Thiết kế robot tự hành đi theo đường vạch sẵn

Robot tự hành hay robot di động (mobile robots) được định nghĩa là một loại xe robot có khả năng tự dịch chuyển, tự vận động (có thể lập trình lại được) dưới sự điền khiển tự động để thực hiện thành công công việc được giao

BÁO CÁO ĐỒ ÁN

Đề tài : THIẾT KẾ ROBOT TỰ HÀNH ĐI THEO

ĐƯỜNG VẠCH SẴN

Hà Nội, tháng 12 năm 2012

MỤC LỤC

LỜI NÓI ĐẦU 4

CHƯƠNG I : ROBOT TỰ HÀNH 5

I GIỚI THIỆU CHUNG 5

1 Lịch sử hình thành và phát triển của robot 5

2 Xu hướng phát triển của robot 6

3 Giới thiệu về robot tự hành 6

II PHÂN TÍCH ĐỀ TÀI 7

1 Nhiệm vụ thiết kế 7

2 Mục tiêu thiết kế 8

3 Thiết kế tuyến đường đi 8

III THUẬT TOÁN DÒ ĐƯỜNG 10

CHƯƠNG II: THỰC HIỆN ĐỀ TÀI 12

I KẾ HOẠCH THỰC HIỆN 12

1 Công việc 12

2 Phân công công việc 13

II THIẾT KẾ PHẦN CỨNG 13

1 Sơ đồ khối tổng quát hệ thống 13

2 Sơ đồ chi tiết từng khối 14

3 Mô phỏng mạch trên Proteus 19

KẾT LUẬN 20

TÀI LIỆU THAM KHẢO 21

Tóm tắt

Robot tự hành hay robot di động (mobile robots) được định nghĩa là một loại xe robot có khả năng tự dịch chuyển, tự vận động (có thể lập trình lại được) dưới sự điền khiển tự động để thực hiện thành công công việc được giao

Dưới sự hướng dẫn của PGS.TS Nguyễn Văn Khang, trong đồ án II lần này,

chúng em có ý tưởng là thiết kế một xe tự hành nhỏ gọn có thể tự di chuyển trên 1 đoạn đường định sẵn Sản phẩm này có thể ứng dụng trong cuộc sống : robot vận chuyển vật liệu, hàng hóa trong các tòa nhà, nhà máy, cửa hàng, sân bay và thư viện; robot phục vụ quét dọn đường phố ; robot kiểm tra trong môi trường nguy hiểm

transport robots in buildings, factories, shops, airports and libraries; robots serving

as street sweepers; in – danger environment checking robots

LỜI NÓI ĐẦU

Ngày nay, với sự phát triển mạnh mẽ của khoa học và công nghệ, các thiết bị máy móc đang dần được tự động hóa, thì robot đã trở thành một trong những ứng dụng quan trọng trong cuộc sống Robot đã dần dần thay thế con người làm những công việc từ đơn giản đến những việc đòi hỏi sự chính xác cao Tầm quan trọng của robot đối với cuộc sống đã dẫn tới sự phát triển vượt bậc của ngành công nghệ này Thời gian học tập trên giảng đường của trường Đại học Bách Khoa Hà Nội nói chung , Viện Điện tử -Viễn thông nói riêng ,chúng em đã tiếp thu được những kiến thức khoa học và công nghệ hiện đại Đồng thời cũng chính vì tính ứng dụng cao

và thiết thực trong cuộc sống nên nhóm em đã quyết định chọn đề tài : “Thiết kế

Robot tự hành đi theo đường vạch sẵn” nhằm áp dụng những kiến thức mà thày

cô đã giảng dạy vào một sản phẩm mạch điện tử Qua đây chúng em có thêm được nhiều kiến thức thực tế cho công việc sau này

Thực hiện đề tài dưới sự hướng dẫn của PGS.TS Nguyễn Văn Khang, do trình độ

có hạn, chúng em chưa có nhiều kinh nghiệm trong thiết kế mạch nên bài thiết kế

sẽ có nhiều sai xót, phương pháp thiết kế chưa tối ưu Chúng em rất mong nhận được những ý kiến đóng góp quý báu từ Thầy

Chúng em xin được gửi lời cảm ơn chân thành tới Thầy đã góp ý, giải đáp thắc mắc, hướng dẫn chi tiết, tận tình cho nhóm, qua đó đã giúp cho nhóm hiểu ra được thêm rất nhiều điều và hoàn thành đề tài này

Nhóm sinh viên thực hiện

CHƯƠNG I : ROBOT TỰ HÀNH

I GIỚI THIỆU CHUNG

1 Lịch sử hình thành và phát triển của robot

- Gần nửa thế kỉ có mặt và ngày càng có những ứng dụng cao trong cuộc sống, robot đã có một lịch sử phát triển hấp dẫn

- Năm 1956, Engelberger xây dựng một công ty sản xuất robot đầu tiên có tên là Unimation Năm 1961, họ cho ra đời robot đầu tiên có tên là Unimate Với thành công này, Engelberger gọi cha đẻ của robot học

Một ngành công nghiệp mới đã ra đời với rất nhiều các công việc do robot thực hiện Robot công nghiệp Unimate là một trong những robot được sử dụng phổ biến nhất trên thế giới Unimate robot cho có thể nâng trọng lượng 500 pound với tốc độ nhanh Sau hơn 20 năm cải tiến, robot này có độ tin cậy cao và rất dễ sử dụng

- Năm 1969, Victor Scheinman - một sinh viên chế tạo máy làm việc tại phòng thí nghiệm trí thông minh nhân tạo Stanford đã chế tạo ra cách tay Stanford Thiết kế này đã trở thành chuẩn mực và vẫn đang ảnh hưởng nhiều đến những thiết kế của những cánh tay robot ngày nay Đây là cánh tay robot đầu tiên chạy bằng điện và điều khiển bằng máy tính thành công Robot này có thể đi theo một lộ trình tùy ý

và mở rộng khả năng cho các ứng dựng phức tạp hơn như robot lắp ráp và hàn hồ quang Cũng chính là robot này đã được sử dụng để phát triển những kỹ thuật lắp ráp công nghiệp cho các cánh tay robot thương mại

- Shakey là robot di động đầu tiên có thể suy luận hoạt động của nó, do trung tâm trí tụệ nhân tạo của SRI (nay là viện nghiên cứu Stanford, Menlo Park, California) phát triển từ năm 1966 cho đến năm 1972 Shakey là nền tảng và có ảnh hưởng to lớn đến trí thông minh nhân tạo và khoa học robot ngày nay

- Từ năm 1979, phòng thí nghiệp Stanford tiếp tục đưa ra một thiết kế mới, xe tự định vị Standford, được xây dựng với mục đích ban đầu là tạo ra một thiết bị điều

khiển từ xa lưu động (rover) trên mặt trăng

- Từ năm 1967 cho đến 1970, nó được thiết kế lại để có thể tự động đi theo một vạch kẻ màu trắng trên đường Một máy tính từ xa điều khiển hoạt động của xe này nhờ thông tin truyền về từ một camera vô tuyến gắn trên xe Năm 1977 Hans Moravec tiếp tục thiết kế lại, trang bị cho nó một camera vô tuyến gắn trên đỉnh để chụp ảnh từ các góc độ khác nhau và chuyển về cho máy tính Máy tính sẽ tính toán khoảng cách xe và chướng ngại vật sau đó điều khiển xe đi vòng qua những chướng ngại vật này Năm 1979, Stanford Cart chỉ mất gần 5 giờ len lỏi qua một căn phòng đầy bàn ghế - không hề có sự trợ giúp của con người Đây quả là cột mốc đánh dấu thành quả mới cho những cỗ xe tự định vị

- Ở những năm 1990, hầu như nước ta hoàn toàn chưa du nhập kĩ thuật robot, thậm chí còn chưa nhận được nhiều thông tin kỹ thuật về lĩnh vực này

Từ những năm 1990 nhiều cơ sở công nghiệp đã bắt đầu nhập ngoại nhiều loại robot để phục vụ sản xuất như tháo lắp dụng cụ cho các trung tâm gia công, lắp ráp linh kiện điện tử, thao tác ở các máy ép nhựa, hàn vỏ xe ô tô, xe máy, phun sơn…

2 Xu hướng phát triển của robot

Các robot hiện đại có xu hướng tăng trong tương lai, ngày càng hỗ trợ con người nhiều hơn: có thể tạo ra các sản phẩm mới, bảo vệ cơ sở hạ tầng của con người, chăm sóc nhà cửa, mua bán

Một xu hướng phát triển hiện nay là nghiên cứu phát triển trí tuệ nhân tạo, mạng nơ-ron vào trong robot nhằm tạo ra các robot thông minh, có khả năng thích nghi với môi trường xung quanh như con người

3 Giới thiệu về robot tự hành

- Robot tự hành hay robot di động (mobile robots, thường được gọi tắt là mobots) được định nghĩa là một loại xe robot có khả năng tự dịch chuyển, tự vận động (có thể lập trình lại được) dưới sự điền khiển tự động để thực hiện thành công công việc được giao

- Tiềm năng ứng dụng của robot tự hành hết sức rộng lớn: robot vận chuyển vật liệu, hàng hóa trong các tòa nhà, nhà máy, cửa hàng, sân bay và thư viện; robot phục vụ quét dọn đường phố; robot kiểm tra trong môi trường nguy hiểm; robot canh gác, do thám; robot khám phá không gian, di chuyển trên hành tinh; robot xe lăn phục vụ người khuyết tật; robot phục vụ sinh hoạt gia đình v.v

- 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 được quan tâm khi nghiên cứu về robot tự hành là làm thế nào để robot biết được vị trí đang đứng và có thể di chuyển tới 1 vị trí xác định, đồng thời có thể tự động tránh được các chướng ngại vật trên đường đi Vì vậy, việc chế tạo thành công đề tài này sẽ mở ra 1 hướng tiếp cận mới và góp phần thúc đẩy việc ứng dụng của robot ngày càng nhiều vào trong đời sống hàng ngày và trong nghiên cứu chế tạo

- 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 không cho phép chúng được sử dụng rộng rãi Bài toán tìm đường của robot tự hành cũng không phải là loại bài toán đơn giản như nhiều người nghĩ lúc ban đầu Trong đề tài này, bài toán tìm đường

sẽ được giải quyết ở mức độ không quá phức tạp: dò đường theo đường vạch sẵn

II PHÂN TÍCH ĐỀ TÀI

1 Nhiệm vụ thiết kế

- Đề tài của nhóm là “Thiết kế Robot tự hành dò đường theo đường vạch sẵn”

- Đứng về phía người thiết kế:

 Robot dịch chuyển theo đường đi được thiết kế trước

 Việc di chuyển của robot sẽ được lập trình sẵn dựa trên vi điều khiển

 Lựa chọn linh kiện trên tiêu chí: giá thành hợp lý nhưng vẫn đảm bảo đủ chức năng, khả năng thiết kế sử dụng

 Vi điều khiển sử dụng trong đề tài là vi điều khiển PIC: 16F877A

 Mạch nhỏ gọn, đẹp, tối ưu

- Đứng về phía người sử dụng:

 Có tính ứng dụng cao trong cuộc sống, chi phí hợp lý

 Robot hoạt động tốt, Kích thước nhỏ gọn, Giao diện dễ nhìn, dễ sử dụng

3 Thiết kế tuyến đường đi

- Xe sẽ chạy trên một đường màu trắng bất kỳ được vẽ trên nền màu đen

- Xe sẽ phát hiện ra đường đi màu trắng nhờ các cảm biến được gắn vào xe

- Ở cuối đường đi, ta sẽ vẽ một đường màu trắng nằm ngang ( vuông góc với vạch trắng mà xe đang chạy) Khi phát hiện thấy vạch trắng nằm ngang này,

xe sẽ dừng lại

- Đường màu trắng sẽ có kích thước bằng khoảng cách giữa 2 cảm biến cộng với 2 lần đường kính của 1 cảm biến

III THUẬT TOÁN DÒ ĐƯỜNG

 Nguyên tắc điều khiển đơn giản nhất là robot lệch về phía bên nào thì ta sẽ điều khiển cho robot "bẻ lái" về hướng ngược lại đây gọi là điều khiển ON-OFF Ta cần một cách điều khiển tốt hơn, cải tiến của cách trên, đó là ta cần phải xem xét thêm là robot đang lệch nhiều hay ít để ta sẽ "bẻ lái" nhiều hay

ít Đây gọi là phương pháp điều khiển tỷ lệ Như vậy giá trị điều khiển động

cơ sẽ tỷ lệ theo độ lệch này

 Với 8 cảm biến như hình vẽ thiết kế tuyến đường đi ở trên, ta có 17 trường hợp xảy ra:

( * chú ý: ledn : led n cảm nhận được vạch trắng

/ledn : led n không cảm nhận được vạch trắng )

+ Vùng trung tâm: led4 + led5

+ Lệch phải 5: /led1 + led2 + /led3

CHƯƠNG II: THỰC HIỆN ĐỀ TÀI

I KẾ HOẠCH THỰC HIỆN

1 Công việc

Tuần Công việc

Tuần 3-4 Tìm hiểu đề tài & nhiệm vụ thiết kế

Tuần 5-6 Lựa chọn linh kiện thích hợp và xây dựng sơ đồ khối

tổng quát của hệ thống Tuần 7-11 Thiết kế phần cứng:

+Xây dựng sơ đồ khối chi tiết cho từng khối + Thiết kế phương án tối ưu

+Mô phỏng sơ đồ khối chi tiết của hệ thống bằng các công cụ: Orcad, Proteus, Pic C…

+ Phần khung xe Tuần 12-15 Đặt mạch, kiểm tra mạch, hàn linh kiện, test và hoàn

thiện sản phẩm Tuần 16 Viết báo cáo

2 Phân công công việc

Công việc Người thực hiện

- Xây dựng sơ đồ nguyên lý, layout mạch Kiều Văn Bằng

- Hàn linh kiện, test mạch Vũ Đức Cường

- Thiết kế khung xe tự hành + viết báo cáo Nguyễn Thị Thảo

II THIẾT KẾ PHẦN CỨNG

1 Sơ đồ khối tổng quát hệ thống

2 Sơ đồ chi tiết từng khối

2.1 Khối cảm biến

- Mạch cảm biến đóng vai trò như các giác quan của robot để giúp robot nhận dạng môi trường xung quanh để gửi tín hiệu về vi điều khiển

 Nguyên lý hoạt động:

- Khi có ánh sáng thì điện trở của quang trở sẽ giảm và ngược lại, điện trở của

nó thay đổi cỡ từ 5k (khi có ánh sáng) đến 100k (không có ánh sáng), ta sử dụng 2 led phát làm nguồn sáng cho nó

=> khi gặp nền trắng, ánh sáng sẽ phản xạ lên quang trở làm điện trở nó giảm xuống và khi gặp vạch đen (băng keo đen) thì ánh sáng sẽ khó phản xạ nên quang trở nhận ít ánh sáng => trở nó tăng Từ đó dựa vào 2 quang trở, robot có thể phân biệt được vạch trắng trên nền đen (dưới sự hỗ trợ của opamp so sánh)

2.2 Khối vi xử lý trung tâm

PIC 16F877A trong mạch là loại có 40 chân,với 5 cổng vào ra là Port A(RA0÷RA5),Port B(RB0÷RB7),Port C(RC0÷RC7),Port D(RD0÷RD7),Port E(RE0÷RE2)

 Một số thông số về PIC 16F877A

CPU tốc độ cao:

 chỉ có 35 cấu trúc lệnh

 hầu hết các cấu trúc lệnh chỉ mất 1 chu kì máy, ngoại trừ lệnh rẽ nhánh chương trình mất 2 chu kì máy

 tốc độ làm việc: xung clock đến 20MHz, tốc độ thực thi lệnh 200ns

 8Kx14 bit của bộ nhớ chương trình

 bộ nhớ dữ liệu 368x8 byte RAM

 bộ nhớ dữ liệu EEPROM với dung lượng256x8 byte

Đặc điểm ngoại vi:

 Timer0 : 8 bit

 Timer1 : 16 bit

 Timer2: 8bit

Timer dùng cho nhiều ứng dụng : định thời, capture, pwm,

 các chuẩn giao tiếp nối tiếp SSP, SPI, I2C

 chuẩn giao tiếp song song PSP với các chân điều khiển RD, WR, CS ở bên ngoài

Đặc điểm tương tự:

 8 kênh chuyển đổi ADC 10bit

 modul so sánh tương tự: hai modul so sánh tương tự, modul tham chiếu điện

áp trên chip có thể lập trình được, có thể lập trình nhiều chức năng đầu vào từ các đầu vào và điện áp bên trong, hai đầu ra so sánh có thể sử dụng bên ngoài

Một số đặc tính khác :

 Bộ nhớ flash với khả năng ghi xóa được 100.000 lần

 Bộ nhớ EEPROM với khả năng ghi xóa được 1.000.000 lần

 Dữ liệu bộ nhớ EEPROM có thể lưu trữ trên 40 năm

 Watchdog Timer với bộ dao động trong

 Chức năng bảo mật mật chương trình

2.3 Khối động cơ

 Xe sẽ có 2 động cơ gắn với 2 bánh sau của xe Động cơ sẽ được cấp nguồn bằng acquy 12V Sử dụng module PWM để điều chế điện áp đặt lên 2 đầu động cơ, do đó điều khiển được tốc độ của động cơ

 Mạch cầu H là 1 trong những mạch phổ biến để điều khiển động cơ 1 chiều

IC L298 là một IC tích hợp nguyên khối gồm 2 mạch cầu H bên trong Với điện áp làm tăng công suất đầu ra từ 5V – 47V , dòng lên đến 4A, L298 rất thích hợp trong những ứng dụng công suất nhỏ như động cơ DC loại vừa

 Tóm tắt chức năng các chân của L298:

- 4 chân INPUT: IN1, IN2, IN3, IN4 được nối lần lượt với các chân 5, 7, 10,

12 của L298 Đây là các chân nhận tín hiệu điều khiển

- 4 chân OUTPUT: OUT1, OUT2, OUT3, OUT4 ( tương ứng với các chân

INPUT) được nối với các chân 2, 3, 13, 14 của L298 Các chân này sẽ được nối với động cơ

- Hai chân ENA và ENB dung để điều khiển các mạch cầu H trong L298

Nếu ở mức logic “1” (nối với nguồn 5V) thì cho phép mạch cầu H hoạt động, nếu ở mức logic “0” thì mạch cầu H không hoạt động

- Chân VS ( 5V – 47 V) trên L298 là điện áp nuôi động cơ ,VSS là điện áp tham chiếu để so sánh với chân logic đầu vào có thể lên đến 7V (nhưng thường thì để 5V )

 Diode mắc vào để chống dòng ngược khi động cơ bắt đầu quay,vì động cơ trong giai đoạn quá độ nó sinh ra dòng điện ngược

 IC 7404 sử dụng trong mạch có tác dụng:

2.4 Khối nguồn

- Khối nguồn để cung cấp cho mạch hoạt động là nguồn một chiều 5V và nguồn 1 chiều 12V, sử dụng IC ổn áp LM7805 để ổn định điện áp nguồn,có led báo hiệu

3 Mô phỏng mạch trên Proteus

KẾT LUẬN

Đề tài thiết kế và chế tạo robot dò đường tự động đã giúp cho chúng em làm quen với việc sử dụng vi điều khiển, kĩ năng lập trình, phương pháp thu thập dữ liệu từ các cảm biến sensor, điều khiển động cơ và các mạch phụ trợ khác

Đây cũng là 1 cơ hội cho sinh viên chúng em được làm quen nhiều hơn với cách học tự nghiên cứu, làm việc nhóm, vận dụng các kiến thức tìm hiểu và học hỏi được cùng với sự hướng dẫn của thày để có 1 sản phẩm mạch điện tử

Trong thời gian tiếp theo, nếu có điều kiện, nhóm sẽ tiếp tục hoàn thiện, mở rộng thêm 1 số chức năng của sản phẩm

Trong quá trình thực hiện, vì kiến thức còn nhiều hạn chế và kinh nghiệm làm mạch chưa có nên đề tài của chúng em không thể tránh khỏi những sai sót,cũng như chức năng của mạch còn nhiều hạn chế, nhóm em rất mong được sự góp ý từ Thầy để đề tài này có thể hoàn thiện hơn, sớm đưa vào ứng dụng trong thực tế Chúng em xin chân thành cảm ơn