(Tiểu luận) đồ án môn học xe tự hành tránh vật cản đề tài thiết kế xe tránh vật cản

Chức năng các khối: - Khối nguồn: sử dụng nguồn 12 VDC cấp cho khối điều khiển hoạt động và cấp nguồn 5VDC cho các khối hoạt động.. - Khối cảm biến: Sử dụng cảm biến siêu m để đo khoảng

HOÁ GVHD: NGUYỄN TRẦN MINH NGUYỆT

Tp.Hồ Chí Minh,tháng 12 năm 2022

CỘNG HÒA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM

2 Các số liệu, tài liệu ban đâu:

3 Nội dung thưc hiện đề tài:

4 Sản phẩm:

2

PHIẾU  NHÂN XÉT CỦA GIÁO VIÊN HƯỚNG DẪN

Họ và tên Sinh viên: MSSV: .

 Ngành:

Tên đề tài:

Họ và tên Giáo viên hớng dẫn:

NHẬN XÉT 1 Về nội dung đề tai & khối lượng thc hiện:

2 Ưu điểm:

3 Khuyêt điểm:

4 Đề ngh cho bảo vệ hy không?

5 Đánh giá loại:

6 Điểm:……….(Bng chữ: )

Tp Hồ Chí Minh, ngày tháng năm 20…

Giáo viên hớng dẫn

(Ký & ghi rõ họ tên)

3

CỘNG HOÀ XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM

Độc lập – Tự do – Hạnh Phúc

*******

PHIẾU  NH̣ N XÉT CỦA GIÁO VIÊN PHẢN BIỆN

Họ và tên Sinh viên: MSSV: .

MSSV:

MSSV:

 Ngành:

Tên đề tài:

Họ và tên Giáo viên phản biện:

NHẬN XÉT 1 Về nội dung đề tai & khối lượng thc hiện:

2 Ưu điểm:

3 Khuyêt điểm:

4 Đề ngh cho bảo vệ hy không?

5 Đánh giá loại:

6 Điểm:……….(Bng chữ: )

Tp Hồ Chí Minh, ngày tháng năm 2022

4

LỜI NÓI ĐẦU Trong thời đại công nghiệp ngày nay, robot ngày càng đợc sử dụng phổ biến trong sản xuất cũng nh trong cuộc sống của con ngời Robot đã có một vị trí quan trọng khó có thể thay thế đợc, nó giúp con ngời để làm việc trong các điều kiện nguy hiểm, khó khăn Ngoài ra, robot còn đợc dùng vào các lĩnh vưc thám hiểm không gian, qun sư, giải trí Lĩnh vưc robot di động đang ngày càng chiếm đợc sư quan tm của các nhà nghiên cứu và xã hội Chính vì lí do này, em

đã lưa chọn đề tài “Thiết kế xe tránh vật cản” cho học phân Đồ Án.

Trong bài báo cáo của mình, em xin trình bày những nội dung sau:

 Em xin chân thanh cảm ơn!

Đặng Thanh Huy Hoàng Văn Phú Qúy

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN 1.1 Đặt vấn đề

Hiện nay nền công nghiệp 4.0 đã và đang phát triển mạnh rộng rãi trong hâu hết các ứng dụng của nền kinh tế trong mỗi quốc gia Một trong những ứng dụng đợc sử dụng gân đy nhất đó là ứng dụng công nghệ thông tin vào công nghệ chế tạo và điều khiển robot thông minh.

Xu thế phát triển hiện nay trên thế giới khoa học và công nghệ luôn có những thay đổi mạnh mẽ Nền kinh tế tri thức cùng với công nghệ thông tin và kỹ thuật đã góp phân quan trọng vào việc nng cao chất lợng cuộc sống của con ngời Trong nền kinh tế tri thức thưc sư phát triển của xã hội không thể tách khỏi sư phát triển của kỹ thuật và công nghệ thông tin và đặc biệt là sư 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 gân đy đợc gọi là Robotics.

1.2 Mục đích của đề tài  – Điều khiển xe robot chạy tiến, lùi, trái và phải  – Sử dụng cảm biến ở trớc để tránh vật cản  – Viết chơng trình điều khiển

 – Thi công mô hình xe robot  – Sản phẩm cuối cùng và chạy thưc tế 1.3 Đối tượng và phạm vi nghiên cứu

* Đối tợng nguyên cứu đề tài

- Mô hình xe tư hành ( Kích thớc 25 cm x 15cm )

- Chạy mô hình ổn định quá trình cảm biến và tư hành tránh vật cản.

* Phạm vi nguyên cứu  Không gian làm việc của xe là 1 mặt phẳng đợc giới hạn bởi các bức tờng, các vật cản đợc xem là vật cản 2 chiều tĩnh hoàn tĩnh.

1.4 Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài

* Ý nghĩa khoa học Xy dưng đợc về khả năng tư hành tránh vật cản của robot sử dụng cảm biến siêu

m

* Ý nghĩa thưc tiễn của đề tài Ứng dụng của xe tư hành rất lớn, có thể kể đến robot vận hành vật liệu, hàng hóa trong các tòa nhà, nhà máy, cửa hàng, sn bay hay th viện, tư hành vào khu thơng mại điện tử,robot hút bụi…

Hình 1.1 Robot hút bụi

Hình 1.2 Robot vận chuyển hàng hóa

CHƯƠNG 2 CƠ SỞ LÍ THUYẾT 2.1Mô hình xe tự hành tránh vật cản

Hình 2.1 Mô hình xe tự hành tránh vật cản

2.2Tổng quan robot tự hành tránh vật cản

Xe tư hành là một loại xe robot có khả năng tư dịch chuyển, tư vận động (có thể lập trình lại đợc) dới sư điều khiển tư động có khả năng hoàn thành công việc đợc giao Xe tư hành là một thành phân có vai trò quan trọng trong ngành robot học Cùng với sư phát triển mạnh mẽ của các hệ thống tư động hóa, xe tư hành ngày một đợc hoàn thiện và càng cho thấy lợi ích của nó trong công nghiệp và sinh hoạt Ngày nay xe tư hành có rất nhiều ứng dụng tư động hóa trong đời sống, công nghiệp….Có nhiều công việc đòi hỏi thưc thi trong môi trờng độc hại, nguy hiểm nh có phóng xạ, khí độc, bụi bẩn, kí sinh trùng gy bệnh Vì thế giải pháp sử dụng robot nói chung trong việc quan trắc môi trờng là rất cân thiết Với khả năng tích hợp nhiều loại cảm biến nh nhiệt độ, độ ẩm, bụi, camera, siêu m, hồng

ngoại…, robot có khả năng thay thế con ngời 1 cách hiệu quả trong các công việc

có độ nguy hiểm cao.

2.3Sơ đồ khối  Nguyên lý hoạt động của xe đợc minh họa qua sơ đồ khối

Hình 2.4 Sơ đồ khối cấu tạo của xe tư hành.

Cấu tạo của xe gồm có bồn khối cơ bản: Khối nguồn, khối cảm biến, khối điều khiển và khối động cơ.

Chức năng các khối:

- Khối nguồn: sử dụng nguồn 12 VDC cấp cho khối điều khiển hoạt động và cấp nguồn 5VDC cho các khối hoạt động Điều khiển tắt mở nguồn và chia nguồn thành nhiều mức khác nhau, ổn định nguồn cung cấp cho các tải.

  - Khối cảm biến: Sử dụng cảm biến siêu m để đo khoảng cách

- Khối điều khiển: sử dụng Arduino Uno R3 nhận tín hiệu từ các khối rồi đa

ra tín hiệu điều khiển vận hành.

- Khối động cơ: Nhận tín hiệu từ Arduino qua L298 của khối điều khiển để điều khiển động cơ.

2.4 Các tình huống khi cảm biến phát hiện vật cản:

Hình 2.3 Các trờng hợp sensor phát hiện vật cản

Tình huống 1 : nếu cảm biến phát hiện vật cản +Nếu dl>dr thì robot di chuyển sang trái θ a = ¿ ) +Nếu dl<=dr thì robot di chuyển sang phải θ a = ¿ )

Tình huống 2 : nếu cảm biến quay sang trái và không phát hiện vật cản +Robot di chuyển sang trái θ a = ¿ )

Tình huống 3 : nếu cảm biến quay sang phải và không phát hiện vật cản +Robot di chuyển sang phải θ a = ¿ )

Tình huống 4 : nếu cảm biến ở giữa và không phát hiện vật cản +Robot di chuyển sang phải một góc 90 o (gán θ a = θ a −90 o , sau đó hiệu chỉnh θ a ∈ ¿ ) Tình huống 5 : nếu cảm biến quay sang trái và phát hiện vật cản

+Robot di chuyển sang phải một góc 25 o (gán θ a = θ a − 25 o , sau đó hiệu chỉnh θ a ∈ ¿ )

Tình huống 6 :nếu cảm biến quay sang phải và phát hiện vật cản +Robot di chuyển sang trái một góc 25 o (gán θ a= θ a − 25 o , sau đó hiệu chỉnh θ a ∈ ¿ )

Tình huống 7 : nếu cảm biến ở giữa và phát hiện vật cản +Robot di chuyển sang trái một góc 90 o (gán θ a = θ a − 90 o , sau đó hiệu chỉnh θ a ∈ ¿ )

2.5Bộ điều khiển PID 2.5.1 Giới thiệu bộ điều khiển PID

  PID là viết tắt của từ proportional integral derivative là bộ điều khiển theo tỷ lệ, tích phn, đạo hàm Có thể hiểu PID là một cơ chế phản hồi của vòng điều khiển đợc dùng ở hâu hết các loại thiết bị, máy móc công nghiệp Điều khiển PID đợc

sử dụng nhiều nhất trong tất cả các loại điều khiển phản hồi PID đợc sử dụng để tính toán các giá trị sai số Hiểu đơn giản nó là hiệu số giữa giá trị đo thông số biến đổi và giá trị đặt theo yêu câu PID controller sẽ thưc hiện giảm tối đa các sai số  bng phơng pháp điều chỉnh các giá trị ở đâu vào.

  Bộ điều khiển PID là bộ điều khiển kinh điển, rất phổ biến tỏng thưc tế và hiện nay 95% hệ thống điện, tư động hóa, điện tử, …trong công nghiệp sử dụng bộ điều khiển PID để vận hành hệ thống theo mong muốn.

  Mục tiêu chung của điều khiển là tín hiệu đáp ứng ổn định và thỏa mãn tín hiệu ta mong muốn hệ thống đạt đợc và mục tiêu sử dụng của bộ điều khiển PID cũng giống vậy.

- Giảm sai số xác lập đến mức tối thiểu nhất.

- Hạn chế độ dao động.

- Giảm thời gian xác lập và độ vọt lố.

2.5.2 Cấu trúc bộ điều khiển PID

Sơ đồ một hệ thống điều khiển dùng PID:

Hình 2.2 Sơ đồ hệ thống điều khiển dùng PID

Bộ điều khiển PID gồm 3 thông số đặc trng: các giá trị tỉ lệ, tích phn và đạo hàm, viết tắt là P, I, và D Giá trị tỉ lệ xác định tác động của sai số hiện tại, giá trị tích phn xác định tác động của tổng các sai số quá khứ, và giá trị vi phn xác định tác động của tốc độ biến đổi sai số.

Gọi e là sai số của quá trình, đợc xác định:

e = SP -PV

(3.1)

Trong đó:

 SP: Giá trị đặt.

 PV: Giá trị tín hiệu đâu ra.

 Nhiệm vụ của bộ điều khiển phản hồi là điểu chỉnh giá trị đâu vào theo giá trị

e đo đợc để giá trị đâu ra tiến tới giá trị đặt Tuy nhiên nếu chỉ cộng thêm hoặc trừ đi e vào giá trị điều khiển thì thời gian đáp ứng của hệ thống có thể sẽ nhanh hơn hoặc chậm hơn thời gian đáp ứng mong muốn Do đó cân đến khu tỉ lệ P Khu tỉ lệ làm thay đổi giá trị đâu ra, tỉ lệ với giá trị sai số hiện tại Đáp ứng tỉ lệ

có thể đợc điều chỉnh bng cách nhn sai số đó với một hng số K P, đợc gọi

là hệ số tỉ lệ Khu tỉ lệ đợc cho bởi

P = K  pe  Nếu hệ số tỉ lệ quá cao, hệ thống sẽ không ổn định Nếu hệ số tỉ lệ quá thấp, tác động điều khiển có thể sẽ quá bé khi đáp ứng với các nhiễu của hệ thống.

Hình 3.3 Đồ thị n hiệu ra theo thời gian, ba giá trị K  P (K  I và K  D là hằng số).

Khi sai số tồn tại trong một khoảng thời gian dài về một phía của giá trị đặt, ta cân tăng tốc chuyển động của quá trình tới điểm đặt Nhờ có khu tích phn ta có thể giải quyết đợc vấn

đề này Khu tích phn tỉ lệ thuận với cả biên độ sai số lẫn quãng thời gian xảy ra sai số Tổng sai số tức thời theo thời gian cho ta tích lũy bù đã đợc hiệu chỉnh trớc đó Tích lũy sai số sau đó đợc nhn với độ lợi tích phn và cộng với tín hiệu đâu ra của bộ điều khiển Biên độ phn phối của khu tích phn trên tất cả tác động điều chỉnh đợc xác định bởi hệ số tích phn K  I Thừa số tích phn đợc cho bởi:

Trong đó:

 K  I : Hệ số tích phn.

 e(t): Hàm sai lệch theo thời gian.

Tuy nhiên, vì khu tích phn là đáp ứng của sai số tích lũy trong quá khứ, nó có thể khiến giá trị hiện tại vọt lố qua giá trị đặt (ngang qua điểm đặt và tạo ra một độ lệch với các hớng khác), do đó cân phải cân trọng khi sử dụng khu tích phn.

Hình 3.4 Đồ thị n hiệu ra theo thời gian, tương ứng với 3 giá trị K  I (K  P và K  D không đổi).

Tốc độ thay đổi của sai số qua trình đợc tính toán bng cách xác định độ dốc của sai số theo thời gian (tức là đạo hàm bậc một theo thời gian) và nhn tốc độ này với hệ số vi phn K  D Thừa số vi phn đợc cho bởi:

Trong đó:

 K D : Hệ số vi phân.

 e(t): Ham si lệch theo thời gin.

Khu vi phn làm chậm tốc độ thay đổi của đâu ra bộ điều khiển và đặc tính này là đang chú ý nhất để đạt tới điểm đặt của bộ điều khiển Từ đó, điều khiển vi phn đợc sử dụng để làm giảm biên độ vọt lố đợc tạo ra bởi thành phân tích phn và tăng cờng độ ổn định của

 bộ điều khiển hỗn hợp.

Hình 3.5 Đồ thị n hiệu ra theo thời gian, với 3 giá trị K  D (K  P and K  I không đổi).

có thể gọi là khu vi tích phn tỉ lệ.

Phơng trình toán học của bộ điều khiển PID.

CHƯƠNG 3 LỰA CHỌN LINH KIỆN 3.1 Khối điều khiển trung tâm Arduino UNO R3

3.1.1 Arduino là gì?

Arduino một nền tảng mã nguồn mở phân cứng và phân mềm.

Phân cứng Arduino (các board mạch vi xử lý) đợc sinh ra tại thị trấn Ivrea ở

Ý, nhm xy dưng các ứng dụng tơng tác với nhau hoặc với môi trờng đợc

thuận lợi hơn Phân cứng bao gồm một board mạch nguồn mở đợc thiết kế trên nền tảng vi xử lý AVR Atmel 8bit, hoặc ARM Atmel 32-bit Những Model hiện tại đợc trang bị gồm 1 cổng giao tiếp USB, 6 chn đâu vào analog, 14 chn I/O kỹ thuật số tơng thích với nhiều board mở rộng khác nhau.

xung)

0.5 KB đợc sử dụng bởi bootloader 

* Các chn nguồn

- GND (Ground): cưc m của nguồn điện cấp choArduino UNO Khi bạn dùng các thiết bị sử dụng những nguồn điện riêng biệt thì những chn này phải đợc nối với nhau.

- 5V: cấp điện áp 5V đâu ra Dòng tối đa cho phép ở chn này là 500mA.

- 3.3V: cấp điện áp 3.3V đâu ra Dòng tối đa cho phép ở chn này là 50mA.

- Vin (Voltage Input): để cấp nguồn ngoài cho Arduino UNO, bạn nối cưc dơng của nguồn với chn này và cưc m của nguồn với chn GND.

- IOREF: điện áp hoạt động của vi điều khiển trên Arduino UNO có thể đợc đo ở chn này Và dĩ nhiên nó luôn là 5V Mặc dù vậy bạn không đợc lấy nguồn 5V từ chn này để sử dụng bởi chức năng của nó không phải là cấp nguồn.

3.2 Khối điều khiển động cơ Module L298 Chọn mạch điều khiển phù hợp so với mô hình với hoạt động mô hình di chuyển trên địa hình thì yêu cân một mạch điều khiển động cơ DC luôn ổn định đáp ứng đủ cho động cơ hoạt động trơn tru không gặp trở ngại trong việc nguồn cấp động cơ, điều khiển hoạt động của động cơ Với yêu câu nêu trên nên em chọn mạch điều động cơ L298N có tích hợp mạch câu H Mạch nhỏ gọn, có giá thành hợp lí và giúp làm giảm thời gian thi công IC L298 đợc gắn trên đế tản nhiệt vì khi động cơ  dùng lưc kéo lớn tức cân dòng cao mà điện áp không đổi thì đối với IC L298 sẽ sinh

ra lợng nhiệt lớn làm nóng dễ gy ra h hỏng mạch nên đã đợc gắn thêm tản nhiệt.

- Driver: L298N tích hợp hai mạch câu H.

- Điện áp điều khiển: +5 V ~ +12 V

- Dòng tối đa cho mỗi câu H là: 2A (=>2A cho mỗi motor)

- Điện áp của tín hiệu điều khiển: +5 V~ +7V

- Dòng của tín hiệu điều khiển: 0 ~ 36mA (Arduino có thể chơi đến 40mA nên khỏe

re nhé các bạn)

- Công suất hao phí: 20W (khi nhiệt độ T = 75 °C)

- Nhiệt độ bảo quản: -25 °C ~ +130 °C 3.2.3 Cấp nguồn và các chân nguồn

* Cấp nguồn

Bộ nguồn 12V-GND-5V: Tùy thuộc loại động cơ mà ta chọn 12V hay 5V.

* Các chn nguồn

- Chn A Enable, B Enable là 2 chn điều khiển tốc độ

2 động cơ riêng biệt.

- Input: Là 4 chn điều khiển chiều quay của 2 động cơ.

- Output A, Output B: Là 2 đâu ra kết nối với 2 động cơ.

3.3 Khối hệ thống cảm biến SR04

*Yêu cầu cảm biến Thời gian đáp ứng nhỏ hơn 0,01s Sai số nhỏ hơn 5 mm

Lưa chọn cảm biến SR04

3.3.1 Cảm biến SR04 là gì?

Cảm biến đo khoảng cách là nhóm các cảm biến dùng để đo khoảng cách Độ chính xác mà các thiết bị này mang lại có thể từ vài cm đến 3000 m Loại cảm biến này thờng đợc sử dụng khá rộng rãi trong công nghiệp, đặc biệt là ở một số cảm  biến và các trạm dâu khí.

Trên thị trờng tồn tại khá nhiều loại cảm biến dùng trong việc đo khoảng cách giữa các vật nh: cảm biến siêu m đo khoảng cách, cảm biến quang đo khoảng cách, cảm biến hồng ngoại đo khoảng cách cảm biến đo khoảng cách bng laser, Tùy vào nhu câu về tính chính xác, giá thành, mục đích sử dụng, môi trờng xung quanh mà có những loại cảm biến đặc thù Có 4 loại cảm biến thờng đợc dùng để đo khoảng cách:

Cảm biến khoảng cách hay còn gọi là cảm biến siêu m là một loại cảm biến  phổ biến Cảm biến có thể đo trong khoảng từ 2 đến 300 cm Cảm biến siêu m Ultrasonic HC-SR04 đợc sử dụng để nhận biết khoảng cách từ vật thể đến cảm  biến nhờ sóng siêu m, cảm biến có thời gian phản hồi nhanh, độ chính xác cao, phù hợp cho các ứng dụng phát hiện vật cản, đo khoảng cách bng sóng siêu m.

Hình 3.3 Cảm biến SR04

- Nguyên lý hoạt động: Để đo khoảng cách, ta sẽ phát 1 xung rất ngắn (5 microSeconds - ú) từ chn Trig Sau đó, cảm biến sẽ tạo ra 1 xung HIGH ở chn Echo cho đến khi nhận lại đợc sóng phản xạ ở pin này Chiều rộng của xung sẽ  bng với thời gian sóng siêu m đợc phát từ cảm biển và quay trở lại.

- Cảm biến SRF04 hoạt động dưa trên nguyên tắc phát đi một xung và tính thời gian

từ lúc phát xung đến lúc nhận về đợc xung đó Từ đó tính khoảng cách bng cách với thời gian vừa đọc đợc nhn với vận tốc sóng siêu m.

- Để đo khoảng cách, ta lập trình cho vi điều khiển phát một xung có độ rộng 10µs vào chn Trig của cảm biến Ngay khi đó cưc phát trên cảm biến sẽ phát ra xung của sóng m (v=340m/s) Chn Echo kéo lên mức cao cho đến khi nhận lại đợc sóng  phản xạ thì chn Echo đợc kéo xuống thấp Chiều rộng của xung sẽ bng với thời gian sóng siêu m đợc phát từ cảm biến và quay trở lại Sử dụng Timer ta sẽ đo đợc khoảng thời gian này.

d =   t  2.29,412

Trong đó:

d: Khoảng cách cân đo.