thiết kế chế tạo robot cắt cỏ điều khiển từ xa sử dụng sóng rf

Mục đích của đề tài là tạo ra một hệ thống điều khiển linh hoạt, tiện lợi và đáng tin cậy để người dùng có thể điều khiển robot cắt cỏ từ xa trong môi trường rộng lớn và khó tiếp cận.. P

TỔNG QUAN VỀ ĐỀ TÀI

Tổng quan về robot cắt cỏ

Robot cắt cỏ là một loại robot tự động được thiết kế để cắt tỉa cỏ và duy trì sân cỏ mà không cần sự can thiệp của con người Đây là một công nghệ tiên tiến trong lĩnh vực robot hộp nhỏ và đang trở nên ngày càng phổ biến trong việc quản lý cỏ và sân vườn

Hình 1 1 Hình ảnh Robot cắt cỏ Một số đặc điểm và ưu điểm của robot cắt cỏ bao gồm:

Tự động hoạt động: Robot được lập trình để hoạt động một cách tự động theo một lịch trình đã được đặt trước hoặc theo cài đặt của người dùng Nó có thể hoạt động trong suốt ngày và đêm mà không cần sự giám sát liên tục

Cắt tỉa đều đặn: Robot cắt cỏ có khả năng cắt tỉa cỏ một cách đều đặn và nhất quán trên toàn bộ khu vực Nó sử dụng các cảm biến để phát hiện và tránh các vật cản, và có thể điều chỉnh độ cao cắt theo nhu cầu

Tiết kiệm thời gian và công sức: Sử dụng robot cắt cỏ giúp tiết kiệm thời gian và công sức so với việc cắt tỉa cỏ bằng tay Người dùng không cần phải tham gia vào quá trình cắt cỏ và có thể dành thời gian làm những việc khác

Tiết kiệm năng lượng: Robot cắt cỏ thường sử dụng pin hoặc nguồn điện sạc để hoạt động So với máy cắt cỏ dùng nhiên liệu, nó không gây ra khí thải và tiết kiệm năng lượng

Tự động quay về điểm sạc: Khi pin của robot cắt cỏ yếu, nó sẽ tự động quay về đế sạc để sạc lại pin Điều này giúp đảm bảo rằng robot luôn sẵn sàng để hoạt động và không cần sự can thiệp của người dùng

SVTH: Trương Quốc Khánh GVHD: TS Phan Nguyễn Duy Minh 2

Một số robot cắt cỏ nổi tiếng trên thị trường bao gồm Husqvarna Automower, Robomow, Worx Landroid và Stihl iMOW Các loại robot này có công suất và tính năng khác nhau, phù hợp với nhu cầu và kích thước của từng khu vực cần cắt tỉa cỏ.

Tình hình nhu cầu cắt cỏ trong nước

1.2.1 Tình hình và nhu cầu

Tình hình nhu cầu cắt cỏ trong nước Việt Nam hiện nay đang có xu hướng gia tăng theo sự phát triển của đô thị hóa và nhu cầu xây dựng các khu đô thị, khu công nghiệp, khu dân cư, và các khu vực công cộng

Các thành phố lớn và các đô thị đang phát triển nhanh chóng, điều này đòi hỏi sự quan tâm đặc biệt đến việc duy trì và quản lý các khu vực công cộng và sân vườn Cỏ thảm là một phần quan trọng của việc trang trí và tạo không gian xanh cho các khu vực này Việc cắt tỉa cỏ thảm định kỳ giúp duy trì vẻ đẹp và sạch sẽ cho các khu vực công cộng, công viên, quảng trường, và các khu đô thị

Hình 1 2 Khuông viên trường DHSPKT

Việt Nam có nhiều khu nghỉ dưỡng và sân golf phát triển, thu hút du khách trong và ngoài nước Việc duy trì và quản lý cỏ thảm trong các khu vực này là rất quan trọng để tạo ra một không gian xanh, tươi mát và hấp dẫn cho khách hàng Cỏ thảm được cắt tỉa đều đặn để duy trì chất lượng và mỹ quan cho sân golf và các khu nghỉ dưỡng

Với sự phát triển của các khu đô thị và khu dân cư, nhu cầu cắt cỏ trong các khu vực này cũng tăng lên Cỏ thảm được sử dụng trong việc trang trí sân vườn, khuôn viên nhà ở, công viên dạo bộ và các khuôn viên công cộng Việc duy trì cỏ thảm cắt tỉa đều đặn giúp tạo ra môi trường sống xanh, sạch sẽ và hấp dẫn cho cư dân

1.2.2 Thực trạng về cắt cỏ ở Việt Nam

Phần lớn việc cắt cỏ ở Việt Nam vẫn được thực hiện bằng phương pháp thủ công, sử dụng máy cắt cỏ thủ công hoặc công nhân cắt cỏ bằng tay (Hình 1 3) Phương pháp này tốn thời gian, công sức và không hiệu quả khi áp dụng cho các khu vực rộng lớn hoặc có độ phức tạp cao

Hình 1 3 Cắt cỏ bằng máy cắt cầm tay Việc cắt cỏ yêu cầu kỹ năng và kinh nghiệm để đảm bảo cắt tỉa đúng kỹ thuật và tạo ra kết quả đẹp Tuy nhiên, tình trạng thiếu nguồn nhân lực chuyên nghiệp và đào tạo về cắt cỏ vẫn còn tồn tại, đặc biệt là ở các khu vực nông thôn và địa phương nhỏ

Công nghệ robot cắt cỏ điều khiển từ xa và các công nghệ tự động hóa khác trong việc cắt cỏ vẫn chưa được phổ biến và ứng dụng rộng rãi ở Việt Nam Các công nghệ này có thể giúp tăng hiệu suất và tiết kiệm thời gian trong công việc cắt cỏ, nhưng cần có sự đầu tư và nhận thức về lợi ích của công nghệ trong việc cải thiện quy trình làm việc

Trong một số trường hợp, việc quản lý và duy trì cỏ không được đặt lên hàng đầu trong ưu tiên của các tổ chức và cá nhân Điều này dẫn đến việc cỏ trở nên dày đặc, không đồng đều và không được cắt tỉa đều đặn, ảnh hưởng đến vẻ đẹp và sự hấp dẫn của khu vực

Việc sử dụng các phương pháp cắt cỏ truyền thống có thể gây ra tiếng ồn, ô nhiễm môi trường và sử dụng nhiên liệu fosil Tuy nhiên, nhận thức về bảo vệ môi trường và sự chuyển đổi sang các phương pháp cắt cỏ thân thiện với môi trường vẫn còn thấp, và

SVTH: Trương Quốc Khánh GVHD: TS Phan Nguyễn Duy Minh 4 việc áp dụng các công nghệ và phương pháp cắt cỏ tiết kiệm năng lượng và thân thiện với môi trường chưa được đẩy mạnh

Hình 1 4 Công nhân cắt cỏ và thu gom cỏ Thực trạng về cắt cỏ ở Việt Nam đang còn nhiều hạn chế và chưa tận dụng được các công nghệ và phương pháp tiên tiến trong việc cắt cỏ Việc cần tăng cường đầu tư, đào tạo nguồn nhân lực chuyên nghiệp và nâng cao nhận thức về bảo vệ môi trường có thể giúp cải thiện thực trạng này.

Lí do chọn đề tài

Việc cắt cỏ là một công việc thường xuyên và cần thiết trong quản lý cảnh quan và bảo dưỡng khu vườn Việc áp dụng công nghệ robot cắt cỏ điều khiển từ xa giúp nâng cao hiệu quả và tiết kiệm thời gian trong công việc cắt cỏ Đồng thời, nhu cầu về công nghệ tự động và robot trong nông nghiệp đang gia tăng, tạo ra tiềm năng thị trường lớn cho sản phẩm này

Sự phát triển của công nghệ đã tạo ra khả năng điều khiển robot từ xa thông qua sóng radio tần số cao (RF) Điều này cho phép việc điều khiển robot cắt cỏ từ xa một cách linh hoạt và tiện lợi Việc nghiên cứu và phát triển robot cắt cỏ điều khiển từ xa bằng sóng RF đáp ứng xu hướng công nghệ hiện đại và có khả năng ứng dụng rộng rãi Việc cắt cỏ truyền thống đòi hỏi sự tham gia của người lao động, tốn nhiều thời gian và công sức Sử dụng robot cắt cỏ điều khiển từ xa giúp giảm công sức lao động và tăng hiệu suất công việc Nó cũng giảm thiểu nguy cơ chấn thương lao động và mang lại một môi trường làm việc an toàn hơn

Hình 1 5 Máy cắt cỏ sử dụng động cơ chạy bằng xăng

Robot cắt cỏ điều khiển từ xa hoạt động bằng năng lượng điện và không gây ra tiếng ồn và khí thải gây ô nhiễm như các máy cắt cỏ truyền thống Điều này đáp ứng yêu cầu bảo vệ môi trường và sức khỏe của con người, đồng thời giữ gìn môi trường sống trong khu vườn và cảnh quan xung quanh.

PHƯƠNG ÁN THIẾT KẾ CƠ KHÍ

Đề xuất phương án thiết kế

2.1.1 Lựa chọn phương pháp di chuyển của robot

2.1.1.1 Robot di chuyển bằng chân

Robot di chuyển bằng chân là loại robot linh hoạt, có khả năng cân bằng và vượt qua chướng ngại vật Chúng được sử dụng trong nhiều lĩnh vực như công nghiệp, y tế và khám phá môi trường Robot này có thể thay thế con người trong các tác vụ khó khăn và môi trường nguy hiểm [1]

Hình 2 1 Robot 4 chân Ưu điểm:

- Khả năng nâng lên hạ xuống, bước rộng lớn,

- Robot có thể dễ dàng và linh hoạt hoạt động ở những bề mặt gồ ghề, xấu và nhiều chướng ngại vật lớn

- Cần trình độ kỹ thuật cao

- Cơ cấu cơ khí và hệ thống cơ điện tử của nó cực kỳ phức tạp

- Tốn rất nhiều năng lượng và yêu cầu phải có nguồn năng lượng cao để có thể cung cấp đủ cho Robot hoạt động

2.1.1.2 Robot di chuyển bằng bánh xe

Robot di chuyển bằng bánh xe là một loại robot được thiết kế để di chuyển và hoạt động thông qua việc sử dụng hệ thống bánh xe Điều này cho phép robot di chuyển nhanh chóng và mượt mà trên các bề mặt phẳng và nhẵn Robot di chuyển bằng bánh xe được sử dụng rộng rãi trong công nghiệp, dịch vụ và nhiều lĩnh vực khác [1]

Hình 2 2 Robot di chuyển bằng bánh xe Ưu điểm:

- Chi phí trung bình thấp hơn so với các loại Robot truyền thống

- Thiết kế và cơ cấu đơn giản

- Dễ dàng cải tiến, nâng cấp, phát triển và mở rộng

- Phù hợp với những người bắt đầu sáng chế Robot

- Vì bánh xe có kích thước cố định nhưng không linh hoạt nên diện tích Robot tiếp xúc thường nhỏ và bị giới hạn

- Khả năng kéo và di chuyển yếu

2.1.1.3 Robot di chuyển bằng bánh xích

Robot di chuyển bằng bánh xích là một loại robot được trang bị hệ thống bánh xích để di chuyển và hoạt động Bánh xích cho phép robot vượt qua các bề mặt không đồng đều, chướng ngại vật và cung cấp độ bám tốt hơn Robot di chuyển bằng bánh xích thường được sử dụng trong các ứng dụng nghiên cứu, khám phá môi trường khắc nghiệt hoặc trong lĩnh vực quân sự [1]

Hình 2 3 Robot di chuyển bằng bánh xích Ưu điểm:

- Khả năng bám bề mặt tốt, ít xảy ra sự trơn trượt

- Khả năng tiếp xúc và xử lý linh hoạt và dễ dàng nhiều bề mặt, địa hình khó, gồ ghề

- Di chuyển bằng bánh xích giúp Robot tăng không gian làm việc của robot Nhược điểm:

- Vì sự phân bổ trọng lượng đều và bề mặt xích gồ ghề nên chắc chắn những chú Robot di chuyển theo cách này sẽ làm tổn hại bề mặt trong quá trình chúng di chuyển

- Số lượng động cơ sử dụng bị hạn chế

- Thiết kế và cơ cấu cơ khí của Robot này rất phức tạp vì nó yêu cầu nhiều khớp nối, liên kết, lực…

Từ ưu điểm và nhược điểm của các phương pháp di chuyển của robot trên lựa chọn phương pháp robot di chuyển bằng bánh xe

2.1.2 Lựa chọn kết cấu của robot di chuyển bằng bánh xe

2.1.2.1 Kết cấu xe 2 bánh truyền động

Xe 2 bánh chuyền động là một loại xe có kết cấu gồm hai bánh xe nằm cạnh nhau và được chuyền động bởi một hệ thống truyền lực Hệ thống chuyền động này bao gồm động cơ hoặc động cơ điện, hộp số và trục truyền động để chuyển động từ động cơ đến bánh xe Xe 2 bánh chuyền động thường điều khiển bằng tay hoặc bằng các thiết bị như tay lái, bàn đạp hoặc công tắc điều khiển để điều chỉnh tốc độ và hướng di chuyển [2]

Hình 2 4 Chú thích loại bánh xe

Hình 2 5 Kết cấu xe 2 bánh truyền động Ưu điểm:

- Kích thước nhỏ gọn, dễ di chuyển

- Tốc độ và độ nhanh nhẹn cao

- Thích hợp cho các hoạt động đua xe và trò chơi động lực

- Giá thành thường rẻ hơn so với các loại xe khác

- Thiếu ổn định trên địa hình không đồng đều

- Gặp khó khăn khi vượt qua các chướng ngại vật lớn

- Hạn chế sức kéo và tải trọng

2.1.2.2 Kếu cấu xe 3 bánh (2 bánh truyền động, 1 bánh đa hướng)

Kết cấu xe 3 bánh với 2 bánh truyền động và 1 bánh đa hướng là một loại xe có 2 bánh trước hoặc sau được chuyền động bằng một hệ thống truyền lực như động cơ, hộp số và trục truyền động Bánh thứ ba, được gọi là bánh đa hướng, có khả năng quay và xoay trong nhiều hướng khác nhau Bánh đa hướng giúp xe có khả năng di chuyển linh hoạt và xoay chuyển hướng một cách dễ dàng, làm cho xe dễ dàng vượt qua các khúc cua và chướng ngại vật trong quá trình di chuyển [2]

Hình 2 6 Kết cấu xe 2 bánh truyền động 1 bánh đa hướng Ưu điểm:

- Kết hợp ưu điểm của xe 2 bánh truyền động và xe đa hướng

- Linh hoạt trong việc vượt qua chướng ngại vật và địa hình khó khăn

- Khả năng leo đèo và cân bằng tốt hơn

- Khả năng ổn định không cao bằng xe 4 bánh

- Cấu trúc phức tạp hơn, dẫn đến khả năng gặp sự cố và hiệu suất điều khiển không đồng đều

2.1.2.3.1 Kết cấu xe 4 bánh truyền động

Kết cấu xe 4 bánh truyền động là một loại xe có bốn bánh xe và tất cả bốn bánh đều được truyền động Xe này thường có một động cơ và hệ thống truyền lực để chuyển động từ động cơ đến cả bốn bánh xe Hệ thống truyền động bao gồm các thành phần như hộp số, trục truyền động và cơ cấu truyền động để chuyển động từ động cơ đến bánh xe Kết cấu xe 4 bánh truyền động cung cấp sự ổn định và khả năng vận hành tốt trên nhiều điều kiện địa hình và môi trường khác nhau [2]

Hình 2 7 Kết cấu xe 4 bánh truyền động Ưu điểm:

- Hiệu suất vận hành cao và khả năng tăng tốc nhanh

- Ổn định trên đa dạng địa hình và khả năng vượt qua chướng ngại vật lớn

- Khả năng vận hành ổn định và linh hoạt

- Kích thước lớn, không linh hoạt như xe 2 bánh hoặc xe 3 bánh

- Khó điều khiển trong không gian hạn chế

- Cấu trúc và công nghệ phức tạp, dẫn đến chi phí cao hơn so với các loại xe khác

2.1.2.3.2 Kết cấu xe 2 bánh truyền động, 2 bánh đa hướng

Kết cấu xe 2 bánh truyền động và 2 bánh đa hướng là một loại xe có hai bánh xe truyền động và hai bánh đa hướng Hai bánh truyền động được chuyền động bằng hệ

SVTH: Trương Quốc Khánh GVHD: TS Phan Nguyễn Duy Minh 11 thống truyền lực như động cơ, hộp số và trục truyền động Hai bánh đa hướng có khả năng xoay và quay trong nhiều hướng khác nhau, giúp xe có khả năng di chuyển linh hoạt và quay chuyển hướng dễ dàng Kết cấu này thường được sử dụng trong các ứng dụng cần sự linh hoạt và wendevere như robot di động và xe nâng

Hình 2 8 Kết cấu xe 2 bánh truyền động 2 bánh đa hướng Ưu điểm:

- Kết hợp ưu điểm của xe 4 bánh truyền động và xe đa hướng

- Ổn định và linh hoạt trên đa dạng địa hình

- Khả năng vượt qua chướng ngại vật và di chuyển ổn định

- Cấu trúc phức tạp và đòi hỏi nhiều linh kiện và công nghệ hơn

- Chi phí cao hơn so với các loại xe khác

- Đòi hỏi kiến thức và kỹ năng lắp ráp

Từ những ưu điểm và nhược điểm của các kết cấu bánh xe trên thì kết cấu robot di chuyển bằng ba bánh với hai bánh truyền động và một bánh đa hướng là lựa chọn của em để làm robot cắt cỏ

PHƯƠNG ÁN THIẾT KẾ ĐIỆN

Đề xuất phương án điều khiển

Mục tiêu của đồ án robot cắt cỏ điều khiển từ xa sử dụng sóng rf là phát triển một robot có khả năng tự động cắt cỏ trên các khu vực như sân vườn, sân thể thao hay công viên, và điều khiển robot từ xa bằng sóng radio tần số vô tuyến (RF)

Robot cắt cỏ sẽ được trang bị một hệ thống điều khiển từ xa sử dụng sóng RF để tương tác và điều khiển robot từ xa Hệ thống này sử dụng một bộ điều khiển tần số RF để gửi các tín hiệu điều khiển như hướng di chuyển, tốc độ, chức năng cắt cỏ cho robot Sóng RF được sử dụng trong dự án này vì có nhiều ưu điểm, bao gồm khả năng truyền tải tín hiệu trên khoảng cách xa mà không cần đường dây hoặc liên kết vật lý Điều này cho phép người sử dụng điều khiển robot từ xa mà không cần tiếp xúc trực tiếp với nó Sóng RF cũng có khả năng xuyên qua vật cản như tường hoặc cây cối, giúp tăng khả năng điều khiển từ xa và đảm bảo liên lạc ổn định giữa robot và hệ thống điều khiển

Trên robot cắt cỏ, có một mạch thu RF để nhận tín hiệu từ hệ thống điều khiển và một mạch phát RF để truyền tín hiệu từ robot về hệ thống điều khiển Mạch thu và mạch phát RF được thiết kế để hoạt động trên các tần số và giao thức phù hợp để đảm bảo việc truyền thông tin đáng tin cậy và an toàn giữa robot và hệ thống điều khiển từ xa Với sự kết hợp giữa robot cắt cỏ tự động và điều khiển từ xa sử dụng sóng RF, dự án này mang lại sự thuận tiện và linh hoạt cho người sử dụng Họ có thể quản lý và kiểm soát việc cắt cỏ một cách dễ dàng và hiệu quả mà không cần tiếp xúc trực tiếp với robot

Sóng RF (Radio Frequency) là sóng điện từ có tần số trong khoảng từ 3 kHz đến

300 GHz Sóng RF được sử dụng rộng rãi trong các ứng dụng truyền thông không dây, từ truyền sóng radio và truyền hình, cho đến các hệ thống viễn thông, mạng di động, Wi-Fi, Bluetooth và nhiều ứng dụng khác

Sóng RF được tạo ra bằng cách sử dụng một nguồn tạo ra sóng điện từ và truyền nó qua không gian Khi sóng RF di chuyển qua không gian, nó có thể được thu và xử lý bởi các thiết bị thu phát RF như anten và bộ thu phát RF Sóng RF có thể truyền qua không gian trong không khí hoặc thông qua các phương tiện truyền sóng khác như cáp quang, đường dây điện, hoặc môi trường không dây

Các sóng RF có khả năng truyền tải thông tin, dữ liệu hoặc tín hiệu từ một điểm đến một điểm khác mà không cần có một liên kết vật lý đặc biệt Chúng có thể được truyền qua không gian, không khí hoặc các môi trường khác mà không bị ảnh hưởng đáng kể bởi vật chắn Sự phổ biến của RF đã tạo ra sự phát triển mạnh mẽ của các công nghệ truyền thông không dây và đã trở thành một phần không thể thiếu trong cuộc sống hiện đại [5]

Bảng 2 1 Phân loại của tần số

Tần số Bước sóng Tên gọi Viết tắt Công dụng

Tần số cực kì thấp

ELF Thường được sử dụng trong các ứng dụng liên quan đến hệ thống định vị và truyền thông với tầm xa

SLF Thường được sử dụng trong các ứng dụng đặc biệt như nghiên cứu về sóng điện từ và truyền thông dưới nước

ULF Được sử dụng trong viễn thông dưới nước và trong các nghiên cứu địa vật lý

VLF Được sử dụng trong viễn thông dưới nước, truyền thông đặc biệt và cảm biến môi trường

Trên 1 km Tần số thấp LF Được sử dụng trong viễn thông dưới nước, truyền thông và dịch vụ điều khiển từ xa

MF Được sử dụng trong đài AM

(Amplitude Modulation) và một số ứng dụng định vị

Tân sô cao HF Được sử dụng trong đài phát thanh

SW (Shortwave), truyền thông không gian gần và liên lạc xa

VHF Được sử dụng trong truyền thông

FM (Frequency Modulation), truyền hình, radar, và các ứng dụng không dây khác

UHF Được sử dụng trong truyền hình, điện thoại di động, Wi-Fi, Bluetooth, và các ứng dụng không dây khác

SHF Được sử dụng trong các ứng dụng viễn thông không dây, radar, và mạng di động

Tần số cực kì cao

EHF Được sử dụng trong các ứng dụng viễn thông không dây, radar, và nghiên cứu khoa học

Băng tần ISM (Industrial, Scientific, and Medical) là một dải tần số được sử dụng cho các mục đích công nghiệp, khoa học và y tế Băng tần ISM không yêu cầu giấy phép để sử dụng và được rất nhiều quốc gia chấp nhận trên toàn thế giới [6]

Băng tần ISM bao gồm các dải tần số từ 902 MHz đến 928 MHz (chủ yếu sử dụng tại Bắc Mỹ), 2,4 GHz (sử dụng rộng rãi cho Wi-Fi, Bluetooth, và các thiết bị không dây khác), và 5,8 GHz (thường được sử dụng cho các ứng dụng Wi-Fi cao cấp và truyền hình vệ tinh)

Các thiết bị sử dụng băng tần ISM được áp dụng trong nhiều lĩnh vực khác nhau Ví dụ, trong công nghiệp, băng tần này được sử dụng cho các hệ thống tự động hóa, cảm biến không dây và hệ thống kiểm soát Trong lĩnh vực y tế, băng tần ISM được sử dụng cho các thiết bị y tế không dây như máy đo huyết áp không dây và thiết bị giám sát y tế từ xa

Một trong những ứng dụng phổ biến nhất của băng tần ISM là trong các thiết bị không dây như Wi-Fi và Bluetooth, cho phép truyền dữ liệu không dây và kết nối mạng Băng tần ISM có thể truyền dữ liệu trong khoảng cách ngắn và được sử dụng rộng rãi trong các thiết bị di động và mạng không dây

Tuy nhiên, do băng tần ISM là một tài nguyên chia sẻ và không yêu cầu giấy phép, việc sử dụng nó có thể gây ra xung đột và nhiễu sóng Vì vậy, trong một khu vực có nhiều thiết bị sử dụng băng tần ISM, có thể xảy ra tình trạng giao tranh tín hiệu và giảm hiệu suất truyền thông

Các loại công nghệ và giao thức không dây phụ thuộc vào băng tần ISM bao gồm: Wi-Fi: Wi-Fi sử dụng băng tần ISM 2.4 GHz và 5 GHz cho truyền thông không dây trong mạng local area network (LAN) Các tiêu chuẩn Wi-Fi phổ biến bao gồm IEEE 802.11a/b/g/n/ac/ax

Bluetooth: Bluetooth sử dụng băng tần ISM 2.4 GHz để thiết lập kết nối không dây giữa các thiết bị gần nhau như điện thoại di động, tai nghe không dây, bàn phím, chuột và các thiết bị điều khiển từ xa

Zigbee: Zigbee là một giao thức mạng không dây tiêu chuẩn dựa trên băng tần ISM 2.4 GHz và 868/915 MHz Nó được sử dụng cho các ứng dụng mạng cảm biến không dây, điều khiển và tự động hóa trong các hệ thống nhà thông minh, mạng cảm biến và các ứng dụng công nghiệp

Z-Wave: Z-Wave là một giao thức không dây dựa trên băng tần ISM 868/915 MHz, được sử dụng trong các ứng dụng nhà thông minh và điều khiển từ xa

RFID: RFID (Radio Frequency Identification) sử dụng băng tần ISM 125 kHz, 13.56 MHz và 900 MHz cho việc nhận dạng và theo dõi các đối tượng thông qua việc truyền thông không dây giữa thẻ RFID và đầu đọc

Phương án thiết ké hệ thống điều khiển động cơ

3.2.1 Tính toán và lựa chọn động cơ

Một sơ đồ cơ thể tự do đơn giản của một robot đơn giản với hai bánh dẫn động phía sau và một bánh trước Điều này thể hiện các lực khác nhau sẽ tác động lên rô-bốt Chúng ta sẽ bắt đầu bằng cách kiểm tra ảnh hưởng của trọng lực lên robot của chúng ta

Hình 3 2 Sơ đồ cơ thể tự do đơn giản của robot Trên sơ đồ cơ thể tự do, các lực chính là:

- W là trọng lượng (đơn vị: N)

- m là khối lượng (đơn vị: kg)

- g là gia tốc trọng trường (đơn vị: m/s²) (trọng lực) Đây là lực kéo robot hướng xuống tâm Trái đất do trọng lực Trên sơ đồ vật thể tự do, lực của trọng lượng được chia thành hai thành phần của nó:

- Lực kéo Robot xuống dốc 𝑓𝑔 = 𝑀𝑔𝑠𝑖𝑛𝜃

Lực đang kéo robot xuống dốc phải được khắc phục bằng động cơ truyền động Góc nghiêng càng lớn thì lực này càng lớn Độ nghiêng mà robot đang cố leo lên tạo ra sự khác biệt đáng kể về mô-men xoắn cần thiết từ các động cơ dẫn động

Lực này đang giữ rô-bốt của bạn trên đường nghiêng Lực này cần có cùng với lực ma sát để cho phép các bánh xe của rô-bốt đẩy rô-bốt tiến lên trên mặt nghiêng Chúng ta sẽ bỏ qua ma sát, bởi vì lực ma sát là thứ mà các bánh xe truyền động cần đẩy để di chuyển robot về phía trước

Trên sơ đồ cơ thể tự do, mô-men xoắn là lực ở rìa của bánh xe truyền động đẩy robot lên dốc

Mô-men xoắn = Lực x Khoảng cách Đã hiểu các lực tác động lên robot của mình, ta có thể bắt đầu quá trình định cỡ động cơ truyền động Để xác định kích thước động cơ cần cho robot của mình, chúng ta sẽ cần xác định những điều sau:

- Khối lượng của robot: Mkg

- Độ nghiên tối đa của dốc: θ=5o

- Đạt tốc độ tối đa trong 2 giây a=0,25m/s2

- Bánh dẫn động sẽ có bán kính là r=0.0425m

Từ sơ đồ vật tự do, ta sẽ tập trung vào các lực tác dụng song song với mặt nghiêng Cũng giả sử rằng rô-bốt của chúng ta sẽ bắt đầu từ trạng thái nghỉ và cần tăng tốc độ nghiêng lên hết tốc độ fw = lực đẩy vào bánh xe fg = lực kéo robot xuống dốc do trọng lực

Trong vật lý, tất cả các lực phải cân bằng, đưa ra phương trình:

𝛴 𝐿ự𝑐 = 0 Nếu rô-bốt của bạn đang di chuyển với tốc độ không đổi, thì tổng của tất cả các lực sẽ bằng không

𝛴 𝐿ự𝑐 = 𝑓𝑡𝑜𝑡𝑎𝑙 = 𝑓𝑤 − 𝑓𝑔 = 0 Để định kích thước chính xác cho động cơ của chúng ta, chúng ta sẽ tập trung vào tình huống mà rô-bốt đang tăng tốc từ trạng thái nghỉ đến tốc độ tối đa Đây là nơi điều chỉnh kích thước động cơ của mình đủ lớn để hoàn thành công việc Mô-men xoắn cần thiết để khiến robot di chuyển có thể lớn hơn nhiều so với việc giữ cho robot chuyển động Trong trường hợp này, tổng các lực tác dụng lên rô-bốt của chúng ta sẽ bằng tổng khối lượng nhân với gia tốc Tôi thường tăng tốc rô bốt của mình lên tốc độ tối đa trong một giây hoặc ít hơn trong các phép tính

Tiếp theo, chúng tôi sẽ xác định động cơ sẽ cần quay nhanh như thế nào

2∗𝜋∗0.0425 ) ∗ 60 = 112.3 vòng/phút Để tính toán tốc độ góc (ω) từ giá trị RPM, đổi đơn vị từ vòng/phút sang radian/giây Công thức chuyển đổi là:

- ω là tốc độ góc tính bằng radian/giây

- RPM là số vòng quay mỗi phút

- π là số Pi, có giá trị xấp xỉ 3.14159

- 60 là số giây trong một phút Áp dụng công thức trên với giá trị RPM = 112.3, ta có:

𝜔 = 112.3 ∗ (2𝜋/60) ≈ 11.75 𝑟𝑎𝑑/𝑠 Công thức tính công suất của động cơ:

- P là công suất (đơn vị là watt hoặc kilowatt)

- T là công suất góc (đơn vị là Nm/s hoặc watt)

- ω là tốc độ góc (đơn vị là radian/giây)

3.2.1.2 Lựa chọn động cơ Động cơ giảm tốc DC là một loại động cơ điện hoạt động bằng nguồn điện một chiều (DC) và được tích hợp với hệ thống giảm tốc để giảm tốc độ quay của động cơ

Nó được sử dụng rộng rãi trong các ứng dụng yêu cầu điều chỉnh tốc độ động cơ và tăng lực xoắn, chẳng hạn như trong máy công nghiệp, máy móc, robot, băng tải, cửa tự động, và nhiều ứng dụng khác

Cấu trúc của động cơ giảm tốc DC bao gồm hai phần chính: động cơ và hệ thống giảm tốc Động cơ thường được thiết kế dựa trên nguyên lý hoạt động của động cơ DC thông thường, trong đó một dòng điện DC chạy qua cuộn dây được đặt trong từ trường tạo ra bởi nam châm cố định và nam châm quay Khi dòng điện chạy qua cuộn dây, một lực xoắn được tạo ra và động cơ bắt đầu quay

Hệ thống giảm tốc được sử dụng để giảm tốc độ quay của động cơ và tăng lực xoắn đầu ra Nó thường bao gồm bánh răng và hệ thống trục để truyền động từ động cơ tới bộ phận cần di chuyển Hệ thống giảm tốc giúp tăng lực xoắn và giảm tốc độ quay của động cơ một cách chính xác và hiệu quả

Từ các thông số được tính toán ở phần trên với T=1.4Nm và P.45w ta lựa chọn động cơ phù hợp: Động cơ 300rpm DCM50-775 12VDC là lựa chọn của em, đảm bảo được các yêu cầu kỹ thuật đã tính toán

Hình 3 3 Động cơ giảm tốc DCM50-775 Thông số kỹ thuật:

- Tốc độ động cơ: 4500 vòng/phút

- Tốc độ qua giảm tốc: 326 vòng/phút

3.2.1.3 Đo thực nghiệm và lựa chọn mức xung

Thực hiện tính toán đo đạt để lựa chọn vận tốc thích hợp cho robot

Cho xe chạy trong quãng đường 5m bấm thời gian từ đó tính ra vận tốc ở mỗi độ rộng xung

Mỗi độ rộng xung thực hiện chạy thử nghiệm 5 lần lấy thời gian trung bình và thực hiện tính vận tốc:

𝑣 =𝑠 𝑡 Trong đó: v là vận tốc(m/s) s là quãng đường vật di chuyển (m) t là thời gian di chuyển (s)

Hình 3 4 Hình ảnh thực nghiệm tính toán robot Bảng 3 1 Bảng thời gian và vận tốc đo đạc thực nghiệm

Tính số vòng trên phút RPM tương ứng với từng dộ rộng xung với vận tôc được tính toán đo đạc

RPM là tốc độ quay của vật tính bằng vòng/phút v là tốc độ di chuyển tuyến tính của vật (ví dụ: mét/giây) r là bán kính của vật

Bảng 3 2 RPM ứng với độ rộng xung

Từ các thử nghiệm tính toán thực nghiệm trên lựa chọn được dộ rộng xung với số vòng quay/phút theo nhu cầu là pwm(200) và rpm(102)

Giả sử mảnh đất có diện tích 1000m 2

Hình 3 5 Diện tích mảnh đất

Hình 3 6 Kích thước lưỡi cắt cỏ Độ rộng xung 200 ở quãng đường 5m robt di chuyển hết 4.48s tính ra được vận tốc 1.04m/s

Thời gian robot di chuyển từ điểm A đến B

0.15 lần lưỡi cắt Khoảng thời gian để robot di chuyển hết được mãnh đất trên là

19 ∗ 500.15 ≈ 6333𝑠 ≈ 1ℎ45𝑚 Vậy để di chuyển hết mảnh đất rộng 1000m2 robot sẽ tốn hết khoảng thời gian là 1h45m

SVTH: Trương Quốc Khánh GVHD: TS Phan Nguyễn Duy Minh 26 Để giảm thời gian hoạt động ta có thể điều chỉnh độ rộng xung để có vận tốc lớn hơn hoặc tăng chiều dài của lưỡi cắt

3.2.2.1 Mạch điều khiển động cơ BTS7960

BTS7960 là một module điều khiển động cơ DC hai chiều được sử dụng rộng rãi trong các ứng dụng điều khiển động cơ, robot và ô tô tự động Mạch chỉ điều khiển được

Hình 3 7 Mạch điều khiển động cơ DC BTS7960 43A Thông số kỹ thuật:

- Dòng điện tải mach: 43A (Tải trở) hoặc 15A (Tải cảm)

- Tín hiệu logic điều khiển: 3.3 ~ 5VDC

- Tần số điều khiển tối đa: 25KHz

Tự động tắt khi điện áp thấp: để tránh điều khiển động cơ ở mức điện áp thấp thiết bị sẽ tự tắt Nếu điện áp < 5.5VDC, driver sẽ tự ngắt điện và sẽ mở lại sau khi điện áp > 5.5VDC

Bảo vệ quá nhiệt: BTS7960 bảo vệ chống quá nhiệt bằng cảm biến nhiệt tích hợp bên trong Đầu ra sẽ bị ngắt khi có hiện tượng quá nhiệt

Phương án thiết kế hệ thống tay cầm điều khiển

3.3.1 Lựa chọn điều khiển động cơ điều hướng

Module joystick đơn có cấu trúc đơn giản và dễ sử dụng Nó bao gồm hai biến trở (10K) cho phép di chuyển tự do theo các hướng (trái, phải, lên, xuống) trên một mặt phẳng

Hình 3 9 Module Joystick đơn Thông số Module Joystick đơn

- Nguồn cấp: Tùy chọn, thường cấp 3.3 hoặc 5VDC

- Kiểu dạng tín hiệu ngõ ra 1 Digital và 2 Analog ( 1 nút nhấn và hai trục X, Y), mức tín hiệu theo nguồn cấp vào

- Kích thước: 4.0cm x 2.6cm x 3.2cm

3.3.2 Lựa chọn điều khiển động cơ lưỡi cắt

Công tắc gạt được sử dụng làm công tắc đảo chiều động cơ hoặc tắt mở 2 hay nhiều thiết bị cùng dòng Được thiết kế để chuyển đổi giữa hai trạng thái hoạt động khác nhau bằng cách gạt lên hoặc gạt xuống

Hình 3 10 Công tắc gạt Thông Số Kĩ Thuật:

THIẾT KẾ PHẦN ĐIỀU KHIỂN CHO HỆ THỐNG

Tổng quan phần điều khiển cho hệ thống

Hệ thống gồm 2 thành phần là mạch tay cầm điều khiển và mạch điều khiển động cơ và lưỡi cắt ở mạch tay cầm điều khiển arduino nano đóng vai trò là bộ xử lý trung tâm nhận tín hiệu từ joystick và công tắt gạt, sử dụng nrf24l01 để truyền các tín hiệu này đến mạch điều khiển động cơ và lưỡi cắt Ở mạch điều khiển động cơ và lưỡi cắt sử dụng arduino uno và nrf24l01 nhận và giải mã các tín hiệu điều khiển từ mạch tay cầm điều khiển Đưa các tính hiệu đã xử lý ra module relay và module động cơ bts7960 để điều hướng cho robot và khởi động động cơ lưỡi cắt

Hình 4 1 Sơ đồ phần điều khiển robot

Giới thiệu phần mềm lập trình arduino ide

Arduino IDE (Integrated Development Environment) là một phần mềm phát triển tích hợp mạnh mẽ được thiết kế đặc biệt để lập trình và nạp code cho các bo mạch Arduino Với giao diện đồ họa thân thiện và dễ sử dụng, Arduino IDE là công cụ lý tưởng cho cả người mới bắt đầu và những nhà phát triển kỳ cựu trong việc xây dựng các dự án điện tử và IoT

Hình 4 2 Phần mềm Arduino Ide Một trong những tính năng quan trọng của Arduino IDE là trình soạn thảo code Trình soạn thảo này cung cấp một môi trường thuận tiện để viết và chỉnh sửa code Arduino Với tính năng tô màu cú pháp, code gợi ý và kiểm tra lỗi tự động, IDE giúp người dùng viết code chính xác và dễ đọc Bên cạnh đó, nó hỗ trợ nhiều ngôn ngữ lập trình như C và C++, giúp mở rộng khả năng lập trình và tùy chỉnh của người dùng

Arduino IDE cũng đi kèm với một bộ thư viện (library) phong phú, chứa các tài liệu và mã nguồn sẵn có để giúp người dùng thực hiện các chức năng phổ biến Các thư viện này cung cấp các hàm và chức năng tiện ích đã được viết sẵn, giúp người dùng tiết kiệm thời gian và công sức trong quá trình phát triển dự án Ngoài ra, người dùng cũng có thể tạo và quản lý các thư viện tùy chỉnh của riêng mình để tái sử dụng code trong các dự án sau này

Arduino IDE hỗ trợ việc nạp code vào bo mạch Arduino một cách đơn giản Với khả năng tương tác qua giao tiếp USB hoặc cổng nạp ISP, người dùng có thể nạp code và kiểm tra kết quả trực tiếp trên bo mạch IDE cung cấp các công cụ gỡ lỗi (debugging) và giám sát (monitoring) thông qua cổng nối tiếp, giúp người dùng theo dõi và kiểm tra dữ liệu, trạng thái và tín hiệu từ bo mạch Arduino trong quá trình chạy

Một tính năng quan trọng khác của Arduino IDE là khả năng mô phỏng chương trình trên máy tính Thay vì phải nạp code vào bo mạch Arduino để kiểm tra, người dùng có thể sử dụng tính năng mô phỏng để thử nghiệm chương trình trước khi triển khai trên bo mạch thực tế Điều này giúp người dùng tiết kiệm thời gian và giảm thiểu lỗi trong quá trình phát triển

Với sự linh hoạt và khả năng tùy chỉnh, Arduino IDE đã trở thành công cụ phổ biến và được ưa chuộng trong cộng đồng Arduino Nó là nền tảng mở, cho phép người dùng chia sẻ code, thư viện và dự án của mình với cộng đồng Arduino, tạo ra một môi trường phát triển và học tập sáng tạo [8]

Hệ thống giao tiếp không dây

Hệ thống giao tiếp không dây sử dụng module NRF24L01 là một giải pháp linh hoạt và hiệu quả để thiết lập kết nối không dây giữa các thiết bị điện tử Với khoảng cách truyền dẫn lên đến vài trăm mét, nRF24L01 sử dụng giao thức truyền thông RF (Radio Frequency) 2.4GHz để truyền dữ liệu một cách đáng tin cậy

Module NRF24L01 cung cấp một giao diện đơn giản và dễ sử dụng, cho phép người dùng thiết lập kết nối không dây nhanh chóng Nó hỗ trợ các chế độ truyền dữ liệu đơn giản, như truyền một chiều và truyền dữ liệu hai chiều, và cho phép truyền dữ liệu đa nút (multinode) giữa các thiết bị Điều này làm cho NRF24L01 trở thành lựa chọn phổ biến trong các ứng dụng như điều khiển từ xa, cảm biến không dây, mạng cảm biến không dây và nhiều ứng dụng khác

Với khả năng tiêu thụ năng lượng thấp, module NRF24L01 là một lựa chọn tuyệt vời cho các ứng dụng yêu cầu hiệu suất cao và tuổi thọ pin kéo dài Bằng cách tận dụng tiêu chuẩn truyền thông không dây 2.4GHz và tích hợp các tính năng bảo mật, NRF24L01 mang lại một hệ thống giao tiếp không dây đáng tin cậy và an toàn

Hình 4 3 Sơ đồ giao tiếp không dây

Arduino Uno R3 là một bo mạch phát triển phổ biến và được ưa chuộng trong cộng đồng Arduino Với thiết kế đơn giản và dễ sử dụng, nó là lựa chọn lý tưởng cho những người mới bắt đầu và cũng rất hữu ích cho những người có kinh nghiệm trong việc phát triển phần cứng

Arduino Uno R3 được trang bị vi điều khiển ATmega328P, một vi điều khiển mạnh mẽ có thể xử lý nhiều nhiệm vụ Bo mạch này có các chân GPIO (chân I/O) để kết nối với các cảm biến và thiết bị ngoại vi khác nhau, giúp bạn thực hiện các dự án đa dạng Với 14 chân I/O kỹ thuật số, trong đó 6 chân có thể tạo ra tín hiệu PWM, và 6 chân analog input, Arduino Uno R3 cho phép bạn kết nối và điều khiển đèn LED, servo motor, cảm biến và nhiều thiết bị khác Bộ nhớ Flash 32KB, SRAM 2KB và EEPROM 1KB cung cấp đủ không gian để lưu trữ chương trình và dữ liệu

Giao tiếp với Arduino Uno R3 dễ dàng thông qua cổng USB và cổng serial Bạn có thể kết nối với máy tính để lập trình và giao tiếp với các thiết bị ngoại vi khác Nguồn cấp có thể đến từ cổng USB hoặc cổng nguồn DC, với điện áp hoạt động 5V

Arduino Uno R3 được lập trình bằng Arduino IDE, một môi trường phát triển phần mềm đơn giản và mạnh mẽ IDE này hỗ trợ viết, biên dịch và nạp chương trình vào bo mạch một cách dễ dàng

Với Arduino Uno R3, bạn có thể khám phá và thực hiện nhiều dự án phát triển phần cứng từ những dự án đơn giản cho đến những ứng dụng phức tạp Đồng thời, cộng đồng Arduino sẵn sàng chia sẻ tài liệu, kinh nghiệm và mã nguồn mở, tạo điều kiện thuận lợi

SVTH: Trương Quốc Khánh GVHD: TS Phan Nguyễn Duy Minh 32 cho việc học hỏi và sáng tạo Arduino Uno R3 là một công cụ mạnh mẽ để khám phá thế giới của phát triển phần cứng.[9]

Hình 4 4 Arduino Uno Bảng 4 1 Thông số kỹ thuật Arduino Uno

Tần số hoạt dộng 16MHz Điện áp hoạt dộng 5V Điện áp đầu vào được khuyến nghị 7-12V Điện áp đầu vào giới hạn 6-20V

Chân I/O kỹ thuật số 14 (bao gồm 6 chân có khả năng tạo PWM)

Dòng điện DC cho mỗi chân I/O 20mA

Dòng điện DC tối đa cho chân 3.3V 50mA

Bộ nhớ Flash 32KB (2KB được sử dụng cho bootloader)

Tốc độ truyền dữ liệu qua cổng Serial 9600bps

Giao diện kết nối USB Type-B

Sơ đồ chân arduino uno r3

Hình 4 5 Thông tin chân của arduino uno

- 5V: cấp điện áp 5V đầu ra, dùng để cấp nguồn cho các linh kiện điện tử kết nối với Arduino

- 3.3V: chức năng tương tự như cấp nguồn 5v nhưng đây là cấp điện áp 3.3V đầu ra

- Ground: hay còn gọi là chân GND, là cực âm của nguồn điện cấp cho Arduino UNO Khi bạn dùng các thiết bị sử dụng những nguồn điện riêng biệt thì những chân này phải được nối với nhau

- Vin (Voltage Input): tương tự như chân 5V, nhưng thêm chức năng cấp nguồn ngoài cho Arduino UNO thay vì cắm USB, bạn nối cực dương của nguồn với chân này và cực âm của nguồn với chân GND

Arduino cung cấp nhiều các chân I/O ( hay còn gọi là Pin ) để ta giao tiếp hay gửi lệnh điều khiển các thiết bị, dưới đây là sẽ nói về các chân sử dụng nhiều nhất và phân chúng làm các loại như sau:

Phiên bản Arduino UNO R3 được sở hữu 14 chân digital từ 0 đến 13 dùng để đọc hoặc xuất tín hiệu Chúng chỉ có 2 mức điện áp có thể điều khiển là 0V và 5V với dòng vào/ra tối đa trên mỗi chân là 40mA Ngoài ra một số chân digital có chức năng đặc biệt là chân PWM

Chân PWM: là các chân có dấu '~' đằng trước, các chân này cho phép bạn xuất ra xung PWM với độ phân giải 8bit (giá trị từ 0 đến 255) tương ứng với mức giao động

SVTH: Trương Quốc Khánh GVHD: TS Phan Nguyễn Duy Minh 34 điện áp của chân từ 0V đến 5V, khác với các chân không phải PWM, chỉ có thể chọn giá trị 0V hoặc 5V

Hệ thống điều khiển động cơ và lưỡi cắt

Hệ thống gồm 2 mạch điều khiển động cơ BTS7960 để điều hướng cho robot và sử dụng module relay để kich bật tắt động cơ lưỡi cắt hoạt động

Hình 4 11 Sơ đồ mạch điều khiển động cơ và lưỡi cắt

4.4.1 Module điều khiển động cơ robot

Mạch điều khiển động cơ DC BTS7960 43A High-power Motor Driver có khả năng điều khiển 1 động cơ DC sử dụng IC điều khiển động cơ BTS7960 với công suất tối đa lên đến 43A theo thông số nhà sản xuất, ngoài ra mạch còn được thiết kế thêm IC buffer chuyển mức tín hiệu 74HC244 giúp bạn kết nối an toàn với vi điều khiển khi sử dụng.[13]

Hình 4 12 Thông tin chân module bts7960 Thông số kỹ thuật:

- Dòng điện tải mach: 43A (Tải trở) hoặc 15A (Tải cảm)

- Tín hiệu logic điều khiển: 3.3 ~ 5VDC

- Tần số điều khiển tối đa: 25KHz

- Tự động shutdown khi điện áp thấp: để tránh điều khiển động cơ ở mức điện áp thấp thiết bị sẽ tự shutdown Nếu điện áp < 5.5VDC, driver sẽ tự ngắt điện và sẽ mở lại sau khi điện áp > 5.5VDC

- Bảo vệ quá nhiệt: BTS7960 bảo vệ chống quá nhiệt bằng cảm biến nhiệt tích hợp bên trong Đầu ra sẽ bị ngắt khi có hiện tượng quá nhiệt

- VCC : Nguồn tạo mức logic điều khiển (3.3~5VDC)

- R_EN = 0 Disable nửa cầu H phải R_EN = 1 : Enable nửa cầu H phải

- L_EN = 0 Disable nửa cầu H trái L_EN = 1 : Enable nửa cầu H trái

- RPWM và LPWM : chân điều khiển đảo chiều và tốc độ động cơ

- RPWM = 1 và LPWM = 0 : Mô tơ quay thuận

- RPWM = 0 và LPWM = 1 : Mô tơ quay nghịch

- RPWM = 1 và LPWM = 1 hoặc RPWM = 0 và LPWM = 0 : Dừng

- R_IS và L_IS : kết hợp với điện trở để giới hạn dòng qua cầu H

Với ứng dụng bình thường RPWM,LPWM nối với GPIO (VD : chân digital 2,3) để điều khiển chiều quay của động cơ

Chân R_EN , L_EN nối chung lại rồi nối với PWM (VD chân digital 5) để điều khiển tốc độ động cơ

4.4.2 Module điều khiển động cơ lưỡi cắt

Module 1 Relay với opto cách ly nhỏ gọn, có opto và transistor cách ly giúp cho việc sử dụng trở nên an toàn với board mạch chính, module 1 Relay với opto cách ly hl 5v được sử dụng để đóng ngắt nguồn điện công suất cao AC hoặc DC, có thể chọn đóng khi kích mức cao hoặc mức thấp bằng Jumper

Tiếp điểm đóng ngắt gồm 3 tiếp điểm NC (thường đóng), NO(thường mở) và COM(chân chung) được cách ly hoàn toàn với board mạch chính, ở trạng thái bình thường chưa kích NC sẽ nối với COM, khi có trạng thái kích COM sẽ chuyển sang nối với NO và mất kết nối với NC [14]

Hình 4 13 Chân module relay 5v Thông số kỹ thuật

- Sử dụng điện áp nuôi DC 5V

- Relay mỗi Relay tiêu thụ dòng khoảng 80mA

- Điện thế đóng ngắt tối đa: AC250V ~ 10A hoặc DC30V ~ 10A

- Có đèn báo đóng ngắt trên mỗi Relay

- Có thể chọn mức tín hiệu kích 0 hoặc 1 qua jumper

- Kích thước: 1.97 in x 1.02 in x 0.75 in (5.0 cm x 2.6 cm x 1.9 cm)

Hệ thống tay cầm điều khiển

Mạch tay cầm điều khiển có những tính năng sau

Mạch tay cầm có khả năng truyền thông không dây với thiết bị nhận thông qua linh kiện NRF24l01 Điều này cho phép điều khiển từ xa mà không cần kết nối dây với thiết bị điều khiển

Module Joystick cho phép người dùng điều khiển hướng di chuyển của robot Công tắc gạc được sử dụng để bật tắt động cơ lưỡi cắt Gạt công tắc để kích hoạt hoặc ngắt chức năng cắt của robot

Hình 4 14 Sơ đồ mạch tay cầm điều khiển

Module joystick đơn có cấu trúc đơn giản và dễ sử dụng Nó bao gồm hai biến trở (10K) cho phép di chuyển tự do theo các hướng (trái, phải, lên, xuống) trên một mặt phẳng module joystick đơn còn có một nút nhấn tích hợp Khi nhấn mạnh xuống nút này, tín hiệu sẽ được kích hoạt, cho phép thực hiện các chức năng bổ sung hoặc kích hoạt các tác động trong hệ thống điều khiển

Module joystick đơn có khả năng kết nối dễ dàng với các vi điều khiển và board phát triển như Arduino, Raspberry Pi, và STM32 Chúng thường sử dụng giao tiếp analog hoặc digital để truyền giá trị đọc từ biến trở và nút nhấn tới vi điều khiển.[15]

Hình 4 15 Module Joystick đơn Thông số Module Joystick đơn

- Nguồn cấp: Tùy chọn, thường cấp 3.3 hoặc 5VDC

- Kiểu dạng tín hiệu ngõ ra 1 Digital và 2 Analog ( 1 nút nhấn và hai trục X, Y), mức tín hiệu theo nguồn cấp vào

- Kích thước: 4.0cm x 2.6cm x 3.2cm

4.5.2 Công tắc gạt MTS 103 công tắc gạt MTS 103 3A/250V 6A/125V được sử dụng làm công tắc đảo chiều động cơ hoặc tắt mở 2 hay nhiều thiết bị cùng dòng Được thiết kế để chuyển đổi giữa hai trạng thái hoạt động khác nhau bằng cách gạt lên hoặc gạt xuống Được ứng dụng trong nhiều lĩnh vực, bao gồm điện tử, điện gia dụng, ô tô, công nghiệp và nhiều ứng dụng khác Với thiết kế đơn giản, độ tin cậy cao và khả năng chịu được dòng điện lớn, công tắc gạt là một phương tiện điều khiển hiệu quả để kiểm soát và chuyển đổi luồng điện trong các mạch điện [16]

Hình 4 16 Bản vẽ công tắt gạt

Tính toán công suất và lựa chọn nguồn hoạt động cho hệ thống

4.6.1 Lựa chọn nguồn mạch điều khiển động cơ và lưỡi cắt

Bảng 4 5 Công suất mạch điều khiển động cơ và lưỡi cắt

Thiết bị Công suất (w) Số lượng Tổng công xuất Động cơ DCM50-775 60 2 120 Động cơ KRS-550 stp 10.6 1 10.6

Các mạch như BTS7960, relay 5V, Arduino Uno và mạch hạ áp NRF24L01 thường có công suất tiêu thụ nhỏ, trong khoảng vài mW đến vài chục mW 3 động cơ sử dụng điện áp 12v

Công thức tính dung lượng của một pin hoặc nguồn điện được sử dụng như sau Dung lượng (Ah) = Công suất (W) / Điện áp (V)

Dung lượng (Ah) là dung lượng của bình ắt quy, được đo bằng đơn vị Ampere-giờ (Ah)

Công suất (W) là công suất tiêu thụ của các thiết bị hoạt động trên bình ắt quy, được đo bằng đơn vị Watt (W) Điện áp (V) là điện áp của bình ắt quy, được đo bằng đơn vị Volt (V) Áp dụng công thức ta tính được dung lượng bình ắc quy như sau

𝐷𝑢𝑛𝑔 𝑙ượ𝑛𝑔 = 130.6/12 = 10,8 Vậy ta cần 1 bình điện 12v 10,8Ah để robot hoạt động trong 1h

Nhưng thực tế robot không hoạt động hết công suất như vậy nên thời gian hoạt động của robot có thể tăng lên

4.6.2 Lựa chọn nguồn mạch tay điều khiển

Bảng 4 6 Dòng tiêu thụ mạch tay điều khiển

Thiết bị Dòng tiêu thụ (mA)

Tổng 115 công thức để tính dung lượng pin:

Dung lượng pin (mAh) = Dòng điện tiêu thụ (mA) x Thời gian hoạt động (giờ) Giả sử ta muốn mạch hoạt động được trong 2h

Sử dụng pin lithium-lion có dung lượng 2600mAh tính thời gian hoạt động của pin với dung lượng 2600mAh và dòng tiêu thụ mạch là 115mA, sử dụng công thức sau:

Thời gian hoạt động (giờ) = Dung lượng pin (mAh) / Dòng tiêu thụ (mA)

Thay thế các giá trị vào công thức:

Vậy trong trường hợp này, với pin dung lượng 2600mAh và dòng tiêu thụ mạch là 115mA, thời gian hoạt động dự kiến khoảng 23h [17]

CHẾ TẠO MÔ HÌNH

Thi công phần khung

Em đã sử dụng thép hộp vuông 10x10 để làm phần khung và sử dụng tấm mica 5mm làm phần sàn cho robot đúng với kích thước của bản vẽ đã thiết kế

Kết quả thi công phần khung xe

Hình 5 1 Phần khung xe của hệ thống Khung xe được thiết kế đúng với bản vẽ đã thiết kế trước đó

Mối hàn bị nham nhở vì kình nghiệm hàn khò thấp

Một số vị trí của xe bị lệch do vấn đề canh chỉnh hàn khò.

Thi công phần nắp xe

Em sử dụng tấm formex để làm phần nắp của khung xe, tấm formex đảm bảo được độ chắc chắn và là vật liệu nhẹ Tiến hành đo đạc và cắt gắn các phần lại để hoàn thiện phần khung xe

Kết quả thi công phần nắp xe

Hình 5 2 phần khung xe và nắp hoàn thiện Nắp xe được đo đạt đúng với kích thước bản vẽ đã thiết kế

Nắp xe đảm bảo được độ chắc chắn

Nắp xe được gắn ghép không được đẹp vì tấm formex có độ dày nhất định mà nắp xe có nhiều cạnh chéo nên phần gắn ghép không được liền khích

Thiết kế phần điều khiển của robot

Em sử dụng phần mềm frizing để thiết kế đi dây các thiết bị của tay càm điều khiển Phần điều khiển của robot gồm 2 phần là mạch tay cầm điều khiển và mạch điều khiển động cơ và lưỡi cắt

Phần tay cầm điều khiển

Hình 5 3 Sơ đồ đi dây của mạch tay cầm điều khiển Bảng 5 1 Kết nối chân mạch tay điều khiển

Arduino nano NRF24l01 JOYSTICK CÔNG TẮC NGUỒN

Sơ đồ mạch điện tay cầm điều khiển có thể tham khảo phụ lục 1

Kết quả thi công phần kết nối mạch tay cầm điều khiển

Hình 5 4 Phần tay cầm điều khiển hoàn thiện Mạch điện được kết nối các chân của thiết bị đúng yêu cầu

Mối hàn chưa được đều đẹp

Phần điều khiển động cơ và lưỡi cắt

Hình 5 5 Sơ đồ đi dây phần điều khiển động cơ và lưỡi cắt Bảng 5 2 Kết nối chân mạch điều khiển động cơ và lưỡi cắt

Arduino uno NRF24L01 relay BTS7960 Nguồn

Sơ đồ mạch điều khiển động cơ và lưỡi cắt

Kết quả thi công phần kết nối mạch điều khiển động cơ và lưỡi cắt

Hình 5 6 Phần mạch điều khiển robot hoàn chỉnh Mạch điện được kết nối các chân của thiết bị đúng yêu cầu Đi dây chưa được gọn gàng

Các dây kết nối chắc chắn

Sau khi hoàn thành xong mô hình thì nhóm tiến hành thử nghiệm mô hình như sau Thực hiện giao tiếp 2 phần của hệ thống phần mạch điều khiển động cơ và lưỡi cắt và phần mạch tay cầm điều khiển đã giao tiếp được với nhau thông qua sống rf với module nrf24l01

Thực hiện các điều khiển của các module

Joystick điều hướng tiền lùi trái phải và robot di chuyển đúng yêu cầu nhưng có một hạn chế là robot di chuyển thẳng hơi bị lệch về phía bên trái

Công tắc điều khiển được động cơ lưỡi cắt bật tắt trạng thái hoạt động.

Nhận xét và đánh giá

Qua những tìm hiểu và nghiên cứu , mặt dù gặp nhiều khó khăn trong việc thực hiện đồ án, nhưng em đã cố gắng và dưới sự hướng dẫn của thầy cô thì đồ án cũng thực hiện đúng thời hạn Tuy còn nhiều sai sót nhưng đây là những cố gắng của em trong thời gian vừa qua

• Những công việc đã thực hiên được:

- Đã hoàn thành mô hình

- Đã hoàn thành phần tay cầm điều khiển

- Giao tiếp được 2 khối điều khiển với nhau

- Điều khiển động cơ đúng như yêu cầu

• Những hạn chế của mô hình

- Chưa thích hợp được nhiều công nghệ mới trong robot

• Những khó khăn gặp phải

Do thực hiện đề tài một mình nên lượng công việc nhiều dẫn đến nhiều thiếu sót trong báo cáo và mô hình

KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN

Sau khoảng thời gian nghiên cứu và thực hiện đề tài , về cơ bản em đã hoàn thành đề tải “Thiết kế, chế tạo robot cắt cỏ điều khiển từ xa sử dụng sóng rf” và đã đạt được những mục tiêu ban đầu đề ra Qua quá trình thực hiện đồ án, em đã có được một số kết quả nhất định như sau:

- Tính toán và thiết kế được phần cơ khí và phần điện của đề tài

- Thiết kế hoàn chỉnh Robot trên Creo

- Xuất đầy đủ bản vẽ cần thiết trên AutoCad và inventor

- Điều khiển robot hoạt động đúng với yêu cầu

- Điều chỉnh được tốc độ di chuyển của Robot

Hướng phát triển Để đạt được sự tiến bộ và tối ưu hóa công việc của robot cắt cỏ, có một số hướng phát triển tiềm năng dành cho robot này bao gồm:

Việc tích hợp công nghệ trí tuệ nhân tạo (AI) sẽ mang lại những tiện ích đáng kể Robot có thể được trang bị khả năng tự động nhận diện và phân biệt giữa cỏ và các đối tượng khác trên mặt đất như hoa, cây cảnh, hoặc đồ vật Điều này giúp robot hoạt động chính xác hơn và tránh gây hại cho các cây cảnh và hoa

Phát triển thuật toán và cảm biến để robot có thể phân loại cỏ dựa trên các đặc điểm như loại cỏ, mức độ phát triển, độ dày, hoặc độ cao của cỏ Điều này cho phép robot tùy chỉnh cắt cỏ theo từng loại và tối ưu công việc cắt tỉa

Tích hợp hệ thống tự động sạc sẽ tạo điều kiện thuận lợi cho hoạt động liên tục của robot Việc xây dựng một hệ thống tự động sạc sẽ cho phép robot tự động quay về điểm sạc khi năng lượng cạn kiệt, mà không cần sự can thiệp của con người

Nâng cao ứng dụng điện thoại để người dùng có thể lên lịch và điều khiển robot từ xa, theo dõi tiến trình cắt cỏ và nhận thông báo khi công việc hoàn thành Các tính năng thông minh khác có thể bao gồm phát hiện trở ngại và tránh va chạm, cảnh báo khu vực nguy hiểm và tích hợp hệ thống GPS để định vị và theo dõi robot

Nghiên cứu và áp dụng các vật liệu và công nghệ mới để tăng hiệu suất làm việc của robot cắt cỏ, cải thiện độ bền và tuổi thọ của các bộ phận quan trọng, từ đó giảm chi phí bảo trì và sửa chữa

Robot cắt cỏ điều khiển từ xa sử dụng sóng RF có thể mở rộng ứng dụng sang các lĩnh vực khác Công nghệ và kiến thức từ robot này có thể được áp dụng để phát triển

SVTH: Trương Quốc Khánh GVHD: TS Phan Nguyễn Duy Minh 56 robot tự động cắt tỉa cây cảnh, làm sạch khu vườn hoặc khuôn viên, hoặc thực hiện các công việc vận chuyển nhẹ trong các lĩnh vực như nông nghiệp hoặc công nghiệp Với những hướng phát triển này, robot cắt cỏ điều khiển từ xa sử dụng sóng RF sẽ trở thành một công cụ hiệu quả và tiện ích hơn trong việc duy trì và quản lý các khu vườn và khuôn viên

[1] UNIDUC (2021) Những loại robot biết đi được sản xuất nhiều trong cuộc sống https://maysanxuattudong.com/cach-lam-robot-biet-di/

[2] ZUN (2020) Robot tự hành https://www.zun.vn/tai-lieu/chuong-1-tong-quan- ve-robot-tu-hanh-34840/

[3] Ống thép hoà phát (2022) Thép hộp mạ kẽm 10×10 Hòa Phát https://ongthephoaphat.com/thep-hop-ma-kem-10x10-hoa-phat/

[4] Hiệp Thành (2023) Tấm nhựa mica https://hiepthanhvn.com.vn/tam-nhua- mica/

[5] WIKIPEDIA (2023) Tần số vô tuyến https://vi.wikipedia.org/wiki/T%E1%BA%A7n_s%E1%BB%91_v%C3%B4_tuy%E1% BA%BFn

[6] ACADEMIA (2023) Industrial Scientific Medical (ISM) Bands https://www.academia.edu/11692591/Industrial_Scientific_Medical_ISM_Bands [7] SERVO (2010) Tips For Selecting DC Motors https://www.servomagazine.com/magazine/article/tips_for_selecting_dc_motors_for_y our_mobile_robot

[8] GOT IT (2021) Phần mềm Arduino IDE là gì? Chi tiết nhất https://vn.got- it.ai/blog/phan-mem-arduino-ide-la-gi-chi-tiet-nhat

[9] Arduino.vn (2014) Arduino UNO R3 là gì? http://arduino.vn/bai-viet/42- arduino-uno-r3-la-gi

[10] VINA FE (2023) Giới thiệu về Arduino Nano https://dientutuonglai.com/gioi- thieu-arduino-nano.html

[11] Điện tử HELLO (2020) Truyền nhận dữ liệu không dây arduino với NRF24L01 https://www.dientuhello.com/truyen-nhan-du-lieu-khong-day-arduino-voi- nrf24l01/

[12] Cytrontech (2021) Breakout cho Module NRF24L01 với Chân cắm https://www.cytrontech.vn/p-breakout-for-nrf24l01-with- socket?currency=VND&gad=1&gclid=CjwKCAjwyqWkBhBMEiwAp2yUFlNSrE36ptKueqsTEKGfhTKbDkIzeOf9_lOOzBf2SSD_V1xvwp4DnxoCTAEQAvD_BwE

Motor Driver https://hshop.vn/products/mach-dieu-khien-dong-co-dc-bts796043a-1- dong-co

[14] Nshop (2023) Module relay 5V 10A https://nshopvn.com/product/module- relay-5v-10a/

[15] Nshop (2023) Module joystick đơn https://nshopvn.com/product/module- joystick-don/

[16] Thegioiic (2023) MTS-102 Công Tắc Toggle ON-ON Gạt Giữ 3 Chân Tiếp Điểm Giữ 6A 125VAC https://www.thegioiic.com/mts-102-cong-tac-toggle-on-on-gat- giu-3-chan-tiep-diem-giu-6a-125vac

[17]lưu Minh Tiến, Ngô Hoàng Giang Sơn (2017) Mobile robot phục vụ bàn, đồ án tốt nghiệp, Trường Đại Học Công Nghệ TPHCM

RF24 radio(7, 8); const byte diachi[6] = "12345"; int Pot_Val_Y = 0,Pot_Val_X = 0; void setup()

Serial.begin(9600); pinMode(A0,INPUT); pinMode(A1,INPUT); pinMode(A2,INPUT_PULLUP); radio.begin(); if (!radio.begin())

Serial.println("Module không khởi động được !!"); while (1) {}

} radio.openWritingPipe(diachi); radio.setPALevel(RF24_PA_MIN); radio.setChannel(80); radio.setDataRate(RF24_250KBPS); radio.stopListening(); if (!radio.available())

Serial.println("Chưa kết nối được với RX !!");

Serial.println("CHỜ KẾT NỐI ");

Pot_Val_X = analogRead(A1); if(Pot_Val_Y Pot_Val_Y)&&(Pot_Val_Y>300)&&(900>Pot_Val_X)&&(Pot_Val_X>300)) { mang[0] = 0;

} radio.write(&mang, sizeof(mang));

Serial.println(Pot_Val_Y); delay(10);

#include int IN1 = 3; int IN2 = 5; int IN3 = 9; int IN4 = 10; int maycat = 8;

RF24 radio(7, 6); // CE, CSN const byte diachi[6] = "12345"; int mang[2]; void setup()

Serial.begin(9600); pinMode(maycat,OUTPUT);; if (!radio.begin())

Serial.println("Module không khởi động được !!"); while (1) {}

} radio.openReadingPipe(0, diachi); radio.setPALevel(RF24_PA_MIN); radio.setChannel(80); radio.setDataRate(RF24_250KBPS); radio.startListening(); if (!radio.available())

Serial.println("Chưa kết nối được với TX !!");

Serial.println("CHỜ KẾT NỐI ");

{ radio.read(&mang, sizeof(mang));

} delay(10); digitalWrite(IN2,LOW);analogWrite(IN3,255); digitalWrite(IN4,LOW); } // tiến if(mang[0]==2) { digitalWrite(IN1,LOW); analogWrite(IN2,255); digitalWrite(IN3,LOW); analogWrite(IN4,255);} //lùi if(mang[0]==3) { digitalWrite(IN1,LOW); analogWrite(IN2,255); analogWrite(IN3,255); digitalWrite(IN4,LOW);} // trái if(mang[0]==4) { analogWrite(IN1,255); digitalWrite(IN2,LOW); digitalWrite(IN3,LOW); analogWrite(IN4,255);} // phải if(mang[0]==0) { digitalWrite(IN1,LOW); digitalWrite(IN2,LOW); digitalWrite(IN3,LOW); digitalWrite(IN4,LOW);} // dừng if(mang[1]==0) digitalWrite(maycat,HIGH); else digitalWrite(maycat,LOW);

} hợp rô-bốt đang tăng tốc từ trạng thái nghỉ đến tốc độ tối đa

• Σlực (ftổng) là tổng của tất cả các lực tác động lên rô-bốt

• fw là lực đẩy vào bánh xe

• fg là lực hấp dẫn hoặc trọng lượng của rô-bốt

• M là khối lượng của rô-bốt

• a là gia tốc của rô-bốt

Khi rô-bốt đang tăng tốc, gia tốc a khác 0 Trong trường hợp này, tổng các lực tác động lên rô-bốt sẽ bằng tích khối lượng của rô-bốt nhân với gia tốc Để định kích thước chính xác cho động cơ của rô-bốt, bạn cần xem xét các yếu tố khác như lực ma sát, lực cản, và yêu cầu vận tốc và gia tốc mong muốn của rô-bốt Điều này sẽ giúp bạn đưa ra lựa chọn phù hợp về động cơ với mô-men xoắn và công suất phù hợp để đáp ứng yêu cầu di chuyển của rô-bốt trong quá trình tăng tốc

Tiêu đề	Thiết kế, chế tạo Robot cắt cỏ điều khiển từ xa sử dụng sóng RF
Tác giả	Trương Quốc Khánh
Người hướng dẫn	TS. Phan Nguyễn Duy Minh
Trường học	Đại học Đà Nẵng
Chuyên ngành	Công nghệ Kỹ thuật Cơ Điện Tử
Thể loại	Đồ án tốt nghiệp
Năm xuất bản	2023
Thành phố	Đà Nẵng

Định dạng
Số trang	92
Dung lượng	2,08 MB