Thiết kế robot dò đường và tránh vật cản trong ma trận

Với công nghệ Logic số đã phát triển rất mạnh mẽ và là công nghệ chủ đạotrong việc phát triển các sản phẩm điện-điện tử công nghiệp và dân dụng,điều khiển tự động,viễn thông và công nghệ

Đề tài:

Thiết kế Robot dò đường và tránh vật cản

trong ma trận

MỤC LỤC

MỤC LỤC 2

LỜI NÓI ĐẦU 4

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN VỀ ĐỒ ÁN 5

I GIỚI THIỆU VỀ HỆ THỐNG SỐ 5

1 Ngôn Ngữ VHDL………….……… ……5

2 Các Đặc Điểm 5

II MÔ HÌNH ROBOT TỰ HÀNH…… 8

III MỤC TIÊU VÀ NỘI DUNG ĐỒ ÁN……… 9

1 Mục tiêu 9

2 Nội dung………… ……….9

CHƯƠNG 2 THIẾT KẾ ĐỒ ÁN 10

I GIỚI THIỆU VỀ KIT CPLD COOLRUNNER – II 256 TQ144………….12

1 Lập trình trên kit……… 12

II THIẾT KẾ VÀ CHẾ TẠO ROBOT……… ……… 15

1 Sơ đồ khối tổng thể Robot 15

2 Module siêu âm……… 15

3 Module hồng ngoại……… 18

4 Module cầu H 20

5 Module nguồn 22

6 Mô hình Robot thực tế 22

CHƯƠNG III LẬP TRÌNH ROBOT 24

I THUẬT TOÁN DÒ ĐƯỜNG 24

1 Xây dựng ma trận 24

2 Sơ đồ thuật toán 25

II CODE LẬP TRÌNH………… 27

CHƯƠNG IV KẾT LUẬN 32

I ĐÁNH GIÁ – KẾT LUẬN……… ….32

II HƯỚNG PHÁT TRIỂN CỦA ĐỒ ÁN… 32

LỜI NÓI ĐẦU

Ngày nay điều khiển tự động đã trở thành một nhu cầu không thể thiếu đượccủa con người Dưới sự xuất hiện của các học thuyết và các ứng dụng cụ thể trongđời sống hằng ngày, có thể nói điều khiển tự động đang chi phối dần cuộc sống củachúng ta Con người đang cố gắng sáng tạo ra các con robot có khả năng làm việcthay cho con người Chúng ta thường bắt gặp các con robot trong các dây chuyềncông nghiệp sản xuất tự động hay robot giúp việc trong gia đình Để tìm ra các ýtưởng sáng tạo hay hàng năm đều diễn ra cuộc thi robocon châu á thái bình dương

đó là tiền đề để tạo ra những con robot có khả năng áp dụng vào thực tế

Cũng chính vì mục đích đó mà chúng em thực hiện đồ án “Điều khiển robot

dò đường và tránh vật cản trong ma trận”, là bước khởi đầu trong lập trình robot

để robot có thể thực hiện các công việc tiếp theo

Với công nghệ Logic số đã phát triển rất mạnh mẽ và là công nghệ chủ đạotrong việc phát triển các sản phẩm điện-điện tử công nghiệp và dân dụng,điều khiển

tự động,viễn thông và công nghệ thông tin.Hiện nay có rất nhiều loại công nghệlogic số khác nhau được sử dụng để thực hiện các thiết kế logic số.Một trong số đó

là công nghệ logic khả trình (Programmable Logic).Một cấu kiện logic có thể lậptrình được(PLD) là một IC số mà người dùng có thể cấu hình để chúng có khả năngthực hiện các chức năng logic như mong muốn.Đây là 1 chip LSI có chứa 1 cấutrúc “bình thường” và cho phép nhà thiết kế tạo tùy biến cho nó để dùng cho bất kìmột ứng dụng đặc biệt nào,tức là nó có thể được người dùng lập trình để thực hiệnmột chức năng cần thiết cho ứng dụng của họ Các PLD có các ưu điểm sau:

Thời gian thiết kế ứng dụng ngắn

Chi phí phát triển thấp

Giảm thiếu được yêu cầu khoảng trống trên bảng mạch

Giảm thiểu được yêu cầu về điện

Bảo đảm tính bảo mật của thiết kế

Tốc độ chuyển mạch nhanh hơn

Mật độ tích hợp cao

Chi phí sản xuất số lượng lớn thấp

PLD cũng cho phép nhà thiết kế có nhiều phương tiện linh động hơn để thí nghiệmvới các bản thiết kế bởi vì chúng có thể lập trình lại trong vài giây

Với nhiều ưu điểm như vậy nên hiện nay có một số lượng lớn các PLD được cácnhà sản xuất IC tạo ra với nhiều tính năng đa dạng và nhiều tùy chọn có sẵn để nhàthiết kế mạch có thể sử dụng một cách phổ biến

Mục tiêu của việc phát triển VHDL là có được một ngôn ngữ môphỏng phần cứng tiêu chuẩn và thống nhất cho phép thử nghiệm các hệ thống sốnhanh hơn cũng như cho phép dễ dàng đưa các hệ thống đó vào ứng dụng trongthực tế.

Ngôn ngữ VHDL được ba công ty Intermetics, IBM và TexasInstruments bắtđầu nghiên cứu phát triển vào tháng 7 năm 1983 Phiên bản đầutiên được công bố vào tháng 8-1985 Sau đó VHDL được đề xuất để tổ chứcIEEE xem xét thành một tiêu chuẩn chung Năm 1987 đã đưa ra tiêu chuẩn vềVHDL( tiêu chuẩn IEEE-1076 1987)

2 CÁC ĐẶC ĐIỂM

VHDL được phát triển để giải quyết các khó khăn trong việc phát triển,thay đổi và lập tài liệu cho các hệ thống số VHDL là một ngôn ngữ độc lậpkhông gắn với bất kỳ một phương pháp thiết kế, một bộ mô tả hay công nghệphần cứng nào Người thiết kế có thể tự do lựa chọn công nghệ, phương phápthiết kế trong khi chỉ sử dụng một ngôn ngữ duy nhất Và khi đem so sánh vớicác ngôn ngữ mô phỏng phần cứng khác ta thấy VHDL có một số ưu điểm hơnhẳn là:

- Thứ nhất là tính công cộng:

VHDL được phát triển dưới sự bảo trợ của chính phủ Mỹ và hiện nay là mộttiêu chuẩn của IEEE VHDL được sự hỗ trợ của nhiều nhà sản xuất thiết bịcũng như nhiều nhà cung cấp công cụ thiết kế mô phỏng hệ thống

- Thứ hai là khả năng được hỗ trợ bởi nhiều công nghệ và nhiều

phương pháp thiết kế:

VHDL cho phép thiết kế bằng nhiều phương pháp ví dụ phương pháp thiết kế

từ trên xuống, hay từ dưới lên dựa vào các thư viện sẵn có VHDL cũng hỗ trợcho nhiều loại công cụ xây dựng mạch như sử dụng công nghệ đồng bộ haykhông đồng bộ, sử dụng ma trận lập trình được hay sử dụng mảng ngẫu nhiên

- Thứ ba là tính độc lập với công nghệ:

VHDL hoàn toàn độc lập với công nghệ chế tạo phần cứng Một mô tả hệthống dùng VHDL thiết kế ở mức cổng có thể được chuyển thành các bản tổnghợp mạch khác nhau tuỳ thuộc công nghệ chế tạo phần cứng mới ra đời nó cóthể được áp dụng ngay cho các hệ thống đã thiết kế

- Thứ tư là khả năng mô tả mở rộng:

VHDL cho phép mô tả hoạt động của phần cứng từ mức hệ thống số cho

đến mức cổng VHDL có khả năng mô tả hoạt động của hệ thống trên nhiềumức nhưng chỉ sử dụng một cú pháp chặt chẽ thống nhất cho mọi mức Như thế

ta có thể mô phỏng một bản thiết kế bao gồm cả các hệ con được mô tả chi tiết

- Thứ năm là khả năng trao đổi kết quả:

Vì VHDL là một tiêu chuẩn được chấp nhận, nên một mô hình VHDL

có thể chạy trên mọi bộ mô tả đáp ứng được tiêu chuẩn VHDL Các kết quả mô

tả hệ thống có thể được trao đổi giữa các nhà thiết kế sử dụng công cụ thiếtkếkhác nhau nhưng cùng tuân theo tiêu chuẩn VHDL Cũng như một nhómthiết kế có thể trao đổi mô tả mức cao của các hệ thống con trong một hệ thốnglớn (trong đó các hệ con đó được thiết kế độc lập)

- Thứ sáu là khả năng hỗ trợ thiết kế mức lớn và khả năng sử dụng lại

các thiết kế:

VHDL được phát triển như một ngôn ngữ lập trình bậc cao, vì vậy nó có thểđược sử dụng để thiết kế một hệ thống lớn với sự tham gia của một nhóm nhiềungười Bên trong ngôn ngữ VHDL có nhiều tính năng hỗ trợ việc quản lý, thửnghiệm và chia sẻ thiết kế Và nó cũng cho phép dùng lại các phần đã có sẵn

II MÔ HÌNH ROBOT TỰ HÀNH.

Một trong các ứng dụng của “Hệ Thống Số” là mô hình Robot tự hành hay robot di động (mobile robot hay được viết tắt là mobot), 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 có khả năng hoàn thành công việc được giao

Theo lý thuyết, môi trường hoạt động của robot tự hành có thể là đất,nước, không khí, không gian vũ trụ hay tổ hợp giữa chúng Địa hình bề mặt màrobot di chuyển 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 thành 2loại: chuyển động bằng chân và chuyển động bằng bánh

a) b)

Hình 1 Robot tự hành

III MỤC TIÊU VÀ NỘI DUNG ĐỒ ÁN

1 Mục tiêu

Đồ án này đi sâu nghiên cứu, chế tạo Robot tự hành di chuyển bằng bánh, dòđường theo vạch trắng, tránh vật cản và tìm được đường về đích trong ma trận, sử dụng cảm biến hồng ngoại và cảm biến siêu âm SRF05, được xử lý và điều khiển bởi kit Cool Runner II

2 Nội dung

Nội dung nghiên cứu bao gồm những phần sau:

- Tìm hiểu về KIT COOL RUNNER II

- Xây dựng sơ đồ khối tổng thể cho Robot

- Thiết kế, chế tạo các bộ phận(Module) của Robot

- Xây dựng thuật toán và lập trình cho Robot

- Thử nghiệm, kiểm tra lỗi

- Kết luận: Đánh giá và hướng phát triển

CHƯƠNG 2 THIẾT KẾ ĐỒ ÁN

I Giới thiệu về kit thử nghiệm CPLD COOLRUNNER – II 256 TQ144

The CooRunner – II 256 TQ144 là một trong những bộ kit CPLD của xilinx

Bộ kit bao gồm nguồn cung cấp với hiệu quả cao,bộ tạo dao động có thể cấu hình ,các cổng giao tiếp I/0,đồng hồ đo thời gian thực và cổng USB cấp nguồn và lậptrình cho CPLD Bộ KIT có 5 cổng mở rộng với 64 tín hiệu giao tiếp từ CPLD ramạch ngoài giúp mở rộng khả năng kết nối

Các đặc điểm nổi bật của KIT:

256 khối Coolrunner – II CPLD trong gói TQ 144

Có cổng USB cấp nguồn ,lập trình và chuyển dữ liệu người dung

Bộ dao động có thể thay đổi được (1000/100/10khz) ,them vào đó là có khenắp bộ dao động thạch anh thứ 2, 64 tín hiệu I/0 trên các cổng giao tiếp(32 trên cáccổng nối tiếp ,32 trên các cổng song song)

Các miếng đệm cho SPI PROM gắn trong

Hình 2 CoolRunner – II 256 TQ144

Hình 3 Sơ đồ khối của KIT CPLD CoolRunner – II 256 TQ144

3.2.Lập trình trên KIT thử nghiệm

Modul điều khiển được viết trên VHDL – một ngôn ngữ mô tả phần cứng củaXilinx sử dụng phần mềm Xilinx Integrated Software Environment (ISE) v.10.0 Việc đầu tiên là soạn thảo văn bản có sẵn trong ISE để viết modul và hệ thống quản

lí project ,file cấu hình cho CoolRunner – II 256 TQ144 được tạo ra trong ISE Nóbao gồm những việc sau (tất cả đều được phần mềm làm tự động ) :

Biên dịch VHDL thành sơ đồ các cổng logic ,thành phần của mạch (thông qua công

II THIẾT KẾ VÀ CHẾ TẠO ROBOT

1 Sơ đồ khối tổng thể Robot

BỘ XỬ LÝ TRUNG TÂM

MODULE

SIÊU ÂM

KHỐI ĐỘNG CƠ MODULE

HỒNG NGOẠI

KHỐI NGUỒN

Hình 7 Sơ đồ khối Robot

2 Module siêu âm

Sử dụng module siêu âm SRF05

Hình 8 Cảm biến siêu âm SRF05

SRF05 là một bước phát triển từ SRF04, được thiết kế để làm tăng tính linhhoạt, tăng pham vi, ngoài ra còn giảm bớt chi phí Khoảng cách đo từ 3 mét đến 4mét Một chế độ hoạt động mới, SRF05 cho phép sử dụng một chân duy nhất cho

cả kích hoạt và phản hồi, do đó tiết kiệm có giá trị trên chân điều khiển của bạn.Khi chân chế độ không kết nối, SRF05 các hoạt động riêng biệt chân kích hoạt và

và chân hồi tiếp SRF05 bao gồm một thời gian trễ trước khi xung phản hồi đểmang lại điều khiển chậm hơn chẳng hạn như bộ điều khiển thời gian cơ bảnStamps và Picaxe để thực hiện các xung lệnh

chân Trig thì srf05 sẽ tạo ra 8 xung để phát siêu âm, sau khi hoàn thành việc phát 8xung này thì srf05 sẽ kéo chân Echo lên mức 1, độ rộng của mức 1 trên chân Echotương ứng với khoản cách của vật cản với srf05, nếu ko có vật cản thì nó sẽ đượctrả về mức 0 sau 30ms Đặc biệt là srf05 chỉ có thể nhận xung trên chân Trig tối đa

là 20Hz, cho nên việc kích xung trên chân Trig phải phù hợp thì srf05 mới hoạtđộng chính xác

Hình 9 SRF05 hoạt động ở chế độ 1

Chế độ 2:

Dùng một chân cho cả kick hoạt và phản hồi Chế độ này sử dụng một chânduy nhất cho cả tín hiệu kích hoạt và hồi tiếp, và được thiết kế để lưu các giá trịtrên chân lên bộ điều khiển nhúng Để sử dụng chế độ này, chân chế độ kết nối vàochân mát Tín hiệu hồi tiếp sẽ xuất hiện trên cùng một chân với tín hiệu kích hoạt.SRF05 sẽ không tăng dòng phản hồi cho đến 700uS sau khi kết thúc các tín hiệukích hoạt Bạn đã có thời gian để kích hoạt pin xoay quanh và làm cho nó trở thànhmột đầu vào và để có pulse đo mã của bạn đã sẵn sàng Lệnh PULSIN được tìm ra

và được dùng phổ biến hiện nay để điều khiển tự động

Hình 10 SRF05 hoạt động ở chế độ 2

Để sử dụng chế độ 2 với các Stamps BS2 cơ bản, bạn chỉ cần sử dụngPULSOUT và PULSIN trên cùng một chân:

SRF05 PIN 15 sử dụng cho cả hai và kick hoạt Echo

Range VAR Word xác định phạm vi biến 16 bit

SRF05 = 0 bắt đầu bằng pin thấp

PULSOUT SRF05 5 đưa ra kick hoat pulse 10us

PULSIN SRF0, 1, range Echo đo thời gian

Range = range/29 để chuyển đổi sang cm

Tính khoảng cách:

Giản đồ định thời SRF05 thể hiện trên đây cho mỗi chế độ Bạn chỉ cần cungcấp một đoạn xung ngắn 10uS kích hoạt đầu vào để bắt đầu đo khoảng cách CácSRF05 sẽ gửi cho ra một chu kỳ 8 burst của siêu âm ở 40khz và tăng cao dòngphản hồi của nó (hoặc kích hoạt chế độ dòng 2) Sau đó chờ phản hồi, và ngay saukhi phát hiện nó giảm các dòng phản hồi lại Dòng phản hồi là một xung có chiềurộng là tỷ lệ với khoảng cách đến đối tượng Bằng cách đo xung, ta hoàn toàn cóthể để tính toán khoảng cách ttheo inch / centimét hoặc bất cứ điều gì khác Nếu

không phát hiện gì cả SRF05 giảm thấp hơn dòng phản hồi của nó sau khoảng30ms SRF04 cung cáp một xung phản hồi tỷ lệ với khoang cách Nếu độ rộng củapulse được đo trong hệ uS, sau đó chia cho 58 sẽ cho khoảng cách theo cm, hoặcchia cho 148 sẽ cho khoảng cách theo inch Us/58= cm hay us/148= inch

SRF05 có thể được kích hoạt nhanh chóng với mọi 50mS, hoặc 20 lần mỗigiây Bạn nên chờ 50ms trước khi kích hoạt kế tiếp, ngay cả khi SRF05 phát hiệnmột đối tượng gần và xung phản hồi ngắn hơn Điều này là để đảm bảo các siêu âm

“beep” đã phai mờ và sẽ không gây ra sai phản hồi ở lần đo kế tiếp

3 Module hồng ngoại

Ở đồ án này, chúng em sử dụng ma trận 2x3 vạch trắng nền đen Vì vậy, Robot sẽ phải dò đường bám theo vạch trắng Và để dò đường thì chúng em sử dụng cảm biến hồng ngoại(1 mắt phát và 1 mắt thu), phát hiện vạch trắng – đen

Hình 11 Nguyên lý phát hiện vạch trắng – đen

Khi gặp vạch trắng ánh sáng hồng ngoại phát ra từ mắt phát sẽ phản xạ lại mắt thu với cường độ mạnh, và có tín hiệu điện ra khoảng gần 2V ta coi là mức logic 1 Còn khi gặp vạch đen, ánh sáng hồng ngoại từ mắt phát phát ra sẽ bị vạch đen hấp thụ, lượng ánh sáng hồng ngoại phản xạ lại mắt thu ít, cường độ yếu khi đókhông có tín hiệu điện ra (0V) ta coi là mức logic 0

Do tín hiệu điện áp ra từ cảm biến hồng ngoại yếu, nên ta đưa qua mạch so sánh sử dụng IC khuếch đại thuật toán LM339, so sánh tín hiệu điện áp đưa vào từ

cảm biến hồng ngoại với 1 giá trị điện áp do ta chỉnh từ biến trở, ở đây đặt giá trị

đó vào khoảng 1V, nếu điện áp vào >1V thì đưa ra mức logic 0(0V), <1V thì đưa ramức logic 1(5V)

Phá t

Thu Phản xạ

lại nhiều

Phản xạ lại ít

Hình12.IC LM339

Khi đó, gặp vạch trắng thì sẽ cho ra mức 0 (0V), gặp vạch đen thì sẽ cho ra mức1(5V) Mà Kit Arm có điện áp hoạt động từ 2 – 3.6V nên ta phải cho tín hiệu hồngngoại qua mạch phân áp 3.3V để khi gặp vạch đen tín hiệu ra là 5V, qua mạch phân

áp sẽ còn khoảng 3.3V để đưa vào Kit nhận mức 1, còn gặp vạch trắng thì vẫn là0V đưa vào Kit nhận mức 0

Dưới đây là hình ảnh Module hồng ngoại đã tích hợp IC LM339, gồm 4 cặpthu phát hồng ngoại

Hình 13 Module hồng ngoại tích hợp IC LM339

4 Module cầu H

Hình 14 Module cầu H dùng IC L298

Sử dụng IC L298 điều khiển 2 động cơ

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 ra 2A, L298 rất thích hợptrong những ứng dụng công suất nhỏ như động cơ DC loại vừa

Chức năng các chân của L298:

- 4 chân INPUT: IN1, IN2, IN3, IN4 được nối lần lượt với các chân 5, 7, 10,

12 của L298 Đây là các chân nhận tín hiệu điều khiển

- 4 chân OUTPUT: OUT1, OUT2, OUT3, OUT4 (tương ứng với các chân

INPUT) được nối với các chân 2, 3, 13, 14 của L298 Các chân này sẽ được nối vớiđộng cơ.

- Hai chân ENA và ENB dùng để điều khiển các mạch cầu H trong L298 Nếu ở mức logic “1” (nối với nguồn 5V) thì cho phép mạch cầu H hoạt động, nếu ởmức logic “0” thì mạch cầu H không hoạt động

Cách điều khiển động cơ:

- Khi ENA, ENB = 0: Động cơ 1, 2 không quay với mọi đầu vào

- Khi ENA = 1:

INT1 = 1; INT2 = 0: động cơ 1 quay thuận

INT1 = 0; INT2 = 1: động cơ 1 quay nghịch

INT1 = INT2: động cơ 1 dừng ngay tức thì

- Khi ENB = 1:

INT3 = 1; INT4 = 0: động cơ 2 quay thuận

INT3 = 0; INT4 = 1: động cơ 2 quay nghịch

INT3 = INT4: động cơ 2 dừng ngay tức thì

5 Module nguồn

Nguồn5V:

Sử dụng cho Kit Arm và 2 module cảm biến