Bối cảnh và vấn đề nghiên cứu

Trong xu thế phát triển của tự động hóa công nghiệp và sản xuất hiện đại, các dòng robot di động (Mobile Robot / AGV) ngày càng đóng vai trò quan trọng trong việc vận chuyển nguyên vật liệu, phân phối hàng hóa tại các nhà kho thông minh, hoạt động tại các môi trường độc hại hoặc thực hiện các nhiệm vụ thám hiểm. Đối với các hệ thống di chuyển trong nhà xưởng, giải pháp dẫn đường theo vạch kẻ (line tracking / line following) là một phương thức phổ biến nhờ tính kinh tế, độ linh hoạt và khả năng triển khai nhanh chóng trên mặt sàn phẳng.

Đề tài "Thiết kế, chế tạo, điều khiển robot dò line" được thực hiện dưới dạng Báo cáo đồ án môn học Thiết kế Hệ thống Cơ điện tử tại Bộ môn Cơ điện tử – Khoa Cơ khí, Trường Đại học Bách Khoa – Đại học Quốc gia TP. Hồ Chí Minh (năm 2019). Nghiên cứu do nhóm sinh viên gồm Nguyễn Trấn Quốc Toàn, Nguyễn Văn Tùng, Trần Ngọc Trí và Mai Thành Nhân thực hiện dưới sự hướng dẫn của GVHD Thầy Phạm Công Bằng.

Mục tiêu và nhiệm vụ nghiên cứu

Mục tiêu chính của đề tài là thiết kế, chế tạo hoàn chỉnh mô hình phần cứng và lập trình hệ thống điều khiển tự hành cho một robot dò line có khả năng mang tải $2\text{ kg}$, bám quỹ đạo ổn định trên sa bàn phẳng theo trình tự các điểm nút quy định: $\text{A} \rightarrow \text{B} \rightarrow \text{C} \rightarrow \text{D} \rightarrow \text{E} \rightarrow \text{F} \rightarrow \text{C} \rightarrow \text{G} \rightarrow \text{A} \rightarrow \text{C} \rightarrow \text{E}$.

Các yêu cầu kỹ thuật và ràng buộc của đề bài bao gồm:

  1. Vận tốc di chuyển định mức: $v = 0{,}4\text{ m/s}$.
  2. Bán kính khúc cua nhỏ nhất: $R_{\min} = 500\text{ mm}$.
  3. Tải trọng chuyên chở: Khối vật nặng hình hộp chữ nhật có khối lượng $2\text{ kg}$, kích thước tối đa $200\text{ mm} \times 100\text{ mm} \times 300\text{ mm}$ ($\text{dài} \times \text{rộng} \times \text{cao}$).
  4. Kích thước bao của robot: Tối đa $300\text{ mm} \times 200\text{ mm} \times 100\text{ mm}$ ($\text{dài} \times \text{rộng} \times \text{cao}$).
  5. Đường kính bánh xe: Không vượt quá $200\text{ mm}$.
  6. Quy cách sa bàn: Đường line màu đen rộng $26\text{ mm}$ trên nền phẳng màu trắng.

Nhiệm vụ nghiên cứu được phân chia cụ thể cho các thành viên trong nhóm thực hiện:

Thành viên Nhiệm vụ chính
Nguyễn Văn Tùng Thiết kế lựa chọn kết cấu cơ khí, tính toán công suất động cơ, chọn động cơ, gia công đồ gá, dựng mô hình 3D SolidWorks.
Mai Thành Nhân Xây dựng sơ đồ nguyên lý hệ thống, tìm kiếm tài liệu tham khảo, biên soạn và tổng hợp báo cáo.
Nguyễn Trấn Quốc Toàn Xuất bản vẽ kỹ thuật 2D, bản vẽ điện, thiết kế mạch điện, thiết kế mảng cảm biến quang, lắp ráp và hỗ trợ thực nghiệm.
Trần Ngọc Trí Mô phỏng động học robot, thiết kế thuật toán điều khiển, tham gia thiết kế cảm biến, lựa chọn bộ điều khiển và lập trình vi điều khiển.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Khung lý thuyết và mô hình khảo sát

Nghiên cứu dựa trên các nền tảng lý thuyết cơ điện tử và robot học tự hành:

  • Nguyên lý dẫn hướng Mobile Robot: Khảo sát các công nghệ dẫn đường gồm Laser guidance, Magnetic spot guidance (điểm từ), Magnetic tape guidance (băng từ) và Wire/Optical guidance (dẫn hướng bằng vạch quang học).
  • Mô hình động học vi sai (Differential Drive Kinematics): Thiết lập phương trình chuyển động của xe 3 bánh (2 bánh sau chủ động độc lập, 1 bánh trước tự lựa/bánh mắt trâu) tại tâm trục dẫn động $M$ và điểm cảm biến bám line $C$.
  • Động lực học và điều kiện ổn định: Thiết lập hệ phương trình cân bằng lực và moment để tính toán điều kiện không bị lật và không bị trượt khi vào cua: $v < \sqrt{\mu g R}$ (với $\mu$ là hệ số ma sát giữa bánh cao su và mặt sàn bê tông).
  • Lý thuyết điều khiển tự động: Áp dụng giải thuật điều khiển hồi tiếp vòng kín PID (Proportional - Integral - Derivative) để điều khiển tốc độ động cơ DC thông qua tín hiệu phản hồi từ bộ giải mã xung Encoder, kết hợp luật điều khiển bám quỹ đạo (Following tracking) dựa trên sai số lệch tâm đường line.

Phương pháp nghiên cứu

  1. Phương pháp phân tích - tổng hợp: Khảo sát cấu hình thực tế từ các mẫu robot đoạt giải quốc tế (The Chariot, Silvestre, Fireball) để lựa chọn cấu hình 3 bánh dẫn động cầu sau.
  2. Phương pháp tính toán và thiết kế kỹ thuật: Tính chọn công suất động cơ, moment xoắn cực đại, tỷ số truyền, tính dung sai lắp ghép chi tiết cơ khí và thiết kế mạch phân áp cho mảng quang trở/phototransistor TCRT5000.
  3. Phương pháp mô phỏng số: Khảo sát động học vận tốc trên phần mềm mô phỏng và chỉnh định thông số bộ điều khiển PID bằng công cụ PID Tuner trong môi trường MATLAB.
  4. Phương pháp thực nghiệm kiểm chứng: Chế tạo mẫu thử vật lý, thử nghiệm chạy vòng hở và vòng kín trên sa bàn thực tế qua nhiều phiên bản tinh chỉnh để đo đạc thời gian hoàn thành hành trình và độ ổn định bám line.

Thiết kế và triển khai hệ thống kỹ thuật

Thiết kế cơ khí

  • Kết cấu tổng thể: Khung xe 2 tầng bằng vật liệu mica gia công định hình, tạo không gian phân bố hợp lý: tầng dưới chứa tải trọng $2\text{ kg}$, bộ nguồn pin và cụm động cơ; tầng trên bố trí mạch vi điều khiển, driver công suất và hệ thống dây nối.
  • Kích thước cơ bản: Chiều rộng cơ sở $b = 225\text{ mm}$, khoảng cách từ bánh tự lựa phía trước đến trục hai bánh dẫn động sau $a = 14\text{ mm}$, bán kính bánh xe $R = 32{,}5\text{ mm}$, độ cao trọng tâm $h = 35\text{ mm}$.
  • Gia công đồ gá động cơ: Chi tiết gá động cơ được làm bằng hợp kim nhôm, gia công trên máy phay CNC qua 4 bước: (1) Phay tạo khối kích thước $50 \times 32 \times 20\text{ mm}$; (2) Phay rãnh giữa; (3) Lấy dấu tâm lỗ khoan; (4) Khoan các lỗ bắt ốc trên mặt trên và mặt sau.
  • Dung sai lắp ghép:
    • Mối ghép giữa thân trụ vis shoulder bolt với đồ gá và khung xe: Chọn mối lắp tiêu chuẩn trục $\Phi 6H7/h6$ để định tâm chính xác cao.
    • Mối ghép giữa gờ định vị động cơ với đồ gá: Chọn mối lắp trung gian ưu tiên $\Phi 7K7/h6$ nhằm định tâm trục quay và triệt tiêu rung động khi vận hành.

Thiết kế hệ thống điện và cảm biến

  • Khối cảm biến dò line: Nhóm tự thiết kế mảng 7 cảm biến quang hồng ngoại TCRT5000 (loại Phototransistor kết hợp LED hồng ngoại). Cảm biến được bố trí đặt nằm ngang để tối ưu hóa khoảng cách chuyển mạch (switching distance). Khoảng cách giữa cảm biến với mặt sàn được tính toán và chọn là $h = 14\text{ mm}$, bước khoảng cách giữa hai cảm biến liền kề $D = 15\text{ mm}$.
    • Mạch phân áp cho mỗi cảm biến: Điện trở hạn dòng phát $R_1 = 100,\Omega$ ($I_F = 37{,}5\text{mA}$ với $V_F = 1{,}25\text{V}$, $V_{CC} = 5\text{V}$); điện trở mạch thu $R_2 = 3384,\Omega$ ($I_C = 1{,}3\text{mA}$).
  • Khối chấp hành và Driver:
    • 2 động cơ DC Servo giảm tốc GA25-V1 gắn kèm bộ mã hóa Encoder (độ phân giải 11 xung/vòng, cấp nguồn $3{,}3\text{VDC}$), công suất định mức $13{,}2\text{W}$, điện áp $12\text{V}$, tốc độ không tải $320\text{ vòng/phút}$, có tải $284\text{ vòng/phút}$, moment định mức $1{,}88\text{ kgf}\cdot\text{cm}$ (moment giữ $7{,}96\text{ kgf}\cdot\text{cm}$).
    • Mạch cầu H kép L298N đảm nhận việc điều khiển chiều quay và băm xung PWM điều chỉnh tốc độ cho 2 động cơ độc lập (chịu dòng tối đa $2\text{A}$/kênh, công suất $25\text{W}$).
  • Khối nguồn: Sử dụng 4 cell pin Li-ion $4{,}2\text{V}$ mắc nối tiếp, qua module giảm áp DC-DC hạ xuống $12\text{V}$ để cấp nguồn riêng cho mạch công suất động cơ; vi điều khiển Arduino được cấp riêng bằng khối pin $9\text{V}$ nhằm cách ly nhiễu nguồn động lực. Cảm biến và encoder nhận nguồn $5\text{V}$/$3{,}3\text{V}$ từ bo mạch vi điều khiển.

Thiết kế lập trình và giải thuật điều khiển

  • Bộ xử lý trung tâm: Sử dụng bo mạch Arduino Mega 2560 (vi điều khiển ATmega2560, xung nhịp $16\text{MHz}$, 54 chân Digital I/O, 16 chân Analog In) theo cấu trúc điều khiển tập trung (Centralized control).
  • Cấu hình chân kết nối:
    • Chân Analog A0 – A6: Đọc tín hiệu điện áp từ 7 cảm biến TCRT5000.
    • Chân PWM 10 và 5: Cấp xung tốc độ cho chân EN A và EN B của driver L298N.
    • Chân Digital 9, 8, 7, 6: Điều khiển logic hướng quay IN1, IN2, IN3, IN4.
    • Chân ngắt ngoài 20, 21 và 2, 3: Đọc kênh xung pha A, B từ 2 encoder động cơ.
  • Xử lý các điểm nút đặc thù trên sa bàn:
    • Giao lộ số 8 (ngã tư cắt chéo): Cảm biến dễ bị nhiễu nhận diện sai vạch ngang, thuật toán kích hoạt chế độ chạy thẳng cưỡng bức trong một khoảng thời gian ngắn để vượt qua vùng giao cắt trước khi quay lại chế độ bám line.
    • Khúc cua vuông góc $90^\circ$: Kết hợp tín hiệu phân ngưỡng cảm biến và bộ định thời (Timer) dựa trên vận tốc và quãng đường đã biết để thực hiện quay góc chính xác.

Nội dung chính theo từng chương

Phần 1: Tổng quan

Chương này trình bày bức tranh tổng thể về robot di động và phân loại theo môi trường hoạt động (trên cạn, dưới nước, trên không), phương thức chuyển động (bánh xe, bánh xích, nhiều chân). Báo cáo phân tích sâu 4 kỹ thuật định hướng của AGV (Laser guidance, Magnetic spot, Magnetic tape, Wire/Optical guidance) cùng các ứng dụng thực tiễn điển hình: robot Opportunity (NASA), Scorpion (Toshiba), Xiaomi Roborock Gen 3, iRobot PackBot 510 và robot phục vụ nhà hàng.

Đối với robot dò line, tác giả phân tích sơ đồ nguyên lý của 3 mẫu xe đua tiêu biểu: The Chariot (210g, vi điều khiển ATmega32u4, bộ điều khiển PID), Silvestre (250g, LPC2148 ARM7, bộ điều khiển PD) và Fireball (Parallax Propeller). Tiếp đó, chương khảo sát ưu nhược điểm của các cấu hình cơ khí 3 bánh và 4 bánh; so sánh động cơ DC, Step Motor và DC Servo; so sánh cảm biến Camera với mảng quang dẫn; phân tích sự khác nhau giữa phương pháp đọc tín hiệu Digital và Analog; đồng thời đặt ra bảng so sánh chi tiết giữa cấu trúc điều khiển tập trung (Centralized) và phân cấp (Distributed).

Phần 2: Lựa chọn phương án

Dựa trên các phân tích ở Phần 1 và ràng buộc thực tế của đề bài (xe mang tải nặng $2\text{ kg}$, sa bàn nhiều khúc cua), nhóm tác giả quyết định lựa chọn:

  • Cơ khí: Cấu hình 3 bánh kiểu xe The Chariot (2 bánh sau chủ động, 1 bánh trước tự lựa) giúp tiếp xúc mặt phẳng tốt và giảm nguy cơ lật khi ôm cua.
  • Động cơ: Động cơ DC Servo giảm tốc tích hợp sẵn Encoder để thực hiện điều khiển hồi tiếp vận tốc chính xác.
  • Cảm biến: Loại bỏ giải pháp mua sẵn thanh BFD-1000 để chuyển sang tự thiết kế mạch 7 cảm biến TCRT5000 đọc tín hiệu Analog rồi phân ngưỡng bằng phần mềm.
  • Cấu trúc và bộ điều khiển: Lựa chọn cấu trúc điều khiển tập trung trên 1 vi điều khiển duy nhất nhằm tối ưu không gian, trọng lượng và chi phí; áp dụng thuật toán điều khiển Following tracking kết hợp bộ điều khiển PID cho động cơ.

Phần 3: Thiết kế cơ khí

Chương 3 tập trung giải bài toán tính toán cơ cấu hình học và động lực học:

  • Thiết lập hệ phương trình cân bằng lực của robot 3 bánh khi tăng tốc với gia tốc cực đại $a_{\max}$, rút ra điều kiện phản lực bánh trước $F_{z1} > 0$ để xe không bị bốc đầu ($a < g \frac{l_1 + l_2}{h}$).
  • Tính toán công suất động cơ cần thiết $P = K(P_1 + P_2)$ với hệ số tổn thất $K = 2$, vận tốc mong muốn $v = 1{,}0\text{ m/s}$, thời gian tăng tốc $t = 1\text{s}$, bánh xe bán kính $R = 32{,}5\text{ mm}$. Tổng moment xoắn yêu cầu cực đại $T < 0{,}35\text{ Nm}$.
  • Kiểm tra điều kiện vào cua không bị trượt $v < \sqrt{\mu g R} = \sqrt{0{,}8 \times 9{,}81 \times 0{,}5} \approx 1{,}98\text{ m/s}$ (với $\mu = 0{,}8$). Vận tốc tính toán $v = 0{,}967\text{ m/s}$ thỏa mãn an toàn.
  • Thiết lập bản vẽ 3D SolidWorks chi tiết cho đồ gá nhôm phay CNC, tính chọn dung sai lắp ghép trục/lỗ ($\Phi 6H7/h6$, $\Phi 7K7/h6$) và thiết kế 2 tấm đế mica.
  • Xây dựng mô hình phương trình vi phân động học vi sai của robot tại tâm trục bánh sau và tại điểm đầu đọc cảm biến bám line $C$, vẽ đồ thị đáp ứng vận tốc góc và vận tốc dài của hai bánh trái – phải khi chạy thẳng và khi chạy qua cung tròn bán kính $500\text{ mm}$.

Phần 4: Thiết kế hệ thống điện

Trình bày chi tiết quá trình thiết kế phần cứng điện tử:

  • Đánh giá thử nghiệm ban đầu của thanh cảm biến thương mại BFD-1000: Khoảng cách giữa các cảm biến cố định không phù hợp với bề rộng line $26\text{ mm}$, phải đặt quá sát mặt đất và tín hiệu số trả về thiếu ổn định.
  • Chuyển đổi sang thiết kế mảng 7 cảm biến TCRT5000: Tính toán góc chiếu Emitter ($\alpha = 16^\circ$), góc thu Detector ($\beta = 30^\circ$), khoảng cách giữa Emitter và Detector $d = 3{,}8\text{ mm}$ để xác định khoảng cách đặt cảm biến tối ưu $h = 14\text{ mm}$ và bước dịch cảm biến tối thiểu $D = 15\text{ mm}$.
  • Thử nghiệm điều khiển vận tốc động cơ GA25 bằng vòng hở (Open-loop) qua PWM từ $10%$ đến $100%$, chứng minh tính phi tuyến và sự lệch tốc giữa hai động cơ trái – phải.
  • Xây dựng sơ đồ điều khiển vòng kín (Closed-loop) PID vận tốc: Thu thập xung encoder với chu kỳ lấy mẫu $T_s = 0{,}01\text{s}$. Kết quả hiệu chỉnh thông số qua Matlab PID Tuner đạt được thời gian đáp ứng xác lập $< 0{,}04\text{s}$ và độ vọt lố $< 5%$.
Thông số PID Động cơ bánh trái Động cơ bánh phải
Hệ số tỉ lệ ($K_p$) 10 10
Hệ số tích phân ($K_i$) 10 9
Hệ số vi phân ($K_d$) 5 5

Phần 5: Thiết kế phần lập trình

Chương 5 hiện thực hóa thuật toán điều khiển trên nền tảng Arduino Mega 2560:

  • Sơ đồ khối chức năng và lưu đồ giải thuật chính: Đọc giá trị Analog từ 7 cảm biến quang $\rightarrow$ Tính toán độ lệch tâm line $\rightarrow$ Bộ điều khiển Following tracking tính toán vận tốc đặt cho bánh trái và bánh phải $\rightarrow$ Bộ điều khiển PID so sánh với vận tốc thực tế từ Encoder $\rightarrow$ Xuất giá trị PWM và tín hiệu chiều quay tới mạch cầu L298N.
  • Cơ chế xử lý ngắt Timer và ngắt ngoài để liên tục cập nhật số xung encoder, đảm bảo tính thời gian thực cho vòng lặp điều khiển vận tốc.
  • Thuật toán nhận dạng và vượt các vùng sa bàn phức tạp (ngã tư số 8 giao cắt góc hẹp và các góc rẽ $90^\circ$).

Phần 6: Kết quả thực nghiệm

Trình bày quá trình chạy thử nghiệm mô hình thực tế có mang đủ tải trọng $2\text{ kg}$ trên sa bàn chuẩn, tổng kết nhật ký thử nghiệm và đánh giá chất lượng hệ thống.

Kết quả và đóng góp

Kết quả thực nghiệm

Nhóm tác giả đã chế tạo hoàn chỉnh mô hình phần cứng và chạy thực nghiệm trên sa bàn với tải trọng $2\text{ kg}$. Nhật ký chạy thử nghiệm qua các mốc thời gian được ghi nhận chi tiết:

Ngày thử nghiệm Số lần chạy thử Số lần hoàn thành hết sa bàn Thời gian nhỏ nhất (giây) Nội dung sửa đổi, bổ sung và lưu ý
17/11 10 5 40 Cảm biến bị ảnh hưởng nhiều do ánh sáng môi trường.
18/11 10 7 30 Bổ sung thêm hộp che chắn quang học cho cụm cảm biến, hệ thống hoạt động ổn định hơn.
14/12 10 7 27 Bổ sung nguồn $5\text{V}$ độc lập cho vi điều khiển; phát hiện dây encoder bánh phải bị lỏng tiếp xúc.
15/12 10 5 27 Xảy ra sự cố hư hỏng một mạch hạ áp, nguồn cấp $5\text{V}$ không ổn định.
  • Chỉ số đạt được tốt nhất: Robot hoàn thành toàn bộ lộ trình sa bàn phức tạp với thời gian chạy nhỏ nhất đạt xấp xỉ $27\text{ giây}$, tương ứng với vận tốc trung bình thực tế đạt xấp xỉ $0{,}42\text{ m/s}$ (vượt chỉ tiêu ban đầu đề ra là $0{,}4\text{ m/s}$).
  • Hệ thống bám line mượt mà, bộ điều khiển PID vận tốc giúp xe giữ cân bằng động tốt khi mang tải nặng $2\text{ kg}$ vượt qua các góc cua bán kính $500\text{ mm}$.

Đóng góp kỹ thuật chính

  1. Xây dựng hoàn chỉnh quy trình thiết kế tích hợp Cơ khí – Điện tử – Điều khiển cho dòng robot di động mang tải bám quỹ đạo vạch quang học.
  2. Thiết kế và chế tạo thành công mảng 7 cảm biến quang TCRT5000 tự chế với thông số quang học được tính toán chính xác, khắc phục triệt để nhược điểm của các module thương mại trên thị trường.
  3. Ứng dụng thành công giải thuật điều khiển phân tầng: Tầng trên xử lý sai số lệch quỹ đạo bám line, tầng dưới điều khiển hồi tiếp vòng kín PID tốc độ động cơ DC Servo dựa trên phản hồi Encoder.

Hạn chế và hướng nghiên cứu tiếp

Hạn chế tồn tại trong đề tài

  • Độ chính xác lắp ráp cơ khí: Kết cấu gá hai bánh xe dẫn động sau chưa có giải pháp định vị cưỡng bức tuyệt đối để đảm bảo độ đồng trục hoàn hảo, gây ảnh hưởng nhẹ đến hướng di chuyển thẳng tự nhiên của robot.
  • Sai số phần cứng động cơ: Hai động cơ DC GA25 tồn tại sai số chế tạo và đặc tuyến phi tuyến không hoàn toàn đồng nhất, phụ thuộc lớn vào việc bù sai số của thuật toán điều khiển PID.
  • Nhiễu quang học: Bộ cảm biến hồng ngoại vẫn chịu ảnh hưởng nhất định từ sự thay đổi cường độ ánh sáng môi trường ngoài phòng thí nghiệm.

Hướng phát triển và hiệu chỉnh đề xuất

  1. Nâng cao độ chính xác trong khâu gia công cơ khí và chế tạo dưỡng gá đồng trục cho cụm dẫn động hai bánh sau.
  2. Thực hiện các bài đo thí nghiệm chuyên sâu để lập bản đồ sai số vận tốc thực tế của từng động cơ, đưa các hàm truyền thực nghiệm vào mô hình mô phỏng MATLAB/Simulink.
  3. Thiết kế nắp che chắn quang học kín hơn cho mảng cảm biến và bổ sung thuật toán lọc nhiễu thích nghi với ánh sáng môi trường.

Giá trị tham khảo

Báo cáo đồ án là tài liệu tham khảo hữu ích cho:

  • Sinh viên ngành Kỹ thuật Cơ điện tử, Robot, Tự động hóa và Cơ kỹ thuật: Cung cấp phương pháp luận chuẩn mực về quy trình thiết kế hệ thống cơ điện tử từ khâu tính toán lực, moment, động học vi sai, thiết kế mạch điện đến lập trình vi điều khiển.
  • Các nhóm nghiên cứu tham gia các cuộc thi Robot dò line / Robot tự hành: Cung cấp tài liệu tính toán chi tiết về bố trí hình học mảng cảm biến quang TCRT5000 (khoảng cách $h$, bước khoảng cách $D$, góc quét) và bộ thông số thực nghiệm PID cho động cơ GA25 kèm driver L298N.

Câu hỏi thường gặp

1. Tại sao nhóm nghiên cứu không sử dụng thanh cảm biến BFD-1000 có sẵn mà phải tự thiết kế mảng 7 cảm biến TCRT5000?

Thanh cảm biến BFD-1000 chế tạo sẵn bộc lộ các nhược điểm trong thực nghiệm: khoảng cách giữa 5 cảm biến không tương thích với bề rộng line $26\text{ mm}$, bắt buộc phải gá quá sát mặt sàn ($0{,}5 - 4\text{ mm}$) dễ gây va quẹt, và tín hiệu số ngõ ra kém ổn định. Mảng 7 cảm biến TCRT5000 tự thiết kế cho phép tối ưu khoảng cách gá đặt lên $14\text{ mm}$, bước cách $15\text{ mm}$ và xử lý tín hiệu analog linh hoạt qua phần mềm.

2. Đồ gá động cơ được gia công bằng vật liệu gì và áp dụng kiểu lắp ghép dung sai nào?

Đồ gá động cơ được gia công từ khối hợp kim nhôm ($50 \times 32 \times 20\text{ mm}$) bằng phương pháp phay CNC. Về dung sai, mối lắp giữa vis shoulder bolt với đồ gá và khung xe sử dụng tiêu chuẩn $\Phi 6H7/h6$ (mối ghép cố định định tâm chính xác); mối lắp giữa gờ định vị động cơ với đồ gá sử dụng mối ghép trung gian ưu tiên $\Phi 7K7/h6$ nhằm định tâm trục và khử rung động.

3. Cấu hình nguồn điện của hệ thống được tách biệt như thế nào để chống nhiễu?

Hệ thống sử dụng hai nguồn cấp riêng biệt: Khối động lực (động cơ và driver L298N) được cấp điện từ bộ 4 cell pin Li-ion qua mạch hạ áp về $12\text{V}$; khối điều khiển logic (vi điều khiển Arduino Mega 2560) sử dụng riêng khối pin $9\text{V}$. Cách ly nguồn giúp ngăn chặn hiện tượng sụt áp và nhiễu từ trường do động cơ gây ra làm reset hoặc sai lệch bộ xử lý.

4. Nhóm tác giả xử lý bài toán điều khiển tại các vị trí sa bàn phức tạp (ngã tư số 8 và góc cua 90 độ) bằng cách nào?

Tại ngã tư giao cắt hình số 8 (dễ gây nhiễu cảm biến), robot được lập trình chạy thẳng cưỡng bức trong một khoảng thời gian ngắn để vượt qua giao lộ trước khi bật lại giải thuật bám line. Tại khúc cua vuông góc $90^\circ$, chương trình kết hợp trạng thái cảm biến ngoài cùng với bộ định thời Timer (tính theo vận tốc và quãng đường định sẵn) để thực hiện lệnh quay góc dứt khoát.

5. Kết quả thực nghiệm vận hành thực tế của robot đạt được các chỉ số vận tốc và thời gian như thế nào?

Khi mang đầy đủ tải trọng $2\text{ kg}$ trên sa bàn tiêu chuẩn, robot hoàn thành bài thi với thời gian ngắn nhất đạt $27\text{ giây}$, tốc độ di chuyển trung bình thực tế đạt xấp xỉ $0{,}42\text{ m/s}$ (vượt mục tiêu thiết kế $0{,}4\text{ m/s}$), thời gian đáp ứng xác lập vận tốc động cơ dưới $0{,}04\text{s}$ và độ vọt lố dưới $5%$.

Kết luận

Đề tài "Thiết kế, chế tạo, điều khiển robot dò line" của nhóm sinh viên Trường Đại học Bách Khoa – ĐHQG TP.HCM đã giải quyết trọn vẹn bài toán kỹ thuật từ tính toán động lực học, gia công cơ khí chính xác, thiết kế mạch phần cứng đến thuật toán điều khiển bám quỹ đạo. Mô hình thực nghiệm đã chứng minh khả năng mang tải $2\text{ kg}$, bám line ổn định ở vận tốc $0{,}42\text{ m/s}$ và vượt qua các khúc cua bán kính $500\text{ mm}$ theo đúng yêu cầu đề bài. Các kết quả tính toán quang học cho cảm biến TCRT5000 và bảng thông số điều khiển PID động cơ GA25 trong báo cáo mang lại giá trị thực tiễn cao cho việc nghiên cứu, phát triển các hệ thống AGV công nghiệp cỡ nhỏ.