thiết kế line tracking mobile robot

 2 bánh chủ động được điều khiển bởi 2 động cơ độc lập là phương pháp phổ biến nhất cho loại bánh xe thường.. Với yêu cầu di chuyển trên đường line với bán kính cong nhỏ nhất 0,4m, địa

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA

KHOA CƠ KHÍ

………… o0o…………

THIẾT KẾ HỆ THỐNG CƠ ĐIỆN TỬ

 ĐỀ TÀI:

THIẾT KẾ LINE-TRACKING

MOBILE ROBOT

TP HỒ CHÍ MINH 11/2014

GVHD: PGS.TS NGUYỄN TẤN TIẾN SVTH: Lê Quang Trung 21103861

Phạm Quang Trung 21103889

Lê Nguyễn Trọng Hoàng 21101228

MỤC LỤC

I TỔNG QUAN 2

II LỰA CHỌN PHƯƠNG ÁN 3

II.1 Phương án cơ khí 3

II.2 Phương án điều khiển 6

II.3 Phương án phần điện 7

III TÍNH TOÁN – THIẾT KẾ 8

III.1 Tính toán công suất – Chọn động cơ 8

III.2 Thiết kế điều khiển 9

III.3 Thiết kế phần điện 14

III.4 Thiết kế cơ khí 15

PHỤ LỤC 17

P1: Datasheet động cơ FAULHABER 2224SR 18

P2: Datasheet hộp giảm tốc FAULHABER 22F 20

P3: Datasheet encoder FAULHABER IE2-256 21

P4: Datasheet sensor QRD1113 24

P5: Datasheet shoulder screws G-GM 27

TÀI LIỆU THAM KHẢO 30

Phần I

TỔNG QUAN

Trong suốt bề dày lịch sử phát triển loài người, hàng triệu phát minh đã ra đời, nhằm làm giảm sức lao động và phục vụ nhu cầu giải trí Với sự phát triển nhanh chóng của khoa học kĩ thuật, robot ra đời như một hệ quả tất yếu

Một trong những họ robot phát triển rất mạnh với những đặc trưng riêng được ứng dụng ngày càng nhiều chính là mobile robot Không giống như những cánh tay robot trong công nghiệp chỉ cố định ở một vị trí, mobile robot có tính linh hoạt cao, có khả năng di chuyển trong rất nhiều dạng địa hình và mọi vị trí Tận dụng ưu điểm này của mobile robot, các nhà phát triển đã và đang dần đưa những chú robot thông minh thay thế con người thực hiện những công việc trong cuộc sống thường ngày

Nhằm tiếp cận với cách giải quyết 1 bài toán thiết kế mobile robot, trong nội dung bài báo cáo sẽ đi tìm hiểu và thiết kế một loại robot cụ thể là robot bám line Đây

là một trong những loại robot thông dụng nhất hiện nay nhờ dễ chế tạo, thiết kế

và ứng dụng

Các yêu cầu thiết kế đặt ra:

 Vận tốc tâm robot: 0.3 m/s

 Sai lệch tối đa so với đường line: 10mm

 Bán kính cong nhỏ nhất robot bám được: 0,4m

 Thời gian hoạt động: 2h

Thông số lựa chọn để thiết kế robot:

 Khối lượng robot: m = 2kg

 Độ rộng line: wth = 6mm

Phần II

LỰA CHỌN PHƯƠNG ÁN

Yêu cầu:

 Vận tốc tâm robot: 0,3 m/s

 Sai lệch tối đa so với đường line: 10mm

 Bán kính cong nhỏ nhất robot bám được: 0,4m

II.1 Phương án cơ khí:

a Số bánh xe:

Có nhiều phương án lựa chọn cho số bánh xe chủ động được: 2, 3, 4, 6 bánh

 Xe 6 bánh chủ động có ưu điểm là di chuyển trên địa hình không bằng phẳng, tuy nhiên cấu tạo phức tạp, thường được sử dụng trong khảo sát, cứu hộ

 Xe 3 hay 4 bánh chủ động thì phải sử dụng các loại bánh đặc biệt như là bánh omni hay bánh mecanum nhanh chóng đổi hướng, tuy nhiên độ trượt cao

 2 bánh chủ động được điều khiển bởi 2 động cơ độc lập là phương pháp phổ biến nhất cho loại bánh xe thường Loại xe này có cấu tạo đơn giản, nhưng đổi hướng khó khăn ở những góc cua phức tạp Khi sử dụng phương án này cần bố trí thêm 1 bánh xe bị động để đảm bảo việc cân bằng xe dễ dàng

Với yêu cầu di chuyển trên đường line với bán kính cong nhỏ nhất 0,4m, địa hình bằng phẳng, lựa chọn phương án robot 2 bánh chủ động

b Kích thước bánh xe:

Kích thước bánh xe được lựa chọn theo địa hình Bán kính bánh xe phải đảm bảo gấp ít nhất 3 lần độ cao tối đa của gờ mà xe phải vượt qua Chiều rộng bánh xe

có tác dụng làm giảm áp suất tác dụng lên bánh xe, chiều rộng càng lớn làm giảm

áp suất, nhưng làm tăng ma sát Trong yêu cầu xe chạy không tải, trong địa hình bằng phẳng, lựa chọn là bánh xe có đường kính 65mm, chiều dày 25mm

c Lựa chọn bánh bị động:

Bánh xe đẩy và bi cầu là 2 phương án lựa chọn cho loại này Cả 2 đều dễ dàng quay khi xe đổi hướng Nhược điểm lớn của bi cầu là khi di chuyển trên địa hình không sạch thì dễ bị cát bám vào, gây kẹt bánh xe, đồng nghĩa việc điều khiển xe

sẽ không còn dễ dàng Bánh xe đẩy cho tiếp xúc theo dạng đường, nhưng trong điều kiện chạy không tải thì ma sát cản sinh ra vẫn rất nhỏ

Vậy lựa chọn đặt bánh xe đẩy phía trước hay phía sau xe thì phù hợp? 2 phương

án bánh xe bị động điều quay theo hoạt động của bánh chủ động, nhưng bố trí ở phía sau xe sẽ dễ dàng đổi hướng hơn khi lực tác dụng lên bánh là lực kéo

d Lựa chọn loại cảm biến:

Có nhiều loại cảm biến dò đường:

 led hồng ngoại

 quang điện trở

 cảm biến công nghiệp

 camera số

Cảm biến công nghiệp được chế tạo đáp ứng yêu cầu sử dụng trong môi trường nhiễu lớn Camera đòi hỏi giải thuật phức tạp, thường được sử dụng dò line phức tạp Tuy nhiên 2 loại cảm biến này đều có giá thành cao

Cảm biến hồng ngoại và quang trở có giá thành rẻ, cho nhiều chế độ đáp ứng tùy thuộc số sensor, nhưng kết quả phản hồi bị ảnh hưởng bởi môi trường hoạt động Với môi trường là trong nhà, đường line có bán kính cong nhỏ nhất 0,4m, chọn phương pháp dò line sử dụng cảm biến quang trở Chọn cảm biến QRD 1113

Với cảm biến sử dụng là cảm biến quang trở, chọn tracking point là trung điểm của 2 sensor ngoài cùng, hoặc tại tâm sensor nếu sử dụng 1 sensor

e Số cảm biến sử dụng:

Yêu cầu: sai số tracking cho phép của robot là 10mm, sensor có bán kính hoạt

động là rw = 2mm, bề rộng line là wth = 6mm, L là khoảng cách xa nhất của hai

cảm biến ngoài cùng, vậy khoảng cách xa nhất từ của tracking point đến tâm cảm biến ngoài cùng là:

2≤ 10 + 6 + 2 = 18 (𝑚𝑚) Vậy 𝐿 ≤ 36𝑚𝑚, gọi số cảm biến có thể dùng là N, khoảng cách 2 cảm biến là a:

𝐿 = 2.2 𝑁 + (𝑁 − 1) 𝑎 ≤ 36

=> 𝑁 =𝐿 + 𝑎

4 + 𝑎 ≤

36 + 𝑎

4 + 𝑎 = 1 +

32

4 + 𝑎 Với 𝑎 ≥ 5𝑚𝑚 => 𝑁 ≤ 4

Đồng thời, tốc độ của robot cũng quyết định số cảm biến sử dụng Tốc độ robot càng cao, càng dễ xảy ra sai số lớn của tracking point so với line Lúc này đòi hỏi

số lượng cảm biến càng nhiều để đưa robot trở lại line Với yêu cầu tốc độ tại tâm robot là 0,3 m/s, không cần sử dụng quá nhiều cảm biến

Vậy chọn số cảm biến 𝑁 = 4

f Loại động cơ:

Trong tất cả các hệ thống thì cơ cấu chấp hành chính là một trong những nhân tố quan trọng nhất, mà cụ thể ở đây chính là động cơ Có nhiều phương án lựa chọn động cơ như: DC, DC servo, RC, step motor Tuy nhiên, để điều khiển mobile robot đạt chính xác vận tốc thì động cơ phải sử dụng là step motor hay DC servo Tuy nhiên nhược điểm của step motor là công suất thấp Chính vì vậy động cơ lựa chọn là DC servo

Hình II.1: Mô hình hóa kết cấu cơ khí của robot

II.3 Phương án điều khiển:

Với mục tiêu robot bám line và phương án sử dụng 4 cảm biến quang trở, phương

án điều khiển được sử dụng là điều khiền fuzzy Từ trạng thái on hay off của các sensor, tốc độ 2 động cơ sẽ thay đổi theo luật điều khiển để tracking point nằm trên đường line

Start

Get signal from sensor

No 1000 No 1100 No 0100 No 0110 No 0010 No 0011 No 0001

Stop

Yes v l = v 0 + a 3

v r = v 0 - a 3

Yes v l = v 0 + a 2

v r = v 0 - a 2

Yes v l = v 0 + a 1

v r = v 0 - a 1

l = v 0

v r = v 0

l = v 0 - a 1

v r = v 0 + a 1

l = v 0 - a 2

v r = v 0 + a 2

Yes v l = v 0 - a 3

v r = v 0 + a 3

No

II.3 Phương án phần điện:

Lựa chọn phần cứng:

Có 2 phương án điều khiển: điều khiển phân cấp và điều khiển tập trung

 Mạch điều khiển tập trung sử dụng 1 vi điều khiển đảm nhận tất cả các chức

năng Ưu điểm mạch điều khiển tập trung là nhỏ gọn, tuy nhiên giải thuật

phức tạp, khi thay thế ảnh hưởng đến tất cả các module

 Mạch điều khiển phân cấp dễ bảo trì, lập trình đơn giản do mỗi vi điều khiển

chỉ đảm nhận một công việc, nhưng hạn chế về chi phí và không gian lắp đặt

Từ những phân tích đã đưa ra, lựa chọn phương ản điều khiển phân cấp Chọn

phần cứng bao gồm 3 module vi điều khiển 16F877A có module PWM hỗ trợ cho

điều khiển động cơ 3 vi điều khiển này kết nối với nhau thông qua chuẩn truyền

I2C Trong đó 2 vi điều khiển đóng vai trò slave thông qua 2 driver LMD18200

(điện áp tối đa: 55V DC; dòng điện: 3A) điều khiển 2 động cơ, 1 vi điều khiển

trung tâm đóng vai trò master dùng module ADC đọc tín hiệu từ sensor và truyền

giá trị tốc độ mong muốn xuống 2 slave Sai số được tính toán từ trạng thái đọc

về của sensor, từ đó luật điều khiển được áp dụng Thời gian lấy mẫu 0.01s đáp

ứng khả năng xử lí của vi điều khiển

Khối nguồn sử dụng gồm 2 mức điện áp: 5V cấp cho vi điều khiển và cảm biến,

12V cấp cho động cơ và driver

MOTOR LEFT

MOTOR RIGHT

SERVO CONTROLLER 1 PIC 16F887

SERVO CONTROLLER 2 PIC 16F887

MAIN CPU

PIC 16F887

SENSORS

RIGHT WHEEL

LEFT WHEEL

DRIVER LMD 18200 (1)

DRIVER LMD 18200 (2)

NGUỒN ĐIỆN

12V DC 5V DC

I2C COMM

Phần III

TÍNH TOÁN-THIẾT KẾ

III.1 Tính toán công suất:

M

Fms v

Hình III.1: Lực tác động lên bánh xe

 Giả thiết bánh xe lăn không trượt

 Vận tốc v = 0,3 m/s

 Xe di chuyển trên bề mặt phẳng có hệ số ma sát µ = 0,3

F = F ms = mgµ= 3.9,8.0,3 = 8,82(N)

Công suất P = F.v = 8.82.0,3 = 2,65(W)

 Chọn hệ số an toàn a = 2

 Công suất thực cần cho xe chạy: P t = P.a = 2,65.2 = 5,3(W)

 Công suất trên mỗi động cơ: P dc = P t/2 = 5,2/2 = 2,6(W)

Với yêu cầu P dc = 2,6W và vận tốc tại tâm robot 0,3m/s (88rpm), chọn:

 Động cơ: DC Micromotor 12V (FAULHABER Series 012SR)

 Hộp giảm tốc: Planetary Gearheads 22F

Đặc tính Giá trị Đơn vị

Hộp giảm tốc Tỉ số truyền 25:1

III.2 Thiết kế điều khiển:

III.2.1 Mô hình hóa chuyển động của xe

Ở đây sử dụng Mobile Robot với 2 bánh chủ động và 1 bánh dẫn hướng Bài toán đặt ra là làm sao để di chuyển theo 1 đường cong bất kì cho trước Robot không

có bất cứ thông tin nào về môi trường làm việc do đó robot sẽ được điều hướng theo phương pháp phản ứng Sai số góc của robot sẽ được đo bằng 4 cảm biến

quang trở Khi di chuyển vận tốc tại tâm robot luôn đạt 0.3 m/s (v 0 = 88 rpm)

R

C S4

D

x c x D x S4

d

y S4

y D

2r

a

b/2

X

x

y

y C

Φ

Y

Reference Line

Wheel

Hình III.1: Sơ đồ mô tả phương trình động học của Mobile Robot

Trung điểm 2 bánh xe:























































w

v y

x

C C C

1 0

0 sin

0 cos





 





(III.1)

Với v : tốc độ điểm C trong trục tọa độ OXY

w : tốc độ góc điểm C trong tọa độ Oxy

Mối quan hệ giữa tốc độ góc 2 bánh xe với tốc độ xe:

Phương trình chuyển động của robot:































































































l r

C

C

C

w r

w r

b b

w

v y

x

.

2

1 2

1

sin 2

1 sin

2 1

cos 2

1 cos

2 1

1 0

0 sin

0 cos













 





(III.2)

Từ (III.2) ta được:

b

w r w r b

v v

w

w r w

r v

L R L R

L R

2

2

2

1 2

1













(III.3)

Với r: đường kính bánh xe

b: khoảng cách giữa 2 bánh xe

w r: tốc độ góc bánh phải

w l : tốc độ góc bánh trái

Tọa độ tracking point :





sin

cos

d y y

d x x

c D

c D









(III.4) Tọa độ các cảm biến :





cos 2 3

sin 2 3

1

1

a y

y

a x

x

d s

d s









(III.5)



cos 2

sin 2 2

2

a y

y

a x

x

d s

d s









(III.6)





cos 2

sin 2 3

3

a y

y

a x

x

d s

d s









(III.7)





cos 2 3

sin 2 3

4

4

a y

y

a x

x

d s

d s









(III.8)

Với d: khoảng cách từ tâm xe đến tracking point

a: khoảng cách giữa 2 cảm biến liên tiếp

III.2.2 Mô phỏng chuyển động của xe:

Thông số:

Trong đó: wth là độ rộng line

Giải thuật:

Trong matlab, ta cho một vòng lặp tìm khoảng cách từ cảm biến đến line Nếu khoảng cách đó nhỏ hơn một nửa bề rộng line cộng với bán kính cảm biến thì khi

đó ánh sáng mà detector nhận được ít Điện trở bằng vô cùng Tín hiệu đầu ra trên LM324 đến vi điều khiển là mức 1 Và ngược lại tín hiệu vào vi điều khiển là mức 0

Luật điều khiển:

1

Led

2

Led

3

Led

4

Velocity (rpm)

Motor Right Velocity (rpm)

Các hệ số a 1 , a 2 , a 3 được chọn khi mô phỏng bám line:

Kết quả mô phỏng:

0 0.2 0.4 0.6 0.8 1

X Coordinate (m)

Hình III.2: Kết quả mô phỏng xe bám line

0 1 2 3 4 5 6 0

20 40 60 80 100 120 140

Time (s)

Left Wheel

Right Wheel

Hình III.3: Tốc độ góc 2 bánh xe theo thời gian

0 0.002

0.004

0.006

0.008

0.01

0.012

0.014

Time (s)

Hình III.4: Sai lệch tracking point so với đường tâm line

0 1 2 3 4 5 6 -20

0 20 40 60 80 100 120

Time (s)

Reference

Real

Hình III.5: Góc định hướng của xe và góc tiếp tuyến đường Line

Kết luận:

 Xe có thể chạy được trên bán kính cong nhỏ nhất là: 0.38m

 Tốc độ lớn nhất cần thiết là 133 rpm, nằm trong khả năng đáp ứng của động

cơ đã chọn (312rpm)

 Sai số tối đa của tracking point so với đường tâm line là 13mm hay 10mm

so với biên line, đáp ứng sai số cho phép là 10mm

III.3 Thiết kế phần điện:

Yêu cầu:

Khối nguồn cung cấp đủ dòng và điện áp cho 3 module vi điều khiển 16F877A, 2 động hoạt động trong 2h

Thiết kế:

Các khối tiêu thụ điện:

 2 Động cơ 12V – 4,05W + 2 Encoder 5V

 4 module sensors QRD 1113: 5V - 30mA

 2 module driver LMD18200: 12V – 30mA

Hình III.6: Module LMD 18200

 Tồng dòng điện tiêu thụ:

- 2 động cơ: I 12 = P t /(U.cosϕ) = 5,3.1000/(12.0,82) = 538,62 (mA)

- 2 driver LMD18200: I 34 = 2.30 = 60 (mA)

- Encoder, sensor, vi điều khiển: I 5 = 12 + 4.40 + 2.40 = 252 (mA)

I Ʃ = I 12 + I 34 + I 5 = 538,62 + 60 + 272 ≈ 850,62 (mA)

 Thời gian cung cấp nguồn liên tục: 2 giờ

=> Nguồn cần đáp ứng dòng tiêu thụ: I n >2 I Ʃ = 1701,24 (mAh)

 Kích thước nhỏ gọn dễ mang theo, có khả năng tái sử dụng

 Chọn nguồn: Ni-MH aa 12V 2000mAh; Model: Bh-aa2000h

 Điện áp: 12V DC; dòng điện: 1,5A

 Tuổi thọ: 1000 (chu kỳ sạc)

 Khối lượng: 140 (gram)

III.4 Thiết kế cơ khí

Yêu cầu:

 2 động cơ đảm bảo độ đồng trục, dung sai 2/100

 Độ cao sensor so với mặt đất nằm trong khoảng nhận được tín hiệu phản hồi

 Trên thân robot gá đặt 3 module vi điều khiển 16F877A, 2 module driver LMD18200, khối nguồn, 2 động cơ FAULHABER 012SR

Thiết kế:

 Chọn dung sai lắp ghép theo cấp chính xác IT7 Dung sai hình dạng và vị trí các lỗ định vị động cơ xác định theo cấp chính xác 8

 Cảm biến Led – Quang trở QRD 1113 thu nhận tín hiệu trong phạm vi 1-5mm, tốt nhất tại khoảng cách 2mm Chọn khoảng cách từ sensor đến mặt đất là 2mm

 Kích thước các khối nằm trên robot:

 Khối vi điều khiển: 84x62x45 (mm)

 Module driver: 45x45x27 (mm)

 Khối nguồn: 72,5x50,4x14,5 (mm)

 Động cơ: chiều dài từ mặt bích đến encoder 64mm, đường kính Φ22mm

 Thiết kế đế chính robot: 200x140(mm)

PHỤ LỤC

P1: Datasheet động cơ FAULHABER 2224SR 18

P2: Datasheet hộp giảm tốc FAULHABER 22F 20

P3: Datasheet encoder FAULHABER IE2-256 21

P4: Datasheet sensor QRD1113 24

P5: Datasheet shoulder screws G-GM 27

TÀI LIỆU THAM KHẢO

[1] NINH ĐỨC TỐN, Dung sai và lắp ghép, NXB Giáo dục Việt Nam,

2013

[2] LÊ KHÁNH ĐIỀN, Vẽ kỹ thuật cơ khí, NXB Đại học quốc gia

TPHCM, 2011

[3] TRẦN HỮU QUẾ, Vẽ Kỹ thuật Cơ Khí, tập 1, tập 2 NXB Giáo dục

Việt Nam, 2010

[4] TRONG HIEU BUI, TAN TIEN NGUYEN, TAN LAM CHUNG,

AND SANG BONG KIM, A Simple Nonlinear of Two-Wheeled

Welding Mobile Robot International Journal of Control, Automation

and Systems, Vol.1, No.1, March 2003