Tổng quan nghiên cứu

Trong bối cảnh công nghiệp hóa và hiện đại hóa tại Việt Nam, việc ứng dụng công nghệ tự động hóa trong sản xuất ngày càng trở nên cấp thiết nhằm nâng cao năng suất và chất lượng lao động. Xe tự hành (Autonomous Guided Vehicle - AGV) là một trong những giải pháp tiên tiến được sử dụng rộng rãi trong các nhà máy, kho bãi để vận chuyển hàng hóa mà không cần sự can thiệp của con người. Theo báo cáo của ngành, AGV hiện được ứng dụng trong nhiều lĩnh vực như công nghiệp ô tô, điện tử, dược phẩm, y tế và logistics, góp phần giảm chi phí lao động, tăng an toàn và hiệu quả sản xuất.

Tuy nhiên, hiệu suất vận hành của xe tự hành phụ thuộc lớn vào loại bánh xe sử dụng. Bánh xe đa hướng Mecanum với khả năng di chuyển linh hoạt theo mọi hướng đã trở thành lựa chọn ưu việt cho các xe AGV hiện đại. Luận văn tập trung nghiên cứu động lực học của xe tự hành sử dụng bánh xe đa hướng Mecanum, nhằm xác định các hệ số bám và cản lăn đặc trưng, từ đó xây dựng mô hình mô phỏng chuyển động chính xác hơn.

Phạm vi nghiên cứu tập trung vào xe tự hành 4 bánh Mecanum với kích thước xe 0,8 x 0,6 x 0,3 m, thực hiện thí nghiệm trên các bề mặt bê tông, gỗ và đá hoa trong điều kiện phòng thí nghiệm tại Đại học Bách Khoa Hà Nội. Mục tiêu chính là xác định hệ số bám, hệ số cản lăn của bánh xe Mecanum và mô phỏng chuyển động xe khi thay đổi góc nghiêng con lăn bánh xe. Kết quả nghiên cứu có ý nghĩa quan trọng trong việc tối ưu thiết kế và điều khiển xe tự hành, góp phần nâng cao hiệu suất và độ tin cậy trong ứng dụng thực tế.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Khung lý thuyết áp dụng

Luận văn dựa trên các lý thuyết và mô hình sau:

  • Lý thuyết động lực học bánh xe đa hướng Mecanum: Mô hình bánh xe Mecanum gồm các con lăn nghiêng góc ±45° so với trục bánh xe, cho phép xe di chuyển đa hướng. Phương trình động học và động lực học được thiết lập dựa trên các giả định về chuyển động không trượt của bánh xe và các lực tác động lên bánh.

  • Phương trình Lagrange loại II: Được sử dụng để xây dựng phương trình chuyển động của hệ thống xe và bánh xe, bao gồm các tọa độ tổng quát như vị trí, góc quay bánh xe và vận tốc góc thân xe.

  • Khái niệm hệ số bám (φ) và hệ số cản lăn (f): Hệ số bám xác định khả năng tiếp xúc và lực kéo giữa bánh xe và mặt đường, trong khi hệ số cản lăn biểu thị lực cản sinh ra khi bánh xe lăn trên mặt đường, phụ thuộc vào vận tốc và đặc tính vật liệu.

Các khái niệm chính bao gồm: bánh xe Mecanum, hệ số bám, hệ số cản lăn, mô hình động lực học, phương trình chuyển động, góc nghiêng con lăn bánh xe.

Phương pháp nghiên cứu

  • Nguồn dữ liệu: Dữ liệu thu thập từ các thí nghiệm thực nghiệm trên xe tự hành 4 bánh Mecanum tại phòng thí nghiệm Đại học Bách Khoa Hà Nội. Các thí nghiệm đo hệ số bám và hệ số cản lăn được thực hiện trên ba loại mặt đường: bê tông, gỗ và đá hoa.

  • Phương pháp phân tích: Sử dụng phương pháp thí nghiệm đo hệ số bám bằng hai cách: thả xe trên mặt phẳng nghiêng và kéo xe bằng lực kế lò xo. Hệ số cản lăn được xác định thông qua thí nghiệm đo quãng đường và thời gian xe chuyển động chậm dần trên mặt dốc và mặt bằng. Dữ liệu thu thập được dùng để xây dựng mô hình động lực học và mô phỏng chuyển động xe bằng phần mềm Simulink.

  • Timeline nghiên cứu: Nghiên cứu được thực hiện trong năm 2022, bao gồm giai đoạn tổng quan lý thuyết, thiết kế thí nghiệm, thu thập và xử lý dữ liệu, mô phỏng và phân tích kết quả.

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

  1. Hệ số bám bánh xe Mecanum trên các mặt đường:

    • Trên nền bê tông, hệ số bám trung bình theo phương dọc là 0,4 và theo phương ngang là 0,458.
    • Trên nền gỗ, hệ số bám lần lượt là 0,169 và 0,213.
    • Trên nền đá hoa, hệ số bám thấp nhất, lần lượt là 0,146 và 0,188.
      Kết quả cho thấy hệ số bám giảm dần theo thứ tự bê tông > gỗ > đá hoa, phản ánh sự khác biệt về ma sát giữa bánh xe Mecanum và các bề mặt.

  2. Hệ số cản lăn phụ thuộc mặt đường và vận tốc:

    • Hệ số cản lăn trung bình trên nền gỗ là 0,055 (f0) và 0,0201 (K).
    • Trên nền bê tông, các giá trị này tăng lên lần lượt 0,076 và 0,0419.
    • Trên nền gạch đá nhẵn, hệ số cản lăn trung bình là 0,061 và 0,0376.
      Điều này cho thấy lực cản lăn lớn nhất trên nền bê tông, ảnh hưởng đến khả năng vận hành và tiêu hao năng lượng của xe.

  3. Ảnh hưởng của góc nghiêng con lăn bánh xe đến lực kéo và lực cản lăn:
    Mô phỏng cho thấy khi thay đổi góc nghiêng con lăn bánh xe, lực kéo và lực cản lăn biến đổi đáng kể, ảnh hưởng trực tiếp đến vận tốc và quỹ đạo chuyển động của xe. Góc nghiêng tối ưu giúp tăng hiệu suất vận hành và giảm hao phí năng lượng.

  4. Mô hình động lực học có xét đến lực cản lăn cho kết quả mô phỏng chính xác hơn:
    So với các nghiên cứu trước bỏ qua lực cản lăn, mô hình trong luận văn cho thấy vận tốc xe không tăng vô hạn mà đạt đến giá trị giới hạn phù hợp với thực tế, giúp dự báo chính xác hơn hiệu suất xe.

Thảo luận kết quả

Nguyên nhân sự khác biệt về hệ số bám trên các mặt đường xuất phát từ đặc tính vật liệu và độ nhám bề mặt, ảnh hưởng đến lực ma sát tiếp xúc giữa bánh xe Mecanum và mặt đường. Hệ số bám thấp hơn so với bánh xe thường (0,76-0,9) do cấu tạo đặc biệt của con lăn bánh Mecanum nghiêng 45°, làm giảm diện tích tiếp xúc trực tiếp và lực ma sát.

Hệ số cản lăn tăng trên nền bê tông do bề mặt cứng và nhám hơn, gây lực cản lớn hơn khi bánh xe lăn. Kết quả này phù hợp với các nghiên cứu trong ngành về lực cản lăn của bánh xe cao su trên các bề mặt khác nhau.

Việc mô phỏng có xét đến lực cản lăn giúp mô hình phản ánh chính xác hơn các yếu tố vật lý thực tế, từ đó hỗ trợ thiết kế và điều khiển xe tự hành hiệu quả hơn. Biểu đồ vận tốc theo thời gian và quỹ đạo chuyển động có thể minh họa rõ sự ảnh hưởng của góc nghiêng con lăn đến hiệu suất xe, giúp trực quan hóa kết quả nghiên cứu.

Đề xuất và khuyến nghị

  1. Tối ưu góc nghiêng con lăn bánh xe Mecanum

    • Thực hiện điều chỉnh góc nghiêng con lăn trong khoảng ±45° để đạt hiệu suất lực kéo và giảm lực cản lăn tối ưu.
    • Thời gian thực hiện: 6-12 tháng.
    • Chủ thể: Các nhà thiết kế và kỹ sư phát triển xe tự hành.

  2. Phát triển hệ thống điều khiển thích ứng dựa trên mô hình động lực học có xét đến lực cản lăn

    • Áp dụng mô hình động lực học đã xây dựng để thiết kế thuật toán điều khiển giúp xe vận hành ổn định và tiết kiệm năng lượng.
    • Thời gian: 12 tháng.
    • Chủ thể: Nhóm nghiên cứu và phát triển phần mềm điều khiển.

  3. Nâng cao vật liệu và cấu trúc con lăn bánh xe

    • Nghiên cứu vật liệu mới có độ bền cao, ma sát phù hợp để cải thiện hệ số bám và giảm mài mòn.
    • Thời gian: 18 tháng.
    • Chủ thể: Bộ phận R&D vật liệu và sản xuất bánh xe.

  4. Mở rộng thí nghiệm trên các điều kiện mặt đường thực tế và tải trọng khác nhau

    • Thực hiện thí nghiệm tại các nhà máy, kho bãi với các loại mặt đường và tải trọng đa dạng để đánh giá toàn diện hiệu suất bánh xe.
    • Thời gian: 12-24 tháng.
    • Chủ thể: Các trung tâm nghiên cứu và doanh nghiệp ứng dụng.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

  1. Kỹ sư thiết kế và phát triển xe tự hành

    • Lợi ích: Áp dụng mô hình động lực học và kết quả thí nghiệm để tối ưu thiết kế bánh xe và hệ thống điều khiển.
    • Use case: Thiết kế xe AGV cho nhà máy sản xuất thông minh.

  2. Nhà nghiên cứu trong lĩnh vực cơ khí động lực và robot di động

    • Lợi ích: Tham khảo phương pháp thí nghiệm và mô phỏng động lực học bánh xe đa hướng.
    • Use case: Phát triển các mô hình robot di động đa hướng với hiệu suất cao.

  3. Doanh nghiệp sản xuất và vận hành hệ thống tự động hóa

    • Lợi ích: Hiểu rõ đặc tính vận hành của xe tự hành sử dụng bánh Mecanum để lựa chọn và bảo trì thiết bị phù hợp.
    • Use case: Triển khai AGV trong kho hàng và dây chuyền sản xuất.

  4. Sinh viên và học viên cao học ngành kỹ thuật ô tô, cơ khí động lực

    • Lợi ích: Nắm bắt kiến thức chuyên sâu về bánh xe đa hướng và phương pháp nghiên cứu thực nghiệm, mô phỏng.
    • Use case: Tham khảo luận văn để phát triển đề tài nghiên cứu hoặc luận văn tốt nghiệp.

Câu hỏi thường gặp

  1. Bánh xe Mecanum khác gì so với bánh xe tiêu chuẩn?
    Bánh xe Mecanum có các con lăn nghiêng 45° cho phép xe di chuyển đa hướng linh hoạt, trong khi bánh xe tiêu chuẩn chỉ di chuyển theo một hướng cố định. Điều này giúp xe tự hành có khả năng di chuyển ngang, quay tại chỗ và di chuyển phức hợp.

  2. Hệ số bám của bánh xe Mecanum có ảnh hưởng như thế nào đến hiệu suất xe?
    Hệ số bám quyết định khả năng truyền lực kéo từ bánh xe xuống mặt đường, ảnh hưởng đến khả năng tăng tốc, dừng và di chuyển ổn định. Hệ số bám thấp có thể gây trượt bánh, giảm hiệu quả vận hành.

  3. Tại sao phải đo hệ số cản lăn của bánh xe?
    Hệ số cản lăn biểu thị lực cản sinh ra khi bánh xe lăn trên mặt đường, ảnh hưởng đến tiêu hao năng lượng và vận tốc tối đa của xe. Đo chính xác giúp mô phỏng và điều khiển xe hiệu quả hơn.

  4. Phương pháp thí nghiệm nào được sử dụng để đo hệ số bám?
    Luận văn sử dụng hai phương pháp: thả xe trên mặt phẳng nghiêng để xác định góc trượt và kéo xe bằng lực kế lò xo để đo lực kéo tối đa trước khi bánh xe trượt.

  5. Góc nghiêng con lăn bánh xe ảnh hưởng thế nào đến chuyển động của xe?
    Góc nghiêng con lăn ảnh hưởng đến hướng và độ lớn lực kéo sinh ra, từ đó ảnh hưởng đến quỹ đạo và vận tốc xe. Thay đổi góc nghiêng giúp tối ưu hóa hiệu suất và khả năng cơ động của xe.

Kết luận

  • Luận văn đã xác định được hệ số bám trung bình của bánh xe Mecanum trên các mặt đường bê tông (0,4-0,458), gỗ (0,169-0,213) và đá hoa (0,146-0,188), cho thấy sự khác biệt rõ rệt theo loại mặt đường.
  • Hệ số cản lăn của bánh xe Mecanum cũng được đo và phân tích, với giá trị nhỏ nhất trên nền gỗ và lớn nhất trên nền bê tông, ảnh hưởng đến lực cản và vận tốc xe.
  • Mô hình động lực học có xét đến lực cản lăn giúp mô phỏng chuyển động xe chính xác hơn, phản ánh đúng giới hạn vận tốc thực tế.
  • Góc nghiêng con lăn bánh xe là yếu tố quan trọng ảnh hưởng đến lực kéo và lực cản lăn, từ đó ảnh hưởng đến hiệu suất vận hành của xe tự hành.
  • Các đề xuất về tối ưu thiết kế bánh xe, phát triển hệ thống điều khiển và mở rộng thí nghiệm được đưa ra nhằm nâng cao hiệu quả ứng dụng xe tự hành sử dụng bánh xe đa hướng.

Tiếp theo, nghiên cứu sẽ tập trung vào việc ứng dụng mô hình động lực học trong thiết kế thuật toán điều khiển thực tế và thử nghiệm trên các hệ thống xe tự hành quy mô lớn. Đề nghị các nhà nghiên cứu và kỹ sư trong lĩnh vực ô tô và robot di động tiếp cận và áp dụng kết quả nghiên cứu để phát triển các sản phẩm xe tự hành hiệu quả, linh hoạt hơn.