TÀI LIỆU HƯỚNG DẪN & BÁO CÁO THỰC HÀNH - THÍ NGHIỆM

TÀI LIỆU HƯỚNG DẪN & BÁO CÁO THỰC HÀNH - THÍ NGHIỆM TÀI LIỆU HƯỚNG DẪN & BÁO CÁO THỰC HÀNH - THÍ NGHIỆM TÀI LIỆU HƯỚNG DẪN & BÁO CÁO THỰC HÀNH - THÍ NGHIỆM

Trang 1

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI

VIỆN CƠ KHÍ

BỘ MÔN CƠ ĐIỆN TỬ

TÀI LIỆU HƯỚNG DẪN & BÁO CÁO THỰC HÀNH - THÍ NGHIỆM

Môn học: THIẾT KẾ HỆ THỐNG CƠ ĐIỆN TỬ (ME5511)

Họ và tên sinh viên:

Mã số SV:

Lớp:

Khóa:

Hà Nội, 2021

Trang 2

Tài liệu hướng dẫn thí nghiệm trình bày chi tiết các khái niệm cơ bản, thảo luận, thực hành, các bài tập, các câu hỏi ôn tập, kiểm tra, và các bước tiến hành thực hành - thí nghiệm thông qua việc sử dụng hệ thống đào thực hành thiết kế Hệ thống cơ điện tử Các bài thực hành - thí nghiệm cung cấp cho sinh viên kiến thức và kỹ năng vững chắc và hiểu về thiết kế Hệ thống cơ điện tử, lập trình điều khiển cho Hệ thống cơ điện tử, đánh giá Hệ thống cơ điện tử

Sinh viên cần chấp hành nghiêm túc các quy định về an toàn điện, nội quy phòng thí nghiệm và hướng dẫn của cán bộ phụ trách trong suốt quá trình làm thí nghiệm tại phòng Lab Sinh viên được yêu cầu xem lại và nắm vững phần lý thuyết cơ bản và hoàn thành các câu hỏi kiểm tra trước khi thực hiện thí nghiệm; thực hiện đầy đủ và tuân thủ các bước tiến hành thí nghiệm theo hướng dẫn, ghi lại đầy đủ các kết quả thực nghiệm; trả lời đầy đủ các câu hỏi ôn tập/ yêu cầu công nghệ sau khi làm thực nghiệm

Trang 3

THÔNG TIN CHUNG VỀ CÁC BÀI THỰC HÀNH THÍ NGHIỆM

Tên học phần: Thiết kế hệ thống Cơ điện tử

Mã học phần: ME5511

Cấu trúc học phần: 2(2-0-1-4)

Khối lượng thực hành – thí nghiệm: 1 tín chỉ (15 tiết/học kỳ)

Số lượng bài thực hành – thí nghiệm: 5 bài

TT Nội dung Chuẩn đầu

ra HP

Bài đánh giá Thời

lượng

Địa điểm

Bài 1 Xây dựng Hệ thống cơ

điện tử, điều khiển chuyển động cho Hệ thống

Trang 4

Bài 1 Xây dựng Hệ thống cơ điện tử, điều khiển chuyển động cho Hệ thống

1 Mục tiêu chung

- Xây dựng được Hệ thống Cơ điện tử - Robot tự hành kiểu bánh xe/Hệ thông phân loại…

- Lập trình điều khiển được hệ thống bằng ngôn ngữ FBD(Function block diagram)/Matlab/C, C++, C#…

- Sử dụng thành thạo phần mềm Mindstorm EV3/Matlab/Visual Studio… để lập trình điều khiển

hệ thống Cơ điện tử:

2 Từ và thuật ngữ mới

- Brick Status: Khối điều chỉnh cho màn hình Brick

- Action Blocks: Các khối di chuyển, điều khiển động cơ, hiển thị,

- Flow Blocks: Các khối bắt đầum di chuyển, vòng lặp,

- Sensor Blocks: Các khối cảm biến

- Data Operations: Các khối biến, logic, toán học, so sánh,

3 Trang thiết bị, dụng cụ, học liệu cần thiết

- Máy tính

- Phần mềm Mindstorm EV3/Matlab/Visual Studio…

- Mô hình cơ điện tử - Robot tự hành kiểu bánh xe/Hệ thông phân loại… xây dựng từ các linh kiện trong phòng thí nghiệm

4 Nội dung thực hành/ thí nghiệm

4.1 Xây dựng Hệ thống Cơ điện tử

4.1.1 Mục đích

Xây dựng Hệ thống cơ điện tử như Hình 1 từ các mô đun có sẵn (Có thể tham khảo xây dựng hệ thống khác)

Hình 1: Mô hình Hệ thống

Trang 5

4.1.2 Cơ sở lý thuyết

4.1.3 Trình tự tiến hành thực hành/ thí nghiệm

Trang 9

4.2 Lập trình điều khiển cho hệ thống

Trang 10

Hình 2 Giao diện Brick Trong đó,

1 = Back: Quay lại; Dừng chương trình; Tắt nguồn robot

2 = Center Button: Lựa chọn cài đặt; Chạy chương trình; Khởi động robot

3 = L, R, Up, Down: Định hướng cho robot

- Giao diện của phần mềm lập trình

Hình 3 Màn hình chính khởi động của phần mềm

Trang 11

Hình 4 Tạo một chương trình mới

Hình 5 Giao diện dùng để lập trình

Hình 6 Chức năng của các khối lập trình

Các khối lập trình cơ bản

- Khối Start: Khối lệnh Start dùng để bắt đầu 1 chuỗi lệnh trong chương trình Một chương

trình có thể có nhiều chuỗi lệnh, các chuỗi lệnh được bắt đầu với khối lệnh Start sẽ được chạy cùng lúc khi khởi động chương trình

Trang 12

Lưu ý: Nếu hệ thống đang được kết nối với máy tính, ta có thể Click chuột vào nút mũi tên màu xanh trên lệnh Start để chạy chương trình

- Khối di chuyển

Hình 7 Khối di chuyển

- Lập trình quay cho robot

Hình 8: Bảng giá trị để robot quay

- Khối chờ: Khối lệnh chờ giúp cho chương trình chờ đợi trước khi thực hiện tiếp các khối

lệnh tiếp theo Khối lệnh này có thể chờ đợi theo thời gian hoặc giá trị của cảm biến

Hình 9 Khối lệnh chờ

Lưu ý: Khối lệnh chờ không làm dừng chương trình đang hoạt động trên robot Nếu có một động

cơ nào được bật trước khi bắt đầu khối lệnh chờ thì nó vẫn hoạt động trong thời gian chờ đợi Thiết lập khối lệnh chờ:

Trang 14

Ví dụ 1: Điều khiển robot chuyển động đi thẳng

- STEP 1: Vào khối Green Block, Chọn và kéo khối Move Steeing vào giao diện mô phỏng

Hình 10: Khối Green Block

Hình 11: Chọn khối Move Steering

Hình 12: Kéo khối move steering vào giao diện mô phỏng

Hình 13: Lập trình mẫu cho ví dụ 1

Trang 15

Ví dụ 2: Lập trình cho robot chạy thẳng cho đến khi nút Center trên bộ xử lý EV3 được ấn, sau đó

phát ra âm thanh good job

Code mẫu:

Hình 14: Lập trình mẫu cho ví dụ 2

4.2.3 Yêu cầu công nghệ

- Yêu cầu công nghệ 1: Lập trình robot chuyển động thẳng từ vạch bắt đầu đến vạch kết

thúc, sau đó quay ngược trở lại vị trí bắt đầu như Hình 15 (thử nghiệm ở những vận tốc khác nhau)

Hình 15 Yêu cầu công nghệ 1

- Yêu cầu công nghệ 2: Lập trình robot chuyển động quoanh 1 khối hộp hình vuông như

hình 16

Trang 16

5 Báo cáo thu hoạch

5.1 Lập trình hệ thống

a Chương trình vận hành theo yêu cầu công nghệ 1

………

Trang 17

b Chương trình vận hành theo yêu cầu công nghệ 2

………

Trang 18

5.2 Kết luận

a Về cấu tạo và các chức năng của hệ thống

………

b Về hoạt động của hệ thống sau khi lập trình, các kiến nghị, đề xuất (nếu có) ………

………

Trang 19

Câu hỏi

Hãy cho biết khi chạy các khối lệnh sau, hệ thống sẽ làm gì?

Trả lời

………

Trang 20

Bài 2 Lập trình quỹ đạo cho hệ thống thực hiện nhiệm vụ công nghệ

- Motor Blocks: Khối điều khiển motor

- Máy tính

- Mô hình cơ điện tử - Robot tự hành kiểu bánh xe/Hệ thông phân loại… xây dựng từ các linh kiện trong phòng thí nghiệm: Lego mindstorm EV3 và modun mở rộng/ Nao v6…

4.1 Xây dựng Hệ thống cơ điện tử

Xây dựng Hệ thống cơ điện tử như Hình 1 từ các mô đun có sẵn (Có thể tham khảo xây dựng hệ thống khác)

Trang 21

Hình 2 Các loại motor gắp vật Khối lập trình cho từng motor

Hình 3 Các khối lập trình cho từng loại motor

Ví dụ 1: Lập trình robot di chuyển từ vị trí vị trí bắt đầu (đường màu đỏ) với vị trí gắp vật (đường màu đen) Gắp vật sau đó mang vật về vị trí bắt đầu như hình 4

Hình 4: Ví dụ mẫu

Trang 22

Code mẫu

Robot bắt đầu ở vị trí “Home” sau đó chạy tới tới cửa hàng tiện lợi, robot chạy tới vị trí đỗ xe (P)

sau đó dừng lại để gắp vật và mang vật trở về Quãng đường di chuyển của robot thể hiện như trên hình 4

Trang 23

Trang 25

Bài 3 Lập trình xử lý tín hiệu cho Hệ thống Cơ điện tử

- Light sensor: cảm biến màu sắc

- Touch sensor: cảm biến va chạm

- Ultrasonic sensor: cảm biến siêu âm

- Gyroscope sensor: cảm biến con quay hồi chuyển

- Infrared sensor: cảm biến hồng ngoại

- Máy tính

Hình 1: Mô hình Hệ thống

Trang 26

Hình 2 Một số loại cảm biến phổ biến sử dụng trong EV3

Cảm biến màu sắc: Cảm biến có thể phát hiện cường độ sáng khi của ánh sáng khi chiếu

vào cảm biến, bao gồm các chế độ:

- Chế độ màu sắc: Có thể nhận biết được 7 màu sắc cơ bản: black, brown, blue, green, yellow, red, white

- Chế độ phản chiếu: Tính toán được cường độ mạnh của ánh sáng phản xạ lại từ đèn phát ra ánh sáng đỏ (khoảng giá trị từ 0-100)

- Cảm biến độ sáng: Tính toán được độ mạnh của ánh sáng khi chiếu vào cảm biến Một vài ứng dụng của cảm biến ánh sáng: di chuyển tới đường, theo đường, phân loại màu sắc

Cảm biến siêu âm: Dùng để xác định khoảng cách từ cảm biến đến vật cản Để lập trình

sử dụng cảm biến siêu âm, cần phải sử dụng khối Ultrasonic Block như hình 3 Để sử dụng cảm biến siêu âm thực hiện một tác vụ đến khi đạt khoảng cách yêu cầu, sử dụng Wait Block như hình 4

Trang 27

Hình 3: Ultrasonic Block

Hình 4: Sử dụng cảm biến siêu âm qua Wait Block

Ví dụ 1: Lập trình robot từ vị trí start di chuyển đến đường màu xanh rồi dừng lại như hình

5

Trang 28

Hình 5: Lập trình cho robot sử dụng cảm biến màu sắc Code mẫu

Hình 6: Code mẫu cho ví dụ 1

Ví dụ 2: Lập trình robot di chuyển dừng cách bức tường 20cm

Code mẫu

Trang 29

Yêu cầu công nghệ 1: Lập trình robot chạy về phía trước khi khoảng cách từ robot tới vật cản (tay

người điều khiển) lớn hơn 20cm và chạy lùi khi khoảng cách từ robot tới vật cản (tay người điều khiển) nhỏ hơn 20cm

Yêu cầu công nghệ 2: Lập trình robot chạy về phía trước khi khoảng cách từ robot tới vật cản (tay

người điều khiển) lớn hơn 20cm, chạy lùi khi khoảng cách từ robot tới vật cản (tay người điều khiển) nhỏ hơn 15cm, dừng lại khi khoảng cách trong khoảng 15cm – 20cm

Yêu cầu công nghệ 3: Lập trình robot chạy theo line màu đen bám theo cạnh phải như hình 8

Trang 30

a, Chương trình vận hành theo yêu cầu công nghệ 1

………

Trang 31

b, Chương trình vận hành theo yêu cầu công nghệ 2

………

Trang 32

c, Chương trình vận hành theo yêu cầu công nghệ 3

………

Trang 33

………

Trang 34

Bài 4 Lập trình cho hệ thống sử dụng bộ điều khiển ty lệ (Proportional control)

- Proportional control: Điều khiển tỷ lệ

- Máy tính

Mục tiêu của bài toán là điều khiển giữ khoảng cách giữa robot và một đối tượng (có thể

di chuyển) cho trước Trong quá trình di chuyển của robot, luôn xuất hiện sai số giữa vị trí thực tế

và vị trí mong muốn điều khiển robot Thuật toán điều khiển tỷ lệ sẽ bao gồm 2 trạng thái:

Trang 35

- Trạng thái 1: Tính toán sai số Cụ thể ở bài toán điều khiển giữ khoảng cách là tính toán khoảng cách từ robot đến vật thể (Computing an error)

- Trạng thái 2: Điều chỉnh/Điều khiển robot để giảm/loại bỏ sai số (Making a correction)

Hình 2: Mô hình điều khiển tỷ lệ

Ví dụ 1: Lập trình robot di động chuyển động luôn cách bức tưởng 15cm sử dụng cảm biến siêu

Yêu cầu công nghệ 1: Lập trình robot di động chuyển động luôn cách bức tưởng 10cm, khi gặp

vật cản cho trước thì đi vòng qua vật cản và tiếp tục di chuyển cách tường 10cm

Yêu cầu công nghệ 2: Lập trình robot chuyển động cách bức tưởng 15cm sử dụng luật điều khiển

tỷ lệ

Trang 36

Gợi ý:

- Khối lệnh dùng để xác định sai số trong bộ điều khiển tỷ lệ

- Khối lệnh dùng để hiệu chỉnh sai số trong bộ điều khiển tỷ lệ

a, Chương trình vận hành theo yêu cầu công nghệ 1

………

Trang 37

………

Trang 38

………

b, Chương trình vận hành theo yêu cầu công nghệ 2 ………

………

Trang 39

………

5.2 Kết luận a Về cấu tạo và các chức năng của hệ thống ………

………

Trang 40

Bài 5 Lập trình cho hệ thống sử dụng bộ điều khiển PID (PID control)

- Integral control: điều khiển tích phân

- Derivative control: điều khiển vi phân

- PID control: điều khiển vi tích phân tỷ lệ

- Máy tính

Mục tiêu của bài toán là điều khiển giữ khoảng cách giữa robot và một đối tượng (có thể

di chuyển) cho trước Trong quá trình di chuyển của robot, luôn xuất hiện sai số giữa vị trí thực tế

Trang 41

và vị trí mong muốn điều khiển robot Trong thuật toán điều khiển vi tích phân tỷ lệ, ngoài việc

tính toán sai số hiện tại qua bộ tỷ lệ, tổng các sai số quá khứ và tác động của tốc độ biến đổi sai số

được xem xét nhằm nâng cao chất lượng điều khiển

Gợi ý sử dụng bộ điều khiển PID trên EV3:

- Sử dụng cảm biến màu sắc (light sensor)

- Tính toán sai số (error)

- Sử dụng bộ điều khiển tỷ lệ (proportional control)

- Tính tổng của tất cả các sai số quá khứ (tích phân)

- Sử dụng bộ điều khiển tích phân (integral control)

- Tính toán sự khác nhau từ sai số gần nhất (vi phân)

- Sử dụng bộ điều khiển vi phân (derivative control)

- Kết hợp tỷ lệ, tích phân và vi phân để phản hồi và điều khiển robot

Code mẫu cho bộ điều khiển PID:

Trang 42

- Code mẫu hoàn chỉnh sử dụng bộ điều khiển PID:

Yêu cầu công nghệ 1: Lập trình điều khiển robot chuyển động hình elip theo đường line màu đen

có sẵn bằng phương pháp điều khiển PI như hình 2

có sẵn bằng phương pháp điều khiển PD như hình 2

có sẵn bằng phương pháp điều khiển PID như hình 2

Hình 2: Yêu cầu công nghệ

Trang 43

Chương trình vận hành theo yêu cầu công nghệ 1

………

Trang 44

………

Trang 45

………

Trang 46

………

Tiêu đề	Tài Liệu Hướng Dẫn & Báo Cáo Thực Hành - Thí Nghiệm
Trường học	Trường Đại Học Bách Khoa Hà Nội
Chuyên ngành	Thiết Kế Hệ Thống Cơ Điện Tử
Thể loại	Tài Liệu Hướng Dẫn
Năm xuất bản	2021
Thành phố	Hà Nội

Định dạng
Số trang	46
Dung lượng	2,48 MB