báo cáo bài tập lớn thiết kế hệ thống cơ điện tử đề tài robot vượt địa hình. thiết kế hệ thống cơ điện tử đề tài robot vượt địa hình
Nhu cầu thị trường
Các ngành công nghiệp như khai thác mỏ, nông nghiệp, xây dựng, và quân sự thường có nhu cầu sử dụng robot vượt địa hình để thực hiện các nhiệm vụ trong môi trường khắc nghiệt và khó tiếp cận [1]
Khai thác mỏ: Robot vượt địa hình có thể được sử dụng để khám phá và khai thác mỏ trong môi trường đáy hồ, hang động, hoặc các khu vực khó tiếp cận khác Chúng có thể thực hiện công việc như khảo sát địa chất, vận chuyển vật liệu, giám sát an toàn và thực hiện công việc sửa chữa
Nông nghiệp: Robot vượt địa hình có thể hỗ trợ trong việc quản lý đất, kiểm soát môi trường và thu hoạch trong môi trường nông nghiệp khắc nghiệt như ruộng lúa, vườn trái cây hoặc đồng cỏ Chúng có thể thực hiện các nhiệm vụ như phun thuốc trừ sâu, tưới nước, thu hoạch tự động và giám sát vùng đồng cỏ
Xây dựng: Trong ngành xây dựng, robot vượt địa hình có thể hỗ trợ trong việc thực hiện các nhiệm vụ khó khăn như di chuyển vật liệu xây dựng trên địa hình gồ ghề, nghiên cứu và khảo sát môi trường xây dựng, hoặc thực hiện công việc xây dựng trong các khu vực khó tiếp cận [2]
Quân sự: Robot vượt địa hình được sử dụng trong quân sự để thực hiện các nhiệm vụ như khám phá môi trường chiến trường, vận chuyển hàng hóa, cung cấp hỗ trợ y tế và sửa chữa, hoặc thực hiện các nhiệm vụ trinh sát và giám sát
Năng lượng: Trong ngành năng lượng, robot vượt địa hình có thể được sử dụng để kiểm tra và bảo trì các cấu trúc hạ tầng năng lượng như giàn khoan dầu khí, công trình điện gió, hoặc các trạm điện mặt trời Chúng có khả năng di chuyển trên địa hình gồ ghề và thực hiện các nhiệm vụ kiểm tra, sửa chữa và giám sát
Khám phá và khoa học: Robot vượt địa hình có thể được sử dụng để khám phá các khu vực hoang dã, môi trường địa chất đặc biệt, hoặc nghiên cứu khoa học trong môi trường khắc nghiệt Chúng có khả năng thu thập dữ liệu, mẫu vật và giám sát môi trường một cách hiệu quả
Cứu hộ và cứu nạn: Trong các tình huống cứu hộ và cứu nạn, robot vượt địa hình có thể được sử dụng để tìm kiếm và cứu hộ trong môi trường khắc nghiệt như vùng núi, vùng lũ lụt hoặc các khu vực nguy hiểm Chúng có khả năng di chuyển an toàn và cung cấp trợ giúp đến những khu vực mà con người khó tiếp cận.
Khảo sát thị trường
Hình 1.2 Nhu cầu sử dụng robot vượt địa hình
Nhu cầu sử dụng robot vượt địa hình
Khám phá môi trường tự nhiên
Vận chuyển hàng hóa trong khu vực khó tiếp cận
Công việc xây dựng trên địa hình gồ ghề
Khai thác mỏ Nông nghiệp 56%
Khai thác mỏ Nông nghiệp Xây dựng Quân sự
Hình 1.1 Các ngành công nghiệp
Hình 1.3 Yêu cầu về khả năng vượt địa hình
Hình 1.4 Yêu cầu về hiệu suất và khả năng làm việc
Yêu cầu về khả năng vượt địa hình
Khả năng di chuyển trên địa hình gồ ghề
Khả năng vượt qua chướng ngại vật
Khả năng chịu được môi trường khắc nghiệt như nước, bùn, đá
Khả năng làm việc trong điều kiện thời tiết khắc nghiệt
Yêu cầu về hiệu suất và khả năng làm việc
Khả năng vận chuyển hàng hóa
Khả năng thực hiện các nhiệm vụ cụ thể
Hình 1.5 Yêu cầu về an toàn và độ tin cậy
Hình 1.6 Giá thành của sản phẩm
Yêu cầu về an toàn và độ tin cậy
Tính năng an toàn Độ tin cậy của robot
Hệ thống kiểm soát từ xa
Giới thiệu robot vượt địa hình
Robot là một loại máy có thể thực hiện công việc một cách tự động bằng sự điều khiển của máy tính hoặc các vi mạch điện tử được lập trình Robot được lập trình sẵn theo một trình tự nhất định và sử dụng mục đích phục vụ công việc lắp ráp, sản xuất hoặc chế biến sản phẩm Robot hỗ trợ rất nhiều cho con người, đặc biệt là trong những môi trường khắc nghiệt, độc hại và nguy hiểm [3]
Trong đó, Robot vượt địa hình có nhiều lợi ích trong quân sự, trong nghiên cứu
Nó có khả năng thăm dò những khu vực mà con người không đến được thậm chí trong khám phá vũ trụ Với sự phát triển mạnh mẽ của khoa học kĩ thuật Cộng với nhu cầu con người ngày càng cao, tiềm năng ứng dụng của robot địa hình quân sự càng rộng lớn Có thể kể tới một vài ứng dụng của robot như:
- Kiểm tra trong các môi trường nguy hiểm, khắc nhiệt những nơi nhiễm khí độc, môi trường nước, các đường ống ngầm…
- Dùng trong lĩnh vực quân sự, robot do thám…
- Một ưu điểm khác của robot địa hình quân sự phải kể đến là tính linh hoạt và thích nghi khi làm việc ở những vị trí và địa hình khác nhau, điều này mở ra cho robot vượt địa hình quân sự có thêm nhiều ứng dụng mới
Hình 1.7 Robot vượt địa hình hiện đại hiện nay
Lên ý tưởng thiết kế
1 Động cơ và khả năng di chuyển: Xác định loại động cơ phù hợp và hệ thống di chuyển cho robot vượt địa hình Các tùy chọn có thể bao gồm bánh xe, chân, chân bánh xe, hay cả ba loại để cung cấp sự ổn định và khả năng vượt qua địa hình đa dạng
2 Khả năng chống sốc và chống nước: Thiết kế robot với khả năng chống sốc để chịu được va đập và rung động trong môi trường khắc nghiệt Hơn nữa, nếu ứng dụng yêu cầu, đảm bảo robot có khả năng chống nước, chống bụi và chịu được môi trường ẩm ướt hoặc dưới nước
3 Cảm biến và hệ thống điều khiển: Bao gồm các cảm biến như cảm biến khoảng cách, cảm biến gia tốc, cảm biến áp suất, cảm biến hình ảnh và hệ thống định vị để giúp robot phân loại địa hình, tránh vật cản và điều khiển di chuyển một cách chính xác
4 Thiết kế cơ học: Xây dựng một khung gầm cứng với vật liệu chất lượng cao và nhẹ để giảm trọng lượng và tăng độ bền của robot Đồng thời, thiết kế các cơ cấu chuyển động, cơ cấu nâng hạ và các bộ phận cần thiết khác để đáp ứng các nhiệm vụ và yêu cầu cụ thể
5 Pin và nguồn năng lượng: Lựa chọn nguồn năng lượng phù hợp cho robot, chẳng hạn như pin lithium-ion hoặc pin nhiên liệu, để đảm bảo thời gian hoạt động lâu dài và hiệu suất tốt trong môi trường khắc nghiệt
6 Giao diện robot: Thiết kế một giao diện robot dễ sử dụng và tương tác để người điều khiển có thể điều khiển robot một cách hiệu quả và theo dõi các thông số hoạt động
7 Tích hợp công nghệ thông tin: Xem xét tích hợp các công nghệ thông tin như hệ thống định vị GPS, kết nối mạng không dây, cảm biến hình ảnh và video, và hệ thống xử lý dữ liệu để thu thập, xử lý và truyền dữ liệu một cách hiệu quả Điều này có thể cung cấp thông tin thời gian thực về địa hình, môi trường và các thông số khác cho người điều khiển và hỗ trợ quyết định trong quá trình hoạt động
8 Bảo trì và sửa chữa dễ dàng: Thiết kế robot với khả năng dễ dàng bảo trì và sửa chữa Cung cấp khả năng truy cập và thay thế các thành phần và linh kiện dễ dàng, giảm thời gian tắt máy và đảm bảo sự liên tục trong hoạt động
9 An toàn và bảo mật: Đảm bảo rằng robot vượt địa hình được thiết kế với các biện pháp an toàn và bảo mật, bao gồm cơ chế ngăn chặn va chạm, cơ chế bảo vệ quyền riêng tư và bảo mật dữ liệu, và các biện pháp bảo vệ khác để đảm bảo hoạt động an toàn và đáng tin cậy [4]
10 Chi phí và hiệu quả kinh tế: Xem xét các yếu tố về chi phí và hiệu quả kinh tế trong quá trình thiết kế robot vượt địa hình Đảm bảo rằng giá thành sản xuất và vận hành robot là hợp lý và cạnh tranh trên thị trường Tìm hiểu về giá trị gia tăng mà robot có thể mang lại cho khách hàng và tính toán kỳ vọng về lợi nhuận để đảm bảo rằng sản phẩm có thể được thị trường chấp nhận và mang lại lợi ích kinh tế [5]
Thiết lập danh sách yêu cầu
Bảng 1.1 Bảng danh sách yêu cầu
Nhóm Danh Sách Yêu Cầu Robot Vượt Địa Hình Chịu Trách
- Vận tốc di chuyển đường trường tối đa: < 25km/h
- Vận tốc di chuyển vượt chướng ngại vật tối đa:
- Vượt chướng ngại vật có chiều cao: >100 mm
- Khả năng lội nước: < 200 mm
- Robot có khả năng lưu trữ điện
- Nguồn tích điện có thể thay đổi dễ dàng
- Cách điện khi hoạt động dưới nước
- Độ cứng vỏ robot: > 40 HRC
- Robot điều khiển từ xa
- Phạm vi điều khiển: < 1km
- Chụp ảnh không gian xung quang 360 0
- Giám sát nhiệt độ, độ ẩm
- Truyền thông tin thu thập về máy chủ có độ trễ 40 HRC
- Robot điều khiển từ xa
- Phạm vi điều khiển < 1km
- Chụp ảnh không gian xung quang 360 0
- Giám sát nhiệt độ, độ ẩm
- Truyền thông tin thu thập về máy chủ có độ trễ 68 W, tốc độ quay n > 60v/p.
Hệ thống điện
a Giao tiếp trong hệ thống điều khiển:
Robot vượt địa hình sử dụng cấu trúc điều khiển chủ - tớ Giao tiếp giữa MCU(master) và MCU(slave) dùng chuẩn giao tiếp CAN Giao tiếp giữa các cảm biến, với MCU(slave) dùng chuẩn giao tiếp UART hoặc I2C, điều khiển động cơ bằng PWM b Mạch điện:
Mạch điện được thiết kế theo sơ đồ như hình, bao gồm mạch nguồn, mạch điều khiển, mạch công suất, cảm biến, mạch truyền thông,…
Hình 3.10 Sơ đồ khối mạch điện robot
Cảm biến sụt lún Màn hình Đèn
MCU(slave) điều khiển động cơ trái Điều tốc
MCU(slave) điều khiển động cơ Điều tốc
Hình 3.11 Sơ đồ khối mạch điện điều khiển từ xa
Các thông số từ danh sách yêu cầu:
- Điện áp hoạt động của robot: DC 12v
- Thời gian robot hoạt động: ≥ 3h c Tính toán chọn bộ nguồn robot:
Công suất của hệ thống trong 1h:
Pmax = Pcb + Pc + Pv + Pdc + Prf
Pmax: công suất của toàn hệ thống/1h (W)
Pcb: công suất của cảm biến/1h
Pc: công suất của camera/1h
Pv: công suất của vi điều khiển/1h
Pdc: công suất của động cơ DC/1h
Prf: công suất của module RF/1h
Vì công suất Pcb, Pc, Pv không đáng kể nên ta có thể xấp xỉ:
Pmax = Pdc = 75.2 = 150 (W) (tính với động cơ 75W)
Lưu lượng pin đáp ứng yêu cầu năng lượng của hệ thống là:
I: Dung lượng của pin (mAh)
T: Thời gian gian hoạt động của hệ thống (giờ)
Pmax: Công suất toàn hệ thống trong 1h
V: Hiệu điện thế giữa 2 bản cực của pin (V)
Pf: Hiệu suất khi nạp của pin (li-ion 80% - 90%)
𝐼 = 3.150 24.0,9 ≈ 21000(𝑚𝐴𝐻) Vậy cần chọn loại pin có dung lượng > 21000 mAh
+ Tính toán thời gian nạp đầy pin:
I là dung lượng pin (mAh)
Trong đó:P f : là hiệu suất nạp của pin
Công suất nạp để sạc trong vòng 1,5h là:
1.5 = Pcn/Pn => Pn = Pcn=/0.5V0/1.573(Wh)
Pcn: công suất cần nạp của pin (W)
Mô hình hóa
Với robot 2 bánh chủ động visai ta có mô hình động học như sau:
Hình 3.13 Mô hình động học robot 2 bánh chủ động visai
Trong đó: vQ là vận tốc dài của xe vl và vr là vận tốc dài của bánh trái và bánh phải xe θl và θr vận tốc góc bánh trái và phải φ là góc quay robot r là bán kính xe
Xét vec-tơ trạng thái và vận tốc của robot vượt địa hình: p= [
Ta có vận tốc bánh xe trái và bánh xe phải không trượt:
Ta có vận tốc tại điểm Q là:
Ta có mô hình động học robot 2 bánh chủ động visai:
Ta tìm được phương trình động học robot 2 bánh chủ động visai:
Phương trình động học nghịch robot 2 bánh chủ động visai:
Thiết kế cơ khí
Trong kỹ thuật, bản vẽ 3D biểu diễn đối tượng là không thể thiếu, nó thể hiện một cách trực quan nhất thông tin về kích thước, hình dáng của sản phẩm Từ đó giúp cho cả người dùng và người thiết kế dễ hình dung lên sản phẩm Điều đó được thế hiện rõ qua bản vẽ 3D được thiết kế trên phần mềm Solidwork:
Hình 3.14 Mô tả 3D robot vượt địa hình
Hình 3.15 Góc nhìn sau của robot
Hình 3.16 Bản vẽ chi tiết cơ khí của Robot
Linh kiện, module điện - điện tử
Cơ cấu chuyển động
Từ yêu cầu động cơ có công suất > 68 W, tốc độ quay n > 60v/p chúng em lựa chọn động cơ DC 24v có sẵn hộp giảm tốc
STT Đặc tính Mô tả
4 Số vòng quay Max: 80 vòng/phút
Hình 3.17 Động cơ DC 24v b Mạch cộng suất:
Mạch điều khiển động cơ DC Motor Driver XY-160D được sử dụng để điều khiển 2 động cơ DC với công suất tối đa 160W mỗi động cơ (nếu chạy liên tục xin chỉ sử dụng 70% công suất tôi đa, khoảng 115W 1 động cơ và mắc thêm cầu chì bảo vệ quá tải)
STT Đặc tính Mô tả
2 Dòng điện làm việc 3 - 11 mA
4 Tín hiệu điều khiển Mức cao: 3 – 6.5V
Truyền thông
Hình 3.18 Mạch điều khiển động cơ DC Motor Driver XY-160D
Hình 3.19 Module thu phát RF 2.4Ghz
STT Đặc tính Mô tả
2 Dòng điện làm việc < 140 mA
6 Giao tiếp UART b Cảm biến siêu âm:
STT Đặc tính Mô tả
2 Dòng điện làm việc tối đa 50 mA
3 Phạm vi phát hiện 28 – 450 cm
5 Tần số làm việc 40K ± 1.0KHZ
Hệ thống camera
Hình 3.20 Cảm biến siêu âm
STT Đặc tính Mô tả
6 Điện áp hoạt động 5 - 20v b Thu tín hiệu hình ảnh: Để tương thích với camera thì chúng em chọn module thu hình ảnh có màn hình như hình dưới đây:
Hình 3.22 Module thu hình ảnh 5.8Ghz
STT Đặc tính Mô tả
2 Màn hình hiển thị tỉ lệ 16:9/4:3
3 Thời gian đáp ứng 10ms
5 Hỗ trợ thẻ nhớ SD 32G
Hệ thống điện-điều khiển
STT Đặc tính Mô tả
3 Giao tiếp I2C b Màn hình trên robot:
Do không cần hiển thị màu nên chọn màn hình LCD 128x64 để giảm chi phí
STT Đặc tính Mô tả
3 Giao tiếp SPI c Đèn chiếu sáng:
STT Đặc tính Mô tả
3 Ánh sáng Vàng ấm d Vi điều khiển:
Robot xử dụng 5 vi điều khiển Trong đó 1 MCU cho điều khiển từ xa, 4 MCU cho robot MCU master, MCU slave #1,#2 và MCU trong điều khiển từ xa sử dụng stm32f103c8t6 MCU slave #3, #4 do không cần nhiều các chân kết nối nên chọn stm8s003f3p6
Hình 3.26 Module vi điều khiển stm32f103c8t6
STT Đặc tính Mô tả
2 Tốc độ tối đa 72Mhz
4 Bộ nhớ 64 kbytes bộ nhớ Flash
5 Giao tiếp 2 I2C, 3 UART, 2 SPI, 1 CAN, USB
Hình 3.27 Module vi xử lý stm8s003f3p6
STT Đặc tính Mô tả
2 Tốc độ tối đa 16Mhz
4 Bộ nhớ 8 kbytes bộ nhớ Flash
5 Giao tiếp 2 I2C, 3 UART, 2 SPI, 1 CAN, USB
Nguồn điện
a Pin: Để đảm bảo hệ thống có thể hoạt động liên tục trong 3h trở lên chúng ta cần chọn nguồn cấp có dung lượng lớn hơn 21Ah như tính toán ở trên
Vì vậy chúng em lựa chọn pin có dung lượng 30Ah như hình bên dưới
STT Đặc tính Mô tả
4 Dòng sạc 15A b Bảo vệ pin: Để bảo vệ pin cần có 1 mạch bảo vệ tương ứng
Hình 3.29 Mạch bảo vệ cell pin 6S 24V
STT Đặc tính Mô tả
3 Điện áp sạc tối đa 25.5 VDC
4 Dòng sạc tối đa 40A c Sạc:
STT Đặc tính Mô tả
1 Điện áp đầu vào AC 100-240V 50/60HZ
2 Điện áp đầu ra DC 24 V
