Thiết kế mô hình và điều khiển hệ thống Mobile Robot lưu kho tự động

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP NGÀNH CNKT ĐIỀU KHIỂN VÀ TỰ ĐỘNG HÓA THIẾT KẾ MƠ HÌNH VÀ ĐIỀU KHIỂN HỆ THỐNG MOBILE ROBOT LƯU KHO TỰ ĐỘNG GVHD: TS TRẦN MẠNH SƠN SVTH: NGUYỄN HỒNG PHI KHƠI PHAN TRỌNG TẤN SKL011224 Tp Hồ Chí Minh, tháng 07/2023 TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT TP HỒ CHÍ MINH KHOA ĐÀO TẠO CHẤT LƯỢNG CAO ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP THIẾT KẾ MƠ HÌNH VÀ ĐIỀU KHIỂN HỆ THỐNG MOBILE ROBOT LƯU KHO TỰ ĐỘNG SVTH: NGUYỄN HOÀNG PHI KHÔI MSSV: 19151145 SVTH: PHAN TRỌNG TẤN MSSV: 19151170 KHÓA: 2019-2023 NGÀNH: CNKT ĐIỀU KHIỂN VÀ TỰ ĐỘNG HÓA GVHD: TS TRẦN MẠNH SƠN Tp Hồ Chí Minh, tháng 07 năm 2023 CỘNG HỊA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM Độc lập – Tự – Hạnh phúc *** -Tp Hồ Chí Minh, ngày - tháng - năm 2023 NHIỆM VỤ ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP Họ tên sinh viên 1: Phan Trọng Tấn MSSV: 19151170 Họ tên sinh viên 2: Nguyễn Hoàng Phi Khôi MSSV: 19151145 Ngành: CNKT Điều Khiển Tự Động Hóa Lớp: 19151CL2 Giáo viên hướng dẫn: TS Trần Mạnh Sơn ĐT: 0918802638 Ngày nhận đề tài: Ngày nộp đề tài: Tên đề tài: THIẾT KẾ MƠ HÌNH VÀ ĐIỀU KHIỂN HỆ THỐNG MOBILE ROBOT LƯU KHO TỰ ĐỘNG Các số liệu, tài liệu ban đầu: Về tài liệu: tìm hiểu nghiên cứu đề tài, báo mơ hình Mobile Robot điều khiển đa hướng để xây dựng phát triển hệ thống mô hình Tìm hiểu cách thiết kế hệ thống kho lưu trữ sử dụng mã QR định hướng (QR Code Nevigation) Tìm hiểu cách thức giao tiếp MQTT broker/client webserver Nội dung thực đề tài: Thiết kế mơ hình Mobile Robot sử dụng bánh xe đa hướng mecanum Viết chương trình xử lý đọc mã QR ngôn ngữ python Thiết lập giao thức kết nối MQTT RaspberryPi, ESP máy tính Thiết kế trang web giám sát vị trí điều khiển mơ hình robot với hệ thống kho lưu trữ tự động dựa ngơn ngữ lập trình HTML với CSS JavaScript Sản phẩm: Mơ hình Mobile Robot, mơ hình kho, chương trình thuật tốn điều khiển, báo cáo TRƯỞNG NGÀNH GIẢNG VIÊN HƯỚNG DẪN i CỘNG HÒA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM Độc lập – Tự – Hạnh phúc *** PHIẾU NHẬN XÉT CỦA GIÁO VIÊN HƯỚNG DẪN Họ tên sinh viên 1: Phan Trọng Tấn MSSV: 19151170 Họ tên sinh viên 2: Nguyễn Hồng Phi Khơi MSSV: 19151145 Ngành: CNKT Điều Khiển Tự Động Hóa Lớp: 19151CL2 Họ tên Giáo viên hướng dẫn: TS Trần Mạnh Sơn NHẬN XÉT Về nội dung đề tài & khối lượng thực hiện: Ưu điểm: Khuyết điểm: Đề nghị cho bảo vệ hay không? Đánh giá loại: Điểm:…………(Bằng chữ: ) Tp Hồ Chí Minh, ngày tháng năm 2023 Giáo viên hướng dẫn (Ký & ghi rõ họ tên) ii CỘNG HÒA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM Độc lập – Tự – Hạnh phúc *** PHIẾU NHẬN XÉT CỦA GIÁO VIÊN PHẢN BIỆN Họ tên sinh viên 1: Phan Trọng Tấn MSSV: 19151170 Họ tên sinh viên 2: Nguyễn Hoàng Phi Khôi MSSV: 19151145 Ngành: CNKT Điều Khiển Tự Động Hóa Lớp: 19151CL2 Họ tên Giáo viên phản biện: NHẬN XÉT Về nội dung đề tài & khối lượng thực hiện: Ưu điểm: Khuyết điểm: Đề nghị cho bảo vệ hay không? Đánh giá loại: Điểm:……………….(Bằng chữ: ) Tp Hồ Chí Minh, ngày tháng Giáo viên phản biện (Ký & ghi rõ họ tên) năm 2023 iii LỜI CẢM ƠN Đồ án tốt nghiệp đóng vai trị khơng thể thiếu bước cuối cùng, tuyệt đối quan trọng hành trình học tập sinh viên trước bước vào cánh cổng tốt nghiệp Trải qua năm học tập trường, chúng em không nhắc đến sự giúp đỡ hướng dẫn tận tâm từ thầy cô giảng dạy, người hướng dẫn người bạn đồng học Nhờ vào sự chia sẻ kiến thức, sự dìu dắt sự giúp đỡ, chúng em vượt qua khó khăn, hồn thành trình bày thành cơng đề tài luận án tốt nghiệp Những yếu tố khơng nguồn động lực mạnh mẽ mà hành trang quan trọng, góp phần xây dựng nên sự tự tin hiểu biết chúng em, không quãng đường qua mà cịn tương lai phía trước Đầu tiên, chúng em xin chân thành gửi lời tri ân biết ơn sâu sắc tới tất quý thầy cô ngành CNKT Điều khiển Tự Động Hóa Trường Đại học Kỹ Thuật Thành Phố Hồ Chí Minh Những kiến thức mà chúng em học từ quý thầy cô tảng vững chắc, định hình hướng cho chúng em, từ chúng em vươn xa tiến bước đường nghiên cứu phát triển lĩnh vực Tiếp theo, chúng em muốn gửi lời tri ân chân thành đến thầy TS Trần Mạnh Sơn, người tận tâm giúp đỡ, tạo điều kiện thuận lợi theo sát chúng em suốt q trình thực hồn thành luận văn nói riêng, q trình học tập chung Đóng vai trị người hướng dẫn đáng tin cậy, thầy cung cấp cho chúng em lời khuyên quý báu, dẫn chi tiết định hình hướng xác, giúp chúng em vượt qua khó khăn phát triển tư nghiên cứu Tiếp đến, chúng em muốn bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc đến cô Thạc sĩ Nguyễn Trần Minh Nguyệt Cô không người dạy chúng em môn học mà người tư vấn, hướng dẫn chia sẻ kinh nghiệm quý giá lộ trình học tập nghiên cứu Sự tận tâm đóng góp cô tạo điều kiện thuận lợi giúp chúng em có kiến thức thực tế, áp dụng vào đồ án dự án Cuối cùng, chúng em xin cảm ơn đến tất quan tâm, đóng góp ý kiến hỗ trợ chúng em trình nghiên cứu thực đồ án tốt nghiệp Nhận ý kiến đóng góp q báu từ thầy sự quan tâm người giúp chúng em rút học quý giá nâng cao kiến thức thực tế mình, để từ áp dụng vào dự án đề án tương lai Trân trọng! iv TÓM TẮT LUẬN VĂN Dự án tập trung vào thiết kế hệ thống mobile robot đa hướng kho lưu trữ, sử dụng mã QR để định vị đọc thơng tin vị trí Hệ thống sử dụng giao thức MQTT để truyền/nhận liệu thơng qua MQTT broker Ngồi ra, thiết kế giao diện web để giám sát điều khiển hệ thống kho lưu trữ vị trí mobile robot Mobile robot trang bị camera để phát đọc mã QR vị trí kho Khi robot đọc mã QR, lưu trữ thơng tin vị trí sử dụng để xác định hướng di chuyển kho Kho lưu trữ chia thành vị trí định danh sử dụng mã QR cho vị trí Mã QR chứa thơng tin vị trí robot đọc mã QR để xác định vị trí kho Giao tiếp thành phần hệ thống thực thông qua giao thức MQTT MQTT broker sử dụng để truyền/nhận liệu mobile robot, kho lưu trữ giao diện web MQTT broker đóng vai trị trung gian để gửi nhận thông điệp thành phần Giao diện web thiết kế để cung cấp giám sát điều khiển hệ thống Nó hiển thị thơng tin vị trí mobile robot kho lưu trữ, hoạt động di chuyển tác vụ giao cho robot Người dùng tương tác với giao diện web để gửi lệnh điều khiển robot thực tác vụ quản lý kho lưu trữ Tổng quan, dự án kết hợp nhiều công nghệ thành phần để thiết kế hệ thống mobile robot đa hướng với tích hợp mã QR, giao tiếp qua MQTT giao diện web để quản lý điều khiển kho lưu trữ vị trí robot v MỤC LỤC NHIỆM VỤ ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP i PHIẾU NHẬN XÉT CỦA GIÁO VIÊN HƯỚNG DẪN ii PHIẾU NHẬN XÉT CỦA GIÁO VIÊN PHẢN BIỆN iii LỜI CẢM ƠN iv TÓM TẮT LUẬN VĂN .v MỤC LỤC vi DANH MỤC CÁC CHỮ VIẾT TẮT ix DANH MỤC CÁC BẢNG BIỂU .x DANH SÁCH HÌNH ẢNH xi Chương TỔNG QUAN 1.1 ĐẶT VẤN ĐỀ 1.2 LÝ DO CHỌN ĐỀ TÀI 1.3 MỤC TIÊU .3 1.4 NỘI DUNG NGHIÊN CỨU 1.5 GIỚI HẠN Chương CƠ SỞ LÝ THUYẾT 2.1 ĐỘNG HỌC ROBOT BÁNH .5 2.1.1 Ma trận Jacobian 2.1.2 Động học robot bánh mecanum đa hướng 2.2 CÁCH THỨC GIAO TIẾP UART 13 2.2.1 Giới thiệu giao tiếp UART .14 2.2.2 Cách thức hoạt động giao tiếp UART 15 2.2.3 Các tính nằng UART 17 2.2.4 Cách triển khai UART ứng dụng nhúng 17 2.2.5 Các ứng dụng thực tế UART 18 2.3 CÁCH THỨC GIAO TIẾP MQTT 18 2.3.1 Giới thiệu giao tiếp MQTT .18 2.3.2 Cách MQTT hoạt động 19 vi 2.3.3 Các tính MQTT 20 2.3.4 Cách triển khai MQTT ứng dụng IoT 20 2.3.5 Các ứng dụng thực tế MQTT 21 2.4 HTTP GIAO THỨC TRUYỀN TẢI DỮ LIỆU GIỮA WEB SERVER VÀ TRÌNH DUYỆT WEB 21 2.4.1 Giới thiệu HTTP .21 2.4.2 Cách HTTP hoạt động 22 2.4.3 Các tính HTTP .22 2.4.4 Cách triển khai HTTP ứng dụng thực tế 23 2.5 NGÔN NGỮ LẬP TRÌNH WEB 23 2.5.1 HTML 23 2.5.2 CSS 24 2.5.3 JavaScript 24 2.6 XỬ LÝ ẢNH 25 2.6.1 Tổng quan 25 2.6.2 Mã QR (Quick Response) .27 Chương KHẢO SÁT LINH KIỆN 29 3.1 RASPBERRY PI 4B 29 3.2 CAMERA 8MP RASPBERRY PI V2 30 3.3 ARDUINO MEGA 31 3.4 ESP32 MODULE THU PHÁT WIFI BLUETOOTH 32 3.5 STEPSTICK DRV8825 MẠCH ĐIỀU KHIỂN ĐỘNG CƠ BƯỚC .33 3.6 ĐỘNG CƠ SERVO MG996R GIẢM TỐC RC 180 ĐỘ 34 3.7 ĐỘNG CƠ BƯỚC NEMA17 .34 3.8 BÁNH XE ĐA HƯỚNG MECANUM 35 3.9 PIN LITHIUM POLYMER (LIPO) .36 3.10 PIN CELL 36 3.11 CÁC LINH KIỆN KHÁC 37 Chương THI CÔNG HỆ THỐNG .38 4.1 SƠ ĐỒ KHỐI 38 4.2 SƠ ĐỒ KẾT NỐI 39 vii 4.3 MƠ HÌNH THỰC NGHIỆM 40 4.3.1 Mơ hình Mobile Robot bánh đa hướng 40 4.3.2 Mơ hình kho 41 4.4 LƯU ĐỒ GIẢI THUẬT .43 4.4.1 Chương trình di chuyển Mobile Robot 43 4.4.2 Chương trình xử lý RaspberryPi .44 4.4.3 Chương trình ESP32 45 4.5 THIẾT KẾ HỆ THỐNG CHO MOBILE ROBOT 47 4.5.1 Kết nối giao tiếp UART 47 4.5.2 Kết nối hệ thống MQTT 47 4.5.3 Thiết kế giao diện người dùng .50 4.5.4 Đọc mã QR 51 Chương THỰC NGHIỆM, PHÂN TÍCH, TỔNG HỢP .53 5.1 KẾT QUẢ THỰC HIỆN VÀ PHÂN TÍCH 53 5.1.1 Đọc mã QR 53 5.1.2 Tốc độ di chuyển Robot 55 5.1.3 Thực nghiệm xuất/nhập hàng 56 5.2 TỔNG HỢP 64 Chương KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN 65 6.1 KẾT LUẬN 65 6.2 HƯỚNG PHÁT TRIỂN 65 TÀI LIỆU THAM KHẢO 67 PHỤ LỤC .68 DỰ TRÙ KINH PHÍ 68 CHƯƠNG TRÌNH ĐIỀU KHIỂN 69 viii