ĐỒ án THIẾT kế hệ THỐNG cơ điện tử đề tài THIẾT kế MOBILE PLATFORM bám LINE CHO TRƯỚC

ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP HỒ CHÍ MINH TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA KHOA CƠ KHÍ - BỘ MƠN CƠ ĐIỆN TỬ -o0o - ĐỒ ÁN THIẾT KẾ HỆ THỐNG CƠ ĐIỆN TỬ Đề tài: THIẾT KẾ MOBILE PLATFORM BÁM LINE CHO TRƯỚC GVHD: PGS TS Nguyễn Tấn Tiến TS Dương Văn Tú SVTH: Nguyễn Tuấn Hòa Phạm Hoàng Ân Nguyễn Hảo An TP.HCM, 2021 TÊN ĐỀ TÀI “THIẾT KẾ MOBILE PLATFORM BÁM LINE CHO TRƯỚC” SINH VIÊN THỰC HIỆN Nguyễn Tuấn Hịa Phạm Hồng Ân Nguyễn Hảo An NHẬN XÉT CỦA GIẢNG VIÊN HƯỚNG DẪN ………………………………………………………………………………………… ………………………………………………………………………………………… ………………………………………………………………………………………… ………………………………………………………………………………………… ………………………………………………………………………………………… ………………………………………………………………………………………… ………………………………………………………………………………………… ………………………………………………………………………………………… ………………………………………………………………………………………… ………………………………………………………………………………………… GIẢNG VIÊN HƯỚNG DẪN KÝ TÊN ii | P a g e LỜI CẢM ƠN Nhóm em gồm bạn Nguyễn Tuấn Hịa, Phạm Hồng Ân, Nguyễn Hảo An xin gửi lời cảm ơn đến: Bộ môn Cơ điện tử - Khoa Cơ khí – Trường Đại học Bách khoa TP.HCM, tạo điều kiện giúp chúng em thực Đồ án môn học Thiết kế hệ thống Cơ điện tử Xin chân thành cảm ơn thầy PGS.TS Nguyễn Tấn Tiến thầy TS Dương Văn Tú tận tình hướng dẫn giúp chúng em có thêm nhiều kiến thức mới, củng cố kiến thức cũ kịp thời sửa chữa lỗi nảy sinh trình thực đồ án mà chúng em gặp phải, giúp chúng em hoàn thiện thân đạt chuẩn đầu mơn học Trong q trình thực Đồ án này, hạn chế kiến thức, kinh nghiệm nên không tránh khỏi sai sót báo cáo, mong nhận góp ý tận tình từ q thầy để giúp chúng em hoàn thiện thân để tạo tiền đề cho đề tài kế tiếp, luận văn tốt nghiệp, công việc sau này… Xin chân thành cảm ơn TP.HCM, ngày 15 tháng 12 năm 2021 Đại diện nhóm Hịa Nguyễn Tuấn Hòa iii | P a g e iv | P a g e MỤC LỤC TÊN ĐỀ TÀI ii LỜI CẢM ƠN iii MỤC LỤC DANH MỤC CÁC BẢNG DANH MỤC CÁC HÌNH CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN 15 1.1 Mục tiêu thiết kế 15 1.2 Sơ lược xe dò line 15 1.3 Một số thiết kế điển hình 16 1.4 Đầu thiết kế 23 CHƯƠNG 2: LỰA CHỌN PHƯƠNG ÁN 25 2.1 Kết cấu khí 25 2.2 Động 28 2.3 Cảm biến 30 2.4 Các cách xử lí tín hiệu cảm biến 33 2.5 Bộ điều khiển 39 2.6 Cấu trúc điều khiển 44 5|Page CHƯƠNG 3: SƠ ĐỒ GANTT CHO ĐỒ ÁN 46 3.1 Sơ đồ GANTT sơ 46 3.2 Sơ đồ GANTT tiến độ thật công việc 47 3.3 Sơ đồ GANTT cuối 48 CHƯƠNG 4: THIẾT KẾ 49 4.1 Thiết kế cơ: 49 4.1.1 Lựa chọn bánh chủ động bánh bị động 49 4.1.2 Tính tốn lựa chọn động 54 4.1.3 Xét điều kiện để xe vào cua không bị trượt 59 4.1.4 Xét điều kiện để vào cua không lật 60 4.1.5 Thiết kế thân xe phận 61 4.1.6 Kiểm bền thân xe 64 4.1.7 Thiết kế đồ gá động – Tính tốn dung sai 68 4.1.8 Độ nhám bề mặt 86 4.2 Thiết kế điện 87 4.2.1 Tính tốn cảm biến 87 4.2.2 Lựa chọn thiết kế mạch driver 96 4.2.3 Lựa chọn nguồn mạch hạ áp 100 4.2.4 Thiết kế điều khiển trung tâm 104 4.3 6|Page Mơ hình hoá hệ thống 4.3.1 Mơ hình động học robot 4.3.2 Tìm hàm truyền động 4.3.3 Thiết kế điều khiển 4.3.4 Lưu đồ giải thuật điều khiển Chương 5: MÔ PHỎNG HOẠT ĐỘNG CỦA XE ROBOT 5.1 Mô sa bàn chưa nhúng sai số cảm biến hàm truyền động 5.2 Mô sa bàn nhúng sai số cảm biến hàm truyền động 5.3 Nhận xét kết mô Chương 6: THỰC NGHIỆM 6.1 Lắp ráp phần 6.2 Thực nghiệm phần điện điều khiển 6.2.1 Thực nghiệm cảm biến 6.2.2 Thực nghiệm driver động 6.2.3 Thực nghiệm nguồn mạch giảm 6.3 Hoàn thành thực nghiệm KẾT LUẬN TÀI LIỆU THAM KHẢO 7|Page DANH MỤC CÁC BẢNG Bảng So sánh ưu nhược điểm xe bánh bánh 25 Bảng So sánh loại động 28 Bảng So sánh Photoresistor Phototransistor [28] 31 Bảng So sánh bánh castor bánh mắt trâu 49 Bảng Các kích thước khung thân xe 63 Bảng Dung sai khâu theo phương x 78 Bảng Dung sai khâu theo phương y 83 Bảng Thông số driver L298N 96 Bảng Hàm truyền động trước có PID 117 Bảng 10 Hàm truyền động sau dùng điều khiển PID .121 Bảng 11 Các thông số dùng cho mô động học 126 Bảng 12 Tính tốn calib cảm biến 139 8|Page DANH MỤC CÁC HÌNH Hình 1.1 Sa bàn line yêu cầu 15 Hình 1.2 Xe đua dò line thi MCR Đại học Trà Vinh 2017 sơ đồ nguyên lý 16 Hình 1.3 Hình ảnh thực tế sơ đồ nguyên lý xe đua đội CartisX04 18 Hình 1.4 Hình ảnh thực tế sơ đồ nguyên lý xe Chariot 19 Hình 1.5 Mạch cảm biến phản xạ QTR-8RC, QTR-8A 20 Hình 1.6 Hình ảnh thực tế sơ đồ nguyên lý xe đua đội Robot Pika .21 Hình 1.7 Hình ảnh thực tế sơ đồ nguyên lý xe đua đội FireBall 22 Hình 2.1 Sơ đồ nguyên lý xe bánh, bánh trước dẫn động 26 Hình 2.2 Nguyên lí cảm biến quang điện trở 30 Hình 2.3 Mức so sánh cảm biến ứng với vị trí line xe di chuyển 33 Hình 2.4 Minh họa phương pháp Xấp xỉ bậc Xấp xỉ theo trọng số 34 Hình 2.5 Ví dụ thiết bị đo cảm biến 36 Hình 2.6 Các phương pháp bố trí cảm biến 38 Hình 2.7 Cấu tạo nguyên lý làm việc điều khiển ON-OFF 39 Hình 2.8 Sơ đồ mạch điện điều khiển ON-OFF 40 Hình 2.9 So sánh điều khiển PID ON-OFF 41 Hình 2.10 Mơ hình hóa động học robot áp dụng điều khiển tracking 42 9|Page Hình 2.11 Đồ thị đáp ứng tín hiệu đầu điều khiển PID, fuzzy, LQR 43 Hình 2.12 Cấu trúc điều khiển tập trung 44 Hình 2.13 Cấu trúc điều khiển tầng 45 Hình 4.1 Sơ đồ nguyên lý thiết kế xe bánh, bánh trước dẫn động 49 Hình 4.2 Bánh mắt trâu xe đua Pololu 50 Hình 4.3 Bánh mắt trâu nhỏ Hshop 51 Hình 4.4 Bánh đa hướng Mecanum D48 53 Hình 4.5 Bánh xe V2 HShop 54 Hình 4.6 Mơ hình động học bánh xe 55 Hình 4.7 Động GA25 280rpm thơng số kích thước 58 Hình 4.8 Phân tích lực gây trượt cho bánh xe vào cua 59 Hình 4.9 Phân tích lực gây lật vào cua 60 Hình 4.10 Model 3D xe 64 Hình 4.11 Mơ đặt lực thân xe 66 Hình 4.12 Thông số vật liệu thân xe 67 Hình 4.13 Phân bố ứng suất thân xe 67 Hình 4.14 Phân tích chuyển vị thân xe 68 Hình 4.15 Đồ gá động 68 Hình 4.16 Datasheet chốt định vị trụ suốt [37] 69 10 | P a g e Chương 6: THỰC NGHIỆM 6.1 Lắp ráp phần - Các nguyên công gia công: + Gia cơng cắt Laze CNC độ xác cao: thân xe, gá động cơ, gá cảm biến, che cảm biến + Gia công thô – cắt: Hộp pin + Chấn: Hộp pin, gá cảm biến, che cảm biến + Khoan doa lỗ: Tấm thân xe vị trí lắp chốt định vị, gá động vị trí lắp chốt định vị + Khoang taro ren: gá động vị trí bắt vít - Bulong: sử dụng bulong lục giác đầu dù: giúp tăng lực xiết giảm kích thước để dễ lắp đặt vị trí chật hẹp (so với lục giác đầu trụ) Dùng bulong lục giác đầu chìm vị trí nối trục: giúp chống tháo lỏng trục động quay nhanh - Kết lắp ráp (chưa lắp mạch điện): 136 | P a g e Hình 6.1 Lắp ráp khí xe 6.2 Thực nghiệm phần điện điều khiển 6.2.1 Thực nghiệm cảm biến Nhóm sử dụng cảm biến TRCT5000 lắp mạch tiến hành đo: Hình 6.2 Hình thành cảm biến Xác định độ cao từ cảm biến tới mặt sàn, nhóm thử cảm biến độ cao từ 9mm-15mm cho đồ thị sau: - mm 137 | P a g e - 10mm - 11mm 138 | P a g e - 12mm - 13mm 139 | P a g e - 14mm - 15mm 140 | P a g e Hình 6.3 Kết thực nghiệm giá trị cảm biến  Kết luận: Nhóm chọn khoảng cách 11mm ổn định giá trị chênh lệch đen trắng tốt Tiến hành calib cảm biến cách đo giá trị lớn nhỏ cảm biến ta có giá trị sau: Với phương trình calib sau: y jo= ymin+ ymax − ymin (x xminj) xmaxj − xminj j ,i − yjo: giá trị sau điều chỉnh j,i xji: giá trinh đọc thứ j cảu cảm biến thứ i ymax ymin giá trị lớn nhỏ mong muốn cho tất cảm biến xmaxj xminj giá trị lớn nhất, giá trị nhỏ đọc cảm biến thứ i 141 | P a g e Bảng 12 Tính tốn calib cảm biến Cảm biến GTLN 951 966 949 954 970 967 958 Với ymax ymin lấy là: 990 200 Tiến hành thực nghiệm theo sơ đồ sau: Hình 6.4 Sơ đồ thực nghiệm cảm biến Sử dụng giải thuật trọng số trung bình ta có đồ thị sau: 142 | P a g e Hình 6.5 Đồ thị kết thực nghiệm cảm biến  Kết luận: Sai số lớn emax = 3,3 mm đáp ứng yêu cầu đặt đề 6.2.2 Thực nghiệm driver động Đã nêu phần 4.3.3 Thiết kế điều khiển 6.2.3 Thực nghiệm nguồn mạch giảm áp Với mạch động lực nhóm chọn nguồn cục pin vng 9V Panasonic có dung tích 600mAh Để cấp qua động cơ, mạch driver mạch hạ áp, sử dụng liên tục thời gian 10 phút Sử dụng mạch giảm áp từ 18V thành 12V cho thí nghiệm tìm hàm truyền động liên tục phút nhận sau: Điện áp đầu động 11.3V động hoạt động bình thường đạt tốc độ cần thiết 143 | P a g e Đầu Vout mạch giảm áp 12V (khơng sụt áp) Chip LM7812 L298N khơng nóng nên hiệu suất ổn định  Kết luận: Mạch giảm áp mạch động lực hoạt động tốt 6.3 Hoàn thành thực nghiệm Cảm biến Hình 6.6 Cảm biến hộp cảm biến thực tế 144 | P a g e Mạch Hình 6.7 Mạch điện trung tâm thực tế Tổng thể xe Hình 6.8 Robot thực tế 145 | P a g e KẾT LUẬN Công việc làm: - Tìm hiểu thiết kế xe dị line tương tự với mục tiêu đầu bài, tìm hiểu kiến thức có liên quan để đưa phương án tốt cho đầu - Thiết kế hiệu chỉnh sơ đồ gantt phù hợp để kiểm soát lịch trình làm việc - Thiết kế cơ, điện, lập trình, mô thành công Bao gồm mô lẫn thực nghiệm Đánh giá mô phỏng: - Mô thành cơng phương trình động lực học robot tích hợp đầy đủ điều khiển hiệu chỉnh thơng số - Kết là: hồn thành mơ đạt yêu cầu sai số bám line mục tiêu đặt đầu - Hướng phát triển: áp dụng lý thuyết mô vào thực nghiệm Đánh giá thực nghiệm: - Làm được: o Model xe tương đối đẹp, đầy đủ phận cần thiết Mạch điện hàn gọn o - Test cảm biến, động cơ, nguồn, mạch hạ áp hoạt động tốt Hạn chế: o Vì hạn chế tài nên động không tốt thời gian đáp ứng lớn, dẫn đến thời gian lấy mẫu lớn, khơng thể điều khiển xe chạy tốc độ cao o Các hệ số điều khiển chưa hoàn hảo o Giải thuật điều khiển tracking chưa áp dụng tối ưu chưa thực nghiệm đo sai số e3 điều khiển 146 | P a g e o Thực tế tình hình dịch bệnh phần lớn phải làm việc nhóm online ảnh hưởng đến tiến độ công việc thực nghiệm, chưa thể thực nghiệm bám line với mục tiêu đề  Khắc phục hạn chế: o Chọn mua động tốt thay có điều kiện o Tối ưu hệ số điều khiển o Đo sai số góc quay e3 dùng giải thuật khác, ví dụ Fuzzy… Định hướng phát triển đề tài: - Hoàn thiện sản phẩm tất phần: khí, điện, điều khiển - Khắc phục hạn chế nêu để hồn thành xe dị line thỏa mãn vận tốc để đua ≥2m/s - Đưa đề tài lên quy mô lớn hơn, thiết thực hơn, ứng dụng xe tự động nhà máy, vận chuyển hàng hóa như: AGV, AMR ,… tương lai - 147 | P a g e TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] http://anikinonikki.cocolog-nifty.com/blog/2020/06/post-24ca41.html [2] https://www.pololu.com/blog/487/brandons-line-following-robot-the-chariot [3] Juing-Huei introductoryrobot Su et al., An courses, intelligent World Transactions line-following on robot Engineering project for and Technology Education,Vol.8, No.4, 2010 [4] http://arduino.vn/bai-viet/685-huong-dan-dieu-khien-dong-co-buoc [5] Andrew Reed Bacha, Line Detection and Lane Following for an Autonomous Mobile Robot , MS diss., Virginia Polytechnic Institute and State University, 2005 [6] G H Lee et al., Line Tracking Control of a Two-Wheeled Mobile Robot UsingVisual Feedback, International Journal of Advanced Robotic Systems, DOI:10.5772/53729, received Apr 2012; Accepted 24 Sep 2012 [7] Huu Danh Lam et al., Smooth tracking controller for AGV through junction usingCMU camera, Hội nghị Toàn quốc lần thứ Cơ điện tử - VCM-2014 [8] A H Ismail et al., Vision-based System for Line Following Mobile Robot , IEEESymposium on Industrial Electronics and Applications (ISIEA 2009), October 4-6, 2009,Kuala Lumpur, Malaysia [9] Mustafa Engin, Dilúad Engin, Path Planing of Line Follower Robot, Proceedings of the 5th European DSP Education and Research Conference, 2012 [10] F Kaiser et.al., Line Follower Robot: Fabrication and accuracy measurement bydata acquisition, International Conference on Electrical Engineering and Information &Communication Technology (ICEEICT) 2014 [11] Khin Hooi Ng et al., Adaptive Phototransistor Sensor for Line Finding, InternationalSymposium on Robotics and Intelligent Sensors 2012 (IRIS 2012) [12] M S Islam & M A Rahman, Design and Fabrication of Line Follower Robot, Asian Journal of Applied Science and Engineering, Volume 2, No (2013) 148 | P a g e [13] M Zafri Baharuddin et al., Analysis of Line Sensor Configuration for the Advanced Line Follower Robot , Universiti Tenaga Nasional, Malaysia [14] Oguz KOSE et al., PID CONTROLLED LINE FOLLOWER ROBOT DESIGN ON INDOOR 3D NETWORKS [15] Xiaoling Wu et.al., An Improved Hardware Design and NavigationOptimization Algorithm for Line Following Robot , Journal of ConvergenceInformation Technology (JCIT) Volume8, Number5,Mar 2013 [16] Vikram Balajia, M.Balajib, M.Chandrasekaranc, M.K.A.Ahamed khand, Irraivan Elamvazuthie Optimization of PID Control for High Speed Line Tracking Robots, 2015 IEEE International Symposium on Robotics and Intelligent Sensors (IRIS 2015) [17] M S Islam & M A Rahman, Design and Fabrication of Line Follower Robot, Asian Journal of Applied Science and Engineering (2013) [18] Dirman Hanafi et al., Wall Follower Autonomous Robot Development Applying Fuzzy Incremental Controller , Intelligent Control and Automation, 2013, 4,18-25 [19] Mustafa Engin, Dilúad Engin, PATH PLANNING OF LINE FOLLOWER ROBOT, Proceedings of the 5th European DSP Education and Research Conference (2012) [20] Huu Danh Lam, Tran Duc Hieu Le, Tan Tung Phan and Tan Tien Nguyen, Smooth tracking controller for AGV through junction using CMU camera , Hội nghị Toàn quốc lần thứ Cơ điện tử - VCM (2014) [21] Takanori Fukao et al., Adaptive Tracking Control of a Nonholonomic Mobile Robot, IEEE TRANSACTIONS ON ROBOTICS AND AUTOMATION, VOL 16, NO.5, OCTOBER 2000 [22] R Fierro et al., Control of a Nonholonomic Mobile Robot Using Neural Networks, IEEE TRANSACTIONS ON NEURAL NETWORKS, VOL 9, NO 4, JULY 1998 [23] Yutaka Kanayama et al., A Stable Tracking Control Method for an Autonomous Mobile Robot , IEEE 1990 [24] MD Muhaimin Rahman, S M Hasanur Rashid and M M Hossain, Implementation of Q learning and deep Q network for controlling a self balancing robot model, Rahman et al Robot Biomim (2018) 149 | P a g e [25] Fernando Orduña C et.al., ALDRO Learning and Mixed Decision Support Method for Mobile Robot, Workshop Proceedings of the 8th International Conferenceon Intelligent Environments, J.A Botía et al (Eds.), IOS Press, 2012 [26] https://www.youtube.com/watch?v=gklovWsTN58 [27] https://www.youtube.com/watch?v=PHbw6dOev2I&t=103s [28] https://www.rfwireless-world.com/Terminology/Photoresistor-vs- Phototransistor.html [29] Bruno Siciliano & Oussama Khatib, chapter 17.2.2-17.2.6, Springer handbookof robotics Germany: Springer-Verlag Berlin Heidelberg, 2008 [30] https://www.pololu.com/product/950/ [31] https://hshop.vn/products/banh-da-huong-mat-trou-nhua-nho [32] https://hshop.vn/products/banh-xe-v2-65mmkhop-luc-gioc-12mm [33] https://www.engineeringtoolbox.com/factors-safety-fos-d_1624.html [34] https://roymech.org/Useful_Tables/Tribology/co_of_frict.html [35] https://nshopvn.com/product/dong-co-dc-giam-toc-ga25-encoder/?variant=37522 [36] https://linhkiendoan.com/san-pham/oc-luc-giac-cho-banh-xe-v2-v3-4mm/ [37] https://sieuthiocvit.com/chot-dinh-vi-dac-msv-inox-304-d1-5-d6 [38] Sổ tay dung sai lắp ghép – Ninh Đức Tốn [39] Tính tốn thiết kế hệ dẫn động khí Tập – Trịnh Chất [40] https://store.salezone.vn/s0-product/sendo/dong-co-giam-toc-ga25-370-280rpm- encoder-20270101 [41] ncr18650b datasheet, ncr18650b pdf, ncr18650b Data Sheet PDF - Datasheetspdf.com 150 | P a g e ... khí Thiết kế vẽ 3D, 2D Điện Xây dựng sơ đồ khối chung hệ thống điện Lựa chọn /thiết kế cảm biến Lựa chọn /thiết kế driver động Lựa chọn /thiết kế nguồn Máy tính Xây dựng sơ đồ khối chung hệ thống. .. đua bám line có nhiều loại kết cấu: bánh, bánh (tự cân bằng), bánh (2 bánh trước dẫn động, bánh sau dẫn động, bánh dẫn động động bánh trước xoay đảo hướng), bánh… Tuy nhiên với yêu cầu thiết kế. .. loại kết cấu bánh xe phổ biến có ưu nhược điểm là: Loại xe bánh (gồm bánh sau dẫn động, bánh tự lựa trước) bánh (gồm bánh trước dẫn động, bánh tự lựa sau)  Kết luận: Chọn xe bánh với bánh trước