Đồ Án Thiết Kế Nền Tảng Di Động Bám Line Cho Robot

Khám phá đồ án thiết kế hệ thống cơ điện tử với chủ đề thiết kế nền tảng di động bám line cho trước, ứng dụng trong công nghệ hiện đại.

• Đề tài: Thiết Kế Nền Tảng Di Động Bám Line Cho Robot

Mục lục chi tiết

• TÊN ĐỀ TÀI
• LỜI CẢM ƠN
• DANH MỤC CÁC BẢNG
• DANH MỤC CÁC HÌNH
• 1. CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN
• 1.1. Mục tiêu thiết kế
• 1.2. Sơ lược về xe dò line
• 1.3. Một số thiết kế điển hình
• 1.4. Đầu bài thiết kế
• 2. CHƯƠNG 2: LỰA CHỌN PHƯƠNG ÁN
• 2.1. Kết cấu cơ khí
• 2.2. Các cách xử lí tín hiệu cảm biến
• 2.3. Bộ điều khiển
• 2.4. Cấu trúc điều khiển
• 3. CHƯƠNG 3: SƠ ĐỒ GANTT CHO ĐỒ ÁN
• 3.1. Sơ đồ GANTT tiến độ thật công việc
• 3.2. Sơ đồ GANTT cuối cùng
• 4. CHƯƠNG 4: THIẾT KẾ
• 4.1. Lựa chọn bánh chủ động và bánh bị động
• 4.2. Tính toán và lựa chọn động cơ
• 4.3. Xét điều kiện để xe vào cua không bị trượt
• 4.4. Xét điều kiện để vào cua không lật
• 4.5. Thiết kế thân xe và các bộ phận
• 4.6. Kiểm bền tấm thân xe
• 4.7. Thiết kế đồ gá động cơ – Tính toán dung sai
• 4.8. Độ nhám bề mặt
• 4.9. Thiết kế điện
• 4.9.1. Tính toán cảm biến
• 4.9.2. Lựa chọn và thiết kế mạch driver
• 4.9.3. Lựa chọn nguồn và mạch hạ áp
• 4.9.4. Thiết kế bộ điều khiển trung tâm
• 4.10. Mô hình hoá hệ thống
• 4.10.1. Mô hình động học của robot
• 4.10.2. Tìm hàm truyền động cơ
• 4.10.3. Thiết kế bộ điều khiển
• 4.10.4. Lưu đồ giải thuật điều khiển
• 5. CHƯƠNG 5: MÔ PHỎNG HOẠT ĐỘNG CỦA XE ROBOT
• 5.1. Mô phỏng sa bàn khi chưa nhúng sai số cảm biến và hàm truyền động cơ
• 5.2. Mô phỏng sa bàn khi đã nhúng sai số cảm biến và hàm truyền động cơ
• 5.3. Nhận xét kết quả mô phỏng
• 6. CHƯƠNG 6: THỰC NGHIỆM
• 6.1. Thực nghiệm phần điện và điều khiển
• 6.1.1. Thực nghiệm cảm biến
• 6.1.2. Thực nghiệm driver động cơ
• 6.1.3. Thực nghiệm nguồn mạch giảm áp
• 6.2. Hoàn thành thực nghiệm
• TÀI LIỆU THAM KHẢO

Tóm tắt

I. Nền tảng thiết kế robot bám line Từ khái niệm đến mục tiêu

Việc thiết kế nền tảng di động bám line cho robot là một bài toán cơ bản nhưng đóng vai trò then chốt trong lĩnh vực robotics. Một robot bám line, hay còn gọi là robot dò line, là một loại robot tự hành có khả năng di chuyển theo một vạch kẻ (line) được định sẵn trên một bề mặt. Nền tảng này không chỉ là một đề tài học thuật hấp dẫn cho sinh viên ngành cơ điện tử mà còn là cơ sở cho các ứng dụng quy mô lớn hơn như xe tự hành AGV (Automated Guided Vehicle) trong các nhà máy và kho vận thông minh. Mục tiêu chính của việc thiết kế là tạo ra một robot có độ ổn định cao, khả năng bám line chính xác trên cả đoạn thẳng và đoạn cong, đồng thời đạt được tốc độ di chuyển tối ưu. Các yếu tố cốt lõi cần xem xét bao gồm kết cấu cơ khí, hệ thống cảm biến, bộ vi điều khiển và thuật toán điều khiển. Một thiết kế thành công phải cân bằng được giữa chi phí, độ phức tạp và hiệu suất hoạt động. Tài liệu nghiên cứu "Thiết Kế Mobile Platform Bám Line Cho Trước" của nhóm sinh viên Đại học Bách khoa TP.HCM đã đặt ra các yêu cầu cụ thể: vận tốc tối đa đạt 0,7 m/s và sai số bám line không vượt quá ±18 mm, cho thấy sự tập trung vào độ chính xác và hiệu năng trong một khuôn khổ thực tế. Đây là nền tảng để xây dựng các hệ thống robotics cho người mới bắt đầu cũng như các dự án chuyên sâu.

1.1. Sơ lược về robot dò line và các ứng dụng thực tiễn

Một robot dò line (Line Following Robot) là một hệ thống cơ điện tử tự động, được trang bị các cảm biến dò line để phát hiện và di chuyển theo một đường kẻ, thường là màu đen trên nền trắng hoặc ngược lại. Nguyên lý hoạt động cơ bản dựa trên việc các cảm biến liên tục đọc sự tương phản màu sắc và gửi tín hiệu về bộ điều khiển trung tâm. Bộ điều khiển sau đó xử lý thông tin này để điều chỉnh tốc độ của các động cơ DC giảm tốc, giúp robot luôn đi đúng quỹ đạo. Ứng dụng của robot dò line rất đa dạng. Trong môi trường công nghiệp, chúng là tiền thân của xe tự hành AGV, chuyên vận chuyển hàng hóa, linh kiện trong các dây chuyền sản xuất và nhà kho. Trong các cuộc thi robotics, xe dò line là một hạng mục phổ biến, thách thức kỹ năng thiết kế cơ khí, lập trình và tối ưu hóa thuật toán của người tham gia. Ngoài ra, chúng còn được sử dụng trong các lĩnh vực như tự động hóa nông nghiệp, giao hàng, và thậm chí là các hệ thống dẫn đường cho người khiếm thị.

1.2. Phân tích các yêu cầu thiết kế ban đầu cho một robot

Để bắt đầu thiết kế nền tảng di động bám line cho robot, việc xác định các yêu cầu và thông số kỹ thuật ban đầu là cực kỳ quan trọng. Dựa trên tài liệu gốc, các tiêu chí chính bao gồm: Vận tốc tối đa (v_max) và sai số bám line cho phép (e_max). Trong đồ án này, vận tốc ban đầu được điều chỉnh còn 0.7 m/s do hạn chế của động cơ thực nghiệm, và sai số mục tiêu là ±18 mm. Các yêu cầu phụ khác bao gồm khả năng di chuyển ổn định qua các đoạn cong với bán kính tối thiểu (R_min = 500mm) mà không bị lật hay trượt bánh. Kích thước và trọng lượng của robot cũng cần được tối ưu để đảm bảo tính linh hoạt và hiệu quả năng lượng. Việc lựa chọn vật liệu cho khung xe, như nhôm 6061, phải đảm bảo độ cứng vững nhưng vẫn giữ trọng lượng nhẹ. Sai số bám line phụ thuộc trực tiếp vào nhiều yếu tố: bề rộng của vạch kẻ, độ nhạy và cách bố trí cảm biến hồng ngoại, và hiệu quả của bộ điều khiển.

II. Lựa chọn phương án thiết kế nền tảng di động robot tối ưu

Quá trình lựa chọn phương án là giai đoạn quyết định đến cấu trúc và hiệu năng tổng thể của robot. Việc thiết kế nền tảng di động bám line cho robot đòi hỏi phải cân nhắc kỹ lưỡng giữa các tùy chọn về kết cấu cơ khí, loại động cơ, và hệ thống cảm biến. Mỗi lựa chọn đều có ưu và nhược điểm riêng, ảnh hưởng trực tiếp đến độ ổn định, tốc độ và khả năng điều khiển của robot. Ví dụ, việc chọn giữa kết cấu 3 bánh và 4 bánh sẽ quyết định khả năng bám đường và nguy cơ bị lật khi vào cua. Tương tự, lựa chọn giữa động cơ DC, động cơ bước và động cơ servo sẽ ảnh hưởng đến độ chính xác và khả năng kiểm soát tốc độ. Theo tài liệu nghiên cứu, nhóm tác giả đã thực hiện so sánh chi tiết để đưa ra lựa chọn tối ưu nhất cho bài toán xe đua dò line tốc độ cao. Kết cấu 3 bánh với hai bánh chủ động phía trước được chọn vì khả năng bám đường tốt và mô hình điều khiển đơn giản. Động cơ DC giảm tốc có gắn encoder được ưu tiên để thực hiện điều khiển vòng kín chính xác. Hệ thống cảm biến dò line sử dụng phototransistor được chọn vì thời gian đáp ứng nhanh và độ chính xác cao, phù hợp với yêu cầu của đề tài.

2.1. So sánh kết cấu cơ khí 3 bánh và 4 bánh cho robot dò line

Kết cấu cơ khí là bộ khung xương của robot, quyết định sự ổn định và linh hoạt. Kết cấu 3 bánh, với 3 điểm tiếp xúc, luôn đảm bảo tất cả các bánh đều tiếp xúc với mặt phẳng di chuyển. Điều này giúp robot bám đường tốt hơn, đặc biệt trên các đoạn đường thẳng, và giảm hiện tượng trượt bánh. Tuy nhiên, nhược điểm của nó là trọng tâm phân bố không đều và dễ bị lật khi vào cua gấp ở tốc độ cao. Ngược lại, kết cấu 4 bánh cung cấp sự cân bằng tốt hơn, khó lật hơn và phù hợp khi cần mang tải nặng. Dù vậy, nó lại gặp khó khăn trong việc đảm bảo cả 4 bánh cùng tiếp xúc trên bề mặt không hoàn toàn phẳng, dẫn đến giảm khả năng bám đường và dễ bị trượt. Đối với yêu cầu của một xe đua robot dò line cần tốc độ và sự linh hoạt, kết cấu 3 bánh (với 2 bánh chủ động và 1 bánh tự lựa) được xem là lựa chọn hợp lý hơn, như đã được kết luận trong tài liệu tham khảo.

2.2. Tiêu chí lựa chọn động cơ DC giảm tốc và các linh kiện robot

Động cơ là trái tim của hệ thống truyền động. Việc lựa chọn đúng loại động cơ là yếu tố sống còn để robot đạt được vận tốc và khả năng tăng tốc mong muốn. Ba loại động cơ chính được xem xét là động cơ DC, động cơ bước (stepper), và động cơ servo. Động cơ bước có moment xoắn lớn ở tốc độ thấp nhưng khó điều khiển chính xác vận tốc và dễ bị trượt bước. Động cơ servo tích hợp sẵn bộ điều khiển cho độ chính xác cao nhưng thường đắt đỏ. Động cơ DC giảm tốc có gắn encoder là lựa chọn tối ưu cho bài toán này. Nó cho phép thực hiện điều khiển vòng kín, giúp điều chỉnh và duy trì vận tốc chính xác dựa trên tín hiệu phản hồi từ encoder. Các linh kiện làm robot khác như bánh xe cũng cần được lựa chọn cẩn thận. Bánh xe V2 với lốp cao su mềm được chọn vì độ ma sát và bám đường tốt, phù hợp cho khung xe robot 3 bánh.

2.3. Phân tích và lựa chọn loại cảm biến dò line phù hợp nhất

Hệ thống cảm biến dò line là đôi mắt của robot. Có nhiều công nghệ cảm biến khác nhau, từ camera xử lý ảnh đến cảm biến quang dẫn. Camera cho độ chính xác cao nhưng đòi hỏi năng lực xử lý lớn và thời gian đáp ứng chậm, không phù hợp cho xe đua tốc độ cao. Cảm biến quang dẫn, cụ thể là Phototransistor, là lựa chọn phổ biến nhất. So với Photoresistor, Phototransistor có thời gian phản hồi nhanh hơn và độ nhạy cao hơn. Kết hợp Phototransistor với LED phát tia hồng ngoại giúp tăng cường khả năng chống nhiễu từ ánh sáng môi trường. Nghiên cứu cũng chỉ ra rằng việc sử dụng giải thuật "xấp xỉ theo trọng số" để xử lý tín hiệu analog từ dãy cảm biến cho độ chính xác cao hơn so với phương pháp so sánh digital đơn thuần. Việc bố trí một dãy gồm 7 cảm biến hồng ngoại giúp robot xác định vị trí của mình so với tâm line một cách chính xác, ngay cả khi di chuyển vào các khúc cua.

III. Hướng dẫn chi tiết thiết kế hệ thống điện cho robot bám line

Hệ thống điện là mạng lưới thần kinh, kết nối và cung cấp năng lượng cho toàn bộ hoạt động của robot. Việc thiết kế nền tảng di động bám line cho robot đòi hỏi một hệ thống điện được tính toán và thiết kế cẩn thận, bao gồm ba thành phần chính: mạch cảm biến, mạch điều khiển động cơ (driver), và khối nguồn. Sơ đồ nguyên lý robot dò line cho thấy các khối này phải được kết nối một cách khoa học để đảm bảo tín hiệu được truyền đi chính xác và năng lượng được phân phối ổn định. Mạch cảm biến có nhiệm vụ chuyển đổi tín hiệu ánh sáng phản xạ thành tín hiệu điện áp. Mạch driver, sử dụng mạch cầu H L298N, có vai trò khuếch đại tín hiệu điều khiển từ vi điều khiển để cung cấp đủ dòng điện cho động cơ hoạt động, đồng thời cho phép đảo chiều quay. Khối nguồn phải được thiết kế để cung cấp các mức điện áp khác nhau cho từng bộ phận (ví dụ: 12V cho động cơ, 5V cho vi điều khiển) và cần có các mạch hạ áp để ổn định điện áp. Việc cách ly nguồn giữa mạch động lực và mạch điều khiển cũng là một yếu tố quan trọng để tránh nhiễu điện, đảm bảo hệ thống hoạt động ổn định.

3.1. Thiết kế mạch cảm biến hồng ngoại và phương pháp bố trí

Mạch cảm biến hồng ngoại sử dụng cặp LED phát và thu (phototransistor), cụ thể là loại TCRT5000. Thiết kế mạch yêu cầu tính toán chính xác giá trị các điện trở để đảm bảo LED hoạt động trong vùng an toàn và tín hiệu thu được rõ ràng nhất. Theo tài liệu, chiều cao tối ưu để đặt cảm biến so với mặt sàn là 11mm, đây là khoảng cách mà sự chênh lệch điện áp giữa nền trắng và nền đen là lớn nhất và ổn định nhất. Về cách bố trí, một dãy gồm 7 cảm biến được đặt thẳng hàng và cách đều nhau 13mm. Khoảng cách này được tính toán dựa trên bề rộng của line (19mm) để đảm bảo luôn có ít nhất hai cảm biến nằm trên line tại mọi thời điểm. Cách bố trí này, kết hợp với thuật toán trọng số, cho phép xác định vị trí tâm line với sai số thực nghiệm chỉ khoảng 3.3mm, đáp ứng tốt yêu cầu đề bài.

3.2. Lựa chọn mạch cầu H L298N để điều khiển động cơ hiệu quả

Việc điều khiển động cơ DC không thể thực hiện trực tiếp từ chân của vi điều khiển do dòng điện yêu cầu quá lớn. Do đó, cần một mạch công suất trung gian gọi là driver. Mạch cầu H L298N là một lựa chọn phổ biến và hiệu quả cho các dự án DIY robot. IC L298N tích hợp hai mạch cầu H, cho phép điều khiển độc lập hai động cơ DC. Nó có thể chịu được điện áp lên đến 12V và dòng tối đa 2A cho mỗi kênh, hoàn toàn phù hợp với thông số của động cơ DC giảm tốc GA25 được sử dụng. Mạch driver này nhận tín hiệu logic và tín hiệu PWM (Pulse Width Modulation) từ vi điều khiển. Tín hiệu logic (IN1, IN2) dùng để xác định chiều quay của động cơ, trong khi tín hiệu PWM cấp vào chân ENA (Enable) cho phép điều chỉnh tốc độ động cơ một cách mượt mà bằng cách thay đổi độ rộng xung.

3.3. Thiết kế khối nguồn và các mạch hạ áp ổn định cho hệ thống

Một nguồn điện ổn định là nền tảng cho mọi hệ thống điện tử. Trong thiết kế robot này, hệ thống yêu cầu nhiều mức điện áp khác nhau: 12V cho mạch động lực (động cơ), 5V cho vi điều khiển và cảm biến, và 3.3V cho encoder. Để đáp ứng yêu cầu này và tránh nhiễu, thiết kế sử dụng nguồn riêng biệt: hai pin 9V mắc nối tiếp (tạo ra 18V) cho mạch động lực và một pin 9V riêng cho mạch điều khiển. Để tạo ra các mức điện áp mong muốn, các IC ổn áp (voltage regulator) được sử dụng. Cụ thể, IC LM7812 được dùng để hạ áp từ 18V xuống 12V cho driver L298N. IC 7805 được dùng để hạ áp từ 9V xuống 5V cung cấp cho vi điều khiển Atmega328 và mạch cảm biến. Thiết kế này không chỉ đảm bảo cung cấp đúng điện áp mà còn giúp cách ly nhiễu điện từ động cơ, vốn là nguồn gây nhiễu lớn, sang mạch điều khiển nhạy cảm.

IV. Phương pháp lập trình và mô hình hóa điều khiển robot bám line

Phần hồn của thiết kế nền tảng di động bám line cho robot nằm ở thuật toán điều khiển và chương trình được nạp vào vi điều khiển. Đây là bộ não quyết định cách robot phản ứng với thông tin từ cảm biến để bám theo line một cách chính xác và mượt mà. Quá trình này bao gồm hai giai đoạn chính: mô hình hóa hệ thống và thiết kế bộ điều khiển. Mô hình hóa động học giúp biểu diễn mối quan hệ giữa vận tốc của các bánh xe và chuyển động tổng thể của robot. Từ đó, ta có thể xác định các sai số vị trí (e1, e2, e3) so với đường line mong muốn. Giai đoạn tiếp theo là thiết kế bộ điều khiển để giảm thiểu các sai số này về 0. Tài liệu nghiên cứu đã áp dụng hai giải thuật điều khiển mạnh mẽ. Thuật toán PID cho robot dò line được sử dụng trong vòng điều khiển tốc độ của từng động cơ, đảm bảo động cơ đạt được vận tốc yêu cầu một cách nhanh chóng và chính xác. Giải thuật điều khiển tracking, dựa trên tiêu chuẩn ổn định Lyapunov, được dùng để tính toán vận tốc cần thiết cho mỗi bánh xe dựa trên sai số vị trí của robot so với line. Sự kết hợp này tạo ra một hệ thống điều khiển thông minh và hiệu quả.

4.1. Xây dựng mô hình động học cho robot tự hành bám theo line

Mô hình hóa động học là bước đầu tiên để hiểu và điều khiển chuyển động của một robot tự hành. Mô hình này thiết lập một hệ tọa độ gắn với robot và một hệ tọa độ tham chiếu gắn với đường line. Mục tiêu là mô tả vị trí và hướng của robot (x, y, φ) thông qua vận tốc dài (v) và vận tốc góc (ω) của nó. Sai số động học được định nghĩa qua ba thành phần: sai số theo phương tiếp tuyến (e1), sai số theo phương pháp tuyến (e2 - khoảng cách từ robot đến line), và sai số góc lệch (e3). Sai số e2 là thông số quan trọng nhất, được xác định trực tiếp từ tín hiệu của dãy cảm biến dò line. Bằng cách đạo hàm các phương trình sai số theo thời gian, ta có thể xây dựng một hệ phương trình trạng thái, mô tả sự thay đổi của sai số dựa trên các biến điều khiển (v, ω). Mô hình này là cơ sở toán học vững chắc để thiết kế các bộ điều khiển tiên tiến.

4.2. Áp dụng thuật toán PID cho robot dò line để tối ưu tốc độ

Bộ điều khiển PID (Proportional-Integral-Derivative) là một trong những thuật toán điều khiển phản hồi phổ biến và hiệu quả nhất. Trong ứng dụng robot dò line, thuật toán PID được dùng để điều khiển tốc độ của từng động cơ một cách chính xác. Nó hoạt động bằng cách liên tục tính toán sai số giữa tốc độ mong muốn (được tính từ bộ điều khiển tracking) và tốc độ thực tế (đọc từ encoder). Thành phần Tỷ lệ (P) tạo ra một tín hiệu điều khiển tỷ lệ với sai số hiện tại. Thành phần Tích phân (I) giúp triệt tiêu sai số xác lập trong dài hạn. Thành phần Vi phân (D) giúp giảm thiểu dao động và cải thiện thời gian đáp ứng. Việc tinh chỉnh các hệ số Kp, Ki, Kd là một bước quan trọng, thường được thực hiện thông qua công cụ mô phỏng như PID Tuner của Matlab, để đạt được các tiêu chí thiết kế như thời gian xác lập (T_settling < 0.15s) và sai số xác lập thấp.

4.3. Xây dựng lưu đồ giải thuật cho việc lập trình robot dò đường

Lưu đồ giải thuật là bản thiết kế chi tiết cho chương trình điều khiển. Việc lập trình robot dò đường tuân theo một chu trình lặp liên tục. Vòng lặp chính bắt đầu bằng việc đọc giá trị analog từ 7 cảm biến hồng ngoại. Các giá trị này sau đó được hiệu chỉnh (calibrate) để loại bỏ sự sai khác giữa các cảm biến. Tiếp theo, chương trình áp dụng thuật toán trọng số trung bình để tính toán sai số vị trí (e2) của robot so với tâm line. Dựa trên sai số này và vận tốc tham chiếu, bộ điều khiển tracking sẽ tính toán ra vận tốc mong muốn cho bánh trái và bánh phải. Các giá trị vận tốc này sau đó được đưa vào bộ điều khiển PID của từng động cơ. Cuối cùng, bộ điều khiển PID sẽ xuất ra tín hiệu PWM tương ứng để điều khiển mạch cầu H L298N, điều chỉnh tốc độ thực tế của động cơ. Chu trình này lặp lại với tần suất cao (ví dụ 50Hz) để đảm bảo robot phản ứng nhanh và bám line mượt mà.

V. Kết quả mô phỏng và thực nghiệm nền tảng robot bám line

Giai đoạn mô phỏng và thực nghiệm là bước kiểm chứng cuối cùng, xác nhận tính đúng đắn của các lựa chọn thiết kế và hiệu quả của thuật toán điều khiển trong thiết kế nền tảng di động bám line cho robot. Mô phỏng, được thực hiện trên phần mềm Matlab, cho phép kiểm tra hoạt động của robot trong một môi trường lý tưởng hóa nhưng có tính đến các yếu tố thực tế như sai số cảm biến và đặc tính đáp ứng của động cơ (hàm truyền). Kết quả mô phỏng giúp tinh chỉnh các thông số của bộ điều khiển (K1, K2, K3 cho bộ tracking và Kp, Ki, Kd cho PID) trước khi triển khai trên phần cứng thực tế. Giai đoạn thực nghiệm bao gồm việc lắp ráp hoàn chỉnh robot, hiệu chỉnh hệ thống cảm biến, và cho robot chạy trên sa bàn thực tế. Việc so sánh kết quả giữa mô phỏng và thực nghiệm cung cấp cái nhìn sâu sắc về những khác biệt giữa lý thuyết và thực tế, từ đó đưa ra các cải tiến cần thiết. Nghiên cứu cho thấy kết quả mô phỏng và thực nghiệm có độ tương đồng cao, khẳng định sự thành công của mô hình thiết kế.

5.1. Phân tích kết quả mô phỏng robot trên sa bàn với sai số

Mô phỏng động học được thực hiện bằng cách tích hợp hàm truyền của hai động cơ sau khi đã có bộ điều khiển PID, đồng thời nhúng thêm sai số ngẫu nhiên (±3.3mm) vào giá trị đọc từ cảm biến dò line để mô phỏng điều kiện thực tế. Sa bàn ảo được thiết kế với các đoạn thẳng và đoạn cong có bán kính 500mm. Robot được mô phỏng chạy với vận tốc tối đa 0.7 m/s và thời gian lấy mẫu là 0.16s (phù hợp với thời gian đáp ứng của động cơ). Kết quả cho thấy quỹ đạo của robot bám rất sát đường line. Đồ thị sai số e2 theo thời gian cho thấy giá trị sai số lớn nhất là ±16mm, nằm trong giới hạn cho phép của yêu cầu thiết kế (±18mm). Điều này chứng tỏ giải thuật điều khiển tracking kết hợp PID là hoàn toàn phù hợp và có thể áp dụng vào mô hình thực tế.

5.2. Đánh giá kết quả thực nghiệm và hiệu chỉnh cảm biến dò line

Sau khi lắp ráp hoàn chỉnh khung xe robot 3 bánh và các mạch điện, bước quan trọng đầu tiên là hiệu chỉnh (calibration) cảm biến dò line. Quá trình này bao gồm việc đo giá trị analog lớn nhất (trên nền trắng) và nhỏ nhất (trên nền đen) của từng cảm biến. Dựa trên các giá trị này, một phương trình hiệu chỉnh được xây dựng để chuẩn hóa tín hiệu từ tất cả các cảm biến về cùng một dải giá trị (ví dụ từ 200 đến 990). Khi áp dụng thuật toán trọng số trung bình trên các giá trị đã được hiệu chỉnh, kết quả thực nghiệm cho thấy sai số tối đa giữa vị trí tính toán và vị trí thực tế của tâm line chỉ là 3.3mm. Mạch driver L298N và mạch hạ áp cũng hoạt động ổn định, không bị quá nhiệt. Mặc dù do hạn chế về động cơ, robot chưa thể chạy ở tốc độ cao, nhưng các thành phần cốt lõi của hệ thống đều hoạt động tốt, chứng minh tính khả thi của thiết kế.

VI. Kết luận và định hướng phát triển cho thiết kế nền tảng di động

Đồ án thiết kế nền tảng di động bám line cho robot đã hoàn thành các mục tiêu đề ra, từ việc tìm hiểu lý thuyết, lựa chọn phương án, thiết kế chi tiết cơ khí và điện tử, cho đến lập trình, mô phỏng và thực nghiệm. Sản phẩm cuối cùng là một mô hình robot hoàn chỉnh, có khả năng bám theo đường line với độ chính xác cao, được kiểm chứng qua cả mô phỏng và thử nghiệm thực tế. Quá trình thực hiện đã củng cố kiến thức nền tảng về cơ điện tử, điều khiển tự động và robotics cho người mới bắt đầu. Mặc dù vẫn còn một số hạn chế do điều kiện thực tế như chất lượng động cơ ảnh hưởng đến tốc độ tối đa, nhưng nền tảng thiết kế đã được xây dựng một cách vững chắc. Đây là một tiền đề quan trọng, mở ra nhiều hướng phát triển và nâng cấp trong tương lai. Từ một mô hình học thuật, nền tảng này có thể được phát triển thành các sản phẩm có tính ứng dụng cao trong công nghiệp và đời sống, cho thấy tiềm năng to lớn của lĩnh vực robot tự hành.

6.1. Tổng kết các công việc và kết quả quan trọng đã đạt được

Công việc chính đã hoàn thành bao gồm: thiết kế cơ khí hoàn chỉnh cho khung xe robot 3 bánh sử dụng vật liệu nhôm 6061; thiết kế và chế tạo các mạch điện tử cốt lõi bao gồm mạch cảm biến hồng ngoại, mạch điều khiển động cơ L298N, và mạch nguồn ổn áp; xây dựng thành công thuật toán điều khiển kết hợp giữa tracking và PID. Kết quả nổi bật nhất là việc mô phỏng cho thấy robot có thể bám line với sai số ±16mm, đáp ứng yêu cầu đề bài. Trong thực nghiệm, hệ thống cảm biến sau khi hiệu chỉnh đã đạt được sai số chỉ 3.3mm, cho thấy độ chính xác cao của phương pháp xử lý tín hiệu. Mặc dù tốc độ thực tế bị giới hạn, các thành phần phần cứng và phần mềm đã được chứng minh là hoạt động tốt và ổn định, tạo ra một nền tảng vững chắc cho các cải tiến sau này.

6.2. Hướng phát triển robot tự hành thành AGV trong công nghiệp

Nền tảng robot dò line này là một mô hình thu nhỏ của xe tự hành AGV (Automated Guided Vehicle) được sử dụng rộng rãi trong các nhà máy thông minh. Hướng phát triển trong tương lai là nâng cấp mô hình hiện tại thành một AGV hoàn chỉnh. Điều này bao gồm việc thay thế bằng các động cơ DC giảm tốc công suất lớn hơn, thiết kế khung gầm chắc chắn hơn để có thể chịu tải. Hệ thống dẫn đường có thể được cải tiến bằng cách sử dụng các công nghệ khác ngoài bám line như dẫn đường bằng vạch từ, RFID, hoặc cao cấp hơn là SLAM (Simultaneous Localization and Mapping) sử dụng Lidar và camera. Bổ sung các cảm biến tránh vật cản, module giao tiếp không dây (WiFi, Lora) và một hệ thống quản lý trung tâm sẽ biến mô hình học thuật này thành một giải pháp robot tự hành thực thụ, có khả năng vận chuyển hàng hóa tự động trong môi trường công nghiệp, góp phần vào quá trình tự động hóa sản xuất.

Trích đoạn nội dung tài liệu

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN 1.1 Mục tiêu thiết kế Thiết kế mobile robot chạy trên sa bàn bám line với độ ổn định tốt, hoàn thành sa bàn đúng yêu cầu (sa bàn được cho trước hình dạng, các kích thước) và tốc độ tối đa được cho tùy vào mục đích robot. Hình dạng sa bàn: Hình 1.1 Sa bàn line yêu cầu 1.2 Sơ lược về xe dò line Xe dò line – xe dò đường (Line following Robot) là một loại robot di động, di chuyển bằng chuyến động quay của các bánh xe, đảo hướng bằng các nguyên lý đặc biệt và bám theo một đường line nhất định được dáng trên sa bàn. Xe dò line là một ứng dụng nhỏ về một hệ thống (máy) cơ điện tử, nhưng nó đóng vai trò là cơ sở cho việc các sản phẩm cơ điện có quy mô lớn hơn như: robot vận chuyển hàng hóa trong công nghiệp AGV, robot tránh vật cản… Đối với sinh viên như chúng em, đây là một đề tài hấp dẫn và thiết thực, chi phí rẻ, cơ hội thực hành tốt, từ đó giúp tạo nền tảng thực nghiệm nghiên cứu và chế tạo cho bản thân ở các đề tài sau. 15 | P a g e TIEU LUAN MOI download : [e-mail] moi nhat DO.TRUOC  Với mục tiêu thiết kế ban đầu ở phần 1.1 và việc tìm hiểu định hướng thiết kế chế tạo xe dò line, nhóm chúng em định hướng thiết kế xe đua dò line.

Dưới đây là một số mẫu xe đua dò line do nhóm tìm hiểu.3 Một số thiết kế điển hình 1.1 Tình hình nghiên cứu trong nước Xe đua dò line: cuộc thi MCR (Micom Rally Car) Đại học Trà Vinh năm 2017 Hình 1.2 Xe đua dò line cuộc thi MCR Đại học Trà Vinh 2017 và sơ đồ nguyên lý Thông số kỹ thuật chính: - Motor trái và Motor phải: là hai động cơ DC dẫn động 2 bánh xe sau của xe. 16 | P a g e TIEU LUAN MOI download : [e-mail] moi nhat DO.TRUOC - Motor lái: Một động cơ RC Servo làm nhiệm vụ bẻ lái 2 bánh xe trước của xe. - Modul H-Drive: Sử dụng IC chuyên dụng L298, nhận tín hiệu từ vi điều khiển và thực hiện chức năng điều khiển tốc độ 2 động cơ sau. - Tốc độ tối đa có thể đạt được: 1,6m/s.

- Modul vi điều khiển: Sử vi điều khiển thông dụng là PIC16F887 của hãng Microchip, chức năng nhận tín hiệu từ cảm biến dò line để điều khiển hai động cơ sau giúp xe chạy đúng hướng. - Modul cảm biến dò line: Sử dụng nguyên lý phản xả ánh xáng, và truyền tín hiệu vị trí của xe về cho vi điều khiển. Giải thuật cảm biến: so sánh. - Khối nguồn Pin: Sử dụng 2 nguồn điện DC là 5V (cung cấp cho vi điều khiển, cảm biến) và 12V (cung cấp cho động cơ).

- Khung xe làm bằng vật liệu mica và nhựa dẻo vì kích thước tối đa cho bề rộng của xe là 300 mm, bề cao là 150 mm, chiều dài, trọng lượng, và chất liệu của xe là tùy ý nên khung xe phải được thiết kế sao cho đảm bảo quy định này, ngoài ra xe không thể quá dài hoặc quá nặng làm ảnh hưởng đến tốc độ cũng như khả năng lái của xe khi vào cua.  Nhận xét: o Ưu điểm: kết cấu 4 bánh giúp dễ lấy thăng bằng và khó bị lật, bánh lái phía trước giúp dễ dàng vào cua làm cho bán kính cua nhỏ. o Nhược điểm: 4 bánh sau dễ bị trượt khi vào cua vì 4 điểm tiếp xúc không cùng nằm trên một mặt phẳng.2 Tình hình nghiên cứu ngoài nước 1.1 CartisX04: Xe đua dò line về nhất cuộc thi Japanese Robotrace Contest 2014 17 | P a g e TIEU LUAN MOI download : [e-mail] moi nhat DO.3 Hình ảnh thực tế và sơ đồ nguyên lý xe đua đội CartisX04 Thông số kỹ thuật chính: - Tốc độ tốt nhất để đảm bảo xe bám line tốt: v = 1. - Vi điều khiển: sử dụng STM32F103RE và dùng giải thuật điều khiển học đường giúp tăng tốc độ ở những lần chạy sau.

- Kết cấu: 2 cặp bánh dẫn động bởi 2 động cơ và 1 bánh lái ở phía trước: o 2 Động cơ dẫn động: Maxon DCX10L x 2; Tốc độ 6780 rpm, điện áp 12 V, dòng điện 0,682, Moment 2,05 mNm. o Động cơ điều khiển bánh trước Steering Motor: Maxon RE10. - Đường kính bánh xe: 25 mm. - Encoder: ENX 10 EASY loại 1024 count / rotation.

- Chiều dài 175 mm, Chiều rộng 153 mm, Khoảng cách 2 bánh 2 bên 130mm, Trọng tâm giữa 4 bánh cao 7 mm. - Gyro sensor (cảm biến góc quay) Invensense ISZ-650 x2 cái. - Cảm biến dò line: cảm biến hồng ngoại SHARP GP2S700 x6 cái chia thành 3 cặp đặt song song, được tính xấp xỉ theo trọng số (tài liệu PDF), Khoảng cách cảm biến và 18 | P a g e TIEU LUAN MOI download : [e-mail] moi nhat DO.TRUOC sàn 3mm (datasheet), Kích thước cảm biến 4x3x2 mm, Che chắn bằng nhựa đen phía dưới màu xanh lá. - Pin Li-Polymer [1] 4.

 Nhận xét: o Ưu điểm: kết cấu 4 bánh sau giúp dễ lấy thăng bằng và khó bị lật, bánh lái phía trước giúp dễ dàng vào cua làm cho bán kính cua nhỏ. Sử dụng cảm biến góc quay giúp tăng độ chính xác điều khiển. o Nhược điểm: 4 bánh sau dễ bị trượt khi vào cua, kết cấu cơ khí phức tạp.2 Chariot [2]: Về nhì cuộc thi LV Bots April line following.4 Hình ảnh thực tế và sơ đồ nguyên lý xe Chariot Thông số kỹ thuật chính: - Trọng lượng: 210 (gram). - Kích thước:145 ×90 ×70 mm - Kết cấu xe: 2 bánh sau chủ động (Bánh răng kim loại 35 – 115 - 5Dx30L mm, D = 30mm), 1 bánh trước tự lựa (D=9,5mm).

- Phần điện: Động cơ: DC Servo, cảm biến hồng ngoại gồm 6 sensor QTR-8RC. - Phần cứng điều khiển: vi điều khiển A- Start 32u4 Mini LV (MCU Atmega32u4), cấu trúc điều khiển tập trung, bộ điều khiển PID. - Nguồn: sử dụng bộ điều chỉnh điện áp 7,5 V D24V25F7. 19 | P a g e TIEU LUAN MOI download : [e-mail] moi nhat DO.TRUOC - Vận tốc trung bình chạy trong cuộc đua là 1,17m/s.

- Vận tốc tối đa: 2 m/s. Mạch cảm biến QTR-8RC, QTR-8A Hình 1.5 Mạch cảm biến phản xạ QTR-8RC, QTR-8A Thông số kỹ thuật  Kích thước: 2,95 "x 0,5" x 0,125 ".  Điện áp hoạt động: 3.  Cung cấp hiện tại: 100 mA.

 Định dạng đầu ra: 8 tín hiệu tương thích I / O kỹ thuật số có thể được đọc dưới dạng xung cao được định thời.  Khoảng cách phát hiện tối ưu: 0,125 "(3 mm).  Khoảng cách giữa 2 cảm biến liên tiếp: 0,375 "(9,525 mm).  Trọng lượng không có chân cắm: 0,11 oz (3,09 g).

 Nhận xét: o Ưu điểm:  Kết cấu đơn giản, mô hình động học đơn giản, dễ điều khiển.  Tiếp xúc 3 điểm nên khả năng bám đường tốt. 20 | P a g e TIEU LUAN MOI download : [e-mail] moi nhat DO.TRUOC  Khi chế tạo chỉ quan tâm độ đồng trục của 2 bánh xe sau.  Trọng tâm xe gần 2 bánh chủ động giúp moment quán tính giảm khi xe qua cua  hạn chế sự trượt.

o Nhược điểm:  Dễ lật khi vào cua, cần tính toán  Chuyển động đảo hướng theo nguyên lý 2 bánh vi sai nên dễ bị trượt khi vào cua ở tốc độ cao.3 Robot Pika của đội Mechatron vô địch Cyberbot 2015 tại Poznan Hình 1.6 Hình ảnh thực tế và sơ đồ nguyên lý xe đua đội Robot Pika Thông số kỹ thuật chính: - Kích thước: 280x180x50 (mm). - Kết cấu: 4 bánh: 2 bánh cao su dẫn động bởi 2 động cơ (D=34mm), 2 bánh mắt trâu đặt ở dãy cảm biến có đường kính nhỏ hơn nhiều nên có thể đảm bảo 2 bánh sau luôn tiếp xúc mặt đất (1 trong 2 bánh trước hở). - Vận tốc tối đa: 2,7 (m/s), vận tốc trung bình: 1,7 (m/s).  Nhận xét: o Ưu điểm: xe cân bằng tốt khó bị lật khi vào cua.

o Nhược điểm: 4 bánh tiếp xúc mặt đường không tốt.4 Xe dò line FireBall 21 | P a g e TIEU LUAN MOI download : [e-mail] moi nhat DO.7 Hình ảnh thực tế và sơ đồ nguyên lý xe đua đội FireBall Thông số kỹ thuật chính: - Kích thước 182 ×130 ×60mm. - Đường kính bánh xe: 60mm. - Vận tốc trung bình: 1,5m/s. Vận tốc tối đa 3m/s.

- Cảm biến: 8x cảm biến hồng ngoại QTR-8RC. - Khoảng cách giữa 2 cảm biến 9,525mm.  Nhận xét: o Ưu điểm: Khi vào cua khó lật hơn xe 3 bánh, 4 bánh chuyển động nên cua gấp dễ dàng. o Nhược điểm: Xảy ra hiện tượng trượt bánh khi cua, khó đảm bảo tiếp xúc giữa 4 điểm với mặt đường.3 Tiêu chí chung của các nghiên cứu tham khảo - Vận tốc các xe nằm trong khoảng: 1,5 đến 4,2 m/s - Kích thước nhỏ hơn: 280x180x40 - Trọng lượng nhỏ hơn: 500g 22 | P a g e TIEU LUAN MOI download : [e-mail] moi nhat DO.4 Đầu bài thiết kế Thiết kế xe đua dò line chạy trên sa huỳnh có quỹ đạo cho trước, với các thông số: Vận tốc tối đa (nằm trong khoảng vận tốc thường đạt được với mobile robot bám line ví dụ trong phần 1.

Bán kính cong tối thiểu: Rmin = 500mm. Sai số bám line trên đoạn thẳng và cong: emax = ± 18 mm. Các tiêu chí phụ để phù hợp với đầu bài được nêu ở phần 1. Tuy nhiên trong quá trình thực nghiệm, vì điều kiện không cho phép nên động cơ nhóm mua không đáp ứng được điều kiện có thể điều khiển được ở tốc độ 2m/s (thời gian xác lập của động cơ lớn tsettling time = 0.13s), nên đầu bài được hiệu chỉnh: vmax = 0,7 m/s.

23 | P a g e TIEU LUAN MOI download : [e-mail] moi nhat DO.TRUOC Tính toán sai số bám line: với giả thuyết ban đầu: Bề rộng đường line: 19 mm (Cách xác định khoảng cách giữa 2 cảm biến liên tiếp theo bề rộng line: Theo tài liệu [3]) - Bề rộng line là 19mm tương ứng với giá trị của khoảng cách giữa hai cảm biến quang liên tiếp được chọn là 12,5 mm. Nội suy tuyến tính suy ra khoảng cách tối đa giữa 2 cảm biến gần nhất để cảm biến có thể hoạt động tốt là: 13 mm. - Giả sử sử dụng: 7 cảm biến. Bề rộng của dãy cảm biến: > 13x6 = 78 mm.

Suy ra sai số lớn nhất giữa tâm xe với tâm cảm biến theo thuật toán là: e1 =78/2 = 36mm - Giả sử ta sử dụng thuật toán xấp xỉ theo trọng số thì sai số lớn nhất giữa tâm cảm biến theo thuật toán và tâm line là: e 2 = 2,6[3], suy ra sai số bám line lớn nhất là: 38,6 mm. Do đó điều một giá trị < 38,6mm.