Thiết kế chế tạo và điều khiển agv ứng dụng hỗ trợ vận chuyển trong bệnh viện dã chiến

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ TP HỒ CHÍ MINH ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP THIẾT KẾ, CHẾ TẠO VÀ ĐIỀU KHIỂN AGV ỨNG DỤNG HỖ TRỢ VẬN CHUYỂN TRONG BỆNH VIỆN DÃ CHIẾN NGÀNH: KỸ THUẬT CƠ ĐIỆN TỬ GIẢNG VIÊN HƯỚNG DẪN: ThS LÊ TẤN SANG Sinh viên thực hiện: MSSV: Lớp: Nguyễn Văn Thành Danh 1811030269 18DCTA1 Lâm Quốc Nam 1811030198 18DCTA1 Trần Huy Cường 1811030013 18DCTA1 Tp Hồ Chí Minh, tháng 08 năm 2022 BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC CƠNG NGHỆ TP HỒ CHÍ MINH ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP THIẾT KẾ, CHẾ TẠO VÀ ĐIỀU KHIỂN AGV ỨNG DỤNG HỖ TRỢ VẬN CHUYỂN TRONG BỆNH VIỆN DÃ CHIẾN NGÀNH: KỸ THUẬT CƠ ĐIỆN TỬ GIẢNG VIÊN HƯỚNG DẪN: ThS LÊ TẤN SANG Sinh viên thực hiện: MSSV: Lớp: Nguyễn Văn Thành Danh 1811030269 18DCTA1 Lâm Quốc Nam 1811030198 18DCTA1 Trần Huy Cường 1811030013 18DCTA1 Tp Hồ Chí Minh, tháng 08 năm 2022 LỜI CAM ĐOAN Chúng em xin cam đoan đề tài thiết kế, chế tạo điều khiển AGV ứng dụng hỗ trợ vận chuyển bệnh viện dã chiến tiến hành cách minh bạch, công khai Mọi thứ dựa cố gắng nỗ lực thành viên nhóm với giúp đỡ không nhỏ từ thầy Lê Tấn Sang Các số liệu, kết nêu đồ án trung thực chưa công bố cơng trình khác Tp Hồ Chí Minh, ngày 01 tháng 08 năm 2022 (Ký tên ghi rõ họ tên) i LỜI CẢM ƠN Đồ án tốt nghiệp thử thách cuối sau bốn năm học Trường Đại học Công Nghệ Thành phố Hồ Chí Minh Đây lúc chúng em tổng hợp kiến thức học nhà trường hội để chúng em áp dụng kiến thức vào thực tế Đồ án giúp chúng em tổng hợp, tích lũy thêm nhiều kiến thức so sánh kiến thức với kinh nghiệm thực tế AGV ứng dụng chở thuốc nhu yếu phẩm hoàn thành nghiên cứu chế tạo AGV chúng em khơng hồn hảo nỗ lực cao hướng dẫn nhiệt tình cố vấn chúng em hoàn thành sản phẩm Em xin gửi lời cảm ơn chân thành sâu sắc đến quý thầy cô giảng viên Trường Đại học Cơng nghệ Thành phố Hồ Chí Minh nhiệt tình giảng dạy, truyền đạt kiến thức kinh nghiệm quý báu cho chúng em để có kiến thức kinh nghiệm ngày hôm Em xin gửi lời cảm ơn chân thành đến thầy Lê Tấn Sang sát cánh, tận tình hướng dẫn, giúp đỡ em chuyên môn kinh nghiệm để giúp em thực đồ án tốt nghiệp tốt Em xin gửi lời cảm ơn đến gia đình, anh/chị, bạn nhóm giúp đỡ, hỗ trợ, chia sẻ khó khăn trau dồi kiến thức suốt trình học tập làm đồ án Một lần cảm ơn tất Nhóm tác giả xin chân thành cảm ơn! ii THIẾT KẾ, CHẾ TẠO VÀ ĐIỀU KHIỂN AGV ỨNG DỤNG HỖ TRỢ VẬN CHUYỂN TRONG BỆNH VIỆN DÃ CHIẾN Nguyễn Văn Thành Danh, Lâm Quốc Nam, Trần Huy Cường Viện Kỹ Thuật HUTECH, Trường Đại học Cơng nghệ TP Hồ Chí Minh TĨM TẮT Thiết kế, chế tạo điều khiển AGV ứng dụng hỗ trợ vận chuyển bệnh viện dã chiến, kích thước tổng quát 600x500x810 (mm), thời gian hoạt động 60-90 phút, công suất động 60 (W), điện áp 24 (V) Kết cấu đơn giản, dễ vận hành, bảo trì sửa chữa Giới thiệu, mục tiêu đề tài Dựa vào tình hình thiếu nhân lực căng thẳng dịch bệnh Nhóm thiết kế, chế tạo điều khiển AGV với ứng dụng hỗ trợ vận chuyển bệnh viện dã chiến Nhóm tham khảo nhiều loại AGV tài liệu, thị trường, thực thiết kế khí, tính tốn hệ thống điện hoạt động, sau lập trình làm xe hoạt động Mục tiêu đề tài: xe AGV mang thức ăn, thuốc đến 8-10 giường bệnh Phương pháp thực hiện: Tìm hiểu từ thực tế lý thuyết; đặt tốn, tính tốn điều khiển xe, phương pháp điều khiển động giải thuật PID bám line Thiết kế khí, hệ thống điện điều khiển Xe thiết kế khí với vật liệu đơn giản có sẵn thị trường Thơng qua tính tốn nhóm lựa chọn động cơ, truyền đai hợp lý để xe vận hành ổn định tải trọng tốt Xe trang bị hệ thống ắc quy, điều khiển arduino, mạch điều khiển động cơ, tính tốn lựa chọn cảm biến hợp lý Xe sử dụng giải thuật PID bám line trình di chuyển theo quy trình định sẵn Kết quả, kết luận AGV thực yêu cầu đầu đặt đáp ứng mục tiêu đề tài đảm bảo an toàn phát vật cản Tuy xe hoàn thành chạy theo yêu cầu cần có thêm nhiều cải tiến, nghiên cứu thử nghiệm iii THIẾT KẾ, CHẾ TẠO VÀ ĐIỀU KHIỂN AGV ỨNG DỤNG HỖ TRỢ VẬN CHUYỂN TRONG BỆNH VIỆN DÃ CHIẾN Nguyễn Văn Thành Danh, Lâm Quốc Nam, Trần Huy Cường Viện Kỹ Thuật HUTECH, Trường Đại học Cơng nghệ TP Hồ Chí Minh ABSTRACT Design, manufacture and control AGV transportation support application in the field hospital, general size 600x500x810 (mm), uptime 60-90 minutes, engine power 60 (W), voltage 24 (V) Simple structure, easy to operate, maintain and repair Introductions, topic objectives Based on the lack of manpower and the stress of the epidemic The team designed, fabricated and controlled the AGV with the application to support transportation in the field hospital Through referencing many types of AGVs on documents, calculate the system, then write code and make the car work Target: AGV vehicles bring food, medicine to 8-10 hospital beds Method of implementation: Learn from reality and documents, vehicle control calculations, engine control methods and line PID algorithms Mechanical design, electrical system and controller AGV is mechanically designed with simple materials available By calculating the team has selected the engine, belt transmitter so that the car can operate stably as well as a good load The car is equipped with battery system, arduino controller, engine control circuit, reasonable sensor selection calculation AGV use line PID algorithms during the move in a predetermined process Results, conclusions AGV has fulfilled the requirements of the beginning of the article as well as met the objectives of the topici and safety when detecting obstructions Although the car has been completed and run as required, more improvements, research and testing are needed iv 6.3 Thử nghiệm hệ thống - Sau hoàn thành xong hết phần khí phần điện nhóm bắt đầu thực phần điều khiển, xe hoạt động tốt nhóm bắt đầu kiểm tra hết tất mạch điện mua tiến hành viết code chạy thử xe Hình 6.12 Thử nghiệm động Hình 6.13 Thử code động 77 Hình 6.14 Thực nghiệm chạy thử - Sau chạy thử xe ổn định nhóm bắt đầu cố định phần điện vào bảng cho gọn gàng đẹp Hình 6.15 Cố định dây điện 78 6.4 Kết thực nghiệm Do không gian không đủ để xe hoạt động bệnh viện nên nhóm làm theo khơng gian nhỏ đáp ứng nhu cầu giao, nhận thuốc bệnh viện Mơ hình hoạt động layout thể 12 giường bệnh, xe tới giường tự động dừng bệnh nhân lấy thuốc Sau bệnh nhân người vận chuyển hàng nhấn nút để xe tự động chạy đến giường Qua hình ảnh mơ tả mơ hình layout thực nghiệm ta thấy hiểu quy trình hoạt động xe nhiều Hình 6.16 AGV layout thực nghiệm Quy trình AGV hoạt động: - AGV chạy đến điểm lấy thuốc nhu yếu phẩm, sau tiếp nhận giao đến giường bệnh nhân - Người nhận lấy thuốc, nhu yếu phẩm điểm dừng giường, sau nhấn nút AGV di chuyển đến điểm dừng tiếp theo, thực theo quy trình - Sau hồn thành quy trình, AGV quay nơi bắt đầu, đợi lấy hàng 79 Hình 6.17 AGV khởi động đến giường Hình 6.18 AGV tới cua 80 Hình 6.19 AGV qua khu giường đối diện Hình 6.20 AGV quay nơi lấy hàng 81 Chương KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN ĐỀ TÀI 7.1 Kết luận - AGV thực yêu cầu đầu đặt Xe đến vị trí lấy thuốc nhu yếu phẩm để vận chuyển đến giường bệnh, bệnh nhân lấy thuốc, yếu phẩm bấm nút cho xe di chuyển đến giường bệnh khác, có vật cản xe dừng lại - AGV có chức sạc điện ắc quy hết điện - Trung bình sai lệch vị trí line: ±0,5 (mm) - Khả bám line xe vào cua - Khả an toàn AGV phát vật cản dừng lại Hình 7.1 Mơ hình 3D AGV 82 Hình 7.2 Mơ hình AGV a Đánh giá kết phần cứng - Lắp ráp khung AGV - Lắp đặt động - Lắp đặt phận truyền động: Đai, bánh đai - Lắp đặt bánh xe chủ động bánh xe vơ hướng - Lắp ráp hồn chỉnh phần khung chở hàng AGV b Đánh giá kết hệ thống điện phần mềm - Tính tốn hệ thống điện chạy ổn định - Lựa chọn mạch, linh kiện phù hợp cho AGV - Kết nối mạch khối điều khiển, khối nguồn khối cảm biến - Bố trí lắp đặt thiết bị điện cách hợp lý, dễ dàng sửa chữa - Lựa chọn cảm biến, bố trí cảm biến phù hợp 83 - Lập trình AGV hoạt động: + Sử dụng phần mềm Arduino + Khả bám line động cảm biến + Mạch điều khiển động c Các vấn đề gặp phải trình thực - Tìm kiếm thiết bị, vật tư - Tài liệu tiếng việt hạn chế cho việc tham khảo d Các điểm hạn chế đề tài - Tuy nhóm hoàn thành xe robot chạy theo yêu cầu đề tài, AGV vài hạn chế: + AGV hoạt động mặt phẳng + Do sử dụng line nên sau thời gian cần thay bụi bẩn, mờ - Sản phẩm cần hồn thiện nhiều để đáp ứng nhiều nhu cầu, hỗ trợ bệnh viện nhiều 7.2 Hướng phát triển - Thêm thiết bị theo dõi hoạt động AGV - Chế tạo thêm giảm chấn giúp AGV hoạt động lên địa hình gồ ghề - Tự điểm sạc tự động hết pin, làm thêm nơi sạc tự động - Thiết kế, chế tạo thêm việc mở cửa thuốc tự động - Hồn thiện thuật tốn điều khiển để AGV thực khả tự hành độ ổn định tối đa - Tiếp tục hoàn thiện sản phẩm để chỉnh chu ổn định Hi vọng sau đề tài lần này, nhóm có thêm hội để phát triển hồn thiện AGV để có nhiều tiện ích cho bệnh viện mở rộng sang ngành dịch vụ, vận chuyển khác,… mang lại lợi ích cho cộng đồng 84 TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] Yasuo Shimokura Selection of Transmission Timing Belts Misumi, 2016 [2] Alfredo Pastor Tella Types of navigation-systems-automated-guided-vehicles AGV Navigation, 2020 [3] AJ Neal, Tips For Selecting DC Motors For Your Mobile Robot, Zagrosrobotics, 2010 [4] VISHAY TCRT5000, TCRT5000L Datasheet Document number: 80112, Rev 1.1, 02-Jul-09 [5] Trịnh Chất & Lê Văn Uyển Tính Tốn Thiết Kế Hệ Dẫn Động Cơ Khí Tập Cơng ty In Cơng Đồn Việt Nam, 2006 [6] Andrew Reed Bacha Line Detection and Lane Following for an Autonomous Mobile Robot Virginia Polytechnic Institute and State University, 2005 [7] Yutaka Kanayama A Stable Tracking Control Method for an Autonomous Mobile Robot IEEE, 1990 [9] VISHAY Application of Optical Reflex SensorsTCRT1000, TCRT5000, CNY70 Document number: 80107, Rev 1.1, 02-02 [10] T Le-Anh and M B M De Koster “A review of design and control of automated guided vehicle systems,” European Journal of Operational Research, vol 171, no 1, pp 1–23, 2006 [11] Smolic-Rocak N, Bogdan S, Kovacic Z, et al Time Windows Based Dynamic Routing in Multi-AGV Systems[J] IEEE Transactions on Automation Science & Engineering, 2010, 7(1):151-155 [12] Nguyễn Hữu Lộc Cơ sở thiết kế máy Nhà xuất Đại học Quốc Gia Thành phố Hồ Chí Minh, 2004 [13] Rachel Rayner AGV NAVIGATION METHODS 1: LINE FOLLOWING AND TAGS AGV NAVIGATION, 2020 [14] Unifee, 2021 CÁC LOẠI XE TỰ HÀNH AGV THÔNG DỤNG HIỆN NAY https://unifeerobot.com/cac-loai-xe-tu-hanh-agv-thong-dung-hien-nay/ 85 [15] MURAKAMI Hiroki Development of Leg-Wheeled Type Mobile Robot Prototype Engineering review Vol 40 No 2007 [16] Rachel Rayner AUTONOMOUS NAVIGATION TECHNOLOGY Bluebotic, 2021 [17] Phương Thảo, 2022 ngày chế tạo thành công robot vận chuyển nhu yếu phẩm khu cách ly https://thanhgiong.vn/7-ngay-che-tao-thanh-cong-robot-vanchuyen-nhu-yeu-pham-trong-khu-cach-ly-45282.html [18] VĂN PHONG - MAI HÀ, 2022 Sử dụng hiệu hệ thống robot VIBOT-2 khu cách ly https://www.qdnd.vn/giao-duc-khoa-hoc/chuyen-doi-so/su-dunghieu-qua-he-thong-robot-vibot-2-trong-khu-cach-ly-669586 [19] Thuy Duong Ta, 2022 Robot phục vụ nhà hàng xu hướng tương lai https://www.yan.vn/robot-phuc-vu-nha-hang-xu-huong-moi-trong-tuong-lai288720.html [20] Ningbo DC PLANETARY GEAR MOTOR Twirl Motor Co., Ltd, 2009 [21] Picaxe SRF05 ULTRASONIC RANGE SENSOR Revolution Education Ltd, 2011 86 PHỤ LỤC PSEUDOCODE PID BÁM LINE Giải thuật ứng dụng + điều khiển (Pseudocode) Output: VL, VR 1: Khởi tạo chương trình phục vụ ngắt (ISR) 2: a = PWM bánh trái (a = 40) 3: b = PWM bánh phải (b = 40) 4: Nút nhấn S1: nút nhấn start 5: - If S1=0 (được nhấn) 6: - Gắn PWML = a 7: - Gắn PWMR = b 8: - Đọc cảm biến, xác định khoảng cách xe so với line 9: If error=8 10: Dừng xe, i=i+1 11: Nút nhấn S2: nút nhấn cho xe chạy 12: End If 13: Else If error=9 14: Dừng xe, delay 1s 15: Quay trái PWML=a=0; PWMR=b=30; delay 3s 16: End If 17: Else If error=10 18: Dừng xe, delay 1s 19: Quay phải PWML=a=30; PWMR=b=0; delay 3s 20: End If 21: Else If 22: Thực PID, xác định ω 23: ω= PID_value = (Kp*P) + (Ki*I) + (Kd*D) 24: Xác định vận tốc bánh xe 87 25: VL= initial_motor_speed - PID_value; a = PWML = giá trị 26: VR= initial_motor_speed + PID_value; b = PWMR = giá trị 27: End If 28: Else If i=11 29: Ngừng xe 30: End If 31: - End If 32: End (kết thúc chương trình chính) 88 K 600 500 220 160 300 10 810 Ø 28,00 W 15 13 12 11 F F P 140 N R 34+2 14 K SECTION F-F SCALE 1:2 20 340 SECTION K-K SCALE 1:2 17 20 19 DETAIL N SCALE 2:1 16 DETAIL P SCALE 2:1 22 18 160 170 320 330 Vít nối gá động - nhơm M5 Thép 21 Vít nối Mica cảm biến - nhôm M5 Thép 20 Động 19 Ổ lăn Thép 18 Dây đai Cao su 17 Pulley động GT2 16 Pulley bánh xe GT2 15 Ắc quy 12V-7A 14 Bánh bị động Nhựa PU 13 Bảng điện Mica 12 Bánh chủ động Nhôm 11 Gối đỡ động Gang 10 Ốc bắt nhôm M5 292 Thép Kê nhôm 20x20 146 Nhôm Trượt M5 292 Nhôm Mặt trước Mica Đèn đỏ Nút nhấn xanh Công tắc ON-OFF Nút nhấn đỏ Mặt bên Mica Mặt trước Mica Tên gọi SL Vật liệu Ký hiệu VT 21 DETAIL R SCALE 2:1 22 DETAIL T SCALE 2:1 Hợp kim nhôm đặc Hợp kim nhôm đặc Ghi Đồ án tốt nghiệp DETAIL W SCALE 2:1 Sđ Số lg Thiết kế Họ tên Chữ ký Ngày Số lượng Khối lượng Tỉ lệ Trần Huy Cường BẢN VẼ LẮP AGV 1:2 Hướng dẫn ThS Lê Tấn Sang Tờ: Duyệt Số tờ: Trường Đại học Công nghệ TP.HCM Khoa: Viện kỹ thuật +24 V IN1 IN2 ENA + OUT1 + + OUT1 - Driver động L298N 160 W A IN+ Motor OUT2 + OUT2 - IN- IN3 IN4 ENB - +5 V Ắc quy 12 V - A GND - VCC Mạch cảm biến dò line TCRT5000 GND D0 A0 +5 V + IN+ Ắc quy 12 V - A OUT+ Mạch giảm áp buck DC - DC 24 V to V - IN- D29 D28 D27 D26 D25 D24 D23 D22 OUT- GND +7 V IN+ Arduino Mega 2560 R3 11 D0 RX0 D1 TX0 D3 PWM D2 PWM D4 PWM D5 PWM D6 PWM D7 PWM D8 PWM D9 PWM D10 PWM D11 PWM D12 PWM D13 PWM GND OUT- Đèn X1xanh X2 Đèn X1 X2 đỏ Vin 23 ENCODER Ch.B D53 D52 D51 D50 D49 D48 D47 D46 D45 D44 D43 D42 D41 D40 D39 D38 VCC GND D0 Mạch cảm biến dò line TCRT5000 A0 + VCC Mạch cảm biến dò line TCRT5000 GND D0 Motor A0 - VCC Mạch cảm biến dò line TCRT5000 GND D0 A0 VCC A15 A14 A13 A12 A11 A10 A9 A8 A7 A6 A5 A4 A3 A2 A1 A0 GND Ch.A ENCODER Ch.B VCC GND D0 Mạch cảm biến dò line TCRT5000 A0 VCC GND D0 Mạch cảm biến dò line TCRT5000 A0 VCC GND D0 FEROI 3V3 5V GND OUT+ GND Ch.A SCL SDA D19/RX1 D18/TX1 D17 PWM RX2 D18 PWM TX2 D15/RX3 D14/TX3 Mạch giảm áp buck DC - DC 24 V to V IN- GND D37 D36 D35 D34 D33 D32 D31 D30 VCC Mạch cảm biến dò line TCRT5000 A0 AREF RESET VCC TRIG Nút nhấn 1NO-1NC ECHO OUT 12 Mạch cảm biến siêu âm HY-SRF05 GND 24 +7 V HỆ THỐNG AGV GND GND Chức Họ tên Thiết kế Lâm Quốc Nam Hướng dẫn ThS Lê Tấn Sang Duyệt Chữ ký Ngày Số lượng SƠ ĐỒ MẠCH ĐIỆN Khối lượng Tỉ lệ 01 Tờ: Số tờ: Trường Đại học Công nghệ TP.HCM Khoa: Viện kỹ thuật Start Start Start a=40 b=40 Đọc giá trị cảm biến dò line e1=CB1 e2=CB2 e3=CB3 e4=CB4 e5=CB5 e6=CB6 e7=CB7 Đọc giá trị cảm biến siêu âm Khởi tạo ISR (Dừng khẩn cấp) F Khoảng cách < 10 cm F Gán giá trị e e=e1e2e3e4e5e6e7 T Nhấn nút S1 Ngừng chạy T Cho xe chạy: PWML=a PWMR=b e=0001000 End T Chạy thẳng error=0 T Lệch phải error=1 T Lệch phải error=2 T Lệch phải error=3 T Lệch phải error=4 T Lệch phải error=5 T Lệch phải error=6 T Lệch trái error=-1 T Lệch trái error=-2 T Lệch trái error=-3 F Đọc cảm biến dò line Xác định khoảng cách xe so với line error=khoảng cách xe so với line e=0011000 F F error=8 T Dừng i=i+1 Nhấn nút S2 T Chương trình khởi tạo ISR (dừng khẩn cấp) e=0010000 F F error=9, AGV quay trái e=0110000 F error=10, AGV quay phải e=0100000 Thực PID bám line ꞷ=PID_value=(Kp*P)+(Ki*I)+(Kd*D) P=error I=I+error D=error-Previous_error Previous_error=error Điều khiển động vL = int left_motor_speed =initial_motor_speed - PID_value vR = int right_motor_speed = initial_motor_speed + PID_value Start e=1100000 Đọc cảm biến dò line error=khoảng cách xe so với line Đọc cảm biến dò line error=khoảng cách xe so với line F e=1000000 error=9 T Dừng xe, delay 1s F error=10 T Dừng xe, delay 1s a=PWML=giá trị b=PWMR=giá trị F F e=0001100 F e=0000100 Cho xe chạy: PWML=a=0 PWMR=b=30 F F Start Cho xe chạy: PWML=a=30 PWMR=b=0 F i=11 e=0000110 T Delay 3s Delay 3s F Xuất giá trị error End e=0000010 End End T Lệch trái error=-4 F Chương trình ứng dụng + điều khiển AGV Chương trình AGV quay trái Chương trình AGV quay phải e=0000011 End T Lệch trái error=-5 T Lệch trái error=-6 T Dừng error=8 T Quay trái error=9 T Quay phải error=10 F e=0000001 F e=1111111 F e=1111000 F e=0001111 HỆ THỐNG AGV Chương trình đọc cảm biến dò line Chức Họ tên Thiết kế N.Văn Thành Danh Hướng dẫn ThS Lê Tấn Sang Duyệt Chữ ký Ngày Số lượng CHƯƠNG TRÌNH ĐIỀU KHIỂN Khối lượng Tỉ lệ 01 Tờ: Số tờ: Trường Đại học Công nghệ TP.HCM Khoa: Viện kỹ thuật