THIẾT KẾ VÀ THI CÔNG ROBOT DÒ LINE SỬ DỤNG ARDUINO

Đồ án chuyên ngành GVHD Lê Thành Tới BỘ CÔNG THƯƠNG TRƯỜNG ĐẠI HOC CÔNG NGHIỆP THỰC PHẨM THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH KHOA ĐIỆN – ĐIỆN TỬ ~~~~~0~~~~~ ~~~~~0~~~~~ ĐỀ TÀI THIẾT KẾ VÀ MÔ PHỎNG ROBOT DÒ LINE DÙN.

TRƯỜNG ĐẠI HOC CÔNG NGHIỆP THỰC PHẨM

THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH KHOA ĐIỆN – ĐIỆN TỬ

LỚP: 09DHDT01

TRƯỜNG ĐẠI HOC CÔNG NGHIỆP THỰC PHẨM

THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH KHOA ĐIỆN – ĐIỆN TỬ

LỚP: 09DHDT01

Thành phố Hồ Chí Minh, ngày  tháng năm 2022

Giảng viên hướng dẫn

(Ký và ghi rõ họ tên)

Trong quá trình phân công giảng viên hướng dẫn và nhận đề tài với sự tìm hiểu và họctập tại trường và sự giúp đỡ tận tình của thầy cô KHOA ĐIỆN – ĐIỆN TỬ đặc biệt làthầy Lê Thành Tới Nay, em đã hoàn thành bài báo cáo đồ án chuyên ngành điện tử Tuynhiên, do kiến thức và kinh nghiệm của bản thân còn chưa hoàn thiện nên sẽ có sai sót,kính mong quý thầy cô KHOA ĐIỆN – ĐIỆN TỬ góp ý để em có thể sửa đổi và hoànthiện tốt hơn bài báo cáo của mình.

Cuối cùng, em xin chân thành cảm ơn tất cả các Quý Thầy, Cô trong KHOA ĐIỆN –ĐIỆN TỬ từ Trường Đại hoc Công nghiệp Thực Phẩm Thành phố Hồ Chí Minh Và đặcbiệt là thầy Lê Thành Tới đã tận tình hướng dẫn em trong suốt quá trình thực hiện đồ án.Chúc tất cả các Quý Thầy, Cô luôn mạnh khỏe và thành công trong công việc

Em xin chân thành cảm ơn!

Thành phố Hồ Chí Minh, ngày tháng năm 2022

BaoNguyễn Trần Gia Bảo

MỤC LỤC

1.1 Lý do chọn đề tài 1

1.2 Giới thiệu về Robot: 1

1.3 Mục tiêu chọn đề tài 3

1.4 Phương pháp thực hiện 3

2 CƠ SỞ LÝ THUYẾT 4

2.1 Arduino: 4

2.2 Cảm biến 4

2.3 Tìm hiểu về các cách xử lý tín hiệu cảm biến 5

2.4 Mô hình từ các cuộc thi 6

2.5 Cấu trúc điều khiển 9

3 TÍNH TOÁN VÀ THIẾT KẾ 11

3.1 Sơ đồ khối: 11

3.2 Giới thiệu Arduino Uno R3: 12

3.3 Mạch Arduino Uno R3: 13

3.4 Module L298 16

3.5 Module dò đường hồng ngoại 5 mắt, bánh xe đa hướng và động cơ giảm tốc 18

3.6 Sơ đồ đấu nối các linh kiện: 20

3.7 Sơ đồ khối: 22

3.8 Động cơ và phương pháp điều khiển tốc độ: 22

3.9 Bảng sự thật (điều khiển động cơ bằng L298); 23

3.10 Lập trình Robot: 24

4 KẾT LUẬN 28

4.1 Ưu và nhược điểm: 28

4.2 Ứng dụng 28

4.3 Hình thật Robot 28

TÀI LIỆU THAM KHẢO 30

2 TỔNG QUANG CHUNG

2.1 Lý do chọn đề tài

Con người đang phấn đấu thi đua sáng tạo ra các con robot có khả năng làm việc thaycho con người, chúng ta thường bắt gặp các con robot trong các dây chuyền công nghiệpsản xuất tự động hay robot giúp việc trong gia đình, robot có thể hoàn thành những côngviệc đơn giản đến phức tạp với năng xuất cao Tầm quan trọng phát triển lĩnh vực nàycũng như tiến tới sự phát triển vượt bậc của ngành công nghệ của robot với cuộc sốngcon người là rất lớn vì vậy con người đang hết sức cố gắng phát triển lĩnh vực này cũngnhư tiến tới sự phát triển vượt bậc của ngành công nghệ robot

Cũng chính vì mục đích đó mà em thực hiện đồ án điều khiển robot dò line Em thựchiện đề tài này với mong muốn tiếp thu kinh nghiệm về sản phẩm cơ điện tử, biết về ứngdụng của vi điều khiển và kiểm tra về khả năng của bản than

2.2 Giới thiệu về Robot:

Robot là một ngành kỹ thuật bao gồm thiết kế, chế tạo, vân hành vàứng dụng cũng như các hệ thống máy tính điều khiển, phản hồi tínhiệu cảm biến và xử lý thông tin của chúng Những công nghệ này liên

hệ với các máy móc tự động dùng để thay thế con người trong nhữngmôi trường độc hại hay trong các quá trình sản xuất hoặc bắt chướccon người về hình thức, hành vi

Với sự phát triển của công nghệ khiến Robot trong các ngành côngnghiệp được ứng dụng, do vậy các loại Robot trở nên đa dạng vàphong phú Robot theo không gian làm việc: để dịch chuyển khâu tácđộng cuối cùng của Robot đến vị trí của đối tượng thao tác được chotrước không gian làm việc cần phải có ba bậc chuyển động dời haychuyển động định vị Robot được phân loại theo sự phối hợp giữa batrục chuyển động cơ bản rồi sau đó được bổ sung để mở rộng thêmbậc chuyển động nhằm tăng thêm độ linh hoạt Phân loại theo khônggian làm việc có thể phân loại theo các loại Robot sau:

 Robot tọa độ trụ

 Robot tọa độ cận

 Robot khớp bản lề

 Robot tọa độ vuông góc

Robot phân loại theo thế hệ có thể chia thành các mức như sau theo quá trình phát triển của Robot:

 Robot thế hệ thứ nhất: gồm các dạng robot hoạt động lặp lại theomột chu trình không thay đổi theo chương trình định trước;

 Robot thế hệ thứ hai: được trang bị các bộ cảm biến cho phép cungcấp tín hiệu phản hồi hỗ trợ lại hệ thống điều khiển về trạng thái,

vị trí không gian của robot cũng như những thông tin về môi trườngbên ngoài giúp bộ điều khiển có thể lựa chọn thuật toán thích hợp;

 Robot thế hệ thứ ba: được trang bị những thuật toán xử lý cácphản xạ logic thích nghi theo những thông tin và tác động của môitrường lên chúng

 Robot thế hệ thứ tư: các robot xử dụng thuật toán và cơ chế điềukhiển thích nghi được trang bị bước đầu khả năng lựa chọn các đápứng tuân theo một mô hình tính toán xác định trước nhằm tạo ranhững ứng xử phù hợp với điều kiện của môi trường thao tác;

 Robot thế hệ thứ năm: là tập hợp các robot được trang bị các trítuệ nhân tạo

Robot được phân loại theo bộ điều khiển:

 Robot gắp đặt: thường nhỏ và sử dụng nguồn dẫn động khí nén,dùng bộ điều khiển PLC để thực hiện điều khiển

 Robot đường dẫn liên tục: sử dụng bộ điều khiển servo thực hiệnđiều khiển vòng kín, robot được lập trình theo một đường xácđịnh

Robot được phân loại theo nguồn dẫn động:

 Robot dùng nguồn cấp điện: nguồn cấp cho robot thường là DC

để điều khiển động cơ DC, hệ thống nguồn AC cũng được chuyểnđổi sang nguồn DC;

 Robot dùng nguồn khí nén: được trang bị máy nén, bình chứa khí

và động cơ kéo máy nén được sử dụng trong các ứng dụng có tảitrọng nhỏ

 Robot dùng nguồn thủy lực: sử dụng lưu chất không nén được làdầu ép, hệ thống được trang bị bơm để tạo áp lực dầu.

Phân theo tính năng robot:

 Robot di động: nhiệm vụ chủ yếu của nó là di chuyển định vị, tìmđường đi tối ưu và vẽ lại bản đồ;

 Tay máy: hoạt động như cánh tay con người để cầm nắm, sắp, dichuyển;

 Điều khiển từ xa: có thể hiểu đó là khi con người tương tác vớicác vật thông qua một hệ thống trung gian

Như vậy, ta thấy robot có rất nhiều và đa dạng theo các cách khácnhau chúng đều được sản xuất ra với mục đích giúp ích cho con ngườitrong công việc nghiên cứu, làm việc, ứng dụng trong cuộc sống, từ đóthấy được tầm quan trọng của nó trong cuộc sống công nghệ ngàynay

 Khảo sát thực thế: tìm hiểu tháo lắp những con robot dò line ngoài đời, được thiết

kế bởi các anh chị đi trước học ngành cơ điện tử, từ đó tìm ra công đoạn sản suấtcon robot và những ý tưởng cải tiến máy móc

 Tìm hiểu qua các bài báo, bài viết liên quan.và qua internet để nghiên cứu môhình phù hợp

 Học hỏi kinh nghiệm từ giáo viên hướng dẫn

 Xem những video liên quan đến robot dò đường để rút ra tính toán cụ thể

3 CƠ SỞ LÝ THUYẾT

3.1 Arduino:

Arduino là là một nền tảng mã nguồn mở phần cứng và phần mềm Phần cứng arduino(các board mạch vi xử lý) nhằm xây dựng các ứng dụng tương tác với nhau hay với môitrường được thuận lợi hơn Phần cứng bao gồm một board mạch nguồn mở được thiết kếtrên nền tảng vi xử lý AVR Atmel 8 bit hoặc AVR Atmel 32 bit

Những module hiện tại được trang bị một cổng giao tiếp USB, 6 chân đầu vào analog, 14chân I/O kỹ thuật số tương thích với nhiều board mở rộng khác nhau Một mạch arduinobao gồm một vi điều khiển AVR với nhiều linh kiện bổ sung giúp dễ dàng lập trình và cóthể mở rộng với các mạch khác, một khía cạnh quan trọng của arduino là kết nối tiêuchuẩn của nó cho phép người dùng kết nối với CPU của board với các module thêm vào

có thể dễ dàng chuyển đổi được gọi là shield

3.2 Cảm biến

Cảm biến là thiết bị điện tử cảm nhận những trạng thái hay quá trình vật lý, hóa học haysinh học của môi trường cần khảo sát và biến đổi thành tín hiệu điện để thu thập thôngtin về trạng thái hay quá trình đó

Thông tin được sử lý để rút ra tham số định tính hay định lượng của môi trường, phục vụcác nhu cầu nghiên cứu khoa học kỹ thuật hay dân sinh và gọi ngắn gọn là đo đạc, phục

vụ trong truyền và xử lý thông tin hay trong điều khiển các quá trình khác

Cảm biến thường được đặt trong các vỏ bảo vệ tạo thành đầu thu hay đầu dò, có thể cokèm theo các mạch điện hỗ trợ và nhiều khi trọn bộ đó lại dược gọi luôn là cảm biến.

Có nhiều cảm biến khác nhau và có thể chia ra thành ba nhóm chính:

 Cảm biến vật lý: sóng điện từ, ánh sáng, tử ngoại, hồng ngoại, tia x, tia gamma,hạt bức xạ, nhiệt độ, áp xuất, âm thanh, khoảng cách;

 Cảm biến hóa học: độ ẩm, độ PH, các ion, hợp chất;

 Cảm biến sinh học: đường glucozo, protein, vi khuẩn

Một cảm biến được sử dụng khi đáp ứng các tiêu chí kỹ thuật xác định:

 Độ nhạy: gia số nhỏ nhất có thể phát hiện;

 Mức tuyến tính: khoảng giá trị được biến đổi có hệ số biến đổi cố định;

 Dải biến đổi: khoảng giá trị biến đổi sử dụng được;

 Ảnh hưởng ngược: khả năng gây thay đổi môi trường;

 Mức nhiễu ổn: tiếng ồn riêng và ảnh hưởng của tác nhân khác liên kết quả;

 Sai số xác định: phụ thuộc độ nhạy và mức nhiễu;

 Độ trôi: sự thay đổi tham số theo thời gian phục vụ hay thời gian tồn tại;

 Độ trễ: mức độ đáp ứng với thay đổi của quá trình;

 Độ tin cậy: khả năng làm việc ổn định, chịu những biến động lớn của môi trường;

 Điều kiện môi trường: dải nhiệt độ, độ ẩm

Cảm biến có vai trò quan trọng trong các bài toán điều khiển quá trình nói riêng và trongcác hệ thống điều khiển tự động nói chung, là thiết bị có khả năng cảm nhận

3.3 Tìm hiểu về các cách xử lý tín hiệu cảm biến

Sử dụng giải thuật so sánh

Dùng mạch lấy ngưỡng hay giải thuật lọc ngưỡng bằng lập trình để chuyển tín hiệu điện

áp đọc từ cảm biến về thành mức cao hay mức thấp, suy ra vị trí của xe so với đường line

Hình 1 Xử lí tín hiệu dung giải thuật so sánh

Sử dụng giải thuật xấp xỉ

Các giá trị đọc về qua phép xấp xỉ để tìm ra vị trí của đường line, phương pháp này cho

ra sai số phát hiện line nhỏ, có thể tới 2.6 mm

Hình 2 Xử lí tín hiệu dung giải thuật xấp xỉ

3.4 Mô hình từ các cuộc thi

Trên thế giới có rất nhiều cuộc thi dành cho robot về sự áp dụng kiến thức và công nghệ vào thực tiễn, nên có rất nhiều người tham gia với sự sáng tạo trong nghiên cứu họ đã cho ra rất nhiều mẫu xe di chuyển trên địa hình phức tạp cũng như cần thiết cho cuộc đua, họ mang đến những luồng gió mới trong nghiên cứu khoa học mang lại lợi ích kiến thức cho thế hệ sau này và dưới đây là một số cuộc thi hấp dẫn trên thế giới:

Japan Robotrace Contest 2014 - đội chiến thắng: CartisX04

Hình 3 Robot CartisX04

CartisX04 Thông số của xe:

Cảm biến: 6 bộ cảm biến hồng ngoại, 2 cảm biến gyrn;

Bánh sau: 4 bánh chủ động – 2 động cơ DC;

Bánh trước: 1 bánh lái có động cơ chỉ đạo;

Tốc độ tối đa: V

max = 4,2 (m/s);

Kết cấu giúp xe dễ cân bằng hơn nhưng phức tạp, xảy ra hiện tượng trượt khi

Cuộc thi ở Tây Ban Nha – đội chiến thắng: Silvestre

Hình 4 Robot Silvestre

Silvestre Thông số cuả xe:

Cảm biến: 8 bộ cảm biến hồng ngoại;

Bánh sau: 2 bánh chủ động – 2 động cơ DC;

Bánh trước: 1 bánh đa hướng – bánh mắt trâu;

Tốc độ tối đa: V max = 2,24 (m/s);

Kết cấu này khá đơn giản, độ đồng phẳng cao, xe rẽ được các bán kính cong nhỏ nhưng khó cân bằng

Cuộc thi Chibots ở Mỹ - đội chiến thắng: Fireball

Hình 5 Robot Fireball

Thông số của xe:

Cảm biến: 16 bộ cảm biến hồng ngoại;

4 bánh chủ động – 4 động cơ DC;

Vận tốc: 3 (m/s);

Kết cấu phức tạp, độ đồng phẳng thấp, khó điều

3.5 Cấu trúc điều khiển

Có rất nhiều cách điều khiển một hệ thống hay các mô hình, điều khiển như là một phầnkhông thể thiếu được cho quá trình để sản phẩm có thể vận hành được, sau đây là haicấu trúc điều khiển hay được dùng nhất:

 Cấu trúc điều khiển phân cấp

Mạch điều khiển phân cấp sử dụng nhiều vi điều khiển, mỗi vi điều khiển đảm nhận mộtchức năng riêng

Nhờ đó có sự chuyên biệt hóa, mỗi vi điều khiển chỉ đảm nhận một công việc giúp việckiểm tra lỗi chương trình dễ dàng

Các chức năng được thực hiện đồng thời không cần phải đợi hay bỏ qua các tác vụ ngắt.

Hình 6 Cấu trúc điều khiển phân cấp

 Cấu trúc điều khiển tập trung

Mạch chỉ sử dụng một vi điều khiển đảm nhận tất cả các chức năng nhờ vào đó màphần cứng đơn giản Tuy nhiên, không có sự chuyên biệt hóa nên khó cho việc kiểmtra lỗi chương trình, các chức năng không được thực hiện đồng thời khi chức năngnày đang thực hiện thì chức năng khác phải đợi

Hình 7 Cấu trúc điều khiển tập trung

4 TÍNH TOÁN VÀ THIẾT KẾ

4.1 Sơ đồ khối:

Hình 8 Sơ đồ khối của mạch

 Thiết kế xe ba bánh, 2 bánh chủ động ở phía sau điều khiển bằng hai động cơ DCđộc lập, bánh trước là bánh xe đa hướng

 Sử dụng cảm biến led để đọc và dùng giải thuật xấp xỉ vị trí tâm line và dùng bộđiều khiển tập trung (dùng 1 vi điều khiển)

Theo như sơ đồ cấu trúc :

 Ta sẽ chọn bộ điều khiển trung tâm là ARDUINO UNO R3, cảm biến sensorTCRT5000L, module L298 và động cơ DC giảm tốc.

4.2 Giới thiệu Arduino Uno R3:

Hình 9 Arduino Uno R3 Thông số kĩ thuật của Arduino Uno R3:

Điện áp hoạt động 5V DC ( chỉ được cấp qua cổng USB)

Điện áp vào khuyên dùng 7–12VDC

Điện áp vào dưới hạn 6–20VDC

Số chân digital I/O 14 (6 chân hardware PWM)

Số chân Analog 6 ( độ phân giải 10 bit)

Dòng tối đa trên mỗi chân I/O 30 mA

Dòng ra tối đa (5V) 500 mA

Dòng ra tối đa (3.3V) 50 mA

Bộ nhớ flash 32 KB ( Atmega328) với 0.5KB dùng

EEPROM 1 KB (Atmega328)

Vi điều khiển: Arduino UNO có thể sử dụng 3 vi điều khiển họ 8bit AVR là ATmega8,ATmega168, ATmega328 Bộ não này có thể xử lí những tác vụ đơn giản như điềukhiển đèn LED nhấp nháy, xử lí tín hiệu cho xe điều khiển từ xa, làm một trạm đonhiệt độ - độ ẩm và hiển thị lên màn hình LCD,…

Hình 10 Vi điều khiển ATmega328 họ 8bit

4.3 Mạch Arduino Uno R3:

Hình 11 Mạch Arduino Uno R3 Các thông số cơ bản của ARDUINO UNO R3:

Vi điều khiển: Atmega328P;

Điện áp hoạt động: 5V;

Điện áp đầu vào khuyên dùng: 7 – 12V;

Điện áp đầu vào giới hạn: 6 – 20V;

Chân Digital I/O: 14 (với 6 chân PWM output);

Chân PWM Digital I/O: 6;

Chân đầu vào Analog: 6;

Dòng sử dụng I/O Pin: 20mA;

Dòng sử dụng 3.3V Pin: 50mA;

Bộ nhớ Flash: 32 KB;

SRAM: 2 KB;

EEPROM: 1 KB;

ATmega8 hay ATmega168.

Nguồn sử dụng có thể được cấp nguồn 5V thông qua cổng USB hay cấp nguồn ngoài với điện áp khuyên dùng là 7-12V, thường thì cấp nguồn bằng 9V là hợp lý nhất nếu bạn không có sẵn nguồn từ cổng USB Nếu cấp nguồn vượt quá ngưỡng giới hạn trên bạn sẽ làm hỏng Arduino

Các chân năng lượng:

GND: cực âm của nguồn điện cấp cho Arduino uno khi bạn dùng các thiết bị sử dụng những nguồn điện riêng biệt thì những chân này phải được nối với nhau;

5V: cấp điện áp 5V đầu ra, dòng tối đa cho phép ở chân này là 500mA;

3.3V: cấp điện áp 3.3V đầu ra, dòng tối đa cho phép ở chân này là 50mA;

VIN: để cấp nguồn ngoài cho Arduino, bạn nối cực dương của nguồn với chân này và cực âm của nguồn với chân GND;

IOREF: điện áp hoạt động của vi điều khiển trên arduino uno được đo ở chân này;

RESET: reset vi điều khiển tương đương với việc chân reset được nối với GND qua 1 điện trở 10 KΩ

Các cổng vào/ra trên board Arduino: có 14 chân digital dùng để đọc hoặc xuất tín hiệu Chúng chỉ có hai mức điện áp là 0V và 5V với dòng vào/ra tối đa trên mỗi chân là 40mA

Ở mỗi chân đều có các điện trở pull-up từ ngay trong vi điều khiển

Một số chân digital có chức năng đặc biệt như sau:

2 chân Serial: 0 (RX) và 1(TX) dùng để gửi và nhận dữ liệu TTL Serial Arduino Uno có thể giao tiếp với thiết bị khác thông qua 2 chân này;

Chân PWM: 3, 5, 6, 9, 10, 11 cho phép bạn xuất ra xung PWM với độ phân giải 8 bit bằng hàm analogWrite();

Chân giao tiếp SPI: 10 (SS), 11 (MOSI), 12 (MISO), 13 (SCK) Ngoài chức năng thông thường 4 chân này còn dùng để truyền phát dữ liệu bằng giao thức SPI với các thiết bị khác;

LED 13: trên arduino có một led màu cam, nó được nối với chân 13 khi dùng sẽ sángARDUINO UNO R3: có 6 chân analog(A0 – A5) cung cấp độ phân giải tín hiệu 10 bit đểđọc giá trị điện áp trong khoảng 0V – 5V Đặc biệt Arduino UNO có 2 chân A4 (SDA) vàA5 (SCL) hỗ trợ giao tiếp I2C/TWI với các thiết bị khác

4.4 Module L298

Hình 12 Module L298