ĐỒ án môn học THIẾT kế hệ THỐNG cơ – điện tử THIẾT kế, CHẾ tạo và điều KHIỂN ROBOT dò LINE (LINE FOLLOWING ROBOT)

- Sử dụng nhiều cảm biến hồng ngoại cho hiệu quả dò line cao.- Kết cấu truyền động, mô hình động học đơn giản, đảm bảo các bánh xe luônđồng phẳng và cho phép xe di chuyển ở những bán kín

ĐẠI HỌC QUỐC GIA THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA

KHOA CƠ KHÍ

BỘ MÔN CƠ - ĐIỆN TỬ

oOo

ĐỒ ÁN MÔN HỌC THIẾT KẾ HỆ THỐNG CƠ - ĐIỆN TỬTHIẾT KẾ, CHẾ TẠO VÀ ĐIỀU KHIỂN

ROBOT DÒ LINE (LINE FOLLOWING ROBOT)

NGUYỄN VĂN TRIỆU VỸ 1714065ĐÀO NGUYÊN THIÊN VŨ 1714007

TP HỒ CHÍ MINH, THÁNG 12, NĂM 2020

MỤC LỤC

DANH MỤC HÌNH ẢNH iv

DANH MỤC BẢNG BIỂU vi

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN 1

1.1 Giới thiệu 1

1.2 Yêu cầu đặt ra đồ án 1

1.2.1 Mục tiêu đồ án 1

1.2.2 Yêu cầu kỹ thuật 1

1.3 Các tiêu chí đánh giá 2

1.4 Tình hình nghiên cứu ngoài nước 2

1.4.1 Robot - Line Follower 2

1.4.2 Brandon’s line following robot: The Chariot 4

1.4.3 Robot Fireball 5

1.4.4 CartisX04 của Hirai Masataka 6

1.5 Tình hình nghiên cứu trong nước 7

1.5.1 Xe đua dò line của trường Đại học Công nghệ Thông tin 7

1.5.2 Xe dò line - Đồ án môn học của nhóm sinh viên lớp CK16KSCD Đại học Bách Khoa TPHCM 8

1.5.3 Xe dò line - Đồ án môn học của nhóm sinh viên khóa 16 NgànhCơ điện Trường Đại Học Bách Khoa TPCHM 10

1.6 Đặt bài toán 11

CHƯƠNG 2 LỰA CHỌN PHƯƠNG ÁN 12

2.1 Phương án cơ khí, kết cấu xe 12

2.2 Phương án điện 14

2.2.1 Lựa chọn cảm biến 14

2.2.2 Lựa chọn loại động cơ 14

2.3 Phương án điều khiển 15

2.3.1 về cấu trúc điều khiển 15

2.3.2 về bộ điều khiển 16

2.4 Kế hoạch thực hiện 17

CHƯƠNG 3 THIẾT KẾ CƠ KHÍ 19

3.1 Chọn bánh xe 19

3.1.1 Bánh chủ động 19

3.1.2 Bánh bị động 20

3.2 Tính toán chọn động cơ 20

3.3 Kích thước khung xe: 24

CHƯƠNG 4 MÔ HÌNH HÓA HỆ THỐNG 26

4.1 Mô hình hóa động học của robot 26

4.2 Hàm truyền động cơ - Driver 27

4.2.1 Định nghĩa 27

4.2.2 Tìm quan hệ vào - ra 28

4.2.3 Tìm hàm truyền 30

CHƯƠNG 5 THIẾT KẾ ĐIỆN 34

5.1 Xây dựng sơ đồ khối nguyên lý hệ thống điện 34

5.2 Thiết kế cảm biến 34

5.2.1 Thông số kỹ thuật của cảm biến 35

5.2.2 Tính toán giá trị các điện trở 35

5.2.3 Tính toán thực nghiệm lựa chọn khoảng cách từ cảm biến đến sa bàn: 36 5.2.4 Xác định cách đặt cảm biến 38

5.2.5 Tính toán khoảng cách giữa hai cảm biến 39

5.2.6 Lựa chọn số cảm biến 40

5.2.7 Hiệu chỉnh cảm biến (Calibration) 41

5.3 Lựa chọn driver 43

5.4 Lựa chọn vi điều khiển 43

5.5 Chọn nguồn pin và mạch hạ áp 45

5.5.1 Chọn nguồn pin 45

5.5.2 Chọn mạch hạ áp 45

5.6 Sơ đồ nối dây 45

CHƯƠNG 6 THIẾT KẾ BỘ ĐIỀU KHIỂN 49

6.1 Thành lập luật điều khiển 49

6.2 Sơ đồ giải thuật 51

6.3 Mô phỏng 54

CHƯƠNG 7 THỰC NGHIỆM VÀ KẾT LUẬN 57

7.1 Tóm tắt các nội dung đã thựchiện 57

7.2 Hình ảnh xe thực tế 57

7.3 Kết quả thực nghiệm b ám line 57

7.4 Nhận xét 58

7.5 Định hướng phát triển đề tài 58

TÀI LIỆU THAM KHẢO 59

DANH MỤC HÌNH ẢNH

Hình 1.1 Sa bàn di chuyển của robot 1

Hình 1.2 Mặt dưới Robot - Line Follower [1] 2

Hình 1.3 Brandon's line following robot: The Chariot[3] 4

Hình 1.4 Robot Fireball [4] 5

Hình 1.5 CartisX04 [5] 6

Hình 1.6 Xe đua dò line trong cuộc thi IT Car Racing2017 7

Hình 1.7 Xe dò line nhóm sinh viên lớp CK16KSCD[6] 8

Hình 1.8 Xe dò linne của nhóm sinh viên cơ điện tử khóa 16 [7] 10

Hình 2.1 Phương án cơ khí, kết cấu xe 13

Hình 2.2 Sơ đồ cấu trúc điều khiển tập trung [9] 15

Hình 2.3 Sơ đồ cấu trúc tập trung [9] 16

Hình 3.1 Sơ đồ nguyên lý cơ cấu xe được chọn 19

Hình 3.2 Bánh xe V2-65mm 19

Hình 3.3 Bánh mắt trâu kim loại lớn 20

Hình 3.4 Phân tích lực bánh xe chủ động 21

Hình 3.5 Ngoại lực tác dụng lên xe và chiều dài cánhtay đòn 21

Hình 3.6 Động cơ GA25 24

Hình 3.7 Mô hình tính toán khi xe chuyển hướng 25

Hình 4.1 Mô hình động học của robot 26

Hình 4.2 Đồ thị tốc độ RPM theo độ rộng xung PWM củađộng cơA 29

Hình 4.3 Đồ thị tốc độ RPM theo độ rộng xung PWM củađộng cơB 29

Hình 4.4 Đồ thị tín hiệu PWM(%) cấp cho động cơ để xác định hàm truyền 31

Hình 4.5 Đồ thị đáp ứng của động cơ A 32

Hình 4.6 Đồ thị đáp ứng của động cơ B 32

Hình 4.7 Tính chính xác của hàm truyền tìm được của động cơ A 33

Hình 4.8 Tính chính xác của hàm truyền tìm được của động cơ B 33

Hình 5.1 Sơ đồ khối hệ thống điện 34

Hình 5.2 Sơ đồ nguyên lý mạch nhận giá trị analog từcảm biến 35

Hình 5.3 Mối quan hệ giữa dòng điện và điện áp 36

Hình 5.4 Thông số và góc quét của cảm biến TCRT5000 36

Hình 5.5 Biểu đồ thể hiện sự thay đổi của giá trị đọc từcảm biến 38

Hình 5.6 Cách đặt vùng làm việc của cảm biến 39

Hình 5.7 Mối quan hệ giữa khoảng cách cảm biến đến tâm đường line theo hai cách 39 Hình 5.8 Vùng cảm biến chồng nhau 40

Hình 5.9 Phương pháp tính giá trị trung bình xấp xỉ theo trọng số 42

Hình 5.10 Đồ thị quan hệ giữa vị trí thực của line theo tính toán và thực tế đo được .42 Hình 5.11 Sơđồnối dây khối nguồn 46

Hình 5.12 Sơđồnối dây khối động cơ và Encoder 46

Hình 5.13 Sơđồnối dây khối mạch cảm biến 46

Hình 5.14 Sơđồnối dây khối xử lý trung tâm 47

Hình 5.15 Sơđồnối dây khối điều khiển độngcơ 47

Hình 5.16 Sơđồnối dây khối xử lý cảm biến 48

Hình 6.1 Sai số e2 49

Hình 6.2 Sơ đồ giải thuật chương trình chính 51

Hình 6.3 Sơ đồ giảithuật chươngtrình phụ - Khối thờigian rẽ 52

Hình 6.4 Sơ đồ giảithuật chươngtrình phụ - Khối PID động cơ trái 53 Hình 6.5 Sơ đồ giảithuật chươngtrình phụ - Khối PID động cơ phải 53 Hình 6.6 Sơ đồ giảithuật chươngtrình phụ - Khối PD bám line 53

Hình 6.7 Mô phỏng bám line sa bàn 54

Hình 6.8 Độ rộng xung điều khiển hai động cơ 55

Hình 6.9 Vận tốc đáp ứng hai động cơ 55

Hình 6.10 Giá trị sai số e2 56

Hình 7.1 Hình ảnh xe dò line thực tế 57

DANH MỤC BẢNG BIỂU

Bảng 2.1 So sánh các phương án kết cấu cơ khí 12

Bảng 2.2 So sánh các loại cảm biến 14

Bảng 2.3 Biểu đồ Ganlt kế hoạch thực hiện công việc 17

Bảng 3.1 Thông số động cơ DC servo GA25V1 23

Bảng 4.1 Tốc độ động cơ theo % PWM của độngcơ A (trái) 28

Bảng 4.2 Tốc độ động cơ theo % PWM của độngcơ B (phải) 28

Bảng 5.1 Thông số Data analog từ cảm biến gửi về slave 37

Bảng 5.2 Phương trình hiệu chỉnh các cảm biến 41

Bảng 5.3 Bảng so sánh một số loại vi điều khiển thông dụng 44

Bảng 5.4 Đánh giá các loại vi điều khiển 44

Bảng 6.1 Thông số đầu vào mô phỏng 54

được kẻ/vẽ/dán.

1.2 Yêu cầu đặt ra đồ án

1.2.1 Mục tiêu đồ án

Thiết kế và chế tạo xe dò line di chuyển trên sa bàn có điểm điểm như hình:

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 theothứ tự đi qua các điểm nút quy định lần lượt như sau:

1.2.2 Yêu cầu kỹ thuật

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

1.4 Tình hình nghiên cứu ngoài nước

1.4.1 Robot - Line Follower

Kết cấu cơ khí:

Hình 1.2 Mặt dưới Robot - Line Follower [1]

Xe 3 bánh:

- Sử dụng nhiều cảm biến hồng ngoại cho hiệu quả dò line cao.

- Kết cấu truyền động, mô hình động học đơn giản, đảm bảo các bánh xe luônđồng phẳng và cho phép xe di chuyển ở những bán kính cong nhỏ, thậm chí làquay lại chỗ [2]

về nhược điểm:

- Số lượng cảm biến nhiều khiến thuật toán nhận diện tín hiệu trở nên phức tạp

- Xe có thể bị trượt theo phương pháp tuyến khi vào các đoạn line có bán kínhnhỏ với tốc độ cao Để dảm bảo chính xác khi xe di chuyển trên các đoạnđường

thẳng, dòi hỏi điều khiển đồng bộ hai động cơ độc lập sao cho hai bánh xequay

1.4.2 Brandon’s line following robot: The Chariot

Cảm biến dò line QTR-6RCDC

Bám line sử dụng PIDPhẳng

Vtb = 1,17 m/sDựa vào các thông số của xe nhóm có một số đánh về ưu nhược điểm của xe như sau:

Về ưu điểm:

- Kết cấu truyền động, mô hình động học đơn giản, ddamrboar các bánh xe luônđồng phẳng và cho phép xe di chuyển ở những bán kính cong nhỏ, thậm chí làquay lại chỗ [2]

Hình 1.3 Brandorís line following robot: The Chariot [3]

về nhược điểm:

- Xe có thể bị trượt theo phương pháp tuyến khi vào các đoạn line có bán kínhnhỏ với tốc độ cao Để dảm bảo chính xác khi xe di chuyển trên các đoạnđường

thẳng, dòi hỏi điều khiển đồng bộ hai động cơ độc lập sao cho hai bánh xequay

cùng tốc độ

1.4.3 Robot Fireball

Cảm biến dò line QTR-8RCDC

Bám line sử dụng PIDPhẳng

Vtb = 1,5 m/sDựa vào các thông số của xe nhóm có một số đánh về ưunhược điểm của xe như sau:

Ưu điểm:

- Kết cấu xe đồng phang nên khả năng bám đường tốt, tạo điều kiện cho việc dòline chính xác

- Bán kính cong nhỏ, có thể quay tại chỗ

- Cảm biến dò line đặt xa phía trước tăng tính linh cho xe

Nhược điểm:

- Kết cấu truyền động phức tạp, dễ trượt khi vào cua

1.5 Tình hình nghiên cứu trong nước

1.5.1 Xe đua dò line của trường Đại học Công nghệ Thông tin

Hình 1.6 Xe đua dò line trong cuộc thi IT Car Racing 2017

Kết cấu cơ khí: Xe 4 bánh: 2 bánh dẫn động đồng trục và 2 bánh dẫn

hướng được điều khiển bằng động cơ servo

Sơ đồ nguyên lý:

Dựa vào các thông số của

xe nhóm có một số đánh về ưu nhược điểm của xe như sau:

Ưu điểm:

- Hệ thống cảm biến đặt xa giúp dò line chuyển hướng chính xác với tốc độ cao

- Kết cấu xe cân bằng, hai bánh dẫn động đồng trục

Phang

Vtb = 1,5 m/s

Hình 1.7 Xe dò line nhóm sinh viên lớp CK16KSCD [6]

6 x TCRT5000

DC servo GA25Bám line theo tiêu chuẩn LyapunovPhang

0.35 m/sDựa vào các thông số của xe nhóm có một số đánh về ưu nhược điểm của xe như sau:

Ưu điểm:

- Cấu trúc điều khiển phân cấp dẫn đến tốc độ xử lý nhanh

- Kết cấu cơ khí linh hoạt với bán kính cong nhỏ, đơn giản chỉ sử dụng hai độngcơ

- Động cơ có tích hợp sẵn encoder dễ điều khiển

- Sai số lớn trong các đoạn đường cong

- Cách định vị, kẹp chặt giữa các chi tiết chưa tốt và thiết kế không được cânbằng

khi có tải trọng cục bộ đặt tại phía sau

- Độ cân bằng kết cấu không tốt

- Cần phải xác định vị trí chính giữa cho vị trí bánh đa hướng

- Bánh đa hướng dễ bị kẹt bi, khó di chuyển khi bánh đụng vật cản, chỉ thíchhợp

cho môi trường bằng phẳng

- Với kết cấu cơ khí, bộ điều khiển Lyapunov được đơn giản giống như bộ điềukhiển tỉ lệ nên cho đáp ứng chậm.

1.5.3 Xe dò line - Đồ án môn học của nhóm sinh viên khóa 16 Ngành Cơ điện

Trường Đại Học Bách Khoa TPCHM

Hình 1.8 Xe dò linne của nhóm sinh viên cơ điện tử khóa 16 [7]

Kết cấu cơ khí: Xe 3 bánh: 2 bánh dẫn động và 1 bánh đa hướng (bi cầu)

- Kết cấu cơ khí linh hoạt với bán kính cong nhỏ, đơn giản chỉ sử dụng hai động

cơ Vị trí đặt các chi tiết và bánh dẫn động thuận lợi cho cân bằng khi có tải

- Chi phí thấp

- Động cơ dễ điều khiển có tích hợp sẵn encoder

Nhược điểm:

- Động cơ đáp ứng chậm

- Độ cân bằng kết cấu không tốt

- Bánh đa hướng dễ bị kẹt bi, khó di chuyển khi bánh đụng vật cản, thích hợpcho

môi trường bằng phẳng

- Cấu trúc điều khiển tập trung đòi hỏi vi điều khiển có tốc độ xử lý mạnh

- Cảm biến dễ bị nhiễu bởi ánh sáng và nhiệt độ

- Chỉ sử dụng một dãy cảm biến nên không thể đo được sai số e3 (sai số hướngcủa xe)

1.6 Đặt bài toán

Dựa vào kết quả tìm hiểu và phân tích các loại xe đua dò line trong và ngoài nước

và yêu cầu của đề bài, nhóm đặt ra bài toán cần thực hiện như sau:

- Vận tốc tối đa của xe V = 0,4 m/s.

- Gia tốc a = 1 m/s.

- Bán kính cong nhỏ nhất pm ị n = 500 mm.

- Sai số emax = ±13 mm.

CHƯƠNG 2 LỰA CHỌN PHƯƠNG ÁN

2.1 Phương án cơ khí, kết cấu xe

Có nhiều loại kết cấu dành cho xe dò line được so sánh trong bảng sau:

Bảng 2.1 So sánh các phương án kết cấu cơ khí

Mô hình Bám đường Vào cua Điều khiển Kết cấu

I 4 O ^ I

Tốt, có kếthợp cơ cấubản lề

Khó, do hiệntượng trượt

Không phứctạp, lái vàchuyển độngtách biệt

Không phứctạp Phức tạp

Tốt Khó Không phứctạp Đơn giản

Tốt Dễ Phức tạp Đơn giản

Yêu cầu: Do tính chất của xe dò line được làm ra nhằm phục vụ cho mục tiêu về

đích trong thời gian ngắn nhất Vì vậy, cần phải lựa chọn những mô hình có khả năngbám đường tốt, vào cua dễ, kết cấu đơn giản để giảm trọng lượng xe (yếu tố gây nênnhững sai số phát sinh không mong muốn), tăng tính khả thi cho quá trình thiết kế, chếtạo về sau

Sa bàn bao gồm nhiều chướng ngại vật (mối ghép), thế nên việc xe có hoạt động

ổn định được sau khi vượt qua chúng hay không là điều đặc biệt cần quan tâm Mà yếu

tố đó thì những cấu trúc xe 4 bánh luôn luôn đáp ứng tốt hơn so với xe 3 bánh

Mặt khác, xét về phương diện dò line thì yếu tố dò line là quan trọng nhất hay nóicách khác là xe cần phải có vị trí đặt cảm biến dùng dò line chắc chắn để tránh sai sốdo

kết cấu bị chênh vênh Ngoài ra, cảm biến cũng cần phải luôn giữ được khoảng cáchmong muốn so với sa bàn để đảm bảo cho xe đáp ứng được sai số của hệ thống khi dichuyển với tốc độ cao

Kết luận: Từ những phân tích trên, nhóm chọn cấu trúc xe 3 bánh với hai bánh

chủ động phía sau và một bánh mắt trâu phía trước

Hình 2.1 Phương án cơ khí, kết cấu xe

Mặc dù khả năng ổn định của cấu trúc này không được đánh giá cao nhưng vẫnđáp ứng được mục tiêu đề ra

2.2 Phương án điện

2.2.1 Lựa chọn cảm biến

Các robot dò line thường sử dụng các loại cảm biến quang để nhận biết vị trí củađường line so với xe, xử lý và đưa ra tín hiệu điều khiển Có hai phương pháp thườngđược sử dụng cho robot dò line là sử dụng camera và các loại cảm biến quang dẫn:

- Sử dụng camera: là cách nhận biết đường line thông qua hình ảnh thu được quacác giải thuật xử lý ảnh để xác định vị trí và góc lệch của xe so với đường line[8, pp 1, 2]

- Sử dụng cảm biến quang dẫn: được dùng phổ biến trong các cuộc thi robot dòline hiện nay Điển hình như quang điện trở hoặc phototransistor kết hợp vớiLED Hai loại cảm biến này có nguyên tắc hoạt động giống nhau, bộ thu sẽnhận

tín hiệu ánh sáng phản xạ từ bộ phát xuống mặt đất, từ đó xử lý để xác định vịtrí của đường line

Bảng 2.2 So sánh các loại cảm biến

Thời gian xử lý 6 - 10 frame/s 20 - 30 ms 15 Ị-ts

Yêu cầu: thời gian đáp ứng nhanh để có thể nhận biết trắng đen và bám theo line

ở các khúc cua (gấp khúc), giá thành thấp và việc lắp đặt đơn giản nhằm mục đích tốigiản kết cấu xe Ngoài ra, các yếu tố về nhiễu cũng cần đảm bảo

Kết luận: sử dụng loại cảm biến có phototransistor kết hợp với led hồng ngoại.

Loại cảm biến này có thời gian đáp ứng nhanh (15^s), phù hợp với line có độtương phản màu cao, giá thành rẻ Nhưng cần che chắn để chống nhiễu bởi loại này dễ

bị ảnh hưởng bởi ánh sáng ngoài môi trường

2.2.2 Lựa chọn loại động cơ

Yêu cầu: Phổ biến và có sẵn trên thị trường, dễ sử dụng và điều khiển tốc độ Kết luận: Động cơ DC kết hợp với encoder.

2.3 Phương án điều khiển

2.3.1 về cấu trúc điều khiển

Mạch xe dò line gồm các thành phần cơ bản gồm mạch cảm biến (sensor); mạchđiều khiển (micro controller); mạch lái động cơ (driver) Có hai phương pháp chính đểkết nối phần cứng với nhau là điều khiển tập trung và điều khiển phân cấp

a Điều khiển tập trung

Trong điều khiển tập trung, một MCU duy nhất đồng thời: nhận và xử lý tín hiệu

từ cảm biến, nhận và xử lý tín hiệu từ hai encoder, thực hiện chương trình chính, tínhgiá trị điều khiển và truyền cho hai động cơ

Hình 2.2 Sơ đồ cấu trúc điều khiển tập trung [9]

Ưu và nhược điểm:

Ưu điểm: Hệ cơ sở dữ liệu quá trình thống nhất, tập trung, do vậy có thể thực hiện

các thuật toán điều khiển quá trình công nghệ một cách tập trung và thống nhất

Nhược điểm: Khi đối tượng điều khiển nhiều, phức tạp có thể dẫn tới khối lượng

tính toán lớn và các hệ xử lý không đáp ứng được yêu cầu tính toán của hệ thống.Ngoài

ra một nhược điểm nữa là trong phương án điều khiển tập trung các giá trị đo lườngphải

tập trung về máy tính điều khiển dẫn đến khối lượng dây dẫn lớn làm tăng chi phí, khókhăn cho công tác bảo trì sửa chữa