ĐỒ án môn học THIẾT kế hệ THỐNG cơ điện tử THIẾT kế, CHẾ tạo và điều KHIỂN ROBOT XE ĐUA dò LINE

 Số bánh xe: Xe có 4 bánh, trong đó 2 bánh cao su dẫn động = 50 đường kính lớn đặt ở phía sau, 2 bánh cao su có đường kính nhỏ hơn đặt ở phíatrước thực hiện chức năng rẽ hướng, phần

MỤC TIÊU 1

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN 2

Về Cơ Khí 2

1 Mô hình xe đua dò line trong nước 2

2 Mô hình xe đua dò line ngoài nước 3

3 So sánh ưu, nhược điểm 5

Về Điện 6

1 Về cảm biến 6

2 Về động cơ 8

Về Cấu Trúc Điều Khiển 8

Về Bộ Điều Khiển 10

ĐẶT ĐỀ BÀI 10

CHƯƠNG 2: LỰA CHỌN PHƯƠNG ÁN 12

Về Cơ Khí 12

1 Phương án khả thi 12

2 Lựa chọn phương án 12

Về Điện 12

1 Lựa chọn động cơ 12

2 Lựa chọn cảm biến 13

Về Cấu Trúc Điều Khiển 13

Về Bộ Điều Khiển 13

CHƯƠNG 3: THIẾT KẾ 14

Thiết Kế Cơ Khí 14

1 Tính toán kích thước xe 14

2 Tính toán công suất động cơ 17

3 Tính toán moment xoắn động cơ 18

4 Dung sai 19

Thiết Kế Điện 25

1 Thiết kế cảm biến 25

2 Lựa chọn nguồn 30

3 Khối động cơ-driver 31

Thiết Kế Phần Lập Trình 36

1 Sơ đồ khối hệ thống điều khiển 36

2 Chọn vi điều khiển 36

3 Lưu đồ giải thuật 37

Mô Hình Hóa 39

1 Mô hình hóa động học 39

2 Thiết kế bộ điều khiển 40

3 Mô hình hóa cảm biến 40

4 Cách tìm sai số 40

5 Mô hình hóa động cơ 41

6 Kết quả mô phỏng 42

7 Nhận xét 45

CHƯƠNG 4: KẾT QUẢ THỰC NGHIỆM 46

Kết Quả Thực Nghiệm 46

Phân Tích Thực Nghiệm 48

Đề Xuất Hiệu Chỉnh Thiết Kế 48

CHƯƠNG 5: BIỂU ĐỒ GANLT 49

TÀI LIỆU THAM KHẢO 51

YÊU CẦU

Đồ án môn học (ĐAMH) Thiết Kế Hệ Thống Cơ-Điện Tử yêu cầu nhóm sinh viênthực hiện hoàn chỉnh các quá trình thiết kế, chế tạo và điều khiển Robot Xe Đua Dò Line (LineFollowing Robot) Robot sau khi hoàn thành phải di chuyển bám theo sa bàn line phẳng cho trước

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN

Về Cơ Khí

a Robot Không Độ của đội Không Độ vô địch BCR 2013

H. (a) Robot Không Độ; (b) Sơ đồ kết cấu Robot Không Độ

 Kích thước: ×× = 270 × 140 × 140 ( ).

 Số bánh xe: Xe có 4 bánh, trong đó 2 bánh cao su dẫn động ( = 50 ( ))

đường kính lớn đặt ở phía sau, 2 bánh cao su có đường kính nhỏ hơn đặt ở phíatrước thực hiện chức năng rẽ hướng, phần bộ phận cảm biến tiếp xúc trực tiếp với

đường line không có bi lăn hoặc bánh mắt trâu ở giữa

 Vận tốc xe: Vận tốc cực đại = 0.6 ( / ), vận tốc trung bình = 0.4 ( / ).

b Robot TDC1 của đội TDC1 vô địch MCR 2014

H. (a) Robot TDC1; (b) Sơ đồ kết cấu Robot TDC1

 Kích thước: ×× = 24 × 160 × 80 ( ).

đặt ở phía trước thực hiện chức năng như rẽ hướng, phần bộ phận cảm biến tiếp xúc trực tiếp với

đường line không có bi lăn hoặc bánh mắt trâu ở giữa

 Vận tốc xe: Vận tốc cực đại = 0.7 ( / ), vận tốc trung bình = 0.4 ( / ).

c Robot BKC ] của đội BKC vô địch BCR 2015

 Sơ đồ nguyên lí

H. (a) Robot BKC; (b) Sơ đồ kết cấu Robot BKC

 Kích thước: ×× = 300 × 150 × 100 ( ).

)) đặt ở phía trước thực hiện chức năng như 2 bánh castor, phần bộ phận cảm biến tiếp xúc trực tiếp với đường line không có bi lăn hoặc bánh mắt trâu ở giữa.

 Vận tốc xe: Vận tốc cực đại = 0.7 ( / ), vận tốc trung bình = 0.5 ( / ).

a Robot Pika của đội Mechatron vô địch Cyberbot 2015, Poznan

 Vận tốc xe: Vận tốc cực đại = 2.7 ( / ), vận tốc trung bình = 1.9 ( / ).

b Robot Green Gaint V4.1 tại cuộc thi Micromouse 2013-2014

(a) (b)

H. (a) Robot Green Gaint V4.1; (b) Sơ đồ kết cấu Green Gaint V4.1

 Kích thước: ×× = 190 × 110 × 40 ( ).

 Vận tốc xe: Vận tốc cực đại = 1 ( / ), vận tốc trung bình = 0.5 ( / ).

VS

 Số bánh xe: Xe có 4 bánh, trong đó 2 bánh cao su phía sau ( = 60 ( )) được truyền chuyển động từ bộ vi sai, 2 bánh mắt trâu phía trước có chức năng rẽ hướng.

 Vận tốc xe: Vận tốc cực đại = 1.2 ( / ), vận tốc trung bình = 0.7 ( / ).

e Robot Pinto của đội đua Grant tại cuộc thi LVBots Line Following, 4/2015

H (a) Robot Pinto; (b) Sơ đồ kết cấu Robot Pinto  Kích thước: × × = 210 × 130 × 120 ( ).

 Vận tốc xe: Vận tốc cực đại = 0.8 ( / ), vận tốc trung bình = 0.5 ( / ).

Từ những thông tin thu thập được ở trên, để lựa chọn được mô hình kết cấu phùhợp chúng ta cần phải thực hiện các quá trình phân tích, so sánh về các ưu, nhược điểmcủa những phần quan trọng trong kết cấu xe

Mô hình

Mô hình

VS

1 Bám đường Không tốt Không tốt Tốt: Có kết cấu khớp cầu

Mô hình

b Về số lượng bánh xe

Về Điện

1 Về cảm biến

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 Cóhai phương pháp thường được sử dụng cho robot dò line là phương pháp sử dụngcamera và các loại cảm biến quang dẫn:

 Trường hợp sử dụng camera để phát hiện vị trí line thì người ta sử dụng hình ảnh thu

của xe so với đường line Các xe sử dụng camera như Smart Car trong cuộc thi The Freescale 2012 hay Raspberry Pi Line Following Robot trong cuộc thi Robocup Junior Competition Flanders 2014…

Điển hình như quang điện trở hoặc phototransistor kết hợp với LED Hai loại cảm biến này có nguyên tắc hoạt động giống nhau, 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 Các

xe sử dụng phototransistor cho bộ phận dò line như Usain Volt 2.0,

Thunderbolt…

Bảng so sánh giữa các loại cảm biến

Có 2 cách đọc giá trị áp của bộ phận thu cảm biến trả về:

 Cách thứ nhất là đọc theo dạng analog với sơ đồ điện của một cảm biến như hình H Tín hiệu analog đọc được

từ cảm biến qua phép xấp xỉ để tìm ra vị của xe so với tâm đường line[6] Các giải thuật xấp xỉ theo bậc 2, theo trọng số (hình H.

) cho sai số dò line khác nhau.

H. Sơ đồ điện đọc giá trí analog của cảm biến hồng ngoại

 Cách thứ hai là đọc digital Tín hiệu đầu ra của cảm biến vẫn là anlog nhưng sau đóthông qua mạch lấy ngưỡng, hoặc lấy ngưỡng bằng lập trình để cho ra 2 giá trị logic

0 hoặc 1 ứng với vị trí của cảm biến trên đường line hoặc ngoài đường line Sơ đồ mạch đọc giá trị cảm biến của phương pháp này như hình H .

H Sơ đồ điện của 1 cảm biến để đọc giá trị digital

Để điều khiển robot theo quỹ đạo, người thiết kế lập trình xác định độ lệch tương đối giữa quỹ đạo của robot và quỹ đạo mong muốn, sau đó so sánh độ lệch đó

Lệch phải mức 1

Lệch phải mức 2

H Quy định mức lệnh giữa quy đạo của robot và quỹ đạo mong muốn

Bảng so sánh giữa các phương pháp đọc cảm biến

Hầu hết các xe dò line trong thực tế đều dùng động cơ dc có gắn encoder, vì có bộ Encoder hồi tiếp nên đảm bảo được độ ổn định và chính xác cho hệ thống Đối với các xe việc chuyển hướng không dùng bánh đa hướng thì có thể dùng Rc Servo để điều khiển hướng di chuyển Các xe như Usain Volt 2.0

sử dụng động cơ 50:1 HP gearmotors , Silvestre-line sử dụng động cơ Maxon DC motor

Về Cấu Trúc Điều Khiển

Mạch xe dò line gồm các thành phần cơ bản gồm mạch cảm biến (sensor); mạchđiều khiển (micro controller); mạch lái động cơ (driver) Có hai phương pháp chính đểkết nối phần cứng với nhau là điều khiển tập trung và điều khiển phân cấp

cảm biến, nhận và xử lý tín hiệu từ hai encoder, thực hiện chương trình chính, tính giá trị điềukhiển và truyền cho hai động cơ Cấu trúc này được sử dụng nhiều trong thực tế trong hầu hếtcác mô hình xe: HBFS, Pika,…

H. Sơ đồ cấu trúc tập trung

đóng vai trò là slave, thực hiện các tác vụ riêng biệt như: thu nhận và xử lí tín hiệu

từ cảm biến, tính toán vị trí tương đối của xe so với line và truyền về cho master;thu nhận tín hiệu từ encoder, tính toán luật điều khiển cho động cơ

Bảng so sánh cấu trúc điều khiển

2 Tài nguyên (năng

lượng, không gian)

Về Bộ Điều Khiển

đường line, khi một cảm biến nằm trên line thì động cơ tương ứng bên đó sẽ đứng yên, và ngược lại, và ả 2 động cơ sẽ cùng quay khi không có cảm biến nào nằm trên đường line Phương pháp điều khiển này không thể

áp dụng cho robot thực hiện tác vụ đua đồng thời cũng không thể điều khiển robot bám line với sai số nhỏ.

tự hay điều khiển số Hơn 90% các bộ điều khiển trong công nghiệp được sử dụng là bộ điều khiển PID Nếu được thiết kế tốt, bộ điều khiển PID có khả năng điều khiển hệ thống đáp ứng tốt các chỉ tiêu chất lượng như đáp ứng nhanh, thời gian quá độ ngắn, độ quá điều chỉnh thấp, triệt tiêu được sai lệch tĩnh Tuy nhiên, bộ điều khiển PID có nhược điểm là chỉ đạt kết quả tốt trong hệ tuyến tính, xảy ra nhiễu ở khâu vi phân dẫn đến sai lệch lớn ở đầu ra.

thành và giải mờ Sai số đầu ra của bộ điều khiển phụ thuộc hoàn toàn vào luật mờ Đưa ra luật

mờ tốt sẽ được sai số đầu ra nhỏ và ngược lại

fuzzy, hai thông số và được chỉnh định bởi bộ điều khiển fuzzy Bộ điều khiển này được ứngdụng trong các hệ phi tuyến MIMO, điều khiển robot theo các quỹ đạo phức tạp và ổn định đốivới tác động của nhiễu Tuy nhiên bộ điều khiển này phải thiết kế phức tạp hơn bộ điều khiểnPID hoặc fuzzy

nhiên để có được bộ 3 sai số trên, ta phải sử dụng camera thay vì sử dụng cảm biến.

 Có thể kết hợp bộ điều khiển và giải thuật tự học đường Q – learning[15] để thêm khảnăng ghi nhớ đường đi nhằm thay đổi thông số phù hợp với từng chặn đường, giúp tăng khả năng đápứng của xe sau mỗi lần chạy, như xe Silvestre và CartisX04

 Từ đó, nhóm đưa ra các thông số dự kiến cho quá trình thiết kế như:

 Vận tốc = 1 ( / )

 Gia tốc = 0.5 ( / )

CHƯƠNG 2: LỰA CHỌN PHƯƠNG ÁN

tố đó xe 3 bánh không thể nào đáp ứng tốt yếu tố đó được như xe 4 bánh Mặt khác, nếu xét về phương diện robot dò line, tức yếu tố

“dò line” là yếu tố quan trọng nhất thì xe Pika vượt trội so với xe Green Gaint ở chỗ 2 bánh xe trước ngoài khả năng giúp xe bám đường tốt còn giúp cho cảm biến luôn giữ được khoảng cách mong muốn so với mặt sa bàn trong suốt quá trình đua Yếu tố đó giúp cho xe đảm bảo đáp ứng được sai số của hệ thống khi di chuyển với tốc độ cao.

Tuy nhiên, xe Pika có nhược điểm là khả năng bám đường không được tốt do kết cấu xe không có khớp bản lề hoặc khớp cầu để đảm bảo 4 bánh xe đồng phẳng Nhưng trái lại, việc đó giúp hạn chế sai số cơ khí lớn, đồng thời nếu 4 bánh xe không đồng phẳng thì chỉ có thể là 1 trong 2 bánh mắt trâu phía trước không tiếp xúc được với mặt đường do đường kính nhỏ hơn nhiều so với bánh cao su, điều đó không hề ảnh hưởng lớn đến mục tiêu mong muốn.

Từ những phân tích trên chỉ ra rằng mô hình Robot xe Pika là hợp lí nhất Do đó,nhóm quyết định lựa chọn phương án có sơ đồ nguyên lí như sau:

H Phương án khả thi thiết kế Cơ Khí

Về Điện

Yêu cầu: Động cơ phải đáp ứng được vận tốc 1 ( / ) đã đề ra.

Kết luận: Sử dụng động cơ DC có gắn encoder

Về Cấu Trúc Điều Khiển

Kết luận: Nhóm quyết định lựa chọn phương án điều khiển phân cấp

Về Bộ Điều Khiển

Nhóm chọn bộ điều khiển Following tracking, vì đây là bộ điểu khiển phổ biếntrong các nghiên cứu về khả năng bám theo quỹ đạo cho trước cho mobile robot, đápứng được các sai số và vận tốc nhóm đặt ra

CHƯƠNG 3: THIẾT KẾ

Thiết Kế Cơ Khí

Tiêu chí của quá trình thiết kế cơ khí là có thể xác định được những điều kiện cầnthiết về động lực học nhằm giải quyết đầu bài đặt ra Cụ thể là phân tích sự ảnh hưởng rồi

từ đó đưa ra lựa chọn hợp lí đối với các thông số sau:

 Kích thước chiều dài, chiều rộng và chiều cao xe

 Khoảng cách giữa trục bánh xe trước và sau

 Công suất và moment xoắn của động cơ

 Đường kính bánh xe

Ngoài việc đáp ứng được các yêu cầu về động lực học, kết cấu khung xe còn phảithỏa mãn các điều kiện về sai số Do đó việc tính toán để lựa chọn hợp lí về dung sai, vậtliệu của các chi tiết sẽ được tiến hành sau khi có vẽ bản phác thảo xe Từ đó, đưa ra cácbản vẽ cần thiết để phục vụ cho quá trình chế tạo

 Do phương án lựa chọn là xe 4 bánh với 2 bánh sau dẫn động và 2 bánh trước là 2

bánh mắt trâu nên các mô hình động lực học của xe được mô tả như sau:

 Mô hình động lực học khi xe chuyển động thẳng như hình H.6

Ta có phương trình động lực học tổng quát cho xe

Nhận xét: Dựa vào (3) ta thấy gia tốc lớn nhất mà xe đạt được sẽ càng lớn nếu trọng tâm càng dịch về phía sau ( 1 càng lớn) và càng thấp (ℎ càng thấp)

Lúc đó sẽ xảy ra hiện tượng 2 bánh trước không còn bám được trên mặt đường

H. Mô hình động lực học khi xe vào cua

 Từ đó, ta được mô hình động lực học khi nhìn trực diện như hình H.

H Mô hình động lực học khi xe vào cua nhìn từ mặt trước

Dựa vào mô hình thiết kế phác thảo trên phần mềm SolidWork cho ta các thông số như sau ≈ 156; 1 ≈ 96; 2 ≈ 60; ℎ ≈ 36; ≈ 152

Kiểm tra các điều kiện

0.051 ≤ 1.67

{ 1<1.21

=

Mà = + tổng lực của lực ma sát lăn và lực cản của không khí

cần tháo lắp được, và cần đảm bảo định tâm tốt cho trục quay Động cơ là chi tiết

được chế tạo sẵn do đó mối lắp sẽ được lắp theo hệ thống trục Vì vậy chọn mối lắp

7 7/ℎ6, đây là mối lắp trung gian ưu tiên, độ dôi không lớn đủ để định tâm chi tiết và ngăn ngừa các chấn động của chi tiết khi quay (Hình H ).

7 7

H. Dung sai lắp ghép giữa động cơ và đồ gá

 Mối lắp giữa phần thân trụ của vis shoulder bolt với đồ gá: là mối ghép cố định, dùng

để định tâm với độ chính xác cao các lỗ dưới mặt đáy của đồ gá với các lỗ trên khung xe, phần trụccủa vis cần có thể dịch chuyển tịnh tiến để lắp phần ren của vis với phần ren của lỗ cho việc cố địnhgiữa đồ gá và khung xe Mối lắp giữa vis shoulder bolt và đồ gá được lắp theo hệ thống trục vì visshoulder bolt là chi tiết chế tạo sẵn Do

đó chọn mối lắp 6 7/ℎ6 (Hình H ).

6 7

 Từ dung sai lắp ghép ở trên, tra bảng P4.1[1] ta có được các dung sai kích thước như

sau: lỗ 7 +0 005

01 , lỗ 6 +0.012

Bảng 4.1 Miền dung sai sai lệch kích thước giới hạn lỗ (trích từ bảng P4.1)

Miền dung sai

2 1

H Các khâu hình thành chuỗi kích thước

1 2

Dựa vào bảng 4.1, ta thấygần với 40 nên ta chọn cấp chính xác 9 làm cấp

chính xác chung cho các khâu thành phần

Với cấp chính xác IT9 ta tra sai lệch giới hạn và dung sai cho khâu 2

H Các khâu hình thành chuỗi kích thước

Từ hình trên ta được chuỗi kích thước như sau

Dựa vào bảng 4.1, ta thấy gần với 40 nên ta chọn cấp chính xác 9 làm cấp chính xác chung cho các khâu thành phần.

Với cấp chính xác IT9 ta tra sai lệch giới hạn và dung sai cho khâu 2

∆ = ±0.18( − 0 )

⟹ ∆ = ±0.09

lệch vị trí của lỗ M6 dựa vào sai lệch vị trí của lỗ M5

 Dung sai độ thẳng, độ phẳng của mặt chuẩn B bằng 60% dung sai kích là 0.03

 Dung sai độ song song so với mặt C là 0.015 vì cấp chính xác 9 và kích thước là

3

 Đối với các lỗ thì dung sai độ trụ và độ đối xứng là 30% dung sai kích thước

 Dung sai độ trụ và độ đối xứng đối với lỗ M5, M6 và M7 là 0.004.

H. Mối liên hệ giữa khoảng cách và dòng ở cực thu

= = 5 = 12.5 ( Ω))

Chọn 2 = 10 ( Ω))

c Xác định khoảng cách phù hợp giửa cảm biến và mặt đường

Theo như [8] ta có khoảng cách phát hiện của TCRT5000 là 0.2 đến 15 ( ) Do

đó ta tiến hành thực nghiệm đọc giá trị Analog của từng khoảng cách để chọn ra giá trịhợp lý

Điều kiện test:

H Mối quan hệ giữa giá trị cảm biến và khoảng cách sàn

Dựa vào kết quả đo được, ở khoảng cách khoảng từ 6 đến 10 ( ) thì ánh sáng bị phản xạ lại nhiều nhất.

Do đó ta sẽ làm thêm thí nghiệm đo giá trị của cảm biến tại từng vị trí so với đường tâm line ở độ cao từ 6 đến 10 ( ) để xác định chiều cao hợp lý nhất.

800

6mm

7mm 8mm

Vị trí đường tâm line (mm)

H Quan hệ giữa vị trí tâm line và giá trị Analog trả về của cảm biến

Nhận xét:

 Ta thấy tại vị trí = 10 ( ) thì giá trị Analog đọc về tại tâm line và nên trắng có sự chênh lệch lớn nhất và khi di chuyền từ nền line trắng vào nền line đen thì giá trị có sự thay đổi nhanh chóng.

Như vậy chiều cao cảm biến so với mặt đường được lựa chọn là 10 ( ).

d Xác định khoảng cách giữa các cảm biến

Đối với cảm biến TCRT5000, góc của led phát là 16 và góc của led thu là 30

Từ đó, ta tính được bán kính của đường tròn trên mặt sàn của:

Từ hình bên dưới ta sẽ suy ra được khoảng cách tối thiểu giữa 2 cảm biến để không bị nhiễu

≥ 3.08 × 2 ≥ 6.16 ( )