Luận văn thiết kế và thi công xe tự hành sử dụng năng lượng mặt trời

1.1.2 Hướng giải quyết: Mục tiêu đặt ra cho đề tài là cần thiết kế chiếc xe có khả năng dò đường như một robot tự động, phát hiện được các vật cản trên đường, có thể điều khiển chuyển đ

UNIVERSITY

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO

TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ SÀI GÒN

KHOA ĐIỆN – ĐIỆN TỬ

THIẾT KẾ VÀ THI CÔNG XE TỰ HÀNH SỬ

DỤNG NĂNG LƯỢNG MẶT TRỜI

MỤC LỤC

CHƯƠNG 1 1

GIỚI THIỆU VỀ ĐỀ TÀI 1

1.1 Đặt vấn đề: 1

1.1.1 Tính cấp thiết của đề tài: 1

1.1.2 Hướng giải quyết: 1

1.2 Mục tiêu: 2

1.3 Đối tượng và phạm vi nghiên cứu: 2

1.4 Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài: 2

CHƯƠNG 2 4

TỔNG QUAN VỀ ĐỀ TÀI 4

2.1 Tổng quan về pin năng lượng mặt trời: 4

2.1.1 Giới thiệu chung về pin mặt trời: 4

2.1.2 Hiệu ứng quang điện: 4

2.1.3 Cấu tạo của pin mặt trời: 6

2.1.4 Nguyên lý hoạt động của hệ thống năng lượng mặt trời: 7

2.1.5 Ưu, nhược điểm của năng lượng mặt trời: 9

2.2 Cơ sở lý thuyết về phần cứng: 9

2.2.1 Board Arduino Mega 2560 R3: 9

2.2.2 Board Arduino Nano: 11

2.2.3 Điều khiển motor với IC L293D: 13

2.2.4 Cảm biến siêu âm SRF-05: 14

2.2.5 Module Bluetooth HC-06: 16

2.3 Động cơ DC: 17

2.3.1 Động cơ GA37: 17

2.3.2 Động cơ GA12 - N20 1:50: 17

2.3.3 Động cơ Servo SG90-9G: 18

2.4 Cơ sở lý thuyết về phần mềm: 19

2.4.1 Phần mềm App Inventor: 19

2.4.2 Phần mềm Arduino IDE: 21

2.5 Camera Eken H9R Action: 22

2.5.1 Giới thiệu: 22

2.5.2 Cài đặt kết nối Camera wifi với PC và smart phone: 22

CHƯƠNG 3 24

THIẾT KẾ XE TỰ HÀNH TRÁNH VẬT CẢN VÀ ĐIỀU KHIỂN TỪ XA 24

3.1 Giải bài toán tìm đường cho Robot: 24

3.1.1 Đặt vấn đề: 24

3.1.2 Giải bài toán cục bộ: 24

3.2 Mô hình động học: 25

3.2.1 Mô hình kết cấu của robot: 25

3.2.2 Các trường hợp robot gặp vật cản: 25

3.3 Cấu tạo phần cứng: 26

3.3.1 Khối nguồn: 27

3.3.2 Khối giảm áp: 29

3.3.3 Khối điều khiển động cơ: 30

3.3.4 Khối cảm biến SRF-05 và servo của SRF-05: 32

3.3.5 Khối điều khiển servo của Camera: 34

3.3.6 Khối đèn led Luxeon: 35

3.3.7 Khối Reset điều khiển từ xa: 35

3.3.8 Khối điều khiển từ xa Bluetooth: 36

3.4 Cấu tạo phần mềm: 36

3.4.1 Lệnh khai báo trên Arduino kết nối với Bluetooth: 36

3.4.1 Thiết kế ứng dụng điều khiển từ xa bằng App Inventer: 38

CHƯƠNG 4 43

KẾT QUẢ THỰC NGHIỆM 43

4.1 Kết quả nghiên cứu về cơ sở lý thuyết: 43

4.1.1 Phân tích và lựa chọn được phương pháp hợp lý để thiết kế: 43

4.1.2 Phân tích các hoạt động di chuyển của Robot: 43

4.1.3 Xây dựng hệ thống điều khiển robot bằng smart phone: 43

4.1.4 Thiết lập hệ thống mạng wifi để nhận tín hiệu từ robot: 43

4.2 Kết quả nghiên cứu về mặt thực nghiệm: 44

4.2.1 Chế tạo thành công mô hình robot tự hành bằng năng lượng mặt trời: 44

4.2.2 Chế tạo thành công hệ thống điều khiển cho robot: 45

CHƯƠNG 5 46

KẾT LUẬN 46

5.1 Kết luận: 46

5.2 Các đề nghị: 46

PHỤC LỤC 47

Mã code phần điều khiển: 47

Mã code phần Reset: 53

TÀI LIỆU THAM KHẢO 54

CHƯƠNG 1 GIỚI THIỆU VỀ ĐỀ TÀI

1.1 Đặt vấn đề:

1.1.1 Tính cấp thiết của đề tài:

Thứ nhất, hiện nay hầu hết các ngành công nghiệp ở nước ta đều có quy mô lớn nhưng chất lượng chưa cao do những hạn chế về khoa học kĩ thuật, máy móc thiết bị còn thô sơ nên năng suất lao động chỉ đạt ở mức trung bình vì lợi nhuận giảm do phải thuê mướn một lượng máy móc rất lớn, các công ty trong nước cũng không tránh khỏi tình trạng đó

Thứ hai, qua thực tế thì nước ta có rất ít các máy móc có thể can thiệp vào các trường hợp khẩn cấp, nguy hiểm và cứu hộ một cách tự động

Thứ ba, hiện nay nguồn năng lượng mặt trời là dạng năng lượng sạch, xanh, miễn phí

và có giá trị sử dụng tốt nhất Đây thực là một tài nguồn nguyên khổng lồ

Thứ bốn, quá trình phát triển khoa học được hiện rõ ràng nhất là sự phát triên của smart phone, ngày càng tiện dụng và phổ biến Nhưng nếu chỉ để nghe, gọi, hay các tính thông dụng khác thì ý nghĩa smart phone như một “đũa phép”, điều khiển những vật xung quanh Ngày nay, Robot di động điều khiển từ xa và phát triển mạnh mẽ, sử dụng trong các mục đích dò tìm bom mìn, thám hiểm hầm mỏ, kiểm tra các đường ống ngầm, hoạt động trong các môi trường có nhiều hoá chất độc hại, có nồng độ phóng xạ cao,… nguy hiểm đối với con người

Mobile robot có thể di chuyển một cách rất linh hoạt, do đó tạo nên không gian hoạt động lớn và cho đến nay nó đã dần khẳng định vai trò quan trọng không thể thiếu trong nhiều lĩnh vực, thu hút đƣợc rất nhiều sự đầu tƣ và nghiên cứu Mobile robot cũng được chia ra làm nhiều loại: robot học đường đi, robot dò đường line, robot tránh vật cản, robot tìm đường cho mê cung,…trong số đó robot dò đường line, tránh vật cản dễ dàng ứng dụng nhiều trong cuộc sống Việc phát triển loại robot này sẽ phục vụ rất đắc lực cho con người

Do đó, để đáp ứng nhu cầu cấp bách hiện tại và làm tăng yếu tố an toàn cho con người cũng như tận dụng sự phổ biến của smart phone, nhóm chúng em đã bắt tay thực hiện đề tài:

“THIẾT KẾ VÀ THI CÔNG XE TỰ HÀNH SỬ DỤNG NĂNG LƯỢNG MẶT TRỜI”

1.1.2 Hướng giải quyết:

Mục tiêu đặt ra cho đề tài là cần thiết kế chiếc xe có khả năng dò đường như một robot

tự động, phát hiện được các vật cản trên đường, có thể điều khiển chuyển động thông qua smart phone và camera wifi được thu về smart phone hoặc PC

Nguồn cung cấp là battery (ắc quy) được sạc tự động bằng năng lượng mặt trời Khi tấm pin hấp thụ năng lượng mặt trời chuyển hoá thành dòng điện DC, sau đó dòng điện đi vào bộ điều khiển sạc và đi đến battery

Với các yêu cầu đặt ra, nhóm em ứng dụng vào module Bluetooth HC-06 để giao tiếp với điện thoại, nhận dữ liệu từ điện thoại, đưa vào trung tâm xử lý nhằm điều khiển robot theo ý muốn Khi vào địa hình khuất tầm nhìn, tối tăm, nguy hiểm, cách xa người điều khiển Nhóm em khắc phục điều này bằng cách cho xe robot hoạt động ở chế độ tự động, dùng cảm biến siêu âm SRF-05 có khả năng phát hiện vật cản ở tầm xa khoảng từ 3-4m, từ đó xe sẽ tự đưa ra quyết định di chuyển hợp lý

1.2 Mục tiêu:

Nghiên cứu chế độ hoạt động thông qua Bluetooth, cách xử lý của robot khi gặp vật cản và tín hiệu thu về của camera đến điện thoại hay PC

Thiết kế và tính toán xe tự hành sử dụng pin mặt trời

Tìm hiểu nguyên lý hoạt động của pin mặt trời và ưu nhược điểm của năng lượng mặt trời

Thiết kế chế tạo mô hình robot cho việc học tập và nghiên cứu

1.3 Đối tượng và phạm vi nghiên cứu:

Đề tài kết hợp giữa nghiên cứu lý thuyết và nghiên cứu thực nghiệm

Nghiên cứu lý thuyết:

- Phương pháp điều khiển động cơ (theo phương pháp tự hành)

- Nguyên lý thu phát của cảm biến siêu âm SRF-05

- Phương pháp điều khiển từ xa của bluetooth

- Phương pháp điều khiển từ xa bằng giọng nói thông qua bluetooth

- Nghiên cứu tổng hợp việc thiết kế, gia công, lắp ráp, các chi tiết để cho ra mô hình robot

- Nghiên cứu quá trình nạp/xả của pin năng lượng mặt trời

- Nghiên cứu về mạng wifi camera để thu được tín hiệu ảnh từ xa qua mạng bộ không dây

Nghiên cứu thực nghiệm:

- Chế tạo robot tự hành tránh vật cản hoàn chỉnh để kiểm chứng kết quả lý thuyết

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,…

CHƯƠNG 2 TỔNG QUAN VỀ ĐỀ TÀI

2.1 Tổng quan về pin năng lượng mặt trời:

2.1.1 Giới thiệu chung về pin mặt trời:

Pin mặt trời là phương pháp sản xuất trực tiếp từ năng lượng mặt trời qua thiết bị biến đổi quang điện Pin mặt trời có ưu điểm là gọn nhẹ có thể lắp ở bất kỳ đâu có ánh nắng mặt trời, đặc biệt là trong lĩnh vực tàu vũ trụ Ngày nay con người đã ứng dụng pin mặt trời trong lĩnh vực hàng không vũ trụ, để chạy xe và trong sinh hoạt thay thế dần nguồn năng lượng truyền thống

Các pin năng lượng mặt trời có nhiều ứng dụng trong thực tế Do giá thành còn đắt, chúng đặc biệt thích hợp cho các vùng mà điện lưới khó vươn tới như núi cao, ngoài đảo xa, hoặc phục vụ các hoạt động trên không gian; cụ thể như các vệ tinh quay xung quanh quỹ đạo trái đất, máy tính cầm tay, các máy điện thoại cầm tay từ xa, thiết bị bơm nước Các pin năng lượng mặt trời được thiết kế như những module thành phần, được ghép lại với nhau tạo thành các tấm năng lượng mặt trời có diện tích lớn, thường được đặt trên nóc các tòa nhà nơi chúng có thể có ánh sáng nhiều nhất, và kết nối với bộ chuyển đổi của mạng lưới điện

Hình 2.1: Pin năng lượng mặt trời 2.1.2 Hiệu ứng quang điện:

Hiệu ứng quang điện được phát hiện đầu tiên năm 1839 bởi nhà vật lý người pháp Alexandre Edmond Becquerel Tuy nhiên cho đến năm 1883 một pin năng lượng mới được tạo thành, bởi Charles Fritts, ông phủ lên mạch bán dẫn selen một lớp cực mỏng vàng để tạo nên mạch nối Thiết bị chỉ có hiệu suất 1%, Russell Ohl xem là người tạo ra pin năng lượng mặt trời đầu tiên năm 1946 Sau đó Sven Ason Berglund đã có các phương pháp liên quan đến việc khả năng cảm nhận ánh sáng của pin

Hình 2.2: Hệ hai mức năng lượng

Xét một hệ hai mức năng lượng điện tử (hình 1) E1 < E2, bình thường điện tử chiếm mức năng lượng thấp hơn E1 Khi nhận bức xạ mặt trời, lượng tử ánh sánh photon có năng lượng hv (trong đó h là hằng số Planck, v là tần số ánh sáng) bị điện tử hấp thụ và chuyển lên mức năng lượng E2 Ta có phương trình cân bằng năng lượng:

hv = E1 – E2 Trong các vật thể rắn, do tương tác rất mạnh của mạng tinh thể lên điện tử vòng ngoài, nên các mức năng lượng của nó bị tách ra nhiều mức năng lượng sát nhau và tạo thành các

vùng năng lượng (hình 2.2) Vùng năng lượng thấp bị các điện tử chiếm đầy ở trạng thái cân bằng gọi là vùng hóa trị, mà mặt trên của nó có mức năng lượng Ev Vùng năng lượng

phía trên tiếp đó hoàn toàn trống hoặc chỉ bị chiếm một phần gọi là vùng dẫn, mặt dưới gọi

là Ec Cách ly giữa 2 vùng hóa trị và vùng dẫn là một vùng cấp độ rộng với năng lượng Eg, trong đó không có mức năng lượng cho phép nào của điện tử

Khi nhận bức xạ mặt trời, photon có năng lượng hv tới hệ thống và bị điện tử ở vùng hóa trị thấp hấp thụ và nó có thể chuyển lên vùng dẫn để trở thành điện tử tự do e-, để lại ở vùng hóa trị một lỗ trống có thể xem như hạt mang điện dương, kí hiệu là h+ Lỗ trống này

có thể di chuyển và tham gia vào quá trình dẫn điện

Hình 2.3: Các vùng năng lượng

Hiệu ứng lượng tử của quá trình hấp thụ photon có thể mô tả bẳng phương trình:

Ev + hv → e- + h+Điều kiện để điện tử có thể hấp thụ năng lượng photon và chuyển từ vùng hóa trị lên vùng dẫn, tạo ra cặp điện tử - lỗ trống là hv = hc/ λ ≥ Eg = Ec - Ev Từ đó có thể tính được bước song tới hạn λc của ánh sáng để có thể tạo ra cặp e- và h+:

Tóm lại khi vật rắn nhận tia bức xạ mặt trời, điện tử ở vùng hóa trị thấp hấp thụ năng lượng photon hv và chuyển lên vùng dẫn tạo ra cặp hạt dẫn điện tử - lỗ trống e- - h+, tức là

đã tạo ra một thế điện Hiện tượng đó gọi là hiệu ứng quang điện bên trong

Hình 2.4: Nguyên lý hoạt động của pin mặt trời 2.1.3 Cấu tạo của pin mặt trời:

Hiện nay vật liệu chủ yếu cho pin mặt trời là silic tinh thể Pin mặt trời từ tinh thể silic chia ra thành 3 loại:

• Một tinh thể hay đơn tinh thể module sản xuất dựa trên quá trình Czochralski Đơn tinh thể loại này có hiệu suất tới 16% Chúng thường rất đắt tiền do được cắt

từ các thỏi hình ống, các tấm đơn thể này có các mặt trống ở góc mối các module

• Đa tinh thể làm từ các thỏi đúc – đúc từ silic nung chảy cẩn thận được làm nguội

và làm rắn các pin này thường rẻ hơn các dơn tinh thể, tuy nhiên hiệu suất kém hơn Tuy nhiên chúng có thể tạo thành các tấm vuông che phủ bề mặt nhiều hơn đơn tinh thể bù cho hiệu suất thấp của nó

• Dải silic tạo từ các miếng phim mỏng từ silic nóng chảy và có cấu trúc đa tinh thể Loại này thường có hiệu suất thấp nhất, tuy nhiên loại này rẻ nhất trong các loại

vì không cần phải cắt từ thỏi silicon

Một lớp tiếp xúc bán dẫn pn có khả năng biến đổi trực tiếp năng lượng bức xạ mặt trời

thành điện năng nhờ hiệu ứng quang điện bên trong gọi là bức xạ mặt trời Pin mặt trời được sản xuất và ứng dụng phổ biến hiện nay là các pin mặt trời được chế tạo từ vật liệu tinh thể bán dẫn silicon (Si) có hóa tri 4 Từ tinh thể Si tinh khiết, để có vật liệu tinh thể bán dẫn Si

lại n, người ta pha tạp chất donor là photpho có hóa trị 5 Còn có thể vật liệu bán dẫn tinh thể loại p thì tạp chất acceptor được dùng để pha vào Si là Bo có hóa trị 3 Đối với pin mặt

trời từ vật liệu tinh thể Si khi bức xạ mặt trời chiếu đến thì hiệu điện thế hở mạch giữa hai cực khoảng 0.55V và dòng điện đoản mạch của nó khi bức xạ mặt trời cs cường độ 1000W/m2 vào khoảng 25÷30 mA/cm2

Hình 2.5: Cấu tạo pin mặt trời

Hiện nay người ta đã thay thế tạo pin mặt trời bằng vật liệu SI vô định hình (aSi) So với pin mặt trời a-Si giá thành rẻ hơn nhưng hiệu suất thấp hơn và kém ổn định

Ngoài Si, hiện nay người ta đang nghiên cứu và thử nghiệm các loại vật liệu khác có nhiều triển vọng như Sunfit cadimi – đồng (CuCds), galium –arsenit (GaAs)…

2.1.4 Nguyên lý hoạt động của hệ thống năng lượng mặt trời:

Từ giàn pin mặt trời, ánh sáng được biến đổi thành điện năng, tạo ra dòng điện một chiều (DC) Dòng điện này được dẫn tới bộ điều khiển là một thiết bị điện tử có chức năng điều hòa tự động các quá trình nạp điện vào ắc-quy và phóng điện từ ắc-quy ra các thiết bị điện một chiều (DC) Trường hợp công suất giàn pin đủ lớn, trong mạch điện sẽ được lắp thêm bộ đổi điện để chuyển dòng một chiều thành dòng xoay chiều (AC), chạy được thêm nhiều thiết bị điện gia dụng (đèn, quạt, radio, TV,…)

Hình 2.6: Hệ thống điện mặt trời a) Bộ điều khiển sạc:

Là thiết bị thực hiện chức năng điều tiết sạc cho ắc quy, bảo vệ cho ắc quy chống nạp quá tải và xả quá sâu nhằm nâng cao tuổi thọ của bình ắc quy, và giúp hệ thống pin mặt trời

sử dụng hiệu quả và lâu dài

Bảo vệ tấm pin mặt trời Nguyên lý của dòng điện là chảy từ nơi điện áp cao đến nơi điện áp thấp Ban ngày trời nắng thì điện áp tấm pin loại 12V sẽ từ khoảng 15 đến hơn 20V, cao hơn điện áp ắc quy nên dòng điện sẽ đi từ pin xuống ắc quy Nhưng ban đêm khi không

có ánh nắng, điện áp của pin sẽ thấp hơn điện áp của ắc quy và dòng điện sẽ đi từ ắc quy lên ngược tấm pin và “đốt” tấm pin, làm giảm hiệu suất tấm pin dần dần và có thể hỏng tấm pin Vậy nên bộ điều khiển sẽ ngăn một cách triệt để không để cho dòng điện có thể đi ngược lên tấm pin để tránh hiện tượng trên

Bộ điều khiển sạc còn thực hiện việc bảo vệ quá điện thế (>13.8V) hoặc điện áp thấp (<10.5V) Mạch bảo vệ của bộ điều khiển sẽ thực hiện việc ngắt mạch khi bộ điều khiển xác nhận bình ắc quy đã được nạp đầy hoặc điện áp bình quá thấp

Hình 2.7: Bộ điều khiển sạc pin mặt trời b) DC – AC Inverter:

Là bộ biến điện nghịch lưu Inventer chuyển đổi dòng điện 12VDC từ ắc quy thành dòng điện AC (110VAC, 220VAC) Được thiết kế với nhiều cấp công suất từ 0.3kVA – 10kVA

Inverter có nhiều loại và cách phân biệt chúng bằng dạng sóng của điện áp đầu ra: dạng sóng hình sin, sóng vuông, sóng bậc thang,…

Hình 2.8: Bộ chuyển đổi DC – AC Inverter c) Battery (ắc quy):

Là thiết bị lưu trữ điện để sử dụng vào ban đêm hoặc lúc trời ít hoặc không còn ánh nắng

Ắc quy có rất nhiều loại, kích thước và dung lượng khác nhau, tuỳ thuộc vào công suất

và đặc điểm của hệ thống pin mặt trời Hệ thống có công suất càng lớn thì cần sử dụng ắc quy có dung lượng lớn hoặc dùng nhiều bình ắc quy kết nối lại với nhau

2.1.5 Ưu, nhược điểm của năng lượng mặt trời:

Ưu điểm:

- Giúp tiết kiệm tiền

- Thân thiện với môi trường: năng lượng mặt trời sạch, tái tạo và bền vững, góp phần bảo vệ môi trường của chúng ta Nó góp phần vào việc giảm phát thải khí nhà kính có hại Vì vậy năng lượng mặt trời không đóng góp cho sự nóng lên toàn cầu

- Độc lập và bán độc lập: có thể sử dụng bù đắp năng lượng tiêu thụ, cung cấp tiện ích Một hệ thống năng lượng mặt trời có thể hoạt động hoàn toàn độc lập, không đòi hỏi một kết nối đến một mạng lưới điện

Nhược điểm:

- Các chi phí ban đầu là bất lợi chính của việc cài đặt một hệ thống năng lượng mặt trời, phần lớn là vì chi phí cao

- Tấm năng lượng mặt trời đòi hỏi khá một vùng rộng lớn để cài đặt

- Hiệu quả của hệ thống cũng phụ thuộc vào vị trí của mặt trời mặc dù vấn đề này cũng được khắc phục với việc cài đặt thành phần nhất định

- Việc sản xuất năng lượng mặt trời bị ảnh hưởng bởi sự hiện diện của các đám mây

- Không có năng lượng mặt trời nào sản xuất được ban đêm

Còn đây là Arduino Mega 2560 phiên bản hiện đang được sử dụng rộng rãi và ứng dụng nhiều hơn Với chip ATmega2560 có bộ nhớ flash memory 256 KB, 8KB cho bộ nhớ SRAM, 4 KB cho bộ nhớ EEPROM Giúp cho người dùng thêm khả năng viết những chương trình phức tạp và điều khiển các thiết bị lớn hơn như máy in 3D, điều khiển robot

Hình 2.10: Arduino Mega 2560 R3

Arduino Mega 2560 là board mạch vi điều khiển, xây dựng dựa trên Atmega 2560

Nó có 54 chân I/O (trong đó có 15 chân có thể sử dụng làm chân ouput với chức năng PWM),

16 chân đầu vào Analog, 4 UART, 1 thạch anh 16Mhz, 1 cổng USB, 1 jack nguồn, 1 header,

1 nút nhấn reset Nó chứa mọi thứ cần thiết hỗ trợ cho người lập trình vi điều khiển, đơn giản chỉ việc kết nối nó với máy tính bằng cable USB là có thể bắt đầu học tập Mạch Arduino

2560 sử dụng tương thích với phần lớn các Shield của Arduino UNO

b) Phần cứng:

Hình 2.11: Sơ đồ chân của Arduino Mega 2560 R3

Bảng 2.1: Thông số kỹ thuật Arduino Mega 2560 R3:

• Các chân 3.3V và 5V trên Arduino là các chân dùng để cấp nguồn ra cho các thiết

bị khác, không phải là các chân cấp nguồn vào Việc cấp nguồn sai vị trí có thể làm hỏng board

• Cấp nguồn ngoài không qua cổng USB cho Arduino MEGA với điện áp dưới 6V

4.3cm)

Hình 2.12: Arduino Nano b) Phần cứng:

Các thông số kĩ thuật của Arduino Nano hầu như giống hoàn Arduino Uno R3, vì vậy các thư viện trên Arduino Uno đều hoạt động tốt trên Arduino Nano Tuy nhiên, ở Nano có một lợi thế cực kì quan trọng, nhờ đó Arduino Nano đã được ứng dụng rất nhiều trong các

dự án DIY, đó chính là kích thước của nó Dòng mạch Arduino phổ biến, khi mới bắt đầu làm quen, lập trình với Arduino thì mạch Arduino thường nói tới chính là dòng Arduino UNO

Hình 2.13: Sơ đồ chân Arduino Nano Bảng 2.2: Thông số kỹ thuật Arduino Nano

Flash Memory 32 KB với 2 KB dùng

bởi bootloader

Đồng thời Nano còn số lượng chân Analog nhiều hơn Uno (2 chân A6, A7 chỉ dùng

để đọc) cùng với dùng ra tối đa của mỗi chân IO lên đến 40mA Nhƣng, có một điểm trừ nhẹ cho Nano, đó là mạch này Nano cần đến 2KB bộ nhớ cho bootloader (ở Uno là 0.5KB) Tuy nhiên, bạn đừng lo lắng, bạn còn đến tận 30KB bộ nhớ flash để lập trình, để dùng hết được 30KB này với tôi, đó là cả "một vấn đề lập trình"

2.2.3 Điều khiển motor với IC L293D:

a) Giới thiệu:

L293D là một tích hợp mạch điều khiển động cơ được sử dụng để lái xe động cơ DC quay theo hai hướng Nó là một IC 16 chân mà có thể kiểm soát hai động cơ DC cùng một lúc

L293D hoạt động dựa trên đặc trưng mạch cầu H, một mạch cho phép điện áp cao chạy theo hai hướng Trong một L293D IC đơn có hai mạch cầu H có thể xoay hai động cơ DC độc lập Do kích thước và yêu cầu của nó, nó thường sử dụng trong các ứng dụng robot để kiểm soát động cơ DC, bao gồn cả các dự án Arduino Trình điều khiển động cơ hoạt động như bộ khuếch đại, khi có một tín hiệu điều khiển thấp và sẽ cung cấp tín hiệu ra cao hơn Tín hiệu cao hơn này để được sử dụng để điều khiển động cơ

Tín hiệu điều khiển được xử lý độc lập với nhau với từng đầu ra Ví dụ: có thể điều khiển 2 động cơ DC chạy với tốc độ khác nhau, hướng khác nhau, 1 động cơ dừng và 1 động

cơ chạy

L293D có chức năng tự động ngắt khi bị nóng quá mức nhằm bảo vệ IC

Hình 2.14: Sơ đồ nguyên lý của IC L293D b) Motor Driver Shield L293D:

Shield sử dụng 2 IC cầu H L293D và 1 IC logic 74HC595 điều khiển Shield có thể điều khiển nhiều loại motor (servo, stepper, dc motor) khác nhau với mức áp đến 36V, dòng 600mA mỗi kênh điều khiển (1.2A cực đại) Theo thực nghiệm, nếu dùng động cơ có dòng tiêu thụ 1.2A thì sẽ điều khiển được trong 1 thời gian ngắn lúc đó nhiệt độ L293D tăng rất cao

Hình 2.15: Motor Driver Shield L293D Khả năng điều khiển Shield :

• Hai động cơ servo

• Động cơ một chiều (M1, M2, M3, M4) độc lập thông qua 4 cầu H của L293D dòng 600mA (cực đại 1.2A)

• Hai động cơ bước loại đơn cực (unipolar) hoặc lưỡng cực (bipolar)

• Chống tự quay khi cấp nguồn (có sẵn các điện trở nối GND)

• Có sẵn nút RESET để khởi động lại board Arduino

2.2.4 Cảm biến siêu âm SRF-05:

a) Giới thiệu:

Cảm biến SRF-05 là một loại cảm biến khoảng cách dựa trên nguyên lý thu phát siêu

âm Cảm biến gồm một bộ phát và một bộ thu sóng siêu âm Sóng siêu âm từ đầu phát truyền

đi trong không khí, gặp vật cản (vật cần đo khoảng cách tới) sẽ phản xạ ngược trở lại và được đầu thu ghi lại Khoảng cách đo được của SRF-05 nằm trong phạm vi từ 4cm đến 300cm

Hình 2.16: Cảm biến siêu âm SRF-05 b) Nguyên lý hoạt động:

SRF05 có thể thiết lập 2 mode hoạt động khác nhau thông qua các chân điều khiển MODE Nối hoặc không nối chân MODE xuống GND cho phép cảm biến được điều khiển thông qua giao tiếp dùng 1 chân hay 2 chân IO

Cảm biến siêu âm SRF-05 có 5 chân, bao gồm:

1/ VCC: Chân cấp nguồn 5V;

2/ Trigger: Chân kích hoạt phát sóng siêu âm Ở chế độ 2, chân Trigger vừa có chức

năng kích hoạt phát sóng siêu âm, vừa có chức năng nhận báo tín hiệu khi module nhận được sóng siêu âm phản hồi;

3/ Echo: Sử dụng để nhận biết có sóng siêu âm phản hồi;

4/ Out: Chân chọn chế độ;

5/ GND: Chân cấp nguồn 0V

Hình 2.17: Nguyên lý thu phát siêu âm

Trong luận văn xe tự hành tránh vật cản, ta sẽ áp dụng chế độ 1 là tách chân TRIGGER

& ECHO dùng riêng: Trong mode này,SRF-05 sử dụng cả 2 chân Trigger và Echo cho việc giao tiếp với Arduino Để sử dụng mode này,ta chỉ cần để trống chân Mode của module, điện trở bên trong module sẽ kéo chân pin này lên mức 1

Để điều khiển SRF-05, ta cần cấp cho chân TRIGGER một xung điều khiển với độ rộng tối thiểu 10uS Sau đó một khoảng thời gian, đầu phát sóng siêu âm sẽ phát ra sóng siêu

âm, vi xử lý tích hợp trên module sẽ tự xác định thời điểm phát sóng siêu âm và thu sóng siêu âm Vi xử lý tích hợp này sẽ đưa kết quả thu được ra chân ECHO Độ rộng xung vuông tại chân ECHO tỉ lệ với khoảng cách từ cảm biến tới vật thể

Hình 2.18: Nguyên lý hoạt động của SRF-05 ở mode 1

2.2.5 Module Bluetooth HC-06:

a) Giới thiệu:

Module Bluetooth HC-06 được thiết kế để chuyển đổi giao tiếp nối tiếp không đồng

bộ và thành giao tiếp không dây Bluetooth và ngược lại

Module bluetooth HC-06 (slave) ứng dụng là cầu nối giữa vi điều khiển, arduino với các thiết bị ngoại vi như: Điện thoại thông minh, máy tính Laptop, Usb bluetooth thông qua Bluetooth (giao tiếp serial gửi và nhận tín hiệu 2 chiều)

Hình 2.19: Module Bluetooth HC-06 b) Đặc điểm kỹ thuật và phần cứng:

- Chuẩn Bluetooth : V2.0+EDR

- Điện áp hoạt động : 3.3-5VDC, 30mA

• Kết nối truyền thông

• Đáp ứng theo lệnh: khi làm việc ở chế độ này, chúng ta có thể gửi các lệnh

AT để giao tiếp và cài đặt module

Hình 2.20: Sơ đồ chân của Bluetooth HC-06

2.3 Động cơ DC:

2.3.1 Động cơ GA37:

Động cơ DC giảm tốc GA37 có hộp số được làm hoàn toàn bằng kim loại, kích thước cuộn dây, chổi than lớn cho lực kéo khỏe và độ bền cao, động cơ có vận tốc 366 rpm rất phù hợp để làm các mô hình xe kim loại hoặc xe Tank

Thông số kỹ thuật:

- Điện áp hoạt động: 12V

- Tỷ số truyền: 1:30

- Tốc độ: 366rpm  13% (không tải), 275  13% (có tải)

- Dòng điện tiêu thụ: ≤ 250 mA (không tải), ≤ 750 mA (có tải)

- Momen xoắn: 3 kg.cm

Hình 2.21: Động cơ GA37 2.3.2 Động cơ GA12 - N20 1:50:

Động cơ DC giảm tốc GA12 thích hợp với các ứng dụng xe mô hình, robot, ổ khóa điện tử, thiết bị thông minh,

2.3.3 Động cơ Servo MG90S:

Động cơ DC và động cơ bước vốn là những hệ hồi tiếp vòng hở - ta cấp điện để động

cơ quay nhưng chúng quay bao nhiêu thì ta không biết, kể cả đối với động cơ bước là động

cơ quay một góc xác định tùy vào số xung nhận được Việc thiết lập một hệ thống điều khiển

để xác định những gì ngăn cản chuyển động quay của động cơ hoặc làm động cơ không quay cũng không dễ dàng

Mặt khác, động cơ servo được thiết kế cho 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

Như ta dự đoán, động cơ servo được thiết kế để quay có giới hạn chứ không phải quay liên tục như động cơ DC hay động cơ bước Mặc dù ta có thể chỉnh động cơ servo R/C quay liên tục nhưng công dụng chính của động cơ servo là đạt được góc quay chính xác trong khoảng từ 900-1800 Việc điều khiển này có thể ứng dụng để lái robot, di chuyển các tay máy lên xuống, quay một cảm biến để quét khắp phòng…

Hình 2.23: Động cơ Servo MG90S

Kết nối dâymàu đỏ với 5V, dây màu nâu với mass, dây màu cam với chân phát xungcủa vi điều khiển Ở chân xung cấp một xung từ 1ms-2ms theo để điều khiển góc quay theo ý muốn

Hình 2.24: Xung PWM của động cơ DC Servo SG90

Mục tiêu cốt lõi của MIT App Inventor là giúp đỡ những người chưa có kiến thức về ngôn ngữ lập trình từ trước có thể tạo ra những ứng dụng có ích trên hệ điều hành Android Phiên bản mới nhất là MIT App Inventor 2

Ngày nay, MIT đã hoàn thiện App Inventor và nó được chia sẻ ngay trên tài khoản Google Các lập trình viên mới bắt đầu hoặc bất kỳ ai muốn tạo ra ứng dụng Android chỉ cần vào địa chỉ web của MIT, nhập thông tin tài khoản Google, và từ những mảnh ghép nhỏ, xây dựng những ý tưởng của mình

Hình 2.25: Giao diện thiết kế (Design) b) Tính năng của App Inventor 2 và nhược điểm:

Tính năng:

- Cho phép xây dựng nhanh chóng những thành phần cơ bản (components) của một ứng dụng Android: Nút bấm, nút lựa chọn, chọn ngày giờ, ảnh, văn bản, thông báo, kéo trượt, trình duyệt web

- Sử dụng nhiều tính năng trên điện thoại: Chụp ảnh, quay phim, chọn ảnh, bật video hoặc audio, thu âm, nhận diện giọng nói, chuyển lời thoại thành văn bản, dịch

- Hỗ trợ xây dựng game bằng các components: Ball, Canvas, ImageSprite

- Cảm biến: đo gia tốc (AccelerometerSensor), đọc mã vạch, tính giờ, con quay hồi chuyển (gyroscopeSensor), xác định địa điểm (locationSensor), NFC, đo tốc độ (pedometer), đo khoảng cách xa gần với vật thể (proximitySensor)

- Kết nối: Danh bạ, email, gọi điện, chia sẻ thông qua các ứng dụng mạng xã hội khác trên thiết bị, nhắn tin, sử dụng twitter qua API, bật ứng dụng khác, bluetooth, bật trình duyệt

- Lưu trữ: đọc hoặc lưu tệp txt, csv, sử dụng FusiontablesControl, tạo cơ sở dữ liệu đơn giản trên điện thoại hoặc trên đám mây thông qua server tự tạo hoặc Firebase

- Điều khiển robot thông qua LegoMindstorms

- Và rất nhiều mở rộng do các nhà lập trình hoạt động riêng liên tục thêm vào như là: mua bán trong ứng dụng, Floating button, Báo thức, cảm biến ánh sáng, kết nối dữ liệu SQLite…

Nhược điểm:

- Lập trình viên chưa thể sử dụng mọi tính năng của Android và việc này phụ thuộc vào khi nào mở rộng mới có tính năng bạn cần có được tạo ra Khuyết điểm này chỉ có thể khắc phục bằng cách tự xây dựng mở rộng cho App Inventor

- Vì là website với mục đích giáo dục, MIT App Inventor không hỗ trợ quảng cáo Chính vì nhược điểm này Thunkable và AppyBuilder được sinh ra

- Giao diện chưa chuyên nghiệp

- Chuyển mã từ ngôn ngữ Drag and Drop sang Java chưa thực sự dễ dàng Trong các bài viết sau mình sẽ hướng dẫn thêm

- Do ứng dụng được phát triển trên server của MIT, giới hạn dung lượng của mỗi project chỉ là 5mb

Hình 2.26: Giao diện lập trình (Blocks)

2.4.2 Phần mềm Arduino IDE:

Để lập trình được cho các board Arduino, các bạn cần phải có một công cụ gọi

là Intergrated Development Environment (IDE) Công cụ này được đội ngũ kĩ sư của

Arduino phát triển và có thể chạy trên Windows , MAC OS X và Linux

Trong luận văn này, sử dụng 2 board Arduino Arduino Mega sử dụng cổng USB Type

B và Arduino Nano sử dụng cổng USB Type Mini B

Nếu muốn lập trình cho Arduino Nano, bạn cần phải thực hiện một số thao tác trên máy tính Sau đây, tôi sẽ hướng dẫn bạn từng bước để có thể lập trình cho Arduino Nano

Đầu tiên, ta phải cần cài Driver của Arduino Nano và tải về bản Arduino IDE mới nhất cho máy tính, các bước cài đặt hoàn toàn tương tự như Arduino Uno R3, bạn có thể tham khảo (nếu sử dụng máy MAC OS X thì bỏ qua bước này)

Sau khi cài đặt, bạn sẽ thấy một thông báo dạng "Cổng COMx đã được cài đặt thành công" (chữ "x" này sẽ được thay bằng một số nguyên dương, bạn hãy nhớ lấy số này, vì sau này bạn sẽ dùng cổng COMx này để lập trình cho Arduino Nano)

Các chương trình Arduino được viết bằng C hoặc C++ Arduino IDE đi kèm với một thư viện phần mềm được gọi là "Wiring", từ project Wiring gốc, có thể giúp các thao tác input/output được dễ dàng hơn Người dùng chỉ cần định nghĩa 2 hàm để tạo ra một chương trình vòng thực thi (cyclic executive) có thể chạy được:

• setup(): hàm này chạy mỗi khi khởi động một chương trình, dùng để thiết lập các cài đặt

• loop(): hàm này được gọi lặp lại cho đến khi tắt nguồn board mạch

Hình 2.27: Chọn Board Arduino

Hình 2.28: Chọn cổng Arduino

2.5 Camera Eken H9R Action:

2.5.1 Giới thiệu:

Camera quan sát wifi hay còn gọi là camera IP là camera hoạt động dựa vào mạng

internet, mỗi camera IP có một địa chỉ IP riêng để xem camera Camera quan sát wifi hoạt động độc lập và lưu trữ trực tiếp lên thẻ nhớ được gắn trên camera, chỉ cần cắm điện và cài đặt đơn giản là chúng ta có thể sử dụng được camera IP

Để phát huy được tính năng của camera quan sát wifi thì chúng ta cần chú ý những

điều này của camera đó là vị trí lắp đặt camera phải đảm bảo mạng internet ổn định để không làm gián đoạn khả năng ghi hình của camera,

Điều kiện lý tưởng để lắp đặt camera quan sát đó là không gian quan sát wifi là không gian 4x6m kín để thu âm thanh tốt nhất, căn hộ, chung cư, shop, quán có không gian nhỏ

Nếu lắp 1 đến 2 camera với chức năng quan sát thì nên chọn giải pháp camera quan sát

wifi để tiết kiệm chi phí bên cạnh đó có thể đàm thoại 2 chiều được

Hình 2.29: Camera Eken H9R Action 2.5.2 Cài đặt kết nối Camera wifi với PC và smart phone:

a) Kết nối wifi với PC:

Bước 1: Bấm nút mũi tên xuống ở sườn bên phải Camera Eken để bật wifi

Bước 2: PC kết nối wifi từ Camera đã tạo ra Nếu có hỏi password Password:

1234567890, có thể đổi được

Bước 3: Mở VLC Media Player (không có thì ta có thể download)

Bước 4: Nhấn tổ hợp phím Cmd ⌘ + N với MAC OS và CTRL + N với Window Sau

đó nhập vào: rtsp://192.168.1.1/MJPG

Sau khi hoàn thành các bước trên ta sẽ thấy Camera ghi lại hình ảnh trên máy MAC hay PC giống như điện thoại

b) Kết nối wifi với Smart phone:

Bước 1: Vào kho ứng dụng của điện thoại, tải phần mềm “Ez iCam App”

Bước 2: Khi máy ở chế độ quay phim/chụp ảnh, bật wifi của Camera lên bằng cách ấn nút mũi tên xuống ở sườn bên phải Camera Eken

Bước 3: Vào điện thoại, kết nối wifi của Camera có tên (ICAM-H9Rxxxx) Kết nối wifi điện thoại với Camera

Bước 4: Vào phần mềm “Ez iCam” trên điện thoại, chọn Connect, khi đó điện thoại

đã kết nối Camera

CHƯƠNG 3 THIẾT KẾ XE TỰ HÀNH TRÁNH VẬT

• Lợi thế: yêu cầu tính toán, dung lượng nhớ thấp, tính linh hoạt cao (tránh được vật cản ngay cả khi vật đó di chuyển)

• Hạn chế: do robot tìm đường cục bộ chỉ biết được thông tin xung quanh thông qua sensor cảm nhận môi trường gắn cùng nên robot tìm đường cục bộ có thể không hoàn thành việc tới đích

Trong bài toán toàn cục, bản đồ môi trường làm việc của robot hoàn toàn được biết trước, vấn đề cần giải quyết là tìm đường đi cho robot trước khi nó xuất phát

• Lợi thế: ta đã biết trước có đường đi tối ưu tới đích hay không trước khi robot khởi hành

• Hạn chế: đòi hỏi nhiều lệnh tính toán và bộ nhớ, tình huống xấu có thể xảy ra là nếu bản đồ môi trường làm việc không được khai báo chính xác, yêu cầu biết trước hoàn toàn môi trường hoạt động cũng là 1 nhược điểm

Trong luận văn này, chúng em tập trung vào việc giải quyết bài toán cục bộ ở mức độ đơn giản Môi trường làm việc của robot là một mặt phẳng, được giới hạn bởi các bức tường, các vật cản được xem là vật cản 2 chiều , tĩnh hoàn toàn

3.1.2 Giải bài toán cục bộ:

Giải quyết hoàn toàn bài toán này khó khăn hơn nhiều so với giải quyết bài toàn toàn

cục Một cách tìm đường cục bộ khá hoàn hảo là phương pháp bản đồ nơron cực (PolarNeurol Map) của Michail G Lagoudakis (1998) dùng 16-32 cảm biến gắn trên con robot Normad tạo trường cảm biến bao phủ vùng xung quanh robot, thuật toán sử dụng là thuật toán ánh xạ nơron tương đối phức tạp Do giới hạn của luận văn, phương pháp này không được đề cập đến

Phương pháp được đề cập đến ở đây sử dụng 1 cảm biến dò đường xác định khoảng cách từ đầu xe tới vật cản, cảm biến được xoay trái/phải thông qua động cơ servo Tùy vào khoảng cách tới vật cản ứng với từng cảm biến, ta xác định được phương hướng di chuyển robot phù hợp

• Khi 4 bánh xe trái và phải quay cùng chiều thì robot tiến hoặc lùi

• Khi 2 bánh trái quay tiến và 2 bánh phải quay lùi thì robot di chuyển sang phải

• Khi 2 bánh trái quay lùi và 2 bánh phải quay tiến thì robot di chuyển sang trái

3.2.2 Các trường hợp robot gặp vật cản:

Trường hợp 1: Khi không có vật cản, cảm biến không nhận được tín hiệu có vật cản

phía trước, robot sẽ đi thẳng

Trường hợp 2: Khi có vật cản trước mặt, cảm biến nhận được tín hiệu Nếu quá gần

vật cản robot sẽ lùi lại một đoạn, Arduino sẽ đưa tín hiệu về động cơ servo làm cho servo quay với 1 góc 45° theo hai hướng trái/phải Cảm biến sẽ đo đạt bên nào có khoảng cách rộng hơn sẽ đi theo hướng đó