Báo cáo đồ án thiết kế hệ thống cơ điện tử

ĐẠI HỌC QUỐC GIA THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH TRƢỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA KHOA CƠ KHÍ BỘ MÔN CƠ ĐIỆN TỬ BÁO CÁO ĐỒ ÁN THIẾT KẾ HỆ THỐNG CƠ ĐIỆN TỬ GVHD PGS TS Nguyễn Tấn Tiến SVTH Lê Hải Đăng 21300834 Phan Đình.

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA

KHOA CƠ KHÍ

BỘ MÔN CƠ-ĐIỆN TỬ

BÁO CÁO ĐỒ ÁN THIẾT KẾ HỆ THỐNG CƠ ĐIỆN TỬ

MỤC LỤC i

DANH MỤC HÌNH ẢNH iii

DANH MỤC BẢNG BIỂU v

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN 6

1.1 Giới thiệu 6

1.2 Yêu cầu đặt ra đồ án 6

1.2.1 Mục tiêu đồ án 6

1.2.2 Yêu cầu kỹ thuật 7

1.3 Cấu trúc cơ bản của các xe dò line thông dụng 7

1.3.1 Phần cơ khí 7

1.3.2 Phần cảm biến 13

1.3.3 Phần điều khiển 15

1.4 Đặt bài toán 16

CHƯƠNG 2 LỰA CHỌN PHƯƠNG ÁN 17

2.1 Phương án cơ khí 17

2.2 Phương án cảm biến 17

2.3 Phương án điều khiển 18

2.4 Kế hoạc thực hiện 18

CHƯƠNG 3 THIẾT KẾ CƠ KHÍ 19

3.1 Chọn bánh xe 19

3.2 Tính toán chọn động cơ 19

3.3 Tính toán ổn định cho xe khi di chuyển trên bán kính cong 21

3.4 Thiết kế các bộ phận cơ khí 22

3.4.1 Chuỗi kích thước 1 22

3.4.2 Chuỗi kích thước 2 24

CHƯƠNG 4 THIẾT KẾ ĐIỆN 26

4.1 Xây dựng sơ đồ khối nguyên lý hệ thống điện 26

4.2 Thiết kế cảm biến 26

4.2.1 Lựa chọn cảm biến 26

4.2.2 Xác định chiều cao đặt cảm biến và khoảng cách giữa hai cảm biến 27

4.2.3 Tuyến tính hóa cảm biến 31

4.3 Lựa chọn driver 35

5.1 Mô hình hóa cơ cấu lái 38

5.2 Xây dựng mô hình động học hệ thống 40

5.3 Mô hình hóa hệ thống kết hợp sai số 41

CHƯƠNG 6 THIẾT KẾ BỘ ĐIỀU KHIỂN 43

6.1 Thành lập luật điều khiển 43

6.2 Mô phỏng bộ điều khiển 43

6.3 Thành lập bộ điều khiển PID cho động cơ dẫn động 46

6.4 Giải thuật điều khiển 48

TÀI LIỆU THAM KHẢO 50

Hình 1.1.Sa bàn di chuyển của robot 6

Hình 1.2 Chariot 8

Hình 1.3 Usain Volt 2.0 9

Hình 1.4 Fireball (2010) 9

Hình 1.5 CartisX04 (2014) 10

Hình 1.6 FH Westküste 11

Hình 1.7 Xe đua mô hình HSP 94107TOP-10707 12

Hình 1.8 Xe đua mô hình HSP 94123-12309 13

Hình 1.9 Các phương pháp sắp xếp cảm biến 14

Hình 1.10 Tín hiệu được xử lý bằng giải thuật so sánh 15

Hình 1.11 Giải thuật xấp xỉ giá trị 15

Hình 1.12 Sơ đồ của line tại vị trí giao nhau 16

Hình 3.1 Mô hình phân tích lực 19

Hình 3.2 Mô hình tính toán khi xe rẽ hướng 21

Hình 3.3 Mô hình các bánh răng truyền động 23

Hình 3.4 Chuỗi kích thước 23

Hình 3.5 Mô hình hóa cơ cấu treo bánh trước 25

Hình 4.1 Sơ đồ khối nguyên lý hệ thống điện 26

Hình 4.2 Sơ đồ nguyên lý 27

Hình 4.3 Mô hình của cảm biến TCRT5000 28

Hình 4.4 Đồ thị biểu diễn sự thay đổi giá trị ADC khi chiều cao thay đổi 0 − 20𝑚𝑚 29

Hình 4.5 Đồ thị biếu diễn sự thay đổi giá trị ADC 30

Hình 4.6 Đồ thị biếu diễn sự thay đổi giá trị ADC 30

Hình 4.7 Khoảng cách giữa 2 cảm biến đặt nằm dọc theo đường line 31

Hình 4.8 Phương pháp tính giá trị trung bình xấp xỉ theo trọng số 32

Hình 4.9 Đồ thị quan hệ giữa vị trí thực và vị trí tính toán 33

Hình 4.10 Đồ thị mối quan hệ giữa tâm đường line và sai số tuyệt đối 33

Hình 4.11 Đồ thị biểu điễn sai số giữa hàm nội suy và giá trị đọc về 34

Hình 4.12 Đồ thị biểu diễn hiệu sai số giá trị đọc và giá trị thực của tâm cảm biến 34

Hình 4.13 Đồ thị test độ tuyến tính của vận tốc bằng driver TB6612 36

Hình 5.1 Mô hình cơ cấu lái 38

Hình 5.4 Đồ thị quan hệ góc lái và góc quay của động cơ RC servo 42

Hình 6.1 Kết quả bám line 44

Hình 6.2 Sai số theo trục 𝑥 44

Hình 6.3 Sai số theo trục 𝑦 45

Hình 6.4 Sai số góc quay 45

Hình 6.5 Vận tốc hoạt động 46

Hình 6.6 Góc lái servo 46

Hình 6.7 Đồ thị đáp ứng vận tốc theo thời gian 47

Hình 6.8 Đồ thị đáp ứng vận tốc theo thời gian áp dụng bộ điều khiển PID trên thực tế 48

Hình 6.9 Giải thuật điều khiển xe dò line trên sa bàn 49

Bảng 1.1.Thông số kỹ thuật xe Chariot 8

Bảng 1.2 Thông số kỹ thuật của Usain Volt 2.0 9

Bảng 1.3 Thông số kỹ thuật của Fireball 10

Bảng 1.4.Thông số kỹ thuật của CartisX04 10

Bảng 1.5 Thông số kỹ thuật của FH Westküste 11

Bảng 1.6 Thông số kỹ thuật xe đua HSP 94107TOP-10707 12

Bảng 1.7 Thông số kỹ thuật xe đua HSP 94107TOP-10707 13

Bảng 3.1 Thông số đầu vào tính toán chọn động cơ 21

Bảng 3.2 Thông số đầu ra tính toán chọn động cơ 21

Bảng 3.3 Thông số động cơ DC Mitsumi 21

Bảng 4.1 Thông số kỹ thuật cảm biến TCRT5000 26

Bảng 4.2 Thông bảng giá trị sự thay đổi của 𝑑1, 𝑑2, 𝑋𝑑 theo chiều cao của cảm biến 28

Bảng 6.1 Thông số mô phỏng 43

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN 1.1 Giới thiệu

Moblie platform là loại robot có thể di chuyển từ nơi này đến nơi khác một cách tự chủ Không giống như các robot công nghiệp, mobile platform có thể di chuyển tự do trong không gian làm việc để đạt được mục đích mong muốn Từ đó giúp cho mobile platform có nhiều ứng trong các môi trường khác nhau

Cùng với sự đa dạng về hình thức di chuyển như chạy, nhảy, bơi, lặn, mobile platform

đa dạng về phương thức dẫn động như: bằng bánh xe (WMRs), bằng chân (LMRs), dẫn động bằng chân vịt (AUVs) và dẫn động bằng cánh quạt (UAVs)

Trong thực tế, WMRs được sử dụng phổ biến, thích hợp với các ứng dụng thông thường

và các yêu cầu trong sự phát triển của xã hội Một ứng dụng cụ thể của WMRs là xe dò line, được sử dụng phổ biến trong công nghiệp và đời sống như: AGV (Automated Guided Vehicle) của một số nhà cung cấp: Daifuku, Swisslog, AGVE Group, Egemin Automation,

để vận chuyển, sắp xếp hàng hóa trong hệ thống cảng biển, kho hàng tự động (AS/RS), ô-tô tự hành có thể vận chuyển hành khách tự động [1]

Ngoài ra,xe dò line còn là đề tài nghiên cứu về kỹ thuật nhận diện, điều khiển cũng như làm đề tài cho các cuộc thi về kỹ thuật trên thế giới (Robot Challenge,Renesas MCU Car Rally, Cosmobot 2012, All Japan Micro Mouse, ).Ở trong nước, robot dò line cũng trở thành

đề tài cho các sân chơi kỹ thuật ở các trường đại học dưới hình thức đua tính thời gian (cuộc thi Bkit Car Rally tại trường Đại học Bách Khoa TPHCM, cuộc thi ITCar tại trường Đại học Công nghệ thông tin- ĐHQG TPHCM, cuộc thi "Xe đua lập trình MCR Sư phạm Kỹ thuật TPHCM", )

Trong phạm vi của đề tài, nhóm hướng đến thiết kế xe đua bám đường hoàn thành quỹ đạo đường đi định sẵn đảm bảo các yêu cầu đặt ra trong đồ án môn học

Khi bắt đầu, robot được đặt tại vị trí START (điểm A), sau đó robot chạy theo thứ tự đi qua các điểm nút quy định lần lượt như sau: (START) A  B  C  D  E F  C  G

 A  C  E (END)

Màu sắc đường line: đen

Màu nền: Trắng

Bề rộng đường line: 26𝑚𝑚

1.2.2 Yêu cầu kỹ thuật

Tốc độ di chuyển của robottối thiểu: 0,2 𝑚/𝑠

Số lượng bánh xe của robot (bao gồm bánh xe dẫn động và bánh xe bị động) được chọn tùy thuộc vào thiết kế của các nhóm

Trên robot được trang bị hệ thống cảm biến để giúp robot nhận biết đường line trên bề mặt sàn/mặt đất và di chuyển bám theo đường line đó Nhóm sinh viên tự chọn loại cảm biến phù hợp.Điều kiện ràng buộc:

Đường kính các bánh xe: 𝑑 ≤ 200𝑚𝑚

Số lượng bánh xe (chủ động + bị động): tùy chọn

Kích thước tối đa các chiều của robot (dài × rộng × cao): 300𝑚𝑚×220𝑚𝑚×300𝑚𝑚

1.3 Cấu trúc cơ bản của các xe dò line thông dụng

Xe dò line là một dạng mobile platform tự hành, di chuyển trên các quỹ đạo cho trước, thông thường là các line (tùy vào điều kiện làm việc mà đó có thể là line từ hoặc line màu)

Về cơ bản, xe dò line gồm ba phần là: cơ khí, cảm biến và điều khiển

1.3.1 Phần cơ khí

Đối với xe dò line, phần cơ khí đóng vai trò là bộ khung, nâng đỡ các thiết bị và chịu tải Không chỉ vậy, phần cơ khí còn ảnh hưởng đến việc điều khiển và quyết định các đặc tính kỹ thuật sau khi thiết kế như: tốc độ tối đa, bán kính cong, khối lượng chịu tải

Có nhiều sơ đồ nguyên lý có thể áp dụng cho một xe đua dò line, chủ yếu là các sơ đồ gồm 3 hoặc 4 bánh, trong đó số bánh chủ động thường là hai bánh Ngoài ra, cơ cấu vi sai có thể được áp dụng vào sơ đồ, tuy nhiên làm cho hệ thống trở nên phức tạp

Sau đây là một số cơ cấu xe thường được sử dụng:

1.3.1.1 Loại ba bánh với hai bánh chủ động và một bánh bị động

Đại diện cho loại xe dò line này là Chariot[2]

Chariot tham gia cuộc thi LVBots line

following competition do câu lạc bộ robot LVBots ở Las Vegas, Nevada tổ chức

a b

Hình 1.2 Chariot

a Hình dáng bên ngoài b Sơ đồ nguyên lý

Bảng 1.1.Thông số kỹ thuật xe Chariot

Ưu điểm: kết cấu truyền động, mô hình động học đơn giản, đảm bảo các bánh xe luôn

đồng phẳng và cho phép xe di chuyển ở những bán kính cong rất nhỏ, thậm chí là quay tại chỗ[3]

Nhược điểm: xe có thể bị trượt theo phương pháp tuyến khi vào các đoạn line có bán kính

nhỏ với tốc độ cao Để đảm bảo chính xác khi xe di chuyển trên các đoạn đường thẳng, đòi hỏi điều khiển đồng bộ hai động cơ độc lập sao cho hai bánh xe quay với cùng vận tốc

1.3.1.2 Loại bốn bánh với hai bánh độc lập chủ động và hai bánh bị động

Usain Volt 2.0[4] tham gia cuộc thi LVBots line following competition do câu lạc bộ robot

LVBots ở Las Vegas, Nevada tổ chức

a b

Hình 1.3 Usain Volt 2.0

a Hình dáng bên ngoài b Sơ đồ nguyên lý

Bảng 1.2 Thông số kỹ thuật của Usain Volt 2.0

Dài × Rộng × Cao 182 × 132 × 60 𝑚𝑚

Vận tốc trung bình, 𝑣𝑡𝑏 1,07 𝑚/𝑠

Ưu điểm: kết cấu truyền động, mô hình động học đơn giản, có thể di chuyển ở những bán

kính cong nhỏ và độ cứng vững cao hơn mô hình ba bánh, khắc phục được sự mất cân bằng

có thể xảy ra khi vào các đoạn bán kính cong với tốc độ cao, đặc biệt khi có chở thêm tải

Nhược điểm: cần đảm bảo sự tiếp xúc củabốn bánh xe với mặt đường và khó khăn khi

điều khiển hai động cơ đồng bộ (tương tự mô hình 1.3.1.1)

Bảng 1.3 Thông số kỹ thuật của Fireball

Ưu điểm: kết cấu truyền động đơn giản, độ cứng vững cao, bán kính cong nhỏ

Nhược điểm: mô hình động học phức tạp, cần điều khiển đồng bộ bốn động cơ (đặc biệt

trên các đoạn đường thẳng), khó đảm bảo tồn tại duy nhất một tâm vận tốc tức thời do đó gây

ra hiện tượng trượt, để khắc phục nhược điểm này đòi hỏi bộ điều khiển phức tạp

1.3.1.4 Loại bốn bánh sử dụng cơ cấu lái skid drive

CartisX04[6] là robot dò line của Hirai Masataka (Nhật Bản) Với nhiều phiên bản nâng cấp qua từng năm, CartisX04 nhiều năm liền giành chiến thắng tại hạn mục đua xe dò line của cuộc thi All Japan Micromouse

Hình 1.5 CartisX04 (2014)

a Hình dáng bên ngoài b Sơ đồ nguyên lý

Bảng 1.4.Thông số kỹ thuật của CartisX04

Dài × Rộng × Cao 175 × 153 × 40 𝑚𝑚

Vận tốc trung bình, 𝑣𝑡𝑏 2,5 𝑚/𝑠

Vận tốc tối đa, 𝑣𝑚𝑎𝑥 4 𝑚/𝑠

CartisX04 sử dụng cơ cấu lái skid-steering, các bánh ở bên trái và bên phải có thể được lái

ở các vận tốc khác nhau theo các chiều khác nhau (các bánh ở cùng bên luôn được lái với cùng vận tốc) từ đó giúp xe đổi hướng hoặc di chuyển trên các bán kính cong thậm chí quay tại chỗ

Ưu điểm: tăng khả năng bám đường, tạo điều kiện cho việc dò line được chính xác, bán

kính cong nhỏ, thậm chí có thể quay tại chỗ

Nhược điểm: kết cấu truyền động phức tạp, xe thường có hiện tượng trượt khi hoạt động

trên các đoạn đường cong

1.3.1.5 Loại bốn bánh sử dụng cơ cấu lái Ackerman-drive

FH Westküste là robot dò line của đội thi đến từ trường Đại học Fachhochschule Westküste (Đức), đã giành chức vô địch cuộc thi MCU Car Rally được tổ chức tại Nuremberg vào năm 2015

Hình 1.6 FH Westküste

a Hình dáng bên ngoài b Sơ đồ nguyên lý

Để đạt được tốc độ cao khi đua, xe được cấu tạo giống xe đua thực tế với gầm thấp và thân dài về phía trước Xe sử dụng cơ cấu lái Ackeman, hai bánh trước được cố định trực tiếp với khung cảm biến dò line, đồng thời được điều khiển bằng một động cơ servo nhằm điều hướng cho xe, động cơ sau tạo lực đẩy xe tiến lên thông qua cơ cấu vi sai

Bảng 1.5 Thông số kỹ thuật của FH Westküste

Nhược điểm: cơ cấu phức tạp, việc sử dụng hai bánh trước có cùng trục quay tạo áp lực

lớn tác động lên động cơ điều hướng, bán kính cong lớn (hạn chế do góc lái của bánh trước và chiều dài thân xe)

1.3.1.6 Loại bốn bánh sử dụng cơ cấu dẫn động cầu sau RWD

Hình 1.7 Xe đua mô hình HSP 94107TOP-10707

a Hình dáng bên ngoài b Sơ đồ nguyên lý

Bảng 1.6 Thông số kỹ thuật xe đua HSP 94107TOP-10707

Ưu điểm: Việc giải phóng hai bánh trước khỏi hệ thống truyền động giúp nó giảm áp lực

tác động lên động cơ servo điều khiển cơ cấu lái Cơ cấu cho phép xe bám đường tốt, ổn định, chống trượt

Nhược điểm: Cơ cấu phức tạp, bán kính cong lớn (hạn chế do góc lái của bánh trước và

chiều dài thân xe)

1.3.1.7 Loại bốn bánh sử dụng cơ cấu dẫn động hai cầu AWD

Xe sử dụng bộ truyền động bốn bánh toàn thời gian (AWD – All wheel drive), đảm bảo phân phối một cách linh hoạt moment xoắn đến bốn bánh riêng lẽ vì vậy mặc dù trục cầu trước và sau có thể bất đồng tốc độ nhưng vẩn không có bánh nào bị mất độ bám đường khi vượt qua các địa hình không bằng phẳng

Bảng 1.7 Thông số kỹ thuật xe đua HSP 94107TOP-10707

a Hình dáng bên ngoài b Sơ đồ nguyên lý

Ưu điểm: Việc giải phóng hai bánh trước khỏi hệ thống truyền động giúp nó giảm áp lực

tác động lên động cơ servo điều khiển cơ cấu lái Cơ cấu cho phép xe bám đường tốt, ổn định, chống trượt

Nhược điểm: Cơ cấu phức tạp, bán kính cong lớn (hạn chế do góc lái của bánh trước và

chiều dài thân xe)

Ngoài ra còn có các mô hình xe đua off-road sử dụng cơ cấu dẫn động bốn bánh bán thời gian hoặc toàn thời gian Trong giới hạn về đề tài, xe chỉ di chuyển trên địa hình phẳng, nhóm không nghiên cứu về các mô hình trên

1.3.2 Phần cảm biến

Để xe chuyển động đúng quỹ đạo cần có bộ phận cảm biến, bộ phận này có nhiệm vụ phân biệt line dẫn đường rồi đưa tín hiệu về bộ điều khiển Mạch điều khiển có nhiệm vụ thu nhận thông tin phản hồi từ bộ phận cảm biến từ đó điều khiển tốc độ và chiều quay của động

cơ điện sao cho xe luôn bám và chuyển động theo quỹ đạo của line.Việc lựa chọn cảm biến sử dụng ảnh hưởng một phần đến độ chính xác khi bám quỹ đạo Theo đó, có nhiều loại cảm biến khác nhau có thể sử dụng với độ chính xác phụ thuộc vào yêu cầu của người dùng

Để robot có thể phát hiện line người ta có thể sử dụng camera, cảm biến từ hoặc cảm biến quang

Sử dụng camera: Người ta sẽ thực hiện việc phát hiện line bằng màu sắc của line đồng

thời xác định góc lệch sai số của robot và line để có thể điều khiển line bám theo quỹ đạo mong muốn bằng các phương pháp xử lý ảnh Việc sử dụng camera làm giảm tốc độ sử lý của

hệ thống, ảnh hưởng lớn đến thời gian lấy mẫu

Sử dụng cảm biến từ:chỉ sử dụng được đối với cái line có từ tính, dựa vào việc xác định

từ tính của line từ đó xác định các sai số hệ thống

Sử dụng cảm biến hồng ngoại, cảm biến quang điện trở hoặc phototransitor:Mặc dù

nguyên lý hoạt động giống nhau, nhưng cảm biến hồng ngoại vàphototransistor thường được dùng nhiều hơn quang điện trở bởi vì thời gian đápứng của phototransistor và cảm biến hồng ngoại cao hơn.Với cảmbiến là phototransistor và quang điện trở thì nguồn phát thường là LED siêu sáng(thường dùng màu đỏ-vì có cường độ quang phổ mạnh) hoặc có thể dùng LED hồngngoại

Về cách bố trí cảm biến quang:

Cách bố trí cảm biến sẽ tùy vào hệ thống thường sẽ có 3 phương pháp sắp xếp:

 Theo đường thẳng[7]

Hình 1.7a

 Theo ma trận[7]Hình 1.7b(tăng độ phân giải, cải thiện khả năng phát hiện line)

 Theo chữ V Hình 1.7c(tăng khả năng phát hiện góc cua nhanh hơn)

Hình 1.9 Các phương pháp sắp xếp cảm biến

a Sắp xếp theo đường thẳng b Sắp xếp theo kiểu ma trận c Sắp xếp theo kiểu chữ V

Về giải thuật xử lý tín hiệu từ cảm biến quang để xác định vị trí line:

Tín hiệu đọc về từ cảm biến sẽ được xử lý theo giải thuật xấp xỉ hoặc giải thuật so sánh

Tín hiệu mức thấp tại vị trí không có lineTín hiệu mức cao tại vị trí có line

11000000011000000011000000011000000011000000011000000011

Hình 1.10 Tín hiệu được xử lý bằng giải thuật so sánh Giải thuật so sánh: Sử dụng tín hiệu từ cảm biến dưới dạng tín hiệu số, xác định trạng

thái đóng ngắt của các sensor từ đó suy ra vị trí của xe theo một bảng giá trị đã định sẵn Đặc điểm của phương pháp là sai số dò line phụ thuộc vào khả năng phân biệt trạng thái của hệ thống (khoảng cách giữa các sensor) nhưng tốc độ xử lý cao hơn vì chỉ xử lý trạng thái on/off của dữ liệu thu thập

Giải thuật xấp xỉ [8] : Sử dụng tín hiệu từ cảm biến dưới dạng tín hiệu tương tự, độ lớn tín

hiệu thu về từ cảm biến 𝑦1, 𝑦2, … , 𝑦𝑛 được dùng để tính toán vị trí của đường line Có thể sử dụng phương pháp xấp xỉ theo bậc hai, xấp xỉ theo trọng số, tuyến tính

Hình 1.11 Giải thuật xấp xỉ giá trị

a Phương pháp xấp xỉ bậc hai b Phương pháp xấp xỉ theo trọng số Thời gian xử lý phụ thuộc vào thời gian đọc giá trị tương tự ở tất cả các cảm biến, do đó thời gian xử lý lâu, tuy nhiên phương pháp cho độ chính xác cao

1.3.3 Phần điều khiển

Để điều khiển xe bám line hiệu quả, bộ điều khiển đống vai trò rất quan trọng Một bộ điều khiển tốt, cho phép xe có độ bám line cao trong lúc hoạt động ở tốc độ cao Nhưng thông thường, việc duy trì cả hai yếu tố trên đồng thời là rất khó, vì vậy, người thường tùy chỉnh cân bằng phù hợp với mục đích thiết kế

Có thể dùng bằng phương pháp so sánh: Khi tín hiệu cảm biến ở bên trái phát hiện line thì tương ứng bánh xe bên trái sẽ đứng yên và ngược lại Khi cảm biến phát hiện line ở giữa thì 2

sai số

vị trí line tính toán vị trí line tính toán tín hiệu đầu ra tương tự

bánh sẽ chuyển động và xe sẽ đi thẳng Phương pháp này có ưu điểm là xử lý nhanh nhưng độ chính xác không cao

Dùng bộ điều khiển PID: Tín hiệu analog được truyền về từ cảm biến (lấy mẫu trong một khoảng Δt),thông qua phương pháp xấp xỉ sẽ tính được sai số đưa vào bộ điều khiển PID Dùng bộ điều khiển Lyapunov: Bộ điều khiển xem xét 3 sai số của robot so với line theo phương tiếp tuyến, theo phương pháp tuyến, góc lệch giữa robot với line

1.4 Đặt bài toán

Dựa vào quá trình tìm hiểu các loại robot dò line, tốc độ tối đa của các mô hình trong khoảng từ 1,5– 4 𝑚/𝑠, tốc độ trung bình từ 1,04– 2,5 𝑚/𝑠 Nhóm chọn tốc độ tối đa của robot: 2 𝑚/𝑠

Theo đề bài đặt ra bán kính cong 500𝑚𝑚, bề rộng line 26𝑚𝑚.Để đảm bảo thời gian đua ngắn nhất thì tốc độ tại những đoạn line thẳng phảiđạt tốc độ cao nhất mà phải đảm bảo robot

đi đúng đường line và tại vị trí giao nhau ởgiữa sa bàn (Hình 1.10) thì robot dễ bị sai lệch đường line nhất, do đó sai số bám linesẽ tính tại vị trí này

Hình 1.12 Sơ đồ của line tại vị trí giao nhau

Tại vị trí giao nhau giữa sa bàn O giả sử sai số bám line: 𝑒𝑚𝑎𝑥 = 0, tại đó robot tiếp tục đi thẳng nếu robot chạy theo quỹ đạo OD thì robot sẽ lệch sang line bên cạnh và đi sai yêu cầu của đề bài Theo đề bài thì góc lệch𝜑 = 13,30;𝐵𝐷 = 13𝑚𝑚; 𝑂𝐷 = 56,57𝑚𝑚, nếu số lần lấy mẫu là 0,01𝑠 với tốc độ lớn nhất là 2 𝑚/𝑠, xe bắt đầu có sai số khi qua O (với giả thiết là C nằm trên đường thẳng OD, A nằm trên đường thẳng OB) thì 𝑂𝐶 = 20𝑚𝑚 nên 𝐴𝐶 = 4,6𝑚𝑚 Nên sai số lớn nhất là 4,6𝑚𝑚

Vậy yêu cầu của đề bài:

Vận tốc lớn nhất: 𝑣𝑚𝑎𝑥 = 2 𝑚/𝑠

Bán kính cong nhỏ nhất của line: 𝜌𝑚𝑖𝑛 = 500 𝑚𝑚

Sai số bám line lớn nhất:𝑒𝑚𝑎𝑥 = 4,6 𝑚𝑚

CHƯƠNG 2 LỰA CHỌN PHƯƠNG ÁN 2.1.Phương án cơ khí

Từ các phương án về sơ đồ nguyên lý về các mẫu xe đua mô hình và xe đua dò line, nhóm chọn sử dụng sơ đồ nguyên lý xe đua mô hình Vì nhóm xe này được kiểm nghiệm chất lượng trong thực tế và sản xuất hàng loạt Do xe đua trên địa hình phẳng và đơn giản kết cấu so với các mô hình xe đua khác, nhóm chọn mô hình xe đua on-road (Hình 1.2)

Mô hình xe đua trên có ưu thế khi đua trên các đoạn đường thẳng khi hai bánh sau được truyền động đồng tốc do đó bám line tốt, ổn định (so với các mẫu xe dò line), không xảy ra các hiện tượng trượt Xe có khả năng chuyển hướng 900, và di chuyển trên bán kính cong của

sa bàn, phụ thuộc vào chiều dài xe và khả năng bẻ lái bánh trước

2.2.Phương án cảm biến

Từ bài toán đặt ra với sai số bám line 𝑒𝑚𝑎𝑥 = 4,6 𝑚𝑚 để đảm bảo cho việc bám line hiệu quả, không bị lệch line và trượt ra khỏi đường đua việc lựa chọn cảm biến và phương pháp điều khiển ảnh hưởng quyết định đến kết quả cuộc đua

Nhóm đề xuất 3 phương án:

 Phototransistor và led thường

 Phototransistor và led hồng ngoại

 Led phát sáng và quang trở

Đối với trường hợp đường line và bề mặt xung quanh có độ tương phản cao thì phương

án phototransistor và led hồng ngoại được sử dụng vì sóng hồng ngoại có bước sóng lớn nên năng lượng nhỏ; ngược lại led chiếu sáng thường thì được khuyên dùng với trường hợp môi trường xung quanh và line có độ tương phản thấp Quang trở cũng tương tự như phototransistor tuy nhiên khi có tia sáng đến cảm biến thì điện trở trên quang trở sẽ thay đổi

từ đó thay đổi điện áp

Tuy nhiên phototransistor có độ nhạy cao[8]

nên nhóm quyết định lựa chọn phương án sử dụng cảm biến phototransistor và led hồng ngoại

Với loại cảm biến đã chọn, có hai giải thuật xử lý được đề xuất:

 Giải thuật so sánh

 Giải thuật xấp xỉ

Với phương pháp so sánh: vị trí của robot so với đường line chỉ có thể thuộc vào một số

trường hợp đã được quy định sẵn Số trường hợp này phụ thuộc số lượng cảmbiến, sai số ảnh 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 độ cao 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 xử lý của phương pháp này sẽ lâu hơn phương pháp trên do vi điều khiển cần thực hiện chuyển đổi ADC cho tất cả các cảm biến

2.3 Phương án điều khiển

Vì hệ thống điều khiển là hệ nhiều đầu vào nhiều đầu ra MIMO (Chương 5 Mô hình hóa) nên nhóm chọn luật điều khiển Lyapunov và bộ điều khiển PID cho động cơ dẫn động

Giải thuật điều khiển cho xe dò line áp dụng phương pháp dò theo điểm và thay đổi bộ thông số trên từng quãng đường tương ứng

2.4 Kế hoạc thực hiện

CHƯƠNG 3 THIẾT KẾ CƠ KHÍ 3.1 Chọn bánh xe

Nhóm sử dụng loại bánh xe dùng cho các loại xe đua mô hình:

 Vật liệu: khung nhựa, vỏ cao su có gai bám đường

 Đường kính bánh: 61 𝑚𝑚

3.2 Tính toán chọn động cơ

Để tính toán chọn động cơ cho mô hình ta tiến hành phân tích lực và momen tác động lên bánh xe Xem xét mô hình dạng bánh xe đàn hồi di chuyển trên sàn cứng[9], có ba yếu tố lực chủ yếu ảnh hưởng đến chuyển động của mô hình: lực kéo tiếp tuyến, các loại lực cản và lực bám

𝑃𝑘: lực kéo tiếp tuyến, sinh ra do momen xoắn ở bánh chủ động, 𝑁

𝑃𝐶: lực cản sinh ra trong quá trình chuyển động của xe, 𝑁

Ta bỏ qua các lực cản do không khí 𝑃𝜔 (do tiết diện cản chính diện của xe đua không đáng kể) và lực cản lên dốc 𝑃𝑖 (do xe đua chỉ di chuyển trên địa hình phẳng) Lực kéo tiếp tuyến hay momen xoắn cấp cho bánh chủ động chỉ còn phụ thuộc vào các lực cản(lực cản lăn

và lực quán tính) và lực bám, ta tiến hành tính toán các lực này

Lực cản lăn [9] :

𝑃𝑓 = 𝑓𝐺 (3.2) Trong đó:

𝑓: hệ số cản lăn, theo Bảng II-1,[9], với vận tốc xe không quá 22 𝑚/𝑠, và loại mặt đường

là nhựa bê tông, chọn 𝑓 = 0,012

𝐼: momen quán tính bánh xe chủ động đối với trục quay của xe, 𝐼 =1

2𝑚′𝑟2

Lực bám [9] :

𝑃𝜑 = 𝜑𝐺 (3.4) Trong đó:

𝜑: hệ số bám, đối với vật liệu làm bề mặt sa bàn, chọn 𝜑 = 0,35

Do đó từ (3.1), (3.2), (3.3) và (3.4) ta có:

0,012𝐺 + 1,3485𝑎 ≤ 𝑃𝑘 ≤ 0,35𝐺

2,85 ≤ 𝑃𝑘 ≤ 4,46 Chọn: 𝑃𝑘 = 3 (𝑁)

Momen cấp cho bánh chủ động được tính bởi công thức:

𝑀 = 𝑃𝑘𝑟 = 3.30,5 = 91,5 (𝑁𝑚𝑚) (3.5) Tốc độ vòng/phút tối đa của bánh xe:

𝑛 =𝑣𝑚𝑎𝑥2𝜋𝑟 × 60000 = 545,67 (𝑣ò𝑛𝑔/𝑝𝑕ú𝑡) (3.6) Công suất cần thiết tại trục bánh xe:

𝑃 = 𝑃𝑘𝑣𝑚𝑎𝑥 = 3.2 = 6(𝑊) (3.7)

Tốc độ vòng/phút trục động cơ:

𝑛𝑑𝑐 = 𝑛 𝑖 = 545,67.2,5 = 1364 (𝑣ò𝑛𝑔/𝑝𝑕ú𝑡) (3.8) Công suất cần thiết tại trục bánh xe:

𝑃𝑑𝑐 =𝑃=

60,9≈ 6,67(𝑊) (3.9) Trong đó các thông số đầu vào và thông số đầu ra được cho ở hai bảng 3.1 và bảng 3.2

Bảng 3.1 Thông số đầu vào tính toán chọn động cơ

Khối lượng tổng của xe, 𝑚 1,3 𝑘𝑔

Khối lượng mỗi bánh xe, 𝑚′ 0,097 𝑘𝑔

Bán kính bánh xe, 𝑟 30,5 𝑚𝑚

Gia tốc dài, 𝑎 2 𝑚/𝑠2

Gia tốc trọng trường, g 9,81 𝑚/𝑠2

Vận tốc tối đa, 𝑣𝑚𝑎𝑥 2 𝑚/𝑠

Bảng 3.2 Thông số đầu ra tính toán chọn động cơ

Momen cấp cho bánh xe, 𝑀 91,5 𝑁𝑚𝑚

Số vòng quay động cơ, 𝑛_𝑑𝑐 545,67 𝑣ò𝑛𝑔/𝑝𝑕ú𝑡

Công suất động cơ, 𝑃_𝑑𝑐 6 𝑊

Từ các thông số trên chọn động cơ: DC Mitsumi

Bảng 3.3 Thông số động cơ DC Mitsumi

Điện áp hoạt động 10-31 V

Số vòng quay động cơ không tải 1000 − 4300 𝑣ò𝑛𝑔/𝑝𝑕ú𝑡

Dòng tối đa khi có tải 3 𝐴

3.3 Tính toán ổn định cho xe khi di chuyển trên bán kính cong

𝐹𝑚𝑠

Hình 3.2 Mô hình tính toán khi xe rẽ hướng

Với mô hình trên, điều kiện để khi vào cua, xe không lật quanh điểm O là:

→ 𝑏

𝑕𝑔 ≥

2𝑣𝑚𝑎𝑥2𝑔𝑅

Chọn kích thước xe đua theo tỉ lệ của mẫu xe đua mô hình thu nhỏ 1/18, có bề rộng xe là

85 𝑚𝑚 Trọng tâm xe thỏa điều kiện (3.10) ta có: 𝑕𝑔 ≤ 52,11 (𝑚𝑚)

Các chi tiết khác nhóm sử dụng các chi tiết có sẵn trên thị trường

Yêu cầu thiết kế:

Gá đặt các chi tiết: cầu vi sai, hệ thống treo của bánh trước, các bộ phận để gá các bánh

Từ các thông số bánh răng ta có khoảng cách trục giữa hai bánh răng[10] là:

hệ số cấp chính xác chung và chọn đƣợc cấp chính xác cho các thành phần là IT9

Do đó, ta có sai lệch giới hạn và dung sai cho phép của các khâu 1 và 3 là:

𝑇𝑖: dung sai cho phép của khâu 𝑖, 𝑚𝑚

𝐸𝑚𝑖: sai lệch trung bình của khâu 𝑖, 𝑚𝑚

𝐸𝑆𝑖: sai lệch giới hạn trên khâu 𝑖, 𝑚𝑚

𝐸𝐼𝑖: sai lệch giới hạn dưới khâu 𝑖, 𝑚𝑚