CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN Chương này trình bày tổng quan về đề tài: Xe tự hành vận chuyển hàng sử dụng GPS. Nội dung chương này bao gồm những dạng robot tự hành, nghiên cứu và thực nghiệm về robot sử dụng ngoài trời. Từ đó, rút ra được mục tiêu, cơ sở, định hướng thực hiện đề tài.1 Giới thiệu xe tự hành Xe tự hành vận chuyển hàng là một trong những công nghệ mới và đang phát triển mạnh mẽ trong lĩnh vực vận chuyển hàng hóa.
Xe tự hành vận chuyển hàng được điều khiển bởi một hệ thống GPS và một bộ điều khiển tự động, cho phép xe tự động tìm đường và di chuyển từ điểm này đến điểm khác mà không cần phải có người điều khiển. Sử dụng xe tự hành vận chuyển hàng có rất nhiều lợi ích, trong đó có tăng hiệu suất, giảm chi phí và tăng tính an toàn trong việc vận chuyển hàng hóa. Do không cần phải có người điều khiển, xe tự hành có thể hoạt động liên tục 24/7, tăng tốc độ vận chuyển hàng hóa và giảm chi phí cho doanh nghiệp. Xe tự hành cũng có thể giảm tối đa rủi ro cho người lái xe và hành khách, tăng tính an toàn trên đường.
Tuy nhiên, cũng có một số giới hạn về việc sử dụng xe tự hành vận chuyển hàng. Một trong những giới hạn chính là sự cố Các loại phương pháp vận chuyển Mỗi loại hàng hóa có yêu cầu khi lưu trữ và vận chuyển khác nhau, do đó có nhiều phương pháp vận chuyển hàng hóa. Phương pháp kéo hàng Xe tự hành có móc, ngàm kéo các khay hàng. Kiểu xe tự hành kéo hàng thích hợp sử dụng di chuyển hàng có khoảng cách xa với số lượng, kích thước tùy theo khay hàng.
Tuy nhiên, đường đi cần rộng rãi, những đoạn cua có bán kính lớn để tránh va chạm.1 Xe tự hành kéo hàng 1 Phương pháp chở hàng Xe tự hành có bộ phận chứa hàng, nâng hàng hoặc băng tải để lấy hàng. Kiểu xe tự hành chở hàng có thể kết hợp với băng tải trong dây chuyền sản xuất, lắp ráp. Xe tự hành chở hàng di chuyển linh hoạt hơn so với phương pháp kéo hàng, đặc biệt là trong hệ thống kho hàng có đường đi hẹp, góc cua nhỏ.2 Xe tự hành chở hàng Phương pháp nâng hàng Xe tự hành có bộ phận nâng hàng tự động. Ưu điểm của xe tự hành nâng hàng là đưa được hàng hóa lên nhiều độ cao.
Xe tự hành theo phương pháp xe nâng yêu cầu không gian rộng để xoay khi nâng hàng.3 Xe tự hành nâng hàng 2 Lựa chọn phương pháp vận chuyển Phương pháp vận chuyển hàng theo phương pháp chở hàng có những ưu điểm về cách vận chuyển hàng linh hoạt, làm việc được trong không gian ngoài trời. Vì vậy, chúng ta sẽ sử dụng phương pháp vận chuyển này trong đồ án. Các loại phương pháp tìm đường • Dẫn đường: xe tự hành sẽ theo một đường dẫn được xác định trước để vận chuyển hàng hóa từ nơi này đến nơi khác. • Dẫn đường tự động: xe tự hành sẽ sử dụng các cảm biến và thiết bị định vị để tự động tìm đường và điều khiển chính xác đến đích.
• Hệ thống lái tự động: xe tự hành sẽ sử dụng một hệ thống lái tự động để tự động điều khiển và vận chuyển hàng hóa. • Hệ thống tự động hóa tập trung: xe tự hành sẽ sử dụng một hệ thống tự động hóa tập trung để quản lý và điều khiển vận chuyển hàng hóa. Lựa chọn phương pháp tìm đường: Dựa vào yêu cầu đề tài đồ án, chúng ta sẽ dùng phương pháp đó là dẫn đường tự động.2 Lý do chọn đề tài, mục tiêu, nhiệm vụ và phạm vi đồ án Lý do chọn đề tài Việc chúng em chọn đề tài Thiết kế và điều khiển xe tự hành sử dụng định vị GPS đến từ sự quan tâm của xã hội đến việc phát triển công nghệ xe tự hành trong thời đại hiện đại. Xe tự hành có thể cải thiện đáng kể cuộc sống của chúng ta, giảm thiểu tai nạn giao thông, tăng tính tiện lợi và giảm tốn kém của việc sử dụng phương tiện giao thông truyền thống.
Việc sử dụng định vị GPS để điều khiển xe tự hành là một cách tiếp cận tiềm năng để giải quyết các thách thức về định vị và định hướng. Với độ chính xác tương đối cao của GPS trong điều kiện lý tưởng, các hệ thống xe tự hành có thể định vị chính xác vị trí của mình trên bản đồ và xác định đường đi tối ưu nhất đến đích. Bên cạnh đó, việc phát triển hệ thống xe tự hành sử dụng định vị GPS còn đem lại nhiều cơ hội cho việc nghiên cứu và áp dụng các công nghệ mới như trí tuệ nhân tạo, học máy và các thuật toán điều khiển. Chính vì vậy, đề tài này đang thu hút sự quan tâm của nhiều nhà nghiên cứu và các doanh nghiệp công nghệ trên toàn thế giới.
Mục tiêu Mô hình được ứng dụng trong hoạt động vận chuyển hành lý trên các sân bay, vận chuyển hàng hóa tới các kho bãi trong môi trường công nghiệp hoặc giao hàng trong trường học, khu dân cư. Mục tiêu của đồ án như sau: 3 • Thiết kế một hệ thống định vị GPS chính xác và ổn định để xe tự hành có thể xác định vị trí của mình trên bản đồ và tìm đường đi đến đích. • Phát triển một phần mềm điều khiển xe tự hành thông qua các giải thuật và thuật toán điều khiển để đưa ra quyết định và điều khiển xe hoạt động đúng cách. • Tích hợp các cảm biến vào xe tự hành để xe có thể phát hiện và tránh các chướng ngại vật trong quá trình di chuyển.
• Thực hiện các bài kiểm tra an toàn để đảm bảo rằng xe tự hành có thể hoạt động đúng cách và không gây nguy hiểm cho người tham gia giao thông. • Đánh giá và cải tiến hệ thống để tăng tính ổn định và độ chính xác của xe tự hành. Thiết kế hệ thống cơ khí Dựa trên kết cấu cơ khí đã chọn, tiến hành tính toán thiết kế, công việc bao gồm: • Tính chọn động cơ • Tính chọn nguồn • Tính toán thiết kế các chi tiết cơ khí của xe tự hành 1. Thiết kế hệ thống điện – điện tử Với các phương án đã chọn, tiến hành lựa chọn thông số và sử dụng các thiết bị, kết hợp các thiết bị thành một khối hoàn chỉnh.
Công việc gồm: • Lựa chọn thông số vi điều khiển, các mô đun động cơ và cảm biến • Đọc và xử lý các thông số từ cảm biến 1. Xây dựng thuật toán điều khiển Tiến hành tiết kế các thuật toán điều khiển cho xe với các công việc sau: • Thiết kế thuật toán tìm đường 1. Lập trình Lập trình trên vi điều khiển và máy tính, công việc bao gồm: • Lập trình vi điều khiển o Nhận dữ liệu cảm biến o Gửi về máy tính thông số cảm biến • Lập trình trên máy tính o Lập trình thuật toán tìm đường đi đến đích o Lập trình giao diện hiện thị tọa độ với góc của xe 1. Thực nghiệm và đánh giá kết quả • Tiến hành thực nghiệm 4 • Đánh giá kết quả thực nghiệm • Nêu lên được ưu và nhược điểm của xe • Phương hướng cải tiến xe 5 CHƯƠNG 2.
LỰA CHỌN PHƯƠNG ÁN THIẾT KẾ XE TỰ HÀNH Chương này trình bày các phân tích, lựa chọn phương án thiết kế, bao gồm: Phương án cơ khí, phương án điện- điện tử, phương án điều khiển. Mục đích của chương này là đưa ra lựa chọn phù cho xe tự hành.1 Phương án cơ khí Chọn bánh dẫn Hình 2.1 Bánh đa hướng Bánh xe đa hướng được kích hoạt theo một hướng và chuyển động thụ động theo một hướng khác, do đó cho phép xe hoạt động linh hoạt hơn trong môi trường chật hẹp, có nhiều phương án di chuyển hơn. • Với việc lựa chọn cơ cấu chuyển động trên, có thể phân tích chuyển động của xe theo 11 cách khác nhau Hình 2.2 Các cách chuyển động của xe 6 2.2 Thiết kế cơ khí Khối lượng xe: 5 kg Khối lượng tải: 10 kg Trọng lượng xe có tải: (mcar + mobj )*9.15 (N) Kiểm nghiệm bền của thanh và khung Từ trọng lực khi chịu tải trọng lớn nhất (trường hợp lực dồn về một khung), có được moment uốn trên thanh chịu lực thông quan phần mềm Inventer với vật liệu Altium.3 Biểu đồ Momen lực Hình 2.4 Kích thước thanh trên Inventor Kích thước thanh chịu lực >12.3345mm Chọn hộp vuông 15x15mm Ý tưởng thiết kế 3D khung xe: • Kích thước: 300*470 mm • Khối lượng: 3 kg • Vật liệu: Nhôm-1345 7 Thông số vật liệu: Hình 2.3 Hình ảnh khung xe Biểu đồ khung chịu ứng suất khi chịu lực tải: F = 10*9.1 (N) Kết quả dự đoán ảnh hưởng lực tới ứng suất kết cấu khung Hình 2.4 Biểu đồ ứng suất biến dạng 2.2 Thiết kế khung xe Yêu cầu tốc độ hoạt động của xe đạt tốc độ của người(5km/h): v = 1.38(m / s ) Lực phát động cần thiết: F = c W = 0.5( N ) 8 Công suất yêu cầu: P = v W = 1.6(W ) 2 nT P 203 Công suất động cơ: Pdc = = = = 17.38 100 60 Tốc độ quay động cơ: N = = 26.65 60 Moment yêu cầu động cơ: T = = = 6.35 Chọn động cơ JB-545: + Công suất: 60 (W) + Tốc độ: 208 (rpm) + Momen 9.m) + Tỉ số truyền:19 2.3 Thiết kế vỏ xe Hình 2.7 Hình ảnh khung xe 9 CHƯƠNG 3. THIẾT KẾ HỆ THỐNG ĐIỆN – ĐIỆN TỬ Chương này phân tích và lưuạ chọn thông số cho cá thiết bị điện và điều khiển các thiết bị đó.
Mục đích của chương trình này đưa ra các thông số và giải thuật điều khiển thiết bị điện cho xe tự hành.1 Sơ đồ khối chung của hệ thống điện Hình 3.1 Sơ đồ khối hệ thống điện- điện tử 3.2 Lựa chọn thông số cho các thiết bị Vi điều khiển Arduino là loại vi điều khiển phổ biến trên thị trường do có những ưu điểm như: dễ sử dụng, có nhiều nguồn tài liệu hỗ trợ. Phần mềm biên dịch Arduino IDE sử dụng ngôn ngữ C++. Do đó sử dụng Arduino sẽ thuận tiện khi lập trình.2 Bo mạch arduino Mega 2560 Bo mạch được sử dụng trong đồ án là Arduino Mega 2560. Arduino Mega 2560 là một mạch mở rộng cho các dự án điện tử của Arduino.
Nó cung cấp thêm chân và bộ nhớ hơn so với phiên bản cơ bản của Arduino UNO.