Bối cảnh và vấn đề nghiên cứu
Trong xu hướng tự động hóa sản xuất và logistics hiện đại, robot tự hành dẫn đường (Automated Guided Vehicle - AGV) và robot di động (Mobile Robot) đóng vai trò then chốt tại các nhà kho thông minh, xưởng sản xuất và bến cảng. Robot dò line (Line Following Robot) là một trong những dạng cấu trúc nền tảng, thực hiện nhiệm vụ bám theo quỹ đạo định sẵn trên bề mặt sàn bằng các vạch kẻ quy chuẩn. Đây cũng là đối tượng nghiên cứu trọng tâm trong việc phát triển các giải thuật xử lý tín hiệu cảm biến quang, nhận dạng quỹ đạo và thiết kế bộ điều khiển chuyển động bám (tracking control).
Đề tài "Đồ án Thiết kế Hệ thống Cơ điện tử" do Nhóm 3 thực hiện dưới sự hướng dẫn của TS. Phùng Trí Công tập trung vào việc thiết kế, mô hình hóa và chế tạo hoàn chỉnh một mô hình robot di động bám đường line mang tải trọng thực tế. Nhiệm vụ và yêu cầu kỹ thuật được đặt ra cho hệ thống bao gồm:
- Thiết kế và chế tạo mô hình robot di động có khả năng mang tải trọng $2\text{ kg}$ di chuyển ổn định trên bề mặt phẳng.
- Đạt tốc độ di chuyển tối đa $v_{\max} = 0{,}9\text{ m/s}$ (vận tốc lấy mẫu thiết kế lên đến $0{,}95\text{ m/s}$).
- Bám chính xác quỹ đạo quy định trên sa bàn với bán kính cong tối thiểu $R_{\min} = 500\text{ mm}$ (các cung cong $G \rightarrow B$, $D \rightarrow F$).
- Xử lý chuyển hướng chính xác tại các điểm giao cắt, vạch line bị cắt đột ngột (tại các điểm $B, D, F, G$) và góc rẽ vuông $90^\circ$ (tại điểm $A$).
- Khống chế sai số bám line trong giới hạn cho phép: sai số tối đa tại các vị trí đổi hướng đột ngột $e_{\max} \le 250\text{ mm}$; sai số trên đoạn đường thẳng và đường cong $e_{\max} \le \pm 11\text{ mm}$ (được xác định dựa trên chu kỳ lấy mẫu $t = 0{,}01\text{ s}$ và góc lệch hình học của sa bàn).
Đối tượng nghiên cứu của đề tài là hệ thống cơ điện tử robot di động dẫn động vi sai hai bánh chủ động kết hợp bánh bị động đa hướng. Phạm vi không gian thực nghiệm là sa bàn thử nghiệm phẳng với quỹ đạo chuyển động khép kín theo trình tự nghiêm ngặt:
$$\text{(START) } A \rightarrow B \rightarrow C \rightarrow D \rightarrow E \rightarrow F \rightarrow C \rightarrow G \rightarrow A \rightarrow C \rightarrow E \text{ (END)}$$
Cơ sở lý thuyết và phương pháp
Khung lý thuyết và mô hình toán học
Đề tài xây dựng trên nền tảng lý thuyết cơ học hệ thống, lý thuyết điều khiển tự động và kỹ thuật cơ điện tử:
- Mô hình động học Mobile Robot: Thiết lập hệ phương trình vi sai mô tả chuyển động của robot hai bánh vi sai trong hệ tọa độ tuyệt đối $OX_0Y_0$ và hệ tọa độ tương đối gắn với tâm vận tốc tức thời $OX_AY_A$. Xác định quan hệ giữa vận tốc dài $v$, vận tốc góc $\omega$ với vận tốc quay của hai bánh xe chủ động $v_L, v_R$.
- Mô hình sai số bám quỹ đạo: Xác định quan hệ sai lệch giữa điểm tracking thực tế $C(x_C, y_C)$ trên thân xe và điểm quỹ đạo mong muốn $P(x_P, y_P)$ trên đường line, biểu diễn qua vector sai số $[e_1, e_2, e_3]^T$ tương ứng với sai số vị trí dọc, sai số vị trí ngang và sai số góc hướng.
- Mô hình động lực học và cân bằng cơ học: Phương trình cân bằng moment bánh xe $\tau = F_{ms}R + I\gamma$ nhằm xác định công suất và moment động cơ; mô hình cân bằng lực ly tâm khi vào cua bán kính $R = 0{,}5\text{ m}$ để giới hạn chiều cao trọng tâm $h \le 590\text{ mm}$, chống lật xe.
- Hàm truyền đạt khối Driver - Động cơ: Nhận dạng thực nghiệm động cơ DC có gắn encoder theo mô hình quán tính bậc nhất $G(s) = \frac{K_m}{1 + Ts}$.
Phương pháp nghiên cứu
- Phương pháp phân tích - tổng hợp so sánh: Khảo sát, đánh giá ưu nhược điểm của các sơ đồ dẫn động (truyền động trục RC car, truyền động đai răng, vi sai 2 bánh, vi sai 4 bánh), cấu hình cảm biến (Camera thị giác máy tính và cảm biến quang dẫn Phototransistor), cấu trúc điều khiển (tập trung và phân cấp) để lựa chọn cấu hình tối ưu.
- Phương pháp tính toán giải tích: Tính toán tải trọng, lực ma sát, moment cản, công suất động cơ, điện trở phân áp mạch cảm biến và khoảng cách hình học giữa các phần tử thu - phát.
- Phương pháp thực nghiệm nhận dạng tham số: Đo đạc thực nghiệm giá trị điện áp ADC của cảm biến quang TCRT5000 theo độ cao và tính phản xạ bề mặt; thực nghiệm thu thập quan hệ giữa độ rộng xung PWM và tốc độ vòng quay RPM để tuyến tính hóa và xác định hàm truyền động cơ.
- Phương pháp mô phỏng số: Mô phỏng động học hệ thống trên phần mềm MATLAB/Simulink nhằm xác định khoảng cách tối ưu từ tâm trục bánh xe đến dãy cảm biến ($d = 51\text{ mm}$), kiểm chứng đáp ứng của bộ điều khiển PID và sai số bám quỹ đạo sa bàn.
Thiết kế và triển khai hệ thống
1. Kiến trúc cơ khí và động lực học
Khung xe được thiết kế trên mô hình 3D với kết cấu hai tầng đế bằng vật liệu cứng vững:
- Kích thước thân xe: Mặt đế có kích thước dài $\times$ rộng là $180 \times 160\text{ mm}$, bề dày tấm đế $4\text{ mm}$. Bề rộng tổng thể của xe $b = 195\text{ mm}$.
- Hệ thống bánh xe: Hai bánh chủ động V2 bằng nhựa bọc lốp cao su bám đường, đường kính $D = 65\text{ mm}$, bề rộng $27\text{ mm}$. Bánh bị động sử dụng bánh mắt trâu (kích thước cao $20\text{ mm}$, dài $50\text{ mm}$, khoảng cách lỗ bắt vít $40\text{ mm}$) nhằm loại bỏ triệt để hiện tượng lệch tâm xoay (shopping-cart effect) thường gặp ở bánh caster.
- Đồ gá động cơ: Gia công bằng nhôm định hình. Mối ghép giữa đồ gá và mặt bích động cơ sử dụng kiểu lắp trung gian để đảm bảo độ đồng tâm và thuận tiện tháo lắp; mối ghép giữa trục động cơ và khớp nối sử dụng kiểu lắp lỏng có kẹp phụ.
| Thông số cơ khí đầu vào |
Giá trị |
| Đường kính bánh xe ($D$) |
$65\text{ mm}$ |
| Vận tốc dài lớn nhất mong muốn ($v_{\max}$) |
$0{,}9\text{ m/s}$ |
| Thời gian tăng tốc mong muốn ($t_{acc}$) |
$2\text{ s}$ |
| Khối lượng tải ước lượng tính toán ($M$) |
$3\text{ kg}$ |
| Khối lượng bánh xe ($m$) |
$0{,}06\text{ kg}$ |
| Hệ số ma sát lốp cao su - nền nhựa ($\mu$) |
$0{,}9$ |
| Vận tốc góc tính toán của bánh xe ($\omega$) |
$27{,}69\text{ rad/s}$ |
| Số vòng quay trục bánh xe ($n$) |
$264{,}4\text{ rpm}$ |
| Moment kéo yêu cầu trên mỗi bánh ($\tau$) |
$0{,}43\text{ N.m}$ |
Dựa trên tính toán động lực học, hệ thống lựa chọn 02 động cơ DC giảm tốc GA25-V1 tích hợp đĩa encoder 11 xung 2 kênh A-B. Tỷ số truyền hộp số $1:34$ cho độ phân giải ngõ ra $374\text{ xung/vòng}$, tốc độ có tải đạt $284\text{ rpm}$, moment giữ cực đại $7{,}3\text{ kg.cm}$, công suất danh định $13{,}2\text{ W}$.
2. Thiết kế hệ thống điện và cảm biến
Hệ thống điện bao gồm mạch xử lý trung tâm, mạch cảm biến quang, mạch cầu công suất và mạch nguồn:
- Khối cảm biến dò line: Sử dụng 07 module cảm biến hồng ngoại TCRT5000 (gồm LED phát bước sóng $950\text{ nm}$ góc phát $16^\circ$ và Phototransistor thu góc thu $30^\circ$) bố trí thành một hàng ngang.
- Chiều cao lắp đặt cảm biến so với mặt sàn: $h = 10\text{ mm}$ (thỏa mãn điều kiện hình học tạo vùng giao thoa thu phát $h > 8{,}57\text{ mm}$ và dải nhạy tối ưu $0{,}2 - 15\text{ mm}$).
- Khoảng cách giữa 2 cảm biến liên tiếp: $L = 12{,}5\text{ mm}$ (thỏa mãn điều kiện không chồng lấn vùng làm việc $l \ge 2 \cdot h \cdot \tan(30^\circ) = 11{,}54\text{ mm}$ và bảo đảm luôn có từ 2 đến 3 cảm biến nằm trong phạm vi vạch line).
- Mạch phân áp: Điện trở hạn dòng LED phát $R_1 = 150,\Omega$ ($I_F \approx 33\text{ mA}$); điện trở cực thu transistor $R_2 = 10\text{ k}\Omega$ ($I_C = 0{,}6\text{ mA}$).
- Khối điều khiển và công suất:
- Vi điều khiển trung tâm: PIC 18F4550 thực hiện thu thập tín hiệu ADC, giải thuật tính tâm đường line và phát xung PWM điều khiển.
- Driver công suất: 02 mạch cầu H L298N điều khiển độc lập 2 kênh động cơ (dòng tải cực đại $2\text{ A/kênh}$, áp điều khiển $+5\text{ V} \sim +12\text{ V}$).
- Khối nguồn và phân phối điện: 04 cell pin Li-ion 18650 Panasonic $3{,}7\text{ V} - 3{,}7\text{ A}$ mắc nối tiếp, hạ áp qua 02 mạch biến đổi DC-DC LM2596 để tạo điện áp ổn định $12\text{ V}$ cấp cho động cơ và Driver, trích nguồn $5\text{ V}$ từ Driver nuôi vi điều khiển và cảm biến, nguồn $3{,}3\text{ V}$ nuôi Encoder.
| STT |
Thiết bị tiêu thụ điện |
Số lượng |
Dòng điện đơn vị |
Tổng dòng điện |
| 1 |
Động cơ DC GA25-V1 |
2 |
$2{,}29\text{ A}$ |
$4{,}58\text{ A}$ |
| 2 |
Driver cầu H L298N |
2 |
$2{,}00\text{ A}$ |
$4{,}00\text{ A}$ |
| 3 |
Mạch cảm biến TCRT5000 |
7 |
$1\text{ mA}$ |
$0{,}007\text{ A}$ |
| 4 |
Kit vi điều khiển PIC 18F4550 |
1 |
$0{,}025\text{ A}$ |
$0{,}025\text{ A}$ |
| Tổng |
Toàn bộ hệ thống |
-- |
-- |
$8{,}612\text{ A}$ |
Nội dung chính theo từng chương
Chương 1: Tổng quan
Chương 1 phân tích bức tranh tổng thể về robot di động dò line trong công nghiệp và các cuộc thi kỹ thuật quốc tế (Robot Challenge, Robocomp, All Japan Micromouse). Tác giả tiến hành so sánh toàn diện các phương án kỹ thuật:
- Về sơ đồ truyền động: Khung xe RC truyền động trục (Awesomatrix, Tamiya TT01) hoặc đai răng (Sakura D3 CS) có ưu điểm chống trượt bánh nhưng bán kính quay vòng bị giới hạn và giá thành cao. Sơ đồ 2 bánh vi sai kết hợp bánh đa hướng (xe HBFS-2, Sylvestre, Thunderbolt) có mô hình động học đơn giản, cho phép quay tại chỗ nhưng dễ trượt ngang ở tốc độ cao.
- Về cảm biến: Phương pháp xử lý ảnh qua Camera (xe Johnny-5) cho độ chính xác cao nhưng tốn tài nguyên xử lý; phương pháp cảm biến quang dẫn (Phototransistor) cho đáp ứng nhanh, phù hợp cho robot bám line tốc độ cao.
- Về xử lý tín hiệu: Phương pháp so sánh ngưỡng logic cho thời gian xử lý nhanh; phương pháp xấp xỉ liên tục (bậc 2, tuyến tính, trọng số) cho độ phân giải cao hơn.
- Về cấu trúc điều khiển: So sánh giữa hệ điều khiển tập trung (1 MCU duy nhất) và hệ điều khiển phân cấp (Master MCU kết hợp Slave MCU đọc sensor hoặc encoder).
Chương 2: Đề xuất và lựa chọn phương án
Dựa trên yêu cầu mang tải $2\text{ kg}$, tốc độ $v_{\max} = 0{,}9\text{ m/s}$ và bám cua bán kính $R = 500\text{ mm}$, nhóm tác giả thống nhất lựa chọn giải pháp:
- Sơ đồ nguyên lý: 2 bánh vi sai chủ động độc lập kết hợp 1 bánh bị động mắt trâu.
- Cảm biến: Bộ 7 cảm biến hồng ngoại TCRT5000 bố trí hàng ngang.
- Giải thuật xử lý tín hiệu cảm biến: Thuật toán so sánh kết hợp tính trọng số trung bình.
- Động cơ dẫn động: Động cơ DC giảm tốc GA25-V1 có gắn đĩa encoder.
- Cấu trúc điều khiển: Hệ điều khiển tập trung sử dụng vi điều khiển PIC 18F4550.
- Giải thuật điều khiển: Bộ điều khiển tracking bám quỹ đạo kết hợp vòng điều khiển PID tốc độ động cơ.
Chương 3: Thiết kế cơ khí
Tập trung tính toán động lực học chi tiết cho từng cơ cấu:
- Lựa chọn bánh xe chủ động V2 đường kính $65\text{ mm}$ và bánh bị động mắt trâu nhằm triệt tiêu sai số động học do độ lệch tâm bánh xe.
- Tính toán công suất động cơ với các thành phần lực ma sát, moment quán tính bánh xe ($I = \frac{1}{2}mR^2$), xác định công suất yêu cầu $P = 13{,}2\text{ W}$, tốc độ vòng quay $284\text{ rpm}$.
- Tính toán kích thước sàn xe ($180 \times 160\text{ mm}$) dựa trên bảng kích thước các linh kiện bố trí trên khung.
- Tính toán giới hạn chiều cao trọng tâm thân xe $h \le \frac{b \cdot g \cdot R}{2 \cdot v^2} = 590\text{ mm}$ để đảm bảo xe không bị lật dưới tác dụng của lực ly tâm khi vào cung rẽ $R = 0{,}5\text{ m}$.
Chương 4: Thiết kế điện
Trình bày chi tiết việc thiết kế sơ đồ mạch, hiệu chuẩn cảm biến và nhận dạng hệ thống:
- Thiết lập cấu hình 7 cảm biến TCRT5000 ở độ cao $h = 10\text{ mm}$, khoảng cách $L = 12{,}5\text{ mm}$.
- Đo đạc thực nghiệm và hiệu chuẩn giá trị ADC của từng cảm biến trên nền trắng ($x_{\min}$) và vạch đen ($x_{\max}$) đưa về thang chuẩn $[y_{\min}, y_{\max}] = [550, 950]$.
- Xác định tâm đường line dựa trên công thức tính giá trị trung bình có trọng số vị trí các cảm biến từ $x_0$ đến $x_6$ (tọa độ tương đối $-3, -2, -1, 0, 1, 2, 3$):
$$\bar{x} = \frac{\sum_{i=0}^{6} x_i y_i}{\sum_{i=0}^{6} y_i} = \frac{-3y_0 - 2y_1 - y_2 + y_4 + 2y_5 + 3y_6}{\sum_{i=0}^{6} y_i}$$
- Tuyến tính hóa quan hệ giữa phần trăm xung PWM ($20% - 100%$) và tốc độ động cơ (RPM) qua thực nghiệm trên Driver L298N:
- Động cơ 1 (trái): $Y_1 = 3{,}1422 X_1 + 16{,}1176$
- Động cơ 2 (phải): $Y_2 = 3{,}1000 X_2 + 20{,}7647$
- Nhận dạng hàm truyền đạt hệ bậc nhất của khối Driver - Động cơ qua đáp ứng thời gian thực nghiệm:
$$G_1(s) = \frac{320}{1 + 0{,}046s}; \quad G_2(s) = \frac{320}{1 + 0{,}044s}$$
- Thiết kế bộ điều khiển PID cho động cơ qua công cụ MATLAB PID Tuner đạt các chỉ tiêu: thời gian xác lập $T_s < 0{,}1\text{ s}$, độ vọt lố $< 10%$, sai số xác lập $e_{ss} = 0$.
Chương 5: Mô hình hóa
Xây dựng mô hình toán học động học robot di động:
- Mô hình hóa vận tốc dài $v = \frac{1}{2}(v_L + v_R)$ và vận tốc góc $\omega = \frac{1}{L}(v_R - v_L)$ với $L$ là khoảng cách giữa 2 bánh xe.
- Thiết lập phương trình động học của điểm tracking $C(x_C, y_C)$ cách tâm trục bánh khoảng cách $a$:
$$\begin{cases} \dot{x}_C = \dot{x} - a\dot{\theta}\sin\theta \ \dot{y}_C = \dot{y} + a\dot{\theta}\cos\theta \end{cases}$$
- Xây dựng ma trận chuyển đổi sai số bám quỹ đạo $[e_1, e_2, e_3]^T$ giữa điểm tham chiếu $P$ và điểm $C$:
$$\begin{bmatrix} e_1 \ e_2 \ e_3 \end{bmatrix} = \begin{bmatrix} \cos\theta & \sin\theta & 0 \ -\sin\theta & \cos\theta & 0 \ 0 & 0 & 1 \end{bmatrix} \begin{bmatrix} x_P - x_C \ y_P - y_C \ \theta_P - \theta_C \end{bmatrix}$$
- Tiến hành mô phỏng số trên MATLAB để tối ưu hóa khoảng cách $d$ từ cảm biến đến tâm trục bánh xe, kết quả chọn $d = 51\text{ mm}$ giúp sai số bám line đạt giá trị cực tiểu.
- Mô phỏng quỹ đạo chuyển động bám line trên từng phân đoạn của sa bàn ($A-B-C-D$, $D-E-F-C$, $C-G-A$, $G-A-C-E$).
Chương 6: Bộ điều khiển
Xây dựng thuật toán điều khiển tổng thể cho vi điều khiển PIC 18F4550:
- Chương trình chính: Thực hiện đọc trạng thái cảm biến qua ADC, gọi hàm giải thuật xấp xỉ tâm line, tính toán sai số quỹ đạo và cập nhật vận tốc đặt cho 2 bánh xe.
- Chương trình con: Xử lý ngắt timer đọc xung encoder, thực thi thuật toán PID vận tốc động cơ và xuất xung PWM điều khiển Driver L298N.
Chương 7: Thực nghiệm và kết quả
Chế tạo mô hình thực tế, tích hợp cơ điện và chạy thử nghiệm bám line theo toàn bộ sa bàn quy định. Ghi nhận thông số hoạt động thực tế và kiểm chứng khả năng bám quỹ đạo mang tải.
Kết quả và đóng góp
1. Kết quả thực nghiệm và số liệu kỹ thuật
Đồ án đã chế tạo thành công mô hình robot di động bám line với các thông số thực nghiệm được ghi nhận đầy đủ trong văn bản:
| Cảm biến |
Giá trị nền đen ($x_{\min}$) |
Giá trị nền trắng ($x_{\max}$) |
Phương trình hiệu chuẩn (Calib) |
| $x_0$ |
52 |
726 |
$y_0 = 550 + 0{,}59347(x_0 - 52)$ |
| $x_6$ |
59 |
713 |
$y_6 = 550 + 0{,}61162(x_6 - 59)$ |
Thang giá trị chuẩn hóa sau calib: $y_{\min} = 550$, $y_{\max} = 950$.
Số liệu thử nghiệm mối quan hệ giữa độ rộng xung PWM và tốc độ vòng quay (RPM) của hai khối Driver L298N - Động cơ GA25-V1:
| PWM (%) |
Động cơ 1 (RPM) |
Động cơ 2 (RPM) |
PWM (%) |
Động cơ 1 (RPM) |
Động cơ 2 (RPM) |
| 20 |
78 |
81 |
65 |
222 |
225 |
| 30 |
108 |
112 |
75 |
255 |
256 |
| 40 |
144 |
144 |
85 |
287 |
288 |
| 50 |
173 |
176 |
95 |
311 |
312 |
| 60 |
207 |
209 |
100 |
322 |
320 |
Kết quả tinh chỉnh và mô phỏng bộ điều khiển PID cho hai kênh động cơ:
- Động cơ 1: Hệ số thời gian đáp ứng $T = 0{,}046\text{ s}$, độ lợi $K_m = 320$. Bộ điều khiển PID đạt thời gian xác lập $T_s = 0{,}0908\text{ s}$, độ vọt lố $8{,}8%$, sai số xác lập $e_{ss} = 0$.
- Động cơ 2: Hệ số thời gian đáp ứng $T = 0{,}044\text{ s}$, độ lợi $K_m = 320$. Bộ điều khiển PID đạt thời gian xác lập $T_s = 0{,}0843\text{ s}$, độ vọt lố $6{,}4%$, sai số xác lập $e_{ss} = 0$.
2. Đóng góp của đề tài
- Xây dựng quy trình thiết kế hoàn chỉnh một hệ thống robot di động từ khâu tính toán giải tích động lực học, thiết kế cơ khí, tối ưu hóa kích thước quang học của mảng cảm biến đến thiết kế mạch điện và điều khiển.
- Ứng dụng phương pháp thực nghiệm để nhận dạng hàm truyền đạt thực tế của khối Driver - Động cơ thay vì chỉ sử dụng thông số lý thuyết của nhà sản xuất.
- Xác định được thông số khoảng cách tối ưu từ mảng cảm biến đến tâm trục bánh xe ($d = 51\text{ mm}$) thông qua mô phỏng động học sai số, nâng cao độ ổn định bám đường của robot.
Hạn chế và hướng nghiên cứu tiếp
Hạn chế
- Hệ thống sử dụng cấu trúc điều khiển tập trung trên một vi điều khiển PIC 18F4550 duy nhất, dẫn đến khối lượng xử lý ADC, tính toán sai số và xuất xung PWM bị dồn ép, ảnh hưởng đến chu kỳ lấy mẫu khi xe vận hành ở vận tốc cao hơn.
- Cảm biến quang hồng ngoại TCRT5000 có thể bị ảnh hưởng bởi cường độ ánh sáng môi trường bên ngoài nếu không có kết cấu che chắn quang học kín.
- Mô hình dẫn động vi sai 2 bánh dễ xuất hiện hiện tượng trượt ngang bánh xe khi bám các cung đường cong bán kính nhỏ ở tốc độ cao.
Hướng nghiên cứu tiếp
- Tích hợp thêm cảm biến con quay hồi chuyển (Gyroscope / IMU) để nắm bắt chính xác trạng thái gia tốc và góc nghiêng của thân xe trong thời gian thực.
- Phát triển giải thuật ghi nhớ quỹ đạo đường đi (tự học thông số điều khiển theo từng phân đoạn sa bàn) nhằm tăng tốc độ di chuyển sau các lần chạy thử.
- Nâng cấp phần cứng sang cấu trúc điều khiển phân cấp (Master - Slave) để phân tách riêng tác vụ đọc/xử lý mảng cảm biến và tác vụ điều khiển vòng kín động cơ.
Giá trị tham khảo
Báo cáo đồ án là tài liệu tham khảo hữu ích cho sinh viên và kỹ sư các ngành:
- Kỹ thuật Cơ điện tử: Tham khảo quy trình thiết kế tổng thể hệ thống robot di động, tính chọn công suất động cơ, kiểm nghiệm điều kiện bền và chống lật thân xe.
- Kỹ thuật Điều khiển và Tự động hóa: Tham khảo phương pháp mô hình hóa động học robot vi sai hai bánh, phương pháp thực nghiệm nhận dạng hàm truyền đạt hệ thống điện - cơ và kỹ thuật thiết kế bộ điều khiển PID vận tốc.
- Kỹ thuật Robot / Điện tử: Tham khảo giải pháp thiết kế mảng cảm biến quang TCRT5000 (tính toán góc thu phát, khoảng cách chống chồng lấn, chiều cao làm việc tối ưu và giải thuật hiệu chuẩn ADC tìm tâm đường line).
Câu hỏi thường gặp
1. Tại sao nhóm nghiên cứu lựa chọn bánh mắt trâu thay vì bánh caster cho cơ cấu bánh bị động?
Bánh caster có đặc điểm khoảng cách lệch giữa trục quay đứng và trục lăn của bánh xe tạo ra hiện tượng lệch tâm xoay (shopping-cart effect), gây sai lệch và làm phức tạp hóa phương trình động học chuyển động của xe. Bánh mắt trâu có tâm xoay đa hướng trùng với điểm tiếp xúc sàn, giúp triệt tiêu hiện tượng này và đảm bảo tính chính xác cho mô hình động học.
2. Khoảng cách $L = 12{,}5\text{ mm}$ giữa hai cảm biến TCRT5000 liên tiếp được xác định dựa trên cơ sở nào?
Khoảng cách này được tính toán từ góc thu của phototransistor ($30^\circ$) và chiều cao làm việc $h = 10\text{ mm}$. Điều kiện để vùng nhận tín hiệu của hai cảm biến không bị chồng lấn lên nhau là $l \ge 2 \cdot h \cdot \tan(30^\circ) = 11{,}54\text{ mm}$. Kết hợp với yêu cầu thực tế là luôn có từ 2 đến 3 cảm biến nằm trọn trong bề rộng vạch line ($10\text{ mm} < l < 13\text{ mm}$), giá trị $L = 12{,}5\text{ mm}$ được lựa chọn và kiểm chứng không gây nhiễu chéo.
3. Hàm truyền đạt của hai khối Driver L298N - Động cơ GA25-V1 được xác định bằng phương pháp nào và có dạng ra sao?
Hàm truyền đạt được xác định bằng phương pháp thực nghiệm đáp ứng bước nhảy (cấp điện áp $12\text{ V}$ ứng với PWM $100%$, chu kỳ lấy mẫu $0{,}05\text{ s}$, ghi nhận tốc độ động cơ qua encoder). Hệ thống được nhận dạng theo mô hình quán tính bậc nhất:
$$G_1(s) = \frac{320}{1 + 0{,}046s}; \quad G_2(s) = \frac{320}{1 + 0{,}044s}$$
với độ lợi tĩnh $K_m = 320\text{ rpm}$ và hằng số thời gian lần lượt là $T_1 = 0{,}046\text{ s}$, $T_2 = 0{,}044\text{ s}$.
4. Khoảng cách từ tâm trục bánh xe đến mảng cảm biến $d = 51\text{ mm}$ có ý nghĩa gì?
Khoảng cách $d$ là thông số hình học quyết định trực tiếp đến độ nhạy và sai số bám quỹ đạo của điểm tracking $C$. Qua mô phỏng số mô hình động học trên MATLAB với các giá trị khoảng cách khác nhau, giá trị $d = 51\text{ mm}$ cho sai số bám quỹ đạo cực đại đạt mức nhỏ nhất, giúp xe chuyển hướng ổn định và không bị mất dấu đường line tại các khúc rẽ.
5. Hệ thống nguồn cấp của robot được thiết kế với cấu hình điện áp và dòng điện như thế nào?
Nguồn năng lượng chính gồm 04 cell pin sạc Li-ion 18650 Panasonic ($3{,}7\text{ V} - 3{,}7\text{ A}$) mắc nối tiếp. Dòng điện tiêu thụ cực đại tính toán của toàn hệ thống là $8{,}612\text{ A}$ (trong đó 2 động cơ chiếm tối đa $4{,}58\text{ A}$, 2 driver L298N chiếm $4{,}0\text{ A}$, vi điều khiển và cảm biến chiếm $0{,}032\text{ A}$). Nguồn qua 02 mạch hạ áp LM2596 để cấp $12\text{ V}$ cho mạch động lực và trích $5\text{ V}$, $3{,}3\text{ V}$ cho mạch điều khiển và encoder.
Kết luận
Đồ án "Thiết kế Hệ thống Cơ điện tử" đã giải quyết trọn vẹn bài toán thiết kế, chế tạo và điều khiển mô hình robot di động dẫn động vi sai bám line mang tải trọng $2\text{ kg}$ với vận tốc thiết kế $0{,}9\text{ m/s}$. Nghiên cứu kết hợp chặt chẽ giữa tính toán giải tích động lực học, thực nghiệm nhận dạng tham số cảm biến/động cơ và mô phỏng tối ưu hóa động học trên MATLAB. Hệ thống phần cứng và thuật toán điều khiển tracking kết hợp PID được kiểm chứng qua thực nghiệm, đảm bảo khả năng bám quỹ đạo ổn định trên sa bàn có địa hình rẽ cong và giao cắt phức tạp.
