THIẾT KẾ, CHẾ TẠO VÀ ĐIỀU KHIỂN ROBOT DÒ LINE (LINE FOLLOWING ROBOT)

- 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.. - Sử dụng vi sai, do đó tỉ số truyền của vi sai sẽ ảnh hướng rất

ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP.HỒ CHÍ MINH TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA KHOA CƠ KHÍ – BỘ MÔN CƠ ĐIỆN TỬ

ĐỒ ÁN THIẾT KẾ HỆ THỐNG CƠ ĐIỆN TỬ

Đề tài:

“THIẾT KẾ, CHẾ TẠO VÀ ĐIỀU KHIỂN ROBOT

DÒ LINE (LINE FOLLOWING ROBOT)”

1 Phan Gia Huy 1711548

2 Phạm Thị Phương Loan 1711999

3 Khưu Nguyễn Hữu Lộc 1712041

4 Võ Đại Mau 1712117 Tên đề tài: “THIẾT KẾ, CHẾ TẠO VÀ ĐIỀU KHIỂN ROBOT DÒ LINE (LINE FOLLOWING ROBOT)” Nhận xét của giảng viên hướng dẫn

LỜI CẢM ƠN

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 hiểu được 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 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 đang 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

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 6

1.1.4 Phân tích Pinto Robot 7

1.1.5 Phân tích Chariot Robot 8

1.1.6 Phân tích Pika Robot 9

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 19

1.3 Đặt đề bài 19

CHƯƠNG 2: LỰA CHỌN PHƯƠNG ÁN 21

2.1 Lựa chọn phương án cơ khí 21

2.2 Lựa chọn phương án điện 22

2.2.1 Lựa chọn cảm biến 22

2.2.2 Lựa chọn động cơ 25

2.2.3 Lựa chọn vi điều khiển 26

2.3 Lựa chọn cấu trúc điều khiển 27

2.4 Phương án thiết kế bộ điều khiển 28

2.5 Tổng hợp lựa chọn phương án 28

2.5.1 Phương án thiết kế chung 28

2.5.2 Phương án thiết kế cơ khí 28

2.5.3 Phương án thiết kế điện 29

2.5.4 Phương án điều khiển 29

CHƯƠNG 3: TÍNH TOÁN THIẾT KẾ CƠ KHÍ 30

3.1 Tính toán kích thước xe 30

CHƯƠNG 4: MÔ HÌNH HÓA HỆ THỐNG 42

4.1 Phân tích lựa chọn mô hình tính toán 42

4.2 Xây dựng phương trình động học của Robot 42

4.2.1 Mô hình bài toán động học 43

4.2.2 Mô hình toán xác định sai số 45

4.3 Xây dựng hàm truyền động cơ 47

CHƯƠNG 5: THIẾT KẾ BỘ ĐIỀU KHIỂN 53

5.1 Tiêu chí lựa chọn bộ điều khiển và thiết kế bộ điều khiển 53

5.2 Xây dựng bộ điều khiển mô hình toán 54

5.2.1 Bài toán bám line 54

5.2.2 Động cơ 58

CHƯƠNG 6: THIẾT KẾ HỆ THỐNG ĐIỆN CHO ROBOT 60

6.1 Tính toán thiết kế cảm biến 60

6.1.1 Thông số kỹ thuật cảm biến TCRT5000 60

6.1.2 Tính toán điện trở cho cảm biến 61

6.1.3 Xác định cách gá đặt cảm biến 62

6.1.4 Xác định chiều cao đặt cảm biến 63

6.1.5 Khoảng cách giữa các cảm biến 65

6.1.6 Calib cảm biến 68

6.1.7 Phương pháp trung bình trọng số 69

6.1.8 Thực hiện xây dựng mạch cảm biến 74

6.2 Lựa chọn các linh kiện và thiết bị điện phù hợp 75

6.2.1 Lựa chọn driver động cơ dẫn động 75

6.2.2 Tính toán số pin 76

6.3 Sơ đầu nguyên lý hệ thống điện và các module chức năng 79

6.4 Lưu đồ giải thuật điều khiển 85

6.4.1 Lưu đồ giải thuật điều khiển khối master 85

6.4.2 Lưu đồ giải thuật điều khiển khối slave 1 87

6.4.3 Lưu đồ giải thuật điều khiển khối slave 2 87

CHƯƠNG 7: MÔ PHỎNG CHUYỂN ĐỘNG CỦA ROBOT 92

7.1 Kết quả mô phỏng chuyển động của Robot 92

7.1.2 Kết quả mô phỏng chuyển động của Robot kèm nhiễu 94

7.2 Nhận xét kết quả mô phỏng 97

CHƯƠNG 8: KẾT LUẬN 98

8.1 Kết quả thực nghiệm 98

8.2 Nhận xét giữa kết quả mô phỏng và kết quả thực nghiệm 104

8.3 Kết luận và định hướng phát triển đề tài 105

TÀI LIỆU THAM KHẢO 107

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 4

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 6

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

Hình 1.9 Robot Pinto 7

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 21

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

Hình 2.3 Sơ đồ nguyên lý cơ khí được chọn 29

CHƯƠNG 3 Hình 3.1 Mô hình động lực học của xe ở trạng thái tĩnh 30

Hình 3.2 Mô hình động học của xe khi vào cua 32

Hình 3.4 Mô hình để tính toán cân bằng moment khi vào cua 33

Hình 3.5 Mô hình phân tích động lực học bánh xe 35

Hình 3.6 Mô hình xe khi bẻ lái 38

Hình 3.7 Các thành phần gia tốc tác dụng lên hai xe trước 39

Hình 3.8 Lực ma sát tác dụng lên 2 bánh xe trước 39

Hình 3.9 Các thành phần gia tốc tác đụng lên 2 bánh trước sao cho  đạt giá trị lớn nhất 41

CHƯƠNG 4 Hình 4.1 Mô hình toán của robot dò line 42

Hình 4.2 Sa bàn được cung cấp 45

Hình 4.3 Đồ thị quan hệ giữa tín hiệu vào và tín hiệu ra trên khối Động cơ - Driver - Opto 50

Hình 4.4 Đồ thị tín hiệu %PWM cấp cho động cơ theo thời gian 51

Hình 4.5 Đồ thị đáp ứng của động cơ với tín hiệu đầu vào đã cho 52

Hình 4.6 Sử dụng hàm tfest của Matlab để xấp xỉ hàm truyền động cơ DC 52

CHƯƠNG 5 Hình 5.1 Chuỗi điều khiển của hệ thống 54

Hình 5.2 Sơ đồ điều khiển bám line 56

Hình 5.3 Đáp ứng động cơ với các hệ số PI đã tìm được ứng với giá trị số vòng trục động cơ để cho vận tốc đầu ra là v1m s/  59

CHƯƠNG 6

Hình 6.2 Sơ đồ mạch cảm biến TCRT5000 61

Hình 6.3 Đặc tuyến V CE, I F, I C 61

Hình 6.4 Hai cách bố trí cảm biến và so sánh khoảng cách X d của chúng 62

Hình 6.5 Mô hình biểu diễn vùng thu phát của TCRT5000 63

Hình 6.6 Phân tích vùng thu phát của cảm biến TCRT5000 63

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 64

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 64

Hình 6.9 Sơ đồ hình học biểu diễn vùng phát và vùng thu tại chiều cao h của cảm biến TCRT5000 65

Hình 6.10 Khoảng cách tối thiểu giữa 2 cảm biến nằm cạnh nhau 66

Hình 6.11 Mô hình biểu diễn trường hợp 2 cảm biến có vùng phát hiện trong line 66

Hình 6.12 Mô hình biểu diễn trường hợp 3 cảm biến có vùng phát hiện nằm trong line 67 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 73

Hình 6.14 Mô hình bố trí cảm biến dùng cho Robot (chính diện) 74

Hình 6.15 Mô hình bố trí cảm biến dùng cho Robot (từ trên xuống) 74

Hình 6.16 Sơ đồ đấu dây mạch diện cảm biến 75

Hình 6.17 Mạch điện được xây dụng Altium 75

Hình 6.18 Mạch Altium của mạch cách ly 2 kênh 81

Hình 6.19 Mạch nguyên lý mạch cách ly 2 kênh 82

Hình 6.20 Kết quả thực nghiệm lựa chọn điện trở R2 cho mạch cách ly 82

Hình 6.22 Khối cảm biến của mạch điện hệ thống 83

Hình 6.23 Khối vi điều khiển Master của mạch điện hệ thống 83

Hình 6.24 Khối vi điều khiển Slave 1 của mạch điện hệ thống dùng đọc và xử lý tín hiệu từ cảm biến 83

Hình 6.25 Khối vi điều khiển Slave 2 của mạch điện hệ thống dùng điều khiển động cơ 84

Hình 6.26 Khối Driver của mạch điện hệ thống 84

Hình 6.27 Khối động cơ của mạch điện hệ thống 84

Hình 6.28 Khối mạch cách ly nguồn của mạch điện hệ thống 85

Hình 6.29 Lưu đồ giải thuật khối Master 89

Hình 6.30 Lưu đồ giải thuật khối Slave 1 90

Hình 6.31 Lưu đồ giải thuật khối Slave 2 91

CHƯƠNG 7 Hình 7.1 Kết quả mô hình hóa Robot dò line theo sa bàn chưa kèm nhiễu 92

Hình 7.2 Sai số khoảng cách của tâm cảm biến so với đường tâm line chưa kèm nhiễu 93 Hình 7.3 Đáp ứng vận tốc góc của động cơ RC lái bánh trước chưa kèm nhiễu 93

Hình 7.4 Đáp ứng vận tốc của động cơ DC dẫn động bánh sau chưa kèm nhiễu 94

Hình 7.5 Kết quả mô hình hóa Robot dò line theo sa bàn kèm nhiễu 95

Hình 7.6 Sai số khoảng cách của tâm cảm biến so với đường tâm line kèm nhiễu 95

Hình 7.7 Đáp ứng vận tốc của động cơ RC lái bánh trước kèm nhiễu 96

Hình 7.8 Đáp ứng vận tốc của động cơ DC dẫn động bánh sau kèm nhiễu 96

Hình 8.1 Sai số khoảng cách của tâm cảm biến so với đường tâm line thực tế 98

Hình 8.2 Đáp ứng vận tốc của động cơ RC lái bánh trước thực tế 99

Hình 8.3 Xe khởi động tại điểm A của sa bàn 99

Hình 8.4 Xe gặp giao lộ B lần đầu tiên và cua lê BC 100

Hình 8.5 Xe gặp điểm C và vào đoạn cong 100

Hình 8.6 Trái - Xe gặp giao lộ D; Phải: Xe gặp điểm E và ra khỏi đoạn cong 101

Hình 8.7 Xe gặp giao lộ B lần 2 và đi thẳng 101

Hình 8.8 Xe gặp điểm F và vào đoạn cong 102

Hình 8.9 Trái - Xe gặp giao lộ A; Phải: Xe gặp điểm G và ra khỏi đoạn cong 102

Hình 8.10 Xe gặp giao lộ B lần 3 và cua về BD 103

Hình 8.11 Xe về đích tại điểm D 103

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 10

Bảng 1.3 Bảng so sánh ưu và nhược điểm của một số dạng sơ đồ nguyên lý khác 12

Bảng 1.4 So sánh ưu và nhược điểm của dạng Robot xe dò line 3 và 4 bánh 14

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 16

Bảng 1.7 So sánh các đặc tính của các loại động cơ dẫn động thường dùng cho Robot xe dò line 17

Bảng 1.8 Bảng so sánh đặc tính của các động cơ dẫn hướng thường dùng cho Robot xe dò line 18

CHƯƠNG 2 Bảng 2.1 Lựa chọn phương án cảm biến 23

CHƯƠNG 3 Bảng 3.1 Thông số động cơ dẫn động GA25 đã chọn 37

CHƯƠNG 6 Bảng 6.1 Thông số kỹ thuật của cảm biến TCRT5000 60

Bảng 6.2 Giá trị cảm biến độc về ứng với khoảng cách 13 mm so với bề mặt 68  

Bảng 6.3 Giá trị cảm biến đọc về ứng với khoảng cách 13 mm so với mặt sa bàn 69  

Bảng 6.4 Khoảng cách so với đường tâm line khi áp dụng phương pháp trung bình trọng

số 70

Bảng 6.5 Thông số kỹ thuật Driver TB6612 76

Bảng 6.6 Thông số kỹ thuật pin 18650 76

Bảng 6.7 Thông số kỹ thuật yêu cầu cho các thiết bị dùng nguồn điều khiển 77

Bảng 6.8 Thông số kỹ thuật yêu cầu cho các thiết bị sử dụng nguồn động lực 78

Bảng 6.9 So sánh giá trị cảm biến để xác định giao lộ 86

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN

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/dán 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):

Hệ thống sa bàn hệ thông line:

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

STT Tên thành viên Nhiệm vụ Ghi chú

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 khí, thực hiện gia

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

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:

Hình 1.3 Sơ đồ nguyên lý Robot Usain Volt

- Động cơ: Sử dụng 2 động cơ DC có gắn encoder

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

trước bị động

Hệ thống điện:

- 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

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN

Kết cấu cơ khí:

Hình 1.5 Sơ đồ nguyên lý Robot TABAR

- Động cơ: Sử dụng 2 động cơ DC kèm hộp số và encoder

- Số bánh: 3 bánh, 2 bánh sau chủ động dẫn hướng và dẫn động, 1 bánh

trước bị động

- Hệ thống lái: Sử dụng hệ thống lái Differential

Hệ thống điện:

- 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

Hình 1.7 Sunfounder Picar - S

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 và encoder

- 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

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN

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 có gắn encoder

- 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

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 có gắn encoder

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

1.1.6 Phân tích Pika Robot

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 có gắn encoder

- 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

1.2.1 Về cơ khí

a Nguyên lý cơ khí

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

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

chuyển hướng xe tốt

- Bộ vi sai đã giải

đồng trục và cùng

- Mô hình toán đơn giản, dễ điều khiển

- Kết cấu cơ khí đơn giản

- Mô hình toán đơn giản, dễ điều khiển

- 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

thẳng

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

- 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

- 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

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

- 2 bánh trước vừa dẫn hướng, vừa dẫn động, do

đó, tạo áp lực lên bánh trước

- Phải đảm bảo đồng trục 2 động

cơ và quay cùng tốc độ khi chạy

thẳng

Một số dạng sơ đồ nguyên lý khác:

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

- 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

- Cải thiện được độ bám đường do bánh trước chủ động dẫn hướng, giảm bớt áp lực cho 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

- 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 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 trước nằm ở 2 trục khác nhau

Nhược điểm - Kết cấu cơ khí rất

phức tạp Khó khăn trong việc thiết kế

- Kết cấu cơ khí tương đối phức tạp

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

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN

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

hướng thì tốc độ 2 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

- 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 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

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 và dễ dàng phân bố tốc độ trên

2 bánh sau khai vào cua

Nhược điểm - Có khả năng bám đường không

tốt

- Khi không sử dụng bộ vi sai thì phải giải quyết vấn đề đồng trục bánh sau và phải điều khiển chính xác bánh sau thì mới có thể giúp

xe chạy theo ý muốn

- 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 trước

Có các cổng vào đọc Analog

Giao tiếp Hổ trợ các chuẩn giao

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

- Thích hợp cho điều khiển phân cấp

- 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

- Thư viện trong IDE

hổ trợ đầy đủ

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

- 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

- Nhận diện được line có

độ tương phản cao

- Nhỏ gọn, dễ bố trí và lắp đặt

- Giá thành rẻ, dễ sử dụng

- Nhận diện được line có

độ tương phản cao

Nhược điểm - Giá thành tương

đối cao

- Cần phải đi kèm với các cảm biến khác để có thể đo

cách, góc lệch…

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

- Rất nhạy, do đó 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

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN

- Hình dạng line ảnh hưởng rất nhiều đến việc xử

Dạng điều khiển Điều khiển vòng

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

- Dễ dàng lắp đặt và thay thế

- Có feedback về, dễ cho việc điều khiển

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

- Hoạt động tương đối ổn định

- Có khả năng định vị chính xác

- Có feedback về, dễ cho việc điều khiển

- Thích hợp cho ứng dụng di chuyển với tốc

độ cao

- Hoạt động tương đối

ổn định

- Có khả năng định vị chính xác

- 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

- Nếu sử dụng DC chổi than thì sẽ ồn và

- Nếu sử dụng DC chổi than thì sẽ ồn và tạo

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

tạo nhiệt độ cao khi hoạt động Do đó

dụng DC không chổi than

- Giá thành tương đối cao

nhiệt độ cao khi hoạt động Do đó khuyến khích sử dụng DC không chổi than

- Giá thành tương đối cao

- Hoạt động chính xác vì có driver điều khiển bên trong động cơ

- Moment xoắn tương đối lớn

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN

Nhược điểm - Dễ bị trượt bước khi hoạt động

dòng điện từ driver cấp cho động cơ không đủ cũng như tải lớn

- 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 hệ thống 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

Đối với điều khiển tập trung thì mọi tác vụ đều do 1 vi điều khiển xử lý, không

có sự phân chia tác vụ, do đó, khi thực hiện dạng này thì vi điều khiển thường mất thời gian trong việc xử lý hơn so với điều khiển phân cấp

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

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

2.2 Lựa chọn phương án điện

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

- Tín hiệu đọc về dạng analog

CHƯƠNG 2: LỰA CHỌN PHƯƠNG ÁN

- 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 lý Robot

Ít chịu ảnh hưởng bởi các cường độ ánh sáng, nhưng

dễ gặp hiện tượng cross

biến này phát, cảm biến kia thu)

Độ phức tạp thấp

vì dễ dàng thiết

kế mạch đọc analog/digital để trả về tín hiệu

digital

thấp

Cảm biến

quang trở

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

cường độ ánh sáng của môi

Độ phức tạp thấp

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

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

CHƯƠNG 2: LỰA CHỌN PHƯƠNG ÁN

dò line 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 Trong đó 5 cảm biến dùng cho việc xác định khoảng cách so với đường line, còn 2 cảm biến còn lại thì dùng để xác định giao điểm

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m s / 

- Có thể điều khiển vận tốc

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

- Nhỏ gọn

- Có khả năng trả về giá trị vận tốc vòng của động cơ

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: