Thiết kế chế tạo và điều khiển robot dò line (line following robot)

Bảng so sánh các đặc tính của các dòng vi điều khiển thường dùng cho Robot xe dò line .... So sánh các đặc tính c a các loủ ại động cơ dẫn động thường dùng cho Robot xe dò line .... Bảng

ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP.HỒ CHÍ MINH TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA KHOA CƠ KHÍ – BỘ MÔN CƠ ĐIỆN TỬ

Đề tài:

1 Phan Gia Huy 1711548

2 Phạm Thị Phương Loan 1711999

3 Khưu Nguyễn Hữu Lộc 1712041

4 Võ Đại Mau 1712117 Tên đề tài: “THIẾT KẾ, CHẾ TẠO VÀ ĐIỀU KHIỂN ROBOT DÒ LINE (LINE FOLLOWING ROBOT) ” Nhận xét c a giủ ảng viên hướng d n ẫ

LỜI CẢM ƠN

Việc n m vắ ững nh ng nguyên tữ ắc cơ bản, cũng như từng bước thực hiện một tập tài

liệu trong “Đồ án thi t k hế ế ệ ống cơ điệ ử” và ểu đượth n t hi c những gì mình đã thực hiện là một y u t cế ố ực k quan tr ng và c n thiỳ ọ ầ ết đố ới v i m i kỗ ỹ sư, đặc bi t là kệ ỹ sư cơ điệ ử n tNhững yêu c u vầ ề việc hoàn thành đồ án môn học đã được thầy Phùng Trí Công truyền đạt

và hướng dẫn rất tận tâm trong nh ng t báo cáo Ngoài nh ng ki n th c quan tr ng, ữ tiế ữ ế ứ ọchúng em còn c m nhả ận được s t n tâm và lo l ng c a th y dành cho ự ậ ắ ủ ầ các nhóm đồ án nói riêng cũng như toàn thể sinh viên cơ điện t nói chung Chúng em mu n gử ố ửi l i cờ ảm ơn sâu sắc đến thầy Điểm s có th quan trố ể ọng nhưng điều quan trọng nhất là việc thầy đã cho chúng em c m nhả ận được s quan tâm c a thự ủ ầy đến v i chúng em và mong cho chúng em ớđạt được kết qu cao nhất ả

Bài báo cáo này với đề bài là: “Thiết k , ch tế ế ạo và điều khi n Robot dò line (LINE ể

rất nhi u ki n th c và thông tin bề ế ứ ổ ích liên quan đến lĩnh vực mình đang h c và ọ cách đểthực hiện một d án theo hướng của “Thiết kế hệ thống Cơ điện tử” Chúng em xin chân ựthành cảm ơn bộ môn Cơ điệ ử trường Đạ ọc Bách Khoa TPHCM, đã tạo điền t - i h u kiện cho chúng em th c hiự ện đồ án môn h c ọ

Chúng em cũng xin cảm ơn các thầy/cô ở các xưởng gia công ở C1 đã tạo điều ki n ệcho chúng em s dử ụng máy để gia công các chi ti t c n thi ế ầ ết

Mặc dù trong quá trình tìm hiểu, nhóm đã tham khảo qua rất nhiều tài liệu để hoàn thành được bài báo cáo này, song có th không tránh kh i m t vài thi t sót và h n ch Rể ỏ ộ ế ạ ế ất mong nhận được nh ng l i góp ý và nh n xét t các th y ữ ờ ậ ừ ầ

Nhóm chúng em xin chân thành cảm ơn

Nhóm th c hi n ự ệ

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN 1

1.1 Giới thiệu đồ án và nghiên c u các mô hình trong và ứ ngoài nướ 1 c 1.1.1 Phân tích Usain Volt 2.0 Robot 3

1.1.2 Phân tích TABAR Robot 4

1.1.3 Phân tích Sunfounder PiCar S – 6

1.1.4 Phân tích Pinto Robot 7

1.1.5 Phân tích Chariot Robot 8

1.1.6 Phân tích Pika Robot 9

1.2 Nhận xét, ưu điểm và nhược điểm của các mô hình Robot được trích dẫn 9

1.2.1 Về cơ khí 9

1.2.2 Về điệ n 14 1.2.3 Về điều khi n ể 19

1.3 Đặt đề bài 19

CHƯƠNG 2: LỰA CHỌN PHƯƠNG ÁN 21

2.1 Lựa chọn phương án cơ khí 21

2.2 Lựa chọn phương án điệ 22 n 2.2.1 Lựa ch n c m bi n ọ ả ế 22

2.2.2 Lựa chọn động cơ 25

2.2.3 Lựa chọn vi điều khi n ể 26

2.3 Lựa ch n cọ ấu trúc điều khi n ể 27

2.4 Phương án thiế ế ộ điềt k b u khi n ể 28

2.5 T ng h p l a chổ ợ ự ọn phương án 28

2.5.1 Phương án thiế ết k chung 28

2.5.2 Phương án thiế ế cơ khí 28 t k 2.5.3 Phương án thiế ế điệ 29 t k n 2.5.4 Phương án điều khi n ể 29

CHƯƠNG 3: TÍNH TOÁN THIẾT KẾ CƠ KHÍ 30

3.1 Tính toán kích thước xe 30

3.2 Tính toán l a ch n công suự ọ ất động cơ dẫn động 35

CHƯƠNG 4: MÔ HÌNH HÓA HỆ THỐNG 42

4.1 Phân tích l a ch n mô hình tính toán ự ọ 42

4.2 Xây dựng phương trình động h c c a Robot ọ ủ 42

4.2.1 Mô hình bài toán động h c ọ 43

4.2.2 Mô hình toán xác định sai s ố 45

4.3 Xây d ng hàm truyự ền động cơ 47

CHƯƠNG 5: THIẾT KẾ BỘ ĐIỀU KHIỂN 53

5.1 Tiêu chí l a ch n bự ọ ộ điều khi n và thi t k bể ế ế ộ điều khi n ể 53

5.2 Xây d ng bự ộ điều khi n mô hình toán ể 54

5.2.1 Bài toán bám line 54

5.2.2 Động cơ 58

CHƯƠNG 6: THIẾT KẾ HỆ THỐNG ĐIỆN CHO ROBOT 60

6.1 Tính toán thi t k c m bi n ế ế ả ế 60

6.1.1 Thông s kố ỹ thuậ ảt c m biến TCRT5000 60

6.1.2 Tính toán điện tr cho c m bi n ở ả ế 61

6.1.3 Xác định cách gá đặ ảt c m bi n ế 62

6.1.4 Xác định chiều cao đặ ảt c m bi n ế 63

6.1.5 Khoảng cách gi a các c m bi n ữ ả ế 65

6.1.6 Calib c m bi n ả ế 68

6.1.7 Phương pháp trung bình trọng số 69

6.1.8 Thực hi n xây d ng mệ ự ạch cảm bi n 74 ế 6.2 Lựa ch n các linh ki n và thi t bọ ệ ế ị điện phù h p ợ 75

6.2.1 Lựa chọn driver động cơ dẫn động 75

6.2.2 Tính toán s pin ố 76

6.3 Sơ đầu nguyên lý hệ thống điện và các module chức năng 79

6.4 Lưu đồ giải thuật điều khi n ể 85

6.4.1 Lưu đồ giải thuật điều khi n kh i master ể ố 85

6.4.2 Lưu đồ giải thuật điều khi n kh i slave 1 ể ố 87

6.4.3 Lưu đồ giải thuật điều khi n kh i slave 2 ể ố 87

CHƯƠNG 7: MÔ PHỎNG CHUYỂN ĐỘNG CỦA ROBOT 92

7.1 K t qu mô ph ng chuyế ả ỏ ển động c a Robot ủ 92

7.1.2 K t qu mô ph ng chuyế ả ỏ ển động c a Robot kèm nhi u ủ ễ 94

7.2 Nhận xét k t qu mô phế ả ỏng 97

CHƯƠNG 8: KẾT LUẬN 98

8.1 K t qu th c nghi m ế ả ự ệ 98

8.2 Nhận xét gi a kữ ết qu mô ph ng và k t quả ỏ ế ả thực nghi m ệ 104

8.3 K t luế ận và định hướng phát triển đề tài 105

TÀI LI U THAM KHỆ ẢO 107

DANH SÁCH CÁC HÌNH VẼ CHƯƠNG 1

Hình 1.1 Sa bàn di chuy n c a Robot ể ủ 2

Hình 1.2 Usain Volt 2.0 3

Hình 1.3 Sơ đồ nguyên lý Robot Usain Volt 4

Hình 1.4 Robot dò line TABAR 4

Hình 1.5 Sơ đồ nguyên lý Robot TABAR 5

Hình 1.6 B trí c m bi n cho Robot TABAR ố ả ế 5

Hình 1.7 Sunfounder Picar - S 6

Hình 1.8 Sơ đồ nguyên lý c a Robot SunFounder Picar - S ủ 6

Hình 1.9 Robot Pinto 7

Hình 1.10 Sơ đồ nguyên lý của Robot Pinto 7

Hình 1.11 Bên trong Robot Pinto 7

Hình 1.12 Robot Chariot 8

Hình 1.13 Sơ đồ nguyên lý Robot Chariot 8

Hình 1.14 Sơ đồ nguyên lý Robot Pika 9

CHƯƠNG 2 Hình 2.1 Sơ đồ nguyên lý các loại Robot 3 bánh 21

Hình 2.2 Sơ đồ nguyên lý các loại xe 4 bánh 21

Hình 2.3 Sơ đồ nguyên lý cơ khí được chọn 29

CHƯƠNG 3 Hình 3.1 Mô hình động l c h c c a xe ự ọ ủ ở trạng thái tĩnh 30

Hình 3.2 Mô hình động h c c a xe khi vào cua ọ ủ 32

Hình 3.4 Mô hình để tính toán cân b ng moment khi vào cua ằ 33

Hình 3.5 Mô hình phân tích động lực học bánh xe 35

Hình 3.6 Mô hình xe khi bẻ lái 38

Hình 3.7 Các thành ph n gia t c tác dầ ố ụng lên hai xe trướ 39 c Hình 3.8 L c ma sát tác dự ụng lên 2 bánh xe trướ 39 c Hình 3.9 Các thành ph n gia tầ ốc tác đụng lên 2 bánh trước sao cho  đạt giá tr l n nh tị ớ ấ 41

CHƯƠNG 4 Hình 4.1 Mô hình toán c a robot dò line ủ 42

Hình 4.2 Sa bàn được cung cấp 45

Hình 4.3 Đồ thị quan hệ giữa tín hi u vào và tín hi u ra trên khệ ệ ối Động cơ - Driver - Opto 50

Hình 4.4 Đồ thị tín hi u ệ %PWM cấp cho động cơ theo thời gian 51

Hình 4.5 Đồ thị đáp ứng của động cơ với tín hiệu đầu vào đã cho 52

Hình 4.6 S d ng hàm tfest cử ụ ủa Matlab để ấ x p x hàm truyỉ ền động cơ DC 52

CHƯƠNG 5 Hình 5.1 Chuỗi điều khi n c a hể ủ ệ thố 54 ng Hình 5.2 Sơ đồ điều khiển bám line 56

Hình 5.3 Đáp ứng động cơ với các hệ số PI đã tìm được ứng v i giá tr s vòng trớ ị ố ục động cơ để cho vận tốc đầu ra là v1m s/  59

CHƯƠNG 6 Hình 6.1 Kích thước cảm biến TCRT5000 60

Hình 6.2 Sơ đồ mạch cảm biến TCRT5000 61

Hình 6.3 Đặc tuy n ế V CE, I F, I C 61

Hình 6.4 Hai cách b trí c m bi n và so sánh kho ng cách ố ả ế ả X d của chúng 62

Hình 6.5 Mô hình bi u di n vùng thu phát c a TCRT5000ể ễ ủ 63

Hình 6.6 Phân tích vùng thu phát c a c m bi n TCRT5000 ủ ả ế 63

Hình 6.7 Giá tr ADC c a c m biị ủ ả ến tương ứng v i n n tr ng và nớ ề ắ ền đen với các kho ng ả cách so v i m t sa bàn ớ ặ 64

Hình 6.8 Giá tr ADC c a cám biị ủ ến khi đi ngang qua đường line ng vứ ới các độ cao từ   9 12,5 mm 64

Hình 6.9 Sơ đồ hình học biểu diễn vùng phát và vùng thu t i chi u cao h c a c m bi n ạ ề ủ ả ế TCRT5000 65

Hình 6.10 Khoảng cách t i thi u gi a 2 c m bi n n m c nh nhau ố ể ữ ả ế ằ ạ 66

Hình 6.11 Mô hình bi u diể ễn trường h p 2 c m bi n có vùng phát hi n trong line ợ ả ế ệ 66

Hình 6.12 Mô hình bi u diể ễn trường h p 3 c m bi n có vùng phát hi n n m trong line 67 ợ ả ế ệ ằ Hình 6.13 Biểu đồ quan hệ giữa giá trị khoảng cách th c t so vự ế ới đường tâm line và giá trị trung bình tr ng s tọ ố ại độ cao h13mm 73

Hình 6.14 Mô hình b trí c m bi n dùng cho Robot (chính di n) ố ả ế ệ 74

Hình 6.15 Mô hình b trí c m bi n dùng cho Robot (t trên xu ng) ố ả ế ừ ố 74

Hình 6.16 Sơ đồ đấu dây mạch diện cảm bi n 75 ế Hình 6.17 Mạch điện được xây d ng Altium ụ 75

Hình 6.18 M ch Altium c a m ch cách ly 2 kênh ạ ủ ạ 81

Hình 6.19 M ch nguyên lý m ch cách ly 2 kênh ạ ạ 82

Hình 6.20 K t quế ả thực nghi m l a chệ ự ọn điện tr ởR2 cho m ch cách ly ạ 82

Hình 6.22 Khối c m bi n c a mả ế ủ ạch điện hệ thố 83 ng

Hình 6.23 Khối vi điều khiển Master của mạch điện hệ thống 83

Hình 6.24 Khối vi điều khiển Slave 1 c a mủ ạch điện hệ thống dùng đọc và xử lý tín hiệu từ c m bi n ả ế 83

Hình 6.25 Khối vi điều khiển Slave 2 c a mủ ạch điện hệ thống dùng điều khiển động cơ 84

Hình 6.26 Khối Driver c a mủ ạch điện hệ thố 84 ng Hình 6.27 Khối động cơ của mạch điện hệ thống 84

Hình 6.28 Khối m ch cách ly ngu n c a mạ ồ ủ ạch điện hệ thố 85 ng Hình 6.29 Lưu đồ giải thuật kh i Master ố 89

Hình 6.30 Lưu đồ giải thuật kh i Slave 1 ố 90

Hình 6.31 Lưu đồ giải thuật kh i Slave 2 ố 91

CHƯƠNG 7 Hình 7.1 K t quế ả mô hình hóa Robot dò line theo sa bàn chưa kèm nhiễu 92

Hình 7.2 Sai s kho ng cách c a tâm c m bi n so vố ả ủ ả ế ới đường tâm line chưa kèm nhiễu 93 Hình 7.3 Đáp ứng v n t c góc cậ ố ủa động cơ RC lái bánh trước chưa kèm nhiễu 93

Hình 7.4 Đáp ứng v n t c cậ ố ủa động cơ DC dẫn động bánh sau chưa kèm nhiễ 94 u Hình 7.5 K t qu mô hình hóa Robot dò line theo sa bàn kèm nhi u ế ả ễ 95

Hình 7.6 Sai s kho ng cách c a tâm c m bi n so vố ả ủ ả ế ới đường tâm line kèm nhi u ễ 95

Hình 7.7 Đáp ứng v n t c cậ ố ủa động cơ RC lái bánh trước kèm nhi u ễ 96

Hình 7.8 Đáp ứng v n t c cậ ố ủa động cơ DC dẫn động bánh sau kèm nhi u ễ 96

CHƯƠNG 8

Hình 8.1 Sai s kho ng cách c a tâm c m bi n so vố ả ủ ả ế ới đường tâm line th c t ự ế 98

Hình 8.2 Đáp ứng v n t c cậ ố ủa động cơ RC lái bánh trước th c tự ế 99

Hình 8.3 Xe khởi động tại điểm A c a sa bàn ủ 99

Hình 8.4 Xe gặp giao lộ B lần đầu tiên và cua lê BC 100

Hình 8.5 Xe gặp điểm C và vào đoạn cong 100

Hình 8.6 Trái - Xe g p giao l D; Ph i: Xe gặ ộ ả ặp điểm E và ra khỏi đoạn cong 101

Hình 8.7 Xe gặp giao lộ B lần 2 và đi thẳng 101

Hình 8.8 Xe gặp điểm F và vào đoạn cong 102

Hình 8.9 Trái - Xe g p giao l A; Ph i: Xe gặ ộ ả ặp điểm G và ra khỏi đoạn cong 102

Hình 8.10 Xe gặp giao l B lộ ần 3 và cua v BD ề 103

Hình 8.11 Xe về đích tại điểm D 103

CHƯƠNG 1

Bảng 1.1 B ng phân công công vi c th c hiả ệ ự ện đồ án 2

Bảng 1.2 So sánh ưu và nhược điểm của các mô hình Robot được trích dẫn 10

Bảng 1.3 Bảng so sánh ưu và nhược điểm c a m t s dủ ộ ố ạng sơ đồ nguyên lý khác 12

Bảng 1.4 So sánh ưu và nhược điểm của dạng Robot xe dò line 3 và 4 bánh 14

Bảng 1.5 Bảng so sánh các đặc tính của các dòng vi điều khiển thường dùng cho Robot xe dò line 14

Bảng 1.6 So sánh các đặc tính của các dòng cảm biến thường dùng cho Robot xe dò line 16

Bảng 1.7 So sánh các đặc tính c a các loủ ại động cơ dẫn động thường dùng cho Robot xe dò line 17

Bảng 1.8 Bảng so sánh đặc tính của các động cơ dẫn hướng thường dùng cho Robot xe dò line 18

CHƯƠNG 2 Bảng 2.1 L a chự ọn phương án cảm bi n ế 23

CHƯƠNG 3 Bảng 3.1 Thông số động cơ dẫn động GA25 đã chọn 37

CHƯƠNG 6 Bảng 6.1 Thông s kố ỹ thuậ ủt c a c m bi n TCRT5000 ả ế 60

Bảng 6.2 Giá tr c m biị ả ến độc về ứng v i kho ng cách ớ ả 13 mm so v i b m t   ớ ề ặ 68

Bảng 6.3 Giá tr c m biị ả ến đọc về ứng v i kho ng cách ớ ả 13 mm so v i m t sa bàn   ớ ặ 69

Bảng 6.4 Khoảng cách so với đường tâm line khi áp dụng phương pháp trung bình trọng

số 70

Bảng 6.5 Thông s kố ỹ thuật Driver TB6612 76

Bảng 6.6 Thông s kố ỹ thuật pin 18650 76

Bảng 6.7 Thông s kố ỹ thuật yêu c u cho các thi t b dùng nguầ ế ị ồn điều khi n ể 77

Bảng 6.8 Thông s kố ỹ thuật yêu c u cho các thi t b s d ng nguầ ế ị ử ụ ồn động l c ự 78

Bảng 6.9 So sánh giá tr c m biị ả ến để xác định giao l ộ 86

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN 1.1 Giới thiệu đồ án và nghiên cứu các mô hình trong và ngoài nước

Khái ni ệm:

Robot dò line (Line following Robot) là m t dộ ạng robot di động (mobile Robot)

di chuy n b ng các bánh xe Robot s di chuyể ằ ẽ ển bám theo các đường line được kẻ/vẽ/dán trên b mặt sa bàn Qu o di chuy n c a Robot ph ề ỹ đạ ể ủ ụ thuộc vào sa bàn của

hệ thông các đường line được kẻ/vẽ/dán sẵn

Yêu c u kầ ỹ thuậ Robot t :

- Tốc độ di chuyển của Robot: Tối thiểu 0,2m s/ 

- Số lượng bánh xe c a Robot (bao gủ ồm bánh xe dẫn động và bánh xe b ịđộng) được chọn tùy thu c vào thiết kế của các nhóm ộ

- Trên Robot được trang bị hệ thống c m biả ến để giúp robot nh n biậ ết đường line trên b m t sànề ặ /mặt đất và di chuyển bám theo đường line đó Tự chọn loại c m bi n phù h p ả ế ợ

Các điều kiện ràng buộc:

- Đường kính các bánh xe: d200 mm

- Số lượng bánh xe(chủ động và bị động): Tùy ch n ọ

- Kích thướ ối đa các chiềc t u của robot (dài x r ng x cao): ộ

H ệ thống sa bàn h thông line: ệ

Hình 1.1 Sa bàn di chuy n cể ủa Robot

Khi bắt đầu, Robot được đặt tại vị trí START (điểm A), sau đó Robot chạy theo thứ ự t đi qua các điểm nút quy định lần lượt như sau:

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

K ế ho ch, phân công nhi m vạ ệ ụ thực hi n: ệ

Thời gian th c hi n trong vòng 15 ự ệ tuần

B ảng 1.1 B ng phân công công vi c thả ệ ực hiện đồ án

khiển, m ch c m bi n), thạ ả ế ực hiện test c m bi n và calib cả ế ảm biến, hoàn thành b n vả ẽ điện

2 Phạm Thị Phương Loan Thiết kế cơ khí, thực hiện gia

công lắp đặt các thi t b hoàn ế ị, thành b n vả ẽ cơ khí, hoàn thành bản v l a chẽ ự ọn phương án

trình điều khiển Robot hoàn , thành b n vả ẽ lưu đồ giải thu ật.

1.1.1 Phân tích Usain Volt 2.0 Robot

Robot Usain Volt 2.0 được chế tạo để tham gia cu c thi ộ LVBots Line Following Contest.

Hình 1.2 Usain Volt 2.0

V ận t c tố ối đa: 1,1m s / 

Kết cấu cơ khí:

Hình 1.3 Sơ đồ nguyên lý Robot Usain Volt

- Động cơ: Sử dụng 2 động cơ DC có gắn encoder

- Số bánh: 4 bánh, 2 bánh sau chủ động dẫn động và dẫn hướng, 2 bánh trước bị động

- Driver động cơ: S dử ụng 2 driver DRV8838 cho 2 động cơ dẫn động

1.1.2 Phân tích TABAR Robot

TABAR là robot dò line được thiết kế và th nghiử ệm nh m tham gia cu c thi ằ ộRobot dò line t i Tabrize ạ

Hình 1.4 Robot dò line TABAR

V ận t c tố ối đa: 0,4m s/ 

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN

Kết cấu cơ khí:

Hình 1.5 Sơ đồ nguyên lý Robot TABAR

- Động cơ: Sử dụng 2 động cơ DC kèm hộp số và encoder

- Số bánh: 3 bánh, 2 bánh sau chủ động dẫn hướng và dẫn động, 1 bánh trước bị động

- Hệ thống lái: Sử dụng hệ thống lái Differential

Hệ thống điện:

- C ảm biế Sử dụng cảm biến hồng ngoại TCRT5000 n:

- Khoảng cách gi a 2 c m biữ ả ến: 5 cm  

Hình 1.6 B trí c m bi n cho Robot TABAR ố ả ế

- Vi điều khiển: Điều khi n t p trung, dùng vi ể ậ điều khi n ATmega16 ể

- Driver động cơ: S d ng 1 driver L298 cho cử ụ ả 2 động cơ

1.1.3 Phân tích Sunfounder PiCar S –

Robot được thiết kế cho việc giáo dục STEM

Hình 1.7 Sunfounder Picar - S

Kết cấu cơ khí:

Vi sai

Hình 1.8 Sơ đồ nguyên lý của Robot SunFounder Picar - S

- Động cơ ẫn độ d ng: 2 động cơ DC servo có hộp số và encoder

- Động cơ dẫn hướng: 1 động cơ RC servo

- Bánh xe: 4 bánh, 2 bánh sau chủ động dẫn động, 2 bánh trước bị động dẫn hướng

Hệ thống điện:

- C ảm biế Sử dụng cảm biến hồng ngoại TCRT5000 n:

- Vi điều khiển: Sử d ng Raspberry ụ kèm board điều khiển động cơ Robot HATs

- Driver động cơ: S d ng 2 ử ụ driver động cơ TB6612

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN

1.1.4 Phân tích Pinto Robot

Pinto Robot là Robot của đội đua Grant tham gia cuộc thi Robot dò line LVBots Line Following năm 2015

Hình 1.9 Robot Pinto

V ận t c tố ối đa: 0,8m s/ 

Kết cấu cơ khí:

Hình 1.10 Sơ đồ nguyên lý của Robot Pinto

- Động cơ dẫn động: S d ng ử ụ 2 động cơ DC có gắn encoder

- Dẫn động qua bánh đai

Hình 1.11 Bên trong Robot Pinto

- Bánh xe: 3 bánh, 2 bánh trước d n ẫ động v a dừ ẫn hướng, bánh sau b ịđộng

Hệ thống điện:

- C ảm biế Sử dụng cảm biến hồng ngoại n:

1.1.5 Phân tích Chariot Robot

Robot Chariot là robot tham gia cu c thi LVBots Line Following ộ

Hình 1.12 Robot Chariot

V ận t c tố ối đa: 1,2m s/ 

Kết cấu cơ khí:

Hình 1.13 Sơ đồ nguyên lý Robot Chariot

- Động cơ: Sử dụng 2 động cơ DC có gắn encoder

- Bánh xe: 3 bánh, 2 bánh sau chủ động dẫn động, dẫn hướng, 1 bánh trước bị động

1.1.6 Phân tích Pika Robot

Là Robot của đội Mechatron vô địch cuộc thi Cyberbot Line Following năm

2015

V ận t c tố ối đa: 2,7m s/ 

Kết cấu cơ khí:

Hình 1.14 Sơ đồ nguyên lý Robot Pika

- Động cơ: Sử dụng 2 động cơ DC có gắn encoder

- Số bánh: 4 bánh, 2 bánh sau chủ động dẫn động, dẫn hướng, 2 bánh trước bị độ ng

Hệ thống điện:

- C ảm biế Sử dụng cảm biến hồng ngoại n:

1.2.1 V ề cơ khí

a Nguyên lý cơ khí

B ảng 1.2 So sánh ưu và nhược điể m của các mô hình Robot được trích d ẫn

- K t cế ấu cơ khí đơn giản

- Mô hình toán đơn giản, dễ điều khiển

- Có khả năng bám đường tốt

- Có kh ả năng vào cua t ốt

- Chủ động hơn trong việc điều hướng, giảm bớt

áp lực ở bánh sau

chuyển hướng xe tốt

- Bộ vi sai đã giải

đồng tr c và cùng ụ

- Mô hình toán đơn giản, dễ điều khiển

- K t cế ấu cơ khí đơn giản

- Mô hình toán đơn giản, dễ điều khiển

- 2 bánh sau vừa dẫn hướng, vừa dẫn động, do đó, tạo áp lực lên bánh sau

- Phải đảm bảo đồng trục 2 động

cơ và quay cùng tốc độ khi chạy

- Phải đảm b o ảđồng phẳng cho 4 bánh xe

- Mô hình toán và điều khiển rất phức t p ạ

- S d ng vi saiử ụ ,

do đó tỉ số truyền của vi sai sẽ ảnh hướng rất nhiều trong vi c lệ ựa chọn các thiết b ị

- Phải gi i quyả ết vấn đề đồng trục bánh trước

- Có khả năng bám đường kém, khi vào cua d bễ ị lật

- 2 bánh trước vừa dẫn hướng, vừa d n ẫ động, do

đó, tạo áp lực lên bánh trước

- Phải đảm bảo

đồng tr c ụ 2 động

cơ và quay cùng tốc độ khi chạy

thẳng

Một s dố ạng sơ đồ nguyên lý khác:

B ảng 1.3 Bảng so sánh ưu và nhược điểm c a m t s dủ ộ ố ạng sơ đồ nguyên lý khác

- Khả năng chuyển hướng xe tốt

- Bộ vi sai đã giải quyết vấn đề đồng trục và cùng tốc độcủa 2 bánh xe

- Có kh ả năng bám đường tốt

- Có kh ả năng vào cua tốt

- Chủ động hơn trong việc điều hướng, giảm bớt áp lực ở bánh sau

- Khả năng chuyển hướng

xe t ốt

- Bộ vi sai đã giải quyết được vấn đề ng trục và đồcùng tốc độ ủ c a 2 bánh

xe

- Giải quy t vế ấn đề trượt bánh khi vào cua, vì 2 bánh trước nằm ở 2 tr c ụkhác nhau

Nhược điểm - K t cế ấu cơ khí rất

phức tạp Khó khăn

trong vi c thi t k ệ ế ế

- K t cế ấu cơ khí tương đối phức tạp

- K t cế ấu cơ khí rất phức tạp Khó khăn trong việc thiết kế cơ cấu chuyển hưởng

- S d ng vi sai, do ử ụ

đó tỉ số truyền của vi sai sẽ ảnh hướng rất nhiều trong vi c lệ ựa chọn các thi t b ế ị

- Phải đảm bảo đồng phẳng cho 4 bánh xe

- Mô hình toán và điều khiển r t phấ ức t p ạ

- Phải gi i quy t bài toán ả ếđồng trục của 2 bánh trước

- S dử ụng vi sai, do đó tỉ

số truyền c a vi sai s nh ủ ẽ ảhưởng rất nhiều trong việc l a ch n các thi t b ự ọ ế ị

b Số bánh

B ảng 1.4 So sánh ưu và nhược điểm của dạng Robot xe dò line 3 và 4 bánh

Ưu điểm - Vấn đề đồng ph ng 3 bánh ẳ

tương đối đơn giản

- Khi vào cua d b l ễ ị ật

- Mô hình toán tương đối đơn

giản, do đó dễ trong việc điều

2 bánh sau khai vào cua

- Phứ ạc t p trong việc điều khi n và ểthiết kế cơ khí

- Phải đảm bảo đồng tr c bánh ụtrước

Có các cổng vào đọc Analog

ngắt ngoài, timer…

- Hổ trợ các module ngắt ngoài, timer…

- Hổ trợ các module ngắt ngoài, timer…

Ưu điểm - Tốc độ ử x lý nhanh

- Giá thành r , d sẻ ễ ử dụng

- M ch nạ ạp cũng như IDE d s d ng ễ ử ụ

- Thích hợp cho điều khiển phân c p ấ

- Tốc độ x lý nhanh ửIDE d s d ng ễ ử ụ

- Thư viện trong IDE

- Tốc độ ử x lý tín hiệu chậm hơn STM32

- Giá thành tương đối cao

- Chỉ thích h p cho ợđiều khiển tập trung

- Giá thành rẻ, d s ễ ửdụng

- Giá thành r , d s ẻ ễ ửdụng

- Nhận diện được line có

- R t nhấ ạy, do đó dễnhiễu do x y ra hi n ả ệtượng cross over

- Nhạy c m b i ả ở cường

độ ánh sáng môi trường

- D nhi u vì ch u tác ễ ễ ị

động nhiều t môi ừtrường

hở

Điều khiển vòng kín

Điều khiển vòng kín

chính xác góc quay

- Có giá thành thấp

- D dàng lễ ắp đặt và thay th ế

- Có feedback về, dễ cho việc điều khi n ể

- Thích h p cho ng ợ ứdụng di chuy n vể ới tốc độ cao

- Hoạt động tương đối ổn định

- Có kh ả năng định vị chính xác

- Có feedback v , d ề ễcho việc điều khi n ể

- Thích h p cho ng ợ ứdụng di chuy n v i tể ớ ốc

độ cao

- Hoạt động tương đối

ổn định

- Có khả năng định vị chính xác

- Do có h p s nên ộ ốđảm giúp tăng torqe kéo khi xe có t i n ng ả ặ

Nhược điểm - D bễ ị trượt bước

khi hoạt động mà

- N u s d ng DC ế ử ụchổi than thì s n và ẽ ồ

- N u s d ng DC chế ử ụ ổi than thì sẽ ồn và tạo

dòng điện từ driver cấp cho động cơ không đủ

- Điều khi n vòng ể

hở nên không có giá

tr trị ả về, khó khăn trong việc điều khiển

- Không thích hợp cho các ng d ng ứ ụcần tốc độ cao

tạo nhiệt độ cao khi hoạt động Do đó

dụng DC không chổi than

- Giá thành tương đối cao

nhiệt độ cao khi hoạt động Do đó khuyến khích s d ng DC ử ụkhông ch i than ổ

- Giá thành tương đối cao

d Động cơ dẫn hướng

B ảng 1.8 Bảng so sánh đặc tính của các động cơ dẫn hướng thường dùng cho Robot xe dò line

- Hoạt động chính xác vì có driver điều khi n bên trong ểđộng cơ

- Moment xoắn tương đố ới l n

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN

Nhược điểm - D b ễ ị trượt bước khi hoạt động

dòng điện từ driver cấp cho động cơ không đủ cũng như tải lớn

- Điều khi n vòng h nên không ể ở

có giá trị trả ề, khó khăn trong vviệc điều khiển

- Không thích h p cho các ng ợ ứdụng c n tầ ốc độ cao

- Điều khi n vòng h nên không ể ở

có giá trị trả ề, khó khăn trong vviệc điều khiển

- Giá thành tương đối cao

- Do truyền động b ng bánh ằrăng do đó có hiện tượng rơ nên phải bù góc

1.2.3 V ề điều khi n ể

Phổ bi n là 2 lo i cế ạ ấu trúc điều khi n tể ập trung và điều khi n phân c p ể ấTùy vào t ng hừ ệ thống cụ thể mà cân nh c l a ch n sắ ự ọ ử d ng lo i cụ ạ ấu trúc điều khiển nào

Với nh ng robot s d ng nhi u c m bi n, nhiữ ử ụ ề ả ế ều động cơ, nhiều driver thì ưu tiên lựa ch n c u trọ ấ úc điều khi n phân c p Tể ấ ức là 1 master điều khi n nhiể ều slave để ạ h n chế việc dùng 1 vi điều khiển đảm nh n h u h t các tác vậ ầ ế ụ điều khiển thì sẽ dẫn đến tốc độ xử lý của vi điều khiển sẽ giảm

Khi s d ng cử ụ ấu trúc điều khi n phân c p thì các tác v xể ấ ụ ử lý tín hiệu đọc v t ề ừcảm bi n hay feedback t ế ừ động cơ về s ẽ được x lý tử ại các vi điều khiển slave, sau đó

dữ liệu sau khi x lý sử ẽ được g i vử ề master để tiếp tục x lý và tr vử ả ề các slave để điều khiển các thiết bị

Đối với điều khi n t p trung thì m i tác vể ậ ọ ụ đều do 1 vi điều khi n xể ử lý, không

có s phân chia tác vự ụ, do đó, khi thực hi n dệ ạng này thì vi điều khiển thường mất thời gian trong vi c xệ ử lý hơn so với điều khi n phân c p ể ấ

1.3 Đặt đề bài

Thiết k , ch tế ế ạo và điều khi n Robot xe dò line v i các yêu cể ớ ầu sơ bộ sau:

- Tốc độ trung bình của Robot: v1m s/ 

- Gia t c tố ối đa của Robot: a1m s/ 2

- Robot có khả năng di bám theo đường line trên sa bàn với thứ tự quy định:

CHƯƠNG 2: LỰA CH ỌN PHƯƠNG ÁN

CHƯƠNG 2: LỰA CHỌN PHƯƠNG ÁN

Các yêu cầu để ự l a ch n nguyên lý xe: ọ

- Đảm bảo độ bám đường, khó l t khi vào cua và t i n ng ậ ả ặ

- Chủ động trong vi c chuyệ ển hướng, chuyển hướng tốt

- Kết c u xe vấ ững để khi có yêu cầu đặ ảt t i thì không làm cho xe b l ị ật

K ết luậ Lự n: a chọn kết cấu xe 4 bánh và l a chọn kết cấu xe f), 2 bánh trước ựchủ động dẫn hướng, 2 bánh sau chủ động dẫn động Vì:

- So với kết cấu xe 3 bánh thì 4 bánh s giúp xe chuyẽ ển động tốt hơn khó lật khi vào cua, mặc dù ph i gi i quy t vả ả ế ấn đề đồng ph ng cho 4 bánh ẳ

- Lựa chọn 2 bánh trước chủ động dẫn hướng thay vì 2 bánh caster d ng ạcầu vì muốn gi m b t áp l c cho bánh sau và ả ớ ự điều khi n ể

- Lựa ch n k t c u xe f) thay vì g) và e) ọ ế ẩ vì, kết cấu cơ khí ủa k t c u g) c ế ấrất ph c t p, r t nhi u ràng bu c ứ ạ ấ ề ộ thiế ế ết cấu e) thì khi vào cua do t k , k

đặc tính của cơ cấu hình bình hành nên vận t c của 2 bánh bằng nhau ốdẫn đến trượt bánh

L ựa ch n vi sai ọ

Căn cứ vào kích thước tối đa của Robot mà đề bài cho (dài x rộng x cao):

     

350mm250mm350mm và chú ý l a ch n t sự ọ ỉ ố truyền cho h p lýợ Do đó, lựa ch n lo i vi sai ọ ạ 1:16, v i t sớ ỉ ố truyền tương ứng là 2,6 và l a ch n ự ọ loại vi sai kèm vỏ, với chiều dài tổng th là ể 132 mm  

2.2.1 Lựa ch n c m bi n ọ ả ế

Lo ại c m bi n ả ế

Các yêu cầu để ự l a ch n c m bi n dùng cho xe: ọ ả ế

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

- Tín hi u c m bi n tr vệ ả ế ả ề nhanh để giúp xe có khả năng nhận biết những đoạn line gấp khúc đột ng t ộ

- Tín hiệu đọc v d ng analog ề ạ

- Ít nhi u ễ

CHƯƠNG 2: LỰA CH ỌN PHƯƠNG ÁN

- Dễ tìm trên thị trường và giá c h p lý ả ợMột s c m biố ả ến được phân tích ph n tở ầ ổng quan thường được dùng cho Robot dò line:

- Camera

- Cảm bi n h ng ngo i: G m 1 bóng thu, 1 bóng phát (ví d ế ồ ạ ồ ụTCRT5000)

- Thuật toán giải quyết phức t p ạ

- Độ ph c tứ ạp của chương trình ảnh hưởng nhiều

đến tốc độ xử lý Robot

dễ g p hi n ặ ệtượng cross

biến này phát, cảm bi n kia ếthu)

Độ ph c t p thứ ạ ấp

vì d dàng thiễ ết

kế mạch đọc analog/digital đểtrả v tín hiề ệu

digital

thấp

Độ ph c t p ứ ạthấp

thấp

K ết luậ Lự n: a chọn s d ng c m bi n h ng ngo i IR và s d ng lo i có ử ụ ả ế ồ ạ ử ụ ạcặp bóng thu, phát h ng ngo i TCRT5000 v i các thông s vồ ạ ớ ố ề điện trở, kho ng ảcách c m bi n tả ế ối ưu so với m sa bànặt , góc phát và góc thu… đã được đề ậ c p trong datasheet

Cân nh c vắ ề đặc điểm của sa bàn, độ r ng line là ộ 26 mm , các nút giao và  

thứ ự t di chuyển của Robot, do đó:

- Bố trí d ng ma trạ ận thì cũng chỉ tương tự dạng bố trí theo đường thẳng

- Bố trí d ng V thì ch phù h p v i vi c di chuy n tạ ỉ ợ ớ ệ ể ừ A  B  , Ccòn khi di chuy n tể ừ E  B  F thì không phù h p ợ

Do đó có thể chọn b trí theo dố ạng đường thẳng, nhưng để đảm bảo Robot

có th nh n diể ậ ện giao điểm nhanh hơn thì có thể bố trí ở phía trên dãy cảm bi n ế

CHƯƠNG 2: LỰA CH ỌN PHƯƠNG ÁN

dò line thêm 2 c m bi n n a, vi c này sả ế ữ ệ ẽ được cân nh c và s a ch a trong quá ắ ử ữtrình th c nghi m c m bi n ự ệ ả ế

K ết lu n: ậ Lựa ch n b trí c m bi n dọ ố ả ế ạng đường th ng ẳ

S ố lượng c m biả ế n

Số lượng c m bi n ả ế đượ ực l a chọn s ẽ ảnh hưởng đến độ chính xác bám line của Robot Sơ bộ ố lượng cả s m bi n nên l a chế ự ọn là s lố ẻ, vì cảm bi n chính ếgiữa s ẽ đảm nh n viậ ệc xác định đường tâm line và điều chỉnh l i vạ ị trí Robot khi Robot b l ch ra khị ệ ỏi đường line

Các cứ vào sa bàn và đường đi của Robot, đặc bi t là t i các giao ệ ạ A  B

- Giai đoạn di chuyển G  B  D: Cần 2 c m biả ến để xác định giao điểm B, nhưng ngoài cảm biến ở tâm thì cảm biến còn lại sẽ

bố trí xa hơn về bên trái Robot

K ết luận: Số lượng c m bi n c n thi t t t thiả ế ầ ế ố ểu là 5, do đó để chính xác trong việc xác định sai số thì ự l a ch n sọ ố lượng c m bi n là 7 ả ế Trong đó 5 cảm biến dùng cho việc xác định kho ng cách so vả ới đường line, còn 2 c m bi n còn ả ếlại thì dùng để xác định giao điểm

2.2.2 Lựa chọn động cơ

Động cơ dẫn động

Động cơ dẫn động đượ ực l a ch n ọ thỏa các yêu c u: ầ

- Đảm b o sau khi tính toán có thả ể đạt được v n tậ ốc 1m s / 

- Có thể điều khi n v n t c ể ậ ố

- Giá trị Torqe đầu ra động cơ đủ ớn để ẫn động l d

- Nhỏ g n ọ

- Có khả năng trả ề v giá tr v n t c vòng cị ậ ố ủa động cơ

K ết luậ Lựa chọn động cơ dẫn động là động cơ DC có encoder và h p n: ộ

số, vì có thể đảm b o ả thỏa mãn các yêu cầu đặt ra như trên

Động cơ dẫn hướng

Động cơ dẫn hướng được lựa chọn thỏa các yêu cầu:

- Tốc độ quay của động cơ phải thỏa giá tr t i thiị ố ểu để Robot có thể bám line

- Khi torqe quá l n có thớ ể làm cho động cơ step bị trượt

2.2.3 Lựa chọn vi điều khi n ể

Vi điều khiển được lựa chọn thỏa các yêu cầu: