Tối ưu bộ điều khiển cho thiết bị tự hành

ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI TRƯỜNG CƠ KHÍ LUẬN VĂN THẠC SĨ Tối ưu điều khiển cho thiết bị tự hành NGUYỄN QUỐC HUY huy.nq211288M@sis.hust.edu.vn Ngành Kỹ thuật Cơ điện tử Giảng viên hướng dẫn: TS Nguyễn Ngọc Kiên Khoa Khoa Cơ khí Chế tạo máy HÀ NỘI, 04/2023 Chữ ký GVHD CỘNG HÒA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM Độc lập – Tự – Hạnh phúc BẢN XÁC NHẬN CHỈNH SỬA LUẬN VĂN THẠC SĨ Họ tên tác giả luận văn: NGUYỄN QUỐC HUY Đề tài luận văn: Tối ưu điều khiển cho thiết bị tự hành Chuyên ngành: Kỹ thuật điện tử Mã số HV: 20211288M Tác giả, Người hướng dẫn khoa học Hội đồng chấm luận văn xác nhận tác giả sửa chữa, bổ sung luận văn theo biên họp Hội đồng ngày 27/04/2023 với nội dung sau: – Bổ sung bình luận luận giải kết mơ phỏng, tính tốn, từ làm bật đóng góp tác giả cơng trình nghiên cứu lĩnh vực tác giả nghiên cứu – Chỉnh sửa lỗi đánh máy, lỗi tả luận văn – Bổ sung đánh số công thức luận văn – Điều chỉnh bố cục luận văn soạn thảo văn theo quy định Ngày 30 tháng 04 năm 2023 Giáo viên hướng dẫn Tác giả luận văn TS Nguyễn Ngọc Kiên Nguyễn Quốc Huy CHỦ TỊCH HỘI ĐỒNG TS Nguyễn Thành Nhân ĐỀ TÀI LUẬN VĂN Lý chọn đề tài Nhu cầu ngày cao thị trường cạnh tranh với tốc độ nhanh chóng tiến công nghệ dẫn đến việc nhiều công ty áp dụng chiến lược để tối ưu hóa quy trình sản xuất nâng cao chất lượng sản phẩm, đồng thời nỗ lực liên tục để điều chỉnh cải tiến hệ thống sản xuất để khơng bị tụt lại phía sau Đặc biệt lĩnh vực vận chuyển, chuyển phát nhanh Văn hóa tiêu dùng chuyển từ mua hàng trực tiếp thành mua hàng trực tuyến gia tăng theo cấp số nhân Theo đó, thách thức thời gian chi phí vận chuyển đơn vị lớn Do đó, ưu tiên họ liên tục tối ưu hóa trình xử lý hậu cần nội để tổ chức công ty đảm bảo giao hàng ngày nhanh Với phát triển thương mại điện tử, dịch vụ logistics cần có giải pháp AGV giải tất thách thức nảy sinh chuỗi phân phối: Đầu tiên quan trọng nhất, chúng tăng suất, tốc độ chất lượng Bằng cách cho phép nhà khai thác xử lý khối lượng hàng hóa lớn hơn, đồng thời mang lại độ tin cậy Cách tiếp cận nhanh 30% so với người làm việc có lỗi Do đó, cơng ty liên tục hoàn thành đơn đặt hàng họ nhanh hơn, đồng thời mang lại an toàn cao cho người hàng hóa AGV tạo điều kiện làm việc tốt với hỗ trợ học chúng, giúp giảm đáng kể rối loạn xương cho người lao động tai nạn nơi làm việc Chúng cho phép tiết kiệm không gian kho tổ chức tốt tối ưu hóa khơng gian, phù hợp hồn tồn với trung tâm phân phối hàng hóa Amazon đơn vị tiên phịng tích hợp tích hợp cơng nghệ AGV cách tạo phương tiện thơng minh riêng Tiếp bước Alibaba sử dụng hệ thống kho thông minh, robot di động- phát triển cao AGV Chính vậy, doanh nghiệp tạo lợi cạnh tranh định Do đó, kỹ sư trưởng phận vận hành công ty chuyển phát nhanh logistics, tác giả nhận thấy tầm quan trọng việc phát triển công nghệ xe tự hành lĩnh vực công ty Tuy nhiên, xe tự hành cơng nghệ mới, cịn nhiều vấn đề tồn toán điều khiển xe tự hành hiệu quả, suất cao môi trường công nghiệp Tối ưu điều khiển cho xe tự hành áp dụng lĩnh vực kho vận toán cấp bách cần giải Ý nghĩa mặt lý luận thực tiễn đề tài – Nghiên cứu, triển khai hệ thống xe tự lái vào thực tế sản xuất – Hình thành quy trình thiết kế chế tạo xe tự hành doanh nghiệp Việt Nam – Đưa kỹ thuật công nghệ tiên tiến cải thiện điều kiện sản xuất doanh nghiệp logistic Việt Nam – Sản phẩm luận văn ứng dụng vào hệ thống kho vận, chuyển phát nhanh công ty kho vận chuyển phát nhanh logistics Mục đích nghiên cứu đề tài – Tổng quan điều khiển xe tự hành ứng dụng xe tự hành lĩnh vực kho vận – Tối ưu điều khiển cho xe tự hành đáp ứng doanh nghiệp Viêt Nam – Thiết kế điều khiển cho xe tự hành tối ưu lĩnh vực kho vận công ty Đối tượng phạm vi nghiên cứu đề tài Đối tượng nghiên cứu đề tài thiết bị điều khiển xe tự hành ứng dụng lĩnh vực kho vận Phương pháp nghiên cứu đề tài Sử dụng phương pháp nghiên cứu lý thuyết kết hợp với thực nghiệm: – Xây dựng mơ hình động học, thuật toán điều khiển tối ưu sơ đồ khối chức điện – điện tử điều khiển xe tự hành – Thiết kế, chế tạo điều khiển mơ hình xe tự hành – Mơ kết hợp với thực nghiệm điều khiển xe tự hành thực tế điều kiện làm việc công ty Kết cấu luận văn Luận văn chia thành chương: - Chương 1: Tổng quan xe tự hành ứng dụng lĩnh vực kho vận - Chương 2: Tối ưu điều khiển cho xe tự hành ứng dụng công ty chuyển phát nhanh - Chương 3: Thiết kế, chế tạo xe tự hành ứng dụng công ty chuyển phát nhanh Giáo viên hướng dẫn (Ký ghi rõ họ tên) TS Nguyễn Ngọc Kiên Lời cam đoan Tác giả xin cam đoan cơng trình nghiên cứu riêng tác giả, thân tác giả thực hướng dẫn khoa học tập thể thầy hướng dẫn Các số liệu luận án trung thực chưa tác giả khác công bố Hà Nội, ngày 30 tháng 04 năm 2023 Tác giả luận văn Nguyễn Quốc Huy 11 Lời cảm ơn Lời luận văn tác giả xin gửi lời cảm ơn chân thành đến thầy giáo, Tiến sỹ Nguyễn Ngọc Kiên người trực tiếp hướng dẫn, giúp đỡ tạo điều kiện thuận lợi nghiên cứu, định hướng lĩnh vực điều khiển thiết bị tự lái Chúc thầy mạnh khỏe, công tác tốt ngày có nhiều kết từ lĩnh vực nghiên cứu mà thầy yêu mến Tác giả xin gửi lời cám ơn đến bạn bè người thân gia đình tạo điều kiện giúp đỡ mặt q trình hồn thành luận văn Chúc người gặp nhiều may mắn Tác giả xin gửi lời cám ơn đến tất thầy giáo Trường Cơ khí Trung tâm Đào tạo Sau Đại học Đại học Bách Khoa Hà Nội giúp đỡ, bảo, tạo điều kiện cho em hoàn thành luận văn 13 MỤC LỤC CHƯƠNG TỔNG QUAN VỀ XE TỰ HÀNH ỨNG DỤNG TRONG LĨNH VỰC KHO VẬN 23 1.1 Giới thiệu xe tự hành 23 1.2 Nguyên lý hoạt động xe tự hành 23 1.3 Phân loại loại xe tự hành 24 1.3.1 Xe tự hành dạng kéo (Towing Vehicle) 24 1.3.2 Xe tự hành dạng chở (Unit Load Automated Guided Vehicle) 25 1.3.3 Xe tự hành dạng nâng (Fork Vehicle) 25 1.4 Ưu điểm ứng dụng xe tự hành AGV lĩnh vực kho vận 26 1.5 Ứng dụng xe tự hành lĩnh vực kho vận công ty chuyển phát nhanh logistics 28 1.6 Kết luận chương 29 CHƯƠNG TỐI ƯU BỘ ĐIỀU KHIỂN CHO XE TỰ HÀNH ỨNG DỤNG TẠI CÔNG TY CHUYỂN PHÁT NHANH LOGISTICS .30 2.1 Tối ưu thuật toán điều khiển cho xe tự hành 30 2.1.1 Nguyên lý xe tự hành 30 2.1.2 Thuật toán điều khiển xe tự hành 33 2.2 Tối ưu phần cứng điều khiển cho xe tự hành 45 2.2.1 Bộ xử lý 45 2.2.2 Hệ dẫn động 48 2.2.3 Giao thức truyền thông 51 2.3 Kết luận chương: 54 CHƯƠNG THIẾT KẾ, CHẾ TẠO XE TỰ HÀNH ỨNG DỤNG TẠI CÔNG TY CHUYỂN PHÁT NHANH LOGISTICS .55 3.1 Yêu cầu thiết kế xe tự hành AGV 55 3.2 Cấu trúc hệ khí xe tự hành AGV 56 3.3 Cấu trúc điện – điện tử điều khiển xe tự hành AGV 56 3.3.1 Thiết kế khối xử lý 58 3.3.2 Thiết kế khối giao tiếp 63 3.3.3 Thiết kế khối động lực 65 3.3.4 Thiết kế khối nguồn 67 3.4 Chế tạo xe tự hành AGV ứng dụng công ty chuyển phát nhanh 70 3.5 Kết luận chương 73 KẾT LUẬN 74 DANH MỤC TÀI LIỆU THAM KHẢO 75 15 DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT AGV (Autonomous Guided Vehicle): Xe tự hành GPS (Global Positioning System): Hệ thống định vị toàn cầu PCB (Printed Circuit Board): Bảng mạch in điện tử ADC (Analog-to-Digital Converter): chuyển đổi tín hiệu analog sang tín hiệu kỹ thuật số PID (Proportional Integral Derivative): Bộ điều khiển tỉ lệ, tích phân, vi phân LED (Light-Emitting-Diode): Đi-ốt phát quang RFID (Radio Frequency Identification): Công nghệ nhận dạng đối tượng sóng vơ tuyến SMT (Surface Mount Technology): Cơng nghệ gắn kết bề mặt NFC (Near-Field Communications): Công nghệ kết nối không dây tầm ngắn VCC Điện áp cung cấp GND (Ground): Đất điện áp cung cấp TIMER Bộ đếm thời gian DC (Dirrect current): Dòng điện chiều PWM (Pulse Width Modulation): Phương pháp điều chế độ rộng xung ngắn RAM (Random Access Memory): Bộ nhớ truy cập ngẫu nhiên SPI (Serial Peripheral Interface): Giao diện ngoại vi nối tiếp I2C (Inter-Integrated Circuit): Truyền thông đồng nối tiếp UART (Universal Asynchronous Receiver-Transmitter): Bộ truyền nhận liệu nối tiếp bất đồng USB (Universal Serial Bus): Chuẩn kết nối truyền liệu số 17 DANH MỤC HÌNH VẼ Hình 1.1 Xe tự hành 23 Hình 1.2 Xe tự hành dạng kéo 24 Hình 1.3 Xe tự hành dạng chở 25 Hình 1.4 Xe tự hành dạng nâng 25 Hình 1.5 Ứng dụng xe tự hành lĩnh vực kho bãi 27 Hình 1.6 Xe tự hành bám vạch công ty chuyển phát nhanh 28 Hình 2.1 Các trạng thái xe tự hành AGV (a) Xe giữa, (b) Xe lệch trái, (c) Xe lệch phải 30 Hình 2.2 Xe tự hành AGV bám vạch 31 Hình 2.3 Nguyên lý xe tự hành dẫn đường RFID 32 Hình 2.4 Sơ đồ hoạt động điều khiển PID 33 Hình 2.5 Thuật tốn hiệu chỉnh điều khiển PID 34 Hình 2.6 Mơ hình động học xe tự hành 35 Hình 2.7 Phương pháp phát sai lệch е3 38 Hình 2.8 Mơ quỹ đạo xe tự hành chưa áp dụng điều khiển tối ưu 39 Hình 2.9 Mơ vận tốc góc hai bên bánh xe tự hành chưa áp dụng điều khiển tối ưu 40 Hình 2.10 Mô vận tốc xe tự hành chưa áp dụng điều khiển tối ưu 40 Hình 2.11 Mơ sai lệch e2 khơng có điều chỉnh 41 Hình 2.12 Mơ sai lệch e3 khơng có điều chỉnh 41 Hình 2.13 Mô quỹ đạo xe tự hành áp dụng điều khiển tối ưu 42 Hình 2.14 Mơ vận tốc góc bánh xe áp dụng điều khiển tối ưu 43 Hình 2.15 Mơ vận tốc xe tự hành áp dụng điều khiển tối ưu 43 Hình 2.16 Mơ sai lệch e2 áp dụng điều khiển tối ưu 44 Hình 2.17 Mơ sai lệch e3 áp dụng điều khiển tối ưu 44 Hình 2.18 Vi điều khiển STM32F103C8T6 45 Hình 2.19 Vi xử lý Raspberry Pi 46 Hình 2.20 Bánh xe tích hợp động DC không phản hồi 48 Hình 2.21 Động DC Servo 50 Hình 2.22 Module thu phát Bluetooth HC05 51 Hình 2.23 Module thu phát sóng RFID HC12 53 Hình 3.2 Cấu trúc điện - điện tử xe tự hành AGV 57 Hình 3.3 Cấu hình chân GPIO Raspberry Pi 58 Hình 3.4 Sơ đồ nguyên lý GGPM01U 59 19 Hình 2.9 Mơ vận tốc góc hai bên bánh xe tự hành chưa áp dụng điều khiển tối ưu Vận tốc xe tự hành: Tương tự vận tốc góc bánh xe, ảnh hưởng thay đổi hướng, vận tốc xe tự hành thời điểm ban đầu không ổn định dần đạt giá trị ổn định m/s Quá trình thay đổi vận tốc thể đồ thị Hình 2.10 Hình 2.10 Mơ vận tốc xe tự hành chưa áp dụng điều khiển tối ưu 40 Sai lệch e2: Khi xe tự hành lắc sang trái phải, biểu đồ sai lệch e2 thể dao động tắt dần Đồ thị sai lệch e2 thể Hình 2.11 Hình 2.11 Mơ sai lệch e2 khơng có điều chỉnh Sai lệch e3: Tương tự sai lệch e2, đồ thị sai lệch e3 có dạng dao động tắt dần không Sai lệch e3 thể đồ thị Hình 2.12 Hình 2.12 Mơ sai lệch e3 khơng có điều chỉnh 41 b) Chuyển động xe tự hành áp dụng thuật toán điều khiển tối ưu Quỹ đạo: Sau điều khiển thực điều chỉnh lặp lặp lại hệ số k1, k2, k3, quỹ đạo xe tự hành biển diễn đồ thị Hình 2.13 Xe tự hành bắt đầu chuyển động từ vị trí lệch khỏi quỹ đạo mong muốn nhờ điều khiển tính tốn vận tốc bánh xe phù hợp dựa tín hiệu thu từ cảm biến, sai lệch nhanh chóng giảm bớt, xe tự hành khơng bị lắc di chuyển nhanh bám theo quỹ đạo u cầu Hình 2.13 Mơ quỹ đạo xe tự hành áp dụng điều khiển tối ưu Vận tốc góc bánh xe: Do xe tự hành khơng thay đổi hướng liên tục nên vận tốc góc bánh xe xe tự hành giữ trạng thái ổn định Vận tốc góc bánh xe sử dụng điều chỉnh “Tracking” thể đồ thị Hình 2.14 42 Hình 2.14 Mơ vận tốc góc bánh xe áp dụng điều khiển tối ưu Vận tốc xe tự hành: Do vận tốc góc bánh xe ổn định nên vận tốc xe tự hành giữ trạng thái ổn định Vận tốc xe tự hành áp dụng điều chỉnh “Tracking” thể đồ thị Hình 2.15 Hình 2.15 Mơ vận tốc xe tự hành áp dụng điều khiển tối ưu 43 Sai lệch e2: Được tối ưu điều khiển, giá trị sai lệch e2 giảm đáng kể xuống tới giữ trạng thái ổn định, đồ thị sai lệch e2 thể Hình 2.16 Hình 2.16 Mô sai lệch e2 áp dụng điều khiển tối ưu Sai lệch e3: Tương tự sai số e2, giá trị sai số e3 giảm xuống nhanh đến gần giữ trạng thái ổn định Quá trình thể đồ thị Hình 2.17 Hình 2.17 Mơ sai lệch e3 áp dụng điều khiển tối ưu 44 Kết luận: Thuật toán PID kết hợp điều chỉnh “Tracking” lựa chọn để tối ưu điều khiển xe tự hành ứng dụng lĩnh vực kho vận 2.2 Tối ưu phần cứng điều khiển cho xe tự hành 2.2.1 Bộ xử lý Xe tự hành phát triển nghiên cứu trước sử dụng vi điều khiển STM32F103C8T6 Hình 2.18 Vi điều khiển STM32F103C8T6 Vi điều khiển máy tính tích hợp chip, thường sử dụng để điều khiển thiết bị điện tử Vi điều khiển, thực chất, hệ thống bao gồm vi xử lý có hiệu suất đủ dùng giá thành thấp (khác với vi xử lý đa dùng máy tính) kết hợp với khối ngoại vi nhớ, module vào/ra, module biến đổi số sang tương tự tương tự sang số, Ở máy tính module thường xây dựng chip mạch Nhược điểm vi điều khiển: – Vi điều khiển có kiến trúc phức tạp so với vi xử lý – Chỉ thực đồng thời số lệnh thực thi giới hạn – Chủ yếu sử dụng thiết bị vi mô – Không thể trực tiếp giao tiếp thiết bị công suất cao 45 Kết luận: Tuy vi điều khiển có nhiều ưu điểm kích thước nhỏ, tính tích hợp cao giá thành rẻ điều kiện mơi trường doanh nghiệp cần tính hiệu ổn định vi điều khiển bộc lộ nhiều nhược điểm khả tính tốn cịn giới hạn, khơng tối ưu để giải tốn kho hàng hóa phức tạp Do đó, điều khiển Raspberry Pi sử dụng đề tài luận văn lần để khắc phục tồn nghiên cứu trước Raspberry Pi loại vi xử lý mạnh mẽ nhỏ gọn, sản xuất Raspberry Pi Foundation Nó máy tính nhúng (embedded computer) chạy hệ điều hành Linux thiết kế để giúp nhà phát triển, tinkerer người dùng tạo dự án IoT (Internet of Things), thiết bị điện tử nhỏ, máy tính nhúng nhiều ứng dụng khác Hình 2.19 Vi xử lý Raspberry Pi Ưu điểm Raspberry Pi 4: – Hiệu mạnh mẽ: Raspberry Pi có xử lý ARM Cortex-A72 64-bit tốc độ 1.5GHz RAM lên đến 8GB, cho phép xử lý nhanh chạy nhiều ứng dụng lúc – Độ phân giải cao: Raspberry Pi hỗ trợ độ phân giải lên đến 4K với tốc độ 60Hz, cho phép người dùng xem video chơi game với chất lượng hình ảnh tốt 46 – Đa dạng cổng kết nối: Raspberry Pi có cổng kết nối USB, HDMI, Ethernet, Wi-Fi, Bluetooth GPIO, cho phép kết nối với nhiều thiết bị khác mở rộng chức – Dễ dàng sử dụng: Raspberry Pi có hỗ trợ hệ điều hành Linux phiên tùy chỉnh cho mục đích sử dụng cụ thể, giúp người dùng dễ dàng lập trình tùy chỉnh – Giá thành phải chăng: Raspberry Pi có giá thành hợp lý so với tính hiệu mà cung cấp Nhược điểm Raspberry Pi 4: – Nhiệt độ hoạt động cao: Raspberry Pi có nhiệt độ hoạt động cao so với phiên trước đó, địi hỏi cần đảm bảo quạt tản nhiệt tốt để tránh nóng – Thiếu nhớ tích hợp: Raspberry Pi khơng kèm nhớ trong, người dùng cần phải mua thêm thẻ nhớ MicroSD để lưu trữ hệ điều hành liệu – Khơng có cung cấp nguồn: Raspberry Pi không kèm cung cấp nguồn, người dùng cần phải mua riêng – Có thể có cạnh tranh với sản phẩm loại: Trong số trường hợp, Raspberry Pi bị cạnh tranh với sản phẩm loại khác thị trường, khiến cho khơng đạt ưu so với đối thủ Khả vượt trội Rasberry Pi so với vi điều khiển STM32F103C8T6 sử dụng nghiên cứu trước thể Bảng 2.4 Bảng 2.4 So sánh thông số vi điều khiển STM32F103C8T6 vi xử lý Raspberry Pi Tính STM32F103C8T6 Raspberry Pi Kiểu vi điều khiển 32-bit ARM Cortex-M3 64-bit ARM Cortex-A72 Tốc độ xử lý 72 MHz 1.5 GHz RAM 20 KB - 64 KB GB - GB Bộ nhớ Độ phân giải 64 KB - 128 KB Flash memory Không kèm nhớ trong, có khe cắm thẻ MicroSD Khơng hỗ trợ độ phân giải cao 47 Lên đến 4K @ 60Hz HDMI, Ethernet, USB, Cổng kết nối UART, SPI, I2C, ADC, GPIO, SPI, I2C, ADC, DAC, PWM, GPIO DAC, PWM, Wi-Fi, Bluetooth Hệ điều hành Khơng có hệ điều hành Hỗ trợ hệ điều hành Linux Kết luận: Từ bảng so sánh trên, thấy cấu hình tính tốn Rasberry Pi tối ưu, phù hợp để ứng dụng điều khiển xe tự hành ứng dụng lĩnh vực kho vận 2.2.2 Hệ dẫn động Xe tự hành dùng nguyên lý bám vạch nghiên cứu trước sư dụng động DC khơng phản hồi Hình 2.20 Bánh xe tích hợp động DC khơng phản hồi Động DC khơng phản hồi (hay cịn gọi động DC tốc độ) loại động DC khơng có hệ thống phản hồi tốc độ tích hợp để điều khiển tốc độ Thay đó, động sử dụng phương pháp điều khiển đơn giản cách thay đổi điện áp đầu vào Ưu điểm động DC không phản hồi: – Đơn giản: Động DC không phản hồi có thiết kế đơn giản chi phí thấp so với động DC có phản hồi, khơng cần thiết bị phản hồi tốc độ – Ổn định: Động DC khơng phản hồi có khả trì tốc độ tương đối ổn định phạm vi tải nhỏ 48 – Độ tin cậy: Do khơng có thiết bị phản hồi tốc độ, động DC không phản hồi bị hỏng hóc dễ bảo trì Tuy nhiên, động DC không phản hồi có hạn chế: – Khơng thể trì tốc độ ổn định tải thay đổi: Do khơng có hệ thống phản hồi tốc độ tích hợp, động DC khơng phản hồi khơng thể trì tốc độ ổn định tải thay đổi, dẫn đến chậm chạp giật dây động – Không thể hoạt động tốt tốc độ thấp: Do khơng có hệ thống phản hồi tốc độ, động DC không phản hồi khó hoạt động tốc độ thấp, hiệu suất hoạt động giảm đáng kể – Không thể điều khiển tốc độ xác: Động DC khơng phản hồi khơng thể điều khiển tốc độ xác loại động DC khác, khơng có hệ thống phản hồi tốc độ tích hợp Kết luận: Do tốn xe tự hành AGV ứng dụng lĩnh vực kho vận yêu cầu thay đổi tốc độ nhanh, linh hoạt nên cần sử dụng động DC Servo có phản hồi mạch xử lý nhằm tối ưu điều khiển xe tự hành Động DC servo loại động điện mà tốc độ quay điều chỉnh cách điều chỉnh điện áp đầu vào Đây loại động sử dụng phổ biến ứng dụng đòi hỏi độ xác tốc độ điều khiển cao Cấu tạo động DC servo gồm có rotor (phần quay) stator (phần tĩnh) Stator phận chứa cuộn dây từ tính tạo điện trường, rotor bao gồm nam châm cố định cánh quạt Khi dòng điện đưa vào cuộn dây stator, điện trường tạo lực hút từ stator tới rotor, đẩy rotor quay Để đạt độ xác tốc độ điều khiển cao, động DC servo điều khiển điều khiển điện tử, thường vi xử lý đặc biệt Bộ điều khiển so sánh tốc độ thực tế động với tốc độ mục tiêu điều chỉnh điện áp đầu vào để đưa tốc độ động gần với tốc độ mục tiêu 49 Hình 2.21 Động DC Servo Bảng 2.5 So sánh động DC khơng phản hồi động DC có phản hồi Tính Điều khiển Tốc độ tối đa Độ xác Động DC khơng phản hồi Điều khiển tốc độ cách thay đổi điện áp đầu vào Tốc độ tối đa thấp, thường 5000 vòng/phút đo tốc độ điều chỉnh điện áp đầu vào Tốc độ tối đa cao hơn, thường từ 10.000 đến 50.000 Độ xác khơng cao, thường Độ xác cao hơn, từ 1% đến 5% thường 1% ứng dụng địi hỏi độ xác khơng cao, địi hỏi khả khởi động nhanh chi phí thấp Giá thành Điều khiển tốc độ cách vòng/phút Thường sử dụng Ứng dụng Động DC có phản hồi Thường sử dụng ứng dụng địi hỏi độ xác cao, xe tự hành, máy CNC, máy in 3D thiết bị tự động hóa cơng nghiệp khác Giá thành thấp so với động Giá thành cao so với DC có phản hồi động DC khơng phản hồi 50 Kết luận: Động DC Servo sử dụng thay cho động DC không phản hồi nghiên cứu trước để tối ưu điều khiển cho xe tự hành AGV ứng dụng lĩnh vực kho vận 2.2.3 Giao thức truyền thông Phương thức truyền thông áp dụng xe tự hành AGV phát triển sử dụng giao thức kết nối Bluetooth thông qua module HC05 Hình 2.22 Module thu phát Bluetooth HC05 Module Bluetooth HC05 module Bluetooth có tính đầy đủ, cho phép thiết bị bạn truyền nhận liệu không dây thông qua kết nối Bluetooth Module HC05 cấu thành chip Bluetooth CC2540 hãng Texas Instruments, tích hợp với ăng-ten, linh kiện điện tử chân kết nối Module có chức kết nối ngắt kết nối, truyền nhận liệu, cấu hình module chế độ tiết kiệm lượng Module HC05 sử dụng với nhiều loại vi điều khiển Arduino, AVR, PIC, Raspberry Pi, STM32, v.v Nó sử dụng với thiết bị điện tử thông minh điện thoại di động, máy tính bảng máy tính 51 Module HC05 có hai chế độ chế độ lệnh chế độ liệu Chế độ lệnh sử dụng để cấu hình module, cịn chế độ liệu sử dụng để truyền nhận liệu Các tính Module Bluetooth HC05: – Kết nối Bluetooth 2.0 – Tốc độ truyền liệu lên đến 2,1 Mbps – Khoảng cách hoạt động lên đến 10 mét – Có chế độ tiết kiệm lượng – Sử dụng nguồn điện từ 3,3V đến 5V – Kích thước nhỏ gọn dễ dàng lắp đặt Để sử dụng module HC05, bạn cần phải kết nối chân module với chân tương ứng vi điều khiển thiết bị điện tử khác cấu hình module với lệnh AT để thiết lập tham số tốc độ truyền liệu, địa Bluetooth, mã PIN chức khác Sau cấu hình xong, bạn bắt đầu truyền nhận liệu không dây qua Bluetooth Mặc dù giao thức Bluetooth trở thành công nghệ phổ biến tiện lợi cho việc truyền liệu không dây, nhiên số nhược điểm sau: – Khoảng cách truyền tín hiệu: Khoảng cách tối đa truyền tín hiệu Bluetooth 10 mét giảm có vật cản nhiễu từ tín hiệu khác mơi trường xung quanh – Tốc độ truyền liệu: Tốc độ truyền liệu Bluetooth chưa tối ưu, nhiên với phiên Bluetooth Bluetooth 5.0, tốc độ truyền liệu cải thiện – Tiêu thụ lượng: Bluetooth tiêu thụ lượng lớn, đặc biệt chế độ liên tục kết nối sử dụng Tuy nhiên, Bluetooth Low Energy (BLE) phiên Bluetooth phát triển nhằm giảm thiểu việc tiêu thụ lượng Bluetooth – Bảo mật: Bluetooth có số lỗ hổng bảo mật khắc phục vá phần mềm cập nhật firmware Tuy nhiên, cịn thiết bị 52 Bluetooth khơng bảo mật tốt dễ dàng bị cơng bị truy cập trái phép – Tương thích: Một số thiết bị khơng tương thích với Bluetooth khơng có chức Bluetooth gặp khó khăn việc truyền liệu không dây – Giá thành: Một số thiết bị có tính Bluetooth có giá thành cao so với thiết bị khơng có tính Kết luận: Xe tự hành AGV ứng dụng lĩnh vực kho vận yêu cầu hoạt động phạm vi rộng, tốc độ truyền liệu nhanh, ngăn chặn tác động lên hệ thống… Do đó, cần tìm phương thức truyền thơng khác thay Sau nghiên cứu, phân tích đặc tính kỹ thuật phương thức truyền thông, giao thức truyền thông RF chọn để ứng dụng đề tài luận văn Module HC12 module truyền thông không dây sử dụng công nghệ RF (Radio Frequency) hoạt động tần số 433MHz 868MHz Module HC12 sử dụng phổ biến ứng dụng IoT (Internet of Things), ứng dụng điều khiển từ xa truyền thơng khơng dây Hình 2.23 Module thu phát sóng RFID HC12 Các đặc tính Module HC12: – Khoảng cách truyền thơng: Module HC12 truyền tín hiệu từ đến 1,8 km môi trường đồng giảm khoảng cách truyền có vật cản nhiễu từ tín hiệu khác mơi trường 53 – Tốc độ truyền liệu: Tốc độ truyền liệu Module HC12 lên đến 115,2 kbps điều chỉnh để phù hợp với nhu cầu sử dụng – Tiêu thụ lượng: Module HC12 tiêu thụ lượng thấp, giúp tiết kiệm pin phù hợp với ứng dụng IoT – Bảo mật: Module HC12 có tính mã hóa liệu, giúp bảo vệ liệu truyền tải đường truyền – Kích thước nhỏ gọn: Module HC12 có kích thước nhỏ gọn, dễ dàng sử dụng tích hợp vào ứng dụng nhỏ gọn – Dễ sử dụng: Module HC12 có chức tự động định tuyến tín hiệu tự động điều chỉnh tần số truyền thông, giúp việc sử dụng trở nên dễ dàng Bảng 2.6 So sánh module HC05 HC12 Đặc tính Module HC05 Module HC12 Công nghệ Bluetooth RF (Radio Frequency) Khoảng cách Khoảng cách truyền Khoảng thông tối đa 10m Tiêu thụ lượng cách truyền thông 1-1,8 km Tiêu thụ lượng thấp Tiêu thụ lượng thấp Kết luận: Từ bảng so sánh trên, thấy phương thức truyền thông RF thông qua module HC12 phù hợp tối ưu điều khiển xe tự hành ứng dụng lĩnh vực kho vận 2.3 Kết luận chương: – So sánh nguyên lý điều khiển xe tự hành đưa phương án tối ưu điều khiển xe tự hành – Kết hợp tiêu chí ổn định Lyapunov vào thuật tốn điều khiển tốc độ động giải thuật PID để tối ưu điều khiển – Cải thiện, tối ưu linh kiện phần cứng điều khiển xe tự hành 54