Xây dựng mô hình xe tự hành, dò đường bằng sóng siêu âm

ĐỐI TƯỢNG VÀ PHẠM VI NGHIÊN CỨU• Ứng dụng Arduino Uno trong giao tiếp với cảm biến siêu âm, điều khiển động cơ servo, điều khiển tốc độ động cơ 1 chiều.. SƠ ĐỒ KÝ HIỆU ARDUINO UNOBắt đầu

BÁO CÁO TỔNG KẾT

ĐỀ TÀI NCKH SINH VIÊN

XÂY DỰNG MÔ HÌNH XE TỰ HÀNH, DÒ ĐƯỜNG BẰNG SÓNG SIÊU ÂM

TRƯỞNG NHÓM

 NGHIÊN CỨU:

LÊ ĐỨC KIÊN

 Người hướng dẫn:

ThS Nguyễn Thế

Hoàng

TỰ HÀNH, DÒ ĐƯỜNG BẰNG SÓNG SIÊU ÂM

TÌNH HÌNH NGHIÊN CỨU THUỘC LĨNH VỰC ĐỀ TÀI

• Hiện nay tin học đã và đang được ứng dụng rộng rãi trong hầu hết các ứng dụng của nền kinh tế trong mỗi quốc gia Một trong những ứng dụng được sử dụng gần đây nhất đó là ứng dụng công nghệ thông tin vào công nghệ chế tạo và điều khiển robot thông minh

• Trong nền kinh tế tri thức sự phát triển của xã hội không thể tách khỏi sự phát triển của công nghệ thông tin và đặc biệt là sự phát triển của tin học, ngành khoa học công nghệ mới tạo ra các sản phẩm robot và nghiên cứu ứng dụng chính hình thành trong những thập kỷ gần đây được gọi là Robotics

ỨNG DỤNG CỦA XE TỰ HÀNH

• Xe tự hành có thể mang lại nhiều lợi ích cho xã hội, như giảm thiểu tai nạn giao thông, tiết kiệm năng lượng, tăng hiệu quả vận tải và giảm ô nhiễm môi trường

• Đề tài này không chỉ giúp nâng cao kiến thức và kỹ năng về lĩnh vực xe tự hành, mà còn góp phần vào việc phát triển công nghệ và ứng dụng của sóng siêu âm trong cuộc sống

ĐỐI TƯỢNG VÀ PHẠM VI NGHIÊN CỨU

• Ứng dụng Arduino Uno trong giao tiếp với cảm biến siêu âm, điều khiển động cơ servo, điều khiển tốc độ động cơ 1 chiều

• Yêu cầu chính của robot này là phát hiện chướng ngại vật Chúng sẽ lấy thông tin từ khu vực xung quanh thông qua các cảm biến Một số thiết bị cảm biến được sử dụng để phát hiện chướng ngại vật như cảm biến va chạm, cảm biến hồng ngoại, cảm biến siêu âm Cảm biến siêu âm phù hợp nhất để phát hiện chướng ngại vật và nó có giá thành thấp và khả năng thay đổi cao

ARDUINO UNO

LÀ GÌ?

• Arduino là một nền tảng phần cứng mã nguồn mở: Các thiết kế phần cứng tham khảo của Arduino được phân phối dưới dạng Creative CommonsAttribution Share-Alike 2.5 license và có sẵn trên website của Arduino Một vài phiên bản  phần cứng của Arduino còn đưa lên cả file Layout và thành phẩm Mã nguồn cho IDE này cũng khả dụng và được xuất bản dưới dạng GNU General Public License, version 2.

THÔNG SỐ KỸ

THUẬT VÀ CÁC TÍNH

 NĂNG CỦA ARDUINO

Ván

SKU A000066

Vi điều khiển  ATmega328P

 Đầu nối USB USB-B

Pins

Ghim I/O kỹ thuật số 14

Chân đầu vào analog 6

Chân PWM 6 Truyền thông

Sức mạnh

 Điện áp I / O 5V

 Điện áp đầu vào (danh nghĩa) 7-12V

Dòng điện DC trên mỗi chân I / O 20 mA

Tốc độ đồng hồ Bộ lý chính ATmega328P 16 MHz

Bộ xử lý nối tiếp USB ATmega16U2 16 MHz

Trí nhớ ATmega328P 2KB SRAM, 32KB FLASH, 1KB

EEPROM Kích thước

Chiều rộng 53,4 mm

Arduino UNO là bo mạch tốt nhất để

 bắt đầu với thiết bị điện tử và mã hóa.

 Nếu đây là trải nghiệm đầu tiên của

 bạn mày mò với nền tảng

SƠ ĐỒ KÝ HIỆU ARDUINO UNO

Bắt đầu theo chiều kim đồng hồ từ trung tâm trên cùng:

Chân tham chiếu tương tự (màu cam)

Digital Ground (xanh nhạt)

Ghim kỹ thuật số 2-13 (màu xanh lá cây)

Ghim kỹ thuật số 0-1 / Nối ti ếp vào / ra - TX / RX (xanh đậm)

 Nút đặt lại - S1 (xanh đậm)

Lập trình nối tiếp trong mạch (xanh lam)

Tương tự trong chân 0-5 (màu xanh nhạt)

Chân nguồn và chân nối đất (nguồn: cam, đất: cam nhạt)

 Nguồn điện bên ngoài vào (9-12VDC) - X1 (màu hồng)

Chuyển đổi Nguồn bên ngoài và Nguồn USB (đặt nút nhảy trên hai chân gần nhất

với nguồn cung cấp mong muốn) - SV1 (màu tím)

USB (được sử dụng để tải bản phác thảo lên bảng và để giao tiếp nối tiếp giữa bo

ỨNG DỤNG ARDUINO TRONG NGHIÊN CỨU

• Arduino là đơn vị xử lý chính của robot Trong số 14 chân I / O kỹ thuật số có sẵn, 7 chân được sử dụng trong thiết kế dự án này Cảm biến siêu âm có 4 chân: Vcc, Trig, Echo và Gnd Vcc và Gnd được kết nối với các chân + 5v và GND của Arduino Trig (Kích hoạt) được kết nối với chân thứ 9 và Echo được kết nối với chân thứ 8 của Arduino UNO tương ứng Một động cơ servo

được sử dụng để xoay cảm biến siêu âm để quét các chướng ngại vật Nó có ba chân là Control, VCC và GND Chân điều khiển Servo được kết nối với chân 11 của Arduino trong khi VCC và GND được kết nối với + 5V và GND L293D là một IC 16 chân Các chân 1 và 9 là các chân cho phép Các chân này được kết nối với + 5V Chân 2 và 7 là đầu vào điều khiển từ vi điều khiển cho động cơ thứ nhất Chúng được kết nối với các chân 6 và 7 của Arduino tương ứng Tương tự, chân 10 và 15 là đầu vào điều khiển từ vi điều khiển cho động cơ thứ hai Chúng được kết nối với chân 5 và 4 của Arduino Các chân 4, 5, 12 và 13 của L293D

là các chân nối đất và được kết nối với Gnd Động cơ đầu tiên (coi đây là động cơ cho bánh trái) được kết nối qua các chân 3 và

6 của L293D Động cơ thứ hai, hoạt động như động cơ bánh xe bên phải, được kết nối với chân 11 và 14 của L293D Chân thứ

16 của L293D là Vcc1 Điều này được kết nối với + 5V Các chân thứ 8 là Vcc2 Đây là điện áp cung cấp động cơ Điều này có thể được kết nối ở bất kỳ đâu giữa 4,7V và 36V Trong dự án này, chân 8 nếu L293D được kết nối với nguồn + 5V.

GIỚI THIỆU CẢM BIẾN SIÊU ÂM HC-SR04

• Cảm biến siêu âm HC-SR04 là một dạng cảm  biến module Cảm biến này thường chỉ là một  bản mạch, hoạt động theo nguyên lý thu phát sóng siêu âm bởi 2 chiếc loa cao tần

• Cảm biến siêu âm HC-SR04 thường được kết hợp với các bộ arduino, PIC, AVR,… để chạy một số ứng dụng như : phát hiện vật cản trên xe robot, đo khoảng cách vật,…

 NGUYÊN LÝ HOẠT ĐỘNG CẢM BIẾN SIÊU ÂM HC-SR04

Để đo khoảng cách bằng cảm biến siêu âm HC-SR04, ta sẽ phát 1 xung rất ngắn (5 microSeconds) từ chân Trig Tiếp theo, 1 xung HIGH ở chân Echo sẽ được cảm biến tạo ra và  phát đi cho đến khi nhận lại được sóng phản xạ

ở chân này Lúc này, độ rộng của xung sẽ bằng với thời gian sóng siêu âm được phát từ cảm  biến và phản xạ lại.

Trong không khí, tốc độ âm thanh đạt mức 340 m/s (hằng số), tương đương với 29,412 microSeconds/cm (106 / (340*100)) Khi đã tính được thời gian, ta sẽ chia cho 29,412 để ra giá trị khoảng cách

GIỚI THIỆU MODULE

ĐIỀU KHIỂN ĐỘNG

CƠ L298

Module điều khiển động cơ L298 ( mạch cầu H

L298) là một module hưu ích, phổ biến với chức

năng thông dụng và giá thành cực kỳ rẻ là lựa chọn

của các bạn học sinh, sinh viên Mạch này có thể

điều khiển được 2 động cơ Ứng dụng rất nhiều vào

các đề tài: điều khiển xe robot, điều khiển cánh tay

robot (Cánh tay robot 3 bậc bạn phải sử dụng tới 2

mô đun này), Arduino để điều khiển động cơ sử

dụng mô đun điều khiển ộng cơ…

Module l298 điều khiển được các động cơ như motor giảm tốc, motor mini, động cơ bước, động cơ servo, động cơ dc

CẤU TẠO VÀ THÔNG SỐ KỸ THUẬT ĐỘNG CƠ GIẢM TỐC 3V-9V

• •Điện áp hoạt động:3V~ 9V DC (Hoạt động tốt nhất

từ 6 - 8V)

• •Mômen xoắn cực đại: 800g

• •Tỉ lệ: 1:48 (3V)

• •Tốc độ không tải: 125 Vòng/ 1 Phút (3V)

• •(Với bánh 66mm: 26m/1p)

• •208 Vòng/ 1 Phút (5V)

• •(Với bánh 66mm: 44m/1p)

• •Dòng không tải: 70mA (250mA MAX)

GIỚI THIỆU VỀ ĐỘNG

CƠ SERVO

Động cơ servo được thiết kế những hệ thống hồi tiếp vòng kín Tín hiệu ra của động cơ được nối với một mạch điều khiển Khi động cơ quay, vận tốc và

vị trí sẽ được hồi tiếp về mạch điều khiển này Nếu

có bầt kỳ lý do nào ngăn cản chuyển động quay của động cơ, cơ cấu hồi tiếp sẽ nhận thấy tín hiệu ra chưa đạt được vị trí mong muốn Mạch điều khiển tiếp tục chỉnh sai lệch cho động cơ đạt được điểm chính xác

Servo là một dạng động cơ điện đặc biệt Không giống như động cơ thông thường cứ cắm điện vào là quay liên tục, servo chỉ quay khi được điều khiển (bằng xung PPM) với góc quay nằm trong khoảng bất kì từ 0o - 180o Mỗi loại servo có kích thước, khối lượng và cấu tạo khác nhau Có loại thì nặng chỉ 9g (chủ yếu dùng trên máy bay mô mình),

có loại thì sở hữu một momen lực bá đạo (vài chục  Newton/m), hoặc có loại thì khỏe và nhông sắc chắc chắn,

 NGUYÊN LÝ LÀM VIỆC CỦA XE TỰ HÀNH SỬ

DỤNG CẢM BIẾN SIÊU ÂM

Robot tránh vật cản sử dụng cảm biến siêu âm cho các chuyển động của nó Một bộ vi điều khiển thuộc họ 8051 được sử dụng để đạt được hoạt động mong muốn Các động cơ được kết nối thông qua IC điều khiển động

Cảm biến siêu âm được gắn phía trên động cơ servo ở đầu xe, động cơ servo sẽ quay theo từng góc đã được đặt

trước(30,90,150) Từ đó cảm biến siêu âm sẽ đo khoảng cách ở từng góc và so sánh để quyết định hướng đi cơ với bộ vi điều khiển.

Arduino điều chỉnh hướng đi của xe bằng cách thay đổi tốc dộ quay của hai động cơ giảm tốc thông qua mạch điều khiển L298

VIDEO CHẠY THỬ 

• Xe sơ bộ tự tránh được vật cản

Ý NGHĨA KHOA HỌC VÀ THỰC TIỄN CỦA ĐỀ TÀI

Ý nghĩa khoa học Xây dựng được cơ sở khoa học về khả năng tự hành tránh vật cản của robot sử dụng cảm biến siêu âm cũng như khả năng nhận

sự điều khiển từ xa thông qua sóng vô tuyến RF.

Ý nghĩa thực tiễn của đề tài Tiềm năng ứng dụng của xe tự hành là lớn, có thể kể đến robot vận hành vật liệu, hàng hóa trong các tòa nhà, nhà máy, cửa hàng, sân bay hay thư viện… robot xe lăn phục vụ người khuyết tật…

TÀI LIỆU THAM KHẢO

• Arduino – Wikipedia tiếng Việt

• Tổng quan về các thành phần Arduino UNO | Tài liệu Arduino

• Giới thiệu Servo SG90 và cách điều khiển bằng biến trở | Cộng đồng Arduino Việt Nam

• Động cơ giảm tốc là gì? Cấu tạo và nguyên lý hoạt động? Cách phân loại?

• MODULE ĐIỀU KHIỂN ĐỘNG CƠ L298 - MODULE ĐỘNG CƠ

• Sử dụng cảm biến khoảng cách HC-SR04 | Cộng đồng Arduino Việt Nam

• Robot tự hành tránh vật cản & nguyên lý hoạt động | UNIDUC

TRƯỞNG NHÓM

 NGHIÊN CỨU: LÊ

ĐỨC KIÊN

 NGƯỜI HƯỚNG DẪN:

THS NGUYỄN THẾ

HOÀNG

Xin cảm ơn đã lắng nghe

TỰ HÀNH, DÒ ĐƯỜNG BẰNG SÓNG SIÊU ÂM