Thiết kế và điều khiển robot tự hành tránh vật cản

Đối với robot tự hành tránh vật cản để hoạt động được bao gồm tìm kiếm đường đi, di chuyển tới trước và đến đích một cách thông minh thì thông tin cần được cảm nhận tự động phải liên qua

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA

LÊ VŨ HẢI

ĐỀ TÀI:

THIẾT KẾ VÀ ĐIỀU KHIỂN ROBOT TỰ HÀNH TRÁNH VẬT CẢN

LUẬN VĂN CAO HỌC

CHUYÊN NGÀNH: CHẾ TẠO MÁY

NĂM 2002

LỜI CẢM ƠN

]] ^]

Tôi xin chân thành cảm ơn Thầy TS NGUYỄN VĂN GIÁP đã tận tình hướng dẫn tôi làm Luận văn tốt nghiệp này Thầy đã dành cho tôi sự giúp đỡ nhiệt tình trong suốt thời gian thực hiện Luận văn

Tôi xin chân thành cảm ơn thầy cô trong bộ mộn Cơ Điện Tử đã tận tình giúp để tôi trong thời gian làm luân văn

Tôi xin chân thành cám ơn thầy TS LÊ HOÀI QUỐC và TS NGUYỄN TIẾN DŨNG đã dành thời gian quý báu để nhận xét và phản biện đề tài tốt nghiệp của tôi

Tôi chân thành bày tỏ lòng biết ơn chân thành đến quý Thầy/Cô là Chủ tịch, Phản biện và Uûy viên Hội đồng đã dành nhiều thời gian quý báu để nhận xét và tham gia Hội đồng chấm Luận văn

Chân thành cảm ơn

Đối với robot tự hành tránh vật cản để hoạt động được bao gồm tìm kiếm đường đi, di chuyển tới trước và đến đích một cách thông minh thì thông tin cần được cảm nhận tự động phải liên quan đến những gì cần được điều khiển

Dọc theo các đường xa lộ và những con đường tự tạo khác, cụ thể trong công nghiệp, những quĩ đạo của robot tự hành có thể được phân thành những đoạn đường liên tiếp nhau Nếu robot di chuyển dọc theo quỹ đạo này một cách chính xác thì robot sẽ đến đích Cái cần được điều khiển là các biến vật lý để lái hệ thống, thực hiện chuyển động tịnh tiến và quay như mong muốn Trong luận văn này trình bày cách các biến điều khiển (góc lái và vận tốc) của robot rự hành bị giới hạn bởi đường cong thay đổi để đạt được những vị trí và hướng như mong muốn

Trong thực tế để điều khiển được robot đi về đích đã xác định trước thì robot cần phải nhận biết được mội trường xung quanh của nó bằng cảm biến Sau đó thông tin cảm biến này được truyền về một bộ phận xử lý

Để giải quyết vấn đề này thì trong luận văn này tôi trình bày các loại cảm biến đã được sử dụn rộng rãi trên các robot tự hành và con vi xử lý 8051 có nhiệm vụ xử lý tín hiệu cảm biến và điều khiển một bộ phận thực hiện chuyền động đó là động cơ bước

Đối với robot tự hành thông thường thì di chuyển theo đường thẳng, khi gặp vật cản thì robot dừng lại rồi bẻ lái, tiếp tục đi tới khi qua khỏi vật cản thì dừng lại rồi bẻ lái trở lại, lại tiếp tục di chuyển Nếu như vậy thì không tối ưu về thời gian di chuyển Để khắc phục điều này thì trong luận văn này có trình bày cách trơn hóa quỹ đạo khi di chuyển và tối ưu hóa ra quyết định khi robot gặp nhiều vật cản phía trước

For a mobile robot to act autonomously and intelligently while seeking out, moving toward, and reaching its goal, what can needs to

be sensed must be automatically relateed to what can needs to be controlled

Along highway systems and on other man-made paths, particularly within an urban industrial interior, the trajectories of a mobile robot may be decompresed into a sequence of “straight” line paths and “reorientation” that if actually moved along would enable it to reach its spatial goal What needs to be controlled are physical variables to drive system, which if there were no disturbances and error, would result in the desired translations and rotations Unless the vehicle can rotate without translation it has to move in order to turn The thises present how the control variables (speed and steer angle)

of a path curvature limited mobile robot may be altered in order to achive desirable change in the global position and orientation

In practice, a robot can only move to a specified place when it has realized its surrounding positions by a sensor (Then, the information sent from the sensor shall be transmitted to a analysis unit.)

In this thesis, I shall represent some types pf sensors widely used

in the mobile robot and a micro-controller 8051.This micro-controller undertakes the analysis of signals sent from the sensor and then orders another unit to operate the robot, called a step motor In addition, I also show some kinds of step motors and methods of controlling them

As for the mobile robot, it usually moves in a straight line.When it meets an obstacle, it will stop and then turn right or left to avoid the ostacle After that, it will self-drive to the programmed straight line and

go on moving to the destiation However, this causes the time of its movement not being optimum In order to improve this problem, in this thesis, I shall represent the way of - when the robot is moving and the way of optimization of making decision when the robot meets many obstacles

MỤC LỤC

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN

1.1 ĐẶT VẤN ĐỀ 2

1.2 MỤC TIÊU NGHIÊN CỨU 3

1.3 MỘT SỐ CÔNG TRÌNH ĐÃ NGHIÊN CỨU 3

1.3.1 Trong lĩnh vực thám hiểm 3

1.3.2 Trong lĩnh vực công nghiệp 4

1.3.3 Một số ứng dụng trong sinh hoạt 5

CHƯƠNG 2 THIẾT KẾ ROBOT TỰ HÀNH TRÁNH VẬT CẢN 2.1 ĐỘNG LỰC HỌC ROBOT 6

2.1.1 Kết cấu khung robot 6

2.1.2 Bánh trước 7

2.1.3 Bánh sau 9

2.2 ĐỘNG LỰC LỰC HỌC ROBOT 12

2.2.1 Lực tác động lên bánh xe 12

2.2.2 Tính công suất và chọn động cơ truyền động 13

KẾT LUẬN CHƯƠNG 3 ĐIỀU KHIỂN ROBOT 3.1 CÁC LOẠI CẢM BIẾN DÙNG TRONG ROBOT 18

3.1.1 Các loại cảm biến đo khoảng cách dựa trên thời gian truyền (time of flight - TOF) 18

3.1.2 Các loại cảm biến đo khoảng cách dựa trên kỹ thuật thay đổi pha 13 3.2 CÁC PHƯƠNG PHÁP ĐIỀU KHIỂN ĐỘNG CƠ 27

3.2.1 Động cơ bước 27

3.2.2 Phương pháp điều động cơ 30

3.3 SƠ ĐỒ MẠCH ĐIỀU KHIỂN VÀ XỬ LÝ TÍN HIỆU 35

3.3.1 Sơ lược về các chân của 8051 35

3 3.1 Bảng giải mã điều khiển 36

3.3.3 mạch khuyếch đại công suất 36 KẾT LUẬN

CHƯƠNG 4 GIẢI THUẬT TRÁNH VẬT CẢN

4.1 GIẢI THUẬT TRÁNH VẬT CẢN ĐÃ BIẾT TRƯỚC 40

4.1.1 Giải thuật cho vật cản đa giác lồi 40

4.1.2 Giải thuật cho vật cản có dạng hình tròn 42

4.2 GIẢI THUẬT CHO VẬT CẢN CHƯA BIẾT TRƯỚC 45

4.2.1 Phương pháp đi theo đường biên của vật cản 45

4.2.2 Phương pháp phát hiện biên dạng của đối tượng 45

4.2.3 Phương pháp chưa lưới 46

4.2.4 Phương pháp trường tiềm năng (Potetial Field Method) 47

4.3 GIẢI THUÂT DẪN HƯỚNG THÍCH NGHI CHO ROBOT TRÁNH VÂT CẢN 48

4.3.1 Chế độ di chuyển thích nghi 48

4.3.2 Lưu đồ giải thuật 51

4.4 TRƠN HÓA QUỸ ĐẠO 51

4.5 TỐI ƯU HOÁ RA QUYẾT ĐỊNH BẲNG PHƯƠNG PHÁP LẬPTRÌNH ĐỘNG NGƯỢC (BACK DYNAMIC PROGRAMING) 57

4.5.1 Thủ tục liệt kê 57

4.5.2Nguyên lý tối ưu 58 KẾT LUẬN

TÊN HÌNH TRANG

Hình 1.3: Robot tự hành có trang bị thêm tay máy 4

Hình 2.3: Bánh lái di chuyển dọc theo một cung tròn 8 Hình 2.4: Khoảng cách mà bánh trước di chuyển được chiếu

lên hệ tọa độ gắn với xe

Hình 3.2: Bộ biến năng tĩnh điện mức của thiết bị Polaroid 20 Hình 3.3: Sơ đồ mạch của module đo khoảng cách 6500 21 Hình 3.4: Sơ đồ thời gian của module tính khoảng cách 6500 21 Hình 3.5: Sơ đồ thời gian của module tính khkoảng cách

6500 ở chế độ multi- echo

22

Hình 3.6: Sự liên hệ giữa dạng sóng ra và phản xạ, trong đó

x là khoảng cách tương ứng với sự thay đổi pha

24

Hình 3.8: Sơ đồ của hệ thống đo khoảng cách ORS- 1 26

Hình 3.10: Mạch nguyên lý động cơ bước có từ trở thay đổi 27

Hình 3.16: Mạch điều khiển động cơ bước lưỡng cực 29 Hình 3.17: Mối hiên hệ giữa vị trí lý thuyết và thực tế của 33

Hình 3.18: Đáp ứng dòng điện 34

Hình 4.4: Quỹ đạo của xe theo đường biên của vật cản 45

Hình 4.5: Phương pháp xác định khoảng cách bằng phương

pháp chia lưới

46

Hình 4.9: Trình bày vị trí bắt đầu, kết thúc và hướng bắt đầu,

kết thúc của robot sau khi áp dụng biên dạng hàm

gaussian cho góc lái Sự thay đổi theo thời gian và

giá trị của hàm gaussian Hàm có φmax tại t = tI

52

Hình 4.10: Ảnh hưởng đến hướng và vị trí cuối cùng của

robot khi thay đổi biên độ, vận tốc và độ lệch

chuẩn cho trước không thay đổi

53

Hình 4.11: Trình bày sự ảnh hưởng về vị trí và hướng cuối

cùng của xe khi thay đổi vận tốc, độ lệch chuẩn

và biên độ không thay đổi

53

Hình 4.12: Mối liên hệ giữa vị trí và đầu của xe khi đưa hàm

gaussian có biên độ thay đổi vào phương trình

động học với các vận tốc khác nhau

54

Hình 4.13: Kết hợp hai hàm gaussian nhưng có dấu ngược

nhau trong phương trình động học

55

Hình 4.14: Ưùng dụng hàm gaussian để tránh vật cản 55

Hình 4.15: Ứng dụng hàn gaussian để đậu xe vào giữa hai

xe

56

Khoa hóc kyõ thuaôt cụa theâ giôùi ngaøy caøng phaùt trieơn thì ñoøi hoûi kyõ thuaôt ñieău khieơn cuõng ngaøy caøng phaùt trieơn maø kyõ thuaôt ñieău khieơn robot laø moôt ñieơn hình trong lónh vöïc ñoù

Nhöõng ñoùng goùp cụa robot trong cođng nghieôp thì khođng phại laø nhoû, ví noù ñaõ goùp phaăn laøm taíng naíng xuaât lao ñoông, giạm chi phí sạn xuaât, ñoăng thôøi giại phoùng con ngöôøi khoûi nhöõng lao ñoông cöïc nhóc, nguy hieơm

Khođng chư trong sạn xuaât, trong lónh vöïc thaùm hieơm, nhöõng nôi con nguôøi khođng theơ ñeân hoaịc chöa coù theơ ñeẫn ñöïôc thì robot coù theơ thay theâ con ngöôøi laøm nhöõng vieôc ñoù

Trong lónh vöïc y khoa robot giuùp con ngöôøi chúp nhöõng hình ạnh beđn trong thađn theơ con ngöôøi

Trong lónh vöïc dađn dúng robot coù theơ giuùp con ngöôøi trong cođng vieôc naâu nöôùng, lau nhaø, giaịt ụi

Trong moôt soâ lónh vöïc ñoøi hoûi robot phại di chuyeơn, töï xöû lyù caùc tình huoâng coù theơ xạy ra nhö traùnh caùc chöôùng ngái vaôt tređn ñöôøng ñi, ngaøy caøng ñoøi hoûi nhieău vaø coù nhieău nhaø khoa hóc nghieđn cöùu

CHƯƠNG 1

TỔNG QUAN

1.2 MỤC TIÊU NGHIÊN CỨU 3

1.3 MỘT SỐ CÔNG TRÌNH ĐÃ NGHIÊN CỨU 3

CHƯƠNG 1

TỔNG QUAN

1.1 ĐẶT VẤN ĐỀ

Vào đầu thập niên 20, những máy robot đã được sản xuất và sử dụng ở Ai Cập, Ý và một số nước Châu Âu khác, nhưng mãi đến những năm 60 lần đầu tiên robot được ứng dụng trong hoạt động sản xuất, sau đó chúng được sử dụng nhiều trong ngành công nghiệp xe hơi Nhật Bản Những năm 60 được coi là thập niên điều khiển số nỡ rộ Vào thập niên 70 máy tính đã ra đời, đặc biệt máy điều khiển theo chương trình số (CNC) và vào thập niên 80 tiến triển mạnh về điều khiển robot và chất lượng sản xuất robot

Sự chấp nhận robot công nghiệp trên tòan thế giới đã gia tăng, mang lại sự cải tiến một cách đáng kểù không chỉ ở năng xuất mà còn ở lĩnh vực kiểm soát chất lượng

Sự phát triển của robot không chỉ dừng ở việc phục vụ cho ngành công nghiệp mà còn nhắm vào nhiều mục tiêu khác như trong lĩnh vực vũ trụ (các robot tự hành khám phá mặt trăng, sao hỏa…), trong lĩnh vực dân dụng (robot đưa báo trong một công sở, phát thuốc trong các bệnh viện…) Ngày nay, người ta đã nghiên cứu đến một thế hệ “robot thông minh” nhằm để thực hiện các chức năng như người thật

Trên toàn cầu, robot phát triễn mạnh mẽ nhằm mục đích mang lại năng xuất cao trong sản xuất, chất lượng sản phẩm tốt hơn để phục vụ nhu cầu của con người ngày một cao hơn Vì vậy, Việt Nam muốn phát triển nền kinh tế, đưa đất nước theo hướng hiện đại hóa, công nghiệp hóa, đi theo nền kinh tế thị trường, hòa nhập cùng thế giới, không thể nào thiếu một thành phần quan trọng trong sản xuất tự động đó là robot

Trong một hệ thống sản xuất tự động thì có thể có hai loại robot: Robot cố định và robot tự hành ( Mobil robot ) Với robot tự hành có thể là robot di chuyển theo một đường cố định ( trên ray hoặc theo những vạch cố định ) hoặc là robot di chuyển theo quỹ đạo chưa biết trước

(chỉ biết điểm đầu và kết thúc) tuỳ thuộc vào vị trí vật cản trên đường di chuyễn Đối với robot di chuyển theo một quỹ đạo mà tuỳ thuộc vào vị trí của vật cản đòi hỏi người chế tạo ra robot phải giải quyết một số vấn đề như: vẫn dảm bảo robot về được đích, làm thế nào robot di chuyển trên quãng đường ngắn nhất Giải quyết được bài toán đó một cách tối

ưu vẫn là một công việc mà các nhà nghiên cứu và chế tạo robot đã và đang thực hiện

1.2 MỤC TIÊU NGHIÊN CỨU

Nghiên cứu các loại cảm biến ứng dụng trong robot

Nghiên cứu mạch điều khiền (vi xử lý, động cơ bước, mạch khuyếch đại công suất)

Nghiên cứu các tối phương pháp trơn hóa quỹ đạo

Nghiên cứa tối ưu hóa ra quyết định

Thiết kế và chế tạo mô hình

1.3 MỘT SỐ CÔNG TRÌNH ĐÃ NGHIÊN CỨU

1.3.1 TRONG LĨNH VỰC THÁM HIỂM

Robot tự hành được sử dụng nhiều trong lĩnh vực thám hiểm ở những nơi mà con người không thể trực tiếp làm được hoặc những nơi nguy hiểm : sao hỏa, miệng núi lửa, càc lò hạt nhân,

Hình 1.1 : Robot làm việc trên Sao hỏa

1.3.2 TRONG LĨNH VỰC CÔNG NGHIỆP

Những robot có thể làm nhiều công việc khác nhau như : robot sơn, robot vận chuyển, các robot được trang bị thêm các thiết bị để hỗ trợ cho robot hoàn thành tốt các nhiệm vụ được giao

Hình 1.2 : Robot tự hành trong công nghiệp

Hình 1.3 : Robot tự hành có trang bị thêm tay máy

1.3.3 MỘT SỐ ỨNG DỤNG TRONG SINH HOẠT

(a) (b) (c)

Hình 1.4

Hình 1.4(a) : Xe lăn cho bệnh nhân mù

Hình 1.4(b) : Đai thắt lưng cho người mù

Hình 1.4(c) : Gậy cho người mù

Hình 1.5 Robot chó

CHƯƠNG 2

THIẾT KẾ ROBOT TỰ HÀNH TRÁNH VẬT CẢN

2.2.2 Tính công suất và chọn động cơ truyền động 13 KẾT LUẬN

CHƯƠNG 2

THIẾT KẾ ROBOT TỰ HÀNH TRÁNH VẬT CẢN

2.1 ĐỘNG LỰC HỌC ROBOT

2.1.1 KẾT CẤU KHUNG ROBOT

Yêu cầu đặt ra đối với Robot là chỉ đi trên mặt phẳng, không gồ ghề nên chỉ chọn loại Robot sử dụng bánh xe tròn là có thể thỏa mãn yêu cầu Để đơn giản mà lại có hiệu quả trong việc thực hiện nên chọn loại xe có 2 bánh chủ động đồng thời là bánh lái (được truyền động bằng 2 động

cơ bước), bánh bị động cũng là bánh bị lái có kết cấu như sau:

Hình 2.1 Kết cấu phần cơ khí của xe

Kết cấu chọn là 3 bánh vì có các ưu điểm sau:

- Không dùng hệ thống truyền động vi sai

- Tiếp xúc mặt đường tốt do 3 bánh tạo nên một mặt phẳng

- Do bánh xe sau có hai bậc tự do (một chuyển động quay quanh trục của nó, một chuyển động quay quanh trục vuông góc với trục của

bánh xe ), có thể quay mọi phương Vì vậy không cản trở việc quay của bánh xe dẫn động

- Xe chuyển động được nhờ hai môtơ nên momen kéo tăng gấp đôi Với kết cấu truyền động như trên ta có thể chọn loại động cơ: Môtơ thường (AC hoặc DC) hoặc động cơ bước

Nhưng do yêu cầu của bài toán đặt ra là robot phải xác định khoảng cách từ vật cản đến roboti nên việc dùng động cơ bước để điều khiển thì thuận lợi hơn Do đó ta chọn động cơ bước làm hai độgn cơ truyền động cho robot tự hành tránh vật cản

2.1.2 BÁNH TRƯỚC (bánh bị lái)

Hình 2.2: Hình chiều bằng của xe

Với góc lái hằng số, nếu xe di chuyển với một vận tốc không đổi dọc theo môt cung tròn có chiều dài Δs thì bán kính lái Rs là:

Rs = W/sin(φ) (2-1) Với cung tròn có bán kính này, góc ΔΨs = ΔS/Rs (2-2) Thay phương trình (1) vào (2) ta được ΔΨs = ΔS.sinφ/Rs (2-3) Với hệ tọa độ địa phương(hệ toạ độ gắn với khung xe) góc của nó là điểm tiếp xúc tưởng tượng của bánh bị lái với mặt đất và trục hoành

Điểm vi sai D Điểm bị lái s

W

của hệ toạ độ này được đặt dọc theo trục của bánh bị lái, khoảng cách theo phương x:

Δx=RssinΔΨs (2-4) và khoảng cách theo phương y Δy = Rs( 1- cos ΔΨs) (2-5)

Hình 2.4: Khoảng cách mà bánh trước di chuyển được chiếu lên

hệ toạ độ gắn với xe

Đường đi của bánh bị lái

Hình 2.3: Bánh bị lái di chuyển dọc theo cung tròn

ΔXChiều dài di chuyển

được của bánh bị lái

sau khi biến đổi ta có:

y

w

s w

x

φφ

φφ

sin.cos1sinsin

sin.sinsin

Trong hệ tọa độ toàn cục, chúng ta muốn xác định sự thay đổi tương đối ΔX, ΔY, Với bánh bị lái ΔX, ΔY được cho bởi:

Δ

−Δ

φψ

s

s

y x

y x Y

X

sincos

Với điểm bị lái được cho bởi:

( ) ( )

Δ+

i s

i s

i s

X Y

X

ψψ

ψ

1 1 1

Vị trí của điểm vi sai được cho bởi:

si Di

Di

W Y

X Y

X

ψ

ψsincos

2.1.3 BÁNH SAU

Đoạn đường di được ΔSi của hai bánh sau có thể được biểu diễn như một hàm theo bán kính RD của đường tròn và góc Δψ Điểm tham chiếu chính xác được đặt trên đường thẳng chính giữa đi qua điểm vi sai nằm giữa hai bánh

Giả thuyết vận tốc quay không đổi cho mỗi bánh, đoạn đường di chuyển của bánh trái là:

(2-6) (2-7)

(2-8)

(2-9)

(2-10)

(2-11)

ψ2

T R

S D (2-12)

Bán kính quay tại điểm vi sai có được bằng cách cộng (11) và (12)

ta được :

ψ.2

2 1Δ

Δ+Δ

R D (2-13) Góc lái có thể biểu diễn như sau

Kết hợp (13) và (14) ta được :

Hình 2.5: Tính toán bánh sau

1 2

2 1

S S T

R D

Δ

−Δ

Δ+Δ

•

=

Ta thấy rằng khi đoạn đường di chuyển của bánh trái và bánh phải là như nhau, thì mẫu số bằng không và RD = ∞ Với hệ toạ độ địa phương điểm 0 được định nghĩa như hình Đoạn đường di chuyển trong hệ tọa độ này là

Δ

−Δ

cos

x y

y x Y

X

Vì vậy vị trí sau cùng của điểm vi sai

( ) ( )

i D

i D

i D

X Y

X

ψψ

ψ

) 1 ( 1 1

Vị trí tâm quay tức thời

Di si

si

W Y

X Y

X

ψ

ψsincos

Góc lái tại thời điểm k

tgφ = W/RD (2-21)

C S

S

S S T

Δ

−Δ

=

2 1

2 1

Sử dụng phương pháp Newton – Rhapson, chúng ta có thể tích phân lập để ước lượng nhanh chống góc lái dựa vào việc đo góc quay của hai bánh lái

k k

φφ

φ

φ

sin.cos

cos.sin

1

2.2 ĐỘNG LỰC HỌC ROBOT

2.2.1 LỰC TÁC ĐỘNG LÊN BÁNH XE

Khi bánh xe chuyển động trên một mặt phẳng có hai lực ngược chiều nhau : ma sát lăn và lực cản không khí Fd Ngoài ra còn có lực Fa (lực do gia tốc tạo ra) và nếu xe di chuyển leo lên một đoạn dốc khi đó sẽ có thêm lực Fg để thắng khối lượng xe Tổng các lực tác động lên bánh xe là

Ft :

g d r a

t F F F F

+++

= (2-25) Lực ma sát cản trở chuyển động Fr :

Fr = Fms = k.m.g (2-26)

k : hệ số ma sát

m : khối lượng xe

Cd : là hệ số cản phụ thuộc vào hình dáng

Bảng hệ số cản Cd

(2-24)

θ : là góc của dốc so với mặt phẳng (0)

s : là % dốc

W: Trọng lượng xe

Điều kiện biên của chuyển động xe :

- Xe di chuyển với tốc độ chậm nhỏ do đó có thể bỏ qua các lực cản không khí và lực Fa

- Xe chuyển động trên mặt phẳng nằm ngang nên không có lực Fg

Vì vậy, khi tính công suất và moment xoắn, lực Ft chỉ còn lại lực ma sát 2.2.2 TÍNH CÔNG SUẤT VÀ CHỌN ĐỘNG CƠ TRUYỀN ĐỘNG

T = Fms d/2 (2-29) Công suất :

510

η :công suất bộ truyền đai răng :

Modun được xác định theo công thức :

3

1

1

35

n

P

m=

P1 : công suất trên bánh đai chủ động [KW]

n1 : số vòng quay của bánh đai chủ động [vg/ph]

Số răng bánh đai :

2

1 2

max min

2

25

,

0

z z m

a

m z

z a

a a

a

+

=

++

z z z z p

a

.402

+

++

(2-35)

(2-36)

Sau khi tính được Lđ, ta tính lại khoảng cách trục theo công thức :

( 2 8 2)

4

14

2 1

2 1

z z

m

z z p

.180

360

2 1 1

1 1

0

z z m

(2-41) (2-42) (2-38)

KẾT LUẬN

Kết cấu khung robot chọn xe 3 bánh với 2 bánh trước lá bánh chủ động và là bánh lái, bánh sau là bánh bị động đồng thời là bánh bị lái Hai động cơ turyền động là hai động cơ bước 2 pha

Động học robot tính toán vị trí, vận tốc của robot trong hai hệ toạ độ: toàn cục ( hệ quy qui chiếu là trái đất), cục bộ ( hệ qui chiếu là khung robot) Động lực học tính toán lực cần thiết đển truyền động, tính bộ truyền bánh răng

CHƯƠNG 3

ĐIỀU KHIỂN ROBOT

3.1.1 Các loại cảm biến đo khoảng cách dựa trên thời gian truyền

3.1.2 Các loại cảm biến đo khoảng cách dựa trên kỹ thuật thay đổi

3.3 SƠ ĐỒ MẠCH ĐIỀU KHIỂN VÀ XỬ LÝ TÍN HIỆU 35

KẾT LUẬN

CHƯƠNG 3

ĐIỀU KHIỂN ROBOT

3.1 CÁC LOẠI CẢM BIẾN DÙNG TRONG ROBOT

3.1.1 CÁC LOẠI CẢM BIẾN ĐO KHOẢNG CÁCH DỰA TRÊN THỜI GIAN TRUYỀN (time of flight - TOF)

Ngày nay, có nhiều loại cảm biến đo khoảng cách sử dụng phương pháp thời gian truyền Các xung đo được là năng lượng siêu âm hay quang Do đó các tham số có liên quan đến tính toán khoảng khoảng cách là vận tốc âm thanh trong không khí (khoảng 0,3m/ms) và vận tốc của ánh sáng (0,3m/ns) Khoảng cách được tính theo công thức sau:

d = v.t (3-1)

d: khoảng cách giữa thiết bị tuyền nhận và đối tượng

v: vận tốc truyền

t: thời gian truyền

Thời gian đo được là thời gian di chuyển đi và về, do đó ta phải chia

2 khi tính toán khoảng cách

Các nguyên nhân chính gây ra lỗi đối hệ thống TOF:

- Sự thay đổi vận tốc truyền, đặc biệt trong các trường hợp hệ thống âm thanh

- Việc xác định thời gian của xung phản xạ không chính xác

- Sự không chính xác trong các mạch điện được sử dụng để tính thời gian truyền

- Sự ảnh hưởng của sóng nhiễu bởi bề mặt đích

a) Các hệ thống TOF siêu âm

Ngày nay, các loại TOF siêu âm là kỹ thuật thông dụng nhất được sử dụng trên các hệ thống robot di chuyển trong nhà, các hệ thống này có sẵn với chi phí thấp, và không ràng buộc giao tiếp với chúng Chúng được sử dụng rộng rải trong các lĩnh vực như mô hình hóa thế giới, tránh sự va chạm, sự ước lượng vị trí và tìm đường di chuyển Sau đây là hai hệ thống siêu âm có sẵn mang tính thương mại:

a.1 Các hệ thống modul đo khoảng cách siêu âm của MASSA

PRODUCTS

Công ty đưa ra một bộ đầy đủ các hệ thống siêu âm có khoảng

cách tìm lớn nhất từ 0,6 đến 9,1 m Bộ E201B hoạt động ở chế độ

lưỡng tĩnh ( bistatic) có bộ phận nhận và bộ phần truyền riêng rẽ hoặc

cùng một vỏ bọc đối với loại phản hồi hoặc một cặp riêng biệt đối với

loại xác định khoảng cách giữa hai điểm xác định Bộ E220B được thiết

kế cho hoạt động tĩnh (monostatic)(một máy biến năng), nhưng có tính

E 220B/40

E 220B/26

Đơn

vị Khoảng cách 10 – 61 20 – 152 61 – 610 61 – 914 cm

4 –24 8 – 60 24 – 240 14 – 360 in

a.2 Bộ modul đo khoảng cách siêu âm Polaroid

Modul siêu âm Polariod là một thiết bị hoạt động dựa trên TOF đã

được sử dụng cho việc điều chỉnh tiêu cự camera tự động, mà hệ thống

này xác định khoảng cách đến mục tiêu bằng việc đo thời gian trôi qua

giữa lúc truyền tín hiệu siêu âm và nhận tín hiệu phản xạ Hệ thống

này được sử dụng rộng rãi trong các robot di chuyển Loại này có thể

đo khoảng cách từ 41 cm -:- 10.5 m

Cảm biến siêu âm Polaroid 6500 series

Cấu hình đơn giản nhất gồm có hai thành phần :

’ Bộ chuyển đổi siêu âm (Ultrasonic transducer)

’ Module xác định khoảng cách (Ranging Module Electronics)

Hình 3.1: Kit Polaroid OEM

Polaroid Ultrasonic Ranging System sử dụng module 6500 và bộ chuyển đổi tĩnh điện (Electrostatic trasducer) như là máy phát sóng tín hiệu có tần số cao Sóng âm từ bộ chuyển đổi phát ra dưới dạng hình nón hẹp và phản hồi trở về bộ chuyển đổi từ vật cản trên cùng một đường

Đặc điểm :

- Khoảng đo 6 inches (15,24cm) đến 35 feet (10,5m)

- Tần số bộ chuyển đổi 50 KHz

- Nguồn cung cấp 5 Vdc

- Có khả năng đo ở chế độ Multi-echo

- Có thể điều chỉnh độ lợi

Bộ chuyển đổi

Hình 3.2: Bộ biến năng tĩnh điện mức của thiết bị Polaroid

Module đo khoảng cách 6500

Hình 3.3: Sơ đồ mạch của Module đo khoảng cách 6500

Module 6500 là một module đo khoảng cách bằng siêu âm có tính kinh tế mà nó có thể hoạt động với tất cả các bộ chuyển đổi tĩnh điện mà không cần thêm mạch giao tiếp nào Độ chính xác thông thường bằng +/-1% khoảng cách đo được

Hoạt động của module 6500 :

Có hai chế độ hoạt động : Single-echo và Multi-echo

Single-echo

Hình 3.4: Sơ đồ thời gian của module tính khoảng cách 6500

Hình 3.2

Sau khi cung cấp nguồn Vcc khoảng 5ms trước khi ngõ vào INIT lên mức cao Trong suốt thời gian này, mạch được reset Khi chân INIT lên mức cao, bộ chuyển đổi XDCR bắt đầu làm việc Lúc này bộ chuyển đổi bắt đầu phát 16 xung có tần số 49,4 KHz với biên độ 400V sau khi phát xong 16 xung, bộ chuyển đổi chuyển sang chế độ hoạt động tối

ưu tín hiệu được truyền đi và phản hồi về khoảng 0,9μs/foot Tín hiệu phản hồi được khuếch đại và kích ngõ ra ECHO lên mức cao Thời gian giữa lúc chân INIT lên mức cao và chân ECHO lên mức cao tỷ lệ với khoảng cách từ bộ chuyển đổi đến vật cản

b) Các hệ thống TOF dựa trên laser

Các hệ thống đo khoảng cách TOF dựa trên laser, như rada, lần đầu tiên được thực hiện tại phòng thi nghiệm Jet Propulsion, Pasadena,

CA, vào năm 1970 đối với hệ thống này ta dùng vận tốc ánh sáng để

tính toán thời gian Độ chính xác của loại cảm biến này có thể đạt được vài cm/ 1 -:- 5 m

SEO scanning Helicopter interference envelope laser detector (SHIELD)

Hệ thống này đã được phát triển trong quân đội My,õ để phát hiện một vật trong bán kính 60m bên dưới máy bay thực thăng Bộ phận phát là một diode GaAS và bộ phận thu là mộ diode quang Một vật cản tìm thấy được hiển thị trên một màn hình 5.5 inch

Các đặc tính kỹ thuật của scanning Helicopter interference envelope laser detector

Khỏang cách lớn nhất >60 m

φ: sự thay đổi pha

d: khoảng cách đến mục tiêu

λ: bước sóng

Khoảng cách đến mục tiêu được tính theo công thức sau:

f

c d

4

4

π

φπ

λ

= (3-3) Trong đó f là tần số

Đối với các hệ thống siêu âm sử dụng sóng vuông có tần số tương đối thấp (20 đến 200kHz), sự khác pha giữa sóng vào và ra có thể được đo bằng một mạch tuyến tính đơn giản như ở hình 3.7 Tín hiệu ra của cổng XOR luôn ở mức cao thậm chí khi các tín hiệu vào ở các mức trái ngược nhau, tạo ra một hiệu điện thế ở tụ C tỉ lệ thuận với sự thay đổi pha Ví dụ khi hai tín hiệu vào cùng pha, tín hiệu ra có mức thấp và

V = 0

Hình 3.6: Sự liên hệ giữa dạng sóng ra và phản xạ, trong đó x là

khoảng cách tương ứng với sự thay đối pha

Bề mặt

Hình 3.7: Mạch đo sự thay đổi pha

Tín hiệu ra lớn nhất xuất hiện khi φ = 1800 Sự thay đổi pha giữa sóng hình sin đi và về có thể đo được bằng cách nhân hai tín hiệu với nhau trong một bộ trộn điện tử, sau đó lấy giá trị trung bình trong nhiều lần Quá trình phân tích này có thể tốn nhiếu thời gian, khó có thề đạt được tốc độ cập nhật nhanh

c) Hệ thống đo khoảng cách quang học ESP

Bộ tìm khoảng cách hồng ngoại có chi phí thấp đã được triển khai vào năm 1989 bằng công nghệ ESP, Inc, Lawrenceville, NJ (ESP), cho việc sử dụng các robot tự động trong các nhà máy và trong các môi trường tương tự Một LED phát 820nm được sử dụng để tạo một tia truyền có đường kính 2,5cm Bức xạ phản xạ được tập trung bằng một thấu kính Fresnel đồng trục có đường kính 10cm vào một bộ tìm quang Sự thay đổi pha đo được thì tỉ lệ với khoảng cách đi-về Hệ thống đo khoảng cách cho ra 3 tín hiệu: Tín hiệu góc của mục tiêu, tín hiệu khoảng cách, tín hiệu điều khiển thu tự động Tín hiệu ra của ORS-1 AGC thì tỉ lệ ngược với cường độ tín hiệu nhận được và cung cấp thông tin về tính phản xạ hồng ngoại của mục tiêu Khoảng cách thu được chỉ có thể sử dụng được khi tín hiệu thu tương ứng ở trong khoảng hoạt động cho trước Một gương quay được đặt lệch một góc

450 so với trục quang học cung cấp một vùng toạ độ cực 3600 Nó được điều khiển từ 1 dến 2 vòng/s bằng một môtô có lắp một bộ mã hoá và một cảm biến quang học để báo hiệu việc hoàn thành một vòng quay

R

c

Cổng XORLệch pha

V

Hình 3.8 : Sơ đồ khối của hệ thống đo khoảng cách ORS-1

Hình 3.9: Hệ thống đo khoảng cách ORS-1

Tâm quayGương

Ánh sáng phản xạ trở Ánh sáng

ra

Thấu kính

Thấu kính Bộ phận phát hiện

Môtơ

3.2 CÁC PHƯƠNG PHÁP ĐIỀU KHIỂN ĐỘNG CƠ BƯỚC

3.2.1 ĐỘNG CƠ BƯỚC

Động Cơ Bước Có Từ Trở Thay Đổi

Hình 3.10: Mạch nguyên lý động cơ bước có từ trở thay đổi

Các tín hiệu điều khiển dùng để đóng mở các khóa cho phép cung cấp năng lượng cho động cơ quay

Cuộn dây motor, cuộn solenoid và các thiết bị tương tự khi làm việc thường gây ra hiện tượng cảm ứng, và như vậy cuộn dây không thể tăng hoặc giảm một cách đột ngột Khi ta đóng, ngắt các khóa tương tự cũng sinh ra hiện tượng cảm ứng điện từ, dòng điện cảm ứng này có thể làm hại các khóa

Hình 3.11: Đồ thị đáp ứng dòng điện

Hình 3.12: Cách khắc phục hiện tượng cảm ứng

Thực tếLý thuyết

Họ Diode có thể sử dụng ở đây : 1N400X

Giá trị tụ C được xác định như sau :

C > LI2/(Vb – Vs)2 (3-4)

L : trở kháng của cuộn dây

I : dòng điện qua cuộn dây motor

Vb : điện áp đánh thủng của khóa

Vs : điện áp nguồn cung cấp

Đối với thường hợp dùng tụ C phải chú ý đến hiện tượng cộng hưởng,

nếu xảy ra có thể làm giảm moment của động cơ một cánh nhanh chóng Động Cơ Bước Nam Châm Vĩnh Cửu Và Động Cơ Hỗn Hợp

Hình 3.13: Mạch điều khiển chung

Cũng tương tự trường hợp trên ta cũng có hai cách mắc :

Hình 3.14: Cách khắc phục hiện tượng cảm ứng

Động Cơ Bước Lưỡng Cực Và Cầu H

supply

signals control

supply

X supply

control

signals

C?

Điều khiển động cơ bước lưỡng cực thì phức tâp hơn nhiều vì không có điểm giữa ở mỗi cuộn dây motor Để đảo chiều từ trường ta phải sử dụng cầu H

Hình 3.15: Mạch cầu

Một số mạch cầu H được tích hợp thành những IC chuyên dùng Ví dụ

IC L293 của hãng SGS – Thompson được ghép trong nó hai mạch cầu

H, nhưng nó chưa có diode bảo vệ Do đó cần mắc thêm diode 1N4001 để bảo vệ mạch cầu

Một ví dụ về mạch điều khiển động cơ bước lưỡng cực

Hình 3.16: Mạch điều khiển động cơ bước lưỡng cực

+5 +5

VCC

BD679

BD679 1N4007

1N4007 1N5408

supply

3.2.2 PHƯƠNG PHÁP ĐIỀU KHIỂN ĐỘNG CƠ :

Phương pháp điều khiển đơn cực : chiều dòng điện qua các cuộn dây không đổi

Phương pháp điều khiển lưỡng cực : chiều dòng điện trong cuộn dây thay đổi

Cả hai phương pháp điều khiển đơn cực và điều khiển lưỡng cực đều có những ưu và nhươc điểm sau:

Điều khiển đơn cực :

Ưu điểm:

♦ Thường được sử dụng cho các mạch công suất thấp

♦ Có cấu trúc mạch điều khiển đơn giản

♦ Chi phí tính cho một phần tử tạo công suất nhỏ là không đáng kể

Nhược điểm:

♦ Số cuộn dây đồng thời có dòng điện chạy qua tối đa là 50%

♦ Sự tổn thất công suất tăng do sử dụng điện trở phụ ở trong mạch công suất

♦ Sự giảm dòng điện bằng sự gia tăng điện trở làm tăng quá trình đốt nóng động cơ

Điều khiển lưỡng cực : được sử dụng chủ yếu ở các mạch công suất lớn và những mạch có yêu cầu về tính động lực cao

Ưu điểm:

♦ Dòng điện đồng thời có thể được dẫn đến tất cả cuộn dây

♦ Không có chi phí thêm trên mỗi phần tử tạo công suất ở bộ điều chỉnh dòng

♦ Tổn hao công suất nhỏ không đáng kể

♦ Trong chế độ điều chỉnh dòng điện, không có sự phụ thuộc nhiệt độ của dòng điện