ĐỒ án hệ THỐNG số THIẾT kế ROBOT dò ĐƯỜNG TRONG mê CUNG kết hợp điều KHIỂN từ XA QUA RF

Chương 1: Tổng quan về robot tự hành1.1Giới thiệu về robot tự hành Robot tự hành hay robot di động mobile robots, thường được gọi tắt là mobots được định nghĩa là một loại xe robot

ĐỒ ÁN HỆ THỐNG SỐ THIẾT KẾ ROBOT DÒ ĐƯỜNG TRONG MÊ CUNG

KẾT HỢP ĐIỀU KHIỂN TỪ XA QUA RF

Menu

Chương 1: Tổng quan về robot tự hành 3

1.1Giới thiệu về robot tự hành 3

1.2.Mục tiêu 5

1.3.Nội dung 5

Chương 2: Các thành phần phần cứng và cấu trúc xe 6

2.1 Các thành phần phần cứng 6

2.1.1 Kit CPLD CoolRuner-II Starter Board 6

2.1.2 Thu phát hồng ngoại TCRT5000 9

2.1.3 Cầu H L293D 11

2.1.4 Module RF 4 kênh 13

Chương 3: Thuật toán dò đường và code 17

3.1 Sơ đồ khối tổng quát 17

3.2 Thuật toán dò đường 18

3.3 Code 18

Mục lục:Tài liệu tham khảo 27

Chương 1: Tổng quan về robot tự hành

1.1Giới thiệu về robot tự hành

Robot tự hành hay robot di động (mobile robots, thường được gọi tắt là mobots) 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 điều khiển tự động để thực hiện thành công công việc được giao.

Theo lý thuyết, môi trường hoạt động của robot tự hành có thể là đất, nước, khô

ng khí, không gian vũ trụ hay sự tổ hợp giữa chúng Địa hình bề mặt mà robot di chuy

ển trên đó có thể bằng phẳng hoặc thay đổi, lồi lõm Theo bộ phận thực hiện chuyển động, ta có thể chia robot tự hành làm 2 lớp: chuyển động bằng chân và chuyển độngbằng

bánh.Trong lớp đầu tiên, chuyển động có được nhờ các chân cơ khí bắt chước chuyển động của con người và động vật

Robot loại này có thể di chuyển rất tốt trên các định hình lồi lõm, phức tạp.Tuy nhiên, cách phối hợp các chân cũng như vấn đề giữ vững tư thế là công việc cực

kì khó khăn Lớp còn lại (di chuyển bằng bánh) tỏ ra thực tế hơn, chúng có thể làmviệc tốt trên hầu hết các địa hình do con người tạo ra Điều khiến robot di chuyển bằngbánh cũng đơn giản hơn nhiều, gần như luôn đảm bảo tính ổn định cho robot Lớp này

có thể chia thành 3 loại: loại chuyển động bằng bánh xe, loại chuyển động bằng vòngxích và loại hỗn hợp bánh và xích

Tiềm năng của robot tự hành là hết sức rộng lớn Có thể kể đến robot vânchuyển vật liệu, hàng hóa trong các nhà máy, tòa nhà, của hàng, sân bay và thư viện;robot phục vụ quét dọn đường phố; khoang chân không … Mặc dù ứng dụng caonhưng hạn chế chưa giải quyết được của robot tự hành như chi phí chế tạo, đã khôngcho phép chúng được sử dụng rộng rãi Một nhược điểm khác của robot tự hành phải

kể đến là còn thiếu tính linh hoạt và thích ứng khi làm việc ở những vị trí khác nhau

Bài toán tìm đường của robot tự hành cũng không phảo là loại bài toán đơn giản nhưnhiều người nghĩ lúc ban đầu Trong đồ án môn học này, bài toán tìm đường sẽ đượcgiải quyết ở mức độ không quá phức tạp.

Hình 1.1 một số hình ảnh về robot tự hànhDò đường (navigation) là một khoa học dẫn hướng robot tự hành di chuyểntrong không gian làm việc của nó Trong vấn đề dò đường, bài toán được quan tâmnhiều nhất là tìm đường về đích mà không chạm vật cản trên đường đi Có hai bài toántìm đường cho robot: bài toán cục bộ (local) và bài toán toàn cục (global) Trong bàitoán toàn cục, bản đồ môi trường làm việc của robot hoàn toàn biết trước, vấn đềchính là tìm được đường đi cho robot trước khi nó xuất phát Ở bài toán cục bộ, môitrường làm việc của robot chưa biết hoặc chỉ biết 1 phần, robot hoàn toàn phải nhờ

vào sự cảm nhận môi trường thông qua cảm biến gắn trên nó để dò đường Bài toántoàn cục tỏ rõ lợi thế là ta biết trước đường đi tới đích hay không trước khi robot khởihành Tuy vậy nó lại có hạn chết là đòi hỏi nhiều lệnh tính toán và bộ nhớ, và đặc biệttình huống xấu có thể xảy ra nếu bản đồ môi trường làm việc không được khai báochính xác, yêu cầu biết trước hoàn toàn môi trường làm việc cũng là một nhược điểmcủa nó Trong khi đó, robot tìm đường cục bô chỉ biết được thông tin xung quanh quasensor cảm nhận môi trường gắn cùng Vì thế, robot tìm đường cục bộ có thể khônghoản thành việc tới đích, khái niệm tối ưu không có ý nghĩa trong bài toán này Tuynhiên, dung lương bộ nhớ và khôi lượng tính toán lại thấp Ngày nay, cách tiếp cậngiữa cục bộ và toàn cục đang ngày càng phổ biến, giúp robot tự hành tăng tính linhhoạt và hiệu quả.

1.2.Mục tiêu

Mục tiêu của đề tài là thiết kế, thi công, điều khiển robot tự hành Robot tựhành có thể hoạt động ổn định, tự tìm đường đi tới đích xác định của mê cung, có thểhọc nhanh chóng cách tìm đường đi khi thay đổi hình dạng mê cung, sử dụng thuậttoán tìm kiếm theo hướng ưu tiên rẽ 1 hướng trước Sử dụng kit vi xử lý để xử lý thuậttoán dò đường

1.3.Nội dung

Nội dung nghiên cứu:

Tìm hiểu về kit CPLD: CoolRuner-II Starter Board

Khảo sát phân tích tổng hợp: phân tích cách thức hoạt động của robot tự hànhtheo thiết kế bộ phận dò tìm

Tìm hiểu mạch thu phát hồng ngoại TCRT5000

Khảo sát tính khả thi của thuật toán dò đường

Thực nghiệm: kiểm tra tính ổn định của robot, tối ưu code

Đánh giá kết quả đạt được

Chương 2: Các thành phần phần cứng và cấu trúc xe

2.1 Các thành phần phần cứng

2.1.1 Kit CPLD CoolRuner-II Starter Board

Hinh2.1 CoolRunner-II Starter BoardTính năng:

Tần số cố định 8MHz dao động và một ổ cắm cho một Dao động tinh thể

Mở rộng kết nối cho 64 tín hiệu I / O (32 trên các kết nối Pmod và 32 trên songsong kết nối)

Một một dây DS28E01Q EEPROM

Một on-board cổng USB2 cho hội đồng quản trị điện, lập trình JTAG, và dữliệu chuyển

Cấu hình:

Mạch CollRunner-II của CPLD phải được cấu hình từ người sử dụng trước khi

nó có thể thực hiên bất kỳ chức năng nào Tập tin có thể được tao ra từ sơ đò hoặc tậptin mã nguồn HDL bằng cách sử dụng ISE

Phần mềm WebPack từ Xilinx, các file được cấu hình có thể được chuyển giaocho mạch CoolRunner-II sử dụng cáp USB và phần mềm của Xilinx iMPACT hoặcbằng cách sử dụng 1 cáp được lập trình bên ngoài

Sau khi cấu hình, CPLD giữ lại trạng thái của nó vô thời hạn MạchCoolRunner-II đươc hỗ trợ trên hầu hết các cấu hình CPLD có trước Một cấu hìnhmới có thể được nạp bất cứ lúc nào và ngay sau khi cấu hình được tải thì nó địnhnghĩa hành vi của CPLD

Nguồn cung cấp:

Mạch CoolRunner-II có thể được cấp nguồn từ cổng USB tách rời của nó hoặctừ 1 ngồn cấp bên ngoài gắn vào kết nói JB3, jumper JB2 sử dụng mạch nguồn USBhoặc nguồn bên ngoài

Nguồn bên ngoài được định tuyến thông qua 1 điều Maxim LT3028 để sảnxuất nguồn cung cấp điện áp (3.3V i/o và 1.8V cho lõi) theo yêu cầu của các CPLD.Bất cứ khi nào mạch nguồn được sử dụng sẽ có đền LED báo

Mạch CoolRunner-II được thiết kế từ mạch 4 lớp với các lớp bên trong dànhriêng cho VCC và GND

Xung Clocks

Bao gồm 1 bộ dao động tần số cố định 8MHz, được gán tên PCLK trong các sơ

đồ mạch và được kết nối với pin GCLK2 của CPLD (P38) để nó có thể được chuyển

đến chia đồng hồ nội bộ Kích thước ổ cắm bằng 1 nửa kích thước theo chuẩn DIP.Dao động cũng được cung cấp tại điểm IC3.

Chức năng I/O:

Mạch cung cấp 2 nút bấm và hai thiết bị chuyển mạch trượt đầu vào và 4 ledmàu đỏ và 4 chữ hiển thị cho kết quả đầu ra,

Hình 2.2 Kết nối I/OCác nút bấm hoạt động ở mức tích cực thấp, các thiết bị chuyển mạch gồm cáctrở kháng ngắn mạch bảo vệ Các led hoạt động ở mức cao và màn hình hiển thị bảyđoạn sử dụng tách riêng-tranzitor hoạt động mức cao.Ba led bổ sung cho nguồn USB(led4), bảng điện (led5), và USB trạng thái (led6)

Kết nối mở rộng:

Mạch cung cấp 4 modun thiết bị ngoại vi kết nối 12-pin mỗi kết nối cung cấp 2VDD và GND, 8 tín hiệu đặc biệt từ CPLD Mỗi kết nối có thể chứa 12-pin duy nhấthoặc 6-pin Pmods Một số 6-pin Pmods có thể đính kèm các kết nối kể cả loa, bảngcầu H, bảng cảm biến, … Mạch còn cung cấp 1 kết nối 40-pin mở rộng bao gồm bacung cấp năng lượng tín hiệu và 37 I/O cho tín hiệu.

2.1.2 Thu phát hồng ngoại TCRT5000

Hình 2.3 Thu phát hồng ngoại TCRT-5000

TCRT5000 và TCRT500L là cảm biến phản xạ trong đó bao gồm một emitterhồng ngoại và phototransistor trong một gói pha chì chặn ánh sáng nhìn thấy các góibao gồm hai đoạn gắn kết.

Được sử dụng trong các trường hợp: Cảm biến vị trí phát hiện bộ mã hóa trụcvật liệu phản chiếu như giấy, IBM thẻ, băng từ bất cứ nơi nào không gian được giớihạn

Hình 2.4 Sơ đồ modun TCRC-5000Thông số đầu vào: IC<=1mA, nguồn VDD=5V

Nguyên lý hoạt động: khi có nguồn cung, led phát, nếu led thu nhận được tín hiệu thì tranzitor thông bão hòa, tín hiều ở đầu ra ở mức 1 Khi led thu không nhận được tín hiệu thì tín hiệu đầu ra ở mức 0

Hình 2.5 Sơ đồ so sánh sử dụng LM324Tín hiệu nhận được từ modun thu phát được truyền tới bộ so sánh Tại đâyđược so sánh với 1 giá trị nhất định (với khoảng cách xác định) để biết được hướng đó

đi được hay không Nếu đầu ra ở mức cao tức là hướng đó đi được, nếu ở mức thấptức là hướng đó được xác định là đường cụt

2.1.3 Cầu H L293D

L293D là IC cầu H điều khiển động cơ

L293D gồm 4 kênh điều khiển có thể điều khiển 2 động cơ DC hoặc 1 động cơbước 4 pha (5 dây) Để điều khiển động cơ DC, bạn sẽ sử dụng 2 kênh của L293D cho

1 động cơ

L293D đã được tích hợp sẵn đi ốt bảo vệ vi điều khiển chống lại dòng cảm ứngkhi động cơ khởi động hoặc tắt Vì vậy, bạn chỉ cần gắn motor vào L293D và các châncủa vi điều khiển tương ứng, là có thể làm cho động cơ chạy ngay Dòng L293 có 2loại: L293B/E và L293D, dòng L293B có khả năng chịu tải cao hơn (1A so với600mA của L293D) nhưng không có đi ốt bảo vệ vi điều khiển

Với mỗi motor, bạn cần 3 chân từ vi điều khiển kết nối với L293D, trong đó có

1 chân điều khiển tốc độ đông cơ dùng xung PWM, 2 chân còn lại là logic 0 hoặc 1dùng điều chỉnh chiều quay của motor

Tín hiệu điều khiển được xử lý độc lập với nhau với từng đầu ra Ví dụ: bạn cóthể điều khiển 2 động cơ DC chạy với tốc độ khác nhau, hướng khác nhau, 1 động cơdừng còn 1 động cơ chạy

Mỗi kênh của L293D chịu được tải 600mA và dòng đỉnh là 1A

Để sử dụng các động cơ công suất cao hơn, bạn chỉ việc gắn song song 2 hoặcnhiều L293 lại với nhau Với 2 IC L293, bạn sẽ có tải chịu được là 1.2A và tải đỉnh là2A

Ngoài ra, L293D có chức năng tự động ngắt khi bị nóng quá mức nhằm bảo vệIC

Lưu ý: tuyệt đối không bao giờ làm chập mạch các ngõ ra motor của L293D,nếu không bạn sẽ làm cháy một bên cầu H ngay lập tức

Hình 2.6 Sơ đồ chân L293D

Hình 2.7 Sơ đồ L293D nối với 2 motor

2.1.4 Module RF 4 kênh

Hình 2.8 Module RF 4 kênh

PT2262 có 2 loại chính : loại có 8 địa chỉ mã hóa , 4 địa chỉ dữ liệu và loại có 6địa chỉ mã hóa và 6 địa chỉ dữ liệu Mã hóa 12 bit 1 khung A0 >A7, D0 >D3.Các linh kiện PT2262 đưa vào việt Nam chỉ có loại PT2262 với 8 địa chỉ mã hóa và 4

địa chỉ dữ liệu Tương tự với PT2262 có 2 kiểu thì PT2272 cũng có 2 kiểu:

 PT2272 có 8 địa chỉ giải mã và 4 dữ liệu đầu ra thườngđược kí hiệu: T2272 - L4

 PT2272 có 6 địa chỉ giải mã và 6 giữ liệu ra: kíhiệu PT2272 - L6

PT2262 có " 3 mũ 12 " mã hóa tức là có thể mã hóa 531441 mã mới có thể trùng lặplại So với thằng anh HT12E ra đời trước nó thì nó trội hơn hẳn về cái khoản mật mãnày Cách mã hóa PT2262 có thể làm được bằng cách nối ngắn mạch các chân "mãhóa địa chỉ " lên dương nguồn (mã hóa +) và xuống âm nguồn (mã hóa -) Dữ liệu +mã hóa được truyền trên một khung 12 bit gồm 8 bit đầu là mã hóa (A0 >A7 ) và 4

dữ liệu Bởi vậy bạn có thể truyền được song song 4 bit dữ liệu 0 hoặc 1 Nếu đểtruyền dữ liệu thì nên để mặc định cho 4 chân dữ liệu này là 0 hoặc là 1 bằng cách nốithêm điện trở " kéo lên " hoặc " đưa xuống GND) để tránh nhiễu

PT2262 dùng dao động ngoài: đơn giản là chỉ cần lắp thêm 1 điện trở dao động vàochân 15 và chân 16 của PT 2262

+ Tín hiệu encoder được đưa ra ở chân 17 của PT2262, chân này thường ở mức

1 khi tín hiệu nghỉ và mức 0 khi tín hiệu hoạt động Tín hiệu đưa ra gồm : sóng mangdao động < 700KHz + địa chỉ mã hóa + dữ liệu

+ Tần số Sóng mang dao động được quyết định bởi R chân 15 và 16 và đượctính bằng : f = R/12 Ví dụ : mắc điện trở 470k vào chân 15 và 16 đầu ra chân 17 sẽ

có 470/12 = khoảng 39Khz ( cái này có thể làm điều khiển hoặc truyền dữ liệu bằnghồng ngoại với con PT2262 đấy nhé ) (PT2262 có điện áp rộng : Có thể làm việcđược từ 2,5V đến 15 V Trong datasheet của nó là từ 4 V nhưng qua thời gian rất dàilàm việc và nghiên cứu con này có thể khẳng định được về điện áp của nó làm việc rấtthấp - " đã từng chế tạo và xuất xưởng gần 1 vạn mạch sử dụng cặp PT2262

và PT2272 để làm điều khiển "

PT2272 là con giải mã của PT2262 nó cũng có 8 địa chỉ giải mã tương ứng + 4

dữ liệu ra + 1 chân báo hiệu mã đúng VT ( chân 17 ) Cách giải mã như sau : Chân 15

và 16 cũng cần một điện trở để làm dao động giải mã Trong dải hồng ngoại hoặcdưới 100KHz có thể dùng R rất lớn hoặc không cần Nhưng từ khoảng 100KHz daođộng trở lên - thì bắt buộc phải dùng R để tạo dao động cho PT2272

Giá trị R của PT2272 sẽ bằng khoảng : ( Giá trị R của PT2262) chia cho 10 -> ví dụ : PT2262 mắc điện trở 4,7 megaom thì PT2272 sẽ mắc 470k

Giải mã : các chân mã hóa của PT2262 ( chân 1 đến chân 8 ),nối thế nào thì các chângiải mã của PT2272cũng phải nối tương tự như vậy Chân nào nối dương, chân nàonối âm, chân nào bỏ trống v.v thì chân ( 1 đến 8 )của PT2272 hãy làm như thế Khitruyền một mã đúng và giải mã đúng thì chân 17 của PT2272 sẽ có điện áp cao đưa ra,báo hiệu là đã đúng mã hóa 4 chân dữ liệu có thể truyền song song, nối tiếp rất độnglập

Tóm lại bạn xài cặp này bạn có thể làm mạch RF rồi lấy data ở ngõ ra pt2262 và trả lạidata cho pt2272, rồi toàn quyền xử lý(có thể nối với vi điều khiển) hoặc mua mạch RF

có bán sẵn rồi nối với cặp pt là xong

Sơ đồ mạch phát dùng PT2262:

Sử dụng hai động cơ DC 1 chiều mỗi động cơ điều khiển 1 cặp bánh xe có sửdụng các bánh răng để tạo giảm tốc nhanh.

Kit CoolRunner-II được sử dụng để nhận tín hiệu từ 4 modul Hồng ngoại rồixuất tín hiệu ra điều khiển 2 động cơ DC (tiến, lùi, rẽ …)

Modul Hồng ngoại được gắn trên 3 hướng của xe, phía bên trái được lắp 2modun nhằm tránh xe quay luôn khi nhìn thấy ngã rẽ

Điều khiển xe từ tín hiệu RF

Chương 3: Thuật toán dò đường và code

3.1 Sơ đồ khối tổng quát

Sơ đồ khối tổng quát:

Hình 3.1 Sơ đồ tổng quát

Mục tiêu:

Xác định 1 ma trận mê cung bất kỳ 1 lối vào 1 lối ra

Xây dựng mô hình robot tự hành có 2 động cơ di chuyển, 1 động

cơ chỉnh góc quay của cảm biếnSử dụng cảm biến siêu âmKết quả: robot có thể di chuyển, nhận tín hiệu từ cảm biến điều chỉnh hướng đi,

đi vào từ lối vào và ra từ lối ra của ma trận

3.2 Thuật toán dò đường

Sử dụng 3 modun thu phát hồng ngoại để xác nhận khoảng cách từ 3 hướngtrái, phải, giữa Tín hiệu từ 3 biến này được truyền tới kit CPLD xác nhận và đưa tínhiệu ra 4 chân của 2 động cơ DC

Ưu tiên rẽ trái rồi đến đi thẳng và rẽ phải nếu cả 3 hướng không đi được thì quay đầu

Lưu đồ thuật toán:

Sơ đồ mê cung đơn giản

Hình 3.3 Sơ đồ mê cung đơn giản