2 3.3.3 Tính toán khoáng cách đặt cảm biến cho với trục của bánh dẫn động... Xe sử dụng cơ cấu lái Ackerman, hai bánh trước được cố định trực tiếp với khung cảm biến dò line, đồng thời đ
TỔNG QUAN
Đề bài đặt ra
Mô tả về sa bàn:
- Màu sắc đường line: đen
- Bề rộng đường line: 26mm
- Bề mặt địa hình di chuyển: phẳng
Robot bắt buộc phải chạy theo chiều quy định đã ghi trên sa bàn (hình 1)
Khi bắt đầu, robot được đặt tại vị trí START (điểm A), sau đó robot chạy theo thứ tự qua các điểm nút quy định lần lượt như sau:
Hình 1-1 Sa bàn di chuyển của robot
Bên cạnh đó còn các ràng buộc về xe dò line như sau:
- Tốc độ tối thiểu của robot: 0,2 m/s
- Đường kính các bánh xe: d ≤ 200mm
- Số lượng bánh xe (chủ dộng và bị động): tùy chọn
- Kích thước tối đa các chiều của robot (dài × rộng × cao): 300mm ×
- Có khẳ năng chở hình hộp chữ nhật trọng lượng 2kg với kích thước tối đa (dài × rộng × cao): 200mm × 100mm × 300mm
- Robot được trang bị hệ thống cảm biến để nhận biết và di chuyển bám line.
Giới thiệu
Robot đã xuất hiện từ sớm, giúp con người thực hiện những công việc nặng nhọc và độc hại Trong thời đại công nghiệp hiện nay, việc ứng dụng robot trong sản xuất và đời sống ngày càng trở nên phổ biến Để đáp ứng các yêu cầu ngày càng cao và phức tạp, đặc biệt là trong lĩnh vực robot di động, cần thiết phải có sự thay đổi linh hoạt và khả năng phản ứng nhanh.
Robot di động là một loại robot có khả năng tự di chuyển và thực hiện nhiệm vụ được giao Trong số đó, robot dò line là loại robot có khả năng xác định vị trí tương đối và di chuyển theo một quỹ đạo đã được lập trình sẵn, như line từ hoặc line màu.
Robot dò line hiện đang được ứng dụng phổ biến trong thăm dò đại dương, tự hành trên không và trong các môi trường kho bãi, nhà xưởng để vận chuyển hàng hóa thay thế con người Ngoài ra, chúng còn được sử dụng để nghiên cứu kỹ thuật trong các cuộc thi với quy mô đa dạng.
Tình hình nghiên cứu trong và ngoài nước
1.3.1.1 Xe Fireball tham gia cuộc thi đầu tiên Bot Brawl (Peoria, Illinois) (2014) Kết cấu xe rất đơn giản gồm bốn bánh đều là bánh chủ động được dẫn động bởi bốn động cơ riêng biệt
Hình 1-2 Xe dò line Fireball
Hình 1-3 Đường line Bot Brawl 2010 Bảng 1.1 Thông số kỹ thuật Fireball
Thông số Giá trị Đơn vị
Hình 1-4 Xe dò line FH Westküste
Kết cấu truyền động đơn giản, độ cứng vững cao, bán kính cong nhỏ
Bộ điều khiển phức tạp do phải điều chỉnh độ đồng tốc của 4 động cơ riêng biệt để xe không bị trượt
1.3.1.2 FH Westküste là robot dò line của đội vô địch cuộc thi MCU Car Rally được tổ chức tại Nuremberg vào năm 2015
Xe được cấu tạo giống xe đua thực tế với gầm thấp và thân dài về phía trước
Xe được trang bị cơ cấu lái Ackerman, với hai bánh trước gắn trực tiếp vào khung cảm biến dò line và được điều khiển bởi động cơ servo để điều hướng Động cơ phía sau cung cấp lực đẩy cho xe thông qua cơ cấu vi sai.
Hình 1-5 Đường line MCU Car Rally 2015
Bảng 1.2 Thông số kỹ thuật Xe dò line FH Westküste
Thông số Giá tri ̣ Đơn vi ̣
Vận tốc trung bình 1.04 m/s
Khối lượng 1.1 kg Ưu điểm:
Cơ cấu lái Ackerman cho phép xe hoạt động ổn định, bám đường tốt, chống trượt
Cấu trúc phức tạp và việc sử dụng hai bánh trước cùng trục quay tạo ra áp lực lớn lên động cơ điều hướng Bán kính cong lớn, bị hạn chế bởi góc lái của bánh trước và chiều dài thân xe, khiến cho việc ôm cua trở nên khó khăn.
1.3.2.1 Xe Mr.zero - Trịnh Nguyễn Trọng Hữu – Giành giải nhì trong cuộc thi
Số lượng bánh xe: 4 bánh, 2 bánh sau gắn dẫn động, 2 bánh trước tự lựa
Hình 1-6 Sơ đồ xe Mr.zero
Ưu điểm : xe đảm bảo khả năng cân bằng tốt
Nhược điểm : không đảm bảo độ đồng phẳng do đó cần một hệ thống treo để đảm bảo xe tiếp xúc với mặt đường
1.3.2.2 Xe UIT-Mon - Nguyễn Tiến Đình - Giải nhất cuộc thi năm 2013
Số lượng bánh xe: 3 bánh, 2 bánh sau gắn dẫn động, bánh trước tự lựa
Ưu điểm : 3 bánh xe luôn tiếp xúc với bề mặt di chuyển, đáp ứng nhanh do phần cảm biến đặt xa bánh chủ động
Nhược điểm : dễ bị lật khi tải trọng đặt lệch so với trọng tâm, khó ôm cua do chiều dài xe lớn
Hình 1-7 Sơ đồ xe UIT-Mon
LỰA CHỌN PHƯƠNG ÁN
Cơ khí
2.1.1 Sơ đồ nguyên lý Đặc điểm và yêu cầu của xe:
- Xe di chuyển trên địa hình bằng phẳng không có dốc nghiêng
- Xe chở tải nặng 2kg
- Xe di chuyển với đường line liên tục không bị đứt đoạn, có khoảng giao nhau tại vị trí A,C,E và rẽ được 90 độ tại A Đề xuất các phương án:
Bảng 2.1 Bảng so sánh một số sơ đồ nguyên lý
2 bánh chủ động phía sau và bánh tự lựa phía trước
2 bánh chủ động phía trước và bánh tự lựa phía sau
2 bánh tự lựa phía trước và 2 bánh chủ động phía sau
2 bánh tự lựa phía trước có hệ thống treo
- 3 bánh xe luôn đồng phẳng tiếp xúc với mặt đất
- 3 bánh xe luôn đồng phẳng tiếp xúc với mặt đất
- Xe có kết cấu đơn giản
-Xe bẻ lái dễ dàng khi qua cua và không bị lật dù
- Kết cấu cơ khí đơn giản
- Bánh tự lựa phía trước nên chỉ cần chịu một tác động nhỏ cũng có thể làm cho xe văng khỏi đường line
- Xe mang tải nặng nên khi qua cua dễ bị lật
- Mô hình: uXbot- line following robot của Daniel Álvarez với vận tốc trung bình đạt 1.65 m/s
- Kết cấu cơ khí đơn giản
- Xe dù có lực bên ngoài cũng khó bị văng ra khỏi đường line hơn là bánh tự lựa phía trước
- Do xe mang tải nặng nên khi qua cua xe dễ bị lật
- Mô hình: Arobot mobile robot vận tốc tối đa 0.25 m/s khi qua cua dù mang tải nặng cũng không bị lật như xe 3 bánh
-Khó đảm bảo cho 4 bánh xe luôn đồng phẳng
- khó qua cua do đặc điểm của bánh xe tự lựa
- Mô hình: Silvestre- line following robot trong cuộc thi Cosmobot với tốc độ tối đa lên tới 3m/s mang tải nặng
- 4 bánh xe luôn đồng phẳng do có hệ thống treo
- Thiết kế cơ khí phức tạp khó chế tạo
- Mô hình: Smart Car trong cuộc thi The Freescale
→ Chọn phương án xe ba bánh với hai bánh chủ động phía sau và một bánh tự lựa phía trước
+ Nhẹ, bền, khả năng bám đường tốt
+ Di chuyển trên địa hình bằng phẳng
- Phương án lựa chọn: dựa trên đặc điểm của các loại bánh và yêu cầu cần đáp ứng, nhóm lựa bánh thông thường có gai: bánh V3
Trên thị trường có nhiều loại bánh xe khác nhau, nhưng thường được sử dụng nhiều nhất là bánh mắt trâu, bánh omni, bánh caster
Yêu cầu bánh bị động:
- Di chuyển trên bề mặt sa bàn phẳng, ít cát bụi
- Xử lý nhanh khi vào cua
- Phù hợp hoàn cảnh kinh tế sinh viên
Chọn phương án bánh mắt trâu
→ Theo đề bài, với yêu bài toán xe đạt vận tốc 1 m/s trong thời gian mong muốn 1s, nhóm chọn động cơ DC servo có encoder
Các yêu cầu khi lựa chọn cảm biến
- Khả năng đáp ứng nhanh sự thay đổi màu sắc giữa trắng và đen
- Có khả năng nhận biết những đoạn line gấp khúc đột ngột
- Dễ tìm kiếm, mua được trên thị trường và giá thành hợp lí
Dựa trên phân tích các phương án sensor, việc sử dụng phototransistor được xem là hợp lý và đáp ứng các yêu cầu kỹ thuật của cuộc thi Với đặc tính độ nhạy cao, hai phương án sử dụng sensor này đã được đề xuất.
- Phototransistor kết hợp với LED thường
- Phototransistor kết hợp với LED hồng ngoại
Đối với đường line có độ tương phản cao, LED hồng ngoại mang lại độ nhạy cao hơn nhưng cần được che chắn để giảm nhiễu Ngược lại, trên đường đua với màu line và màu nền có độ tương phản thấp, việc sử dụng LED thường sẽ hiệu quả hơn.
Thực tế đường line cho thấy màu có độ tương phản cao (line đen, nền trắng) nên nhóm chọn phương án Phototransistor kết hợp với LED hồng ngoại
Bảng 2.2 So sánh số lượng cảm biến
- Bắt được line tốt hơn do có
1 cảm biến ở tâm line (so với số cảm biến chẵn)
- Giảm chi phí (so với 7)
- Hạn chế nhiễu (so với 7)
- Bắt được line tốt hơn do có 1 cảm biến ở tâm line (so với số cảm biến chẵn)
- Giữ được vận tốc cao khi vào cua và khi giao nhau giữa các line (so với 5) do bắt line giao nhau sớm
- Bám line tốt hơn Nhược - Vào cua bám line không tốt, - Tốn thêm chi phí
14 xe trượt xa so với đường line (so với 7)
Do đó, nhóm chọn sử dụng 7 cảm biến
Các tiêu chí để lựa chọn phương án điều khiển :
- Mạch điều khiển thiết kế đơn giản, giảm khối lượng xe
- Dễ dàng chỉnh sửa và khắc phục lỗi khi lập trình
- Dễ dàng thay thế và nâng cấp
Dựa trên các tiêu chí trên, nhóm chọn phương án điều khiển tập trung
Các tiêu chí để lựa chọn giải thuật điều khiển :
- Đạt mục tiêu đề ra
Do đó, nhóm chọn giải thuật Follow-tracking điều khiển động cơ
Phương án thiết kế robot được lựa chọn:
- Sơ đồ nguyên lý: robot 3 bánh (2 bánh V3 chủ động , 1 bánh mắt trâu dẫn hướng)
- Cảm biến: bộ 7 LED hồng ngoại-Phototransistor
- Động cơ: động cơ DC có gắn encoder
- Cấu trúc điều khiển: bộ điều khiển tập trung
- Giải thuật điều khiển: bộ điều khiển Follow-tracking
HỆ THỐNG CƠ KHÍ
Bánh xe
- Chọn bánh V3 để có độ cứng vững tốt
+ Độ dày bánh xe 10 mm
Bánh bị động chọn bánh mắt trâu để tránh hiện tượng shopping-cart
Tính toán lựa chọn động cơ
Động cơ cung cấp moment cho các bánh xe, giúp xe chuyển động Quá trình này bị ảnh hưởng lớn bởi khối lượng xe và ma sát giữa bánh xe và mặt đường.
- Momen quán tính quanh tâm bánh xe:
- Cân bằng momen quanh tâm bánh xe, ta được:
- Điều kiện để bánh xe lăn không trượt khi động cơ quay:
- Thay vào phương trình momen trên ta được :
- Công suất mỗi động cơ: 𝑃 = 𝜏𝜔
- M=3kg: khối lượng xe (có tính tải)
- m=0.025 kg: khối lượng bánh xe chủ động
- 𝑅 = 40 𝑚𝑚 : bán kính bánh xe chủ động
- 𝑎 = 1 𝑚/𝑠 2 : gia tốc dài mong muốn
Từ đó, momen lăn không trượt
- Với hệ số an toàn là 1,2, ta tính được:
Từ đó, ta chọn động cơ DC servo GA25 V1 có các thông số như sau : Điện áp định mức
Dòng khi động cơ bị giữ
Tốc độ khi không tải
Tốc độ khi có tải
Momen động cơ khi bị giữ
284 rpm 1,88kgf.cm 7.96kgf.cm Động cơ Đường kính 24,4 mm
Hộp giảm tốc Đường kính 25 mm
Số xung khi đi qua hộp giảm tốc
Trục công tác Đường kính 4 mm
Tính toán la ̣i vâ ̣n tốc:
60 40 10 −3 = 1,34 𝑚/𝑠 Vậy động cơ đã chọn thỏa mãn mục tiêu đặt ra.
Tính toán thiết kế thân xe
3.3.1 Thiết kế kích thước thân xe
Tính toán chiều dài và chiều rộng xe d 2 a d 1 v 2 v 1
Hình 3-1 Mô hình toán chiều dài xe
Vì 𝐿 ≪ 𝑅 nên ta có thể xem :
𝑅 Dựa vào quan hệ hình học ta có :
𝛿 1 , 𝛿 2 : góc lệch bên của bánh trước và bánh sau
R : bán kính cong quỹ đạo
𝑅 Trong đó : - M là khối lượng của xe
- 𝑣 là vận tốc dài của xe
Vì các góc 𝛿 1 , 𝛿 2 và 𝛼 nhỏ nên ta có thể coi
- 𝐹 𝑦1 , 𝐹 𝑦2 lần lượt là phản lực ngang mặt đường tác dụng lên bánh xe trước và sau
𝑃, 𝑃 1 , 𝑃 2 lần lượt là trọng lượng của thân xe, trọng lượng phân bố lên bánh trước và bán sau
Với : 𝐶 𝐿 là hệ số trượt ngang của bánh xe
Lần lượt thay 𝐹 𝑦1 , 𝐹 𝑦2 vào biểu thức 𝐹 𝑦 ta tính được :
𝑔𝑅𝐶 𝐿2 Thay 𝛿 1 , 𝛿 2 vào biểu thức (1) ta được :
𝑔 Ở đoạn cua ta cần quay một góc 45° nên chọn :
𝐾 là hệ số quay vòng được mô tả ở hình dưới
Hệ số quay vòng thiếu
Hệ số quay vòng thừa
Hệ số quay vòng đủ
Hình 3-2 Mô hình biển diễn hộ số quay vòng
3.3.2 Tính toán trọng tâm xe
Tại các đoạn đường chuyển hướng, xe có nguy cơ lật nếu trọng tâm xe cao hơn mặt đường Để ngăn ngừa tình trạng này, moment do trọng lực tác động quanh tâm quay C cần phải lớn hơn moment của lực ly tâm.
Ta ước lượng khoảng cách 𝑏 giữa 2 bánh xe chủ động là 170 mm
𝐹 𝑙𝑡 là lực li tâm được tạo ra khi qua khúc cua
Hình 3-3 Mô hình tính toán khi xe chuyển hướng
Hình 3-4 Mô hình toán khi xe chạy qua đoạn cong có bán kính 500mm
2.1 2 = 0,417(𝑚) = 417(𝑚𝑚) Vậy xe cần trọng tâm cách mặt đất ℎ < 417 𝑚𝑚
3.3.3 Tính toán khoáng cách đặt cảm biến cho với trục của bánh dẫn động
Hình 3-5 Mô hình biểu diễn lúc xe vào cua
Điểm C là vị trí cần điều khiển để bám đường, nằm trùng với tâm của hai bánh dẫn động Khi xe bắt đầu vào cua với vận tốc v tại thời điểm t, chúng ta có thể điều khiển điểm C trùng với điểm E Dựa vào các mối quan hệ hình học, ta có thể thực hiện các phép tính cần thiết.
- e là sai số dò line (mm)
- r là bán kính cong (mm)
- d là khoảng cách từ cụm cảm biến đến tâm hai bánh dẫn động (mm)
Ta chọn sơ bộ 𝑒 ≤ 15 (𝑚𝑚), và đề bài cho 𝑟 = 500 (𝑚𝑚) Khi đó ta tính được :
Kích thước bao của xe được xác định bởi kích thước và cách sắp xếp các linh kiện điện, điện tử, cũng như khoảng cách giữa cảm biến và các bánh chủ động Để giảm thiểu ảnh hưởng của các yếu tố động lực học, tỉ lệ kích thước dài-rộng của xe nên được chọn theo tỉ số √5 Các thiết bị cần thiết được bố trí hợp lý trên thân xe để tối ưu hóa hiệu suất.
STT Tên thiết bị Số lượng
3 Bánh bị động mắt trâu 1
- Chiều dài khổi động cơ ( từ gá đến encoder) khoảng 62 mm
- Ước tính và chọn bề rộng xe khoảng 170 mm (khoảng cách 2 bánh)
- Ước tính và chọn chiều dài xe khoảng 245 mm
- Vật liệu thân xe: mica 4 mm
HỆ THỐNG ĐIỆN
Sơ đồ tổng quan
Hình 4-1: Sơ đồ điện tổng quan
Nguồn
Hệ thống nguồn cấp đủ 12V và 5V cho toàn bộ thiết bị trong quá trình vận hành
Kiểu pin 18650 Điện áp trung bình, 𝑉 3,7 Điện áp sạc đầy, 𝑉 4.2
Bảng 4.2.1 Tóm Tắt thông số pin
Hình 4-2:Bộ giảm áp LM296
Mức ổn áp Điện áp ngõ vào Điện áp ngõ ra
Bảng 4.2.2 Thông số của mạch giảm áp
Lựa chọn driver
Dòng ra của driver phải lớn hơn dòng cực đại của động cơ, hoạt động theo ổn đinh trong quá trình vận hành
Có khả năng đáp ứng tần số xung từ vi điều khiển
Kích thước nhỏ gọn, dễ lắp đặt
- Driver được sử dụng: L298 được nhóm lựa chọn sử dụng
Driver: Tích hợp hai mạch cầu H
Dòng tối đa cho mỗi cầu H là: 2A (2A cho mỗi motor)
Điện áp tín hiệu điều khiển: 5V-7V
Công suất hao phí 20W (khi t = 75 0 )
12V, 5V, GND là 2 chân cấp nguồn trực tiếp cho động cơ
Gồm 4 chân input: IN1, IN2, IN3, IN4
4 chân output nối với hai động cơ
Thông số Giá trị Điện áp đầu vào, 𝑉𝐷𝐶 5 ÷ 30
Dòng ngõ ra liên tục cho mỗi cầu, 𝐴 2 Công suất tối đa mỗi cầu, 𝑊 25
Bảng số liệu thử nghiệm Driver L298N với động cơ trái
Bảng 4.3.2 Số Liệu thử nghiệm L298 với động cơ trái
Hình 4-5:Đồ thị giữa PWM(%) và vận tốc quay động cơ trái
- Từ dữ liệu Bảng 4.3.2 và đồ thị Hình 4-5, mối quan hệ giữa PWM và vận tốc quay động cơ tuyến tính
Dựa trên đáp ứng của khối driver – động cơ 1 theo thời gian, hàm truyền của khối này có thể được xấp xỉ bằng cách coi hệ thống là hệ bậc 1.
Hình 4-6:Đồ thị đáp ứng theo thời gian khối driver – động cơ trái
(𝑡 𝑠𝑎𝑚𝑝𝑙𝑒 = 0.02(𝑠), 𝑃𝑊𝑀 = 100%) Thời gian đáp ứng của khối là 𝑡 𝑟𝑒𝑠 = 0.04(𝑠)
Hàm truyền của khối được xác định theo công thức:
Vậy hàm truyền của khối driver – động cơ 1:
Bảng số liệu thử nghiệm Driver L298N với động cơ phải
Tưng tự với động cơ trái số liệu thử nghiệm ở trên:
17 100 337 Bảng 4.3.3 Số liệu thử nghiệm L298 với động cơ phải
Hình 4-7: Đồ thị giữa PWM(%) và vận tốc quay động cơ phải
Hình 4-8: Đồ thị đáp ứng theo thời gian khối driver – động cơ phải
(𝑡 𝑠𝑎𝑚𝑝𝑙𝑒 = 0.02(𝑠), 𝑃𝑊𝑀 = 100%) Hàm truyền của khối driver-động cơ 2 xác định được:
Thiết kế bộ điều khiển PID động cơ
Tiêu chí của bộ điều khiển:
Dựa trên bộ PID đã mô phỏng, kết hợp với việc hiệu chỉnh thông số theo thực tế, bộ thông số PID được sử dụng thực tế là :
Tiêu chí của bộ điều khiển:
Dựa trên bộ PID đã mô phỏng, kết hợp với việc hiệu chỉnh thông số theo thực tế, bộ thông số PID được sử dụng thực tế là :
Thiết kế cảm biến
4.5.1 Thiết kế gá đặt cảm biến:
- Yêu cầu: thời gian đáp ứng lấy mẫu nhỏ hơn 0.02s
- Cảm biến được sử dụng: Phototransitor TCRT5000
Dòng hoạt động tối đa của Ic là 100mA và IF là 20 mA
Công suất tiêu thụ: 200mW
Khoảng cách hoạt động: 0.2mm -15mm
Khoảng cách hoạt động tốt nhất: 0.25mm
- Mục đích: Xác định được
Khoảng cách tối ưu để hạn chế khả năng nhiễu từ các cảm biến khác
Mạch điện 1 cảm biến TCRT5000 gồm 1 bộ phát là Diode hồng ngoại và 1 bộ thu là Phototransistor như sau:
Dòng hoạt động tối đa 𝐼 𝐶 , 𝑚𝐴 100 Dòng hoạt động tối đa 𝐼 𝐹 , 𝑚𝐴 60 Điện áp hoạt động, 𝑉 5
Kích thước 𝐿 × 𝑊 × 𝐻, 𝑚𝑚 10.2 × 5.8 × 7 Bảng 4.5.1 Thông số cảm biến TCRT5000
Hình 4-9:Mạch điện một cảm biến
- Chọn cách đặt cảm biến:
Có 2 cách đặt cảm biến: đặt dọc (position 1) và đặt ngang (position 2)
Hình 4-10:Ảnh hưởng của việc đặt cảm biếm đến Switching Distance
Khi cảm biến chuyển từ vùng màu đen sang màu trắng, nó cần di chuyển một đoạn Xd để giá trị analog có thể được đọc Để đảm bảo tâm xe không bị lệch khỏi đường đi, cần chọn Xd nhỏ nhất nhằm tăng độ chính xác trong quá trình vận hành của xe.
Dựa và Hình ta chọn cảm biến nằm ngang (Position 1)
- Chọn khoảng cách giữa cảm biến với sa bàn
- Cảm biến TCRT5000 có góc LED phát (Emitter) là 16 o và LED thu (Collector) là 30 o
Hình 4-11:Kích thước của cảm biến TCRT5000
Hình 4-12: Vùng hoạt động của một cảm biến TCRT5000
Hình 4-13: Khoảng cách nhỏ nhất giữa 2 cảm biến
Do quá trình lắp đặt và nhiễu bởi các cảm biến khác nên ta chọn khoảng cách giữa các con cảm biển l = 20 mm
4.5.2 Test độ cao cảm biến phù hợp:
Với khoảng chiều cao dựa theo datasheet:
Hình 4-14:Mối quan hệ giữa giá trị thu về và khoảng cách
Hình 4-15: Kiểm tra khả năng hoạt động của cảm biến ở các độ cao
Từ kết quả thực nghiệm nhóm quyết định chọn độ cao 8cm cho về kết quả tốt và ít bị nhiễu
4.5.3 Lựa chọn số lượng cảm biến:
Hình 4-16:Cách chọn số cảm biến
Sau khoảng thời gian lấy mẫu 𝑡 𝑠𝑎𝑚𝑝𝑙𝑒 = 0.02(𝑠), xe đi được khoảng
Sau 0.02 giây, tâm cảm biến đã dịch chuyển khỏi tâm đường line, tạo khoảng cách khoảng 𝑒 𝑚𝑎𝑥 = +4.5 mm Góc giữa hướng di chuyển và đường tâm của đường line cũng được xác định.
Theo [14], ta có công thức
Với 𝑤 = 26(𝑚𝑚) là bề rộng đường line và 𝐿 là khoảng cách giữa hai cảm biến nằm ở hai đầu
26 < 𝐿 < 109.3 Gọi 𝑛 là số cảm biến, với khoảng cách giữa hai cảm biến là 20(𝑚𝑚)
Trong trường hợp tâm cảm biến ở mép đường line
Hình 4-17:Trường hợp tâm cảm biến ở mép đường line
So sánh hai trường hợp đường line thẳng và tại vị trí giao các đường line, nếu chọn
Khi 𝑛 = 5, tất cả các cảm biến đều nằm cùng một phía so với tâm, dẫn đến việc nhận tín hiệu phản xạ về Điều này gây khó khăn trong việc phân biệt các vị trí cần chuyển hướng.
Như vậy, ta cần thêm hai cảm biến ở hai đầu để giúp phân biệt các trường hợp khác nhau
Việc thu tín hiệu analog giúp nhận biết sự thay đổi giá trị khi cảm biến di chuyển gần hay xa đường line Tuy nhiên, mỗi cảm biến có tín hiệu analog khác nhau, ngay cả khi hoạt động trong cùng điều kiện, dẫn đến giá trị khác nhau Vì vậy, hiệu chuẩn (calibration) là cần thiết khi lắp đặt các cảm biến quang trên robot dò line Để hiệu chuẩn cảm biến, ta sử dụng công thức sau:
xmax,i và xmin,I là giá trị lớn nhất và nhỏ nhất đọc từ cảm biến thứ i
ymax,i và ymin,I là giá trị lớn nhất và nhỏ nhất mà ta mong muốn cảm biến thứ i
xj,i là giá trị đọc được thứ j của cảm biến thứ j của cảm biến thứ i
yj0 là giá trị sau khi điều chỉnh xj,i.
Bảng giá trị đọc analog từ cảm biến:
4.5.4 Thiết kế mạch cảm biến:
HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN
Mô hình hóa
Mô hình động học của robot được biểu diễn như hình
Hình 5-1: Mô hình động học của robot
R: Điểm tham chiếu của robot
A: trung điểm của hai bánh chủ động
Phương trình động học tại điểm A
𝑣: vận tốc dài của tâm xe
2𝜔: vận tốc góc của tâm xe
𝜔 𝑅 , 𝜔 𝐿 : lần lượt là vận tốc góc bánh phải và bánh trái của xe
𝑑 𝑤 : khoảng cách giữa hai bánh xe
Phương trình động học tại điểm tracking C
Với 𝑑 là khoảng cách từ tâm đường nối giữa 2 bánh đẫn dộng đến điểm tracking C
Phương trình động học của điểm tham chiếu R
Với 𝑣 𝑅 là vận tốc mong muốn của xe
Bộ điều khiển được thiết kế cho điểm tracking C để bám theo điểm tham chiều R với vận tốc mong muốn 𝑣 𝑅 Sai số của hệ thống được xác định bởi:
Thiết kế bộ điều khiển
Trong đó 𝑘 1 , 𝑘 2 , 𝑘 3 là những giá trị dương Đạo hàm 𝑉 ta được:
𝑘 2 (𝑘 2 𝑣 𝑅 𝑒 2 + 𝜔 𝑅 − 𝜔) (8) Với phần tử 𝑒 1 (𝑣 𝑅 𝑐𝑜𝑠 𝑒 3 − 𝑣), ta đặt:
Với phần tử −𝑑𝑒 2 𝜔 , do tính chất điều khiển, nên 𝑒 2 và 𝜔 luôn cùng dấu nhau nên
Từ điều trên ta có ta có:
Vậy với bộ luật điều khiển:
𝑉̇ ≤ 0, ∀𝑑, 𝑘 1 , 𝑘 2 , 𝑘 3 ≥ 0 Điều đó có nghĩa hệ thống ổn định với bộ điều khiển tracking theo tiêu chuẩn Lyapunov, và các giá trị 𝑒 1 , 𝑒 2 , 𝑒 3 sẽ tiến về 0 khi 𝑡 →∞
Hệ thống chỉ xác định sai số theo phương pháp tuyến với phương chuyển động của xe, do đó cần giới thiệu lại mô hình động học của xe Trong mô hình này, điểm C được xác định là tâm dãy sensor, M là trung điểm của hai bánh chủ động, và điểm tracking của xe Khi đó, sai số được tính là e1 = d.
Mô hình thể hiện vị trí của điểm tracking so với tham chiếu, trong đó cần xác định sai số e2 và e3 để có thông tin đầy đủ.
E2 được xác định trực tiếp từ hệ thống cảm biến, trong khi e3 được xác định bằng cách cho robot di chuyển một đoạn ds nhỏ theo phương trước đó Khi nối hai điểm RR’ sẽ tạo thành tiếp tuyến của đường cong, từ đó sai số e3 được tính toán theo công thức tương ứng.
Hình 5-2: Hình ảnh mô phỏng sai số e2
Hình 5-3: Hình ảnh mô phỏng sai số e3.
Kết quả mô phỏng
Để mô phỏng quá trình bám sa bàn của xe, ta sử dụng bảng thông số đầu vào Đại lượng Giá trị Đơn vị
Tốc độ góc lớn nhất của động cơ 500 rpm
Khoảng cách giữa hai bánh xe 170 mm Đường kính bánh xe 80 mm
Thời gian di chuyển đoạn nhỏ (tìm e2’) 0.002 s
Khoảng cách giữa trọng tâm xe và điểm tracking 70 mm
Quy ước: đường vẽ màu xanh lá thể hiện vận tốc gốc bánh xe phải, đường màu đỏ thể hiện vận tốc gốc bánh xe trái
Khoảng cách từ tâm cảm biến C đến tâm hai bánh chủ động M được xác định là 96 mm, trong khi giá trị e2 phụ thuộc vào bộ số [k1 k2 k3] được lựa chọn Mô phỏng được thực hiện trên đoạn đường đua với các hệ số [k1 k2 k3] lần lượt là [1 450 0] Kết quả bao gồm: a) Sa bàn di chuyển đoạn ABC, b) Sai số e2, e3, c) Vận tốc robot đoạn ABC, và d) Tốc độ của hai bánh đoạn ABC.
Hình 5-4: Mô phỏng chuyển động đoạn ABC
Trong đoạn ABC, sai số lớn nhất e2 xuất hiện tại khúc giao B do sự chuyển hướng đột ngột Ở đoạn AB và BC, sai số tương đối ổn định khi vào cua, với vận tốc xe cần giảm xuống 0,75 m/s Trong quá trình di chuyển, tốc độ góc của hai bánh xe không vượt quá giới hạn cho phép của động cơ Cần chú ý đến các yếu tố như sa bàn di chuyển đoạn CDEF, sai số e2, e3, vận tốc robot đoạn CDEF, và tốc độ hai bánh đoạn CDEF.
Hình 5-5: Mô phỏng chuyển động đoạn CDEF
- Sai số 𝑒 2 không ổn định ở khúc cua, nhưng có xu hướng dần dần tiến về 0
- Sai số 𝑒 3 lớn nhất ở điểm cua và cũng nhanh chống ổn định lại
46 a) Sa bàn di chuyển đoạn GAE b) Sai số e2, e3 c) Vận tốc robot đoạn GAE d) Tốc độ hai bánh đoạn GAE
Hình 5-6: Mô phỏng chuyển động đoạn GAE
Hình 5-7: Mô phỏng bám line cả sa bàn
Giải thuật điều khiển
5.4.1 Giải thuật tính sai số e2
Sử dụng giải thuật xấp xỉ bậc 2
Hình 5-8:Giải thuật xấp sỉ bậc 2
Lấy 3 cảm biến cho giá trị cao nhất Ta xấp xỉ tín hiệu đầu ra:
Vị trí tâm đường line sẽ là vị trí mà hàm xấp xỉ đạt giá trị cực đại:
5.4.2 Sơ đồ khối bộ điều khiển:
Robot sử dụng bộ điều khiển tập trung để quản lý các chức năng riêng biệt, trong đó vi điều khiển Tiva Tm4c123 thực hiện tất cả các nhiệm vụ cần thiết.
Đọc và xử lý giá trị sensor
Đọc giá trị vận tốc từ Encoder
Điều khiển 2 động cơ thông qua driver bằng bộ điều khiển PID
Sau khi nhận tín hiệu analog từ cảm biến, vi điều khiển sẽ tính toán sai số e2 (bỏ qua e3 do k3=0) và áp dụng tiêu chuẩn ổn định Lyapunov để xác định vận tốc cho động cơ trái và phải Vận tốc này sẽ được xử lý và truyền dưới dạng xung PWM tới driver tương ứng Đồng thời, vi điều khiển cũng nhận tín hiệu từ encoder và sử dụng thuật toán PID để đảm bảo rằng vận tốc xe đạt được giá trị đã tính toán.
Hình 5-9: Sơ đồ cấu trúc tập trung
5.4.3 Giải thuật điều khiển xe:
Theo sa bàn từ Hình 0.1, trong quá trình robot di chuyển sẽ đi qua các đoạn đường:
Và xe sẽ có các trạng thái sau:
- Trạng thái 1: Xe bám theo line
- Trạng thái 2: Xe đi thẳng qua giao lộ
- Trạng thái 3: Xe xoay 90° tại giao lộ
Trạng thái 4 của xe là dừng lại, và tùy thuộc vào từng thời điểm, xe sẽ ở những đoạn đường khác nhau với trạng thái khác nhau, dẫn đến việc cần thực hiện các tác vụ xử lý khác nhau Tác vụ 1 sẽ được áp dụng cho toàn bộ sa bàn.
Giải thuật: sử dụng luật điều khiển sau
𝜔 = 𝑘 2 𝑣 𝑅 𝑒 2 Trong đó: 𝑣, 𝜔, 𝑣 𝑅 , 𝑘 2 , 𝑒 2 đã đề cập ở Phần 4
Từ đó tính được vận tốc góc cho từng động cơ:
Sử dụng khi chuyển tiếp giữa các đoạn đường: 2 → 3, 4 → 5, 6 → 7 và 9 → 10 Trạng thái xe: 2
Giải thuật: giữ vận tốc 2 động cơ bằng nhau cho đến khi dãy cảm biến vượt ra khỏi giao lộ c) Tác vụ 3
Sử dụng khi xe gặp điểm A lần thứ 2, lúc chuyển tiếp giữa đoạn 8 → 9
Giải thuật yêu cầu giữ vận tốc bánh phải ở mức 0 và duy trì vận tốc bánh trái ổn định cho đến khi các cảm biến phát hiện lại đường line Tác vụ 4 sẽ được thực hiện khi xe hoàn thành đoạn đường dài 10.
Giải thuật: khi 2 cảm biến biên cùng trả về tín hiệu, dừng xe
Dựa vào giải thuật đã đề cập ở trên, ta có lưu đồ giải thuật sau:
KẾT QUẢ THỰC NGHIỆM
Kết quả chạy xe
Nhóm đã hoàn thành việc chế tạo và vận hành mô hình robot Robot đã bám toàn bộ sa bàn trong thời gian 28 giây một cách ổn định, tuy nhiên, vẫn tồn tại sai số lớn khi bám line ở một số vị trí đặc biệt.
Hình 6-1: Kết quả thực nghiệm trên đoạn AB
Khi robot khởi động và di chuyển trên đoạn AB, độ vọt lố lớn gây ra sự không chính xác trong tốc độ điều khiển, dẫn đến sai số dò line không ổn định khi gần đến điểm B.
Hình 6-2:Kết quả thực nghiệm qua điểm C
Khi robot đến điểm C ta cho mù cảm biến vì thế sai số phụ thuộc vào sai số trên đoạn trước đó
Hình 6-3: Kết quả thực nghiệm qua điểm D
Xe có quán tính khiến cho sai số tại điểm D lớn
Hình 6-4:Kết quả thực nghiệm qua điểm G-A
Xe chạy ổn định ở đoạn G-A
Xe chạy chưa được ổn định tại tất cả các lần chạy, khả năng thành hoàn thành toàn bộ sa bàn là 4/10.
Trải nghiệm trong quá trình làm đồ án
Việc lựa chọn vi điều khiển Tiva C và phương án điều khiển tập trung đã gây khó khăn trong lập trình, buộc nhóm phải tìm hiểu lại và tốn nhiều thời gian để sửa chữa lỗi Bên cạnh đó, việc lựa chọn thuật toán xấp xỉ đã khiến quá trình thực nghiệm kéo dài do cần xác định hệ số PID phù hợp và calib giá trị cảm biến Hơn nữa, khoảng cách cảm biến lớn (20mm) và vị trí đặt dãy cảm biến gần bánh chủ động đã làm tăng sai số của xe, dẫn đến việc xe dễ bị văng ra ngoài line khi thực hiện cho mù cảm biến ở các khoảng giao lộ.
