BÀI tập lớn XE dò ĐƯỜNG

Các nguyên tắc trên trở thành nền tảng cho việc thiết kế robot, robot giống như chiếc máy đặc biệt để thay thế con người trong các công việc lặp đi lặp lại, nhàm chán, nặng nhọc, vận chu

NHẬN XÉT CỦA GIẢNG VIÊN HƯỚNG DẪN

………

……

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

……

………

………

…………

………

………

………

………

………

LỜI NÓI ĐẦU Trong cuộc sống hàng ngày chúng ta có thể bắt gặp các hệ thống tự động hóa ở khắp nơi và có thể nói nó đang đóng những vai trò ngày càng quan trọng trong cuộc sống hiện nay.Điều khiển tự động có rất nhiều ứng dụng thiết yếu và đang chi phối cuộc sống của chúng ta Một trong những ứng dụng quan trọng đó là robot Robot ngày càng đóng vai trò quan trọng trong các nhà máy công nghiệp cũng như cuộc sống, robot có thể thay thế con người làm các công việc khác nhau, đặc biệt là những công việc nguy hiểm Robot là sự tổng hợp của tất cả các kiến thức về cơ khí, về mạch điện, về điều khiển…

Lĩnh vực robot di động đang ngày càng dành được sự quan tâm của mọi người Đặc biệt là robot dò đường là một vấn đề quan trọng của robot

Mặc dù đã có những cố gắng trong việc hoàn thành bài tập lớn nhưng không tránh khỏi những thiếu sót Nhóm sinh viên thực hiện chúng em mong nhận được những ý kiến đóng góp từ thầy cô và bạn bè

Hà Nội, 11-2015 Giáo viên hướng dẫn Sinh viên thực hiện

Nguyễn Thế Ngọc

MỤC LỤC

LỜI NÓI ĐẦU……… 2

PHẦN 1: NHIỆM VỤ BÀI TẬP LỚN ……… 4

I Thông tin sinh viên……… 4

II Thông tin đề tài……… 4

PHẦN 2 : TỔNG QUAN VỀ ROBOT……… 4

I Lịch sử phát triển……… 4

II Ứng dụng của robot……… 5

PHẦN 3 : ROBOT DÒ ĐƯỜNG……… 6

I Giới thiệu robot dò đường……… 6

II Mục đích và yêu cầu……… 6

III Nguyên tắc hoạt đông….……… 6

IV Ứng dụng của xe dò đường……… 7

V Thiết kế cơ khí…….……… 7

VI Thiết kế các mạch điều khiển……… 12

VII Xây dựng chương trình lập trình……… 36

PHẦN 1: NHIỆM VỤ BÀI TẬP LỚN

I THÔNG TIN SINH VIÊN

Sinh viên thực hiện: NGUYỄN THẾ NGỌC

LƯU VĂN NAM

II THÔNG TIN ĐỀ TÀI

Tên đề tài: TÌM HIỂU VÀ THIẾT KẾ ROBOT DÒ ĐƯỜNG

PHẦN 2 TỔNG QUAN VỀ ROBOT

I LỊCH SỬ PHÁT TRIỂN

Từ thời cổ xưa con người đã mong muốn tạo ra những vật giống mình để bắt chúng phục vụ mình nhưng phải thoả mãn ba nguyên tắc cơ bản sau:

- Robot không được xúc phạm con người và không gây tổn hại cho con người

- Hoạt động của robot phải tuân theo các quy tắc do con người đặt ra, và những quy tắc này không vi phạm nguyên tắc thứ nhất

- Một robot phải bảo vệ sự sống của mình nhưng không vi phạm hai nguyên tắc trên

Các nguyên tắc trên trở thành nền tảng cho việc thiết kế robot, robot giống như chiếc máy đặc biệt để thay thế con người trong các công việc lặp

đi lặp lại, nhàm chán, nặng nhọc, vận chuyển, lắp ráp, trong môi trường khắc nghiệt như ngoài không gian vũ trụ, trong lòng đất, lò phản ứng hạt nhân…

Thuật ngữ ‘Robot’ bắt đầu xuất hiện từ năm 1921 trong một vở kịch

Đầu thập kỉ 60 công ty Mỹ AMF đã quảng cáo một lạo máy tự động vạn

Tiếp theo là mọt loạt các nước cũng bắt đầu sản xuất robot như

Anh-1967, Thụy Điển và Nhật Bản-1968, Đức-1971, Pháp-1973… Năm 1974 công ty Cincinnati đưa ra một loại robot điều khiển bằng máy tính gọi là robot T3

Trong những năm gần đây lĩnh vực chế tạo robot ngày càng phát triển, robot ngày càng được tích hợp nhiều chức năng hơn để có thể nhận biết được nhiều việc hơn Vì vậy mà robot không chỉ đóng vai trò quan trọng trong sản xuất mà cón đóng vai trò quan trọng trong cuộc sống hàng ngày

II ỨNG DỤNG CỦA ROBOT

Từ khi mới ra đời robot đã được áp dụng trong nhiều lĩnh vực nhằm thay thế sức lao động của con người

Trong nghành cơ khí robot được sử dụng nhiều trong các dây chuyền đúc, hàn, cắt kim loại, sơn phun phủ…

Robot có khả năng làm việc trong những điều kiện vượt quá khả năng của con người Robot xuất hiện trong hầu hết các dây chuyền sản xuất công nghiệp, cũng như ứng dụng trong nhiều lĩnh vực như trong y học, trong khai thác nguyên nhiên liệu, trong quốc phòng, trong công nghiệp nguyên tử, trong các lĩnh vực xã hội cũng như trong cuộc sống hàng ngày…

PHẦN 3 ROBOT DÒ ĐƯỜNG

I GIỚI THIỆU ROBOT DÒ ĐƯỜNG

Robot tự hành (Mobile Robot) là một thành phần có vai trò quan trọng trong ngành Robot học Một vấn đề rất được quan tâm khi nghiên cứu về robot tự hành là làm thế nào để robot có thể di chuyển tới một vị trí xác định

mà có thể tự động tránh được các chướng ngại vật trên đường đi

Robot tự hành 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 Môi trường hoạt động của robot tự hành 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 hay thay đổi, lồi lõm

Tiềm năng ứng dụng của robot tự hành hết sức rộng lớn Có thể kể đến 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, khoang chân không, robot kiểm tra trong môi trường nguy hiểm, robot canh gác, do thám, robot khám phá không gian, di chuyển trên hành tinh, robot hàn, sơn trong nhà máy, robot xe lăn phục vụ người khuyết tật, robot phục vụ sinh hoạt gia đình v.v

II MỤC ĐÍCH VÀ YÊU CẦU

Tìm hiểu và thiết kế robot dò đường đi theo một đường đen kẻ sẵn

III NGUYÊN TẮC HOẠT ĐỘNG

Xe dò đường chuyển động theo một quỹ đạo được định trước nhờ vạch dẫn, hệ thống 2 bánh xe phía sau được dẫn động bởi 2 động cơ một chiều thông qua mạch điều khiển, bánh xe phía trước sẽ có nhiệm vụ dẫn hướng

và chuyển hướng thông qua mạch điều khiển Đường đi của xe dò đường thường thì sẽ có màu sắc khác so với màu nền của quỹ đạo chuyển động của

xe Bộ phận chịu trách nhiệm nhận biết đường đi cho xe là bộ phận cảm biến, bộ phận cảm biến nhận biết đường đi rồi đưa tín hiệu về mạch điều khiển Mạch điều khiển có nhiệm vụ tiếp nhận và phân tích tín hiệu để từ đó

điều khiển tốc độ và chiều quay của 2 động cơ của bánh sau sao cho xe luôn

đi theo đường đi đã có vạch sẵn

IV ỨNG DỤNG CỦA XE DÒ ĐƯỜNG

Xe dò đường được ứng dụng rất nhiều trong vận chuyển hàng hóa, trong việc dò đường ở những khu vực nguy hiểm hay khu vực mà con người khó tiếp cận được như trong lòng đất, dưới đại dương, ngoài không gian(trên các hành tinh) …

Nguồn(pin)

Đế pin

VI THIẾT KẾ CÁC MẠCH ĐIỀU KHIỂN

1 Sơ đồ khối chức năng

Khối nguồn

Mạch nguồn ta dùng IC LM7805 để hạ áp và ổn định điện áp ở giới hạn 5V

- Dải nhiệt độ hoạt động là từ 00C đến 1250C

- Dòng cực đại có thể duy trì 1A Dòng đỉnh 2.2A

- Công suất tiêu tán cực đại nếu không dùng tản nhiệt: 2W

- Công suất tiêu tán nếu dùng tản nhiệt đủ lớn: 15W

Ngoài ra trên mạch nguồn có dung thêm tụ điện để giảm độ gợn của điện áp, ổn định và chống nhiễu cho nguồn, có dùng diot led ở đầu ra và đầu vào để báo hiệu khi

có nguồn cấp

b Khối điều khiển trung tâm

Khối điều khiển trung tâm có nhiệm vụ nhận dữ liệu từ khối cảm biến

và xử lý các tín hiều đó để đưa ra các tín hiệu điều khiển động cơ bánh xe

để xe di chuyển theo đúng thiết kế định sẵn, đồng thời đưa tín hiệu thông báo ra khối hiển thị để người quan sát biết được trạng thái hoạt động của

xe

Khối điều khiển trung tâm

Khối điều khiển này ta dung chip vi điều khiển AVR Atmega 16

Chip AVR Atmega 16 là vi điều khiển 8 bit dựa trên kiến trúc RISC với khả năng thực hiện mỗi lệnh trong mọt chu kỳ xung clock, Atmega có thể đạt được tốc độ 1MIPS trên mỗi MHz(1 triệu lênh/s/MHz)

 Tính năng của Atmega16

+ Bộ nhớ 16K(flash)

+ 512byte(EEPROM)

+ 1K(SRAM)

+ 32 thanh ghi chức năng, 32 đường vào ra chung

+ 2 bộ timer/cu\counter 8 bit, 1 bộ timer/counter 16 bit và 1 bộ timer

thời gian thực

+ Có 8 kênh ADC 10bit và 4 kênh PWM điều chế độ rộng xung

+ Bộ giao tiếp nối tiếp lập trình được USART

+ Các chế độ ngắt trong và ngoài đa dạng

+ Điện thế làm việc: VCC = 2.7V đến 5.5V đối với Atmega 16L

VCC = 4.5V đến 5.5V đối với Atmega 16

+ Vùng tốc độ làm việc: 0 đến 8MHz đối với Atmega 16L

0 đến 16MHz đối với Atmega 16

Sơ đồ chân Atmega 16:

Atmega16 gồm có 40 chân:

Tên Chức năng

Chân 1 đến 8 Cổng nhập xuất dữ liệu song song B ( PORTB ) nó có thể

đc sử dụng các chức năng đặc biệt thay vì nhập xuất dữ liệu

Chân 9 RESET để đưa chip về trạng thái ban đầu

Chân 10 VCC cấp nguồn nuôi cho vi điều khiển

Chân 11,31 GND 2 chân này đc nối với nhau và nối đất

Chân 12,13 2 chân XTAL2 và XTAL1 dùng để đưa xung nhịp từ bên

ngoài vào chip

29

Cổng nhập xuất dữ liệu song song C ( PORTC ) nó có thể

đc sử dụng các chức năng đặc biệt thay vì nhập xuất dữ liệu

Chân 30 AVCC cấp điện áp so sánh cho bộ ADC

Chân 32 AREF điện áp so sánh tín hiệu vào ADC

Chân 33 đến

40

Cổng vào ra dữ liệu song song A ( PORTA ) ngoài ra nó còn đc tích hợp bộ chuyển đổi tín hiệu tương tự sang tín hiệu số ADC ( analog to digital converter

Bảng so cánh Vi xử lý và Vi Điều khiển

Vi xử lý Vi điều khiển Atmega16

CPU, RAM, ROM, I/O và Timer

Không có khả năng giao tiếp trực tiếp

với các thiết bị ngoại vi, nó chỉ có khả

năng nhận và xử lý dữ liệụ

Có khả năng giao tiếp trực tiếp với các thiết bị ngoại vi

Tập lệnh hoạt động trên các đơn vị dữ

liệu kiểu byte hoặc các đơn vịdữ liệu

lớn hơn (chuỗi, vector, SIMD ) Các

lệnh đa dạng, linh hoạt, kích

thướckhông cố định

Tập lệnh cung cấp các điều khiển xuất nhập, xử lý hướng bit.Các lệnh thường cô động, có kích thước không đổi (hoặc thay đổi ít)

Tốc độ xử lý nhanh và khả năng tính

toán lớn, dung lượng chương trình

không giới hạn

Tốc độ xử lý nhanh và khả năng tính toán lớn, dung lượng chương trình không giới hạn

Tiêu thụ năng lượng cao Tiêu thụ năng lượng thấp

Ngoài vi điều khiển chính trên mạch điều khiển còn có một số thiết bị I/O(led, nút nhấn…) và các bus để kết nối với các mạch khác trong xe

+ Các led báo vạch về từ mạch SENSORS Các led báo vạch về dùng để

phản ánh tình trạng của các led thu phát ở mạch SENSORS Khi một cặp thu-phát bắt vào vạch đen thì led báo tương ứng sẽ sang lên và ngược lại Nói cách khác, các led báo này phản ánh vị trí lệch của xe so với vạch đen,

từ đó giúp debug chương trình thuận tiện hơn rất nhiều

+ Màn hình LCD: Dùng để hiển thị thông tin hoạt động của xe như tốc độ

xe, hướng quay của xe…

Tuy nhiên việc sử dụng LCD cần chú ý vì màn hình LCD tiêu thụ dòng khá lớn đặc biệt là khi bật đèn nền, nên chỉ nên sử dụng màn hình hiển thị

ở những trường hợp cân thiết

Sơ đồ chân LCD

1 Chân cấp nguồn:

2 VSS: tương đương với GND - cực âm

3 VDD: tương đương với VCC - cực dương (5V)

4 Constrast Voltage (Vo): điều khiển độ sáng màn hình

5 Register Select (RS): điều khiển địa chỉ nào sẽ được ghi dữ liệu

6 Read/Write (RW): Bạn sẽ đọc (read mode) hay ghi (write mode) dữ liệu? Nó sẽ phụ thuộc vào bạn gửi giá trị gì vào

7 Enable pin: Cho phép ghi vào LCD

8 D0 - D7: 8 chân dư liệu, mỗi chân sẽ có giá trị HIGH hoặc LOW nếu bạn đang ở chế độ đọc (read mode) và nó sẽ nhận giá trị HIGH hoặc LOW nếu đang ở chế độ ghi (write mode)

9 Backlight (Backlight Anode (+) và Backlight Cathode (-)): Tắt bật đèn màn hình LCD

c Khối mạch cảm biến

Khối cảm biến(khối dò đường) là bộ phận không thể thiếu của xe dò

đường Khối này có chức năng nhận biết đâu là đường cân bám theo Để phân biệt màu sắc khác nhau giữa đường đi và môi trường xung quang ta dùng các led phat hồng ngoại và các quang trở

(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 đen trên nền trắng

Đèn Led dùng trong mạch cảm biến

Đèn led là linh kiện bán dẫn dùng biến đổi trực tiếp điện năng thành quang năng

Cấu tạo đèn Led

Đèn led có ưu điểm

+ Hiệu quả: Đèn LED có hiệu suất phát sáng cao hơn bóng sợi đốt

+ Màu sắc: Đèn LED có thể phát ra màu sắc như ý muốn mà không cần bộ

lọc màu theo phương pháp truyền thống

+Kích thước: Kích thước của bóng LED rất nhỏ (có thể nhỏ hơn 2 mm2)

vì vậy có thể bố trí dễ dàng trên mạch in

+Thời gian bật tắt nhanh: Led có thời gian bật và tắt rất nhanh kể từ lúc có tác động (micro giây) Điều này rất quan trọng trong thông tin liêc lạc, lĩnh vực yêu cầu có thời gian đáp ứng nhanh

+ Độ sáng tối: Đèn LED có thể dễ dàng điều khiển độ sáng tối bằng

phương pháp điều chế độ rộng xung hoặc tăng giảm dòng điện tác động

+Tuổi thọ đèn cao: Đây là ưu điểm lớn nhất của đèn led, tuổi thọ của đèn

LED vào khoảng 35000 đến 50000 giờ, lớn hơn nhiều lần so với bóng huỳnh quang và sợi đốt

+ Độ bền cao:Đèn LED được làm từ vật liệu bán dẫn, nên rất khó bị phá huỷ bởi sự va đập

+An toàn: Đèn LED không gây độc hại, thân thiện với môi trường

Quang trở

Quang điện trở là một điện trở có giá trị giảm mạnh khi bị chiếu sáng bởi ánh sáng có bước sóng nhỏ hơn giới hạn quang dẫn

Quang trở được dùng làm cảm biến nhạy sáng trong các mạch dò, như

trong mạch đóng cắt đèn chiếu bằng kích hoạt của sáng tối

Cấu tạo quang trở

Hoạt động của quang trở dựa trên hiệu ứng quang điện trong khối vật chất Khi photon có năng lượng đủ lớn đập vào, sẽ làm bật electron khỏi phân tử, trở thành tự do trong khối chất và làm chất bán dẫn thành dẫn điện Mức độ dẫn điện tuỳ thuộc số photon được hấp thụ

Một số cách bố trí cảm biến

4 Bố trí 6 led

5 Bố trí 8 led

d.Khối điều khiển động cơ

Khối điều khiển động cơ hay còn gọi là khối mạch công suất, mạch cầu

H có nhiệm vụ khuếch đại dòng và điện áp đưa vào động cơ và ổn định

công suất Do mạch được nối trực tiếp với nguồn điện và động cơ nên nếu động cơ quá tải hay chương trình điều khiển không đúng sẽ gây hỏng

mạch nên cần chú ý

Động cơ dùng cho xe dò đường này là động cơ một chiều có hộp giảm tốc

Động cơ một chiều

Ưu điểm của việc dùng động một chiều có hộp giảm tốc

+ Quang trở có phản ứng chậm, nếu dùng động cơ tốc độ quay cao robot

sẽ không phản ứng kịp để điều chỉnh hướng đi

+Dòng cấp bởi transistor không lớn, nếu động cơ không có hộp giảm tốc

có thể không hoạt động đúng công suất gây cháy transistor

Vì vậy lựa chọn động cơ có hộp giảm tốc quay càng chậm càng tốt

Motor DC hoạt động khi ta cấp điện thế dương (+) vào một cực của động

cơ và cấp điện thế âm (-) vào cực còn lại thì động cơ sẽ quay theo một

chiều cố định

Và khi ta cấp điện thế ngược lại, đảo chiều dương âm thì động cơ sẽ quay

theo chiều ngược lại

Mạch cầu H

Với bài toán có một động cơ DC có 2 đầu A và B, nối 2 đầu dây này với

một nguồn điện DC Nếu nối A với cực (+), B với cực (-) mà động cơ chạy theo chiều thuận (kim đồng hồ) thì khi đảo cực đấu dây (A với (-), B với

(+)) thì động cơ sẽ đảo chiều quay Với bài toán này ta cần một mạch điện

có thể giúp đảo chiều động cơ dễ dàng thì nên dùng mạch cầu H

(H-Bridge Circuit)

Mạch cầu H là một mạch điện giúp đảo chiều dòng điện qua một đối

tượng Đối với đối tượng là động cơ DC thì mục đích điều khiển là cho

phép dòng điện qua động cơ chạy từ A đến B và từ B đến A từ đó có thể

giúp đảo chiều quay động cơ

a b

Nguyên lý hoạt động của mạch cầu H

Theo hình a thì 2 khóa L1 và R2 được “đóng lại” (L2 và R1 vẫn mở), ta thấy có một dòng điện chạy từ V qua khóa L1 đến đầu A và xuyên qua đối tượng đến đầu B của nó trước khi qua khóa R2 và về GND

Theo hình b thì 2 khóa R1 và L2 đóng trong khi L1 và R2 mở, dòng

điện lại xuất hiện và lần này nó sẽ chạy qua đối tượng theo chiều từ B đến

A trước khi qua L2 và vê GND

Vậy chúng ta có thể dùng mạch cầu H để đảo chiều dòng điện qua một

“đối tượng” (hay cụ thể, đảo chiều quay động cơ)

Để điều khiển động cơ ta dùng IC L298 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 và nhỏ…

Out1 và Out2 là ngõ ra của cầu A Dòng của tải mắ giữa 2 chân này được quy định bởi chân 1

Out3 và Out4 là ngõ ra của cầu B Dòng của tải mắ giữa 2 chân này được quy định bởi chân 15

4 VS Chân cấp nguồn cho tầng công suất Cần có

1 tụ điện không cảm kháng 100nF nối giữa chan này và chân GND

5;7;10;12 INPUT1

INPUT2 INPUT3 INPUT4

IN1 và IN2 là chân ngõ vào của cầu A tương thích chuẩn TTL

IN3 và IN4 là chân logic ngõ vào của cầu B

9 VSS Chân cấp nguồn cho khối logic và cần có tụ

điện 100nF nối giữa chân này với GND

ENABLE B

Dùng để điều khiển mạch cầu H trong L298 Nếu ở mức logic “1” (nối với nguồn 5V) cho phép mạch cầu H hoạt động, nếu ở mức logic

“0” thì mạch cầu H không hoạt động

Sơ đồ nguyên lý của IC L298

Có hai mạch cầu H trên một IC L298 nên có thể dùng điều khiển hai đối tượng với một IC này Mỗi mạch cầu H bao gồm một đường nguồn Vs (thật

ra là đường chung cho hai mạch cầu), một chân current sensing (cảm biến dòng ở cuối mạch cầu H), chân này không được nối đất mà để người dùng nối một điện trở nhỏ gọi là sensingresistor Bằng cách đo điện áp rơi trên