TỔNG QUAN
Đặt vấn đề
Robot tự hành đa hướng cần giải quyết ba vấn đề chính để hoạt động hiệu quả: đầu tiên là khả năng di chuyển, lựa chọn cơ cấu di chuyển phù hợp; thứ hai là điều hướng để xác định hướng đi; và thứ ba là khả năng tương tác với môi trường làm việc, bao gồm khả năng tự quyết định phương thức điều hướng và tự động né vật cản khi phát hiện.
Cấu trúc xe tự hành
Hình 1.1 Cấu trúc đơn giản của xe tự hành OminiRobot tự hành được định nghĩa là một loại xe robot cả khả năng dịch chuyển tự
Tổng quan chung của lĩnh vực nghiên cứu
Sự phát triển không ngừng của khoa học kỹ thuật đã thúc đẩy các ngành công nghiệp tiến bộ nhanh chóng, trong đó việc áp dụng máy móc hiện đại vào sản xuất là điều thiết yếu để nâng cao năng suất, chất lượng và giảm giá thành sản phẩm Công nghệ chế tạo robot cũng đang phát triển mạnh mẽ, đặc biệt ở các nước phát triển, nhằm đáp ứng nhu cầu trong sản xuất, sinh hoạt và quốc phòng Robot có khả năng thực hiện những công việc mà con người khó khăn hoặc không thể làm, như các nhiệm vụ yêu cầu độ chính xác cao, làm việc trong môi trường nguy hiểm (như lò phản ứng hạt nhân, dò mìn quân sự) và thám hiểm không gian.
Trong lĩnh vực robot, Mobile Robot nổi bật với những đặc điểm riêng biệt mà các loại robot khác không có Với khả năng di chuyển linh hoạt và phạm vi hoạt động rộng, Mobile Robot đang thu hút sự quan tâm và đầu tư nghiên cứu đáng kể Các loại Mobile Robot có thể được phân chia theo nhiều phương thức vận hành khác nhau.
Có thể phân loại robot theo phương pháp di chuyển:
Robot có chân, giống người hay động vật.
Robot di chuyển bằng bánh xích, đai
Robot di chuyển bằng bánh xe.
1.3.3 Một số dạng điều khiển
1.3.3.1 Điều khiển từ xa bằng tay
Robot điều khiển từ xa sử dụng sóng RF, wifi, hồng ngoại hoặc bluetooth để hoạt động Những thiết bị này giúp con người thực hiện các nhiệm vụ mà không cần tiếp xúc trực tiếp, từ đó giảm thiểu nguy cơ gặp phải những tình huống nguy hiểm.
1.3.3.2 Thực thi theo lộ trình:
Robot được lập trình theo lộ trình cố định, có khả năng di chuyển trên các đường kẻ hoặc dây điện Chúng hoạt động dựa trên một thuật toán đơn giản, duy trì lộ trình thông qua cảm biến trung tâm Tuy nhiên, những robot này không thể vượt qua chướng ngại vật và chỉ dừng lại khi gặp vật cản.
1.3.3.3 Ngẫu nhiên hoạt động độc lập:
Robot hoạt động độc lập với những chuyển động ngẫu nhiên, như nhảy bật lên tường, nhờ vào khả năng cảm nhận vật cản Ví dụ, máy hút bụi Roomba và máy cắt cỏ Friendly Robotics sử dụng bộ cảm biến điện tử để nhận diện và tương tác với môi trường xung quanh.
Mục đích nghiên cứu
Nhằm đóng góp vào sự phát triển khoa học kỹ thuật của Việt Nam, nhóm chúng tôi đã phát triển một Mobile Robot di chuyển đa hướng sử dụng 3 bánh xe omni, với hệ thống điều khiển tự động và khả năng tránh vật cản Chúng tôi chọn thiết kế Robot di chuyển 4 bánh vì tính tiện lợi, gọn nhẹ và tiết kiệm chi phí Dựa trên những kiến thức còn hạn chế, chúng tôi nghiên cứu và chế tạo Mobile Robot trong khuôn khổ đồ án, với hy vọng góp phần vào công nghệ chế tạo Robot trong nước Robot này sẽ được ứng dụng để giám sát các khu vực nguy hiểm mà con người không thể tiếp cận.
Nhiệm vụ và giới hạn nghiên cứu
Mô hình robot được thiết kế với tính toán các thông số động cơ và đường kính vòng bánh xe, cho phép robot tự động tránh vật cản nhờ vào cảm biến siêu âm Robot có khả năng nhận biết khoảng cách đến vật cản một cách hiệu quả.
Phương pháp nghiên cứu
Nhóm sẽ tìm hiểu thông tin và chức năng của robot, xác định các ứng dụng tiềm năng cũng như môi trường và địa hình hoạt động Cần nâng cấp các chức năng của robot và thiết kế mô hình 3D Sau khi hoàn thành thiết kế 3D, nhóm sẽ nghiên cứu phần cơ khí, bao gồm khung sườn, lựa chọn chất liệu bền nhưng nhẹ để dễ dàng di chuyển, và quyết định hình dáng thiết kế khung sườn, như hình tròn hoặc hình tam giác.
Trong phần hệ thống điện và động cơ của Robot, cần lựa chọn bo mạch phù hợp với các cảm biến và nguồn cấp điện, đồng thời tìm hiểu kỹ thông số kỹ thuật của các linh kiện như cảm biến và Arduino Đối với nguồn cấp, cần xác định điện áp phù hợp Về động cơ, cần xem xét công suất, tỷ số truyền, nguồn cấp và cơ cấu hộp số Cuối cùng, tiến hành tính toán và thiết lập thuật toán điều khiển để Robot có thể di chuyển theo các hướng mong muốn.
Trong phần lập trình, cần xác định ngôn ngữ lập trình và phần mềm phù hợp để sử dụng, đồng thời học cách vận hành chúng Sau khi hoàn tất các bước chuẩn bị, nhóm sẽ tiến hành phát triển mô hình thực tế Sau khi hoàn thành, mô hình sẽ được thử nghiệm; nếu có vấn đề phát sinh, nhóm sẽ xem xét và chỉnh sửa, còn nếu thành công, sẽ áp dụng vào thực tiễn.
1.7 Ưu và nhược điểm của Robot
Có khả năng ứng dụng ngay vào đời sống
Di chuyển trong một số môi trường và địa hình nhất định
Ưu và nhược điểm của Robot
Cảm biến siêu âm hoạt động bằng cách phát ra tín hiệu tần số cao 40 kHz và truyền qua không khí với tốc độ âm thanh Khi tín hiệu này va chạm với vật thể, nó sẽ phản xạ trở lại cảm biến Cảm biến này bao gồm hai phần chính: bộ phát tạo ra sóng âm thanh và bộ phát hiện nhận diện sóng âm thanh, gửi tín hiệu điện trở lại bộ vi điều khiển Hệ thống này sử dụng một multivibrator cố định, kết hợp giữa bộ cộng hưởng và bộ rung, để tạo ra sóng siêu âm.
Cảm biến siêu âm giúp robot nhận diện và tránh chướng ngại vật, đồng thời đo khoảng cách với phạm vi hoạt động từ 10 cm đến 30 cm Các bộ phận cảm biến tiếp nhận thông tin và đặc điểm của đối tượng cần tác động dựa trên lập trình ban đầu, bao gồm màu sắc, trọng lượng và khoảng cách.
Dựa trên thông tin thu thập được, phần mềm của robot sẽ tính toán các thông số cần thiết, soạn thảo lệnh và truyền đến hệ thống điều khiển, nhằm thực hiện các thao tác bằng tay máy với độ chính xác cao nhất.
Với thiết kế chắc chắn và tính linh hoạt, cánh tay robot 4 trục hoạt động thông minh, trở thành thiết bị thiết yếu trong sản xuất hiện đại.
Lực ma sát (Fms) được tính bằng công thức Fms(N) = P*u, trong đó P là trọng lực và u là hệ số ma sát Với bánh xe cao su tiếp xúc với đường trơn, hệ số ma sát được chọn là 0.4, theo thông tin từ bảng 2.1 về hệ số ma sát trượt.
- P1(w): công suất động cơ cho phép có ghi trên nhãn động cơ (về mặt điện học thì P1=U*I, ở đây ta ko đề cập tới điện)
-F(N): lực để đẩy toàn bộ xe chạy
-v(m/s): vận tốc tối đa đạt được ứng với công suất và khối lượng. Định nghĩa cơ bản: Công suất là lượng công(J) thực hiện trong 1s.(w=J/s).
THIẾT KẾ CƠ KHÍ
Phân Tích Bài Toán
Cảm biến siêu âm hoạt động bằng cách phát ra tín hiệu tần số cao và ngắn, truyền qua không khí với vận tốc âm thanh Khi tín hiệu va chạm với vật thể, nó sẽ phản xạ trở lại cảm biến Cảm biến này bao gồm một multivibrator gắn cố định vào đế, kết hợp giữa bộ cộng hưởng và bộ rung, tạo ra sóng siêu âm Cấu trúc của cảm biến siêu âm bao gồm hai phần chính: bộ phát tạo sóng âm thanh 40 kHz và bộ phát hiện nhận diện sóng âm thanh 40 kHz, gửi tín hiệu điện trở lại bộ vi điều khiển.
Cảm biến siêu âm giúp robot nhận diện và tránh chướng ngại vật, đồng thời đo khoảng cách với phạm vi hoạt động từ 10 cm đến 30 cm Các bộ phận cảm biến tiếp nhận thông tin và đặc điểm của đối tượng dựa trên lập trình ban đầu, bao gồm màu sắc, trọng lượng và khoảng cách đến đối tượng cần tác động.
Dựa trên các thông tin thu thập được, phần mềm của robot sẽ thực hiện việc tính toán các thông số cần thiết, viết lệnh và gửi đến hệ thống điều khiển, nhằm đảm bảo các thao tác của tay máy được thực hiện một cách chính xác nhất.
Cánh tay robot 4 trục, với nguyên lý hoạt động thông minh và thiết kế chắc chắn, linh hoạt, đã trở thành thiết bị thiết yếu trong sản xuất hiện đại.
Tính Toán
Lực ma sát Fms(N) được tính bằng công thức Fms(N) = P * u = 0.4 * P, trong đó u là hệ số ma sát Do bánh xe làm bằng cao su tiếp xúc với đường trơn, giá trị hệ số ma sát được chọn là 0.4, theo thông tin từ bảng 2.1 về hệ số ma sát trượt.
- P1(w): công suất động cơ cho phép có ghi trên nhãn động cơ (về mặt điện học thì P1=U*I, ở đây ta ko đề cập tới điện)
-F(N): lực để đẩy toàn bộ xe chạy
-v(m/s): vận tốc tối đa đạt được ứng với công suất và khối lượng. Định nghĩa cơ bản: Công suất là lượng công(J) thực hiện trong 1s.(w=J/s)
Công thực hiện được là: W=P1=F*S 0*2 (Quãng đường xe chay 3m)
Trong 1s, muốn xe có thể chạy thì:
Tỉ số giữa công suất trên quãng đường chạy được trong 1s phải lớn hơn lực ma sát
*Mà ta thấy"quãng đường chạy được trong 1s" đây rõ ràng là vận tốc v(m/s) v=s/t=3m/s Vậy (1)
Vật liệu Hệ số ma sát trượt
Gỗ rắn trên gỗ rắn 0,25
Thép trên đất cứng 0,2 – 0,4 Lốp cao su trên đất cứng 0,4 – 0,6
Bảng 2.1 Hệ số ma sát trượt
Hình 2.2 Biểu diễn lực tác động
Thiết Kế Mô Hình
Khung là một bộ phận quan trong của robot, được lắp ráp các thứ lên như động cơ,board mạch, cảm biến.
Phần Mềm Mô Phỏng
ROBOT được thiết kế bằng phần mềm mô phỏng Proteus, một công cụ hữu ích cho việc thiết kế và cấu hình các thiết bị điện tử dựa trên vi điều khiển Phần mềm này cho phép người dùng tạo ra các mạng trong trình soạn thảo đồ họa, mô phỏng hoạt động và phát triển bảng mạch in, bao gồm cả hình ảnh ba chiều Proteus còn hỗ trợ mô hình Spice, thường được cung cấp bởi các nhà sản xuất điện tử.
THIẾT KẾ ROBOT
Sơ đồ khối
Hình 3.1 Sơ đồ khối phần cứng
Khối nguồn 12V cung cấp nguồn cho mạch công suất Arduino L293 để điều khiển động cơ, đồng thời cấp nguồn 5V cho mạch điều khiển Arduino Uno R3 và cho cảm biến thông qua chân nguồn 5V của L298N.
Khối xử lý là thành phần quan trọng trong hệ thống robot, có nhiệm vụ tiếp nhận tín hiệu đầu vào từ cảm biến và xử lý thông tin của chương trình lập trình Sau khi xử lý, khối này sẽ xuất thông tin cần thiết để điều khiển hoạt động của robot một cách hiệu quả.
Khối công suất nhận tín hiệu đầu vào đã được xử lý và sử dụng thông tin đó để điều khiển động cơ hoạt động theo yêu cầu.
Khối xử lý arduino uno R3 Độ rộng xung PWM( 255)
Cảm biến siêu âm Động cơ giảm tốc SG09
Sơ Đồ Nguyên Lý
Hình 3.2: Sơ Đồ Nguyên Lý
3.2.1 Khối Xử Lý Trung Tâm
Nhiệm vụ chính của hệ thống là xử lý thông tin từ chương trình lập trình, nhận tín hiệu đầu vào từ cảm biến và sau đó xử lý để xuất thông tin nhằm điều khiển robot một cách hiệu quả.
Chip điều khiển chính: Atmega328
Để đảm bảo mạch hoạt động hiệu quả, nên sử dụng nguồn ngoài từ giắc tròn DC với điện áp 7v-9v Việc cắm nguồn 12v có thể làm hỏng IC ổn áp và gây ra sự cố cho mạch.
Số chân Digital: 14 (hỗ trợ 6 chân PWM)
Dòng ra trên chân Digital: tối đa 40mA
Dòng ra trên chân 3.3V: 50mA
Dung lượng bộ nhớ Flash: 32 KB (Atmega328) of which 0.5 KB used by bootloader
Cảm biến siêu âm HC SR-04:
Cấu tạo gồm có 3 phần:
Phần phát tín hiệu của hệ thống sử dụng các loa gốm siêu âm được chế tạo đặc biệt, hoạt động hiệu quả nhất ở tần số 40kHz, thường được ứng dụng trong đo khoảng cách Để đảm bảo hiệu suất phát siêu âm cao, các loa này cần được cung cấp nguồn tín hiệu điều khiển với điện áp khoảng 30V theo thông số kỹ thuật.
Loa gốm làm đầu thu có khả năng thu nhận sóng siêu âm ở tần số 40KHz, tạo ra một điện thế nhỏ giữa hai cực Điện thế này được khuếch đại qua một OPAM như TL072 hoặc LM324 Để xử lý và điều khiển, hệ thống sử dụng vi điều khiển như PIC16F688 hoặc STC11, giúp phát xung và tính toán thời gian từ khi phát đến khi nhận được sóng siêu âm, từ đó phát ra tín hiệu TRIG khi có tín hiệu đầu vào.
Hình 3.4 Cảm biến siêu âm
-Dòng tiêu thụ : nhỏ hơn 2mA
- Tín hiệu đầu ra: xung HIGH (5V) và LOW (0V)
- Khoảng cách đo: 2cm - 300cm (3 mét)
- Độ chính xác: 0.5cm Động cơ: Động cơ Servo SG90
-Điện áp định mức: 12v -Tốc độ: 92 rpm
- Hộp số: 1:86 -Dòng: 100 (mA) -Lực nâng: 300 (mN.m) -Tổng chiều dài động cơ: 56.2 (mm), (chiều dài hộp số 24.4 mm) -Đường kính hộp số: 25 mm.
-Đường kính động cơ: 24.2 mm.
-Đường kính trục: 5 mm (độ dài cạnh cắt khoản 3.9 mm) -Trọng lượng: khoảng 100g
Khối nguồn 12V cung cấp nguồn cho mạch công suất Arduino L293 nhằm điều khiển động cơ, đồng thời cấp nguồn 5V cho mạch điều khiển Arduino Uno R3 và cho các cảm biến thông qua chân nguồn 5V của L298N.
Hình 3.7 Dây cắm đực cái, dây cắm đực đực và dây cắm cái cái.
-Dây lõi đồng nhiều sợi có độ dẫn điện cao, mối tiếp xúc chắc chắn, có độ dài 30cm, có nhiều màu sắc khác nhau (10 màu)
Nhận tín hiệu đầu vào đã qua xử lý, sau đó sử dụng thông tin này để điều khiển động cơ hoạt động theo yêu cầu.
Module điều khiển động cơ L293 :
Hình 3.8 Module điều khiển động cơ L293
-Driver: L293 tích hợp 2 mạch cầu H
-Dòng tối đa cho mỗi cầu H: 2A
-Điện áp của tín hiệu điều khiển: +5v ~ +7v
- Dòng của tín hiệu điều khiển : 0 ~ 36Ma
-Công suất hao phí : 20W (khi nhiệt độ T = 75 °C)-Nhiệt độ bảo quản : -25°C ~ +130
Thiết Kế Phần Mềm Điều Khiển
3.3.1 Chức năng của phần mềm điều khiển
Bộ điều khiển đóng vai trò quan trọng trong việc giao tiếp với bộ điều hành, tự động thu thập và xử lý thông tin để điều chỉnh các thiết bị máy móc theo chế độ hoạt động đã được cài đặt trước Nó tác động lên hệ thống nhằm đáp ứng các yêu cầu hoạt động của hệ thống một cách hiệu quả.
SAI SAI SAI ĐÚNG ĐÚNG ĐÚNG
3.3.3 Phần mềm nạp chương trình điều khiển
Chương trình sau khi được tạo ra sẽ được nạo vào board mạch qua phần mềm
Kc phai < 10 && kc trai gh||kc = 0 Đi lùi Đi sang trái Đi thẳng
HÌNH 3.9 Giao diện phần mềm
MÔ HÌNH THỰC TẾ
Cấu tạo robot
Hình 4.1 Robot tự hành Cấu tạo robot gồm:
- Khung robot (vật liệu ván MDF)
- 4 động cơ kèm bánh xe
- Board Arduino UNO R3 chip dán.
- Cảm biến siêu âm HC SR – 04.
- Gá đỡ: động cơ, cảm biến.
Chương trình điều khiển robot
Mô hình này được sử dụng để điều khiển robot trong việc rà soát bom mìn hoặc giám sát các khu vực có khí độc Robot có khả năng hoạt động trong bán kính khoảng 15m.
Nhóm đã thiết kế mô hình 3D cho robot di chuyển đa hướng bằng bánh omni, tính toán thông số động cơ và tìm hiểu kỹ thuật của động cơ cùng các vi điều khiển Bài viết nêu rõ nguyên lý hoạt động và các hướng di chuyển của robot, đồng thời chế tạo thành công robot tự hành có khả năng di chuyển đa hướng và tránh vật cản, với hai chế độ hoạt động: tự động và điều khiển bằng tay.
Nhóm gặp khó khăn trong việc lập trình do kỹ năng còn hạn chế, dẫn đến phần chạy tự động của xe chưa được hoàn thiện và cải tiến một cách xuất sắc.
ĐÁNH GIÁ MÔ HÌNH VÀ KẾT LUẬN
Đánh giá mô hình
Mô hình này được sử dụng để điều khiển robot trong việc phát hiện bom mìn hoặc giám sát các khu vực có khí độc, với bán kính hoạt động khoảng 15m.
Kết luận
Trong đồ án chuyên ngành về robot di chuyển đa hướng sử dụng bánh omni, nhóm đã thiết kế mô hình 3D và tính toán thông số động cơ Chúng tôi đã nghiên cứu kỹ thuật động cơ và vi điều khiển, đồng thời nêu rõ nguyên lý hoạt động cùng các hướng di chuyển của robot Kết quả là chế tạo thành công robot tự hành có khả năng di chuyển đa hướng và tránh vật cản, với hai chế độ hoạt động: tự động và điều khiển bằng tay.
Kiến nghị
Kỹ năng lập trình của nhóm còn hạn chế, dẫn đến việc gặp nhiều khó khăn trong quá trình phát triển Do đó, phần chạy tự động của xe chưa được hoàn thiện và cải tiến một cách xuất sắc.
Hình 1.1 Cấu trúc đơn giản của xe tự hành Omni 7
Hình 2.1 Biểu diễn lực tác động 13
Hình 3.1 Sơ đồ khối phần cứng 16
Hình 3.2 Sơ đồ nguyên lý 17
Hình 3.4 Cảm biến siêu âm 19
Hình 3.7 Dây cắm đực cái, dây cắm đực đực và dây cắm cái cái 22
Hình 3.8 Module điều khiển động cơ L293 22
Hình 3.9 Giao diện phần mềm 24