BÁO CÁO ĐỒ ÁN MOBILE ROBOT BÁM BIÊN QUỸ ĐẠO VẬT CẢN, ĐỒ ÁN CƠ ĐIỆN TỬ, MOBILE ROBOT, BÁO CÁO ĐỒ ÁN MOBILE ROBOT BÁM BIÊN QUỸ ĐẠO VẬT CẢN, ĐỒ ÁN CƠ ĐIỆN TỬ, MOBILE ROBOT, BÁO CÁO ĐỒ ÁN MOBILE ROBOT BÁM BIÊN QUỸ ĐẠO VẬT CẢN, ĐỒ ÁN CƠ ĐIỆN TỬ, MOBILE ROBOT, BÁO CÁO ĐỒ ÁN MOBILE ROBOT BÁM BIÊN QUỸ ĐẠO VẬT CẢN, ĐỒ ÁN CƠ ĐIỆN TỬ, MOBILE ROBOT.
GIỚI THIỆU CHUNG
Tổng quan
Robot đầu tiên xuất hiện tại Hoa Kỳ là loại tay máy chép hình trong phòng thí nghiệm vật liệu phóng xạ Vào những năm 50, bên cạnh tay máy chép hình cơ khí, tay máy chép hình thủy lực điện tử cũng ra đời Tuy nhiên, nhược điểm chung của các tay máy thương mại là thiếu tính di động, hoạt động hạn chế trong một vị trí cố định Ngược lại, Robot di động (Mobile Robot) có khả năng di chuyển độc lập hoặc được điều khiển từ xa, tạo ra không gian hoạt động rộng lớn hơn.
Từ năm 1939 đến 1945, trong Thế chiến II, những con robot di động đầu tiên ra đời nhờ vào những tiến bộ trong công nghệ khoa học máy tính và điều khiển học Chúng chủ yếu là các quả bom bay, như những quả bom chỉ nổ khi đến các mục tiêu xác định, sử dụng hệ thống dẫn đường và radar Tên lửa V1 và V2 với "phi công tự động" và hệ thống phát nổ đã trở thành tiền đề cho các đầu đạn hạt nhân tự điều khiển hiện đại.
Từ năm 1948, W.Gray Walter đã phát triển hai con robot mang tên Elmer và Elsie, được gọi là Machina Speculatrix, hoạt động giống như những chú chim đồi mồi Với bộ cảm biến ánh sáng, chúng có khả năng di chuyển về phía nguồn sáng và tránh chướng ngại vật, chứng minh rằng những cử chỉ phức tạp có thể phát sinh từ thiết kế đơn giản, chỉ với hai tế bào thần kinh.
Từ năm 1961 đến 1963, Trường đại học Johns Hopkins đã phát triển robot "Beast", có khả năng sử dụng hệ thống định vị để di chuyển xung quanh Khi pin yếu, Beast tự động tìm ổ cắm điện và cắm vào để sạc.
Năm 1969, Mowbot trở thành robot đầu tiên có khả năng cắt cỏ tự động Đồng thời, Stanford Cart là một robot di động có thể di chuyển theo đường kẻ trắng nhờ vào việc sử dụng camera để nhận diện Nó được trang bị một “kênh truyền thanh” kết nối với hệ thống máy tính lớn để thực hiện các phép tính cần thiết.
Vào năm 1970, trong giai đoạn 1969-1972, Viện Nghiên cứu Stanford đã xây dựng và phát triển Shakey, robot đầu tiên có khả năng lý giải chuyển động của mình Shakey được trang bị một camera, một dãy kính gắm, bộ cảm biến và bộ truyền thanh, cho phép nó nhận lệnh chung và tự tính toán các bước cần thiết để hoàn thành nhiệm vụ được giao.
Năm 1976: trong chương trình Vikiry, tổ chức NASA đã phóng hai tàu vũ trụ không người lái lên sao hỏa
Năm 1977: Bộ phim “Chiến tranh giữa các vì sao” phần I, A new Hope mô tả R2D2, một con Robot di động hoạt động độc lập và C3P0, một con robot hình người
Họ đã khiến công chúng biết đến những con Robot
Vào năm 1980, thị hiếu người tiêu dùng đối với robot gia tăng, dẫn đến việc robot được bày bán và sử dụng trong gia đình Chẳng hạn, robot RB5X vẫn được ưa chuộng cho đến nay, cùng với nhiều mẫu robot HERO khác Đặc biệt, robot Stanford Cart đã có những bước phát triển vượt bậc, cho phép nó lái tàu biển vượt qua chướng ngại vật và tạo ra bản đồ cho những khu vực mà nó đã di chuyển qua.
Năm 1989: Mark Tinden phát minh ra BEAM robotics
Năm 1990, Joseph Engelberger, người được coi là cha đẻ của nền công nghiệp robot, đã hợp tác với các đồng nghiệp để phát minh ra những con robot tự động phục vụ trong ngành y tế, được phân phối bởi Helpmate Đồng thời, Sở An ninh Mỹ đã tài trợ cho dự án MDARS-I, tập trung vào việc phát triển robot bảo vệ trong nhà từ Cybermotion.
Năm 1993-1994: Dante-I và Dante-II được phát triển bởi trường đại học Carnegie Mellon, cả hai con Robot dung để thám hiểm núi lửa đang hoạt động
Năm 1995, robot di động lập trình Pioneer được bán với giá chấp nhận được, thúc đẩy sự gia tăng nghiên cứu về robot tại các trường đại học trong những thập kỷ tiếp theo Robot di động đã trở thành một phần thiết yếu trong chương trình giảng dạy của các cơ sở giáo dục đại học.
Vào năm 1996-1997, NASA đã phóng tàu Mars Pathfinder cùng với hai Robot Rover, bao gồm Sojourner, lên sao Hỏa Các Rover này được thiết kế để thám hiểm bề mặt hành tinh đỏ và được điều khiển từ xa từ Trái Đất Sojourner được trang bị hệ thống tránh rủi ro cao, cho phép nó tự tìm đường di chuyển độc lập trên địa hình khắc nghiệt của sao Hỏa.
Năm 1999, Sony ra mắt Aibo, một robot có khả năng di chuyển, quan sát và tương tác với môi trường xung quanh Cùng năm, robot điều khiển từ xa PackBot cũng được giới thiệu, phục vụ cho mục đích quân sự.
Năm 2001, dự án Swaim-Bots được khởi động, với các robot hoạt động tương tự như bầy côn trùng Những robot này có khả năng tương tác lẫn nhau và phối hợp để thực hiện các nhiệm vụ phức tạp.
Năm 2002, Roomaba, một robot di động phục vụ trong gia đình, đã ra mắt và thực hiện công việc lau nhà Từ đó, nhiều loại robot khác đã được phát triển, ngày càng trở nên thân thiện và phục vụ tốt hơn cho con người.
Năm 2004, Robosapien, một con rôbốt đồ chơi do Mark Tilden thiết kế, đã được bán ra thị trường Trong dự án "The Centibots Project," 100 con robot đã hợp tác để tạo ra bản đồ cho một khu vực chưa xác định và phát hiện các vật thể trong môi trường Đồng thời, trong cuộc thi DARPA Grand Challenge đầu tiên, các robot tự động đã tham gia tranh tài trên sa mạc.
Năm 2006, Sony ngừng sản xuất Aibo và Helpmate, trong khi PatrolBot trở nên phổ biến khi các robot di động tiếp tục cạnh tranh để chiếm lĩnh thị trường Dù Sở an ninh Mỹ đã bỏ dự án MDARS-I, họ vẫn tiếp tục tài trợ cho dự án MDARS-II.
Đặt vấn đề
Nền nông nghiệp Việt Nam đóng vai trò quan trọng trong việc tạo ra thu nhập cho nhiều gia đình, nhưng cũng đối mặt với thách thức về lao động nặng nhọc và yêu cầu quản lý chính xác Việc nâng cao hiệu suất và giải phóng sức lao động là điều cần thiết để phát triển bền vững trong ngành này.
Sự phát triển của nông nghiệp nhìn từ xa đã dẫn đến ô nhiễm môi trường và tình hình giao thông phức tạp, do áp lực vận chuyển sản phẩm từ nơi sản xuất đến địa điểm tiêu thụ Việc áp dụng robot tự động hóa trong nông nghiệp trở nên cần thiết để giải quyết những thách thức này Hệ thống robot bám biên theo quỹ đạo vật cản không chỉ giải phóng sức lao động mà còn tối ưu hóa quy trình làm việc, nâng cao năng suất và hiệu suất ngành nông nghiệp Sự kết hợp giữa linh hoạt của robot và khả năng tự động hóa giúp giảm áp lực giao thông đô thị, đồng thời đóng góp vào sự hiện đại hóa nông nghiệp Điều này giảm thiểu tác động xấu đến môi trường và tạo ra mô hình nông nghiệp thông minh, bền vững.
Hệ thống robot bám biên không chỉ giải quyết vấn đề trong nông nghiệp mà còn có tiềm năng ứng dụng rộng rãi trong quản lý đô thị, an toàn giao thông và khám phá môi trường Điều này tạo ra giá trị cho nhiều ngành công nghiệp và dịch vụ khác nhau Chúng tôi đặc biệt chú trọng đến khía cạnh bảo mật và an toàn, tạo ra thách thức mới nhưng cũng là cơ hội để xây dựng hệ thống hiệu quả, đảm bảo tính an toàn cao khi hoạt động trong môi trường đa dạng và không dự đoán được.
Hệ thống robot bám biên theo quỹ đạo vật cản không chỉ giúp giảm bớt lao động trong nông nghiệp mà còn mở ra cơ hội mới cho nông dân và ứng dụng linh hoạt trong nhiều lĩnh vực khác Đặc biệt, việc ưu tiên an toàn và bảo mật đảm bảo rằng giải pháp của chúng tôi bền vững và có khả năng áp dụng rộng rãi trong thực tiễn.
Giới hạn của đề tài
Để đảm bảo tính khả thi và hiệu quả của đề tài, nhóm sẽ giới hạn phạm vi nghiên cứu Đầu tiên, nhóm thiết kế một mô hình xe đơn giản nhằm dễ dàng tìm hiểu trong quá trình điều khiển ban đầu Sau khi thành thạo các tính năng cơ bản của robot, nhóm sẽ phát triển mô hình theo các ứng dụng cụ thể cho robot.
Nhóm đầu tiên sẽ tiến hành mô phỏng thực nghiệm để phân tích các yếu tố liên quan, từ đó xây dựng mô hình rõ ràng hơn Thực nghiệm chủ yếu tập trung vào khả năng bám biên với các vật cản cơ bản Mặc dù hiện tại chưa có ứng dụng cụ thể nào rõ ràng, nhóm tin rằng nếu phát triển thành công, mô hình này có thể được áp dụng trong nhiều lĩnh vực khác nhau.
Kết quả mong muốn đạt được sau khi nghiên cứu:
- Robot phải có thê hoạt động được chính xác trên những hình dạng bất kỳ mà nó gặp
- Kích thước nhỏ gọn nhưng vẫn đảm bảo độ cứng vững và tính linh hoạt
- Năng suất làm việc cao, đảm bảo tính ổn định trong quá trình làm việc
- Khung vỏ dễ dàng tháo lắp, thuận lợi cho việc sửa chữa, nâng cấp
- Áp dụng được lí thuyết PID vào để điều khiển robot.
Nội dung trình bày trong các chương
Trình tự thực hiện của bài báo cáo bao gồm nội dung các chương, tài liệu tham khảo và phụ lục kèm theo:
CƠ SỞ LÍ THUYẾT
Cơ sở lí thuyết về công nghệ
2.1.1 Tổng quan về mobile robot
Robot đã xuất hiện từ sớm để thay thế con người trong các công việc nặng nhọc và độc hại Trong thời đại công nghiệp hiện nay, việc ứng dụng robot trong sản xuất và đời sống ngày càng trở nên phổ biến Đặc biệt, mobile robot cần có khả năng linh hoạt và đáp ứng nhanh trước những yêu cầu phức tạp Sự phát triển của ngành Cơ - Điện tử đã giúp mobile robot ngày càng hoàn thiện và được ứng dụng nhiều hơn, nhằm tự động hóa quy trình sản xuất và giảm bớt sức lao động con người Tiềm năng ứng dụng của mobile robot rất lớn, bao gồm robot vận chuyển hàng hóa trong nhà máy, robot lau sàn, robot phun sơn, robot hàn, và robot khử trùng trong bệnh viện, cũng như trong ngành hàng không vũ trụ.
Hình 2.1: Một số hình ảnh về mobile robot
Robot di động là loại robot tự vận động, có khả năng hoàn thành nhiệm vụ được giao Trong số đó, robot bám biên quỹ đạo vật cản có khả năng tự xác định và di chuyển theo biên của vật cản nhờ vào dữ liệu từ các cảm biến như hồng ngoại, siêu âm, camera và lidar Những cảm biến này giúp robot xác định vị trí biên vật cản và điều chỉnh hướng di chuyển để duy trì khoảng cách an toàn hoặc thực hiện nhiệm vụ cụ thể Ứng dụng của robot bám biên rất đa dạng, từ tự động hóa công nghiệp đến dịch vụ y tế Chẳng hạn, trong công nghiệp, chúng có thể di chuyển hàng hóa qua khu vực có nhiều vật cản mà không cần sự can thiệp của con người, trong khi trong y tế, chúng hỗ trợ di chuyển và theo dõi bệnh nhân trong bệnh viện.
2.1.2 Nguyên lý làm việc của robot bám quỹ đạo
Robot bám quỹ đạo là loại robot chuyên dụng để theo dõi quỹ đạo đã được xác định trước Nguyên lý hoạt động của robot này thường bao gồm các bước như xác định quỹ đạo, cảm nhận môi trường xung quanh và điều chỉnh chuyển động để duy trì đúng hướng.
Hệ thống điều khiển của robot xác định quỹ đạo cần di chuyển, có thể được mô tả bằng các hàm toán học hoặc các điểm cụ thể trong không gian.
- Cảm biến và Lấy thông tin:
Robot sử dụng nhiều loại cảm biến, bao gồm cảm biến vị trí, cảm biến hình ảnh và cảm biến siêu âm, để thu thập thông tin về môi trường xung quanh và xác định vị trí của chính nó.
- Điều khiển và Điều chỉnh:
Hệ thống điều khiển của robot so sánh dữ liệu từ cảm biến với quỹ đạo đã được xác định Khi phát hiện sự chệch lệch giữa vị trí thực tế và vị trí mong muốn, hệ thống sẽ phát tín hiệu điều chỉnh để đưa robot trở lại quỹ đạo chính xác.
Hệ thống điều khiển robot áp dụng các thuật toán điều khiển để điều chỉnh tín hiệu dựa trên sự chênh lệch giữa vị trí thực tế và vị trí mong muốn Trong đó, thuật toán PID (Proportional-Integral-Derivative) là một trong những phương pháp phổ biến nhất để đảm bảo độ chính xác trong việc kiểm soát vị trí của robot.
Quá trình điều chỉnh hướng đi của robot diễn ra liên tục trong khi nó di chuyển, giúp duy trì vị trí trên quỹ đạo Để kiểm soát tốc độ, robot cần điều chỉnh tốc độ các bánh xe: bánh xe bên phải nhanh hơn khi rẽ trái, bánh xe bên trái nhanh hơn khi rẽ phải, và tốc độ hai bánh xe bằng nhau khi đi thẳng Tốc độ di chuyển của robot đạt tối đa khi đi thẳng, nhưng sẽ giảm dần khi robot lệch khỏi quỹ đạo.
2.1.3 Một số thuật toán cho robot bám quỹ đạo Để nghiên cứu về lĩnh vực mobile robot thì những vấn đề đặt ra là vị trí (đang ở đâu, sẽ đi đến đâu), cách thức di chuyển (đi đến mục tiêu bằng cách nào) và làm sao để di chuyển từ điểm xuất phát đến điểm đích mà không va chạm các vật cản
Theo Lagoudakis và Michail G, để robot có thể di chuyển, nó cần thực hiện một chuỗi các tác vụ, mỗi tác vụ tương ứng với một bài toán nhỏ trong quá trình điều hướng Các bài toán này bao gồm những nhiệm vụ thiết yếu cho việc di chuyển hiệu quả của robot.
- Mapping (Lập bản đồ): lập bản đồ môi trường hoạt động của robot
- Localization (Định vị robot): Robot phải có khả năng biết được vị trí mình đang ở đâu trong bản đồ
Lập kế hoạch đường đi là quá trình quan trọng của robot, cho phép nó xác định lộ trình di chuyển từ vị trí hiện tại đến mục tiêu đã định Sau khi robot thu thập bản đồ và xác định vị trí của mình, nó sẽ tiến hành hoạch định lộ trình hiệu quả để đạt được mục tiêu một cách tối ưu.
- Obstacle avoidance (Tránh vật cản): mobile robot có khả năng tránh vật cản trên đường di chuyển
Trong những bài toán nêu trên, bài toán được quan tâm nhiều nhất là bài toán
“Bám quỹ đạo” Nó giữ vai trò quan trọng giúp cho robot di chuyển từ điểm xuất phát đến mục tiêu một cách tối ưu
- Một số thuật toán điều khiển
Điều Khiển Tương Ứng-Tích Phân-Đạo Hàm (PID) là một thuật toán điều khiển cổ điển, điều chỉnh đầu ra của robot dựa trên các thành phần tỷ lệ, tích phân và đạo hàm của tín hiệu lỗi Thuật toán này được sử dụng phổ biến để theo dõi quỹ đạo trong nhiều ứng dụng khác nhau.
Dễ triển khai và hiệu quả trong nhiều ứng dụng
Có thể điều chỉnh thông qua các hệ số PID để đáp ứng yêu cầu cụ thể
Không xử lý được động chậm và động nhanh cùng lúc
Yêu cầu hiệu chỉnh cẩn thận để tránh dao động
+ Điều Khiển Dựa Trên Mô Hình (MPC)
MPC (Model Predictive Control) là một chiến lược điều khiển tiên tiến giúp dự đoán hành vi tương lai của hệ thống và tối ưu hóa đầu ra điều khiển trong khoảng thời gian nhất định Phương pháp này rất hiệu quả trong việc xử lý các ràng buộc và nhiễu, mang lại hiệu suất cao cho các hệ thống điều khiển.
Tối ưu hóa đầu ra trong khoảng thời gian hữu hạn
Xử lý tốt ràng buộc và nhiễu
Nhược điểm của các mô hình phức tạp là yêu cầu tính toán lớn, dẫn đến độ trễ tính toán có thể làm tăng sự phức tạp của hệ thống.
Thuật toán này tập trung vào việc xác định một điểm mục tiêu trên quỹ đạo mong muốn, sau đó điều chỉnh hướng di chuyển của robot nhằm giảm thiểu khoảng cách đến điểm đó.
Nó thường được sử dụng để theo dõi đường đi trong robot di động
+ Ưu Điểm: Đơn giản và dễ triển khai
Hoạt động tốt cho các robot di động đơn giản
Có thể gặp vấn đề khi đối mặt với quỹ đạo có độ cong lớn
Yêu cầu xử lý đặc biệt nếu có sự trượt bánh xe
+ Lập Kế Hoạch và Theo Dõi Quỹ Đạo:
Cơ sở lý thuyết về cơ khí
Cơ cấu cơ khí của Mobile Robot cơ bản bao gồm:
Khung Robot là cấu trúc cơ bản của robot, bao gồm các thành phần quan trọng như bánh xe, khung, cánh tay và nhiều bộ phận khác, tạo nên hình dáng và chức năng của robot.
Hệ thống bánh xe và trục đóng vai trò quan trọng trong việc đảm bảo chuyển động hiệu quả và ổn định cho robot Nghiên cứu về cơ cấu lái giúp tối ưu hóa khả năng điều khiển và tăng cường tính linh hoạt trong các ứng dụng di chuyển Việc cải tiến thiết kế bánh xe và trục không chỉ nâng cao hiệu suất mà còn đảm bảo an toàn trong quá trình vận hành.
Bảng 2.1: Bảng so sánh một số cơ cấu
2 bánh chủ động phía sau và bánh tự lựa phía trước
2 bánh chủ động phía trước và bánh tự lựa phía sau
2 bánh tự lựa phía trước và 2 bánh chủ động phía sau
2 bánh tự lựa phía trước có hệ thống treo
- 3 bánh xe luôn đồng phẳng tiếp xúc với mặt đất
- Kết cấu cơ khí đơn giản
- Bánh tự lựa phía trước nên chỉ cần chịu một tác
- 3 bánh xe luôn đồng phẳng tiếp xúc với mặt đất
- Kết cấu cơ khí đơn giản
- Xe dù có lực bên ngoài cũng khó bị văng hơn là bánh tự lựa phía trước
- Khi xe mang tải nặng nên khi qua cua xe dễ bị lật
- Xe có kết cấu đơn giản
-Xe có 4 bánh nên khi qua cua dù mang tải nặng cũng không bị lật như xe
-Xe bẻ lái dễ dàng khi qua cua và không bị lật dù mang tải nặng
- 4 bánh xe luôn đồng phẳng do có hệ thống treo
- Thiết kế cơ khí phức tạp khó chế tạo động nhỏ cũng có thể làm cho xe văng, lật
- Xe mang tải nặng nên khi qua cua dễ bị lật đồng phẳng, đồng trục
- khó qua cua do đặc điểm của bánh xe tự lựa
THIẾT KẾ
Khảo sát thị trường
Trước khi thiết kế hệ thống robot di động bám biên quỹ đạo, việc thống kê và phân tích nhu cầu thực tế là rất quan trọng Điều này giúp hiểu rõ môi trường làm việc và xác định các thách thức mà hệ thống sẽ gặp phải, từ đó phát triển công nghệ tự động hóa một cách hiệu quả.
Robot hoạt động hiệu quả trong môi trường làm việc đa dạng với sự thay đổi liên tục về ánh sáng, độ ẩm và nhiệt độ Những yếu tố này ảnh hưởng đáng kể đến yêu cầu về tính linh hoạt và độ ổn định của hệ thống robot Bên cạnh đó, khả năng nhận diện và đánh giá vật cản với nhiều kích thước và hình dạng khác nhau cũng là yếu tố quan trọng trong việc xác định tiêu chí cần thiết cho hệ thống.
Hệ thống được thiết kế để hoạt động linh hoạt trong môi trường đa dạng, bao gồm cả kho lưu trữ và khu vực sản xuất Điều này đòi hỏi khả năng bám biên quỹ đạo một cách chính xác, không bị cản trở bởi các vật thể xung quanh.
Đảm bảo an toàn là ưu tiên hàng đầu trong quá trình phát triển, đặc biệt là khả năng tương tác an toàn với con người Việc phản ứng linh hoạt khi gặp phải vật cản, nhất là con người, là rất quan trọng để không gây cản trở hay nguy hại cho công việc của họ.
Mục tiêu đặt ra là phát triển robot có khả năng hoạt động trong các môi trường làm việc liên tục biến đổi, với khả năng nhận diện và bám biên các vật cản đa dạng Trong quá trình hoạt động, robot cần đảm bảo an toàn cho chính mình, tránh va chạm với các vật cản và con người.
Thông số kỹ thuật
Trong quá trình tìm hiểu và hạn chế trong việc thực hiện đồ án mô hình nhỏ gọn, nhóm em đề xuất các thông số kỹ thuật như sau:
- Đường kính các bánh xe: d ≤ 100mm
- Xe di chuyển trên bề mặt bằng phẳng
- Chịu tải tối đa: M = 3kg
Thiết kế hệ thống cơ khí
Như đã nói ở phần 2.2 chương 2 nhóm em chọn cơ cấu xe bốn bánh với 2 bánh điều khiển tốc độ phía sau
3.3.2 Tính toán kích thước xe
3.3.2.1 Tính toán chọn động cơ Để xe chuyển động, động cơ có vai trò cung cấp moment cho các bánh Quá trình chuyển động này chịu ảnh hưởng đáng kể của khối lượng xe và ma sát giữa bánh xe với mặt đường Ở đây ta với điều kiện xe di chuyển trên mặt phẳng, bám đường tốt ta chọn bánh xe V2 65mm
Vận tốc mong muốn: v=1m/s Thời gian mong muốn: t=1s Gia tốc mong muốn: a=1 m/s
Hình 3.1: Mô hình các lực tác dụng lên bánh xe
Momen quán tính quanh tâm bánh xe:
I là mômen quán tính quanh tâm của bánh xe m là khối lượng của bánh xe
R là bán kính của bánh xe
Cân bằng momen quanh tâm bánh xe, ta được:
⇔ 𝜏 = 𝐼𝛾 + 𝐹 𝑚𝑠 𝑅 Trong đó: τ : momen quanh tâm bánh xe (momen là lực nhân với cự ly)
R : cự ly từ tâm bánh xe đến điểm mắc lực ma sát
Moment quán tính được xác định dựa trên khối lượng và phân bố khối lượng của vật, trong khi gia tốc góc thể hiện tốc độ thay đổi góc đối với trục quay Để bánh xe lăn không trượt khi động cơ quay, cần đảm bảo rằng lực ma sát tĩnh không vượt quá sức ma sát tĩnh tối đa của bánh xe.
M=3kg: khối lượng xe (có tính tải) (giả sử) m=0.037 kg: khối lượng bánh xe
𝑔 = 9.81𝑚/𝑠 2 : gia tốc trọng trường 𝜔: vận tốc góc
𝑎 = 1 𝑚/𝑠 2 : gia tốc dài mong muốn 𝛾: gia tốc góc
Từ đó, momen lăn không trượt
Công suất mỗi động cơ: 𝑃 = 𝜏𝜔
Với hệ số an toàn là 1,2 ta tính được:
=> Từ đó, ta chọn động cơ JGA25-370 có encoder và hộp giảm tốc
Động cơ JGA25-370 có các thông số kỹ thuật quan trọng như điện áp định mức, công suất định mức, dòng khi không tải, dòng khi có tải, dòng khi động cơ bị giữ và mô men.
Momen động cơ khi bị giữ
600 mA 2.29 A 1,88kgf.cm 7.96kgf.cm Động cơ Đường kính 25 mm
Hộp giảm tốc Đường kính 25 mm
Số xung khi đi qua hộp giảm tốc
Trục công tác Đường kính 4 mm
3.3.2.2 Tính toán thiết kế thân xe
Hình 3.2: Phân tích tính toán chiều dài thân xe
Vì 𝐿 ≪ 𝑅 nên ta có thể xem :
𝑅 Dựa vào quan hệ hình học ta có :
𝛿 1 , 𝛿 2 : góc lệch bên của bánh trước và bánh sau
R : bán kính cong quỹ đạo Lực li tâm :
M là khối lượng của xe
𝑣 là vận tốc dài của xe
Vì các góc 𝛿 1 , 𝛿 2 và 𝛼 nhỏ nên ta có thể coi
- 𝐹 𝑦1 , 𝐹 𝑦2 lần lượt là phản lực ngang mặt đường tác dụng lên bánh xe trước và sau
- 𝑃, 𝑃 1 , 𝑃 2 lần lượt là trọng lượng của thân xe, trọng lượng phân bố lên bánh trước và bán sau
Với : 𝐶 𝐿 là hệ số trượt ngang của bánh xe
Lần lượt thay 𝐹 𝑦1 , 𝐹 𝑦2 vào biểu thức 𝐹 𝑦 ta tính được :
𝑔𝑅𝐶 𝐿2 Thay 𝛿 1 , 𝛿 2 vào biểu thức (1) ta được :
𝑔 Ở đoạn cua ta cần quay một góc 45° nên chọn:
𝐾 là hệ số quay vòng được mô tả ở hình dưới
Hệ số quay vòng thiếu
Hệ số quay vòng thừa
Hệ số quay vòng đủ
Hình 3.3: Mô tả hệ số K
Tỉ lệ kích thước dài-rộng của xe nên được lựa chọn trong khoảng từ 1:1 đến 1:1.5 để giảm thiểu tối đa ảnh hưởng của các yếu tố động lực học lên xe và môi trường hoạt động của robot.
3.3.3 Phân tích và lựa chọn dung sai
3.3.3.1 Xét ảnh hưởng độ song song và vuông góc lên đồ gá động cơ Để lắp động cơ ta cần một đồ gá động cơ có bán ngoài thị trường
Hình 3.4 : Bản vẽ đồ gá động cơ
Hình 3.5: Dung sai hình học các kích thước quan trọng
Theo bảng [7], với chiều dài chuẩn L = 2mm và cấp chính xác vị trí là 8, dung sai độ song song của trục lỗ so với mặt chuẩn A được chọn là 0.01mm.
Xét về dung sai độ vuông góc của trục lỗ so với mặt bích gá động cơ (mặt B), việc lựa chọn dung sai độ vuông góc là 0.01mm là cần thiết, nhằm đảm bảo độ chính xác theo mọi hướng.
Tra bảng [7] với chiều dài L = 33 mm, cấp chính xác gia công là 8, độ phẳng mặt chuẩn A của đồ gá động cơ là 0.02 mm
Mặt bích gá động cơ (mặt B) cần phải phẳng để đảm bảo việc định vị chính xác mặt trụ động cơ Độ phẳng của mặt B so với mặt chuẩn A được khuyến nghị là 0.01 mm để tránh ảnh hưởng đến hiệu suất hoạt động.
3.3.3.2 Các trường hợp sai lệch song song
Hình 3.6: Các trường hợp sai lệch theo phương y
Để tránh hỏng hóc hoặc uốn cong trục động cơ do sai lệch độ song song của trục lỗ, việc lựa chọn mối lắp có độ hở là cần thiết Điều này giúp đảm bảo khi siết chặt động cơ lên mặt bích, các bộ phận vẫn hoạt động ổn định và bền bỉ.
Hình 3.7: Các trường hợp sai lệch theo phương x
3.3.3.3 Xét ảnh hưởng độ song song và vuông góc lên phần đế lắp gá động cơ
Hình 3.8: Độ song song và vuông góc lên phần đế lắp gá động cơ
Tra bảng [7] với chiều dài L = 160mm, cấp chính xác gia công là 8, độ phẳng mặt chuẩn A là 0.02 mm
Khi xem xét dung sai độ vuông góc của lỗ trên phần đế để đảm bảo lắp đặt đồng tâm với lỗ của động cơ, lựa chọn dung sai độ vuông góc được xác định là 0.01mm, tính toán theo mọi hướng để đảm bảo độ chính xác tối ưu.
3.3.3.4 Xét ảnh hưởng độ đồng trục khi lắp động cơ
Sau khi xem xét ảnh hưởng của độ song song và vuông góc lên đồ gá và phần lắp của nó, chúng ta cần tiếp tục đánh giá tác động của độ đồng trục giữa hai trục xoay của động cơ.
Dung sai độ đồng tâm của trục 2 động cơ: 𝑒 ≤ 0.5𝑚𝑚
Sai lệch theo hai phương x và y: Δx 2 + Δy 2 ≤ e 2 = 0.025
3.3.4 Mô phỏng kiểm tra bền
3.3.4.1 Mô phỏng kiểm tra bền của tấm lắp phần gá động cơ
Tiến hành mô phỏng để lắp gá động cơ (là chi tiết dễ hư hỏng nhất) với các điều kiện như sau:
Tiến hành mô phỏng để lắp gá động cơ (là chi tiết dễ hư hỏng nhất) với các điều kiện như sau:
- Kích thước tấm sàn là kích thước dài x rộng lớn nhất của xe: 230x160mm;
- Vật liệu: nhựa (ABS) dày 5mm;
- Tấm được dạng hình chữ nhật, được cố định 4 góc;
- Tải phân bố 30N (3kg bằng với khối lượng lớn nhất của xe theo tiêu chí đặt ra);
Nội dung mô phỏng: Mô phỏng biến dạng và hệ số an toàn trên tấm sàn với tiêu chí: Biến dạng không vượt quá 1.5 mm
Hình 3.9: Kết mô phỏng chuyển vị của khung xe khi có tải
Mô phỏng biến dạng lớn nhất là 1.266 mm (tại 4 góc của khung không đặt tải nên không xét đến) nên thỏa yêu cầu đặt ra.
Thiết kế kỹ thuật điện, điện tử
Nhóm đã chọn cấu trúc điều khiển tập trung cho robot, sử dụng hai driver độc lập để điều khiển động cơ trước và sau Nguồn điện 5V và 12V được cung cấp từ mạch giảm áp Dựa trên các phân tích, nhóm đã thiết kế sơ đồ khối cho hệ thống điện và điện tử như thể hiện trong hình 4.1.
Hình 3.10: Sơ đồ khối của hệ thống điện, điện tử
Năng lượng từ nguồn pin được chuyển qua hai mạch ổn áp, cung cấp điện áp 12V cho hai driver điều khiển động cơ và 5V cho cảm biến cùng vi điều khiển.
3.4.2 Test driver với động cơ
Bảng 3.2: Số liệu driver với động cơ trái phía trước xe
Hình 3.11: Đồ thị giữa PWM(%) và vận tốc quay động cơ trái phía trước xe
Từ dữ liệu Bảng 4.2 và đồ thị Hình 4.4 mối quan hệ giữa PWM và vận tốc quay động cơ gần như tuyến tính
Dựa trên đáp ứng theo thời gian của khối driver và động cơ, hàm truyền của hệ thống này được xấp xỉ như một hệ bậc 1.
Bảng 3.3: Số liệu driver với động cơ phải phía trước xe
Hình 3.12: Đồ thị giữa PWM(%) và vận tốc quay động cơ phải phía trước xe
Tương tự như ở động cơ trái phía trước
Từ dữ liệu Bảng 4.3 và đồ thị Hình 4.5 mối quan hệ giữa PWM và vận tốc quay động cơ gần như tuyến tính
Dựa trên phản ứng của khối driver và động cơ theo thời gian, hàm truyền của hệ thống này có thể được xấp xỉ bằng cách coi nó như một hệ bậc 1.
Bảng 3.4: Số liệu driver với động cơ trái phía sau xe
Hình 3.13: Đồ thị giữa PWM(%) và vận tốc quay động cơ trái phía sau xe
Tương tự như ở hai động cơ phía trước
Từ dữ liệu Bảng 4.4 và đồ thị Hình 4.6 mối quan hệ giữa PWM và vận tốc quay động cơ gần như tuyến tính
Hàm truyền của khối driver và động cơ có thể được xấp xỉ bằng cách coi hệ thống này là hệ bậc 1, dựa trên dạng đáp ứng theo thời gian của khối driver và động cơ.
Bảng 3.5: Số liệu driver với động cơ phải phía sau xe
Hình 3.14: Đồ thị giữa PWM(%) và vận tốc quay động cơ phải phía sau xe
Tương tự như ở ba động cơ
Từ dữ liệu Bảng 4.5 và đồ thị Hình 4.7 mối quan hệ giữa PWM và vận tốc quay động cơ gần như tuyến tính
Dựa trên phản ứng theo thời gian của khối driver và động cơ, hàm truyền của hệ thống này được xấp xỉ như một hệ bậc 1.
THI CÔNG, THỰC NGHIỆM, THU THẬP KẾT QUẢ VÀ PHÂN TÍCH 37
Thi công mô hình
Nhóm em đã chọn cơ cấu xe 4 bánh với điều khiển 2 bánh sau, bao gồm các thiết bị như động cơ, bánh xe và đồ gá động cơ, được lắp đặt vào thân xe robot.
Di chuyển trên mặt phẳng
=> Phương án lựa chọn: dựa trên đặc điểm của các loại bánh và yêu cầu cần đáp ứng, nhóm lựa bánh thông thường: bánh V2.65mm
4.1.1.2 Đồ gá Đồ gá ta sẽ mua ngoài thị trường có hình dạng chữ L bắt động cơ có đường kính 25mm
Hình 4.2: Đồ gá động cơ
4.1.2 Thiết bị điện, điện tử
Từ sơ đồ khối ở chương trước, trong phần điện nhóm sẽ tiến hành lựa chọn driver, thiết kế cảm biến và thiết kế mạch nguồn cho xe
Bảng 4.1: Tóm tắt về nguồn sử dụng
Thiết bị Số lượng Dòng điện Điện áp Tổng cộng Động cơ 2 600mA 12V 1200mA-12V
=> Từ đó nhóm em chọn nguồn pin 18650:
Kiểu pin 18650 Điện áp trung bình, 𝑉 3,7 Điện áp sạc đầy, 𝑉 4.2
Với 4 pin cung cấp điện áp lên tới 14,8V, việc sử dụng module LM2596 là cần thiết để ổn định điện áp ở mức 5VDC và 12VDC Điều này giúp hệ thống hoạt động hiệu quả và kéo dài tuổi thọ của các linh kiện.
4.1.2.3 Cảm biến Để thực hiện việc bám và di chuyển theo biên của vật cản theo một khoảng cách nhất định nhóm em lựa chọn cảm biến siêu âm HC-SR04
Hình 4.4 Cảm biến siêu âm
Cảm biến khoảng cách siêu âm HC-SR04 là một thiết bị phổ biến được sử dụng để xác định khoảng cách, hoạt động dựa trên sóng siêu âm Nó có khả năng đo khoảng cách từ 3 đến 600 cm với độ chính xác cao Cảm biến này có 4 chân kết nối, giúp dễ dàng tích hợp vào các dự án điện tử.
Cảm biến siêu âm hoạt động bằng cách phát đi một xung tín hiệu và đo thời gian nhận được tín hiệu phản hồi Sau khi nhận tín hiệu trở về, thời gian từ lúc phát đến lúc nhận được sẽ được tính toán Dựa trên thời gian này, chúng ta có thể xác định khoảng cách một cách chính xác.
Để đo khoảng cách, vi điều khiển phát một xung 10µs vào chân Trig của cảm biến, kích hoạt sóng âm với tốc độ 340m/s Khi sóng phản xạ trở lại, chân Echo sẽ giữ mức cao cho đến khi nhận được tín hiệu phản hồi, sau đó trở về mức thấp Thời gian sóng siêu âm phát đi và quay lại sẽ được đo bằng Timer, từ đó tính toán khoảng cách d bằng công thức t (d cm).
Để đo khoảng cách chính xác bằng cảm biến siêu âm, cần xác định d là khoảng cách cần đo và t là thời gian sóng siêu âm phát ra và quay trở lại Khi thời gian được đo chính xác và không có nhiễu, mạch cảm biến siêu âm sẽ cung cấp kết quả rất chính xác Sự chính xác này phụ thuộc vào việc lập trình mà không sử dụng các hàm delay.
Hình 4.6: Các trường hợp cảm biến không thể đo được
Lưu ý: Những trường hợp cảm biến không đo được khoảng cách:
Khi khoảng cách đến vật lớn hơn 6m
Khi mặt phẳng phản xạ không hướng vào cảm biến
Khi vật cản quá nhỏ
Khi vật cản quá mềm (chăn, gối…)
Bảng 4.3 Thông số kỹ thuật cảm biến siêu âm HC-SRF04 Điện áp hoạt động 5V
Dòng điện 30mA (Tối đa 50mA)
Tần số hoạt động 40KHz
Khoảng cách lớn nhất đo được 6m
Khoảng cách nhỏ nhất đo được 3cm
Về số lượng cảm biến: 3 cảm biến được bố trí xung quanh xe robot
4.1.3 Thiết bị xử lý trung tâm Ở phần này nhóm em lựa chọn con STM32 làm chip xử lý các tín hiệu và điều khiển cho toàn bộ hệ thống
Dòng vi điều khiển STM32 của STMicroelectronics là một bước đột phá trong thiết kế hệ thống nhúng, với lõi ARM Cortex-M mạnh mẽ và nhiều tính năng tiên tiến, trở thành lựa chọn lý tưởng cho kỹ sư và nhà phát triển Được phân loại thành nhiều dòng sản phẩm như STM32F0, STM32F1, STM32F4, STM32 đáp ứng nhu cầu từ các dự án nhỏ đến hệ thống hiệu suất cao Với nhiều cổng kết nối như UART, SPI, I2C, CAN, USB và Ethernet, STM32 hỗ trợ tích hợp dễ dàng với các thiết bị và mạng khác nhau.
STMicroelectronics cung cấp STM32CubeIDE, một môi trường phát triển tích hợp mạnh mẽ, giúp nhà phát triển dễ dàng triển khai và debug ứng dụng Hỗ trợ cho nhiều dự án mở rộng như Arduino, STM32CubeIDE còn mở rộng khả năng sáng tạo của cộng đồng phát triển.
Với tính linh hoạt, hiệu suất cao và tính bảo mật vượt trội, STM32 là lựa chọn lý tưởng cho cả chuyên gia nhúng và các nhà phát triển mới Khám phá sức mạnh của STM32, nơi công nghệ gặp gỡ sự sáng tạo trong các dự án công nghiệp.
=> Trong đồ án này nhóm em chọn kít STM32F103C8T6
- Cấu hình chi tiết của STM32F103C8T6:
- ARM 32-bit Cortex M3 với clock max là 72Mhz
64 kbytes bộ nhớ Flash(bộ nhớ lập trình)
- Clock, reset và quản lý nguồn
Power on reset(POR), Power down reset(PDR) và programmable voltage detector (PVD)
Sử dụng thạch anh ngoài từ 4Mhz -> 20Mhz
Thạch anh nội dùng dao động RC ở mode 8Mhz hoặc 40khz
Sử dụng thạch anh ngoài 32.768khz được sử dụng cho RTC
- Trong trường hợp điện áp thấp:
Có các mode :ngủ, ngừng hoạt động hoặc hoạt động ở chế độ chờ
Cấp nguồn ở chân Vbat bằng pin để hoạt động bộ RTC và sử dụng lưu trữ data khi mất nguồn cấp chính
- 2 bộ ADC 12 bit với 9 kênh cho mỗi bộ
Khoảng giá trị chuyển đổi từ 0 – 3.6V
Lấy mẫu nhiều kênh hoặc 1 kênh
Có cảm biến nhiệt độ nội
- DMA: bộ chuyển đổi này giúp tăng tốc độ xử lý do không có sự can thiệp quá sâu của CPU
Hỗ trợ DMA cho ADC, I2C, SPI, UART
3 timer 16 bit hỗ trợ các mode IC/OC/PWM
1 timer 16 bit hỗ trợ để điều khiển động cơ với các mode bảo vệ như ngắt input, dead-time
2 watdog timer dùng để bảo vệ và kiểm tra lỗi
1 sysTick timer 24 bit đếm xuống dùng cho các ứng dụng như hàm Delay…
- Hỗ trợ 9 kênh giao tiếp bao gồm:
3 bộ USART(ISO 7816 interface, LIN, IrDA capability, modem control)
- Kiểm tra lỗi CRC và 96-bit ID
4.1.4 Mô hình hệ thống sau khi thi công
Sau khi chọn thiết bị và thi công sẽ được mô hình như sau:
Hình 4.8: Mô hình trước khi thi công
Hình 4.8: Mô hình trước khi thi công