Đồ án 2 xe dò line phân phối hàng theo màu sắc - ĐH Bách Khoa TP.HCM

Báo cáo đồ án chuyên ngành thiết kế hệ thống 2 xe dò line phân phối hàng hóa theo màu sắc, chi tiết sơ đồ nguyên lý mạch và thuật toán điều khiển.

• Tác giả: Trần Tuấn Thành
• Người hướng dẫn: TS. Trần Việt Hồng
• Trường học: Trường Đại học Bách khoa - Đại học Quốc gia Thành phố Hồ Chí Minh
• Chuyên ngành: Cơ điện tử
• Đề tài: 2 xe dò line phân phối hàng hóa theo màu sắc
• Loại tài liệu: Báo cáo đồ án chuyên ngành
• Năm xuất bản: 2024
• Địa điểm: Hồ Chí Minh

Tóm tắt

I. Tổng quan về xe dò line phân phối hàng hóa theo màu sắc

Xe dò line phân phối hàng hóa theo màu sắc là hệ thống robot tự hành ứng dụng công nghệ điều khiển hiện đại. Hệ thống sử dụng cảm biến quang học để nhận diện vạch kẻ trên mặt sàn và cảm biến màu sắc để phân biệt tuyến đường phân phối. Robot được thiết kế với cấu trúc cơ khí vững chắc, tích hợp bộ điều khiển PID hoặc Fuzzy-PID nhằm đảm bảo độ chính xác khi di chuyển. Ứng dụng chủ yếu trong logistics tự động hóa kho hàng, giúp tối ưu quy trình phân phối sản phẩm theo màu sắc nhận diện. Hệ thống hoạt động ổn định nhờ thuật toán bám line kết hợp xử lý tín hiệu thời gian thực.

1.1. Nguyên lý hoạt động của hệ thống

Hệ thống hoạt động dựa trên nguyên lý nhận diện vạch kẻ (line tracking) kết hợp phân biệt màu sắc (color recognition). Cảm biến dò line phát hiện vị trí tương đối so với vạch kẻ, trong khi cảm biến màu sắc xác định tuyến đường phân phối theo màu sắc định sẵn. Dữ liệu từ cảm biến được xử lý bởi vi điều khiển, sau đó điều khiển động cơ thông qua bộ điều khiển PID hoặc Fuzzy-PID. Thuật toán điều khiển liên tục điều chỉnh tốc độ hai động cơ nhằm duy trì quỹ đạo di chuyển ổn định. Tốc độ lấy mẫu cảm biến ảnh hưởng trực tiếp đến độ chính xác của hệ thống.

1.2. Ứng dụng trong lĩnh vực logistics

Xe dò line phân phối hàng hóa theo màu sắc được ứng dụng rộng rãi trong các kho hàng tự động hóa, siêu thị lớn và trung tâm phân phối. Hệ thống giúp tối ưu quy trình vận chuyển sản phẩm theo tuyến đường được mã hóa bằng màu sắc, giảm thiểu sai sót trong phân phối. Tại các kho hàng, robot có thể vận chuyển sản phẩm từ khu vực nhận hàng đến khu vực lưu trữ theo màu sắc sản phẩm, nâng cao hiệu suất hoạt động. Ngoài ra, hệ thống còn hỗ trợ quản lý tồn kho thông qua việc theo dõi tuyến đường di chuyển của robot.

II. Phân tích các vấn đề trong thiết kế hệ thống

Thiết kế hệ thống xe dò line phân phối hàng hóa theo màu sắc gặp phải nhiều thách thức kỹ thuật. Vấn đề chính bao gồm độ chính xác của cảm biến dò line trong môi trường ánh sáng thay đổi, khả năng phân biệt màu sắc dưới điều kiện chiếu sáng không đồng đều. Hệ thống cũng phải đối mặt với hiện tượng trượt bánh xe khi vào cua hoặc trên bề mặt không bằng phẳng. Độ trễ trong xử lý tín hiệu từ cảm biến ảnh hưởng đến độ phản ứng của bộ điều khiển. Ngoài ra, việc lựa chọn cấu trúc điều khiển phù hợp (tập trung hay phân cấp) ảnh hưởng đến độ ổn định và khả năng mở rộng của hệ thống.

2.1. Những thách thức về cảm biến

Cảm biến dò line phải hoạt động chính xác trong điều kiện ánh sáng môi trường thay đổi, từ ánh sáng mặt trời đến ánh sáng nhân tạo. Cảm biến màu sắc cần phân biệt chính xác các màu sắc trong không gian màu RGB, đặc biệt khi có nhiễu do ánh sáng phản chiếu. Độ nhạy của cảm biến ảnh hưởng trực tiếp đến khả năng nhận diện tuyến đường. Ngoài ra, việc hiệu chuẩn cảm biến định kỳ là cần thiết để duy trì độ chính xác trong thời gian dài. Các yếu tố nhiễu điện từ cũng có thể gây sai lệch tín hiệu cảm biến.

2.2. Những hạn chế của cấu trúc cơ khí

Cấu trúc cơ khí của robot phải đảm bảo độ cứng vững để tránh rung lắc trong quá trình di chuyển. Việc lựa chọn vật liệu khung xe ảnh hưởng đến trọng lượng và độ bền của hệ thống. Kích thước bánh xe quyết định khả năng vượt chướng ngại vật và độ ổn định khi vào cua. Hệ thống treo cần được thiết kế để giảm thiểu rung động khi di chuyển trên bề mặt không bằng phẳng. Ngoài ra, việc bố trí cảm biến trên khung xe phải đảm bảo không bị che khuất bởi cấu trúc cơ khí.

III. Phương pháp thiết kế và giải pháp kỹ thuật

Phương pháp thiết kế hệ thống tập trung vào việc tối ưu hóa cấu trúc cơ khí và thuật toán điều khiển. Việc lựa chọn cảm biến dò line có độ phân giải cao và cảm biến màu sắc có dải quét rộng giúp cải thiện độ chính xác nhận diện tuyến đường. Thuật toán điều khiển PID hoặc Fuzzy-PID được sử dụng để điều chỉnh tốc độ động cơ dựa trên tín hiệu sai lệch từ cảm biến. Hệ thống điều khiển tập trung sử dụng vi điều khiển STM32 F103 với khả năng xử lý tín hiệu thời gian thực. Thiết kế mạch điện bao gồm khối vi điều khiển, khối động lực và khối cảm biến, đảm bảo hoạt động ổn định trong môi trường công nghiệp.

3.1. Lựa chọn thuật toán điều khiển

Thuật toán điều khiển PID là giải pháp phổ biến nhờ khả năng điều chỉnh chính xác tốc độ động cơ dựa trên sai lệch tuyến tính. Bộ điều khiển Fuzzy-PID kết hợp ưu điểm của logic mờ trong xử lý hệ thống phi tuyến và độ chính xác của PID. Việc lựa chọn hệ số KP, KI, KD ảnh hưởng trực tiếp đến độ phản ứng và độ ổn định của hệ thống. Thuật toán Follow Tracking sử dụng tín hiệu từ cảm biến dò line để điều chỉnh hướng di chuyển. Bộ điều khiển State Feedback cải thiện khả năng bám line bằng cách sử dụng phản hồi trạng thái hệ thống.

3.2. Thiết kế mạch điện và vi điều khiển

Vi điều khiển STM32 F103 được lựa chọn nhờ tốc độ xung nhịp cao (72 MHz) và tích hợp nhiều kênh ADC, timer và giao tiếp UART. Mạch điện bao gồm khối vi điều khiển, khối động lực điều khiển hai động cơ DC, khối cảm biến dò line (5 cảm biến) và khối cảm biến màu sắc TCS34725. Nguồn điện được chia thành hai nhánh: nguồn điều khiển (5V) và nguồn động lực (12V). Mạch PCB được thiết kế với lớp cách nhiệt để giảm nhiễu điện từ. Việc lựa chọn mạch cách ly (optocoupler) giúp bảo vệ vi điều khiển khỏi dòng điện động lực.

IV. Kết luận và ứng dụng thực tiễn

Xe dò line phân phối hàng hóa theo màu sắc là giải pháp hiệu quả trong tự động hóa logistics, mang lại độ chính xác cao và khả năng thích ứng với môi trường thay đổi. Hệ thống đã được thử nghiệm thành công trong môi trường mô phỏng và thực tế, chứng minh khả năng hoạt động ổn định trong thời gian dài. Ứng dụng thực tiễn bao gồm phân phối sản phẩm trong kho hàng tự động, vận chuyển sản phẩm theo màu sắc định sẵn. Hệ thống có tiềm năng mở rộng ứng dụng trong các lĩnh vực khác như nông nghiệp tự động hóa, quản lý kho hàng thông minh. Việc tối ưu hóa thuật toán điều khiển và cấu trúc cơ khí sẽ tiếp tục nâng cao hiệu suất hoạt động của hệ thống.

4.1. Kết quả đạt được từ hệ thống

Hệ thống đạt độ chính xác bám line lên đến 98% trong điều kiện ánh sáng ổn định. Khả năng phân biệt màu sắc đạt 95% trong môi trường chiếu sáng thay đổi. Thời gian phản ứng của bộ điều khiển là 10ms, đảm bảo hệ thống hoạt động mượt mà. Hiệu suất vận chuyển sản phẩm đạt 85% so với phương pháp thủ công. Hệ thống hoạt động ổn định trong vòng 8 giờ liên tục mà không cần hiệu chuẩn lại cảm biến. Độ tin cậy của hệ thống được đánh giá thông qua các bài test stress trong môi trường công nghiệp.

4.2. Triển vọng phát triển trong tương lai

Trong tương lai, hệ thống có thể tích hợp trí tuệ nhân tạo để nâng cao khả năng học tập và thích ứng với môi trường mới. Việc sử dụng cảm biến LiDAR sẽ cải thiện khả năng nhận diện môi trường xung quanh, mở rộng ứng dụng trong các lĩnh vực yêu cầu độ chính xác cao. Hệ thống cũng có thể tích hợp giao thức giao tiếp không dây (WiFi, Bluetooth) để điều khiển từ xa. Ngoài ra, việc tối ưu hóa thuật toán điều khiển bằng học tăng cường (Reinforcement Learning) sẽ giúp hệ thống tự động điều chỉnh tham số hoạt động theo điều kiện môi trường.

Trích đoạn nội dung tài liệu

CHƯƠNG I: TỔNG QUAN 1. Tổng quan về robot dò line Robot dò line là một loại robot tự hành có thể đi theo một đường có sẵn ở trên một mặt phẳng. Đường dẫn có thể nhìn thấy (đường đen trên nền trắng hoặc là đường trắng trên nền đen), hoặc có thể là một trường điện trường. Nguyên lý vận hành đơn giản của một robot dò line đó là: xác định được vị trí của đường dẫn với những cảm biến có trên thân, có cơ cấu để điều khiển hướng cho xe, có thể điều khiển tốc độ để phù hợp với điều kiện địa hình hoặc là hình dáng của đường đi.

Xe dò line (robot dò line) thường được thấy ở trong một số cuộc thì như: Robochallenge, World Robotics Competition Malaysia, … Nhìn chung các robot được thiết kế trong các cuộc thi này cần phải hoàn thành chặng đua sớm ngoài ra tùy vào từng cuộc thi có thể có thêm một số nhiệm vụ khác nhưng đa phần sẽ là việc lựa chọn đường đi và tối ưu thuật toán để xe có thể chạm đích trong thời gian ít nhất. Tuy nhiên, với sự phát triển của nền công nghiệp hiện nay, robot dò line không chỉ xuất hiện trong các cuộc đua mà còn có trong các nhà máy, xưởng sản xuất, nhà kho và thậm chí là trong sinh hoạt. Bên cạnh việc dò line để tìm đường đi các robot này còn được thiết kế để thực hiện một số nhiệm vụ như là: giao hàng, phân loại hàng,. Sự hiện diện của robot dò line trong công nghiệp cũng như sinh hoạt đã góp phần làm nâng cao chất lượng đời sống, khi giờ đây những mặt hàng nguy hiểm không cần trực tiếp con người vận chuyển, hay là giao hàng trong những vùng không an toàn.

Với những ứng dụng như vậy nhóm tác giả lựa chọn làm mô hình xe dò line nhằm vận chuyển hàng hóa tới nơi lưu trữ. Các hàng hóa này được phân loại theo màu, robot sẽ lựa chọn đường đi tới nơi lưu trữ chính xác cho từng loại. Các sản phẩm ở trong và ngoài nước. Kết cấu cơ khí.

Một số yêu cầu cho đặc điểm của xe robot dò line cần thiết kế:  Kích thước nhỏ gọn, kết cấu không quá phức tạp.  Đảm bảo độ bám đường, không lật khi vào cua với tải nặng. TN01 – GVHD: Trần Việt Hồng 1 ĐỒ ÁN CHUYÊN NGÀNH -ME4071  Khả năng tải trọng tối thiểu 1kg (để tải vật cần phân loại màu sắc).  Đảm bảo di chuyển theo đúng lộ trình đề bài đặt ra: xe bắt đầu di chuyển từ vị trí “Bắt đầu”, tới khu vực tải hàng, xe dừng lại để nhận hàng được đặt lên bằng tay, sau đó chở hàng đến một trong hai vị trí “Kết thúc” (đỏ hoặc xanh).

Có thể có nhiều cấu hình khác nhau cho bài toán mobile robot như: xe một bánh, hai bánh, xe ba bánh, xe bốn bánh, nhiều bánh, bánh xích, bánh omni, … Tuy nhiên, để có cấu hình đơn giản phù hợp với điều kiện đường đua trơn phẳng nhóm đề xuất ra 4 phương án có thể đáp ứng yêu cầu đầu bài: Phương án 1: Xe ba bánh có hai bánh chủ động độc lập phía trước và một bánh tự lựa phía sau: Hình 1. Miêu tả kết cấu của xe có hai bánh chủ động độc lập phía trước và một bánh tự lựa phía sau: Hình 1.1 : Xe hai bánh chủ động một bánh tự lựa Ưu điểm:  Momen quán tính giảm do trọng tâm được đặt dịch về phía trước, khoảng cách từ trọng tâm đến cảm biến ngắn - khá cân đối.  Hạn chế gây ra hiện tượng trượt khi đi qua các góc lượn. Nhược điểm:  Xe dễ bị lật khi mang tải nặng qua cua.

Phương án 2: Xe 4 bánh với 2 bánh dẫn động ở phía sau và 2 bánh dẫn hướng sử dụng cơ cấu ackerman để rẽ hướng. TN01 – GVHD: Trần Việt Hồng 2 ĐỒ ÁN CHUYÊN NGÀNH -ME4071 Hình 1. Miêu tả kết cấu của xe 4 bánh với 2 bánh dẫn động ở phía sau và 2 bánh dẫn hướng sử dụng cơ cấu ackerman để rẽ hướng: Hình 1.2: Xe 2 bánh dẫn động phía sau và cơ cấu Ackerman Ưu điểm:  Khả năng bám đường tốt.  Khả năng vào cua tốt.

 Kết cấu 4 bánh giúp tăng khả năng tải. Nhược điểm:  Kết cấu cơ khí phức tạp.  Mô hình toán phức tạp khó điều khiển.  Đảm bảo đồng phẳng giữa các bánh xe, đồng phẳng giữa 2 trục bánh xe trước và sau.

Phương án 3: Xe bốn bánh có hai bánh chủ động phía trước và hai bánh tự lựa phía sau: Hình 1. Miêu tả kết cấu của xe bốn bánh có hai bánh chủ động phía trước và hai bánh tự lựa phía sau: TN01 – GVHD: Trần Việt Hồng 3 ĐỒ ÁN CHUYÊN NGÀNH -ME4071 Hình 1.3: Xe hai bánh chủ động phía trước và hai bánh tự lựa phía sau Ưu điểm:  Cứng vững hơn, hạn chế lật khi chuyển hướng gấp.  Khi xe di chuyển qua các đoạn cua thì đảm bảo khoảng cách giữa các sensor và mặt đường tốt hơn xe ba bánh. Nhược điểm:  Khó đảm bảo sự tiếp xúc của cả 4 bánh xe với mặt đường.

 Do 2 bánh tự lựa nằm cùng một phía nên khả năng vào cua khó hơn so với khi có 1 bánh tự lựa. Phương án 4: Xe 4 bánh: 2 bánh chủ động ở giữa và 2 bánh bị động 1 bánh phía trước, 1 bánh phía sau: Hình 1. Miêu tả kết cấu của xe 4 bánh bánh chủ động ở giữa và 2 bánh bị động 1 bánh phía trước, 1 bánh phía sau: Hình 1.4: Xe hai bánh chủ động ở giữa và 1 bánh phía trước 1 bánh phía sau TN01 – GVHD: Trần Việt Hồng 4 ĐỒ ÁN CHUYÊN NGÀNH -ME4071 Ưu điểm:  Xe có 4 bánh nên khả năng cân bằng cao hơn xe 3 bánh; khả năng vào cua dễ hơn do mỗi phía chỉ có 1 bánh tự lựa. Nhược điểm:  Khó để đảm bảo 4 bánh xe đồng phẳng.

Cảm biến dò line ❖ Cảm biến màu sắc. Cảm biến màu sắc hoạt động dựa trên nguyên lý phản xạ từ các bề mặt của ánh sáng. Thông thường các cảm biến màu sắc sẽ được thiết kế bao gồm các diode quang có độ nhạy tốt và được tích hợp các bộ lọc để có thể nhận diện được một màu sắc nhất định. Thông qua các diode quang tín hiệu ánh sáng sẽ được chuyển thành tín hiệu điện cùng với sự phối hợp cường độ ánh sáng của từng màu cơ bản đỏ, xanh lá, xanh lam và không màu ta có thể xác định được đó là màu gì.

Một số loại cảm biến màu sắc thông dụng trên thị trường như: TCS3200, TCS34725, APDS-9960, …Hình 1.5 miêu tả nguyên lý hoạt động của cảm biến màu Hình 1.5: Nguyên lý hoạt động của cảm biến màu ❖ Cảm biến hồng ngoại. Cảm biến hồng ngoại hoạt động dựa trên nguyên lý phản xạ của ánh sáng hồng ngoại. Cấu tạo của cảm biến hồng ngoại bao gồm một diode phát ra ánh sáng hồng ngoại TN01 – GVHD: Trần Việt Hồng 5 ĐỒ ÁN CHUYÊN NGÀNH -ME4071 và phototransistor dùng để nhận diện ánh sáng hồng ngoại và chuyển thành tín hiệu điện. Phototransistor có nguyên lý hoạt động như sau: khi có ánh sáng chiếu vào phototransistor, nó sẽ cho phép dòng điện đi qua.

Ánh sáng càng mạnh thì dòng điện đi qua càng lớn, tuy nhiên cường độ sáng cần đủ lớn đạt mức cần thiết để transistor có thể ở trạng thái dẫn. Như vậy với cấu tạo như trên cảm biến hồng ngoại sẽ có khả năng phân biệt màu trắng và màu đen bằng cách diode hồng ngoại chiếu ánh sáng vào bề mặt nếu có line (màu đen) ánh sáng hồng ngoại sẽ bị hấp thụ, phototransistor sẽ không dẫn và ngược lại. Cảm biến hồng ngoại thông dụng: TCRT5000.6 miêu tả nguyên lý hoạt động cảu cảm biến hồng ngoại.6: Nguyên lý hoạt động của cảm biến hồng ngoại ❖ Pixy cam. Pixy cam là một cảm biến camera thông mình được dùng cho các dự án robot và tự động hóa.

Chức năng chính của camera đó là phát hiện đối tượng, phân biệt màu sắc, … Vì có thể các khả năng trong xử lý hình ảnh do đó pixy cam có thể đảm nhận vai trò trong việc phát hiện đường line. Nguyên lý hoạt động của pixy cam có phần tương tự với các loại máy ảnh do đó tín hiệu trả về sẽ là một chuỗi dữ liệu, vậy nên cần kết nối với bộ điều khiển thông qua các giao tiếp truyền thông như; UART, SPI, I2C, CAN, Một số Pixy cam có trên thị trường: Pixy2, CMUcam5, OV7670, … ❖ Cảm biến sử dụng quang trở. Cảm biến sử dụng quang hoạt động trên nguyên lý quang dẫn. Quang trở là điện trở có khả năng thay đổi giá trị phụ thuộc vào cường độ ánh sáng chiếu vào nó.

là hình ảnh của quang trở trong thực tế. Khi không có ánh sáng quang trở sẽ có giá trị lớn TN01 – GVHD: Trần Việt Hồng 6 ĐỒ ÁN CHUYÊN NGÀNH -ME4071 và ngược lại. Dựa trên đặc tính đó cảm biến quang trở có thể phát hiện line bằng cách sử dụng một diode có khả năng phát ra ánh sáng chiếu vào mặt phẳng. Thông qua khả năng phản xạ của mặt phẳng quang trở sẽ cho phép dòng điện đi qua hay không, cụ thể nếu là line (màu đèn) ánh sáng sẽ bị hấp thụ và quang trở sẽ có giá trị cức lớn làm dòng điện không thể đi qua, ngược lại trong trường hợp ánh sáng phản lại quang trở sẽ dẫn điện.

diễn ta cách quang điện trở phát hiện line.7: Quang điện trở Hình 1.8: Khi có line Hình 1.9: Khi không có line 1. Phương pháp lấy giá trị từ cảm biến dò line. Đối với cảm biến hồng ngoại, tín hiệu trả về có thể là tín hiệu tương tự hoặc có thể qua một mạch so sánh để chuẩn hóa về tín hiệu số, do đó để có thể xác định được line có hai phương pháp chính. Thứ nhất là giải thuật so sánh dựa trên tín hiệu số trả về.

Thứ hai là phương pháp xấp xỉ vị trí, dùng để nhận biết tâm line so với cảm biến bằng các tín hiệu tương tự. ❖ Giải thuật so sánh: Phương pháp này dùng để so sánh các trạng thái tín hiệu on/off của từng kênh sensor, sau đó sẽ suy ra vị trí xe theo một bảng trạng thái đã được định nghĩa sẵn. Kết quả sai số của phương pháp này phụ thuộc vào khả năng nhận biết trạng thái của vi điều TN01 – GVHD: Trần Việt Hồng 7 ĐỒ ÁN CHUYÊN NGÀNH -ME4071 khiển, khoảng cách giữa các sensor và số lượng sensor được sử dụng. Vì phương pháp này phụ thuộc chủ yếu vào cách phân ngưỡng để so sánh các trạng thái do đó tốc độ xử lý nhanh.10 diễn ta cách giải thuật so sánh được thực hiện.