Đồ án nghiên cứu thiết kế và chế tạo xe AGV điều khiển từ xa bằng điện thoại - HCMUTE

Nghiên cứu thiết kế và chế tạo xe tự hành AGV điều khiển từ xa bằng điện thoại Android phục vụ vận chuyển hàng hóa, truyền nhận dữ liệu thời gian thực tại

• Tác giả: Nguyễn Đăng Sôn
• Người hướng dẫn: ThS. Nguyễn Trọng Thức
• Trường học: Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật Thành phố Hồ Chí Minh
• Chuyên ngành: Công nghệ Kỹ thuật Ô tô
• Đề tài: Nghiên cứu, thiết kế và chế tạo xe AGV điều khiển từ xa bằng điện thoại
• Loại tài liệu: Đồ án tốt nghiệp
• Năm xuất bản: 2022
• Địa điểm: Thành phố Hồ Chí Minh

Tóm tắt

I. Tổng quan thiết kế xe AGV điều khiển từ xa qua điện thoại HCMUTE

Xe tự hành AGV đóng vai trò nòng cốt trong mô hình nhà máy thông minh hiện đại. Hệ thống này đảm nhiệm vận chuyển vật liệu tự động trong nhà kho và phân xưởng sản xuất. Tại Đại học Sư phạm Kỹ thuật TP.HCM, đề tài tốt nghiệp chuyên ngành Công nghệ Kỹ thuật Ô tô đã nghiên cứu thành công mô hình xe AGV điều khiển từ xa qua điện thoại. Nghiên cứu do sinh viên Nguyễn Đăng Sôn thực hiện dưới sự hướng dẫn của Thạc sĩ Nguyễn Trọng Thức. Dự án tập trung giải quyết bài toán tự động hóa với mức chi phí hợp lý. Phương tiện kết hợp vi điều khiển thế hệ mới và nền tảng điện thoại di động thông minh. Thiết bị cho phép giám sát thông số vận hành linh hoạt mà không phụ thuộc vào đường ray cố định. Giải pháp này giúp doanh nghiệp vừa và nhỏ dễ dàng tiếp cận công nghệ tự động hóa. Đề tài xây dựng nền tảng vững chắc cho việc ứng dụng robot vận chuyển trong môi trường công nghiệp Việt Nam.

1.1. Lịch sử phát triển và vai trò của xe tự hành AGV

Xe AGV ra đời từ thập niên 1950 bởi hãng Barrett Electronics tại Mỹ. Ban đầu thiết bị kéo hàng đi theo đường dây dẫn điện ngầm trên sàn. Sau đó công nghệ cải tiến theo vết đánh dấu cực tím và băng từ dẫn hướng. Ngày nay AGV tích hợp công nghệ dẫn đường laser hiện đại và mạng không dây tốc độ cao. Thiết bị trở thành thành phần thiết yếu trong kho thông minh và sản xuất ô tô. Robot giảm đáng kể sức lao động của con người trong các công việc nặng nhọc. Đồng thời hệ thống giúp loại bỏ rủi ro tai nạn lao động trong nhà kho. Sự xuất hiện của AGV thúc đẩy chuỗi cung ứng vận hành liên tục và ổn định suốt ngày đêm.

1.2. Mục tiêu nghiên cứu đồ án tốt nghiệp tại HCMUTE

Đồ án tốt nghiệp tại HCMUTE hướng tới nghiên cứu hệ thống xe tự hành điều khiển từ xa. Mục tiêu cốt lõi là làm chủ công nghệ điều khiển phương tiện vận chuyển bằng ứng dụng di động. Tác giả khảo sát các dòng vi điều khiển tiên tiến nhằm phục vụ truyền nhận dữ liệu thời gian thực. Sinh viên hoàn thiện thiết kế cơ khí khung vỏ và hệ thống truyền động xe tự hành. Bên cạnh đó phần mềm Android được xây dựng để gửi lệnh điều khiển và giám sát trạng thái xe. Sản phẩm hoàn thiện bao gồm bản thuyết minh khoa học cùng mô hình thực nghiệm hoạt động chuẩn xác. Đồ án đáp ứng các tiêu chuẩn khắt khe về kỹ thuật cơ điện tử ô tô hiện đại.

II. Phân tích bài toán xe AGV điều khiển từ xa qua điện thoại tại kho

Các hệ thống AGV nhập khẩu thường có giá thành rất cao. Doanh nghiệp trong nước gặp nhiều rào cản chi phí khi muốn trang bị hệ thống này. Ngoài ra xe AGV truyền thống dùng đường dẫn từ hoặc tia cực tím thiếu tính cơ động. Mỗi khi nhà kho thay đổi sơ đồ phân luồng, kỹ thuật viên phải dán lại băng từ. Quá trình này làm gián đoạn sản xuất và tốn kém nhân lực bảo trì. Thêm vào đó việc kiểm soát thông qua máy tính cố định giới hạn phạm vi tác nghiệp của nhân sự. Kỹ sư không thể can thiệp tức thì nếu xảy ra sự cố đột xuất tại hiện trường. Tốc độ truyền thông không dây cũng là thách thức kỹ thuật lớn trong môi trường kho nhiều kim loại. Sóng vô tuyến thường bị suy hao do chướng ngại vật và hàng hóa cản trở. Độ trễ điều khiển có thể dẫn đến va chạm cơ học nguy hiểm. Do đó bài toán đặt ra là cần xây dựng xe AGV điều khiển trực tiếp qua điện thoại với kết nối độ trễ thấp và phần cứng tối ưu chi phí.

2.1. Hạn chế về tính linh hoạt của các công nghệ dẫn đường cũ

Phương thức dẫn đường bằng đường ray hoặc rãnh từ trên sàn nhà xưởng bộc lộ nhiều nhược điểm. Đường dẫn cố định dễ bị bong tróc sau thời gian dài xe tải hoạt động liên tục. Chi phí lắp đặt lại hạ tầng mặt sàn rất tốn kém và mất thời gian. Khi nhà xưởng cần mở rộng dây chuyền, hệ thống cũ không thể đáp ứng nhanh chóng. Xe tự hành không thể tự điều chỉnh lộ trình để tránh vật cản đột xuất phát sinh. Điều này gây tắc nghẽn cục bộ trên các tuyến giao thông trọng yếu của nhà máy. Giải pháp điều khiển từ xa qua sóng vô tuyến giải quyết dứt điểm các hạn chế trên. Phương tiện có thể di chuyển cơ động theo lệnh điều hành thời gian thực.

2.2. Khó khăn khi truyền nhận dữ liệu thời gian thực qua sóng vô tuyến

Truyền tín hiệu điều khiển không dây trong phân xưởng đối mặt với hiện tượng can nhiễu từ trường. Các động cơ công suất lớn và máy hàn phát sinh nhiều xung điện gây nhiễu sóng. Tín hiệu mạng thường bị chập chờn nếu sử dụng giao thức truyền thông không tối ưu. Hiện tượng trễ gói tin khiến xe nhận lệnh điều hướng chậm hơn thực tế. Sai lệch này dễ dẫn đến va chạm cơ khí với hàng hóa hoặc công nhân. Do đó hệ thống nhúng cần bộ vi điều khiển có năng lực xử lý mạnh mẽ. Phần mềm điều khiển phải thiết lập kênh kết nối ổn định với thuật toán kiểm tra lỗi nghiêm ngặt. Đây là bài toán kỹ thuật trọng tâm cần giải quyết trong đồ án tốt nghiệp.

III. Phương pháp chế tạo xe AGV điều khiển từ xa qua điện thoại ESP32

Nghiên cứu lựa chọn vi điều khiển ESP32 NodeMCU LuaNode32 làm trung tâm điều khiển cho xe AGV. Dòng chip này tích hợp đồng thời Wi-Fi và Bluetooth BLE tốc độ cao. Bộ vi xử lý lõi kép của ESP32 cung cấp tốc độ tính toán vượt trội so với dòng ESP8266 tiền nhiệm. Kit phát triển hỗ trợ 34 chân GPIO cùng nhiều giao tiếp ngoại vi linh hoạt như PWM, UART và ADC. Hệ thống phần cứng còn trang bị các module cầu H điều khiển động cơ DC giảm tốc kéo tải. Nguồn điện xe sử dụng bộ ắc quy dung lượng cao đảm bảo hoạt động liên tục. Về phần mềm, tác giả lập trình ứng dụng Android chuyên dụng bằng giao diện trực quan. Ứng dụng gửi lệnh điều hướng thời gian thực qua giao thức mạng không dây tới địa chỉ IP của xe. Đồng thời hệ thống phản hồi tình trạng pin và tốc độ di chuyển về màn hình điện thoại. Mô hình hoạt động mượt mà với độ ổn định cao và đáp ứng tức thời mọi thao tác.

3.1. Thiết kế phần cứng với vi điều khiển ESP32 NodeMCU

Kit ESP32 NodeMCU LuaNode32 sở hữu nhiều tính năng vượt trội cho hệ thống nhúng. Bo mạch tích hợp sẵn mạch nạp và giao tiếp UART CP2102 qua cổng Micro USB. Điều này giúp kỹ sư nạp code và sửa lỗi chương trình thuận tiện trên máy tính. Dòng vi điều khiển hỗ trợ các chuẩn bảo mật mạng tiên tiến như WPA/WPA2 và mã hóa phần cứng AES. Nguồn điện hoạt động ổn định trong dải điện áp định mức 2.6V đến 3.6V. Nhiệt độ làm việc công nghiệp từ âm 40 đến 85 độ C đáp ứng môi trường khắc nghiệt. Các chân điều khiển PWM được phân bổ điều khiển tốc độ hai cụm bánh xe độc lập. Cấu hình này giúp xe di chuyển êm ái và chuyển hướng chính xác.

3.2. Xây dựng ứng dụng di động điều khiển và giám sát qua Wi Fi

Ứng dụng Android đóng vai trò giao diện điều hành thông minh cầm tay. Màn hình điện thoại hiển thị nút điều khiển tiến, lùi, rẽ trái và rẽ phải trực quan. Giao diện tích hợp thanh trượt điều chỉnh tốc độ động cơ theo từng mức tải trọng. Tín hiệu điều khiển được đóng gói thành các chuỗi byte nhỏ và truyền qua mạng không dây. Module ESP32 trên xe liên tục lắng nghe và giải mã dữ liệu trong vài mili giây. Cơ chế truyền thông này hạn chế tối đa tình trạng trễ lệnh hay rớt mạng. Người vận hành dễ dàng can thiệp hành trình của xe tại bất kỳ vị trí nào trong kho. Hệ thống mang lại trải nghiệm điều khiển linh hoạt và độ an toàn cao.

IV. Ứng dụng thực tế xe AGV điều khiển từ xa qua điện thoại tại HCMUTE

Đồ án tốt nghiệp tại Đại học Sư phạm Kỹ thuật TP.HCM chế tạo thành công mẫu xe AGV hoàn chỉnh. Phương tiện vận hành ổn định trong điều kiện mô phỏng nhà kho và xưởng cơ khí. Mô hình chứng minh tính khả thi của giải pháp điều khiển xe tự hành qua điện thoại thông minh. Thiết bị đáp ứng chính xác các thao tác tiến, lùi, rẽ hướng và dừng khẩn cấp. Tốc độ truyền nhận tín hiệu luôn duy trì ở mức cao và độ trễ không đáng kể. Việc sử dụng linh kiện bán sẵn giúp giảm đáng kể chi phí chế tạo so với sản phẩm thương mại. Kết quả này mở ra tiềm năng ứng dụng to lớn trong ngành công nghiệp ô tô, logistics và bệnh viện. Ngoài ra đề tài cung cấp tài liệu kỹ thuật có giá trị học thuật cao cho sinh viên ngành Cơ khí Động lực. Hướng phát triển tiếp theo có thể tích hợp cảm biến lidar hoặc camera AI để tăng cường khả năng tự hành hoàn toàn.

4.1. Khả năng ứng dụng trong các nhà máy và kho hàng thông minh

Xe AGV điều khiển từ xa qua điện thoại mang lại hiệu quả cao trong vận chuyển nội bộ. Thiết bị hỗ trợ di dời linh kiện, phụ tùng trên các dây chuyền lắp ráp ô tô và điện tử. Trong ngành y tế, mô hình có thể chuyên chở thuốc men hoặc đồ vải nhằm giảm lây nhiễm chéo. Giải pháp này giúp cắt giảm chi phí đầu tư ban đầu cho các xí nghiệp vừa và nhỏ. Nhân viên kho chỉ cần một chiếc smartphone thông thường để điều phối xe lấy hàng linh hoạt. Thiết kế xe thích ứng tốt với nhiều cấu trúc mặt bằng kho hàng khác nhau mà không cần sửa chữa sàn.

4.2. Định hướng nâng cấp công nghệ tự hành cho xe AGV tương lai

Hệ thống xe AGV sở hữu nhiều tiềm năng mở rộng các tính năng công nghệ vượt bậc. Giai đoạn tiếp theo có thể tích hợp thuật toán định vị và lập bản đồ đồng thời SLAM. Việc bổ sung cảm biến siêu âm giúp xe nhận diện vật cản tự động mà không cần người lái can thiệp. Nền tảng điều khiển cũng có thể kết nối điện toán đám mây để quản lý đội xe tập trung. Hệ thống quản lý sẽ tự động điều phối hàng chục phương tiện cùng lúc qua thuật toán tối ưu lộ trình. Sự nâng cấp này sẽ biến xe AGV điều khiển từ xa thành robot tự hành thông minh hoàn chỉnh, phục vụ đắc lực cho các nhà máy công nghiệp 4.0.

Trích đoạn nội dung tài liệu

Đặt vấn đề Hiện nay, mua sắm trên thương mại điện tử nay trở thành một trong những hình thức tiêu dùng quen thuộc, chủ chốt của người dân sau nhiều ảnh hưởng từ đại dịch. Nhiều báo cáo dự đoán phương thức này vẫn tiếp tục được ưa chuộng và duy trì ngay cả trong bình thường mới. Ngày 12/12/2021 là một trong những đợt bán hàng khuyến mại lớn nhất năm 2021 của các kênh thương mại điện tử. Theo Lazada, chỉ trong 1 ngày, lượng nước giặt được bán ra đủ cho 3,5 triệu hộ gia đình sử dụng trong 1 ngày.

Số lượng cây trồng và hạt giống được bán ra tương đương với 200.000 cây xanh, có thể sản sinh 23,4 triệu lít không khí sạch đủ cho 43.000 người hít thở trong 1 ngày; số lượng nồi chiên không dầu bán ra giúp tiết kiệm được 9.000 lít dầu ăn; số lượng son bán ra có thể xếp cao bằng tòa nhà cao nhất thế giới - Burj Khalifa ở Dubai. Theo Shopee, một nhà bán hàng cá nhân chuyên về phụ kiện điện thoại trên nền tảng này, đã thu về 13 tỷ đồng trong 24 giờ ngày 12/12/2021. Cứ mỗi phút trong ngày 12/12/2021 trôi qua, có 1.000 sản phẩm dưỡng da được bán ra. Số lượng sản phẩm đồ dùng nhà bếp và phụ kiện bàn ăn bán ra trong ngày đạt 60.

Trước đó, trong chiến dịch 10/10, Tiki tăng doanh số hơn 30% so với đỉnh lịch sử của chiến dịch 9/9 - vốn đạt doanh số cao nhất trong vòng 10 năm nay của sàn thương mại điện tử này. Doanh số đó thậm chí cao gấp 3,5 lần và số lượng sản phẩm bán ra tăng gấp 2,5 lần so với cùng kỳ. Cách mạng công nghiệp 4.0 đã tạo ra nhiều đột phá về công nghệ mới trong các lĩnh vực như sản xuất trí thông minh nhân tạo, chế tạo robot, phát triển mạng internet, công nghệ in 3D, công nghệ nano, công nghệ sinh học, khoa học về vật liệu, lưu trữ năng lượng và tin học. Công nghệ phát triển sẽ giúp con người giảm thiểu lao nặng nhọc, tiết kiệm thời gian lao động sản xuất.

Việc giúp ích cho thị trường thương mại điện tử là rất cần thiết trong thời đại người tiêu dùng Việt Nam đang dần chuyển sang mua sắm online như hiện nay. Bên cạnh đó nhu cầu vận chuyển hàng hóa trong các nhà máy, công xưởng ngày một cần thiết. Việc tự động hóa các quá trình vận chuyển sẽ thúc đẩy phát triển công nghiệp, kỹ thuật cho đất nước. Lý do chọn đề tài Tại Việt Nam, theo Sách trắng Thương mại điện tử năm 2021, tỉ lệ người dùng Internet tham gia mua sắm trực tuyến đã tăng từ 77% trong năm 2019 lên 88% trong năm 2020.

Bà Xuân Phạm, Giám đốc Marketing Việt Nam của JLL, cho biết, với số lượng các đơn hàng lớn, các bên tham gia cần xử lý đơn hàng nhanh hơn và hiệu quả hơn bao giờ hết để có thể đáp ứng được lượng đặt hàng những dịp này. Đơn vị nào có thể giao hàng nhanh trong 24 tiếng hứa hẹn sẽ chiếm được tình cảm và thị phần tốt nhất. Lượng đơn hàng tăng cao đột ngột buộc các công ty thương mại điện tử phải giữ nhiều hàng hơn ở những địa điểm gần khách hàng, thúc đẩy nhu cầu kho bãi linh hoạt. JLL ghi nhận nhiều yêu cầu từ phía khách hàng thương mại điện tử lớn, với nhu cầu thuê nhà kho gần trung tâm có diện tích từ 10-15 hecta.[1] Việc kho hàng lớn, số lượng hàng hóa nhiều dẫn đến việc điều phối hàng các kệ hàng trong kho trở nên vô cùng phức tạp và tốn nhiều thời gian.

Các doanh nghiệp ở Việt Nam hiện nay đang phát triển theo hướng bán tự động.