Báo cáo cuối kỳ môn tư duy công nghệ và thiết kế kỹ thuật đề tài thiết kế robot dò đường

ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI TRƯỜNG ĐIỆN - ĐIỆN TỬ BÁO CÁO CUỐI KỲ Môn: Tư công nghệ thiết kế kỹ thuật ĐỀ TÀI: THIẾT KẾ ROBOT DỊ ĐƯỜNG Họ tên sinh viên: Nhóm Phạm Thanh Hà Nguyễn Sỹ Hiếu Hồ Minh Quân Phạm Quang Sơn Bùi Thanh Xuân Mã lớp: 137369 Giảng viên hướng dẫn: TS Nguyễn Thái Hà Hanoi, 2/2023 NỘI DUNG I Xác định vấn đề II Nghiên cứu, thu thập liệu III Xác định yêu cầu Mục tiêu thiết kế Yêu cầu chức .4 Yêu cầu phi chức IV Phương án thiết kế Nguyên lý hoạt động V Thiết kế tổng quan Thiết kế tổng quan Thiết kế sơ .6 VI Lựa chọn linh kiện Khối nguồn Khối cảm biến Khối điều khiển Khối động 10 VII Tạo nguyên mẫu 11 VIII Đánh giá .12 I Xác định vấn đề Trong sống đại, nơi máy móc áp dụng phổ biến vào lĩnh vực để giảm tác động trực tiếp người đến hoạt động đời sống, từ giúp tăng suất, độ xác vận hành Các phương tiện tự vận hành (Automated guided vehicle – AGV) robot tự động sử dụng nhiều ứng dụng kể Nói cách khác AGV trở thành giải pháp để tiến thời gian vận hành Nhóm chúng tơi thực ấn tượng với loại robot tự vận hành kể Với đa dạng ứng dụng đời sống thực tiễn kể tới như: Sản xuất: robot vận chuyển hàng hóa Vận tải: ô tô tự lái Đồ gia dụng: robot lau nhà Y tế: xe phục vụ V.v II Nghiên cứu, thu thập liệu Hiện nay, thị trường AGV thị trường có tốc độ tăng trưởng với tốc độ khoảng 35% / năm Giá trị thị trường dự kiến tăng nhanh đạt ngưỡng 13,2 tỷ USD năm 2026 Như vậy, thị trường có tiềm phát triển nhanh Đối với mơ hình xe dị đường đơn giản, có phân loại chia thành loại sau: - Điều hướng lazer Điều hướng đường viền Điều hướng điểm từ tính Điều hướng module hồng ngoại Với mục tiêu mong muốn tạo mơ hình đơn giản có giá thành rẻ với mục đích nghiên cứu thử nghiệm thiết kế Nhóm chúng tơi lựa chọn đề tài “Thiết kế robot rò đường” với phân loại điều hướng module hồng ngoại III Xác định u cầu Mục tiêu thiết kế - Mơ hình xe dò line tránh vật cản Tự vận hành hoạt động xác u cầu chức - Dị đường theo đường line (có lộ trình) - Tự vận hành - Tránh vật cản - Di chuyển ổn định - Dừng lại chỗ Yêu cầu phi chức - Kích thước mạch: đơn giản - Tuổi thọ: sử dụng thời gian dài, an toàn trình sử dụng - Giá thành: rẻ IV Phương án thiết kế Nguyên lý hoạt động Sản phẩm hoạt động dựa nguyên lý thu – phát ánh sáng Hình 1: Nguyên lý thu – phát ánh sáng Các mắt phát phát tia hồng ngoại có bước sóng hồng ngoại Mắt thu bề mặt chứa vùng sáng hấp thụ ánh sáng hồng ngoại Ở trạng thái bình mắt thu có nội trở lớn (hàng trăm Kilo-Ohm) Khi thu tia hồng ngoại vào nội trở mắt thu giảm (giảm vài chục KiloOhm) V Thiết kế tổng quan Thiết kế tổng quan Mạch gồm khối chính: Hình 2: Sơ đồ khối hệ thống Khối nguồn: Đây khối cung cấp lượng điện để trì hoạt động khối lại - Khối cảm biến: Khối thực dò đường nhận biết vật cản Khối điều khiển: Đây khối xử lý trung tâm hệ thống, bao gồm: điều khiển động chiều đọc liệu từ khối cảm biến, so sánh, xuất liệu khối hiển thị để hiển thị kết đo đồng thời gửi liệu phần mềm - Khối động cơ: Khối bao gồm xe vận hành giúp thiết kế chuyển động Thiết kế sơ Xe vận hành có bánh, bánh sau chủ động, bánh trước xoay tròn định hướng (bánh lái) Xe dẫn động động chiều đặt hai bánh sau Phần điều khiển chuyển động chọn mạch cầu H tích hợp sẵn L298 Phần dò đường dung cặp cảm biến (1 led phát hồng ngoại, quang trở) VI Lựa chọn linh kiện Hình 3: Sơ đồ nguyên lý Khối nguồn Ở đây, sử dụng nguồn điện cung cấp pin 18650 loại khơng có đầu bịt với mục đích cung cấp nguồn điện 7.4V cho tồn mạch Hình 4: Nguồn điện: Pin 18650 Đây dịng pin phổ biến thị trường, có khả sạc lại sản xuất nhiều thương hiệu lớn tiếng khác nhau: Sony, Panasonic, Akasha, … Cấu tạo Cathode – điện cực dương: Pin 18650 sử dụng LiMn05 LiCoO2 để làm vật liệu cực dương Khi có dịng điện chạy qua LiMnO5 LiCoO2 bị tác động nguyên tử Li nhanh chóng bị tách khỏi tạo thành ion Li+ Anco – điện cực âm: Sử dụng graphene – than chì carbon khác có chức giữ ion Li+ tinh thể chúng Bộ phận phân tách – màng ngăn cách điện: Được làm từ nhựa PP PE giúp ngăn cách phân tử cực dương cực âm pin Chất phân điện: Phần chất lỏng cực phận phân tách Thông thường chất phân điện dung dịch chứa dung môi hữu LiPF6 Hình 5: Cấu tạo pin 18650 Tuổi thọ Với vòng đời từ 300 đến 500 chu kỳ sạc, pin 18650 sử dụng lâu bền so với loại pin thông thường Song, pin nóng lạnh làm giảm tuổi thọ pin Cách tính dụng lượng: - Vơn tính hiệu điện thế: U = I x R Công suất pin: P = U x I Khối cảm biến Sử dụng cảm biến vật cản hồng ngoại, có khả thích nghi với mơi trường tốt Nguyên lý cảm biến - Nguồn phát hồng ngoại: Sử dụng bóng đèn LED để phát tia sóng hồng ngoại Cảm biến hồng ngoại Khi gặp vật thể, tia hồng ngoại bật ngược lại vào cảm biến hồng ngoại Hình 6: Nguyên lý cảm biến hồng ngoại Khối điều khiển Điều khiển động chiều L298 cách dung phố biến Với IC điều khiển cầu kép tồn kỳ có dải điện áp hoạt động rộng, xử lý dịng tải có mức tối đa 3A Bao gồm điện áp bão hòa thấp bảo vệ nhiệt Cấu tạo từ hai mạch cầu H transistor Hình 8: L298 DC Motor Driver Điều khiển trung tâm hệ thống trung tâm hệ thống bao gồm hoạt động đọc liệu từ khối cảm biến, tính tốn, xuất liệu khối hiển thị gửi liệu phần mềm Từ thấy mạch Arduino UNO R3 lựa chọn hợp lý, dễ dàng lập trình lắp đặt mạch Hình 7: Mạch Arduino UNO R3 Cấu tạo Các chân nguồn: Được cung cấp nguồn 5V Bao gồm Vin (Voltage Input), GND (Ground), IOREF, RESET Các chân vào/ra: Gồm 14 chân digital dùng để đọc ghi liệu Chúng hoạt động mức điện áp 0V 5V với dòng vào/ra tối đa 40mA Bao gồm chân Serial, Chân PWM, Chân giao tiếp SPI, LED 13 Khối động Khối động giúp mơ hình chuyển động Bao gồm phần motor giảm tốc vàng V1 kèm bánh xe sử dụng điện áp hoạt động 3~6V bánh xe dị đường xoay trịn định hướng 10 Hình 9: Motor giảm tốc vàng V1 kèm bánh xe Hình 10: Bộ khung xe VII Tạo nguyên mẫu Sau lập trình mạch điều khiển lắp ráp, chúng tơi có sản phẩm mẫu với kích thước 15 x 20 cm, chạy thử nghiệm băng từ tính, thử nghiệm cảm biến tránh vật cản 11 Hình 11: Nguyên mẫu sản phẩm VIII Đánh giá Ở tại, sau lần đánh giá cho thấy, hệ thống vận hành có ưu điểm sau xe di chuyển bám theo line dừng lại gặp vật cản Song mơi trường ánh sáng có cường độ mạnh, độ xác hệ thống bị giảm Ngồi ra, khả tránh vật cản cịn chưa hoạt động cịn thiếu an tồn sử dụng nguồn không đầu bịt bảo vệ Những hạn chế hệ thống vận hành có số lượng cảm biến cịn hạn chế nên độ xác chưa cao code lập trình cịn chưa chi tiết để kiểm tra toàn trường hợp thực tế Nhận thấy điều trên, nhóm chúng tơi định hướng phát triển chủ yếu tăng cường độ an toàn cho nguồn điện, cải thiện độ xác cảm biến kiểm tra nâng cấp code Arduino cho mơ hình 12