Thuyết minh Đồ án Thiết kế hệ thống Cơ điện tử - Robot dò line ĐH Bách Khoa

Tài liệu tham khảo: Thuyết minh đồ án cơ điện tử chủ đề thiết kế Robot dò line. Báo cáo chi tiết tổng quan, phương án, thiết kế và mô phỏng.

• Tác giả: Trần Ngọc Trung
• Người hướng dẫn: PGS.TS Võ Tường Quân
• Trường học: Trường Đại học Bách Khoa, Đại học Quốc gia Thành phố Hồ Chí Minh
• Chuyên ngành: Cơ Điện Tử
• Đề tài: Thiết Kế Hệ Thống Cơ Điện Tử - Robot Dò Line
• Loại tài liệu: Đồ Án Thiết Kế
• Năm xuất bản: 2021
• Địa điểm: Thành Phố Hồ Chí Minh

Tóm tắt

I. Khái niệm và Nguyên lý hoạt động Robot dò line

Robot dò line là một loại mobile robot tự động với khả năng nhận biết và theo dõi các đường dẫn trên bề mặt mà không cần điều khiển trực tiếp từ con người. Đây là một ứng dụng quan trọng trong lĩnh vực cơ điện tử hiện đại.

Nguyên lý hoạt động của xe robot dò line dựa trên hệ thống cảm biến quang học. Robot được trang bị hai bóng LED chiếu xuống nền và hai cảm biến (quang trở) để đọc tín hiệu phản hồi. Khi robot di chuyển, nếu lệch khỏi đường line đen, ánh sáng LED sẽ chiếu vào vạch đen, gây mất tín hiệu về bộ điều khiển (IC). Lúc này, IC sẽ tính toán và điều khiển động cơ để robot quay trở lại đúng đường line. Khoảng cách giữa LED và bề mặt thường duy trì ở 2-3mm để đảm bảo độ chính xác cao nhất.

1.1. Định nghĩa Robot dò line

Robot dò line là một trường hợp đặc biệt của mobile robot có khả năng tự động nhận biết vị trí tương đối và bám theo các vật dẫn có sẵn. Nó sử dụng hệ thống cảm biến để phát hiện đường line và tính toán lộ trình di chuyển chính xác. Ứng dụng của robot này rất rộng rãi trong các lĩnh vực khác nhau của đời sống và công nghiệp hiện đại.

1.2. Nguyên lý hoạt động cơ bản

Hoạt động của robot dò line dựa trên vòng lặp phản hồi liên tục. LED chiếu sáng, cảm biến quang trở phát hiện cường độ ánh sáng phản hồi từ bề mặt. Nếu robot lệch trái, LED bên trái chiếu vào vạch đen, tín hiệu giảm, bộ điều khiển tăng tốc động cơ bên phải để quay lại. Quá trình này lặp lại liên tục với tần số cao để đảm bảo robot luôn bám sát đường line.

II. Yêu cầu kỹ thuật và Thông số thiết kế Robot dò line

Để thiết kế một robot dò line hoàn chỉnh, cần tuân thủ nhiều yêu cầu kỹ thuật nghiêm ngặt nhằm đảm bảo hiệu suất và độ tin cậy. Các yêu cầu này bao gồm các thông số về tốc độ, hình học, cảm biến, và hệ thống điều khiển.

Yêu cầu kỹ thuật chính bao gồm: tốc độ di chuyển tối thiểu 1.5m/s, bề rộng đường line 26mm với màu sắc đen trên nền trắng, bề mặt di chuyển phẳng, vận tốc tối đa 1 m/s. Robot dò line cần được trang bị hệ thống cảm biến hồng ngoại hoặc tương tự để phát hiện đường line chính xác. Số lượng bánh xe, loại động cơ, và cấu trúc khung được tùy chỉnh tùy vào thiết kế cụ thể của từng nhóm thực hiện.

2.1. Tiêu chí đánh giá và Thông số kỹ thuật

Các tiêu chí đánh giá robot dò line bao gồm: khối lượng, kích thước hình học, vận tốc trung bình, loại cảm biến sử dụng, giải thuật điều khiển (thường là PID), đường kính bánh xe, và sai số điều khiển. Những thông số này ảnh hưởng trực tiếp đến khả năng hoạt động và hiệu suất của robot trên các đường line phức tạp.

2.2. Yêu cầu cảm biến và Hệ thống điều khiển

Robot dò line cần được trang bị cảm biến quang học chất lượng cao như QRT-3RC hoặc QRT-8RC. Hệ thống điều khiển thường sử dụng giải thuật PID để điều chỉnh tốc độ động cơ một cách linh hoạt. Các cảm biến phải có độ phản ứng nhanh và độ chính xác cao để robot có thể điều chỉnh hướng đi kịp thời khi gặp các khúc cong.

III. Các mẫu Robot dò line phổ biến và So sánh

Trên thị trường hiện nay, có nhiều mẫu robot dò line được thiết kế với các cấu trúc khác nhau. Hai mẫu phổ biến nhất là thiết kế 4 bánh với 2 bánh chủ động phía sau và 2 bánh bị động phía trước (như Usain Volt 2.0), cùng với thiết kế 4 bánh chủ động (như FireBall).

Mẫu Usain Volt 2.0 có kích thước 182×130×60mm, vận tốc trung bình 1.07m/s, khối lượng 295g, sử dụng cảm biến hồng ngoại QRT-3RC. Ưu điểm là cấu trúc 4 bánh giảm nguy cơ lật khi vào khúc cong, nhưng nhược điểm là khó đảm bảo đồng phẳng 4 bánh. Mẫu FireBall với 4 bánh chủ động cung cấp linh hoạt cao hơn với khả năng gia tốc và hãm nhanh, nhưng việc đồng bộ 4 động cơ riêng biệt rất phức tạp.

3.1. Mẫu Robot hai bánh chủ động phía sau

Mẫu Usain Volt 2.0 sử dụng cấu trúc hai bánh chủ động phía sau và hai bánh bị động phía trước. Robot này đạt vận tốc trung bình 1.07m/s với khối lượng chỉ 295g. Ưu điểm chính là độ ổn định cao khi vào các khúc cong do 4 bánh, giảm nguy cơ lật. Tuy nhiên, nhược điểm là khó đảm bảo sự đồng phẳng của 4 bánh trên bề mặt không hoàn toàn phẳng.

3.2. Mẫu Robot bốn bánh chủ động

Robot FireBall với 4 bánh chủ động cung cấp linh hoạt cao hơn, cho phép di chuyển nhanh, gia tốc và hãm mạnh mẽ. Robot có độ cứng vững cao, khó lật khi chuyển hướng gấp, vận tốc trung bình 1.07m/s. Nhược điểm lớn là độ phức tạp cao do cần đồng bộ 4 động cơ riêng biệt, yêu cầu hệ thống điều khiển tinh vi hơn.

IV. Ứng dụng thực tế và Ý nghĩa phát triển Robot dò line

Robot dò line có ứng dụng rất rộng rãi trong nhiều lĩnh vực của cuộc sống hiện đại. Trong ngành vệ sinh gia đình, robot dò line được sử dụng trong các thiết bị hút bụi tự động, lau nhà tự động với khả năng tự vệ sinh nhà cửa mà không cần sự can thiệp của con người. Trong lĩnh vực công nghiệp, robot AGV (Automated Guided Vehicle) được ứng dụng rộng rãi để vận chuyển hàng hóa trong các kho, nhà xưởng, giúp tăng đáng kể năng suất sản xuất.

Ngoài ra, robot dò line còn được ứng dụng trong y tế, quân sự, và giáo dục. Sự phát triển của công nghệ này yêu cầu kỹ sư phải đối mặt với nhiều thách thức kỹ thuật liên quan đến cơ khí, điện tử, lập trình, và thuật toán điều khiển. Mục đích của các đồ án thiết kế là tạo ra hệ thống hoàn chỉnh, tối ưu hóa hiệu suất, độ chính xác, và khả năng ứng dụng thực tế của robot.

4.1. Ứng dụng trong đời sống hằng ngày

Robot dò line trong ứng dụng dân dụng bao gồm robot hút bụi tự động và lau nhà tự động. Những robot này sử dụng hệ thống điều hướng hiện đại, từ dò line vật lý đơn giản đến bảng đồ 3D được số hóa, cho phép robot xác định vị trí tương đối chính xác. Chúng hoạt động độc lập, giảm bớt gánh nặng công việc nhà cửa cho con người, đặc biệt hữu ích cho các gia đình bận rộn.

4.2. Ứng dụng công nghiệp và Tương lai phát triển

Trong công nghiệp sản xuất, robot AGV được ứng dụng để vận chuyển hàng hóa trong kho, nhà xưởng, tối ưu hóa quy trình logistics. Robot này giảm chi phí nhân công, tăng tốc độ vận chuyển, và cải thiện an toàn lao động. Sự phát triển liên tục của robot dò line mở ra những khả năng mới trong y tế, quân sự, và các lĩnh vực khác, đòi hỏi nghiên cứu sâu sắc về các hệ thống cơ điện tử tiên tiến.

Trích đoạn nội dung tài liệu

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN 1. Sơ lược về robot dò line ❖ Khái niệm về robot dò line - Robot dò line là một trường hợp đặc biệt của mobile robot, trong đó robot sẽ tự động nhận biết vị trí tương đối của robot từ đó tính toán và bám theo các vật dẫn có sẵn như đường line (line từ, line màu) để đến đích mà không cần sự điều khiển trực tiếp từ con người. ❖ Nguyên lý hoạt động của xe robot dò line - Đầu robot được gắn 2 bóng led rọi thẳng xuống dưới nền, kèm theo đó là 2 cảm biến (quang trở) để đọc tín hiệu phản hồi từ bề mặt và chuyển về ic. Khi robot hoạt động, 2 bóng led luôn cách vạch đen của nền khoảng 2-3mm, nếu robot đi sai vạch, nó sẽ khiến led sẽ chiếu vào vạch đen, điều này khiến cho ánh sáng hắt về sensor bị mất, làm mất tín hiệu về ic, lúc này, ic sẽ điều khiển để robot quay lại đúng vạch đen ❖ Yêu cầu kỹ thuật về robot dò line - Tốc độ di chuyển của robot: tối thiểu 1.5m/s - Số lượng bánh xe của robot (bao gồm bánh xe dẫn động và bánh xe bị động) được chọn tùy thuộc vào thiết kế của các nhóm.

- Trên robot được trang bị hệ thống cảm biến để giúp robot nhận biết đường line trên bề mặt sàn/mặt đất và di chuyển bám theo đường line đó. Nhóm sinh viên tự chọn loại cảm biến phù hợp. ❖ Robot dò line được ứng dụng trong nhiều mục đích: - Ứng dụng trong cuộc sống hằng ngày: robot hút bụi, lau nhà tự động, có khả năng vệ sinh nhà cửa, tuy nhiên robot đã được phát triển để không dò line vật lý mà sử dụng bảng đồ 3D được số hóa để robot xác định vị trí tương đối và thực hiện nhiệm vụ - Ứng dụng trong công nghiệp: robot AGV để vận chuyển hàng hóa trong các kho, nhà xưởng sản xuất, giúp nâng cao năng suất sản xuất của nhà máy, … - Và nhiều ứng dụng khác trong lĩnh vực y tế, quân sự, giáo dục, … Để có thể phát triển một robot dò line, thì phải nghiên cứu đến nhiều yếu tố như cơ khí, điện tử, lập trình, … nhằm tạo ra một hệ thống hoàn chỉnh, đáp ứng các mục tiêu 8 ĐỒ ÁN THIẾT KẾ HỆ THỐNG CƠ ĐIỆN TỬ GVHD: PGS.TS Võ Tường Quân đề ra. Các yếu tố kỹ thuật được liệt kê cụ thể hơn, bao gồm: sơ đồ nguyên lý, loại cảm biến, loại động cơ, cấu trúc điều khiển và giải thuật.

Một số dạng robot phổ biến ❖ Tiêu chí đánh giá - Khối lượng robot dò line - Kích thước hình học - Vận tốc trung bình - Cảm biến sử dụng - Giải thuật điều khiển - Đường kính bánh xe - Sai số 1. Các mẫu Robot dò line phổ biến Hai bánh chủ động phía sau và hai bánh bị động phía trước Hình .0 1 Bảng : Thông số kỹ thuật của Usain Volt 2.0 Thông số Giá trị Đơn vị Kích thước 182x130x60 mm Vận tốc trung bình 1,07 m/s 1 https://www.com/blog/485/jons-line-following-robot-usain-volt-2.0 9 ĐỒ ÁN THIẾT KẾ HỆ THỐNG CƠ ĐIỆN TỬ GVHD: PGS.TS Võ Tường Quân Đường kính bánh xe 60 mm Khối lượng 295 g Cảm biến Cảm biến hồng ngoại QRT-3RC Giải thuật điều khiển PID ● Ưu điểm: Do đây là dạng thiết kế 4 bánh nên khi vào các khúc đường cong sẽ khó lật hơn so với 3 bánh. ● Nhược điểm: Do 4 nên khó đảm bảo sự đồng phẳng của 4 bánh trên mặt đường - Bốn bán chủ động Bảng : Thông số kỹ thuật của FireBall Thông số Giá trị Đơn vị Kích thước 182×130×60 mm Vận tốc trung bình 1,07 m/s Đường kính bánh xe 60 mm Khối lượng 295 g Cảm biến Cảm biến hồng ngoại QRT-8RC Giải thuật điều khiển PID ● Ưu điểm:Xe di chuyển linh hoạt, gia tốc và hãm nhanh. Xe có độ cứng vững cao, khó lật khi chuyển hướng gấp.

● Nhược điểm: Xe được dẫn động bởi bốn động cơ riêng biệt nên rất phức tạp để đồng bộ các động cơ này. 10 ĐỒ ÁN THIẾT KẾ HỆ THỐNG CƠ ĐIỆN TỬ GVHD: PGS.TS Võ Tường Quân 1. Robot có kết cấu 3 bánh - Robot dò line The Chariot, có dạng ba bánh, với hai bánh sau chủ động và một bánh trước tự lựa. Hình …: Robot dò line The Chariot Bảng : Thông số kỹ thuật của The Chariot Thông số Giá trị Đơn vị Kích thước 145x90x70 mm Vận tốc trung bình 1,17 m/s Đường kính bánh xe 70 mm Khối lượng 210 g Cảm biến Cảm biến hồng ngoại QRT-8RC Giải thuật điều khiển PID ● Ưu điểm: là loại xe ba bánh nên luôn đồng phẳng, vào cua dễ dàng với bán kính cong bé, khả năng tăng tốc nhanh, khả năng chuyển hướng tốt, dễ chế tạo và ít tốn chi phí.

● Nhược điểm: Vì trọng tâm của xe xa vùng cảm biến do với hai bánh sau nên đòi hỏi tính toán bố trí cảm biến cân bằng, dễ mất cân bằng khi vào cua tốc độ quá cao. - Hai bánh chủ động phía trước và một bánh bị động phía sau 11 ĐỒ ÁN THIẾT KẾ HỆ THỐNG CƠ ĐIỆN TỬ GVHD: PGS.TS Võ Tường Quân Hình. : Robot dò line Pinto Bảng 2: Thông số kỹ thuật của Pinto 2 Thông số Giá trị Đơn vị Kích thước 210x130x120 mm Vận tốc trung bình 0,8 m/s Đường kính bánh xe 76,2 mm Khối lượng 320 g Cảm biến Cảm biến hồng ngoại QRT-8RC Giải thuật điều khiển PID ● Ưu điểm: Tổng cộng chỉ có 3 bánh à Luôn đồng phẳng - Hai bánh chủ động phía trước khi tăng tốc sẽ khó bị bốc đầu - Trọng tâm xe gần 2 bánh chủ động giúp moment quán tính giảm khi xe qua cua giúp hạn chế sự trượt. ● Nhược điểm: Cần phải tăng chiều dài giữa các cảm biến và bánh trước để đảm bảo rằng bộ phận xử lý có đủ thời gian để điều khiển motor khiến chiều dài của kích thước bao tăng làm cho Xe khó chuyển hướng 2 https://www.com/blog/494/grants-line-following-robot-pinto 12 ĐỒ ÁN THIẾT KẾ HỆ THỐNG CƠ ĐIỆN TỬ GVHD: PGS.TS Võ Tường Quân 1.

Bài toán thiết kế với các số liệu cụ thể: Thông qua việc khảo sát các mô hình có sẵn trong nước và quốc tế, nhờ các ưu nhược điểm cũng như các tiêu chí đánh giá mà nhóm đề ra. Với mục tiêu thiết kế xe đua bám line, yêu cầu xe có bộ bám sa bàn tốt, di chuyển nhanh, từ đó cần quan tâm đến các thông số như vận tốc lớn nhất cho phép trên sa bàn, khả năng chuyển hướng, sai số của xe trong quá trình di chuyển bám line. Dựa vào các sản phẩm đi trước, vận tốc trung bình của xe đạt từ 1. Khả năng đổi hướng của xe phải đáp ứng được vòng cua có bàn kính 500mm trên sa bàn.

Sai số tối đa trong quá trình di chuyển trên đường thẳng hay cong phụ thuộc vào sai số cảm biến và sai số đo bộ điều khiển. Qua các tìm hiểu trên thì thiết kế mobile platform di chuyển bám line cho trước với các yêu cầu sau: - Vận tốc lớn nhất cho phép: vmax = 1 m/s - Bán kính cong nhỏ nhất của line: ρmin = 500mm - Sai số cho phép: emax = ± 15 mm, bằng cộng trừ (độ dày line/2 + vùng quét của cảm biến ngoài cùng) = 26/2 + 2 = 15 mm 13 ĐỒ ÁN THIẾT KẾ HỆ THỐNG CƠ ĐIỆN TỬ GVHD: PGS.TS Võ Tường Quân CHƯƠNG 2: ĐỀ XUẤT VÀ LỰA CHỌN PHƯƠNG ÁN Từ tổng quan ta đi đến những đề xuất và lựa chọn phương án: 2. Đề Xuất về cơ khí - Với yêu cầu robot có thể chạy với tốc độ đối đa lên đến 1 m/s và thực hiện bấm đường line tốt, thực hiện tốt thao tác bám line ở đường cong bán kính 500 mm thì nhóm đã chọn nguyên lý hai bánh sau chủ động, bánh trước có khả năng tự lựa, robot dựa trên cảm hứng xe đua F1. Hình…: Sơ đồ nguyên lý của phương án đã lựa chọn + Thân robot có gầm thấp nhằm hạ thấp trọng tâm, tranh bị lật và giúp bám đường tốt, tăng khả năng nhận diện line của hệ cảm biến.

Cần chú ý trong việc bố tri trọng tâm cho robot. 14 ĐỒ ÁN THIẾT KẾ HỆ THỐNG CƠ ĐIỆN TỬ GVHD: PGS.TS Võ Tường Quân Hình…. : Kiểu dáng của xe F1 giúp bám đường rất tốt ở vận tốc cao + Vật liệu làm thân robot: có các vật liệu như nhôm, vật liệu cacbon, gỗ, nhựa (in 3D), mica,… Vì mục tiêu chế tạo của nhóm là phát triển xe đua nên cần chọn loại vật liệu đủ đáp ứng điều kiện bền thông thường của thân xe, có khối lượng nhẹ, dễ thực hiện quá trình chế tạo robot, vì thế nhóm đi đến quyết định chọn mica làm vật liệu chính để chế tạo khung robot.: Tấm mica Mica không quá nặng như nhôm, nhưng lại bền và dễ chế tạo bằng các công cụ cơ bản của sinh viên, dễ tìm kiếm trên thị trường, giá thành hợp lý, có nhiều độ dày và kích thước để tùy chọn. 15 ĐỒ ÁN THIẾT KẾ HỆ THỐNG CƠ ĐIỆN TỬ GVHD: PGS.TS Võ Tường Quân + Bánh chủ động cần có bề dày lớn, đường kính phù hợp với thân xe, có độ bám tốt.

Bánh xe có khả năng nối với trục động cơ. Hình… : Bánh xe chủ động + Bánh tự lựa (bánh đa hướng) có kích thước phù hợp với xe, có đường kính nhỏ, hạn chế nguy cơ lật do thay đổi trong tâm xe trong quá trình bánh đổi hướng, khả năng tự lựa tốt, sử dụng loại ít bị kẹt do bụi bẩn. Hình … : Bánh tự lựa (đa hướng) 2. Đề xuất về lựa chọn động cơ - Trên thị trường có rất nhiều loại động cơ và để phù hợp với xe dò line ta có những loại động cơ thường dùng như sau : STEP MOTOR ĐỘNG CƠ DC CÓ ĐỘNG CƠ SERVO GẮN ENCODER 16 ĐỒ ÁN THIẾT KẾ HỆ THỐNG CƠ ĐIỆN TỬ GVHD: PGS.TS Võ Tường Quân Ưu điểm: Ưu điểm: Ưu điểm: - Kiểm soát vị trí chính - Dễ điều khiển.

- Tránh được hiện tượng xác. - Hoạt động ở tốc độ trượt - Xác định chính xác khi điều khiển. hướng khi - Momen xoắn cao. - Tốc độ cao, moment quay.

- Được dùng phổ biến xoắn cao. - Dễ thiết lập và kiểm - Kiếm soát được vị trí trong các xe đua đã soát tìm hiểu, kiểm soát vị chính xác. trí chính xác -Luân chuyển chính xác trong góc giới hạn. Nhược điểm: Nhược điểm: Nhược điểm: - Động cơ dễ bị trượt - Dòng khởi động lớn.

-Thiết lập bộ điều khiển bước gây - Độ vọt lố cao phức tạp. sai lệch trong điều -Giá thành cao khiển. - Kích thước lớn và khối lượng nặng ❖ Tiêu chí chọn động cơ: - Dễ tìm kiếm trên thị trường. - Chi phí phù hợp.