Đồ án thiết kế và chế tạo xe agv ứng dụng slam tối ưu hóa đường đi

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP NGÀNH CÔNG NGHỆ KỸ THUẬT CƠ ĐIỆN TỬ THIẾT KẾ VÀ CHẾ TẠO XE AGV ỨNG DỤNG SLAM TỐI ƯU HÓA ĐƯỜNG ĐI GVHD: TS VŨ QUANG HUY SVTH: NGUYỄN XUÂN VIỆT TRẦN HIẾU QUÂN VÕ NGUYỄN HỒNG PHONG SKL011296 Tp Hồ Chí Minh, tháng 3/2023 BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT TP HỒ CHÍ MINH KHOA ĐÀO TẠO CHẤT LƯỢNG CAO ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP Đề tài: “THIẾT KẾ VÀ CHẾ TẠO XE AGV ỨNG DỤNG SLAM TỐI ƯU HÓA ĐƯỜNG ĐI” GVHD: TS Vũ Quang Huy SVTH: Nguyễn Xuân Việt 19146303 Trần Hiếu Quân 19146247 Võ Nguyễn Hồng Phong 19146237 Tp Hồ Chí Minh, tháng năm 2023 TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT TP HCM CỘNG HOÀ XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM KHOA CƠ KHÍ CHẾ TẠO MÁY Độc lập - Tự – Hạnh phúc Bộ môn CƠ ĐIỆN TỬ NHIỆM VỤ ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP Học kỳ / năm học 2023 Giảng viên hướng dẫn: TS Vũ Quang Huy Sinh viên thực hiện: Nguyễn Xuân Việt MSSV: 19146303 Điện thoại: 0362922403 Võ Nguyễn Hồng Phong MSSV: 19146237 Điện thoại: 0969214620 Trần Hiếu Quân MSSV: 19146247 Điện thoại: 0865220059 Mã số đề tài: 22223DT187 Tên đề tài: Thiết kế chế tạo xe AGV ứng dụng SLAM tối ưu quãng đường Các số liệu, tài liệu ban đầu: - Trịnh Chất – Lê Văn Uyển Tính tốn, thiết kế hệ dẫn động khí tập 1, NXB Giáo dục - Trịnh Chất – Lê Văn Uyển Tính tốn, thiết kế hệ dẫn động khí tập 2, NXB Giáo dục - Trần Hữu Quế, Vẽ kỹ thuật khí tập 1, NXB Giáo dục, 2005 - Trần Hữu Quế, Vẽ kỹ thuật khí tập 2, NXB Giáo dục, 2005 - Nguyễn Thị Phương Hà, Lý thuyết điều khiển tự động, NXB ĐH QG TP.HCM, 2005 - Nguồn tài liệu từ Internet Nội dung đồ án: - Tìm hiểu sở lý thuyết: xe AGV, SLAM, nghiên cứu điều hướng robot, điều khiển PID, Uart, động lục học Robot - Thiết kế hệ thống khí - Thiết kế điều khiển - Thực nghiệm đánh giá kết - Kết luận đưa hướng phát triển i Các sản phẩm dự kiến: - Một mơ hình xe AGV dùng SLAM tối ưu hóa đường - Một báo cáo - Một powerpoint thuyết trình - Một poster trình bày sản phẩm - Một video giới thiệu sản phẩm Ngày giao đồ án: 15/03/2023 Ngày nộp đồ án: 15/07/2023 Tiếng Anh  Tiếng Việt  Trình bày bảo vệ: Tiếng Anh  Tiếng Việt  Ngơn ngữ trình bày: Bản báo cáo: TRƯỞNG KHOA TRƯỞNG BỘ MÔN GIẢNG VIÊN HƯỚNG DẪN (Ký, ghi rõ họ tên) (Ký, ghi rõ họ tên) (Ký, ghi rõ họ tên)  Được phép bảo vệ (GVHD ký, ghi rõ họ tên) ii LỜI CAM KẾT - Tên đề tài: “Thiết kế chế tạo xe AGV ứng dụng SLAM tối ưu hóa đường đi” - GVHD: TS Vũ Quang Huy - Họ tên sinh viên: Nguyễn Xuân Việt - MSSV: 19146303 Lớp: 19146CL5A - Địa sinh viên: 16/3/11 đường 297, P Phước Long B, thành phố Thủ Đức, Thành phố Hồ Chí Minh - Số điện thoại liên lạc: 0362922403 - Email: vietnguyen@i-soft.com.vn - Ngày nộp khoá luận tốt nghiệp (ĐATN): 18/07/2023 - Lời cam kết: “Tơi xin cam đoan khố luận tốt nghiệp (ĐATN) cơng trình tơi nghiên cứu thực Tôi không chép từ viết cơng bố mà khơng trích dẫn nguồn gốc Nếu có vi phạm nào, tơi xin chịu hồn tồn trách nhiệm” Tp Hồ Chí Minh, ngày 18 tháng 07 năm 2023 Ký tên iii LỜI CÁM ƠN Trước tiên, nhóm chúng em xin gửi lời cảm ơn chân thành sâu sắc đến thầy TS Vũ Quang Huy tận tình hướng dẫn, chia sẻ nhiều kinh nghiệm quý báu suốt trình thực đồ án tốt nghiệp Xin gửi lời cảm ơn đến quý thầy cô Khoa Đào tạo Chất lượng cao, Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật Thành phố Hồ Chí Minh, tạo hội cho nhóm chúng em học tập, rèn luyện tích lũy kiến thức, kỹ để thực đồ án Và nhóm khơng qn gửi lời cảm ơn đến gia đình, bạn bè ln động viên, giúp đỡ nhóm trình học tập thực đồ án Dù cố gắng kiến thức thành viên nhiều hạn chế thiếu kinh nghiệm thực tiễn nên khó tránh thiếu sót Nhóm mong nhận góp ý, dạy thêm từ Q Thầy để học hỏi tích lũy thêm kiến thức kinh nghiệm, để hoàn thiện phát triển thân hội giúp nhóm chuẩn bị tốt cho hành trình dài phía trước Cuối cùng, em xin chúc Quý Thầy Cô thật nhiều sức khỏe đạt nhiều thành công cơng việc Trân trọng iv TĨM TẮT ĐỒ ÁN THIẾT KẾ VÀ CHẾ TẠO XE AGV ỨNG DỤNG SLAM TỐI ƯU HÓA ĐƯỜNG ĐI Trong nhiều năm qua, với phát triển mạnh mẽ công nghệ kỹ thuật Các thiết bị điện tử thông minh ngày phổ biến, ứng dụng rộng rãi đời sống tồn quanh ta Để bắt kịp xu hướng phát triển đó, nhóm muốn triển khai đề tài nghiên cứu tạo sản phẩm góp phần cải thiện sống Chính mà nhóm đưa đề tài “Thiết kế chế tạo xe AGV- Ứng dụng SLAM tối ưu hóa đường đi” làm mục tiêu nguyên cứu Việc nghiên cứu sản phẩm khoa học – kỹ thuật địi hỏi thực quy trình, bao gồm tính tốn, thiết kế khí; thiết kế điều khiển lập trình cho điều khiển Trong báo cáo chủ yếu tập trung vào phần tính tốn, thiết kế khí chia thành chương gồm: • Chương 1: Tổng quan đề tài • Chương 2: Cơ sở lý thuyết • Chương 3: Thiết kế hệ thống khí • Chương 4: Thiết kế điều khiển • Chương 5: Thực nghiệm đánh giá kết • Chương 6: Kết luận hướng phát triển Trong chương trình bày nội dung cụ thể Nội dung kiến thức dựa kiến thức học tài liệu tham khảo bên Trong chương đầu tiên, chủ yếu giới thiệu tổng quan, lịch sử hình thành phát triển robot Trình bày sơ lược đề tài, đưa giới hạn phương pháp nghiên cứu đề tài Từ nhận xét điểm đề tài Chương trình bày tổng quan, đưa phân tích robot AGV phân loại AGV Cơ sở lý thuyết ứng dụng SLAM thuật tốn PID điều khiển động Trình bày giao thức UART động học di chuyển robot AGV Chương trình bày phần thiết kết khí, cách bố trí cấu chấp hành điều khiển Phân tích, lựa chọn truyền động tính tốn lựa chọn động cơ, trục bánh xe, gối đỡ chi tiết khác Đưa yêu cầu đầu vào đầu ra, từ lên ý tưởng thiết kế khí đáp ứng yêu cầu mong muốn Chương trình bày sơ đồ khối thiết bị dùng điều khiển, thông số chức thiết bị v Chương tiến hành thử nghiệm để đánh giá hiệu suất xe AGV theo tiêu chí tốc độ, độ xác, khả định vị tương tác với môi trường Chương đưa kết luận từ yêu cầu đạt không mong muốn Từ đó, đề xuất cải tiến, đưa hướng phát triển đề tài nghiên cứu vi MỤC LỤC NHIỆM VỤ ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP .i LỜI CAM KẾT iii LỜI CÁM ƠN .iv TÓM TẮT ĐỒ ÁN v MỤC LỤC vii DANH MỤC BẢNG BIỂU xi DANH MỤC HÌNH ẢNH xii DANH MỤC TỪ VIẾT TẮT xv CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN ĐỀ TÀI 1.1 Tổng quan Robot 1.2 Tình hình nghiên cứu nước 1.2.1 Ngoài nước .2 1.2.2 Trong nước .3 1.3 Lý chọn đề tài 1.4 Giới hạn phạm vi đề tài 1.5 Phương pháp nguyên cứu CHƯƠNG 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT 2.1 Tổng quan Robot AGV 2.1.1 Khái niệm 2.1.2 Những loại AGV thị trường 2.1.3 Ứng dụng 2.1.4 Ưu điểm nhược điểm xe AGV 2.1.5 Động học robot di động 2.2 Tổng quan ROS 2.2.1 Khái niệm 2.2.2 Lịch sử ROS .10 2.2.3 Các thành phần quan trọng ROS 10 vii 2.2.4 Ứng dụng ROS 11 2.3 Tổng quan SLAM 13 2.3.1 Khái niệm .13 2.3.2 Quy trình xử lý SLAM .14 2.3.3 Ứng dụng SLAM 15 2.4 Tổng quan Navigation 15 2.4.1 Khái niệm .15 2.4.2 Các thành phần 16 2.4.3 Ứng dụng Navigation 16 2.5 Nghiên cứu điều hướng robot 17 2.6 Hàm truyền động DC [1] 18 2.7 Bộ điều khiển PID 20 2.7.1 Tổng quan điều khiển PID 20 2.7.2 Lý thuyết thuật toán PID 20 2.7.3 Phương pháp điều chỉnh PID 24 2.8 Giao thức truyền thông UART 25 CHƯƠNG 3: THIẾT KẾ HỆ THỐNG CƠ KHÍ 27 3.1 Yêu cầu kỹ thuật xe AGV 27 3.1.1 Đặt vấn đề 27 3.1.2 Yêu cầu thiết kế 27 3.1.3 Yêu cầu kỹ thuật .28 3.2 Tính tốn thiết kế lựa chọn hệ thống khí 28 3.2.1 Phân tích lựa chọn hệ thống truyền dẫn động 28 3.2.2 Tính tốn lựa chọn động 31 3.2.3 Tính tốn lựa chọn truyền động đai 34 3.2.4 Tính tốn thiết kế trục dẫn động 38 3.2.5 Lựa chọn gối đỡ .44 3.2.6 Lựa chọn bánh xe cho AGV 45 viii 5.1.6 Tốc độ xoay xe robot AGV: Hình 5.6: Đáp ứng vận tốc góc xe AGV xoay 5.2 Chạy thực nghiệm nhận xét Bảng 5.1 Kết trình SLAM STT Vận tốc (m/s) Kết Khơng đảm bảo độ xác map quét có tượng map chồng lên nhau, ảnh hưởng thuật toán 0.5 – Đơi có lỗi phần odom, tính tốn encoder xe di chuyển xoay nhanh, có thiếu hụt encoder làm ảnh hưởng q trình SLAM 0.3 – 0.5 Đơi có lỗi phần odom, tính tốn encoder xe di chuyển xoay nhanh, có thiếu hụt encoder làm ảnh hưởng trình SLAM 0.1 – 0.3 Đảm bảo độ ổn định, xác map tính tốn odom 60 Hình 5.7: Hiện tượng chồng map, ảnh hưởng thuật tốn Hình 5.8: Q trình SLAM khoảng vận tốc (0.1 – 0.3), cho kết khả quan, tốt Bảng 5.2: Quá trình Navigation & avoid obstacles STT Vận tốc (m/s) Kết Do diện tích phịng nhỏ nhiều người vào ảnh hưởng đến việc xác cảm biến 0.25 – 0.5 Nếu di chuyển nhanh có nhiều vật cản ảnh hưởng phần tính tốn odom định hướng dẫn đến va chạm không mong muốn Nếu vật cản khoảng cách gần mà xe lại chạy tốc độ cao, dừng đột ngột ảnh hưởng động lâu dài lặp lại trình 0.06 – 0.25 Đảm bảo xe di chuyển tới điểm định tránh vật cản xuất bất ngờ khoảng cách gần xa Đảm bảo tính ổn định tuổi thọ động 61 Hình 5.9: Quá trình Navigation vận tốc cho phép khơng có vật cản xuất Hình 5.10 : Quá trình Navigation vận tốc cho phép có vật cản xuất 62 Hình 5.11: Khi tăng vận tốc cho phép xe, có vật cản xuất bất ngờ, có va chạm khơng mong muốn 5.3 Đánh giá kết 5.3.1 Mặt đạt : - Chạy ổn định, di chuyển đến vị trí mong muốn với đường tối ưu - Tránh vật cản xuất khoảng cách xa gần, bất ngờ - Tốc độ 0.25 m/s, phù hợp cho môi trường nhỏ, nhiều vật cản 5.3.2 Mặt hạn chế : - Vị trí thực tế đơi bị sai số với vị trí mong muốn phần cứng tính tốn phần mềm hệ thống - Đơi bị nhiễu tín hiệu, dẫn đến làm q trình di chuyển đến vị trí chậm dự kiến 63 CHƯƠNG 6: KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN Từ kết đạt chương 5, chương đưa kết luận hướng phát triển tương lai đề tài 6.1 Kết luận 6.1.1 Kết đạt - Mơ hình khí xe AGV - Mạch điều khiển Bộ điều khiển PID - AGV hoạt động yêu cầu tối yêu hóa qng đường Hình 6.1 Tổng quan mơ hình xe AGV thực tế 6.1.2 Kết không mong muốn - Tốc độ chưa đạt yêu cầu Tải khối lượng nhỏ (