Bối cảnh và vấn đề nghiên cứu

Trong bối cảnh tự động hóa công nghiệp và logistics hiện đại, nhu cầu vận chuyển, phân loại và sắp xếp hàng hóa nội bộ trong kho bãi, phân xưởng sản xuất, bệnh viện và siêu thị ngày càng gia tăng. Việc ứng dụng các hệ thống xe tự hành (Automated Guided Vehicles - AGV) giúp giảm thiểu sự can thiệp trực tiếp của con người, hạn chế sai sót và nâng cao năng suất vận hành. Đồ án môn học "Thiết kế Hệ thống Cơ điện tử" tại Trường Đại học Bách khoa – ĐHQG TP.HCM, do nhóm sinh viên Phạm Anh Đạt, Phạm Mạnh Huy, Thái Trần Gia Thuận, Phan Trung Hiếu thực hiện dưới sự hướng dẫn của PGS.TS Nguyễn Duy Anh (năm 2022), tập trung giải quyết bài toán thiết kế và chế tạo một mô hình AGV bốn bánh bám line kết hợp phân loại hàng hóa theo màu sắc.

Mục tiêu và nhiệm vụ nghiên cứu được văn bản xác định cụ thể như sau:

  1. Thiết kế và chế tạo hoàn chỉnh mô hình robot tự hành có khả năng bám theo vạch dẫn đường (line) màu đen trên nền sa bàn trắng với bề rộng vạch 26 mm, tổng chiều dài quãng đường $S = 5989$ mm và bán kính góc cua nhỏ nhất $R_{min} = 500$ mm.
  2. Tự động nhận diện khối hàng hình hộp chữ nhật kích thước $268 \times 133 \times 63$ mm, khối lượng 2 kg được đặt tại vị trí "Khu vực tải hàng" (vạch cắt ngang $50 \times 26$ mm).
  3. Nhận dạng chính xác màu sắc khối hàng (đỏ hoặc xanh) thông qua cảm biến chuyên dụng để tự động rẽ nhánh tại các nút giao và vận chuyển hàng đến đúng điểm đích "Kết thúc (Đỏ)" hoặc "Kết thúc (Xanh)".
  4. Đảm bảo các chỉ tiêu kỹ thuật động học và động lực học: vận tốc di chuyển cực đại $v_{max} = 0,3$ m/s, gia tốc lớn nhất $a_{max} = 0,3$ m/s², sai số bám line trong giới hạn $\pm 3$ mm và sai số vị trí dừng trong phạm vi $+5$ mm.

Đối tượng nghiên cứu là hệ thống cơ điện tử tích hợp của robot AGV gồm cơ cấu cơ khí 4 bánh lái Ackerman kết hợp vi sai, mạch điều khiển nhúng, hệ thống cảm biến quang điện - màu sắc và thuật toán bám quỹ đạo. Phạm vi nghiên cứu giới hạn trong không gian sa bàn thực nghiệm chuẩn phẳng tại phòng thí nghiệm Bộ môn Cơ điện tử trong năm 2022.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp

Đồ án ứng dụng các nền tảng lý thuyết và phương pháp kỹ thuật cơ bản trong lĩnh vực cơ điện tử:

  • Khung lý thuyết và mô hình toán học:

    • Lý thuyết động học và động lực học robot di động (Wheeled Mobile Robotics) theo Gregor Klančar và cộng sự.
    • Nguyên lý hình học lái bốn khâu bản lề Ackerman để bảo đảm chuyển động quay vòng không trượt cho hai bánh dẫn hướng phía trước.
    • Phương trình cân bằng mô-men quán tính, lực ma sát lăn và điều kiện chuyển động không trượt của bánh xe cao su trên mặt đường.
    • Phương pháp tách nhóm tĩnh định (nhóm Assur) và họa đồ véc-tơ lực để tính toán tải trọng và mô-men cản trên cơ cấu lái.
    • Mô hình toán sai số bám line dựa trên thuật toán xử lý tín hiệu analog từ mảng cảm biến hồng ngoại (phương pháp xấp xỉ hàm bậc hai và phương pháp trung bình trọng số).
    • Lý thuyết điều khiển phản hồi vòng kín PID kinh điển kết hợp mô hình bám quỹ đạo (Following tracking).

  • Phương pháp nghiên cứu thực tế:

    • Phương pháp tính toán và thiết kế kỹ thuật: Thiết kế 3D cụm cơ khí, tính toán chọn động cơ dẫn động và động cơ rẽ hướng theo bài toán phân tích lực; thiết kế mạch in (PCB) cho khối cảm biến dò line và bo mạch điều khiển trung tâm.
    • Phương pháp nhận dạng hệ thống (System Identification): Thu thập dữ liệu thực nghiệm quan hệ giữa tín hiệu điều rộng xung (% PWM) và tốc độ quay động cơ JGB37 kết hợp driver TB6612 để xây dựng hàm truyền hệ thống trong môi trường MATLAB.
    • Phương pháp mô phỏng số: Sử dụng công cụ MATLAB/Simulink và PID Tuner để kiểm chứng tính ổn định của thuật toán bám line trong các trường hợp sa bàn có nhiễu và không có nhiễu.
    • Phương pháp thực nghiệm chế tạo: Lắp ráp phần cứng hoàn chỉnh, nạp chương trình vi điều khiển STM32F103C8T6 và chạy thử nghiệm đánh giá độ chính xác thực tế trên sa bàn.

  • Nguồn dữ liệu: Dữ liệu từ tài liệu kỹ thuật của các linh kiện thương mại (TCRT5000, TCS34725, STM32F103C8T6, TB6612, MG996R, JGB37), các công bố tại Hội nghị Cơ điện tử Toàn quốc và Hội nghị Toàn quốc về Điều khiển & Tự động hóa.

Thiết kế và triển khai hệ thống cơ điện tử

1. Kiến trúc cơ khí và cơ cấu dẫn hướng Ackerman

Hệ thống cơ khí được cấu hình dạng xe 4 bánh: 2 bánh trước rẽ hướng chủ động qua cơ cấu 4 khâu bản lề Ackerman và 2 bánh sau dẫn động qua cụm vi sai nhằm tối ưu hóa năng lượng và triệt tiêu hiện tượng trượt khi vào cua.

Thành phần cơ khí Thông số thiết kế / Quy cách Đơn vị
Chiều dài cơ sở ($L$) 230 mm
Chiều rộng cơ sở ($W$) 160 mm
Tỷ số kích thước $L/W$ 2,0 —
Đường kính bánh xe ($d_x$) 65 mm
Khối lượng toàn xe (gồm tải) 4,0 kg
Chiều dài khâu cố định $AD$ 115 mm
Chiều dài khâu rẽ $AB$ / $CD$ 21 mm
Chiều dài thanh nối $BC$ 105 mm
Góc định hướng tối ưu ($\alpha_{op}$) 104 độ
Góc bẻ lái cực đại ($\theta_{Imax}$) 40 độ
Động cơ dẫn động Động cơ DC JGB37 (12V, 250 rpm, 0,34 N.m) —
Động cơ lái Động cơ RC Servo MG996R (4,8V, 0,92 N.m) —
Dung sai lắp trục với ổ lăn h6 —
Dung sai chốt xoay với lỗ H7/h6 —

2. Thiết kế hệ thống điện và cảm biến

Hệ thống điện áp dụng cấu trúc điều khiển tập trung nhằm giảm độ trễ giao tiếp và tiết kiệm không gian lắp ráp linh kiện. Nguồn động lực và nguồn điều khiển được cấp từ khối pin LiPo dung lượng 2200 mAh (14,8V), đi qua các mạch giảm áp xung DC-DC LM2596 để cấp các mức điện áp ổn định: 12V (động cơ dẫn động), 6,3V (động cơ servo), 5V và 3,3V (vi điều khiển và cảm biến).

Khối cảm biến dò line gồm 7 cặp LED phát - thu hồng ngoại TCRT5000 bố trí thẳng hàng ngang với khoảng cách tối ưu, đặt ở độ cao cách mặt sàn $h = 12$ mm nhằm đạt độ tương phản analog cao nhất giữa vạch đen và nền trắng. Khối cảm biến màu sắc sử dụng mô-đun TCS34725 để đọc dải màu RGB của khối hàng. Bo mạch vi điều khiển trung tâm sử dụng chip STM32F103C8T6 (ARM Cortex-M3 32-bit, xung nhịp 72 MHz, 64 KB Flash, 20 KB RAM), kết hợp mạch công suất TB6612 và mô-đun thu phát Bluetooth để truyền nhận dữ liệu giám sát thời gian thực với máy tính.

Nội dung chính theo từng chương

Chương 1: Tổng quan

Chương 1 trình bày tổng quan về hệ thống xe tự hành AGV/AMR trong công nghiệp, so sánh các công nghệ dẫn đường (đường từ tính, laser, mã QR, camera, vạch màu). Tác giả phân tích các kết cấu cơ khí phổ biến (xe 3 bánh tự lựa, xe 6 bánh differential drive TZBOT tải trọng 200 kg, xe 4 bánh dây chuyền SMT của Shenzhen Jaguar tải trọng 40 kg), từ đó chỉ ra ưu nhược điểm về khả năng tải, độ ổn định trọng tâm và công suất tiêu thụ. Chương này cũng thiết lập bài toán thiết kế kỹ thuật cùng các thông số đầu vào của sa bàn và tải trọng gói hàng 2 kg.

Chương 2: Lựa chọn phương án

Chương 2 tiến hành đánh giá so sánh và quyết định các phương án kỹ thuật:

  • Cơ khí: Chọn cấu hình xe 4 bánh với 2 bánh sau dẫn động qua bộ vi sai và 2 bánh trước dẫn hướng bằng cơ cấu bản lề, bánh xe bọc vỏ cao su tăng ma sát.
  • Truyền động: Chọn động cơ DC kèm hộp số và encoder làm nguồn động lực dẫn động; chọn động cơ RC Servo MG996R điều khiển góc lái.
  • Điện và cảm biến: Chọn vi điều khiển STM32F103C8T6; cảm biến quang hồng ngoại TCRT5000 (mảng 7 cảm biến dạng đường thẳng) cho nhiệm vụ bám line; cảm biến TCS34725 cho nhiệm vụ nhận diện màu sắc đỏ/xanh; pin LiPo kết hợp mạch giảm áp LM2596.
  • Điều khiển: Lựa chọn cấu trúc điều khiển tập trung và giải thuật PID vòng kín.

Chương 3: Tính toán thiết kế cơ khí

Chương 3 trình bày chi tiết các bước tính toán hình học và phân tích động học, động lực học:

  • Tính toán kích thước xe: Xác định khoảng cách hai bánh xe trên một trục $W = 160$ mm dựa trên chiều rộng khối hàng 133 mm; xác định chiều dài cơ sở $L = 230$ mm thỏa mãn điều kiện góc cua nhỏ nhất $R_{min} = 500$ mm khi góc quay bánh trong cực đại $\theta_{Imax} = 40^\circ$ ($L \le 346,8$ mm).
  • Thiết kế hình học cơ cấu Ackerman 4 khâu bản lề với góc tối ưu $104^\circ$, xác định kích thước khâu $AD = 115$ mm, $AB = CD = 21$ mm, $BC = 105$ mm.
  • Phân tích lực ma sát và mô-men cản quay: Tính toán mô-men cân bằng cần thiết trên khâu dẫn lái đạt $M_c = 0,12$ N.m; chọn động cơ servo MG996R (mô-men 0,92 N.m, hệ số an toàn $s = 1,5$).
  • Tính toán mô-men dẫn động bánh xe với hệ số ma sát $\mu = 0,7$, hiệu suất bộ truyền Các-đăng $\eta_{cd} = 0,96$, hiệu suất vi sai $\eta_{vs} = 0,93$, tỷ số truyền vi sai $n_{vs} = 2,5$; chọn động cơ JGB37 (mô-men định mức 0,34 N.m, tốc độ 250 rpm).
  • Lựa chọn dung sai lắp ghép: h6 cho trục lắp ổ lăn và H7/h6 cho khớp bản lề xoay.

Chương 4: Thiết kế hệ thống điện

Chương 4 thực hiện thiết kế chi tiết phần cứng điện tử:

  • Xây dựng sơ đồ nguyên lý và layout PCB mảng 7 cảm biến TCRT5000, tính toán điện trở phân áp và thiết kế gá chống nhiễu quang học từ môi trường.
  • Khảo sát đặc tính điện áp analog theo khoảng cách và chiều cao, xác định độ cao lắp đặt tối ưu $h = 12$ mm.
  • Thiết kế bo mạch tổng tích hợp vi điều khiển STM32F103C8T6, mạch công suất động cơ TB6612, cổng nạp USB-UART, giắc cắm servo và giao tiếp module Bluetooth.
  • Tính toán công suất tiêu thụ toàn hệ thống để chọn dung lượng pin LiPo 2200 mAh.

Chương 5: Mô hình hóa và mô phỏng

Chương 5 xây dựng mô hình toán học động học và động lực học của robot di động bám line:

  • Xây dựng mô hình toán sai số vị trí tiếp tuyến, pháp tuyến và góc lệch hướng.
  • Nhận dạng hàm truyền động cơ – driver bằng công cụ MATLAB System Identification từ dữ liệu thực nghiệm % PWM và tốc độ vòng quay.
  • Thiết lập bộ điều khiển PID bằng công cụ PID Tuner trong Simulink.
  • Mô phỏng quỹ đạo chuyển động bám line trong hai trường hợp: mô hình lý tưởng không nhiễu và mô hình có nhiễu tác động, kiểm tra đáp ứng vận tốc góc và sai số vị trí.

Chương 6: Thiết kế hệ thống điều khiển

Chương 6 xây dựng kiến trúc phần mềm nhúng:

  • Xây dựng lưu đồ giải thuật cho chương trình chính: khởi tạo, quét cảm biến màu sắc tại trạm nhận hàng, thiết lập cờ lộ trình, kích hoạt thuật toán bám line, xử lý dừng tại các điểm giao cắt và điểm trả hàng.
  • Thiết kế chương trình con đọc và lọc tín hiệu analog từ 7 cảm biến hồng ngoại, tính sai số lệch tâm bằng công thức trọng số.
  • Thiết kế giao diện giám sát và điều khiển qua Bluetooth trên máy tính để theo dõi trạng thái vận hành của robot.

Chương 7: Thực nghiệm và kết luận

Chương 7 trình bày quá trình lắp ráp mô hình vật lý hoàn chỉnh, hiệu chỉnh thông số điều khiển và tiến hành chạy thực nghiệm trên sa bàn thử nghiệm. Tác giả đưa ra các đánh giá về độ ổn định bám vạch, khả năng chuyển hướng tại ngã ba, độ chính xác phân loại hàng hóa và nêu các định hướng hoàn thiện hệ thống.

Kết quả và đóng góp

1. Kết quả kỹ thuật đạt được

  • Chế tạo thành công mô hình robot AGV phân phối hàng hóa theo màu sắc hoạt động ổn định trên sa bàn có chiều dài lộ trình $S = 5989$ mm.
  • Hệ thống cơ khí đáp ứng tốt khả năng mang tải khối hàng nặng 2 kg mà không gây biến dạng khung hay quá tải động cơ; cơ cấu Ackerman chuyển hướng linh hoạt tại các góc cua có bán kính $R = 500$ mm và $R = 800$ mm.
  • Mảng 7 cảm biến TCRT5000 ở độ cao 12 mm cung cấp tín hiệu analog liên tục, giúp thuật toán điều khiển giữ vững sai số bám line trong giới hạn $\pm 3$ mm tại vận tốc $0,3$ m/s.
  • Cảm biến TCS34725 phân loại chính xác hai màu đỏ và xanh, kích hoạt đúng thuật toán rẽ nhánh tại các ngã ba để đưa hàng hóa về đúng vị trí đích.
  • Hệ thống giao tiếp Bluetooth truyền nhận dữ liệu ổn định giữa robot và giao diện giám sát máy tính.

2. Đóng góp của đồ án

  • Đồ án đã giải quyết bài toán tích hợp liên ngành cơ khí - điện - điều khiển nhúng một cách bài bản, từ khâu tính toán lý thuyết giải tích, phân tích lực tĩnh định, mô phỏng số trên phần mềm đến chế tạo mạch in và lắp ráp phần cứng thực tế.
  • Việc áp dụng cơ cấu lái Ackerman kết hợp bộ vi sai trên AGV mini giúp giảm thiểu công suất kéo so với kết cấu xe 3 bánh thông thường và loại bỏ hiện tượng trượt bánh khi vào cua thường gặp ở kết cấu dẫn động vi sai 2 bánh (differential drive).

Hạn chế và hướng nghiên cứu tiếp

1. Hạn chế

  • Hệ thống chỉ nhận diện được 2 trạng thái màu sắc cơ bản (đỏ và xanh) trong điều kiện ánh sáng môi trường ổn định; chưa có thuật toán xử lý đối với các dải màu phức tạp hoặc bề mặt hàng hóa phản quang mạnh.
  • Cấu trúc bám line phụ thuộc hoàn toàn vào vạch kẻ cố định trên sa bàn, chưa tích hợp thuật toán định vị độc lập để tự động lập quỹ đạo tránh vật cản bất ngờ.
  • Mạch công suất và cơ cấu cơ khí được thiết kế cho mức tải trọng giới hạn (2 kg hàng hóa), chưa được thử nghiệm ở dải tải trọng công nghiệp lớn hơn.

2. Hướng nghiên cứu tiếp

  • Nâng cấp cảm biến nhận dạng hình ảnh (Camera kết hợp thuật toán xử lý ảnh trên vi xử lý nhúng tốc độ cao) để nhận diện đa dạng chủng loại hàng hóa, mã vạch (Barcode/QR code) và mở rộng khả năng phân loại.
  • Tích hợp thêm cảm biến khoảng cách (LiDAR, siêu âm) và phát triển thuật toán định vị, xây dựng bản đồ (SLAM) nhằm nâng cấp robot từ AGV bám line thành AMR (Autonomous Mobile Robot) có khả năng tự quy hoạch đường đi.
  • Nghiên cứu tối ưu hóa thuật toán điều khiển bền vững hoặc điều khiển mờ (Fuzzy PID) để nâng cao độ mượt khi xe chuyển làn tại các khúc cua gấp.

Giá trị tham khảo

Đồ án là tài liệu tham khảo có giá trị cao đối với:

  • Sinh viên ngành Kỹ thuật Cơ điện tử, Kỹ thuật Cơ khí, Tự động hóa: Cung cấp tài liệu mẫu hoàn chỉnh về quy trình thiết kế hệ thống cơ điện tử từ phân tích lực cơ học, lựa chọn dung sai lắp ghép (h6, H7/h6), thiết kế mạch điện tử công suất đến lập trình vi điều khiển STM32.
  • Người nghiên cứu và phát triển mô hình AGV/xe tự hành mini: Cung cấp phương pháp chi tiết về cách tính toán hình học 4 khâu bản lề Ackerman, phương pháp nhận dạng hàm truyền động cơ bằng công cụ MATLAB System Identification và kỹ thuật bố trí mảng cảm biến dò line analog.

Câu hỏi thường gặp

1. Tại sao nhóm tác giả lựa chọn kết cấu xe 4 bánh lái Ackerman kết hợp vi sai thay vì kết cấu vi sai 2 bánh (differential drive)?
Kết cấu xe 4 bánh sử dụng cơ cấu lái Ackerman chủ động ở 2 bánh trước và dẫn động qua bộ vi sai ở 2 bánh sau giúp giảm đáng kể công suất kéo so với xe 3 bánh, đảm bảo xe giữ thăng bằng tốt khi mang tải trọng 2 kg, đồng thời loại bỏ hiện tượng trượt bánh khi quay vòng tại các góc cua hẹp.

2. Độ cao đặt mảng cảm biến dò line TCRT5000 là bao nhiêu và được xác định như thế nào?
Độ cao đặt cảm biến được xác định tối ưu ở mức $h = 12$ mm dựa trên các khảo sát thực nghiệm đường đặc tuyến quang học, giúp biên độ tín hiệu analog trả về đạt độ tương phản và sai biệt lớn nhất giữa nền trắng và vạch đen trên sa bàn.

3. Động cơ nào được chọn cho khâu dẫn động và khâu rẽ hướng của robot?

  • Động cơ dẫn động: Động cơ DC không chổi than JGB37 có tích hợp hộp giảm tốc và encoder (điện áp định mức 12V, tốc độ quay có tải 250 rpm, mô-men xoắn đầu ra 0,34 N.m).
  • Động cơ rẽ hướng: Động cơ RC Servo MG996R (điện áp 4,8V, mô-men xoắn cực đại 0,92 N.m, vượt mô-men cản tính toán 0,12 N.m với hệ số an toàn $s = 1,5$).

4. Vi điều khiển trung tâm và kiến trúc điều khiển được sử dụng trong đồ án là gì?
Hệ thống sử dụng vi điều khiển 32-bit STM32F103C8T6 (lõi ARM Cortex-M3, tần số 72 MHz) vận hành theo cấu trúc điều khiển tập trung nhằm hạn chế trễ truyền thông, tối ưu không gian bố trí mạch và đáp ứng đầy đủ các ngoại vi PWM, ADC, ngắt ngoài, Timer và UART.

Kết luận

Đồ án môn học "Thiết kế Hệ thống Cơ điện tử" đã hoàn thành trọn vẹn mục tiêu thiết kế và chế tạo thực nghiệm mô hình robot tự hành AGV phân phối hàng hóa theo màu sắc. Nhóm tác giả đã kết hợp chặt chẽ giữa lý thuyết tính toán động lực học cơ khí cơ cấu Ackerman, thiết kế mạch điện tử nhúng và mô hình hóa thuật toán điều khiển PID trên phần mềm MATLAB/Simulink. Kết quả thử nghiệm trên sa bàn thực tế chứng minh robot vận hành chính xác, đáp ứng đầy đủ các chỉ tiêu kỹ thuật về tải trọng 2 kg, vận tốc $0,3$ m/s và sai số bám line trong phạm vi $\pm 3$ mm. Công trình là tài liệu tham khảo có giá trị kỹ thuật thực tiễn cho sinh viên và kỹ sư trong lĩnh vực phát triển robot tự hành công nghiệp.