THIẾT kế CHẾ tạo và điều KHIỂN XE dò LINE (LINE FOLLOWING ROBOT)

TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ TPHCM VIỆN KỸ THUẬT KHOA CƠ ĐIỆN TỬ BÁO CÁO ĐỒ ÁN THIẾT KẾ HỆ THỐNG CƠ ĐIỆN TỬ Đề tài THIẾT KẾ, CHẾ TẠO VÀ ĐIỀU KHIỂN XE DÒ LINE (LINE FOLLOWING ROBOT) GVHD TS 1 | P a g e Mục.

THIẾT KẾ, CHẾ TẠO VÀ ĐIỀU KHIỂN XE DÒ LINE

(LINE FOLLOWING ROBOT)

GVHD: TS

Mục Lục

CHƯƠNG 1: TÌM HIỂU TỔNG QUAN 3

1.1 M ỤC TIÊU THIẾT KẾ 3

1.1.1 T ÌM HIỂU CÁC SẢN PHẨM TRÊN THỊ TRƯỜNG : 3

1.2 CÁC VẤN ĐỀ LIÊN QUAN: 6

1.2.1 Tìm hiểu về cảm biến: 6

1.2.2 Cảm biến quang điện trở và cảm biến hồng ngoại: 6

1.2.3 Tìm hiểu về các cách xử lí tín hiệu cảm biến: 7

1.2.4 Tìm hiểu về cấu trúc điều khiển: 9

1.2.5 Giải thuật điều khiển: 11

CHƯƠNG 2: LỰA CHỌN PHƯƠNG ÁN VÀ PHÂN CÔNG NHIỆM VỤ 12

2.1 Đ Ề XUẤT CẢM BIẾN : 13

2.2 L ỰA CHỌN CẢM BIẾN : 13

2.3 S Ố LƯỢNG CẢM BIẾN 14

2.4 G IẢI THUẬT XỬ LÍ TÍN HIỆU 14

2.5 P HƯƠNG ÁN ĐIỀU KHIỂN 14

2.6 G IẢI THUẬT ĐIỀU KHIỂN 15

2.7 P HƯƠNG ÁN THIẾT KẾ 16

CHƯƠNG 3: CƠ KHÍ 17

3.1 L ỰA CHỌN BÁNH XE 17

3.1.1 Lựa chọn bánh chủ động 17

3.1.2 Bánh bị động 17

3.2 T ÍNH TOÁN CHỌN ĐỘNG CƠ 17

CHƯƠNG 4: HỆ THỐNG ĐIỆN & CẢM BIẾN 19

4.1 S Ơ ĐỒ KHỐI ĐIỀU KHIỂN NGUỒN ĐIỆN 19

19

4.2 T HIẾT KẾ CẢM BIẾN 19

4.2.1 Chọn cảm biến 19

4.2.2 Tính toán giá trị điện trở 20

4.3 C HỌN LỰA CÁC LINH KIỆN , CÁC THIẾT BỊ ĐIỆN PHÙ HỢP : 21

CHƯƠNG 5 : MÔ HÌNH HÓA 22

5.1 M Ô HÌNH ĐỘNG HỌC : 22

Xét chuyển động tức thời của robot trong hệ tọa độ tuyệt đối 𝑂𝑥𝑦, ta có: 26

5.2 C ÁCH XÁC ĐỊNH VỊ TRÍ CỦA ROBOT : 27

5.3 B Ộ ĐIỀU KHIỂN TRACKING : 29

C HÚNG TA CÓ 3 TIÊU CHÍ THIẾT KẾ BỘ ĐIỀU KHIỂN : 29

-Thứ 1: Sử dụng bộ điều khiển On/Off 29

-Thứ 2:Sử dụng bộ điều khiển PID 30

-Thứ 3: Sử dụng bộ điều khiễn theo tiêu chuẩn ổn định của Lyapunov 30

5.3.1 BỘ ĐIỀU KHIỂN ON/OFF : 30

T RẠNG THÁI ON: 31

T RẠNG THÁI OFF: 32

CHƯƠNG 1: TÌM HIỂU TỔNG QUAN

1.1

Mục tiêu thiết kế

Cơ điện tử là tổng hòa của nhiều lĩnh vực như cơ khí,điều khiển,công nghệ thôngtin.Ngành công nghiệp cơ điện tử ngày càng có vai trò quan trọng và hết sức cần thiết đểđáp ứng các mục tiêu phát triển kinh tế,nhất là trong tiến trình công nghiệp-hiện đại hóanhanh như hiện nay.Nó đòi hỏi một nguồn nhân lực có trình độ cao để vận hành.Vì xã hộingày càng phát triển,công nghệ ngày càng thay thế con người như là robot có quy mô lớn:những cánh tay máy trong các dây truyền sản xuất,những hệ thống sản xuất tự động.Nhỏhơn là các robot có khả năng di chuyển,làm những công việc nguy hiểm thay thế conngười,robot giúp người già,robot bán hàng….Trong đó,xe dò line là công cụ cần thiết giúpcon người vận chuyển hàng hóa một cách thuận lợi,dễ dàng thiết kế,sử dụng.Nên trong đồ

án này chúng em thực hiện robot dò line,dù nó chỉ là một robot nhỏ,đơn giản nhưng đây lànền tảng để em làm được những cái lớn hơn,có ích hơn trong quá trình học tập và làm việccủa chúng em sau này

1.1.1 Tìm hiểu các sản phẩm trên thị trường:

 Ngoài nước

Cuộc thi Chibots ở Mỹ - Đội chiến thắng: Fireball

Hình 1.1 Hình ảnh thực tế và sơ đồ nguyên lý của Robot Fireball

Những sơ đồ nguyên lý này có chung các ưu điểm và nhược điểm sau:

- Ưu điểm: Hạn chế được hiện tượng trượt giữa các bánh khi xe thực hiện đổi

hướng

- Nhược điểm:Thiết kế cơ khí phức tạp và bán kính cong nhỏ nhất của xe sẽ bị

giới hạn bởi kết cấu của xe Giá thành cao đối với nhu cầu của sinh viên.

Thích hợp cho việc đua trên mặt đường phẳng

Japan Robotrace Contest 2014 - Đội chiến thắng: CartisX04

Hình 1.4 Hình ảnh thực tế và sơ đồ nguyên lý của CartisX04

- Nhược điểm: Kết cấu cơ khí phức tạp hơn tượng trượt bánh khi xe đổi hướng.

Cuộc thi ở Tây Ban Nha 2010 - Đội chiến thắng: Silvestre

Bên cạnh các sơ đồ nguyên lý mà các xe RC car sử dụng, hiện nay rất nhiều xe đua

dò line như đội HBFS (Robot RobotChallenge) và Sylvestre (COSMOBOT 2012),Flash Robot RobotChallenge 2016), Johnny-5 (IGVC),Thunderbolt (Robot Challenge2014)… sử dụng hai bánh chủ động được điều khiển độc lập kết hợp với bánh đa

hướng (Hình 1.5).

Ưu – nhược điểm chung của sơ đồ nguyên lý này:

- Ưu điểm: Bám đường tốt do tiếp xúc 3 điểm mới mặt đường, mô hình động

học đơn giản, dễ hiệu chỉnh sai số hệ thống và cho phép xe di chuyển được theo bán kính rất nhỏ, kể cả việc quay tại chỗ.Giá thành chế tạo phù hợp với sinh viên

- Nhược điểm: Dễ bị trượt theo phương pháp tuyến khi thực hiện việc bám theo

các đoạn đường bán kính nhỏ ở tốc độ cao

Có 3 loại cảm biến thường dùng trong các robot dò line: Camera, cảm biến quang điệntrở và cảm biến hồng ngoại

Camera

Camera dùng để ghi lại hình ảnh của đường line, sau đó xử lý đưa ra thông tin sailệch vị trí tương đối của line so với xe

- Ưu điểm: độ chính xác cao

- Nhược điểm: yêu cầu xử lí nhiều,do đó đòi hỏi tốc độ xử lí phải xanh,nếu

không sẽ giảm tốc độ xe nên không phù hợp cho xe dò line

1.2.2 Cảm biến quang điện trở và cảm biến hồng ngoại:

Phương pháp xử dụng cảm biến quang được sử dụng trong haatf hết các loiaj xeđua hiện nay.Một số loại cảm biến có thể được sử dụng như quang điện trờ (robotALF trong cuộc đua thi ROBOCON Malaysia 2006) hoặc phot-transistor kết hợp vớiLED.Hai 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 giap thoa của bộ liền kề (hình 1.6)

Hình 1.5 Nguyên lý của cảm biến

Hình 1.6 Nguyên lý hoạt động của cảm biến quang điện trở

Đối với các loại cảm biến quang,tín hiệu tương tự từ cảm biến sẽ được hiệu chuẩn

xà xử lí bằng các giải thuật so sánh hoặc xấp xỉ đề tìm ra vị trí tương đối của robot dò line với tâm đường line

1.2.3 Tìm hiểu về các cách xử lí tín hiệu cảm biến:

- Phương pháp thứ nhất: dùng bộ so sánh để xác định tráng thái đóng/ngắt của

các sensor, sau đó suy ra vị trí xe theo một bảng trạng thái đã định sẵn (hình 1.7) Với phương pháp này, sai số dò line sẽ phù thuộc vào thông số của sensor được sử dụng, hay khoảng cách giữa các sensor Phương pháp này có đặc điểm phụ thuộc chủ yếu vào mức ngưỡng so sánh của các sensor, do đó tốc độ xử lý rất nhanh

- Sử dụng mạch lấy ngưỡng hoặc giải thuật lọc ngưỡng bằng lập trình để chuyển

tín hiệu điện áp đọc từ cảm biến về thành mức cao hoặc mức thấp, từ đó suy ra

vị trí của xe so với đường line (hình 1.8)

Hình 1.7 Giải thuật xử lí tín hiệu bằng phương pháp so sánh

Hình 1.8 Mức so sánh của cảm biến ứng với các vị trí line khi xe di chuyển

Sử dụng giải thuật xấp xỉ

Xấp xỉ ra vị trí của xe so với tâm đường line từ các tín hiệu tương tự 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 (hình 1.1a) với sai số dò line lần lượt là 5.4mm, 2.8m và 2.6mm trong thí nghiệmđược thực hiện.Đặc điểm các phương pháp này phụ thuộc chủ yếu vào thời gian đọcADC tất cả các sensor của vi điều khiển,do đó tời gian xử lý sẽ lâu hơn phương pháp1.Tuy nhiên độ phân giải cao ơn đáng kể so với phương án đầu

Hình 1.1a Giải thuật xử lý tín hiệu cảm biếng bằng phương pháp xấp xỉ

1.2.4 Tìm hiểu về cấu trúc điều khiển:

Về cấu trúc điều khiển, robot dò line có các module chính bao gồm module sensor,module điều khiển và module điều khiển động cơ Trong đó, có hai phương pháp chủyếu để kết nối các module đó với nhau là phương pháp điều khiển tập trung và phâncấp:

Cấu trúc điều khiển phân cấp

Mạch điều khiển phân cấp sử dụng nhiều vi điều khiển, mỗi vi điều khiển đảmnhận một chức năng riêng Nhờ đó có sự chuyên biệt hóa, mỗi vi điều khiển chỉ đảmnhận một công việc giúp việc kiểm tra lỗi chương trình dễ dàng, các chức năng đượcthực hiện đồng thời, không cần phải đợi hoặc bỏ qua các tác vụ ngắt Tuy nhiên cấutrúc phần cứng phức tạp và cần đảm bảo tín hiệu giao tiếp giữa các vi điều khiển tuyệtđối chính xác, không bị nhiễu

Trong phương pháp điều khiển phân cấp nhiều hơn một MCU sẽ được sử dụngtrong hệ thống Bên cạnh MCU master đảm nhiệm việc tính toán tổng thể, một sốrobot còn có thêm 1 Slave MCU chuyển xử lí tín hiệu encoder hoặc 1 Salve MCU để

xử lí tín hiệu từ sensor (Robot ALF) Ngoài ra, các robot dò line tín hiệu camerathường có một MCU Slave chuyên xử lí hình ảnh,rồi chuyển dữ liệu về MCU master.Cấu trúc này giúp giảm nhẹ khối lượng tính toán cho master và cho phép robot thực

hiện nhiều tác vụ cùng lúc,giúp cho thời gian lấy mẫu của hệ thống nhanh hơn khi sửdụng cấu trúc tập trung.

Hình 1.1b 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 (tính toán ra vận tốc 2 bánh xe và điều khiển động

cơ đạt vận tốc mong muốn) không được thực hiện đồng thời, khi chức năng này đangthực hiện thì chức năng khác phải đợi

Trong phương pháp điều khiển tập trung ,mội MCU nhận tín hiệu từ cảm biến,xử

lí dữ liệu rồi truyền tín hiệu điều khiển cho có cấu tác động.Đây là cấu trúc được sửdụng,khá niều trong các xe đua dò line thực tế như xe CartisX04,Le’Mua(RobotChallenge 2015).Pika cấu trúc điều khiển tập trung có đặc điểm phần cứng đơngiản,tuy nhiên MCU phải xử lý tất cả thông tin trước khi cập nhật thông tin mới

Hình 1.1c Cấu trúc điều khiển tập trung

1.2.5 Giải thuật điều khiển: (Đặt đầu bài)

Giải thuật điều khiển được dùng phổ biến cho các xe đua dò line là bộ điều khiểnPD,PID,FIC cho hệ thống lái của kết hợp với PID cho từng động cơ như xeBolt,Pika,Major (Robocomp 2014),Thunderstorm…Ngoài ra ,một bộ điều khiển phổbiến khác thường được ứng dụng co mobile robot là bộ điều khiển tracking.Thựcnghiệm từ cho thấy bộ điều kiển này có thể giúp sai số bám line của robot trên đoạnđường thẳng và cong,đạt sai số tối đa 150mm khi gặp các đoạn line gấp khúc và tối đa250mm khi robot thực hiện đổi hướng 90 độ

Về vận tốc tối đa, vận tốc cực đại trung bình của các robot như Pika, HBFS-2,Sylvestre, Thunderbolt, Thunderstorm, Impact, tại các cuộc thi điều đạt từ 1-3m/s

Về sai số tối đa của robot trong suốt quá trình, sai số trong quá trình xe di chuyểntrên đường thẳng hay đường sẽ phụ thuộc vào sai số xác định ví trí của xe do hệ thốngsensor (tối đa 5.4mm) và sai số do bộ điều khiển đặt đầu bài

Từ các thông số của các xe đã thực hiện và yêu cầu của đề bài mỗi robot mang vậtnặng 2 ký, lựa chọn các thông số:

Vận tốc tối đa: 𝑉𝑚𝑎𝑥 = 1 𝑚/𝑠

Bán kính vòng của tối thiểu: 𝑅𝑚𝑖𝑛 = 500mm

Dựa trên kết quả mô phỏng và thực nghiệm của các đồ án đi trước lựa chọn sai số dò line trên đoạn đường thẳng và cong: 𝑒𝑚𝑎𝑥 = 15𝑚𝑚

CHƯƠNG 2: LỰA CHỌN PHƯƠNG ÁN

VÀ PHÂN CÔNG NHIỆM VỤ

tự lựa phía sau

2 bánh tự lựa phíatrước và 2 bánhchủ động phía sau

2 bánh tự lựa phíasau và 2 bánh chủđộng phía trước

-Kết cấu cơ khí xeđơn giản

- Xe dù có lực bênngoài cũng khó bịvăng ra khỏiđường line hơn làbánh tự lựa chọnphía trước

- Qua cua dễ dàng

- Xe robot có kết cấu đơn giản

- Xe robot 4 bánhnên khi qua cua dùmang tải nặngcũng không bị lậtnhư xe 3 bánh

- Xe bẻ lái dễ dàngkhi qua cua và không bị lật dù mang tải nặng

- 4 bánh xe luônđồng phẳng do có

- Mô hình: Arobotmobile robot vận tốc tối đa 0.25m/s

- Khó đảm bảo co

4 bánh xe luônđồng phẳng

- Khó qua cua dođặc điểm của bánh

xe tự lựa

- Mô hình:

Silvestre-linefollowing robot

- Thiết kế cơ khíphức tạp,khó chếtạo

- Khó điều khiển

- Mô hình:SmartCar trong cuộc thiThe Freescale2012,Plethora II

Để thỏa mãn yêu cầu về việc đáp ứng được với:

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

- Có khả năng nhận biết những đoạn line gấp khúc đột ngột.

- Ít bị nhiễu.

- Dễ tìm hiểu,mua được trên thị trường và giá thành hợp lí.

- Phương án cảm biến phải có độ nhạy thích hợp.Dựa trên đặc tính độ nhạy của

phototransistor so với các loại cảm biến quang khác hai phương án sử dụng loạisensor này được đề xuất:

 Phototransistor kết hợp với led thường

 Phototransistor kết hợp với led hồng ngoại

Đối với đường line có độ tương phản cao vì thế LED hồng ngoại cho độ nhạy caohơn nhưng cần phải che chắn để chống nhiễu Đối với đường đua mà màu line vớimàu của nền có độ tương phản thấp, sử dụng LED thường sẽ hiệu quả hơn Thực tế

đường line cho thấy màu có độ tương phản cao (line đen, nền trắng) nên nhóm chọn phương án Phototransistor kết hợp với LED hồng ngoại.

2.3 Số lượng cảm biến

Ưu điểm

- Bắt được line tốt hơn do

có 1 cảm biến ở tâm line(so với số cảm biến chẵn)

- Giảm chi phí (so với 7)

- Hạn chế nhiễu (so với 7)

- Bắt được line tốt hơn do

có 1 cảm biến ở tâm line(so với số cảm biến chẵn)

- Giữ được vận tốc cao khivào cua và khi giao nhaugiữa các line (so với 5) dobắt line giao nhau sớm

Giải thuật xử lí tín hiệu

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 vàomột số trường hợp đã được quy định sẵn Số trường hợp này phụ thuộc số lượng cảmbiến, sai số ản hưởng bởi khoảng cách tối thiểu giữa các cảm biến Khoảng cách giữacác cảm biến này phụ thuộc nhiều vào góc chiếu của LED, góc thu của sensor và độcao so với mặt đất

Với phương pháp xấp xỉ, sai số phụ thuộc vào số lượng cảm biến và cách chọn độ caocủa 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 đặt được sai số tốthơn 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 cảm biến

 Nhóm chọn giải thuật so sánh.

2.5

Phương án điều khiển

Các tiêu chí để lựa chọn phương án điều khiển:

-Mạch điều khiễn thiết kế đơn giản,giảm khối lượng xe

-Dễ dàng chỉnh sửa và khắc phục lỗi khi lập trình

-Dễ dàng thay thế và nâng cấp

-Giá thành hợp lý

Để tránh tình trạng bị nhiễu hoặc rớt dữ liệu trong quá trình truyền dữ liệu phương

án cấu trúc điều khiển tập trung

Hình 2.1 Phương án cấu trúc điều khiển

Phương án này sử dụng một MCU cho các hoạt động của robot do đó MCU phảithực hiện nhiều tác vụ hơn, do đó việc tính toán thời gian để đảm bảo các tác vụ diễn

ra được thống nhất và không bị trùng lặp là vấn đề quan trọng, cần tính toán kỹ

2.6

Giải thuật điều khiển

Dựa vào yêu cầu robot phải:

- Bám line tốt trên đoạn đường thẳng, cong và sai số

- Đáp ứng nhanh.

- Đạt mục tiêu đề ra.

=> 2 phương án cho bộ điều khiển được đề xuất

 Phương án 1: Bộ điều khiển PD kết hợp ghi nhớ đường đi

 Phương án 2: Bộ điều khiển Follow-tracking

Phương án 1 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 them cảm biến accelometer và gyromter để bộ điều khiển có thể được trạng thái gia tốc và gốc 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 khiễn có khả năng di chuyển robot tới các tọa độ cho trước với vận tốc mong muốn

 Nhóm chọn phương án 2 Follow-tracking.

2.7

Phương án thiết kế

Từ các đề xuất trên, ta tiến hành lựa chọn phương án phù hợp:

- Sơ đồ nguyên lý: Robot 3 bánh (2 bánh V3 chủ động ,1 bánh mắt trâu

dẫn hướng)

- Cảm biến: bộ 2 LED hồng ngoại Phototransistor và sử dụng giải thuật

xấp xỉ để tìm ra vị trí của robot so với đường line

- Phương án điều khiển: cấu trúc điều khiển tập cung.

- Động cơ: động cơ DC có gắn encoder.

- Giải thuật điều khiển: Bộ điều khiển Follow-tracking.