Line follower robot with PID

TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ- ĐH QUỐC GIA HN KHOA ĐIỆN TỬ VIỄN THÔNG ****** BÁO CÁO MÔN HỌC: TRẢI NGHIỆM VÀ KHÁM PHÁ ROBOT ĐỀ TÀI: ROBOT DÒ LINE Nhóm sinh viên thực : Nguyễn Bá Chung 18020237 Hoàng Văn Học 18020577 Hà Nội, tháng 12 năm 2019 Mục lục I MỞ ĐẦU Giới thiệu đề tài Mục tiêu Phạm vi nghiên cứu II GIỚI THIỆU VI XỬ LÝ VÀ THÀNH PHẦN MẠCH Arduino Uno R3 Module điều khiển : Mạch cầu H dùng L298 Module thu phát hồng ngoại MH-IR01 Động DC bánh xe III SƠ ĐỒ LẮP GHÉP VÀ GIẢI THUẬT ĐIỀU KHIỂN Sơ đồ nối linh kiện Thiết kế thuật toán Phân tích chuyển động điều khiển IV KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN Kết Hướng phát triển V TÀI LIỆU THAM KHẢO I MỞ ĐẦU Giới thiệu đề tài Ngày nay, Robotics đạt nhiều thành tựu to lớn sản xuất công nghiệp đời sống Sản xuất robot ngày phát triển khơng thể khơng nhắc đến Mobile Robot với đặc thù riêng Mobile Robot di chuyển cách linh hoạt tạo nên khơng gian hoạt động lớn Có nhiều loại Mobile Robot Robot dị line ứng dụng nhiều sống Robot dò line phương tiện di chuyển tự động người chế tạo, mơi trường u cầu đơn giản – phẳng vạch màu tương phản mạnh (hoặc có đặc tính khác) khác biệt mạnh so với môi trường xung quanh Ta dùng cảm biến để đo đạc, phát khác biệt này, sau nhúng thuật tốn điều khiển vào để điều khiển xe bám theo vạch line Mục đích chọn đề tài Robot dị line tránh vật cản vừa có nhiều ứng dụng thực tế, vừa dễ dàng cho sinh viên vận dụng kiến thức tiếp thu khóa học trải nghiệm vào Với kết cấu đơn giản, kết hợp với linh kiện điện tử( encoder, sensor dò line, sensor khoảng cách, động cơ,…) nên Robot phù hợp cho sinh viên học tập nghiên cứu Phạm vi nghiên cứu Trong phạm vi môn học này, ta nghiên cứu nguyên lý hoạt động module cảm biến sử dụng robot Và chuyển động động II GIỚI THIỆU VI XỬ LÝ VÀ THÀNH PHẦN MẠCH Board Arduino Uno R3 Arduino Uno R3 sử dụng vi điều khiển họ 8bit AVR ATmega8, ATmega168, ATmega328 Bộ não xử lí tác vụ đơn giản điều khiển đèn LED nhấp nháy, xử lí tín hiệu cho xe điều khiển từ xa, làm trạm đo nhiệt độ - độ ẩm hiển thị lên hình LCD,… Arduino UNO có 14 chân digital dùng để đọc xuất tín hiệu Chúng có mức điện áp 0V 5V với dòng vào/ra tối đa chân 40mA Arduino UNO có chân analog (A0 → A5) cung cấp độ phân giải tín hiệu 10bit (0 → -1) để đọc giá trị điện áp khoảng 0V → 5V Với chân AREF board, bạn để đưa vào điện áp tham chiếu sử dụng chân analog Tức bạn cấp điện áp 2.5V vào chân bạn dùng chân analog để đo điện áp khoảng từ 0V → 2.5V với độ phân giải 10bit Một vài thông số Arduino UNO R3 Vi điều khiển Điện áp hoạt động Tần số hoạt động Dòng tiêu thụ Điện áp khuyên dung Điện áp giới hạn Số chân digital I/O Số chân Analog Dòng tối đa chân I/O Dòng tối đa (5V) Dòng tối đa (3.3V) ATmega328 họ 8bit 5V DC 16MHz ~30 mA 7-12V DC 6-20V DC 14 ( có chân PWM) ( độ phân giải 10 bit) 30mA 500mA 50mA Mạch cầu H dùng L298N 2.1 Nguyên lý điều khiển mạch cầu H: Để điều khiển hướng quay, cần đảo ngược hướng dòng điện qua động phương pháp phổ biến sử dụng mạch cầu H Một mạch cầu H chứa chân chuyển mạch, điện trở MOSFET Bằng cách kích hoạt hai cơng tắc lúc, thay đổi đổi hướng dịng điện, thay đổi hướng động Do hồn tồn kiểm sốt động DC 2.2 Chip L298 L298N trình điều khiển động H-Bridge kép cho phép ta điều khiển tốc độ hướng hai động DC lúc Module điều khiển động DC có điện áp từ 5-35V với dòng điện tối đa lên đến 2A Module thu phát hồng ngoại MH-IR01 3.1 Nguyên lý hoạt động MH-IR01 MH-IR01 hoạt động theo nguyên lý thu nhận Khi led nhận tia hồng ngoại từ led IRE ( trắng) làm cho chân tín hiệu chân OUT mức 0, cịn khơng nhận ( đen) ngắt chân tín hiệu chân OUT mức Động bánh xe III SƠ ĐỒ LẮP GHÉP VÀ GIẢI THUẬT ĐIỀU KHIỂN Sơ đồ nối linh kiện Cách thức nối linh kiện sau: -Nối chân dương nguồn vào chân +12V DC, nối chân âm nguồn vào chân GND L298 -Nối nguồn động vào L298 - Ở sử dụng động DC 5V số lượng cảm biến HC-IR01 - Lý sử dụng cảm biến hồng ngoại để tăng độ xác cho xe Thiết kế thuật tốn 2.1 Giải thuật dị line Ở mã hóa cảm biến thành giá trị từ -4 đến Khi hoạt động ánh sáng từ led chiếu xuống đường gặp đường gặp đường màu trắng ánh sáng phản chiếu trở lại quang trở tương ứng, lúc tín hiệu truyền chân tương ứng vi điều khiển mức Nếu ánh sáng từ led xuống gặp line đen ánh sáng bị hấp thụ gần hết, lúc tín hiệu từ sensor báo vi điều khiển mức 2.2 Giải thuật PID điều khiển tốc độ động xe: PID điều khiển sử dụng chế phản hồi feedback hệ thống cơng nghiệp PID tính tốn giá trị “ sai số” hiệu số đo thiết bị thực tế giá trị mà mong muốn Giải thuật tính tốn PID bao gồm thông số riêng biệt, gọi điều khiển khâu: giá trị tỉ lệ ( Proportional), tích phân ( Integral), đạo hàm ( Derivative), giá trị tỉ lệ xác định sai số tại, giá trị tích phân xác định tác động sai số khứ vi phân xác tác động tốc độ biến đổi sai số Nhờ mà ta có mối quan hệ: P phụ thuộc vào sai số tại, I phụ thuộc vào tích lũy sai số khứ D dự đoán sai số tương lai, dựa vào tốc độ thay đổi MV(t)=Pout + Iout + Dout a) Khâu tỉ lệ ( Proportional) Trong : tỉ lệ đầu : độ lợi tỉ lệ, thông số điều chỉnh : sai số : thời gian tức thời b) Khâu tích phân ( Integral) Trong đó: : thừa số tích phân đầu : độ lợi tích phân, thông số điều chỉnh : sai số : thời gian tức thời : biến trung gian c) Khâu vi phân ( Derivational) Trong đó: : thừa số vi phân đầu : Độ lợi vi phân, thông số điều chỉnh : sai số : thời gian tức thời d) Tóm lại Độ lợi tỉ lệ, Giá trị lớn đáp ứng nhanh sai số lớn, bù khâu tỉ lệ lớn Một giá trị độ lợi tỉ lệ lớn dẫn đến trình ổn định dao động Độ lợi tích phân, Giá trị lớn kéo theo sai số ổn định bị khử nhanh Đổi lại độ vọt lố lớn: sai số âm tích phân suốt đáp ứng độ phải triệt tiêu tích phân sai số dương trước tiến tới trạng thái ổn định Độ lợi vi phân, Giá trị lớn giảm độ vọt lố, lại làm chậm đáp ứng độ dẫn đến ổn định khuếch đại nhiễu tín hiệu phép vi phân sai số 3 Phân tích chuyển động điều khiển 3.1 Giải thuật điều khiển Chương trình điều khiển sử dụng giải thuật PID Ở mã hóa cảm biến thành giá trị từ -4 đến Và thuật toán đặt setpoint =0 để xe bám theo vạch Bằng việc code chia nhỏ độ phân giải cảm biến thành giá trị -4 -3 -2 -1 thay -4 -2 Các bước thực chương trình PID sau: P=error; I=I + previous_I; D= error - previous_error; PID_value= (Kp * P) + (Ki * I) + (Kd * D); previous_I=error; previous_error = error; Trong đó: P sai số I sai số khứ D sai số tương lai 3.2 Phân tích chuyển động - Khi vận tốc hai bánh tiến thẳng - Khi hai bánh có vận tốc ngược chiều robot quay tròn - Khi vận tốc bánh trái lớn bánh phải robot rẽ phải, bánh phải lớn bánh trái quay trái - Khi error =0 robot tiến thẳng - Khi error = -3 -4 robot rẽ trái - Khi error = robot rẽ phải IV KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN Kết - Độ xác: Chưa cao Vọt lố: Lớn Những điểm rẽ mạnh: Chưa ổn định Tốc độ xe: Thấp Nguyên nhân: - Do mặt khí - Do tốc độ bánh chưa - Do quán tính Khắc phục: - Thiết kế xác khí - Khắc phục động - Cải thiện phần code Hướng phát triển - Tiếp tục nghiên cứu xe dò line hướng đến dò line tránh vật cản - Cải tiến xe nhanh hơn, xác việc sử dụng động có encoder - Xây dựng thuật tốn hồn chỉnh xác V TÀI LIỆU THAM KHẢO https://vietmachine.com.vn/dieu-khien-arduino-dc-l298n-pwm-mach-cau-h.html http://arduino.vn/bai-viet/42-arduino-uno-r3-la-gi https://courses.uet.vnu.edu.vn/pluginfile.php/22650/mod_resource/content/1/6.Motion %20Mechanism.pdf https://obitvn.wordpress.com/2019/05/24/arduino-pid-robot-do-line/