Nghiên cứu, thiết kế và lập trình điều khiển mô hình xe tự hành dùng la bàn số

LỜI CẢM ƠN Sau thời gian học tập, nghiên cứu Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật Hưng Yên, đồng ý Khoa Điện - Điện tử, hướng dẫn TS Trần Quang Phú, thực đề tài “Nghiên cứu, thiết kế lập trình điều khiển mơ hình xe tự hành dùng la bàn số” Để hoàn thành luận văn này, tơi xin bày tỏ lịng biết ơn sâu sắc tới thầy cô giáo Khoa Điện - Điện tử trực tiếp giảng dạy, truyền đạt kiến thức quý giá cho thời gian học tập trường Đặc biệt, tơi xin bày tỏ lịng biết ơn sâu sắc đến TS Trần Quang Phú trực tiếp tận tình hướng dẫn cung cấp tài liệu, thơng tin khoa học cần thiết cho luận văn Đồng thời, xin chân thành cảm ơn Lãnh đạo Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật Hưng Yên, khoa Điện - Điện tử Bộ môn Điều khiển Tự động hóa tạo điều kiện cho tơi q trình học tập trường làm luận văn Do thời gian trình độ có hạn nên luận văn tơi khơng tránh khỏi thiếu sót Vì vậy, tơi mong đóng góp, bảo thầy giáo, cô giáo bạn bè, đồng nghiệp để luận văn tơi hồn thiện Hưng n, ngày 01 tháng 02 năm 2023 TÁC GIẢ Nguyễn Thị Thắm i LỜI CAM ĐOAN Tên là: Nguyễn Thị Thắm Học viên lớp Cao học H60211 (khóa 2021-2023), chuyên ngành Kỹ thuật Điều khiển Tự động hoá, Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật Hưng Yên Tôi xin cam đoan cơng trình nghiên cứu cá nhân hướng dẫn TS Trần Quang Phú tham khảo tài liệu liệt kê Tơi khơng chép cơng trình cá nhân khác hình thức Nếu sai tơi xin hoàn toàn chịu trách nhiệm TÁC GIẢ Nguyễn Thị Thắm ii MỤC LỤC LỜI CẢM ƠN i LỜI CAM ĐOAN ii MỤC LỤC iii DANH MỤC BẢNG BIỂU .vi DANH MỤC HÌNH VẼ vii MỞ ĐẦU .1 I LÝ DO CHỌN ĐỀ TÀI .1 II MỤC TIÊU NGHIÊN CỨU .2 III ĐỐI TƯỢNG VÀ PHẠM VI NGHIÊN CỨU IV PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU V TĨM TẮT CƠ ĐỌNG CÁC LUẬN ĐIỂM CƠ BẢN VÀ ĐÓNG GÓP MỚI CỦA TÁC GIẢ .2 CHƯƠNG TỔNG QUAN VỀ ĐỀ TÀI 1.1 CƠ SỞ NGHIÊN CỨU VÀ Ý NGHĨA 1.2 LỊCH SỬ PHÁT TRIỂN CỦA XE AGV 1.3 NGUYÊN LÝ HOẠT ĐỘNG CỦA XE TỰ HÀNH 1.3.1 Điều hướng AGV điện từ .6 1.3.2 Điều hướng AGV dải từ 1.3.3 Điều hướng AGV mã QR 1.3.4 Điều hướng AGV phản xạ laser .8 1.3.5 AGV với điều hướng tự nhiên 10 1.4 CẤU TẠO CHUNG CỦA XE TỰ HÀNH 11 1.5 ỨNG DỤNG CỦA XE TỰ HÀNH .13 1.5.1 Lợi ích xe tự hành mang lại 13 1.5.2 Ứng dụng xe tự hành AGV 14 1.6 KẾT LUẬN CHƯƠNG 18 CHƯƠNG THIẾT KẾ VÀ CHẾ TẠO MƠ HÌNH XE TỰ HÀNH DÙNG LA BÀN SỐ 19 iii 2.1 HÌNH ẢNH THIẾT KẾ MƠ HÌNH XE TỰ HÀNH 19 2.2 SƠ ĐỒ KHỐI PHẦN ĐIỆN 20 2.3 TÍNH CHỌN LINH KIỆN CHO TỪNG KHỐI 21 2.3.1 Khối điều khiển trung tâm 21 2.3.2 Khối cảm biến .27 2.3.3 Khối Wifi 29 2.3.4 Khối hiển thị 31 2.3.5 Khối chấp hành .33 2.4 SƠ ĐỒ NGUYÊN LÝ MẠCH ĐIỀU KHIỂN VÀ MƠ HÌNH XE TỰ HÀNH THIẾT KẾ 37 2.4.1 Sơ đồ nguyên lý mạch điều khiển 37 2.4.2 Mơ hình xe tự hành chế tạo .38 2.5 KẾT LUẬN CHƯƠNG 42 CHƯƠNG XÂY DỰNG THUẬT TOÁN 43 VÀ CHƯƠNG TRÌNH ĐIỀU KHIỂN .43 3.1 KHÁI QUÁT CHUNG 43 3.2 LƯU ĐỒ THUẬT TOÁN 44 3.2.1 Lưu đồ thuật tốn chương trình 44 3.2.2 Lưu đồ thuật toán chương trình ESP8266 45 3.2.3 Lưu đồ thuật tốn chương trình điều khiển thơng qua phím ấn 46 3.2.4 Lưu đồ thuật tốn chương trình điều khiển tự động .47 3.3 GIAO DIỆN ĐIỀU KHIỂN .48 3.4 KHẢO SÁT HOẠT ĐỘNG CỦA XE .48 3.4.1 Chế độ điều khiển thông qua nút ấn .49 3.4.2 Chế độ điều khiển tự động 49 3.5 ĐỊNH HƯỚNG ỨNG DỤNG CỦA MƠ HÌNH 53 3.6 KẾT LUẬN CHƯƠNG 53 KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN 55 A KẾT LUẬN 55 iv B HƯỚNG PHÁT TRIỂN 56 TÀI LIỆU THAM KHẢO 57 PHỤ LỤC 58 Chương trình 58 Chương trình di chuyển .58 Chương trình điều khiển 64 Chương trình hiển thị LCD 68 Chương trình thu phát Wifi ESP8266 71 v DANH MỤC BẢNG BIỂU Bảng 2.1 Thông số kỹ thuật Arduino Nano 23 Bảng 2.2 Bảng chức chân GY-521 MPU6050 28 Bảng 2.3 Bảng chức chân A4988 36 vi DANH MỤC HÌNH VẼ Hình 1.1 Hình ảnh xe tự hành xưởng sản xuất .3 Hình 1.2 AGV đời đầu dẫn hướng dải từ gần sàn nhà Hình 1.3 AGV di chuyển theo điều hướng dải từ .7 Hình 1.4 AGV di chuyển theo điều hướng laser Hình 1.5 AGV di chuyển theo điều hướng tự nhiên 10 Hình 1.6 AGV ứng dụng chuỗi sản xuất – cung ứng vật tư 15 Hình 1.7 Ứng dụng AGV vận chuyển rác thải 16 Hình 1.8 Ứng dụng AGV lưu kho 17 Hình 1.9 AGV vận chuyển pallet hàng hóa 17 Hình 2.1 Hình ảnh thiết kế mơ hình xe tự hành 20 Hình 2.2 Sơ đồ khối phần điện mơ hình xe tự hành thiết kế 20 Hình 2.3 Hình ảnh phiên Arduino 22 Hình 2.4 Sơ đồ chân board Arduino Nano 23 Hình 2.5 Cấu trúc chương trình Arduino 26 Hình 2.6 Sơ đồ khối trình thực chương trình Arduino IDE 26 Hình 2.7 Hình ảnh module cảm biến GY-521 MPU6050 27 Hình 2.8 Sơ đồ thiết bị kết nối với theo chuẩn I2C 28 Hình 2.9 Hình ảnh sơ đồ chân ESP8266 30 Hình 2.10 Sơ đồ khối truyền thông UART .31 Hình 2.11 Sơ đồ nguyên lý kết nối LCD16×02 .32 Hình 2.12 Hình ảnh động bước 34 Hình 2.13 Hình ảnh module driver A4988 .35 Hình 2.14 Hình ảnh chân chức module driver A4988 .36 Hình 2.15 Sơ đồ nguyên lý mạch điều khiển 37 Hình 2.16 Hình ảnh mơ hình xe tự hành chế tạo 38 Hình 2.17 Hình ảnh phần điều khiển xe .39 Hình 2.18 Cơ cấu bánh xe 40 Hình 2.19 Kết nối module xe 41 vii Hình 3.1 Lưu đồ thuật tốn chương trình 44 Hình 3.2 Lưu đồ thuật tốn chương trình ESP8266 45 Hình 3.3 Lưu đồ thuật tốn chương trình điều khiển thơng qua phím ấn 46 Hình 3.5 Giao diện điều khiển hệ thống 48 Hình 3.6 Hình ảnh mơi trường thực nghiệm .49 Hình 3.7 Kịch thực nghiệm với chế độ điều khiển theo hành trình 50 Hình 3.8 Nhập hành trình di chuyển xe theo kịch 50 Hình 3.9 Kịch thực nghiệm với chế độ điều khiển theo hành trình 51 Hình 3.10 Nhập hành trình di chuyển xe theo kịch 51 Hình 3.11 Kịch thực nghiệm với chế độ điều khiển theo hành trình 52 Hình 3.12 Nhập hành trình di chuyển xe theo kịch 53 viii MỞ ĐẦU I LÝ DO CHỌN ĐỀ TÀI Tốc độ phát triển vũ bão công nghiệp 4.0 làm thay đổi lớn nữa, mạnh mẽ ngành sản xuất dịch vụ Đặc biệt ứng dụng robot tự động hoá hay thiết bị tự hành vào trình sản xuất, kinh doanh cung ứng dịch vụ Xe tự hành (Aumated Guided Vehicle, AGV) dạng phương tiện di chuyển tự động từ nơi đến nơi khác để chở trọng tải, thường trình sản xuất [1-3] Ở Việt nam nay, việc nghiên cứu điều khiển phát triển AGV nhiệm vụ hàng đầu phòng phát triển sản xuất công ty Triển khai nghiên cứu ứng dụng AGV vận chuyển hàng hoá kho tăng suất lao động, tự động hoá nhiều trình sản xuất tăng thoả mãn khách hàng tăng lợi nhuận Do đó, thiết kế khí lập trình điều khiển cho AGV di chuyển linh hoạt tối ưu vấn đề cốt lõi đặt Bài toán điều khiển bám quỹ đạo AGV nhà nghiên cứu quan tâm phát triển rộng rãi [3-5] Trong toán bám quỹ đạo, việc áp dụng thuật toán điều khiển đại điều khiển trượt, điều khiển mờ thu kết khả quan [5,6] Để xe tự hành AGV di chuyển theo quỹ đạo cần phải có cơng nghệ dẫn hướng Ứng dụng công nghệ dẫn hướng tự động phát triển từ cuối kỷ 20 nâng cấp lên tầm cao nhu cầu tự động hoá sản xuất kho bãi ngày cao Trước kia, thường sử dụng công nghệ dẫn hướng băng từ, điều hướng mục tiêu laser, điều hướng quán tính, điều hướng tự nhiên Hiện công nghệ dẫn hướng nâng cấp lên mức độ cao hơn, ví dụ ứng dụng xử lý ảnh, GPS, cảm biến Lida [7-9] cho kết khả quan Tuy nhiên, thuật toán điều khiển phức tạp đặc biệt giá thành AGV sau chế tạo cao Vì vậy, em nhận luận văn tốt nghiệp với tên đề tài: “Nghiên cứu, thiết kế lập trình điều khiển mơ hình xe tự hành dùng la bàn số” Luận văn nghiên cứu ứng dụng la bàn số mơ hình AGV nhằm giải toán di chuyển theo lộ trình đặt trước Với việc sử dụng la bàn số giảm thiểu chi phí chế tạo AGV so với ứng dụng cảm biến xử lý ảnh cảm biến khoảng cách Lida II MỤC TIÊU NGHIÊN CỨU ➢ Nghiên cứu cấu tạo phương thức điều khiển xe tự hành ➢ Thiết kế chế tạo mơ hình xe tự hành dùng la bàn số ➢ Lập trình điều khiển cho mơ hình xe tự hành dùng la bàn số III ĐỐI TƯỢNG VÀ PHẠM VI NGHIÊN CỨU ➢ Đối tượng nghiên cứu: Mơ hình xe tự hành ➢ Phạm vi nghiên cứu: Lập trình điều khiển xe tự hành dùng la bàn số IV PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU ➢ Nghiên cứu tài liệu, thu thập liệu cần thiết cho trình nghiên cứu ➢ Phân tích sở kiến thức có sẵn sở khảo sát thực tế ➢ Nghiên cứu lý thuyết liên quan đến điều khiển xe tự hành V TĨM TẮT CƠ ĐỌNG CÁC LUẬN ĐIỂM CƠ BẢN VÀ ĐÓNG GÓP MỚI CỦA TÁC GIẢ ➢ Nghiên cứu phương pháp tìm đường xe tự hành ứng dụng vận chuyển ➢ Thiết kế chế tạo mơ hình xe tự hành dùng la bàn số ➢ Thiết kế giao diện điều khiển cho xe tự hành ➢ Lập trình điều khiển cho xe tự hành chạy theo yêu cầu CHƯƠNG TỔNG QUAN VỀ ĐỀ TÀI 1.1 CƠ SỞ NGHIÊN CỨU VÀ Ý NGHĨA Xe tự hành viết tắt AGV (tên tiếng anh Automated Guided Vehicle), dạng phương tiện di chuyển tự động từ nơi đến nơi khác để chở trọng tải, thường trình sản xuất Chúng không nên điều hành người vận hành hoạt động điều kiện thông thường Cách thức di chuyển ảnh hưởng đến dây dẫn hướng, cảm biến tín hiệu điện, cảm biến ánh sáng Hình 1.1 Hình ảnh xe tự hành xưởng sản xuất Những phương tiện robot có khả chịu tải, vận chuyển khối lượng tải lớn lên tới vài nghìn ki-lơ-gam Nguồn điện cung cấp ắc quy, chúng có chi phí bảo trì tương đối thấp thân thiện với mơi trường Ngồi ra, chúng có hoạt động khơng gian lối chật hẹp Có nhiều tiện ích sử dụng công nghệ xe tự hành công nghiệp sản xuất, chẳng hạn như: o Tăng suất: AGV cơng việc liên tục, dừng lại để sạc lại thay pin cần thiết Không giống người điều khiển phương tiện giao thông chúng ta, họ không bị ốm xin nghỉ phép o Tăng độ xác: AGV xác với việc dùng cảm biến, quang học dẫn laser bo mạch Sản phẩm vận chuyển định vị phần nhỏ centimet o Tăng tính an tồn: Được đảm bảo với việc loại bỏ yếu tố lỗi người cảm biến chống va chạm o Ít tốn FAS (Hệ thống tự động hóa cố định): cho dù cơng nghệ FAS có vị trí thích hợp riêng nói đến vài phần mềm định, ví dụ dây đai băng tải, trở nên tốn khơng di động khơng thể thích ứng máy AGV o Giảm khoản chi tổng thể: Không cần trả lương cho robot, giống làm thêm tiền thưởng Ngồi cịn giảm chi phí phát sinh hư hỏng hàng hóa AGV xác o Tính linh hoạt dễ dàng tùy chỉnh: tùy thuộc vào loại hệ thống định vị AGV, nhiệm vụ tuyến đường xe điều chỉnh gấp rút dễ dàng Tại Việt Nam nay, nhu cầu sử dụng robot thay người việc xếp, dỡ hàng hóa ngày nhiều mở thị trường vô tiềm cho nhà nghiên cứu, sinh viên nhà sản xuất Tuy nhiên để tận dụng phát triển hệ thống, cần phải có hiểu biết định chúng Triển khai mơ hình robot di động vận chuyển hàng kho tăng suất lao động, tự động hóa nhiều q trình sản xuất tăng thỏa mãn khách hàng tăng lợi nhuận Robot vận chuyển hàng kho trở thành công nghệ ứng dụng rộng rãi tương lai ví dụ: ứng dụng xếp hàng kho thực phẩm, kho vận đơn vị vận chuyển 1.2 LỊCH SỬ PHÁT TRIỂN CỦA XE AGV Robot đời từ kỷ trước công nguyên Chu Mục Vương (Trung Quốc) Yan Shi phác thảo ý tưởng máy tự động khí Đến năm 1927, robot điện tử lần xuất phim ảnh Năm 1948, nguyên lý tảng robot tự động hóa đời, tạo tiền đề cho robot học sau Cho tới năm 1961, Mobile Robot điện tử giới đời, đặt tên Unimate Trong loại Mobile Robot áp dụng lĩnh vực cơng nghiệp, robot tự hành mặt đất giới quan tâm đến Hệ thống xe tự hành tồn từ năm 1953 Barrett Electronics Of Northbrook, bang Illinois – USA, Savant Automation of Walker, bang Michigan – USA Một nhà phát minh sáng chế phương pháp tự động hoá người xe tải kéo mà sử dụng nhà máy nhiều năm nhờ vào giấc mơ AGV chế tạo để vận chuyển phôi gia công vào năm 70, vấn đề định hướng xe tự hành vấn đề quan trọng Ban đầu AGV xe kéo nhỏ chạy theo đường dẫn Công nghệ năm 70 điều khiển hệ thống để nâng cao khả tính linh hoạt AGV, xe khơng dùng để kéo, đẩy hàng kho, mà cịn có chức trung gian, kết nối trình sản xuất, lắp ráp, phân loại hàng hóa Trải qua nhiều năm, cơng nghệ phát triển mạnh hơn, q trình tự hành, AGV lập trình để giao tiếp với robot khác nhằm đảm bảo sản phẩm chuyển qua trạm, kho nơi mà sau chúng giữ lại chuyển đến vị trí khác 1.3 NGUYÊN LÝ HOẠT ĐỘNG CỦA XE TỰ HÀNH AGV sử dụng cần có dẫn hướng để đường Cách điều hướng AGV sử dụng dây dẫn gắn sàn nhà Dần dần, với phát triển nhanh chóng cơng nghệ, có nhiều cách điều hướng đời Mỗi cách điều hướng xe tự hành có ưu nhược điểm riêng 1.3.1 Điều hướng AGV điện từ Đây cách điều hướng đời sớm Bằng cách sử dụng RFID nhúng vào dây kim loại, sau gắn chìm sàn nhà, AGV dị theo tín hiệu dây dẫn để di chuyển Với thu phát tần số, AGV nhận dạng từ trường phát từ dòng điện tần số thấp truyền dây dẫn Từ trường tạo truyền tới thiết bị cảm biến điện từ thân xe AGV Thẻ RFID nhúng sẵn điều hướng AGV theo lộ trình AGV đọc thẻ nhận dạng theo độ mạnh hay yếu tín hiệu để di chuyển Hình 1.2 AGV đời đầu dẫn hướng dải từ gần sàn nhà Dây dẫn kim loại gắn chìm sàn nhà (sâu khoảng cm) Khơng bị hư hại, không xuất tầm mắt, không lo bị ảnh hưởng yếu tố ngoại quan Lộ trình di chuyển dễ dàng, thời gian hoạt động 24/7 ưu điểm phương pháp Một phương pháp đơn giản, chi phí thấp đáng tin cậy Tuy nhiên, khơng có hồn hảo Phương pháp phù hợp với nhu cầu cố định quy mơ sản xuất đủ lâu để hồn vốn có lãi Vì nhược điểm phương pháp điều hướng AGV khó thay đổi mở rộng khơng gian đường dẫn Nó khơng phù hợp để làm việc xưởng sản xuất có nhiều nguyên liệu gây ảnh hưởng cảm ứng điện từ kim loại