robot tự hành tránh vật cản, tìm đường trong mê cung

robot tự hành tránh vật cản, tìm đường trong mê cung Khi chọn đề tài này, ta đặt ra mục tiêu là robot phải chạy ổn định, giữ được thăng bằng (thiết kế động học) và thực hiện các công việc như né được vật cản phía trước (khoảng cách 10cm), bám tường trái phải (khoảng cách bám 4050cm). Xe nhỏ gọn, chạy được bằng pin. Các cảm biến đo lường chính xác. Robot được thiết kế để hoàn thành việc tránh vật cản và thoát được ra khỏi mê cung.

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH

KHOA ĐIỆN – ĐIỆN TỬ

BỘ MÔN ĐIỀU KHIỂN TỰ ĐỘNG

Mục lục

Mục lục 2

Danh mục các hình 4

Danh mục các bảng 5

Chương 1: Giới thiệu 6

1.1 Đặt vấn đề: 6

1.1.1 Robot di động: 6

1.2 Mục tiêu đề tài: 7

1.3 Nội dung đề tài: 7

Chương 2 Cơ Sở Lý Thuyết 8

2.1 Cơ cấu di chuyển: 8

2.1.1 Bánh xe 8

2.1.2 Xích: 8

2.1.3 Chi (chân): 8

2.2 Cảm biến: 8

2.2.1 Cảm biến hồng ngoại: 9

2.2.2 Cảm biến siêu âm: 9

2.2.3 Cảm biến lazer: 10

2.3 Động cơ truyền động: 10

2.4 Nguồn cung cấp: 12

2.5 Điều khiển tốc độ: 12

2.5.1 Phương pháp điều khiển tốc độ: 12

2.5.2 Băm xung PWM: 13

2.6 Mạch cầu H : 13

2.7 Bộ xử lý trung tâm : 14

Chương 3 Thiết kế phần cứng 16

3.1 Khung robot : 16

3.2 Chọn thiết bị : 18

3.2.1 Chọn động cơ : 18

3.2.2 Chọn cảm biến : 18

3.2.3 Lựa chọn điều khiển động cơ: 20

3.2.4 Lựa chọn vi điều hiển: 21

Chương 4 : Thiết kế phần mềm 22

4.1 Yêu cầu : 22

4.2 Thiết ế: 22

4.3 Thuật toán điều hiển: 22

4.4 Code điều hiển : 23

Chương 5 : Kết quả đánh giá v hướng phát triển 33

5.1 Kết quả : 33

5.2 Đánh giá: 33

5.1 Hướng h c phục: 33

Phụ Lục 34

Danh mục các hình Hình 1.1 Mẫu robot đầu tiên của NEURO Technology

Hình 2.13 Sơ đồ cấu tạo mạch cầu H

Hình 3.1 Mặt c t đáy robot (mặt dưới tầng 1)

Hình 3.2 Mặt c t mặt trên tầng 1

Hình 3.3 Mặt c t tầng trên cùng của robot (mặt trên hàng 2)

Hình 3.5 Nguyên t c điều khiển cảm biến siêu âm SRF04

Hình 3.6 Kết nối cảm biến siêu âm và vi điều khiển

Hình 3.8 Sơ đồ chân L293D

Hình 3.9 Module L293D kết nối vi điều khiển v động cơ

Hình 3.10 LCD kết nối vi điều khiển

Hình 3.11 Sơ đồ chân Board Ardunio

Hình 3.12 Kết nối vi điều khiển với các thiết bị khác

Danh mục các bảng Bảng 2.1 Thông số động cơ V1

Bảng 3.2 So sánh động cơ DC v động cơ xoay chiều

Danh Mục Phụ Lục PL1 Ưu nhược điểm của các cơ cấu di chuyển

Chương 1: Giới thiệu 1.1 Đặt vấn đề:

1.1.1 Robot di động:

Ngày nay, tự động hoá là ngành tổng hợp nhiều lĩnh vực như cơ hí công nghệ thông tin và

cơ điện tử Ngành công nghiệp tự động hoá ngày càng có vai trò quan trọng và hết sức cần thiết, nhất là trong tiến trình công nghiệp hoá, hiện đại hoá nhanh như hiện nay Trong đó tất nhiên robot là một phần không thể thiếu Robot là một loại máy có thể thực hiện những công việc một cách tự động bằng sự điều khiển của máy tính hoặc các vi mạch điện tử được lập trình Robot đang được ứng dụng rộng rãi trong nhiều lĩnh vực của đời sống như giáo dục, thể thao, y học, giao thông vận tải, quân sự … Những robot quy mô lớn như cánh tay máy trong các quy trình sản xuất trong nh máy công xưởng các công trường lớn, nhỏ hơn l những robot có khả năng

di chuyển (mobile robot), làm những công việc thay thế con người, trong những môi trường mà con người không thể đến hoặc không thể tự thao tác như đường ống hí môi trường độc hại khi

có sự xuất hiện của ga, hoá chất, phóng xạ, bụi bặm

Hình 1.1 Mẫu robot tự hành đầu tiên của NEURO Technology

Ngo i ra do robot có đặc điểm là sự kết hợp giữa cơ hí v điện tử nên con người có thể dễ dàng cải tiến cả về cấu trúc hoặc chương trình điều khiển để phù hợp với từng môi trường điều kiện làm việc, yêu cầu sử dụng hác nhau cũng như phù hợp với sự phát triển của công nghệ Chúng ta cũng có thể tích hợp nhiều robot nhỏ lại với nhau, mỗi robot có một chức năng riêng tạo thành một robot lớn với nhiều chức năng để có thể giải quyết nhiều công việc cùng lúc Sự thay thế hợp lý của robot còn góp phần giảm giá thành sản phẩm, tiết kiệm nhân công ở những

nước mà nguồn nhân công là rất ít hoặc chi phí cao như : Nhật Bản các nước Tây Âu, Hoa

Kỳ … Robot tránh vật cản là một trong những dạng cơ bản của mobile robot

Do đó nhóm chúng tôi quyết định chọn thực hiện đề tài với robot di chuyển tránh vật cản, vừa để thuận tiện cho những người mới nghiên cứu về robot, vừa tạo một nền tảng cơ bản cho chính bản thân để sau này có thể nghiên cứu sâu hơn hoặc nghiên cứu về những robot khác phức tạp hơn Ngo i ra robot tránh vật cản cũng có thể áp dụng cho các phương tiện giao thông tránh được vật cản cũng như các tai nạn, rủi ro hi lưu thông trên đường phố và còn có thể tích hợp trong các hệ thống lớn để tránh được các rủi ro khi bị cản trở bởi những vật không cần thiết

1.2 Mục tiêu đề tài:

Khi chọn đề tài này, ta đặt ra mục tiêu là robot phải chạy ổn định, giữ được thăng bằng (thiết kế động học) và thực hiện các công việc như né được vật cản phía trước (khoảng cách 10cm) bám tường trái phải (khoảng cách bám 40-50cm) Xe nhỏ gọn, chạy được bằng pin Các cảm biến đo lường chính xác

Robot được thiết kế để ho n th nh việc tránh vật cản v thoát được ra hỏi mê cung 1.3 Nội dung đề tài:

Chương 2 Cơ sở lý thuyết

Ta tìm hiểu về các cơ cấu di chuyển, cảm biến động cơ truyền động, phương pháp điều khiển tốc độ, vi điều khiển, thuật toán PID, mạch cầu H

Chương 3 Thiết kế phần cứng

Ta biết khung robot ra sao, bánh xe, vị trí thiết bị, chọn những linh kiện nào cho robot?

Ta cũng thấy được những thiết bị như L293D, cảm biến siêu âm SRF04 với vi điều khiển được kết nối như thế nào qua phần mềm mô phỏng Protues

Chương 4 Thiết kế phần mềm

Ta sẽ biết được thuật toán robot chạy tránh vật cản phía trước, chạy nhanh hơn hi có vật khác chạy sát sau Chúng ta cũng thấy được giải thuật xe đi bám tường

Chương 5 Kết quả đánh giá v hướng phát triển

Ta được xem những hình ảnh thi công robot và quá trình chạy thực nghiệm

Ta đưa ra những định hướng cho xe để có thể phát triển trong tương lai

Chương 2 Cơ Sở Lý Thuyết 2.1 Cơ cấu di chuyển:

Hiện nay, ta biết được 3 cơ cấu di chuyển trên mặt đất: bánh xe, xích, chi

2.1.1 Bánh xe:

Bánh xe l phương pháp phổ biến nhất cung cấp khả năng cho một robot được sử dụng với nhiều kích thước và ứng dụng hác nhau Bánh xe có ích thước dao động từ v i cm đến vài m Thông thường xu hướng phát triển tập trung vào bánh vài cm, với loại robot 3 bánh, một bánh lái và 2 bánh di chuyển Về vật liệu làm bánh xe thì tùy vào yêu cầu như hả năng bám chống trượt đi nhiệt độ cao…

2.1.2 Xích:

Bánh xích hoặc bánh răng được sử dụng trong những thiết bị yêu cầu thích ứng độ hình

và yêu cầu về lực kéo Bánh xích di chuyển được trên những địa hình mấp mô đất yếu đất cát Cơ cấu bánh xích giảm tính trượt và phân bố đều trọng lượng của thiết bị

Hình 2.1 Robot 4 bánh

2.1.3 Chi (chân):

Chân là lựa chọn ưa thích của các robot di chuyển trên những địa hình hông đồng đều Hầu hết robot nghiệp dư được thiết kế với 6 chân, với khả năng cân bằng tĩnh 3 chân đứng khi di chuyển Robot ít chân khó cân bằng hơn phải sử dụng điều kiện cân bằng sự ổn định động

2.2 Cảm biến:

Cảm biến là thiết bị điện tử cảm nhận những trạng thái, quá trình (vật lý, hóa học) ở môi trường cần quan sát và biến đổi thành tín hiệu điện để thu thập thông tin về trạng thái, quá trình

đó

Cảm biến có vai trò quan trọng trong các b i toán điều khiển quá trình nói riêng và trong các hệ thống điều khiển tự động nói chung Cảm biến có khả năng cảm nhận các tín hiệu điều khiển vào-ra có vai trò đo đạc các giá trị và giới hạn cảm nhận với đại lượng vật lý cần đo Hiện nay, thị trường có nhiều loại cảm biến với đa dạng sản phẩm v lĩnh vực Trong ngành công nghiệp robot đặc biệt robot tự hành, cảm biến đo khoảng cách được sử dụng nhiều Có nhiều loại cảm biến đo hoảng cách như cảm biến laze, cảm biến hồng ngoại, cảm biến siêu âm, encoder…

2.2.1 Cảm biến hồng ngoại:

Hình 2.4 Cảm biến hồng ngoại Cảm biến có hả năng thích nghi với môi trường có một cặp truyền và nhận tia hồng ngoại.Tia hồng ngoại phát ra một tần số nhất định khi phát hiện hướng truyền có vật cản (mặt phản xạ) phản xạ vào đèn thu hồng ngoại sau khi so sánh, đèn màu xanh sẽ sáng lên, đồng thời đầu cho tín hiệu số đầu ra (một tín hiệu bậc thấp)

Cảm biến có khoảng cách làm việc hiệu quả 2 ~ 5cm, điện áp làm việc là 3.3 V đến 5V Độ nhạy sáng của cảm biến được điều chỉnh bằng chiết áp, cảm biến dễ l p ráp, dễ sử dụng

2.2.2 Cảm biến siêu âm:

Cảm biến siêu âm là loại cảm biến phát và nhận sóng siêu âm theo hình parabol Cảm biến phát ra sóng siêu âm đi và đo thời gian nhận về để tính toán hoảng cách Cảm biến có tầm đo từ vài cm đến vài m

Hình 2.5 Cảm biến siêu âm

2.2.3 Cảm biến lazer:

Cảm biến sử dụng tia lazer để đo hoảng cách Cảm biến còn có các chức năng khác mà các loại cảm biến phản xạ khó làm được như màu s c mục tiêu, vật liệu độ bóng bề mặt và môi trường

Giá th nh cảm biến n y cũng há cao nếu hông muốn gọi l đ t

Hình 2.6 Cảm biến lazer 2.3 Động cơ truyền động:

Hiện nay, thị trường có nhiều loại động cơ như step AC DC Mỗi loại có ưu nhược điểm khác nhau Động cơ step có bản chất giống động cơ AC nên ta chỉ xét AC và DC

Động cơ AC hoạt động dưới điện áp xoay chiều, gồm có động có stato và roto Khi cấp điện vào, từ trường quay do stato gây ra làm cho roto quay liên tục Chuyển động quay của roto được trục máy truyền ra ngo i v được sử dụng để vận hành các công cụ hoặc cơ cấu di chuyển khác Động cơ DC l động cơ điện hoạt động với dòng điện một chiều Khi có một dòng điện chạy qua cuộn dây quấn xung quanh một lõi s t non, cạnh phía bên cực dương sẽ bị tác động bởi một lực hướng lên, trong khi cạnh đối diện lại bị tác động bằng một lực hướng xuống theo nguyên lý bàn tay trái của Fleming Các lực n y gây tác động quay lên cuộn dây, và làm cho rotor quay Để làm cho rotor quay liên tục v đúng chiều, một bộ cổ góp điện sẽ làm chuyển mạch dòng điện sau mỗi vị trí ứng với 1/2 chu kỳ

Hình 2.7 Động cơ DC Hình 2.8 Động cơ AC

Khả năng tái nạp Có (đối với loại pin sạc) Có (và dễ thay ruột hơn pin) 2.5 Điều khiển tốc độ:

2.5.1 Phương pháp điều khiển tốc độ:

Động cơ điện một chiều có nhiều ưu việt hơn so với các loại động cơ hác hông những nó

có khả năng thay đổi tốc độ một cách dễ dàng mà cấu trúc mạch động lực, mạch điều khiển đơn giản hơn đồng thời lại đạt chất lượng điều chỉnh cao trong dải điều chỉnh tốc độ rộng

Phương trình tính tốc độ:

Để điều khiển tốc độ động cơ ta có thể điều chỉnh: Uư (điều chỉnh mạch phần ứng hoặc mạch kích từ), Rư (thêm Rp vào mạch phần ứng) và (phương pháp ít được sử dụng) Thông thường, người ta sử dụng cách điều chỉnh điện áp phần ứng

Phương pháp điều chế độ rộng xung thường dùng để thay đổi điện áp phần động cơ

Hình 2.11 Phương pháp điều chế độ rộng xung Trong đồ thị trên: iđ l dòng điều khiển U l điện áp điều khiển

+ Set bit K=0 (mở), không có i

Như vậy ta đã điều chỉnh được tốc độ động cơ

Ta cũng có thể điều chỉnh tốc độ động cơ bằng cách băm xung PWM

Ta có giải thuật như sau:

- Tạo một tần số chuẩn từ 0 1 ms đến 10ms dùng các bộ timer của vi điều khiển

- Thay đổi độ rộng xung bằng cách thay đổi tỷ số xung mức 1 và mức 0 của tần số chuẩn đó ết quả cho xung như yêu cầu

Hình 2.12 Đồ thị dạng xung điều chế PWM Với độ rộng xung thay đổi, ta có thể thay đổi độ sáng tối của đèn led, điều khiển được tốc độ động cơ

2.6 Mạch cầu H :

Mạch cầu H được cấu tạo bởi 4 Transistor hay Fet (đôi hi chỉ dùng 2 Transistor hay Fet) Tác dụng của các Transistor hay Fet như các van đóng mở dẫn dòng điện từ nguồn xuống tải Tín hiệu điều khiển các van là tín hiệu nhỏ (điện áp hay dòng điện) v điện áp lớn để cung cấp cho tải Tín hiệu điều khiển nhỏ vì nó l đầu ra của vi điều khiển (nhỏ hơn 5V) còn điều khiển tải (ở đây l động cơ) cần điện áp và dòng lớn hơn

Điều kiện đóng mở các Transistor:

+ Đối với Transistor kênh P: Vbe <= 0

+ Đối với Transistor kênh N: Vbe > 0

Từ hình 2.2.2 ta có điều kiện để điều khiển thuận, nghịch như sau:

* Điều kiện với chế độ thuận

Ở chế độ thuận này, cấp 4 tín hiệu hiệu điều khiển cho 4 con Transistor với các điều kiện đóng mở như sau:

- Tín hiệu điều khiển 1 – Transistor Q1 = 1 (Q1 đóng)

- Tín hiệu điều khiển 2 – Transistor Q2 = 1 (Q2 mở)

- Tín hiệu điều khiển 3 – Transistor Q3 = 0 (Q3 mở)

- Tín hiệu điều khiển 4 – Transistor Q4 = 0 (Q4 đóng)

Vậy dòng điện sẽ đi Vcc - Q1 - tải - Q3 - GND

* Điều kiện với chế độ nghịch

Ở chế độ nghịch này, cấp 4 tín hiệu hiệu điều khiển cho 4 con Transistor với các điều kiện đóng mở như sau:

- Tín hiệu điều khiển 1 – Transistor Q1 = 0 (Q1 mở)

- Tín hiệu điều khiển 2 – Transistor Q2 = 0 (Q2 đóng)

- Tín hiệu điều khiển 3 – Transistor Q3 = 1 (Q3 đóng)

- Tín hiệu điều khiển 4 – Transistor Q4 = 1 (Q4 mở)

Vậy, dòng điện sẽ đi Vcc - Q3 - tải - Q2 - GND

Mạch cầu H có thể đảo chiều điện áp qua tải nên nó thường được dùng để điều khiển động cơ

và các mạch băm áp Vậy đối với việc điều khiển động cơ với mạch cầu H há l đơn giản bởi chỉ cần điều khiển đóng mở các van theo ý muốn

Hình 2.13 Sơ đồ cấu tạo mạch cầu H 2.7 Bộ xử lý trung tâm :

Trong kỹ thuật để điều khiển một động cơ đèn mobile-robot, ta có nhiều sự lựa chọn như dùng vi mạch số, vi điều khiển PLC… Tuy nhiên mỗi loại có những ưu nhược khác nhau So về kỹ thuật, vi điều khiển mạnh hơn vi mạch số (VMS) nhưng thấp hơn thiết bị điều khiển lập trình được (PLC) So về giá, vi điều khiển ở mức giá hợp lý, thấp hơn nhiều so với PLC và không chênh lệch với VMS nhiều Ngoài ra, vi điều khiển có thể đáp ứng những yêu

cầu điều khiển chính xác, xử lý được nhiều công việc một lúc như đọc cảm biến, xử lý tín hiệu điều khiển động cơ

Ta có thể xem tổng quan về vi điều khiển như dưới :

CPU là trái tim của hệ thống l nơi quản lý các hoạt động của vi điều khiển Bên trong CPU gồm :

+ ALU là các bộ phận thao tác trên các dữ liệu

+ Bộ giải mã lệnh v điều khiển xác định các thao tác mà CPU cần thực hiện

+ Thanh ghi PC lưu giữ địa chỉ của lệnh kế tiếp cần thực thi

+ Một tập các thanh ghi dùng để lưu thông tin tạm thời

ROM là bộ nhớ dùng để lưu giữ chương trình ROM còn dùng để chứa số liệu các bảng, các tham số hệ thống, các số liệu cố định của hệ thống Trong quá trình hoạt động nội dung ROM là

cố định, không thể thay đổi, nội dung ROM chỉ thay đổi khi ROM ở chế độ xóa hoặc nạp chương trình

RAM là bộ nhớ dữ liệu Bộ nhớ RAM dùng làm môi trường xử lý thông tin lưu trữ các kết quả trung gian và kết quả cuối cùng của các phép toán, xử lý thông tin Nó cũng dùng để tổ chức các vùng đêm dữ liệu, trong các thao tác thu phát, chuyển đổi dữ liệu

BUS l các đường dẫn dùng để di chuyển dữ liệu, bao gồm : bus địa chỉ, bus dữ liệu và bus điều khiển

Bộ định thời : được sử dụng cho các mục đích chung về thời gian

Watchdog là bộ phận dùng để reset lại hệ thống khi hệ thống gặp „„bất thường‟‟

ADC là bộ phận chuyển đổi tín hiệu analog sang tín hiệu digital Các tín hiệu bên ngo i đi vào vi điều khiển thường ở dạng analog ADC sẽ chuyển tín hiệu này về dạng tín hiệu digital mà

vi điều khiển có thể hiểu được

Một số loại vi điều khiển có trên thị trường :

- Vi điều khiển MCS-51 : 8031, 8032, 8051 8052…

- Vi điều khiển : board mạch Adruino

- Vi điều khiển AVR AT90Sxxxx

- Vi điều khiển PIC 16C5x 17C43 16Fxxx…

Chương 3 Thiết kế phần cứng Trong robot, ta không chỉ quan tâm đến mỗi bộ điều khiển trung tâm mà còn phải quan tâm đến cấu trúc xe Cấu trúc robot chính là phần cứng của robot Phần cứng hoàn chỉnh sẽ giúp nhiều trong việc điều khiển robot như đổi hướng, va chạm, kéo tải…

3.1 Khung robot :

Khung xe được cấu tạo bởi :

- 2 miếng mica dày 2mm với các lỗ nhiều ích thước để g n linh kiện v l m đẹp

- 2 động cơ loại V1, g n 2 bánh xe ( ích thước bánh : đường ính 65mm độ dày 25mm)

Mặt trên tầng 1 :

Hình 3.2 Mặt c t mặt trên tầng 1 Mặt trên tầng 2 :

Hình 3.3 Mặt c t tầng trên cùng của robot (mặt trên tầng 2)