BÁO cáo đồ án môn cơ điện tử NGHIÊN cứu, THIẾT kế ROBOT dò LINE

Trong khuôn khổ môn học Đồ án môn học thiết kế hệ thống CĐT với đề tài thiết kế robot dò line, chúng em tin tưởng rằng với những kết quả có được từ việc tìm hiểu và tính toán trong bài t

BÁO CÁO ĐỒ ÁN MÔN CƠ ĐIỆN TỬ NGHIÊN CỨU, THIẾT KẾ ROBOT DÒ LINE

Giáo viên hướng dẫn: TS Nguyễn Văn A

MỞ ĐẦU 7

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ ROBOT THÔNG MINH 8

1.1- KỶ NGUYÊN CỦA ROBOT THÔNG MINH 8

1.2- CHIẾN LƯỢC PHÁT TRIỂN CÔNG NGHIỆP ROBOT CỦA CÁC QUỐC GIA 10

1.2.1- Tại các nước trên thế giới 10

1.2.2- Nghiên cứu robot ở Việt Nam 12

1.3- GIỚI THIỆU ROBOT DÒ LINE 13

1.4- SƠ LƯỢC CÁC BƯỚC THỰC HIỆN 14

CHƯƠNG 2: MÔ HÌNH ĐỘNG HỌC, ĐỘNG LỰC HỌC ROBOT DÒ LINE 16

2.1 TÍNH TOÁN ĐỘNG HỌC 16

2.2 TÍNH TOÁN ĐỘNG LỰC HỌC 18

CHƯƠNG 3: THIẾT KẾ HỆ THỐNG CƠ KHÍ ROBOT DÒ LINE 24

3.1- LỰA CHỌN CÁC PHƯƠNG ÁN THIẾT KẾ 24

CHƯƠNG 4: THIẾT KẾ HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN XE DÒ LINE 31

4.1 KIT ĐIỀU KHIỂN ARDUINO NANO 31

4.2- MODULE ĐIỀU KHIỂN ĐỘNG CƠ TB6612 34

4.3- HỆ THỐNG DÒ ĐƯỜNG 39

4.4- SƠ ĐỒ KHỐI ROBOT DÒ LINE 45

4.5- SƠ ĐỒ MẠCH THIẾT KẾ ALTIUM 45

4.6- CODE ĐIỀU KHIỂN 48

CHƯƠNG 5- MÔ PHỎNG CHUYỂN ĐỘNG CỦA XE DÒ LINE 50

5.1- GIỚI THIỆU CÔNG CỤ MÔ PHỎNG VÀ ỨNG DỤNG 50

5.2- MÔ PHỎNG XE DÒ LINE 51

LỜI KẾT 61

DANH SÁCH TÀI LIỆU THAM KHẢO 63

PHỤ LỤC 1 64

Hình 1.3- Robot dò line của Nhật Bản 14

Hình 2.1- Hệ tọa độ robot 16

Hình 2.2- Mô hình phân tích lực bánh chủ động của robot 18

Hình 2.3- Cấu tạo động cơ giảm tốc vàng 23

Hình 3.1: Sơ đồ nguyên lý mô hình xe dò line 28

Hình 3.2- Bản vẽ 3D xe dò line 29

Hình 3.3- Bản vẽ 2D xe dò line 30

Hình 4.1- Kit Arduino Nano với vi điều khiển ATEMEGA328P 31

Hình 4.2- Sơ đồ chân Arduino Nano 32

Hình 4.3- Module điều khiển động cơ TB6612 36

Hình 4.4- Mô hình mạch cầu H 37

Hình 4.5- Động cơ quay thuận 38

Hình 4.6- Động cơ quay nghịch 38

Hình 4.7- Cảm biến hồng ngoại 41

Hình 4.8- Nguyên lí hoạt động của cảm biến hồng ngoại 42

Hình 4.9- Sơ đồ thiết kế cảm biến hồng ngoại 43

Hình 4.10- Sơ đồ nguyên lí module dò line tự thiết kế 43

Hình 4.11- Sơ đồ đấu nối chân trong mạch 2D 44

Hình 4.12- Hình 3D module dò line tự thiết kế 2 mặt trên, dưới 44

Hình 4.13- Sơ đồ khối nguyên lí hoạt động robot dò line 45

Hình 4.14- Phần mềm thiết kế mạch Altium 45

Hình 4.15- Sơ đồ mạch nguyên lí của mạch điều khiển 46

Hình 4.16- Mạch 2D PCB 47

Hình 4.17- Mạch 3D PCB 47

Hình 4.18- Lưu đồ thuật toán 49

Hình 5.1- Phần mềm MATLAB 50

Hình 5.2- Biên dạng hoạt động của robot 50

Hình 5.3- Sơ đồ nguyên lý động cơ điện DC 51

Hình 5.4- Sơ đồ khối mạch điện phần ứng 52

Hình 5.5- Sơ đồ khối phần momen điện từ 52

Hình 5.6- Sơ đồ khối phần cần bằng momen trên động cơ 53

Hình 5.7- Sơ đồ khối động cơ với tín hiệu vào điện áp và tín hiệu ra vận tốc 54

Hình 5.8- Sơ đồ khối động cơ với tín hiệu vào điện áp và tín hiệu ra góc quay 55

MỞ ĐẦU

Trong cuộc sống ngày nay, Robot mang tới cho cuộc sống con người một cuộc sống mới, một cách trải nghiệm cuộc sống và đôi khi còn là người bạn Những hãng Robot (RB) từ các nước nổi tiếng trên thế giới từ Đức, Nhật bản, Nga, Mỹ ngày một khẳng định

sự hiện diện của RB là phần không thiếu trong cuộc sống hiện nay và tương lai của phía trước Nó xuất hiện ở tất cả các lĩnh vực từ khoa học vĩ mô cho tới vi mô và ngày một đa dạng.

Trong khuôn khổ môn học Đồ án môn học thiết kế hệ thống CĐT với đề tài thiết kế

robot dò line, chúng em tin tưởng rằng với những kết quả có được từ việc tìm hiểu và tính toán trong bài tiểu luận này sẽ là bước đệm quan trọng cho việc phát triển nhiều hơn nữa những ý tưởng trong tương lai về tính toán và thiết kế các loại Robot thông minh Với bố cục gồm:

1- Tổng quan về Robot thông minh, giới thiệu đề tài robot dò line;

2- Tính toán các bài toán chuyển động của robot;

3- Xây dựng mô hình cơ khí cho robot dò line bằng SolidWorks;

4- Xây dựng mạch điều khiển, thuật toán và giải thuật điều khiển;

5- Mô phỏng hoạt động bằng Matlab.

Từ các tính toán ở chương 2, nhóm sẽ đề xuất mô hình thiết kế hệ thống cơ khí và điều khiển cho robot dò line bằng một số phần mềm đồ họa mô phỏng.

Nhóm chân thành gửi lời cảm ơn tới thầy Nguyễn Văn A, cảm ơn thầy vì những đóng góp qua những bài giảng và những hướng dẫn trong quá trình trao đổi ở các buổi gặp mặt Những góp ý, sửa chữa của thầy sẽ phần nào giúp chúng em tự tin hơn trong cách thức tiếp cận với nền công nghiệp 4.0 hiện nay Mặc dù đã có những sự chuẩn bị của em hoặc cũng có thể kiến thức em mang đến trong bài báo cáo này con sai sót và chưa đúng; chúng em rất mong có được sự bổ sung, sửa chữa từ thầy cô và các bạn.

Chúng em chân thành cảm ơn và chúc thầy sức khoẻ!

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ ROBOT THÔNG MINH

Cùng với sự tiến bộ của công nghệ thông tin, robot hiện nay đã trở nên thông minh hơn thế hệ robot truyền thống Chúng đóng vai trò ngày càng quan trọng trong sản xuất thông minh, hệ thống vận chuyển thông minh, internet vạn vật, dịch vụ thông minh và sức khỏe y tế Trong thời gian tới, robot thông minh sẽ tiếp tục được tích hợp mở rộng nhiều công nghệ tiên tiến nhất như: cộng tác người - robot, truyền động tích hợp thông minh, nhận biết cảm xúc, giao diện máy tính - bộ não, mạng dữ liệu lớn, phần mềm sinh học và nền tảng đám mây

1.1- KỶ NGUYÊN CỦA ROBOT THÔNG MINH

Năm 2015 chính thức đánh dấu sự ra đời của robot thông minh cùng với sự nổi lên của trí tuệ nhân tạo Như vậy, công nghệ robot, công nghệ thông tin, công nghệ truyền thông

và trí thông minh nhân tạo chắc chắn sẽ được tích hợp sâu sắc hơn Robot đang chào đón một kỷ nguyên thông minh mới sau một thời gian dài dừng chân tại thời kỳ của kỹ thuật điện và kỹ thuật số Toàn bộ quá trình thay đổi này cho thấy ba điều sau: trước tiên, các công nghệ công nghiệp truyền thống như bộ điều khiển, động cơ servo và bộ giảm tốc đã chuyển đổi thành công nghệ trí thông minh nhân tạo như thị giác máy tính, xử lý ngôn ngữ tự nhiên và học sâu; thứ hai, robot đang thu hút sự quan tâm từ cả những người sử dụng trong công nghiệp và thương mại, trong hộ gia đình và mỗi cá nhân, chứng tỏ robot ngày càng hòa nhập sâu rộng vào xã hội loài người; thứ ba, mối quan hệ qua lại độc lập giữa người và robot được thay thế bởi sự tương tác chặt chẽ.

Robot thông minh là một hệ thống máy được cải thiện về khả năng nhận thức, ra quyết định và thực thi nhiệm vụ theo cách toàn diện hơn so với robot truyền thống Chúng có thể mô phỏng ứng xử, cảm xúc và suy nghĩ giống người Với một “bộ não” thông minh, robot có thể thực hiện theo chỉ dẫn của người vận hành, sau đó hoàn thành nhiều nhiệm

vụ đã được lập trình trước, tự học và nâng cấp ứng xử của chúng trong lúc tương tác với con người Thực tiễn cho thấy, vai trò của robot thông minh trong cuộc sống xã hội và

sản xuất sẽ ngày càng trở nên quan trọng Xuất phát từ môi trường ứng dụng, có thể phân chia robot thông minh thành các loại robot sau:

Xe tự dẫn hướng (AGV) được trang bị thiết bị dẫn hướng tự động là cảm biến điện từ hoặc quang, có thể di chuyển dọc theo đường dẫn biết trước đảm bảo an toàn, và có thể hoàn thành nhiều công việc vận chuyển.

Hình 1.1- Hệ thống xe AGV trong nhà máy

Robot dịch vụ trong nhà: ví dụ như robot quét và lau cửa sổ, có thể làm việc giống trợ

lý giúp việc trong hộ gia đình Chúng cũng có khả năng tìm kiếm thăm dò, tự động lập kế hoạch đường đi và tránh vật cản Nhiều loại robot dịch vụ khác, như robot xã hội hóa gia đình, robot bầu bạn, robot trợ lý di động, robot huấn luyện thú cưng, đều có khả năng tương tác với người, cũng như hoàn thành các nhiệm vụ được giao, chăm nom người già

và trẻ nhỏ, nhắc nhở sự kiện và tuần tra nhà Bên cạnh đó, còn có robot giao tiếp cảm xúc, robot giáo dục trẻ nhỏ, robot nền học thông minh, UAV cá nhân, robot di động cá nhân được hỗ trợ thêm công nghệ tương tác giọng nói cho phép tương tác giao tiếp và cảm nhận cảm xúc của con người Nhiều robot dịch vụ thương mại, bao gồm cả robot nhận thức, robot hướng dẫn mua hàng, robot nấu ăn, robot văn phòng, robot an ninh có thể tùy biến dịch vụ cá nhân theo tình huống ứng dụng cụ thể và hoàn thành nhiều nhiệm

vụ như quảng cáo, cung cấp chỉ dẫn, tư vấn hỗ trợ, trợ lý công việc văn phòng, thực hiện tuần tra an ninh

Hình 1.2- Robot an ninh

Robot chuyên dụng (hay còn gọi là robot đặc biệt): là những robot ứng dụng cho môi trường đặc biệt Chúng có thể hỗ trợ để hoàn thành nhiều nhiệm vụ trong môi trường nguy hiểm và hỗn loạn hoặc công việc yêu cầu độ chính xác cao Ví dụ: robot y học cung cấp giải pháp tiên tiến để điều trị phẫu thuật và phục hồi chức năng, chúng giảm thiểu những khó khăn của điều trị và khám bệnh, đồng thời rút ngắn thời gian hồi phục, như robot phẫu thuật, robot chỉnh hình, robot nội soi, robot phục hồi chức năng, bộ phận giả thông minh, robot phục vụ người cao tuổi và robot điều dưỡng Robot quân sự (trinh sát

do thám, phá mìn, UAV ) đã có một lịch sử phát triển dài và đã được đưa vào chiến trường để vận chuyển nguyên vật liệu, tìm kiếm và khảo sát, tấn công mục tiêu, cứu hộ, chống khủng bố Liên quan tới mục đích khám phá còn có robot không gian, robot dưới nước, robot đường ống là những loại robot có thể thực hiện nhiều nhiệm vụ khó khăn thay cho con người Ngoài ra, còn một số dạng robot cho nghiên cứu khoa học và ứng dụng mũi nhọn như robot nano, robot sinh học, robot bầy đàn

Công nghệ robot là một công nghệ phức tạp và tiên tiến liên quan đến đa lĩnh vực và liên ngành, bao gồm cơ khí - điện tử, điều khiển tự động, công nghệ cảm biến, công nghệ máy tính, vật liệu mới, công nghệ sinh học và trí thông minh nhân tạo (sẽ còn tiếp tục được tích hợp mở rộng) Nó được công nhận là một lĩnh vực công nghệ cao có ảnh hưởng quan trọng tới sự phát triển của những công nghệ đang nổi trong tương lai Như là một một nền tảng công nghệ quan trọng, nó không chỉ hỗ trợ chủ đạo cho phát triển sản xuất tiên tiến, mà còn giúp mang tới cho cuộc sống nhiều biến đổi đột phá.

1.2- CHIẾN LƯỢC PHÁT TRIỂN CÔNG NGHIỆP ROBOT CỦA CÁC QUỐC

GIA 1.2.1- Tại các nước trên thế giới

Công nghiệp robot thông minh là một tiêu chuẩn quan trọng để đánh giá mức độ tân tiến về công nghệ và cấp độ sản xuất cao nhất của một quốc gia Để nắm bắt cơ hội phát triển và chiếm vị thế cạnh tranh mũi nhọn trong lĩnh vực này, những nền kinh tế chủ lực trên thế giới đã liên tục đề ra các chiến lược phát triển công nghiệp robot Một số quốc gia đầu tư sớm đã thu được nhiều thành quả xứng đáng như: Hoa Kỳ, một số quốc gia châu Âu, Nhật Bản, Hàn Quốc

Hoa Kỳ:

Là quốc gia đầu tiên phát triển và xúc tiến đẩy mạnh ứng dụng robot, nước này hiện đang giữ vai trò dẫn đầu trong công nghệ robot thông minh Năm 2011, Hoa Kỳ đã bắt đầu thực hiện kế hoạch Chung tay cùng sản xuất tiên tiến (Advanced Manufacturing Partnership - AMP), trong đó tuyên bố tiếp sức cho công nghiệp sản xuất bằng robot, phát triển một thế hệ robot thông minh mới dựa trên việc khai thác thế mạnh của công nghệ thông tin, đồng thời đầu tư 70 triệu USD cho nghiên cứu những robot thế hệ tiếp theo Cùng năm đó, Trường Đại học Carnegie Mellon đã khởi công kế hoạch robot quốc gia (National Robot Plan), nhắm mục tiêu giúp Hoa Kỳ giữ vững vai trò dẫn đầu trong giai đoạn kế tiếp của công nghệ robot và ứng dụng Năm 2013, nước này phát hành cuốn

“The Robot Roadmap: From Internet to robot”, đặt robot vào vị trí quan trọng ngang bằng với internet thế kỷ XX, và nhấn mạnh tầm quan trọng của công nghệ robot trong sản xuất và sức khỏe y tế Phiên bản mới nhất của “The Robot roadmap” đã được phát hành năm 2016, đưa ra hướng dẫn về chính sách và kỹ thuật cho việc ứng dụng robot trong thiết bị lặn không người lái, cộng tác người - robot và giáo dục chăm sóc sức khỏe Trong cùng năm, kế hoạch robot quốc gia 2.0 đã được thực hiện, nhằm tạo ra hàng loạt robot cộng tác giúp thiết lập một mối quan hệ cộng sinh giữa robot và con người.

Châu Âu:

Tại đây, đổi mới công nghệ robot đã và đang là một lĩnh vực chủ đạo được ưu tiên, được đưa vào các chương trình nghị sự cũng như kế hoạch nghiên cứu phát triển của khu

vực Năm 2013 “Kế hoạch công nghiệp 4.0” của Đức cũng dự định duy trì vai trò tiên phong của họ trong công nghiệp chế tạo, đồng thời coi công nghệ sản xuất thông minh và công nghệ robot như là sự khởi đầu của cách mạng công nghiệp mới Trong năm đó, Pháp đã đầu tư 129,6 triệu USD vào công nghiệp robot với mục đích tạo điều kiện thuận lợi cho phát triển bền vững của công nghiệp robot

Nhật Bản:

Là một cường quốc robot, Nhật Bản đã đề ra chiến lược phát triển dài hạn cho ngành công nghệ này Chính phủ Nhật Bản dự tính đổ nhiều tiền cho phát triển công nghiệp robot, đưa lĩnh vực này trở thành một trụ cột quan trọng hỗ trợ tăng trưởng kinh tế quốc gia Tháng 6/2014, Chiến lược phục hồi Nhật Bản đã được đề xuất với mục tiêu phát động một cuộc cách mạng công nghiệp mới được vận hành bởi robot Tiếp đó, Ủy ban cải cách robot được thành lập, phát triển robot công nghiệp được đưa vào danh sách 3 nhiệm vụ chủ đạo trong thế kỷ mới Năm 2015, Chiến lược mới về robot đã được ban hành, nhằm tích hợp sâu robot với công nghệ máy tính, dữ liệu lớn, mạng và trí thông minh nhân tạo, với chủ đích tạo ra một nền công nghiệp robot đẳng cấp thế giới, xây dựng một xã hội ứng dụng robot và trở thành nước dẫn đầu về robot thông minh trong thời đại mới.

Ngoài ra, một số quốc gia đã và đang âm thầm xây dựng chiến lược phát triển phù hợp với mục đích của họ, ví dụ như Trung Quốc - quốc gia hiện đang sử dụng robot công nghiệp nhiều nhất trên thế giới.

1.2.2- Nghiên cứu robot ở Việt Nam

Tại Việt Nam, nghiên cứu phát triển robot đã và đang được triển khai ở hầu hết các trường đại học, viện nghiên cứu trong cả nước Trong đó, nổi bật ở Hà Nội là Trường Đại học Bách khoa Hà Nội, Viện Công nghệ thông tin, Viện Cơ học (Viện Hàn lâm Khoa học và Công nghệ Việt Nam), Học viện Kỹ thuật Quân sự, Viện Nghiên cứu Điện tử, Tin học và Tự động hoá; ở TP Hồ Chí Minh là Trường Đại học Bách khoa, Trường Đại học

Sư phạm Kỹ thuật, Viện Cơ học và Tin học Ứng dụng, Phân viện Nghiên cứu điện tử, Tin học và Tự động hóa, Trung tâm Nghiên cứu và Phát triển (Khu Công nghệ cao TP

Hồ Chí Minh) Đội ngũ nhà khoa học đã quan tâm và tập trung giải quyết một số vấn đề liên quan tới hệ thống robot như thiết kế tối ưu, động học, động lực học, điều khiển, thiết

kế phần cứng, lập trình phần mềm song những nghiên cứu này phần lớn liên quan tới vấn đề học thuật, tạo cơ sở khoa học làm nền tảng ban đầu cho giai đoạn phát triển robot tiếp theo Nhìn chung, nghiên cứu và ứng dụng robot ở Việt Nam vẫn còn nhiều hạn chế, nổi bật là những vấn đề sau:

- Đào tạo nguồn nhân lực và nghiên cứu chuyên sâu về robot còn yếu và thiếu, như thiếu mô hình robot vật lý, thiết bị cho thí nghiệm, thử nghiệm Kết quả thi Robocon của sinh viên Việt Nam so với sinh viên nước bạn là đáng ghi nhận, nhưng điều này chỉ phản ánh được phần nào về mặt ý tưởng.

- Robot được chế tạo tại Việt Nam còn rất ít và hầu hết sử dụng công nghệ cũ của thế giới, chưa có đủ khả năng làm chủ công nghệ cũng như phát triển công nghệ phù hợp.

- Robot công nghiệp đã được quan tâm nghiên cứu nhưng mới chỉ dừng ở việc đưa ra

mô hình và đi tìm thuật toán giải bài toán động lực học cho robot phục vụ điều khiển chuyển động, chưa chủ động được quá trình thiết kế và chế tạo robot đáp ứng yêu cầu cụ thể Nhiều vấn đề mới đang được quan tâm trên thế giới nhằm nâng cao kỹ năng động lực học và khả năng ứng xử thông minh giống con người cho robot chưa có điều kiện để nghiên cứu sâu ở Việt Nam như: vấn đề tránh vật cản, tránh điểm kỳ dị… và đặc biệt là vấn đề tương tác lực của robot với môi trường trong quá trình thực hiện nhiệm vụ chuyển động.

- Robot nói chung và robot công nghiệp thông minh nói riêng đang được sử dụng tại Việt Nam phần lớn được nhập khẩu Có rất ít công ty sản xuất và phân phối sản phẩm trong nước Nếu có thì hầu hết sản phẩm thuộc phân loại robot công nghiệp truyền thống, hạn chế về tính thông minh, bậc tự do, kỹ năng động lực học nâng cao

Xu hướng chuyển dịch sản xuất từ các nước phát triển sang các nước đang phát triển trong thập kỷ vừa qua, tất yếu làm gia tăng nhu cầu sử dụng robot công nghiệp ở thị trường các nước đang phát triển Tuy nhiên, việc hấp thụ công nghệ và sử dụng hệ thống robot công nghiệp hiện đại, đa năng tại doanh nghiệp vừa và nhỏ ở Việt Nam còn gặp

khó khăn về mặt chi phí (giá quá cao) và không hiệu quả về mặt ứng dụng (không sử dụng hết chức năng sẵn có của robot).

1.3- GIỚI THIỆU ROBOT DÒ LINE

Những loại robot tự động đang được đưa vào sử dụng hiện nay đều có thể làm việc suốt 24 giờ trong cả tuần và doanh nghiệp chẳng cần lo lắng chúng sẽ xin nghỉ phép hay nghỉ việc Các robot cũng tự động tuần tra theo tuyến đường và các chế độ đã lập trình sẵn mà không hề biết đến khái niệm lãn công hay tắc trách.

Đồng thời vì là máy móc nên chúng chịu được cường độ công việc cao hơn so với con người Ví dụ một nhân viên dịch vụ bảo vệ có thể đi tuần 7 lần/ngày thì robot lại có thể tuần tra 20 lần/ngày với quãng đường 24km, đặc biệt hữu dụng trong dịch vụ bảo vệ nhà máy hoặc những nơi có diện tích rộng.

Robot dò line được áp dụng trong cuộc sống khi có thể di chuyển để phát hiện những

sự cố bất thường ở các trạm tàu điện ngầm hoặc di chuyển theo line mang theo hàng hóa trong các khu công nghiệp.

Hình 1.3- Robot dò line của Nhật Bản

1.4- SƠ LƯỢC CÁC BƯỚC THỰC HIỆN

a) Đặt đầu bài

Xác định đầu bài với các số liệu cụ thể như sau:

- Độ chính xác bám line e max =±15 mm

- Bán kính cong nhỏ nhất ρ min =500mm ;

- Vận tốc di chuyển lớn nhất v max =1.5m/s

b) Phân tích và lựa chọn phương án

Đây là bước đầu tiên của quá trình thiết kế nhằm đưa ra hướng giải quyết vấn đề:

- Đề xuất phương án khả thi: cơ khí, điện, điều khiển

- Đánh giá và lựa chọn phương án thiết kế.

- Tìm hiểu và đánh giá các thiết bị trên thị trường để thực hiện phương án: động

cơ, vi điều khiển….

c) Thiết kế hệ thống điện – điện tử

Với các phương án điện đã chọn, tiến hành lựa chọn thông số và sử dụng các thiết bị, kết hợp các thiết bị thành một khối hoàn chỉnh Công việc bao gồm:

 Lựa chọn thông số vi điều khiển, các mô đun công suất và cảm biến.

 Sử dụng được các cảm biến của robot, thiết kế bộ điều khiển sử dụng hồi tiếp vận tốc để điều khiển động cơ.

d) Xây dựng giải thuật điều khiển

Tiến hành thiết kế các giải thuật điều khiển cho robot với các công việc sau:

 Thiết kế giải thuật tìm đường trên máy tính cho một hệ thống line cụ thể;

 Thiết kế giải thuật điều khiển robot tự hành để đáp ứng các yêu cầu.

e) Lập trình

Lập trình trên máy tính và vi điều khiển, các công việc gồm:

 Lập trình giao diện;

 Lập trình giải thuật tìm đường đi theo các đường line thiết lập sẵn;

 Nạp chương trình cho robot;

 Lập trình vi điều khiển trên robot;

f) Thực nghiệm và đánh giá kết quả

- Tiến hành thực nghiệm;

- Đánh giá kết quả thực nghiệm, nêu lên những hạn chế của giải thuật và mô hình.

CHƯƠNG 2: MÔ HÌNH ĐỘNG HỌC, ĐỘNG LỰC HỌC ROBOT DÒ LINE 2.1 TÍNH TOÁN ĐỘNG HỌC

Hình 2.1- Hệ tọa độ robot

Hệ tọa độ tuyệt đối ( hệ tọa độ gốc) là hệ tọa độ cố định được đặt trong môi trường và được biểu diễn bằng (X,Y) Hệ tọa độ tương đối ( hệ tạo độ robot) là hệ tọa độ gắn liền với robot và được biểu thị bằng ( X r , Y r ) Gốc của hệ tọa độ robot là P.

Vị trí robot so với hệ tọa độ robot được xác định bằng ma trận vị trí

Để chuyển đổi vị trí của robot từ hệ tạo độ tương đối ( P X r Y r ) sang hệ tọa độ tuyệt đối (OXY) ta sử dụng ma trận chuyển đổi R được xác định như sau:

Trong đó R(θ) là ma trận quay của robot quanh trục thẳng đứng, với:

Vận tốc tuyến tính của robot trong hệ tọa độ bằng trung bình vận tốc tuyến tính của hai bánh xe theo hệ tọa độ robot:

v R +v L

2 =R

φ R +φ L

2 Vận tốc góc của robot là:

ω= ˙v R + ˙v L

2 =R

˙φ R + ˙φ L

2 Các vận tốc của robot trong hệ tọa độ có thể biểu diễn dưới dạng các vận tốc của điểm trung tâm P trong khung robot như sau:

Với R = 0.0325 (m) : là bán kính bánh xe của robot;

L = 0.112 (m) : là khoảng cách giữa 2 bánh xe;

˙φ R , ˙φ L =0.4 : là vận tốc của bánh phải, trái của robot

Thay vào ta được:

Ma trận vận tốc theo hệ tuyệt đối được thể hiện như sau:

Với R = 0.0325 (m) là bán kính bánh xe của robot

L= 0.112 (m) : là khoảng cách giữa 2 bánh xe

˙φ R , ˙φ L =0.4(m/s) : là vận tốc của bánh phải, trái của robot

θ = 0 (độ): là góc quay của bánh xe Thay vào ta được:

˙q l = [ 0.0325

2 cos 0 0.0325 2 cos0

0 0325

2 sin 0 0.0325 2 sin 0 0.0325

2× 0.112 2× 0.112 0.0325 ] × [ 0.4

0.4 ] = [ 0.013

0 0.116 ]

Ma trận ˙q l còn được thể hiện theo vận tốc dài v và vận tốc ω theo công thức sau:

2.2 TÍNH TOÁN ĐỘNG LỰC HỌC

Phương pháp tiếp cận động năng Lagrange là một phương pháp phổ biến để xây dựng phương trình chuyển động cho các động cơ Phương pháp được phát minh bởi Lagrange.

Phương trình Lagrange được viết dưới dạng như sau:

Hình 2.2- Mô hình phân tích lực bánh chủ động của robot

Cấu trúc chuyển động của hệ gồm 2 bánh sau dẫn động và 1 bánh đa hướng phía trước dẫn hướng Vì vậy mọi chuyển động của robot phụ thuộc vào việc điều khiển vận tốc 2 bánh sau v wR và v wL

Ta có tổng động năng của robot:

Động năng tịnh tiến của thân xe:

Trong đó:

K tt : là động năng tịnh tiến của thân xe;

m t : là khối lượng thân xe;

v t : là vận tốc dài của xe;

Động năng của bánh xe:

Trong đó:

K b : là động năng của bánh xe;

J wR ,J wL : là momen quán tính của từng bánh xe;

Coi bánh xe là đĩa tròn mỏng thì:

R: là bán kính bánh xe;

m b : là khối lượng bánh xe;

v wR ,v wL : là vận tốc dài của 2 bánh xe;

Với v wR =0.4 m/s;

v wL =0.4 m/s;

m t =0,4kg;

m b =0.1kg Thay vào công thức, ta được:

Thế năng của robot:

Xét robot chạy trên mặt phẳng nên thế năng bằng 0.

Ngoại lực của robot:

Trong đó:

M dc : là momen do động cơ sinh ra;

M mst : là momen hao tổn trên trục;

M msl : là momen ma sát lăn;

R: là bán kính bánh xe;

G: là gia tốc trọng trường;

K: là hệ số ma sát bánh xe với mặt đường;

m t : là khối lượng thân xe;

m b : là khối lượng bánh xe;

¨φ w : là gia tốc góc của bánh xe (rad/s 2 );

a: là gia tốc dài (m/ s 2 );

V b ,V a : là vận tốc tại điểm A,B (m/s);

t: là thời gian di chuyển từ A đến B (s).

Thay số vào, ta được :

Tốc độ quay của động cơ:

n= n thựctế

0.8 =

ω.60 2π

0.8 =179(rpm) Công suất cho mỗi động cơ:

P= n M đc

9,55 ÷ 2=18(W )

Vì thế ta chọn động cơ có mô men lớn hơn số liệu tính toán trên

Bảng lựa chọn phương án cho động cơ

Động cơ bước

- Có thể điều khiển chính xác

vị trí theo bước.

- Hiện tượng trượt bước, muốn hồi tiếp cần gắn them encoder, lúc dừng tại 1 vị trí động cơ ngậm điện để giữ rotor.

- Tránh

Step DC,

- Hoạt động ở tốc

khiển phức tạp

Giá thành cao

độ cao, momen xoắn cao,

xác trong góc giới hạn, kiểm soát vị trí chính xác.

Động cơ

DC gắn encoder

- Tốc độ tỉ lệ với điện áp hiệu dụng, đặc tuyến torque/dòng tuyến tính, khả năng bị quá tải thấp Giá thành thấp

- Tản nhiệt kém

Động cơ giảm tốc vàng 3-9V

- Với giá thành

rẻ, dễ sử dụng nên chiếc động

cơ này được sử dụng rất nhiều với mô hình nghiên cứu các nghành kĩ thuật

- Chỉ dùng với các

mô hình nhỏ, tai trọng và momen thấp

Ta chọn Động cơ sau:

Hình 2.3- Cấu tạo động cơ giảm tốc vàng 3-9V

CHƯƠNG 3: THIẾT KẾ HỆ THỐNG CƠ KHÍ ROBOT DÒ LINE

3.1- LỰA CHỌN CÁC PHƯƠNG ÁN THIẾT KẾ

Đặc điểm và yêu cầu của xe:

- Xe di chuyển trên địa hình bằng phẳng, không có dốc nghiêng.

- Xe di chuyển với đường line liên tục không bị đứt đoạn.

- Các vị trí giao nhau trên sa bàn: A, B, D có thể rẽ theo yêu cầu.

Phương án thiết kế cơ khí:

Bảng 3.1: So sánh các ưu nhược điểm cho sơ đồ nguyên lý robot dò line

Phương án

Xe 2 bánh

2 bánh chủ động, không

có bánh bị

lý phương án 1

- Xe có kết cấu đơn giản, dễ thiết kế.

- Xe có khả năng xoay chuyển linh hoạt

- Gặp khó khăn trong vấn đề vừa bám line, vừa tự cân bằng xe.

- Khó phân bố đều tải trọng.

- Xe di chuyển

với tốc độ thấp.

Xe 3 bánh

Xe 2 bánh chủ động đặt phía sau, 1 bánh bị động đặt phía trước

Sơ đồ nguyên lý phương án 2a

- Ba bánh xe luôn đồng phẳng, đảm bảo cả ba bánh

xe đều tiếp xúc với mặt đất.

- Kết cấu cơ khí đơn giản.

- Khả năng qua cua dễ dàng.

- Lực cản nhỏ

- Dễ bị văng khỏi đường line khi có lực nhỏ tác dụng vào bánh bị động ở phía trước.

- Qua cua dễ bị lật khi mang tải nặng.

2 bánh chủ động đặt phía trước, 1 bánh

bị động đặt phía sau

Sơ đồ nguyên lý phương án 2b

- Ba bánh xe luôn đồng phẳng, đảm bảo cả ba bánh

xe đều tiếp xúc với mặt đất.

- Khó bị văng ra khỏ đường line

- Qua cua dễ bị lật khi mang tải nặng.

hơn so với bánh bị động ở phía trước.

- Kết cấu cơ khí đơn giản.

- Khả năng qua cua dễ dàng.

Xe 4 bánh

2 bánh chủ động và 2 bánh bị động

Sơ đồ nguyên lý phương án 3a

- Xe có kết cấu

cơ khí đơn giản.

- Do có 4 bánh nên không bị lật khi đi qua cua.

- Không đảm bảo 4 bánh xe luôn tiếp xúc với mặt đất.

- Qua cua tốc

độ thấp do có 2 bánh bị động nên kém linh hoạt.

2 bánh chủ động và 2 bánh trước

có hệ thống treo

Sơ đồ nguyên lý phương án 3b

- Xe bẻ lái dễ dàng khi qua cua.

- Không bị lật khi mang tải nặng.

- Bốn bánh xe luôn đồng phẳng do có hệ

- Kết cấu cơ khí phức tạp, khó chế tạo.

- Khó điểu khiển.

28

- Chịu tải trọng tốt, không bị lật khi qua cua.

- Điểu khiển phức tạp.

- Qua cua khó khăn và tốc

độ chậm.

Lựa chọn phương án 2a: Xe gồm có 3 bánh, trong đó 2 bánh chủ động đặt ở

phía sau và 1 bánh bị động đặt ở phía trước Để đảm bảo 3 bánh tạo được độ đồng phẳng tốt,

Dưạ trên các yêu cầu đưa ra và đặc điểm của các thiết kế trên ta lựa chọn phương án thiết kế hình dáng robot dò line như sau:

Hình 3.1: Sơ đồ nguyên lý mô hình xe dò line

29

Hình 3.3- Bản vẽ 2D xe dò line CHƯƠNG 4: THIẾT KẾ HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN XE DÒ LINE

Trong quá trình tìm hiểu và nghiên cứu, nhóm đồ án đã biết được ưu, nhược của nhiều loại thiết bị khác nhau từ đó đã đưa ra được sự lựa chọn các thiết bị phù hợp nhất cho đồ án này Dưới đây là các thiết bị đó:

4.1 KIT ĐIỀU KHIỂN ARDUINO NANO Arduino Nano là phiên bản nhỏ gọn của Arduino Uno R3 sử dụng MCU

ATmega328P-AU dán, vì cùng MCU nên mọi tính năng hay chương trình chạy trên Arduino Uno đều có thể sử dụng trên Arduino Nano, một ưu điểm của Arduino Nano là vì sử dụng phiên bản IC dán nên sẽ có thêm 2 chân Analog A6, A7 so với Arduino Uno.

31

Hình 4.1- Kit Arduino Nano với vi điều khiển ATEMEGA328P

Thông số kỹ thuật:

 IC chính: ATmega328P-AU.

 IC nạp và giao tiếp UART: CH340.

 Điện áp cấp: 5VDC cổng USB hoặc 6-9VDC chân Raw.

 Mức điện áp giao tiếp GPIO: TTL 5VDC.

 Dòng GPIO: 40mA.

 Số chân Digital: 14 chân, trong đó có 6 chân PWM.

 Số chân Analog: 8 chân (hơn Arduino Uno 2 chân).

 Flash Memory: 32KB (2KB Bootloader).

Hình 4.2- Sơ đồ chân Arduino Nano

- Các chân: 1, 2, 5, 6, 7, 8, 9, 10, 11, 12, 13, 14, 15 và 16 Như đã đề cập trước đó, Arduino Nano có 14 ngõ vào/ra digital Các chân làm việc với điện áp tối đa là 5V Mỗi chân có thể cung cấp hoặc nhận dòng điện 40mA và có điện trở kéo lên khoảng 20-50kΩ Các chân có thể được sử dụng làm đầu vào hoặc đầu ra, sử dụng các hàm pinMode (), digitalWrite () và digitalRead ().

Ngoài các chức năng đầu vào và đầu ra số, các chân này cũng có một số chức năng bổ sung.

- Chân 1, 2: Chân nối tiếp Hai chân nhận RX và truyền TX này được sử dụng để truyền dữ liệu nối tiếp TTL Các chân RX và TX được kết nối với các chân tương ứng của chip nối tiếp USB tới TTL.

- Chân 6, 8, 9, 12, 13 và 14: Chân PWM Mỗi chân số này cung cấp tín hiệu điều chế độ rộng xung 8 bit Tín hiệu PWM

có thể được tạo ra bằng cách sử dụng hàm analogWrite ().

- Chân 5, 6: Ngắt

33

Khi chúng ta cần cung cấp một ngắt ngoài cho bộ xử lý hoặc bộ điều khiển khác, chúng ta có thể sử dụng các chân này Các chân này có thể được sử dụng để cho phép ngắt INT0 và INT1 tương ứng bằng cách sử dụng hàm attachInterrupt () Các chân có thể được sử dụng để kích hoạt ba loại ngắt như ngắt trên giá trị thấp, tăng hoặc giảm mức ngắt và thay đổi giá trị ngắt.

- Chân 13, 14, 15 và 16: Giao tiếp SPI Khi bạn không muốn dữ liệu được truyền đi không đồng bộ, bạn có thể sử dụng các chân ngoại vi nối tiếp này Các chân này hỗ trợ giao tiếp đồng bộ với SCK Mặc dù phần cứng có tính năng này nhưng phần mềm Arduino lại không có Vì vậy, bạn phải sử dụng thư viện SPI để sử dụng tính năng này.

- Chân 16: Led Khi bạn sử dụng chân 16, đèn led trên bo mạch sẽ sáng.

- Chân 18, 19, 20, 21, 22, 23, 24, 25 và 26 : Ngõ vào/ra tương tự Như đã đề cập trước đó UNO có 6 chân đầu vào tương tự nhưng Arduino Nano

có 8 đầu vào tương tự (19 đến 26), được đánh dấu A0 đến A7 Điều này có nghĩa là bạn có thể kết nối 8 kênh đầu vào tương tự để xử lý Mỗi chân tương tự này có một ADC có độ phân giải 1024 bit (do đó nó sẽ cho giá trị 1024) Theo mặc định, các chân được đo từ mặt đất đến 5V Nếu bạn muốn điện áp tham chiếu là 0V đến 3.3V, có thể nối với nguồn 3.3V cho chân AREF (pin thứ 18) bằng cách sử dụng chức năng analogReference () Tương tự như các chân digital trong Nano, các chân analog cũng có một số chức năng khác.

- Chân 23, 24 như A4 và A5: chuẩn giao tiếp I2C Khi giao tiếp SPI cũng có những nhược điểm của nó như cần 4 chân và giới hạn trong một thiết bị Đối với truyền thông đường dài, cần sử dụng giao thức I2C I2C

hỗ trợ chỉ với hai dây Một cho xung (SCL) và một cho dữ liệu (SDA) Để sử dụng tính năng I2C này, chúng ta cần phải nhập một thư viện có tên là Thư viện Wire.

34

- Chân 18: AREF Điện áp tham chiếu cho đầu vào dùng cho việc chuyển đổi ADC.

- Chân 28 : RESET Đây là chân reset mạch khi chúng ta nhấn nút rên bo Thường được sử dụng để được kết nối với thiết bị chuyển mạch để sử dụng làm nút reset.

4.2- MODULE ĐIỀU KHIỂN ĐỘNG CƠ TB6612

Các phương án lựa chọn module điều khiển động cơ

Driver L298N

Cầu H đôi, tiết kiệm diện tích mạch và số chân điều khiển.

Dòng tải nhỏ (2A), khó điều khiển.

Driver LMD18200

Dòng tải lớn 3A cho mỗi driver, giải thuật điều khiển dễ dàng.

Mỗi driver chỉ

có 1 cầu H Driver bị nóng lên nhanh khi sử 35

dụng cho 2 động cơ.

Driver TB6612 1A

Cầu H, giải thuật điều khá khiển dễ dàng

Chỉ sử dụng cho các thiết

bị dòng tương đối nhỏ

Lựa chọn phương án 3: TB6612 1A

Module điều khiển động cơ bước TB6612 1A dùng để điều khiển hai động cơ

DC hoặc một động cơ bước với dòng điện liên tục ở 1.2A (đạt đỉnh 3.2A) Hai tín hiệu ngõ vào có thể sử dụng để điều khiển motor ở 4 chế độ khác nhau như quay thuận, quay ngược, hãm, stop Hai motor có thể điều khiển riêng biệt, tốc độ mỗi motor được điều khiển qua tín hiệu PWM với tần số lên đến 100KHz.

36

Hình 4.3- Module điều khiển động cơ TB6612

Driver: Mô đun điều khiển động cơ tích hợp mạch cầu H.

Hình 4.4- Mô hình mạch cầu H

Một động cơ DC có thể quay thuận hoặc quay nghịch tùy thuộc vào cách bạn mắc cực âm và dương cho motor đó Ví dụ, động cơ DC có hai đầu A và B Nếu bạn nối A vào cực dương (+) và B vào cực âm (-) của nguồn thì động cơ quay theo chiều thuận (giả sử cùng chiều kim đồng hồ) Bây giờ bạn nối ngược lại, A vào (-)

và B vào (+), động cơ sẽ quay nghịch ( giả sử ngược chiều kim đồng hồ).

37

Tương tự, khi ta đóng S1 và S4, ta đã cho A nối với cực dương (+) và B nối với cực âm (-) của nguồn, một dòng điện chạy từ nguồn qua S1 qua động cơ qua S4 về mass làm động cơ quay theo chiều thuận (H4.6)

Hình 4.5- Động cơ quay thuận

Ngược lại, khi ta đóng S2 và S3, động cơ quay nghịch.

38