Thuyết minh Báo cáo Đồ án Thiết kế Hệ thống Cơ điện tử - SV ĐH Bách Khoa

Tham khảo báo cáo đồ án thiết kế hệ thống cơ điện tử đầy đủ. Nội dung chi tiết về robot dò line tốc độ cao, từ cơ khí, điện tử đến giải thuật.

• Tác giả: Nguyễn Hữu Lê Quang Tín
• Người hướng dẫn: TS. Nguyễn Tấn Tiến
• Trường học: Trường Đại học Bách khoa, Đại học Quốc gia Thành phố Hồ Chí Minh
• Chuyên ngành: Cơ điện tử
• Đề tài: Đồ án cơ điện tử: Thiết kế Robot dò line tốc độ cao
• Loại tài liệu: Đồ án
• Địa điểm: Thành phố Hồ Chí Minh

Tóm tắt

I. Giới thiệu về Robot Dò Line Tốc Độ Cao

Robot dò line tốc độ cao là một hệ thống cơ điện tử tiên tiến được thiết kế để di chuyển và bám theo đường line một cách chính xác và nhanh chóng. Đây là một trường hợp đặc biệt của mobile robot có khả năng nhận biết vị trí tương đối và điều chỉnh hướng đi theo các đường đã định sẵn. Hiện nay, công nghệ này được ứng dụng rộng rãi trong các môi trường công nghiệp như kho bãi, nhà xưởng, cảng vận để vận chuyển hàng hóa tự động. Robot dò line không chỉ là nền tảng cho nghiên cứu kỹ thuật nhận diện mà còn là giải pháp hiệu quả cho tự động hóa logistics hiện đại. Việc thiết kế hệ thống cơ điện tử tối ưu là chìa khóa để đạt được hiệu suất cao nhất.

1.1. Định nghĩa và Khái niệm Cơ Bản

Robot dò line là một thiết bị tự động có khả năng phát hiện và theo dõi đường line trên nền trắng hoặc các bề mặt khác. Hệ thống sử dụng cảm biến quang học để nhận biết vị trí của đường line, từ đó điều khiển động cơ đốc độ để duy trì quỹ đạo chính xác. Khái niệm mobile robot đề cập đến máy móc có khả năng di chuyển độc lập trong không gian, và robot dò line là một biến thể phổ biến trong lĩnh vực tự động hóa.

1.2. Ứng Dụng Thực Tiễn trong Công Nghiệp

Trong lĩnh vực logistics và vận chuyển, robot dò line tốc độ cao được sử dụng để vận chuyển hàng hóa tự động giữa các khu vực trong nhà xưởng, kho bãi và cảng. Công nghệ này giúp giảm chi phí nhân công, tăng hiệu suất sản xuất và cải thiện an toàn lao động. Ngoài ra, hệ thống cơ điện tử này còn được dùng làm nền tảng cho các nghiên cứu về kỹ thuật nhận diện hình ảnh và thiết kế bộ điều khiển PID tiên tiến.

II. Thiết Kế Cơ Khí và Hệ Thống Điều Khiển

Thiết kế hệ thống cơ điện tử cho robot dò line đòi hỏi sự kết hợp hoàn hảo giữa cơ khí, điện tử và điều khiển tự động. Cấu trúc xe bao gồm khung chủ yếu, hệ thống bánh xe, động cơ DC và các linh kiện điện tử. Để đạt được tốc độ cao, việc lựa chọn bánh xe phù hợp và động cơ có mô men xoắn đủ là rất quan trọng. Hệ thống cảm biến TCRT5000 được sử dụng để phát hiện đường line màu đen trên nền trắng. Bộ điều khiển được lập trình để xử lý tín hiệu từ cảm biến và điều chỉnh tốc độ động cơ, đảm bảo robot luôn bám theo đường line với độ chính xác cao nhất.

2.1. Lựa Chọn Bánh Xe và Động Cơ

Bánh xe được lựa chọn dựa trên tiêu chí tốc độ cao, độ bám đường tốt và khả năng quay gấp. Động cơ DC được chọn vì có khả năng điều chỉnh tốc độ linh hoạt thông qua PWM (Pulse Width Modulation). Việc tính toán mô men xoắn và công suất của động cơ phải đảm bảo xe có thể chuyển động với vận tốc tối ưu mà không mất ổn định điều khiển.

2.2. Cấu Trúc và Sắp Xếp Linh Kiện

Thân xe được thiết kế với kích thước tối ưu để cân bằng trọng lượng và tốc độ di chuyển. Cảm biến được sắp xếp ở phía trước để phát hiện đường line sớm nhất. Hệ thống điệu khiển bao gồm vi điều khiển, driver động cơ TB6612, pin và bộ cảm biến được lắp ráp tối ưu để giảm thiểu trễ tín hiệu và tăng hiệu suất hoạt động.

III. Hệ Thống Cảm Biến và Xử Lý Tín Hiệu

Hệ thống cảm biến là trái tim của robot dò line, quyết định khả năng phát hiện đường line và độ chính xác bám đường. Cảm biến quang học TCRT5000 được sử dụng để phát hiện đường line màu đen trên nền trắng thông qua nguyên lý phản xạ ánh sáng. Tín hiệu từ cảm biến được xử lý bằng vi điều khiển để xác định sai lệch vị trí của robot so với đường line trung tâm. Giải thuật xử lý tín hiệu sử dụng phương pháp so sánh hoặc xấp xỉ để quyết định mức điều khiển cho từng động cơ. Kết quả là robot có thể bám theo đường line với độ chính xác cao và phản ứng nhanh với các thay đổi hướng đi.

3.1. Nguyên Lý Hoạt Động Cảm Biến TCRT5000

Cảm biến TCRT5000 sử dụng diode phát sáng hồng ngoại phát ra tia sáng và photodiode để nhận ánh sáng phản xạ. Khi đường line màu đen xuất hiện, lượng ánh sáng phản xạ giảm, dẫn đến thay đổi giá trị điện áp đầu ra. Thí nghiệm cho thấy phạm vi hoạt động tối ưu khoảng 2-5mm từ bề mặt đất.

3.2. Thuật Toán Xử Lý và Điều Khiển

Giải thuật xử lý tín hiệu cảm biến sử dụng phương pháp so sánh ngưỡng hoặc xấp xỉ đa thức để xác định vị trí tương đối của đường line. Bộ điều khiển PID tính toán sai số giữa vị trí hiện tại và vị trí mong muốn, từ đó điều chỉnh tốc độ động cơ phù hợp để bám theo đường line mượt mà và ổn định.

IV. Kết Quả Thực Nghiệm và Hiệu Suất Robot

Thí nghiệm thực tế cho thấy robot dò line tốc độ cao đã đạt được hiệu suất xuất sắc trong việc bám theo đường line trên sa bàn được thiết kế. Robot thành công phát hiện và tự động thực hiện đổi hướng ở các đoạn vuông góc, phát hiện các đoạn giao cắt và duy trì tốc độ ổn định trong quá trình di chuyển. Kết quả mô phỏng có sự phù hợp cao với kết quả thực tế, chứng minh tính chính xác của mô hình toán và giải thuật điều khiển. Sai số trung bình trong bám line ở các đoạn khác nhau đều nằm trong giới hạn chấp nhận được, cho phép robot chuyển động liên tục từ vị trí START đến END một cách chính xác.

4.1. Các Chỉ Tiêu Hiệu Suất Chính

Tốc độ di chuyển của robot đạt được khoảng 1-2 m/s tùy theo cấu hình PWM của động cơ. Độ chính xác bám line được đo bằng sai số trung bình giữa vị trí thực tế và vị trí mong muốn, kết quả cho thấy sai số dưới 50mm ở hầu hết các đoạn đường. Thời gian xử lý từ khi cảm biến phát hiện đến khi động cơ thay đổi tốc độ rất nhanh, đảm bảo robot phản ứng kịp thời với các thay đổi đường line.

4.2. Khả Năng Xử Lý Các Tình Huống Phức Tạp

Robot có khả năng phát hiện và xử lý các tình huống phức tạp như đoạn giao cắt, đoạn quay vuông góc và các khu vực có độ cong khác nhau. Giải thuật điều khiển được tối ưu hóa để tự động quyết định hướng đi khi phát hiện giao cắt, không cần can thiệp thủ công. Kết quả thí nghiệm trên sa bàn quy định cho thấy robot đã hoàn thành toàn bộ quỹ đạo từ A → B → C → D → E → F → C → G → A → C → E một cách liên tục và chính xác.

Trích đoạn nội dung tài liệu

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN Robot dò line là một trường hợp đặc biệt của mobile robot, trong đó robot sẽ nhận biết vị trí tương đối của robot và bám theo đường line (line từ, line màu) đã có. Hiện nay [1] robot dò line được ứng dụng rộng rãi trong môi trường kho bãi, nhà xưởng, cảng … để [6][8] vận chuyển hàng hóa, dùng làm nền tảng cho nhiều nghiên cứu về kỹ thuật nhận diện [18] [16][25][26][28] và thiết kế bộ điều khiển cũng như đề tài cho nhiều cuộc thi về kỹ thuật. Để thiết kế và vận hành một robot dò line, tất cả các yếu tố kỹ thuật cấu thành của robot đều cần được quan tâm: sơ đồ nguyên lý, loại cảm biến, động cơ, cấu trúc điều khiển và giải thuật điều khiển được sử dụng. Rất nhiều sơ đồ nguyên lý có thể được ứng dụng cho việc chế tạo robot dò line.

Để đạt được tốc độ và khả năng bám đường, sơ đồ nguyên lý của các loại xe đua điều khiển từ xa (RC racing cars) có thể được sử dụng. Có hai loại sơ đồ nguyên lý chung cho các loại xe đua chuyên chạy trên mặt đường phẳng: - Loại 1(Hình 1.1a) sử dụng trục truyền động cho trục trước và sau xe (Khung xe của hãng Awesomatrix, TAMIYA TT01, Overdose Divall…).1b) sử dụng đai răng truyền động cho trục trước và sau xe (Khung xe của hãng Sakura D3 CS, Serpent VETEQ 02, TA04 EPRO…). Những sơ đồ nguyên lý này có đặc điểm hạn chế được hiện tượng trượt giữa các bánh khi xe thực hiện đổi hướng, tuy nhiên thiết kế cơ khí phức tạp và bán kính cong nhỏ nhất của xe sẽ bị giới hạn bởi kết cấu của xe.1 Sơ đồ nguyên lý RC racing cars (a) loại truyền động trục; (b) loại truyền động đai 2 ĐỒ ÁN THIẾT KẾ HỆ THỐNG CƠ ĐIỆN TỬ GVHD: TS. Nguyễn Tấn Tiến Một sơ đồ nguyên lý hiện nay của rất nhiều xe đua dò line như HBFS-2 (Robot RobotChallenge 2015) và Sylvestre (COSMOBOT 2012, CRJET International Robotics Competition 2010), Johnny-5 (IGVC), Thunderbolt (Robot Challenge 2014)… sử dụng hai bánh chủ động được điều khiển độc lập kết hợp với bánh đa hướng (Hình 1.

Sơ đồ nguyên lý này có đặc điểm kết cấu, mô hình động học đơn giản, dễ hiệu chỉnh sai số hệ [5] thống và cho phép xe di chuyển được theo bán kính rất nhỏ, kể cả việc quay tại chỗ , tuy nhiên xe lại rất dễ bị trượt theo phương pháp tuyến khi thực hiện việc bám theo các đoạn đường bán kính nhỏ ở tốc độ cao. Ngoài ra, một dạng khác của sơ đồ nguyên lý này cũng được các xe đua như CartisX04 (All Japan Micromouse 2015), Mouse (RobotChallenge 2014)… sử dụng (Hình 1. Ở sơ đồ này, mỗi bánh xe vi sai chủ động được thay bằng một cặp bánh, giúp xe dễ cân bằng hơn, tuy nhiên kết cấu cơ khí phức tạp hơn và luôn xuất hiện hiện tượng trượt bánh khi xe đổi hướng.2 Sơ đồ nguyên lý hai cặp chủ động vi sai (a) Loại 2 bánh; (b) Loại 4 bánh Về cảm biến, phần lớn các robot dò line hiện nay sử dụng các loại cảm biến quang để nhận biết vị trí tương đối của đường line so với xe, từ đó xử lí để đưa ra tín hiệu điều khiển. Có hai phương pháp thường được sử dụng cho robot dò line là phương pháp sử dụng camera và các loại cảm biến quang dẫn: [3][6][7][8] - Ở phương pháp camera, thiết bị thu hình ảnh từ đường line thực tế (robot Johny-5 trong cuộc thi IGVC), sau đó xử lí và đưa ra tín hiệu điều khiển.

Đặc điểm của phương pháp này là có thể đạt được độ chính xác rất cao, tuy nhiên phương pháp này ít được dùng trong các cuộc thi đua xe line màu do khối lượng xử lí nhiều, dẫn đến hạn chế tốc độ tối đa của xe. - Phương pháp thứ hai được ứng dụng phổ biến cho hầu hết các loại trong các cuộc thi robot dò line hiện nay. Một số loại cảm biến có thể được sử dụng như quang [12] điện trở (robot ALF trong cuộc thi ROBOCON Malaysia 2006) hoặc photo- [10][11][13] transistor kết hợp với LED. Hai loại cảm biến này có nguyên tắc hoạt động giống nhau, bộ thu sẽ thu tín hiệu ánh sáng phản xạ từ bộ phát xuống mặt 3 ĐỒ ÁN THIẾT KẾ HỆ THỐNG CƠ ĐIỆN TỬ GVHD: TS.

Nguyễn Tấn Tiến đất, từ đó xử lí để xác định vị trí của đường line. Mặc dù vậy, photo-transistor được ứng dụng nhiều hơn bởi nó cho thời gian đáp ứng nhanh hơn quang điện trở. Nhiều đội đua như Pika (ROBOXY 2015, ROBO ~ Motion 2015…), Silvestre, Bolt (Konkursie robotów SEP Gdańsk 2015), Thunderbolt… đều đã sử dụng photo-transistor cho bộ phận dò line. Đối với các loại cảm biến quang, tín hiệu tương tự từ cảm biến sẽ được hiệu chuẩn [19] [18] và xử lí bàng các giải thuật so sánh hoặc xấp xỉ để tìm ra vị trí tương đối của robot dò line với tâm đường line.

- Phương pháp thứ nhất dùng bộ so sánh để xác định trạng thái đóng/ngắt của các [12][19][21][27] sensor, sau đó suy ra vị trí xe theo một bảng trạng thái đã được định sẵn (Hình 1. Với phương pháp này, sai số dò line sẽ phụ thuộc vào số khả năng phân biệt các trạng thái của hệ thống, hay khoảng cách giữa các sensor. Phương pháp này có đặc điểm phụ thuộc chủ yếu vào mức ngưỡng so sánh của các sensor, do đó tốc độ xử lý rất nhanh. 00011000 Line nằm giữa 00000110 Line nằm lệch bên phải 01100000 Line nằm lệch bên trái Tín hiệu mức thấp tại vị trí không có line Tín hiệu mức cao tại vị trí có line Hình 1.3 Giải thuật xử lí tín hiệu bằng phương pháp so sánh - Phương pháp thứ hai xấp xỉ ra vị trí của xe so với tâm đường line từ các tín hiệu [18] tương tự từ cảm biến.

Có 3 giải thuật xấp xỉ được giới thiệu đó là xấp xỉ theo bậc 2, tuyến tính và theo trọng số (Hình 1.) với sai số dò line lần lượt là 5.6mm trong thí nghiệm được thưc hiện ở. Đặc điểm của phương pháp này là phụ thuộc chủ yếu vào thời gian đọc ADC tất cả các sensor của vi điều khiển, do đó thời gian xử lý sẽ lâu hơn phương pháp 1. Tuy nhiên độ phân giải cao hơn đáng kể so với phương án đầu. 4 ĐỒ ÁN THIẾT KẾ HỆ THỐNG CƠ ĐIỆN TỬ GVHD: TS.

Nguyễn Tấn Tiến Hình 1.4 Giải thuật xử lý tín hiệu cảm biến bằng phương pháp xấp xỉ[18] (a) Xấp xỉ bậc 2; (b) Xấp xỉ theo trọng số Về loại động cơ, các xe đua dò line như Pika, HFBS-2, CartisX04, Thunderstorm, Impact… đều sử dụng động cơ DC có gắn encoder làm cơ cấu chấp hành. Đặc điểm của động cơ DC đa dạng về kích thước, momen, chủng loại driver; dễ dàng lắp đặt và điều khiển chính xác do có thể kết hợp thêm encoder và được ứng dụng thêm bộ điều khiển PID để có thể điều chỉnh tốc độ hoặc vị trí chính xác theo yêu cầu. Về cấu trúc điều khiển, robot dò line có các module chính bao gồm module sensor, module điều khiển và module điều khiển động cơ. Trong đó có hai phương pháp chính để kết nối các module đó với nhau là phương pháp điều khiển tập trung và phân cấp: - Trong phương pháp điều khiển tâp trung, một MCU nhận tín hiệu từ cảm biến, xử lí dữ liệu rồi truyền tín hiệu điều khiển cho cơ cấu tác động.

Đây là cấu trúc được sử dụng khá nhiều trong các xe đua dò line thực tế như xe CartisX04, Le’Mua (Robot Challenge 2015), Pika. Cấu trúc điều khiển tập trung có đặc điểm phần cứng đơn giản, tuy nhiên MCU phải xử lý tất cả thông tin trước khi cập nhật thông tin mới. - Trong phương pháp điều khiển phân cấp, nhiều hơn một MCU sẽ được sử dụng trong hệ thống. Bên cạnh MCU master đảm nhiệm việc tính toán tổng thể, một số [18] robot còn có thêm 1 Slave MCU chuyên xử lí tín hiệu encoder hoặc 1 slave [19] MCU để xử lí tín hiệu từ sensor (Robot ALF).

Ngoài ra, các robot dò line dùng camera thường có một MCU slave chuyên xử lí hình ảnh, rồi chuyển dữ liệu về [20] MCU master. Cấu trúc này giúp giảm nhẹ khối lượng tính toán cho master và [19][20] cho phép robot thực hiện nhiều tác vụ cùng lúc. Cấu trúc điều khiển phân cấp có đặc điểm phần cứng phức tạp hơn, phải quan tâm đến vấn đề giao tiếp giữa các MCU, tuy nhiên có khả năng xử lý nhiều tác vụ cùng lúc, giúp cho thời gian lấy mẫu của hệ thống nhanh hơn khi sử dụng cấu trúc tập trung. Giải thuật điều khiển được dùng phổ biến cho các xe đua dò line là bộ điều khiển [24] PD, PID, FIC cho hệ thống lái của xe kết hợp với PID cho từng động cơ như xe Bolt, Pika, Major (Robocomp 2014), Thunderstorm… Ngoài ra, một bộ điều khiển phổ biến [25][26][28] khác thường được ứng dụng cho mobile robot là bộ điều khiển tracking.

Thực [28] nghiệm từ cho thấy bộ điều khiển này có thể giúp sai số bám line của robot trên đoạn 5 ĐỒ ÁN THIẾT KẾ HỆ THỐNG CƠ ĐIỆN TỬ GVHD: TS. Nguyễn Tấn Tiến đường thẳng và cong; đạt sai số tối đa 150mm khi gặp các đoạn line gấp khúc và tối đa 0 250mm khi robot thực hiện đổi hướng 90. Bên cạnh đó, một số xe có áp dụng thêm khả năng ghi nhớ đường đi nhằm thay đổi các thông số điều khiển ứng với từng cung đường, giúp tăng khả năng đáp ứng của xe sau mỗi lần chạy như xe Silvestre và CartisX04; một [22] giải thuật tự học đường là Q-Learning đã được mô tả trong. Tuy nhiên để áp dụng các giải thuật này, robot cần sử dụng thêm cảm biến gyro để nắm được trạng thái gia tốc của xe trong suốt quá trình chuyển động.

Với mục tiêu thiết kế và chế tạo robot bám được sa bàn với tốc độ cao, đầu bài cho bài toán thiết kế cần được đặt ra cho vận tốc tối đa của robot trên sa bàn, khả năng đổi hướng của robot và sai số tối đa của robot trong quá trình bám theo đường line. Về vận tốc tối đa, vận tốc cực đại trung bình của của các robot như Pika, HBFS-2, Sylvestre, Thunderbolt, Thunderstorm, Impact… tại các cuộc thi đều đạt từ 1. Về khả năng đổi hướng, ngoài việc robot có thể bám được bán kính cong 500mm (đoạn G →B, D→F Hình 0.) trên sa bàn, robot còn phải có khả năng bám theo đường 0 line tại các vị trí line bị cắt đột ngột (điểm B, D, F, G Hình 0.) và vị trí góc 90 (điểm A Hình 0.