Bối cảnh và vấn đề nghiên cứu

Trong xu thế phát triển của khoa học kỹ thuật và tự động hóa công nghiệp, robot di động tự hành (Autonomous Mobile Robot - AMR) ngày càng được ứng dụng rộng rãi nhằm nâng cao năng suất, đảm bảo tính chính xác và thay thế con người trong các công việc nặng nhọc hoặc có mức độ nguy hiểm cao. Mặc dù công nghệ robot đã đạt được nhiều bước tiến lớn, rào cản về chi phí đầu tư ban đầu vẫn khiến các hệ thống này chưa thực sự phổ biến tại các doanh nghiệp có quy mô vừa và nhỏ. Bên cạnh đó, thực tiễn từ đại dịch Covid-19 đã chỉ ra nhu cầu cấp thiết về các dòng xe tự hành có khả năng vận chuyển hàng hóa, nhu yếu phẩm tự động nhằm giảm thiểu sự tiếp xúc trực tiếp giữa người với người. Xuất phát từ bối cảnh đó, đồ án tốt nghiệp ngành Công nghệ Kỹ thuật Cơ điện tử tại Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật TP. Hồ Chí Minh đã tiến hành đề tài "Nghiên cứu, thiết kế và chế tạo xe vận hành tự động để vận chuyển hàng hóa".

Theo nhiệm vụ đồ án tốt nghiệp được giao (Mã số đề tài: 22223DT148), mục tiêu và nhiệm vụ nghiên cứu bao gồm 4 nội dung chính:

  1. Tính toán và thiết kế mô hình Robot AMR phục vụ vận chuyển hàng hóa.
  2. Phân tích động học, tính toán công suất động cơ và lập trình hệ thống điều khiển cho robot.
  3. Ứng dụng cảm biến đo đạc và mạch vi điều khiển để lập trình điều khiển tự hành cho robot.
  4. Triển khai thực nghiệm hoạt động của robot theo các chỉ tiêu kỹ thuật đã đặt ra ban đầu.

Đối tượng và phạm vi nghiên cứu của đề tài được giới hạn cụ thể như sau:

  • Đối tượng nghiên cứu: Mô hình xe tự hành AMR dẫn động vi sai phục vụ vận chuyển hàng hóa nội bộ.
  • Phạm vi không gian: Hoạt động trong môi trường nhà máy, kho xưởng vừa và nhỏ có diện tích mặt sàn từ 1000 m² trở xuống; mặt sàn di chuyển tương đối bằng phẳng (độ dốc coi như bằng 0).
  • Phạm vi kỹ thuật và tải trọng: Tải trọng hàng hóa chuyên chở tối đa là 40 kg (khối lượng bản thân xe ước tính 20 kg, tổng tải trọng toàn hệ thống khi làm việc là 60 kg); robot di chuyển dựa trên việc tự thiết lập bản đồ 2D và sử dụng cảm biến laser LiDAR để phát hiện, tránh các vật cản tĩnh và động trong môi trường làm việc.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp

Đồ án được xây dựng dựa trên sự kết hợp giữa các nền tảng lý thuyết cơ học, điều khiển tự động và công nghệ phần mềm chuyên dụng cho robot:

  • Khung lý thuyết và mô hình kỹ thuật:

    • Mô hình động học robot di động vi sai (Differential Drive Mobile Robot): Khảo sát quan hệ vận tốc dài, vận tốc góc của robot với vận tốc góc của hai bánh xe dẫn động độc lập.
    • Hệ điều hành robot ROS (Robot Operating System): Cung cấp kiến trúc truyền thông phân tán dạng xuất bản/đăng ký (publish/subscribe) giữa các nút (nodes), quản lý gói điều khiển (packages), kết hợp công cụ hiển thị dữ liệu trực quan Rviz và mô tả phần cứng bằng tệp URDF.
    • Công nghệ định vị và lập bản đồ đồng thời (SLAM): Ứng dụng phương pháp Laser SLAM (cụ thể là thuật toán Gmapping) để xử lý dữ liệu quét 2D từ cảm biến kết hợp dữ liệu định vị tích lũy (Odometry) nhằm xây dựng bản đồ dạng lưới chiếm chỗ (Occupancy Grid Map).
    • Bộ điều khiển phản hồi PID: Khảo sát nguyên lý điều khiển tỉ lệ - tích phân - vi phân; xem xét các phương pháp xác định tham số như tinh chỉnh thủ công, phương pháp Ziegler-Nichols, phương pháp Cohen-Coon; ứng dụng thuật toán điều khiển PI rời rạc để ổn định vận tốc động cơ dẫn động.
    • Nguyên lý cảm biến: Cảm biến LiDAR (Light Imaging, Detection And Ranging) đo khoảng cách bằng thời gian bay hoặc sai pha của chùm tia laser; cảm biến đo lường quán tính IMU (Inertial Measurement Unit) hỗ trợ bù sai lệch góc quay và gia tốc.
    • Ngăn xếp điều hướng trong ROS (Navigation Stack): Bao gồm thuật toán định vị hạt thích nghi AMCL (Adaptive Monte Carlo Localization), gói lập kế hoạch đường đi move_base, thuật toán tìm đường tối ưu toàn cục Dijkstra (Global Planner), thuật toán bám quỹ đạo tránh va chạm cục bộ (Local Planner), và bản đồ chi phí (Costmap).
    • Lý thuyết cơ học và sức bền vật liệu: Các định luật động lực học Newton, phương pháp phân tích ứng suất và chuyển vị đàn hồi dưới tác dụng của tải trọng tĩnh.

  • Phương pháp nghiên cứu:

    • Phương pháp nghiên cứu lý thuyết: Thu thập, phân tích và tổng hợp tài liệu chuyên ngành về kết cấu cơ khí, an toàn chịu tải, động học robot và các thuật toán điều khiển tự hành.
    • Phương pháp mô phỏng số: Ứng dụng phần mềm Solidworks để thiết kế mô hình 3D tổng thể; thực hiện mô phỏng phân tích phần tử hữu hạn (FEA) nhằm kiểm tra độ bền, ứng suất uốn và chuyển vị của kết cấu khung nhôm và tấm đế chịu lực.
    • Phương pháp thiết kế và chế tạo thực nghiệm: Gia công cơ khí chính xác các chi tiết gá đặt, lắp ráp cụm truyền động và cụm giảm chấn; thiết kế mạch nguồn, đấu nối khối vi điều khiển, mạch công suất cầu H và các cảm biến; lập trình nhúng và cấu hình các gói phần mềm trên nền tảng ROS; vận hành thực tế trên mô hình sàn để đo đạc sai số vị trí, góc quay và vận tốc.

  • Nguồn dữ liệu: Dữ liệu kỹ thuật từ nhà sản xuất linh kiện (thông số động cơ DC Planet, vật liệu nhôm định hình 6061, thông số cảm biến Rplidar, thông số IMU); dữ liệu đám mây điểm 2D từ cảm biến LiDAR; tín hiệu xung từ bộ mã hóa quang học (Encoder); dữ liệu đo đạc thực nghiệm về vận tốc, góc quay và thời gian di chuyển của mô hình xe thực tế.

Thiết kế và triển khai

Hệ thống xe tự hành AMR được thiết kế đồng bộ từ kết cấu cơ khí, hệ thống điện - điện tử đến các thuật toán điều khiển phần mềm.

Thiết kế hệ thống cơ khí

Nhóm tác giả đã phân tích và so sánh 5 phương án bố trí cơ cấu di chuyển (xe 3 bánh có 1 bánh dẫn hướng; xe 4 bánh dẫn động; xe 3 bánh với 1 bánh vừa dẫn hướng vừa dẫn động; xe 4 bánh gồm 2 bánh dẫn hướng và 2 bánh dẫn động; xe 6 bánh gồm 2 bánh dẫn động vi sai và 4 bánh tự lựa). Nhóm quyết định lựa chọn phương án 6 bánh nhằm đảm bảo khả năng chịu tải 40 kg, giữ cân bằng tốt trên mặt phẳng nhà xưởng và cho phép xe quay tròn tại chỗ trong không gian hẹp.

Hệ thống cơ cấu và truyền động được tính toán dựa trên các chỉ tiêu kỹ thuật:

Thông số kỹ thuật Yêu cầu thiết kế Giá trị tính toán / Thực tế lựa chọn
Kích thước bao (Dài x Rộng x Cao) 450 x 470 x 500 mm Kích thước mô hình hoàn thiện: 450 x 470 x 600 mm
Khối lượng bản thân xe Khoảng 20 kg ~20 kg
Tải trọng hàng hóa chuyên chở 40 kg 40 kg (Tổng khối lượng tính toán m = 60 kg)
Vận tốc di chuyển lớn nhất 1,3 ~ 1,5 m/s 1,5 m/s (Thời gian tăng tốc t = 3 s, gia tốc a = 0,5 m/s²)
Lực kéo cần thiết ($F_k$) Đủ thắng ma sát và tạo gia tốc $F_k = m \cdot a + \mu \cdot m \cdot g = 35,88\text{ N}$ (với $\mu = 0,01; g = 9,8\text{ m/s}^2$)
Động cơ dẫn động 02 Động cơ DC DC Planet có hộp số: $P = 30\text{ W}$, $U = 12\text{ V}$, $i = 19,2:1$, $N = 320\text{ rpm}$
Bộ mã hóa xung (Encoder) Đo vận tốc bánh xe Encoder 12 xung/vòng, 2 kênh A-B, điện áp 5V DC
Kết cấu bánh xe chủ động Bánh xe kim loại bọc cao su Bằng nhôm 6061, đường kính $d = 100\text{ mm}$, bề rộng 30 mm
Cụm giảm chấn cơ khí Hấp thụ va đập Khung Inox 304 tích hợp cặp lò xo đàn hồi, chịu tải 120 kg
Vật liệu khung và đế Nhôm hợp kim Khung nhôm định hình ATV5 20x20 mm; tấm đế nhôm 6061 dày 3 mm

Kết quả mô phỏng độ bền trên phần mềm Solidworks xác nhận:

  • Thanh nhôm định hình 20x20 mm chịu tải có chuyển vị lớn nhất là 1,641 mm trên chiều dài 350 mm.
  • Tấm đế nhôm 6061 (dày 3 mm) dưới tác dụng của tải trọng giả định 1000 N (vượt mức 500 N thực tế) chịu ứng suất uốn lớn nhất là 102 MPa, nhỏ hơn nhiều so với giới hạn bền phá hủy của vật liệu nhôm 6061 là 260 MPa, đảm bảo an toàn chịu lực.

Thiết kế hệ thống điện, điều khiển và thuật toán

Hệ thống điều khiển được phân cấp rõ ràng thành các khối chức năng:

  • Khối xử lý dữ liệu chính: Máy tính điều khiển chạy hệ điều hành Ubuntu và môi trường ROS, đảm nhận xử lý các thuật toán định vị, lập bản đồ và điều hướng cấp cao.
  • Khối cảm biến: Cảm biến LiDAR Rplidar quét 2D 360 độ xung quanh xe; cảm biến đo quán tính IMU cung cấp dữ liệu góc hướng và gia tốc; 2 bộ encoder đo đạc phản hồi số vòng quay của 2 trục bánh xe.
  • Khối điều khiển cấp thấp và chấp hành: Vi điều khiển nhận lệnh vận tốc từ ROS qua giao thức truyền thông nối tiếp, thực thi giải thuật PI số để điều chế độ rộng xung (PWM) cấp cho mạch công suất cầu H nhằm điều khiển độc lập 2 động cơ DC Planet. Nguồn điện toàn hệ thống sử dụng khối pin 12V.
  • Cấu hình thuật toán điều hướng:
    • Thuật toán SLAM (Gmapping) xây dựng bản đồ tĩnh của không gian hoạt động từ dữ liệu laser và odometry, lưu trữ dưới định dạng tệp cấu hình YAML và ảnh bản đồ.
    • Ngăn xếp điều hướng (Navigation Stack): Thuật toán AMCL liên tục ước lượng tọa độ của robot dựa trên phép so khớp dữ liệu quét laser với bản đồ tĩnh; thuật toán Dijkstra trong Global Planner vạch ra quỹ đạo di chuyển ngắn nhất; Local Planner tính toán vận tốc tức thời để tránh các vật cản phát sinh; lớp hành vi phục hồi (Recovery Behaviors) giúp xe tự xoay hoặc lùi khi bị kẹt đường.

Nội dung chính theo từng chương

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN

Chương 1 trình bày lịch sử hình thành của kỹ thuật robot từ các ý tưởng cơ học ban đầu đến sự ra đời của cánh tay máy công nghiệp năm 1945 bởi George Devol. Chương này phân loại robot theo nhu cầu sử dụng thành hai nhóm chính: robot công nghiệp và robot dịch vụ. Tác giả phân tích lý do lựa chọn đề tài xuất phát từ nhu cầu thực tiễn trong đợt dịch Covid-19 và xu thế ứng dụng AMR trong các nhà xưởng, kho bãi quy mô vừa và nhỏ. Các giới hạn nghiên cứu được xác định rõ: xe hoạt động trong phạm vi diện tích dưới 1000 m², di chuyển trên nền bằng phẳng, tự định vị và tránh vật cản bằng cảm biến LiDAR, tải trọng chở hàng tối đa 40 kg. Ngoài ra, chương 1 tổng quan tình hình nghiên cứu xe tự hành trong và ngoài nước, đồng thời khái quát phương pháp nghiên cứu kết hợp giữa mô phỏng Solidworks và thực nghiệm trên nền tảng ROS.

CHƯƠNG 2: CƠ SỞ LÍ THUYẾT

Chương 2 hệ thống hóa toàn bộ nền tảng lý thuyết phục vụ việc chế tạo robot:

  • Phân tích ưu nhược điểm của 3 cơ cấu lái: điều khiển tốc độ vi sai, điều khiển bằng bánh dẫn hướng, và cơ cấu lái bốn bánh đồng bộ.
  • Giới thiệu cấu trúc hệ điều hành ROS (meta-operating system mã nguồn mở dành cho robot) và cơ chế truyền thông giữa các tiến trình.
  • Trình bày công nghệ SLAM trong bài toán định vị (Localization) và lập bản đồ (Mapping) đồng thời.
  • Phân tích lý thuyết bộ điều khiển phản hồi PID, cơ chế tác động của ba khâu tỉ lệ (P), tích phân (I), vi phân (D); các phương pháp hiệu chỉnh tham số gồm phương pháp thủ công, phương pháp Ziegler-Nichols (dựa trên độ lợi giới hạn $K_u$ và chu kỳ dao động $P_u$), và phương pháp Cohen-Coon.
  • Trình bày nguyên lý công nghệ LiDAR và ứng dụng đo đạc đám mây điểm 3 chiều trong công nghiệp ô tô, lập bản đồ địa hình.
  • Phân tích các phương pháp điều hướng robot di động (Navigation in ROS), so sánh giữa phương pháp bám theo băng từ dẫn đường cố định và phương pháp Laser SLAM điều hướng linh hoạt trong không gian tự do.

CHƯƠNG 3: TÍNH TOÁN - LỰA CHỌN PHƯƠNG ÁN THIẾT KẾ HỆ THỐNG CƠ KHÍ

Chương 3 tập trung vào thiết kế kết cấu cơ khí của xe tự hành:

  • Đặt ra các yêu cầu kỹ thuật ban đầu: kích thước 450 x 470 x 500 mm, khối lượng thân xe 20 kg, tải trọng 40 kg, vận tốc 1,3 ~ 1,5 m/s.
  • So sánh 5 phương án cơ cấu di chuyển và quyết định chọn cơ cấu 6 bánh (2 bánh dẫn động vi sai ở giữa và 4 bánh tự lựa giữ cân bằng).
  • Thiết lập phương trình động học robot hai bánh vi sai, phân tích mối quan hệ giữa vận tốc dài $V$, vận tốc góc $\omega$ với vận tốc của bánh trái ($V_L, \omega_L$) và bánh phải ($V_R, \omega_R$) qua ma trận động học.
  • Đánh giá các bộ truyền động (truyền động đai, xích, bánh răng) và quyết định lựa chọn giải pháp trục động cơ nối trực tiếp với bánh xe thông qua khớp nối nhằm tối ưu hóa kích thước và độ chính xác vị trí.
  • Tính toán động lực học theo định luật II Newton: tính lực kéo $F_k = 35,88\text{ N}$, mô-men xoắn cần thiết $T \approx 1,79\text{ N}\cdot\text{m}$, vận tốc góc bánh xe $\omega = 30\text{ rad/s}$ ứng với tốc độ quay trục bánh xe khoảng 286 ~ 293 vòng/phút. Từ đó lựa chọn động cơ DC Planet có hộp số công suất 30W, tỷ số truyền $i = 19,2:1$, tốc độ qua giảm tốc 320 rpm, mô-men xoắn 3,5 kg·cm, tích hợp encoder 12 xung.
  • Thiết kế chi tiết cụm bánh xe nhôm 6061 đường kính 100 mm bọc lốp cao su, cụm nối bánh bằng nhôm 6061, và khung giảm chấn Inox 304 tích hợp lò xo chịu tải 120 kg.
  • Kiểm tra độ bền tĩnh trên Solidworks: thanh nhôm định hình ATV5 20x20 mm có chuyển vị lớn nhất 1,641 mm; tấm đế nhôm 6061 dày 3 mm chịu ứng suất uốn lớn nhất 102 MPa khi chịu lực 1000 N, nhỏ hơn ứng suất phá hủy cho phép (260 MPa).

CHƯƠNG 4: THIẾT KẾ HỆ THỐNG ĐIỆN - ĐIỀU KHIỂN VÀ THUẬT TOÁN

Chương 4 mô tả toàn bộ kiến trúc phần cứng điện tử và thuật toán điều khiển:

  • Trình bày sơ đồ khối hệ thống gồm: khối xử lý dữ liệu chính, khối nguồn pin cấp, khối cảm biến (Rplidar, IMU), khối điều khiển trung gian và khối cơ cấu chấp hành (mạch cầu H và động cơ DC Servo).
  • Xây dựng giải thuật định vị và lập bản đồ bằng thuật toán SLAM, xử lý dữ liệu laser quét dạng lưới (Costmap) và xuất bản các hệ quy chiếu (Transform Frames - TF) cho robot.
  • Thiết lập cấu hình hệ thống điều hướng move_base, tích hợp thuật toán tìm đường tối ưu toàn cục Dijkstra (use_dijkstra = true), thuật toán điều khiển bám đường cục bộ và các hành vi tự phục hồi khi gặp chướng ngại vật chắn đường (Recovery behaviors).
  • Xác định hàm truyền của động cơ dẫn động thông qua các đáp ứng vận tốc thực nghiệm; thiết kế và tính toán bộ điều khiển PI rời rạc để kiểm soát độc lập tốc độ bánh xe bên trái và bên phải, đảm bảo hệ thống bám sát giá trị đặt vận tốc với sai số xác lập và độ vọt lố nằm trong phạm vi cho phép.

CHƯƠNG 5: KẾT QUẢ THỰC NGHIỆM - ĐÁNH GIÁ

Chương 5 trình bày quá trình thử nghiệm thực tế mô hình xe AMR trong nhà xưởng:

  • Tiến hành quét và dựng bản đồ môi trường thực tế bằng thuật toán Gmapping, so sánh độ chính xác giữa bản đồ dựng trên máy tính và mặt bằng thực tế.
  • Thử nghiệm điều hướng tự động di chuyển giữa các điểm tọa độ đặt trước, kiểm tra khả năng phát hiện vật cản tĩnh và động để tự động tái lập quỹ đạo tránh né.
  • Tổng hợp các kết quả đo đạc thực nghiệm qua các bảng biểu số liệu: bảng thông số kỹ thuật thực tế của robot (kích thước 450 x 470 x 600 mm, khối lượng 20 kg); bảng đo sai số vị trí; bảng đo thông số thời gian di chuyển giữa các vị trí; bảng giá trị đo góc quay thực tế; bảng đo giá trị vận tốc xe khi hoạt động ở chế độ không tải và có tải trọng.
  • Trình bày các quy định và hướng dẫn bảo trì, bảo dưỡng định kỳ cho hệ thống cơ khí và hệ thống nhúng điện tử của xe.

CHƯƠNG 6: KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN

Chương 6 tổng kết các kết quả đạt được của đồ án: thiết kế và chế tạo hoàn chỉnh mô hình xe AMR có khả năng vận chuyển hàng hóa, tự thiết lập bản đồ 2D và di chuyển tránh vật cản theo lộ trình định trước. Đồng thời, chương này chỉ ra các điểm tồn tại kỹ thuật và đề xuất các giải pháp nâng cấp, hoàn thiện hệ thống trong các giai đoạn nghiên cứu tiếp theo.

Kết quả và đóng góp

Đồ án đã hoàn thành việc chế tạo mô hình thực nghiệm và kiểm chứng thuật toán với các kết quả cụ thể:

  • Kết quả chế tạo phần cứng: Hoàn thiện mô hình xe tự hành AMR với kích thước thực tế 450 x 470 x 600 mm, khối lượng bản thân xe khoảng 20 kg. Kết cấu khung nhôm định hình 20x20 mm và tấm đế nhôm 6061 dày 3 mm chịu được tải trọng thiết kế 40 kg. Cụm truyền động trực tiếp tích hợp cơ cấu giảm chấn lò xo kép bằng Inox 304 hoạt động ổn định, hấp thụ xung lực khi di chuyển.
  • Kết quả điều khiển và tự hành:
    • Thiết lập thành công bản đồ 2D dạng lưới chiếm chỗ của khu vực làm việc thông qua thuật toán Gmapping kết hợp dữ liệu quét từ cảm biến Rplidar và odometry.
    • Triển khai thành công ngăn xếp điều hướng move_base trên hệ điều hành ROS. Xe có khả năng tự động tính toán quỹ đạo đường đi tối ưu bằng thuật toán Dijkstra và điều chỉnh vận tốc thông qua bộ điều khiển PI rời rạc để di chuyển chính xác đến tọa độ mục tiêu.
    • Xe có khả năng nhận diện vật cản tĩnh hoặc người đi lại cắt ngang đường đi trong thời gian thực, tự động dừng hoặc tính toán lại đường vòng để tránh va chạm.
  • Đóng góp kỹ thuật do nhóm tác giả tự xác định:
    • Đề xuất và thử nghiệm thành công cơ cấu di chuyển 6 bánh (kết hợp 2 bánh dẫn động vi sai độc lập và 4 bánh tự lựa) có gắn cụm lò xo giảm chấn riêng biệt cho trục động cơ, giúp tối ưu hóa khả năng thăng bằng và chịu tải cho robot khi chuyển hướng trong không gian hẹp.
    • Làm chủ quy trình tích hợp hệ thống phần cứng cơ điện tử (động cơ DC có hộp số, mạch cầu H, vi điều khiển, cảm biến LiDAR, IMU) với hệ thống phần mềm mã nguồn mở ROS trên máy tính nhúng, tạo tiền đề cho việc tự chủ thiết kế các mẫu xe tự hành công nghiệp chi phí thấp.

Hạn chế và hướng nghiên cứu tiếp

Dựa trên các phân tích và đánh giá thực nghiệm được nhóm tác giả ghi nhận trong văn bản:

  • Hạn chế kỹ thuật:
    • Tầm quét của cảm biến: Hệ thống sử dụng cảm biến LiDAR 2D đơn tia quét trên một mặt phẳng nằm ngang cố định. Do đó, robot hoàn toàn không thể phát hiện các vật cản có chiều cao thấp hơn mặt phẳng quét của tia laser hoặc các chướng ngại vật nằm sát mặt đất.
    • Cấu hình phần cứng: Động cơ DC Planet và bộ mã hóa xung (Encoder 12 xung) sử dụng trong mô hình là linh kiện thử nghiệm cơ bản, chưa phải dòng chuyên dụng trong môi trường công nghiệp, dẫn đến giới hạn về mô-men kéo khi vận hành liên tục ở tải trọng lớn và vận tốc cao.
    • Yếu tố trượt bánh: Hiện tượng trượt cơ học giữa bánh xe bọc cao su và mặt sàn nhà xưởng gây ra sai số tích lũy cho dữ liệu Odometry sau thời gian dài di chuyển liên tục.
  • Hướng nghiên cứu và phát triển tiếp theo:
    • Lắp đặt bổ sung 01 cảm biến máy ảnh (camera) kết hợp thuật toán thị giác máy tính nhằm nhận dạng các vật cản thấp hơn tầm quét của LiDAR hoặc các vật thể treo lơ lửng.
    • Thay thế hệ thống động cơ chấp hành và encoder bằng các dòng động cơ công nghiệp chuyên dụng (động cơ BLDC hoặc Servo công nghiệp có độ phân giải encoder cao) nhằm gia tăng tải trọng chuyên chở và nâng cao vận tốc di chuyển của xe.
    • Nghiên cứu thuật toán lọc và dung hợp dữ liệu cảm biến nâng cao nhằm giảm thiểu sai số tích lũy do hiện tượng trượt bánh trên các bề mặt sàn có độ bám thấp.

Giá trị tham khảo

Báo cáo đồ án tốt nghiệp này mang lại giá trị tham khảo thiết thực cho các đối tượng sau:

  • Sinh viên và học viên ngành Kỹ thuật Cơ điện tử, Kỹ thuật Robot, Điều khiển và Tự động hóa: Là tài liệu tham khảo chi tiết về quy trình tính toán thiết kế động lực học robot di động dẫn động vi sai; phương pháp tính chọn công suất và tỷ số truyền động cơ dựa trên các thông số lực kéo, ma sát và gia tốc; quy trình mô phỏng kiểm nghiệm ứng suất uốn và chuyển vị kết cấu khung trên Solidworks (Chương 3).
  • Người làm nghiên cứu và phát triển hệ thống điều khiển robot trên nền tảng ROS: Cung cấp tài liệu tham khảo thực tế về các bước cấu hình hệ thống điều hướng (Navigation Stack), gói tạo bản đồ Gmapping, thuật toán định vị AMCL, cơ chế xử lý dữ liệu bản đồ chi phí Costmap, và phương pháp thiết kế bộ điều khiển PI rời rạc điều khiển động cơ qua mạch công suất (Chương 4).
  • Các kỹ sư thiết kế thiết bị tự hành nhà kho (AGV/AMR): Cung cấp giải pháp kết cấu cơ khí thực tế về cụm bánh xe dẫn động tích hợp lò xo giảm chấn bằng Inox 304, giúp giải quyết bài toán chống sốc và đảm bảo tiếp xúc mặt đường cho xe tự hành 6 bánh di chuyển trong nhà kho vừa và nhỏ.

Câu hỏi thường gặp

1. Robot AMR trong đồ án sử dụng cơ cấu di chuyển nào và tại sao nhóm tác giả lại lựa chọn cơ cấu đó?
Robot sử dụng cơ cấu di chuyển 6 bánh, bao gồm 2 bánh dẫn động vi sai độc lập bố trí ở giữa và 4 bánh xe tự lựa bố trí tại 4 góc khung xe. Cơ cấu này được chọn vì nó đáp ứng đồng thời yêu cầu giữ cân bằng tốt khi chuyên chở tải trọng 40 kg, chịu lực vững chắc trên mặt sàn phẳng của nhà kho, đồng thời cho phép xe quay tròn tại chỗ linh hoạt trong không gian hẹp mà không cần cơ cấu bẻ lái phức tạp.

2. Động cơ dẫn động được nhóm tác giả tính toán và lựa chọn có thông số kỹ thuật ra sao?
Dựa trên tính toán lực kéo cần thiết ($F_k = 35,88\text{ N}$) và vận tốc góc yêu cầu ($\omega = 30\text{ rad/s}$), nhóm tác giả đã lựa chọn loại động cơ DC Planet có hộp số với các thông số: công suất 30 W, điện áp hoạt động 12V DC, tốc độ không tải của động cơ là 6000 vòng/phút, tốc độ đầu ra qua hộp giảm tốc là 320 vòng/phút, tỷ số truyền $i = 19,2:1$, mô-men xoắn 3,5 kg·cm, trục động cơ đường kính 8 mm và tích hợp sẵn encoder 12 xung/vòng (2 kênh A, B).

3. Kết quả kiểm tra độ bền cơ khí của khung và tấm đế nhôm 6061 trên phần mềm Solidworks cho kết quả như thế nào?
Mô phỏng phần tử hữu hạn trên Solidworks cho thấy: thanh nhôm định hình 20x20 mm dài 350 mm có độ chuyển vị lớn nhất chỉ là 1,641 mm (rất nhỏ, không đáng kể). Đối với tấm đế nhôm 6061 dày 3 mm chịu tải trọng giả định 1000 N (gấp đôi tải trọng tính toán thực tế 500 N), ứng suất uốn lớn nhất đo được là 102 MPa, nhỏ hơn mức ứng suất phá hủy cho phép của nhôm 6061 là 260 MPa, chứng minh kết cấu đế xe hoàn toàn đảm bảo an toàn chịu lực uốn.

4. Kiến trúc điều khiển tự động của xe tự hành được xây dựng trên nền tảng nào và gồm các thuật toán cốt lõi gì?
Hệ thống điều khiển được xây dựng trên hệ điều hành robot ROS (chạy trên máy tính nhúng kết nối vi điều khiển và mạch cầu H). Các thuật toán cốt lõi bao gồm: thuật toán Gmapping (Laser SLAM) để lập bản đồ dạng lưới 2D từ dữ liệu Rplidar; thuật toán AMCL để định vị xe trên bản đồ; ngăn xếp move_base với thuật toán Dijkstra (Global Planner) để hoạch định đường đi ngắn nhất; thuật toán né vật cản động thời gian thực (Local Planner); và thuật toán điều khiển PI rời rạc để kiểm soát chính xác tốc độ quay của từng động cơ.

5. Nhược điểm lớn nhất của hệ thống cảm biến trên mô hình xe là gì và giải pháp khắc phục được đưa ra như thế nào?
Nhược điểm lớn nhất là cảm biến LiDAR Rplidar chỉ quét 2D trên một mặt phẳng cắt ngang cố định, do đó xe không thể phát hiện các vật cản có chiều cao thấp hơn tầm quét của tia laser. Để khắc phục, nhóm tác giả đề xuất giải pháp lắp đặt bổ sung 01 camera nhận dạng hình ảnh để phát hiện các vật thể nằm ngoài tầm quét của LiDAR, kết hợp thay thế động cơ và encoder công nghiệp để nâng cao độ bền và tải trọng cho xe.

Kết luận

Đồ án tốt nghiệp "Nghiên cứu, thiết kế và chế tạo xe vận hành tự động để vận chuyển hàng hóa" đã thực hiện trọn vẹn quy trình nghiên cứu từ tính toán động lực học, thiết kế cơ khí 3D, mô phỏng kiểm nghiệm độ bền tĩnh trên Solidworks đến chế tạo mô hình thực tế và lập trình điều khiển tự hành trên hệ điều hành ROS. Mô hình AMR 6 bánh hoàn thiện đạt kích thước 450 x 470 x 600 mm, khối lượng 20 kg, đáp ứng khả năng chuyên chở hàng hóa 40 kg và di chuyển ổn định với cụm lò xo giảm chấn Inox 304. Nhờ tích hợp cảm biến Rplidar, IMU và các thuật toán SLAM Gmapping cùng Navigation Stack, xe có khả năng tự lập bản đồ, định vị và tránh né chướng ngại vật linh hoạt trong môi trường kho xưởng dưới 1000 m². Mặc dù còn hạn chế về khả năng nhận diện vật cản thấp hơn mặt phẳng quét laser và cần nâng cấp động cơ chuẩn công nghiệp, công trình đã đóng góp một giải pháp thiết kế cơ điện tử hoàn chỉnh, có tính ứng dụng thực tiễn cao cho bài toán tự động hóa vận chuyển nội bộ.