Nghiên cứu và chế tạo rô bốt tự động di chuyển bằng 4 chân luận văn thạc sĩ

Thông qua đề tài “nghiên cứu và chế tạo rô bốt tự động di chuyển bằng 4 chân” tác giả đã đưa ra được cách thiết kế và xây dựng thuật toán điều khiển rô bốt 4 chân một cách chính xác và đ

NGHIÊN CỨU VÀ CHẾ TẠO RÔ BỐT TỰ ĐỘNG

DI CHUYỂN BẰNG 4 CHÂN

LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT ĐIỆN

Đồng Nai - Năm 2019

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC LẠC HỒNG

Điện tử Trường Đại học Lạc Hồng đã hết lòng truyền đạt những kiến thức sâu rộng cho tác giả trong suốt quá trình học cao học tại trường

- Các tác giả là những tập thể và cá nhân của những tài liệu tham khảo đã giúp tác giả có được những kiến thức nền tảng cần thiết và tiết kiệm rất nhiều thời gian trong quá trình thực hiện đề tài

- Và cuối cùng, tác giả xin được bày tỏ lòng biết ơn đến gia đình, bạn bè đã động viên, đóng góp ý kiến, giúp đỡ tác giả trong giai đoạn này

Tuy đã có rất nhiều cố gắng nhưng không thể tránh khỏi những thiết sót Tác giả xin chân thành đón nhận sự chỉ bảo, đóng góp ý kiến quý báu của quý thầy cô để

đề tài được hoàn thiện hơn Xin kính chúc Quý thầy cô dồi dào sức khỏe để luôn có thể truyền dạy cho thế hệ sau những kiến thức bổ ích

Đồng Nai, ngày 12 tháng 12 năm 2019

Tác giả

- Tiến sĩ – Giảng viên hướng dẫn đề tài – đã trực tiếp hướng dẫn tận tình cũng như có những ý kiến đóng góp quý báu để tác giả có thể hoàn thành bài nghiên cứu tốt nhất

LỜI CAM ĐOAN

Tác giả xin cam đoan tất cả nội dung của luận văn này hoàn toàn được hình hành và phát triển từ những quan điểm của cá nhân tác giả, cùng sự hướng dẫn khoa học của TS Lê Phương Trường Các số liệu và kết quả có được trong luận văn là hoàn toàn trung thực

Đồng Nai, ngày 12 tháng 12 năm 2019

Tác giả

được viết bằng ngôn ngữ C và có thể sử dụng, phát triển với nhiều trình biên dịch C khác nhau (OpenWatcom, IAR, Eclipse, Keil, …), cho phép không giới hạn các tác

vụ chạy đồng thời, không hạn chế quyền ưu tiên thực thi, khả năng khai thác phần cứng, giúp cho việc điều khiển Rô bốt thuận lợi, cũng như tăng khả năng linh hoạt cho rô bốt Với việc xây dựng mô hình rô bốt 4 chân cùng thuật toán điều khiển góc

và hướng cho rô bốt khả năng di chuyển đúng hướng trên mặt phẳng Thông qua đề tài “nghiên cứu và chế tạo rô bốt tự động di chuyển bằng 4 chân” tác giả đã đưa ra được cách thiết kế và xây dựng thuật toán điều khiển rô bốt 4 chân một cách chính xác và đơn giản Từ kết quả thu được, phương trình chỉnh hướng rô bốt 4 chân, thuật toán quản lý bước di chuyển và hướng của rô bốt, rô bốt đã hoạt động đúng yêu cầu, tuy góc lệch còn tồn tại là ±2 độ, các bước di chuyển linh hoạt

Từ khóa: robocon2019lh, rô bốt 4 chân, rô bốt ngựa, rô bốt chó…

MỤC LỤC

LỜI CẢM ƠN

LỜI CAM ĐOAN

TÓM TẮT LUẬN VĂN

MỤC LỤC

DANH MỤC CHỮ VIẾT TẮT

DANH MỤC BẢNG BIỂU

DANH MỤC HÌNH ẢNH

MỞ ĐẦU 1

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN 3

1.1 Tình hình nghiên cứu trong nước 3

1.2 Tình hình nghiên cứu ngoài nước 5

1.2.1 Nghiên cứu rô bốt 4 chân tại các Trường đại học 5

1.2.2 Rô bốt thương mại 6

CHƯƠNG 2: THIẾT KẾ PHẦN CỨNG MÔ HÌNH RÔ BỐT DI CHUYỂN 4 CHÂN 7

2.1 Mô tả hệ thống 7

2.2 Thiết kế và chế tạo phần cơ khí 8

2.2.1 Lựa chọ vật liệu chế tạo rô bốt 8

2.2.2 Thiết kế chân rô bôt 9

2.2.3 Lựa chọ động cơ 10

2.2.4 Thiết kế khớp chân 11

2.3 Thiết kế và chế tạo phần điều khiển 12

2.3.1 Mạch điều khiển chính – STM32F407 MCU 12

2.3.2 Mạch điều khiển động cơ 18

2.3.3 Lựa chọn biến trở 20

2.3.4 Cảm biến phản hồi góc rô bốt IMU 21

2.4 Rô bốt di chuyển 4 chân chế tạo thực tế 24

CHƯƠNG 3: XÂY DỰNG QUỸ ĐẠO CHUYỂN ĐỘNG CỦA RÔ BỐT 4 CHÂN 25

3.1 Xây dựng quỹ đạo chuyển động của rô bốt 25

CHƯƠNG 4: KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN 30

4.1 Thiết đặt thực nghiệm 30

4.2 Phân tích kết quả 31

4.2.1 Xét thực nghiệm 1: 31

4.2.2 Xét thực nghiệm 2: 37

4.2.3 Xét thực nghiệm 3: 41

CHƯƠNG 5: KẾT LUẬN 45 TÀI LIỆU THAM KHẢO

DANH MỤC CHỮ VIẾT TẮT

Từ viết tắt Nghĩa tiếng Anh Nghĩa tiếng Việt

ABU Asia-Pacific Broadcasting

Union

Hiệp hội phát thanh-truyền hình Châu Thái Bình Dương

Á-ARM Advanced RISC Machine

Kiến trúc RISC cho các vi xử lý máy tính (RISC: Reduced Instructions Set Coputer: máy tính với tập lệnh đơn giản hoá )

LCD Liquid Crystal Display Công nghệ màn hình tinh thể lỏng PWM Pulse-Width Modulation Điều chế độ rộng xung

PID Proportional Integral

Derivative Bộ điều khiển vòng kín Robocon Robot Contest Cuộc thi sáng tạo Robot

Bảng 2.5: Thông số kỹ thuật GY-521 MPU-6050 22

DANH MỤC HÌNH ẢNH

Hình 1.1: Cơ cấu theo kiểu cua bò ngang 3

Hình 1.2: Cơ cấu theo kiểu sâu đo 4

Hình 1.3: Cơ cấu theo kiểu xe tăng 4

Hình 1.4: Cơ cấu theo kiểu 4 chân 4

Hình 1.5: Cơ cấu theo kiểu 4 chân chọn để nghiên cứu 5

Hình 1.6: Rô bôt 4 chân của Trường Đại học Pennsylvania, Philadelphia, Mỹ 5

Hình 1.7: Cơ cấu theo kiểu ếch và 4 chân của Nhật Bản 6

Hình 1.8: Cơ cấu theo kiểu 4 chân Trung Quốc 6

Hình 1.9: Cơ cấu theo kiểu 4 chân của Mỹ 6

Hình 2.1: Sơ đồ hệ thống điều khiển rô bốt 4 chân 8

Hình 2.2: Rô bốt được thiết kế trên phần mềm SolidWorks 2019 9

Hình 2.3: Hình động cơ DC Planet 10

Hình 2.4: Hộp số Planet 11

Hình 2.5: Khớp quay bạc đạn 12

Hình 2.6: Sơ đồ nguyên lý khối nguồn mạch chính 14

Hình 2.7: Sơ đồ nguyên lý khối LCD20x4 kết nối với STM32F407VET6 15

Hình 2.8: Sơ đồ khối ra chân chip ARM STM32F407VET6 15

Hình 2.9: Sơ đồ nguyên lý khối tạo xung và reset cho STM32F407VET6 16

Hình 2.10: Khối ra chân Uart, Encoder, cổng nạp Jlink và PWM 16

Hình 2.11: Hình mạch chủ STM32F407VET6 trong Altium Designer 17

Hình 2.12: Hình thực tế mạch chủ STM32F4 17

Hình 2.13: Hình 3D mạch driver và ảnh thực tế 18

Hình 2.14: Mô tả giao diện phần mêm giao tiếp máy tính 19

Hình 2.15: Thông số cài đặt mạch driver 20

Hình 2.16: Biến trở Copal J05S 1KΩ 21

Hình 2.17: Module cảm biến góc MPU-6050 22

Hình 2.18: Mạch cảm biến góc IMU sử dụng module GY-521 và chíp STM32F103C8T6 23

Hình 2.19: Hình ảnh Rô bốt thiết kế trên phần mềm Solidworks 2019 24

Hình 4.3: Rô bốt di chuyển góc ban đầu 10° 31

Hình 4.4: Biểu đồ hướng Rô bốt thực nghiệm 31

Hình 4.5: Các tư thế chân của 1 bước chân 32

Hình 4.6: Góc điều khiển cẳng chân trước trái 33

Hình 4.7: Góc điều khiển cẳng chân trước phải 34

Hình 4.8: Góc điều khiển cẳng chân sau phải 35

Hình 4.9: Góc điều khiển cẳng chân sau trái 36

Hình 4.10: Góc điều khiển cẳng chân trái trước 37

Hình 4.11: Góc điều khiển cẳng chân phải trước 38

Hình 4.12: Góc điều khiển cẳng chân phải sau 39

Hình 4.13: Góc điều khiển cẳng chân trái sau 40

Hình 4.14: Góc điều khiển cẳng chân trái trước 41

Hình 4.15: Góc điều khiển cẳng chân phải trước 42

Hình 4.16: Góc điều khiển cẳng chân phải sau 43

Hình 4.17: Góc điều khiển cẳng chân trái sau 44

MỞ ĐẦU

1 Lý do chọn đề tài

Ngày nay, Cuộc cách mạng công nghệ 4.0 đã và đang thúc đẩy nền kinh tế trong nước và thế giới trên mọi lĩnh vực, đã đánh dấu sự phát triển bùng nổ của các công nghệ đột phá và tác động tích cực đến từng ngành, từng lĩnh vực

Robocon là cuộc thi được khởi xướng tại Nhật Bản Từ năm 2002, nó trở thành cuộc thi thường niên do Hiệp hội Phát thanh và Truyền hình Châu Á Thái Bình Dương (Asia-Pacific Broadcasting Union) tổ chức tại các nước có thành viên mang tên ABU Robocon để cổ vũ cho phong trào sáng tạo rô bốt của thanh niên trong khu vực Là cuộc thi truyền hình có yếu tố kỹ thuật và tính đối kháng cao, Robocon có được sự quan tâm rất lớn của mọi thành phần trong xã hội

Robocon là một trong các sân chơi trí tuệ và uy tín tại các trường cao đẳng, đại học trong và ngoài nước Sân chơi này tạo cho sinh viên nền tảng sáng tạo khi ra trường làm việc trong các công ty, xí nghiệp

Cuộc thi có chủ đề thay đổi hằng năm do nước đăng cai công bố khi kết thúc cuộc thi Châu Á Thái Bình Dương, đưa ra các vấn đề giúp sinh viên và người hướng dẫn thỏa sức sáng tạo hằng năm với vấn đề không lập lại

Chính vì những nguyên nhân trên, tác giả đã quyết định chọn đề tài nghiên cứu

“NGHIÊN CỨU VÀ CHẾ TẠO RÔ BỐT TỰ ĐỘNG DI CHUYỂN BẰNG 4 CHÂN” Đề tài nghiên cứu hoàn thành đã chứng minh tính hiệu quả và linh hoạt của

rô bốt và vượt qua 32 đội tuyển đến từ các trường cao đẳng, đại học mạnh trong cùng lĩnh vực và mang về chức vô địch cho Trường Đại học Lạc Hồng, Việt Nam năm

2019 Ngoài ra đây là sản phẩm hiện đang được tiếp tục nghiên cứu để hỗ trợ cho tuyển sinh và giúp ích cho con người trong các lĩnh vực nguy hiểm thay thế con người trong quân đội

2 Mục tiêu nghiên cứu

- Xây dựng và thiết kế rô bốt di chuyển bằng 4 chân

- Sử dụng những cảm biến thông dụng như cảm biến góc GY-521 MPU-6050 làm cơ sở xây thuật toán cho rô bốt di chuyển

- Điều khiển chính xác góc, hướng di chuyển của rô bốt

hoạt

4 Phương pháp nghiên cứu

- Thu thập tài liệu từ nguồn thư viện, các bài báo, internet

- Tìm hiểu lý thuyết di chuyển trong các bài báo quốc tế

- Viết chương trình thuật toán xử lý các dữ liệu giúp rô bốt hoạt động tốt

- Mô phỏng quy trình hoạt động nhằm tìm ra lỗi và đề ra biện pháp khắc phục phù hợp

5 Kết cấu của luận văn

Ngoài phần mở đầu, mục lục, kết luận và tài liệu tham khảo, bài nghiên cứu có kết cấu gồm 5 chương với nội dung như sau:

- Chương 1: Tổng quan

- Chương 2: Thiết kế phần cứng mô hình rô bốt di chuyển 4 chân

- Chương 3: Xây dựng quỹ đạo chuyển động của rô bốt 4 chân

- Chương 4: Kết quả và thảo luận

- Chương 5: Kết luận

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN

1.1 Tình hình nghiên cứu trong nước

Ngày nay, với sự phát triển của khoa học công nghệ rô bốt không những chỉ có mặt trong các công ty, nhà máy mà còn dần dần đi vào đời sống xã hội con người Nhiều tập đoàn, công ty, tác giả đã nghiên cứu chế tạo rô bốt phục vụ con người như:

rô bốt giúp việc nhà, rô bốt phục vụ nhà hàng, rô bốt chăm sóc người già bệnh nhân,

rô bốt giữ nhà …Tất cả những rô bốt này điều sinh ra nhằm mục đích hỗ trợ con người trong sinh hoạt thường ngày Tất cả những rô bốt này điều có một điểm chung

là phải làm việc và di chuyển trong môi trường chật hẹp và nhiều vật cản Môi trường làm việc đòi hỏi rô bốt phải có khả năng di chuyển khéo léo và linh hoạt, tính ổn định

và an toàn cao Chính vì lẽ đó, tác giả đã nghiên cứu, thiết kế và chế tạo rô bốt di chuyển 4 chân mô phỏng di chuyển động vật để phục vụ cho các yêu cầu di chuyển địa hình phức tạp và nguy hiểm

Nghiên cứu và chế tạo rô bốt 4 chân hiện tại đang là xu thế Khi các công nghệ điều khiển trong nước tiệm cận với các nước phát triển trong khu vực việc nghiên cứu, chế tạo rô bốt 4 chân không còn là thách thức khó vượt qua tại các trường đại học trong nước Tuy nhiên, các nghiên cứu này vẫn còn đơn giản Các trường chủ yếu đi theo hướng dựa vào cơ cấu cơ khí và hoạt động quay tròn của động cơ tạo sự

di chuyển, tuy nhiên tốc độ, độ ổn định và tính thẩm mỹ không cao cụ thể như các cơ cấu sau:

(Nguồn: Trường đại học Công nghiệp Hà Nội, Việt Nam)

Hình 1.1: Cơ cấu theo kiểu cua bò ngang

(Nguồn: Trường đại học Công nghiệp Hà Nội, Việt Nam)

Hình 1.2: Cơ cấu theo kiểu sâu đo

(Nguồn: Trường đại học Công nghiệp Hà Nội, Việt Nam)

Hình 1.3: Cơ cấu theo kiểu xe tăng

(Nguồn: Trường đại học Công nghiệp Hà Nội, Việt Nam)

Hình 1.4: Cơ cấu theo kiểu 4 chân

Trong nghiên cứu này, rô bốt được thiết kế với 4 chân độc lập mô phỏng chuyển động của động vật 4 chân

(Nguồn: Trung tâm công nghệ robot Lạc Hồng, Việt Nam)

Hình 1.5: Cơ cấu theo kiểu 4 chân chọn để nghiên cứu 1.2 Tình hình nghiên cứu ngoài nước

1.2.1 Nghiên cứu rô bốt 4 chân tại các Trường đại học

Với xu thế phát triển của công nghệ ứng dụng rô bốt 4 chân của thế giới thì các trường đại học cũng có những nghiên cứu cho riêng mình

(Nguồn: https://kodlab.seas.upenn.edu/robots/ghost-minitaur/)

Hình 1.6: Rô bôt 4 chân của Trường Đại học Pennsylvania, Philadelphia, Mỹ

(Nguồn: Trường Đại học Tokyo, Nhật Bản)

Hình 1.7: Cơ cấu theo kiểu ếch và 4 chân của Nhật Bản

(Nguồn: Trường Đại học Northeastern University, Trung Quốc)

Hình 1.8: Cơ cấu theo kiểu 4 chân Trung Quốc 1.2.2 Rô bốt thương mại

Rô bốt vận tải do công ty Boston Dynamics thiết kế là hệ thống là rô bốt 4 chân, biết vận chuyển quân trang hỗ trợ bộ binh qua địa hình gồ ghề, nhận lệnh bằng giọng nói và hình ảnh cụ thể như Hình 1.9

(Nguồn: https://www.bostondynamics.com/robots)

Hình 1.9: Cơ cấu theo kiểu 4 chân của Mỹ

CHƯƠNG 2: THIẾT KẾ PHẦN CỨNG MÔ HÌNH RÔ BỐT DI CHUYỂN

4 CHÂN

2.1 Mô tả hệ thống

Đề tài xây dựng và phát triển thuật toán điều khiển quỹ đạo chân, góc và hướng cho rô bốt di chuyển 4 chân từ vị trí đầu đến vị trí cuối một cách chính xác nhất Đề tài xây dựng mô hình rô bốt di chuyển 4 chân được điều khiển bởi bộ điều khiển trung tâm sử dụng vi điều khiển STM32F407VET6 thông qua các cảm biến hồi tiếp về như GY-521 MPU-6050 và biến trở Bộ điều khiển trung thu thập các thông số từ cảm biến sau đó so sánh với thông số cài đặt ban đầu bằng thuật toán điều khiển mà đề tài xây dựng, sau khi tính toán xong sẽ truyền tín hiệu điều khiển tới 8 động cơ để điều

khiển các chân của rô bốt đi theo hướng và số bước đã cài đặt

Ở Hình 2.1 cho thấy sơ đồ nguyên lý của hệ thống điều khiển rô bôt di chuyển

4 chân bao gồm: mạch điều khiển chính dựa trên MCU STM32F407; 8 hệ thống mạch điều khiển cầu H được điều khiển bởi MCU STM32F103 kết hợp nền tảng lập trình C#; Hệ thống 8 bộ biến trở dùng để phản hồi vị trí góc của từng chân; Bên cạnh đó, một cảm biến la bàn được chế tạo để phản hồi góc của ro bốt để xác định hướng di chuyển của rô bốt

Mạch điều khiển chính MCU STM32F407VET6 với thuật toán điều khiển hướng, điều khiển vị trí động cơ, và số bước Từ đó thuật toán sẽ tính toán quỹ đạo chân và bước chân để rô bôt di chuyển đủ quãng đường và hướng của rô bôt Hơn nữa, hệ thống mạch điều khiển động cơ với thuật toán PID vị trí sẽ đảm bảo mỗi chân

sẽ được điều khiển vị trí chính xác

Hình 2.1: Sơ đồ hệ thống điều khiển rô bốt 4 chân 2.2 Thiết kế và chế tạo phần cơ khí

2.2.1 Lựa chọ vật liệu chế tạo rô bốt

Trong quá trình thiết kế mô hình rô bốt tác giả đã tính toán và tìm nhiều loại vật liệu phù hợp với mô hình của mình Những vật liệu được chọn là vật liệu dễ tìm và

dễ gia công như nhôm hộp, sắt hộp và thép hộp không gỉ Những vật liệu này điều dễ dàng mua được từ những cửa hàng bán vật liệu ở những thành phố, thị trấn và khu động dân cư Chúng có mặt hầu hết trên những vật dụng mà chúng ta sử dụng hằng ngày như cửa nhôm, nồi nhôm, nồi bằng thép không gỉ, ghế sắt, bàn thép không gỉ… Những vật liệu này hoàn toàn thân thiện với con người và môi trường vì tất cả chúng đều có khả năng tái chế

Khung rô bốt là một bộ phận cơ khí cực kỳ quan trọng, nó giúp nâng đỡ toàn bộ trọng lượng rô bốt Khung là bộ phận liên kết tất cả những bộ phận khác trên rô bốt lại với nhau Trong đề tài nay, tác giả chọn thép không gỉ là vật liệu chính để làm

khung rô bốt vì một số ưu điểm nổi trội của nó so với một số vật liệu thông dụng khác (Bảng 2.1)

2.2.2 Thiết kế chân rô bôt

Hiện nay, trên thế giới có rất nhiều mô hình rô bốt di chuyển 4 chân tuy nhiên chúng có giá thành khá cao so với việc tự nghiên cứu, chế tạo trong nước Để phù hợp với trang thiết bị, vật tư trong nước nên tác giả đã thiết kế và chế tạo rô bốt

di chuyển 4 chân có chân dựa trên cơ cấu 4 khâu 5 khớp

Hình 2.2: Rô bốt được thiết kế trên phần mềm SolidWorks 2019

Qua quá trình tìm hiểu các loại động cơ có trên thị trường cũng như tính phù hợp với đề tài luận văn, loại động cơ DC 24V có hộp số hành tinh tỉ số truyền

1:19,5 được lựa chọn cho hệ robot di chuyển 4 chân

Động cơ DC 24V có các ưu điểm:

 Có nhiều chủng loại động cơ sẵn có trên thị trường, dễ dàng lựa chọn thông số theo thiết kế, giá thành rẻ

 Đơn giản về mặt điều khiển (mạch điều khiển công suất, các tín hiệu điều khiển chỉ có: 01 chân tín hiệu đảo chiều và 01 chân tín hiệu PWM điều chỉnh tốc độ động

cơ

(Nguồn: https://www.twirlmotor.com)

Hình 2.3: Hình động cơ DC Planet

(Nguồn: https://www.twirlmotor.com)

Hình 2.4: Hộp số Planet

Bảng 2.2: Thông số kỹ thuật của hộp số planet

Tỷ số truyền Mô-men xoắn Mô-men xoắn cực đại Hiệu suất Chiều dài hộp số

(Nguồn: Trung tâm công nghệ robot Lạc Hồng, Việt Nam)

Hình 2.5: Khớp quay bạc đạn

Các bạc đạn quay giữ các bộ phận quay như trục hoặc trục trong các hệ thống

cơ học và truyền tải theo chiều dọc và hướng trục từ nguồn của tải đến cấu trúc hỗ trợ Hình dạng đơn giản nhất của ổ đỡ, vòng bi đồng bằng bao gồm một trục xoay trong một lỗ Có nhiều kiểu thiết kế bạc đạn (ổ đỡ) để đáp ứng nhu cầu của ứng dụng một cách chính xác để có hiệu quả, độ tin cậy, độ bền và hiệu suất tối đa

2.3 Thiết kế và chế tạo phần điều khiển

2.3.1 Mạch điều khiển chính – STM32F407 MCU

Hệ thống điện điều khiển được vận hành dựa trên nền tảng bộ xử lý trung tâm

là vi điều khiển ARM STM32F407VET6 Dòng ARM Cortex STM32F4 là một bộ

xử lí thế hệ mới đưa ra một kiến trúc chuẩn cho nhu cầu đa dạng về công nghệ Không giống như các chip ARM khác, dòng Cortex là một lõi xử lí hoàn thiện, đưa ra một chuẩn CPU và kiến trúc hệ thống chung Dòng Cortex STM32F4 gồm có 3 phân nhánh chính: dòng A dành cho các ứng dụng cao cấp, dòng R dành cho các ứng dụng thời gian thực như các đầu đọc còn dòng M dành cho các ứng dụng vi điều khiển và chi phí thấp STM32F4 được thiết kế dựa trên dòng Cortex-M4, dòng Cortex-M4 được thiết kế với tiêu thụ năng luợng thấp trên nền kiến trúc mới Kiến trúc cơ bản

của SMT32 - ARM Cortex-M4 bao gồm hệ thống ngắt (interrupt system), SysTick timer (được thiết kế cho hệ điều hành thời gian thực), hệ thống kiểm lỗi (debug system) và memory map Không gian địa chỉ của Cortex-M4 đuợc chia thành các vùng cho mã chương trình, SRAM, ngoại vi và ngoại vi hệ thống và có nhiều bus cho phép thực hiện các thao tác song song với nhau, do đó làm tăng hiệu suất của chip Không giống với các kiến trúc ARM truớc đó, dòng Cortex cho phép truy cập

dữ liệu không xếp hàng (unaligned data, vì chip ARM là kiến trúc 32bit, do đó tất cả các dữ liệu hoặc mã chương trình đều đuợc sắp xếp khít với vùng bộ nhớ là bội số của 4byte) Ðặc điểm này cho phép sử dụng hiệu quả SRAM nội Dòng Cortex còn

hỗ trợ việc đặt và xoá các bit bên trong hai vùng 1Mbyte của bộ nhớ bằng phương pháp gọi là bit banding Ðặc điểm này cho phép truy cập hiệu quả tới các thanh ghi ngoại vi và các cờ đuợc dùng trên bộ nhớ SRAM mà không cần một bộ xử lí luận lí (Boolean processor) Bên cạnh những công nghệ nổi bật của dòng Cortex-M4, ví điều khiển STM32F407 còn có khả năng xử lý tính toán vượt trội hơn những dòng vi điều khiển khác là nhờ vào tốc độ của chip lên tới 168Mhz và khả năng xử lý nhiều luồng của các bộ DMA Đó là một số thông tin cơ bản về dòng MCU STM32F4 do nhà sản xuất cung cấp Bảng 2.3 thể hiện rõ hơn những chức năng của chip ARM STM32F407VET6

Bảng 2.3: Thông số kỹ thuật của ARM STM32F407VET6

Tốc độ xử lý của chip 168MHz

Các chuẩn giao tiếp CAN, DCMI, EBI/EMI, Ethernet, I

2C, IrDA, LIN, SPI, UART/USART, USB OTG

Kết nối ngoại vi Brown-out Detect/Reset, DMA, I²S, LCD,

POR, PWM, WDT

Điện áp hoạt động 1.8V~3.6V

Nhiệt độ làm việc -40oC ~ 85oC

(Nguồn: datasheet STM32F407VET6 trên https://www.st.com)

Tác giả đã thiết kế mạch chủ sử dụng STM32F407VET6 phù hợp với nhu cầu

sử dụng của đề tài cũng như ứng dụng vào việc làm mạch chủ cho những rô bốt hoặc

hệ thống điều khiển tương tự STM32F407 là dòng chip hiệu năng cao mà lại tiêu thụ điện năng thấp, chip hoạt động tốt trong mức điện áp từ 1.8V~ 3.6V Mạch được thiết

kế trên phần mềm Altium Desiner với các khối nguồn, khối LCD hiển thị, khối kết nối cảm biên …dưới đây là hình ảnh mô tả sơ đồ nguyên lý các khối, ảnh 3D và ảnh thực tế của mạch chủ

(Nguồn: Trung tâm công nghệ robot Lạc Hồng, Việt Nam)

Hình 2.6: Sơ đồ nguyên lý khối nguồn mạch chính

(Nguồn: Trung tâm công nghệ robot Lạc Hồng, Việt Nam)

Hình 2.7: Sơ đồ nguyên lý khối LCD20x4 kết nối với STM32F407VET6

(Nguồn: Trung tâm công nghệ robot Lạc Hồng, Việt Nam)

Hình 2.8: Sơ đồ khối ra chân chip ARM STM32F407VET6

(Nguồn: Trung tâm công nghệ robot Lạc Hồng, Việt Nam)

Hình 2.9: Sơ đồ nguyên lý khối tạo xung và reset cho STM32F407VET6

(Nguồn: Trung tâm công nghệ robot Lạc Hồng, Việt Nam)

Hình 2.10: Khối ra chân Uart, Encoder, cổng nạp Jlink và PWM

(Nguồn: Trung tâm công nghệ robot Lạc Hồng, Việt Nam)

Hình 2.11: Hình mạch chủ STM32F407VET6 trong Altium Designer

(Nguồn: Trung tâm công nghệ robot Lạc Hồng, Việt Nam)

Hình 2.12: Hình thực tế mạch chủ STM32F4