Đồ án môn học: Thiết kế hệ thống cơ điện tử robot phân phối hàng hóa theo màu sắc

Tổng hợp đồ án robot phân phối hàng hóa theo màu sắc. Tài liệu trình bày chi tiết từ lựa chọn phương án, thiết kế cơ khí, điện, đến mô phỏng.

• Tác giả: Phạm Anh Đạt
• Người hướng dẫn: PGS.TS Nguyễn Duy Anh
• Trường học: Đại Học Bách Khoa Thành Phố Hồ Chí Minh
• Chuyên ngành: Khoa Cơ Khí
• Đề tài: Đồ án Robot phân loại hàng hóa theo màu sắc chi tiết
• Loại tài liệu: Đồ án môn học
• Năm xuất bản: 2022
• Địa điểm: Thành phố Hồ Chí Minh

Tóm tắt

I. Tổng quan về Đồ án Robot phân loại hàng hóa theo màu sắc

Đồ án robot phân loại hàng hóa theo màu sắc là một dự án thiết kế hệ thống cơ điện tử tiên tiến được thực hiện tại Trường Đại học Bách Khoa, Đại học Quốc gia Thành phố Hồ Chí Minh. Dự án này nhằm phát triển một robot tự hành có khả năng phân phối và sắp xếp hàng hóa dựa trên đặc tính màu sắc. Hệ thống kết hợp các công nghệ hiện đại trong lĩnh vực cơ học, điện tử và điều khiển tự động để tạo nên một giải pháp toàn diện. Robot được thiết kế để hoạt động trong các môi trường công nghiệp, kho lưu trữ và các cơ sở logistics, giúp tự động hóa quy trình phân loại hàng hóa một cách hiệu quả và chính xác. Dự án này đại diện cho sự kết hợp hoàn hảo giữa lý thuyết học thuật và ứng dụng thực tiễn.

1.1. Mục tiêu thiết kế chính của dự án

Mục tiêu chính của đồ án robot phân loại hàng hóa là phát triển một hệ thống tự động phân loại có độ chính xác cao. Robot cần nhận diện được các màu sắc khác nhau, điều hướng chính xác trên đường dẫn và vận chuyển hàng hóa đến các vị trí phân loại tương ứng. Hệ thống phải hoạt động ổn định, đáng tin cậy và có khả năng tích hợp công nghệ Bluetooth để điều khiển từ xa. Ngoài ra, dự án cũng hướng tới việc tối ưu hóa hiệu suất năng lượng và thiết kế một kiến trúc điều khiển linh hoạt.

1.2. Ứng dụng thực tiễn của hệ thống

Hệ thống phân loại hàng hóa theo màu sắc có ứng dụng rộng rãi trong các ngành công nghiệp. Từ các kho lưu trữ logistics đến các nhà máy sản xuất, robot có thể thay thế công nhân trong các công việc lặp đi lặp lại. Nó đặc biệt hữu ích trong các dây chuyền lắp ráp và quản lý hàng tồn kho. Công nghệ này cũng mở ra những cơ hội mới cho automation trong bán lẻ và các dịch vụ phân phối hàng hóa.

II. Thiết kế cơ khí và hệ thống chuyển động

Thiết kế cơ khí của robot phân loại hàng hóa dựa trên nền tảng xe bốn bánh với cơ cấu điều khiển rẽ hướng chủ động. Hệ thống sử dụng nguyên lý Ackerman để đảm bảo độ chính xác khi rẽ góc. Các tính toán chi tiết về kích thước xe, khoảng cách giữa các bánh xe và chiều dài các khâu bản lề được thực hiện để tối ưu hóa ổn định và khả năng vận hành. Động cơ dẫn động được lựa chọn dựa trên tính toán lực kéo cần thiết để vận chuyển khối lượng hàng hóa. Hệ thống bánh xe được thiết kế với vật liệu đặc biệt để đảm bảo độ bám dính tốt và tuổi thọ lâu dài.

2.1. Cơ cấu điều khiển rẽ hướng Ackerman

Cơ cấu Ackerman được sử dụng để điều khiển rẽ hướng của robot. Đây là một nguyên lý cơ học được chứng minh hiệu quả trong nhiều ứng dụng xe tự hành. Cơ cấu này bao gồm bốn khâu bản lề được tính toán cẩn thận để đảm bảo góc rẽ chính xác. Phân tích lực chi tiết được thực hiện để xác định moment xoắn cần thiết từ động cơ rẽ hướng.

2.2. Tính toán động cơ dẫn động và rẽ hướng

Quá trình lựa chọn động cơ dựa trên các tính toán chi tiết về lực kéo, moment xoắn và tốc độ. Động cơ dẫn động được tính toán để đảm bảo robot có thể vận chuyển hàng hóa với tốc độ ổn định. Động cơ rẽ hướng được thiết kế để cung cấp đủ moment xoắn để thay đổi góc rẽ hướng một cách mượt mà và nhanh chóng.

III. Hệ thống điện và các mạch điều khiển

Hệ thống điện của robot được thiết kế để tích hợp các cảm biến và bộ điều khiển một cách hiệu quả. Bo mạch tổng được thiết kế với sơ đồ khối rõ ràng, bao gồm các module cảm biến dò line, cảm biến nhận diện màu sắc, mạch driver động cơ và hệ thống giao tiếp Bluetooth. Cảm biến dò line được bố trí theo một cấu hình tối ưu để đảm bảo robot có thể theo dõi đường dẫn chính xác. Cảm biến màu sắc cho phép robot nhận diện màu của hàng hóa và phân loại chúng vào các vị trí tương ứng. Pin được lựa chọn với dung lượng đủ để đảm bảo robot hoạt động liên tục trong thời gian cần thiết.

3.1. Cảm biến dò line và nhận diện màu sắc

Cảm biến dò line được sử dụng để điều hướng robot trên đường dẫn được vẽ sẵn. Các cảm biến được bố trí ở phía dưới robot để phát hiện các vạch đường. Cảm biến màu sắc sử dụng công nghệ RGB để phát hiện màu sắc của hàng hóa. Các giá trị điện trở được tính toán chi tiết để đảm bảo độ nhạy tối ưu.

3.2. Mạch driver Bluetooth và hệ thống pin

Mạch driver động cơ được lựa chọn dựa trên các tiêu chí về dòng điện tối đa, hiệu suất và tính ổn định. Mạch Bluetooth cho phép điều khiển robot từ xa qua ứng dụng di động. Hệ thống pin được thiết kế với dung lượng được tính toán dựa trên lượng tiêu thụ năng lượng của tất cả các thành phần.

IV. Mô hình hóa điều khiển và thực nghiệm

Mô hình hóa toán học của robot được xây dựng dựa trên phương trình động học chi tiết. Hệ thống được mô phỏng để kiểm tra hiệu suất trước khi triển khai thực tế. Bộ điều khiển PID được thiết kế để điều chỉnh tốc độ động cơ và duy trì sai số đường dẫn ở mức tối thiểu. Các thử nghiệm được tiến hành trong nhiều điều kiện hoạt động khác nhau, bao gồm các trường hợp có nhiễu và không có nhiễu. Kết quả thực nghiệm cho thấy robot có thể phân loại hàng hóa với độ chính xác cao. Giao diện Bluetooth cho phép người dùng theo dõi và điều khiển quá trình phân loại một cách dễ dàng.

4.1. Mô phỏng chuyển động và kiểm tra thuật toán

Mô phỏng Matlab được sử dụng để kiểm tra lưu đồ giải thuật trước khi triển khai. Robot được mô phỏng trong các kịch bản khác nhau bao gồm các đường cong, giao lộ và các trường hợp cân cạnh. Hàm truyền động cơ được xác định thông qua các thí nghiệm lấy mẫu. Kết quả mô phỏng cho thấy robot có thể theo dõi đường dẫn với sai số nhỏ.

4.2. Kết quả thực nghiệm và phương hướng phát triển

Các thí nghiệm thực tế được thực hiện để xác thực mô mô phỏng. Robot thành công trong việc phân loại hàng hóa theo màu sắc với độ chính xác cao. Những hạn chế được phát hiện bao gồm độ trễ khi nhận diện màu trong điều kiện ánh sáng yếu. Các phương hướng phát triển tương lai bao gồm cải thiện cảm biến, tối ưu thuật toán điều khiển và mở rộng khả năng phân loại.

Trích đoạn nội dung tài liệu

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN - Ít chịu nhiễu từ môi trường - Cần phải tính toán các vị trí cảm (cường độ ánh sáng). biến để không bị hiện tượng Cảm biến cross over. - Giá thành thấp hơn camera. hồng ngoại - Xử lý tín hiệu nhanh hơn - Dễ ảnh hưởng bởi các ánh sáng camera.

- Giá thành thấp hơn camera. - Chịu nhiễu từ môi trường Cảm biến - Xử lý tín hiệu nhanh hơn (cường độ ánh sáng). quang trở camera. ❖ Nhận diện màu sắc: Theo mục tiêu thiết kế ban đầu, việc phân biệt và đưa khối hàng đến đúng vị trí chỉ định là nhờ màu sắc của khối hàng.

Khối hàng này có 2 màu: màu đỏ và màu xanh. Đây là hai màu có sự khác biệt rất lớn, về dải tần số. Do đó, để phân biệt 2 màu này, cảm biến có thể sử dụng là: Bảng 1. So sánh các cảm biến nhận diện màu sắc Ưu điểm Nhược điểm Cảm biến - Giá thành rẻ hơn camera.

- Số màu nhận diện được ít hơn màu - Xử lý tín hiệu trả về đơn giản hơn camera. - Khó xử lý các vùng màu chồng lấn. Camera - Số màu nhận diện lớn. - Giá thành cao - Có nhiều thuật toán xử lý các - Cần vi điều khiển đủ mạnh để xử vùng màu chồng lấn.

Về động cơ: Với các sơ đồ nguyên lý giới thiệu ở mục 1. các động cơ dẫn động có thể sử dụng bao gồm: động cơ bước, động cơ DC, động cơ DC kèm encoder và hộp số. 10 CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN Bảng 1. So sánh các loại động cơ dẫn động Loại Động cơ DC kèm Động cơ bước Động cơ DC động cơ encoder kèm hộp số Dạng điều - Điều khiển vòng hở - Điều khiển vòng hở - Điều khiển vòng kín khiển Độ chính - Cao - Thấp - Cao xác Ưu điểm - Không có độ vọt lố.

- Giá thành rẻ. - Có tín hiệu trả về. - Điều khiển chính xác - Phương thức điều - Tốc độ được điều theo góc quay. khiển chính xác.

- Phương thức điều - Tốc độ giảm và khiển đơn giản. moment tăng sau khi đi qua hộp giảm tốc. - Hoạt động ổn định hơn động cơ DC. Nhược - Không kiểm soát - Gây ồn và giảm hiệu - Gây ồn và giảm hiệu điểm được tốc độ khi trượt suất khi sử dụng chổi suất khi sử dụng chổi do tải.

- Khó điều khiển chính xác tốc độ của động cơ. - Giới hạn sử dụng các thuật toán điều khiển khác nhau. Về phương pháp bố trí cảm biến nhận diện đường dẫn: Các phương pháp bố trí cảm biến nhận diện đường dẫn bao gồm: bố trí theo hình chữ V, bố trí theo đường thẳng, bố trí dạng ma trận. 11 CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN Hình 1.

Các phương pháp bố trí cảm biến Về phương pháp xử lý tín hiệu trả về từ cảm biến bám line: ❖ Chuyển đổi tín hiệu từ analog sang digital: Tín hiệu đầu ra của cảm biến được lấy ngưỡng để chuyển thành các giá trị 0 và 1. Sau đó sử dụng giải thuật so sánh với các trạng thái được định sẵn để suy ra vị trí tương đối giữa đường line so với cảm biến. Phương pháp so sánh Ưu điểm: - Tốc độ xử lý nhanh. Nhược điểm: - Độ chính xác thấp.

❖ Sử dụng tín hiệu analog: Các giá trị analog đọc được xấp xỉ theo trọng số hoặc xấp xỉ hàm bậc 2 để xác định khoảng cách từ cảm biến đến tâm đường line (theo tài liệu [2]). - Phương pháp xấp xỉ hàm bậc 2: Thuật toán sẽ so sánh ra 3 cảm biến liên tiếp 12 CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN có tín hiệu cao nhất, từ đó xấp xỉ một hàm bậc 2 đi qua 3 điểm đó, so sánh tọa độ đỉnh của đường cong với gốc tọa độ (tâm xe), ta thu được sai số giữa xe và đường line. - Phương pháp xấp xỉ theo trọng số: Gán tọa độ vào các cảm biến, từ đó sử dụng công thức để tìm tọa độ của giá trị tín hiệu trung bình, dựa trên tín hiệu trả về của mỗi cảm biến. Ta quy ước tọa độ tâm xe bằng 0, do đó tọa độ trung bình đó chính là sai số giữa xe và đường line theo phương pháp này.

Thuật toán phát hiện đường line theo phương pháp a) Xấp xỉ hàm bậc 2 và b) Trung bình trọng số Khi sử dụng tín hiệu analog đọc trực tiếp từ cảm biến về, việc xét vị trí của xe đến đường line chính xác hơn. Tuy nhiên, cũng làm tăng thời gian xử lý tín hiệu. Về vi điều khiển: Đối với các dòng vi điều khiển hiện nay đều được code dựa trên ngôn ngữ chủ yếu là C/C++: - Arduino: Arduino IDE. - PIC: MPLAP, CCS-C.

- STM: CuBeIDE, Keil-C. 13 CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN Bảng 1. So sánh một số loại vi điều khiển STM32F103C8T6 AVR ATmega328p PIC16F887 CPU, xung nhịp 32-bit, 72MHz 8-bit, 16MHz 8-bit, 20MHz lớn nhất Flash 64KB 32KB 8KB RAM 20KB 2KB 368 bytes Số chân I/O 35 23 35 Số chân PWM 15 6 2 Số chân analog 10 6 8 Mức điện áp ra ở 3.3𝑉 5𝑉 5𝑉 các chân I/O Cấp nguồn Dùng nguồn 5V thông qua cổng USB hoặc các chân cắm Giá thành (VND) 290. Về thiết kế bộ điều khiển: Bộ điều khiển được sử dụng trong AGV được điều hướng bằng line có màu tương phản với sa bàn: Về cấu trúc bộ điều khiển: Phổ biến có 2 cấu trúc bộ điều khiển: điều khiển tập trung và điều khiển phân cấp Bảng 1.

So sánh cấu trúc điều khiển Cấu trúc Ưu điểm Nhược điểm điều khiển - Sử dụng 1 vi điều khiển. - Khó xác định lỗi. - Không sử dụng giao tiếp giữa - Không linh hoạt trong mở rộng hệ Tập trung các vi điều khiển. - Đòi hỏi sức mạnh của vi điều khiển 14 CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN do khối lượng công việc lớn.

- Nhanh chóng xác định lỗi. - Sử dụng nhiều hơn 1 vi điều khiển - Dễ dàng điều khiển từng (giá thành, không gian bố trí). Phân cấp module. - Phải thực hiện giao tiếp giữa các vi - Giảm thời gian xử lý của vi điều khiển (xử lý nhiễu, đọc tín hiệu).

điều khiển chính. Về bộ điều khiển: ❖ Bộ điều khiển ON / OFF: Phương pháp điều khiển AGV dò line truyền thống là phương pháp ON/OFF, nghĩa là khi robot di chuyển lệch sang trái của đường đi thì robot thực hiện lái về bên phải, điều này sẽ giúp cho robot quay lại đường đi ban đầu; ngược lại, khi robot di chuyển lệch sang phải của đường đi thì robot sẽ lái về bên trái. Phương pháp lái của robot phụ thuộc vào cấu trúc của từng loại khác nhau. Đây là phương pháp điều khiển robot rất đơn giản.

Tuy nhiên, hạn chế của phương pháp này là robot di chuyển không mịn màng, robot luôn dao động sang phải và sang trái của đường đi. ❖ Bộ điều khiển P, PI, PD, PID: Bộ điều khiển vi tích phân tỉ lệ là giải thuật điều khiển phản hồi vòng kín, còn gọi là giải thuật PID, được ứng dụng rất rộng rãi trong các hệ thống điều khiển tự động. Giải thuật này cố gắng chỉnh sửa các sai số giữa những giá trị đo đạc thực tế và giá trị mong muốn bằng việc tính toán và xuất ra giá trị sửa lỗi từ đó hiệu chỉnh hệ thống vận hành theo yêu cầu đặt ra. Việc sử dụng giải thuật PID giúp cho việc điều khiển đạt được hiệu quả như mong muốn với thời gian đáp ứng nhanh và độ ổn định cao.

Giải thuật PID là một chuỗi các phép toán để xác định các giá trị của khâu điều khiển tỉ lệ, khâu điều khiển vi phân và khâu điều khiển tích phân. Sau đó, kết hợp các giá trị lại với nhau và xuất ra giá trị điều rộng xung PWM để điều khiển 2 động cơ bánh dẫn động của robot. Bộ điều khiển PID gồm ba phần chính P, I, D đặc trưng bởi hệ số 𝐾𝑃 , 𝐾𝐼 , 𝐾𝐷. 15 CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN - 𝐾𝑃 : Khâu điều khiển tỷ lệ tính toán độ lệch của robot, xác định được robot đang lệch phải hay lệch trái đường và xuất ra các giá trị PWM để điều khiển hai động cơ.

Giúp xe bám theo đường thẳng để làm giảm sai số. - 𝐾𝐼 : Khâu điều khiển tích phân tính toán dựa trên sai số tích lũy theo thời gian. Robot càng lệch xa đường thì sai số tích lũy càng lớn. Khâu này thể hiện rằng trong quá khứ robot có bám đường đi tốt hay không.

Giúp xe chuyển động mượt mà hơn. - 𝐾𝐷 : Khâu vi phân tính toán dựa trên sai số hiện tại. Khâu này cho biết tốc độ robot dao động qua lại của đường đi. Hạn chế rung lắc, tăng độ ổn định cho xe.

Sơ đồ giải thuật PID ❖ Bộ điều khiển logic mờ (fuzzy, fuzzy PID): Hình 1. Bộ điều khiển fuzzy Đặc điểm của bộ điều khiển: Bộ điều khiển Fuzzy hoạt động dựa trên logic mờ, ứng dụng cho đối tượng phức tạp mà chưa biết rõ hàm truyền, logic mờ có thể giải quyết các vấn đề mà điều khiển kinh điển không làm được mà phụ thuộc vào kinh nghiệm 16 CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN người vận hành. Cấu trúc của bộ điều khiển Fuzzy: - Khâu mờ hóa: Chuyển các điều kiện có giá trị cụ thể thành những khoảng phù hợp theo kinh nghiệm và sự hiểu biết hệ thống của người lập trình ứng kết quả mong muốn tương ứng. - Thực hiện luật hợp thành: Hình thành luật mờ theo dạng IF … THEN.

- Khâu giải mờ: từ luật hợp thành tính toán ra giá trị kết quả trong những trường hợp cụ thể. Sử dụng phương pháp cực đại, phương pháp trọng tâm… ❖ Bộ điều khiển Following tracking: Bộ điều khiển Following tracking được phát triển cho các mô hình robot bám line. Hiện nay, bộ điều khiển này vận hành dựa trên 3 sai số giữa xe và đƣờng line theo phương tiếp tuyến 𝑒1 , theo phương pháp tuyến 𝑒2 , và theo góc lệch giữa xe với line 𝑒3 , dựa vào các sai số này để điều khiển xe thông qua các biến điều khiển là vận tốc góc 𝜔 và vận tốc dài 𝑣 theo phương trình sau: {𝑣 = 𝑣𝑟 𝑐𝑜𝑠 𝑐𝑜𝑠 (𝑒3 ) + 𝑘1 𝑒1 , 𝜔 = 𝑘2 𝑣𝑟 𝑒2 + 𝜔𝑟 + 𝑘3 𝑠𝑖𝑛 𝑠𝑖𝑛 (𝑒3 ) Trong đó: - 𝑘1 , 𝑘2 , 𝑘3 − Các hệ số của bộ điều khiển. Bài toán thiết kế và các thông số đầu vào: Thiết kế và chế tạo robot dò line có đặc điểm như sau: phục vụ việc vận chuyển hàng và phân phối hàng theo màu sắc.