(Đồ án hcmute) băng tải đa hướng ứng dụng vào phân loại và sắp xếp hàng hóa

GIỚI THIỆU

Tính cấp thiết của đề tài

Hiện nay, với sự phát triển của thương mại điện tử và sự bùng nổ của mạng xã hội các hoạt động kinh doanh online đang là một xu hướng thịnh hành của thị trường Số lượng người tiêu dùng tham gia mua hàng trực tuyến gia tăng làm cho số lượng sản phẩm có xu hướng tăng theo.

Hình 1.1 Quy mô thị trường thương mại điện tử Việt Nam (theo Sách trắng Thương mại điện tử Việt Nam năm 2022).

Việc vận chuyển hàng hóa từ các nhà bán lẻ đến tay người tiêu dùng là một vấn đề quan trọng đối với ngành thương mại điện tử Vận chuyển hàng hóa cần phải đảm bảo chất lượng và thời gian giao hàng, để đảm bảo sự hài lòng của khách hàng Đây là một thách thức lớn đối với các doanh nghiệp kinh doanh trực tuyến Trong khi đó các loại băng tải thông thường như băng tải truyền thống, băng tải định hướng, băng tải thang máng, băng tải trượt, băng tải xoắn ốc, băng tải chuyển đổi hướng và băng tải trục vít các loại băng tải này thường không đủ đáp ứng được yêu cầu vận chuyển hàng hóa đối với thương mại điện tử hiện nay Chính vì thế, các loại băng tải thông minh đang được ứng dụng rộng rãi và dần thay thế các loại băng tải thông thường trong các nhà máy, xí nghiệp và đang, giúp khắc phục các nhược điểm của băng tải thủ công như: hàng hóa chỉ di chuyển theo một hướng nhất định, khó tháo rời để vệ sinh và sửa chữa, năng suất làm việc thấp do hàng hóa chỉ di

1 chuyển được theo một hướng nhất định Ưu điểm của băng tải đa hướng so với băng tải thông thường:

- Có quy trình linh hoạt giúp hàng hóa di chuyển theo những hướng khác nhau nhờ vào sự di chuyển các bánh xe đa hướng mà ta có thể điều chỉnh được, từ đó giúp tăng năng suất làm việc, tiết kiệm thời gian hơn.

- Dễ dàng sửa chữa và thay mới vì băng tải được cấu tạo từ nhiều khối module lục giác hoạt động độc lập với nhau có gắn các bánh xe omni trên đó Nhờ thế ta có thể dễ dàng tháo từng khối để kiểm tra hay thay mới.

Tuy nhiên, mô hình này vẫn chưa được ứng dụng rộng rãi ở nước ta Để giải quyết vấn đề này, việc thiết kế, chế tạo băng tải đa hướng là điều cần thiết Khi đó, việc vận chuyển hàng hóa sẽ được thực hiện một cách nhanh chóng và tự động hoàn toàn góp phần làm tăng năng suất, giảm thiểu sức lao động cho các nhà máy, xí nghiệp Vì thế, việc chế tạo băng tải đa hướng là một giải pháp tối ưu nhất, thúc đẩy nền kinh tế phát triển bền vững, ổn định, giải quyết các vấn đề đã đặt ra.

Từ những phân tích trên, chúng tôi thấy rõ được vai trò quan trọng và tính cấp thiết của đề tài: “Băng tải đa hướng ứng dụng vào phân loại và sắp xếp hàng hóa”.

Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài

Việc ứng dụng công nghệ kỹ thuật hiện đại vào mô hình đã đem lại những bước tiến vượt trội trong quy trình sản xuất, là cơ sở để cải tiến và xây dựng mô hình một cách tối ưu hóa nhất trong tương lai Bên cạnh đó còn giúp cho sinh viên tiếp cận với thực tế biết được các vận hành của các cụm chi tiết cơ khí, điều khiển vận tốc, vị trí cho động cơ, thiết kế giao diện người dùng, … Đặc biệt hơn nữa sinh viên có thể nắm bắt và áp dụng những kiến thức về khoa học kĩ thuật một cách sáng tạo, có hiệu quả vào trong thực tiễn.

Thay đổi phương pháp vận chuyển thủ công và đưa các ứng dụng kỹ thuật công nghệ vào quá trình sản xuất trong các nhà máy, trang trại, khu công nghiệp…

Hướng tới một nền công nghiệp hiện đại, bền vững và thân thiện Hạn chế sức lao động của con người, đồng thời đẩy mạnh, nâng cao năng suất và chất lượng của hàng hóa, từ đó tăng năng suất một cách hiệu quả.

Mục tiêu nghiên cứu đề tài

Nghiên cứu, thiết kế và chế tạo hệ thống vận chuyển hàng đa hướng nhằm giảm bớt nguồn nhân công, tiết kiệm thời gian, chi phí vận chuyển và nâng cao hiệu suất làm việc.Phát triển công nghệ mới để giải quyết các vấn đề kỹ thuật trong quá trình thiết kế và vận hành các băng tải.

Phát triển băng tải có khả năng di chuyển theo nhiều hướng khác nhau để đáp ứng nhu cầu đa dạng trong công nghiệp.

Giảm tỉ lệ hư hỏng hàng hóa.

Quản lí hàng hóa dễ dàng, hiệu quả.

Đối tượng và phạm vi nghiên cứu

Nghiên cứu các yếu tố đặc trưng cơ bản và cách thức hoạt động của các hệ thống băng tải tự động.

Nghiên cứu các thiết bị cơ bản của hệ thống băng tải đa hướng có liên quan như: bánh xe Omni, động cơ DC giảm tốc, vi điều khiển STM32F103C8T6, …

Nghiên cứu, thiết kế cơ cấu truyền động của hệ thống.

Nghiên cứu, thiết kế phần điện tối ưu cho hệ thống.

Nghiên cứu, tính toán đường đi tối ưu của gói hàng khi đặt lên băng tải.

1.4.2 Phạm vi nghiên cứu Đề tài tập trung vào nghiên cứu, thiết kế và chế tạo băng tải đa hướng ứng dụng cho nhà máy, trang trại, khu công nghiệp.

Nghiên cứu và tính toán động học cho hệ thống.

Phân tích giao thức truyền thông UART và CAN_BUS để lập trình điều khiển các module trong cơ cấu.

Phương pháp nghiên cứu

1.5.1 Cơ sở phương pháp luận Đề tài kết hợp giữa phương pháp nghiên cứu lý thuyết và thực nghiệm trên mô hình Trước tiên, nhóm đã nghiên cứu kĩ lưỡng các loại băng tải trên thị trường và cách thức vận hành của chúng Sau đó tiến hành nghiên cứu về thành phần cấu tạo và cách thức hoạt động của băng tải đa hướng từ các nguồn tài liệu về cơ khí, điện – điện tử, các bài báo nghiên cứu ở nước ngoài Tiếp theo, nhóm cùng với giáo viên hướng dẫn tiến hành phân tích, đánh giá các ưu, nhược điểm và chọn ra phương án thiết kế và thi công tối ưu nhất có thể Bên cạnh đó, nhóm cũng đã áp dụng các kiến thức chuyên ngành trong quá trình học, sử dụng các phần mềm máy tính để tính toán, thiết kế, mô phỏng và dự đoán kết quả.

1.5.2 Các phương pháp nghiên cứu cụ thể

1.5.2.1 Phương pháp nghiên cứu lý thuyết Đọc và tham khảo các tài liệu liên quan đến đề tài.

Tham khảo các tài liệu về thiết kế chế tạo máy, nghiên cứu các nguyên lý cơ học áp dụng vào việc phân tích, tính toán khi thiết kế và điều khiển hệ thống.

Nghiên cứu về các thành phần cấu tạo có trong hệ thống và cách thức hoạt động của từng loại.

Nghiên cứu các cơ cấu truyền động đảm bảo độ chính xác, tối ưu hóa chuyển động. Tìm hiểu về thuật toán di chuyển của băng tải.

Quan sát, tìm hiểu tình hình thực tế để đưa ra phương án thiết kế tối ưu cho hệ thống.

Thiết kế, chế tạo mô hình hệ thống băng tải đa hướng và tiến hành áp dụng, kiểm nghiệm lại các kết quả tính toán trước đó.

Mô phỏng thực nghiệm hệ thống trên các phần mềm máy tính để dự đoán kết quả Thiết kế giao diện hệ thống để dễ dàng điều khiển và chọn đường đi tối ưu nhất khi cho một gói hàng lên băng tải.

Giới hạn đề tài

Giới hạn là kích thước gói hàng tối thiểu 200x200x80mm và tối đa 400x400x80mm. Khối lượng tối đa gói hàng 4kg.

Phân loại hàng hóa theo mã QR gồm 3 hoặc 4 ngõ ra.

Kết cấu của đồ án tốt nghiệp

Kết cấu đồ án tốt nghiệp gồm có 6 chương:

TỔNG QUAN NGHIÊN CỨU ĐỀ TÀI

Tình hình nghiên cứu ngoài nước

Vào năm 2009, đã có một nghiên cứu [1] đề xuất một băng tải di động được gọi là Flexconveyor (băng tải linh hoạt), có thể được coi là một trong những băng tải di động sớm nhất dựa trên các tài liệu còn tồn tại Flexconveyor được tạo thành từ các con lăn cho chuyển động theo chiều dọc và bộ chuyển hướng cho chuyển động theo chiều ngang Các bộ chuyển hướng được giấu dưới các con lăn, và sẽ được nâng lên mỗi khi cần thiết Các con lăn trong mỗi ô Flexconveyor được liên kết cơ học và do đó chúng hoạt động đồng bộ. Một cấu trúc cơ khí đồng bộ tương tự được áp dụng cho các bộ chuyển hướng Do đó, Flexconveyor không có khả năng điều khiển hướng thùng carton và do đó được phân loại là băng tải di động một chiều Mỗi ô Flexconveyor được trang bị một điện trở quang và đầu đọc RFID để phát hiện và xác định thùng carton tương ứng Ô Flexconveyor có bốn giao diện truyền thông ở mỗi bên để có thể thiết lập giao tiếp với các ô lân cận Khi cần thay đổi cách bố trí toàn bộ hệ thống băng tải, có thể di chuyển từng ô băng tải Flexconveyor và đặt lại dễ dàng, vì các bánh xe di chuyển được lắp vào từng ô Về hệ thống điều khiển, một phương pháp điều khiển phi tập trung được đề xuất, trong đó mỗi ô hoạt động độc lập dựa trên chỉ thị nhận được từ các ô lân cận Khái niệm module của Flexconveyor chắc chắn là một bước đột phá so với các hệ thống băng tải truyền thống mặc dù nó không có khả năng kiểm soát hướng di chuyển.

Một loại băng tải di động như Flexconveyor với các module băng tải quy mô nhỏ (wheel sorter) Băng tải này là một phương tiện dẫn đường tự động giúp quá trình di dời có thể được thực hiện tự động Các module băng tải này được tạo thành từ con lăn xoay điều khiển servo, con lăn xoay điều khiển bằng dây đai, piston hướng trục hoặc bàn xoay. Trong module băng tải quy mô nhỏ mỗi hàng con lăn được liên kết cơ học sử dụng hai bộ bánh xe xoay độc lập và theo trình tự Module băng tải này cung cấp tính linh hoạt và ứng dụng hơn Flexconveyor Wheel sorter có thể mở rộng và thay thế tùy chỉnh từng module vì nó được được lắp ghép từ từng khối module nhỏ Tuy nhiên, hạn chế duy nhất của nó là mỗi module chỉ có một bộ truyền động được điều khiển.

Khác với module băng tải quy mô nhỏ sử dụng khái niệm xoay, Omni wheel cũng là một lựa chọn thích hợp cho băng tải đa hướng, nhờ vào khả năng di chuyển linh hoạt và xoay tròn của bánh xe Năm 2016, Wang và cộng sự [2] sử dụng kích thước nhỏ và kích thước lớn của bánh xe omni để tạo ra một nền tảng băng tải có khả năng di chuyển được nhiều hướng Nền tảng băng tải này không phải là loại từng module và mỗi hàng của omni wheel được kết nối cơ khí Sự kết hợp giữa bánh xe đa hướng và bánh răng dẫn động tạo thành băng tải máy chạy bộ cũng được đề xuất để tạo ra nền tảng băng tải đa hướng (BSO) Hình (c) cho thấy cái nhìn tổng quan về băng tải này Ưu điểm vượt trội của BSO so với

Wheel sorter khả năng di chuyển gói hàng được nhiều hướng trong quá trình vận hành, nhưng nhược điểm là khó khăn trong việc bảo trì và chi phí lắp đặt cao.

Năm 2019, Uriarte và cộng sự [3] đề xuất Celluveyor - một băng tải đa hướng gồm các module hình lục giác được tạo thành từ ba bánh xe omni wheels có kích thước tương tự nhau Các module được điều khiển riêng lẻ thông qua việc điều khiển từng bánh xe, các vật thể có thể được vận chuyển tự do theo mọi hướng Việc tháo lắp để bảo trì sửa chữa cũng rất dễ dàng tại băng tải được cấu hình theo từng module nên dễ thay thế nếu gặp trục trặc hoặc hư hỏng. Để có cái nhìn tổng quan và so sánh rõ hơn, hình 2.1 cho thấy hình dáng bên ngoài của các loại băng tải nói trên.

Hình 2.1 Hình dáng của: (a) Flexconveyor, (b) Wheel sorter, (c) comprises big and small omniwheels (BSO), (d) Celluveyor.

Tóm lại, mặc dù băng tải Flexconveyor và băng tải có bánh xe omni wheels (BSO) không có khả năng điều khiển theo lệch hướng, tuy nhiên trong điều kiện làm việc hạn chế về hướng di chuyển thì năng suất của chúng lại đạt hiệu quả cao vì chúng có bánh xe chuyển hướng và bánh xe đa năng lớn hơn, tương ứng, để vận chuyển thùng carton xa hơn trên mỗi vòng quay Trong khi đó, hệ thống Wheel sorter và Celluveyor có độ phân giải cao hơn các loại khác do các bánh xe của chúng được bố trí gần nhau, do đó dễ dàng xử lý các thùng giấy Hệ thống Wheel sorter chỉ có bánh xe nhỏ và nó nhỏ gọn nhưng lại có hệ thống điều khiển phức tạp Nhìn chung, hệ thống Celluveyor tối ưu nhất với độ phân giải tốt, và khả năng di chuyển hàng hóa được nhiều hướng, dễ dàng vận hành và bảo dưỡng.

CƠ SỞ LÝ THUYẾT

Động học

Về cơ bản, băng tải đa hướng - Celluveyor là một băng tải module với các khối lục giác giống nhau được xếp theo hình dạng nhất định Mỗi ô bao gồm một tấm đế hình lục giác với ba bánh xe đa hướng và một bộ điều khiển Mỗi bánh xe sẽ được dẫn động bởi một động cơ điện Bằng cách điều khiển riêng tốc độ của các bánh xe và sự tương tác của các ô liền kề, các đối tượng có thể tự do quay và truyền tải theo mọi hướng Nhiều đối tượng cùng lúc có thể được di chuyển theo các đường tự do và độc lập với nhau.

Ta có thể xem mỗi khối lục giác như một robot đa hướng 3 bánh xe omni Đây là một loại mô hình robot có thể di chuyển và tự định hướng Bằng những bánh xe đa hướng, robot có thể di chuyển đến bất cứ vị trí nào trong mặt phẳng, với sự kết hợp giữa chuyển động xoay và chuyển động tịnh tiến, việc di chuyển trong quá trình vận hành lại càng dễ dàng hơn.

Việc gắn hệ trục tọa độ vào robot giúp ta xác định vị trí của robot so với vị trí ban đầu và tính toán động học vận tốc của nó Tính toán dựa trên 2 chuyển động chính của robot đó là chuyển động tịnh tiến theo trục và chuyển động quay.

Chuyển động tịnh tiến là chuyển động dọc theo các trục vuông góc với nhau trong không gian, ta có ma trận chuyển vị tịnh tiến.

Với dx, dy, dz là khoảng dịch chuyển theo 3 phương so với vị trí ban đầu.

Chuyển động quay là chuyển động quay quanh các trục x, y , z tương ứng với các ma trận chuyển vị xoay R x , R y , R z ta có:

Với các góc quay quanh các trục là góc α (trục z), góc β (trục y), góc γ (trục x).

Phép quay ROLL-PITCH-YAW hay còn gọi là phép quay RBY được biểu diễn như sau:

Với: C là cos, S là sin.

Khi ta xác định các ma trận tịnh tiến và ma trận góc quay của robot, ta áp dụng công thức để tìm vị trí của máy trong không gian:

Hình 3.1 Biểu diễn sự chuyển vị trong không gian.

1 P : là tọa độ của điểm P trong hệ trục 0.

1 T n : là ma trận chuyển vị của hệ trục n so với hệ trục 0 n P : tọa độ của điểm P trong hệ trục thứ n.

Tổng quan về xử lý ảnh và thư viện Aforge

Xử lý ảnh là quá trình xử lý dữ liệu sử dụng các kỹ thuật và phương pháp tính toán để cải thiện chất lượng, phân tích, hiển thị hình ảnh số.

Các ứng dụng của xử lý ảnh rất đa dạng, từ xử lý hình ảnh y học và dược phẩm đến nhận dạng khuôn mặt và phát hiện giao thông Bên cạnh đó, xử lý ảnh cũng được sử dụng trong các lĩnh vực khác như truyền thông, thiết kế đồ họa và nghệ thuật số,

Các bước chính của xử lý ảnh bao gồm:

Hình 3.2 Cấu trúc xử lý ảnh.

Thu nhận ảnh: dữ liệu hình ảnh sẽ được thu thập từ nhiều nguồn khác nhau, bao gồm máy ảnh, video, thiết bị quét, và các cảm biến ảnh khác.

Tiền xử lý: bước này bao gồm các hoạt động như cắt ảnh, xoay ảnh, nén ảnh và các hoạt động khác để chuẩn bị dữ liệu ảnh cho các bước tiếp theo.

Phân đoạn ảnh: bước này liên quan đến việc trích xuất các thông tin hữu ích từ ảnh, bao gồm việc phát hiện cạnh, phân đoạn ảnh, trích xuất vùng quan tâm, và các hoạt động khác.

Biểu diễn ảnh: là quá trình chuyển đổi hình ảnh từ ảnh thực tế phức tạp sang dạng số hóa, để có thể được lưu trữ và xử lý trên máy tính Trong giai đoạn biểu diễn ảnh, hình ảnh sẽ được biểu diễn dưới dạng ma trận số, trong đó mỗi phần tử của ma trận tương ứng với một điểm ảnh trong hình ảnh.

Nhận dạng ảnh: Là quá trình xác định đối tượng hoặc tính chất của hình ảnh.

Cơ sở tri thức: là nền tảng lý thuyết để hiểu và áp dụng các kỹ thuật xử lý ảnh Các cơ sở lí thuyết bao gồm đại số tuyến tính, xác suất, lý thuyết thông tin, lý thuyết tín hiệu, lý thuyết hình thái học, lý thuyết đồ thị và các phương pháp toán học khác được sử dụng trong xử lý ảnh.

Sơ lược về thư viện Aforge và các hàm xử lý ảnh sử dụng trong hệ thống AForge.NET là một thư viện xử lý ảnh và máy học mã nguồn mở, được phát triển dựa trên ngôn ngữ C# Thư viện này cung cấp các công cụ và các thuật toán xử lý ảnh cho các ứng dụng bao gồm các tính năng như xử lý ảnh, xử lý video, nhận dạng vật thể, mạng nơ- ron nhân tạo, xử lý âm thanh, và các thuật toán máy học khác.

Hệ thống băng tải đa hướng sử dụng các hàm trong thư viện Aforge để nhận dạng góc xoay và vị trí của hộp trong quá trình điều khiển được thể hiện trong sơ đồ bên dưới.

Hình 3.3 Sơ đồ khối quá trình xử lý nhận dạng đối tượng của hệ thống.

- Đọc khung hình: sử dụng AForge.Video để lấy các khung hình từ camera.

- Xác định đối tượng: sử dụng AForge.Imaging để nhận dạng đối tượng trong từng khung hình bao gồm xác định các đường biên, cạnh và các điểm bao quanh đối tượng, từ đó tìm được hình chữ nhật nhỏ nhất để tiến hành quá trình tính toán.

- Tính toán: tính toán giá trị góc xoay, vị trí và tọa độ tâm của đối tượng bằng việc trích xuất thông tin từ hình chữ nhật trong bước xác định đối tượng.

- Hiển thị ảnh kết quả với các thông tin đã tính toán lên PictureBox.

Tổng quan về PID

Bộ điều khiển PID (Proportional Integral Derivative) là một cơ chế phản hồi vòng điều khiển rộng rãi được áp dụng trong các hệ thống điều khiển công nghiệp Nó được sử dụng để điều chỉnh và duy trì một thông số đo trong hệ thống, dựa trên việc tính toán sai số là sự khác biệt giữa giá trị đo được và giá trị mục tiêu mong muốn.

Hình 3.4 Bộ điều khiển hồi tiếp-PID.

Bộ điều khiển PID kết hợp ba thành phần cơ bản để điều chỉnh quá trình điều khiển. Thành phần tỷ lệ (Proportional - P) đáp ứng tỷ lệ với sai số hiện tại, thành phần tích phân (Integral - I) tích lũy sai số theo thời gian, và thành phần vi phân (Derivative - D) dự đoán sự thay đổi của sai số.

Khâu P : phản hồi tỷ lệ với sai số hiện tại Nó tạo ra một tín hiệu điều chỉnh tỉ lệ với độ lệch giữa giá trị đo được và giá trị đặt mục tiêu Khâu tỷ lệ giúp tăng đáp ứng nhanh của hệ thống và giảm độ lệch Tuy nhiên, khi chỉ sử dụng khâu tỷ lệ, có thể gây ra độ dao động và không đủ để đạt được độ ổn định và chính xác cao.

Khâu I : tích lũy sai số theo thời gian và tạo ra tín hiệu điều chỉnh để giảm tổng độ lệch theo thời gian Khâu tích phân giúp giảm sai số ổn định và đạt đến giá trị mục tiêu chính xác hơn Nó hỗ trợ trong việc khắc phục sai số xác lập và hạn chế độ dao động Tuy nhiên, việc áp dụng quá nhiều khâu tích phân có thể gây ra độ ổn định kém và tăng thời gian khởi động.

Khâu D : dự đoán tốc độ thay đổi của sai số và điều chỉnh tín hiệu theo tốc độ đó. Thành phần vi phân giúp giảm độ dao động và cải thiện thời gian đáp ứng của hệ thống.

Nó có khả năng dự đoán xu hướng thay đổi và giảm đáng kể thời gian phản hồi Tuy nhiên, nếu được áp dụng quá mạnh, khâu vi phân có thể làm tăng nhiễu và gây ra sự không ổn định.

Hàm truyền hệ thống điều khiển PID:

- Là hệ số khuếch đại của bộ điều chỉnh PID.

- Là tốc độ tích phân hay hệ số tích phân.

- Là hệ số vi phân hay hằng số thời gian vi phân.

Khi triển khai bộ điều khiển PID trong thực tế, đầu vào biến (lỗi) thu được bằng cách lấy mẫu đầu ra của nhà máy tại tỷ lệ mẫu Sau đó, thuật toán PID cũng được tính toán tại tỷ lệ như nhau.

Tốc độ lấy mẫu được gọi là thời gian lấy mẫu, ( ).

Việc tăng giá trị các thông số độc lập (Kp, Ki, Kd) trong bộ điều khiển PID có thể ảnh hưởng đến thời gian khởi động, độ vọt, thời gian quá độ và sai số xác lập theo cách khác nhau, như được mô tả trong bảng 3.1.

Bảng 3-1 Tác động của việc tăng một thông số độc lập trong bộ điều khiển PID.

Thông số Thời gian khởi động Vọt lố Thời gian quá độ Sai số xác lập

Kp Giảm Tăng Thay đổi nhỏ Giảm

Ki Giảm Tăng Tăng Giảm

Kd Giảm ít Giảm Giảm Thay đổi ít

Bằng phương pháp điều chỉnh thủ công ta khởi tạo các thông số giá trị Kp, Ki, Kd của PID và giá trị tốc độ mong muốn (setpoint) Sau đó vi xử lí sẽ đọc giá trị gửi từ máy tính và giá trị từ Encoder để tính toán sai số hệ thống Nếu sai số xác lập phù hợp thì chấp nhận thông số PID, ngược lại ta tiếp tục thay đổi các giá trị thông số

Kp, Ki, Kd của PID đến khi hệ thống ổn định.

Hình 3.5 Lưu đồ giải thuật PID.

Hình 3.6 Sơ đồ khối hệ thống điều khiển vòng kín điều khiển PID.

- PC: Chịu trách nhiệm gửi thông số điều khiển cho động cơ, nhằm điều khiển hệ thống.

- STM32: Sử dụng với giải thuật PID, tính toán và xuất giá trị điều khiển đến L298 Đồng thời, nó cũng nhận thông tin về tốc độ, vị trí hiện tại từ Encoder và gửi về máy tính.

- L298: Có chức năng nhận tín hiệu xung PWM từ STM32, và điều chỉnh mức điện áp vào động cơ.

- GA25-170rpm, Encoder: hoạt động với tốc độ mong muốn dựa trên mức điện áp được cung cấp bởi L298 Encoder được sử dụng đếm số xung, từ đó xác định được vận tốc và vị trí ở thời điểm hiện tại.

Các chuẩn giao tiếp

Lựa chọn các chuẩn giao tiếp phù hợp với yêu cầu kết cấu phần cứng là rất quan trọng để đảm bảo tính ổn định, độ tin cậy và hiệu suất của hệ thống Mỗi chuẩn giao tiếp có những ưu điểm và nhược điểm riêng, việc lựa chọn đúng chuẩn phù hợp với ứng dụng cụ thể là quyết định quan trọng Nhóm đã tìm hiểu, nghiên cứu và chọn lựa hai chuẩn giao tiếp UART và CAN nhằm tối ưu tốc độ truyền và khả năng giao tiếp đa thiết bị ngoại vi.

Giao tiếp UART (Universal Asynchronous Receiver-Transmitter) là chuẩn giao tiếp đơn giản và dễ sử dụng, cho phép truyền và nhận dữ liệu giữa hai thiết bị với tốc độ truyền có thể cấu hình được.

Giao tiếp UART thường sử dụng hai dây truyền dữ liệu: một dây truyền (TX - Transmit) để gửi dữ liệu từ thiết bị gốc và một dây nhận (RX - Receive) để nhận dữ liệu tại thiết bị đích Ngoài ra, có một dây điều khiển bổ sung hay còn gọi là dây đồng bộ - SYNC hoặc dây Clock-CLK dùng để truyền dữ liệu đồng bộ giữa các thiết bị.

Khung truyền dữ liệu giao tiếp UART:

Hình 3.7 Khung truyền dữ liệu giao tiếp UART.

- Start bit: đây là bit bắt đầu của khung truyền Thông thường, bit start có giá trị logic thấp 0 và được truyền trước khi truyền dữ liệu.

- Data bits: đây là các bit chứa dữ liệu cần truyền đi Số lượng bit dữ liệu có thể từ 5-9 bit, tuỳ vào cấu hình của giao tiếp UART Các bit dữ liệu được truyền theo thứ tự từ bit LSB (Least Significant Bit) đến bit MSB (Most Significant Bit).

- Parity bit: là bit kiểm tra lỗi có thể sử dụng để kiểm tra tính chính xác của dữ liệu Có thể có ba loại kiểm tra lỗi là none (không kiểm tra), even parity (kiểm tra lỗi chẵn) hoặc odd parity (kiểm tra lỗi lẻ).

- Stop bit: là bit kết thúc của khung truyền Thông thường, bit dừng có giá trị logic cao 1 và được truyền sau các bit dữ liệu hoặc bit kiểm tra lỗi (nếu có).

- Đơn giản và phổ biến: UART là chuẩn giao tiếp đơn giản, được hỗ trợ trên hầu hết các vi điều khiển và được sử dụng rộng rãi trong các ứng dụng.

- Linh hoạt về tốc độ truyền: Giao tiếp UART cho phép tốc độ truyền dữ liệu được cấu hình linh hoạt từ và trăm bit/s đến vài Mbit/s.

- Không hỗ trợ giao tiếp giữa nhiều thiết bị với nhau.

- Kích thước khung dữ liệu bị giới hạn là 9 bit, khá nhỏ với nhu cầu sử dụng.

Từ những ưu nhược điểm trên, UART được lựa chọn làm giao tiếp giữa máy tính và vi điều khiển trung tâm để truyền dữ liệu cần thiết cho quá trình điều khiển.

Hình 3.8 Kết nối giao tiếp UART trong hệ thống.

Giao tiếp CAN (Controller Area Network) là một giao thức truyền thông được sử dụng phổ biến trong các ứng dụng ô tô, thiết bị công nghiệp và hệ thống nhúng Thiết kế dùng để hỗ trợ truyền thông đồng thời giữa nhiều thiết bị trong một mạng.

Cấu trúc của mạng CAN:

Hình 3.9 Sơ đồ kết nối các module giao tiếp CAN.

- Thiết bị truyền thông (CAN node): là các thiết bị trong mạng CAN như vi điều khiển, cảm biến, bộ điều khiển và các thành phần khác Mỗi thiết bị trong mạng có một địa chỉ duy nhất để xác định và giao tiếp với các thiết bị khác.

- Bus CAN: đây là đường truyền dữ liệu chung cho tất cả các thiết bị trong mạng Bus CAN sử dụng một cặp dây truyền (CAN_HIGH và CAN_LOW) để truyền dữ liệu và tín hiệu điều khiển.

- Bộ điều khiển CAN (CAN controller): là một phần của thiết bị truyền thông và có nhiệm vụ điều khiển quá trình truyền và nhận dữ liệu trên bus CAN Nó quản lý việc kiểm soát truyền (arbitration), đóng gói và giải gói dữ liệu, và xử lý các tình huống lỗi.

- Bộ thu phát (CAN transceiver): chịu trách nhiệm truyền hoặc nhận dữ liệu trên bus CAN Nó chuyển đổi tín hiệu dữ liệu thành luồng dữ liệu được thu thập từ bus CAN mà bộ điều khiển CAN có thể hiểu được.

Khung tin (Message frame): Đây là đơn vị dữ liệu cơ bản trong mạng CAN Mỗi khung tin trình trạng bao gồm các trường như địa chỉ, dữ liệu, bit điều khiển và kiểm tra lỗi Khung tin trình trạng được truyền giữa các thiết bị trong mạng để truyền và nhận dữ liệu.

Hình 3.10 Khung truyền dữ liệu trong giao tiếp CAN.

- Start of Frame (SOF): là trường dùng để đánh dấu sự bắt đầu của khung tin Trường SOF có giá trị logic LOW (dominant) và có độ dài 1 bit.

- Arbitration Field (ARBITRATION): trường này chứa địa chỉ (ID) của khung tin và các bit điều khiển khác.

- Control Field (CONTROL): trường này chứa các bit điều khiển như độ dài bit (data length), bit điều khiển trạng thái (remote transmission request), và bit điều khiển trực tiếp (reserved).

- Data Field (DATA): trường này chứa dữ liệu cần truyền đi Độ dài trường dữ liệu có thể là từ 0 đến 8 byte.

PHƯƠNG HƯỚNG VÀ CÁC GIẢI PHÁP THIẾT KẾ

Yêu cầu đề tài

Dựa theo yêu cầu trong các nhà máy, băng tải đa hướng cần đáp ứng các yêu cầu sau:

- Kích thước: chiều dài 800 - 1200mm, chiều rộng 500 - 1000mm.

- Băng tải cần có khả năng di chuyển linh hoạt và chính xác theo quỹ đạo được thiết kế trước đó Nó cũng có thể được điều khiển bằng tay, cho phép người sử dụng điều chỉnh vị trí và tốc độ của hàng hoá theo ý muốn.

- Thiết kế các module đa hướng để di chuyển được nhiều hướng khác nhau.

- Vận tốc di chuyển: tương đối để gói hàng không bị văng ra khỏi băng tải.

- Vật liệu chuyển tải: là gói hàng, các hộp, thùng carton, vv Điều kiện vận hành:

- Thời gian phục vụ thiết bị: trong thời gian làm việc của nhà máy, 2 ca/ngày, 4 giờ/ca Chức năng và yêu cầu kĩ thuật:

- Chức năng: vận chuyển tự động các gói hàng theo đúng khu vực đã thiết lập.

- Yêu cầu kĩ thuật: băng tải phù hợp với việc vận chuyển các hộp có kích thước khác nhau Đảm bảo về độ chính xác và đánh giá được chất lượng qua quá trình vận hành.

Phân loại và sắp xếp các gói hàng về vị trí đã được thiết lập Trong quá trình hoạt động hệ thống giám sát sẽ liên tục truyền tín hiệu để tăng phần điều khiển chính xác, đảm bảo gói hàng đặt đúng khu vực quy định và không bị hư hỏng trong quá trình vận chuyển.

Phương hướng và giải pháp thực hiện

4.2.1 Giải pháp và phương án 1

Hình 4.1 Phương án thiết kế 1.

Băng tải được thiết kế với các module hình chữ nhật gồm 4 bánh xe là một trong các giải pháp hiệu quả cho việc di chuyển vật liệu trong các quy trình sản xuất và vận chuyển hàng hóa Với ưu điểm dễ lắp ráp và tháo rời, băng tải có thể được thay đổi gia tăng hoặc giảm kích thước để phù hợp với nhiều ứng dụng khác nhau Việc vận hành cũng rất đơn giản, chỉ cần điều khiển các module để chúng di chuyển theo hướng cần thiết.

Tuy nhiên, một hạn chế của băng tải này là chỉ có thể di chuyển được trong 2 phương(phương ngang và phương thẳng đứng) Điều này nó gây khó khăn cho việc sử dụng băng tải ở trong các quy trình sản xuất yêu cầu di chuyển theo nhiều hướng khác nhau.

Thiết kế với mô hình như phương án 1, nhưng thay đổi bánh xe thành bánh xe đa hướng để cơ cấu có thể di chuyển được nhiều hướng khác nhau Giải quyết vấn đề hạn chế về di chuyển chỉ trong 2 phương Nhược điểm của mô hình này là chi phí đắt và chưa tối ưu hóa khoảng cách lắp ráp các module với nhau, khoảng trống trên mỗi module còn nhiều điều này làm tăng đáng kể giá thành sản xuất.

Mô hình khối lục giác với 3 bánh xe đa hướng đặt cách nhau 120° là một giải pháp tối ưu để tăng khả năng di chuyển đa hướng và ổn định của băng tải Mô hình này được thiết kế để tối ưu khoảng cách giữa các khoảng trống trên các mô hình trên góp phần làm giảm chi phí sản xuất, mặc khác nó vẫn đảm bảo rằng băng tải có thể mà không gặp phải các rào cản hoặc khoảng trống quá lớn giữa các module.

Lựa chọn phương hướng và giải pháp

Sau khi tính toán và thảo luận nhóm quyết định chọn mô hình thiết kế là khối module lục giác với 3 bánh xe đa hướng đặt cách nhau 120° Đây là mô hình tối ưu nhất trong các phương hướng đã nêu ra Số lượng module cho băng tải là không cố định, tùy thuộc vào yêu cầu của hệ thống như diện tích đặt băng tải, các hướng cần thiết để phân loại hàng hóa.

Ta có công thức tính số module cho băng tải: N = n.a + m.(a-1).

Vì băng tải gồm những module lục giác xếp xen kẽ với nhau nên sẽ có n hàng đủ số lượng module, và m hàng thiếu 1 module và a là số module trên 1 hàng.

Mục tiêu của đồ án là phân loại 2 – 3 sản phẩm, để có đủ đầu ra cho sản phẩm nhóm chọn 3 module trên một hàng, 2 hàng đủ và 2 hàng thiếu Tổng sẽ là 10 module, con số này cũng vừa đủ để mô phỏng gói hàng đi nhiều hướng khác nhau.

Hình 4.4 Phương án thiết kế hệ thống.

TÍNH TOÁN VÀ THIẾT KẾ HỆ THỐNG

Động học robot

Động học là nghiên cứu về chuyển động của các vật thể trong không gian, bao gồm cả sự tương tác của các vật thể đó với nhau và với môi trường xung quanh Tính toán động học là một phần quan trọng trong việc thiết kế và điều khiển robot. Động học mỗi module bao gồm chuyển động tịnh tiến và chuyển động xoay như hình bên dưới:

Hình 5.20 Động học từng module. Áp dụng công thức (3.6) chuyển vị từ hệ trục 0 đến hệ trục 2 ta được:

2 P = 0 : là tọa độ điểm P theo hệ trục số 2.

1 P =: là tọa độ điểm P theo hệ trục số 0 Y

1 T 2 = 1 R 0 2 T 1 : là ma trận chuyển vị từ hệ trục số 0 sang hệ trục số 2 Ta có: cos −sin 0 0 1 0 0 sin cos 0 0 0 1 0

Ma trận chuyển vị từ hệ trục 0 đến hệ trục 2 biểu diễn như sau:

Từ (5.39) ta có phương trình động học nghịch robot:

L= X 2 +Y 2 Mối quan hệ giữa vận tốc 3 bánh xe khi di chuyển tịnh tiến:

Hình 5.21 trình bày cấu hình của ba bánh tương ứng, cũng như tất cả trục và các lực và vận tốc liên quan của hệ thống Hệ thống ba bánh có các bánh xe cách nhau 120 độ Trong đó:

- x, y là vị trí và góc (góc xoay) so với giá trị xác định mặt trước của robot.

- v1, v2, v3 [m / s] - Vận tốc tịnh tiến của bánh xe.

Mô hình động học hệ thống băng tải đa hướng có vị trí (x, y) có thể được viết là v x (t) = dx (t)

(tham khảo hình để biết các vấn đề về ký hiệu). dt dt

Phương trình cho phép biến đổi từ vận tốc tuyến tính v x và v y trên trục tĩnh thành vận tốc tuyến tính v trên trục như hình.

R = V 0 sin( (t)) Mặc khác ta có: v 1 (t ) = v y v 2 (t ) = v x cos 30 − v y sin 30 v 3 (t ) = − v x cos 30 − v y sin 30

Từ (5.40) và (5.41) ta có ma trận vận tốc của 3 bánh xe: v 1 (t) sin cos30.cos − sin 30.sin v 2 (t ) = v (t) − cos30.cos −

Trong chuyển động xoay tại tâm O một góc , 3 động cơ xoay với giá trị một góc tương ứng.

Trong đó: là góc xoay của chuyển vị tại tâm O là góc xoay tại tâm của bánh Omni.

R là khoảng cách từ tâm O đến tâm bánh xe. r là bán kính của bánh xe.

Ta có mối quan hệ giữa và :

Thiết kế hệ thống điện

5.3.1 Sơ đồ hệ thống điện

Hình 5.23 Sơ đồ khối hệ thống điện.

Camera: sử dụng webcam Imilab FullHD 1080p để phát hiện, xác định góc xoay và vị trí của hộp.

Bộ xử lý: có chức năng là thu nhận tín hiệu từ camera xử lý ảnh và truyền tín hiệu cho vi điều khiển trung tâm bằng giao thức UART.

Vi điều khiển trung tâm: sử dụng module STM32F103C8T6, vì nó có sẵn trên thị trường, khả năng tạo ra đầu ra PWM và bo mạch hỗ trợ các giao thức truyền thông nối tiếp SPI , I2C và UART, CAN Module còn tích hợp nhiều kênh ngắt để phục vụ quá trình điều khiển PID đọc encoder Mặc khác giá cả hợp lý, tương thích được nhiều ngoại vi.

TJA1050: là module truyền thông CAN_BUS dùng để truyền nhận dữ liệu giữa vi điều khiển trung tâm và khối điều khiển.

Khối điều khiển: khối gồm 10 module điều khiển, mỗi module điều khiển sẽ gồm 1 vi điều khiển STM32F103C8T6 và 2 module L298 điều khiển 3 động cơ.

Khối động cơ: gồm 3 động cơ DC encoder 12V-170rpm.

Khối nguồn: là nguồn cung cấp năng lượng cho các thiết bị hoạt động như: Vi xử lí STM32F103C8T6 , L298, động cơ, camera,…

5.3.2.1 Module vi điều khiển STM32F103C8T6

Nhóm sử dụng module vi điều khiển STM32F103C8T6 để lập trình và điều khiển các thiết bị hoạt động theo chu trình của hệ thống.

Bo mạch STM32F103C8T6 là một chip công nghệ flash CMOS STM32F103C8T6 có bộ nhớ Flash 64 KB và RAM 20 KB, tốc độ xung nhịp lên đến 72 MHz, và hỗ trợ nhiều giao thức truyền thông như SPI, I2C, UART, và USB Ngoài ra, vi điều khiển này còn có các tính năng như bộ chuyển đổi Analog-to-Digital (ADC) 12-bit, bộ định thời (timer), và các chức năng bảo mật và mã hóa phần cứng.

Hình 5.25 Sơ đồ chân STM32F103C8T6.

Các chân của STM32F103C8T6 được trình bày ở hình 5.24, các thông số và chú thích của từng chân được thể hiện ở bảng sau.

Bảng 5-4 Thông số chân STM32F103C8T6.

Kiểu chân Tên chân Mô tả

5V Chân cấp nguồn ở cổng USB hoặc nguồn bên ngoài 5V.

3.3V Điện áp hoạt động ngõ ra.

Chân Analog PA0-PA7, PB0-PB1 Các chân ADC độ phân giải 10, 12 bit.

Giao tiếp dữ liệu TX1, RX1, TX2, RX2, TX3,

Chân RTS, CTS của UART. nối tiếp (UART) RX3.

SPI MISO1, MOSI1, SCK1, Hai chân SPI.

CAN CAN0TX, CAN0RX Chân Bus của mạng CAN.

I2C SCL1, SCL2, SDA1, SDA2 Chân dữ liệu I2C và chân xung nhiệt.

Chân I/O PA0-PA15, PB0-PB15, Các chân I/O đa chức năng (tổng

Ngắt ngoài PA0-PA15, PB0-PB15, Đây là các chân ngắt.

PWM PA0-PA3, PA6-PA10, PB0- Các chân dùng để điều chế độ rộng

PB1, PB6-PB9 xung (tổng cộng 15 chân).

Thông số kĩ thuật vi điều khiển STM32F103C8T6:

- Tổng cộng có 48 pin gồm 5 pin nguồn, 4 pin GND và 37 chân I/O đều có thể sử dụng

- Các chân giao tiếp: USB, 3x UART, 2xSPI, 2x I2C, CAN, 37 port I/O.

- Mạch nạp KIT STM32F103C8T6: J-Link, ST-Link mini, USB-TO-COM.

Hình 5.26 Sơ đồ khối STM32F103C8T6.

5.3.2.2 Module điều khiển động cơ L298N - cầu H

Hình 5.27 Module điều khiển động cơ L298N.

Sau quá trình tìm hiểu và nghiên cứu, nhóm lựa chọn module điều khiển động cơ L298N (mạch cầu H L298N) làm driver điều khiển động cơ vì nó phổ biến, giá thành rẻ, dễ sử dụng và có thể điều khiển cùng lúc được 2 động cơ.

- Dòng điện của tín hiệu điều khiển: 0-36ma.

- Nhiệt độ bảo quản thiết bị: (-25)-130°C.

Hình 5.28 Sơ đồ chân Module điều khiển động cơ L298N.

- 4 chân input IN1, IN2, IN3, IN4 có chức năng nhận tín hiệu từ vi điều khiển hoặc Arduino để điều khiển động cơ.

- 4 chân OUT1, OUT2, OUT3, OUT4 là các chân nối với động cơ để điều khiển.

- 2 chân ENA và ENB là các chân dùng để điều khiển mạch cầu H trong L298N Đây là các chân đầu vào để điều khiển động cơ.

Khi ENA/ENB được đưa vào mức logic "1" (nối với nguồn 5V), mạch cầu H sẽ được kích hoạt và cho phép dòng điện từ nguồn được điều khiển thông qua các chân IN1, IN2 và IN3, IN4 để cung cấp động lực cho động cơ Khi ENA/ENB được đưa vào mức logic "0", mạch cầu H sẽ không hoạt động và động cơ sẽ không nhận được nguồn điện và không thể hoạt động.

5.3.2.3 Động cơ encoder GA25-370 170rpm

Theo phần tính toán lựa chọn động cơ thì nhóm quyết định chọn loại động cơ encoder GA25-370 170rpm Bởi vì loại động cơ này nhỏ gọn, được ưu chuộng trên thị trường và giá cả phù hợp.

Hình 5.29 Động cơ GA25 encoder 170rpm.

- Điện áp Encoder hoạt động: 3.3V.

- Tốc độ không tải: 170RPM.

- Độ phân giải Encoder: 11 xung, hai kênh A-B.

Camera sử dụng độ phân giải cao để nhận dạng phát hiện vị trí và góc xoay của hộp để tiến hành gửi dữ liệu cho máy tính điều khiển.

Hình 5.30 Thiết bị Camera Imilab FullHD 1080p.

5.3.2.5 Module truyền thông CAN_BUS TJA1050

TJA1050 là một bộ chuyển đổi giao tiếp CAN, có chức năng chuyển đổi tín hiệu CAN của một hệ thống điều khiển sang tín hiệu CAN trên đường truyền.

Hình 5.31 Module truyền thông CAN_BUS TJA1050.

- Tương thích với tiêu chuẩn ISO 11898.

- Tốc độ cao (lên đến 1 Mbaud).

- Phát xạ điện từ rất thấp (EME).

- Bộ thu vi sai với phạm vi chế độ chung rộng cho khả năng miễn nhiễm điện từ (EMI) cao.

- Chức năng hết thời gian vượt trội của Truyền dữ liệu (TXD).

- Mức đầu vào tương thích với các thiết bị 3,3 V và 5 V.

Hình 5.32 Sơ đồ khối Module TJA1050.

Hình 5.33 Sơ đồ chân TJA1050T.

- TXD, RXD: chân truyền nhận dữ liệu giữa CAN_BUS với vi điều khiển.

- VCC, GND: chân cấp nguồn cho TJA1050.

- CANH, CANL: chân kết nối với đường CAN_BUS.

- S: chọn đầu vào cho chế độ tốc độ cao/chế độ im lặng.

- Vref: đầu ra điện áp tham chiếu.

5.3.2.6 Mạch chuyển USB-UART CP2102

Hình 5.34 Mạch chuyển USB-UART CP2102.

Mạch chuyển USB-UART CP2102 là một bộ chuyển đổi giao diện từ USB-UART được sử dụng phổ biến trong các ứng dụng nhúng và vi điều khiển Với kích thước nhỏ gọn và những ưu điểm vượt trội về tốc độ truyền và tính ổn định, CP2102 là một thiết bị mà nhóm hướng tới trong việc đơn giản hóa và nâng cao hiệu suất của hệ thống Thông số kĩ thuật:

- Cổng kết nối: USB 1.1 hoặc 2.0.

- Tốc độ truyền dữ liệu UART: từ 300 bps đến 1 Mbps.

- Hỗ trợ các hệ điều hành: Windows, macOS và Linux.

- Các kết nối đầu vào và đầu ra: TX, RX, RTS, CTS.

- Điện áp hoạt động: 3.3V hoặc 5V.

- Có tính năng bảo mật và mã hóa phần cứng.

5.3.3 Tính toán bộ nguồn cấp

Hệ thống sử dụng nguồn vận hành chủ yếu là nguồn 12V và nguồn 5V nên dùng mạch nguồn chuyển đổi 220VAC - 12VDC, 220VAC - 5VDC để sử dụng.

Tính toán nguồn cấp 12V cấp cho khối động cơ, ta có dòng tối đa động cơ cho mỗi cầu H là: 2A.

Vì hệ thống mắc song song nên dòng tổng của hệ thống sẽ bằng tổng dòng của các thiết bị cộng lại với nhau.

- Output: Dòng điện 58.3A, điện áp 12V, công suất: 700W.

Tính toán nguồn 5V cấp cho các STM32F103C8T6 và module CAN TJA1050:

Hình 5.36 Nguồn tổ ong 5V - 5A Thông số kỹ thuật:

5.3.4 Sơ đồ mạch điện hệ thống

Hình 5.37 Sơ đồ mạch điện vi điều khiển trung tâm.

Vi điều khiển trung tâm là một STM32 được kết nối như hình trên, vi điều khiển này sẽ kết nối với 10 module điều khiển theo chuẩn giao tiếp CAN, với mỗi module điều khiển được trình bày ở hình 5.38 Ngoài ra, nó có 2 chân UART_TX và UART_RX để giao tiếp UART với máy tính.

Hình 5.38 Sơ đồ mạch module điều khiển.

Mỗi module điều khiển sẽ gồm một vi điều khiển STM32 kết nối với 2 module L298N để điều khiển động cơ Sơ đồ mạch điện tổng quát sẽ gồm 10 module như hình trên liên kết qua giao tiếp CAN_BUS bằng 2 chân CAN_TX và CAN_RX với vi điều khiển trung tâm để tiến hành quá trình điều khiển.

THỰC NGHIỆM VÀ ĐÁNH GIÁ

Kết quả mô phỏng

6.1.1 Đồ thị đáp ứng vận tốc

Mô phỏng các đáp ứng vận tốc thực tế của 3 động cơ so với vận tốc được tính toán theo công thức động học (5.42) với vận tốc trung bình được xét là 100RPM.

Với = 0 thay vào (5.42) ta được: v 1 (t) sin 0 v (t) = 3

Hình 6.1 Đồ thị đáp ứng vận tốc với = 0°.

Với = 60 thay vào (5.42) ta được: v (t) sin 60

Với = 120 thay vào (5.42) ta được: sin120 v 1 (t)

Với = 180 thay vào (5.38) ta được: v 1 (t) sin180 v (t) = 3

Qua quá trình mô phỏng và thử nghiệm, nhóm nhận thấy các giá trị vận tốc giữa 3 động cơ với góc xoay có độ chính xác và ngưỡng sai số trong điều kiện cho phép.

Trong trường hợp này, thông số mô phỏng bám sát với giá trị đã tính toán, tuy có sai lệch nhỏ nhưng không đáng kể Điều này có thể được giải thích bởi sự khác biệt giữa giá trị điều khiển được sử dụng trong mô phỏng và giá trị điều khiển thực tế Kết cấu phần cứng cũng có thể ảnh hưởng đến độ chính xác của mô hình.

Tuy nhiên, việc điều khiển chưa đạt giá trị tối ưu nhất cũng có thể là một nguyên nhân gây ra sai lệch trong đồ thị đáp ứng vận tốc Điều này có thể được cải thiện bằng cách tinh chỉnh các thông số điều khiển hoặc cải thiện kết cấu phần cứng.

6.1.2 Đồ thị đáp ứng vị trí

Trong phần mô ta đồ thị điều khiển vị trí mô phỏng các đáp ứng vị trí và sai số của 3 động cơ so với vị trí đặt (Setpoint).

Hình 6.5 Đồ thị đáp ứng vị trí và sai số động cơ với setpoint = 60°.

Nhận xét: nhìn chung đồ thị đáp ứng vị trí của 3 động cơ so với giá trị setpoint bám sát nhau, thời gian đáp ứng nhanh, không bị vọt lố và có mức sai số nằm trong phạm vi cho phép của bộ điều khiển.

6.1.3 Đồ thị đáp ứng đường đi

Mô tả đường đi của gói hàng thực tế so với quỹ đạo tính toán trên băng tải Với đường màu xanh mô tả đường đi tính toán và đường màu đỏ mô tả đường đi thực của gói hàng.

Hình 6.9 Quãng đường đi thực nghiệm và tính toán từ (3) - (4).

Trong quá trình thực nghiệm, hệ thống đã đáp ứng được một phần yêu cầu về điều khiển, tuy nhiên vẫn còn một số sai số nhất định trong điều kiện cho phép Điều này có thể giải thích là do sai số trong việc thi công và lắp đặt hệ thống Điều này ảnh hưởng đến độ chính xác của mô hình và làm cho quỹ đạo đường đi của các vật thể bị sai lệch Ngoài ra, thuật toán điều khiển chưa được tối ưu cũng có thể dẫn đến quỹ đạo đường đi không ổn định và sai lệch, đặc biệt ở các đoạn gấp khúc.

Việc cải thiện kết cấu phần cứng và sai số khi thi công cùng với việc tối ưu hóa thuật toán điều khiển là cần thiết để đảm bảo hiệu quả và chính xác trong việc điều khiển hệ thống.

Thi công thực tế

Sau khi tiến hành tính toán và thiết kế dựa trên hình 5.19, nhóm đã thực hiện công đoạn thi công và hoàn thiện các module như hình vẽ dưới đây Công việc thi công và hoàn thiện các module đã đòi hỏi sự cẩn thận và chính xác, đặc biệt là trong việc lắp đặt các động cơ và bánh Omni sao cho chúng có thể hoạt động một cách hài hòa và đồng bộ Tuy trong quá trình thi công và hoàn thiện không tránh khỏi những sai số nhưng sau cùng các module vẫn được hoàn thiện và đưa vào hoạt động với sai số chấp nhận được.

Hình 6.13 Thi công lắp ráp hộp Omni.

Sau quá trình nghiên cứu và thiết kế mạch điện, để đảm bảo tính chính xác và ổn định của mạch, việc sử dụng mạch in PCB để thi công là một lựa chọn tốt PCB được thiết kế bằng máy tính, đảm bảo độ chính xác cao trong việc định vị các thành phần điện tử và các mạch dẫn Ngoài ra, việc sử dụng PCB còn đem lại tính thẩm mỹ cao và khả năng chống ảnh hưởng từ các yếu tố bên ngoài.

Hình 6.14 Thi công lắp ráp mạch điện.

6.2.3 Gia công khung camera và lắp ráp hoàn thiện băng tải đa hướng

Hình 6.15 Thi công lắp đặt camera.

Hình 6.16 Thi công lắp đặt hệ thống điện.

Hình 6.17 Hình ảnh lắp ráp băng tải đa hướng.

Trong quá trình tìm hiểu, nghiên cứu, tính toán và thiết kế với sự nỗ lực của cả nhóm và sự giúp đỡ của giáo viên hướng dẫn chúng tôi đã đạt được những mục tiêu sau:

- Hiểu biết về cách thức vận hành các loại băng tải đã có trong và ngoài nước.

- Nghiên cứu lựa chọn cơ cấu phù hợp cho máy.

- Tính toán được các bộ truyền và lựa chọn động cơ phù hợp.

- Hiểu biết và nắm rõ được cách thức truyền thông UART và CAN_BUS.

- Thiết kế được mô hình 3D của máy trên phần mềm Solidworks.

- Hoàn thiện được mô hình sản phẩm thực tế Hướng phát triển mà nhóm hướng đến:

- Cải thiện tốc độ xử lí, độ chính xác của hệ thống giám sát trong quá trình vận hành.

- Phát triển băng tải theo dạng module có thể mở rộng, thay thế tùy chỉnh.

- Cải thiện kích thước cho mỗi module để đáp ứng được nhiều hàng hóa khác nhau.

- Cải thiện độ chính xác của động cơ.

- Phát triển thuật toán sắp xếp sản phẩm chờ trên băng tải và tránh va chạm cho nhiều sản phẩm.

[1] Mayer, S.H Development of a Completely Decentralized Control System for Modular

Continuous Conveyors; Universitatsverlag Karlsruhe: Karlsruhe, Germany, 2009.

[2] Wang, C.-N.; Wang, Y.-H.; Hsu, H.-P.; Trinh, T.-T Using Rotacaster in the Heuristic Preemptive Dispatching Method for Conveyor-Based Material Handling of 450 mmWafer Fabrication IEEE Trans Semicond Manuf 2016, 29, 230–238.

[3] Uriarte, C.; Asphandiar, A.; Thamer, H.; Benggolo, A.; Freitag, M Control strategies for small-scaled conveyor modules enabling enabling highly flexible material flow systems Procedia CIRP 2019, 79, 433-438.

[4] WALID ZAHER, ARSANY W YOUSSEF, LAMIA A SHIHATA, Omnidirectional- Wheel Conveyor Path Planning and Sorting Using Reinforcement Learning Algorithms, March 17, 2022.

[5] Digvijaysinh Ajarekar, Shreyesh Madihalli, Abhishek Gouraj, Akash Khandekar, Omni-Directional Conveyor System, 05 May 2021.

[6] Ciprian Ion Rizescu, Andrei Ioan Pleşea, and Dana Rizescu, Modular Transport and Sorting System with Omnidirectional Wheels, 2021.

[7] ALGORITHMS, Dijkstra's Shortest Path Algorithm - A Detailed and Visual Introduction, https://www.freecodecamp.org/news/dijkstras-shortest-path-algorithm- visual-introduction/, 6/2023.

[8] Scott Campbell, BASICS OF UART COMMUNICATION, https://www.circuitbasics.com/basics-uart-communication/, 6/2023.

[9] Trịnh Chất, Lê Văn Uyển, Tính toán thiết kế hệ dẫn động cơ khí - Tập 1, tái bản lần thứ

[10] Nguyễn Tuấn, Thuật toán Dijkstra: Tìm đường đi ngắn nhất, https://chidokun.github.io/2021/09/dijkstra-algorithm/, 6/2023.

[11] Long Phan, Bo mạch vi điều khiển STM32F103C8T6 blue-pill, https://blog.mecsu.vn/bo-mach-vi-dieu-khien-stm32f103c8t6-blue-pill/, 6/2023.

[12] Hằng Trần, Giao tiếp CAN trên các board STM32F103C8T6, https://tapit.vn/giao- tiep- can-tren-cac-board-stm32f103c8t6/ , 6/2023.

[13] Đỗ Phong, Thương mại điện tử Việt Nam đạt trên 20 tỷ USD, https://vneconomy.vn/thuong-mai-dien-tu-viet-nam-dat-tren-20-ty-usd.htm, 6/2023.

[14] Công ty TNHH Sản xuất Thương mại và Phát triển công nghệ Hà Anh, Hệ thống băng tải hàng công nghiệp, https://haanhtech.com/bang-tai/ , 6/2023.

Nguồn khác https://pdf1.alldatasheet.vn/datasheet- pdf/view/19755/PHILIPS/TJA1050.html , 6/2023.

Định dạng
Số trang	98
Dung lượng	6,62 MB