THIẾT kế hệ THỐNG mô HÌNH ROBOT địa HÌNH QUÂN sự

CHƯƠNG I GIỚI THIỆU CHUNG 1.1 Giới thiệu chung Cùng với sự phát triển mạnh mẽ của các hệ thống Cơ-Điện tử, robot vượt địa hình ngày một được hoàn thiện và càng cho thấy lợi ích của nó t

MỤC LỤC

CHƯƠNG I GIỚI THIỆU CHUNG 5

1.1 Giới thiệu chung 5

1.2 Các vấn đề đặt ra 5

1.3 Phương pháp nghiên cứu 5

1.4 Phạm vi giới hạn đề tài 6

CHƯƠNG II TỔNG QUAN VỀ ROBOT ĐỊA HÌNH QUÂN SỰ 7

2.1 Lịch sử phát triển của robot địa hình quân sự 7

2.2 Các loại robot địa hình quân sự 7

2.3 Các thành phần cơ bản của robot địa hình quân sự 12

2.3.1 Kết cấu cơ khí của robot địa hình quân sự 12

2.3.2 Các vi điều khiển có thể dùng trong robot 14

2.3.3 Truyền thông giao tiếp 16

2.3.4 Động cơ 17

2.3.5 Cơ cấu truyền động 18

CHƯƠNG III THIẾT KẾ HỆ THỐNG MÔ HÌNH ROBOT ĐỊA HÌNH QUÂN SỰ 19

3.1 Mô hình hóa hệ thống 19

3.1.1 Mô hình hóa cơ học 19

3.1.2 Mô hình hóa hệ thống cơ khí 22

3.1.3 Mô hình hóa hệ thống điều khiển 27

3.2 Thiết kế hệ thống 30

3.2.1 Thiết kế mạch hệ thống điều khiển 30

3.2.1.1 Thành phần 30

3.2.1.2 Module thu phát DRF7020D13 33

3.2.1.3 Sơ lược về vi điều khiển 36

3.2.1.4 Mạch in 48

3.2.2 Chương trình điều khiển 49 3.2.3 Thiết kế cơ khí 56

DANH MỤC HÌNH ẢNH

Hình 2.1 Robot Hanwha robot.……….….7

Hình 2.2 Robot cứu thương……….…… 8

Hình 2.3 Robot BEAR……… 8

Hình 2.4 iRobot 210.……… 9

Hình 2.5 irobot 710 Warrior………9

Hình 2.6 iRobot 510 Packbot……… … 9

Hình 2.7.iRobot SUGV……… 10

Hình 2.8.Chiến binh iRobot 710………10

Hình 2.9 Robot Asendro ………11

Hinh 2.10 Robot MAARS.……….11

Hình 2.11 Dragon Runner.……… 11

Hình 2.12 SWORDS……… 12

Hình 2.13 Robot chiến trường (VIỆT NAM) ……….12

Hình 2.14 MATILDA……… ……… 13

Hinh 2.15 Dente II ……… 13

Hinh 2.16 Shrimp III địa hình gập ghềnh……….…… 13

Hình 2.17 Thích nghi với địa hình lồi lõm của robot nâng thân…… 14

Hình 2.18 Vi điều khiển ATmega32……….15

Hình 2.19 Điều khiển PIC……… 15

Hinh 2.20 Vi điều khiển hãng intel……… ….16

Hình 2.21 Động cơ……… … 21

Hình 3.1 Mô hình hóa hệ thống cơ khí……… 22

Hình 3.2 Cơ cấu bánh sau……….…….…23

Hình 3.3 cơ cấu tay nâng……….….………….24

Hình3.4 Cơ cấu bánh trước……….… ………… 25

Hình 3.5 Thân……… ………… …… ………26

Hình 3.6 Mạch nguyên lý hệ thống điều khiển…….………27

Hình 3.7 Khối nguồn……….……….30

Hình 3.8 IC 7805……… ……….30

Hình 3.9 Tụ điện……… ………… 31

Hình 3.10 led……… ………….31

Hình 3.11Vi điều khiển 89S52……… ………31

Hình 3.12 Sơ đồ chân IC L298……….…… 32

Hình 3.13 Module thu phát DRF7020D1……… … … 33

Hình 3.14 Bộ thu phát RF……… ……….…35

Hình 3.15 Sơ đồ mạch nguyên lý mạch phát……… 35

Hình 3.16 Sơ đồ nguyên lý mạch thu……… 35

Hìn3.17.Sơ Đồ Khối Của Bộ Vi Điều Khiển……… …37

Hình 3.18.Sơ Đồ Chân của AT89S52……….38

Hình 3.19.Sơ đồ khối cổng nối tiếp của 8051……… 43

Hình 3.20 Mạch in ……… 48

CHƯƠNG I GIỚI THIỆU CHUNG 1.1 Giới thiệu chung

Cùng với sự phát triển mạnh mẽ của các hệ thống Cơ-Điện tử, robot vượt địa hình ngày một được hoàn thiện và càng cho thấy lợi ích của nó trong quân sự, trong nghiên cứu Nó có khả năng thăm dò những khu vực mà con người không đến được thậm chí trong khám phá vũ trụ Với sự phát triển mạnh mẽ của khoa học

kĩ thuật Cộng với nhu cầu con người ngày càng cao, tiềm năng ứng dụng của robot địa hình quân sự càng rộng lớn Có thể kể tới một vài ứng dụng của robot như:

-Kiểm tra trong các môi trường nguy hiểm, khắc nhiệt những nơi nhiễm khí độc, môi trường nước, các đường ống ngầm…

-Dùng trong lĩnh vực quân sự, robot do thám…

-Một ưu điểm khác của robot địa hình quân sự phải kể đến là tính linh hoạt và thích nghi khi làm việc ở những vị trí và địa hình khác nhau, điều này mở ra cho robot vượt địa hình quân sự có thêm nhiều ứng dụng mới

1.2 Các vấn đề đặt ra

- Vấn đề đầu tiên là robot địa hình dạng nâng phải leo được cầu thang và hoạt động linh hoạt ở địa hình gồ gề

- Từ yêu cầu về vượt địa hình phức tạp của robot, phải đưa ra thiết kế hệ thống

cơ khí phù hợp, mạch điều khiển phù hợp cho robot

- Vật liệu làm khung robot phải nhẹ nhưng cũng phải chịu được lục tác dụng lớn

1.3 Phương pháp nghiên cứu

Từ những nhiệm vụ đặt ra và thực tế bên ngoài , chúng em đã chọn những bước làm cụ thể như sau:

- Tích cực tra cứu thông tin, tìm tài liệu liên quan tới những gì phải dùng trong

đồ án qua mạng internet, qua những cuốn sách có liên quan Tìm những đồ án, công trình nghiên cứu liên quan tới robot địa hình

- Liên tục lên gặp thầy hướng dẫn để có những ý kiến đóng góp của thầy, sau khi kết hợp với ý tưởng của nhóm để có một ý tưởng hoàn chỉnh

- Phân công công việc cho những thành viên ở trong nhóm, những vẫn có sự hỗ trợ của những thành viên trong nhóm

- Thiết kế cơ khí, vẽ mạch điều khiển, tính toán linh kiện cần mua

- Khi có đủ đồ tiến hành thiết kế cơ khí Đặt mạch in, test thử mạch cẩn thận

- Robot di chuyển vượt địa hình nhấp nhô, và có khả năng leo dốc với góc nghiêng lớn nhất là 45▫, vận tốc lớn nhất có thể đạt được là 2m/s

- Kết cấu cơ khí của robot được chế tạo bằng thép có khả năng chịu lực tốt, đảm bảo gọn nhẹ đẹp, bền, chắc

CHƯƠNG II TỔNG QUAN VỀ ROBOT ĐỊA HÌNH QUÂN SỰ 2.1 Lịch sử phát triển của robot địa hình quân sự

Sáng tạo ra robot là niềm vinh hạnh của con người, khẳng định sự tiến bộ của khoa học kĩ thuật Năm1930 xe tăng không người lái đầu tiên được Liên

Xô phát triển điều khiển bằng sóng vô tuyến với khoảng cách từ 500 đến 1500m

Năm 1940 xe dò mìn được quân đội Đức phát triển và đưa vào sử dụng ở chiến chiến tranh thế giới thứ 2, được điều khiển thông qua dây nối Đến ngày nay thì chủng loại robot khá phong phú, chúng thực hiện được rất nhiều chức năng khác nhau và được sử dụng khá phổ biến trong quân sự với nhiều mục đích khác nhau

2.2 Các loại robot địa hình quân sự

Robot địa hình di chuyển linh hoạt trên địa hình phức tạp, có thể làm việc trong môi trường khắc nhiệt và những nơi nguy hiểm mà không thích hợp với con người đặc biệt là robot được lắp camera, được thích hợp bộ điều khiển từ xa Vì thế robot địa hình sử dụng nhiều trong quân sự, sử dụng để do thám canh gác, tham gia công tác cứu hộ ở những nơi con người khó tiếp cận

Hình 2.1 Robot Hanwha robot

Những chiếc xe cứu thương không người lái REV (Robotic Extraction Vehicle) mang theo một robot thứ hai nhỏ hơn có khả năng đưa những người bị thương ra khỏi chiến trường

Hình 2.2 Robot cứu thương

Robot BEAR sẽ tiếp cận và mang người bị thương đến nơi an toàn được thiết kế để có thể đi đến những vùng nguy hiểm nhất, nơi mà con người không thể hoặc không nên tiếp cận như: các bãi mìn, trong các vụ cháy, những khu

vực rò rỉ hóa chất độc

Hình 2.3 Robot BEAR

Robot này chuyên làm nhiêm vụ xâm nhập, do thám vào những vùng nguy hiểm Chẳng hạn như vào trong một tòa nhà đang cháy để tìm người bị nạn thay cho lực lượng chữa cháy hoặc được dùng trong những nhiệm vụ giải cứu con tin của cảnh sát, với camera truyền hình ảnh trực tiếp về người điều khiển, ta có thể biết được vị trí của tội phạm cũng như con tin

Robot này được phục vụ trong quân đội, không chỉ có khả năng vượt địa hình,

nó còn có cánh tay 3 bậc tự do để mang vác, tháo dỡ các vật nặng Robot này có

tốc độ rất cao cộng với khả năng điều khiển từ xa ở cự ly lớn, được quân đội Hoa

Kỳ rất ưa chuộng

Hình 2.7.iRobot SUGV

Nó có thể leo cầu thang và leo dốc nghiêng 45º, lăn trên đá và chịu được sức nặng lên tới 68 kg Chiến binh iRobot 710 được thiết kế để gỡ bom và dọn dẹp các tòa nhà, thậm chí là mở cửa xe ô tô

Hình 2.8.Chiến binh iRobot 710

Robot Asendro chỉ nặng 40kg, robot nhẹ cân này trông giống một chiếc xe tăng Với cánh tay của mình, thiết bị này có thể mở các cánh cửa và sử dụng cặp mắt video của mình để do thám và điều tra các vị trí nguy hiểm mà con người không tiếp cận được

Hình 2.9 Robot Asendro

Có hình dáng giống một chiếc xe tăng được trang bị một súng máy và súng phóng lựu với nhiệm vụ canh gác và bắn tỉa

Hinh 2.10 Robot MAARS

Robot Dragon Runner được trang bị một camera nhỏ, một máy thu âm, một đèn hồng ngoại (để hoạt động ban đêm) và những bộ cảm biến hồng ngoại

(để tránh chướng ngại vật)

Hình 2.11 Dragon Runner

SWORDS là một hệ thống điều khiển từ xa tích hợp các tính năng do thám dò mìn, có thể linh hoạt kết hợp với nhiều loại súng và có khả năng di chuyển trên mọi địa hình

-Robot dạng 6 bánh

Hình 2.13 robot chiến trường (VIỆT NAM)

Với yêu cầu từ đề tài và địa hình mấp mô, leo cầu thang, các kết cấu cơ khí robot được thiết kế đặc biệt đơn giản Chủ yếu là kết cấu cơ khí thích nghi với địa hình

Hình 2.17 Thích nghi với địa hình lồi lõm của robot

Môi trường hoạt động có thể là đất, nước, không khí, không gian vũ trụ hay tổng hợp giữa chúng Địa hình mà robot di chuyển có thể là bằng phẳng hoặc thay đổi lồi lõm, gồ ghề

2.3.2 Các vi điều khiển có thể dùng trong robot

A, Vi điều khiển AVR

Do hãng Atmel sản xuất được giới thiệu lần đầu năm 1996 AVR có rất nhiều dòng khác nhau bao gồm dòng Tiny AVR (như AT13,AT Tiny 22…) có kích thước bộ nhớ nhỏ, ít bộ phận ngoại vi rồi đến dòng AVR (chẳng hạn AT90S535, AT90S8515…) có kích thước bộ nhớ vào loại trung bình và mạnh hơn dòng Mega ( như AT mega 32,ATmega128 ) với bộ nhớ kích thước vài kb đến vài trăm kb cùng với các bộ ngoại vi đa dạng được tích hợp trên chip, cũng có dạng tích hợp

cả bộ LCD trên chip( dòng LCDAVR) tốc độ của dòng Mega cũng cao hơn so với dòng khác

Hình 2.18 vi điều khiển ATmega32

B, Vi điều khiển PIC

Là một họ vi điều khiển RISC được sản xuất bởi công ty Microchip Technology Dòng PIC đầu tiên là PIC1650 được phát triển bởi Microelectrnics Division thuộc General Instrument PIC thực sự là một vi điều khiển với kiến trúc RISC, chạy một lệnh một chu kỳ máy ( 4 chu kỳ của bộ dao động) Ngày nay rất nhiều dòng PIC được xuất xưởng với hang loạt các module ngoại vi tích hợp sẵn ( như USART,RWM, ADC…) với bộ nhớ chương trình 512 Word đến 32kWord

Hình 2.19 điều khiển PIC

C, Vi điều khiển intel

Vào năm 1971 tập đoàn Intel đã giới thiệu 8080, bộ vi xử lí thành công đầu tiên, tiếp đó không lâu Motorola, RCA, MOS Technology và Zilog cũng đã giới thiệu các bộ vi xử lí tương tự : 6800, 1801, 6502 và Z80 Năm 1976 Intel giới thiệu

bộ vi điều khiển( Micro Controller) 8748, một chip tương tự như các bộ vi xử lí và

là chip đầu tiên trong họ vi điều khiển MCS-48 8748 là một vi mạch chứa trên

17000 transistor bao gồm một CPU, 1K byte EPROM, 64 byte RAM, 27 chân xuất nhập và một bộ định thời 8 bit Những bộ vi xử lý dùng chung thường gặp như họ Intel x86 (8086, 80286, 80386, 80486, Pentium ) hoặc họ 680x0 của Motorola (6800, 68010, 68020, 68030, 68040…) Những bộ vi xử lý này không có RAM,

ROM và không có các port I/O trên chip, do đố khi sử dụng thiết kế hệ thống phải

bổ sung thêm RAM, ROM, I/O và các bộ định thời (Timer/Counter) ngoài để cho

chúng hoạt động được

Hinh 2.20 Vi điều khiển hãng intel

2.3.3 Truyền thông giao tiếp

Hiện này với sự tiến bộ của khoa học kỹ thuật đã ứng dụng vào việc truyền nhận thông tin, tín hiều điều khiển cho robot địa hình quân sự ngày càng đa dạng

và phong phú với nhiều phương thức truyền nhận dữ liệu khác nhau:

-Sóng

- GPRS -Wifi

2.3.4 Động cơ

Động cơ

Động cơ điện

Động cơ xoay chiều

Động cơ khí nén-thủy lực

Động cơ đốttrong

Động

cơ một chiều

Động

cơ bước

Động

cơ servo

Động cơ xoay chiều 3 pha

Động cơ xoay chiều một pha

Động

cơ thủy lực

Động

cơ khí nén

2.3.5 Cơ cấu truyền động

Truyền động giữa các trục thông thường dùng các cơ cấu truyền là truyền động bằng bánh răng, truyền động bằng xích, bằng đai, bằng vít, v.v

Ở đây ta chỉ xét đến 2 cơ cấu thích hợp là truyền động bằng bánh răng và truyền động bằng xích Truyền động bánh răng dùng để truyền động giữa các trục, thông thường có kèm theo sự thay đổi về trị số và chiều của momen hoặc vận tốc Tùy theo vị trí tương đối của các trục, phân ra: truyền động bánh răng trụ (răng thẳng, răng nghiêng, răng chữ V) để truyền chuyển động giữa các trục song song ; truyền động bánh răng côn (răng thẳng, răng nghiêng, răng cung tròn) để truyền chuyển động giữa các trục giao nhau; truyền động bánh răng trụ chéo hoặc bánh răng côn chéo để truyền chuyển động giữa các trục chéo nhau

Truyền động bằng xích thuộc loại truyền động bằng ăn khớp gián tiếp, thường được dùng để truyền động cho các trục xa nhau.Có thể dùng truyền động xích để giảm tốc hoặc tăng tốc So với truyền động đai, khả năng tải và hiệu suất của truyền động xích cao hơn, cùng một lúc có thể truyền chuyển động và công suất cho nhiều trục.Tuy nhiên truyền động xích đòi hỏi chế tạo và chăm sóc phức tạp, làm việc có va đập, chóng mòn, nhất là khi bôi trơn không tốt và môi trường làm việc nhiều bụi

Bộ truyền xích làm việc có khả năng xuất hiện các dạng hỏng sau : mòn bản lề

và răng đĩa, con lăn bị rỗ hoặc bị vỡ, các má xích bị vì mỏi, trong đó mòn bản lề nguy hiểm hơn cả và thường xuyên là nguyên nhân chủ yếu làm mất khả năng làm việc của bộ truyền xích Vì vậy chỉ tiêu tính toán cơ bản của bộ truyền xích là tính

về mòn, xuất phát từ điều kiện áp suất sinh ra trong bản lề không được vượt quá một giới hạn cho phép

Xuất phát từ yêu cầu làm việc của robot, hoạt động trên địa hình phức tạp nên yêu cầu bánh của robot phải có momen lớn, và cũng xuất phát từ công nghệ chế tạo

và kinh tế, do đó ta sử dụng bộ truyền xích truyền động giữa động cơ bánh sau và bánh trước robot, giữa động cơ và cần trước, sau của robot

CHƯƠNG III THIẾT KẾ HỆ THỐNG MÔ HÌNH ROBOT ĐỊA HÌNH

QUÂN SỰ

3.1 Mô hình hóa hệ thống 3.1.1 Mô hình hóa cơ học

Chuyển động bởi robot được điều khiển bởi 4 động cơ: 2 động cơ bánh sau cần

có momen lớn và ổn định để cho robot di chuyển trên mọi địa hình Chuyển động

cơ cấu tay nâng, kết cấu của tay nâng có thể nâng thân robot giúp cho robot di chuyển qua những vật cản một cách dễ dàng

Chuyển động song phẳng ở hai bên robot, khi đi trên địa hình phẳng, robot di chuyển bằng 4 bánh và đồng tốc độ Khi di chuyển trên địa hình lồi lõm, nhờ cơ cấu dẫn động bằng xích có gắn thêm đai giúp robot bám sát trên bề mặt địa hình

Giả sử robot có khối lượng là m, có lực phát động là Fpđ, lực ma sát là Fms Robot muốn chuyển động được phải thỏa mãn điều kiện:

Fpđ >Fms=µtmg (µt:hệ số ma sát tĩnh)

- Từ điều kiện trên ta có các dạng chuyển động của robot

1, Chuyển động thẳng biến đổi đều

 Xét chuyển động như hình vẽ Robot di chuyển từ A tới B với quãng đường là S Tại vị trí A robot có vận tốc là

v1, tại vị trí B robot có vận tốc v2 Gia tốc chuyển động trên cả quãng đường là a

Ta có công thức:

v2 = v1 +at 2aS = v2

2

– v1 2

áp dụng định luật 2 New-ton

Ta có : Fpđ + P + Fms+ N = ma (1) Chiếu (1) lên phương chuyển động ta có:

Fpđ -Fms- Px= ma1 Fpđ -µmgcos45°-mgsin45° = ma Trường hợp này P đóng vai trò là lực cản

Xét chuyển động xuống dốc Chiều (+)là chiều chuyển động như hình vẽ

Fpđ + P + N + Fms= ma (2) Chiếu (2) lên phương chuyển động ta có:

Fpđ + Px - Fms = ma Fpđ+mgsin45°-µmgcos45°=ma Trường hợp này P có ích đóng vai trò lực phát động

2.Phương trình động lực học vật rắn(chuyển động của động cơ)

∑ =Iγ

∑ =Tổng các momen lực γ: gia tốc góc

I: momen quán tinh Từ(1) ta tính cách chọn động cơ như sau:

Giả sử ta tăng tốc từ 0 2m/s trong quãng đường 2m:

T=P.9,55/220 Suy ra ta chọn động cơ 24(W)

Từ yêu cầu đề tài và thực tế không cần tốc độ lớn chỉ cần momen lớn chúng em chọn loại động cơ này

Hình 2.21 Động cơ

- Đặc tính của động cơ + Nguồn 24V DC,220v/p + Công suất 15 W

+Hộp số bánh răng hành tinh

+Động cơ bước gắn thêm một hộp giảm tốc trực tiếp lên động cơ với đặc điểm là momen lớn

+ Động cơ DC cũng là một cơ cấu chấp hành cơ_điện, biến năng lượng điện chuyển thành năng lượng cơ học

+ Động cơ DC hoạt động dựa trên 2 đinh luật Loren và Faraday Cấu tạo động

cơ gồm phần ứng, phần kích từ, chổi than và cổ góp

- Có 5 loại động cơ DC : động cơ kích từ nối tiếp, động cơ kích từ song song, động cơ kích từ hỗn hợp và động cơ nam châm vĩnh cửu

3.1.2 Mô hình hóa hệ thống cơ khí

Từ phần tổng quan của robot và yêu cầu về cơ hoc chúng em đã dung phần mềm Solidworks để thiết kế các chi tiết của robot Việc thiết kế giúp cho chúng em có thêm hình dung tốt hơn về kết cấu tổng quan của robot đề ra nhưng phuong pháp tối ưu

Hình 3.1 Mô hình hóa hệ thống cơ khí

 Cơ cấu bánh sau

Hình 3.2 Cơ cấu bánh sau

 Cơ cấu tay càng

Hình 3.3 cơ cấu tay nâng

 Cơ cấu chi tiết bánh trước

Hình3.4 Cơ cấu bánh trước

3.1.3 Mô hình hóa hệ thống điều khiển

Hình 3.6 mạch nguyên lý hệ thống điều khiển

3.1.3.1 Yêu cầu về điều khiển

- Điều khiển tốc độ 4 động cơ: chạy tiến, chạy lùi, rẽ sang phải, rẽ sang trái, nâng càng trước, hạ càng trước, nâng càng sau, hạ càng sau

- Nhận tín hiệu điều khiển từ bộ phát RF

3.1.3.2 Sơ đồ khối hệ thống điều khiển

Tay cầm

Bộ phát

Bộ thu

Khối vi điều khiển

 Nhiệm vụ các khối trong mô hình

Modyle thu song RF giải mã các mã hóa do module phát tạo

Nhiệm vụ các khối:

- Khối xử lý trung tâm (CPU): có nhiệm vụ rất quan trọng ,xử lý tất cả các tín hiệu đưa vào , các tín hiệu phản hồi để đưa ra các tín hiệu điều khiển hợp lý và chính xác.Vi điều khiển nhom em chọn là AT 89s52 phù hợp với yêu cầu đề tài

- Khối điều khiển động cơ: điều khiển hai bánh động cơ bánh chủ động và hai động cơ nâng, hạ càng trước và sau

Thiết kế hệ thống phải đạt được yêu cầu sau:

- Thiết kế mạch điều khiển ổn định, tốc độ xử lý nhanh, dùng PWM để điều khiển tốc độ 4 động cơ giúp robot chạy chính xác

- Lập trình cho robot chạy ổn định, xử lí được nhiều tín hiệu đồng thời

- Mô phỏng tương đối chuẩn xác quỹ đạo của robot

- Điều khiển robot từ xa bằng sóng RF

3.2 Thiết kế hệ thống 3.2.1 Thiết kế mạch hệ thống điều khiển 3.2.1.1 Thành phần