Đồ an tot nghiep robot tu hanh tranh vat can

Robot tự hành tránh vật cản có khả năng tự hoạt động, thực thi nhiệm vụ mà khôngcần sự can thiệp của con người.. Với sự phát triển của ngành Robot học, robot tự hành tránh vật cản ngày c

TRƯỜNG ĐHKTCN CỘNG HOÀ XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM

KHOA CƠ KHÍ Độc lập - Tự do - Hạnh phúc

NHIỆM VỤ THIẾT KẾ TỐT NGHIỆP

Sinh viên thực hiện: Nguyễn Thị Quyên

K145520114043 Ngành học: Kỹ thuật Cơ điện tử Lớp: K50 CDT.01

Giáo viên hướng dẫn: ThS Lê Thị Thu Thủy

ThS Nguyễn Hữu Chinh

1 Tên đề tài tốt nghiệp: Thiết kế và điều khiển robot tự hành tránh vật cản

2 Thông số kỹ thuật yêu cầu:

- Robot vận hành linh hoạt có khả năng tự tránh vật cản.

- Hệ thống vận hành đơn giản, dễ triển khai.

3 Nội dung các phần thuyết minh và tính toán :

- Tổng quan.

- Tổng hợp cấu trúc hệ thống

- Thiết kế và lựa chọn cơ cấu chấp hành

- Tích hợp trang bị điện, điện tử

4 Kết quả đạt được:

- Bản vẽ thiết kế

- Bản thuyết minh

- Sản phẩm thực

5 Ngày giao nhiệm vụ

6 Ngày hoàn thành nhiệm vụ

GIÁO VIÊN HƯỚNG DẪN

NH N XÉT C A GIÁO VIÊN H Ậ Ủ ƯỚ NG D N Ẫ

………

………

………

………

………

………

………

………

MỤC LỤC NHẬN XÉT CỦA GIÁO VIÊN HƯỚNG DẪN

LỜI CẢM ƠN LỜI NÓI ĐẦU

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN VỀ ROBOT TỰ HÀNH TRÁNH VẬT CẢN1.1 Tổng quan về Robot tự hành tránh vật cản

1.1.1 Tình hình phát triển

1.1.2 Yêu cầu công nghệ và nhu cầu thực tế

1.1.3 Ưu, nhược điểm của robot tự hành tránh vật cản

1.1.4 Ứng dụng của robot tự hành

1.2 Thông số kỹ thuật cần đạt được

1.3 Thông số kỹ thuật và mô hình chức năng

1.4 Kết luận

CHƯƠNG 2 THIẾT KẾ HỆ THỐNG CƠ KHÍ

2.1 Thiết kế sơ bộ hệ thống cơ khí và lựa chọn các bộ truyền cơ khí

2.1.1 Tính toán động cơ

2 1 2 Mô hình đơn giản của xe tự hành

2.1.3 Tính chọn công suất động cơ

4.1 Thi công sản phẩm

4.2 Sản phẩm hoàn chỉnh

DANH MỤC BẢNG BIỂU

Bảng 1.1 Thông số kỹ thuật khách hàng đưa ra

Bảng 1.2 Thông số kỹ thuật đặt ra

Bảng 2.1 Tổng hợp nguyên vật liệu cơ khí

Bảng 3.1 Tổng hợp nguyên vật liệu điện, điện tử

DANH MỤC HÌNH VẼ

Hình 1.1 Robot tự hành trong nhà máy

Hình 1.2 Robot tự hành trong siêu thị

Hình 1.3 Robot tự hành Gita tự chạy theo chủ nhân

Hình 1.4 Robot mang theo các thiết bị trong lĩnh vực khoa học vũ trụ

Hình 1.5 Hình ảnh minh họa robot đưa thức ăn

L I C M N Ờ Ả Ơ

Đầu tiên chúng em xin chân thành cảm ơn quý thầy, cô trong Khoa Điện tử, Trường Đại học Kỹ

thuật Công Nghiệp – Đại học Thái Nguyên đã tận tình truyền đạt kiến thức trong suốt thời gian học tập tại

trường Với vốn kiến thức quý báu được tiếp thu, chúng em đã có nền tảng vững chắc để thực hiện tốt đồ

án.Và đặc biệt xin gửi lời biết ơn sâu sắc đến thầyPhạm Thành Long đã tận tình hướng dẫn, đồng thời

động viên trong thời gian tôi nghiên cứu và hoàn thành đồ án này.

Trong thời gian thực hiện đồ án, mặc dù có nhiều cố gắng nhưng chắc chắn đồ án sẽ không tránh

khỏi những thiếu sót Kính mong các thầy tận tình chỉ bảo và góp ý kiến để đồ án được hoàn thiện hơn.

Cuối cùng, chúng em xin kính chúc quý Thầy, Cô dồi dào sức khỏe, luôn thànhcông trong sự

nghiệp cao quý của mình.

Chúng em xin chân thành cảm ơn!

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN VỀ ROBOT TỰ HÀNH TRÁNH VẬT CẢN

1.1 Tổng quan về Robot tự hành tránh vật cản

1.1.1 Tình hình phát triển

Ngày nay, Robot học đã đạt được những thành tựu to lớn trong nền sản xuất côngnghiệp Những cánh tay robot có khả năng làm việc với tốc độ cao, chính xác và liên tụclàm năng suất lao động tăng nhiều lần Chúng có thể làm việc trong các môi trường độchại như hàn, phun sơn, các nhà máy hạt nhân, hay lắp ráp các linh kiện điện tử tạo ra điệnthoại, máy tính…một công việc đòi hỏi sự tỉ mỉ, chính xác cao Tuy nhiên những robotnày có một hạn chế chung đó là hạn chế về không gian làm việc Không gian làm việc củachúng bị giới hạn bởi số bậc tự do tay máy và vị trí gắn chúng Ngược lại, các Robot tựhành lại có khả năng hoạt động một cách linh hoạt trong các môi trường khác nhau

Robot tự hành tránh vật cản có khả năng tự hoạt động, thực thi nhiệm vụ mà khôngcần sự can thiệp của con người Với những cảm biến, chúng có khả năng nhận biết về môitrường xung quanh Robot tự hành tránh vật cản ngày càng có nhiều ý nghĩa trong cácngành công nghiệp, thương mại, y tế, các ứng dụng khoa học và phục vụ đời sống của conngười Với sự phát triển của ngành Robot học, robot tự hành tránh vật cản ngày càng cókhả năng hoạt động trong các môi trường khác nhau, tùy mỗi lĩnh vực áp dụng mà chúng

có nhiều loại khác nhau như robot sơn, robot hàn, robot cắt cỏ, robot thám hiểm đạidương, robot làm việc ngoài vũ trụ Cùng với sự phát triển của yêu cầu trong thực tế,robot tự hành tránh vật cản tiếp tục đưa ra những thách thức mới cho các nhà nghiên cứu

Vấn đề của robot tự hành tránh vật cản là làm thế nào để robot tự hành tránh vậtcản có thể hoạt động, nhận biết môi trường và thực thi các nhiệm vụ đề ra Vấn đề đầutiên là di chuyển, Robot tự hành tránh vật cản nên di chuyển như thế nào và cơ cấu dichuyển nào là sự lựa chọn tốt nhất Điều hướng là vấn đề cơ bản trong nghiên cứu và chếtạo Robot tự hành tránh vật cản Trong hiệp hội nghiên cứu về Robot tự hành tránh vậtcản có 2 hướng nghiên cứu khác nhau:

-  Hướng thứ nhất là nghiên cứu về Robot tự hành tránh vật cản có khả năng điều hướng ởtốc độ cao nhờ thông tin thu được từ cảm biến, đây là loại robot có khả năng hoạt động ởmối trường trong phòng cũng như môi trường bên ngoài Loại robot này yêu cầu khả năngtính toán đồ sộ và được trang bị cảm biến có độ nhạy cao, dải đo lớn để có thể điều khiểnrobot di chuyển ở tốc độ cao, trong những môi trường có địa hình phức tạp

-  Hướng thứ hai: nhằm giải quyết các vấn đề về các loại robot tự hành tránh vật cản chỉdùng để hoạt động trong môi trường trong phòng Loại robot tự hành tránh vật cản này cókết cấu đơn giản hơn loại trên, thực hiện những nhiệm vụ đơn giản

Bài toán dẫn hướng cho robot tự hành tránh vật cản được chia làm 2 loại: bài toántoàn cục (global) và bài toán cục bộ (local) Ở bài toàn cục, môi trường làm việc của robothoàn toàn xác định, đường đi và vật cản là hoàn toàn biết trước Ở bài toán cục bộ, môitrường hoạt động của robot là chưa biết trước hoặc chỉ biết một phần Các cảm biến vàthiết bị định vị cho phép robot xác định được vật cản, vị trí của nó trong môi trường giúp

nó đi tới được mục tiêu

Các vấn đề gặp phải khi điều hướng cho Robot tự hành tránh vật cản thường khônggiống như các loại robot khác Để có thể điều hướng cho Robot tránh vật cản , quyết địnhtheo thời gian thực phải dựa vào thông tin liên tục về môi trường thông qua các cảm biến,hoặc ở môi trường trong phòng hoặc ngoài trời, đây là điểm khác biệt lớn nhất so với kỹthuật lập kế hoạch ngoại tuyến Robot tự hành tránh vật cản phải có khả năng tự quyếtđịnh về phương thức điều hướng, định hướng chuyển động để có thể tới đích thực hiệnnhiệm vụ nhất định

Điều hướng cho robot tự hành tránh vật cản là công việc đòi hỏi phải thực hiệnđược một số khả năng khác nhau, bao gồm : khả năng di chuyển ở mức cơ bản, ví dụ nhưhoạt động đi tới vị trí cho trước; khả năng phản ứng các sự kiện theo thời gian thực, ví dụnhư khi có sự xuất hiện đột ngột của vật cản; khả năng xây dựng, sử dụng và duy trì bản

đồ môi trường hoạt động; khả năng xác định vị trí của robot trong bản đồ đó; khả năngthiết lập kế hoạch để đi tới đích hoặc tránh các tình huống không mong muốn và khả năngthích nghi với các thay đổi của môi trường hoạt động

1.1.2 Yêu cầu công nghệ và nhu cầu thực tế

Trong các nhà xưởng, người công nhân bị gò bó bởi năng suất lao động, vì vậyrobot tự hành tránh vật cản là một giải pháp nhằm cung cấp nguyên liệu từ nhà kho đếntay người công nhân, giúp giảm nhân công, tăng năng suất Tùy theo loại nguyên liệu cóđặc thù, khối lượng, kích thước khác nhau mà khi thiết kế người ta căn cứ vào đó và đưa

và các thông số đều nhỏ hơn thực tế

Kết quả của nhóm là một robot tự động có khả năng di chuyển tự do trong môitrường có vật cản

Đề tài thiết kế và chế tạo robot tự hành tránh vật cản chủ yếu giúp cho sinh viênlàm quen với việc sử dụng vi điều khiển, kĩ năng lập trình, phương pháp tự thập dữ liệu từ

các cảm biến sensor, điều khiển động cơ, hiển thị trạng thái hoạt động của hệ thống và cácmạch phụ trợ khác.

1.1.3 Ưu, nhược điểm của robot tự hành tránh vật cản

 Ưu điểm

- Không gây ô nhiễm, sử dụng bình điện, và có thể sạc

- Sử dụng không gian hiệu quả, đa năng trong các nhà máy xí nghiệp

- Giá thành không quá đắt

 Nhược điểm

- Không thể leo bậc thang có chiều cao quá 1/2 bán kính bánh xe

- Thiếu tính linh hoạt và thích ứng khi làm việc ở những vị trí khác nhau

1.1.4 Ứng dụng của robot tự hành.

- Robot có thể làm việc trong môi trường độc hại

- Ứng dụng của robot tự hành trong các nhà máy

Hình 1.1 Robot tự hành trong nhà máy

- Ứng dụng của robot tự hành trong các siêu thị.

Hình 1.2 Robot tự hành trong siêu thị

- Ứng dụng của robot tự hành trong lĩnh vực cuộc sống

Hình 1.3 Robot tự hành Gita tự chạy theo chủ nhân

- Ứng dụng của robot tự hành trong lĩnh vực khoa học vũ trụ

Hình 1.4 Robot mang theo các thiết bị trong lĩnh vực khoa học vũ trụ

- Robot được di chuyển theo các theo vạch mầu đã được thiết kế sẵn dưới nền nhà xưởng đển các vị trí yêu cầu thực hiện các thao tác tiếp theo

Hình 1.5 Hình ảnh minh họa robot đưa thức ăn

1.2 Thông số kỹ thuật cần đạt được

 Yêu cầu kỹ thuật của khách hàng:

Bảng 1.1 Thông số kỹ thuật khách hàng đưa ra.

STT Nội dung yêu cầu của khách hàng Ghi chú

 Yêu cầu kỹ thuật chung tự đặt ra để giải quyết các yêu cầu khách hàng đưa ra

Bảng 1.2 Thông số kỹ thuật đặt ra.

1 Xác định tải trọng chính xác của xe khi có các thiết bị đi

2 Đưa ra công suất cho động cơ

 Bo mạch chủ dùng arduino để tiếp nhận tín hiệu từ sensor và phát lệnh.

 Hệ thống tránh vật dùng 2 cảm biến siêu âm

Yêu cầu:

 Hệ thống gồm 2 khối nguồn 9v và 12v được cung cấp ổn định để có thế hoạt động trongmột khoảng thời gian cho phép tối đa là 2h đồng hồ Khi phải thay nguồn mới hoặc nạpnăng lượng cho robot phải được thay thế nhanh chóng và dễ dàng

CHƯƠNG 2 THIẾT KẾ HỆ THỐNG CƠ KHÍ

2.1 Thiết kế sơ bộ hệ thống cơ khí và lựa chọn các bộ truyền cơ khí

1 Mô hình hóa về dạng sơ đồ đơn giản ?

2 Tính công suất động cơ? biết hệ số ma sát trục , hệ số ma sát củabánh xe với nền , xe có thể tăng tốc từ 0 => 0.5(m/s) trong 2(s), hệ số an toànSF=1.5, hiệu suất EF=0.8

2.1.2 Mô hình đơn giản của xe tự hành

Hình 2.1 Mô hình xe tự hành

2.1.3 Tính chọn công suất động cơ

Momen do ma sát với ổ gây ra:

Momen do ma sát với ổ quy về trục động cơ:

Momen do ma sát với nền gây ra:

Momen do ma sát với nền quy về trục động cơ:

Momen quán tính tải:

Momen quán tính tải quy về trục động cơ:

Chọn :

Momen cần để tăng tốc:

Với

Vậy:

Tổng momen trên trục động cơ:

Vậy công suất cần thiết của xe là:

Do xe có 2 động cơ gắn vào 2 bánh đẩy, nên công suất của động cơ trên mỗi bánh là:

Chọn động cơ có công suất cho mỗi bánh là: P>5(W)

 Chọn động cơ:

- Chất liệu: Viền cao su ma sát tốt

- Khối lượng tải : 5kg

Hình 2.3 Bánh xe

Vật liệu làm xe là nhựa mika dày 5mm.

Các chi tiết chính:

- Tấm thân xe

Hình 2.4 Tấm thân xe

 Thiết kế sơ bộ phần cơ khí gồm: Thân xe, 4 bánh chính, 4 động cơ

Bảng 2.1 Tổng hợp nguyên vật liệu cơ khí

STT Tên chi tiết Ký hiệu Thông số Số

lượng Chế tạo Mua /

-Tốc độ: 0.12 sec/

60 degrees (4.8VDC)-Lực kéo:

1.6KG.CM-Kích thước:

21x12x22mm-Trọng lượng: 9g

- Bề rộng: 14mm.

- Chất liệu: Viền cao su ma sát tốt

- Khối lượng tải : 5kg

300mm

- Chất liệu: Mika 5mm

CHƯƠNG 3 THIẾT KẾ HỆ THỐNG ĐIỆN, ĐIỆN TỬ

3.1 Chọn phương án thiết kế

Bo mạch chủ dùng arduino để tiếp nhận tín hiệu từ sensor và phát lệnh điều khiểnhoạt động của xe

Hình 3.1 Sơ đồ khối

 Chức năng của từng khối:

 Cảm biến (sensor) cảm nhận những đại lượng điện và không điện, chuyển đổichúng trở thành những tín hiệu điện Phù hợp với thiết bị thu nhận tín hiệu

 Bộ xử lý ( processer) nhận tín hiệu từ cảm biến, sau đó xử lý chuyển đổi tín hiệuđưa đến modul kích chuyển động

3.2 Lựa chọn linh kiện

 Mạch arduino uno R3

Arduino là một board mạch vi xử lý, nhằm xây dựng các ứng dụng tương tác vớinhau hoặc với môi trường được thuận lợi hơn Phần cứng bao gồm một board mạch nguồn

mở được thiết kế trên nền tảng vi xử lý AVR Atmel 8bit, hoặc ARM Atmel 32-bit

Những Model hiện tại được trang bị gồm 1 cổng giao tiếp USB, 6 chân đầu vàoanalog, 14 chân I/O kỹ thuật số tương thích với nhiều board mở rộng khác nhau

Hình 3.2 Hình ảnh về mạch vi xử lý Arduino uno R3

Thông số kỹ thuật:

Microcontroller(Chip sử dụng) : ATmega328

Operating Voltage: 5V

Input Voltage (recommended): 7-12V

Input Voltage (limits): 6-20V

Digital I/O Pins: 14 (of which 6 provide PWM output)

Analog Input Pins: 6

DC Current per I/O Pin: 40 mA

DC Current for 3.3V Pin : 50 mA

Flash Memory: 32 KB (ATmega328) of which 0.5 KB used by bootloaderSRAM: 2 KB (ATmega328)

EEPROM: 1 KB (ATmega328)

Clock Speed: 16 MHzXung nhịp: 16MHz

 Module Cảm Biến Siêu Âm SRF05

- 5 chân: VCC / Trige / Echo / OUT / GND

- Điện áp hoạt động : +5V DC

- Khoảng cách: 2cm - 450cm

- Không nên đo dưới khoảng cách 0,3 cm

Hình 3.3 Cảm biến siêu âm SRF05

 Mạch cầu H

- Nhiệm vụ: Điều khiển tốc độ quay, hướng quay của 2 động cơ.

-Thông số kỹ thuật:

Arduino Motor Shield L293D là một phần board mở rộng cho các board arduino, dùng để điều khiển các loại động cơ DC, động cơ bước và động cơ servo. Arduino Motor

Shield được thiết kế gọn gàng, đẹp mắt và tương thích hoàn toàn với các board Arduino: arduino uno r3, arduino leonardo, arduino mega2560, giúp bạn có thể sử dụng và điều khiển một cách dễ dàng và nhanh chóng

Arduino Motor Shield sử dụng 2 IC cầu H L293D hoàn chỉnh với các chế độ bảo vệ và 1

IC logic 74HC595 để điều khiển các động cơ

Arduino Motor Shield L293D có thể điều khiển nhiều loại motor khác nhau như step motor, servo motor, motor DC, với mức áp lên đến 36V, dòng tối đa 600mA cho mỗi kênhđiều khiển

Hình 3.4 Mạch cầu L293D

 L293D gồm các chân:

Chân điều khiển 2 RC servo được kết nối với chân số 9 và 10 Nguồn cung cấp được lấy trực tiếp từ board Arduino

 Motor 1 nối với chân 11

 Motor 2 nối với chân 3

 Motor 3 nối với chân 5

 Motor 4 nối với chân 6

 Chân 4, 7, 8, 12 dùng điều khiển motor thông qua IC 74HC595

cấp nguồn cho motor hoạt động Nếu trong trường hợp chúng ta không sử dụng jumper này thỉ phải cấp 1 nguồn riêng vào chân EXT_PWR để cấp nguồn cho motor hoạt động.

 Nguồn 9v

Hình 3.5 Pin 9v Bảng 3.1 Tổng hợp nguyên vật liệu điện, điện tử.

3 Sensor MH-Sensor 3 Mua

Hình 3.6 Sơ đồ nguyên lý

3.4 Kết luận

Các modul hoàn thành theo đúng thiết kế, hoạt động ổn định theo các thông số đề

ra Sau khi hoàn thành phần cơ khí và điện, điện tử, ta tiến hành thi công lắp ráp sản phẩm

CHƯƠNG 4 THI CÔNG VÀ ĐÁNH GIÁ SẢN PHẨM

4.1 Thi công sản phẩm

Hình 4.1 Hình ảnh tổng hợp các chi tiết linh kiện

4.2 Sản phẩm hoàn chỉnh

Hình 4.2 Sản phẩm hoàn chỉnh

ĐÁNH GIÁ SẢN PHẨM

 Quá trình thực hiện đã hoàn thành những nhiệm vụ sau:

- Thiết kế khung cơ khí hoàn chỉnh

- Thiết kế điện, điện tử, mô phỏng và thi công mạch chạy ổn định

- Tự hành và tự tránh vật cản trên đường đi

 Tuy nhiên mạch còn một số hạn chế như:

[6] TS Phạm Thành Long, Bài giảng Robot công nghiệp, Thái Nguyên 2014.

[7] GS.TSKH Nguyễn Thiện Phúc, Robot công nghiệp, Nhà xuất bản khoa học và kỹ

thuật Hà Nội 2006

PHỤ LỤC

#include <Wire.h> //Includes I2C Lib

#include <NewPing.h>

#include <Servo.h>

#define ECHO_PIN 12 //chân ECHO của siêu âm - nối 12 Shield V5.0

#define TRIG_PIN 13 // chân ECHO của siêu âm - nối 13 Shield V5.0

// Nối chân L298N với shield V5.0

const int enAPin = 6; // (V5) chân 6 - ENA (L298N)

const int in1Pin = 7; // (V5) chân 7 - IN1 (L298N)

const int in2Pin = 5; // (V5) chân 5 - IN2 (L298N)

const int in3Pin = 4; // (V5) chân 4 - IN3 (L298N)

const int in4Pin = 2; // (V5) chân 2 - IN4 (L298N)

const int enBPin = 3; // (V5) chân 3 - ENB (L298N

int command; //bien luu trang thai Bluetooth

int speedCar = 220; // toc do 50 - 255.

int speed_Coeff = 4; // he so suy giam <=> giam may lan toc do

myservo.attach(11); //servo nối chân số 11 Shield V5.0

myservo.write(95); //Góc ban đầu Servo, nếu nó lệch (không thẳng) bạn chỉnh giá trị khác tăng hoặc giảm