Thiết kế và thi công robot dò line vượt địa hình

Trong quá trình thực hiện đồ án, được sự giúp đỡ của thầy Nguyễn Phú Công nên em đã tiếp thu được nhiều kiến thức quý báu giúp em trong quá trình học và làm việccủa em trong tương lai: Đ

BỘ CÔNG THƯƠNG TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHIỆP THỰC PHẨM TP HỒ CHÍ MINH

KHOA CÔNG NGHỆ ĐIỆN-ĐIỆN TỬ



-BÁO CÁO ĐỒ ÁN 1THIẾT KẾ VÀ THI CÔNG ROBOT DÒ LINE VƯỢT ĐỊA HÌNH

TRƯỜNG ĐH CÔNG NGHIỆP THỰC PHẨM

TP HCM KHOA ĐIỆN – ĐIỆN TỬ

MÔN: ĐỒ ÁN HỌC PHẦN 1

CỘNG HÒA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT

NAM Độc lập - Tự do - Hạnh phúc

4 Về thái độ làm việc của sinh viên:

Đánh giá chung:

Điểm sinh viên:

Nghiêm Đình Thắng /10

Người nhận xét

(Ký tên và ghi rõ họ tên)

TRƯỜNG ĐH CÔNG NGHIỆP THỰC PHẨM

TP HCM KHOA CÔNG NGHỆ ĐIỆN – ĐIỆN TỬ

CỘNG HÒA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM

Độc lập - Tự do - Hạnh phúc

TP HCM, ngày 05 tháng 06 năm 2021

ĐỀ CƯƠNG CHI TIẾTTÊN ĐỒ ÁN: Thiết kế và thi công robot dò line vượt địa hình

Giảng viên hướng dẫn: ThS Nguyễn Phú Công

Thời gian thực hiện: Từ ngày 05/03/2020 đến ngày 12/06/2020

Sinh viên thực hiện: Nghiêm Đình Thắng

- Tìm hiểu lý thuyết

- Lập trình dò line

- Thi công cơ khí

- Trình bày báo cáo

Tiến độ thực hiện:

- Ngày 28/02/2021: Nhận đề tài cuộc thi

- Từ ngày 01/03/2021 đến ngày 10/03/2021: Nghe hướng dẫn của giảng viên

- Từ ngày 11/03/2021 đến ngày 31/03/2021: Tìm hiểu lý thuyết

- Từ ngày 03/04/2021 đến ngày 21/04/2021: Mua linh kiện lắp ráp

- Từ ngày 21/04/2021 đến ngày 02/05/2021: Lập trình dò line

- Từ ngày 02/05/2021 đến ngày 04/05/2021: Lắp ráp mô hình

- Từ ngày 04/05/2021 đến ngày 04/04/2021: Tạo địa hình có cả line trắng và đen

- Từ ngày 04/04/2021 đến ngày 06/05/2021: Chạy thử robot

- Từ ngày 09/05/2021 đến ngày 14/05/2021: Chỉnh sửa code chương trình

- Từ ngày 14/05/2021 đến ngày 22/05/2021: Hoàn thiện sản phẩm và quay video lại

- Từ ngày 29/05/2021 đến ngày 05/06/2021: Viết báo cáo

Xác nhận của giảng viên hướng dẫn TP HCM, ngày 05 tháng 06 năm 2021

Sinh viên thực hiện

Nghiêm Đình Thắng

LỜI CAM ĐOAN

Em xin cam đoan bài báo cáo của đề tài Thiết kế và thi công robot dò line vượt địa hình do sinh viên Nghiêm Đình Thắng – 2032190189 tổng hợp lại từ quá trình

nghiên cứ u và thưc hiên Các số liệu, hình ảnh, thông tin trong bài báo cáo này là trungthư

c và không sao chép từ bất kỳ bài nào của nhóm khác

Các tài liêu đươ

c sử dung trong báo cáo có ghi nguồn gốc, xuất xứ rõ ràng

TP.HCM, ngày 5 tháng 6 năm 2021

Người cam đoan:

Nghiêm Đình Thắng

LỜI CẢM ƠN

Lời đầu tiên em xin chân thành cảm ơn Ban giám hiệu trường Đại học Côngnghiệp Thực phẩm Thành phố Hồ Chí Minh và khoa Công nghệ Điện - Điện tử đã tạođiều kiện để sinh viên chúng em có một môi trường làm việc học tập thoải mái về cơ

sở hạ tầng cũng như cơ sở vật chất

Em cũng xin chân thành cảm ơn Ths Nguyễn Phú Công – Giảng viên phụ trách

bộ môn “Đồ án học phần 1” - khoa Công nghệ Điện- Điện tử trường Đại học Côngnghiệp Thực phẩm Thành phố Hồ Chí Minh đã giúp đỡ em trong quá trình thực hiệnbài tập lớn này !

Đồ án môn học 1 là bài đồ án đầu tiên trong chương trình học của em, nên đây là

đồ án rất quan trọng, là nền tảng để em thực hiện những đồ án sau này

Trong quá trình thực hiện đồ án, được sự giúp đỡ của thầy Nguyễn Phú Công nên

em đã tiếp thu được nhiều kiến thức quý báu giúp em trong quá trình học và làm việccủa em trong tương lai: Được tiếp xúc với vi điều khiển họ AVR (Atmega8), mạchđiều khiển động cơ L298, mã nguồn mở IDE, ngôn ngữ lập trình C/C++, v.v…

Trong quá trình thực hiện, do em chưa có nhiều kinh nghiệm nên không tránhkhỏi những sai sót Mong nhận được sự góp ý của thầy để được hoàn thiện hơn

Một lần nữa em xin chân thành cảm ơn sự quan tâm giúp đỡ của quý thầy trongquá trình thực hiện bài tập lớn để em hoàn thành bài tập này và mong được sự giúp đỡcủa thầy trong các dự án, đồ án, môn học sau

Em xin chân thành cảm ơn!

TP.HCM, ngày 5 tháng 6 năm 2021

Sinh Viên Thực Hiện

Nghiêm Đình Thắng

MỤC LỤC

NHẬN XÉT CỦA GIÁO VIÊN HƯỚNG DẪN i

ĐỀ CƯƠNG CHI TIẾT iv

LỜI CAM ĐOAN v

LỜI CẢM ƠN vi

MỤC LỤC vii

MỤC LỤC HÌNH ẢNH ix

MỤC LỤC BẢNG xii

DANH MỤC CHỮ VIẾT TẮT xiii

LỜI MỞ ĐẦU 1

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ ROBOT 2

1.1 Tổng quan về Robot di động (Mobile Robot) 2

1.1.1 Phân loại Mobile robot: 2

1.1.2 Cách định hướng di chuyển của Mobile Robot: 3

1.2 Ứng dụng của Mobile robot 7

1.3 Các công trình nghiên cứu liên quan 13

CHƯƠNG 2 CƠ SỞ LÝ THUYẾT 16

2.1.Yêu cầu 16

2.2 Mục tiêu 17

2.3 Cấu trúc robot 17

2.3.1 Danh sách các linh kiện được sử dụng 17

2.3.2 Chi tiết linh kiện và thông số kỹ thuật 18

CHƯƠNG 3 CƠ SỞ THỰC HIỆN 26

3.2 Lý thuyết thiết kế 27

3.3 Thiết kế sản phẩm và giải thuật điều khiển 28

3.3.1 Ý tưởng giải thuật 28

3.3.2 Sơ đồ kết nối 29

3.4 Mô hình xe robot thực tế 31

3.5 Thiết kế thuật toán 33

3.5.1 Giải thuật dò line 33

3.5.2 Phân tích chuyển động 35

3.5.3 Sơ đồ giải thuật điều khiển chương trình 36

3.5.4 Các vị trí đường line đặc biệt 37

3.6 Chương trình viết trên Arduino IDE (Code ) 41

CHƯƠNG 4 KẾT LUẬN 52

4.1 Kết quả 52

4.2 Hướng phát triển cho đề tài 52

TÀI LIỆU THAM KHẢO 54

MỤC LỤC HÌNH ẢNH

Hình 1.1 Robot chuyển động bằng bánh xe 2

Hình 1.2 Robot chuyển động bằng chân 3

Hình 1.3 Hệ thống Laser guidance 3

Hình 1.4 Magnetic spot guidance 4

Hình 1.5 Khoảng không tính toán (Dead-reckoning) 5

Hình 1.6 Nguyên tắc hoạt động magnetic guidace 5

Hình 1.7 Wire guidance 6

Hình 1.8 Robot Opportunity của NASA 7

Hình 1.9 Robot Scorpion của TOSHIBA 8

Hình 1.10 Robot vận chuyển hàng hóa trong kho hàng tự động Amazon 9

Hình 1.11 Robot hút bụi Xiaomi Roborock Gen 3 9

Hình 1.12 Một robot chiến đấu của quân đội Mỹ 10

Hình 1.13 Một nhà hàng ở Hà Lan sử dụng Robot để phục vụ 11

Hình 1.14 Nhân vật người máy T-800 trong phim The Terminator 2: Judgment Day (1991) (Kẻ hủy diệt 2: Ngày phán xét ) của đạo diễn James Cameron 12

Hình 1.15 Robot Wall - E trong tác phẩm điện ảnh cùng tên của hãng Pixar Animation Studios 12

Hình 1.16 Robot dò line “The Chariot” (a) và sơ đồ nguyên lý của nó (b) 14

Hình 1.17 Robot dò line Silvestre (a) và sơ đồ nguyên lý (b) 14

Hình 1.18 Mô hình xe dò line “Fireball” (a) và sơ đồ nguyên lý (b) 15

Hình 2.1 Sơ đồ sân thi đấu 16

Hình 2.2 Kích thước dốc lên xuống 17

Hình 2.3 Nguyên lý thu phát của cảm biến dò line 18

Hình 2.4 Module cảm biến hồng ngoại 19

Hình 2.5 Board Arduino Uno R3 19

Hình 2.6 Sơ đồ chân Arduino Uno R3 20

Hình 2.7 Nguyên lý mạch cầu H 22

Hình 2.8 Module L298N 22

Hình 2.9 Sơ đồ khối bên trong L298N 23

Hình 2.10 Cấu trúc chân ra của L298N 23

Hình 2.11 Gear motor DC 24

Hình 2.12 Cell pin sạc 18650 25

Hình 3.1 Sân thi đấu 26

Hình 3.2 Sơ đồ sân Robot Vượt Địa Hình 27

Hình 3.3 Kích thước dốc lên-xuống 27

Hình 3.4 Sơ đồ khối hệ thống điều khiển 29

Hình 3.5 Sơ đồ kết nối 29

Hình 3.6 Ảnh mặt trên 32

Hình 3.7 Ảnh mặt trước 33

Hình 3.8 Ảnh mặt sau 33

Hình 3.9 Ảnh mặt dưới 33

Hình 3.10 Vị trí cảm biến đặt trên bề mặt 34

Hình 3.11 Các giá trị lệch của cảm biến 34

Hình 3.12 Chiều chuyển động của bánh xe 36

Hình 3.13 Sơ đồ giải thuật 37

Hình 3.14 Sơ đồ hướng di chuyển của robot 38

Hình 3.15 Đường cua vuông góc 39

Hình 3.16 Mô phỏng hướng di chuyển của robot khi rẽ góc vuông 40

Hình 3.17 Hình ảnh phóng to của vị trí đặc biệt thứ ba 40

Hình 3.18 Mô phỏng hướng di chuyển của robot khi tới đoạn ngã ba 41

MỤC LỤC BẢNG

Bảng 1 Các linh kiện được sử dụng trong robot 18

Bảng 2 Thông số kỹ thuật của Uno R3 21

Bảng 3 Các giá trị cảm biến ứng với vị trí xe 35

Bảng 4 Bảng mã hóa các giá trị cảm biến 35

DANH MỤC CHỮ VIẾT TẮT

PID Proportional Integral Derivative Bộ điều khiển có cơ chế phản hồi

USB Universal Serial Bus

Cổng kết nối cáp tiêu chuẩn chomáy tính cá nhân và các thiết bị

IDE Integrated Development

Environment Môi trường phát triển tích hợp

Quy mô lớn như: Robot thăm dò thám hiểm vũ trụ, người máy trí tuệ nhân tạo, nhữngcánh tay máy trong các dây chuyền sản xuất - hệ thống sản xuất tự động.

Nhỏ hơn là những robot có khả năng di chuyển, làm những công việc nguy hiểmthay thế con người, robot giúp người già, robot bán hàng, robot di động nhiều địahình…v.v

Trong đồ án này em thực hiện mô hình robot dò line vượt địa hình, so với nhữngrobot trên thì nó chỉ là một robot rất nhỏ và đơn giản nhưng đây là nền tảng để em làmđược những dự án lớn hơn, có ích hơn trong quá trình học tập và làm việc của em saunày

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ ROBOT1.1 Tổng quan về Robot di động (Mobile Robot)

Trong các họ robot, chúng ta không thể không nhắc tới Mobile Robot với nhữngđặt thù riêng mà những loại robot khác không có Mobile robot có khả năng tự dichuyển, có nghĩa là chúng có khả năng tự điều hướng trong một môi trường không biếttrước mà không cần các thiết bị hướng dẫn vật lý hoặc cơ điện Ngoài ra, mobile robot

có thể dựa vào các thiết bị hướng dẫn cho phép nó di chuyển trên tuyến đường dẫnđược xác định trước trong không gian được cho trước (robot tự điều khiển), khác vớicác loại robot công nghiệp thường đặt gần như cố định và hoạt động bằng các cánh tayrobot

1.1.1 Phân loại Mobile Robot:

Mobile robot có thể được phân loại theo các cách sau:

* Phân loại theo môi trường mà chúng di chuyển:

- Robot ngoài trời và robot trong nhà Thông thường chùng đước lắp bánh xe nhưng cũng có khi được trang bị bánh xích hoặc chân giống người hoặc động vật

- Robot trên không: như các loại máy bay không người lái, drones, …

- Robot dưới nước

xích Hình 1.1 Robot chuyển động bằng bánh xe

a Robot 6 chân giống con nhện b “Chó Robot” di chuyển bằng 4 chân

Hình 1.2 Robot chuyển động bằng chân

* Phân loại theo phương pháp di chuyển:

- Robot di chuyển bằng bánh xe (hình 1.1.a)

- Robot di chuyển bằng bánh xích (hình 1.1.b)

- Robot có chân, chân giống người hay giống động vật (hình 1.2.a và 1.2.b)

a Laser guidance

Hình 1.3 Hệ thống Laser guidance

Tia laser được phát ra từ Mobile robot sẽ được truyền đến các mốc được đặt trongkhu vực hoạt động như (hình 1.3) Khoảng cách và góc từ Mobile robot đến các mốc sẽ

được truyền đến bộ xử lý để tính toán vị trí Mobile robot, từ đó truyền tín hiệu để Mobile robot đi đúng hướng đến vị trí mong muốn.

* Đặc điểm:

- Bản đồ hoạt động của Mobile robot được lưu trữ trước trong bô nhớ

- Đường đi của Mobile robot có thể dễ dáng được thay đổi và mở rộng

- Đây là phương pháp dẫn hướng chính xác nhất

b Magnetic spot guidance (hay còn gọi là điểm từ)

Hình 1.4 Magnetic spot guidance

Các điểm từ được đặt trước trên nền nhà như (hình 1.4) Bộ cảm biến từ được lắptrên robot sẽ cảm biến trên robot sẽ nhận diện các điểm từ này Ứng với mỗi điểm từ sẽ

có một lệnh được cài đặt sẵn từ trước cho robot (đi thẳng, rẽ trái/ phải 90o, …) Robot

sẽ thực hiện lệnh đó cho đến khi gặp phải một điểm từ khác Khoảng di chuyển giữa 2điểm từ gọi là khoảng không tính toán (dead-reckoning) (hình 1.5)

Hình 1.5 Khoảng không tính toán (Dead-reckoning)

* Đặc điểm:

- Đường đi được quy định bằng các điểm từ

- Đường dẫn gián đoạn

- Hệ thống đường dẫn có thể thay đổi

- Sai lệch khi di chuyển phụ thuộc vào độ chính xác của cảm biến từ

- Hệ thống có thể mở rộng mà không ảnh hưởng đến cơ sở vật chất

c Magnetic Tape guidance (hay còn gọi là băng từ)

Hình 1.6 Nguyên tắc hoạt động magnetic guidace

Giống như điểm từ, băng từ được dán trước trên sàn để tạo vùng hoạt động

cho robot Robot được trang bị cảm biến để nhận diện băng từ, đi theo băng từ để

đi đến điểm mong muốn (hình 1.6)

* Đặc điểm:

- Đường dẫn được quy định bới băng từ

- Hệ thông đường dẫn liên tục

- Hệ thống đường dẫn thay đổi hoặc điều chỉnh dễ dàng

- Sai lệch khi di chuyển phụ thuộc vào độ chính xác của cảm biến từ

d Wire guidance

Hình 1.7 Wire guidance

Line dẫn đường được dán trước trên sàn để tạo vùng hoạt động cho robot Vậtliệu của line dẫn không quan trọng Line dẫn thường được chọn màu đối xứng với mặtsàn hoạt động Robot được trang bị camera hoặc led để nhận diện line này, từ đótruyền tín hiệu đến bộ xử lý, xác định vị trí và điều khiển xe Hệ thống xe dò line đượcthể hiện như hình 1.7 Chi tiết về xe dò line sẽ được trình bày ở các phần tiếp theo

* Đặc điểm:

- Đường dẫn được quy định bởi line dẫn

- Hệ thông đường dẫn liên tục

- Hệ thống đường dẫn thay đổi hoặc điều chỉnh dễ dàng, hệ thống dễ dàng

mở rộng

- Sai lệch khi di chuyển phụ thuộc vào độ chính xác của cảm biến.

1.2 Ứng dụng của Mobile robot

Mobile robot được sử dụng phổ biến để thực hiện những công việc mà con ngườikhó thực hiện và thậm chí không thực hiện được: làm những công việc đòi hỏi độchính xác cao, làm việc trong môi trường nguy hiểm (như lò phản ứng hạt nhân, dòphá mìn trong quân sự), thám hiểm không gian vũ trụ…

Hình 1.8 Robot Opportunity của NASA

Những nơi con người không thể đặt chân được như bề mặt hành tính khác, bềmặtlong biển sâu,… người ta phải dùng robot tự hành với cầu trúc đặt biệt RobotOpportunity (hình 1.8) được NASA gửi lên Sao Hỏa vào năm 2003 trong nhiệm vụthám hiểm sao Hỏa 90 ngày Robot có thể hoàn toàn điều khiển từ xa được từ bề mặtTrái Đất, nhưng cũng có thể tự động thực hiện công việc một cách độc lập Trong 15năm làm việc, Opportunity đã không ngừng di chuyển, đưa ra các quan sát khoa học vàbáo cáo lại cho Trái Đất với thời gian dài hơn 55 lần tuổi thọ thiết kế của nó Cho đếnnăm 2018, Opportunity đã đi được quãng đường 45,16 km trong suốt quãng đời củamình trước khi ngưng hoạt động hoàn toàn

Robot nói chung và mobile robot nói riêng có thể được thiết kế và vận hành thaythế hoàn toàn con người trong các môi trường độc hại Hình 1.9 cho thấy RobotScorpion do công ty Toshiba thiết kế (2015) trong nhiệm vụ dọn dẹp nhà máy hạt nhânsau sự cố hạt nhân Fukushima, Nhật Bản hồi năm 2011.

Hình 1.9 Robot Scorpion của TOSHIBA

Trong công nghiệp, mobile robot thường được sử dụng chủ yếu để di chuyển cácthiết bị, mang vác các nguyên vật liệu nặng và các phụ kiện cần thiết Mobile robotđược ứng dụng rộng rãi đặt biệt trong các kho hàng, để vận chuyển và phân phối hànghóa (hình 1.10) Robot thường được dẫn hướng bằng các đường line, băng từ đặt dướisàn và được lập trình để thực hiện một số công việc nhất định

Hình 1.10 Robot vận chuyển hàng hóa trong kho hàng tự động Amazon

Hình 1.11 Robot hút bụi Xiaomi Roborock Gen 3

Ngoài ra, mobile không chỉ được sử dụng trong công nghiệp mà cả trong lĩnh vựcquân sự và cuộc sống hàng ngày Robot hút bụi Xiaomi Roborock Gen 3 (ra mắt năm

2019) (hình 1.11) có khả năng tìm đường đi về dock sạc với thời gian ngắn nhất, bấtchấp mọi loại bản đồ phức tạp Robot được trang bị thuật toán thiết lập bản đồ nhà vàkhoảng đường thông minh nhất Người dùng cũng có thể thiết lập và phân vùng bản đồbằng điện thoại thông minh Trong quân sự, robot được trang bị súng, radar và dichuyển linh hoạt trân các địa hình (hình 1.12)

Hình 1.12 Một robot chiến đấu của quân đội Mỹ

Hình 1.13 Một nhà hàng ở Hà Lan sử dụng Robot để phục vụ

Mobile Robot có thể được sử dụng để phục vụ trong các nhà hàng như (hình1.13) Phương pháp định hướng của robot này là dùng cảm biến từ (magnetic sensorstracking) để đi theo băng từ (magnetic tape) được dán sẵn trên nền Ngoài ra, robot nàycòn có thể được điều khiển từ xa và tránh được chướng ngại vật

Trong lĩnh vực điện ảnh giải trí, robot là một chủ đề không thể thiếu được của các

bộ phim khoa học viễn tưởng Những bộ phim về đề tài robot luôn luôn ăn khách vàgiúp cho nhà sản xuất kiếm được hàng tỷ đô la doanh thu phòng vé

Hình 1.14 Nhân vật người máy T-800 trong phim The Terminator 2 : Judgment Day

(1991) (Kẻ hủy diệt 2: Ngày phán xét ) của đạo diễn James Cameron

Studios

1.3 Các công trình nghiên cứu liên quan

Robot dò line (Line following robot) là một dạng robot di động (mobile robot) dichuyển bằng bánh xe Robot sẽ di chuyển bám theo các đường Line được vẽ/dán trênmặt đất Quỹ đạo di chuyển của robot phụ thuộc vào sa bàn của hệ thống các đườngLine được vẽ/dán sẵn Phần này trình bày về một số mô hình nguyên lý đã xuất hiệntrong các cuộc thi trước khi bắt đầu vào công việc thiết kế hệ thống cơ khí, điện, điềukhiển

Một số mô hình robot dò line trong các cuộc thi

Có nhiều thiết kế về robot dò line được sử dụng trong các cuộc thi Dưới đây làmột số mô hình các robot dò line được sử dụng và đạt giải cao trong các kỳ thi ngoàinước:

* Chariot: Mô hình xe Chariot (hình 1.16) về nhì cuộc thi LV Bots April line

following

- Xe có trọng lượng: 210 (gram)

- Kết cấu xe: 2 bánh sau chủ động, 1 bánh trước tự lựa

- Xe sử dụng động cơ DC Servo, thanh cảm biến hồng ngoại gồm 6 sensor 8RC

QTR Phần cứng trung tâm của xe là vi điều khiển AQTR Start 32u4 Mini LV (MCU

Atmega32u4), cấu trúc điều khiển tập trung, bộ điều khiển PID

- Xe có vận tốc qua khúc cua cao, có thể thực hiện được góc cua cong với bán kínhnhỏ

a Robot dò line “The Chariot b Sơ đồ nguyên lý xe “The Chariot” Hình 1.16 Robot dò line “The Chariot” (a) và sơ đồ nguyên lý của nó (b)

* Silvestre: Mô hình xe Silvestre (hình 1.14) đạt giải vô địch Cosmo bot 2012.

- Xe có trọng lượng: 250 (gram) Kết cấu xe: 2 bánh sau chủ động, 2 bánh trước tựlựa

- Xe sử dụng động cơ DC Servo (Maxon DC Motor), thanh cảm biến hồng ngoại gồm 8 sensor

- Phần cứng trung tâm của xe là vi điều khiển LPC2148 ARM7, cấu trúc điều khiển tập trung, bộ điều khiển PID

- Xe có khả năng nhớ đường, tốc độ xe cao

Hình 1.17 Robot dò line Silvestre (a) và sơ đồ nguyên lý (b)

* Fireball: Mô hình và sơ đồ nguyên lý xe dò line Fireball như trong hình Xe

Fire đạt được các giải thưởng cao trong các cuộc thi Bot Brawl (2010) ở Peoria;ChiBot’s Fall (2010) ở I hobby Expo

- Xe sử dụng động cơ DC Servo (Maxon DC Motor), thanh cảm biến hồng ngoạigồm 8 sensor QTR-8RC

- Phần trung tâm của xe là vi điều khiển Parallax Propeller

- Xe có khối lượng nhẹ, kết cấu cân bằng tốt nhưng khi bo cua dễ xảy ra hiệntượng trượt bánh

Hình 1.18 Mô hình xe dò line “Fireball” (a) và sơ đồ nguyên lý (b)

XUẤT PHÁT 1 XUẤT PHÁT 2

500

Vượt sông Cầu vượt 1

Cầu vượt 3

c

Cầu vượt 2 300

CHƯƠNG 2 CƠ SỞ LÝ THUYẾT2.1 Yêu cầu

Đồ án môn học Thiết kế hệ thống cơ điện tử yêu cầu sinh viên thực hiện thiết kế,chế tạo và điều khiển robot dò line (Line following robot) Robot sau khi hoàn thànhphải đúng kích thước như yêu cầu và di chuyển đúng theo sa bàn line phẳng có địa

hình, quỹ đạo di chuyển: Xuất phát 1 (hoặc 2)  Cầu vượt 1 (hoặc 3)  Cầu vượt

2  Vượt sông  Hoàn thành như hình 2.1 và các kích thước cầu, sông như hình

300 200

400 100mm

200 400 200

400

400 200 500

Cầu vượt 1,2 Vượt sông 1,2 Hoàn thành 1,2

Hình 2.2 Kích thước dốc lên xuống

2.2 Mục tiêu

Do yêu cầu của đồ án môn học là thiết kế, chế tạo và điều khiển nên mục tiêuquan trọng nhất của robot dò line là bám line ổn định nhất có thể và thỏa mãn các yêucầu địa hình của cuộc thi

2.3 Cấu trúc robot

2.3.1 Danh sách các linh kiện được sử dụng

- Bốn bánh xe được nối với 4 motor truyền động cho xe

- Bo mạch chủ Arduino Uno R3 dùng chíp AVR Atmega328 để tiếp nhận tín hiệu

từ sensor và phát lệnh ra cho Driver điều khiển hoạt động của xe

- Driver L298N nhận tín hiệu điều khiển từ bo mạch chủ và điều khiển động cơ truyền động

- Hệ thống dò đường ( Sensor) gồm 5 cặp led thu/phát hồng ngoại

- Năng lượng cho robot hoạt động gồm 2 pin cell 18650

Dây Cắm Breadboard 20cm (F-F Jumper Wire) 27 Dây

Bảng 1 Các linh kiện được sử dụng trong robot

2.3.2 Chi tiết linh kiện và thông số kỹ thuật

a, Module cảm biến hồng ngoại

Cảm biến hồng ngoại có 2 cặp Led thu/phát hồng ngoại, hoạt động trên nguyêntắc phản xạ ánh sáng (Led phát làm nhiệm vụ phát ra ánh sáng hồng ngoại, khi gặp vậtcản hoặc bề mặt sáng ánh sáng này sẽ được phản xạ lại và Led thu làm nhiệm vụ thulại ánh sáng phản xạ đó)

Cảm biến xuất ra tín hiệu digital (mức 0 và 1) tại các điểm cảm ứng, có độ chínhxác cao và dễ dàng lập trình dựa trên thư viện của nhà sản xuất Rất phù hợp cho cácứng dụng dò line

Hình 2.3 Nguyên lý thu phát của cảm biến dò line

Thông số kỹ thuật:

 Điện áp hoạt động: 3.3 ~ 5V

 Khoảng cách phát hiện: 0.5 ~ 40mm

 Ngõ ra dạng tín hiệu số và analog dễ dàng cho vi điều khiển

 Có LED hiện thị ngõ ra cho từng cảm biến

 Ngõ ra gồm 1 chân tín hiệu của cảm biến dạng số và 2 ngõ vào cấp nguồncho thiết bị

Hình 2.4 Module cảm biến hồng ngoại

b, Arduino Uno R3

Đặc điểm nổi bật của Arduino là nó có nhiều thư viện hỗ trợ, dễ sử dụng, cónhiều mạch điện thiết kế chuyên dụng cho Arduino Không giống với các vi điều khiểnkhác, Arduino không cần có các thiết bị chuyên dụng cho việc nạp chương trình, chỉcần kết nối với máy tính thông qua cáp USB và chương trình sẽ được nạp dễ dàng Bomạch được thể hiện như hình Các thông số kỹ thuật của vi điều khiển được thể hiệnnhư trong bảng 2

Hình 2.5 Board Arduino Uno R3

* Sơ đồ chân.

Arduino Uno R3 là một vi điều khiển hoạt động dựa trên chip Atmega328

Bao gồm:

 14 chân digital.

 6 chân vào analog

 1 thạch anh với tần số dao động 16 MHz

* Thông số kỹ thuật của Arduino Uno R3

Cường độ dòng điện trên mỗi 3.3V pin 50mA

Cường độ dòng điện trên mỗi I/O 30mA

Bảng 2 Thông số kỹ thuật của Uno R3

c, Module điều khiển động cơ L298N (Driver)

Mạch điều khiển động cơ DC L298N có khả năng điều khiển 2 động cơ DC,dòng tối đa 2A mỗi động cơ, mạch tích hợp diode bảo vệ và IC nguồn 7805 giúp cấpnguồn 5VDC cho các module khác (chỉ sử dụng 5V này nếu nguồn cấp <12VDC).Mạch điều khiển động cơ DC L298N dễ sử dụng, chi phí thấp, dễ lắp đặt, là sự lựachọn tối ưu trong tầm giá

Trong mỗi IC L298N được tích hợp 2 cầu H, mỗi cầu H chịu được dòng 2 Ampe.Khi nối các chân có cùng chức năng của 2 cầu H trên IC với nhau thì IC có thể cungcấp được dòng 4 Ampe đủ để cho động cơ hoạt động hết công suất

Cần gắn tản nhiệt cho IC L298 vì trong quá trình hoạt động IC rất nóng dễ hỏngIC

Nguyên lý điều khiển của mạch cầu H:

Để điều khiển hướng quay, chúng ta chỉ cần đảo ngược hướng của dòng điện quađộng cơ và phương pháp phổ biến nhất là chúng ta sử dụng mạch cầu H Một mạchcầu H chứa 4 chân chuyển mạch, điện trở hoặc MOSFET Bằng cách kích hoạt haicông tắc cùng một lúc, chúng ta có thể thay đổi đổi hướng của dòng điện, do đó thayđổi hướng của động cơ Do đó chúng ta có thể hoàn toàn kiểm soát được động cơ DC

 Điện áp đầu vào: 5~30VDC

 Công suất tối đa: 25W 1 cầu (lưu ý công suất = dòng điện x điện áp

nên áp cấp vào càng cao, dòng càng nhỏ, công suất có định 25W)

 Dòng tối đa cho mỗi cầu H là: 2A

 Mức điện áp logic: Low -0.3V~1.5V, High: 2.3V~Vss

 Kích thước: 43x43x27mm

Hình 2.9 Sơ đồ khối bên trong L298N

Hình 2.10 Cấu trúc chân ra của L298N

d, Gear motor (mô tơ giảm tốc )

Động cơ DC giảm tốc V1 1:48 kèm bánh xe là loại được lựa chọn và sử dụng nhiều