Đồ án thiết kế hệ thống cơ điệntửđề bài thiết kế, chế tạo robot dò line phânphốihànghoá theo màu sắc

ĐẠI HỌC QUỐC GIA THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA KHOA CƠ KHÍ – BỘ MƠN CƠ ĐIỆN TỬ -oOo - ĐỒ ÁN THIẾT KẾ HỆ THỐNG CƠ ĐIỆN TỬ Đề bài: THIẾT KẾ, CHẾ TẠO ROBOT DỊ LINE PHÂN PHỐI HÀNG HỐ THEO MÀU SẮC GVHD: PGS TS Nguyễn Duy Anh SVTH: Nguyễn Tấn Dũng Lâm Hiệp Hưng Ngô Trần Tuấn Đạt Hoàng Thanh Thế TP HCM, tháng 12 năm 2022 DANH SÁCH THÀNH VIÊN VÀ PHÂN CÔNG CÔNG VIỆC Họ tên MSSV Phân công công việc Nguyễn Tấn Dũng Thiết kế khí Lâm Hiệp Hưng Lập trình điều khiển, giải thuật Ngơ Trần Tuấn Đạt 1911009 Phân tích động học, điều khiển, mơ hình hố mơ Hoàng Thanh Thế 1910555 Thiết kế hệ thống điện, cảm biến, thiết kế giao diện i LỜI CẢM ƠN Chúng em xin gửi lời cám ơn đến PGS TS Nguyễn Duy Anh tận tình hướng dẫn, trợ giúp nhóm hoàn thành đồ án Thiết kế hệ thống Cơ Điện Tử Những kiến thức tiếp thu từ môn học hành trang vững cho thành viên nhóm để vững bước đường học tập phát triển nghiệp sau Xin chân thành cám ơn Thầy! Nhóm sinh viên thực TP HCM, tháng 12 năm 2022 ii MỤC LỤC DANH MỤC HÌNH ẢNH vii DANH MỤC BẢNG BIỂU xi TỔNG QUAN 1.1 Mục tiêu thiết kế 1.2 Tổng quan robot phân loại hàng hoá 1.2.1 Giới thiệu robot phân phối hàng hố 1.2.2 Tình hình nghiên cứu nước .2 1.2.3 Các thiết kế khí robot tự hành 1.2.4 Các thiết kế phần điện 1.2.5 Các thiết kế điều khiển 13 1.3 Bài tốn thiết kế thơng số đầu vào 16 LỰA CHỌN PHƯƠNG ÁN 19 2.1 Lựa chọn phương án khí 19 2.1.1 Lựa chọn phương án nguyên lý xe 19 2.1.2 Lựa chọn phương án động dẫn động 20 2.1.3 Lựa chọn phương án động rẽ hướng 20 2.1.4 Lựa chọn phương án vật liệu bánh xe dẫn động 20 2.2 Lựa chọn phương án điện 21 2.2.1 Lựa chọn phương án cảm biến 21 2.2.2 Lựa chọn nguồn điện 22 2.3 Lựa chọn phương án điều khiển 23 2.3.1 Lựa chọn cấu trúc điều khiển 23 2.3.2 Lựa chọn thuật toán điều khiển 23 iii 2.4 Tổng hợp lựa chọn phương án thiết kế 23 TÍNH TỐN THIẾT KẾ CƠ KHÍ 25 3.1 Tính tốn kích thước xe 25 3.1.1 Khoảng cách bánh xe trục 25 3.1.2 Kích thước xe theo chiều dọc ngang 25 3.1.3 Kích thước cấu khâu lề 26 3.2 Tính tốn động dẫn động 27 3.3 Tính tốn động rẽ hướng 30 3.3.1 Số bậc tự cấu 30 3.3.2 Phân tích lực 30 3.3.3 Chọn động rẽ hướng: 35 3.4 Lựa chọn dung sai 35 3.5 Tổng quan thiết kế khí 35 THIẾT KẾ HỆ THỐNG ĐIỆN 38 4.1 Sơ đồ khối hệ thống điện 38 4.2 Hệ thống cảm biến dò line 39 4.2.1 Yêu cầu thiết kế 39 4.2.2 Lựa chọn cảm biến dò line 39 4.2.3 Tính toán giá trị điện trở 40 4.2.4 Xác định độ cao đặt cảm biến 42 4.2.5 Xác định cách bố trí cảm biến 44 4.2.6 Xác định số lượng khoảng cách cảm biến 45 4.2.7 Thiết kế mạch dò line 47 4.2.8 Calib cảm biến 47 iv 4.3 Lựa chọn mạch Driver cho động 49 4.3.1 Tiêu chí lựa chọn mạch Driver 49 4.3.2 Lựa chọn mạch Driver 49 4.4 Lựa chọn cảm biến màu sắc 50 4.4.1 Tiêu chí lựa chọn cảm biến màu sắc 50 4.4.2 Lựa chọn cảm biến màu sắc 51 4.5 Lựa chọn module thu phát Bluetooth 51 4.5.1 Tiêu chí lựa chọn module thu phát Bluetooth .51 4.5.2 Lựa chọn mạch thu phát Bluetooth 52 4.6 Lựa chọn mạch giảm áp 52 4.6.1 Tiêu chí lựa chọn mạch giảm áp 52 4.6.2 Lựa chọn mạch giảm áp 53 4.7 Lựa chọn Pin 54 4.7.1 Tiêu chí lựa chọn Pin 54 4.7.2 Tính tốn dung lượng cần thiết 54 4.7.3 Lựa chọn Pin 54 4.8 Sơ đồ nguyên lý mạch tổng 55 MƠ HÌNH HỐ 58 5.1 Xây dựng phương trình động học 58 5.2 Mơ hình tốn xác định sai số 59 5.3 Mô hình hố động 60 5.3.1 Xác định thông số lấy mẫu động .60 5.3.2 Kiểm tra quan hệ tuyến tính động – driver với tín hiệu đầu vào 61 v 5.3.3 Xây dựng hàm truyền động 61 5.4 Thiết kế điều khiển 63 5.4.1 Tiêu chí thiết kế điều khiển 63 5.4.2 Xây dựng điều khiển mơ hình tốn 65 5.5 Mô chuyển động xe 69 5.6 Nhận xét kết mô 71 THIẾT KẾ HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN 73 6.1 Lưu đồ giải thuật điều khiển 73 6.2 Thiết kế giao diện điều khiển 77 THỰC NGHIỆM 79 vi DANH MỤC HÌNH ẢNH Hình 1.1 Các phương pháp sử dụng để dẫn hướng cho AGV Hình 1.2 Sơ đồ nguyên lý sử dụng robot nghiên cứu Hình 1.3 Robot Q3-600C Hình 1.4 Sơ đồ nguyên lý Q3-600C Hình 1.5 Robot vận chuyển cho dây chuyền lắp ráp SMT Hình 1.6 Sơ đồ nguyên lý robot vận chuyển cho dây chuyền lắp ráp SMT Hình 1.7 Kết cấu xe bánh gồm bánh dẫn động bánh bị động Hình 1.8 Sơ đồ nguyên lý xe bánh rẽ hướng chủ động Hình 1.9 Cơ cấu điều khiển rẽ hướng bốn khâu lề cho sơ đồ (a) Hình 1.10 Điều khiển rẽ hướng sơ đồ (b) Hình 1.11 Các loại cảm biến nhận diện đường dẫn sử dụng Hình 1.12 Các phương pháp bố trí cảm biến 12 Hình 1.13 Phương pháp so sánh 12 Hình 1.14 Thuật tốn phát đường line theo phương pháp 13 Hình 1.15 Sơ đồ giải thuật PID 15 Hình 1.16 Bộ điều khiển fuzzy 15 Hình 1.17 Sơ đồ sa bàn cho robot phân phối hàng hoá theo màu sắc .18 Hình 2.1 Sơ đồ nguyên lý xe bánh 19 Hình 2.2 Sơ đồ nguyên lý xe bánh 19 Hình 2.3 Sơ đồ nguyên lý lựa chọn 24 Hình 3.1 Sơ đồ nguyên lý dẫn hướng sử dụng cấu Ackermann 25 Hình 3.2 Mơ hình xe tiến hành vào cua với cấu ackermann lý tưởng 26 Hình 3.3 Sơ đồ nguyên lý cấu khâu lề sử dụng 27 vii Hình 3.4 Phân tích lực bánh xe 28 Hình 3.5 Thành phần lực ma sát cản trở lên bánh dẫn hướng 31 Hình 3.6 Cơ cấu tác động trực tiếp lên bánh xe rẽ hướng 31 Hình 3.7 Cơ cấu điều khiển rẽ hướng 32 Hình 3.8 Khâu dẫn 32 Hình 3.9 Nhóm tĩnh định 32 Hình 3.10 Hoạ đồ véc tơ nhóm tĩnh định 33 Hình 3.11 Khâu dẫn (khâu điều khiển) 33 Hình 3.12 Nhóm tĩnh định cấu điều khiển 34 Hình 3.13 Hoạ đồ véc tơ nhóm tĩnh định 34 Hình 3.14 Mơ hình 3D robot phân phối hàng hố theo màu sắc 36 Hình 3.15 Mơ hình cấu rẽ hướng 37 Hình 4.1 Sơ đồ khối hệ thống điện 38 Hình 4.2 Kích thước cảm biến TCRT5000 39 Hình 4.3 Nguyên lý hoạt động TCRT5000 40 Hình 4.4 Đường đặc tuyến với 41 Hình 4.5 Đường đặc tuyến với 41 Hình 4.6 Giá trị analog theo chiều cao gá đặt cảm biến 43 Hình 4.7 Giá trị analog so với vị trí tâm line độ cao h=12 mm 44 Hình 4.8 Các cách bố trí cảm biến 44 Hình 4.9 Vùng hoạt động cảm biến 45 Hình 4.10 Sơ đồ vùng quét cảm biến đường line 45 Hình 4.11 Khoảng cách ngắn đầu thu cảm biến 46 Hình 4.12 Bố trí dãy cảm biến theo chiều ngang line 47 viii Hình 4.13 Sơ đồ nguyên lý mạch cảm biến dò line 47 Hình 4.14 Sai lệch vị trí thực tế với vị trí xấp xỉ phương pháp trung bình trọng số 49 Hình 4.15 Driver TB6612 50 Hình 4.16 Cảm biến màu sắc TCS3200 51 Hình 4.17 Module Bluetooth HC-05 52 Hình 4.18 Mạch giảm áp DC-DC BUCK LM2596 3A 53 Hình 4.19 Pin Lipo 2200mAh 55 Hình 4.20 Khối điều khiển 55 Hình 4.21 Khối nguồn 56 Hình 4.22 Các khối cảm biến bluetooth 56 Hình 4.23 Khối Driver Động 57 Hình 5.1 Mơ hình tốn xe dò line 58 Hình 5.2 Đồ thị mối quan hệ %PWM số vòng quay động - driver JGB37 TB6612 61 Hình 5.3 Import liệu lấy vào System Identification 62 Hình 5.4 Kết tính tốn từ System Identification 63 Hình 5.5 Sơ đồ khối hệ thống 65 Hình 5.6 Sơ đồ khối điều khiển động – driver 65 Hình 5.7 Sơ đồ khối điều khiển PID động – driver 65 Hình 5.8 Sử dụng PID Tuner Matlab Simulink 66 Hình 5.9 Thơng số đáp ứng hệ thống 67 Hình 5.10 Kết mơ hình hố robot bám theo line trường hợp line 69 Hình 5.11 Kết sai số e2 trường hợp rẽ line 69 Hình 5.12 Kết vận tốc góc trường hợp rẽ line 70 ix