Đồ án tốt nghiệp: Xe tự hành vận chuyển hành lí đa tầng - ĐHBK Hà Nội

Tổng hợp đồ án tốt nghiệp xe tự hành vận chuyển hành lí đa tầng. Nghiên cứu chi tiết thiết kế cơ khí, sơ đồ điều khiển và thuật toán dẫn đường tự động.

• Tác giả: Trần Trí Phong
• Người hướng dẫn: TS. Trương Công Tuấn
• Trường học: Đại học Bách khoa Hà Nội
• Chuyên ngành: Cơ điện tử
• Đề tài: Xe tự hành vận chuyển hành lí đa tầng
• Loại tài liệu: Đồ án tốt nghiệp
• Năm xuất bản: 2022
• Địa điểm: Hà Nội

Tóm tắt

I. Tổng quan đề tài xe tự hành vận chuyển hành lí đa tầng

Đề tài nghiên cứu thiết kế và chế tạo robot di động phục vụ môi trường dịch vụ thương mại. Xe tự hành vận chuyển hành lí đa tầng đóng vai trò thiết yếu trong tự động hóa ngành khách sạn hiện đại. Thiết bị giải quyết nhu cầu chuyên chở đồ đạc cồng kềnh qua các không gian hành lang hẹp. Hệ thống vận hành trên nền tảng điều khiển tự động thông minh. Robot có khả năng tự định vị, lập bản đồ không gian và nhận diện vật cản theo thời gian thực. Mô hình phần cứng trang bị cơ cấu khung đỡ nhiều tầng vững chắc. Thiết kế này gia tăng dung tích chứa đồ nhưng vẫn duy trì kích thước vật lý nhỏ gọn. Động cơ truyền động kết hợp bộ điều khiển vi xử lý đảm bảo tốc độ vận hành ổn định. Xe di chuyển với vận tốc trung bình không tải đạt 0.5 m/s và khi chở tải đạt 0.3 m/s. Trọng tải chuyên chở tiêu chuẩn đạt từ 10 đến 15 kg. Hệ thống mang lại hiệu suất phục vụ liên tục, hạn chế phụ thuộc vào nhân sự vận hành truyền thống.

1.1. Bối cảnh phát triển xe tự hành vận chuyển hành lí đa tầng

Ngành công nghiệp dịch vụ khách sạn đang chứng kiến sự chuyển đổi công nghệ mạnh mẽ. Nhu cầu nâng cao trải nghiệm khách hàng và tối ưu chi phí vận hành tạo động lực nghiên cứu robot tự hành. Việc vận chuyển hành lý thủ công đòi hỏi nhiều sức lực và dễ gây chậm trễ giờ cao điểm. Xe tự hành chuyên dụng là giải pháp thay thế hiệu quả. Thiết bị hoạt động chính xác trong môi trường trong nhà có nhiều người qua lại. Robot đáp ứng yêu cầu di chuyển linh hoạt, bảo mật hành lý và giảm thiểu rủi ro va chạm. Sự kết hợp giữa cơ khí chính xác và trí tuệ nhân tạo tạo nền tảng vững chắc cho hệ thống.

1.2. Mục tiêu nghiên cứu và thông số kỹ thuật cốt lõi

Đồ án tập trung hoàn thiện hệ thống xe tự hành với các tiêu chuẩn kỹ thuật nghiêm ngặt. Robot sở hữu kích thước bao ngoài 700x520 mm, thích ứng tốt với hành lang khách sạn. Khung xe thiết kế đa tầng cho phép phân loại và chứa hành lý an toàn với tải trọng định mức 15 kg. Vận tốc thiết kế dao động từ 0.3 m/s đến 0.5 m/s nhằm đảm bảo hành lý không bị rơi đổ. Hệ thống tích hợp khả năng nhận diện giọng nói, điều hướng tự động và bám đối tượng. Những chỉ số này chứng minh tính khả thi cao của mô hình trong thực tế.

II. Phân tích thách thức xe tự hành vận chuyển hành lí đa tầng

Môi trường khách sạn đặt ra nhiều bài toán kỹ thuật phức tạp cho xe tự hành vận chuyển hành lí đa tầng. Không gian hành lang hẹp cùng sự xuất hiện liên tục của khách bộ hành đòi hỏi khả năng định vị chính xác cao. Hiện tượng trượt bánh và sai số tích lũy từ cảm biến đo quãng đường gây khó khăn cho việc duy trì quỹ đạo chuyển động. Bên cạnh đó, bài toán phân bố trọng tâm khi mang tải trọng đa tầng ảnh hưởng trực tiếp đến độ ổn định cơ học. Trọng tải 15 kg phân bố ở các độ cao khác nhau dễ làm xe mất cân bằng khi rẽ hoặc đổi hướng đột ngột. Hệ thống cảm biến phải nhận biết chướng ngại vật tĩnh và động ở phạm vi gần một cách tức thì. Vấn đề tương tác người - máy cũng là một thách thức lớn. Robot cần phản hồi mệnh lệnh giọng nói chính xác trong môi trường có nhiều tạp âm xung quanh. Những rào cản này buộc nhóm nghiên cứu phải tính toán kỹ lưỡng từ khâu thiết kế phần cứng đến thuật toán phần mềm.

2.1. Hạn chế về không gian và tính ổn định khi chở tải

Cấu trúc hành lang khách sạn thường hẹp và chứa nhiều vật cản phát sinh bất ngờ. Xe tự hành đa tầng có trọng tâm tương đối cao khi chứa đầy hành lý. Điều này làm tăng nguy cơ lật hoặc rung lắc mạnh trong quá trình khởi động và dừng xe. Tốc độ di chuyển cần được kiểm soát chặt chẽ bằng thuật toán điều khiển vận tốc PID. Ngoài ra, kích thước xe bị giới hạn ở mức 700x520 mm để vừa vặn khi đi qua cửa phòng và thang máy. Sự đánh đổi giữa dung tích chứa đồ và tính cơ động đòi hỏi khung xe phải làm từ vật liệu bền nhẹ, tối ưu hóa kết cấu chịu lực.

2.2. Vấn đề xử lý dữ liệu cảm biến và nhận dạng lệnh

Hệ thống cảm biến đóng vai trò thu nhận thông tin môi trường xung quanh robot. Cảm biến siêu âm HR-SR04 đo khoảng cách gần từ 2 cm đến 400 cm nhưng có góc mở rộng dễ gây nhiễu tín hiệu. Bộ mã hóa vòng quay Encoder sinh ra sai số trôi theo thời gian khi bánh xe bị trượt trên sàn trơn. Ngoài ra, việc xử lý tín hiệu giọng nói của người dùng đòi hỏi bộ lọc nhiễu âm thanh hiệu quả. Bộ xử lý trung tâm phải đảm bảo độ trễ thấp khi tính toán đồng thời các luồng dữ liệu này. Đây là những nút thắt kỹ thuật trọng yếu cần giải pháp khắc phục triệt để.

III. Giải pháp thiết kế xe tự hành vận chuyển hành lí đa tầng

Nhằm giải quyết các bài toán trên, đồ án ứng dụng kiến trúc điều khiển phân tầng hiện đại. Xe tự hành vận chuyển hành lí đa tầng sử dụng máy tính nhúng Jetson Nano kết hợp vi điều khiển STM32. Jetson Nano đóng vai trò bộ xử lý cấp cao, đảm nhiệm thuật toán SLAM, điều hướng toàn cục và nhận dạng giọng nói. Vi điều khiển STM32 xử lý tác vụ thời gian thực gồm điều khiển động cơ PID và đọc tín hiệu Encoder. Hệ điều hành robot ROS cung cấp hạ tầng truyền thông mạnh mẽ giữa các nút chức năng. Thuật toán SLAM quét môi trường thông qua LiDAR và tạo lập bản đồ 2D chi tiết. Robot xác định tọa độ hiện tại, lập kế hoạch đường đi tránh vật cản bằng thuật toán A* kết hợp DWA. Cảm biến siêu âm HR-SR04 bố trí quanh thân xe tạo vùng an toàn phát hiện vật cản cự ly gần. Khung xe thiết kế nhiều ngăn với vật liệu nhôm định hình đảm bảo độ cứng vững và thẩm mỹ cao.

3.1. Kiến trúc phần cứng và tích hợp hệ thống nhúng

Hệ thống phần cứng phân chia rõ ràng giữa tầng xử lý trung tâm và tầng chấp hành. Máy tính Jetson Nano tiếp nhận dữ liệu từ cảm biến LiDAR, camera và micro thu âm. Bo mạch STM32 nhận lệnh vận tốc từ Jetson Nano qua giao tiếp nối tiếp để điều khiển cầu H lái động cơ DC. Thuật toán PID vòng kín điều chỉnh tốc độ bánh xe dựa trên phản hồi xung từ Encoder quang học. Mạch nguồn trang bị bộ chuyển đổi hạ áp độc lập cho từng module nhằm chống sụt áp và triệt tiêu xung nhiễu điện từ. Cấu trúc mô đun hóa này tạo điều kiện thuận lợi cho việc bảo trì và nâng cấp phần cứng.

3.2. Thuật toán điều hướng SLAM và tương tác thông minh

Phần mềm tích hợp gói điều hướng Navigation Stack trên nền tảng ROS. Thuật toán Gmapping hoặc Cartographer xây dựng bản đồ tĩnh của toàn bộ mặt bằng khách sạn. Khi nhận lệnh di chuyển, thuật toán hoạch định đường đi toàn cục tìm tuyến đường ngắn nhất tới phòng chỉ định. Bộ lập kế hoạch cục bộ liên tục cập nhật bản đồ chi phí Costmap để vòng qua chướng ngại vật di động. Đồng thời, module nhận dạng giọng nói và bám đối tượng cho phép robot tự động đi theo khách hàng hoặc nhân viên phục vụ. Giao diện trực quan trên màn hình cảm ứng hỗ trợ người dùng thao tác nhanh chóng.

IV. Đánh giá ứng dụng xe tự hành vận chuyển hành lí đa tầng

Đồ án tốt nghiệp đã chế tạo thành công mẫu thử nghiệm xe tự hành vận chuyển hành lí đa tầng với độ hoàn thiện cao. Quá trình kiểm nghiệm thực tế khẳng định xe vận hành ổn định trong môi trường mô phỏng sảnh và hành lang khách sạn. Robot thực hiện chính xác nhiệm vụ tạo bản đồ, định vị và di chuyển tự động từ điểm xuất phát đến đích đến. Thời gian đáp ứng điều hướng nhanh chóng, khả năng dừng khẩn cấp trước vật cản đạt độ an toàn tuyệt đối. Tải trọng 15 kg được vận chuyển êm ái với tốc độ 0.3 m/s, không gây rung chấn lên hành lý bên trong. Giao diện điều khiển và tính năng nhận diện giọng nói hoạt động trơn tru với tỷ lệ nhận lệnh chính xác trên 90%. Kết quả này chứng minh tính ứng dụng to lớn của đề tài trong tự động hóa ngành dịch vụ. Trong tương lai, mô hình có thể tích hợp thêm tính năng gọi thang máy tự động và thanh toán thông minh.

4.1. Kết quả kiểm nghiệm thực nghiệm tại hiện trường

Các bài kiểm tra thực nghiệm đánh giá toàn diện tính năng của xe tự hành. Robot hoàn thành việc lập bản đồ diện tích 200 m2 trong thời gian ngắn với sai số định vị dưới 5 cm. Hệ thống phanh và cảm biến siêu âm phát hiện vật cản ở cự ly 20 cm, đảm bảo dừng xe an toàn. Xe duy trì hoạt động liên tục trong 3 giờ với khối pin Lithium dung lượng cao. Khung xe đa tầng giữ vững trạng thái cân bằng trong suốt quá trình tăng tốc và cua rẽ. Những chỉ số đo đạc thực tế hoàn toàn trùng khớp với các phép tính toán lý thuyết ban đầu.

4.2. Tiềm năng thương mại hóa và định hướng phát triển

Thành công của đề tài mở ra triển vọng thương mại hóa tại các khu nghỉ dưỡng, bệnh viện và sân bay. Thiết bị giúp cắt giảm đáng kể chi phí vận hành nhân sự và nâng tầm chuyên nghiệp cho cơ sở dịch vụ. Hướng nghiên cứu tiếp theo sẽ tập trung vào việc liên kết robot với hệ thống quản lý tòa nhà BMS. Tính năng này cho phép xe tự động gọi tầng thang máy và mở cửa tự động. Ngoài ra, việc ứng dụng thị giác máy tính học sâu sẽ nâng cao khả năng nhận diện khuôn mặt khách hàng và bảo mật ngăn chứa đồ đa tầng.

Trích đoạn nội dung tài liệu

Đặt vấn đề Trước tình hình diễn biến phức tạp của đại dịch Covid, việc hạn chế tiếp xúc, giữ khoảng cách giữa chúng ta cũng là biện pháp phòng dịch hữu hiệu và cần thiết, đặc biệt là ở những nơi đông người qua lại như là khách sạn, nhà nghỉ thì việc phòng ngừa lại càng phải chú trọng hơn. Để giải quyết vấn đề đó, nhóm chúng em xin đề xuất phương án Robot tự hành vận chuyển hành lí trong khách sạn nhằm thay thế những người phục vụ tiếp xúc với khách hàng. Với việc đưa Robot tự hành vào phục vụ trong khách sạn thì có những ưu điểm như: • Hạn chế được sự tiếp xúc giữa các nhân viên khách sạn với khách hàng, qua đó hạn chế được sự lây lan virus. • Giảm thiểu được nguồn nhân lực, tiết kiệm được chi phí thuê nhân viên.

• Tăng năng suất công việc khi robot cùng lúc có thể mang rất nhiều đồ, có thể tương đương với từ 2 đến 3 nhân viên phục vụ. Trương Công Tuấn 19 Xe tự hành vận chuyển hành lí đa tầng • Bảo mật, an toàn, tránh xảy ra hiện tượng thất lạc đồ trong quá trình vận chuyển. • Hiện nay trong Smart Home cần rất nhiều robot có tính năng tự động như AGV để phục vụ nhu cầu của con người Trên thực tế, cũng đã có rất nhiều khách sạn đã đưa robot vào trong quá trình phục vụ vận chuyển để tiết kiệm chi phí cũng như tăng năng suất, ngoài ra còn đem lại trải nghiệm mới lạ và thú vị cho khách hàng khi ghé thăm.7 mô tả robot vận chuyển hành lí trong khách sạn Shelton Los Angeles.8 mô tả robot với chức năng tương tự tại Nhật Bản.7: Robot vận chuyển hành lí trong khách sạn Shelton Los Angeles Hình 1.8: Robot vận chuyển hành lí trong khách sạn tại Nhật Bản GVHD: TS. Trương Công Tuấn 20 Xe tự hành vận chuyển hành lí đa tầng 1.

Thao khảo mẫu AGV nổi bật Cùng tham khảo một mẫu robot mang tên Segway Delivery Robotic S2 (hình 1.9) xuất xứ từ Trung Quốc với chức năng vận chuyển hàng trong một không gian rộng. S2 là rô bốt giao hàng được phát triển để đáp ứng nhu cầu giao hàng chuyên sâu trong các tình huống khác nhau. Bằng cách áp dụng một số công nghệ cốt lõi hàng đầu quốc tế do Ninebot phát triển độc lập, S2 cung cấp phân phối an toàn hơn và thông minh hơn, hiệu quả và đáng tin cậy cho người tiêu dùng.9: Segway Delivery Robotic S2 S2 sử dụng Laser + Visual SLAM: Thuật toán bản địa hóa và điều hướng SLAM tự phát triển giúp thực hiện bản đồ hóa và bản đồ hóa tự trị ba chiều. Đồng thời, các cảm biến phát hiện mặt đất 3D và thuật toán phân đoạn trực quan mới nhất được thêm vào để tăng cường đáng kể độ an toàn khi vận hành.

Dựa trên việc cập nhật bản đồ liên tục và mối tương quan thông tin trong quá trình hoạt động, nó thích ứng với những thay đổi của môi trường làm việc, Với việc lập bản đồ một lần, nó có thể duy trì bản địa hóa hoàn toàn tự trị trong một thời gian dài. Ngoài ra S2 còn áp dụng thành tựu nghiên cứu mới nhất về học tăng cường, S2 có thể dễ dàng phát hiện chướng ngại vật như chân người và bước đi trong môi trường đông đúc như trung tâm mua sắm và cao ốc văn phòng. Các thông số kĩ thuật nổi bật của S2 như sau:  Tải trọng tối đa: 30 kg  Tốc độ di chuyển tối đa: 1.2 m/s  Độ dốc tối đa: 10 độ  Thời lượng pin: 8 h  Không gian chứa đồ: 345 * 180 * 230mm GVHD: TS. Trương Công Tuấn 21 Xe tự hành vận chuyển hành lí đa tầng  Độ cao chương ngoại vật tối đa: 2cm  Thời lượng sạc: 4 h 1.

Kết luận Ngày nay, ở nước ta đã xuất hiện rất nhiều những robot trong hộ gia đình như robot lau nhà, ngược lại trong các khách sạn phục vụ thì robot lại xuất hiện khá ít và còn khá mới mẻ. Tương lai robot phục vụ trong khách sạn sẽ phát triển rộng lớn trên thị trường để đáp ứng nhu cầu về nhân lực. Đó là cơ hội cũng như thách thức với các nhà sản xuất robot, sao cho phải đáp ứng nhu cầu cũng như giá thành phải hợp lý. Với các tính năng, ưu điểm như trên, robot hoàn toàn có thể đảm bảo được yêu cầu phục vụ, thay thế cho nhân viên.

Do vậy, tính khả thi của đề tài này là rất cao, nhóm em muốn sản phẩm này được hoàn thiện hơn và sớm được đưa vào thực tế để giúp tiết kiệm nguồn nhân vật lực cho đất nước, đó sẽ là xu hướng của tương lai. Đề xuất thiết kế mô hình 1.1 Nhiệm vụ của robot Robot được thiết kế để có thể thực hiện 2 nhiệm vụ, chuyển đổi chế độ nhiệm vụ bằng giọng nói: - Nhiệm vụ 1: Xây dựng bản đồ phòng hành lang • Nhân viên điều khiển robot đi xung quanh hoặc cho robot bám theo người mình đi các tẩng để lập bản đồ sảnh cho robot. • Robot lưu trữ bản đồ sảnh vào thư mục để sử dụng cho các lần sau. • Đánh số phòng trên bản đồ đã vẽ.

- Nhiệm vụ 2: Vận chuyển hành lí từ khu vực kho, lễ tân ra đến các phòng theo yêu cầu của khách hàng. • Vị trí thường trực của robot là ở gần các kho để hành lí. Robot đã lưu trữ bản đồ của các tầng được xây dựng trước trong thư mục. • Chu trình làm việc của robot bắt đầu khi có khách hàng yêu cầu lấy hành lí hoặc người quản lí ra lệnh.

• Robot sẽ di chuyển đến kho lấy hành lí. • Nhân viên sẽ đặt hành lí lên robot, đóng cửa robot và chọn điểm đến (Phòng số #) trong GUI trên màn hình, sau đó ấn nút xác nhận. Trương Công Tuấn 22 Xe tự hành vận chuyển hành lí đa tầng • Robot di chuyển đến phòng, trên GUI có hiện trạng thái: “Giao hành lí đến phòng #”. • Khi robot đến phòng #, khách hàng quét QR xác nhận cho robot để mở cửa lấy hành lí, đóng cửa, robot di chuyển về vị trí ban đầu.

• Hỗ trợ việc robot có thể vẫn chuyển được đa tầng. Đề xuất thiết kế Từ hình 1.12 là các mẫu robot được sử dụng vận chuyển hành lí. Thông qua việc khảo sát, mô hình thiết kế của robot được đề xuất sao cho phù hợp với mục đích và yêu cầu hoạt động của robot.10: Robot vận chuyển hành lí từ kho Hình 1.11: Robot vận chuyển hành lí trong khách sạn tại Trung Quốc GVHD: TS. Trương Công Tuấn 23 Xe tự hành vận chuyển hành lí đa tầng Hình 1.12: Robot vận chuyển hành lí trong khách sạn tại Úc 1.

Nguyên lí hoạt động robot Hình 1.13 dưới đây trình bày nguyên lí mạch điều khiển robot: Hình 1.13: Sơ đồ nguyên lí mạch điều khiển robot Robot hoạt động dựa trên các cảm biến chính là lidar, cảm biến IMU, camera 3D, cảm biến siêu âm và encoder để định hướng cho robot, xác định hướng đi chính xác và thông minh nhất, xây dựng map, phát hiện vật cản và những nơi chênh lệch độ cao. Tất cả các cảm biến này sẽ gửi tín hiệu về vi máy tính Jetson Nano để xử lý và đưa ra các phương pháp điều hướng thích hợp. Các tín hiệu xung điều khiển được gửi đến khối chấp hành là hai động cơ DC giảm tốc. Trong quá trình hoạt động vi điều khiển STM32 giao tiếp với Jetson Nano thông qua giao tiếp UART và có vai trò trung gian trong giao tiếp giữa vi máy tính với các cảm biến và động cơ.

Trương Công Tuấn 24 Xe tự hành vận chuyển hành lí đa tầng 1. Tổng kết Chương 1 đã trình bày tổng quan về robot tự hành vận chuyển hành lí trong khách sạn và một số mẫu robot với chức năng tương tự nổi bật thế giới đồng thời đưa ra được nhu cầu thị trường về robot AGV đang tăng trưởng rất lớn trong nhiều năm tới. Chương 2 tiếp theo sẽ trình bày về thiết kế mô hình robot. Trương Công Tuấn 25 Xe tự hành vận chuyển hành lí đa tầng CHƯƠNG 2: THIẾT KẾ MÔ HÌNH XE 2.

Giới thiệu Khi lên ý tưởng về robot thì điều quan trọng và không thể thiếu chính là hình dạng và kích thước của robot. Ở chương này việc tính toán thiết kế, mô hình, kích thước của robot được trình bày chi tiết. Yêu cầu kỹ thuật với xe. Đặt vấn đề Với các nước hiện đại trên thế giới, đi đầu về công nghệ thì việc ứng dụng robot tự động trong sinh hoạt, phục vụ nhu cầu cho con người đã trở nên quen thuộc.

Robot thì có các kích thước khác nhau, với những mục đích sử dụng khác nhau trong môi trường làm việc khác nhau. Những robot nhỏ gọn thì được sử dụng trong các hộ gia đình với công việc quét dọn, lau nhà, giải trí, … Đối với những robot kích thước lớn hơn từ 1 – 2m thì được sử dụng ở siêu thị, nhà hàng, khách sạn, dây chuyền sản xuất. Đối với robot vận chuyển hành lí trong khách sạn vấn đề đặt ra là sự tự định hướng bằng các cảm biến, camera, ngoài ra còn phải tương tác với khách hàng. Tìm ra đường đi ngắn, đảm bảo vận chuyển kịp thời.

Hơn nữa phải đáp ứng được khối lượng hành lí vận chuyển. Kích thước vừa đủ, vận chuyển nhiều hành lí cùng lúc. Yêu cầu kĩ thuật Để đáp ứng được những vấn đề ở trên thì xe phải đáp ứng được:  Tự dộng di chuyển, mang hành li từ A đến B, tránh vật cản,….  Xe phải đảm bảo chở đủ tải trọng: 15 kg  Có kích thước nhỏ gọn đảm bảo trong quá trình di chuyển trong không gian nhỏ hẹp của khách sạn và hành lang.

(kích thước 700x520 mm)  Tốc độ đảm bảo khi di chuyển không bị văng hành lí ra ngoài, cũng như phải đảm bảo được tốc độ vận chuyện đúng giờ. (đã khảo sát và cho chạy thử thực tế) o Vận tốc không tải của robot: ~ 0.5 m/s o Vận tốc khi có tải của robot: ~ 0.3 m/s  Đảm bảo yêu cầu bảo mật, tránh tình trạng trộm cắp có thể xảy ra, sử dụng các vật liệu phù hợp. Yêu cầu về tính năng làm việc: o Tìm ra đường đi tối ưu đến vị trí chỉ định ở trên map đã xây dựng. o Tránh được các vật cản trên đường di chuyển.

o Mở cửa khi quét đúng mã QR để khách lấy hành lí. Trương Công Tuấn 26 Xe tự hành vận chuyển hành lí đa tầng 2. Phân tích thiết kế hệ thống dẫn hướng 2.