ĐỀ tài THIẾT kế, CHẾ tạo và điều KHIỂN ROBOT dò LINE

LỜI NÓI ĐẦU Ngày nay điều khiển tự động đã trở thành một nhu cầu không thể thiếu được của con người, dưới sự xuất hiện của các học thuyết và các ứng dụng cụ thể trong đời sống hằng ngà

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

KHOA CƠ KHÍ

BÁO CÁO ĐỒ ÁN THIẾT KẾ HỆ THỐNG CƠ ĐIỆN TỬ

ĐỒ ÁN MÔN HỌC THIẾT KẾ HỆ THỐNG CƠ ĐIỆN TỬ

ROBOT DÒ LINE

Sinh viên thực hiện: 1 Nguyễn Thành Đạt Mssv: 21300795

2 Bùi Tấn Phát 21202665

3 Vương Đình Tiến 21304131

4 Bùi Nguyên Văn 21304749

5 Nguyễn Thành Việt 21304820

Người hướng dẫn: TS Trần Việt Hồng Ký tên:

Ngày bắt đầu: 09/01/2017 Ngày kết thúc: 17/05/2017 Ngày bảo vệ: 18/05/2017

NHIỆM VỤ CỦA CÁC THÀNH VIÊN TRONG NHÓM

1 Thiết lập các công việc và

2,3

Tổng quan

Đề xuất, lựa chọn các phương án thiết kế + Mục tiêu đồ án

Mô hình hóa Bùi Nguyên Văn

Nguyễn Thành Đạt Lập trình Điều khiển Nguyễn Thành Việt Chế tạo, mua vật liệu, lắp

Bản vẽ

Bùi Tấn Phát Vương Đình Tiến Nguyễn Thành Đạt Nguyễn Thành Việt Hoàn chỉnh thuyết minh Bùi Nguyên Văn

PHỤ LỤC

NHIỆM VỤ CỦA CÁC THÀNH VIÊN TRONG NHÓM 2

LỜI NÓI ĐẦU 5

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN 6

1.1 NHU CẦU 6

1.2 XÁC ĐỊNH MỤC TIÊU THIẾT KẾ 6

1.3 TÍNH KHẢ THI 7

1.3.1 MỘT SỐ XE ĐUA BÁM ĐƯỜNG TRONG NƯỚC 7

1.3.2 TÌM HIỂU VỀ CÁC XE ĐUA TRÊN THẾ GIỚI 9

1.4 CÁC PHƯƠNG ÁN THIẾT KẾ 13

1.4.1 Sơ đồ nguyên lý 13

1.4.2 Loại cảm biến 15

1.4.3 Về động cơ 17

1.4.4 Cấu trúc điều khiển 18

1.4.5 Giải bộ điều khiển 19

1.5 MỤC TIÊU ĐỒ ÁN 21

CHƯƠNG 2: LỰA CHỌN PHƯƠNG ÁN 22

2.1 PHƯƠNG ÁN CƠ KHÍ 22

2.1.1 Lựa chọn kết cấu 22

2.1.2 Lựa chọn bánh xe 22

2.2 PHƯƠNG ÁN ĐIỆN 23

2.2.1 Lựa chọn động cơ 23

2.2.2 Lựa chọn cảm biến 24

2.2.3 Lựa chọn phương án điều khiển và giải thuật điều khiển 24

2.2.4 Lựa chọn vật liệu làm khung 25

CHƯƠNG 3: THIẾT KẾ CƠ KHÍ 29

3.1 Bánh xe 29

3.1.1.Bánh chủ động 29

3.1.2 Bánh tự lựa 29

3.2 Chọn và tính toán động cơ 30

3.3 Kích thước sơ bộ khung xe 32

3.3.2 Kích thước sơ bộ khung xe 33

3.3.3 Dung sai 34

CHƯƠNG 4: THIẾT KẾ PHẦN ĐIỆN 35

4.1 Hệ thống cảm biến 35

4.1.1 Yêu cầu cảm biến 35

4.1.2 Lựa chọn cảm biến 36

4.1.3 Xác định chiều cao đặt cảm biến 37

4.1.4 Xác định khoảng cách 2 cảm biến 41

4.1.5 Tuyến tính hóa cảm biến 43

4.2 Driver cho động cơ 49

4.2.1 Lựa chon driver 49

4.2.2 Mô hình hóa hệ driver-động cơ 49

4.3 Mạch nguồn 58

CHƯƠNG 5: MÔ HÌNH HÓA 59

5.1 Mô hình động học của robot……… 59

5.2 Cách xác định vị trí của robot 60

5.3 Bộ điều khiển tracking, tìm khoảng cách d và mô phỏng bám sa bàn 62

CHƯƠNG 6: COMPUTERS SYSTEMS 72

6.1 Lựa chọn vi điều khiển 72

6.1.1 Sơ đồ khối của bộ điều khiển 72

6.1.2 Xác định yêu cầu và lựa chọn vi điều khiển 72

6.2 Giải thuật điều khiển 73

CHƯƠNG 7: THỰC NGHIỆM 74

7.1 Đánh giá kết quả thực nghiệm 74

7.2 Nhận xét kết quả thực nghiệm 78

PHỤ LỤC MẠCH THÍ NGHIỆM CẢM BIẾN 79

TÀI LIỆU THAM KHẢO 80

LỜI NÓI ĐẦU

Ngày nay điều khiển tự động đã trở thành một nhu cầu không thể thiếu được của con người, dưới sự xuất hiện của các học thuyết và các ứng dụng cụ thể trong đời sống hằng ngày, có thể nói điều khiển tự động đang chi phối dần cuộc sống của chúng ta Con người đang cố gắng sáng tạo ra các robot có khả năng làm việc thay cho con người, chúng ta thường gặp các robot trong các dây chuyền công nghiệp sản xuất tự động hay giúp việc trong gia đình Để tìm ra các ý tưởng sáng tạo, hàng năm diễn ra cuộc thi Robocon Châu Á Thái Bình Dương đó là tiền đề để tạo ra những robot có khả năng áp dụng vào thực tế Cũng chính vì mục đích đó mà chúng em thực hiện đồ án điều khiển robot dò đường, đó

là bước khởi đầu trong lập trình robot để có thể thực hiện các công việc tiếp theo Tuy đây

là công việc nhỏ của lập trình điều khiển robot nhưng qua quá trình thiết kế và thi công đề tài chúng em đã rút ra được rất nhiều kinh nghiệm thực tiễn quý báu Mục đích của đề tài hướng đến là tạo ra bước đầu cho sinh viên thử nghiệm những ứng dụng của vi điều khiển trong thực tiễn để rồi từ đó tìm tòi, phát triển nhiều ứng dụng khác trong đời sống hàng ngày cần đến

Dù đã cố gắng để hoàn thành bằng các kiến thức đã học, nhiều nguồn tài liệu tham khảo đáng tin cậy nhưng trong quá trình thực hiện không tránh khỏi sai sót Rất mong sự đóng góp báu của quý thầy cô và độc giả để đề tài được hoàn thiện hơn

Xin chân thành cảm ơn thầy Trần Việt Hồng, các thầy cô bộ môn và các bạn trong khoa

Cơ khí đã tận tình giúp đỡ trong quá trình thực hiện

Một trong những thiết bị tự động đó chính là xe bám đường Đó là một thiết bị có khả năng bám theo một quỹ đạo nhất định do con người tạo ra nhằm thỏa mãn nhu cầu của con người Nó có thể là xe vận chuyển hàng hóa trong kho hay là một chiếc xe đua bám đường…

Xe đua bám đường là một loại phương tiện vừa có khả năng di chuyển với vận tốc cao vừa có khả năng đi đúng quỹ đạo mà ta mong muốn với sai số cho phép

Nếu nhìn với góc độ hẹp thì việc thiết kế những chiếc xe đua bám đường chỉ nhằm mục đích tham gia các cuộc thi hay biểu diễn Tuy nhiên ứng dụng của robot dò đường là vô cùng to lớn, nó được ứng dụng vào công nghệ dò đường như di chuyển tự động trong vận chuyển hàng hóa Tuy còn sơ khai về nguyên tắc điều khiển nhưng robot dò đường đã tạo một bước ngoặt quan trọng trong công nghệ thiết kế và chế tạo robot, mở ra một kỉ nguyên mới về ngành công nghệ kỹ thuật tự động và đưa tự động hóa vào sản xuất

Vì vậy đề tài này sẽ thiết kế và điều khiển xe đua bám đường theo một quỹ đạo đường đi nhất định Mục đích đề tài là xe đua sẽ di chuyển trong quãng đường định sẵn với thời gian ngắn nhất và đảm bảo bám line theo yêu cầu đặt ra

1.2 XÁC ĐỊNH MỤC TIÊU THIẾT KẾ

Thiết kế xe bám đường đua cho trước, chạy với vận tốc tối thiểu 0.2m/s và mang tải 2 kg

Xe UIT-Mon - Nguyễn Tiến Đình - Giải nhất cuộc thi năm 2013

Cảm biến sử dụng: Led hồng ngoại 7 cặp, đọc tín hiệu digital, quét led song song

Số lượng bánh xe: 3 bánh, 2 bánh sau gắn dẫn động, bánh trước tự lựa

Hình 1.2 Sơ đồ nguyên lý Tốc độ đạt được: 1.5 m/s

Sai số: 20 mm

Xe Mr.zero - Trịnh Nguyễn Trọng Hữu – Giành giải nhì trong cuộc thi 2015

Cảm biến sử dụng: Led hồng ngoại 5 cặp, đọc tín hiệu analog, quét led nối tiếp

Số lượng bánh xe: 4 bánh, 2 bánh sau gắn dẫn động, 2 bánh trước tự lựa

Hình 1.3 Sơ đồ nguyên lý Tốc độ đạt được: 1.6 m/s

1.3.2 TÌM HIỂU VỀ CÁC CÁC XE ĐUA TRÊN THẾ GIỚI

Silvestre-line following robot

Đạt hạng 5 trong một cuộc thi ở Tây Ban Nha

Thông số kĩ thuật:

- Cảm biến : 8 bộ cảm biến hồng ngoại

- Động cơ: 2 bánh chủ động - 2 động cơ DC, 1 bánh tự lựa – bánh mắt trâu

- Vận tốc : 2.24 m/s

Hình 1.4 Silvestre-line following robot

Sơ đồ nguyên lý:

Hình 1.5 Sơ đồ nguyên lý

Fireball-line following robot

Đạt giải nhất tại cuộc thi Chibots ở Mỹ

Thông số kỹ thuật:

- Cảm biến: 8 bộ cảm biến hồng ngoại

- 4 bánh chủ động - 4 động cơ DC

- Vận tốc : 1.5 m/s

- Cảm biến: 7 bộ cảm biến hồng ngoại

- 2 bánh chủ động - 2 động cơ DC, 2 bánh tự lựa – Bánh mắt trâu

- Vận tốc : 2 m/s

2 bánh đều xuất hiện ngẫu lực làm cho xe khó đi theo một hướng xác định hơn so với xe 3 bánh

+ Nhược điểm: trọng tâm sẽ được dịch về phía sau nên khoảng cách từ trọng tâm

đến đầu cảm biến lớn, việc bố trí cảm biến yêu cầu độ cân bằng tốt; đồng thời khi qua các góc lượn xe dễ bị mất cân bằng

→ Phương án này thường sử dụng trong trường hợp xe di chuyển trên mặt phẳng, xe chở thêm tải được đặt cân bằng

Xe ba bánh có hai bánh chủ động độc lập phía trước và một bánh tự lựa phía sau:

Hình 1.12 Sơ đồ nguyên lý

+ Ưu điểm: Như xe có hai bánh chủ động độc lập phía sau, moment quán tính giảm do

trọng tâm được đặt dịch về phía trước, khoảng cách từ trọng tâm đến cảm biến ngắn

và khá cân đối, hạn chế gây ra hiện tượng trượt khi đi qua các góc lượn

+ Nhược điểm: Như xe có hai bánh chủ động độc lập phía sau, nhưng cần có đối trọng phía sau để xe không bị lộn nhào khi thay đổi vận tốc đột ngột

→ Phương án này được sử dụng khi xe di chuyển trên mặt phẳng, đường line có các điểm chuyển hướng đột ngột và các bán kính nhỏ, tải lúc này có thể thay thế cho đối trọng

Xe bốn bánh có hai bánh chủ động phía sau và hai bánh tự lựa phía trước:

Hình 1.13 Sơ đồ nguyên lý

+ Ưu điểm: Có nguyên lý tương tự như xe ba bánh có một bánh tự lựa phía trước nhưng cứng vững hơn, hạn chết lật khi chuyển hướng gấp, khi xe di chuyển qua các đoạn cua thì đảm bảo khoảng cách giữa các sensor và mặt đường tốt hơn xe ba bánh

+ Nhược điểm: khó đảm bảo sự tiếp xúc của cả 4 bánh xe với mặt đường  cần có hệ thống treo, tuy nghiên đối với đường đưa phẳng thì điều này được loại bỏ

→ Phương án này được sử dụng khi xe cần độ cứng vững cao, khó lật khi chuyển hướng gấp

Xe 4 bánh chủ động:

Hình 1.14 Sơ đồ nguyên lý + Ưu điểm: Xe di chuyển linh hoạt, gia tốc và hãm nhanh, khoảng cách giửa các cảm biến

- Camera lấy hình ảnh từ thực tế, sau đó xử lý để cho ra kết quả là vị trí góc lệch của xe so với đường tâm line Phương pháp này có độ chính xác cao, nhưng 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 như: quang điện trở hay phototransistor kết hợp với LED Hai loại cảm biến này hoạt động với nguyên lý cơ bản giống nhau, bộ thu sẽ thu tín hiệu 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

Dựa trên đặc tính độ nhạy cao của phototransistor so với các loại cảm biến quang khác hai phương án sử dụng loại sensor này được đề xuất:

- Phototransistor kết hợp với LED thường

- Phototransistor kết hợp với LED hồng ngoại

Nguyên tắc hoạt động của phototransistor dựa vào tín hiệu ánh sáng phản xạ từ nguồn phát để tạo ra tín hiệu dạng điện áp Đối với đường đua mà màu line với màu của nền có độ tương phản cao (ví dụ như line đen nền trắng như sa bàn mục tiêu), LED hồng ngoại cho độ nhạy cao hơn nhưng cần phải che chắn để chống nhiễu Đối với đường đua

mà màu line với màu của nền có độ tương phản thấp, sử dụng LED thường sẽ hiệu quả hơn

Giải thuật xử lý tín hiệu

Có hai giải thuật xử lý được đề xuất:

Hình 1.15 Giải thuật xử lý tín hiệu bằng phương pháp so sánh

Với phương pháp xấp xỉ:

Vị trí của xe được suy ra từ giá trị analog đọc về từ cảm biến Thời gian xử lý phụ thuộc vào thời gian đọc ADC tất cả các sensor của vi điều khiển, do đó sẽ lâu hơn phương pháp thứ nhất, tuy nhiên độ chính xác cao hơn nhiều

Hình 1.16 Giải thuật xử lý tín hiệu cảm biến bằng phương pháp xấp xỉ

a) Xấp xỉ bậc 2; b) Xấp xỉ theo trọng số

1.4.3 Về động cơ

Các xe đua dò line như Pika, HFBS-2, CartisX04, Thunderstorm, Impact… đều sử dụng động cơ DC có gắn encoder làm cơ cấu chấp hành Đặc điểm của động cơ DC đa dạng về kích thước, momen, chủng loại driver; dễ dàng lắp đặt và điều khiển chính xác do có thể kết hợp thêm encoder và được ứng dụng thêm bộ điều khiển PID để có thể điều chỉnh tốc

độ hoặc vị trí chính xác theo yêu cầu

1.4.4 Cấu trúc điều khiển

Robot dò line có các module chính bao gồm module sensor, module điều khiển và module điều khiển động cơ Trong đó có hai phương pháp chính để kết nối các module đó với nhau là phương pháp điều khiển tập trung và phân cấp:

Điều khiển tập trung

Cảm biến

ĐC phải

Driver

Hình 1.17 Cấu trúc hệ điều khiển tập trung Trong phương pháp điều khiển tâp trung, một MCU nhận tín hiệu từ cảm biến, xử lí dữ liệu rồi truyền tín hiệu điều khiển cho cơ cấu tác động 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,đồng thời không có sự chuyên biệt hóa nên khó cho việc kiểm tra lỗi và update code điều khiển khi phát triển sản phẩm

Điều khiển phân cấp

Driver

ĐC trái Encoder

Trong phương pháp điều khiển phân cấp, một MCU (Master) đảm nhận vai trò xử lý thông tin nhận được từ một MCU (Slave) đọc tín hiệu từ cảm biến, và hai MCU (Slave) khác chịu trách nhiệm điều khiển động cơ Ưu điểm chính của cấu trúc hệ điều khiển phân cấp là chương trình điều khiển xử lý tín hiệu riêng biệt, dễ dàng cho tác vụ thiết kế nhóm,

dễ dàng sửa lỗi và update code điều khiển khi phát triển sản phẩm; có khả năng xử lý nhiều tác vụ cùng lúc, giúp giảm thiểu thời gian lấy mẫu Nhược điểm chính là tốn nhiều tài nguyên (4 MCU so với 1 MCU), phải quan tâm đến vấn đề giao tiếp giữa các MCU

1.4.5 Giải thuật bộ điều khiển

Nhiều bộ điều khiển có thể được sử dụng cho bài toán xe đua bám line như: PID, fuzzy, Following tracking, …

Ngoài ra, một số xe có áp dụng thêm khả năng ghi nhớ đường đi nhằm thay đổi các thông số điều khiển ứng với từng cung đường, giúp tăng khả năng đáp ứng của xe sau mỗi lần chạy như: xe Silvestre và CartisX04 Tuy nhiên để áp dụng các giải thuật này, robot cần sử dụng thêm cảm biến gyro để nắm được trạng thái gia tốc của xe trong suốt quá trình chuyển động

Bộ điều khiển PID

Bộ điều khiển

Đối tượng điều khiển

Tín hiệu đặt

+-

Hình 1.19 Bộ điều khiển PID Đặc điểm của bộ điều khiển: Bộ điều khiển PID hoạt động theo cơ chế phản hồi vòng điều khiển, tính toán giá trị “sai số” là hiệu số giữa giá trị đo tín hiệu biến đổi và giá trị đặt mong muốn Bộ điều khiển sẽ thực hiện giảm tối đa sai số bằng cách điều chỉnh giá trị điều khiển đầu vào ( KP, KI, KD)

( ) ( ) ∫ ( ) ( ) ( )

Bộ điều khiển Fuzzy ( bộ điều khiển mờ)

Hình 1.20 Bộ điều khiển Fuzzy Đặc điểm của bộ điều khiển: Bộ điều khiển Fuzzy hoạt động dựa trên logic mờ, ứng dụng cho đối tượng phức tạp mà chưa biết rõ hàm truyền, logic mờ có thể giải quyết các vấn đề

mà điều khiển kinh điển không làm được mà phụ thuộc vào kinh nghiệm người vận hành Cấu trúc của bộ điều khiển Fuzzy:

- Khâu mờ hóa: Chuyển các điều kiện có giá trị cụ thể thành những khoảng phù hợp theo kinh nghiệm và sự hiểu biết hệ thống của người lập trình ứng kết quả mong muốn tương ứng

- Thực hiện luật hợp thành: Hình thành luật mờ theo dạng IF … THEN

- Khâu giải mờ: từ luật hợp thành tính toán ra giá trị kết quả trong những trường hợp cụ thể Sử dụng phương pháp cực đại, phương pháp trọng tâm…

Bộ điều khiển Following tracking

Bộ điều khiển Following tracking được phát triển cho các mô hình robot bám line hiện nay, bộ điều khiển này vận hành dựa trên 3 sai số giữa xe và đường line theo phương tiếp tuyến , theo phương pháp tuyến , và theo góc lệch giữa xe với line , dựa vào các sai

số này để điều khiển xe thông qua các biến điều khiển là vận tốc góc và vận tốc dài theo phương trình sau:

{

Trong đó: là các hệ số của bộ điều khiển

số do bộ điều khiển Đối với sai số khi xe bám theo các vị trí đổi hướng đột ngột, sai số phụ thuộc phần lớn vào giải thuật điều khiển

Từ đó ta có các thông số đầu vào đặt ra cho xe dò line như sau:

- Vận tốc tối thiểu: ( )

- Vận tốc tối đa: ( )

- Sai số bám line lớn nhất: emax = 30 (mm)

- Bán kính cong nhỏ nhất: = 500 (mm)

CHƯƠNG 2: LỰA CHỌN PHƯƠNG ÁN

2.1 PHƯƠNG ÁN CƠ KHÍ

2.1.1 Lựa chọn kết cấu

Kết cấu cơ khí của robot cần đảm bảo ổn định cho robot chạy ở vận tốc tối đa là 1m/s và

có khả năng thực hiện chuyển hướng ở những vị trí chuyển hướng gấp, góc 900

Do robot chỉ cần bám theo đường cong bán kính lớn (R = 500mm), có khả năng thực hiện được việc đổi hướng tại các vị trí line bị gãy khúc và tính đơn giản trong kết cấu, mô hình động học; đồng thời giảm moment quán tính giúp hạn chế sự trượt bánh khi cua nên nhóm đã chọn sơ đồ nguyên lý hai bánh chủ động phía trước kết hợp bánh tự lựa - bánh mắt trâu bị động phía sau

Hình 2.2 Bánh xe chủ động được lựa chọn

- Bánh bị động:

Yêu cầu: bánh có khả năng thay đổi hướng dễ dàng, ma sát nhỏ Chọn bánh xe: Chọn bánh mắt trâu (3 bậc tự do), có thể di chuyển đa hướng, khi đổi hướng không bị trượt không thay đổi trọng tâm xe lúc di chuyển

Hình 2.3 Bánh xe bị động được lựa chọn

2.2 PHƯƠNG ÁN ĐIỆN

2.2.1 Lựa chọn động cơ

Yêu cầu đối với động cơ:

- Động cơ phải có moment và tốc độ đủ lớn để thỏa yêu cầu đề bài

- Dể dàng kiểm soát sai số để xe có thể bám line tốt

Hai phương án khả thi là dùng động cơ bước và động cơ DC servo

Bảng 2.1 Đặc điểm của động cơ bước và DC servo

Mạch Driver Đơn giản, người dùng có thể

tự chế tạo

Mạch phức tạp, thông thường người dùng phải mua mạch driver từ các nhà sản xuất

Nhiễu và rung

Hiện tượng trượt Xảy ra nếu tải quá lớn Khó xảy ra

Kết luận: Chọn động cơ DC Servo

2.2.2 Lựa chọn cảm biến

Theo phần tìm hiểu tổng quan thì có thể dùng cảm biến hồng ngoại, quang điện trở hoặc phototransistor Để đảm bảo sai số bám line nhỏ thì sai số do cảm biến gây ra phải nhỏ Vì vậy nhóm sẽ đọc tín hiệu analog từ cảm biến và thực hiện phép xấp xỉ gần đúng có trọng số Ba loại cảm biến trên có có sự khác biệt về mặt sai số, nhiễu Mặc khác, theo việc thử cảm biến trước của nhóm thì sử dụng modun cảm biến phototransistor TCRT5000 sẽ dễ dàng hơn cho việc thiết kế mạch, calip Nên nhóm chọn loại cảm biến TCRT500

2.2.3 Lựa chọn phương án điều khiển và giải thuật điều khiển

Nhóm lựa chọn phương án điều khiển tập trung để đảm bảo cấu trúc phần cứng đơn giản và tiết kiệm chi phí

Hình 2.4 Phương án cấu trúc điều khiển

Về giải thuật điều khiển:

Từ việc tìm được sai số liên tục giữa line và điểm tracking thông qua phương pháp nội suy, sử dụng bộ điều khiển tracking để đưa sai số về 0 Từ vận tốc bánh trái (vl ), bánh phải (vr ) qua bộ điều khiển PID để điều khiển bánh trái và bánh phải, từ đó điều khiển được vận tốc của xe

Hình 2.5 Phương án bộ điều khiển

2.2.4 Lựa chọn vật liệu làm khung

Xe phải đủ nhẹ và cứng vững để trong trường hợp mang theo tải vẫn đảm bảo chạy với tốc độ cao, vì vậy vật liệu làm xe phải nhẹ và đảm bảo đủ bền

Trên thị trường hiện có rất nhiều loại vật liệu như thép, nhôm, nhưng chọn vật liệu nào còn tùy thuộc vào giá cả cũng như khả năng đáp ứng yêu cầu đặt ra

a) Vật liệu gỗ:

Hình 2.6 Vật liệu gỗ Khối lượng riêng nhẹ, giá thành rẻ

Khả năng chịu tải và va đập thấp, nếu muốn tăng khả năng chịu tải phải tăng kích thước tạo ra sựu cồng kềnh

b) Vật liệu thép:

Hình 2.7 Vật liệu thép Khả năng chịu tải và va đập lớn, giá thành rẻ, dễ kiếm

Khối lượng riêng lớn, không phù hợp với xe mang tải nhẹ và hoạt động tốc độ cao

c) Vật liệu carbon:

Hình 2.8 Vậ.t liệu cacbon Khối lƣợng riêng nhẹ, khả năng chịu tải lớn Tuy nhiên giá thành cao

d) Vật liệu mica:

Hình 2.9 Vật liệu mica

Độ bề cao, khối lƣợng riêng nhẹ

Dễ gia công, giá thành rẻ

e) Vật liệu nhôm:

Hình 2.10 Vật liệu nhôm

Khối lƣợng riêng nhẹ, khả năng chịu tải và va đập cao, giá thành rẻ

 Dựa theo các tính chất vật liệu và giá thành nhóm đã chọn vật liệu mica để làm khung

xe

CHƯƠNG 3: THIẾT KẾ CƠ KHÍ

Cặp bánh trước chủ động và bánh sau tự lựa: momen quán tính giảm do trọng tâm được đặt dịch về phía trước, khoảng cách từ trọng tâm đến cảm biến ngắn và khá cân đối, hạn chế gây ra hiện tượng trượt khi đi qua các góc lượn

- Khoảng cách hai lỗ bắt vít: 40mm

3.2 Chọn và tính toán động cơ

A N

v P

Bảng 3.1 Bảng thông số đầu vào

Coi bánh xe đồng chất thì momen quán tính của bánh xe là:

Chọn hệ số an toàn là n=3, công suất động cơ là:

( )

Bảng 3.2 Bảng giá trị moment, vận tốc góc và công suất

Moment cần thiết để xe chuyển động 22.55(Nmm)

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

Bảng 3.3 Thông số cơ bản động cơ

Chiều dài 27 (mm) Encoder

Đường kính 16 (mm) Chiều dài 8 (mm)

Số xung 3456 xung/vòng Trục công tác Chiều dài 3 (mm)

Hình 3.3 Mô hình toán khi xe chuyển hướng Với:

G: trọng tâm xe Flt: lực li tâm

Fms: lực ma sát P: trọng lực

C: tâm quay khi xe lật h: chiều cao trọng tâm xe

Để xe không bị lật khi qua đoạn đường cong, ta có:

Với:

Gia tốc trọng trường: g= 9.81m/s2

Bề rộng xe: b= 0.15m

Bán kính cong của đường đua: r = 0.5m

Vận tốc dài tối đa: v = 1m/s

Ta có:

3.3.2 Kích thước sơ bộ khung xe

- Kích thước khung xe: dài x rộng: 220x150 mm, chọn theo tỉ lệ xe đua F1 là n= 1:13

- Khoảng cách từ cảm biến tới trọng tâm xe: 48 mm (lấy số liệu từ phần mô phỏng)

 Phương pháp gia công: in 3D đồ gá

Sai số gá đặt trục động cơ và mép khung ngoài: 0.2 mm

Sai số gá đặt bánh mắt trâu: 0.2 mm

CHƯƠNG 4: THIẾT KẾ PHẦN ĐIỆN

Chương này bao gồm thiết kế và thực nghiệm hệ thống cảm biến, lựa chọn driver động

cơ, mô hình hóa hệ driver và động cơ từ thực nghiệm, thiết kế bộ điều khiển PID và lựa chọn pin cho hệ thống

Hình 4.1 Sơ đồ khối của hệ thống điện

4.1.2 Lựa chọn cảm biến

Nhóm đề xuất lựa chọn sử dụng loại cảm biến thu phát hồng ngoại được đóng gói sẵn vì lý do: Đảm bảo được kích thước giữa các cặp cảm biến, có được đặc tính của IR phát và thu Nhóm lựa chọn loại cảm biến TCRT5000 với thông số:

Nền trắng: 90 – 100%

Datasheet có xác định dòng qua led nằm trong khoảng 20mA – 40mA tuy nhiên nếu sử dụng led trong thời gian dài(>1000 giờ) với dòng 40mA sẽ có thể làm hỏng led và năng lƣợng mất mát khoảng 50mW tại 40mA Ta lựa chọn dòng IF = 20mA nên:

Nhóm lựa chọn điện trở:

Ta lựa chọn dòng qua IC = 0.6 mA thỏa mãn khi đó điện trở R2 là:

Nên ta lựa chọn R2 = 10 KΩ

4.1.3 Xác định chiều cao đặt cảm biến

Đối với cảm biến TCRT5000 các thông số đƣợc thể hiện nhƣ hình 2:

Hình 4.3 Mô hình của cảm biến TCRT5000

Theo nhƣ datasheet của nhà sản xuất thì góc phát của Emiter α = 160, góc thu là β = 300 Khoảng cách giữa hai cảm biến thu phát d = 3.5mm Từ đó ta có thể xác định đƣợc giá trị của d1, d2 Xd

( ) ( )

Bảng 4.2 Bảng giá trị sự thay đổi của d 1 , d 2 , X d theo chiều cao của cảm biến

Hình 4.4 Sự thay đổi giá trị ADC khi khi chiều cao 0 – 20mm nền màu trắng

Hình 4.5 Sự thay đổi giá trị ADC khi khi chiều cao 0 – 20mm nền màu đen