Thiết kế, chế tạo và điều khiển robot dò line (line following robot)

Một sơ đồ nguyên lý hiện nay của rất nhiều xe đua dò line như HBFS-2 RobotRobotChallenge 2015 và Sylvestre COSMOBOT 2012, CRJET International RoboticsCompetition 2010, Johnny-5 IGVC, Thu

ĐẠI H ỌC QUỐC GIA THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA

KHOA CƠ KHÍ

BỘ MÔN CƠ ĐIỆN TỬ

BÁO CÁO ĐỒ ÁN THIẾT KẾ HỆ THỐNG CƠ ĐIỆN TỬ

GVHD: TS Phùng Trí Công.

Sinh viên thực hiện: MSSV

TpHCM, ngày 21 tháng 10 năm 2017

ĐỒ ÁN THIẾT KẾ HỆ THỐNG CƠ ĐIỆN TỬ GVHD: TS PHÙNG TRÍ CÔNG

MỤC LỤC

MỤC LỤC i

DANH SÁCH HÌNH ẢNH iii

DANH SÁCH BẢNG BIỂU v

MỤC TIÊU ĐỒ ÁN 1

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN 2

CHƯƠNG 2: ĐỀ XUẤT VÀ LỰA CHỌN PHƯƠNG ÁN 7

2.1 Đề xuất sơ đồ nguyên lý 7

2.2 Đề xuất cảm biến 7

2.3 Đề xuất cấu trúc điều khiển 8

2.4 Đề xuất giải thuật điều khiển 9

2.5 Phương án thiết kế 9

CHƯƠNG 3: MECHANICAL SYSTEMS 10

3.1 Lựa chọn bánh xe 10

3.2 Lựa chọn động cơ 10

3.3 Kích thước thân xe 12

3.4 Thiết kế đồ gá cho động cơ 13

CHƯƠNG 4: INFORMATION SYSTEMS 16

4.1 Mô hình động học của robot 16

4.2 Cách xác định vị trí của robot 17

4.3 Bộ điều khiển tracking, tìm khoảng cách d và mô phỏng bám sa bàn 19

CHƯƠNG 5: ELECTRICAL SYSTEMS 25

5.1 Hệ thống cảm biến 25

5.1.1 Xác định yêu cầu cảm biến 25

5.1.2 Thực nghiệm cảm biến 25

5.2 Hệ thống điều khiển động cơ 29

ĐỒ ÁN THIẾT KẾ HỆ THỐNG CƠ ĐIỆN TỬ GVHD: TS PHÙNG TRÍ CÔNG

5.3 Lựa chọn pin 36

CHƯƠNG 6: COMPUTER SYSTEMS 37

6.1 Lựa chọn vi điều khiển 37

6.1.1 Sơ đồ khối của bộ điều khiển 37

6.1.2 Xác định yêu cầu và lựa chọn vi điều khiển 37

6.1.3 Lựa chọn vi điều khiển 38

6.2 Tính toán thời gian truyền nhận dữ liệu 38

6.3 Giải thuật điều khiển 39

CHƯƠNG 7: KẾT QUẢ THỰC NGHIỆM 40

PHỤ LỤC A: KIT THÍ NGHIỆM SENSOR 42

PHỤ LỤC B: TÀI LIỆU THAM KHẢO 44

DANH SÁCH HÌNH ẢNH

Hình 0.1 Sa bàn di chuyển của robot 1

Hình 1.1 Sơ đồ nguyên lý RC racing cars 2

Hình 1.2 Sơ đồ nguyên lý hai cặp chủ động vi sai (a) Loại 2 bánh; (b) Loại 4 bánh 3

Hình 1.3 Giải thuật xử lí tín hiệu bằng phương pháp so sánh 4

Hình 1.4 Giải thuật xử lý tín hiệu cảm biến bằng phương pháp xấp xỉ[18] 5

Hình 2.1 Phương án sơ đồ nguyên lý 7

Hình 2.2 Phương án cấu trúc điều khiển 8

Hình 3.1 Mô hình toán của một bánh xe 10

Hình 3.2 Mô hình toán khi xe chuyển hướng 12

Hình 3.3 Sơ đồ sắp xếp linh kiện trên thân xe 14

Hình 4.1 Mô hình động học của mobile platform 16

Hình 4.2 Mô hình động học được sử dụng cho robot dò line 18

Hình 4.3 Cách xác định e3 18

Hình 4.4 Sai số trung bình ứng với mỗi giá trị khoảng cách d 19

Hình 4.5 Kết quả bám line ở đoạn A-B-C-D 21

Hình 4.6 Kết quả bám line ở đoạn D-E-F-C-G 22

Hình 4.7 Kết quả bám line ở đoạn G-A-C-E 23

Hình 4.8 Robot phát hiện và tự động thực hiện đổi hướng ở đoạn vuông góc 24

Hình 4.9 Robot phát hiện đoạn giao cắt 24

Hình 5.1 Sơ đồ khối của hệ thống điện 25

Hình 5.2 Sơ đồ mạch điện cảm biến TCRT5000 cho thí nghiệm 26

Hình 5.3 Phạm vi hoạt động của cảm biến dựa theo góc chiếu 27

Hình 5.4 Đồ thị kết quả thí nghiệm đo giá trị điện áp trả về từ cảm biến 27

Hình 5.5 Mô hình vùng giao thoa của cực phát và cực thu 28

Hình 5.6 Đường đặc tuyến giữa giá trị đọc về từ cảm biến và giá trị lý tưởng 29

Hình 5.10 Đồ thị đáp ứng theo thời gian khối driver-động cơ 1 33

Hình 5.11 Mô phỏng đáp ứng khối driver-động cơ 1 sau khi thêm bộ PID 34

Hình 5.12 Đồ thị đáp ứng theo thời gian khối driver-động cơ 1 sau khi thêm bộ PID 34

Hình 5.13 Mô phỏng đáp ứng khối driver-động cơ 2 sau khi thêm bộ PID 35

Hình 5.14 Đồ thị đáp ứng theo thời gian khối driver-động cơ 2 sau khi thêm bộ PID 35

Hình 6.1 Sơ đồ khối của bộ điều khiển 37

Hình 6.2 Chu kỳ truyền nhận dữ liệu của hệ thống 38

Hình 6.3 Lưu đồ giải thuật của hệ thống 39

Hình 7.1 Kết quả chạy mô phỏng 40

Hình 7.2 Kết quả chạy thực tế 41

Hình A.1 Mô hình bộ thí nghiệm dùng cho thí nghiệm 2 42

Hình A.2 Bộ mô hình dùng cho thí nghiệm 3 43

DANH SÁCH BẢNG BIỂU

Bảng 3.1 Thông số đầu vào của xe 11

Bảng 3.2 Thông số yêu cầu của động cơ 12

Bảng 3.3 Các thiết bị trên thân xe 13

Bảng 4.1 Thông số đầu vào mô phỏng 19

Bảng 4.2 Thông số đầu vào mô phỏng 20

Bảng 5.1 Số liệu thử nghiệm TB6612 với động cơ 1 30

Bảng 5.2 Số liệu thử nghiệm TB6612 với động cơ 2 32

Bảng 5.3 Dòng điện tiêu thụ các linh kiện trong mạch 36

MỤC TIÊU ĐỒ ÁN

.Thiết kế và chế tạo xe dò line di chuyển tốc độ cao trên sa bàn có các đặc điểm :

- Màu sắc đường line: Đen

3000

Hình 0.1 Sa bàn di chuyển của robot

- Yêu cầu: 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 :

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

- Tốc độ di chuyển tối thiểu của robot là 0.2 m/s

- Mỗi robot mang trên mình vật nặng có trọng lượng 2 kg với kích thước tối đa của tải trọng (dài x rộng x cao): 200mm x 100mm x 300mm

X

X X

X

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN

1 Sơ lược về Robot dò line:

Robot dò line (Line Following Robot) là một dạng robot di động (mobile robot) dichuyển bằng bánh xe Robot sẽ di chuyển bám theo các đường line được làm sẵn trên mặtđất Quỹ đạo của robot phụ thuộc vào sa bàn của hệ thống các đường line có sẵn

Trong đồ án này sẽ thiết kế và điều khiển xe đua bám đường theo quỹ đạo cho trước.Mục đích là xe đua sẽ di chuyển trong quãng đường này với thời gian ngắn nhất, đảm bảotheo yêu cầu bám line đặt ra

2 Sơ đồ nguyên lý:

Rất nhiều sơ đồ nguyên lý có thể được ứng dụng cho việc chế tạo robot dò line Đểđạt được tốc độ và khả năng bám đường, sơ đồ nguyên lý của các loại xe đua điềukhiển từ xa (RC racing cars) có thể được sử dụng Có hai loại sơ đồ nguyên lý chungcho các loại xe đua chuyên chạy trên mặt đường phẳng:

- Loại 1(Hình 1.1a) sử dụng trục truyền động cho trục trước và sau xe (Khung xe

của hãng Awesomatrix, TAMIYA TT01, Overdose Divall…)

- Loại 2(Hình 1.1b) sử dụng đai răng truyền động cho trục trước và sau xe (Khung

xe của hãng Sakura D3 CS, Serpent VETEQ 02, TA04 EPRO…)

Những sơ đồ nguyên lý này có đặc điểm hạn chế được hiện tượng trượt giữa cácbánh khi xe thực hiện đổi hướng, tuy nhiên thiết kế cơ khí phức tạp và bán kính cong nhỏnhất của xe sẽ bị giới hạn bởi kết cấu của xe

Một sơ đồ nguyên lý hiện nay của rất nhiều xe đua dò line như HBFS-2 (RobotRobotChallenge 2015) và Sylvestre (COSMOBOT 2012, CRJET International RoboticsCompetition 2010), Johnny-5 (IGVC), Thunderbolt (Robot Challenge 2014)… sử dụng

hai bánh chủ động được điều khiển độc lập kết hợp với bánh đa hướng (Hình 1.2a) Sơ đồ

nguyên lý này có đặc điểm kết cấu, mô hình động học đơn giản, dễ hiệu chỉnh sai số hệthống và cho phép xe di chuyển được theo bán kính rất nhỏ, kể cả việc quay tại chỗ[5],tuy nhiên xe lại rất dễ bị trượt theo phương pháp tuyến khi thực hiện việc bám theo cácđoạn đường bán kính nhỏ ở tốc độ cao

Ngoài ra, một dạng khác của sơ đồ nguyên lý này cũng được các xe đua nhưCartisX04 (All Japan Micromouse 2015), Mouse (RobotChallenge 2014)… sử dụng

(Hình 1.2b) Ở sơ đồ này, mỗi bánh xe vi sai chủ động được thay bằng một cặp bánh, giúp

xe dễ cân bằng hơn, tuy nhiên kết cấu cơ khí phức tạp hơn và luôn xuất hiện hiện tượngtrượt bánh khi xe đổi hướng

Hình 1.2 Sơ đồ nguyên lý hai cặp chủ động vi sai

(a) Loại 2 bánh; (b) Loại 4 bánh

3 Một số xe đua dò line:

 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

- Tốc độ đạt được: 1,5 m/s

- Sai số: 20 mm

Ưu, nhược điểm của robot này:

 Ưu điểm : Sơ đồ nguyên lý có đặc điểm kết cấu, mô hình động học đơn giản, dễ điều chỉnh tốc độ riêng biệt cho 2 bánh chủ động khi vào đoạn đường cua (có thể chỉnh tốc độ khác nhau hoặc cùng tốc độ nhưng ngược chiều) và cho phép xe di chuyển được theo bán kính rất nhỏ

 Nhược điểm : Dể lật khi di chuyển ( dễ bị trượt theo phương pháp tuyến khi thực hiện việc bám theo các đoạn đường cong ở tốc độ cao) và không đảm bảo được khoảng cách giữa cảm biến và mặt đường trên địa hình dốc-độ ổn định kém

 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

- Tốc độ đạt được: 1,6 m/s

- Sai số: 15 mm

Ưu, nhược điểm của robot này:

 Ưu điểm : Dễ di chuyển bám theo đoạn đường cong với độ chính xác cao

 Nhược điểm : Tốc độ trung bình, cần phải chọn bánh và thiết kế hợp lý để đảm bảo cân bằng, đồng phẳng Quán tính khi ôm cua của robot lớn nên có thể làm robot lệch khỏi line khi chạy với tốc độ cao, thuật điều khiển phức tạp

 Xe #include<stdio.h> - Võ Hữu Tài - Giải nhất cuộc thi 2014

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

- Số lượng bánh xe: 4 bánh chủ động, cả 4 bánh đều được lắp động cơ

- Tốc độ đạt được: 1,8 m/s

- Sai số: 20 mm

Ưu, nhược điểm của robot này:

 Ưu điểm : Kết cấu cơ khí đơn giản

 Nhược điểm : Chạy với tốc độ thấp, dễ xảy ra hiện tượng trượt khi chạy với tốc độcao do bốn bánh được dẫn động bằng bốn động cơ riêng biệt khi ôm cua rất chậm

vì tạo ra tâm quay tức thời rất khó Để khắc phục thì cần bộ điều khiển phức tạp

 Nhận xét :

- Xe ba bánh (2 bánh chủ động, 1 bánh bị động): Ba bánh xe đồng phẳng, độ linh hoạt cao

- Xe bốn bánh (2 bánh chủ động, 2 bánh bị động): Khó tinh chỉnh đồng phẳng dẫn đến mất mát công suất Hai bánh tự lựa dễ bị trượt khi cua với tốc độ cao

 Từ yêu cầu đề bài và các phân tích trên nhóm quyết định chọn thiết kế loại xe 3 bánh:

2 bánh chủ động, 1 bánh bị động

4 Về Cảm biến:

Về cảm biến, phần lớn các robot dò line hiện nay sử dụng các loại cảm biến quang

để nhận biết vị trí tương đối của đường line so với xe, từ đó xử lí để đưa ra tín hiệu điềukhiển Có hai phương pháp thường được sử dụng cho robot dò line là phương pháp sửdụng camera và các loại cảm biến quang dẫn:

- Ở phương pháp camera: chụp hình ảnh line đưa về bộ phận xử lý rồi ra quyết định điều khiển Phương pháp này có độ chính xác cao nhưng với line màu phân biệt rõ nét thì không cần thiết, sẽ tốn nhiều thời gian xử lý và ra quyết định dẫn đến tốc độ

di chuyển của xe chậm

- Phương pháp thứ hai được ứng dụng phổ biến cho hầu hết các loại trong các cuộcthi robot dò line hiện nay Một số loại cảm biến có thể được sử dụng như quangđiện trở[12] (robot ALF trong cuộc thi ROBOCON Malaysia 2006) hoặc photo-transistor[10][11][13] kết hợp với LED Hai loại cảm biến này có nguyên tắc hoạtđộng giống nhau, bộ thu sẽ thu tín hiệu ánh sáng phản xạ từ bộ phát xuống mặtđất, từ đó xử lí để xác định vị trí của đường line Mặc dù vậy, photo-transistorđược ứng dụng nhiều hơn bởi nó cho thời gian đáp ứng nhanh hơn quang điện trở

Đối với các loại cảm biến quang, tín hiệu tương tự từ cảm biến sẽ được hiệuchuẩn và xử lí bàng các giải thuật so sánh[19] hoặc xấp xỉ[18] để tìm ra vị trí tươngđối của robot dò line với tâm đường line.

- Phương pháp thứ nhất dùng bộ so sánh để xác định trạng thái đóng/ngắt của cácsensor, sau đó suy ra vị trí xe theo một bảng trạng thái đã được định sẵn[12][19]

[21][27] (Hình 1.3.) Với phương pháp này, sai số dò line sẽ phụ thuộc vào số khả

năng phân biệt các trạng thái của hệ thống, hay khoảng cách giữa các sensor.Phương pháp này có đặc điểm phụ thuộc chủ yếu vào mức ngưỡng so sánh củacác sensor, do đó tốc độ xử lý rất nhanh

00011000

Line nằm giữa

Line nằm lệch bên phải

Line nằm lệch bên trái

00000110

01100000

Tín hiệu mức thấp tại vị trí không

có line Tín hiệu mức cao tại vị trí

có line

Hình 1.3 Giải thuật xử lí tín hiệu bằng phương pháp so sánh

- Phương pháp thứ hai xấp xỉ ra vị trí của xe so với tâm đường line từ các tín hiệutương tự từ cảm biến[18] Có 3 giải thuật xấp xỉ được giới thiệu đó là xấp xỉ theo

bậc 2, tuyến tính và theo trọng số (Hình 1.4.) với sai số dò line lần lượt là 5.4mm,

2.8mm và 2.6mm trong thí nghiệm được thưc hiện ở [18] Đặc điểm của phương

có thể kết hợp thêm encoder và được ứng dụng thêm bộ điều khiển PID để có thể điềuchỉnh tốc độ hoặc vị trí chính xác theo yêu cầu.

6 Về cấu trúc điều khiển:

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

_Phương pháp điều khiển tập trung: một vi điều khiển sẽ nhận và

đồng thời xử lí các tính hiệu từ sensor, tín hiệu từ encoder, thực hiện các chương trình chính đồng thời truyền dữ liệu cho việc điều khiển haiđộng cơ Đối với phương pháp này thì kết cấu mạch điều khiển đơn giản, nhưng chỉ một vi điêu khiển làm việc quá nhiều, phải xử lí toàn

bộ thông tin nhận được trước đó rồi mới cập nhật thông tin tiếp theo làm thời gian đáp ứng chậm

_Phương pháp điều khiển phân cấp: gồm một master và ba Slave để

điều khiển mạch sensor, mạch lái động cơ Vi điều khiển master được dùng để thực hiện các chương trình chính, các phép toán cho chương trình điều khiển hai động cơ Còn các Slave dùng với các nhiệm vụ riêng biệt để thu nhận và xử lí tín hiệu từ cảm biến, tín hiệu từ

encoder, tính toán vị trí tương đối của robot so với line, tính toán tốc

độ của động cơ và truyền về cho master Phương pháp này giúp giảm nhẹ khối lượng nhận và xử lí thông cho master tăng thời gian đáp ứng.

7 Về giải thuật điều khiển:

Giải thuật điều khiển được dùng phổ biến cho các xe đua dò line là bộ điều khiển

PD, PID, FIC[24] cho hệ thống lái của xe kết hợp với PID cho từng động cơ như xe Bolt,

Pika, Major (Robocomp 2014), Thunderstorm…

Ngoài ra, một bộ điều khiển phổ biến khác thường được ứng dụng cho mobile robot

là bộ điều khiển tracking[25][26][28] Thực nghiệm từ [28] cho thấy bộ điều khiển này cóthể giúp sai số bám line của robot trên đoạn đường thẳng và cong; đạt sai số tối đa 150mmkhi gặp các đoạn line gấp khúc và tối đa 250mm khi robot thực hiện đổi hướng 900

Bên cạnh đó, một số xe có áp dụng thêm khả năng ghi nhớ đường đi nhằm thay đổicác 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; một giải thuật tự học đường là Q-Learning đã

được mô tả trong [22] Tuy nhiên để áp dụng các giải thuật này, robot cần sử dụng thêmcảm biến gyro để nắm được trạng thái gia tốc của xe trong suốt quá trình chuyển động

8 Yêu cầu đề bài:

Dựa vào kết quả tìm hiểu các robot bám line, ta thấy vận tốc xe đạt được nằm trongkhoảng 1,5-3 (m/s) Với mục tiêu bám line tốt nên nhóm quyết định chọn vân tốc:

0,95 m/s

Về khả năng đổi hướng, ngoài việc robot có thể bám được bán kính cong 500mm

(đoạn G →B, D→F Hình 0.1.) trên sa bàn, robot còn phải có khả năng bám theo đường line tại các vị trí line bị cắt đột ngột (điểm B, D, F, G Hình 0.1.) và vị trí góc 900 (điểm A

Hình 0.1.)

Về sai số tối đa của robot trong suốt quá trình, sai số trong quá trình xe di chuyểntrên đường thẳng hay cong sẽ phụ thuộc vào sai số xác định vị trí của xe do hệ thốngsensor (tối đa 5.4mm [18]) và sai 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 (tối đa250mm)

Hình 8.1 Vị trí giao điểm sa bàn.

Xét đoạn đường từ O-> D ( giả sử sai số bám line tại O: e=0), với thời gian lấy mẫu

t=0,01s, với vận tốc lớn nhất vmax=0,95 m/s quảng đường mà robot sẽ lấy mẫu lần 2:

Tóm lại, các thông số đầu vào cho bài toán thiết kế:

- Tốc độ tối đa: vmax = 0,9 m/s

- Bán kính cong tối thiểu: Rmin = 500mm

- Sai số dò line tại các vị trí line đổi hướng đột ngột: emax = 250mm

- Sai số dò line trên đoạn đường thẳng và cong: emax = ±11mm

CHƯƠNG 2: ĐỀ XUẤT VÀ LỰA CHỌN PHƯƠNG ÁN

Chương này bao gồm việc đề xuất và lựa chọn phương án cho nguyên lý hoạt động của

xe, loại cảm biến, cấu trúc điều khiển và thuật toán điều khiển

2.1 Đề xuất sơ đồ nguyên lý:

Do robot chỉ cần bám theo đường cong bán kính lớn (R = 500mm) ,có khả năng thựchiện được việc đổi hướng tại các vị trí line bị gãy khúc và tính đơn giản trong kết cấu, môhình động học, sơ đồ nguyên lý hai bánh chủ động vi sai kết hợp bánh đa hướng bị động

(Hình 2.1) được lựa chọn.

2.2 Đề xuất cảm biến: Hình 2.1 Phương án sơ đồ nguyên lý

Để thỏa mãn yêu cầu về việc đáp ứng được với các đường gãy khúc đột ngột của sabàn, phương án cảm biến phải có độ nhạy thích hợp Dựa trên đặc tính độ nhạy cao củaphototransistor so với các loại cảm biến quang khác hai phương án sử dụng loại sensornày 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 từnguồn phát để tạo ra tín hiệu dạng điện áp Đối với đường đua mà màu line với màu củanền có độ tương phản cao (ví dụ như line đen nền trắng như sa bàn mục tiêu), LED hồngngoại 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 quảhơn

Hôm trước đã nghiên cứu tới đây!

Master

Motor Encoder

Motor Encoder

Left Motor Controller

Right Motor Controller

Về giải thuật xử lí tín hiệu:

Với sai số yêu cầu ±16mm như đầu bài, các phương pháp có độ phân cao nên đượclựa chọn Có hai giải thuật xử lý được đề xuất:

- So sánh

- Xấp xỉ

Với phương pháp so sánh, vị trí của robot so với đường line chỉ có thể thuộc vàomột số trường hợp đã được quy định sẵn Số trường hợp này phụ thuộc số lượng cảmbiến, sai số ảnh hưởng bởi khoảng cách tối thiểu giữa các cảm biến Khoảng cách giữacác cảm biến này phụ thuộc nhiều vào góc chiếu của LED, góc thu của sensor và độ cao

2.3 Đề xuất cấu trúc điều khiển:

Để xe có thể đáp ứng kịp thời những đoạn đường đổi hướng đột ngột trên sa bàn, xecần có khả năng thực hiện tác vụ xác định vị trí xe, tính toán vận tốc bánh cần đạt và đápứng vận tốc trước khi xe vượt ra khỏi đoạn gãy khúc Có một phương án được đề xuất: bộđiều khiển phân cấp với một MCU slave đọc giá trị hệ thống sensor và hai MCU slaveđiều khiển động cơ

Hình 2.2 Phương án cấu trúc điều khiển

Phương án này tận dụng được đặc điểm định vị trí và tính toán vận tốc mới đồng thời nhờ

sử dụng các MCU độc lập giúp hệ thống có khả năng đáp ứng nhanh Về việc điều khiển

động cơ, để tránh xung đột ngắt sinh ra từ tín hiệu các encoder, hai MCU nên được sửdụng để điều khiển độc lập tốc độ hai động cơ Ngoài việc có khả năng thực hiện nhiềutác vụ cùng lúc, phương án này còn có đặc điểm giúp giảm nhẹ việc tính toán, xử lý củatừng MCU Tuy nhiên, khó khăn gặp phải là việc xác định thời gian lấy mẫu và truyền

nhận dữ liệu của từng MCU Sơ đồ cấu trúc điều khiển được thể hiện trên Hình 2.2.

2.4 Đề xuất giải thuật điều khiển:

Dựa vào yêu cầu robot phải bám được trên các đoạn đường thẳng, cong và sai số vịtrí line bị gấp khúc (250mm), hai phương án cho bộ điều khiển được đề xuất:

- Bộ điều khiển PD kết hợp ghi nhớ đường đi

- Bộ điều khiển tracking

Phương án 1 có đặc điểm giúp robot có khả năng cải thiện được khả năng bámđường line sau mỗi lần chạy Tuy nhiên giải thuật tự học phức tạp và cần phải kết hợpthêm cảm biến gyro để bộ điều khiển có thể nhớ được trạng thái gia tốc của robot trongsuốt đường đua

Phương án 2 là một bộ điều khiển thông dụng trong các nghiên cứu về khả năngbám theo quỹ đạo cho trước của mobile robot Lý thuyết và thực nghiệm đã chứng minh

bộ điều khiển có khả năng di chuyển robot tới các tọa độ cho trước với vận tốc mong[28]muốn Ngoài ra, bộ thông số của bộ điều khiển Kx, Ky, Kθ có thể được tùy chỉnh nhằmtăng khả năng bám line của robot cho các đoạn đường khác nhau

2.5 Phương án thiết kế:

Vậy, phương án thiết kế robot được lựa chọn:

- Sơ đồ nguyên lý: robot 2 bánh chủ động vi sai có bánh đa hướng bị động (Hình 2.1.)

- Cảm biến: bộ LED hông ngoại-Phototransistor và sử dụng giải thuật xấp xỉ để tìm

ra vị trí của robot so với đường line

- Động cơ: động cơ DC có gắn encoder

- Cấu trúc điều khiển: bộ điều khiển phân cấp (Hình 2.2.)

- Giải thuật điều khiển: bộ điều khiển tracking[28]

R τ

P N

CHƯƠNG 3: MECHANICAL SYSTEMS

Chương này bao gồm lựa chọn bánh xe, tính toán lựa chọn động cơ, kích thước thân xe vàthiết kế đồ gá cho động cơ

Bánh bị động:

Hai loại bánh bị động thường được sử dụng cho mobile robot là bánh mắt trâu vàbánh caster[5] Tuy nhiên đặc điểm của bánh caster là khoảng cách giữa trục quay và trụcbánh gây ra hiện tượng shopping-cart làm ảnh hưởng đến phương trình động học của

xe[5] Để tránh hiện tượng này và tận dụng được đặc điểm của sơ đồ nguyên lý, bánh mắttrâu được lựa chọn làm bánh bị động

Hình 3.1 Mô hình toán của một bánh xe

Moment quán tính của bánh xe có thể tính gần đúng :

(2𝑚 +𝑀)𝑎𝑅

𝛾 +

2

Công suất mỗi động cơ cần cung cấp

𝑃 = 𝜏𝜔Với,

𝐼(kg.m2): moment quán tính của bánh xe 𝜏(N.m): moment

𝑚(kg): khối lượng của bánh xe 𝑎(m/s2): gia tốc dài mong muốn

𝛾(rad/s2): gia tốc góc

Dựa vào các công thức và thông số đầu vào của xe, các thông số cần thiết của động

cơ có thể được tính toán

Bảng 3.1 Thông số đầu vào của xe

Hệ số an toàn[31] 3

T F lt P

Với thông số động cơ đã được tính như trên, động cơ DC ESCAP 214EMR19[32] (𝜔 = 540 vòng/phút, 𝑃 = 4,5W) được lựa chọn

16G88-3.3 Kích thước thân xe:

Chiều cao trọng tâm xe:

Tại các đoạn đường chuyển hướng, xe có khả năng bị lật nếu việc bố trí thiết bị trênthân xe làm cho trọng tâm xe cao hơn một giới hạn nhất định Giới hạn này có thể được

tính toán dựa trên mô hình toán sau trên Hình 3.2.

Với,

Hình 3.2

Mô hình toán khi xe chuyển hướng

Để tránh lật, moment sinh ra do trọng lực quanh tâm quay C phải lớn hơn moment của lực li tâm:

𝑏𝐹𝑙𝑡ℎ − 𝑃

2 ≤ 0

𝑚𝑣2

⟺𝑅

𝑏

ℎ − 𝑚𝑔 ≤ 0

2

Kích thước bao:

Kích thước bao của xe phụ thuộc vào kích thước và việc sắp xếp các linh kiện điện, điện tử, khoảng cách được mô phỏng giữa sensor và các bánh chủ động Ngoài ra tỉ lệkích thước dài-rộng của xe nên được chọn theo tỉ số √5 nhằm giảm thiểu tối đa ảnhhưởng của các yếu tố động lực học lên xe[33] Các thiết bị được đặt trên thân xe được thể

3.4 Thiết kế đồ gá cho động cơ:

Kích thước chi tiết gá được lựa chọn theo kích thước mặt bích của động cơ [32] vàphải đảm bảo yêu cầu về chiều cao trọng tâm xe Để đảm bảo độ cứng vững và dung sai

đề ra, nhôm được lựa chọn làm vật liệu cho đồ gá Dựa vào [34], cấp chính xác được lựachọn là IT10

Mối ghép giữa đồ gá với mặt bích động cơ là mối ghép cố định, cần đảm bảo địnhtâm, đồng thời chi tiết ghép có khối lượng nhỏ nên ta chọn kiểu lắp giữa mặt bích với đồ

gá là kiểu lắp trung gian: ∅7 𝐽𝑠10 [35]

Với kích thước danh nghĩa của trục động cơ thuộcℎ8

khoảng trên 6mm đến 10mm, ta có:

Miền dung sai kích thước lỗ: ∅7𝐽𝑠10

Sai lệch cơ bản: 0𝜇𝑚

kích thước danh nghĩa của thân Stepped Screws thuộc khoảng trên 3mm đến 6mm, ta có:

7

Hình 3.3 Sơ đồ sắp xếp linh kiện trên thân xe

Miền dung sai kích thước lỗ: ∅6𝐽𝑠10

Sai lệch cơ bản: ±5𝜇𝑚[36]

Sai lệch giới hạn của kích thước:{+29𝜇𝑚

−29𝜇𝑚Miền dung sai kích thước trục: ∅6ℎ7

Sai lệch cơ bản: 0𝜇𝑚Sai lệch giới hạn của kích thước:{ 0𝜇𝑚

−12𝜇𝑚Mối ghép giữa trục động cơ và nối trục là mối ghép cần độ chính xác đồng tâm và

có chi tiết kẹp phụ, ta chọn kiểu lắp cho mối ghép này là kiểu lắp lỏng ∅3 𝐻10[35]

𝑓6Miền dung sai kích thước trục: ∅3𝑓6[37]

Sai lệch cơ bản: −6𝜇𝑚[36]

Sai lệch giới hạn của kích thước:{ −6𝜇𝑚

−12𝜇𝑚Miền dung sai kích thước lỗ: ∅3𝐻10[37]

Sai lệch cơ bản: 0𝜇𝑚[36]

Sai lệch giới hạn của kích thước:{+40𝜇𝑚

0𝜇𝑚

y y

x x x

M

e3 R

e2 e1 C

CHƯƠNG 4: INFORMATION SYSTEMS

Chương này bao gồm việc giới thiệu mô hình động học của robot, cách xác định vị trírobot so với line, bộ điều khiển tracking sử dụng cho robot và mô phỏng bám sa bàn chorobot

4.1 Mô hình động học của robot:

Mô hình động học của mobile platform đã được giới thiệu nhiều trong các nghiêncứu[7][26][27][28] Mô hình này bao gồm các điểm quan trọng: Điểm R: điểm thamchiếu cho robot; Điểm M: trung điểm của hai bánh chủ động; Điểm C: Điểm tracking của

robot Mô hình này được thể hiện trên Hình 4.1.

R

C

M

R M C Hình 4.1 Mô hình động học của mobile platform Phương trình động học tại điểm M

Trong đó v và  là vận tốc dài và vận tốc góc của xe Phương trình động học tại điểm C

e C e

là tâm của dãy sensor, M là trung điểm hai bánh chủ động và là điểm tracking của xe Khi

đó, ta có e1 = d Mô hình này được thể hiện trên Hình 4.2 Như vậy, để xác định được đầy

đủ thông tin về vị trí của điểm tracking so với tham chiếu, sai số e2 và e3 cần được xác

định

Trên thực tế, e2 được xác định trực tiếp từ hệ thống sensor Đối với e3, phương án xác định được đề xuất là cho robot di chuyển theo phương trước đó một đoạn ds đủ nhỏ

để khi nối 2 điểm RR’ tạo thành tiếp tuyến của đường cong (Hình 4.3) Khi đó, sai số e3

được xác định theo công thức

𝑒2 − 𝑒2′

)