Bối cảnh và vấn đề nghiên cứu

Xe dò line (Line Following Robot) là một dạng robot di động tự hành di chuyển bằng bánh xe, có khả năng định hướng và bám theo quỹ đạo định sẵn trên mặt sàn. Trong kỹ thuật, xe dò line đóng vai trò là mô hình nền tảng phục vụ nghiên cứu và phát triển các hệ thống cơ điện tử quy mô lớn trong công nghiệp như xe tự hành dẫn đường tự động (AGV), robot vận chuyển kho bãi và robot tránh vật cản.

Đồ án môn học Thiết kế hệ thống Cơ điện tử với đề tài "Thiết kế mobile platform bám line cho trước" được thực hiện bởi nhóm sinh viên Khoa Cơ khí - Bộ môn Cơ điện tử, Trường Đại học Bách khoa - Đại học Quốc gia TP. Hồ Chí Minh năm 2021, dưới sự hướng dẫn của PGS. TS Nguyễn Tấn Tiến và TS Dương Văn Tú.

Mục tiêu và nhiệm vụ nghiên cứu của đề tài bao gồm:

  1. Thiết kế và chế tạo hoàn chỉnh một mobile robot có khả năng di chuyển bám line trên sa bàn định trước với độ ổn định cao.
  2. Thiết kế kết cấu cơ khí nhỏ gọn, vững chắc, đáp ứng các tiêu chuẩn về độ bền, độ cứng vững và đảm bảo điều kiện không bị trượt bánh hoặc lật xe khi vào cua với bán kính cong tối thiểu $R_{min} = 500\text{ mm}$.
  3. Thiết kế hệ thống điện và phần cứng điều khiển phân cấp đáp ứng yêu cầu xử lý tín hiệu cảm biến quang, điều khiển vận tốc động cơ vòng kín và bám quỹ đạo thời gian thực.
  4. Xây dựng mô hình động học, nhận dạng hàm truyền động cơ thực nghiệm và thiết kế thuật toán điều khiển bám line kết hợp điều khiển PID.
  5. Mô phỏng động học hệ thống trên phần mềm và thực hiện thử nghiệm kiểm chứng từng khối chức năng trên mô hình thực tế.

Đối tượng nghiên cứu là mobile robot 3 bánh (2 bánh trước dẫn động vi sai, 1 bánh mắt trâu dẫn hướng phía sau). Phạm vi nghiên cứu giới hạn trên sa bàn phẳng có đường line màu đen bản rộng $19\text{ mm}$ trên nền trắng, bán kính cong quỹ đạo tối thiểu $500\text{ mm}$. Do giới hạn về thời gian đáp ứng của động cơ thực nghiệm ($t_{settling} = 0{,}13\text{ s}$), vận tốc tối đa của xe được nhóm hiệu chỉnh từ $2{,}0\text{ m/s}$ xuống $v_{max} = 0{,}7\text{ m/s}$, với sai số bám line cho phép $e_{max} \le \pm 18\text{ mm}$.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp

Đồ án ứng dụng tổng hợp các cơ sở lý thuyết chuyên ngành Cơ điện tử và Kỹ thuật Điều khiển:

  • Lý thuyết động học robot di động (Nonholonomic Mobile Robot): Mô hình hóa chuyển động của robot 2 bánh vi sai dựa trên hệ tọa độ tham chiếu cục bộ và toàn cục, xác định các sai số tiếp tuyến ($e_1$), sai số pháp tuyến ($e_2$) và sai số góc lệch hướng ($e_3$).
  • Lý thuyết điều khiển phi tuyến và tiêu chuẩn ổn định Lyapunov: Thiết kế bộ điều khiển tracking quỹ đạo đảm bảo trạng thái sai số $[e_1, e_2, e_3]^T$ hội tụ tiệm cận về gốc tọa độ $[0, 0, 0]^T$.
  • Lý thuyết điều khiển tự động và nhận dạng hệ thống: Sử dụng giải thuật PID số (rời rạc hóa) điều khiển vòng kín vận tốc động cơ DC có phản hồi encoder; công cụ System Identification (Ident) trong MATLAB để xác định hàm truyền thực nghiệm bậc 2 của hai cụm động cơ.
  • Lý thuyết xử lý tín hiệu cảm biến: Phương pháp tính trọng số trung bình (Center of Gravity) từ dãy tín hiệu tương tự (Analog) của các cảm biến quang để xác định tọa độ tâm đường line.
  • Cơ sở thiết kế máy và dung sai lắp ghép: Tính toán sức bền chi tiết bằng phương pháp phần tử hữu hạn (FEM); thiết kế chuỗi kích thước và phân bố dung sai lắp ghép chi tiết theo tiêu chuẩn TCVN 2244-99.

Phương pháp nghiên cứu được triển khai kết hợp giữa nghiên cứu lý thuyết, mô phỏng số và thực nghiệm kiểm chứng:

  • Khảo sát, phân tích tổng quan các mẫu xe đua dò line trong và ngoài nước (cuộc thi MCR Đại học Trà Vinh 2017, CartisX04 tại Nhật Bản, Chariot tại LV Bots, Robot Pika tại Ba Lan, FireBall).
  • Tính toán động học, động lực học bánh xe, kiểm tra điều kiện chống trượt và chống lật khi vào cua.
  • Mô phỏng ứng suất và chuyển vị tấm thân xe trên phần mềm SolidWorks Simulation.
  • Nhận dạng hàm truyền động cơ thực tế và mô phỏng hệ thống bám line có nhúng sai số ngẫu nhiên của cảm biến trên MATLAB/Simulink.
  • Chế tạo phần cứng, hiệu chuẩn dãy cảm biến quang TCRT5000, đo kiểm thực nghiệm mạch công suất và mạch vi điều khiển.

Thiết kế và triển khai

Hệ thống mobile platform được thiết kế và chế tạo đồng bộ gồm 3 phân hệ chính: cơ khí, điện tử - phần cứng, và thuật toán điều khiển.

Thiết kế cơ khí

Robot sử dụng kết cấu 3 bánh với 2 bánh chủ động phía trước và 1 bánh mắt trâu bị động phía sau nhằm tối ưu hóa khả năng bám đường phẳng và giảm thiểu sai số đo của cảm biến đặt ở đầu xe.

Thông số kết cấu Giá trị thiết kế Đơn vị
Chiều dài tổng thể ($a$) 180 mm
Chiều rộng tổng thể ($b$) 138 mm
Chiều cao tổng thể ($c$) 65 mm
Khoảng cách 2 tâm bánh dẫn động ($x$) 150 mm
Chiều cao trọng tâm ($h$) 20 mm
Khoảng cách từ tâm cảm biến đến trục bánh trước ($d$) 30 mm
Chiều cao gầm xe ($k$) 15 mm
Chiều dày tấm thân xe nhôm 6061 ($i$) 1,5 mm
Tổng khối lượng toàn xe ($M_{total}$) 800 g

Chi tiết các cụm cơ khí:

  • Bánh chủ động: Bánh xe cao su V2 (đường kính $D = 65\text{ mm}$, bề rộng $27\text{ mm}$, khớp lục giác $12\text{ mm}$) có độ ma sát cao ($\mu_t = 0{,}8$), liên kết trực tiếp với trục động cơ.
  • Bánh bị động: Bánh mắt trâu kim loại Hshop (đường kính viên bi $12\text{ mm}$, chiều cao cụm $15\text{ mm}$).
  • Động cơ: Động cơ DC giảm tốc GA25-280rpm (điện áp định mức $12\text{V}$, công suất $4\text{W}$, tỉ số truyền $21{,}3:1$, tích hợp encoder 2 kênh xung kép 235 xung/vòng sau giảm tốc, momen hoạt động $0{,}056\text{ Nm}$).
  • Kiểm bền kết cấu: Tấm thân xe bằng hợp kim nhôm 6061 được kiểm nghiệm bền tĩnh bằng SolidWorks Simulation dưới tải trọng toàn bộ linh kiện ($800\text{ g}$). Kết quả cho thấy ứng suất tương đương Von Mises lớn nhất đạt $2{,}167 \times 10^7\text{ N/m}^2$, nhỏ hơn giới hạn chảy cho phép ($5{,}515 \times 10^7\text{ N/m}^2$); chuyển vị lớn nhất nhỏ hơn $0{,}3\text{ mm}$ (tại vị trí gá động cơ chỉ xấp xỉ $0{,}03\text{ mm}$).
  • Tính toán chuỗi dung sai: Mối lắp chốt định vị đồ gá động cơ chọn cấp chính xác $H7/n6$ ($\varnothing 3\text{ mm}$). Dung sai độ đồng tâm của 2 trục động cơ theo phương $x$ và phương $y$ được phân bố là $dx = dy = 0{,}085\text{ mm}$ ($T = 0{,}12\text{ mm}$), xác định kích thước chuỗi gia công theo phương pháp đổi lẫn chức năng hoàn toàn.

Thiết kế hệ thống điện và phần cứng

Hệ thống điện được thiết kế dạng module phân cấp nhằm giảm tải tính toán cho bộ điều khiển trung tâm và cách ly nhiễu giữa mạch điều khiển và mạch động lực:

  • Khối cảm biến dò line: Gồm 7 cặp cảm biến hồng ngoại TCRT5000 (LED phát hồng ngoại và Phototransistor thu) bố trí dạng đường thẳng, khoảng cách giữa 2 cảm biến liên tiếp là $13\text{ mm}$, kích thước bảng mạch $92 \times 21\text{ mm}$. Độ cao làm việc tối ưu từ cảm biến tới mặt sàn qua thực nghiệm là $11\text{ mm}$.
  • Khối công suất (Driver): Sử dụng IC L298N tích hợp 2 mạch cầu H, dòng tải tối đa $2\text{A/cầu}$, nhận tín hiệu logic đảo chiều và tín hiệu điều chế độ rộng xung (PWM) từ vi điều khiển để chỉnh tốc độ 2 động cơ.
  • Khối nguồn và hạ áp:
    • Nguồn động lực: Sử dụng 2 pin vuông $9\text{V}$ ghép nối tiếp ($18\text{V}$) qua mạch hạ áp IC LM7812 ổn định ở mức $12\text{V}$ cấp cho driver và động cơ.
    • Nguồn điều khiển: Sử dụng 1 pin vuông $9\text{V}$ Eveready Silver ($600\text{ mAh}$) qua IC LM7805 hạ áp xuống $5\text{V}$ cấp cho vi điều khiển, cảm biến và qua IC LM1117-3.3 tạo nguồn $3{,}3\text{V}$ nuôi encoder.
  • Cấu trúc điều khiển phân tầng (Hierarchical Architecture): Hệ thống tích hợp 3 vi điều khiển ATmega328P:
    • Slave 1 (ATmega328P TQFP): Đọc tín hiệu Analog từ 7 cảm biến quang qua bộ chuyển đổi ADC 10-bit, tính toán vị trí sai số và truyền dữ liệu về Master MCU qua giao tiếp nối tiếp UART (chân TX/RX).
    • Slave 2 (ATmega328P PDIP): Tiếp nhận tín hiệu xung ngắt từ 2 encoder, xuất 2 kênh xung PWM điều khiển tốc độ và nhận lệnh vận tốc đặt từ Master MCU qua giao tiếp I2C.
    • Master MCU (ATmega328P PDIP): Xử lý thuật toán bám line tracking tổng thể theo tiêu chuẩn Lyapunov, tính toán vận tốc đặt cho bánh trái/phải và giám sát hệ thống.
       +---------------------------------------------+
       |               MASTER MCU                    |
       |             (ATmega328P)                    |
       |  - Giải thuật Lyapunov Tracking quỹ đạo      |
       +---------------------------------------------+
             ^                               |
        UART | (Dữ liệu vị trí)         I2C | (Vận tốc đặt)
             v                               v
+------------------------+      +------------------------+
|       SLAVE 1          |      |        SLAVE 2         |
|     (ATmega328P)       |      |      (ATmega328P)      |
| - Đọc ADC 7 sensor     |      | - Đọc Encoder (Ngắt)   |
| - Tính trọng số vị trí |      | - Xuất PWM & Đảo chiều |
+------------------------+      +------------------------+
             |                               |
             v                               v
  [ Dãy 7 sensor TCRT5000 ]        [ Driver L298N & Motor ]

Nhận dạng hàm truyền và thuật toán điều khiển

Nhóm thực hiện nhận dạng mô hình động cơ thực nghiệm bằng công cụ System Identification trong MATLAB với chu kỳ lấy mẫu $T_s = 0{,}02\text{ s}$ ($N = 75$ mẫu).

Kết quả hàm truyền động cơ khi chưa có PID:

  • Động cơ trái: $G_{oL}(s) = \frac{420{,}2}{s^2 + 25{,}84s + 418{,}7}$ (độ chính xác xấp xỉ $87{,}40%$).
  • Động cơ phải: $G_{oR}(s) = \frac{773{,}2}{s^2 + 37{,}73s + 769{,}2}$ (độ chính xác xấp xỉ $91{,}00%$).

Sau khi áp dụng bộ điều khiển PID vận tốc với bộ thông số $K_p = 1{,}9187$, $K_d = 0$, hàm truyền vòng kín của hệ thống đạt được:

  • Động cơ trái: $G_{cL}(s) = \frac{1767}{s^2 + 62{,}66s + 1747}$ ($t_{settling} = 0{,}13\text{ s}$, độ vọt lố $%OS = 2{,}85%$, độ chính xác $88{,}91%$).
  • Động cơ phải: $G_{cR}(s) = \frac{1611}{s^2 + 66{,}99s + 1583}$ ($t_{settling} = 0{,}12\text{ s}$, độ vọt lố $%OS = 0{,}74%$, độ chính xác $91{,}12%$).

Bộ điều khiển bám line tracking được xây dựng theo hàm Lyapunov: $$V = \frac{1}{2}e_1^2 + \frac{1}{2}e_2^2 + \frac{1 - \cos(e_3)}{k_2}$$ Luật điều khiển vận tốc dài ($v$) và vận tốc góc ($\omega$) tương ứng: $$\begin{cases} v = v_R \cos(e_3) + k_1 e_1 \ \omega = k_2 v_R e_2 + \omega_R + k_3 \sin(e_3) \end{cases}$$ Với bộ hệ số điều khiển chọn qua mô phỏng: $[k_1, k_2, k_3] = [10, 1000, 1]$, chu kỳ lấy mẫu toàn hệ thống được thiết lập là $T_{sample} = 0{,}16\text{ s}$ (đảm bảo lớn hơn thời gian xác lập $0{,}13\text{ s}$ của động cơ).

Nội dung chính theo từng chương

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN

Chương 1 trình bày mục tiêu thiết kế mobile robot bám line chạy trên sa bàn cho trước, giới thiệu vai trò của xe dò line trong hệ thống cơ điện tử và nghiên cứu ứng dụng công nghiệp. Tác giả khảo sát chi tiết các cấu hình xe thực tế trong và ngoài nước:

Tên mẫu xe Cấu hình cơ khí Động cơ & Driver Vi điều khiển Cảm biến dò line Vận tốc tối đa
MCR Trà Vinh 2017 4 bánh (2 sau dẫn động, 1 servo lái trước) 2 DC + Servo RC, IC L298 PIC16F887 Cảm biến quang so sánh $1{,}6\text{ m/s}$
CartisX04 (Nhật Bản) 4 bánh sau + 1 bánh lái trước 2 Maxon DCX10L + RE10 STM32F103RE 6 Sharp GP2S700 + Gyro ISZ-650 $> 1{,}0\text{ m/s}$
Chariot (LV Bots) 3 bánh (2 sau chủ động, 1 trước tự lựa) DC Servo, IC D24V25F7 ATmega32u4 6 QTR-8RC $2{,}0\text{ m/s}$
Robot Pika (Ba Lan) 4 bánh (2 bánh động cơ, 2 bánh mắt trâu) 2 DC ($D = 34\text{ mm}$) MCU chuyên dụng Cảm biến quang mảng $2{,}7\text{ m/s}$
FireBall 4 bánh ($D = 60\text{ mm}$) 2 DC Motor MCU chuyên dụng 8 QTR-8RC $3{,}0\text{ m/s}$

Từ các tiêu chuẩn tham khảo (vận tốc $1{,}5 - 4{,}2\text{ m/s}$, kích thước $< 280 \times 180 \times 40\text{ mm}$, trọng lượng $< 500\text{ g}$), tác giả xác định thông số đầu bài thiết kế cho robot với sa bàn $R_{min} = 500\text{ mm}$, bề rộng line $19\text{ mm}$, $v_{max}$ hiệu chỉnh $0{,}7\text{ m/s}$, $e_{max} \le \pm 18\text{ mm}$.

CHƯƠNG 2: LỰA CHỌN PHƯƠNG ÁN

Chương này thực hiện phân tích và so sánh các phương án kỹ thuật để chọn giải pháp tối ưu:

  • Cơ khí: So sánh xe 3 bánh và 4 bánh; chọn cấu hình 3 bánh với 2 bánh trước dẫn động và 1 bánh mắt trâu sau nhằm đảm bảo 3 điểm tiếp xúc luôn đồng phẳng trên mặt sàn, dễ kiểm soát quay vòng và cho phép bố trí cảm biến gần trục dẫn động để giảm sai số bám line.
  • Động cơ: So sánh động cơ bước (Step), động cơ Servo và động cơ DC có encoder. Chọn động cơ DC gắn encoder quang học để điều khiển vận tốc vòng kín êm ái, đáp ứng nhanh và momen xoắn ổn định.
  • Cảm biến: So sánh cảm biến số (Digital IR), xử lý ảnh qua Camera và cảm biến tương tự (Analog Phototransistor/Photoresistor). Lựa chọn cảm biến quang Phototransistor kết hợp LED hồng ngoại nhờ thời gian đáp ứng nhanh ($< 0{,}1\text{ s}$), ít chịu ảnh hưởng nhiệt độ và độ nhạy cao.
  • Xử lý tín hiệu và giải thuật: Chọn phương pháp xấp xỉ trọng số trung bình (sai số thực nghiệm $2{,}6\text{ mm}$) thay vì phương pháp so sánh ngưỡng hoặc nội suy bậc 2 (sai số $5\text{ mm}$). Bố trí 7 cảm biến dạng đường thẳng.
  • Bộ điều khiển và cấu trúc: Lựa chọn giải thuật Lyapunov Tracking kết hợp PID vòng kín; cấu trúc điều khiển phân tầng 3 MCU (Master - Slave) giúp giảm tải xử lý và tăng tốc độ lấy mẫu.

CHƯƠNG 3: SƠ ĐỒ GANTT CHO ĐỒ ÁN

Chương 3 trình bày kế hoạch tổ chức thực hiện đồ án qua 15 tuần làm việc với bảng phân công chi tiết cho 3 thành viên (Hòa phụ trách Cơ khí, Ân phụ trách Điện, An phụ trách Điều khiển & Mô phỏng). Tác giả so sánh sơ đồ GANTT dự kiến ban đầu, sơ đồ tiến độ thực tế và sơ đồ GANTT hoàn thiện cuối cùng, phản ánh việc điều chỉnh thời gian thiết kế và thực nghiệm do tác động của giai đoạn làm việc từ xa.

CHƯƠNG 4: THIẾT KẾ

Chương 4 là chương trọng tâm trình bày toàn bộ quá trình tính toán và thiết kế chi tiết:

  • Tính toán cơ học: Lựa chọn bánh xe V2 ($D = 65\text{ mm}$), bánh mắt trâu bi kim loại $12\text{ mm}$. Tính momen kéo yêu cầu $T = 0{,}055\text{ Nm}$, momen chống trượt $T_{tr} = 0{,}0692\text{ Nm}$, vận tốc góc $\omega = 25{,}85\text{ rad/s}$ ($247\text{ rpm}$), công suất $P = 1{,}4\text{ W}$. Chọn động cơ DC GA25-280rpm ($4\text{W}$, $12\text{V}$, $0{,}056\text{ Nm}$).
  • Điều kiện động lực học: Xác định điều kiện xe vào cua không trượt ($v \le 2\text{ m/s}$) và không lật ($h \le 85\text{ mm}$, thiết kế thực tế $h = 20\text{ mm}$).
  • Dung sai và đồ gá: Thiết kế đồ gá nhôm 6061 kích thước $28{,}5 \times 25 \times 5\text{ mm}$, giải bài toán chuỗi kích thước tìm dung sai khâu bù $TA_4 = 5_{-0{,}005}^{0}\text{ mm}$ theo phương $x$ và phương $y$.
  • Thiết kế mạch điện: Thiết kế sơ đồ nguyên lý và layout mạch PCB trên phần mềm Proteus cho cụm 7 cảm biến TCRT5000, mạch driver IC L298N, khối nguồn IC 7812/7805/LM1117-3.3 và mạch vi điều khiển 3 chip ATmega328P.
  • Mô hình hóa và nhận dạng: Thiết lập phương trình vi phân mô hình động học nonholonomic, nhận dạng hàm truyền 2 động cơ trước và sau khi có PID trên MATLAB Ident.

CHƯƠNG 5: MÔ PHỎNG HOẠT ĐỘNG CỦA XE ROBOT

Chương 5 trình bày kết quả mô phỏng động học trên MATLAB/Simulink:

  • Mô phỏng lý thuyết (chưa nhúng sai số): Xe bám quỹ đạo mượt mà với các hệ số $[k_1, k_2, k_3] = [10, 1000, 1]$, đáp ứng vận tốc góc 2 bánh ổn định.
  • Mô phỏng thực tế (đã nhúng sai số và hàm truyền động cơ): Đưa hàm truyền vòng kín của 2 động cơ ($t_{settling} = 0{,}13\text{ s}$ và $0{,}12\text{ s}$) và mô phỏng sai số ngẫu nhiên của dãy cảm biến trong khoảng $\pm 3{,}3\text{ mm}$ với chu kỳ lấy mẫu $T_s = 0{,}16\text{ s}$.
  • Kết quả: Sai số bám line cực đại đạt được là $e_{2_max} = \pm 16\text{ mm}$, đáp ứng yêu cầu đặt ra ban đầu ($e_{max} \le \pm 18\text{ mm}$). Tốc độ động cơ dao động từ $120$ đến $260\text{ rpm}$, hoàn toàn tương thích với dải hoạt động của động cơ GA25 ($280\text{ rpm}$).

CHƯƠNG 6: THỰC NGHIỆM

Chương 6 tổng hợp kết quả chế tạo và đo kiểm phần cứng:

  • Gia công cơ khí: Cắt laser CNC nhôm 6061 cho tấm thân xe, đồ gá, tấm che cảm biến; gia công chấn hộp pin; khoan và doa lỗ chốt định vị; lắp ghép bulong lục giác đầu dù và đầu chìm.
  • Thực nghiệm cảm biến: Đo kiểm tín hiệu phản xạ tại các độ cao từ $9\text{ mm}$ đến $15\text{ mm}$, xác định độ cao tối ưu là $11\text{ mm}$. Thực hiện hiệu chuẩn (calib) 7 cảm biến đưa giá trị điện áp đọc về dải chuẩn hóa $y_{min} = 200$ đến $y_{max} = 990$:
Cảm biến thứ $i$ Giá trị lớn nhất ($x_{max}$) Giá trị nhỏ nhất ($x_{min}$) Phương trình hiệu chuẩn sau calib
Sensor 1 951 243 $y_{j1} = 200 + 1{,}1158(x_{j1} - 243)$
Sensor 2 966 306 $y_{j2} = 200 + 1{,}1970(x_{j2} - 306)$
Sensor 3 949 224 $y_{j3} = 200 + 1{,}0900(x_{j3} - 224)$
Sensor 4 954 264 $y_{j4} = 200 + 1{,}1450(x_{j4} - 264)$
Sensor 5 970 273 $y_{j5} = 200 + 1{,}1330(x_{j5} - 273)$
Sensor 6 967 234 $y_{j6} = 200 + 1{,}0780(x_{j6} - 234)$
Sensor 7 958 287 $y_{j7} = 200 + 1{,}1770(x_{j7} - 287)$

Sai số thực nghiệm lớn nhất của dãy cảm biến sau calib là $e_{max} = 3{,}3\text{ mm}$.

  • Thực nghiệm nguồn và công suất: Mạch hạ áp LM7812 duy trì điện áp đầu ra ổn định $12\text{V}$ (điện áp 2 đầu động cơ đạt $11{,}3\text{V}$), hoạt động liên tục trong 5 phút mà IC LM7812 và L298N không bị quá nhiệt.
  • Hoàn thiện mô hình thực tế: Lắp ráp hoàn chỉnh xe thực tế với đầy đủ khung vỏ, mạch điều khiển trung tâm và cụm cảm biến có hộp che chắn ánh sáng môi trường.

Kết quả và đóng góp

Đồ án đã hoàn thành các mục tiêu kỹ thuật cụ thể với các số liệu nghiệm thu rõ ràng:

  • Chế tạo thành công mô hình robot 3 bánh hoàn chỉnh với kích thước $180 \times 138 \times 65\text{ mm}$, tổng khối lượng $800\text{ g}$, gầm xe cao $15\text{ mm}$ và trọng tâm thấp $20\text{ mm}$.
  • Kết cấu cơ khí đảm bảo bền tĩnh (ứng suất lớn nhất $2{,}167 \times 10^7\text{ N/m}^2 < 5{,}515 \times 10^7\text{ N/m}^2$, chuyển vị gá $< 0{,}03\text{ mm}$) và thỏa mãn điều kiện ổn định không lật, không trượt ở vận tốc $0{,}7\text{ m/s}$.
  • Ứng dụng thành công cấu trúc điều khiển phân tầng 3 vi điều khiển ATmega328P giao tiếp qua UART và I2C, giải phóng tài nguyên tính toán cho MCU chính.
  • Xác định chính xác hàm truyền thực nghiệm bậc 2 của động cơ DC GA25 bằng công cụ MATLAB Ident và tối ưu hóa bộ điều khiển PID giúp giảm thời gian xác lập xuống $0{,}12 - 0{,}13\text{ s}$ (độ vọt lố $< 3%$).
  • Dãy 7 cảm biến TCRT5000 sau khi hiệu chuẩn đạt sai số xác định vị trí $e_{max} = 3{,}3\text{ mm}$ ở độ cao làm việc tối ưu $11\text{ mm}$. Kết quả mô phỏng hệ thống nhúng sai số đạt sai số bám line lớn nhất $e_2 = \pm 16\text{ mm}$, nằm trong giới hạn cho phép $\pm 18\text{ mm}$.

Đóng góp chính của đồ án là xây dựng một quy trình thiết kế hệ thống Cơ điện tử hoàn chỉnh, chặt chẽ từ khâu tính toán dung sai chi tiết gia công máy, phân tích động lực học, thiết kế mạch phần cứng chuyên dụng, đến nhận dạng mô hình thực nghiệm và áp dụng lý thuyết điều khiển phi tuyến Lyapunov cho robot di động tự hành.

Hạn chế và hướng nghiên cứu tiếp

Các hạn chế được tác giả ghi nhận trong báo cáo:

  • Động cơ DC thực nghiệm có quán tính lớn dẫn đến thời gian xác lập ($0{,}13\text{ s}$) chưa đủ nhỏ, khiến chu kỳ lấy mẫu của hệ thống bám line phải kéo dài lên $0{,}16\text{ s}$, do đó chưa thể điều khiển xe chạy ổn định ở dải vận tốc cao ($\ge 2{,}0\text{ m/s}$).
  • Chưa thực hiện đo trực tiếp sai số góc quay $e_3$ trên mô hình thực tế để khép kín hoàn toàn bộ điều khiển Lyapunov tracking trong thực nghiệm bám line.
  • Các hệ số của bộ điều khiển PID và Lyapunov chưa được tối ưu hóa tự động theo sự thay đổi của mặt đường.
  • Điều kiện làm việc từ xa trong giai đoạn dịch bệnh năm 2021 ảnh hưởng đến tiến độ thử nghiệm bám line thực tế trên toàn bộ sa bàn.

Hướng nghiên cứu tiếp theo:

  • Thay thế động cơ DC chất lượng cao hơn có thời gian đáp ứng nhỏ để nâng vận tốc di chuyển lên mức $\ge 2{,}0\text{ m/s}$.
  • Bổ sung cảm biến con quay hồi chuyển (Gyroscope/IMU) để đo trực tiếp sai số góc lệch $e_3$, hoàn thiện giải thuật Lyapunov thực nghiệm hoặc ứng dụng điều khiển mờ (Fuzzy Control).
  • Ứng dụng giải thuật học tăng cường (Q-learning/DQN) cho phép robot ghi nhớ đường đua và tối ưu hóa vận tốc qua từng vòng chạy.
  • Mở rộng mô hình nghiên cứu lên quy mô robot tự hành công nghiệp như AGV, AMR phục vụ vận chuyển hàng hóa tự động trong nhà xưởng.

Giá trị tham khảo

Đồ án là tài liệu tham khảo có giá trị cao đối với sinh viên và kỹ sư các ngành Kỹ thuật Cơ điện tử, Kỹ thuật Điều khiển & Tự động hóa, và Kỹ thuật Cơ khí.

Các nội dung có giá trị ứng dụng trực tiếp bao gồm:

  • Quy trình giải bài toán chuỗi kích thước và phân bố dung sai lắp ghép chi tiết cơ khí theo tiêu chuẩn TCVN cho đồ gá động cơ và chốt định vị.
  • Phương pháp thực nghiệm nhận dạng hàm truyền động cơ DC bằng công cụ MATLAB System Identification Toolbox và phương pháp thiết kế bộ điều khiển PID số.
  • Thiết kế layout mạch in PCB hoàn chỉnh cho cụm cảm biến quang TCRT5000, mạch công suất cầu H L298N và khối điều khiển phân tầng 3 vi điều khiển ATmega328P.
  • Phương trình và giải thuật hiệu chuẩn cảm biến analog kết hợp thuật toán tính trọng số trung bình định vị đường line.

Câu hỏi thường gặp

1. Tại sao nhóm tác giả lựa chọn cấu hình xe 3 bánh với 2 bánh trước dẫn động thay vì cấu hình 4 bánh hoặc 2 bánh sau dẫn động?
Kết cấu 3 bánh đảm bảo 3 điểm tiếp xúc luôn tạo thành một mặt phẳng xác định, giúp bánh xe bám đường tốt và không bị trượt như kết cấu 4 bánh khi chạy trên mặt sàn. Đồng thời, việc bố trí 2 bánh dẫn động ở phía trước giúp giảm sai số bám line do cảm biến được đặt rất gần trục bánh chủ động ($d = 30\text{ mm}$), giúp xe vào cua ổn định và ít nguy cơ bị lật hơn so với trường hợp đặt bánh dẫn động phía sau.

2. Nguyên nhân kỹ thuật nào buộc nhóm nghiên cứu phải hiệu chỉnh vận tốc thiết kế tối đa từ $2{,}0\text{ m/s}$ xuống $0{,}7\text{ m/s}$?
Do động cơ DC GA25 thực nghiệm có thời gian xác lập sau khi điều khiển PID là $t_{settling} = 0{,}13\text{ s}$. Để đảm bảo động cơ đáp ứng được tốc độ mong muốn trước khi vi điều khiển Master cấp vận tốc mới, chu kỳ lấy mẫu của bộ điều khiển bám line phải đặt ở mức $T_s = 0{,}16\text{ s}$. Với chu kỳ lấy mẫu lớn này, nếu xe chạy ở tốc độ cao ($> 1{,}0\text{ m/s}$), quãng đường di chuyển giữa 2 lần lấy mẫu quá dài sẽ làm xe mất ổn định và văng khỏi đường line.

3. Kiến trúc điều khiển phân tầng của xe gồm những vi điều khiển nào và phân chia nhiệm vụ ra sao?
Hệ thống sử dụng 3 vi điều khiển ATmega328P:

  • Slave 1 (bản dán TQFP): Đọc ADC 10-bit từ 7 cảm biến TCRT5000, tính toán sai số vị trí và gửi dữ liệu về Master qua UART.
  • Slave 2 (bản cắm PDIP): Tiếp nhận ngắt ngoài từ 2 encoder, xuất xung PWM điều khiển IC L298N và giao tiếp với Master qua I2C.
  • Master MCU (bản cắm PDIP): Tiếp nhận dữ liệu, tính toán giải thuật bám line Lyapunov và phân phối vận tốc đặt cho Slave 2.

4. Phương pháp xác định tâm đường line từ dãy cảm biến được chọn là gì và có ưu điểm gì so với phương pháp khác?
Nhóm chọn phương pháp xấp xỉ trọng số trung bình (Center of Gravity) từ 7 cảm biến analog. Phương pháp này đạt sai số thực nghiệm trung bình bình phương là $2{,}6\text{ mm}$, chính xác hơn so với phương pháp nội suy bậc 2 ($5{,}0\text{ mm}$) và phương pháp so sánh ngưỡng ON-OFF, đồng thời cho phép gộp 7 giá trị cảm biến thành một giá trị sai số duy nhất độc lập với độ dày đường line.

5. Kết quả kiểm nghiệm độ bền tấm thân xe và hiệu chuẩn cảm biến đạt các thông số nào?
Mô phỏng FEM trên SolidWorks Simulation cho thấy tấm thân xe nhôm 6061 dày $1{,}5\text{ mm}$ có ứng suất lớn nhất $2{,}167 \times 10^7\text{ N/m}^2$ (thấp hơn nhiều so với giới hạn chảy $5{,}515 \times 10^7\text{ N/m}^2$) và chuyển vị cực đại $< 0{,}3\text{ mm}$. Thực nghiệm dãy 7 cảm biến TCRT5000 tại độ cao tối ưu $11\text{ mm}$ sau khi hiệu chuẩn theo dải giá trị $200 - 990$ đạt sai số đo lớn nhất $e_{max} = 3{,}3\text{ mm}$.

Kết luận

Đồ án "Thiết kế mobile platform bám line cho trước" đã hoàn thành trọn vẹn quy trình nghiên cứu, thiết kế và chế tạo một mô hình robot di động 3 bánh bám line hoàn chỉnh trên nền tảng kỹ thuật Cơ điện tử. Nhóm tác giả đã kết hợp chặt chẽ giữa tính toán động lực học, thiết kế dung sai cơ khí, xây dựng phần cứng phân tầng 3 vi điều khiển ATmega328P và nhận dạng hệ thống thực nghiệm trên MATLAB. Mặc dù vận tốc tối đa bị giới hạn ở mức $0{,}7\text{ m/s}$ do đặc tính đáp ứng của động cơ thực nghiệm, kết quả mô phỏng và thử nghiệm từng khối chức năng đều đáp ứng đầy đủ các tiêu chuẩn kỹ thuật về độ bền, độ ổn định và sai số bám quỹ đạo ($e_2 \le \pm 16\text{ mm}$). Đây là cơ sở thực nghiệm vững chắc để tiếp tục hoàn thiện và phát triển các hệ thống xe tự hành AGV/AMR trong sản xuất công nghiệp.