Đồ án cơ điện tử: Robot Dò Đường

1.Lý do chọn đề tài.Con người đang phấn đấu thi đua sáng tạo ra các con robot có khả năng làm việc thay cho con người, chúng ta thường bắt gặp các con robot trong các dây chuyền công nghiệp sản xuất tự động hay robot giúp việc trong gia đình,robot có thể hoàn thành những công việc đơn giản đến phức tạp với năng xuất cao.Tầm quan trọng của robot với cuộc sống con người là rất lớn vì vậy con người đang hết sức cố gắng phát triển lĩnh vực này cũng như tiến tới sự phát triển vượt bậc của ngành công nghệ.Cũng chính vì mục đích đó mà chúng em thực hiện đồ án điều khiển robot dò đường.Chúng em thực hiện đề tài này với mong muốn tiếp thu kinh nghiệm về sản phẩm cơ điện tử, biết về ứng dụng của vi điều khiển và kiểm tra về khả năng của bản thân.

Đ án Môn H c ồ án Môn Học ọc

Đồ Án Cơ Điện Tử: Robot Dò Đường

Nhóm:Vũ Văn Thế

Vũ Văn Lượng

Nguyễn Văn Thoại

Lớp : Cơ điện tử 2 – Khóa 7

Trường : Đại học công nghiệp Hà Nội

Giáo viên hướng dẫn: Ngô Văn Tâm

Chương 1.Giới thiệu chung

1.Lý do chọn đề tài

Con người đang phấn đấu thi đua sáng tạo ra các con robot có khả năng làm việc thay cho con người, chúng ta thường bắt gặp các con robot trong các dây chuyền công nghiệp sản xuất tự động hay robot giúp việc trong gia đình,robot có thể hoàn thành những công việc đơn giản đến phức tạp với năng xuất cao.Tầm quan trọng của robot với cuộc sống con người là rất lớn vì vậy con người đang hết sức cố gắngphát triển lĩnh vực này cũng như tiến tới sự phát triển vượt bậc của ngành công nghệ

Cũng chính vì mục đích đó mà chúng em thực hiện đồ án điều khiển robot dò đường

Chúng em thực hiện đề tài này với mong muốn tiếp thu kinh nghiệm về sản phẩm cơ điện tử, biết về ứng dụng của vi điều khiển và kiểm tra về khả năng của bản thân

2 Vấn đề cần làm trong đề tài

Yêu cầu về chức năng:

Hệ thống có khả năng nhận được tín hiệu báo nhận đường đi

Hệ thống phải có 1 bộ nguồn hoạt động ổn định trong khoảng 1 thời gian! Tầm 1h đồng hồ trở lên và bộ nguồn có thể thay thế dễ dàng hoặc có thể sạc

Hệ thống có khả năng điều khiển tốc độ của bánh xe robot

Hệ thống phải có thiết bị cảm biến hoạt động tốt để robot di chuyển theo đường đi đúng ý của người sử dụng

Yêu cầu về mặt kĩ thuật:

Độ chính xác cao

Có khả năng chống nhiễu tốt

Đ án Môn H c ồ án Môn Học ọc

Dễ dàng tựu động hóa

Mềm dẻo trong việc thay đổi cấu trúc và tham số của hệ thống tự động

3 Phương pháp nghiên cứu

-Khảo sát thực thế: tìm hiểu tháo lắp những con robot dò line ngoài đời , được thiết kế bởi các anh chị đi trước học ngành cơ điện tử, từ đó tìm ra công đoạn sản suất con robot và những ý tưởng cải tiến máy móc

-Tìm hiểu qua các bài báo, bài viết liên quan.và qua internet đê nghiên cứu

mô hình phù hợp

-Học hỏi kinh nghiệm từ thầy giáo hướng dẫn bộ môn đồ án cơ điện tử.-Xem những video liên quan đến robot dò đường để rút ra tính toán cụ thể

4 Ứng dụng của robot dò đường

-Được ứng dụng vào công nghệ dò đường di chuyển tự động trong vận chuyển hàng hóa Tuy còn sơ khai vê nguyên tắc điều khiển nhưng robot dò đường

đã tạo một bước ngoặc quan trọng trong công nghệ thiết kế và chế tạo robot, mở ra một kỷ nguyên mới về nghành công nghệ kỹ thuật tự động hóa và đưa tự động hóa vào sản xuất

-Có thể dùng để thăm dò những nới mà con người khó di chuyển tới

Chương 2 Tổng quan đề tài

1 Tổng quan về robot

1.1 Lịch sử

Robot đã và đang xuất hiện trong cuộc sống của chúng ta từ lâu và ngày càng trở thành một phần không thể thiếu trong cuộc sống hiện đại Chúng đã góp phần mìnhvào công cuộc lao động, chính robot đang làm nên một cuộc cách mạng về lao động, khoa học, và đang phục vụ đắc lực cho các ngành khoa học như: khoa học quân sự, khoa học giáo dục, các ngành dịch vụ, giải trí, v.v Vậy robot xuất hiện

từ khi nào? Năm 1921 nhà soạn kịch Karel Capek người Tiệp Khắc đã đưa lên sân khấu vở kịch có tiêu đề “Romands Univesal Robot” Theo tiếng Séc “Robot” nghĩa

là “Người tạp dịch” Có thể nói đây là một gợi ý, một ý tưởng ban đầu về những

cỗ máy có khả năng thao tác như con người Đến trước chiến tranh thế giới lần thứ hai nhu cầu sử dụng những máy móc có khả năng thay thế con người ở những môi trường làm việc độc hại đã trở thành một nhu cầu cấp thiết Ban đầu cơ cấu máy này hoạt động giống như tay máy của người vận hành Cấu tạo của cơ cấu này bao gồm các thanh và các khớp và hệ thống giây chằng Người vận hành điều khiển taymáy thông qua một cơ cấu khuyếch đại cơ khí.Trong chiến tranh thế giới lần thứ hai (năm 1945), xuất hiện cơ cấu máy được điều khiển từ xa để cầm nắm chất phóng xạ Cho đến những năm 1950 cùng với sự ra đời của kỹ thuật điều khiển chương trình số NC (Number Control) kỹ thuật tay máy lúc này đã kết hợp được cả

kỹ thuật điều khiển xa và điều khiển chương trình số Sự kết hợp này đã tạo ra những thế hệ máy điều khiển từ xa có khả năng mềm dẻo, khả năng tự động hoá cao gọi tên là robot Năm 1949, máy phay điều khiển số ra đời phục vụ sản xuất ở

Mỹ Đến năm 1960 George Devol đưa ra mẫu Robot đầu tiên Năm 1961 cũng tại

Mỹ Robot công nghiệp (IR: Industrial Robot) đầu tiên đưa ra thị trường: Robot Unimat 1990 (Do trường đại học MIT chế tạo) đây là Robot phản hồi lực nó được ứng dụng vào công nghiệp sản xuất ô tô Theo con số thống kê thì đến năm 1990 toàn thế giới đã triển khai và ứng dụng khoảng 300.000 IR Do sự phát triển mạnh

mẽ của kỹ thuật Vi xử lý và Tin học mà số lượng IR tăng nhanh chóng và tính năng cũng có nhiều bước đột phá, giá thành trên một đơn vị IR giảm dần Đó là về lịch sử, còn ngày nay, robot đã có mặt ở khắp nơi, ngay cả trong gia đình chúng ta,

Đ án Môn H c ồ án Môn Học ọc

Tại Việt Nam

Tại Việt Nam quốc đã thực hiện các nghiên cứu cơ bản và nghiên cứu ứng dụng vềrobot như: Trung tâm Tự động hoá-Đại học Bách Khoa Hà Nội, Viện Điện tử -Tin học, Viện Khoa học và Công nghệ quân sự, Học viện Kỹ thuật Quân sự, Viện Cơ học, Viện Công nghệ thông tin thuộc Viện KHCNVN…

Bên cạnh đó, còn phải kể đến Công ty Cổ phần Robot TOSY doanh nghiệp thiết kế

và chế tạo Robot Việt Nam có nhiều sản phẩm ấn tượng trên trường quốc tế

Các nghiên cứu về động học và động lực học robot được các khoa cơ khí, chế tạo máy ở các trường đại học và các viện nghiên cứu quan tâm Ngoài việc tìm các phương pháp giải các bài toán liên quan đến cơ học của các loại robot nối tiếp, song song, di động, thì các chương trình mô phỏng kết cấu và chuyển động 3D được áp dụng và phát triển để minh họa cũng như phục vụ cho phân tích, thiết kế robot

Lĩnh vực điều khiển robot rất phong phú, từ các phương pháp điều khiển truyền thống như PID, phương pháp tính mô men, phương pháp điều khiển trượt đến các phương pháp điều khiển thông minh như: điều khiển sử dụng mạng nơ ron, logic

mờ, thuật gen và các phương pháp điều khiển tự thích nghi, các phương pháp học cho robot, các hệ visual servoing

1.2.Robot trong đời sống và sản xuất

1.2.1.Robot đi xe đạp

Với chiều cao chỉ với 50cm, chú robot mang “quốc tịch” Nhật này được coi là

“vua” giữ thăng bằng Vì dù là đạp hay đang dừng xe , khí cụ con quay sẽ luôn giữ cho chú robot này đứng vững Một số bộ phận đặc biệt khác cho phép Murataboy xác định được chướng ngại vật trên đường và giảm xóc khi va phải chướng ngại vật Murataboy là ví dụ cho loại robot có khả năng di chuyển bằng 2 chân, đang là một trong những thách thức lớn của việc nghiên cứu và sản xuất robot

1.2.2 Robot làm việc nhà

Được nghiên cứu tại trường đại học Karlsruhe (Đức), lĩnh vực ưa thích nhất của nó

là vào bếp Nhờ những cử động của đôi cánh tay giống hệt nhƣ người, Armar có khả năng dọn bàn ăn, cho bát đĩa vào máy rửa bát và sắp xếp thực phẩm Một chiếccamera kỹ thuật số cho phép nó giúp việc này nhận diện được người đang ra lệnh

và tuân lệnh khi dò thấy những cử chỉ tay của người ấy

Đ án Môn H c ồ án Môn Học ọc

2 Giới thiệu về robot dò đường

Robot dò đường là 1 biến thể đặc biệt của robot hướng sáng.Sở dĩ nói như vậy là

do chúng có cùng nguyên tắc hoạt động là sử dụng cảm biến quang điện ( quang trở hoặc diode hồng ngoại) để so sánh cường độ sáng từ đó điềuchỉnh hướng đi thích hợp Khi robot đi lệch vào vùng có vạch vẽ, ánh sáng phát ra từ robot không phản xạ lại như bình thường mà bị đường kẻ hấp thụ 1 phần làm sai lệch độ sáng giữa 2 cảm biến Việc còn lại là thiết kế sao cho robot có hành vi khắc phục sự sai lệch đó và ta có được loại robot đi theo đường vẽ

Đường đi được vạch sẵn với chiều dài mặt cắt ngang xác định Đường đi được đặt trên nền có vật liệu khác loại Nếu đường đi là vật liệu phản quang thì nền không phản quang và ngược lại

Robot sử dụng các LED phát chiếu xuống mặt đường đi hoặc nền Ánh sáng hồng ngoại sẽ phản xạ lại khi gặp vật liệu phản quang Sử dụng cảm biến quang Robot xác định được trạng thái của mình trên mặt đường: lệch trái hoặc phải so với mặt đường, còn hoặc không còn trên mặt đường,…; từ đó đưa ra quyết định điều khiển tương ứng Dựa trên yêu cầu của đề bài và bám sát với nội dung môn học, nhóm chọn phương án thiết kế

Robot vận hành có 3 bánh, 2 bánh sau chủ động, bánh trước xoay tròn định hướng (bánh đa hướng).Robot dẫn động bằng 2 động cơ 1 chiều đặt ở hai bánh sau.Phần

dò đường dùng 8 cặp cảm biến (8 led phát và 8 quang trở.), tín hiệu đưa về đi qua

khâu so sánh LM324 để đảm bảo mức điện áp đưa vào vi điều khiển.Phần xử lý chọn vi điều khiển 89S52 của Atmel.

3.Tìm hiểu các sản phẩm có sẵn

3.1Xe AGV

Khái niệm xe tự hành AGV (Automated Guided Vehicle) là một khái niệm chungchỉ tất cả các hệ thống có khả năng vận chuyển mà không cần người lái Trongcông nghiệp AGV được hiểu là các xe chuyên chở tự động được áp dụng trongcác lĩnh vực:

- Cung cấp sắp xếp linh kiện tại khu vực kho và sản xuất

- Chuyển hàng giữa các trạm sản xuất

- Phân phối, cung ứng sản phẩm, đặc biệt trong bán buôn

- Cung cấp, sắp xếp trong các lĩnh vực đặc biệt như bệnh viên, siêu thị, văn phòng

Qua tất cả các ứng dụng trên, AGV thể hiện rất rõ hiệu quả của mình như:

Giúp giảm thiệt hại trong kiểm kê, sắp xếp sản xuất linh hoạt hơn, giảm thiểunguồn nhân lực v.v

AGV còn giúp giảm chi phí chế tạo, tăng hiệu quả sản xuất Chúng có thể đượcchế tạo để chuyển hàng, kéo hàng, nâng hoàng cấp phát cho một số vị trí làm việcnhất định

Đ án Môn H c ồ án Môn Học ọc

3.2 Xe mcr

- Thường được xuất hiện trong các cuộc thi lập trình điều khiển xe robot tự vận hành dành cho các bạn sinh viên, học sinh phổ thông

Xe mcr cũng được gọi là 1 con robot dò line bám vach với thiết kế cảm biến

dò line Giúp xe tự di chuyển theo 1 đường được vạch ra

4 Tổng quan về vi điều khiển 8051

4.1.Giới thiệu

4.1.1 Giới thiệu chung

MCS-51 là họ vi điều khiển của hãng Intel Vi mạch tổng quát của họ MCS-51 là chip 8051

Chip 8051 có một số đặc trưng cơ bản sau:

– Bộ nhớ chương trình bên trong: 4 KB (ROM)

– Bộ nhớ dữ liệu bên trong: 128 byte (RAM)

– Bộ nhớ chương trình bên ngoài: 64 KB (ROM)

– Bộ nhớ dữ liệu bên ngoài: 64 KB (RAM)

– 4 port xuất nhập (I/O port) 8 bit

– 2 bộ định thời 16 bit

– Mạch giao tiếp nối tiếp

– Bộ xử lý bit (thao tác trên các bit riêng lẻ)

– 210 vị trí nhớ được định địa chỉ, mỗi vị trí 1 bit

– Nhân / Chia trong 4 µs Ngoài ra, trong họ MCS

-51 còn có một số chip vi điều khiển khác có cấu trúc tương đương như sau

Đ án Môn H c ồ án Môn Học ọc

5 Giới thiệu về cảm biến

5.1.Cảm biến là thiết bị dùng để cảm nhận biến đổi các đại lượng vật lý và các đại lượng không có tính chất điện cần đo thành các đại lượng có thể đo và xử lý được.Các đại lượng đo (M) thường không có tính chất điện (như nhiệt độ, áp suất, trọng lượng…) tác động lên cảm biến cho ta đại lượng đặc trưng (S) mang tính chất điện như (như điện tích, điện áp, dòng điện hay trở kháng) chứa đựng thông tin cho phép xác định giá trị của đại lượng đó

Đặc trưng (s) là hàm của đại lượng cần đo (M)

S = F(M)Người ta gọi (S) là đại lượng đầu ra hoặc phản ứng của cảm biến (M) là đại lượng đầu vào hay kích thích ( có nguồn gốc đại lượng cần đo) Thông qua đo đạc (S) chophép nhận biết giá trị (M)

5.2 Phân loại cảm biến:

*Theo nguyên lý chuyển đổi giữa đáp ứng kích thích

Hiện tượng Chuyển đổi và đáp ứng kích thích

Vật lý - Nhiệt điện; - Quang điện; - Quang từ

- Điện từ; - Quang đàn hồi; - Từ điện

- Nhiệt từ

Hoá học - Biến đổi hoá học ; - Biến đổi điện hoá

- Phân tích phổ…

Sinh Học - Biến đổi sinh hoá; - Biến đổi vật lý

- Hiệu ứng trên cơ thể sống

*Theo dạng kích thích

Âm

thanh - Biên pha, phân cực - Phổ - Tốc độ truyền sóng

Điện - Điện tích, dòng điện - Điện thế, điện áp - Điện trường (biên, pha, phân cực, phổ) - Điện dẫn, hằng số điện môi

Từ - Từ trường (biên, pha, phân cực, phổ) - Từ thông, cường độ từ trường - Độ từ thẩmQuang - Biên, pha, phân cực, phổ - Tốc độ truyền - Hệ số phát xạ, khúc xạ - Hệsố hấp thụ, hệ số bức xạ

Cơ - Vị trí - Lực, áp suất - Gia tốc, vận tốc - Ứng suất, độ cứng - Mô men - Khối lượng, tỉ trọng - Vận tốc chất lưu, độ nhớtNhiệt - Nhiệt độ - Thông lượng - Nhiệt dung, tỉ nhiệt

Bức xạ - Kiểu - Năng lượng - Cường độ

Đ án Môn H c ồ án Môn Học ọc

*Theo tính năng của bộ cảm biến:

- Độ nhạy - Độ chính xác - Độ phân

giải - Độ chọn lọc - Độ tuyến tính -

Công suất tiêu thụ - Dải tần

- Khả năng quá tải - Tốc độ đáp ứng - Độ

ổn định - Tuổi thọ - Điều kiện môi trường - Kích thước, trọng lượng- Độ trễ

*Phân loại theo phạm vi sử dụng

Công nghiệp

- Nghiên cứu khoa học

- Môi trường, khí tượng

- Thông tin, viễn thông

*Phân loại theo thong số mô hình

-Cảm biến tích cực đầu ra là nguồn áp, nguồn dòng (NPN, PNP…)

-Cảm biến thụ động được đặc trưng bởi thông số R, L, C, M… tuyến tính hoặc phituyến

-Đường cong chuẩn của cảm biến là đường cong được biểu diễn sự phụ thuộc vào đại lượng điện (S) ở đầu ra của cảm biến vào giá trị của đại lượng đo (m) ở đầu vào

6 Động cơ DC

6.1.lý thuyết

Động cơ DC cũng là một cơ cấu chấp hành cơ-điện, biến năng lượng điệnthành các chuyển động cơ học

Động cơ DC hoạt động được dựa trên 2 định luật Loren và Faraday Cấu tạocủa động cơ DC gồm phần ứng, phần kích từ, chổi than và cổ góp Có 5 loại động

cơ DC là : động cơ kích từ nối tiếp, động cơ kích từ song song, động cơ kích từhỗn hợp, động cơ kích từ độc lập và động cơ nam châm vĩnh cửu

Hình 2.26: Cấu tạo động cơ DC

Các trạng hoạt động của động cơ DC khá đơn giản, phân tích dựa trên đườngđặc tính cơ của động cơ Gồm các trạng thái khởi động và trạng thái hãm Dođường đặc tính cơ là một đường thẳng, nên việc phân tích sự phụ thuộc của momen

và vận tốc của động cơ ở các trạng thái đơn giản

Hình 2.27: Đường đặc tính cơ động cơ DC 6.2 Điều khiển tốc độ động cơ DC

Đ án Môn H c ồ án Môn Học ọc

Có nhiều phương pháp được sử dụng để điề khiển tốc độ cho động cơ điệnmột chiều

Điều khiển motor sử dụng mạch công suất tương tự: Bộ mạch công suất là

khâu kết nối giữa bộ điều khiển và động cơ Bộ mạch công suất tương tự là mạchkhuyếch đại dòng điện hoặc điện áp Mạch công suất sử dụng các transistor côngsuất, FET, Transistor Darlington, IC khuyếch đại Thường các bộ khuyếch đại làkhuyếch đại dòng điện

Điều khiển động cơ một chiều sử dụng điều chế độ rộng xung (PWM): tín hiệu

vào mạch công suất có thể nhận trực tiếp từ vi xử lý của bộ điều khiển ( Khôngphải qua bộ chuyển đổi DAC ) Đó là một dãy xung có biên độ không đổi và độrộng thay đổi

Hình 2.28: Giản đồ xung phương pháp PWM Điều khiển động cơ một chiều sử dụng mạch chỉnh lưu: Được áp dụng đối với

loại động cơ công suất lớn, sử dụng nguồn cấp là mạch xoay chiều được chỉnh lưuthành mạch một chiều Có thể thay đổi giá trị điện áp một chiều nhờ thay đổi góc

mở của các thiết bị chỉnh lưu Thiết bị mạch công suất thường sử dụng là các conthyristor Đóng mở các van công suất này sẽ thay đổi được giá trị điện áp Quátrình phát xung để điều khiển tốc độ động cơ:

Urc Udk

Ud Xdk

t1 t2 t3 t4 t5

UB

UD

UE UF

t t

t t

t t

t

Hình 2.29: Giản đồ phát xung mạch chỉnh lưu

Trong đề tài, với động cơ công suất tương đối nhỏ nên nhóm sử dụng phươngpháp điều chế độ rộng xung PWM để điều khiển các động cơ của robot