Robot là một loại máy có thểthực hiện những công việc một cách tự động bằng sự điều khiển của máy tính hoặc các vi mạch điện tử được lập trình sẵn, Robot là một tác nhân cơ khí nhân tạo
Trang 1TRƯỜNG ĐẠI HỌC VINH VIỆN KỸ THUẬT VÀ CÔNG NGHỆ
ĐỒ ÁN II
THIẾT KẾ ROBOT DÒ LINE SỬ DỤNG PID
Giảng viên hướng dẫn: TS Mai Thế Anh Sinh viên thực hiện: Trần Văn Quyết
Nguyễn Văn Nhật Dương Đình Nghĩa Lớp: 58K – KTĐK & TĐH
Nghệ An, năm 2021
Trang 2MỤC LỤC
LỜI NÓI ĐẦU 3
CHƯƠNG I: TỔNG QUAN 4
1.1 Đặt vấn đề 4
1.2 Giới thiệu về Robot 4
1.3 Arduino 6
1.4 Cảm biến 8
1.5 Mô hình từ các cuộc thi 9
1.6 Cấu trúc điều khiển 11
CHƯƠNG II: THIẾT KẾ ROBOT 13
2.1 Sơ đồ khối 13
2.2 Giới thiệu arduino Uno R3 13
2.3 Mạch ARDUINO UNO R3 15
2.4 Module L298N 17
2.5 Module thu phát hồng ngoại TCRT5000L 5 mắt, bánh mắt trâu 18
2.5 Sơ đồ nối các linh kiện 19
2.7 Giải thuật điều khiển PID 20
KẾT QUẢ THỰC NGHIỆM VÀ KẾT LUẬN 23
TÀI LIỆU THAM KHẢO 24
Trang 3DANH MỤC HÌNH ẢNH
Hình 1.1.Arduino mega 7
Hình 1.2 Arduino uno 7
Hình 1.3 Arduino nano 7
Hình 1.4 Mức so sánh của cảm biến ứng với các vị trí line khi xe di chuyển 9
Hình 1.5 Tìm vị trí tâm đường line bằng giải thuật xấp 9
Hình 1.6 Hình ảnh thực tế và sơ đồ nguyên lý của CartisX04 10
Hình 1.7 Hình ảnh thực tế và sơ đồ nguyên lý Robot Silvestre 10
Hình 1.8 Hình ảnh thực tế và sơ đồ nguyên lý của Robot Fileball 11
Hình 1.9 Cấu trúc điều khiển phân cấp 12
Hình 1.10 Cấu trúc điều khiển tập trung 12
Hình 1.11 Cấu trúc điều khiển tập trung của xe 11
Hình 1.19 Sơ đồ nối các linh kiện 19
Hình 1.20 Sơ đồ khối giải thuật PID 20
Hình 1.21 Sơ đồ khối ứng dụng giải thuật PID vào robot dò line 21
Hình 1.22 Mô hình khi thiết kế 23
Hình 1.23 Mô hình xe khi hoàn thiện 23
Trang 4LỜI NÓI ĐẦU
Kỹ thuật điều khiển và tự động hóa là ngành học nghiên cứu, thiết kế, vận hànhcác hệ thống tự động, dây chuyền sản xuất tự động tại các nhà máy như thép, xi măng,chế tạo robot, quản lý các sản phẩm trong và ngoài Ngành này gắn với quá trình sảnxuất trong công nghiệp, nơi mà máy móc dần thay thế sức lao động con người, giúptăng năng suất lao động, giảm thiểu nhân công, nhân lực và chi phí
Chúng em xin gửi lời cảm ơn đến các thầy trong bộ môn kỹ thuật điều khiển và
tự động hóa đã tạo điều kiện để chúng em thực hiện đồ án này Để hoàn thành đồ ánnày, chúng em xin gửi lời cảm ơn đến TS Mai Thế Anh đã tận tình hướng dẫn, giảngdạy chúng em trong suốt quá trình học tập, nghiên cứu và rèn luyện để có thể thực hiệntốt đồ án này
Chúng em xin cảm ơn những thành viên trong nhóm đã cùng nhau thảo luận, thuthập tài liệu và giúp đỡ tôi giải quyết trong các vấn đề nảy sinh trong quá trình thựchiện Đồ án này
Mặc dù đã rất cố gắng đển thực hiện bài tập lớn một cách tốt nhất, song do sựhạn chế về kiến thức chuyên môn cũng như kinh nghiệm thực tế nên không tránh khỏinhững thiếu sót Vì vậy, chúng em rất mong được sự góp ý của quý thầy cô và các bạn
để đề tài được hoàn chỉnh hơn
Chúng em xin chân thành cảm ơn!
Trang 5CHƯƠNG I: TỔNG QUAN
1.1 Đặt vấn đề
Tự động hóa là tổng hợp của nhiều lĩnh vực như cơ khí, điều khiển, công nghệthông tin và cơ điện tử Tự động hóa là một loạt các công nghệ làm giảm sự can thiệpcủa con người vào các quy trình, sự can thiệp của con người được giảm thiểu bằngcách xác định trước các tiêu chí quyết định, các mối quan hệ của quy trình phụ và cáchành động liên quan thể hiện những xác định trước đó của máy móc Các lĩnh vực nàykết hợp lại với nhau tạo thành các hệ thống tự động hóa và cao hơn là tự động cả quátrình sản xuất Ngành công nghiệp tự động hóa ngày càng có vai trò quan trọng và hếtsức cần thiết để đáp ứng mục tiêu phát triển kinh tế, nhất là trong quá trình côngnghiệp hóa-hiện đại hóa như hiện nay Nó đòi hỏi một nguồn nhân lực có trình độ cao
để vận hành
Robot đã và đang xuất hiện trong cuộc sống của chúng ta và ngày càng trởthành một phần không thể thiếu trong cuộc sống hiện đại Robot là một loại máy có thểthực hiện những công việc một cách tự động bằng sự điều khiển của máy tính hoặc các
vi mạch điện tử được lập trình sẵn, Robot là một tác nhân cơ khí nhân tạo thường làmột hệ thống cơ khí điện tử Chúng đã góp phần của mình vào công cuộc lao động,chính Robot đã làm nên một cuộc cách mạng khoa học, kỹ thuật và đang phục cụ đắclực cho các ngành khoa học như: khoa học quân sự, khoa học giáo dục, các ngành dich
vụ, giải trí…
Trên thế giới hiện nay có rất nhiều loại Robot quy mô lớn như: những cánh taymáy trong các dây chuyền sản xuất, những hệ thống sản xuất tự động, Robot hàn côngnghiệp trên dây chuyền sản xuất cơ khí, Robot gắp sản phẩm trên dây chuyền bốc dỡhàng hóa, Robot sơn ứng dụng tự động… Nhỏ hơn là những Robot có khả năng dichuyển, làm những công việc nguy hiểm thay thế con người, Robot giúp người già,Robot dọn dẹp nhà cửa, Robot thu gom vật liệu theo định hướng được lập trình sẵn…
Trong đồ án lần này em thực hiện thiết kế Robot dò line (xe dò line), đối vớinhững Robot tiên tiến thì đây chỉ là một phần nhỏ phục vụ cho Robot trong công tác
dò tìm đường tự động, nhưng đồ án này sẽ tạo cho em nền tảng để làm những cái lớnhơn, có ích hơn trong quá trình học tập và làm việc sau này
1.2 Giới thiệu về Robot
Robot là một ngành kỹ thuật bao gồm thiết kế, chế tạo, vân hành và ứng dụngcũng như các hệ thống máy tính điều khiển, phản hồi tín hiệu cảm biến và xử lý thôngtin của chúng Những công nghệ này liên hệ với các máy móc tự động dùng để thay
Trang 6thế con người trong những môi trường độc hại hay trong các quá trình sản xuất hoặcbắt chước con người về hình thức, hành vi.
Với sự phát triển của công nghệ khiến Robot trong các ngành công nghiệp đượcứng dụng, do vậy các loại Robot trở nên đa dạng và phong phú
Robot theo không gian làm việc: để dịch chuyển khâu tác động cuối cùng củaRobot đến vị trí của đối tượng thao tác được cho trước không gian làm việc cần phải
có ba bậc chuyển động dời hay chuyển động định vị Robot được phân loại theo sựphối hợp giữa ba trục chuyển động cơ bản rồi sau đó được bổ sung để mở rộng thêmbậc chuyển động nhằm tăng thêm độ linh hoạt Phân loại theo không gian làm việc cóthể phân loại theo các loại Robot sau:
Robot tọa độ vuông góc;
bộ điều khiển có thể lựa chọn thuật toán thích hợp;
Robot thế hệ thứ ba: được trang bị những thuật toán xử lý các phản xạlogic thích nghi theo những thông tin và tác động của môi trường lênchúnh;
Robot thế hệ thứ tư: các robot xử dụng thuật toán và cơ chế điều khiểnthích nghi được trang bị bước đầu khả năng lựa chọn các đáp ứng tuântheo một mô hình tính toán xác định trước nhằm tạo ra những ứng xửphù hợp với điều kiện của môi trường thao tác;
Robot thế hệ thứ năm: là tập hợp các robot được trang bị các trí tuệ nhântạo
Robot được phân loại theo bộ điều khiển:
Robot gắp đặt: thường nhỏ và sử dụng nguồn dẫn động khí nén, dùng bộđiều khiển PLC để thực hiện điều khiển;
Trang 7 Robot đường dẫn liên tục: sử dụng bộ điều khiển servo thực hiện điềukhiển vòng kín, robot được lập trình theo một đường xác định.
Robot được phân loại theo nguồn dẫn động:
Robot dùng nguồn cấp điện: nguồn cấp cho robot thường là DC để điềukhiển động cơ DC, hệ thống nguồn AC cũng được chuyển đổi sangnguồn DC;
Robot dùng nguồn khí nén: được trang bị máy nén, bình chứa khí vàđộng cơ kéo máy nén được sử dụng trong các ứng dụng có tải trọng nhỏ
Robot dùng nguồn thủy lực: sử dụng lưu chất không nén được là dầu ép,
hệ thống được trang bị bơm để tạo áp lực dầu
Phân theo tính năng robot:
Robot di động: nhiệm vụ chủ yếu của nó là di chuyển định vị, tìm đường
đi tối ưu và vẽ lại bản đồ;
Tay máy: hoạt động như cánh tay con người để cầm nắm, sắp, di chuyển;
Điều khiển từ xa: có thể hiểu đó là khi con người tương tác với các vậtthông qua một hệ thống trung gian
Như vậy, ta thấy robot có rất nhiều và đa dạng theo các cách khác nhau chúngđều được sản xuất ra với mục đích giúp ích cho con người trong công việc nghiên cứu,làm việc, ứng dụng trong cuộc sống, từ đó thấy được tầm quan trọng của nó trong cuộcsống công nghệ ngày nay
1.3 Arduino
Arduino là là một nền tảng mã nguồn mở phần cứng và phần mềm Phần cứngarduino ( các board mạch vi xử lý) nhằm xây dựng các ứng dụng tương tác với nhauhay với môi trường được thuận lợi hơn Phần cứng bao gồm một board mạch nguồn
mở được thiết kế trên nền tảng vi xử lý AVR Atmel 8 bit hoặc AVR Atmel 32 bit
Những module hiện tại được trang bị một cổng giao tiếp USB, 6 chân đầu vàoanalog, 14 chân I/O kỹ thuật số tương thích với nhiều board mở rộng khác nhau Mộtmạch arduino bao gồm một vi điều khiển AVR với nhiều linh kiện bổ sung giúp dễdàng lập trình và có thể mở rộng với các mạch khác, một khía cạnh quan trọng củaarduino là kết nối tiêu chuẩn của nó cho phép người dùng kết nối với CPU của boardvới các module thêm vào có thể dễ dàng chuyển đổi được gọi là shield
Trang 8Các board arduino phổ biến hiện nay
xử lý cảnh báo các vấn đề nguy hiểm như báo cháy, khi gas thông qua cảm biến, điềukhiển thiết bị bật tắt đơn giản, cảm biến âm thanh
Trang 91.4 Cảm biến
Cảm biến là thiết bị điện tử cảm nhận những trạng thái hay quá trình vật lý, hóahọc hay sinh học của môi trường cần khảo sát và biến đổi thành tín hiệu điện để thuthập thông tin về trạng thái hay quá trình đó
Thông tin được sử lý để rút ra tham số định tính hay định lượng của môitrường, phục vụ các nhu cầu nghiên cứu khoa học kỹ thuật hay dân sinh và gọi ngắngọn là đo đạc, phục vụ trong truyền và xử lý thông tin hay trong điều khiển các quátrình khác
Cảm biến thường được đặt trong các vỏ bảo vệ tạo thành đầu thu hay đầu dò, cóthể co kèm theo các mạch điện hỗ trợ và nhiều khi trọn bộ đó lại dược gọi luôn là cảmbiến
Có nhiều cảm biến khác nhau và có thể chia ra thành hai nhóm chính:
Cảm biến vật lý: sóng điện từ, ánh sáng, tử ngoại, hồng ngoại, tia x, tiagamma, hạt bức xạ, nhiệt độ, áp xuất, âm thanh, khoảng cách;
Cảm biến hóa học: độ ẩm, độ PH, các ion, hợp chất;
Cảm biến sinh học: đường glucozo, protein, vi khuẩn
Một cảm biến được sử dụng khi đáp ứng các tiêu chí kỹ thuật xác định:
Độ nhạy: gia số nhỏ nhất có thể phát hiện;
Mức tuyến tính: khoảng giá trị được biến đổi có hệ số biến đổi cố định;
Dải biến đổi: khoảng giá trị biến đổi sử dụng được;
Ảnh hưởng ngược: khả năng gây thay đổi môi trường;
Mức nhiễu ổn: tiếng ồn riêng và ảnh hưởng của tác nhân khác liên kếtquả;
Sai số xác định: phụ thuộc độ nhạy và mức nhiễu;
Độ trôi: sự thay đổi tham số theo thời gian phục vụ hay thời gian tồn tại;
Độ trễ: mức độ đáp ứng với thay đổi của quá trình;
Độ tin cậy: khả năng làm việc ổn định, chịu những biến động lớn củamôi trường;
Điều kiện môi trường: dải nhiệt độ, độ ẩm
Cảm biến có vai trò quan trọng trong các bài toán điều khiển quá trình nói riêng
và trong các hệ thống điều khiển tự động nói chung, là thiết bị có khả năng cảm nhận
Trang 10các tín hiệu điều khiển vào ra, có vai trò đo đạc giá trị giới hạn cảm nhận với đại lượngvật lý cần đo.
a, Tìm hiểu về các cách xử lý tín hiệu cảm biến
Sử dụng giải thuật so sánh
Dùng mạch lấy ngưỡng hay giải thuật lọc ngưỡng bằng lập trình đểchuyển tín hiệu điện áp đọc từ cảm biến về thành mức cao hay mức thấp,suy ra vị trí của xe so với đường line
Hình 1.4 Mức so sánh của cảm biến ứng với các vị trí line khi xe di chuyển
Trang 11a, Japan Robotrace Contest 2014 - đội chiến thắng: CartisX04
Hình 1.6 Hình ảnh thực tế và sơ đồ nguyên lý của CartisX04
Thông số của xe:
Cảm biến: 6 bộ cảm biến hồng ngoại, 2 cảm biến gyrn;
Bánh sau: 4 bánh chủ động – 2 động cơ DC;
Bánh trước: 1 bánh lái có động cơ chỉ đạo;
Tốc độ tối đa: V max = 4,2 (m/s);
Kết cấu giúp xe dễ cân bằng hơn nhưng phức tạp, xảy ra hiện tượngtrượt khi
b, Cuộc thi ở Tây Ban Nha – đội chiến thắng: Silvestre
Hình 1.7 Hình ảnh thực tế và sơ đồ nguyên lý Robot Silvestre
Thông số cuả xe:
Trang 12 Cảm biến: 8 bộ cảm biến hồng ngoại;
Bánh sau: 2 bánh chủ động – 2 động cơ DC;
Bánh trước: 1 bánh tự lụa – bánh mắt trâu;
Tốc độ tối đa: V max = 2,24 (m/s);
Kết cấu này khá đơn giản, độ đồng phẳng cao, xe rẽ được các bán kínhcong nhỏ nhưng khó cân bằng
c, Cuộc thi Chibots ở Mỹ - đội chiến thắng: Fireball
Hình 1.8 Hình ảnh thực tế và sơ đồ nguyên lý của Robot Fileball
Thông số của xe:
Cảm biến: 16 bộ cảm biến hồng ngoại;
4 bánh chủ động – 4 động cơ DC;
Vận tốc: 3 (m/s);
Kết cấu phức tạp, độ đồng phẳng thấp, khó điều
1.6 Cấu trúc điều khiển
Có rất nhiều cách điều khiển một hệ thống hay các mô hình, điều khiển như là một phần không thể thiếu được cho quá trình để sản phẩm có thể vận hành được, sau đây là hai cấu trúc điều khiển hay được dùng nhất:
a, Cấu trúc điều khiển phân cấp
Mạch điều khiển phân cấp sử dụng nhiều vi điều khiển, mỗi vi điều khiển đảmnhận một chức năng riêng
Nhờ đó có sự chuyên biệt hóa, mỗi vi điều khiển chỉ đảm nhận một công việcgiúp việc kiểm tra lỗi chương trình dễ dàng
Trang 13Các chức năng được thực hiện đồng thời không cần phải đợi hay bỏ qua các tác
vụ ngắt
Hình 1.9 Cấu trúc điều khiển phân cấp
b, Cấu trúc điều khiển tập trung
Mạch chỉ sử dụng một vi điều khiển đảm nhận tất cả các chức năng nhờ vào đó
mà phần cứng đơn giản Tuy nhiên, không có sự chuyên biệt hóa nên khó cho việckiểm tra lỗi chương trình, các chức năng không được thực hiện đồng thời khi chứcnăng này đang thực hiện thì chức năng khác phải đợi
Hình 1.10 Cấu trúc điều khiển tập trung
Trang 14CHƯƠNG II: THIẾT KẾ ROBOT
Sau quá trình tìm hiểu về robot dò line, ta hãy lựa chọn linh kiện cũng như phần cấu trúc phù hợp cho xe nên nhóm đồ án xin lựa chọn theo cấu trúc điều khiển tập trung để phù hợp với mô hình xe và từ đó có thể chọn được linh kiện phù hợp với kết cấu của xe cũng như hoàn thiện về xe.
2.1 Sơ đồ khối
Hình 1.11 Cấu trúc điều khiển tập trung của xe
Thiết kế xe ba bánh, 2 bánh chủ động ở phía sau điều khiển bằng hai động cơ
DC độc lập, bánh trước là bánh mắt trâu Sử dụng cảm biến led để đọc và dùng giảithuật xấp xỉ vị trí tâm line và dùng bộ điều khiển tập trung (dùng 1 vi điều khiển)
Theo như sơ đồ cấu trúc ta sẽ chọn bộ điều khiển trung tâm là ARDUINO UNOR3, cảm biến sensor TCRT5000L, module L298 và động cơ DC
2.2 Giới thiệu arduino Uno R3
Nhắc tới dòng mạch Arduino dùng để lập trình, cái đầu tiên mà người ta thườngnói tới chính là dòng Arduino UNO Hiện dòng mạch này đã phát triển tới thế hệ thứ 3(R3)
Sensor TCRT5000L
Driver L298 ARDUINO UNO R3 Driver L298
Động cơ phải Động cơ trái
Trang 15Hình 1.12 ARDUINO UNO R3
Một số thông số về arduino uno R3 có như trong bảng:
Hình 1.13 Vi điều khiển
Trang 162.3 Mạch ARDUINO UNO R3
Hình 1.14 Mạch arduino uno r3
Các thông số cơ bản của ARDUINO UNO R3:
Vi điều khiển: Atmega328P;
Điện áp hoạt động: 5V;
Điện áp đầu vào khuyên dùng: 7 – 12V;
Điện áp đầu vào giới hạn: 6 – 20V;
Chân Digital I/O: 14 (với 6 chân PWM output);
Chân PWM Digital I/O: 6;
Chân đầu vào Analog: 6;
Dòng sử dụng I/O Pin: 20mA;
Trang 17không cho phép thì nên dùng vi điều khiển khác có chức năng tương đương với giáthành rẻ hơn như ATmega8 hay ATmega168
Nguồn sử dụng có thể được cấp nguồn 5V thông qua cổng USB hay cấp nguồnngoài với điện áp khuyên dùng là 7-12V, thường thì cấp nguồn bằng 9V là hợp lý nhấtnếu bạn không có sẵn nguồn từ cổng USB Nếu cấp nguồn vượt quá ngưỡng giới hạntrên bạn sẽ làm hỏng Arduino
Các chân năng lượng:
GND: cực âm của nguồn điện cấp cho Arduino uno khi bạn dùng cácthiết bị sử dụng những nguồn điện riêng biệt thì những chân này phảiđược nối với nhau;
5V: cấp điện áp 5V đầu ra, dòng tối đa cho phép ở chân này là 500mA;
3.3V: cấp điện áp 3.3V đầu ra, dòng tối đa cho phép ở chân này là50mA;
VIN: để cấp nguồn ngoài cho Arduino, bạn nối cực dương của nguồn vớichân này và cực âm của nguồn với chân GND;
IOREF: điện áp hoạt động của vi điều khiển trên arduino uno được đo ởchân này;
RESET: reset vi điều khiển tương đương với việc chân reset được nối
Các cổng vào/ra trên board Arduino: có 14 chân digital dùng để đọc hoặc xuấttín hiệu Chúng chỉ có hai mức điện áp là 0V và 5V với dòng vào/ra tối đa trên mỗichân là 40mA Ở mỗi chân đều có các điện trở pull-up từ ngay trong vi điều khiển
Một số chân digital có chức năng đặc biệt như sau:
2 chân Serial: 0 (RX) và 1(TX) dùng để gửi và nhận dữ liệu TTL Serial.Arduino Uno có thể giao tiếp với thiết bị khác thông qua 2 chân này;
Chân PWM: 3, 5, 6, 9, 10, 11 cho phép bạn xuất ra xung PWM với độphân giải 8 bit bằng hàm analogWrite();
Chân giao tiếp SPI: 10 (SS), 11 (MOSI), 12 (MISO), 13 (SCK) Ngoàichức năng thông thường 4 chân này còn dùng để truyền phát dữ liệubằng giao thức SPI với các thiết bị khác;
LED 13: trên arduino có một led màu cam, nó được nối với chân 13 khidùng sẽ sáng;
