Đồ Án Tkhtcdt Robot Dò Line Thuyết Minh.pdf

[Type here] TRƯỜNG ĐẠI HỌC PHẠM VĂN ĐỒNG KHOA KỸ THUẬT CÔNG NGHỆ *** ĐỒ ÁN MÔN HỌC THIẾT KẾ HỆ THỐNG CƠ ĐIỆN TỬ ĐỀ TÀI THIẾT KẾ ROBOT DÒ ĐƯỜNG GVHD ThS Trần Thanh Tùng SVTH Phạm Minh thế MSSV DCDL2101[.]

TRƯỜNG ĐẠI HỌC PHẠM VĂN ĐỒNG KHOA KỸ THUẬT CÔNG NGHỆ

-*** -

ĐỒ ÁN MÔN HỌC THIẾT KẾ HỆ THỐNG CƠ ĐIỆN TỬ

ĐỀ TÀI : THIẾT KẾ ROBOT DÒ ĐƯỜNG

GVHD : ThS Trần Thanh Tùng

SVTH : Phạm Minh thế MSSV DCDL21013 Đào Như Ý MSNV DCDL21018

Quảng Ngãi, Tháng 12 ,Năm 2022

MỞ ĐẦU

Sự phát triển của ngành Cơ-điện tử có quan hệ mật thiết với sự phát triển ứng dụng

của máy móc, liên kiện & máy tính trong công nghiệp Hệ thống cơ điện tử là một trong

những hệ thống tốt nhất trong việc thiết kế tối ưu cho các sản phẩm, dựa vào sự phức

tạp cao của việc thiết kế và những yêu cầu tích hợp của cơ khí, điện tử, và thành phần

quá trình thông tin Để tốt cho các nhóm thiết kế bằng cách thuận lợi cho quá trình thay

đổi thành phần hệ thống không ảnh hưởng lớn đến hệ thống cần chọn công cụ thiết kế

hệ thống cơ điện tử

Cơ điện tử là một phương thức sử dụng tối ưu thiết kế hệ thống của sản phẩm cơ điện Đó là một sự kết hợp trong tích hợp của cơ khí, điện và hệ thống máy tính với hệ thống thông tin cho quá trình thiết kế và sản xuất của các sản phẩm và quy trình sản phẩm Sự hiệp lực được thể hiện tổng quát bằng tham số kết hợp chuẩn xác; và sản phẩm cuối cùng có thể tốt hơn tổng từng bộ phận của hệ thống

MỤC LỤC

NỘI DUNG TRANG

MỞ ĐẦU 1

MỤC LỤC 2

CHƯƠNG I : GIỚI THIỆU TỔNG QUAN 4

I GIỚI THIỆU 4

II LÍ DO CHỌN ĐỀ TÀI 5

CHƯƠNG II: PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU 6

I LỰA CHỌN PHƯƠNG ÁN 6

II TÍNH TOÁN CƠ CẤU CHẤP HÀNH 7

1 Sơ đồ khối của mạch 7

2 Mô tả hoạt động của robot 8

3 Linh kiện và tìm hiểu chi tiết từng linh 8

3.1 Khối điều khiển 8

3.2 Khối cảm biến 10

3.2.1 Chức năng 10

3.2.2 Cấu tạo bộ phát hồng ngoại 11

3.2.2.1 Cấu tạo bộ thu hồng ngoại 11

3.2.2.2 Sơ đồ nguyên lý của bộ cảm biến hồng ngoại 12

3.2.2.3 Mô tả các pin 12

3.2.2.4 Nguyên lý làm việc của LM339 13

3.2.2.5 Một số tính năng của IC LM339 13

3.3 Module L298N 14

3.4 Khối chuyển động 15

3.5 Khối nguồn 17

3.6 1 Mô hình PID áp dụng cho robot dò đường……… 18

2.6.2 Giải thuật PID……… 19

2.6.3 Hiệu chỉnh thuật toán PID ……… 19

III SƠ ĐỒ NGUYÊN LÝ 19

1 Sơ đồ nguyên lý 20

2 Bản vẽ mô hình robot 20

IV LƯU ĐỒ GIẢI THUẬT 21

V CHƯƠNG TRÌNH 21

CHƯƠNG III : KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU 24

I CẤU TẠO ĐƯỜNG LINE VÀ MÔ HÌNH THỰC TẾ CỦA ROBOT 24

II PHÂN TÍCH KẾT QUẢ 25

CHƯƠNG IV : KẾT LUẬN , NHẬN XÉT VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN 26

TÀI LIỆU THAM KHẢO 27

ĐỀ TÀI: ROBOT DÒ ĐƯỜNG

1 Dò line ( kích thước) đường line

2 Vận tốc chạy tối đa

3 Dự kiến sơ đồ chạy robot

A) YÊU CẦU NỘI DUNG:

Chương 1: Giới thiệu tổng quan các nghiên cứu trước đây, phân tích, lý do lựa chọn đề tài

Chương 2: Phương pháp nghiên cứu:

- Lựa chọn phương án

- Tính toán lựa chọn cơ cấu chấp hành

- Mô hình hóa toán học

- Xây dựng sơ đồ điều khiển (nguyên lý mạch, sơ đồ mạch in)

- Lưu đồ giải thuật

- Code chương trình (phụ lục)

Chương 3: Kết quả nghiên cứu: Trình bày, bình luận, phân tích các kết quả

Chương 4: Kết luận các kết quả đạt được, các tồn tại chưa được giải quyết và định hướng

B) KẾT QUẢ YÊU CẦU:

1 01 tập thuyết minh (khổ A4, yêu cầu từ 15- 20 trang)

2 01 đến 02 bản vẽ (A4): sơ đồ mạch, lưu đồ thuật toán

Quảng Ngãi, ngày 20 tháng 8 năm 2022

GVHD

(ký và ghi rõ họ tên)

Trần Thanh Tùng

CHƯƠNG I GIỚI THIỆU TỔNG QUAN CÁC PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN

CỨU TRƯỚC ĐÂY, PHÂN TÍCH, LÍ DO CHỌN ĐỀ TÀI

I GIỚI THIỆU:

Robot tự hành hay robot di động được định nghĩa là một loại xe robot có khả năng

tự dịch chuyển , tự vận động dưới sự điều khiển tự động để thực hiện thành công công việc được giao

Theo lý thuyết, môi trường hoạt động của robot tự hành có thể là đất , nước , không khí, không gian vũ trụ hay sự tổ hợp giữa chúng Địa hình bề mặt mà robot di chuyển trên đó có thể bằng phẳng hoặc thay đổi, lồi lõm

Theo bộ phận thực hiện chuyển động ta có thể chia robot thành 2 lớp: chuyển động bằng chân và bằng bánh Trong đề tài này , chúng ta chỉ tìm hiểu về lớp robot chuyển động bằng bánh Điều khiển robot bằng bánh đơn giản và gần như luôn đảm bảo tính ổn định của robot

Tiềm năng ứng dụng của robot tự hành hết sức rộng lớn

Hình 1 Một số loại robot tự hành

Mặc dù nhu cầu ứng dụng cao , nhưng những hạn chế chưa giải quyết được của robot tự hành , như chi phí chế tạo cao, đã cho phép chúng được sử dụng rộng rãi Một nhược điểm của robot tự hành phải kế đến là còn thiếu tính linh hoạt và thích ứng khi làm việc ở những vị trí khác nhau Bài toán tìm đường của robot tự hành cũng không phải là loại bài toán đơn giản như nhiều người nghĩ ban đầu

Trong đề tài này , bài toán tìm đường cũng như mô hình robot sẽ được giải quyết ở mức độ không quá phức tạp bằng Arduino R3

II LÍ DO CHỌN ĐỀ TÀI

Ngày nay, xã hội ngày càng phát triển đòi hỏi nhu cầu hiện đại hóa công nghiệp.Các ứng dụng tự động hóa càng phát triển nhằm nâng cao năng suất lao động,cũng như phục

vụ nhu cầu sống ngày càng phát triển của con người.Ngày càng nhiều robot thông minh được chế tạo và nghiên cứu để nâng cao chất lượng sống của con người như các xe không người lái phục vụ du lịch, tham quan, các robot trong các dây chuyền sản xuất tự động,… hay phục vụ các mục đích của con người như thám hiểm,thăm dò vũ trụ,thăm

dò đáy biển,những nơi mà con người không thể đến,……

Robot tự hành là một thành phần có vai trò quan trọng trong ngành Robot học Cùng với sự phát triển mạnh mẽ của các hệ thống tự động hóa, robot tự hành ngày một được hoàn thiện và càng cho thấy lợi ích của nó trong công nghiệp và sinh hoạt Một vấn đề rất được quan tâm khi nghiên cứu về robot tự hành là làm thế nào để robot tự động đi theo một quỹ đạo đã định

Trong báo cáo này của chúng em trình bày đề tài “Thiết kế robot dò đường ” liên

quan đến vấn đề đó

CHƯƠNG II: PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU

I LỰA CHỌN PHƯƠNG ÁN

Dựa vào đề tài “Mạch điều khiển robot nhận biết bằng đèn hồng ngoại”, chúng

em đã đề xuất ý tưởng thực hiện đề tài này như sau:

 Sử dụng kit Arduino để làm bộ xử lý trung tâm của mạch mà cụ thể nhóm chúng em

sử dụng kit Arduino R3

 Mạch sẽ sử dụng 4 bộ senser hồng ngoại nhận biết đường đi của Robot

 Sử dụng bốn động cơ một chiều (DC motor)

Mạch điều khiển robot nhận biết đường đi bằng đèn hồng ngoại sử dụng Arduino.Đề tài này thiết kế nhằm ứng dụng vào chế tạo ô tô tự lái sử dụng trong các khu

du lịch với việc chạy trên một đường cố định sử dụng đèn hồng ngoại để xác định tuyến đường đi

Yêu cầu chức năng

 Có khả năng thay đổi về thiết lập và hệ thống thiển thị trạng thái

 Có khối nguồn cung cấp ổn định và dễ dàng thay thế

 Có khả năng nhận được tín hiệu báo nhận đường đi

 Có khả năng điều khiển tốc độ bánh xe linh hoạt

 Đi nhanh trên đường thẳng

 Giảm tốc tại khúc cua

 Độ trễ < 1s

Yêu cầu phi chức năng

 Mềm dẻo trong việc thay đổi cấu trúc và thông số của hệ thống tự động

 Độ chính xác cao

 Khả năng chống nhiễu tốt

 Dễ dàng tự động hóa

II TÍNH TOÁN CƠ CẤU CHẤP HÀNH

1 Sơ đồ khối của mạch

Hình 2 Sơ đồ khối

- Khối nguồn: cung cấp nguồn điện 6V DC cho các khối khác làm việc

- Khối cảm biến: gồm 4 senser hồng ngoại có nhiệm vụ nhận biết đường đi

- Khối xử lý trung tâm: Arduino R3 lấy dữ liệu từ khối cảm biến phát lệnh điều khiển khối chuyển động

- Khối động cơ: gồm bốn động cơ một chiều điều khiển hai bánh của xe sau

2 Mô tả hoạt động của robot

Hình 3: Mô tả hoạt động của robot

3 Linh kiện và tìm hiểu chi tiết từng linh kiện

3.1 Khối điều khiển

Module Arduino là bo mạch vi xử lý được dùng để lập trình tương tác với các thiết

bị phần cứng như cảm biến, động cơ, đèn hoặc các thiết bị khác Đặc điểm nổi bật của Arduino là môi trường phát triển ứng dụng cực kỳ dễ sử dụng, với một ngôn ngữ lập trình có thể học một cách nhanh chóng ngay cả với người ít am hiểu về điện tử và lập trình Và điều làm nên hiện tượng Arduino chính là mức giá thấp và tính chất nguồn mở

từ phần cứng tới phần mềm Bo mạch ArduinoUNO là bo mạch thông dụng hiện nay ArduinoUno sử dụng chip Atmega328 có 14 port IN/OUT digital, 6 port analog , thạch anh dao động 16Mhz

Ưu điểm khi sử dụng Arduino UNO R3

- Arduino được dùng với mục đích là phát triển ứng dụng nhanh hoặc những ứng dụng có code phức tạp vì mã nguồn mở của arduino rất lớn

- So với các vi điều khiển khác như pic hay msp thì code trên arduino dễ hơn nhiều giúp cho người dùng dễ dàng sử dụng cũng như tối ưu hóa thời gian thực hiện

Nên do đó bọn e chọn Arduino UNO R3 làm khối xử lý trung tâm cho đề tài

Thông số kĩ thuật:

- Vi điều khiển: Atmega328 họ 8bit

- Điện áp hoạt động: 5V DC ( chỉ được cấp qua cổng USB )

- Bộ nhớ flash: 32 KB (ATmega328) với 0,5KB được dung bởi bootloader

- Nguồn cấp một chiều cho Arduino UNO (2,3), 7÷12V

- Đầu vào tương tự (4), A0÷A5

- Đầu vào/ra số (5,6), D0÷D13

Bộ nhớ

- 32KB bộ nhớ flash: những đoạn lệnh chúng ta lập trình sẽ được lưu trữ trong bộ nhớ Flash của vi điều khiển Thường thì sẽ có khoảng vài KB trong số này sẽ được dùng cho bootloader nhưng đừng lo,hiếm khi nào cần quá 20KB bộ nhớ này đâu

- 2KB cho SRAM (Static Random Access Memory): giá trị các biến khai báo khi

lập trình sẽ lưu ở đây Khi khai báo càng nhiều biến thì càng cần nhiều bộ nhớ RAM Tuy vậy, cũng hiếm khi bộ nhớ RAM lại trở thành thứ phải bận tâm Khi mất điện, dữ liệu trên SRAM sẽ bị mất

- 1KB cho EEPROM (Electrically Eraseble Programmable Read Only Memory):

đây giống như một chiếc ổ cứng mini – nơi mà chúng ta có thể đọc và ghi dữ liệu của mình vào đây mà không phải lo bị mất khi cúp điện giống như dữ liệu trên SRAM

Các cổng vào/ra :

- Arduino UNO có 14 chân digital dùng để đọc hoặc xuất tín hiệu Chúng chỉ có 2 mức điện áp là 0V và 5V với dòng vào/ra tối đa trên mỗi chân là 40mA Ở mỗi chân đều

có các điện trở pull-up từ được cài đặt ngay trong vi điều khiển ATmega328 (mặc định

thì các điện trở này không được kết nối)

- Arduino UNO có 6 chân analog (A0 → A5) cung cấp độ phân giải tín hiệu 10bit (0 → 210-1) để đọc giá trị điện áp trong khoảng 0V → 5V Với chân AREF trên board,

có thể để đưa vào điện áp tham chiếu khi sử dụng các chân analog Tức là nếu chúng ta cấp điện áp 2.5V vào chân này thì có thể dùng các chân analog để đo điện áp trong khoảng từ 0V → 2.5V với độ phân giải vẫn là 10bit.Đặc biệt, Arduino UNO có 2 chân A4 (SDA) và A5 (SCL) hỗ trợ giao tiếp I2C/TWI với các thiết bị khác

- Arduino UNO có thể sử dụng 3 vi điều khiển họ 8bit AVR là ATmega8, ATmega168, ATmega328 Bộ não này có thể xử lí những tác vụ đơn giản như điều khiển đèn LED nhấp nháy, xử lí tín hiệu cho xe điều khiển từ xa, làm một trạm đo nhiệt độ -

độ ẩm và hiển thị lên màn hình LCD,…

3.2 Khối cảm biến

3.2.1 Chức năng

Giống như con mắt của robot, giúp robot phát hiện vật cản hoặc đi theo lộ trình có sẵn

Hình 5: LED thu phat hồng ngoại và cơ chế hoạt động của nó

Cơ chế hoạt động của cảm biến hồng ngoại

Như chúng ta thấy hình bên trái : Light source là một bộ phát hồng ngoại hoặc là một nguồn sáng nào đó có tia hồng ngoại Khi chiếu xuống một bề mặt màu đen hoặc bề

mặt màu sẫm , tối các tia sang sẽ được bề mặt hấp tụ và lượn ánh sang bị bức xạ trở lại

ít , nên bộ thu nhận được ánh sang phản hồi ít

Ta nhận xét hình bên trái : Khi bề mặt màu trắng hoặc màu sang thì ánh sáng được phát bới bộ phát hồng ngoại thì sẽ không bị hấp thụ bởi bề mặt mà bị hất dội ngược lại và khi đó đầu thu sẽ thu một lương tia hồng ngoại lớn

=> Do đó Led hồng ngoại có thể phân biệt được bộ cảm biến đang chiếu một vật màu sáng hay màu tối để truyền tới bộ xử lý

3.2.2 Cấu tạo bộ phát hồng ngoại

Hình 6 :Cấu tạo bộ phát hồng ngoại

Hình trên là cấu tạo của đèn led phát hồng ngoại Chân anode được nối với cực dương của nguồn điện Chân cathode được nối với đất.Thông thường thì chân anode dài hơn chân cathode

3.2.2.1 Cấu tạo bộ thu hồng ngoại

Hình 7 : Cấu tạo của bộ thu hồng ngoại

Cấu tạo Quang trở gồm một lớp chất bán dẫn( cadimi sunfua Cds chẳng hạn) phủ trê một tấm nhựa cách điện Có hai điện cực và gắn vào lớp chất bán dẫn đó

Nối một nguồn khoáng vài vôn với quang trở thông qua một miliampe kế Ta thấy khi quang trở được đặt trong tối thì trong mạch không có dòng điện Khi chiếu quang trở bằng ánh sáng có bước song ngắn ( ánh sáng hồng ngoại …) hơn giới hạn quang dẫn của quang trở thì sẽ xuất hiện dòng điện trong mạch

Điện trở của quang trở giảm đi rất mạnh khi bị chiếu sáng bởi ánh sáng nói trên Đo điện trở của quang trở Cds, người ta thấy : khi không bị chiếu sáng , điện trường của nó vào khoảng 3.10^6 om, khi bị chiếu sáng , điện trở của nó chỉ khoảng 20om

+ Led ở đây là bộ phát hồng ngoại còn quang trở là bộ thu

Trong bài này, nhóm em sử dụng bộ cảm biến hồng ngoại 4 kênh

Hình 8: Hình ảnh module cảm biến hồng ngoại

3.2.2.2 Sơ đồ nguyên lý của bộ cảm biến hồng ngoại

Hình 9: Sơ đồ nguyên lí cảm biến hồng ngoại 3.2.2.3 Mô tả các PIN

Tất cả bốn bộ so sánh đều bao gồm hai chân đầu vào và một chân đầu ra và một đường dây cung cấp tích cực được chia sẻ và nối đất

 Các PIN 4, 6, 8, 10 là các đầu vào tiêu cực

 Các PIN 5, 7, 9, 11 là các đầu vào tích cực

 Các PIN 1, 2, 13, 14 là các chân đầu ra

 PIN 3 và 12 là chân cấp nguồn

3.2.2.4 Nguyên lý làm việc của LM339

Cách làm việc của IC so sánh vi sai tương tự như các IC so sánh khác Mỗi COM

có ba chân Các chân đầu vào đảo ngược (-IN) và không đảo (+ IN) Chúng tôi kết nối điện áp đầu vào dương với thiết bị đầu cuối không đảo và tín hiệu đầu vào

âm với chân không đảo

Nếu điện áp tại chân -IN lớn hơn chân + IN và điện áp bù, đầu ra sẽ là mức logic

 Hoạt động từ nguồn điện đơn cũng như nguồn điện kép trên dải điện áp rộng

 Đối với hoạt động đơn, giá trị điện áp cung cấp phải nằm trong khoảng từ +3.0

V đến +36 V Trong trường hợp cung cấp kép, phạm vi là + 18V và -18V

 Nó có dòng điện xu hướng đầu vào thấp, dòng điện bù và điện áp bù

 Thiết bị này tương thích với các dạng logic TTL, MOS và CMOS

 Nó cung cấp dòng điện cung cấp thấp, thường là 0,8mA Giá trị của nó không phụ thuộc vào nguồn điện áp

 Phạm vi điện áp đầu vào chế độ chung mà trong đó IC thực hiện hoạt động bình thường bao gồm đất ngay cả khi được điều chỉnh từ một điện áp nguồn duy nhất

 Điện áp bão hòa đầu ra thường là 130mV ở 4mA

Ưu điểm cảm biến hồng ngoại

Led hồng ngoại là một loại cảm biến được sử dụng rất phổ biến, nguyên lí hoạt động đơn giản mà hoàn toàn phù hợp với chức năng bám đường của robot và giá thành thấp

3.3 Module L298N

Module điều khiển motor L298N loại 1 có sẵn ốc gắn sử dụng IC điều khiển L298N có thể điều khiển 2 động cơ một chiều hoặc 1 động cơ bước 4 pha Module L298N loại 1:

+ Được thiết kế chắc chắn, có sẵn chỗ bắt ốc vào mô hình

+ Có gắn tản nhiệt chống nóng cho IC, giúp IC có thể điều khiển với dòng đỉnh đạt 2AIC L298N được gắn với các đi ốt trên board giúp bảo vệ vi xử lý chống lại các dòng điện cảm ứng từ việc khởi động/ tắt động cơ

Hình 10: Hình ảnh module L298N

1 DC motor 1 “+” hoặc stepper motor A+

2 DC motor 1 “-” hoặc stepper motor A-

3 12V jumper – tháo jumper ra nếu sử dụng nguồn trên 12V Jumper này dùng để cấp nguồn cho IC ổn áp tạo ra nguồn 5V nếu nguồn trên 12V sẽ làm cháy IC Nguồn

4 Cắm dây nguồn cung cấp điện áp cho motor vào đây từ 6V đến 35V

5 Cắm chân GND của nguồn vào đây

6 Ngõ ra nguồn 5V, nếu jumper đầu vào không rút ra

7 Chân Enable của Motor 1, chân này dùng để cấp xung PWM cho motor nếu dùng VDK thì rút jumper ra và cắm chân PWM vào đây Giữ nguyên khi dùng với động cơ bước

8 IN1

9 IN2

10 IN3