thiết kế chế tạo xe tự hành agv phục vụ vận chuyển hàng trong nhà kho

Với những ưu thế có sẵn của AGV như thay thế được phần lớn nhân lực, tiết kiệm chi phí, quy trình vận chuyển khoa học, từ đó nâng cao hiệu suất công việc, nên mô hình này đã và đang được

Giới thiệu về xe tự hành

Khái niệm xe tự hành

Xe tự hành AGV (Automated Guided Vehicle) là hệ thống có khả năng vận chuyển vật liệu mà không cần người lái Trong lĩnh vực công nghiệp, AGV được ứng dụng trong nhiều hoạt động khác nhau, bao gồm:

Cung cấp sắp xếp linh kiện tại khu vực kho và sản xuất

Chuyển hàng giữa các trạm sản xuất

Phân phối cung cứng sản phẩm, đặc biệt trong buôn bán

Cung cấp, sắp xếp trong các lĩnh vực đặc biệt như bệnh viện, siêu thị, văn phòng, nhà kho, nhà xưởng, …

Hình 1.1 Xe tự hành (AVG)

Lợi ích của việc tự hành AGV được sử dụng trong các nhà máy sản xuất, nhà kho thông minh:

- Giảm chi phí nhân công: AGV hoàn toàn có thể hoạt động độc lập mà không cần đến sự can thiệp của công nhân, hơn thế nữa, AGV hoàn toàn đáp ứng khối lượng hàng hóa với tải trọng lớn

Xe tự hành (AGV) hoạt động dựa trên hệ thống lập trình cực kỳ an toàn và chính xác Hệ thống máy ảnh cùng đa dạng loại cảm biến tiên tiến giúp AGV phát hiện và tránh chướng ngại vật khi vận chuyển nguyên vật liệu Đặc biệt, AGV có thể hoạt động hiệu quả trong những môi trường khắc nghiệt mà con người khó hoặc không thể tiếp cận như môi trường chứa hóa chất độc hại, quá nóng hoặc quá lạnh.

- Nâng cao năng suất lao động: Hầu hết các AGV đều được thiết kế với độ chính xác cao, đảm bảo quá trình vận chuyển không xảy ra lỗi hay sai sót AGV có thể hoạt động liên tục 24/7 giúp tối ưu năng suất lao động

- Dễ dàng thay đổi và mở rộng modul: Hầu hết các xe AGV có thể thay đổi về Modul để đáp ứng yêu cầu của người sử dụng như: nâng cấp, giảm tải trọng, thay đổi quãng đường

Phân loại xe tự hành

Xe tự hành dạng kéo (Towing vehicle)

Xe tự hành dạng kéo xuất hiện sớm nhất và hiện tại vẫn đang được ứng dụng rộng rãi, hỗ trợ tốt trong việc: kéo hàng, chuyển tải, tải pallet AGV dạng kéo được sử dụng trong các ứng dụng như: Kết thúc công đoạn bằng tay, vận chuyển vật liệu trong quá trình làm việc và một số ứng dụng tùy chọn khác

Một số đặc điểm của xe AGV dạng kéo:

- Xe tự hành dạng kéo sử dụng trong các ngành nghề: ô tô, hàng tiêu dùng nhanh, thực phẩm và đồ uống, đóng gói…

- Phù hợp với thiết bị có bánh xe

- Vận chuyển được tải trọng lớn hơn các loại xe tự hành khác

Hình 1.2 Xe AVG dạng kéo

Xe tự hành dạng chở (Unit Load Automated Guided Vehicle)

Xe tự hành vận chuyển hàng hóa (AGV) lắp đặt cảm biến sẽ được bố trí sẵn tại vị trí băng tải Khi hàng hóa được vận chuyển từ băng tải lên xe, AGV sẽ tự động di chuyển đến các điểm đã được lập trình sẵn.

Hình 1.3 Xe tự hành dạng chở

Một số đặc điểm của AGV dạng chở:

- Thời gian đáp ứng nhanh gọn

- Tải trọng được phân phối và di chuyển theo yêu cầu

- Giảm thiểu tắc nghẽn giao thông chuyên chở

- Phù hợp với việc vận chuyển các hàng hóa nhỏ gọn, trọng lượng nhẹ như: linh kiện điện tử, ô tô…

Xe tự hành dạng nâng (Fork Vehicle)

AGV dạng nâng giúp đáp ứng yêu cầu vận chuyển hàng hóa lên cao, phù hợp với các nhà kho sắp xếp các hàng hóa lên trên các kệ hàng

Một số đặc điểm của xe tự hành dạng nâng:

- Phù hợp cho hàng hóa được đặt trên bục hoặc pallet

- Có khả năng đưa hàng lên cao

- Có chi phí cao hơn các loại xe tự hành khác do thiết kế phức tạp

Hình 1.4 Xe AVG dạng nâng

Xe tự hành (AVG) dạng đẩy (Cart Vehicle)

Xe đẩy được cho là có tính linh hoạt cao và rẻ tiền Chúng được sử dụng để chuyên chở vật liệu và các hệ thống lắp ráp

Một số đặc điểm của xe tự hành dạng đẩy:

- Có tính linh hoạt cao

- Thường có tải trọng khoảng 0,5 tấn, phù hợp chở các tiết bị, linh kiện đơn lẻ trong các hệ thống lắp ráp.

Phân loại theo phương pháp tìm đường

Loại xe dò theo đường dẫn cố định: AGV có quỹ đạo di chuyển theo đường dẫn lắp đặt sẵn Đường dẫn có thể là đường ray, từ trường, dây điện… Đường dẫn cố định có lợi khi quỹ đạo xác định rõ, đơn giản và tồn tại lâu dài Bộ điều khiển tích hợp trên xe tự hành đơn giản

- Ưu điểm của loại đường dẫn cố định là:

+ Quỹ đạo được xác định rõ, độ chính xác cao

+ Khả năng vận chuyển hàng hóa lớn

+ Có tính linh hoạt cao

+ Bộ điều khiển tích hợp trên xe tự hành đơn giãn

+ Chi phí đầu tư thấp

+ Hạn chế trong việc thay đổi đường ray

+ Giới hạn trong việc di chuyển trên địa hình không bằng phẳng

Hình 1.5 Đường dẫn băng từ

Loại xe di chuyển tự do: Có thể di chuyển đến các vị trí bất kỳ trong không gian hoạt động AGV xác định vị trí nhờ các cảm biến như laser, camera để xác định vị trí các vật thể xung quanh trong quá trình di chuyển, hệ thống định vị cục bộ (Local navigation Location) để xác định tọa độ tức thời sau đó bộ điều khiển tự tính toán đường đi

- Ưu điểm của loại dẫn đường tự do là:

+ Cung cấp sắp xếp linh kiện tại khu vực kho và sản xuất

+Quỹ đạo xe rất linh hoạt

+Phù hợp với môi trường thay đổi thường xuyên

+ Tự động tìm ra tuyến đường ngắn nhất để rút ngắn thời gian

+ Bộ điều khiển cần xử lý các thuận toán phức tạp nên yêu cầu tốc độ xử lý cao + Chế tạo phức tạp đòi hỏi công nghệ cao

+ Chi phí đầu tư lớn

Hình 1.6 Xe tự hành (AVG) chạy không theo đường dẫn

Dựa vào những so sánh trên và điều kiện kho hàng tồn tại lâu dài, không thay đổi vị trí lưu trữ và xe hoạt động trong nhà kho với địa hình bằng phẳng thì phương pháp dẫn đường cố định là phù hợp Do đó trong đề tài này sử dụng phương pháp dẫn đường cố định

Trên thế giới, xe tự hành trong nhà kho đã được nghiên cứu phát triển từ lâu và ngày càng có nhiều ứng dụng đa đạng do tích hợp các công nghệ mới nhất Các xe tự hành được lập trình các tính năng để nhận và thực hiện đơn hàng, hoàn thành nhiệm cụ và tiếp tục công việc mới Tự động nhận nhiệm vụ khi sạc pin xong.

Vai trò của xe tự hành phục vụ vận chuyển hàng hóa trong nhà kho

Nhà kho là khu vực tập trung hàng hóa như linh kiện, trang thiết bị, nguyên vật liệu phục vụ cho việc lưu trữ, bảo quản, di chuyển hàng hóa Việc di chuyển hàng hóa trong nhà kho theo cách truyền thống là sử dụng xe đẩy, xe nâng do con người vận hành hoặc vận chuyển bằng chính người công nhân Hơn nữa, công việc di chuyển hàng hóa thường nặng nhọc, nguy hiểm và lặp lại Trên thế giới, xe tự hành đã và đang ứng dụng rộng rãi trong công đoạn di chuyển đó, mang lại hiệu quả to lớn trong nhà máy, kho bãi

Xe tự hành trong nhà kho (AGV) là dạng xe tự di chuyển theo tín hiệu dẫn đường như laser, hình ảnh, từ trường, đường ray…Từ cuối thế kỷ XX, xe tự hành ngày càng phổ biến hơn nhờ tiến bộ của khoa học – kỹ thuật Những cải tiến quan trọng trong công nghệ cảm biến và dẫn đường, bộ xử lý và truyền thông, thiết bị truyền động, nguồn năng lượng giúp tạo ra hệ thống xe tự hành có năng suất hoạt động cao, ổn định và chi phí vận hành thấp

Hình 1.7 Sơ đồ vận chuyển hàng hóa trong nhà kho của hệ thống xe AVG

Việc áp dụng xe tự hành vào nhà kho, nhà xưởng có lợi ích sau:

- Vận chuyển hàng hóa: Xe tự hành được lập trình để vận chuyển hàng hóa từ nơi này đến nơi khác trong nhà kho một cách tự động, giảm thiểu thời gian và chi phí vận chuyển

- Theo dõi hàng tồn kho: Xe tự hành được trang bị các cảm biến để theo dõi tình trạng hàng hóa trong nhà kho, từ đó giúp quản lý kho hàng một cách hiệu quả hơn

- Tăng tính an toàn: Bằng cách sử dụng xe tự hành để vận chuyển hàng hóa trong nhà kho có trang bị các cảm biến phát hiện vật cản giúp giảm nguy cơ tai nạn và thương tích cho nhân viên lao động

Sử dụng xe tự hành trong hoạt động vận tải trong kho giúp tăng năng suất và hiệu quả Xe tự hành có thể vận chuyển hàng hóa nhanh chóng và chính xác, hoạt động liên tục ngày đêm, tối ưu hóa hoạt động vận tải và nâng cao hiệu suất chung.

- Tiết kiệm chi phí: Sử dụng xe tự hành để vận chuyển hàng hóa trong nhà kho sẽ giảm thiểu chi phí vận chuyển, giúp doanh nghiệp tiết kiệm điện năng được chi phí và tăng cường sức mạnh cạnh tranh

- Không gây ô nhiễm môi trường trong nhà máy

Do đó, các công ty sản xuất, thương mại đã và đang đẩy mạnh phát triển hệ thống nhà kho, nhà xưởng tự động dùng AGV

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

Hình 1.8 Quản lý xe AVG.

Cấu tạo và nguyên lý tự hành của xe AVG

Cấu tạo tổng thể của xe tự hành (AVG)

Hình 1.9 Cấu tạo tổng thể của xe AVG.

Nguyên lý hoạt động của xe tự hành (AVG)

- Vận chuyển hàng từ khu vực nhận hàng đến khu vực trả hàng:

Khi bắt đầu hoạt động, xe tự hành di chuyển từ trạm sạc đến trạm nhận hàng, tự động lấy hàng hóa Sau đó, xe bám line di chuyển đến khu vực trả hàng và rẽ vào đúng khu để tự động trả hàng Tiếp theo, xe quay trở lại khu nhận hàng để bắt đầu chu trình mới Cuối mỗi ca làm việc, xe tự động rẽ vào khu vực sạc để tự tái tạo năng lượng.

- Chức năng kiểm tra có hàng tại khu nhận hàng:

Khi đến khu nhận hàng xe sẽ dừng lại và kiểm tra có hàng tại chỗ nhận hàng không Nếu không có xe sẽ đừng lại và đợi cho đến khi có hàng xe sẽ thực hiện tự động nhận hàng

- Chức năng phát hiện vật cản:

Hình 1.10 Chức năng phát hiện vật cản của xe AVG

Khi xe đang hoạt động, nếu có 1 vật cản trên đường đi của xe và nằm trong vùng nguy hiểm xe sẽ dừng lại và phát tín hiệu còi cảnh báo cho đến khi vật cản được lấy ra xe sẽ tiếp tục hoạt động

- Chức năng tự động nhận/ trả hàng:

Hình 1.11 Xe AVG tự động nhận hàng

Khi đến khu nhận hàng, xylanh nâng lên đẩy chỗ để hàng lên nâng kiện hàng cao hơn chỗ để hàng và duy chuyển ra khỏi khu nhận hàng Xylanh tiếp tục hạ xuống để kệ hàng đặt lên khung xe nhằm giảm chiều cao trọng tâm cả xe khi duy chuyển Khi đến khu trả hàng xe dừng lại và xylanh nâng lên đẩy chỗ để hàng lên nâng kiện hàng cao hơn chỗ để hàng và duy chuyển đến khu trả hàng Xylanh tiếp tục hạ xuống để kệ hàng đặt lên chỗ nhận hàng và lùi lại quay lại khu nhận hàng để tiếp tục làm việc

- Chức năng điều khiển bằng tay:

Khi muốn duy chuyển xe tại nơi không có sẵn đường line thì chức năng này hoạt động Chỉnh xe qua chức năng điều khiển bằng tay và kết nối xe với thiết bị điều khiển thông qua bluetooth Và điều khiển xe thông qua thiết bị điều khiển.

NGHIÊN CỨU PHƯƠNG ÁN BỐ TRÍ VÀ ĐIỀU KHIỂN XE

TÍNH TOÁN THIẾT KẾ CÁC HỆ THỐNG TRÊN XE AGV

Tính toán và thiết kế khung xe

Thiết kế khung vỏ cho xe AGV (Automated Guided Vehicle) bao gồm nhiều bước, trong đó gồm các bước như sau:

1 Xác định yêu cầu thiết kế: xác định mục đích sử dụng của xe AGV

2 Thiết kế khung vỏ: Tiến hành thiết kế khung vỏ cho xe AGV, đảm bảo rằng nó có độ chắc chắn và bền vững đáp ứng được yêu cầu thiết kế

3 Tính toán và kiểm tra độ bền: Thiết kế cần thực hiện các tính toán và kiểm tra độ bền của khung vỏ để đảm bảo rằng nó đáp ứng các yêu cầu đã đặt ra.2

4 Chế tạo và lắp ráp: Kết cấu khung vỏ sẽ được chế tạo và lắp ráp vào xe AGV, đảm bảo rằng nó hoạt động tốt và đáp ứng được các yêu cầu đã đặt ra

3.1.1 Các thông số đầu vào

Thông qua việc khảo sát tại các nhà máy vận chuyển logistist kết hợp với các bài báo, tài liệu về xe tự hành (AGV) trên thị trường Nhóm cho xe hoạt động tại nhà kho có mặt bằng ở hình 3.1 và chở linh kiện điện tử, mỹ phẩm, quần áo, … và đã đưa ra được bản thông số yêu cầu cần thiết của xe:

Bảng 3.1 Thông số thiết kế xe AGV

Thời gian làm việc mỗi ca 4 Giờ

Khoảng cách vận chuyển đi và về 180 m

Số chuyến đi trong một ca 40 chuyến

Số m phải đi trong một ca 7200 m

Thời gian vận chuyển một chuyến 450 s

Vận tốc bắt buộc đáp ứng kế hoạch 0.5 m/s

Kích thước xe AGV (dải x rộng x cao) 600 x 300 x 300 mm

Tổng trọng lượng của xe và hàng 80 Kg

Hình 3.1 Sơ đồ nhà kho xe AGV hoạt động

1- xe AGV; 2- Vạch xuất phát; 3- Khu vực nhận hàng; 4- Khu vực trả hàng 1;

5- Khu vực trả hàng 2; 6- Các thẻ từ; 7- Line dò đường

3.1.2 Thiết kế kết cấu khung vỏ cho xe AVG

3.1.2.1 Xác định yêu cầu thiết kế

Khung xe và vỏ là nơi dùng để đỡ, bắt chặt động cơ và các cụm của hệ thống truyền lực, đồng thời nó cũng là nơi chịu toàn bộ tải trọng của xe, tác động từ mặt đường lên xe khi xe chuyển động Ngoài ra, khung vỏ xe còn phải đáp ứng các yêu cầu về độ bền, độ cứng vững, tính thẩm mỹ nên trong thực tế cấu tạo của khung vỏ rất đa dạng

Thiết kế khung của xe AGV phải dựa trên các yêu cầu cụ thể dưới đây là một số yêu cầu thiết kế:

1 Tải trọng: Xác định tải trọng của xe AGV

2 Kích thước: Xác định kích thước của xe AGV, bao gồm chiều dài, chiều rộng và chiều cao

3 Tính đáng tin cậy: Xe AGV phải được thiết kế để hoạt động ổn định và đáng tin cậy trong mọi điều kiện làm việc

Hình 3.2 Ví dụ minh họa xe AGV

3.1.2.2 Thiết kế kết cấu khung xe AVG

Hình 3.3 Kết cấu khung xe AGV

Khung xe có: Chiều cao 200 mm, rộng 300 mm, chiều dài là 500 mm Vật liệu thiết kế là thép C45

Hình 3.4 Kết cấu sơ bộ vỏ xe AGV

3.1.3 Phân bố tải trọng xe

Vì để đảm bảo tính toán nên nhóm đã đo đạc thực tế và có được các thông số cơ bản như sau:

Bảng 3 2 Bảng số liệu tính toán phân bố tải trọng

STT Tên thông số Ký hiệu Giá trị Đơn vị

1 Khối lượng không tải m0 30 Kg

2 Khối lượng toàn tải ma 80 Kg

3 Phân bố tải trọng lên xe m1/m2/m3 5%/5%/90% Kg

4 Chiều dài cơ sở L0 450 mm

5 Chiều cao trọng tâm xe khi đầy tải hg 75 mm

Tính toán phân bố tải trọng lên xe tự hành (AGV) là sử dụng cân bằng tải trọng trên từng bánh xe Điều này đảm bảo rằng AGV có thể di chuyển một cách ổn định và an toàn

- Hàng đặt trên chỗ dể hàng và tải trọng của hàng hóa đặt trên chỗ để hàng phân bố đều lên khung xe

- Các thiết bị chấp hành, linh kiện điện tử gây tải trong phân bố đều trên khung xe

Cơ sở lý thuyết tính toán:

Hình 3.5 Sơ đồ lực tác động lên xe

- a, b: Khoảng cách từ trọng tâm đến trục bánh xe trước, sau

- L: Chiều dài cơ sở của xe

- G: Trọng lượng toàn bộ của xe

- Z1, Z2: Phản lực pháp tuyến từ mặt đường tác dụng lên bánh xe trước, sau

- Z3: Phản lực pháp tuyến từ mặt đường tác dụng lên bánh xe chủ động

- hg: Chiều cao trọng tâm của xe

Phân bố trọng lượng lên xe:

Khoảng cách từ trục sau đến trọng tâm a 225 mm

Khoảng cách từ trục trước đến trọng tâm b 225 mm

Tải trong lên các bánh xe

Xây dựng mô hình 3D trên phần mềm Solidworks và sử dụng tính năng Simulation có sẵn trong phần mềm để tính bền cho khung xe

Hình 3.6 Xây dựng mô hình 3D

Mô hình khung được xây dựng trong Solidworks 2021 với kích thước và tỷ lệ thực tế Để giảm khối lượng tính toán, mô hình tập trung vào các kết cấu chính và bộ phận chịu lực chính của khung, bỏ qua các mối nối mềm.

Bước 2: Chọn vật liệu Ở bước này tiến hành chọn và đánh giá vật liệu và quyết định chọn thép C45 vì thép C45 có các đặc điểm sau đây:

Bảng 3.3 Thông số kỹ thuật của thép C45

Mác thép Tiêu chuẩn Độ bền đứt σb (Pa) Độ giãn dài tương đối δ (%) Độ cứng HRC

Mô hình được chia riêng biệt với kích thước nhỏ nhất để có thể có kết qua chính xác nhất

Thông số chung của lưới:

• Chất lượng của lưới đạt: 100%

Bước 4: Xác định các thông số mô phỏng

Ta chọn các điểm đặt lực:

- Liên kết của 2 bánh đa hướng:

Hình 3.8 Liên kết bánh đa hướng với khung xe

- Liên kết bánh xe chủ động với bệ đỡ ổ:

Hình 3.9 Liên kết bánh xe chủ động với ổ đỡ

- Liên kết xy lanh với khung xe:

Hình 3.10 Các vị trí xi-lanh liên kết với khung xe

Hình 3.11 Tổng hợp các vị trí lực đặt lên khung xe

Tải trọng tác dụng lên khung được đưa vào dưới dạng tải trọng phân bố đều và phân theo chiều dài của khung:

− Mũi tên màu xanh là vị trí chịu phản lực của xe khi ở trên mặt đất

− Mũi tên màu hồng là lực của tải trọng tác động lên xe theo chiều thẳng đứng được phân bố đều lên xylanh và khung xe

Cho lực tải trọng bằng 55Kg, lúc này xe chịu một phản lực theo hướng ngược lên do trọng lực gây nên

Tải trọng như khối lượng, hàng hóa được đặt lên bề mặt khung theo đúng vùng của chúng

Các thành phần lực tập trung được đặt lên khung theo đúng tọa độ bằng phương pháp đặt lực trong Simulation

Chọn “Run Simulation” để phần mềm bắt đầu tính toán, sau khi phần mềm tính toán xong, ta nhận được kết quả:

Hình 3.12 Phân bố ứng xuất trên khung xe

Hình 3.13 Phân bố chuyển vị trên khung xe

3.1.2 Kết luận Ứng suất biến dạng cực đại ([σ] =4,175*10 +6 N/𝑚𝑚 2 ) trên khung xe tính được nhỏ hơn ứng suất giới hạn chảy của vật liệu thép C45 ([σ] = 580*10 +9 N/𝑚𝑚 2 ) do đó hệ khung hoàn toàn đủ bền

Chuyển vị của khung xe là: 0.01 (mm)

3.2 Tính toán chọn động cơ

Robot tự hành di động nên thông thường sử dụng động cơ dùng dòng điện DC Một số loại động cơ dùng dòng điện DC như: động cơ bước, động cơ DC, động cơ DC Servo Robot tự hành cần điều khiển vận tốc nên động cơ DC phải có hồi tiếp vận tốc (mặc dù một số động cơ DC điều khiển được chính xác vận tốc, không cần hồi tiếp nhưng giá sẽ rất cao) Do đó chọn động cơ bước hoặc động cơ DC servo là phương án khả thi Sau đây là những phân tích về ưu, nhược điểm của hai loại động cơ này, từ đó có thể xác định được loại động cơ cần dùng để phù hợp với yêu cầu đặt ra

• Động cơ bước: Động cơ bước thông thường là loại động cơ điều khiển vòng hở, biến đổi các xung điện rời rạc kế tiếp nhau thành chuyển động quay của rotor Giá trị góc quay phụ thuộc và số xung điện cấp vào động cơ Mỗi vòng quay có số bước cố định, thay đổi tốc độ quay bằng cách thay đổi tốc độ tín hiệu điện cấp cho động cơ

+ Điều khiển chính xác, không bị lọt lố và có moment giữ tại một ví trí

+ Dễ bị trượt bước khi mang tải lớn

+ Tốc độ của động cơ không cao

• Động cơ DC Servo: Động cơ DC servo là động cơ DC có thêm bộ phận đo thông số đầu ra của động cơ thông thường là góc quay, vận tốc quay Từ các sai số góc quay, vận tốc quay thì bộ điều khiển sẽ tăng hay giảm dòng cấp cho động cơ để đạt góc quay, vận tốc mong muốn

Hình 3.15 Động cơ DC Servo

+ Momen khởi động và vận tốc lớn

+ Động cơ chạy êm khi đạt tốc độ ổn định

+ Bị rung lắc khi dừng lại và tùy thuộc vào chất lượng của bộ điều khiển

+ Tín hiệu hồi tiếp có thể bị nhiễu

• Động cơ DC: Động cơ DC (Dòng điện một chiều) là động cơ có hai dây (dây nguồn và dây nối đất) Khi được cấp nguồn điện, động cơ DC sẽ bắt đầu quay cho đến khi nguồn điện đó được rút ra Hầu hết các động cơ DC đều chạy ở tốc độ RPM cao (số vòng quay trên phút) Tốc độ của động cơ DC được điều khiển bằng cách sử dụng điều chế độ rộng xung (PWM), một kỹ thuật bật và tắt nguồn nhanh chóng Động cơ quay nhanh, liên tục Được sử dụng cho bất kỳ ứng dụng nào cần quay với tốc độ RPM cao

+ Sử dụng ít năng lượng hơn lên đến 55% so với động cơ AC

+ Dễ dàng thay đổi tốc độ của động cơ, chịu được quá tải cao

+ Kéo được tải nặng khi khởi động do có moment xoắn lớn

+ Độ bền tương đối cao

+ Có cấu tạo đơn giản nhưng tiếp điểm giữa chổi than và cổ góp có khả năng tạo ra tia lửa điện và mài mòn cơ học trong quá trình vận hành

+ Công suất của động cơ điện một chiều chỉ ở mức trung bình, không quá cao

So sánh các loại động cơ với nhau để chọn ra loại động cơ phù hợp nhất

Bảng 3.4 So sánh động cơ bước, động cơ DC servo và động cơ DC Đặc Điểm

Loại động cơ Điều khiển vận tốc Tốc độ tối đa Tín hiệu hồi tiếp Động cơ bước Có Thấp Không Động cơ DC servo Có Cao Trung bình Động cơ DC Có Cao Nhanh

Dựa vào phân tích và điều kiện hoạt động của robot và từ những so sánh trên, lựa chọn phương án sử dụng động cơ DC Kết hợp với những yêu cầu thiết kế xe tự hành như linh hoạt, nhỏ gọn nên chọn loại động cơ DC có tích hợp sẵn hộp giảm tốc.

Tính chọn động cơ

Bảng 3.5 Các thông số đầu vào

Khối lượng của xe (m) 30 kg

Khối lượng hàng xe phải chở 50 kg Đường kính bánh xe chủ động (d) 150 mm

Vì xe hoạt động trong phạm vi nhà kho với địa hình bằng phẳng và vận tốc nhỏ, giả thiết bỏ qua sự biến dạng của bề mặt bánh xe và lực cản của không khí trong quá trình di chuyển

Phân tích các lực tác động lên một bánh xe chủ động như sau:

Hình 3.16 Sơ đồ phân tích lực

⃗⃗⃗⃗⃗⃗⃗⃗ là lực ma sát nghỉ giữa bánh xe và bề mặt sàn bê tông

𝐹⃗⃗⃗⃗ 𝑤 là lực kéo sinh ra do moment của động cơ

𝑁⃗⃗ là phản lực của mặt sàn

⃗⃗⃗ là một nửa trọng lượng của xe

⃗⃗⃗⃗⃗ là moment xoắn của động cơ

𝑚 1 là một nửa tổng trọng lượng của xe và hàng: 𝑚 1 = 𝑚/2

Xe tự hành chuyển động đến trước với vận tốc 𝑣 = 0,5 (𝑚/𝑠) Tốc độ quay của bánh xe là:

𝜋 150 = 63,6 (𝑣ò𝑛𝑔/𝑝ℎú𝑡) (3.1) Phương trình cân bằng lực:

⃗⃗⃗⃗⃗⃗⃗⃗ + 𝐹⃗⃗⃗⃗ + 𝑁⃗⃗ + 𝑃 𝑤 ⃗⃗⃗ = 𝑚 1 1 𝑎 Với a là gia tốc của xe

• Khi xe chuyển động đều:

Với vận tốc không đổi là 𝑣 = 0,5 (𝑚/𝑠), nên gia tốc 𝑎 = 0(𝑚/𝑠 2 ) Khi đó:

Lực kéo sinh ra do momen của động cơ là:

𝐹 𝑤 = 𝐹 𝑚𝑠𝑛 = 𝜇 𝑙 𝑁 = 0,015.392,4 = 5,886 Với hệ số ma sát lăn 𝜇 𝑙 = 0,015 khi xe di chuyển trên sàn bê tông

Công suất cần thiết để xe di chuyển ổn định với vận tốc𝑣 = 0,5 (𝑚/𝑠)là:

Xe tăng tốc với gia tốc 𝑎 = 0,5(𝑚/𝑠 2 )

Lực kéo sinh ra do moment của động cơ là:

Với hệ số ma sát nghỉ là 𝜇 𝑛 = 1

Momen xoắn cần thiết để xe tăng tốc là:

𝑀 1 = 𝐹 𝑤 𝑟 = 412,4.0,075 = 30,93 (𝑁𝑚) Công suất cần thiết để xe tăng tốc lên vận tốc 𝑣 = 0,5 (𝑚/𝑠) là:

Từ kết quả (4.2) và (4.3) suy ra công suất động cơ cần thiết là 248 (W) và tốc độ vòng yêu cầu là 63,6 (vòng/phút) Chọn động cơ MY1025Z2 DC servo, sử dụng điện áp 12V có công suất 250 (W) có hộp giảm tốc, tốc độ không tải là 300 (vòng/phút)

Hình 3.17 Động cơ MY1025Z2 DC có giảm tốc Động cơ được chọn có tốc độ n00(vòng/phút) lớn hơn so với tốc độ yêu cầu để xe vận hành ở tốc độ v=0,5(m/s) Vì vậy cần một bộ truyền xích với tỉ số truyền i=4 để đáp ứng số vòng quay

3.2.1 Tính toán hệ thống truyền động

3.2.1.1 Lựa chọn phương án truyền động

Truyền động xích và truyền động dây đai là những bộ phận và loại cơ chế thiết yếu

Nó thêm lợi thế của sự vận động và chuyển giao quyền lực Việc sử dụng chính là để thay đổi khả năng di chuyển các đối tượng Cả hai đều được sử dụng trong nhiều phương tiện Cả bộ truyền đai và bộ truyền xích đều có nhưng thuận tiện và hạn chế nhất định, dưới đây là bản so sánh hai bộ truyền

Bảng 3.6 So sánh bộ truyền xích và bộ truyền đai

Các thông số Bộ truyền xích Bộ truyền đai

Yếu tố chính Nhông, xích Ròng rọc, dây đai

Không gian Không gian vừa phải Không gian rộng

Khoảng cách trục Khoảng cách trục vừa phải Khoảng cách trục lớn

Bôi trơn Yêu cầu Yêu cầu

Thiết kế Đơn giản Đơn giản nhất

Chi phí lắt đặt Trung bình Ít hơn

Nhiệt độ Không ảnh hưởng Ảnh hưởng

Hiệu suất Cao Thấp hơn

Với yêu cầu thiết kế xe tự hành nhỏ gọn và có tính linh hoạt cao, nên chọn bộ truyền xích cho xe nhằm tối giản được diện tích cũng như là có được hiệu suất làm việc tốt hơn trong những trường hợp xe ngắt động cơ tức thời mà không có hiện tượng trượt như là bộ truyền đai Và bộ truyền xích sẽ là bộ truyền xích con lăn, với bộ truyền xích con lăn có những ưu điểm sau:

+ Có độ bền và độ cứng hơn, cho phép vận chuyển hàng hóa khối lượng lớn

+ Làm việc bằng đĩa có kích thước nhỏ gọn, linh hoạt

+ Kết cấu đơn giản, thuận tiện cho việc lắp đặt

3.2.1.2 Tính toán bộ truyền xích

Chọn 𝑍 1 = 9 , tỉ số truyền cần là 𝑖 = 4 , nên 𝑍 2 = 36

Chọn sơ bộ khoảng cách trục 𝑎 = 200𝑚𝑚

3.3 Thiết kế tự động lấy hàng

3.3.1 Lựa chọn cơ cấu nâng hạ Để xe có thể nhận hàng hóa tại điểm A và di chuyển đến điểm B để trả hàng xe cần phải trang bị cho mình hệ thống nâng hạ Hệ thống nâng hạ bằng xy lanh hiện nay có các loại khác nhau như: xy lanh điện, xy lanh thủy khí, xy lanh thủy lực Để có thể tiết kiệm được diện tích và lắp ráp đơn giản cho hệ thống này Qua khảo sát và tìm hiểu thì loại xy lanh mà phù hợp với xe tự hành với yêu cầu nhỏ gọn dễ dàng lắp đặt và bảo dưỡng, chọn loại xy lanh điện với những ưu điểm sau:

- Xy lanh điện là thiết bị truyền động điện cung cấp tín hiệu điều khiển chính xác nhất Các thiết lập của xy lanh điện có thể dùng để mở rộng các yêu cầu về lực, độ yên tĩnh, sự trơn tru hay thậm chí là những công việc lặp đi lặp lại nhiều lần

- Chỉ cần có nguồn điện và hệ thống dây điện đơn giản là xy lanh có thể hoạt động bình thường

- Hiệu suất và độ chính xác cao nhờ việc áp dụng cơ cấu trục vít và đai ốc (vit-me) trong chuyển động của xy lanh

- Xy lanh điện vận hành êm ái, trơn tru, phát ra tiếng ồn nhỏ hơn rất nhiều so với thiết bị truyền động khí nén và thủy lực

- Thân thiện với môi trường: Thiết bị này không xảy ra tình trạng rò rỉ chất lỏng nên không gây ảnh hưởng nguy hại đến môi trường xung quanh

Bên cạnh đó xy lanh điện cũng có những nhược điểm như:

- Khác với các loại xy lanh khác, xy lanh điện không thể hoạt động trong môi trường khắc nghiệt, và không tránh khỏi nguy cơ cháy nổ khi có sự cố

- Khi động cơ xy lanh điện hoạt động liên tục sẽ gia tăng lượng nhiệt năng, làm hao mòn và giảm tốc độ của bánh răng

Qua những ưu nhược điểm trên thì loại xy lanh điện với cơ cấu trục vít và đai ốc (vít –me) là loại phù hợp nhất

3.3.2 Tính chọn cơ cấu nâng hạ

Các thông số yêu cầu xy lanh điện phải đáp ứng là:

- Trọng lượng tối đa hàng hóa: 500N

- Hành trình nâng: 30(mm) Để tăng tính ổn định khi nâng hàng nên sử dụng 2 xy lanh điện Áp dụng công thức tính công suất yêu cầu của xy lanh:

𝑃 𝑛ℎ = 𝐹 𝑉 𝑘 đ = 6,67(𝑊) Dựa theo thông số công suất và tốc độ yêu cầu chọn được loại xy lanh điện KDYJT018 với hành trình nâng là 33mm, tốc độ 12mm/s và sử dụng nguồn điện 12V

3.4 Tính toán chọn nguồn cung cấp năng lượng cho xe AVG

3.4.1 Chọn nguồn cung cấp năng lượng

Theo yêu cầu ban đầu nguồn năng lượng cấp cho xe AGV để hoạt động liên tục trong vòng 4 giờ và có thể sạc đầy sau đó Hiện nay nguồn năng lượng khả thi nhất là ắc quy Có nhiều loại ắc quy và cùng với đó là đều có các ưu nhược điểm khác nhau Dựa vào yêu cầu thiết kế và tài chính mà chọn nguồn năng lượng phù hợp Ắc quy có hai loại phổ biến là ắc quy chì – axit và ắc quy kiềm

• Ắc quy chì – axit (ướt):

+ Dung lượng năng lượng cao

+ Khả năng phục hồi năng lượng tốt

+ Thiết kế đơn giản dể dàng sửa chữa

+ Nguy cơ rò điện, rò axit khi sử dụng không đúng cách

+ Yêu cầu bảo trì thường xuyên, cần kiểm tra nước và bổ sung dung dịch điện phân thường xuyên

+ Có trọng lượng nặng hơn so với ắc quy kiềm

+ Tốn điện năng khi không sử dụng

+ An toàn, không chứa axit hay dung địch diện phân

+ Khả năng chịu va đập

+ Tuổi thọ cao so với các ắc quy chì – axit vì không có có dung dịch điện phân gây ăn mòn

+ Không yêu cầu bảo dưỡng thường xuyên

+ Có kích thước nhỏ gọn dể dàng sử dụng

+ Dung lượng năng lượng thấp

+ Khả năng phục hồi thấp

Chọn ắc quy kiềm (khô) dựa trên những ưu và nhược điểm nêu trên

Việc tính toán, lựa chọn acquy được thực hiện dựa trên thời gian hoạt động và công suất tiêu thụ của hệ thống điện trên xe

AH: Dung lượng của pin [Ah] t: Thời gian hoạt động của xe [h]

U: Hiệu điện thế sử dụng [v] pđc1: Công suất động cơ xe khởi động, pđc = 494,88 [w] pđc2: Công suất động cơ xe toàn tải, pđc = 7,0632 [w] pđc3: Công suất động cơ xe không tải, pđc = 4,415 [w] pnh: Công suất cơ cấu nâng hạ, pnh = 100 [w] ppt: Công suất các phụ tải [w] k1 = 0,1 Tỷ lệ thời gian xe chạy chế độ khởi động k2 = 0,4 Tỷ lệ thời gian xe chạy chế độ toàn tải k3 = 0,4 Tỷ lệ thời gian xe chạy chế độ không tải k4 = 0.1 Tỷ lệ thời gian cơ cấu nâng hạ hoạt động

Tổng công suất của các phụ tải như: công suất của các cảm biến dò đường, cảm biến vật cản, mạch điện điều khiển, … Công suất của các thiết bị điện này nhỏ nên ta chọn

Với dữ liệu ban đầu xe làm việc liên tục trong vòng 4 giờ, sử dụng dòng điện 12V

Ta có được dụng lượng acquy là:

12 (494,88.0,1 + 7,0632.0,4 + 4,415.0,4 + 100.0,2 + 25) 4 = 32.92 [𝐴ℎ] Chọn ắc quy khô với dung lượng 45Ah và có hiệu điện thế 12V

3.5 Thiết kế hệ thống điều khiển

3.5.1 Tổng quan về hệ thống điều khiển

Sau khi nghiên cứu và tìm hiều về các hệ thống điều khiển nhóm đã sử dụng Arduino để làm bộ điều khiển trung tâm với những ưu điểm sau:

- Môi trường phát triển đơn giản, rõ ràng

- Giá thành vừa phải phù hợp với sinh viên

- Có nhiều thư viện có sẵn

Hình 3.19 Một số bo mạch Arduino

Arduino là bo mạch vi xử lí nhằm xây dựng các ứng dụng tương tác với nhau hoặc với môi trường được thuận lợi theo cách tiếp cận dễ dàng đối với người sử dụng Phần cứng bao gồm một bảng mạch điện tử phần cứng dạng nguồn mở được thiết từ bộ vi xử lý 8-bit Atmel AVR, hoặc 32-bit Atmel ARM Phần mềm cho phần cứng này bao gồm một trình biên dịch ngôn ngữ lập trình chuẩn và một bộ nạp khởi động, để có thể thực hiện các lệnh trên bộ vi điều khiển

Điều khiển dò đường

Sau khi nghiên cứu nhóm sử dụng module cảm biến hồng ngoại IR để dò đường line cho xe dẫn với những ưu điểm như:

+ Cấu tạo đơn giản, gọn nhẹ Có giá thành rẻ

+ Độ nhạy sáng của cảm biến vật cản hồng ngoại được điều chỉnh bằng chiết áp, cảm biến dễ lắp ráp, dễ sử dụng,…

+ Có thể được sử dụng rộng rãi trong robot tránh chướng ngại vật, xe tránh chướng ngại vật và dò đường, …

Hình 3.21 Cảm biến hồng ngoại

+ Bộ so sánh sử dụng LM393, làm việc ổn định

+ Điện áp làm việc: 3.3V – 5V DC

+ Khi bật nguồn, đèn báo nguồn màu đỏ sáng

+ Lỗ vít 3 mm, dễ dàng cố định, lắp đặt

Hình 3.22 Cấu tạo cảm biến hồng ngoại

+ VCC: điện áp chuyển đổi từ 3.3V đến 5V (có thể được kết nối trực tiếp đến vi điều khiển 5V và 3.3V)

+ OUT: đầu ra kỹ thuật số (0 và 1)

Hình 3.23 Sơ đồ điều khiển dò đường

Cảm biến hồng ngoại IR Bộ điều khiển trung tâm

Mạch cầu H BTS7960 43A Động cơ bên trái

Mạch cầu H BTS7960 43A Động cơ bên phải

Trong quá trình xe tự hành di chuyển, các cảm biến hồng ngoại liên tục quét và gửi tín hiệu về bộ điều khiển trung tâm Bộ điều khiển xử lý tín hiệu và điều khiển hai mạch cầu để điều chỉnh động cơ, giúp xe di chuyển đúng theo đường line đã định sẵn.

Hình 3.24 Sơ đồ mạch điện điều khiển dò đường

3.6.4 Lưu đồ thuật toán Để đảm bảo độ chính xác độ lệch khỏi line và tối ưu số chân kết nối với bộ xử lý trung tâm thì nhóm sử dụng 5 cảm biến để đo độ lệch của xe khỏi line 5 cảm biến này sẽ liên tục đo độ lệch và phản hồi về bộ xử lý trung tâm, bộ xử lý trung tâm sẽ tính toán và đưa tín hiệu điều khiển tốc độ của động cơ sao cho phù hợp

Hình 3.25 Lưu đồ thuật toán dò đường

Khi bắt đầu, hệ thống đọc giá trị cảm biến, sẽ có 5 cảm biến để dò đường và nhận tín hiệu với các giá trị e=[-5;5], tương ứng với các hành động tiến, lùi, rẽ phải, rẽ trái Khi hệ thống đọc được tín hiệu từ các cảm biến và nhận được các giá trị trong khoảng “e” thì hệ thống sẽ điều chỉnh xe chạy theo đúng lộ trình.

Hệ thống phát hiện an toàn

3.7.1.1 Cảm biến hồng ngoại E18-D80NK

Sau khi nghiên cứu nhóm sử dụng cảm biến hồng ngoại E18-D80NK để phát hiện các vật cản cho xe

Cảm biến siêu âm E18-D80NK được sử dụng rất phổ biến để xác định khoảng cách với chất lượng tốt, độ bền và tính ổn định cao, đặc biệt cảm biến có khoảng cách điều chỉnh chính xác từ 3 – 80 cm với thấu kính hồng ngoại chất lượng tốt Cảm biến E18 sử dụng sóng siêu âm và có thể đo khoảng cách trong khoảng từ 2 -> 300cm, với độ chính xác gần như chỉ phụ thuộc vào cách lập trình

Cảm biến hồng ngoại E18 hoạt động dựa trên nguyên lý sử dụng ánh sáng hồng ngoại để phát hiện chướng ngại vật Cảm biến phát ra các tia hồng ngoại có tần số riêng biệt, giúp chống nhiễu hiệu quả ngay cả trong điều kiện ánh sáng ngoài trời mạnh.

Hình 3.26 Cảm biến hồng ngoại E18-D80NK

+ Màu Nâu (Brown): chân nguồn dương VCC cấp nguồn từ 5VDC

+ Màu Đen (Black): chân tín hiệu SIGNAL đầu ra cấu trúc cực thu hở Transistor NPN

+ Xanh Dương (Blue): chân nguồn âm GND

Nhóm sử dụng module buzzer để phát ra âm thanh cảnh báo khi có vật cản trước xe

+ Dòng hoạt động: 30mA / 5VDC

+ Tần số cộng hưởng 2500Hz ± 300Hz

+ Đầu ra âm thanh tối thiểu 85Db @ 10cm

+ VCC: Cấp nguồn điện áp từ 3.5V đến 5V

+ I/O: Nhận tín hiệu hoạt động

Hình 3.28 Sơ đồ phát hiện vật cản

Cảm biến hồng ngoại E18-D80NK Bộ điều khiển trung tâm

BTS7960 43A Động cơ bên trái

BTS7960 43A Động cơ bên phảiModule buzzer

Khi cảm biền hồng ngoại phát hiện vật cản, cảm biến sẽ phát tín hiệu tới bộ điều khiển trung tâm Bộ điều khiển trung tâm sẽ xử lý và chuyển tín hiệu điều khiển tới hai mạch cầu nhằm dừng động cơ và phát ra âm thanh cảnh báo thông qua module còi

Hình 3.29 Sơ đồ mạch điện phát hiện vật cản

3.7.4 Lưu đồ thuật toán Để đảm bảo an toàn, hạn chế tai nạn trong xưởng, kho tránh gây thiệt hại về người và tài sản Xe AGV được trang bị cảm biến hồng ngoại và module buzzer Cảm biến sẽ liên tục đo khoảng cách các vật thể phía trước xe và đưa tín hiệu về bộ xử lý trung tâm Khi khoảng cách bé hơn khoảng cách cho phép, bộ xử lý trung tâm sẽ đưa tín hiệu cho xe dừng lại và module buzzer phát tín hiệu cảnh báo

Hình 3.30 Lưu đồ thuật toán phát hiện vật cản

Khi hệ thống bắt đầu, cảm biến nhận được giá trị khoảng cách là d và d có giá trị là d < stop_d (khoảng cách cần dừng)

+ Nếu đúng: động cơ sẽ dừng, còi cảnh báo sẽ phát tín hiệu đến khi giá trị d > stop_d, khi đó còi cảnh báo sẽ tắt và động cơ tiếp tục hoạt động và theo vong lặp

+ Nếu sai: Động cơ vẫn tiếp tục hoạt động và theo vòng lặp.

Hệ thống RFID

Hệ thống RFID được trang bị trên xe để xe AGV có thể phân biệt được giữa các trạm nhận/trả hàng, trạm sạc, để dễ dàng quản lý xe vận chuyển hàng trong nhà kho RFID chính là viết tắt của thuật ngữ Radio Frequency Identification, ta có thể hiểu đây chính là việc nhận dạng qua tần số vô tuyến RFID là một công nghệ dùng kết nối sóng vô tuyến để tự động xác định và theo dõi các thẻ nhận dạng gắn vào vật thể Công nghệ này cho phép nhận biết các đối tượng thông qua hệ thống thu phát sóng radio, từ đó có thể giám sát, quản lý từng đối tượng

Công nghệ RFID là công nghệ nhận dạng dựa trên sóng vô tuyến (RF), sử dụng các băng tần 125Khz hoặc 900Mhz Hệ thống RFID bao gồm hai thành phần chính: thẻ RFID, chứa thông tin được mã hóa, và đầu đọc RFID, thiết bị phát và nhận tín hiệu RF.

+ Thẻ RFID là thiết bị phát ra tín hiệu sóng vô tuyến nhờ con chip siêu nhỏ được gắn bên trong thẻ Khi sử dụng người dùng sẽ gắn các thẻ này lên các sản phẩm, hàng hóa cần theo dõi Mỗi thẻ RFID cũng có một mã số nhất định không được trùng với nhau

+ Đầu đọc RFID là thiết bị được gắn anten thu sóng vô tuyến phát ra từ thẻ RFID Đầu thu RFID cho phép thu sóng vô tuyến từ thẻ RFID trong phạm vi từ 0.5 - 30m Dữ liệu sau khi thu nhận sẽ được truyền thẳng về hệ thống máy chủ và lưu giữ ở đó

+ Tần số hoạt động: 13.56 MHz

+ Khoảng cách hoạt động: 0 ~ 60 mm

+ Cổng giao tiếp: SPI, tốc độ tối đa 10Мbps

+ Có khả năng đọc và ghi

Để nhận biết các trạm, xe tự hành sử dụng thẻ từ chứa chip siêu nhỏ phát ra sóng hồng ngoại Module quét thẻ nhận dạng sóng này và truyền tín hiệu về bộ điều khiển trung tâm, nơi xử lý tín hiệu và truyền đến mạch cầu điều khiển hai động cơ Nhờ đó, xe có thể di chuyển chính xác đến các trạm được xác định bằng thẻ từ.

3.8.4 Lưu đồ thuật toán Để để cho xe có thể phân biệt được giữa các trạm nhận/trả hàng, trạm sạc, để dễ dàng quản lý xe vận chuyển hàng trong nhà kho Xe AGV được trang bị hệ thống RFID, hệ thống RFID sẽ đọc được các mã từ các thẻ từ được gắn trên đường đi Tùy vào từng mã thẻ xe sẽ thực hiện các chương trình tương ứng

Bộ điều khiển trung tâm

Mạch cầu H BTS7960 43A Động cơ bên trái

Mạch cầu H BTS7960 43A Động cơ bên phải

Lưu đồ thuật toán hệ thống RFID hoạt động theo quy trình: chương trình thiết lập trạm trả hàng trên xe, sau đó hệ thống RFID đọc giá trị UID Nếu UID = ID1, hệ thống trả hàng Nếu khác, hệ thống tiếp tục đọc UID = ID2, trả hàng nếu trùng khớp Nếu tiếp tục khác, hệ thống so sánh UID = ID3, nhận hàng nếu trùng khớp Nếu tiếp tục khác, hệ thống đọc UID = ID4, rẽ vào trạm sạc nếu trùng khớp Ngược lại, hệ thống lặp lại vòng lặp cho đến khi tìm được điểm đích phù hợp.

Điều khiển động cơ

3.9.1.1 Điều khiển điện áp cấp vào động cơ bằng băm xung PWM

Thông thường, tốc độ quay của một động cơ điện một chiều tỷ lệ với điện áp đặt vào nó và mô men xoắn tỷ lệ với dòng điện, mô men xoắn lớn nhất khi động cơ khởi động (nghĩa là khi động cơ bắt đầu quay) khi đó động cơ sẽ cần 1 dòng điện lớn để khởi động Điều khiển tốc độ động cơ bằng cách thay đổi giá trị điện áp và dòng vào động cơ

Phương pháp điều xung PWM (Pulse Width Modulation) là phương pháp điều chỉnh điện áp ra tải, hay nói cách khác là phương pháp điều chế dựa trên sự thay đổi độ rộng của chuỗi xung vuông, dẫn đến sự thay đổi điện áp ra PWM được ứng dụng nhiều trong điều khiển Điển hình nhất mà chúng ta thường hay gặp là điều khiển động cơ và các bộ xung áp, điều áp Sử dụng PWM điều khiển độ nhanh chậm của động cơ hay cao hơn nữa, nó còn được dùng để điều khiển sự ổn định tốc độ động cơ

Nguyên lý điều khiển: Đây là phương pháp được thực hiện theo nguyên tắc đóng ngắt nguồn với tải một cách có chu kì theo luật điều chỉnh thời gian đóng ngắt

Trong khoảng thời gian từ 0 đến t0 ta mở van điều khiển (thường là các van bán dẫn BJT hay MOSFET) cấp nguồn cho tải, còn trong khoảng thời gian từ t0 đến T ta mở van điều khiển để ngưng cấp nguồn cho tải Vì vậy với to thay đổi từ 0 đến T, ta sẽ cung cấp toàn bộ, một phần hay khóa toàn bộ điện áp cung cấp cho tải

Hình 3.34 Sơ đồ xung của van điều khiển đầu ra

Công thức tính điện áp trung bình cung cấp cho tải:

Trong đó: t0 : thời gian mở công tắc [s]

T : chu kỳ mở và đóng công tắc [s]

Ud : điện áp trung bình trên tải [V]

Umax : điện áp nguồn cung cấp cho tải (ở đây ta sử dụng nguồn 24V)

Do đặc tính cảm kháng của động cơ, dòng qua động cơ là dòng liên tục, gợn sóng như sau:

Hình 3.35 Dạng sóng dòng và áp trên động cơ

3.9.2 Cảm biến lượt điều khiển

Tín hiệu từ các cảm biến dò đường, cảm biến va chạm được đưa đến bộ điều khiển trung tâm Tại đây, bộ điều khiển trung tâm sẽ tính toán và đưa ra các lệnh các động cơ chạy tiến, chạy lùi hay dừng 2 động cơ dẫn động 2 bánh xe để điều khiển xe tiền, lùi, rẽ trái, phải,

Tốc độ động cơ thay đổi nhờ sự thay đổi giá trị điện áp cấp vào 2 động cơ Tín hiệu băm xung PWM được bộ điều khiển trung tâm tính toán và đưa đến mạch cầu H BTS7960 43A để thay đổi giá trị điện áp phù hợp cấp vào 2 động cơ để đạt được tốc độ mong muốn

3.9.3.1 Bộ xử lý trung tâm Arduino Mega 2560

Arduino board có rất nhiều phiên bản với hiệu năng và mục đích sử dụng khác nhau như: Arduino Mega, Arduino Nano, Arduino LilyPad, Vì xe sử dụng nhiều thiết bị được điều khiển bởi Arduino board nên quyết định chọn bộ xử lý trung tâm Arduino

Mega 2560 là một lựa chọn phù hợp và tối ưu nhất Arduino Mega 2560 là một trong những phiên bản được sử dụng rộng rãi nhất bởi chi phí và tính linh động của nó

Hình 3.36 Cấu tạo Arduino Mega 2560

Arduino Mega 2560 là một bo mạch tích hợp nhiều tính năng nổi bật Hệ thống I/O lớn với 16 ngõ vào tương tự và 54 ngõ vào digital hỗ trợ UART và nhiều giao thức khác là một trong những đặc điểm nổi bật của Arduino Mega 2560.

2560 có sẵn RTC và các tính năng khác như bộ so sánh, timer, ngắt để điều khiển hoạt động, tiết kiệm điện năng và tốc độ nhanh hơn với xung thạch anh16 Mhz

Các tính năng khác bao gồm hỗ trợ JTAG để lập trình, gỡ lỗi và xử lý sự cố Với bộ nhớ FLASH lớn và SRAM, bo này có thể xử lý chương trình hệ thống lớn một cách dễ dàng Nó cũng tương thích với các loại bo mạch khác nhau như tín hiệu mức cao (5V) hoặc tín hiệu mức thấp (3.3V) với chân nạp I / O

Trên board còn có 1 nút reset, 1 ngõ kết nối với máy tính qua cổng USB và 1 ngõ cấp nguồn sử dụng jack 2.1mm lấy năng lượng trực tiếp từ AC-DC adapter hay thông qua ắc-quy nguồn

Khi làm việc với Arduino board, một số thuật ngữ sau cần lưu ý:

+ Flash Memory: bộ nhớ có thể ghi được, dữ liệu không bị mất ngay cả khi tắt điện

Về vai trò, có thể hình dung bộ nhớ này như ổ cứng để chứa dữ liệu trên board Chương trình được viết cho Arduino sẽ được lưu ở đây Kích thước của vùng nhớ này dựa vào vi điều khiển được sử dụng, ví dụ như ATmega8 có 8KB flash memory Loại bộ nhớ này có thể chịu được khoảng 10.000 lần ghi / xoá

+ RAM: tương tự như RAM của máy tính, mất dữ liệu khi ngắt điện, bù lại tốc độ đọc ghi xoá rất nhanh Kích thước nhỏ hơn Flash Memory nhiều lần

EEPROM là dạng bộ nhớ tương tự như Flash Memory nhưng có chu kỳ ghi/xóa cao hơn khoảng 100.000 lần và có kích thước rất nhỏ Để đọc/ghi dữ liệu vào EEPROM, có thể sử dụng thư viện EEPROM của Arduino.

Ngoài ra, Arduino board còn cung cấp cho các pin khác nhau như pin cấp nguồn 3.3V, pin cấp nguồn 5V, pin GND,

Bảng 3.7 Thông số vi điều khiển Arduino Mega 2560

Vi điều khiển AVR ATmega 2560 (8bit) Điện áp hoạt động 5V Điện áp vào khuyên dùng 7-12V Điện áp vào giới hạn 6-20V

Cường độ dòng điện trên mỗi I/O pin 20 mA

Cường độ dòng điện trên mỗi 3.3V pin 50 mA

CHẾ TẠO MÔ HÌNH VÀ ĐÁNH GIÁ THỰC NGHIỆM

Đánh giá thực nghiệm

TT Họ tên sinh viên Nội dung

1 Trương Việt Trình Chương 1: Tổng quan về xe AGV

Chương 2: Nghiên cứu các phương án bố trí và điều khiển xe

Chương 4: Chế tạo mô hình và đánh giá thực nghiệm

3 Nguyễn Công Vinh b Phần riêng:

1 Trương Việt Trình Chương 3: 3.1 Tính toán thiết kế khung vỏ

2 Lê Thành Bảo Chương 3: 3.2 Tính toán thiết kế hệ thống điện

3 Nguyễn Công Vinh Chương 3: 3.3 Thiết kế hệ thống điều khiển

4 Các bản vẽ, đồ thị (ghi rõ các loại và kích thước bản vẽ):

1 Trương Việt Trình 1 Bản vẽ tổng thể xe AGV (A3)

2 Bản vẽ kết cấu của xe AGV (A3)

2 Lê Thành Bảo 3 Sơ đồ mạch điện tổng thể (A3)

4 Sơ đồ thực nghiệm thực tế (A3)

3 Nguyễn Công Vinh 5 Bản vẽ thiết kế khung xe (A3)

6 Bản vẽ thiết kế bộ truyền động (A3)

5 Họ tên người hướng dẫn: Phần/ Nội dung:

TS Bùi Văn Hùng Toàn bộ

6 Ngày giao nhiệm vụ đồ án: 28/08/2023

7 Ngày hoàn thành đồ án: 16/01/2024 Đà Nẵng, ngày 26 tháng 01 năm 2024

Trưởng Bộ môn Công nghệ kỹ thuật Ô tô

Em xin trân thành cảm ơn các thầy cô đã luôn hỗ trợ và tạo điều kiện thuận lợi để nhóm chúng em có thể hoàn thành đồ án tốt nghiệp này.

Trong quá trình 4 năm học tại TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT– Đại học Đà Nẵng chúng em đã học tập và tích lũy được nhiều kiến thức và kinh nghiệm quý báu để phục vụ cho công việc sau này cũng như phục vụ cho việc hoàn thành đồ án tốt nghiệp

Sau những tháng khẩn trương nghiên cứu và thực hiện đến nay nhóm chúng em đã hoàn thành đồ án tốt nghiệp của mình Đây là thành quả cuối cùng của em sau 4 năm nghiên cứu và học tập tại TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT– Đại học Đà Nẵng dưới sự dẫn dắt chỉ bảo nhiệt tình của các thầy cô trong trường

Trong suất quá trình làm đồ án em đã nhận được sự hướng dẫn tận tình của các thầy cô trong trường Đặt biệt em xin chân thành cảm ơn sự hướng dẫn nhiệt tình, chu đáo của giáo viên hướng dẫn: TS Bùi Văn Hùng đã giúp đỡ nhóm chúng em hoàn thành đồ án tốt nghiệp

Dù có cố gắng hoàn thành đồ án nhưng với lượng kiến thức còn hạn hẹp nên đồ án của chúng em sẽ không tránh khỏi sai sót Em rất mong nhận được sự đóng góp nhận xét và chỉ bảo thêm của các thầy cô

Nhóm chúng em xin chân thành cảm ơn Đà Nẵng, ngày 26 tháng 01 năm 2024 Nhóm sinh viên thực hiện

Lê Thành Bảo Nguyễn Công Vinh

Chúng em xin cam đoan đây là đề tài riêng của nhóm, đề tài không trùng lặp với bất kỳ đề tài đồ án tốt nghiệp nào trước đây Các thông tin, số liệu được sử dụng và tính toán đều từ các tài liệu có nguồn gốc rõ ràng, theo quy định

NHIỆM VỤ ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP vi

DANH SÁCH CÁC BẢNG, HÌNH VẼ vi

DANH SÁCH CÁC KÝ HIỆU, CHỮ VIẾT TẮT viii

1.1 Giới thiệu về xe tự hành 3

1.1.1 Khái niệm xe tự hành 3

1.1.2 Lịch sử phát triển của xe AVG 4

1.2 Phân loại xe tự hành 4

1.2.1 Xe tự hành dạng kéo (Towing vehicle) 4

1.2.2 Xe tự hành dạng chở (Unit Load Automated Guided Vehicle) 5

1.2.3 Xe tự hành dạng nâng (Fork Vehicle) 6

1.2.4 Xe tự hành (AVG) dạng đẩy (Cart Vehicle) 6

1.2.5 Phân loại theo phương pháp tìm đường 6

1.3 Vai trò của xe tự hành phục vụ vận chuyển hàng hóa trong nhà kho 8

1.4 Cấu tạo và nguyên lý tự hành của xe AVG 10

1.4.1 Cấu tạo tổng thể của xe tự hành (AVG) 10

1.4.2 Nguyên lý hoạt động của xe tự hành (AVG) 10

CHƯƠNG 2: NGHIÊN CỨU PHƯƠNG ÁN BỐ TRÍ VÀ ĐIỀU KHIỂN XE 12

2.1 Phân tích điều kiện làm việc và đặc điểm của xe 12

2.2 Phân tích các phương án bố trí 13

2.3 Chọn phương án phù hợp 18

CHƯƠNG 3: TÍNH TOÁN THIẾT KẾ CÁC HỆ THỐNG TRÊN XE AGV 19

3.1 Tính toán và thiết kế khung xe 19

3.1.1 Các thông số đầu vào 19

3.1.2 Thiết kế kết cấu khung vỏ cho xe AVG 20

3.1.3 Phân bố tải trọng xe 22

3.2.1 Tính toán hệ thống truyền động 32

3.7 Hệ thống phát hiện an toàn 43

3.9.2 Cảm biến lượt điều khiển 50

CHƯƠNG 4: CHẾ TẠO MÔ HÌNH VÀ ĐÁNH GIÁ THỰC NGHIỆM 61

• Hướng phát triển đề tài 67

1 Chương trình điều khiển ở chế độ điều khiển bằng tay: 1

2 Chương trình điều khiển ở chế độ tự động 4

DANH SÁCH CÁC BẢNG, HÌNH VẼ

Bảng 3 1 Thông số thiết kế xe AGV 19

Bảng 3 2 Bảng số liệu tính toán phân bố tải trọng 22

Bảng 3 3 Thông số kỹ thuật của thép C45 24

Bảng 3 4 So sánh động cơ bước, động cơ DC servo và động cơ DC 29

Bảng 3 5 Các thông số đầu vào 29

Bảng 3 6 So sánh bộ truyền xích và bộ truyền đai 32

Bảng 3 7 Thông số vi điều khiển Arduino Mega 2560 52

Bảng 4 1 Các thông số kỹ thuật của mô hình xe tự hành đã chế tạo………75

Hình Trang Hình1 1 Xe tự hành AVG 3

Hình1 2 Xe AVG dạng kéo 5

Hình1 3 Xe tự hành dạng chở 5

Hình1 4 Xe AVG dạng nâng 6

Hình1 5 Đường dẫn băng từ 7

Hình1 6 Xe tự hành AVG chạy không theo đường dẫn 7

Hình1 7 Sơ đồ vận chuyển hàng hóa trong nhà kho của hệ thống xe AVG 8

Hình1 8 Quản lý xe AVG 9

Hình1 9 Cấu tạo tổng thể của xe AVG 10

Hình1 10 Chức năng phát hiện vật cản của xe AVG 10

Hình1 11 Xe AVG tự động nhận hàng 11

Hình 2 1 Sơ đồ bố trí phương án 1 14

Hình 2 2 Sơ đồ bố trí của phương án 2 15

Hình 3 1 Sơ đồ nhà kho xe AGV hoạt động 20

Hình 3 2 Ví dụ minh họa xe AGV 20

Hình 3 3 Kết cấu khung xe AGV 21

Hình 3 4 Kết cấu sơ bộ vỏ xe AGV 21

Hình 3 5 Sơ đồ lực tác động lên xe 22

Hình 3 6 Xây dựng mô hình 3D 23

Hình 3 8 Liên kết bánh đa hướng với khung xe 25

Hình 3 9 Liên kết bánh xe chủ động với ổ đỡ 25

Hình 3 10 Các vị trí xi-lanh liên kết với khung xe 25

Hình 3 11 Tổng hợp các vị trí lực đặt lên khung xe 26

Hình 3 12 Phân bố ứng xuất trên khung xe 26

Hình 3 13 Phân bố chuyển vị trên khung xe 27

Hình 3 15 Động cơ DC Servo 28

Hình 3 16 Sơ đồ phân tích lực 30

Hình 3 17 Động cơ MY1025Z2 DC có giảm tốc 31

Hình 3 19 Một số bo mạch Arduino 36

Hình 3 20 Giao diện phần mềm lập trình của Arduino 39

Hình 3 21 Cảm biến hồng ngoại 40

Hình 3 22 Cấu tạo cảm biến hồng ngoại 40

Hình 3 23 Sơ đồ điều khiển dò đường 40

Hình 3 24 Sơ đồ mạch điện điều khiển dò đường 41

Hình 3 25 Lưu đồ thuật toán dò đường 42

Hình 3 26 Cảm biến hồng ngoại E18-D80NK 43

Hình 3 28 Sơ đồ phát hiện vật cản 44

Hình 3 29 Sơ đồ mạch điện phát hiện vật cản 45

Hình 3 30 Lưu đồ thuật toán phát hiện vật cản 45

Hình 3 33 Lưu đồ thuật toán điều khiển hệ thống RFID 48

Hình 3 34 Sơ đồ xung của van điều khiển đầu ra 49

Hình 3 35 Dạng sóng dòng và áp trên động cơ 50

Hình 3 36 Cấu tạo Arduino Mega 2560 51

Hình 3 41 Module giảm áp LM2596 56

Hình 3 42 Sơ đồ điều khiển tốc độ động cơ 57

Hình 3 44 Lưu đồ thuật toán điều khiển tự động 58

Hình 3 45 Lưu đồ thuật toán điều khiển toàn thân xe 59

Hình 3 46 Sơ đồ mạch điện xe tự hành AGV 60

Hình 4 1 Chế tạo khung xe 61

Hình 4 2 Lắp bánh xe chủ động 62

Hình 4 3 Lắp đặt mạch điện và tiến hành chạy thử code 62

Hình 4 4 Lắp đặt vỏ cho mô hình 63

Hình 4 5 Hình ảnh thực tế của mô hình sau khi hoàn thành 63

DANH SÁCH CÁC KÝ HIỆU, CHỮ VIẾT TẮT

- AGV (Automatic guided vehicle): Xe tự hành

- USA (United States of America): Hợp chủng quốc Hoa Kì

- LGV (Lazer Guided Vehicle): Xe dẫn đường bằng laze

- RFID (Radio Frequency Identification): là công nghệ nhận dạng đối tượng bằng sóng vô tuyến

- GPS (Global Positioning System): Hệ thống bao gồm nhiều vệ tinh bay trên quỹ đạo phía trên trái đất ở độ cao 20.200 km

- PTHH: Phần tử hữu hạn

- TCVN: Tiêu chuẩn Việt Nam

- DC (Direct Current): Dòng điện 1 chiều

- LCD (Liquid Crystal Display): Màn hình

I Lí do chọn đề tài

Ngày nay, công nghệ sử dụng robot di chuyển tự động thay thế hoạt động con người trong các ngành công nghiệp và trong đời sống xã hội ngày càng được nâng cao, đặc biệt công nghệ này được sử dụng rất phổ biến ở các nước phát triển mạnh Xe tự hành bắt nguồn từ Hoa Kỳ và sau đó phát triển sang Châu Âu Đến Nhật Bản và sau đó đến Trung Quốc và các nước khác, trong đó có Việt Nam

Với những ưu thế có sẵn của AGV như thay thế được phần lớn nhân lực, tiết kiệm chi phí, quy trình vận chuyển khoa học, từ đó nâng cao hiệu suất công việc, nên mô hình này đã và đang được các nước châu Âu sử dụng rộng rãi, nhất là trong các ngành công nghiệp vận chuyển hàng hóa, linh kiện, bưu phẩm, …

Công nghệ AGV có bề dày lịch sử hơn trăm năm và sự phát triển phổ biến đi cùng nền công nghiệp hiện đại, nên ngày càng nhiều doanh nghiệp ở các nước trên thế giới áp dụng và phát triển khả năng vận chuyển của loại xe này Điển hình là Công ty Ford của Hoa Kỳ đã sử dụng AGV-phương tiện dẫn đường có hành trình được xác định trước vào năm 1913 và vẫn được sử dụng đến ngày nay, số lượng ước tính lên đến vài nghìn chiếc

Tại Việt Nam, một số nhỏ loại xe tự hành đang được sử dụng tại các nhà máy xí nghiệp nhưng số lượng còn rất hạn chế và hầu hết được nhập khẩu từ nước ngoài Nhờ đó có thể nhận ra rằng khả năng sử dụng xe tự hành cho các lĩnh vực vận chuyển trong nước còn rất thấp nhưng cơ hội phát triển và tiềm năng sử dụng AGV của Việt Nam trong tương lai là cực kì lớn

II Mục tiêu của đề tài

Nghiên cứu thế kế và chế tạo kết cấu cơ khí của xe

Nghiên cứu thiết kế hệ thống điều khiển trên xe

Nghiên cứu thiết kế hệ thống an toàn trên xe

Thiết lập được một robot di động để nhận tín hiệu điều khiển và thực thi đúng với yêu cầu do phần mềm điều hướng điều khiển

III Phạm vi và đối tượng nghiên cứu

Xe thiết kế hoạt động trong nhà kho bằng phẳng

Xe di chuyển với vận tốc tối đa khoảng 0,5 [m/s]

Tính toán lựa chọn động cơ điện, ắc quy, cơ cấu nâng hạ hàng hóa

Tính toán thiết kế khung vỏ và bộ truyền động cho xe

Nghiên cứu thuật toán hoạch định đường đi ngắn nhất và di chuyển theo đường đi đã hoạch định

Thiết kế hệ thống an toàn trên xe

Xe tự hành có thể nâng và mang được hàng hóa với tải trọng tối đa là 50kg động trong môi trường trong nhà kho bằng phẳng

IV Phương pháp nghiên cứu

Sử dụng các giáo trình, tài liệu nước ngoài, các bài báo, các trang web về xe tự hành

Sử dụng excel để tính toán chọn động cơ, ắc quy, bộ truyền,

Sử dụng phần mềm Solidwoks, CAD để thiết kế và tính bền cho xe

Sử dụng phần mềm Arduino IDE để lập trình cho hệ thống điều khiển

Sử dụng thép hộp C45 làm khung cho xe

Sử dụng các modun và bo mạch như: Arduino Mega 2560, Mạch cầu H BTS, Module I2C, Module RFID RC522, Cảm biến hồng ngoại và cảm biến dò line, Module bluetooth HC-06, Module giảm áp LM2596…

Sử dụng acquy với thông số 12V/45Ah làm nguồn cung cấp năng lượng cho xe

Sử dụng xy lanh điện KDYJT018 với hành trình nâng là 33mm và tốc độ 12mm/s

Sử dụng động cơ DC giảm tốc MY1205Z2 12V 250W 300 vg/ph

Sử dụng bộ truyền xích có tỉ số truyền i=4 để đáp ứng số vòng quay

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ XE TỰ HÀNH

1.1 Giới thiệu về xe tự hành

1.1.1 Khái niệm xe tự hành

Xe tự hành AGV (Automated Guided Vehicle) là một khái niệm chung chỉ tất cả các hệ thống có khả năng vận chuyển mà không cần người lái Trong công nghiệp AGV được hiểu là các xe chuyên chở tự động được áp dụng trong các lĩnh vực: