3.3.1 Bản vẽ 2D của thiết kế
Sau khi xác định được phương án thiết kế cụ thế và lựa chọn mơ hình Robot phù hợp, nhóm tiến hành xây dựng thiết kế 2D của Robot. Mơ hình cụ thể của robot thể hiện dưới Hình 3.1.
Hình 3.1 Mơ phỏng 2D thiết kế cơ khí của mơ hình Robot
Sinh viên thực hiện: Huỳnh Quốc Hùng Hướng dẫn: PGS.TS Lê Tiến Dũng 20 KS. Cao Huy Đỗ
Cấu trúc cơ khí của robot có thể được được tách thành ba phần chính: hệ thống giám sát, phần thân và hệ thống bánh dẫn động hình 3.2. Các kích thước chính của của mơ hình: Chiều dài L = 500mm, chiều rộng W = 300mm, chiều cao H = 350mm.
Hình 3.2 Hệ thống bánh đai của mơ hình Robot 3.3.2 Bản vẽ 3D của thiết kế Robot 3.3.2 Bản vẽ 3D của thiết kế
Nhóm tiến hành xây dựng thiết kế 3D của Robot trên phần mềm SolidWorks. Mơ hình cụ thể của robot thể hiện dưới Hình 3.3.
Hình 3.3 Mơ phỏng 3D thiết kế cơ khí của mơ hình Robot
Sinh viên thực hiện: Huỳnh Quốc Hùng Hướng dẫn: PGS.TS Lê Tiến Dũng 21 KS. Cao Huy Đỗ
Thiết kế robot tự hành phục vụ công tác giám sát trạm biến áp 110kV không người trực
3.3.3 Động học của robot
Robot di động có hướng và vị trí được biểu diễn trên hệ tọa độ Descartes { } thể hiện trong Hình 3.2. Hệ tọa độ cục bộ gắn trên thân robot là { }, mặt trước robot là trục x, góc giữa trục x, y là ϕ. Hoạt động của robot dựa trên sự chênh lệch tốc độ quay giữa hai bánh xe làm robot chuyển động theo một cung trịn có tâm nằm trên trục bánh xe.
Hình 3.4 Đồ thi mơ tả hướng và vị trí của Mobile Robot
Hình 3.5 Mơ hình hình học của Robot
Sinh viên thực hiện: Huỳnh Quốc Hùng Hướng dẫn: PGS.TS Lê Tiến Dũng 22 KS. Cao Huy Đỗ
Các thơng số hình học và động học của robot này [4] được hiển thị trong Hình
3.2 vectơ tư thế (vị trí / hướng) và vector vận tốc của WMR là tương ứng:
= [ ]
Vị trí góc và tốc độ của bánh xe bên trái và phải tương ứng là { , ̇}, { , ̇} .
Các giả thuyết đặt ra:
• Bánh xe lăn mà khơng bị trượt
• Trục dẫn hướng (lái) của robot vng góc với mặt phẳng Oxy
Gọi và lần lượt là vận tốc dài của bánh trái và bánh phải, vận tốc của tâm bánh xe Q của WMR. Từ Hình 3.2, ta có được:
=
Cộng và trừ cho ta có được:
2 ̇= −
Trong đó, do giả định khơng trượt, ta có = ̇ và = ̇.
̇ =
(3.3b)
(3.4)
Do đó mơ hình động học của WMR này được mô tả bằng các quan hệ sau:
Quan sát từ Hình 3.3 thấy rằng:
Do đó: Viết dưới dạng ma trận: ̇̇ [ ̇̇ (3.7a) (3.7b) (3.7)
Rõ ràng, nếu ̇≠ ̇, thì sự khác biệt giữa ̇ à ̇xác định tốc độ quay của robot và hướng của nó. Bán kính cong tức thời R được cho bởi:
=
và hệ số cong tức thời là:
Khi điều khiển chuyển động robot từ một điểm bất kỳ tới một điểm đích, mơ hình
(4)sử dụng thêm các biến thể hiện trong Hình 3.6 bao gồm: ρ > 0 là khoảng cách từ vị trí hiện tại (xM, yM) tới vị trí đích (xd, yd) của robot; α là góc lệch giữa vector khoảng cách và vector hướng; β là góc hướng của robot tại điểm đích.
Hình 3.6 Mơ hình hình học của Robot
Sinh viên thực hiện: Huỳnh Quốc Hùng Hướng dẫn: PGS.TS Lê Tiến Dũng 24 KS. Cao Huy Đỗ
= √(
= atan( − , − ) − θ
Với giới hạn của [−2 , 2], tương ứng với robot luôn đi theo chiều tiến, thì phương trình (4) liên quan tới các biến mới sẽ có dạng như sau:
̇
[ ̇]
̇̇
[−
3.3.4 Động lực học của robot
Sử dụng mơ hình động của robot để suy ra các phương trình động lực học của chuyển động của robot. Điều này có thể được thực hiện bằng hai phương pháp sau:
● Phương pháp Newton - Euler
● Phương pháp Lagrange
Ở đây ta lựa chọn thực hiện theo phương pháp Newton-Euler vì: Độ phức tạp của phương pháp Newton-Euler là O(n), trong khi độ phức tạp của phương pháp Lagrange chỉ có thể được rút gọn đến O(n3) (n là số bậc tự do).
Các phương trình Newton:
̇= (Chuyển động tịnh tiến)
̇= (Chuyển động quay)
Trong đó: F là tổng lực tác dụng lên COG G
Nlà tổng momen xoắn với COG G m là khối lượng WMR
I là momen quán tính của WMR.
Sinh viên thực hiện: Huỳnh Quốc Hùng Hướng dẫn: PGS.TS Lê Tiến Dũng 25 KS. Cao Huy Đỗ
Thiết kế robot tự hành phục vụ công tác giám sát trạm biến áp 110kV không người trực
Quan sát Hình 3.2 và giả sử rằng điểm Q nằm trùng với điểm G (b=0). Ta có:
= + , = , =
= =
Thế 3.13b-c vào 3.13a ta được:
1
= ( + )
Trong đó và lần lượt là lực tạo ra mơmen τr và τl.
Ta lại có [5]:
2
=( + )2 = ( − ) Do đó, (3.16a, b) đưa ra mơ hình động của WMR:
1 ̇= ( + ) 2 ̇= ( − ) Cuối cùng, chúng ta nhận được: ̇ [ ̇] = [ (3.13a) (3.13b) (3.13c) (3.14) (3.15) (3.16a) (3.16b) (3.17)
Đây là mơ hình động học của WMR. Các phương trình động học và động lực học (3.16a, b) và (3.17) mô tả đầy đủ chuyển động của robot.
3.4 THIẾT KẾ PHẦN ĐIỆN
Để đáp ứng được những yêu cầu đặt ra, nhóm đã đưa ra giải pháp thiết kế phần cứng như Hình 3.7.
Sinh viên thực hiện: Huỳnh Quốc Hùng Hướng dẫn: PGS.TS Lê Tiến Dũng 26 KS. Cao Huy Đỗ
Hệ thống thiết kế bao gồm các phần chính sau:
- Hệ thống truyền động của Robot: Thiết kế robot chuyển động trên hệ bánh xe đai xích, động cơ truyền động gắn với bánh xe để điều khiển Robot.
- Kích thước phần thân robot được tính tốn để có thể lắp đặt tồn bộ các thiết bị, mô đun điều khiển, nguồn, … ở bên trong.
- Bộ điều khiển: Xây dựng bộ điều khiển trên nền tảng vi điều khiển (MCU) STM32F439VIT6, là MCU 32bit dòng AMR Cortex-M.
- Hệ thống cảm biến: 10DOF, cảm biến khảng cách.
- Động cơ truyền động: Loại DC Motor, Uđm = 12 VDC.
- 02 camera được lắp đặt trên hệ trục có thể điều khiển di chuyển lên- xuống, xoay trái-phải giúp tăng vùng quan sát.
- Ăng ten wifi và ăng ten GPS được lắp đặt bên ngoài Robot giúp tăng chất lượng kết nối.
- Nguồn điện: Sử dụng bình ắc quy 12 VDC, 24AH.
Hình 3.7 Sơ đồ tổng quan phần cứng của robot
Sinh viên thực hiện: Huỳnh Quốc Hùng Hướng dẫn: PGS.TS Lê Tiến Dũng 27 KS. Cao Huy Đỗ
Thiết kế robot tự hành phục vụ công tác giám sát trạm biến áp 110kV không người trực