Chương 1: Tổng quan đề tài Chương 2: Cơ sở lý thuyết Chương 3: Thiết kế cơ khí Chương 4: Thiết kế bộ điều khiển Chương 5: Lập trình điều khiển Chương 6: Kết quả đạt được 2 do an CHƯƠNG 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT 2. Giới thiệu xe AGV: Xe AGV là gì: Xe tự hành AGV (Automated Guided Vehicle) là loại Mobile robot có khả năng năng tự hoạt động, thực thi nhiệm vụ mà không cần sự can thiệp của con người [1]. Chúng có khả năng nhận biết về môi trường xung quanh. Robot tự hành ngày càng có nhiều ý nghĩa trong các ngành công nghiệp, thương mại, y tế, các ứng dụng khoa học và phục vụ đời sống của con người.
Xe tự hành AGV được thiết kế để thực hiện việc giao/nhận giữa các trạm đã được thiết lập sẵn với những ưu thế vượt trội so với con người như: Giảm thiểu thiệt hại trong vận hành: Người lái xe có thể bị phân tâm, mệt mỏi từ đó gây nguy hiểm cho người khác hoặc làm hư hỏng hàng hóa. Tuy nhiên với xe AGV có thể hoạt động bền bỉ, đảm bảo năng suất và hoạt động gần như suốt ngày mà chỉ cần phải nạp năng lượng Giảm chi phí hoạt động: Có thể lúc đầu chi phí đầu tư sẽ cao nhưng với thời gian hoạt động cũng như năng suất làm việc, về lâu dài sẽ ít tốn kém hơn so với thuê 1 công nhân làm việc Dễ dàng quản lý: Chỉ với việc ngồi 1 chỗ, người quản lý có thể theo dõi toàn bộ các AGV thông qua màn hình, kịp thời phản ứng khi có tình huống xấu xảy ra Từ những lợi thế xe AGV so với con người cộng với khoa học công nghệ ngày càng phát triển, hiện nay có nhiều khu công nghiệp, nhà máy lớn trên thế giới nói chung và Việt Nam nói riêng đầu tư hệ thống xe AGV để vận chuyển hàng hóa trong khu sản xuất của mình. Từ đó tối ưu hóa lợi nhuận và tạo sức cạnh tranh so với các đối thủ của mình Các ưu điểm và ứng dụng của AGV: − Có khả năng tự động vận hành mà không cần tác động của con người. − Có thể tự động nhận diện, tính toán đường đi ngắn nhất.
− Có thể nhận diện vật cản trước mắt và đưa ra phương pháp né tránh. − Cung cấp sắp xếp linh kiện tại khu vực kho và sản xuất. − Chuyển hàng giữa các trạm sản xuất. − Phân phối, cung ứng sản phẩm, đặc biệt trong bán buôn.
− Cung cấp, sắp xếp trong các lĩnh vực đặc biệt như bệnh viện, siêu thị, văn phòng, … 3 do an Phân loại xe AGV: Loại chạy không theo đường dẫn: Có thể di chuyển đến các vị trí bất kỳ trong không gian hoạt động. Đây là loại xe AGV có tính linh hoạt cao nhưng ngược lại việc thiết kế loại xe này đòi hỏi công nghệ cao và phức tạp hơn rất nhiều so với loại AGV khác. Loại chạy theo đường dẫn: Đường dẫn từ: Là loại đường dẫn có cấu tạo dây từ chôn ngầm dưới mặt đất. Khi di chuyển, nhờ các cảm biến cảm ứng từ mà xe có thể di chuyển theo dây dẫn.
Tuy nhiên khi sử dụng phải tiêu tốn nhiều năng lượng cho việc tạo ra từ tính trong dây, đồng thời đường dẫn là cố định và không thể thay đổi được. Đường ray dẫn: Xe AGV được chạy trên các ray định sẵn trên mặt sẵn. Loại này chỉ sử dụng đối với những hệ thống chuyên dụng. Nó cho phép thiết kế xe đơn giản hơn và có thể di chuyển với tốc độ cao nhưng tính linh hoạt thấp.
Đường băng kẻ trên sàn: Xe AVG di chuyển theo các đường băng kẻ sẵn trên sàn nhờ camera nhận dạng bằng sử lý ảnh. Loại này có tính linh hoạt cao vì trong quá trình sử dụng có thể đổi đường kẻ 1 các dễ dàng nhờ kẻ lại các vạch dẫn đường. Tuy nhiên khi sử dụng, các vạch dẫn có thể bị bẩn hay hư hại gây khó khăn cho việc điều khiển chính xác xe. Từ những ưu, nhược điểm đã nêu ra cũng như điều kiện thực tế khi tiến hành chế tạo, nhóm chúng em quyết định chọn thực hiện đề tài AVG theo hướng xe chạy theo lộ trình nhờ nhận diện các những đường băng kẻ trên sàn.
4 do an Các phương pháp nhận diện đường băng kẻ trên sàn Sử dụng cảm biến dò line Nguyên lý hoạt động: Trong đây, ta sẽ cho xe thực hiện một công việc khá đơn giản là chạy theo đoạn đường màu đen đã kẻ sẵn. IR hồng ngoại sẽ phát hiện ra vạch qua việc phát ra bước sóng hồng ngoại và phản xạ lại trên bởi bề mặt có màu sáng tức là ở những nơi không có màu đen là vạch thì sẽ có phản hồi, còn trên vạch thì không, nguyên lý này sẽ dẫn hướng cho xe đi đúng vạch đã định. Dưới đây là sơ đồ cơ chế hoạt động của IR hồng ngoại qua việc phản xạ và không phản xạ Hình 2.1: Cơ chế hoạt động của IR hồng ngoại Nhờ đó robot phát hiện được đoạn đường nào màu đen, đoạn đường nào không mà di chuyển chính xác. Khi robot di chuyển về phía trước,cả hai cảm biến sẽ ở trạng thái chờ,nếu 1 trong hai cảm biến ở 2 phía phát hiện vạch màu đen ở phía của mình tức là sẽ sẽ rẽ theo một hướng trái hoặc phải, vi điều khiển sẽ phát hiện ra sự thay đổi này và điều hướng 2 động cơ thông qua driver để điều khiển theo hướng phù hợp Hình 2.2: Nguyên lý hoạt động cơ chế điều hướng 5 do an Sử dụng camera để nhận diện đường line Nguyên lý hoạt động: Camera sẽ nhận diện đường line được vẽ sẵn trên đường rồi tiền hành tính toán, điều khiển cho động cơ di chuyển theo lane Phương pháp này có ưu điểm hơn phương pháp sử dụng cảm biến vì với camera chúng ta có thể làm được nhiều việc hơn là chỉ nhận diện lane như cùng lúc nhận diện lane và đồng thời cũng nhận diện người, nhận diện vật cản, … và nếu như với phương pháp dùng ic dò line thì yêu cầu thường là line phải liên tục và không bị vật gì che dù cho dù chỉ là một đoạn nhỏ nếu không xe sẽ không thể tiếp tục di chuyển hoặc đi ra ngoài, còn với thuật toán xử lý ảnh nếu đường line dị đứt quãng hoặc bị che mất một đoạn nhỏ thì ta vẫn có thể nhận diện được đường line trên và tiếp tục di chuyển.
Nhưng đồng thời với phương án sử dụng camera để nhận diện đường line cũng có những điểm yếu hơn so với sử dụng cảm biến dò line là độ nhiễu cao tùy thuộc vào chất lượng ảnh thu được từ camera và ảnh hưởng bởi điều kiện của môi trường xung quanh, thuật toán để điều khiển xe cũng phức tạp hơn, … Phương dò line bằng camera được áp dụng rộng rãi đối với các hệ thống xe tự hành cần tính linh động và đa tác vụ, ví dụ cụ thể như là hệ thống xe tự lái của các công ty xe ô tô trên thế giới, hệ thống của họ có thể tự động nhận diện đường đi cho xe, nhận diện vật cản trước xe (xe khác hoặc người đi đường), nhận diện tính hiệu đèn giao thông, biến báo giao thông và rất nhiều thứ khác xuất hiện trên đường đi của xe để từ đó có thể phân tích và đưa ra hình thức di chuyển hợp lý cho xe trong mọi điều kiện khác nhau Hình 2.3: Ví dụ về thuật toán nhận diện của xe ô tô tự hành ➔ So sánh 2 phương pháp này ta thấy phương pháp dụng camera để nhận diện đường line là phương pháp phù hợp với những yêu cầu được đặt ra và có thể phát triển thêm các tính năng về sau nếu muốn. Giới thiệu bánh omni Bánh Omni là gì? Là những bánh xe có các đĩa nhỏ xung quanh, vuông góc với hướng quay. HIệu quả là bánh xe có thể được điều khiển với toàn bộ lực, nhưng cũng có thể trượt theo chiều ngang rất dễ dàng. Bánh xe omni có độ bền cao, thiết kế chắc chắn có thể chịu được tải trọng lớn tuy nhiên bánh xe omni thường có giá thành cao gấp nhiều lần so với các loại bánh xe thông thường Các loại bánh omni: a) OmniWheel singular b) OmniWheel Double c) Continuous OmniWheel Hình 2.4: Các loại bánh omni thông dụng Các ứng dụng của bánh omni Bánh xe omni thường được sử dụng trong các robot yêu cầu độ linh hoạt cao, có thể di chuyển theo mọi hướng.
Với thiết kế đặc biệt của mình, bánh xe omni là giải pháp hoàn hảo cho các sản phẩm hoạt động trong không gian nhỏ hẹp, bị giới hạn diện tích hoạt động và cần tiết kiệm thời gian thực hiện hành động của mình. Bằng cách kết hợp các chuyển động của từng bánh, kết cấu sử dụng bánh xe omni có thể thực hiện các chuyển động cơ bản tiến – lùi, chuyển động xoay tròn dễ dàng trong một không gian rất nhỏ, đặc biệt là khả năng di chuyển ngang khi cần thiết.Đôi khi cũng được sử dụng trong bộ vi sai để làm cho chuyển động nhanh hơn, linh hoạt hơn. 7 do an Ứng dụng bánh omni vào thiết kế xe AGV Xe AGV thường được thiết kế gồm 3 hoặc 4 bánh Omni. Mỗi thiết kế có các ưu và ngược điểm khác nhau: Omni 3 bánh Omni 4 bánh - Ưu: - Ưu: • Ma sát tốt hơn, và cân bằng trên • Tính toán đơn giản hơn.
mặt phẳng hơn so với 4 bánh. • Tận dụng được hiệu suất động • Giá thành rẻ hơn do bánh Omni cơ tốt hơn do bố trí vuông góc. - Nhược: - Nhược: • Không sử dụng tốt hiệu suất • Giá thành cao động cơ các bánh bố trí cách • Khó để đảm bảo tiếp xúc cho cả nhau 120 độ. 4 bánh khi di chuyển, nhất là • Tính toán khó hơn so với 4 khi mặt đường không bằng bánh.1: So sánh ưu nhược điểm của phương pháp thiết kế xe AGV Từ những phân tích như trên ta thấy phương án thiết kế xe AGV 3 bánh omni sẽ phù hợp với đề tài này hơn.
Tính toán động học cho xe AGV Hình 2.5: Tính toán động học cho xe Robot tự hành được thiết kế với ba bánh omni, mỗi bánh tạo với bánh còn lại 1 góc 120 .Gọi hệ tọa độ OX1Y1 là hệ tọa độ của xe với trục Y1 vuông góc với vecto V1. Giả sử 0 bánh quay ngược chiều kim đồng hồ là chiều dương nên ta có phương trình động học: −1 0 𝐿 𝑉1 −1 0 𝐿 𝑉𝑥1 1 √3 𝑉 [𝑉2 ] = ⌈cos 𝜃 −𝑠𝑖𝑛𝜃 ⌈ 𝐿⌉ [𝑉𝑦1 ] = 2 𝐿⌉ [𝑉𝑥1 ] (2.