TỔNG QUAN
Lý do chọn đề tài
Trong thời đại ngày này mọi thứ ngày càng phát triển, công nghệ tiên tiến được áp dụng nhiều trong các chu trình sản xuất đã và đang đưa nền công nghiệp hướng tới một tầm cao mới Với sự phát triển chóng mặt đó, nhu cầu về việc hạn chế việc sử dụng lao động phổ thông của con người ngày càng tăng dẫn đến sự phát triển mạnh mẽ của ngành công nghiệp robotic và tự hành, đặc biệt là trong ngành kĩ thuật ô tô
Theo xu hướng gia tăng tự động hóa trong sản xuất, các quốc gia trên thế giới đều có các nghiên cứu riêng của họ về các phương tiện vận chuyển tự động hàng hóa bên trong phạm vi nhà xưởng Các phương tiện này ngày càng chiếm được ưu thế và đang dần trở thành một mắt xích quan trọng trong quy trình sản xuất bởi chúng thực sự đã giải phóng được rất nhiều nhiệm vụ mang tính chất lặp lại mà phải sử dụng rất nhiều sức người như: cung cấp, vận chuyển vật tư giữa các kho bãi và các khu vực sản xuất khác nhau,… hoặc các nhiệm vụ có tính chất nguy hiểm như: nhập và xuất kho chứa các hóa chất độc hại Đồng thời, chúng còn làm tăng năng suất của cả hệ thống lên bằng sự linh hoạt của chúng và cả sự giảm tải tối đa các sai sót trong quá trình kiểm kê
Việt Nam cũng không nằm ngoài trong công cuộc chạy đua đó Nền công nghiệp non trẻ của ta vốn đã tụt hậu so với thế giới khá xa, nay chúng ta cần phải vừa tranh thủ các thành tựu của các nước tiên tiến, đồng thời tạo các bước đột phá trong sự sáng tạo và tư duy để theo kịp được các sự thay đổi vượt bậc về công nghệ của thế giới
Tuy nhiên, ở nước ta các phương tiện tự hành vẫn chưa thực sự phổ biến Đơn cử tại nhà máy Mercedes-Benz Việt Nam tọa lạc tại quận Gò Vấp, Thành phố
Hồ Chí Minh đã có mặt từ những năm 1995, thế nhưng số lượng hàng hóa và vật tư vận chuyển qua kho bãi hay các khu vực như đồng sơn, lắp ráp, vẫn còn phụ thuộc nhiều vào các đội xe nâng và pallet kéo có sự điều khiển của con người Dẫn đến việc giá thành để sản xuất ra một chiếc xe sẽ cao hơn, đồng thời việc vật chuyển nguyên vật liệu, kiểm kê hàng hóa cũng sẽ không được đảm bảo
Với các ưu điểm vượt trội của phương tiện tự hành cộng với sự hạn chế trong sản xuất của nhà máy như đã nêu trên, nhóm nghiên cứu quyết định lựa chọn đề tài:
“Nghiên cứu, xây dựng xe tự hành phục vụ vận chuyển trong nhà máy sản xuất”.
Mục đích và đối tượng nghiên cứu
- Thiết kế thành công mô hình xe tự hành và vẽ đồ họa mô phỏng để có cái nhìn trực quan hơn về sản phẩm.
- Thiết kế thành công app để điều khiển xe ở chế độ thủ công và web server ở chế độ tự động.
- Xây dựng thành công được thuật toán PID và lập trình cho xe xử lý chính xác các vấn đề xảy ra trên đường đi.
- Làm tài liệu tham khảo cho các khoá học sau.
1.2.2 Đối tượng nghiên cứu Đối tượng nghiên cứu chính trong đề tài này là xe tự hành phục vụ việc vận chuyển hàng hóa trong nhà máy Mercedes-Benz Việt Nam Mô hình này có 2 chế độ là thủ công và tự động nên nó phải được lập trình để hoàn thành các lệnh mà người sử dụng muốn nó thực hiện nên ngôn ngữ C++ cũng là một đối tượng nghiên cứu mà nhóm nghiên cứu cũng phải xem xét Ngoài ra các đối tượng cũng cần phải nghiên cứu thêm đó chính là các cảm biến, động cơ, các module điều khiển Cuối cùng, việc thi công bản vẽ thiết kế kết cấu cho xe cũng đóng vai trò quan trọng trong đề tài nghiên cứu, kết cấu tốt thì xe sẽ có khả năng vận hành bền bỉ.
Nhiệm vụ nghiên cứu
- Nghiên cứu tìm hiểu tính năng, khảo sát các công trình nghiên cứu phương tiện tự hành đã sẵn có trong và ngoài nước.
- Nghiên cứu rõ nguyên lý hoạt động của các linh kiện sử dụng trong đề tài như: bo mạch Arduino, module ESP8266, module HC-SR04, mạch QTR-5RC …
- Nghiên cứu, thiết kế kết cấu khung vững chắc cho xe.
- Nghiên cứu, phát triển bộ điều khiển điện tử.
- Nhận xét, so sánh, đánh giá và nghiệm thu sản phẩm.
Phạm vi nghiên cứu
Phạm vi nghiên cứu của đề tài chủ yếu tập trung vào sự giao tiếp giữa người vận hành với máy tính và mạch giao tiếp giữa máy tính với phương tiện tự hành thông qua phần mềm lập trình IDE Arduino và ứng dụng “AGVControl” do nhóm phát triển Đồng thời, khu vực nhà máy Mercedes-Benz Việt Nam có diện tích khoảng hơn 1000m 2 , một diện tích quá lớn để nhóm có thể bao quát hết trong khoảng thời gian ngắn nên nhóm nghiên cứu sẽ lựa chọn khu vực xưởng đồng sơn (Mercedes-Benz Body and Paint Workshop) để mô phỏng không gian hoạt động và khả năng hoat động của xe tự hành Ngoài ra, nhóm nghiên cứu chỉ giới hạn đến việc xây dựng một mô hình xe tư hành để thực nghiệm do nhóm chưa đủ kinh phí, thời gian và nhân lực để thực hiện.
Tình hình trong và ngoài nước
Phương tiện tự hành (Automated Guided Vehicle - AGV) lần đầu tiên đã được ra đời tại Mỹ vào năm 1954 bởi công ty Barrett Electronics Of Northbrook với ý niệm của nhà sản xuất là muốn tự động hóa toàn bộ hê thống của họ để thay thế năng lực lao động của con người ở các công xưởng chế tạo Ở thời kì đầu, các AGV vẫn còn có các kết cấu khá đơn giản, hệ thông dẫn hướng chủ yếu thu thập từ một hoặc nhiều cảm biến từ trường đơn giản nên khả năng di chuyển cũng như tải hàng của chúng vẫn còn chưa cao
Qua nhiều năm nghiên cứu cộng với sự phát triển của ngành tự động hóa công nghiệp đã dẫn đến việc ngày căng nhiều công nghệ mới được áp dụng vào các bộ điều khiển của AGV hơn khiến chúng ngày càng linh hoạt và vận hành có năng suất cao hơn trước.
Lĩnh vực nghiên cứu này đã thu hút rất nhiều sự quan tâm của các trường đại học trên khắp thế giới Trong đề tài “Control of Free-ranging Automated Guided Vehicles in
Container Terminals” [1] của Jung-Yong Seo từ Cao đẳng Hoàng gia Luân Đôn, Đại học Luân Đôn, Anh đã sử dụng phương pháp dẫn hướng bằng cách lập các phương trình tính toán các đường đi cố định của AGV trong khu vực cầu cảng chất container bao gồm 2 loại là phần phương trình đi thẳng và phương trình đi vào các vòng cua Ưu điểm của đề tài này là việc mở rộng giới hạn của số ẩn, ta có thể đồng thời mở rộng phạm vi hoạt động của AGV khiến chúng rất linh hoạt trong mọi không gian nếu được tính toán chi tiết và cẩn thận Tuy nhiên đề tài lại có vướng mắc ở chỗ không sử dụng các cảm biến để đo lường các vật cản hay các nguy hiểm xảy ra đột xuất trên đường đi cho nên không đảm bảo được tính an toàn cho người dùng Đồng thời đề tài trên chỉ mới dừng ở mức độ thực nghiệm thông qua mô phỏng trên phần mềm và đanh giá kết quả hoạt động của phương tiện qua các kết quả trả về Hay trong đề tài “Preliminary Design of an Automatic Guided Vehicle (AGV) System” [2] của Enrique Serrano Martinez đã chỉ thêm rất nhiều cảm biến vào bên trong phương tiện như cảm biến từ trường được lắp đặt bên dưới gầm xe để phát hiện đường đi đã được lập trình sẵn Thế nhưng giá thành của các cảm biến đó rất cao và đường đi của AGV bắt buộc phải làm từ loại băng keo đặc biệt có pha trộn các kim loại nặng để phát ra từ trường cho cảm biến có thể bắt được dẫn đến giá thành tổng thể của cả hệ thống đội lên rất cao.
Xét về mặt ứng dụng thực tế của đề tài mà nhóm chúng tôi đang nghiên cứu thì hiện nay hầu hết các nhà máy sản xuất của hãng Mercedes-Benz trên thế giới đều đã được trang bị các AGV công nghiệp Điển hình như nhà máy Mercedes- Benz Manufacturing đóng tại Kecskemét, Hungary đã sử dụng số lượng lớn các AGV để phục vụ vận chuyển luân phiên phụ tùng hoặc các thành phẩm giữa các công đoạn khác nhau trên dây chuyền sản xuất để tăng tối đa năng suất
Hình 1.1 AGV vận chuyển khung xe Mercedes-Benz dòng CLA coupé tại nhà máy Mercedes-Benz Manufacturing, Kecskemét, Hungary.
1.5.2 Tình hình trong nước Đối với các phương tiện chở người, Tiến sĩ Lê Anh Sơn thuộc Đại học Phenikaa (Hà Nội) đã thành công chế tạo mẫu xe tự hành cấp độ 4 theo tiêu chuẩn của Hiệp hội Kỹ sư Xe hơi (SAE) [3] Xe có khả năng chở tải với khối lượng gần 400kg tương đương 6 người với vận tốc khoảng 20km/h và gần như tự lái hoàn toàn, tài xế không cần can thiệp, nhưng vẫn phải để ý Tuy nhiên phương tiện này vẫn chưa được cấp phép lưu thông tại Việt Nam.
Hình 1.2 Xe tự hành cấp độ 4 của Đại học Phenikaa, Hà Nội. Đối với các phương tiện chở hàng hóa, Công ty cổ phần METROFA được xem là một trong những nhà cung ứng hàng đầu Việt Nam các sản phẩm thiết bị công nghiệp, xe tự hành AGV vận chuyển trong nhà máy và giải pháp tự động hóa tích hợp cho các quá trình sản xuất AGV do Công ty cổ phần METROFA sản xuất đã đáp ứng phần nào công việc trong các quy trình sản xuất, giải phóng sức lao động của con người Tuy nhiên AGV METROFA còn nhiều tính năng chưa được tối ưu ví dụ như: lộ trình Close - loop khiến cho AGV mất thời gian trong khâu di chuyển, không có tính năng lựa chọn đích đến, chưa có khả năng mở rộng đích đến khi nhà xưởng có nhu cầu mở rộng, phương thức điều khiển bằng nút nhấn trên xe cũng là một điều hơi bất cập thì thời đại ngày nay sử dụng công nghệ số Đó là một có mặt còn hạn chế trong AGV do Công ty cổ phần METROFA sản xuất
Hình 1.3 Mẫu AGV do Công ty cổ phần METROFA sản xuất
Bên cạnh đó, các doanh nghiêp, tập đoàn lớn như Viettel, Intel Việt Nam, FPT, đã đầu tư rất nhiều cho việc nghiên cứu, sản xuất các linh kiện hay chính cả thiết bị tự hành này để tăng độ nội địa hóa của sản phẩm Thậm chí, Viettel còn phát triển cả mẫu máy bay không người lái (UAV), phục vụ cho việc bảo vệ vùng trời của tổ quốc, mang nhiệm vụ trinh sát, cứu hộ cứu nạn, giảm thiểu tối đa thương vong hay tai nạn đáng tiếc cho bộ đội.
Hình 1.4 Máy bay không người lái (UAV)
PHÂN TÍCH CƠ SỞ LÝ THUYẾT
Tổng quan về AGV
2.1.1 Các phương pháp dẫn hướng
Bất kể loại phương tiện được dẫn đường tự động nào (xe nâng, máy kéo, xe đẩy, v.v.), robot tự lái yêu cầu hệ thống hướng dẫn tự động điều khiển AGV và thông báo cho hệ thống quản lý AGV về vị trí của robot Sự phát triển vượt bậc này còn có được nhờ vào các cảm biến điều hướng AGV chính xác, đáng tin cậy và tiết kiệm chi phí Tùy thuộc vào ứng dụng, AGV điều hướng nhờ LiDAR 2D hoặc 3D, cảm biến từ tính, cảm biến siêu âm, máy ảnh, v.v Lựa chọn công nghệ hướng dẫn phương tiện phù hợp là điều cần thiết vì nó sẽ ảnh hưởng đến hiệu suất của hệ thống Robot AGV Dưới đây là các phương pháp dẫn hướng thịnh hành nhất hiện nay đang được nhiều tổ chức nghiên cứu và phát triển
2.1.1.1 AGV được dẫn hướng bằng Laser
Một trong những hệ thống định vị phổ biến nhất được gọi là điều hướng Laser, do đó các xe tự hành AGV thường được dẫn đường bằng laser.
Hình 2.1 Mô phỏng AGV dẫn hướng bằng Laser trong kho Điều hướng bằng tia laser được sử dụng rộng rãi trong xe nâng tự động, được sử dụng trong các ứng dụng kho hàng và dự trữ hàng hóa Mỗi phương tiện dẫn đường bằng Laser được trang bị một Laser điều hướng (gọi đơn giản là thiết bị điều hướng) được đặt trên đỉnh của một cực tương tác với các mục tiêu được định vị trong khu vực làm việc của AGV Thiết bị Điều hướng gửi các mảng laze xoay theo kiểu 360 độ Các mảng này đạt đến một số mục tiêu phản xạ Bộ phản xạ là các băng hoặc hình trụ phản xạ cao khoảng 20inch (60 cm) được đặt trong các cấu trúc của cơ sở như cột, tường, cột điện, v.v Trung tâm phản xạ phải được đặt ở độ cao của thiết bị điều hướng và cách xa tối đa là 100ft (30m) so với bất kỳ AGV nào.
Hình 2.2 Gương phản xạ phẳng, hình trụ Ưu điểm:
- Dễ dàng để cài đặt.
- Không có chi phí do bảo trì lắp đặt.
- Các sửa đổi cần sự can thiệp của nhà cung cấp.
- AGV với công nghệ này đắt tiền.
2.1.1.2 AGV được dẫn hướng bằng băng từ
Hình 2.3 Mô phỏng AGV dẫn hướng bằng băng từ trong kho
Trong trường hợp này, các phương tiện được dẫn đường tự động được trang bị cảm biến từ tính và đi theo một đường xác định được tạo bởi một đường băng từ tính Đường dẫn hướng được thực hiện bởi một băng từ được đặt trên bề mặt sàn Cảm biến từ tính AGV phát hiện từ trường từ băng và điều khiển AGV đi theo đường dẫn Băng từ rất dễ cài đặt Chất kết dính liên kết cao được sử dụng để đặt các rãnh từ tính Kích thước tiêu chuẩn là dày 1 mm và rộng 5 cm, do đó AGV có thể xác định được đường đi một cách dễ dàng.
Hình 2.4 Băng keo có từ tính Ưu Điểm:
- Dễ dàng cài đặt: Cài đặt rất dễ dàng, không yêu cầu bất kỳ chuyên gia kỹ năng cao nào.
- Dễ dàng sửa đổi: Người dùng cuối có thể sửa đổi các tuyến đường đơn giản bằng cách đặt hoặc tháo băng dính từ trên sàn.
- Bảo dưỡng băng từ: Băng từ có thể bị hao mòn do lưu lượng chân khác qua băng.
- Chi phí băng từ: Đối với các công trình lắp đặt lớn với số lượng đồng hồ theo dõi cao, chi phí băng từ sẽ làm tăng chi phí lắp đặt.
- Việc lắp đặt một số lượng cao mét và đường giao nhau trên sàn có thể làm phức tạp việc quản lý giao thông AGV.
2.1.1.3 AGV dẫn hướng bằng điểm từ
AGV có thể điều hướng theo các điểm từ trường hình trụ nhỏ được nhúng trên sàn Các điểm từ tính thường là nam châm hình trụ với kích thước gần 20x10 mm (0,8x04 inch) Các điểm từ tính được lắp đặt sau mỗi 250-500 mm (gần 15 feet) tạo ra một đường dẫn ảo.
Hình 2.5 Mô phỏng AGV dẫn hướng bằng điểm từ trong kho Các AGV đi từ điểm này sang điểm tiếp theo bằng cách sử dụng các cảm biến và điều khiển các cảm biến hiệu ứng hội trường, bộ mã hóa, bộ đếm, cảm biến con quay hồi chuyển và các loại bộ mã hóa khác để hiệu chỉnh theo lỗi góc lái
Hình 2.6 Mô phỏng AGV di chuyển qua các điểm từ Ưu điểm:
- Độ chính xác cao (+- 2mm).
- Không bị hư hại do các yếu tố ngoại quan như điện từ Nhược điểm:
- Lắp đặt lâu và di chuyển phức tạp hơn.
- Chi phí lắp đặt cao.
2.1.1.4 Dẫn hướng tự nhiên (Natural Navigation AGV)
Hình 2.7 Mô phỏng AGV dẫn hướng tự nhiên trong kho Điều hướng tự nhiên giúp các AGV có thể lập bản đồ môi trường của nó và xác định vị trí từ thông tin của các cảm biến như máy ảnh tầm nhìn, cảm biến Lidar hoặc với cùng một tia Laser được sử dụng cho mục đích an toàn tất cả thông tin này được kết hợp với đơn vị đo lường bên trong để xác định và tính toán lại định vị AGV thực Ưu điểm:
- Dễ dàng để cài đặt, chi phí thấp.
- Tính linh hoạt: Dễ dàng thêm các đường dẫn mới hoặc sửa đổi các đường dẫn hiện có
- Độ tin cậy trong môi trường dễ bị nhầm lẫn và thay đổi
- Điều hướng miễn phí hiệu quả và hiệu quả cao vẫn rất tốn kém.
- Độ chính xác định vị thấp hơn so với các phương pháp điều hướng khác
2.1.1.5 Sử dụng định vị toàn cầu GPS để điều hướng AGV Điều hướng GPS (Hệ thống định vị toàn cầu) theo Wikipedia là hệ thống xác định vị trí dựa trên vị trí của các vệ tinh nhân tạo, do Bộ Quốc phòng Hoa Kỳ thiết kế, xây dựng, vận hành và quản lý.
Hình 2.8 Định vị toàn cầu GPS AGV cũng được tích hợp GPS nhưng ít được sử dụng hơn so với các loại định vị khác Bởi GPS có độ chính xác điều hướng khá thấp, bán kính vị trí là khoảng 10m Quá rộng so với không gian sản xuất của nhà xưởng, công ty… 2.1.1.6 AGV dẫn hướng bằng băng quang
Phương pháp điều hướng này là hướng mới của điều hướng băng từ Nó sử dụng camera và cảm biến xử lý hình ảnh bằng cách sử dụng độ tương phản của các màu sắc sáng và tối giữa băng và mặt đất để hướng cho AGV Khi các cảm biến bắt được tín hiệu từ mặt đường truyền về cho bộ xử lí, khi đó bộ xử lý sẽ có những phân tích, tính toán để điều khiển dẫn hướng AGV đi theo đúng quỹ đạo người dùng thiết lập
Hình 2.9 Mô phỏng AGV dẫn hướng bằng băng quang Ưu điểm:
Các nhà máy có thể lắp đặt đường line một cách dễ dàng mà không tốn nhiều diện tích nhà xưởng, dễ dàng bố trí nhiều line trong một không gian nhỏ, chi phí lắp đặt, chí phí bảo dưỡng thấp nhưng lại thu về hiệu quả đáng phương pháp dẫn hướng này AGV hoạt động không phụ thuộc quá nhiều vào môi trường, chỉ cần đảm báo xưởng có chất lượng ánh sáng đủ tốt để các cảm biến hoạt động được tối ưu nhất Ngoài ra, trong một số trường hợp nhà xưởng cần di dời hoặc lắp đặt lại dây chuyền sản xuất thì việc bố trí lại các AGV cũng rất thuận tiện và nhanh chóng
Tuy nhiên phương pháp dẫn hướng này vẫn tồn tại một số nhược điểm nhỏ như: độ chính xác phụ thuộc vào các cảm biến dò line, phải bảo trì các line thường xuyên tránh bụi bẩn để AGV hoạt động chính xác.
So với các phướng pháp dẫn hướng trên thì dẫn hướng bằng băng quang tiêu tốn chi phí thấp nhưng lại có nhiều ưu điểm tốt Do đó, trong đề tài nhóm đã lựa chọn sử dụng phương pháp dẫn hướng này cho AGV.
2.1.2.1 Xe AGV loại kéo (Towing vehicle)
Hình 2.10 Xe AGV loại kéo
Xe tự hành dạng kéo hiện tại vẫn đang được ứng dụng rộng rãi, hỗ trợ tốt trong việc: nâng vật nặng, kéo hàng, chuyển tải, tải pallet, AGV dạng kéo được sử dụng trong các ứng dụng như: Kết thúc công đoạn bằng tay, vận chuyển vật liệu trong quá trình làm việc và một số ứng dụng tùy chọn khác. Tính năng và lợi ích của AGV dạng kéo:
- Xe tự hành dạng kéo sử dụng trong các ngành nghề: ô tô, hàng tiêu dùng nhanh, thực phẩm và đồ uống, đóng gói.
- Phù hợp với thiết bị có bánh xe
- Vận chuyển được tải trọng lớn hơn các loại xe tự hành AGV khác
2.1.2.2 Xe AGV loại chở hàng (Unit Load Automatic Guided vehicle)
Hình 2.11 Xe AGV loại chở hàng
Xe AGV dạng chở được đặc trưng bởi khung gầm nhỏ và cấu hình thấp. Các cảm biến được lắp trên thân AGV để chúng có thể nâng và cõng hàng hóa trên lưng an toàn Xe tự hành AGV dạng chở được sử dụng rộng rãi trong các nhà máy sản xuất và thương mại điện tử Hàng hóa đã được xếp trên các giá kệ, robot nhận tín hiệu từ hệ điều hành trung tâm và đến nhận hàng.
Một số đặc điểm của AGV dạng chở:
- Tải trọng được phân phối và di chuyển theo yêu cầu.
- Phù hợp với việc vận chuyển các hàng hóa nhỏ gọn, trọng lượng nhẹ như: linh kiện điện tử, ô tô…
2.1.2.3 Xe tự hành loại nâng hàng (Forklift vehicle)
Hình 2.12 Xe tự hành loại nâng hàng
Xe AGV dạng nâng giúp đáp ứng yêu cầu vận chuyển hàng hóa lên cao. Một số đặcđiểm của xe tự hành dạng nâng:
- Phù hợp cho hàng hóa đươc đặt trên bục hoặc pallet.
- Có khả năng đưa hàng lên cao.
- Có chi phí cao hơn các loại xe tự hành khác do thiết kế phức tạp.
2.1.2.4 Xe AGV có băng tải
Hình 2.13 Xe AGV có băng tải
Thuật toán điều khiển PID
Một bộ điều khiển vi tích phân tỉ lệ (PID- Proportional Integral Derivative) là một cơ chế phản hồi vòng điều khiển tổng quát được sử dụng rộng rãi trong các hệ thống điều khiển công nghiệp – bộ điều khiển PID là bộ điều khiển được sử dụng nhiều nhất trong các bộ điều khiển phản hồi Bộ điều khiển PID sẽ tính toán giá trị "sai số" là hiệu số giữa giá trị đo thông số biến đổi và giá trị đặt mong muốn Bộ điều khiển sẽ thực hiện giảm tối đa sai số bằng cách điều chỉnh giá trị điều khiển đầu vào Trong trường hợp không có kiến thức cơ bản (mô hình toán học) về hệ thống điều khiển thì bộ điều khiển PID là sẽ bộ điều khiển tốt nhất.[1] Tuy nhiên, để đạt được kết quả tốt nhất, các thông số PID sử dụng trong tính toán phải điều chỉnh theo tính chất của hệ thống, trong khi kiểu điều khiển là giống nhau, các thông số phải phụ thuộc vào đặc thù của hệ thống
Hình 2.15 Bộ điều khiển PID
Giải thuật tính toán bộ điều khiển PID bao gồm 3 thông số riêng biệt, do đó đôi khi nó còn được gọi là điều khiển ba khâu: các giá trị tỉ lệ, tích phân và đạo hàm, viết tắt là P, I, và D Khâu tỉ lệ, tích phân, vi phân được cộng lại với nhau để tính toán đầu ra của bộ điều khiển PID Định nghĩa rằng là đầu ra của bộ điều khiển, biểu thức cuối cùng của giải thuật PID là:
Tín hiệu điều khiển trong quy luật tỷ lệ được hình thành theo công thức:
- : thừa số tỉ lệ đầu ra
- : Hệ số tỉ lệ, thông số điều chỉnh
- t: thời gian hay thời gian tức thời (hiện tại)
Hình 2.16 Đồ thị PV theo thời gian, ba giá trị Kp (Ki và Kd là hằng số)
Hệ số của khâu tỉ lệ lớn là do thay đổi lớn ở đầu ra mà sai số thay đổi nhỏ Nếu hệ số của khâu tỉ lệ quá cao, hệ thống sẽ không ổn định Ngược lại, hệ số nhỏ là do đáp ứng đầu ra nhỏ trong khi sai số đầu vào lớn, và làm cho bộ điều khiển kém nhạy, hoặc đáp ứng chậm Nếu Hệ số của khâu tỉ lệ quá thấp,tác động điều khiển có thể sẽ quá bé khi đáp ứng với các nhiễu của hệ thống.
Phân phối của khâu tích phân (đôi khi còn gọi là reset) tỉ lệ thuận với cả biên độ sai số lẫn quảng thời gian xảy ra sai số Tổng sai số tức thời theo thời gian (tích phân sai số) cho ta tích lũy bù đã được hiệu chỉnh trước đó Tích lũy sai số sau đó được nhân với độ lợi tích phân và cộng với tín hiệu đầu ra của bộ điều khiển Biên độ phân phối của khâu tích phân trên tất cả tác động điều chỉnh được xác định bởi độ lợi tích phân, Ki
Thừa số tích phân được cho bởi:
- : thừa số tích phân của đầu ra
- : độ lợi tích phân, 1 thông số điều chỉnh
- t: thời gian hoặc thời gian tức thời (hiện tại)
- : một biến tích phân trung gian
Hình 2.17 Đồ thị PV theo thời gian, tương ứng với 3 giá trị Ki (Kp và Kd không đổi)
Khâu tích phân (khi cộng thêm khâu tỉ lệ) sẽ tăng tốc chuyển động của quá trình tới điểm đặt và khử số dư sai số ổn định với một tỉ lệ chỉ phụ thuộc vào bộ điều khiển Tuy nhiên, vì khâu tích phân là đáp ứng của sai số tích lũy trong quá khứ, nó có thể khiến giá trị hiện tại vọt lố qua giá trị đặt
(ngang qua điểm đặt và tạo ra một độ lệch với các hướng khác).
Tốc độ thay đổi của sai số qua trình được tính toán bằng cách xác định độ dốc của sai số theo thời gian (tức là đạo hàm bậc một theo thời gian) và nhân tốc độ này với độ lợi tỉ lệ Biên độ của phân phối khâu vi phân (đôi khi được gọi là tốc độ) trên tất cả các hành vi điều khiển được giới hạn bởi độ lợi vi phân
Thừa số vi phân được cho bởi:
- : thừa số vi phân của đầu ra
- : Độ lợi vi phân, một thông số điều chỉnh
- t: thời gian hoặc thời gian tức thời (hiện tại)
Hình 2.18 Đồ thị PV theo thời gian, với 3 giá trị Kd (Kp và Ki không đổi)
Khâu vi phân làm chậm tốc độ thay đổi của đầu ra bộ điều khiển và đặc tính này là đang chú ý nhất để đạt tới điểm đặt của bộ điều khiển Từ đó, điều khiển vi phân được sử dụng để làm giảm biên độ vọt lố được tạo ra bởi thành phần tích phân và tăng cường độ ổn định của bộ điều khiển hỗn hợp Tuy nhiên, phép vi phân của một tín hiệu sẽ khuếch đại nhiễu và do đó khâu này sẽ nhạy hơn đối với nhiễu trong sai số, và có thể khiến quá trình trở nên không ổn định nếu nhiễu và độ lợi vi phân đủ lớn Do đó một xấp xỉ của bộ vi sai với băng thông giới hạn thường được sử dụng hơn Chẳng hạn như mạch bù sớm pha.
2.2.5 Thông số Kp, Ki, Kd
Kp: Giá trị càng lớn thì đáp ứng càng nhanh do đó sai số càng lớn, bù khâu tỉ lệ càng lớn Một giá trị độ lợi tỉ lệ quá lớn sẽ dẫn đến quá trình mất ổn định và dao động
Ki: Giá trị càng lớn kéo theo sai số ổn định bị khử càng nhanh Đổi lại là độ vọt lố càng lớn: bất kỳ sai số âm nào được tích phân trong suốt đáp ứng quá độ phải được triệt tiêu tích phân bằng sai số dương trước khi tiến tới trạng thái ổn định
Kd: Giá trị càng lớn càng giảm độ vọt lố, nhưng lại làm chậm đáp ứng quá độ và có thể dẫn đến mất ổn định do khuếch đại nhiễu tín hiệu trong phép vi phân sai số.
Ngôn ngữ lập trình
C++ là một ngôn ngữ lập trình, có các tính năng bắt buộc và hướng đối tượng Nó cũng được gọi là ngôn ngữ lập trình trung cấp Phần mềm được phát triển bởi Bjarne Stroustrup tại phòng thí nghiệm Bell từ năm 1979 Là ngôn ngữ lập trình hướng đối tượng C++ là ngôn ngữ lập trình được phát triển trên nền tảng của ngôn ngữ lập trình C Do đó, C++ có song song 2 phong cách lập trình hướng cấu trúc giống C và có thêm phong cách hướng đối tượng Ngôn ngữ C++ được xem là một ngôn ngữ “lai tạo” Ngôn ngữ C++ là một ngôn ngữ lập trình cấp trung Ứng dụng của ngôn ngữ lập trình C++:
Vai trò đặc biệt quan trọng của ngôn ngữ lập trình C++ là phục vụ cho học lập trình cơ bản Bởi vì đây là một ngôn ngữ lập trình bậc trung Hầu hết các trường đào tạo công nghệ thông tin ở Việt Nam đều dùng ngôn ngữ này làm môn cơ sở ngành Môn lập trình C++ cung cấp kiến thức về lập trình hướng đối tượng Đặc biệt sử dụng trong việc học các môn về cấu trúc dữ liệu và giải thuật Kết hợp ưu điểm của mỗi ngôn ngữ trên, ngôn ngữ C++ đã được tạo ra Chính vì có nhiều ưu điểm, gần gũi và tương đối dễ sử dụng nên ngôn ngữ C++ được dùng cho lập trình Arduino
Sau đây là các ứng dụng có tính thiết thực cao của ngôn ngữ C++: Ứng dụng giao diện người dùn, ứng dụng tính toán và đồ họa, trình duyệt Web, phần mềm quản trị cơ sở dữ liệu, hệ điều hành, trình biên dịch, hệ điều hành v.v.
Arduino là một nền tảng mã nguồn mở được sử dụng để xây dựng các ứng dụng điện tử tương tác với nhau hoặc với môi trường được thuận lợi hơn Arduino giống như một máy tính nhỏ để người dùng có thể lập trình và thực hiện các dự án điện tử mà không cần phải có các công cụ chuyên biệt để phục vụ việc nạp code
Hình 2.19 Khởi chạy phần mềm Arduino Ứng dụng của Arduino trong đời sống:
Arduino được xem là bộ phận không thể thiếu trong các dự án vừa và nhỏ về công nghệ phát triển robot với khả năng đọc và xử lý nhiều vấn đề phức tạp Ngoài ra Arduino còn được ứng dụng trong các bộ điều khiển đơn giản như: điều khiển đèn tín hiệu giao thông, điều khiển đèn led trên các biển quảng cáo, điều khiển các thiết cảm biến ánh sáng, âm thanh….
Định nghĩa về Firebase
Firebare là dịch vụ cơ sở dữ liệu hoạt động trên nền tảng đám mây – cloud Kèm theo đó là hệ thống máy chủ cực kỳ mạnh mẽ của Google Chức năng chính là giúp người dùng lập trình ứng dụng tạo ra các web application, mobile application với chất lượng cao.
Cụ thể là những giao diện lập trình ứng dụng API đơn giản Mục đích nhằm tăng số lượng người dùng và thu lại nhiều lợi nhuận hơn Đặc biệt, còn là dịch vụ đa năng và bảo mật cực tốt Firebase hỗ trợ cả hai nền tảng Android và IOS Không có gì khó hiểu khi nhiều lập trình viên chọn Firebase làm nền tảng đầu tiên để xây dựng ứng dụng cho hàng triệu người dùng trên toàn thế giới. 2.4.1 Các chức năng chính của Firebase
- Firebase Analytics: Bằng Firebase Analytics có thể phân tích sự tương tác của người dùng với ứng dụng cũng như tình trạng hoạt động của nó.
- Firebase Hosting: là dịch vụ deploy trang web và web app chỉ bằng những thao tác đơn giản Khi sử dụng Firebase Hosting, ta có thể sử dụng web page cho ứng dụng iOS và Android của mình.
- Firebase Cloud Messaging: Với Firebase Cloud Messaging, ta có thể gửi nhận tin nhắn miễn phí Khái niệm "gửi tin" ở đây còn dùng để chỉ việc ta đẩy thông báo lên web.
- Firebase Authentication: là chức năng dùng để xác thực người dùng bằng Password, số điện thoại hoặc tài khoản Google, Facebook v.v.
- Firebase Remote Config: Firebase Remote Config giúp thực hiện việc thay đổi giá trị cũng như hoạt động của ứng dụng mà không cần phải update app đó
- Firebase Test Lab: Firebase Test Lab được sử dụng để test ứng dụng trên nền tẳng cloud.
Firebase Crashlytics: là công cụ báo cáo các hoạt động bất thường phát sinh trên ứng dụng theo thời gian thực (real time).
Định nghĩa về internet of things (IOT)
Internet of things (IOT) là mô tả các đối tượng vật lý (hoặc nhóm đối tượng) với cảm biến, khả năng xử lý phần mềm và các công nghệ khác, kết nối và trao đổi dữ liệu với các thiết bị và các hệ thống khác qua internet và các mạng truyền thông khác
Hình 2.21 Internet of things 2.5.1 Cấu trúc của một hệ thống IOT
Với một hệ thống IoT bao gồm 4 thành phần chính: thiết bị (things), trạm kết nối (gateways), hạ tầng mạng (network and cloud), cuối cùng là bộ phận tích và phân tích giữ liệu (services – creation and solution layers).
Hình 2.22 Cấu trúc một hệ thống IoT Các cảm biến sẽ thu thập các tín hiệu và chuyển chúng trong môi trường internet Sau đó tín hiệu sẽ được phân tích, xử lý và đưa ra các thay đổi theo ý người dùng mong muốn.
Hình 2.23 Điều khiển máy móc bằng điện thoai có kết nối internet
Các linh kiện sử dụng trong đề tài
Hình 2.24 Arduino Maga 2560 Arduino Mega 2560 là sản phẩm tiêu biểu cho dòng mạch Mega là dòng bo mạch có nhiều cải tiến so với Arduino Uno (54 chân digital IO và 16 chân analog IO) Tính năng nổi bật: Arduino Mega 2560 là board mạch vi điều khiển, xây dựng dựa trên Atmega 2560 Nó có 54 chân I/O (trong đó có 15 chân có thể sử dụng làm chân ouput với chức năng PWM), 16 chân đầu vào Analog, 4 UART, 1 thạch anh 16Mhz, 1 cổng USB, 1 jack nguồn, 1 header, 1 nút nhấn reset Nó chứa mọi thu cần thiết hỗ trợ cho người lập trình vi điều khiển, đơn giản chỉ việc kết nối nó với máy tính bằng cable USB là có thể bắt đầu học tập Mạch Arduino 2560 sử dụng tương thích với phần lớn các Shield của Arduino UNO
- Vi điều khiển chính: ATmega2560
- IC nạp và giao tiếp UART: ATmega16U2.
- IC giao tiếp USB Host: MAX3421E
- Nguồn nuôi mạch: 5VDC từ cổng USB hoặc nguồn ngoài cắm từ giắc tròn DC
- Dòng điện DC Current trên mỗi chân I/O: 20mA
- Dòng điện DC Current chân 3.3V: 50mA
Mạch điều khiển động cơ DC L298 có khả năng điều khiển 2 động cơ
DC, dòng tối đa 2A mỗi động cơ, mạch tích hợp diod bảo vệ và IC nguồn
7805 giúp cấp nguồn 5VDC cho các module khác (chỉ sử dụng 5V này nếu nguồn cấp
