(Đồ án hcmute) nghiên cứu, ứng dụng xe omni 4 bánh

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP NGÀNH CÔNG NGHỆ KỸ THUẬT CƠ ĐIỆN TỬ NGHIÊN CỨU, ỨNG DỤNG XE OMNI BÁNH GVHD: BÙI HÀ ÐỨC SVTH : VŨ TRUNG HOAN TRƯƠNG HOÀNG MINH NGUYỄN THANH PHƯƠNG MSSV: 15146037 15146072 15146088 SKL 0 5 5 Tp Hồ Chí Minh, tháng 07/2019 an TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT TP HỒ CHÍ MINH KHOA ĐÀO TẠO CHẤT LƯỢNG CAO ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP Đề tài : NGHIÊN CỨU, ỨNG DỤNG XE OMNI BÁNH Giảng viên hướng dẫn : TS.BÙI HÀ ĐỨC Sinh viên thực : VŨ TRUNG HOAN MSSV: 15146037 TRƯƠNG HOÀNG MINH MSSV: 15146072 NGUYỄN THANH PHƯƠNG MSSV: 15146088 Tp Hồ Chí Minh,tháng năm 2019 an CỘNG HOÀ XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM Độc lập – Tự – Hạnh Phúc ******* PHIÊU NHẬN XÉT CỦA GIÁO VIÊN HƯỚNG DẪN v tên inh viên Vũ Trung oan MSSV: 15146037 Trương o ng Minh MSSV: 15146072 Nguyễn Thanh Phương MSSV: 15146088 Ngành: Công Nghệ Kỹ Thuật Cơ Điện Tử… Tên t i Nghiên Cứu, Ứng Dụng Xe Omni Bánh v tên iáo viên hướng ẫn Ts Bùi Đức N ẬN XÉT V nội ung t i hối lượng thực hiện: Ưu iểm: Khuy t iểm: Đ ngh cho ảo vệ hay không? Đánh giá loại: Điểm ……………… B ng ch .) Tp Hồ Chí Minh, ngày tháng năm 20… iáo viên hướng ẫn (Ký & ghi rõ họ tên) i an CỘNG HOÀ XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM Độc lập – Tự – Hạnh Phúc ******* PHIÊU NHẬN XÉT CỦA GIÁO VIÊN PHẢN BIỆN v tên inh viên Vũ Trung Hoan MSSV: 15146037 Trương o ng Minh MSSV: 15146072 Nguyễn Thanh Phương MSSV: 15146088 Ngành: .Công Nghệ Kỹ Thuật Cơ Điện Tử… Tên t i Nghiên Cứu, Ứng Dụng Xe Omni Bánh v tên iáo viên hản iện: Tưởng Phước Th N ẬN XÉT V nội ung t i hối lượng thực hiện: Ưu iểm: Khuy t iểm: Đ ngh cho ảo vệ hay không? 10 Đánh giá loại: Điểm ……………… B ng ch .) Tp Hồ Chí Minh, ngày tháng năm 20… iáo viên hản iện (Ký & ghi rõ họ tên) ii an LỜI CẢM ƠN Sau trình h c tập rèn luyện nghiêm túc khoa Đ o Tạo Chất Lượng Cao chuyên ng nh Cơ Điện Tử với hướng dẫn v ôn ốc tận tình Thầy Bùi Hà Đức, chúng em ã ho n th nh án tốt nghiệp ng nh iện tử với tài nghiên cứu, ứng dụng xe Omni bánh Chúng em xin chân thành gửi lời cảm ơn sâu sắc ộng viên v giú n thầy Bùi Đức, thầy ã ỡ chúng em nhi u v mặt tinh thần i n thức ể chúng em vượt qua nh ng ng y tháng hó hăn tìm tịi hiểu bi t v lĩnh vực ể cuối ho n th nh ược án tốt nghiệp hôm Một lần n a xin ược gửi lời cảm ơn n Thầy, chúc Thầy ln khỏe mạnh có nh ng tháng năm cơng tác tốt Thầy mong ợi Chúng em xin chân thành gửi lời cảm ơn n thầy cô môn iện tử thầy cô khoa Đào Tạo Chất Lượng Cao nh ng người ã ìu chúng em, cho chúng em ki n thức chuyên ngành nh ng kinh nghiệm quý áu ể với nỗ lực chúng em ã ho n th nh án tốt nghiệp hôm Một lần n a chúng em xin chân thành cảm ơn tất thầy cô khoa ng nh ã giú em thời gian qua Trân tr ng ! TP.HCM Ngày Tháng Năm 2019 Sinh viên thực Vũ Trung oan Trương Hoàng Minh Nguyễn Thanh Phương iii an TÓM TẮT ĐỀ TÀI Trong án tốt nghiệp này, nhóm nghiên cứu ứng dụng xe Omni bánh Nhóm nghiên cứu nh ng vấn sau: thuật toán i u khiển hoạt ộng ộng l cấu vận hành Robot, thuật tốn dị line thuật tốn tìm ường i gần từ v trí A B Cách ti p cận t i tương tự việc nghiên cứu, thi t k robot ứng dụng vào thực t Trước h t, nhóm khảo sát v ứng dụng xe nhà máy ngo i nước, ể từ ó nhóm vạch ược nh ng nhiệm vụ nội dung cần phải nghiên cứu Ngoài ra, nhóm cịn tham khảo vi t v báo khoa h c v ứng dụng xe a hướng Sau ti p cận với tài nghiên cứu, nhóm ã ưa số hương án nghiên cứu sau: Nghiên cứu tổng quan v ngo i nước ể ưa hương án nghiên cứu phù hợp Xây dựng hương án thi t k , thi t k dựa giới hạn tài mục tiêu yêu cầu t i ưa Thi t k robot nh m ứng mục tiêu tài Thi công áp dụng robot vào thực tiễn K t ạt ược thi t k ược mơ hình Robot Omni bánh phục vụ cho trình nghiên cứu nhóm Hiểu ược giải thuật i u khiển ã nghiên cứu phù hợp với nh ng tiêu chí an ầu ặt Ngồi thành viên nhóm tổng quan lại tồn ki n thức thầy cô hoa Đ o Tạo Chất Lượng Cao môn Cơ Điện Tử ã ạy truy n ạt lại cách ầy ủ iv an MỤC LỤC PHIÊU NHẬN XÉT CỦA GIÁO VIÊN HƯỚNG DẪN i PHIÊU NHẬN XÉT CỦA GIÁO VIÊN PHẢN BIỆN ii LỜI CẢM ƠN iii TÓM TẮT ĐỀ TÀI iv MỤC LỤC v MỤC LỤC HÌNH ẢNH ix MỤC LỤC BẢNG xii DANH MỤC VIẾT TẮT xiii Chương 1: Giới Thiệu Đề Tài 1.1 Tính cấp thi t 1.2 Lý ch n tài tài 1.3 Mục tiêu nghiên cứu 1.4 Giới hạn tài nghiên cứu 1.5 Bố cục luận văn Chương 2: Cơ Sở Lý Thuyết 2.1 Khái niệm v xe tự hành AGV 2.2 Ứng dụng xe A V nước v ngo i nước 2.2.1 Ứng dụng xe A V nước 2.2.2 Ứng dụng xe A V ngo i nước 2.3 Cơ cấu truy n ộng cho xe AGV 2.3.1 Bộ truy n ộng ai- truy n ộng gián ti p 2.3.2 Bộ truy n ộng xích- truy n ộng gián ti p 2.3.3 Truy n ộng trực ti p 2.4 Bánh xe a hướng 2.4.1 Khái niệm ánh xe a hướng 2.4.2 Các loại ánh xe a hướng 2.4.2.1 Bánh xe Omni 2.4.2.2 Bánh xe Mecanum v an 2.4.2.3 Bánh xe PU 2.5 Mơ hình ộng h c ánh a hướng 10 2.5.1 Giới thiệu 10 2.5.2 Mơ hình bánh xe Omni 12 2.5.3 Cấu trúc nguyên tắc hoạt ộng xe Omni bánh 14 2.5.4 Mơ hình ộng h c ràng buộc 16 2.6 Path Planning 19 2.6.1 Giới thiệu thuật tốn tìm ki m theo chi u rộng (Breadth First Search) 19 2.6.2 Thuật toán 19 2.6.3 Ứng dụng vào mơ hình trạm vận chuyển 24 2.7 Web Server 25 Chương 3: Thiết Kế Phần Cứng 27 3.1 Yêu cầu kỹ thuật 27 3.2 Phương án thi t k 27 3.2.1 Phương án thi t k xe Omni bánh 27 3.2.2 Phương án thi t k xe Omni bánh 28 3.3 Thi t k Robot 30 3.3.1 Khay chứa phôi 30 3.3.2 Khung Robot 31 3.3.3 Cơ cấu truy n ộng 33 3.4 Tính tốn thi t k 34 3.4.1 Thông số PID 34 3.4.2 Phương há hiệu chỉnh thông số PID Ziegler-Nichols 35 3.4.3 Tính tốn ộng 37 Chương 4: Thiết Kế Hệ Thống Điện 39 4.1 Hệ thống iện 39 4.2 mối quan hệ gi a hệ thống iện phần cứng 39 4.3 Giao thức giao ti p Module hệ thống iện 40 4.3.1 Giao thức giao ti p SPI 40 vi an 4.3.2 Giao thức giao ti p U-Art 41 4.3.3 Giao thức giao ti p I2C 42 4.4 Lựa ch n thi t b cho hệ thống iện 44 4.4.1 Raspberry Pi 44 4.4.2 Arduino Uno 45 4.4.3 Driver L298N 46 4.4.4 Module d c mã thẻ RFID RC522 47 4.4.5 Động 47 4.4.6 Cảm bi n dò line 48 4.5 khối tổng quát hệ thống iện 49 k t nối phần cứng 50 .1 k t nối gi a Arduino với ộng 50 .2 k t nối gi a Arduino với RFID RC522 51 .3 k t nối gi a Arduino với cảm bi n dò line 51 Chương 5: Thiết Kế Giao Diện Web Server Và Giải Thuật Điều Khiển 52 5.1 Giới thiệu v giao diện i u khiển Web Server 52 5.1.1 Phần giới thiệu 52 5.1.2 Phần i u khiển 53 5.1.3 Phần thông tin liên hệ 54 5.2 Thao tác i u khiển 55 5.2.1 Đi u khiển theo ch ộ Manual 55 5.2.2 Đi u khiển theo ch ộ Auto 56 5.3 khối i u khiển tổng quát 57 5.3.1 Các khối i u khiển 57 5.3.2 khối i u khiển tổng quát 58 5.4 Khối Wed Server 59 5.4.1 khối Web Server gửi d liệu 59 5.4.2 khối nhận d liệu từ Web Server vẽ th 61 5.4.3 khối nhận d liệu từ Web Server hiển th v trí Robot 62 vii an 5.5 Khối Raspberry 63 5.6 Khối Arduino I 68 5.7 Khối Arduino II 73 5.8 Khối Arduino III 75 Chương 6: Kết Quả Thực Nghiệm 77 6.1 K t thực nghiệm 77 6.1.1 K t thực nghiệm cho Robot di chuyển ường thẳng 77 6.1.1.1 Robot di chuyển thẳng góc 90o 77 6.1.1.2 Robot di chuyển thẳng góc 180o 78 6.1.1.3 Robot di chuyển thẳng góc 0o 79 6.1.1.4 Robot di chuyển thẳng góc 270o 79 6.1.2 K t thực nghiệm Robot di chuyển theo ường tròn biên dạng cho trước 79 6.1.2.1 Robot di chuyển hình trịn 80 6.1.2.2 Robot di chuyển hình vng 80 6.1.3 K t thực nghiệm v thuật tốn tìm ường 81 6.2 Nhận xét k t thực nghiệm 84 Các hương án hắc phục 84 ướng phát triển 84 TÀI LIỆU THAM KHẢO 85 viii an 5.7 Khối Arduino II Hình 5.14: giải thuật i u khiển cảm bi n dị line  Mơ tả Arduino c giá tr cảm bi n dị line trả v Robot Omni nhóm có cảm bi n dị line trái, phải, trước, sau ược ặt mặt xe Khi tín hiệu cảm bi n v Arduino xử lý quy t nh gửi tín hiệu thích hợp v Rasphberry 73 an Đầu tiên khai báo chân tín hiệu cảm bi n tương ứng với pin 6,7,8,9 Ar uino l chân in ut.ta c giá tr digital cảm bi n gán vào bi n value1,…value4 au ó so sánh trạng thái với trước ó cảm bi n ể quy t nh xem gán giá tr =0,1,2,3,4 tương ứng với xe ứng yên, xe i thẳng, xe i phải, xe i trái v xe i lui Hình 5.15: Xe i trái hải), thẳng(lui) Ta lấy ví dụ xe ang v trí hình cảm bi n phải lui trả v giá tr nhìn v o hình hơng thể bi t ược xe phải i xuống hay i sang hải Muốn bi t ược xe ti p theo phải i th ta phải xem xét trạng thái trước ó xe N u trạng thái trước ó l có cảm bi n phải có tín hiệu có nghĩa l xe ang i sang trái, lúc n y xe bi t ược phải i xuống gán tr =4 tương ứng ngược lại, n u trạng thái trước ó l có cảm bi n xuống có tín hiệu có nghĩa l xe ang i thẳng xe bi t ược phải i sang hải gán giá tr k=2 tương ứng Tương tự với trường hợp xác nh giá tr tương ứng ể gửi v Raspberry xử lý Nhược iểm cách hướng xe có cảm bi n, n u xe i lệch khơng có cách xử lý Nhưng o xe nhóm i tương ối thẳng lệch nên áp dụng ược 74 an 5.8 Khối Arduino III Hình 5.16: giải thuật i u khiển MFRC522 75 an  Mơ tả: Arduino có nhiệm vụ c id từ thẻ từ sau ó phân biệt thẻ theo thứ tự từ ên 10 sau ó chuyển v Ras erry ể xử lý ước ti p theo Để c ược số ID từ thẻ từ ta sử dụng thư viện MFRC522.h v thư viện SPI.h khai báo sử dụng giao thức truy n SPI Tại chương trình chính, ta kiểm tra xem thẻ có c ược thẻ hay khơng N u có thẻ ti p tục kiểm tra xem RF522 có c ược mã Serial khơng.n u có mã thẻ thẻ ti chương trình ti n h nh c mã thẻ chuyển v số thập phân sau ó so sánh mã thẻ tương ứng với số thứ tự thẻ ã ược ặt trước vào chuỗi v3 gán giá tr 1=1 au ó chuyển qua Serial Port v Raspberry.n u khơng có thẻ ta kiểm tra giá tr k1, n u k1=1 tức lần c trước có thẻ gán lại k1=0, n u k1=0 tức l trước ó hơng có thẻ ta gán vào chuỗi v3 gửi v Raspberry 76 an Chương 6: Kết Quả Thực Nghiệm 6.1 K t thực nghiệm Sau nghiên cứu, nhóm ã l m ược nh ng việc sau tính tốn ược thơng số PID ể ro ot ứng ược mục tiêu thuật i u khiển robot Thi t k t i ưa ra, hiểu ược thuật tốn giải ược mơ hình ro ot ể áp dụng vào nghiên cứu thực nghiệm V ứng robot l m ược nh ng việc sau: di chuyển theo hướng m người dùng mong muốn, ạt ược tốc ộ max 0.2 18m/s) m là(0.15-0.2m/s) Di chuyển khả l m việc linh hoạt với ch ã an ầu ộ(Manual, ID, Line) 6.1.1 K t thực nghiệm cho Robot di chuyển ường thẳng Robot Hoạt ộng với nh ng tiêu chí sau:  Quãng ường Robot chạy: 4m  Vận tốc Robot: 0.2m/s 6.1.1.1 Robot di chuyển thẳng góc 90o K t việc thử nghiệm cho robot di chuyển t nh ti n thẳng với góc 90o Hình 6.1: K t thử nghiệm Trong ó : Tâm xe theo lý thuy t di chuyển th ng sau quãng ường 4m : Tâm xe thực t sau di chuyển thẳng sau quãng ường 4m 77 an Tương tự cho nh ng lần thử nghiệm ti p theo ta có bảng k t sau Lần thử Khoảng cách Độ lệch nghiệm lệch(cm) góc 4.5 0.63 11.5 1.63 10 1.43 1.13 5 0.71 TB 7.8 1.12 Bảng 6.1: Sai số Robot di chuyển theo góc 90o 6.1.1.2 Robot di chuyển thẳng góc 180o Lần thử nghiệm Khoảng cách lệch(cm) Độ lệch 3.5 0.49 6.5 0.91 4.5 0.63 4.8 0.672 5.5 0.77 TB 4.96 0.6944 Bảng 6.2: Sai số Robot di chuyển theo góc 180o 78 an 6.1.1.3 Robot di chuyển thẳng góc 0o Lần thử Khoảng cách Độ lệch nghiệm lệch(cm) 15 2.1 13 1.82 12.5 1.75 25 3.5 16.3 2.282 TB 16.38 2.29 Bảng 6.3: Sai số Robot di chuyển theo góc 0o 6.1.1.4 Robot di chuyển thẳng góc 270o Lần thử nghiệm Khoảng cách lệch(cm) Độ lệch 1.26 10 1.4 13 1.82 10.7 1.49 12.5 1.75 TB 11.04 1.544 Bảng 6.4: Sai số Robot di chuyển theo góc 270o 6.1.2 K t thực nghiệm Robot di chuyển theo ường tròn biên dạng cho trước  Robot di chuyển theo ường trịn với tiêu chí ặt trước sau  Robot di chuyển với vận tốc: 0.2m/s  Vận tốc góc: 0.3rad/s  Số vịng di chuyển: vịng  Bán kính di chuyển: 0.75m  Robot di chuyển theo biên dạng hình vng với tiêu chí:  Robot di chuyển với vận tốc: 0.2m/s  Di chuyển với biên dạng cạnh hình vng: 1m 79 an 6.1.2.1 Robot di chuyển hình trịn Lần thử nghiệm Khoảng cách lệch(cm) 4.5 TB 5.3 Bảng 6.5: Sai số Robot di chuyển theo biên dạng hình trịn 6.1.2.2 Robot di chuyển hình vuông Lần thử nghiệm Khoảng cách lệch(cm) 10 TB 6.6 Bảng 6.6: Sai số Robot di chuyển theo biên dạng hình vuông 80 an 6.1.3 K t thực nghiệm v thuật tốn tìm ường Robot hoạt ộng vùng quỹ ạo 3x3 ó có trạm v nút giao hình Hình 6.2: Quỹ ạo ường di chuyển Robot Qui ước: Trạng thái khơng có vật cản Trạng thái có vật cản V trí robot di chuyển qua Đoạn ường Ro ot i qua Bảng 6.7: Bảng qui ước thể trạng thái trạm nút giao 81 an  TH1: Robot di chuyển từ v trí Trạm T1) n v trí Trạm 5(T5), khơng vật cản Hình 6.3: Đường di chuyển Ro ot i từ T1  TH2: Robot di chuyển từ v trí Trạm T1) n T5, khơng vật cản n v trí Trạm 5(T5), với vật cản N8 Hình 6.4: Đường di chuyển Ro ot i từ T1 n T5, với vật cản N8 82 an  TH3: Robot di chuyển từ v trí Trạm T1) n v trí Trạm 5(T5), với vật cản N9 Hình 6.5: Đường di chuyển Ro ot i từ T1  TH4: Robot di chuyển từ v trí Trạm T1) N8&N9 n T5, với vật cản N9 n v trí Trạm 5(T5), với vật cản Hình 6.6: Đường di chuyển Ro ot i từ T1 n T5, với vật cản N8&N9 Tương tự cho v trí khác, Robot sử dụng thuật tốn tìm ường ngắn ể di chuyển tới trạm mong muốn 83 an 6.2 Nhận xét k t thực nghiệm ướng di chuyển Stt Sai lệch khoảng cách trung bình Sai lệch góc trung bình 0o 16.36 2.29 90o 7.8 1.11 180o 4.96 0.69 270o 11.04 1.55 Hình trịn 5.3 Hình vng 6.6 Bảng 6.8: Bảng sai số trung bình  Robot có lệch so với thực t ảng Nguyên nhân l o ứng tốc ộ bánh xe khoảng từ 4-5s  Di chuyển với góc 180o Robot di chuyển sai số nhất, với góc 0o Robot di chuyển với sai số lớn  Vì quãng ường Robot di chuyển xa sai số khoảng cách c ng tăng 6.3 Các hương án hắc phục  Tinh chỉnh lại thông số PID ể giảm thời gian ứng v tăng ộ xác  Thay th hương há xe K t hợ i u khiển hông ồng sang i u khiển ồng bánh i u khiển ò line i u chỉnh lại hướng Robot b lệch dùng cảm bi n góc ể giàm sát góc lệch tinh chỉnh 6.4 ướng phát triển  Mở rộng số lượng trạm  Cải thiện ch ộ dò line b ng cách sử dụng thêm nhi u cảm bi n dò line ể giảm sai lệch việc di chuyển bám theo quỹ ạo  Nghiên cứu hương há tìm v trí tối ưu  Tối ưu hóa thuật tốn tìm ường cho robot với số lượng trạm nhi u 84 an TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] Xe tự hành AGV (2/7/2019), http://nichiden.com.vn/?portfolio=xe-tu-hanh-agv [2] Bánh xe Mecanum (2/7/2019), https://kiwibots.nz/motion/mecanum-wheel-4q-4pack-detail [3] Bánh xe PU (2/7/2019), https://vatgia.com/6178/3100039/bánh-cầu-đa-hướng-puchịu-tải-puj075.html [4] POFs in a general omnidirectional wheel, Design and Control of an Omnidirectional Mobile Robot with Steerable Omnidirectional Wheels Jae-Bok Song*, Kyung-Seok Byun** [5] Coordinate systems and parameters for a steerable omnidirectional wheel, Design and Control of an Omnidirectional Mobile Robot with Steerable Omnidirectional Wheels Jae-Bok Song*, Kyung-Seok Byun** [6] Continous alternate wheel, Design and Control of an Omnidirectional Mobile Robot with Steerable Omnidirectional Wheels Jae-Bok Song*, Kyung-Seok Byun** [7] Coordinate systems for OMR-SOW, Design and Control of an Omnidirectional Mobile Robot with Steerable Omnidirectional Wheels Jae-Bok Song*, KyungSeok Byun** [8] Various wheel arrangements, Design and Control of an Omnidirectional Mobile Robot with Steerable Omnidirectional Wheels Jae-Bok Song*, Kyung-Seok Byun** [9] So sánh v hiệu suất robot bánh bánh, https://123doc.org//document/2625884-giai-thuat-dieu-khien-robot-omni-4banh.html [10] Mobile Robot Kinematics R Siegwart, EPFL, Illah Nourbakhsh, CMU [11] A Review Of Design And Control Of Automated Guided Vehicle Systems Tuan Le-Anh and M.B.M De Koster [12] Methodologies to Optimize Automated Guided Vehicle Scheduling and Routing Problems: A Review Study Hamed Fazlollahtabar ·Mohammad Saidi-Mehrabad 85 an [13] Im roving the Beginner’s PID Brett Beauregard [14] Pathfinding pages Red Blob Games 86 an an ... 2.3: Bánh xe Mecanum [2] an So gi a bánh xe Omni bánh xe Mecanum bánh xe Omni có nhi u ưu iểm  Thứ nhất: a ạng việc bố trí bánh xe Robot: với Mecanum lượng bánh xe phải số chẵn v i theo cặp bánh, ... nghiên cứu t i, nhóm ã ược hương án hoạt ộng xe: Xe hoạt ộng với cấu trúc bánh xe hoạt ộng với cấu trúc bánh 3.2.1 Phương án thi t k xe Omni bánh Ở hương án n y xe ược thi t k với cấu trúc bánh. .. chung số ch bánh xe khác có sẵn tùy thuộc vào loại lăn v góc nghiêng ví ụ: bánh xe vạn Blumrich, 19 74) với = 0o bánh xe Mecanum (Ilou, 1975) với = 45 o) Trong ánh xe a hướng, vận tốc bánh xe ược chia