TỔNG QUAN VỀ ĐỀ TÀI
Giới thiệu đề tài
Ngành công nghiệp tự động hóa đang dần có vai trò quan trọng trong lĩnh vực kinh tế và đời sống trong thời đại 4.0 như hiện nay.
Với sự phát triển nhanh chóng của công nghệ điện tử và trí tuệ nhân tạo, robot ngày càng trở thành một phần quan trọng trong cuộc sống hiện đại Chúng không chỉ giúp giảm bớt sức lao động và thời gian làm việc, mà còn nâng cao năng suất và giảm thiểu rủi ro tai nạn lao động Robot tự động đáp ứng nhu cầu của con người và mở ra hướng nghiên cứu, phát triển mới trong lĩnh vực robotic.
Robot đóng vai trò quan trọng trong việc hỗ trợ con người thực hiện các nhiệm vụ trong những môi trường khắc nghiệt và nguy hiểm, nơi mà con người gặp khó khăn khi làm việc Chúng không chỉ giúp giám sát mà còn mang lại những kết quả chính xác, nâng cao hiệu quả công việc.
Lập trình thiết kế robot dò đường và bám vạch cho phép robot di chuyển theo quỹ đạo đã được xác định trước Loại robot này có ứng dụng thực tiễn trong việc vận chuyển hàng hóa và nhu yếu phẩm, giúp tiết kiệm nguồn nhân lực và chi phí vận chuyển một cách tối đa.
Mục đích nghiên cứu
Robot đang ngày càng phổ biến và thay thế con người trong các công việc nặng nhọc, tốn sức và nguy hiểm Trong kỷ nguyên kỹ thuật số hiện nay, robot tự động trở nên đa dạng, phức tạp và linh hoạt, có khả năng ứng dụng trong nhiều lĩnh vực khác nhau, đặc biệt là trong những nhiệm vụ nguy hiểm như thăm dò lòng đất, thăm dò đại dương, vận chuyển đường dài và tự hành trên không.
Robot dò đường bám vạch là một loại robot tự hành chuyên dùng để vận chuyển, thường được ứng dụng trong các cuộc thi khoa học kỹ thuật dành cho sinh viên tại nhiều trường đại học.
Để giúp mọi người hiểu rõ hơn về robot, đặc biệt là robot di động bám vạch, tôi đã chọn nghiên cứu đề tài này trong đồ án của mình.
Đối tượng nghiên cứu
- Mạch điều khiển động cơ
Phạm vi nghiên cứu
Nghiên cứu trong lĩnh vực học tập cho thấy việc sử dụng xe bám vạch theo đường đen trên địa hình bằng phẳng giúp duy trì liên tục mà không bị gián đoạn Điều này không chỉ phục vụ cho mục đích học tập và nghiên cứu phổ thông mà còn tạo nền tảng cho các ứng dụng thực tiễn trong lĩnh vực vận chuyển và giám sát đường dài theo quỹ đạo đã được xác định.
Dự kiến kết quả
- Hoàn thành thiết kế được mô hình mobile robot bám vạch bằng vi điều khiển PIC16F877A.
- Chạy thực nghiệm thành công.
CƠ SỞ LÝ THUYẾT
Giới thiệu về mobile robot dò line, bám vạch
Robot dò line được sử dụng rộng rãi trong công nghệ và trong đời sống hàng ngày, giúp nhận biết và di chuyển theo đường đi đã được xác định Mặc dù chỉ là một ứng dụng nhỏ, nhưng nó là nền tảng cho việc phát triển các dự án lớn hơn Các ứng dụng mở rộng của robot dò line bao gồm robot vận chuyển công nghiệp và robot tránh vật cản.
Các loại robot dò line thường gặp
+ Kết cấu xe: 2 bánh xe chủ động và 1 bánh xe đa hướng
+ Ưu điểm : Kết cấu đơn giản, đi qua các đoạn cua dễ dàng, các bánh xe đồng phẳng tiếp xúc với mặt đất, xe khó văng ra khỏi vạch
+ Nhược điểm: đối với loại xe bánh xe đa hướng phía trước tự lựa nên xe dễ bị văng ra khỏi đường vạch, không ổn định.
+ Kết cấu xe: 2 bánh xe chủ động và 2 bánh xe đa hướng
+ Ưu điểm: Kết cấu đơn giản, vững chắc vì có 4 bánh xe
+ Nhược điểm: khó đảm bảo 4 bánh hoạt động cân đối đồng phẳng, khi qua cua rất khó khăn do có đến 2 bánh xe đa hướng.
Trong đồ án lần này, em chọn Robot dò line 3 bánh có bánh xe đa hướng phía sau.
Các linh kiện để xây dựng một robot dò line
Sau khi nghiên cứu và tìm hiểu, em đã lựa chọn các thiết bị:
- Cảm biến dò line đơn TCRT5000 - Fc123 (3 chân)
- Mạch điều khiển động cơ L298
- Một công tắc bập bênh
- Điện trở và tụ gốm
PIC, viết tắt của Programmable Intelligent Computer, có nghĩa là "máy tính thông minh khả trình" Thuật ngữ này bắt nguồn từ vi điều khiển PIC đầu tiên, PIC1650, do hãng General Instrument phát triển Sau đó, hãng Microchip đã tiếp tục phát triển dòng vi điều khiển PIC, cho ra đời gần 100 loại khác nhau cho đến nay.
PIC 16F877A là một vi điều khiển 40 chân phổ biến trong các dự án nhúng, với năm cổng từ A đến E Nó bao gồm ba bộ định thời, trong đó có hai bộ định thời 8 bit và một bộ định thời 16 bit Vi điều khiển này hỗ trợ nhiều giao tiếp như giao thức nối tiếp, song song và I2C, đồng thời cung cấp khả năng xử lý ngắt chân phần cứng và ngắt bộ định thời.
Hình 2 2 Sơ đồ chân PIC16F877A Thông số kĩ thuật của PIC 16F877A
- Kích thước bộ nhớ: 14 Kbyte.
- Tốc độ CPU tối đa (MHZ) : 20
- Nhiệt độ hoạt động tối thiểu: -40oC.
- Nhiệt độ hoạt động tối đa: 125oC
- Điện áp hoạt động tối thiểu: 2V.
- Điện áp hoạt động tối đa: 5.5V.
Nạp chương trình cho PIC
Nạp trực tiếp sử dụng mạch nạp là phương pháp phổ biến, với hai thiết bị thường gặp là PICKIT và BURNE Mạch nạp PICKIT nổi bật với độ ổn định cao nhưng chỉ tương thích với các dòng vi điều khiển PIC và DSPIC Trong khi đó, mạch nạp BURNE có khả năng nạp cho nhiều loại vi điều khiển khác nhau, bao gồm cả PIC và AVR.
- Nạp qua Bootloader: có thể tải chương trình Bootloader và nạp cho PIC 1 lần, sau đó có thể nạp chương trình qua cổng UART tiện lợi.
PIC16F877a có tổng cộng 5 Cổng là:
Cổng A bao gồm 6 chân, bắt đầu từ chân số 2 đến chân số 7, được ký hiệu từ RA0 đến RA5 Trong đó, RA0 là ký hiệu cho chân đầu tiên của Cổng A.
Cổng B: có tổng cộng 8 chân bắt đầu từ chân số 33 đến chân số 40 Các chân cổng
B được ký hiệu từ RB0 đến RB7 trong đó RB0 là ký hiệu của chân đầu tiên của cổng B.
Cổng C có tổng cộng 8 chân, với bốn chân đầu tiên nằm từ chân số 15 đến chân số 18 và bốn chân cuối cùng từ chân số 23 đến chân số 26 Các chân của cổng C không được sắp xếp thẳng hàng với nhau.
Cổng D bao gồm 8 chân không thẳng hàng, với bốn chân đầu tiên nằm từ chân số 19 đến chân số 22 và bốn chân cuối cùng từ chân số 27 đến chân số 30.
Cổng E: có tổng cộng 3 chân bắt đầu từ chân số 8 đến chân số 10 Các chân cổng
E được ký hiệu từ RE0 đến RE2 trong đó RE0 là ký hiệu của chân đầu tiên của cổng E.
PIC16F877A sở hữu 8 nguồn ngắt, cho phép xử lý nhiều sự kiện khác nhau Các nguồn ngắt này có thể đến từ bộ đếm thời gian, như ngắt được tạo ra mỗi giây, hoặc từ sự kiện thay đổi trạng thái chân, nơi ngắt sẽ được kích hoạt khi có sự thay đổi trên chân.
Vì vậy, ngắt PIC16F877a có thể được tạo ra bằng 8 cách sau:
- Thay đổi trạng thái cổng B
- Cổng Slave Song song Đọc/Ghi
2.2.2 Giới thiệu về cảm biến hồng ngoại: Cảm biến dò line đơn TCRT5000 - FC123
Hình 2 3 Cảm biến hồng ngoại TCRT5000 - FC123 Nguyên lý hoạt động:
Khi cảm biến phát hiện chướng ngại vật trong khoảng cách 2 ~ 30cm với góc 35°, đèn LED màu xanh lá cây sẽ sáng và cổng ra sẽ phát tín hiệu thấp Khoảng cách phát hiện có thể được điều chỉnh thông qua Potentiometer; xoay theo chiều kim đồng hồ sẽ tăng độ nhạy và khoảng cách phát hiện, trong khi xoay ngược chiều kim đồng hồ sẽ giảm khoảng cách phát hiện.
- Cổng ra module cảm biến OUT có thể được kết nối trực tiếp với vi điều khiển
IO hoặc một module relay 5v; Kết nối: VCC-VCC; GND-GND; OUT-IO
- Bộ so sánh LM393, ổn định;
- Nguồn cấp 3-5V DC Khi bật nguồn, đèn báo nguồn màu đỏ sáng
- Được thiết kế lỗ vít 3mm để lắp đặt cố định dễ dàng
- Bảng mạch kích thước: 3.2CM * 1.4CM
- Chân kết nối: VCC/OUT/GND
- Ngõ ra của tín hiệu khi robot thấy vạch (tức màu trắng) thì ngõ ra sẽ ở trạng thái là mức logic 0 (LOW), ngược lại sẽ là mức cao.
Nguyên lí của dò line:
Khi bề mặt phản xạ ánh sáng, mắt sẽ thu nhận tín hiệu từ phản xạ đó Điều này giúp chúng ta xác định tín hiệu và tạo ra vùng sáng cụ thể Những bề mặt này gần như phản xạ hoàn toàn ánh sáng chiếu vào chúng.
Hình 2 4 Khi có tín hiệu phản xạ
Khi bề mặt không phản xạ ánh sáng, mắt không nhận được tín hiệu phản xạ, dẫn đến việc không thể xác định được vùng tối Những bề mặt này hấp thụ hầu hết ánh sáng đi qua, tạo ra một không gian tối hoàn toàn.
2.2.3 Module điều khiển động cơ L298N
Hình 2 6 Module điều khiển động cơ L298N
Module điều khiển động cơ L298N sử dụng chip cầu H, cho phép điều khiển tốc độ và chiều quay của động cơ DC một cách dễ dàng Ngoài ra, module này còn có khả năng điều khiển một động cơ bước lưỡng cực Mạch cầu H của IC L298N hoạt động hiệu quả trong dải điện áp từ 5V đến 35V.
Module L298N có tích hợp một IC nguồn 78M05 để tạo ra nguồn 5V để cung cấp cho các thiết bị khác.
Thông số kĩ thuật của Module điều khiển động cơ L298N
- Driver: L298N tích hợp hai mạch cầu H
- Dòng tối đa cho mỗi cầu H: 2A
- Điện áp tín hiệu điều khiển: +5 V ~ +7 V
- Dòng tín hiệu điều khiển: 0 ~ 36mA
- Công suất hao phí: 20W (khi nhiệt độ T = 75 )℃)
Hình 2 7 Sơ đồ chân của L298N
1 DC motor 1 “+” hoặc stepper motor A+.
2 DC motor 1 “-” hoặc stepper motor A-.
3.12V jumper – tháo jumper này nếu sử dụng nguồn trên 12V cấp vào chân 4 Jumper này dùng để cấp nguồn cho IC ổn áp tạo ra nguồn 5V nếu nguồn trên 12V sẽ làm cháy IC 78M05.
4 Cấp dương nguồn cho motor vào đây từ 6V đến 35V.
5 Cắm chân GND (đất, cực âm) của nguồn vào đây.
6 Nguồn ra 5V, nếu jumper (3) được cắm thì có nguồn ra 5V ở đây.
7 Chân Enable của Motor 1, chân này cũng dùng để cấp xung PWM cho motor Nếu điều khiển tốc độ thì rút jumper ra và cắm chân PWM của VĐK vào đây Giữ nguyên khi dùng với động cơ bước.
12 Chân Enable của Motor 2, chân này cũng dùng để cấp xung PWM cho motor Nếu điều khiển tốc độ thì rút jumper ra và cắm chân PWM của VĐK vào đây Giữ nguyên khi dùng với động cơ bước.
13 DC motor 2 “+” hoặc stepper motor B+.
14 DC motor 2 “-” hoặc stepper motor B-. Động cơ DC và bánh xe:
Động cơ DC hoạt động hiệu quả khi được cung cấp nguồn từ 3V đến 5V Khi nguồn điện được cấp ngược, động cơ sẽ quay theo chiều ngược lại, trong khi khi nguồn điện được cấp thuận, động cơ sẽ quay theo chiều thuận.
- Điện áp hoạt động : 39VDC
- Dòng điện tiêu thụ: 110-200mA
- Số vòng/1phút: 50 vòng/ 1 phút tại 3VDC 83 vòng/ 1 phút tại 5VDC.
THIẾT KẾ VÀ THI CÔNG
Mạch nguyên lí Proteus
Hình 3 1 Mạch nguyên lí của mobile robotThiết kế mạch gồm PIC16F877A, module điều khiển động cơ L298, cảm biến hồng ngoại, động cơ, xung, nguồn, …
Mạch PCB layout
Hình 3 2 Mạch PCB layout Xuất file:
Kết quả mô phỏng
Mạch mô phỏng quá trình dò line đơn giản dùng 5 cảm biến hồng ngoại:
Cảm biến hồng ngoại tích cực ở mức thấp (0), nên tìm thấy line thì tín hiệu Output sẽ ở mức low (0) , không có line thì tín hiệu Output mức high (1)
- Các trường hợp tìm thấy vạch line cơ bản:
Lúc này, 3 cảm biến hồng ngoại ở giữa tìm thấy đường vạch, 2 động cơ cùng lúc hoạt động hướng mobile robot đi thẳng và bám line
Hình 3 5 Vạch line chính giữa + Khi line bên trái: (00011)
Khi 3 cảm biến hồng ngoại bên trái nhận tín hiệu line, mobile robot sẽ được điều hướng để rẽ sang trái Lúc này, động cơ DC bên trái sẽ giảm tốc độ, trong khi động cơ DC bên phải quay để hỗ trợ xe rẽ sang bên trái.
Hình 3 6 Vạch line bên trái + Khi line nằm bên phải:
Khi ba cảm biến hồng ngoại bên phải phát hiện tín hiệu line, mobile robot sẽ được điều hướng để rẽ sang phải Lúc này, động cơ DC bên phải sẽ giảm tốc độ, trong khi động cơ DC bên trái sẽ quay để hỗ trợ xe rẽ sang bên phải.
Hình 3 7 Vạch line bên phải + Khi không dò thấy line
Lúc này cả 5 cảm biến không tìm thấy line, 2 động cơ DC quay nghịch làm cho mobile robot di chuyển lùi về phía sau.
Hình 3 8 Không thấy vạch line Ngoài 3 trường hợp dò line trên thì có những trường hợp cũng tương tự, không quá khác biệt:
Các trường hợp này sẽ nói rõ hơn trong Code lập trình.
GIẢI THUẬT VÀ ĐIỀU KHIỂN
Sơ đồ khối
Hình 4 1 Sơ đồ khối của hệ thống
Lưu đồ giải thuật
Hình 4 2 Lưu đồ giải thuật
Phần điều khiển
Hình 4 3 Khai báo các biến và khởi tạo các hàm điều khiển động cơ bằng PWM
Hình 4 4 Khởi tạo động cơ thuận – nghịch
Hình 4 5 Khởi tạo tốc độ động cơCác trường hợp tìm thấy line:
Hình 4 6 Các trường hợp thấy line
Hình 4 7 Khởi tạo các port
THỰC NGHIỆM
Tiến hành thực nghiệm
- Lắp các linh kiện đã chuẩn bị theo sơ đồ mạch Hoàn thành mô hình hoàn chỉnh.
- Vẽ line trên mặt phẳng và tiến hành để mobile robot hoạt động thực nghiệm.
Hình 5 2 Mô hình mobile robot hoàn chỉnh Kết quả thực nghiệm:
- Mobile robot hoạt động và bám vào line được
- Qua được những khúc cua
Hình 5 3 Bắt đầu rẽ trái
Hình 5 4 Rẽ trái thành công
