ĐỒ án môn học THIẾT kế hệ THỐNG cơ điện tử đề tài THIẾT kế ROBOT dò LINE

ĐẠI HỌC QUỐC GIA THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA KHOA CƠ KHÍ BỘ MƠN CƠ ĐIỆN TỬ ĐỒ ÁN MÔN HỌC THIẾT KẾ HỆ THỐNG CƠ ĐIỆN TỬ ĐỀ TÀI: THIẾT KẾ ROBOT DÒ LINE GVHD: TS PHÙNG TRÍ CƠNG Thực hiện: HỒNG VĂN AN MSSV: 21300007 ĐỖ TUẤN ANH MSSV: 21300057 TRẦN MINH CHIẾN MSSV: 21300382 DỖN HỒNG MSSV: 21301311 NGUYỄN MINH HỒNG MSSV: 21301340 TP HỒ CHÍ MINH – THÁNG 5/ 2017 ĐẠI HỌC QUỐC GIA THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA KHOA CƠ KHÍ BỘ MƠN CƠ ĐIỆN TỬ ĐỒ ÁN MÔN HỌC THIẾT KẾ HỆ THỐNG CƠ ĐIỆN TỬ ĐỀ TÀI: THIẾT KẾ ROBOT DÒ LINE GVHD: TS PHÙNG TRÍ CƠNG Thực hiện: HỒNG VĂN AN MSSV: 21300007 ĐỖ TUẤN ANH MSSV: 21300057 TRẦN MINH CHIẾN MSSV: 21300382 DỖN HỒNG MSSV: 21301311 NGUYỄN MINH HỒNG MSSV: 21301340 TP HỒ CHÍ MINH – THÁNG 5/ 2017 LỜI CẢM ƠN Chúng em xin gửi lời cảm ơn đến Bộ mơn Cơ điện tử - Khoa Cơ Khí tạo điều kiện để chúng em thực đồ án Để hoàn thành tập lớn này, chúng em xin gửi lời cảm ơn đến TS Phùng Trí Cơng tận tình hướng dẫn, giảng dạy chúng em suốt trình học tập, nghiên cứu rèn luyện để thực tốt đồ án Chúng em xin chân thành cảm ơn đến thành viên nhóm thảo luận, thu thập tài liệu giúp đỡ giải vấn đề nảy sinh trình thực tập lớn Mặc dù cố gắng để thực tập lớn cách tốt Song hạn chế kiến thức chuyên môn kinh nghiệm thực tế nên khơng tránh khỏi thiếu sót Vì chúng em mong góp ý quý thầy cô bạn để đề tài hoàn chỉnh Chúng em xin chân thành cảm ơn! TP Hồ Chí Minh, ngày 11 tháng 05 năm 2017 Nhóm sinh viên thực i MỤC LỤC LỜI CẢM ƠN MỤC LỤC DANH MỤC HÌNH DANH MỤC BẢNG CHƯƠNG 1: TÌM HIỂU TỔNG QUAN 1.1Mục tiêu thiết kế 1.2Tìm hiểu mơ hình từ thi 1.3Tìm hiểu cảm biến 1.3.1Camera 1.3.2Cảm biến quang điện trở c 1.4Tìm hiểu cách xử lí tín hiệu cảm biến 1.4.1Sử dụng giải thuật so sánh 1.4.2Sử dụng giải thuật xấp xỉ 1.5Tìm hiểu cấu trúc điều khiển 1.5.1Cấu trúc điều khiển phân cấp 1.5.2Cấu trúc điều khiển tập trung 1.6Đặt đầu CHƯƠNG 2: LỰA CHỌN PHƯƠNG ÁN VÀ PHÂN CÔNG NHIỆM VỤ 2.1 Lựa chọn kết cấu xe 2.2 Lựa chọn cảm biến 2.3Lựa chọn điều khiển 2.4Lựa chọn cấu trúc điều khiển 2.5Phân công nhiệm vụ CHƯƠNG 3: THIẾT KẾ CHI TIẾT VÀ MƠ HÌNH HĨA ii 3.1 Thiết kế khí 3.1.1 Lựa chọn bánh xe 3.1.2 Tính tốn chọn động 3.1.3 Chống lật xe ôm cua 1.4 Kích thước xe dị line 3.2 Thiết kế hệ thống điện 3.2.1 3.3 Lựa chọn Driver Tính tốn cảm biến 3.3.1 Yêu cầu cảm biến 3.3.2 Calib cảm biến 3.4 Chọn vi điều khiển 3.4.1 Chọn vi điều khiển 3.4.2 Giải thuật điều khiển 3.5 Mơ hình hòa hệ thống 3.5.1 Mơ hình hóa động học 4.2 Mô điều khiển Matlab CHƯƠNG 4: KẾT QUẢ THỰC NHIỆM VÀ KẾT LUẬN 4.1 Kết thực nghiệm 4.2 Kết luận TÀI LIỆU THAM KHẢO PHỤ LỤC 1: BIỂU ĐỒ GANTT TRIỂN KHAI iii DANH MỤC HÌNH Hình 1.1 Thơng số sa bàn Hình 1.2 Hình ảnh thực tế sơ đồ nguyên lý CartisX04 Hình 1.3 Hình ảnh thực tế sơ đồ nguyên lý Robot Silvestre Hình 1.4 Hình ảnh thực tế sơ đồ nguyên lý Robot Fireball Hình 1.5 Nguyên lý hoạt động cảm biến quang điện trở Hình 1.6 Mức so sánh cảm biến ứng với vị trí line xe di chuyển .4 Hình 1.7 Tìm vị trí tâm đường line giải thuật xấp xỉ Hình 1.8 Cấu trúc điều khiển phân cấp Hình 1.9 Cấu trúc điều khiển tập trung Hình 2.1 Cấu trúc điều khiển lựa chọn Hình 3.1 Hệ tọa độ robot dị line 12 Hình 3.2 Mơ hình lực tác dụng lên bánh xe 13 Hình 3.3 Mơ hình tính tốn phân tích lực xe ôm cua 14 Hình 3.4 Sơ đồ hệ thống điện 16 Hình 3.5 Các loại Driver cho động DC 17 Hình 3.6 Đồ thị tốc độ động cấp xung PWM sử dụng Driver L298 19 Hình 3.7 Đồ thị tốc độ động cấp xung PWM sử dụng Driver TB6612 20 Hình 3.8 Vận tốc động cấp 50% xung PWM 21 Hình 3.9 Vận tốc động cấp 50% xung PWM 21 Hình 3.10 Thời gian đáp ứng động 22 Hình 3.11 Mơ hình điều khiển PID 23 Hình 3.12 Đáp ứng động sử dụng PID 23 Hình 3.13 Đáp ứng động sử dụng PID 24 Hình 3.14 Sơ đồ mạch điện cảm biến TCRT5000 25 Hình 3.15 Phạm vi hoạt động cảm biến 26 Hình 3.16 Kết thí nghiệm độ cao cảm biến bề mặt giấy trắng 27 Hình 3.17 Vùng giao thoa cảm biến 27 iv Hình 3.18 Phạm vi quét cảm biến 28 Hình 3.19 Kích thước cảm biến TCRT5000 29 Hình 3.20 Tọa độ cảm biến 31 Hình 3.21 Vị trí line đọc từ cảm biến 31 Hình 3.22 Sơ đồ điều khiển robot 32 Hình 3.23 Lưu đồ giải thuật 34 Hình 3.24 Xác định vị trí rẽ line 35 Hình 3.25 Sơ đồ vị trí robot dò line hệ tọa độ 35 Hình 3.26 Mơ hình xác định sai số mô 37 Hình 3.27 Mơ hình line Matlab 38 Hình 3.28 Mô bám line đoạn cong A-B để tìm khoảng cách phù hợp 39 Hình 3.29 Đồ thị phụ thuộc sai số dò 1line khoảng cách 40 Hình 3.30 Kết bám line với hệ số vận tốc thay đổi 42 Hình 4.1 Mơ hình robot thiết kế 43 Hình 4.2 Mơ hình robot chế tạo 43 Hình 4.3 Robot dị line sa bàn 44 v DANH MỤC BẢNG Bảng 2.1 Phân công nhiệm vụ thành viên Bảng 3.1 So sánh loại bánh trên: 10 Bảng 3.2 Thông số động GA25-V1 14 Bảng 3.3 Tốc độ động cấp xung PWM sử dụng Driver L298 17 Bảng 3.4 Tốc độ động cấp xung PWM sử dụng Driver L298 18 Bảng 3.5 Tốc độ động cấp xung PWM sử dụng Driver TB6612 .18 Bảng 3.6 Tốc độ động cấp xung PWM sử dụng Driver TB6612 .19 Bảng 3.7 Các thông số đầu vào 39 Bảng 3.8 Thông số mô 40 vi THIẾT KẾ HỆ THỐNG CƠ ĐIỆN TỬ GVHD: TS PHÙNG TRÍ CƠNG CHƯƠNG 1: TÌM HIỂU TỔNG QUAN 1.1 Mục tiêu thiết kế Thiết kế robot bám đường có khả bám đường với độ ổn định tốt hoàn thành sa bàn yêu cầu với thời gian ngắn (sa bàn cho trước hình dạng chiều dài) F E B 500 D Hướng đi: A → B → C → AStart C Finish G 2000 Hình 1 Thơng D→ E → F→ C s ố sa bàn → G →A → C → E 1.2 Tìm hiểu mơ hình từ cu ộc thi  Japan Robotrace Contest 2014 - Đội chiến thắng: CartisX04 Hình 1.2 Hình ảnh thực tế sơ đồ nguyên lý CartisX04 THIẾT KẾ HỆ THỐNG CƠ ĐIỆN TỬ GVHD: TS PHÙNG TRÍ CƠNG Thơng số:  Cảm biến: cảm biến hồng ngoại, cảm biến gyro  Bánh sau: bánh chủ động - động DC  Bánh trước: bánh lái có động đạo  Tốc độ tối đa:= 4,2 /  Kết cấu giúp xe dễ cân phức tạp, xảy tượng trượt rẽ  Cuộc thi Tây Ban Nha 2010 - Đội chiến thắng: Silvestre Hình 1.3 Hình ảnh thực tế sơ đồ nguyên lý Robot Silvestre Thông số:  Cảm biến: cảm biến hồng ngoại  Bánh sau: bánh chủ động - động DC   Tốc độ tối đa: Bánh trước: bánh t=ự l2,24ựa– / bánh mắt trâu  Kết cấu đơn giản, độ đồng phẳng cao, xe rẽ bán kính cong nhỏ khó cân  Cuộc thi Chibots Mỹ - Đội chiến thắng: Fireball robot Vi Tính đạo hàm sai số: 36 THIẾT KẾ HỆ THỐNG CƠ ĐIỆN TỬ GVHD: TS PHÙNG TRÍ CƠNG Trong – ọ (đ Khi Gọi khoảng dịch chuyển xe theo hướng cũ khoảng thời gian Ch n iểm nằm bánh) l với đường line 1được xác định: O x Hình 3.26 Mơ hình xác định sai số mơ Tại vị trí line ta xác định hướng robot Với tọa độ tâm hai bánh xe, tọa độ tâm cảm biến góc định hướng robot ta xác định phương trình đường thẳng qua cảm biến, xác định sai số đoạn đường khác Do mơ trình chuyển động robot Matlab 37 THIẾT KẾ HỆ THỐNG CƠ ĐIỆN TỬ GVHD: TS PHÙNG TRÍ CƠNG 4.2 Mơ điều khiển Matlab Hình 3.27 Mơ hình line Matlab Sử dụng điều khiển Lyapunov cho robot dò line s Theo tiêu chuẩn ổn định Lyapunov, ta có: Do đạo hàm âm tác động điều khiển vib →∞ ộ điề 38 THIẾT KẾ HỆ THỐNG CƠ ĐIỆN TỬ GVHD: TS PHÙNG TRÍ CƠNG Trong Matlab, ta cho vịng lặp tính sai số vị trí tâm cảm biến tâm line Bằng cách xác định giao điểm đường thẳng vng góc với xe qua tâm cảm biến với line, ta tính xác sai số vị trí xe Xác định vị trí đặt cảm biến: Đầu tiên ta xác định khoảng cách phù hợp từ điểm bám line đến cảm biến Ta tiến hành mơ để tìm khoảng cách d thích hợp với đoạn line A-B với thơng số đầu vào sau: Bảng 3.7 Các thông số đầu vào Đại lượng Bán kính cong đường đi, Đường kính bánh xe, ả ả Kho ng cách bánh xe, Vận tốc tối đa xe, Kho ng cách sensor cùng, Thời gian lấy mẫu, Thời gian thực bước chuyển động, Hình 3.28 Mơ bám line đoạn cong A-B để tìm khoảng cách phù hợp 39 THIẾT KẾ HỆ THỐNG CƠ ĐIỆN TỬ GVHD: TS PHÙNG TRÍ CƠNG Hình 3.29 Đồ thị phụ thuộc sai số dò line khoảng cách Theo đồ95th÷ịta105mmthấykhoảng cách phùd h=ợ100mmpnhấtđể robot bám line ổn định kho ng V y ta ch n Sau xác định giá trị thích hợp, ta tiếp tục sử dụng Matlab để mơ q trình chuyển động robot với thơng số sau: ả ậ d ọ Bảng 3.8 Thông số mô Đại lượng Khoảng cách bánh Đường kính bánh xe, Vận tốc tối đa xe, ậ ố Kho ảng cách từ tâm c ảm biế n đến V n t c vòng l n nh t bánh, Khoảng cách sensor cùng, Thời gian lấy mẫu, Th Sai số cảm biến i gian th ầ Sau l THIẾT KẾ HỆ THỐNG CƠ ĐIỆN TỬ - Đoạn giao C: - Đoạn rẽ 90o A: - Đoạn chuyển tiếp B, F, D G: a) Vị trí xe dị line sa bàn sau giảm tốc độ thay đổi [k1 k2 k3] b) Sai số bám line e2 41 THIẾT KẾ HỆ THỐNG CƠ ĐIỆN TỬ GVHD: TS PHÙNG TRÍ CƠNG c) Sai số bám line e3 [ ậ ốc động theo thờ ] d) V n t i gian Hình 3.30 Kết bám line với hệ số vận tốc thay đổi 42 THIẾT KẾ HỆ THỐNG CƠ ĐIỆN TỬ GVHD: TS PHÙNG TRÍ CƠNG CHƯƠNG 4: KẾT QUẢ THỰC NHIỆM VÀ KẾT LUẬN 4.1 Kết thực nghiệm Hình 4.1 Mơ hình robot thiết kế Hình 4.2 Mơ hình robot chế tạo 43 THIẾT KẾ HỆ THỐNG CƠ ĐIỆN TỬ GVHD: TS PHÙNG TRÍ CƠNG Hình 4.3 Robot dị line sa bàn 4.2 Kết luận - Đạt yêu cầu đặt ra: chạy đường line định sẵn, thiết kế khí đảm bảo độ cứng vững - Hạn chế: cảm biến dễ bị nhiều, tốc độ xe chạy chậm, điểm rẽ xe chạy chưa ổn định Trong trình làm đồ án, gặp nhiều vấn đề thực tiển khác với lý thuyết học buộc nhóm phải tìm cách khắc phục nó, từ bổ sung nhiều phần hổng q trình học tập Hiểu rõ trình thiết kế, lập trình robot bám đường đơn giản Dựa vào cách hoạt động robot dị line phát triển rộng để tạo loại robot khác phục vụ lĩnh vực sống, giúp người thực công việc phức tạp cách đơn giản, nhẹ nhàng 44 THIẾT KẾ HỆ THỐNG CƠ ĐIỆN TỬ GVHD: TS PHÙNG TRÍ CƠNG TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] Huu Danh Lam et al., Smooth Tracking Controller for AGV through Junction using CMU Camera, Tuyển tập HN Cơ điện tử lần 7, VCM-2014, pp.597-601, Vietnam, 2014 [2] Nguyễn Tấn Tiến, Trần Thanh Tùng, Kim Sang Bong, Giảng dạy thiết kế hệ thống điện tử qua đồ án, Hội nghị toàn quốc lần thứ Cơ Điện tử, VCM-2016 [3] Ninh Đức Tốn, Dung sai lắp ghép, NXB Giáo dục Việt Nam 2013 [4] Lê Khánh Điền, Vẽ kỹ thuật khí, NXB Đại học Quốc gia TP HCM, 2011 Su et al., An Line-Following Robot Project for Introductory Robot Intelligent Courses, World Eng and Technology Education, Vol.8, No.4, pp.455Transactions on 461, 2010 [5] J.H 45 PHỤ LỤC 1: BIỂU ĐỒ GANTT TRIỂN KHAI Cơng việc I TỔNG QUAN Tìm hiểu vấn đề, đưa thông số đầu Đề xuất, chọn phương án Hiệu chỉnh tổng quan II THIẾT KẾ Cơ khí Tính tốn lựa chọn động Vẽ phác thảo hiệu chỉnh Vẽ vẽ 3D hiệu chỉnh Vẽ vẽ 2D Hiệu chỉnh thông số Điện Xây dựng sơ đồ khối nguyên lý hệ thống điện Lựa chọn thành phần hệ thống điện Xác định hàm truyền động cơ- Driver Xây dựng điều khiển cho hệ thống Hiệu chỉnh thông số Điều khiển Xây dựng sơ đồ khối cho giải thuật điều khiển Lựa chọn VĐK lưu đồ giải thuật 47 PHỤ LỤC 1: BIỂU ĐỒ GANTT TRIỂN KHAI Hiệu chỉnh thông số Mơ hình hóa Mơ hình hóa xe dị line Mơ hình hóa cảm biến, động học hệ thống Hiệu chỉnh mơ hình hóa III THỰC NGHIỆM Làm mạch cảm biến Làm mạch nguồn Test cảm biến Lắp ráp mô hình Chạy thực nghiệm Sửa đổi, hiệu chỉnh III HỒN CHỈNH BÁO CÁO VÀ CÁC BẢN VẼ 47 ...ĐẠI HỌC QUỐC GIA THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA KHOA CƠ KHÍ BỘ MƠN CƠ ĐIỆN TỬ ĐỒ ÁN MÔN HỌC THIẾT KẾ HỆ THỐNG CƠ ĐIỆN TỬ ĐỀ TÀI: THIẾT KẾ ROBOT DÒ LINE GVHD: TS PHÙNG TRÍ CƠNG... THIẾT KẾ HỆ THỐNG CƠ ĐIỆN TỬ GVHD: TS PHÙNG TRÍ CƠNG 3.2 Thiết kế hệ thống điện Sơ đồ khối chung hệ thống điện: SS1 TCRT5000 Micocontroller PIC18F4550 Encoder Pin Đường tín hiệu Đường điện áp... đầu Từ mục tiêu thiết kế u cầu mơn học, nhóm đưa yêu cầu thiết kế số sau: + Vận tốc tối đa: + Bán kính vịng cua t + Sai số dò line: THIẾT KẾ HỆ THỐNG CƠ ĐIỆN TỬ GVHD: TS PHÙNG TRÍ CƠNG CHƯƠNG 2: