THIẾT kế mô HÌNH ROBOT tự HÀNH THIẾT lập bản đồ, lộ TRÌNH DI CHUYỂN

Tinh thần, thái độ làm việc của sinh viên: điểm tối đa 2đ Nhóm sinh viên đã thực hiện với tinh thần rất tích cực, khắc phục mọi khó khăn do tình hình dịch bệnh, tự trang bị các dụng cụ v

ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT

KHOA ĐIỆN-ĐIỆN TỬ

ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP

ĐẠI HỌC

NGÀNH: CÔNG NGHỆ KỸ THUẬT ĐIỆN TỬ TRUYỀN THÔNG

CHUYÊN NGÀNH: ĐIỆN TỬ - VIỄN THÔNG

ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT

KHOA ĐIỆN- ĐIỆN TỬ

ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP

ĐẠI HỌC

NGÀNH: CÔNG NGHỆ KỸ THUẬT ĐIỆN TỬ TRUYỀN THÔNG

CHUYÊN NGÀNH: ĐIỆN TỬ - VIỄN THÔNG

TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT

KHOA ĐIỆN TỬ- VIỄN THÔNG

CỘNG HÒA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM

Độc lập - Tự do - Hạnh phúc

NHẬN XÉT ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP

(Dành cho người hướng dẫn)

I Thông tin chung:

1 Sinh viên thực hiện: Phan Phước Hiền

4 Người hướng dẫn: Phan Ngọc Kỳ Học hàm/ học vị: Thạc sỹ

II Nhận xét, đánh giá đồ án tốt nghiệp:

1 Về tính cấp thiết, tính mới, mục tiêu của đề tài: (điểm tối đa là 1đ)

Đề tài khá phức tạp cho mục tiêu điều khiển Robot di chuyển và tự lưu lại không gian

di chuyển để phục vụ cho việc tự vận hành sau này

Kết quả mô hình chạy hoàn toàn nhúng trên trên chip STM32 Cortex-M Mô hình được triển khai trên vi điều khiển STM32 có thể mở rộng phạm vi ứng dụng của đề tài

2 Về kết quả giải quyết các nội dung nhiệm vụ yêu cầu của đồ án: (điểm tối đa là 4đ)

Với các nhiệm cụ được giao, nhóm sinh viên (tác giả) đã tích cực vận dụng kiến thức

đã học, tìm kiếm thông tin và thực nghiệm để đưa ra mô hình đáp ứng yêu cầu đặt ra

3 Về hình thức, cấu trúc, bố cục của đồ án tốt nghiệp: (điểm tối đa là 2đ)

Bố cục báo cáo của đồ án được chia làm 4 chương Nội dung, định dạng các chương

theo đúng yêu cầu, đúng quy định

4 Kết quả đạt được, giá trị khoa học, khả năng ứng dụng của đề tài: (điểm tối đa là 1đ)

Nhóm tiến hành tìm các giải pháp để thực hiện đồ án, tiến hành so sánh để tìm ra giải pháp được đưa ra

Không gian di chuyển ban dầu được lưu lại cập nhật lên gia diện Web

5 Các tồn tại, thiếu sót cần bổ sung, chỉnh sửa:

Lỗi chính tả, định dạng văn bản

III Tinh thần, thái độ làm việc của sinh viên: (điểm tối đa 2đ)

Nhóm sinh viên đã thực hiện với tinh thần rất tích cực, khắc phục mọi khó khăn do tình hình dịch bệnh, tự trang bị các dụng cụ và thường xuyên liên hệ với giáo viên hướng dẫn trong suốt thời gian thực hiện đề tài

TÓM TẮT

Một trong những ứng dụng quan trọng nhất của tối ưu hoá là định tuyến phương tiện, trong đó mục tiêu là tìm ra các tuyến đường tốt nhất cho phương tiện đến một tập hợp các địa điểm Thông thường, “tốt nhất” có nghĩa là các tuyến đường có tổng khoảng cách hoặc chi phi ít nhất.Chính vì vậy nhắm lợi dụng lợi ích từ định tuyến phương tiện nên chúng tôi chọn đề tài: “ Tìm hiểu thiết kế mô hình robot tự hành thiết lập bản đồ,lộ trình di chuyển” Mục tiêu của đồ án này là thiết kế và chế tạo robot thiết lập bản và tự hành, sử dụng kit STM32 nhưng đảm bảo được giá thành rẻ và tiện lợi

Trong quá trình nghiên cứu nhóm đã sử dụng nhiều phương pháp nghiên cứu khác nhau nhằm đạt hiệu quả cao nhất có thể liệt kê sơ qua:

 Phân tích và tổng hợp lý thuyết

 Nghiên cứu sách báo, qua mạng internet

 Xây dựng thuật toán, viết chương trình

TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT

KHOA ĐIỆN-ĐIỆN TỬ

CỘNG HÒA XÃ HÔI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM

Độc lập - Tự do - Hạnh phúc

NHIỆM VỤ ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP Giảng viên hướng dẫn: Th.S PHAN NGỌC KỲ

Sinh viên thực hiện: MAI THÀNH LONG Mã SV: 1811505410119

PHAN PHƯỚC HIỀN Mã SV: 1811505410111

HỒ NGỌC LINH Mã SV: 1811505410117

1 Tên đề tài:

THIẾT KẾ MÔ HÌNH ROBOT TỰ HÀNH THIẾT LẬP BẢN ĐỒ, LỘ TRÌNH DI

CHUYỂN

2 Các số liệu, tài liệu ban đầu:

Tìm hiểu lựa chọn các giải pháp, các linh kiện sản phẩm thích hợp

- Tìm hiểu tổng quan về đề tài

- Tìm hiểu chuẩn giao tiếp UART, động cơ DC

- Tìm hiểu về vi điều khiển STM32F103C8T6

- Thiết kế và chế tạo sản phẩm

- Xây dựng thuật toán điều khiển cho vi điều khiển STM32F103C8T6

- Chạy thử nghiệm mô hình, chinh sửa và hoàn thiện robot

- Viết báo cáo đồ án tốt nghiệp

3 Nội dung chính của đồ án:

- Tìm hiểu tổng quan, xác định mục tiêu đề tài

- Tính toán, thiết kế web và các khối chức năng của hệ thống

- Viết báo cáo đồ án tốt nghiệp

4 Các sản phẩm dự kiến :

- Báo cáo tổng kết đồ án tốt nghiệp

- Mô hình thực tế robot tự hành thiết lập bản đồ

5 Ngày giao đồ án: 21/02/2022

6 Ngày nộp đồ án: 05/06/2022

Đà Nẵng, ngày tháng 06 năm 2022

TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT

KHOA ĐIỆN-ĐIỆN TỬ

CỘNG HÒA XÃ HÔI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM

Độc lập - Tự do - Hạnh phúc

ĐỀ CƯƠNG ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP Giảng viên hướng dẫn: Th.S PHAN NGỌC KỲ

Sinh viên thực hiện: MAI THÀNH LONG Mã SV: 1811505410119

PHAN PHƯỚC HIỀN Mã SV: 1811505410111

- Tìm hiểu tổng quan, xác định mục tiêu đề tài

- Tìm hiểu và sử dụng các công nghệ STM32CUBEMX, lập trình trên vi điều khiển STM32

- Sử dụng nguồn năng lương mặt trời

- Thiết kế mô hình, viết chương trình

- Thiết kế và thi công mô hình

- Chạy thử nghiệm và cân chỉnh mô hình

- Viết báo cáo đồ án tốt nghiệp

4 Kết quả dự kiến đạt được

Nhóm mong muốn đạt được những thành tựu nhất định thông qua việc nghiên cứu, tìm hiểu các đối tượng liên quan đến đề tài, có thể thiết kế được một mô hình thực tế hoàn chỉnh, tinh gọn nhẹ đáp ứng được yêu cầu đặt ra từ lúc đầu Cụ thể như sau:

- Hiểu và vận dụng được những vấn đề cơ của Module ESP 8266 và Kit STM32

- Tính toán, thiết kế và chế tạo sản phẩm robot thiết lập bản đồ

- Hoàn thành báo cáo đồ án tốt nghiệp đúng tiến độ và yêu cầu đặt ra

Đà Nẵng, ngày tháng 06 năm 2022

BỘ MÔN DUYỆT NGƯỜI HƯỚNG DẪN SINH VIÊN

LỜI NÓI ĐẦU

Lời đầu tiên, nhóm thực hiện đề tài xin gửi lời cảm ơn chân thành đến thầy Phan Ngọc Kỳ - giảng viên khoa Điện – Điện tử, đã theo sát hỗ trợ và hướng dẫn nhóm một cách chi tiết trong quá trình thực hiện đề tài Thầy luôn hỗ trợ hết mình, giải đáp thắc mắc, chỉ ra sai sót cũng như gợi ý những phương án thực hiện sao cho khả thi và dễ tiếp cận nhất

Trong quá trình thực hiện Đồ án tốt ngiệp chúng em đã nhận được sự giúp đỡ và ủng hộ của các thầy trong khoa Điện – Điện tử sự hỗ trợ của các thầy đã góp phần không nhỏ giúp chúng em hoàn thành đề tài này

Nhóm chúng em cũng xin cảm ơn các bạn sinh viên trong khoa Điện – Điện tử đã nhiệt tình giúp đỡ, hỗ trợ nhóm, chia sẻ kinh nghiệm Những đóng góp của các bạn luôn được nhóm tiếp nhận và xem xét kĩ lưỡng

Cuối cùng, nhóm xin cảm ơn chân thành và sâu sắc đến những người thân đặc biệt

là quý phụ huynh - những người luôn bên cạnh hỗ trợ hết mình về tài chính cũng như tinh thần trong suốt quá trình học tập cũng như thực hiện đề tài này

Dù đã cố gắng và nỗ lực tuy nhiên với những hạn chế về kiến thức và kinh nghiệm,

đề tài không thể tránh được còn nhiều thiếu sót Nhóm mong nhận được sự đóng góp, nhận xét để của các thầy, cô và bạn bè để có thể hoàn thiện đề tài hơn

Xin chân thành cảm ơn!

Người thực hiện đề tài

Phan Phước Hiền

Mai Thành Long

Hồ Ngọc Linh

CAM ĐOAN

Chúng em xin cam đoan đề tài: “Thiết kế mô hình robot tự hành thiết lập bản đồ, lộ trình

di chuyển ” là một công trình nghiên cứu độc lập dưới sự hướng dẫn của giáo viên hướng dẫn: ThS Phan Ngọc Kỳ Ngoài ra không có bất cứ sự sao chép của người khác Đề tài, nội dung báo cáo tốt nghiệp là sản phẩm mà nhóm chúng em đã nỗ lực nghiên cứu trong thời gian qua Các số liệu, kết quả trình bày trong báo cáo là hoàn toàn trung thực, em xin chịu hoàn toàn trách nhiệm, kỷ luật của bộ môn và nhà trường đề ra nếu như có vấn đề xảy ra

Đã bổ sung, cập nhật theo yêu cầu của Giảng viên phản biện và Hội đồng chấm Đồ án tốt nghiệp họp ngày 17, 18/6/2022

Đà Nẵng, ngày… tháng… năm 2022

Sinh viên thực hiện 1

Phan Phước Hiền

Sinh viên thực hiện 2

Hồ Ngọc Linh

Sinh viên thực hiện 3

Mai Thành Long

MỤC LỤC NHẬN XÉT ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP

NHẬN XÉT PHẢN BIỂN ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP

LỜI NÓI ĐẦU i

CAM ĐOAN ii

MỞ ĐẦU 1

Chương 1: TỔNG QUAN ĐỀ TÀI 2

1.1 Đặt vấn đề 2

1.2 Các doanh nghiệp sản xuất Robot: 3

1.3 Các ứng dụng của Robot 3

1.4 Các loại robot điều khiển hiện nay 5

1.5 Mô hình Robot tự hành trong nông nghiệp 8

1.6 Mô hình Robot nước ngoài 9

1.7 Mục tiêu 10

1.8 Phương pháp nghiên cứu 11

1.9 Nội dung đề tài 11

Chương 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT 12

2.1 Tổng quan về vi điều khiển STM32F103C8T6 12

2.1 Giao tiếp UART 18

2.2 Giới thiệu về Android 19

2.3 Giới thiệu chung về bluetooth 19

2.4 Nguồn năng lượng mặt trời 20

2.4.1 Khái niệm: 20

2.4.2 Tìm năng năng lượng mặt trời ở Việt Nam 21

2.5 Module ESP 8266 22

2.6 Module điều khiển L298N 23

2.7 Module thu phát BLUETOOH HC-05 25

Động cơ giảm tốc DC 26

2.10 Mạch sạc pin 18650 tích hợp tăng áp 28

2.11 Pin 18650 29

Chương 3: XÂY DỰNG THIẾT KẾ HỆ THỐNG 30

3.1 Thiết kế sơ đồ khối 30

3.2 Nguyên lý hoạt động 32

3.3 Lưu đồ thuật toán điều khiển xe di chuyển 33

3.4 Lưu đồ thuật toán cho xe chạy theo lộ trình trước đó 36

3.5 Thiết kế Web: 38

KẾT QUẢ 45

ĐÁNH GIÁ VÀ NHẬN XÉT KẾT QUẢ 50

KẾT LUẬN 53

TÀI LIỆU THAM KHẢO 55

PHỤ LỤC 1

Mục Lục Hình

Hình 1 Robot hàn trong công nghiệp sản xuất cơ khí 4

Hình 2 Ứng dụng của robot trong các hệ thống sản xuất linh hoạt 4

Hình 3 Robot được sử dụng trong công đoạn cấp vật liệu và lắp ráp 5

Hình 4 Robot điều khiển từ xa 5

Hình 5 Robot chạy theo line 6

Hình 6 Robot độc lập 7

Hình 7 Robot di động 7

Hình 8 Robot RG150 8

Hình 9 Robot bằng năng lượng mặt trời 8

Hình 10 Robot phục vụ cho quân sự 9

Hình 11 Robot quân sự 10

Hình 12 Robot quân sự 10

Hình 13 Mạch STM32F103C8T6 12

Hình 14 Sơ đồ xung clock của STM32F103C8T6 14

Hình 15 Thành ghi cấu hình chức năng của chân GPIO của port 16

Hình 16 Thanh ghi đọc giá trị ngõ vào 17

Hình 17 Thanh ghi chọn giá trị ngõ ra của port 17

Hình 18 Logo ardroid 19

Hình 19 Logo Bluetooth 20

Hình 20 Bluetooth kết nối với các thiết bị 20

Hình 21 Năng lượng mặt trời 21

Hình 22 Bảng bức xạ mặt trời tại Việt Nam 21

Hình 23 Module ESP8266 22

Hình 24 Module điều khiển động cơ L298N 23

Hình 25 Module Bluetooth HC-05 26

Hình 26 Động cơ DC 26

Hình 27 Pin mặt trời 27

Hình 28 Mạch sạc pin 18650 28

Hình 29 Pin 18650 29

Hình 30 Sơ đồ khối 30

Hình 31 Khối nguồn 30

Hình 32 STM32F103C8T6 31

Hình 33 Khối Driver động 31

Hình 36 Phân bố linh kiện 48 Hình 37 Mô hình đạt được 49

MỞ ĐẦU

Cùng với sự phát triển không ngừng của các ngành khoa học kỹ thuật, các ngành công nghiệp cũng phát triển nhanh chóng Việc áp dụng các máy móc hiện đại vào sản xuất là một yêu cầu không thể thiếu trong các nhà máy nhằm tăng năng suất, tăng chất lượng và giảm giá thành sản phẩm Song song với sự phát triển đó, công nghệ chế tạo Robot cũng phát triển nhanh chóng đặc biệt là ở các nước phát triển nhằm đáp ứng các nhu cầu về sản xuất, sinh hoạt, quốc phòng…Robot có thể thực hiện những công việc mà con người khó thực hiện và thậm chí không thực hiện được như: làm những công việc đòi hỏi độ chính xác cao, làm việc trong môi trường nguy hiểm, thám hiểm không gian vũ trụ…

Trong các họ Robot, chúng ta không thể không nhắc tới Robot tự hành với những đặt thù riêng mà những loại Robot khác không có Với khả năng di chuyển linh hoạt và vùng hoạt động rộng, thu hút nhiều sự đầu tư nghiên cứu hiện nay Robot tự hành có thể phân chia thành nhiều loại theo cách vận hành (Robot di chuyển bằng chân, bánh xe, xích,…)

Từ những suy nghĩ đó chúng em sử dụng kiến thức còn hạn chế của mình để nghiên cứu về robot điều khiển thông qua Bluetooth và vi xử lý STM32

Đề tài gồm các 3 chương:

Chương 1: Tổng quan đề tài

Chương 2: Cơ sở lý thuyết

Chương 3: Xây dựng thiết kế hệ thống

Chương 1: TỔNG QUAN ĐỀ TÀI

2.1 Đặt vấn đề

Ngành công nghiệp robot đang phát triển một cách tiềm năng và đầy hứa hẹn, vì trí tuệ nhân tạo và công nghệ phần mềm đang liên tục phát triển Trong tương lai gần, nhờ những tiến bộ này, robot sẽ tiếp tục được cải tiến, trở nên thông minh hơn, linh hoạt hơn

và tiết kiệm năng lượng hơn rất nhiều Chúng cũng sẽ tiếp tục là đầu mối chính cho các nhà máy thông minh, nơi mà thường xuyên đối mặt với những thách thức khó khăn trong việc sử dụng con người Vì thế mà sử dụng robot giúp đảm bảo chuỗi cung ứng trên toàn cầu

Thuật ngữ Robot xuất hiện lần đầu tiên vào năm 1922 trong tác phẩm “Rossum’s Universal Robot” của Karel Capek Trong tác phẩm nhân vật Rossum và con trai đã tạo

ra chiếc máy giống con người để phục vụ cho con người Robot tự hành là loại máy tự động có khả năng di chuyển trong một số môi trường nhất định Robot hiện đang được các nhà nghiên cứu chú trọng và hầu như các trường đại học lớn đều có phòng thí nghiệm

để tập trung nghiên cứu loại Robot này Chúng cũng được sử dụng trong các ngành công nghiệp, quân sự và sinh hoạt…, như trong sinh hoạt có Robot hút bụi, lau nhà hay cắt cỏ…

Hình dạng Robot xuất hiện đầu tiên ở nước Hoa Kỳ, là loại tay máy chép hình dung trong phòng thí nghiệm vật liệu phóng xạ Vào những năm 50 của thế kỷ trước, bên cạnh các loại tay máy chép hình cơ khí, các loại tay máy chép hình thủy lực điện tử đã xuất hiện Tuy nhiên, các tay máy thương mại đều có chung nhược điểm là thiếu sự di động, các tay máy này hoạt động hạn chế quanh vị trí của nó Ngược lại, Robot tự hành là lại Robot di động có thể di chuyển từ vị trí này đến vị trí khác một cách độc lập hay được điều khiển từ xa, do đó tạo không gian hoạt động lớn

Ở nước ta cũng đã có rất nhiều đề tài nói về Robot di động như là Robot tránh vật cản, Robot leo tường, Robot leo cầu thang… Nhưng chúng em chưa tìm thấy đề tài nào nói về Robot di chuyển linh hoạt đa hướng cũng như là áp dụng khả năng lưu lại lộ trình để tự vận hành mà không cần sự điều khiển của con người Nếu có về tài liệu thì cũng chỉ có một số ít tài liệu khái quát, chưa có tài liệu kỹ thuật chi tiết về Robot trên Khả năng lưu lại lộ trình để tự vận hành trên Robot còn khá mới mẻ, chưa được thấy nhiều ở các định hướng cho Robot

Do đó, lập trình bản đồ và lưu lại lộ trình cho Robot là một việc rất cần thiết và cấp bách góp phần vào sự phát triển cho Robot sau này ở Việt Nam Vì thế việc thiết kế một “

Mô hình Robot tự hành thiết lập bản đồ, lộ trình di chuyển” sử dụng chip vi xử lý STM32

và điều khiển bằng Module Bluetooth HC-05 là vấn đề mà chúng em cần phải nghiên cứu trong đề tài này

1.2 Các doanh nghiệp sản xuất Robot:

Công ty chế tạo robot Fanuc Robotic là một trong những hãng thiết kế sản xuất Robot lớn nhất đến từ Nhật Bản Fanuc được thành lập năm 1958 là một thương hiệu kín tiếng nhưng uy tín bậc nhất trong làng sản xuất robot

Với hệ thống máy móc hiện đại, dâu chuyền sản xuất chuyên nghiệp, Fanuc đã phân phối Robot các loại ra khắp thị trường Việt Nam lẫn quốc tế

Hiện nay Fanuc đã mở đại lý chi nhánh tại Hà Nội với lượng khách hàng ổn định và luôn tiếp tục tăng

1.3 Các ứng dụng của Robot

Các loại robot tham gia vào qui trình sản xuất cũng như trong đời sống sinh hoạt của con người, nhằm nâng cao năng suất lao động của dây chuyển công nghệ, giảm giá thành sản phẩm, nâng cao chất lượng cung như khả năng cạnh tranh của sản phẩm tạo ra Robot

có thể thay thế con người làm việc ổn định bằng các thao tác đơn giản và hợp lý, đông thời có khả năng thay đổi công việc để thích nghi với sự thay đổi của qui trình công nghệ

Sự thay thế hợp lý của Robot còn góp phần giảm giá thành sản phẩm, tiết kiệm nhân công

ở những nước mà nguồn nhân công là rất ít hoặc chi phí cao như: Nhật bản, các nước Tây

Âu, Hoa kỳ… tất nhiên nguồn năng lương của robot là rất lớn, chính vì vậy nếu có nhu cầu tăng năng suất thì cần có sự hỗ trợ của chúng mới thay thế được sức lao động của con người Chúng có thể làm những công việc đơn giản nhưng dễ nhầm lẫn, nhàm chán Robot có khả năng nghe được siêu âm, cảm nhận được từ trường bên cạnh đó, một ưu điểm nổi bật của robot là môi trường làm việc Chúng có thể thay thế con người làm việc

ở những môi trường độc hại, ẩm ướt, bụi bặm nguy hiểm Ở những nơi như các nhà máy hoá chất, các nhà máy phóng xạ, trong lòng đại dương, hay các hành tinh khác…thì việc ứng dụng của robot để cải thiện điều kiện làm việc là rất hữu dụng

Ứng dụng của robot trong các lĩnh vực sản xuất cơ khí Trong lĩnh vực cơ khi, robot được ứng dụng khá phổ biến nhờ khả năng hoạt động chính xác và tính linh hoạt cao Các loại robot hàn là một ứng dụng quan trọng trong các nhà máy sản xuất ô tô, sản xuất các loại vỏ bọc cơ khí…

Hình 1: Robot hàn trong công nghiệp sản xuất cơ khí

Ngoài ra người ta còn sử dụng robot phục vụ cho công nghệ đúc, một môi trường nóng bức, bụi bặm và các thao tác luôn đòi hỏi độ tin cậy

Đặt biệt trong các hệ thống sản xuất linh hoạt (FMS), Robot còn đóng vai trò rất quan trọng trong việc vận chuyển và kết nối các công đoạn sản xuất với nhau

Hình 2: Ứng dụng của robot trong các hệ thống sản xuất linh hoạt

Ứng dụng trong lĩnh vực gia công lắp ráp Các thoa tác này thường được tự động hoá bởi các robot được gia công chính xác và mức độ tin cậy cao

Hình 3: Robot được sử dụng trong công đoạn cấp vật liệu và lắp ráp

Ứng dụng trong các hệ thống y học, quân sự, khảo sát địa hình, y tế, … rất được quan tâm Nhờ khả năng hoạt động ổn đinh và chính xác, robot đặc biệt là tay máy trong kỹ thuật dò tìm, bệ phóng, và trong các ca phẫu thuật y khoa với độ tin cậy cao

Ngoài ra, tuỳ thuộc vào các ứng cụ thể khác mà robot được thiết kế để phục vụ cho các mục đích khác nhau, tận dụng được các ưu điểm lơn của chúng đồng thời thể hiện khả năng công nghệ trong quá trình làm việc

1.4 Các loại robot điều khiển hiện nay

Robot điều khiển từ xa bằng tay

Robot điều khiển từ xa bằng tay được điều khiển thông qua sóng RF, wifi, hồng ngoại hay Bluetooth… Robot điều khiển từ xa giúp con người tránh khỏi những nguy hiểm Ví

dụ Robot điều khiển từ xa bằng tay gồm có: Military-Robot và iRobot’s PackBot,…

Hình 4: Robot điều khiển từ xa

Robot thực thi theo lộ trình

Một vài Robot tự động đầu tiên là những con Robot theo lộ trình Chúng có thể theo những đường được sơn khắc trên sàn trên trần nhà hay một dây điện Đa số những Robots này hoạt động theo một thuật toán đơn giản là giữ lộ trình trong bộ cảm biến trung tâm, chúng không thể vòng qua các chứng ngại vật, chúng chỉ dừng lại khi có vật nào đó cản đường chúng Rất nhiều mẫu của loại Robot này vẫn được bán bởi FMC, Egemin, HK sytem và một vài công ty khác

Hình 5: Robot chạy theo line

Robot ngẫu nhiên hoạt động độc lập

Robot hoạt động độc lập với những chuyển động ngẫu nhiên, về cơ bản đó là những chuyển động nhảy bật lên tường, những bức tường được cảm nhận do sự cản trở về mặt vật lý như máy hút bụi Roomba hoặc với bộ cảm biến điện tử của máy cắt cỏ Friendly Robotic

Hình 6: Robot độc lập

Robot di động

Ro-bot di động di chuyển độc lập trong không gian, hoạt động theo số đông và mang lại sự linh hoạt tuyệt đối cho ngành công nghiệp Điều này đặc biệt có liên quan trong lĩnh vực Logistics nội bộ

Hình 7: Robot di động

1.5 Mô hình Robot tự hành trong nông nghiệp

RG150 với khả năng tự vận hành với nhiều chế độ, vững chắc cho mọi địa hình

Hình 8: Robot RG150

Robot diệt cỏ chạy bằng năng lượng mặt trời

Hình 9: Robot bằng năng lượng mặt trời

- Robot nông nghiệp có thể thực hiện công việc được giao trong các điều kiện làm việc trong suốt thời gian của năm; không cần giám sát và thích nghi với điều kiện môi trường

- Các thiết bị Robot nhỏ bé sẽ ít tác động lên môi trường; giảm được việc sử dụng quá mức hóa chất và phân bón; sử dụng năng lượng phù hợp với yêu cầu; kiểm soát tốt hơn

1.6 Mô hình Robot nước ngoài

Hình 10: Robot phục vụ cho quân sự

- Tìm hiều về nguồn pin năng lượng mặt trời

- Tìm hiểu cài đặt môi trường và lập trình cho STM32

- Tìm hiểu về ESP 8266 tạo Web hiển thị lộ trình

- Tìm hiểu về HTML và CSS

- Nghiên cứu và chế tạo sản phẩm

1.8 Phương pháp nghiên cứu

Nhóm khi thực hiện đề tài đã sử dụng các phương pháp nghiên cứu như sau:

- Phân tích và tổng hợp lý thuyết

- Sách báo, qua mạng internet

- Tham khảo tài liệu

- Viết chương trình

- Lắp ráp và chạy thử robot

1.9 Nội dung đề tài

Đồ án tốt nghiệp “ Thiết kế mô hình robot tự hành thiết lập bản đồ, lộ trình di chuyển” được trình bày trong 3 chương như sau:

Chương 1: Giới thiệu đề tài

- Tổng quan đề tài: lịch sử robot, đặt vấn đề, ứng dụng robot, mục tiêu đồ án, nội dung đề tài

Chương 2: Cơ sở lý thuyết

- Tổng quan về hệ điều hành, linh kiện sử dụng trong đề tài

Chương 3: Xây dựng thiết kế hệ thống

- Trình bày sơ đồ khối và nguyên lý hoạt động

- Trình bày lưu đồ thuật toán điều khiển xe

- Trình bày lưu đồ thuật toán cho xe chạy lại lộ trình

Chương 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT 2.1 Tổng quan về vi điều khiển STM32F103C8T6

STM32 là một trong những dòng chip phổ biến của ST với nhiều họ thông dụng như F0, F1, F2, F3, F4… Stm32F103 thuộc họ F1 với lõi là ARM COTEX M3 STM32F103 là vi điều khiển 32 bit, tốc độ tối đa là 72Mhz Giá thành cũng khá rẻ so với các loại vi điều khiển có chức năng tương tự Mạch nạp cũng như công cụ lập trình khá

đa dạng và dễ sử dụng

Một số ứng dụng chính: dùng cho driver để điều khiển ứng dụng, điều khiển ứng dụng thông thường, thiết bị cầm tay và thuốc, máy tính và thiết bị ngoại vi chơi game, GPS cơ bản, các ứng dụng trong công nghiệp, thiết bị lập trình PLC, biến tần, máy in, máy quét, hệ thống cảnh báo, thiết bị liên lạc nội bộ…

Phần mềm lập trình: có khá nhiều trình biên dịch cho STM32 như IAR Embedded Workbench, Keil C…

Thư viện lập trình: có nhiều loại thư viện lập trình cho STM32 như STM32snippets, STM32Cube LL, STM32Cube HAL, Standard Peripheral Libraries, Mbed core Mỗi thư viện đều có ưu và khuyết điểm riêng, ở đây nhóm sử dụng bộ thư viện chuẩn của ST là Standard Peripheral Libraries vì nó ra đời khá lâu và thông dụng, hỗ trợ nhiều ngoại vi và cũng như dễ hiểu rõ bản chất của lập trình

Mạch nạp: có khá nhiều loại mạch nạp như: ULINK, J-LINK, CMSIS-DAP, STLINK…thông dụng và giá thành thấp nhất là Stlink

Hình 13:Mạch STM32F103C8T6

Cấu trúc hệ thống

Dòng ARM Cortex là một bộ xử lý 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 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

+ Dòng M dành cho các ứng dụng vi điều khiển và chi phí thấp.4

STM32F103C8T6 được thiết kế dựa trên dòng Cortex-M3, dòng Cortex-M3 được thiết kế đặc biệt để nâng cao hiệu suất hệ thống, kết hợp với tiêu thụ năng lượng thấp, CortexM3 được thiết kế trên nền kiến trúc mới, do đó chi phí sản xuất đủ thấp để cạnh tranh với các dòng vi điều khiển 8 và 16-bit truyền thống, xung clock tối đa là 72Mhz

Bộ nhớ

Bộ nhớ Flash được tổ chức như là 1 khối chính (main block) và 1 khối thông tin (information block) lên đến 64 Kb (hoặc 128 Kb) chia thành 128 pages, mỗi page 1 Kbytes (medium-density devices) Ngoài ra bộ nhớ SRAM có dung lượng 20 kbytes

Clock, reset và quản lý nguồn

Điện áp hoạt động 2.0V -> 3.6V

Có các chế độ quản lý nguồn như Power on reset(POR), Power down reset(PDR) và programmable voltage detector (PVD)

Thạch anh nội dùng dao động RC ở mode 8Mhz hoặc 40khz

Sử dụng thạch anh ngoài 32.768khz được sử dụng cho RTC

Hình 14: Sơ đồ xung clock của STM32F103C8T6

Khối ADC

Có 2 bộ ADC 12 bit tương ứng với giá trị maximum là 4095 với 9 kênh cho mỗi bộ

Có các ngắt hỗ trợ như End conversion, End of Injected Conversion and Analog Watchdog Event

Single mode hay Continuous mode

Tự động calib và có thể điều khiển hoạt động ADC bằng xung Trigger

Thời gian chuyển đổi nhanh: 1us tại tần số 65Mhz

Có bộ DMA giúp tăng tốc độ xử lý

Khối timer

Có 7 timer

3 timer 16 bit hỗ trợ các mode IC/OC/PWM

1 timer 16 bit hỗ trợ để điều khiển động cơ với các mode bảo vệ như ngắt input, dead-time

Watchdog timer dùng để bảo vệ và kiểm tra lỗi

1 sysTick timer 24 bit đếm xuống

Hỗ trợ 9 kênh giao tiếp bao gồm:

2 bộ I2C (SMBus/PMBus)

3 bộ USART (ISO 7816 interface, LIN, IrDA capability, modem control)

2 SPIs (18 Mbit/s)

1 bộ CAN interface (2.0B Active)

USB 2.0 full-speed interface

Tìm hiểu GPIO

GPIO là từ viết tắt của General purpose I/O ports là nơi giao tiếp chung giữa tín hiệu ra và tín hiệu vào Ở STM32 thì các chân GPIO chia ra làm nhiều Port như PortA, PortB Số lượng Port phụ thuộc vào số lượng chân (pin) và cách gọi phụ thuộc vào nhà sản xuất (ví dụ có loại vi điều khiển có PortA mà lại không có PortD) Mỗi Port thường có 16 chân đánh số từ 0 -> 15 tương ứng với mỗi chân là 1bit Mỗi chân có 1 chức năng khác nhau như analog input, external interrupt hay đơn thuần chỉ là xuất tín hiệu on/off ở mức 0,1 Chức năng của mỗi chân được cung cấp trong datasheet của nhà sản xuất

Các chế độ hoạt động với GPIO của STM32:

Input floating: cấu hình chân I/O là ngõ vào và để nổi

Input pull-up: cấu hình chân I/O là ngõ vào, có trở kéo lên nguồn

Input-pull-down: cấu hình chân I/O là ngõ vào, có trở kéo xuống GND

Analog: cấu hình chân I/O là Analog

Output open-drain: cấu hình chân I/O là ngõ ra, khi output control = 0 thì N-MOS sẽ dẫn, chân I/O sẽ nối VSS, còn khi output control = 1 thì P-MOS và N-MOS đều không dẫn, chân I/O được để nổi

Output push-pull: cấu hình chân I/O là ngõ ra, khi output control = 0 thì N-MOS sẽ dẫn, chân I/O sẽ nối VSS, còn khi output control = 1 thì P-MOS dẫn, chân I/O được nối VDD

Alternate function push-pull: sử dụng chân I/O vừa là ngõ ra và vừa là ngõ vào, tuy nhiên sẽ không có trở kéo lên và kéo xuống ở input, chức năng output giống Output push-pull

Alternate function push-pull: sử dụng chân I/O vừa là ngõ ra và vừa là ngõ vào, tuy nhiên sẽ không có trở kéo lên và kéo xuống ở input, chức năng output giống Output open-drain

Các thanh ghi cấu hình GPIO trong STM32F103C8T6

Thanh ghi cấu hình port GPIOx_CRx

Hình 15: Thành ghi cấu hình chức năng của chân GPIO của port

Mỗi chân GPIO có 2 cặp bit để cài đặt CNF quyết định là chế độ là analog, floating, pull-up… còn MODE quyết định là ngõ vào hay ngõ ra Ngõ ra với tốc độ bao nhiêu Thông số cài đặt chi tiết như sau:

2bit mode:

00: Input mode (reset state)

01: Output mode, max speed 10 MHz

10: Output mode, max speed 2 MHz

11: Output mode, max speed 50 MHz

2bit CNF: có 2 trường hợp

Khi là input:

00: Analog mode

01: Floating input (reset state)

10: Input with pull-up / pull-down

11: Reserved

Khi là output:

00: General purpose output push-pull

01: General purpose output Open-drain

10: Alternate function output Push-pull

11: Alternate function output Open-drain

Thanh ghi đọc giá trị ngõ vào- GPIOx_IDR với x là tên port

Hình 16 Thanh ghi đọc giá trị ngõ vào

Đây là thanh ghi đọc giá trị đầu vào của từng chân Khi đầu vào ở chân nào đó có mức logic là 1 thì bit tương ứng với chân đó sẽ có giá trị là 1 Và ngược lại là 0

Thanh ghi chọn giá trị ngõ ra của port- GPIOx_ODR với x là tên port

Hình 17: Thanh ghi chọn giá trị ngõ ra của port

Đây là thanh ghi quyết định mức logic của đầu ra trên chân STM32 tương ứng với mode output Giá trị của bit nào ở mức cao thì output của nó sẽ ở mức cao nếu sử dụng mode output push pull và ngược lại Riêng mode output open drain thì có chút khác biệt

Timer và PWM

STM32F103C8 có tất cả 7 timer nhưng trong đó bao gồm 1 systick timer, 2 watchdog timer nên chỉ còn lại 4 timer dùng cho các chức năng khác như ngắt, PWM, Encoder, Input capture… Trong đó TIM1 là Timer đặc biệt, chuyên dụng cho việc xuất xung với các mode xuất xung, các mode bảo vệ đầy đủ hơn so với các timer khác TIM1 thuộc khối clock APB2, còn các TIM2, TIM3, TIM4 thuộc nhóm APB1

Có 3 vấn đề cần quan tâm khi sử dụng timer đó là:

Timer clock

Prescaler

Auto Reload Value

Prescaler là bộ chia tần số của timer Bộ chia này có giá trị tối đa là 16 bit tương ứng với giá trị là 65535 Các giá trị này có thể được thay đổi và điều chỉnh bằng lập trình

Tần số sau bộ chia này sẽ được tính là:

Trong đó:

𝑓CK_CNT: tần số sau bộ chia

𝑓CK_PSC: tần số clock đầu vào cấp cho timer

PSC: giá trị truyền vào được lập trình bằng phần mềm

Auto Reload Value là giá trị bộ đếm tối đa có thể được điều chỉnh để nạp vào cho timer Giá trị bộ đếm này được cài đặt tối đa là 16bit tương ứng với giá trị là 65535.Từ các thông số trên ta rút ra công thức cần tính cuối cùng đó là:

𝐹TIMER : là giá trị cuối cùng của bài toán, đơn vị là hz

𝑓SYSTEM : tần số clock hệ thống được chia cho timer sử dụng, đơn vị là hz PSC: giá trị nạp vào cho bộ chia tần số của timer Tối đa là 65535

Period: giá trị bộ đếm nạp vào cho timer Tối đa là 65535

Ngắt timer: khi giá trị đếm của bộ đếm timer (thanh ghi CNT) vượt qua giá trị của Auto Reload Value thì cờ báo tràn sẽ được kích hoạt Trình phục vụ ngắt tràn sẽ xảy ra nếu được cấu hình cho phép trước đó

2.2 Giao tiếp UART

UART là viết tắt của cụm từ Universal synchronous asynchronous receiver transmitter nghĩa là bộ truyền nhận nối tiếp đồng bộ và không đồng bộ Thuật ngữ UART nói đến bộ truyền nhận nối tiếp không đồng bộ Đây là một ngoại vi cơ bản và thường dùng trong các quá trình giao tiếp với máy tính, với các vi điều khiển khác và với các module như:

RF, Wifi, Bluetooth…

Nếu ta sử dụng một dây để đồng bộ xung CLK giữa 2 thiết bị thì lúc này giao tiếp UART sẽ trở thành giao tiếp đồng bộ và không dùng sẽ là chuẩn giao tiếp không đồng

bộ

Ưu điểm của giao tiếp UART là tiết kiệm chân vi điều khiển vì chỉ cần sử dụng 2 chân là TX và RX, đây là ngoại vi mà tất cả các vi điều khiển đều có, ngoài ra thì cũng có khá nhiều module, cảm biến dùng UART để truyền nhận dữ liệu Tuy vậy nhược điểm của UART là tốc độ chậm, quá trình truyền nhận dễ xảy ra lỗi làm mất, sai dữ liệu nên trong quá trình truyền nhận cần tuân thủ các tiêu chuẩn và cần có các phương pháp để kiểm tra (thường là truyền thêm bit hoặc byte kiểm tra lỗi)

2.3 Giới thiệu về Android

Android là một nền tảng dành cho các thiết bị di động, trong đó phần lớn là điện thoại (Smartphone), Tablet, và hiện nay còn được phát triển cho các thiết bị khác như Tivi HD player Car controller,… Android được phát hiện dựa trên nền tảng linnux do Google phát hành Các ứng dụng được phát triển chủ yếu bằng ngôn ngữ java đồng thời cũng hỗ trợ Native C

Hình 18: Logo ardroid

2.4 Giới thiệu chung về bluetooth

Công nghệ bluetooth là công nghệ dựa trên tần số vô tuyến và bất cứ một thiết bị nào

có tích hợp bên trong công nghệ này đều có thể truyền thông với các thiết bị khác ở một khoảng cách nhất định về cự ly để đảm bảo công suất cho việc phát và nhận sóng Công nghệ này thường được sử dụng để truyền thông giữa 2 loại thiết bị khác với nhau

Hình 20: Bluetooth kết nối với các thiết bị

2.5 Nguồn năng lượng mặt trời

2.5.1 Khái niệm:

Năng lượng mặt trời là năng lượng của dòng bức xạ điện từ xuất phát từ mặt trời

và các ngôi sao Dòng năng lượng này sẽ tiếp tục phát ra cho đến khi phản ứng hạt nhân trên mặt trời hết nhiên liệu, vào khoảng 5 tỉ năm nữa Năng lượng bức xạ điện từ của mặt trời tập trung tại vùng quang phổ nhìn thấy Mỗi giây trôi qua, mặt trời giải phóng ra không gian xung quanh 3,827x1026 joule

Năng lượng mặt trời là nguồn năng lượng quan trọng điều khiển các quá trình khí tượng học và duy trì sự sống trên trái đất ngay ngoài khí quyển trái đất, cứ mỗi mét vuông diện tích vuông góc với ánh nắng mặt trời, chúng ta thu được dòng năng lượng khoảng 1.400 joule trong mỗi giây

Hình 21: Năng lượng mặt trời

2.5.2 Tìm năng năng lượng mặt trời ở Việt Nam

Việt nam là một trong những quốc gia có nguồn năng lượng mặt trời khủng lồ

Mặc dù các hoạt động nghiên cứu đã được triển khai từ 30 năm, nhưng đến nay

những sản phẩm sử dụng năng lượng mặt trời vẫn chưa thật sự được ứng dụng

rộng rãi so với tiềm năng

Hình 22:Bảng bức xạ mặt trời tại Việt Nam