TỔNG QUAN
Mô tả đề tài
Hiện nay, nhiều cuộc thi đua xe tự hành đang diễn ra trên thế giới Để đáp ứng xu hướng này, bộ môn Cơ Điện Tử thuộc khoa Cơ Khí trường Đại học Bách Khoa TP.HCM đã xây dựng sa bàn hệ thống line, tạo cơ hội cho sinh viên sáng tạo và áp dụng các kiến thức kỹ thuật công nghệ đã học vào thực tiễn.
Nhóm nghiên cứu sẽ tìm hiểu và thiết kế một “Robot bám line tự động” nhằm ứng dụng kiến thức giải quyết bài toán thiết kế robot trong thực tế, phục vụ cho việc đua trên sa bàn hệ thống line của bộ môn.
Robot dò đường là sản phẩm đa chức năng, ứng dụng trong nhiều lĩnh vực khoa học và đời sống Việc thiết kế robot bám đường theo yêu cầu đòi hỏi chú ý đến nhiều yếu tố quan trọng.
+ Mô hình hóa động học của xe
+ Mô hình hóa cảm biến
+ Lựa chọn động cơ cũng như số lượng động cơ đáp ứng
+ Lựa chọn số lượng bánh xe cũng như loại bánh xe
+ Các thông số của thân xe
+ Lựa chọn Driver động cơ
+ Thiết kế bộ điều khiển
+ Vi điều khiển được sử dụng.
Đặc tả sa bàn hệ thống line
- Màu sắc đường line: đen
- Bề rộng đường line: 26mm
- Bề mặt địa hình di chuyển: phẳng
- Robot bắt buộc phải chạy theo chiều quy định đã ghi trên sa bàn (hình 1)
- Khi bắt đầu, robot được đặt tại vị trí START (điểm A), sau đó robot chạy theo thứ tự qua các điểm nút quy định lần lượt như sau:
Hình 1: Sa bàn hệ thống line
Khái quát chung về robot bám đường
Ngày nay, nhiều loại sơ đồ nguyên lý xe dò line đã xuất hiện trên thế giới Một dạng xe sử dụng bánh xe liên kết qua hệ thống vi sai và trục truyền động, giúp cải thiện khả năng điều chỉnh tương quan giữa các bánh xe, giảm khả năng trượt Tuy nhiên, thiết kế cơ khí phức tạp khiến xe gặp khó khăn khi vào những khúc cua hẹp Ngược lại, dạng xe với bánh xe độc lập hoặc bánh đa hướng không có cơ cấu vi sai, đơn giản hơn, dễ dàng hiệu chỉnh sai số và có khả năng vào cua ở bán kính nhỏ hơn Các ứng dụng tiêu biểu như robot dò line Silvestre trong cuộc thi Cosmobot, uXbot của Daniel Álvarez, Smart Car trong cuộc thi The Freescale 2012, và Plethora II hay High Performance Line Follower Robot đều minh chứng cho nguyên lý này.
Xe áp dụng điều khiển độc lập các bánh xe có kết hợp với bánh tự lựa
Nguyên lý hai bánh sau được điều khiển bởi động cơ và truyền động qua hệ thống vi sai, trong khi hai bánh trước tự lựa hướng và được kết nối bằng trục truyền động.
Sơ đồ nguyên lí hai bánh sau được truyền động bởi động cơ và hệ thống vi sai
Trong các nhà máy, robot đóng vai trò quan trọng trong việc vận chuyển sản phẩm trong quá trình sản xuất, thay thế con người để nâng cao hiệu suất Ngoài ra, robot cũng có thể được điều khiển bằng tay để hỗ trợ những người gặp nạn, cho thấy sự đa dạng trong ứng dụng của công nghệ robot trong đời sống.
Để robot có khả năng bám theo quỹ đạo đã được xác định, cần thiết kế với các cảm biến nhận biết đường line và vị trí tương đối của xe Các cảm biến như camera, cảm biến quang điện trở và quang transistor được sử dụng tùy theo chức năng và yêu cầu đầu vào Những thiết bị này giúp robot đưa ra tín hiệu điều khiển chính xác, đưa xe về vị trí mong muốn.
Camera có khả năng xác định vị trí và góc lệch của xe so với đường line trong mỗi lần lấy mẫu, đồng thời nhận diện các dạng đường line phức tạp và đứt đoạn nhờ vào các thuật toán xử lý ảnh Phương pháp này có độ chính xác cao khi sử dụng camera có độ phân giải tốt, nhưng ít được áp dụng trong các cuộc thi đua xe line màu do khối lượng xử lý lớn, làm giảm tốc độ tối đa của xe Hơn nữa, camera hiện tại vẫn gặp vấn đề nhiễu trong điều kiện ánh sáng mạnh ngoài trời, như trường hợp của xe Smart Car trong cuộc thi The Freescale.
2012 hay Raspberry Pi Line Following Robot trong cuộc thi Robocup Junior Competition Flanders 2014
Cảm biến quang (photosensor) hoạt động dựa trên sự thay đổi ánh sáng chiếu vào, làm thay đổi điện trở và tạo ra giá trị điện áp, như quang trở (photoresistor) Tuy nhiên, thời gian từ khi quang trở tiếp xúc với ánh sáng đến khi điện trở đạt giá trị xác lập khá chậm, khoảng 20 – 30 ms, dẫn đến độ chính xác thấp cho các xe yêu cầu tốc độ cao Ngược lại, transistor quang (phototransistor) có thời gian phản ứng nhanh hơn, chỉ khoảng 15 ns, giúp cải thiện độ chính xác Các robot sử dụng cảm biến này bao gồm uXbot-line following robot của Daniel Álvarez, Silvestre-line following robot và High performance Line follower Robot.
Việc bố trí photosensor trên xe rất quan trọng để đảm bảo nhận biết chính xác đường line và tín hiệu trả về Cảm biến nên được sắp xếp theo dạng đường thẳng với khoảng cách đều nhau, phù hợp cho các đoạn đường có bán kính cong nhỏ hơn 90 độ hoặc khi di chuyển thẳng Đối với các đoạn đường có bán kính cong lớn hơn hoặc bằng 90 độ, cần áp dụng giải thuật xử lý để xác định vị trí đường line một cách hiệu quả.
Bố trí cảm biến theo dạng đường thẳng với hai cảm biến ở giữa giúp xác định vị trí của đường line, trong khi hai cảm biến bên ngoài nhận diện các điểm giao nhau Loại bố trí này hoạt động hiệu quả với các giao nhau 90 độ và ở tốc độ chậm Tuy nhiên, đối với các giao nhau khác 90 độ và yêu cầu tốc độ cao, bố trí hình chữ V sẽ phù hợp hơn, đặc biệt cho các đường đua có bán kính cong lớn hơn hoặc bằng 90 độ.
Để điều khiển vận tốc và vị trí của xe, chúng ta có thể sử dụng động cơ thường kết hợp với bộ phận hồi tiếp encoder gắn vào trục bánh xe, từ đó yêu cầu tính toán để chọn driver phù hợp Các mô hình xe như Silvestre-line sử dụng động cơ Maxon DC, trong khi UXbut-line sử dụng động cơ Metal Gearbox Dưới đây là bảng số liệu về các động cơ đã được sử dụng cho xe bám đường tại Việt Nam.
Namiki DC 12V Coreless Servo Motor Điện áp 12V
Tốc độ qua giảm tốc 80 rpm Động cơ DC escap 16G88 Điện áp 12V
Tốc độ 470 rpm Động cơ DC Giảm Tốc GM25 370 Điện áp 9V
Tốc độ 150 rpm Động cơ DC Giảm Tốc Planet Điện áp 24V
Về cấu trúc điều khiển ta cần điểu khiển vận tốc hai bánh xe và lấy dữ liệu từ cụm sensor Từ đó ta có hai phương pháp là:
Điều khiển tập trung sử dụng một vi điều khiển duy nhất để thực hiện tất cả các chức năng, giúp đơn giản hóa phần cứng Tuy nhiên, do thiếu sự chuyên biệt hóa, việc kiểm tra lỗi chương trình trở nên khó khăn, và các chức năng như tính toán vận tốc của hai bánh xe và điều khiển động cơ đạt vận tốc mong muốn không được thực hiện đồng thời.
Trilobot, được thiết kế và chế tạo bởi Roger Arrich, cùng với UXbot-line của Daniel Álvarez và Arobot mobile robot, là những mô hình điều khiển mà trong quá trình thực hiện một chức năng, các chức năng khác phải chờ đợi.
Mạch điều khiển phân cấp sử dụng nhiều vi điều khiển, mỗi vi điều khiển đảm nhận một chức năng riêng biệt, giúp chuyên biệt hóa nhiệm vụ Điều này không chỉ giúp dễ dàng kiểm tra lỗi chương trình mà còn cho phép thực hiện các chức năng đồng thời mà không cần phải chờ đợi hay bỏ qua các tác vụ ngắt.
Ta thấy qua đây ta cần có các thủ tục giao tiếp giữa các vi điều khiển, làm cho khối lượng công việc nhiều hơn
Mục tiêu đồ án được xác định dựa trên yêu cầu và phần tìm hiểu, trong đó bán kính cong nhỏ nhất của đường đua là 500mm Sai số bám line, phụ thuộc vào cảm biến, tốc độ đáp ứng và độ chính xác của cảm biến, là yếu tố quan trọng Đa số các xe sử dụng khoảng 7 cảm biến, và qua thử nghiệm, cảm biến hồng ngoại cho sai số đọc là 3.88mm Do đó, sai số bám line được chọn là 5mm Vận tốc trung bình của các xe nghiên cứu là khoảng 540rpm, với đường kính bánh xe dò line trung bình khoảng 65mm, từ đó tính được vận tốc tham khảo.
Vận tốc tham chiếu bám line được tính toán bằng công thức 540rpm×π×0.065m, cho kết quả là 1.83 m/s Tuy nhiên, tốc độ này còn phụ thuộc vào thời gian lấy mẫu của cảm biến và thời gian đáp ứng của động cơ Để đảm bảo hiệu suất bám line tốt và dễ dàng trong việc áp dụng thuật toán điều khiển, nhóm đã quyết định chọn vận tốc tham chiếu là 1.5 m/s, nhằm đạt được kết quả tối ưu trong các cuộc đua xe trên thế giới.
Nhóm đặt ra yêu cầu như sau:
LỰA CHỌN PHƯƠNG ÁN
Phương án cơ khí
- Đặc điểm và yêu cầu:
- Xe di chuyển trên địa hình bằng phẳng không có dốc nghiêng
- Xe không cần chở tải
- Phân tích các phương án:
- Xe có 4 bánh với 2 bánh chủ động phía sau, 2 bánh tự lựa phía trước
Xe 4 bánh có ưu điểm nổi bật nhờ vào việc bố trí các sensor và 2 bánh tự lựa trên cùng một hàng, với 2 bánh tự lựa ở hai bên và các sensor ở giữa Khi di chuyển trên đường có độ dốc nghiêng, thiết kế này giúp đảm bảo khoảng cách giữa các sensor và mặt đường tốt hơn so với xe 3 bánh.
+ Nhược điểm: Trong địa hình không bằng phẳng, khó đảm bảo sự tiếp xúc của cả 2 bánh xe chủ động với mặt đường
+ Mô hình: Silvestre-line following robot trong cuộc thi Cosmobot với tốc độ tối đa lên tới 3m/s [1]
→ Phương án này thường sử dụng trong trường hợp xe di chuyển trên mặt nghiêng hoặc xe có chở thêm tải
Sơ đồ nguyên lý xe 2 bánh chủ động phía sau, 2 bánh tự lựa phía trước
- Xe có 2 bánh chủ động phía sau, 1 bánh tự lựa phía trước
+ Ưu điểm: Vì xe có 3 bánh nên luôn đồng phẳng
Việc bố trí cảm biến cần đảm bảo độ cân bằng tốt, nếu không, khi xe di chuyển qua những đoạn cong, các cảm biến ở mép ngoài có thể chạm vào mặt đường Ngoài ra, khi xe chạy trên những đoạn đường dốc nghiêng, việc duy trì khoảng cách giữa các cảm biến và mặt đường trở nên khó khăn.
+ Mô hình: uXbot-line following robot của Daniel Álvarez với vận tốc trung bình đạt 1.65 m/s [4]
→ Phương án này thường sử dụng trong trường hợp xe di chuyển trên mặt phẳng, xe chở thêm tải được đặt cân bằng
Sơ đồ nguyên lý xe 2 bánh chủ động phía sau, 1 bánh tự lựa phía trước
- Xe có 2 bánh chủ động phía trước, 1 bánh tự lựa phía sau
Xe ba bánh có ưu điểm nổi bật là luôn giữ được sự đồng phẳng, giúp giảm moment quán tính khi vào cua Khoảng cách ngắn từ bánh chủ động đến trọng tâm xe giúp hạn chế tình trạng trượt khi xe tăng tốc nhanh.
+ Nhược điểm: khó đảm bảo khoảng cách giữa các cảm biến và mặt đường khi xe đi lên hoặc xuống dốc nghiêng
Mô hình Trilobot, được thiết kế và chế tạo bởi Roger Arrich, là một robot di động do nhóm Arrich Robotics tại Tây Texas, Mỹ phát triển Robot này có khả năng di chuyển với vận tốc tối đa 0.25 m/s.
→ Phương án này thường sử dụng trong trường hợp xe di chuyển trên mặt phẳng xe
Sơ đồ nguyên lý xe 2 bánh chủ động phía trước, 1 bánh tự lựa phía sau
- Xe có 2 bánh lái phía trước
Hình 1.1 Sơ đồ nguyên lý xe 2 bánh lái phía trước
+ Ưu điểm: Bẻ lái dễ dàng
Nhược điểm của mô hình Smart Car trong cuộc thi The Freescale 2012, Plethora II là kết cấu cơ khí phức tạp, bao gồm bộ vi sai phía sau và cơ cấu bẻ lái phía trước Điều này dẫn đến việc kết cấu vi sai có khuyết điểm, làm cho xe dễ bị sa lầy.
→ Phương án này thường sử dụng trong trường hợp xe di chuyển ở chế độ điều khiển bằng tay
Để đáp ứng yêu cầu cho loại xe đua này, nhóm đề xuất phương án xe ba bánh với hai bánh sau chủ động và một bánh trước tự lựa.
- Yêu cầu: di chuyển trên địa hình bằng phẳng không trơn trượt, bám đường tốt
Trên thị trường hiện nay, bánh xe cao su được phân loại thành hai loại: có gai và không có gai, với nhiều kích thước khác nhau, bao gồm đường kính 100mm, 85mm, 65mm, 25mm và các kích thước nhỏ hơn 25mm.
Khi chọn bánh xe cho xe di chuyển trên địa hình phẳng với tốc độ cao, loại bánh xe cao su thông thường có bề rộng lớn và không có gai là lựa chọn lý tưởng.
- Yêu cầu: bánh có khả năng thay đổi hướng dễ dàng, ma sát nhỏ
- Chọn bánh xe: chọn bánh mắt trâu (3 bậc tự do).
Phương án điện
2.2.1 Lựa chọn loại động cơ
- Yêu cầu: Xe chạy không tải với số vòng quay đủ đáp ứng cho vận tốc tham chiếu là 1.5 m/s
Xe chạy không tải không cần công suất lớn, do đó nhóm đã quyết định sử dụng động cơ DC có gắn Encoder để điều khiển vận tốc.
Khi lựa chọn động cơ cho xe, việc sử dụng động cơ 24V yêu cầu dung lượng pin lớn hơn so với động cơ 12V Để tối ưu hóa khối lượng xe, giúp xe đạt tốc độ nhanh và giảm lực quán tính, nhóm đã quyết định chọn động cơ DC 12V có gắn encoder.
- Yêu cầu: Thời gian đáp ứng nhỏ hơn 1ms, khối lượng xử lý không quá lớn vì nhóm sử dụng vi điều khiển
- Kết luận: Chọn cảm biến Transistor quang với đạt giá trị xác lập nhanh, có thể đạt
Phương án điều khiển
- Yêu cầu: Phục vụ mục đích học tập Dễ kiểm tra lỗi và phân chia module
Nhóm đã quyết định áp dụng phương án điều khiển phân cấp nhằm phân chia module cho từng thành viên, đồng thời tạo điều kiện học hỏi về cách truyền nhận thông tin giữa các master và slave.
THIẾT KẾ CƠ KHÍ
Yêu cầu
- Xe có kết cấu nhỏ gọn, không rung lắc
- Xe có khả năng chạy với vận tốc tối đa 1.5 m/s
- Xe không bị lật khi đi qua các đoạn cong của đường line với bán kính cong R 500mm.
Lựa chọn bánh xe
Trong quá trình nghiên cứu kích thước bánh xe của các loại xe đua, nhóm đã quyết định sử dụng bánh xe cao su thông thường với đường kính 65mm để thực hiện các phép tính.
Chọn động cơ
Phân tích các lực tác dụng lên bánh xe
- Thời gian để đạt được Vmax : t = 1(s)
Lực cần để đẩy xe : F + Fmsl = mmax.a
Lực motor trái và motor phải : Ft = Fp = F/2 = 0,53(N)
Công suất động cơ : P = Ft v = 0,53.1,5 = 0,8(W)
- Kiểm tra điều kiện để xe không bị trượt:
→ Vậy việc chọn lựa ban đầu là thỏa mãn
- Dựa vào các thông số trên, và theo tìm hiểu trên thị trường ta có một số động cơ như phù hợp như sau:
Namiki DC 12V Coreless Servo Motor Điện áp 12V
Momen xoắn 6,3 mNm Đường kính động cơ 22 mm
Mitsumi Motor Encoder 334 Điện áp 31V
Dòng có tải lớn nhất 3,5 A
Encoder 334 xung/vòng Đường kính động cơ 25,5 mm
Chiều dài động cơ 55 mm Động cơ DC servo Miniature 16G88 Điện áp 12V
Chiều dài 50 mm Động cơ DC Servo Escap Điện áp 12V
Tính toán khoảng cách giữa 2 bánh xe chủ động
Mục tiêu: Đặt bài toán xe đang chạy qua khúc cong có bán kính R = 500mm, với vận tốc
1,5 m/s Tìm khoảng cách nhỏ nhất giữa 2 bánh xe chủ động để xe không bị lật
Phân tích lực tác dụng lên xe trong đoạn cong
Dựa trên việc ước lượng kích thước các thành phần của xe, chiều cao của xe được xác định là 60 mm Điểm G (trọng tâm xe) được ước lượng nằm cách mặt đất 40 mm, trong khi b là khoảng cách giữa hai bánh xe chủ động.
Flt là lực ly tâm được tạo ra khi xe qua khúc cong
- Để xe không bị lật thì:
Thiết kế thân robot
Dựa vào hình dáng của một số xe đua, chúng tôi chọn thiết kế xe có dạng hình chữ nhật với gầm thấp Khoảng cách từ cảm biến đến mặt đất nhỏ, vì vậy xe được chia thành hai tầng: tầng dưới chứa động cơ, driver, vi điều khiển master và vi điều khiển đọc cảm biến; tầng trên dành cho vi điều khiển điều khiển động cơ và nguồn.
Tham khảo kích thước của các linh kiện trên thân xe, ta bố trí các linh kiện trên xe như hình vẽ thì được kích thước xe như hình 3.3.
Bản vẽ chi tiết và bản vẽ lắp
(Tham khảo trong bản vẽ cơ khí)
Bố trí các linh kiện ở tầng dưới xe dò line
PHẦN ĐIỆN
Lựa chọn driver
+ Cấp đủ dòng, áp để động cơ hoạt động theo mong muốn
+ Có khả năng chống nhiễu tốt
+ Đáp ứng được tần số xung PWM từ vi điều khiển
+ Kích thước nhỏ gọn, phù hợp lắp trên xe đua
- Thử nghiệm với driver TB6612:
+ Tìm khoảng tuyến tính giữa tốc độ động cơ và PWM (12V):
Bảng 1: Tốc độ động cơ theo PWM (0-1023)
1023 520 1023 520 Đồ thị giữa tốc độ động cơ theo PWM – DC motor #1
21 Đồ thị giữa tốc độ động cơ theo PWM – DC motor #2
+ Ta thấy quan hệ giữa tốc độ và xung PWM là tuyến tính đối vs cả hai động cơ + Hệ số góc của DC motor #1 và DC motor #2 là 0,51
- Tìm hàm truyền của khối động cơ – driver:
22 Đồ thị đáp ứng của vận tốc ứng với PWM = 1000 – DC motor #1
23 Đồ thị đáp ứng của vận tốc ứng với PWM = 1000 – DC motor #2
- Coi hệ thống gồm driver và động cơ là hệ bậc nhất, ta có hàm truyền của hệ thống này có dạng như sau:
- Với K = 0.51 là hệ số góc đã tìm được ở trên
- Mặt khác ta cũng có:
24 Đồ thị đáp ứng của hệ bậc nhất
- Ứng với 95% ta có t = 3T, ta lần lượt tìm được :
- Vậy hàm truyển lần lượt của khối driver và DC motor #1 và DC motor #2 lần lượt là :
Thiết kế bộ điều khiển PID cho khối driver và động cơ
Sơ đồ khối hệ thống driver và động cơ
- Yêu cầu thiết kế bộ điều khiển PID:
Sử dụng công cụ PID tuner trong Matlab ta tính được hệ số PID như sau:
0008s+1 Tính hệ số PID DC motor #1 bằng Matlab ta có:
0.0073s+1 Tính hệ số PID DC motor #2 bằng Matlab ta có:
Do sai số trong quá trình tính toán hàm truyền, việc hiệu chỉnh hệ số PID là cần thiết để đáp ứng yêu cầu thực tế Kết quả của quá trình hiệu chỉnh này sẽ được trình bày dưới đây.
- Kết quả thực nghiệm như sau:
26 Đồ thị đáp ứng của vận tốc với input là 400 rpm – DC motor #1
27 Đồ thị đáp ứng của vận tốc với input là 400 rpm – DC motor #1
Thiết kế cảm biến
+ Thời gian đáp ứng: nhỏ hơn 0,01 (s)
+ Khoảng chiều rộng cần xác định vị trí: 120 (mm)
Mạch điện 1 cảm biến TCRT5000 gồm 1 bộ phát là Diode hồng ngoại và 1 bộ thu là Phototransistor như sau:
- Giá trị R1 tính theo công thức:
VF là điện áp giữa A và K bằng 1,25 (V)
IF là cường độ dòng điện chạy qua bộ phát hồng ngoại, IF không được vượt quá 60 (mA)
Khoảng cách từ cảm biến đến mặt đường được ký hiệu là d, trong khi L1 đại diện cho khoảng cách giữa hai cảm biến kề nhau Để xác định vị trí, chiều rộng cần thiết là L = 90 mm, và n là số lượng cảm biến, với điều kiện n ≥ L.
Theo [14] , d có thể chọn trong đoạn [0,2; 15] (mm), chọn d = 10 (mm)
Khi cảm biến ở trên nền trắng, dòng điện qua Phototransistor IC đạt giá trị Icw Ngược lại, khi cảm biến chuyển sang nền đen, dòng điện giảm xuống còn Icb Quá trình di chuyển từ nền trắng sang nền đen khiến giá trị Ic giảm từ Icw xuống Icb.
Khoảng cách x được xác định từ lúc dòng điện Ic bắt đầu giảm từ Icw đến khi đạt Icb Khi cảm biến đầu tiên di chuyển từ nền trắng vào nền đen trong quãng đường x, nếu tiếp tục di chuyển, giá trị analog sẽ không thay đổi, dẫn đến việc không xác định được vị trí đường line Để khắc phục tình trạng này, cần bố trí cảm biến tiếp theo sao cho khi cảm biến trước di chuyển hết quãng đường x, cảm biến tiếp theo sẽ bắt đầu vào vùng có giá trị analog thay đổi.
Ta tiến hành thực nghiệm và có kết quả L 1 = 15 (mm)
Giá trị analog của cảm biến có thể khác nhau ngay cả trong cùng một điều kiện, do đó cần phải thực hiện quy trình calib cảm biến theo công thức: y jo = y min + y max - y min (x max,i - x min,i)(x ij - x min,i) Trong đó, x max,i và x min,i đại diện cho giá trị lớn nhất và nhỏ nhất của cảm biến thứ i khi nó được đặt trên nền đen và nền trắng Giá trị y max và y min là các giá trị mong muốn mà cảm biến cần đạt được, trong khi x ij là giá trị thứ j của cảm biến thứ i và y jo là giá trị đã được calib của cảm biến đó.
Sử dụng bộ chuyển đổi ADC độ phân giải 1023/5V, ta có kết quả như sau:
- Xác định vị trí tâm đường line
Theo [2], các cảm biến x 0 , x 1 , x 2 , x 3 , x 4 , x 5 , x 6 , x 7 , x 8 tương ứng với các tọa độ -4, -3, -2, -1, 0, 1, 2, 3, 4, giá trị trả về của các cảm biến tương ứng là y 0 , y 1 , y 2 , y 3 , y 4 , y 5 , y 6 , y 7 , y 8 như hình vẽ sau:
Tọa độ các cảm biến
- Tọa độ tâm đường line xác định như sau: x=∑ n-1 i=0 x i y i
Ta tiến hành thực nghiệm và có kết quả sau:
31 Đồ thị quan hệ giữa giá trị tính toán và giá trị thực của vị trí tâm đường line so với tâm cảm biến
Sử dụng hàm polyfit trongMatlab, ta có hàm xấp xỉ sau: y = 1,4907x – 0,8251
Từ đó ta có sai số tuyệt đối:
32 Đồ thị quan hệ giữa vị trí tâm đường line và sai số tuyệt đối
Sai số lớn nhất: emax = 4,65 (mm)
Lựa chọn pin
Bảng công suất tiêu thụ của các thiết bị điện trên xe:
Tên thiết bị Dòng tiêu thụ (A) Số lượng Tổng cộng
Tổng dòng tiêu thụ của xe: 4.04 A
Thời gian hoạt động dự kiến: 2 giờ
4 viên mắc nối tiếp có tổng áp là 14,8 V, tổng dung lượng là 14,8 Ah
Từ các thiết kế, lựa chọn các phần tử điện, ta có sơ đồ khối chung cho toàn hệ thống
Sơ đồ khối hệ thống điện
PHẦN ĐIỀU KHIỂN
Các thông số
- Vận tốc tối đa của xe: 1,5 m/s
- Số xung encoder: 374 xung/vòng
- Đường kính bánh xe: 65 mm
- Số cảm biến: 9 cảm biến
Sơ đồ khối chung của hệ thống điều khiển
Để hỗ trợ việc debug chương trình hiệu quả, chúng ta phân chia nhiệm vụ cho từng vi điều khiển, mỗi vi điều khiển đảm nhận một chức năng riêng Cách này giúp việc viết và sửa chương trình trở nên dễ dàng hơn.
Driver phải Động cơ trái Động cơ trái Động cơ phải Động cơ phải
- Nhận tín hiệu từ các cảm biến, từ đó tính ra vị trí hiện tại của cảm biến so với đường line
- Gửi giá trị vị trí cảm biến so với đường line tới Master
- Nhận giá trị vị trí cảm biến từ Slave 1
Dựa trên giá trị vị trí của cảm biến, chúng ta tính toán vận tốc mong muốn cho bánh trái và bánh phải, rồi gửi các giá trị vận tốc này đến Slave 2 và Slave 3.
- Nhận giá trị vận tốc mong muốn của bánh trái từ Master
- Nhận tín hiệu từ Encoder trái, từ đó tính ra vận tốc hiện tại của bánh trái
- Dùng giải thuật điều khiển PID để tính toán PWM nhằm điều khiển bánh trái quay với vận tốc mong muốn
- Nhận giá trị vận tốc mong muốn của bánh phải từ Master
- Nhận tín hiệu từ Encoder phải, từ đó tính ra vận tốc hiện tại của bánh phải
- Dùng giải thuật điều khiển PID để tính toán PWM nhằm điều khiển bánh phải quay với vận tốc mong muốn.
Chọn vi điều khiển
Có tối thiểu 9 chân đọc tín hiệu Analog
Tổng thời gian chuyển đổi tín hiệu Analog của 9 kênh nhỏ hơn thời gian lấy mẫu (0,01s)
Chọn vi điều khiển PIC16F887 [3] với các thông số sau:
14 chân đọc tín hiệu Analog
Tần số hoạt động khi có nguồn thạch anh: 20 MHz
Theo [3], với hệ số prescaler 32, chu kỳ xung clock của bộ ADC là: f ADC 10 6
Thời gian chuyển đổi tín hiệu của 1 kênh là: t 1 1 f ADC 1
156250=7,04.10 -5 (s) Thời gian chuyển đổi tín hiệu của 9 kênh là: t=9t 1 =9.7,04.10 -5 =6,336.10 -4 (s)