CHƯƠNG 4 : THIẾT KẾ HỆ THỐNG ĐIỆN
4.1. Lựa chọn các thiết bị cho hệ thống
4.1.1 Mơ-đun giao tiếp dữ liệu
Yêu cầu
Trong quá trình AGV hoạt động trong nhà kho, việc giao tiếp truyền nhận dữ liệu giữa robot và máy tính là yếu tố bắt buộc, nhằm kiểm sốt tốc độ, vị trí của robot trong mơi trường nhà kho rộng lớn, hoặc xử lý các trường hợp khẩn cấp. Đồng thời gửi các lệnh để điều khiển robot hoạt động theo yêu cầu thơng qua ứng dụng được viết trên máy tính.
Các yêu cầu đối với mơ đun truyền nhận dữ liệu như sau:
- Cĩ khả năng truyền nhận trong phạm vi rộng lớn, bao phủ được hết tồn bộ diện
tích nhà kho
- Cĩ khả năng kết nối, giao tiếp với máy tính
- Truyền nhận dữ liệu ổn định
Lựa chọn
Dựa trên các yêu cầu được nêu, lựa chọn phương án truyền thơng qua sĩng WIFI. Mơ đun thu phát wifi BLE SoC ESP32 V1 được sử dụng.
ESP32 cho phép hoạt động ở 2 bộ giao thức: TCP (Transmission Control Protocol) và UDP (User Datagram Protocol)
TCP hoạt động theo hướng kết nối (connection-oriented), trước khi truyền dữ liệu giữa 2 máy, nĩ thiết lập một kết nối giữa 2 máy theo phương thức “bắt tay 3 bước (three-way-hand-shake)” bằng cách gửi gĩi tin ACK từ máy đích sang máy nhận, trong suốt quá trình truyền gĩi tin, máy gửi yêu cầu máy đích xác nhận đã nhận đủ các gĩi tin đã gửi, nếu cĩ gĩi tin bị mất, máy đích sẽ yêu cầu máy gửi gửi lại, thường
CHƯƠNG 4: THIẾT KẾ HỆ THỐNG ĐIỆN
được đầy đủ các gĩi tin mà máy gửi gửi đi, vì vậy truyền dữ liệu chậm hơn UDP nhưng đáng tin cậy hơn UDP.
UDP hoạt động theo hướng khơng kết nối (connectionless), khơng yêu cầu thiết lập kết nối giữa 2 máy gửi và nhận, khơng cĩ sự đảm bảo gĩi tin khi truyền đi cũng như khơng thơng báo về việc mất gĩi tin, khơng kiểm tra lỗi của gĩi tin, truyền dữ liệu nhanh hơn UDP do cơ chế hoạt động cĩ phần đơn giản hơn tuy nhiên lại khơng đáng tin cậy bằng TCP.
Từ các phân tích trên, nhận thấy rằng q trình truyền nhận dữ liệu từ AGV đến máy tính khơng địi hỏi tốc độ cao, mà ưu tiên hơn ở độ tin cậy, ổn định, dữ liệu khơng bị mất trong quá trình truyền nhận. Vì vậy giao thức TCP được lựa chọn làm giao thức truyền thơng giữa mơ đun ESP32 và máy tính thơng qua sĩng WIFI.
Bảng 4. 1: Thơng số mơ đun ESP32
Thơng số Giá trị
IC chính Wifi BLE Soc ESP32
Điện áp sử dụng 2.2V – 3.6 VDC
Dịng điện sử dụng 90mA
Wifi 8002.11 b/g/n/d/e/i/k/r
Wifi mode Station – softAP – SoftAP+station/P2P
Bảo mật WPA/WPA2/WPA2-Enterprise/WPS
Giao tiếp SD-card, UART, SPI, SDIO, I2C
Hình 4. 1: Mơ đun WIFI ESP32 [8]
CHƯƠNG 4: THIẾT KẾ HỆ THỐNG ĐIỆN
Các thẻ RFID được đặt tại các nút giao nhau trên mặt sàn nhà kho, khi robot di chuyển qua tín hiệu từ thẻ được đọc bởi đầu đọc thẻ gá dưới gầm AGV, từ đĩ sẽ kiểm sốt được vị trí hiện tại của robot.
Yêu cầu
- Đọc được thẻ RFID trong khoảng cách <50mm
- Đầu đọc ổn định, cĩ khả năng giao tiếp với vi điều khiển.
Lựa chọn
Mạch RFID RC522 NFC 13.56 MHz được sử dụng với các thơng số sau:
- Nguồn: 3.3 VDC, 13-26 mA
- Dịng ở chế độ chờ: 10-13 mA
- Dịng ở chế độ nghỉ: < 80𝜇𝐴
- Tần số sĩng mang: 13.56 MHz
- Khoảng cách hoạt động: 0 – 60 mm
- Giao tiếp: SPI
- Tốc độ truyền tối đa: 10 Mbit/s
Hình 4. 2: Đầu đọc thẻ RFID RC522 [8]
4.1.3 Lựa chọn cảm biến vật cản
Trong quá trình di chuyển hoạt động của AGV, việc nhận biết được vật cản phía trước là điều thiết yếu, nhằm đảm bảo an tồn cho AGV cũng như an tồn cho cơng nhân hoạt động trong nhà kho. Cảm biến vật cản được lựa chọn với yêu cầu như sau:
CHƯƠNG 4: THIẾT KẾ HỆ THỐNG ĐIỆN
Lựa chọn:
Cảm biến vật cản hồng ngoại E18-D80NK được lựa chọn với các thơng số như sau:
- Nguồn cung cấp: 5VDC
- Khoảng cách phát hiện: 3 – 80 cm
- Dịng kích ngõ ra: 300mA
- Cảm biến trả về giá trị Digital
Hình 4. 3: Cảm biến vật cản hồng ngoại E18-D80NK [8]
4.1.4 Lựa chọn mạch điều khiển động cơ
Yêu cầu
- Cĩ khả năng điều khiển động cơ bằng tính hiệu xung PWM.
- Điện áp hoạt động 24VDC
- Dịng cực đại: 3500mA
- Điện áp PWM: 3.3 VDC
- Hoạt động ổn định, cĩ khả năng chống dịng ngược, bảo vệ quá nhiệt, quá áp.
Lựa chọn:
Driver DCS3T-27 được lựa chọn với các thơng số như sau:
Bảng 4. 2: Thơng số driver DCS3T-27
Nội dung Thơng số kỹ thuật
Nguồn cấp board 24-36 VDC/2A
Cơng suất 1.5 kW
Nguồn cấp Motor 24-150 VDC
Dịng tải định mức 0-10 A
CHƯƠNG 4: THIẾT KẾ HỆ THỐNG ĐIỆN
Khối lượng 400g
Kích thước 147x113x42 mm
DCS3T-28 là DC Servo Driver dùng để điều khiển các động cơ DC Servo cĩ hồi tiếp ENCODER. Board nhận xung đầu vào tốc độc cao điều khiển chính xác và giao tiếp với phần mềm trên máy tính để điều chỉnh các thơng số bộ điều khiển, bảo vệ quá áp, quá tải chống ngắn mạch.
Hình 4. 4: Driver điều khiển động cơ [8]
4.1.5 Lựa chọn mạch điều khiển Xylanh điện.
Yêu cầu:
- Cĩ khả năng điều khiển động cơ bằng tính hiệu xung PWM.
- Điện áp hoạt động 24VDC
- Dịng cực đại: 1.5A
- Điện áp PWM: 3.3 VDC
Lựa chọn
Mạch điều khiển động cơ DC BTS7960 được lựa chọn với các thơng số như sau: Bảng 4. 3: Thơng số mạch điều khiển xylanh điện
Nội dung Thơng số kỹ thuật
Nguồn 6 – 27 VDC
Dịng tải 4A
Tín hiệu điều khiển 3.3 – 5VDC
CHƯƠNG 4: THIẾT KẾ HỆ THỐNG ĐIỆN
Hình 4. 5: Driver điều khiển BTS7960 [8]
4.1.6 Lựa chọn cảm biến khối lượng Loadcell.
Theo yêu cầu đề bài, robot cĩ khả năng nâng và di chuyển cùng với tải dao động từ 0-50kg. Tuy nhiên, với chế độ tải thay đổi, các thơng số của bộ điều khiển cũng sẽ phải thay đổi tương ứng với từng chế độ tải trọng.
Với yêu cầu như trên, Loadcell được sử dụng nhằm tính tốn tải trọng kệ hàng ứng với mỗi lần nâng. Các yêu cầu của Loadcell đặt ra như sau:
- Cảm biến được khối lượng tối đa 50kg.
- Cĩ khả năng giao tiếp với vi điều khiển.
Dựa vào các yêu cầu trên, Loadcell CMNC-50L Curiotec được sử dụng với các thơng số như sau:
- Tải trọng cân: 50kg
- Tiêu chuẩn IP67
- Vật liệu: Inox
- Độ nhạy: 2 mV/V
- Điện áp hoạt động: 5VDC
- Phương pháp đọc tín hiệu: ADC
CHƯƠNG 4: THIẾT KẾ HỆ THỐNG ĐIỆN
Với độ nhạy 2mV/V rất nhỏ, mạch chuyển đổi HX717 được sử dụng nhằm khuếch đại điện áp đầu ra.
- Điện áp hoạt động: 2.7 – 5V
- Dịng tiêu thụ: <1.5mA
- Tốc độ lấy mẫu: 10 – 80 SPS
- Độ phân giải: 24 bit ADC
Hình 4. 7: Mơ đun ADC HX711 [8]
4.1.7 Lựa chọn cảm biến dị đường.
Ở chương 2, sau khi phân tích và lựa chọn, phương án dẫn hướng sử dụng băng kẻ sàn được sử dụng. Để nhận biết vạch kẻ, hiện nay cĩ 2 phương pháp được sử dụng phổ biến đĩ là sử dụng camera và sử dụng cảm biến quang dẫn:
Phương pháp sử dụng camera: Hình ảnh đường băng kẻ được lấy từ camera, thơng qua xử lí và đưa ra tín hiệu điều khiển.
+ Ưu điểm: Độ chính xác cao, ít bị nhiễu.
+ Nhược điểm: Yêu cầu xử lí nhiều, phức tạp, do đĩ địi hỏi tốc độ xử lí cao, thiết bị giá thành cao.
Phương pháp xử dụng cảm biến quang: Hai led phát và thu phải bố trí khoảng cách với mặt đường sao cho vùng hoạt động của chúng giao thoa với nhau và khơng trùng với vùng giao thoa của bộ liền kề (Hình 1.6).
CHƯƠNG 4: THIẾT KẾ HỆ THỐNG ĐIỆN
Hình 4. 8: Nguyên lý của cảm biến quang [9]
Đối với các loại cảm biến quang, tín hiệu tương tự từ cảm biến sẽ được hiệu chuẩn và xử lí bằng các giải thuật so sánh hoặc xấp xỉ để tìm ra vị trí tương đối của robot với tâm đường line.
Xem xét 2 phương án, cho thấy phương án 1 cho độ chính xác cao hơn, ít nhiễu, phù hợp với mơi trường hoạt động cơng nghiệp. Tuy nhiên phương án 2 lại cho thấy sự vượt trội về tốc độ xử lý và khả năng triển khai với giá thành rẻ, giải thuật xử lý tín hiệu đơn giản. Đồng thời do thời gian hồn thành luận văn cĩ giới hạn, đồng thời hạn chế về kinh phí, nên phương án sử dụng Photo-Transistor được sử dụng.
Cách bộ trí cảm biến
Cĩ 2 cách đặt cảm biến trên mảng các cảm biến : đặt dọc (position 2 Hình 4.11) và đặt ngang (position 1 Hình 4.11). Khi đi từ nền trắng vào nền đen, cảm biến phải di chuyển một khoảng Xd thì giá trị analog của nĩ mới thật sự xác định. Ta chọn cách bố trí cảm biến sao cho giá trị Xd nhỏ để đảm bảm cảm biến ổn định và sẽ cho kết quả chính xác hơn.
CHƯƠNG 4: THIẾT KẾ HỆ THỐNG ĐIỆN
Hình 4. 9: Ảnh hưởng của cách đặt cảm biến đến switching distance Xd [11] Chọn khoảng cách hợp lý giữa cảm biến với sàn
Khoảng cách cảm biến so với mặt đường cần đảm bảo thu được tín hiệu tại các vị trí nền trắng là như nhau. Xuất hiện vùng giao thao giữa 2 cực phát và cực thu. Phạm vi hoạt động của cảm biến được mơ hình lại như sau:
Hình 4. 10: Vùng hoạt động của cảm biến
Hình 4. 11: Tính tốn giá trị h
Dựa vào các tính tốn hình học cơ bản, để xuất hiện vùng giao thoa thì h > 8,57mm. Cảm biến cĩ độ phân giải tốt nhất trong khoảng 2-10cm. Qua phân tích chọn h = 10mm.
Tính tốn khoảng cách giữa 2 led
Yêu cầu:
CHƯƠNG 4: THIẾT KẾ HỆ THỐNG ĐIỆN
Để cảm biến hoạt động tốt thì các led phải tách biệt nhau, các led khơng được giao thoa với nhau, vì sẽ gây nên sai số khi hoạt động. Phạm vi quét của 2 led liền kề được mơ tả lại như sau:
Hình 4. 12: Phạm vi quét của led thu và led phát ở 2 cảm biến đặt liền kề nhau Khoảng cách giữa 2 led phát vầ thu liền kề phải đảm bảo: Khoảng cách giữa 2 led phát vầ thu liền kề phải đảm bảo:
Khoảng cách giữa 2 led trong 1 cảm biến là 5 mm. Do đĩ khoảng cách tối thiểu giữa 2 cảm biến sẽ là:
Ngồi ra khi hoạt động sẽ cĩ trường hợp cảm biến nằm trong vùng bất định thì giá trị analog của cảm biến đọc về sẽ như nhau. Do đĩ sẽ khơng xác định đƣợc chính xác vị trí cảm biến so với tâm đường line. Vùng bất định của cảm biến được mơ tả lại như sau:
CHƯƠNG 4: THIẾT KẾ HỆ THỐNG ĐIỆN
Trên hình 4.14 ta thấy khi cảm biến dịch chuyển sang phải một đoạn 26-d thì luơn luơn cĩ 2 led nằm trong đường line, và do đĩ tín hiệu analog đo đƣợc sẽ như nhau, tương tự khi cảm biến di chuyển sang trái đoạn 2d-26 thì chỉ cĩ 1 led nằm trong đường line. Ta phải chọn giá trị của d sao cho các khoảng cách này là nhỏ nhất.
𝑒 = min (max(2𝑑 − 23,26 − 𝑑))
d = 17 mm
e = 9 mm
Vậy ta chọn d = 17 mm.
4.1.8 Lựa chọn vi điều khiển trung tâm.
Với bộ điều khiển tập trung được lựa chọn, vi điều khiển phải đảm bảo thực hiện được các tác vụ sau:
Điều khiển tồn bộ hoạt động của robot: Đọc tín hiệu ADC từ cảm biến dị đường, tín hiệu từ cảm biến vật cản, điều khiển tốc độ 2 động cơ, điều khiển cơ cấu nâng hạ thơng qua điều khiển chiều 1 xylanh điện, giao tiếp truyền nhận dữ liệu với đầu đọc thẻ RFID thơng qua chuẩn SPI, mơ đun WIFI ESP32 thơng qua chuẩn truyền UART.
Yêu cầu:
+ Cĩ ít nhất 7 chân đọc ADC từ cảm biến, 1 chân đọc ADC từ Loadcell. + Ít nhất 3 chân xung PWM và 4 chân IO điều khiển chiều động cơ. + Hỗ trợ giao tiếp SPI với RC522, giao tiếp UART với ESP32.
+ 6 chân IO đọc tín hiệu từ cảm biến vật cản, 1 IO đọc tín hiệu từ cơng tắc hành trình xylanh điện.
+ Đọc tín hiệu hồi tiếp encoder từ 2 động cơ. Lựa chọn:
Vi điều khiển Tiva C với chip TM4C123GH6PM của hãng Texas Instruments được lựa chọn với các thơng số sau:
CHƯƠNG 4: THIẾT KẾ HỆ THỐNG ĐIỆN
- Cĩ 12 kênh chuyển đổi ADC.
- 5 bộ timer/counter 16/32 bit.
- 6 chân ngắt ngồi đọc encoder.
- Hỗ trợ giao tiếp SPI, I2C, UART.
Hình 4. 14: Vi điều khiển TIVA C của hãng TI [8]
4.1.9 Lựa chọn nguồn
Bảng 4. 4: Điệp áp – dịng điện các thiết bị được sử dụng
Thiết bị Số
lượng Dịng max Điện áp Tổng cộng
Động cơ 2 2500 mA 24V 5000 mA – 24V
Động cơ nâng 1 1500 mA 24V 1500 mA – 24V
Cảm biến dị line 1 40 mA 5V 40 mA – 5V
Tiva C 1 100mA 5V 100 mA – 5V
Driver 3 200mA 24V 600mA-24V
RC522 1 26mA 3.3V 26mA - 3.3V
ESP32 1 90mA 3.3V 90mA - 3.3V
Cảm biến vật cản 6 100mA 5V 600mA – 5V
Cảm biến
Loadcell 1 150mA 5V 150mA – 5V
CHƯƠNG 4: THIẾT KẾ HỆ THỐNG ĐIỆN
Vậy nguồn điện cung cấp cần cĩ cơng suất tối thiểu:
Chọn bình Acquy SB2450 LITHIUM ION BATTERY với thơng số:
- Điện áp: 25.6 V - Dịng: 50Ah - Số lần nạp xả: 3000-5000 4.2. Sơ đồ kết nối hệ thống Đường tín hiệu Nguồn cung cấp 740 mA – 5V 106 mA – 3.3V
Sensor 1 Sensor 2 Sensor 3 Sensor 4 Sensor 5 Sensor 6 Sensor 7
`
RFID TIVA C
ESP32 WIFI
` DC
Encoder DC Xy lanh dẫn hướng
3.3V ASM1117 LM2596 24v 5V Nguồn Driver Xylanh Driver Motor 2 Driver Motor 1 Vậ t cản 1 Vậ t cản 2 Vậ t cản 3 Vậ t cản 4 Vậ t cản 5 Vậ t c ản 6
CHƯƠNG 4: THIẾT KẾ HỆ THỐNG ĐIỆN
ESP32
- Nguồn 3.3VDC cung cấp cho mơ đun RFID và mơ đun WIFI ESP32, sử dụng
mạch giảm áp ASM1117 chuyển từ nguồn 5V=> 3.3V.
- Nguồn 5VDC cung cấp cho encoder, nút nhấn, cảm biến dị đường, cảm biến vật
cản, vi điều khiển Tiva C, cảm biến loadcell, sử dụng mạch giảm áp LM2596 chuyển từ điện áp 24VDC => 5 VDC với dịng điện cực đại là 3A.
- Nguồn 24VDC cung cấp cho 3 driver động cơ.
Sơ đồ kết nối nguồn và các thiết bị hình 4.8 thể hiện nguyên lý hoạt động tổng thể của mạch điều khiển, việc đấu nối giữa các chân của vi điều khiển đối với các thiết bị sẽ được giới thiệu rõ hơn ở các phần tiếp theo.
Kết nối mạch và thiết lập thơng số mạch giao tiếp dữ liệu giữa ESP32 và
Tiva C
Hình 4. 16: Sơ đồ kết nối giữa ESP32 và Tiva C
Sơ đồ hình 4.9 thể hiện quan hệ truyền nhận dữ liệu giữa tiva C và ESP32 thơng qua giao tiếp UART. Để đảm bảo q trình truyền nhận dữ liệu chính xác, thiết lập các thơng số truyền nhận dữ liệu mặc định cho cả 2 thiết bị tương thích với nhau. Thiết lập tốc độ Baud 115200 và khung truyền 8 bits dữ liệu, khơng sử dụng parity, 1 bit stop.
Thiết lập các thơng số của mơ-đun ESP32 thơng qua tập lệnh AT như sau: Bảng 4. 5: Tập lệnh AT thiết lập cho ESP32
CHƯƠNG 4: THIẾT KẾ HỆ THỐNG ĐIỆN
Lệnh AT Giải thích
AT+CWMODE=3 ESP32 được thiết lập trong vai
trị máy khách (Client)
AT+CWJAP="SSID","password" ESP32 tự động kết nối vào mạng
khi cung cấp đúng tên WIFI và mật khẩu