Đồ Án Tốt Nghiệp: Ứng Dụng Xe AGV Vận Chuyển Hàng Hoá Tự Động Trong Công Nghiệp

Đồ án nghiên cứu tốt nghiệp ứng dụng điều khiển xe agv vận chuyển hàng hóa tự động trong công nghiệp, áp dụng công nghệ tiên tiến, tối ưu giải pháp kỹ thuật cho bài toán .

• Tác giả: Phạm Đức Tính
• 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 Vận Chuyển Hàng Hoá Tự Động Trong Công Nghiệp
• Loại tài liệu: Đồ Án Tốt Nghiệp
• Năm xuất bản: 2024
• Địa điểm: Hồ Chí Minh

Mục lục chi tiết

• NHIỆM VỤ ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP
• NHẬN XÉT CỦA GIẢNG VIÊN HƯỚNG DẪN
• PHIẾU NHẬN XÉT PHẢN BIỆN ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP
• LỊCH TRÌNH THỰC HIỆN ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP
• LỜI CAM ĐOAN
• LỜI CẢM ƠN
• MỤC LỤC
• MỤC LỤC HÌNH ẢNH
• MỤC LỤC BẢNG
• DANH MỤC TỪ VIẾT TẮC
• TÓM TẮT ĐỀ TÀI
• ABSTRACT
• 1. CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN
• 1.1. Đặt vấn đề
• 1.2. Tổng quan đề tài
• 1.3. Các nghiên cứu ở nước ngoài
• 1.4. Các nghiên cứu trong nước
• 1.5. Mục đích đề tài
• 1.6. Mục tiêu đề tài
• 1.7. Đối tượng và phạm vi nghiên cứu
• 1.7.1. Đối tượng nghiên cứu
• 1.7.2. Phạm vi nghiên cứu
• 1.8. Nội dung nghiên cứu
• 2. CHƯƠNG 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT
• 2.1. Giới thiệu về xe AGV
• 2.1.1. Định nghĩa xe AGV
• 2.1.2. Lịch sử hình thành của xe AGV
• 2.2. Lý thuyết giao tiếp TCP/IP
• 2.2.1. TCP/IP là gì?
• 2.2.2. Nguyên lý hoạt động của TCP/IP là gì?
• 2.2.3. Cấu trúc của TCP/IP là gì và chức năng của các tầng
• 2.2.4. Ưu điểm và nhược điểm của TCP/IP là gì?
• 2.2.5. Các giao thức TCP/IP phổ biến nhất
• 2.3. Giới thiệu về ngôn ngữ lập trình Python
• 2.3.1. Lịch sử hình thành của Python
• 2.3.2. Các tính năng của Python
• 2.3.3. Ứng dụng của Python
• 2.4. Giới thiệu phần mềm Qt designer
• 2.4.1. Qt designer là gì?
• 2.4.2. Qt designer và Python
• 2.5. Giới thiệu phần mềm GXWorks 2
• 2.6. Giới thiệu chung về PLC (Programming Logic Control)
• 2.6.1. Khái quát về PLC (Programming Logic Control)
• 2.6.2. Đặc điểm của PLC
• 2.6.3. Vai trò của PLC
• 2.7. PLC dòng Q Mitsubishi
• 2.7.1. Giới thiệu PLC dòng Q
• 2.7.2. Đặc điểm chung của PLC Mitsubishi dòng Q
• 2.7.3. Tính năng của PLC dòng Q
• 2.8. Động cơ brushless DC
• 2.8.1. Giới thiệu về động cơ brushless DC
• 2.8.2. Cấu tạo động cơ brushless DC
• 2.8.3. Nguyên lý hoạt động của động cơ 1 chiều không chổi than
• 2.9. Truyền thông giao tiếp MC-Protocol
• 2.9.1. Các chuẩn truyền thông mạng
• 2.9.2. Server - Server hosting
• 3. CHƯƠNG 3: THIẾT KẾ VÀ THI CÔNG HỆ THỐNG
• 3.1. Thiết kế hệ thống
• 3.1.1. Thiết kế khung xe AGV
• 3.1.2. Thiết kế càng nâng hàng
• 3.1.3. Mô hình xe AGV
• 3.1.4. Thiết kế giao diện điều khiển
• 3.2. Tính toán lựa chọn thiết bị
• 3.2.1. Tính toán động cơ chính
• 3.2.2. Tính toán chọn pin cho xe
• 3.2.3. Tính toán khối lượng nâng của xe
• 3.2.4. Tính toán tốc độ của xe lúc vào cua
• 3.2.5. PLC 1 - Station PLC
• 3.2.6. PLC 2 - AGV PLC
• 3.3. Thiết kế sơ đồ khối hệ thống
• 3.4. Thi công phần cứng
• 3.4.1. Lựa chọn thiết bị
• 3.4.2. Sơ đồ nối dây phần cứng
• 3.4.3. Kết quả thi công phần cứng
• 3.4.4. 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
• 4.2.1. Thuật toán bám line
• 4.2.2. Giao diện người dùng
• 4.3. Kết quả đạt được
• 4.3.1. Khả năng bám line
• 4.3.2. Khả năng lấy hàng
• 4.3.3. Khả năng trả hàng
• 4.3.4. Kết quả thiết kế giao diện người dùng
• 5. CHƯƠNG 5: NHẬN XÉT VÀ ĐÁNH GIÁ
• 5.1. Nhận xét và đánh giá
• 6. CHƯƠNG 6: KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN
• 6.1. Hướng phát triển
• TÀI LIỆU THAM KHẢO

Tóm tắt

I. Tổng Quan Về Ứng Dụng Xe AGV Trong Vận Chuyển Hàng Hoá

Xe AGV (Automated Guided Vehicle) đang trở thành một phần không thể thiếu trong ngành công nghiệp hiện đại. Với khả năng tự động hóa quy trình vận chuyển hàng hóa, xe AGV giúp giảm thiểu chi phí lao động và nâng cao hiệu quả sản xuất. Việc áp dụng công nghệ này không chỉ giúp tiết kiệm thời gian mà còn tối ưu hóa quy trình logistics trong các nhà máy.

1.1. Định Nghĩa Và Lịch Sử Phát Triển Của Xe AGV

Xe AGV là loại xe tự hành được thiết kế để vận chuyển hàng hóa trong các nhà máy và kho bãi. Lịch sử phát triển của xe AGV bắt đầu từ những năm 1950, với những cải tiến đáng kể trong công nghệ điều khiển và cảm biến.

1.2. Các Loại Xe AGV Phổ Biến Hiện Nay

Hiện nay, có nhiều loại xe AGV khác nhau như xe kéo, xe nâng và xe chở hàng. Mỗi loại xe có những đặc điểm và ứng dụng riêng, phù hợp với nhu cầu vận chuyển hàng hóa khác nhau trong công nghiệp.

II. Vấn Đề Và Thách Thức Trong Việc Ứng Dụng Xe AGV

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 sự tương thích với các hệ thống hiện có là những yếu tố cần được xem xét kỹ lưỡng.

2.1. Chi Phí Đầu Tư Ban Đầu Cao

Việc đầu tư vào hệ thống xe AGV có thể tốn kém, bao gồm chi phí mua sắm thiết bị, lắp đặt và bảo trì. Do đó, các doanh nghiệp cần cân nhắc kỹ lưỡng trước khi quyết định.

2.2. Yêu Cầu Về Hạ Tầng

Hệ thống hạ tầng cần được thiết kế phù hợp để hỗ trợ hoạt động của xe AGV. Điều này bao gồm việc lắp đặt đường dẫn, cảm biến và các thiết bị điều khiển.

III. Phương Pháp Triển Khai Xe AGV Hiệu Quả Trong Công Nghiệp

Để triển khai xe AGV một cách hiệu quả, các doanh nghiệp cần áp dụng một số phương pháp nhất định. Việc lập kế hoạch chi tiết và đào tạo nhân viên là rất quan trọng để đảm bảo sự thành công của dự án.

3.1. Lập Kế Hoạch Chi Tiết

Một kế hoạch chi tiết sẽ giúp xác định rõ ràng các bước cần thực hiện, từ việc lựa chọn thiết bị đến việc triển khai và bảo trì hệ thống.

3.2. Đào Tạo Nhân Viên Sử Dụng

Đào tạo nhân viên là yếu tố quan trọng để đảm bảo họ có thể vận hành và bảo trì xe AGV một cách hiệu quả, từ đó tối ưu hóa quy trình làm việc.

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

Xe AGV đã được ứng dụng rộng rãi trong nhiều lĩnh vực công nghiệp, từ sản xuất đến kho bãi. Chúng giúp cải thiện hiệu suất làm việc và giảm thiểu sai sót trong quá trình vận chuyển hàng hóa.

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 Kho Bãi

Xe AGV cũng được sử dụng trong kho bãi để tự động hóa quy trình lưu trữ và lấy hàng, từ đó nâng cao hiệu quả quản lý kho.

V. Kết Luận Và Tương Lai Của Xe AGV Trong Vận Chuyển Hàng Hoá

Xe AGV đang ngày càng trở nên phổ biến và được dự đoán sẽ tiếp tục phát triển trong tương lai. Với sự tiến bộ của công nghệ, xe AGV sẽ ngày càng thông minh hơn và có khả năng tự động hóa nhiều quy trình hơn nữa.

5.1. Xu Hướng Phát Triển Công Nghệ AGV

Công nghệ AGV đang phát triển nhanh chóng với sự xuất hiện của các cảm biến và hệ thống điều khiển tiên tiến, giúp nâng cao hiệu suất và độ chính xác.

5.2. Tương Lai Của Xe AGV Trong Ngành Công Nghiệp

Xe AGV sẽ tiếp tục đóng vai trò quan trọng trong việc tự động hóa quy trình sản xuất và vận chuyển hàng hóa, góp phần vào sự phát triển bền vững của ngành công nghiệp.

Nội dung chính

Bối cảnh và vấn đề nghiên cứu

Trong bối cảnh công nghiệp hóa và cuộc cách mạng công nghiệp 4.0, các hệ thống tự động hóa đóng vai trò then chốt trong việc tối ưu hóa quy trình sản xuất và nâng cao năng suất tại các nhà máy. Nhu cầu vận chuyển nguyên vật liệu và thành phẩm nội bộ một cách tự động, liên tục, giảm thiểu sự can thiệp trực tiếp của con người ngày càng trở nên cấp thiết. Xe tự hành AGV (Automated Guided Vehicle) là phương tiện không người lái dẫn đường tự động được ứng dụng rộng rãi nhằm cắt giảm chi phí nhân công, hạn chế rủi ro lao động và tối ưu hóa luồng vận chuyển hàng hóa.

Đề tài "Ứng dụng điều khiển xe AGV vận chuyển hàng hoá tự động trong công nghiệp" được thực hiện tại Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật Thành phố Hồ Chí Minh (Khoa Điện – Điện tử, Bộ môn Tự động Điều khiển) nhằm giải quyết bài toán thiết kế, chế tạo và điều khiển một mô hình xe AGV vận hành tự động bám line cố định, tích hợp cơ cấu nâng hạ hàng hóa và điều khiển giám sát từ xa.

Mục tiêu và nhiệm vụ nghiên cứu được xác định theo văn bản gồm:

1. Thiết kế và thi công thực tế mô hình xe AGV (kích thước dự kiến 900 mm x 300 mm x 450 mm, khối lượng tổng thể khoảng 50 kg) và các trạm lấy hàng.
2. Nghiên cứu nguyên lý hoạt động, phương pháp điều khiển động cơ một chiều không chổi than (Brushless DC motor), cảm biến quang/laser kỹ thuật số (Digital laser sensor), thiết bị truyền dữ liệu quang (Optical data transmission devices) và bộ điều khiển lập trình PLC Mitsubishi dòng Q.
3. Tính toán động học chuyển động của xe và mô phỏng trên phần mềm MATLAB.
4. Lập trình giải thuật điều khiển xe AGV chạy theo biên dạng đường line cố định (đoạn thẳng và đường cua), xử lý quá trình dừng/đỗ chính xác.
5. Lập trình quy trình nhận, nâng và trả hàng tự động tại các trạm dừng.
6. Xây dựng giao diện phần mềm điều khiển, giám sát hoạt động của xe từ máy tính máy chủ.

Đối tượng và phạm vi nghiên cứu:

• Đối tượng nghiên cứu: Mô hình mô phỏng động học xe AGV; mô hình phần cứng xe AGV và trạm bốc dỡ hàng thực tế; các giải thuật điều khiển bám line, nâng hạ; giao diện điều khiển và giám sát trung tâm.
• Phạm vi nghiên cứu: Đề tài được triển khai thực nghiệm trong không gian phòng thí nghiệm Thực tập máy điện từ ngày 25/02/2024 đến ngày 20/06/2024. Hệ thống được giới hạn trong quy mô mô hình thí nghiệm công nghiệp, sử dụng phương pháp dẫn đường bằng cảm biến quang/laser theo vạch line, truyền thông không dây nội bộ và bộ điều khiển PLC chuyên dụng.

---

Cơ sở lý thuyết và phương pháp

Đề tài kết hợp giữa lý thuyết điều khiển tự động, truyền thông công nghiệp và kỹ thuật cơ điện tử để xây dựng hệ thống hoàn chỉnh.

Khung lý thuyết và công nghệ sử dụng

• Tổng quan về xe tự hành AGV: Định nghĩa, lịch sử phát triển (từ dòng xe Guide-O-Matic năm 1953 đến các hệ thống AGV hiện đại), phân loại theo phương pháp dẫn đường (dây điện ngầm, băng từ, laser, quán tính) và phân loại theo chức năng (xe kéo Towing, xe chở Unit Load, xe đẩy Cart, xe nâng Fork).
• Lý thuyết truyền thông TCP/IP và MC-Protocol: Cấu trúc 4 tầng của mô hình TCP/IP (Vật lý, Mạng - IP, Giao vận - TCP/UDP, Ứng dụng). Chuẩn truyền thông MC-Protocol (MELSEC Communication Protocol) của Mitsubishi cho phép máy tính chủ hoặc các thiết bị ngoại vi truy xuất trực tiếp vào vùng nhớ của PLC dòng Q qua Ethernet/Wi-Fi.
• Bộ điều khiển lập trình PLC Mitsubishi Q-Series: Khảo sát cấu trúc phần cứng, CPU Q03UDE, các module I/O số (QX42, QY42P), module Analog (Q68DAVN), bộ nguồn (Q61P, Q63P) và đế cắm (Base Q38DB). Lập trình logic điều khiển thông qua phần mềm GX Works2.
• Động cơ một chiều không chổi than (Brushless DC - BLDC): Cấu tạo stator, rotor nam châm vĩnh cửu, tích hợp cảm biến Hall và nguyên lý điều khiển tốc độ/chiều quay qua driver chuyên dụng.
• Môi trường phát triển giao diện người dùng: Ngôn ngữ lập trình Python kết hợp phần mềm thiết kế giao diện đồ họa Qt Designer thông qua thư viện PyQt5 để kết nối máy tính chủ với hệ thống PLC.

Phương pháp nghiên cứu

• Phương pháp mô hình hóa và tính toán động học: Thiết lập phương trình động học vi sai của xe hai bánh chủ động độc lập kết hợp bánh xe dẫn hướng; tính toán tỉ số vận tốc hai bánh khi xe vào khúc cua $45^\circ$ và mô phỏng trên MATLAB.
• Phương pháp thiết kế cơ khí 3D: Sử dụng phần mềm SolidWorks để thiết kế chi tiết kết cấu khung gầm, bộ càng nâng hạ hàng hóa và bố trí không gian lắp đặt thiết bị điện tử.
• Phương pháp thực nghiệm và kiểm thử từng phần: Lắp ráp phần cứng, kết nối mạch động lực và điều khiển, hiệu chỉnh cảm biến, lập trình từng khối chức năng (chạy thẳng, bám cua, định vị trạm, nâng hạ, truyền nhận dữ liệu), sau đó tích hợp toàn hệ thống.

---

Thiết kế và triển khai hệ thống

Hệ thống được tổ chức thành hai khối chính: Khối điều khiển tại trạm (Station PLC) và Khối điều khiển trên thân xe (AGV PLC), kết nối không dây thông qua mạng Wi-Fi và giao thức truyền thông công nghiệp.

Cấu trúc phần cứng và thiết bị chính

Tên thiết bị / Module	Mã hiệu / Quy cách	Chức năng trong hệ thống
CPU PLC trạm & xe	Mitsubishi Q03UDE	Xử lý chương trình logic, tích hợp cổng Ethernet
Đế gắn module (Base)	Mitsubishi Q38DB	Đế cắm 8 khe cho CPU, nguồn và các module mở rộng
Bộ nguồn PLC trạm	Mitsubishi Q61P	Chuyển đổi nguồn AC cấp cho PLC trạm
Bộ nguồn PLC trên xe	Mitsubishi Q63P	Cấp nguồn DC 24V cho hệ thống PLC trên xe AGV
Module ngõ vào số	Mitsubishi QX42	64 ngõ vào DC 24V, nhận tín hiệu cảm biến và nút nhấn
Module ngõ ra số	Mitsubishi QY42P	64 ngõ ra transistor, điều khiển relay và tín hiệu driver
Module Analog Output	Mitsubishi Q68DAVN	8 kênh điện áp ra analog để điều khiển tốc độ driver động cơ
Động cơ chính	BLHM5100KC-GFS	Động cơ Brushless DC 100W dẫn động bánh xe
Hộp giảm tốc	GFH2G15-D6	Giảm tốc tỉ số 1:15, tăng moment xoắn cho bánh xe
Driver động cơ	HP-5098-2E / AXHD30K	Điều khiển tốc độ, chiều quay và hãm động năng BLDC
Cảm biến bám line	Keyence LV37 + LV-21A	Cảm biến laser quang học phát hiện đường dẫn
Truyền tín hiệu quang	DMS-GHB12	Thiết bị truyền nhận dữ liệu quang học không dây tại trạm
Cảm biến vị trí nâng	Omron EE-SX671	Cảm biến quang chữ U xác định hành trình cơ cấu nâng
Bộ ngắt mạch	Fuji Electric CP30-BA	Bảo vệ quá tải và ngắn mạch hệ thống điện
Thiết bị mạng Wi-Fi	Module Wi-Fi FPT	Thu phát tín hiệu truyền thông giữa PC và PLC

Thiết kế cơ khí và động học

• Khung xe: Kết cấu kim loại dạng hộp kín, kích thước thực tế phù hợp định mức ban đầu, bố trí hai bánh chủ động ở giữa hai bên sườn xe và các bánh xe điều hướng tự do (caster wheels) ở phía trước/sau giúp xe quay vòng linh hoạt.
• Cơ cấu càng nâng: Tích hợp bộ truyền động trục vít - thanh trượt dẫn hướng điều khiển bằng động cơ điện, hành trình nâng hạ được kiểm soát qua công tắc hành trình và cảm biến EE-SX671.
• Tính toán động học vào cua: Vận tốc của hai bánh xe chủ động trái ($v_L$) và phải ($v_R$) được tính toán dựa trên bán kính góc cua $R$ và khoảng cách giữa hai bánh $L$. Tỉ số vận tốc được cài đặt trên module Analog Q68DAVN để điều chỉnh điện áp cấp cho hai driver, đảm bảo xe bám sát tâm vạch khi rẽ góc $45^\circ$.

Sơ đồ điều khiển và giải thuật vận hành

1. Lập trình bám line: Cụm cảm biến laser Keyence bố trí phía dưới gầm xe liên tục quét bề mặt sàn. Khi có sai lệch vị trí so với vạch định hướng, tín hiệu được gửi về module QX42, PLC xử lý thuật toán bù sai lệch và xuất điện áp analog tương ứng qua module Q68DAVN để thay đổi tốc độ chênh lệch giữa hai bánh xe.
2. Quy trình tiếp nhận và xử lý trạm:
   • Trạm trung tâm (PLC trạm) nhận yêu cầu vận chuyển từ nút nhấn vật lý tại các trạm gọi (trạm ngã 2, trạm ngã 3) hoặc qua giao diện phần mềm.
   • Lệnh điều phối được truyền qua mạng không dây tới PLC trên xe AGV.
   • Xe di chuyển theo line dẫn hướng, định vị điểm dừng thông qua cảm biến quang, thực hiện chu trình nâng hàng/trả hàng và phản hồi trạng thái hoàn thành về máy tính chủ.
3. Giao diện giám sát PC: Phần mềm được lập trình bằng Python/PyQt5 gồm 2 giao diện chính:
   • Trang đăng nhập (Log in): Xác thực quyền truy cập của người vận hành.
   • Trang giám sát và điều khiển: Hiển thị trực quan trạng thái kết nối, vị trí hiện tại của xe trên sơ đồ layout, trạng thái cảm biến, nút điều khiển thủ công và chế độ tự động.

---

Nội dung chính theo từng chương

Chương 1: Tổng quan

Chương này phân tích tính cấp thiết của việc tự động hóa khâu vận chuyển hàng hóa trong công nghiệp dưới tác động của làn sóng 4.0. Tác giả tổng hợp lịch sử phát triển của xe tự hành từ mẫu xe thử nghiệm năm 1950 đến các thế hệ AGV thương mại trên thế giới và điểm qua các doanh nghiệp đang nghiên cứu AGV tại Việt Nam (như Phenikaa, Unifee). Trên cơ sở đó, đồ án xác định rõ mục đích, mục tiêu, đối tượng, phạm vi nghiên cứu và lịch trình 15 tuần thực hiện đề tài.

Chương 2: Cơ sở lý thuyết

Nội dung chương 2 trình bày chi tiết nền tảng lý thuyết phục vụ việc triển khai hệ thống:

• Phân loại xe AGV theo phương thức dẫn đường (dây dẫn điện ngầm, băng từ dán sàn, công nghệ dẫn đường laser phản xạ tam giác, hệ thống quán tính gyroscope) và theo chức năng làm việc.
• Cấu trúc mạng truyền thông TCP/IP 4 tầng, phân tích ưu nhược điểm và cơ chế truyền nhận gói tin; cấu trúc định dạng khung truyền của giao thức MC-Protocol kết nối PLC với PC.
• Tổng quan ngôn ngữ Python, các thư viện hỗ trợ giao tiếp mạng và công cụ thiết kế giao diện đồ họa Qt Designer (PyQt5).
• Cấu tạo phần cứng, nguyên lý hoạt động và các tập lệnh điều khiển trên phần mềm GX Works2 của PLC Mitsubishi dòng Q; nguyên lý vận hành động cơ một chiều không chổi than BLDC.

Chương 3: Thiết kế và thi công hệ thống

Chương 3 tập trung vào quá trình hiện thực hóa mô hình:

• Trình bày bản vẽ thiết kế 3D khung vỏ xe AGV, cơ cấu càng nâng và cách bố trí các cụm linh kiện trên phần mềm SolidWorks.
• Tính toán công suất động cơ chính, tính toán dung lượng nguồn pin DC, xác định tải trọng nâng an toàn và phân tích trọng tâm xe nhằm đảm bảo cân bằng động khi vào cua.
• Cấu hình tham số mạng ("Network Parameter", "Built-in Ethernet Port Setting") cho PLC trạm và PLC trên xe trong GX Works2.
• Lập bảng thống kê chi tiết các thông số kỹ thuật phần cứng (Q03UDE, QY42P, QX42, Q68DAVN, Keyence LV37/LV-21A, Omron EE-SX671, DMS-GHB12, Driver AXHD30K).
• Xây dựng sơ đồ nguyên lý đấu nối mạch động lực, mạch ngõ vào/ra của cả hai bộ PLC; trình bày lưu đồ thuật toán điều khiển tổng thể, giải thuật bám line và lưu đồ nhận/trả hàng tại trạm.

Chương 4: Kết quả thực hiện

Chương 4 công bố các kết quả thực nghiệm đạt được:

• Đánh giá khả năng bám line trên đoạn đường thẳng và đoạn đường cong/cua $45^\circ$, độ ổn định của cụm cảm biến quang học.
• Đánh giá quy trình vận hành tự động: Xe nhận lệnh gọi từ trạm ngã 2 hoặc ngã 3, xoay chuyển hướng vào đúng vị trí bàn nâng, thực hiện nâng kiện hàng, vận chuyển theo lộ trình và hạ hàng an toàn.
• Kiểm thử giao diện phần mềm trên máy tính: Hoạt động ổn định của trang đăng nhập và bảng điều khiển giám sát trạng thái thời gian thực thông qua kết nối truyền thông MC-Protocol.

Chương 5: Nhận xét và đánh giá

Tác giả tổng kết các ưu điểm của mô hình như: Kết cấu cơ khí cứng cáp, giải thuật bám line phản hồi tương đối nhanh, hệ thống PLC công nghiệp hoạt động ổn định, giao diện điều khiển trực quan. Đồng thời, chương này chỉ ra các điểm còn tồn tại về mặt phần cứng và phần mềm cần tiếp tục hoàn thiện.

Chương 6: Kết luận và hướng phát triển

Tóm lược toàn bộ khối lượng công việc đã hoàn thành so với nhiệm vụ thiết kế ban đầu; đề xuất các giải pháp nâng cấp mô hình trong tương lai nhằm nâng cao độ chính xác, tính linh hoạt và tính an toàn của hệ thống AGV.

---

Kết quả và đóng góp

Kết quả thực nghiệm chính

Hệ thống xe tự hành AGV đã được chế tạo và vận hành thực tế tại phòng thí nghiệm với các kết quả cụ thể:

• Thi công hoàn chỉnh mô hình phần cứng: Chế tạo thành công khung xe AGV tích hợp cơ cấu nâng hạ, lắp ráp 2 bộ điều khiển PLC dòng Q (1 trạm cố định, 1 trên xe) cùng hệ thống driver và động cơ BLDC 100W.
• Khả năng bám line và chuyển hướng: Xe di chuyển ổn định trên đường line định sẵn, thực hiện tốt các thao tác vào cua góc $45^\circ$, giảm tốc độ khi phát hiện điểm giao cắt và tự động định vị chính xác khi tiếp cận trạm lấy hàng.
• Quy trình bốc dỡ hàng hóa tự động: Xe thực hiện đúng chu trình nhận lệnh từ trạm ngã 2 và ngã 3, nâng khối hàng tại trạm cấp, di chuyển đến vị trí đích và hạ trả hàng mà không bị trượt tải.
• Hệ thống điều khiển giám sát: Xây dựng thành công ứng dụng giao diện máy tính bằng Python/Qt Designer, kết nối truyền thông liên tục với PLC qua MC-Protocol, cho phép giám sát trạng thái và điều khiển xe từ xa.

Giải pháp và đóng góp của đề tài

• Giải pháp tích hợp: Đề tài đã làm chủ quy trình ghép nối và truyền thông giữa hệ thống điều khiển công nghiệp tiêu chuẩn (PLC Mitsubishi Q-Series) với phần mềm máy tính nguồn mở (Python) qua giao thức mạng TCP/IP/MC-Protocol, tạo tiền đề cho việc xây dựng các hệ thống quản trị nhà kho tự động (WCS/WMS) chi phí thấp.
• Đóng góp kỹ thuật: Cung cấp tài liệu chi tiết về sơ đồ nguyên lý đấu dây, cấu hình tham số truyền thông Ethernet cho PLC Q03UDE, giải thuật bám line sử dụng cảm biến quang/laser và bảng tính toán tỉ lệ tốc độ khi vào cua của hệ truyền động vi sai hai bánh độc lập.

---

Hạn chế và hướng nghiên cứu tiếp

Hạn chế của đề tài

Theo tự đánh giá của nhóm tác giả trong văn bản, đề tài còn tồn tại một số điểm hạn chế do điều kiện thời gian và kinh phí thực hiện:

• Hệ thống cơ khí và mạch điện do nhóm tự thiết kế, thi công thủ công nên chưa đánh giá được toàn diện mức độ bền vững, tuổi thọ linh kiện và độ ổn định lâu dài trong môi trường công nghiệp khắc nghiệt.
• Thuật toán bám line dựa trên cảm biến quang học vẫn bị ảnh hưởng và chưa đạt độ ổn định cao khi cường độ ánh sáng môi trường xung quanh thay đổi đột ngột.
• Khả năng xử lý tín hiệu nhiễu từ môi trường còn hạn chế, một số tình huống phát sinh vẫn đòi hỏi phải can thiệp xử lý nhiễu bằng phương pháp thủ công.
• Giao diện điều khiển trên máy tính mới chỉ hỗ trợ xác thực cơ bản, tính năng an toàn thông tin và bảo mật dữ liệu truyền thông chưa cao.

Hướng nghiên cứu tiếp

• Nâng cấp giải thuật điều hướng bằng cách tích hợp thêm các công nghệ dẫn đường tiên tiến như cảm biến LiDAR, camera nhận diện hình ảnh (Visual SLAM) hoặc hệ thống định vị quán tính (IMU).
• Cải thiện thuật toán điều khiển bám line (ứng dụng thuật toán PID hoặc Fuzzy-PID) để xe chuyển động mượt mà hơn, hạn chế rung lắc khi chuyển hướng ở tốc độ cao.
• Nâng cao tính năng an toàn cho xe bằng cách trang bị thêm cảm biến an toàn chống va chạm đa vùng (Safety Laser Scanner).
• Tối ưu hóa giao diện giám sát, bổ sung cơ chế mã hóa dữ liệu truyền thông và phát triển tính năng quản lý đồng thời nhiều xe AGV (Fleet Management).

---

Giá trị tham khảo

Báo cáo đồ án tốt nghiệp này là tài liệu tham khảo có giá trị chuyên môn cao cho:

• Sinh viên và giảng viên: Chuyên ngành Công nghệ Kỹ thuật Điều khiển và Tự động hóa, Cơ điện tử, Robot và Kỹ thuật Điện - Điện tử khi làm đồ án tốt nghiệp, đề tài nghiên cứu khoa học liên quan đến xe tự hành (Mobile Robot) hoặc hệ thống tự động hóa nhà kho.
• Kỹ sư tự động hóa: Cung cấp hướng dẫn thực tế về phương pháp cấu hình module truyền thông Ethernet, thiết lập kết nối MC-Protocol giữa PLC Mitsubishi dòng Q và ứng dụng Python, cũng như kỹ thuật điều khiển động cơ không chổi than BLDC thông qua module Analog Q68DAVN.
• Các phần đáng tham khảo nhất:
  • Sơ đồ đấu nối phần cứng chi tiết của các module QX42, QY42P, Q68DAVN và Driver BLDC trong Chương 3.
  • Hướng dẫn cài đặt tham số mạng Ethernet/MC-Protocol trong GX Works2.
  • Quy trình tính toán động học và lưu đồ giải thuật điều khiển bám line, nhận/trả hàng.

---

Câu hỏi thường gặp

1. Hệ thống sử dụng bộ điều khiển trung tâm nào và truyền thông giữa xe AGV với máy tính chủ thực hiện qua giao thức gì?
Hệ thống sử dụng bộ điều khiển lập trình PLC Mitsubishi dòng Q với CPU Q03UDE (gồm 1 bộ PLC tại trạm và 1 bộ PLC trên thân xe AGV). Quá trình truyền thông giữa máy tính chủ và PLC được thực hiện không dây qua module Wi-Fi sử dụng giao thức truyền thông công nghiệp MC-Protocol (MELSEC Communication Protocol) trên nền tảng TCP/IP.

2. Động cơ dẫn động chính trên xe AGV là loại nào và được điều khiển tốc độ bằng cách nào?
Xe sử dụng hai động cơ một chiều không chổi than (Brushless DC) mã hiệu BLHM5100KC-GFS công suất 100W kết hợp hộp giảm tốc GFH2G15-D6 (tỉ số truyền 1:15) và Driver HP-5098-2E / AXHD30K. Tốc độ động cơ được điều khiển thông qua tín hiệu điện áp analog xuất ra từ module Analog Output Mitsubishi Q68DAVN của PLC.

3. Phương pháp dẫn đường và bám line của xe AGV trong đề tài được thiết kế như thế nào?
Xe sử dụng phương pháp dẫn đường bám theo vạch line định sẵn trên sàn bằng hệ thống cảm biến quang/laser kỹ thuật số Keyence LV37 kết hợp bộ khuếch đại tín hiệu LV-21A. Khi phát hiện sai lệch tâm đường line hoặc các điểm giao cắt/trạm dừng, cảm biến gửi tín hiệu về module ngõ vào số QX42 để PLC xử lý và điều chỉnh tốc độ hai bánh xe vi sai.

4. Khối nâng hàng trên xe AGV được giới hạn hành trình và xác định vị trí bằng loại cảm biến nào?
Cơ cấu càng nâng hàng hóa tự động được dẫn động bằng trục vít và được xác định vị trí, kiểm soát hành trình nâng hạ thông qua các cảm biến quang chữ U Omron EE-SX671 gắn tại các mốc hành trình trên khung nâng.

5. Nhóm tác giả đã chỉ ra những hạn chế chính nào của mô hình sau khi thực nghiệm?
Các hạn chế được nhóm tác giả tự nêu bao gồm: Kết cấu tự thi công chưa được kiểm chứng độ bền công nghiệp lâu dài; cảm biến bám line quang học hoạt động kém ổn định khi ánh sáng môi trường thay đổi; còn phải xử lý nhiễu thủ công trong một số trường hợp; và giao diện phần mềm máy tính chưa đạt mức độ bảo mật cao.

---

Kết luận

Đồ án tốt nghiệp "Ứng dụng điều khiển xe AGV vận chuyển hàng hoá tự động trong công nghiệp" của sinh viên Phạm Đức Tính và Hồ Quang Thịnh đã hoàn thành đầy đủ các mục tiêu thiết kế, chế tạo và thử nghiệm thành công mô hình xe tự hành AGV vận chuyển hàng hóa. Hệ thống đã ứng dụng hiệu quả bộ điều khiển lập trình PLC Mitsubishi dòng Q kết hợp động cơ BLDC, cảm biến laser Keyence và giao thức MC-Protocol để thực hiện chu trình bám line, vào cua, nâng hạ hàng hóa tự động tại các trạm và giám sát từ xa qua phần mềm Python. Mặc dù còn một số hạn chế về độ ổn định quang học và tính bảo mật, đề tài đã xây dựng được một giải pháp tự động hóa cơ điện tử hoàn chỉnh, mang tính thực tiễn cao và cung cấp tài liệu tham khảo kỹ thuật giá trị cho lĩnh vực xe tự hành công nghiệp.

Trích đoạn nội dung tài liệu

CHƯƠNG 1 : TỔNG QUAN 1.4 Mục tiêu đề tài Mục tiêu đặt ra của đề tài là xây dựng thuật toán điều khiển, lập trình giải quyết giải thuật bám line, thiết kế và xây dựng mô hình xe AGV phù hợp để vận chuyển hàng hoá từ các trạm dừng được thiết kế sẳn đến vị trí mong muốn.5 Đối tượng và phạm vi nghiên cứu Đối tượng nghiên cứu Mô hình mô phỏng điều khiển xe AGV Mô hình thực tế và điều khiển thực tế xe AGV. Xây dựng giao diện điều khiển và giám sát. Phạm vi nghiên cứu Do việc thiếu kinh nghiệm, chuyên môn của nhóm còn hạn chế, nguồn kinh phí eo hẹp nên đề tài của nhóm còn tồn đọng giới hạn như sau: - Hệ thống do nhóm tự thiết kế và thi công nên chưa đánh giá được mức độ bền vừng và ổn định của hệ thống. - Thuật toán bám line vẫn chưa hoạt động ổn định trong điều kiện ánh sáng thay đổi.

- Một số tình huống yêu cầu phải xử lí nhiễu bằng cách thủ công. - Giao diện người dùng chưa có tính bảo mật cao. Nội dung nghiên cứu Chương 1. Tổng quan Chương 2.

Cơ sở lý thuyết Chương 3. Thiết kế và thi công hệ thống Chương 4. Kết quả thực hiện Chương 5. Nhận xét và đánh giá Chương 6.

Kết luận và hướng phát triển BỘ MÔN TỰ ĐỘNG ĐIỀU KHIỂN 4 CHƯƠNG 2 : CƠ SỞ LÝ THUYẾT CHƯƠNG 2 : CƠ SỞ LÝ THUYẾT 2.1 Giới thiệu về xe AGV Định nghĩa xe AGV 2.1 Xe AGV là gì? Xe tự hành AGV (Automated Guided Vehicle), là một phương tiện di chuyển không người lái, di chuyển theo các đường line từ được dán trên sàn hoặc sử dụng sóng vô tuyến, camera quan sát, laser để điều hướng. Chúng thường được sử dụng trong các ứng dụng công nghiệp để vận chuyển vật liệu nặng xung quanh công xưởng, chẳng hạn như nhà máy hoặc nhà kho. Hình 2-1: Xe tự hành làm việc trong nhà máy 2.2 Phân loại xe AGV theo sự dẫn đường Điều hướng bằng dây điện Xe tự hành AGV đầu tiên được đưa ra thị trường vào những năm 1950, bởi Barrett Electronics ở Northbrook, Illinois, vào thời điểm đó, nó chỉ đơn giản là một chiếc xe kéo đi theo dây điện được chôn dưới sàn. Một dây tín hiệu được đặt sâu khoảng 2cm dưới bề mặt sàn.

Dây này được dùng để điều hướng cho AGV và để truyền tín hiệu radio. Một cảm biến được lắp đặt ở dưới gầm của AGV, vị trí gần mặt đất nhất. Cảm biến sẽ phát hiện vị trí tương đối của tín hiệu vô BỘ MÔN TỰ ĐỘNG ĐIỀU KHIỂN 5 CHƯƠNG 2 : CƠ SỞ LÝ THUYẾT tuyến được truyền từ dây. Thông tin này được sử dụng để điều chỉnh mạch lái, làm cho AGV đi theo đúng lộ trình dây tín hiệu được chôn sẵn dưới sàn nhà xưởng.

Hình 2-2 : Xe tự hành AGV điều hướng bằng dây điện và điều hướng bằng từ Điều hướng bằng hệ thống băng từ Nhận thấy những khó khăn khi sử dụng dây điện chôn dưới sàn để điều hướng, vào năm 1960, các kỹ sư thời bấy giờ đã cho ra đời phương pháp điều hướng bằng băng từ hay còn gọi là nam châm cuộn, nam châm dẻo. Thay vì sử dụng dây điện được chôn cố định dưới sàn, người ta sử dụng băng từ được dán trên sàn, nó có thể dễ dàng được gỡ bỏ và di dời theo lộ trình khác nếu lộ trình di chuyển từ vị trí cấp hàng tới vị trí sản xuất cần thay đổi, điều này làm giảm chi phí đầu tư và linh hoạt trong khâu chuẩn bị. Đây là phương pháp điều hướng xe tự hành AGV phổ biến tại Việt Nam đến thời điểm hiện tại. Có 2 loại băng được sử dụng: - Loại từ tính.

Đến hiện tại, nhiều mẫu xe tự hành agv với nhiều chủng loại kiểu dáng khác nhau đã được phát triển, các phương pháp điều hướng cũng ngày càng đa dạng hơn, có thể kể đến như là: Điều hướng bằng laser, điều hướng bằng quán tính,… Hệ thống điều hướng bằng laser Công nghệ dẫn đường bằng laser sử dụng một số gương phản xạ đặt trên tường/dầm, máy móc dọc theo tuyến đường, theo sau là các phương tiện, cho phép bộ điều khiển tính toán vị trí của xe. BỘ MÔN TỰ ĐỘNG ĐIỀU KHIỂN 6 CHƯƠNG 2 : CƠ SỞ LÝ THUYẾT Hình 2-3 : Xe tự hành AGV điều hướng bằng lazer AGV mang trên mình một bộ cảm biến phát và thu laser. Các tia laser được truyền đi và phản chiếu lại vào bộ cảm biến, từ đó, góc và (đôi khi) khoảng cách đến bất kỳ gương phản xạ nào trong tầm nhìn và trong phạm vi được tự động tính toán. Thông tin này được so sánh với bản đồ bố trí gương phản xạ đã được lưu trong bộ nhớ của AGV.

Điều này cho phép hệ thống định vị tam giác (xác định vị trí của 1 điểm nhờ vào vị trí giao nhau của 3 đường tròn với bán kính xác đinh) vị trí hiện tại của AGV. Vị trí hiện tại được so sánh với đường dẫn được lập trình trong bản đồ bố trí phản xạ. Điều hướng được điều chỉnh phù hợp để giữ việc theo dõi AGV. Sau đó, nó có thể được điều hướng đến một mục tiêu mong muốn bằng cách sử dụng vị trí cập nhật liên tục.

Hệ thống điều hướng bằng quán tính Một hình thức khác của điều hướng AGV là điều hướng quán tính. Với điều hướng quán tính, một hệ thống điều khiển máy tính sẽ điều khiển và phân công nhiệm vụ cho các phương tiện. Bộ tiếp sóng được nhúng trong sàn của nơi làm việc. AGV sử dụng các bộ tiếp sóng này để xác minh rằng chiếc xe đang hoạt động.

Một con quay hồi chuyển có thể phát hiện sự thay đổi nhỏ nhất về hướng của chiếc xe tự hành và điều chỉnh nó để giữ AGV luôn đi đúng đường. Biên độ sai số của phương pháp quán tính là ± 25. Quán tính có thể hoạt động trong hầu hết mọi môi trường kể cả các lối đi chật hẹp hoặc trong điều kiện nhiệt độ khắc nghiệt. Điều hướng quán tính có thể bao gồm việc sử dụng nam châm nhúng trong sàn nhà xưởng mà phương tiện có thể đọc và làm theo.

BỘ MÔN TỰ ĐỘNG ĐIỀU KHIỂN 7 CHƯƠNG 2 : CƠ SỞ LÝ THUYẾT 2.2 Phân loại xe AGV theo 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 đời của AGV, xuất hiện đầu tiên và bay giờ vẫn còn thịnh hành và là loại phổ biến nhất. Loại này có thể kéo được nhiều loại toa hàng khác nhau và chở được từ 8000 đến 60000 pounds. Ưu điểm của hệ thống xe kéo: - Khả năng chuyên chở lớn.

- 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. Hình 2-4 : Mô hình xe AGV dạng kéo Xe chở (Unit Load Vehicle) Xe chở được trang bị các tầng khay chứa có thể là các nâng, hạ chuyền động bằng băng tải, đai hoặc xích. Xe tư hành AGV dạng chở (Unit Load) được trang bị cảm biến sẽ được chờ sẵn tại vị trí băng tải, tiếp theo khi hàng hóa từ băng tải chuyển lên xe, AGV sẽ tự động chạy đến các điểm đã được lập trình. Một số đặc điểm của AGV dạng chở: 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 TỰ ĐỘNG ĐIỀU KHIỂN 8 CHƯƠNG 2 : CƠ SỞ LÝ THUYẾT Hình 2-5 : 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.

Hình 2-6 : 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 TỰ ĐỘNG ĐIỀU KHIỂN 9 CHƯƠNG 2 : CƠ SỞ LÝ THUYẾT Hình 2-7 : Mô hình xe AGV dạng nâng 2.2 Lịch sử hình thành của xe AGV Năm 1953, Arthur “MAC” Barett đã chế tạo ra phương tiện không người lái đầu tiên và đặt tên là “Guide-O-Matic”. Guide-O-Matic sử dụng một sợi dây dẫn gắn trên sàn để định hướng di chuyển.

Sau đó, nó được đổi tên thành AGV và mọi người công nhận Arthur “MAC” Barett là cha đẻ của chúng. Ông sử dụng một cần trục điều khiển bằng sóng radio để vận hành xe từ điểm lấy hàng trên pallet đến địa điểm lấy hàng tiếp theo. Chúng ta có thể thấy rằng mục đích sáng chế xe tự hành AGV của Barrett là để hỗ trợ nhân viên di chuyển hàng hóa xung quanh khu vực làm việc. Và cho đến bây giờ, nguyên tắc này vẫn chưa đổi.

Hình 2-8 : Guide-O-Matic BỘ MÔN TỰ ĐỘNG ĐIỀU KHIỂN 10 CHƯƠNG 2 : CƠ SỞ LÝ THUYẾT Năm 1954, Mỹ đã sử dụng chiếc xe tự hành AGV đầu tiên để vận chuyển hàng hóa. Khi mới ra đời, AGV còn đơn sơ và chưa được phát triển. Các xe AGV chỉ có thể di chuyển theo một chiều được định trước bằng cách dò theo đường dây dẫn và được điều khiển bằng lệnh và công tắc hành hình với cảm biến đơn giản. Tuy nhiên, mặc dù chưa có tính linh hoạt, AGV đã góp phần thay đổi rất lớn trong quá trình sản xuất.

AGV giải phóng sức lao động và giúp quy chuẩn hóa dây chuyền sản xuất. Hình 2-9 : Mỹ đã sử dụng chiếc xe tự hành AGV đầu tiên để vận chuyển hàng hóa Năm 1973, Volvo – công ty lắp ráp ô tô nổi tiếng của Thụy Điển – đã triển khai hệ thống xe tự hành AGV để thay thế cho dây chuyền lắp ráp truyền thống. Để thực hiện điều này, họ đã tiến hành một cuộc cải cách lớn bằng cách triển khai 280 chiếc xe tự hành được điều khiển bằng máy tính.