Bối cảnh và vấn đề nghiên cứu

Trong bối cảnh tự động hóa và công nghiệp 4.0 phát triển mạnh mẽ, robot di động (mobile robot) ngày càng đóng vai trò quan trọng trong việc hỗ trợ con người thực hiện các công việc nặng nhọc, độc hại và đòi hỏi tính chính xác cao. Tại Việt Nam, nông nghiệp và các ngành sản xuất công nghiệp, dịch vụ vẫn phụ thuộc nhiều vào lao động thủ công; việc ứng dụng các hệ thống tự hành thông minh vào quy trình vận chuyển, giám sát và quản lý môi trường làm việc còn gặp nhiều rào cản. Việc chế tạo các hệ thống robot có khả năng nhận diện không gian xung quanh, tự động bám theo biên dạng quỹ đạo của vật cản để di chuyển linh hoạt là một hướng nghiên cứu có tính ứng dụng thực tiễn cao.

Đề tài "Nghiên cứu, thiết kế và chế tạo mobile robot bám biên quỹ đạo vật cản" được thực hiện bởi nhóm sinh viên Nguyễn Bá Trọng, Nguyễn Minh Thành và Trảo An Tân dưới sự hướng dẫn của TS. Trần Minh Thiên tại Khoa Cơ khí Chế tạo máy – Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật TP. Hồ Chí Minh (thời gian thực hiện từ ngày 04/09/2023 đến 04-05/01/2024).

Nhiệm vụ nghiên cứu trọng tâm của đồ án được xác định gồm các nội dung:

  1. Nghiên cứu phương pháp và thuật toán quy hoạch quỹ đạo chuyển động bám biên cho robot di động.
  2. Tính toán động lực học, lựa chọn động cơ, cơ cấu truyền động và kết cấu thân xe phù hợp.
  3. Thiết kế hệ thống điện - điện tử, mạch đo khoảng cách và khối xử lý trung tâm.
  4. Xây dựng giải thuật điều khiển tự động dựa trên lý thuyết ổn định Lyapunov và bộ điều khiển PID.
  5. Thi công chế tạo mô hình thực tế và thực nghiệm đánh giá khả năng bám quỹ đạo vật cản.

Đối tượng và phạm vi nghiên cứu:

  • Đối tượng nghiên cứu: Mô hình mobile robot 4 bánh dẫn động vi sai bằng 2 bánh chủ động phía sau, tích hợp hệ thống cảm biến siêu âm phát hiện vật cản.
  • Phạm vi nghiên cứu: Khảo sát chuyển động của robot trên mặt sàn phẳng; tải trọng thiết kế tối đa $M = 3\text{ kg}$; vận tốc di chuyển mong muốn $v = 1\text{ m/s}$; gia tốc định mức $a = 1\text{ m/s}^2$; bám biên quỹ đạo các chướng ngại vật cơ bản trong môi trường tĩnh.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp

Khung lý thuyết và mô hình điều khiển

Đồ án tiếp cận bài toán điều hướng của mobile robot thông qua 4 bài toán thành phần kinh điển: Lập bản đồ (Mapping), Định vị (Localization), Hoạch định đường đi (Path planning) và Tránh vật cản (Obstacle avoidance). Trong đó, bài toán bám quỹ đạo (Trajectory tracking) được phân tích chuyên sâu nhằm đảm bảo robot duy trì khoảng cách ổn định đối với biên vật cản.

Về phương diện điều khiển học, đồ án phân tích và so sánh các giải thuật:

  • Bộ điều khiển PID (Proportional-Integral-Derivative): Sử dụng các khâu tỷ lệ ($K_P$), tích phân ($K_I$) và vi phân ($K_D$) để triệt tiêu sai lệch vận tốc góc của từng bánh xe.
  • Lý thuyết ổn định phi tuyến Lyapunov: Thiết lập hàm mục tiêu trạng thái sai số không gian ($e_1, e_2, e_3$) để tổng hợp luật điều khiển vận tốc dài $v$ và vận tốc góc $\omega$, đảm bảo hệ thống tiệm cận ổn định bền vững khi thời gian tiến ra vô cùng ($t \to \infty$).

Phương pháp nghiên cứu

  • Phương pháp tính toán cơ học - động lực học: Thiết lập phương trình cân bằng mômen quán tính bánh xe, điều kiện lăn không trượt $\tau \le \mu N R + I\gamma$, xác định công suất động cơ và bán kính quay vòng tối ưu theo hệ số $K$.
  • Phương pháp phân tích dung sai hình học: Tính toán dung sai độ song song, độ vuông góc và độ đồng trục của đồ gá động cơ theo tiêu chuẩn dung sai lắp ghép kỹ thuật cơ khí.
  • Phương pháp mô phỏng số (FEA): Mô phỏng ứng suất và biến dạng đàn hồi của khung sàn xe bằng phần mềm cơ học dưới tải trọng phân bố $30\text{ N}$.
  • Phương pháp thực nghiệm: Đo đạc và xây dựng đặc tính đáp ứng thực tế giữa chu kỳ xung PWM (%) và tốc độ quay (RPM) của cụm động cơ - driver.

Nội dung chính theo từng chương

Chương 1: Giới thiệu chung

Chương này tổng thuật lịch sử phát triển của mobile robot từ giai đoạn Thế chiến thứ II (bom bay dẫn đường, Robot Elmer và Elsie của Gray Walter), giai đoạn phát triển robot tự hành Stanford Cart, Shakey, thám hiểm không gian của NASA (Viking, Mars Pathfinder Sojourner), đến các thế hệ robot phục vụ công nghiệp và dân dụng hiện đại (Aibo, Roomba, Kiva). Tác giả làm rõ lý do chọn đề tài, sự cần thiết của việc ứng dụng robot tự hành trong việc giải phóng sức lao động nông nghiệp và logistics, đồng thời xác lập mục tiêu, giới hạn và các chỉ tiêu kỹ thuật cần đạt.

Chương 2: Cơ sở lí thuyết

Chương 2 trình bày tổng quan về mobile robot, nguyên lý làm việc của robot bám quỹ đạo và so sánh các thuật toán điều khiển (PID, MPC, Pure Pursuit, $A^*$, RRT, Fuzzy Logic). Tác giả tiến hành so sánh ưu nhược điểm của các cơ cấu bánh xe:

Cơ cấu Ưu điểm Nhược điểm
Xe 3 bánh (2 bánh chủ động sau, 1 bánh tự lựa trước) 3 bánh luôn đồng phẳng tiếp xúc mặt đất; cơ cấu cơ khí đơn giản; vào cua dễ dàng. Bánh tự lựa phía trước chịu lực tác động dễ làm mất ổn định hướng; chịu tải nặng kém khi vào cua.
Xe 3 bánh (2 bánh chủ động trước, 1 bánh tự lựa sau) 3 bánh luôn đồng phẳng tiếp xúc mặt đất; cơ cấu cơ khí đơn giản. Khi mang tải nặng xe dễ bị lật khi chuyển hướng.
Xe 4 bánh (2 bánh tự lựa trước có hệ thống treo, 2 bánh sau chủ động) Bẻ lái dễ dàng khi vào cua, không bị lật khi mang tải nặng; 4 bánh luôn tiếp xúc mặt đất nhờ hệ thống treo. Thiết kế cơ khí phức tạp, khó chế tạo đồng phẳng và đồng trục.
Xe 4 bánh (2 bánh tự lựa trước, 2 bánh chủ động sau không treo) Kết cấu cơ khí đơn giản, vững chắc, khó bị văng/lật khi vào cua so với cấu hình 3 bánh. Khó đảm bảo độ đồng phẳng tuyệt đối nếu bề mặt gồ ghề; khó rẽ ngoặt gấp do quán tính bánh tự lựa.

Ngoài ra, chương này cũng phân tích nguyên lý phát - thu xung sóng siêu âm để xác định cự ly vật thể và cách thức giao tiếp tín hiệu giữa cảm biến, vi điều khiển và màn hình hiển thị.

Chương 3: Thiết kế

Tác giả tính toán chi tiết các thông số kỹ thuật của hệ thống:

  • Tính chọn động cơ: Với khối lượng $M = 3\text{ kg}$, bán kính bánh xe $R = 32.5\text{ mm}$, hệ số ma sát $\mu = 0.7$, gia tốc $a = 1\text{ m/s}^2$, mômen lăn không trượt tính được là $\tau = 0.344\text{ Nm}$. Áp dụng hệ số an toàn 1.2, nhóm lựa chọn động cơ DC giảm tốc JGA25-370 tích hợp encoder.
  • Tính toán kích thước thân xe: Thiết lập phương trình quan hệ góc quay vòng $\alpha = \frac{L}{R} + K\frac{v^2}{gR}$, chọn hệ số quay vòng $K = 1.5$, chiều rộng thân xe $W = 160\text{ mm}$ và chiều dài cơ sở tương ứng theo tỉ lệ động lực học.
  • Phân tích dung sai cơ khí: Khảo sát dung sai độ song song, độ vuông góc của mặt bích gá động cơ và độ đồng tâm hai trục động cơ $e \le 0.1\text{ mm}$ ($\Delta x^2 + \Delta y^2 \le e^2$).
  • Mô phỏng bền: Tấm sàn nhựa ABS dày $5\text{ mm}$ (kích thước $230 \times 160\text{ mm}$) chịu tải phân bố $30\text{ N}$ cho biến dạng lớn nhất là $1.266\text{ mm}$, đáp ứng tiêu chuẩn bền (giới hạn $< 1.5\text{ mm}$).
  • Thiết kế hệ thống điều khiển: Thiết lập mô hình động học vi sai tại điểm tracking $C$ (cách tâm cầu sau khoảng cách $d$); xây dựng bộ điều khiển phi tuyến theo tiêu chuẩn ổn định Lyapunov: $$\begin{cases} v = v_R \cos e_3 + k_1 e_1 \ \omega = k_2 v_R e_2 + \omega_R + k_3 \sin e_3 \end{cases}$$ Trong đó, sai số $e_2$ (khoảng cách pháp tuyến tới biên) được đo trực tiếp từ cảm biến; cấu hình thử nghiệm đặt $k_3 = 0$.

Chương 4: Thi công, thực nghiệm, thu thập kết quả và phân tích

Trình bày quá trình chế tạo mô hình phần cứng: lắp ráp khung vỏ ABS, bánh xe V2 đường kính $65\text{ mm}$, gá động cơ chữ L, mạch hạ áp LM2596, khối vi điều khiển trung tâm STM32F103C8T6 và 3 cảm biến siêu âm HC-SR04. Khảo nghiệm mối quan hệ giữa độ rộng xung điều khiển PWM (%) và tốc độ quay động cơ thực tế qua encoder.

Chương 5: Kết luận

Tổng kết các hạng mục đã hoàn thành, chỉ rõ các điểm còn hạn chế của mô hình và đề xuất các phương hướng phát triển cho đề tài trong tương lai.

Thiết kế và triển khai

Cấu hình phần cứng và thiết bị cơ điện tử

Khối chức năng Tên thiết bị / Linh kiện Thông số kỹ thuật chính Số lượng
Động cơ chấp hành Động cơ DC JGA25-370 Điện áp định mức: $12\text{V}$; Công suất: $13.2\text{W}$; Dòng có tải: $600\text{mA}$; Dòng kẹt: $2.29\text{A}$; Mômen giữ: $1.88\text{ kgf}\cdot\text{cm}$; Tỉ số truyền hộp giảm tốc: $1:34$; Encoder: $374\text{ xung/vòng}$. 2
Bánh xe Bánh xe cao su V2 Đường kính: $65\text{ mm}$ (bán kính $R = 32.5\text{ mm}$). 2 chủ động + 2 tự lựa
Nguồn cấp Pin Li-ion 18650 Điện áp trung bình: $3.7\text{V}$ (sạc đầy $4.2\text{V}$); Dòng xả: $2\text{A}$; Trọng lượng: $34\text{g}$; Ghép nối tiếp 4 cell cho điện áp danh định $14.8\text{V}$. 4
Mạch ổn áp Module buck LM2596 Hạ áp từ $14.8\text{V}$ xuống hai đường nguồn độc lập: $12\text{VDC}$ (cấp cho driver động cơ) và $5\text{VDC}$ (cấp cho vi điều khiển và cảm biến). 2
Cảm biến khoảng cách Cảm biến siêu âm HC-SR04 Tần số siêu âm; Dải đo: $3 - 600\text{ cm}$; Dòng tiêu thụ: $50\text{mA}$; Điện áp hoạt động: $5\text{V}$; Chân giao tiếp: VCC, Trig, Echo, GND. 3
Khối xử lý trung tâm Vi điều khiển STM32F103C8T6 Kiến trúc ARM Cortex-M3 32-bit; xử lý đọc xung Echo cảm biến, giải mã Encoder kênh A/B, tính toán sai số $e_2$ và xuất xung PWM điều khiển. 1
Mạch công suất (Driver) Mạch cầu H điều khiển động cơ Điện áp điều khiển logic: $5\text{V}$; Điện áp động lực: $12\text{V}$; Dòng định mức: $1.2\text{A}$. 2

Kết quả đo kiểm thực nghiệm Driver - Động cơ

Quan hệ thực nghiệm giữa giá trị PWM phát ra và tốc độ quay (RPM) đo được từ encoder của các động cơ được ghi nhận trong bảng sau:

STT PWM (%) Động cơ trái trước (RPM) Động cơ phải trước (RPM) Động cơ trái sau (RPM) Động cơ phải sau (RPM)
1 10 28 27 27 27
2 20 58 60 59 59
3 30 80 80 79 80
4 40 104 105 105 105
5 50 120 119 115 115
6 60 142 141 143 142
7 70 179 179 180 180
8 80 209 209 209 209
9 90 239 240 240 239
10 100 270 270 271 271

Đặc tính quan hệ giữa độ rộng xung PWM (%) và vận tốc góc gần như tuyến tính, cho phép mô hình hóa khối driver - động cơ dưới dạng khâu quán tính bậc nhất để thiết lập thông số điều khiển PID ổn định vận tốc.

Giải thuật điều khiển hệ thống

  1. Vi điều khiển STM32 phát xung kích hoạt (Trig) và đo thời gian phản hồi (Echo) từ 3 cảm biến siêu âm gắn xung quanh xe.
  2. Tính toán khoảng cách thực tế đến biên vật cản; so sánh với cự ly đặt $d$ để xác định sai số khoảng cách pháp tuyến $e_2$.
  3. Áp dụng luật điều khiển Lyapunov để tính toán vận tốc dài đặt $v$ và vận tốc góc đặt $\omega$.
  4. Quy đổi vận tốc tâm xe $(v, \omega)$ thành vận tốc góc mong muốn cho từng bánh xe: $$\omega_R = \frac{v + \omega \cdot d_w}{b/2}, \quad \omega_L = \frac{v - \omega \cdot d_w}{b/2}$$ (với $d_w$ là khoảng cách giữa hai bánh xe, $b$ là đường kính bánh).
  5. Bộ điều khiển PID phản hồi vòng kín từ encoder điều chỉnh độ rộng xung PWM cấp cho từng động cơ. Nếu đồng thời các cảm biến biên trả về khoảng cách vượt quá ngưỡng an toàn định trước ($\text{Distance} > d$), hệ thống tự động phát lệnh dừng robot.

Kết quả và đóng góp

Kết quả chính

  • Hoàn thành thiết kế và chế tạo mô hình phần cứng robot di động 4 bánh với kích thước khung sàn $230 \times 160\text{ mm}$, sử dụng nhựa ABS dày $5\text{ mm}$, tải trọng vận hành đạt $3\text{ kg}$.
  • Kết quả mô phỏng phần tử hữu hạn chứng minh kết cấu sàn xe có độ biến dạng cực đại là $1.266\text{ mm}$ dưới tải trọng tĩnh $30\text{ N}$, nằm trong giới hạn an toàn cho phép ($< 1.5\text{ mm}$).
  • Xây dựng thành công hệ thống mạch nguồn sử dụng 4 cell pin 18650 ($14.8\text{V}$) kết hợp hai module hạ áp LM2596 cung cấp nguồn độc lập ổn định $12\text{V}$ (tổng dòng tiêu thụ $1200\text{mA}$) cho động cơ và $5\text{V}$ (tổng dòng tiêu thụ $230\text{mA}$) cho cảm biến và vi điều khiển.
  • Triển khai thành công thuật toán Lyapunov kết hợp bộ điều khiển PID trên vi điều khiển STM32F103C8T6, giúp robot thu thập dữ liệu từ cảm biến siêu âm HC-SR04 và tự động bám theo biên dạng của vật cản.

Đóng góp của đề tài

  • Kết hợp bài bản giữa tính toán lý thuyết động lực học cơ học, phân tích dung sai lắp ghép cơ khí với lý thuyết điều khiển tự động phi tuyến cho robot tự hành.
  • Xây dựng một quy trình hoàn chỉnh từ khảo sát, tính chọn động cơ, mô phỏng cơ học đến thi công thực tế mạch điện và lập trình thuật toán điều khiển nhúng trên dòng vi điều khiển 32-bit.

Hạn chế và hướng nghiên cứu tiếp

Hạn chế

  • Hệ thống cảm biến siêu âm HC-SR04 có tốc độ đáp ứng giới hạn và góc mở chùm sóng rộng, dễ gặp lỗi đo khi gặp các bề mặt vật cản nghiêng, bề mặt hấp thụ âm hoặc tán xạ sóng phức tạp.
  • Trong thuật toán điều khiển thực nghiệm, nhóm tác giả mới chỉ tập trung xử lý sai số khoảng cách $e_2$ và tạm thời bỏ qua sai số góc hướng $e_3$ ($k_3 = 0$) để đơn giản hóa quá trình xử lý thời gian thực trên vi điều khiển.
  • Mô hình chỉ mới thực nghiệm kiểm chứng khả năng bám biên đối với các dạng vật cản hình học cơ bản trên bề mặt phẳng, chưa kiểm tra trong môi trường động hoặc địa hình gồ ghề.

Hướng phát triển

  • Tích hợp thêm các loại cảm biến đo đạc có độ chính xác cao hơn như LiDAR (quét laser 2D/3D) hoặc Camera kết hợp trí tuệ nhân tạo (Computer Vision) để nhận dạng và bám biên vật cản phức tạp.
  • Hoàn thiện thuật toán ước lượng sai số góc $e_3$ trong thời gian thực để nâng cao độ mượt và tính chính xác của quỹ đạo bám.
  • Nghiên cứu nâng cấp kết cấu cơ khí, bổ sung hệ thống treo độc lập và thuật toán định vị, lập bản đồ đồng thời (SLAM) để robot hoạt động được trong môi trường công nghiệp và nông nghiệp thực tế.

Giá trị tham khảo

Tài liệu đồ án này mang lại giá trị tham khảo hữu ích cho:

  • Sinh viên ngành Kỹ thuật Cơ điện tử, Tự động hóa và Cơ kỹ thuật: Tham khảo phương pháp tính toán động lực học bánh xe, tính toán công suất chọn động cơ kéo, phân tích chuỗi dung sai hình học chi tiết máy và phương pháp mô phỏng cơ bền sàn xe.
  • Người nghiên cứu về Mobile Robot: Cung cấp khung lý thuyết toán học rõ ràng về mô hình động học vi sai, phương pháp tổng hợp bộ điều khiển bám quỹ đạo dựa trên tiêu chuẩn ổn định Lyapunov và cách thức thiết lập vòng lặp điều khiển PID tốc độ động cơ DC có encoder trên nền vi điều khiển STM32.

Câu hỏi thường gặp

1. Robot trong đồ án sử dụng cấu hình bánh xe và hệ thống dẫn động như thế nào?

Robot sử dụng cấu hình 4 bánh với 2 bánh sau là bánh chủ động gắn trực tiếp vào trục động cơ DC giảm tốc JGA25-370 và 2 bánh trước là bánh tự lựa. Cấu hình này giúp kết cấu cơ khí đơn giản, giảm thiểu nguy cơ lật khi mang tải qua khúc cua so với xe 3 bánh, đồng thời dễ dàng điều khiển hướng di chuyển thông qua phương pháp vi sai tốc độ giữa hai bánh chủ động.

2. Động cơ và nguồn cấp điện được lựa chọn dựa trên những tính toán kỹ thuật nào?

Động cơ được chọn là dòng DC JGA25-370 (tỉ số truyền 1:34, điện áp 12V, công suất định mức 13.2W, tích hợp encoder 374 xung/vòng) dựa trên tính toán mômen lăn không trượt $\tau = 0.344\text{ Nm}$ với hệ số an toàn 1.2 dưới tải trọng xe $3\text{ kg}$ và gia tốc $1\text{ m/s}^2$. Nguồn cấp gồm 4 cell pin Li-ion 18650 mắc nối tiếp sinh ra điện áp $14.8\text{V}$, sau đó qua 2 module hạ áp LM2596 cấp nguồn riêng biệt $12\text{V}$ ($1200\text{mA}$) cho động cơ và $5\text{V}$ ($230\text{mA}$) cho vi điều khiển cùng cảm biến.

3. Nguyên lý bám quỹ đạo vật cản của robot được thiết lập bằng thuật toán nào?

Hệ thống sử dụng bộ điều khiển phi tuyến xây dựng theo tiêu chuẩn ổn định Lyapunov với hàm mục tiêu $V = \frac{1}{2}e_1^2 + \frac{1}{2}e_2^2 + \frac{1 - \cos e_3}{k_2}$. Thuật toán triệt tiêu sai số khoảng cách $e_2$ đo được từ cảm biến siêu âm bằng cách liên tục điều chỉnh vận tốc dài $v = v_R \cos e_3 + k_1 e_1$ và vận tốc góc $\omega = k_2 v_R e_2 + \omega_R + k_3 \sin e_3$, kết hợp vòng lặp điều khiển PID phản hồi từ encoder để duy trì chính xác tốc độ của từng động cơ.

4. Kết quả kiểm tra độ bền của kết cấu sàn xe đạt được thông số cụ thể nào?

Khung sàn xe làm bằng nhựa ABS dày $5\text{ mm}$ với kích thước $230 \times 160\text{ mm}$, được cố định 4 góc và chịu tải trọng phân bố $30\text{ N}$ (tương đương khối lượng tối đa $3\text{ kg}$). Kết quả mô phỏng phần tử hữu hạn cho thấy biến dạng đàn hồi lớn nhất là $1.266\text{ mm}$, thỏa mãn yêu cầu kỹ thuật đề ra là độ võng không vượt quá $1.5\text{ mm}$.

Kết luận

Đồ án "Nghiên cứu, thiết kế và chế tạo mobile robot bám biên quỹ đạo vật cản" của nhóm sinh viên Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật TP. Hồ Chí Minh đã giải quyết trọn vẹn các yêu cầu đặt ra từ khâu tính toán động lực học, thiết kế cơ khí, xây dựng mạch điện tử đến lập trình điều khiển nhúng. Việc kết hợp thành công thuật toán ổn định Lyapunov và bộ điều khiển PID trên vi điều khiển STM32F103C8T6 giúp robot bám sát biên dạng chướng ngại vật một cách ổn định theo tín hiệu từ cảm biến siêu âm HC-SR04. Công trình là tài liệu tham khảo có giá trị kỹ thuật thực tế cho sinh viên và các kỹ sư nghiên cứu trong lĩnh vực robot di động tự hành.