Nghiên cứu thiết kế và chế tạo mô hình robot phục vụ trong phòng chờ

Robot used in the service is designed to carry out the work of the waiter, serving a two-part system: move with wheels and a manipulator with 3 degrees of freedom but share control syste

TÓM T T LU NăVĔN

Lu n văn nghiên c u thi t k ch t o robot ph c v n c trong phòng ch Robot dùng trong quá trình ph c v đ c thi t k nhằm thực thi công vi c c a

ng i b i bàn, H thống chấp hành g m 2 phần: xe di chuy n bằng bánh và m t tay máy có 3 b c tự do nh ng có chung h thống đi u khi n Robot ch y u ho t đ ng trong các phòng ch nhà ga, b n xe… v i s đ mặt bằng, các bàn ph c v và

đ ng v ch đ c sắp x p và bố trí theo s đ thi t k Phần xe di đ ng s di chuy n bám theo đ ng v ch màu trắng đã đ c thi t k và bố trí sẵn trên n n phòng ch ,

nh vào các c m bi n quang đ c đặt phía tr c c a xe Trên phần đầu c a robot

đ c đặt m t c m bi n siêu âm nhằm phát hi n v t c n trên đ ng di chuy n Ngoài

ra có th dùng remote đ đi u khi n robot thông qua k t nối không dây bằng sóng

RF

ng d ng vi đi u khi n PIC 18F4431 làm b xử lý trung tơm đ đi u khi n các ho t đ ng c a robot L p trình đi u khi n robot bằng ngôn ngữ C v i trình biên dịch PIC C Compiler K t qu thực nghi m robot thực hi n công vi c đ t đ c các yêu cầu đặt ra

ABSTRACT

Dissertation research design and create robots to serve in the waiting room Robot used in the service is designed to carry out the work of the waiter, serving a two-part system: move with wheels and a manipulator with 3 degrees of freedom but share control system Robot primarily operates in the waiting room at the station, bus with the site plan, the table service and bar lines are sorted and arranged according to the diagram designer Mobile car will move followed the white line layout has been designed and is available in the lounge, thanks to the optical sensor is placed in front of the car On the first part of the robot is placed an ultrasonic sensor to detect obstacles on the move You can also use the remote to control the robot via wireless connection using RF waves

PIC 18F4431 microcontroller applications central processor to control the operation of the robot Robot controller programming in C language with the PIC C compiler The experimental results robots do the work to achieve the requirements set out

M C L C

Trang t ựa

TRANG Quy tăđịnhăgiaoăđ tài Lý lịch cá nhân i L i cam đoan ii L i c m n iii Tóm tắt lu n văn iv M c l c vi Danh sách các hình viii Danh sách các b ng x Ch ng 1 T NG QUAN 1.1 T ng quan chung v lĩnh vực nghiên c u, các k t qu nghiên c u trong và ngoƠi n c đã công bố 1

1.1.1 Gi i thi u chung v lĩnh vực nghiên c u 1

1.1.2 Phân lo i robot 2

1.1.3 M t số d ng đi u khi n 6

1.1.4 Các k t qu nghiên c u trong vƠ ngoƠi n c đã công bố 7

1.2 M c tiêu, khách th vƠ đối t ng nghiên c u c a đ tài 10

1.3 Nhi m v c a đ tài và ph m vi nghiên c u 10

1.4 Ph ng pháp nghiên c u 11

Ch ng 2 C S LÝ THUY T 2.1 H tọa đ thuần nhất 12

2.2 Các phép bi n đ i tọa đ : 13

2.2.1 Phép bi n đ i tịnh ti n: (Translation) 13

2.2.2 Phép quay (Rotation) quanh các tr c tọa đ : 14

2.3 Đ ng học c a robot di chuy n bằng bánh xe: 14

2.4 Vi đi u khi n: 22

2.4.1 Gi i thi u Pic 18F4431: 22

2.4.2 Ch c năng c a từng chân: 23

2.4.3 Ngắt (interrupts) 24

2.5 Lý thuy t v phần m m – ch ng trình đi u khi n Robot 25

2.5.1 Các khâu chính trong quá trình ho t đ ng c a Robot 25

2.5.2 Lý thuy t v đi u khi n robot di chuy n theo đ ng v ch (line): 26

2.5.3 Ph ng pháp đi u khi n: 29

Ch ng 3 THI T K C KHệ VÀ B ĐI U KHI NCHO ROBOT 3.1 Thi t k c khí 32

3.1.1 Đ di chuy n: 33

3.1.2 Phần cánh tay robot 33

3.2 Thi t k b đi u khi n và l p trình cho robot 39

3.2.1 Phần c ng 40

3.2.2 L p trình đi u khi n robot 44

Ch ng 4 KI M TRA, ĐÁNH GIÁ K T QU 4.1 K t cấu c khí 48

4.1.1 Đ di đ ng 48

4.1.2 Cánh tay 49

4.1.3 C cấu gắp 49

4.2 M ch đi u khi n sử d ng trong robot: 50

4.2.1 M ch đi u khi n robot 50

4.2.2 Khối cách ly vƠ đ ng lực 51

4.2.3 M ch dò đ ng 51

4.3 Các b c ti n hành thực nghi m 52

Ch ng 5 K T LU N VÀ H NG PHÁT TRI N 5.1 K t Lu n 56

η.2 H ng phát tri n cho t ng lai 57

Hình 1.9: Robot dùng trong ph c v ăn uống 8

Hình 2.1: Phơn tích đ ng học c a robot di chuy n theo quỹ đ o cho tr c 15

Hình 2.2: V n tốc bánh bên trái và bánh bên ph i 16

Hình 2.3:S đ ch c năng chơn c a PIC18F4431 21

Hình 2.4: S đ cấu trúc ho t đ ng c a Robot 24

Hình 2.5: Các m c đ l ch ra khỏi v ch trắng c a robot 25

Hình 2.6: C m bi n quang đ c bố trí trên khung đ robot 26

Hình 2.7: Các tr ng thái l ch ph i và l ch trái c a robot

Hình 2.8: Đi u ch chu kỳ xung PWM 27

Hình 2.9: Mô t mối quan h giữa v n tốc không t i c a đ ng c DC

Hình 3.5: Mô hình thi t k robot đã đ c lắp rắp 36

DANH SÁCH CÁC B NG

B NG TRANG

B ng 2.1: Thông số đi u khi n số vòng quay c a bánh xe trái và ph i … 18

B ng 2.2: B ng giá trị đ đi u khi n tốc đ đ ng c trái và đ ng c ph i

t ng ng v i các m c l ch khỏi v ch trắng c a robot……… 29

Ch ngă1

T NG QUAN

1.1 T ngăquanăchung v ălĩnhăvựcănghiên c u,ăcácăk tăqu ănghiên c uătrongăvà ngoƠiăn căđã công bố.ăă

1.1.1 Gi i thi uăchung v ălĩnhăvựcănghiên c uă

Robot đã có những b c ti n đáng k h n nửa th kỷ qua Robot đầu tiên

đ c ng d ng trong công nghi p vào những năm θ0 đ thay th con ng i làm các công vi c nặng nhọc, nguy hi m trong môi tr ng đ c h i Do nhu cầu cần hòa

nh p ngày càng nhi u v i quá trình s n xuất ph c t p nên robot cần có những kh năng thích ng linh ho t vƠ thông minh h n NgƠy nay, ngoƠi ng d ng trong ch

t o máy thì các ng d ng robot trong y t , chăm sóc s c khỏe, nông nghi p, đóng tàu, xây dựng, an ninh quốc phòng và gia đình đang có nhu cầu gia tăng lƠ đ ng lực cho các robot địa hình và robot dịch v phát tri n

Hình d ng robot đầu tiên xuất hi n Hoa Kỳ, là lo i tay máy chép hình dùng trong phòng thí nghi m v t li u phóng x Vào những năm η0 th kỷ tr c, bên

c nh các tay máy chép hình c khí, các lo i tay máy chép hình thuỷ lực đi n từ đã

xuất hi n Tuy nhiên, các tay máy th ng m i đ u có chung nh c đi m là thi u sự

di đ ng Các tay máy cố định chỉ ho t đ ng trong m t không gian bị gi i h n quanh

vị trí c a nó Ng c l i, mobile robot là lo i robot di đ ng có th di chuy n từ không gian này t i không gian khác m t cách đ c l p hay có đi u khi n từ xa, do đó

t o nên không gian ho t đ ng rất l n

Mặc dù v cấu trúc c a các lo i robot có khác nhau nh ng các nghiên c u hi n nay đ u h ng v các ng d ng dịch v và ho t đ ng c a robot trong các môi

tr ng tự nhiên V i sự phát tri n c a xã h i và quá trình hi n đ i hóa các n c phát tri n thì nhi u dịch v m i đ c hình thành làm thay đ i quan đi m v robot từ robot ph c v công nghi p sang robot ph c v cho các nhu cầu xã h i và nhu cầu cá nhân c a con ng i

1.1.2 Phân lo iărobotă

Trong công nghi p ng i ta sử d ng những đặc đi m khác nhau c b n nhất

c a robot đ giúp cho vi c phân lo i chúng đ c d dàng Có 4 y u tố chính đ phân lo i robot nh sau:

Theo d ng hình học c a không gian ho t đ ng, theo th h robot, theo b đi u khi n, theo ngu n d n đ ng Tuy nhiên trong gi i h n c a đ tài này chỉ đ c p đ n

lĩnh vực nghiên c u lƠ robot di đ ng dùng trong ph c v Robot di đ ng là m t h robot có kh năng thực hi n các nhi m v nhi u vị trí khác nhau v i kh năng

dịch chuy n bằng bánh xe, xích hay bằng chân ph thu c vƠo địa hình Đối v i robot di chuy n d i n c hay trên không, ta cần có đ ng c cánh qu t, chân vịt hay đ ng c ph n lực đ t o chuy n đ ng cho robot Kh năng di đ ng làm robot có nhi u ng d ng vƠ đòi hỏi ph i gi i quy t nhi u vấn đ m i M t trong những vấn

đ chung cần nghiên c u các lo i robot di đ ng là kh năng xác định ph ng

h ng (navigation) c a robot

Robotădiăđ ng có th phân lo i bằng các cách:

 Phân lo i theo môi tr ng mà chúng di chuy n:

 Robot ngoài tr i và robot trong nhƠ Thông th ng, chúng đ c

lắp bánh xe, nh ng cũng có lo i robot có chân (g m 2 hoặc nhi u chơn) nh robot hình ng i, robot hình d ng đ ng v t

hoặc côn trùng

Hình 1.1: Robot hình ng i và hình dáng đ ng v t

 Robot trên không th ng dùng cho các ph ng ti n trên không,

 Phân lo i theo ph ng pháp di chuy n:

 Robot có chân, chân giống ng i hay chân giống đ ng v t

u đi m l n nhất c a lo i Robot này là có th thích nghi và di chuy n trên các địa hình g gh H n nữa chúng còn có th đi qua những v t c n nh hố, v t n t sâu

Nh c đi m chính c a Robot lo i này chính là ch t o quá ph c t p Chân Robot là k t cấu nhi u b c tự do, đơy lƠ nguyên nhơn lƠm tăng trọng l ng c a Robot đ ng th i gi m tốc đ di chuy n Các kỹ năng nh cầm, nắm hay nâng t i

cũng là nguyên nhân làm gi m đ c ng vững c a Robot Robot lo i này càng linh

ho t thì chi phí ch t o càng cao

Robot tự hành di chuy n bằng chơn đ c mô phỏng theo các loƠi đ ng v t vì

th mà chúng có lo i chân, lo i 2, 4, 6 chân và có th nhi u h n

 Robot di chuy n bằng bánh xe (wheeled mobile robot)

Hình 1.4: Robot c a NASA chuy n đ ng bánh xe Bánh xe lƠ c cấu chuy n đ ng đ c sử d ng r ng rãi nhất trong công ngh Robot tự hành Vấn đ cân bằng th ng không ph i là vấn đ đ c chú ý nhi u trong Robot di chuy n bằng bánh Ba bánh là k t cấu có kh năng duy trì cân bằng

nhất, tuy nhiên k t cấu 2 bánh cũng có th cân bằng đ c Khi Robot có số bánh nhi u h n 3 thì thông th ng ng i ta ph i thi t k h thống treo đ duy trì sự ti p xúc c a tất c các bánh xe v i mặt đất Vấn đ c a Robot lo i này là v lực kéo, đ

n định và kh năng đi u khi n chuy n đ ng v.v D i đơy lƠ các lo i bánh xe c

b n đ c sử d ng trong Robot tự hành:

+ Bánh xe tiêu chuẩn: 2 b c tự do, có th quay quanh tr c bánh xe vƠ đi m

ti p xúc

+ Bánh lái: 2 b c tự do, có th quay xung quanh kh p lái

+ Bánh Swedish: 3 b c tự do, có th quay đ ng th i xung quanh tr c bánh

xe, tr c lăn vƠ đi m ti p xúc

Ký hi u các lo i bánh xe

Bánh đa h ng không truy n đ ng

Bánh truy n đ ng Swedish (đa h ng)

Bánh quay tự do tiêu chuẩn

Bánh truy n đ ng tiêu chuẩn

Bánh vừa truy n đ ng vừa là bánh lái

Hình 1.5: Ký hi u c a các lo i bánh xe

Hình 1.6: Các cách bố trí bánh xe c a Robot

 Robot di chuy n bằng bánh xích

Hình 1.7: Robot di chuy n bằng bánh xích

Lo i robot này chuy n đ ng bằng các bánh có lắp xích nh xe tăng, rất phù

h p khi di chuy n trên các địa hình ph c t p Đ đ i h ng, nó thay đ i tốc đ quay

c a 2 bánh xích ch đ ng Tuy nhiên do chuy n đ ng bằng xích khi đ i h ng s

x y ra hi n t ng tr t, do đó khó đi u khi n chính xác M t vấn đ nữa là lo i robot này rất d làm hỏng b mặt c a n n, đặc bi t là khi chuy n h ng

1.1.3 M tăsốăd ngăđi uăkhi n

Robot đi u khi n từ xa bằng tay v i các b ph n có cần đi u khi n hoặc

những thi t bị đi u khi n khác Thi t bị đi u khi n có th đ c gắn trực ti p vào robot, ví d : m t cần g t không dây, hoặc m t ph ki n c a m t máy tính không dơy Robot đi u khi n từ xa giúp con ng i tránh khỏi những nguy hi m

Robot đi u khi n từ xa tự b o v có kh năng phát hi n và tránh những

ch ng ng i v t nh ng đi u khi n cũng giống nh robot đi u khi n từ xa bằng tay

Có rất ít con robot chỉ dùng đ n lẻ b đi u khi n từ xa tự b o v

M t vài robot tự đ ng đầu tiên là những robot theo l trình Chúng có th theo những đ ng đ c s n khắc trên sàn, trần nhà hay trên m t dơy đi n trên sàn

Đa số robot này ho t đ ng theo m t thu t toán đ n gi n là giữ l trình trong b xử

lý trung tâm, chúng không th đi vòng qua các ch ng ng i v t, chúng chỉ dừng l i khi có v t nƠo đó c n đ ng chúng Rất nhi u m u c a lo i robot này v n đ c bày bán b i FMC, Egemin, HK system và m t vài công ty khác

Robot ho t đ ng đ c l p v i những chuy n đ ng ng u nhiên, v c b n đó lƠ

những chuy n đ ng nh nh y b t lên t ng, những b c t ng nƠy đ c c m nh n

do sự c n tr v mặt v t lý nh máy hút b i Roomba, hoặc v i b c m bi n đi n tử

nh máy cắt cỏ Friendly Robotics

1.1.4 Các k tăqu ănghiên c uătrongăvƠăngoƠiăn căđã công bốă

Trong đ tài chỉ t p trung nghiên c u robot ph c v nên trong phần này chỉ gi i thi u các nghiên c u có liên quan đ n robot ph c v

T rongăn c:

Từ những năm 1980, các nhƠ khoa học VN đã ti p c n v i vi c nghiên c u

ch t o robot Đ n nay, nhi u đ tài nghiên c u đã đ c thực hi n thƠnh công nh

đ tài nghiên c u ng d ng kỹ thu t tay máy, ng i máy trong b o h lao đ ng,

ng d ng ng i máy công nghi p trong kỹ thu t bốc x p v n chuy n phơn x ng công nghi p, nghiên c u ng d ng robot trong công ngh b mặt, ch t o robot

ph c v gia công c khí, ch t o robot gắp s n phẩm cho khuôn ép M t số robot

c a Vi t Nam đã ch t o thƠnh công vƠ đ c công bố nhi u trên các h i nghị và t p chí trong, ngoƠi n c cũng nh ph ng ti n truy n thông nh :

Hình 1.8: Robot chữ th p đỏ, h ng d n viên du lịch và ph c v bàn c a Vi t Nam

N goƠiăn c:

(Ngu ồn VnExpress)

Hình 1.9: Robot dùng trong ph c v ăn uống

ch nhà ga, b n xe, khách s n hoặc văn phòng là m t vi c làm h t s c cần thi t trong giai đo n hi n nay

Trong các họ robot, chúng ta không th không nhắc t i mobile robot v i

những đặc thù riêng mà các lo i robot khác không có Các tay máy cố định chỉ ho t

đ ng trong m t không gian bị gi i h n quanh vị trí c a nó Ng c l i, mobile robot

có th di chuy n, do đó t o nên không gian ho t đ ng rất l n vƠ cho đ n nay nó đã

dần khẳng định vai trò quan trọng không th thi u trong nhi u lĩnh vực, thu hút

đ c rất nhi u sự đầu t nghiên c u

 Ý nghĩa khoa học và ý nghĩa thực ti n c a đ tài

Ý nghĩa khoa học: Đ có kh năng ti p c n công ngh hi n đ i c a th gi i, từng b c có th tự thi t k , ch t o các thi t bị, máy móc đi u khi n, vi c nghiên

c u và ng d ng tự đ ng hóa là m t b c đi rất quan trọng trong sự nghi p công nghi p hóa và hi n đ i hóa đất n c, t o ra những s n phẩm m i có tính c nh tranh trên th gi i, n c ta cũng không nằm ngoài quy lu t này Trong quá trình học t p nhƠ tr ng đ có th đáp ng đ c nhu cầu c a xã h i, b n thân tôi đ c sự định

h ng giúp đỡ t n tình c a quý thầy trong khoa C Khí Ch T o Máy đặc bi t là thầy TS HuǶnh Nguy n Hoàng, tác gi đã chọn và thực hi n đ tài “Nghiên c u thi t k , ch t o mô hình robot ph c v trong phòng ch “ Vấn đ này rất cần thi t

và có ý nghĩa thực ti n cao trong giai đo n hi n nay

Ý nghĩa thực ti n: Đ gi i quy t nhu cầu thi u h t lao đ ng trong t ng lai,

lĩnh vực dịch v hoặc những công vi c lặp đi lặp l i d nhàm chán và có thu nh p thấp, c th là công vi c ph c v trong phòng ch , vi c thuê ng i đ ph c v bàn đôi khi gặp nhi u khó khăn do sự khác bi t văn hoá, quan ni m sống, cách ng xử không khéo l i d gơy xung đ t, rất ph c t p Vì v y n u có robot thay th thì đi u

này s không x y ra, vi c sử d ng robot đ thay th hoặc h tr con ng i trong công vi c này thì rất thích h p

1.2 M cătiêu, khách th ăvƠăđốiăt ngănghiên c u c aăđ ătài

M c tiêu c a đ tài là thi t k , ch t o robot ng d ng trong vi c ph c v trong phòng ch có nhi u bàn

Đối t ng t p trung nghiên c u c a đ tài là đ a ra gi i pháp đi u khi n cho robot

di đ ng dùng trong ph c v , di chuy n theo l trình đã đ c v ch tr c

1.3 Nhi măv ăc aăđ ătài và ph măviănghiên c u

Nghiên c u thi t k và ch t o mô hình robot di đ ng ph c v trong phòng

ch bao g m:

- Phần c khí g m có:

 Thi t k , ch t o phần đ di chuy n

 Thi t k , ch t o phần c cấu tay máy

 Thi t k , ch t o c cấu giữ khay ch a th c uống

- Phần đi u khi n g m có:

 Thi t k m ch đi u khi n cho robot

 Xây dựng l u đ gi i thu t cho robot di đ ng

 L p trình đ robot thực hi n công vi c ph c v b i bàn

Đ tài này gi i h n trong bƠi toán cho Robot di đ ng bằng bánh k t h p v i c

cấu tay máy đ thực hi n công vi c ph c v bàn (lấy khay từ bàn pha ch , đem đ n đặt lên bàn khách hàng) Phần đ di chuy n s chuy n đ ng bám theo l trình đã

đ c chỉ định tr c, n u gặp v t c n trên đ ng di chuy n s dừng l i, khi không còn v t c n s đi ti p đ hoàn thành nhi m v Phần c cấu chấp hành là m t tay máy có ba b c tự do v i không gian làm vi c hình tr , g m có chuy n đ ng xoay quanh tr c Z, chuy n đ ng tịnh ti n theo ph ng Z đ nâng, h và chuy n đ ng tịnh

ti n theo ph ng X nhằm đặt khay ch a th c uống lên bàn cùng v i m t c cấu

kẹp, nh khay ch a th c uống Trong quá trình di chuy n c cấu tay máy không

ho t đ ng khi nƠo đ n vị trí đã đ c xác định phần đ dừng l i thì c cấu tay máy

m i ho t đ ng Bàn, gh và khay ch a th c uống đ c trang bị theo qui cách có sẵn trên thị tr ng vƠ đ c bố trí theo s đ thi t k

1.4 Ph ngăphápănghiênăc u

Đ đáp ng đ c các m c tiêu đã đ ra, ph ng pháp nghiên c u s t p trung gi i quy t các vấn đ nh sau:

- Xây dựng mô hình lý thuy t bao g m:

 Thu th p và nghiên c u các tài li u liên quan v các mô hình

 Tìm hi u, sử d ng c m bi n siêu ơm đ phát hi n v t c n, m ch thu phát tín hi u RF dùng đ truy n tín hi u đi u khi n robot thực hi n công vi c đã đ c l p trình

 Tìm hi u, ng d ng PIC18F4431, làm b xử lý trung tâm cho robot

 Nghiên c u gi i thu t đ đi u khi n robot di chuy n bám theo đ ng line (v ch)

- Xây dựng mô hình thực nghi m bao g m:

 Thi t k , ch t o mô hình phần đ di chuy n, c cấu tay máy vƠ c

Tùy thu c vào h quy chi u đã chọn, trong không gian ba chi u, m t vect V có

th đ c bi u di n bằng nhi u vect đi m khác nhau:

VE, VF lƠ 2 vect khác nhau mặc dù c 2 vect cùng mô t đi m V N u i, j ,k là các vect đ n vị c a m t h tọa đ nƠo đó, chẳng h n trong E, ta có:

v⃗ = aı⃗+ bȷ⃗+ ck⃗

v i a, b, c là tọa đ vị trí c a đi m V trong h đó

N u quan tơm đ ng th i định vị vƠ định h ng, ta ph i bi u di n vect V trong không gian 4 chi u v i suất vect lƠ m t ma tr n c t

Trong tr ng h p này thì các tọa đ bi u di n bằng v i tọa đ v t lý c a đi m trong không gian 3 chi u, h tọa đ sử d ng w = 1 đ c gọi là h tọa đ thuần nhất

v lƠ vect bi u di n đi m sau khi đã bi n đ i

2.2.1 Phép bi năđ iătịnhăti n: (Translation)

Gi sử cần tịnh ti n m t đi m hoặc m t v t th theo vect d n

=

x + aw

y + bw

z + cww

=

x/ w + ay/ w + bz/ w + c1

w

Nh v y b n chất c a phép bi n đ i tịnh ti n là phép c ng vect giữa vect bi u di n đi m cần chuy n đ i vƠ vect d n

2.2.2 Phép quay (Rotation) quanh các tr cătọaăđ :

Gi sử ta cần quay m t đi m hay m t v t th quanh m t tr c to đ nào

đó v i góc quay θ , ta có các ma tr n chuy n đ i nh sau

C t th 4 c a các ma tr n 4x4 trên có 3 phần tử đ u bằng 0 vì đơy không

có sự tịnh ti n Các ma tr n nƠy đ c gọi là các ma tr n quay (rotation) c b n Các

ma tr n quay khác có th xây dựng từ các ma tr n c b n này [3]

2.3 Đ ng học c a robot di chuy n bằng bánh xe:

Đ ng học là nghiên c u c b n nhất đ tìm hi u quá trình ho t đ ng c a h thống c khí, trong lĩnh vực mobile robot, chúng ta cần tìm hi u đặc tính c c a robot đ thi t k sao cho phù h p v i các nhi m v đặt ra, ngoài ra vi c tìm hi u đặt tính c c a robot còn giúp ta xác định đ c ph ng pháp thi t k phần m m đi u khi n sao cho phù h p v i từng phần c ng c a robot

Mobile robot là m t thi t bị tự đ ng đ c l p, nó hoàn toàn có th tự do di chuy n trong môi tr ng ho t đ ng Không có ph ng pháp nƠo có th giúp ta đo

vị trí t c th i c a mobile robot Thông th ng đ xác định vị trí c a mobile robot,

ng i ta ph i tích h p chuy n đ ng c a robot theo th i gian Ngoài ra, quá trình

tr t c a bánh xe khi chuy n đ ng còn là nguyên nhân khi n cho quá trình đánh giá, c l ng chuy n đ ng c a robot gi m b t đ chính xác Vì v y vi c đo chính xác vị trí c a mobile robot v n là lĩnh vực đầy thách th c

Theo các y u tố trình bày trên, mobile robot là lĩnh vực khá r ng vƠ đa

d ng Tuy nhiên quá trình đi u khi n robot chính lƠ đi u khi n các đ ng c Trong

lu n văn nƠy s t p trung vào vi c nghiên c u đi u khi n mô hình mobile robot k t

h p v i c cấu tay máy, trong đó mobile robot lƠ m t xe tự hành có 3 bánh, v i 2 bánh sau là 2 bánh ch đ ng vƠ đ c đi u khi n b i 2 đ ng c đ c l p, m t bánh lái

đa h ng phía tr c Coi bánh xe di chuy n trên mặt phẳng lƠ lăn không tr t,

v n tốc c a robot là tốc đ c a trung đi m kho ng cách giữa 2 bánh xe sau

Hình 2.1: Phơn tích đ ng học c a robot di chuy n theo quỹ đ o cho tr c

Tr c tiên đ xác định vị trí c a robot trong mặt phẳng di chuy n theo quỹ

đ o cho tr c, ta xây dựng mối quan h giữa tọa đ tham chi u toàn c c c a mặt

phẳng và h tọa đ tham chi u c c b c a robot nh hình 2.1 Các tr c x, y xác định tọa đ c a đi m bất kỳ trong h tọa đ toàn c c có gốc O (Oxyz) Đi m P là tâm

dịch chuy n c a robot, nó dùng đ xác định vị trí c a robot H tọa đ Pxmymzm là

h tọa đ tham chi u c c b c a robot, gắn li n v i robot Nh v y vị trí đi m P

trong h tọa đ tham chi u toàn c c đ c xác định b i tọa đ X, Y và góc l ch θ

giữa hai h tọa đ toàn c c và c c b

- Các thông số hình học c a robot bao g m:

θ: Góc quay c a robot so v i h tọa đ toàn c c

̇: V n tốc góc c a robot trong mặt phẳng chuy n đ ng

r: Bán kính c a bánh xe c a robot

L: Kho ng cách giữa 2 bánh xe

R: bán kính cong quỹ đ o cho tr c c a robot t i tâm v n tốc t c th i ICC: tr c quay c a quỹ đ o cho tr c và là tâm v n tốc t c th i

R - L/2: Bán kính mô t quỹ đ o chuy n đ ng cong c a bánh bên trái

R + L/2: Bán kính mô t quỹ đ o chuy n đ ng cong c a bánh bên ph i

 Đ đi u khi n phần đ di đ ng c a robot thực hi n công vi c ph c v di chuy n theo quỹ đ o cho tr c, ta có 2 lo i chuy n đ ng:

- Chuy n đ ng thẳng

- Chuy n đ ng vòng theo quỹ đ o v i bán kính cho tr c

 Chuy n đ ng quẹo trái

 Chuy n đ ng quẹo ph i

Ta thi t l p số vòng quay cho 2 bánh lái trong từng tr ng h p c th nh sau:

- Đối v i chuy n đ ng thẳng, ta đi u chỉnh số vòng quay c a 2 đ ng c

bánh bên trái và bên ph i bằng nhau

- Đối v i chuy n đ ng vòng, theo quỹ đ o v i bán kính cho tr c ta có

mối quan h v n tốc c a 2 bánh trái và ph i nh sau:

= = θ̇ R + ( 1)

= = θ̇ R− ( 2)

Hình 2.2: V n tốc bánh bên trái và bánh bên ph i

Thay các giá trị cấp tốc đ chuy n đ ng vào công th c (5) và (6) ta có các giá trị đ đi u khi n số vòng quay cho bánh xe trái và bánh xe ph i theo b ng 2.1

̇ = cossin cossin ( 14)

Ph ng trình trên dùng đ mô t vị trí c a mobile robot trên sân

Trên hình (2.1) đi m F là vị trí đặt c cấu tay máy, nó nằm trên đ ng tâm

c a xe và cách đi m P trong h tọa đ Pxmymzm m t đo n là a

Thi t l p ma tr n chuy n các h tr c tọa đ từ O đ n O4

+1

2.4 Viăđi uăkhi n:ă

2.4.1 Gi iăthi uăPică18F4431:

Vi đi u khi n đ c chọn dùng làm b xử lý trung tơm đ đi u khi n robot là PIC 18F4431 c a công ty Microchip Sau đơy lƠ vƠi nét chính c a vi đi u khi n này: [7]

 Là CPU sử d ng t p l nh RISC và có tốc đ xử lý cao, công suất thấp nh

sử d ng công ngh CMOS FLASH/EEPROM

 Có 9 kênh chuy n đ i 10 bit ADC v i tốc đ 5-10us

 C ng serial đ ng b v i ch đ SPI(Master) và I2C (Master/Slave) thực

hi n bằng phần c ng

 Ch đ chuy n nh n đ ng b /bất đ ng b v i 9 bit địa chỉ ki m tra

 C ng song song (PSP) 8bit

 Các ch đ định địa chỉ:trực ti p , gián ti p , vƠ t ng đối

 Cho phép đọc/ghi b nh ch ng trình

 Có ch đ b o v mã l p trình

 Ch đ SLEEP(t m nghỉ) đ ti t ki m đi n năng

 Cho phép chọn lựa ch đ dao đ ng ( n i , ngo i )

 2 chân cho phép gỡ rối ho t đ ng c a vi đi u khi n

 L p trình thông qua c ng serial v i đi n th chỉ 5 V

 Tầm đi n th ho t đ ng r ng: từ 2 đ n 5.5V Dòng cấp kho ng 25mA

 Đ c s n xuất v i nhi u lo i khác nhau cho cùng 1 mã vi đi u khi n, tuỳ thu c vào số tính năng đ c trang bị thêm Các ki u đ cắm: PDIP (40 chân), PLCC và QFP (cùng 44 chân)

2.4.2 Ch cănĕngăc aătừngăchơn:ă

- Port A: chân 2 ÷ chân 7

 Là port I/O Có tất c 6 chân, từ RA0 đ n RAη.Trong đó RA2 vƠ RA3

có th dùng ti p nh n đi n áp Vref+ và Vref-

 RA4 còn là ngõ vào xung clock cho Timer0 RA5 có th làm chân chọn slave cho port serial đ ng b

Hình 2.3:S đ ch c năng chơn c a PIC18F4431

- Port B: chân 33 ÷ chân 40

 Là port I/O ,có th đ c l p trình b i phần m m đ làm ch c năng kéo lên cho tất c ngõ vào

 RB0 có th làm chân ngắt ngoài

 RB3 có th làm ngõ vào l p trình đi n th thấp

 Các chân còn l i có th làm ngõ vào ngắt trên chân,l p trình v i xung và

dữ li u serial

- Port C: chân 15, 16, 17, 18 và chân 23, 24, 25, 26

 Là port I/O, có 8 chân

 RC0 dùng làm ngõ ra b dao đ ng Timer1 hoặc ngõ vào xung timer1

 RC1, RC2 có cùng 3 ch c năng: lƠm ngõ ra PWM/chân Compare / chân capture (lấy m u) RC1 còn là ngõ vào b dao đ ng Timer1

 RC3 là ngõ vào xung tuần tự đ ng b / hoặc ra (v i ch đ SPI và I2C)

 RC4 làm chân nh n data (ch đ SPI) hay data I/O (ch đ I2C)

 RC5 có th xuất data SPI ( ch đ SPI)

 RC6 và RC7 là chân TX và RX c a modul truy n thông (USART) chuẩn RS232 ,chân SDO serial data out module SPI

- Port D: Chân 19, 20, 21, 22 và chân 27, 28, 29, 30

 Là port I/O

 RD1 đầu vào xung clock ngoài c a b timer 5

 RD2, RD3 là các chân SDA, SCL c a truy n thông I2C

 RDη, RDθ,RD7 lƠ đầu ra c a modul power PWM4, PWM6, PWM 7

- Port E: Chân 8 ÷chân 10: LƠ port I/O nƠy th ng dùng đi u khi n

chọn/đọc/ghi cho port slave song song

 Chân 1 : làm ngõ vào reset

 Chân 12, 31 là nối đất Vss Chân 11, 32 là chân cấp ngu n Vdd

dừng ch ng trình chính đ thực hiên ch ng trình ngắt Có 10 thanh ghi

đi u khi n ngắt: RCON, INTCON,INTCON2,INTCON3, PIR1, PIR2, PIR3, IE1, PIE2, PIE3,I PR1,IPR2, IPR3 m i ngu n ngắt có 3 bít đi u khi n ngắt :

 Bit c chỉ sự ki n ngắt xuất hi n

 Bit cho phép thực thi ch ng trình r nhánh đ n địa chỉ vector ngắt khi c ngắt đã b t

 Bit u tiên đ chọn m c u tiên cao hay thấp

2.5 Lý thuy tăv ăphầnăm mă– ch ngătrình đi uăkhi năRobot

2.5.1 Các khâu chính trong quá trình ho tăđ ngăc aăRobotă

- Thông th ng Robot ho t đ ng theo trình tự: quan sát – l p k ho ch – hành

đ ng Các công vi c nƠy đ c thực hi n thông qua 5 khâu chính sau: nh n th c (perception), mô hình th gi i (world modeling ), l p k ho ch (planning), thực

hi n công vi c (task excution) vƠ đi u khi n đ ng c (motor control)

- Các khâu trên có th đ c coi nh lƠ m t chu i các “lát mỏng theo ph ng

thẳng đ ng” v i các đầu vào là tín hi u nh n đ c từ c m bi n phía bên trái và đầu ra t i các khâu chấp hành phía bên ph i

 Khâu l p k ho ch:cố gắng xây dựng k ho ch thực hi n c a Robot sao cho đ t đ c m c tiêu phù h p v i tình tr ng th gi i hi n th i

 Khâu thực hi n công vi c: chia k ho ch vừa đ c xây dựng thành các l nh

đi u khi n chuy n đ ng chi ti t

 Khơu đi u khi n đ ng c : dùng đ thực hi n các l nh này

2.5.2 Lý thuy tăv ăđi uăkhi nărobotădiăchuy nătheoăđ ngăv chă(line):

Đ robot có th di chuy n đ n quầy ph c v , nhấc khay ch a th c uống vƠ đặt

nó bàn khách hàng thì cần có tín hi u đi u khi n, sau đó robot s thực hi n vi c

dò đ ng, sao cho robot đi theo 1 v ch thẳng màu trắng trên m t n n mƠu đ m (đen, xanh,…)

Có 6 c m bi n quang đ c đặt phía tr c robot vƠ h ng các c m bi n

xuống mặt sân ta có 9 tr ng thái c a robot nh hình 2.5

 Tr ng thái giữa v ch, khi c m bi n số 3,4 nằm trên v ch trắng (giữa v ch) robot ch y đúng đ ng, trong tr ng h p nƠy ta đi u khi n 2 đ ng c trái

và ph i ch y cùng m t tốc đ

 Khi robot l ch sang trái: quay ph i đ đi u chỉnh robot v đúng v ch

 Khi robot l ch sang ph i: quay trái đ đi u chỉnh robot v đúng v ch

Hình 2.5 : Các m c đ l ch ra khỏi v ch trắng c a robot

Hình 2.6: C m bi n quang đ c bố trí trên khung đ robot Đối v i ch ng trình dò đ ng đ n gi n, khi robot l ch trái hoặc l ch

ph i, robot s quay ph i hoặc quay trái đ đi u chỉnh cho dù l ch ít hay l ch nhi u

Nh v y, trong quá trình di chuy n, robot s mất n định Do đó, v i các m c đ

l ch ra khỏi v ch trắng khác nhau, ta đi u chỉnh tốc đ 2 bánh trái hoặc ph i cho phù h p, đ quá trình di chuy n theo v ch c a robot đ c n định h n

Hình 2.7: Các tr ng thái l ch ph i và l ch trái c a robot khi di chuy n trên sân

B ng 2.2: B ng giá trị đ đi u khi n tốc đ đ ng c trái và đ ng c ph i

Đối v i đi u khi n tốc đ đ ng c DC trong robot, ph ng pháp đ c sử

d ng ph bi n nhất là đi u khi n bi n đ i đ r ng xung (Pulse Width Modulation) hay đ c gọi tắt là đi u xung, băm xung hoặc PWM

Nguyên lý c a ph ng pháp nƠy đ c th hi n trên hình 2.8, TON và TOFF lần

l t là kho ng th i gian kích (tr ng thái High) và ngắt tín hi u (tr ng thái Low) trong m t chu kỳ Vi c làm này s t o ra m t m c đi n áp trung bình Vtb cấp cho

khác nhau s đ c thu và cho hai tốc đ khác nhau Ph ng pháp nƠy đ c gọi là

đi u bi n đ r ng xung, s cho phép đi u khi n tốc đ đ ng c nh mong muốn Cũng cần chú ý rằng vì đơy lƠ đi n áp trung bình c a đ ng c t ng ng v i

m t tỉ l TON/TOFF nƠo đó, nên mối quan h giữa v n tốc đ ng c vƠ đi n áp trung bình này là không tuy n tính

Hình 2.9: Mô t mối quan h giữa v n tốc không t i c a đ ng c DC vƠ PWM cycle c a đ ng c DC Hitachi [8]

Đi n áp trung bình đ c tính bằng tích phân trong m t chu kỳ c a đi n áp ngõ vào, cũng chính là trong kho ng TON Chu kỳ c a m t tín hi u ra PWM là kho ng th i gian mƠ sau đó m u tín hi u đ c lặp l i

ứ M ch t ng tự (analog): có giá trị thay đ i liên t c vƠ có đ phân gi i vô

h n c v th i gian vƠ biên đ , có th đ c dùng đ đi u khi n trực ti p nhi u th ,

nh đ l n ơm đ c phát ra từ m t radio, tốc đ c a đ ng c Tuy nhiên, vi c xây dựng và thi t k m ch t ng tự th ng tốn kém Có th t o ra m t m ch PWM

nh ng đ chính xác th ng không cao và d đi u khi n nh m ch số

ứ M ch số (digital): bằng cách đi u khi n các tín hi u analog m t cách số hóa, giá thành h thống vƠ tiêu hao năng l ng h thống có th gi m m t cách đáng k

H n nữa, nhi u vi đi u khi n hi n nay có thêm các b đi u khi n PWM tích h p,

đ a đ n vi c đi u khi n tr nên đ n gi n h n rất nhi u Thông qua m t b đ m có

đ phân gi i cao, h số duty c a m t sóng vuông đ c mã hóa thành m t m c tín

hi u analog đặc tr ng Tín hi u PWM v n là tín hi u số vì t i m t th i đi m bất kỳ, ngu n DC qua t i là m h t hoặc ngắt h t

M t trong những u đi m c a PWM là kh năng chống nhi u, giá trị từ b xử

lý đ n h thống đi u khi n, do tín hi u b n chất v n là tín hi u số nên nhi u chỉ x y

ra n u nó đ m nh h n m c tín hi u số đ đ i logic từ 1 thành 0 hoặc ng c l i

230 x 20 mm, yêu cầu đặt ra là robot di chuy n đ n vị trí yêu cầu và thực hi n công

vi c gắp, nâng khay ch a th c uống vƠ bánh, sau đó di chuy n bám theo đ ng

v ch màu trắng đ c bố trí trên n n sân màu s m đ n vị trí đã đ c l p trình tr c, đặt khay xuống bàn khách hàng, sau đó ch y v vị trí dƠnh riêng cho robot đ ch

thực hi n nhi m v m i Vì v y vấn đ cần gi i quy t ch ng nƠy lƠ:

Hình 3.1: S đ bố trí bàn và không gian làm vi c c a robot