Đồ án thiết kế hệ thống cơ điện tử thiết kế mobile platform di chuyển bám line

Bảng 1.2 Ưu nhược điểm của các thuật toán xử lý và đọc tín hiệu cảm biến Bảng 1.3 Ưu nhược điểm của cấu trúc điều khiển tập trung Bảng 1.4 Ưu nhược điểm của cấu trúc điều khiển phân cấp

KHOA CƠ KHÍ

BỘ MÔN CƠ ĐIỆN TỬ

-o0o -

BÁO CÁO ĐỒ ÁN THIẾT KẾ HỆ THỐNG CƠ ĐIỆN TỬ

GVHD: TS Ngô Hà Quang Thịnh Nhóm SVTH:

hướng dẫn nhóm trong thời gian qua Những kiến thức học được từ môn Đồ án Thiết kế

hệ thống cơ điện tử là những kinh nghiệm quý giá cho mỗi thành viên trong nhóm để có

thể tiếp tục học tập rèn luyện cũng như vững vàng hơn trong con đường sự nghiệp sau này

Với điều kiện thời gian học hỏi và kinh nghiệm chuyên môn còn hạn chế của sinh viên

nên bài báo cáo Đồ án Thiết kế hệ thống cơ điện tử không thể tránh khỏi những thiếu sót

Nhóm rất mong nhận được sự chỉ bảo, đóng góp ý kiến của quý thầy cô để có điều kiện

bổ sung, phát triển đề tài, nâng cao ý thức của mình và phục vụ tốt hơn công tác thực tế sau này Nhóm xin chân thành cảm ơn!

Nhóm sinh viên thực hiện

Nguyễn Hùng Kiệt

Nguyễn Hồng Long

Võ Hà Hoàng Long

− Sa bàn được thể hiện trên Hình 0.1

− Mỗi robot mang trên người một vật nặng trọng lượng 2 Kg

− Khi bắt đầu, robot được đặt tại vị trí Start, sau đó xe chạy 1 vòng sa bàn và kết thúc ở End

500

2000

start end

Hình 0.1 Sa bàn di chuyển của robot

1.1 Tổng quan về Mobile Platform 10

1.1.1 Giới thiệu về chung về Mobile Platform 10

1.1.2 Phân loại Mobile Robot 10

1.1.3 Một số loại điều hướng cho mobile robot 10

1.2 Tổng quan về robot dò line 12

1.2.1 Một số mô hình robot dò line và sơ đồ nguyên lý 12

1.2.2 Động cơ 17

1.2.3 Cảm biến 18

1.2.4 Phần điều khiển 22

1.3 Đặt đầu bài 26

CHƯƠNG 2 LỰA CHỌN PHƯƠNG ÁN 27

2.1 Cấu trúc cơ khí 27

2.1.1 Lựa chọn kết cấu xe 27

2.1.2 Lựa chọn bánh xe 27

2.1.3 Lựa chọn động cơ 28

2.2 Cảm biến 29

2.3 Driver 31

2.4 Vi điều khiển trung tâm 32

2.5 Nguồn 32

2.6 Cấu trúc điều khiển và giải thuật điều khiển 34

CHƯƠNG 3 TÍNH TOÁN THIẾT KẾ CƠ KHÍ 36

3.1 Tính toán lựa chọn động cơ 36

3.1.1 Chọn bánh chủ động 36

3.2 Tính kích thước thân xe 40

3.3 Tính toán chiều cao trọng tâm xe 41

3.4 Thiết kế đồ gá động cơ 42

3.5 Dung sai giữa hai trục động cơ 43

CHƯƠNG 4 THIẾT KẾ HỆ THỐNG ĐIỆN 48

4.1 Thiết kế hệ thống cảm biến 48

4.1.1 Cảm biến TCRT5000 48

4.1.2 Tính toán thiết kế mạch cho cảm biến 48

4.1.3 Cách đặt cảm biến 51

4.1.4 Bố trí các cảm biến 52

4.1.5 Thực nghiệm với cảm biến 53

4.2 Mô hình hóa hệ driver – động cơ 58

4.3 Hàm truyền động cơ 60

4.3.1 Hàm truyền động cơ trái 60

4.3.2 Hàm truyền động cơ phải 61

4.3.3 Thiết kế bộ điều khiển PID cho động cơ 62

CHƯƠNG 5: MÔ HÌNH HÓA 65

5.1 Mô hình hóa động học của robot 65

5.2 Kết quả thực nghiệm 74

TÀI LIỆU THAM KHẢO 75

Bảng 1.2 Ưu nhược điểm của các thuật toán xử lý và đọc tín hiệu cảm biến

Bảng 1.3 Ưu nhược điểm của cấu trúc điều khiển tập trung

Bảng 1.4 Ưu nhược điểm của cấu trúc điều khiển phân cấp

Bảng 2.1 Ưu nhược điểm của các loại bánh tự lựa

Bảng 2.2 So sánh 3 cảm biến IR của Vishay

Hình 1.1 Robot dò line “The Chariot” (a) và sơ đồ nguyên lý (b)

Hình 1.2 Robot dò line “Usain Volt 2.0” (a) và sơ đồ nguyên lý (b)

Hình 1.3 Robot dò line “Newbie” (a) và sơ đồ nguyên lý (b)

Hình 1.4 Robot dò line (a) và sơ đồ nguyên lý “MRC Kit” (b)

Hình 1.5 Nguyên lý của cảm biến quang

Hình 1.6 Vùng giao thoa của cực pháp và cực thu

Hình 1.7 Bố trí cảm biến (a) đường thẳng (b) ma trận (c) biên dạng tự do

Hình 1.8 Thuật toán so sánh dựa vào tín hiệu đọc Digital

Hình 1.9 Thuật toán xấp xỉ dựa vào tín hiệu đọc Analog: a) xấp xỉ bậc 2; b) xấp xỉ trọng

số

Hình 1.10 Cấu trúc điều khiển tập trung

Hình 1.11 Cấu trúc điều khiển phân cấp

Hình 1.12 Sơ đồ khối điều khiển PID

Hình 1.13 Sơ đồ khối điều khiển Fuzzy

Hình 1.14 Định nghĩa sai số dò line trong mô hình hóa hệ thống

Hình 3.4 Phân tích động lực học bánh xe

Hình 3.5 Động cơ DC Encoder GA25

Hình 3.6 Mô hình động lực học xe khi chuyển hướng

Hình 3.7 Sai lệch tâm 2 trục động cơ

Hình 3.8 Các khâu của chuỗi kích thước I

Hình 3.9 Các khâu của chuỗi kích thước II

Hình 3.10 Mô hình thiết kế xe dò line 3D trên phần mềm Solidworks

Hình 4.1 Sơ đồ nguyên lý mạch cảm biến

Hình 4.2 Đồ thị quan hệ giữa 𝐼𝐹 và 𝑉𝐹

Hình 4.3 Đồ thị quan hệ giữa 𝐼𝐹 và 𝐼𝐶

Hình 4.4 Đồ thị quan hệ giữa 𝐼𝐶 và 𝑉𝐶𝐸

Hình 4.5 Mạch điện cho cảm biến

Hình 4.6 Mối quan hệ giữa switching distance và khoảng cách đặt cảm biến Hình 4.7 Mối quan hệ giữa giá trị 𝐼𝐶 nhận về và khoảng cách của cảm biến

Hình 4.8 Mô hình thí nghiệm với cảm biến TCRT5000

Hình 4.9 Mối quan hệ giữa giá trị điện áp trả về và chiều cao của cảm biến

Hình 4.10 Mối quan hệ giữa chiều cao của dãy cảm biến với sai số tính toán

Hình 4.11 Sai số lớn nhất và sai số trung bình tại ứng với mỗi chiều cao

Hình 4.12 Mạch PCB cảm biến

Hình 4.13 Đồ thị quan hệ giữa điện áp đầu vào và vận tốc góc của động cơ Hình 4.14 Đồ thị đáp ứng của động cơ trái

Hình 4.15 Đồ thị đáp ứng của động cơ phải

Hình 4.16 Đồ thị đáp ứng của động cơ trái khi thêm PID

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN 1.1 Tổng quan về Mobile Platform

1.1.1 Giới thiệu về chung về Mobile Platform

Ngày nay, công nghệ robot đã đạt được những thành tựu to lớn trong sản xuất công nghiệp cũng như trong đời sống Sản xuất robot là nghành công nghiệp trị giá hàng tỉ USD và ngày càng phát triển mạnh, trong các họ robot chúng ta không thể không nhắc tới mobile robot với những đặc thù riêng mà các loại robot khác không có

Mobile Robot có thể di chuyển một cách rất linh hoạt, do đó tạo nên không gian hoạt động lớn và cho đến nay nó đã dần khẳng định vai trò quan trọng không thể thiếu trong nhiều lĩnh vực, thu hút được rất nhiều sự đầu tư và nghiên cứu Mobile robot cũng được chia ra làm nhiều loại: robot học đường đi, robot dò đường line, robot tránh vật cản, robot tìm đường cho mê cung,… trong số đó robot dò đường line, có khả năng tránh vật cản dễ dàng ứng dụng nhiều trong cuộc sống Việc phát triển loại robot này sẽ phục vụ rất đắc lực cho con người

1.1.2 Phân loại Mobile Robot

❖ Phân loại theo môi trường mà robot di chuyển:

• Robot ngoài trời và robot trong nhà: Thường được gắn bánh xe tuy nhiên có loại được trang bị bánh xích hoặc chân giống người hoặc động vật

• Robot trên không: Thường được gắn cánh quạt dùng cho các phương tiện trên không, phương tiện không người lái

• Robot dưới nước: Thường được dùng như phương tiện dưới nước, hoặc mô phỏng các loài vật dưới nước như cá, mực

❖ Phân loại theo cách di chuyển:

• Robot di chuyển bằng bánh xe

• Robot di chuyển bằng bánh xích

• Robot chuyển động như động vật, có chân hoặc vây,…

1.1.3 Một số loại điều hướng cho mobile robot

❖ Điều hướng bằng điểm từ:

Các điểm từ được đặt cách nhau để tạo ra 1 đường nhìn thấy được Robot đi từ điểm này sang điểm khác bằng cách sử dụng các cảm biến nhận diện các điểm từ này Với mỗi điểm từ, robot sẽ thực thi 1 lệnh được cài sẵn Robot thực thi lệnh này đến khi gặp điểm

từ tiếp theo

Đặc điểm:

− Đường đi được quy định bằng các điểm từ

− Đường dẫn gián đoạn

− Hệ thống đường dẫn có thể thay đổi

− Sai lệch khi di chuyển phụ thuộc vào độ chính xác của cảm biến từ

− Hệ thống có thể mở rộng mà không ảnh hưởng đến cơ sở vật chất

❖ Điều hướng bằng dải từ:

Tương tự điểm từ, dải từ được dán sẵn trên sàn để tạo vùng hoạt động cho robot Robot dựa vào cảm biến để nhận diện dải từ và hoạt động

Đặc điểm:

− Đường dẫn được quy định bới dải từ

− Hệ thống đường dẫn liên tục

− Hệ thống đường dẫn thay đổi hoặc điều chỉnh dễ dàng

− Sai lệch khi di chuyển phụ thuộc vào độ chính xác của cảm biến từ

❖ Điều hướng bằng mã QR:

Nguyên tắc điều hướng mã QR là robot quét mã QR được in và dán trên mặt đất thông qua camera hoặc cảm biến và lấy thông tin vị trí hiện tại bằng cách phân tích thông tin được mã hóa trong mã QR đó

Đặc điểm:

− Định vị chính xác, nhỏ và linh hoạt

− Đường đi dễ dàng thay đổi, không bị nhiễu bởi âm thanh, ánh sáng

− Mã QR cần được bảo trì thường xuyên, độ chính xác phụ thuộc mã QR và cảm

biến

❖ Điều hướng bằng laser:

Tia laser được phát ra từ Mobile robot sẽ được truyền đến các mốc được đặt trong khu vực hoạt động Khoảng cách và góc từ Mobile robot đến các mốc sẽ được truyền đến bộ

xử lý để tính toán vị trí Mobile robot, từ đó truyền tín hiệu để Mobile robot đi đúng hướng đến vị trí mong muốn

Đặc điểm:

− Bản đồ hoạt động của Mobile robot được lưu trữ trước trong bộ nhớ

− Đường đi của Mobile robot có thể dễ dáng được thay đổi và mở rộng

− Đây là phương pháp dẫn hướng chính xác nhất

❖ Điều hướng bằng line dẫn

Line dẫn đường được dán trước trên sàn để tạo vùng hoạt động cho robot Vật liệu của line dẫn không quan trọng Line dẫn thường được chọn màu đối xứng với mặt sàn hoạt động Robot được trang bị camera hoặc led để nhận diện line này, từ đó truyền tín hiệu đến bộ xử lý, xác định vị trí và điều khiển xe Hệ thống xe dò line được thể hiện Chi tiết về xe dò line sẽ được trình bày ở các phần tiếp theo

Đặc điểm:

− Đường dẫn được quy định bởi line dẫn

− Hệ thông đường dẫn liên tục

− Hệ thống đường dẫn thay đổi hoặc điều chỉnh dễ dàng, hệ thống dễ dàng mở

rộng

− Sai lệch khi di chuyển phụ thuộc vào độ chính xác của cảm biến

1.2 Tổng quan về robot dò line

Robot dò line là một trường hợp đặc biệt của mobile robot, trong đó robot sẽ nhận biết vị trí tương đối của robot và bám theo đường line (line từ, line màu) đã có Hiện nay robot dò line được ứng dụng rộng rãi trong môi trường kho bãi, nhà xưởng, cảng… để vận chuyển hàng hóa, dùng làm nền tảng cho nhiều nghiên cứu về kỹ thuật nhận diện và thiết kế bộ điều khiển cũng như đề tài cho nhiều cuộc thi về kỹ thuật Để thiết kế và vận hành một robot dò line, tất cả các yếu tố kỹ thuật cấu thành của robot đều cần được quan tâm: sơ đồ nguyên lý, loại cảm biến, động cơ, cấu trúc điều khiển và giải thuật điều khiển được sử dụng

1.2.1 Một số mô hình robot dò line và sơ đồ nguyên lý

Có nhiều thiết kế về robot dò line được sử dụng Dưới đây là một số mô hình các

robot dò line được sử dụng và đạt giải cao trong các kỳ thi ngoài nước:

❖ Chariot: Mô hình xe Chariot (hình 1.1) về nhì cuộc thi LV Bots April line

a) Robot dò line “The Chariot” b) Sơ đồ nguyên lý “The Chariot”

Hình 1.1 Robot dò line“The Chariot” (a) và sơ đồ nguyên lý (b)

❖ Usain volt 2.0: Mô hình xe Usian volt (hình 1.2) đã tham gia vào cuộc đua LV Bots April line following.[3]

− Trọng lượng: 295 (gram)

− Kết cấu xe: 2 bánh sau chủ động, 2 bánh trước tự lựa (Đường kính bánh chủ động 60 mm)

− Xe sử dụng động cơ DC Servo, sử dụng 2 cảm biến QTR – 3RC

− Phần cứng trung tâm của xe là vi điều khiển A – Start 32U4 Prime SV (MCU ATmega32U4), cấu trúc điều khiển tập trung, bộ điều khiển PID

− Xe có vận tốc trung bình khi qua khúc cua cao 1,1 m/s, ổn định khi vào đường cong

a) Robot dò line “Usain Volt 2.0” b) Sơ đồ nguyên lý “Usain Volt 2.0”

Hình 1.2 Robot dò line “Usain Volt 2.0”(a) và sơ đồ nguyên lý (b)

❖ Newbie: Mô hình xe Newbie (hình 1.3) tham gia vào cuộc thi LV Bots April line following.[4]

− Kết cấu xe: 2 bánh sau chủ động, 2 bánh trước bị động, 1 động cơ servo dẫn hướng

− Xe sử dụng động cơ DC Servo, sử dụng 1 cảm biến hồng ngoại QTR – 3RC

− Phần cứng trung tâm của xe là vi điều khiển A – Start 32U4 Mini LV (MCU ATmega32U4), cấu trúc điều khiển tập trung, bộ điều khiển PID

− Xe có 3 bậc tự do truyền động, dư 1 bậc tự do nên việc đồng bộ khó và xảy ra hiện tượng trượt Thực tế xe hoàn thành 3 vòng đua tuy nhiên tốc độ hạn chế

a) Robot dò line “Newbie” b) Sơ đồ nguyên lý “Newbie”

Hình 1.3 Robot dò line “Newbie” (a) và sơ đồ nguyên lý (b)

− Một số mô hình xe trong nước :

❖ MRC kit:

a) Robot dò line “MRC Kit” b) Sơ đồ nguyên lý “MRC Kit”

Hình 1.4 Robot dò line (a) và sơ đồ nguyên lý “MRC Kit” (b)

− Mô hình xe MCR có kết cấu xe: 2 bánh chủ động, 2 bánh trước được dẫn hướng bởi 1 động cơ servo

− Xe sử dụng 2 động cơ DC để dẫn động, 1 động cơ RC Servo để dẫn hướng

− Phần cứng bao gồm modul H-Drive, sử dụng IC L298 để nhận tín hiệu từ vi điều khiển và điều khiển tốc độ 2 động cơ sau, bộ điều khiển trung tâm là PIC16F887

− Dùng 2 nguồn DC 5V (cung cấp cho vi điều khiển và cảm biến) và 12V ( cung cấp cho động cơ)

Bài toán xe dò line được giải quyết bằng nhiều loại cấu hình khác nhau Trong đó phương án dẫn động 3 và 4 bánh với bánh trước hoặc sau tự lựa được dùng phổ biến nhất Dù cơ cấu nào đi nữa, nó cũng phải giải quyết được khả năng cân bằng của robot và

sự tiếp xúc của bánh xe với mặt đường đặt biệt khi bo các vòng cua có bán kính nhỏ Ưu nhược điểm của một số loại xe 3, 4 bánh được thể hiện trong (bảng 1.1)

Bảng 1.1 Đánh giá ưu, nhược điểm sơ đồ nguyên lý

Bánh tự lựa ở phía sau có ma sát nhỏ khiến xe có thể bị xoay khi cua ở tốc độ cao

Trọng lượng phân bố không tốt (trên hình tam giác)

Khi tăng tốc, quán tính khiến trọng lượng xe dồn lên bánh dẫn động phía sau, làm cho xe bám đường tốt hơn

Xe cân bằng tốt do trọng lượng phân phối trên một tứ giác

Khó đồng phẳng hơn xe 3 bánh Khó cua hơn dẫn động bằng 2 bánh trước

Xe cân bằng tốt do trọng lượng phân phối trên một tứ giác

Khó đồng phẳng hơn xe 3 bánh Trọng lượng phân bố phía trước, bánh phía sau bị thiếu ma sát, dễ xảy ra hiện tượng thiếu lái khi vào cua

1.2.2 Động cơ

Động cơ điện một chiều (DC motor): Động cơ điện một chiều được dùng rộng rãi trong các hệ thống truyền động điện chất lượng cao, dải công suất động cơ điện một chiều từ vài W đến vài MW Đây là động cơ đa dạng, linh hoạt, có thể đáp ứng yêu cầu moment, tăng tốc, và hãm với tải trọng nặng Động cơ điện một chiều cũng dễ dàng đáp ứng với các truyền động trong khoảng điều khiển tốc độ rộng và đảo chiều nhanh với nhiều đặc tuyến quan hệ moment - tốc độ

Động cơ bước (stepper motor): Động cơ bước có thể được mô tả như là một động cơ điện không dùng bộ chuyển mạch Cụ thể, các mấu trong động cơ là stator, và rotor là nam châm vĩnh cữu hoặc trong trường hợp của động cơ biến từ trở, nó là những khối răng làm bằng vật liệu nhẹ có từ tính Tất cả các mạch đảo phải được điều khiển bên ngoài bởi

bộ điều khiển, và đặc biệt, các động cơ và bộ điều khiển được thiết kế để động cơ có thể giữ nguyên bất cứ vị trí cố định nào cũng như là quay đến bất kì vị trí nào Hầu hết các động cơ bước, có thể chuyển động ở tần số âm thanh, cho phép chúng quay khá nhanh, và với một bộ điều khiển thích hợp, chúng có thể khởi động và dừng lại dễ dàng ở các vị trí bất kì

Động cơ servo (servo motor) có thể là bất kì loại động cơ nào vừa nêu trên khi kết hợp với bộ điều khiển động cơ servo, phần hồi và hệ thống điều khiển thích hợp Động cơ servo dùng trong đồ chơi điều khiển vô tuyến thường sử dụng thiết kế mạch DC truyền thống rẻ tiền để giảm kích thước Động cơ servo trong công nghiệp đáp ứng được yêu

cầu tốc độ nhanh, độ chính xác cao và sản sinh ra moment lớn trong suốt dải hoạt động là dựa vào thiết kế của động cơ điện một chiều không chổi than

1.2.3 Cảm biến

Về cảm biến, phần lớn các robot dò line hiện nay sử dụng các loại cảm biến quang để nhận biết vị trí tương đối của đường line so với xe, từ đó xử lí để đưa ra tín hiệu điều khiển Có hai phương pháp thường được sử dụng cho robot dò line là phương pháp sử dụng camera và các loại cảm biến quang dẫn

❖ Phương pháp sử dụng camera

Trong trường hợp sử dụng camera, hình ảnh thu được từ đường line thực tế sẽ được gửi về, xử lý và sử dụng các giải thuật xử lý ảnh để xác định vị trí và góc lệch chính xác của xe so với đường line Camera cho kết quả với độ chính xác cao, ít bị nhiễu Tuy nhiên, với yêu cầu xử lí cao đòi hỏi tốc độ xử lí nhanh trong thời gian ngắn, nếu không tốc độ của xe sẽ rất hạn chế Ngoài ra, vấn đề lớn ở đây là chi phí cao, vì bộ camera chất lượng thấp sẽ không đạt được tốc độ lấy mẫu như yêu cầu và bộ xử lý phải đủ mạnh để

xử lý lượng lớn thông tin

❖ Phương pháp sử dụng cảm biến quang

Phương pháp sử dụng cảm biến quang được sử dụng trong hầu hết các loại xe đua hiện nay Cảm biến quang được sử dụng phổ biến nhất trong robot dò line là quang điện trở (Light Depentdant Resistor – LDR) Mức điện trở của một cảm biến LDR điển hình, chẳng hạn như ORP12, nằm trong khoảng từ 1 MΩ trở lên trong bóng tối đến khoảng 80

Ω dưới ánh sáng tự nhiên Trong nhà, với ánh sáng gián tiếp hoặc ánh sáng nhân tạo, trở kháng của nó vào khoảng một vài kΩ LDR phản ứng với ánh sáng của hầu hết các màu, với phản ứng cao nhất là màu vàng Trong số tất cả các cảm biến ánh sáng, LDR có thời gian đáp ứng chậm nhất, lên tới vài chục hoặc hàng trăm mili giây Mặc dù đây là có vẻ nhanh đối với con người, các vi điều khiển hoạt động nhanh hơn nhiều so với điều này, điều đó khiến các chương trình có thể cần một khoảng trễ ngắn để LDR bắt kịp với nó Một loại quang cảm biến phổ biến khác là điốt quang Điốt quang thường có thời gian đáp ứng nhanh hơn với ánh sáng màu đỏ của dãy quang phổ, một số đặc biệt nhạy

cảm với tia hồng ngoại và thường được sử dụng với đèn LED hồng ngoại để đọc encoder quang học Chúng được sử dụng làm cảm biến trong robot dò line vì chúng ít bị can thiệp

từ các nguồn sáng có ánh sáng nằm trong phổ nhìn thấy Thời gian đáp ứng của một điốt quang, thường là vài trăm nano giây Một phototransistor có các đặc tính tương tự như của một điốt quang, mặc dù thời gian đáp ứng của chúng lâu hơn Chúng được kết nối giống như một bóng bán dẫn NPN trong bộ khuếch đại chung Phototransistor thường đi chung với một mạch khuếch đại hoặc một cặp Darlington trên cùng một chip để có độ nhạy cao hơn Hai LED phát và thu phải bố trí khoảng cách với mặt đường sao cho vùng hoạt động của chúng giao thoa với nhau và không trùng với vùng giao thoa của bộ liền

kề

Các loại cảm biến này có nguyên lí hoạt động như nhau (Hình 1.5) Hai led phát và thu phải bố trí khoảng cách với mặt đường sao cho vùng hoạt động của chúng giao thoa với nhau và không trùng với vùng giao thoa của bộ liền kề (Hình 1.6)

Hình 1.5 Nguyên lý của cảm biến quang

Hình 1.6 Vùng giao thoa của cực pháp và cực thu

❖ Cách bố trí cảm biến quang

Ngoài khả năng theo đường line, những robot này cũng phải có khả năng điều hướng các giao lộ và quyết định xem giao tuyến nào sẽ rẽ và giao tuyến nào sẽ bỏ qua Điều này

sẽ yêu cầu robot có khả năng quay 90 độ và cũng có khả năng đếm các đường giao nhau

Do đó cách bố trí cảm biến cũng đóng vai trò trong việc tối ưu hóa khả năng của robot

(a) (b) (c)

Hình 1.7 Bố trí cảm biến (a) đường thẳng (b) ma trận (c) biên dạng tự do

❖ Giải thuật xử lý tín hiệu từ cảm biến quang

Phương pháp so sánh: Dùng bộ so sánh để xác định trạng thái đóng/ngắt của các cảm biến, sau đó suy ra vị trí xe theo một bảng trạng thái đã định sẵn Với phương pháp này, sai số dò line sẽ phụ thuộc vào thông số của sensor được sử dụng, hay khoảng cách giữa các cảm biến Phương pháp này có đặc điểm phụ thuộc chủ yếu vào mức ngưỡng so sánh của các cảm biến, sai số dò line phụ thuộc vào khả năng phân biệt các trạng thái của hệ thống, hay khoảng cách giữa các cảm biến, do đó tốc độ xử lý rất nhanh

Phương pháp xấp xỉ: Xấp xỉ ra vị trí của xe so với tâm đường line từ các tín hiệu tương tự nhận về từ cảm biến Có 3 giải thuật xấp xỉ được giới thiệu đó là xấp xỉ theo bậc

2, tuyến tính và theo trọng số Đặc điểm của phương pháp này là phụ thuộc chủ yếu vào thời gian đọc ADC tất cả các cảm biến của vi điều khiển, do đó thời gian xử lý sẽ lâu hơn phương pháp 1, tuy nhiên độ phân giải cao hơn đáng kể

❖ Phương pháp đọc tín hiệu từ cảm biến

Phương pháp đọc Digital: Tín hiệu đầu ra của cảm biến vẫn là analog nhưng sau đó thông qua mạch lấy ngưỡng hoặc lấy ngưỡng bằng lập trình để cho ra 2 giá trị logic 0 và

1 ứng với vị trí cảm biến trên đường line hoặc ngoài đường line

Để điều khiển robot theo quỹ đạo, người thiết kế lập trình xác định độ lệch tương đối giữa quỹ đạo của robot và quỹ đạo mong muốn, sau đó so sánh độ lệch đó thành các mức

và điều khiển lái robot quay về quỹ đạo Sai số dò line phụ thuộc vào khả năng phân biệt các trạng thái của hệ thống, hay khoảng cách giữa các sensor, do đó tốc độ xử lý

Hình 1.8 Thuật toán so sánh dựa vào tín hiệu đọc Digital

Đọc theo dạng analog tín hiệu analog đọc được từ cảm biến qua phép xấp xỉ để tìm ra

vị của xe so với tâm đường line Các giải thuật xấp xỉ theo bậc 2, theo trọng số cho sai số

dò line khác nhau Thuật toán được mô tả như (hình 1.23) Thời gian xử lý phụ thuộc vào thời gian đọc ADC tất cả các sensor của vi điều khiển, do đó sẽ lâu hơn phương pháp thứ nhất, tuy nhiên độ chính xác cao hơn nhiều

a) Xấp xỉ bậc hai b) Xấp xỉ trọng số

Hình 1.9 Thuật toán xấp xỉ dựa vào tín hiệu đọc Analog: a) xấp xỉ bậc 2;

b) xấp xỉ trọng số

Bảng 1.2 Ưu nhược điểm của các thuật toán xử lý và đọc tín hiệu cảm biến

Thuật toán so sánh Thuật toán xấp xỉ

Thời gian đọc và xử lý tín hiệu Nhanh, tốn ít thời gian Chậm, tốn nhiều thời gian Giải thuật xử lý tín hiệu Thuật toán đơn giản Thuật toán phức tạp

1.2.4 Phần điều khiển

❖ Cấu trúc điều khiển

Có 2 dạng cấu trúc điều khiển:

− Cấu trúc điều khiển tập trung

Hình 1.10 Cấu trúc điều khiển tập trung

Điều khiển tập trung (Centralized control): Bộ vi điều khiển duy nhất đồng thời nhận

và xử lý tín hiệu từ cảm biến, nhận và xử lý tín hiệu từ 2 encoder, thực hiện chương trình chính, tính giá trị điều khiển và truyền cho hai động cơ Hầu hết các Robot, xe đua dò line thực tế thường xử dụng cấu trúc điều khiển này

Bảng 1.3 Ưu nhược điểm của cấu trúc điều khiển tập trung

Sử dụng ít MCU (số MCU = 1), tốn

ít không gian, lắp đặt đơn giản

Tốn nhiều thời gian để xử lý dữ liệu, lập trình phức tạp do 1 MCU phải xử lý tất cả các dữ liệu

− Cấu trúc điều khiển phân cấp

Hình 1.11 Cấu trúc điều khiển phân cấp

Một vi điều khiển sử dụng như một master tính toán cho chương trình điều khiển chính Các slaver còn lại sử dụng các vi điều khiển khác, thực hiện các nhiệm vụ riêng biệt: thu và xử lý tín hiệu từ cảm biến, tính toán vị trí tương đối của xe so với đường line

và truyền về cho master, thu nhận tín hiệu từ encoder, tính toán thuật toán điều khiển cho động cơ, đảm bảo động cơ hoạt động theo đúng yêu cầu master,…

Bảng 1.4 Ưu nhược điểm của cấu trúc điều khiển phân cấp

Cấu trúc này giúp giảm được khối lượng

tính toán cho master và cho phép robot

thực hiện nhiều chức năng cùng 1 lúc Tốc

độ xử lý nhanh, chính xác cao

Tốn nhiều vi điều khiển, tốn nhiều không gian lắp đặt Phải quan tâm tới vấn đề giao tiếp giữa các MCU

❖ Bộ điều khiển:

− Bộ điều khiển ON-OFF: Điều khiển đơn giản, cấp nguồn (ON) động cơ sẽ hoạt động một cách tự động theo thiết kế từ trước, ngắt nguồn (OFF) động cơ sẽ dừng hoạt động Ưu điểm: bộ điều khiển đơn giản, dễ chế tạo Nhược điểm: sai số lớn, không ổn định

− Bộ điều khiển PD/PID: Tính toán giá trị sai số là hiệu số giữa giá trị đo thông số biến đổi với giá trị mong muốn Thuật toán sẽ thực hiện giảm tối đa sai số bằng cách điều chỉnh giá trị điều khiển đầu vào Phương pháp sử dụng PID để điều khiển khá phổ biến, hơn 90% các bộ điều khiển sử dụng trong công nghiệp là bộ điều khiển PID Trong các cuộc thi xe dò line, đây là giải thuật được nhiều xe sử dụng Tuy nhiên, bộ điều khiển PID có nhược điểm là chỉ đạt kết quả tốt trong hệ tuyến tính, xảy ra nhiễu ở khâu vi phân dẫn đến sai lệch lớn ở đầu ra

Hình 1.12 Sơ đồ khối điều khiển PID

− Bộ điều khiển Fuzzy, được thực hiện gồm 3 bước: mờ hóa, thực hiện hợp thành và giải mờ Sai số đầu ra của bộ điều khiển phụ thuộc hoàn toàn vào luật mờ Đưa ra luật mờ tốt sẽ được sai số đầu ra nhỏ và ngược lại

Hình 1.13 Sơ đồ khối điều khiển Fuzzy

− Bộ điều khiển Following tracking, bộ điều khiển này xem xét 3 sai số của robot và line theo phương tiếp tuyến e1, theo phương pháp tuyến e2 và theo góc lệch giữa robot với line e3 để điều khiển robot thông qua các biến điều khiển là vận tốc góc

và vận tốc dài Phương pháp này cho kết quả bám line tốt và với sai số nhỏ

Hình 1.14 Định nghĩa sai số dò line trong mô hình hóa hệ thống

Bộ điều khiển follow tracking có dạng

{ 𝑣 = 𝑣𝑟 𝑐𝑜𝑠𝑒3+ 𝑘1𝑒1

𝜔 = 𝑘2𝑣𝑅𝑒2+ 𝜔𝑅+ 𝑘3𝑠𝑖𝑛𝑒3

1.3 Đặt đầu bài

Dựa vào kết quả tìm hiểu và phân tích các loại xe dò line trong và ngoài nước cùng

sự gợi ý của giảng viên hướng dẫn, yêu cầu đầu bài được đặt ra như sau:

CHƯƠNG 2 LỰA CHỌN PHƯƠNG ÁN 2.1 Cấu trúc cơ khí

2.1.1 Lựa chọn kết cấu xe

❖ Tiêu chí chọn kết cấu xe:

− Khả năng ổn định khi vào cua

− Kết cấu cơ khí đơn giản, dễ chế tạo

− Mức độ điều khiển vừa phải

Qua các phân tích về kết cấu trên và dựa vào tiêu chí chọn kết cấu xe thì để đơn giản cho thiết kế mà vẫn đáp ứng yêu cầu đề bài, nhóm chọn phương án

Hình 2.1 Sơ đồ nguyên lý

2.1.2 Lựa chọn bánh xe

❖ Tiêu chí chọn bánh chủ động

− Nhẹ, bền, khả năng bám đường tốt

− Di chuyển trên địa hình bằng phẳng

− Chi phí thấp, dễ tìm kiếm trên thị trường

Bánh bị động: Trên thị trường có nhiều loại bánh xe khác nhau, nhưng đa số sử

độ cao mà không bị ăn mòn

Chi phí cao hơn bánh mắt trâu

Với các ưu nhược điểm được so sánh bên trên bánh mắt trâu được lựa chọn làm bánh

bị động

2.1.3 Lựa chọn động cơ

Dựa vào phân tích ở phần tổng quan, nhóm đưa ra tiêu chí chọn động cơ như sau:

❖ Tiêu chí chọn động cơ:

− Dễ tìm kiếm trên thị trường

− Phototransistor kết hợp với LED thường

− Phototransistor kết hợp với LED hồng ngoại

Nguyên tắc hoạt động của phototransistor dựa vào tín hiệu ánh sáng phản xạ từ nguồn phát để tạo ra tín hiệu dạng điện áp Đối với đường đua mà màu line với màu của nền có độ tương phản cao (ví dụ như line đen nền trắng như sa bàn mục tiêu), LED hồng ngoại cho độ nhạy cao hơn nhưng cần phải che chắn để chống nhiễu Đối với đường đua

mà màu line với màu của nền có độ tương phản thấp, sử dụng LED thường sẽ hiệu quả hơn

Với yêu cầu đề bài là chạy trên sa bàn nền trắng và đường line màu đen, độ tương phản giữa màu của đường line và màu nền cao, do đó lựa chọn cảm biến IR (phototransistor kết hợp với LED hồng ngoại) sẽ cho hiệu quả tối ưu hơn

Tham khảo một số cảm biến IR phổ biến trên thị trường:

a) b) c)

Hình 2.3 CNY70 (a) TCRT1000 (b) TCRT5000 (c) Bảng 2.2 So sánh 3 cảm biến IR của Vishay

Cảm biến Thông số

CNY70 TCRT1000 TCRT5000

Khoảng cách giá trị trả về cực đại 0.3 mm 1 mm 2 mm Khoảng cách đạt độ phân giải tốt nhất 0.2 mm 0.8 mm 1.5 mm

Khoảng cách làm việc tối ưu 0.2 – 3 mm 0.4 – 2.2 mm 0.2 – 6.5 mm

Chống nhiễu từ ánh sáng môi trường Không Không Có Với phạm vi hoạt động lớn giúp linh hoạt trong cách bố trí cảm biến cùng thiết kế chống nhiễu từ ánh sáng môi trường, cảm biến TCRT5000 được lựa chọn

❖ Về giải thuật xử lí tín hiệu:

Với sai số yêu cầu ±5𝑚𝑚 như đầu bài, các phương pháp có độ phân cao nên được lựa chọn Có hai giải thuật xử lý được đề xuất:

− So sánh

− Xấp xỉ

Với phương pháp so sánh, vị trí của robot so với đường line chỉ có thể thuộc vào một

số trường hợp đã được quy định sẵn Số trường hợp này phụ thuộc số lượng cảm biến, sai số ảnh hưởng bởi khoảng cách tối thiểu giữa các cảm biến Khoảng cách giữa các

cảm biến này phụ thuộc nhiều vào góc chiếu của LED, góc thu của sensor và độ cao so với mặt đất

Với phương pháp xấp xỉ, sai số phụ thuộc vào số lượng cảm biến và cách chọn độ cao của chúng so với mặt đất Tuy nhiên, độ phân giải của phương pháp này cao hơn đáng kể so với phương pháp so sánh, giúp cho hệ thống sensor có thể đạt được sai số tốt hơn Tuy nhiên, thời gian đáp ứng của phương pháp này sẽ lâu hơn phương án trên do vi điều khiển cần thực hiện chuyển đổi ADC cho tất cả các cảm biến

Để đáp ứng sai số như đề bài yêu cầu, phương pháp xấp xỉ được lựa chọn để tăng độ phân giải và có được sai số ±5𝑚𝑚

2.3 Driver

Yêu cầu:

− Đảm bảo cấp đủ dòng và đủ áp cho động cơ chạy đúng công suất

− Đáp ứng được tần số xung PWM từ vi điều khiển

− Điều khiển đúng vận tốc mong muốn

− Điều khiển động cơ chạy với overshoot và settling time đúng theo mong muốn

− Kích thước nhỏ gọn, phù hợp lắp trên xe

Hình 2.4 Driver TB6612FNG (a) và Driver L298 (b)

Bảng 2.3 So sánh Driver L298 và Driver TB6612FNG

Điện áp tín hiệu điều khiển 4,5 – 7 V 2,7 – 5,5 V

Từ các thông số trên, Driver TB6612FNG đáp ứng được đầy đủ các tiêu chí của yêu

cầu và tối ưu hơn L298 Do đó driver điều khiển dộng cơ là TB6612FNG

2.4 Vi điều khiển trung tâm

Để dễ dàng cho việc lập trình, có sẵn thư viện và độ thông dụng, dễ tìm kiếm trên thị trường nên nhóm em quyết định chọn PIC18F4431

2.5 Nguồn

Ta cần tính nguồn đủ để nuôi những thiết bị sau:

Hình 2.5 Pin cell NCR 18650

Hình 2.6 Mạch hạ áp LM2596

2.6 Cấu trúc điều khiển và giải thuật điều khiển

❖ Cấu trúc điều khiển

Đối với đề bài có sa bàn phức tạp, xe cần có khả năng thực hiện tác vụ xác định vị trí

xe, tính toán vận tốc bánh cần đạt và đáp ứng vận tốc trước khi xe vượt ra khỏi đoạn gãy khúc do đó cần đến cấu trúc điều khiển phân cấp Tuy nhiên, với sa bàn có hình dạng đơn giản, không có các điểm giao cắt phức tạp, sử dụng cấu trúc điều khiển trung tâm với 1 MCU sẽ tối ưu khả năng của vi điều khiển, đồng thời cũng sẽ đơn giản hóa trong phân

bố, thiết kế mạch, thời gian đáp ứng xử lý tín hiệu nhanh và sẽ không có vấn đề về các chuẩn truyền như mất mát dữ liệu

Hình 2.7 Phương án cấu trúc điều khiển

Phương án này tận dụng được đặc điểm định vị trí và tính toán vận tốc mới đồng thời nhờ sử dụng các MCU độc lập giúp hệ thống có khả năng đáp ứng nhanh Về việc điều khiển

❖ Giải thuật điều khiển

Hai phương án cho bộ điều khiển được đề xuất:

− Bộ điều khiển PD kết hợp ghi nhớ đường đi

− Bộ điều khiển tracking

Phương án đầu có đặc điểm giúp robot có khả năng cải thiện được khả năng bám đường line sau mỗi lần chạy Tuy nhiên giải thuật tự học phức tạp và cần phải kết hợp

thêm cảm biến gyro để bộ điều khiển có thể nhớ được trạng thái gia tốc của robot trong suốt đường đua

Phương án 2 là một bộ điều khiển thông dụng trong các nghiên cứu về khả năng bám theo quỹ đạo cho trước của mobile robot Lý thuyết và thực nghiệm đã chứng minh bộ điều khiển có khả năng di chuyển robot tới các tọa độ cho trước với vận tốc mong muốn Ngoài ra, bộ thông số của bộ điều khiển 𝐾𝑥, 𝐾𝑦, 𝐾𝜃 có thể được tùy chỉnh nhằm tăng khả năng bám line của robot cho các đoạn đường khác nhau

CHƯƠNG 3 TÍNH TOÁN THIẾT KẾ CƠ KHÍ 3.1 Tính toán lựa chọn động cơ

− Mục tiêu của xe:

+ Vận tốc mong muốn: v = 1 m/s

+ Thời gian đáp ứng mong muốn: t = 0.1s

+ Gia tốc mong muốn: a = 1 m/s2

+ Ước lượng khối lượng của xe khoảng 1 kg và mang tải 2kg trọng lực phân bố đều trên 3 bánh

3.1.1 Chọn bánh chủ động

Với các phương án lựa chọn bánh xe, cần cân nhắc về đường kính và bề rộng bánh xe Đường kính bánh xe càng lớn, vận tốc tối đa càng cao nhưng khối lượng robot sẽ tăng Tương tự đối với bề rộng bánh xe, bề rộng càng lớn hệ

số cản lăn càng lớn và ma sát giúp bám mặt đường cũng tốt hơn, mặt khác còn giúp robot tăng tốc tốt hơn Để cân bằng giữa yêu cầu tốc độ cũng như khối lượng và kết cấu của mobile robot, nhóm lựa chọn bánh xe có đường kính 80𝑚𝑚 và bề rộng 35𝑚𝑚 làm bánh chủ động

Chọn bánh yêu cầu nhẹ, bền, khả năng bám đường tốt, có sẵn trên thị trường, đường kính bánh lớn tăng tốc độ cho xe và có độ cứng vững tốt, phù hợp về giá cả

Hình 3.1 Bánh xe 80mmx35mm

Thông số kĩ thuật:

• Chất liệu: Nhựa, cao su

Đối với bánh bị động, bánh mắt trâu tự lựa được lựa chọn sử dụng do ưu

điểm có khối lượng nhẹ giúp giảm thiểu khối lượng của robot

Hình 3.3 Bánh mắt trâu

3.1.3 Tính chọn động cơ

Để xe chuyển động, động cơ phải có vai trò cung cấp moment cho các bánh Quá trình chuyển động này chịu ảnh hưởng của khối lượng xe và ma sát giữa bánh xe và mặt đường Mô hình toán cho một bánh xe được thể hiện như sau:

𝐹 𝑚𝑠

2𝐹𝑚𝑠 = (2𝑚 + 𝑀)𝑎

⇒ 𝐹𝑚𝑠 =(2𝑚 + 𝑀)𝑎

2 (3.2)

Thay (3.2) vào (3.1)

𝐼 (𝑘𝑔 𝑚2) : Moment quán tính của bánh xe

𝑚 (𝑘𝑔) : Khối lượng của bánh xe

𝑀 (𝑘𝑔) : Khối lượng của thân xe

1.600,04.2𝜋 = 240 𝑣ò𝑛𝑔/𝑝ℎú𝑡

• Công suất của động cơ: 𝑃 = 𝜏 𝜔 = 0.1268 1

0,04= 3.17 (𝑤) Dựa vào công suất, số vòng quay, đường kính trục của bánh xe ta chọn động cơ GA25 DB9G

Bảng 0.1 Thông số giá trị động cơ GA25

Điện áp cấp cho động cơ 3 – 12 VDC