(Đồ án hcmute) thiết kế và chế tạo mô hình robot lấy hàng tự động

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 THIẾT KẾ VÀ CHẾ TẠO MƠ HÌNH ROBOT LẤY HÀNG TỰ ĐỘNG GVHD: PHẠM BẠCH DƯƠNG SVTH: PHAN THANH NAM MSSV: 17146367 SVTH: TRẦN HẢI YẾN MSSV: 17146226 SKL 0 7 Tp Hồ Chí Minh, tháng 01/2021 an TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT TP HỒ CHÍ MINH KHOA ĐÀO TẠO CHẤT LƯỢNG CAO ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP THIẾT KẾ VÀ CHẾ TẠO MÔ HÌNH ROBOT LẤY HÀNG TỰ ĐỘNG SVTH: PHAN THANH NAM MSSV: 17146367 SVTH: TRẦN HẢI YẾN MSSV: 17146226 Khóa: K17 Ngành: CÔNG NGHỆ KỸ THUẬT CƠ ĐIỆN TỬ GVHD: ThS PHẠM BẠCH DƯƠNG Tp Hồ Chí Minh, 01/2021 an TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT TP HỒ CHÍ MINH KHOA ĐÀO TẠO CHẤT LƯỢNG CAO ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP THIẾT KẾ VÀ CHẾ TẠO MƠ HÌNH ROBOT LẤY HÀNG TỰ ĐỘNG SVTH: PHAN THANH NAM MSSV: 17146367 SVTH: TRẦN HẢI YẾN MSSV: 17146226 Khóa: K17 Ngành: CƠNG NGHỆ KỸ THUẬT CƠ ĐIỆN TỬ GVHD: ThS PHẠM BẠCH DƯƠNG Tp Hồ Chí Minh, 01/2021 an CỘNG HỊA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM Độc lập – Tự – Hạnh phúc *** Tp Hồ Chí Minh, ngày 25 tháng 12 năm 2020 NHIỆM VỤ ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP Họ tên sinh viên 1: Trần Hải Yến Lớp: 17146CL1B MSSV: 17146226 Họ tên sinh viên 2: Phan Thanh Nam Lớp: 17146CL2B MSSV: 17146367 Ngành: Công nghệ kỹ thuật điện tử Giáo viên hướng dẫn: ThS Phạm Bạch Dương Ngày nhận đề tài: 20/09/2020 Ngày nộp đề tài: 13/01/2021 Tên đề tài: Thiết kế chế tạo mơ hình robot lấy hàng tự động Các số liệu, tài liệu ban đầu: - Số liệu: + Kích thước mơ hình: 300x400x300 (mm) + Khối lượng mơ hình khơng tải: 8kg + Khối lượng mơ hình có tải: 10kg + Tải trọng nâng mơ hình: 2kg - Tài liệu: + A-Star (A*) Search Algorithm written by Baijayanta https://towardsdatascience.com/ + A-Star (A*) Search Algorithm on www.geeksforgeeks.org an Roy on + Luận văn “Thiết kế hệ thống điều khiển tốc độ động DC sử dụng điều khiển PID”- Đặng Đức Công, Đặng Thái Giáp Nội dung thực đề tài: - Thiết kế hệ thống truyền động điều khiển cho mơ hình robot - Xây dựng thuật tốn tìm đường A-star cho mơ hình quản lý vị trí thơng qua web server Sản phẩm: - Mơ hình robot lấy hàng tự động, điều khiển PID, thuật tốn tìm đường A-star, sở liệu lưu trữ vị trí robot TRƯỞNG NGÀNH GIẢNG VIÊN HƯỚNG DẪN an TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT TP HCM CỘNG HOÀ XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM KHOA ĐÀO TẠO CHẤT LƯỢNG CAO Độc lập - Tự – Hạnh phúc TP Hồ Chí Minh, ngày 25 tháng 12 năm 2020 LỊCH TRÌNH ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP Họ tên sinh viên: Phan Thanh Nam MSSV: 17146367 Trần Hải Yến MSSV: 17146226 Chuyên ngành: Công nghệ kỹ thuật điện tử Tên đề tài: Thiết kế chế tạo robot lấy hàng tự động Thời gian GIAI ĐOẠN Nội dung Nghiên cứu tối ưu hóa phần cứng (4 tuần) Tuần Lập kế hoạch thay đổi phần cứng cho phù hợp với đề tài Tuần 2,3 Gia công chi tiết cần tối ưu hóa Tuần Thiết kế lại hệ thống mạch điện GIAI ĐOẠN Kiểm tra lại điều khiển PID Nghiên cứu, tìm hiểu (3 tuần) thuật toán A-star Tuần Kiểm tra lại thông số điều khiển PID Tuần 6, Tìm hiểu tổng quan thuật tốn A-star GIAI ĐOẠN Xây dựng thuật tốn tìm đường A-star Xây dựng web (3 tuần) server để quản lý an Tuần 8, Xây dựng, thiết kế thuật toán Tuần 10 Chạy thử nghiệm, điều chỉnh thuật toán cách hợp lý Tìm hiểu tổng quan database Tuần 11 Xây dựng database cho hệ thống quản lý GIAI ĐOẠN Chỉnh sửa hoàn thiện đề tài (4 TUẦN) Xử lý vấn đề phát sinh xảy giai đoạn an TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT TP HCM CỘNG HOÀ XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM KHOA ĐÀO TẠO CHẤT LƯỢNG CAO Độc lập - Tự – Hạnh phúc PHIẾU NHẬN XÉT ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP (Dành cho giảng viên hướng dẫn) Họ tên sinh viên: Phan Thanh Nam MSSV: 17146367 Hội đồng………… Họ tên sinh viên: Trần Hải Yến MSSV: 17146226 Hội đồng………… Tên đề tài: Thiết kế chế tạo mơ hình robot lấy hàng tự động Ngành đào tạo: Công nghệ kỹ thuật điện tử Họ tên GV hướng dẫn: ThS Phạm Bạch Dương Ý KIẾN NHẬN XÉT Nhận xét tinh thần, thái độ làm việc sinh viên Nhận xét kết thực ĐATN 2.1 Kết cấu, cách thức trình bày ĐATN: 2.2 Nội dung đồ án: (Cơ sở lý luận, tính thực tiễn khả ứng dụng đồ án, hướng nghiên cứu tiếp tục phát triển) 2.3 Kết đạt được: 2.4 Những tồn (nếu có): an Đánh giá: Điểm tối đa Mục đánh giá TT Hình thức kết cấu ĐATN Điểm đạt 30 Đúng format với đầy đủ hình thức nội dung mục 10 Mục tiêu, nhiệm vụ, tổng quan đề tài 10 Tính cấp thiết đề tài 10 Nội dung ĐATN 50 Khả ứng dụng kiến thức toán học, khoa học kỹ thuật, khoa học xã hội… Khả thực hiện/phân tích/tổng hợp/đánh giá 10 Khả thiết kế chế tạo hệ thống, thành phần, quy trình đáp ứng yêu cầu đưa với ràng buộc thực tế 15 Khả cải tiến phát triển 15 Khả sử dụng công cụ kỹ thuật, phần mềm chuyên ngành… Đánh giá khả ứng dụng đề tài 10 Sản phẩm cụ thể ĐATN 10 Tổng điểm 100 Kết luận:  Được phép bảo vệ  Không phép bảo vệ TP.HCM, ngày tháng năm 20 Giảng viên hướng dẫn (Ký, ghi rõ họ tên) an TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT TP HCM CỘNG HOÀ XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM KHOA ĐÀO TẠO CHẤT LƯỢNG CAO Độc lập - Tự – Hạnh phúc PHIẾU NHẬN XÉT ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP (Dành cho giảng viên phản biện) Họ tên sinh viên: Phan Thanh Nam MSSV: 17146367 Hội đồng………… Họ tên sinh viên: Trần Hải Yến MSSV: 17146226 Hội đồng………… Tên đề tài: Thiết kế chế tạo mơ hình robot lấy hàng tự động Ngành đào tạo: Công nghệ kỹ thuật điện tử Họ tên GV phản biện: TS Vũ Quang Huy Ý KIẾN NHẬN XÉT Kết cấu, cách thức trình bày ĐATN: Nội dung đồ án: (Cơ sở lý luận, tính thực tiễn khả ứng dụng đồ án, hướng nghiên cứu tiếp tục phát triển) Kết đạt được: Những thiếu sót tồn ĐATN: Câu hỏi: an Hình 4.53: Đường robot sau tính tốn Hình 4.54: Các tọa độ robot qua Với vị trí 18, vị trí lấy hàng 90, vị trí vật cản 31, 55, 62 Hình 4.55: Tọa độ vị trí đầu vào 100 an Hình 4.56: Các vị trí đầu vào Hình 4.57: Các vị trí lân cận với vật cản 101 an Hình 4.58: Đường robot sau tính tốn Hình 4.59: Các tọa độ robot qua Với vị trí 52, vị trí lấy hàng 55, vị trí vật cản 23, 43, 63, 67 Hình 4.60: Các tọa độ vị trí đầu vào 102 an Hình 4.61: Các vị trí đầu vào Hình 4.62: Các vị trí lân cận với vật cản 103 an Hình 4.63: Đường robot sau tính tốn Hình 4.64: Các tọa độ mà robot qua Với vị trí 2, vị trí lấy hàng 67, vị trí vật cản Hình 4.65: Các tọa độ vị trí đầu vào 104 an Hình 4.66: Các vị trí đầu vào Hình 4.67: Các vị trí lân cận với vật cản 105 an Hình 4.68: Đường robot sau tính tốn Hình 4.69: Các tọa độ robot qua 4.4.2 Đánh giá thuật tốn A-star: Nhóm nghiên cứu tìm hiểu xây dựng thuật tốn tìm đường A-star áp dụng thành cơng thuật tốn giúp cho robot tự tìm đường hiệu đồng thời tránh chướng ngại vật xung quanh cho kho hàng có khơng gian 10x10 hàng • Ưu điểm: - Quãng đường tới ô hàng yêu cầu ngắn 106 an - Tránh né vật cản cụ thể mơ hình robot khác có hệ thống • Nhược điểm: - Thuật tốn A star giải tốn tìm đường ngắn đồng thời tránh va chạm với vật cản đường Tuy nhiên, áp dụng với phần cứng cịn vấn đề tồn chưa tối ưu hóa thời gian vận hành Cụ thể robot phải nhiều lần chuyển phương trình di chuyển dẫn đến nhiều thời gian lượng trình vận hành Đây nhược điểm lớn cần phải tiếp tục cải thiện phát triển thuật tốn Hình 4.70: Đường tối ưu - Đường màu xanh đường mà robot từ điểm bắt đầu đến điểm lấy hàng Tuy nhiên, chưa phải đường có thời gian nhanh nhất, tiết kiệm lượng Vì thế, cần phải tối ưu cải thiện đường cho robot có lần chuyển phương đảm bảo tránh né vật cản (đường màu trắng hình vẽ) 4.5 Thiết kế Web server quản lý vị trí robot: Nhóm nghiên cứu sử dụng máy tính Raspberry để tạo database chứa vị trí robot hoạt động theo thời gian thực Dữ liệu vị trí robot 107 an cập nhật bảng tương ứng với robot Khi robot hoạt động, liên tục biết vị trí robot xung quanh cách truy cập vào database, thơng qua tìm đường di chuyển tối ưu đồng thời tránh va chạm 4.6 Robot tự động phát vật cản trình di chuyển: Khi robot hoạt động, liên tục gửi tọa độ bước di chuyển tới lên database, nhờ vậy, robot khác biết xác xuất robot để có bước xử lý phù hợp Thuật tốn phần miêu tả dạng sơ đồ khối sau: Hình 4.71 : lưu đồ phát vật cản lúc di chuyển 108 an Bắt đầu chương trình, robot truy cập vào database hệ thống để lấy tọa độ ô mà robot khác đi qua gán vào “nextPos” Tiếp theo, vị trí mà robot đứng, có xung quanh liền kề Các ô có robot khác xuất Do đó, hình thành vùng tọa độ có tên Safe_zone Lần lượt so sánh phần tử safe_zone với nextPos robot khác Nếu phát có trùng lặp, lệnh cho robot dừng lại tính tốn lại đường đi, nhờ tránh va chạm trình di chuyển *thực nghiệm Do hạn chế tài thời gian thực đề tài Nhóm khơng thể dựng mơ hình đầy đủ thực tế gơm hệ thống khung kích thước đủ lớn để robot tránh né số lượng lớn robot Do nhóm thực mức độ thấp cách thêm giá trị cản trở vào database lúc mô hình robot di chuyển Kết cho thấy robot hoạt động theo đề Tuy nhiên, chưa thực khảo sát mơ hình thực tế nên tồn nhiều vấn đề Đây hướng để phát triển tiếp đề tài Hình 4.72: Màn hình hiển thị lúc robot gặp vật cản di chuyển (ảnh chụp hình lúc thực nghiệm) 109 an CHƯƠNG 5: KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN 5.1 Kết đạt được: - Xây dựng mơ hình khí mơ tả hoạt động hệ thống lấy hàng tự động - Thiết kế truyền động cho mơ hình - Điều khiển robot di chuyển đến vị trí mong muốn - Xây dựng điều khiển PID, lập trình ứng dụng thuật toán cho hệ thống chạy ổn định với vận tốc yêu cầu - Xây dựng thuật toán A-star để hỗ trợ việc tránh vật cản tìm kiếm đường cách nhanh xác - Xây dựng database để lưu trữ quản lý vị trí robot hệ thống 5.2 Kết luận: Sau trình nghiên cứu, thiết kế xây dựng mơ hình hệ thống lấy hàng tự động, nhóm nghiên cứu đạt số thành định, giải số vấn đề sau: Đề tài: “ Thiết kế chế tạo mơ hình robot lấy hàng tự động” mơ hình có tính thực tế Phần quan trọng đề tài thiết kế thi cơng mơ hình robot có khả lấy hàng đưa đến vị trí yêu cầu cách tự động Mơ hình có vận tốc đáp ứng đủ nhanh đủ xác Xây dựng web server mà thơng qua liên tục cập nhật vị trí q trình hoạt động robot Xây dựng thuật tốn tìm đường A-star để robot xác định vị trí cập nhật vị trí liên tục Đồng thời, nhờ thuật tốn đó, chúng xác định tìm đường đến vị trí yêu cầu nhanh xác 110 an Nhóm nghiên cứu tìm hiểu lập trình điều khiển phần cứng thông qua board điều khiển Arduino máy tính nhúng Raspberry Pi Để thơng qua Raspberry, lưu trữ liệu cụ thể tọa độ robot, điều giúp cho việc tìm đường né tránh vật cản thực cách dễ dàng Xây dựng mô hình lấy hàng có hệ thống ngõ vào, ngõ tự động đến vị trí lấy hàng theo yêu cầu Mơ hình tiền đề để ứng dụng cơng nghệ thông minh vào thực tiễn, đáp ứng yêu cầu mua hàng người tiêu dùng trung tâm Tuy nhiên, đề tài áp dụng thực tế cần xem xét đến kinh phí xây dựng việc thi cơng mơ hình địi hỏi kinh phí cao diện tích lớn 5.3 Những hạn chế đề tài: Dù nhóm nghiên cứu cố gắng hồn thành đề tài cách tốt cịn thiếu sót kinh nghiệm nên mơ hình cịn nhiều mặt hạn chế sau: - Hệ thống hoạt động chưa ổn định độ bền số linh kiện làm mô hình cịn chất lượng - Sự thiếu xác thi cơng khí - Thơng số điều khiển chưa hồn tồn xác nhiễu ma sát bánh xe ray hay kích thước ray lắp nhiều sai số - Kiến thức, thời gian chi phí cịn hạn chế nên mơ hình khơng tối ưu 100% 5.4 Những hướng phát triển cho đề tài: Mơ hình phát triển thành hệ thống lưu kho tự động cách áp dụng quản lý số lượng hàng hóa hệ thống Đề tài “ Thiết kế chế tạo mơ hình robot lấy hàng tự động” hồn tồn mở rộng phát triển lên theo hướng ứng dụng web server, sử dụng liệu theo hướng sau đây: 111 an - Phát triển chức định vị ví trí giỏ hàng thơng qua việc sử dụng mã QR - Thiết kế chế tạo thêm robot để lấy nhiều mặt hàng lúc giúp tiết kiệm thời gian người tiêu dùng 112 an TÀI LIỆU THAM KHẢO Trịnh Chất, Lê Văn Uyển, “Tính tốn hệ thống dẫn động khí tập 1”, Nhà xuất giáo dục Việt Nam TS Trần Hưng Trà-TS Phan Thanh Nhàn, “Giáo trình sức bền vật liệu”, Nhà xuất xây dựng Phan Minh Thanh - Hồ Viết Bình, “Giáo trình sở cơng nghệ chế tạo máy” ThS Nguyễn Đình Phú - ThS Phan Vân Hồn - ThS Trương Ngọc Anh, “Giáo trình Vi điều khiển PIC” Karl Matthes, “Pathfinding: A* Search Algorithm”, on https://medium.com/@karlmatthes/pathfinding-a-search-algorithm The A* Algorithm on http://theory.stanford.edu/ Baijayanta Roy, “A-Star (A*) Search Algorithm” on https://towardsdatascience.com/a-star-a-search-algorithm Đặng Đức Công, Đặng Thái Giáp (2013), luận văn “Thiết kế hệ thống điều khiển tốc độ động DC sử dụng điều khiển PID” Mlab.vn, “Bài 4: Lập trình Raspberry Pi sử dụng cổng truyền thông UART” 10 Paul Premakumar , “A* search for path planning tutorial” on https://www.mathworks.com/matlabcentral/fileexchange/26248-a-a-starsearch-for-path-planning-tutorial 11 Tài liệu giới thiệu Arduino Mega 2560: http://arduino.vn/bai-viet/542-gioithieu-arduino-mega2560 12 Tài liệu tham khảo mảng chiều lập trình C: https://www.howkteam.vn/course/khoa-hoc-lap-trinh-c-can-ban/mang-2-chieutrong-c-twodimensional-arrays-1381 113 an S an K L 0 ... thống lấy hàng tự động sử dụng robot tự hành - Xây dựng hệ thống phát triển chức định vị vị trí robot thơng qua việc truy suất database - Mô hệ thống gồm nhiều mơ hình robot lấy hàng tự động di... TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT TP HỒ CHÍ MINH KHOA ĐÀO TẠO CHẤT LƯỢNG CAO ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP THIẾT KẾ VÀ CHẾ TẠO MƠ HÌNH ROBOT LẤY HÀNG TỰ ĐỘNG SVTH: PHAN THANH NAM MSSV: 17146367 SVTH: TRẦN HẢI... tài: Thiết kế chế tạo mơ hình robot lấy hàng tự động Các số liệu, tài liệu ban đầu: - Số liệu: + Kích thước mơ hình: 300x400x300 (mm) + Khối lượng mơ hình khơng tải: 8kg + Khối lượng mơ hình