Thiết kế, chế tạo và điều khiển Robot dò line (LINE FOLLOWING ROBOT)

Việc nắm vững những nguyên tắc cơ bản, cũng như từng bước thực hiện một tập tài liệu trong “Đồ án thiết kế hệ thống cơ điện tử” và những gì mình đã thực hiện là một yếu tố cực kỳ quan trọng và cần thiết đối với mỗi kỹ sư, đặc biệt là kỹ sư cơ điện tử. Những yêu cầu về việc hoàn thành đồ án môn học đã được thầy Phùng Trí Công truyền đạt và hướng dẫn rất tận tâm trong những tiết báo cáo. Ngoài những kiến thức quan trọng, chúng em còn cảm nhận được sự tận tâm và lo lắng của thầy dành cho các nhóm đồ án nói riêng cũng như toàn thể sinh viên cơ điện tử nói chung. Chúng em muốn gửi lời cảm ơn sâu sắc đến thầy cũng như sự hướng dẫn tận tâm và bổ ích của thầy. Điểm số có thể quan trọng nhưng điều quan trọng nhất là việc thầy đã cho chúng em cảm nhận được sự quan tâm của thầy đến với chúng em và mong cho chúng em đạt được kết quả cao nhất. Bài báo cáo này với đề bài là: “Thiết kế, chế tạo và điều khiển Robot dò line (LINE FOLLOWING ROBOT”. Qua quá tình thực hiện đồ án, chúng em đã thu nhận được thêm rất nhiều kiến thức và thông tin bổ ích liên quan đến lĩnh vực mình dang học và cách để thực hiện một dự án theo hướng của “Thiết kế hệ thống Cơ điện tử”. Chúng em xin chân thành cảm ơn bộ môn Cơ điện tử trường Đại học Bách Khoa TPHCM, đã tạo điều kiện cho chúng em thực hiện đồ án môn học.

Bài báo cáo này với đề bài là: “Thiết kế, chế tạo và điều khiển Robot dò line (LINE FOLLOWING ROBOT” Qua quá tình thực hiện đồ án, chúng em đã thu nhận được thêm

rất nhiều kiến thức và thông tin bổ ích liên quan đến lĩnh vực mình dang học và cách để

thực hiện một dự án theo hướng của “Thiết kế hệ thống Cơ điện tử” Chúng em xin chân

thành cảm ơn bộ môn Cơ điện tử - trường Đại học Bách Khoa TPHCM, đã tạo điều kiện cho chúng em thực hiện đồ án môn học

Chúng em cũng xin cảm ơn các thầy/cô ở các xưởng gia công ở C1 đã tạo điều kiện cho chúng em sử dụng máy để gia công các chi tiết cần thiết

Mặc dù trong quá trình tìm hiểu, nhóm đã tham khảo qua rất nhiều tài liệu để hoàn thành được bài báo cáo này, song có thể không tránh khỏi một vài thiết sót và hạn chế Rất mong nhận được những lời góp ý và nhận xét từ các thầy

Nhóm chúng em xin chân thành cảm ơn

Nhóm thực hiện

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN 1

1.1 Giới thiệu đồ án và nghiên cứu các mô hình trong và ngoài nước 1

1.1.1 Phân tích Usain Volt 2.0 Robot 3

1.1.2 Phân tích TABAR Robot 4

1.1.3 Phân tích Sunfounder PiCar – S 5

1.1.4 Phân tích Pinto Robot 6

1.1.5 Phân tích Chariot Robot 7

1.1.6 Phân tích Pika Robot 8

1.2 Nhận xét, ưu điểm và nhược điểm của các mô hình Robot được trích dẫn 9

1.2.1 Về cơ khí 9

1.2.2 Về điện 14

1.2.3 Về điều khiển 18

1.3 Đặt đề bài 18

CHƯƠNG 2: LỰA CHỌN PHƯƠNG ÁN 20

2.1 Lựa chọn phương án cơ khí 20

2.2 Lựa chọn phương án điện 21

2.2.1 Lựa chọn cảm biến 22

2.2.2 Lựa chọn động cơ 25

2.2.3 Lựa chọn vi điều khiển 25

2.3 Lựa chọn cấu trúc điều khiển 26

2.4 Phương án thiết kế bộ điều khiển 27

2.5 Tổng hợp lựa chọn phương án 27

2.5.1 Phương án thiết kế chung 27

2.5.2 Phương án thiết kế cơ khí 27

2.5.3 Phương án thiết kế điện 28

2.5.4 Phương án điều khiển 28

CHƯƠNG 3: TÍNH TOÁN THIẾT KẾ CƠ KHÍ 29

3.1 Tính toán kích thước xe 29

3.2 Tính toán lựa chọn công suất động cơ dẫn động 34

CHƯƠNG 4: MÔ HÌNH HÓA HỆ THỐNG 41

4.1 Phân tích lựa chọn mô hình tính toán 41

4.2 Xây dựng phương trình động học của Robot 41

4.2.1 Mô hình bài toán động học 42

4.2.2 Mô hình toán xác định sai số 44

4.3 Xây dựng hàm truyền động cơ 46

CHƯƠNG 5: THIẾT KẾ BỘ ĐIỀU KHIỂN 48

5.1 Tiêu chí lựa chọn bộ điều khiển và thiết kế bộ điều khiển 48

5.2 Xây dựng bộ điều khiển mô hình toán 49

5.2.1 Bài toán bám line 49

5.2.2 Động cơ 53

CHƯƠNG 6: THIẾT KẾ HỆ THỐNG ĐIỆN CHO ROBOT 55

6.1 Tính toán thiết kế cảm biến 55

6.1.1 Thông số kỹ thuật cảm biến TCRT5000 55

6.1.2 Tính toán điện trở cho cảm biến 56

6.1.3 Xác định cách gá đặt cảm biến 57

6.1.4 Xác định chiều cao đặt cảm biến 58

6.1.5 Khoảng cách giữa các cảm biến 60

6.1.7 Phương pháp trung bình trọng số 65

6.1.8 Thực hiện xây dựng mạch cảm biến 70

6.2 Lựa chọn các linh kiện và thiết bị điện phù hợp 71

6.2.1 Lựa chọn driver động cơ dẫn động 71

6.2.2 Tính toán số pin 72

6.3 Sơ đầu nguyên lý hệ thống điện và các module chức năng 75

6.4 Lưu đồ giải thuật điều khiển 82

6.4.1 Lưu đồ giải thuật điều khiển khối master 82

6.4.2 Lưu đồ giải thuật điều khiển khối slave 1 83

6.4.3 Lưu đồ giải thuật điều khiển khối slave 2 84

CHƯƠNG 7: MÔ PHỎNG CHUYỂN ĐỘNG CỦA ROBOT 88

7.1 Kết quả mô phỏng chuyển động của Robot 88

7.1.1 Kết quả mô phỏng chuyển động của Robot chưa kèm nhiễu 88

7.2 Nhận xét kết quả mô phỏng 93

CHƯƠNG 8: KẾT LUẬN 94

8.1 Kết quả thực nghiệm 94

8.2 Nhận xét giữa kết quả mô phỏng và kết quả thực nghiệm 94

8.3 Kết luận và định hướng phát triển đề tài 94

TÀI LIỆU THAM KHẢO 95

DANH SÁCH CÁC HÌNH VẼ CHƯƠNG 1

Hình 1.1 Sa bàn di chuyển của Robot 2

Hình 1.2 Usain Volt 2.0 3

Hình 1.3 Sơ đồ nguyên lý Robot Usain Volt 3

Hình 1.4 Robot dò line TABAR 4

Hình 1.5 Sơ đồ nguyên lý Robot TABAR 5

Hình 1.6 Bố trí cảm biến cho Robot TABAR 5

Hình 1.7 Sunfounder Picar - S 5

Hình 1.8 Sơ đồ nguyên lý của Robot SunFounder Picar - S 6

Hình 1.9 Robot Pinto 6

Hình 1.10 Sơ đồ nguyên lý của Robot Pinto 7

Hình 1.11 Bên trong Robot Pinto 7

Hình 1.12 Robot Chariot 8

Hình 1.13 Sơ đồ nguyên lý Robot Chariot 8

Hình 1.14 Sơ đồ nguyên lý Robot Pika 9

CHƯƠNG 2 Hình 2.1 Sơ đồ nguyên lý các loại Robot 3 bánh 20

Hình 2.2 Sơ đồ nguyên lý các loại xe 4 bánh 21

Hình 2.3 Sơ đồ nguyên lý cơ khí được chọn 28

CHƯƠNG 3 Hình 3.1 Mô hình động lực học của xe ở trạng thái tĩnh 29

Hình 3.2 Mô hình động học của xe khi vào cua 31

Hình 3.4 Mô hình để tính toán cân bằng moment khi vào cua 32

Hình 3.5 Mô hình phân tích động lực học bánh xe 34

Hình 3.6 Mô hình xe khi bẻ lái 37

Hình 3.7 Các thành phần gia tốc tác dụng lên hai xe trước 38

Hình 3.8 Lực ma sát tác dụng lên 2 bánh xe trước 38

Hình 3.9 Các thành phần gia tốc tác đụng lên 2 bánh trước sao cho  đạt giá trị lớn nhất 40

CHƯƠNG 4 Hình 4.1 Mô hình toán của robot dò line 41

Hình 4.2 Sa bàn được cung cấp 44

CHƯƠNG 5 Hình 5.1 Chuỗi điều khiển của hệ thống 49

Hình 5.2 Sơ đồ điều khiển bám line 51

Hình 5.3 Đáp ứng động cơ với các hệ số PI đã tìm được 54

CHƯƠNG 6 Hình 6.1 Kích thước cảm biến TCRT5000 55

Hình 6.2 Sơ đồ mạch cảm biến TCRT5000 56

Hình 6.3 Đặc tuyến V CE, I F, I C 56

Hình 6.4 Hai cách bố trí cảm biến và so sánh khoảng cách X d của chúng 57

Hình 6.5 Mô hình biểu diễn vùng thu phát của TCRT5000 58

Hình 6.6 Phân tích vùng thu phát của cảm biến TCRT5000 58

Hình 6.7 Giá trị ADC của cảm biến tương ứng với nền trắng và nền đen với các khoảng

cách so với mặt sa bàn 59

Hình 6.8 Giá trị ADC của cám biến khi đi ngang qua đường line ứng với các độ cao từ ( ) 9 12,5 mm− 60

Hình 6.9 Sơ đồ hình học biểu diễn vùng phát và vùng thu tại chiều cao h của cảm biến TCRT5000 61

Hình 6.10 Khoảng cách tối thiểu giữa 2 cảm biến nằm cạnh nhau 61

Hình 6.11 Mô hình biểu diễn trường hợp 2 cảm biến có vùng phát hiện trong line 62

Hình 6.12 Mô hình biểu diễn trường hợp 3 cảm biến có vùng phát hiện nằm trong line 63 Hình 6.13 Biểu đồ quan hệ giữa giá trị khoảng cách thực tế so với đường tâm line và giá trị trung bình trọng số tại độ cao h=13(mm) 69

Hình 6.14 Mô hình bố trí cảm biến dùng cho Robot (chính diện) 70

Hình 6.15 Mô hình bố trí cảm biến dùng cho Robot (từ trên xuống) 70

Hình 6.16 Sơ đồ đấu dây mạch diện cảm biến 71

Hình 6.17 Mạch điện được xây dụng Altium 71

Hình 6.18 Mạch Altium của mạch cách ly 2 kênh 77

Hình 6.19 Mạch nguyên lý mạch cách ly 2 kênh 78

Hình 6.20 Kết quả thực nghiệm lựa chọn điện trở R2 cho mạch cách ly 78

Hình 6.21 Khối nguồn của mạch điện hệ thống 78

Hình 6.22 Khối cảm biến của mạch điện hệ thống 79

Hình 6.23 Khối vi điều khiển Master của mạch điện hệ thống 79

Hình 6.24 Khối vi điều khiển Slave 1 của mạch điện hệ thống dùng đọc và xử lý tín hiệu từ cảm biến 80

80

Hình 6.26 Khối Driver của mạch điện hệ thống 81

Hình 6.27 Khối động cơ của mạch điện hệ thống 81

Hình 6.28 Khối mạch cách ly nguồn của mạch điện hệ thống 82

Hình 6.29 Lưu đồ giải thuật khối Master 85

Hình 6.30 Lưu đồ giải thuật khối Slave 1 86

Hình 6.31 Lưu đồ giải thuật khối Slave 2 87

CHƯƠNG 7 Hình 7.1 Kết quả mô hình hóa Robot dò line theo sa bàn chưa kèm nhiễu 88

Hình 7.2 Sai số của tâm cảm biến so với đường tâm line chưa kèm nhiễu 89

Hình 7.3 Đáp ứng vận tốc góc của động cơ RC lái bánh trước chưa kèm nhiễu 89

Hình 7.4 Đáp ứng vận tốc của động cơ DC dẫn động bánh sau chưa kèm nhiễu 90

Hình 7.5 Kết quả mô hình hóa Robot dò line theo sa bàn kèm nhiễu 91

Hình 7.6 Sai số của tâm cảm biến so với đường tâm line kèm nhiễu 91

Hình 7.7 Đáp ứng vận tốc của động cơ RC lái bánh trước kèm nhiễu 92

Hình 7.8 Đáp ứng vận tốc của động cơ DC dẫn động bánh sau kèm nhiễu 92

CHƯƠNG 8 Hình 8.1 Kết quả Robot dò line theo sa bàn thực tế 94

DANH SÁCH CÁC BẢNG BIỂU CHƯƠNG 1

Bảng 1.1 Bảng phân công công việc thực hiện đồ án 2

Bảng 1.2 So sánh ưu và nhược điểm của các mô hình Robot được trích dẫn 9

Bảng 1.3 Bảng so sánh ưu và nhược điểm của một số dạng sơ đồ nguyên lý khác 11

Bảng 1.4 So sánh ưu và nhược điểm của dạng Robot xe dò line 3 và 4 bánh 13

Bảng 1.5 Bảng so sánh các đặc tính của các dòng vi điều khiển thường dùng cho Robot xe dò line 14

Bảng 1.6 So sánh các đặc tính của các dòng cảm biến thường dùng cho Robot xe dò line 15

Bảng 1.7 So sánh các đặc tính của các loại động cơ dẫn động thường dùng cho Robot xe dò line 16

Bảng 1.8 Bảng so sánh đặc tính của các động cơ dẫn hướng thường dùng cho Robot xe dò line 17

CHƯƠNG 2 Bảng 2.1 Lựa chọn phương án cảm biến 22

CHƯƠNG 3 Bảng 3.1 Thông số động cơ dẫn động GA25 đã chọn 36

CHƯƠNG 6 Bảng 6.1 Thông số kỹ thuật của cảm biến TCRT5000 55

Bảng 6.2 Giá trị cảm biến độc về ứng với khoảng cách 13 mm so với bề mặt 64 ( )

Bảng 6.3 Giá trị cảm biến đọc về ứng với khoảng cách 13 mm so với mặt sa bàn 65 ( )

số 65

Bảng 6.5 Thông số kỹ thuật Driver TB6612 72

Bảng 6.6 Thông số kỹ thuật pin 18650 72

Bảng 6.7 Thông số kỹ thuật yêu cầu cho các thiết bị dùng nguồn điều khiển 73

Bảng 6.8 Thông số kỹ thuật yêu cầu cho các thiết bị sử dụng nguồn động lực 74

Bảng 6.9 So sánh giá trị cảm biến để xác định giao lộ 82

DANH SÁCH TỪ VIẾT TẮT

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN 1.1 Giới thiệu đồ án và nghiên cứu các mô hình trong và ngoài nước

Khái niệm:

Robot dò line (Line following Robot) là một dạng robot di động (mobile Robot)

di chuyển bằng các bánh xe Robot sẽ di chuyển bám theo các đường line được kẻ/vẽ/dãn trên bề mặt sa bàn Quỹ đạo di chuyển của Robot phụ thuộc vào sa bàn của

hệ thông các đường line được kẻ/vẽ/dán sẵn

Yêu cầu kỹ thuật Robot:

- Tốc độ di chuyển của Robot: Tối thiểu 0, 2(m s/ )

- Số lượng bánh xe của Robot (bao gồm bánh xe dẫn động và bánh xe bị động) được chọn tùy thuộc vào thiết kế của các nhóm

- Trên Robot được trang bị hệ thống cảm biến để giúp robot nhận biết đường line trên bề mặt sàn/mặt đất và di chuyển bám theo đường line đó Tự chọn loại cảm biến phù hợp

Các điều kiện ràng buộc:

- Đường kính các bánh xe: d 200( )mm

- Số lượng bánh xe(chủ động và bị động): Tùy chọn

- Kích thước tối đa các chiều của robot (dài x rộng x cao):

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN

Hình 1.1 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 như sau:

(START) A → B → C → D → E → B → F → A → G → B → D (END)

Kế hoạch, phân công nhiệm vụ thực hiện:

Thời gian thực hiện trong vòng 15 tuần

Bảng 1.1 Bảng phân công công việc thực hiện đồ án

1 Phan Gia Huy Thiết kế điện (mạch điện điều

khiển, mạch cảm biến), thực hiện test cảm biến và calib cảm biến, hoàn thành bản vẽ điện

2 Phạm Thị Phương Loan Thiết kế cơ khi, thực hiện gia

công lắp đặt các thiết bị, hoàn thành bản vẽ cơ khí, hoàn thành bản vẽ lựa chọn phương án

3 Khưu Nguyễn Hữu Lộc Thiết kế mô hình toán, phân tích

động học/động lực học, thiết kế

Nhóm trưởng

bộ điều khiển bám line, bộ điều khiển động cơ, hoàn thành bản

vẽ cơ khí, hoàn thành bản vẽ lựa chọn phương án

4 Võ Đại Mau Tìm hàm truyền động cơ, lập

trình điều khiển Robot, hoàn thành bản vẽ lưu đồ giải thuật

1.1.1 Phân tích Usain Volt 2.0 Robot

Robot Usain Volt 2.0 được chế tạo để tham gia cuộc thi LVBots Line Following

Contest

Hình 1.2 Usain Volt 2.0

Vận tốc tối đa: 1,1(m s / )

Kết cấu cơ khí:

- Cảm biến: Sử dụng cảm biến hồng ngoại QTR – 3RC

- Khoảng cách giữa các cảm biến: 0,375 inch ( )

- Vi điều khiển: Điều khiển tập trung, dùng vi điều khiển ATmega32U4

AVR

- Driver động cơ: Sử dụng 2 driver DRV8838 cho 2 động cơ dẫn động

1.1.2 Phân tích TABAR Robot

TABAR là robot dò line được thiết kế và thử nghiệm nhằm tham gia cuộc thi Robot dò line tại Tabrize

Hình 1.4 Robot dò line TABAR

Vận tốc tối đa: 0, 4(m s / )

Kết cấu cơ khí:

Hình 1.5 Sơ đồ nguyên lý Robot TABAR

- Cảm biến: Sử dụng cảm biến hồng ngoại TCRT5000

- Khoảng cách giữa 2 cảm biến: 5 cm ( )

Hình 1.6 Bố trí cảm biến cho Robot TABAR

- Vi điều khiển: Điều khiển tập trung, dùng vi điều khiển ATmega16

- Driver động cơ: Sử dụng 1 driver L298 cho cả 2 động cơ

1.1.3 Phân tích Sunfounder PiCar – S

Robot được thiết kế cho việc giáo dục STEM

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN

Kết cấu cơ khí:

Vi sai

Hình 1.8 Sơ đồ nguyên lý của Robot SunFounder Picar - S

- Động cơ dẫn động: 2 động cơ DC servo có hộp số

- Động cơ dẫn hướng: 1 động cơ RC servo

- Bánh xe: 4 bánh, 2 bánh sau chủ động dẫn động, 2 bánh trước bị động

dẫn hướng

Hệ thống điện:

- Cảm biến: Sử dụng cảm biến hồng ngoại TCRT5000

- Vi điều khiển: Sử dụng Raspberry kèm board điều khiển động cơ Robot

HATs

- Driver động cơ: Sử dụng 2 driver động cơ TB6612

1.1.4 Phân tích Pinto Robot

Pinto Robot là Robot của đội đua Grant tham gia cuộc thi Robot dò line LVBots Line Following năm 2015

Hình 1.9 Robot Pinto

Vận tốc tối đa: 0,8(m s / )

Kết cấu cơ khí:

Hình 1.10 Sơ đồ nguyên lý của Robot Pinto

- Động cơ dẫn động: Sử dụng 2 động cơ DC servo

- Dẫn động qua bánh đai

Hình 1.11 Bên trong Robot Pinto

- Bánh xe: 3 bánh, 2 bánh trước dẫn động vừa dẫn hướng, bánh sau bị

động

Hệ thống điện:

- Cảm biến: Sử dụng cảm biến hồng ngoại

1.1.5 Phân tích Chariot Robot

Robot Chariot là robot tham gia cuộc thi LVBots Line Following

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN

Hình 1.12 Robot Chariot

Vận tốc tối đa: 1, 2(m s / )

Kết cấu cơ khí:

Hình 1.13 Sơ đồ nguyên lý Robot Chariot

- Động cơ: Sử dụng 2 động cơ DC servo

- Bánh xe: 3 bánh, 2 bánh sau chủ động dẫn động, dẫn hướng, 1 bánh

Là Robot của đội Mechatron vô địch cuộc thi Cyberbot Line Following năm

2015

Vận tốc tối đa: 2, 7(m s / )

Kết cấu cơ khí:

Hình 1.14 Sơ đồ nguyên lý Robot Pika

- Động cơ: Sử dụng 2 động cơ DC servo

- Số bánh: 4 bánh, 2 bánh sau chủ động dẫn động, dẫn hướng, 2 bánh

trước bị động

Hệ thống điện:

- Cảm biến: Sử dụng cảm biến hồng ngoại

1.2 Nhận xét, ưu điểm và nhược điểm của các mô hình Robot được trích dẫn

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN

Robot Usain Volt TABAR,

Chariot

SunFounder PiCar – S

Pinto

Ưu điểm - Có khả năng

bám đường tốt hơn kết cấu dạng

3 bánh cùng kết cấu (bánh bị động caster cầu)

- Kết cấu cơ khí đơn giản

- Mô hình toán đơn giản, dễ điều khiển

- Mô hình toán đơn giản, dễ điều khiển

- Kết cấu cơ khí đơn giản

- Mô hình toán đơn giản, dễ điều khiển

- Có khả năng bám đường tốt

- Có khả năng vào cua tốt

- Chủ động hơn trong việc điều hướng, giảm bớt

áp lực ở bánh sau

- Khả năng chuyển hướng xe tốt

- Bộ vi sai đã giải quyết vấn đề đồng trục và cùng tốc độ của 2 bánh

xe

- Mô hình toán đơn giản, dễ điều khiển

- Kết cấu cơ khí đơn giản

- Mô hình toán đơn giản, dễ điều khiển

Nhược

điểm

- 2 bánh trước bị động, nên hạn chế khả năng vào cua

- Có khả năng bám đường kém, khi vào cua dễ bị lật

- Kết cấu cơ khí rất phức tạp Khó khăn trong việc thiết kế cơ cấu chuyển hướng

- Có khả năng bám đường kém, khi vào cua dễ bị lật

- Phải đảm bảo đồng phẳng cho

4 bánh xe

- 2 bánh sau vừa dẫn hướng, vừa dẫn động, do đó tạo áp lực lên bánh sau

- Phải đảm bảo đồng trục 2 động

cơ và quay cùng tốc độ khi chạy trên đường thẳng

- 2 bánh sau vừa dẫn hướng, vừa dẫn động, do đó, tạo áp lực lên bánh sau

- Phải đảm bảo đồng trục 2 động

cơ và quay cùng tốc độ khi chạy trên đường thẳng

- Nếu phần sau

xe nặng thì xe dễ

bị bốc đầu

- Phải đảm bảo đồng phẳng cho 4 bánh xe

- Mô hình toán và điều khiển rất phức tạp

- Sử dụng vi sai,

do đó tỉ số truyền của vi sai sẽ ảnh hướng rất nhiều trong việc lựa chọn các thiết bị

- Phải giải quyết vấn đề đồng trục bánh trước

- 2 bánh sau vừa dẫn hướng, vừa dẫn động, do đó, tạo áp lực lên bánh sau

- Phải đảm bảo đồng trục 2 động

cơ và quay cùng tốc độ khi chạy trên đường thẳng

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN

- Có khả năng vào cua tốt

- Chủ động hơn trong việc điều hướng, giảm bớt áp lực ở bánh sau

- Khả năng chuyển hướng xe tốt

- Bộ vi sai đã giải quyết vấn đề đồng trục và cùng tốc độ của 2 bánh xe

trước chủ động dẫn hướng

- Chủ động hơn trong việc điều hướng, giảm bớt áp lực ở bánh sau

- Khả năng chuyển hướng xe tốt

- Bộ vi sai đã giải quyết vấn đề đồng trục và cùng tốc độ của 2 bánh xe

- Chủ động hơn trong việc điều hướng, giảm bớt áp lực ở bánh sau

- Khả năng chuyển hướng

xe tốt

- Bộ vi sai đã giải quyết được vấn đề đồng trục và cùng tốc độ của 2 bánh

xe

- Giải quyết vấn đề trượt bánh khi vào cua, vì 2 bánh nằm ở 2 trục khác nhau

Nhược điểm - Kết cấu cơ khí rất

phức tạp Khó khăn trong việc thiết kế

cơ cấu chuyển hướng

- Phải đảm bảo đồng phẳng cho 4 bánh xe

- Mô hình toán và điều khiển rất phức tạp

- Vì đây là cơ cấu hình bình hành, do

đó khi chuyển hướng thì tốc độ 2

- Kết cấu cơ khí tương đối phức tạp

- Mô hình toán và điều khiển rất phức tạp

- Sử dụng vi sai, do

đó tỉ số truyền của vi sai sẽ ảnh hướng rất nhiều trong việc lựa chọn các thiết bị

- Kết cấu cơ khí rất phức tạp Khó khăn trong việc thiết kế cơ cấu chuyển hưởng

- Phải đảm bảo đồng phẳng cho 4 bánh xe

- Mô hình toán và điều khiển rất phức tạp

- Phải giải quyết bài toán đồng trục của 2 bánh trước

- Sử dụng vi sai, do đó tỉ

số truyền của vi sai sẽ ảnh hưởng rất nhiều trong việc lựa chọn các thiết bị

bánh trước như nhau, do đó bánh xe

bị trượt

- Phải giải quyết vấn đề đồng trục bánh trước

- Sử dụng vi sai, do

đó tỉ số truyền của

vi sai ảnh hưởng rất nhiều trong việc lựa chọn các thiết bị

b Số bánh

Bảng 1.4 So sánh ưu và nhược điểm của dạng Robot xe dò line 3 và 4 bánh

Ưu điểm - Vấn đề đồng phẳng 3 bánh

tương đối đơn giản

- Khi vào cua dễ bị lật

- Mô hình toán tương đối đơn giản, do đó dễ trong việc điều khiển

- Kết cấu cơ khí đơn giản

- Có khả năng bám đường tốt

- Dễ vào cua

- Thường sẽ sử dụng vi sai, do đó vấn đề đồng trục bánh sau có thể bỏ qua

Nhược điểm - Có khả năng bám đường không

tốt

- Khi không sử dụng bộ vi sai thì phải giải quyết vấn đề đồng trục

- Phải đảm bảo đồng phẳng cả 4 bánh

- Phức tạp trong việc điều khiển và thiết kế cơ khí

- Phải đảm bảo đồng trục bánh

Có các cổng vào đọc Analog

Giao tiếp Hổ trợ các chuẩn giao

tiếp I2C, SPI, UART…

Hổ trợ các chuẩn giao tiếp I2C, SPI, UART…

Hổ trợ các chuẩn giao tiếp I2C, SPI, UART…

Ngắt Hổ trợ các module

ngắt ngoài, timer…

- Hổ trợ các module ngắt ngoài, timer…

- Hổ trợ các module ngắt ngoài, timer…

Ưu điểm - Tốc độ xử lý nhanh

Nhỏ gọn, dễ bố trí lắp đặt

- Giá thành rẻ

- Mạch nạp cũng như IDE đa dạng và dễ sử dụng

- Nhỏ gọn, dễ bố trí lắp đặt

- Giá thành rẻ, dễ sử dụng

- Mạch nạp cũng như IDE dễ sử dụng

- Thích hợp cho điều khiển phân cấp

- Tốc độ xử lý nhanh IDE dễ sử dụng

- Thích hợp cho điều khiển phân cấp

Nhược điểm - Điện áp đọc Analog

là 3,3V

- Số kênh Analog tương đối hạn chế, ảnh hưởng đến việc lựa chọn số cảm biến

- Số kênh Analog tương đối hạn chế, ảnh hưởng đến việc lựa chọn số cảm biến

- Tốc độ xử lý tín hiệu chậm hơn STM32

- Kích thước tương đối lớn

- Giá thành tương đối cao

- Chỉ thích hợp cho điều khiển tập trung

Camera Cảm biến hồng ngoại Cảm biến quang trở

Dạng tín hiệu Hình ảnh line Analog và digital Digital

Ưu điểm - Dễ nhận dạng

được đường line

- Dễ bố trí

- Độ chính xác cao

- Nhỏ gọn, dễ bố trí lắp đặt

- Giá thành rẻ, dễ sử dụng

- Độ chính xác cao, ít chịu ảnh hưởng bởi cường độ ánh sáng

- Nhỏ gọn, dễ bố trí và lắp đặt

- Giá thành rẻ, dễ sử dụng

- Nhận diện được line có

độ tương phản cao

- Hình dạng line ảnh hưởng rất nhiều đến việc xử

lý của camera

- Chỉ nhận biết với khoảng cách ngắn trong khoảng 1,5 cm

- Dễ nhiễu do xảy ra hiện tượng cross over

- Nhạy cảm bởi cường

độ ánh sáng môi trường

- Dễ nhiễu vì chịu tác động nhiều từ môi trường

hở

Điều khiển vòng kín

Điều khiển vòng kín

Độ chính xác Độ chính xác cao Độ chính xác cao Độ chính xác cao

Ưu điểm - Có thể điều chỉnh

chính xác góc quay

- Có giá thành thấp

- Có feedback về, dễ cho việc điều khiển

- Thích hợp cho ứng dụng di chuyển với tốc độ cao

- Có feedback về, dễ cho việc điều khiển

- Thích hợp cho ứng dụng di chuyển với tốc độ cao

- Dễ dàng lắp đặt

và thay thế

- Hoạt động tương đối ổn định

- Do có hộp số nên đảm giúp tăng torqe kéo khi xe có tải nặng

Nhược điểm - Dễ bị trượt bước

khi hoạt động mà dòng điện từ driver cấp cho động cơ không đủ

- Điều khiển vòng

hở nên không có giá trị trả về, khó khăn trong việc điều khiển

- Không thích hợp cho các ứng dụng cần tốc độ cao

- Nếu sử dụng DC chổi than thì sẽ ồn và tạo nhiệt độ cao khi hoạt động Do đó khuyến khích sử dụng DC không chổi than

- Giá thành tương đối cao

- Nếu sử dụng DC chổi than thì sẽ ồn và tạo nhiệt độ cao khi hoạt động Do đó khuyến khích sử dụng DC không chổi than Giá thành tương đối cao

d Động cơ dẫn hướng

Bảng 1.8 Bảng so sánh đặc tính của các động cơ dẫn hướng thường dùng cho

Robot xe dò line

Dạng điều khiển Điều khiển vòng hở Điều khiển vòng hở

- Hoạt động chính xác

Nhược điểm - Dễ bị trượt bước khi hoạt động

dòng điện từ driver cấp cho động cơ không đủ

- Điều khiển vòng hở nên không

có giá trị trả về, khó khăn trong việc điều khiển

- Không thích hợp cho các ứng dụng cần tốc độ cao

- Điều khiển vòng hở nên không

có giá trị trả về, khó khăn trong việc điều khiển

- Giá thành tương đối cao

- Do truyền động bằng bánh răng do đó có hiện tượng rơ nên phải bù góc

1.2.3 Về điều khiển

Phổ biến là 2 loại cấu trúc điều khiển tập trung và điều khiển phân cấp

Tùy vào từng bài toán cụ thể mà cân nhắc lựa chọn sử dụng loại cấu trúc điều khiển nào

Với những robot sử dụng nhiều cảm biến, nhiều động cơ, nhiều driver thì ưu tiên lựa chọn cấu trúc điều khiển phân cấp Tức là 1 master điều khiển nhiều slave để hạn chế việc dùng 1 vi điều khiển đảm nhận hầu hết các tác vụ điều khiển thì sẽ dẫn đến tốc độ xử lý của vi điều khiển sẽ giảm

Khi sử dụng cấu trúc điều khiển phân cấp thì các tác vụ xử lý tín hiệu đọc về từ cảm biến hay feedback từ động cơ về sẽ được xử lý tại các vi điều khiển slave, sau đó

dữ liệu sau khi xử lý sẽ được gửi về master để tiếp tục xử lý và trả về các slave để điều khiển các thiết bị

1.3 Đặt đề bài

Thiết kế, chế tạo và điều khiển Robot xe dò line với các yêu cầu sơ bộ sau:

- Tốc độ trung bình của Robot: v=1(m s/ )

- Gia tốc tối đa của Robot: ( 2)

CHƯƠNG 2: LỰA CHỌN PHƯƠNG ÁN

CHƯƠNG 2: LỰA CHỌN PHƯƠNG ÁN 2.1 Lựa chọn phương án cơ khí

Vi sai

g)

Hình 2.2 Sơ đồ nguyên lý các loại xe 4 bánh

Các yêu cầu để lựa chọn nguyên lý xe:

- Đảm bảo độ bám đường, khó lật khi vào cua và tải nặng

- Chủ động trong việc chuyển hướng, chuyển hướng tốt

- Kết cấu xe vững để khi có yêu cầu đặt tải thì không làm cho xe bị lật

Kết luận: Lựa chọn kết cấu xe 4 bánh và lựa chọn kết cấu xe f), 2 bánh trước

CHƯƠNG 2: LỰA CHỌN PHƯƠNG ÁN

2.2.1 Lựa chọn cảm biến

Loại cảm biến

Các yêu cầu để lựa chọn cảm biến dùng cho xe:

- Khả năng đáp ứng nhanh sự thay đổi màu sắc giữa trắng và đen

- Tín hiệu cảm biến trả về nhanh để giúp xe có khả năng nhận biết những đoạn line gấp khúc đột ngột

- Ít nhiễu

- Dễ tìm trên thị trường và giá cả hợp lý

Một số cảm biến được phân tích ở phần tổng quan thường được dùng cho Robot dò line:

- Thuật toán giải quyết phức tạp

- Độ phức tạp của chương trình ảnh hưởng nhiều đến tốc độ xử

Ít chịu ảnh hưởng bởi các

Độ phức tạp thấp vì cảm

Giá thành thấp

phản cao (đen – trắng)

cường độ ánh sáng, nhưng

dễ gặp hiện tượng cross over (cảm biến này phát, cảm biến kia thu)

biến thường đi kèm với mạch cảm biến có vai trò xử lý tín hiệu để chỉ trả

về tín hiệu analog hoặc digital

Cảm biến

quang trở

Nhận diện được line có độ tương phản cao (đen – trắng)

Nhạy bởi cường độ ánh sáng của môi trường Do

đó, hạn chế hoạt động trong môi trường thiếu ánh sáng

Độ phức tạp thấp

Giá thành thấp

Kết luận: Lựa chọn sử dụng cảm biến hồng ngoại IR và sử dụng loại có

cặp bóng thu, phát hồng ngoại TCRT5000 với các thông số về điện trở, khoảng cách cảm biến tối ưu so với mặt sa bàn, góc phát và góc thu… đã được đề cập trong datasheet

CHƯƠNG 2: LỰA CHỌN PHƯƠNG ÁN

Cân nhắc về đặc điểm của sa bàn, độ rộng line là 26 mm , các nút giao và ( )thứ tự di chuyển của Robot, do đó:

- Bố trí dạng ma trận thì cũng chỉ tương tự dạng bố trí theo đường thẳng

- Bố trí dạng V thì chỉ phù hợp với việc di chuyển từ A → B → C, còn khi di chuyển từ E → B → F thì không phù hợp

Do đó có thể chọn bố trí theo dạng đường thẳng, nhưng để đảm bảo Robot

có thể nhận diện giao điểm nhanh hơn thì có thể bố trí ở phía trên đường thẳng thêm 2 cảm biến nữa, việc này sẽ được cân nhắc và sửa chữa trong quá trình thực nghiệm cảm biến

Kết luận: Lựa chọn bố trí cảm biến dạng đường thẳng

Số lượng cảm biến

Số lượng cảm biến được lựa chọn sẽ ảnh hưởng đến độ chính xác bám line của Robot Sơ bộ số lượng cảm biến nên lựa chọn là số lẻ, vì cảm biến chính giữa sẽ đảm nhận việc xác định đường tâm line và điều chỉnh lại vị trí Robot khi Robot bị lệch ra khỏi đường line

Các cứ vào sa bàn và đường đi của Robot, đặc biệt là tại các giao A → B

→ C, E → B → F, G → B → D Thì lựa chọn số lượng cảm biến là 7, trong đó:

- Giai đoạn di chuyển A → B → C: Cần ít nhất 3 cảm biến để xác định giao điểm B

- Giai đoạn di chuyển E → B → F: Cần ít nhất 2 cảm biến để xác định giao điểm B, nhưng ngoài cảm biến ở tâm thì cảm biến còn lại sẽ bố trí xa hơn về bên phải Robot

- Giai đoạn di chuyển G → B → D: Cần 2 cảm biến để xác định giao điểm B, nhưng ngoài cảm biến ở tâm thì cảm biến còn lại sẽ

bố trí xa hơn về bên trái Robot

Kết luận: Số lượng cảm biến cần thiết tốt thiểu là 5, do đó để chính xác

trong việc xác định sai số thì lựa chọn số lượng cảm biến là 7

2.2.2 Lựa chọn động cơ

Động cơ dẫn động

Động cơ dẫn động được lựa chọn thỏa các yêu cầu:

- Đảm bảo sau khi tính toán có thể đạt được vận tốc 1, 2(m s / )

- Có thể điều khiển vận tốc

- Giá trị Torqe đầu ra động cơ đủ lớn để dẫn động

- Nhỏ gọn

Kết luận: Lựa chọn động cơ dẫn động là động cơ DC có encoder và hộp

số, vì có thể đảm bảo thỏa mãn các yêu cầu đặt ra như trên

Động cơ dẫn hướng

Động cơ dẫn hướng được lựa chọn thỏa các yêu cầu:

- Tốc độ quay của động cơ phải thỏa giá trị tối thiểu để Robot có thể bám line

- Khi torqe quá lớn có thể làm cho động cơ step bị trượt

2.2.3 Lựa chọn vi điều khiển

Vi điều khiển được lựa chọn thỏa các yêu cầu:

CHƯƠNG 2: LỰA CHỌN PHƯƠNG ÁN

- Dễ tiếp cận và điều khiển

- Đảm bảo các Port digital, analog, ngắt…

- Hổ trợ các chuẩn giao tiếp theo yêu cầu

2.3 Lựa chọn cấu trúc điều khiển

Có 2 cấu trúc điều khiển thường dùng hiện nay:

- Điều khiển tập trung

- Điều khiển phân cấp

Điều khiển tập trung

Ưu điểm:

- Tiết kiệm được không gian bố trí

- Giá thành thấp, vì chỉ cần 1 vi điều khiển cho toàn bộ hệ thống

- Dễ điều khiển vì không cần thực hiện giao tiếp giữa các vi điều khiển Nhược điểm:

- Phải sử dụng loại vi điều khiển yêu cầu có đầy đủ các port IO, analog, digital

và phải đảm bảo được tốc độ xử lý

- Đi dây điện phức tạp

- Khó mở rộng chương trình khi có sự thay đổi (vì có thể vi điều khiển đã chọn

sẽ không đủ bộ nhớ và các port IO, analog, digital…)

- Khi phát lỗi chương trình thì khó khăn trong việc tìm kiếm vị trí lỗi và sửa chữa

Điều khiển phân cấp

Ưu điểm:

- Có tính linh hoạt cao trong việc mở rộng và chỉnh sửa

- Khi phát sinh lỗi thì có thể phát hiện nhanh chóng vị trí lỗi, vì khi giao tiếp với nhau, lỗi phát sinh ở đâu thì vi điều khiển (slave) đó không có dữ liệu gửi lên master

- Mỗi vi điều khiển chỉ đảm nhận một vai trò nhất định trong chương trình Do

đó, việc xử lý tín hiệu có thể thực hiện bất đồng bộ, giúp tiết kiệm thời gian, cũng như dung lượng xử lý của vi điều khiển master

- Chỉ cần sử dụng loại vi điều khiển thông thường và đảm bảo có kahr năng giao tiếp với nhau là đủ

Kết luận: Dựa vào các ưu điểm, nhược điểm và đặc điểm hệ thống nên lựa chọn

cấu điều khiển phân cấp Vì Robot bao gồm dãy cảm biến, các động cơ… do đó lựa chọn điều khiển phân cấp là hợp lý

2.4 Phương án thiết kế bộ điều khiển

Đối với loại Robot dò line, với yêu cầu điều khiển bám line và điều khiển độ rộng xung PWM cho động cơ, ta có thể sử dụng các bộ điều khiển thông dụng như P, PD, PI, PID Để lựa chọn chính xác bộ điều khiển nào thì phải đi vào xây dựng xong mô hình động học hoặc động lực học thì mới có thể lựa chọn chính xác được

2.5 Tổng hợp lựa chọn phương án

2.5.1 Phương án thiết kế chung

Thiết kế Robot dò line chạy theo chiều đã được quy định chạy trên bề mặt địa hình phẳng

2.5.2 Phương án thiết kế cơ khí

Sử dụng nguyên lý cơ khí:

CHƯƠNG 2: LỰA CHỌN PHƯƠNG ÁN

Vi sai

Hình 2.3 Sơ đồ nguyên lý cơ khí được chọn

Cơ cấu có 4 bánh, 2 bánh trước chủ động dẫn dẫn hướng, 2 bánh sau chủ động dẫn động

2.5.3 Phương án thiết kế điện

Loại cảm biến: Lựa chọn cảm biến hồng ngoại gồm 1 bóng thu và 1 bóng phát,

tự thiết kế mạch lọc và tính toán điện trở cho cảm biến

Phương án bố trí cảm biến: Lựa chọn dạng bố trí cảm biến đường thẳng

Số lượng cảm biến: Lựa chọn sơ bộ số lượng cảm biến là 7

Động cơ dẫn động: Lựa chọn động cơ dẫn động là động cơ DC có encoder và

hộp số

Động cơ dẫn hướng: Lựa chọn động cơ dẫn hướng là động cơ RC servo

Vi điều khiển: Vi điều khiển lựa chọn là MicroChip PIC

2.5.4 Phương án điều khiển

Cấu trúc điều khiển: Lựa chọn cấu trúc điều khiển phân cấp

Bộ điều khiển: Lựa chọn sơ bộ các bộ điều khiển PID, PD, PI, P

CHƯƠNG 3: TÍNH TOÁN THIẾT KẾ CƠ KHÍ

Tiêu chí của quá trình thiết kế cơ khí có thể xác định được những điều kiện cần thiết

về động lực học nhằm giải quyết đầu bài đặt ra Cụ thể là phân tích sự ảnh hưởng rồi từ đó đưa ra lựa chọn hợp lí đối với các thông số sau:

- Kích thước chiều dài, chiều rộng và chiều cao xe

- Khoảng cách giữa trục bánh xe trước và sau

- Công suất và moment xoắn của động cơ

Xét xe ở trạng thái tĩnh:

Hình 3.1 Mô hình động lực học của xe ở trạng thái tĩnh

Phương trình chuyển động theo phương x và phương tình cân bằng tĩnh: