ĐỒ án THIẾT kế hệ THỐNG cơ điện tử tốc độ di chuyển tối thiểu là 0 2 ms robot mang trên người một tải nặng 2kg

Để đạt được tốc độ và khả năng bám đường, sơ đồ nguyên lý của các loại xe đua điều khiển từ xa RC racing cars có thể được sử dụng.. Phùng Trí Công.Mặt khác, một sơ đồ nguyên lý của rất n

TỔNG QUAN

Về sơ đồ nguyên lý

Rất nhiều sơ đồ nguyên lý có thể được ứng dụng cho việc chế tạo robot dò line Để đạt được tốc độ và khả năng bám đường, sơ đồ nguyên lý của các loại xe đua điều khiển từ xa (RC racing cars) có thể được sử dụng Có hai loại sơ đồ nguyên lý chung cho các loại xe đua chuyên chạy trên mặt đường phẳng, đó là:

Loại 1(Hình 1.1) sử dụng trục truyền động cho trục trước và sau xe (Khung xe của hãng Awesomatrix, TAMIYA TT01, Overdose Divall…).

Loại 2(Hình 1.2) sử dụng đai răng truyền động cho trục trước và sau xe (Khung xe của hãng Sakura D3 CS, Serpent VETEQ 02, TA04 EPRO…).

NHÓM 3 8 a Khung xe hãng Overdose Divall b Sơ đồ nguyên lý sử dụng trục truyền động Hình 1.1 Sơ đồ nguyên lý RC cars sử dụng trục truyền động a Khung xe hãng TA04 EPRO b Sơ đồ nguyên lý sử dụng đai răng truyền động Hình 1.2 Sơ đồ nguyên lý RC racing cars sử dụng trục truyền động Những sơ đồ nguyên lý này có đặc điểm : 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.

NHÓM 3 9 ĐỒ ÁN THIẾT KẾ HỆ THỐNG CƠ ĐIỆN TỬ GVHD: TS Phùng Trí Công.

Mặt khác, một sơ đồ nguyên lý của rất nhiều xe đua dò line như HBFS-2 ( Robot

Challenge 2015) và Sylvestre (COSMOBOT 2012, CRJET International Robotics

Competition 2010), Johnny-5 (IGVC), Thunderbolt (Robot Challenge 2014)… sử dụng hai bánh chủ động được điều khiển độc lập kết hợp với bánh đa hướng (Hình 1.3).

Sơ đồ nguyên lý này có đặc điểm : Ưu điểm: kết cấu, 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.

Nhược điểm : xe rất dễ bị trượt theo phương pháp tuyến khi thực hiện việc bám theo các đoạn đường bán kính nhỏ ở tốc độ cao. a Mẫu xe đội Sylvestreb Sơ đồ nguyên lý loại 2 bánh Hình 1.3 Sơ đồ nguyên lý hai cặp chủ động vi sai loại 2 bánh Ngoài ra, một dạng khác của sơ đồ nguyên lý này cũng được các xe đua như

CartisX04 (All Japan Micromouse 2015), Mouse (RobotChallenge 2014)… sử dụng (Hình 1.4) Ở sơ đồ này, mỗi bánh xe vi sai chủ động được thay bằng một cặp bánh.

Sơ đồ nguyên lý này có đặc điểm : Ưu điểm : giúp xe dễ cân bằng hơn.

Nhược điểm :kết cấu cơ khí phức tạp hơn và luôn xuất hiện hiện tượng trượt bánh khi xe đổi hướng.

NHÓM 3 10 a Mẫu xe đội CartisX04b Sơ đồ nguyên lý loại 4 bánh Hình 1.4 Sơ đồ nguyên lý hai cặp chủ động vi sai loại 4 bánh

Về cảm biến

Có hai phương pháp thường được sử dụng cho robot dò line là:

+ Sử dụng các loại cảm biến quang dẫn.

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.

- Ở phương pháp camera[2] [4] [5] [6], thiết bị thu hình ảnh từ đường line thực tế (robot Johny-5 trong cuộc thi IGVC- hình 1.2), sau đó xử lí và đưa ra tín hiệu điều khiển. Đặc điểm của phương pháp này: Ưu điểm: có thể đạt được độ chính xác rất cao

Nhược điểm: khối lượng xử lí nhiều, dẫn đến hạn chế tốc độ tối đa của xe.

- Phương pháp thứ hai được ứng dụng phổ biến cho hầu hết các loại trong các cuộc thi robot dò line hiện nay Một số loại cảm biến có thể được sử dụng như quang điện trở [9]

(robot ALF trong cuộc thi ROBOCON Malaysia 2006) hoặc phototransistor[7] [8] [10] kết hợp với LED Hai loại cảm biến này có nguyên tắc hoạt động giống nhau(Hình 1.2.2), bộ thu sẽ thu tín hiệu ánh sáng phản xạ từ bộ phát xuống mặt đất, từ đó xử lí để xác định vị trí của đường line Trong đó, photo-transistor được ứng dụng nhiều hơn bởi nó cho thời gian đáp ứng nhanh hơn quang điện trở.

Hình 1.6 Nguyên lý hoạt động cảm biến quang

Về phương pháp xử lý tín hiệu cảm biến

Đối với các loại cảm biến quang, tín hiệu tương tự từ cảm biến sẽ được hiệu chuẩn và xử lí bằng các giải thuật so sánh [19] hoặc xấp xỉ [11] để tìm ra vị trí tương đối của robot dò line với tâm đường line.

- Phương pháp thứ nhất dùng giải thuật so sánh để xác định trạng thái đóng/ngắt của các sensor, sau đó suy ra vị trí xe theo một bảng trạng thái đã được định sẵn [12] [14] [18]

(Hình 1.3.1) Với phương pháp này, sai số dò line sẽ phụ thuộc vào số khả năng phân biệt các trạng thái của hệ thống, 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.

Hình 1.7 Giải thuật xử lý tín hiệu bằng phương pháp so sánh Phương pháp thứ hai xấp xỉ ra vị trí của xe so với tâm đường line từ các tín hiệu tương tự từ cảm biến [11] Có 3 giải thuật xấp xỉ được giới thiệu đó là xấp xỉ theo bậc 2, tuyến tính và theo trọng số (Hình 1.4.) đặc điểm của phương pháp này là phụ thuộc chủ yếu vào thời gian đọc ADC tất cả các sensor 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 so với phương án đầu.

NHÓM 3 13 ĐỒ ÁN THIẾT KẾ HỆ THỐNG CƠ ĐIỆN TỬ GVHD: TS Phùng Trí Công. a Xấp xỉ bậc hai b Xấp xỉ theo trọng sốHình 1.8 Giải thuật xử lý tín hiệu bằng phương pháp xấp xỉ

Về động cơ

Các xe đua dò line như Pika, HFBS-2, CartisX04, Thunderstorm, Impact,… đều sử dụng động cơ DC có gắn encoder làm cơ cấu chấp hành. Đặc điểm của động cơ DC : đa dạng về kích thước, moment, chủng loại driver, dễ dàng lắp đặt và điều khiển chính xác do có thể kết hợp thêm encoder và được ứng dụng thêm bộ điều khiển PID để có thể điều chỉnh tốc độ hoặc vị trí chính xác theo yêu cầu.

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 chính để kết nối các module đó với nhau là phương pháp điều khiển tập trung và phân cấp.

- Trong phương pháp điều khiển tập trung, một MCU nhận tín hiệu từ cảm biến, xử lí dữ liệu rồi truyền tín hiệu điều khiển cho cơ cấu tác động.Cấu trúc điều khiển tập trung có đặc điểm phần cứng đơn giản, tuy nhiên MCU phải xử lý tất cả thông tin trước khi cập nhật thông tin mới.

- Trong phương pháp điều khiển phân cấp, nhiều hơn một MCU sẽ được sử dụng trong hệ thống Bên cạnh MCU master đảm nhiệm việc tính toán tổng thể, một số robot còn có thêm 1 Slave MCU chuyên xử lí tín hiệu encoder [11] hoặc 1 slave MCU để xử lí tín hiệu từ sensor [19] Ngoài ra, các robot dò line dùng camera thường có một MCU slave chuyên xử lí hình ảnh, rồi chuyển dữ liệu về MCU master [13] Cấu trúc này giúp giảm nhẹ khối lượng

NHÓM 3 14 tính toán cho master và cho phép robot thực hiện nhiều tác vụ cùng lúc [19] [13] Cấu trúc điều khiển phân cấp có đặc điểm phần cứng phức tạp hơn, phải quan tâm đến vấn đề giao tiếp giữa các MCU, tuy nhiên có khả năng xử lý nhiều tác vụ cùng lúc, giúp cho thời gian lấy mẫu của hệ thống nhanh hơn khi sử dụng cấu trúc tập trung.

Về giải thuật điều khiển

Giải thuật điều khiển được dùng phổ biến cho các xe đua dò line là bộ điều khiển PD,

PID, FIC [15] cho hệ thống lái của xe kết hợp với PID cho từng động cơ như xe Bolt,Pika, Major (Robocomp 2014), Thunderstorm…Ngoài ra, một bộ điều khiển phổ biến khác thường được ứng dụng cho mobile robot là bộ điều khiển tracking[16] [17] [19]

.Bên cạnh đó, một số xe có áp dụng thêm khả năng ghi nhớ đường đi nhằm thay đổi các thông số điều khiển ứng với từng cung đường, giúp tăng khả năng đáp ứng của xe sau mỗi lần chạy như xe Silvestre và CartisX04 Tuy nhiên để áp dụng các giải thuật này, robot cần sử dụng thêm cảm biến gyro để nắm được trạng thái gia tốc của xe trong suốt quá trình chuyển động.

Đặt đầu bài

Với mục tiêu thiết kế và chế tạo robot bám được sa bàn với tốc độ ổn định, đầu bài cho bài toán thiết kế cần được đặt ra cho vận tốc tối đa của robot trên sa bàn, khả năng đổi hướng của robot và sai số tối đa của robot trong quá trình bám theo đường line.

Về vận tốc tối đa, vận tốc cực đại trung bình của của các robot như Pika, HBFS-2, Sylvestre, Thunderbolt, Thunderstorm, Impact… tại các cuộc thi đều đạt từ 1-3m/s. Với yêu cầu robot mang thêm tải nên vận tốc đa nhóm đặt ra là 0.9 m/s.

Về khả năng đổi hướng, ngoài việc robot có thể bám được bán kính cong 500mm (đoạn G →B, D→F Hình 0.1.) trên sa bàn, robot còn phải có khả năng bám theo đường line tại các vị trí line bị cắt đột ngột (điểm B, D, F, G Hình 0.1.) và vị trí góc 90° (điểm A).

Về sai số tối đa của robot trong suốt quá trình, sai số trong quá trình xe di chuyển trên đường thẳng hay cong sẽ phụ thuộc vào sai số xác định vị trí của xe do hệ thống sensor và sai số do bộ điều khiển Đối với sai số khi xe bám theo các vị trí đổi hướng đột ngột, sai số phụ thuộc phần lớn vào giải thuật điều khiển

Hình 1.9 Vị trí giao điểm sa bàn.

Xét đoạn đường từ O-> D ( giả sử sai số bám line tại O: e=0), với thời gian lấy mẫu t=0,01s, với vận tốc lớn nhất v max =0,95 m/s quảng đường mà robot sẽ lấy mẫu lần 2:

Từ thông số sa bàn, ta có:

AC OC sin(13) (OD DC ).sin(13) (57,8 9).sin(13) 10, 97mm

Nếu sai số khi robot rời khỏi vị trí giao O lớn hơn AC thì robot sẽ đi sai quỹ đạo đã quy định Vậy nhóm chọn sai số bám line lớn nhất trên đoạn đường thẳng và cong là: 11mm.

Tóm lại, các thông số đầu vào cho bài toán thiết kế:

- Tốc độ tối đa: vmax = 0,9 m/s

- Bán kính cong tối thiểu: Rmin = 500mm

- Sai số dò line tại các vị trí line đổi hướng đột ngột: emax = 250mm

- Sai số dò line trên đoạn đường thẳng và cong: emax = ±11mm

ĐỀ XUẤT VÀ LỰA CHỌN PHƯƠNG ÁN

Đề xuất sơ đồ nguyên lý

Với yêu cầu robot chỉ cần bám theo đường cong bán kính lớn (R = 500mm),có khả năng thực hiện được việc đổi hướng tại các vị trí line bị gãy khúc và yêu cầu về tính đơn giản trong kết cấu và mô hình động học,nhóm lựa chọn sơ đồ nguyên lý hai bánh chủ động kết hợp bánh bị động đa hướng.(Hình 2.1).

Hình 2.1 Sơ đồ nguyên lý hai bánh chủ động kết hợp bánh bị động đa hướng

Đề xuất động cơ dẫn động

Có các đề xuất như động cơ step, động cơ DC có gắn encoder.

Bảng 2.1 Ưu nhược điểm của các loại động cơ Động cơ step Động cơ DC có encoder

Kiểm soát, xác định chính Dễ điểu khiển, hoạt động ở Ưu điểm xác vị trí và hướng khi tốc độ cao,moment xoắn quay cao

Nhược điểm Dễ bị hiện tượng trượt Dòng khởi động lớn, độ bước khi tải lớn vọt lố cao

Với yêu cầu bám line với tôc độ cao và mang tải 2kg, nhóm quyết định chọn động cơ

DC có gắn encoder Hiện tượng dòng khởi động lớn có thể khắc phục thông qua driver điều khiển động cơ.

Đề xuất cảm biến

Như đã trình bày ở trên, cảm biến quang được sử dụng để nhận biết đường line có thể là camera hoặc cảm biến quang dẫn, nhưng do khối lượng xử lý của camera cao, ảnh hưởng đến tốc độ của mobile robot nên cảm biến quang dẫn được nhóm ưu tiên sử dụng. Để thỏa mãn yêu cầu về việc đáp ứng được với các đường gãy khúc đột ngột của sa bàn, phương án cảm biến phải có độ nhạy thích hợp Dựa trên đặc tính độ nhạy cao của phototransistor so với các loại cảm biến quang khác, hai phương án sử dụng loại sensor này được đề xuất:

- 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), LED hồng ngoại cho độ nhạy cao hơn nhưng nhược điểm của nó là dễ bị nhiễu do ảnh hưởng của ánh sáng môi trường xung quanh,do đó,cần phải che chắn khi sử dụng Đối với đường đua mà màu line với màu của nền có độ tương phản thấp, sử dụng LED thường sẽ hiệu quả hơn Do đó, nhóm quyết định lựa chọn cảm biến hồng ngoại TRCT5000 (Hình 2.2).

Hình 2.2 Cảm biến hồng ngoại TRCT5000

Đề xuất giải thuật xử lý tín hiệu

Theo phần tổng quan được trình bày ở trên,có hai giải thuật xử lý tín hiệu được đề xuất là :

Với phương pháp so sánh, vị trí của robot so với đường line phụ 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 của cảm biến 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.

Với mục tiêu đơn giản hóa trong lập trình và thời gian xử lý tín hiệu nhanh,nhóm quyết định chọn giải thuật so sánh để xử lý tín hiệu.

Đề xuất cấu trúc điều khiển

Như đã giới thiệu ở trên, có hai cấu trúc điều khiển là tập trung và phân cấp Trong phương pháp điều khiển tập trung, một MCU nhận tín hiệu từ cảm biến, xử lí dữ liệu rồi truyền tín hiệu điều khiển cho cơ cấu tác động.Cấu trúc điều khiển tập trung có đặc điểm phần cứng đơn giản, tuy nhiên MCU phải xử lý tất cả thông tin trước khi cập nhật thông tin mới.

Hình 2.3 Hệ điều khiển tập trung

Hình 2.4 Cấu trúc hệ điều khiển phân cấp

Trong phương pháp điều khiển phân cấp, một MCU (Master) đảm nhận vai trò xử lý thông tin nhận được từ một MCU (Slave) đọc tín hiệu từ cảm biến, và hai MCU (Slave) khác chịu trách nhiệm điều khiển động cơ Ưu điểm chính của cấu trúc hệ điều khiển phân cấp là chương trình điều khiển xử lý tín hiệu riêng biệt, dễ dàng cho tác vụ thiết kế nhóm, dễ dàng sửa lỗi và update code điều khiển khi phát triển sản phẩm Ngoài ra,có khả năng xử lý nhiều tác vụ cùng lúc, giúp giảm thiểu thời gian lấy mẫu Nhược điểm chính là tốn nhiều tài nguyên,phải quan tâm đến vấn đề giao tiếp giữa các MCU.

Qua đó nhóm quyết định lựa chọn thiết kế theo hệ điều khiển tập trung.

Đề xuất giải thuật điều khiển

Hai phương án cho bộ điều khiển được đề xuất:

- Bộ điều khiển PD kết hợp ghi nhớ đường đi

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 [19] có thể được tùy chỉnh nhằm tăng khả năng bám line của robot cho các đoạn đường khác nhau.

Tổng hợp phương án thiết kế

Tóm lại, phương án thiết kế được nhóm lựa chọn:

- Sơ đồ nguyên lý: 2 bánh chủ động vi sai và một bánh đa hướng bị động.

- Cảm biến: bộ LED hông ngoại-Phototransistor

- Giải thuật xử lý tín hiệu cảm biến : sử dụng giải thuật so sánh.

- Động cơ: động cơ DC có gắn encoder.

- Cấu trúc điều khiển: bộ điều khiển tập trung.

- Giải thuật điều khiển: bộ điều khiển tracking.

THIẾT KẾ CƠ KHÍ

Lựa chọn bánh xe

+ Đường kính các bánh xe: d ≤ 200mm.

+ Di chuyển trên địa hình bằng phẳng không trơn trượt, bám đường tốt.

Sau khi tham khảo những thiết kế của các đội thi ở mục tổng quan, nhóm quyết định chọn bánh xe V2, với chất liệu là nhựa, vỏ cao su Đường kính 65 mm Bề rộng 27 mm.

Hai loại bánh bị động thường được sử dụng cho mobile robot là bánh mắt trâu và bánh caster [3] Tuy nhiên đặc điểm của bánh caster là khoảng cách giữa trục quay và trục bánh gây ra hiện tượng shopping-cart làm ảnh hưởng đến phương trình động học của xe Để tránh hiện tượng này,nhóm quyết định chọn bánh mắt trâu Thông số bánh mắt trâu: chiếu cao 20 mm, chiều dài 50 mm,khoảng cách hai lỗ bắt vít 40 mm.

Tính toán lựa chọn động cơ

Để xe chuyển động, động cơ có vai trò cung cấp moment cho các bánh Quá trình chuyển động này chịu ảnh hưởng đáng kể của khối lượng xe và ma sát giữa bánh xe và mặt đường.

Bảng 3.1 Các thông số đầu vào tính toán lựa chọn động cơ Đường kính bánh xe 65 mm

Vận tốc lớn nhất mong muốn 0.9 m/s

Thời gian tăng tốc mong muốn 2s

Khối lượng tải ước lượng 3 kg

Khối lượng bánh xe 0.06 kg

Hệ số ma sát giữa bánh cao su và nhựa 0.9

* Các lực tác dụng lên bánh xe chủ động:

Hình 3.3 Mô hình các lực tác dụng lên bánh xe 1

NHÓM 3 24 ĐỒ ÁN THIẾT KẾ HỆ THỐNG CƠ ĐIỆN TỬ GVHD: TS Phùng Trí Công. τ − F ms R = Iγγ

Tổng lực ma sát tác dụng lên 2 bánh:

=> Lực ma sát tác dụng lên 1 bánh = 13,24 N

=> Moment tác dụng lên mỗi bánh τ = F ms R + Iγγ = 0,43 N m

Số vòng quay: n = 60000.0,9 π.65 = 264,44 vòng/phút

Công suất yêu cầu của động cơ: =τ = 11,91 W Trong đó:

+ (kg.m 2 ): moment quán tính của bánh xe.

+ (kg): khối lượng của bánh xe.

+ (kg): khối lượng thân xe và tải.

Dựa theo công suất và số vòng quay tính toán được, ta chọn động cơ GA25V1 ( = 284 vòng/phút, P= 13,2 W).

Thông số chi tiết của động cơ GA25 V1:

- Điện áp cấp cho động cơ hoạt động: 3-12V

- Điện áp cấp cho Encoder hoạt động: 3.3VDC

- Tỷ số truyền qua hộp giảm tốc: 1:34

+ (m/s 2 ): gia tốc dài mong muốn.

+ (W): công suất mỗi động cơ.

- Số xung khi qua hộp giảm tốc: 374 xung

- Đường kính động cơ: 25mm

- Tốc độ không tải: 320rpm

- Tốc độ có tải: 284rpm

- Dòng khi có tải: 600mA

- Dòng khi động cơ bị giữ: 2.29A

- Momen khi bị giữ: 7.96kgf.cm

Kích thước khung xe

Kích thước mặt đế tùy thuộc vào cách bố trí linh kiện điện tử và khoảng cách mô phỏng giữa bánh chủ động và cảm biến Các thiết bị đặt trên khung xe bao gồm:

Bảng 3.2 Các linh kiện đặt trên khung xe và kích thước của chúng

STT Thiết bị Số lượng Kích thước(mm)

Sau khi ước lượng trên mô hình, nhóm quyết định thiết kế kích thước mặt đế : dài x rộng = 180x160 mm.

Bề dày của các tấm đế : 4 mm.

Khoảng cách từ cảm biến đến động cơ : 51 mm (số liệu từ mô phỏng).

3.3.2 Chiều cao trọng tâm: Để đảm bảo xe không bị lật khi chuyển hướng do tác dụng của lực ly tâm, ta cần đảm bảo chiều cao của trọng tâm không vượt quá một giá trị nhất định, giá trị đó được tính như sau:

Hình 3.4 Mô hình toán khi xe chuyển hướng

Giả sử trọng tâm của xe là T Để xe cân bằng ở những đoạn chuyển hướng thì moment gây ra bởi lực ly tâm phải nhỏ hơn moment gây ra bởi trọng lực của xe Ở đây, ta tính toán tại vị trí xe chuyển hướng với bán kính cong lớn nhất.Theo hình vẽ, để xe không bị lật thì :

+ Bán kính cong lớn nhất của đường line R=0.5 (m)

+ Vận tốc dài tối đa v = 0.9 (m/s)

Yêu cầu đồ gá cho động cơ

Kích thước của chi tiết gá được lựa chọn theo kích thước mặt bích của động cơ [32] Nhôm được lựa chọn làm vật liệu đồ gá, đảm bảo độ cứng vững.

+ Mối ghép giữa đồ gá và mặt bích động cơ : Đây là mối ghép cố định, cần bảo đảm độ định tâm Chi tiết ghép có khối lượng nhỏ nên ta chọn kiểu lắp giữa mặt bích động cơ với đồ gá là kiểu lắp trung gian Mối lắp trung gian được sử dụng đối với mối ghép cố định nhưng chi tiết cần tháo lắp và đảm bảo độ định tâm tốt các chi tiết lắp ghép.

+ Về mối ghép giữa trục động cơ và nối trục: Đây là mối ghép cần độ chính xác đồng tâm và có chi tiết kẹp phụ, ta chọn kiểu lắp lỏng.

Hình 3.5 Ảnh 3D xe dò line nhìn từ mặt dưới.

Hình 3.6 Ảnh 3D xe nhìn từ mặt bên.

THIẾT KẾ ĐIỆN

Sơ đồ khối

Hình 4.1 Sơ đồ khối của hệ thống điện

Hệ thống điện bao gồm bộ phận nguồn, mạch cảm biến, mạch ra chân vi điều khiển, mạch điều khiển và đọc tín hiệu từ động cơ.

Thiết kế cảm biến

Sai số bám line e max = ± 30 mm

Thời gian đáp ứng nhanh,nhỏ hơn 0.1s

Cảm biến sử dụng là phototransistor TCRT5000 Với các thông số như sau:

Bảng 4.1 Thông số cảm biến TCRT5000

Phạm vi hoạt động 0-20 mm

Dòng I F 20 mA Điện áp hoạt động 5V

Bước sóng IR phát 950 nm

Hình 4.2 Sơ đồ nguyên lý cảm biến TCRT5000

4.2.3 Phương án sắp xếp cảm biến: Để đạt được điều hướng thành công, số lượng cảm biến được sử dụng và vị trí của chúng đóng vai trò khá quan trọng Không đủ số lượng cảm biến có thể làm giảm độ phân giải của sai số đọc về, không nhận dạng đầy đủ các trạng thái đường đi ở các vị trí đặc biệt.

Một số cách sắp xếp cảm biến sau được xem xét: a) Loại ma trận b) Loại 1 hàng đơn c) Loại 2 cảm biến

Hình 4.3 Các cách sắp xếp cảm biến

Sắp xếp theo dạng ma trận (Hình 4.2.3 a) là giải pháp để phát hiện đường giao nhau. Tuy nhiên, việc quá nhiều cảm biến dẫn đến giải thuật nhận diện phức tạp, không cần thiết với mục đích điều hướng Mặt khác,để có thể hoạt động bám line hiệu quả, phải có tối thiểu 2 cảm biến Tuy nhiên, 2 cảm biến không đủ để phân biệt đường đi tại các vị trí giao nhau (Hình 4.2.3 c).

Nhóm quyết định chọn phương án sắp xếp cảm biến theo hàng đơn(Hình 4.2.3 c).

4.2.4 Vị trí của dãy cảm biến:

Theo mô phỏng , khoảng cách cảm biến so với động cơ 51 mm.

4.2.5 Lựa chọn điện trở mạch cảm biến:

Theo tài liệu , dòng qua led nằm trong khoảng 20-40 mA Do đó với hiệu điện thế 5V, giá trị điện trở R 1 xác định như sau:

Ta lựa chọn dòng qua I C = 0.6 mA thỏa mãn khi đó điện trở R 2 là:

4.2.6 Khoảng cách giữa cảm biến và mặt đất:

+ Khoảng cách cảm biến so với mặt đường cần đảm bảo thu được tín hiệu tại các vị trí nền trắng là như nhau.

+ Xuất hiện vùng giao thao giữa 2 cực phát và cực thu.

Hình 4.4 Vùng hoạt động của cảm biến

Hình 4.5 Tính toán giá trị h Dựa vào các tính toán hình học cơ bản, để xuất hiện vùng giao thoa thì h > 8,57mm. Cảm biến có độ phân giải tốt nhất trong khoảng 0,2-15mm.

Qua phân tích và tham khảo thí nghiệm của các nhóm trước, chọn h = 10mm.

• Thí nghiệm test chiều cao h :

Mục tiêu: xác định khoảng cách giữa cảm biến và mặt đất.

NHÓM 3 33 ĐỒ ÁN THIẾT KẾ HỆ THỐNG CƠ ĐIỆN TỬ GVHD: TS Phùng Trí Công. Điều kiện test: Test trên nền giấy A4 Hiệu điện thế cung cấp là 5V Kết quả được đọc và xuất ra LCD.

Hình 4.6 Sự thay đổi giá trị ADC khi đọc trên nền trắng với h từ 0-20 mm

Hình 4.7 Sự thay đổi giá trị ADC khi đọc trên nền đen với h từ 0-20 mm

Dựa vào kết quả đo được, đối với nền trắng ,ở khoảng cách từ 3 đến 12 mm thì ánh sáng bị phản xạ lại nhiều nhất (Vout nhỏ nhất), đối với nền line đen thì ánh sáng nằm trong khoảng 10 mm điện áp ra đã đáp ứng ngưỡng so sánh.

Vậy, khoàng cách h thỏa điều kiện.

4.2.7 Khoảng cách giữa 2 cảm biến:

Về khoảng cách giữa 2 cảm biến, không đặt các cảm biến quá xa hoặc quá gần nhau. Nếu những cảm biến này được đặt quá xa có thể có sai số cảm biến để phân biệt đường giao nhau nếu nó đi vào đường giao nhau ở góc không thoải mái Nếu các cảm biến được đặt quá gần, các bộ cảm biến đường giao nhau có thể tình cờ phát hiện ra đường line chứ không phải là đường giao nhau. a.Quá gần b.Quá xa

Hình 4.8 Lỗi bố trí cảm biến

Tính toán sơ bộ khoảng cách giữa 2 cảm biến để vùng hoạt động của chúng không trùng lên nhau.

Yêu cầu: Có ít nhất 2 sensor nằm trong line và nhiều nhất là 3 sensor nằm trong line và khoảng cách giữa 2 cảm biến không trùng lên nhau trong vùng hoạt động của chúng. Theo tài liệu [38] ,góc chiếu của led phát hồng ngoại là 16 0 và góc thu của led thu hồng ngoại là 30 0

Hình 4.9 Sơ đồ tính toán khoảng cách để vùng hoạt động của cảm biên không trùng lên nhau Điều kiện để hai cảm biến không trùng lên vùng làm việc của nhau là: l≥2.h.tan(30°)=2.10.tan(30°),54 mm

Với điều kiện ít nhất 2 sensor nằm trong line và nhiều nhất 3 sensor nằm trong line nên 10mm < l < 13mm Để đảm bảo nằm hoàn toàn trong line và đủ xa để không ảnh hưởng đến nhau giữa 2 sensor, nhóm chọn L = 12,5mm.

Phương án kiểm tra lại để xác định cảm biến có bị nhiễu hay không:

Dùng một con cảm biến, ta di chuyển con cảm biến này dần đến đường line Ghi lại các giá trị trả về ở các khoảng cách tương ứng.

Sau đó, ta dùng 2 con cảm biến, đặt cách nhau 12.5 mm Ta di chuyển 2 con cảm biến này gần đến đường line Ghi lại giá trị trả về ở các khoảng cách tương ứng.

Hình 4.10 Phương pháp kiểm tra nhiễu giữa hai cảm biến

Vì giá trị đọc về của bộ 1 cảm biến và bộ 2 cảm biến có giá trị tương tự nhau nên ta có thể kết luận Ở khoảng cách 12.5 mm giữa 2 con thì giá trị đọc về của cảm biến không bị nhiễu.

Giá trị analog trả về của các cảm biến là khác nhau dù với cùng một điều kiện, vì vậy ta phải calib cảm biến theo công thức sau: y yy max y j0min x x max,i min

Trong đó: x max , x min là giá trị lớn nhất và nhỏ nhất của cảm biến thứ i ứng với khi cảm biến nằm hoàn toàn trên nền đen và trên nền trắng. y max , y min là giá trị lớn nhất và nhỏ nhất mà ta mong muốn giá trị cảm biến trả về nằm trong khoảng đó. x ij là giá trị thứ j của cảm biến thứ i. y jo là giá trị thứ j của cảm biến thứ i sau khi đã calib

Sử dụng bộ chuyển đổi ADC độ phân giải 1023/5V,xuất kết quả ra màn hình LCD và ghi nhận lại, ta có kết quả như sau:

Cảm biến x min x max Phương trình calib x

Tìm vị trí của tâm đường line dựa vào giải thuật xắp xỉ:

Phương pháp thực hiện: Dùng 7 cảm biến, bố trí thành hàng ngang Ghi lại các giá trị đọc được từ các cảm biến Dùng phương pháp trung bình của tài liệu để tính vị trí của tâm các cảm biến so với đường line Từ đó tính ra sai số.

- Chiều cao test của cảm biến là 10 mm.

- Theo tài liệu [ ], ta chọn khoảng cách giữa các con cảm biến sao cho khi di chuyển cảm biến từ tâm đường line ra tại vị trí mà cảm biến đọc về còn lại 50% giá trị của nó Từ thực nghiệm, ta chọn khoảng cách 2 con là 12.5 mm.

Hình 4.11 Sơ đồ bố trí cảm biến

Theo [ ], các cảm biến x 0 , x 1 , x 2 , x 3 , x 4 , x 5 , x 6 tương ứng với các tọa độ -3, -2, -1, 0, 1, 2, 3, giá trị trả về của các cảm biến tương ứng là y 0 , y 1 , y 2 , y 3 , y 4 , y 5 , y 6 như hình vẽ sau:

Hình 4.12 Tọa độ tâm đường line

Công thức tính giá trị trung bình:

+ Chiều cao cảm biến so với nền 10 mm

+ Khoảng cách giữa hai cảm biến 12.5 mm

+ Kiểu sắp xếp cảm biến : loại một hàng đơn, đặt ngang.

Lựa chọn driver

Driver kết hợp với động cơ phải có đặc tính tuyến tính giữa áp đầu vào driver và vận tốc đầu ra của động cơ.

Driver phải có khả năng cung cấp 12V DC và dòng 600mA cho động cơ đã tính toán ở phần cơ khí. Đáp ứng được tần số xung PWM từ vi điều khiển.

Kích thước nhỏ gọn, phù hợp lắp trên xe

Ta chọn driver điều khiển động cơ L298N có thông số cơ bản:

+Driver: L298N tích hợp hai mạch cầu H.

+Dòng tối đa cho mỗi cầu H là: 2A

+Điện áp của tín hiệu điều khiển: +5 V ~ +7 V

+Dòng của tín hiệu điều khiển: 0 ~ 36mA

4.3.1 Mô hình hóa hệ driver-động cơ Để đơn giản cho việc điều khiển, động cơ và driver đƣợc xem như là một khối.

Tiến hành kiểm tra mối quan hệ giữa tín hiệu vào và ra của khối này bằng việc cấp xung

PWM và ghi lại giá trị vận tốc động cơ.

Phương pháp tiến hành: Sử dụng arduino Uno có chế độ hiển thị monitor, kết hợp mạch driver L298, dùng điều khiển động cơ GA25 V1 có gắn encoder độ phân giải 374

NHÓM 3 39 xung/vòng bằng PWM Động cơ được cấp nguồn 12V, thay đổi % giá trị duty cycle từ 20 đến 100, quan sát chế độ hiển thị monitor, ghi lại giá trị vận tốc động cơ tương ứng.

Kết quả thể hiện trong hình bên dưới:

Bàng 4.3 Số liệu thử nghiệm L298 với động cơ 1:

Hình 4.4 Đồ thị giữa PWM(%) và RPM vận tốc quay của động cơ 1

Bảng 4.4 Số liệu thử nghiệm L298 với động cơ 2:

Hình 4.14 Đồ thị giữa PWM(%) và RPM vận tốc quay của động cơ 2 Tiếp theo ta tuyến tính hóa đường quan hệ này của 2 động cơ Phương trình thể hiện mối quan hệ giữa áp đầu vào Driver (thể hiện qua giá trị duty cycle của tần số PWM) và vận tốc đầu ra của động cơ bên trái và bên phải lần lượt là:

+ Y 1 , Y 2 lần lượt là vận tốc đầu ra (vòng/phút) của động cơ trái, phải.

+ X 1 , X 2 : lần lượt là giá trị duty cycle của PWM cấp vào 2 động cơ trái, phải Nhận xét:

Ta thấy quan hệ giữa tốc độ và xung PWM gần như tuyến tính đối vs cả hai động cơ.

4.3.2 Tìm hàm truyền động cơ:

Trước hết ta xác định gần đúng hàm truyền của động cơ thông qua việc xác định thời gian đáp ứng Việc xác định này được tiến hành theo các bước sau:

- Cấp cho động cơ một mức điện áp cố định, ở thí nghiệm này chọn mức điện áp là 12V ứng với giá trị duty cycle của PWM là 100%.

- Ghi lại giá trị vận tốc của động cơ theo thời gian Thời gian lấy mẫu được chọn ở thí nghiệm này chọn là 0,05s.

Kết quả của thí nghiệm được thể hiện qua hình dưới đây:

Hình 4.15 Đáp ứng của động cơ 1 theo thời gian

Hình 4.16 Đáp ứng của động cơ 2 theo thời gian

Dựa vào đồ thị ta thấy hệ thống có dạng bậc nhất P(s) W(s) Km

PWM(s) 1Ts với Km (rpm/pwm) là hằng số độ lợi của động cơ và T(sec) là hằng số thời gian đáp ứng thể hiện qua:

Hình 4.17 Đồ thị đường cong đáp của hệ bậc nhất

Từ đó ta có được hàm truyền của hai động cơ:

Thiết kế bộ điều khiển PID cho khối driver và động cơ:

Hình 4.18 Sơ đồ khối hệ thống driver và động cơ Tiêu chí bộ điều khiển:

Sử dụng PID tuner trong matlab ta tìm đc các hệ số của bộ điều khiển PID như sau:

Mô phỏng matlab với các hệ số PID thỏa tiểu chí đề ra là:

Hình 4.19 Đáp ứng của động cơ 1 sau khi sử dụng bộ điều khiển pid

NHÓM 3 45 Đáp ứng mô phỏng là:

Hình 4.20 Đáp ứng của động cơ 2 sau khi sử dụng bộ điều khiển pid Đáp ứng mô phỏng là:

Nguồn cấp

Yêu cầu: Áp của pin phải lớn hơn hoặc bằng áp lớn nhất của thiết bị trong hệ thống (động cơ GA25 V1 -12V)

- Tính toán cường độ dòng điện cần cung cấp:

Bảng 4.5 Dòng điện tiêu thụ các linh kiện trong mạch

Thiết bị Số lượng Dòng/1 đơn vị Tổng cộng Động cơ 2 2,29 A 4,58 A

Từ yêu cầu kĩ thuật và nguồn điện cần cung cấp, mắc nối tiếp 4 pin sạc 18650

- Về điện áp tiêu thụ, dùng 2 mạch giảm áp DC LM2596 để tạo ra áp 12V cấp vào driver L298 để điều khiển động cơ.

Nguồn 5V được sử dụng lấy từ Driver L298.

Nguồn 3.3 V cấp cho encoder được sử dụng từ kit pic.

MÔ HÌNH HÓA

Mô hình động học robot

Để thực hiện việc điều khiển cho xe bám line tốt hơn, ta tiến hành thiết lập mô hình động học của hệ thống Mô hình này bao gồm các điểm quan trọng: Điểm P: điểm tham chiếu cho robot; Điểm A: trung điểm của hai bánh chủ động; Điểm C: Điểm tracking của robot Mô hình này được thể hiện bên dưới.

Hình 5.1 Mô hình động học của mobile robot

Chọn hệ trục tọa độ tuyệt đối là 0 0 và hệ trục tương đối gắn với tọa độ tâm vận tốc tức thời I trên hệ trục 0 0 : x I x D sin y I y D cos

NHÓM 3 48 ĐỒ ÁN THIẾT KẾ HỆ THỐNG CƠ ĐIỆN TỬ GVHD: TS Phùng Trí Công. w v v

Với D là khoảng cách từ tâm vận tốc tức thời đến tâm hai bánh xe

V L,R lần lượt là vận tốc của bánh trái và bánh phải của Mobile Platform

Ta có vận tốc của mobile robot: v 1( v v

Ta có phương trình động học của Mobile robot : x ' y

Với v là vận tốc dài, là vận tốc góc.

Ta biểu diễn phương trình trên theo vận tốc

Với L là khoảng cách giữa hai bánh xe.

Tại điểm C( , ) tọa độ trackingpoint, ta có:

Phương trình động học tại C: x c ' x ' a sin y c ' x ' a cos

Với a là khoảng cách từ tâm đường nối 2 bánh xe đến điểm tracking

Tại điểm P( , )g – điểm mong muốn của điểm C trên đường line, ta có : x ' v

Ta tìm được phương trình động học cho sự sai lệch giữa vị trí tâm xe và vị trí P của điểm mong muốn trên đường line: x P x C cos sin y ysin cos

Với 1 , 2 , 3 lần lượt là sai số về vị trí theo tọa độ x, y và góc di chuyển trên hệ trục tọa độ C tương đối gắn với mobile platform của trọng tâm C với điểm mong muốn của nó trên đường line.

Suy ra : e 1 cos sin 0 x e sin cos 0 y e 2 0 0 1

Tiếp theo ta xác định các sai số để đưa vào bộ điều khiển:

Hình 5.2 Mô hình xác định sai số trong việc mô phỏng

NHÓM 3 50 ĐỒ ÁN THIẾT KẾ HỆ THỐNG CƠ ĐIỆN TỬ GVHD: TS Phùng Trí Công. Để xe bám theo được line, công việc đầu tiên là xác định vị trí của xe so với line Ta đặt hệ toạ độ như hình 5.2.2, trong đó M là trung điểm giữa 2 bánh xe, C là trung điểm của dãy sensor Từ đó ta có sai số 1 bị triệt tiêu nên không cần xét đến

Mục đích của giải thuật điều khiển là làm cho điểm C bám theo điểm tham chiếu P Để làm điều đó, ta cần xác định các sai số 2 và 3 Trên thực tế, sai số 2 được đo từ dãy sensor nên ta chỉ cần tính toán sai số 3 Để tính sai số này, ta cho xe di chuyển theo phương trước đó của xe một đoạn sao cho ds đủ nhỏ để khi nối 2 điểm R và R’ ta được phương tiếp tuyến với đường cong.

Khi đó ta có công thức xác định 3 : e arctan e 2 e 2'

Ta thấy : tại một vị trí đường line, ta sẽ xác định được giá trị góc giữa đường tâm xe so với trục ngang Ox Từ mối quan hệ giữa tọa độ tâm hai bánh xe, tọa độ tâm cảm biến và góc giữa đường tâm xe so với trục ngang ta sẽ xác định được phương trình đường thẳng đi qua các cảm biến – được dùng trong mô phỏng để xác định sai số 2

Dựa theo phần trình bày trên, ta sẽ tìm được các giá trị sai số đưa vào bộ điều khiển vị trí.

Hình 5.3 Sơ đồ khối hệ thống. v v r cos e 1 k 1 e 1

Bộ điều khiển tracking: k 2 v r e 2 r k 3 sin e 3

Mô phỏng tìm khoảng cách d

Bảng 5.1 Thông số đầu vào mô phỏng tìm khoảng cách d Đại lượng Giá trị Đơn vị

Vận tốc lớn nhất 900 mm/s

Khoảng cách hai bánh xe 195 mm Đường kính bánh xe 65 mm

Thời gian di chuyển đoạn nhỏ tìm e2’ 0.002 s

Chiều dài cụm sensor 75 mm

Dựa vào các thông số trên, với khoảng cách d thay đổi , ứng với mỗi giá trị của d chọn bộ hệ số k sao cho sai số max là nhỏ nhất Kết quả mô phỏng như hình :

Hình 5.4 Kết quả mô phỏng sai số max ứng với các giá trị khoảng cách

Theo kết quả mô phỏng ta thấy với d nằm trong khoảng từ 50 đến 80 thì sai số max là nhỏ nhất Sai số tăng dần khi vượt qua khoảng này Do đó nhóm chọn d= 51 mm vì với giá trị này, xe chạy hết đường line.

Hình 5.5 Kết quả bám line khoảng cách dược chọn là 51 mm

Mô phỏng sa bàn

Quy ước : đường vẽ màu xanh lá thể hiện vận tốc gốc bánh xe phải, đường màu đỏ thể hiện vận tốc gốc bánh xe trái.

Với khoảng cách từ tâm cảm biến C đến tâm 2 bánh chủ động M được chọn là 51 mm Bên cạnh đó, giá trị e2 phụ thuộc vào bộ số [k1 k2 k3] được chọn Tiến hành mô phỏng trên đoạn đường đua với các hệ số [k1 k2 k3] lần lượt là [1 600 0].

5.3.1 Kết quả bám line ở đoạn A-B-C-D:

Hình 5.6 Sa bàn di chuyển đoạn A-B-C-D

Hình 5.7 Đồ thị sai số trong quá trình di chuyển

Hình 5.8 Vận tốc quay hai bánh trên đoạn A-B-C-D

Hình 5.9 Vận tốc dài robot trên đoạn A-B-C-D

Trong đoạn A-B-C-D, sai số lớn e2 lớn nhất là khúc giao tại B, tại đây có sự chuyển hướng đột ngột dẫn đến sai số lớn, tuy nhiên sai số trong đoạn này là 20 mm ,nhỏ hơn sai số yêu cầu của đề bài Trên đoạn A-B và B-D sai số tương đối ổn định (Hình 5.7) Nhận thấy trong quá trình chạy, tốc độ góc 2 bánh xe không vượt quá giới hạn cho phép của động cơ.

5.3.2 Đoạn D-E-F-C a.Sa bàn di chuyển đoạn D-E-F-C b Sai số e2, e3

Hình 5.10 Mô phỏng bám line đoạn D-E-F-C và sai số e2 ,e3

Hình 5.11 Vận tốc 2 bánh xe trên đoạn D-E-F-C

Hình 5.12 Vận tốc dài robot trên đoạn D-E-F-C

Trong đoạn D-E-F-C, sai số lớn e2 lớn nhất là khúc giao tại G với giá trị 13 mm, tại đây có sự chuyển hướng đột ngột từ line cong sang line thẳng dẫn đến sai số lớn Trên đoạn D-E-F và F-C sai số tương đối ổn định (Hình 5.10 b).

5.3.3 Đoạn C-G-A a.Sa bàn di chuyển đoạn C-G-A b Sai số e2 e3

Hình 5.13 Mô phỏng bám line đoạn C-G-A và sai số e2 ,e3

Hình 5.14 Vận tốc hai bánh trên đoạn C-G-A

Hình 5.15 Vận tốc xe trên đoạn C-G-A

Các thông số mô phỏng về sự chuyển động của sensor cảm biến, sai số e2, e3, vận tốc xe và số vòng quay của bánh xe trong quá trình chuyển động đoạn C-G-A được mô tả trong hình 5.13 đến 5.15

Trong đoạn C-G-A, sai số lớn e2 lớn nhất là khúc giao tại G với giá trị -17 mm, tại đây có sự chuyển hướng đột ngột dẫn đến sai số lớn Trên đoạn C-G và G-A sai số tương đối ổn định (Hình 5.13 b).

5.3.3 Đoạn G-A-C-E a.Sa bàn di chuyển đoạn G-A-C-E b Sai số e2, e3

Hình 5.16 Mô phỏng bám line đoạn G-A-C-E và sai số e2 ,e3

Hình 5.17 Vận tốc hai bánh trên đoạn G-A-C-E

Hình 5.18 Vận tốc xe trên đoạn G-A-C-E

Các thông số mô phỏng về sự chuyển động của sensor cảm biến, sai số e2, e3, vận tốc xe và số vòng quay của bánh xe trong quá trình chuyển động đoạn G-A-C-E được mô tả trong Hình 5.4.4.

Trong đoạn G-A-C-E , có khúc cua 90 0 làm cho sai số e2 tại vị trí này khá lớn -

23 mm Tuy nhiên sai số này là có thể chấp nhận trong quá trình chạy.

Trong quá trình di chuyển, vận tốc xe thay đổi (Hình 5.18 ) và tại vị trí bẻ cua 90 0 vận tốc xe giảm nhiều nhất, đây cũng là điều cần lưu ý khi áp dụng giải thuật cho mô hình xe thật.

BỘ ĐIỀU KHIỂN

Lựa chọn vi điều khiển

Giải thuật điều khiển tập trung sử dụng 1 con vi điều khiển đảm nhận tất cả các chức năng, bao gồm: đọc và xử lí tín hiệu từ cảm biến , điều khiển 2 động cơ thông qua driver và đọc giá trị encoder. Đặt ra yều cầu vi điều khiển đáp ứng được nhu cầu đặt ra cho robot, cụ thể:

Có 7 kênh đọc giá trị analog, có 2 kênh điều khiển độ rộng xung PWM và có thể đọc tín hiệu từ encoder tới tần số cao.

Nhóm quyết định chọn vi điều khiển Pic 18F4550, thỏa mãn tất cả các yêu cầu trên.

Giải thuật điều khiển

6.2.1 Chương trình điều khiển chính:

Hình 6.2 Chương trình điều khiển chính

Hình 6.3 Chương trình con điều khiển

THỰC NGHIỆM VÀ KẾT QUẢ

Hình ảnh xe thực tế

Hình 7.1 Ảnh xe thực tế 1.

Hình 7.2 Ảnh xe thực tế 2.

Kết quả thực nghiệm bám line

Hình 7.3 Ảnh xe bám line 1-ôm cua tại vị trí G.

Hình 7.4 Ảnh xe bám line 2- tới vị trí B.

Nhận xét

Kết quả chạy mô phỏng và thực tế của của xe theo vR = 0,9 m/s trên đường line được thể hiện trên Hình 7.3, Hình 7.4 và Hình 7.5 Ba hình đều thể hiện dạng bám line của xe giống nhau: trên các đoạn đường thẳng (B→D, F→G, A→E), xe thể hiện dao động hai bên đường line; trên các đoạn đường cong (A→B, D→F, G→A), xe đều nằm ở một bên so với đường line Trong khi sai số của mô phỏng đạt được yêu cầu đề bài về sai số (trên đường thẳng và cong: emax = ±11mm và trên đoạn đổi hướng: emax = 250mm), sai số thực tế của xe lại không thỏa được yêu cầu đề ra về sai số trên đoạn thẳng và cong. Các lý do dẫn đến việc tăng sai số này bao gồm:

- Sai số lắp đặt ảnh hưởng độ đồng trục của hai động cơ.

- Sai số tốc độ của hai động cơ.

Hình 7.5 Kết quả chạy mô phỏng.

- Sai số của hệ thống cảm biến cảm biến do sự khác biệt giữa môi trường thí nghiệm và thực nghiệm.

- Sai số của hệ thống cảm biến do chiều cao gá đặt và độ song song với trục động cơ. Để khắc phục các sai số này, các giải pháp được đề ra bao gồm:

- Thực hiện thí nghiệm nhằm đánh giá sai số vận tốc của động cơ để có thể đưa vào mô phỏng.

502 Bad GatewayUnable to reach the origin service The service may be down or it may not be responding to traffic from cloudflared

Tiêu đề	Đồ án Thiết kế hệ Thống Cơ Điện Tử Tốc độ Di chuyển Tối Thiểu Là 0.2 m/s Robot Mang Trên Người Một Tải Nặng 2kg
Người hướng dẫn	TS. Phùng Trí Công
Trường học	Trường Đại Học Công Nghệ Thông Tin và Truyền Thông
Chuyên ngành	Hệ Thống Cơ Điện Tử
Thể loại	Đồ án
Năm xuất bản	2023
Thành phố	Hà Nội

Định dạng
Số trang	73
Dung lượng	3,3 MB