Bối cảnh và vấn đề nghiên cứu

Trong xu hướng tự động hóa sản xuất và logistics hiện đại, xe tự hành AGV (Automated Guided Vehicle) đóng vai trò then chốt trong việc giảm thiểu sự phụ thuộc vào lao động thủ công và tối ưu hóa chuỗi vận hành tại nhà kho, nhà máy và siêu thị. Một công đoạn phổ biến nhưng đòi hỏi nhiều công sức sau quy trình đóng gói sản phẩm là quấn màng PE (Polyethylene) xung quanh các kiện hàng nhằm bảo vệ bề mặt, cố định hàng hóa, tránh bụi bẩn và ẩm mốc trước khi xuất hoặc nhập kho.

Theo khảo sát thực tế của nhóm tác giả, việc quấn màng thủ công bằng tay gặp nhiều bất cập: tiêu tốn nhân lực, lớp màng quấn không đồng đều gây lãng phí vật liệu, và đặc biệt nguy hiểm khi công nhân phải trèo thang để quấn các kiện hàng có chiều cao lớn, tiềm ẩn nguy cơ mất an toàn lao động. Các dòng máy quấn màng cố định trên thị trường lại cồng kềnh, thiếu tính linh hoạt và khó ứng dụng cho các kiện hàng quá khổ trong không gian kho có diện tích hạn chế. Xuất phát từ thực tiễn đó, đề tài đồ án tốt nghiệp mã số CDT-59 tập trung vào việc nghiên cứu, thiết kế và chế tạo một mô hình xe tự hành AGV có khả năng di chuyển linh hoạt quanh kiện hàng để tự động thực hiện thao tác quấn màng PE.

Văn bản xác định các mục tiêu và nhiệm vụ nghiên cứu cụ thể như sau:

  1. Nghiên cứu, khảo sát thực tế nhu cầu và tiêu chuẩn kỹ thuật quấn màng PE cho các kiện hàng hóa trong nhà kho, siêu thị.
  2. Xây dựng và tối ưu hóa hệ thống cơ khí của robot, bao gồm kết cấu khung gầm xe tự hành và cơ cấu nâng hạ cuộn màng.
  3. Thiết kế hệ thống điện - điện tử điều khiển, lựa chọn các cơ cấu chấp hành và cảm biến thu thập dữ liệu môi trường.
  4. Xây dựng thuật toán xử lý dữ liệu từ cảm biến LiDAR và cảm biến từ trường (la bàn số) nhằm điều hướng robot di chuyển ổn định quanh kiện hàng, tích hợp tính năng dừng khẩn cấp khi gặp vật cản.
  5. Chế tạo mô hình thực nghiệm, tiến hành thử nghiệm, đo đạc thông số và đánh giá khả năng vận hành của hệ thống.

Đối tượng nghiên cứu của đồ án là các kiện hàng hóa cần được bao bọc màng PE phục vụ công tác lưu kho và phân phối. Phạm vi nghiên cứu về không gian giới hạn ở môi trường mặt sàn bằng phẳng, mô phỏng một phần diện tích kho xưởng siêu thị (lối đi rộng từ 1 m đến 2 m), thử nghiệm trực tiếp trên kiện hàng chuẩn kích thước $1 \times 1 \times 1\text{ m}$. Về mặt tính năng, robot tập trung vào chu trình di chuyển theo chiều kim đồng hồ quanh kiện hàng kết hợp nâng hạ cơ cấu quấn màng và phát hiện chướng ngại vật; hệ thống chưa tích hợp tính năng tự động dò tìm vị trí ban đầu và tự động quay về trạm sạc pin. Thời gian hoàn thành và nghiệm thu đồ án là tháng 7 năm 2024 tại Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật Thành phố Hồ Chí Minh.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Đồ án ứng dụng tổng hợp các cơ sở lý thuyết chuyên ngành Cơ điện tử và Robot học:

  • Động học robot di động: Nghiên cứu nguyên lý hoạt động của cơ cấu di chuyển hai bánh vi sai (differential drive) kết hợp bánh xe tự dẫn hướng. Cơ cấu này cho phép điều khiển vận tốc độc lập ở hai bánh chủ động, tạo ra bán kính quay linh hoạt và khả năng quay tại chỗ, rất phù hợp với nền sàn phẳng trong nhà kho.
  • Lý thuyết điều khiển tự động: Ứng dụng bộ điều khiển PID (Proportional - Integral - Derivative) vòng kín để ổn định tốc độ động cơ dẫn động bánh xe và động cơ quay cảm biến. Tín hiệu điều khiển được xác định theo phương trình: $$u(t) = K_p e(t) + K_i \int_0^t e(t)dt + K_d \frac{de(t)}{dt}$$ trong đó $e(t)$ là sai lệch giữa vận tốc đặt và vận tốc thực tế phản hồi từ bộ mã hóa xung (encoder).
  • Công nghệ đo khoảng cách bằng LiDAR ToF: Khảo sát nguyên lý xác định khoảng cách dựa trên thời gian bay của xung ánh sáng (Time of Flight): $$R = \frac{C \cdot T}{2}$$ với $C$ là tốc độ ánh sáng và $T$ là thời gian từ lúc phát tia laser hồng ngoại đến khi cảm biến thu nhận tia phản xạ.

Phương pháp nghiên cứu thực tế bao gồm:

  • Phương pháp phân tích - tổng hợp tài liệu: Khảo sát các tài liệu chuyên ngành về xe tự hành ("Automated Guided Vehicle System" của Gunter Ulrich Thomas Albrecht) và giáo trình tính toán thiết kế chi tiết máy ("Thiết kế máy công dụng chung" của tác giả Trần Thiên Phúc).
  • Phương pháp tính toán thiết kế kỹ thuật: Vận dụng định luật 2 Newton để tính toán lực cản lăn, công suất động cơ kéo; tính toán độ bền, mô đun và bước răng của bộ truyền đai; tính toán tải trọng làm việc và mô-men xoắn của trục vít me bi nâng hạ.
  • Phương pháp thực nghiệm và đo kiểm: Chế tạo mô hình thực tế, lập trình điều khiển trên vi điều khiển nhúng, đo kiểm dạng sóng tín hiệu encoder, thu thập dữ liệu từ trường 3 trục của la bàn số và thực hiện thuật toán hiệu chỉnh nhằm triệt tiêu nhiễu sai lệch góc.

Nguồn dữ liệu của nghiên cứu xuất phát từ các bảng thông số kỹ thuật tiêu chuẩn của nhà sản xuất linh kiện (Benewake, STMicroelectronics), số liệu khảo sát kích thước nhà kho thực tế và các tập dữ liệu đo đạc thực nghiệm trực tiếp trên mô hình chế tạo.

Thiết kế và triển khai hệ thống kỹ thuật

Hệ thống robot quấn màng PE được thiết kế dưới dạng một hệ thống cơ điện tử tích hợp hoàn chỉnh, bao gồm phân hệ cơ khí, phân hệ điện tử - điều khiển và các thuật toán nhúng.

Thiết kế hệ thống cơ khí

  • Khung gầm và đế robot: Kích thước tổng thể là $430 \times 480 \times 480\text{ mm}$. Phần đế chịu lực và các trục gá được gia công từ thép SS400 để đảm bảo độ cứng vững khi chịu phản lực căng từ màng PE; hệ thống khung đỡ sử dụng thanh nhôm định hình kích thước $20 \times 20\text{ mm}$ nhằm tối ưu hóa trọng lượng (khối lượng làm việc toàn tải ước tính $35\text{ kg}$, khả năng chịu tải thêm $15\text{ kg}$).
  • Cơ cấu truyền động di chuyển: Sử dụng 2 bánh dẫn động bọc cao su đường kính $d = 0{,}145\text{ m}$ kết hợp 2 bánh xe tự dẫn hướng. Hệ thống sử dụng bộ truyền đai răng đồng bộ với tỉ số truyền $u = 2$ (mô đun $m = 1$, bước răng $p = 3{,}1\text{ mm}$, chiều dày đai $1{,}6\text{ mm}$, chiều dài chuẩn $L = 380\text{ mm}$, bánh chủ động 20 răng, bánh bị động 40 răng).
  • Cơ cấu nâng hạ cuộn màng: Sử dụng trục vít me bi T12 (bước vít $p = 4\text{ mm}$, bán kính trục $r = 6\text{ mm}$) để nâng hạ giá đỡ cuộn màng tải trọng $4\text{ kg}$ lên độ cao $60\text{ cm}$ với vận tốc nâng $20\text{ mm/s}$. Cơ cấu được dẫn động bởi một động cơ bước NEMA 17 (góc bước $1{,}8^\circ$, tương ứng 200 bước/vòng).

Thiết kế hệ thống điện và điện tử

Hệ thống điện được phân chia thành 5 khối chức năng rõ rệt:

  1. Khối nguồn: Nguồn lưu trữ chính là bộ pin Li-Ion 18650 3S điện áp 12V dung lượng $6000\text{ mAh}$ (được chọn từ phép tính tổng công suất tiêu thụ tối đa của toàn hệ thống là $59{,}135\text{ Wh}$, tương đương yêu cầu dòng $4927{,}91\text{ mAh}$ để hoạt động liên tục trong 1 giờ). Hệ thống sử dụng mạch hạ áp DC-DC LM2596S (XY-3606) để chuyển đổi từ 12V xuống 5V-5A cung cấp cho vi điều khiển và các khối cảm biến.
  2. Khối xử lý trung tâm: Vi điều khiển STM32F401CCU6 (lõi 32-bit ARM Cortex-M4, tần số xung nhịp $84\text{ MHz}$, phát triển trên nền thư viện STM32 HAL). Vi điều khiển sử dụng Timer 3 tạo xung PWM điều khiển động cơ dẫn động và động cơ xoay LiDAR; Timer 2, 4, 5 ở chế độ Input Capture để đọc tín hiệu encoder; cổng UART1 nhận dữ liệu khoảng cách từ LiDAR và cổng I2C1 giao tiếp với la bàn số.
  3. Khối mạch công suất (Driver): 2 mạch cầu H BTS7960 công suất cao (chịu dòng tối đa $43\text{ A}$) điều khiển 2 động cơ dẫn động; 1 mạch cầu H L298N (dòng tối đa $2\text{ A}$) điều khiển động cơ xoay LiDAR; 1 mạch driver A4988 điều khiển động cơ bước NEMA 17 nâng màng.
  4. Khối cảm biến:
    • Cảm biến khoảng cách Benewake TF-Luna ToF (tầm đo $0{,}2 - 8\text{ m}$, độ chính xác $\pm 6\text{ cm}$ trong khoảng dưới $3\text{ m}$, tần số lấy mẫu cài đặt $250\text{ Hz}$).
    • Cảm biến từ trường 3 trục HMC5883L (dải đo $\pm 4800\ \mu\text{T}$, giao tiếp I2C).
    • Hệ thống encoder tích hợp trên động cơ DC Planet (12 xung/kênh, qua hộp giảm tốc $1:19{,}2$ cho ra tương đương $230\text{ xung/vòng}$ trên trục ra).
  5. Cơ cấu chế tạo cụm LiDAR quét 360 độ: Do cảm biến Benewake TF-Luna chỉ đo khoảng cách một điểm, nhóm tác giả đã thiết kế một hệ cơ cấu xoay độc lập gồm động cơ DC GA370 (hộp số $1:9{,}6$), truyền động đai tỉ số $1:1$, kết hợp cổ góp điện xoay 360 độ (slip ring) để truyền tín hiệu liên tục mà không xoắn dây. Cơ cấu tích hợp hai bộ mã hóa: encoder A (11 xung/vòng) xác định góc quay hiện thời và encoder B (1 xung/vòng) đóng vai trò định vị mốc $0^\circ$. Cụm LiDAR quay đều với vận tốc $120\text{ vòng/phút}$.
Thông số / Bộ phận Chi tiết linh kiện kỹ thuật Thông số hoạt động thực tế
Kích thước cơ sở Khung nhôm $20 \times 20\text{ mm}$, đế thép SS400 $430 \times 480 \times 480\text{ mm}$, tải tối đa $15\text{ kg}$
Động cơ di chuyển Động cơ DC Planet 12–24V (2 chiếc) Công suất $30\text{ W}$, tốc độ sau giảm tốc $600\text{ rpm}$
Mạch điều khiển động cơ Driver BTS7960 (2 chiếc) Dòng tải tối đa $43\text{ A}$, điện áp 6–27V
Cơ cấu nâng màng Động cơ bước NEMA 17 + Vít me T12 Bước vít $4\text{ mm}$, góc bước $1{,}8^\circ$, driver A4988
Cảm biến khoảng cách Benewake TF-Luna (chế tạo cụm xoay 360°) Tầm đo $0{,}2 - 8\text{ m}$, tần số lấy mẫu $250\text{ Hz}$
Cảm biến hướng La bàn số HMC5883L Giao tiếp I2C, đo từ trường 3 trục ($\pm 4800\ \mu\text{T}$)
Vi điều khiển chính STM32F401CCU6 (ARM Cortex-M4) Tần số $84\text{ MHz}$, Timer PWM & Input Capture
Nguồn điện Khối pin Li-Ion 18650 3S Điện áp $12\text{ V}$, dung lượng $6000\text{ mAh}$

Triển khai thuật toán điều khiển di chuyển

Thuật toán điều khiển quét dữ liệu khoảng cách từ cụm LiDAR tại 7 giá trị góc lệch bên phải robot: $\alpha \in {45^\circ, 60^\circ, 75^\circ, 90^\circ, 105^\circ, 120^\circ, 135^\circ}$. Khoảng cách vuông góc tới kiện hàng được tính bằng công thức lượng giác kết hợp trừ đi khoảng cách hình học từ cảm biến đến mép thành xe. Chu kỳ cập nhật tính toán vận tốc là $500\text{ ms}$:

  • Khi phát hiện khoảng cách tới thành kiện hàng nhỏ hơn ngưỡng an toàn $20\text{ cm}$, hệ thống tăng tốc bánh xe phía trong để điều chỉnh robot dạt ra xa kiện hàng.
  • Nếu khoảng cách đo được nguy cấp nhỏ hơn $10\text{ cm}$, tốc độ bánh xe bên ngoài bị giảm xuống còn $1/3$ tốc độ bánh trong để nhanh chóng chuyển hướng tránh va quệt.
  • Khi có chướng ngại vật xuất hiện đột ngột phía trước trên đường di chuyển, thuật toán kích hoạt lệnh ngắt phanh dừng xe khẩn cấp.
  • Cảm biến HMC5883L thu nhận vector từ trường, sau khi xử lý lọc và hiệu chỉnh sai lệch offset, sẽ tích lũy góc quay quanh trục Z. Khi góc quay đạt trọn vẹn $360^\circ$ (xác nhận robot đã hoàn thành một vòng quấn quanh kiện hàng), vi điều khiển phát xung điều khiển driver A4988 quay động cơ bước một số bước định lượng, nâng cụm cuộn màng lên một tầng cao mới để tiếp tục chu trình quấn.

Nội dung chính theo từng chương

CHƯƠNG 1: GIỚI THIỆU

Chương này trình bày tính cấp thiết của việc tự động hóa công đoạn quấn màng PE cho sản phẩm nhằm tối ưu hóa chuỗi cung ứng logistics và bảo vệ an toàn cho người lao động. Tác giả xác lập rõ mục tiêu nghiên cứu, đối tượng nghiên cứu (các kiện hàng lưu kho), phạm vi thực nghiệm (sàn phẳng, kiện hàng kích thước $1 \times 1 \times 1\text{ m}$) và cấu trúc tổng thể 7 chương của đồ án tốt nghiệp.

CHƯƠNG 2: TỔNG QUAN VỀ ĐỀ TÀI

Nội dung chương tập trung phân tích bối cảnh phát triển của các thế hệ robot công nghiệp và ứng dụng xe tự hành AGV trong sản xuất. Tác giả phân loại các dạng AGV thông dụng (xe kéo Tow AGV, xe chở pallet Unit Load AGV, xe nâng Forklift AGV, xe phục vụ Service AGV) và dẫn chứng các giải pháp tiêu biểu như KUKA KMP 600-S, MEGVII MegBot-T800. Đồng thời, chương 2 tổng quan các dòng máy quấn màng PE (tự động, bán tự động, cầm tay, cố định và di động), chỉ ra ưu thế của mô hình máy quấn di động đối với các kiện hàng tải trọng lớn.

CHƯƠNG 3: CƠ SỞ LÝ THUYẾT

Chương 3 xây dựng nền tảng tính toán động học và điều khiển. Tác giả phân tích ưu - nhược điểm của ba cấu hình truyền động: cơ cấu dẫn hướng một bánh, cơ cấu lái kết hợp và cơ cấu hai bánh vi sai; từ đó chứng minh cơ cấu bánh vi sai là tối ưu cho đề tài. Tiếp theo, chương trình bày chi tiết cấu trúc toán học của bộ điều khiển PID (các khâu P, I, D) và nguyên lý thu nhận dữ liệu khoảng cách ToF của công nghệ cảm biến LiDAR hồng ngoại.

CHƯƠNG 4: CÁC GIẢI PHÁP THỰC HIỆN ĐỀ TÀI VÀ TÍNH TOÁN THIẾT KẾ HỆ THỐNG CƠ KHÍ

Tác giả so sánh chi tiết hai phương án thực hiện:

  • Phương án 1: Hệ thống dẫn động 2 bánh vi sai, bộ truyền đai, động cơ Planet $30\text{ W}$, cụm LiDAR Benewake TF-Luna xoay $360^\circ$, la bàn số HMC5883L, vi điều khiển STM32F401, driver BTS7960.
  • Phương án 2: Sử dụng cảm biến hồng ngoại analog Sharp GP2Y0A21YK0F riêng lẻ, mạch cầu H L298 XY-160D và bánh xe tự dẫn đơn.

Nhóm tác giả quyết định chọn Phương án 1 nhờ khả năng quét môi trường toàn diện và độ tin cậy cơ khí cao. Phần sau của chương trình bày quá trình tính chọn động cơ dựa trên lực kéo $F_k$, lực cản ma sát lăn ($\mu = 0{,}015$), mô-men xoắn yêu cầu, tính toán độ bền bộ truyền đai răng ($u = 2$) và thông số cơ cấu vít me bi nâng hạ T12 dẫn động bởi động cơ bước NEMA 17.

CHƯƠNG 5: TÍNH TOÁN THIẾT KẾ HỆ THỐNG ĐIỆN

Chương 5 hiện thực hóa sơ đồ khối hệ thống điện gồm 5 khối chức năng. Tác giả lập bảng chi tiết công suất tiêu thụ từng phần tử để lựa chọn khối pin Li-Ion dung lượng $6000\text{ mAh}$ và mạch nguồn hạ áp LM2596S. Tiếp đó, tác giả phân tích sơ đồ kết nối chân và đặc tính kỹ thuật của vi điều khiển STM32F401CCU6, cảm biến khoảng cách TF-Luna, la bàn HMC5883L, mạch công suất BTS7960, L298N, A4988. Điểm nhấn của chương là bản thiết kế cụm LiDAR 2D tự chế với hệ truyền động đai tỉ số $1:1$, động cơ DC GA370 và cổ góp điện xoay liên tục $360^\circ$.

CHƯƠNG 6: XÂY DỰNG THUẬT TOÁN DI CHUYỂN VÀ QUẤN MÀNG

Chương này mô tả chi tiết logic phần mềm điều khiển trên vi điều khiển STM32. Nội dung bao gồm: thuật toán quét dữ liệu khoảng cách 7 góc từ LiDAR, các mệnh đề quy tắc mờ để điều chỉnh độ lệch tốc độ hai bánh xe bám biên kiện hàng, thuật toán hiệu chuẩn giá trị từ trường của cảm biến HMC5883L, phương pháp tính toán góc hướng robot tích lũy để nhận diện chu trình chạy đủ một vòng tròn quanh pallet và thuật toán phát hiện vật cản kích hoạt dừng khẩn cấp.

CHƯƠNG 7: THỰC NGHIỆM VÀ ĐÁNH GIÁ

Chương cuối cùng ghi nhận các kết quả thực nghiệm chế tạo thực tế:

  • Kiểm tra độ bền tĩnh và khả năng vận hành của khung gầm cơ khí sau gia công.
  • So sánh đồ thị đo góc hướng của cảm biến HMC5883L trước và sau khi xử lý hiệu chuẩn (cho thấy dữ liệu sau xử lý triệt tiêu hiện tượng méo và biến thiên tuyến tính khi robot quay 3 vòng liên tục).
  • Đánh giá đáp ứng bộ điều khiển PID vận tốc độc lập cho bánh dẫn động trái, bánh dẫn động phải và động cơ xoay LiDAR.
  • Đánh giá hoạt động ổn định của cụm LiDAR 2D quét góc $360^\circ$ trong môi trường thực tế.

Kết quả và đóng góp

Kết quả nghiên cứu chính

Đồ án đã chế tạo thành công mô hình xe tự hành AGV phục vụ quấn màng PE với các thông số thực nghiệm đạt được:

  • Kết cấu cơ khí hoàn thiện với kích thước $430 \times 480 \times 480\text{ mm}$, khối lượng $35\text{ kg}$, kết cấu khung nhôm định hình $20 \times 20\text{ mm}$ và đế thép SS400 chịu tải vững chắc khi màng PE bị kéo căng.
  • Hệ thống truyền động bánh vi sai phối hợp cùng bộ truyền đai tỉ số truyền $u = 2$ và động cơ Planet $30\text{ W}$ giúp xe vận hành ổn định trên mặt sàn phẳng với tốc độ di chuyển đạt $0{,}5\text{ m/s}$.
  • Khối nguồn pin Li-Ion $12\text{ V} - 6000\text{ mAh}$ đáp ứng tốt thời gian vận hành liên tục trên 1 giờ (theo tính toán tiêu thụ thực tế là $59{,}135\text{ Wh} \approx 4927{,}91\text{ mAh}$).
  • Chế tạo thành công cơ cấu quét LiDAR 2D xoay liên tục $360^\circ$ từ cảm biến đơn điểm Benewake TF-Luna và cổ góp xoay, vận hành ổn định ở tốc độ $120\text{ vòng/phút}$, tần số thu thập dữ liệu $250\text{ Hz}$, dải đo từ $0{,}2\text{ m}$ đến $8\text{ m}$.
  • Xử lý thành công dữ liệu cảm biến la bàn số HMC5883L thông qua thuật toán hiệu chỉnh từ trường, cho phép nhận diện chính xác thời điểm xe di chuyển đủ 1 vòng tròn quanh kiện hàng $1 \times 1 \times 1\text{ m}$ để kích hoạt cơ cấu nâng cuộn màng qua trục vít me bi T12.
  • Thuật toán an toàn nhận diện vật cản phản hồi tức thời trong chu kỳ $500\text{ ms}$, phanh dừng xe tự động khi gặp người hoặc chướng ngại vật dưới khoảng cách quy định.

Giải pháp kỹ thuật đề xuất

Nhóm tác giả đề xuất giải pháp kỹ thuật kết hợp cảm biến đo khoảng cách một điểm giá thành thấp (TF-Luna ToF) với cụm động cơ giảm tốc GA370, bộ truyền đai và cổ góp điện xoay $360^\circ$ để tạo thành một hệ thống LiDAR 2D hoàn chỉnh. Giải pháp này giúp cắt giảm chi phí linh kiện so với các bộ LiDAR 2D công nghiệp chuyên dụng mà vẫn đáp ứng đầy đủ yêu cầu quét môi trường phẳng phục vụ bám biên kiện hàng.

Đóng góp về mặt học thuật và thực tiễn

  • Đóng góp khoa học: Đưa ra quy trình thiết kế tích hợp hoàn chỉnh hệ thống cơ điện tử từ khâu tính toán động học, động lực học kéo, thiết kế mạch nhúng đến thuật toán lọc xử lý tín hiệu cảm biến và điều khiển phản hồi PID vòng kín cho xe tự hành cỡ nhỏ.
  • Đóng góp thực tiễn: Cung cấp một phương án máy quấn màng PE di động tự động có chi phí chế tạo thấp, có thể thay thế sức lao động thủ công nguy hiểm của công nhân khi quấn các kiện hàng cao, đồng thời giải quyết bài toán không gian hẹp mà các máy quấn màng cố định cồng kềnh không đáp ứng được.

Hạn chế và hướng nghiên cứu tiếp

Căn cứ vào nội dung báo cáo, đồ án còn tồn tại một số hạn chế kỹ thuật:

  • Robot chỉ hoạt động tốt trên bề mặt sàn phẳng, ít gồ ghề; khi gặp địa hình sàn dốc hoặc trơn trượt có thể gây sai số tích lũy cho bộ mã hóa xung encoder và cảm biến từ trường.
  • Hệ thống cơ cấu quấn màng hiện tại là cơ cấu cơ học thụ động, chưa tích hợp cảm biến đo lực căng và bộ điều khiển lực căng chủ động của màng PE để tối ưu hóa độ siết trên các góc cạnh của kiện hàng.
  • Robot chưa được tích hợp giải pháp định vị toàn cục, thiếu tính năng tự động dẫn đường di chuyển từ trạm chờ đến kiện hàng và tự động quay về vị trí sạc pin sau khi cạn nguồn.
  • Tính thẩm mỹ công nghiệp của phần khung vỏ cơ khí còn ở mức độ mô hình thử nghiệm trong phòng lab.

Hướng nghiên cứu và phát triển tiếp theo được nhóm tác giả đề xuất gồm:

  1. Nâng cấp thuật toán điều khiển di chuyển trơn tru hơn nhằm nâng cao hiệu suất và gia tăng tốc độ làm việc của robot.
  2. Tích hợp giải pháp tự định vị và công nghệ tự động tìm về dock sạc pin khi dung lượng pin giảm xuống dưới ngưỡng an toàn.
  3. Nghiên cứu cải tiến cơ cấu căng màng chủ động nhằm kiểm soát chính xác lực căng của lớp màng PE bọc quanh kiện hàng.
  4. Cải thiện thiết kế cơ khí và gia công phần vỏ bao che nhằm tăng tính thẩm mỹ và độ thân thiện đối với người vận hành trong môi trường công nghiệp.

Giá trị tham khảo

Đồ án tốt nghiệp là tài liệu kỹ thuật có giá trị tham khảo thiết thực cho:

  • Sinh viên và học viên ngành Kỹ thuật Cơ điện tử, Robot và Hệ thống điều khiển tự động: Tài liệu cung cấp ví dụ mẫu mực về quy trình tính toán lực kéo động học, động lực học bánh xe, thiết kế bộ truyền đai răng, trục vít me bi và lập trình vi điều khiển 32-bit ARM Cortex-M4 thông qua thư viện STM32 HAL.
  • Các nhóm nghiên cứu phát triển xe tự hành AGV: Phần thiết kế cơ cấu xoay LiDAR $360^\circ$ sử dụng cảm biến đơn điểm ToF kết hợp cổ góp điện và phương pháp hiệu chuẩn cảm biến từ trường HMC5883L là những giải pháp kỹ thuật hữu ích, có thể tái sử dụng trực tiếp để hạ giá thành chế tạo các mô hình robot di động phục vụ kho bãi.
  • Kỹ sư cơ khí và tự động hóa nhà máy: Bảng tính toán cân bằng công suất khối nguồn pin Li-Ion và cách phối ghép mạch cầu H BTS7960, A4988 cung cấp tài liệu tham khảo đáng tin cậy trong các dự án tự động hóa logistics nội bộ.

Câu hỏi thường gặp

1. Đồ án sử dụng cơ cấu chuyển động nào cho xe tự hành AGV và tại sao lại chọn cơ cấu đó?
Robot sử dụng cơ cấu truyền động hai bánh vi sai chủ động (đường kính bánh $0{,}145\text{ m}$) kết hợp hai bánh xe tự dẫn hướng để cân bằng. Tác giả lựa chọn cơ cấu này vì cấu trúc cơ khí đơn giản, hai bánh dẫn động độc lập qua hai động cơ cho phép thay đổi vận tốc linh hoạt để rẽ hoặc quay tại chỗ, đáp ứng hoàn hảo khả năng di chuyển linh hoạt trong không gian sàn phẳng có lối đi hẹp ($1 - 2\text{ m}$) của nhà kho.

2. Động cơ dẫn động chính của robot có thông số kỹ thuật như thế nào?
Robot sử dụng 2 động cơ Planet DC điện áp $12 - 24\text{ V}$, công suất tối đa $30\text{ W}$, tốc độ không tải trước giảm tốc là $12000\text{ vòng/phút}$, sau khi qua hộp số giảm tốc hành tinh tỉ số $1:19{,}2$ thì tốc độ ra đạt $600\text{ vòng/phút}$. Động cơ tích hợp bộ mã hóa encoder 12 xung (2 kênh A và B), tương đương $230\text{ xung/vòng}$ trên trục chính sau giảm tốc.

3. Nhóm tác giả đã giải quyết bài toán quét khoảng cách 2D toàn cảnh như thế nào khi chỉ sử dụng cảm biến LiDAR một điểm?
Nhóm tác giả đã thiết kế cơ cấu xoay cảm biến độc lập gồm động cơ DC GA370 (tỉ số truyền $1:9{,}6$), bộ truyền đai tỉ số $1:1$, cổ góp điện xoay liên tục $360^\circ$ và hai bộ encoder (encoder A có 11 xung/vòng để xác định vị trí góc quét, encoder B có 1 xung/vòng định vị mốc $0^\circ$). Cảm biến Benewake TF-Luna được quay quét liên tục với vận tốc $120\text{ vòng/phút}$ ở tần số lấy mẫu $250\text{ Hz}$, tạo thành một hệ thống LiDAR 2D quét dữ liệu mặt phẳng xung quanh xe.

4. Dựa trên dữ liệu nào để robot xác định đã hoàn thành một vòng quấn quanh kiện hàng và nâng cuộn màng lên?
Robot sử dụng cảm biến la bàn số HMC5883L giao tiếp qua cổng I2C với vi điều khiển STM32F401CCU6. Dữ liệu từ trường 3 trục sau khi được lọc và hiệu chỉnh sai lệch sẽ dùng để tính toán góc xoay tích lũy của robot quanh trục đứng. Khi góc quay đạt đủ $360^\circ$, hệ thống xác nhận xe đã hoàn thành trọn vẹn 1 vòng di chuyển quanh kiện hàng và lập tức phát lệnh điều khiển động cơ bước NEMA 17 quay cơ cấu vít me bi T12 nâng cuộn màng lên độ cao kế tiếp.

5. Hệ thống nguồn của robot được tính toán và lựa chọn như thế nào để đảm bảo thời gian hoạt động?
Theo bảng tính toán tiêu thụ điện năng của nhóm tác giả, tổng công suất tối đa của tất cả các thiết bị (gồm 2 động cơ Planet, động cơ bước, động cơ GA370, các mạch driver BTS7960/L298N/A4988, vi điều khiển STM32 và các cảm biến) là $59{,}135\text{ Wh}$, tương đương dung lượng tiêu thụ $4927{,}91\text{ mAh}$ ở điện áp 12V trong 1 giờ. Nhóm tác giả đã lựa chọn khối pin Li-Ion 18650 3S dung lượng $6000\text{ mAh}$ kèm mạch hạ áp LM2596S (12V xuống 5V-5A) để đảm bảo robot hoạt động ổn định và liên tục trong thời gian 1 giờ theo yêu cầu.

Kết luận

Đồ án tốt nghiệp mã số CDT-59 của nhóm sinh viên Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật TP. Hồ Chí Minh đã giải quyết thành công bài toán tự động hóa công đoạn quấn màng PE cho hàng hóa trong nhà kho và siêu thị thông qua mô hình xe tự hành AGV dẫn động vi sai. Nghiên cứu thể hiện tính toàn diện từ tính toán cơ khí, thiết kế mạch điện, chế tạo cụm LiDAR xoay 360 độ từ cảm biến ToF đơn điểm cho đến thuật toán điều khiển phản hồi PID và xử lý cảm biến la bàn số trên vi điều khiển STM32F401. Kết quả thực nghiệm khẳng định tính khả thi cao của hệ thống trong việc nâng cao năng suất bao gói, tiết kiệm nguyên liệu màng bọc và triệt tiêu nguy cơ mất an toàn lao động so với phương pháp thủ công truyền thống.