đồ án điều khiển tự động 1 robot bám theo mép đường

Giới thiệu chung về robot: Robot hay người máy là một loại máy có thể thực hiện những công việc một cách tự động bằng sự điều khiển của máy tính hoặc các vi mạch điện tử được lập trình.

Trang 1

ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP HỒ CHÍ MINH TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA KHOA ĐIỆN – ĐIỆN TỬ

Giáo viên hướng dẫn : Nguyễn Thiện Thành Sinh viên thực hiện :

Nguyễn Phước Lộc 40901457

Trang 2

PHỤ LỤC

1 Giới thiệu chung về robot: 4

2 Tổng quan về các bài toán của robot di động 7

3 Bài toán di chuyển theo tường 8

PHỤ LỤC CODE

Trang 3

Tóm tắt đề tài

Trong thời đại công nghiệp ngày nay, Robot ngày càng được sử dụng phổ biến trong sản xuất cũng như trong cuộc sống của con người Robot đã có một vị trí quan trọng khó có thể thay thế được, nó giúp con người để làm việc trong các điều kiện nguy hiểm, khó khăn Ngoài ra, Robot còn được dùng vào các lĩnh vực thám hiểm không gian, quân sự, giải trí…

Lĩnh vực Robot di động đang ngày càng chiếm được sự quan tâm của các nhà nghiên cứu và xã hội Từ tình hình thực tế đó, việc xây dựng các chương trình hoạt động cho các Robot là điều thiết yếu đặc biệt đối với các Robot di động Bài toán Robot di động bám tường (wall-following problem) là một trong các bài toán thường gặp của Robot kiểu phản xạ (reactive paradigm), nó đã được giải bằng nhiều cách khác nhau

Trong phạm vi đề tài này em sẽ tìm hiểu thuật toán và thi công Robot di chuyển theo mép tường (Wall Following Robot) dựa vào cảm biến siêu âm

Trang 4

Đồ án điều khiển tự động 1 Chương 1: Tổng quan và đặt vấn đề

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VÀ ĐẶT VẤN ĐỀ

1 Giới thiệu chung về robot:

Robot hay người máy là một loại máy có thể thực hiện những công việc một

cách tự động bằng sự điều khiển của máy tính hoặc các vi mạch điện tử được lập trình

Robot là một tác nhân cơ khí, nhân tạo, ảo, thường là một hệ thống cơ khí-điện tử

Với sự xuất hiện và chuyển động của mình, robot gây cho người ta cảm giác rằng nó giác

quan giống như con người Từ "robot" (người máy) thường được hiểu với hai nghĩa:

robot cơ khí và phần mềm tự hoạt động Về lĩnh vực người máy Nhật Bản là nước đi đầu

thế giới về lĩnh vực này

Khái niệm Robot xuất hiện lần đầu tiên ở NewYork vào ngày 9/10/1922 trong vở

kịch “Rossum’s Universal Robot” của nhà soạn kịch người Tiệp Khắc là Karen Chapek,

còn từ Robot là một cách gọi khác của từ Robota-theo tiếng Tiệp có nghĩa là công việc

lao dịch Khi đó, Karen Chapek cho rằng Robot là những người máy có khả năng làm

việc nhưng không có khả năng suy nghĩ

Gần một thế kỷ tiếp theo, khái niệm robot đã liên tục được phát triển, đóng góp

thêm bởi nhiều nhà nghiên cứu, nhiều công ty chuyên về lĩnh vực robot

Trước những năm 1970, người ta chỉ tập trung vào việc phát triển những robot tay

máy hoạt động trong các nhà máy công nghiệp Sau đó mới xuất hiện những khái niệm về

robot thông minh, và các nghiên cứu bắt đầu tập trung hơn vào robot di động Một trong

những chuyên gia đầu ngành về robot di động là Hans P Moravec (bắt đầu nghiên cứu từ

năm 1964), và hiện nay, chuyên nghiên cứu về robot di động là Sebastien Thruns

Các robot di động có người điều khiển đã được dùng cho các mục đích quân sự,

các nhiệm vụ nguy hiểm như phá mìn, thăm dò đáy đại dương, hầm mỏ, kiểm tra các

đường ống ngầm, hay thăm dò sao Hoả…

Sản phẩm robot di động được sản xuất đại trà và đưa vào thị trường lần đầu tiên là

robot hút bụi Roomba và Trilobite của hãng Electrolux năm 2003

Trang 5

Một số hình ảnh về các Robot và ứng dụng của nó:

Robot tự hành Rover thám hiểm sao Hoả

Robot dò mìn

Trang 6

Robot thám hiểm đại dương

Robot cắt cỏ

Trang 7

2 Tổng quan về các bài toán của robot di động

Ngày nay, Robot học đã đạt được những thành tựu to lớn trong nền sản xuất công

nghiệp Những cánh tay robot có khả năng làm việc với tốc độ cao, chính xác và liên

tục làm năng suất lao động tăng nhiều lần Chúng có thể làm việc trong các môi

trường độc hại như hàn, phun sơn, các nhà máy hạt nhân, hay lắp ráp các linh kiện điện

tử tạo ra điện thoại, máy tính…một công việc đòi hỏi sự tỉ mỉ, chính xác cao Tuy nhiên

những robot này có một hạn chế chung đó là hạn chế về không gian làm việc Không

gian làm việc của chúng bị giới hạn bởi số bậc tự do tay máy và vị trí gắn chúng Ngược

lại, các Robot tự hành lại có khả năng hoạt động một cách linh hoạt trong các môi trường

khác nhau

Robot tự hành là loại mobile robot có khả năng tự hoạt động, thực thi nhiệm vụ mà

không cần sự can thiệp của con người Với những cảm biến, chúng có khả năng nhận biết

về môi trường xung quanh Robot tự hành ngày càng có nhiều ý nghĩa trong các ngành

công nghiệp, thương mại, y tế, các ứng dụng khoa học và phục vụ đời sống của con

người Với sự phát triển của ngành Robot học, robot tự hành ngày càng có khả năng

hoạt động trong các môi trường khác nhau, tùy mỗi lĩnh vực áp dụng mà chúng có nhiều

loại khác nhau như robot sơn, robot hàn, robot cắt cỏ, robot thám hiểm đại dương, robot

làm việc ngoài vũ trụ Cùng với sự phát triển của yêu cầu trong thực tế, robot tự hành tiếp

tục đưa ra những thách thức mới cho các nhà nghiên cứu Vấn đề của robot tự hành là

làm thế nào để robot tự hành có thể hoạt động, nhận biết môi trường và thực thi các

nhiệm vụ đề ra

Vấn đề đầu tiên là "navigation" (tạm dịch là "di chuyển"), Robot tự hành nên di

chuyển như thế nào và cơ cấu di chuyển nào là sự lựa chọn tốt nhất Điều hướng là vấn

đề cơ bản trong nghiên cứu và chế tạo Robot tự hành Trong hiệp hội nghiên cứu về

Robot tự hành có 2 hướng nghiên cứu khác nhau:

- Hướng thứ nhất là nghiên cứu về Robot tự hành có khả năng điều hướng ở tốc độ

cao nhờ thông tin thu được từ cảm biến, đây là loại robot có khả năng hoạt động ở môi

trường trong phòng cũng như môi trường bên ngoài Loại robot này yêu cầu khả năng

tính toán đồ sộ và được trang bị cảm biến có độ nhạy cao, dải đo lớn để có thể điều khiển

robot di chuyển ở tốc độ cao, trong những môi trường có địa hình phức tạp

- Hướng thứ hai nhằm giải quyết các vấn đề về các loại robot tự hành chỉ dùng để

hoạt động trong môi trường trong phòng Loại robot tự hành này có kết cấu đơn giản hơn

loại trên, thực hiện những nhiệm vụ đơn giản

Trang 8

Vấn đề di chuyển là vấn đề trọng tâm của robot di động Để di chuyển được, robot

phải thực hiện một loạt các tác vụ, mỗi tác vụ gắn với một bài toán nhỏ trong bài toán

"navigation" Các bài toán đó gồm:

Mapping: là công việc lập bản đồ môi trường hoạt động của robot Nếu không được

cung cấp dữ liệu trước thì robot phải có khả năng lập bản đồ

Positioning: là việc định vị, robot phải có khả năng biết được mình đang ở đâu

trong bản đồ toàn cục hoặc địa phương

Path planning: là việc hoạch định đường đi sắp tới của robot, sau khi nó biết được

bản đồ và biết mình đang ở vị trí nào

Motion control: là việc điều khiển cho robot di động, tức là điều khiển các cơ cấu

để robot đi theo con đường thu được từ bài toán "path planning"

Obstacle avoidance: là nhiệm vụ tránh chướng ngại vật khi robot đang di chuyển

3 Bài toán di chuyển theo tường

Việc di chuyển theo tường (wall following) là một tác vụ thường thấy ở robot di

động, trong các môi trường biết trước hoặc không biết trước Tác vụ này được dùng với

các nhiệm vụ: tránh chướng ngại vật, đi theo tường biết trước, đi theo tường không biết

trước

Để thực hiện mục tiêu trên, trong đồ án này em tập trung vào các vấn đề sau:

- Nghiên cứu các bộ điều khiển cho robot bám tường

- Thiết kế và chế tạo một Mobile Robot (mobile platform)

- Thiết kế và thực hiện các mạch điều khiển cho robot

- Lập trình cho robot để hiện thực các bộ điều khiển

- Nhận xét kết quả và kết luận

3.1 Giới thiệu bài toán

Thiết kế và thực hiện bộ điều khiển dùng để điều khiển Mobile Robot di chuyển dọc

theo tường với vận tốc và khoảng cách từ Robot đến tường cho trước

Giả thiết của bài toán:

- Đo được khoảng cách d từ tường đến Robot

- Đo được góc lệch giữa Robot và tường

Trang 9

3.2 Mô hình toán học

Mô hình robot di động bám tường được cho như hình

Mô hình toán học của Robot

Mô hình bánh xe được lý tưởng hóa: bánh xe hình tròn, lăn không trượt Bánh xe

quay quanh trục của nó (trục Y) và chuyển động theo phương X (trục X) Ta xây dựng

phương trình động học của robot, bao gồm mối quan hệ giữa thông số điều khiển và

thông số trạng thái của hệ thống trong không gian

Các trục x, y xác định tọa độ của điểm bất kỳ trong hệ tọa độ xOy Điểm P coi là

tâm dịch chuyển, dùng để xác định vị trí robot Hệ tọa độ x Py m m là hệ tọa độ tham chiếu

của robot Như vậy điểm P được xác định bởi x, y và góc lệch giữa hai hệ tọa độ toàn

R: khoảng cách từ tâm robot tới tâm vận tốc tức thời

ICC: tâm vận tốc tức thời

Trang 10

R-L/2: bán kính mô tả chuyển động cong của bánh trái

R+L/2: bán kính mô tả chuyển động cong của bánh phải

Vận tốc góc của robot:

( )( )

/ 2

r

v t t

R L

 



( )( )

/ 2

l

v t t

R L

 



( ) ( )( ) v t r v t l t

( ) ( )

v v

Trang 11

3.3 Mục tiêu điều khiển

Yêu cầu của bài toán đặt ra là phải điều khiển sao cho Mobile Robot chạy song

song với tường theo một khoảng cách d cho trước Robot sẽ đo khoảng cách bằng cảm

biến siêu âm, từ các khoảng cách này nó sẽ tính toán bằng logic mờ để điều khiển vận tốc

hai bánh chủ động

3.4 Giải quyết bài toán

Để giải quyết bài toán này, trong phạm vi của đồ án 1, em thiết kế mô hình robot

gồm 2 bánh xe chủ động phía sau, 1 bánh xe phía trước chuyển động tự do, 2 cảm biến

siêu âm SRF05 để thu khoảng cách và tránh vật cản, mạch điều khiển được sử dụng ở đây

là MSP430 G2553, mạch nguồn acquy 12V

Trang 12

Đồ án điều khiển tự động 1 Chương 2: Giới thiệu về các phần tử trong mạch

CHƯƠNG 2: GIỚI THIỆU VỀ CÁC PHẦN TỬ TRONG MẠCH

1 Động cơ DC

DC động cơ là động cơ điện hoạt động với

dòng một chiều Động cơ DC sử dụng rộng rãi

trong các ứng dụng dân cư cũng như các ngành

công nghiệp Thông thường động cơ DC chỉ chạy ở

một tốc độ khi kết nối với nguồn điện, nhưng

chúng tôi vẫn có thể kiểm soát tốc độ và hướng của

động cơ với sự hỗ trợ của các mạch điện tử với

phương pháp PWM

Động cơ DC trong các hình thức của động cơ dân sự thường hoạt động với điện áp

thấp, được sử dụng với tải trọng nhỏ Trong công nghiệp, động cơ DC được sử dụng

trong các lĩnh vực đòi hỏi phải có mô-men xoắn lớn hơn trên máy tính hoặc yêu cầu thay

đổi trong phạm vi tốc độ

2 Điều chế độ rộng xung

Điều khiển động cơ PWM phương pháp dựa trên nguyên tắc hoạt động cho động

cơ chạy bằng chuỗi xung nhanh chóng mở và đóng Điện DC được chuyển đổi thành tín

hiệu sóng vuông (chỉ có hai cấp độ và khoảng 0 điện áp hoạt động volt) Tín hiệu sóng

vuông này cho động cơ

Nếu tần số chuyển đổi là đủ lớn động cơ sẽ chạy ở tốc độ ổn định phụ thuộc vào

trục mô-men xoắn

Với phương pháp PWM, điều chỉnh tốc độ động cơ thông qua điều chế độ rộng

xung, tức là thời gian "xung đầy đủ" ("on") của chuỗi xung vuông cho động cơ Điều

chỉnh này sẽ ảnh hưởng đến công suất trung bình cho động cơ và do đó sẽ thay đổi cần

điều khiển tốc độ động cơ

Trang 13

3 Mạch cầu H

Cầu H là một mạch điện tử cho phép điện áp được đặt lên tải theo 2 hướng , mạch

này thường được sử dụng để thay đổi điện áp trung bình cấp cho động cơ nhờ vào xung

PWM, ngoài ra cầu H còn được dùng để đảo chiều quay động cơ

Động cơ sẽ chạy chậm khi cấp xung PWM có độ rộng nhỏ

Nếu độ rộng xung lớn hơn (chẳng hạn như xung 2 và 3) động cơ DC chạy càng nhanh

Trang 14

Như hình ta thấy nếu ta bật S2,S4 thì dòng điện sẽ có chiều từ (+ sang -) sẽ làm motor

quay theo chiều thuận, motor sẽ quay theo chiều nghịch nếu ta bật S1,S3

Bảng dưới đây tóm tắt hoạt động, với S1-S4 tương ứng với sơ đồ ở trên:

High Side

Left

High Side Right

Lower Left

Lower Right Quadrant Description

Siêu âm là sóng cơ học có tần số lớn hơn tần số âm nghe thấy (trên 20kHz) Thính

Để điều khiển động cơ ta

điều khiển cùng lúc 2 công

tắc (FET) ở 2 phía ngược

nhau

Trang 15

Đồ án điều khiển tự động 1 Chương 2: Giới thiệu về các phần tử trong mạch Cảm biến siêu âm là thiết bị dùng để xác định vị trí của các vật thông qua phát sóng

siêu âm

Cảm biến siêu âm có thể phát hiện ra hầu hết các đối tượng là kim loại hoặc không

phải kim loại,chất lỏng hoặc chất rắn,vật trong hoặc mờ đục (những vật có hệ số phản xạ

sóng âm thanh đủ lớn)

Một số hình ảnh về cảm biến siêu âm:

Cảm biến siêu âm Endress Hauser-Ultrasonic Level Measurement

Cảm biến siêu âm Omron E4PA-LS600-M1-N Cảm biến siêu âm tiệm cận loại thu-phát

Trang 16

4.2 Cảm biến siêu âm và nguyên tắc TOF:

Sóng siêu âm được truyền đi trong không khí với vận tốc khoảng 343m/s Nếu một

cảm biến phát ra sóng siêu âm và thu về các sóng phản xạ đồng thời, đo được khoảng

thời gian từ lúc phát đi tới lúc thu về, thì máy tính có thể xác định được quãng đường mà

sóng đã di chuyển trong không gian Quãng đường di chuyển của sóng sẽ bằng 2 lần

khoảng cách từ cảm biến tới chướng ngoại vật, theo hướng phát của sóng siêu âm Hay

khoảng cách từ cảm biến tới chướng ngại vật sẽ được tính theo nguyên lý TOF:

Trong đó:

d là khoảng cách cần đo,

v là vận tốc sóng siêu âm trong môi trường truyền sóng,

t là thời gian từ lúc sóng được phát đi đến lúc sóng được ghi nhận lại

Ưu điểm và nhược điểm của cảm biến siêu âm:

Ưu điểm:

 Khoảng cách mà cảm biến có thể phát hiện lên tới 15m

 Sóng phản hồi của cảm biến không phụ thuộc vào màu sắc của bề mặt đối

tượng hay tính chất phản xạ ánh sáng của đối tượng

Ví dụ:bề mặt kính trong suốt ,bề mặt gốm màu nâu,bề mặt plastic màu trắng hay bề mặt chất liệu nhôm sáng trắng là như nhau

 Tín hiệu đáp ứng của cảm biến tiệm cận analog là tỉ lệ tuyến tính với

khoảng cách.Điều này đặc biệt lí tưởng cho các ứng dụng như theo dỏi các

Trang 17

Nhược điểm:

 Cảm biến siêu âm yêu cầu đối tượng có một diện tích bề mặt tối thiểu (giá

trị này tùy thuộc vào từng loại cảm biến)

 Sóng phản hồi cảm biến nhận được có thể chịu ảnh hưởng của sóng âm

thanh tạp âm

 Cảm biến tiệm cận siêu âm yêu cầu một khoảng thời gian sau mỗi lần sóng

phát đi để sẵn sàng nhận sóng phản hồi Kết quả cảm biến tiệm cận siêu âm nhìn chung chậm hơn các cảm biến khác

 Với các đối tượng có mật độ vật chất thấp như bọt hay vảu quần áo rất khó

để phát hiện với khoảng cách lớn

 Cảm biến tiệm cận siêu âm giới hạn bởi khoảng cách phát hiện nhỏ nhất

4.3 Cảm biến siêu âm SRF05

SRF05 là bản nâng cấp của SRF04, được thiết kế để tăng độ chính xác, phạm vi

hoạt động và giảm giá thành Như vậy, việc sử dụng SRF05 hoàn toàn tương tự SRF04

ngoài những cải tiến trên Phạm vi hoạt động được tăng từ 3m lên 4m

Có hai mode làm việc: mode 1 tương tự SRF04, cần 1 chân trigger và 1 chân echo;

mode 2 chỉ cần 1 chân cho cả trigger và echo Nhưng vậy tiết kiệm được số chân sử dụng

trên vi điều khiển, vi xử lý… SRF05 có thêm một khoảng thời gian trễ nhỏ trước khi trả

về xung echo để cho những bộ điều khiển có tốc độ xử lý chậm có thời gian để thực hiện

các lệnh

Mode 1 - Nhƣ SRF04 - Hai chân Trigger và Echo riêng

Ở mode này, SRF05 sử dụng hai chân riêng biệt: chân trigger và chân echo, là mode đơn

giản nhất Tất cả hoàn toàn giống như SRF04, chỉ cần không nối chân mode ( như hình

vẽ)

Trang 18

Mode 2 – Một chân cho cả Trigger và Echo

Mode này sử dụng một chân duy nhất cho cả hai tín hiệu trigger và echo, được thiết kế để

tiết kiệm chân sử dụng cho các bộ điều khiển nhúng Để sử dụng chế độ này, ta kết nối

chân Mode với mass Khi đó sau khi gửi tín hiệu trigger, thì tín hiệu echo sẽ xuất hiện

trên chân trigger trả về bộ điều khiển SRF05 sẽ không lập tức phản hồi tín hiệu echo

ngay sau khi nhận được tín hiệu trigger mà sau thời gian 700uS kể từ kết thúc tín hiệu

Trang 19

Tính toán khoảng cách:

Theo sơ đồ thời gian của SRF05 như trên, ta chỉ cần cung cấp một xung ngắn tối

thiểu 10uS làm tín hiệu trigger Sau đó cảm biến sẽ gửi một khối 8 chu kỳ sóng siêu âm

tại 40kHz và xuất xung echo Sau đó SRF05 đợi sóng siêu âm phản hồi sau khi gặp vật

cản, khi nhận được sóng phản hồi thì xung echo bị ngắt Như vậy, xung echo có chiều

rộng tỉ lệ thuận với khoảng cách tới vật cản Thời gian xung echo tồn tại có thể cho ta biết

được khoảng cách giữa cảm biến với vật Nếu trường hợp không phát hiện được vật cản,

hoặc vật cản ngoài tầm xác định của SRF05 (4m) thì sau 30ms xung echo cũng được đưa

về mức thấp SRF05 có thể được kích hoạt nhanh nhất mỗi 50ms (20 lần mỗi giây) Nên

chờ mỗi 50ms rồi thực hiện lần đo tiếp theo Điều này đảm bảo cho các nhiễu siêu âm

Định dạng
Số trang	38
Dung lượng	1,84 MB