Bối cảnh và vấn đề nghiên cứu

Trong xu thế hiện đại hóa quy trình công nghiệp và phát triển sản xuất thông minh, nhu cầu tự động hóa khâu vận chuyển, bốc dỡ và lưu kho nguyên vật liệu ngày càng trở nên cấp thiết. Hệ thống xe tự hành AGV (Automated Guided Vehicle) đóng vai trò trung tâm trong luồng vận chuyển nội bộ tại các nhà máy, kho bãi, bệ nền lắp ráp linh hoạt, cũng như trong các môi trường dịch vụ đặc thù như bệnh viện và văn phòng. Việc triển khai AGV giúp cắt giảm chi phí nhân công, tối ưu hóa năng suất vận hành, giảm thiểu sai sót trong khâu kiểm kê và nâng cao mức độ an toàn lao động.

Đề tài đồ án chuyên ngành Công nghệ Kỹ thuật Ô tô (Viện Kỹ thuật HUTECH) tập trung giải quyết bài toán: Tính toán, thiết kế và chế tạo hệ thống xe tự hành bám đường và tránh vật cản.

Mục tiêu và nhiệm vụ nghiên cứu

Mục tiêu trọng tâm của đề tài là xây dựng hoàn chỉnh một mô hình xe tự hành dẫn hướng bằng vạch kẻ đường, có khả năng phát hiện vật cản, tự động điều hướng và dừng đỗ chính xác tại các vị trí chỉ định. Các nhiệm vụ cụ thể được xác định trong văn bản gồm:

  1. Thiết kế và chế tạo kết cấu cơ khí: Xây dựng cơ cấu xe chở hàng hóa kích thước nhỏ với tải trọng làm việc tối đa $10\text{ kg}$ (bao gồm trọng lượng bản thân xe), đảm bảo độ cứng vững, ổn định động học khi vận hành.
  2. Thiết kế hệ thống mạch điều khiển và công suất: Xây dựng khối mạch điện tử tích hợp vi điều khiển, mạch công suất động cơ và các cổng giao tiếp vào/ra để kết nối đồng bộ các cụm cảm biến.
  3. Lập trình thuật toán điều khiển chuyển động: Đảm bảo xe vận hành ổn định với vận tốc $10\text{ m/phút}$, sai lệch vị trí dừng đỗ lớn nhất không quá $10\text{ mm}$ và sai lệch góc thân xe tại điểm dừng nhỏ hơn $3^\circ$.
  4. Tích hợp hệ thống an toàn và nhận dạng đường đi: Cài đặt các cụm cảm biến để nhận diện vạch line dẫn hướng, phát hiện chướng ngại vật trên hành trình, phát tín hiệu cảnh báo và kích hoạt thuật toán tránh vật cản.
  5. Tính toán động lực học và cân bằng năng lượng: Xác định các thông số kéo, lực cản chuyển động, độ bền trục dẫn động và lựa chọn nguồn điện một chiều (DC) phù hợp.

Đối tượng và phạm vi nghiên cứu

  • Đối tượng nghiên cứu: Hệ thống xe tự hành AGV 4 bánh dẫn động toàn phần (4WD), cơ cấu lái bằng động cơ RC Servo và hệ thống điều khiển nhúng phân tầng.
  • Phạm vi không gian và địa hình: Mô hình hoạt động trên mặt phẳng sa bàn trong phòng thí nghiệm và sân bãi phẳng, ít bụi cát.
  • Phạm vi tải trọng và kích thước: Khối lượng tải thử nghiệm $7\text{ kg}$, tải trọng tối đa $10\text{ kg}$; kích thước hàng hóa chuyên chở giới hạn trong khoảng chiều cao/rộng/dài ($H/W/L$) là $135 / 200 / 420\text{ mm}$.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp tính toán

Khung lý thuyết và mô hình tính toán

Nghiên cứu áp dụng các nguyên lý cơ bản của cơ học ô tô, sức bền vật liệu và lý thuyết điều khiển tự động:

  1. Lý thuyết động lực học chuyển động thẳng: Cân bằng lực kéo tiếp tuyến tại bánh xe chủ động theo phương trình vi phân chuyển động: $$F - F_{ms} = m \cdot a \implies F = m \cdot a + \mu \cdot m \cdot g$$ Trong đó:

    • $F$: Lực kéo cần thiết để dẫn động xe ($\text{N}$).
    • $F_{ms}$: Lực cản ma sát lăn ($\text{N}$).
    • $m$: Tổng khối lượng xe và tải trọng ($7\text{ kg}$).
    • $a$: Gia tốc tối đa của xe ($0{,}25\text{ m/s}^2$).
    • $\mu$: Hệ số ma sát lăn ($\mu = 0{,}04$, khoảng giá trị tham khảo $0{,}01 - 0{,}05$).
    • $g$: Gia tốc trọng trường ($10\text{ m/s}^2$).

  2. Lý thuyết hệ thống treo và dập tắt dao động: Phân tích đặc tính đàn hồi $Z = g(f)$ mô tả mối quan hệ giữa phản lực pháp tuyến $Z$ và độ biến dạng $f$. Sử dụng mô hình giảm chấn thủy lực hai chiều không đối xứng có van giảm tải với tỷ số hệ số cản trả/nén: $$\frac{K_t}{K_n} = 2$$ Lực cản giảm chấn tuân theo quy luật thủy lực: $$Q_g = K_g \cdot V_g^m$$ (với $m = 1$, $V_g$ là vận tốc piston giảm chấn, $K_g$ là hệ số cản). Công thức tính tần số dao động riêng của phần được treo: $$n = \frac{300}{\sqrt{f_t}} \quad (\text{dao động/phút, với } f_t \text{ tính bằng cm})$$

  3. Lý thuyết sức bền và tính toán trục: Trục dẫn động chính chế tạo từ thép cacbon kết cấu C45, kiểm tra theo các chỉ tiêu cơ tính:

    • Giới hạn bền kéo: $\sigma_b = 600\text{ N/mm}^2$
    • Giới hạn chảy: $\sigma_{ch} = 340\text{ N/mm}^2$
    • Giới hạn đàn hồi: $\sigma_{dh} = 340\text{ N/mm}^2$
    • Độ cứng tự nhiên: $217\text{ HB}$; sau nhiệt luyện đạt $40 - 42\text{ HRC}$ (tương đương $375 - 425\text{ HB}$).

  4. Cân bằng công suất nguồn điện: Điều kiện chọn nguồn $P_{pin} > P_{\text{tổng thiết bị}}$, trong đó tổng dòng tiêu thụ xác định qua công thức: $$I_{\text{tổng}} = I_{\text{siêu âm}} \times 2 + I_{\text{động cơ}} + I_{\text{servo}} + I_{\text{Arduino}} + I_{\text{Raspberry Pi}}$$ $$I_{\text{tổng}} = 43\text{ mA} \times 2 + 2\text{ mA} + 600\text{ mA} + 800\text{ mA} = 1488\text{ mA}$$

Phương pháp nghiên cứu

  • Phương pháp phân tích - tổng hợp và so sánh: Phân tích ưu nhược điểm của các cấu hình di chuyển (cơ cấu 2 bánh vs. cơ cấu 4 bánh) và các phương pháp dẫn hướng AGV (đường từ, ray dẫn, băng kẻ line, Laser LGV, GPS/RTLS).
  • Phương pháp mô hình hóa hình học (CAD): Sử dụng phần mềm SolidWorks và AutoCAD để thiết kế 3D khung vỏ, bố trí cụm truyền động và hệ thống gá đặt cảm biến theo tiêu chuẩn TT-02.
  • Phương pháp mô phỏng mạch: Ứng dụng phần mềm Proteus và MATLAB để mô phỏng đáp ứng mạch điện tử và kiểm nghiệm giải thuật logic trước khi nạp vào phần cứng.
  • Phương pháp thực nghiệm chế tạo: Gia công, lắp ráp tích hợp hệ thống phần cứng và căn chỉnh thực địa trên sa bàn đường kẻ.

Thiết kế và triển khai hệ thống kỹ thuật

Cấu trúc phần cứng và cơ cấu cơ khí

Hệ thống sử dụng nền tảng khung gầm xe đua mô hình tỷ lệ 1/10 (HSP 1/10 Electric On-Road) kết hợp với các kết cấu hợp kim nhôm gia công bổ trợ nhằm tối ưu hóa tỷ số độ bền/khối lượng.

Cụm chức năng Linh kiện / Vật liệu Thông số kỹ thuật chi tiết
Khung sườn (Chassis) HSP 1/10 Composite + Hợp kim nhôm Kích thước $400 \times 200 \times 150\text{ mm}$; Khối lượng $1{,}7\text{ kg}$; Thiết kế 2 tầng nẹp nhôm tăng cứng.
Cơ cấu truyền động 4WD (2 cầu 4 bánh chủ động) Trục truyền động chính (Main-Shaft) bằng nhôm; Láp truyền động (Dog Bone Shaft Driver) bằng thép cứng; 02 bộ vi sai trước/sau với 8 nhông vệ tinh kèm bạc đạn.
Hệ thống treo & Bánh xe Phuộc dầu Piston + Lò xo xoắn Có miếng chêm phuộc cho phép nâng cao gầm xe thêm đến $8\text{ mm}$; 04 bánh xe cao su - kim loại đường kính $64\text{ mm}$ ($R_b = 0{,}032\text{ m}$).
Cơ cấu lái Khớp quay dẫn hướng + RC Servo Góc đánh lái điều khiển bằng thanh liên kết độc lập, truyền lực từ động cơ Servo.

Hệ thống điện tử, cảm biến và chấp hành

                +-------------------------------------------------------+
                |                  NGUỒN CẤP ĐIỆN                       |
                |  - Pin LiPo 3S 11.1V 2200mAh (XT60)                   |
                |  - Khối Pin 18650 11.4V 3000mAh                       |
                +---------------------------+---------------------------+
                                            |
                         +------------------+------------------+
                         |                                     |
                         v                                     v
        +--------------------------------+   +---------------------------------+
        |     KHỐI XỬ LÝ TRUNG TÂM       |   |       KHỐI MẠCH CÔNG SUẤT       |
        |  - Raspberry Pi 4 Model B      |<->|  - Driver cầu H L298 / LM298    |
        |  - Vi điều khiển Arduino Uno R3|   |    (5-30VDC, 2A/cầu, max 25W)   |
        +---------------+----------------+   +----------------+----------------+
                        |                                     |
         +--------------+--------------+             +--------+--------+
         |                             |             |                 |
         v                             v             v                 v
+------------------+       +-------------------+ +----------+    +-------------+
| CẢM BIẾN DẪN ĐƯỜNG|       | CẢM BIẾN AN TOÀN  | |ĐỘNG CƠ KÉO|   |ĐỘNG CƠ LÁI  |
| - Cảm biến dò Line|       | - HC-SR04 (Siêu âm| | Động cơ   |   | Servo MG996R|
| - Module GM65    |       | - Cảm biến tiệm cận| | DC 550   |   | 11 kg/cm    |
| - Camera Pi v2   |       +-------------------+ | 12V 50W  |   | 0.14s/60 deg|
+------------------+                             +----------+    +-------------+
  • Động cơ kéo chính (Động cơ DC 550): Điện áp định mức $12\text{ VDC}$ (dải hoạt động $6 - 12\text{ V}$), công suất định mức $50\text{ W}$, dòng không tải $2\text{ A}$, tốc độ không tải $22000\text{ vòng/phút}$ (tại 12V), trọng lượng $220\text{ g}$, đường kính thân $35{,}8\text{ mm}$, chiều dài thân $57\text{ mm}$, trục ra đường kính $4{,}175\text{ mm}$ dài $19\text{ mm}$.
  • Động cơ góc lái (RC Servo MG996R): Hộp số toàn bộ bằng bánh răng kim loại, lực kéo $11\text{ kg/cm}$ (tại điện áp $6\text{ V}$) hoặc $9{,}8\text{ kg/cm}$ (tại $4{,}8\text{ V}$), tốc độ xoay $0{,}14\text{ s/60}^\circ$, dòng không tải khoảng $0{,}15\text{ A}$, dải nhiệt độ làm việc $0 - 55^\circ\text{C}$, trọng lượng $55\text{ g}$.
  • Mạch điều khiển công suất (Driver L298/LM298): Mạch cầu đôi H, điện áp hoạt động $5 - 30\text{ VDC}$, công suất tối đa $25\text{ W/cầu}$, dòng ra đỉnh $2\text{ A/cầu}$, kích thước $43 \times 43 \times 27\text{ mm}$, cho phép đảo chiều và điều chế độ rộng xung (PWM) tốc độ động cơ.
  • Khối xử lý và cảm biến:
    • Vi điều khiển Arduino Uno R3 đảm nhận đọc dữ liệu cảm biến thời gian thực, điều khiển xung cho driver L298 và Servo MG996R.
    • Máy tính nhúng Raspberry Pi 4 Model B phối hợp xử lý thuật toán định tuyến và xử lý ảnh từ Camera Pi Version 2.
    • Cảm biến siêu âm HC-SR04 phát hiện khoảng cách vật cản.
    • Cảm biến vạch line xác định sai lệch vị trí so với đường băng kẻ sẵn trên sàn.
    • Cảm biến quét mã GM65 và cảm biến tiệm cận hỗ trợ xác định trạm dừng đỗ.
  • Nguồn cung cấp: Pin LiPo Lion Power 3S $11{,}1\text{ VDC}$ ($2200\text{ mAh}$, dòng xả $35\text{ C}$ cực đại $77\text{ A}$, kích thước $106 \times 34 \times 24\text{ mm}$, nặng $183\text{ g}$, đầu nối XT60, sạc cân bằng IMAX B6AC / HotRC B3 20W) kết hợp hệ thống pin 18650 ($11{,}4\text{ V}$, $3000\text{ mAh}$).

Nội dung chính theo từng chương

Chương 1: Giới thiệu chung

Chương này tổng quan về vai trò của AGV trong công nghiệp và phân loại toàn diện hệ thống xe tự hành theo hai tiêu chí:

  1. Theo chức năng: Xe kéo (Towing Vehicle - kéo tải từ $8.000$ đến $60.000\text{ lbs}$), Xe chở (Unit Load Vehicle - tích hợp băng tải/khay chứa), Xe đẩy (Cart Vehicle - linh hoạt, chi phí thấp) và Xe nâng (Fork Vehicle - bốc dỡ pallet trên cao).
  2. Theo phương thức dẫn đường: Hệ thống không đường dẫn (Free path navigation: con quay hồi chuyển Gyroscope, Laser định vị cục bộ, GPS ngoài trời, RTLS) và hệ thống chạy theo đường dẫn (Fixed path navigation: đường dây từ ngầm, ray cơ khí, đường băng kẻ line, điều hướng Laser LGV).

Trên cơ sở đánh giá điều kiện kinh tế và kỹ thuật, tác giả lựa chọn giải pháp: Xe dẫn hướng theo vạch kẻ đường, dẫn động bằng động cơ 550, khung gầm 4 bánh 4WD, trang bị cảm biến siêu âm, camera Pi v2 và pin sạc LiPo 3S. Đặt ra các chỉ tiêu kỹ thuật cần đạt về sai số vị trí ($\le 10\text{ mm}$), sai số góc ($\le 3^\circ$), tốc độ định mức ($10\text{ m/phút}$) và tải trọng ($10\text{ kg}$).

Chương 2: Tính toán hệ thống cơ khí và thông số kỹ thuật

Chương 2 trình bày các bước tính toán động lực học, lựa chọn phương án và kiểm nghiệm các chi tiết cơ điện:

  • Phân tích cơ cấu di chuyển: So sánh cơ cấu 2 bánh (kết cấu đơn giản, quay vòng linh hoạt nhưng dễ mất cân bằng ma sát và dễ lật khi chở nặng) với cơ cấu 4 bánh. Tác giả quyết định chọn cơ cấu 4 bánh (2 bánh lái và chủ động phía trước, 2 bánh chủ động phía sau) trên nền khung gầm HSP 1/10 để đảm bảo khả năng chịu tải và tính ổn định.
  • Tính toán hệ thống dẫn động: Với khối lượng $m = 7\text{ kg}$, bán kính bánh xe $R_b = 0{,}032\text{ m}$, hệ số ma sát lăn $\mu = 0{,}04$, gia tốc $a = 0{,}25\text{ m/s}^2$, vận tốc tối đa $v = 0{,}5\text{ m/s}$, tỷ số truyền $i = 1$, hiệu suất truyền động $\eta = 0{,}9$, tính toán ra lực kéo cần thiết và xác định động cơ DC 550 cùng driver L298 đáp ứng đầy đủ yêu cầu mô-men.
  • Tính toán hệ thống treo và trục: Phân tích đặc tính đàn hồi của hệ thống treo giảm chấn thủy lực hai chiều, xây dựng biểu đồ $Z = g(f)$. Kiểm nghiệm ứng suất trục truyền động bằng thép C45 đảm bảo giới hạn chảy $\sigma_{ch} = 340\text{ N/mm}^2$ và độ bền sau tôi đạt $40 - 42\text{ HRC}$.
  • Tính toán cân bằng nguồn: Xác định tổng dòng tiêu thụ của toàn bộ linh kiện trên xe là $1488\text{ mA}$, từ đó chọn pin LiPo 3S $2200\text{ mAh} - 35\text{ C}$ đáp ứng tốt yêu cầu xả dòng liên tục và an toàn điện áp.

Chương 3: Thiết kế cơ khí

Tập trung vào công tác thiết kế chi tiết trên phần mềm SolidWorks và AutoCAD theo tiêu chuẩn TT-02:

  • Thiết kế mô hình 3D cho toàn bộ khung gầm xe HSP 1/10, body xe, gá đỡ cụm động cơ Servo MG996R và cụm động cơ DC 550.
  • Bố trí không gian lắp đặt cho các cụm phuộc - hệ thống treo, trục láp truyền động Dog Bone, cụm bánh xe cao su đường kính $64\text{ mm}$, cản trước, thanh chống và thanh cân bằng.
  • Tích hợp không gian đóng gói bảng mạch điện tử: bo mạch Arduino Uno R3, bo mạch Raspberry Pi 4B, module Driver L298, cảm biến siêu âm HC-SR04 ở đầu xe, cảm biến dò line phía dưới gầm và cụm pin cấp nguồn.

Chương 4: Mô hình và kết luận

Tổng kết quá trình chế tạo mô hình thực tế và đánh giá các chỉ tiêu đạt được:

  • Đánh giá tính sáng tạo và khả năng áp dụng thực tiễn của mô hình xe tự hành quy mô nhỏ trong việc mô phỏng quá trình cấp phát phôi và vận chuyển nội bộ.
  • Nhận định các hạn chế gặp phải trong quá trình thử nghiệm thực tế và đề xuất các giải pháp nâng cấp, hoàn thiện hệ thống trong các giai đoạn tiếp theo.

Kết quả và đóng góp

Kết quả kỹ thuật đạt được

Nghiên cứu đã hoàn thành việc tính toán, thiết kế và chế tạo một mô hình xe tự hành bám line và tránh vật cản hoàn chỉnh với các thông số đo kiểm thực nghiệm cụ thể:

Thông số kỹ thuật Giá trị tính toán / Thiết kế Kết quả thực nghiệm / Đáp ứng
Cơ cấu truyền động 4WD - 2 cầu 4 bánh chủ động Hoạt động đồng bộ qua trục láp thép và 2 bộ vi sai 8 nhông
Tải trọng làm việc danh định $7\text{ kg}$ Xe chuyển động vững vàng, không biến dạng khung sườn
Tải trọng chuyên chở cực đại $10\text{ kg}$ Động cơ và khung gầm đáp ứng ổn định khi di chuyển
Vận tốc làm việc ổn định $10\text{ m/phút}$ (tối đa $0{,}5\text{ m/s}$) Xe duy trì tốc độ đều trên mặt đường phẳng
Gia tốc chuyển động lớn nhất $0{,}25\text{ m/s}^2$ Đáp ứng êm dịu, không giật cục nhờ hệ thống treo
Sai lệch vị trí dừng đỗ $\le 10\text{ mm}$ Đạt chỉ tiêu thiết kế tại các trạm định trước
Sai lệch góc quay thân xe $< 3^\circ$ Cơ cấu lái Servo MG996R kiểm soát chính xác góc bánh dẫn hướng
Dòng điện tiêu thụ tổng $1488\text{ mA}$ Nguồn LiPo 3S 2200mAh đảm bảo thời gian vận hành liên tục

Đóng góp của đề tài

  1. Tích hợp thành công nền tảng RC thương mại vào nghiên cứu AGV: Khai thác hiệu quả độ bền cơ học, hệ thống treo dầu độc lập và hệ thống dẫn động 4 bánh vi sai từ khung xe HSP 1/10 để chế tạo AGV chi phí thấp, giải quyết triệt để vấn đề mất cân bằng khi chịu tải mà các xe 2 bánh thường gặp.
  2. Xây dựng giải pháp điều khiển phân tầng: Kết hợp vi điều khiển Arduino Uno R3 (xử lý phần cứng thời gian thực, đọc cảm biến, băm xung PWM) và máy tính nhúng Raspberry Pi 4 (xử lý thuật toán cao cấp, truyền thông, hình ảnh) tạo tiền đề cho các hệ thống robot tự hành đa nhiệm.

Hạn chế và hướng nghiên cứu tiếp

Hạn chế của đề tài

  • Quy mô thử nghiệm: Đề tài mới dừng lại ở việc chế tạo mô hình thực nghiệm kích thước nhỏ ($400 \times 200 \times 150\text{ mm}$), chưa thể áp dụng trực tiếp cho các dây chuyền sản xuất công nghiệp tải trọng lớn.
  • Thuật toán điều khiển: Do hạn chế về thời gian và kinh phí, các thuật toán bám line và tránh vật cản được lập trình ở mức cơ bản, chưa tối ưu hóa để thích ứng linh hoạt khi gặp các khúc cua gắt hoặc môi trường có độ nhiễu ánh sáng cao.
  • Phương thức định vị: Xe phụ thuộc hoàn toàn vào vạch kẻ đường cố định và cảm biến siêu âm cự ly ngắn; chưa tích hợp các công nghệ định vị cao cấp như quét bản đồ Laser (SLAM), Laser Guided Vehicle (LGV) hoặc định vị GPS/RTLS.

Hướng nghiên cứu phát triển

  • Nâng cấp thuật toán xử lý ảnh: Khai thác tối đa Camera Pi Version 2 bằng các giải thuật thị giác máy tính (Computer Vision) để nhận diện làn đường động, đọc mã QR định vị trạm và phân loại vật cản thông minh.
  • Mở rộng kết nối IoT và điều khiển đội xe: Tích hợp giao thức truyền thông không dây (Wi-Fi/Radio 2.4GHz) lên Raspberry Pi để giám sát trạng thái xe từ xa qua giao diện máy tính, đồng bộ hóa đường đi với nhiều robot trong cùng mạng lưới.
  • Tối ưu hóa kết cấu nâng hạ: Thiết kế thêm cơ cấu nâng hạ hàng hóa tự động (dạng Fork Vehicle hoặc Unit Load) để mở rộng chức năng tự động bốc dỡ tại trạm dừng.

Giá trị tham khảo

Tài liệu đồ án mang lại giá trị tham khảo thiết thực cho sinh viên, giảng viên và kỹ sư thuộc các ngành: Công nghệ Kỹ thuật Ô tô, Kỹ thuật Cơ điện tử, Kỹ thuật Điều khiển & Tự động hóa, và Robot học.

Các nội dung có giá trị ứng dụng cao gồm:

  • Phương pháp luận tính toán động lực học xe nhỏ: Quy trình tính chọn công suất động cơ theo lực cản ma sát lăn, tính toán hệ thống treo giảm chấn và kiểm nghiệm độ bền trục thép C45 qua xử lý nhiệt luyện.
  • Kỹ thuật cải tạo khung gầm RC chuyên dụng: Cách bố trí gá đặt động cơ bước/servo, thiết kế lại hệ thống dẫn động 4WD 2 cầu vi sai và gia cố khung xe 2 tầng bằng hợp kim nhôm.
  • Sơ đồ phối ghép phần cứng điều khiển nhúng: Bản thiết kế giao tiếp giữa Arduino, Raspberry Pi 4, Driver L298 và mạng cảm biến đa kênh (HC-SR04, GM65, Line sensor) kèm phương pháp cân bằng dòng tiêu thụ nguồn pin LiPo an toàn.

Câu hỏi thường gặp

1. Tại sao nhóm tác giả lại chọn cơ cấu di chuyển 4 bánh thay vì cơ cấu 2 bánh truyền thống?

Trong giai đoạn phân tích phương án (Chương 2), nhóm tác giả đã chỉ ra rằng cơ cấu 2 bánh tuy có ưu điểm qua cua dễ và điều khiển đơn giản nhưng khi mang tải nặng ($7 - 10\text{ kg}$) sẽ dễ bị lật và mất cân bằng ma sát khiến xe lệch hướng. Cơ cấu 4 bánh (kết hợp 2 bánh lái/chủ động phía trước và 2 bánh chủ động phía sau trên khung gầm HSP 1/10 4WD) giúp phân bổ tải trọng đồng đều, xe qua cua vững chắc khi mang tải nặng và triệt tiêu nguy cơ lật đổ.

2. Động cơ kéo chính của xe sử dụng loại nào và có thông số kỹ thuật ra sao?

Xe sử dụng động cơ điện một chiều DC 550 với các thông số kỹ thuật:

  • Điện áp định mức: $12\text{ VDC}$ (dải điện áp áp dụng $6 - 12\text{ V}$)
  • Công suất định mức: $50\text{ W}$
  • Dòng điện không tải: $2\text{ A}$
  • Tốc độ không tải: $22000\text{ vòng/phút}$
  • Kích thước: Chiều dài thân $57\text{ mm}$, đường kính thân $35{,}8\text{ mm}$, đường kính trục $4{,}175\text{ mm}$ (dài $19\text{ mm}$)
  • Khối lượng: $220\text{ g}$

3. Hệ thống lái dẫn hướng bánh trước sử dụng cơ cấu chấp hành nào?

Hệ thống lái sử dụng động cơ RC Servo MG996R chuyên dụng cho robot. Động cơ này sở hữu hộp số bánh răng hoàn toàn bằng kim loại, tạo ra lực kéo đạt $11\text{ kg/cm}$ ở điện áp $6\text{ V}$ (hoặc $9{,}8\text{ kg/cm}$ ở $4{,}8\text{ V}$), tốc độ xoay đạt $0{,}14\text{ giây/60}^\circ$, hoạt động trong dải nhiệt độ $0 - 55^\circ\text{C}$ và nặng $55\text{ g}$.

4. Nguồn điện cấp cho xe được tính toán và lựa chọn như thế nào để đảm bảo an toàn?

Tổng dòng tiêu thụ danh định của toàn bộ thiết bị (cảm biến siêu âm, động cơ, servo, Arduino Uno R3, Raspberry Pi 4) được tính toán là $1488\text{ mA}$. Nhóm tác giả lựa chọn khối pin sạc LiPo Lion Power 3S 11.1V 2200mAh với dòng xả tối đa lên tới $35\text{ C}$ ($77\text{ A}$), sử dụng chuẩn kết nối XT60 và sạc cân bằng qua bộ sạc IMAX B6AC. Hệ thống yêu cầu cài đặt mức cảnh báo điện áp không để tụt dưới $3{,}7\text{ V/cell}$ nhằm chống phù pin và cháy nổ.

5. Xe đạt được độ chính xác dừng đỗ và vận tốc vận hành là bao nhiêu?

Theo kết quả tính toán và thử nghiệm được trình bày trong đồ án, xe tự hành đạt vận tốc di chuyển ổn định khi mang tải là $10\text{ m/phút}$ (vận tốc tối đa đạt $0{,}5\text{ m/s}$ với gia tốc $0{,}25\text{ m/s}^2$). Sai lệch vị trí dừng đỗ lớn nhất đạt mức $\le 10\text{ mm}$ và sai lệch góc xoay thân xe tại điểm dừng được khống chế nhỏ hơn $3^\circ$.

Kết luận

Đồ án môn học của nhóm sinh viên ngành Công nghệ Kỹ thuật Ô tô - Viện Kỹ thuật HUTECH đã hoàn thành trọn vẹn mục tiêu tính toán, thiết kế và chế tạo thực nghiệm mô hình xe tự hành AGV bám đường và tránh vật cản. Bằng việc tích hợp khung gầm HSP 1/10 4WD bằng hợp kim nhôm cứng vững cùng hệ thống điều khiển nhúng kép Arduino Uno R3 và Raspberry Pi 4, mô hình đã đáp ứng xuất sắc các yêu cầu về tải trọng $10\text{ kg}$, vận tốc ổn định $10\text{ m/phút}$ và sai số dừng đỗ trong giới hạn $10\text{ mm}$. Công trình là tài liệu tham khảo kỹ thuật hữu ích, cung cấp quy trình thiết kế cơ điện tử bài bản và làm nền tảng vững chắc cho các nghiên cứu phát triển robot vận chuyển tự động trong công nghiệp.