Đồ Án Tốt Nghiệp: Ứng Dụng Điều Khiển Xe AGV Chở Hàng Trong Công Nghiệp

Xe AGV (Automated Guided Vehicle) là một phần quan trọng trong công nghiệp hiện đại… 82 trang · Trường Đại Học Sư Phạm Kỹ Thuật Thành Phố Hồ Chí Minh · 2023.

• Tác giả: Nguyễn Minh Khôi
• Người hướng dẫn: ThS. Lê Hoàng Lâm
• Trường học: Trường Đại Học Sư Phạm Kỹ Thuật Thành Phố Hồ Chí Minh
• Chuyên ngành: Công Nghệ Kỹ Thuật Điều Khiển Và Tự Động Hóa
• Đề tài: Ứng Dụng Điều Khiển Xe AGV Chở Hàng Trong Công Nghiệp
• Loại tài liệu: Đồ án tốt nghiệp
• Năm xuất bản: 2023
• Địa điểm: Thành phố Hồ Chí Minh

Mục lục chi tiết

• LỜI CAM ĐOAN
• 1. CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN
• 1.1. Mục tiêu nghiên cứu
• 1.2. Nội dung nghiên cứu
• 1.3. Giới hạn đề tài
• 2. CHƯƠNG 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT
• 2.1. Giới thiệu về xe tự hành AGV
• 2.1.1. Lịch sử phát triển xe AGV
• 2.1.2. Phân loại xe Agv dựa vào chức năng
• 2.1.3. Phân loại theo cơ cấu dẫn đường
• 2.1.4. Phân loại theo điều hướng của xe AGV
• 2.2. Giới thiệu chung về PLC
• 2.2.1. Khái quát về PLC
• 2.2.2. Đặt điểm của PLC
• 2.2.3. Vai trò của PLC
• 2.3. PLC dòng Q MITSUBISHI
• 2.3.1. Giới thiệu PLC dòng Q
• 2.3.2. Đặc điểm chung của PLC Mitsubishi dòng Q
• 2.3.3. Tính năng của PLC dòng Q
• 2.4. Động cơ brushless DC
• 2.4.1. Giới thiệu về động cơ brushless DC
• 2.4.2. Cấu tạo động cơ brushless DC
• 2.4.3. Nguyên lý hoạt động của động cơ 1 chiều không chổi than
• 2.5. Truyền thông giao tiếp MC-Protocol
• 2.5.1. Các chuẩn truyền thông mạng
• 2.5.2. Server - Server hosting
• 3. CHƯƠNG 3: THIẾT KẾ VÀ THI CÔNG HỆ THỐNG
• 3.1. Tính toán chọn động cơ chính
• 3.2. Tính toán chọn pin cho xe
• 3.3. Tính toán tốc độ của xe lúc vào cua
• 3.4. Cấu hình PLC và IP tĩnh
• 3.4.1. PLC 1 - Station PLC
• 3.4.2. PLC 2 - AGV PLC
• 3.5. Thiết kế sơ đồ khối hệ thống
• 3.6. Thi công phần cứng
• 3.6.1. Lựa chọn thiết bị
• 3.6.1.1. Thiết bị bảo vệ
• 3.6.1.2. Các Module trên base PLC
• 3.6.1.3. Bộ điều khiển động cơ
• 3.6.1.4. Thiết bị giao tiếp quang DMS-GHB12
• 3.6.1.5. Cảm biến laser keyence LV37
• 3.6.1.6. Safety scanner OS32C
• 3.6.2. Phần mềm sử dụng
• 3.6.2.1. OS32C Configuration tool
• 3.6.3. Kết quả thi công phần cứng
• 3.6.4. Mô tả hoạt động hệ thống
• 4. CHƯƠNG 4: KẾT QUẢ THỰC HIỆN
• 4.1. Môi trường thực nghiệm
• 4.2. Phương pháp đánh giá
• 4.3. Thuật toán bám line
• 4.4. Phát hiện vật cản
• 4.5. Giao diện người dùng
• 4.6. Kết quả đạt được
• 4.6.1. Khả năng bám line
• 4.6.2. Khả năng phát hiện vật cản
• 4.6.3. Kết quả thiết kế giao diện người dùng
• 5. CHƯƠNG 5: KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN
• 5.1. Những mặt hạn chế
• 5.2. Hướng phát triển
• TÀI LIỆU THAM KHẢO

Tóm tắt

I. Tổng Quan Về Ứng Dụng Điều Khiển Xe AGV Chở Hàng

Xe AGV (Automated Guided Vehicle) là một phần quan trọng trong công nghiệp hiện đại, giúp tự động hóa quy trình vận chuyển hàng hóa. Việc ứng dụng xe AGV trong công nghiệp không chỉ giúp tiết kiệm thời gian mà còn giảm thiểu chi phí lao động. Hệ thống điều khiển AGV cho phép xe tự hành di chuyển một cách chính xác và hiệu quả, từ đó nâng cao năng suất làm việc trong các nhà máy và kho bãi.

1.1. Khái Niệm Về Xe AGV Trong Công Nghiệp

Xe AGV là phương tiện tự động được sử dụng để vận chuyển hàng hóa mà không cần sự can thiệp của con người. Chúng có thể hoạt động trong nhiều môi trường khác nhau, từ nhà máy sản xuất đến kho hàng.

1.2. Lợi Ích Của Việc Sử Dụng Xe AGV

Việc sử dụng xe AGV giúp giảm thiểu chi phí lao động, tăng tính linh hoạt trong sản xuất và cải thiện hiệu quả vận chuyển hàng hóa. AGV cũng giúp giảm thiểu tổn thất hàng tồn kho.

II. Thách Thức Trong Việc Ứng Dụng Xe AGV Chở Hàng

Mặc dù xe AGV mang lại nhiều lợi ích, nhưng việc triển khai chúng cũng gặp phải một số thách thức. Các vấn đề như chi phí đầu tư ban đầu cao, yêu cầu về hạ tầng và công nghệ, cũng như sự cần thiết phải đào tạo nhân viên là những yếu tố cần xem xét.

2.1. Chi Phí Đầu Tư Ban Đầu Cao

Đầu tư vào hệ thống xe AGV có thể tốn kém, bao gồm chi phí mua sắm thiết bị, lắp đặt và bảo trì. Điều này có thể là rào cản đối với nhiều doanh nghiệp nhỏ.

2.2. Yêu Cầu Về Hạ Tầng

Hệ thống AGV cần một hạ tầng phù hợp để hoạt động hiệu quả. Việc thiết kế và xây dựng hạ tầng này có thể tốn thời gian và chi phí.

III. Phương Pháp Điều Khiển Xe AGV Hiệu Quả

Để tối ưu hóa hiệu suất của xe AGV, việc áp dụng các phương pháp điều khiển hiện đại là rất quan trọng. Các công nghệ như cảm biến laser, PLC và thuật toán điều khiển thông minh giúp xe AGV hoạt động chính xác và an toàn.

3.1. Sử Dụng Cảm Biến Laser Trong Điều Khiển

Cảm biến laser giúp xe AGV nhận diện môi trường xung quanh, từ đó điều chỉnh hướng di chuyển một cách chính xác. Công nghệ này giúp giảm thiểu va chạm và tăng cường an toàn.

3.2. Ứng Dụng PLC Trong Hệ Thống Điều Khiển

PLC (Programmable Logic Controller) là một phần không thể thiếu trong hệ thống điều khiển xe AGV. Nó giúp quản lý và điều phối các hoạt động của xe một cách hiệu quả.

IV. Ứng Dụng Thực Tiễn Của Xe AGV Trong Công Nghiệp

Xe AGV đã được ứng dụng rộng rãi trong nhiều lĩnh vực công nghiệp, từ sản xuất đến logistics. Chúng giúp tối ưu hóa quy trình vận chuyển và nâng cao hiệu quả làm việc.

4.1. Ứng Dụng Trong Ngành Sản Xuất

Trong ngành sản xuất, xe AGV được sử dụng để vận chuyển nguyên liệu và sản phẩm giữa các dây chuyền sản xuất, giúp tiết kiệm thời gian và chi phí.

4.2. Ứng Dụng Trong Quản Lý Kho

Xe AGV giúp tối ưu hóa quy trình quản lý kho bằng cách tự động hóa việc vận chuyển hàng hóa, từ đó giảm thiểu sai sót và tăng cường hiệu quả.

V. Kết Luận Về Tương Lai Của Xe AGV Trong Công Nghiệp

Tương lai của xe AGV trong công nghiệp rất hứa hẹn với sự phát triển không ngừng của công nghệ. Việc áp dụng các công nghệ mới sẽ giúp xe AGV ngày càng thông minh và hiệu quả hơn.

5.1. Xu Hướng Phát Triển Công Nghệ AGV

Công nghệ AGV đang phát triển nhanh chóng với sự xuất hiện của các giải pháp điều khiển thông minh và tự động hóa cao hơn, giúp nâng cao hiệu suất làm việc.

5.2. Tác Động Đến Ngành Công Nghiệp 4.0

Xe AGV đóng vai trò quan trọng trong việc hiện thực hóa các mục tiêu của ngành công nghiệp 4.0, từ đó thúc đẩy sự phát triển bền vững và hiệu quả trong sản xuất.

Nội dung chính

Bối cảnh và vấn đề nghiên cứu

Trong bối cảnh sản xuất hiện đại và tự động hóa nhà kho, xe tự hành AGV (Automated Guided Vehicle) đóng vai trò trung tâm trong việc vận chuyển nguyên vật liệu, bán thành phẩm và hàng hóa giữa các khu vực chức năng mà không cần sự can thiệp trực tiếp của con người. Việc ứng dụng xe AGV giúp các doanh nghiệp giảm thiểu tổn thất hàng tồn kho, tối ưu hóa tính linh hoạt của dây chuyền sản xuất và cắt giảm chi phí nhân công.

Đồ án tốt nghiệp "Ứng dụng điều khiển xe AGV chở hàng trong công nghiệp" của sinh viên Nguyễn Minh Khôi và Huỳnh Trần Quốc Khánh (ngành Công nghệ Kỹ thuật Điều khiển và Tự động hóa, Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật TP. Hồ Chí Minh) tập trung giải quyết bài toán tự động hóa vận chuyển nội bộ thông qua mô hình AGV công nghiệp.

Mục tiêu nghiên cứu tổng quát của đề tài là thiết kế thuật toán điều khiển và xây dựng hệ thống cơ khí cho xe AGV di chuyển chở hàng bám theo vạch dẫn (line) cố định, đồng thời thực hiện chuẩn xác thao tác nhận và trả hàng tại các trạm dừng được thiết lập sẵn.

Để hiện thực hóa mục tiêu trên, tác giả xác định 4 nhiệm vụ nghiên cứu cốt lõi:

1. Thiết kế và xây dựng mô hình cơ khí xe AGV cùng hệ thống các trạm dừng tiếp nhận hàng.
2. Xây dựng thuật toán và điều khiển xe AGV vận hành bám theo quỹ đạo line cố định, xử lý chuyển động khi vào các góc cua.
3. Lập trình điều khiển logic toàn diện cho xe hoạt động theo đúng các yêu cầu công nghệ và đảm bảo an toàn chống va chạm.
4. Thiết kế giao diện điều khiển và giám sát vận hành từ xa thông qua ứng dụng Web Server đa nền tảng.

Đối tượng nghiên cứu của đề tài là hệ thống xe AGV chở hàng 4 bánh (sử dụng 2 bánh dẫn động phía sau và 2 bánh dẫn hướng phía trước) tích hợp bộ điều khiển PLC công nghiệp. Phạm vi nghiên cứu về không gian được giới hạn trong mô hình nhà xưởng nội bộ với quỹ đạo định sẵn, liên lạc qua mạng không dây cục bộ (Local Wi-Fi). Thời gian thực hiện đồ án diễn ra từ ngày 28/08/2023 đến ngày 30/12/2023.

---

Cơ sở lý thuyết và phương pháp

Đồ án xây dựng trên nền tảng lý thuyết chuyên ngành tự động hóa, điều khiển truyền động điện và mạng truyền thông công nghiệp:

• Lý thuyết hệ thống AGV: Khảo sát lịch sử phát triển xe tự hành từ dòng xe "Guide-O-Matic" (Arthur Barrett Jr., 1953) đến các giải pháp công nghiệp hiện đại. Phân loại cấu trúc AGV theo chức năng (xe kéo, xe chở, xe đẩy, xe nâng) và theo cơ cấu dẫn hướng (chạy tự do, chạy theo đường dẫn cố định bằng dây từ ngầm, ray dẫn, băng kẻ trên sàn, định vị laser, điều hướng dải từ, mã QR, SLAM/LiDAR và thị giác máy tính).
• Bộ điều khiển lập trình PLC và dòng Q của Mitsubishi: Cơ sở phần cứng kiến trúc vi xử lý, bộ nhớ (RAM, ROM, EPROM), khối ghép nối vào/ra (I/O). Đặc tính của PLC dòng Q với tốc độ xử lý đạt 34 ns/lệnh LD, khả năng điều khiển đa bộ xử lý (Multi-Processor) cho phép tối ưu chu kỳ quét từ 0,5 ms đến 2 ms.
• Động cơ một chiều không chổi than (Brushless DC - BLDC): Nguyên lý chuyển mạch điện tử thay thế cổ góp cơ học, cấu tạo stator 3 pha lệch nhau 120 độ tạo sức điện động hình thang kết hợp cảm biến hiệu ứng Hall để xác định vị trí tương đối của rotor nam châm vĩnh cửu.
• Mạng truyền thông và giao thức MC Protocol: Mô hình 4 lớp TCP/IP (Application, TCP, IP, Network) qua môi trường Ethernet công nghiệp. Chuẩn truyền thông Mitsubishi Communication Protocol (MC Protocol) cho phép liên kết trao đổi dữ liệu trực tiếp giữa PLC với PLC và giữa PLC với máy tính chủ hoặc hệ thống SCADA.
• Công nghệ Web Server: Nền tảng điều khiển giám sát từ xa sử dụng các ngôn ngữ đánh dấu HTML, CSS, JavaScript kết hợp ngôn ngữ lập trình Python để tiếp nhận và phản hồi yêu cầu của người dùng qua giao thức mạng.

Phương pháp nghiên cứu thực tế được triển khai bao gồm:

• Phương pháp tính toán giải tích: Xác định các lực cản chuyển động cơ học, tính toán công suất động cơ, phụ tải tiêu thụ và dung lượng nguồn cấp ắc quy.
• Phương pháp mô hình hóa động học: Thiết lập hệ phương trình vi sai mô tả chuyển động của robot di động 2 bánh dẫn động độc lập (Differential Drive Kinematics).
• Phương pháp mô phỏng số: Sử dụng phần mềm MATLAB để kiểm chứng quan hệ động học và xác định tỉ số vận tốc góc giữa hai bánh xe khi di chuyển qua cung cua.
• Phương pháp thực nghiệm và tích hợp hệ thống: Gia công khung cơ khí, lắp ráp các module điều khiển phần cứng, lập trình phần mềm trên GX Works2 và Python, kiểm tra độ ổn định bám đường và phát hiện vật cản trên mô hình thực tế.

Nguồn dữ liệu nghiên cứu thu thập trực tiếp từ tài liệu kỹ thuật (datasheet, manual) của các hãng sản xuất thiết bị công nghiệp như Mitsubishi Electric, Omron, Keyence và Oriental Motor, kết hợp với các dữ liệu đo đạc thực nghiệm trên mô hình xe.

---

Thiết kế và triển khai

Hệ thống điều khiển xe AGV chở hàng được thiết kế dưới dạng hệ thống cơ điện tử tích hợp hoàn chỉnh giữa phần cứng công nghiệp và nền tảng giám sát từ xa.

1. Tính toán cơ cấu chuyển động và nguồn năng lượng

• Lực cản chuyển động: Dựa trên các thông số thiết kế gồm khối lượng xe $G_X = 50\text{ kg}$, bán kính bánh xe $R_b = 60\text{ mm} = 0,06\text{ m}$, bán kính cổ trục bánh xe $r_{ct} = 5\text{ mm} = 0,005\text{ m}$, hệ số ma sát trượt $\beta = 8 \times 10^{-4}$ và hệ số ma sát lăn $f = 5 \times 10^{-4}$, tổng lực cản tĩnh chuyển động được xác định: $$F = \frac{(G + G_X) \cdot g}{R_b} \cdot (\beta \cdot r_{ct} + f) = 13,6\text{ N}$$
• Lựa chọn động cơ: Với hiệu suất cơ cấu truyền động $\eta = 0,9$ và vận tốc tối đa yêu cầu $v = 1\text{ m/s}$ ($3,6\text{ km/h}$), công suất định mức cần thiết của động cơ khi di chuyển có tải là $P = 61,2\text{ W}$. Nhằm đảm bảo khả năng chịu quá tải do ma sát bất thường và địa hình, tác giả lựa chọn 02 động cơ một chiều không chổi than Oriental Motor model BLHM5100K có công suất định mức $100\text{ W}$, điện áp $24\text{ VDC}$, dòng điện làm việc định mức $I = 4,16\text{ A}$.
• Tính chọn nguồn ắc quy: Đồ án đặt ra chỉ tiêu xe hoạt động liên tục trong thời gian $T = 4\text{ giờ}$ với hiệu suất hệ thống $p_t = 0,8$. Nguồn cung cấp được chọn là hệ ắc quy điện áp $24\text{ VDC}$ có dung lượng đáp ứng đủ công suất tiêu thụ của tải động cơ và các module điều khiển.
• Động học vào cua: Xe trang bị 2 bánh dẫn động phía sau và 2 bánh điều hướng phía trước. Quan hệ vận tốc vi sai giữa bánh trái ($v_L$) và bánh phải ($v_R$) được thiết lập thông qua phương trình: $$v = \frac{v_R + v_L}{2}, \quad \omega = \frac{v_R - v_L}{L}$$ Khi thực hiện chuyển hướng góc $45^\circ$, kết quả tính toán giải tích và mô phỏng trên MATLAB xác nhận tỉ số vận tốc cần thiết giữa hai bánh xe là $2:1$.

2. Cấu hình phần cứng và thiết bị điều khiển

Hệ thống sử dụng cấu trúc điều khiển phân tán gồm 2 trạm PLC Mitsubishi dòng Q và 1 máy tính điều khiển trung tâm:

• Trạm điều khiển cố định (Station PLC): Đảm nhiệm thu nhận tín hiệu gọi xe từ các nút bấm tại các trạm dừng vật lý và quản lý tín hiệu giao tiếp quang học. Vì CPU không có cổng mạng tích hợp sẵn, hệ thống bổ sung module truyền thông Ethernet QJ71E1-100.
• Trạm điều khiển di động trên xe (AGV PLC): Sử dụng CPU Q04UDEH tích hợp sẵn cổng Ethernet (Built-in Ethernet Port), kết nối trực tiếp với modem Wi-Fi đặt trên xe để duy trì liên lạc liên tục với máy tính chủ.

Thiết bị / Module	Mã hiệu (Model)	Vai trò và thông số kỹ thuật chính
Bộ nguồn PLC	Q61P	Cung cấp nguồn nuôi cho base và các module chức năng của PLC
Bộ xử lý trung tâm	CPU Q04UDEH	CPU điều khiển chính trên xe AGV, tích hợp cổng Built-in Ethernet
Module mở rộng mạng	QJ71E1-100	Module truyền thông Ethernet công nghiệp sử dụng cho PLC trạm
Module ngõ ra số	QY42P	64 ngõ ra transistor dạng Sink, dùng kích đóng/ngắt tín hiệu điều khiển
Module ngõ ra tương tự	Q68DAVN	8 kênh Digital to Analog (D/A) điều khiển tốc độ bộ truyền động
Động cơ kéo chính	Oriental BLHM5100K	Động cơ BLDC $100\text{ W}$, $24\text{ VDC}$, kèm driver điều khiển tốc độ
Cảm biến an toàn	Omron OS32C	Safety Laser Scanner quét vật cản và thiết lập vùng bảo vệ an toàn
Cảm biến bám vạch	Keyence LV37	Cảm biến kỹ thuật số laser nhận diện vạch dẫn hướng (line)
Cảm biến trạm dừng	DMS-GHB12	Thiết bị giao tiếp truyền nhận dữ liệu bằng quang học tại trạm Home
Khí cụ bảo vệ	CP30-BA	Aptomat (CB) bảo vệ quá dòng và ngắn mạch cho hệ thống điện

3. Cấu hình truyền thông và kiến trúc phần mềm

• Cấu hình mạng IP tĩnh: Để đảm bảo liên kết dữ liệu ổn định, toàn bộ thiết bị trong mạng LAN cục bộ được gán địa chỉ IP và port cố định. Trên phần mềm GX Works2, module QJ71E1-100 được thiết lập các tham số "Network Parameter" (Network Type, Start I/O no.), gán IP tại "Operation Setting" và định hình giao thức TCP/UDP tại mục "Open Setting". CPU Q04UDEH được định cấu hình cổng Ethernet nội tại thông qua thẻ "Built-in Ethernet Port Setting".
• Lập trình an toàn và quét vùng: Cảm biến laser an toàn Omron OS32C được cài đặt các vùng cảnh báo và vùng dừng khẩn cấp thông qua phần mềm chuyên dụng OS32C Configuration Tool. Khi phát hiện vật thể xâm nhập vào vùng bảo vệ, ngõ ra an toàn sẽ ngắt lập tức để PLC dừng xe.
• Hệ thống Web Server điều khiển: Máy tính trung tâm chạy ứng dụng Web Server viết bằng Python, sử dụng thư viện giao tiếp theo chuẩn MC Protocol để đọc/ghi các thanh ghi nội vi của PLC qua mạng Ethernet/Wi-Fi. Giao diện người dùng được hiển thị trên trình duyệt web, cho phép người vận hành gửi lệnh gọi xe, chọn trạm đến và giám sát trạng thái từ máy tính để bàn hoặc điện thoại thông minh (smartphone).

---

Nội dung chính theo từng chương

Chương 1: Tổng quan

Chương 1 trình bày lý do lựa chọn đề tài xuất phát từ nhu cầu thực tiễn trong các nhà máy và kho hàng hiện đại nhằm giảm chi phí nhân công và tối ưu luồng vận chuyển. Nhóm tác giả xác định mục tiêu trọng tâm là chế tạo mô hình AGV chở hàng bám line và dừng trả hàng tại các trạm định sẵn; phân chia 14 tuần thực hiện cụ thể từ khâu nghiên cứu lý thuyết, thi công cơ khí, lập trình PLC đến xây dựng Web Server. Đồng thời, chương này chỉ rõ 4 giới hạn kỹ thuật của đồ án liên quan đến độ tối ưu cơ khí, độ ổn định cảm biến dưới ánh sáng biến đổi, việc lọc nhiễu thủ công và an toàn bảo mật giao diện.

Chương 2: Cơ sở lý thuyết

Chương 2 cung cấp nền tảng lý thuyết toàn diện về hệ thống xe tự hành, thiết bị điều khiển và truyền thông mạng:

• Phân tích chi tiết 4 dạng xe AGV chức năng (xe kéo, xe chở, xe đẩy, xe nâng) và 8 cơ cấu điều hướng phổ biến trong công nghiệp.
• Giới thiệu kiến trúc phần cứng, ưu nhược điểm và vai trò của bộ lập trình PLC nói chung, cũng như sức mạnh xử lý tốc độ cao ($34\text{ ns/LD}$), tính năng đa CPU và khả năng mở rộng của dòng PLC Mitsubishi Q-Series.
• Phân tích cấu tạo stator, rotor, hoạt động của cảm biến Hall và nguyên lý đóng ngắt theo chu kỳ dòng điện của động cơ một chiều không chổi than (BLDC).
• Khái quát mô hình mạng TCP/IP, cấu trúc đóng gói gói tin Ethernet và chuẩn truyền thông độc quyền MC Protocol của Mitsubishi phục vụ truyền thông SCADA.
• Trình bày kiến trúc máy chủ Web Server, mô hình kết nối Web Client - Server và cơ chế hoạt động của các ngôn ngữ đánh dấu HTML, CSS, JavaScript.

Chương 3: Thiết kế và thi công hệ thống

Chương 3 là phần trọng tâm về kỹ thuật của đồ án, tập trung vào:

• Tính toán cơ học xác định lực cản tĩnh ($F = 13,6\text{ N}$), từ đó chọn động cơ BLDC $100\text{ W}$ ($24\text{ V}$, $4,16\text{ A}$) và tính toán dung lượng ắc quy cho thời gian làm việc $4\text{ giờ}$.
• Thiết lập phương trình động học vi sai của mô hình xe 4 bánh, chạy mô phỏng trên MATLAB để rút ra tỉ số vận tốc 2:1 cho góc vào cua $45^\circ$.
• Thiết kế sơ đồ khối toàn hệ thống, sơ đồ chân đấu nối các module PLC (Q61P, Q04UDEH, QY42P, Q68DAVN, QJ71E1-100) và thiết bị bảo vệ CP30-BA.
• Cấu hình địa chỉ IP tĩnh và các thông số Network Parameter, Operation Setting, Open Setting cho hai trạm PLC.
• Tích hợp các cảm biến chuyên dụng: cảm biến laser Keyence LV37 dò line, cảm biến truyền thông quang DMS-GHB12 tại trạm Home, và máy quét an toàn Omron OS32C cài đặt qua phần mềm OS32C Configuration Tool.
• Trình bày lưu đồ giải thuật điều khiển toàn hệ thống trên GX Works2 và xây dựng giao diện Web Server trên Python.

Chương 4: Kết quả thực hiện

Chương 4 ghi nhận kết quả thực nghiệm sau khi tích hợp toàn bộ hệ thống cơ - điện - phần mềm:

• Kiểm nghiệm bám line và vào cua: Xe bám sát vạch dẫn hướng trong điều kiện phòng thí nghiệm tiêu chuẩn. Thuật toán điều chỉnh vận tốc 2 bánh sau theo tỉ số 2:1 giúp xe chuyển hướng góc $45^\circ$ mượt mà qua 3 giai đoạn: trước khi vào cua, khi ở giữa khúc cua và sau khi thoát cua.
• Kiểm nghiệm an toàn va chạm: Máy quét laser Omron OS32C phát hiện chính xác vật cản trong góc quét và khoảng cách đã cấu hình, kích hoạt ngắt truyền động để dừng xe an toàn.
• Kiểm nghiệm giao diện người dùng: Giao diện điều khiển máy chủ web hoạt động ổn định trên máy tính trung tâm, đồng thời hiển thị và phản hồi tốt các thao tác gọi trạm khi truy cập từ smartphone và máy tính cá nhân qua Wi-Fi nội bộ.

Chương 5: Kết luận và hướng phát triển

Chương 5 tổng kết các kết quả kỹ thuật đã hoàn thành so với mục tiêu ban đầu; chỉ ra các điểm nghẽn kỹ thuật chưa đạt được như kết cấu cơ khí còn nặng và rung lắc, khả năng chống nhiễu quang học chưa triệt để. Từ đó, nhóm tác giả đề xuất các giải pháp nâng cấp trong tương lai như tối ưu hóa cơ cấu cơ khí, bổ sung thuật toán lọc nhiễu thích nghi ánh sáng và tích hợp giao thức bảo mật người dùng cho hệ thống Web Server.

---

Kết quả và đóng góp

Đồ án đã chế tạo thành công một mô hình xe AGV chở hàng công nghiệp hoàn chỉnh về cả cơ khí, điện tử và điều khiển tự động với các kết quả cụ thể:

• Xây dựng phần cứng đạt chuẩn công nghiệp: Hệ thống cơ khí 4 bánh hoạt động ổn định với tổng khối lượng xe $50\text{ kg}$; trang bị 02 động cơ BLDC Oriental Motor $100\text{ W}$ ($24\text{ V}$) đáp ứng lực cản tĩnh $13,6\text{ N}$ và duy trì vận tốc làm việc tối đa đạt $1\text{ m/s}$ ($3,6\text{ km/h}$).
• Điều khiển động học chính xác: Kiểm chứng thành công thuật toán phân chia tỉ số vận tốc 2:1 cho hai bánh dẫn động sau, cho phép xe vượt qua các khúc cua $45^\circ$ mà không bị lệch quỹ đạo dẫn hướng.
• Tích hợp giải pháp an toàn cao cấp: Khác với các mô hình xe tự hành cỡ nhỏ chỉ dùng cảm biến siêu âm đơn giản, đồ án đã tích hợp Safety Laser Scanner Omron OS32C, thiết lập vùng quét bảo vệ để tự động nhận dạng chướng ngại vật và hãm dừng xe kịp thời.
• Làm chủ kỹ thuật truyền thông công nghiệp: Kết nối thành công hệ thống mạng đa PLC dòng Q của Mitsubishi thông qua module QJ71E1-100 và cổng Built-in Ethernet của CPU Q04UDEH; cấu hình IP tĩnh và giao thức MC Protocol liên lạc ổn định với máy tính chủ.
• Tích hợp Web Server đa nền tảng: Xây dựng thành công máy chủ web bằng Python, cho phép gọi xe linh hoạt từ smartphone và PC qua mạng Wi-Fi cục bộ.

Về mặt đóng góp, đồ án đã trình bày phương pháp kết hợp đồng bộ giữa bộ điều khiển logic khả trình chuyên dụng trong công nghiệp (PLC) với các ứng dụng công nghệ thông tin hiện đại (Web Server, Python), tạo nên mô hình thực nghiệm tiệm cận với môi trường nhà máy thông minh.

---

Hạn chế và hướng nghiên cứu tiếp

Dựa trên các giới hạn được nhóm tác giả nêu rõ trong báo cáo, hệ thống còn tồn tại một số điểm hạn chế kỹ thuật:

• Tính toán và gia công thiết kế cơ khí chưa thực sự tối ưu, khung gầm xe còn độ rơ và chưa phân bổ tải trọng lý tưởng.
• Cảm biến laser Keyence LV37 nhận diện vạch line dễ bị ảnh hưởng khi cường độ ánh sáng môi trường thay đổi đột ngột giữa các khu vực làm việc.
• Một số tình huống phát sinh nhiễu tín hiệu quang hoặc nhiễu đường truyền vẫn đòi hỏi người vận hành phải can thiệp xử lý thủ công.
• Giao diện điều khiển Web Server trên nền tảng Python mới chỉ hoạt động trong mạng cục bộ và hoàn toàn chưa được thiết lập các cơ chế bảo mật (như xác thực tài khoản, mã hóa phân quyền người dùng).

Các hướng mở rộng và phát triển tiếp theo được đề xuất:

• Cải tiến và tối ưu hóa kết cấu cơ khí, giảm khối lượng bản thân xe và nâng cao tải trọng chuyên chở thực tế.
• Bổ sung thuật toán bù sáng tự động hoặc kết hợp công nghệ điều hướng dải từ / mã QR để nâng cao độ tin cậy bám đường trong mọi điều kiện ánh sáng.
• Nghiên cứu áp dụng công nghệ điều hướng tự nhiên không đường dẫn (SLAM, LiDAR Navigation) để xe hoạt động linh hoạt mà không cần dán line cố định.
• Nâng cấp phần mềm máy chủ, bổ sung cơ chế mã hóa kết nối và bảo mật xác thực nhiều lớp cho giao diện điều khiển từ xa.

---

Giá trị tham khảo

Đồ án tốt nghiệp là tài liệu tham khảo có giá trị học thuật và ứng dụng thực tiễn cao đối với:

• Sinh viên ngành Tự động hóa, Cơ điện tử và Kỹ thuật Robot: Có thể tham khảo phương pháp tính toán lực cản động học, quy trình lựa chọn công suất động cơ BLDC, và phương pháp mô phỏng động học vào cua trên MATLAB.
• Kỹ sư tích hợp hệ thống và nghiên cứu AGV: Bản thiết kế cung cấp hướng dẫn thực tế chi tiết về cách cấu hình tham số mạng Ethernet (Network Parameter, Operation Setting, Open Setting) cho các dòng PLC Mitsubishi Q-Series (Q04UDEH, QJ71E1-100).
• Phát triển ứng dụng SCADA/IoT: Đồ án minh họa phương thức kết nối dữ liệu từ thiết bị phần cứng công nghiệp lên phần mềm cấp cao (Python Web Server) thông qua giao thức MC Protocol tiêu chuẩn.

---

Câu hỏi thường gặp

1. Xe AGV trong đồ án sử dụng cơ cấu chuyển động nào và tỉ số vận tốc giữa hai bánh khi vào cua được xác định ra sao?

Xe AGV được thiết kế theo cấu trúc 4 bánh gồm 2 bánh điều hướng tự do phía trước và 2 bánh dẫn động độc lập phía sau bằng động cơ một chiều không chổi than (BLDC). Quá trình di chuyển thẳng hay rẽ hướng được điều khiển bằng phương pháp vi sai vận tốc giữa hai bánh sau. Dựa trên mô hình động học và kiểm chứng mô phỏng trên phần mềm MATLAB, khi xe rẽ một góc $45^\circ$, tỉ số vận tốc tuyến tính giữa hai bánh dẫn động được thiết lập là $2:1$.

2. Cấu trúc phần cứng điều khiển trung tâm của hệ thống bao gồm những thiết bị PLC nào?

Hệ thống sử dụng hai bộ lập trình PLC Mitsubishi dòng Q:

• PLC 1 (Station PLC): Đặt tại trạm cố định, sử dụng module nguồn Q61P và mở rộng truyền thông Ethernet thông qua module chuyên dụng QJ71E1-100 để giao tiếp mạng.
• PLC 2 (AGV PLC): Đặt trực tiếp trên xe, sử dụng bộ xử lý trung tâm CPU Q04UDEH tích hợp sẵn cổng Built-in Ethernet Port, kết hợp module ngõ ra số QY42P, module ngõ ra analog Q68DAVN và aptomat bảo vệ CP30-BA.

3. Giao thức truyền thông nào được sử dụng để liên kết máy tính chủ với hệ thống PLC?

Hệ thống áp dụng chuẩn truyền thông mạng Ethernet công nghiệp trên nền giao thức TCP/IP, kết hợp với giao thức độc quyền MC Protocol (Mitsubishi Communication Protocol). MC Protocol cho phép máy tính chủ (chạy mã nguồn Python) truy cập trực tiếp để đọc và ghi dữ liệu trạng thái vào các vùng nhớ, thanh ghi của PLC thông qua kết nối Wi-Fi nội bộ.

4. Hệ thống phát hiện vật cản và đảm bảo an toàn chuyển động bằng thiết bị nào?

Để đảm bảo an toàn công nghiệp, xe AGV được trang bị máy quét laser an toàn (Safety Laser Scanner) Omron model OS32C. Thiết bị này được thiết lập góc quét và bán kính nhận dạng bảo vệ thông qua phần mềm chuyên dụng OS32C Configuration Tool. Khi có người hoặc vật cản xuất hiện trong vùng nguy hiểm, cảm biến phát tín hiệu ngắt về PLC để hãm dừng xe tức thì.

5. Những nhược điểm chính của đồ án mà tác giả đã chỉ ra là gì?

Nhóm tác giả đã xác định 4 hạn chế chính trong đồ án: (1) Kết cấu cơ khí của khung xe chưa được tối ưu hóa hoàn toàn; (2) Thuật toán bám line bằng cảm biến quang/laser Keyence LV37 hoạt động chưa ổn định khi môi trường thay đổi ánh sáng đột ngột; (3) Vẫn cần sự can thiệp thủ công của con người để xử lý nhiễu trong một số tình huống; (4) Giao diện Web Server điều khiển từ xa chưa được tích hợp các tính năng bảo mật người dùng.

---

Kết luận

Đồ án tốt nghiệp "Ứng dụng điều khiển xe AGV chở hàng trong công nghiệp" đã hoàn thành việc thiết kế, chế tạo và thử nghiệm thành công mô hình xe tự hành bám vạch sử dụng thiết bị tự động hóa tiêu chuẩn công nghiệp. Sự kết hợp giữa bộ điều khiển PLC Mitsubishi dòng Q, động cơ một chiều không chổi than và máy quét laser an toàn Omron OS32C đã chứng minh tính khả thi của giải pháp điều khiển động học vi sai trong vận chuyển nội bộ. Bên cạnh đó, việc làm chủ giao thức truyền thông MC Protocol và tích hợp máy chủ Web Server bằng Python đã mang lại khả năng giám sát, gọi xe trực quan trên đa nền tảng, tạo tiền đề vững chắc cho việc tiếp tục nâng cấp hệ thống theo hướng điều hướng tự nhiên và tối ưu hóa bảo mật trong tương lai.

Trích đoạn nội dung tài liệu

Chương 1: Tổng quan Chương này đưa ra các vấn đề, lý do chọn đề tài, mục đích nghiên cứu, bố cục cũng như các giới hạn của đề tài. Chương 2: Cơ sở lý thuyết Chương này trình bày nội dung cơ sở lý thuyết về PLC, PLC Misubishi dòng Q, động cơ brushless, cảm biến trạm dừng AGV, cảm biến laser, máy quét laser an toàn, tính toán động học, và truyền thông giao tiếp MC-Protocol. Chương 3: Thiết kế và thi công hệ thống Chương này trình bày các bước thi công phần cứng, lựa chọn thiết bị, sơ đồ nối dây và thuật toán sử dụng trong hệ thống. Chương 4: Kết quả thực hiện Chương này đưa ra các phương pháp đánh giá, kiểm chứng thuật toán, kiểm chứng vận tốc khi vào cua, điều khiển xe ở các chế độ và tính năng đề ra.

Chương 5: Kết luận và hướng phát triển Chương này trình bày kết quả đạt được và đưa ra nhận xét với mục tiêu đặt ra cho đề tài. Kết luận về đề tài sau khi hoàn thành, đưa ra các ưu và nhược điểm từ đó đề ra hướng phát triển của trong tương lai. Giới hạn đề tài - Tính toán thiết kế cơ khí chưa tối ưu - Thuật toán bám line chưa hoạt động hoàn hảo trong điều kiện ánh sáng thay đổi - Một số tình huống yêu cầu xử lý nhiễu thủ công - Giao diện người dùng chưa có tính bảo mật BỘ MÔN ĐIỀU KHIỂN TỰ ĐỘNG 2 CHƯƠNG 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT CHƯƠNG 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT 2.1 Giới thiệu về xe tự hành AGV 2.1 Lịch sử phát triển xe AGV Không giống như các phương tiện truyền thống, việc triển khai AGV ban đầu sẽ diễn ra trong kho. Năm 1953, Arthur Barrett Jr.

đã phát triển phương tiện dẫn đường tự động (AGV) đầu tiên. Ông mô tả nó như một chiếc xe tự lái "Guide-O- Matic". Guide-Omatic đi theo dây cáp trên trần nhà. Điều này đã đưa Barrett Electronics trở thành nhà cung cấp hàng đầu về thiết bị trung tâm phân phối và hậu cần hiện đại.

Xe tải công nghiệp Barrett sau đó đã được bán cho Nissan. Bước đột phá của AGV đến vào năm 1973 khi các kỹ sư tại nhà máy lắp ráp ô tô của Volvo ở Kalmar, Thụy Điển, phát triển thiết bị lắp ráp không đồng bộ để thay thế cho dây chuyền lắp ráp trung tâm. Công nghệ ngày nay đang thúc đẩy các hệ thống mở rộng khả năng và tính linh hoạt của chúng. Vào thời điểm đó, phương tiện không chỉ được sử dụng để thực hiện các công việc đơn giản như kéo, đẩy đồ vật trong không gian nhỏ mà còn trong các quá trình xử lý và vận chuyển quy mô lớn, đặc biệt là ở các công ty, nhà máy lớn.2 Phân loại xe Agv dựa vào chức năng Dựa vào các chức năng mà xe tự hành AGV đảm nhận trong cách công việc có thể được chia làm bốn loại dựa theo nhu cầu chức năng của người sử dụng.

❖ Xe kéo (Towing Vehicle) Xe kéo là dòng sản phẩm đầu tiên của AGV, xuất hiện đầu tiên và vẫn được ưa chuộng và là loại được ưa chuộng nhất. Loại này có thể kéo được nhiều loại toa chở hàng khác nhau và chở được 8. Ưu điểm của hệ thống xe kéo: - Khả năng chuyên chở lớn. BỘ MÔN ĐIỀU KHIỂN TỰ ĐỘNG 3 CHƯƠNG 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT - Có thể dự đoán và lên kế hoạch về tính hiệu quả của việc chuyên chở cũng như đảm bảo an toàn, tăng tính an toàn.1 Mô hình xe AGV dạng kéo ❖ Xe chở (Unit Load Vehicle) Xe tải được trang bị sàn khay có thể nâng lên hạ xuống bằng băng tải, dây đai hoặc dây xích.

Một xe tải đơn vị AGV được trang bị cảm biến chờ ở vị trí băng chuyền. Sau đó, khi hàng hóa được chuyển từ băng tải lên xe, AGV sẽ tự động di chuyển đến các điểm đã được lập trình sẵn. Một số đặc điểm của băng tải AGV: Tải trọng được phân phối và di chuyển theo yêu cầu. - Thời gian đáp ứng nhanh gọn.

- Giảm hư hại tài sản. - Đường đi linh hoạt, lập kế hoạch hiệu quả. - Giảm thiểu các tắc nghẽn giao thông chuyên chở. BỘ MÔN ĐIỀU KHIỂN TỰ ĐỘNG 4 CHƯƠNG 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT Hình 2.2 Xe AGV dạng chở ❖ Xe đẩy (Cart Vehicle) Xe đẩy được cho là có tính linh hoạt cao và rẻ tiền, chúng được sử dụng để chuyên chở vật liệu và các hệ thống lắp ráp.3 Mô hình xe AGV dạng đẩy ❖ Xe nâng (Fork Vehicle) Có khả năng nâng các tải trọng đặt trên sàn hoặc trên các bục cao hay các khối hàng đặt trên giá.

Các ứng dụng thực tế của AGV trong các ngành sản xuất: Các ngành May mặc, Giày da, sản xuất Ô Tô, sản xuất linh kiện điện tử, các ngành đặt thù cần vận chuyển nhiều trong nhà máy. BỘ MÔN ĐIỀU KHIỂN TỰ ĐỘNG 5 CHƯƠNG 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT Hình 2.4 Mô hình xe AGV dạng nâng 2.3 Phân loại theo cơ cấu dẫn đường Các hệ thống định vị khác nhau có thể được lựa chọn dựa trên yêu cầu, tần suất vận chuyển, phương tiện hiện có, chi phí lắp đặt và mở rộng trong tương lai. Các hệ thống phổ biến nhất là laser, đường viền, điểm từ và điều hướng băng từ được mô tả như sau. ❖ Loại chạy không chạy theo đường dẫn (Free path navigation): Có thể di chuyển đến bất kỳ vị trí nào trong không gian phẫu thuật.

Đây là một chiếc xe AGV có tính linh hoạt cao, tự định vị bằng cách sử dụng cảm biến con quay hồi chuyển để xác định hướng chuyển động và cảm biến laser để xác định vị trí của các vật thể xung quanh trong quá trình di chuyển. dẫn đường, hệ thống định vị cục bộ (Local navigation location) để xác định tọa độ tức thời. Thiết kế của loại phương tiện này đòi hỏi công nghệ tiên tiến hơn và phức tạp hơn so với các loại robot vận chuyển tự động khác. ❖ Loại chạy theo đường dẫn (Fixed path navigation): Robot vận chuyển tự động thuộc loại này được thiết kế chạy theo các đường dẫn định sẵn gồm: BỘ MÔN ĐIỀU KHIỂN TỰ ĐỘNG 6 CHƯƠNG 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT - Đường dẫn từ: là loại đường dẫn được tạo thành từ một sợi dây từ được chôn dưới lòng đất.

Khi di chuyển, nhờ cảm biến cảm ứng từ nên xe có thể di chuyển dọc theo dây dẫn. Loại lối đi này không nằm trên mặt đất nên có tính thẩm mỹ tốt và không ảnh hưởng đến các hoạt động khác. Tuy nhiên, khi sử dụng, năng lượng phải tiêu hao để tạo ra từ tính trong dây, đường đi là cố định và không thể thay đổi. - Đường ray dẫn: Robot vận chuyển tự động hoạt động trên các ray định sẵn trên mặt đất.

Loại này chỉ dùng cho các hệ thống chuyên dụng. Nó cho phép thiết kế phương tiện đơn giản hơn và có thể di chuyển ở tốc độ cao nhưng độ linh hoạt thấp. - Đường băng kẻ trên sàn: Robot vận tải tự động di chuyển dọc theo các tuyến đường được đánh dấu trước trên mặt đất bằng cách sử dụng các cảm biến nhận dạng tuyến đường. Loại này có tính linh hoạt cao vì trong quá trình sử dụng, người ta có thể dễ dàng thay đổi đường dẫn bằng cách vẽ lại các đường dẫn.

Tuy nhiên khi sử dụng, các vạch dẫn có thể bị bẩn hay hư hại gây khó khăn cho việc điều khiển chính xác Robot.4 Phân loại theo điều hướng của xe AGV ❖ Điều hướng điện từ, điểm từ: Điều hướng điện từ: Đó là một phương pháp điều hướng tương đối truyền thống. Về mặt thực hiện, một dây kim loại được nhúng vào lòng đường của phương tiện được điều khiển tự động, dòng điện tần số thấp, điện áp thấp được truyền qua dây kim loại để tạo ra từ trường và từ trường được truyền qua cảm biến điện. Nhận dạng và theo dõi mạnh và yếu cho phép hoàn thành việc điều hướng và phân công nhiệm vụ bằng cách đọc các thẻ RFID được nhúng sẵn. - Ưu điểm: Ưu điểm chính của dẫn hướng điện từ là dây kim loại được chôn trong đất (cách mặt đất 2 cm), được giấu kín và ít bị hư hỏng.

Nguyên tắc BỘ MÔN ĐIỀU KHIỂN TỰ ĐỘNG 7 CHƯƠNG 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT hướng dẫn đơn giản và đáng tin cậy, không có nhiễu âm thanh và ánh sáng, chi phí sản xuất thấp. - Nhược điểm: việc đặt dây kim loại rất bất tiện, khó sửa đổi và mở rộng đường đi, cảm ứng điện từ dễ bị ảnh hưởng bởi các chất sắt từ như kim loại. Điều hướng điểm từ: Các điểm từ được đặt cách nhau 250-500 mm để tạo ra một đường nhìn thấy được. AGV sử dụng cảm biến để di chuyển từ điểm này sang điểm khác và điều khiển cảm biến hiệu ứng Hall, bộ mã hóa, bộ đếm, cảm biến con quay hồi chuyển và các loại bộ mã hóa khác để bù đắp cho lỗi góc lái.

- Ưu điểm: Dễ lắp đặt, độ chính xác cao (± 2mm), không mất phí bảo hành. - Nhược điểm: Lắp đặt phức tạp hơn điều hướng dải từ. ❖ Điều hướng dải từ Công nghệ điều hướng dải từ tương tự như điều hướng điện từ. Sự khác biệt là dải từ được đặt trên mặt đường thay vì nhúng đường kim loại dưới mặt đất và tín hiệu cảm biến dải từ được sử dụng để dẫn hướng.

- Ưu điểm: + Định vị AGV là chính xác. + Việc đặt, thay đổi hoặc mở rộng đường dẫn tương đối dễ dàng, không cần kỹ sư chuyên nghiệp so với điều hướng điện từ. + Chi phí dải từ thấp và hiệu quả cao. + Không bị ảnh hưởng bởi ánh sáng, bụi bẩn.

- Nhược điểm: + Băng từ dễ bị hỏng, yêu cầu bảo trì thường xuyên và thay đổi đường dẫn yêu cầu đặt lại băng. BỘ MÔN ĐIỀU KHIỂN TỰ ĐỘNG 8 CHƯƠNG 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT + AGV chỉ có thể đi trên băng từ, không đạt được sự tránh né thông minh hoặc thay đổi nhiệm vụ trong thời gian thực thông qua hệ thống điều khiển. + Lắp đặt rất nhiều các dải từ trên sàn làm phức tạp việc quản lí. Có hướng dẫn bằng đinh từ tính và hướng dẫn bằng băng là những phương pháp hướng dẫn tương tự như nguyên lý hướng dẫn bằng băng từ.

Trong điều hướng dựa trên từ tính, một nền tảng từ tính được lắp đặt trên mặt đất. Ưu điểm là che giấu tốt, chống nhiễu mạnh, chống mài mòn, chống axit và kiềm. Nhược điểm là nó dễ bị ảnh hưởng bởi vật liệu sắt từ, cấu trúc của đường hiệu chỉnh lớn và dễ bị hư hại trên mặt đất. Thường chỉ được sử dụng trên bến cảng.