Ngoài ra việc di chuyển trong bãi để tìm vị trí đỗ xe hoặc lấy xe ra có thể dẫn đến tình trạng các xe va đập vào nhau khi di chuyển dẫn đến làm hao phí một lượng tài sản không đáng có cũ
TỔNG QUAN
Đặt vấn đề
Theo xu hướng phát triển toàn cầu, khi thu nhập cá nhân tăng cao, nhu cầu sử dụng phương tiện di chuyển hiện đại, chất lượng và an toàn cũng tăng theo Để đáp ứng nhu cầu này, ô tô đang trở thành lựa chọn hàng đầu và dần thay thế xe máy như một phương tiện di chuyển chính trong xã hội hiện đại.
Dự kiến, số lượng ô tô trên toàn cầu sẽ tăng từ 841 triệu vào năm 2008 lên hơn 1.6 tỷ vào năm 2035, dẫn đến nhu cầu bãi đỗ xe ngày càng cao Việc tìm kiếm chỗ đậu xe trống trở thành vấn đề phổ biến tại các thành phố lớn, đặc biệt trong các dịp lễ Bãi đỗ xe truyền thống thường mất nhiều thời gian để tìm vị trí phù hợp, và thói quen tranh giành chỗ đậu thuận tiện gây ra tắc đường và tăng lượng khí thải, góp phần ô nhiễm môi trường Hơn nữa, việc di chuyển trong bãi đỗ xe có thể dẫn đến va chạm giữa các xe, gây hao phí tài sản và tạo cảm giác không thoải mái cho người sử dụng dịch vụ.
Ý tưởng về bãi đậu xe tự động đang thu hút sự chú ý ngày càng nhiều nhờ khả năng tối ưu hóa không gian và giảm thiểu thời gian gửi và lấy xe Mô hình này giúp ngăn chặn tình trạng kẹt xe trong bãi, mang lại hiệu quả cao trong việc sử dụng vị trí đỗ Do đó, bãi đậu xe tự động đang được áp dụng rộng rãi trên toàn thế giới Nhận thấy tiềm năng này, nhóm đã quyết định chọn đề tài "THIẾT KẾ VÀ THI CÔNG MÔ HÌNH BÃI ĐỖ XE Ô TÔ TỰ ĐỘNG."
Mục tiêu
Mô hình bãi đỗ xe tự động được thiết kế và thi công với khả năng di chuyển xe đến vị trí trống và lấy xe theo yêu cầu Công nghệ xử lý ảnh và thẻ từ được ứng dụng để thu thập thông tin biển số xe, giúp quản lý việc ra vào bãi hiệu quả và đảm bảo an ninh Hệ thống còn tích hợp tính năng đăng ký thẻ dài hạn cho khách hàng thường xuyên và tính tiền qua thẻ, cùng với giao diện giám sát cho người vận hành để dễ dàng theo dõi thông tin xe.
Giới hạn đề tài
Đề tài này tập trung vào việc xây dựng mô hình bãi đỗ xe thu nhỏ nhằm kiểm nghiệm các chương trình có thể áp dụng vào bãi đỗ xe thực tế Chương trình không nhằm mục đích sử dụng hoặc thử nghiệm trên bất kỳ hệ thống bãi đỗ xe nào trong thực tế.
Hệ thống bãi đỗ xe vẫn cần nhân viên giám sát để kiểm soát việc ra vào và nạp tiền vào thẻ cho khách Việc duy trì nhân viên giám sát không chỉ đảm bảo an ninh cho khu vực bãi đỗ mà còn giúp kịp thời xử lý các vấn đề phát sinh trong quá trình vận hành Xe cộ là tài sản có giá trị lớn, và các sự cố liên quan đến xe có thể ảnh hưởng đến sức khỏe con người, do đó, sự có mặt của nhân viên tại hiện trường là cần thiết để giải quyết nhanh chóng các tình huống khẩn cấp.
Mô hình bãi đỗ xe được thiết kế với sức chứa 15 xe, mỗi xe có kích thước 7.5x5x3 cm Mục đích của mô hình này là tạo điều kiện thuận lợi cho việc lưu trữ và vận chuyển, đồng thời đảm bảo đủ vị trí để kiểm nghiệm các chức năng của hệ thống.
Mô hình này không được thiết kế để xử lý các sự cố như mất điện đột ngột, cháy nổ, hoặc thiên tai như động đất và bão, những yếu tố có thể ảnh hưởng nghiêm trọng đến hệ thống.
Phương pháp nghiên cứu
Thu thập và tổng hợp tài liệu về hệ thống bãi đỗ xe tự động, nghiên cứu cách vận hành và các chức năng cần thiết của hệ thống Đánh giá ưu nhược điểm của từng loại bãi đỗ xe thực tế để lựa chọn giải pháp tối ưu cho việc xây dựng mô hình.
Giới thiệu nội dung
Phần còn lại của đề tài có các nội dung như sau:
Chương 2 Cơ sở lý thuyết
Chương này cung cấp cái nhìn tổng quan về bãi đỗ xe tự động, bao gồm các giải pháp xây dựng thực tế và phân tích ưu, nhược điểm của từng giải pháp Ngoài ra, nội dung cũng đề cập đến lý thuyết chung về các thành phần trong hệ thống bãi đỗ xe tự động.
Chương 3 Thiết kế và chọn thiết bị cho hệ thống
Chương này sẽ giải thích cách hoạt động của hệ thống, bao gồm việc xây dựng sơ đồ khối, thiết kế mô hình phần cứng và lựa chọn thiết bị phù hợp với yêu cầu Ngoài ra, chương cũng sẽ trình bày thiết kế sơ đồ mạch điện cho hệ thống dựa trên các thiết bị đã được chọn Chương 4 sẽ tập trung vào thi công hệ thống.
Bài viết trình bày chi tiết về quá trình thi công phần cứng cho hệ thống, giới thiệu các phần mềm được sử dụng, đồng thời cung cấp lưu đồ giải thuật và giao diện giám sát của hệ thống.
Chương 5 Kết quả đạt được
Trình bày về kết quả đạt được và phân tích các kết quả đó
Chương 6 Kết luận và hướng phát triển Đưa ra kết luận tổng quan cho hệ thống rồi từ đó nêu ra hướng phát triển để hoàn thiện hệ thống trong tương lai.
CƠ SỞ LÝ THUYẾT
Tổng quan về hệ thống bãi giữ xe tự động
Bãi giữ xe ô tô tự động là giải pháp công nghệ thông tin tiên tiến, giúp kiểm soát hiệu quả việc ra vào của các phương tiện tại khu chung cư, siêu thị và bệnh viện Hệ thống kết nối chặt chẽ giữa các thiết bị cho phép quản lý chính xác từng xe và biển số trong thời gian thực Khi xe vào bãi, hệ thống tự động di chuyển xe đến vị trí trống, sử dụng camera để thu thập hình ảnh và mã nhận dạng từ phần mềm quản lý Giải pháp này không chỉ đảm bảo an toàn tuyệt đối cho phương tiện, giảm thiểu tình trạng mất cắp, mà còn tiết kiệm thời gian và giảm ùn tắc giao thông.
Phân tích về các giải pháp cho bãi giữ xe trong thực tế
2.2.1 Bãi giữ xe truyền thống Đây là loại hình giữ xe được xây dựng phổ biến từ trước đến nay Mô hình bãi giữ xe truyền thống sẽ cần một số nhân viên quản lí, bán vé và ghi lại biển số của khách hàng ra vào cổng Tuy nhiên, ngày nay số lượng phương tiện không ngừng tăng lên làm cho bãi giữ xe truyền thống không còn là giải pháp tối ưu Chúng ta cần thay thế bằng một hệ thống giữ xe mới để đáp ứng được thời gian và diện tích của bãi đỗ xe trong tình hình mới hiện nay
Hình 2.1: Hệ thống bãi đỗ xe truyền thống Ưu điểm:
- Hệ thống vận hành đơn giản
- Chi phí đầu tư, vận hành và duy trì thấp
- Không có tính linh hoạt cao
- Diện tích sử dụng lớn, không tối ưu
- Mất nhiều thời gian để gửi – lấy xe
- Khó khăn trong việc tìm xe
- Rất dễ xảy ra những sự cố
2.2.2 Bãi giữ xe dạng xoay vòng đứng
Hệ thống bãi đậu xe xoay vòng đứng (Rotary Parking System) là giải pháp tiết kiệm không gian hiệu quả, lý tưởng cho các khu vực có số lượng chỗ đậu xe hạn chế Hệ thống này giúp rút ngắn thời gian gửi và lấy xe, khi người lái rời khỏi khu vực nhận xe, xe sẽ tự động được đưa đến vị trí đỗ thông qua cơ cấu xoay vòng Khi có tín hiệu lấy xe, hệ thống sẽ nhanh chóng xoay cho đến khi xe cần lấy được đưa ra lối ra, tối ưu hóa quy trình đỗ xe.
Hệ thống xoay vòng đứng là giải pháp lý tưởng cho các khu đất có diện tích hạn chế, phù hợp với những địa điểm như trung tâm thương mại nhỏ, khách sạn nhỏ và nhà hàng nhỏ.
Hình 2.2: Hệ thống bãi giữ xe dạng xoay vòng đứng Ưu điểm:
- Dễ dàng di chuyển, lắp đặt, tháo lắp đơn giản
- Thiết kế tối ưu diện tích
- Mang lại giá trị tối ưu nhất trong không gian hẹp
- Số lượng chỗ đỗ xe còn hạn chế
- Chỉ tối ưu cho một số dòng xe
- Chi phí đầu tư khá cao do tính chất đồng bộ không linh hoạt trong quá trình lắp đặt
2.2.3 Bãi giữ xe dạng xếp hình
Hệ thống đậu xe kiểu xếp hình (Puzzle Parking) là giải pháp bãi đậu xe thông minh, thiết kế đơn giản cho phép đỗ nhiều ô tô độc lập Xe được đưa vào vị trí trống ở tầng 1 và hệ thống sẽ tự động di chuyển pallet chứa ô tô đến các vị trí trống ở các tầng trên, lấp đầy từ trên xuống dưới Hệ thống này phù hợp với các dự án tòa nhà cao tầng và có thể lắp đặt tại các bãi giữ xe có địa hình hạn chế cũng như số lượng xe lớn.
Hình 2.3: Mô hình bãi giữ xe dạng xếp hình Ưu điểm:
- Dễ dàng gửi – lấy xe
- Linh hoạt trong thiết kế, dễ dàng lắp đặt và tháo lắp
- Chi phí lắp đặt thấp
- Thời gian gửi – lấy xe lâu hơn các bãi gửi xe thông thường
- Hệ thống bán tự động nên lái xe phải lái xe vào đúng vị trí đậu
2.2.4 Bãi giữ xe dạng tháp hình trụ tròn
Bãi giữ xe dạng tháp hình trụ tròn là biểu tượng của bãi đỗ xe hiện đại và thông minh, với quy trình thi công hoàn toàn tự động Thiết kế bãi đỗ xe này bao gồm nhiều tầng, nơi các vị trí đỗ xe được sắp xếp theo hình vòng cung, giúp tối ưu hóa không gian Cơ cấu di chuyển xe được đặt ở trung tâm, tạo điều kiện thuận lợi cho việc di chuyển xe đến các vị trí khác nhau Tháp gửi xe hoạt động nhờ cơ chế nâng hạ và xoay quanh trục trung tâm, tự động gửi và lấy xe với tốc độ nhanh chóng, đáp ứng nhu cầu sử dụng hiệu quả.
Hình 2.4: Mô hình bãi giữ xe dạng tháp hình trụ tròn Ưu điểm:
- Tối ưu diện tích bãi giữ xe với số lượng xe lớn
- Tốc độ gửi – lấy xe tương đối nhanh
- Giảm thiểu tối đa lượng khí thải vì hệ thống hoạt động khi xe đã tắt máy
- Tính thẩm mỹ cao làm tăng vẻ đẹp mỹ quan đô thị
- Chi phí đầu tư cao
- Yêu cầu kỹ thuật công nghệ cao trong toàn bộ quá trình
2.2.5 Bãi giữ xe dạng tháp cột đứng
Hệ thống bãi giữ xe dạng tháp cột đứng (Tower Parking System) là một giải pháp đỗ xe tự động với thiết kế giống như tòa nhà cao tầng, cho phép tăng cường khả năng chứa xe nhờ vào cấu trúc nhiều tầng Sau khi di chuyển xe đến cổng bãi đỗ, người dùng có thể dễ dàng chọn vị trí trống thông qua màn hình điều khiển, mang lại sự tiện lợi và hiệu quả trong việc sử dụng không gian.
Hệ thống sử dụng cơ cấu nâng hạ để di chuyển xe đến vị trí yêu cầu, rất phù hợp cho các khu vực có lưu lượng xe ra vào thường xuyên.
Hình 2.5: Mô hình bãi giữ xe dạng tháp Ưu điểm:
- Tốc độ gửi - lấy xe tương đối nhanh
- Lắp đặt nhanh chóng, dễ dàng
- Xây dựng trên diện tích đất nhỏ, có thể lắp nổi hoặc chìm dưới đất
- Chi phí đầu tư ban đầu cao
- Thường đi liền với các công trình cao tầng hoặc phải có nền móng chắc chắn
Sau khi phân tích ưu và nhược điểm của các giải pháp bãi gửi xe ô tô, nhóm nhận thấy bãi giữ xe dạng tháp hình trụ tròn có nhiều ưu điểm nổi bật Hệ thống này cho phép đưa xe vào và lấy xe ra nhanh chóng nhờ cơ chế xoay quanh trụ Mỗi tầng có khả năng chứa nhiều xe, đồng thời hình trụ tròn giúp tiết kiệm diện tích hơn so với hình vuông Việc tự động đưa xe vào các vị trí cũng giúp giảm thiểu tình trạng kẹt xe khi tìm chỗ đỗ và giảm lượng khí thải ra môi trường Do đó, nhóm quyết định xây dựng hệ thống dựa trên mô hình này.
Các cơ sở lý thuyết liên quan đến đề tài
2.3.1 Động cơ bước Động cơ bước (Stepper motor) là một động cơ đồng bộ có khả năng biến đổi các tín hiệu xung điện rời rạc kế tiếp nhau thành chuyển động góc quay để cố định rotor vào vị trí cần thiết Động cơ bước làm việc dựa vào bộ chuyển mạch điện tử bằng cách đưa các tín hiệu vào stato theo thứ tự nhất định với tần số nhất định Chiều quay, tốc độ quay và tổng số góc quay của roto phụ thuộc vào thứ tự và tần số chuyển đổi Khi có một xung điện áp được đặt vào cuộn dây stato thì roto của động cơ sẽ quay một góc nhất định, góc này được xem là một bước quay của động cơ Khi các xung điện áp đặt vào cuộn dây stato thay đổi liên tục thì roto sẽ quay liên tục [1]
Hình 2.6: Bước quay của động cơ bước
Động cơ bước được chế tạo với các góc bước từ 0.45° đến 15°, tùy thuộc vào mục đích sử dụng Trong số đó, góc bước phổ biến nhất là 1.8°, tương ứng với một vòng quay là 200 bước.
Các tham số của xung điều khiển sau ảnh hưởng trực tiếp đến việc điều khiển động cơ bước gồm:
- Dòng điện I (có liên hệ mật thiết với U)
- Tần số xung (ảnh hưởng đến tốc độ quay của động cơ)
- Độ rộng xung (ảnh hưởng đến khả năng dịch bước của động cơ)
Phương thức cấp xung trong động cơ bước bao gồm số lượng và thứ tự cuộn dây pha được cấp, ảnh hưởng đến moment tải và chiều quay Động cơ bước có bốn trạng thái chính: Trạng thái không hoạt động (không có cuộn dây nào được cấp điện), Trạng thái giữ (cấp điện một chiều cho một số cuộn dây pha, tạo momen giữ để giữ rotor ở vị trí cố định), Trạng thái dịch bước (cuộn dây pha được cấp dòng phù hợp, rotor di chuyển đến vị trí bước tiếp theo), và Trạng thái quay vượt giới hạn (khi xung điều khiển có tần số quá cao, động cơ quay vượt tốc, không thể dừng đúng vị trí hay đảo chiều) Động cơ bước chỉ được coi là đang làm việc khi ở trạng thái giữ hoặc dịch bước.
2.3.2 Động cơ servo Động cơ servo là một động cơ thông thường kết hợp với encoder để cung cấp phản hồi về tốc độ và vị trí đến bộ điều khiển Động cơ servo sử dụng cơ chế vòng kín cùng với phản hồi vị trí để điều khiển vị trí quay và tốc độ Động cơ có thể được điều khiển bằng tín hiệu điện, tín hiệu digital hoặc tín hiệu analog để xác định lượng chuyển động đại diện cho vị trí mà ta muốn động cơ quay tới Khi động cơ quay thì vị trí và vận tốc sẽ được phản hồi về mạch điều khiển Nếu có bất kì lí do nào khiến cho động cơ không đạt được vị trí mong muốn trong quá trình di chuyển thì cơ cấu phản hồi sẽ phát tín hiệu về để mạch điều khiển để tiếp tục điều chỉnh sai lệch cho đến khi động cơ đạt được điểm xác định [2] Động cơ servo DC: tốc độ tỷ lệ thuận với điện áp cung cấp khi tải không đổi Động cơ servo AC: tốc độ quay của động cơ được xác định bởi số lượng cực từ và tần số của điện áp đặt vào Chịu được dòng điện cao hơn động cơ servo DC Đây là động cơ thường được dùng phổ biến hơn trong công nghiệp khi nó có thể hoạt động với độ chính xác và độ lặp lại cao
Hình 2.7: Cấu tạo của động cơ Servo
Công nghệ Nhận dạng Tần số Radio (RFID) sử dụng sóng vô tuyến và trường điện từ để nhận diện đối tượng, mang lại ưu điểm vượt trội so với mã vạch RFID cho phép thu thập thông tin từ thẻ mà không cần tiếp xúc vật lý và có thể đọc qua lớp ngăn cách Thời gian đọc và ghi thông tin chỉ mất vài mili giây, trong khi các thẻ RFID hiện đại có dung lượng bộ nhớ từ 16 – 64 Kbyte, gấp nhiều lần so với mã vạch thông thường.
Khi đầu đọc RFID hoạt động, nó phát ra một xung điện để truy vấn thẻ RFID gần đó, thẻ này sẽ truyền lại dữ liệu số, bao gồm giá trị định dạng và thông tin liên quan đến đối tượng cần quản lý Nhờ vào dữ liệu thu được, việc theo dõi và kiểm soát vật thể hoặc hàng hóa trở nên dễ dàng hơn.
Hình 2.8: Nguyên lý hoạt động RFID
Có hai loại thẻ RFID phổ biến: thẻ RFID thụ động và thẻ RFID chủ động.
Thẻ chủ động yêu cầu nguồn điện từ bên ngoài hoặc pin tích hợp, cho phép tín hiệu được thu nhận từ khoảng cách xa Chúng thường được ứng dụng trên máy bay hoặc ô tô, kết hợp với công nghệ di động và GPS để xác định vị trí Tuy nhiên, chi phí, kích thước và tuổi thọ của pin là những yếu tố hạn chế, khiến loại thẻ này ít được sử dụng trong thương mại.
Thẻ RFID thụ động được ưa chuộng hơn nhờ vào việc không cần pin và bảo trì Với tuổi thọ cao và kích thước nhỏ gọn, chúng rất thích hợp cho việc sử dụng làm nhãn dán hoặc thẻ giữ xe.
Thẻ thụ động bao gồm ba phần chính: anten, chip bán dẫn gắn với anten và khung bảo vệ bên ngoài Đầu đọc đóng vai trò cung cấp nguồn điện và giao tiếp với thẻ Anten thu năng lượng và truyền tải ID của thẻ, trong khi chip xử lý thông tin này Khung bên ngoài giúp bảo vệ anten và chip khỏi các yếu tố môi trường.
2.3.4 Giới thiệu về PLC (Programmable Logic Controller)
PLC, hay bộ điều khiển Logic có thể lập trình, là thiết bị quan trọng trong việc điều khiển quy trình sản xuất cho dây chuyền và thiết bị sản xuất tích hợp Được thiết kế để thay thế nhiều relay hoặc timer, PLC giúp quản lý hiệu quả các hệ thống với nhiều đầu vào và đầu ra Nhờ vào độ bền và khả năng tự động hóa đa dạng quy trình, PLC đã trở thành một yếu tố không thể thiếu trong sản xuất hiện đại.
Cấu trúc cơ bản của PLC
Hình 2.9: Cấu trúc của PLC
Bộ xử lý trung tâm (CPU) là thành phần chính của PLC, đóng vai trò điều khiển và thực hiện các hoạt động được lập trình từ phần mềm máy tính Các hoạt động này được thực hiện dựa trên tín hiệu và dữ liệu nhận được từ đầu vào.
- Nguồn điện: thường hoạt động trên nguồn điện khoảng 24V và 220V, được sử dụng để cấp nguồn cho các thiết bị đầu vào và đầu ra
Module I/O trong PLC bao gồm các module đầu vào và đầu ra Các module đầu vào được kết nối với thiết bị như nút nhấn, cảm biến và công tắc hành trình để đọc tín hiệu kỹ thuật số và tương tự từ bên ngoài Ngược lại, các module đầu ra được kết nối với các cơ cấu chấp hành, cho phép điều khiển hệ thống theo chương trình đã được lập trình.
Thiết bị lập trình là nền tảng để viết chương trình hoặc điều khiển logic, có thể là thiết bị cầm tay, máy tính xách tay hoặc máy tính Các phương pháp lập trình PLC phổ biến bao gồm Ladder Logic, Function Block và Structured Text.
Bộ nhớ trong PLC được chia thành hai loại: bộ nhớ chương trình và bộ nhớ làm việc Bộ nhớ chương trình lưu trữ chương trình điều khiển, dữ liệu và cấu hình phần cứng, giữ nguyên thông tin ngay cả khi mất điện Trong khi đó, bộ nhớ làm việc lưu trữ dữ liệu tạm thời trong quá trình hoạt động và sẽ mất dữ liệu khi xảy ra sự cố mất điện Ứng dụng của PLC rất đa dạng và quan trọng trong các hệ thống tự động hóa.
TÍNH TOÁN VÀ THIẾT KẾ HỆ THỐNG
Yêu cầu hệ thống
Khi xe đến vị trí nhận, nhân viên quẹt thẻ từ để thu thập thông tin biển số xe, sau đó hệ thống tự động đưa xe đến vị trí trống trong bãi Khi lấy xe, người dùng cũng quẹt thẻ từ, hệ thống kiểm tra thông tin thẻ với biển số xe trong bãi và di chuyển xe đến vị trí nhận Hệ thống cần có nút dừng khẩn cấp để ngừng hoạt động khi có sự cố và nút reset để khôi phục hệ thống sau khi xử lý sự cố.
Hình 3.1: Quy trình lấy và gửi xe của hệ thống bãi giữ xe tự động
Sơ đồ khối, chức năng từng khối
Khối di chuyển xe ra vào bãi đóng vai trò quan trọng trong việc quản lý bãi đỗ xe, bao gồm việc lấy xe từ vị trí nhận và di chuyển đến các vị trí khác trong bãi, cũng như trả xe về vị trí nhận ban đầu.
- Khối cảm biến vị trí: xác định cơ cấu di chuyển xe ra vào bãi đã về vị trí nhận xe hay chưa
- Khối nút nhấn: gồm nút nhấn để ngừng hệ thống khi xảy ra sự cố và nút nhấn reset lại toàn bộ hệ thống như ban đầu
- Khối xử lý trung tâm: điều khiển toàn bộ thiết bị trong hệ thống để đáp ứng được các yêu cầu đặt ra
- Khối đọc thẻ từ: có nhiệm vụ đọc thông tin của thẻ từ khi xe ra vào bãi rồi gửi tín hiệu đến khối xử lý trung tâm
Khối thu thập thông tin biển số xe có chức năng thu nhận hình ảnh từ biển số xe khi xe tiến vào vị trí nhận diện Sau đó, dữ liệu sẽ được gửi về khối xử lý trung tâm để phân tích và xử lý thông tin.
- Khối nguồn: cung nguồn điện cho toàn bộ hệ thống hoạt động.
Thiết kế phần cứng của mô hình
Theo mục tiêu ban đầu đề ra hệ thống sẽ được thiết kế để có thể chứa tối đa là
15 xe và 1 vị trí IN để xe ra vào bãi Các vị trí đỗ xe sẽ được thiết kế tương ứng với các tầng như hình 3.3
Hình 3.3: Các vị trí trong bãi đậu xe
Mô hình bãi đỗ xe bao gồm 3 tầng, trong đó tầng 2 và 3 được thiết kế để chứa 6 xe với các vị trí đỗ đối xứng, tạo thuận lợi cho việc gửi và lấy xe Tầng 1 có 3 vị trí đỗ xe và 1 vị trí IN, cùng với hai khoảng trống để lắp đặt khối thu nhận thông tin biển số xe và khối đọc thẻ từ, giúp quản lý xe ra vào hiệu quả Thiết kế 6 vị trí ở một tầng giúp dễ dàng lập trình và di chuyển xe, tránh việc phải tăng số lượng tầng nếu chỉ có 4 vị trí.
Hệ thống có thể giảm xuống còn 2 tầng khi có 8 vị trí, nhưng điều này sẽ làm tăng diện tích của tầng và gây khó khăn trong việc lắp đặt khối thu nhận thông tin biển số xe cũng như khối đọc thẻ từ Vì vậy, thiết kế hệ thống với 3 tầng, mỗi tầng có tối đa 6 vị trí, là giải pháp tối ưu nhất.
Hệ thống cơ khí được chia thành ba phần chính: khung mô hình, các tầng bãi đỗ xe và cơ cấu thực hiện chức năng đưa xe ra vào bãi.
Mô hình xe có kích thước 7.5x5x3 cm yêu cầu thiết kế vị trí đỗ xe với hai thanh nhôm định hình song song cách nhau 5 cm, tạo điều kiện thuận lợi cho việc lấy xe Với một tầng có 6 vị trí, đường kính vòng tròn ngoài là 40 cm và vòng tròn trong là 20 cm Cơ cấu nhận xe vào bãi hình chữ T được thiết kế tương thích với kích thước vòng tròn trong Phần chữ T này sẽ lắp đặt trục Vitme và thanh trượt để di chuyển, trong khi khoảng trống giữa dùng cho trục Vitme nâng hạ Khung mô hình gồm 4 thanh trụ đối xứng, với khoảng cách giữa các trụ tương ứng với đường kính 40 cm Khoảng cách giữa các tầng là 15 cm để dễ dàng đưa xe đến các vị trí Không gian trên tầng 3 dành cho động cơ nâng hạ, trong khi khoảng trống dưới tầng 1 là nơi lắp đặt động cơ xoay.
Chọn thiết bị cho từng khối
3.4.1 Chọn thiết bị cho khối di chuyển xe ra vào bãi
Để di chuyển xe đến tất cả các vị trí đỗ trong bãi, cần có các hệ truyền động phù hợp Hệ thống phải lấy xe từ cổng vào bãi giữ xe, yêu cầu một cơ cấu di chuyển ngang Bãi giữ xe hình trụ tròn cần có cơ cấu xoay 360 độ để tiếp cận từng vị trí trong một tầng Ngoài ra, cần có cơ cấu di chuyển lên xuống để xe có thể di chuyển giữa các tầng Đề tài sẽ chọn 3 động cơ để điều khiển hệ thống này.
3 cơ cấu di chuyển trong toàn bộ hệ thống của bãi giữ xe
Bảng 3.1: So sánh động cơ bước và động cơ Servo
Loại động cơ AC Servo Động cơ bước
Phức tạp, thường phải đi kèm với thiết bị Driver từ nhà sản xuất để điều khiển động cơ Đơn giản hơn Servo
Có nhiều lựa chọn khác nhau cho bộ Driver
Phương pháp điều khiển Điều khiển vòng kín Điều khiển vòng hở
Tốc độ Tốc độ cao có thể đạt tối đa
Tốc độ thấp hơn, trong điều kiện lý tưởng tốc độ có thể đạt tối đa là 2000 –
3000 RPM Chế độ điều khiển Tốc độ, vị trí và moment Tốc độ và vị trí
Hiện tượng trật bước Ít xảy ra, động cơ sẽ trả về đúng với vị trí đặt nếu tải đặt vào tăng, nhờ tín hiệu phản hồi encoder
Hay mất bước nếu tải đặt vào tăng, không có tín hiệu phản hồi nên khó phát hiện
Nhiễu và rung Rất ít Dễ rung và nhiễu
Giá thành Khá cao Giá rẻ hơn Servo Độ phân giải Cao, phụ thuộc encoder Thấp, trừ khi điều khiển chế độ vi bước
Hình 3.5: Động cơ Servo và Động cơ bước Giải pháp lựa chọn:
Hệ thống bãi giữ xe thông minh này bao gồm 3 cơ cấu chính: cơ cấu di chuyển gửi xe ra và vào, cơ cấu di chuyển xe xoay và cơ cấu di chuyển xe di chuyển giữa các tầng Với hệ thống nhỏ và tải nhẹ, tốc độ không quá lớn, động cơ bước là lựa chọn phù hợp để đảm bảo tính ổn định và chính xác Sử dụng động cơ bước 17HS4401 mang lại nhiều lợi ích, bao gồm tiết kiệm chi phí so với động cơ Servo, đơn giản hóa việc đấu nối và điều khiển, đồng thời dễ dàng khắc phục sự cố khi hệ thống báo lỗi.
Để tối ưu hóa cơ cấu di chuyển xe giữa các tầng, động cơ 17HS4401 được lựa chọn nhờ vào mômen xoắn cao, giúp kéo thêm cơ cấu di chuyển theo phương ngang Góc quay 1.8 độ là góc bước phổ biến của động cơ bước, trong khi đường kính trục 5 mm thuận tiện cho việc kết nối với các vitme có đường kính nhỏ và khớp nối mềm.
Hình 3.6: Động cơ bước 17HS4401
Góc quay mỗi bước: 1.8 0 (200 bước / vòng quay)
Độ chính xác góc bước: ± 5% (bước đầy đủ, không tải)
Chiều dài trục: 23 mm Động cơ bước Nema17 17HS4023
Cấu trúc di chuyển xe vào và ra bãi giữ theo phương thẳng nằm ngang sử dụng động cơ bước Nema 17, cụ thể là model 17HS4023, cùng loại với động cơ 17HS4401 đã được lựa chọn trước đó.
Cơ cấu di chuyển xe vào bãi được đặt ở vị trí trung tâm, yêu cầu kích thước nhỏ gọn để dễ dàng lắp đặt Với chức năng chính là di chuyển xe theo phương ngang, mômen xoắn không cần quá lớn, giúp giảm chi phí thiết bị so với hai động cơ còn lại.
Hình 3.7: Động cơ bước Nema17 17HS4023
Góc quay mỗi bước: 1.8 0 (200 bước / vòng quay)
Độ chính xác góc bước: ± 5% (bước đầy đủ, không tải)
Chiều dài trục: 21 mm Động cơ bước giảm tốc 42HS4013A4Y3 17CE
Động cơ bước giảm tốc 42HS4013A4Y3 17CE được chọn cho cơ cấu di chuyển xe xoay, vì nó nằm ở đáy và chịu trách nhiệm xoay toàn bộ khối xe ra vào bãi Để đảm bảo hiệu suất, động cơ này cần có mômen xoắn lớn, trong khi gốc quay mỗi bước vẫn giữ nguyên ở mức 1.8, tương tự như hai động cơ khác, giúp việc điều khiển trở nên dễ dàng hơn.
Hình 3.8: Động cơ bước giảm tốc 42HS4013A4Y3 17CE
Góc quay mỗi bước: 1.8 0 (200 bước / vòng quay)
Độ chính xác góc bước: ± 5% (bước đầy đủ, không tải)
Driver cho động cơ bước 2 pha giúp điều khiển tốc độ và hướng, hỗ trợ chế độ vi bước Dòng điện ngõ ra có thể điều chỉnh từ 0.5A đến 3.5A, phù hợp với nhiều loại động cơ khác nhau Sản phẩm sử dụng optocoupler để giảm nhiễu và được trang bị chức năng bảo vệ quá nhiệt, quá dòng và ngắn mạch, đảm bảo an toàn cho động cơ Kích thước nhỏ gọn giúp tiết kiệm diện tích lắp đặt.
Cấu trúc di chuyển giữa các tầng và hệ thống đưa xe ra vào sử dụng phương thức di chuyển tịnh tiến, do đó, giải pháp đơn giản nhất là sử dụng vitme gắn vào động cơ để di chuyển đai ốc khi động cơ xoay Với trục động cơ nhỏ, vitme có đường kính 8 mm được chọn để đảm bảo tính chắc chắn cho mô hình Trong bối cảnh đó, vitme T8 cùng với đai ốc T8 là lựa chọn phù hợp nhất.
Hình 3.10: Vitme T8 đi kèm với đai ốc Vitme T8
Đường kính trục vitme: 8mm
Chất liệu trục vitme: thép không rỉ
Chất liệu đai ốc: đồng
Bạc đạn chà là bộ phận quan trọng giúp hỗ trợ việc xoay khối lấy xe ra vào bãi so với phần đế của mô hình Việc lựa chọn bạc đạn chà chủ yếu dựa vào kích thước của động cơ 42HS4013A4Y3 17CE được lắp với phần đế của khối Do đó, bạc đạn chà 51105 là sự lựa chọn phù hợp nhất cho mô hình này.
Đường kính trong: 25 mm
Đường kính ngoài: 42 mm
3.4.2 Chọn thiết bị cho khối cảm biến vị trí
Hệ thống sử dụng ba động cơ bước để điều khiển việc đưa xe ra vào bãi, tuy nhiên, khi động cơ hoạt động, không có tín hiệu phản hồi Quy trình đưa xe vào bãi bao gồm việc điều khiển khối đưa xe từ vị trí nhận xe đến vị trí trống và sau đó quay trở lại vị trí nhận xe Việc xác định chính xác vị trí nhận xe là rất quan trọng, bởi nếu xảy ra sự cố, hệ thống có thể không trở lại đúng vị trí để nhận xe Do có ba cơ cấu di chuyển trong hệ thống, cần thiết phải trang bị ba cảm biến để xác định khi nào các cơ cấu này đang ở vị trí nhận xe.
Công tắc hành trình KW11-N
Cảm biến cơ cấu di chuyển xe theo phương nằm ngang có thể được lắp đặt bên cạnh Vitme, giúp phát hiện vị trí chính xác khi cơ cấu di chuyển về đúng chỗ Công tắc hành trình có giá thành thấp hơn so với các loại cảm biến khác nhưng vẫn đảm bảo khả năng phát hiện vị trí hiệu quả Mô hình công tắc hành trình KW11-N với kích thước nhỏ gọn rất phù hợp cho ứng dụng này.
Hình 3.12: Công tắc hành trình KW11-N
Số chân: 3 chân (COM - NO - NC)
Cảm biến vật cản hồng ngoại OMDHON E3F-DS30C4
Để di chuyển giữa các tầng, cần lắp đặt công tắc hành trình cho cơ cấu lên xuống Tuy nhiên, khi cơ cấu xoay, cơ thể có thể va vào và cản trở chuyển động, do đó cần một cảm biến không tiếp xúc để phát hiện chuyển động Việc chọn cảm biến phát hiện vật cản bằng ánh sáng hồng ngoại giúp nhận diện vật cản phía trước, gửi tín hiệu đến bộ xử lý trung tâm khi cơ cấu di chuyển đến vị trí chờ xe Cảm biến OMDHON E3F-DS30C4 là lựa chọn hợp lý với giá thành thấp và khả năng chống nhiễu ánh sáng tốt.
Hình 3.13: Cảm biến vật cản hồng ngoại OMDHON E3F-DS30C4
Chân tín hiệu ngõ ra: NPN thường mở gồm 3 dây
Khoảng cách phát hiện: 5-30 cm (điều chỉnh bằng biến trở trên cảm biến)
Dòng kích ngõ ra: < 300 mA
Cảm biến kim loại tiệm cận SN04-N (NPN)
Trong cơ cấu xoay của khối xe ra vào bãi, việc sử dụng công tắc hành trình có thể cản trở chuyển động xoay, vì cơ cấu này chỉ xoay tại chỗ mà không thay đổi vị trí Do đó, cảm biến hồng ngoại không thể phát hiện sự thay đổi tín hiệu Giải pháp tối ưu là sử dụng cảm biến kim loại tiệm cận và gắn một mảnh kim loại lên cơ cấu xoay, giúp cảm biến phát hiện mảnh kim loại khi xoay và gửi tín hiệu về bộ điều khiển trung tâm Cảm biến SN04-N là lựa chọn phù hợp do giá thành hợp lý và kích thước nhỏ gọn.
Hình 3.14: Cảm biến kim loại tiệm cận SN04-N
- Chân tín hiệu ngõ ra: NPN thường mở gồm 3 dây
- Khoảng cách phát hiện: 4 mm
- Đối tượng phát hiện: Kim loại
3.4.3 Chọn thiết bị cho khối nút nhấn
Nút nhấn YJ139-LAY37 là lựa chọn phổ biến và kinh tế cho nút nhấn ngừng khẩn cấp, với một cặp tiếp điểm thường đóng và một cặp tiếp điểm thường hở, giúp linh hoạt trong thiết kế mạch điện cho hệ thống.
Hình 3.15: Nút nhấn Emergency Stop YJ139-LAY37
- Tiếp điểm: 1 NO và 1 NC
- Kích thước lỗ lắp đặt: 22 mm
Nút nhấn nhả Schneider XA2EA31
Sử dụng nút nhấn Schneider XA2EA31 để reset toàn bộ chương trình khi hệ thống xảy ra sự cố và báo lỗi
Hình 3.16: Nút nhấn Schneider XA2EA31
- Tiếp điểm: 1 NO và 1 NC
- Kích thước lỗ lắp đặt: 22 mm
3.4.4 Chọn thiết bị cho khối xử lý trung tâm
Hiện nay, hệ thống tự động thường sử dụng thiết bị điều khiển lập trình PLC hoặc board vi điều khiển làm khối xử lý trung tâm Mỗi loại thiết bị này đều có những ưu điểm và nhược điểm riêng biệt, ảnh hưởng đến hiệu suất và tính linh hoạt của hệ thống.
- Chống nhiễu tốt, được tối ưu để sử dụng trong môi trường công nghiệp
- Chương trình có thể được dễ dàng thay đổi
- Có thể mở rộng hệ thống bằng cách sử dụng các module
- Có thể dễ dàng kết nối mạng truyền thông và giao tiếp với các thiết bị khác
- Thuận tiện cho việc nối dây
- Bộ nhớ có dung lượng lớn
- Giá thành thường cao hơn board vi điều khiển
Board vi điều khiển: Ưu điểm:
- Một vài board mạch có kích thước rất nhỏ để sử dụng trong thiết bị nhỏ Nhược điểm:
- Không được thiết kế với khả năng chống nhiễu
- Phải có kiến thức tốt về đối tượng điều khiển để sử dụng
Thiết kế sơ đồ nối dây
Dựa trên thiết bị đã chọn, sơ đồ nối dây hiển thị nguồn 220VAC cấp vào bộ nguồn, chuyển đổi thành 24VDC cung cấp cho ba driver và PLC Nút khẩn cấp trên chân V+ cho phép ngắt nguồn khi cần Cảm biến hồng ngoại OMDHON E3F-DS30C4 và cảm biến tiệm cận SN04-N được cấp nguồn từ chân V+ và V-, truyền tín hiệu về PLC qua chân I0.1 và I0.2 Do hai cảm biến là loại NPN, đầu vào PLC phải đấu kiểu Sourcing Limit switch và nút nhấn Reset cũng được kết nối với PLC Các động cơ được đấu dây tương tự nhau, với chân RED và BLUE nối vào A+ và A-, chân BLACK và GREEN nối vào B+ và B- Các chân DIR- và PUL của ba driver được nối chung và kết nối với V-, trong khi DIR+ và PUL+ lần lượt nhận tín hiệu từ PLC qua các chân Q0.0 và Q0.1, với các driver còn lại kết nối tương tự từ Q0.2 đến Q0.5.
Hình 3.21: Sơ đồ nối dây PLC
THI CÔNG HỆ THỐNG
Thi công phần cứng
Các thiết bị được sử dụng trên mô hình của hệ thông được liệt kê trong bảng 4.1 Bảng 4.1: Danh Sách các thiết bị
STT Tên thiết bị Số lượng
1 Nhôm định hình 20x20 mm dài 500 mm 5
2 Nhôm định hình 20x20 mm dài 200 mm 2
3 Nhôm định hình 20x20 mm dài 50 mm 42
5 Ke góc vuông cho nhôm 20x20 mm 22
12 Thanh trượt tròn mạ Crom 8x150 mm 1
13 Thanh trượt tròn mạ Crom 8x400 mm 2
14 Gối đỡ thanh trượt tròn 8mm 2
18 Khớp nối mặt bích 3mm 1
19 Gối đỡ ray trượt tròn 8mm 4
20 Con trượt tròn có đầu chặn 8mm 2
22 Gối đỡ vòng bi ngang trụ 8mm 2
27 Động cơ bước giảm tốc 42HS4013A4Y3 17CE 1
28 Công tắc hành trình KW11-N 1
29 Cảm biến vật cản hồng ngoại OMDHONE3F-DS30C4 1
30 Cảm biến kim loại tiệm cận SN04-N (NPN) 1
31 Nút nhấn Emergency Stop YJ139-LAY37 1
32 Nút nhấn Schneider XA2EA31 1
33 Bộ đọc mã thẻ RFID 125KHZ R20D-USB 1
4.1.1 Thi công phần cơ khí cho mô hình
Khung hệ thống được chế tạo từ các thanh nhôm định hình có kích thước 20x20mm, với chiều cao 60 cm và chiều rộng, chiều dài đều là 40 cm.
Mô hình hệ thống có 3 tầng được làm từ mica với độ dày 5mm, đường kính vòng ngoài là 40 cm và vòng trong là 20 cm
Hình 4.1: Khung của mô hình
Cơ cấu nhận xe theo chiều ngang được xây dựng bằng cách lắp tấm mica lên áo đai ốc vitme T8, với trục vitme 150 mm được lắp đai ốc và kết nối với động cơ 17HS4023 qua puly GT2 Khi vitme xoay, áo đai ốc di chuyển tịnh tiến, giúp tấm mica đưa xe ra vào Vitme được cố định lên tấm mica hình tròn bằng hai gối đỡ vòng bi, trong khi bên còn lại được gắn với con trượt SC8UU để giữ cân bằng Bên trong con trượt, thanh trượt tròn mạ Crom 8x150 mm được cố định bằng gối đỡ thanh trượt 8mm, đảm bảo sự ổn định cho hệ thống.
Hình 4.2: Cơ cấu nhận xe theo chiều ngang
Cơ cấu xoay quanh trục của khối di chuyển xe vào bãi được thiết kế bằng cách gắn tấm mica hình tròn lên bạc đạn chà có các vòng bi Mặt còn lại của bạc đạn chà được lắp vào đế của mô hình Động cơ 42HS4013A4Y3 được kết nối với tấm mica thông qua khớp nối mặt bích 3mm, giúp tấm mica xoay theo khi động cơ hoạt động, kéo theo toàn bộ khối di chuyển xe ra vào quay theo.
Hình 4.3: Cơ cấu xoay quanh trục
Cơ cấu nâng hạ của khối di chuyển xe ra vào bãi được thiết kế với vitme T8 400mm làm trục xoay, kết nối với động cơ 17HS4401 để đảm bảo sự chuyển động đồng bộ Tấm mica hình tròn được gắn giữa động cơ và vitme, trong khi hai thanh trượt mạ Crom 8x400mm giữ vai trò trụ nối cho ba tấm mica tròn Phần mica ở đỉnh và đáy được cố định bằng gối đỡ ray trượt tròn, trong khi tấm mica ở giữa có thể di chuyển nhờ con trượt tròn với đầu chặn Cuối cùng, đai ốc T8 được lắp giữa tấm mica này và vitme 400mm, cho phép di chuyển lên xuống quanh trục vitme.
Hình 4.4: Cơ cấu nâng hạ
Hệ thống bãi đỗ xe sau khi thi công sẽ có 15 vị trí đỗ xe và 1 vị trí nhận xe Mỗi vị trí đỗ xe được cấu tạo từ 2 thanh nhôm định hình 2x2 cm, dài 5 cm và cách nhau 4 cm, có khả năng chứa xe kích thước 7x5 cm Tầng một bao gồm 1 vị trí nhận xe, được trang bị camera và đầu đọc thẻ RFID hai bên, cùng với 3 vị trí đỗ xe Tầng hai và ba được thiết kế giống nhau, mỗi tầng có 6 vị trí đỗ xe.
Hình 4.5: Tổng thể phần cứng mô hình
Máng nhựa có kích thước W25xH40mm được sử dụng trong thi công phần điện, bên trong có thanh ray nhôm để lắp đặt các thiết bị điện như bộ nguồn, bộ điều khiển động cơ bước, PLC và hộp nút nhấn.
Các thiết bị trong phần điện sẽ được thi công theo sơ đồ nối dây ở mục 3.5
Hình 4.6: Phần điện mô hình
Cả 3 bộ điều khiển của step motor được cấu hình S1=OFF, S2= ON, S3= OFF tương ứng với số xung/vòng của động cơ là 1600 xung Cả 3 động cơ S4=ON, S5=OFF, S6=ON cài đặt dòng điện cho động cơ là 1A Thống số cấu hình theo switch được quy định trong manual của Driver mô tả như hình 4.7
Hình 4.7: Cấu hình cho Driver bằng switch
Lưu đồ giải thuật
Hình 4.8: Lưu đồ chính Giải thích lưu đồ:
Hệ thống tự động khởi động các thông số kết nối giữa máy tính, PLC, camera và đầu đọc RFID Khi nhận được mã ASCII từ đầu đọc RFID, hệ thống sẽ thực hiện chương trình đọc mã này Tiếp theo, hệ thống kiểm tra vị trí của cơ cấu đưa xe ra vào bãi; nếu không đúng, nó sẽ điều chỉnh về vị trí nhận xe Sau khi nhận mã ASCII, hệ thống tra cứu trong cơ sở dữ liệu để xác định xem mã có liên kết với vị trí gửi xe hay không Nếu có, hệ thống sẽ thực hiện chương trình lấy xe ra; nếu không, nó sẽ thực hiện chương trình gửi xe vào bãi.
Lưu đồ chương trình gửi xe vào bãi
Chương trình gửi xe vào bãi bắt đầu bằng việc camera chụp ảnh biển số xe và sử dụng xử lý ảnh để nhận diện ký tự Hệ thống kiểm tra cơ sở dữ liệu để xác định vị trí trống từ thấp đến cao Nếu bãi xe đã đầy, hệ thống thông báo và quay về bước chờ quét thẻ RFID Ngược lại, nếu có vị trí trống, xe sẽ được đưa đến đó, và thông tin về vị trí, biển số, cùng mã thẻ sẽ được cập nhật vào cơ sở dữ liệu trước khi quay về vị trí nhận xe và kết thúc chương trình.
Lưu đồ chương trình lấy xe ra ngoài
Hình 4.10: Lưu đồ chương trình lấy xe ra ngoài
Khi chương trình được thực thi, hệ thống kiểm tra mã ASCII để xác định vị trí xe trong bãi đậu Sau đó, cơ cấu sẽ di chuyển đến vị trí đó để lấy xe và đưa về vị trí nhận Cuối cùng, hệ thống cập nhật cơ sở dữ liệu để làm trống vị trí vừa lấy xe, sẵn sàng cho xe mới Kết thúc quá trình, hệ thống quay về bước chờ quét thẻ RFID của chương trình chính.
Lưu đồ chương trình đọc thẻ RFID
Hình 4.11: Lưu đồ chương trình đọc thẻ RFID
Khi chương trình được thực thi, hệ thống kiểm tra mã ASCII để xác định xem mã này có thuộc cơ sở dữ liệu của bãi đỗ xe hay không Nếu mã không tồn tại, hệ thống sẽ thông báo rằng ID không hợp lệ và quay lại trạng thái chờ quét thẻ Ngược lại, nếu mã hợp lệ, hệ thống sẽ gửi mã đến chương trình chính và kết thúc quá trình đọc mã RFID.
Lưu đồ chương trình đăng ký thẻ
Hình 4.12: Lưu đồ chương trình đăng ký thẻ
Hệ thống bãi đỗ xe cung cấp hai loại thẻ: thẻ dài hạn và thẻ một lần Thẻ dài hạn được cấp cho khách hàng sau khi đăng ký, cho phép họ nạp tiền vào thẻ Mỗi khi gửi xe, khách hàng chỉ cần quét thẻ, và số tiền sẽ tự động được trừ từ số dư hiện có.
Thẻ một lần là lựa chọn dành cho khách hàng không muốn đăng ký thẻ dài hạn khi gửi xe Nhân viên sẽ phát thẻ này cho khách, và sau khi gửi xe, khách sẽ trả lại thẻ cùng với tiền cho nhân viên Để đăng ký thẻ mới vào cơ sở dữ liệu bãi đỗ xe, người dùng cần nhấn vào phần đăng ký thẻ trên giao diện điều khiển và nhập số tương ứng Nếu nhập số 1, thẻ sẽ được đăng ký là thẻ dài hạn và cần thêm thông tin về số tiền nạp; nếu nhập số 2, thẻ sẽ được đăng ký là thẻ một lần Nếu nhập số khác, hệ thống sẽ yêu cầu người dùng chọn lại loại thẻ.
Lưu đồ chương trình tự động tính tiền
Trước khi thực hiện chương trình gửi xe vào bãi, hệ thống sẽ xác định thẻ quét có phải là thẻ dài hạn hay không Nếu không phải thẻ dài hạn, chương trình sẽ kết thúc Nếu thẻ là thẻ dài hạn, hệ thống sẽ kiểm tra số dư tài khoản; nếu số dư trên 30.000 VND, hệ thống sẽ tiến hành trừ tiền.
Khi tài khoản không đủ 30,000 VND, hệ thống sẽ thông báo và quay về bước chờ quét thẻ, cho phép khách hàng nạp tiền vào thẻ Sau khi hoàn tất việc nạp tiền, chương trình sẽ tự động tính tiền và thực hiện quy trình gửi xe vào bãi.
Nhận diện biển số xe bằng xử lí ảnh trên Python
Hệ thống nhận dạng biển số xe sử dụng hình ảnh từ camera để thu thập dữ liệu Quá trình này bao gồm xử lý ảnh và đào tạo dữ liệu với các ký tự số và chữ Sau khi hoàn tất đào tạo, hệ thống sẽ so sánh các ký tự đã được huấn luyện với các ký tự có khả năng tương tự từ hình ảnh biển số xe Kết quả của quá trình so sánh cho phép nhận diện các ký tự trên biển số xe, từ đó trả về chuỗi ký tự tương ứng.
Hình 4.14: Lưu đồ nhận diện biển số xe
Support Vector Machine (SVM) là một thuật toán phân loại mạnh mẽ, nhằm tìm ra siêu phẳng trong không gian N chiều để phân chia dữ liệu thành hai lớp SVM được ứng dụng để nhận diện các ký tự số và chữ trên biển số xe, điều này đặc biệt quan trọng trong các bãi giữ xe, nơi mà biển số có thể bị mờ hoặc khó đọc sau thời gian dài Để xây dựng một mô hình nhận diện chính xác, chúng ta cần huấn luyện SVM với nhiều hình ảnh của từng ký tự, giúp nó nhận biết các đặc điểm khác nhau Sau khi huấn luyện, mô hình sẽ được thử nghiệm với các biển số khác nhau, sử dụng các vectơ hỗ trợ để xác định ranh giới phân loại giữa các ký tự, từ đó phân loại chính xác ký tự cần nhận diện.
Sau khi thu thập ảnh từ camera, kích thước ảnh sẽ được giảm xuống để phù hợp với khung hình trong giao diện Python Khung hình camera chỉ chiếm một không gian nhất định, do đó việc thay đổi kích thước ảnh giúp duy trì độ nét và chất lượng Vì vậy, định nghĩa kích thước ảnh là yếu tố quan trọng trong quá trình xử lý tiếp theo.
Ảnh mức xám là loại ảnh trong đó mỗi pixel đại diện cho một lượng ánh sáng duy nhất, chỉ chứa thông tin về cường độ Đây là dạng ảnh đơn sắc, bao gồm các sắc thái từ đen (cường độ thấp nhất) đến trắng (cường độ cao nhất) Trong ảnh màu, có nhiều ma trận số, nhưng để dễ xử lý, chúng ta cần chuyển đổi thành một ma trận số hai chiều duy nhất, giúp đơn giản hóa thông tin ảnh.
Làm nhòe ảnh bằng Gussian
Hiệu ứng nhòe Gaussian là phương pháp làm mờ hình ảnh thông qua hàm Gaussian, giúp giảm nhiễu và chi tiết không cần thiết Trong xử lý hình ảnh, hiệu ứng này làm mịn các cạnh sắc nét, đồng thời giảm thiểu hiện tượng mờ không mong muốn.
Chuyển ảnh với ngưỡng thích ứng threshold
Ảnh mức xám là ma trận 2 chiều với giá trị điểm ảnh từ 0-255 Để chuyển đổi sang ảnh nhị phân với hai màu đen và trắng, giá trị điểm ảnh 0 đại diện cho màu đen và 255 cho màu trắng Quá trình này yêu cầu xác định ngưỡng (threshold) để so sánh với từng giá trị điểm ảnh trong ảnh mức xám Nếu giá trị điểm ảnh nhỏ hơn ngưỡng, nó sẽ được chuyển thành màu đen (giá trị 0); ngược lại, nếu lớn hơn ngưỡng, nó sẽ trở thành màu trắng (giá trị 255).
Thuật toán xác định ngưỡng cho từng pixel dựa trên vùng nhỏ xung quanh, cho phép tạo ra các ngưỡng khác nhau cho các khu vực khác nhau trong cùng một hình ảnh Điều này giúp cải thiện chất lượng hình ảnh, đặc biệt là với những bức ảnh có độ chiếu sáng không đồng đều.
Tìm contour (đường viền) trong ảnh
Contour, hay còn gọi là đường viền, là đường cong nối tất cả các điểm liên tục có cùng màu hoặc cường độ Để xác định số lượng đường viền, chúng ta sử dụng phương pháp tìm đường viền Tiếp theo, hàm boundingrect được áp dụng để tạo hình chữ nhật gần đúng cho hình ảnh, giúp làm nổi bật khu vực quan tâm sau khi xác định hình dạng bên ngoài Bằng cách duyệt qua tất cả các contour và kiểm tra boundingrect của chúng, nếu tỷ lệ giữa chiều rộng và chiều cao nằm trong khoảng xác định, chúng ta có thể nhận diện các số và chữ trên biển số xe.
Vẽ viền hình chữ nhật lên các contour
Sau khi xác định các ký tự chữ và số trên biển số xe, bước tiếp theo là vẽ viền hình chữ nhật xung quanh các ký tự này Việc này giúp nhân viên tại các bãi giữ xe dễ dàng quan sát và nhận diện biển số xe một cách rõ ràng hơn.
Nhận dạng các kí tự
Sau khi huấn luyện dữ liệu ký tự ban đầu kết hợp với các ký tự biển số xe đã xác định, hệ thống tiến hành so sánh các mẫu và nhận diện các contour để thu được chuỗi ký tự biển số xe Chuỗi ký tự này sẽ được lưu vào cơ sở dữ liệu và hiển thị trên giao diện của bãi giữ xe.
Hình 4.15: Nhận dạng các ký tự
Thiết kế giao diện
Dựa vào các lưu đồ giải thuật của mục 4.2 giao diện của hệ thống sẽ cần có các chức năng sau
- Hiển thị thông tin các vị trí trong bãi đỗ xe
- Hiển thị thông tin các xe đang đỗ trong bãi
- Hiển thị hình ảnh từ camera để nhận diện biển số xe
- Hiển thị mã thẻ được quét
- Có chức năng đang ký thẻ
- Có chức năng nạp tiền vào thẻ
- Chọn giữa chế độ auto và manual để phòng khi gặp sự cố
- Các chức năng điều khiển bằng tay của chế độ manual
4.4.1 Giao diện giám sát trên python
Giao diện giám sát chính của hệ thống được thiết kế bằng thư Tkinter, là thư viện GUI tiêu chuẩn của ngôn ngữ lập trình Python
Hình 4.16: Giao diện giám sát trên python Giao diện giám sát được chia thành các khu vực để đáp ứng các yêu cầu cụ thể
Hình 4.17: Các khu vực chức năng trong giao diện chính
1 Khu vực hiển thị hình ảnh từ camera: Hiển thị các hình ảnh thu được từ camera rồi thông qua xử lý ảnh để nhận dạng được các ký tự có trong hình, khi ký tự được nhận dạng sẽ được hiển thị bằng một ô hình chữ nhật bao xung quanh ký tự đó
2 Khu vực hiển thị thông tin mã thẻ được quét và biển số thu được: Nhấn vào vị trí mã thẻ sau đó quét thẻ thì mã thẻ sẽ được hiện ở đây Biển số xe được nhận dạng được hiển thị ở khu vực biển số xe Khi xe được gửi vào một vị trí trong bãi thì thông tin về biển số xe và mã thẻ hiển thị ở khu vực này sẽ được lưu vào cơ sở dữ liệu cùng với vị trí gửi
3 Khu vực thực hiện chức năng đăng ký thẻ và nạp tiền: Nút “Đăng ký thẻ” sử dụng để thực hiện chức năng thêm một thẻ mới vào cơ sở dữ liệu của hệ thống dưới dạng thẻ dài hạn hoặc thẻ một lần Các bước thao tác gồm nhấn vào nút “Đăng ký thẻ”, quét thẻ cần đăng ký, chọn loại thẻ bằng cách nhập số với 1 là thẻ dài hạn và
2 là thẻ một lần, với thẻ dài hạn cần thêm bước nhập số tiền nạp vào tài khoản để hoàn tất việc đăng ký
4 Khu vực thực hiện các chức năng của chế độ manual: Khu vực này dùng để thao tác các chức năng của hệ thống khi sử dụng chế độ manual, các chức năng này sẽ không thể thao tác khi ở trong chế độ auto Gồm chọn vị trí để gửi xe và nút nhấn thực hiện chức năng gửi xe và lấy xe tại vị trí được chọn
5 Khu vực chọn chế độ auto hoặc manual: Sử dụng các nút nhấn để chuyển qua lại giữa hai chế độ
6 Khu vực hiển thị thông tin các vị trí trong bãi: Thể hiện thông tin vị trí nào trong bãi đang có xe cũng như biển số xe và mã thẻ RFID ứng với biển số xe đó Đựa vào các hành động hệ thống sẽ có các thông báo tương ứng và được thể hiện bằng cách cho xuất hiện một cửa số GUI trên giao diện
Hình 4.18: Cửa số GUI dùng để thông báo
4.4.2 Giao diện giám sát trên WinCC
Giao diện giám sát trên WinCC cho phép người dùng kiểm tra tín hiệu xung gửi đến Driver và xác nhận xem các cảm biến có gửi tín hiệu về PLC hay không Ngoài ra, chế độ manual giúp điều khiển cơ cấu vận chuyển xe, cho phép lấy hoặc gửi xe ở bất kỳ vị trí nào trong bãi Giao diện này hỗ trợ người dùng theo dõi hoạt động của các thiết bị trong hệ thống, đảm bảo chúng hoạt động bình thường.
Hình 4.19: Giao diện trên WinCC
KẾT QUẢ THỰC NGHIỆM
Kết quả đạt được
Mô hình bãi giữ xe ô tô tự động được thiết kế với 15 vị trí đỗ xe và 1 vị trí nhận xe, đảm bảo tối ưu hóa không gian Hệ thống tích hợp nút ngừng khẩn cấp để ngắt điện khi có sự cố và nút nhấn reset để đưa cơ cấu vận chuyển xe về vị trí nhận xe, tăng cường tính an toàn và tiện lợi cho người sử dụng.
Hình 5.1: Mô hình hoàn chỉnh
Chức năng đăng ký thẻ mới cho phép người dùng tạo thẻ dài hạn hoặc thẻ một lần, và chỉ hai loại thẻ này mới có quyền gửi hoặc lấy xe từ bãi Điều này nhằm đảm bảo rằng khách hàng không thể sử dụng thẻ không thuộc danh sách thẻ hợp lệ của nhà xe.
Hình 5.2: Thông báo khi quét thẻ không nằm trong hệ thống
Hình 5.3: Thông báo khi đăng ký một thẻ thành thẻ dài hạn
Hệ thống tự động gửi xe đến vị trí trống gần nhất trong bãi đỗ Khi quét thẻ để gửi xe, hệ thống nhận diện biển số xe và lưu trữ thông tin vào cơ sở dữ liệu, bao gồm vị trí gửi, biển số xe và mã thẻ RFID.
Hình 5.4: File cơ sở dữ liệu về các vị trí trong bãi
Khi quét thẻ để lấy xe, hệ thống kiểm tra mã ASCII từ thẻ Nếu mã tương ứng với vị trí trong cơ sở dữ liệu bãi xe, xe sẽ được di chuyển đến vị trí nhận Tại đây, biển số xe sẽ được kiểm tra lại, và nếu có sự khác biệt giữa biển số xe lấy ra và biển số xe đã gửi vào, giao diện sẽ thông báo ngay lập tức.
Hình 5.5: Thông báo khi biển số xe lấy ra khác biển số xe gửi vào
Thẻ dài hạn cho phép người dùng nạp tiền tại quầy thông qua giao diện điều khiển Mỗi khi quét thẻ để gửi xe, số tiền có trong thẻ sẽ được tự động trừ đi.
Giao diện giám sát hiển thị thông tin về vị trí có xe, bao gồm mã RFID và biển số xe, giúp người dùng nắm bắt tình hình nạp tiền vào thẻ một cách hiệu quả.
Hình 5.7: Thông tin được hiển thị trên giao diện
Khi không có xe tại vị trí nhận hoặc khi các vị trí trong bãi đã đầy sẽ không thể thực hiện hành động gửi xe khi quét thẻ
Hình 5.8: Thông báo khi bãi đầy xe
Chế độ manual cho phép gửi và lấy xe mà không cần thẻ RFID, hệ thống vẫn thu thập thông tin về biển số xe và vị trí gửi, nhưng mã RFID sẽ để trống Khi sử dụng chế độ manual để gửi xe, cần phải lấy xe ra cũng bằng chế độ này Hệ thống có thể thực hiện gửi xe ngay cả khi không có xe ở vị trí chờ, nhưng không có thông tin nào được thêm vào cơ sở dữ liệu Khi lấy xe ra, thông tin tại vị trí lấy xe sẽ bị xóa, cho phép biết rằng vị trí đó đã trống và có thể gửi xe mới vào.
Giao diện WinCC cung cấp thông tin về số xung của các động cơ khi cơ cấu di chuyển đến vị trí xác định và cảm biến nhận tín hiệu trong hệ thống Ngoài ra, giao diện này cũng cho phép điều khiển hệ thống để gửi hoặc lấy xe tại một vị trí, mặc dù thông tin này sẽ không được cập nhật vào cơ sở dữ liệu.
Hình 5.9: Các khu vực chức năng trong WinCC
1 Thể hiện vị trí nào trong bãi đang có xe bằng cách xuất hiện một biểu tượng xe ở vị trí đó
2 Sử dụng các chức năng ở chế độ manual
3 Hiển thị số xung được truyền vào Driver
4 Thể hiện động cơ nào đang hoạt động, khi động cơ hoạt động đèn vòng tròn sẽ chuyển thành màu xanh
5 Thể hiện PLC đang nhận được tín hiệu gửi về từ cảm biến nào.
Kết quả thực nghiệm
Thời gian hệ thống gửi xe đến vị trí gần nhất là khoảng 27,23 giây, trong khi vị trí xa nhất mất khoảng 39,27 giây Thời gian lấy và gửi xe tương đối bằng nhau Các vị trí mô hình được thể hiện trong hình 3.3, và thời gian gửi xe theo vị trí được trình bày trong bảng 5.1 Thời gian này được thu thập bằng cách đo thời gian từ vị trí chờ nhận xe đến vị trí được chọn, sau đó trở về vị trí chờ nhận xe, với 3 lần thử nghiệm khác nhau để tính trung bình cộng thời gian.
Bảng 5.1: Thời gian lấy xe theo vị trí
Để cải thiện việc nhận dạng biển số xe, hệ thống được trang bị đèn LED dán tường, chiếu sáng giữa camera và khu vực nhận xe, nhằm giảm thiểu tác động của ánh sáng môi trường.
Hình 5.10 minh họa đèn LED dán tường trong hệ thống, trong khi hình 5.11 thể hiện tác động của ánh sáng môi trường đến khả năng nhận diện biển số xe của hệ thống, so sánh giữa có và không có đèn.
Hình 5.11: Ảnh hưởng của việc nhận diện khi có đèn và không có đèn
Khi không sử dụng đèn, hệ thống không thể nhận diện toàn bộ các ký tự trên biển số xe nếu ánh sáng chiếu trực tiếp vào camera hoặc không có ánh sáng Tuy nhiên, khi đặt đèn phía trước, camera Logitech C270 sẽ tự động điều chỉnh ánh sáng, giúp nhận diện biển số xe hiệu quả mà không bị ảnh hưởng bởi điều kiện ánh sáng môi trường.
Trong điều kiện có đèn, hệ thống được thử nghiệm 8 lần với các biển số xe khác nhau thu được kết quả như bảng 5.2
Bảng 5.2: Số liệu thực nghiệm nhận dạng biển số xe
Lần thứ Số mẫu thử Số lần thực hiện đúng Tỉ lệ đúng
Để đánh giá độ chính xác trong việc gửi và nhận xe tại các vị trí trong bãi, có hai phương pháp thực hiện: đầu tiên, gửi và lấy một xe từ từng vị trí; thứ hai, gửi xe đến tất cả các vị trí theo thứ tự ngẫu nhiên cho đến khi bãi đầy, sau đó lấy tất cả xe ra theo thứ tự ngẫu nhiên.
Bảng 5.3:Số liệu thực nghiệm xác định độ chính xác vị trí bằng cách một
Vị trí Số lần thực hiện Sô lần thành công Tỷ lệ
Bảng 5.4: Số liệu thực nghiệm xác định độ chính xác vị trí bằng cách hai
Vị trí Số lần thực hiện Sô lần thành công Tỷ lệ
Thời gian gửi xe tại các vị trí trong một tầng chỉ chênh lệch không đáng kể, nhờ vào hệ thống có khả năng thực hiện đồng thời hai hành động là xoay trục và nâng hạ trục.
Chương trình xử lý ảnh của hệ thống có khả năng nhận diện biển số xe với độ chính xác cao trong điều kiện bình thường Tuy nhiên, nếu xe quá gần hoặc quá xa camera, hệ thống sẽ không thể nhận diện biển số Ngoài ra, trong trường hợp biển số bị mờ, hệ thống cũng không thể nhận diện các ký tự bị mờ đó.
Cơ cấu vận chuyển xe có rung lắc nhẹ trong quá trình di chuyển
Hệ thống gửi và lấy xe tại bãi đảm bảo độ chính xác gần như 100% khi thực hiện từng xe riêng lẻ Tuy nhiên, tại vị trí tầng 3, cơ cấu có thể gặp phải dây động cơ nâng hạ, dẫn đến việc gửi xe vào vị trí bị lệch.
Khi gửi tất cả các xe vào bãi và chỉ lấy ra khi bãi đầy, độ chính xác ở tầng 2 có thể giảm nhẹ Nguyên nhân là khi lấy xe ở tầng 3, quá trình xoay để đưa xe về vị trí IN có thể làm xe lệch khỏi vị trí ban đầu, dẫn đến việc camera không nhận diện được biển số xe do sự lệch lạc nhỏ so với lúc gửi vào bãi.