ĐỒ án môn học THIẾT kế hệ THỐNG cơ điện tử đề tài THIẾT kế ROBOT dò LINE

Hình 1.4 Hình ảnh thực tế và sơ đồ nguyên lý của Robot Fireball Thông số:Có 3 loại cảm biến thường dùng trong các robot dò line: Camera, cảm biến quang điện trở và cảm biến hồng ngoại..

BỘ MÔN CƠ ĐIỆN TỬ

ĐỒ ÁN MÔN HỌC THIẾT KẾ HỆ THỐNG CƠ ĐIỆN TỬ

ĐỀ TÀI: THIẾT KẾ ROBOT DÒ LINE

TRẦN MINH CHIẾN DOÃN HOÀNG

MSSV: 21300382 MSSV: 21301311

NGUYỄN MINH HOÀNG MSSV: 21301340

TP HỒ CHÍ MINH – THÁNG 5/ 2017

ĐẠI HỌC QUỐC GIA THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA

KHOA CƠ KHÍ

BỘ MÔN CƠ ĐIỆN TỬ

ĐỒ ÁN MÔN HỌC THIẾT KẾ HỆ THỐNG CƠ ĐIỆN TỬ

ĐỀ TÀI: THIẾT KẾ ROBOT DÒ LINE

TRẦN MINH CHIẾN DOÃN HOÀNG

MSSV: 21300382 MSSV: 21301311

NGUYỄN MINH HOÀNG MSSV: 21301340

Chúng em xin gửi lời cảm ơn đến Bộ môn Cơ điện tử - Khoa Cơ Khí đã tạo

điều kiện để chúng em thực hiện đồ án này.

Để hoàn thành bài tập lớn này, chúng em xin gửi lời cảm ơn đến TS Phùng Trí

Công đã tận tình hướng dẫn, giảng dạy chúng em trong suốt quá trình học tập, nghiên cứu và rèn luyện để có thể thực hiện tốt đồ án này.

Chúng em cũng xin chân thành cảm ơn đến các thành viên trong nhóm đã cùng nhau thảo luận, thu thập tài liệu và giúp đỡ tôi giải quyết các vấn đề nảy sinh trong quá trình thực hiện bài tập lớn.

Mặc dù đã rất cố gắng để thực hiện bài tập lớn một cách tốt nhất Song do sự hạn chế về kiến thức chuyên môn cũng như kinh nghiệm thực tế nên không tránh khỏi những thiếu sót Vì vậy chúng em rất mong được sự góp ý của quý thầy cô và các bạn để đề tài này được hoàn chỉnh hơn.

Chúng em xin chân thành cảm ơn!

TP Hồ Chí Minh, ngày 11 tháng 05 năm 2017

Nhóm sinh viên thực hiện

i

MỤC LỤC

LỜI CẢM ƠN i

MỤC LỤC ii

DANH MỤC HÌNH iv

DANH MỤC BẢNG vi

CHƯƠNG 1: TÌM HIỂU TỔNG QUAN 1

1.1 Mục tiêu thiết kế 1

1.2 Tìm hiểu các mô hình từ các cuộc thi 1

1.3 Tìm hiểu về cảm biến 3

1.3.1 Camera 3

1.3.2 Cảm biến quang điện trở và cảm biến hồng ngoại 3

1.4 Tìm hiểu về các cách xử lí tín hiệu cảm biến 4

1.4.1 Sử dụng giải thuật so sánh 4

1.4.2 Sử dụng giải thuật xấp xỉ 5

1.5 Tìm hiểu về cấu trúc điều khiển 5

1.5.1 Cấu trúc điều khiển phân cấp 5

1.5.2 Cấu trúc điều khiển tập trung 6

1.6 Đặt đầu bài 7

CHƯƠNG 2: LỰA CHỌN PHƯƠNG ÁN VÀ PHÂN CÔNG NHIỆM VỤ 8

2.1 Lựa chọn kết cấu xe 8

2.2 Lựa chọn cảm biến 8

3.1.3 Chống lật khi xe ôm cua 14

1.4 Kích thước xe dò line 15

3.2 Thiết kế hệ thống điện 16

3.2.1 Lựa chọn Driver 16

3.3 Tính toán cảm biến 25

3.3.1 Yêu cầu cảm biến 25

3.3.2 Calib cảm biến 30

3.4 Chọn vi điều khiển 32

3.4.1 Chọn vi điều khiển 32

3.4.2 Giải thuật điều khiển 34

3.5 Mô hình hòa hệ thống 35

3.5.1 Mô hình hóa động học 35

4.2 Mô phỏng bộ điều khiển trên Matlab 38

CHƯƠNG 4: KẾT QUẢ THỰC NHIỆM VÀ KẾT LUẬN 43

4.1 Kết quả thực nghiệm 43

4.2 Kết luận 44

TÀI LIỆU THAM KHẢO 45

PHỤ LỤC 1: BIỂU ĐỒ GANTT TRIỂN KHAI 46

iii

DANH MỤC HÌNH

Hình 1.1 Thông số sa bàn 1

Hình 1.2 Hình ảnh thực tế và sơ đồ nguyên lý của CartisX04 1

Hình 1.3 Hình ảnh thực tế và sơ đồ nguyên lý của Robot Silvestre 2

Hình 1.4 Hình ảnh thực tế và sơ đồ nguyên lý của Robot Fireball 3

Hình 1.5 Nguyên lý hoạt động của cảm biến quang điện trở 4

Hình 1.6 Mức so sánh của cảm biến ứng với các vị trí line khi xe di chuyển 4

Hình 1.7 Tìm vị trí tâm đường line bằng giải thuật xấp xỉ 5

Hình 1.8 Cấu trúc điều khiển phân cấp 6

Hình 1.9 Cấu trúc điều khiển tập trung 6

Hình 2.1 Cấu trúc điều khiển lựa chọn 8

Hình 3.1 Hệ tọa độ trên robot dò line 12

Hình 3.2 Mô hình các lực tác dụng lên bánh xe 13

Hình 3.3 Mô hình tính toán và phân tích lực khi xe ôm cua 14

Hình 3.4 Sơ đồ hệ thống điện 16

Hình 3.5 Các loại Driver cho động cơ DC 17

Hình 3.6 Đồ thị tốc độ động cơ khi cấp xung PWM sử dụng Driver L298 19

Hình 3.7 Đồ thị tốc độ động cơ khi cấp xung PWM sử dụng Driver TB6612 20

Hình 3.8 Vận tốc động cơ 1 khi cấp 50% xung PWM 21

Hình 3.9 Vận tốc động cơ 2 khi cấp 50% xung PWM 21

Hình 3.10 Thời gian đáp ứng của động cơ 22

Hình 3.11 Mô hình bộ điều khiển PID 23

Hình 3.12 Đáp ứng động cơ 1 khi sử dụng bộ PID 23

Hình 3.13 Đáp ứng động cơ 2 khi sử dụng bộ PID 24

Hình 3.21 Vị trí line đọc về từ cảm biến 31

Hình 3.22 Sơ đồ điều khiển của robot 32

Hình 3.23 Lưu đồ giải thuật 34

Hình 3.24 Xác định vị trí rẽ trên line 35

Hình 3.25 Sơ đồ vị trí robot dò line trong hệ tọa độ 35

Hình 3.26 Mô hình xác định sai số trong mô phỏng 37

Hình 3.27 Mô hình line trên Matlab 38

Hình 3.28 Mô phỏng bám line trong đoạn cong A-B để tìm khoảng cách phù hợp 39

Hình 3.29 Đồ thị sự phụ thuộc giữa sai số dò 1line 2 và 3 khoảng cách 40

Hình 3.30 Kết quả bám line với các hệ số và vận tốc thay đổi 42

Hình 4.1 Mô hình robot khi thiết kế 43

Hình 4.2 Mô hình robot khi chế tạo 43

Hình 4.3 Robot dò line trên sa bàn 44

v

DANH MỤC BẢNG

Bảng 2.1 Phân công nhiệm vụ các thành viên 9

Bảng 3.1 So sánh giữa 2 loại bánh trên: 10

Bảng 3.2 Thông số động cơ GA25-V1 14

Bảng 3.3 Tốc độ động cơ 1 khi cấp xung PWM sử dụng Driver L298 17

Bảng 3.4 Tốc độ động cơ 2 khi cấp xung PWM sử dụng Driver L298 18

Bảng 3.5 Tốc độ động cơ 1 khi cấp xung PWM sử dụng Driver TB6612 18

Bảng 3.6 Tốc độ động cơ 2 khi cấp xung PWM sử dụng Driver TB6612 19

Bảng 3.7 Các thông số đầu vào 39

Bảng 3.8 Thông số mô phỏng 40

CHƯƠNG 1: TÌM HIỂU TỔNG QUAN

Thiết kế robot bám đường có khả năng bám đường với độ ổn định tốt và hoàn

thành sa bàn đúng yêu cầu với thời gian ngắn nhất có thể (sa bàn được cho trước

Hình 1.2 Hình ảnh thực tế và sơ đồ nguyên lý của CartisX04

1

THIẾT KẾ HỆ THỐNG CƠ ĐIỆN TỬ GVHD: TS PHÙNG TRÍ CÔNG

Hình 1.3 Hình ảnh thực tế và sơ đồ nguyên lý của Robot Silvestre Thông số:

Hình 1.4 Hình ảnh thực tế và sơ đồ nguyên lý của Robot Fireball Thông số:

Có 3 loại cảm biến thường dùng trong các robot dò line: Camera, cảm biến quang

điện trở và cảm biến hồng ngoại.

1.3.1 Camera

Camera dùng để ghi lại hình ảnh của đường line, sau đó xử lý đưa ra thông tin sai lệch vị trí tương đối của line so với xe.

Phương pháp này cho độ chính xác cao, tuy nhiên do tốc độ xử lý ảnh cần

nhiều thời gian, làm hạn chế tốc độ của xe, nên không phù hợp với xe đua.

1.3.2 Cảm biến quang điện trở và cảm biến hồng ngoại

Cảm biến quang điện trở có điện trở thay đổi khi ánh sáng thay đổi Trong bóng tối giá trị điện trở cao, nhưng khi được chiếu sáng giá trị điện trở giảm mạnh.

3

THIẾT KẾ HỆ THỐNG CƠ ĐIỆN TỬ GVHD: TS PHÙNG TRÍ CÔNG

Hình 1.5 Nguyên lý hoạt động của cảm biến quang điện trở

Hai phương pháp sử dụng cảm biến quang điện trở và cảm biến hồng ngoại có nguyên tắc hoạt động tương tự nhau, gồm 1 nguồn phát ánh sáng phản xạ xuống đất và

1 nguồn thu ánh sáng phản xạ từ đó xử lí tín hiệu và đưa ra vị trí của xe so với line Tuy nhiên cảm biến hồng ngoại được ứng dụng nhiều hơn vì thời gian đáp ứng nhanh hơn.

Hình 1.7 Tìm vị trí tâm đường line bằng giải thuật xấp xỉ

1.5.1 Cấu trúc điều khiển phân cấp

Mạch điều khiển phân cấp sử dụng nhiều vi điều khiển, mỗi vi điều khiển đảm nhận một chức năng riêng Nhờ đó có sự chuyên biệt hóa, mỗi vi điều khiển chỉ đảm nhận một công việc giúp việc kiểm tra lỗi chương trình dễ dàng, các chức năng được thực hiện đồng thời, không cần phải đợi hoặc bỏ qua các tác vụ ngắt Tuy nhiên cấu trúc phần cứng phức tạp và cần đảm bảo tín hiệu giao tiếp giữa các vi điều khiển tuyệt đối chính xác, không bị nhiễu.

5

THIẾT KẾ HỆ THỐNG CƠ ĐIỆN TỬ GVHD: TS PHÙNG TRÍ CÔNG

Hình 1.8 Cấu trúc điều khiển phân cấp 1.5.2 Cấu trúc điều khiển tập trung

Mạch chỉ sử dụng một vi điều khiển đảm nhận tất cả các chức năng nhờ vào đó

mà phần cứng đơn giản Tuy nhiên, không có sự chuyên biệt hóa nên khó cho việc

kiểm tra lỗi chương trình, các chức năng (tính toán ra vận tốc 2 bánh xe và điều khiển động cơ đạt vận tốc mong muốn) không được thực hiện đồng thời, khi chức

năng này đang thực hiện thì chức năng khác phải đợi.

1.6 Đ t đ u bài ặt đầu bài ầu bài

Từ mục tiêu thiết kế và yêu cầu môn học, nhóm đưa ra yêu cầu thiết kế số như sau:

THIẾT KẾ HỆ THỐNG CƠ ĐIỆN TỬ GVHD: TS PHÙNG TRÍ CÔNG

CHƯƠNG 2: LỰA CHỌN PHƯƠNG ÁN

VÀ PHÂN CÔNG NHIỆM VỤ

Thiết kế xe 3 bánh, 2 chủ động ở phía sau điều khiển bằng 2 động cơ DC độc lập, bánh trước là bánh mắt trâu.

Sử dụng cảm biến LED kết hợp với phototransistor, tín hiệu đọc về dùng giải thuật xấp xỉ để tìm vị trí tâm đường line.

Bộ điều khiển bám line theo tiêu chuẩn Lyapunov.

Điều khiển tập trung (dùng 1 vi điều khiển).

Hình 2.1 Cấu trúc điều khiển lựa chọn

2.5 Phân công nhi m v ệu cảm biến ục tiêu thiết kế

Bảng 2.1 Phân công nhiệm vụ các thành viên

trợ các thành viên.

hóa

cảm biến

9

CHƯƠNG 3: THIẾT KẾ CHI TIẾT VÀ MÔ HÌNH HÓA

3.1 Thiết kế cơ khí

Yêu cầu đặt ra:

= 0,5 /

ổ bi nên di chuyển rất trơn tru Tuy nhiên bánh này có nhược điểm lớn là chỉ có thể

chạy trong những môi trường ít bụi, cát vì chúng có thể bám vào bánh làm bánh bị kẹt không chạy được.

Bảng 3.1 So sánh giữa 2 loại bánh trên:

10

THIẾT KẾ HỆ THỐNG CƠ ĐIỆN TỬ GVHD: TS PHÙNG TRÍ CÔNG

Từ bảng so sánh kết hợp với yêu cầu của đường đua, nhóm quyết định chọn bánh mắt trâu là bánh dẫn hướng cho robot dò line.

b Lựa chọn bánh chủ động

Bánh chủ động là bộ phận trực tiếp làm xe chuyển động Bánh xe phải có khả năng

bám đường tốt, không trơn trượt, chịu tải ổn định, dễ dàng tháo lắp và thay thế.

Từ những yêu cầu trên ta có thể sử dụng bánh xe giảm tốc V1- V3 hoặc

bánh Mecanum để làm bánh chủ động cho xe.

Bánh Mecanum là một dạng của bánh đa hướng (Omnidirectional Wheel) Bánh xe này được tạo thành bởi các con lăn nhỏ với trục được lắp nghiêng một góc

45 độ so với trục quay chính của bánh xe, nhờ kết cấu đặc biệt này nên bánh có thể

thực hiện nhiều chuyển động phức hợp theo phương pháp cộng vector Với bánh Mecanum, xe có thể chuyển động tiến lùi, xoay tròn trong không gian nhỏ hẹp, đặc biệt có thể di chuyển theo phương ngang khi cần thiết.

Tuy có nhiều ưu điểm nhưng giá thành của bánh xe Mecanum khá cao và giải thuật điều khiển phức tạp nên nhóm quyết định sẽ sử dụng bánh xe giảm tốc V3 có

đường kính D= 80 mm để làm bánh chủ động cho xe.

3.1.2 Tính toán chọn động cơ

- Toạ độ trọng tâm:Chọn hệ trục toạ độ như hình vẽ:

Hình 3.1 Hệ tọa độ trên robot dò line

gi c, G 1 và G 2 là tr ọ ng tâm c a xe và của vật nặng Ta tính

được hoành độ trọng tâm của hệ:

12

Hình 3.2 Mô hình các lực tác dụng lên bánh xe

Ta giả sử thời gian để xe tăng tốc từ 0 m/s lên vận tốc cực đại 0,5 m/s là 1s Ta suy ra

được gia tốc của xe là:

THIẾT KẾ HỆ THỐNG CƠ ĐIỆN TỬ GVHD: TS PHÙNG TRÍ CÔNG

Từ công suất đã tính, ta chọn cơ GA25-V1 có hộp giảm tốc và encoder Moment tải 0,184Nm.

Bảng 3.2 Thông số động cơ GA25-V1

3.1.3 Chống lật khi xe ôm cua

Khi vào cua, do ảnh hưởng của lực li tâm nên xe có thể bị lật Để phòng ngừa trường hợp này, ta phải thiết kế khoảng cách giữa 2 bánh xe và chiều cao xe cho phù hợp để xe không bị lật ta có mô hình toán như sau:

Gọi khoảng cách giữa 2 bánh xe là a, chiều cao trọng tâm xe là b Ta có:

Moment gây ra lật xe:

Do tổng chiều dài 2 động cơ và hộp giảm tốc là 134mm Nên ta chọn sơ bộ

khoảng cách giữa 2 bánh xe là 150 mm Chọn tỷ lệ b/a= 0,5; ta được chiều cao

trọng tâm xe là b= 60 mm.

Từ các tính toán trên ta xác định được các kích thước của xe dò line:

Mistubishi, Mercedes-Benz,… có chiều dài/chiều rộng là khoảng 0,38 – 0,6 Nên nhóm

lựa chọn tỉ lệ chiều dài/chiều rộng cho xe dò line là 0,6; suy ra chiều dài xe 250mm.

15

THIẾT KẾ HỆ THỐNG CƠ ĐIỆN TỬ GVHD: TS PHÙNG TRÍ CÔNG

Sơ đồ khối chung của hệ thống điện:

TCRT5000 TCRT5000 TCRT5000 TCRT5000 TCRT5000 TCRT5000 TCRT5000

Micocontroller PIC18F4550

Hình 3.4 Sơ đồ hệ thống điện

 Đảm bảo quan hệ giữa xung PWM và tốc độ động cơ xấp xỉ tuyến tính

Với những yêu cầu trên và kết hợp với sản phẩm trên thị trường, có thể khảo sát hai loại Driver L298 và TB6612 để lựa chọn.

Hình 3.5 Các loại Driver cho động cơ DC

a) Driver L298 b)Driver TB6612

b Khảo sát tuyến tính giữa xung PWM và tốc độ động cơ

Đối với Driver L298, khi cấp xung PWM và đo tốc độ động cơ, thu được bảng số

THIẾT KẾ HỆ THỐNG CƠ ĐIỆN TỬ GVHD: TS PHÙNG TRÍ CÔNG

Bảng 3.4 Tốc độ động cơ 2 khi cấp xung PWM sử dụng Driver L298

Bảng 3.6 Tốc độ động cơ 2 khi cấp xung PWM sử dụng Driver TB6612

Hình 3.6 Đồ thị tốc độ động cơ khi cấp xung PWM sử dụng Driver L298

19

THIẾT KẾ HỆ THỐNG CƠ ĐIỆN TỬ GVHD: TS PHÙNG TRÍ CÔNG

Hình 3.7 Đồ thị tốc độ động cơ khi cấp xung PWM sử dụng Driver TB6612

Ta thấy khi sử dụng Driver TB6612 thì độ thị giữa tốc độ động cơ và xung PWM

Bên cạnh đó TB6612 có kích thước nhỏ gọn thuận tiện cho việc bố trí lên

mạch, nên chọn TB6612 là Driver điều khiển động cơ.

Thông số Driver TB6612:

+ Cấp vào giá trị xung PWM cố định, ở đây chọn 50% xung PWM.

quả được biểu diễn bằng đồ thị

Hình 3.8 Vận tốc động cơ 1 khi cấp 50% xung PWM

Hình 3.9 Vận tốc động cơ 2 khi cấp 50% xung PWM

21

THIẾT KẾ HỆ THỐNG CƠ ĐIỆN TỬ GVHD: TS PHÙNG TRÍ CÔNG

Từ đồ thị thấy tốc độ động cơ không có vọt lố, từ đó suy ra hệ động cơ - driver có dạng bậc nhất:

là hằng số độ lợi động cơ và cũng là hệ số góc phương trình tuyến tính đã tìm

Hình 3.10 Thời gian đáp ứng của động cơ

Từ đó có được hàm truyền của hai động cơ:

THIẾT KẾ HỆ THỐNG CƠ ĐIỆN TỬ GVHD: TS PHÙNG TRÍ CÔNG

Hình 3.11 Mô hình bộ điều khiển PID

Kết hợp với Matlab, tìm được bộ thông số PID như sau:

+ Đối với động cơ 2: Kp = 170, Ki = 0, Kd = 0.

Hình 3.13 Đáp ứng động cơ 2 khi sử dụng bộ PID

24

THIẾT KẾ HỆ THỐNG CƠ ĐIỆN TỬ GVHD: TS PHÙNG TRÍ CÔNG

3.3.1 Yêu cầu cảm biến

Lựa chọn cảm biến Phototransitor TCRT5000

F

Hình 3.14 Sơ đồ mạch điện cảm biến TCRT5000

Mục tiêu:

Xác định khoảng cách giữa cảm biến so với đường

đua Xác định khoảng cách giữa các cảm biến

Hình 3.15 Phạm vi hoạt động của cảm biến

Ta có khoảng cách giữa 2 cảm biến

d

 h tan   h tan 30

22

Vậy để cảm biến hoạt động tốt, cần đảm bảo xuất hiện vùng giao thoa

Trong trường hợp này cần đặt cảm biến cách mặt đường đua một khoảng h



26

X d.

4,05mm.

Hình 3.16 Kết quả thí nghiệm độ cao cảm biến trên bề mặt giấy trắng

Ta thấy rằng trong khoảng 10mm đến 20mm thì ánh sáng phản xạ lại

Ta có 2 cách đặt cảm: phương dọc hoặc phương ngang.

Hình 3.17 Vùng giao thoa của cảm biến

27

THIẾT KẾ HỆ THỐNG CƠ ĐIỆN TỬ GVHD: TS PHÙNG TRÍ CÔNG

Ta thấy rằng nếu đặt cảm biến theo phương dọc thì bề rông giao thoa sẽ lớn

hơn khi ta đặt theo phương ngang Bề rộng lớn hơn có ưu điểm là sẽ làm tăng độ

chính xác khi xác định vị trí.

Do đó nhóm quyết định chọn đặt cảm biến theo phương dọc.

b Thí nghiệm 2: Xác định khoảng cách giữa các cảm biến

Ta chọn khoảng cách giữa 2 cảm biến liên tiếp sao cho không xảy ra nhiễu.

Hình 3.18 Phạm vi quét của 2 cảm biến

Ta nhận thấy rằng khoảng cách nhỏ nhất giữa 2 cảm biến là l để Collector

1 không nhận nhầm tia hồng ngoại của Emiter 2.

l

min

Hình 3.19 Kích thước của cảm biến TCRT5000

Giả sử đặt 2 cảm biến sát nhau thì khoảng cách

Vậy 2 cảm biến liên tiếp cách nhau một khoảng

l  5.8mm

L  13  5.8  7,2mm

Chọn số lượng cảm biến là 7 cảm biến

Vậy độ dài thanh cảm biến yêu cầu là

82,6mm.

29

THIẾT KẾ HỆ THỐNG CƠ ĐIỆN TỬ GVHD: TS PHÙNG TRÍ CÔNG

Calib bằng phần mềm ta sử dụng công thức sau:

ymax , ymin là giá trị lớn nhất và nhỏ nhất mà ta mong muốn cho tất cả cảm biến

x j,ilà giá trị đọc được thứ j của cảm biến thứ i y jo là giá trị sau khi điều chỉnh x j,i

Sử dụng bộ ACD 10-bits ta thu được các giá trị cảm biến

Xác định vị trí tâm đường line

THIẾT KẾ HỆ THỐNG CƠ ĐIỆN TỬ GVHD: TS PHÙNG TRÍ CÔNG

Sau khi phân tích nhóm đã quyết định chọn bộ điều khiển tập trung bởi các

ưu điểm như sau:

Hình 3.22 Sơ đồ điều khiển của robot 3.4.1 Chọn vi điều khiển

Chức năng của vi điều khiển: