Bối cảnh và vấn đề nghiên cứu

Trong xu thế phát triển của tự động hóa và công nghiệp hiện đại, việc ứng dụng các hệ thống máy móc thông minh vào quy trình sản xuất đóng vai trò thiết yếu nhằm nâng cao năng suất, tối ưu hóa chi phí và đảm bảo an toàn lao động. Khác với các cánh tay robot công nghiệp hoạt động ở vị trí cố định, robot di động (Mobile Robot) sở hữu khả năng tự điều hướng linh hoạt trong môi trường làm việc, được ứng dụng rộng rãi trong vận chuyển hàng hóa tại kho bãi, dẫn hướng phục vụ, thám hiểm không gian hoặc thay thế con người làm việc tại các môi trường nguy hại. Trong số các phương thức dẫn đường (dẫn đường bằng laser, điểm từ, băng từ, vạch kẻ), robot tự hành bám line (Line Following Robot) là mô hình kinh điển, có tính ứng dụng cao nhờ khả năng thiết lập đường dẫn linh hoạt, chi phí lắp đặt thấp và dễ dàng mở rộng phạm vi hoạt động.

Đồ án tốt nghiệp "Thiết kế robot tự hành bám line theo quỹ đạo đặt trước" của tác giả Nguyễn Ngọc Mạnh, sinh viên ngành Công nghệ Kỹ thuật Điều khiển và Tự động hóa, Khoa Điện, Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật Vinh (năm 2023), tập trung giải quyết bài toán nghiên cứu, thiết kế cơ khí, xây dựng hệ thống điện và lập trình giải thuật điều khiển cho một robot di động 3 bánh tự hành có khả năng mang tải và bám sát quỹ đạo vạch kẻ định sẵn.

Mục tiêu kỹ thuật cụ thể do đề tài đặt ra bao gồm:

  1. Thiết kế và chế tạo robot di động di chuyển bám line với vận tốc thiết kế danh định 0,4 m/s.
  2. Đảm bảo robot hoạt động ổn định, vào cua an toàn với bán kính cong nhỏ nhất là 500 mm.
  3. Khả năng mang tải trọng tĩnh và động đạt 2,0 kg.

Các điều kiện ràng buộc trong quá trình thiết kế:

  • Kích thước phủ bì tối đa của robot (Dài × Rộng × Cao): $300 \times 200 \times 100\text{ mm}$.
  • Kích thước không gian chứa tải trọng tối đa: $200 \times 100 \times 300\text{ mm}$.
  • Đường kính bánh xe di chuyển không vượt quá 200 mm.
  • Môi trường di chuyển: Vạch kẻ line màu đen có bề rộng 26 mm trên bề mặt sàn màu trắng có độ tương phản cao.

Nhiệm vụ nghiên cứu được phân định thành các nội dung:

  1. Tính toán động lực học, xác định các thông số kích thước cơ cấu, công suất, mô-men động cơ; kiểm tra điều kiện chống trượt bánh và chống lật xe khi vào cua; dựng mô hình 3D trên phần mềm SolidWorks và gia công khung vỏ.
  2. Thiết kế mạch điện, khảo sát và chế tạo mảng cảm biến quang hồng ngoại, lựa chọn nguồn nuôi, mạch điều khiển công suất động cơ và vi điều khiển trung tâm.
  3. Xây dựng mô hình động học vi sai, thiết kế thuật toán phân ngưỡng tín hiệu cảm biến và giải thuật điều khiển vòng kín PID cho động cơ chấp hành.
  4. Chế tạo mô hình thực nghiệm, lập trình nạp code điều khiển và kiểm nghiệm hoạt động bám line trên sa bàn thực tế.

Đối tượng nghiên cứu là hệ thống robot di động 3 bánh dẫn động vi sai 2 bánh sau, tích hợp cảm biến quang hồng ngoại và động cơ DC Servo có encoder. Phạm vi nghiên cứu giới hạn ở không gian phẳng trong nhà xưởng/phòng thí nghiệm, quỹ đạo line đơn sắc có bề rộng cố định, khảo sát trong điều kiện không chịu tác động của tải trọng gió.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp

Đề tài kết hợp giữa lý thuyết động lực học máy, động học vi sai của robot di động và kỹ thuật điều khiển tự động vòng kín. Các khung lý thuyết và mô hình tính toán chủ đạo gồm:

  • Mô hình động học vi sai (Differential Drive Kinematics): Phân tích quan hệ vận tốc giữa điểm tâm quy chiếu $M$ của hai bánh dẫn động và điểm bám cảm biến $C$ phía trước: $$\begin{bmatrix} \dot{x}_C \ \dot{y}_C \ \dot{\phi}_C \end{bmatrix} = \begin{bmatrix} \frac{1}{2}\cos\phi & \frac{1}{2}\cos\phi \ \frac{1}{2}\sin\phi & \frac{1}{2}\sin\phi \ -\frac{1}{L} & \frac{1}{L} \end{bmatrix} \begin{bmatrix} v_L \ v_R \end{bmatrix} + \begin{bmatrix} -d \cdot \dot{\phi} \cdot \sin\phi \ d \cdot \dot{\phi} \cdot \cos\phi \ 0 \end{bmatrix}$$ Trong đó $v_L, v_R$ lần lượt là vận tốc dài bánh trái và bánh phải, $L$ là khoảng cách giữa hai tâm bánh xe, $d$ là khoảng cách từ tâm trục bánh sau đến cụm cảm biến trước.
  • Mô hình động lực học và cân bằng lực: Thiết lập hệ phương trình cân bằng lực tổng quát theo phương ngang ($\Sigma F_x = m \cdot a$), phương đứng ($\Sigma F_z = 0$) và mô-men quanh trục trọng tâm ($\Sigma M_{o/y} = 0$). Từ đó xác định phản lực pháp tuyến tại bánh trước ($F_{z1}$) và hai bánh sau ($2F_{z2}$), phân tích sự dịch chuyển trọng tâm để hạn chế hiện tượng nhấc bánh dẫn hướng khi tăng tốc.
  • Tiêu chuẩn ổn định khi chuyển động cong: Kiểm tra điều kiện không trượt ngang dựa trên lực ma sát cực đại ($F_{ms} \ge m v^2 / r \Leftrightarrow v \le \sqrt{\mu r g}$) và điều kiện không lật xe do lực ly tâm ($F_{lt} \cdot h \le m g \cdot b/2 \Leftrightarrow v \le \sqrt{\frac{g b r}{2 h}}$), với $b$ là khoảng cách hai vết bánh xe, $h$ là độ cao trọng tâm.
  • Kỹ thuật quang điện tử trong cảm biến dò đường: Ứng dụng nguyên lý phản xạ hồng ngoại giữa bề mặt vật liệu trắng (phản xạ cao) và đen (hấp thụ bức xạ), tính toán phân vùng giao thoa giữa LED phát ($\alpha = 16^\circ$) và phototransistor thu ($\beta = 30^\circ$) để xác định khoảng cách chuyển mạch (switching distance).
  • Thuật toán điều khiển PID: Sử dụng cấu trúc điều khiển phản hồi sai số độ lệch tâm của xe so với vạch kẻ nhằm điều chế độ rộng xung (PWM) cấp cho bộ truyền động bánh xe.

Phương pháp nghiên cứu áp dụng trong đồ án là phương pháp thực nghiệm kết hợp giải tích kỹ thuật: tính toán lý thuyết kích thước và công suất, mô phỏng kiểm chứng kết cấu 3D, gia công vật lý và thử nghiệm đo đạc thực địa trên sa bàn định hình.

Thiết kế và triển khai hệ thống robot

Hệ thống robot tự hành được thiết kế đồng bộ từ kết cấu cơ khí, phần cứng điện tử đến phần mềm điều khiển:

1. Thiết kế cơ khí và động lực học

Kết cấu cơ khí sử dụng cấu hình 3 bánh: 2 bánh sau chủ động gắn trực tiếp vào trục động cơ giảm tốc, 1 bánh trước tự lựa (bánh mắt trâu) có vai trò đỡ tải và dẫn hướng. Khung xe chế tạo bằng vật liệu mica cắt laser định hình thành cấu trúc 2 tầng:

  • Tầng dưới: Kích thước $225 \times 140\text{ mm}$, bố trí cụm hai động cơ DC, gá đỡ bánh mắt trâu, giá đặt khối pin nguồn và khoang chứa tải trọng 2 kg.
  • Tầng trên: Bố trí bo mạch vi điều khiển Arduino Uno R3, mạch điều khiển động cơ L298N và các cầu đấu nối dây tín hiệu.
Thông số hình học và cơ khí Giá trị thiết kế
Bán kính bánh xe dẫn động ($R$) 40 mm (tính toán ban đầu: 32,5 mm)
Chiều rộng cơ sở hai bánh ($b$) 225 mm
Khoảng cách từ bánh trước đến trục sau ($a$) 14 mm
Chiều cao trọng tâm tính từ sàn ($h$) 45 mm
Khối lượng bản thân xe và tải 4,0 kg (xe 2,0 kg + tải 2,0 kg)
Moment cản xoắn yêu cầu ($\tau_{max}$) $\le 0,35\text{ Nm}$
Công suất động cơ tính toán 13,2 W
Vận tốc lý thuyết lớn nhất của động cơ 0,967 m/s

2. Thiết kế hệ thống điện và khối cảm biến

Hệ thống điện áp dụng cấu trúc điều khiển tập trung nhằm tối ưu hóa diện tích lắp đặt và giảm khối lượng:

  • Khối xử lý trung tâm: Vi điều khiển Arduino Uno R3 (ATmega328P), tiếp nhận tín hiệu từ mảng cảm biến và encoder, xuất tín hiệu điều khiển chiều quay và cấp xung PWM.
  • Khối động cơ và công suất: Sử dụng 02 động cơ DC Servo giảm tốc GA25 (điện áp định mức 12V, tốc độ không tải 320 vòng/phút, dòng kẹt 2,29A, tích hợp encoder đĩa từ 11 xung/vòng dùng nguồn 3,3V). Mạch công suất sử dụng module cầu H đôi L298N, hỗ trợ dòng tải đỉnh 2A mỗi kênh, kết nối với vi điều khiển qua các chân Enable (ENA, ENB) và Logic Direction (IN1, IN2, IN3, IN4).
  • Khối cảm biến dò line: Ban đầu tác giả khảo nghiệm thanh cảm biến thương mại BFD-1000 (5 mắt hồng ngoại, ngõ ra số), nhưng phát hiện nhược điểm khoảng cách bố trí giữa các mắt không linh hoạt, yêu cầu đặt sát sàn gây va quẹt và tín hiệu dễ nhiễu. Tác giả chuyển sang thiết kế bo mạch cảm biến tùy chỉnh sử dụng linh kiện TCRT5000 (TCRC5000) gồm 4 cặp LED thu-phát hồng ngoại.
Thông số mạch cảm biến TCRT5000 Giá trị tính toán / lựa chọn
Kiểu bố trí cảm biến Đặt nằm ngang (nhằm tối ưu switching distance)
Điện áp nguồn cấp ($V_{CC}$) 5 VDC
Dòng thuận phát ($I_F$) / Điện áp thuận ($V_F$) 37,5 mA / 1,25 V
Điện trở hạn dòng LED phát ($R_1$) $100,\Omega$
Dòng cực góp thu ($I_C$) / Điện áp $V_{CE}$ 1,3 mA / 0,6 V
Điện trở phân áp transistor thu ($R_2$) $4,7\text{ k}\Omega$ (tính toán: $3384,\Omega$)
Khoảng cách tối ưu từ cảm biến tới mặt sàn ($h$) 14 mm (vùng giao thoa quang học $L = 9,3\text{ mm}$)
Khoảng cách giữa hai tâm cảm biến kề nhau ($D$) 15 mm (tính toán lý thuyết tối thiểu: 11,09 mm)

Nội dung chính theo từng chương

Chương 1: Tổng quan

Chương 1 giới thiệu khái quát về lịch sử phát triển và phân loại Mobile Robot theo môi trường hoạt động (trên cạn, dưới nước, trên không) và theo cơ cấu di chuyển (bánh xe, bánh xích, chân chuyển động). Tác giả dẫn chứng các ứng dụng tiêu biểu như robot Opportunity của NASA (hoạt động 15 năm trên Sao Hỏa với quãng đường 45,16 km), robot Scorpion của Toshiba xử lý sự cố nhà máy điện hạt nhân Fukushima, robot PackBot 510 của iRobot trong quân sự và robot hút bụi Roborock Gen 3.

Nội dung trọng tâm của chương là khảo sát các giải pháp công nghệ trên xe dò line qua các mẫu robot đạt giải quốc tế:

  • Robot "The Chariot" (cuộc thi LV Bots): Nặng 210g, 2 bánh sau chủ động, 1 bánh trước tự lựa, dùng 6 cảm biến QTR-8RC, vi điều khiển A-Star 32U4, giải thuật PID.
  • Robot "Silvestre" (vô địch Cosmobot 2012): Nặng 250g, 2 bánh sau chủ động, 2 bánh trước tự lựa, vi điều khiển LPC2148 ARM7, thuật toán điều khiển PD.
  • Robot "Fireball" (giải Bot Brawl 2010): Dùng động cơ Maxon DC, 8 cảm biến QTR-8RC, vi điều khiển Parallax Propeller.

Tác giả lập các bảng phân tích kỹ thuật:

  • Đánh giá ưu nhược điểm của cấu hình 3 bánh so với 4 bánh (cấu hình 3 bánh có 2 bánh sau chủ động đảm bảo 3 điểm tiếp xúc luôn tạo thành một mặt phẳng, tiếp xúc mặt đường tốt hơn xe 4 bánh trên bề mặt gồ ghề).
  • So sánh các phương pháp đọc cảm biến: Phương pháp analog có độ chính xác cao nhưng thuật toán phức tạp và thời gian đọc ADC lâu hơn phương pháp digital.
  • So sánh cấu trúc điều khiển tập trung (1 vi điều khiển, gọn nhẹ, tiết kiệm chi phí nhưng tốn thời gian gỡ lỗi) và phân cấp (master-slave, xử lý đa nhiệm nhanh nhưng cồng kềnh, chi phí cao).

Chương 2: Lựa chọn phương án thiết kế cơ khí và hệ thống điện cho robot dò line

Chương 2 trình bày toàn bộ quá trình tính toán cơ điện tử:

  • Tính toán động học và động lực học: Thiết lập hệ phương trình vi phân chuyển động, xác định gia tốc lớn nhất $a_{max}$ phụ thuộc vào vị trí trọng tâm. Xác định điều kiện để bánh trước luôn tì lên mặt đường ($F_{z1} > 0$).
  • Tính toán công suất kéo: Với vận tốc định mức $v = 1,0\text{ m/s}$, thời gian tăng tốc $t = 1\text{ s}$, khối lượng toàn bộ 4 kg, công suất tổng $P = K \cdot (P_1 + P_2) = 13,2\text{ W}$ (chọn hệ số tổn thất truyền động $K = 2$). Tốc độ góc bánh xe đạt 293,8 vòng/phút, moment kéo yêu cầu $\tau \le 0,35\text{ Nm}$.
  • Tính toán chống trượt và chống lật: Với hệ số ma sát giữa bánh cao su và sàn $\mu = 0,8$, bán kính cua $r = 500\text{ mm}$, vận tốc tới hạn chống trượt là $v \le 1,98\text{ m/s}$; vận tốc tới hạn chống lật với bề rộng xe 225 mm là $v \le 3,5\text{ m/s}$. Vận tốc vận hành lựa chọn $v = 0,4 - 0,967\text{ m/s}$ hoàn toàn thỏa mãn các điều kiện an toàn.
  • Thiết kế mảng cảm biến: Tính toán chi tiết quang học cho cảm biến TCRT5000, xác định vùng phủ phát/thu để loại trừ điểm mù và triệt tiêu can nhiễu giữa hai mắt liên tiếp, hoàn thiện thông số $R_1 = 100,\Omega, R_2 = 4,7\text{ k}\Omega, D = 15\text{ mm}, h = 14\text{ mm}$.

Chương 3: Thiết kế lập trình và giải thuật toán dò line và PID điều khiển động cơ

Chương 3 tập trung vào thuật toán điều khiển và phần mềm nhúng:

  • Xây dựng sơ đồ khối hệ thống điều khiển kín: Khối cảm biến trả tín hiệu điện áp analog về bộ chuyển đổi ADC của Arduino Uno R3; chương trình thực hiện phân ngưỡng sang các trạng thái lệch line.
  • Thuật toán điều khiển PID: Thiết lập hàm tính toán sai số $e(t)$ dựa trên vị trí tương đối giữa tâm cụm cảm biến và tâm vạch line. Tín hiệu đầu ra của bộ PID ($u(t) = K_p \cdot e(t) + K_i \int e(t)dt + K_d \frac{de(t)}{dt}$) được cộng/trừ vào giá trị xung PWM cơ sở cấp cho hai kênh của driver L298N, tạo ra sự chênh lệch vận tốc giữa bánh trái ($v_L$) và bánh phải ($v_R$) giúp xe tự uốn theo bán kính cong của quỹ đạo.
  • Phân tích đáp ứng vận tốc động cơ: Khảo sát chuyển động khi chạy thẳng ($v_L = v_R = 0,4\text{ m/s}$) và khi vào cung tròn bán kính 500 mm ($v_L \ne v_R$).
  • Triển khai mã nguồn: Sử dụng phần mềm Arduino IDE biên dịch mã C++, tối ưu hóa vòng lặp lấy mẫu và hiệu chỉnh bộ thông số $K_p, K_i, K_d$.

Chương 4: Kết quả thực nghiệm

Chương 4 ghi nhận kết quả lắp ráp hoàn thiện và vận hành mô hình trên sa bàn thử nghiệm:

  • Kiểm nghiệm phần cứng: Hệ thống cơ khí vận hành chắc chắn, khung mica 2 tầng tải được khối lượng 2 kg mà không bị biến dạng cơ học hay võng trục.
  • Khảo nghiệm mảng cảm biến TCRT5000: Khoảng cách nâng sàn 14 mm giúp robot bắt line tin cậy, không bị ảnh hưởng bởi các sai số mấp mô nhỏ trên mặt sàn, tín hiệu phân ngưỡng ổn định hơn nhiều so với module BFD-1000.
  • Đánh giá khả năng bám quỹ đạo: Robot bám line chính xác ở vận tốc 0,4 m/s, vượt qua các đoạn cua có bán kính cong 500 mm mà không bị văng trượt hay mất dấu line. Dữ liệu thực nghiệm phản hồi tốc độ từ encoder cho thấy bộ điều khiển PID bù trừ độ lệch kịp thời.
  • Đề xuất hiệu chỉnh thiết kế: Đưa ra các giải pháp cải thiện hệ thống như bổ sung mạch lọc chống nhiễu quang học từ môi trường bên ngoài, sử dụng IC cầu H có hiệu suất cao hơn để giảm tổn hao nhiệt so với L298N.

Kết quả và đóng góp kỹ thuật

Đồ án đã hoàn thành toàn diện các mục tiêu đề ra bằng các số liệu thực nghiệm cụ thể:

Hạng mục thông số Chỉ tiêu đề ra ban đầu Kết quả thực nghiệm đạt được
Tải trọng vận chuyển 2,0 kg Đạt tải trọng 2,0 kg ổn định
Vận tốc bám line quỹ đạo 0,4 m/s Hoạt động ổn định ở 0,4 m/s (vận tốc tối đa tính toán 0,967 m/s)
Bán kính góc cua nhỏ nhất 500 mm Bám tốt cung tròn bán kính 500 mm, không trượt bánh
Quy cách vạch dẫn đường Bề rộng 26 mm, màu đen Nhận diện chính xác line đen 26 mm trên nền trắng
Kích thước khung xe phủ bì $\le 300 \times 200 \times 100\text{ mm}$ Chiều rộng 225 mm, chiều cao trọng tâm 45 mm

Đóng góp kỹ thuật của đề tài:

  • Xây dựng một quy trình thiết kế cơ điện tử khép kín: Kết hợp chặt chẽ từ tính toán động lực học giải tích (xác định lực tì bánh trước, giới hạn trượt, giới hạn lật) đến thiết kế kết cấu 3D trên SolidWorks và chế tạo mạch điều khiển.
  • Đưa ra phương pháp tính toán quang học chi tiết để tự thiết kế mảng cảm biến dò đường TCRT5000: Xác định cụ thể vùng giao thoa phát-thu ($h = 14\text{ mm}$) và khoảng cách giữa các mắt ($D = 15\text{ mm}$), khắc phục triệt để các nhược điểm cố hữu của các module cảm biến thương mại bán sẵn trên thị trường.
  • Ứng dụng thành công thuật toán điều khiển PID vòng kín vào hệ thống dẫn động vi sai mang tải thực tế, chứng minh tính khả thi của cấu trúc điều khiển tập trung chi phí thấp sử dụng vi điều khiển ATmega328P.

Hạn chế và hướng phát triển tiếp theo

Căn cứ vào kết quả thực nghiệm và các đề xuất hiệu chỉnh trong đồ án, hệ thống còn tồn tại một số điểm hạn chế:

  • Cụm cảm biến quang hồng ngoại TCRT5000 dù đã được tính toán vùng phủ quang học nhưng vẫn có khả năng bị ảnh hưởng bởi ánh sáng môi trường cường độ cao hoặc bề mặt sàn có độ phản xạ không đồng đều.
  • Mạch công suất L298N sử dụng công nghệ BJT có sụt áp nội lớn (khoảng 2V), sinh nhiệt nhiều khi làm việc liên tục dưới tải nặng 2 kg, làm giảm hiệu suất tổng thể của hệ thống pin.
  • Vi điều khiển 8-bit Arduino Uno R3 có tần số xung nhịp và độ phân giải ADC giới hạn, chu kỳ quét thuật toán bị hạn chế nếu mở rộng thêm các cảm biến phụ trợ hoặc giải thuật phức tạp.

Hướng nghiên cứu phát triển tiếp theo được tác giả đề xuất:

  • Cải tiến phần cứng cảm biến: Thiết kế thêm phần chụp che chắn ánh sáng tạp tán bên ngoài cho cụm TCRT5000, tích hợp mạch lọc tích cực hoặc chuyển sang đọc analog kết hợp thuật toán xấp xỉ trọng số để tăng độ mịn của sai số.
  • Nâng cấp phần cứng điều khiển và công suất: Thay thế driver L298N bằng các dòng driver cầu H dùng MOSFET hiệu suất cao (như TB6612FNG hoặc VNH series); nâng cấp vi điều khiển lên dòng 32-bit (ARM Cortex-M hoặc ESP32) để xử lý đa nhiệm nhanh hơn.
  • Mở rộng thuật toán: Nghiên cứu áp dụng thuật toán điều khiển tự thích nghi (Self-tuning PID), mờ (Fuzzy Logic) hoặc thuật toán bám quỹ đạo Following Tracking nâng cao để robot đạt vận tốc vào cua lớn hơn.

Giá trị tham khảo

Đồ án là tài liệu tham khảo thiết thực cho sinh viên các ngành Công nghệ Kỹ thuật Điều khiển và Tự động hóa, Cơ điện tử, Kỹ thuật Robot và Kỹ thuật Điện tử - Viễn thông:

  • Tài liệu học tập và làm đồ án: Hữu ích cho sinh viên đang thực hiện đồ án tốt nghiệp, đồ án môn học Thiết kế hệ thống nhúng, Robot di động hoặc các nhóm sinh viên tham gia các cuộc thi Robocon, xe dò line tốc độ cao.
  • Giá trị trích dẫn kỹ thuật: Phần tính toán động lực học chống trượt/lật (Chương 2) và phương pháp tính toán quang hình học cho cảm biến TCRT5000 là tài liệu tham khảo trực tiếp có giá trị cao, giúp người nghiên cứu tự thiết kế bo mạch cảm biến tối ưu thay vì dùng module có sẵn.
  • Tham khảo mô hình động học: Cách xây dựng hệ phương trình vi sai và mô hình hóa điểm bám line C trên mặt phẳng là cơ sở tốt để mở rộng các bài toán điều khiển quỹ đạo nâng cao.

Câu hỏi thường gặp

1. Tại sao tác giả chuyển từ thanh cảm biến BFD-1000 sang tự thiết kế bo mạch TCRT5000?
Thanh cảm biến BFD-1000 tích hợp sẵn 5 mắt với khoảng cách cố định không phù hợp với bề rộng line 26 mm; yêu cầu phải hạ rất sát mặt sàn (dưới 10 mm) mới đọc được tín hiệu khiến xe dễ va chạm khi rung lắc; tín hiệu ngõ ra dạng số trả về thiếu ổn định. Việc chuyển sang cụm 4 cảm biến TCRT5000 đặt nằm ngang cho phép tác giả chủ động tính toán khoảng cách nâng sàn ($h = 14\text{ mm}$) và cự ly giữa các mắt ($D = 15\text{ mm}$), giúp loại bỏ điểm mù và nâng cao độ nhạy nhận diện vạch kẻ.

2. Robot được thiết kế với tải trọng và kích thước hình học bao nhiêu?
Robot được thiết kế mang tải trọng hàng hóa là 2,0 kg (tổng khối lượng gồm xe và tải là 4,0 kg). Chiều rộng cơ sở xe là $b = 225\text{ mm}$, khoảng cách từ bánh mắt trâu trước đến trục bánh sau là $a = 14\text{ mm}$, bán kính bánh xe là 40 mm, và chiều cao trọng tâm tính từ mặt sàn là $h = 45\text{ mm}$. Kích thước này hoàn toàn nằm trong giới hạn ràng buộc phủ bì $300 \times 200 \times 100\text{ mm}$ do đề bài yêu cầu.

3. Động cơ nào được lựa chọn và các thông số tính toán tải gồm những gì?
Tác giả chọn 02 động cơ DC Servo giảm tốc GA25 gắn kèm đĩa encoder 11 xung/vòng. Động cơ có công suất danh định 13,2W, dải điện áp làm việc 3–12V, tốc độ không tải 320 vòng/phút, tốc độ có tải 284 vòng/phút, moment định mức $1,88\text{ kgf}\cdot\text{cm}$ và moment kẹt đạt $7,96\text{ kgf}\cdot\text{cm}$. Các thông số này đáp ứng yêu cầu moment kéo tính toán của hệ thống ($\tau \le 0,35\text{ Nm}$) ở vận tốc tính toán lớn nhất 0,967 m/s.

4. Điều kiện chống trượt và chống lật khi xe vào góc cua nhỏ nhất ($R = 500\text{ mm}$) được đảm bảo như thế nào?
Với hệ số ma sát cao su - bê tông $\mu = 0,8$ và bán kính cua 500 mm, vận tốc giới hạn để xe không bị trượt ngang là $v \le \sqrt{\mu r g} = 1,98\text{ m/s}$. Vận tốc giới hạn để xe không bị lật do lực ly tâm là $v \le \sqrt{\frac{g b r}{2 h}} = \sqrt{\frac{9,81 \cdot 0,225 \cdot 0,5}{2 \cdot 0,045}} \approx 3,5\text{ m/s}$. Do vận tốc thực tế của robot khi bám line cua được khống chế ở mức 0,4 m/s (nhỏ hơn rất nhiều so với 1,98 m/s và 3,5 m/s), robot hoàn toàn đảm bảo ổn định động học, không trượt bánh và không bị lật.

5. Cụ thể các giá trị linh kiện điện trở cho mạch cảm biến TCRT5000 được tính toán ra sao?
Với nguồn nuôi 5V, điện áp thuận của LED phát $V_F = 1,25\text{V}$ và dòng định mức $I_F = 37,5\text{ mA}$, điện trở hạn dòng LED phát được chọn là $R_1 = 100,\Omega$. Đối với nhánh phototransistor thu, với dòng cực góp làm việc $I_C = 1,3\text{ mA}$ và điện áp bão hòa $V_{CE} = 0,6\text{V}$, giá trị điện trở tính toán lý thuyết là $3384,\Omega$, tác giả chọn giá trị điện trở tiêu chuẩn thực tế là $R_2 = 4,7\text{ k}\Omega$ để đảm bảo độ nhạy phân ngưỡng.

Kết luận

Đồ án tốt nghiệp của tác giả Nguyễn Ngọc Mạnh đã giải quyết trọn vẹn bài toán thiết kế kỹ thuật và chế tạo mô hình robot tự hành bám line 3 bánh vi sai mang tải 2,0 kg theo quỹ đạo đặt trước. Điểm sáng của công trình là sự gắn kết chặt chẽ giữa các phép tính giải tích động lực học, tính toán quang học xác định thông số mảng cảm biến TCRT5000 và thuật toán điều khiển PID điều chế xung PWM trên nền vi điều khiển Arduino Uno R3. Kết quả thử nghiệm thực tế chứng minh robot đáp ứng đầy đủ các tiêu chuẩn kỹ thuật về độ ổn định, vận tốc di chuyển và khả năng bám quỹ đạo trên sa bàn, tạo nền tảng vững chắc cho các nghiên cứu phát triển robot vận chuyển tự hành trong môi trường công nghiệp.