CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ ĐỀ TÀI NGHIÊN CỨU 1. Giới thiệu đề tài 1. Sơ lược về xe tự hành Mô hình xe chạy tự động theo line và tránh vật cản là xe tự hành được định nghĩa là 1 loại xe có khả năng tự di chuyển, tự vận động (có thể lập trình lại được) dưới sự điều khiển tự động để thực hiện thành công công việc được giao. Theo lý thuyết môi trường hoạt động của xe tự hành có thể là đất, nước, không khí, không gian vũ trụ hay sự tổ hợp giữa chúng.
Địa hình bề mặt của xe di chuyển trên đó có thể bằng phẳng hoặc thay đổi lồi lõm. Theo bộ phận thực hiện chuyển động ta có thể chia robot tự hành thành 2 lớp: chuyển động bằng chân hoặc bằng bánh. Trong đề tài này chúng ta sẽ nghiên cứu xe tự hành chuyển động bằng bánh, xe tự hành chuyển động bằng bánh làm việc tốt trong hầu hết các địa hình do con người tạo ra. Điều khiển di chuyển bằng bánh cũng đơn giản hơn nhiều, gần như luôn đảm bảo tính ổn định.
Lớp chuyển động bằng bánh có thể chia ra làm 3 loại: loại chuyển động bằng bánh xe, loại chuyển động bằng vòng xích và loại hỗn hợp bánh xe vòng xích. Tiềm năng ứng dụng Tiềm năng ứng dụng của xe tự hành là lớn có thể kể đến là robot vận chuyển tự động AGV, robot xe lăn phục vụ người khuyết tật… Robot vận chuyển tự động AGV (Automated Guided Vehicle) là một khái niệm chung chỉ tất cả các hệ thống có khả năng vận chuyển mà không cần người lái. Trong công nghiệp AGV được hiểu là các xe chuyên chở tự động được áp dụng trong các lĩnh vực: - Cung cấp sắp xếp linh kiện tại khu vực kho và sản xuất. - Chuyển hàng giữa các trạm sản xuất.
- Phân phối, cung ứng sản phẩm, đặc biệt trong bán buôn - Cung cấp, sắp xếp trong các lĩnh vực đặc biệt như bệnh viên, siêu thị, văn phòng. Qua tất cả các ứng dụng trên, Robot vận chuyển tự động thể hiện rất rõ hiệu quả của mình như: Giúp giảm thiệt hại trong kiểm kê, sắp xếp sản xuất linh hoạt hơn, giảm thiểu nguồn nhân lực v.v… Robot vận chuyển tự động còn giúp giảm chi phí chế tạo, tăng hiệu quả sản xuất. Chúng có thể được chế tạo để chuyển hàng, kéo hàng, nâng hoàng cấp phát cho một số vị trí làm việc nhất định. SVTH: Lê Văn Thịnh 2 Đồ án tốt nghiệp GVHD: Th.1 Xe tự hành AGV kết hợp với Cobot để vận chuyển hàng hóa trong kho Hình 1.2 Ứng dụng xe tự hành AGV trong nhà xưởng Mặc dù nhu cầu ứng dụng cao, nhưng những hạn chế chưa giải quyết được của robot tự hành như chi phí chế tạo cao đã không cho phép chúng được ứng dụng rộng rãi.
Ngoài ra còn phải kể thêm nhược điểm của robot tự hành là thiếu tính linh hoạt và thích ứng khi làm việc ở những vị trí khác nhau. SVTH: Lê Văn Thịnh 3 Đồ án tốt nghiệp GVHD: Th. Vấn đề nghiên cứu Yêu cầu cần thiết của mọi xe tự hành là tránh vật cản. Tính năng này có tầm quan trọng cao trong hệ thống điều hướng của xe ở một khu vực không xác định để ngăn ngừa va chạm trong quá trình hoạt động của xe chạy tự động, để ngăn thiệt hại cho đối tượng hoặc cho chính xe.
Có thể lựa chọn nhiều cấu hình xe khác nhau để xây dựng mô hình xe chạy tự động theo line và tránh vật cản: cấu hình xe 3 bánh với một bánh xe bị động, cấu hình xe 4 bánh, cấu hình xe hai bánh.3 Xe robot tránh vật cản loại 3 bánh Hình 1.4 Xe robot dò line tránh vật cản V2 loại 4 bánh SVTH: Lê Văn Thịnh 4 Đồ án tốt nghiệp GVHD: Th. Mục tiêu thiết kế Xe bắt buộc phải chạy theo chiều quy định đã ghi trên sa hình (Hình 1. Khi bắt đầu, bật công tắc một chiều, sau đó đặt xe tại vị trí START xe sẽ tự động chạy theo đường line. Bên cạnh đó còn né các vật cản và tuân theo một số ràng buộc về xe dò line như sau: - Tốc độ tối thiểu của ô tô robot: 0,2 m/s.
- Đường kính các bánh xe: d ≤ 200mm. - Số lượng bánh xe (chủ dộng và bị động): tùy chọn. - Kích thước (dài×rộng×cao): 257mm × 150mm × 121mm. - Mô hình xe chạy tự động theo line và tránh vật cản được trang bị hệ thống cảm biến hồng ngoại để nhận biết và di chuyển bám line.
- Mô hình xe chạy tự động theo line và tránh vật cản được trang bị hệ thống cảm biến siêu âm để phát hiện vật cản phía trước và né vật cản. Mô tả về sa hình: - Màu sắc đường line: đen. - Màu nền: trắng. - Bề rộng đường line: 320 mm - Bề mặt địa hình di chuyển: phẳng.
- Đường line liên tục. - Vật cản nằm trên đường line có thể thay đổi vị trí bất kì trừ những khúc cua.5 Bản vẽ sa hình SVTH: Lê Văn Thịnh 5 Đồ án tốt nghiệp GVHD: Th.S Vũ Văn Định CHƯƠNG 2: XÂY DỰNG MÔ HÌNH HÓA VÀ HỆ THỐNG 2. Cơ sở lí thuyết động học chuyển động 2. Chuyển động thẳng Công thức: S= v.t Với: - S: là quãng đường - v: là vận tốc - t: là thời gian Bảng 2.1 Thông số tương quan của các đại lượng quãng đường, vận tốc thời gian Bảng thể hiện mối quan hệ giữa vận tốc, quãng đường và thời gian t(s) 1 2 3 4 5 6 v(m/s) 5 5 5 5 5 5 s(m) 5 10 15 20 25 30 Hình 2.1 Biều đồ tương quan các đại lượng s, v, t 2.
Chuyển động quay vòng Bảng 2.2 Thông số kích thước xe du lịch 4 chỗ Chiều rộng cơ sở B 1470mm Khoảng cách giữa 2 trụ quay đứng B0 1230mm Chiều dài cơ sở của xe L 2550mm Bán kính quay vòng tối thiểu R 4600mm Chiều dài toàn bộ xe L0 4300mm Khoảng cách từ trụ đứng tấm tâm bánh xe c 120mm SVTH: Lê Văn Thịnh 6 Đồ án tốt nghiệp GVHD: Th.2 Sơ đồ động lực học quay vòng của ô tô có hai bánh xe dẫn hướng phía trước, bỏ qua biến dạng ngang Xác định góc quay vòng lớn nhất của bánh xe dẫn hướng, vì xét trường hợp xe đi với vận tốc thấp v(t) = 5 (m/s) nên bỏ qua sự biến dạng ở lốp. Xét tam giác OCA vuông tại C ta có: L tan( 2 ) = B0 R− 2 2550 2 = 1230 4600 − 2 2 = 32, 615 0 Xét tam giác OBD vuông tại D có: L tan(1 ) = B0 R+ 2 2550 1 = 1230 4600 + 2 1 = 26, 06 0 Xét tam giác vuông OFE vuông tại F: L tan( ) = R 2550 tan( ) = 4600 = 29 Vậy α2 > α > α1 ➔ α2 = αmax = 32,615o SVTH: Lê Văn Thịnh 7 Đồ án tốt nghiệp GVHD: Th.S Vũ Văn Định Tỷ số truyền của hệ thống lái ic Ta có công thức: α’max=αmax.ic (1) Trong đó: + α’max: Gọi là vòng quay vành lái lớn nhất tính từ vị trí đi thẳng. Với xe thiết kế là xe du lịch ta chọn α’max = 1,8 vòng (tính từ lúc vô lăng ở vị trí thẳng lái) αmax: Góc quay vòng lớn nhất của bánh xe dẫn hướng (32,615o) max ' 1, 75.360 Ta có: i = = = 19,316 max 32, 615 Ta lấy sơ bộ tỷ số truyền của hệ thống lái ic =20. Tính lại α’max, ta có: max = i.32,615 = 652,3 , phù hợp với tiêu ` o chuẩn thiết kế.
Xác định góc đánh lái lớn nhất ta có công thức: tan( max ) = id .tan( max )(2) Tỷ số truyền của dẫn động lái phụ thuộc vào kích thước và quan hệ của các cánh tay đòn. thay vào công thức (2) ta có: tan( max ) = id .tan(32, 615) tan( max ) 0, 7 δ max 35 Góc đánh lái lớn nhất là: max = 35 0 Gọi T là tỷ lệ góc quay vành vô lăng với góc đánh lái: ' 652,3 T = max = 18,64 max 35 Vậy cứ đánh vô lăng 18,64 độ thì góc đánh lái = 10 Chọn tốc độ quay vô lăng: = 46, 6(rad / s ) Ta có công thức: Với: + là góc quay trên vô lăng. + t là khoảng thời gian quay 1 góc . Xác định thời gian đánh hết lái: ( = max ; = 'max ) SVTH: Lê Văn Thịnh 8 Đồ án tốt nghiệp GVHD: Th.S Vũ Văn Định = Δt 652,3 Thay vào công thức 2 ta có: 46, 6 = dt 652,3 t = = 14( s ) 46, 6 Vì đây là xe tự hành nên thời gian đánh lái sẽ thay đổi tuần hoàn, mất 14s để đạt góc đánh lái δ max = 350 tương đương với đánh lái được một góc δ = 20 trong khoảng thời gian Δt = 1s.
Khảo sát tương quang giữa góc đánh lái và góc quay thân xe Hình 2.3 Mô hình mô phỏng chuyển động Các giả định chính được sử dụng trong mô hình động học là lốp sau thẳng hàng với chuyển động của thân xe và lốp trước thẳng hàng với góc lái. Điều này tương đương với việc giả định rằng góc trượt ở cả hai bánh xe bằng không. Giả định này là hợp lý ở tốc độ thấp, khi các lực ngang được tạo ra nhỏ, (v(t) ≤ 5 m/s).Sin( ( t ) )(6) L Với: - v(t) là vận tốc của xe tại thời gian t - L là chiều dài cơ sở (mm) - là góc đánh lái (degree) - ᴪ là góc quay thân xe (degree) SVTH: Lê Văn Thịnh 9 Đồ án tốt nghiệp GVHD: Th.S Vũ Văn Định - Vx là vận tốc dọc (m/s) - Vy là vận tốc ngang (m/s) - V là vận tốc của xe theo hướng di chuyển (m/s) Giả sử xe giữ nguyên chân ga khi chuyển động, v(t)= const = 5 (m/s), vì chạy ở tốc độ thấp (v≤5) chúng ta bỏ qua biến dạng lốp xem như không có hiện tượng trượt. Dựa vào công thức số 6 khảo sát độ biến thiên của góc đánh lái δ và góc quay thân xe ᴪ theo thời gian t.3 Thông số thể hiện tương quan giữa δ và ᴪ theo thời gian t Bảng thông số góc đánh lái và góc quay thân xe theo thời gian t(m/s) 2 4 6 8 10 12 14 δ(degree) 5 10 15 20 25 30 35 ᴪ(degree) 0.4 Biều đồ tương quan giữa góc đánh lái và góc quay thân xe SVTH: Lê Văn Thịnh 10 Đồ án tốt nghiệp GVHD: Th.