(Đề tài NCKH) thiết kế chế tạo robot tự động dò line

Chính vì những lý do này mà Nhóm thực hiện đề tài đã chọn đề tài: THIẾT KẾ, CHẾ TẠO ROBOT TỰ ĐỘNG DỊ LINE II.Tinh hinh nghiên cứu trong vàngoài nước: Tình hình trong nước..

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ

THUẬT THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH

CÔNG TRÌNH NGHIÊN CỨU KHOA HỌC CẤP TRƯỜNG

THIẾT KẾ, CHẾ TẠO ROBOT

TỰ ÐỘNG DÒ LINE

MÃ SỐ: T2012-09

SKC003845

Tp Hồ Chí Minh, 10/2012

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT TP HCM



THIẾT KẾ, CHẾ TẠO ROBOT

TỰ ĐỘNG DỊ LINE

MÃ SỐ: T2012-09

THUỘC NHÓM NGÀNH : KHOA HỌC KỸ THUẬT

NGƯỜI CHỦ TRÌ : Võ Văn Triều

TP HỒ CHÍ MINH – 10/2012

MỤC LỤC

Phần I : ĐĂṬ VÂN ĐÊ

I Đối tương ̣ nghiên cứu. 1

II Tinh̀ hinh̀ nghiên cứu trong vàngoài nước 1

III Những vấn đềtồn taị 2

́$ Phần II : GIAI QUYÊT VÂN ĐÊ. I Muc ̣ đich́ ĐềTài. 3

II Phương pháp nghiên cứu 3

III Giới haṇ ĐềTài 4

IV Nôịdung. 4

Chương I: Cấu trúc của vùng thi đấu và các tiêu chuẩn 5

Chương II: Các lýthuyết liên quan. 17

Chương III: Thiết kếVàThi công 43

Chương trinh ̀ 47

́ Phân III: KÊT LUÂṆ. I Kết luâṇ Đềtài 81

II Hướng phát triển Đềtài 81

Tài liêụ tham khảo 82

N I: ĐĂṬ VẤ

N ĐỀ

PHẦN I ĐẶT VẤN ĐỀ

I Đới tương ̣ nghiên cứu:

Hiện nay là thời đại khoa học kỹ thuật phát triển, các nhà máy xí nghiệp sản xuất sản phẩm của mình trên các băng chuyền hiện đại, sản phẩm xuất ra rất nhanh và nhiều,

đờng thời các cơng viêc ̣ ởnhững nơi nguy hiểm(ởnhững nơi cókhí

đơc,ợ̉những nơi quácao hoăc ̣ quásâu) màcon người khơng thểlàm viêc ̣ trưc ̣ tiếp Vì vậy

màRobot ra

PLC, các dòng VĐK…

Nhưng dùng PLC điều khiển Robot thìchi phírất cao so với các dòng VĐK Chính vì những lý do này mà Nhóm thực hiện đề tài đã chọn đề tài: THIẾT KẾ, CHẾ

TẠO ROBOT TỰ ĐỘNG DỊ LINE

II.Tinh hinh nghiên cứu trong vàngoài nước:

Tình hình trong nước.

Robot di chuyển theo hành trinh̀ đinḥ trước đã được sinh viên các trường đại họcnghiên cứu và chế tạo, tuy nhiên mức độ nghiên cứu chỉ dừng lại ở phạm vi lý thuyếthay mơ hình mang tính giản đơn Các Robot này chỉ hoạt động theo nguyên lí của mộtRobot tự đơng ̣ Nhưng kết quả vẫn còn nhiều thiếu sót Ví dụ như Robot chưa thể hoànthành cơng việc được giao, việc di chuyển của Robot đến các tọa độ còn chưa chínhxác

Một sớ nguyên nhân dẫn đến kết quả trên:

- Cơng nghệ chế tạo mang tính truyền thớng, các bộ phận di chuyển của Robot cònchưa có sự kiểm soát của chương trình điều khiển Vẫn còn sử dụng phương pháp điềukhiển mang nặng về cảm tính

- Kinh phí đầu tư cho các cơng trình nghiên cứa còn chưa cao Nên dẫn đến việc đầu tư cho cơng nghệ trong quá trình chế tạo Robot còn thơ sơ

- Bên cạnh đó cũng có một sớ đề nghiên cứu về lĩnh vực này, đã có nghững thành cơngbước đầu Ví dụ như đề tài chế tạo Robot OMINO do ĐH Bách Khoa TP.HCM nghiêncứu chế tạo, hay robocar do ĐH Bách Khoa Hà Nội chế tạo ứng dụng trong chớng phóng

xạ và dịch bệnh.Tuy nhiên chỉ còn dưới dạng mơ hình và kinh phí cũng khá cao

Tình hình ngoài nước.

III Những vần đềcòn tồn tai:̣

Robot tư ̣đông ̣ có khả năng di chuyển đến bất cứ nơi đâu theo tọa độ định trước để hoàn thành nhiệm vụ

Tuy nhiên Robot chỉ mới có khả năng di chuyển trong địa hình bằng phẳng, Robot cũng không có khả năng tự tránh được vật cản cố định hay di chuyển

Để hoàn thành được nhiêm vụ người sử dụng phải chỉ cho Robot cách di

chuyển để tránh được vật cản trong qúa trình đi đến đích

 robot tự động dò line mang Robot thu thập băng qua Cầu và hướng về phía Vùng trungchuyển 2 hoặc Vùng trung chuyển 3 (Loading Area3).

 robot tự động dò line phải thả Robot thu thập trong Vùng trung chuyển 2 (Loading Area 2) hay Vùng trung chuyển 3 Robot thu thập khôngđược chạm vào sân thi đấu trước khi được thả xuống trong Vùng trung chuyển 2 hoặc Vùng trung chuyển 3

II Phương pháp nghiên cứu.

Hai phương pháp chính được Nhóm thực hiện đề tài sử dụng để nghiên cứu đề tài này:Phương pháp tham khảo tài liệu và Phương pháp thực nghiệm

- Tham khảo tài liệu

Hướng nghiên cứu của đề tài dần dần nảy sinh từ việc thu thập tài liệu và xử lí tài liệu thuthập được Các tài liệu tham khảo chủ yếu từ những giáo trình vi xử lý, những đề tài nghiêncứu khoa học có liên quan, tài liệu về ATMEGA32, CCS,Codevision…

N II GIẢI QUYẾT VẤN ĐỀ

Hiêṇ nay có rất nhiều dòng VĐK(Amel,Avr,Pic, ) do vâỵ màđề Tài về ứng dung ̣ VĐK vàENCODER đểđiều khiển Robot là một đề Tài rộng, có nhiều hướng mở Do quỹ thời gian cóhạn vì vậy mà đề tài đươc ̣ thực hiện trong giới hạn là: Ứng dung ̣ dòng VĐK ATMEGA32 kết hơp ̣ với ENCODER đểđiều khiển Robot

IV Nôịdung.

Chương I: Các LýThuyết Liên Quan

N II GIẢI QUYẾT VẤN ĐỀ

I Cấu trúc của vùng thi đấu và các tiêu chuẩn

1 Sân thi đấu có kích thước 13x13m và được bao quanh bởi các hàng rào gỗ cao 100mmvà dày 50mm Các hàng rào này sẽ được bắt chặt xuống sân bằng ốc Sân thi đấu sẽ được chiađều cho hai đội và ngăn cách bởi một hàng rào gỗ cao 100mm, dày 50mm Hai đội thi đấu sẽ cóhai màu Xanh và Đỏ

Sân thi đấu bao gồm vùng cho Manual Robot, Automatic Robot và Starting Points, RestartingPoints, Loading Areas, Common Zone và Island Các kí hiệu tương ứng cho từng vùng theothứ tự là A, C, M, L1, L2, L3, S1 và S2 Và các kí tự này không cần phải được vẽ trên sân thiđấu thực tế

Hình 1.1: Hình dạng của vùng thi đấu

N II GIẢI QUYẾT VẤN ĐỀ

Hình 1.2: Kích thước của vùng thi đấu

2 Vùng Robot bằng tay và vùng Robot tự động

Các đường màu trắng có bề rộng 30mm được dán trên phần nền của vùng Robot tự động Mỗicạnh của ô vuông nằm trong đường màu trắng có kích thước là 470mm Hàng rào gỗ cao100mm và dày nhất là 50mm sẽ được dùng để ngăn cách giữa vùng robot bằng tay với vùngrobot tự động

N II GIẢI QUYẾT VẤN ĐỀ

Hình 1.3 Kích thước của vùng thi đấu (mặt bên)

 Các khu vực xuất phát (Starting points)

 Robot bằng tay phải xuất phát trong khu vực xuất phát cho Robot bằng tay (M)

 Robot thu thập phải được đặt trong khu vực xuất phát cho Robot thu thập và được nâng lên bởi Robot bằng tay (C)

 Robot tự động phải xuất phát trong khu vực xuất phát cho Robot tự động (A)

 Vùng chung (common zone)

Vùng chung là một hình hộp chữ nhật có chiều cao 100mm, rộng 500mm và dài 1985mmđược sơn màu vàng Hai lỗ hình tròn dày 12mm và đường kính 452mm được khoét trên bềmặt của vùng chung Hai cái giỏ được đặt vào hai lỗ tròn đó trước khi trận đấu bắt đầu Mỗiđội chỉ có thể lấy một cái giỏ từ vùng chung

N II GIẢI QUYẾT VẤN ĐỀ

Hình 1.4: Vùng chung

3 Giỏ (đựng quà) (The Basket)

Hai cái giỏ được đặt tại hai lỗ tròn trên vùng chung Giỏ có cấu tạo gồm ba phần: phần giỏ cóđường kính 450mm và cao 400mm được làm từ tấm HIPS(475) và lưới nhựa hoặc lưới nylon,phần đế có đường kính 450mm làm từ HIPS (475), và phần hình trụ đường kính 80mm và cao388mm làm từ ống nhựa PVC Khối lượng của giỏ là 2.85kg

Hình 1.5: Giỏ đựng quà

4 Tháp Bánh bao (Bun Tower) sẽ được đặt trên một bệ hình vuông (Đảo) Tháp bao gồm

ba tầng và chi tiết được mô tả như sau :

 Số lượng Bánh bao trên từng tầng :

N II GIẢI QUYẾT VẤN ĐỀ

Tầng đỉnh: Có 2 Bánh bao (Một cho đội xanh và một cho đội đỏ)

Tầng giữa : Có 6 Bánh bao (3 Bánh bao cho mỗi đội)

Tầng thấp nhất : Có 8 Bánh bao (4 Bánh bao cho mỗi đội)

 Khối lượng và kích thước của các Bánh bao

Bánh bao tầng đỉnh: 105gm, đường kính 200mm, cao 150mm

Bánh bao tầng giữa và tầng thấp nhất : 47gm, đường kính 150mm, cao 100mm

Hình 1.6: Bánh bao

 Đường kính của ba tầng Tầng đỉnh: 500mm

Tầng giữa: 850mm

Tầng thấp nhất : 1200mm

N II GIẢI QUYẾT VẤN ĐỀ

 Độ cao của Tháp Bánh bao

Tháp Bánh bao cao tổng cộng 1850mm (tính từ mặt trên của Đảo)

Độ cao của từng tầng tính từ bề mặt của Đảo là :

Tầng đỉnh: 1500mm

Tầng giữa: 1000mm

Tầng thấp nhất : 500mm

Đế của Tháp Bánh bao cao 497mm tính từ bề mặt của Đảo đến đáy của của Tầng thấp nhất

Vị trí của hình trụ được cố định bằng cách xuyên qua tâm của ba cái khuyên tròn ở mỗi tầng của tháp hình nón

Hình 1.7 Sơ đồ bố trí bánh bao của tháp bánh bao

 Góc đặt của các Bánh bao trong một tầng sẽ khác với các Bánh bao trong các tầng khác

5 Đảo (Island)

2.8.1 Đảo là một vùng được nâng lên cao 400mm, độ rộng 3.030mm và dài 3.050mm Nó được chia đều ra cho cả hai đội xanh và đỏ Mỗi phần sẽ bao gồm một nửa kích thước của Tháp Bánh bao và một rãnh tròn khoét tại góc, nơi sẽ đặt giỏ quà, có độ sâu 12mm và đường kính 500mm Một giỏ quà sẽ được đặt tại Vùng đựng giỏ quà của Đảo bởi Robot bằng tay

N II GIẢI QUYẾT VẤN ĐỀ

Hình 1.8 Island

6 Vùng trung chuyển (Loading areas)

Vùng trung chuyển 1 (L1) được đặt trên vùng Robot bằng tay và nằm gần vùng xuất phát của Robot tự động với chiều dài 1.965mm và rộng 1.520mm

Hình 1.9 Vùng L1

N II GIẢI QUYẾT VẤN ĐỀ

Một Đường hầm được đặt tại vùng robot bằng tay Kích thước bên trong của Đường hầmdài 2.040mm, rộng 1.200mm và cao nhất là 1.600mm Mái của Đường hầm là dạng cong.(Hình 7)

Hình 1.12 Đường hầm

N II GIẢI QUYẾT VẤN ĐỀ

Hình 1.16: Cầu

11 Chướng ngại vật (Obstructions)

Các chướng ngại vật bằng gỗ cao 100mm và dày 50mm được đặt ở Vùng robot bằng tay và Vùng robot tự động

Các Robot phải di chuyển qua các các chướng ngại vật theo đường Zigzag

N II GIẢI QUYẾT VẤN ĐỀ

II Các lý thuyết liên quan

1.1 Sơ lược về ATMEGA32 và các thanh ghi liên quan.

Atmega32 là bộ vi điều khiển CMOS 8 bit tiêu thụ điện năng thấp dựa trên kiến trúcRISC (Reduced Intruction Set Computer) Vào ra Analog-digital và ngược lại Với công nghệnày cho phép các lệnh thực thi chỉ trong một chu kì xung nhịp, vì thế tốc độ xử lý dữ liệu cóthể đạt đến 1 triệu lệnh trên giây ở tần số 1 Mhz Vi điều khiển này cho phép người thiết kế cóthể tối ưu hoá chế độ độ tiêu thụ năng lượng mà vẫn đảm bảo tốc độ xử lí

1.1.1 Sơ đồ khối:

Hình 1.1:sơ đồ khối của Atmega32Atmega32 có tập lệnh phong phú về số lượng với 32 thanh ghi làm việc đa năng Toàn bộ 32thanh ghi đều được nối trực tiếp với ALU (Arithmetic Logic Unit), cho phép truy cập 2 thanhghi độc lập bằng một chu kì xung nhịp Kiến trúc đạt được có tốc độ xử lý nhanh gấp 10 lần viđiều khiển dạng CISC (Complex Intruction Set Computer) thông thường

Khi sử dụng vi điều khiển Atmega16, có rất nhiều phần mềm được dùng để lập trình bằngnhiều ngôn ngữ khác nhau đó là: Trình dịch Assembly như AVR studio của Atmel, Trình dịch

C như win AVR, CodeVisionAVR C, ICCAVR C - CMPPILER của GNU… Trình dịch C đãđược nhiều người dụng và đánh giá tương đối mạnh, dễ tiếp cận đối với những người bắt đầutìm hiểu AVR, đó là trình dịch CodeVisionAVR C Phần mềm này hỗ trợ nhiều ứng dụng vàcó nhiều hàm có sẵn nên việc lập trình tốt hơn

Sơ đồ chân Atmega32:

N II GIẢI QUYẾT VẤN ĐỀ

Hình 1.2:sơ đồ chân của Atmega32

1.1.2 Các Port I/O của AVR, đinḥ cấu hinh ởcác chân.

Tất cả các Port của AVR đều có các hàm Read- Modify- Write khi sử dụng các Port I/O thôngthường Điều này có nghĩa trực tiếp đến một Port có thể thay đổi không lường trước, thay đổitrực tiếp của bất kỳ chân nào với những chỉ dẫn SBI và CBI Cùng ứng dụng khi thay đổi điềukhiển (nếu định cấu hình tương tự đầu ra) hay enable / disable sự tăng giá trị trên những điệntrở (nếu định cấu hình tương tự như đầu vào) Trình điều khiển chân đủ mạnh để điều khiểnhiển thị led trực tiếp Tất cả các chân có thể được chọn lựa riêng lẻ tăng điện trở lên với chế

độ điện áp không đổi cho điện trở

3 địa chỉ bộ nhớ I/O được cấp phát cho mỗi Port, mỗi từng cái cho bộ thanh ghi dữ liệu Portx,thanh ghi điều khiển dữ liệu DDRx và chân Port vào PINx Những chân ngõ nhập được định vị I/O chỉ đọc , trong khi thanh ghi dữ liệu và thanh ghi điều khiển dữ liệu là đọc/ ghi Những Port có 2 hướng I/O với sự lựa chọn tăng lên từ bên trong

- Với mỗi chân đồng nhất của 3 thanh ghi bits : DDxn, Portxn và PINxn Những bit của DDxn được truy cập tại địa chỉ I/O của DDRx, Portxn tại địa chỉ I/

O củaPortx, PINxn tại địa chỉ I/O của PINx

- Bit DDxn của thanh ghi DDRx được lựa chọn trực tiêp trong chân này Nếu DDxn được ghi theo logic 1, Pxn được định dạng như một Port ra Còn nếu ghi theo logic 0, Pxn được định dạng như một Port vào.

Nếu Portxn được ghi theo logic 0 khi chân được thiết lập tương tự như một đầu vào sẽ đẩy điện trở lên cao Switch đẩy điện trở về 0 Portxn có thể ghi chế độ logic 0 hoặc chân có thể được định dạng như một chân đầu ra Port các chân gồm 3 trạng thái khi Reset điều kiện hoạt động, thậm chí nếu không có xung đồng hồ chạy.

- Nếu Portxn được ghi ở chế độ logic 1 khi chân được định dạng như một đầu ra, chân Port này được điều khiển ở chế độ cao Nếu Portxn được ghi ở chế độ logic thấp (chế độ 0) khi chân được định dạng như một đầu ra, điều khiển Port là chế độ thấp (chế độ 0).

N II GIẢI QUYẾT VẤN ĐỀ

Hình 1.3:Port số I/O

Bảng 2 : Các định dạng chân.

Đọc các giá trị chân

N II GIẢI QUYẾT VẤN ĐỀ

Hình 1.4: đồng bộ khi đọc một giá trị chân ngoài ứng dụng.

Xem xét xung đồng hồ giai đoạn bắt đầu ngắn sau khi cạnh đầu tiên xuống trong hệ thống xung đồng hồ Chốt được đóng khi xung thấp, và tiếp tục di chuyển khi xung đồng hồ cao Tín hiệu sẽ đóng khi hệ thống xung xuống thấp Nó được tính vào trong thanh ghi PINxn tại cạnh xung.Như chỉ báo của 2 giá trị tpd,max và tpd,vaft Một sự chuyển đổi tín hiệu đơn trên chân sẽ được là chậm một khoảng thời gian ở giữa ½ và 1 ½ hệ thống xung đồng hồ xung xác nhận

Hình 1.5: Đồng bộ hóa khi đọc một phần mềm gán giá trị chân.

B Cho phép ngõ vào số và các chế độ ngủ

- Tín hiệu vào số có thể bị đưa xuống đất tại ngõ vào của Schmitt-trigger Tín hiệu chỉ SLEEP trong được lập bởi MCU Sleep Controller trong chế độ Power down, Power-save mode, Standby mode và Extended Standby để tránh tiêu thụ nguồn Nếu một vài ngõ và tín hiệu là thả trôi hoặc có một mức tín hiệu Analog đóng Vcc/2.

N II GIẢI QUYẾT VẤN ĐỀ

- SLEEP được ghi đè cho các chân Port cho phép nhu các chân ngắt ngoài(External Interrupt) Nếu các yêu cầu ngắt ngoài không cho phép, SLEEP hoạt động chỉ cho các chân Nếu ở mức logic 1 chân Asynchronous External Interrupt định dạng như ngắt trên cạnh lên, cạnh xuống hoắc bất kỳ mức logic thay đổi trên chân trong khi ngắt ngoài không cho phép Tương ứng cờ External Interrupt Flag sẽ được lập khi phục hồi lại từ các chế độ ngủ

- Nếu một số chân không sử dụng, nó sẽ được phó cho các chân có định nghĩa mức Ngay cả khi ngõ vào số bị vô hiệu hóa trong các chế độ ngủ Cách đơn giản nhất để hoàn toàn định nghĩa mức của các chân không sử dụng là sẽ cho phép pull-up trong Trong trường hợp này pull-up sẽ vô hiệu hóa reset đang diễn ra Nối trực tiếp các chân không dung xuống đất không được khuyến khích.

Đa số những Port chân có những hàm luân phiên thêm vào trong các Port số I/Os thông thường Những tín hiệu quan trọng hơn hết có thể không hiện hữu trong các Port

Hình 1.6: các chức năng chuyển đổi Port

PORTA:

Port A có chức năng thay đổi tương tự như ngõ vào tín hiệu cho ADC