Bối cảnh và vấn đề nghiên cứu

Trong lĩnh vực cơ điện tử và robot tự hành, bài toán robot dò đường (Line Following Robot) là một trong những đề tài nền tảng kết hợp chặt chẽ giữa kỹ thuật thiết kế cơ khí chính xác, mạch điện tử - cảm biến và thuật toán điều khiển tự động. Đồ án môn học "Thiết kế Hệ thống Cơ - Điện tử" tại Khoa Cơ khí, Trường Đại học Bách Khoa – ĐHQG TP. Hồ Chí Minh (học kỳ II, năm học 2016–2017) đặt ra yêu cầu cho nhóm sinh viên thực hiện trọn vẹn quy trình từ khảo sát, tính toán thiết kế, gia công chế tạo đến lập trình điều khiển một robot xe đua dò line hoạt động ổn định ở dải tốc độ cao.

Nhiệm vụ và mục tiêu nghiên cứu được xác định cụ thể trong văn bản bao gồm:

  1. Thiết kế hoàn chỉnh kết cấu cơ khí, hệ thống mạch điện - điều khiển và giải thuật phần mềm cho một robot xe đua bám vạch.
  2. Điều khiển robot di chuyển bám chính xác theo sa bàn phẳng cho trước theo trình tự các điểm nút: (START) $A \rightarrow B \rightarrow C \rightarrow D \rightarrow E \rightarrow F \rightarrow C \rightarrow G \rightarrow A \rightarrow C \rightarrow E$ (END).
  3. Đạt yêu cầu về vận tốc vận hành tối thiểu không nhỏ hơn 0,1 m/s, hướng đến mục tiêu cốt lõi là tối ưu hóa tốc độ di chuyển nhanh nhất có thể (mục tiêu thiết kế đặt ra là 1,0 m/s).

Đối tượng nghiên cứu của đồ án là mô hình xe tự hành 4 bánh sử dụng hệ dẫn động vi sai hai bánh sau, định hướng bởi hai bánh mắt trâu phía trước, tích hợp thanh cảm biến quang hồng ngoại và cấu trúc điều khiển phân cấp hai vi điều khiển. Phạm vi nghiên cứu giới hạn trong không gian sa bàn phẳng tiêu chuẩn tại phòng thí nghiệm Bộ môn Cơ - Điện tử, hoàn thành vào tháng 05 năm 2017.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp

Đề tài vận dụng tổng hợp các cơ sở lý thuyết kỹ thuật chuyên ngành để giải quyết bài toán thiết kế hệ thống cơ điện tử:

  • Động học và động lực học robot di động: Mô hình hóa phương trình chuyển động của hệ dẫn động vi sai hai bánh chủ động (Differential Drive Mobile Robot), khảo sát điều kiện trượt ngang, lật xe khi vào cua và điều kiện bám đường của các bánh xe dựa trên phản lực tiếp xúc và mô-men quán tính.
  • Lý thuyết điều khiển tự động: Ứng dụng giải thuật điều khiển bám quỹ đạo (Following Tracking) dựa trên tiêu chuẩn ổn định Lyapunov cho chuyển động bám line; kết hợp thuật toán điều khiển phản hồi PID vòng kín để ổn định vận tốc động cơ truyền động.
  • Lý thuyết dung sai và chuỗi kích thước: Áp dụng tiêu chuẩn lắp ghép cơ khí (hệ thống lỗ cơ bản, cấp chính xác IT9, mối lắp trung gian $H7/h6$) để kiểm soát độ lệch tâm trục giữa hai bánh dẫn động.
  • Kỹ thuật quang điện tử: Nguyên lý phản xạ ánh sáng hồng ngoại trên nền tương phản (đen/trắng) của cảm biến quang phototransistor kết hợp LED phát.

Phương pháp nghiên cứu kết hợp giữa tính toán giải tích, mô hình hóa tham số, nhận dạng hệ thống và thực nghiệm kiểm chứng:

  • Phân tích tổng hợp, so sánh thông số kỹ thuật từ các mô hình robot đạt giải trong và ngoài nước.
  • Thiết kế 3D và tính toán động học trên phần mềm SolidWorks.
  • Nhận dạng hàm truyền động cơ thực tế bằng công cụ System Identification Toolbox trên MATLAB.
  • Mô phỏng động học bám vạch và đáp ứng hệ thống trên môi trường MATLAB/Simulink.
  • Thu thập dữ liệu thực nghiệm thông qua giao tiếp vi điều khiển, đo đạc xung encoder và ghi nhận quỹ đạo chuyển động thực tế trên sa bàn.

Thiết kế và triển khai hệ thống

Hệ thống xe đua dò line được xây dựng trên sự tích hợp đồng bộ giữa ba phân hệ chính: cơ khí, điện tử công suất và thuật toán điều khiển nhúng.

Thiết kế cơ khí và động lực học

Kết cấu khung xe được thiết kế theo dạng 4 bánh: 2 bánh cao su dẫn động phía sau và 2 bánh mắt trâu đặt tại cụm cảm biến phía trước nhằm giữ khoảng cách cố định giữa đầu dò quang học với mặt sàn. Kích thước tổng thể được tính toán tối ưu nhằm hạ thấp trọng tâm và dịch trọng tâm về phía sau:

  • Chiều dài tổng thể: $L \approx 156\text{ mm}$; khoảng cách từ trục sau đến trọng tâm: $l_1 \approx 96\text{ mm}$; khoảng cách từ trọng tâm đến trục trước: $l_2 \approx 60\text{ mm}$.
  • Chiều cao trọng tâm: $h \approx 36\text{ mm}$; khoảng cách giữa hai bánh dẫn động: $b \approx 152\text{ mm}$.
  • Điều kiện chống lật và trượt khi vào cua được kiểm soát qua hệ bất phương trình: $v < \sqrt{\mu g R}$ và $h \le \frac{b g R}{2 v^2}$.
  • Để hạn chế rung động và duy trì độ đồng trục hai bánh dẫn động, dung sai độ đồng tâm được khống chế $\Delta \le 0,07\text{ mm}$ với cấp chính xác chế tạo IT9.
Thông số cơ khí Ký hiệu Giá trị tính toán Đơn vị
Chiều dài cơ sở $L$ 156 mm
Khoảng cách vết bánh $b$ 152 mm
Chiều cao trọng tâm $h$ 36 mm
Dung sai độ đồng tâm trục $\Delta$ $\le 0,07$ mm
Tốc độ quay trục động cơ $n$ $\approx 240$ vòng/phút

Thiết kế hệ thống điện và cảm biến

Hệ thống sử dụng thanh dò gồm 7 cảm biến hồng ngoại TCRT5000. Dữ liệu thực nghiệm xác định khoảng cách đặt cảm biến tối ưu so với mặt đường là $h = 10\text{ mm}$ (cho độ chênh lệch giá trị analog lớn nhất giữa nền đen và nền trắng) và khoảng cách giữa các tâm cảm biến kề nhau là $d = 13\text{ mm}$ nhằm tránh hiện tượng giao thoa vùng quét.

Giá trị analog sau khi hiệu chuẩn (calib) được xấp xỉ tuyến tính thành vị trí tương đối so với tâm vạch qua phương trình hồi quy $y = 0,4789x$ với sai số cực đại $\pm 3\text{ mm}$. Khối nguồn sử dụng 4 cell pin Li-ion ghép nối tiếp, cấp nguồn qua hai mạch hạ áp riêng biệt: 12V cho khối công suất động cơ và 5V cho vi điều khiển. Khối chấp hành dùng mạch cầu H kép TB6612 (dòng đỉnh 1,2A, tần số PWM 100 kHz) điều khiển 2 động cơ DC GA25 V1 gắn encoder 374 xung/vòng.

Kiến trúc điều khiển và thuật toán

Hệ thống áp dụng cấu trúc điều khiển phân cấp hai vi điều khiển thông qua giao tiếp nối tiếp:

  • Master (Arduino Nano): Đọc tín hiệu analog từ 7 cảm biến quang, tính toán sai số vị trí $e_2$, xử lý luật điều khiển Lyapunov để xác định vận tốc góc $\omega$ và vận tốc dài $v$, sau đó quy đổi thành vận tốc đặt cho từng bánh xe.
  • Slave (Arduino Uno): Tiếp nhận giá trị vận tốc đặt từ Master, đọc phản hồi tần số xung encoder của 2 động cơ, thực thi thuật toán PID vòng kín để điều chế độ rộng xung (PWM) cấp cho driver TB6612.
Khối chức năng Vi điều khiển Nhiệm vụ chính Chu kỳ / Tần số
Khối Master Arduino Nano Thu nhận cảm biến, tính toán sai số $e_2$, giải thuật Lyapunov $T_s = 0,06\text{ s}$
Khối Slave Arduino Uno Đọc 2 kênh encoder, thực thi 2 vòng điều khiển PID vận tốc $T_s = 0,01\text{ s}$

Hàm truyền hệ thống động cơ - driver được nhận dạng qua thực nghiệm: $$G_1(s) = \frac{318}{1 + 0,055s}; \quad G_2(s) = \frac{351}{1 + 0,061s}$$ Bộ thông số PID sau khi tinh chỉnh thực tế đạt $K_p = 0,55$ và $K_i = 0,001$, mang lại thời gian xác lập $t_s \approx 0,08\text{ s}$.

Nội dung chính theo từng chương

Chương 1: Tổng quan

Chương 1 tiến hành khảo sát và phân loại các mô hình robot dò line tiêu biểu trong nước (Không Độ - Vô địch BCR 2013, TDC1 - Vô địch MCR 2014, BKC - Vô địch BCR 2015) và quốc tế (Pika - Vô địch Cyberbot 2015, Green Gaint V4.1, RR Manchester, Dave, Pinto). Tác giả so sánh các đặc tính kỹ thuật quan trọng:

  • Kết cấu 3 bánh (luôn đồng phẳng nhưng kém ổn định khi gặp gờ nối) so với 4 bánh (chống lật tốt, ổn định khi vượt mối ghép sa bàn).
  • Cảm biến thu phát quang (thời gian đáp ứng $15\ \mu\text{s}$, chi phí thấp) so với camera xử lý ảnh ($6 - 10\text{ fps}$, chi phí cao, giải thuật phức tạp).
  • Phương pháp đọc analog (độ chính xác cao, giải thuật xấp xỉ) so với digital (đọc nhanh nhưng độ phân giải thấp).
  • Cấu trúc điều khiển tập trung so với phân cấp Master - Slave.
  • Các bộ điều khiển bám line: On-Off, PID, Fuzzy, Self-tuning Fuzzy PI và Following Tracking.

Chương 2: Lựa chọn phương án

Dựa trên phân tích ưu nhược điểm, nhóm tác giả lựa chọn giải pháp kỹ thuật tối ưu cho bài toán đua tốc độ:

  • Cơ khí: Mô hình 4 bánh theo nguyên lý robot Pika (2 bánh cao su dẫn động phía sau, 2 bánh mắt trâu đỡ thanh cảm biến phía trước).
  • Cảm biến: Thanh 7 cảm biến quang TCRT5000 đọc tín hiệu analog.
  • Cấu trúc điều khiển: Hệ phân cấp 2 vi điều khiển Master - Slave nhằm tối ưu hóa thời gian tính toán thời gian thực.
  • Bộ điều khiển: Giải thuật Following Tracking dựa trên tiêu chuẩn ổn định Lyapunov.

Chương 3: Thiết kế

Nội dung chương 3 trình bày toàn bộ các bước tính toán thiết kế chi tiết:

  • Tính toán cơ khí: Xác định phân bố trọng tâm, phương trình cân bằng lực động học khi chuyển động thẳng và vào cua, tính công suất có ích động cơ ($P \approx 2(P_{st} + P')$) và kiểm tra mô-men chống trượt bánh. Tính toán chuỗi kích thước và xác lập dung sai chế tạo đồ gá trục động cơ đạt cấp IT9.
  • Thiết kế điện - điện tử: Tính toán điện trở phân áp cho TCRT5000 ($R_1 = 62,5\ \Omega$, $R_2 = 12,5\text{ k}\Omega$). Khảo sát vùng quét quang học xác định độ cao lắp ráp $10\text{ mm}$ và cự ly giữa các mắt cảm biến $13\text{ mm}$. Thiết kế mạch hạ áp phân đoạn cấp nguồn pin Li-ion.
  • Lập trình và mô phỏng: Thiết lập mô hình toán động học vi sai, xây dựng hàm Lyapunov $V = \frac{1}{2}e_1^2 + \frac{1}{2}e_2^2 + \frac{1 - \cos e_3}{k_2}$ để chứng minh tính ổn định tiệm cận. Mô phỏng chuyển động trên 2 đoạn sa bàn trong Simulink:
    • Đoạn 1: Sai số lớn nhất đạt $13,5\text{ mm}$, tốc độ bánh xe cực đại $270\text{ vòng/phút}$.
    • Đoạn 2: Sai số lớn nhất đạt $21\text{ mm}$, tốc độ bánh xe cực đại $300\text{ vòng/phút}$.
  • Xử lý các điểm đặc biệt: Cố định tỷ số tốc độ 2 bánh để vượt nút giao số 8 và lập trình timer cưỡng bức tốc độ bánh khi bẻ cua $90^\circ$.

Chương 4: Kết quả thực nghiệm

Chương 4 ghi nhận quá trình thử nghiệm xe thực tế trên sa bàn thi đấu:

  • Robot hoàn thành toàn bộ lộ trình khép kín theo đề bài với tổng thời gian 34 giây.
  • Vận tốc trung bình thực tế đạt $0,4\text{ m/s}$.
  • Tác giả phân tích hiện tượng sai số bám vạch tăng cao tại các góc cua gắt ($F, G, A$) dẫn đến dao động trước khi ổn định lại.
  • Xác định nguyên nhân sai lệch giữa thực nghiệm và mô phỏng: mô hình tính toán bỏ qua khối lượng quán tính các cụm chi tiết, ma sát trượt thực tế, độ trễ cơ điện của động cơ, sai lệch cơ khí khi gia công và hiện tượng nhiễu ánh sáng môi trường.

Chương 5: Biểu đồ Ganlt

Trình bày sơ đồ phân bổ tiến độ triển khai đề tài trong học kỳ, bao gồm các mốc thời gian cụ thể cho việc nghiên cứu tổng quan, lựa chọn phương án, thiết kế cơ - điện, mô phỏng giải thuật, gia công lắp ráp và thực nghiệm hiệu chỉnh.

Kết quả và đóng góp

Hạng mục chỉ tiêu Giá trị mô phỏng / Thiết kế Giá trị thực nghiệm Đánh giá trạng thái
Lộ trình di chuyển Đầy đủ sa bàn $A \rightarrow \dots \rightarrow E$ (34 s) Hoàn thành lộ trình
Vận tốc trung bình $0,8 - 1,0\text{ m/s}$ $0,4\text{ m/s}$ Thấp hơn dự kiến
Thời gian đáp ứng động cơ $< 0,10\text{ s}$ $0,08\text{ s}$ Đạt yêu cầu
Sai số bám vạch lớn nhất $21\text{ mm}$ Ghi nhận tăng tại góc cua Cần hiệu chỉnh phần cứng

Đóng góp kỹ thuật chính của đồ án:

  • Xây dựng thành công một quy trình thiết kế cơ điện tử khép kín từ mô hình hóa động học, tính toán dung sai lắp ghép đến tích hợp phần cứng hoàn chỉnh.
  • Đưa thuật toán bám quỹ đạo phi tuyến Following Tracking dựa trên hàm Lyapunov vào ứng dụng điều khiển robot dò vạch trên nền tảng vi điều khiển giá thành thấp, thay thế các phương pháp điều khiển rẽ hướng trực tiếp truyền thống.
  • Cung cấp dữ liệu khảo sát thực nghiệm chi tiết về đặc tính phản xạ quang học của cảm biến TCRT5000 và phương pháp hồi quy tuyến tính tín hiệu phục vụ xác định sai số bám vạch.

Hạn chế và hướng nghiên cứu tiếp

Hạn chế được tác giả chỉ ra từ kết quả thực nghiệm:

  • Vận tốc thực tế ($0,4\text{ m/s}$) chưa đạt mục tiêu thiết kế ban đầu ($1,0\text{ m/s}$) và thấp hơn kết quả mô phỏng ($0,8\text{ m/s}$).
  • Tại các khúc cua gắt, xe xuất hiện hiện tượng dao động lớn do thời gian trễ của hệ thống cảm biến và quán tính cơ khí.
  • Khung xe và gá trục chưa đạt độ đồng tâm lý tưởng; cụm cảm biến chưa có hộp chắn sáng chuyên dụng nên dễ bị ảnh hưởng bởi ánh sáng môi trường.

Đề xuất cải tiến của nhóm tác giả:

  • Gia công lại toàn bộ khung thân và đồ gá động cơ bằng vật liệu nhôm định hình nhằm đảm bảo độ cứng vững và độ đồng tâm trục chính xác.
  • Thay thế động cơ có dải công suất, mô-men xoắn và tốc độ đáp ứng cao hơn để đáp ứng yêu cầu vận hành ở tốc độ cao.
  • Thiết kế chụp che sáng quang học cho dàn cảm biến; bổ sung thêm các cảm biến phụ chuyên trách phát hiện giao lộ và vạch chuyển tiếp.

Giá trị tham khảo

Đồ án là tài liệu tham khảo hữu ích cho sinh viên, giảng viên và kỹ sư thuộc các chuyên ngành Kỹ thuật Cơ điện tử, Kỹ thuật Điều khiển & Tự động hóa, và Robot học:

  • Phần tính toán cơ khí: Cung cấp phương pháp tính toán động lực học chống trượt, chống lật và chuỗi kích thước dung sai lắp ghép $H7/h6$ chi tiết cho kết cấu robot di động vi sai.
  • Phần điện - cảm biến: Cung cấp bảng thông số thực nghiệm, khoảng cách lắp đặt tối ưu và giải thuật calib dãy cảm biến TCRT5000 bằng hồi quy tuyến tính.
  • Phần điều khiển: Cung cấp quy trình nhận dạng hàm truyền động cơ trên MATLAB và cấu trúc phân chia tác vụ Master - Slave hỗ trợ giảm tải tính toán thời gian thực cho hệ thống nhúng.

Câu hỏi thường gặp

1. Vì sao nhóm tác giả lựa chọn kết cấu 4 bánh kiểu Pika thay vì kết cấu 3 bánh kiểu Pinto?
Mặc dù xe 3 bánh có ưu điểm luôn đảm bảo tính đồng phẳng của các bánh xe, nhưng sa bàn thi đấu được ghép từ nhiều mảnh phẳng tạo ra các gờ nối. Kết cấu 4 bánh có khả năng giữ ổn định tốt hơn khi vượt qua các mối ghép này. Ngoài ra, việc bố trí 2 bánh mắt trâu ở cụm đầu xe giúp duy trì khoảng cách cố định giữa thanh cảm biến và mặt sàn, giảm sai số quang học khi xe di chuyển ở tốc độ cao.

2. Độ cao và khoảng cách giữa các cảm biến TCRT5000 được lựa chọn dựa trên cơ sở nào?
Qua thực nghiệm đo giá trị analog trên nền giấy trắng A4 ở các khoảng cách từ 0 đến 30 mm, độ cao $h = 10\text{ mm}$ cho độ chênh lệch tín hiệu lớn nhất và độ biến thiên dốc nhất khi chuyển từ nền trắng sang vạch đen. Dựa trên góc phát $16^\circ$ và góc thu $30^\circ$, khoảng cách tối thiểu giữa 2 cảm biến để không bị giao thoa quang học là $3,16\text{ mm}$. Khoảng cách bố trí thực tế được chọn là $d = 13\text{ mm}$ để vùng quét của cảm biến kế tiếp bắt đầu ngay khi cảm biến trước vừa ra khỏi tâm line.

3. Cấu trúc điều khiển phân cấp Master - Slave phân bổ nhiệm vụ cụ thể như thế nào?
Master sử dụng vi điều khiển Arduino Nano chuyên trách đọc 7 kênh analog từ cụm cảm biến, tính toán sai số vị trí $e_2$ và giải thuật bám quỹ đạo Lyapunov để tính ra vận tốc yêu cầu cho hai bánh xe. Slave sử dụng Arduino Uno nhận tín hiệu vận tốc đặt từ Master, đọc phản hồi xung từ 2 encoder động cơ và thực thi 2 vòng điều khiển PID độc lập để xuất xung PWM điều khiển động cơ qua driver TB6612.

4. Giải thuật xử lý tại vị trí nút giao số 8 và khúc cua vuông 90 độ được thiết lập ra sao?
Tại nút giao số 8, cảm biến dễ bị nhiễu do vạch cắt ngang; giải thuật xử lý bằng cách cưỡng bức vận tốc 2 bánh xe bằng nhau trong một khoảng thời gian ngắn để xe đi thẳng qua giao lộ trước khi bật lại chế độ bám line. Tại khúc cua $90^\circ$, chương trình sử dụng bộ định thời (timer) đo thời gian chạy đến vị trí cua đã biết trước, sau đó gán tức thời vận tốc bánh trái bằng 0 và bánh phải bằng 200 để xe quay góc nhanh.

5. Nguyên nhân chính khiến vận tốc thực nghiệm (0,4 m/s) thấp hơn nhiều so với mô phỏng (0,8 m/s) là gì?
Mô hình mô phỏng lý thuyết đã bỏ qua lực cản ma sát thực tế giữa bánh xe và mặt đường, lực quán tính của các cụm linh kiện, độ trễ đáp ứng cơ điện của động cơ, sai số cơ khí phát sinh từ độ lệch tâm trục hai bánh xe và các tác động nhiễu quang học từ môi trường chưa được che chắn kín.

Kết luận

Đồ án môn học "Thiết kế Hệ thống Cơ - Điện tử: Thiết kế, Chế tạo và Điều khiển Robot Xe Đua Dò Line" của nhóm sinh viên Trường Đại học Bách Khoa – ĐHQG TP. Hồ Chí Minh đã hoàn thành việc xây dựng một mô hình robot di động vi sai hoàn chỉnh cả về phần cứng lẫn phần mềm. Bằng việc ứng dụng thuật toán Following Tracking dựa trên hàm Lyapunov kết hợp điều khiển vận tốc vòng kín PID trên kiến trúc phân cấp Master - Slave, robot đã di chuyển thành công toàn bộ lộ trình sa bàn phức tạp trong 34 giây. Đồ án cung cấp một tài liệu kỹ thuật có giá trị thực tiễn cao về quy trình tính toán cơ khí chính xác, ghép nối mạch điện tử công suất và triển khai giải thuật điều khiển tự động cho các hệ thống robot tự hành.