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 BÁ O CÁ O ĐỒ Á N CHUYÊ N NGÀ NH CƠ ĐIỆ N TỬ THIẾT KẾ ROBOT DÒ LINE TẢI HÀNG Giả ng viên hướ ng dẫ n: PGS.TS Ngơ Hà Quang Thịnh Nhó m sinh viên thự c hiện: Hoà ng Anh Ngọ c 1914335 Nguyễn Duy Nhâ n 1914437 Phan Trọ ng Nguyễn 1914411 Lê Sĩ Nguyên 1914374 TP.Hồ Chí Minh, ngà y 29 thá ng 11 nă m 2022 CHƯƠNG LỜ I CẢ M ƠN Để hoà n nh đồ n chuyên ngà nh Cơ Điện Tử , ng em xin gử i lờ i m ơn đến Thầ y PGS.TS Ngơ Hà Quang Thịnh tậ n tình hướ ng dẫ n, giả ng y ng em suố t trình họ c tậ p, nghiên u rèn luyện để thự c tố t đồ n Nhó m cũ ng xin châ n nh m ơn đến cá c nh viên cá c bạ n khoa cù ng thả o luậ n, thu thậ p tà i liệu giú p đỡ giả i cá c vấ n đề nảy sinh trình thự c đồ n Mặ c dù cố gắ ng để hoà n nh bằ ng cá c kiến thứ c họ c, nhiều nguồ n tà i liệu tham khả o đá ng tin cậ y, trình thự c cị n hạ n chế kiến thứ c chuyên mô n cũ ng kinh nghiệm thự c nghiệm nên khô ng trá nh khỏ i nhữ ng sai só t Rấ t mong ng gó p bá u củ a quý Thầ y Cô độ c giả để đề tà i đượ c hồ n thiện Nhó m xin châ n nh m ơn! TP Hồ Chí Minh, ngà y 29 thá ng 11 nă m 2022 Nhó m sinh viên thự c CHƯƠNG MỤC LỤC Danh mụ c hình ả nh Danh sá ch bả ng biểu CHƯƠNG 1: TÌM HIỂ U TỔ NG QUAN 1.1 Sơ lượ c robot dò line: 1.2 Mụ c tiêu thiết kế: .9 1.3 Tìm hiểu cá c mẫ u robot dò line: 10 1.4 Thô ng tin đầ u bà i: 16 CHƯƠNG 2: ĐỀ XUẤ T,LỰ A CHỌ N PHƯƠNG Á N 17 VÀ KẾ HOẠ CH TRIỂ N KHAI THIẾ T KẾ .17 2.1 Phương n cấ u trú c xe: 17 2.2 Phương n bá nh xe 18 2.3 Phương n độ ng 19 2.4 Phương n Driver .21 2.5 Phương n m biến 22 2.6 Phương n giả i thuậ t xử lý tín hiệu m biến bố trí m biến 25 2.7 Phương n điều khiển .27 2.8 Phương n cấ u trú c điều triển .29 2.9 Lự a chọ n phương n thiết kế .30 CHƯƠNG 3: THIẾ T KẾ HỆ THỐ NG CƠ KHÍ 31 3.1 Lự a chọ n bá nh xe: 31 3.2 Tính tố n chọ n độ ng cơ: 32 3.3 Tính tố n kích thướ c xe: 35 3.4 Yêu cầ u đồ gá độ ng cơ: 37 3.5 Kiểm tra bền củ a tấ m đế đồ gá : 39 3.6 Tính tố n độ đồ ng trụ c củ a độ ng cơ: 42 CHƯƠNG 4: THIẾ T KẾ HỆ THỐ NG ĐIỆ N .49 4.1 Cả m biến phototransistor TCRT5000 49 4.2 Cả m biến loadcell TLA 220B 58 CHƯƠNG 4.3 Nguồ n cấ p 60 4.4 Sơ đồ khố i hệ thố ng điện .62 CHƯƠNG 5: LẬ P TRÌNH .66 5.1 Lự a chọ n vi điều khiển: 66 5.2 Giả i thuậ t điều khiển: 67 CHƯƠNG 6: THIẾ T KẾ BỘ ĐIỀ U KHIỂ N VÀ MÔ PHỎ NG 69 CHƯƠNG 7: KẾ T QUẢ THỰ C NGHIỆ M 91 TÀ I LIỆ U THAM KHẢ O 95 CHƯƠNG Danh mụ c hình ả nh 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 nguyên 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 khơng 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 CHƯƠNG Hình 10: Chuyển vị gá động 41 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 CHƯƠNG Hình 12: Vận tốc robot tốc độ bánh 79 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 CHƯƠNG Danh sá ch bả ng biểu 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 NGƠ HÀ QUANG THỊNH CHƯƠNG 1: TÌM HIỂU TỔNG QUAN 1.1 Sơ lược robot dò line: Robot dị line mộ t loạ i robot theo đườ ng vẽ có sẵ n hoặ c cá c vậ t n, bả n đồ để robot nhậ n biết di chuyển nhằ m mụ c đích đến vị trí để Robot dò line đượ c ứ ng dụ ng rấ t nhiều phổ biến cá c cô ng xưở ng, nhà má y vớ i vai trò vậ n chuyển hà ng hó a, vậ t liệu theo mộ t lộ trình đượ c thiết kế sẵ n mà khô ng yêu cầ u tham gia củ a ngườ i Hiện nay, có rấ t nhiều thiết kế khí đượ c thiết kế để i thiện khả di chuyển củ a robot dò line đá p ứ ng tố c độ , độ xá c bá m line, cá c kiểu kết cấ u phổ biến : cấ u trú c hai bá nh, ba bá nh, bố n bá nh, bá nh xích, 1.2 Mục tiêu thiết kế: Thiết kế robot bá m đườ ng có khả nă ng bá m đườ ng vớ i độ ổ n định tố t hoà n nh sa bà n đú ng yêu cầ u vớ i thờ i gian ngắ n nhấ t 1.2.1 Về xe: + Tố c độ di chuyển tố i thiểu củ a robot: 0,1m/s + Khố i lượ ng tả i tố i thiểu robot mang kg + Sai số bá m đườ ng dẫ n (tính từ mép trá i hoặ c mép phả i củ a line): ± mm + Sai số vị trí dừ ng cuố i đườ ng dẫ n ± mm + Trên robot phả i đượ c thiết kế hệ thố ng m biến để phá t vạ ch line có bề rộ ng 26mm di chuyển theo line ổ n định Cũ ng trang bị m biến nhậ n diện đượ c khố i lượ ng để hồ n nh yêu cầ u đề bà i 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 + Mà u sắ c sa bà n: Trắ ng + Mà u sắ c đườ ng line: Đen + Bề rộ ng đườ ng dẫ n: 26mm + Sa bà n mặ t phẳ ng 1.2.3 Phân tích sa bàn: Độ dà i tương đố i Robot cầ n đi: 2000 + 500 + 500 π + 800 × × π + 1500 = 6409 mm Vớ i vậ n tố c tố i thiểu: 0,1m/s, thờ i gian tố i đa 64,09s Ta nhậ n thấ y có loạ i chuyển độ ng c sa bà n : - Chuyển độ ng thẳ ng: hầ u hết cá c kết cấ u khí phù hợ p - Chuyển độ ng cong (trò n): Chuyển độ ng chịu ả nh hưở ng bở i lự c n tính li tâ m Xe dễ bị trượ t khỏ i đườ ng thiếu lự c ma sá t hướ ng tâ m, cô ng thứ c củ a lự c ma sá t Fms=μ.N Để tă ng lự c ma sá t cho xe khô ng bị trượ t, ta thay đổ i hệ số bằ ng cá ch mua cá c loạ i bá nh xe có độ bá m cao (bá nh có rã nh, bá nh có gai), hoặ c thiết kế xe có trọ ng lượ ng lớ n (đế xe thiết kế bằ ng kim loạ i) 1.3 Tìm hiểu mẫu robot dị line: 1.3.1 Trong cơng nghiệp: a Xe tự hành chở hàng ACA-TR-300-01 Đâ y dò ng xe chở hà ng củ a TRV đượ c tố i ưu hó a kết cấ u kích thướ c giú p xe hoạ t độ ng bền bỉ Xe đượ c dẫ n đườ ng bằ ng từ tính có ưu điểm ổ n định, giá nh thấ p cá c phương phá p c Bộ khung đượ c gia cô ng tỉ mỉ, ng vữ ng từ vậ t liệu có tính tố t tuổ i thọ cao Xe đạ t tố c độ tố i đa 0,75 m/s mang hà ng lên tớ i 300kg nên rấ t phù hợ p sử dụ ng để vậ n chuyển vậ t tư, hà ng hó a cá c nhà má y, xí nghiệp ĐỒ ÁN CHUYÊN NGÀNH CƠ ĐIỆN TỬ GVHD: PGS.TS NGƠ HÀ QUANG THỊNH Hình 17: Sa bàn di chuyển Hình 18: Sai số trình di chuyển 84 ĐỒ ÁN CHUYÊN NGÀNH CƠ ĐIỆN TỬ GVHD: PGS.TS NGƠ HÀ QUANG THỊNH Hình 19: Vận tốc robot tốc độ bánh Đoạn Chọ n K = [0.1 , 1000, 0], v = 500 mm/s Cá c thô ng số mô phỏ ng chuyển độ ng củ a sensor m biến, sai số e 2, e 3, vậ n tố c xe tố c độ gó c củ a bá nh xe trình chuyển độ ng đượ c mơ tả hình 6.21 6.22 Trong đoạ n thẳ ng này, sai số e đạ t giá trị lớ n nhấ t -1.4 tạ i đâ y có chuyển hướ ng độ t ngộ t dẫ n đến sai số lớ n, sau xe đoạ n thẳ ng nên sai số tương đố i ổ n định vớ i giá trị -1.2 Quá trình di chuyển vậ n tố c xe khơ ng đổ i tố c độ gó c củ a hai bá nh ổ n định mứ c 112 vò ng phú t 85 ĐỒ ÁN CHUYÊN NGÀNH CƠ ĐIỆN TỬ GVHD: PGS.TS NGÔ HÀ QUANG THỊNH Hình 20: Sa bàn di chuyển Hình 21: Sai số trình di chuyển 86 ĐỒ ÁN CHUYÊN NGÀNH CƠ ĐIỆN TỬ GVHD: PGS.TS NGÔ HÀ QUANG THỊNH Hình 22: Vận tốc robot tốc độ bánh Cả line Chọ n K = [0.1 , 950, 0], v = 480 mm/s Cá c thô ng số mô phỏ ng chuyển độ ng củ a sensor m biến, sai số e 2, e 3, vậ n tố c xe tố c độ gó c củ a bá nh xe trình chuyển độ ng đượ c mơ tả hình 6.24 6.25 Trong trình di chuyển, sai số e thỏ a mả n yêu cầ u đề bà i, dao độ ng từ -2.9 đến 0.5 Khi vậ n tố c vậ n tố c gó c hai bá nh thay đổ i thỏ a mã n đá p ứ ng củ a độ ng lự a chọ n ban đầ u Hình 23: Sa bàn di chuyển 87 ĐỒ ÁN CHUYÊN NGÀNH CƠ ĐIỆN TỬ GVHD: PGS.TS NGÔ HÀ QUANG THỊNH Hình 24: Sai số trình di chuyển Hình 25: Vận tốc robot tốc độ bánh 6.5 6.5 Tìm số PID 1Tìm hàm truyền động Trướ c hết ta xá c định gầ n đú ng hà m truyền củ a độ ng thô ng qua việc xá c định thờ i gian đá p ứ ng Việc xá c định nà y đượ c tiến hà nh theo cá c bướ c sau: - Cấ p cho độ ng mộ t mứ c điện p cố định, thí nghiệm chọ n mứ c điện p 12V ứ ng vớ i giá trị duty cycle củ a PWM 50% - Ghi lạ i giá trị vậ n tố c củ a độ ng theo thờ i gian Thờ i gian lấ y mẫ u đượ c chọ n thí nghiệm nà y chọ n 0,01s Kết củ a thí nghiệm đượ c thể qua hình dướ i đâ y: 88 ĐỒ ÁN CHUYÊN NGÀNH CƠ ĐIỆN TỬ GVHD: PGS.TS NGÔ HÀ QUANG THỊNH Hình 26: Đáp ứng động trái theo thời gian Hình 27: Đáp ứng động phải theo thời gian Dự a o đồ thị ta thấ y hà m có ng bậ c nhấ t P(s) = K W (s ) = m PWM ( s) 1+ Ts Trong : - K m (rpm/pwm) hằ ng số độ lợ i củ a độ ng - T hằ ng số thờ i gian đá p ứ ng 89 ĐỒ ÁN CHUYÊN NGÀNH CƠ ĐIỆN TỬ GVHD: PGS.TS NGÔ HÀ QUANG THỊNH Hình 28: Đồ thị đường cong đáp ứng hệ bậc Từ ta có hà m truyền độ ng cơ: Độ ng trá i: G( s) = 1.0535 1+ 0.014722 S Độ ng phả i: G( s) = 1.0776 1+ 0.0099703 S 6.5.2: Thiết kế điều khiển PID cho khối driver động cơ: Hình 29: Sơ đồ khối hệ Driver - Động Tiêu chí điều khiển: + Settling time: T s < 0.1s + Steady state error: e ss < 5% + Overshoot