(Đồ án tốt nghiệp) nghiên cứu, ứng dụng xe omni 4 bánh

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP NGÀNH CÔNG NGHỆ KỸ THUẬT CƠ ĐIỆN TỬ NGHIÊN CỨU, ỨNG DỤNG XE OMNI BÁNH GVHD: BÙI HÀ ÐỨC SVTH : VŨ TRUNG HOAN TRƯƠNG HOÀNG MINH NGUYỄN THANH PHƯƠNG MSSV: 15146037 15146072 15146088 SKL005555 Tp Hồ Chí Minh, tháng 07/2019 TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT TP HỒ CHÍ MINH KHOA ĐÀO TẠO CHẤT LƯỢNG CAO ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP Đề tài : NGHIÊN CỨU, ỨNG DỤNG XE OMNI BÁNH Giảng viên hướng dẫn : Sinh viên thực : Tp Hồ Chí Minh,tháng năm 2019 CỘNG HOÀ XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM Độc lập – Tự – Hạnh Phúc ******* PHIÊU NHẬN XÉT CỦA GIÁO VIÊN HƯỚNG DẪ N v tên inh viên Vũ Trung oan MSSV: 15146037 Trương o ng Minh MSSV: 15146072 Nguyễn Thanh Phương MSSV: 15146088 Ngành: Công Nghệ Kỹ Thuật Cơ Điện Tử… Tên t i Nghiên Cứu, Ứng Dụng Xe Omni Bánh v tên iáo viên hướng ẫn Ts Bùi Đức N ẬN XÉT V nội ung t i hối lượng thực hiện: Ưu iểm: Khuy t iểm: Đ ngh cho ảo vệ hay không? Đánh giá loại: Điểm ……………… B ng ch .) Tp Hồ Chí Minh, ngày tháng năm 20… iáo viên hướng ẫn (Ký & ghi rõ họ tên) i CỘNG HOÀ XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM Độc lập – Tự – Hạnh Phúc ******* PHIÊU NHẬN XÉT CỦA GIÁO VIÊN PHẢN BI ỆN v tên inh viên Vũ Trung Hoan MSSV: 15146037 Trương o ng Minh MSSV: 15146072 Nguyễn Thanh Phương MSSV: 15146088 Ngành: .Công Nghệ Kỹ Thuật Cơ Điện Tử… Tên t i Nghiên Cứu, Ứng Dụng Xe Omni Bánh v tên iáo viên hản iện: Tưởng Phước Th N ẬN XÉT V nội ung t i hối lượng thực hiện: Ưu iểm: Khuy t iểm: Đ ngh cho ảo vệ hay không? 10 Đánh giá loại: Điểm ……………… B ng ch .) thán năm 20… Tp Hồ Chí Minh, ngày g iáo viên hản iện (Ký & ghi rõ họ tên) ii LỜI CẢM ƠN Sau trình h c tập rèn luyện nghiêm túc khoa Đ o Tạo chuyên ng nh Cơ Điện Tử với hướng dẫn v Đức, chúng em ứng dụng xe Omni bánh Chúng em xin chân thành gửi lời cảm ơn sâu sắc ộng viên v giú vượt qua nh ng ng y cuối ho n th nh ược ơn mong n Thầy, chúc Thầy khỏe mạnh có nh ng tháng năm cơng ợi Chúng em xin chân thành gửi lời cảm ơn n thầy cô thầy cô khoa Đào Tạo Chất Lượng Cao nh ng người chúng em, cho chúng em ki n thức chuyên ngành nh với nỗ lực chúng em Một lần n ng nh ã giú em tro Trân tr ng ! TP.HCM Ngày Tháng Năm 2019 Sinh viên thực Vũ Trung oan Trương Hoàng Minh Nguyễn Thanh Phương iii TÓM TẮT ĐỀ TÀI Trong án tốt n Nhóm nghiên cứu nh cấu vận hành Robot, thuật tốn dị line thuật tốn tìm gần từ v trí A B Cách ti p cận thực t Trước h t, nhóm ngo i nước, ể từ ó nh cứu Ngồi ra, nhóm cịn tham khảo vi t v báo khoa h xe a hướng Sau ti p cận với cứu sau: Nghiên cứu tổng quan v ngo i nước nghiên cứu phù hợp Xây dựng tài mục tiêu yêu cầu tài Thi công áp dụng robot vào thực tiễn K t ạt ược thi t k ược mơ hình Robot Omni bánh phục vụ cho trình nghiên cứu nhóm Hiểu ược giải thuật i u khiển ã nghiên cứu phù hợp với nh ng tiêu chí an ầu ặt Ngồi thành viên nhóm tổng quan lại tồn ki n thức thầy cô hoa Đ o Tạo Chất Lượng Cao môn Cơ Điện Tử ã ạy truy n ạt lại cách ầy ủ iv MỤC LỤC PHIÊU NHẬN XÉT CỦA GIÁO VIÊN HƯỚNG DẪN i PHIÊU NHẬN XÉT CỦA GIÁO VIÊN PHẢN BIỆN ii LỜI CẢM ƠN .iii TÓM TẮT ĐỀ TÀI iv MỤC LỤC v MỤC LỤC HÌNH ẢNH ix MỤC LỤC BẢNG xii DANH MỤC VIẾT TẮT xiii Chương 1: Giới Thiệu Đề Tài 1.1 Tính cấp thi t 1.2 Lý ch n tài tài .1 1.3 Mục tiêu nghiên cứu 1.4 Giới hạn tài nghiên cứu 1.5 Bố cục luận văn Chương 2: Cơ Sở Lý Thuyết 2.1 Khái niệm v xe tự hành AGV 2.2 Ứng dụng xe A V nước v ngo i nước 2.2.1 Ứng dụng xe A V nước 2.2.2 Ứng dụng xe A V ngo i nước 2.3 Cơ cấu truy n ộng cho xe AGV 2.3.1 Bộ truy n ộng ai- truy n ộng gián ti p 2.3.2 Bộ truy n ộng xích- truy n ộng gián ti p 2.3.3 Truy n ộng trực ti p 2.4 Bánh xe a hướng 2.4.1 Khái niệm ánh xe a hướng 2.4.2 Các loại ánh xe a hướng 2.4.2.1 Bánh xe Omni 2.4.2.2 Bánh xe Mecanum v 2.4.2.3 Bánh xe PU 2.5 Mơ hình ộng h c ánh a hướng 10 2.5.1 Giới thiệu 10 2.5.2 Mô hình bánh xe Omni 12 2.5.3 Cấu trúc nguyên tắc hoạt ộng xe Omni bánh 14 2.5.4 Mơ hình ộng h c ràng buộc 16 2.6 Path Planning 19 2.6.1 Giới thiệu thuật tốn tìm ki m theo chi u rộng (Breadth First Search) 19 2.6.2 Thuật toán 19 2.6.3 Ứng dụng vào mô hình trạm vận chuyển 24 2.7 Web Server 25 Chương 3: Thiết Kế Phần Cứng 27 3.1 Yêu cầu kỹ thuật 27 3.2 Phương án thi t k 27 3.2.1 Phương án thi t k xe Omni bánh 27 3.2.2 Phương án thi t k xe Omni bánh 28 3.3 Thi t k Robot 30 3.3.1 Khay chứa phôi 30 3.3.2 Khung Robot 31 3.3.3 Cơ cấu truy n ộng 33 3.4 Tính tốn thi t k 34 3.4.1 Thông số PID 34 3.4.2 Phương há hiệu chỉnh thông số PID Ziegler-Nichols .35 3.4.3 Tính tốn ộng 37 Chương 4: Thiết Kế Hệ Thống Điện 39 4.1 Hệ thống iện 39 4.2 mối quan hệ gi a hệ thống iện phần cứng 39 4.3 Giao thức giao ti p Module hệ thống iện 40 4.3.1 Giao thức giao ti p SPI 40 vi 4.3.2 Giao thức giao ti p U-Art 41 4.3.3 Giao thức giao ti p I2C 42 4.4 Lựa ch n thi t b cho hệ thống iện 44 4.4.1 Raspberry Pi 44 4.4.2 Arduino Uno 45 4.4.3 Driver L298N 46 4.4.4 Module d c mã thẻ RFID RC522 47 4.4.5 Động 47 4.4.6 Cảm bi n dò line 48 4.5 khối tổng quát hệ thống iện 49 k t nối phần cứng 50 .1 k t nối gi a Arduino với ộng 50 .2 k t nối gi a Arduino với RFID RC522 51 .3 k t nối gi a Arduino với cảm bi n dò line 51 Chương 5: Thiết Kế Giao Diện Web Server Và Giải Thuật Điều Khiển 52 5.1 Giới thiệu v giao diện i u khiển Web Server 52 5.1.1 Phần giới thiệu 52 5.1.2 Phần i u khiển 53 5.1.3 Phần thông tin liên hệ 54 5.2 Thao tác i u khiển 55 5.2.1 Đi u khiển theo ch ộ Manual 55 5.2.2 Đi u khiển theo ch ộ Auto 56 5.3 khối i u khiển tổng quát 57 5.3.1 Các khối i u khiển 57 5.3.2 khối i u khiển tổng quát 58 5.4 Khối Wed Server 59 5.4.1 khối Web Server gửi d liệu 59 5.4.2 khối nhận d liệu từ Web Server vẽ th 61 5.4.3 khối nhận d liệu từ Web Server hiển th v trí Robot 62 vii 5.5 Khối Raspberry 63 5.6 Khối Arduino I 68 5.7 Khối Arduino II 73 5.8 Khối Arduino III 75 Chương 6: Kết Quả Thực Nghiệm 77 6.1 K t thực nghiệm 77 6.1.1 K t thực nghiệm cho Robot di chuyển ường thẳng 77 o 6.1.1.1 Robot di chuyển thẳng góc 90 77 o 6.1.1.2 Robot di chuyển thẳng góc 180 78 o 6.1.1.3 Robot di chuyển thẳng góc 79 o 6.1.1.4 Robot di chuyển thẳng góc 270 79 6.1.2 K t thực nghiệm Robot di chuyển theo ường tròn biên dạng cho trước 79 6.1.2.1 Robot di chuyển hình trịn 80 6.1.2.2 Robot di chuyển hình vng 80 6.1.3 K t thực nghiệm v thuật tốn tìm ường 81 6.2 Nhận xét k t thực nghiệm 84 Các hương án hắc phục 84 ướng phát triển 84 TÀI LIỆU THAM KHẢO 85 viii Chương 6: Kết Quả Thực Nghiệm 6.1 K t thực nghiệm Sau nghiên cứu, nhóm số PID ể ro ot thuật i u khiển robot Thi t k thực nghiệm V ứng robot l m m người dùng mong muốn, là(0.15-0.2m/s) Di chuyển khả l m việc linh hoạt với ch Line) 6.1.1 K t thực nghiệm cho Robot di chuyển ường thẳng Robot Hoạt  Quãng ường Robot chạy: 4m  Vận tốc Robot: 0.2m/s 6.1.1.1 Robot di chuyển thẳng góc 90 o K t việc thử nghiệm cho robot di chuyển t nh ti n thẳng với góc 90 o Hình 6.1: K t thử nghiệm Trong ó : Tâm xe theo lý thuy t di chuyển th ng sau quãng ường 4m : Tâm xe thực t sau di chuyển thẳng sau quãng ường 4m 77 Tương tự cho nh ng lần thử nghiệm ti p theo ta có bảng k t sau Bảng 6.1: Sai số Robot di chuyển theo góc o 90 6.1.1.2 Robot di chuyển thẳng góc 180 o Bảng 6.2: Sai số Robot di chuyển theo góc 180 o 78 6.1.1.3 Robot di chuyển thẳng góc o B 6.1.1.4 Robot di chuyển thẳng góc 270 o Bảng 6.4: Sai số Robot di chuyển theo góc 270 o 6.1.2 K t thực nghiệm Robot di chuyển theo ường tròn biên dạng cho trước Robot di chuyển theo ường trịn với tiêu chí ặt trước sau     Robot di chuyển với vận tốc: 0.2m/s Vận tốc góc: 0.3rad/s Số vịng di chuyển: vịng Bán kính di chuyển: 0.75m  Robot di chuyển theo biên dạng hình vng với tiêu chí:  Robot di chuyển với vận tốc: 0.2m/s  Di chuyển với biên dạng cạnh hình vng: 1m 79 6.1.2.1 Robot di chuyển hình trịn Bảng 6.5: Sai số Robot di chuyển theo biên dạng hình trịn 6.1.2.2 Robot di chuyển hình vng Bảng 6.6: Sai số Robot di chuyển theo biên dạng hình vng 80 6.1.3 K t thực nghiệm v thuật tốn tìm ường Robot hoạt ộng vùng quỹ ạo 3x3 ó có trạm v nút giao hình Hình 6.2: Quỹ ạo ường di chuyển Robot Qui ước: Trạng thái vật cản Trạng thái có vật cản V trí robot di chuyển qua Đoạn ường Ro ot i qua Bảng 6.7: Bảng qui ước thể trạng thái trạm nút giao 81  TH1: Robot di chuyển từ v trí Trạm T1) Hình 6.3: Đường di chuyển Ro ot  TH2: Robot di chuyển từ v trí Trạm T1) Hình 6.4: Đường di chuyển Ro ot n v trí Trạm 5(T5), khơng vật cản i từ T1 n T5, không vật cản n v trí Trạm 5(T5), với vật cản N8 i từ T1 n T5, với vật cản N8 82  TH3: Robot di chuyển từ v trí Trạm T1) Hình 6.5: Đường di chuyển Ro ot  TH4: Robot di chuyển từ v trí Trạm T1) N8&N9 Hình 6.6: Đường di chuyển Ro ot n v trí Trạm 5(T5), với vật cản N9 i từ T1 n T5, với vật cản N9 n v trí Trạm 5(T5), với vật cản i từ T1 n T5, với vật cản N8&N9 Tương tự cho v trí khác, Robot sử dụng thuật tốn tìm ường ngắn ể di chuyển tới trạm mong muốn 83 6.2 Nhận xét k t thực nghiệm Stt ướng di chuyển Bảng 6.8: Bảng sai số trung bình  Robot có lệch so với thực t ảng Nguyên nhân l o ứng tốc ộ bánh xe khoảng từ 4-5s o  Di chuyển với góc 180 Robot di chuyển sai số nhất, với góc Robot di o chuyển với sai số lớn  Vì quãng ường Robot di chuyển xa sai số khoảng cách c ng tăng 6.3 Các hương án hắc phục  Tinh chỉnh lại thông số PID ể giảm thời gian ứng v tăng ộ xác  Thay th hương há xe K t hợ i u khiển i u khiển ị line hơng ồng sang i u khiển ồng bánh i u chỉnh lại hướng Robot b lệch dùng cảm bi n góc ể giàm sát góc lệch tinh chỉnh 6.4 ướng phát triển  Mở rộng số lượng trạm  Cải thiện ch ộ dò line b ng cách sử dụng thêm nhi u cảm bi n dò line sai lệch việc di chuyển bám theo quỹ ạo  Nghiên cứu hương há tìm v trí tối ưu  Tối ưu hóa thuật tốn tìm ường cho robot với số lượng trạm nhi u ể giảm 84 TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] Xe tự hành AGV (2/7/2019), http://nichiden.com.vn/?portfolio=xe-tu-hanh- agv [2] Bánh xe Mecanum (2/7/2019), https://kiwibots.nz/motion/mecanum-wheel-4q-4- pack-detail [3] Bánh xe PU (2/7/2019), https://vatgia.com/6178/3100039/bánh-cầu-đa-hướng-puchịu-tải-puj075.html [4] POFs in a general omnidirectional wheel, Design and Control of an Omnidirectional Mobile Robot with Steerable Omnidirectional Wheels Jae-Bok Song*, Kyung-Seok Byun** [5] Coordinate systems and parameters for a steerable omnidirectional wheel, Design and Control of an Omnidirectional Mobile Robot with Steerable Omnidirectional Wheels Jae-Bok Song*, Kyung-Seok Byun** [6] Continous alternate wheel, Design and Control of an Omnidirectional Mobile Robot with Steerable Omnidirectional Wheels Jae-Bok Song*, KyungSeok Byun** [7] Coordinate systems for OMR-SOW, Design and Control of an Omnidirectional Mobile Robot with Steerable Omnidirectional Wheels Jae-Bok Song*, Kyung-Seok Byun** [8] Various wheel arrangements, Design and Control of an Omnidirectional Mobile Robot with Steerable Omnidirectional Wheels Jae-Bok Song*, KyungSeok Byun** [9] So sánh v hiệu suất robot bánh bánh, https://123doc.org//document/2625884-giai-thuat-dieu-khien-robot-omni-4banh.html [10] Mobile Robot Kinematics R Siegwart, EPFL, Illah Nourbakhsh, CMU [11] A Review Of Design And Control Of Automated Guided Vehicle Systems Tuan Le-Anh and M.B.M De Koster [12] Methodologies to Optimize Automated Guided Vehicle Scheduling and Routing Problems: A Review Study Hamed Fazlollahtabar ·Mohammad SaidiMehrabad 85 [13] Im roving the Beginner’s PID Brett Beauregard [14] Pathfinding pages Red Blob Games 86 ... ộng trực ti 2 .4 Bánh xe a hướng 2 .4. 1 Khái niệm Bánh xe bánh xe Nh ng ánh xe n y thường 2 .4. 2 Các loại ánh xe Hiện nay, với cạnh tranh mặt h ng ánh xe nói chung Việt Nam nói riêng dụng khác Điển... q trình nghiên cứut i, nhóm xe: Xe hoạt ộng với cấu trúc bánh xe hoạt 3.2.1 Phương án thi t k xe Omni bánh o Ở hương án n y xe ược thi t k với cấu trúc bánh xe với góc 120 gi a bánh xe li n k... nghiêng góc 45 so với trục quay bánh xe, nhờ k t cấu ặt biệt này, bánh xe Mecanum tạo nhi u chuyển ộng phức hợp theo hương há cộng vector Hình 2.3: Bánh xe Mecanum [2] So gi a bánh xe Omni bánh