Đồ án Cơ điện tử: Thiết kế Robot tự hành GPS (IUH - 2021)

Trọn bộ đồ án thiết kế robot tự hành GPS. Gồm thiết kế cơ khí, mạch điện tử, lập trình điều khiển và kết quả thực nghiệm. Tài liệu tham khảo hữu ích.

• Tác giả: Phan Đức Nghĩa
• Người hướng dẫn: Lê Ngọc Trân
• Trường học: Trường Đại Học Công Nghiệp Tp. Hồ Chí Minh
• Chuyên ngành: Cơ Khí
• Đề tài: Thiết Kế Robot Tự Hành GPS
• Loại tài liệu: Đồ án môn học
• Năm xuất bản: 2021
• Địa điểm: Tp. Hồ Chí Minh

Tóm tắt

I. Giới thiệu về Đồ án Robot Tự Hành GPS

Robot tự hành GPS là một hệ thống cơ điện tử hiện đại kết hợp công nghệ định vị toàn cầu với khả năng di chuyển linh hoạt. Đồ án này được phát triển tại Trường Đại học Công Nghiệp TP. Hồ Chí Minh, nhằm tạo ra một robot di động đa hướng có khả năng tự định hướng và điều khiển tự động thông qua hệ thống GPS, la bàn số và Bluetooth. Robot này được thiết kế với bánh xe đa hướng, cho phép chuyển động linh hoạt trong nhiều phương hướng khác nhau. Công nghệ này đóng vai trò quan trọng trong việc nâng cao năng suất sản xuất, giảm chi phí lao động và áp dụng vào các môi trường nguy hiểm mà con người không thể tiếp cận được. Đồ án thiết kế robot GPS không chỉ mang ý nghĩa học thuật mà còn góp phần phát triển công nghệ robotics tại Việt Nam.

1.1. Khái niệm Robot Tự Hành

Robot tự hành là máy móc tự động có khả năng di chuyển độc lập trong các môi trường khác nhau. Với sự phát triển không ngừng của công nghệ, robot di động đã trở thành công cụ không thể thiếu trong sản xuất công nghiệp, quân sự và các ứng dụng dân sự. Robot có thể thực hiện những công việc đòi hỏi độ chính xác cao, hoạt động trong môi trường độc hại, hoặc thám hiểm những nơi con người khó tiếp cận như đáy biển, sao Hỏa hay các khu vực bị ô nhiễm.

1.2. Tính Thiết Yếu của Đề Tài

Nhu cầu về robot GPS định vị ngày càng tăng trong các lĩnh vực công nghiệp, logistics và quốc phòng. Các công nghệ định vị truyền thống như xử lý ảnh hay line-following chỉ hoạt động trong phạm vi hạn chế. Robot tự hành với GPS cung cấp giải pháp định vị toàn cục, cho phép robot hoạt động trong vùng rộng lớn và chính xác. Đây là kỹ thuật tiên tiến chưa phổ biến tại Việt Nam, làm cho đề tài này có tính cấp bách cao.

II. Thiết Kế Hệ Thống Cơ Khí Robot

Hệ thống cơ khí của robot tự hành GPS được thiết kế dựa trên nền tảng bánh xe đa hướng, cho phép chuyển động linh hoạt theo mọi hướng. Khung robot được chế tạo từ vật liệu nhẹ nhưng bền vững, đảm bảo độ ổn định và khả năng chịu tải. Thiết kế robot GPS bao gồm hệ thống truyền động được điều khiển bởi các động cơ DC, cho phép robot di chuyển và quay linh hoạt. Các bánh xe được lắp đặt theo cấu hình Mecanum wheel hoặc omni-wheel, tạo nên khả năng chuyển động đa hướng đặc biệt. Hệ thống cơ khí được tối ưu hóa để giảm khối lượng, tăng tốc độ và cải thiện độ chính xác trong điều khiển. Chi tiết về kích thước, trọng lượng và thông số kỹ thuật được tính toán kỹ lưỡng để đảm bảo hiệu suất tối ưu.

2.1. Cấu Trúc Khung Robot và Bánh Xe

Khung robot GPS được thiết kế hình chữ nhật, tối ưu hóa không gian cho các thiết bị điều khiển. Bánh xe đa hướng sử dụng công nghệ Mecanum hoặc omni-wheel cho phép robot di chuyển theo bất kỳ hướng nào mà không cần quay. Hệ thống treo được thiết kế để hấp thụ va chạm và đảm bảo ổn định trên các bề mặt không bằng phẳng. Mỗi bánh xe được kết nối với động cơ DC riêng biệt thông qua hộp số giảm tốc.

2.2. Hệ Thống Truyền Động

Hệ thống truyền động robot bao gồm 4 động cơ DC được điều khiển độc lập. Mỗi động cơ được trang bị bộ mã hóa (encoder) để phản hồi vị trí và vận tốc. Robot tự hành sử dụng hộp số giảm tốc để chuyển đổi tốc độ cao thành trang lực cao hơn, phù hợp cho chuyển động trên các bề mặt khác nhau. Hệ thống này cho phép robot đạt tốc độ tối ưu và khả năng vận hành trong thời gian dài.

III. Hệ Thống Điều Khiển và Cảm Biến

Hệ thống điều khiển robot GPS được xây dựng dựa trên bo mạch vi điều khiển Arduino hoặc STM32, kết hợp với các cảm biến hiện đại. Hệ thống GPS định vị cho phép robot xác định vị trí chính xác trên toàn cầu với sai số từ 1-5 mét. La bàn số (Digital Compass) cung cấp thông tin định hướng dựa trên từ trường Trái Đất, giúp robot duy trì hướng đi. Bluetooth được sử dụng để truyền dữ liệu giữa robot và trạm điều khiển từ xa, cho phép giám sát và điều khiển thời gian thực. Mô-đun Bluetooth cho phép khoảng cách truyền thông tối đa 100 mét. Hệ thống điều khiển được thiết kế với kiến trúc phân lớp, tách biệt giữa xử lý dữ liệu cảm biến, tính toán lộ trình và điều khiển chuyển động. Nguồn điện được cung cấp bởi pin lithium-ion dung lượng cao, đảm bảo hoạt động liên tục.

3.1. Module GPS và La Bàn Số

Module GPS robot sử dụng công nghệ định vị vệ tinh để xác định tọa độ (vĩ độ, kinh độ). Cảm biến la bàn số trong robot tự hành phát hiện từ trường để xác định hướng bắc nam, giúp robot duy trì định hướng chính xác. Kết hợp cả hai cảm biến, robot có thể lập kế hoạch đường đi tối ưu từ điểm khởi hành đến điểm đích, tự động điều chỉnh hướng di chuyển.

3.2. Hệ Thống Bluetooth Điều Khiển

Bluetooth robot hoạt động ở tần số 2.4 GHz, cho phép truyền dữ liệu không dây với tốc độ lên đến 1 Mbps. Robot GPS điều khiển từ xa có thể nhận lệnh từ thiết bị di động hoặc máy tính. Hệ thống Bluetooth hỗ trợ điều khiển thủ công lẫn điều khiển tự động dựa trên lệnh từ trạm điều khiển. Giao thức truyền dữ liệu được mã hóa để đảm bảo an toàn thông tin.

IV. Ứng Dụng và Hướng Phát Triển

Robot tự hành GPS có tiềm năng ứng dụng rộng rãi trong nhiều lĩnh vực khác nhau. Trong công nghiệp, robot di động có thể sử dụng cho vận chuyển hàng hóa trong nhà máy, kho bãi tự động và quản lý kho tồn kho. Trong lĩnh vực quân sự, robot có thể được sử dụng cho tuần tra, giám sát biên giới và thăm dò bom. Ứng dụng dân sự bao gồm giao hàng tự động, lau dọn và bảo vệ. Robot GPS cũng có thể ứng dụng trong nông nghiệp để giám sát cây trồng và tưới nước tự động. Trong tương lai, hệ thống robot tự hành sẽ được cải tiến với các công nghệ như trí tuệ nhân tạo (AI), machine learning, và xử lý ảnh để tăng khả năng nhận thức môi trường. Tích hợp các cảm biến tầm xa như LIDAR sẽ nâng cao khả năng tránh chướng ngại vật. Hệ thống năng lượng sẽ được cải thiện với pin mặt trời hoặc sạc không dây, kéo dài thời gian hoạt động.

4.1. Ứng Dụng Hiện Tại

Robot tự hành GPS hiện được ứng dụng trong vận chuyển logistics, đặc biệt tại các kho bãi và nhà máy lớn. Robot di động cũng được sử dụng trong các công ty giao hàng để tối ưu hóa lộ trình giao hàng. Trong lĩnh vực quân sự, robot GPS được sử dụng cho nhiệm vụ tuần tra tự động và giám sát an ninh. Các ứng dụng dân sự bao gồm robot hút bụi thông minh và robot cỏ tự hành, sử dụng GPS để lập kế hoạch vùng cắt.

4.2. Hướng Phát Triển Tương Lai

Đồ án robot GPS có thể được mở rộng với tích hợp trí tuệ nhân tạo để robot có khả năng học hỏi từ môi trường. Thêm cảm biến LIDAR sẽ cải thiện khả năng tránh chướng ngại vật của robot. Phát triển pin mặt trời hoặc sạc không dây sẽ kéo dài thời gian hoạt động. Tích hợp camera 360 độ và hệ thống nhận diện vật thể sẽ nâng cao tính tự chủ của robot.

Trích đoạn nội dung tài liệu

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN 1. GVHD: Lê Ngọc Trân 4 Đồ án thiết kế hệ thống cơ điện tử Thuật ngữ Robot xuất hiện lần đầu tiên vào năm 1922 trong tác phẩm “Rossum’s Universal Robot” của Karel Capek. Trong tác phẩm nhân vật Rossum và con trai đã tạo ra chiếc máy giống con người để phục vụ cho con người. Mobile Robot là loại máy tự động có khả năng di chuyển trong một số môi trường nhất định.

Mobile Robot hiện đang được các nhà nghiên cứu chú trọng và hầu như các trường đại học lớn đều có phòng thí nghiệm để tập trung nghiêng cứu loại Robot này. Chúng cũng được sử dụng trong các ngành công nghiệp, quân sự và sinh hoạt…, như trong sinh hoạt có Robot hút bụi, lau nhà hay cắt cỏ… 1.2 Tính thiết yếu của đề tài. Mobile Robot được dùng phổ biến trong những môi trường độc hại, những nơi con người không thể đi tới hay đi tới một cách khó khăn và nguy hiểm, Mobile Robot cũng được dùng trong lĩnh vực giải trí và phục vụ đời sống. Các nơi con người không có khả năng đến được như sao Hỏa, đáy biển, núi lửa,.Người ta phải sử dụng Robot tự hành với cấu trúc phù hợp với môi trường.3 Một số đề tài tương tự đã được nghiên cứu chế tạo.1 Robot Sojourner trên sao hỏa năm 1997.

GVHD: Lê Ngọc Trân 5 Đồ án thiết kế hệ thống cơ điện tử Hình 1.2 Thuyền không người lái .4 Giới thiệu đề tài: Robot Tự Hành Theo Đơn Vị GPS 1.1 Lý do chọn đề tài Ở nước ta cũng đã có rất nhiều đề tài nói về Robot di động như là Robot tránh vật cản, Robot leo tường, Robot leo cầu thang… Nhưng chúng em nhận thấy những đề tài nói về Robot di chuyển linh hoạt đa hướng cũng như là áp dụng những kỹ thuật tiên tiến như GPS, La bàn, Bluetooth. Nếu có về tài liệu thì cũng chỉ có một số ít tài liệu khái quát, ít có tài liệu kỹ thuật chi tiết về Robot trên. Hiện tại, Robot chỉ được định hướng bằng công nghệ xử lý ảnh, đường dẫn (line), bằng la bàn, GPS, Bluetooth. Công nghệ xử lý ảnh cũng còn khá mới mẻ và công nghệ này chỉ là để phát hiện đối tượng chứ chưa phải là cách để định vị và định hướng cho robot.

Dùng line thì Robot chỉ hoạt động trong một phạm vi nhỏ hẹp và chỉ thích hợp trong các cuộc thi Robot. La bàn điện tử là thiết bị dùng để định hướng cho Robot thông qua cảm biến từ trường Trái Đất, còn GPS thì chưa phổ biến. GVHD: Lê Ngọc Trân 6 Đồ án thiết kế hệ thống cơ điện tử Do đó, định vị và định hướng cho Robot là một việc rất cần thiết và cấp bách góp phần vào sự phát triển Robot của Việt Nam. Vì thế việc thiết kế một “Robot tự hành theo đơn vị GPS” sử dụng la bàn điện tử kết hợp với định vị GPS và Bluetooth là vấn đề mà chúng em cần phải nghiên cứu chế tạo trong đề tài này.2 Mục tiêu ứng dụng của “Robot Tự Hành Theo Đơn Vị GPS” Robot tự hành theo đơn vị GPS thuộc họ Robot Mobile nên có những ứng dụng gần giống nhau vào thực tiễn, Robot được chế tạo và nghiên cứu nhằm vào các lĩnh vực quân sự, dân dụng… Ở lĩnh vực quân sự: Việc sử dụng Robot này để dọ thám, thám hiểm, tháo bom hay đánh bom phòng vệ, xác định vị trí kẻ thù,… Ở lĩnh vực dân dụng: Có thể dùng Robot trong một số công việc như giám sát, định vị vị trí, dẫn đường, tìm thiết bị, làm việc nhà,… GVHD: Lê Ngọc Trân 7 Đồ án thiết kế hệ thống cơ điện tử CHƯƠNG 2: THIẾT KẾ HỆ THỐNG CƠ KHÍ 2.1 Mô tả tổng quan về hình dáng và các bộ phận.1a: Hình dáng và các bộ phận của Robot tự hành GPS.

GVHD: Lê Ngọc Trân 8 Đồ án thiết kế hệ thống cơ điện tử Bảng 2.1 Tên các bộ phận chính của Robot STT Tên các bộ phận 1 Khung robot 2 Trụ cố định 3 Bánh xe địa hình Mecanum 4 Nguồn hoạt động 5 Cảm biến GPS 6 Hệ thống điều khiển 7 Động cơ Hình 2.1b 3 hình chiếu của robot khi thiết kế 2.2 Mô tả tổng quan về nguyên lý hoạt động. GVHD: Lê Ngọc Trân 9 Đồ án thiết kế hệ thống cơ điện tử Hình 2.2: Sơ đồ miêu tả khái quát nguyên lý hoạt động của Robot tự hành theo GPS 2.3 Thông tin cụ thể về các chi tiết cơ khí Để cung cấp thông tin cụ thể, ta có bảng dưới đây mô tả các chi tiết cơ khí được nêu trong hình 2.2: Thông tin về các chi tiết cơ khí của Robot tự hành theo GPS Thông số STT Tên chi tiết Vật liệu Ghi chú kích thước Dễ gia công, giảm trọng lượng của robot chiều dài 25.5 mm Hợp kim và phù hợp với các 1 Khung Robot chiều rộng 15 mm nhôm điều kiện về nhiệt độ, chiều dày: 5mm. độ ẩm và địa hình thích hợp. 2 Trụ cố định M3 *(5-50)+ 6Mm đầu lục Đồng Cố định và chống GVHD: Lê Ngọc Trân 10 Đồ án thiết kế hệ thống cơ điện tử đỡ các bo mạch điều giác khiển và cảm biến GPS.

Một dạng bánh xe Đường kính: 60mm đa hướng, có thể hoạt Chiều rộng: 30.5mm Thân: nhựa động trong không gian Bánh xe địa Chiều dài con lăn: 24.5mm Con lăn: nhỏ hẹp, chuyển động 3 hình Mecanum Số lượng con lăn: 9 cao su xoay tròn dễ dàng, có Khối lượng 4 bánh: 180g khả năng di chuyển ngang, phù hợp với nhiều địa hình.3: Khung Robot GVHD: Lê Ngọc Trân 11 Đồ án thiết kế hệ thống cơ điện tử Hình 2.4: Bánh xe địa hình Mecanum Hình 2.5: Trụ cố định GVHD: Lê Ngọc Trân 12 Đồ án thiết kế hệ thống cơ điện tử CHƯƠNG 3: THIẾT KẾ HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN 3.1 Sơ đồ thiết bị điện: Hình 3.1 Sơ đồ thiết bị điện GVHD: Lê Ngọc Trân 13 Đồ án thiết kế hệ thống cơ điện tử Hình 3.2 Sơ đồ khối về chức năng của robot 3. Thiết bị điện 3.1 Động cơ Động cơ DC giảm tốc: GVHD: Lê Ngọc Trân 14 Đồ án thiết kế hệ thống cơ điện tử Hình 3.3 Động cơ giảm tốc DC 3-6V Thông số kĩ thuật:  Điện áp: 3-12VDC  Dòng: 70mA (250mA Max) ở 3V  Mô men xoắn: 800gfcm  Tỷ số truyền: 1:48 Tốc độ:  125 rpm 3VDC (bánh 66mm: 26rpm)  208 rpm 5VDC (bánh 66mm: 44rpm) 3.2 Nguồn cung cấp Pin 18650 samsung 4.4 Pin samsung 18650 GVHD: Lê Ngọc Trân 15 Đồ án thiết kế hệ thống cơ điện tử Thông số:  Chất liệu pin: pin lithium ion  Điện trở trong của pin: 45,6 mΩ (milliohms)  Điện áp: 4.2V sau khi đầy điện, 2,75V sau khi xả 3.3 Pin Sạc 9v Camelion Hình 3.5 Dung lượng: 200 mAh 3.3 Thiết bị điều khiển 3.1 Arduino mega 2560 Arduino Mega 2560 là một bo mạch thiết kế với bộ xử lý trung tâm là vi điều khiển AVR Atmega2560. Cấu tạo chính của Arduino Mega 2560 bao gồm các phần sau: 1. Cổng USB: đây là loại cổng giao tiếp để ta upload code từ PC lên vi điều khiển.

Đồng thời nó cũng là giao tiếp serial để truyền dữ liệu giữa vi điều khiển và máy tính. Jack nguồn: để chạy Arduino thì có thể lấy nguồn từ cổng USB ở trên, nhưng không phải lúc nào cũng cắm với máy tính được. Lúc đó ta cần nguồn từ 9v đến 12v cấm vào jack nguồn. Có 54 chân ra/vào số đánh số thứ tự từ 0 đến 13, ngoài ra có một chân nối đất (GND) và một chân điện áp tham chiếu (AREF).

Vi điều khiển AVR: đây là bộ xử lý trung tâm của bo mạch. Với mỗi mẫu Arduino khác nhau thì chip khác nhau. Ở con Arduino Mega 2560 này thì sử dụng ATMega2560. Có một nút nhấn reset và một đầu ICSP.

Atmega 2560: • Các Mega 2560 có 16 chân vào tương tự, mỗi ngõ vào tương tự điều có độ phân giải 10 bit (tức là 1024 giá trị khác nhau). Theo mạc định đo từ 0 đến 5 volts, mặc dù là nó có GVHD: Lê Ngọc Trân 16 Đồ án thiết kế hệ thống cơ điện tử thể thay đổi phần trên của phạm vi bằng cách sử dụng chân Aref và analogReference chức năng. • Các Atmega 2560 có 256 KB bộ nhớ flash để lưu trữ mã (trong đó có 8 KB được sử dụng cho bộ nạp khởi động), 8 KB SRAM và 4 KB EEPROM. Các thông số chi tiết của Arduino Mega 2560 • Vi xử lý: 5V • Điện áp hoạt động: 7-12V • Điện áp đầu vào: 6-20V • Chân vào/ra (I/O) số: 54 chân (15 chân là đầu ra PWM) • Chân vào tương tự: 16 • Dòng điện trong mỗi chân I/O: 40mA • Dòng điện chân nguồn 3.3V: 50mA • Bộ nhớ trong: 256KB • SRAM: 8 KB • EEPROM: 4 KB • Xung nhịp: 16 MHz Hình 3.6 Sơ đồ chức năng chân Arduino Mega 2560 GVHD: Lê Ngọc Trân 17 Đồ án thiết kế hệ thống cơ điện tử 3.2 Arduino Uno R3 Arduino UNO R3 có chức năng và bộ xử lý trung tâm của Arduino UNO R3 cũng gần giống với Arduino Mega 2560 với các chân điều khiển ít hơn.

Arduino UNO R3 với vi xử lý trung tâm là Atmega328 có 14 chân I/O tín hiệu số, trong đó 6 chân có thể được sử dụng làm bộ điều chế độ rộng xung PWM, 6 ngõ vào tín hiệu tương tự, sử dụng thạch anh dao động 16MHz, kết nối USB, có ICSP Header… Hình 3.7 Sơ đồ chân của Arduino Uno R3 3.3 Module GPS ublox NEO-M8N Hình 3.8 Module định vị GPS U-Blox NEO-M8N-0-10 GVHD: Lê Ngọc Trân 18 Đồ án thiết kế hệ thống cơ điện tử Module định vị GPS U-Blox NEO-M8N-0-10 tích hợp Anten sử dụng giao tiếp truyền thông UART có thể kết nối với bất kỳ vi điều khiển nào và nó cũng có bộ chuyển đổi USB để kết nối trực tiếp với máy tính. Mạch có thiết kế nhỏ gọn, có độ nhạy cao cho các ứng dụng trong nhà. Mô-đun gps có pin để dự phòng nguồn và EEprom để lưu các cài đặt cấu hình. Thông số kỹ thuật  Điện áp cung cấp: 3,3V – 5V DC  Dòng điện hoạt động: 45mA  Tốc độ truyền: 9600 (cấu hình từ 4800 đến 115200)  Tốc độ cập nhật điều hướng: tối đa 5Hz (1HZ theo mặc định)  Thời gian khởi động: 27 giây (nhanh nhất) bắt đầu khởi động nóng: 1 giây  Phạm vi nhiệt độ hoạt động: -40 đến + 85 ° C  Ăng ten GPS riêng biệt 18 x 18 mm  Kích thước: 22 x 30 x 13 mm  Cân nặng: 19g Chức năng các chân  VCC: Cấp điện (3.