Hướng dẫn làm luận văn cơ điện tử

Trong quá trình thực hiện và hoàn thành luận văn tốt nghiệp, em đã nhận được sự hỗ trợ và động viên rất lớn của nhiều người. Trước hết, con xin cảm ơn ba mẹ đã luôn quan tâm, tạo điều kiện cho con học tập.

Em xin gửi lời cám ơn chân thành đến quý Thầy Cô bộ môn Cơ Điện Tử và khoa Cơ Khí, Trường Đại Học Bách Khoa TPHCM đã nhiệt tình giảng dạy, truyền đạt những kiến thức quý báu cho em trong suốt thời gian học tập tại trường. Em xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc đến TS. Nguyễn Quốc Chí đã nhiệt tình hướng dẫn và chỉ bảo cho em trong quá trình làm đề tài này.

Em xin chân thành cám ơn các anh trong CaLab và bạn bè đã động viên, khích lệ và giúp đỡ em trong suốt quá trình làm đề tài này.

Sau cùng, em xin kính chúc quý Thầy Cô bộ môn Cơ Điện Tử, Thầy TS. Nguyễn Quốc Chí và các anh trong CaLab dồi dào sức khỏe, đạt được nhiều thành công tốt đẹp trong cuộc sống.

Tp. Hồ Chí Minh, ngày 24 tháng 12 năm 2017

Võ Phong Thiện

iii

• CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN MỤC LỤC
• 1. Giới thiệu robot tự hành trong nhà xưởng
• 1. Một số nghiên cứu trong và ngoài nước về robot tự hành trong nhà xưởng
• 1. Mục tiêu, nhiệm vụ và phạm vi luận văn
• 1.3. Mục tiêu luận văn
• 1.3. Nhiệm vụ luận văn
• 1.3. Giới hạn và phạm vi luận văn.............................................................................
• 1. Tổ chức luận văn
• CHƯƠNG 2: LỰA CHỌN PHƯƠNG ÁN THIẾT KẾ ROBOT
• 1. Phương án cơ khí
• 2.1. Lựa chọn cơ cấu lái
• 2.1. Lựa chọn bộ truyền
• 1. Phương án điện – điện tử
• 2.2. Lựa chọn động cơ
• 2.2. Lựa chọn phương pháp dẫn đường
• 2.2. Lựa chọn phương án bộ điều khiển
• CHƯƠNG 3: THIẾT KẾ HỆ THỐNG CƠ KHÍ
• 1. Yêu cầu thiết kế
• 1. Phân tích mô hình động học của robot
• 1. Tính toán lựa chọn công suất động cơ
• 1. Tính toán thiết kế trục dẫn động
• 3.4. Phân tích lực và chọn đường kính trục dẫn động
• 3.4. Chọn và kiểm nghiệm then...............................................................................
• CHƯƠNG 4: THIẾT KẾ HỆ THỐNG ĐIỆN – ĐIỆN TỬ
• 1. Sơ đồ khối chung của hệ thống điện
• 1. Lựa chọn thông số các thiết bị.............................................................................
• 4.2. Vi điều khiển
• 4.2. Mạch công suất động cơ
• 1. Sử dụng cảm biến từ
• 4.3. Các thông số của cảm biến: iv
• 1.1. Mô hình thí nghiệm cảm biến từ
• 4.3. Kết quả thí nghiệm cảm biến
• 1. Điều khiển động cơ DC encoder
• 1. Thiết kế bộ điều khiển bám đường
• CHƯƠNG 5: XÂY DỰNG GIẢI THUẬT DI CHUYỂN
• 1. Giải thuật trên máy tính
• 1. Giải thuật trên robot
• CHƯƠNG 6: THỰC NGHIỆM VÀ ĐÁNH GIÁ KẾT QUẢ
• 1. Phương pháp thực nghiệm
• 1. Thực nghiệm điều khiển động cơ
• 1. Thực nghiệm điều khiển bám line
• 1. Thực nghiệm giải thuật di chuyển trong kho hàng
• CHƯƠNG 7: TỔNG KẾT VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN ĐỀ TÀI
• 1. Đánh giá kết quả đề tài
• 7.1. Những công việc đã đạt được
• 7.1. Những hạn chế trong thực hiện đề tài
• 1. Các hướng phát triển của đề tài
• TÀI LIỆU THAM KHẢO
• Hình 3: Hệ trục tọa độ cho phương trình chuyển động của hệ thống với. vi
• Hình 3: Xe di chuyển đoạn trong thời gian lấy mẫu.
• Hình 3: Bánh xe dẫn động.
• Hình 3: Sơ đồ phân tích lực.
• Hình 3: Động cơ 57BL03A DC servo có giảm tốc.
• Hình 3: Sơ đồ phân tích lực trục dẫn động.
• Hình 3: Biểu đồ momen trục dẫn động.
• Hình 4: Sơ đồ khối hệ thống điều khiển.
• Hình 4: Vi điều khiển Arduino Mega 2560.
• Hình 4: Mạch công suất động cơ DC Hbr-M công suất 200(W).
• Hình 4: Cảm biến từ trường MACOME GS-2744B.
• Hình 4: Sơ đồ nguyên lý hoạt động cảm biến từ.
• Hình 4: Nguyên lý mạch phân áp.
• Hình 4: Mô hình thí nghiệm cảm biến.
• Hình 4: Sơ đồ mô hình thí nghiệm cảm biến.
• Hình 4: Đồ thị giá trị đọc được từ cảm biến.
• Hình 4: Sơ đồ bộ điều khiển PID cho động cơ.
• Hình 4: Chương trình PID điều khiển tốc độ động cơ.
• Hình 4: Chương trình đọc giá trị encoder.
• Hình 4: Lưu đồ giải thuật chương trình bám line.
• Hình 5: Sơ đồ bố trí hàng trong nhà xưởng.
• Hình 5: Lưu đồ giải thuật tạo đường đi đến vị trí một món hàng.....................
• Hình 5: Lưu đồ giải thuật đi từ kệ hàng về lại vị trí xuất phát.
• Hình 5: Lưu đồ giải thuật hàm sự kiện nhận dữ liệu.
• Hình 5: Lưu đồ giải thuật chương trình ngắt gặp giao điểm. vii
• Hình 5: Lưu đồ giải thuật chương trình xử lý giao điểm.
• Hình 5: Lưu đồ giải thuật chương trình chính.
• Hình 6: Mạch bluetooth HC-05.
• Hình 6: Đồ thị vận tốc động cơ trái khi đạt độ lợi tới hạn.
• Hình 6: Đồ thị vận tốc động cơ phải khi đạt độ lợi tới hạn.
• Hình 6: Đồ thị đáp ứng của động cơ bên trái.
• Hình 6: Đồ thị đáp ứng của động cơ bên phải.
• Hình 6: Đồ thị dao động của vị trí tâm line đọc từ cảm biến.
• Hình 6: Xử lý bức ảnh vuông góc với camera.
• Hình 6: Xoay bức ảnh để line từ song song trục tọa độ bức ảnh.
• Hình 6: Đo khoảng lệch lớn nhất.
• Hình 6: Khoảng lệch giảm xuống sau nhiều lần chỉnh.
• Hình 6: Sơ đồ kho hàng thực nghiệm............................................................
• Hình 6: Sơ đồ lắp đặt line từ thực nghiệm.
• Hình 6: Hệ thống line từ thực nghiệm.
• Hình 6: Giao diện điều khiển trên máy tính và kết quả vị trí tính được.
• Hình 6: Giao diện chọn vị trí B1.
• Hình 6: Đồ thị sai số bám line thực nghiệm.

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN

1

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN

Chương này trình bày tổng quan về đề tài: “Robot tự hành hoạt động trong nhà xưởng”. Nội dung chương này gồm những dạng robot tự hành, những nghiên cứu và thực nghiệm về robot sử dụng cho nhà xưởng. Từ đó, rút ra được mục tiêu, cơ sở và định hướng thực hiện đề tài.

1. Giới thiệu robot tự hành trong nhà xưởng

Nhà xưởng là khu vực tập trung nhân lực, trang thiết bị, nguyên vật liệu phục vụ cho quá trình sản xuất, bảo quản, di chuyển hàng hóa. Di chuyển hàng hóa trong nhà xưởng theo cách truyền thống là sử dụng xe đẩy, xe nâng con người vận hành. Hơn nữa, công việc di chuyển hàng hóa thường nặng nhọc, nguy hiểm và lặp lạiên thế giới, robot tự hành đã và đang ứng dụng rộng rãi trong công đoạn di chuyển đó, mang lại hiệu quả to lớn trong nhà máy, kho bãi.

Robot tự hành trong nhà xưởng (AGV) là dạng mobile robot tự di chuyển theo tín hiệu dẫn đường như laser, hình ảnh, từ trường, đường ray...ừ cuối thế kỷ XX, robot tự hành ngày càng phổ biến hơn nhờ tiến bộ của khoa học – kỹ thuật. Những cải tiến quan trọng trong công nghệ cảm biến và dẫn đường, bộ xử lý và truyền thông, thiết bị truyền động, nguồn năng lượng giúp tạo ra hệ thống robot tự hành (AGVS) có năng suất hoạt động cao, ổn định và chi phí vận hành thấp.

Việc áp dụng AGVS vào kho hàng, nhà xưởng có lợi ích sau: - Hoạt động liên tục: cả ngày và đêm. - Thay thế con người vận chuyển hàng hóa nặng nhọc, có tính lặp lại. - Giảm chi phí vận hành, đặc biệt là chi phí đào tạo, sử dụng nhân công. - Tính chính xác và độ ổn định cao giúp quá trình sản xuất được liên tục. - Giảm thời gian vận chuyển. Do đó, các công ty sản xuất, thương mại đã và đang đẩy mạnh phát triển hệ thống nhà xưởng, kho hàng tự động dùng AGV.

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN

2

Trong nhà xưởng, AGVS sử dụng để vận chuyển hàng tự động từ nơi cấp hàng đến các vị trí sản xuất. AGVS thông thường bao gồm phương tiện (xe), bộ điều khiển tích hợp trên AGV, phần mềm quản lý, hệ thống giao tiếp và dẫn đường.

Hệ thống giao tiếp

Phần mềm quản lý

AGVs

Hệ thống dẫn đường

Hình 1: Cấu trúc cơ bản của một hệ thống AGV.  Phần mềm quản lý Phần mềm trên máy tính cần giải quyết việc quản lý tất cả AGV. Những nhiệm vụ máy chủ là: tối ưu việc sử dụng AGV, nhận yêu cầu và quản lý hàng, theo dõi và thống kê hàng hóa trong kho.... Như vậy, một hệ thống AGV có năng suất cao hay thấp phụ thuộc rất nhiều vào phần mềm quản lý. Tùy vào ứng dụng của hệ thống AGV mà phần mềm quản lý sẽ đóng vai trò và cách thức quản lý cũng khác nhau.

Hệ thống AGV sử dụng trong dây chuyền lắp ráp sử dụng phần mềm quản lý chỉ thu nhận thông tin loại hàng, vì các bước di chuyển có thể lập trình sẵn trên từng AGV. Đường đi từ khu sản xuất, lưu trữ đến khu lắp ráp cố định, theo trình tự không cần nhiều tính toán của máy chủ. Tốc độ di chuyển của AGV phụ thuộc tốc độ lắp ráp

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN

4

Công nghệ Wireless LAN (IEEE 802) rất thích hợp cho các hệ thống AGV thường xuyên mở rộng quy mô, theo dõi và phân tích dữ liệu tốc độ cao. Tầm hoạt động thông thường của băng thông 2 GHz là 200 (m), băng thông 5 GHz là 50 (m).

 Các loại phương pháp vận chuyển Mỗi loại hàng hóa có yêu cầu khi lưu trữ và vận chuyển khác nhau, do đó có nhiều phương pháp vận chuyển hàng. Trong nhà xưởng thường có 3 kiểu AGV, các loại AGV này đáp ứng hầu hết công việc vận chuyển.

• Kiểu kéo hàng: AGV có móc, ngàm kéo các khay hàng. Kiểu AGV kéo hàng thích hợp sử dụng di chuyển hàng có khoảng cách xa với số lượng, kích thước hàng tùy theo khay hàng. Tuy nhiên, đường đi cần rộng rãi, những đoạn cua có bán kính lớn để tránh va chạm.

Hình 1: AGV kiểu kéo hàng.

• Kiểu chở hàng: AGV có bộ phận chứa hàng, nâng hàng hoặc băng tải để lấy hàng. Kiểu AGV chở hàng có thể kết hợp với băng tải trong dây chuyền sản xuất, lắp ráp. AGV chở hàng di chuyển linh hoạt hơn so với kiểu kéo hàng, đặc biệt là trong hệ thống kho hàng có đường đi hẹp, góc cua nhỏ.

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN

5

Hình 1: AGV kiểu chở hàng.

• Kiểu xe nâng (Forklift): AGV có bộ phận nâng hàng (các pallet) tự động. Ưu điểm của AGV nâng hàng là đưa được hàng hóa lên nhiều độ cao. AGV kiểu xe nâng yêu cầu không gian rộng để xoay khi nâng hàng.

Hình 1: AGV kiểu xe nâng. Dạng robot tự hành kiểu chở hàng có những ưu điểm về cách vận chuyển hàng linh hoạt, làm việc được trong không gian giới hạn. Vì vậy, nó được sử dụng khá phổ biến trong các nhà xưởng có mật độ hàng hóa cao và sẽ là dạng robot lựa chọn để nghiên cứu trong đề tài.

 Các loại phương pháp tìm đường - Loại dò theo đường dẫn cố định: AGV có quỹ đạo di chuyển theo đường dẫn lắp đặt sẵn. Đường dẫn có thể là đường ray, từ trường, dây điện... Đường dẫn cố định

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN

7

Các công ty trong nước cũng có những nghiên cứu, ứng dụng robot tự hành vào các nhà máy. Mục đích nghiên cứu trong nước là giảm giá thành của robot, nắm bắt được các công nghệ mới. Những hạn chế về công nghệ sản xuất cũng ảnh hưởng ít nhiều đến quy mô và chất lượng của sản phẩm robot trong nước. Năm 2013, công ty Changsing Việt Nam đã sử dụng AGV vận chuyển hàng tự động giữa các công đoạn sản xuất giày. Dự án AGV được thực hiện bởi nhóm AZauto của trường Đại học Lạc Hồng. Công nghệ dẫn đường của AGV là hệ thống line từ trường và sử dụng RFID để nhận biết khúc cua, vị trí sạc bình. AGV có khối lượng 150 (kg) kéo được xe hàng lên đến 400 (kg). Tốc độ di chuyển khi hoạt động khoảng 0,5 (m/s).

Hình 1: Smart AGV trong công ty Changsing Việt Nam.

1. Mục tiêu, nhiệm vụ và phạm vi luận văn

1.3. Mục tiêu luận văn

Ở Việt Nam hiện nay, nhu cầu sản xuất, mua bán hàng hoá ngày càng cao. Các nhà máy luôn đòi hỏi cải tiến trong quá trình vận chuyển hàng hoá để nâng cao năng suất. Chính vì vậy mà xe tự hành được nghiên cứu phát triển và ứng dụng. Mục tiêu của đề tài như sau: phân tích và thiết kế robot tự hành hoạt động trong nhà xưởng.

1.3. Nhiệm vụ luận văn

2.2. Lựa chọn phương án bộ điều khiển

Đây là bước đầu tiên của quá trình thiết kế nhằm đưa ra hướng giải quyết vấn đề: - Đề xuất phương án khả thi: cơ khí, điện, điều khiển.

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN

8

CHƯƠNG 2: LỰA CHỌN PHƯƠNG ÁN THIẾT KẾ ROBOT

• Tìm hiểu và đánh giá các thiết bị trên thị trường để thực hiện phương án: động

4.2. Vi điều khiển

CHƯƠNG 3: THIẾT KẾ HỆ THỐNG CƠ KHÍ

Với kết cấu cơ khí đã chọn, tiến hành tính toán thiết kế. Các công việc bao gồm: - Thiết lập các phương trình động học, quan hệ giữa vận tốc góc của động cơ và vận tốc của robot.

3. Tính toán lựa chọn công suất động cơ

• Tính toán thiết kế các chi tiết cơ khí của robot.

CHƯƠNG 4: THIẾT KẾ HỆ THỐNG ĐIỆN – ĐIỆN TỬ

Với các phương án điện đã chọn, tiến hành lựa chọn thông số và sử dụng các thiết bị, kết hợp các thiết bị thành một khối hoàn chỉnh. Công việc bao gồm: - Lựa chọn thông số vi điều khiển, các mô đun công suất và cảm biến. - Sử dụng được các cảm biến của robot, thiết kế bộ điều khiển sử dụng hồi tiếp vận tốc để điều khiển động cơ.

CHƯƠNG 5: XÂY DỰNG GIẢI THUẬT DI CHUYỂN

Tiến hành thiết kế các giải thuật điều khiển cho robot với các công việc sau: - Thiết kế giải thuật tìm đường trên máy tính cho một hệ thống kho hàng cụ thể. - Thiết kế giải thuật điều khiển robot tự hành để đáp ứng các yêu cầu. e) Lập trình Lập trình trên máy tính và vi điều khiển, các công việc gồm:  Lập trình giao diện chọn hàng hóa trên máy tính - Lập trình giải thuật tìm đường đi đến tất cả vị trí hàng hóa. - Gửi dữ liệu đã xử lý cho robot.  Lập trình vi điều khiển trên robot

CHƯƠNG 2: LỰA CHỌN PHƯƠNG ÁN THIẾT KẾ

10

CHƯƠNG 2: LỰA CHỌN PHƯƠNG ÁN THIẾT KẾ ROBOT

Chương này trình bày các phân tích, lựa chọn phương án thiết kế, bao gồm: phương án cơ khí, phương án điện, phương án điều khiển. Mục đích của chương này là đưa ra lựa chọn phù hợp để xây dựng mô hình robot thực nghiệm.

2. Phương án cơ khí

2.1. Lựa chọn cơ cấu lái

Để có phương án di chuyển phù hợp, ta cần phân tích các dạng cơ cấu lái thường được sử dụng cho robot trong nhà xưởng như sau:  Cơ cấu lái vi sai (differential drive) Cơ cấu này điều khiển với hai bánh dẫn động phía sau để đạt được vận tốc và góc xoay mong muốn. Xe cần có bánh tự lựa để giữ cân bằng.