robot sử dụng pid , đồ án tốt nghiệp cơ điện tử phân phối bằng xe robot vận chuyển hàng hóa sử dụng cảm biến màu sắc và thuật toán pid , giúp hàng hóa chuyển theo vị trí mong muốn sử dụng ide arduno lập trình . chạy theo lập trình sử dụng blutuss
TRƯỜNG ĐẠI HỌC PHẠM VĂN ĐỒNG KHOA KỸ THUẬT CÔNG NGHỆ ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP Đề tài: THIẾT KẾ, CHẾ TẠO ĐIỀU KHIỂN ROBOT PHÂN PHỐI HÀNG HÓA THEO MÀU SẮC Sinh viên thực hiện: PHẠM MINH THẾ Lớp ĐCDL21 ĐÀO NHƯ Ý Lớp ĐCDL21 Giảng viên hướng dẫn: TS PHẠM VĂN ANH Quảng Ngãi, 07-2023 TRƯỜNG ĐẠI HỌC PHẠM VĂN ĐỒNG KHOA KỸ THUẬT CÔNG NGHỆ ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP Đề tài: THIẾT KẾ, CHẾ TẠO ĐIỀU KHIỂN ROBOT PHÂN PHỐI HÀNG HÓA THEO MÀU SẮC Sinh viên thực hiện: PHẠM MINH THẾ Lớp ĐCDL21 ĐÀO NHƯ Ý Lớp ĐCDL21 Giảng viên hướng dẫn: TS PHẠM VĂN ANH Giảng viên duyệt: Th.s TRẦN THANH TÙNG Quảng Ngãi, 07-2023 07-2023 THIẾT KẾ, CHẾ TẠO ĐIỀU KHIỂN ROBOT PHÂN PHỐI HÀNG HÓA THEO MÀU SẮC PHẠM MINH THẾ ĐÀO NHƯ Ý DCDL21 Bìa gáy: NHẬN XÉT TĨM TẮT CỦA GIẢNG VIÊN HƯỚNG DẪN Tinh thần thái độ, cố gắng sinh viên trình làm đồ án: Đánh giá chất lượng đồ án tốt nghiệp (so với nội dung yêu cầu đề mặt: lý luận, thực tiễn, chất lượng thuyết minh vẽ): Chấm điểm giảng viên hướng dẫn: Quảng Ngãi, ngày tháng năm 2023 Giảng viên hướng dẫn TS PHẠM VĂN ANH NHẬN XÉT TÓM TẮT CỦA GIẢNG VIÊN DUYỆT Tinh thần thái độ, cố gắng sinh viên trình làm đồ án: Đánh giá chất lượng đồ án tốt nghiệp (so với nội dung yêu cầu đề mặt: lý luận, thực tiễn, chất lượng thuyết minh vẽ): Chấm điểm giảng viên duyệt: Quảng Ngãi, ngày tháng năm 2023 Giảng viên duyệt Th.s TRẦN THANH TÙNG MỤC LỤC LỜI CẢM ƠN CHƯƠNG I TỔNG QUAN Tổng quan Mobile Robot 2 Xác định mục tiêu thiết kế 2.1 Yêu cầu đặt 2.2 Tình hình nghiên cứu 3 Các phương án thiết kế 3.1 Kết cấu khí 3.2 Kết cấu điện 13 3.3 Cấu trúc điều khiển 23 Biểu đồ Gantt phân công nhiệm vụ thành viên 28 CHƯƠNG 2: LỰA CHỌN PHƯƠNG ÁN 31 Phương án khí 31 1.1 Lựa chọn kết cấu 31 1.2 Lựa chọn bánh xe 31 Phương án điện 33 2.1 Lựa chọn động 33 2.2 Lựa chọn cảm biến dò line 33 2.3 Lựa chọn cảm biến màu sắc 33 Lựa chọn phương án điều khiển giải thuật điều khiển 34 Lựa chọn vật liệu làm khung 35 CHƯƠNG TÍNH TỐN THIẾT KẾ CƠ KHÍ 37 iv Lựa chọn khí 37 1.1 Bánh xe chủ động 37 1.2 Bánh xe bị động 38 Tính tốn kích thước chọn động 39 Tính tốn độ ổn định vào cua 43 Dung sai 44 4.1 Xác định dung sai mặt đế 44 4.2 Kiểm nghiệm bền 48 4.3 Mơ hình xe 3D 50 CHƯƠNG 4: THIẾT KẾ HỆ THỐNG ĐIỆN 51 Sơ đồ khối mạch điện 51 Thiết kế hệ thống cảm biến dò line 51 2.1 Khả nhận diện line 51 2.2 Tính tốn hệ thống 55 Mạch nguồn ổn áp 73 3.1 Mạch giảm áp DC-DC Buck XL4015 73 3.2 DC-DC Buck Boost Conveter FP5139 60W 76 Driver 77 Cảm biến màu sắc 79 Mạch kết hợp chung 82 Chương 5: CẤU TRÚC ĐIỀU KHIỂN 85 Tổng quan cấu trúc điều khiển 85 1.1 Điều khiển tập trung 85 v 1.2 Điều khiển phân cấp 85 Tổng quan điều khiển 86 2.1 Điều khiển ON-OFF 86 2.2 Điều khiển mờ 86 2.3 Điều khiển PID 87 2.4 Bộ điều khiển Following Tracking 88 Lựa chọn phương án 88 3.1 Lựa chọn phương án điều khiển 88 3.2 Lựa chọn giải thuật điều khiển 89 Thiết kế điều khiển 90 4.1 Mơ hình hóa động học xe dị line 90 4.2 Thiết kế điều khiển bám line cho robot 91 4.3 Mơ hình hóa driver – động cơ: 94 4.4 Xây dựng hàm truyền 96 4.5 Kết mô chuyển động xe 97 4.6 Thiết kế điều khiển PID cho động .100 4.7 Lưu đồ giải thuật cho xe bám line .102 CHƯƠNG 6: KẾT QUẢ THỰC NGHIỆM 104 TÀI LIỆU THAM KHẢO 108 vi DANH MỤC HÌNH ẢNH Hình Sơ đồ sa bàn cho robot phân phối hàng hóa theo khối lượng Hình Mơ hình IT-AGV-F nhà máy sơ đồ ngun lí Hình 3.Mơ hình IT-AGV-R nhà máy sơ đồ nguyên lí Hình Sơ đồ ngun lí xe ba bánh có hai bánh chủ động độc lập phía sau bánh tự lựa phía trước Hình Sơ đồ ngun lí xe ba bánh có hai bánh chủ động độc lập phía tước bánh tự lựa phía sau Hình Sơ đồ ngun lí xe có hai bánh chủ động độc lập hai bánh bánh tự lựa phía trước sau 10 Hình Bánh Castor 12 Hình Bánh mắt trâu 13 Hình Cảm biến camera 13 Hình 10 Cảm biến quang hồng ngoại 14 Hình 11 Cảm biến Photoresistor 15 Hình 12 Cảm biến Phototransistor 15 Hình 13 Cảm biến tương phản 16 Hình 14 Cảm biến màu sắc 17 Hình 15 Cảm biến huỳnh quang 18 Hình 16 Tín hiệu đọc Digital 19 Hình 17 Thuật tốn xấp xỉ đọc tín hiệu analog, a) Xấp xỉ bậc hai, b) Xấp xỉ theo trọng số 19 Hình 18 Động Servo 20 Hình 19 Động DC giảm tốc 22 vii Hình 20 Động DC khơng chổi than 22 Hình 21 Động bước 23 Hình 22 Sơ đồ khối phương pháp điều khiển tập trung 24 Hình 23 Sơ đồ khối phương pháp điều khiển phân cấp 25 Hình 24 Sơ đồ ngun lí Robot chọn 31 Hình 25 Bánh xe 85mm 32 Hình 26 Bánh mắt trâu 32 Hình 27 Sơ đồ nguyên lí TCS3200 34 Hình 28 Bánh xe V2 85mm khớp lục giác 12mm 37 Hình 29 Bánh đa hướng mắt trâu đa hướng kim loại lớn 38 Hình 30 Thơng số kỹ thuật bánh mắt trâu 38 Hình 31 Sơ đồ phân tích lực xe dựa theo sơ đồ nguyên lí chọn 39 Hình 32 JGB37-520 DC Geared Motor 42 Hình 33 Phân tích động lực học xe vào đường cong 43 Hình 34 Chuỗi kích thước base 45 Hình 35 Chuỗi kích thước base 47 Hình 36 Chuyển vị base 48 Hình 37 Chuyển vị base 49 Hình 38 Mơ hình xe Robot 3D 50 Hình 39 Sơ đồ khối mạch điện 51 Hình 40 Cấu hình chân TCRT5000 52 Hình 41 Cảm biến TCRT5000 53 Hình 42 Sơ đồ mắc điện trở TCRT5000 54 viii ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP Trang 94 r v r = r r − L L ω ωR ωL Hay: L ωR =r 2r v ωL L ω − r 2r Phương trình động học Robot điểm M: x cos y = sin . 0 r cos 0 v r sin = r L r cos r sin R L −r L Trong đó: • ωR : vận tốc góc bánh xe phải • ωL : vận tốc góc bánh xe trái • VR : vận tốc bánh xe phải • VL : vận tốc bánh xe trái • L : khoảng cách bánh chủ động • r : bán kính bánh xe chủ động 4.3 Mơ hình hóa driver – động cơ: Xác định tần số lấy mẫu số mẫu cần lấy Mối quan hệ PWM số vòng quay động (RPM) SVTH: Phạm Minh Thế Đào Như Ý Lớp: DCDL21 ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP Trang 95 PWM(%) Motor A Motor B PWM(%) Motor A Motor B 𝟏𝟎 0 𝟔𝟎 190,1818 193,8182 𝟐𝟎 23,27273 28 𝟕𝟎 224 225,8182 𝟑𝟎 57,81818 61,09091 𝟖𝟎 257,4545 258,1818 𝟒𝟎 121,8182 128,7273 𝟗𝟎 286,9091 288 𝟓𝟎 154,9091 163,2727 𝟏𝟎𝟎 315,2727 319,6364 Bảng 19 Giá trị số vòng quay động theo xung PWM Hình 77 Đồ thị mối liên hệ PWM (%) RPM Mối quan hệ PWM tốc độ động tuyến tính, vùng hoạt động ổn định từ PWM 10% − 100% Tốc độ lớn động không tải: vmax = 333 rpm Số xung encoder vịng quay trục chính: n = 330 xung Tần số lớn để đọc encoder: vmax × n fmax = 60 = 1,85 kHz Chu kỳ lấy mẫu nhỏ nhất: Tmin = SVTH: Phạm Minh Thế Đào Như Ý fmax = 0,55 ms Lớp: DCDL21 ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP Trang 96 Chọn tín hiệu đầu vào giá trị PWM = 100% Lấy mẫu chu kỳ tín hiệu vào T = s, f = = 1Hz T Phân tích tín hiệu vào thành chuỗi Fourier có tần số họa tần: fk = k f = Phân tích Fourier tín hiệu vào tới họa tần lần thứ k = 50 Tần số cắt cao tín hiệu vào là: fc = 50Hz Để khơi phục tín hiệu tần số lấy mẫu fs ≥ 2fmax = 100 Hz Chọn fs = 100Hz, δt = 0,01s Theo tiêu chuẩn Nyquist, số mẫu cần lấy: n= mT δt Chọn m = 1, số mẫu cần lấy 100 mẫu 4.4 Xây dựng hàm truyền Sử dụng công cụ Identification Toolbox Matlab để thực việc tìm hàm truyền từ liệu đáp ứng động cơ: Hàm truyền có dạng: G(s) = K Ts + • Động 1: G(s) = SVTH: Phạm Minh Thế Đào Như Ý 3,16 0,12s + Lớp: DCDL21 ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP Trang 97 Hình 78 Đáp ứng động • Động 2: G(s) = 3,21 0,11s + Hình 79 Đáp ứng động 4.5 Kết mô chuyển động xe Thông số mô đầu vào SVTH: Phạm Minh Thế Đào Như Ý Lớp: DCDL21 ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP Trang 98 Vận tốc mong muốn vR = 400 mm/s Thông số điều khiển k1 Thông số điều khiển k2 1500 Thông số điều khiển k3 Khoảng cách bánh xe b = 161 Khoảng cách từ tâm dãy sensor tới tâm bánh xe d = 154 mm Đường kính bánh xe d = 85mm Bán kính cong R1 = 500, R2 = 800 mm Thời gian lấy mẫu tsamp = 0,01 Bảng 20 Thơng số mơ đầu vào Robot Hình 80 Quỹ đạo bám line tải hàng màu đỏ xe với vận tốc 0,4 m/s SVTH: Phạm Minh Thế Đào Như Ý Lớp: DCDL21 ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP Trang 99 Hình 81 Tốc độ đáp ứng bánh xe Hình 82 Sai số bám line 𝑒2 Hình 83 Hiển thị thông số mô giao diện GUIDE Matlab SVTH: Phạm Minh Thế Đào Như Ý Lớp: DCDL21 ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP Trang 100 4.6 Thiết kế điều khiển PID cho động Động mơ hình hóa hệ tuyến tính, đó, điều khiển PID thiết kế để điều khiển tốc độ động • Đầu vào: sai số vận tốc góc mong muốn ωR vận tốc thực độngcơ ω • Đầu ra: vận tốc góc động ω 𝜔𝑅 𝜔1 Driver Hình 84 Bộ điều khiển PID cho động Trong biến điều khiển u(t) xác định sau: t u(t) = KPe(t) + KI ∫ e(t)dt + KD de(t) dt Với e(t) = ωR(𝑡) − ω(t) Trong miền rời rạc viết lại sau: 𝑡 𝑢(∆𝑡 + 𝑡) = KPe(t) + KI ∑ 𝑒(𝑡) + KD 𝑡=0 e(t) − e(t − ∆𝑡) ∆𝑡 Các hệ số KP, KI, KD xác định cho thỏa mãn tiêu chí đặt ra: • Settling Time: 𝑡𝑠 < 0,5 𝑠 • Overshoot: 𝑀 < 10% • Steady – state error: 𝑒𝑠 = 5% Từ hàm truyền động cơ, sử dụng PID Tuner Matlab để tìm hệ số KP, KI, KD Động 1: SVTH: Phạm Minh Thế Đào Như Ý Lớp: DCDL21 ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP Trang 101 • Settling Time: 𝑡𝑠 = 0,467 𝑠 • Overshoot: 𝑀 = 6,89% Hình 85 Thơng số điều khiển PID động Động • Settling Time: 𝑡𝑠 = 0,502 𝑠 • Overshoot: 𝑀 = 6.25% Hình 86 Thơng số điều khiển PID động SVTH: Phạm Minh Thế Đào Như Ý Lớp: DCDL21 ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP Trang 102 4.7 Lưu đồ giải thuật cho xe bám line Bắt đầu Thiết lập thông số ban đầu Sai Nút Start Đúng Đọc giá trị cảm biến dò line Nút Stop Đúng Tính tốn khoảng cách xe so với đường tâm line Tính tốn giá trị Sai ,v Điều khiển động Robot đến điểm tải hàng Đúng Dừng lại Sai Đọc cảm biến màu sắc Sai Robot đến điểm kết thúc Sai Đúng Kết thúc Đúng Hình 87 Lưu đồ giải thuật chương trình SVTH: Phạm Minh Thế Đào Như Ý Lớp: DCDL21 ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP Trang 103 Điều khiển động 𝐏 = 𝐊𝐏 × [𝐞(𝐢) − 𝐞(𝐢 − 𝟏)] 𝐈 = 𝐊𝐈 × 𝐞(𝐢) × 𝐭𝐬𝐚𝐦𝐩 𝐃 = 𝐊𝐃 × [𝐞(𝐢) − 𝟐𝐞(𝐢 − 𝟏) + 𝐞(𝐢 − 𝟐)] 𝐏𝐖𝐌 += 𝐏 + 𝐈 + 𝐃 Xuất xung PWM cho 2động Sai Robot đến điểm kết thúc Đúng Kết thúc Hình 88 Lưu đồ giải thuật chương trình điều khiển động SVTH: Phạm Minh Thế Đào Như Ý Lớp: DCDL21 ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP Trang 104 CHƯƠNG 6: KẾT QUẢ THỰC NGHIỆM Đánh giá kết thực nghiệm Ta thấy với vận tốc tham chiếu 𝑣𝑅 = m/s hệ số [𝑘1 𝑘2 𝑘3] xe chạy hết đường line Các thiết bị hoạt động chức Kết thúc đồ án, nhóm hồn thành việc chế tạo mơ hình vận hành thực tế Robot hồn thành việc bám hết sa bàn với thời gian 30s cách ổn định với vận tốc tối đa đoạn đường thẳng 𝑣𝑚𝑎𝑥 = 0.5m/s Mơ hình Robot thực nghiệm Hình 89 Mơ hình Robot làm thực nghiệm SVTH: Phạm Minh Thế Đào Như Ý Lớp: DCDL21 ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP Trang 105 Đầu tiên, Robot dò line bám line đến vị trí bỏ khối hàng dừng lại Hình 90 Robot dừng vị trí định để đặt khối hàng Tiếp theo sau nhận diện xong màu sắc khối hàng lựa chọn đường để đến vị trí “kết thúc” thiết lập SVTH: Phạm Minh Thế Đào Như Ý Lớp: DCDL21 ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP Trang 106 Với khối hàng màu đỏ Hình 91 Robot bám line tương ứng với khối hàng màu xanh SVTH: Phạm Minh Thế Đào Như Ý Lớp: DCDL21 ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP Trang 107 Với khối hàng màu xanh Hình 92 Robot bám line tương ứng với khối hàng màu xanh SVTH: Phạm Minh Thế Đào Như Ý Lớp: DCDL21 ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP Trang 108 TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] Huu Danh Lam, Smooth Tracking Controller for AGV Through Junction Using CMUCamera, Hội nghị Toàn quốc lần thứ Cơ điện tử – VCM – 2014 [2] Oguz KOSE, Pid Controlled Line Follower Robot Design on Indoor 3D Networks [3] Takanori Fukao, Adaptive Tracking Control of a Nonholonomic Mobile Robot [4] Yutaka Kanayama, A Stable Tracking Control Method for an Autonomous MobileRobot [5] Sarker Safat, PID Algorithm for Beginners for Line Follower Robot, 10-2019 [6] Ryoya Kubo, Control Lyapunov Function Design for Trajectory Tracking Problemsof Wheeled Mobile Robot, 2020 [7] Ngô Tấn Nhơn, Sách hướng dẫn thực tập điện tử A, NXB đại học Quốc gia TP HồChí Minh, 2019 [8] TCS34725 datasheet, https://components101.com/sites/default/files/component_datasheet/TCS34725 -Datasheet.pdf [9] XL4015 datasheet, https://datasheet.lcsc.com/szlcsc/1811081616_XLSEMIXL4015E1_C51661.pdf [10] LCD 1602 datasheet, https://www.waveshare.com/datasheet/LCD_en_PDF/LCD1602.pdf [11] FP5139 60W manual, http://www.feelingtech.com.tw/kmmaster/ezcatfiles/cust/img/img/24/fp5139v12lf.pdf [12] Driver TB6612 datasheet, https://www.sparkfun.com/datasheets/Robotics/TB6612FNG.pdf SVTH: Phạm Minh Thế Đào Như Ý Lớp: DCDL21