Bối cảnh và vấn đề nghiên cứu

Sự bùng phát của đại dịch COVID-19 đã gây ra những xáo trộn nghiêm trọng đối với chuỗi cung ứng toàn cầu, từ khâu sản xuất, vận tải, phân phối đến vận hành kho bãi. Trước yêu cầu duy trì dòng chảy hàng hóa liên tục nhưng vẫn phải đảm bảo khoảng cách an toàn cho nhân sự, các doanh nghiệp logistics và sản xuất buộc phải tìm kiếm các giải pháp tự động hóa vận hành. Trong bối cảnh đó, hệ thống lưu kho và truy xuất tự động (Automated Storage and Retrieval System - AS/RS) trở thành một lời giải công nghệ quan trọng nhờ khả năng vận hành liên tục 24/7, loại bỏ sự phụ thuộc vào lao động thủ công, giảm thiểu sai sót do con người và tối ưu hóa diện tích kho bãi.

Tuy nhiên, trong thực tế sản xuất, các hệ thống AS/RS chủ yếu được triển khai tại các tổng kho hoặc trung tâm logistics quy mô lớn với chi phí đầu tư rất cao. Phần lớn các hệ thống này sử dụng bộ điều khiển lập trình công nghiệp (PLC) làm hạt nhân điều khiển. Việc đầu tư hệ thống dựa trên PLC đòi hỏi chi phí thiết bị, bản quyền phần mềm và chi phí hạ tầng điện lớn, gây khó khăn cho việc ứng dụng tại các nhà xưởng, dây chuyền sản xuất vừa và nhỏ. Xuất phát từ thực tế đó, đề tài nghiên cứu và thiết kế mô hình hệ thống lưu kho tự động kết hợp phân loại sản phẩm theo màu sắc sử dụng hệ thống nhúng (vi điều khiển Arduino Mega 2560 cấp nguồn 12V và 5VDC) thay thế cho PLC, nhằm tạo ra giải pháp có chi phí thấp, kết cấu gọn nhẹ nhưng vẫn đáp ứng đầy đủ chu trình lưu kho và phân loại tự động.

Mục tiêu và nhiệm vụ nghiên cứu của đề tài được xác định cụ thể gồm:

  1. Nghiên cứu tổng quan về hệ thống lưu kho tự động và các giải pháp hệ thống nhúng đang ứng dụng trong thực tế.
  2. Lựa chọn cấu hình phần cứng và nền tảng phần mềm phù hợp với yêu cầu của hệ thống nhúng điều khiển kho hàng.
  3. Thiết kế kiến trúc tổng thể của hệ thống, bao gồm cơ cấu cơ khí, mạch điện động lực và điều khiển.
  4. Xây dựng thuật toán điều khiển lưu kho và phân loại sản phẩm theo màu sắc cho vi điều khiển.
  5. Thiết kế giao diện giám sát, điều khiển người dùng trên máy tính thông qua phần mềm LabVIEW.
  6. Chế tạo mô hình thực nghiệm, tiến hành thử nghiệm, hiệu chuẩn và đánh giá khả năng vận hành của hệ thống.

Đối tượng nghiên cứu của đồ án là hệ thống lưu kho tự động sử dụng vi điều khiển nhúng, bao gồm:

  • Phần cứng: Kết cấu cơ khí giá đỡ hàng hóa, băng tải dây đai vận chuyển, cơ cấu robot lưu kho 3 trục truyền động trục vít me, hệ thống phôi sản phẩm in 3D; hệ thống điện gồm nguồn tổ ong 12V, mạch hạ áp buck LM2596, aptomat bảo vệ, rơ-le; các thiết bị điều khiển và chấp hành gồm vi điều khiển Arduino Mega 2560, driver TB6600, động cơ bước NEMA 17, động cơ giảm tốc một chiều GA25-370; hệ thống cảm biến gồm cảm biến nhận diện màu sắc TCS3200 và cảm biến vật cản hồng ngoại tiệm cận.
  • Phần mềm: Chương trình nhúng điều khiển lập trình trên môi trường Arduino IDE và phần mềm giám sát giao diện người dùng xây dựng trên nền tảng LabVIEW.

Phạm vi nghiên cứu của đề tài:

  • Không gian thực hiện: Các công đoạn gia công cơ khí như cắt, mài thanh nhôm định hình được thực hiện tại xưởng cơ khí; một số chi tiết cơ khí và phôi hàng được chế tạo bằng công nghệ in 3D; công đoạn đấu nối mạch điện, lắp ráp tổng thành và lập trình thử nghiệm được thực hiện tại không gian nghiên cứu của tác giả.
  • Thời gian nghiên cứu: Đề tài được hoàn thành trong thời gian 3 tháng từ khi giao đề tài đến khi nghiệm thu và bảo vệ chính thức vào tháng 4 năm 2024 tại Trường Đại học Phenikaa.
  • Giới hạn kỹ thuật: Hệ thống dừng lại ở quy mô mô hình thực nghiệm với kệ lưu kho 9 vị trí (3 hàng x 3 cột), phân loại 3 màu sắc phôi cơ bản (Đỏ, Xanh lá, Xanh dương) bằng cảm biến quang học, sử dụng vi điều khiển 8-bit Arduino Mega 2560 giao tiếp máy tính qua cổng nối tiếp.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp

Đồ án xây dựng trên nền tảng lý thuyết về hệ thống lưu kho tự động AS/RS kết hợp với lý thuyết điều khiển nhúng và cảm biến quang điện tử. Tác giả trích dẫn số liệu từ báo cáo của tổ chức Grand View Research, dự báo thị trường AS/RS toàn cầu sẽ đạt giá trị 123,2 tỷ USD vào năm 2028, đồng thời phân tích mô hình lưu kho tự động của tập đoàn Amazon với việc tích hợp các công nghệ nền tảng: Internet vạn vật (IoT), Trí tuệ nhân tạo (AI), Robot tự hành (AGV), Thị giác máy tính (Computer Vision) và Hệ thống quản lý kho hàng (WMS).

Hệ thống AS/RS trong nghiên cứu được phân loại theo phương thức lưu trữ (chiều dọc, chiều ngang), theo loại hàng hóa (pallet, hàng nhỏ) và theo mức độ tự động hóa (hoàn toàn hoặc bán tự động). Về nguyên lý nhận diện màu sắc, đề tài ứng dụng cảm biến màu sắc TCS3200. Cơ sở lý thuyết nhận diện màu dựa trên nguyên lý phản xạ ánh sáng của vật thể: khi ánh sáng chiếu vào phôi, một phần bị hấp thụ và một phần phản xạ trở lại mảng 64 đi-ốt quang (photodiode) được bố trí thành ma trận 8x8. Cường độ dòng điện sinh ra tại các đi-ốt quang đỏ, xanh lá, xanh lam được biểu diễn qua phương trình:

  • $R = K \cdot I_r$
  • $G = K \cdot I_g$
  • $B = K \cdot I_b$

Trong đó $R, G, B$ là giá trị màu của vật thể; $I_r, I_g, I_b$ là cường độ ánh sáng đo được qua các bộ lọc tương ứng; $K$ là hệ số tỷ lệ xác định qua quá trình hiệu chuẩn. Cảm biến chuyển đổi dòng quang này thành sóng vuông có tần số tỷ lệ thuận với cường độ sáng, đưa trực tiếp về chân ngõ vào của vi điều khiển để đo chu kỳ và tần số.

Về nguyên lý phát hiện phôi, đồ án sử dụng cảm biến vật cản hồng ngoại tiệm cận với cặp thu phát tia hồng ngoại ở tần số xác định. Khi có vật cản xuất hiện trong phạm vi hoạt động từ 2 cm đến 30 cm (khoảng cách hiệu quả từ 2 cm đến 5 cm, góc phát hiện 35 độ), tia hồng ngoại phản xạ vào đèn thu, mạch so sánh đưa ngõ ra Digital về mức thấp (LOW).

Phương pháp nghiên cứu thực tế được tác giả áp dụng bao gồm:

  • Phương pháp phân tích và tổng hợp lý thuyết: Nghiên cứu các giáo trình Tự động hóa quá trình sản xuất, tài liệu chuyên khảo về cơ điện tử, các tiêu chuẩn thiết kế kho công nghiệp và tài liệu kỹ thuật trên các diễn đàn chuyên ngành.
  • Phương pháp mô hình hóa và tính toán thiết kế: Sử dụng các phương trình cơ học và điện học để tính toán lựa chọn động cơ bước, bộ truyền trục vít me, công suất nguồn cấp và bộ chuyển đổi DC-DC.
  • Phương pháp thiết kế kỹ thuật số: Ứng dụng phần mềm SolidWorks để thiết kế mô hình 3D cho toàn bộ khung kệ, băng tải, cánh tay robot và phôi sản phẩm; sử dụng phần mềm Fritzing để thiết kế sơ đồ nguyên lý mạch điện; sử dụng Git để quản lý các phiên bản mã nguồn chương trình điều khiển.
  • Phương pháp thực nghiệm: Chế tạo mô hình vật lý, đấu nối phần cứng trên bảng điện, thực hiện đo đạc dữ liệu tần số RGB thực tế từ phôi mẫu, hiệu chuẩn ngưỡng phân biệt màu sắc, khảo sát giới hạn di chuyển của các trục và vận hành thử nghiệm chu trình tự động.

Nguồn dữ liệu của nghiên cứu bao gồm thông số kỹ thuật (datasheet) từ nhà sản xuất của các linh kiện điện tử (TCS3200, TB6600, LM2596, Arduino Mega 2560, GA25-370, NEMA 17); các số liệu báo cáo thị trường từ Grand View Research và bảng số liệu đo đạc thực nghiệm giá trị RGB từ các mẫu phôi màu thực tế.

Thiết kế và triển khai

Hệ thống được thiết kế hoàn chỉnh theo cấu trúc tích hợp cơ - điện - điều khiển, mô phỏng quy trình phân loại và lưu kho tự động trong công nghiệp ở quy mô mô hình.

Thiết kế cơ khí

  • Phôi sản phẩm: Được thiết kế dưới dạng hình hộp chữ nhật có kích thước 7 cm x 7 cm x 4 cm bằng phần mềm SolidWorks và được gia công bằng công nghệ in 3D từ chất liệu nhựa PLA. Vật liệu này giúp phôi có trọng lượng nhẹ, độ chính xác kích thước cao và tạo ma sát phù hợp khi chuyển động trên bề mặt băng tải. Phôi gồm 3 màu sắc tiêu chuẩn: Đỏ, Xanh lá và Xanh dương.
  • Kệ lưu trữ hàng hóa: Thiết kế theo dạng kệ Selective thu nhỏ gồm 9 ô lưu trữ, chia thành 3 hàng và 3 cột. Các ô lưu trữ được quy hoạch chuyên biệt: hàng 1 chứa phôi màu Xanh lá, hàng 2 chứa phôi màu Đỏ, và hàng 3 chứa phôi màu Xanh dương. Khi kho đã lưu đủ 9 phôi hoặc phôi không đúng màu quy định, hệ thống sẽ chuyển phôi vào khu vực chứa phôi lỗi.
  • Băng tải vận chuyển: Sử dụng loại băng tải dây đai, dẫn động bởi động cơ giảm tốc DC GA25-370 (điện áp 12V, tốc độ 280 vòng/phút). Hai cảm biến hồng ngoại được gắn tại vị trí đầu và cuối băng tải để quản lý việc cấp phôi và định vị phôi trước cơ cấu gắp.
  • Robot lưu kho: Được thiết kế theo cơ cấu 3 trục chuyển động kết hợp tay nâng dạng lồng thụt (telescopic). Chuyển động tịnh tiến của các trục sử dụng bộ truyền trục vít me kết hợp ray dẫn hướng, dẫn động bởi 3 động cơ bước NEMA 17 (kích thước mặt bích 42 mm) giúp đảm bảo độ chính xác vị trí khi gắp và đặt phôi vào từng ô kệ.
  • Bảng điện điều khiển: Thiết kế theo dạng panel phẳng mô phỏng tủ điện công nghiệp, bố trí máng đi dây, cầu đấu, aptomat và các mạch điều khiển nhằm tạo sự gọn gàng và thuận tiện cho việc đo đạc, kiểm thử.

Thiết kế hệ thống điện và điều khiển

Cấu trúc hệ thống điện sử dụng nguồn tổ ong chuyển đổi điện lưới xoay chiều thành nguồn một chiều 12VDC. Nguồn 12VDC cấp trực tiếp cho 3 driver điều khiển động cơ bước TB6600 và mạch giảm áp DC-DC Buck LM2596 (ngõ ra 5VDC - 3A). Mạch hạ áp cung cấp nguồn 5VDC ổn định cho bo mạch vi điều khiển Arduino Mega 2560 và các mô-đun cảm biến.

STT Tên thiết bị Số lượng Số chân kết nối Ghi chú kỹ thuật
1 Driver TB6600 3 10 Điều khiển động cơ bước
2 Aptomat 1 4 DZ47-63 C10, 2 pha, 10A
3 Nguồn tổ ong 1 4 Ngõ ra 12VDC
4 Nút nhấn 3 3 Cấu hình điện trở kéo xuống (Pull down)
5 Đèn LED chỉ báo 3 2 Kích hoạt mức thấp (Low active)
6 Arduino Mega 2560 1 24/55 Vi điều khiển trung tâm (sử dụng 24 chân)
7 Mạch hạ áp Buck 1 4 LM2596 có hiển thị, chuyển đổi 12VDC sang 5VDC
8 Cầu đấu dây 1 - Đấu nối trung gian
9 Động cơ bước 3 4 NEMA 17 (42 mm)
10 Cảm biến màu TCS3200 1 7/10 Nguồn 2,7V - 5,5V, ngõ ra TTL
11 Cảm biến hồng ngoại 2 3 Tiệm cận, ngõ ra Digital, nguồn 3,3V - 5V
12 Rơ-le (Relay) 1 5 5VDC - 1 kênh, kích hoạt mức cao (High active)
13 Động cơ DC 1 2 GA25-370, 12V, 280 rpm

Đối với cảm biến TCS3200, việc lựa chọn màu sắc đọc và tỉ lệ tần số đầu ra được điều khiển trực tiếp qua các chân S0, S1, S2, S3 từ vi điều khiển Arduino:

Chân S0 Chân S1 Tỷ lệ tần số đầu ra Chân S2 Chân S3 Loại quang đi-ốt (Bộ lọc)
THẤP THẤP 0% (Tắt nguồn) THẤP THẤP Bộ lọc Đỏ (Red)
THẤP CAO 2% THẤP CAO Bộ lọc Xanh dương (Blue)
CAO THẤP 20% CAO THẤP Không lọc (Trong suốt)
CAO CAO 100% CAO CAO Bộ lọc Xanh lá (Green)

Thiết kế phần mềm và kiểm thử

  • Chương trình vi điều khiển: Viết bằng ngôn ngữ C/C++ trên Arduino IDE. Chương trình điều khiển băng tải chạy khi có phôi tại vị trí cảm biến đầu vào; khi phôi đi qua cảm biến TCS3200, vi điều khiển kích hoạt quét tần số lần lượt qua các bộ lọc Đỏ, Xanh dương, Xanh lá để nhận dạng màu sắc. Khi phôi tới cuối băng tải, cảm biến hồng ngoại thứ hai tác động, băng tải dừng lại và vi điều khiển phát xung điều khiển các driver TB6600 để tay máy gắp phôi và di chuyển đến đúng tọa độ của ô kệ tương ứng.
  • Giao diện giám sát LabVIEW: Được kết nối với Arduino Mega 2560 qua cổng truyền thông nối tiếp RS-232/USB, cung cấp 2 chế độ vận hành:
    • Chế độ tự động (Auto): Giám sát trạng thái 9 ô của kệ hàng theo thời gian thực (hiển thị ô trống hoặc ô đã có hàng kèm màu sắc tương ứng), hiển thị số lượng phôi từng loại đã lưu kho và trạng thái hệ thống.
    • Chế độ thủ công (Manual): Cho phép người vận hành điều khiển độc lập từng trục X, Y, Z của robot lưu kho, bật/tắt băng tải và kích hoạt cơ cấu gắp phôi trực tiếp bằng các nút điều khiển trên màn hình máy tính.
  • Kiểm thử và hiệu chuẩn: Tác giả tiến hành đo đạc dải tần số xung RGB phản hồi từ cảm biến TCS3200 với các phôi mẫu thực tế để xây dựng bảng ngưỡng phân loại; thực hiện kiểm tra giới hạn hành trình các trục vít me nhằm loại trừ hiện tượng kẹt cơ khí và kiểm tra độ ổn định tín hiệu điều khiển khi chuyển mạch rơ-le.

Nội dung chính theo từng chương

Mở đầu

Chương mở đầu phân tích bối cảnh đại dịch COVID-19 làm đứt gãy các chuỗi cung ứng, từ đó chỉ ra tính cấp thiết của việc tự động hóa kho hàng nhằm duy trì vận hành an toàn và liên tục. Tác giả chỉ ra các lợi ích cốt lõi của hệ thống AS/RS như nâng cao hiệu quả vận hành 24/7, giảm thiểu chi phí nhân công và giảm sai sót trong quản lý tồn kho. Để giải quyết rào cản chi phí đầu tư cao của các hệ thống sử dụng PLC, đề tài xác định mục tiêu thiết kế mô hình AS/RS ứng dụng hệ thống nhúng vi điều khiển trên nền nguồn 12V/5VDC. Phần này cũng làm rõ đối tượng, phạm vi nghiên cứu thực hiện trong 3 tháng, ý nghĩa khoa học, ý nghĩa thực tiễn và bố cục chung của đồ án.

Chương 1: Tổng quan về hệ thống lưu kho tự động

Chương 1 cung cấp bức tranh toàn cảnh về công nghệ AS/RS trong logistics hiện đại. Tác giả dẫn chứng báo cáo thị trường của Grand View Research dự báo quy mô thị trường AS/RS đạt 123,2 tỷ USD vào năm 2028, cùng các điển hình ứng dụng thành công như Amazon, Alibaba, Walmart, FedEx và Shopee. Chương này phân tích chi tiết các đặc điểm của AS/RS (tính tự động hóa, tính linh hoạt, khả năng mở rộng), phân loại hệ thống theo phương thức lưu trữ (dọc, ngang), theo loại hàng hóa (pallet, hàng nhỏ) và theo cấp độ tự động (hoàn toàn, bán tự động). Quy trình lưu kho tự động được mô tả chi tiết qua 4 giai đoạn: tiếp nhận hàng, kiểm tra/phân loại, đưa vào lưu trữ trên kệ và xuất hàng theo yêu cầu. Cuối chương, tác giả xác định cụ thể các nhiệm vụ, phạm vi nghiên cứu và phương pháp triển khai của đồ án.

Chương 2: Thực trạng vấn đề nghiên cứu

Chương 2 tập trung mô tả cấu tạo, quy trình công nghệ và cơ sở lý thuyết điều khiển của hệ thống. Tác giả trình bày sơ đồ khối hệ thống liên kết từ nguồn tổ ong 12VDC, mạch buck hạ áp LM2596, vi điều khiển Arduino Mega 2560, driver TB6600, các cảm biến và máy tính nhúng/PC hiển thị giao diện. Các công cụ và phần mềm phục vụ nghiên cứu được giới thiệu chi tiết bao gồm SolidWorks (thiết kế 3D), Arduino IDE (lập trình vi điều khiển), Fritzing (thiết kế mạch điện) và Git (quản lý phiên bản mã nguồn). Chương này liệt kê danh mục 13 thiết bị điện chính; phân tích cơ sở lý thuyết nhận diện màu của cảm biến TCS3200 (ma trận 64 đi-ốt quang, phương trình chuyển đổi RGB sang xung tần số, bảng chân điều khiển); trình bày nguyên lý cảm biến vật cản hồng ngoại tiệm cận. Đồng thời, tác giả dành một phần lớn để hệ thống hóa lý thuyết về hệ thống nhúng: khái niệm, đặc điểm hoạt động thời gian thực, cấu trúc phần cứng (CPU, thiết bị ngoại vi SCI, USB, I2C, SPI) và các lĩnh vực ứng dụng điển hình trong y tế, dân dụng và công nghiệp.

Chương 3: Thiết kế, chế tạo và thử nghiệm hệ thống

Đây là chương nội dung trọng tâm của đồ án, trình bày toàn bộ quá trình tính toán, thiết kế và chế tạo thực nghiệm:

  • Tính toán thiết kế cơ khí: Xác định kích thước phôi (7 cm x 7 cm x 4 cm, nhựa PLA in 3D, 3 màu Đỏ, Xanh lá, Xanh dương); thiết kế kệ Selective 9 vị trí chia theo 3 hàng màu; thiết kế băng tải dây đai dẫn động bởi động cơ GA25-370; tính toán thiết kế robot lưu kho 3 trục sử dụng bộ truyền trục vít me dẫn động bởi 3 động cơ bước NEMA 17 và thiết kế bảng điện điều khiển.
  • Thiết kế hệ thống điện và điều khiển: Lựa chọn và đấu nối các thiết bị gồm vi điều khiển Arduino Mega 2560 (kết nối 24 chân tín hiệu), 3 driver TB6600, mạch giảm áp LM2596, nguồn tổ ong 12V, aptomat 10A, rơ-le 5V và các nút nhấn, LED hiển thị.
  • Thiết kế phần mềm và giao diện: Xây dựng sơ đồ thuật toán chương trình chính, sơ đồ thuật toán chế độ tự động (Auto), sơ đồ thuật toán chế độ thủ công (Manual); thiết kế giao diện điều khiển và thuật toán hiển thị trên phần mềm LabVIEW.
  • Thử nghiệm và đánh giá: Thực nghiệm khảo sát giá trị tần số RGB thu nhận từ các mẫu màu thực tế thông qua cảm biến TCS3200; thử nghiệm giới hạn chuyển động các trục của tay máy và khảo sát sự phối hợp vận hành đồng bộ của toàn bộ mô hình hoàn chỉnh.

Chương 4: Kết quả và thảo luận

Chương 4 tổng kết các kết quả đạt được sau quá trình chế tạo và thử nghiệm mô hình thực tế, đối chiếu với các mục tiêu đề ra ban đầu. Tác giả thảo luận về khả năng làm việc ổn định của hệ thống trong việc phân loại và xếp hàng vào đúng vị trí ô kệ. Đồng thời, chương này chỉ ra các điểm còn tồn tại trong thiết kế (tốc độ cơ cấu chấp hành, ảnh hưởng của môi trường quang học), đánh giá khả năng ứng dụng thực tiễn của giải pháp nhúng trong các doanh nghiệp vừa và nhỏ, và đề xuất các định hướng phát triển hoàn thiện hệ thống trong tương lai.

Kết luận

Phần kết luận tóm lược lại các kết quả đạt được trong việc chế tạo thành công mô hình hệ thống lưu kho tự động kết hợp phân loại màu sắc sử dụng vi điều khiển nhúng, khẳng định tính đúng đắn của phương pháp tiếp cận và mức độ hoàn thành nhiệm vụ nghiên cứu của tác giả.

Kết quả và đóng góp

Kết quả kỹ thuật đạt được

  • Chế tạo thành công mô hình cơ khí hoàn chỉnh gồm: 01 kệ lưu trữ hàng hóa kiểu Selective 9 vị trí (3 hàng x 3 cột); 01 băng tải dây đai dẫn động bằng động cơ DC GA25-370 (12V, 280 rpm); 01 cơ cấu robot lưu kho 3 trục chuyển động tịnh tiến sử dụng bộ truyền trục vít me và 3 động cơ bước NEMA 17 (mặt bích 42 mm); hệ thống phôi sản phẩm in 3D bằng nhựa PLA chuẩn kích thước 7 cm x 7 cm x 4 cm.
  • Thiết kế và đấu nối an toàn hệ thống điện - điều khiển trên bảng panel kỹ thuật: Tích hợp nguồn tổ ong 12VDC, aptomat 2 pha 10A DZ47-63 C10, mạch buck hạ áp LM2596 cấp nguồn 5VDC cho bo mạch Arduino Mega 2560 (khai thác 24 chân kết nối ngoại vi), 3 driver TB6600, 1 rơ-le 5VDC điều khiển động cơ DC, 2 cảm biến hồng ngoại và 1 cảm biến màu TCS3200.
  • Thực hiện nhận diện và phân loại chính xác 3 loại màu sắc của phôi sản phẩm (Đỏ, Xanh lá, Xanh dương) thông qua thuật toán đo tần số xung từ cảm biến TCS3200; sắp xếp phôi vào đúng các ô kệ được chỉ định theo ma trận màu:
Hàng trên kệ Vị trí lưu trữ Loại phôi quy định Xử lý khi đầy kho hoặc sai màu
Hàng 1 (Trên cùng) 3 ô (Cột 1, 2, 3) Phôi màu Xanh lá Đưa ra hộp chứa phôi lỗi
Hàng 2 (Ở giữa) 3 ô (Cột 1, 2, 3) Phôi màu Đỏ Đưa ra hộp chứa phôi lỗi
Hàng 3 (Dưới cùng) 3 ô (Cột 1, 2, 3) Phôi màu Xanh dương Đưa ra hộp chứa phôi lỗi
  • Xây dựng thành công giao diện người dùng trên LabVIEW kết nối máy tính với vi điều khiển, cho phép giám sát trạng thái từng ô kệ theo thời gian thực và vận hành linh hoạt ở cả 2 chế độ Tự động (Auto) và Thủ công (Manual).

Giải pháp và kiến nghị của tác giả

  • Tác giả đề xuất việc ứng dụng hệ thống nhúng vi điều khiển mã nguồn mở (Arduino) kết hợp máy tính nhúng/PC thay thế cho bộ điều khiển PLC công nghiệp trong các bài toán tự động hóa kho hàng vừa và nhỏ. Giải pháp này giúp giảm đáng kể chi phí đầu tư ban đầu, đơn giản hóa việc bảo trì và tiết kiệm điện năng nhờ vận hành trên dải điện áp thấp (12V và 5VDC).
  • Kiến nghị trong quá trình lắp đặt thực tế cần thiết kế hộp che sáng chuyên dụng cho khu vực đặt cảm biến TCS3200 để tránh nhiễu quang học từ môi trường bên ngoài, đồng thời sử dụng các bộ giảm chấn cơ khí để triệt tiêu rung động trên các trục vít me.

Đóng góp của đề tài

So với các nghiên cứu và ứng dụng AS/RS truyền thống, đồ án có những đóng góp cụ thể mà tác giả đã chứng minh:

  • Đã hiện thực hóa giải pháp điều khiển lưu kho nhiều trục và phân loại màu sắc bằng vi điều khiển Arduino Mega 2560 kết hợp giao diện LabVIEW, chứng minh tính khả thi về mặt kỹ thuật của việc dùng hệ thống nhúng giá thành thấp thay thế PLC trong các mô hình tự động hóa quy mô nhỏ.
  • Cung cấp tài liệu thiết kế tích hợp hoàn chỉnh từ bản vẽ cơ khí 3D (SolidWorks), sơ đồ đấu nối điện (Fritzing), bảng thông số cài đặt driver/cảm biến cho đến giải thuật điều khiển và giao diện giám sát máy tính.

Hạn chế và hướng nghiên cứu tiếp

Hạn chế tồn tại

  • Cảm biến màu sắc TCS3200 hoạt động dựa trên nguyên lý quang học nên kết quả nhận diện dễ bị ảnh hưởng bởi sự thay đổi cường độ ánh sáng của môi trường xung quanh nếu không có hộp che chắn kín.
  • Tốc độ vận hành của hệ thống còn chậm do sử dụng các động cơ bước NEMA 17 công suất nhỏ và cơ cấu trục vít me bước nhỏ để ưu tiên độ chính xác vị trí.
  • Cơ cấu cơ khí in 3D và khung nhôm định hình phục vụ mô hình học tập có giới hạn về tải trọng nâng và còn tồn tại độ rơ cơ khí nhất định tại các khớp nối trục.
  • Dung lượng lưu trữ của mô hình chỉ dừng lại ở quy mô nhỏ (9 vị trí), chưa phản ánh hết tính phức tạp của thuật toán quản trị kho trong các tổng kho lớn có hàng nghìn vị trí.

Hướng nghiên cứu tiếp

  • Nâng cấp hệ thống nhận diện: Thay thế cảm biến quang TCS3200 bằng camera công nghiệp ứng dụng công nghệ thị giác máy tính (Computer Vision) kết hợp Trí tuệ nhân tạo (AI) để nhận diện đa dạng sản phẩm, đọc mã vạch (Barcode/QR code) và kiểm tra lỗi ngoại quan phôi.
  • Cải tiến phần cứng cơ khí: Thay thế cơ cấu vít me bằng động cơ servo hoặc bộ truyền đai răng công nghiệp có công suất lớn hơn nhằm tăng tốc độ di chuyển của tay máy và tăng tải trọng nâng hạ hàng hóa.
  • Tích hợp Internet vạn vật (IoT): Kết nối hệ thống điều khiển nhúng với nền tảng điện toán đám mây để xây dựng hệ thống quản lý kho hàng (WMS) hoàn chỉnh, cho phép theo dõi dữ liệu tồn kho, lịch sử xuất/nhập hàng từ xa qua thiết bị di động hoặc máy tính bảng.

Giá trị tham khảo

Đồ án là tài liệu tham khảo có giá trị chuyên môn đối với:

  • Sinh viên các ngành Kỹ thuật Điều khiển - Tự động hóa, Cơ điện tử, Kỹ thuật Robot và Công nghệ Kỹ thuật Điện - Điện tử đang thực hiện đồ án tốt nghiệp, đồ án môn học liên quan đến hệ thống phân loại sản phẩm, hệ thống lưu kho tự động AS/RS hoặc cánh tay robot 3 bậc tự do.
  • Giảng viên và cán bộ kỹ thuật tại các trường đại học, cao đẳng trong việc xây dựng mô hình thực hành cơ điện tử và phòng thí nghiệm điều khiển nhúng tích hợp máy tính.
  • Kỹ sư tại các doanh nghiệp nhỏ tìm kiếm tài liệu tham khảo để chế tạo các thiết bị phân loại, cấp phôi tự động với chi phí thấp trong dây chuyền sản xuất nội bộ.

Các phần nội dung có giá trị tham khảo cao nhất trong đồ án gồm:

  • Bản vẽ thiết kế 3D chi tiết của kết cấu kệ Selective, băng tải dây đai và cơ cấu robot 3 trục truyền động trục vít me trong phần thiết kế cơ khí.
  • Bảng thông số kỹ thuật, sơ đồ đấu nối chi tiết giữa vi điều khiển Arduino Mega 2560 với driver TB6600, cảm biến TCS3200 và các mạch hạ áp trong Chương 3.
  • Thuật toán đo và phân loại màu sắc bằng cách đo tần số xung vuông kết hợp với giải pháp thiết kế giao diện giám sát 2 chế độ Auto/Manual trên nền tảng LabVIEW.

Câu hỏi thường gặp

Hệ thống lưu kho trong đồ án sử dụng loại kệ nào và quy tắc sắp xếp các màu sắc vào các vị trí được quy định ra sao?
Hệ thống sử dụng mô hình kệ lưu kho Selective thu nhỏ gồm 9 ô vị trí, chia làm 3 hàng và 3 cột. Quy tắc lưu trữ được cố định theo màu sắc: 3 cột của hàng thứ nhất (trên cùng) dành cho phôi màu Xanh lá; 3 cột của hàng thứ hai (ở giữa) dành cho phôi màu Đỏ; 3 cột của hàng thứ ba (dưới cùng) dành cho phôi màu Xanh dương. Khi kho đã lưu đủ 3 phôi của một màu, các phôi cùng màu tiếp theo đưa vào sẽ được chuyển sang khay chứa phôi lỗi.

Kích thước, hình dạng và vật liệu chế tạo của phôi sản phẩm trong mô hình là gì?
Phôi sản phẩm được thiết kế dạng hình hộp chữ nhật với kích thước chuẩn 7 cm x 7 cm x 4 cm. Phôi được gia công bằng công nghệ in 3D từ chất liệu nhựa PLA với 3 màu sắc tiêu chuẩn là Đỏ, Xanh lá và Xanh dương, đảm bảo trọng lượng nhẹ và độ ma sát phù hợp với bề mặt băng tải.

Vì sao tác giả lựa chọn vi điều khiển Arduino Mega 2560 thay vì bộ điều khiển lập trình công nghiệp PLC?
Việc lựa chọn vi điều khiển Arduino Mega 2560 cấp nguồn 5V và 12VDC nhằm mục tiêu giảm thiểu chi phí đầu tư thiết bị và hạ tầng điện so với PLC công nghiệp đắt đỏ. Giải pháp này giúp tối ưu hóa kích thước mô hình, giảm chi phí lắp đặt, vận hành và chứng minh khả năng ứng dụng của hệ thống nhúng mã nguồn mở cho các kho bãi quy mô vừa và nhỏ.

Cảm biến TCS3200 thực hiện nguyên lý chuyển đổi tín hiệu màu sắc sang dạng dữ liệu số cho vi điều khiển như thế nào?
Cảm biến TCS3200 sử dụng mảng 8x8 gồm 64 đi-ốt quang (16 lọc đỏ, 16 lọc xanh lá, 16 lọc xanh dương và 16 không lọc). Khi nhận ánh sáng phản xạ từ phôi, các đi-ốt quang tạo ra dòng điện tương ứng. Bộ chuyển đổi dòng điện thành tần số tích hợp trên chip sẽ chuyển tín hiệu này thành sóng vuông với tần số tỷ lệ thuận với cường độ sáng của màu được chọn. Tần số này được xuất ra qua chân OUT để vi điều khiển Arduino đo đạc chu kỳ và tính toán giá trị RGB.

Các cơ cấu chấp hành và điều khiển chuyển động của robot lưu kho và băng tải bao gồm những thiết bị cụ thể nào?
Cơ cấu robot lưu kho 3 trục sử dụng bộ truyền trục vít me dẫn động bởi 3 động cơ bước NEMA 17 (kích thước mặt bích 42 mm), được điều khiển bởi 3 driver TB6600. Băng tải dây đai sử dụng 1 động cơ giảm tốc DC GA25-370 (điện áp 12V, tốc độ 280 rpm) được điều khiển đóng ngắt nguồn thông qua 1 mô-đun rơ-le 5VDC (kích hoạt mức cao).

Kết luận

Đồ án tốt nghiệp của tác giả Nguyễn Ngọc Tuấn Anh đã thiết kế, chế tạo và thử nghiệm thành công mô hình hệ thống lưu kho tự động kết hợp phân loại sản phẩm theo màu sắc dựa trên nền tảng vi điều khiển Arduino Mega 2560 và giao diện giám sát LabVIEW. Nghiên cứu đã giải quyết trọn vẹn bài toán tích hợp liên ngành giữa kết cấu cơ khí (kệ Selective, băng tải dây đai, robot 3 trục truyền động trục vít me), mạch điện động lực - điều khiển và giải thuật phân loại quang học qua cảm biến TCS3200. Kết quả thực nghiệm khẳng định tính khả thi của giải pháp nhúng chi phí thấp trong việc tự động hóa quy trình phân loại và lưu trữ hàng hóa, mở ra hướng ứng dụng hiệu quả cho các mô hình nhà xưởng vừa và nhỏ hoặc phục vụ đào tạo kỹ thuật thực hành.