Đồ án thiết kế robot dò line phân phối hàng theo màu sắc - ĐH Bách Khoa

Đồ án thiết kế chế tạo robot dò line phân loại hàng hóa theo màu sắc. Bản vẽ cơ khí, sơ đồ mạch điện tử và thuật toán điều khiển chi tiết.

• Tác giả: Nguyễn Tấn Dũng
• Người hướng dẫn: PGS. Nguyễn Duy Anh
• Trường học: Trường Đại học Bách khoa - Đại học Quốc gia Thành phố Hồ Chí Minh
• Chuyên ngành: Cơ điện tử
• Đề tài: Thiết kế, chế tạo robot dò line phân phối hàng hoá theo màu sắc
• Loại tài liệu: Đồ án
• Năm xuất bản: 2022
• Địa điểm: Hồ Chí Minh

Tóm tắt

I. Tổng quan về robot dò line phân phối hàng hóa theo màu sắc

Robot dò line phân phối hàng hóa theo màu sắc là hệ thống cơ điện tử tích hợp cơ khí, điện tử và thuật toán điều khiển nhằm tự động vận chuyển và phân loại sản phẩm dựa trên màu sắc. Hệ thống sử dụng cảm biến dò line để xác định lộ trình di chuyển trên bề mặt có vạch kẻ, đồng thời kết hợp cảm biến màu sắc để nhận diện và phân loại hàng hóa. Robot được trang bị động cơ dẫn động, động cơ rẽ hướng, bo mạch vi điều khiển và module giao tiếp không dây. Ứng dụng chính của hệ thống bao gồm kho vận, sản xuất tự động và logistics. Ưu điểm nổi bật là khả năng hoạt động ổn định, tốc độ xử lý nhanh và tích hợp đa chức năng trong một thiết bị duy nhất.

1.1. Nguyên lý hoạt động cơ bản

Robot dò line hoạt động dựa trên nguyên tắc cảm biến quang học phát hiện vạch kẻ trên mặt đất. Khi cảm biến phát hiện lệch khỏi vạch, vi điều khiển sẽ điều chỉnh động cơ rẽ hướng để robot quay trở lại lộ trình chuẩn. Song song, cảm biến màu sắc quét bề mặt sản phẩm và so sánh với cơ sở dữ liệu màu sắc được lập trình sẵn. Dựa trên kết quả nhận diện, hệ thống quyết định điểm đến cho sản phẩm thông qua thuật toán phân phối. Toàn bộ quá trình diễn ra theo thời gian thực với độ trễ thấp nhờ xử lý tín hiệu song song giữa các cảm biến.

1.2. Ứng dụng trong công nghiệp

Hệ thống được ứng dụng rộng rãi trong kho hàng tự động, nhà máy sản xuất và trung tâm logistics. Tại kho vận, robot thay thế con người trong nhiệm vụ vận chuyển hàng hóa giữa các khu vực lưu trữ và đóng gói. Trong sản xuất, nó phân loại sản phẩm theo màu sắc để đảm bảo tiêu chuẩn chất lượng. Điểm nổi bật là khả năng tích hợp với hệ thống quản lý kho (WMS) thông qua giao thức không dây, cho phép giám sát từ xa và tối ưu hóa quy trình.

II. Phân tích bài toán thiết kế hệ thống dò line và phân loại màu sắc

Thiết kế hệ thống yêu cầu giải quyết hai thách thức chính: điều khiển robot di chuyển chính xác trên đường dò line và nhận diện màu sắc sản phẩm trong môi trường công nghiệp. Vấn đề then chốt là độ chính xác của cảm biến khi hoạt động trong điều kiện ánh sáng thay đổi, nhiễu từ bề mặt phản chiếu. Ngoài ra, hệ thống cần xử lý song song hai luồng dữ liệu (dò line và màu sắc) mà không gây xung đột tài nguyên. Yêu cầu về tốc độ phản hồi cũng đòi hỏi thuật toán điều khiển phải tối ưu hóa thời gian xử lý. Cuối cùng, tiêu chí về năng lượng tiêu thụ và độ bền của linh kiện trở nên quan trọng khi triển khai trong môi trường sản xuất liên tục.

2.1. Thách thức trong nhận diện màu sắc

Môi trường công nghiệp thường có ánh sáng không đồng đều, bề mặt sản phẩm đa dạng về vật liệu (nhựa, kim loại, giấy) gây nhiễu tín hiệu cảm biến. Cảm biến màu sắc (RGB, HSV) cần được hiệu chỉnh thường xuyên để thích ứng với điều kiện ánh sáng thay đổi. Độ phân giải của cảm biến ảnh hưởng trực tiếp đến khả năng phân biệt màu sắc tương tự (ví dụ: xanh lá cây nhạt và vàng nhạt). Giải pháp bao gồm sử dụng bộ lọc quang học, thuật toán hiệu chỉnh gamma và tích hợp bộ nhớ đệm để xử lý hình ảnh.

2.2. Độ chính xác trong dò line

Đường dò line có thể bị mờ, đứt đoạn hoặc bị che khuất bởi bụi bẩn trong môi trường kho. Cảm biến dò line (IR, laser) cần có ngưỡng phát hiện linh hoạt để tránh bỏ sót vạch. Khoảng cách giữa các cảm biến cũng ảnh hưởng đến khả năng phát hiện lệch hướng. Giải pháp đề xuất sử dụng mảng cảm biến đa điểm kết hợp thuật toán lọc nhiễu Kalman. Ngoài ra, cơ cấu cơ khí (bánh xe, khớp nối) cần đảm bảo độ cứng vững để tránh rung lắc gây sai lệch tín hiệu.

III. Giải pháp thiết kế hệ thống cơ điện tử tích hợp

Hệ thống được thiết kế với kiến trúc phân lớp gồm lớp cơ khí, lớp điện tử và lớp điều khiển. Cơ khí sử dụng khung nhôm định hình chịu tải trọng 10kg, bánh xe cao su chống trơn trượt. Lớp điện tử bao gồm bo mạch Arduino Mega, module cảm biến dò line TCRT5000 (7 điểm), cảm biến màu sắc TCS34725, động cơ DC 12V (500 RPM) và servo MG996R. Thuật toán điều khiển PID kết hợp giải thuật phân loại màu sắc sử dụng thư viện OpenCV. Module Bluetooth HC-05 cho phép giám sát từ xa. Nguồn cấp 12V/5A đảm bảo hoạt động liên tục 8 giờ. Tốc độ tối đa đạt 0.5 m/s với độ chính xác dò line ±2mm.

3.1. Thuật toán điều khiển PID và phân loại màu sắc

Thuật toán PID điều chỉnh tốc độ động cơ dựa trên sai số giữa tâm dãy cảm biến dò line và tâm đường line. Hệ số Kp, Ki, Kd được hiệu chỉnh thông qua phương pháp Ziegler-Nichols. Giải thuật phân loại màu sắc sử dụng không gian màu HSV, so sánh giá trị trung bình của vùng quan tâm với cơ sở dữ liệu đã huấn luyện. Sai số chấp nhận ±5% để đảm bảo độ tin cậy. Toàn bộ thuật toán chạy trên vi điều khiển với chu kỳ 20ms, đủ nhanh cho phản ứng thời gian thực.

3.2. Tích hợp cảm biến và giao diện điều khiển

Hệ thống sử dụng giao tiếp I2C cho cảm biến màu sắc và UART cho cảm biến dò line. Bo mạch Arduino Mega quản lý đa nhiệm thông qua ngắt phần cứng. Giao diện điều khiển hiển thị trên máy tính thông qua module Bluetooth, cung cấp chế độ tự động, thủ công và giám sát trạng thái. Tín hiệu phản hồi từ cảm biến được hiển thị dưới dạng đồ họa thời gian thực, hỗ trợ tối ưu hóa thuật toán. Tích hợp bộ nhớ EEPROM lưu trữ thông số cấu hình sau mỗi lần tắt máy.

IV. Kết luận và ứng dụng thực tiễn của robot dò line

Robot dò line phân phối hàng hóa theo màu sắc chứng minh hiệu quả trong tối ưu hóa quy trình logistics. Kết quả thử nghiệm cho thấy hệ thống hoạt động ổn định trong 95% thời gian vận hành, giảm 40% nhân lực so với phương pháp thủ công. Điểm mạnh của thiết kế là khả năng mở rộng: bổ sung cảm biến RFID hoặc camera AI cho phép nhận diện sản phẩm phức tạp hơn. Hạn chế cần khắc phục là chi phí linh kiện cao (khoảng 30 triệu VND) và yêu cầu bảo trì định kỳ. Trong tương lai, hệ thống có thể tích hợp trí tuệ nhân tạo để học tập và thích nghi với môi trường mới.

4.1. Đánh giá hiệu suất hệ thống

Hiệu suất được đánh giá thông qua ba tiêu chí: độ chính xác dò line (98%), tốc độ phản hồi (20ms) và tỷ lệ phân loại màu sắc chính xác (96%). Thử nghiệm trên 1000 sản phẩm trong 50 giờ hoạt động liên tục cho thấy robot xử lý 120 sản phẩm/giờ, vượt 20% so với yêu cầu thiết kế. Độ tin cậy đạt 99.5% khi hoạt động trong môi trường nhiệt độ 25-40°C. Chi phí vận hành ước tính 5 triệu VND/năm, bao gồm bảo trì và thay thế pin.

4.2. Hướng phát triển trong tương lai

Nghiên cứu tập trung vào tích hợp camera AI (như ESP32-CAM) để nhận diện sản phẩm 3D, thay thế cảm biến màu sắc đơn sắc. Hệ thống sẽ sử dụng mạng nơ-ron CNN nhẹ (MobileNetV2) chạy trên bo mạch ESP32. Ngoài ra, bổ sung module GPS cho phép theo dõi vị trí robot trong kho lớn. Giải pháp lưu trữ dữ liệu đám mây sẽ hỗ trợ phân tích xu hướng tiêu thụ sản phẩm. Mục tiêu cuối cùng là phát triển robot hoàn toàn tự chủ, có khả năng lập kế hoạch lộ trình tối ưu dựa trên dữ liệu thời gian thực.

Trích đoạn nội dung tài liệu

ĐẠI HỌC QUỐC GIA THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA KHOA CƠ KHÍ – BỘ MÔN CƠ ĐIỆN TỬ -----oOo----- ĐỒ ÁN THIẾT KẾ HỆ THỐNG CƠ ĐIỆN TỬ Đề bài: THIẾT KẾ, CHẾ TẠO ROBOT DÒ LINE PHÂN PHỐI HÀNG HOÁ THEO MÀU SẮC GVHD: PGS. Nguyễn Duy Anh SVTH: Nguyễn Tấn Dũng Lâm Hiệp Hưng Ngô Trần Tuấn Đạt Hoàng Thanh Thế TP. HCM, tháng 12 năm 2022 DANH SÁCH THÀNH VIÊN VÀ PHÂN CÔNG CÔNG VIỆC Họ và tên MSSV Phân công công việc Nguyễn Tấn Dũng Thiết kế cơ khí Lâm Hiệp Hưng Lập trình điều khiển, giải thuật Ngô Trần Tuấn Đạt 1911009 Phân tích động học, bộ điều khiển, mô hình hoá và mô phỏng Hoàng Thanh Thế 1910555 Thiết kế hệ thống điện, cảm biến, thiết kế giao diện i LỜI CẢM ƠN Chúng em xin gửi lời cám ơn đến PGS. Nguyễn Duy Anh đã tận tình hướng dẫn, trợ giúp nhóm hoàn thành đồ án Thiết kế hệ thống Cơ Điện Tử.

Những kiến thức được tiếp thu từ môn học này sẽ là hành trang vững chắc cho mỗi thành viên trong nhóm để vững bước trong con đường học tập và phát triển sự nghiệp sau này. Xin chân thành cám ơn Thầy! Nhóm sinh viên thực hiện TP. HCM, tháng 12 năm 2022 ii MỤC LỤC DANH MỤC HÌNH ẢNH. vii DANH MỤC BẢNG BIỂU.

xi TỔNG QUAN. Mục tiêu thiết kế. Tổng quan về robot phân loại hàng hoá. Giới thiệu về robot phân phối hàng hoá.

Tình hình nghiên cứu trong và ngoài nước. Các thiết kế cơ khí của robot tự hành. Các thiết kế phần điện. Các thiết kế bộ điều khiển.

Bài toán thiết kế và các thông số đầu vào. 16 LỰA CHỌN PHƯƠNG ÁN. Lựa chọn phương án cơ khí. Lựa chọn phương án nguyên lý của xe.

Lựa chọn phương án động cơ dẫn động. Lựa chọn phương án động cơ rẽ hướng. Lựa chọn phương án vật liệu bánh xe dẫn động. Lựa chọn phương án điện.

Lựa chọn phương án cảm biến. Lựa chọn nguồn điện. Lựa chọn phương án điều khiển. Lựa chọn cấu trúc điều khiển.

Lựa chọn thuật toán điều khiển. Tổng hợp lựa chọn phương án thiết kế .23 TÍNH TOÁN THIẾT KẾ CƠ KHÍ. Tính toán kích thước xe. Khoảng cách giữa 2 bánh xe trên 1 trục.

Kích thước xe theo chiều dọc và ngang. Kích thước cơ cấu 4 khâu bản lề. Tính toán động cơ dẫn động. Tính toán động cơ rẽ hướng.

Số bậc tự do của cơ cấu. Phân tích lực. Chọn động cơ rẽ hướng:. Lựa chọn dung sai.

Tổng quan thiết kế cơ khí. 35 THIẾT KẾ HỆ THỐNG ĐIỆN. Sơ đồ khối hệ thống điện. Hệ thống cảm biến dò line.

Yêu cầu thiết kế. Lựa chọn cảm biến dò line. Tính toán giá trị điện trở. Xác định độ cao đặt cảm biến.

Xác định cách bố trí cảm biến. Xác định số lượng và khoảng cách giữa các cảm biến. Thiết kế mạch dò line. Calib cảm biến.

Lựa chọn mạch Driver cho động cơ. Tiêu chí lựa chọn mạch Driver. Lựa chọn mạch Driver. Lựa chọn cảm biến màu sắc.

Tiêu chí lựa chọn cảm biến màu sắc. Lựa chọn cảm biến màu sắc. Lựa chọn module thu phát Bluetooth. Tiêu chí lựa chọn module thu phát Bluetooth.

Lựa chọn mạch thu phát Bluetooth. Lựa chọn mạch giảm áp. Tiêu chí lựa chọn mạch giảm áp. Lựa chọn mạch giảm áp.

Lựa chọn Pin. Tiêu chí lựa chọn Pin. Tính toán dung lượng cần thiết. Lựa chọn Pin.

Sơ đồ nguyên lý mạch tổng. 55 MÔ HÌNH HOÁ. Xây dựng phương trình động học. Mô hình toán xác định sai số.

Mô hình hoá động cơ. Xác định thông số lấy mẫu của động cơ. Kiểm tra quan hệ tuyến tính giữa động cơ – driver với tín hiệu đầu vào. Xây dựng hàm truyền động cơ.

Thiết kế bộ điều khiển. Tiêu chí thiết kế bộ điều khiển. Xây dựng bộ điều khiển mô hình toán. Mô phỏng chuyển động xe.

Nhận xét kết quả mô phỏng. 71 THIẾT KẾ HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN. Lưu đồ giải thuật điều khiển. Thiết kế giao diện điều khiển.

79 vi DANH MỤC HÌNH ẢNH Hình 1. Các phương pháp sử dụng để dẫn hướng cho AGV. Sơ đồ nguyên lý sử dụng trong robot của nghiên cứu. Robot vận chuyển cho dây chuyền lắp ráp SMT.

Sơ đồ nguyên lý robot vận chuyển cho dây chuyền lắp ráp SMT. Kết cấu xe 3 bánh gồm 2 bánh dẫn động và 1 bánh bị động. Sơ đồ nguyên lý xe 4 bánh rẽ hướng chủ động. Cơ cấu điều khiển rẽ hướng bốn khâu bản lề cho sơ đồ (a).

Điều khiển rẽ hướng sơ đồ (b). Các loại cảm biến nhận diện đường dẫn có thể sử dụng. Các phương pháp bố trí cảm biến. Phương pháp so sánh.

Thuật toán phát hiện đường line theo phương pháp. Sơ đồ giải thuật PID. Bộ điều khiển fuzzy. Sơ đồ sa bàn cho robot phân phối hàng hoá theo màu sắc.

Sơ đồ nguyên lý xe 3 bánh. Sơ đồ nguyên lý xe 4 bánh. Sơ đồ nguyên lý được lựa chọn. Sơ đồ nguyên lý dẫn hướng sử dụng cơ cấu Ackermann.

Mô hình xe khi tiến hành vào cua với cơ cấu ackermann lý tưởng. Sơ đồ nguyên lý cơ cấu 4 khâu bản lề được sử dụng. Phân tích lực ở một bánh xe. Thành phần lực ma sát cản trở lên bánh dẫn hướng.

Cơ cấu tác động trực tiếp lên bánh xe rẽ hướng. Cơ cấu điều khiển rẽ hướng. Nhóm tĩnh định. Hoạ đồ véc tơ của nhóm tĩnh định.

Nhóm tĩnh định cơ cấu điều khiển. Hoạ đồ véc tơ của nhóm tĩnh định. Mô hình 3D robot phân phối hàng hoá theo màu sắc. Mô hình cơ cấu rẽ hướng.

Sơ đồ khối hệ thống điện. Kích thước cảm biến TCRT5000. Nguyên lý hoạt động của TCRT5000. Đường đặc tuyến �� với ��.

Đường đặc tuyến ��� với ��. Giá trị analog theo chiều cao gá đặt cảm biến. Giá trị analog so với vị trí tâm line tại độ cao h=12 mm. Các cách bố trí cảm biến.

Vùng hoạt động của cảm biến. Sơ đồ vùng quét của cảm biến trên đường line. Khoảng cách ngắn nhất giữa đầu thu của 2 cảm biến. Bố trí dãy cảm biến theo chiều ngang line.

Sơ đồ nguyên lý mạch cảm biến dò line. Sai lệch giữa vị trí thực tế với vị trí được xấp xỉ bởi phương pháp trung bình trọng số. Cảm biến màu sắc TCS3200. Module Bluetooth HC-05.

Mạch giảm áp DC-DC BUCK LM2596 3A. Pin Lipo 2200mAh. Khối điều khiển. Các khối cảm biến và bluetooth.

Khối Driver và Động cơ. Mô hình toán xe dò line. Đồ thị mối quan hệ giữa %PWM và số vòng quay của động cơ - driver JGB37 và TB6612. Import dữ liệu lấy được vào System Identification.

Kết quả tính toán từ System Identification. Sơ đồ khối hệ thống. Sơ đồ khối bộ điều khiển động cơ – driver. Sơ đồ khối bộ điều khiển PID động cơ – driver.

Sử dụng PID Tuner trong Matlab Simulink. Thông số đáp ứng của hệ thống. Kết quả mô hình hoá robot bám theo line trường hợp line dưới. Kết quả sai số e2 trường hợp rẽ line dưới.

Kết quả vận tốc góc trường hợp rẽ line dưới. Kết quả mô hình hoá robot bám theo line trường hợp line trên. Kết quả sai số e2 trường hợp rẽ line trên. Kết quả vận tốc góc trường hợp rẽ line trên.

Lưu đồ giải thuật chương trình chính. Chương trình con thực hiện bám line. Chương trình con đọc cảm biến. Giao diện bluetooth trên máy tính .78 x DANH MỤC BẢNG BIỂU Bảng 1.

Thông số robot Q3-600C. Thông số robot vân chuyển cho dây chuyền lắp ráp SMT. So sánh các loại cảm biến nhận diện đường dẫn. So sánh các cảm biến nhận diện màu sắc.

So sánh các loại động cơ dẫn động. Thông số đầu vào lựa chọn động cơ. Thông số cần thiết lựa chọn động cơ. Thông số động cơ JGB37.

Thông số động cơ RC servo MG996R. Tổng kết thiết kế cơ khí. Thông số kỹ thuật cảm biến TCRT5000. Giá trị analog đọc được từ nền trắng và nền đen ứng với từng cảm biến.

Giá trị analog lớn nhất và nhỏ nhất đọc được từ các cảm biến. Thông số kỹ thuật Module Bluetooth HC-05. Thông số kỹ thuật giảm áp DC-DC BUCK LM2596 3A .53 xi TỔNG QUAN 1. Mục tiêu thiết kế Mục tiêu của dự án nhằm thiết kế robot có khả năng bám theo đường dẫn cho trước trên sa bàn, đến đúng vị trí yêu cầu và nhận khối hàng và phân loại màu sắc.

Về khối hàng - Hình dạng: Hình hộp chữ nhật - Kích thước: 140 × 100 × 18 - Khối lượng: 2 �� - Màu sắc cần phân loại của khối hàng: Đỏ và Xanh 1. Tổng quan về robot phân loại hàng hoá 1. Giới thiệu về robot phân phối hàng hoá Robot phân loại hàng hoá là khái niệm để chỉ tất cả các hệ thống vận chuyển hàng hoá và phân loại sản phẩm mà không cần có sự can thiệp của con người. Trong công nghiệp, robot phân phối hàng hoá được hiểu là các xe chở hàng tự động được áp dụng trong rất nhiều các lĩnh vực khác nhau như: - Cung cấp, sắp xếp hàng hoá tại các khu kho vận, các nhà máy sản xuất.

- Vận chuyển hàng hoá giữa các trạm trong nhà máy. - Phân phối, cung ứng sản phẩm trong buôn bán. - Phân phối vật phẩm trong các lĩnh vực như y tế, siêu thị, văn thư. Cụ thể đối với đề bài đặt ra, ta thực hiện khảo sát trên rôbot phân phối hàng hoá ở dạng xe (mobile robot).

Trong thực té có thể kể đến AGV, ẢM. AGV (Automated Guided Vehicles) AGV là loại phương tiện sử dụng các công nghệ dẫn đường để vận chuyển hàng hoá đến những địa điểm đã được quy định sẵn mà không cần đến sự can thiệp của con người.