TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI

LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT

Nghiên cứu thiết kế chế tạo mobile robot cắt cỏ trong các đô thị lớn

LÊ XUÂN THÀNH
Ngành: Kỹ thuật – Cơ điện tử

Giảng viên hướng dẫn: TS. Đặng Bảo Lâm
Viện:

Cơ khí

HÀ NỘI, 11/2019


TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI

LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT
Nghiên cứu thiết kế chế tạo mobile robot cắt cỏ trong các đô thị lớn

LÊ XUÂN THÀNH
Ngành: Kỹ thuật – Cơ điện tử

Giảng viên hướng dẫn:

TS. Đặng Bảo Lâm

Viện: Cơ khí

HÀ NỘI, 11/2019

Chữ ký của GVHD


9

L IăCAMăĐOAN
Tơi xin cam đoan đơy lƠ cơng trình nghiên c u khoa học c a tôi đ
thƠnh d

i sự h

c hồn

ng dẫn và chỉ b o t n tình c a TS.ăĐặng B o Lâm. Các số li u

s d ng trong lu n văn có nguồn gốc rõ rƠng, đư công bố theo đúng quy định. Các
k t qu nghiên c u trong lu n văn do tôi tự tìm hi u, phân tích m t cách trung thực,
khách quan và phù h p v i thực ti n vƠ ch a đ

c công bố trong b t kỳ nghiên c u

nào khác.
Học Viên

Lê Xuân Thành

Trang 1
Lê Xuân Thành



9

L I C Mă N
V i sự h

ng dẫn t n tình c a th y TS. Đặng B o Lâm, em đư hoƠn

thành lu n văn tốt nghi p c a mình v đ tƠi ắNghiên c u thi t k ch t o
robot c t cỏ trong các đô thị l n”. Đơy lƠ đ tài mang nhi u ý nghĩa thực ti n,
giúp em áp d ng đ

c nh ng ki n th c đ

c học vào thực t . Vì cịn h n ch

v mặt ki n th c và kinh nghi m nên không tránh đ
mong nh n đ

c m t số sai sót, em r t

c nh ng ý ki n đóng góp c a các th y và các b n đ em hồn

thi n h n v mặt chun mơn cũng nh cung cách lƠm vi c.
Qua đơy, em xin bƠy tỏ lịng bi t n sơu s c c a mình đ n th y TS.
Đặng B o Lâm và các th y trong b môn C ăs thi t k máy và Robot đư
t n tình và dành nhi u tâm huy t cho em. Nh sự chỉ b o c a th y mà lu n
văn c a em có đ


c k t qu nh hơm nay. Em xin kính chúc th y vƠ gia đình

th t nhi u s c khỏe, nhi u ni m vui và h nh phúc trong cu c sống.
Em xin c m n!
Hà N i, ngày tháng

năm 2019

Học Viên

Lê Xuân Thành

Trang 2
Lê Xuân Thành


9

M CL C
L I CAM ĐOANầầầầầầầầầầầầầầầầầầầầầầầầầ...1
L I C M N ầầầầầầầầầầầầầầầầầầầầầầầầầầầ2
DANH M C HÌNH NH ầầầầầầầầầầầầầầầầầầầầầầ.5
DANH M C B NG BI Uầầầầầầầầầầầầầầầầầầầầầầ8
DANH M C CÁC K HI U VÀ CH VI T T T .................................................9
L I M Đ Uầầầầầầầầầầầ..ầầầầầầầầầầầầầầầ.10
ng 1: Tổng quan v máy c t cỏ ........................................................................12
1.1. Khái ni m và phân lo i .................................................................................12
1.1.1. Khái ni m .............................................................................................12
1.1.2. Phân lo i ...............................................................................................12
1.2. Chọn c u hình h thống chuy n đ ng c a robot ..........................................17

Ch ng 2: Tính tốn thi t k h thống c khí. .........................................................18
2.1. Đặt v n đ ....................................................................................................18
2.2. Thi t l p bƠi toán đ ng học c a robot .........................................................19
2.3. Ph ng trình đ ng học c a robot c t cỏ......................................................36
2.4. Phân tích lực robot c t cỏ ............................................................................40
2.4.1. Phân tích các lực tác đ ng lên robot ....................................................40
2.4.2. Tính tốn chọn đ ng c ........................................................................46
2.5. Thi t k b ph n c t cỏ. ..............................................................................48
Ch ng 3: H thống đi u khi n mobile robot c t cỏ. ...............................................50
3.1. H thống ROS .............................................................................................50
3.1.1. Gi i thi u tổng quan h đi u hành ROS ............................................50
3.1.2. T i sao l i chọn ROS .........................................................................50
3.1.3. Mơ hình ROS .....................................................................................52
3.1.4. T ng ROS Computation Graph .........................................................53
3.1.5. T ng Graph Resource Names ............................................................56
3.1.6. S đồ các khối c a ROS s d ng trong robot ...................................57
3.2. Thu t toán s d ng ......................................................................................57
3.2.1. Simultaneous Localization and Mapping (SLAM) ...........................57
3.2.2. Thu t toán qu đ o chuy n đ ng ......................................................58
3.2.3. Ch c năng định vị .............................................................................62
3.3. Các lo i c m bi n đ c s d ng...................................................................64
Ch

Trang 3
Lê Xuân Thành


9

3.3.1. C m bi n Lidar.....................................................................................64

3.3.2. Công t c hành trình ..............................................................................65
3.3.4. Gia tốc k ...........................................................................................66
3.3.5. Đ ng c b c vƠ đ ng c servo ........................................................66
3.3.6. Khái ni m đ ng c b c (STEP) vƠ đ ng c SERVO .....................67
3.3.7.
u nh c đi m c a đ ng c b c (STEP) vƠ đ ng c SERVO ......68
3.3.8. Sự k t h p gi a đ ng c b c (STEP) vƠ đ ng c SERVO .............68
3.4. Đ ng c không chổi than ..............................................................................70
3.4.1. Khái ni m .............................................................................................70
3.4.2. C u t o c a đ ng c BLDC .................................................................71
3.4.3. Đi u khi n đ ng c BLDC ..................................................................74
3.5. C m bi n lidar ..............................................................................................79
3.5.1. Khái ni m ..................................................................................................79
3.5.2. H tọa đồ c a RPLIDAR .....................................................................80
3.6. Các thành ph n c a robot .............................................................................81
Ch ng 4. K t qu thực nghi m ...............................................................................83
4.1. Mơ hình Mobile Robot c t cỏ .......................................................................83
4.2. Di chuy n theo đ ng thẳng.........................................................................83
4.3. Di chuy n theo hình vng có kích th c 3m x 3m ....................................84
4.4. K t qu quét s d ng c m bi n Lidar ...........................................................84
Tài li u tham kh o .....................................................................................................90
PH L C ..................................................................................................................91

Trang 4
Lê Xuân Thành


9

DANH M C HÌNH NH

Hình 1.1. Một số cơ cấu bánh xe phổ biến trong Robot di động ................................13
Hình 1.2. Robot cắt cỏ Husqvarna Automower ..........................................................14
Hình 1.3. Hệ dẫn động của Husqvarna Automower sử dụng bánh xe tiêu chuẩn .....14
Hình 1.4. Robot cắt cỏ Wolf Garten Loopo M1000 ...................................................15
Hình 1.5. Hệ dẫn động của Wolf Garten Loopo M1000 sử dụng bánh xe tùy động ..15
Hình 1.6. Robot cắt cỏ TRX-42-Pro sử dụng bánh xích .............................................16
Hình 1.7. Robot cắt cỏ của hãng Honfa với xích cao su ............................................16
Hình 1.8. Cấu hình được sử dụng trong luận văn ......................................................17
Hình 2.1. Một dạng quỹ đạo đường đi của robot cắt cỏ tự động ...............................19
Hình 2.2. Mơ tả quỹ đạo đường đi của robot .............................................................19
Hình 2.3. Quỹ đạo xe là đường thẳng ........................................................................20
Hình 2.4. Quỹ đạo xe là đường cong ..........................................................................20
Hình 2.5. Xe quay tại chỗ ...........................................................................................21
Hình 2.6. Robot đi thẳng.............................................................................................22
Hình 2.7. Xét chuyển động từng bánhét chuyển động từng bánh ...............................22
Hình 2.8. Robot cắt cỏ trong trường hợp rẽ trái ........................................................23
Hình 2.9. Quỹ đạo phương trình x + y =

m ....................................................24

Hình 2.10: Đồ thị quan hệ vận tốc từng bánh với vận tốc xe .....................................25

Hình 2.11. Robot cắt cỏ trong trường hợp rẽ phải .....................................................26

Hình 2.12. Đồ thị biến thiên vận tốc theo thời gian t .................................................28
Hình 2.13. Đồ thị quan hệ vận tốc từng bánh với vận tốc robot ................................29
Hình 2.14. Biểu diễn chiều vận tốc góc khi robot quay tại chỗ sang phải 90° ..........29
Hình 2.15. Biểu diễn chiều vận tốc góc khi robot quay tại chỗ sang trái 90° ...........30
Hình 2.16. a) Quỹ đạo chuyển động AGV, b) Đồ thị vận tốc bánh trái, c) Đồ thị vận
tốc bánh phải ...............................................................................................................31

Hình 2.17. Robot cắt cỏ di chuyển trên quỹ đạo bất kỳ..............................................32
Hình 2.18. Đồ thị biểu diễn quỹ đạo chuyển động của robot .....................................33
Hình 2.19. Đồ thị biểu diễn sự biến thiên của f θ , ω và ω ...................................35
Hình 2.20. Robot cắt cỏ theo hệ quy chiếu .................................................................36
Trang 5
Lê Xuân Thành


9

Hình 2.21. Xét chuyển động từng bánh ......................................................................38
Hình 2.22. Thiết kế sơ bộ robot trên phần mềm SolidWorks......................................41
Hình 2.23. Các mẫu bánh xe bị động tự lựa thường dùng cho robot .........................41
Hình 2.25. Lực qn tính tổng qt của chất điểm ....................................................44
Hình 2.26. Sơ đồ biểu diễn lực tác động lên hai bánh xe ...........................................47
Hình 2.27. Thơng số động cơ......................................................................................48
Hình 2.28: Thơng số động cơ chổi than .....................................................................48
Hình 2.29: Lưỡi cắt cỏ ................................................................................................49
Hình 3.1. Sơ đồ các khối trong ROS...........................................................................57
Hình 3.2. Các bước của thuật tốn SLAM..................................................................58
Hình 3.3. Quỹ đạo chuyển động của robot với k = 9 .................................................59
Hình 3.4. Thay đổi điện áp của động cơ.....................................................................60
Hình 3.5. Sơ đồ khối chọn lựa quỹ đạo ......................................................................60
Hình 3.6. Ví dụ về quỹ đạo với chế độ hoạt động hỗn hợp với k = 5 .........................61
Hình 3.7. Ví dụ về quỹ đạo với chế độ thời gian làm việc tối thiểu với k = 5 ............61
Hình 3.8. Ví dụ về quỹ đạo với chế độ năng lượng tiêu thụ tối thiểu .........................62
Hình 3.9. Sơ đồ khối của thuật tốn AMCL ...............................................................63
Hình 3.10. Động cơ bước và động cơ servo ...............................................................67
Hình 3.11. Động cơ bước đơn cực .............................................................................69
Hình 3.12. Động cơ bước lưỡng cực ..........................................................................70

Hình 3.13. Sức phản điện động dạng hình thang .......................................................71
Hình 3.14. Stator động cơ BLDC ...............................................................................72
Hình 3.15. Rotor động cơ BLDC ................................................................................72
Hình 3.16. Minh họa hoạt động Hall sensor ..............................................................73
Hình 3.17. Hall sensor gắn trên stator .......................................................................73
Hình 3.18. Sức phản điện động pha, dây và tín hiệu Hall sensor ..............................74
Hình 3.19. Nguyên tắc điều khiển truyền thống động cơ BLDC ................................75
Hình 3.20. Đặc tính cơ moment – tốc độ của động cơ BLDC ....................................76
Hình 3.21. Sức phản điện động và dịng điện 3 pha ...................................................76
Hình 3.22. Ngun lý điều khiển dải trễ dòng điện – HCC ........................................77

Trang 6
Lê Xuân Thành


9

Hình 3.23. Dịng điện, sức phản điện động trong ngun lý điều khiển dải trễ .........78
Hình 3.24. Quỹ đạo từ thơng stator khơng trịn với 6 “bậc” trong 1 chu kì ..............79
Hình 3.25. Hệ tọa độ của cảm biến Lidar A1 .............................................................80
Hình 3.26. Hệ tọa độ của cảm biến Lidar A2 .............................................................80
Hình 3.27. Các thành phần chính của robot cắt cỏ trên ............................................81
Hình 3.28. Thiết kế robot trên phầm mềm SolidWorks nhìn từ trước ........................82
Hình 3.29. Thiết kế robot trên phầm mềm SolidWorks nhìn từ trên ..........................82
Hình 4.1: Hình ảnh Mobile Robot thực tế. .................................................................83
Hình 4.2. Sai số của robot khi di chuyển theo trục X.................................................84
Hình 4.3. Sai số của robot khi di chuyển theo trục Y.................................................84
Hình 4.5. Kết quả mapping sử dụng cảm biến Lidar .................................................86
Hình 4.6. Kết quả build map lidar và định vị robot sử dụng AMCL..........................86
Hình 4.7. Kết quả quét Lidar và xác định vật cản trên đường đi của robot ..............87

Hình 4.8. Kết quả xây dựng bản đồ và quỹ đạo di chuyển tránh vật cản ..................87
Hinh 4.9. Kết quả xây dựng bản đồ và quỹ đạo di chuyển tránh vật cản ..................88

Trang 7
Lê Xuân Thành


9

DANH M C B NG BI U
B ng 2.1 Tổng k t tín hi u đi u khi n v n tốc góc các bánh dẫn đ ngầầ..ầầ..31

Trang 8
Lê Xuân Thành


9

DANH M C CÁC K HI U VÀ CH

VI T T T

AGV

: Automated Guided Vehicle (xe tự hành)

SLAM

: Simultaneous localization and mapping


�

: V n tốc robot

�

: V n tốc góc robot

�

: Bán kính bánh ch đ ng

�� , �

: V n tốc bánh ch đ ng ph i, trái

�� , �

: V n tốc góc bánh ch đ ng ph i, trái

: Bán kính qu đ o chuy n đ ng

�

: Chi u r ng robot
: Góc quay robot

�
�


: H số ma sát bánh xe và n n
��

�

: Khối l

ng xe

: Gia tốc trọng tr

ng

: Lực ma sát

�

: Lực quán tính li tâm

�

: Lực quán tính ti p tuy n

�đ

: Công su t c a đông c
: Hi u su t kh p nối
: Hi u su t ổ lăn
: Hi u su t bánh răng


�

: Hi u su t xích

Trang 9
Lê Xuân Thành


9

L IM

Đ U

Lý do chọnăđ tài
Trong th i kỳ cách m ng công nghi p 4.0, cùng v i sự phát tri n c a các khu
đô thị m i, nhu c u s d ng máy móc, thi t bị thông minh ph c v , đ m nhi m các
cơng vi c chăm sóc, b o d ỡng c nh quan, h t ng c s ngƠy cƠng tăng cao. Đơy
là lý do mobile robot c t cỏ đ

c lựa chọn lƠm đối t

ng nghiên c u.

Lịch s nghiên c u
K t qu nghiên c u c a lu n văn đ
sách và sự h

c k thừa từ các k t qu từ các bài báo,


ng dẫn c a TS. Đặng B o Lâm. Các tài li u nƠy đư đ

c li t kê t i

m c ắTƠi li u tham kh o” c a lu n văn.
M căđíchănghiênăc u
M c tiêu c a đ tài là nghiên c u, thi t k và ch t o m t mơ hình robot tự
hành có kh năng tự thi t l p b n đồ địa hình ho t đ ng, tránh v t c n và tích h p
mô đun c t cỏ. V i ng d ng c m bi n lidar, mobile robot s xây dựng thành các
b n đồ địa hình vƠ quét đ
Đốiăt

c v t c n theo yêu c u ban đ u đ ra.

ng và ph m vi nghiên c u
Đối t

ng nghiên c u trong lu n văn nƠy lƠ kh năng thi t l p b n đồ 2D và

định vị vị trí c a robot trong mơi tr

ng dựa vào d li u thu đ

c từ c m bi n lidar

và gia tốc k , kh năng xác định v t c n vƠ đ a ra qu đ o tránh v t c n, thu t tốn
tính tốn qu đ o chuy n đ ng ng v i các ch đ ho t đ ng, sai số di chuy n c a
robot ho t đ ng trong môi tr

ng.


ụănghĩaăkhoaăhọc và tính thực ti n c aăđ tài
Lu n văn nƠy đ xu t s d ng c m bi n lidar đ thi t k , ch t o m t mơ
hình mobile robot x y dựng b n đồ địa hình vƠ quét đ
robot s đ
vào s đ

c v t c n. Mơ hình mobile

c tích h p thêm mô đun c t cỏ. Vi c s d ng các thi t bị thơng mình
c c i thi n đáng k cơng vi c chăm sóc, b o d ỡng c nh quan h t ng

hi n nay.
Ph

ngăphápănghiênăc u
Lu n văn nƠy s d ng các tài li u chuyên ngƠnh, sách, báo vƠ đ
Trang 10

Lê Xuân Thành

c th y giáo


9

h

ng dẫn. Từ đó đ xu t mơ hình mobile robot và thực hi n tính tốn đ ng học,


đ ng lực học, mơ phỏng. Sau đó ch t o mơ hình mobile robot ho t đ ng th t đ đo
đ c, xây dựng b n đồ địa hình vƠ quét đ

c v t c n. Quá trình thực hi n có s d ng

ph n m m và các công c h tr nh Solidworks, Maple ầ.
Học Viên

Lê Xuân Thành

Trang 11
Lê Xuân Thành


9

Ch

ng 1: Tổng quan v máy c t cỏ
Ch

ng 1 gi i thi u ng n gọn và phân lo i robot c t cỏ dựa trên h thống

dẫn đ ng. NgoƠi ra, các u đi m vƠ nh
cũng đ

c đi m c a từng lo i h thống dẫn đ ng

c phân tích v i m c tiêu đ tìm ra m t thi t k phù h p cho robot.


1.1. Kháiăni m vƠăphơnălo i
1.1.1. Robot c t cỏ
Robot c t cỏ thu c họ robot di đ ng (mobile robots) có kh năng v n hành tự
đ ng. Nó có kh năng di chuy n trong mơi tr

ng không bằng phẳng và v i ma sát

thay đổi gi a bánh xe và mặt đ t. Các thi t bị dẫn đ
chuy n trên m t tuy n đ
đ

c ki m sốt t

ti n tự hƠnh có h
c a môi tr

ng đi u h

ng đ

ng cho phép robot c t cỏ di

c xác định tr

c trong không gian

ng đối. Do đó có th coi robot c t cỏ nh các xe AGV - ph
ng dẫn. Các thi t bị dẫn đ

ng


ng này có nhi m v thu th p d li u

ng và tái t o l i đ robot nh n bi t đ

c vị trí t

ng đối c a mình.

1.1.2. Phân lo i
Robot c t cỏ có các c ch truy n đ ng cho phép nó di chuy n linh ho t
trong tồn b mơi tr

ng c a nó. Dựa vào h thống dẫn đ ng ta có th chia nó

thành các lo i sau [1]:
Robot s d ng bánh xe:
H u h t các robot di đ ng s d ng bánh xe cho h thống chuy n đ ng đ u có
u đi m

tính ổn định cao và d đi u khi n. Robot chuy n đ ng bằng bánh có th

ho t đ ng tốt trên b mặt c ng và phẳng, tuy nhiên nó có th bị sa l y và gặp khó
khăn khi đi vƠo vùng bùn đ t.
H thống dẫn đ ng bánh xe đ

c s d ng phổ bi n nh t trong các lo i robot

c t cỏ. Sự cân bằng không ph i là v n đ l n v i h c c u 3 bánh xe vì nó cho sự
ổn định cao. Bánh xe s d ng trong ng d ng này không c n có yêu c u đặc bi t.


Trang 12
Lê Xuân Thành


9

Bánh xe chỉ c n có các th sơu đ chống tr

t trong mơi tr

ng mặt đ t và cỏ.

Ngồi ra, c u trúc h p lý c a xe v i 4 hoặc 6 bánh cũng có th giúp robot chống
tr

t tốt h n.
Đối v i robot c t cỏ s d ng bánh xe, nó có m t số u đi m vƠ nh
-

c đi m:

u đi m:
+ Giá th p.
+ Thi t k và s n xu t đ n gi n.
+ D dàng nâng c p

- Nh

c đi m:

+ Lực kéo th p
+ Di n tích ti p xúc gi a bánh xe và b mặt nhỏ.

M t số c c u bánh xe phổ bi n trong robot di đ ng đ

c ng d ng trong

robot c t cỏ:

Hình 1.1. Một số cơ cấu bánh xe phổ biến trong Robot di động
Trang 13
Lê Xuân Thành


9

a) Bánh xe tiêu chuẩn: hai b c tự do; xoay quanh tr c bánh xe vƠ đi m ti p
xúc.
b) Bánh xe tùy đ ng: hai b c tự do; có th xoay quanh m t tr c vng góc
v i tr c quay c a bánh xe
c) Bánh xe đa h

ng: ba b c tự do; xoay quanh tr c bánh xe, xung quanh các

con lăn vƠ xung quanh đi m ti p xúc.
d) Bóng hoặc bánh xe hình c u.
Sau đơy lƠ m t số robot c t cỏ s d ng bánh xe:

Hình 1.2. Robot cắt cỏ Husqvarna Automower[3]


Hình 1.3. Hệ dẫn động của Husqvarna Automower sử dụng bánh xe tiêu chuẩn [4]
Trang 14
Lê Xuân Thành


9

Hình 1.4. Robot cắt cỏ Wolf Garten Loopo M1000[5]

Hình 1.5. Hệ dẫn động Wolf Garten Loopo M1000 sử dụng bánh xe tùy động[6]
Robot s d ng bánh xích:
C c u này có th đ
bánh xe đang quay cùng h

c s d ng đ định h
ng

ng l i robot bằng cách quay

tốc đ khác nhau hoặc theo h

tăng quơn đ i v n hành theo cách này và Rocky - 7 là m t ví d .

Trang 15
Lê Xuân Thành

ng ng

c l i. Xe



9

Robot c t cỏ truy n đ ng bằng xích có các u, nh

c đi m sau:

-

Có th ho t đ ng trên các địa hình g p gh nh v i đ dốc l n.

-

C u t o ph c t p h n robot truy n đ ng bằng bánh. ầ.

Hình 1.6. Robot cắt cỏ TRX-42-Pro sử dụng bánh xích[7]

Hình 1.7. Robot cắt cỏ của hãng Honfa với xích cao su

Trang 16
Lê Xuân Thành


9

1.2. Chọnăc uăhìnhăh ăthốngăchuy năđ ng c aărobot
Sau khi phơn tích các u nh

c đi m c a các ph


ng án truy n đ ng, cũng

nh dựa trên đi u ki n ch t o thực t , tác gi lựa chọn h thống dẫn đ ng gồm hai
bánh xe dẫn đ ng trực ti p bằng đ ng c vƠ m t bánh xe tùy đ ng. K t c u này vừa
đ m b o tính ổn định c a robot vƠ đ chính xác c n thi t trong chuy n đ ng khơng
c n địi hỏi đ chính xác cao c a robot c t cỏ.

Hình 1.8. Robot được sử dụng trong luận văn
K T LU N CH
ch

NGă1

ng nƠy sau khi phơn tích các u nh

c đi m c a h thống chuy n

đ ng, mobile robot c t cỏ v i s đồ truy n đ ng gồm hai bánh xe dẫn đ ng trực ti p
và m t bánh xe tùy đ ng đ

c lựa chọn lƠm đối t

Trang 17
Lê Xuân Thành

ng nghiên c u.


9


Ch

ngă2:ăTính tốn thi t k h thốngăc ăkhí.
Ch

ng 2 đ c p đ n đặc tính c b n c a robot c t cỏ. Các đặc tính này bao

gồm: h tọa đ tuy t đối, h tọa đ t
2.1.

ng đối, ph

ng trình đ ng học,ầ

Đặt v năđ

Nh đư nói

ch

ng 1, ngƠy nay sự phát tri n c a khoa học và công ngh , đặc

bi t là công ngh thông tin đư đ a n n công nghi p phát tri n lên t m cao m i v i
giai đo n công nghi p 4.0 ậ khi mà máy móc, thi t bị, thi t bị ph tr đ
v n v t IOT. Robot c t cỏ tự đ ng đang nh n đ
đ ng hóa. Đ có th đáp ng đ

c k t nối

c sự quan tâm từ nhi u công ty tự


c các yêu c u c a thị tr

ng thì xe tự hành ph i có

các tính năng:
- Kh năng ho t đ ng trên địa hình ph c t p.
- Kh năng nh n bi t ch
- Kh năng t

ng ng i v t trong môi tr

ng tác v i môi tr

ng lƠm vi c.

ng lƠm vi c.

- Di chuy n theo các thu n tốn thơng minh.
Đ đáp ng đ

c u c u trên địi hỏi q trình thi t k ph i gi i quy t đ

c bài

toán đ ng học c a xe nhằm:
Xác định v n tốc gi i h n đ xác định năng su t c a xe đồng th i cung c p các
tín hi u đi u khi n vị trí t i các đ ng c dẫn đ ng

các bánh xe.


Từ các tín hi u đi u khi n c a h thống có th tính tốn ra tín hi u đi u khi n
đi u khi n các đ ng c dẫn đ ng đ xe:
+ Đi thẳng.
+ Quay t i ch .
+ R trái.
+ R ph i.

Trang 18
Lê Xuân Thành


9

7.308
7.307
7.306
7.305
7.304
7.303
7.302
7.301
7.3
7.299
7.298
40.469

40.47

40.471


40.472

40.473

40.474

40.475

40.476

Hình 2.1. Một dạng quỹ đạo đường đi của robot cắt cỏ tự động
2.2.

Thi t l păbƠiătoánăđ ng học c a robot
Gi thi t robot di chuy n trên sàn nhà theo m t qu đ o b t kì {∑} cho trên

hình 2.2. Nh v y ta gi thi t h quy chi u vo{Oxy} là h quy chi u gốc c a sàn
nhà, v1{Puv} g n t i tâm c a Robot. V i cách đặt h quy chi u nh trên thì khi đi u
khi n robot di chuy n trên qu đ o {∑} thì đi m P đặt t i trọng tâm robot luôn ph i
trùng v i các đi m Ai trên qu đ o {∑}.
x
o

Ci

u

i
v


Ci+1

i+1

y
vi+1

ui+1
()

Hình 2.2. Mơ tả quỹ đạo đường đi của robot
Trang 19
Lê Xuân Thành




9

Gọi τ⃗ là ti p tuy n c a qu đ o b t kì c a xe, ⃗� là v n tốc ti p tuy n c a xe.
V i mơ hình đặt ra c a chúng ta gồm 3 bánh, trong đó 2 bánh ch đ ng

bánh tr

sau, 1

c v i nhi m v dẫn đ ng.

Khi đó, qu đ o chuy n đ ng c a xe s ph thu c vào v n tốc góc c a từng

bánh ch đ ng.
Và v i nh ng v n tốc khác nhau thì s có các tr

ng h p d

i đơy:

+ N u 2 bánh quay cùng chi u và cùng v n tốc góc thì xe s tịnh ti n thẳng.

ωL

ωR

Hình 2.3. Quỹ đạo xe là đường thẳng
+ N u 2 bánh xe quay cùng chi u nh ng v n tốc góc khác nhau hoặc 1 bánh
dừng, 1 bánh quay thì xe s di chuy n trên qu đ o đ

ng cong.

ωR

ωL

ωR

ωL

Hình 2.4. Quỹ đạo xe là đường cong
+ N u 2 bánh xe quay ng c chi u và cùng v n tốc góc thì xe s tự quay quanh
mình.

Trang 20
Lê Xuân Thành


9

ωR

ωL

Hình 2.5. Xe quay tại chỗ
VƠ đ tìm hi u rõ tính tốn đ ng học c a robot thì chúng ta cùng đi phơn tích
trong các tr
a) Tr

ng h p c th d

i đơy:

ng h p 1: Robot c t cỏ đi thẳng

Gi s ⃗ là v n tốc trọng tâm c a xe, ⃗ , ⃗ là v n tốc c a hai bánh ch đ ng

trái và ph i.

Khi đó đ xe đi thẳng thì:
⃗ +�
⃗

⃗ =�


(2.1)

Do đi thẳng nên v n tốc hai bánh bằng nhau:

Đ a ph

⃗ =⃗

(2.2)

ng trình (2.1) vƠ (2.2) v d ng đ i số ta có:
=

=

(2.3)

Trang 21
Lê Xuân Thành


9

Hình 2.6. Robot đi thẳng
Xét trong chuy n đ ng c a 1 bánh xe ta có:
=

=


=

ω

(2.4)

⃗

R

,

Hình 2.7. Xét chuyển động từng bánhét chuyển động từng bánh
Do 2 bánh xe có cùng đ

Trong đó ωL, ωR l n l

=

ng kính vì v y:
=

�

( 2.5)

t là v n tốc góc bánh xe, R là bánh kính bánh xe.

Trang 22
Lê Xuân Thành



9

b) Tr

ng h p 2 : Robot c t cỏ r trái

Hình 2.8. Robot cắt cỏ trong trường hợp rẽ trái
Gi thi t Robot đi từ cung đ ng 1 sang cung đ ng 2 thì ph i r trái,t i cung cong
r trái gi s Robot đ t v n tốc là ⃗
N u gọi:
-

�

là bán kính cung cong r trái.

- P là tâm cong.
- l là kho ng cách 2 bánh xe.
Nh v y, đ Robot c t cỏ vẫn đ t v n tốc V thì ta có v i bánh 1:

=�

�

= �[

�


+ ]

(2.6)
(2.7)

Từ hình 2.6, cơng th c (2.6) và (2.7) ta có:
�

� +

=

�

�

hay

=

�

�

� +

K t h p (2.8) vƠ (2.4) thì tr c bánh xe 1 ph i đ

Trang 23
Lê Xuân Thành


(2.8)
c đi u khi n v i v n tốc góc