robot dò line phân loại hàng hóa theo màu sắc: là loại robot đi theo đường line có sẵn và vận chuyển hàng hóa phía trên nó đi theo màu sắc chúng sẽ đi theo đường line phù hợp với màu sắc của hàng hóa mà chúng vận chuyển nhờ hệ thống cảm biến màu sắc gắn phía trên chúng.
TỔNG QUAN
Tổng quan về Mobile Robot
Ngày nay, robot là một lĩnh vực phát triển nhanh chóng Nhờ công nghệ phát triển liên tục, robot đã được chế tạo để phục vụ cho nhiều mục đích khác nhau, robot dưới nước, robot công nghiệp, robot quân sự,… Nhiều robot đã thay con người làm các công việc độc hại và nặng nhọc như thăm dò mỏ quặng, vận chuyển hàng hóa, môi trường có độ ô nhiễm cao,…
Một trong những loại robot phổ biến hiện nay đó là robot đi theo đường line.
Robot có thể đi theo một quỹ đạo do chúng ta đưa ra nhằm các mục đích khác nhau, ví dụ: giám sát nhà xưởng, đua tốc độ trong các cuộc thi hoặc dùng để phân phối hàng hóa (theo khối lượng, màu sắc, chiều cao,…) và vận chuyển đến vị trí mong muốn. Đề tài này được thực hiện để thiết kế, điều khiển Robot đi theo line và phân phối hàng hóa theo màu sắc Robot có khả năng phân biệt được màu sắc của khối hàng đặt lên trên nó bằng cảm biến, và di chuyển theo đúng đường line cho sẵn với sai số nhỏ nhất để đi đến điểm kết thúc tương ứng với khối hàng mà nó đang vận chuyển.
Xác định mục tiêu thiết kế
Thiết kế một Robot phục vụ việc tải hàng và phân phối hàng hóa theo màu sắc.
Robot di chuyển trên sa bàn mô tả trong Hình 1 Tốc độ di chuyển thấp nhất là 0,1 (m/ s), mang theo khối hàng 2 (kg)
Hình 1 Sơ đồ sa bàn cho robot phân phối hàng hóa theo khối lượng
Robot được thiết kế di chuyển bám line trên sa bàn với các đặc tính được mô tả như sau:
Nền sa bàn có màu trắng.
Đường dẫn có màu đen.
Bề rộng đường dẫn: 26 (mm).
Di chuyển trong mặt phẳng.
Sai số bám đường dẫn (tính từ mép trái hoặc mép phải của đường line): ±
Sai số vị trí dừng cuối đường dẫn là ± 5 (mm).
2.2.1 Robot nâng hàng di chuyển IT-AGV-F
Hình 2 Mô hình IT-AGV-F trong nhà máy và sơ đồ nguyên lí
Là một dòng AGV di chuyển với tốc độ cao rất ổn định mượt mà Xe tự hành robot IT-AGV-F dùng công nghệ định vị & di chuyển ma trận điểm Các vị trí không gian di chuyển được định vị bằng các ma trận QR code or RFID AGV tích hợp đầu đọc, để xác định vị trí và cách thức di chuyển đến vị trí mong muốn.
Vận chuyển bằng cách chui vào gầm giá hàng, nâng cả giá khỏi mặt đất và mang đến vị trí mong muốn Xe thiết kế nhỏ gọn nên có thể xoay dưới gàn giá, rất ưu việt khi cần chuyển hướng mà hướng của hàng hóa không thay đổi. Ứng dụng
Thường dùng vận chuyển và sắp xếp hàng hóa trong kho.
Dùng trong các kho hàng thương mại điện tử rất hiệu quả. Ưu điểm
Di chuyển với mật độ và tính tự động hóa cao.
Tính ổn định & chính xác di chuyển cao
Mọi di chuyển, tương tác của các AGV đều được điều tiết tối ưu hóa bằng hệ thống điều khiển trung tâm.
Các hệ thống giá kệ phải đồng nhất
Mã sản phẩm IT-AGV-F
Công nghệ dò đường QR/RFID
Sai số di chuyển 10mm
Hỗ trợ kết nối control system Có Đầu bọc barcode/RFID Có
Di chuyển hai đầu Có
Bảng 1 Thông số kĩ thuật của IT-AGV-F
2.2.2 Robot vận chuyển tích hợp băng tải con lăn IT-AGV-R
Hình 3.Mô hình IT-AGV-R trong nhà máy và sơ đồ nguyên lí Đây là mẫu xe AGV thứ 2 được Intech-group nghiên cứu và triển khai trong những năm gần đây dùng để cải tiến cho phiê với chức năng chính là vận chuyển các hàng hóa nặng lên tới 1000kg Robot IT-AGV-R được thiết kế băng tải con lăn nên với các hệ thống nhà máy thông minh hoặc kết nối trực tiếp với các dây chuyền sản xuất tự động để thực hiện chức năng vận hóa Đây là chiếc xe AGV thế hệ mới sử dụng ông nghệ điều hướng bằng Lidar nên còn thể gọi tên là Robot AMR Ứng dụng
Dùng để thay thế con người trong việc vận chuyển hàng hóa trong xưởng sản xuất và trong nhà kho.
Giúp kết nối các hệ thống tự động độc lập với nhau mà không cần sự can thiệp của con người. Ưu điểm
Robot vận chuyển hàng tích hợp băng tải con lăn IT-AGV-R dễ dàng kết nối với các hệ thống tự động trong kho, xưởng sản xuất
Sạc pin tự động hoặc bằng tay.
Chi phí cao hơn so với xe AGV phổ thông nhưng có thể lựa chọn theo từng option để giảm chi phí.
Mã sản phẩm IT-AGV-R
Kích thước L1500xW850xH180 (mm)
Trọng tải trực tiếp 1000kg
Công nghệ di chuyển Chạy theo map (Slam)
Hỗ trợ kết nối control system Có Đầu bọc barcode/RFID Có
Di chuyển hai đầu Có
Bảng 2 Thông số kĩ thuật của IT-AGV-R
Các phương án thiết kế
3.1.1 Tìm hiểu kết cấu một số Robot
Xe ba bánh có hai bánh chủ động độc lập ở phía sau và một bánh tự lựa ở phía trước
Hình 4 Sơ đồ nguyên lí xe ba bánh có hai bánh chủ động độc lập ở phía sau và một bánh tự lựa ở phía trước Ưu điểm: Vì xe có 3 bánh nên luôn đồng phẳng, có thể bẻ cua tương đối dễ dàng qua các điểm chuyển hướng đột ngột và các bán kính cong nhỏ So với xe bốn bánh (2 bánh chủ động phía sau và 2 bánh tự lựa phía trước) thì nó chuyển hướng dễ dàng hơn khi qua đoạn cua có bán kính nhỏ vì xe có 2 bánh tự lựa phía trước, trước khi qua khúc cua thì đồng thời 2 bánh đều xuất hiện ngẫu lực làm cho xe khó đi theo một hướng xác định hơn so với xe 3 bánh.
Hình 5 Sơ đồ nguyên lí xe ba bánh có hai bánh chủ động độc lập ở phía tước và một bánh tự lựa ở phía sau Ưu điểm: Như xe có hai bánh chủ động độc lập phía sau, moment quán tính giảm do trọng tâm được đặt dịch về phía trước, khoảng cách từ trọng tâm đến cảm biến ngắn và khá cân đối, hạn chế gây ra hiện tượng trượt khi đi qua các góc lượn.
Nhược điểm: Nhìn chung một số nhược điểm của xe có hai bánh chủ động độc lập phía trước giống với xe có hai bánh chủ động độc lập phía sau Điểm khác là ở xe có hai bánh chủ động độc lập phía trước cần có đối trọng phía sau để xe không bị lộn nhào khi thay đổi vận tốc đột ngột.
→ Phương án này được sử dụng khi xe di chuyển trên mặt phẳng, đường line có các điểm chuyển hướng đột ngột và các bán kính nhỏ, tải lúc này có thể thay thế cho đối trọng.
Xe ba bánh có hai bánh chủ động độc lập ở giữa và hai bánh bánh tự lựa ở phía trước và sau
Hình 6 Sơ đồ nguyên lí xe có hai bánh chủ động độc lập ở giữa và hai bánh bánh tự lựa ở phía trước và sau Ưu điểm: Khi rẽ hướng mang theo tải khó lật hơn do có hai điểm tựa ở bánh -
Xe cân bằng tốt do trọng lượng phân phối trên một tứ giác.
Nhược điểm: Tiếp xúc mặt đường không tốt (đường đua không bằng phẳng), bám đường không tốt, bánh tự lựa ở phía sau có ma sát nhỏ khiến xe có thể bị xoay khi cua ở tốc độ cao.
Xe bốn bánh có hai bánh chủ động độc lập ở phía sau và hai bánh tự lựa ở phía trước Ưu điểm: Xe di chuyển linh hoạt, gia tốc và hãm nhanh, khoảng cách giữa các cảm biến và mặt đường được đảm bảo.
Nhược điểm: xe được dẫn động bởi 4 động cơ riêng biệt nên sẽ rất phức tạp để đồng bộ các động cơ này → điều khiển phức tạp.
→ Phương án này được sử dụng khi xe cần độ cứng vững cao, khó lật khi chuyển hướng gấp.
Bánh chủ động là bộ phận trực tiếp làm xe chuyển động Bánh xe phải có khả năng bám đường tốt, không trơn trượt, chịu tải ổn định, dễ dàng tháo lắp và thay thế.
Một số phương án được đưa ra cho bánh xe chủ động gồm bánh xe giảm tốc V1-
Bánh xe Mecanum là một dạng của bánh xe đa hướng (Mecanum Wheels), bánh xe này được tạo thành bởi những con lăn nhỏ với trục được lắp nghiêng một góc 45 so với trục quay chính của bánh xe, nhờ kết cấu đặc biệt này, Bánh Xe Mecanum có thể tạo ra rất nhiều chuyển động phức hợp theo phương pháp cộng vector Bằng cách kết hợp các chuyển động của từng bánh, kết cấu sử dụng Bánh xe Mecanum có thể thực hiện các chuyển động cơ bản tiến – lùi, chuyển động xoay tròn dễ dàng trong một không hoặc bẻ lái nhiều lần trong thời gian ngắn thì bánh xe có thể không kịp đáp ứng dẫn đến hiện tượng trượt, ảnh hưởng đến tốc độ di chuyển của xe, có thể làm xe bị lật.
Bánh mắt trâu thường có vỏ ngoài được làm bằng sắt hay thép nên rất bền, bên trong có ổ bi nên di chuyển rất trơn tru Tuy nhiên bánh này có nhược điểm lớn là chỉ có thể chạy trong những môi trường ít bụi, cát vì chúng có thể bám vào bánh xe làm bánh bị kẹt không chạy được.
Có 2 tác vụ chính mà đề bài yêu cầu thực hiện : Dò line và nhận biết màu sắc
Có 2 phương pháp thường dùng để dò line trong các xe/robot dò line: Sử dụng camera hoặc các loại cảm biến phù hợp với khả năng nhận biết dòng line (cảm biến quang, hồng ngoại )
Camera sẽ được dùng để ghi lại hình ảnh của đường line, sau đó sử dụng thông tin nhận về để xử lý và tính toán ra vị trí tương đối của xe so với đường line Với yêu cầu
❖ Cảm biến quang hồng ngoại (Infrared Sensor/IR Sensor)
Hình 10 Cảm biến quang hồng ngoại
Cảm biến này được biết đến với tên gọi cảm biến dò line, vì nó được ứng dụng rất nhiều trong các đề tài dò line Đây là một thiết bị điện tử đo và phát hiện bức xạ hồng ngoại trong môi trường xung quanh của nó Led hồng ngoại sẽ giảm nội trở khi có bức xạ hồng ngoại chiếu vào Bức xạ hồng ngoại từ led phát gặp màu đen của đường line sẽ phản chiếu lại được led thu tạo ra tín hiệu điện áp, kết hợp nhiều cặp led hồng ngoại thu phát, sau khi xử lý tín hiệu điện áp trả về ta biết được vị trí tương đối của xe so với đường line Ta có thể sử dụng kết hợp nhiều cặp cảm biến để tạo ra một thanh cảm biến dài cung cấp cho việc dò line. Ưu điểm: Giải thuật xử lý đơn giản.
Nhược điểm: Dễ bị nhiễu bởi yếu tố môi trường, sai số lớn vì công nghệ của nó, góc và phạm vi quét còn hạn chế Đối với thanh cảm biến, sai số còn phụ thuộc vào số lượng cảm biến cũng như khoảng cách giữa chúng.
Hình 11 Cảm biến Photoresistor Đây là một dạng module cảm biến quang trở, còn được gọi là điện trở quang.
Nguyên lý hoạt động là điện trở thay đổi khi thay đổi cường độ ánh sáng chiếu vào quang trở Khi led chiếu ánh sáng xuống nền, ánh sáng sẽ phản xạ khác nhau trên các màu khác nhau, từ đó tính toán được vị trí tương đối của xe đối với đường line. Ưu điểm: Giải thuật đơn giản, cấu trúc đơn giản giá thành rẻ, năng lượng tiêu thụ thấp, độ nhạy cao.
Nhược điểm: Thời gian phản hồi chậm, sai số lớn, thiếu độ chính xác.
Biểu đồ Gantt phân công nhiệm vụ các thành viên
Nội dung Người thực hiện
LỰA CHỌN PHƯƠNG ÁN
Phương án điều khiển và giải thuật điều khiển
Cả nhóm khi vào cua
Chương 4: Thiết kế hệ thống điện
Sơ đồ khối mạch điện
Thiết kế hệ thống cảm biến dò line
Driver, cảm biến màu sắc
Chương 5: Cấu trúc điều khiển
Lựa chọn phương án điều khiển
Cả Lựa chọn giải thuật nhóm điều khiển
Thiết kế bộ điều khiển, xây dựng hàm truyền, thiết kế bộ PID,
Lập trình điều khiển Cả nhóm
Chương 6: Kết quả thực nghiệm
Kiểm tra thực nghiệm với các yêu cầu đề bài
Chương 7: Báo cáo hoàn chỉnh
PowerPoint, thuyết minh, bản vẽ
Chương 8: Bảo vệ Cả nhóm
Bảng 5 Biểu đồ Gantt phân công nhiệm vụ các thành viên
2 bánh dẫn động đặt phía sau và 1 bánh mắt trâu phía trước Đây là mô hình có kết cấu đơn giản, chuyển hướng dễ dàng và thỏa yêu cầu tải hàng được đặt ra.
Hình 24 Sơ đồ nguyên lí của Robot đã chọn
Robot di chuyển trên sa bàn có địa hình bằng phẳng, không dốc, trơn trượt, sử dụng bánh xe bọc cao su, không có gai là phù hợp Nhóm chọn bánh xe V2, với các thông số kỹ thuật:
Chất liệu: nhựa, mút, cao su.
Hình 25 Bánh xe 85mm Bánh bị động
Chọn bánh mắt trâu vì có nhiều ưu điểm: bền, bám đường tốt và linh hoạt trong việc đổi hướng Thông số kỹ thuật của bánh mắt trâu:
Khoảng cách 2 lỗ bắt vít: 40 mm
Đường kính lỗ vít: 4 mm
Hình 26 Bánh mắt trâu biến hồng ngoại (Infrared Sensor), cảm biến quang trở (photoresistor), cảm biến phototransistor Cảm biến dò line cần đáp ứng 3 tiêu chí quan trọng:
Khả năng nhận diện đường line
Nhóm chọn cảm biến hồng ngoại TCRT5000.
2.3 Lựa chọn cảm biến màu sắc
Với 3 loại cảm biến màu sắc thường dùng nêu ra ở phần tổng quan: cảm biến tương phản, cảm biến màu sắc, cảm biến huỳnh quang Nhóm chọn cảm biến
TCS3200 với độ chính xác cao, chống nhiễu tốt.
Thông số kỹ thuật cảm biến TCS3200:
TCS3200 nhận biết màu sắc bằng cách đo phản xạ 3 màu cơ bản từ vật thể: đỏ, xanh lá, xanh dương và xuất ra tần số xung tương ứng với 3 màu này qua các chân tín hiệu, đo 3 tần số xung này, qua 1 vài bước chuyển đổi nhất định có được thông tin của màu sắc đã đo.
Hình 27 Sơ đồ nguyên lí TCS3200
OUT Đầu ra tín hiệu số
S0, S1 Lựa chọn tỉ lệ tần số
Bảng 6 Các chân nối của TCS3200
3 Lựa chọn phương án điều khiển và giải thuật điều khiển
Về phương án điều khiển, có 2 cấu trúc điều khiển như đã trình bày: điều khiển tập trung và điều khiển phân cấp Dựa vào các ưu và nhược điểm của 2 phương án, nhóm chọn điều khiển tập trung để đảm bảo cấu trúc đơn giản và tiết kiệm chi phí.
Bảng 7 Phương pháp điều khiển tập trung
Về giải thuật điều khiển, từ việc nhận được các sai số liên tục được trả về giữa đường line và điểm tracking, sử dụng bộ điều khiển để đưa sai số về 0 Các bộ điều khiển thường được sử dụng như P, PI, PD, PID Để lựa chọn chính xác bộ điều khiển, cần xây dựng mô hình động học và động lực học.
4 Lựa chọn vật liệu làm khung
Vật liệu làm khung phải nhẹ, phổ biến trên thị trường, cứng vững ,để có thể tải khối hàng 2 kg và giúp xe di chuyển linh hoạt Có 3 loại vật liệu thường được sử dụng là nhôm, mica, gỗ.
Nhôm Mica Gỗ Ưu điểm Động cơ trái trái phải Động cơ phải
Nhẹ hơn so với gỗ và mica, độ bền cao
Dẻo, nhẹ, dễ tạo hình, chống va đập tốt, độ bền khá cao
Cách điện, cách nhiệt, giá thành rẻ
Nhẹ, dễ gia công, độ bền khá cao
Cách điện, cách nhiệt, giá thành rẻ
Giá thành cao hơn so với mica và gỗ Chịu lực kém hơn nhôm Chịu tải và va đập kém
Bảng 8 So sánh ưu, nhược điểm các loại vật liệu có thể dùng làm khung xe
Từ bảng so sánh, nhóm quyết định chọn nhôm để làm vật liệu cho khung xe.
Công suất và momen xoắn của động cơ.
Xe di chuyển trên sa bàn bằng phẳng, không dốc, không nghiêng
Xe qua cua và bám line tốt
Thời gian gia tốc đạt đến tốc độ ổn định 0,5 (s)
Bánh chủ động là bộ phận trực tiếp làm xe chuyển động Bánh xe phải có khả năng bám đường tốt, không trơn trượt, chịu tải ổn định, dễ dàng tháo lắp và thay thế.
Với những yêu cầu kỹ thuật trên chọn bánh xe có đường kính V2
Hình 28 Bánh xe V2 85mm khớp lục giác 12mm
Vật liệu Đường kính (mm) Độ rộng bánh (mm) Khối lượng (g)
Bảng 9 Thông số bánh xe V2
Bánh bị động có thiết kế đơn giản, có thể di chuyển đa hướng, khi đổi hướng không bị trượt không thay đổi trọng tâm xe lúc di chuyển Bánh bị động phải nhẹ để
Robot có thể di chuyển nhanh trên đường đua.
Với yêu cầu đó, bánh bị động được sử dụng là bánh bi cầu (bánh mắt trâu).
Hình 29 Bánh đa hướng mắt trâu đa hướng kim loại lớn
Khoảng cách lỗ bắt vít (mm)
Hình 30 Thông số kỹ thuật của bánh mắt trâu
Hình 31 Sơ đồ phân tích lực của xe dựa theo sơ đồ nguyên lí đã chọn Điều kiện chuyển động của xe:
𝐹 𝑐 : lực cản lăn lên bánh xe (N)
𝐹 𝑖 : lực cản xe khi lên xuống dốc (N)
𝐹 𝑤 : lực cản của không khí (N)
𝐹 𝑗 : lực quán tính khi xe chuyển động (N)
𝐹 𝑐𝑐 : tổng hợp các lực cản lên xe (N)
𝐹 𝑥 : lực kéo, sinh ra từ momen bánh xe (N)
𝐹 𝜑 : lực bám dính của mặt đường (N)
Trong tính toán, 𝐹 𝑖 được bỏ qua thì sa bàn là một mặt phẳng, không có dốc và
𝐹 𝑤 cũng được bỏ qua vì xe chạy với vận tốc không quá cao.
Lực cản lăn 𝐹 𝑐 , lực quán tính 𝐹 𝑗 , lực bám dính của đường 𝐹 𝜑 được tính như sau:
𝑓: hệ số cản lăn, 𝑓 = 0.018 dựa vào bảng II-1 tài liệu [2], đường nhựa tốt, vận tốc 𝑣 ≤ 22 m/s.
Lực bám đường đối với mỗi bánh chủ động:
𝜑: hệ số bám dính mặt đường, 𝜑 = 0.75, dựa vào bảng I-3 in tài liệu[2], trường hợp đường nhựa khô sạch hay đường bê tông.
𝑁1: phản lực lên bánh xe theo tài liệu[2], trong trường hợp xe ô tô và máy kéo, trọng tâm xe thường đặt gần bánh sau để nhận 0,7 trọng lượng toàn xe để đảm bảo lực phản lực lên bánh xe Do đó 𝐹 𝑧2 = (0,65 − 0,7)𝑃/2, để giảm hiện tượng trượt bánh xe Do đó chọn 𝐹 𝑧2 = 0,35𝑃
Thông số Giá trị Đơn vị
Thông số Giá trị Đơn vị
Lực bám dính 1 bánh chủ động,
Bảng 11 Thông số tính toán được
Do đó, điều kiện chuyển động của xe là:
Vậy gia tốc đặt ra là phù hợp
Momen cần thiết cung cấp cho bánh xe:
184.9940 ≤ 𝑀 𝑘 ≤ 437.3250 Vận tốc quay của bánh xe là:
𝑛 = 𝜋𝑑 = 179.7515 (𝑅𝑃𝑀) Công suất động cơ thấp nhất:
Từ các thông số trên, động cơ DC giảm tốc JGB37-520 DC Geared Motor loại 12VDC 319 RPM được chọn.
Hình 32 JGB37-520 DC Geared Motor
Tốc độ đề xuất khi có tải 250 (𝑟𝑝𝑚)
Momen động cơ khi bị giữ 0,5 (𝑁𝑚) Động cơ Đường kính 33 (𝑚𝑚)
Hộp giảm tốc Đường kính 37 (𝑚𝑚)
Số xung khi qua hộp giảm tốc 330
Trục công tác Chiều dài 15.5 (𝑚𝑚) Đường kính 6 (𝑚𝑚)
Bảng 12 Thông số động cơ JGB37-520 DC Geared Motor 12V
3 Tính toán độ ổn định khi vào cua Động lực học của xe khi vào đoạn đường cong được phân tích như hình sau:
Hình 33 Phân tích động lực học khi xe đang vào đường cong
𝐶: tâm quay khi xe lật
𝐹 𝑙𝑡 : lực ly tâm tác dụng lên xe (𝑁)
ℎ: chiều cao trọng tâm xe so với mặt đường (𝑚𝑚)
𝑏: khoảng cách giữa 2 bánh xe chủ động, (𝑚𝑚),
Chọn 𝑏 = 230𝑚𝑚 để thỏa mãn điều kiện lắp được 2 động cơ Điều kiện để xe không lật, momen do trọng lực sinh ra đối với tâm C phải lớn hơn so với momen do lực li tâm sinh ra đối với tâm C, hay:
2 0,8 2 = 0,616 (𝑚) = 616 (𝑚𝑚) Điều kiện để xe không lật khi qua cua là thiết kế chiều cao trọng tâm xe không được cao hơn 616 (mm).
4.1 Xác định dung sai mặt đế
Dung sai base mặt dưới
Hình 34 Chuỗi kích thước của base trên
Trong đó, 𝐴 1 , 𝐴 2 là khâu thành phần và 𝐴 3 là khâu khép kin
Dung sai xuất hiện do sai số khi gia công khâu thành phần Gia công là cắt laser với sai số 0.1 mm
Trong đó, 𝐵 1 , 𝐵 2 , 𝐵 3 , 𝐵 4 , 𝐵 5 là khâu thành phần và 𝐵 6 là khâu khép kin
Dung sai xuất hiện do sai số khi gia công khâu thành phần Gia công là cắt laser với sai số 0.1 mm
Dung sai base mặt dưới
Dung sai cắt laser theo chuỗi kích thước
Dung sai base mặt dưới
Dung sai cắt laser theo chuỗi kích thước
Hình 35 Chuỗi kích thước của base dưới
Trong đó, 𝐴 1 , 𝐴 2 là khâu thành phần và 𝐴 3 là khâu khép kín
Dung sai xuất hiện do sai số khi gia công khâu thành phần Gia công là cắt laser với sai số 0.1 mm
Dung sai định vị gá
THIẾT KẾ HỆ THỐNG ĐIỆN
Sơ đồ khối mạch điện
Thiết kế hệ thống cảm biến dò line
Driver, cảm biến màu sắc
CẤU TRÚC ĐIỀU KHIỂN
Lựa chọn phương án điều khiển
Cả Lựa chọn giải thuật nhóm điều khiển
Thiết kế bộ điều khiển, xây dựng hàm truyền, thiết kế bộ PID,
Lập trình điều khiển Cả nhóm
KẾT QUẢ THỰC NGHIỆM
Kiểm tra thực nghiệm với các yêu cầu đề bài
Chương 7: Báo cáo hoàn chỉnh
PowerPoint, thuyết minh, bản vẽ
Chương 8: Bảo vệ Cả nhóm
Bảng 5 Biểu đồ Gantt phân công nhiệm vụ các thành viên
2 bánh dẫn động đặt phía sau và 1 bánh mắt trâu phía trước Đây là mô hình có kết cấu đơn giản, chuyển hướng dễ dàng và thỏa yêu cầu tải hàng được đặt ra.
Hình 24 Sơ đồ nguyên lí của Robot đã chọn
Robot di chuyển trên sa bàn có địa hình bằng phẳng, không dốc, trơn trượt, sử dụng bánh xe bọc cao su, không có gai là phù hợp Nhóm chọn bánh xe V2, với các thông số kỹ thuật:
Chất liệu: nhựa, mút, cao su.
Hình 25 Bánh xe 85mm Bánh bị động
Chọn bánh mắt trâu vì có nhiều ưu điểm: bền, bám đường tốt và linh hoạt trong việc đổi hướng Thông số kỹ thuật của bánh mắt trâu:
Khoảng cách 2 lỗ bắt vít: 40 mm
Đường kính lỗ vít: 4 mm
Hình 26 Bánh mắt trâu biến hồng ngoại (Infrared Sensor), cảm biến quang trở (photoresistor), cảm biến phototransistor Cảm biến dò line cần đáp ứng 3 tiêu chí quan trọng:
Khả năng nhận diện đường line
Nhóm chọn cảm biến hồng ngoại TCRT5000.
2.3 Lựa chọn cảm biến màu sắc
Với 3 loại cảm biến màu sắc thường dùng nêu ra ở phần tổng quan: cảm biến tương phản, cảm biến màu sắc, cảm biến huỳnh quang Nhóm chọn cảm biến
TCS3200 với độ chính xác cao, chống nhiễu tốt.
Thông số kỹ thuật cảm biến TCS3200:
TCS3200 nhận biết màu sắc bằng cách đo phản xạ 3 màu cơ bản từ vật thể: đỏ, xanh lá, xanh dương và xuất ra tần số xung tương ứng với 3 màu này qua các chân tín hiệu, đo 3 tần số xung này, qua 1 vài bước chuyển đổi nhất định có được thông tin của màu sắc đã đo.
Hình 27 Sơ đồ nguyên lí TCS3200
OUT Đầu ra tín hiệu số
S0, S1 Lựa chọn tỉ lệ tần số
Bảng 6 Các chân nối của TCS3200
3 Lựa chọn phương án điều khiển và giải thuật điều khiển
Về phương án điều khiển, có 2 cấu trúc điều khiển như đã trình bày: điều khiển tập trung và điều khiển phân cấp Dựa vào các ưu và nhược điểm của 2 phương án, nhóm chọn điều khiển tập trung để đảm bảo cấu trúc đơn giản và tiết kiệm chi phí.
Bảng 7 Phương pháp điều khiển tập trung
Về giải thuật điều khiển, từ việc nhận được các sai số liên tục được trả về giữa đường line và điểm tracking, sử dụng bộ điều khiển để đưa sai số về 0 Các bộ điều khiển thường được sử dụng như P, PI, PD, PID Để lựa chọn chính xác bộ điều khiển, cần xây dựng mô hình động học và động lực học.
4 Lựa chọn vật liệu làm khung
Vật liệu làm khung phải nhẹ, phổ biến trên thị trường, cứng vững ,để có thể tải khối hàng 2 kg và giúp xe di chuyển linh hoạt Có 3 loại vật liệu thường được sử dụng là nhôm, mica, gỗ.
Nhôm Mica Gỗ Ưu điểm Động cơ trái trái phải Động cơ phải
Nhẹ hơn so với gỗ và mica, độ bền cao
Dẻo, nhẹ, dễ tạo hình, chống va đập tốt, độ bền khá cao
Cách điện, cách nhiệt, giá thành rẻ
Nhẹ, dễ gia công, độ bền khá cao
Cách điện, cách nhiệt, giá thành rẻ
Giá thành cao hơn so với mica và gỗ Chịu lực kém hơn nhôm Chịu tải và va đập kém
Bảng 8 So sánh ưu, nhược điểm các loại vật liệu có thể dùng làm khung xe
Từ bảng so sánh, nhóm quyết định chọn nhôm để làm vật liệu cho khung xe.
Công suất và momen xoắn của động cơ.
Xe di chuyển trên sa bàn bằng phẳng, không dốc, không nghiêng
Xe qua cua và bám line tốt
Thời gian gia tốc đạt đến tốc độ ổn định 0,5 (s)
Bánh chủ động là bộ phận trực tiếp làm xe chuyển động Bánh xe phải có khả năng bám đường tốt, không trơn trượt, chịu tải ổn định, dễ dàng tháo lắp và thay thế.
Với những yêu cầu kỹ thuật trên chọn bánh xe có đường kính V2
Hình 28 Bánh xe V2 85mm khớp lục giác 12mm
Vật liệu Đường kính (mm) Độ rộng bánh (mm) Khối lượng (g)
Bảng 9 Thông số bánh xe V2
Bánh bị động có thiết kế đơn giản, có thể di chuyển đa hướng, khi đổi hướng không bị trượt không thay đổi trọng tâm xe lúc di chuyển Bánh bị động phải nhẹ để
Robot có thể di chuyển nhanh trên đường đua.
Với yêu cầu đó, bánh bị động được sử dụng là bánh bi cầu (bánh mắt trâu).
Hình 29 Bánh đa hướng mắt trâu đa hướng kim loại lớn
Khoảng cách lỗ bắt vít (mm)
Hình 30 Thông số kỹ thuật của bánh mắt trâu
Hình 31 Sơ đồ phân tích lực của xe dựa theo sơ đồ nguyên lí đã chọn Điều kiện chuyển động của xe:
𝐹 𝑐 : lực cản lăn lên bánh xe (N)
𝐹 𝑖 : lực cản xe khi lên xuống dốc (N)
𝐹 𝑤 : lực cản của không khí (N)
𝐹 𝑗 : lực quán tính khi xe chuyển động (N)
𝐹 𝑐𝑐 : tổng hợp các lực cản lên xe (N)
𝐹 𝑥 : lực kéo, sinh ra từ momen bánh xe (N)
𝐹 𝜑 : lực bám dính của mặt đường (N)
Trong tính toán, 𝐹 𝑖 được bỏ qua thì sa bàn là một mặt phẳng, không có dốc và
𝐹 𝑤 cũng được bỏ qua vì xe chạy với vận tốc không quá cao.
Lực cản lăn 𝐹 𝑐 , lực quán tính 𝐹 𝑗 , lực bám dính của đường 𝐹 𝜑 được tính như sau:
𝑓: hệ số cản lăn, 𝑓 = 0.018 dựa vào bảng II-1 tài liệu [2], đường nhựa tốt, vận tốc 𝑣 ≤ 22 m/s.
Lực bám đường đối với mỗi bánh chủ động:
𝜑: hệ số bám dính mặt đường, 𝜑 = 0.75, dựa vào bảng I-3 in tài liệu[2], trường hợp đường nhựa khô sạch hay đường bê tông.
𝑁1: phản lực lên bánh xe theo tài liệu[2], trong trường hợp xe ô tô và máy kéo, trọng tâm xe thường đặt gần bánh sau để nhận 0,7 trọng lượng toàn xe để đảm bảo lực phản lực lên bánh xe Do đó 𝐹 𝑧2 = (0,65 − 0,7)𝑃/2, để giảm hiện tượng trượt bánh xe Do đó chọn 𝐹 𝑧2 = 0,35𝑃
Thông số Giá trị Đơn vị
Thông số Giá trị Đơn vị
Lực bám dính 1 bánh chủ động,
Bảng 11 Thông số tính toán được
Do đó, điều kiện chuyển động của xe là:
Vậy gia tốc đặt ra là phù hợp
Momen cần thiết cung cấp cho bánh xe:
184.9940 ≤ 𝑀 𝑘 ≤ 437.3250 Vận tốc quay của bánh xe là:
𝑛 = 𝜋𝑑 = 179.7515 (𝑅𝑃𝑀) Công suất động cơ thấp nhất:
Từ các thông số trên, động cơ DC giảm tốc JGB37-520 DC Geared Motor loại 12VDC 319 RPM được chọn.
Hình 32 JGB37-520 DC Geared Motor
Tốc độ đề xuất khi có tải 250 (𝑟𝑝𝑚)
Momen động cơ khi bị giữ 0,5 (𝑁𝑚) Động cơ Đường kính 33 (𝑚𝑚)
Hộp giảm tốc Đường kính 37 (𝑚𝑚)
Số xung khi qua hộp giảm tốc 330
Trục công tác Chiều dài 15.5 (𝑚𝑚) Đường kính 6 (𝑚𝑚)
Bảng 12 Thông số động cơ JGB37-520 DC Geared Motor 12V
3 Tính toán độ ổn định khi vào cua Động lực học của xe khi vào đoạn đường cong được phân tích như hình sau:
Hình 33 Phân tích động lực học khi xe đang vào đường cong
𝐶: tâm quay khi xe lật
𝐹 𝑙𝑡 : lực ly tâm tác dụng lên xe (𝑁)
ℎ: chiều cao trọng tâm xe so với mặt đường (𝑚𝑚)
𝑏: khoảng cách giữa 2 bánh xe chủ động, (𝑚𝑚),
Chọn 𝑏 = 230𝑚𝑚 để thỏa mãn điều kiện lắp được 2 động cơ Điều kiện để xe không lật, momen do trọng lực sinh ra đối với tâm C phải lớn hơn so với momen do lực li tâm sinh ra đối với tâm C, hay:
2 0,8 2 = 0,616 (𝑚) = 616 (𝑚𝑚) Điều kiện để xe không lật khi qua cua là thiết kế chiều cao trọng tâm xe không được cao hơn 616 (mm).
4.1 Xác định dung sai mặt đế
Dung sai base mặt dưới
Hình 34 Chuỗi kích thước của base trên
Trong đó, 𝐴 1 , 𝐴 2 là khâu thành phần và 𝐴 3 là khâu khép kin
Dung sai xuất hiện do sai số khi gia công khâu thành phần Gia công là cắt laser với sai số 0.1 mm
Trong đó, 𝐵 1 , 𝐵 2 , 𝐵 3 , 𝐵 4 , 𝐵 5 là khâu thành phần và 𝐵 6 là khâu khép kin
Dung sai xuất hiện do sai số khi gia công khâu thành phần Gia công là cắt laser với sai số 0.1 mm
Dung sai base mặt dưới
Dung sai cắt laser theo chuỗi kích thước
Dung sai base mặt dưới
Dung sai cắt laser theo chuỗi kích thước
Hình 35 Chuỗi kích thước của base dưới
Trong đó, 𝐴 1 , 𝐴 2 là khâu thành phần và 𝐴 3 là khâu khép kín
Dung sai xuất hiện do sai số khi gia công khâu thành phần Gia công là cắt laser với sai số 0.1 mm
Dung sai định vị gá
Do ta gia công bằng phay nên chọn CCX là 11, dựa theo bảng 2.15 trang 95; bảng
2.29 trang 112 Sổ tay dung sai lắp ghép – Ninh Đức Tốn ta chọn dung sai để gia công
Hình 36 Chuyển vị base dưới
Giá trị chuyển vị lớn nhất là: 1.55 × 10 −2 (𝑚𝑚) với độ dày là 3mm thì chuyển vị chiếm 0.51%
Hình 37 Chuyển vị base trên
Giá trị chuyển vị lớn nhất là: 6.217 × 10 −2 (𝑚𝑚), với độ dày là 3mm thì chuyển vị chiếm 2.07%
Hình 38 Mô hình xe Robot 3D
Hình 39 Sơ đồ khối mạch điện
2 Thiết kế hệ thống cảm biến dò line
2.1 Khả năng nhận diện line
2.1.1 Nguyên lý hoạt động của cảm biến TCRT5000
Cảm biến dò Line TCRT5000 làm việc dựa trên nguyên lí giống như cảm biến hồng ngoại Về cơ bản, module TCRT5000 gồm một đèn led phát hồng ngoại và một led thu hồng ngoại Khi nhân được tín hiệu hồng ngoại từ đèn phát thì đèn thu sẽ hoạt động Khi có ánh sáng hồng ngoại từ led phát, nếu có một vật cản, ánh sáng sẽ được
Hình 40 Cấu hình chân TCRT5000
Collector: Chân collector của phototransistor được kết nối với điện áp + 5V qua một điện trở
Emitter: Chân emitter của phototransistor được nối đất
AnodeA: Cực anode của diode quang được kết nối với + 5V qua một điện trở Cathode: Cực cathode của photodiode được nối đất
Loại thiết bị dò: Cảm biến IR với đầu ra transistor
Phạm vi hoạt động trong khoảng >20% dòng điện
Dòng điện phân cực thuận diode: 60mA
Dòng điện cực collector của transistor: 100mA (tối đa)
Đầu ra: analog hoặc digital
Điện áp bão hòa bộ thu phát:
Yêu cầu đối với cảm biến: Thời gian đáp ứng nhỏ hơn 0,01 (s), sai số nhỏ hơn
3 (mm) Điện trở cảm biến
Hình 42 Sơ đồ mắc điện trở trong TCRT5000 Để sử dụng cảm biến trong mạch 5V, sử dụng hai điện trở: Điện trở đầu tiên mắc nối tiếp với đèn Led để hạn chế dòng điện, đặt dòng diện ở mức thích hợp Dòng điện phải đủ lớn để chiếu sáng bề mặt một cách thích hợp với ánh sáng hồng ngoại nhưng không lớn đến mức đèn Led bị cháy sáng (tuổi thọ thấp).
Hình 43 Sơ đồ quan hệ giữa tỉ lệ truyền và dòng điện tức thời
Dựa vào đồ thị, khi 𝐼 𝐹 = 10~90 mA thì sẽ cho ra tỉ lệ chuyển đổi dòng ở mức tối ưu ≈ 10% Do đó, để đạt được tỉ lệ chuyển đổi dòng tối đa, ta chọn 𝐼 𝐹 = 40 Lúc này, áp dụng định luật Ohm:
=> Chọn điện trở 𝑹 𝟏 = 𝟏𝟎𝟎 𝛀 Điện trở thứ hai sử dụng kết hợp với phototransistor để tạo thành một bộ chuyển đổi ánh sáng thành điện áp –tức là để tạo ra một điện áp tăng hoặc giảm khi cường độ ánh sáng thay đổi.
Hình 44 Đồ thị quan hệ giữa 𝐼𝑐 , 𝐼𝐹 và 𝑉𝐶𝐸
Xét ở dòng bão hòa, lúc này 𝐼 𝐹 = 10 mA, để tối ưu thì 𝐼 𝐶 = 1 mA đạt được khi
𝑉 𝐶𝐸 = 0,5 V Áp dụng định luật Ohm:
2.2.1 Tính toán chiều cao đặt cảm biến
Theo datasheet, góc phát của Emitter 𝛼 = 16°, góc thu Detector 𝛽 = 30°, khoảng cách giữa Emitter và Detector cảm biến 𝑑 = 3.5 mm
Hình 45 Thông số đầu vào của cảm biến
2 Để cảm biến hoạt động, cần đảm bảo xuất hiện vùng giao thoa 𝑋 𝑑
Sau khi tính toán, thực hiện đo nhiều lần một cảm biến rồi lấy trung bình giá trị cho mỗi khoảng cách Dưới đây, thực hiện đo với 2 cặp giá trị điện trở có thỏa điều kiện với datasheet của TCRT5000:
Giá trị nhận được khi sử dụng bộ điện trở 100-
56789 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 Nền trắng Nền đen Đối với giá trị cảm biến thực nghiệm với cặp điện trở 100 Ohm và 4k7 Ohm
Hình 46 Đồ thị giá trị chiều cao đặt cảm biến thu được từ thực nghiệm 100 Ohm và 4k7 Ohm
Khoảng cách Nền trắng Nền đen
Bảng 13 Giá trị chiều cao đặt cảm biến thu được với cặp điện trở 100 Ohm và 4k7 Ohm
Giá trị nhận được khi sử dụng bộ điện trở 220-5,1k ohm
Nền trắng Nền đen Đối với giá trị cảm biến thực nghiệm với cặp điện trở 220 Ohm và 10k Ohm
Hình 47 Đồ thị giá trị chiều cao đặt cảm biến thu được từ thực nghiệm với cặp điện trở
Khoảng cách Nền trắng Nền đen
Hình 48 Giá trị chiều cao đặt cảm biến thu được với cặp điện trở 220 Ohm và 10k Ohm