Đề bài 1: Robot phân phối hàng hóa theo khối lượng. Sinh viên được yêu cầu thiết kế một robot phục vụ việc tải hàng và phân phối hàng theo khối lượng. Robot di chuyển trên sa bàn mô tả trong Hình 1. Yêu cầu vận hành của hệ thống như sau: (i) Robot từ vị trí “Bắt đầu” di chuyển đến “Khu vực tải hàng” (được đánh dấu bằng 1 vạch cắt đường dẫn, vạch cắt ngang dài 50 mm và rộng 26 mm) và dừng lại chờ khối hàng được đặt lên bằng tay. (ii) Tại “Khu vực tải hàng”, một khối hàng có trọng lượng 1 kg hoặc 2 kg sẽ được đặt bằng tay lên trên robot. Robot có khả năng nhận biết khối hàng đã tải lên xong. (iii) Sau khi nhận hàng, robot phải di chuyển đến vị trí “Kết thúc” tương ứng với khối lượng gói hàng. Ghi chú: Hình dạng và kích thước tối đa của khối hàng do sinh viên lựa chọn. Sinh viên lựa chọn các cảm biến có thể phân biệt khối lượng (Gợi ý: cảm biến loadcell, cảm biến lực dạng film)
ĐẠI HỌC QUỐC GIA THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA KHOA CƠ KHÍ – BỘ MƠN CƠ ĐIỆN TỬ ĐỒ ÁN THIẾT KẾ HỆ THỐNG CƠ ĐIỆN TỬ Đề tài: ROBOT PHÂN PHỐI HÀNG THEO KHỐI LƯỢNG SVTH: Ngơ Chí Huy - 1913527 Đỗ Thanh Bình – 2033426 Lê Ngọc Hải – 2033503 Trần Nguyễn Thanh Nhân - 2033638 GVHD: Thầy Phùng Thanh Huy Thành phố Hồ Chí Minh, 15 tháng năm 2023 LỜI CẢM ƠN Chúng em xin gửi lời cảm ơn đến Thầy Phùng Thanh Huy tận tình hướng dẫn, trợ giúp nhóm hồn thành đồ án mơn học Thiết kế Hệ thống Cơ điện tử Những kiến thức, kinh nghiệm qua đồ án chuyên ngành hành trang cho chúng em vững bước đường nghiệp mai sau Chúng em chúc thầy sức khoẻ Xin chân thành cảm ơn thầy! Nhóm thực đồ án TP HCM, ngày 15 tháng năm 2023 DANH DÁCH THÀNH VIÊN VÀ PHÂN CÔNG NHIỆM VỤ Thành viên 1: Đỗ Thanh Bình- Nhóm trưởng Nhiệm vụ: Thiết kế thuật toán điều khiển xe Thành viên 2: Trần Nguyễn Thanh Nhân Nhiệm vụ: Thiết kế chọn thiết bị điện Thành viên 3: Lê Ngọc Hải Nhiệm vụ: Thiết kế chọn chi tiết khí Thành viên 4: Ngơ Chí Huy Nhiệm vụ: Thiết kế điều khiển mô động học MỤC LỤC CHƯƠNG I: TỐNG QUAN 10 Sơ lược mobile robot .10 1.Mục tiêu thiết kế 11 1.1 Phần khí 13 1.1.1 Tham khảo mẫu AGV dị line ngồi nước……………….… 15 1.1.2 Các kết cấu nonholonomic .15 1.1.3 Kết cấu Holonomic 20 1.2 Cảm biến phát line 21 1.3 Phần cấu trúc điều khiển 22 1.3.1 Cấu trúc tập trung 23 1.3.2 Cấu trúc phân cấp …… 23 1.4 Bộ điều khiển 24 Chương LỰA CHỌN PHƯƠNG ÁN ……………………………………………25 2.1 Lựa chọn phương án thiết kế khí 25 2.2 Lựa chọn cảm biến ……….25 2.2.1 Lựa chọn loại cảm biến 25 2.2.2 Lựa chọn cảm biến quang dẫn .27 2.2.3 Lựa chọn cảm biến loadcell ………………………………………………… 28 2.3 Lựa chọn giải thuật xử lí tín hiệu cảm biến ……………………………………30 2.3.1 Phương pháp so sánh 30 2.3.2 Phương pháp sấp sỉ bậc 31 2.3.3 Phương pháp trọng số trung bình 31 2.4 Lựa chọn driver 32 2.5 Phần cấu trúc điều khiển 34 2.5.1 Các tiêu đánh giá 34 2.5.2 So sánh cấu trúc điều khiển tập trung phân cấp .34 2.6 Bộ điều khiển 34 2.6.1 Các yếu tố đánh giá 34 2.6.2 Kết luận 37 2.7 Lựa chọn động 38 2.7.1 Các tiêu chí lựa chọn 38 2.7.2 So sánh sơ động có ngồi thị trường …………………… 39 2.7.3 Tính tốn sơ để chọn động phù hợp………………………………… 40 2.7.4 Chọn động phù hợp 42 Chương THIẾT KẾ CƠ KHÍ 43 3.1 Ước lượng số lượng thiết bị có xe 43 3.2 Thiết kế số chi tiết khí 43 3.2.1 Khay đựng tải 43 3.2.2 Đế tải 45 3.2.3 Khung xe 45 3.2.4 Sơ đồ khối tổng thể robot 46 3.3 Mô để kiểm tra độ biến dạng 47 3.3.1 Mô để kiểm tra độ biến dạng phần mềm …………………… 47 3.3.2 Hình ảnh 3D robot sau hoàn thành……………………………… 48 CHƯƠNG THIẾT KẾ HỆ THỐNG ĐIỆN…………………………………… 49 4.1.Sơ đồ hệ thống điện 49 4.2Tính tốn, lựa chọn nguồn cấp cho mạch điện thiết kế mạch cho khối nguồn 49 4.3 Lựa chọn Pin 50 4.4 Thiết kế mạch driver 51 4.5 Thiết kế mạch cảm biến 52 4.5.1 Yêu cầu thiết kế 52 4.5.2 Lựa chọn loại cảm biến quang 52 4.5.3 Tính tốn lựa chọn điện trở bảo vệ cho mạch cảm biến 4.5.4 Xác định cách lắp đặt cảm biến 54 4.5.5 Xác định chiều cao đặt cảm biến 57 4.5.6 Xác định khoảng cách cảm biến 58 4.5.7 Xác định số cảm biến cần thiết .60 4.5.8 Thiết kế mạch cảm biến dò line 60 Chương MƠ HÌNH HĨA HỆ THỐNG……………………………………… 62 5.1Tính tốn động học 62 5.2 Thiết kế điều khiển bám line 63 5.3Tìm Hàm Truyền Động Cơ 68 5.3 Bộ điều khiển PID động 72 Chương MÔ PHỎNG HOẠT ĐỘNG CỦA ROBOT ………………………….75 6.1 Mơ hình hố sa bàn 75 6.2 Mơ hình hóa xe: 75 6.3 Kết mô 76 Chương LẬP TRÌNH ĐIỀU KHIỂN ………………………………………… 80 7.1 Lựa chọn vi điều khiển 80 7.2 Phần mềm lập trình 83 7.3 Lưu đồ giải thuật điều khiển ………………………………………………83 7.3.1 Chương trình …………………………………………………………83 7.3.2 Chương trình loadcell ……………………………………………………….83 7.3.3 Chương trình đọc tín hiệu từ cảm biến dị line ……………………………84 7.3.4 Chương trình PID động …………………………………………………84 7.3.5 Chương trình đọc quảng đường encorder …………………85 TÀI LIỆU THAM KHẢO…………………………………………………………86 DANH MỤC HÌNH ẢNH Hình 1.1: sa bàn u cầu ………………………………………… …………………13 Hình 1.2 Mơ hình động học cấu trúc Tricycle ………………………………………13 Hình 1.3: mơ hình động học Difference drive…………………………………….….17 Hình 1.4: khả bám đường mơ hình………………………………………18 Hình 1.5: Cấu trúc mơ hình động học cấu trúc Synchronous drive……… 20 Hình 1.6 ………………………………………………………………………….……22 Hình 1.7 ……………………………………………………………………… ………23 Hình 1.8: Cấu trúc điều khiển tập trung ……………………………….……………24 Hình 1.9: Cấu trúc điều khiển phân cấp ………………………………….…………25 Hình 2.1 ………………………………………………………………….…… ………27 Hình 2.2: cảm biến loadcell modul adc hx711 ……………………………………30 Hình 2.3: phương pháp so sánh ………………………………………………………31 Hình 2.4: ngun lí phát line cảm biến phương pháp so sánh …… 31 Hình 2.5: phương pháp trọng số trung bình …………………………………………32 Hình 2.6: số driver phù hợp ………………………………… …………………34 Hình 2.7: điều khiên PID ………………………………………… ………………36 Hình 2.8: ngun lí điều khiển trượt …………………………………………………37 Hình 2.9: sơ đồ ngun lí điều khiển Tracking …………………… ……………38 Hình 2.10: loại động …………………………………………… ……………40 Hình 3.1: hình chiếu dài ………………………………….……………………44 Hình 3.2: hình chiếu ngắn …………………………………… ………………45 Hình 3.3: hình chiếu đế khay …………………………………………………………45 Hình 3.4: hình chiếu đế tải ……………………………………………………………46 Hình 3.5: hình chiếu khung xe ………………………………………… ……………47 Hình 3.6: sơ đồ khối xe robot …………………………………………… …………47 Hình 3.7: hình chiếu đứng robot…………………………………………….……… 48 Hình 3.8: mơ ứng suất robot ………………………………….…………48 Hình 3.9: mơ biến dạng robot ……………………………………….… 49 Hình 3.10: hình 3D robot …………………………………………… …………49 Hình 4.1 Sơ đồ khối chung hệ thống điện …………………………… ………50 Hình 4.3 Sơ đồ đấu dây motor driver…………………………………… 53 Hình 4.4 Cảm biến TCRT5000 ……………………… ……………………………54 Hình 4.5 Sơ đồ mạch cảm biến ………………………… …………………………55 Hình 4.8 Đồ thị thể mối quan hệ cách đặt cảm biến X_d ………… 56 Hình 4.9 Sơ đồ hình học ……………………………………………………………56 Hình 4.10 Mơ hình biểu diễn ………………………………………….……………58 Hình 4.13 Vùng thu phát ……………………………………………………………59 Hình 4.15 Trường hợp vùng phát cảm biến nằm line ………….60 Hình 4.16 Trường hợp vùng phát cảm biến nằm line ………….60 Hình 4.17 Bố trí dãy cảm biến so với bề rộng line …………………… …………61 Hình 4.18: Mơ đun dị line KY-033 TCRT5000 ……………………………………62 Hình 4.19: Sơ đồ mạch dị line 5xTCRT5000 ………………………………………62 Hinh 5.1: Mơ hình hóa sai số dị line …………………………………… …………63 Hình 5.2 Vận tốc bánh xe ……………………………………………………………67 Hình 5.3: sử dụng arduino tìm vận tốc …………………………… ………………70 Hình 5.4 tương quan tốc độ động …………………………………………70 Hình 5.5 biểu đồ tương quan ĐC cấp 75% PWN…………………….….71 Hình 5.6 hàm truyền động trái ……………………………………………………72 Hình 5.7 hàm truyền động phải ……………………………………… …………72 Hình 5.8 PID động ………………………………………………………………….73 Hình 6.1 mơ hình hóa sa bàn ………………………………………………….………76 Hình 6.2 Vết bám line robot line ……………………….……………77 Hình 6.3 Đồ thị vận tốc dài bánh ………………………………………………78 Hình 6.4 Sai số 𝑒2 ứng với tốc độ góc 𝜔 robot ……………………… …………78 Hình 6.5 Vết bám line robot line …………………………….………79 Hình 6.6 Đồ thị vận tốc dài bánh ………………………………………………79 Hình 6.7 Sai số 𝑒2 ứng với tốc độ góc 𝜔 robot……………………………………80 Hình 7.1 Vi điều khiển pic16f887 ……………………… ……………………………81 Hình 7.2 Sơ đồ chân pic16f887 ………………………………….……….……………82 Hình 7.3 Giao diện phần mềm Pic C Complier ………………………………………83 DANH MỤC BẢNG Bảng Tổng quan dạng xe dò line……………………………………………… 16 Bảng 2.1 Lựa chọn cảm biến ………………………………………………………….27 Bảng 2.2 Chọn cảm biến quang dẫn TCRT5000 …………………………………….28 Bảng 2.3 Nhóm lựa chọn phương pháp so sánh ……………………… ……………33 Bảng 2.4 đánh giá Driver……………………………………………….………….… 34 Bảng 2.5 Chọn lựa driver L298N ………………………………………………….…34 Bảng 2.6 So sánh cấu trúc điều khiển tập trung phân cấp………………………35 Bảng 2.8 Đánh giá động ………………………………………………………35 Bảng 4.1 Tính tốn nguồn cấp cho mạch điều khiển ………………………………50 Bảng 4.2 Tính tốn nguồn cấp cho mạch động lực ………………………… ……51 Bảng 4.3 So sánh loại Pin ……………………………………………….………51 Bảng 4.4 Giá trị chân điều khiển chức mạch driver – motor…………… 52 Bảng 4.5 Thông số kỹ thuật cảm biến TCRT5000 …………………….………54 Bảng Thông số mô ……………………………………………………….…76 10 Hàm truyền có dạng TF2 = 6,087 3,481+𝑠 5.3 Bộ điều khiển PID động Yêu cầu điều khiển - Hệ số giảm chấn 𝜉 = 1, nhằm hạn chế động thay đổi tốc độ nhanh dẫn đến giật, lắc robot - Thời gian xác lập: 𝑇௦ = 0,1𝑠 (bằng 10 lần chu kỳ lấy mẫu) Mô tả điều khiển Hình 5.8 PID động Thiết kế điều khiển động (động trái) Hàm truyền hệ vòng hở: G1(s) = GPID1(s).GTF1 = 𝐾𝐷1 𝑠 + 𝐾𝑃1 𝑠+𝐾𝐼 5,332 𝑠 3+𝑠 = 5,332(𝐾𝐷1 𝑠 + 𝐾𝑃1 𝑠+𝐾𝐼 ) 𝑠(3+𝑠) Phương trình đặc trưng hệ thống cần thiết kế: + G1(𝑠) = (5,332KD1+1)s2 + (5,332KP1+3)s + 5,332KI = Từ yêu cầu đặt ra, ta xác định tần số dao động riêng 𝜔s tương ứng: 73 Phương trình đặc trưng hệ thống mong muốn có thành phần bậc hai là: s2 + 𝜉ωns + ωn2 = ⇔ 𝑠2 + 80𝑠 + 1600 = Đồng hệ số ta có: 5,332𝐾𝐷1 + = {5,332𝐾𝑃1 + = 80 5,332𝐾1 = 1600 => 𝐾𝐷1 = {𝐾𝑃1 = 14,44 𝐾𝐼1 = 300 Thiết kế điều khiển động (động phải) Hàm truyền hệ vòng hở: G2(s) = GPID2(s).GTF2 = 𝐾𝐷2 𝑠 + 𝐾𝑃2 𝑠+𝐾𝐼2 𝑠 6,087 3,48+𝑠 = 6,087(𝐾𝐷2 𝑠 + 𝐾𝑃2 𝑠+𝐾𝐼2 ) 𝑠(3,48+𝑠) Phương trình đặc trưng hệ thống cần thiết kế: + G2(𝑠) = (6,087KD2+1)s2 + (6,087KP2-3,481)s + 6,087KI = Từ yêu cầu đặt ra, ta xác định tần số dao động riêng 𝜔s tương ứng: Phương trình đặc trưng hệ thống mong muốn có thành phần bậc hai là: 74 s2 + 𝜉ωns + ωn2 = ⇔ 𝑠2 + 80𝑠 + 1600 = Đồng hệ số ta có: 6,087𝐾𝐷1 + = {6,087𝐾𝑃1 + 3,481 = 80 6,087𝐾1 = 1600 => 𝐾𝐷1 = {𝐾𝑃1 = 12,53 𝐾𝐼1 = 263 75 Chương MƠ PHỎNG HOẠT ĐỘNG CỦA ROBOT 6.1 Mơ hình hố sa bàn Hình 6.1 mơ hình hóa sa bàn Mơ hình hố sa bàn Matlab Sa bàn chia làm ba đoạn đường, đoạn đường thứ đoạn đường di chuyển chung, đoạn lại hai đoạn rẻ nhánh tuỳ thuộc vào khối lượng hàng hố robot vận chuyển 5.2 Mơ hình hóa xe: Bảng Thông số mô Tên thông số Giá Trị Kp ĐC trái 15.53 Ki ĐC trái 263 Kd ĐC trái Kp ĐC phải 14,44 Ki ĐC phải 300 Kd ĐC phải 76 Kp Bám Line 0,02835 Kd Bám Line 0,00017 Ki Bám Line Khoảng cách bánh 185 (mm) Khoảng cách từ cảm biến đền trục động 195 (mm) Đường kính bánh xe 65 (mm) 5.3 Kết mơ Hình 6.2 Vết bám line robot line 77 Hình 6.3 Đồ thị vận tốc dài bánh Hình 6.4 Sai số 𝑒2 ứng với tốc độ góc 𝜔 robot 78 Mô tương tự với đường line nằm bên dưới: Hình 6.5 Vết bám line robot line Hình 6.6 Đồ thị vận tốc dài bánh 79 Hình 6.7 Sai số 𝑒2 ứng với tốc độ góc 𝜔 robot 80 Chương LẬP TRÌNH ĐIỀU KHIỂN 7.1 Lựa chọn vi điều khiển Theo sơ đồ khối hệ thống điều khiển cần vi điều khiển điều khiển toàn hoạt động xe Nên vi điều khiển chọn cần phải đủ chân vật lý để truyền nhận tín hiệu phải đủ mạnh để xử lý chương trình Yêu cầu vi điều khiển là: - Đọc giá trị analog cảm biến - Đọc giá trị từ Loadcell - Đọc tín hiệu trả từ encoder động để tính vận tốc thực xe - Cấp xung PWM để điều khiển động Từ yêu cầu nhóm định sử dụng vi điều khiển PIC 16f887 hảng microchip Hình 7.1 Vi điều khiển pic16f887 81 Hình 7.2: Sơ đồ chân pic16f887 PIC (Programmable Intelligent Computer) nghĩa “Máy tính thơng minh khả trình” xuất phát từ vi điều khiển PIC PIC1650, hãng General Instrument đặt tên Sau hãng Microchip tiếp tục phát triển loại PIC cho đời gần 100 loại PIC đến Vi điều khiển PIC16F887 vi điều khiển bit thiết kế theo công nghệ CPU RSIC cho công suất tối đa với điện tiêu thụ thấp Có tổng cộng 40 chân có nhiều gói chân đáp ứng yêu cầu mạch nhỏ gọn đại, ví dụ package QFN TQFP 44 chân PIC16F887 hỗ trợ giao thức liệu đại cho nhà thiết kế có nhiều chân nên hầu hết giao thức thực lúc mà không ảnh hưởng đến giao thức khác PIC có nhiều chức có nhiều kênh chuyển đổi ADC xung clock bên Thông số kỹ thuật: Kích thước nhớ chương trình: 8KB Tốc độ CPU: MIPS Bộ nhớ SRAM: 368 byte Bộ nhớ EEPROM: 256 byte Thiết bị ngoại vi giao tiếp: cổng I2C, cổng SPI, cổng UART, cổng MSSP Capture/Compare/PWM: input capture, CCP (thanh điều rộng xung PWM) 82 Timer: timer 8bit, timer 16bit ADC: kênh ADC, độ phân giải 10bit Nhiệt độ hoạt động: -40 đến 125ºC Điện áp hoạt động: đến 5.5V Số chân: 40 chân Tần số hoạt động tối đa 20 MHz 6.2 Phần mềm lập trình Hiện có nhiều phần mềm lập trình cho vi điều khiển Pic16f887 Nhóm em sử dụng phần mền Pic C Complier Hình 7.3 Giao diện phần mềm Pic C Complier 83 6.3 Lưu đồ giải thuật điều khiển 6.3.1 Chương trình 6.3.2 Chương trình loadcell 84 6.3.3 Chương trình đọc tín hiệu từ cảm biến dị line: 6.3.4 Chương trình PID động 85 6.3.5 Chương trình đọc quảng đường encorder: 86 TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] Design and implementation of double line follower robot, V Hymavathi et al./ International Journal of Engineering Science and Technology (IJEST) [2] Driving control module for low cost industrial automated guided vehicle ES Maarif and T Moyo, Automation Laboratory, Astra Manufacturing Polytechnics, Jarkarta, Indonesia [3] Envolving a Line following Robot to use in shopping centers for entertainment, Ilknur Colak, Instabul Technical University [4] Reza N Jazar (2017) – Vehicle Dynamics: Theory and Applications, Springer International Pulishing [5] Nguyễn Hữu Cẩn (2005) – Lý thuyết ô tô máy kéo, Nhà xuất Khoa học Kĩ thuật, Hà Nội [6] Royal Academy of Engineering – Friction and sliding, Motorola Solutions Foudation [7] CLR Company – What is the factor of service and how you caculate it? [8] Trịnh Chất, Lê Văn Quyển – Tính tốn thiết kế hệ thống dẫn động khí (tái lần thứ 6, Nhà xuất giáo dục Việt Nam) [9] Trịnh Chất, Lê Văn Quyển – Tính tốn thiết kế hệ thống dẫn động khí (tái lần thứ 6, Nhà xuất giáo dục Việt Nam) [10] Ninh Đức Tốn – Dung sai lắp ghép (tái lần thứ 11), Nhà xuất giáo dục Việt Nam 87