Báo cáo nhập môn kĩ thuật đề tài tìm hiểu xe tự hành vận chuyển hàng tự động

Do đó chúng taphải nắm bắt và vận dụng nó một cách có hiệu quả nhằm góp phần vào sự pháttriển nền khoa học kỹ thuật thế giới nói chung và trong sự phát triển kỹ thuật điệntử nói riêng.Xu

BỘ CÔNG THƯƠNG

TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHIỆP HÀ NỘI

BÁO CÁO NHẬP MÔN KĨ THUẬT

Chuyên ngành: CNKT điều khiển và tự động hóa

ĐỀ TÀI

TÌM HIỂU XE TỰ HÀNH VẬN CHUYỂN HÀNG

TỰ ĐỘNG

GVHD: TS Phí Hoàng Nhã

Sinh viên: Đặng Việt Hoàng 2023605448

Nguyễn Văn Hùng 2023604912

Phạm Đức Hùng 2023604579

Đặng Quang Huy 2023605093

Phan Đình Huy 2023605101 Đặng Trần Nguyên Khôi 2023604937

Hà Nam - 2023

LỜI CAM ĐOAN

Nhóm bài tập lớn cam đoan rằng những nội dung được trình bày trong bài tậplớn do nhóm tìm kiếm và thực hiện, không sao chép từ bất kì nguồn nào khác Tất

cả thông tin được trình bày đã được tổng hợp và nhóm xác nhận rằng chúng làchính xác và đáng tin cậy nhóm cam kết tuân thủ đầy đủ các quy định và quy trìnhđạo đức trong quá trình thực hiện bài tập lớn

Nhóm bài tập lớn

LỜI CẢM ƠN

Sau thời gian học tập dưới mái trường Đại Học Công Nghiệp Hà nội , được sựtruyền đạt kiến thức và giúp đỡ tận tình của quý Thầy Cô Giảng viên là hành trangquý báo cho sự nhận thức và hiểu biết của chúng em ngày hôm nay Chúng em xinghi nhận nơi này lỏng biết ơn chân thành nhất đối với tất cả các Thầy Cô Giảngviện và đặc biệt là thầy Phí Hoàng Nhã, người đã tận tình hướng dẫn chúng emhoàn thành bài báo cáo nhập môn kĩ thuật này

Do kiến thức còn nhiều hạn chế và khả năng tiếp thu thực tế còn nhiều bỡ ngỡchưa hoàn hảo nên bài báo cáo sẽ còn nhiều thiếu sót, kính mong sự góp ý và giúp

đỡ từ Quý Thầy cô

Chúng em xin chân thành cảm ơn !

MỤC LỤC

LỜI CAM ĐOAN i

LỜI CẢM ƠN ii

MỤC LỤC iii

DANH MỤC CÁC HÌNH ẢNH v

MỞ ĐẦU 1

CHƯƠNG I: TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG XE TỰ HÀNH VÀ CÁC CÔNG NGHỆ LIÊN QUAN 3

1.1.Giới thiệu về xe tự hành 3

1.2 Xe tự hành hoạt động như thế nào 4

1.2.1 Hệ thống vận hành của xe tự hành 4

1.2.2 Phần mềm quản lý: 5

1.2.3 Hệ thống giao tiếp 7

1.2.4 Các loại phương pháp vận chuyển 7

1.2.5 Các loại phương pháp dò đường 9

1.3 Ưu điểm và nhược điểm của xe tự hành 10

1.3.1 Ưu điểm mà xe tự hành mang lại: 10

1.3.2 Nhược điểm của xe tự hành 11

1.4 Một số nghiên cứu trong và ngoài nước về xe tự hành 12

1.5 Kết luận chương 1 13

CHƯƠNG II PHÂN TÍCH VÀ THIẾT KẾ XE VẬN HÀNH TỰ ĐỘNG 15

2.1 Thiết kế cơ khí 15

2.1.1 Thiết kế khung sườn 15

2.1.2 Lựa chọn cơ cấu lái 15

2.1.3 Lựa chọn bánh xe 17

2.1.4 Lựa chọn loại động cơ 18

2.2 Thiết kế phần mềm 23

2.2.1 Lựa chọn phương pháp và loại cảm biến dẫn đường 23

2.2.2 Lựa chọn phương án điều khiển và giải thuật điều khiển 26

2.2.3 Giải thuật bộ điều khiển 28

2.2.4 Thuật toán bám đường cho xe tự hành AGV 29

2.2.5 Tạo chu trình di chuyển cho AGV 30

KẾT LUẬN 31

TÀI LIỆU THAM KHẢO 32

DANH MỤC CÁC HÌNH ẢNH

Hình 1.1: Hình ảnh một loại xe tự hành 3

Hình 1.2: Cấu trúc cơ bản của một hệ thống xe tự hành 4

Hình 1.3: Sơ đồ hệ thống kho hàng của Kiva 5

Hình 1.4: Xe tự hành kiểu kéo hàng 8

Hình 1.5: Xe tự hành kiểu chở hàng 8

Hình 1.6: Xe tự hành kiểu nâng hàng 9

Hình 1.7: Kiva nâng kệ hàng 12

Hình 1.8: Smart AGV trong công ty Changsing Việt Nam 13

Hình 2.1: Minh họa xe ba bánh và sơ đồ nguyên lý 16

Hình 2.2: Minh hoạ xe bốn bánh và sơ đồ nguyên lý 17

Hình 2.3: Bánh xe được lựa chọn 18

Hình 2.4: Động cơ bước 19

Hình 2.5: Động cơ DC servo 20

Bảng 2.1: Bảng tổng kết đặc điểm hai loại động cơ 20

Hình 2.6: Phân tích lực tác dụng lên bánh xe 21

Hình 2.7: Đường dẫn màu đen trên nền trắng 23

Hình 2.8: Nguyên lí đường dẫn bằng cảm ứng điện 24

Hình 2.9: Giải thuật xử lý tín hiệu bằng phương pháp so sánh 25

Hình 2.10: Giải thuật xử lí tín hiệu bằng phương pháp xấp xỉ 26

a) xấp xỉ bậc 2; b) xấp xỉ theo trọng số 26

Hình 2.11: Cấu trúc hệ điều khiển tập trung 27

Hình 2.12: Cấu trúc hệ điều khiển phân cấp 27

Hình 2.13: Bộ điều khiển PID 28

Hình 2.14: Bộ điều khiển Fuzzy 29

MỞ ĐẦU

1 Tính cấp thiết

Ngày nay cùng với sự phát triển của các ngành khoa học kỹ thuật, kỹ thuậtđiện tử mà trong đó là kỹ thuật số đóng vai trò quan trọng trong mọi lĩnh vực khoahọc kỹ thuật, quản lí, công nghiệp tự động hóa, cung cấp thông tin Do đó chúng taphải nắm bắt và vận dụng nó một cách có hiệu quả nhằm góp phần vào sự pháttriển nền khoa học kỹ thuật thế giới nói chung và trong sự phát triển kỹ thuật điện

tử nói riêng

Xuất phát từ những bài học thực tập trên lớp và tham quan các doanh nghiệpsản xuất, chúng em đã được thấy nhiều khâu được tự động hóa trong quá trình sảnxuất Một trong những khâu đơn giản trong dây chuyền sản xuất tự động hóa đó là

Bộ phận cảm biến: bộ cảm biến phát và bộ cảm biến thu Thông thường người

ta sử dụng phần phát là LED hồng ngoại để phát ra ánh sáng hồng ngoại mục đích

để chống nhiễu so với các loại ánh sáng khác, còn phần thu là transistor quang đểthu ánh sáng hồng ngoại.

Bộ phận đếm có nhiều phương pháp thực thi đó là:

- Lắp mạch dùng kỹ thuật số với các IC đếm, chốt, so sánh ghép lại

- Lắp mạch dùng kỹ thuật vi xử lý

- Lắp mạch dùng kỹ thuật vi điều khiển

3 Cấu trúc của bài báo cáo

Bài báo cáo gồm phần mở đầu đã trình bày ở trên, phần kết luận và 2 chươngchính với nội dung như sau:

 Chương 1: Tổng quan về hệ thống xe tự hành và các công nghệ liên quan

 Chương 2: Phân tích và thiết kế xe tự hành vận chuyển hàng tự động

CHƯƠNG I: TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG XE TỰ HÀNH VÀ

CÁC CÔNG NGHỆ LIÊN QUAN

1.1 Giới thiệu về xe tự hành

Hình 1.1: Hình ảnh một loại xe tự hành

Xe tự hành hay còn gọi là AGV tiếng anh là Automated Guided Vehicle Đây

Là một robot di chuyển tự động từ địa điểm này đến địa điểm khác theo các đườngđánh dấu, dây trên sàn nhà, hoặc sử dụng sóng radio, camera dẫn hướng, namchâm, hoặc laser để điều hướng

Ngày nay, với sự phát triển của công nghệ thì các cảm biến dẫn đường,module chức năng, bộ xử lý và truyền thông, thiết bị truyền động cũng như nguồnnăng lượng giúp cho việc tạo ra một hệ thống xe tự hành có năng suất cao, ổn định

và chi phí phù hợp so với nhu cầu

Xe tự hành được sử dụng để vận chuyển hàng hoá, nguyên liệu thô, thànhphẩm hoặc bất cứ thứ gì mà con người cần hỗ trợ di chuyển Bên cạnh đó xe tự

hành được sử dụng trong nhiều lĩnh vực khác nhau để hỗ trợ xử lý trong toàn bộkhu vực hoạt động của nhà máy, nhà hàng, bệnh viện, Cụ thể như sau:

 Đối với lắp ráp: xe tự hành di chuyển nguyên liệu, thành phẩm qua các dâytruyền trong quy trình sản xuất

 Đối với vận chuyển: xe tự hành dùng để tải, đẩy hoặc kéo pallet và các bộphận

 Đối với giai đoạn: xe tự hành cung cấp pallet cho quy trình sản xuất • Đốivới lưu kho: xe tự hành giúp di chuyển sản phẩm từ vị trí nhận hàng tớikho hoặc xe vận chuyển

 Đối với chọn đơn hàng: xe tự hành dùng để di chuyển và đặt hàng đến khuvực xếp hàng bằng xe kéo để phân phối và vận chuyển tới vị trí đóng gói

1.2 Xe tự hành hoạt động như thế nào

1.2.1 Hệ thống vận hành của xe tự hành

Trong nhà xưởng, AGVS sử dụng để vận chuyển hàng tự động từ nơi cấphàng đến các vị trí sản xuất AGVS thông thường bao gồm phương tiện (xe), bộđiều khiển tích hợp trên AGV, phần mềm quản lý, hệ thống giao tiếp và dẫnđường

Hình 1.2: Cấu trúc cơ bản của một hệ thống xe tự hành

1.2.2 Phần mềm quản lý:

Phần mềm trên máy tính cần giải quyết việc quản lý tất cả các AGV Nhữngnhiệm vụ máy chủ là: tối ưu việc sử dụng AGV, nhận yêu cầu và quản lý hàng,theo dõi và thống kê hàng hóa trong kho… Như vậy, một hệ thống AGV có năngsuất cao hay thấp phụ thuộc rất nhiều vào phần mềm quản lý Tùy vào ứng dụngcủa hệ thống AGV mà phần mềm quản lý sẽ đóng vai trò và cách thức quản lýcũng khác nhau

Hệ thống AGV sử dụng trong dây chuyền lắp ráp sử dụng phần mềm quản lýchỉ thu nhận thông tin loại hàng, vì các bước di chuyển có thể lập trình sẵn trêntừng AGV Đường đi từ khu sản xuất, lưu trữ đến khu lắp ráp cố định, theo trình tựkhông cần nhiều tính toán của máy chủ Tốc độ di chuyển của AGV phụ thuộc tốc

độ lắp ráp của dây chuyền Dây chuyền lắp ráp sử dụng nhân công có thể yêu cầuđiều khiển robot bằng tay

Đối với một kho hàng, trung tâm xử lý phải thu nhận tất cả thông tin về vị trí,hàng hóa trên AGV để điều khiển toàn bộ hệ thống Đó có thể là chọn robot vị trínào, tính toán đường đi hiệu quả, vận tốc phù hợp để tránh gặp các robot khác,giảm thời gian di chuyển khi sắp xếp hàng trong kho hàng

Hình 1.1: Sơ đồ hệ thống kho hàng của Kiva

1.2.3 Hệ thống giao tiếp

Bao gồm giao tiếp giữa máy chủ với robot và giữa các robot với nhau Dorobot di chuyển một cách tự động nên cần sử dụng phương thức giao tiếp khôngdây Công nghệ sóng vô tuyến áp dụng trong công nghiệp như Wireless LAN(IEEE 802.11), IEEE 802.15.4 và Bluetooth (IEEE 802.15.1)

Những yêu cầu về công nghệ không dây mà hệ thống xe tự hành yêu cầu là:

 Đảm bảo kết nối ổn định

 Có tính năng bảo mật cao

 Cho phép cấu hình và phương thức giao tiếp đơn giản

Công nghệ Bluetooth thích hợp cho các thiết bị tự động yêu cầu mức sử dụngnăng lượng thấp, chi phí thấp Tầm hoạt động trong phạm vi của Bluetooth khoảng10(m), tuy nhiên có một vài module đặc biệt có thể bao phủ vùng sóng hoạt động

từ 200÷400(m)

Với sự thay đổi và mở rộng thường xuyên quy mô làm việc, có thể theo dõi vàphân tích dữ liệu tốc độ cao của hệ thống xe tự hành thì công nghệ Wireless LAN(IEEE 802.11) rất thích hợp để lựa chọn, bởi tầm hoạt động thông thường của băngthông 2.4 GHz là 200(m) và băng thông 5 GHz là 50(m)

1.2.4 Các loại phương pháp vận chuyển

Mỗi loại hàng hoá có yêu cầu khi lưu trữ và vận chuyển khác nhau, do đó cónhiều phương pháp vận chuyển hàng Trong đó có 3 kiểu được sử dụng phổ biếnhiện nay:

 Kiểu kéo hàng: Xe tự hành sẽ có một bộ móc để kéo các khay hàng Kiểunày thích hợp sử dụng di chuyển hàng với số lượng đủ lớn các khay hàngphù hợp về khoảng cách và kích thước Tuy nhiên, đường đi cần rộng rãi,

có những đoạn vòng cua bán kính lớn để tránh va chạm

Hình 1.2: Xe tự hành kiểu kéo hàng

 Kiểu chở hàng: Xe tự hành có bộ phận chứa hàng, nâng hàng hoặc băng tải

để lấy hàng Kiểu chở hàng này có thể kết hợp với băng tải trong dâychuyền sản xuất, lắp ráp Xe tự hành chở hàng di chuyển linh hoạt hơn sovới kiểu kéo hàng, đặc biệt là trong hệ thống kho hàng có đường hẹp, góccua nhỏ

Hình 1.3: Xe tự hành kiểu chở hàng

 Kiểu xe nâng: Xe tự hành có bộ phận nâng hàng tự động Ưu điểm củakiểu này là đưa được hàng hoá lên nhiều độ cao tuỳ ý thiết kế, nhưng cũngyêu cầu không gian rộng để xoay khi nâng hàng

Hình 1.4: Xe tự hành kiểu nâng hàng

1.2.5 Các loại phương pháp dò đường

 Loại dò theo đường dẫn cố định:

Xe tự hành có quỹ đạo di chuyển theo đường dẫn được lắp ráp sẵn trên sàn.Đường dẫn có thể là đường ray, từ trường, dây điện… Đường dẫn cố định có lợikhi quỹ đạo được xác định rõ, đơn giản và có khả năng sử dụng lâu dài Bộ điềukhiển được tích hợp trên robot đơn giản

 Loại di chuyển tự do:

Có thể di chuyển đến các vị trí bất kỳ trong không gian hoạt động Xe tự hànhxác định vị trí nhờ các cảm biến như laser, camera sau đó robot tự tính toán đường

đi Do vậy, quỹ đạo của robot rất linh hoạt và phương pháp này có lợi khi môitrường làm việc thay đổi liên tục Tuy nhiên, trong không gian hạn chế, nhiều vậtcản có thể gây định vị khó khăn hơn Bộ xử lý cần xử lý các thuật toán phức tạpnên yêu cầu tốc độ xử lý cao.

1.3 Ưu điểm và nhược điểm của xe tự hành

1.3.1 Ưu điểm mà xe tự hành mang lại:

- Giảm chi phí thuê nhân công: việc sử dụng xe tự hành giúp sẽ giảm chi phí laođộng vì bạn đang thay thế một hoặc nhiều nhân viên hiện bằng hệ thống xe AGV

- Loại bỏ việc tăng lương và phúc lợi: Khi một chiếc máy đã hoạt động đủ lâu đểthu lại khoản đầu tư ban đầu, bất kỳ khoản tiền thu thêm nào mà việc sử dụng nómang lại đều là lợi nhuận thuần túy (không bao gồm chi phí bảo trì , sửa chữa vàtiêu thụ năng lượng) Còn chi phí cho lao động luôn có xu hướng tăng và thay đổitheo địa phương

- Trách nhiệm giải trình: Khi một sản phẩm được tích hợp với AGV, nó sẽ đượctheo dõi để giảm thiểu tình trạng “thất lạc” sản phẩm hoặc va chạm tai nạn khôngđáng có do lơ là, mất tập trung…

- Cân bằng dây chuyền tự động: Trong môi trường sản xuất với nhiều hoạt độngđược triển khai tự động hóa, AGV dễ dàng tích hợp và hỗ trợ cân bằng dây chuyềnsản xuất

- Tính linh hoạt: Đường đi của AGV có thể thay đổi khi nhu cầu sản xuất hoặc quy

mô thay đổi

- Ít hạn chế hơn: Chuyển vùng tự do, AGV nhỏ gọn phù hợp với lối đi nhỏ, tiếtkiệm diện tích

- Giảm chi phí vận hành: Sạc và xử lý pin có thể tự động với hệ thống AGV vàviệc tăng / giảm tốc được kiểm soát giúp giảm thiểu mài mòn các bộ phận.

- Giảm hư hỏng sản phẩm: xe tự hành là sản phẩm nhẹ nhàng, giảm phế liệu vàchất thải

- An toàn: xe tự hành hoạt động luôn đi theo con đường được dẫn hướng, có cảmbiến dừng khi gặp vật cản…nên sẽ đảm bảo được an toàn trong khi di chuyển

Do vậy, xe tự hành được sử dụng chủ yếu trong các nhà máy sản xuất, lắp ráp

và nhà kho thông minh giúp cho các doanh nghiệp nâng cao hiệu quả sản xuất sovới phương pháp vận chuyển hàng hoá truyền thống

1.3.2 Nhược điểm của xe tự hành

- Chi phí đầu tư ban đầu cao: Dù giảm chi phí lao động và năng suất, nhưng chi phí

để mua 1 xe tự hành là khá cao Nó có thể đắt hơn so với việc thuê nhân viên hoặc

sử dụng thiết bị như xe nâng Vì vậy, chỉ nên đầu tư xe tự hành khi đã chuẩn bị vốn

và kế hoạch phát triển kinh doanh

- Chi phí bảo trì: Xe tự hành sẽ cần được bảo dưỡng định kỳ và sửa chữa khôngthường xuyên Và mặc dù các AGV sẽ không được vận hành trực tiếp bởi nhânviên, nhưng chắc chắn sẽ có một số thời gian ngừng hoạt động để bảo trì được tốthơn

- Không thích hợp cho các nhiệm vụ không lặp lại: AGV có ý nghĩa nhất trong cáchoạt động giải quyết các thao tác lặp đi lặp lại vì đó là những gì chúng được lậptrình để làm Nếu các nhiệm vụ trong hoạt động của bạn có xu hướng không lặplại, thì sẽ tiết kiệm hơn nếu bạn sử dụng xe nâng hoặc các thiết bị hỗ trợ khác

- Giảm tính linh hoạt: xe tự hành chỉ hoạt động theo hệ thống và quy trình đặttrước nên nếu hoạt động thì cần phải thao tác cài đặt trước

1.4 Một số nghiên cứu trong và ngoài nước về xe tự hành.

Trên thế giới, xe tự hành đã được nghiên cứu phát triển trong các khu vực sảnxuất , nhà xưởng từ lâu và ngày càng có nhiều ứng dụng đa dạng do được tích hợpcác công nghệ mới nhất, điển hình là Kiva Robot Đây là robot vận chuyển trongnhà kho hàng được nghiên cứu và sản xuất bởi Amazon Robotics (USA) Nó đượclập trình các tính năng: nhận và thực hiện đơn hàng, hoàn thành nhiệm vụ và tiếptục công việc mới, tự động nhận nhiệm vụ khi sạc pin xong Khối lượng robotkhoảng 150 (kg), nâng được kệ hàng lên đến 320 (kg) Vận tốc di chuyển của robottrong nhà kho tối đa 1 (m/s)

Hình 1.5: Kiva nâng kệ hàng

Các công ty trong nước cũng có những nghiên cứu, ứng dụng robot tự hànhvào các nhà máy Mục đích nghiên cứu trong nước là giảm giá thành của robot,nắm bắt được các công nghệ mới Những hạn chế về công nghệ sản xuất cũng ảnhhưởng ít nhiều đến quy mô và chất lượng của sản phẩm robot trong nước Năm

2013, công ty Chansing Việt Nam đã sử dụng AGV vận chuyển hàng tự động giữacác công đoạn sản xuất giày Dự án AGV được thực hiện bởi nhóm Azauto của

trường Đại học Lạc Hồng Công nghệ dẫn đường của AGV là hệ thống line từtrường và sử dụng RFID để nhận biết khúc cua, vị trí sạc bình Agv có khối lượng

150 (kg) kéo được xe hàng lên đến 400 (kg) Tốc độ di chuyển khi hoạt động đạt0,5 (m/s)

Hình 1.6: Smart AGV trong công ty Changsing Việt Nam

1.5 Kết luận chương 1

Xe AGV đem lại rất nhiều lợi ích trong nhiều ngành công nghiệp

a) Giảm chi phí nhân công

Xe AGV có thể vận chuyển hàng hóa có khối lượng lớn và hoạt động độc lập màkhông cần đến sự can thiệp của con người Vì thế xe tự hành AGV giúp doanhnghiệp giảm thiểu tối đa chi phí nhân công mà lại đạt được hiệu quả tối đa

b) Tuyệt đối an toàn

Robot AGV hoạt động dựa trên hệ thống được lập trinh với độ chính xác cao vàđảm bảo độ an toàn trong sản xuất Các loại cảm biến của xe tự hành AGV giúp nóphát hiện ra vật cản trong quá trình vận chuyển nguyên vật liệu Hơn thế nữa,