BÁO cáo đồ án THIẾT kế hệ THỐNG cơ điện tử

ĐẠI HỌC QUỐC GIA THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA KHOA CƠ KHÍ - BỘ MƠN CƠ ĐIỆN TỬ BÁO CÁO ĐỒ ÁN THIẾT KẾ HỆ THỐNG CƠ ĐIỆN TỬ GVHD: PGS TS Võ Tường Quân Sinh viên thực Nguyễn Thành Đạt Lý Anh Hào Nguyễn Thanh Hoàng Hảo Nguyễn Ngọc Anh Tú Tp Hồ Chí Minh, ngày 05 tháng 12 năm 2018 i MỤC LỤC Danh mục hình ảnh v Danh sách bảng vii CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN 1.1 Giới thiệu 1.2 Tình hình nghiên cứu 1.2.1 An intelligent line-following robot [1] 1.2.1 Path planning of line follower robot [2] 1.2.2 Điều khiển robot dò đường sử dụng điều khiển PID kết hợp phương pháp PWM [3] 1.2.3 Line Follower Robot Using A Sophisticated Sensor Approach [4] 1.2.4 Design and implementation of RGB color line following robot [5] .5 1.2.5 Robot - line follower [8] 1.2.6 ZUMO 1.2.7 Expressway 1.2.8 3pi 1.2.9 FireBall 1.2.10 Cuộc thi IT Car Racing 2017 1.2.11 Tổng hợp 10 1.3 Giới hạn đề tài 10 CHƯƠNG 2: LỰA CHỌN PHƯƠNG ÁN 12 2.1 Lựa chọn phương án khí 12 2.1.1 Lựa chọn kết cấu xe 12 2.1.2 Lựa chọn bánh bị động 14 ii 2.2 Lựa chọn phương án điện 2.2.1Lựa ch 2.2.2Lựa ch 2.3 Lựa chọn phương án điều khiển 2.4 Lựa chọn vi điều khiển 2.4.1Xác địn 2.4.2Lựa ch CHƯƠNG 3: TÍNH TỐN THIẾT KẾ 3.1 Lựa chọn bánh xe 3.2 Tính tốn cơng suất động 3.3 Tính tốn pin 3.3.1Nguồn 3.3.2Nguồn 3.4 Kích thước khung xe 3.5 Bố trí linh kiện CHƯƠNG 4: MƠ HÌNH TỐN HỌC 4.1 Mơ hình tốn học xe 4.2 Hàm truyền động – Driver 4.2.1Động c 4.2.2Động c 4.3 Hàm truyền cảm biến IR CHƯƠNG 5: THIẾT KẾ BỘ ĐIỀU KHIỂN 5.1 Yêu cầu điều khiển 5.2 Tín hiệu input dùng để điều khiển iii 5.3 Giải thuật điều khiển 48 5.4 Bộ điều khiển 52 5.5 Kết mô 52 CHƯƠNG 6: THỰC NGHIỆM VÀ PHƯƠNG HƯỚNG PHÁT TRIỂN .55 6.1 Thực nghiệm 55 6.2 Phương hướng phát triển: 57 Tài liệu tham khảo 58 iv Danh mục hình ảnh Hình 1.1 Ví dụ mơ hình robot dò line [6] Hình 1.2 Ứng dụng robot dị line phòng bệnh nhân [7] Hình 1.3 Giá trị trả cảm biến trước (trái) sau (phải) sau calibration[1] Hình 1.4 Sơ đồ khối ứng dụng giải thuật PID vào robot dị đường [3] Hình 1.5 Sơ đồ khối mơ hình robot dị line đề xuất [4] Hình 1.6 Mặt xe dò line [8] Hình 1.7 ZUMO [9] Hình 1.8 Xe dị line Expressway [10] Hình 1.9 Xe 3pi [11] Hình 1.10 FireBall [12] Hình 1.11 Xe dò đường [13] Hình 1.12 Sa bàn thi đấu 10 Hình 2.1 Bánh tự lựa 15 Hình 2.2 Hình minh họa bánh mắt trâu 15 Hình 2.3 Các loại cảm biến dị line: a) camera; b) Cảm biến hồng ngoại; c) Cảm biến quang trở 16 Hình 2.4 Sơ đồ điều khiển tập trung 18 Hình 2.5 Sơ đồ điều khiển phân tán 19 Hình 3.1 Cơ cấu thiết kế 21 Hình 3.2 Bánh xe chủ động 21 Hình 3.3 Bánh cầu 22 Hình 3.4 Mơ hình tốn bánh xe 22 Hình 3.5 Động DC servo GA25 V1 25 v Hình 3.6 Mơ hình tốn xe chuyển hướng 28 Hình 4.1 Mơ hình động học xe 31 Hình 4.2 Mơ hình sai số xe bám theo line 33 Hình 4.3 Đồ thị %PWM - tốc độ 35 Hình 4.4 Đồ thị tín hiệu PWM cấp cho động 36 Hình 4.5 Đáp ứng tốc độ động trái 37 Hình 4.6 Đồ thị %PWM - tốc độ 39 Hình 4.7 Đáp ứng động phải 40 Hình 4.8 Kích thước cảm biến TCRT5000 40 Hình 4.9 Cảm biến TCRT5000 41 Hình 4.10 Vùng hoạt động cảm biến 41 Hình 4.11 Điều kiện để cảm biến không bị nhiễu cảm biến khác 42 Hình 4.12 Vị trí cảm biến ứng với trọng số cảm biến 44 Hình 4.13 Hàm xấp xỉ trung bình trọng số sai số thực 46 Hình 5.1 Chương trình 49 Hình 5.2 Chương trình hiệu chuẩn giá trị cảm biến 50 Hình 5.3 Chương trình đọc giao lộ 51 Hình 5.4 Chương trình bám line 51 Hình 5.5 Quỹ đạo xe mơ 53 Hình 5.6 Vận tốc góc hai bánh xe trái (xanh) – phải (đỏ) 53 Hình 5.7 Đồ thị vận tốc dài xe 54 Hình 6.1 Quỹ đạo robot dị line thực nghiệm 55 Hình 6.2 Vận tốc dài robot thực nghiệm 56 Hình 6.3 Tốc độ bánh xe thực nghiệm 56 vi Danh sách bảng Bảng 2.1 Phương án kết cấu xe 12 Bảng 2.2 So sánh cảm biến 16 Bảng 3.1 Thông số xe 23 Bảng 3.2 Thông số động 25 Bảng 3.3 Tổng hợp linh kiện 29 Bảng 4.1 Tốc độ động theo % PWM 34 Bảng 4.2 Tốc độ động theo % PWM 38 Bảng 4.3 Dữ liệu calib cảm biến 46 vii Chương 1: Tổng quan CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN 1.1 Giới thiệu Với phát triển nhanh chóng khoa học, kĩ thuật cơng nghệ việc ứng dụng robot thay người làm việc ngày trở nên phổ biến Trong ngành công nghiệp thường thấy cánh tay robot, chúng lập trình để thực nhiều thao tác (như lắp ráp, vận chuyển, hàn,…) Ngồi cịn có họ robot nghiên cứu nhiều robot di động (mobile robot) Nó hệ thống có khả di chuyển lớn mơi trường định, với mức độ tự hành Khái niệm mobile robot xuất từ năm 1150 với robot di động Elsie Grey Walter (năm 1950), Shakey đại học Stanford (năm 1969).Cho đến nay, chúng khẳng định tầm quan trọng nghiên cứu ứng dụng nhiều lĩnh vực: y tế, nông nghiệp, công nghiệp, quân sự, vũ trụ… Trong đó, sử dụng phổ biến rộng rãi dạng robot dị line (Line Following Robot) Hình 1.1 Ví dụ mơ hình robot dị line [6] Robot dò line dạng robot di động (mobile robot) Nó có khả dị tìm di chuyển bám theo đường line Thông thường, đường line xác định trước nhìn thấy vạch đường đen kẻ/ dán/ vẽ trắng không thấy đường từ trường Nguyên lý việc sử dụng hệ cảm biến quang gắn trước mũi xe để phát sai lệch khỏi vạch đường Tín hiệu sau gửi Chương 1: Tổng quan vi điều khiển, từ hai bánh xe dẫn động robot điều khiển chuyển động thơng qua chương trình định sẵn nhằm đưa xe trở lại vạch kẻ đường Robot dò line nghiên cứu ứng dụng rộng rãi lĩnh vực sống từ dân sự, qn cơng nghiệp Có thể kể tên đến vài ứng dụng phổ biến di chuyển tự động vận chuyển – xếp hàng hóa, robot dẫn đường cho người khiếm thị, robot phục vụ thức ăn nhà hàng, Robot dò line ứng dụng lĩnh vực y khoa mà cấp thuốc đến tận giường bệnh bệnh nhân cần Qua đó, thấy robot dị line sở quan trọng thiết kế chế tạo robot thuộc lĩnh vực khác Bên cạnh đó, với tổng chi phí thấp từ giá thành linh kiện phí gia cơng, tạo điều kiện để sinh viên học tập tiếp cận với hệ thống điều khiển tự động thực tế Hình 1.2 Ứng dụng robot dò line phòng bệnh nhân [7] 1.2 Tình hình nghiên cứu Do tính hữu ích tiềm ứng dụng rộng rãi công nghiệp mà nhiều nghiên cứu robot dò line thực để ngày nâng cao suất tính hiệu chúng Trong số nghiên cứu Robot dị line, nhóm chọn tham khảo phân tích số báo nghiên cứu sau: Chương 1: Tổng quan 1.2.1 An intelligent line-following robot [1] Một quy trình hiệu chuẩn tự động cho cảm biến quang phản xạ sử dụng kỹ thuật điều chế độ rộng xung đề xuất xác minh Các toán khác phát dịng bình qn gia quyền nội suy bậc hai mô tả thử nghiệm so sánh cách sử dụng tảng tuyến tính theo quy trình hiệu chuẩn Bài báo cho thấy rằng thuật tốn tìm đường dẫn bình quân gia quyền tốt Ưu điểm: - Áp dụng tốt kĩ thuật calibration cho cảm biến quang dò line Calibration tinh chỉnh khoảng cách cảm biến quang mặt đường, đồng thời củng điều chỉnh khoảng trống cảm biến quang - Giá thành rẻ - Vận tốc trung bình robot nhanh: 1.3 m/s Hình 1.3 Giá trị trả cảm biến trước (trái) sau (phải) sau calibration[1] 1.2.1 Path planning of line follower robot [2] Sử dụng vi điều khiển LM3S811 làm điều khiển để phản ứng liệu nhận từ cảm biến đường hồng ngoại để mang lại chuyển động nhanh, trơn tru, Cảm biến Cảm biến Cảm biến Cảm biến Cảm biến Cảm biến b Xác định khoảng cách tới tâm đường line Từ giá trị analog cảm biến qua hiệu chuẩn, ta sử dụng phương pháp trung bình trọng số để xác định vị trí xe so với đường line Hình 4.12 Vị trí cảm biến ứng với trọng số cảm biến Theo phương pháp trung bình trọng số, tọa độ tâm đường line dọc theo cảm biến xác định công thức: ∑ −1 =0 = ∑ =0−1 44 Với n số cảm biến sử dụng L hệ số khuếch đại Số liệu x tìm ta khảo sát so sánh với khoảng cách thật từ tâm đường line để tìm hàm truyền cảm biến Tính số mấu cần lấy:  Khoảng cách dịch chuyển lần: 6mm/lần  Thời gian lần di chuyển cảm biến = 1s  Tổng khoảng cách dịch chuyển = 18*6 = 108 mm  Tổng thời gian : T= 108/6= 18 s => f = 1/18 Hz Tần số lấy mẫu fs >= 2*f = 2/18= 1/9 Hz N*dt = mT Chọn fs = Hz => dt = 1s => N = m*18/1= 18m Chọn m = Vậy số mẫu cần lấy 18 mẫu ứng với fs = Hz Lấy 23 mẫu ta xấp xỉ mối quan hệ trung bình trọng số sai số thực y = 1.5135x + 5.5558 với y sai số thực, x trung bình trọng số 45 Mối quan hệ trung bình trọng số độ lệch thực 80 y = 1.6211x + 1.4486 60 40 20 thựclệch -40 -30 Độ -20 -40 -60 -80 Trung bình trọng số Hình 4.13 Hàm xấp xỉ trung bình trọng số sai số thực Bảng số liệu ứng với đồ thị: Bảng 4.3 Dữ liệu calib cảm biến Trung bình trọng số -29.5 -30.2 -30.8 -33.28 -27 -26 -21.2 -20.14 -10.6 -10.42 -7.17 -5.9 -0.11 0.1 5.2 9.8 10.5 18.4 19.4 20.27 21.1 32.45 31.1 47 CHƯƠNG 5: THIẾT KẾ BỘ ĐIỀU KHIỂN 5.1 Yêu cầu điều khiển Thiết kế điều khiển thỏa mãn yêu cầu sau:  Bám line tốt, trọng tâm xe lệch tâm đường line < 10 mm  Thời gian hoàn thành đường line < 15 s  Vận tốc xe đoạn chạy thẳng đạt tốc độ tối đa vmax = m/s 5.2 Tín hiệu input dùng để điều khiển Cảm biến hồng ngoại trả giá trị analog 1024 mức Tìm hàm truyền cảm biến để tìm mối quan hệ giá trị analog với khoảng cách tâm cảm biến tâm đường line Theo kết hàm truyền cảm biến tìm mục 4.3 ta được: y = 1.5135x + 5.5558 Với: y khoảng cách tâm cảm biến tâm đường line x giá trị trung bình trọng số cảm biến 5.3 Giải thuật điều khiển Giải thuật điều khiển robot dò line gồm ba nội dung ứng với ba chương trình con:  Hiệu chuẩn giá trị cảm biến  Đọc giao lộ  Bám line 48 Hình 5.1 Chương trình 49 Chương trình hiệu chuẩn giá trị cảm biến: Hình 5.2 Chương trình hiệu chuẩn giá trị cảm biến 50 Chương trình đọc giao lộ: Hình 5.3 Chương trình đọc giao lộ Chương trình bám line: Hình 5.4 Chương trình bám line 51 5.4 Bộ điều khiển Sau mơ hình hóa hệ thống xe robot dị line, nhóm chọn thiết kế điều khiển PD tính đơn giản hiệu điều khiển Tín hiệu PWM cấp cho động PWMbase =190/255 = 75.5 % u = K error + K ∫ + Kd(error – last error) p i Trong error sai lệch khoảng cách tâm cảm biến tâm đường line  Nếu u < xe rẽ trái PWM trái = PWMbase - |u| PWM phải = PWMbase + |u|  Nếu u >0 xe rẽ phải PWM trái = PWMbase + |u| PWM phải = PWMbase - |u|  Nếu u =0 xe thẳng PWM trái = PWMbase PWM phải = PWMbase 5.5 Kết mô Sau thiết kế khiển PD trình bày bên trên, tiến hành lập trình phần mềm Matlab chạy mô Kết mơ xe dị line thể hình đây: 52 Hình 5.5 Quỹ đạo xe mơ Dựa vào đồ thị quỹ đạo trên, xe dò line hoàn thành hết đường đua với thời gian nhỏ thời gian quy định Do quỹ đạo vẽ dựa vào tọa độ điểm nằm hai bánh xe nên xe dừng đich đến (cảm biến dò line nhận giao lộ thứ 6), tồn khoảng cách đích điểm Hình 5.6 Vận tốc góc hai bánh xe trái (xanh) – phải (đỏ) 53 Từ đồ thị trên, ta nhận thấy đáp ứng nhanh chóng hai bánh xe xe tiến đến khúc cua quẹo gấp, đặc biệt điểm A xe phải cua gấp góc 90 Đồ thị vận tốc góc tồn dao động lớn, nhỏ thuật toán bám line Hình 5.7 Đồ thị vận tốc dài xe Nhận xét: Vận tốc dài tối đa xe lên đến > 1.2 m/s, thỏa mãn yêu cầu đặt ban đầu Vận tốc dài đoạn đường thẳng (A-C-E) tăng lên mức tối đa để xe nhanh chóng kết thúc đường đua, tối ưu hóa thời gian hồn thành 54 CHƯƠNG 6: THỰC NGHIỆM VÀ PHƯƠNG HƯỚNG PHÁT TRIỂN 6.1 Thực nghiệm Quỹ đạo robot thực nghiệm có hình dạng tương đồng với hình dạng sa bàn chứng tỏ giải thuật đề ban đầu hợp lý Tuy nhiên có đoạn robot khơng bám xác line bề mặt sàn có đoạn nhấp nhô cao làm sai lệch giá trị đọc cảm biến Hình 6.1 Quỹ đạo robot dị line thực nghiệm Đồ thị vận tốc dài robot thực nghiệm xuất nhấp nhô thực tế robot dò line bị ảnh hưởng nhiễu (ánh sáng thay đổi đột ngột, bề mặt line phản xạ khác nhau, ma sát bánh bề mặt,…) Vận tốc dài tối đa xe đạt thỏa yêu cầu đặt (vmax = 1.2 m/s) 55 Hình 6.2 Vận tốc dài robot thực nghiệm Vận tốc góc hai bánh thực nghiệm so với mơ phỏng: Hình 6.3 Tốc độ bánh xe thực nghiệm 56 Nhận xét: Vận tốc góc hai bánh xe vận tốc dài dao động liên nguyên nhân thực tế xe lắc để bám line nhiễu từ môi trường (bề mặt sa bàn nhấp nhơ, …) nhiễu tín hiệu encoder trả 6.2 Phương hướng phát triển: - Phát triển thuật toán tự hiểu chỉnh cảm biến thay đổi điều kiện hoạt động (bề mặt/ chất liệu sa bàn, ánh sáng trời,…) - Thiết kế mạch đo dung lượng pin lại để báo hết pin tự động nhằm tránh sử dụng cạn pin Ngoài ra, kết hợp với thuật toán điều chỉnh đáp ứng robot ổn định ứng với dung lượng pin - Điều khiển vận tốc đoạn đường khác để tối ưu thời gian hồn thành - Tích hợp chức tránh vật cản nhằm tránh va chạm gây hư hại phần cứng robot 57 Tài liệu tham khảo [1] Juing-Huei Su, C.-S L.-H.-H.-Y (2010) An intelligent line-following robot project for introductory robot courses World Transactions on Engineering and Technology Education [2] Mustafa Engin, D E (2012) PATH PLANNING OF LINE FOLLOWER ROBOT The 5th European DSP Education and Research Conference [3] Trần Q.Cường, Trần T.Phong (2012), Điều khiển robot dò đường sử dụng điều khiển PID kết hợp phương pháp PWM, Bulletin of Science & Technology, Tien Giang University, No.3, ISSN 1859-4530, Nov 2012 [4] Ebiesuwa O O, Adekunle Y A, Akinyemi L A, Oyerinde O D Line Follower Robot Using A Sophisticated Sensor Approach [5] GADHVI SONAL, PUNIT RANINGA, HARDIK PATEL (2017).Design and implementation of RGB color line following robot International Conference on Computing Methodologies and Communication [6] https://www.youtube.com/watch?v=POCpNmGhXfM [7] Deepak Punetha, Neeraj Kumar, Vartika Mehta Development and Applications of Line Following Robot Based Health Care Management System [8] https://www.instructables.com/id/Robot-Line-Follower [9] Pololu Corporation, Pololu AVR Library Command Reference, 2001–2015 https://www.pololu.com/docs/0J18 [10] brooksbots.com/Expressway.html [11] https://www.pololu.com/category/76/3pi-robot-and-accessories [12] http://brooksbots.com/FireBall.html [13] https://ktmt.uit.edu.vn/tin-tuc/tin-noi-bat/899-t-ng-k-t-cu-c-thi-it-car-racing-l-n-th- vi-nam-2017 58 ... phương án CHƯƠNG 3: TÍNH TỐN THIẾT KẾ Như trình bày trên, nhóm chọn cấu thiết kế sau: Hình 3.1 Cơ cấu thiết kế 3.1 Lựa chọn bánh xe Chọn bánh xe chủ động nhựa lốp cao su, bánh bị động bánh đa... khí: kết cấu xe, loại bánh xe  Phần điện: động cơ, cảm biến  Phần điều khiển: Cơ cấu điều khiển Lựa chọn phương án khí 2.1.1 Lựa chọn kết cấu xe Bảng 2.1 Phương án kết cấu xe Phương án Phương án. .. chọn kết cấu xe bánh dẫn động sau bánh bị động trước Hệ thống đơn giản dễ điều khiển, chế tạo đáp ứng tốt tiêu chí đề 2.1.2 Lựa chọn bánh bị động Có loại bánh tự thông dụng là: bánh tự lựa bánh