luận văn nghiên cứu, thiết kế và chế tạo mạch ứng dụng cho hệ thống cảm biến của robot di động

Hệ cảm biến bao gồm nhiều dạng cảm biến được coi như là một con mắt giúp robot có thể cảm nhận được những thay đổi bên ngoài của môi trường và biến đổi các tín hiệu để điều khiển các cơ

TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ

TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ

LUẬN VĂN THẠC SĨ CƠ HỌC KỸ THUẬT

NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC: PGS.TS PHẠM MẠNH THẮNG

Hà Nội - 2014

MỤC LỤC Trang

MỞ ĐẦU 7

Chương I Nghiên cứu tổng quan về hệ cảm biến ứng dụng cho robot di động…… 8

1.1.Giới thiệu về robot di động dạng 3 bánh dạng unicycle - like 8

1.1.1 Tình hình phát triến của robot di động trên thế giới 8

1.1.2 Robot dạng unicycle - like 9

1.1.3 Những ứng dụng mới nhất của robot di động trên thế giới 10

1.2.Tổng quan nghiên cứu về hệ cảm biến robot di động 11

1.2.1.Khái niệm cảm biến (sensor) 11

1.2.2 Khái niệm hệ cảm biến (sensors system) 11

1.2.3 Phân loại các dạng cảm biến trong hệ 13

1.3 Nghiên cứu chức năng các dạng cảm biến được dùng cho robot 13

1.3.1.Cảm biến hồng ngoại 13

1.3.2 Cảm biến siêu âm 16

1.3.3 Sensor vị trí kiểu chiết áp 18

1.3.4 Cảm biến la bàn 22

1.3.5 Cảm biến tín hiệu gần 19

1.3.6 Một số tiêu chí đánh giá cảm biến 23

1.3.7 Nhận xét 26

1.4 Lựa chọn các cảm biến 26

1.4.1.Cảm biến siêu âm SRF06] 26

1.4.2.Cảm biến hồng ngoại 0A41SK 28

1.4.3 La bàn số CMPS 03 29

1.4.4 Cảm biến nhiệt độ TPA 81 31

1.4.5 Cảm biến va chạm 32

Chương II

Xây dựng, phân tích kiến trúc hệ cảm biến trong robot di động 34

2.1 Các thành phần cơ bản trong một robot di động 34

2.2.1 Các thành phần cơ bản trong cấu trúc của hệ cảm biến 36

2.2.2 Nguyên lý hoạt động cấu trúc hệ cảm biến như sau 37

Chương III Thiết kế mô hình hệ cảm biến trên robot di động 39

3.1 Thiết kế mô hình hệ cảm biến cho robot di động trên Solid Work 2008 39

3.1.1 Yêu cầu chung thiết kế cơ khí của robot di động 39

3.1.2 Mô hình cấu trúc của robot 39

3.1.3 Lựa chọn vật liệu 39

3.2 Phân tích cấu trúc hệ cảm biến trên mô hình robot di động 41

Chương IV Thiết kế, chế tạo tích hợp mạch điều khiển chohệ cảm biến 43

4.1 Xây dựng sơ đồ thuật toán và thiết kế mạch cảm biến cho robot di động 43

4.2 Thiết kế mạch điều khiển cho hệ cảm biến của robot di động 45

4.2.1 Giới thiệu về mạch điều khiển hệ cảm biến 45

4.2.2 Xây dựng phần cứng 45

4.2.3 Thiết kế chi tiết khối điều khiển trung tâm 46

4.2.4 Giới thiệu về vi điều khiển PIC18F4520 47

4.2.5 Thiết kế chi tiết khối cung cấp nguồn 49

4.2.6.Thiết kế chi tiết khối cảm biến siêu âm SRF06 50

4.2.7.Thiết kế chi tiết khối cảm biến va chạm: 50

4.2.8 Thiết kế khối cảm biến hồng ngoại gồm: 50

4.2.9 Thiết kế cảm biến nhiệt độ và la bàn số: 51

4.2.10 Mạch dao động và LCD: 52 4.2.11 Lập trình cho mạch điều khiển hệ cảm biến 54

4.3 Tích hợp mạch điều khiển hệ cảm biến 54

4.3.1.Thiết kế mạch đi dây và tích hợp cho hệ cảm biến trong robot di động 54 4.3.2.Tích hợp hệ cảm biến cho robot di động qua mô hình 3D trong altium10 54 4.3.3 Hình ảnh mạch hệ cảm biến trên robot di động trên thực tế 57

4.4 Chạy thử nghiệm 58 Tài liệu tham khảo 59

DANH MỤC HÌNH ẢNH

Hình 1.1 Biểu đồ sự phát triển robot trong các năm từ 2009 - 2014 8

Hình 1.2 Dạng robot unicycle like 10

Hình 1.3 Robot quân sự……… 16

Hình 1.4 Robot thám hiêm 10

Hình 1.5 Robot gia đình 10

Hình 1.6 Mô hình hoạt động của khối cảm biến 11

Hình 1.7 Hệ thống tự động điều khiển quá trình 11

Hình 1.8 Module Blutooth……… 17

Hình 1.9 Module Hồng Ngoại 12

Hình 1.10 Module thu phát RF ………….19

Hình 1.11 Module Wifi………… 13

Hình 1.12 Bộ thu phát hồng ngoại 14

Hình 1.13 Quá trình thu phát của cặp led hồng ngoại 14

Hình 1.14 Mạch nguyên lý cảm biến hồng ngoại 15

Hình 1.15 Mạch đế phát hiện vật cản 16

Hình 1.16 Thu phát sóng siêu âm 17

Hình 1.17 Tầm quét của cảm biến 17

Hình 1.18 Sensor vị trí kiểu triết áp 18

Hình 1.19 Sensor điện quang 19

Hình 1.20 Sensor Hall 20

Hình 1.21 Sensor Hall 21

Hình 1.22.Đặc tuyến của Sensor Hall 22

Hình 1.23 Cấu trúc mạch cảm biến 22

Hình 1.24 La bàn số và cảm biến góc 23

Hình 1.25 Phương pháp xác định khoảng cách 25

Hình 1.26 Đo khoảng cách bằng đo pha 26

Hình 1.27 Cảm biến siêu âm SRF06 26

Hình 1.28 Sơ đồ nối chân của cảm biến siêu âm SFR06 27

Hinh1.29.Sơ đồ khối chân của cảm biến hồng ngoại 28

Hình 1.30 Đồ thị biểu diễn mối liên hệ điên áp đầu ra và dải đo khoảng cách 29 Hình 1.31 La bàn số CMPS03 29

Hình 1.32 Sơ đồ chân nối la bàn số CPMS03 30

Hình 1.33 Cảm biến nhiệt độ TPA81 31

Hình 1.34 Đồ thị vùng làm việc bước sóng của cảm biến 32

Hình 1.35 Sơ đồ kết nối chân cảm biến nhiệt TPA81 với vi điều khiển 32

Hình 1.36 Cảm biến va chạm 33

Hình 1.37 Sơ đồ nguyên lý cảm biến va chạm 33

Hình 2.1.Các thành phần cơ bản trong một robot di động 34

Hình 2.2 Sơ đồ cấu trúc hệ cảm biến 36

Hình 2.3 Sơ đồ khối hệ cảm biến cho robot 37

Hình 3.1 Mô hình hệ thiết kế robot di động 40

Hình 3.2 Mô hình thiết kế hệ cảm biến trên robot 41

Hình 4.1 Sơ đồ thuật toán cho hệ cảm biến 44

Hình 4.2 Thiết kế mạch điều khiển trung tâm 46

Hình 4.3 Sơ đồ chân vi điều khiển Pic18F4520 47

Hình 4.4 Thiết kế chi tiết khối nguồn 49

Hình 4.5 Thiết kế mạch khối cảm biến SRF06 50

Hinh 4.6 Sơ đồ nguyên lý khối cảm biến va chạm 50

Hình 4.7 Sơ đồ nguyên lý khối cảm biến hồng ngoại 51

Hình 4.8 Mạch nguyên lý của la bàn số và cảm biến nhiệt độ 51

Hình 4.9 Thiết kế sơ đồ truyền thông với máy tính bằng RS232 52

Hình 4.10 Mạch dao động……… 53

Hình 4.11 Mạch hiển thị LCD 52

Hình 4.12 Sơ đồ nguyên lý mạch hệ cảm biến 53

Hình 4.13 Sơ đồ đi dây trong phần mềm altium 10 54

Hình 4.14 Mạch cảm biến tích hợp 3D trên Altium 10 55

Hình 4.15 Hình ảnh khối nguồn được thiết kế trên altium 10 56

Hình 4.16 Sơ đồ khối của mạch nguồn 56

Hình 4.17 Hình ảnh thực tế của mạch hệ cảm biến 57

Hình 4.18 Mạch hệ cảm biến gắn trên Robot 57

DANH MỤC BẢNG Bảng 1 Thông số cơ bản của cảm biến SRF 06 27

Bảng 2 Thông số cơ bản cơ bản của cảm biến hồng ngoại 28

Bảng 3 Thanh ghi CMPS 03 30

Bảng 4 Thông số cảm biến nhiệt độ 31

Bảng 5 Thông số của cảm biến va chạm 33

Bảng 6.Bảng kê tín hiệu được dùng trong Pic 18F4520 48

Bảng 7 Sơ đồ chân của cổng ghép nối với máy tính 52

MỞ ĐẦU

1 Xuất xứ của đề tài

Robot di động ngày càng được ứng dụng nhiều trên thế giới và tại Việt Nam cũng đang từng bước nghiên cứu và chế tạo Nó có thể hoạt động trong các môi trường có điều kiện khắc nghiệt, độc hại như nhiệt độ cao, từ trường mạnh, phóng xạ hay chỉ đơn thuần là tiết kiệm sức lao động của con người Có thể kể đến vài ứng dụng như vận chuyển hàng trong quá trình sản xuất, trong đời sống gia đình, trong quân sự, địa chất, năng lượng

Vấn đề robot chuyển động trên một quí đạo ổn định, hay cảm nhận được môi trường xung quanh cần phụ thuộc rất nhiều những yếu tố Nhưng yếu tố quan trọng nhất để robot di động có thể cảm nhận được vị trí của mình so với môi trường bên ngoài phụ thuộc vào các cảm biến được gắn xung quanh robot

Hệ cảm biến bao gồm nhiều dạng cảm biến được coi như là một con mắt giúp robot có thể cảm nhận được những thay đổi bên ngoài của môi trường và biến đổi các tín hiệu để điều khiển các cơ cấu chấp hành

2 Mục tiêu của đề tài

Nghiên cứu, thiết kế, chế tạo, tích hợp điều khiển thành công cho một mô hình mẫu về hệ cảm biến robot di động

3 Nội dung nghiên cứu

a)Nghiên cứu tổng quan về hệ cảm biến ứng dụng cho robot di động

- Giới thiệu về robot di động dạng 3 bánh dang unicycle – like

- Nghiên cứu về các hệ cảm biến (cấu trúc thành phần, chức năng)

- Nghiên cứu chức năng các cảm biến (siêu âm, hồng ngoại,va chạm)

- Lựa chọn các cảm biến

b) Xây dựng, phân tích kiến trúc hệ cảm biến trong robot di động

c) Thiết kế mô hình hệ cảm biến cho robot di động

d) Thiết kế, chế tạo, tích hợp mạch điều khiển cho hệ cảm biến

- Xây dựng sơ đồ thuật toán và thiết kế mạch cảm biến

- Chế tạo một mạch cảm biến

- Lập trình

Chương I Nghiên cứu tổng quan về hệ cảm biến ứng dụng cho

robot di động

1.1.Giới thiệu về robot di động dạng 3 bánh dạng unicycle - like

1.1.1 Tình hình phát triến của robot di động trên thế giới

Khả năng di động được phát triển cùng với khả năng tránh vật cản và tự định hướng tìm đường trong không gian làm việc rất rộng (về nguyên lý là không có giới hạn) trên mọi địa hình và nhiều khả năng thông minh khác khiến cho Robot

di động có tiềm năng ứng dụng rất lớn cùng với sự phát triển của nhân loại vượt

xa các Robot truyền thống về cả số lượng và chủng loại ứng dụng Hình 1.1 thể

hiện sự phát triển “dân số” của Robot dịch vụ (có khả năng di động) theo thời gian 2009 và 2014

Hình 1.1 Biểu đồ sự phát triển robot trong các năm từ 2009 - 2014

Với lợi thế về khả năng di động trên mọi địa hình, Robot di động có tiềm năng được ứng dụng rộng rãi và phổ biến hơn trong nhiều lĩnh vực như:

Trong địa hình xác định (ứng dụng trong nhà):

 phục vụ cho công nghiệp và vận chuyển,

 thiết bị hỗ trợ khách tham quan trong bảo tàng, cửa hàng,

 thực hiện hút bụi, vệ sinh, thiết bị thông minh giám sát trong các tòa nhà,

 ứng dụng trong giải trí, đồ chơi,

Trong địa hình không xác định (ứng dụng ngoài trời):

 ứng dụng trong không gian vũ trụ,

 ứng dụng trong khai thác mỏ, trong khai thác và bảo vệ rừng,

 ứng dụng trong khảo sát hệ thống cống,

 ứng dụng trong nông nghiệp,

 ứng dụng trong xây dựng,

 ứng dụng là thiết bị bay trên không,

 ứng dụng là tàu lặn dưới nước,

 ứng dụng trong phòng cháy chữa cháy,

 ứng dụng trong quân sự,

Tại Việt Nam việc ứng dụng và phát triển Robot di động thông minh đã và đang được quan tâm tuy nhiên còn rất hạn chế Hoạt động nghiên cứu, chế tạo Robot chỉ tập trung ở một số viện nghiên cứu và trường đại học, ví dụ như: robot kiểm tra lòng cống ngầm, xe tự hành trong y tế, robot phục vụ giám sát an ninh quốc phòng,

Bên cạnh đó, xu thế trên thế giới về ứng dụng Robot di động thông minh trong sinh hoạt của con người như lau nhà, hút bụi, cắt cỏ, giám sát khu nhà, ngày càng trở nên thiết thực giúp thay thế con người thực hiện những công việc nhàm chán, đơn điệu, mệt nhọc tạo điều kiện cho con người tập trung vào các công việc có giá trị cao hơn

1.1.2 Robot dạng unicycle - like

Mobile robot 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 những công việc được giao

Theo lý thuyết, môi trường hoạt động của robot di động 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

Hình 1.2 là dạng robot dạng unicycle - like là dạng robot chuyển động bằng

bánh xe được sử dụng rộng rãi nhất trong công nghệ robot tự hành Vấn đề cân bằng thường không phải là vấn đề được chú ý nhiều trong robot di chuyển bằng bánh Ba bánh là kết cấu có khả năng duy trì cân bằng, tuy nhiên kết cấu 2 bánh cũng có thể cân bằng được Khi robot có số bánh nhiều hơn 3 thì thông thường người ta phải thiết kế hệ thống treo để duy trì sự tiếp xúc của tất cả các bánh xe với mặt đất Có các loại bánh xe sau thường được sử dụng cho robot di động:

Bánh xe tiêu chuẩn: 2 bậc tự do, có thể quay quanh trục bánh xe và điểm tiếp

xúc

Bánh lái: 2 bậc tự do, có thể quay xung quanh khớp lái

Bánh Swedish: 3 bậc tự do, có thể quay đồng thời xung quanh trục bánh xe, trục

lăn và điểm tiếp xúc

Hình 1.2 Dạng robot unicycle like

1.1.3 Những ứng dụng mới nhất của robot di động trên thế giới

Hình 1.3 Robot quân sự Hình 1.4 Robot thám hiểm

Hình 1.5 Robot gia đình

1.2.Tổng quan nghiên cứu về hệ cảm biến robot di động

1.2.1.Khái niệm cảm biến (sensor)

Cảm biến thường được định nghĩa theo nghĩa rộng là thiết bị cảm nhận và đáp ứng lại với những kích thích và các tín hiệu Đây là thiết bị điện tử đóng vai trò quan trọng để robot có thể nhận biết được môi trường bên ngoài.Qua hai sơ

đồ sau ta có thể hình dung sơ lược về bộ cảm biến

Hình 1.6 Mô hình hoạt động của khối cảm biến

Hình1.7.Hệ thống tự động điều khiển quá trình

1.2.2 Khái niệm hệ cảm biến (sensors system)

Hệ cảm biến là tập hợp hai hay nhiều cảm biến cùng loại hoặc khác loại trên một robot, các cảm biến này có thể hỗ trợ và bổ sung về tính năng cho robot di động Các bộ cảm biến đóng vai trò cực kỳ quan trọng trong lĩnh vực đo lường

và điều khiển Chúng cảm nhận và đáp ứng theo các kích thích thường là các đại lượng không điện, chuyển đổi các đại lượng này thành các đại lượng điện và truyền các thông tin về hệ thống đo lường điều khiển, giúp ta nhận dạng, đánh giá và điều khiển mọi biến trạng thái của đối tượng Sự kết hợp giữa các bộ vi

xử lý hay vi điều khiển với các mạch vi điện tử và các cảm biến thông thường để

Cơ cấu chấp hành

Quá trình các biến trạng thái

Bộ cảm biến

Chương Trình

Bộ Vi Xử Lý

thực hiện được các chức năng mới mà các cảm biến thông thường không thể thực hiện được, chúng có thể thu thập số liệu từ nhiều đại lượng đo khác nhau, gia công sơ bộ kết quả theo các thuật toán đã định trước Mặt khác nhờ có các mạch vi điện tử, module cảm biến có khả năng mã hóa tín hiệu đo, ghép nối với các thiết bị ngoại vi, ghép nối với bộ nhớ để lưu giữ số liệu Kết hợp với bộ vi

xử lý hay vi điều khiển chúng có khả năng thực hiện các phép tính đại số Có thể

điều khiển quá trình đo

Nhờ tính năng cao của vi xử lý và các phương pháp đo mà module cảm biến đã nâng cao độ chính xác, tăng độ tác động nhanh, tính ổn định, độ tuyến tính, hạn chế và loại bỏ các yếu tố ảnh hưởng đến chúng Với sự kết hợp đó đã tạo lên một module cảm biến thông minh hơn, nhiều chức năng hơn

Ngày nay do việc sử dụng vi xử lý hay vi điều khiển kết hợp với các cảm biến thông thường, các thiết bị đo, hệ thống thông tin đo lường và các hệ điều khiển

tự động đã có những tiến bộ vượt bậc như tự động chọn thang đo, tự động xử lý thông tin và có khả năng đo nhiều đại lượng với khoảng cách khác nhau theo một chương trình đã định sẵn giúp cho quá trình đo và điều khiển thuận lợi hơn

Hình 1.10 Module thu phát RF Hình 1.11 Module Wifi

1.2.3 Phân loại các dạng cảm biến trong hệ [4]

Cảm biến sử dụng trong Robot di động được phân theo từng loại:

Cảm biến nội (internal sensor): Được đặt trong bản thân của robot, nó sử

dụng các thiết bị về cơ khí, điện, điện tử hoặc thủy lực để nhận các thông tin phản hồi về vị trí của các bộ phận robot Sensor nội đơn giản hiểu có thế là những công tắc giới hạn

Cảm biến ngoại (external sensor): là loại sensor giúp robot giao tiếp với môi

trường bên ngoài như sensor thị giác giúp robot có thể quan sát được, sensor xác định khoảng cách giúp robot có thể ước lượng được khoảng cách tới đối tượng, sensor xúc giác giúp robot có thể cảm giác được khi nắm các vật Các sensor này sẽ phản ánh các thông tin môi trường xung quanh tới robot

Cảm biến khóa (interlock sensor): đây là những loại sensor dùng cho robot

trong những trường hợp khẩn cấp để bảo vệ robot

1.3 Nghiên cứu chức năng các dạng cảm biến được dùng cho robot

1.3.1.Cảm biến hồng ngoại [11]

Là loại cảm biến quang sử dụng thu phát ánh sáng gần vùng hồng ngoại Bước sóng ánh sáng sử dụng trong loại cảm biến này khoảng 880nm Cảm biến hồng ngoại có thể sử dụng để phát hiện màu đen/trắng hoặc phát hiện vật cản Khả năng thực hiện được tùy thuộc vào việc thiết kế mạch

Cách đo khoảng cách: Cảm biến hồng ngoại sử dụng phương pháp TOF để

đo khoảng cách đến vật cản Mạch cảm biến đóng vai trò như mắt của robot di động, giúp nó có thể thể nhận biết môi trường xung quanh (vạch trắng chướng ngại vật) để từ đó có biện pháp xử lý

Trong mạch cảm biến, chúng ta có thể sử dụng các loại led thu phát hồng ngoại hoặc quang trở

Hình 1.12 Bộ thu phát hồng ngoại

Chú ý với hai chân nối với mạch điện của Led Chân anode nối với cực dương của nguồn điện, chân catode nối với cực âm của nguồn điện, qua hình ở dưới ta có thể thấy chân cathode dài hơn chân anode Lưu ý dòng qua led là từ 5 mAh đến 20mAh, khi tính toán thì chọn led =10mAh, điện áp rơi vào khoảng 1,7v đến 2,4v

Cấu tạo led thu hồng ngoại (photodiode): là một loại bán dẫn đơn giản nhưng có vỏ gắn với thấu kính để dẫn tia sáng chiếu đúng vào mắt tiếp giáp Đặc điểm: Photodiode là một loại diode làm việc theo chế độ phân cực nghịch, dòng nghịch qua diode được điều khiển bởi cường độ ánh sáng chiếu vào khi ánh sáng

chiếu qua Diode tăng thì dòng nghịch qua nó cũng tăng theo

Cơ chế hoạt động:

Hình 1.13 Quá trình thu phát của cặp led hồng ngoại

Từ hình 1.13 ta có thể thấy khi led hồng ngoại chiếu ánh sáng hồng ngoại tới

gặp vật cản thì các tia hồng ngoại sẽ dội ngược trở lại, và khi đó đầu thu detetor

sẽ nhận những lượng ánh sáng hồng ngoại bị hắt lại trở về và truyền tín hiệu về mạch xử lý, thông qua bộ khếch đại so sánh Chú ý: đầu thu phát hồng ngoại cần

được che chắn tốt để tránh bị nhiễu sáng bên ngoài (ánh sáng tự nhiên, ánh sáng các loại đền cao áp ) và nên đặt hai đầu thu phát cạnh nhau (khoảng cách là từ 2mm đến 5 mm )

Hình 1.14 Mạch nguyên lý cảm biến hồng ngoại

Trong sơ đồ này sử dụng một diode phát hồng ngoại phát ra ánh sáng gần vùng hồng ngoại Diode này được mắc nối tiếp với một điện trở nhằm hạn chế dòng Đầu thu sử dụng ở đây là một phototransistor với điện áp cực base thay đổi theo lượng ánh sáng hồng ngoại thu nhận được.Tín hiệu từ collector của phototransistor được đưa tới đầu đảo của bộ so sánh với đầu vào cộng đặt ngưỡng Lối ra của bộ so sánh dùng vi mạch khuyếch đại thuật toán LM324 sẽ

có hai mức hoặc cao, hoặc thấp tuỳ thuộc vào điện áp đầu vào đảo so với ngưỡng Đèn LED được mắc ở đầu ra bộ so sánh sẽ chỉ thị như sau Khi gặp vạch trắng cực base của phototransistor thu được nhiều ánh sáng phản xạ nhất làm cho tín hiệu ở collector thấp, khi đó lối vào đảo này sẽ có mức điện áp nhỏ hơn ngưỡng làm cho lối ra có mức cao làm LED chỉ thị tối Ngược lại khi gặp vạch đen, phototransistor nhận yếu làm co lối vào đảo có mức điện áp cao hơn lối vào đặt ngưỡng dẫn tới lối ra có giá trị cao làm đèn LED chỉ thị sáng, trên sử dụng thu phát hồng ngoại một chiều Trong thực tế gặp phải vấn đề khó khăn là nhiễu của các nguồn ánh sáng có tiềm ẩn nguồn hồng ngoại tác động Cự li sử dụng để phát hiện vạch đen trắng khoảng 3 cm Loại mạch này chỉ nên sử dụng trong các điều kiện môi trường lý tưởng không can nhiễu

1.3.2 Cảm biến siêu âm

 Khái niệm cảm biến siêu âm [11]

Cảm biến siêu âm và nguyên tắc TOF (time of flight)

Sóng siêu âm được truyền 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 truyền trong không gian Quãng đường đi của sóng sẽ bằng 2 lần khoảng cách từ cảm biến tới chướng ngại vật, theo hướng phát sóng của siêu âm Hay khoảng cách từ cảm biến đến chướng ngại vật

sẽ được tính theo nguyên lý TOF:

d = t (1.1)

Hình 1.16 Thu phát sóng siêu âm

Khi sóng siêu âm phát ra và thu về, cảm biến siêu âm, một cách gián tiếp cho ta biết vị trí các chướng ngại vật theo hướng quét của cảm biến Khi đó, dường như trên quãng đường đi từ cảm biến đến chướng ngại vật, sóng siêu âm không gặp bất cứ vật cản nào, và đâu đó xung quanh vị trí mà thông số cảm biến ghi nhận được, có một chướng ngại vật Vì thế, cảm biến siêu âm có thể được

mô hình hóa thành một hình quạt, trong đó các điểm ở giữa dường như không có chướng ngại vật, còn các điểm trên biên thì dường như có chướng ngại vật nằm

ở đâu đó

Hình 1.17 Tầm quét của cảm biến

Hình trên chỉ ra rằng nếu có vật cản nằm trong tầm quét của cảm biến siêu

âm, thì vùng quét của siêu âm có thể được phân ra làm 3 vùng Vùng 1 là vùng phía ngoài hình quạt, là vùng dường như có vật cản nào đó Vùng 2 là vùng gần tâm quạt, dường như không có vật cản nào Và vùng 3 là vùng còn lại sau vật cản, cho đến vị trí xa nhất trong tầm quét của siêu âm, đây là vùng chưa biết, vì siêu âm không thể “nhìn” xuyên qua vật cản, chúng ta không xét tới vùng này

Để việc thu phát làm việc hiệu quả, bộ phát tạm ngừng phát sóng trong khoảng thời gian siêu âm được truyền sau đó đợi tín hiệu phản xạ Xung ở đầu

ra của cảm biến được đưa tới bộ xử lý Việc xác định thời gian kéo dài xung sẽ giúp cho robot xác định được khoảng cách

Cảm biến siêu âm

Ưu điểm:

Xử lý nhanh, kết quả tương đối chính xác

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

Tín hiệu đáp ứng của cảm biến tiệm cận analog là tỉ lệ tuyến tính với khoảng cách Điều này đặc biệt lý tưởng cho các ứng dụng như theo dõi các mức vật chất, mức độ chuyển động của đối tượng

Khuyết điểm:

Cảm biến siêu âm chỉ nhận biết được vật cản khi mặt phẳng quét của cảm biến cắt ngang vật cản, do đó nó sẽ không phát hiện ra những vật cản nhỏ, thấp và nằm sát mặt đất

Do sử dụng sóng siêu âm và sự phản xạ của nó để tính khoảng cách và phát hiện vật cản nên giải thuật điều khiển khá phức tạp và phát sinh một số trường hợp sai số khó khắc phục: sai số lặp, hiện tượng Forecasting, hiện tượng đọc chéo (Crosstalk)

1.3.3 Sensor vị trí kiểu chiết áp [12]

Nguyên lý hoạt động: đây là loại sensor vị trí kiểu điện trở thay đổi theo nguyên lý chiết áp rất quen thuộc Sơ đồ nguyên lý dạng cơ bản và dạng bố trí mạch thực tế như hình vẽ

Quan hệ gia giá trị điện áp đầu vào v và điện áp đầu ra V:

Vr v R



(1.2)

Ưu điểm: giá thành thấp, độ bền sử dụng tương đối cao, độ tuyến tính cao Nhược điểm: Làm việc tin cậy với tốc độ thấp, chất lợng chỗ tiếp xúc của bộ phận trượt có thể gây nhiễu và giảm độ nhạy

Hình 1.18 Sensor vị trí kiểu triết áp

Ứng dụng: Loại sensor này được ứng dụng rất rộng rãi trong xác định độ dịch chuyển góc của các trục quay của robot, từ đó vi phân bậc nhất đại lượng dịch chuyển ta được vận tốc góc, vi phân bậc hai đại lượng dịch chuyển ta được gia tốc góc

1.3.4 Sensor điện quang [12]

Nguyên lý làm việc: gồm các đĩa (với trường hợp quay) hoặc các thước (với các trường hợp tịnh tiến) có vạch tối sáng đều nhau Một bên đặt nguồn sáng 1, một bên đặt các quang trở 2 Do thay đổi vị trí tương đối của các phần tử cố định nên tần số và lượng ánh sáng lọt vào quang trở cũng thay đổi Tín hiệu qua bộ khuyếch đại 3 và tạo các xung, từ đó suy ra độ dịch chuyển hoặc vận tốc

Phân hai loại chính:

- Sensor mã hoá giá trị tuyệt đối (absolute encoders)

- Sensor mã hoá giá trị số gia (incremental encoders) Loại thứ hai được dùng phổ biến hơn vì giá thành của nó rẻ hơn

Hình 1.19 Sensor điện quang Tín hiệu đầu ra của các loại sensor này là tín hiệu số nên rất thuận tiện cho việc ghép nối với máy tính để xử lý tín hiệu mà không cần bộ chuyển đổi A/D nào đi kèm

ứng dụng: được dùng nhiều trong cơ cấu đo vận tốc, gia tốc, hay dò đường của các loại Mobile Robot

1.3.5 Cảm biến tín hiệu gần [12]

Công dụng: Dùng để xác định sự có mặt của đối tượng trong phạm vi không gian ngay sát bên chỗ thao tác để kẹp vật hoặc di chuyển vòng qua chướng ngại vật,

Phân loại: Sensor loại này gồm các nhóm sensor sau:

- Sensor từ cam: đây là loại sensor hoạt động theo nguyên tắc thay đổi độ

từ cam khi thay đổi cự li giữa các vật thể kim loại và sensor Để nhận

được tín hiệu ra từ sensor loại này cần có sự chuyển động tương đối giữa

sensor và đối tượng

- Sensor Hall: Cảm biến Hall hoạt động dựa trên nguyên tắc hiệu ứng Hall

Hiệu ứng Hall liên hệ giữa điện thế giữa hai đầu dây dẫn với từ trường Nếu sử dụng cảm biến Hall này với một nam châm vĩnh cửu ta có thể

nhận biết được vị trí các vật nhiễm từ Sơ đồ cấu tạo:

Hoạt động trong điều kiện bình thường: Khi vật thể nhiễm từ đặt sát bên cạnh thì

từ lực chạy qua cảm biến hall sẽ giảm đi rõ rệt, khi đó cảm biến sẽ xác định được vị trí của vật nhiễm từ

Biện pháp khắc phục: Sử dụng các vật bán dẫn (silic) thì có thể giảm kích thước, tăng độ chính xác, tăng độ ổn định và có thể cấy trực tiếp trên cảm biến một mạch khuyếch đại

Ứng dụng:

- Dùng trong phân loại sản phẩm

- Dùng để xác định vị trí di chuyển

- Được sử dụng nhiều trong robot

Sử dụng Hall Effect Sensor để đo vị trí:

Tạo mô hình thực nghiệm như hình vẽ dưới, gồm có 1 động cơ (loại nào cũng được), 1 nam châm hình đĩa tròn (Ring Magnet) như trong hình vẽ 1.20, 1 cảm biến Hall Effect loại tín hiệu ra tương tự (nếu dùng Hall Effect tín hiệu ra

số thì phải làm mô hình dạng khác)

Hình 1.21 Sensor Hall

Khi động cơ quay, đĩa nam châm gắn với trục động cơ quay theo, từ trường biến thiên Cảm biến Hall Effect cảm nhận được sự biến thiên này và tạo tín hiệu điện áp đầu ra tương ứng Thực tế, quan hệ giữa từ trường (input) và điện

áp (output) có dạng như hình 1.21, đó là khâu khuếch đại bão hòa Vì vậy, đặc

tính phi tuyến này cần được tuyến tính hóa Các nhà sản xuất Hall Effect sẽ giúp bạn việc này

Trên hình 1.22, có ba đường đặc tuyến sau khi được tuyến hóa trong vùng từ

trường -640 < B (Gauss) < 640 Hình dáng của đường tuyến tính hóa phụ thuộc vào điện áp cấp (Vs) cho cảm biến

Hình 1.22 Đặc tuyến của Sensor Hall

Viết một chương trình thu thập dữ liệu trên VDK Pic Mạch phần cứng có thể thiết kế theo nguyên lý sau:

Hình 1.23 Cấu trúc mạch cảm biến

Như vậy ứng với mỗi vị trí của động cơ, ta sẽ đo được 1 điện áp xác định từ cảm biến Điện áp ra của cảm biến thường là 0 -10VDC tương ứng với góc quay từ 0-360 độ của trục động cơ Do đó bài toán xác định vị trí đã đạt được

trái đất được quan tâm Địa từ cảm biến như vậy, ta có thể phân thành các loại chung sau đây:

Robot sử dụng là bàn thường dùng kèm theo encoder để xác định tọa độ của

nó Muốn robot hoạt động, người ta phải lập bản đồ hoạt động, thí dụ đi từ điểm

A đến điểm B, giữa A và B có chướng ngại vật, robot cần tránh

Trước tiên phải vẽ bản đồ hoạt động từ điểm A đến điểm B có hướng thí dụ

là 330 độ Nam, từ A đến chướng ngại vật là 1m, bề dài chướng ngại vật là 1m,

từ chướng ngại vật đến B là 2m Bánh xe robot có chu kì là 0,1m

Như vậy, robot sẽ bắt đầu hoạt động từ điểm A đi về hướng 330 độ Nam, encoder gắn trên trục bánh xe đếm được 10 vòng là phải tránh chướng ngại vật Robot quẹo phải tức là ở hướng: 330 + 90 = 420 - 360 = 60 độ Bắc Cứ thế robot

sẽ tiếp tục thẳng 10 encoder rồi mỗi lần thay đổi hướng đi robot sẽ lưu hướng vào bộ nhớ để sử dụng

1.3.5 Một số tiêu chí đánh giá cảm biến [4]

Sai số

- Sai số do mắt trễ

- Sai số về độ phân giải

- Sai số do tuyến tính hóa

Phạm vi cảm nhận

Là giới hạn cảm nhận của cảm biến đối với đại lượng vật lý cần đo.Ví dụ: Cảm biến nhiệt có tín hiệu ra bằng điện tỉ lệ với nhiệt độ cần đo Do đó trong

khoảng giới hạn nhiệt độ trên và dưới, mối quan hệ này còn được coi là tuyến tính Vùng tuyến tính đó được gọi là phạm vi cảm nhận

Đối với cảm biến tiệm cận là khoảng giới hạn trên và dưới mà cảm biến có thể phát hiện ra đối tượng, làm cho đầu ra chuyển tín hiệu một cách chắc chắn

 Sai số do mắt trễ tín hiệu

Sự khác biệt lớn nhất giữa giá trị đầu ra đo được với giá trị đầu ra lý thuyết khi tín hiệu đầu vào tăng hoặc giảm

 Sai số do độ phân giải

Độ phân giải: là sự thay đổi lớn nhất của đại lượng vật cần đo mà không gây

ra sự thay đổi về tín hiệu đầu ra của cảm biến

 Sai số do tuyến tính hóa

Với một sensor lý tưởng thì tín hiệu đầu vào luôn tỉ lệ tuyến tính với tín hiệu đầu ra Nhưng trên thực tế để có tín hiệu đo tuyến tính, người ta luôn phải tiến hành tuyến tính hóa Điều này sẽ tạo ra sai số của tín hiệu

1.3.6 Các dạng phương pháp xác định khoảng cách đến vật cản(cảm biến siêu

âm, hồng ngoại)

Dạng sensor xác định khoảng cách ( ranger sensor)

Đây là loại cảm biến giúp robot di động ước lượng xác định được khoảng cách từ vị trí của robot tới đối tượng Có nhiều cách xác định khoảng cách tới đối tượng Sau đây trình bày hai cách xác định cơ bản đó là:

Phương pháp xác định bằng đo lượng giác: Phương pháp này sử dụng một

nguồn phát sáng chùm tia hẹp tới đập vào bề mặt vật thể Do phản xạ, tia phản

xạ chuyển hướng tới bộ thu được đặt cách bộ phát khoảng B, góc tia phát sáng

so với phương ngang là ∝ :

Hình 1.25 Phương pháp xác định khoảng cách

Nếu D là khoảng cách từ đối tượng tới nguồn thu thì khoảng cách này được tính như sau :

D = B.tg (1.3) Phương pháp xác định khoảng cách bằng đo khoảng thời gian truyền sóng :

Trong phương pháp này sử dụng nguồn phát lazer xung để phát ra xung, sau

đó thu lại ánh sáng của nó với điều kiện chùm sáng đi và trùm sáng về phải đồng trục Khi đó là khoảng cách từ sensor tới đối tượng sẽ được tính :

D = C.T /2 (1.4)

D : khoảng cách từ sensor tới đối tượng

C : vận tốc truyền ánh sáng

T : là thời gian kể từ khi phát xung sáng cho tới khi nhận được xung sáng

Công thức này, để đo khoảng cách D sẽ gặp khó khăn là khoảng thời gian T thường rất nhỏ cỡ pcr giây Thường thực tế sử dụng đo thời gian trễ giữa sóng phát ra và sóng phản xạ Trong cách này, một nguồn laser sẽ phát ra liên tục, bộ

đo sẽ thực hiện đo pha giữa hai sóng tới và sóng phản xạ

Hình 1.26 Đo khoảng cách bằng đo pha

Được xác định bởi công thức :

D’ = 2D + L (1.5)

L: là khoảng cách từ tia chuẩn tới detector

D: là khoảng cách từ đối tượng tới gương bán mạ

D’: là tổng quãng đường của laser với vật thể và quay trở lại detector Nếu đối

tượng ở gần (D = 0) khi đó pha của 2 tia sáng như nhau Khi D tăng thì độ lêch pha tăng dần độ dịch pha giữa 2 tia trong trường hợp này sẽ là :

D’ = L + /3600 (1.6)

D=L+ /(3600) (1.7)

Bên cạnh việc sử dụng đo khoảng cách bằng nguồn phát laser, trên thực tế người

ta còn sử dụng nguồn thu phát siêu âm Chùm siêu âm phát ra đập tới bề mặt phản xạ của đối tượng , xung phản xạ ta hoàn toàn có thể đo được khoảng cách tới vật Nếu đo được khoảng thời gian kéo dài xung phản xạ ta hoàn toàn có thể

đo khoảng cách tới các vật

1.3.7 Nhận xét

Có rất nhiều các cảm biến với những chức năng đa dạng và phong phú, không có một cảm biến nào có thể đáp ứng đủ các chức năng trên chúng vì vậy việc lựa chọn cảm biến mang cấp độ hệ thống, tránh trường hợp riêng lẻ khi chọn Khi đó ta mới xét tới kích cỡ, phạm vi xử lý tín hiệu, độ bền vững, độ tin

1.4.1.Cảm biến siêu âm SRF06 [14]

Hình 1.27 Cảm biến siêu âm SRF06

Hình 1.28 Sơ đồ nối chân của cảm biến siêu âm SFR06

Bảng 1 Thông số cơ bản của cảm biến siêu âm SRF 06

* Nguyên lý hoạt động của SRF 06 là :

FRS 06 tự động thực hiện liên tục phát ra sóng siêu âm, thời gian 70 -100 ms trong một chu kỳ, đầu thu sẽ nhận sóng phản xạ sau đó chuyển thành tín hiệu đưa về bộ điều khiển

1.4.2.Cảm biến hồng ngoại 0A41SK [14]

Hinh1.29.Sơ đồ khối chân của cảm biến hồng ngoại

Thông số Điều kiện thử Ngưỡng

thấp

Định mức

Ngưỡng cao Đ.vị

(*1) vật phản xạ sử dụng giấy trắng (Kodak gray card R-27, hệ số phản xạ 90%)

Bảng 2 Thông số của cảm biến hồng ngoại

 Cảm biến hồng ngoại tích hợp một đầu PSD, IR - LED và mạch điều khiển

 Nguyên lý hoạt động : tính khoảng cách đến vật cản theo nguyên lý TOF dựa vào sóng phản xạ được thực hiện bởi đầu phát và thu

 Tín hiệu đầu ra là Analog

 Một chu kỳ hoạt động có thời gian 16,5 ms