NGHIÊN cứu , THIẾT kế , CHẾ tạo MOBILE ROBOT sử DỤNG BÁNH đa HƯỚNG MECANUM

Từ những suy nghĩ đó, nhóm chúng em thực hiện đồ án này, quyết địnhchế tạo một Robot đa hướng sử dụng bánh xe mecanum có khả năng di chuyển xoaytrở trong những không gian chật chội, khó

TRƯỜNG ĐẠI HỌC ĐIỆN LỰC KHOA KỸ THUẬT ĐIỆN

ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP

ĐỀ TÀI:NGHIÊN CỨU , THIẾT KẾ , CHẾ TẠO MOBILE ROBOT SỬ DỤNG BÁNH ĐA

HƯỚNG MECANUM (DESIGN AND CONTROL OF AN OMNI-DIRECTIONAL MOBILE ROBOT WITH

BỘ CÔNG THƯƠNG TRƯỜNG ĐẠI HỌC ĐIỆN LỰC KHOA KỸ THUẬT ĐIỆN

ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP

ĐỀ TÀI:NGHIÊN CỨU , THIẾT KẾ , CHẾ TẠO MOBILE ROBOT SỬ DỤNG BÁNH ĐA

HƯỚNG MECANUM (DESIGN AND CONTROL OF AN OMNI-DIRECTIONAL MOBILE ROBOT WITH

LỜI NÓI ĐẦU

Trên con đường công nghiệp hóa hiện đại hóa thì con đường phát triển khoahọc kỹ thuật cao là mấu chốt hàng đầu, Với xu hướng giảm tối thiểu sức người vàtăng năng suất lao động đòi hỏi phải có nhiều trang thiết bị, nhiều dây chuyền tựđộng hóa, lấy sức máy móc thay thế sức người…

Để đáp ứng nhu cầu này, chắc chắn cần phải nghiên cứu phát triển các thiết

bị tự động để phục vụ cho các nhà máy, xí nghiệp hay sản xuất nông nghiệp…Trong đó Robot là một lĩnh vực mới mà ở nước ta đang nghiên cứu và từng bướcchế tạo để ứng dụng vào quá trình sản xuất góp phần nâng cao năng suất lao động

Việc xây dựng các chương trình hoạt động cho các robot là điều thiết yếuđặc biệt đối với các robot di động Bài toán robot di động đa hướng(Ominidirectional mobile robot – OMR) được sự quan tâm lớn của nhiều ngườitrong những năm gần đây, vì chúng được ứng dụng rộng rãi trong các ngành khácnhau như công nghiệp, nông lâm nghiệp, y tế, dịch vụ … do khả năng di chuyểnlinh hoạt

Ngày nay, do nhu cầu xã hội ngày càng cao, hàng hóa sản xuất ra càngnhiều, vì vậy nảy sinh nhu cầu lưu trữ và vận chuyển hàng hóa ngày càng tăng Khi

đó các kho chứa ngày một chật chội hơn và việc lấy hàng hóa từ trong kho lại gặpkhó khăn Từ những suy nghĩ đó, nhóm chúng em thực hiện đồ án này, quyết địnhchế tạo một Robot đa hướng sử dụng bánh xe mecanum có khả năng di chuyển xoaytrở trong những không gian chật chội, khó quay đầu, góp phần làm giảm được thờigian, tiết kiệm được diện tích kho bãi, làm cho việc sử dụng kho bãi lưu trữ hànghóa một cách hiệu quả và kinh tế

LỜI CẢM ƠN

Trước khi vào nội dung đồ án em xin chân thành cảm ơn đến thầy giáo

ThS.NGUYỄN KHÁNH HƯNG giảng viên trường Đại học Điện lực đã tận tình

hướng dẫn và giúp đỡ em trong suốt quá trình thực hiện để hoàn thành đồ án này.Cùng toàn thể thầy cô khoa Kỹ Thuật Điện trường Đại học Điện lực đã tậntình giảng dạy, chỉ bảo, truyền đạt nguồn kiến thức sâu rộng và những kinh nghiệmquý báu cho em trong suốt thời gian học tại trường

Mặc dù đã nỗ lực hết mình, nhưng do khả năng, kiến thức và thời gian có hạnnên không thể tránh được những sai sót trong lúc thực hiện đồ án này, em kínhmong quý thầy cô chỉ dẫn, giúp đỡ em để ngày càng hoàn thiện hơn kiến thức củamình và có thể tự tin bước vào cuộc sống với vốn kiến thức đã có được

Hà Nội, ngày… tháng… năm

Sinh viên thực hiện đồ án tốt nghiệp:

Lương Ngọc Đông

NHẬN XÉT CỦA GIẢNG VIÊN HƯỚNG DẪN

NHẬN XÉT CỦA GIẢNG VIÊN PHẢN BIỆN

MỤC LỤC

DANH MỤC HÌNH ẢNH

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN VỀ BÁNH XE MECANUM

1.1 Giới thiệu bánh xe mecanum

Bánh xe mecanum hay bánh xe Ilon là một trong những loại bánh đa hướng phổbiến Bánh Mecanum được thiết kế và chế tạo tại Thụy Điển vào năm 1975 bởi BengtIlon một kỹ sư của công ty Thụy Điển Mecanum AB Bánh xe Mecanum có cấu trúcgồm 1 bánh trung tâm và các con lăn được đặt nghiêng một góc 450 tại biên của bánhtrung tâm Góc nghiêng của các con lăn so với bánh chính làm thay đổi (chuyểnhướng) một phần lực sinh ra trong chuyển động quay của bánh chính

Tùy theo hướng và tốc độ của từng bánh xe độc lập , kết quả tổng hợp tất cả cácvector lực sinh ra có thể tạo ra vector lực tổng hợp theo bất kì hướng nào , theo đó

cũng cho phép robot di chuyển theo bất kì hướng nào mà không cần thay đổi hướng

của bánh xe Hình 1.1 cho thấy thiết ké bánh mecanum cổ điển của Ilon.

Hình 1.1Thiết kế bánh Mecanum của Ilon

Thiết kế này chỉ làm việc tốt trên bề mặt tương đối bằng phẳng , khi gặp một bềmặt làm việc nghiêng hoặc không cân bằng vành bánh xe có thể tiếp xúc với bề mặtthay vì các con lăn khiến bánh xe làm việc không chính xác Để tránh gặp tình trạngnày Ilon đã đề xuất một thiết kế khác trong đó bánh trung tâm chỉ kết nối với các conlăn ở một điểm chính giữa con lăn như được thể hiện tại hình 1.2

Hình 1.2 Bánh Mecanum với kết nối tại điểm giữa con lăn

Thiết kế này đảm bảo các con lăn luôn tiếp xúc trên bề mặt làm việc , do đómang lại hiệu quả tốt hơn trên các bề mặt không cân bằng Sử dụng bộ bốn bánhmecanum cho phép tạo ra chuyển động đa hướng cho một chiếc xe mà không cần cómột hệ thống lái thông thường.Trượt là một vấn đề thường gặp ở bánh mecanum dochúng chỉ có một con lăn với một điểm duy nhất tiếp xúc với bề mặt làm việc tại bất kìthời điểm nào Do đặc điểm động lực học của bánh xe mecanum , chúng có thể tạo ravector lực theo cả phương x và phương y trong khi chỉ cần điều khiển theo phương y.Lắp đặt bốn bánh mecanum vào bốn góc của khung xe ( 2 cặp bánh đối xứng ) chophép mạng lực hình thành theo các phương x, y và quay( hình 1.3)

Hình 1.3Các vector lực tạo ra bởi bánh xe mecanum

Có rất nhiều nghiên cứu về bánh xe mecanum cho nhiều mục đích và ứng dụngkhác nhau đã được phát triển trong những năm gần đây Các nhà nghiên cứu từ tổ Cơđiện tử và khoa học robot của đại học Massey đã phát triển 2 mẫu thiết kế cải tiếnbánh xe mecanum Thiết kế đầu tiên là loại bánh xe Mecanum với các con lăn có thểkhóa được như minh họa trên hình 1.4 Thiết kế này nhằm khắc phục sự thiếu hiệu quảkhi robot di chuyển theo chiều dọc ( tiến-lùi ) do năng lượng thất thoát bởi các con lănxoay

Hình 1.4 Bánh mecanum với các con lăn có thể khóa

Các thiết bị truyền động đơn giản được sử dụng để xoay đĩa phanh kích hoạt đểkhóa hoặc mở khóa các con lăn khi mobile robot di chuyển.Các con lăn ngoại vi sẽđược khóa và đóng vai trò như một ren truyền lực khi mobile robot đang trong chuyểnđộng dọc nhưng không khóa trong chuyển động ngang.Thiết kế này giảm bớt sự mất

mát về lực trong di chuyển theo chiều dọc nhưng không cải thiện được hao tổn trên bất

kì hướng chuyển động nào khác

Thiết kế thứ hai là bánh mecanum với con lăn có thể xoay như minh họa trênhình 1.5 Thiết kế này hiệu quả hơn bánh xe mecanum với con lăn có thể khóa tuynhiên thiết kế cơ khí khá phức tạp

Hình 1.5Bánh mecanum với con lăn có khả năng xoay

Trong thiết kế này các con lăn ngoại vi không được gắn cố định mà gắn trênmột trục quay có khả năng quay 135o Điều này cho phép các con lăn có thể xoay mộtgóc 45o hoặc -45o để về vị trí thẳng trong các chuyển động theo chiều dọc hoặc ở một

vị trí như bánh mecanum bình thường khi xe di chuyển ngang Góc quay của các conlăn được điều khiển qua một hệ thống truyền động phức tạp, nhờ có hệ thống truyềnđộng này gọc quay của các con lăn trên cùng một bánh xe là như nhau , điều khiểnthay đổi góc quay một con lăn sẽ thay đổi góc quay của tất cả các con lăn còn lại

1.2 Phương pháp điều khiển xe đa hướng sử dụng bánh xe mecanum

Nhờ có cấu tạo đặc biệt của bánh xe mecanum , xe đa hướng sử dụng bánh xemecanum có thể thực hiện rất nhiều chuyển động phức hợp theo phương pháp cộngvector.Khi thay đổi tốc độ và hướng của 4 bánh xe thì xe tương ứng có thể đi tiến , lùingang sang trái , sang phải , đi chéo , xoay trái , xoay phải tại chỗ trong không gianhẹp

1.2.1 Các tham số tham gia điều khiển chuyển động của xe đa hướng sử dụng bánh mecanum

• Chuyển động của robot là hợp lực của vt và ω Trong đó:

- Vt bao gồm 2 thành phần :

 Vtx : thành phần chuyển động theo phương x ( Trái-Phải )

 Vty : thành phần chuyển động theo phương y ( Tiến-Lùi )

• a,b là khoảng cách từ tâm xoay của robot đến các bánh xe.

- a : khoảng cách theo phương x

- b : khoảng cách theo phương y

Hình 1.6 Các thành phần điều khiển hướng chuyển động của robot

1.2.2 Điều khiển hướng di chuyển robot thông qua điều khiển độc lập 4 bánh xe.

Để điều khiển hướng di chuyển của robot ta cần điều khiển độc lập tốc độ cũngnhư chiều quay của 4 bánh xe , nói cách khác là cần điều khiển độc lập 4 động cơ

Việc điều khiển tốc độ và chiều quay 4 động cơ độc lập cho phép robot dichuyển được theo tất cả mọi hướng trên bề mặt 2D , có thể xoay và vừa di chuyển vừaxoay

Với ωn là tốc độ quay của động cơ của bánh xe thứ n ta có công thức tính vậntốc 4 động cơ như sau:

Với quy ước :

• Bánh thứ nhất : bánh phía trước bên trái.

• Bánh thứ hai : bánh phía trước bên phải.

• Bánh thứ ba : bánh phía sau bên trái.

• Bánh thứ tư : bánh phía sau bên phải.

Từ công thức trên ta xây dựng được các hướng điều khiển robot cơ bản với tốc

độ các động cơ là như nhau , chỉ thay đổi chiều quay các động cơ , chuyển động củarobot theo phuong pháp này tương đối đơn giản không kết hợp được chuyển động vừatịnh tiến vừa xoay ( hình 1.7 )

Hình 1.7Phương pháp điều khiển xe đa hướng dùng bánh mecanum theo các hướng

đơn giản

1.3 Ứng dụng của bánh mecanum trong nhiều lĩnh vực

1.3.1 Trong quân sự

Tính cơ động cao của xe đa hướng sử dụng bánh mecanum có thể được sử dụng

và có vai trò rất quan trọng trong các ứng dụng ngoài trời như các nhiệm vụ tìm kiếmcứu nạn , các hoạt động quân sự , thăm dò hành tinh và khai thác mỏ

Bánh xe này thường được sử dụng cho các ứng dụng của robot đòi hỏi tính cơđộng cao chẳng hạn như các thí nghiệm của NASA trong thăm do môi trường nguyhiểm Dự án OmniBot của NASA(Hình 1.8) tạo ra một mobile robot có khả năng giúpcon người thu thập giữ liệu tại những khu vực môi trường nguy hiểm , robot này sửdụng bánh mecanum được điều khiển từ xa bằng sóng RF , có khả năng di chuyển trên

bề mặt địa hình xấu

Hình 1.8 Dự án OmniBot

Tập đoàn Omnix Technology Systems đã phát triển một loại xe sử dụng bánhmecanum (Hình 1.9) cho Hải Quân Mỹ để do thám các khu vực nơi mà con người vàcác phương tiện khác khó tiếp cận, mẫu xe này có khả nẳng chịu tải nặng rất cao phùhợp với môi trường quân sự Những chiếc xe này được thiết kế để có khả năng dichuyển linh hoạt và điều khiển dễ dàng

Hình 1.9Xe sử dụng bánh mecanum của Hải Quân Mỹ

MarsCruiserOne (Hình 1.10) là xe đa hướng được thiết kế cho các nhiệm vụthăm dò Mặt Trăng , Sao Hỏa trong các nhiệm vụ không gian trong tương lai Thiết kếnày cũng có sử dụng bánh mecanum

Hình 1.10 MarsCruiserOne

1.3.2 Trong công nghiệp

Xe nâng hàng công nghiệp Airtrax ATX-3000 (Hình 1.11) nổi bật với các tínhnăng ưu việt nhờ khả năng di chuyển đa hướng xe nâng hàng loại này giúp tiết kiệmkhông gian kho hàng, bốc xếp hàng hóa vật liệu nhanh chóng qua đó giúp giảm chi phíđồng thời tăng năng suất lao động Thiết kế gồm 4 bánh mecanum 21x12 điều khiểnđộc lập cho phép ATX có khả năng di chuyển đa hướng vô cùng linh hoạt

Hình 1.11 Xe nâng hàng công nghiệp Airtrax ATX-3000

1.3.3 Trong y tế

Xe lăn sử dụng động cơ điện vốn không còn xa lạ trong thời đại ngày nay, xelăn sử dụng điện mang đến những lợi ích tuyệt vời cho người tàn tật , người già ,những người không có đủ sức khỏe để đi lại ,việc sử dụng bánh xe mecanum cho xelăn mang lại nhiều lợi ích nhờ điều khiển dễ dàng , di chuyển đa hướng , tiết kiệmkhông gian, người điều khiển dễ dàng di chuyển trong khu vực chật hẹp

Hình 1.12Một số xe lăn sử dụng bánh mecanum đã được phát triển

1.3.4 Trong nghiên cứu , giáo dục.

Uranus(Hình1.13) là mobile robot đầu tiên sử dụng bánh mecanum được thiết

kế và lắp ráp tại trường Đại học Carnegie Melon Uranus được thiết kế để hỗ trợ cácnghiên cứu robot trong nhà.Robot này cung cấp đầy đủ các tính năng di động cùng vớiviệc hỗ trợ một loạt các thiết bị như cẩm biến , máy tính Nó hoàn toàn không có một

hệ thống giảm sóc do đó hoạt động không chính xác với bề mặt không phẳng

Hình 1.13 Uranus mobile robot đầu tiên sử dụng bánh mecanum

Các nhà nghiên cứu khác , như Braunl từ Đại Học Nam Australia đã phát triển

2 mẫu mobile robot khác nhau sử dụng bánh đa hướng mecanum, Omni-1 và Omni-2.Thiết kế đầu tiên Omni-1 sử dụng bánh mecanum có vành ngoài chỉ có 1 khoảng trốngnhỏ cho các con lăn tiếp xúc với bề mặt , động cơ và bánh xe được gắn chặt vào khung

xe Omni-1 có thể di chuyển khá tốt trên các bề mặt phẳng và cứng , nhưng không dichuyển chính xác được trên các bề mặt mềm hoặc không bằng phằng

Hình 1.14 Mobile robot Omni-1 và Omni-2 của Đai Học Nam Australia

Omni-2 được thiết kế sử dụng bánh xe không có vành ngoài và dùng còn lăn cóđiểm nối ở giữa Động cơ và bánh xe được gắn cùng bộ giảm sóc Với việc sử dụngbánh không có viền ngoài và thiết kế có giảm sóc Omni-2 có thể làm việc tốt trên cảcác bề mặt mềm , thiếu cân bằng

Tổ Cơ điện tử và khoa học robot Đại học Massey đã phát triển xe tự dẫn hướng

đi trên mọi địa hình (AGV) sử dụng một bộ bánh mecanum kết hợp với một bộ bánhthường Bất kì sự thay đổi nào của địa hình đều được tự động phát hiện và một hệthống thiết bị truyền động khí nén sẽ được sử dụng để thay đổi giữa bánh mecanumcho điều khiển trong nhà với tính di động cao và bánh xe thông thường cho địa hìnhngoài trời và thô Cơ chế điều khiển kiểu mới này của AGV đã được sử dụng trên

robot lập bản đồ môi trường và điều hướng tự động (MEGAN) Hình 1.16 thể hiện cấutrúc cơ bản của MEGAN.

Hình 1.15 Robot MEGAN

CHƯƠNG 2 CƠ SỞ LÝ THUYẾT 2.1 Cơ sở phần cứng

2.1.1 Vi điều khiển

2.1.1.1 Khái niệm

Vi điều khiển là một máy tính được tích hợp trên một chíp, nó thường được sử dụng để điều khiển các thiết bị điện tử Vi điều khiển, thực chất, là một hệ thống bao gồm một vi xử lý có hiệu suất đủ dùng và giá thành thấp (khác với các bộ vi xử lý đa năng dùng trong máy tính) kết hợp với các khối ngoại vi như bộ nhớ, các mô đun vào/ra, các mô đun biến đổi số sang tương tự và tương tự sang số, Ở máy tính thì các

mô đun thường được xây dựng bởi các chíp và mạch ngoài

Vi điều khiển thường được dùng để xây dựng các hệ thống nhúng Nó xuất hiệnkhá nhiều trong các dụng cụ điện tử, thiết bị điện, máy giặt, lò vi sóng, điện thoại, đầu đọc DVD, thiết bị đa phương tiện, dây chuyền tự động, v.v

2.1.1.2 Mô tả

Hầu hết các vi điều khiển ngày nay được xây dựng dựa trên kiến trúc Havard, kiến trúc này định nghĩa bốn thành phần cần thiết của một hệ thống nhúng Những thành phần này là lõi CPU, bộ nhớ chương trình (thông thường là ROM hoặc bộ nhớ Flash), bộ nhớ dữ liệu (RAM), một hoặc vài bộ định thời và các cổng vào/ra để giao tiếp với các thiết bị ngoại vi và các môi trường bên ngoài - tất cả các khối này được thiết kế trong một vi mạch tích hợp Vi điều khiển khác với các bộ vi xử lý đa năng ở chỗ là nó có thể hoạt động chỉ với vài vi mạch hỗ trợ bên ngoài

2.1.1.3 Các họ vi điều khiển thông dụng

Họ vi điều khiển AMCC (do tập đoàn "Applied Micro Circuits Corporation" sản xuất) Từ tháng 5 năm 2004, họ vi điều khiển này được phát triển và tung ra thị trường bởi IBM

• 403 PowerPC CPU

• PPC 403GCX

Họ vi điều khiển Atmel

• Dòng Atmel AT91 (Kiến trúc ARM THUMB)

• Dòng AT90, Tiny & Mega – AVR (Atmel Norway design)

• Dòng Atmel AT89 (Kiến trúc Intel 8051/MCS51)

• Dòng 16-bit

68HC12 (CPU12)68HC16 (CPU16)Freescale DSP56800 (DSP controller)

• Dòng 32-bit

Freescale 683XX (CPU32)MPC500 MPC 860 (PowerQUICC)MPC 8240/8250 (PowerQUICC II)MPC 8540/8555/8560 (PowerQUICC III)

Họ vi điều khiển Fujitsu

• F²MC Family (8/16 bit)

• FR Family (32 bit)

• FR-V Family (32 bit RISC)

Họ vi điều khiển Inlel

• Dòng 8-bit

8Xc42MCS8MCS5180618xC261

• Dòng 16-bit

80186/88MCS96MXS296

• Dòng 32-bit

386EXI960

Họ vi điều khiển Microchip

12-bit instruction PIC

14-bit instruction PIC

LPC900

LCP700

2.1.2 Động cơ điện một chiều

Động cơ điện một chiều là động cơ điện hoạt động với dòng điện một chiều.Động cơ điện một chiều ứng dụng rộng rãi trong các ứng dụng dân dụng cũng nhưcông nghiệp Thông thường động cơ điện một chiều chỉ chạy ở một tốc độ duy nhấtkhi nối với nguồn điện, tuy nhiên vẫn có thể điều khiển tốc độ và chiều quay của động

cơ với sự hỗ trợ của các mạch điện tử cùng phương pháp PWM

Động cơ điện một chiều trong dân dụng thường là các dạng động cơ hoạt độngvới điện áp thấp, dùng với những tải nhỏ Trong công nghiệp, động cơ điện một chiềuđược sử dụng ở những nơi yêu cầu moment mở máy lớn hoặc yêu cầu thay đổi tốc độtrong phạm vi rộng

2.1.2.1 Cấu tạo

Cấu tạo của động cơ gồm có 2 phần: stato đứng yên và rôto quay so với stato.Phần cảm (phần kích từ-thường đặt trên stato) tạo ra từ trường đi trong mạch từ, xuyênqua các vòng dây quấn của phần ứng (thường đặt trên rôto) Khi có dòng điện chạytrong mạch phần ứng, các thanh dẫn phần ứng sẽ chịu tác động bởi các lực điện từtheo phương tiếp tuyến với mặt trụ rôto, làm cho rôto quay Chính xác hơn, lực điện từtrên một đơn vị chiều dài thanh dẫn là tích có hướng của vectơ mật độ từ thông B vàvectơ cường độ dòng điện I

Một phần quan trọng của động cơ điện một chiều là bộ phận chỉnh lưu, nó cónhiệm vụ là đổi chiều dòng điện trong cuộn rotor trong khi chuyển động quay củarotor là liên tục Thông thường bộ phận này là bộ phận gồm có một bộ cổ góp và một

bộ chổi than tiếp xúc với cổ góp Đây cũng chính là nhược điểm chính của động cơđiện một chiều: cổ góp làm cho cấu tạo phức tạp, đắt tiền, kém tin cậy và nguy hiểmtrong môi trường dễ nổ, khi sử dụng phải có nguồn điện một chiều kèm theo hoặc bộchỉnh lưu

Hình 2.16Cấu tạo cơ bản động cơ điện một chiều

2.1.2.2 Nguyên lý hoạt động

Trên hình 2 mô tả nguyên lý làm việc của động cơ một chiều Khi cho điện ápmột chiều U vào hai chổi điện A và B, trong dây quấn phần ứng có dòng điện Cácthanh dẫn ab và cd mang dòng điện nằm trong từ trường sẽ chịu lực tác dụng tương hổlên nhau tạo nên momen tác dụng lên rotor, làm rotor quay Chiều lực tác dụng đượcxác định theo qui tắc bàn tay trái (hình 2a)

Khi phần ứng quay được nữa vòng, vị trí thanh dẫn ab, cd đổi chỗ nhau, nhờ cóphiến góp đổi chiều dòng điện, nên dòng điện một chiều biến đổi thành dòng điệnxoay chiều đưa vào dây quấn phần ứng, giữ cho chiều lực tác dụng không đổi, do đólực tác dụng lên rotor cũng theo một chiều nhất định, đảm bảo động cơ có chiều quaykhông đổi (hình 2b)

Phương trình cơ bản của động cơ điện một chiều:

K : hằng số, phụ thuộc cấu trúc động cơ

2.1.2.3 Phương pháp điều khiển tốc độ động cơ

Thông thường, tốc độ quay của một động cơ điện một chiều tỷ lệ với điện áp đặtvào nó, và ngẫu lực quay tỷ lệ với dòng điện Điều khiển tốc độ của động cơ có thểbằng cách điều khiển các điểm chia điện áp của bình ắc quy, điều khiển bộ cấp nguồnthay đổi được, dùng điện trở hoặc mạch điện tử Chiều quay của động cơ có thể thayđổi được bằng cách thay đồi chiều nối dây của phần kích từ, hoặc phần ứng, nhưngkhông thể được nếu thay đổi cả hai Thông thường sẽ được thực hiện bằng các bộ côngtắc tơ đặc biệt (Công tắc tơ đổi chiều)

Điện áp tác dụng có thể thay đổi bằng cách xen vào mạch một điện trở nối tiếphoặc sử dụng một thiết bị điện tử điều khiển kiểu chuyển mạch lắp bằng Thyristor,transistor hoặc loại cổ điển hơn nữa bằng các đèn chỉnh lưu hồ quang Thủy ngân.Trong một mạch điện gọi là mạch băm điện áp, điện áp trung bình đặt vào động cơthay đổi bằng cách chuyển mạch nguồn cung cấp thật nhanh Khi tỷ lệ thời gian "on"trên thời gian "off" thay đổi sẽ làm thay đổi điện áp trung bình Tỷ lệ phần trăm thờigian "on" trong một chu kỳ chuyển mạch nhân với điện áp cấp nguồn sẽ cho điện áptrung bình đặt vào động cơ

Hình 2.18Phương pháp PWM

Như vậy với điện áp nguồn cung cấp là 100V, và tỷ lệ thời gian ON là 25% thìđiện áp trung bình là 25V Trong thời gian "Off", điện áp cảm ứng của phần ứng sẽlàm cho dòng điện không bị gián đoạn, qua một diode gọi là diode phi hồi, nối songsong với động cơ Tại thời điểm này, dòng điện của mạch cung cấp sẽ bằng khôngtrong khi dòng điện qua động cơ vẫn khác không và dòng trung bình của động cơ vẫnluôn lớn hơn dòng điện trong mạch cung cấp, trừ khi tỷ lệ thời gian "on" đạt đến100% Ở tỷ lệ 100% "on" này, dòng qua động cơ và dòng cung cấp bằng nhau Mạchđóng cắt tức thời này ít bị tổn hao năng lượng hơn mạch dùng điện trở Phương phápnày gọi là phương pháp điều khiển kiểu điều biến độ rộng xung (pulse widthmodulation, or PWM), và thường được điều khiển bằng vi xử lý Đôi khi người ta còn

sử dụng mạch lọc đầu ra để làm bằng phẳng điện áp đầu ra và giảm bớt tạp nhiễu củađộng cơ

Vì động cơ điện một chiều kiểu nối tiếp có thể đạt tới mô men quay cực đại từkhi vận tốc còn nhỏ, nó thường được sử dụng để kéo, chẳng hạn đầu máy xe lửa haytàu điện Một ứng dụng khác nữa là để khởi động các loại động cơ xăng hay động cơđiezen loại nhỏ Tuy nhiên nó không bao giờ dùng trong các ứng dụng mà hệ thốngtruyền động có thể dừng (hay hỏng), như băng truyền Khi động cơ tăng tốc, dòng điệnphần ứng giảm (do đó cả trường điện cũng giảm) Sự giảm trường điện này làm chođộng cơ tăng tốc cho tới khi tự phá hủy chính nó Đây cũng là một vấn đề với động cơ

xe lửa trong trường hợp mất liên kết, vì nó có thể đạt tốc độ cao hơn so với chế độ làmviệc định mức Điều này không chỉ gây ra sự cố cho động cơ và hộp số, mà còn pháhủy nghiêm trọng đường ray và bề mặt bánh xe vì chúng bị đốt nóng và làm lạnh quá

nhanh Việc giảm từ trường trong bộ điều khiển điện tử được ứng dụng để tăng tốc độtối đa của các phương tiện vận tải chạy bằng điện Dạng đơn giản nhất là dùng một bộđóng cắt và điện trở làm yếu từ trường, một bộ điều khiển điện tử sẽ giám sát dòngđiện của động cơ và sẽ chuyển mạch, đưa các điện trở suy giảm từ vào mạch khi dòngđiện của động cơ giảm thấp hơn giá trị đặt trước Khi điện trở được đưa vào mạch, nó

sẽ làm tăng tốc động cơ, vượt lên trên tốc độ thông thường ở điện áp định mức Khidòng điện tăng bộ điều khiển sẽ tách điện trở ra, và động cơ sẽ trở về mức ngẫu lựcứng với tốc độ thấp

2.1.3 Joystick

Hình 2.19Hình ảnh Joystick

Hình 2.20Các chân của Joystick

Hình 2.21Sơ đồ nguyên lí của một Joystick

Về cơ bản joytick có cấu tạo gồm 2 biến trở và một nút bấm Điện áp ra từ 2chân S-X (X Axis) , S-Y (Y Axis) khi không tác động luôn có giá trị bằng Vcc/2 vớiVcc là 5V điện áp khi không tác động sẽ là 2,5 V , điện áp này sẽ thay đổi khi ta xoayJoystick (xoay biến trở) Điện áp trên chân S-K(Switch) luôn treo tại Vcc khi không

tác động , khi ta ấn joystick (ấn nút bấm) điện áp này về 0V

Sử dụng Joystick giúp người điều khiển không chỉ chủ động kiểm soát hướng

mà còn kiểm soát được tốc độ di chuyển robot thông qua tín hiệu điện áp analog tại

2.2 Cơ sở phần mềm – ngôn ngữ lập trình C

2.2.1 Giới thiệu

C là một ngôn ngữ cấp cao do Dennis Richie thiết kế tại phòng thí nghiệm BellTelephone vào năm 1972, khi viết hệ điều hành Unix C có nguồn gốc sâu sa từ ngônngữ BCPL do Martin Richards đề xuất vào năm 1967 và từ ngôn ngữ B do KenThompson phát triển từ ngôn ngữ BCPL vào năm 1970

Lúc đầu, C được thiết kế để lập trình trong môi trường của hệ điều hành Unixnhằm mục đích hỗ trợ cho các công việc lập trình phức tạp Nhưng về sau, với nhữngnhu cầu phát triển ngày một tăng của công việc lập trình, C đã vượt qua khuôn khổ củaphòng thí nghiệm Bell và nhanh chóng hội nhập vào thế giới lập trình đề rồi được cácnhà lập trình sử dụng một cách rộng rãi Sau đó, các công ty sản xuất phần mềm lầnlượt đưa ra những phiên bản hỗ trợ cho việc lập trình bằng ngôn ngữ C và chuẩn ANSI

C cũng được khai sinh từ đó

Ngôn ngữ C có những đặc điểm cơ bản như sau:

• Tính cô đọng: C chỉ có 32 từ khoá chuẩn và 40 toán tử chuẩn

• Tính cấu trúc: C có một tập hợp những chỉ thị của lập trình có cấu trúc: lựa

chọn, lặp à rõ ràng, dễ hiểu

• Tính tương thích: C có bộ tiền xử lí và một thư viện chuẩn vô cùng phong phú

à chuyển từ máy này sang máy khác, chương trình viết bằng C vẫn tương thích

• Tính linh động: C rất uyển chuyển về ngữ pháp, chấp nhận nhiều cách thể hiện

• Biên dịch: C cho phép biên dịch nhiều tập tin chương trình riêng rẽ à các đối

tượng và liện kết các đối tượng lại với nhau à Một chương trình thống nhất2.2.2 Các khai báo và một số lệnh cơ bản trong C

2.2.2.1 Khai báo

• Khai báo hằng: const <kiểu dữ liệu> <tên hằng>=<giá trị>

• Khai báo biến: <kiểu dữ liệu> <danh sách biến>

2.2.2.2 Một số lệnh cơ bản

i. Cấu trúc if else

if <điều kiện>

<công việc 1> ; else

<công việc 2;

ii. Cấu trúc switch…case

switch <biểu thức>

{case <giá trị 1> :

for(<biểu thức1>;<biểu thức 2>;<biểu thức 3>) <câu lệnh>

o <biểu thức 1>: Khởi tạo biến đếm

o <biểu thức 2>: Kiểm tra điều kiện của vòng lặp

o <biểu thức 2>: Điều khiển biến đếm của vòng lặp

ii. Cấu trúc: while

while <điều kiện>

{

<khối lệnh>;

}

iii. Cấu trúc: do…while

do { <khối lệnh>; } while <điều kiện>;

CHƯƠNG 3 VI ĐIỀU KHIỂN PIC16F877A

PIC là viết tắt của “Programable Intelligent Computer”, có thể tạm dịch là “máytính thông minh khả trình” do hãng Genenral Instrument đặt tên cho vi điều khiển đầutiên của họ: PIC1650 được thiết kế để dùng làm các thiết bị ngoại vi cho vi điều khiểnCP1600 Vi điều khiển này sau đó được nghiên cứu phát triển thêm và từ đó hìnhthành nên dòng vi điều khiển PIC ngày nay

3.1 Lý do sử dụng vi điều khiển PIC cho đề tài

Hiện nay trên thị trường có rất nhiều họ vi điều khiển như 8051, Motorola 68HC,AVR, ARM, Ngoài họ 8051 được hướng dẫn một cách căn bản ở môi trường đạihọc, bản thân người viết đã chọn họ vi điều khiển PIC để mở rộng vốn kiến thức vàphát triển các ứng dụng trên công cụ này vì các nguyên nhân sau:

- Họ vi điều khiển này có thể tìm mua dễ dàng tại thị trường Việt Nam

- Giá thành không quá đắt

- Có đầy đủ các tính năng của một vi điều khiển khi hoạt động độc lập

- Là một sự bổ sung rất tốt về kiến thức cũng như về ứng dụng cho họ vi điềukhiển mang tính truyền thống: họ vi điều khiển 8051

- Số lượng người sử dụng họ vi điều khiển PIC Hiện nay tại Việt Nam cũng nhưtrên thế giới, họ vi điều khiển này được sử dụng khá rộng rãi Điều này tạo nhiều thuậnlợi trong quá trình tìm hiểu và phát triển các ứng dụng như: số lượng tài liệu, số lượngcác ứng dụng mở đã được phát triển thành công, dễ dàng trao đổi, học tập, dễ dàng tìmđược sự chỉ dẫn khi gặp khó khăn,…

- Sự hỗ trợ của nhà sản xuất về trình biên dịch, các công cụ lập trình, nạp chươngtrình từ đơn giản đến phức tạp,…

- Các tính năng đa dạng của vi điều khiển PIC, và các tính năng này không ngừngđược phát triển

3.1.1 Vi điều khiển PIC 16F877A

1.1.1.1 Sơ đồ

Sơ đồ chân

Hình 3.22Sơ đồ chân PIC16F877A

Sơ đồ khối

Hình 3.23Sơ đồ khối Pic16F877A

3.1.2 Một vài thông số về vi điều khiển PIC16F877A

Đây là vi điều khiển thuộc họ PIC16Fxxx với tập lệnh gồm 35 lệnh có độ dài 14bit Mỗi lệnh đều được thực thi trong một chu kì xung clock Tốc độ hoạt động tối đacho phép là 20 MHz với một chu kì lệnh là 200ns Bộ nhớ chương trình 8Kx14 bit, bộ

nhớ dữ liệu 368x8 byte RAM và bộ nhớ dữ liệu EEPROM với dung lượng 256x8 byte.

Số PORT I/O là 5 với 33 pin I/O

Các đặc tính ngoại vi bao gồm các khối chức năng sau:

• Timer0: bộ đếm 8 bit với bộ chia tần số 8 bit

• Timer1: bộ đếm 16 bit với bộ chia tần số, có thể thực hiện chức năngđếm dựa vào xung clock ngoại vi ngay khi vi điều khiển hoạt động ở chế

độ sleep

• Timer2: bộ đếm 8 bit với bộ chia tần số, bộ postcaler

• Hai bộ Capture/so sánh/điều chế độ rông xung

• Các chuẩn giao tiếp nối tiếp SSP (Synchronous Serial Port), SPI và I2C

• Chuẩn giao tiếp nối tiếp USART với 9 bit địa chỉ

• Cổng giao tiếp song song PSP (Parallel Slave Port) với các chân điềukhiển RD, WR, CS ở bên ngoài

Các đặc tính Analog:

• 8 kênh chuyển đổi ADC 10 bit

• Hai bộ so sánh

Bên cạnh đó là một vài đặc tính khác của vi điều khiển như:

• Bộ nhớ flash với khả năng ghi xóa được 100.000 lần

• Bộ nhớ EEPROM với khả năng ghi xóa được 1.000.000 lần

• Dữ liệu bộ nhớ EEPROM có thể lưu trữ trên 40 năm

• Khả năng tự nạp chương trình với sự điều khiển của phần mềm

• Nạp được chương trình ngay trên mạch điện ICSP (In Circuit Programming) thông qua 2 chân

Serial-• Watchdog Timer với bộ dao động trong

• Chức năng bảo mật mã chương trình

đến page 3) Như vậy bộ nhớ chương trình có khả năng chứa được 8*1024 = 8192lệnh (vì một lệnh sau khi mã hóa sẽ có dung lượng 1 word (14bit).

Để mã hóa được địa chỉ của 8K word bộ nhớ chương trình, bộ đếm chươngtrình có dung lượng 13 bit (PC<12:0>)

Khi vi điều khiển được reset, bộ đếm chương trình sẽ chỉ đến địa chỉ 0000h(Reset vector) Khi có ngắt xảy ra, bộ đếm chương trình sẽ chỉ đến địa chỉ 0004h(Interrupt vector)

Bộ nhớ chương trình không bao gồm bộ nhớ stack và không được địa chỉ hóabởi bộ đếm chương trình Bộ nhớ stack sẽ được đề cập cụ thể trong phần sau

bộ nhớ dữ liệu giúp thuận tiện trong quá trình truy xuất và làm giảm bớt lệnh củachương trình

Hình 3.24Sơ đồ bộ nhớ dữ liệu Pic16F877A

Dựa trên sơ đồ 4 bank bộ nhớ dữ liệu PIC16F877A ta rút ra các nhận xét như sau :

- Bank0 gồm các ô nhớ có địa chỉ từ 00h đến 77h, trong đó các thanh ghi dùngchung để chứa dữ liệu của người dùng địa chỉ từ 20h đến 7Fh Các thanh ghi PORTA,PORTB, PORTC, PORTD, PORTE đều chứa ở bank0, do đó để truy xuất dữ liệu cácthanh ghi này ta phải chuyển đến bank0 Ngoài ra một vài các thanh ghi thông dụngkhác ( sẽ giới thiệu sau) cũng chứa ở bank0

- Bank1 gồm các ô nhớ có địa chỉ từ 80h đến FFh Các thanh ghi dùng chung cóđịa chỉ từ A0h đến Efh Các thanh ghi TRISA, TRISB, TRISC, TRISD, TRISE cũngđược chứa ở bank1