều khiển theo dạng vịng hở (khơng Encoder) khơng có sai số trả nên khơng phù hợp với mục tiêu điều khiển Động DC servo thường dùng số trường hợp cần có khả đáp ứng nhanh, xác ổn định Do đó, lựa chọn cuối phù hợp với đề tài động DC servo  Phân tích lựa chọn thơng tin động Hình 16: Phân tích lực tác dụng lên bánh xe Giả sử bánh xe dạng trịn, đồng chất, có moment qn tính là: I = k r2 Phương trình cân moment trọng tâm xe: M −F ms=ma Với lực ma sát: F ms=μ N =μ m g Suy ra: M =m ( μg+α ) r + Iε Trong đó: k: khối lượng bánh xe, k = 0,006kg M: moment tán dụng lên bánh xe (Nmm) μ: hệ sát nghỉ 0.7 theo tài liệu sổ tay thiết kế oto-tải v: vận tốc mong muốn (m/s), v = 0.9m/s t: thời gian để xe đạt vận tốc cao đoạn đường thẳng: t = 2(s) a: gia tốc mong muốn (m/s 2) α= r: đường kính bánh xe (mm) dv −2 = =0.45(m s ) dt ε :gia tốc góc (rad / s2 ) ε= v2 r I: moment quán tính (kg m2 ) m: khối lượng xe tải trọng (kg), m = 3kg Moment tác dụng lên xe là: M =3 ( 0,7.9,81+0,45 ) 0,0325+1,95.10−3=0,72( Nm) Moment cần thiết cho động cơ: 20 TIEU LUAN MOI download : skknchat123@gmail.com moi nhat T= Số vịng quay: n= Vận tốc góc: Công suất động cơ: 0,72 =0,36( Nm) 60000.0,9 ≈ 265 vòng / phút π 65 ω=27,75 rad / s P=T ω=9,99(W ) 2.1.4 Lựa chọn phương pháp loại cảm biến dẫn đường Từ chương tổng quan, thấy loại đường dẫn cố định phù hợp cho đề tài Sau phân tích đặc điểm số loại đường dẫn thơng dụng: - Đường dẫn màu: Hình 17: Đường dẫn màu đen trắng Dán đường dẫn có màu sắc tương phản với mặt sàn, xe tự hành sử dụng loại cảm biến quang học để nhật biết Đường dẫn màu có ưu điểm việc lắp đặt, thay đổi đường dẫn không ảnh hưởng đến mặt sàn Tuy nhiên, loại cảm biến quang dễ bị nhiễu ánh sáng đèn điện, mặt trời Bề mặt đường dẫn dễ bám bẩn, mài mòn gây sai lệch xe di chuyển nên phải bảo dưỡng kiểm tra thường xuyên - Đường dẫn cảm ứng điện: Hình 18: Nguyên lý dẫn đường cảm ứng điện 21 TIEU LUAN MOI download : skknchat123@gmail.com moi nhat Sử dụng dòng điện thay đổi để tạo từ trường quanh dây dẫn Đường chôn bề mặt sàn, xe tự hành lắp anten gồm cuộn dây quấn để nhận biết đường Ưu điểm loại nhiều đường dẫn phân biệt tần số khác Nhược điểm đường dẫn là: phải có nguồn điều khiển dịng điện qua dây dẫn, lắp đặt cần cắt xuống bề mặt sàn dẫn đến chi phí cao →Từ phân tích trên, dựa vào yêu cầu từ giá thành tới điều kiện thiết kế hệ thống, đường dây dẫn màu lựa chọn Với lựa chọn kiểu dò line này, có hai lựa chọn: quang điện trở phototransistor kết hợp với LED Hai loại cảm biến có nguyên lý hoạt động giống nhau, thu thu tín hiệu phản xạ từ phát xuống mặt đất Từ xử lý kết để xác định vị trí xe so với đường line Dựa đặc tính độ nhạy cao phototransistor so với loại cảm biến quang khác, ta có phương án kết hợp: - Phototransistor kết hợp với LED thường Phototransistor kết hợp với LED hồng ngoại Nguyên tắc hoạt động phototransistor dựa vào tín hiệu ánh sáng phản xạ từ nguồn phát để tạo tín hiệu dạng điện áp Đối với đường đua mà màu line với màu có độ tương phản cao (ví dụ line đen trắng), LED hồng ngoại có độ nhạy cao cần phải che chắn để chống bị nhiễu Đối với đường mà màu line với màu có độ tương phản thấp, sử dụng LED thường hiệu  Giải thuật xử lý tín hiệu Có hai giải thuật xử lý đề xuất: - So sánh - Xấp xỉ Với phương pháp so sánh: Dùng so sánh để xác định trạng thái đóng/ngắt sensor, sau suy vị trí xe theo bảng trạng thái định sẵn Với phương pháp này, sai số dò line phụ thuộc vào số khả phân biệt trạng thái hệ thống, hay khoảng cách sensor cho tốc độ xử lý nhanh 22 TIEU LUAN MOI download : skknchat123@gmail.com moi nhat Hình 19: Giải thuật xử lý tín hiệu phương pháp so sánh  Phương pháp xấp xỉ Hình 20: Giải thuật xử lý tín hiệu phương pháp xấp xỉ a) Xấp xỉ bậc 2; b) Xấp xỉ theo trọng số Vị trí xe suy từ giá trị analog đọc từ cảm biến Thời gian xử lý phụ thuộc vào thời gian đọc ADC tất sensor vi điều khiển, lâu phương pháp so sánh, nhiên độ xác cao nhiều 2.1.5 Lựa chọn phương án điều khiển giải thuật điều khiển a Cấu trúc điều khiển Một xe tự hành bao gồm nhiều phận như: module sensor, module điều khiển module điều khiển động Để kết nối module lại với có hai phương pháp là: điều khiển tập trung điều khiển phân cấp:  Điều khiển tập trung Hình 21: Cấu trúc hệ điều khiển tập trung 23 TIEU LUAN MOI download : skknchat123@gmail.com moi nhat Trong phương án này, MCU nhận tín liệu từ cảm biến, xử lí liệu truyền tín hiệu điều khiển cho vài hoạt động khác Driver để điều khiển động cơ… Ưu điểm cấu trúc phần cứng đơn giản, có nhược điểm địi hỏi MCU có cấu hình mạnh, tốc độ xử lý nhanh, đồng thời khơng có chun biệt hố nên khó cho việc kiểm tra lỗi update code điều khiển phát triển sản phẩm  Điều khiển phân cấp Hình 22: Cấu trúc hệ điều khiển phân cấp Trong phương pháp điều khiển này, MCU (Master) đảm nhận vai trị xử lý thơng tin nhận từ MCU (Slave) đọc tín hiệu từ cảm biến hai MCU (Slave) khác chịu trách nhiệm điều khiển động Ưu điểm cấu trúc hệ điều khiển phaann cấp chương trình điều khiển xử lý tín hiệu riêng biệt, dễ dàng cho tác vụ thiết kế nhóm, dễ dàng sử lỗi update code điều khiển phát triển sản phẩm, có khả xử lý nhiều tác vụ lúc, giúp giảm thiểu thời gian lấy mẫu Nhược điểm tốn nhiều tài nguyên (4 MCU so với MCU), phải quan tâm đến vấn đề giao tiếp MCU →Từ ưu nhược điểm hai phương pháp trên, để đảm bảo tốc độ xử lý khả phát triển sản phẩm sau này, lựa chọn phương pháp điều khiển phân cấp 2.1.6 Giải thuật điều khiển Với lựa chọn phương pháp dẫn đường theo kiểu bám line, ta có số điều khiển sau: PID, Fuzzy,…  Bộ điều khiển PID Hình 23: Bộ điều khiển PID 24 TIEU LUAN MOI download : skknchat123@gmail.com moi nhat Bộ điều khiển PID hoạt động theo chế phản hồi vòng điều khiển, tính tốn giá trị “sai số” hiệu số giá trị đo tín hiệu biến đổi giá trị đặt mong muốn Bộ điều khiển thực giảm tối đa sai số cách điều chỉnh giá trị điều khiển đầu vào ( K P , K I , K D ) t u ( t )=K P e ( t ) + K I ∫ e ( t ) d ( t ) + K D de(t ) dt  Bộ điều khiển Fuzzy (bộ điều khiển mờ) Hình 24: Bộ điều khiển Fuzzy Bộ điều khiển Fuzzy hoạt động dựa logic mờ, ứng dụng cho đối tượng phức tạp mà chưa biết rõ hàm truyền, logic mờ giải vấn đề mà điều khiển kinh điển không làm mà phụ thuộc vào kinh nghiệm người vận hành Cấu trúc điều khiển Fuzzy: - Khâu mờ hố: Chuyển điều kiện có giá trị cụ thể thành khoảng phù hợp theo kinh nghiệm hiều biết hệ thống người lập trình ứng với kết mong muốn - Thực luật hợp thành: Hình thành luật mờ theo dạng IF … THEN - Khâu giải mờ: Từ luật hợp thành tính tốn giá trị kết trường hợp cụ thể Sử dụng phương pháp cực đại, phương pháp trọng tâm F ms TÀI LIỆU THAM KHẢO Lê Bá Yến, Vũ Huy Mừng, Phạm Tiến Dũng (2010), “Thiết kế lọc Kalman vi điều khiển DSPIC30F ứng dụng đo lường quán tính”, Tạp chí Nghiên cứu Khoa học Công nghệ quân sự, 8, tr.147-152 Lê Bá Yến, Chu Văn Hoạt, Lê Văn Tuấn, Vũ Xuân Vượng (2020), “Phương pháp điều hướng xe tự hành AGV dùng cảm biến quán tính đường dẫn dảo, phục vụ vận chuyển hàng mơi trường đặc thù”, Tạp chí Nghiên cứu Khoa học Công nghệ quân sự, Số Đặc san Hội thảo quốc gia FEE, tr.57-65 Hakan Temeltas (2018), “A real-time localization method for AGVs factories”, International Scientific Journal Science Business Society, 2, pp.45-50 in smart S.Y Lee, H.W Yang (2012), “Navigation of automated guided vehicles using magnet spot guidance method”, Robotics and Computer - Integrated Manufacturing, 28, pp.425-436 25 TIEU LUAN MOI download : skknchat123@gmail.com moi nhat M Bando, Y Kawamata, T Aoki (2012), “Dynamic sensor bias correction for attitude estimation using unscented kalman filter in autonomous vehicle”, International Journal of Innovative Computing, Information and Control, 8(3), pp.2347-2358 26 TIEU LUAN MOI download : skknchat123@gmail.com moi nhat ... Điện tử Hệ đào tạo: Đại học quy 1.Tên đồ án/ khóa luận tốt nghiệp: ? ?Thiết kế hệ thống xe tự hành vận chuyển hàng tự động? ?? 2.Lý chọn đề tài: Một giải pháp robot tự hành ứng dụng nay, xe tự hành (AGV)... hàng hoá xe tự hành từ nhiều điểm tới điểm cụ thể định sẵn hệ thống 3.Nội dung đồ án: Chương 1: Tổng quan hệ thống xe tự hành công nghệ liên quan Chương 2: Phân tích thiết kế xe tự hành vận chuyển. .. tiêu đề tài sau: “Phân tích thiết kế hệ thống xe tự hành vận chuyển hàng tự động? ?? 1.5.2 Nhiệm vụ đề tài  Phân tích lựa chọn phương án Đây bước trình thiết kế, nhằm đưa hướng giải vấn đề: - Đề