Thiết kế, chế tạo và điều khiển xe bám line tự động bằng bộ điều khiển Fuzzy

Robot dò line (Line following Robot) là một dạng robot di động (mobile robot) di chuyển bằng bánh xe. Robot sẽ di chuyển bám theo các đường line được kẻvẽdán trên mặt đất. Quỹ đạo di chuyển của robot phụ thuộc và sa bàn của hệ thống các đường line được kẻvẽdán sẵn

SVTH:

Tên đề tài: “Thiết kế, chế tạo và điều khiển

Xe bám line tự động”

Nhận xét của giảng viên hướng dẫn

Giảng viên hướng dẫn ký tên

Xin gửi lời cảm ơn đến PGS.TS Nguyễn Quốc Chí đã tận tình hướng dẫn nhóm hoàn thành đồ án này trong suốt học kỳ vừa qua Những kiến thức học được từ môn

Đồ án Thiết kế hệ thống cơ điện tử là những kinh nghiệm quý giá cho mỗi thành viên

trong nhóm để có thể tiếp tục học tập rèn luyện cũng như vững vàng hơn trong con đường sự nghiệp sau này

Xin kính chúc thầy sức khỏe, hạnh phúc và có nhiều cống hiến hơn cho ngành Cơ khí nói chung và Cơ điện tử nói riêng Hy vọng từ những điều thầy đã hướng dẫn cho từng sinh viên trong nhóm mỗi người sẽ gặt hái được những thành công sau và đóng góp cho ngành trong tương lai sau này

Xin chân thành cảm ơn thầy!

Chương 1 Giới thiệu đồ án 1

1.1 Yêu cầu đề bài 1

1.1.1 Khái niệm 1

1.1.2 Yêu cầu kỹ thuật robot 1

1.1.3 Sa bàn hệ thống line 1

1.2 Xác định thông số kỹ thuật 2

1.3 Kế hoạch, phân công thực hiện 2

Chương 2 Chọn nguyên lý xe 3

2.1 Các mẫu xe dò line trong và ngoài nước 3

2.1.1 Các mẫu xe trong nước 3

2.1.2 Các mẫu xe nước ngoài 4

2.2 Đánh giá lựa chọn các phương án 6

2.2.1 Xét vận tốc thẳng 6

2.2.2 Xét khả năng chuyển hướng 9

2.2.3 Vận tốc trên đoạn đường cong 11

2.2.4 Chi phí 12

2.3 Kết luận 14

Chương 3 Phân tích động học 15

Chương 4 Chọn động cơ 18

Chương 5 Chọn cảm biến 20

5.1 Minh họa các phương án 20

5.2 Đánh giá so sánh các phương án 20

5.3 Chọn loại cảm biến quang 22

Chương 6 Chọn giải thuật xác định tọa độ line 23

6.1 Thuật toán so sánh 23

6.2 Thuật toán nội suy hàm bậc hai 23

6.3 Thuật toán trọng số trung bình 24

7.1 Sơ đồ khối bộ điều khiển 26

7.2 Giải thuật bộ điều khiển 1 26

7.2.1 Yêu cầu 26

7.2.2 Cấu trúc của bộ fuzzy 27

7.2.3 Miền giá trị các biến và hàm liên thuộc 27

7.2.4 Bộ luật fuzzy 28

7.2.5 Lưu đồ giải thuật 29

7.2.6 Mô phỏng bộ điều khiển 31

7.3 Giải thuật bộ điều khiển 2 35

7.3.1 Yêu cầu 35

7.3.2 Tìm hàm truyền động cơ 35

7.3.3 Bộ điều khiển động cơ 36

Chương 8 Chọn vi điều khiển 38

8.1 Phân tích cấu trúc bộ điều khiển 38

8.2 Lựa chọn vi điều khiển 38

Chương 9 Chọn thiết bị mạch nguồn 40

9.1 Chọn mạch cầu 40

9.2 Chọn pin 41

9.3 Mạch giảm áp 42

Chương 10 Gá đặt cảm biến 43

10.1 Thông số kỹ thuật TCRT5000 43

10.2 Chọn hướng đặt cảm biến 43

10.3 Chọn khoảng cách giữa cảm biến với sa bàn 44

10.4 Chọn khoảng cách giữa các cảm biến 46

Chương 11 Thiết kế khung xe 49

11.1 Mô phỏng vật liệu 49

11.2 Các ràng buộc kích thước khung xe 50

11.2.1 Điều kiện chống lật ngang 50

11.3 Thiết kế sơ bộ 52

Chương 12 Chế tạo và vận hành mô hình 55

12.1 Chế tạo mô hình 55

12.1.1 Chế tạo mạch cảm biến 55

12.1.2 Chế tạo khung xe 56

12.2 Vận hành mô hình 57

12.2.1 Điều kiện thử nghiệm mô hình 57

12.2.2 Phương pháp kiểm tra sai số 58

12.2.3 Kết quả kiểm tra sai số 58

KẾT LUẬN 60

TÀI LIỆU THAM KHẢO 61

Bảng 1.1 Bảng phân công tạm thời 2

Bảng 2.1 Một số mô hình xe dò line nước ngoài 5

Bảng 2.2 Bảng tiêu chí lựa chọn nguyên lý xe 6

Bảng 2.3 Chi phí phương án 4 động cơ 13

Bảng 2.4 Chi phí phương án có bẻ lái 13

Bảng 2.5 Chi phí phương án 2 bánh chủ động 13

Bảng 2.6 Chi phí phương án 3 bánh omni 13

Bảng 2.7 Chi phí phương án 4 bánh omni 14

Bảng 2.8 Bảng tổng hợp chi phí các phương án 14

Bảng 2.9 Bảng đánh giá chung các phương án 14

Bảng 5.1 Bảng giá một số loại cảm biến và camera 21

Bảng 5.2 Bảng giá cho các phương án cảm biến 21

Bảng 5.3 Đánh giá kích thước các phương án cảm biến 21

Bảng 5.4 Đánh giá độ phức tạp tính toán của các phương án cảm biến 21

Bảng 5.5 Đánh giá các phương án bố trí cảm biến 22

Bảng 6.1 Bảng đánh giá giải thuật xác định tọa độ line 25

Bảng 7.1 Bộ luật fuzzy áp dụng cho vận tốc v 29

Bảng 7.2 Bộ luật fuzzy áp dụng cho vận tốc góc 𝜔 29

Bảng 8.1 Tiêu chí lực chọn cấu trúc bộ điều khiển 38

Bảng 8.2 Bảng so sánh các loại vi điều khiển thông dụng 39

Bảng 8.3 Bảng đánh giá các loại vi điều khiển 39

Bảng 10.1 Thông số kỹ thuật cảm biến TCRT5000 43

Hình 1.1 Sa bàn 2

Hình 2.1 Sơ đồ xe UIT-Mon 3

Hình 2.2 Sơ đồ xe Mr.zero 3

Hình 2.3 Hình ảnh và sơ đồ nguyên lý xe FRAGILE013RT 4

Hình 2.4 Hình ảnh và sơ đồ nguyên lý xe Fireball-line 4

Hình 2.5 Sơ đồ vận tốc thẳng phương án 4 động cơ 6

Hình 2.6 Sơ đồ vận tốc thẳng phương án có bẻ lái 7

Hình 2.7 Sơ đồ vận tốc thẳng phương án 2 chủ động 7

Hình 2.8 Sơ đồ vận tốc thẳng phương án omni 3 bánh 8

Hình 2.9 Sơ đồ vận tốc thẳng phương án omni 4 bánh 9

Hình 2.10 Sơ đồ vận tốc góc phương án 4 động cơ 10

Hình 2.11 Sơ đồ vận tốc góc phương án có bẻ lái 10

Hình 2.12 Sơ đồ vận tốc góc phương án 2 bánh chủ động 10

Hình 2.13 Sơ đồ vận tốc góc phương án 3 bánh omni 11

Hình 2.14 Sơ đồ vận tốc góc phương án 4 bánh omni 11

Hình 3.1 Minh họa sai số e2 và e3 15

Hình 3.2 Mô hình động học khi xe đi thẳng 16

Hình 3.3 Mô hình động học khi xe xoay tại chỗ 17

Hình 4.1 Sơ đồ phân tích động lực học 18

Hình 4.2 Sơ đồ phân tích động lực học 1 bánh xe 19

Hình 4.3 Đường đặc tính momen – vận tốc GA25 19

Hình 5.1 Một số phương án bố trí cảm biến quang 20

Hình 5.2 Một số phương án bố trí camera 20

Hình 5.3 Quan hệ độ nhạy của cảm biến quang trở CdS và bước sóng ánh sáng 22

Hình 6.1 Thuật toán so sánh 23

Hình 6.2 Thuật toán nội suy hàm bậc hai 23

Hình 6.3 Thuật toán trọng số trung bình 25

Hình 7.1 Sơ đồ khối bộ điều khiển 26

Hình 7.2 Miền giá trị các hàm liên thuộc biến e2 27

Hình 7.5 Miền giá trị các hàm liên thuộc biến v 28

Hình 7.6 Lưu đồ chương trình điều khiển động cơ và tính toán theo fuzzy 29

Hình 7.7 Lưu đồ giải thuật chương trình chính 30

Hình 7.8 Lưu đồ chương trình rẽ tại điểm A và đọc sai số bám line 31

Hình 7.9 Kết quả mô phỏng vị trí của xe điều kiện không nhiễu 32

Hình 7.10 Kết quả mô phỏng sai số điều kiện không nhiễu 32

Hình 7.11 Vận tốc góc 2 động cơ điều kiện không nhiễu 33

Hình 7.12 Kết quả mô phỏng vị trí của xe điều kiện có nhiễu 33

Hình 7.13 Kết quả mô phỏng sai số điều kiện có nhiễu 34

Hình 7.14 Vận tốc góc 2 động cơ điều kiện có nhiễu 34

Hình 7.15 Quan hệ tốc độ động cơ theo duty cycle 35

Hình 7.16 Đáp ứng của động cơ khi có tải với duty cycle 100% 36

Hình 7.17 Đáp ứng của động cơ trái 36

Hình 7.18 Đáp ứng của động cơ phải 37

Hình 9.1 Mạch cầu L9110 40

Hình 9.2 Mạch cầu DRV 8833 40

Hình 9.3 Mạch cầu TB6612 41

Hình 9.4 Mạch cầu L298N 41

Hình 9.5 Pin 18650 42

Hình 9.6 Mạch giảm áp LM2596 42

Hình 10.1 Kích thước cảm biến TCRT5000 43

Hình 10.2 Mạch điện cặp bóng phát-thu 43

Hình 10.3 Ảnh hưởng vùng phản chiếu lên đồ thị dòng IC 44

Hình 10.4 Đồ thị quan hệ Switching Distance và khoảng cách cảm biến 44

Hình 10.5 Mối quan hệ giữa ICrel và khoảng cách với sa bàn 45

Hình 10.6 Mô hình đo chiều cao cảm biến 46

Hình 10.7 Mối quan hệ giữa chiều cao cảm biến và giá trị Analog đọc được 46

Hình 11.1 Kết quả mô phỏng biến dạng 49

Hình 11.2 Kết quả mô phỏng hệ số an toàn 49

Hình 11.3 Sơ đồ lực khi xe vào cua 50

Hình 11.4 Sơ đồ lực tác động lên trọng tâm xe 51

Hình 11.5 Phân tích lực tác dụng lên xe 51

Hình 11.6 Phân tích lực tác dụng lên bánh chủ động 52

Hình 11.7 Thiết kế sơ bộ xe 53

Hình 11.8 Bố trí thiết bị phía trên sàn xe 53

Hình 11.9 Bố trí thiết bị phía dưới sàn xe 54

Hình 12.1 Sơ đồ nguyên lý mạch cảm biến 55

Hình 12.2 Mạch PCB cảm biến thiết kế trên Proteus 55

Hình 12.3 Mạch cảm biến thực tế 56

Hình 12.4 Tổng thể xe 56

Hình 12.5 Bố trí thiết bị phía trên sàn xe 57

Hình 12.6 Bố trí thiết bị phía dưới sàn xe 57

Hình 12.7 Cơ cấu kiểm tra sai số 58

1.1 Yêu cầu đề bài

1.1.1 Khái niệm

Robot dò line (Line following Robot) là một dạng robot di động (mobile robot) di chuyển bằng bánh xe Robot sẽ di chuyển bám theo các đường line được kẻ/vẽ/dán trên mặt đất Quỹ đạo di chuyển của robot phụ thuộc và sa bàn của hệ thống các đường line được kẻ/vẽ/dán sẵn

1.1.2 Yêu cầu kỹ thuật robot

- Tốc độ di chuyển của robot: tối thiểu 0.2m/s

- Mỗi robot mang trên người một vật nặng hình hộp chữ nhật có trọng lượng 2kg với

kích thước tối đa của tải trọng (dài x rộng x cao): 200mm x 100mm x 300mm Nhóm sinh viên tự chế tạo tải trọng để đặt và cố định lên thên robot

- 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

Hình 1.1 Sa bàn

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)

1.2 Xác định thông số kỹ thuật

- Khối lượng của xe: nhỏ hơn 4kg (kể cả tải)

- Tốc độ tối đa: 0,65 m/s

- Vận tốc trung bình trên 0.6 m/s (thời gian hoàn thành dưới 20 giây)

- Đạt tốc độ tối đa trong 1 giây

- Sai số điều khiển eC<13mm (điểm điều khiển tại trung điểm trục bánh dẫn động)

1.3 Kế hoạch, phân công thực hiện

Thời gian thực hiện: 12 tuần (tuần 2-13)

Bảng 1.1 Bảng phân công tạm thời

STT Tên thành viên Nội dung chịu trách nhiệm chính Ghi

chú

1 Võ Thường San

Phân tích động học, thiết kế bộ điều khiển, mô phỏng, bản vẽ giải thuật, thiết kế khung xe, bản vẽ lựa chọn phương án

2 Trần Ngô

Hoàng Sang

Giải thuật xác định tọa độ line, gá đặt cảm biến, thiết

kế và thi công mạch cảm biến, bản vẽ điện

3 Nguyễn Việt

Sơn

Nguyên lý xe, tổng quan về robot bám line tự động, bản vẽ cơ khí

4 Bùi Đức Thắng Chọn mạch cầu, vi điều khiển, thiết kế bộ PID vận

tốc, lựa chọn cấu trúc bộ điều khiển, lập trình

2.1 Các mẫu xe dò line trong và ngoài nước

2.1.1 Các mẫu xe trong nước

a) Xe UIT-Mon - Nguyễn Tiến Đình - Giải nhất cuộc thi năm 2013

Cảm biến sử dụng: Led hồng ngoại 7 cặp, đọc tín hiệu digital, quét led song song

Số lượng bánh xe: 3 bánh, 2 bánh sau gắn dẫn động, bánh trước tự lựa

Hình 2.1 Sơ đồ xe UIT-Mon

- Tốc độ đạt được: 1,5m/s

- Sai số: 20 mm

- Ưu điểm : 3 bánh xe luôn tiếp xúc với bề mặt di chuyển

- Nhược điểm : dễ bị lật khi tải trọng đặt lệch so với trọng tâm

b) Xe Mr.zero - Trịnh Nguyễn Trọng Hữu – Giành giải nhì trong cuộc thi 2015 Cảm biến sử dụng: Led hồng ngoại 5 cặp, đọc tín hiệu analog, quét led nối tiếp Số lượng bánh xe: 4 bánh, 2 bánh sau gắn dẫn động, 2 bánh trước tự lựa

- Nhược điểm : không đảm bảo độ đồng phẳng do đó cần một hệ thống treo

để đảm bảo xe tiếp xúc với mặt đường

2.1.2 Các mẫu xe nước ngoài

a) Xe FRAGILE013RT

Cấu tạo gồm 2 bánh chủ động, 1 bánh dãn hướng, 5 cảm biến hồng ngoại SHARP GP2S40, khối lượng 126g, động cơ DC 12V, vi sử lí H8 – 3694 20MHz, vận tốc: 6,5 m/s

Hình 2.3 Hình ảnh và sơ đồ nguyên lý xe FRAGILE013RT

Ưu điểm : nhỏ gọn, tốc độ cao

Nhược điểm : khi quẹo cua với tốc độ cao xe bị mất ổn định do trọng tâm xe bị lệch về 2 bánh còn lại

b) Xe Fireball-line

Thành tích: Đạt giải nhất tại cuộc thi Chibots ở Mỹ

Cảm biến: 8 bộ cảm biến hồng ngoại Bốn bánh chủ động - 4 động cơ DC,vận tốc : 1.5 m/s

Hình 2.4 Hình ảnh và sơ đồ nguyên lý xe Fireball-line

Ưu điểm : tốc độ cao, dễ cân bằng

Nhược điểm : vì sử dụng 4 động cơ nên khối lượng xe tăng, tốn kinh phí Ngoài ra còn có một số cơ cấu và vận tốc xe như sau:

Bảng 2.1 Một số mô hình xe dò line nước ngoài

Silvestre

Giải 3 tại JET International Robotics Competition

2,6

Mostly Red

Racer

Giải nhất tại cuộc đua xe dò line ở được tổ chức bởi LVBots

1,02

2.2 Đánh giá lựa chọn các phương án

Bảng 2.2 Bảng tiêu chí lựa chọn nguyên lý xe

Tiêu chí Trọng số

Vận tốc thẳng 9 vận tốc trung bình của trọng tâm xe trên

đoạn thẳng Khả năng

chuyển hướng 8

vận tốc quay của robot ω, với tâm quay

tại tâm các bánh của robot

Vận tốc trên

vận tốc tại tâm các bánh trên đoạn

đường cong với bán kính R=500mm

Chi phí 10 tổng chi phí linh kiện tối thiểu cho từng

cơ cấu xe (chưa tính mạch điều khiển)

a) 4 bánh song song, 4 động cơ

Hình 2.5 Sơ đồ vận tốc thẳng phương án 4 động cơ

Trong chuyển động trong vật rắn, vận tốc của các chất điểm bằng vận tốc của khối tâm:

 v⃗⃗⃗⃗ = vo ⃗

 Vận tốc của khối tâm là v Đánh giá 4/4 điểm

b) 4 bánh song song có bẻ lái

Hình 2.6 Sơ đồ vận tốc thẳng phương án có bẻ lái

Trong chuyển động trong vật rắn, vận tốc của các chất điểm bằng vận tốc của khối tâm:

d) Omni 3 bánh

Hình 2.8 Sơ đồ vận tốc thẳng phương án omni 3 bánh

Xe omni có khả năng di chuyển đa hướng tuy nhiên ta chỉ xét 2 hướng vuông góc nhau (các hướng còn lại sẽ là tổng hợp của 2 hướng này):

+ Vận tốc các bánh theo phương vuông góc với phương di chuyển của bánh 3:

Dấu “=” xảy ra khi V1=-V2=V

+ Do đặc điểm của bánh omni có thể trượt theo phương vuông góc với bánh vận tốc bất kì nên ta có: Vận tốc của 3 bánh theo phương X là V.cos(30)

 Vận tốc khối tâm theo phương X bằng vận tốc của 3 bánh là √3

2 𝑉

Dấu “=” xảy ra khi V1=V2=-V3=-V

+ Do đặc điểm của bánh omni có thể trượt theo phương vuông góc với bánh vận tốc bất kì nên ta có: Vận tốc của 3 bánh theo phương Y là V

 Vận tốc khối tâm theo phương Y bằng vận tốc của 3 bánh là V Đánh giá 3/4 điểm

e) Omni 4 bánh

Hình 2.9 Sơ đồ vận tốc thẳng phương án omni 4 bánh

Do kết cấu đối xứng khác với loại 3 bánh nên loại 4 bánh chỉ cần xét theo 1 phương

2.2.2 Xét khả năng chuyển hướng

Vận tốc quay của robot ω, với tâm quay tại tâm các bánh của robot

1 0 – 0,25 V/r (Hoặc không tự quay được)

Hình 2.10 Sơ đồ vận tốc góc phương án 4 động cơ

Trong chuyển động trong vật rắn, vận tốc quay của các chất điểm bằng vận tốc góc của khối tâm:

 ω⃗⃗⃗⃗⃗ = ωo ⃗⃗ =𝑉

𝑟

 Vận tốc góc của khối tâm là ω Đánh giá 4/4 điểm

b) 4 bánh song song có bẻ lái

Hình 2.11 Sơ đồ vận tốc góc phương án có bẻ lái

Do cơ cấu vi sai gắn trên bánh chủ động hoạt động dựa vào sự chênh lệch momen cản trên hai bánh nên hai bánh phải quay cùng chiều và cùng chiều với hai bánh dẫn hướng phía trước Vì vậy xe 4 bánh song song có bẻ lái không thể tự quay quanh chính nó Đánh giá 1/4 điểm

c) 2 bánh chủ động, 1 bị động

Hình 2.12 Sơ đồ vận tốc góc phương án 2 bánh chủ động

Trong chuyển động trong vật rắn, vận tốc quay của các chất điểm bằng vận tốc góc của khối tâm:

 ω⃗⃗⃗⃗⃗ = ωo ⃗⃗ =𝑉

𝑟

 Vận tốc góc của khối tâm là ω Đánh giá 4/4 điểm

d) Omni 3 bánh

Hình 2.13 Sơ đồ vận tốc góc phương án 3 bánh omni

Trong chuyển động trong vật rắn, vận tốc quay của các chất điểm bằng vận tốc góc của khối tâm:

 ω⃗⃗⃗⃗⃗ = ωo ⃗⃗ =𝑉

𝑟

 Vận tốc góc của khối tâm là ω Đánh giá 4/4 điểm

e) Omni 4 bánh

Hình 2.14 Sơ đồ vận tốc góc phương án 4 bánh omni

Trong chuyển động trong vật rắn, vận tốc quay của các chất điểm bằng vận tốc góc của khối tâm:

 ω⃗⃗⃗⃗⃗ = ωo ⃗⃗ =𝑉

𝑟

 Vận tốc góc của khối tâm là ω Đánh giá 4/4 điểm

2.2.3 Vận tốc trên đoạn đường cong

Vận tốc tại mỗi bánh tối đa là V Xét vận tốc tại tâm các bánh trên đoạn đường cong với bán kính R=500mm Khoảng cách giữa các bánh là d=220mm

1 0,5V – 0,6125V

2 0,6125V – 0,75V

3 0,75V – 0,875V

4 0,875V – V

a) 4 bánh song song, 4 động cơ

Trong chuyển động quay, vận tốc dài của 1 điểm bất kì là v=ω.r

Với cùng tốc độ quay ta có vận tốc dài càng lớn khi bán kính càng lớn

 Vận tốc dài của cặp bánh ngoài cùng là lớn nhất

Khi đó tốc độ quay của chuyển động là V

dR2



Đánh giá 3/4 điểm

b) 4 bánh song song có bẻ lái

4 bánh song song có bẻ lái tương tự với trường hợp 4 bánh song song không bẻ lái (bánh ngoài cùng quay với vận tốc lớn nhất) Điểm khác biệt giữa 2 phương án là 4 bánh song song có bẻ lái bị trượt bánh khi đi trên đoạn đường cong Đánh giá 3/4 điểm

Giá của 1 động cơ là: 35,000 đ (V1 1:120)

Giá của 1 động cơ servo là: 40,000 đ

Giá của 1 bánh omni là: 250,000 đ (58mm)

Giá của cơ cấu vi sai là: 230,000 đ (vi sai cầu sau RC trục 5mm)

Giá của 1 bánh mắt trâu (bánh bị động): 25,000 đ (đường kính bi 12mm)

Giả sử: Giá thành của khung xe và các bộ phận khác tương đương nhau trong các phương án

a) 4 bánh song song, 4 động cơ

Bảng 2.3 Chi phí phương án 4 động cơ

Thiết bị Số lượng Giá Tổng Động cơ 4 35,000 140,000 Bánh xe 4 22,000 88,000 Tổng cộng: 228,000 đ

b) 4 bánh song song có bẻ lái

Bảng 2.4 Chi phí phương án có bẻ lái

Thiết bị Số lượng Giá Tổng Ghi chú

Động cơ 1 35,000 35,000 Thêm 1 động cơ

cho cơ cấu bẻ lái Động cơ

d) Omni 3 bánh

Bảng 2.6 Chi phí phương án 3 bánh omni

Thiết bị Số lượng Giá Tổng

Động cơ 3 35,000 105,000 Bánh xe omni 3 250,000 750,000 Tổng cộng: 855,000 đ

e) Omni 4 bánh

Bảng 2.7 Chi phí phương án 4 bánh omni

Thiết bị Số lượng Giá Tổng

Bánh xe omni 4 250,000 1,000,000 Tổng cộng: 1,140,000 đ

Bảng 2.9 Bảng đánh giá chung các phương án

Phương án thường 4 bánh có bẻ lái 4 bánh 2 bánh chủ động, 1 bánh bị động 4 bánh

Omni

3 bánh Omni

Mô hình động học của robot được biểu diễn như hình

Để xác định vị trí của xe so với line, ta sử dụng 2 thông số là e2 và e3 được định nghĩa như hình dưới:

Hình 3.1 Minh họa sai số e2 và e3

Theo phương trình động học của một vật vừa tịnh tiến vừa xoay:

𝑣 = 𝑣⃗⃗⃗ + 𝜔𝑐 ⃗⃗ × 𝑅⃗ = 𝑣⃗⃗⃗ + 𝑣𝑐 ⃗⃗⃗⃗ 𝜔

ta có thể xem vật xoay quanh một trục với tốc độ góc 𝜔 và trục di động với vận tốc 𝑣𝑐 Nói cách khác, vận tốc của mọi điểm trên vật bằng tổng vector vận tốc tịnh tiến và vận tốc dài khi vật quay quanh chính nó

Xét trường hợp xe đi thẳng:

Hình 3.2 Mô hình động học khi xe đi thẳng

Ta có:

{tan 𝑒3 =−𝑑𝑒2

𝑣𝑑𝑡 =

−𝑒2̇𝑣

𝑒3 = 𝑐𝑜𝑛𝑠𝑡

⇒ {𝑒2̇ = −𝑣 tan 𝑒3

𝑒3̇ = 0Xét trường hợp xe quay quanh tự quay quanh tâm:

Ta có

{𝑒2 = tan 𝑒3 (𝑞 − 𝑑) = tan 𝑒3 (

ℎsin 𝑒3− 𝑑) =

ℎcos 𝑒3− 𝑑 tan 𝑒3

𝑑𝑒3 = 𝑑𝜑

Hình 3.3 Mô hình động học khi xe xoay tại chỗ

Suy ra:

{𝑑𝑒2 = 𝑑 (

ℎcos 𝑒3− 𝑑 tan 𝑒3)

𝑑𝑒3 = 𝑑𝜑

⇒ {𝑑𝑒2 =

ℎcos2𝑒3 sin 𝑒3 𝑑𝑒3−

𝑑cos2𝑒3𝑑𝑒3

𝑑𝑒3 = 𝑑𝜑

⇒ {𝑑𝑒2 = (𝑒2+ 𝑑 tan 𝑒3) tan 𝑒3 𝑑𝑒3−

𝑑cos2𝑒3𝑑𝑒3

{𝑒2̇ = (𝑒2 tan 𝑒3− 𝑑)𝜔 − 𝑣 tan 𝑒3

𝑒3̇ = 𝜔

Yêu cầu:

+ Khối lượng của xe: 4kg

+ Tốc độ tối đa: 0,65 m/s

+ Momen quán tính của bánh xe: 0,00185 kg.m2

+ Đạt tốc độ tối đa trong 1 giây

+ Đường kính bánh nhỏ nhất(do càng lớn thì ω càng nhỏ): 0,043m

Hình 4.1 Sơ đồ phân tích động lực học

Xe chạy trên mặt phẳng nằm ngang nên chỉ có 2 lực là lực đẩy của mặt sàn lên bánh xe Fw và trọng lực P tác dụng lên xe Tuy nhiên trọng lực P vuông góc với phương di chuyển của xe nên chỉ có Fw tác dụng làm cho xe di chuyển

Giả định xe gia tốc lên đến vận tốc tối đa trong 1s, khi đó gia tốc của xe a=0.65 m/s2, gia tốc góc của bánh là γ = a

R = 0,650,043= 15,1 rad/s2

Áp dụng định luật 2 Newton ta có:

F   F m.a  4.0,65 2,6 N  

2𝜋𝑟 =

0.652𝜋 0,0325(

𝑟𝑎𝑑

𝑠 ) = 30,39 (𝑟𝑝𝑚)

Ta chọn sơ bộ động cơ GA25 có tốc độ tối đa 600rpm và stall torque 7,2 Nm

Hình 4.3 Đường đặc tính momen – vận tốc GA25

Tại 46rpm ta có torque của động cơ là 6,6Nm => thỏa điều kiện của torque Kết luận: chọn động cơ GA25 600rpm

0 100

5.1 Minh họa các phương án

Phương án 1: dùng cảm biến quang

Hình 5.1 Một số phương án bố trí cảm biến quang

(phototransistor) Cảm biến dò line đơn

640x480 Lấy mức giá trung vị của cảm biến quang là 12 000 đồng/cảm biến, giải sử có tối thiểu 5 cảm biến / dãy ta có:

Bảng 5.2 Bảng giá cho các phương án cảm biến

Phương án 1 dãy cảm biến

quang (1x5)

Nhiều dãy cảm biến quang (3x5)

Camera cố định

Camera

di chuyển Giá tối

Nhiều dãy cảm biến quang (3x5)

Camera cố định

Camera

di chuyển Cách

đặt

1 hàng ngang 3 hàng ngang đặt trên giá

cố định xe phía đầu Điểm

Độ phức tạp tính toán: dựa trên cỡ ma trận cần xử lý ở một thời điểm

Bảng 5.4 Đánh giá độ phức tạp tính toán của các phương án cảm biến

Phương án 1 dãy cảm biến

quang (1x5)

Nhiều dãy cảm biến quang (3x5)

Bảng 5.5 Đánh giá các phương án bố trí cảm biến

Tiêu chí Trọng

số

1 dãy cảm biến quang Nhiều dãy cảm biến quang

Kết luận: chọn phương án 1 dãy cảm biến quang

5.3 Chọn loại cảm biến quang

Do điều kiện chạy của xe chưa được định rõ trong hay ngoài trời, cường độ ánh sáng của môi trường có thể lớn gây nhiễu cảm biến Hiện tại trên thị trường, các loại diode quang và quang trở đều hoạt động tốt nhất ở vùng ánh sáng khả kiến (bước sóng 380-700 nm) nên hoạt động không chính xác ở điều kiện ngoài trời Các loại cảm biến theo hai nguyên lý này hoạt động ở miền hồng ngoại hiện rất khan hiếm trên thị trường Việt Nam

Hình 5.3 Quan hệ độ nhạy của cảm biến quang trở CdS và bước sóng ánh sáng

Mặt khác, phototransistor gồm 2 bóng thu phát tín hiệu ở miền hồng ngoại (bước sóng 950 nm) cách khá xa so với miền khả kiến (380-700 nm) nên hạn chế nhiễu do ánh sáng khả kiến từ môi trường

Kết luận: chọn cảm biến hồng ngoại TCRT5000 theo nguyên lý phototransistor

6.1 Thuật toán so sánh

Hình 6.1 Thuật toán so sánh

Đặc điểm:

- Trang thái đầu ra của tín hiệu là bật/tắt

- Phụ thuộc vào giá trị ngưỡng so sánh và khoảng cách giữa các cảm biến

- Tốc độ xử lý rất nhanh

Sai số hệ thống = 1

2 khoảng cách giữa 2 cảm biến

6.2 Thuật toán nội suy hàm bậc hai

Hình 6.2 Thuật toán nội suy hàm bậc hai

Đặc điểm :

- Giả sử có 7 cảm biến được đặt trên xe và vị trí cảm biến bên trái ngoài cùng bên trái là -3

- Khoảng cách liên tiếp của hai cảm biến là 1 ( theo tỷ lệ )

- Khi đầu ra của cảm biến cao hơn khi nó gần đường màu đen hơn, do vậy luôn xác định được 3 cảm biến liên tiếp với đầu ra cao hơn các cảm biến còn lại

Mối quan hệ giữa tọa độ và đầu ra của các cảm biến :

𝑎 = 𝑦1+ 𝑦3− 2𝑦2

2

𝑏 = 𝑦2 − 𝑦1− 2𝑎𝑥𝑖− 𝑎 Sai số:

Giả sử sai số output của 1 cặp IR là e, và các cặp cảm biến có cùng sai số

𝑥 =

𝛥𝑎

𝑎 +

𝛥𝑏𝑏Các bước thực hiện giải thuật:

Hình 6.3 Thuật toán trọng số trung bình

Giả sử tọa độ của 7 cảm biến lần lượt là : 𝑥0, 𝑥1, 𝑥2, 𝑥3, 𝑥4, 𝑥5, 𝑥6 và các gia trị analog đầu ra tương ứng là : 𝑦0, 𝑦1, … , 𝑦5, 𝑦6 Vị trí đường line được tính theo công thức sau:

𝑥 =∑ 𝑥60 𝑖𝑦𝑖

∑6𝑖=0𝑦𝑖 =

3(𝑦6− 𝑦0) + 2(𝑦5− 𝑦1) + (𝑦4− 𝑦2)

∑6𝑖=0𝑦𝑖Sai số:

Giả sử sai số output của 1 cặp IR là e, và các cặp cảm biến có cùng sai số

𝑥 =3(𝑦6− 𝑦0) + 2(𝑦5− 𝑦1) + (𝑦4− 𝑦2)

∑6𝑖=0𝑦𝑖𝛥𝑥

𝑥 =

𝛥𝑦6+ 𝛥𝑦0+ 𝛥𝑦5+ 𝛥𝑦1+ 𝛥𝑦4+ 𝛥𝑦23(𝑦6− 𝑦0) + 2(𝑦5− 𝑦1) + (𝑦4 − 𝑦2)

+𝛥𝑦0+ 𝛥𝑦1+ 𝛥𝑦2+ 𝛥𝑦3+ 𝛥𝑦4+ 𝛥𝑦5+ 𝛥𝑦6

𝑦0+ 𝑦1+ 𝑦2+ 𝑦3+ 𝑦4+ 𝑦5+ 𝑦6Các bước thực hiện giải thuật:

 Đọc tín hiệu từ các cảm biến

 Tính toán giá trị của x

Bảng 6.1 Bảng đánh giá giải thuật xác định tọa độ line

Tiêu chí Thuật toán so sánh Thuật toán nội suy

hàm bậc 2

Thuật toán trọng số trung bình

Kết luận: chọn phương án trọng số trung bình