Bối cảnh và vấn đề nghiên cứu

Xe tự hành AGV (Automated Guided Vehicle) là phương tiện vận tải không người lái đóng vai trò thiết yếu trong tự động hóa công nghiệp và dịch vụ hiện đại. Bối cảnh thực tiễn cho thấy AGV được ứng dụng rộng rãi trong:

  • Vận chuyển linh kiện, bán thành phẩm và thành phẩm giữa các công đoạn sản xuất trong nhà máy.
  • Vận chuyển thuốc men, thiết bị y tế và chất thải y tế trong bệnh viện.
  • Xếp dỡ, phân phối container và kiện hàng (pallet) tại các trung tâm logistics, kho bãi.
  • Thu hoạch, vận chuyển nông sản và quản lý khu chế biến thực phẩm.

Trong đề tài đồ án chuyên ngành Cơ điện tử (mã học phần ME4071), tác giả thực hiện nghiên cứu, thiết kế và chế tạo một mô hình AGV bám line kết hợp phân phối hàng hóa theo màu sắc. Nhiệm vụ nghiên cứu được xác định cụ thể qua các chỉ tiêu kỹ thuật:

  1. Thiết kế kết cấu cơ khí chịu tải trọng khối hàng 2 kg (kích thước kiện hàng $140 \times 90 \times 90\text{ mm}$, giới hạn tối đa $150 \times 150 \times 150\text{ mm}$), vận tốc di chuyển tối đa $v_{\max} = 0{,}5\text{ m/s}$, bán kính cong nhỏ nhất $\rho_{\min} = 500\text{ mm}$, đảm bảo không bị lật và không bị trượt khi vào cua.
  2. Thiết kế hệ thống điện và mạch cảm biến nhận diện vạch dẫn đường (bề rộng 26 mm) với sai số bám đường $\pm 3\text{ mm}$, sai số vị trí dừng cuối đường dẫn $\pm 5\text{ mm}$, cùng cụm cảm biến nhận diện chính xác màu sắc khối hàng (đỏ hoặc xanh lá).
  3. Mô hình hóa động học, xác định hàm truyền động cơ và thiết kế thuật toán điều khiển bám line dựa trên tiêu chuẩn ổn định Lyapunov, kết hợp bộ điều khiển tốc độ động cơ PID trên vi điều khiển.
  4. Chế tạo phần cứng hoàn chỉnh, lập trình giải thuật điều khiển và thực nghiệm trên sa bàn theo chu trình vận hành định sẵn.

Đối tượng và phạm vi nghiên cứu:

  • Đối tượng nghiên cứu: Xe tự hành AGV 4 bánh dẫn động vi sai 2 bánh trước, sử dụng cảm biến quang hồng ngoại dò line và cảm biến quang điện nhận dạng màu sắc.
  • Phạm vi không gian: Mô hình sa bàn phẳng trong phòng thí nghiệm với đường line đen trên nền trắng, có vạch dừng lấy hàng ($50 \times 26\text{ mm}$) và các nhánh rẽ tương ứng với hai màu sắc quy định.
  • Phạm vi tải trọng và vận tốc: Vận chuyển khối hàng chuẩn 2 kg ở vận tốc làm việc $0{,}5\text{ m/s}$.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp

Khung lý thuyết và mô hình tính toán

  • Cơ học và động lực học robot di động: Ứng dụng mô hình động học xe vi sai 2 bánh chủ động phía trước kết hợp bánh tự lựa phía sau. Thiết lập hệ phương trình cân bằng tĩnh học và động lực học để xác định điều kiện bám đường ($L_2 g > aH$), điều kiện chống lật qua phân tích mô-men quán tính ly tâm ($B/H \ge 2F_{lt}/(Mg) \ge 0{,}1$) và điều kiện chống trượt bánh ($v_{\max} \le \sqrt{\mu g R}$).
  • Lý thuyết dung sai lắp ghép và kỹ thuật đo lường: Áp dụng tiêu chuẩn dung sai lắp ghép (theo giáo trình của PGS. Ninh Đức Tốn) để tính toán chuỗi kích thước, lựa chọn mối lắp trung gian cho cụm trục động cơ $\Phi 7 K8/h7$ và dung sai hình học (độ vuông góc, độ song song, độ trụ) cho đồ gá gia công cơ khí.
  • Lý thuyết điều khiển phi tuyến và ổn định Lyapunov: Ứng dụng phương pháp hàm Lyapunov cho bài toán bám quỹ đạo với 3 thành phần sai số: sai số tiếp tuyến $e_1$, sai số pháp tuyến $e_2$ và sai số góc hướng $e_3$, từ đó tổng hợp quy luật điều khiển vận tốc dài $v$ và vận tốc góc $\omega$.
  • Lý thuyết xử lý tín hiệu cảm biến quang: Áp dụng giải thuật xấp xỉ trọng số trung bình (Weighted Average Method) để tính toán liên tục tọa độ tâm line từ giá trị điện áp analog của dàn cảm biến quang.

Phương pháp nghiên cứu

  • Phương pháp phân tích - so sánh: Khảo sát các dòng AGV thương mại trên thị trường (AWMP-500, IGR-LPA, Kai I type, Novus Carry-100) và so sánh ưu nhược điểm của các cấu hình cơ khí (3 bánh, 4 bánh, 6 bánh), các loại cảm biến dò line (Camera, Hồng ngoại, Quang trở) và cảm biến màu (Camera, TCS3200, LEUZE KRTM 3B).
  • Phương pháp mô phỏng số (FEA & Dynamic Simulation): Sử dụng phần mềm Solidworks Simulation để kiểm nghiệm ứng suất Von Mises và chuyển vị biến dạng của tấm khung xe bằng nhôm ở các bề dày 2 mm, 3 mm và 5 mm; sử dụng MATLAB/Simulink để mô phỏng đáp ứng hàm truyền động cơ và giải thuật bám line.
  • Phương pháp thực nghiệm - chế tạo: Thiết kế mạch in (PCB) cho hệ thống điện, gia công lắp ráp khung vỏ, calib dàn cảm biến trên sa bàn thực tế và tinh chỉnh thông số bộ điều khiển.

Nguồn dữ liệu

  • Bảng thông số kỹ thuật (datasheet) của nhà sản xuất: động cơ DC Servo GM25-370, cảm biến hồng ngoại TCRT5000, cảm biến màu TCS3200, mạch cầu H TB6612FNG, Optocoupler cách ly 6N137, mạch giảm áp LM2596, vi điều khiển STM32F103C8T6.
  • Dữ liệu đo đạc thực nghiệm điện áp ADC của cảm biến TCRT5000 theo độ cao khảo sát và đồ thị lấy mẫu số vòng quay động cơ bằng xung Encoder.

Nội dung chính theo từng chương

Chương 1: Tổng quan

Chương 1 tổng thuật các kiến thức nền tảng về AGV và khảo sát 4 dòng xe AGV công nghiệp đại diện cho các cấu trúc cơ khí khác nhau:

Tên sản phẩm Hãng sản xuất / Xuất xứ Cấu trúc bánh Kích thước ($mm$) Tải trọng ($kg$) Vận tốc max ($m/s$)
AWMP-500 AutomationWare 3 bánh (2 trước dẫn động, 1 sau tự lựa) $814 \times 592 \times 361$ 80 1.5
IGR - LPA Idea Group 4 bánh (2 trước tự lựa, 2 sau dẫn động) $1150 \times 480 \times 250$ 500 0.83
Kai I type Carry Bee (Nhật Bản) 4 bánh (2 trước dẫn động, 2 sau tự lựa) $1280 \times 350 \times 270$ 400 0.67
Novus Carry - 100 The Hi-Tech Robotic Systemz (Ấn Độ) 6 bánh (2 giữa dẫn động, 4 tự lựa) $850 \times 550 \times 368$ 100 1.1

Chương này cũng phân tích các công nghệ dẫn đường (dây từ, laser, mã QR, camera, GPS, quang hồng ngoại), khảo sát các phương pháp xử lý tín hiệu cảm biến (bộ so sánh ngưỡng, xấp xỉ parabol bậc 2, xấp xỉ trọng số trung bình) và các cấu trúc điều khiển (tập trung vs phân tán). Cuối chương xác lập đầu bài kỹ thuật cụ thể cho robot phân phối hàng hóa theo màu sắc.

Chương 2: Lựa chọn phương án

Chương 2 tiến hành đánh giá ma trận quyết định để chọn lựa giải pháp thiết kế tối ưu:

  • Cơ khí: Chọn cấu trúc 4 bánh với 2 bánh trước chủ động và 2 bánh sau là bánh tự lựa caster (đường kính 25 mm, cao 35 mm). Cặp bánh chủ động là bánh xe V2 đường kính 65 mm, bề rộng 27 mm có khớp lục giác 12 mm nhằm đảm bảo hệ số ma sát và độ bám đường.
  • Cảm biến: Chọn 5 cảm biến hồng ngoại TCRT5000 bố trí thành một hàng ngang vuông góc với hướng di chuyển; cảm biến màu sắc TCS3200 được chọn nhờ khả năng xử lý nhanh, giá thành thấp và nhận diện tốt màu xanh/đỏ qua bộ lọc RGB.
  • Giải thuật tọa độ line: Chọn phương pháp xấp xỉ trọng số trung bình vì cho độ chính xác cao hơn phương pháp so sánh ngưỡng rời rạc và thuật toán nhẹ hơn nội suy bậc hai.
  • Vi điều khiển và cấu trúc: Chọn cấu trúc điều khiển tập trung sử dụng vi điều khiển STM32F103C8T6 (ARM Cortex-M3) nhằm tối ưu hóa trọng lượng, giảm không gian bố trí mạch và đáp ứng đầy đủ tài nguyên ngoại vi (Timer, ADC, Counter, Interrupt).
  • Bộ điều khiển: Chọn thuật toán PID vòng kín cho vận tốc động cơ và bộ điều khiển phi tuyến theo chuẩn Lyapunov cho bài toán bám quỹ đạo line.

Chương 3: Thiết kế hệ thống cơ khí

Chương 3 trình bày các bước tính toán giải tích và mô phỏng kết cấu:

  • Xác định kích thước hình học: Chọn khoảng cách 2 bánh chủ động $B = 200\text{ mm}$, chiều cao trọng tâm $H = 75\text{ mm}$, khoảng cách trục $L = 250\text{ mm}$ ($L_1 = L_2 = 125\text{ mm}$), gia tốc $a = 0{,}5\text{ m/s}^2$. Kiểm nghiệm điều kiện không lật ($B/H = 2{,}67 \ge 0{,}1$) và không trượt ($v_{\max} = 0{,}5\text{ m/s} \le \sqrt{0{,}5 \times 9{,}81 \times 0{,}5} \approx 1{,}57\text{ m/s}$).
  • Tính chọn động cơ dẫn động: Vận tốc góc bánh xe $\omega = 15{,}38\text{ rad/s}$, tốc độ quay yêu cầu $n = 147\text{ rpm}$, mô-men kéo danh định $T = 0{,}127\text{ Nm}$. Với hệ số an toàn $K = 1{,}5$, công suất yêu cầu là $P = 2{,}9\text{ W}$. Đồ án lựa chọn động cơ DC Servo GM25-370 (12VDC, 4W, tỉ số truyền 34:1, tốc độ không tải 250 rpm, tốc độ có tải 140 rpm, encoder 374 xung/vòng).
  • Kiểm nghiệm độ bền khung xe trên Solidworks (vật liệu nhôm):
    • Thân dưới (chịu lực 50 N phân bố đều): Khảo sát bề dày 2 mm ($\sigma_{\max} = 2{,}951 \times 10^3\text{ N/m}^2$, biến dạng $e_{\max} = 5{,}785 \times 10^{-2}\text{ mm}$), bề dày 3 mm ($\sigma_{\max} = 1{,}012 \times 10^3\text{ N/m}^2$, $e_{\max} = 1{,}797 \times 10^{-2}\text{ mm}$), bề dày 5 mm ($\sigma_{\max} = 5{,}722 \times 10^2\text{ N/m}^2$, $e_{\max} = 4{,}19 \times 10^{-3}\text{ mm}$). Chọn bề dày 5 mm.
    • Thân trên (chịu lực 25 N phân bố đều): Khảo sát 2 mm ($e_{\max} = 1{,}678\text{ mm}$), 3 mm ($e_{\max} = 0{,}5187\text{ mm}$), 5 mm ($e_{\max} = 0{,}1219\text{ mm}$). Chọn bề dày 5 mm.
  • Tính toán dung sai lắp ghép: Xác lập mối ghép lỗ - trục gá động cơ $\Phi 7 K8/h7$ ($ES = +7\text{ }\mu\text{m}$, $EI = -15\text{ }\mu\text{m}$). Dung sai độ vuông góc mặt bích gá động cơ đạt $0{,}01\text{ mm}$, dung sai độ vuông góc và độ trụ lỗ $\Phi 4$ đạt $0{,}006\text{ mm}$.

Chương 4: Thiết kế hệ thống điện

Nội dung chương 4 tập trung vào thiết kế phần cứng điện tử:

  • Mạch cảm biến TCRT5000: Khảo sát đặc tính dòng quang $I_F - I_C$, xác định độ cao lắp đặt tối ưu so với sa bàn là 10 - 11 mm. Thiết lập bảng giá trị ADC vùng trắng/đen và thực hiện calib 5 cảm biến để chuẩn hóa tín hiệu đầu vào cho thuật toán trọng số trung bình:

$$\bar{x} = \frac{\sum_{i=0}^{4} x_i y_i}{\sum_{i=0}^{4} y_i}$$

  • Cảm biến màu sắc TCS3200: Cấu hình các chân chọn bộ lọc quang học S2, S3 và chân chia tỉ lệ tần số ngõ ra S0, S1 (chọn mức 20% hoặc 100%) để phân biệt chuẩn xác kiện hàng màu đỏ và xanh lá.
  • Mạch công suất và điều khiển: Sử dụng IC điều khiển động cơ TB6612FNG (cầu H kép dòng đỉnh 3.2A), mạch cách ly quang tốc độ cao 6N137 giữa vi điều khiển và mạch động lực, cụm mạch nguồn dùng pin lithium kết hợp module giảm áp Buck LM2596 cấp nguồn 5V ổn định cho STM32 và cảm biến.
  • Thiết kế mạch in PCB: Triển khai layout bo mạch nguồn, bo mạch cảm biến dò line và bo mạch điều khiển trung tâm hoàn chỉnh.

Chương 5: Mô hình hóa

  • Xây dựng mô hình động học vi sai của robot trong hệ tọa độ cực và Decartes, mô tả các sai số bám đường $e_1, e_2, e_3$.
  • Thực hiện nhận dạng hệ thống thực nghiệm cho 2 động cơ DC bằng phương pháp cấp xung PWM 100% và lấy mẫu số vòng quay thực qua Encoder theo thời gian.
  • Xây dựng hàm truyền đạt động học của hai động cơ và kiểm tra độ trùng khớp giữa đáp ứng mô hình toán học với đáp ứng thực tế.

Chương 6: Thiết kế bộ điều khiển

  • Bộ điều khiển bám line Lyapunov: Tổng hợp luật điều khiển:

$$\begin{cases} v = v_r \cos e_3 + k_1 e_1 \ \omega = k_2 v_r e_2 + \omega_r + k_3 \sin e_3 \end{cases}$$

với các hệ số $k_1, k_2, k_3 > 0$ bảo đảm hệ thống ổn định tiệm cận theo tiêu chuẩn Lyapunov.

  • Bộ điều khiển động cơ: Ứng dụng giải thuật PID số để ổn định và đồng tốc 2 động cơ dẫn động độc lập.
  • Mô phỏng trên MATLAB/Simulink: Thực hiện tuning các thông số điều khiển, mô phỏng quá trình robot chuyển động trên sa bàn bám line qua các khúc cua có bán kính $\rho = 500\text{ mm}$, quan sát đáp ứng gia tốc và đồ thị triệt tiêu các sai số $e_2, e_3$.

Chương 7: Thiết kế giải thuật cho robot

  • Xây dựng lưu đồ giải thuật tổng thể điều khiển robot: khởi tạo hệ thống $\rightarrow$ di chuyển tìm line $\rightarrow$ bám line đến khu vực tải hàng $\rightarrow$ dừng xe và chờ nhận hàng $\rightarrow$ kích hoạt cảm biến TCS3200 nhận diện màu sắc $\rightarrow$ rẽ hướng di chuyển theo đúng nhánh màu quy định $\rightarrow$ bám line về vị trí kết thúc.
  • Xây dựng lưu đồ giải thuật điều khiển ngắt đọc xung Encoder tính toán vận tốc động cơ và giải thuật tính toán tọa độ sai lệch tâm line.

Chương 8: Thực nghiệm và kết luận

  • Lắp ráp hoàn chỉnh các chi tiết cơ khí (khung nhôm 5 mm, cụm gá động cơ, bánh chủ động V2, bánh tự lựa caster) và hệ thống mạch điện lên thân xe.
  • Tiến hành thực nghiệm trên sa bàn: robot bám line ổn định trên đoạn đường thẳng và đường cong, dừng chính xác tại khu vực tải hàng ($50 \times 26\text{ mm}$), cảm biến TCS3200 nhận diện đúng 100% hai loại kiện hàng màu đỏ và màu xanh lá, sau đó vận chuyển hàng về đúng vị trí đích quy định.
  • Đưa ra nhận xét tổng thể về độ ổn định, sai số thực nghiệm và phương hướng phát triển cho hệ thống.

Thiết kế và triển khai

Kiến trúc phần cứng

Hệ thống AGV phân phối hàng được tích hợp từ 3 khối chức năng chính:

  • Khối cơ khí: Khung gầm 2 tầng bằng nhôm tấm dày 5 mm cắt CNC; hệ dẫn động 2 bánh trước độc lập dùng bánh xe cao su V2 $\Phi 65\text{ mm}$ gắn trực tiếp vào trục động cơ GM25-370 thông qua khớp nối lục giác 12 mm; 2 bánh sau là bánh thép tự lựa universal wheel caster $\Phi 25\text{ mm}$ giữ thăng bằng; đồ gá động cơ gia công chính xác đảm bảo độ đồng tâm và song song giữa hai trục dẫn động.
  • Khối điện tử - nguồn: Pin nguồn DC cấp qua mạch giảm áp xung Buck LM2596 để cấp nguồn $5\text{V}$ cho MCU STM32F103C8T6 và dàn cảm biến; tầng công suất dùng Driver TB6612 kết hợp tầng đệm cách ly quang Opto 6N137 nhằm triệt tiêu sóng hài và xung ngược bảo vệ vi điều khiển.
  • Khối cảm biến: Dàn 5 mắt cảm biến TCRT5000 xếp ngang ở đầu xe với cự ly gầm 10-11 mm so với mặt sàn; cụm cảm biến TCS3200 bố trí tại khoang nhận hàng phía trên thân xe hướng vào bề mặt khối hàng.

Kiến trúc điều khiển và thuật toán

  • Cấu trúc điều khiển trung tâm trên chip STM32 xử lý đồng thời 3 tác vụ: lấy mẫu ADC từ dàn cảm biến TCRT5000 để tính sai số bám line theo trọng số trung bình; chạy giải thuật phi tuyến Lyapunov tính toán vận tốc dài và vận tốc góc đặt ($v, \omega$); thực thi giải thuật PID số điều biến độ rộng xung (PWM) điều khiển độc lập 2 động cơ thông qua tín hiệu phản hồi từ Encoder 374 xung.

Kiểm thử và vận hành

Quy trình kiểm thử sa bàn thực tế ghi nhận:

  • Robot tự động di chuyển từ điểm xuất phát, nhận biết vạch ngang dừng tại khu vực tải hàng với sai số vị trí nằm trong giới hạn cho phép $\pm 5\text{ mm}$.
  • Khi khối hàng 2 kg ($140 \times 90 \times 90\text{ mm}$) đặt lên khay, hệ thống nhận dạng chính xác giá trị RGB của màu đỏ hoặc xanh lá và tự động khởi hành.
  • Robot bám đường dẫn mượt mà ở vận tốc làm việc $0{,}5\text{ m/s}$, vượt qua góc cua $\rho_{\min} = 500\text{ mm}$ an toàn, không xảy ra hiện tượng mất line, trượt bánh hoặc lật xe.

Kết quả và đóng góp

Kết quả chính đạt được

  • Chế tạo thành công mô hình robot AGV phân phối hàng theo màu sắc đáp ứng đầy đủ các thông số kỹ thuật đầu bài:
    • Vận tốc lớn nhất: $v_{\max} = 0{,}5\text{ m/s}$.
    • Bán kính cong nhỏ nhất vượt qua: $\rho_{\min} = 500\text{ mm}$.
    • Tải trọng vận chuyển: khối hàng 2 kg.
    • Sai số bám đường dẫn: đạt trong phạm vi $\pm 3\text{ mm}$.
    • Sai số dừng vị trí cuối: đạt trong phạm vi $\pm 5\text{ mm}$.
  • Xác lập quy trình thiết kế cơ khí hoàn chỉnh có kiểm nghiệm ứng suất và biến dạng (FEA) trên Solidworks, chứng minh khung nhôm 5 mm đạt độ bền cao với độ biến dạng cực đại rất nhỏ ($4{,}19 \times 10^{-3}\text{ mm}$ ở thân dưới và $0{,}1219\text{ mm}$ ở thân trên).
  • Ứng dụng thành công giải thuật xấp xỉ trọng số trung bình cho 5 cảm biến TCRT5000 kết hợp luật điều khiển bám quỹ đạo Lyapunov, giúp AGV chuyển động êm ái, khắc phục nhược điểm giật lắc của phương pháp điều khiển so sánh ngưỡng đóng - cắt truyền thống.

Giải pháp kỹ thuật đề xuất

  • Đề xuất giải pháp phối hợp giữa bộ điều khiển phi tuyến Lyapunov cấp cao (điều khiển tư thế, bám line) và bộ điều khiển PID cấp thấp (điều khiển vận tốc góc từng bánh xe).
  • Ứng dụng mạch cách ly quang tốc độ cao 6N137 giữa mạch số STM32 và mạch công suất TB6612 để chống nhiễu điện từ do động cơ DC sinh ra.
  • Thiết lập quy trình chuẩn hóa (calib) tín hiệu ADC cảm biến dò line theo độ cao thực tế của gầm xe để loại bỏ ảnh hưởng của ánh sáng môi trường.

Đóng góp của đề tài

  • Đóng góp một quy trình thiết kế - chế tạo hoàn chỉnh từ tính toán lý thuyết, mô phỏng cơ khí/điều khiển đến chế tạo phần cứng cho hệ AGV vi sai cỡ nhỏ.
  • Cung cấp dữ liệu thực nghiệm chi tiết về đặc tính quang học của cảm biến TCRT5000 và thông số động lực học xe vi sai có tải, làm tài liệu tham khảo cho các nghiên cứu phát triển AGV công nghiệp.

Hạn chế và hướng nghiên cứu tiếp

Hạn chế của đề tài

  • Hệ thống chỉ hoạt động được trên sa bàn có vạch line cố định với độ tương phản màu sắc cao (vạch đen trên nền trắng).
  • Cảm biến màu sắc TCS3200 và cảm biến quang TCRT5000 vẫn có khả năng bị ảnh hưởng nếu cường độ ánh sáng môi trường xung quanh thay đổi đột ngột hoặc bề mặt sa bàn không đồng nhất.
  • Cấu trúc điều khiển tập trung trên một vi điều khiển STM32 duy nhất có thể gặp giới hạn tài nguyên khi mở rộng thêm các tính năng phức tạp như tránh vật cản, truyền thông không dây hoặc nâng hạ hàng tự động.

Hướng nghiên cứu và phát triển tiếp theo

  • Nâng cấp công nghệ dẫn đường: tích hợp camera xử lý ảnh công nghiệp hoặc cảm biến LiDAR để thực hiện dẫn đường không line (SLAM), quét mã QR hoặc điều hướng từ tính.
  • Nâng cấp hệ thống phân loại: bổ sung cơ cấu tay gắp hoặc băng chuyền tự động bốc/dỡ hàng thay vì phải đặt hàng bằng tay; mở rộng nhận diện nhiều mã màu và kích thước kiện hàng khác nhau.
  • Chuyển đổi sang cấu trúc điều khiển phân tán (Master - Slave) và bổ sung kết nối không dây (Wi-Fi/ZigBee) để quản lý đội xe AGV từ máy chủ trung tâm.

Giá trị tham khảo

Đồ án là tài liệu tham khảo giá trị cho sinh viên và kỹ sư các ngành Kỹ thuật Cơ điện tử, Kỹ thuật Điều khiển & Tự động hóa, và Robot học:

  • Phần tính toán động học và động lực học (Chương 3): Cung cấp các công thức giải tích cụ thể để kiểm tra điều kiện lật, trượt và tính chọn công suất động cơ dẫn động có kèm hệ số an toàn cho robot tự hành di chuyển trên mặt phẳng.
  • Phần tính toán dung sai lắp ghép cơ khí (Chương 3): Minh họa rõ ràng cách áp dụng bảng tra tiêu chuẩn dung sai hình học (độ vuông góc, độ song song) và dung sai mối lắp trục - gá động cơ theo tiêu chuẩn đo lường.
  • Phần thiết kế mạch và calib cảm biến (Chương 4): Cung cấp phương pháp chi tiết để đo đạc và chuẩn hóa tín hiệu analog dàn cảm biến quang TCRT5000 theo độ cao thực tế, kèm công thức tính toán trọng số trung bình.
  • Phần mô hình hóa và điều khiển Lyapunov (Chương 5 & 6): Cung cấp cơ sở toán học và mô hình Simulink hoàn chỉnh để triển khai giải thuật điều khiển phi tuyến cho robot vi sai bám quỹ đạo cong.

Câu hỏi thường gặp

1. Đồ án lựa chọn cấu trúc cơ khí nào cho xe AGV và vì sao?
Tác giả lựa chọn cấu trúc 4 bánh gồm 2 bánh trước chủ động dẫn động độc lập (bánh xe V2 $\Phi 65\text{ mm}$) và 2 bánh sau là bánh tự lựa caster ($\Phi 25\text{ mm}$). Cấu trúc này được chọn vì đảm bảo khả năng chịu tải 2 kg vững chắc, dễ đồng phẳng bánh xe, bán kính quay nhỏ và hạn chế nguy cơ lật hoặc trượt bánh khi vào cua so với cấu trúc 3 bánh hoặc 6 bánh.

2. Giải thuật xác định vị trí line của robot được thực hiện như thế nào?
Robot sử dụng dàn 5 cảm biến hồng ngoại TCRT5000 xếp thành một hàng ngang. Tín hiệu điện áp analog từ các cảm biến được đọc qua bộ ADC của STM32, sau đó áp dụng giải thuật xấp xỉ trọng số trung bình:

$$\bar{x} = \frac{\sum x_i y_i}{\sum y_i}$$

để tính toán liên tục tọa độ độ lệch của tâm robot so với đường line 26 mm, cho độ chính xác cao và chuyển động êm hơn giải thuật so sánh ngưỡng digital.

3. Tại sao tác giả lựa chọn độ dày tấm nhôm khung xe là 5 mm thay vì 2 mm hay 3 mm?
Kết quả kiểm nghiệm độ bền FEA trên Solidworks cho thấy ở bề dày 2 mm và 3 mm, chuyển vị biến dạng của tấm thân dưới ($5{,}785 \times 10^{-2}\text{ mm}$ và $1{,}797 \times 10^{-2}\text{ mm}$) và thân trên ($1{,}678\text{ mm}$ và $0{,}5187\text{ mm}$) là tương đối lớn. Bề dày 5 mm cho độ biến dạng cực đại rất nhỏ ($4{,}19 \times 10^{-3}\text{ mm}$ ở thân dưới và $0{,}1219\text{ mm}$ ở thân trên), đảm bảo độ cứng vững tuyệt đối cho kết cấu khi chịu tải 2 kg.

4. Động cơ nào được lựa chọn cho AGV và thông số kỹ thuật chính là gì?
Tác giả lựa chọn động cơ DC Servo GM25-370 (12VDC, công suất định mức 4W, tốc độ không tải 250 rpm, tốc độ có tải 140 rpm, tỉ số truyền 34:1, mô-men định mức $4\text{ kg}\cdot\text{cm}$, tích hợp sẵn Encoder 374 xung/vòng) vì đáp ứng tốt công suất tính toán yêu cầu ($2{,}9\text{ W}$, $147\text{ rpm}$) và có giá thành hợp lý.

5. Bộ điều khiển bám line của robot hoạt động dựa trên nguyên lý nào?
Bộ điều khiển bám line được thiết kế dựa trên tiêu chuẩn ổn định Lyapunov, sử dụng 3 thành phần sai số: sai số tiếp tuyến $e_1$, sai số pháp tuyến $e_2$ và sai số góc $e_3$. Quy luật điều khiển xuất ra vận tốc dài $v = v_r \cos e_3 + k_1 e_1$ và vận tốc góc $\omega = k_2 v_r e_2 + \omega_r + k_3 \sin e_3$ giúp hệ thống đạt trạng thái ổn định tiệm cận ngay cả khi có nhiễu tác động.

Kết luận

Đồ án chuyên ngành ME4071 đã hoàn thành toàn diện việc thiết kế, chế tạo và thử nghiệm mô hình robot AGV phân phối hàng hóa theo màu sắc. Hệ thống tích hợp thành công khung cơ khí nhôm 5 mm dẫn động vi sai, mạch điều khiển trung tâm STM32F103C8T6 cách ly công suất, cùng dàn cảm biến quang TCRT5000 và cảm biến màu TCS3200. Các kết quả thực nghiệm trên sa bàn chứng minh robot vận hành ổn định ở vận tốc $0{,}5\text{ m/s}$, mang tải 2 kg, bám line chính xác với sai số $\pm 3\text{ mm}$ và phân loại đúng các kiện hàng theo quy định. Công trình là tài liệu tham khảo hoàn chỉnh, có tính ứng dụng cao cho việc nghiên cứu và phát triển các hệ thống xe tự hành AGV trong công nghiệp.