ĐỒ ÁN XE CHỞ HÀNG bám LINE MOBILE platform to track a reference line

GVHD: Thầy Nguyễn Tấn Tiến MỤC LỤC MỤC LỤC i LỜI NÓI ĐẦU iii Chương 1: TỔNG QUAN 1 Tổng quan Xác định đầu Chương 2: LỰA CHỌN PHƯƠNG ÁN Cách thức chuyển động Số lượng bánh xe Cấu trúc điều khiển 15 Chương 3: KẾ HOẠCH TRIỂN KHAI 17 Chương 4: TRIỂN KHAI CỤ THỂ 18 Phần 1: THIẾT KẾ PHẦN CƠ 18 Cấu hình xe : 18 Khung xe : 18 Tính toán chọn động : 19 Chọn bánh tự lựa : 20 Dung sai chế tạo thân xe : 20 Phần 2: THIẾT KẾ PHẦN ĐIỆN 22 Chọn cảm biến 22 CẢM BIẾN MGS1600 23  Lắp đặt cảm biến: 23  Cổng xuất nhập cấp nguồn: 23  Dấu từ (track marker) : 24 i GVHD: Thầy Nguyễn Tấn Tiến Chọn động 25 Chọn nguồn ắc quy: 26 Chọn mạch nguồn 27 Chọn driver điều khiển động 27 Phần 3: THIẾT KẾ MÁY TÍNH 30 I Tổng Quan 30 Các vi điều khiển thường dùng điều khiển động 30 Lựa chọn vi điều khiển 32 II PIC16F887 33 Cấu trúc 33 Sơ đồ chân 35 Tính 36 III Sơ đồ mạch điều khiển 36 Điều khiển tốc độ động phương pháp điều chế xung PWM 37 Sơ đồ mạch điều khiển 39 IV – Lưu Đồ Giải Thuật 41 Phần 4: MÔ HÌNH HÓA 43 Cấu trúc AGV 43 Mô hình toán hệ thống 43 Thiết kế điều khiển 46 Kết mô 47 Chương : KẾT LUẬN 49 Tài liệu tham khảo 51 ii GVHD: Thầy Nguyễn Tấn Tiến LỜI NÓI ĐẦU Thiết kế hệ thống điện tử là nội dung không thể thiếu chương trình đào tạo kĩ sư điện tử Môn học giúp cho sinh viên có thể hệ thống hóa lại các kiến thức của các môn học : Chi tiết máy, Dung sai & lắp ghép, Vẽ kĩ thuật, vi điều khiển link chúng lại với nhau,đồng thời giúp cho sinh viên làm quen với công việc và thiết kế chuẩn bị cho việc thiết kế đồ án tốt nghiệp sau này Trong trình thực project này, nhóm xin chân thành cảm ơn Thầy Nguyễn Tấn Tiến tận tình hướng dẫn và giúp đỡ nhóm thực tốt đề tài Mặc dù vậy không thể tránh khỏi sai sót, mong thầy bạn đóng góp ý kiến để đề tài hoàn thiện Tp.HCM Ngày 15 tháng 11 năm 2015 Nhóm thực Nhóm iii GVHD: Thầy Nguyễn Tấn Tiến Chương 1: TỔNG QUAN Tổng quan Cùng với phát triển của sản xuất, nhu cầu vận chuyển nguyên liệu, hàng hóa xí nghiệp, nhà máy ngày càng gia tăng Với phát triển của khoa học kỹ thuật, trình vận chuyển có thể dễ dàng tự động hóa nhằm tăng suất, tiết kiệm chi phí, giảm giá thành sảm phẩm Sử dụng mobile robot để vận chuyển hàng hóa nhà máy, xí nghiệp một phương án hiệu và nhiều nước giới áp dụng vào sản xuất Ngày nay, AGV trở nên phổ biến có nhiều ứng dụng hiệu quả, thay sức lao động của người, đặc biệt các nước tiên tiến Ở nước ta, công nghệ chế tạo AGV mobile robot và việc ứng dụng chúng vào sản xuất giai đoạn đầu và là một lĩnh vực hứa hẹn nhiều tiềm tương lai Muốn phát triển công nghiệp hóa, đại hóa thì việc ứng dụng robot vào sản xuất và đời sống là yếu tố cần thiết AGV phân loại sau: Theo chức năng: có kiểu AGV:  Xe kéo (Towing machine): xe kéo xuất bay giờ thịnh hành Loại có thể kéo nhiều loại toa hàng có khối lượng khác  Xe chở (Unit Load Machine): xe chở trang bị tầng khay chứa để chuyên chở  Xe đẩy (Cart Vehicle): xe đẩy có tính linh hoạt cao rẻ tiền Chúng sử dụng để chuyên chở vật liệu hệ thống lắp ráp  Xe nâng (Fork Vehicle): có khả nâng các tải trọng đặt sàn bục cao hay khối hàng đặt giá Theo dạng đường : theo dạng đường thì AGV chia làm các loại sau: GVHD: Thầy Nguyễn Tấn Tiến  Loại không chạy theo đường dẫn (Free path navigation): có thể di chuyển đến vị trí không gian hoạt động Đây là loại xe AGV có tính linh hoạt cao định vị vị trí nhờ cảm biến quay hồi chuyển (Gyroscop sensor) để xác định hướng di chuyển, cảm biến laser để xác định vị trí vật thể xung quanh trình di chuyển, hệ thống định vị cục bộ (Local navigation Location) để xác định tọa độ tức thời,…Việc thiết kế loại xe đòi hỏi công nghệ cao phức tạp so với loại AGV khác  Loại chạy theo đường dẫn (Fixed path navigation) :Xe AGV thuộc loại thiết kế chạy theo các đường dẫn định sẵn gồm loại đường dẫn sau: - Đường dẫn từ: loại đường dẫn có cấu tạo dây từ (Magnetic wire) chôn ngầm sàn Khi di chuyển, nhờ có cảm biến cảm ứng từ mà xe có thể di chuyển theo đường dây dẫn Loại đường dẫn không nằm bên mặt sàn nên có mỹ quan tốt, không ảnh hưởng đến công việc vận hành khác Tuy nhiên sử dụng phải tiêu tốn lượng cho việc tạo từ tính dây, đồng thời đường dẫn cố định không thể thay đổi - Đường ray dẫn: xe AGV chạy các ray định trước mặt sàn Loại sử dụng hệ thống chuyên dụng Nó cho phép thiết kế xe đơn giản và có thể di chuyển với tốc độ cao tính linh hoạt thấp - Đường băng kẻ sàn: xe AGV di chuyển theo các đường băng kẻ sẵn sàn nhờ loại cảm biến nhận dạng vạch kẻ Loại có tính linh hoạt cao trình sử dụng người ta có thể thay đổi đường một cách dễ dàng nhờ kẻ lại vạch dẫn Tuy nhiên sử dụng, vạch dẫn có thể bị bẩn hay hư hại gây khó khăn cho việc điều khiển xác xe Một số mobile robot vận chuyển hàng hóa giới: a Pioneer LX AGV PioneerLX có cấu bánh: bánh chủ động nằm và bánh tự lựa GVHD: Thầy Nguyễn Tấn Tiến nằm góc Với cấu này giúp xe có thể xoay với góc nhỏ là 0o Với cấu hai bánh xe trung tâm, xe rẽ sẽ không xảy tượng trượt Cơ cấu AGV Pioneer-LX Khung xe làm hợp kim nhôm, để giảm tải trọng xe Với kích thước xe nhỏ ngọn có thể vận chuyển khối lượng tối đa 60kg Vì vậy xe có thể đạt vận tốc lớn là 1,8 m/s Phía trước xe có lắp laser S600 để quét vật cản GVHD: Thầy Nguyễn Tấn Tiến AGV Pioneer LX có thể di chuyển đến vị trí nhờ vào hệ thống GPS lắp xe với hệ thống la bàn có độ xác tới 15mm Trong môi trường công nghiệp, việc sử dụng đồng thời nhiều mobile robot là nhu cầu tất yếu Vì để dễ dàng quản lý, các AGV sẽ cấu hình theo kiểu Wireless Access Point b Aim iBot AGV của AIM IBOT có cấu xe bánh: bánh chủ động phía sau và một bánh trước tự lái Với cấu trên, xe quẹo xe giúp xe không bị trượt tâm vận tốc tức thời của bánh xe trùng GVHD: Thầy Nguyễn Tấn Tiến Khung xe làm hợp kim thép, đường kính bánh dẫn inch = 203.2 mm, đường kính bánh lái inch và rộng 2.75 inch với kích thước xe có thể chịu tải lên tới 650 pound Vận tốc xe có thể đạt tới 1.016 m/s và bán kính cong nhỏ xe có thể đạt 2m Xe lắp đặt cảm biến Laser để dò đường với dung sai ±20 mm Phía trước xe có lắp Laser để quét các trở ngại và vị trí nhận hang, trả hang Cảm biến có thể đạt đến độ xác dừng ±20 mm Xác định đầu Ở nước ta nay, công nghệ chế tạo mobile robot việc ứng dụng chúng sản xuất giai đoạn đầu và là một lĩnh vực hứa hẹn nhiều tiềm tương lai Muốn phát triển công nghiệp hóa, đại hóa việc ứng dụng robot vào sản xuất và đời sống hết sức cần thiết Với thông tin số liệu thu thập sau tham khảo mobile robot vận chuyển hàng hóa giới, phạm vi của project môn học, nhóm định thiết kế một mobile flatform vận chuyển hàng hóa hoạt động một mô hình nhà máy bia có thật thực tế Nhiệm vụ cụ thể của robot nâng chuyển thùng bia từ khu vực hoàn thiện sản phẩm đến kho lưu trữ của nhà máy trước xuất Mô hình nhà xưởng của nhà máy bia : GVHD: Thầy Nguyễn Tấn Tiến Đường cụ thể của robot: Đặc điểm của sản phẩm: GVHD: Thầy Nguyễn Tấn Tiến Hình thùng bia Hình dạng: hình hộp chữ nhật Kích thước: 26x39 cm Khối lượng: ≈ 10Kg/thùng -Tải trọng tối đa của robot 40 thùng/lần tương đương với khối lượng khoảng 400Kg - Sau so sánh với robot vận chuyển giới với điều kiện thực tế nhóm định thông số của robot sau: + Vận tốc tối đa Vmax = 0.5 m/s + Bán kính cong nhỏ Rmin = 2m GVHD: Thầy Nguyễn Tấn Tiến Điều khiển tốc độ động phương pháp điều chế xung PWM - Phương pháp điều chế độ rộng xung PWM (Pulse Width Modulation) phương pháp điều chỉnh tốc độ tải hay nói cách khác là phương pháp điều chế dựa thay đổi độ rộng của chuỗi xung kích để điều khiển linh kiện đóng ngắt (SCR hay Transistor) dẫn đến thay đổi điện áp tải - Nguyên lý hoạt động PWM: + Đây là phương pháp thực theo nguyên tắc đóng ngắt nguồn có tải một cách có chu kỳ theo luật điều chỉnh thời gian đóng ngắt Phần thực việc đóng ngắt van bán dẫn 37 GVHD: Thầy Nguyễn Tấn Tiến + Trong khoảng thời gian từ – t0 ta cho van Q1 mở toàn bộ điện áp nguồn Ud đưa tải Cũng khoảng thời gian từ t0 – T cho van Q1 khóa, cắt nguồn cung cấp cho tải + Công thức tính giá trị trung bình của điện áp tải: Ud = Umax (t0/T) = Umax.D Ud : Điện áp trung bình tải Umax : Điện áp nguồn t0 : Thời gian xung sườn dương T : Thời gian xung sườn dương và âm D = t0/T : hệ số điều chỉnh hay PWM tính % - - Đối với PIC16F887 để sử dụng phương pháp này có thể sử dụng bộ điều chế độ rộng xung PWM tích hợp sẵn bên PIC với ngõ xung tại chân CCP1 (17) CCP2 (16) Tại chân hoạt động sẽ xuất chuỗi xung vuông với độ rộng điều chỉnh dễ dàng Xung này để tạo tín hiệu đóng ngắt Transistor mạch động lực, với độ rộng xác định sẽ tạo điện áp trung bình xác định Cách thiết lập chế độ PWM cho PIC16F887: 38 GVHD: Thầy Nguyễn Tấn Tiến + Thiết lập thời gian của chu kỳ của xung điều chế PWM cách đưa giá trị thích hợp vào ghi PR2 Trong đó giá trị chu kỳ (period) của xung điều chế tính công thức: PWM (period) = [(PR2) + 1]*4*Tosc*(giá trị bộ chia tần số của TMR2) + Thiết lập độ rộng xung cần điều chế (duty cycle) cách đưa giá trị vào ghi CCPR1L và các bit CCP1CON Trong đó độ rộng xung điều chế (duty cycle) tính theo công thức: PWM (duty cycle) = (CCPR1L:CCP1CON)*Tosc*(Giá trị bộ chia tần số TMR2) + Điều khiển chân của CCP output cách clear các bit tương ứng ghi TRISC +Thiết lập bộ chia tần số prescaler của timer2 cho phép timer2 hoạt động cách đưa giá trị thích hợp vào ghi T2CON + Cho phép CCP hoạt động chế độ PWM Sơ đồ mạch điều khiển 39 GVHD: Thầy Nguyễn Tấn Tiến 40 GVHD: Thầy Nguyễn Tấn Tiến IV – Lưu Đồ Giải Thuật 41 GVHD: Thầy Nguyễn Tấn Tiến 42 GVHD: Thầy Nguyễn Tấn Tiến Phần 4: MÔ HÌNH HÓA Cấu trúc AGV AGV sử dụng loại mobile platform to track a reference line, di chuyển sáu bánh và điều khiển hai bánh chủ động Mobile platform sẽ di chuyển theo một quỹ đạo Các sai số đo cảm biến từ MGS1600 với sai số mong muốn ± 20𝑚𝑚 Xe chạy ổn định với vận tốc 𝑣 = 0.5𝑚/𝑠 Cấu trúc AGV lắp đặt hình Hình : Cấu trúc lắp đặt AGV Hai bánh xe dẫn động đặt vị trí bốn bánh xe tự lựa đặt bốn góc Trung điểm của hai bánh xe dẫn động trùng với trung tâm của AGV và là vị trí đặt cảm biến từ MGS1600 Mô hình toán hệ thống 43 GVHD: Thầy Nguyễn Tấn Tiến Y e3 Rr YRr e2 YS YP≡YC θ e1 S P≡C O XP ≡XC XRr XS X Hệ tọa độ chuyển động Phương trình động học của AGV : 𝑥̇ = 𝑣 𝑐𝑜𝑠𝜃 { 𝑦̇ = 𝑣 𝑠𝑖𝑛𝜃 𝜃̇ = 𝜔 Với tín hiệu vào : 𝑥̇ 𝐶𝑜𝑠 𝜃 → [𝑦̇ ] = [ 𝑆𝑖𝑛 𝜃 𝜃̇ { 𝑣 0] [ 𝜔 ] (1) 𝑣 𝜔 AGV di chuyển và đổi hướng tốc độ góc hai bánh xe dẫn động thay đổi Vì vậy phương trình động học của hai bánh xe sau : 44 GVHD: Thầy Nguyễn Tấn Tiến Ta có : ω= vL vR = R − L/2 R + L/2 →ω= vR − vL L (2) (3) ω vR + vL L →R= × vR − vL vL v (4) v = ω × R = (vR + vL ) vR (5) Thế (3) (5) vào (1) : ẋ Cos θ (vR + vL ) ẏ → [ ] = [ Sin θ 0] [ v − v ] R L θ̇ L ẋ → [ẏ ] = θ̇ 2 [ Cos θ Sin θ 1 Cos θ vR Sin θ [ v ] L − ] L Phương trình động học của 𝜔𝑅 , 𝜔𝐿 : 1 Cos θ Cos θ 2 ẋ ωR 1 → [ẏ ] = r × Sin θ Sin θ [ ω ] L 2 θ̇ − [ L ] Phương trình động học tâm AGV ( là nơi đặt cảm biến MGS1600 ) xċ = xṖ { yċ = yṖ θċ = θṖ 45 GVHD: Thầy Nguyễn Tấn Tiến Phương trình động của điểm tham chiếu R ẋ R = vR cosθR { ẏ R = vR sinθR θ̇R = ωR Bộ điều khiển thiết kế cho điểm C bám theo điểm tham chiếu R, với sai số mong muốn → Để điều khiển vận tốc của xe AGV ta cần có phương trình sai số hệ thống : e1 = (xr − xc ) cos θ + (yr − yc ) sin θ e2 = (xr − xc ) sin θ + (yr − yc ) cos θ e3 = θr − θc e1 cos θ e → [ ] = [− sin θ e3 sin θ cos θ 0 xr − xc 0] [ yr − yc ] θr − θc Từ đó ta động học sai số e1̇ vR cos e3 −1 e ̇ v sin e → [ 2] = [ R 3] + [ ωR e3̇ e2 v −e1 ] [ω] −1 Thiết kế điều khiển Theo Lyapunov { v≥0 v̇ ≤ Ta chọn : 𝑣= 2 − cos 𝑒3 𝑒 + 𝑒 + ≥0 2 𝑘2 𝑣̇ = 𝑒1 (𝑣𝑅 cos 𝑒3 − 𝑣 ) + sin 𝑒3 (𝑣𝑅 𝑒2 𝑘2 + 𝜔𝑅 − 𝜔) 𝑘2 Để 𝑣̇ ≤ ta chọn : 𝑣 = 𝑣𝑅 cos 𝑒3 + 𝑘1 𝑒1 { 𝜔 = 𝑘2 𝑣𝑅 𝑒2 + 𝜔𝑅 + 𝑘3 sin 𝑒3 46 GVHD: Thầy Nguyễn Tấn Tiến Kết mô Quỹ đạo chuyển động Các thông số sử dụng cho mô : Name Chiều rộng AGV Chiều dài AGV Đường kính bánh xe Khoảng cách bánh xe Bề rộng đường line, b Bán kính cong Vận tốc AGV, Vr Value 850 1400 75 799 25 2000 0,5 Unit mm mm mm mm mm mm m/s Với hệ số k1 k k kết sau : k1 = 1; k2 = 150; k3 = 10 47 GVHD: Thầy Nguyễn Tấn Tiến a.Sai số ei b AGV bám line theo bán kính cong c.Vận tốc bánh xe d.AGV bám theo quỹ đạo chuyển động 48 GVHD: Thầy Nguyễn Tấn Tiến Chương : KẾT LUẬN Kế hoạch thực tế thực ( biểu đồ gantt thực tế đính kèm phụ lục) TT Kế hoạch Tìm hiểu tổng quan của đề tài Đề xuất phương án thiết kế Thiết kế phần Cơ khí Thiết kế nguyên lý, chi tiết Tính toán công suất & xd thông số động Bản Vẽ Cơ Khí Chỉnh sửa Viết Báo Cáo Thiết kế phần điện Tìm hiểu động Chọn loại động và thiết kế driver động Thiết kế cảm biến mạch cảm biến Bản vẽ mạch điện Chỉnh sửa Viết Báo Cáo Thiết kế phần Máy tính Tìm hiểu vi điều khiển Kết nối Vi Điều Khiển với khối nguồn Kết nối VĐK với động Kết nối VĐK với cảm biến Bản vẽ mạch Chỉnh sửa Viết Báo Cáo Thiết kế phần software Mô Cơ cấu, chi tiết mobile platform solideworks Mô simulink Mô hoàn chỉnh Viết báo cáo Tổng hợp viết báo cáo hoàn chỉnh Chuẩn bị cáo cáo Báo cáo Tên thành viên thực Cả nhóm Cả nhóm KKKK TTT GGG CCC AA Cả nhóm Thời gian 24/8-1/9 2/9-10/9 7/9-14/11 7/9-24/9 25/9-8/10 9/10-23/10 24/10-5/11 6/11-13/11 11/9-13/11 11/9-21/9 22/9-30/9 1/10-13/10 14/10-26/10 27/10-4/11 5/11-13/11 10/9-13/11 11/9-21/9 22/9-28/9 29/9-7/10 8/10-15/10 16/10-26/10 27/10-4/11 5/11-13/11 15/9-13/11 15/9-28/9 29/9-16/10 19/10-4/11 5/11-13/11 14/11-20/11 30/12-25/12 27/12 49 GVHD: Thầy Nguyễn Tấn Tiến Trong kế hoạch trên,lúc thực hiện, phần có cộng tác của bạn Hồng Thắng Minh Tiến để bạn Quang Tín hoàn thành phần Giữa phần có liên hệ , thảo luận với nhau, để thực phương án cuối ( thể rõ biểu đồ gantt) Kế hoạch đẩy nhanh so với hoạch định Và kế hoạch sẽ áp dụng cho lần sau Sau trình thực nhóm rút kết luận sau : - Thiết kế máy tính đạt mục tiêu ban đầu đề ra: + Điều khiển phân cấp nên dễ bảo trì, dễ sửa chữa, phát lỗi trình hoạt động + Sau thiết kế, nhận thấy có nhiều chân của các vi điều khiển chưa sử dụng, nên có thể sử dụng cho ứng dụng sau này như: Lắp hình hiển thị, nút nhấn điều khiển, thiết kế mạch giao tiếp với thiết bị khác PC, v.v - Trong trình thiết kệ bộ điều khiển, với phương án ban đầu nhóm chọn xe bốn bánh, hai bánh chủ động trước trọng tâm xe.Không thể thiết kế bộ điều khiển đáp ứng yêu cầu bài toán nhóm đề với độ sai số ±20mm - Từ đó rút để điều khiển xe AGV bám lai với độ sai số ±20mm cần thiết kế khí cho trung điềm hai bánh xe chủ động, trọng tâm xe cảm biến trùng sẽ đạt kết tốt 50 GVHD: Thầy Nguyễn Tấn Tiến Tài liệu tham khảo [1] NINH ĐỨC TỐN, Dung sai lắp ghép, NXB Giáo dục Việt Nam, 2013 51 [...]... TRIỂN KHAI CỤ THỂ Phần 1: THIẾT KẾ PHẦN CƠ 1 Cấu hình xe : AGV sẽ có 6 bánh với 2 bánh chủ động điều khiển độc lập ở gi a, 2 bánh xe tự l a ở ph a trước và 2 bánh ở ph a sau 2 Khung xe : Để đảm bảo yêu cầu cu a đề bài xe chở được lô hàng có kích thước rộng 790 mm, dài 1170mm nên ta chọn kích thước cho xe như sau : dài 1400 mm, rộng 850mm 18 GVHD: Thầy Nguyễn Tấn Tiến Khung xe được chế tạo... với các loại bánh xe + 2 bánh dẫn cố định được điều khiển bởi 2 động cơ và một bánh tự l a  Bán kính quay nhỏ nhất là 0  Hạn chế là khó di chuyển trên bề mặt không bằng phẳng  Một trong những bánh xe dẫn động không tiếp xúc được với đất, hướng chuyển động sẽ bị thay đổi đột ngột  Gi a hai bánh xe và tâm xe tồn tại một khoảng cách d Có 2 loại: - Bánh dẫn động ở sau: o Có d ... H A Cấu trúc AGV AGV sử dụng loại mobile platform to track a reference line, di chuyển sáu bánh và điều khiển hai bánh chủ động Mobile platform sẽ di chuyển theo một quỹ a o Các sai... thiết AGV phân loại sau: Theo chức năng: có kiểu AGV:  Xe kéo (Towing machine): xe kéo xuất bay giờ thịnh hành Loại có thể kéo nhiều loại toa hàng có khối lượng khác  Xe chở (Unit Load Machine):... nghệ cao phức tạp so với loại AGV khác  Loại chạy theo đường dẫn (Fixed path navigation) :Xe AGV thuộc loại thiết kế chạy theo các đường dẫn định sẵn gồm loại đường dẫn sau: -