Robot dò đường

Đồ án môn học vi điều khiển...Robot bám theo vạch...Sử dụng vi điều khiển Atmega8

LỜI NÓI ĐẦU

Trong thời đại công nghiệp ngày nay, robot ngay càng được sử dụng phổ biến trong sản xuất cũng như trong cuộc sống của con người.Robot đã có một vị trí quan trọng khó có thể thay thế được, nó giúp con người làm việc trong những điều kiện nguy hiểm, khó khăn Ngoài ra, robot còn được dùng vào lĩnh vực thám hiểm không gian, quân sự, giải trí…Lĩnh vực di động đang ngày càng chiếm được sự quan tâm của các nhà nguyên cứu và xã hội.Từ tình hình thực tế đó,việc xây dựng các chương trình hoạt động cho các robot là điều thiết yếu.Bài toán robot di động bám đường là một bài toán thường gặp

Robot dò đường là một ứng dụng hay của nhiều môn học liên quan đến ngành cơ điện tử.Đặc biệt,là ứng dụng cao của vi điều khiển Atmega vào lập trình và khiển robot

Khái niệm Mechatronics còn xa lạ với nhiều người cũng như sinh viên của trường Đại học Nha Trang.Cuộc thi chế tạo robot dò đường không chỉ phát huy tính sáng tạo của sinh viên tham gia mà còn quảng báo về ngành cơ điện tử

Rất mong cuộc thi này sẽ luôn được tổ chức để mỗi sinh viên phát huy tính sáng tạo của mình

Rất cám ơn thầy Trần Văn Hùng,giảng viên bộ môn Cơ điện tử,khoa Cơ khí,Trường Đại học Nha Trang đã tổ chức cuộc thi này

MỤC LỤC

DANH MỤC HÌNH

1.2 Hộp giảm tốc

Sau phần lựa chọn động cơ phù hợp là khâu chọn hộp giảm tốc.Một khâu quan trọng.Tiêu chí lựa chọn hộp giảm tốc cho robot là 3 cấp,càng ít quán tính càng tốt.Hộp giảm tốc này được lấy từ nhiều loại xe đồ chơi.Đặc biệt,là các loại xe đồ chơi của Trung quốc rất phong phú.Khu vực chuyên bán cái này là ở chợ Đầm

Trong quá trình chỉnh hộp giảm tốc phải hết sức cận thận vì nó dễ gãy bánh răng xem có phù hợp với động cơ của mình lựa chọn không

Hình 3 Hộp giảm tốc cho robot

Hình 4 Khung robot

Để đáp ứng những tiêu chí trên vật liệu được lựa chọn thích hợp nhất là nhựa mica.Bởi nó không chỉ nhẹ,dễ cắt gọt mà còn dễ kiếm

1.4 Bánh tự lựa

Bánh tự lựa có bán rất nhiều trên thi trường

Bánh tự lựa tự chế như sau:

Thứ nhất,chuẩn bị vật liệu gồm một khối nhựa 30x20x40mm,2 ổ bi 10 và 20,bulon đai ốc 20x5mm

Thứ hai,bắt tay vào chế tạo.Cắt khối nhựa theo đường chéo sao cho tạo một góc

15o, khoảng cách giữa 2 vòng bi là 5mm.Kế tiếp là khoan lỗ để cho vòng bi vào

1.5 Bánh xe

Hình 6 Bánh xe robot

1.6 Luật thi đấu

1.6.1 Robot Set up

Mỗi đội có 1 Robot dò đường

Mỗi đội có 1 phút chuẩn bị trước trận đấu Bất cứ đội nào chưa chuẩn bị xong trong 1 phút thì trận đấu vẫn bắt đầu

1.6.2 Sân

Sân thi đấu có kích thước 3.500 x 2.500mm

Lines màu trắng rộng 30mm được dán trên nền sân màu đen

Sân bao gồm: 2 vị trí Start và 16 vị trí Retry (hình: sân thi đấu)

1.6.3 Tiến trình và nhiệm vụ thi đấu

Hết thời gian chuẩn bị, khi có hiệu lệnh bắt đầu của trọng tài người điều khiển cho robot xuất phát và bắt đầu tính thời gian

Mỗi trận đấu sẻ có thời gian là 3 phút, trong thời gian 3 phút nếu robot của đội nào chạm được robot hoặc những vật dụng liên quan đến robot của đối phương theo quy định thì sẽ thắng và trận đấu sẽ dừng lại

Kết thúc 3 phút mà chưa robot nào chạm được robot đối thủ thì đội thắng sẽ quyết định bởi số điểm theo quy định

1.6.4 Vùng retry

Trong trường hợp có vấn đề về cơ khí, hoặc chương trình điều khiển làm robot vượt ra line, robot được retry, và khi retry thì robot phải mang về vùng retry theo quy định Khi retry thì đầu robot không được đặt vượt quá vị trí retry đó Nếu đặt không đúng luật thì bắt buộc retry lại cho đến khi nào đúng luật

Số lần retry tối đa trong một trận đấu là 3 lần

1.6.5 Thời gian thi đấu

Mỗi trận đấu kéo dài 3 phút

Trường hợp sau đây, trận đấu sẽ kết thúc ngay lập tức (kể cả trước 3 phút)

Khi “WIN đạt được:

Số lần retry vượt quá 3 lần

Truất quyền thi đấu được thông báo

Khi trọng tài quyết định trận đấu không thể tiếp tục

Robot không được nhận tín hiệu điều kiển từ xa từ con người

1.6.7 Quyết định đội chiến thắng

Đội chạm đầu vào rô bốt đối phương trước 3 phút sẽ chiến thắng tuyệt đối

Đội chiến thắng khi đối phương bỏ cuộc thi

Nếu không có chiến thắng tuyệt đối trong vòng 3 phút đội chiến thắng sẽ được quyết định như sau:

Đội có khoảng cách đến đối phương ngắn hơn

Nếu khoảng cách bằng nhau thì xét tới số lần retry

Nếu số lần retry bằng nhau thì thi đấu lại theo chiều ngược lại

Nếu 2 lần thi đấu không phân định thắng thua thì bốc thăm quyết định đội thắng

Các vi phạm:

Đội nào vi phạm năm lỗi sẽ bị truất quyền thi đấu

Khi có vi phạm xảy ra, đội chơi phải mang robot vi phạm về vùng do trọng tài chỉ định Các lỗi vi phạm được phân loại như sau:

Bất kể tác động cơ học nào từ đội chơi tác động vào rô bốt khi đang thi đấu Bất kể phần nào của robot hay vật được giữ bởi robot nhằm gây trở ngại hoặc cản trở đối phương

Các hành động khác vi phạm các quy tắc không được nhắc đến trong mục “Truất Quyền Thi Đấu” thì được đề cập đến trong mục “Vi phạm”

Truất Quyền Thi Đấu

Đội chơi không tuân thủ các hướng dẫn và cảnh báo được đưa ra bởi trọng tài.Các Robot tự động được điều khiển thông qua các tín hiệu từ xa.

Đội chơi vi phạm 5 lỗi kĩ thuật

Đội chơi có xu hướng hay cố tính phá hỏng sân thi đấu, vật tư, các thiết bị cũng như robot của đội bạn

1.6.8 Đặc điểm kỹ thuật của Robot.

Mỗi đội phải có 1 con robot tự động

Robot trong cuộc thi phải được làm bởi các thành viên trong cùng 1 đội

Nguồn

Mỗi đội phải tự chuẩn bị nguồn cho đội mình

Điện áp nguồn giới hạn là 24VDC

Ban tổ chức có quyền tuyên bố và ngăn chặn bất cứ nguồn gây nguy hiểm nào Tổng khối lượng robot không được vượt quá 2kg

Tổng khối lượng đó bao gồm: động cơ, bánh xe, thân xe, mạch điều khiển và nguồn.Các đồ vật không tính vào 2kg quy định bao gồm: những đồ thay thế: pin cùng loại, khối lượng và điện tích; động cơ và mạch cùng loai, vật nhỏ như ốc vít

Robot

Robot phải làm nhiệm vụ một cách tự động sau khi khởi động

Robot phải có kích thước không vượt quá 300x300x200mm Được phép tăng chiều dài sau khi khởi động nhưng không vượt quá 500mm

Robot phải là 1 khối liền

Một số chú ý:

Người chơi không được phép điều khiển Robot bằng tay, bằng cơ học trừ việc giữ dây nguồn nếu dùng nguồn trực tiếp Nếu cố ý điều khiển bằng tay lần thứ 1 là nhắt nhở, lần thứ 2 thì bị truất quyền thi đấu

Số lần Retry không được vượt quá 3 lần

1.6.9 Nguyên tắc an toàn và tính an toàn của Robot.

Các đội phải hợp tác với ban tổ chức để đảm bảo an toàn cho mọi người

Tất cả robot phải được thiết kế, chế tạo không nguy hiểm cho những người xung quanh

Tất cả robot phải được thiết kế, chế tạo không gây hại đến robot đội khác hay sân thi đấu

Động cơ đốt, nổ, áp suất cao, hóa học đều bị cấm

Trong robot không được chứa vật nhọn, nguy hiểm đến người điều khiển

Robot phải có cấu trúc dễ dàng kiểm tra tính an toàn cho giám khảo kiểm tra qua video hoặc chạy thử

Các đội không đảm bảo những điều kiện trên sẽ không được phép tham gia cuộc thi

1.6.10 An toàn cho người điều khiển

Đối với những người ngoài sân cần cách sân 1000mm để cho người điều khiển

dễ dàng di chuyển xử lý robot khi có sự cố

Người điều khiển phải mang dụng cụ bảo hộ an toàn theo quy định của cuộc thi Các đội không đảm bảo an toàn sẽ không được tham gia cuộc thi

Thông tin hỏi- đáp sẽ được thông báo trên email của lớp

Thông báo và chỉnh sửa mới về luật thi sẽ được cập nhật trên email

Trọng tài có trách nhiệm giải đáp những thắc mắc về sự an toàn trong cuộc thi

1.7 Sân thi đấu

CHƯƠNG 2: PHƯƠNG PHÁP VÀ NỘI DUNG NGHIÊN CỨU

2.1 Phương pháp nghiên cứu

Robot dò đường sử dụng cảm biến quang trở để nhận biết vạch trắng hoặc đen và điều khiển động cơ để robot có thể bám vạch,di chuyển theo quỹ đạo định sẵn bằng chương trình được nhúng vào vi điều khiển Atmega

Hình 7 Nguyên lý robot dò đườngNguyên lý dò đường của quang trở

Hình 8 Nguyên lý hoạt động của cảm biến

Để nhận vạch sử dụng led phát và cảm biến thu.Trong đó,led phát là led siêu sáng trắng sử dụng nguồn 3V.Cảm biến thu là quang trở sẽ tiếp nhận nguồn sáng phản

xạ từ led phát

Hình 9 Nguyên lý hoạt động của robot dò đườngĐiều khiển động cơ sử dụng mạch kích transistorA1013.Transistor đóng vai trò công tắc đóng mở dòng từ động cơ xuống mass.

Để lập trình cho robot sử dụng vi điều khiển Atmega nhúng chương trình C vào

Từ những cơ sở lý thuyết trên ta xây dựng phương pháp chế tạo robot

Tiến hành thiết kế mạch dò đường sử dụng cảm biến quang trở

Thiết kế mạch kích động cơ và cả mạch vi điều khiển cho robot

2.2 Yêu cầu của hệ thống

2.2.1 Yêu cầu phần cứng

Cân nặng robot không được vượt quá 2kg.Tổng khối lượng bao gồm động

cơ,bánh xe,thân xe,khối mạch điều khiển và nguồn.Các đồ vật không được tính vào 2kg như pin cùng loại

Robot phải có kích thước không vượt quá 300x300x200mm,chiều dài sau khi khởi động được phép tăng sau khi khởi động không quá 500mm

Robot phải là một khối liền

2.2.2 Yêu cầu phần mềm

Phần mạch điều khiển p ủa đội khác.Mạch phải ứng dụng vi điều khiển vào thiết kế,dòng nào bạn rõ nhất hải là của riêng mỗi người tham gia thi đấu.Tránh trường hợp chép mạch c chẳng hạn dòng Atmega

Phần chương trình điều khiển phải của riêng mỗi đội tham gia,tuyệt đối không chép nhau hoặc dùng chung cùng một chương trình điều khiển.Chương trình điều khiển

có thể dùng nhiều phần mềm viết khác nhau,chẳng hạn như CodeVision

2.3 Phương án thiết kế

2.3.1 Phương án 1

Robot được chế tạo từ vật liệu là đĩa CD,mạch điều khiển được thiết kế đặt phía trên thân,mạch dò đường thiết kế đặt phía trước

Hình 10 Mặt trước của phương án 1

Hình 11 Mặt bên của phương án 1

Ưu điểm: robot nhỏ gọn,linh hoạt,phần cơ khí đơn giản.Bánh lớn di chuyển nhanh, ít ma sát với mặt sân.

Nhược điểm: Khoảng cách giữa bánh tự lựa và hai bánh sau ngắn dẫn đến robot lên dốc khó,có trường hợp bị bốc đầu.Chiều rộng của bánh xe là từ đĩa nhỏ dẫn đến bị trượt,robot khó bám đường

2.3.2 Phương án 2

Robot được chế tạo từ vật liệu nhựa mica,làm khối lượng robot giảm đáng kể.Cải tiến nhược điểm từ phương án trước,khoảng cách giữa hai bánh sau và bánh tự lựa dài hơn.Mạch dò đường được đưa ra phía trước,mạch điều khiển đặt trên thân robot,thiết kế thêm phần đặt nguồn pin.Kiểu dáng được lấy ý tưởng từ mô hình xe đua công thức 1

Hình 12 Mặt bên trái của phương án 2

Hình 13 Mặt bên phải của phương án 2

Ưu điểm: Linh hoạt,dò đường nhanh,bánh xe bám đường tốt,xe lên dốc

nhanh,khắc phục được lỗi bốc đầu

Nhược điểm: Khối lượng xe tương đối nặng,vì vậy sinh ra ma sát tĩnh lón dẫn tới tốc độ khởi động chậm

2.3.3 Kết luận

Sau khi phân tích ưu và nhược điểm của từng phương án,phương án 2 được cải tiến nhiều từ phương án trước,có nhiều ưu điểm vượt trội vì vậy phương án 2 được lựa chọn là tối ưu nhất

2.4 Thiết kế, chế tạo phần cơ khí

2.4.1 Cơ sở lý thuyết

2.4.1.1 Khung robot

Khung robot được xem là khung xương của robot,chuyên chở các bộ phận của robot như mạch điều khiển,pin…Tiêu chuẩn của một khung robot thành công là gọn nhẹ,hợp lý và thẩm mỹ.Vật liệu làm khung robot cũng vô cùng đa dạng như gỗ,nhôm mỏng,nhựa mica,đĩa CD,…Thiết kế phải tính toán cẩn thận phần mạch điều khiển và khối nguồn cũng như phân bố khối lượng hợp lý

2.4.1.2 Hộp giảm tốc

Hộp giảm tốc được xem là đôi chân của robot,giúp robot di chuyển được.Tiêu chuẩn để có một hộp giảm tốc ưng ý là từ 3- 4 cấp,khối lượng nhẹ,kích thước nhỏ gọn,tránh trường hợp quá nhẹ hoặc quá cứng,làm robot di chuyển khó khăn

2.4.1.3 Động cơ

Động cơ dùng cho robot là loại động cơ DC 5- 12V.Tiêu chuẩn để có động cơ tốt

là momen lớn,kích thước động cơ nhỏ gọn,trục động cơ dài

2.4.1.4 Bánh xe

Bánh xe được xem là bàn chân của robot,được tận dụng từ xe đồ chơi.Để có một cặp bánh xe tốt phải lựa chọn theo tiêu chuẩn sau: bánh xe phải có gai,kích thước đường kính từ 50- 70mm

2.4.2.2 Hộp giảm tốc

Hộp giảm tốc được lấy từ xe đồ chơi hiệu Tumbling Car do Việt Nam sản xuất.Hộp giảm tốc có 3 cấp,nhỏ gọn rất thích hợp cho robot.Để tìm loại xe này ngoài các nhà sách ra thì nơi dễ tìm nhất là khu vực chợ Đầm

Vì mỗi xe chỉ có một cái hộp giảm tốc nên cần mua hai xe.Khi tháo xe hết sức cẩn thận dễ phá hỏng hộp giảm tốc,bộ phận dễ tổn thương nhất là các cặp bánh răng bằng nhựa

Hình 15 Thiết kế hộp giảm tốc

2.4.2.3 Động cơ

Động cơ có trục dài được sử dụng để truyền động cho hộp giảm tốc.Động cơ nay

có momen lớn,hoạt động từ 5- 12V.Động cơ tốt được chế tạo từ Malaysia mua ở của hàng điện tử bất kỳ.Ở NhaTrang ngoài khu vực đường Sinh Trung thì cửa hàng Yến Thu có bán nhiều

Hình 16 Thiết kế động cơ

2.4.2.4 Bánh xe

Bánh xe được lấy từ xe đồ chơi,bánh xe có gai,kích thước đường kính 50mm.Lốp bánh xe mềm nên độn thêm xốp để bánh cứng hơn di chuyển dễ dàng

Hình 17 Thiết kế bánh xe

Gần như chúng không cần mắc thêm bất kỳ linh kiện nào phụ nào khi sử dụng AVR,thậm chí không cần nguồn tạo xung clock cho chip.

Thiết bị lập trình (mạch nạp) cho AVR rất đơn giản,có loại mạch nạp chỉ cần vài điện trở là có thể làm được

Bên cạnh lập trình bằng ASM,cấu trúc AVR còn thiết kế tương thích C

Nguồn tài nguyên về source code,tài liệu,application note…rất lớn trên internet.Hầu hết các chíp AVR có những tính năng sau:

2.5.1.2 Atmega 8

Hình 19 Atmega 8Atmega 8 có tổng cộng 28 chân, trong đó có các chân được ghi là PB0(14), PB1(15),…,PB7(10),đó là các chân của PORTB.Trong Atmega 8 có 3 PORT là PORTB, PORTC và PORTD.Mỗi PORT có ba thanh ghi là DDRx,PINx,PORTx

Điều khiển robot sử dụng hai chân điều chế PWM là OCR1A và OCR1B nằm trong TIMER1

2.5.1.3 LM 324

Hình 20 Lm 324Ngõ vào của bộ Opamp gồm có cực(+ ) và cực(- ),tín hiệu vào cực(+ ) lấy từ ngõ

ra của cảm biến,tín hiệu vào cực(- ) lấy từ biến trở 10k

Điện áp đặt vào cực (+ ) của Opamp: V+ =(Vcc*Rpot)/(Rldr+ Rpot)

Trong đó:

Vcc: điện áp nguồn

Rpot: giá trị điện trở trên biến trở

Rldr: giá trị điện trở trên quang trở

2.5.1.4 Cảm biến quang trở

Giá trị điện trở phụ thuộc vào ánh sáng LDR.Đặc tính của quang trở khi chưa có ánh sáng chiếu vào bề mặt nhạy sáng,giá trị điện trở của quang trở không thay đổi,giá trị này giảm xuống khi có ánh sáng chiếu vào

Hình 21 Cảm biến quang trở

2.5.1.5 Led siêu sáng

Phần phát là led siêu sáng trắng,mắc nối tiếp với một điện trở có giá trị bằng Vcc/15mA

2.5.1.7 Transistor PNP A1013

Linh kiện A1013 là transistor lưỡng cực có ba chân: cực B(bazo),cực C(collector) và cực E(emiter).Linh kiện này tích cực mức 0

Hình 23 Transistor A1013

J 9

C O N 2

1 2

Hình 28 Mạch layout điều khiển động cơ

Chức năng điều khiển hai động cơ DC

Nguyên lý hoạt động như sau: khối vi điều khiển để nạp chương trình điều robot gồm Atmega 8,thông qua 2 chân điều chế độ rộng xung PWM là OCR1A va OCR1B.Mạch kích mở động cơ bao gồm hai con transistor A1013 làm nhiệm vụ đóng mass,hai con opto làm nhiệm vụ cách ly và điều khiển kích mở hai transistor.Trong mạch có thiết lập điện trở treo bằng cách mắc thêm điện trở 10k,thiết lập mức 1 ban đầu cho transistor

Giải thuật PID

• Cơ sở lý thuyết

Hình 31 Bộ điều khiển PIDGiải thuật tính toán bộ điều khiển PID bao gồm 3 thông số riêng biệt,do đó đôi khi nó còn được gọi là điều khiển ba khâu bao gồm khâu tỷ lệ,khâu tích phân,khâu vi phân.Giá trị tỷ lệ tác động của sai số hiện tại,giá trị tích phân xác định tác động của tổng các sai số quá khứ và giá trị vi phân xác định tốc độ biến đổi của sai số.Đáp ứng của bộ điều khiển có thể được mô tả dưới dạng độ nhạy sai số của bộ điều khiển,giá trị mà bộ điều khiển vọt lố điểm đặt và giá trị dao động của hệ thống

b.Chương trình con tính lỗi

Chức năng tính lỗi dịch led khi robot ra khỏi vạch trắng

Dùng câu lệnh if(<điều kiện>)

{

Lệnh ;}