16.05 Final Report - Nhom 2

ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP.HCM TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA TP.HCM KHOA CƠ KHÍ ĐỒ ÁN MÔN HỌC GVHD: PGS.TS Nguyễn Tấn Tiến Đề tài: THIẾT KẾ MOBILE PLATFORM BÁM LINE CHO TRƯỚC... Được ứng

ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP.HCM TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA TP.HCM

KHOA CƠ KHÍ

ĐỒ ÁN MÔN HỌC

GVHD: PGS.TS Nguyễn Tấn Tiến

Đề tài: THIẾT KẾ MOBILE PLATFORM BÁM LINE CHO TRƯỚC

MỤC LỤC

MỤC TIÊU ĐỒ ÁN: 3

CHƯƠNG I TỔNG QUAN 4

CHƯƠNG II LỰA CHỌN PHƯƠNG ÁN 9

2.1 Lựa chọn sơ đồ nguyên lý : 9

2.2 Lựa chọn cảm biến : 9

2.3 Lựa chọn cấu trúc điều khiển : 9

2.4 Phương án thiết kế : 10

CHƯƠNG III THIẾT KẾ CƠ KHÍ 11

3.1 Lựa chọn bánh xe : 11

3.1.1 Bánh xe chủ động 11

3.1.2 Bánh xe bị động 11

3.2 Tính chọn động cơ 11

3.3 Kích thước thân xe 14

CHƯƠNG IV THIẾT KẾ PHẦN ĐIỆN 15

4.1 Xây dựng sơ đồ khối chung của hệ thống điện 15

4.2 Driver cho động cơ 15

4.3 Mạch nguồn 19

4.4 Sơ đồ mạch điện của hệ thống 20

CHƯƠNG V MÔ HÌNH HÓA HỆ THỐNG 21

5.1 Mô hình hóa động học : 21

CHƯƠNG VI COMPUTER SYSTEMS 28

6.1 Yêu cầu của cảm biến: 28

6.2 Các phương án khả thi: 28

6.3 Thiết kế mạch cảm biến: 29

6.3.1 Tính toán điện trở: 29

6.3.2 Chọn cách đặt cảm biến: 31

6.3.3 Tính khoảng cách giữa các cảm biến: 32

6.3.4 Chọn số lượng cảm biến: 33

6.4 Tuyến tính hóa cảm biến: 35

6.4.1 Calibration: 35

6.4.2 Sơ đồ test cảm biến: 37

6.4.3 Kết quả: 37

6.5 Giải thuật dò line 38

CHƯƠNG VII THỰC NGHIỆM VÀ ĐÁNH GIÁ 41

PHỤ LỤC 1 43

Tài liệu tham khảo 46

MỤC TIÊU ĐỒ ÁN:

Thiết kế và chế tạo xe dò line di chuyển tốc độ cao trên sa bàn có đặc điểm :

 Màu sắc đường line : đen

 Màu nền : trắng

 Bề rộng line : 26mm

 Bề mặt địa hình di chuyển : phẳng

 Sa bàn được thể hiện như hình :

Sa bàn di chuyển của robot

Khi bắt đầu, robot được đặt tại vị trí START (điểm A), sau đó robot chạy theo thứ tự

đi qua các điểm nút quy định lần lượt :

CHƯƠNG I TỔNG QUAN

Xe dò line là loại robot được thiết kế để bám theo một đường đã được định sẵn bởi người

sử dụng Trong công nghiệp, xe dò line có thể được dùng trong những hệ thống từ bán tự động

đến tự động hoàn toàn Nó có thể được sử dụng để vận chuyển nguyên, vật liệu hoặc sản phẩm

từ nơi này đến nơi khác mà những phương pháp như băng tải, cần cẩu không khả thi Để thiết

kế và vận hành một robot dò line tất cả những yếu tố kỹ thuật đều cần được quan tâm : sơ đồ

nguyên lý, loại cảm biến, động cơ, cấu trúc điều khiển

Về sơ đồ nguyên lý:

Một sơ đồ nguyên lý được sử dụng phổ biến trong các xe dò line hiện nay như : chariot

(LVBots line following rules), HBFS-2 (Robot RobotChallenge 2015), Silvestre(COSMOBOT

2012) sử dụng hai bánh chủ động được điều khiển độc lập và một bánh tự lựa Sơ đồ nguyên

lý này có ưu điểm là cấu tạo đơn giản, nhỏ gọn, cho phép thực hiện những góc cua với bán kính

cong nhỏ, ngay cả là quay tại chỗ Nhưng nhược điểm của kết cấu này là di chuyển khó khăn

trên những bề mặt không bằng phẳng

Hình 1.1 (a) Sơ đồ nguyên lý (b) Chariot

Một dạng sơ đồ nguyên lý cũng được dùng phổ biến là sử dụng hai bánh chủ động được

điều khiển độc lập và hai bánh tự lựa Được ứng dụng trong các xe như : Usaint Volt 2.0

(LVBots line following rules), Taquion( Masler robotics),

Hình 1.2 (a) Sơ đồ nguyên lý (b) Usain Volt 2.0

Một dạng khác của sơ đồ nguyên lý có thể được ứng dụng vào xe dò line là dùng một động

cơ điều khiển 2 bánh sau thông qua cơ cấu vi sai, hai bánh trước tự lựa hướng được nối với

nhau bởi trục truyền động Ở loại này giúp xe dễ cân bằng hơn, bám đường tốt, tuy nhiên kết

cấu cơ khí phức tạp

Hình 1.3 Sơ đồ nguyên lý xe sử dụng cơ cấu vi sai

Ngoài ra, một dạng của sơ đồ nguyên lý có thể sử dụng trong xe dò line là dùng bốn động

cơ điều khiển bốn bánh Tiêu biểu là Fireball (Brooks Sumobots), Thunder

(a) (b) Hình 1.4 (a) Sơ đồ nguyên lý xe 4 bánh chủ động

(b) Xe Fireball

Về đường line[1] sử dụng trong thực tế gồm có 2 loại chính :

 Line màu : là các đường vạch sẵn trên sàn, có thể là đường trắng trên nền đen hoặc

ngược lại Line màu thường được dùng trong các cuộc thi và cũng được ứng dụng

trong công nghiệp, chúng có ưu điểm là dễ dàng thay đổi khi có nhu cầu, nhược điểm

của loại line này là các vết bẩn có thể ảnh hưởng tới độ chính xác của xe

 Line từ : được cấu tạo từ các dây từ ( Magnetic wire ) Line từ có ưu điểm là có mỹ

quan tốt, không bị ảnh hưởng bởi vết bẩn khi di chuyển, bên cạnh đó loại line này cũng

có nhược điểm là để duy trì từ tính cần tiêu tốn 1 năng lượng lớn, chi phí bảo trì, vận

hành, thay đổi line khá cao nên loại line này sử dụng chủ yếu trong công nghiệp

Về cảm biến, phần lớn các robot dò line hiện nay sử dụng các loại cảm biến quang để nhận

biết vị trí tương đối của xe so với đường line, từ đó xử lý để đưa ra tín hiệu điều khiển Các loại

cảm biến được sử dụng tùy vào mục đích, có thể kể ra như :

 Camera lấy hình ảnh từ thực tế, sau đó xử lý cho ra kết quả là vị trí và góc lệch của xe

so với đường line Do đó phương pháp này có độ chính xác cao Tuy nhiên, nhược

điểm là tốc độ lấy mẫu chậm không ứng dụng trong trường hợp đòi hỏi tốc độ cao

 Cảm biến quang được sử dụng rất phổ biến trong các cuộc thi robot dò line Điển hình

động với nguyên lý cơ bản giống nhau, bộ thu sẽ thu tín hiệu ánh sáng phản xạ từ bộ

phát xuống mặt đất Từ đó xử lý kết quả để xác định vị trí của xe so với đường line

Đối với cảm biến quang, giải thuật để xử lý thường dùng là so sánh hoặc nội suy

Phương pháp so sánh[2] dựa vào trạng thái đóng/ngắt của các cảm biến để suy ra vị trí

của xe Với phương pháp này có ưu điểm tốc độ xử lý nhanh do chỉ phụ thuộc vào mức

ngưỡng so sánh của các sensor

Line nằm lệch trái

Line nằm giữa

Line nằm lệch phải

Hình 1.5 Phương pháp so sánh

Với phương pháp nội suy[3][4][5], vị trí của xe được suy ra từ giá trị analog đọc về từ cảm

biến, phương pháp này có ưu điểm là cho kết quả có độ chính xác cao, nhưng nhược điểm là

xử lý tốn thời gian hơn so với phương pháp so sánh

Hình 1.6 Phương pháp nội suy

Về động cơ, hầu hết các xe dò line trong thực tế đều dùng động cơ DC servo nhờ đảm bảo

được yêu cầu về kích thước, momen, yếu tố lắp đặt Điều khiển vòng kín nhờ gắn encoder nên

đảm bảo tính ổn định và độ chính xác cho hệ thống

Về cấu trúc điều khiển, các xe dò line trong thực tế thường dùng 2 cấu trúc :

 Điều khiển tập trung

Ở cấu trúc này, một MCU chịu trách nhiệm đọc tín hiệu từ cảm biến, xử lý, sau đó

truyền tín hiệu điều khiển động cơ Ưu điểm của cấu trúc này là cấu trúc phần cứng

đơn giản, nhưng nhược điểm là đòi hỏi MCU có cấu hình mạnh, tốc độ xử lý nhanh,

khó chỉnh sửa khi gặp sự cố Cấu trúc này dùng trong một số xe như : Usain Volt 2.0,

Chariot,…

 Điểu khiển phân cấp

Ở cấu trúc này, một MCU (Master) đảm nhận vai trò xử lý thông tin nhận được từ một

MCU (slave) đọc tín hiệu từ cảm biến, và một MCU (slave) khác chịu trách nhiệm

điều khiển động cơ Cấu trúc này có ưu điểm là giúp giảm khối lượng tính toán, do đó

đòi hỏi cấu hình MCU không quá cao, cho phép thực hiện nhiều tác vụ cùng lúc

Dựa vào mục tiêu đề bài đặt ra, bán kính cong nhỏ nhất là 500 mm Sai số bám line phụ

thuộc vào sai số của cảm biến và giải thuật nội suy Qua thực nghiệm nhóm đã thực hiện, lựa

chọn sai số bám line là ±4.5 mm Với các xe tham khảo thì tốc độ trung bình trong khoảng 1 –

3 (m/s) và vận tốc trung bình của các động cơ trên thị trường là khoảng 450 (rev/min), đường

kính bánh xe trung bình là 65 (mm) thì vận tốc tham khảo tính được là :

Từ đó ta có các thông số đặt ra cho xe dò line :

 Vận tốc tối đa : vmax = 1,5 (m

s)

 Sai số : e = ±4,5 (mm)

 Bán kính cong nhỏ nhất : ρ = 500(mm)

CHƯƠNG II : LỰA CHỌN PHƯƠNG ÁN

2.1 Lựa chọn sơ đồ nguyên lý :

Dựa yêu cầu thiết kế, ta thấy sơ đồ nguyên lý phải đảm bảo cho robot có khả năng bám được

bán kính cong nhỏ, kết cấu đơn giản Do đó sơ đồ nguyên lý với hai bánh sau được điều khiển

độc lập và một bánh tự lựa ở phía trước sẽ đảm bảo yêu cầu đặt ra

Hình 2.1 Phương án sơ đồ nguyên lý

2.2 Lựa chọn cảm biến :

Để đảm bảo yêu cầu bám được những vị trí gấp khúc và sai số bám line là khoảng ±5 (mm)

Ta cần chọn loại cảm biến và giải thuật xử lý phù hợp

Về loại cảm biến : Để có thể bám được những đoạn gấp khúc cần loại cảm biến có thời gian

đáp ứng nhanh Nhờ đó có thể lấy mẫu nhanh, cập nhật trạng thái của xe liên tục Do đó ta chọn

loại cảm biến là phototransistor và led hồng ngoại

Về giải thuật xử lý : Để đảm bảo xe di chuyển ở tốc độ cao mà vẫn bám được line với sai

số cho phép, ta chọn giải thuật nội suy Nhóm sử dụng vi điều khiển có tốc độ xử lý cao để khắc

phục nhược điểm của phương pháp này là tốn nhiều thời gian để tính toán

2.3 Lựa chọn cấu trúc điều khiển :

Để xe có thể đạt được tốc độ cao và bám được đoạn gấp khúc thì cấu trúc điều khiển phải

đảm bảo được yêu cầu về thời gian xử lý để tránh hiện tượng xe chạy quá nhanh và vượt ra khỏi

line Và cũng đảm bảo là tất cả các thành viên nhóm cùng làm song song để đẩy nhanh tốc độ

thực hiện đồ án, dễ sửa lỗi Nhóm quyết định chọn cấu trúc điều khiển phân cấp

Hình 2.2 Cấu trúc điều khiển phân cấp

2.4 Phương án thiết kế :

- Sơ đồ nguyên lý : 2 bánh chủ động được điều khiển độc lập và một bánh tự lựa

- Cảm biến : Cảm biến phototransistor và led hồng ngoại

- Động cơ : động cơ DC có gắn encoder

- Cấu trúc điều khiển : Cấu trúc điều khiển phân cấp

CHƯƠNG III THIẾT KẾ CƠ KHÍ

3.1 Lựa chọn bánh xe :

3.1.1 Bánh xe chủ động

Vật liệu

Các bánh xe được sử dụng cho xe đua thường được thiết kế sao cho lốp ngoài dày để chịu

nhiệt do xe chạy ở vận tốc cao, một số loại xe đua có thể đạt vận tốc 110m/s, lốp được chế tạo

từ cao su để tăng thêm khả năng bám đường

Chọn lựa kích thước

Trong phần tổng quan, vận tốc mong muốn có gia trị 2𝑚/𝑠 được tham khảo từ các xe đua

đạt thành tích cao trong các cuộc thi dành cho xe dò line, trong đó có Chariot và Suckbot,2 xe

đều sử dụng bánh xe có đường kính 𝐷 = 70𝑚𝑚, từ việc tham khảo kích thước bánh xe này

cùng với việc tìm hiểu các loại bánh xe dành cho xe dò line được bày bán trên thị trường nhóm

quyết định chọn bánh xe có đường kính 𝐷 = 65𝑚𝑚, bánh xe được chọn có ưu điểm bề rộng

có kích thước lớn, lốp được chế tạo từ cao su nên bám đường tốt

3.1.2 Bánh xe bị động

Bánh xe được chọn dựa trên các yêu cầu gọn nhẹ, dễ dàng lắp đặt và thay thế, có khả năng

giữ thăng bằng cho xe khi xe chuyển hướng đột ngột ở vận tốc lớn, từ đó ta chọn bánh xe bị

động là loại bánh bi cầu, loại bánh này được làm từ hai loại vật liệu chính đó là thép và nhựa,

mỗi loại có ưu điểm riêng, bánh bi cầu làm từ thép chịu tải rất tốt thường được sử dụng cho các

xe có khối lượng lớn,loại bánh này có khối lượng khá nặng trung bình khoảng 50𝑔 bánh làm

từ nhựa không chịu được tải trọng nặng nhưng có khối lượng nhỏ (5𝑔) Từ các yêu cầu trên và

tham khảo thêm bánh bị động của hai robot dò line Chariot và Suckbot ta chọn bánh bi cầu làm

bằng nhựa để làm bánh bị động, bánh xe được chọn có chiều cao 15𝑚𝑚, đường kính bánh xe

nhỏ gọn 12𝑚𝑚

3.2 Tính chọn động cơ

Mô hình vật lí của bánh xe:

N P R



Fms

Hình 3.1 Sơ đồ phân tích lực

Momen quán tính của bánh xe

Trong đó:

𝜏(𝑁 𝑚) : momen 𝑎(𝑚/𝑠2): gia tốc dài

𝑔(𝑚/𝑠2): Gia tốc trọng trường 𝑚(𝑘𝑔): Khối lượng của bánh xe

𝑀(𝑘𝑔): Khối lượng của xe 𝑅(𝑚): Bán kính bánh xe

𝐹𝑚𝑠(𝑁): Lực ma sát 𝐼(𝑘𝑔 𝑚2): Momen quán tính của bánh xe

𝑃(𝑊): Công suất của mỗi động cơ 𝜔(𝑟𝑎𝑑/𝑠): Vận tốc góc

𝛾(𝑟𝑎𝑑/𝑠2): Gia tốc góc của bánh xe

Ta có bảng thông số đầu vào :

Từ các thông số đầu vào ta tính được các giá trị momen, vận tốc góc và công suất:

Từ các thông số trên ta chọn động cơ ESCAP 16G 214EMR19

Động cơ có các thông số cơ bản sau:

Bảng liệt kê các thiết bị trên xe

Kích thước bao ngoài của khung xe được thiết kế dựa trên việc tham khảo kích thước của robot

trong chương tổng quan cùng với việc bố trí hợp lí các thiết bị trên xe

CHƯƠNG IV THIẾT KẾ PHẦN ĐIỆN

4.1 Xây dựng sơ đồ khối chung của hệ thống điện

Hình 4.1 Sơ đồ khổi chung của hệ thống điện

Hệ thống điện sử dụng cho xe gồm 2 phần chính:

- Hệ thống nguồn

- Hệ thống điều khiển

4.2 Driver cho động cơ

Yêu cầu:

- Tích hợp mạch cầu H điều khiển 2 động cơ DC servo giảm tốc Escap 12V – 540rpm

- Điện áp ngõ ra của mạch driver phải phù hợp với điện áp của động cơ 12V

- Có thể điều khiển được tốc độ, đảo chiều quay động cơ, hãm

- Động cơ DC servo giảm tốc Escap 12V – 540rpm có dòng định mức 300mA nên

driver phải có dòng cực đại lớn hơn

Hình 4.2 Đồ thị test độ tuyến tính của vận tốc bằng driver TB6612

Hình 4.3 Đồ thị test độ tuyến tính của vận tốc bằng driver L298

Dựa vào 2 đồ thị trên ta thấy driver TB6612 có độ tuyến tính tốt hơn so với driver L298

→ Chọn driver TB6612

Thiết kế bộ điều khiển PID:

Cấp một giá trị PWM nằm trong khoảng điều khiển mong muốn (1,5-1,8m/s) ta có dạng đồ thị

vận tốc theo thời gian là:

Hình 4.4 Đồ thị đáp ứng vận tốc của hệ thống

Dựa vào đồ thị trên, ta xấp xỉ cả hệ thống (vi điều khiển, driver, động cơ) là một hệ quán tính

bậc 1 và có dạng hàm truyền:

𝐾

𝑇𝑠 + 1Dựa vào đồ thị ta có K ≈ 7

Thời điểm đáp ứng của khâu quán tính bậc 1 (đạt 63% giá trị xác lập): T = 0,17 (s)

Hàm truyển của cả hệ thống là:

70,17𝑠 + 1Dùng PID Tuner của Matlab ta có các hệ số: KP = 0.56 KI = 0.42 KD = 0.002

Giao tiếp I2C giữa 1 Master với 2 Slave:

Hình 4.5 Đồ thị vận tốc theo thời gian của động cơ 1 được điều khiển bởi Slave 1

với: KP = 0.39 KI = 0.38 KD = 0.0028

Hình 4.6 Đồ thị vận tốc theo thời gian của động cơ 2 được điều khiển bởi Slave 2

với: K P = 0.39 K I = 0.38 K D = 0.0029

Theo như 2 đồ thị trên thì giá trị vận tốc trung bình xấp xỉ bằng giá trị vận tốc mong muốn

(400 vòng/phút) và thời gian đáp ứng bằng 0,028s nhỏ hơn thời gian đáp ứng toàn hệ thống

4.3 Mạch nguồn

Gồm 1 bộ 4 pin sạc 3.7V, 1 mạch ổn áp 12VDC cấp nguồn cho 2 driver động cơ, 1 mạch ổn

áp 5VDC cấp nguồn nuôi cho encoder, 1 mạch ổn áp 3.3V để cấp nguồn cho bộ cảm biến

Tính toán điện cần cung cấp:

 Chọn 4 pin sạc 18650 Panasonic 3,7V 3700mAh và 2 mạch giảm áp DC LM2596 3A để

ổn áp 12V và 5V

Thông số kỹ thuật:

- Điện áp đầu vào: 3 – 40VDC

- Điện áp đầu ra: điều chỉnh được trong khoảng 1.5 – 35VDC

- Dòng đáp ứng tối đa: 3A

- Hiệu suất: 92%

- Công suất: 15W

Hình 4.7 Mạch giảm áp DC LM2596 3A

4.4 Sơ đồ mạch điện của hệ thống

Hình 4.8 Sơ đồ mạch điện của hệ thống

CHƯƠNG V MÔ HÌNH HÓA HỆ THỐNG

5.1 Mô hình hóa động học :

Hệ thống xe bám line trên đường line được mô tả qua hình 1

Hình 5.1 Hệ trục tọa độ cho phương trình chuyển động của hệ thống với vị trí

bánh lái khác nhau

Phương trình động học của xe

Phương trình động học cho điểm bám line C :

Với d là khoảng cách từ tâm xe đến điểm bám line C

Phương trình động học của điểm tham chiếu R trên nằm trên đường line

{

ẋR = vR cos φR

ẏR= vR sin φR

φ̇R= ω

với 𝑣𝑅 là vận tốc mong muốn được thiết kế cho xe (3)

Bộ điều khiển được thiết kế cho điểm bám đường C đến vị trí mong muốn R với vận tốc mong

muốn 𝑣𝑅 Để làm được điều đó, ta xác định được các sai số bám đường sau:

Sau khi tính toán các giá trị sai số, ta đạo hàm chúng, từ đó có kết quả sau :

Trong trường hợp xe di chuyển theo chiều ngược lại thì vẫn giữ nguyên giá trị với việc thay d

bởi –d, có nghĩa là d có giá trị dương hay âm phụ thuộc vào hướng chuyển động của xe

Phương trình động học của robot :

] [vω] =

(

cosθ2

cosθ2sinθ2

sinθ21

-12b )

(r.ωrr.ωl)

Từ đó ta tìm được mối quan hệ của vận tốc xe và vận tốc bánh trái và bánh phải:

v = r.ωr

2 +

r.ωl2

ω = r.ωr - r.ωl

b

 Thiết kế bộ điều khiển

Định lí : Hệ thống (5) được ổn định với bộ độ điều khiển bám line sau:

V̇= e1(vRcose3 - v)+sine3

k2 (k2vRe2 + ωR-ω) Chúng ta cần điều khiển (6) để cho 𝑉̇ đạt giá trị âm Có nghĩa là ta phải điều khiển để các giá

trị sai số tiến về 0 khi thời gian tiến ∞

Từ phương trình mô tả động học của hệ thống, ta cần tìm các sai số e1,e2,e3

Nếu chọn điểm bám line là tâm hai bánh xe, ta có : e1 = d

Cách tìm sai số e2 :

Hình 5.2 Hình minh họa cho cách tìm sai số e 2

Để xe bám theo được line, công việc đầu tiên là xác định vị trí của xe so với line Ta đặt hệ

toạ độ như hình 4, trong đó M là trung điểm giữa 2 bánh xe, C là trung điểm của dãy sensor

Mục đích của giải thuật điều khiển là làm cho điểm C bám theo điểm tham chiếu R Để làm

điều đó, ta cần xác định các sai số e2 và e3

Trên thực tế, sai số e2 được đo từ dãy sensor nên ta chỉ cần tính toán sai số e3 Để tính sai số

này, ta cho xe di chuyển theo phương trước đó của xe một đoạn d s sao cho ds đủ nhỏ để khi nối

2 điểm R R’ ta được tiếp tuyến với đường cong

M

C

e y

xc

e2’

e2

R R’

e3

ds