CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN Hình 1.5 Robot giao hàng do Nhật bản sản xuất 1.6 Nội dung sẽ trình bày trong các chương tiếp theo CHƯƠNG 2 CƠ SỞ LÍ THUYÊT : trình bày về các lí thuyết mà dựa vào nó để xây dựng robot. CHƯƠNG 3 TÍNH TOÁN - LƯA CHỌN PHƯƠNG ÁN THIÊT KÊ HỆ THÔNG CƠ KHÍ: trình bày các tính toán để lựa chọn linh kiện cần dùng. CHƯƠNG 4 THIÊT KÊ HỆ THÔNG ĐIỆN - ĐIỀU KHIÊN VA THUÂT TOÁN: xây dựng bộ điều khiển cho robot. CHƯƠNG 5: KÊT QUẢ THƯC NGHIỆM - ĐÁNH GIÁ: cho chạy thử máy theo các tiêu chí đặt ra sau đó đánh giá chất lượng robot.
CHƯƠNG 6: KÊT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIÊN: nhận định lại những gi đã làm được và chưa làm được. 4 CHƯƠNG 2: CƠ SỞ LÍ THUYẾT Ngày nay đa số các ý tưởng phát minh, sáng chế đều dựa trên các cơ sở lí thuyết cơ bản đã được chứng minh trước đó để phát triển thành một cái mới. Với đề tài Robot phục vụ (thuộc nhóm Robot AMR) thì dựa các lí thuyết về động cơ, bộ truyển, phương án di chuyển ….để bám theo các mục tiêu thiết kế ban đầu.1 Cơ cấu lái Hệ thống lái hay điều khiển hướng cua AMR có ba phương pháp chính là điều khiển tốc độ vi sai, điều khiển bánh lái (bánh dẫn hướng) và kết hợp giữa điều khiển tốc độ vi sai và bánh lái. Điều khiển tốc độ vi sai: đây là phương pháp phổ biến ứng dụng cho AMRvới hai bánh xe dẫn động di chuyển độc lập kết hợp với ít nhất một bánh tự lái có tác dụng giữ thăng bằng cho xe.
Để xe đi thẳng thì hai bánh dẫn động phải di chuyển cùng tốc độ, khi rẽ trái thì bánh xe bên trái di chuyển chậm hơn bên phải và ngược lại. Thường được sử dụng cho robot di chuyển trong không gian hẹp và không sử dụng cho việc kéo xe. Ưu điểm: Đơn giản về hệ thống cơ khí Có thể quay vòng tròn tại chỗ (hai bánh di chuyển ngược hướng nhau) Không cần cơ cấu bẻ lái (chuyển hướng) Nhược điểm: Khó điều khiển vì nếu lệch tốc độ một bánh thì robot sẽ bi chuyển hướng. Nếu sử dụng một bánh bị động thì dễ bị lật.
5 CHƯƠNG 2: CƠ SỞ LÍ THUYÊT Điều khiển hướng sử dụng bánh dẫn hướng: cơ cấu sử dụng kết hợp giữa hai bánh truyền động và một bánh dẫn hướng Ưu điểm: Điều khiển bẻ lái bằng bánh độc lập so với bánh truyền động. Chỉ cần sử dụng một động cơ cho bánh truyền động Linh hoạt hơn khi sử dụng phương pháp vi sai.2 Cơ cấu lái sử dụng bánh điều hướng Nhược điểm: Hai bánh dẫn động cần có bộ vi sai để chuyển hướng. Dễ bị lật khi địa hình gồ ghề Cơ cấu bánh lái đồng bộ: tất cả bánh xe đều dẫn động và có tính năng giúp xe chuyển hướng. Ưu điểm: Có mức linh hoạt trong địa hình cực cao.
Di chuyển mọi hướng. Nhược điểm: Phức tạp trong quá trình chế tạo. Giá thành đắt 6 CHƯƠNG 2: CƠ SỞ LÍ THUYÊT Hình 2.3 Cơ cấu lái bốn bánh đồng bộ Hình 2.2 Hệ thống ROS Theo trang chu cua ROS (wiki.org) thì ROS (gọi tắt cua Robot Operation System) là một hệ điều hành meta, với mã nguồn mở dành cho robot. Nó cung cấp các dịch vụ dang như môt hệ điều hành thông thường, bao gồm mô hình hóa phần cứng, điều khiển các thiết bị cấp thấp, thực hiện các chức năng, truyền thông giữa các tiến trình quản lí các gói.
Ngoài ra nó cung cấp các công cụ và thư viện để lấy, xây dựng, viết và chạy mã trên nhiều máy tính khác nhau. 7 CHƯƠNG 2: CƠ SỞ LÍ THUYÊT Hình 2.5 Tiến trình thực hiện cua hệ điều hành ROS 2.3 Công nghệ SLAM 2.1 Khái niệm SLAM (Simultaneous localization and mapping) hay còn gọi là công nghệ định vị và đồng thời lập bản đồ, đây là một ngữ phổ biến trong lĩnh vực robot và tự động hóa. SLAM là một bài toán về việc xây dựng hoặc cập nhật bản đồ cua một môi trường không xác định đồng thời theo dõi vị trí cua chu thể trong môi trường đó. Các thuật toán SLAM dựa trên các khái niệm trong hình học tính toán, thị giác máy và được sử dụng trong điều hướng robot, lập bản đồ robot và đo lường quỹ đạo cho thực tế ảo hoặc thực tế.
Các thuật toán SLAM được điều chỉnh để phù hợp với các tài nguyên có sẵn (thiết bị) để thực hiện quá trình vận hành. Được ứng dụng rộng rãi trong các xe tự lái, máy bay không người lái,… Hình 2.6 Sử dụng công nghệ SLAM trong quét bản đồ. Xác định vị trí (localization) là quá trình robot xác định vị trí cua nó trong môi trường đã biết thông qua các cảm biến như GPS, bộ cảm biến laser, camera. 8 CHƯƠNG 2: CƠ SỞ LÍ THUYÊT Hình 2.7 Xác định vị trí bằng hệ thống định vị toàn cầu (GPS) Xây dựng bản đồ (Mapping) là quá trình robot xây dựng bản đồ cua môi trường mà robot đang và sẽ hoạt động thông qua các dữ liệu từ cảm biến laser, camera hoặc cảm biến khoảng cách.8 Bản đồ sau khi xây dựng bằng SLAM 2.4 Bộ điều khiển PID 2.1 Khái niệm PID (Proportional Integral Derivative) hay còn gọi là bộ điều khiển vi tích phân tỉ lệ là một cơ chế vòng điều khiển tổng quát được sử dụng rộng rãi trong các hệ thống điều khiển phản hồi trong công nghiệp.
Bộ khiển PID sẽ tính toán giá trị sai số là hiệu số giữa giá trị đo thông số biến đổi và giá trị đặt mong muốn, sau đó bộ điều khiển sẽ thực hiện giảm tối đa sai số bằng cách hiệu chỉnh các giá trị điều khiển đầu vào, hạn chế độ dao động, giảm thời gian xác lập, giảm sai số xác lập và độ vọt lố. Bộ điều khiển PID gồm ba thành phần chính: Proportional (P): là thành phần tỉ lệ, nó hoạt động dựa trên sự khác biệt giữa giá trí đặt và giá trị thực tế cua biến số điều khiển. Thành phần này tạo ra một tín hiệu điều khiển tỉ lệ sai số hiện tại. Integral (I) là thành phần tích phân cua sai lệch theo thời gian lấy mẫu, cho biết tổng sai số tích lũy.
Thời gian càng nhỏ khi tác động điều chỉnh tích phân càng lớn, độ lệch sẽ càng nhỏ. 9 CHƯƠNG 2: CƠ SỞ LÍ THUYÊT Derivative (D) là vi phân cảu sai lệch. Thông số tạo ra tín hiệu điều chỉnh sao cho tỉ lệ với tốc độ thay đổi sai lệch đầu vào, thời gian càng lâu thì phạm vi điều chỉnh vi phân càng lớn, bộ điều chỉnh đáp ứng với thay đổi đầu vào càng nhanh Hình 2.9 Lưu đồ giải thuật cua bộ điều khiển PID 2.2 Phương pháp điều chỉnh PID Có nhiều phương pháp khác nhau để điều chỉnh vòng lặp PID, viêc lựa chọn phương pháp thích hợp phụ thuộc phần lớn vào việc có hay không vòng lặp có thể điều chỉnh “offline” và đáp ứng thời gian cua hệ thống. Các phương pháp điều chỉnh gồm Điều chỉnh thu công là phương pháp đặt giá trị Ki, Kd ban đầu bằng không và tăng Kp để tìm giá trị phù hợp, sau đó lần lươt tăng Ki và Kd để tìm ra các thông số phù hợp cho hệ thống.10 Thông tin về tác dộng cua việc tăng giảm môt thông số độc lập.
Phương pháp Ziegler-Nichols: được tạo ra bởi John G.Ziegler và Nathaniel B. Nichol vào nă 1940, tương tự như phương pháp thu công, Ki và Kd ban đầu sẽ được gán bằng 0 và tăng độ lợi P đến Ku, đến khi đầu ra giao động. Ku và thời gian giao động Pu được dùng để gán độ lợi như bảng sau: 10 CHƯƠNG 2: CƠ SỞ LÍ THUYÊT Hình 2.11 Thông số cua phương pháp Ziegler-Nichols. Phương pháp Cohen-Coon là phương pháp điều chỉnh PID một cách tự động, được sử dụng để tìm ra các giá trị tham số tối ưu cho bộ điều khiển PID trong hệ thống điều khiển tự động.
Phương pháp này dựa trên việc thử nghiệm relay để đo thời gian lặp lại và thời gian trễ cua hệ thống, sau đó tính toán các giá trị tham số PID tối ưu từ các dữ liệu này. Phương pháp này phù hợp cho các hệ thống lớn và phức tạp, giúp điều chỉnh bộ điều khiển một cách tự động và hiệu quả.12 Lưu đồ giải thuật cua phương pháp Cohen-Coon.3 Ưng dụng thực tế Ưng dụng trong điều khiển chuyển động cua hê thống robot, máy CNC, động cơ. Bộ điều khiển PID sẽ đo tốc độ, vị trí, gia tốc cua chu thể để tính toán từ đó đưa ra sự điều chỉnh thông số đầu vào để duy trì hành trình mong muốn ban đầu.13 Điều khiển động cơ thông qua bộ điều khiển PID. Điều khiển quy trình: bộ điều khiển PID được sử dụng trong các quy trình sản xuất, xử lí hóa chất….
nó thu thập thông tin về lưu lưu, áp suất,… để tính toán và điều chỉnh thông số đầu vào để duy trì quy trình theo mong muốn. 11 CHƯƠNG 2: CƠ SỞ LÍ THUYÊT Hình 2.14 Điều chỉnh lưu lượng nước bằng bộ điều khiển PID Điều khiển năng lượng: dùng để điều chỉnh điện áp, hệ số công suất, động cơ. Bộ điều khiển sẽ đo lường đầu ra năng lượng cua hệ thống sau đó tiến hành tính toán, hiệu chỉnh đầu vào để duy trì mức năng lượng mong muốn.15 Điều khiển năng lượng bằng bộ điều khiển PID 2.5 Công nghệ LIDAR 2.1 Khái niệm Lidar (Light imaging, Detection And Ranging) là một phương pháp đo khoảng cách tới mục tiêu bằng cách chiếu các tia laser đến mục tiêu và đo các tia phản xạ bằng cảm biến. Dựa vào sự khác biệt về thời gian, bước sóng laser để tính toán từ đó sử dụng nó để tạo mô hình 3 chiều cua đối tượng.
Thường được sử dụng để tạo bản đồ có độ phân giải cao như trong các lĩnh vực như trắc địa, lâm nghiệp, khảo cổ học,…. ngoài ra còn được sử dụng để kiểm soát và điều hướng cho xe tự hành.16 Bản đồ được quét từ công nghệ Lidar. 12 CHƯƠNG 2: CƠ SỞ LÍ THUYÊT Dữ liệu mà Lidar thu thập là thông số theo tọa độ xyz cua các đối tượng. Các điểm theo tọa độ xyz sẽ hợp thành mộ hình ba chiều.2 Ưng dụng cua Lidar Trong nghành công nghiệp Oto, robot: lần đầu xuất hiện trong nghành công nghiệp Oto bắt đầu từ 2018, lidar đóng vai trò như một xúc giác kỹ thuật số bổ trợ cho xe trong việc lập bản đồ 3D chính xác, nhận diện các vấn đề tiềm năng,….17 Lidar được sử dụng trong xe Oto.