THIẾT kế CHẾ tạo ROBT DI ĐỘNG đa HƯỚNG 4 BÁNH

KHÓA LUẬN TỐT NGHIỆP CHUYÊN NGÀNH CƠ ĐIỆN TỬ LỜI MỞ ĐẦU Ngày với phát triển nhanh chóng khoa học kỹ thuật lĩnh vực ứng dụng kỹ thuật công nghệ cao ngày phát triển kỹ thuật điện tử khẳng định vai trị to lớn Lĩnh vực ứng dụng điện tử số ngày lớn mạnh ưa chuộng tính đa dạng, xác ưu điểm vượt trội so với kỹ thuật tương mà năm gần đây, chương trình giảng dạy trường đại học kỹ thuật môn học điện tử số trọng chuyên sâu KHÓA LUẬN TỐT NGHIỆP CHUN NGÀNH CƠ ĐIỆN TỬ Hịa phát triển mạnh mẽ đó, trường Đại Học Cơng Nghiệp Thực Phẩm Tp Hồ Chí Minh ln nâng cao trang thiết bị học tập, cập nhật chương trình giảng dạy để sinh viên ln nắm bắt kiến thức tốt đáp ứng cho nhu cầu học tập xã hội Những môn học điện tử ứng dụng nhiều Bên cạnh nhà trường cịn tạo điều kiện để sinh viên làm quen với trang thiết bị qua mơ hình học tập Ngồi nhà trường cịn hướng dẫn cho sinh viên làm môn học tập lớn nhằm giúp cho sinh viên phát huy khả sáng tạo, tự nghiên cứu trình bày khoa học Dưới ứng dụng điện tử số sống hàng ngày THIÊT KÊ CHẾ TẠO ROBT DI ĐỘNG ĐA HƯỚNG BANH MỤC LỤC CHƯƠNG I: TỔNG QUAN VỀ ĐỀ TÀI .5 Giới thiệu chung Đặt vấn đề Các dạng điều khiển Mục đích nghiên cứu Nhiệm vụ giới hạn nghiên cứu Phương pháp nghiên cứu KHÓA LUẬN TỐT NGHIỆP CHUYÊN NGÀNH CƠ ĐIỆN TỬ Ưu điêm nhược điểm robot CHƯƠNG II: MƠ HÌNH ROBOT VÀ ĐIỀU KHIỂN 10 Tính tốn lực chọ phương pháp điều khiển .10 Mơ hình hóa Omni Robot .10 Mơ hình động học 11 Mơ hình động lực học .11 Mô hình điện chiều dạng hàm truyền 12 CHƯƠNG III: TÍNH TỐN VÀ THIẾT KẾ ROBOT ĐIỀU KHIỂN 14 Sơ lược phần mềm 14 Tín h tốn thiết kế hệ thống khí 17 2.1 Thiết kế phần đế nắp robot omni 2.2 Thiết kế khớp nối U 2.3 Lực chọn bánh xe Omni 2.4 Khớp nối bánh xe với động 2.5 Tính tốn chọn động Tính toán thiết kế hẹ thống điện, điện tử .24 3.1 Sơ đồ khối hệ thống điện tổng quan 3.2 Lựa chọn Vi điều khiển trung tâm 3.3 Lựa chọn Driver 3.4 Bộ cảm biến 3.5 Hệ thống nguồn Tính tốn thiết kế hệ thống điều khiển CHƯƠNG IV:CHẾ TẠO VÀ THỬ NGHIỆM MƠ HÌNH Chế tạo hệ thống khí Hệ thống điện, điện tử KHÓA LUẬN TỐT NGHIỆP CHUYÊN NGÀNH CƠ ĐIỆN TỬ Mơ hình thực tế DANH SÁCH HÌNH ẢNH Hinh1.1 Robot chân tương tự động vật .3 Hình 1.2 Robot chuyển động xích tải Hình 1.3 Robot Omni 4bánh Hình 2.1 Mơ hình hóa Robot omni bánh Hình 2.2 Mơ hình hóa động DC .9 Hình3.1 Ảnh Thiết Kế Của Đế Và Nắp 12 Hình 3.2 Khớp Nối U 12 Hình 3.3 Bánh Omni 100mm .13 Hình 3.4 Khớp Nối Trục Động Cơ Và Bánh .14 Hình 3.5 Các Lực Tác Dụng Lên Bánh Xe 15 Hình 3.6 Động Cơ Planet 450rpm 24v 30w encoder 12ppr 17 Hình 3.7 Kích Thước Động Cơ Motor 18 Hình 3.8 Sơ Đồ Khối Hệ Thống 19 Hình 3.9 Vi Điều Khiển ATMEGA64-16AU 20 Hình 3.10 Sơ Đồ Chân Kết Nối ATMEGA64-16U .21 Hình 3.11 Driver Smart PID .24 Hình 3.12 Vị trí chân driver L298N .25 Hình 3.13 Pin 3S 2200mah 25C HPB -POWER 27 Hình 3.14 Cấu tạo chi tiết tay cầm PS2 29 Hình 3.15 Tay Cầm PS2 .30 KHÓA LUẬN TỐT NGHIỆP CHUYÊN NGÀNH CƠ ĐIỆN TỬ Hình 4.1 Kết nối hệ thống điện tử thực tế 31 CHƯƠNG I: TỔNG QUAN VỀ ĐỀ TÀI Giới thiệu chung: Robot từ người lao động hệ ngôn ngữ Sla-vơ Cho đến có nhiều định nghĩa khác robot Những định nghĩa có nội dung tương tự Robot hay người máy loại máy thực cơng việc cách tự động điều khiển máy tính vi mạch điện tử lập trình Robot tác nhân khí, nhân tạo, thường hệ thống khíđiện tử Với xuất chuyển động mình, robot gây cho người ta cảm giác có giác quan tương tự giống người Từ "robot" KHÓA LUẬN TỐT NGHIỆP CHUYÊN NGÀNH CƠ ĐIỆN TỬ (người máy) thường hiểu với hai nghĩa: robot khí phần mềm tự hoạt động Cùng với phát triển không ngừng giới, đặc biết ngành lĩnh vực khoa học kỹ thuật ngành công nghiệp phát triển nhanh chóng Sự có mặt máy móc đại vào sản xuất u cầu khơng thể thiếu nhà máy nhằm tăng suất, chất lượng, giảm giá thành sản phẩm Bên cạnh Robot đóng góp vào phát triển nhân loại sản xuất, sinh hoạt, quốc phòng Robot tạo nên với mục đích thay mặt người để thực thi nhiệm vụ địi hỏi xác sức chịu chịu đựng môi trường nguy hiểm (như làm việc lò phản ứng hạt nhân, dị phá mìn qn sự) hay việc thảm hiểm nhiều mục đích khác Đặt vấn đề: • -Vấn đề đặt làm để Robot thực yêu cầu người đề ra, muốn robot hoạt động theo u cầu hồn thành định phải gồm yếu tố sau: Yếu tố di chuyển, Robot tự hành đa hướng nên di chuyển cấu di chuyển tối ưu hợp lý Yếu tố điều hướng di chuyển Yếu tố cuối môi trường làm việc Trong họ Robot, không nhắc đến Robot di động đa hướng hay gọi Mobile Robot ,với đặc thù riêng mà loại Robot khác khơng có Với khả di chuyển linh hoạt vùng hoạt động rộng, Robot đa hướng tư hành có khả tự định phương thức điều hướng ,định hướng chuyển động nhằm đạt mục tiêu nhiệm vụ định.chính thú vị có nhiều ứng dụng thực tế nên Robot di động thu hút nhiều đầu tư nghiên cứu Phân loại robot di động đa hướng(Mobile Robot): KHÓA LUẬN TỐT NGHIỆP CHUYÊN NGÀNH CƠ ĐIỆN TỬ Mobile Robot hay gọi robot di động đa hướng bao gồm biến thể: Robot có chân, di chuyển giống người hay động vật Hinh1.1 Robot chân tương tự động vật Robot di chuyển xích, đai Hình 1.2 Robot chuyển động xích tải KHĨA LUẬN TỐT NGHIỆP CHUN NGÀNH CƠ ĐIỆN TỬ Robot di chuyển bánh xe Hình 1.3 Robot Omni bánh Các dạng điều khiển : Robot điều khiển từ xa tay: qua sóng RF, wifi, hồng ngoại hay Bluetooth Robot điều khiển từ xa giúp người tránh khỏi nguy hiểm, di chuyển theo robot Thực thi theo lộ trình: dạng robot thường thấy robot dị line, phát đường theo vạch sẵn; hay lập trình sẵn quỹ đạo robot di chuyển theo quỹ đạo Robot hoạt động độc lập với chuyển động ngẫu nhiên: Về chuyển động nhảy bật lên tường, hay di chuyển khoảng không gian định, có sử dụng cảm biến tránh vật cản robot hút bụi, máy cắt cỏ Mục đích nghiên cứu: Để góp phần vào phát triển khoa học nước nhà, em chọn Mobile Robot di chuyển đa hướng bánh xe omni với hệ thống điều khiển bluetooth.Vì tính tốn đơn giản omni bánh ,tận dụng hiệu KHÓA LUẬN TỐT NGHIỆP CHUYÊN NGÀNH CƠ ĐIỆN TỬ suất động bố trí vng góc Từ suy nghĩ em sử dụng kiến thức cịn hạn chế để nghiên cứu chế tạo Robot omni bánh đa hướng di động.Và robot áp dụng vào giám sát khu vực nơi người không tới Nhiệm vụ giới hạn nghiên cứu: Thiết kế khung giá đỡ nhiệm vụ đầu tiên, sau tính tốn thơng số động ,đường kính bánh tải (bánh xe omni), board mạch điều khiển lập trình điều khiển robot Phương pháp nghiên cứu: Phương pháp bao gồm tiến hành tìm kiếm thơng tin, chức robot áp dụng vào việc nào, phạm vi hoạt động (mơi trường, địa hình ) robot tiếp cận Cần phải nâng cấp chức năng, ưu nhược điểm robot tiến hành thiết kế mơ hình 3D, sau thiết kế hồn chỉnh ta tiến hành cơng đoạn nghiên cứu Phần khí: chọn vật liệu hình dạng khung sườn nên sử dụng vật liệu với độ bền phù hợp nhất, đáp ứng độ linh hoạt ,độ bền, tần suất làm việc hiệu Phần điện: thiết kế mạch với ưu tiên dùng vi điều khiển Atmega AVR, sử dụng cảm biến .thơng tin nguồn cấp vơn(V) Phần động cơ: xem thơng số kỹ thuật công suất, tỷ số truyền, nguồn cấp bao nhiêu, cấu hộp số Phần lập trình: tính tốn giải thuật điều khiển cho robot di chuyển hướng phần cần phải biết sử dụng ngôn ngữ lập trình nào, dùng phần mềm để lập trình học cách sử dụng phần mềm đó, sau hồn thành cơng việc trên, em bắt đầu tiến hành vào việc phát triển làm mơ hình thực tế thử nghiệm để xem xét mức độ hoàn thiện, sửa chữa cần thiết để áp dụng vào thực tiễn Ưu điểm nhược điểm Robot: • -Ưu điểm: Linh hoạt, dễ điều khiển, thiết kế đơn giản, dễ đáp ứng nhu cầu thực tế KHÓA LUẬN TỐT NGHIỆP CHUYÊN NGÀNH CƠ ĐIỆN TỬ Nhược điểm: Phạm vi hoạt động tối ưu cịn phụ thuộc vào yếu tố mơi trường địa hình CHƯƠNG II: MƠ HÌNH ROBOT VÀ ĐIỀU KHIỂN Tính tốn, lựa chọn phương pháp điều khiển: Trong đồ án này, chúng em sử dụng Atmega 64 ứng dụng tay cầm điều khiển Sony PS2 với chuẩn Usart để điều khiển động Planet Encoder 12rr cho robot di chuyển đa hướng Sử dụng phương pháp điều khiển kết hợp với Board mạch điều khiển để điều khiển Robot di chuyển theo quỹ đạo ngẫu nhiên Từ ứng dụng cơng việc vận chuyển, giám sát khu vực định Mơ hình hóa Omni Robot : Nhóm lựa chọn Driver Smart PID : Bộ điều khiển động DC thông minh DRIVER PID SMART MOTOR DC Driver trang bị vi xử lý ARM đại nên cung cấp nhiều chức cao cấp sau: • • Chạy động cơng suất lớn tới 700W, điện áp điều ển 24vDC.* • • • • • Giao tiếp máy tính qua cổng com uart Đèn led báo trạng thái hoạt động Chạy PID vị trí theo chuẩn xung hướng hỗ trợ t ần số lên tới 10mhz, ứng dụng làm máy CNC, với thông sô Kp Kd Ki điều chỉnh giao diện máy tính Chạy PID vị trí theo chuẩn xung encoder AB hỗ trợ tần số lên tới 10mhz, ứng dụng làm cánh tay máy , với thông sô Kp Kd Ki điều chỉnh giao diện máy tính Chạy PID vận tốc hỗ trợ chuẩn giao tiếp:-1 pwm(tích cực mức với độ phân giải bit) hướng, hỗ trợ tần số điều xung(50hz5khz).-UART với khung truyền byte( byte đầu thuộc tính gồm chiều quay bít thứ bit lại địa , byte tốc độ , byte cuối luôn 0xFF).Hỗ trợ giao tiếp tốc độ baudrate tối đa lên đến 128 thiết bị mà tốn dây điều khiển từ mater, có giao diện tùy chọn cho người sử dụng.-Có chức thơng minh cần bạn nhập thông sô tốc độ max động tính theo vịng/Phút xung encoder quay vịng điều khiển tự tính toán hết hệ số Kp,Kd,Ki.-Hỗ trợ chạy động lên tới 20000vong/ phút encoder 20000xung/vòng Chạy theo chuẩn cầu H đơn không cần encoder , có chuẩn giao tiếp PWM,UART 3.4 Bộ cảm biến: • -• • Để Robot có độ xác cao vận hành Nhóm sử dụng Thanh cảm biến dị đường BFD-1000 thiết kế dùng để phát line đen line trắng Trên cảm biến có cảm biến hồng ngoại hướng xuống đất nhằm phát line, cảm biến hồng ngoại đặt phía trước • với cơng tắc hành trình báo hiệu đụng vật Tín hiệu ngõ dạng số dễ dàng cho việc xử lý • • • • • • • • • Hình 3.12: Thanh cảm biến BFD-1000 THÔNG SỐ KỸ THUẬT Điện áp hoạt động: 3.3 ~ 5V Khoãng cách phát hiện: 0.5 ~ 40mm Ngõ dạng tín hiệu số dễ dàng cho vi điều khiển Có LED thị ngõ cho cảm biến Tích hợp cảm biến dị line, cảm biến tránh vật cản công tắc hành trình báo chạm vật.Ngõ gồm chân tín hiệu cảm biến dạng số ngõ vào cấp nguồn cho thiết bịKích thước: 128 x 45 x 12mm 3.5 Hệ thống nguồn: • Yêu cầu: Cung cấp nguồn cho động hệ thống vi điều khiển, cảm biến, la bàn số, driver điều khiển động Nguồn đảm bảo cung cấp • điện có khả hoạt động liên tục 30 - 45 phút, nhỏ gọn tích hợp mơ hình • Ở đây, chúng em chọn nguồn cho hệ thống loại Pin có thơng số sau: • Pin 3S 2200mah 25C HPB-POWER: pin có dịng xả dung lượng cao, sử dụng làm nguồn cho máy bay mô hình, động robot • THƠNG SỐ KỸ THUẬT - Điện áp: 11.1V / 12.6v (sạc đầy) - Dung lượng: 2200 mah - Size: 21mm x 34mm x 106mm - Dòng xả: 25C - Dòng sạc: 5C (nên sử dụng sạc cân bằng, sạc dòng 1A pin có độ tuổi cao) - Trọng lượng: ~167g - Hãng: HPB-POWER - Jack cắm: chữ T • • Hình 3.13: Pin 3S 2200mah 25C HPB -POWER • • Tính tốn, thiết kế hệ thống điều khiển: Chúng em chọn sử dụng công cụ tay cầm điều khiển PS2 DUALSHOCK Phương pháp điều khiển thu phát tín hiệu tay cầm PS2 đem lại ưu điểm chủ động người điều khiển với thiết bị • Điểm bật: • Tay cầm DualShock điều khiển tùy biến với module bluetooth cáp microUSB • Thiết kế tay cầm thuận tiện với nút bấm nhạy ,cảm ứng • Thơng số kỹ thuật: • Kích thước 62 mm x 52mm x 98mm • Trọng lượng 210g • Các nút định hướng (Up/Down/Left/Right) • Các nút hành động (tam giác, trịn, vng, chéo) • Hệ thống quay hồi chuyển cảm biến chuyển động • • Hình 3.14: Tay Cầm Playstations PS2 • CHƯƠNG 4: CHẾ TẠO VÀ THỬ NGHIỆM MƠ HÌNH • Chế tạo hệ thống khí: • Khung máy: phận để lắp ráp chi tiết , linh kiện khác máy tính tốn, chế tạo phù hợp vơi mơ hình, khả chịu tải , độ vững , đủ kích thước lắp ráp linh kiện • Khung bao gồm đế bảo vệ phía trên, kết nối với bắng khớp nối.Các chi tiết gia công , cắt máy cắt Plasma CNC, sau gia cơng nguội để đảm bảo tính thẩm mỹ , an tồn cho người đảm bảo xác lắp ráp • Hệ thống điện điện tử: • Hệ thống điện , điện tử chúng em sử dụng phụ thuộc vào yêu cầu cơng robot , chúng em tìm hiểu loại linh kiện có thị trường tổng hợp để chọn cho tối ưu với mơ hình cần đạt • • • Hình 4.1 Kết nối hệ thống điện tử thực tế Mơ hình thực tế: • • • CHƯƠNG V: LẬP TRÌNH VÀ BẢN VẼ CHI TIẾT CƠ KHÍ Lập trình: • 1.1 Phần mềm lập trình: Để lập trình cho robot hoạt động tương ứng với Vi điều khiển nhóm chọn phn mm CodeVision 3.0.2 ã ng dng chy Windowsđ Vista, Windows 7, Windows Windows 10, 32 bit 64 bit • • Dễ sử dụng Mơi trường phát triển tích hợp Trình biên dịch tương thích ANSI C • Trình chỉnh sửa với tự động thụt lề, tơ sáng cú pháp cho trình hợp dịch C AVR, tham số chức cấu trúc / thành viên liên hiệp tự động hồn thành • Bên cạnh IDE riêng, CodeVisionAVR sử dụng Tiện ích mở rộng tích hợp Atmel Studio • Các cơng cụ nhúng • tạo khác biệt • Trang Chủ • Các sản phẩm • Mua, tựa vào, bám vào • Diễn đàn • Tiếp xúc • Các kiểu liệu hỗ trợ: bit, bool, char, int, short, long, 64 bit, float • Thư viện dấu chấm động nhanh với hệ số nhân phần cứng hỗ trợ hướng dẫn lõi nâng cao cho tất chip ATmega • Các phần mở rộng cụ thể AVR cho: • Trong suốt, dễ dàng truy cập vùng nhớ EEPROM & FLASH mà không cần chức đặc biệt trình biên dịch AVR khác • Quyền truy cập mức bit vào ghi I / O • Hỗ trợ ngắt • Hỗ trợ đặt biến bit Thanh ghi I / O Mục đích chung (GPIOR) có sẵn chip (ATtiny2313, ATmega48 / 88/168, ATmega165 / 169/325/3250/329/3290/645/6450/649/6490 , ATmega1280 / 1281/2560/2561/640, ATmega406 người khác) • Tối ưu hóa trình biên dịch: • Trình tối ưu hóa lỗ nhìn trộm • Các biến nâng cao để đăng ký trình cấp phát, cho phép sử dụng hiệu kiến trúc AVR • Đóng gói chương trình khối chung (cái mà đối thủ chúng tơi gọi “Trình nén mã”), thay chuỗi mã lặp lại lệnh gọi đến chương trình Trình tối ưu hóa có sẵn dạng Tiêu chuẩn CodeVisionAVR, khơng thêm phí, khơng giống sản phẩm đối thủ cạnh tranh • Loại bỏ biểu thức chung • Tối ưu hóa vịng lặp • Tối ưu hóa chi nhánh • Tối ưu hóa gọi chương trình • Tối ưu hóa nhảy chéo • Gấp liên tục • Hợp chuỗi ký tự liên tục • Tối ưu hóa chép cửa hàng • Tối ưu hóa xóa mã chết • kiểu nhớ: TINY (con trỏ liệu bit cho chip có tối đa 256 byte RAM), NHỎ (con trỏ liệu 16 bit cho chip có 256 byte RAM), • TRUNG BÌNH (cho chip có 128k FLASH) LARGE (đối với chip có FLASH 256k trở lên) Các mơ hình nhớ TRUNG BÌNH LỚN cho phép định địa FLASH đầy đủ cho chip ATmega128, ATmega1280, ATmega2560, v.v., trình biên dịch xử lý ghi RAMPZ hoàn toàn minh bạch cho lập trình viên Tính có sẵn dạng Tiêu chuẩn CodeVisionAVR, khơng tính thêm phí, không giống sản phẩm đối thủ cạnh tranh chúng tơi • Người dùng lựa chọn tối ưu hóa cho Kích thước Tốc độ mã • Khả chèn mã trình hợp dịch nội tuyến trực tiếp vào tệp nguồn C • SỬ DỤNG RAM RẤT HIỆU QUẢ: Các chuỗi ký tự không đổi lưu trữ nhớ FLASH không chép vào RAM truy cập từ đó, giống trình biên dịch khác cho AVR • Gỡ lỗi cấp độ nguồn C, với tạo tệp ký hiệu COFF, cho phép xem nhiều biến (bao gồm cấu trúc kết hợp) trình gỡ lỗi Atmel Studio AVR Studio 4.19 • Hồn tồn tương thích với Trình mơ mạch Atmel: AVR JTAG-ICE, AVR Dragon, v.v • 1.2 Giao diện phần mềm: • • Hình 5.1: Giao diện phần mềm • • Sơ đồ khối lưu đồ thuật tốn: • 2.1 Sơ đồ khối: • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • 2.2 Lưu đồ thuật toán: • •• • • 11 êhuvẽn ■ CdtLk tnrtl ẸW 1M "in ADC • ZỊỈ • • • • • ■K- ii_iGrtDftiC il-it- '3D0 !