Thuyết minh Đồ án xe dò line phân loại hàng theo khối lượng Đại học Bách khoa Tp.HCM

Robot dò line là một máy tự động có thể đi theo một con đường nhất định ngay cả khi con đường bị thay đổi bằng cách thay đổi hình dạng của đường. Trong trường hợp cơ bản nhất, đường đi có thể nhìn thấy được như đường đen trên bề mặt trắng (hoặc ngược lại) hoặc có thể không nhìn thấy được như từ trường. Bên cạnh chức năng dò line, robot còn được thiết kế một hệ thống tải hàng hóa cần phân phối. Hệ thống này có khả năng nhận biết hàng hóa đã được tải lên hay chưa, đồng thời phân biệt được khối lượng của hàng hóa. Từ đó phân phối về vị trí thích hợp với khối lượng hàng hóa đã biết trước. Một con robot phân phối hàng bám line chủ yếu bao gồm các khối sau: nguồn điện, bộ phận cảm biến, cơ cấu chấp hành, hệ thống điều khiển, giao tiếp giữa cảm biến và hệ thống điều khiển và giao tiếp giữa hệ thống điều khiển và cơ cấu chấp hành.

LỜI CẢM ƠN Nhóm chúng em xin gửi lời cám ơn đến thầy TS Phạm Cơng Bằng tận tình dạy, hướng dẫn để nhóm chúng em hồn thành đồ án suốt học kì vừa qua Những kiến thức học từ môn học góp phần đem đến nhiều kinh nghiệm quý giá cho thân thành viên nhóm để tiếp tục học tập rèn luyện đường tương lai sau Xin kính chúc thầy sức khỏe, hạnh phúc có nhiều cống hiến cho ngành Cơ khí nói chung Cơ điện tử nói riêng Hy vọng từ điều thầy hướng dẫn cho sinh viên nhóm người gặt hái thành cơng sau đóng góp cho ngành tương lai sau Xin chân thành cảm ơn thầy! Nhóm sinh viên thực Hồng Đức Linh Nguyễn Sơn Lâm Hồ Việt Khánh Đào Lê Tấn Lộc MỤC LỤC LỜI CẢM ƠN i BIỂU ĐỒ GANTT THỂ HIỆN TIẾN ĐỘ CÔNG VIỆC ix MỞ ĐẦU ………………………………………………………………………………… x CHƯƠNG TỔNG QUAN 1.1 Tổng quan robot phân phối hàng dò line .1 1.1.1 Khái niệm robot phân phối hàng dò line 1.1.2 Nguyên lí hoạt động robot phân phối hàng dò line 1.1.3 Các sản phẩm thị trường có ứng dụng robot phân phối hàng dò line 1.1.4 Ứng dụng robot phân phối hàng dò line .6 1.2 Xác định mục tiêu thiết kế 1.3 Các phương án thiết kế robot tải hàng dò line CHƯƠNG LỰA CHỌN PHƯƠNG ÁN THIẾT KẾ 2.1 Thiết kế khí 2.1.1 Loại ba bánh với hai bánh chủ động bánh bị động 2.1.2 Loại bốn bánh với hai bánh độc lập chủ động hai bánh bị động 10 2.1.3 Loại bốn bánh chủ động độc lập .11 2.1.4 Loại bốn bánh sử dụng cấu lái skid drive 12 2.2 Cấu trúc điều khiển 13 2.2.1 Điều khiển tập trung 14 2.2.2 Điều khiển phân cấp 14 2.3 Các loại cảm biến .15 2.3.1 Camera 15 2.3.2 Cảm biến hồng ngoại 16 2.3.3 Quang điện trở (photoresistor) 17 2.3.4 Cảm biến khối lượng 18 2.4 Bộ điều khiển 19 2.4.1 Giải thuật điều khiển 19 2.4.2 Giải thuật so sánh 20 2.4.3 Giải thuật vị trí trung bình (Weighted Average) .21 2.4.4 Giải thuật nội suy bậc (Quadratic Interpolation) 22 Tổng kết mục tiêu đồ án: 23 CHƯƠNG THIẾT KẾ CƠ KHÍ CHO XE .25 3.1 Lựa chọn bánh xe .25 3.1.1 Bánh chủ động 25 3.1.2 Bánh xe bị động 25 3.2 Tính tốn động .26 3.3 Thiết kế khung xe .30 3.4 Dung sai 31 3.5 Thiết kế gá khung động .36 3.5.1 Chọn dung sai lắp ghép .36 3.5.2 Tính tốn kích thước chuỗi .37 3.5.3 Kiểm tra bền 38 3.6 Tổng kết chương 39 3.6.1 Giá trị vị trí robot dị line theo thời gian 39 3.6.2 Giá trị vận tốc robot theo thời gian 40 CHƯƠNG ĐIỀU KHIỂN ĐỘNG CƠ 44 4.1 Lựa chọn Driver điều khiển động 44 4.1.1 Lựa chọn Driver cho động 44 4.1.2 Điều khiển động 45 4.1.3 Thiết kế điều khiển PID cho động 45 4.2 Sơ đồ mạch điện .49 CHƯƠNG CẢM BIẾN 50 5.1 Yêu cầu thiết kế mạch 50 5.2 Chọn cảm biến dò Line 50 5.3 Tính tốn giá trị điện trở 51 5.4 Xác định chiều cao đặt cảm biến 54 5.5 Xác định cách bố trí cảm biến 57 5.6 Xác định số lượng khoảng cách cảm biến .58 5.7 Thiết kế mạch dò line .59 5.8 Khảo nghiệm mạch cảm biến dò Line sau in 60 5.9 Cảm biến khối lượng 62 5.10 Lựa chọn vi điều khiển .68 5.11 Thiết kế giao diện HMI điều khiển robot dò line thông qua bluetooth 71 5.11.1 Tổng quan HMI 71 5.11.2 Ứng dụng MIT App Inventor 72 5.11.3 Tiêu chí lựa chọn mạch thu phát bluetooth .72 5.11.4 Lựa chọn mạch thu phát Bluetooth 72 5.11.5 Thiết kế giao diện 74 CHƯƠNG MƠ HÌNH HĨA HỆ THỐNG .75 6.1 Mơ hình hóa động học 75 6.2 Mô kết bám line: .76 CHƯƠNG SƠ ĐỒ GIẢI THUẬT .81 7.1 Giải thuật lựa chọn chế độ cho xe 81 7.2 Thuật toán nhận hàng, rẽ phải trái .82 7.3 Thuật toán kiểm tra trạng thái sa bàn .83 CHƯƠNG THỰC NGHIỆM VÀ ĐÁNH GIÁ 84 TÀI LIỆU THAM KHẢO 86 MỤC LỤC HÌNH ẢNH Hình 1.1 Xe đẩy AGV Hình 1.2 Xe nâng AGV Hình 1.3 Xe kéo AGV Hình 1.4 Xe tự hành AGV KUKA Hình 1.5 Xe từ hành AGV TPA Hình 1.6 Hình vẽ kích thước sa bàn Hình 2.1 Xe dò line chủ động – bị động .9 Hình 2.2 Xe dò line chủ động – bị động 10 Hình 2.3 Xe dị line Fireball 11 Hình 2.4 Xe dị line cấu lái skid drive 12 Hình 2.5 Cấu trúc điều khiển tập trung 14 Hình 2.6 Cấu trúc điều khiển phân cấp 14 Hình 2.7 Camera Raspberry 16 Hình 2.8 Cảm biến hồng ngoại TCRT5000 16 Hình 2.9 CdS Photoresistor .17 Hình 2.10 Cách bố trí cảm biến 17 Hình 2.11 Cấu tạo Strain Gauge .18 Hình 2.12 Cấu tạo cảm biến khối lượng loadcell 19 Hình 2.13 Sơ đồ điều khiển hệ thống 20 Hình 2.14 Giải thuật so sánh 20 Hình 2.15 Giải thuật vị trí trung bình .21 Hình 2.16 Giải thuật nội suy bậc 22 Hình 3.1 Bánh mắt trâu 26 Hình 3.2 Hệ trục tọa độ robot dị line .26 Hình 3.3 Sơ đồ phân tích lực tác dụng lên xe 27 Hình 3.4 Mơ tả lực tác dụng lên bánh xe 28 Hình 3.5 Các lực xuất xe vào cua .29 Hình 3.6 Thiết kế đế robot dò line 30 Hình 3.7 Kết kiểm tra ứng suất đế 31 Hình 3.8 Kết kiểm tra biến dạng đế 31 Hình 3.9 Khoảng cách sai lệch tâm hai bánh xe .32 Hình 3.10 Chuỗi kích thước hình thành theo phương y 32 Hình 3.11 Chuỗi kích thước base .34 Hình 3.12 Dung sai lắp ghép động khung gắn động 36 Hình 3.13 Dung sai hình dáng khung gá động so với khung xe 36 Hình 3.14 Khung gá động 37 Hình 3.15 Chuỗi kích thước 37 Hình 3.16 Kết kiểm tra ứng suất khung gá động 38 Hình 3.17 Kết kiểm tra biến dạng khung gá động 38 Hình 3.18 Tọa độ x, y theo thời gian 39 Hình 3.19 Hướng robot dò line theo thời gian 39 Hình 3.20 Tốc độ dài xe 40 Hình 3.21 Tốc độ góc xe 41 Hình 3.22 Tốc độ góc bánh phải 41 Hình 3.23 Tốc độ góc bánh trái 42 Hình 3.24 Tốc độ góc bánh xe với vật nặng 1kg 42 Hình 3.25 Tốc độ góc bánh xe với vật nặng 2kg 43 Hình 3.26 Thiết kế sơ robot dò line SolidWorks 43 Hình 4.1 Driver TB6612 44 Hình 4.2 Đồ thị biểu diễn mối liên hệ vận tốc góc theo PWM .45 Hình 4.3 Đáp ứng vận tốc động trái 46 Hình 4.4 Đáp ứng vận tốc động phải 46 Hình 4.5 Mơ hình thiết kế PID cho động GA25 bên trái 47 Hình 4.6 Mơ hình thiết kế PID cho động GA25 bên phải 47 Hình 4.7 Thơng số điều khiển PID cho động trái 47 Hình 4.8 Thơng số điều khiển PID cho động phải .48 Hình 4.9 Đáp ứng vận tốc bánh trái 48 Hình 4.10 Đáp ứng vận tốc bánh phải 48 Hình 4.11 Tốc độ động sử dụng điều khiển PID 49 Hình 4.12 Sơ đồ điện 49 Hình 5.1 Kích thước cảm biến TCRT5000 .50 Hình 5.2 Nguyên lý hoạt động cặp led 51 Hình 5.3 Đường đặc tuyến VF với IF 52 Hình 5.4 Đường đặc tuyến VCE với IC 52 Hình 5.5 Kết analog trả thu đen sa bàn 53 Hình 5.6 Kết analog trả thu trắng sa bàn .54 Hình 5.7 Giá trị analog theo chiều cao cảm biến 56 Hình 5.8 Giá trị analog so với vị trí tâm line độ cao h=12 mm 56 Hình 5.9 Các cách bố trí cảm biến 57 Hình 5.10 Vùng hoạt động cảm biến 57 Hình 5.11 Sơ đồ vùng quét cảm biến đường line 58 Hình 5.12 Khoảng cách ngắn đầu thu cảm biến 58 Hình 5.13 Bố trí dãy cảm biến so với bề rộng line 59 Hình 5.14 Sơ đồ nguyên lý khối cảm biến 59 Hình 5.15 Mạch PCB cho dãy cảm biến 60 Hình 5.16 Mạch PCB sau in có thiết kế gá chống nhiễu bảo vệ 60 Hình 5.17 Sai lệch giá trị thực tế giá trị xấp xỉ 62 Hình 5.18 Sự thay đổi điện trở bị kéo (nén) .63 Hình 5.19 Mạch cầu Wheatstone 64 Hình 5.20 Cấu tạo module ADC HX711 65 Hình 5.21 Sơ đồ đấu nối Loadcell với HX711 .66 Hình 5.22 Đồ thị biểu khối cần đo sau hiệu chỉnh 68 Hình 5.23 Hình ảnh STM32F103C8T6 69 Hình 5.24 mạch 18650 Battery Shield V3 70 Hình 5.25 Module Bluetooth 3.0 SP .73 Hình 5.26 Giao diện HMI .74 Hình 6.1 Mơ hình động học robot dò line .75 Hình 6.2 Mơ hình sa bàn Matlab .76 Hình 6.3 Mơ robot bám line 78 Hình 6.4 Sai số e 79 Hình 6.5 Sai số e 79 Hình 6.6 Sai số e 79 Hình 6.7 Vận tốc hai bánh xe 80 Hình 7.1 Giải thuật lựa chọn chế độ .81 Hình 7.2 Giải thuật xe nhận hàng rẽ hướng .82 Hình 7.3 Thuật tốn kiểm tra sa bàn .83 Hình 8.1 Hình ảnh thực tế xe 84 MỤC LỤC BẢNG Bảng 1.1 Chuyển động robot Bảng 2.1 Bảng thông số xe dò line 10 Bảng 2.2 Bảng thông số xe dò line 11 Bảng 2.3 Bảng thông số xe dò line 11 Bảng 2.4 Bảng thông số xe dò line 12 Bảng 2.5 So sánh kết cấu xe dò line 13 Bảng 2.6 So sánh phương pháp điều khiển 15 Bảng 2.7 So sánh loại cảm biến 18 Bảng 2.8 Thông số xe .23 Bảng 2.9 Bảng lựa chọn sơ 23 Bảng 3.1 Thông số bánh xe 65mm 25 Bảng 3.2 Thông số động GA25-V1 28 Bảng 3.3 Thông số lựa chọn dung sai .35 Bảng 5.1 Thông số kỹ thuật cảm biến TCRT5000 51 Bảng 5.2 Giá trị analog trả cho trắng đen với chiều cao cụ thể .55 Bảng 5.3 Giá trị analog lớn nhỏ từ cảm biến 61 Bảng 5.4 Thông số kỹ thuật loadcell 63 Bảng 5.5 Thông số kỹ thuật HX711 .65 Bảng 5.6 Bảng giá trị đo loadcell 66 Bảng 5.7 Thông số kỹ thuật module Bluetooth 73 Bảng 6.1 Thông số đầu vào mô 77 BIỂU ĐỒ GANTT THỂ HIỆN TIẾN ĐỘ CƠNG VIỆC Cơng việc Tuần I Tổng quan Tìm hiểu vấn đề liên quan đến robot dò line vận chuyển hàng Đề xuất chọn phương án cho xe Hiệu chỉnh phần tổng quan II Thiết kế Cơ khí Tính tốn thiết kế lựa chọn chi tiết Tính tốn chọn động Vẽ 3D thiết kế sơ mơ hình xe Hiệu chỉnh thơng số khí Thiết kế điện Tìm hàm truyền động Tính tốn PID cho động Hiệu chỉnh thông số động Cảm biến Lựa chọn cảm biến dò line, cảm biến khối lượng, thiết kế mạch cảm biến dò line Chế tạo mạch cảm biến line, hiệu chỉnh giá trị sai số Hiệu chỉnh thông số phù hợp với line Hàn bo mạch Bộ điều khiển mơ Nghiêng cứu lý thuyết điều khiển Mơ hình hố sa bàn Mơ hình hóa matlab Hiệu chỉnh thơng số mơ III Chỉnh sửa mơ hình Cải tạo kết cấu xe Chỉnh sửa bo mạch Lắp ráp xe hoàn chỉnh để thực nghiệm IV Kết thực nghiệm Hiệu chỉnh xe thực nghiệm V Hoàn thành thuyết minh, vẽ VI Bảo vệ 9 10 11 12 13 14 15 MỞ ĐẦU Vận chuyển hàng hóa tự động sản xuất, lưu trữ điểm mấu chốt để tối ưu hóa chỗi cung ứng sản phẩm Hệ thống robot tự hành (AGVS) giải pháp để cải tiến trình vận chuyển Trong trình hình thành phát triển, môi trường công nghiệp ứng dụng hệ thống robot tự hành nhà xưởng xí nghiệp ngày nhiều, rõ ràng thấy hiệu mà mang lại to lớn Những mơ hình hoạt động có ứng dụng robot thu suất cao nhiều so với trước ứng dụng Ngày nay, với phát triển nhanh chóng, robot dị line cịn dùng để nhiều mục đích phục vụ đời sống không đặc thù phục vụ sản xuất nhà máy xí nghiệp Cụ thể ứng dụng vào robot vận chuyển thức ăn nước uống nhà hàng, quán ăn chẳng hạn Với ứng dụng trên, nhóm em xin phép chọn đề tài robot dị line tải hàng Chúng em tiến hành tìm hiểu tổng quan, phân tích thiết kế robot bám line phân phối hàng hóa khơng gian phịng thí nghiệm Nội dung đề tài gồm: tổng quan, phân tích mơ hình tốn, thiết kế khí, xây dựng hệ thống điện, xây dựng lập trình giải thuật cho robot 10