Nghiên cứu chế tạo và điều khiển robot amr

Tên đề tài: Nghiên cứu chế tạo và điều khiển Robot AMRSinh viên thực hiện: Nguyễn Văn Sỹ MSV: 1911504410138 Lớp:19CDT1 Điều hướng cho robot di động là một vấn đề có nhiều ứng dụng to lớn

ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT

ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP

ĐẠI HỌC

NGÀNH: CƠ KHÍ CHUYÊN NGÀNH: CƠ ĐIỆN TỬ

ĐỀ TÀI:

TÊN ĐỀ TÀI: NGHIÊN CỨU CHẾ TẠO VÀ

ĐIỀU KHIỂN ROBOT AMR

Người hướng dẫn: TS Trần Ngọc Hoàng Sinh viên thực hiện: Nguyễn Văn Sỹ 1911504410138

ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT

KHOA CƠ KHÍ

ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP

ĐẠI HỌC

NGÀNH: CƠ KHÍ CHUYÊN NGÀNH: CƠ ĐIỆN TỬ

ĐỀ TÀI:

TÊN ĐỀ TÀI: NGHIÊN CỨU CHẾ TẠO VÀ

ĐIỀU KHIỂN ROBOT AMR

Người hướng dẫn: TS Trần Ngọc Hoàng

Sinh viên thực hiện: Nguyễn Văn Sỹ 1911504410138

Lê Phước Trường 1911504410151

Tên đề tài: Nghiên cứu chế tạo và điều khiển Robot AMR

Sinh viên thực hiện: Nguyễn Văn Sỹ MSV: 1911504410138 Lớp:19CDT1

Điều hướng cho robot di động là một vấn đề có nhiều ứng dụng to lớn và liênquan tới nhiều lĩnh vực Đây cũng là một hướng ứng dụng trọng tâm của ROS Trong

đề tài này, bài toán định hướng được nghiên cứu trên một robot tự hành phát triển trênnền tảng ROS Bằng việc ứng dụng thành công ROS, robot đã có khả năng tự định vịtrong một môi trường có những đặc điểm biết trước đồng thời phản ứng thích hợp vớinhững vật cản chưa xác định nhằm tìm đường di chuyển đến một vị trí đích đã định

Từ tính năng cơ bản này, trong tương lai gần chúng em có thể khai thác sâu hơn cáctính năng của ROS, tích hợp các kỹ thuật định vị tiên tiến giúp cho robot có thể dichuyển chính xác hơn, phạm vi hoạt động rộng nhằm phục vụ cho các ứng dụng trongđời sống con người

Sau khi hoàn thành đồ án, nhóm chúng em đã chế tạo thành công robot có khả năng

vẽ lại một môi trường chưa xác định với độ chính xác cao Bên cạnh đó, robot còn cókhả năng tự định vị và di chuyển đến đích khá tốt với quãng đường đi là ngắn nhất.Trong quá trình điều hướng, robot sẽ tự động tránh các vật cản cố định cũng như phảnứng tránh các vật cản di động

KHOA CƠ KHÍ

o0o NHIỆM VỤ ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP

Giảng viên hướng dẫn : TS Trần Ngọc Hoàng

Họ và tên sinh viên : Nguyễn Văn Sỹ MSV : 1911504410138

Võ Trung Đông MSV : 1911504410112

Lê Phước Trường MSS : 1911504410151

Chuyên Ngành : Công Nghệ Kỹ Thuật Cơ Điện Tử

1 Tên đề tài tốt nghiệp:

Nghiên cứu chế tạo và điều khiểu Robot AMR

- Tham khảo các phương pháp tự hành trong thực tế

- Các mô hình robot điều hướng.

2 Nội dung thuyết minh và tính toán:

- Tổng quan đề tài

- Phân tích và lựa chọn phương án thiết kế

- Tính toán thiết kế cơ khí, điều khiển cho hệ thống

- Thi công mô hình

- Vận hành thực tế hệ thống đưa ra kết luận

3 Các bản vẽ:

- Bản vẽ tổng thể hệ thống

- Bản vẽ kết cấu

4 Ngày giao nhiệm vụ thiết kế: 31/8/2023

5 Ngày hoàn thành thiết kế tốt nghiệp: 31/12/2023

Thông qua Bộ môn Đà nẵng, ngày tháng năm Ngày tháng năm CÁN BỘ HƯỚNG DẪN

Trưởng bộ môn (Ký, ghi rõ họ tên)

(Ký, ghi rõ họ tên)

Ngày nay, cùng với sự phát triển nhanh chóng của khoa học và công nghệ, lĩnhvực Robot thông minh đang là một xu hướng được nghiên cứu và phát triển của nhiềuquốc gia trên thế giới Sự ra đời của Robot thông minh đã có những đóng góp to lớntrong các ngành công nghiệp và xã hội giai đoạn vừa qua Hiện nay, có rất nhiều ứngdụng của hệ thống robot thông minh được tìm thấy trong nhiều lĩnh vực như hệ thốngđiều khiển, hệ thống quản lý sản xuất, AGV (Robot tự động di chuyển theo đườngdẫn), chống thảm hoạ và hỗ trợ y tế Tuy nhiên vấn đề ở đây là việc sao để robot tựhành có thể di chuyển, nhận biết môi trường và thực hiện được nhiệm vụ đặt ra Vấn

đề đầu tiên là di chuyển, robot tự hành nên di chuyển thế nào và cơ cấu di chuyển nào

là sự lựa chọn tối ưu nhất Điều hướng là vấn đề cốt lõi trong nghiên cứu và phát triểnRobot tự hành

Từ các thực tế trên, mục tiêu của đề tài là xây dựng robot tự hành dựa trên nềntảng ROS2, robot có khả năng lập bản đồ ở một không gian chưa xác định, định vị và

di chuyển đến địa điểm khác hoàn toàn tự động Thông qua đó có thể trợ giúp cho conngười trong các công việc đòi hỏi tính chính xác cao, tần suất làm việc lớn cũng nhưcác công việc khó khăn, nguy hiểm

Tuy thời gian có hạn, song với tinh thần ham học và nỗ lực của bản thân chúng

em đã hoàn thành đề tài đúng với mục tiêu đặt ra Bên cạnh đó cũng không tránh được

sự sai sót Do vậy chúng em rất mong có những góp ý chân thành của các thầy, cô để

đề tài có kết quả cao nhất

Nhân đây, chúng em xin gửi lời cảm ơn sâu sắc nhất đến TS Trần Ngọc Hoàngngười đã tận tình hướng dẫn, truyền đạt các kiến thức chuyên môn, cung cấp nhiều tàiliệu cần thiết, chia sẻ nhiều kinh nghiệm quý báu trong suốt quá trình thực hiện đồ án.Hơn nữa, chúng tôi xin cảm ơn ông Phạm Thế Nhân – Phó Giám đốc Công viên Phầnmềm Đà Nẵng đã quan tâm và giúp đỡ chúng tôi tạo ra không gian làm việc tốt nhấtcho chúng tôi Ngoài ra, chúng em cũng thật sự biết ơn những thầy cô giáo trongngành Kỹ Thuật Cơ Điện Tử đã giảng dạy chu đáo, cung cấp những kiến thức chuyênsâu góp phần quan trọng để chúng em có thể hoàn thiện đề tài này

Chúng em xin cam đoan đây là báo cáo đồ án tốt nghiệp của chúng em được thựchiện trong thời gian qua Các thông tin, số liệu và kết quả nghiên cứu của chúng em sửdụng trong báo cáo đồ án tốt nghiệp là trung thực Các dữ liệu và luận điểm được tríchdẫn nguồn và chú thích rõ ràng Chúng em xin hoàn toàn chịu trách nhiệm trước nhàtrường, khoa và bộ môn về sự cam đoan này

Sinh viên thực hiện

NHẬN XÉT CỦA NGƯỜI HƯỚNG DẪN i

NHẬN XÉT CỦA DOANH NGHIỆP i

NHẬN XÉT CỦA NGƯỜI PHẢN BIỆN ii

TÓM TẮT iii

NHIỆM VỤ ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP v

LỜI NÓI ĐẦU vi

CAM ĐOAN vii

MỤC LỤC viii

DANH SÁCH CÁC BẢNG, HÌNH VẼ xi

DANH SÁCH CÁC KÝ HIỆU, CHỮ VIẾT TẮT xiii

MỞ ĐẦU 14

CHƯƠNG 1 : GIỚI THIỆU 16

1.1 Tổng Quan Về Đề Tài 16

1.2 Phạm vi ứng dụng 17

1.3 Tổng quan hệ thống 18

CHƯƠNG 2 : THIẾT KẾ HỆ THỐNG CƠ KHÍ 20

2.1 Tổng quan hệ thống cơ khí 20

2.1.1 Lựa chọn vật liệu chế tạo 20

2.1.2 Lựa chọn cơ cấu lái 21

2.1.2.1 Mô hình động học của robot 22

2.1.3 Lựa chọn động cơ 24

2.1.4 Tính toán động cơ 24

2.1.5 Các thành phần của bộ phận 27

2.2 Kết luận chương 28

CHƯƠNG 3 : THIẾT KẾ HỆ THỐNG ĐIỆN 29

3.1 Tổng quan hệ thống điện 29

3.2 Lựa chọn và tính toán bộ nguồn(Pin) 29

3.2.1 Pin Li-Ion 29

3.2.2 Pin Li-Po 30

3.2.3 So sánh pin Li-Po và pin Li-Ion 30

3.2.3.1 Cấu tạo 30

3.2.3.2 Nguyên lý hoạt động 31

3.2.3.3 Giá của pin Li-Ion và pin Li-Po 32

3.3 Module Driver L298 [14] 33

3.4 Mạch nguồn hạ áp DC-DC 10A XL4016 ADJ - Có hạn dòng 35

3.5 Arduino [15] 36

3.6 Raspberry Pi [17] 39

3.7 LIDAR 41

3.7.1 Giới thiệu 41

3.7.2 Nguyên tắc 41

3.7.3 RPLIDAR A1M8 42

3.8 Sơ đồ hệ thống nguyên lý 43

3.8.1 Sơ đồ nguyên lý 43

3.8.2 Sơ đồ khối hoạt động mô hình 45

CHƯƠNG 4 : HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN 46

4.1 Thiết kế hệ thống điều khiển 46

4.1.1 Tổng quan về hệ thống điều khiển 46

4.1.2 Lựa chọn giải pháp thiết kế điều hướng robot 46

4.1.3 Phương thức liên lạc 49

4.1.3.1 UART 49

4.1.3.1.1 Giới thiệu 49

4.1.3.1.2 Nguyên lý hoạt động [19] 50

4.1.3.1.3 Ưu điểm và nhược điểm của giao tiếp UART 51

4.2 Triển khai hệ thống điều khiển 51

4.2.1 Giới thiệu tổng quan về hệ điều hành ROS 51

4.2.2 Tính năng của ROS 52

4.2.3 Cấu trúc ROS 53

4.2.3.1 Tầng ROS Filesystem: 53

4.2.3.2 Tầng ROS Computation Graph [20] 54

4.2.3.3 Tầng ROS Community 56

4.2.3.4 Các khái niệm cấp cao của ROS 56

4.2.5 Package 58

4.2.4 SLAM 67

4.2.5 Ngăn điều hướng ROS 68

4.2.6 Kết luận chương 77

CHƯƠNG 5 : KẾT LUẬN VÀ NGHIÊN CỨU TRONG TƯƠNG LAI 82

5.1 Kết quả 82

Bảng 2.1 Giải pháp vật liệu 20

Bảng 2.2 Giải pháp cơ cấu lái 21

Bảng 2.3 Giải pháp động cơ 24

Bảng 2.4 Thông số kỹ thuật của động cơ DC có bộ mã hóa 26

Bảng 3.1 Ưu nhược điểm 31

Bảng 3.2 Thông số kỹ thuật của pin 32

Bảng 3.3 Bảng thông số kỹ thuật Arduino 36

Bảng 3.4 Thông số kỹ thuật của Raspberry Pi 4 39

Bảng 3.5 Thông số kỹ thuật RPLIDAR A1M8 42

Hình 1.1 Tổng quan kết nối của hệ thống 18

Hình 1.2 Sơ đồ tổng quan của hệ thống 19

Hình 2.1 Tổng quan hệ thống cơ khí 20

Hình 2.2 Sơ đồ bố trí động cơ của robot 22

Hình 2.3 Mô hình động học của Robot 23

Hình 2.4 Phân tích lực 25

Hình 2.5 Động cơ DC có bộ mã hóa 26

Hình 2.6 Động cơ DC có tích hợp bộ mã hóa 27

Hình 2.7 Thông số kỹ thuật của giá đỡ động cơ bánh xe 27

Hình 2.8 Bánh xe điều hướng 27

Hình 2.9 Kích thước của nguyên mẫu 28

Hình 3.1 Tổng quan hệ thống điện 29

Hình 3.2 Pin Li-Ion (Nguồn: Internet) 30

Hình 3.3 Module Driver L298 33

Hình 3.4 Sơ đồ nguyên lý mạch cầu H L298 34

Hình 3.5 Sơ đồ nguyên lý IC L298 35

Hình 3.6 Mạch nguồn hạ áp DC-DC 10A XL4016 ADJ 36

Hình 3.7 Arduino Uno R3 (nguồn: Internet) 36

Hình 3.8 Cổng Ra vào 38

Hình 3.9 Raspberry Pi 4 Model B RAM 8Gb 39

Hình 3.10 Sơ đồ chân Raspberry Pi (Nguồn: Internet) 40

Hình 3.11 Nguyên lý của hệ thống LIDAR (Nguồn: Internet) 42

Hình 3.14 Sơ đồ khối hoạt động mô 45

Hình 3.15 Mạch thực tế 45

Hình 4.1 Tổng quan về hệ thống điều khiển 46

Hình 4.2 Đường đen trên nền trắng (Nguồn: Internet) 47

Hình 4.3 Đường từ và cảm biến từ (Nguồn: Internet) 47

Hình 4.4 Anten phát hiện đường dẫn điện cảm ứng (Nguồn: Internet) 48

Hình 4.5 Mã QR theo dõi (Nguồn: Internet) 48

Hình 4.6 Lidar (Nguồn: Internet) 49

Hình 4.7 Giao tiếp một chiều 49

Hình 4.8 Giao tiếp hai chiều bán song công 50

Hình 4.9 Giao tiếp hai chiều 50

Hình 4.10 Hoạt động truyền dữ liệu 50

Hình 4.11 Mô hình ROS File System level 53

Hình 4.12 Mối quan hệ giữa Stack và các gói 54

Hình 4.13 Hoạt động của các NODE 55

Hình 4.14 Hoạt động của Topic 55

Hình 4.15 Hoạt động của Services 56

Hình 4.16 Giao tiếp giữa Client và Server 57

Hình 4.17 Mô hình URDF 58

Hình 4.18 Sơ đồ truyền thông rosserial (Nguồn: Internet) 58

Hình 4.19 Sơ đồ bộ điều khiển PID của động cơ (Nguồn: Internet) 60

Hình 4.20 Mối quan hệ của các nút ROS(Nguồn: Internet) 61

Hình 4.21 Các giá trị của bộ mã hóa ảnh hưởng đến chuyển động của robot truyền động khác nhau (Nguồn: Internet) 62

Hình 4.22 Sự khác biệt giữa odometry và amcl 63

Hình 4.23 cây tf 64

Hình 4.24 Mối quan hệ giữa SLAM và move_base 66

Hình 4.25 Tổng quan cách tạo bản đồ 68

Hình 4.26 Sơ đồ tổng quan về Cấu hình ngăn xếp điều hướng(Nguồn: Internet) 69

Hình 4.27 Thiết lập ngăn xếp điều hướng 71

Hình 4.28 Bản đồ costmap_2d 72

Hình 4.29 Phát hiện chướng ngại vật 78

Hình 4.30 Bản đồ do robot tạo ra 78

Hình 4.31 Robot tự động định vị ở các vị trí khác nhau 79

Hình 4.32 Robot điều hướng không có chướng ngại vật 80

Hình 5.1 Robot điều hướng có chướng ngại vật 83Hình 5.2 Mô hình hệ thống sạc tự động docking 84

Từ viết

ROS Robot Operating System Hệ thống vận hành robotPID Proportional Integral Derivative Bộ điều khiển vi tích phân tỷ lệSLAM Simultaneous Localization AndMapping Định vị và vẽ bản đồ đồng thờiAMCL Adaptive Monte Carlo Localization Định vị Monte – Carlo thích nghiLIDAR Light Detection And Ranging Xác định ánh sáng và phạm viDWA Dynamic Window Approach Thuật toán tránh vật cảnMCU Multipoint Control Unit Thiết bị điều khiển đa điểmAPI Application Programming Interface

Phương thức, giao thức kết nốivới các thư viện và ứng dụng

khácPWM Pulse Width Modulation Điều Chế Độ Rộng Xung

UART Universal Asynchronous Receivers/Transmitter Giao Thức Gói Tin Người Dùng

MỞ ĐẦU

Mục đích thực hiện đề tài:

Mục tiêu chủ yếu của đồ án là phát triển robot có khả năng tự hành, lập bản đồ và

di chuyển đến đích mà không bị va chạm với vật cản

- Mô phỏng và điều hướng robot trên Gazebo và Rviz

- Thiết kế và chế tạo robot có khả năng vẽ bản đồ trong một không gian chưa xácđịnh

- Robot có khả năng định vị và hoạch định đường đi ngắn nhất, đi theo đường đãhoạch định

- Bên cạnh đó trong quá trình di chuyển robot có thể tránh các vật cản cố định đồngthời phản ứng thích hợp để né các vật cản di động

- Sử dụng các phần mềm lập trình như Arduino IDE và Visual Studio Code cholập trình hệ thống điều khiển của robot.

- Sử dụng hệ điều hành Ubuntu 20.04 để chạy ROS2

Đối tượng nghiên cứu:

- Hệ điều hành Ubuntu20.04.

- Hệ điều hành ROS phiên bản ROS2.

- Phần mềm mô phỏng Gazebo

- Phần mềm Rviz

Phương pháp nghiên cứu:

- Phương pháp nghiên cứu lý thuyết: Trong thời gian nghiên cứu,nhóm đồ án đã tìm hiểu qua các sách tài liệu, các đồ án sinh viênkhóa trước, các trang web, … liên quan đến đề tài

- Phương pháp nghiên cứu mô phỏng thử nghiệm: Sử dụng phầnmềm Rviz và Gazebo để mô phỏng và thử nghiệm chương trình

- Phương pháp thực nhiệm: Chạy thử nghiệm chương trình trên các bộ phận củarobot thật để kiểm tra và điều chỉnh các thông số cho phù hợp với robot thực tế

Cấu trúc của đồ án tốt nghiệp:

- Chương 1: Giới Thiệu

- Chương 2: Thiết Kế Hệ Thống Cơ Khí

- Chương 3: Thiết Kế Hệ Thống Điện

- Chương 4: Hệ Thống Điều Khiển

- Chương 5: Kết Luận Và Nghiên Cứu Trong Tương Lại

CHƯƠNG 1: GIỚI THIỆU

1.1 Tổng Quan Về Đề Tài

Ngày nay, Robot học đã đạt được những thành tựu to lớn trong nền sản xuất côngnghiệp Những cánh tay robot có khả năng làm việc với tốc độ cao, chính xác và liêntục làm năng suất lao động tăng nhiều lần Chúng có thể làm việc trong các môi trườngđộc hại như hàn, phun sơn, các nhà máy hạt nhân, hay lắp ráp các linh kiện điện tử tạo

ra điện thoại, máy tính một công việc đòi hỏi sự tỉ mỉ, chính xác cao Tuy nhiênnhững robot này có một hạn chế chung đó là hạn chế về không gian làm việc Khônggian làm việc của chúng bị giới hạn bởi số bậc tự do tay máy và vị trí gắn chúng.Ngược lại, các Robot tự hành lại có khả năng hoạt động một cách linh hoạt trong cácmôi trường khác nhau

Robot tự hành AMR là loại mobile robot có khả năng tự hoạt động, thực thinhiệm vụ mà không cần sự can thiệp của con người Với những cảm biến, chúng cókhả năng nhận biết về môi trường xung quanh Robot tự hành ngày càng có nhiều ýnghĩa trong các ngành công nghiệp, thương mại, y tế, các ứng dụng khoa học và phục

vụ đời sống của con người Với sự phát triển của ngành Robot học, robot tự hành ngàycàng có khả năng hoạt động trong các môi trường khác nhau, tùy mỗi lĩnh vực áp dụng

mà chúng có nhiều loại khác nhau như robot sơn, robot hàn, robot cắt cỏ, robot thámhiểm dại dương, robot làm việc ngoài vũ trụ Cùng với sự phát triển của yêu cầu trongthực tế, robot tự hành tiếp tục đưa ra những thách thức mới cho các nhà nghiên cứu.Vấn đề của robot tự hành là làm thế nào để robot tự hành có thể hoạt động, nhận biếtmôi trường và thực thi các nhiệm vụ đề ra

Vấn đề đầu tiên là "Navigation" (Điều hướng), Robot tự hành nên di chuyển nhưthế nào và cơ cấu di chuyển nào là sự lựa chọn tốt nhất Điều hướng là vấn đề cơ bảntrong nghiên cứu và chế tạo Robot tự hành Trong hiệp hội nghiên cứu về Robot tựhành có 2 hướng nghiên cứu khác nhau:

- Hướng thứ nhất là nghiên cứu về Robot tự hành có khả năng điều hướng ở tốc độcao nhờ thông tin thu được từ cảm biến, đây là loại robot có khả năng hoạt động

ở môi trường trong phòng cũng như môi trường bên ngoài Loại robot này yêucầu khả năng tính toán đồ sộ và được trang bị cảm biến có độ nhạy cao, dải đolớn để có thể điều khiển robot di chuyển ở tốc độ cao, trong những môi trường cóđịa hình phức tạp

- Hướng thứ hai nhằm giải quyết các vấn đề về các loại robot tự hành chỉ dùng đểhoạt động trong môi trường trong phòng Loại robot tự hành này có kết cấu đơngiản hơn loại trên, thực hiện những nhiệm vụ đơn giản.

Kết luận: Hướng nghiên cứu của nhóm em trong đồ án này là hướng thứ hai Nội dung

nghiên cứu của nhóm em tập trung chủ yếu vào việc giải quyết vấn đề di chuyển củaRobot AMR Vấn đề di chuyển là vấn đề trọng tâm của robot di động, để di chuyểnđược, robot phải thực hiện một loạt các tác vụ, mỗi tác vụ gắn với một bài toán nhỏtrong bài toán "Navigation" Các bài toán đó gồm:

- Mapping: Là công việc lập bản đồ môi trường hoạt động của robot Nếu không

được cung cấp dữ liệu trước thì robot phải có khả năng lập bản đồ

- Positioning: Là việc định vị, robot phải có khả năng biết được mình đang ở đâu

trong bản đồ toàn cục hoặc địa phương

- Path planning: Là việc hoạch định đường đi sắp tới của robot, sau khi nó biết

được bản đồ và biết mình đang ở vị trí nào

- Motion control: Là việc điều khiển cho robot di động, tức là điều khiển các cơ

cấu để robot đi theo con đường thu được từ bài toán "path planning"

- Obstacle avoidance: Là nhiệm vụ tránh chướng ngại vật khi robot đang di

bệnh viện, phục vụ và khử khuẩn cách ly, phục vụ cho các nhà máy công nghiệp, dịch

vụ dẫn đường tự động, vận chuyển hàng hóa trong kho bãi…

1.3 Tổng quan hệ thống

Hình 1.1 Tổng quan kết nối của hệ thống

 Khối quản lý nguồn:

- Nguồn 5V được dùng cho Arduino, Raspberry, LIDAR và cảm biến Encoder.

- Nguồn 12V được dùng cho động cơ.

 Khối điều khiển:

- Arduino làm nhiệm vụ thu thập dử liệu từ cảm biến Encoder và gửi dử liệu đó

cho Raspberry, đồng thời cũng sẽ nhận dử liệu từ Raspberry gửi xuống để xử lý

và điều khiển động cơ

- Raspberry dùng để chạy hệ điều hành Ubuntu.

 Khối cảm biến :

- LIDAR làm nhiệm vụ xác định khoảng cách và tạo map.

- Encoder: thu thập xung mà động cơ phát ra hổ trọ cho việc xác định vận tốc.

 Khối Driver:

- Driver L298 nhận tính hiệu điều khiển từ arduino để điều khiển động cơ.

 Khối giao diện quản lý:

- Display Control: Giao diện giấm sát và điều khiển Robot.

- Map: Quan trắc hóa môi trường làm việc của robot

Hình 1.2 Sơ đồ tổng quan của hệ thống

Sơ đồ tổng quan của hệ thống được trình bày tại hình 1.2 Người dùng sử dụngmáy tính để điều khiển, quan sát kết quả tạo bản đồ và ra lệnh cho robot di chuyển đến

vị trí thông qua máy tính nhúng Raspberry pi 4 Cả hai thiết bị được cài đặt hệ điềuhành ROS trên Ubuntu 20.04 và kết nối chung trong một hệ thống wifi, giao tiếp quachuẩn SSH, trong đó Raspberry được cấu hình IP tĩnh Máy tính nhúng nhận tín hiệu

về từ cảm biến

CHƯƠNG 2: THIẾT KẾ HỆ THỐNG CƠ KHÍ

2.1 Tổng quan hệ thống cơ khí

Hình 2.3 Tổng quan hệ thống cơ khí

2.1.1 Lựa chọn vật liệu chế tạo

Vật liệu chế tạo robot ảnh hưởng độ bền và tuổi thọ của robot khi robot làm việc

 Từ bảng trên chúng tôi chọn nhựa PLA.

2.1.2 Lựa chọn cơ cấu lái

Để có kế hoạch di chuyển phù hợp chúng ta cần phân tích các kiểu lái thông

thường cơ chế được sử dụng cho robot như sau:

Từ bảng trên ta chọn cơ cấu truyền động vi sai

Sơ đồ bố trí động cơ của robot:

Hình 2.4 Sơ đồ bố trí động cơ của robot

2.1.2.1 Mô hình động học của robot

Mô hình động học là nghiên cứu về chuyển động của các hệ thống cơ học màkhông xem xét các lực tác động đến chuyển động Mục đích chính của mô hình độnghọc là biểu diễn mối quan hệ giữa vận tốc của robot với vận tốc bánh xe cùng với cácthông số hình học của robot

 V: Vận tốc tuyến tính

 ω: Vận tốc góc mà robot quay

 X và Y: Hệ tọa độ toàn cầu

 X B và Y B: hệ tọa độ cơ thể miền địa phương

 ϕ: Góc của robot đối với hệ tọa độ tổng thể

 r: Bán kính bánh xe

 b: Chiều rộng của xe

 ICR: Tâm quay tức thời

 v LVà v R :Tốc độ tiếp xúc mặt đất của bánh xe bên trái và bên phải

 ω L và ω R: Vận tốc góc của bánh trái và bánh phải

 R: khoảng cách từ IRC đến trung tâm của robot

 Ở đâu ω L Và ω Rlà vận tốc góc trái và phải của các bánh xe quanh trục của chúng

Hình 2.5 Mô hình động học của Robot

r

20

Robot hoạt động trên địa hình bằng phẳng, giả sử bỏ qua biến dạng của bánh xe

và bỏ qua lực cản không khí trong quá trình robot chuyển động

Các thông số của robot

- Khối lượng robot ước tính: M = 5 (Kg)

Các thông số cơ bản của bánh xe

- Chiều rộng bánh xe: b = 26 (mm)

Chất liệu là khung bánh nhựa và lốp cao su

Hình 2.6 Phân tích lựcVới:

Xe tăng tốc với gia tốc a = 0,5 (𝑚/𝑠2) để hàng không bị đổ Lực kéo do momen quaycủa động cơ là:

 Từ đó chọn công suất cần thiết là 20.375 (W) Với công suất yêu cầu trên và

tốc độ quay yêu cầu là 44,76 (rpm) chúng tôi chọn loại 12V 20 động cơ DC

Hình 2.7 Động cơ DC có bộ mã hóa

Các thông số kỹ thuật của đông cơ:[12]

Bảng 2.4 Thông số kỹ thuật của động cơ DC có bộ mã hóa

Hình 2.8 Động cơ DC có tích hợp bộ mã hóa.

Hình 2.9 Thông số kỹ thuật của giá đỡ động cơ bánh xe

Chúng tôi chọn bánh xe này để hỗ trợ điều hướng cho robot di chuyển, vị trí của

nó ở phía trên cùng của robot, cùng với hai bánh xe chủ động tạo thành cấu trúc hìnhtam giác giúp robot đứng vững trên sàn và các vị trí không bằng phẳng

Hình 2.10 Bánh xe điều hướng

2.2 Kết luận chương

Trong quá trình thực hiện chương 2, nhóm chúng tôi đã đạt được những kết quả sau:

Robot có thiết kế hình tròn với đường kính 43cm, cao 13cm nên robot không thể

đi vào những khu vực thấp, hẹp như gầm bàn, gầm tủ, chân ghế, …

Hình 2.11 Kích thước của nguyên mẫu

CHƯƠNG 3: THIẾT KẾ HỆ THỐNG ĐIỆN

3.1 Tổng quan hệ thống điện

Mô hình robot bao gồm Raspberry Pi làm bộ điều khiển trung tâm, bộ vi điềukhiển ATmega điều khiển động cơ và thu thập dữ liệu từ Encoder đóng vài hỗ trợ choRaspberry Pi Hai động cơ có tích hợp bộ mã hoạt Encoder được gắn với vi điều khiển,

sẽ nhận tín hiệu điều khiển từ vi điều khiển và phản hồi vận tốc về cho vi điều khiển.Firmware (phần mềm) của robot có thể được lập trình trên máy tính và được tải vào bộnhớ của Arduino/Raspberry PI 4 bằng cách sử dụng các kết nối phổ biến như USB vàWIFI Các tính năng mới cũng có thể được cập nhật sau bằng cách sử dụng các kết nốitương tự

Hình 3.13 Pin Li-Ion (Nguồn: Internet)

3.2.2 Pin Li-Po

Pin Li-Po (Lithium-Ion Polymer) hay còn gọi là Lithium-Polymer Loại pinnày không sử dụng chất điện phân dạng lỏng mà thay vào đó nó sử dụng chất điệnphân dạng polymer khô, tương tự như một miếng phim nhựa mỏng Miếng phimnày được kẹp (thực sự là ghép lá) giữa cực dương và cực âm của pin cho phép traođổi ion

Phương pháp này cho phép pin có thể làm rất mỏng với các hình dạng và kíchthước của cell pin khác nhau

3.2.3 So sánh pin Li-Po và pin Li-Ion

và chất điện phân của pin Hình dáng của pin không dễ bị biến dạng vì được bảo

vệ bởi lớp vỏ kim loại chắc chắn và hệ thống vi mạch Thành phần hóa của pinLi-Po cũng gần giống pin Li-Ion nói trên

Tuy nhiên, chất điện phân của pin Li-Po không phải chất lỏng mà là chất hóahọc xốp hoặc chất điện phân giống gel Đây cũng là điểm khác biệt giữa cấu tạo

2 loại pin

3.2.3.2 Nguyên lý hoạt động

Nguyên lý hoạt động của cả 2 loại pin là sự trao đổi Li-Ion giữa 2 cực âmdương được làm bằng Lithium Cacbon Theo nghiên cứu thì pin Li-Ion sẽ có khảnăng gây cháy nổ cao hơn do vỏ bọc được làm bằng kim loại Pin Li-Po cũng cóthể nổ nếu quá tải nhưng nhờ chất gel polymer nên sẽ khó gây cháy hơn

Tuy nhiên, dù là loại pin nào đi chăng nữa thì chúng ta cũng nên sử dụng pinđúng cách để đảm bảo an toàn và tăng tuổi thọ cho pin

Ưu, nhược điểm

Bảng 3.5 Ưu nhược điểm

Ưu điểm - Dự trữ được năng lượng

lớn, không bị khó sạc sau thời gian dài

- Chu kỳ sạc có thể lên đến 400 lần hoặc hơn

- Giá thành rẻ

- Ít bị xả pin (dòng điện

bị thất thoát thấp)

- Trọng lượng nhẹ, dòng điện phóng hiệu quả, được sử dụng phổ biến trong các thiết bị kỹ thuật số

-Khả năng tích trữ năng lượng cao, ít rò rỉ, hoạt động mạnh mẽ, không

bị hiệu ứng nhớ

-Nhẹ, bền, chất điện phân tốt, ít bị ăn mòn

-Đặc điểm kích thước linhhoạt, phù hợp với đa dạng sản phẩm

-Chịu va đập tốt

-Cấu tạo tiếp điểm âm dương nên hạn chế được chập cháy

-Khả năng phóng điện cao

Nhược điểm - Chất lượng bị giảm nếu

để quá lâu

- Pin sẽ bị hỏng nếu để điện áp quá thấp hoặc cao trên 4.2 V/cell

- Vì có dạng khối nên khó ứng dụng trong các thiết bị đặc thù

- Nặng hơn nếu so với pin Li-Po cùng dung lượng

-Giá thành cao hơn pin Li-Ion

-Chất lượng bị giảm nếu

để lâu

-Pin sẽ bị chập cháy, bị phù nếu có mức điện

áp không phù hợp

-Dự trữ năng lượng ít hơnpin Li-Ion

-Vỏ bọc mềm dễ bị biến dạng, rò rỉ gây ra tình

- Dễ cháy nổ trạng chập mạch, dễ

dàng xảy ra hiện tượng phù

3.2.3.3 Giá của pin Li-Ion và pin Li-Po

Như đã được phân tích ở trên, có thể thấy giá cả của pin Li-Ion rẻ hơn rất nhiều

so với pin Li-Po Do đó, pin Li-Ion được sử dụng rộng rãi và phổ biến hơn so với loạipin còn lại chúng ta có thể thấy sự xuất hiện của pin Li-Ion trong các lĩnh vực côngnghệ kỹ thuật khác nhau

3.2.4 Kết luận

Dựa trên những phân tích trên và những yêu cầu của đồ án nhóm chúng em đã lựa chọn pin Li-Ion trong đồ án này

Để đáp ứng được điện áp pin yêu cầu, loại pin mà nhóm chúng tôi đã lựa chọn là:

Điện áp thực tế khi lắp 4 pin nối tiếp: 4,2 × 4 = 16,8 (V)

Dung lượng pin thực tế: 3000 mAh

Thông số kỹ thuật của pin:

Bảng 3.6 Thông số kỹ thuật của pin

- Cho phép phạm vi tín hiệu điện áp đầu vào:

- Mức độ thấp: - 0,3 ≤ Vin ≤ 1,5 V (tín hiệu điều khiển là không hợp lệ) Điệnnăng tiêu thụ tối đa: 20W (nhiệt độ T = 75 ° C)

- Điện năng tiêu thụ tối đa: 20W (nhiệt độ T = 75 ° C)

khiển cho một mạch cầu H gồm Direct để điều khiển chiều động cơ và PWM để điềukhiển tốc độ động cơ.

Hình 3.15 Sơ đồ nguyên lý mạch cầu H L298

Phân tích sơ đồ mạch

 U1 là IC L298

Các cặp chân In1, In2 và In3, In4 lần lượt điều khiển 4 BJT thuộc nhóm A và Bthông qua các cặp cổng AND 1,2 và 3,4 Các chân EnA và EnB được nối nối vớimức cao 5V Các ngõ Out1, Out2 được gắn với động cơ thứ nhất; Out3, Out4 đượcgắn với động cơ thứ hai Như vậy, hai chân được In1, In2 nối với vi điều khiển,trong đó một chân sẽ nhận xung điều chế PWM từ vi điều khiển thay đổi tốc độđộng cơ, chân còn lại khi ta thay đổi mức logic thì sẽ đảo chiều động cơ Tương tựcho hai chân In3, In4

Hình 3.16 Sơ đồ nguyên lý IC L298

 Các Diode D1 D2 D3 D4 D9 D10 D11 D12 dùng để chống dòng xả ngược từ dođộng cơ sinh ra về nguồn, gây ảnh hưởng xấu đến nguồn

 Led D5 D6 D7 D8 dùng để báo chiều quay của động cơ

 R1 R2 hạn dòng cho các led

 LM 7805 cung cấp nguồn 5V cho IC L298

3.4 Mạch nguồn hạ áp DC-DC 10A XL4016 ADJ - Có hạn dòng

điện áp cao xuống điện áp thấp

- Điện áp đầu vào: 4V ~ 38V

- Điện áp ra: 1.25V ~ 36V

- Dòng ra: 8A (tối đa) - Duy trì 5A

- Công suất :250W (tối đa)

- Hiệu suất chuyển đổi: 95% (cao nhất) Ripple đầu ra: <30mV

- Tần số chuyển mạch: 180KHz

- Nhiệt độ hoạt động: -45 ~ +85 ℃ ~ 130 ℃ ℃ ~ 130 ℃

- Kích thước: 60mm * 37mm * 27mm (L * W * H)

Hình 3.17 Mạch nguồn hạ áp DC-DC 10A XL4016 ADJ

3.5 Arduino [15]

Arduino UNO R3 là thế hệ thứ 3 có thể sử dụng 3 vi điều khiển họ 8bit AVR làAtmega8, Atmega168, Atmega328 Bộ não này có thể xử lí những tác vụ đơn giản nhưđiều khiển đèn LED nhấp nháy, xử lí tín hiệu cho xe điều khiển từ xa, làm một trạm đonhiệt độ - độ ẩm và hiển thị lên màn hình LCD, … hay những ứng dụng khác

Arduino UNO có thể được cấp nguồn 5V thông qua cổng USB hoặc cấp nguồnngoài với điện áp khuyên dùng là 7-12V DC và giới hạn là 6-20V Thường thì cấpnguồn bằng pin vuông 9V là hợp lí nhất nếu bạn không có sẵn nguồn từ cổng USB.Nếu cấp nguồn vượt quá ngưỡng giới hạn trên, bạn sẽ làm hỏng Arduino UNO Hình2.2 Aduno trong thực tế :

Hình 3.18 Arduino Uno R3 (nguồn: Internet)

 Thông số kỹ thuật:

Bảng 3.7 Bảng thông số kỹ thuật Arduino

Điện áp hoạt động 5V DC (chỉ được cấp qua cổng