BÁO cáo đồ án THIẾT kế hệ THỐNG cơ điện tử

Chương 1: Tổng quan 1.2.1 An intelligent line-following robot [1] Một quy trình hiệu chuẩn tự động cho các cảm biến quang phản xạ sử dụng các kỹ thuật điều chế độ rộng xung được đề xuất

ĐẠI HỌC QUỐC GIA THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA KHOA CƠ KHÍ - BỘ MÔN CƠ ĐIỆN TỬ

BÁO CÁO ĐỒ ÁN THIẾT KẾ HỆ THỐNG CƠ

MỤC LỤC

Danh mục hình ảnh v

Danh sách bảng vii

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN 1

1.1 Giới thiệu 1

1.2 Tình hình nghiên cứu 2

1.2.1 An intelligent line-following robot [1] 3

1.2.1 Path planning of line follower robot [2] 3

1.2.2 Điều khiển robot dò đường sử dụng bộ điều khiển PID kết hợp phương pháp PWM [3] 4

1.2.3 Line Follower Robot Using A Sophisticated Sensor Approach [4] 5

1.2.4 Design and implementation of RGB color line following robot [5] 5

1.2.5 Robot - line follower [8] 6

1.2.6 ZUMO 6

1.2.7 Expressway 7

1.2.8 3pi 8

1.2.9 FireBall 8

1.2.10 Cuộc thi IT Car Racing 2017 9

1.2.11 Tổng hợp 10

1.3 Giới hạn đề tài 10

CHƯƠNG 2: LỰA CHỌN PHƯƠNG ÁN 12

2.1 Lựa chọn phương án cơ khí 12

2.1.1 Lựa chọn kết cấu xe 12

2.1.2 Lựa chọn bánh bị động 14

2.2 Lựa chọn phương án điện 15

2.2.1 Lựa chọn cảm biến 15

2.2.2 Lựa chọn động cơ 17

2.3 Lựa chọn phương án điều khiển 18

2.4 Lựa chọn vi điều khiển 20

2.4.1 Xác định yêu cầu lựa chọn vi điều khiển 20

2.4.2 Lựa chọn vi điều khiển 20

CHƯƠNG 3: TÍNH TOÁN THIẾT KẾ 21

3.1 Lựa chọn bánh xe 21

3.2 Tính toán công suất động cơ 22

3.3 Tính toán pin 26

3.3.1 Nguồn cho động cơ 26

3.3.2 Nguồn cấp mạch điều khiển 27

3.4 Kích thước khung xe 27

3.5 Bố trí linh kiện 29

CHƯƠNG 4: MÔ HÌNH TOÁN HỌC 31

4.1 Mô hình toán học của xe 31

4.2 Hàm truyền của động cơ – Driver 34

4.2.1 Động cơ trái 34

4.2.2 Động cơ phải 38

4.3 Hàm truyền cảm biến IR 40

CHƯƠNG 5: THIẾT KẾ BỘ ĐIỀU KHIỂN 48

5.1 Yêu cầu điều khiển 48

5.2 Tín hiệu input dùng để điều khiển 48

5.3 Giải thuật điều khiển 48

5.4 Bộ điều khiển 52

5.5 Kết quả mô phỏng 52

CHƯƠNG 6: THỰC NGHIỆM VÀ PHƯƠNG HƯỚNG PHÁT TRIỂN 55

6.1 Thực nghiệm 55

6.2 Phương hướng phát triển: 57

Tài liệu tham khảo 58

Danh mục hình ảnh

Hình 1.1 Ví dụ mô hình robot dò line [6] 1

Hình 1.2 Ứng dụng robot dò line trong phòng bệnh nhân [7] 2

Hình 1.3 Giá trị trả về của cảm biến trước (trái) và sau (phải) sau khi calibration[1] 3

Hình 1.4 Sơ đồ khối ứng dụng giải thuật PID vào robot dò đường [3] 4

Hình 1.5 Sơ đồ khối của mô hình robot dò line đề xuất [4] 5

Hình 1.6 Mặt dưới của xe dò line [8] 6

Hình 1.7 ZUMO [9] 7

Hình 1.8 Xe dò line Expressway [10] 7

Hình 1.9 Xe 3pi [11] 8

Hình 1.10 FireBall [12] 9

Hình 1.11 Xe dò đường [13] 9

Hình 1.12 Sa bàn thi đấu 10

Hình 2.1 Bánh tự lựa 15

Hình 2.2 Hình minh họa bánh mắt trâu 15

Hình 2.3 Các loại cảm biến dò line: a) camera; b) Cảm biến hồng ngoại; c) Cảm biến quang trở 16

Hình 2.4 Sơ đồ điều khiển tập trung 18

Hình 2.5 Sơ đồ điều khiển phân tán 19

Hình 3.1 Cơ cấu thiết kế 21

Hình 3.2 Bánh xe chủ động 21

Hình 3.3 Bánh cầu 22

Hình 3.4 Mô hình toán bánh xe 22

Hình 3.5 Động cơ DC servo GA25 V1 25

Hình 3.6 Mô hình toán khi xe chuyển hướng 28

Hình 4.1 Mô hình động học của xe 31

Hình 4.2 Mô hình sai số của xe bám theo line 33

Hình 4.3 Đồ thị %PWM - tốc độ 35

Hình 4.4 Đồ thị tín hiệu PWM cấp cho động cơ 36

Hình 4.5 Đáp ứng của tốc độ động cơ trái 37

Hình 4.6 Đồ thị %PWM - tốc độ 39

Hình 4.7 Đáp ứng của động cơ phải 40

Hình 4.8 Kích thước của cảm biến TCRT5000 40

Hình 4.9 Cảm biến TCRT5000 41

Hình 4.10 Vùng hoạt động của cảm biến 41

Hình 4.11 Điều kiện để cảm biến không bị nhiễu bởi cảm biến khác 42

Hình 4.12 Vị trí cảm biến ứng với trọng số của cảm biến 44

Hình 4.13 Hàm xấp xỉ trung bình trọng số và sai số thực 46

Hình 5.1 Chương trình chính 49

Hình 5.2 Chương trình con hiệu chuẩn giá trị cảm biến 50

Hình 5.3 Chương trình con đọc giao lộ 51

Hình 5.4 Chương trình con bám line 51

Hình 5.5 Quỹ đạo xe mô phỏng 53

Hình 5.6 Vận tốc góc hai bánh xe trái (xanh) – phải (đỏ) 53

Hình 5.7 Đồ thị vận tốc dài của xe 54

Hình 6.1 Quỹ đạo robot dò line trên thực nghiệm 55

Hình 6.2 Vận tốc dài của robot thực nghiệm 56

Hình 6.3 Tốc độ 2 bánh của xe thực nghiệm 56

Danh sách bảng

Bảng 2.1 Phương án kết cấu xe 12

Bảng 2.2 So sánh cảm biến 16

Bảng 3.1 Thông số của xe 23

Bảng 3.2 Thông số động cơ 25

Bảng 3.3 Tổng hợp linh kiện 29

Bảng 4.1 Tốc độ động cơ theo % PWM 34

Bảng 4.2 Tốc độ động cơ theo % PWM 38

Bảng 4.3 Dữ liệu calib cảm biến 46

Hình 1.1 Ví dụ mô hình robot dò line [6]

Robot dò line là một dạng robot di động (mobile robot) Nó có khả năng dò tìm và

di chuyển bám theo đường line Thông thường, đường line được xác định trước và có thể nhìn thấy như vạch đường đen được kẻ/ dán/ vẽ trên nền trắng hoặc không thấy được như một đường từ trường Nguyên lý cơ bản ở đây là việc sử dụng hệ cảm biến quang gắn trước mũi xe để phát hiện sự sai lệch khỏi vạch đường Tín hiệu sau đó sẽ được gửi

cứ khi nào bệnh nhân cần Qua đó, có thể thấy rằng robot dò line là một cơ sở quan trọng đối với thiết kế và chế tạo robot thuộc các lĩnh vực khác nhau Bên cạnh đó, với tổng chi phí thấp từ giá thành linh kiện cho đến phí gia công, nó tạo điều kiện để sinh viên học tập và tiếp cận với một hệ thống điều khiển tự động thực tế

Hình 1.2 Ứng dụng robot dò line trong phòng bệnh nhân [7]

1.2 Tình hình nghiên cứu

Do tính hữu ích và tiềm năng ứng dụng rộng rãi trong công nghiệp mà nhiều nghiên cứu về robot dò line đã được thực hiện để ngày càng nâng cao năng suất và tính hiệu quả của chúng Trong số các nghiên cứu về Robot dò line, nhóm chọn tham khảo và phân tích một số bài báo nghiên cứu sau:

Chương 1: Tổng quan

1.2.1 An intelligent line-following robot [1]

Một quy trình hiệu chuẩn tự động cho các cảm biến quang phản xạ sử dụng các kỹ thuật điều chế độ rộng xung được đề xuất và xác minh Các toán khác nhau về phát hiện dòng như bình quân gia quyền và nội suy bậc hai cũng được mô tả và thử nghiệm so sánh bằng cách sử dụng nền tảng tuyến tính theo quy trình hiệu chuẩn Bài báo cho thấy rằng rằng thuật toán tìm đường dẫn bằng bình quân gia quyền là tốt nhất

Ưu điểm:

- Áp dụng tốt kĩ thuật calibration cho cảm biến quang dò line Calibration là tinh chỉnh khoảng cách giữa cảm biến quang và mặt đường, đồng thời củng điều chỉnh khoảng trống giữa 2 cảm biến quang

- Giá thành rẻ

- Vận tốc trung bình của robot khá nhanh: 1.3 m/s

Hình 1.3 Giá trị trả về của cảm biến trước (trái) và sau (phải) sau khi

calibration[1]

1.2.1 Path planning of line follower robot [2]

Sử dụng vi điều khiển LM3S811 làm bộ điều khiển để phản ứng đối với dữ liệu nhận được từ cảm biến đường hồng ngoại để mang lại chuyển động nhanh, trơn tru,

Nhược điểm:

- Chạy theo đường chậm, mức tiêu thụ năng lượng nhiều

1.2.2 Điều khiển robot dò đường sử dụng bộ điều khiển PID kết hợp phương pháp PWM [3]

Bài báo này giới thiệu phương pháp điều khiển robot dò đường bằng sự kết hợp giữa giải thuật điều khiển vi tích phân tỉ lệ với phương pháp điều chế độ rộng xung

sử dụng vi điều khiển P89V51RD2 [3] Tốc độ động cơ được thay đổi bằng cách giữ nguyên điện áp nhưng thay đổi thời gian đặt điện áp vào động cơ kết hợp với giải thuật điều khiển PID

000000000000000000000

Hình 1.4 Sơ đồ khối ứng dụng giải thuật PID vào robot dò đường [3]

Ưu điểm:

1.2.3 Line Follower Robot Using A Sophisticated Sensor Approach [4].

Đa số các mô hình robot dò line trong các nghiên cứu trước đây đều gặp phải vấn

đề về tốc độ trong khâu dò tìm vạch đường và thực hiện lệnh Trong bài báo này, tác giả

đã đề xuất một mô hình mới của robot dò line Mô hình này tốt hơn tất cả mô hình khác

ở điểm đưa vào sử dụng cảm biến màu phức tạp đồng thời với cảm biến quang, đem lại khả năng dò tìm vạch đường trong khoảng thời gian tối ưu nhất, đạt đến vài nano giây

e

Hình 1.5 Sơ đồ khối của mô hình robot dò line đề xuất [4]

1.2.4 Design and implementation of RGB color line following robot [5]

Mục đích là ứng dụng track các loại màu khác nhau trong kho hang bằng sử dụng cảm biến Light Dependent Resistor (LDR) và 3 đèn led đỏ, xanh dương và xanh lá Cảm biến LDR nhận biết sự phản ánh màu dưới nền để di chuyển Hạn chế của mô hình này là khả năng xử lí ánh sáng còn khó khăn, tốc độ di chuyển thấp 0.082 m/s

Chương 1: Tổng quan

1.2.5 Robot - line follower [8]

Xe sử dụng 2 bánh truyền động đồng trục và một bánh tự lựa phía trước Xe dò line bằng 9 cảm biến hồng ngoại được sắp xếp như hình

Hình 1.6 Mặt dưới của xe dò line [8]

Ưu điểm:

 Sử dụng nhiều cảm biến, hiệu quả dò theo đường dẫn cao

 Sử dụng chỉ 2 bánh xe truyền động, giúp làm việc điều khiển động cơ đơn giản hơn

Nhược điểm:

 Số lượng cảm biến nhiều khiến thuật toán nhận diện tìn hiệu trở nên phức tạp

1.2.6 ZUMO

Zumo là xe dò line được thiết kế dạng xe tăng Nó được trang bị 2 động cơ DC

và 2 cảm biến dò line 2 bên

Ưu điểm:

 Di chuyển ổn định trên địa hình gồ ghề Tốc độ tương đối

Nhược điểm:

 Khó nhận dạng vạch đường dẫn đến rẽ sai Dẫn động phức tạp

Fireball từng thắng giải Bot Bowl 2010 ở Pioria và ChiBot’s Fall 2010 Xe gồm

4 bánh dẫn động được điều khiển bởi 4 động cơ Maxon

 Dãy cảm biến đặt không quá gần xe để có thời gian tính toán xử lý

 Cảm biến có thể dùng cảm biến hồng ngoại hoặc quang

 Dùng thuật toán PID xuất tín hiệu PWM để điều khiển

 Vật liệu làm khung xe là mica đảm bảo độ chắc và nhẹ

(START) A  B  C  D  E  F  C  G  A  C  E (END)

 Nền trắng và đường line đen

 Bề rộng line: 26 mm

 Địa hình chạy: bằng phẳng (mặt sàn nhà, mặt đất, )

Chương 1: Tổng quan

 Tốc độ trung bình: 0.7 m/s

 Đường kính bánh xe: d ≤ 200 mm

 Kích thước tối đa của Robot (dài x rộng x cao): 300mm x 220mm x 300mm

 Tải trọng: tối thiểu 2kg, có kích thước tối đa 200mm x 100mm x 300mm

 Sai số: Dãy cảm biển và xe không lệch hoàn toàn ra khỏi line

 Thời gian hoàn thành tối đa: 20s

Chương 2: Lựa chọn phương án

CHƯƠNG 2: LỰA CHỌN PHƯƠNG ÁN

Trong chương này, nhóm nghiên cứu và trình bày về các phương án và cách lựa chọn phương án thiết kế Thông thường ta cần quan tâm đến một số vấn đề sau khi thiết kế xe dò line:

 Phần cơ khí: kết cấu xe, loại bánh xe

 Phần điện: động cơ, cảm biến

 Phần điều khiển: Cơ cấu điều khiển

2.1 Lựa chọn phương án cơ khí

2.1.1 Lựa chọn kết cấu xe

Bảng 2.1 Phương án kết cấu xe

Phương án 1: 2 bánh chủ

động phía sau có động cơ

riêng và 1 bánh tự lựa phía

trước

- Luôn đồng phẳng

- Kết cấu đơn giản

- Rẽ hướng đơn giản hơn 4 bánh

- Bánh tự lựa dễ bị lệch khỏi đường dẫn khi chịu lực

- Dễ lật khi cua khi mang tải nặng

- Không đảm bảo khoảng cách từ cảm biến tới bề mặt

Chương 2: Lựa chọn phương án

Phương án 2: 2 bánh chủ

động phía sau có động cơ

riêng và 2 bánh tự lựa phía

trước

- Đảm bảo khoảng cách của cảm biến tới bề mặt đường tốt hơn chỉ 1 bánh tự lựa

- Khắc phục hiện tượng trượt

- Kết cấu phức tạp hơn 3 bánh

- Bộ điều khiển phức tạp

- Khó đồng phẳng 4 bánh

Phương án 4: 4 bánh, 2

bánh chủ động nối với cơ

cấu vi sai, 2 bánh tự lựa

được nối bằng cơ cấu

truyền động (có cơ cấu bẻ

lái)

- Giúp xe giữ cân bằng, bám đường tốt

- Bẻ lái dễ dàng, giảm trượt của bánh xe

-Kết cấu cơ khí phức tạp (cần bộ vi sai phía sau và

cơ cấu bẻ lái phía trước)

Chương 2: Lựa chọn phương án

Dựa vào các phân tích ưu nhược điểm trên và yêu cầu đề bài, nhóm chọn kết cấu xe

2 bánh dẫn động sau và một bánh bị động trước Hệ thống đơn giản dễ điều khiển, chế tạo nhưng vẫn đáp ứng tốt tiêu chí đề ra

2.1.2 Lựa chọn bánh bị động

Có 2 loại bánh tự do thông dụng hiện nay là: bánh tự lựa và bánh cầu

 Bánh tự lựa

Bánh tự lựa được chia làm 2 loại là: Standard Wheels và Castor Wheels

 Standard Wheels là loại bánh có trục xoay đi qua trục quay của bánh xe nên khi chuyển hướng bánh không gây lệch so với vị trí cần chuyển Tuy nhiên, có những trường hợp, với góc xoay nhất định, chuyển động của 2 bánh đặt sau sẽ không đủ tạo moment làm chuyển hướng của bánh

 Loại Castor Wheels có trục xoay cách một khoảng xác định so với trục bánh xe Khi chuyển hướng, điểm tiếp xúc của bánh xe với đất vô tình đã trở thành tâm xoay tức thời làm khung xe xoay quay trục đi qua tâm xoay và sẽ làm lệch hướng cần chuyển

Chương 2: Lựa chọn phương án

Hình 2.1 Bánh tự lựa

 Bánh cầu

Khắc phục sự hạn chế về số bậc tự do của bánh tự lưa, việc sử dụng cầu làm tăng tính linh hoạt của xe khi chuyển hướng mà không phải chịu một tác dụng phụ nào ảnh hưởng đến chất lượng của việc chuyển hướng Tuy nhược điểm của bánh cầu là dễ bị kẹt bởi bụi cát, nhưng do địa hình di chuyển tương đối sạch và phẳng nên yếu tố này có thể bỏ qua

Hình 2.2 Hình minh họa bánh mắt trâu Kết luận: Dựa vào phân tích trên nhóm chọn bánh cầu

2.2 Lựa chọn phương án điện

2.2.1 Lựa chọn cảm biến

Các yêu cầu lựa chọn cảm biến:

- Khả năng đáp ứng nhanh sự thay đổi màu sắc giữa trắng và đen

- Có khả năng nhận biết những đoạn line gấp khúc đột ngột

- Ít bị ảnh hưởng bởi nhiễu

Chương 2: Lựa chọn phương án

- Dễ tìm trên thị trường, giá cả hợp lí

Đối với cảm biến dò line, thường dùng 2 loại cảm biến để dò line là:

- Camera

- Phototransitor kết hợp led thường

- Phototransitor kết hợp led hồng ngoại

- Giá thành rẻ

- Cần che chắn để chống nhiễu

- Dễ bị ảnh hưởng bởi ánh sáng ngoài trời

Hình 2.3 Các loại cảm biến dò line: a) camera; b) Cảm biến hồng ngoại; c) Cảm biến

quang trở

Chương 2: Lựa chọn phương án

Đối với đường line chạy trong đồ án này có độ tương phản cao (line màu đen, nền trắng) nên chọn Phototransitor kết hợp LED hồng ngoại

- Tốc độ thường chậm, nếu hoạt động với tốc độ cao dễ xảy ra trượt bước

- Không phù hợp với các ứng dụng có tải thay đổi và các ứng dụng cần tốc độ cao

 Dựa vào những đặc tính, ưu điểm và nhược điểm của từng động cơ kết hợp với yêu cầu của đồ án ta sử dụng 2 động cơ DC Servo Hai động cơ DC Servo được sử dụng cho hai bánh xe chủ động ở phía sau

Chương 2: Lựa chọn phương án

2.3 Lựa chọn phương án điều khiển

Có 2 loại điều khiển thông dụng hiện nay là điều khiển tập trung và điều khiển phân tán

 Điều khiển tập trung:

Hình 2.4 Sơ đồ điều khiển tập trung

Ưu điểm:

- Chỉ cần dùng 1 VĐK sử dụng cho toàn bộ hệ thống

- Mạch điện nhỏ gọn và tiết kiệm chi phí

- Lập trình không cần giao tiếp với vi điều khiển khác

Nhược điểm:

- Yêu cầu tốc độ xử lí vi điều khiển cao

- Khó lập trình và sửa lỗi đối với hệ thống lớn

Chương 2: Lựa chọn phương án

 Điều khiển phân tán:

Hình 2.5 Sơ đồ điều khiển phân tán

Ưu điểm:

- VĐK chỉ cần có module làm nhiệm vụ chuyên môn

- Dễ dàng sửa lỗi, lập trình với các hệ thống phức tạp

Nhược điểm:

- Phải giao tiếp giữa các VĐK

- Hệ thống gồm nhiều VĐK, cần tránh xảy ra nhiễu khi giao tiếp

Hệ thống điều khiển xe dò line không quá lớn hay phức tạp, không yêu cầu xử lí quá cao, lập trình khá đơn giản Bên cạnh đó, yêu cầu giá thành thấp nên nhóm lựa chọn phương

án điều khiển tập trung

Chương 2: Lựa chọn phương án

2.4 Lựa chọn vi điều khiển

2.4.1 Xác định yêu cầu lựa chọn vi điều khiển

Dựa trên phương án thiết kế đã lựa chọn cho Robot, vi điều khiển có nhiệm vụ thu thập tín hiệu từ các cảm biến, sau đó tiến hành tính toán, điều chỉnh và truyền tín hiệu đến các động cơ

Hiện nay trên thị trường có nhiều dòng vi điều khiển, mỗi dòng có nhưng đặc tính và khả năng khác nhau Tuy nhiên, ta cần lựa chọn dòng vi điều khiển thích hợp để đảm bảo đáp ứng các yêu cầu đặt ra cho Robot, cụ thể:

 Số lượng cảm biến tối thiểu đã lựa chọn là 7 nên đọc cảm biến cần có ít nhất 7 ngõ vào Analog

 Có hỗ trợ điều chế xung PWM để điều khiển tốc độ động cơ

 Có bộ ngắt để đọc tín hiệu Encoder

 Bộ điều khiển phân cấp nên phải có hỗ trợ các giao tiếp SPI, I2C hoặc RS232…

2.4.2 Lựa chọn vi điều khiển

Từ những yêu cầu trên, chọn vi điều khiển Arduino Nano CH340 (vi xử lý ATmega368) với đặc điểm:

 8 ngõ vào Analog

 14 chân Digital, trong đó có 6 chân có PWM

 Hỗ trợ giao tiếp I2C, UART, RS232

 Có 2 bộ ngắt

 Tần số xung clock 16Mhz cho thời gian chu kì lệnh nhanh (62,5ns) hơn thời gian đọc xung encoder bằng ngắt ngoài nên không có hiện tượng trượt xung khi đọc

Chương 2: Lựa chọn phương án

CHƯƠNG 3: TÍNH TOÁN THIẾT KẾ

Như đã trình bày ở trên, nhóm chọn cơ cấu thiết kế sau:

Hình 3.1 Cơ cấu thiết kế

3.1 Lựa chọn bánh xe

Chọn bánh xe chủ động bằng nhựa lốp cao su, bánh bị động là bánh đa hướng

Hình 3.2 Bánh xe chủ động Thông số bánh chủ động:

- Chất liệu: Nhựa, cao su

- Đường kính: 80 mm

- Độ rộng bánh: 30 mm

Chương 2: Lựa chọn phương án

Hình 3.3 Bánh cầu Thông số bánh bị động:

- Chất liệu: thép

- Đường kính bánh xe: 12 mm

- Tổng chiều cao chân đế: 15 mm

3.2 Tính toán công suất động cơ

Vận tốc max mong muốn: v = 1m/s

Gia tốc mong muốn: a = 0.5 m/s2

Bán kính bánh xe: R = 4 cm

=> Vận tốc góc bánh xe: ω = 𝑣

𝑅 = 10.04 = 25 rad/s

=> Gia tốc góc bánh xe: ε = 𝑎

𝑅 = 0.50.04 = 12.5 rad/s2

Hình 3.4 Mô hình toán bánh xe

Chương 2: Lựa chọn phương án

Momen quán tính của bánh xe đối với tâm bánh xe: I = 1

2𝑚𝑅2 (3.1) Phương trình Định luật II Newton:

Chương 2: Lựa chọn phương án

Vậy, momen của động cơ thỏa: τ = 0.312 Nm

Công suất mỗi động cơ là: P =  ω

Chương 2: Lựa chọn phương án

Hình 3.5 Động cơ DC servo GA25 V1 Bảng 3.2 Thông số động cơ