Báo cáo đo án chuyên ngành cơ điên tử thiết kế robot dò line tải hàng

ĐẠI HỌC QUỐC GIA THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA KHOA CƠ KHÍ BỘ MƠN CƠ ĐIỆN TỬ BÁO CÁO ĐỒ ÁN CHUYÊN NGÀNH CƠ ĐIỆN TỬ THIẾT KẾ ROBOT DÒ LINE TẢI HÀNG Giảng viên hướng dẫn: PGS.TS Ngơ Hà Quang Thịnh Nhóm sinh viên thực hiện: Hoàng Anh Ngọc 1914335 Nguyễn Duy Nhân 1914437 Phan Trọng Nguyễn 1914411 Lê Sĩ Nguyên 1914374 TP.Hồ Chí Minh, ngày 29 tháng 11 năm 2022 CHƯƠNG LỜI CẢM ƠN Để hoàn thành đồ án chuyên ngành Cơ Điện Tử , chúng em xin gửi lời cảm ơn đến Thầy PGS.TS Ngơ Hà Quang Thịnh tận tình hướng dẫn, giảng dạy chúng em suốt trình học tập, nghiên cứu rèn luyện để có th ể th ực tốt đồ án Nhóm xin chân thành cảm ơn đến thành viên bạn khoa thảo luận, thu thập tài liệu giúp đỡ giải vấn đề nảy sinh trình thực đồ án Mặc dù cố gắng để hoàn thành kiến thức học, nhiều nguồn tài liệu tham khảo đáng tin cậy, trình thực cịn hạn chế kiến thức chun mơn kinh nghiệm thực nghiệm nên không tránh khỏi sai sót Rất mong đóng góp báu quý Thầy Cô độc giả để đề tài hồn thiện Nhóm xin chân thành cảm ơn! TP Hồ Chí Minh, ngày 29 tháng 11 năm 2022 Nhóm sinh viên thực CHƯƠNG MỤC LỤC Danh mục hình ảnh Danh sách bảng biểu CHƯƠNG 1: TÌM HIỂU TỔNG QUAN 1.1 Sơ lược robot dò line: 1.2 Mục tiêu thiết kế: .9 1.3 Tìm hiểu mẫu robot dò line: 10 1.4 Thông tin đầu bài: 16 CHƯƠNG 2: ĐỀ XUẤT,LỰA CHỌN PHƯƠNG ÁN .17 VÀ KẾ HOẠCH TRIỂN KHAI THIẾT KẾ 17 2.1 Phương án cấu trúc xe: 17 2.2 Phương án bánh xe 18 2.3 Phương án động 19 2.4 Phương án Driver 21 2.5 Phương án cảm biến 22 2.6 Phương án giải thuật xử lý tín hiệu cảm biến bố trí cảm biến .25 2.7 Phương án điều khiển .27 2.8 Phương án cấu trúc điều triển 29 2.9 Lựa chọn phương án thiết kế 30 CHƯƠNG 3: THIẾT KẾ HỆ THỐNG CƠ KHÍ .31 3.1 Lựa chọn bánh xe: 31 3.2 Tính tốn chọn động cơ: .32 3.3 Tính tốn kích thước xe: 35 3.4 Yêu cầu đồ gá động cơ: 37 3.5 Kiểm tra bền đế đồ gá: 39 3.6 Tính tốn độ đồng trục động cơ: 42 CHƯƠNG 4: THIẾT KẾ HỆ THỐNG ĐIỆN 49 4.1 Cảm biến phototransistor TCRT5000 49 4.2 Cảm biến loadcell TLA 220B .58 4.3 Nguồn cấp 60 4.4 Sơ đồ khối hệ thống điện 62 CHƯƠNG CHƯƠNG 5: LẬP TRÌNH 66 5.1 Lựa chọn vi điều khiển: 66 5.2 Giải thuật điều khiển: 67 CHƯƠNG 6: THIẾT KẾ BỘ ĐIỀU KHIỂN VÀ MÔ PHỎNG 69 CHƯƠNG 7: KẾT QUẢ THỰC NGHIỆM 91 TÀI LIỆU THAM KHẢO 95 CHƯƠNG Danh mục hình ảnh Hình 1: Sơ đồ sa bàn cho robot phân phối hàng hóa theo khối lượng Hình 2: Xe tự hành ACA 11 Hình 3: Xe tự hành STI 11 Hình 4: Xe tự hành SLA 12 Hình 5: Mơ hình Steer drive 12 Hình 6: Cấu tạo vô lăng khớp nối AGV steer drive 13 Hình 7: Mơ hình quad drive 13 Hình 8: Mơ hình differential drive 14 Hình 9: Mơ hình xe fireball 15 Hình 10: Mơ hình xe Usain Volt 2.0 15 Hình 1: Sơ đồ ngun lí mơ hình xe ba bánh 18 Hình 2: Bánh xe V1 18 Hình 3: Bánh mắt trâu 19 Hình 4: Bánh tự lựa 19 Hình 5: Động DC không encoder 20 Hình 6: Động DC gắn encoder 20 Hình 7: Động bước 20 Hình 8: Driver L298N 21 Hình 9: Driver TB6612 22 Hình 10: Cảm biến Camera 22 Hình 11: Cảm biến TCRT5000 23 Hình 12: Cảm biến Loadcell 23 Hình 13: Cấu tạo mạch bên Loadcell .24 Hình 14: Ngun lí hoạt động Loadcell .25 Hình 15: Cảm biến lực dạng film 25 Hình 16: Phương pháp sấp xỉ bậc trọng số .26 Hình 17: Phương pháp so sánh 26 Hình 18: Các cách bố trí cảm biến 27 Hình 19: Các loại vi điều khiển thông dụng 27 Hình 20: Mơ hình điều khiển tập trung .29 Hình 21: Mơ hình điều khiển phân cấp 30 Hình 1: Bánh xe V3 85mm 31 Hình 2: Bánh mắt trâu 32 Hình 3: Các lực tác động lên bánh xe 33 Hình 4: Mơ hình tốn xe chuyển hướng 35 Hình 5: Sơ đồ bố trí xe 37 Hình 6: Gá động GA25 38 Hình 7: Nối trục lục giác 39 Hình 8: Chuyển vị platform 40 Hình 9: Ứng suất bên platform 40 Hình 10: Chuyển vị gá động 41 CHƯƠNG Hình 11: Ứng suất gá động 42 Hình 12: Mơ hình độ đồng trục hai động 43 Hình 13: Độ lệch hai trục động theo phương Y .43 Hình 14: Độ lệch trục động theo phương X 46 Hình 15: Mơ hình chuỗi kích thước 46 Hình 1: Cảm biến TCRT5000 49 Hình 2: Cấu hình chân TCRT5000 49 Hình 3: Mạch diode cảm biến 50 Hình 4: Đồ thị A,V diode 50 Hình 5: Đồ thị V,A mạch phototransisto 51 Hình 6: Cách đặt cảm biến 51 Hình 7: Vùng thu phát cảm biến TCRT5000 .52 Hình 8: Bố trí chiều cao cảm biến 52 Hình 9: Đo giá trị ADC trắng khoảng từ tới 15mm 53 Hình 10: Đo giá trị ADC đen khoảng từ tới 15mm 53 Hình 11: Giá trị analog thu di chuyển cảm biến xa đen 54 Hình 12: Giá trị analog cho cảm biến xa trắng .55 Hình 13: Khoảng cách vùng phát vùng thu cảm biến không chồng lên 56 Hình 14: Tín hiệu cảm biến chưa calib 57 Hình 15: Loadcell 5kg 58 Hình 16: Sơ đồ nối dây 59 Hình 17: Bộ chuyển đổi HX711 59 Hình 18: Lắp đặt test cảm biến Loadcell 60 Hình 19: Giá trị Loadcell sau calib trả 60 Hình 20: Sơ đồ khối hệ thống điện 63 Hình 21: Đồ thị %PWM RPM vận tốc quay động 64 Hình 22: Đồ thị %PWM RPM vận tốc quay động 64 Hình 1: Sơ đồ khối chung điều khiển 66 Hình 2: Sơ đồ chân vi điều khiển PIC18F4550 67 Hình 3: Sa bàn đề 67 Hình 4: Lưu đồ giải thuật 68 Hình 1: Mơ hình động học mobile platform 69 Hình 2: Sa bàn di chuyển 73 Hình 3: Sai số trình di chuyển 74 Hình 4: Vận tốc robot tốc độ bánh 74 Hình 5: Sa bàn di chuyển 75 Hình 6: Sai số trình di chuyển 75 Hình 7: Vận tốc robot tốc độ bánh 76 Hình 8: Sa bàn di chuyển 77 Hình 9: Sai số trình di chuyển 77 Hình 10: Vận tốc robot tốc độ bánh 78 Hình 11: Sa bàn di chuyển 79 Hình 12: Vận tốc robot tốc độ bánh 79 CHƯƠNG Hình 13: Vận tốc robot tốc độ bánh 80 Hình 14: Sa bàn di chuyển 81 Hình 15: Sai số trình di chuyển 81 Hình 16: Vận tốc robot tốc độ bánh 81 Hình 17: Sa bàn di chuyển 82 Hình 18: Sai số trình di chuyển 82 Hình 19: Vận tốc robot tốc độ bánh 83 Hình 20: Sa bàn di chuyển 84 Hình 21: Sai số trình di chuyển 84 Hình 22: Vận tốc robot tốc độ bánh 85 Hình 23: Sa bàn di chuyển 85 Hình 24: Sai số trình di chuyển 86 Hình 25: Vận tốc robot tốc độ bánh 86 Hình 26: Đáp ứng động trái theo thời gian 87 Hình 27: Đáp ứng động phải theo thời gian .87 Hình 28: Đồ thị đường cong đáp ứng hệ bậc .88 Hình 29: Sơ đồ khối hệ Driver - Động 88 Hình 30: Mơ hình điều khiển PID trái 89 Hình 31: Đáp ứng động trái sau sử dụng điều khiển PID .89 Hình 32: Mơ hình điều khiển PID phải 90 Hình 33: Đáp ứng động phải sau sử dụng điều khiển PID 90 Hình 1: Xe dị line sau lắp ráp 91 Hình 3: Xe dừng khu vực tải hàng 91 Hình 4: Tới ngã tải 1kg 92 Hình 5: Tải kg rẽ lên 92 Hình 6: Xe hết sa bàn, dừng lại kết thúc 93 Hình 7: Tới ngã tải kg 93 Hình 8: Tải kg rẽ xuống 94 Hình 9: Xe hết sa bàn, dừng lại kết thúc 94 Danh sách bảng biểu CHƯƠNG Bảng 1: So sánh bánh bị động 19 Bảng 2: So sánh động 21 Bảng 3: So sánh loại cảm biến dò line 23 Bảng 4: So sánh cảm biến cân nặng 25 Bảng 5: So sánh phương pháp xử lý tín hiệu cảm biến .26 Bảng 6: Thông số loại vi điều khiển 28 Bảng 1: Thông số đầu vào cho tính tốn chọn động 32 Bảng 2: Các thiết bị có khung xe 37 Bảng 1: Thông số cảm biến TCRT5000 49 Bảng 2: Phương trình calib cảm biến .58 Bảng 3: Thông số cảm biến loadcell 5kg 58 Bảng 4: Thông số chuyển đổi HX711 59 Bảng 5: So sánh pin lithium pin lipo .61 Bảng 6: Các thiết bị dùng nguồn điều khiển 61 Bảng 7: Các thiết bị dùng nguồn động lực 62 Bảng 1: Thông số vi điều khiển Pic18F4550 66 ĐỒ ÁN CHUYÊN NGÀNH CƠ ĐIỆN TỬ GVHD: PGS.TS NGÔ HÀ QUANG THỊNH CHƯƠNG 1: TÌM HIỂU TỔNG QUAN 1.1 Sơ lược robot dò line: Robot dò line loại robot theo đường vẽ có sẵn vật cản, đồ để robot nhận biết di chuyển nhằm mục đích đ ến vị trí để Robot dị line ứng dụng nhiều phổ biến công xưởng, nhà máy với vai trị vận chuyển hàng hóa, vật liệu theo lộ trình thiết kế sẵn mà khơng u cầu tham gia người Hiện nay, có nhiều thiết kế khí thiết kế để cải thiện khả di chuyển robot dò line đáp ứng tốc độ, độ xác bám line, kiểu kết cấu phổ biến : cấu trúc hai bánh, ba bánh, bốn bánh, bánh xích, 1.2 Mục tiêu thiết kế: Thiết kế robot bám đường có khả bám đường với độ ổn định tốt hoàn thành sa bàn yêu cầu với thời gian ngắn 1.2.1 Về xe: + Tốc độ di chuyển tối thiểu robot: 0,1m/s + Khối lượng tải tối thiểu robot mang kg + Sai số bám đường dẫn (tính từ mép trái mép phải line): ± mm + Sai số vị trí dừng cuối đường dẫn ± mm + Trên robot phải thiết kế hệ thống cảm biến để phát vạch line có bề rộng 26mm di chuyển theo line ổn định Cũng trang bị cảm biến nhận diện khối lượng để hồn thành u cầu đề 1.2.2 Về sa bàn: ĐỒ ÁN CHUYÊN NGÀNH CƠ ĐIỆN TỬ GVHD: PGS.TS NGƠ HÀ QUANG THỊNH Hình 1: Sơ đồ sa bàn cho robot phân phối hàng hóa theo khối lượng + Màu sắc sa bàn: Trắng + Màu sắc đường line: Đen + Bề rộng đường dẫn: 26mm + Sa bàn mặt phẳng 1.2.3 Phân tích sa bàn: Độ dài tương đối Robot cần đi: 2000 + 500 + 500 π + 800 × × π + 1500 = 6409 mm Với vận tốc tối thiểu: 0,1m/s, thời gian tối đa 64,09s Ta nhận thấy có loại chuyển động khác sa bàn : - Chuyển động thẳng: hầu hết kết cấu khí phù hợp - Chuyển động cong (tròn): Chuyển động chịu ảnh hưởng lực quán tính li tâm Xe dễ bị trượt khỏi đường thiếu lực ma sát hướng tâm, công thức lực ma sát Fms=μ.N Để tăng lực ma sát cho xe khơng bị trượt, ta thay đổi hệ số cách mua loại bánh xe có độ bám cao (bánh có rãnh, bánh có gai), thiết kế xe có trọng lượng lớn (đế xe thiết kế kim loại) 1.3 Tìm hiểu mẫu robot dị line: 1.3.1 Trong cơng nghiệp: a Xe tự hành chở hàng ACA-TR-300-01 Đây dòng xe chở hàng TRV tối ưu hóa kết cấu kích thước giúp xe hoạt động bền bỉ Xe dẫn đường từ tính có ưu điểm ổn định, giá thành thấp phương pháp khác Bộ khung gia công tỉ mỉ, cứng vững từ vật liệu có tính tốt tuổi thọ cao Xe đạt tốc độ tối đa 0,75 m/s mang hàng lên tới 300kg nên phù hợp sử dụng để vận chuyển vật tư, hàng hóa nhà máy, xí nghiệp