Bối cảnh và vấn đề nghiên cứu

Đồ án tốt nghiệp "Thiết kế, chế tạo xe vượt địa hình thám hiểm sao Hỏa điều khiển bằng Arduino thông qua Wifi" được thực hiện bởi sinh viên Vũ Minh Thành (Mã số sinh viên: 1851202383), dưới sự hướng dẫn của ThS. Nguyễn Hùng Anh và ThS. Nguyễn Tiến Thịnh tại Bộ môn Kỹ thuật Cơ Điện tử, Khoa Cơ khí, Trường Đại học Thủy Lợi vào năm 2023.

Trong bối cảnh công nghiệp hóa, hiện đại hóa và xu hướng ứng dụng robot tự hành thay thế con người thực hiện các nhiệm vụ nghiên cứu, khảo sát trong các môi trường khắc nghiệt, độc hại hoặc ngoài không gian (như thám hiểm bề mặt sao Hỏa), việc phát triển các mô hình robot di động có khả năng thích ứng địa hình cao là một hướng đi mang tính ứng dụng thực tiễn lớn. Tại Việt Nam, các công trình nghiên cứu và chế tạo thực nghiệm mô hình xe vượt địa hình mô phỏng cơ cấu Rocker-Bogie (theo nguyên mẫu robot thám hiểm sao Hỏa Perseverance của NASA) còn hạn chế về mặt tài liệu kỹ thuật cũng như sản phẩm mẫu. Xuất phát từ nhu cầu học tập, nghiên cứu và làm chủ công nghệ cơ điện tử, tác giả đã lựa chọn đề tài này nhằm hiện thực hóa mô hình phần cứng kết hợp hệ thống điều khiển không dây.

Mục tiêu và các nhiệm vụ nghiên cứu cụ thể của đề tài bao gồm 5 nội dung chính:

  1. Nghiên cứu phương pháp tính toán động học thuận, động học nghịch và động lực học của robot di động.
  2. Nghiên cứu thiết kế quỹ đạo chuyển động của xe trên các bề mặt địa hình.
  3. Nghiên cứu các dáng đi (chế độ di chuyển) của xe và các phương pháp chuyển hướng.
  4. Xây dựng mô hình mô phỏng chuyển động của xe trên phần mềm thiết kế chuyên dụng.
  5. Nghiên cứu, lựa chọn phần mềm và phần cứng để lập trình điều khiển xe qua mạng truyền thông không dây.

Đối tượng nghiên cứu của đồ án là mô hình xe di động 6 bánh vượt địa hình sử dụng cơ cấu treo Rocker-Bogie. Phạm vi nghiên cứu tập trung vào việc mô hình hóa toán học động học cơ hệ phẳng, thiết kế cơ khí 3D, gia công chế tạo mô hình vật lý, xây dựng mạch điều khiển nhúng trên nền tảng vi điều khiển và phát triển giao diện điều khiển từ xa thông qua ứng dụng di động kết nối mạng Wifi.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp

Đồ án xây dựng nền tảng lý thuyết chuyên sâu về động học vật rắn và động học robot di động (mobile robot), kết hợp phương pháp thiết kế kỹ thuật và thực nghiệm cơ điện tử:

Khung lý thuyết và mô hình toán học:

  • Động học vật rắn trong không gian: Thiết lập mối quan hệ giữa hệ quy chiếu cố định $Ox_0y_0z_0$ và hệ quy chiếu động gắn trên vật thể $Axyz$ thông qua ma trận côsin chỉ hướng cấp 3 ($R$), biểu diễn các phép quay cơ bản quanh trục tọa độ.
  • Mô tả tối thiểu định hướng: Sử dụng phép quay góc Euler (dạng ZYX) và hệ góc Roll-Pitch-Yaw (RPY / Yaw-Pitch-Roll) để mô tả 3 bậc tự do quay độc lập.
  • Hệ tọa độ thuần nhất và quy tắc Denavit-Hartenberg (D-H): Sử dụng ma trận biến đổi tọa độ thuần nhất $4 \times 4$ và 4 thông số D-H ($\theta_i, d_i, \alpha_i, a_i$) để xác định vị trí và hướng của các khâu, khớp trong không gian.
  • Động học liên kết phi holonom (non-holonomic constraints): Thiết lập phương trình ràng buộc vận tốc của robot di chuyển trên mặt phẳng với các giả thiết: nền phẳng ngang, tiếp xúc điểm, bánh xe không biến dạng, chuyển động lăn không trượt, không có ma sát quay quanh điểm tiếp xúc và trục lái vuông góc với nền.
  • Mô hình hóa 4 loại bánh lăn: Xây dựng phương trình ràng buộc hình học và vận tốc cho bánh lăn cố định (fixed wheel), bánh lái đúng tâm (centered orientable wheel), bánh lái lệch tâm (off-centered orientable wheel) và bánh lăn Thụy Điển (Swedish wheel).
  • Tâm quay tức thời (ICR) và Bậc tự do vi phân (DDOF): Phân tích khả năng di động tức thời dựa trên hạng ma trận ràng buộc $C_1^*(\beta_c)$, chỉ ra mối quan hệ giữa bậc tự do hình học và bậc tự do vi phân ($DDOF \le \delta_M \le DOF$).
  • Cơ cấu hệ thống treo Rocker-Bogie: Phân tích nguyên lý cân bằng động học của hệ thống treo 6 bánh độc lập gồm thanh vi sai trung tâm (differential bar), hai thanh rocker bên hông và hai cụm đòn bogie kết nối bánh giữa và bánh sau.

Phương pháp nghiên cứu:

  • Phương pháp tính toán giải tích: Thiết lập và giải hệ phương trình động học thuận/nghịch cho robot có bánh lái và hệ thống vi sai cơ khí.
  • Phương pháp thiết kế CAD 3D: Khảo sát các phần mềm kỹ thuật (AutoCAD, Inventor, Unigraphics NX, CATIA, SolidWorks) và ứng dụng phần mềm SolidWorks để dựng toàn bộ mô hình chi tiết, khung xe, khớp động và kiểm tra không gian làm việc.
  • Phương pháp chế tạo thực nghiệm: Sử dụng vật liệu nhôm định hình kết hợp phay CNC cho thanh vi sai, chi tiết chịu lực và công nghệ in 3D FDM cho các gá đỡ linh kiện điện tử, khớp nối.
  • Phương pháp thiết kế hệ thống nhúng và phần mềm: Tích hợp phần cứng vi điều khiển Arduino Uno R3, mạch điều khiển công suất động cơ cầu H L298N, bo mạch máy tính nhúng Raspberry Pi 3; lập trình giao diện điều khiển trên nền tảng Android Studio và sử dụng cơ sở dữ liệu thời gian thực Firebase để truyền nhận dữ liệu qua giao thức Wifi.

Thiết kế và chế tạo hệ thống

Hệ thống xe vượt địa hình được thiết kế hoàn chỉnh từ kết cấu cơ khí đến kiến trúc phần cứng điều khiển và giao diện phần mềm:

Hạng mục hệ thống Thành phần phần cứng / Công nghệ Thông số kỹ thuật & Vai trò trong hệ thống
Cơ cấu treo Rocker-Bogie & Thanh vi sai Cân bằng chuyển động, giảm 1/2 góc nghiêng thân xe khi vượt chướng ngại vật
Bánh xe 6 bánh xe hợp kim nhôm Đường kính $D = 100\text{ mm}$, bề mặt có gân bám chống trượt trên cát và đá
Động cơ truyền động 6 động cơ JGB37-520 có Encoder Động cơ DC Servo giảm tốc, tốc độ định mức $110\text{ RPM}$, dẫn động độc lập từng bánh
Động cơ bẻ lái 4 động cơ lái độc lập Bố trí tại 2 bánh trước và 2 bánh sau, hỗ trợ quay tại chỗ và bẻ lái đa hướng
Ổ đỡ chuyển động Ổ bi công nghiệp 608 và 625Z Lắp đặt tại các khớp xoay thanh vi sai, đòn rocker và cụm bogie
Vật liệu chế tạo khung Nhôm định hình, nhôm tấm CNC, nhựa in 3D Đảm bảo độ cứng vững kết cấu, giảm khối lượng bản thân xe
Bộ điều khiển trung tâm Vi điều khiển Arduino Uno R3 Xử lý thuật toán điều khiển vận tốc, hướng lái và băm xung PWM
Mạch công suất Module mạch cầu H L298N Điều khiển đóng cắt dòng điện và đảo chiều động cơ DC truyền động
Máy tính nhúng / Mở rộng Bo mạch Raspberry Pi 3 Hỗ trợ thu thập dữ liệu và mở rộng chức năng xử lý trong hệ thống
Giao tiếp không dây Mạng kết nối Wifi & Cloud Firebase Đồng bộ dữ liệu điều khiển thời gian thực giữa điện thoại và xe
Giao diện người dùng Ứng dụng di động lập trình trên Android Studio Cung cấp các nút điều hướng chuyển động, tùy chỉnh góc lái và giám sát trạng thái

Hệ thống cơ khí được tính toán cho phép xe vượt qua các vật cản hoặc hố rãnh có kích thước lớn hơn đường kính bánh xe ($>100\text{ mm}$). Khả năng chống lật của cấu trúc đạt góc nghiêng tối đa $45^\circ$ theo mọi hướng; trong thuật toán điều khiển phần mềm, ngưỡng an toàn bảo vệ giới hạn góc nghiêng hoạt động không vượt quá $30^\circ$.

Nội dung chính theo từng chương

Chương 1. Tổng quan về xe địa hình thám hiểm sao Hỏa

Chương 1 khái quát lịch sử hình thành và phát triển của robot di động (mobile robot) từ năm 1922 qua tác phẩm của Karel Capek đến các cột mốc công nghệ quan trọng (Elmer và Elsie năm 1948-1949, Beast năm 1961-1963, Stanford Cart năm 1969, Shakey năm 1970, chương trình Viking năm 1976, Mars Pathfinder với robot Rover và Sojourner năm 1996-1997, và các dòng robot hiện đại như Kiva, PackBot, Asimo). Tác giả hệ thống hóa các phân loại mobile robot theo môi trường hoạt động (ngoài trời, trong nhà, trên không, dưới nước), theo phương thức di chuyển (chân, xích, bánh xe) và phương thức điều khiển (từ xa bằng tay, từ xa tự bảo vệ, bám lộ trình, chuyển động ngẫu nhiên). Chương này làm rõ ưu nhược điểm của chuyển động bánh xe và giới thiệu chi tiết cấu tạo nguyên mẫu xe thám hiểm Mars Rover Perseverance của NASA, bao gồm chức năng các hệ thống: thân xe, khối điều khiển, camera quan sát, kiểm soát nhiệt độ, cánh tay robot, chân - bánh xe, nguồn năng lượng và hệ thống ăng-ten giao tiếp. Tác giả trình bày lý do chọn đề tài, 5 mục tiêu nghiên cứu và cơ sở cấu tạo hệ thống treo Rocker-Bogie gồm thanh vi sai, rocker và bogie.

Chương 2. Tính toán động học cho xe địa hình thám hiểm sao Hỏa

Chương 2 tập trung xây dựng cơ sở toán học thuần túy cho chuyển động của robot. Nội dung mở đầu bằng lý thuyết động học vật rắn, thiết lập hệ tọa độ vật, định nghĩa ma trận côsin chỉ hướng $R$ cấp 3 cùng các tính chất trực giao, phép quay góc Euler ZYX và ma trận biến đổi góc Roll-Pitch-Yaw (RPY). Tác giả trình bày khái niệm tọa độ thuần nhất 4 chiều, ma trận chuyển đổi tọa độ thuần nhất $T$ cấp $4 \times 4$ và phương pháp thiết lập hệ tọa độ theo 4 thông số Denavit-Hartenberg (D-H). Đi sâu vào động học phẳng của mobile robot, chương nghiên cứu vector trạng thái vị trí $\xi_I = [x, y, \theta]^T$, đạo hàm vận tốc và các hệ phương trình liên kết phi holonom của 4 dạng bánh lăn: bánh cố định, bánh lái đúng tâm, bánh lái lệch tâm và bánh Thụy Điển. Tác giả tổng hợp phương trình ràng buộc tổng quát dưới dạng ma trận $J_1 R(\theta)\dot{\xi}_I - J_2 \dot{\phi} = 0$ và $C_1 R(\theta)\dot{\xi}I + C_2 \dot{\beta}{oc} = 0$, phân tích điều kiện chuyển động dựa trên hạng của ma trận ràng buộc $C_1^*(\beta_c)$, vị trí tâm quay tức thời (ICR) và xác định bậc tự do vi phân (DDOF) của cơ hệ.

Chương 3. Thiết kế chế tạo cho xe địa hình thám hiểm sao Hỏa

Chương 3 trình bày toàn bộ quy trình thiết kế cơ khí và chế tạo mô hình vật lý. Tác giả so sánh, đánh giá các phần mềm CAD phổ biến (AutoCAD, Inventor, NX, CATIA, SolidWorks) và chọn SolidWorks để thiết kế mô hình 3D. Các tính toán kỹ thuật chính bao gồm:

  • Lựa chọn 6 bánh xe bằng hợp kim nhôm đường kính $100\text{ mm}$ có bề mặt xẻ rãnh tăng ma sát.
  • Tính chọn hệ thống động cơ: sử dụng động cơ giảm tốc DC Servo JGB37-520 tốc độ $110\text{ RPM}$ tích hợp Encoder phản hồi tốc độ.
  • Tính toán kích thước hình học cho cơ cấu Rocker-Bogie, xác định chiều dài các thanh liên kết và góc giới hạn chuyển động của thanh vi sai CNC.
  • Tính toán lựa chọn ổ bi đỡ: sử dụng các cặp ổ bi tiêu chuẩn 608 và 625Z tại các khớp trục quay.
  • Lựa chọn vật liệu và gia công: khung chính sử dụng nhôm định hình chịu lực, thanh vi sai phay CNC và các gá liên kết gia công bằng phương pháp in 3D. Chương này kết thúc bằng việc lắp ráp hoàn thiện xe thực tế và thử nghiệm khả năng vượt địa hình gồ ghề, leo dốc và vượt chướng ngại vật độc lập ở một bên bánh.

Chương 4. Thiết kế hệ thống điều khiển và giao diện cho xe

Chương 4 hoàn thiện hệ thống cơ điện tử thông qua việc xây dựng phần cứng điều khiển và phần mềm giao tiếp:

  • Xây dựng sơ đồ khối hệ thống điều khiển gồm khối nguồn, khối xử lý trung tâm, khối công suất và cơ cấu chấp hành.
  • Trình bày cấu tạo, sơ đồ chân và thông số kỹ thuật của vi điều khiển Arduino Uno R3, mạch cầu H L298N và bo mạch Raspberry Pi 3.
  • Thiết lập sơ đồ kết nối chân tín hiệu điều khiển PWM, chân đảo chiều giữa Arduino và các module L298N cùng sơ đồ cấp nguồn tổng thể.
  • Xây dựng ứng dụng điều khiển di động trên môi trường Android Studio với giao diện đồ họa nút bấm trực quan.
  • Thiết lập mạng truyền thông không dây Wifi kết nối với cơ sở dữ liệu thời gian thực Firebase để truyền nhận trạng thái điều khiển giữa điện thoại và xe với độ trễ thấp.

Kết quả và đóng góp

Kết quả chính đạt được:

  • Chế tạo thành công mô hình vật lý xe vượt địa hình 6 bánh độc lập sử dụng cơ cấu Rocker-Bogie và thanh vi sai với kết cấu cơ khí chính xác từ nhôm định hình, nhôm phay CNC và chi tiết in 3D.
  • Xe vận hành ổn định trên các bề mặt địa hình không bằng phẳng, thực nghiệm thành công khả năng leo dốc và vượt qua chướng ngại vật một bên bánh có kích thước tương đương hoặc lớn hơn đường kính bánh xe ($100\text{ mm}$) mà thân xe vẫn giữ được độ thăng bằng.
  • Hệ thống dẫn động 6 động cơ JGB37-520 kết hợp 4 cụm lái độc lập cho phép xe thực hiện linh hoạt các quỹ đạo chuyển động: tiến, lùi, rẽ hướng theo cung tròn và quay đầu tại chỗ quanh tâm quay tức thời (ICR).
  • Xây dựng hoàn chỉnh mạch điện tử điều khiển nhúng trên nền Arduino Uno R3, mạch cầu H L298N và hệ thống điều khiển từ xa qua Wifi sử dụng ứng dụng Android Studio và cơ sở dữ liệu Firebase.

Giải pháp kỹ thuật đề xuất:

  • Ứng dụng thanh vi sai CNC đặt tại trung tâm boong trên kết nối hai đòn rocker, giúp phân bổ tải trọng đều lên 6 bánh xe khi di chuyển qua các bề mặt mấp mô.
  • Sử dụng giải pháp điều khiển động cơ riêng biệt cho từng bánh xe kết hợp cơ cấu lái 4 góc nhằm tối ưu hóa bán kính quay vòng của xe địa hình.

Đóng góp của đề tài:

  • Hệ thống hóa đầy đủ cơ sở toán học về động học không gian và động học liên kết phi holonom áp dụng cho robot di động nhiều bánh có cơ cấu treo phức tạp.
  • Cung cấp một quy trình hoàn chỉnh từ mô hình hóa toán học, thiết kế CAD 3D, gia công chế tạo cơ khí đến lập trình nhúng và ứng dụng di động, làm tài liệu kỹ thuật thực nghiệm phục vụ đào tạo và nghiên cứu chuyên ngành Cơ Điện tử.

Hạn chế và hướng phát triển

Hạn chế của đề tài:

  • Mô hình xe chủ yếu hoạt động ở chế độ điều khiển từ xa thông qua ứng dụng di động qua mạng Wifi, chưa tích hợp các thuật toán tự hành hoàn toàn.
  • Hệ thống cảm biến tránh vật cản tự động và các thuật toán thị giác máy tính xử lý hình ảnh qua camera (kết nối với bo mạch Raspberry Pi) chưa được phát triển đồng bộ và kiểm thử chuyên sâu trong phạm vi khóa luận.
  • Nguồn cấp điện từ khối pin trên xe còn giới hạn về dung lượng khi vận hành liên tục cả 6 động cơ kéo và 4 động cơ lái đồng thời.

Hướng phát triển tiếp theo:

  • Tích hợp hệ thống cảm biến đo khoảng cách (Ultrasonic/LiDAR) và cụm camera xử lý ảnh trực tiếp trên Raspberry Pi để xây dựng bản đồ môi trường (SLAM) và tự động tránh chướng ngại vật.
  • Nâng cấp thuật toán điều khiển kín dựa trên tín hiệu phản hồi từ Encoder của động cơ JGB37-520 nhằm kiểm soát chính xác vận tốc và góc lái từng bánh xe.
  • Tối ưu hóa dung lượng nguồn pin và nghiên cứu gia cố kết cấu chịu tải để tăng khả năng làm việc liên tục trên các địa hình dốc và phức tạp hơn.

Giá trị tham khảo

Đồ án là tài liệu kỹ thuật hữu ích đối với:

  • Sinh viên và học viên chuyên ngành Kỹ thuật Cơ Điện tử, Kỹ thuật Cơ khí, Tự động hóa và Robot.
  • Người nghiên cứu đang thực hiện các đề tài liên quan đến robot di động (mobile robot), xe tự hành, hệ thống treo vi sai Rocker-Bogie hoặc các bài toán tính toán động học robot liên kết phi holonom.
  • Nguồn tư liệu tham khảo giá trị về:
    • Phần lý thuyết toán học động học robot di động, các phương trình ràng buộc bánh lăn và ma trận D-H tại Chương 2.
    • Bản vẽ kích thước, thông số ổ bi (608, 625Z) và quy trình thiết kế chế tạo cơ cấu Rocker-Bogie tại Chương 3.
    • Sơ đồ đấu nối phần cứng điều khiển Arduino - L298N và phương pháp kết nối dữ liệu điều khiển qua Firebase - Android Studio tại Chương 4.

Câu hỏi thường gặp

1. Cơ cấu treo Rocker-Bogie trên mô hình xe hoạt động theo nguyên lý nào? Hệ thống treo Rocker-Bogie gồm 3 thành phần chính: thanh vi sai (nằm ở trung tâm boong trên của xe), hai đòn rocker ở hai bên sườn xe và hai cụm bogie kết nối bánh giữa với bánh sau. Khi một bên bánh gặp vật cản và nâng lên, chuyển động được truyền qua thanh vi sai để ấn đòn rocker phía đối diện xuống, giúp giảm một nửa phạm vi dao động của thân xe và đảm bảo toàn bộ 6 bánh xe luôn tiếp xúc với mặt đất.

2. Động cơ và bánh xe được tác giả lựa chọn cho mô hình có thông số kỹ thuật ra sao? Mô hình sử dụng 6 bánh xe bằng hợp kim nhôm đường kính $100\text{ mm}$ có gân bám địa hình. Hệ thống dẫn động sử dụng 6 động cơ giảm tốc DC Servo Encoder JGB37-520 với tốc độ định mức $110\text{ RPM}$, cho phép cấp lực kéo độc lập đến từng bánh xe.

3. Vì sao động học của xe địa hình bánh lăn lại thuộc hệ liên kết phi holonom? Do các giả thiết bánh xe lăn không trượt trên nền phẳng, vận tốc tức thời của điểm tiếp xúc giữa bánh xe và mặt đất bị triệt tiêu theo các phương. Phương trình liên kết chứa các thành phần vận tốc và không thể khử được bằng cách tích phân trực tiếp về dạng phương trình tọa độ vị trí, do đó tạo nên các liên kết phi holonom (non-holonomic constraints).

4. Khả năng quay đầu và chuyển hướng của xe được thực hiện như thế nào? Ngoài 6 động cơ truyền động độc lập cho 6 bánh, xe được bố trí thêm 4 động cơ lái riêng biệt tại 2 bánh trước và 2 bánh sau. Cấu hình này cho phép xe thay đổi góc bẻ lái độc lập để di chuyển uốn lượn hoặc quay đầu tại chỗ quanh tâm quay tức thời (ICR) mà không cần diện tích quay vòng lớn.

5. Hệ thống điều khiển từ xa của xe được xây dựng bằng những công nghệ nào? Hệ thống điều khiển gồm vi điều khiển Arduino Uno R3 kết hợp module công suất cầu H L298N trên phần cứng xe. Người dùng điều khiển xe thông qua ứng dụng di động được lập trình bằng phần mềm Android Studio, dữ liệu lệnh điều khiển được gửi và đồng bộ theo thời gian thực tới xe qua giao thức Wifi bằng cơ sở dữ liệu Firebase.

Kết luận

Đồ án tốt nghiệp của tác giả Vũ Minh Thành đã giải quyết trọn vẹn bài toán thiết kế, tính toán động học và chế tạo thực nghiệm mô hình xe vượt địa hình 6 bánh mô phỏng robot thám hiểm sao Hỏa Rocker-Bogie. Hệ thống chứng minh khả năng di chuyển linh hoạt, ổn định trên địa hình gồ ghề nhờ sự kết hợp giữa cơ cấu vi sai cơ khí chính xác và hệ thống điều khiển nhúng không dây qua Wifi. Công trình là tài liệu tham khảo có giá trị học thuật và thực tiễn cao cho sinh viên, kỹ sư ngành Kỹ thuật Cơ Điện tử và Tự động hóa.