BÁO CÁO MÔN HỌC CÔNG NGHỆ PHẦN MỀM NHÚNG Đề tài XE TỰ HÀNH TRÁNH VẬT CẢN

HỌC VIỆN KỸ THUẬT MẬT MÃ KHOA CÔNG NGHỆ THÔNG TIN BÁO CÁO MÔN HỌC CÔNG NGHỆ PHẦN MỀM NHÚNG Đề tài: XE TỰ HÀNH TRÁNH VẬT CẢN Sinh viên thực hiện: NGUYỄN LÊ PHẠM Nhóm Giảng viên hướng dẫn: ThS Hà Nội, 10-202 MỤC LỤC DANH MỤC HÌNH VẼ i DANH MỤC BẢNG BIỂU ii DANH MỤC TỪ VIẾT TẮT iii LỜI MỞ ĐẦU TÓM TẮT ĐỀ TÀI CHƯƠNG TỔNG QUAN ĐỀ TÀI 1.1 Đặt vấn đề 1.2 Tính cấp thiết đề tài 1.3 Tình hình nghiên cứu 1.3.1 Tình hình nghiên cứu quốc tế 1.3.2 Tình hình nghiên cứu nước 1.4 Tổng kết chương CHƯƠNG CƠ SỞ LÝ THUYẾT VỀ ARDUINO 2.1 Giới thiệu 2.2 Lịch sử đời 2.3 Kiến trúc phần cứng Arduino 2.4 Thiết kế nguồn 2.4.1 Thiết kế mạch dao động 2.4.2 Thiết kế mạch reset 2.4.3 Thiết kế mạch nạp giao tiếp máy tính 2.5 Môi trường phát triển phần mềm Arduino 10 2.6 Tổng kết chương 10 CHƯƠNG THIẾT KẾ VÀ XÂY DỰNG HỆ THỐNG 11 3.1 Thiết kế phần cứng 11 3.1.1 Tổng quan phần cứng 11 3.1.1.4 Module điều khiển động L298 mạch cầu H 15 3.1.2 Thiết kế sơ đồ mạch 15 3.1.3 Nguyên lý hoạt động 15 3.2 Thiết kế phần mềm 16 3.2.1 Sơ đồ Use Case tổng quát 16 3.2.2 Đặc tả Use Case 16 3.2.3 Phân tích ca sử dụng 19 3.2.4 Sơ đồ thuật toán 19 3.3 Kết thực nghiệm 20 3.3.1 Code Arduino 20 3.3.2 Mơ hình thử nghiệm 21 3.3.3 Kết thử nghiệm 22 3.3.4 Nhận xét, đánh giá 22 KẾT LUẬN 23 TÀI LIỆU THAM KHẢO 24 PHỤ LỤC 25 DANH MỤC HÌNH VẼ Hình 2.1 Thiết kế nguồn Arduino Hình 2.2 Thiết kế mạch dao động Hình 2.3 Thiết kế mạch reset Hình 2.4 Thiết kế mạch nạp gia tiếp máy tính Hình 3.1 Các thành phần Arduino Uno R3 11 Hình 3.2: Cảm biến siêu âm HC-SR04 13 Hình 3.3 Động Servo 14 Hình 3.4 Module điều khiển động L298 mạch cầu H 15 Hình 3.5 Nguyên lý hoạt động module L298N mạch cầu H 15 Hình 3.6 Điều khiển động DC mạch cầu H 15 Hình 3.7 Sơ đồ nối mạch 15 Hình 3.8 Sơ đồ Use Case tổng quát 16 Hình 3.9 Biểu đồ trình tự “Đi thẳng” 19 Hình 3.10 Biểu đồ trình tự “Rẽ trái, Rẽ phải, Đi lùi” 19 Hình 3.11 Sơ đồ thuật toán 19 Hình 3.12 Code Arduino 20 Hình 3.13 Upload code Arduino 21 Hình 3.14 Mơ hình giả lập Proteus 21 Hình 3.15 Mơ hình xe tránh vật cản 22 i DANH MỤC BẢNG BIỂU Bảng 3.1 Các thông số Arduino Uno R3 12 Bảng 3.2 Các chân chức HC-SR04 13 Bảng 3.3 Đặc tả Use Case “Đi thẳng” 16 Bảng 3.4 Đặc tả Use Case “Đi lùi” 17 Bảng 3.5 Đặc tả Use Case “Rẽ trái” 17 Bảng 3.6 Đặc tả Use Case “Rẽ phải” 18 ii DANH MỤC TỪ VIẾT TẮT Từ viết tắt A DC EEPROM GND IC Từ đầy đủ Ampe Direct Current Electrically Erasable Programmable Read-Only Memory Ground Integrated Circuit ICSP In-Circuit Serial Programming IDE Integrated Development Environment LED/Led/led MHz MOSFET Light Emitting Diode Megahertz Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor PPM Pulse Position Modulation PWM Pulse Width Modulation RC RFID Radio-Controller Radio Frequency Identification RX Receiver SPI Serial Peripheral Interface SRAM TX UART Static random-access memory Transmitter Universal Asynchronous Receiver Transmitter USB Universal Serial Bus UC Use Case iii LỜI MỞ ĐẦU Trên giới trải qua ba cách mạng cơng nghiệp lớn Sau cách mạng, làm thay đổi giới tất mặt kinh tế, xã hội văn hóa Và giới bước vào cách mạng công nghiệp lần thứ tư Đây gọi cách mạng số, thông qua công nghệ Internet vạn vật (loT), trí tuệ nhân tạo (AI), thực tế ảo (VR), tương tác thực ảo (AR), mạng xã hội, điện tốn đám mây, phân tích liệu lớn (SMAC) số xe tự hành Các chuyên gia dự đoán, khoảng 15 đến 20 năm nữa, xe tự hành áp đảo phương tiện thịnh hành Hiện có nhiều tập đồn sản xuất xe cơng nghệ lớn giới tham gia vào chạy đua phát triển xe công nghệ tự lái thông minh (gọi tắt xe tự lái, xe tự hành) mà không cần đến bàn tay can thiệp người, có tên tuổi nối bật Tesla, Daimler hay Google Yếu tố quan trọng để xe tự động lái đuoc tránh vật cản Nhận thấy tầm quan trọng này, nên báo cáo nhóm nghiên cứu xe tự hành tránh vật cản, sử dụng cảm biến siêu âm để đo khoảng cách đến vật cản Để thực báo cáo nhóm sử dụng phần cứng board Arduino Uno nạp sẵn chương trình, kết hợp với cảm biến siêu âm HC-SR04 Nội dung báo cáo gồm phần: - Chương 1: Tổng quan đề tài - Chương 2: Cơ sở lý thuyết - Chương 3: Thiết kế xây dựng hệ thống - Kết luận Trong trình làm báo cáo, trình độ chun mơn cịn hạn chế điều kiện khơng thuận lợi nên khơng thể tránh khỏi sai sót, mong đóng góp thầy, bạn để báo cáo hoàn thiện Nhóm sinh viên thực TĨM TẮT ĐỀ TÀI Yêu cầu chung chức hệ thống - u cầu chung • Tính thực thi cao, có khả phát triển • Đảm bảo chất lượng, độ xác cao, làm việc lâu dài, bền bỉ • Tiết kiệm chi phí, linh kiện dễ kiếm dễ sử dụng dễ dàng thay xảy cố • Giảm thiểu chi phí, thời gian vận hành, bảo dưỡng sửa chữa - Chức năng: Xe có khả di chuyển tiến, lùi, rẽ trái, rẽ phải, dừng lại nhận khoảng cách tín hiệu từ cảm biến Phương án thiết kế • Linh kiện sử dụng Xe thiết kế với linh kiện cấu tạo sau đây: • Hai bánh xe gắn vào • cầu CHƯƠNG THIẾT KẾ VÀ XÂY DỰNG HỆ THỐNG 3.1 Thiết kế phần cứng 3.1.1 Tổng quan phần cứng 3.1.1.1 Arduino Uno R3 Một board mạch chủ dùng để truyền nhận liệu từ người sử dụng đến thiết bị điện tử khác Hình 3.1 Các thành phần Arduino Uno R3 * Các thành phần: Cáp USB: IC Atmega 16U2: Cổng nguồn ngoài: Cổng USB: Nút reset: ICSP ATmega 16U2: ICSP chữ viết tắt In-Circuit Serial Programming Arduino Chân xuất tín hiệu ra: Có tất băm xung (PWM), tức điều khiển tốc độ động độ sáng đèn IC ATmega 328: IC sử Chân ICSP ATmega 328: Các 10 Chân lấy tín hiệu Analog: Các chân 11 Chân cấp nguồn cho cảm biến: 12 Các linh kiện khác board Arduino Uno: * Các thông số bản: 11 Bảng 3.1 Các thông số Arduino Uno R3 12 3.1.1.2 Cảm biến siêu âm HC-SR04 Cảm biến siêu âm có chức để đo khoảng cách cách áp dụng cơng thức tính tốn khoảng cách dựa thời gian vận tốc sóng cao tần phát Hình 3.2: Cảm biến siêu âm HC-SR04 *Thơng số kĩ thuật: • Điện áp: 5V DC • Dịng hoạt động: < 2mA • Mức cao: 5V • Mức thấp: 0V • Góc tối đa: 15 độ • Khoảng cách: 2cm – 450cm (4.5m) • Độ xác: 3mm *Các chân chức năng: Bảng 3.2 Các chân chức HC-SR04 OUT Không sử dụng VCC Cấp nguồn cho cảm biến (5V) 3.3V cảm biến 3V3 TRIGGER Chân phát sóng âm Là chu kỳ của điện cao /thấp diễn ECHO Trạng thái ban dầu 0V, có tín hiệu trả 5V sau trở 0V 13 GND Nối cực âm mạch *Nguyên lí hoạt động: Để đo khoảng cách, ta phát xung ngắn (5 microSeconds) từ chân Trig Sau đó, cảm biến siêu âm tạo xung HIGH chân Echo nhận lại sóng phản xạ pin Chiều rộng xung với thời gian sóng siêu âm phát từ cảm biển quay trở lại Tốc độ âm khơng khí 340 m/s (hằng số vật lý), tương đương với 29,412 microSeconds/cm (106 / (340*100)) Khi tính thời gian, ta chia cho 29,412 để nhận khoảng cách 3.1.1.3 Khối động Servo - Servo dạng động điện đặc biệt Không giống động thông thường cắm điện vào quay liên tục, servo quay điều khiển (bằng xung PPM) với góc quay nằm khoảng từ 00 – 1800 Mỗi loại servo có kích thước, khối lượng cấu tạo khác Có loại nặng 9g (chủ yếu dùng máy bay mơ mình), có loại sở hữu momen lực bá đạo (vài chục Newton/m), có loại khỏe nhơng sắc chắn, Hình 3.3 Động Servo *Thơng số kĩ thuật: • Khối lượng • 14 *Nguyên lý hoạt động: - Động servo thiết kế y 3.1.1.4 Module điều khiển động L298 mạch cầu H Hình 3.4 Module điều khiển động L298 mạch cầu H *Thông số kỹ thuật: • Driver • *Nguyên lí hoạt động: - Chúng ta khoảng thời gian quy định Hình 3.5 Nguyên lý hoạt động module L298N mạch cầu H Vì vậy: Tùy thuộc cầu H: Mặt khác, để 3.1.2 Thiết kế sơ đồ mạch Hình 3.7 Sơ đồ nối mạch 3.1.3 Nguyên lý hoạt động n Hình 3.6 Điều khiển động DC mạch cầu H 15 3.2 Thiết kế phần mềm 3.2.1 Sơ đồ Use Case tổng quát Hình 3.8 Sơ đồ Use Case tổng quát 3.2.2 Đặc tả Use Case 3.2.2.1 Đặc tả UC “Đi thẳng” Bảng 3.3 Đặc tả Use Case “Đi thẳng” Use Case Actor Brief Description 16 Pre-conditions Basic Flows Alternative Flows Post-conditions 3.2.2.2 Đặc tả UC “Đi lùi” Bảng 3.4 Đặc tả Use Case “Đi lùi” Use Case Actor Brief Description Pre-conditions Basic Flows Alternative Flows Post-conditions 3.2.2.3 Đặc tả UC “Rẽ trái” Bảng 3.5 Đặc tả Use Case “Rẽ trái” Use Case 17 Actor Brief Description Pre-conditions Basic Flows Alternative Flows Post-conditions 3.2.2.4 Đặc tả UC “Rẽ phải” Bảng 3.6 Đặc tả Use Case “Rẽ phải” Use Case Actor Brief Description Pre-conditions Basic Flows Alternative Flows Post-conditions 3.2.2.5 Đặc tả UC “Dừng lại” Bảng 3.7 Đặc tả Use Case “Dừng lại” 18 Use Case Actor Brief Description Pre-conditions Basic Flows Alternative Flows Post-conditions 3.2.3 Phân tích ca sử dụng 3.2.3.1 Biểu đồ trình tự “Đi thẳng” Hình 3.9 Biểu đồ trình tự “Đi thẳng” 3.2.3.2 Biểu đồ trình tự “Rẽ trái, Rẽ phải, Đi lùi” Hình 3.10 Biểu đồ trình tự “Rẽ trái, Rẽ phải, Đi lùi” 3.2.4 Sơ đồ thuật tốn Hình 3.11 Sơ đồ thuật tốn *Mơ tả quy trình Khi bắt đầu, xe tính tốn khoảng cách vật cản phía trước • Nếu khoảng cách lớn 40cm, xe thẳng 19 • Nếu khoảng cách nhỏ 40cm, xe tính toán khoảng cách vật cản trái khoảng cách vật cản phải o Nếu hai khoảng cách trái, phải nhỏ 40cm, xe lùi, sau dừng lại o Nếu không, xe so sánh khoảng cách vật cản trái khoảng cách vật cản phải:  Nếu khoảng cách vật cản phải lớn hơn, xe rẽ phải  Nếu khoảng cách vật cản trái lớn hơn, xe rẽ trái 3.3 Kết thực nghiệm 3.3.1 Code Arduino Hình 3.12 Code Arduino - Tiến hành upload(nạp) code: 20 Hình 3.13 Upload code Arduino 3.3.2 Mơ hình thử nghiệm 3.3.2.1 Mơ hình giả lập Proteus Hình 3.14 Mơ hình giả lập Proteus 21 3.3.2.2 Mơ hình thực tế Hình 3.15 Mơ hình xe tránh vật cản 3.3.3 Kết thử nghiệm Video thử nghiệm đính kèm với tài liệu 3.3.4 Nhận xét, đánh giá - Xe chạy với thuật toán đề - Xe có khả xoay sở khơng gian hẹp - Tốc độ xe không nhanh đấu nối nguồn chưa thực tốt 22 KẾT LUẬN Kết đạt - Hạn chế - kiện Hướng phát triển - tế) 23 TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] ThS Trần Vĩnh Tường, “Tổng quan Arduino”, Giáo trình Chuyên đề Arduino truyền thông (Nghề: CNKT Điện tử, truyền thông) – CĐ Kinh tế Kỹ thuật TP.HCM, tr 6-9, 2020 [2] https://www.arduino.cc/en/main/docs 24 PHỤ LỤC Chương trình Tránh vật cản void Tranh_Vat_Can(byte KC_choPhep) 25