ĐỒ án tốt NGHIỆP đề tài hệ THỐNG XE tự HÀNH

HỌC VIỆN CƠNG NGHỆ BƯU CHÍNH VIỄN THƠNG KHOA KỸ THUẬT ĐIỆN TỬ - - ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP Đề tài: HỆ THỐNG XE TỰ HÀNH Giảng viên hướng dẫn: Nguyễn Quý Sỹ Sinh viên thực hiện: Vũ Văn Minh Mã sinh viên: B18DCDT159 Lớp: D18DTMT2 Hà Nội, 2022 TIEU LUAN MOI download : skknchat123@gmail.com moi nhat ĐỀ CƯƠNG ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP ĐẠI HỌC Họ tên sinh viên: Vũ Văn Minh Lớp: D18DTMT2 Khoá: 2018 – 2023 Ngành đào tạo: Kỹ thuật Điện – Điện tử Hệ đào tạo: Đại học quy Tên đồ án/khoá luận tốt nghiệp: “Hệ thống xe tự hành” 2.Lý chọn đề tài: Đất nước ta giai đoạn cơng nghiệp hố đại hoá Để tiến kịp nước khu vực giới, công nghiệp nước nhà cần tiếp cận công nghệ thiết bị đại Kĩ thuật robot ứng dụng rộng rãi nhiều lĩnh vực nhiều nước, đem lại hiệu to lớn sản xuất công nghiệp, quốc phòng y tế, xã hội AVG loại robot sử dụng nước ngành công nghiệp dùng để giúp người vận chuyển hàng hoá cách tự động theo học lệnh yêu cầu người sử dụng Tuy nhiên, Việt Nam cơng nghệ chưa áp dụng nhiều thực tế Vì thế, đề tài hay mà em lựa chọn để nghiên cứu phát triển 3.Nội dung đồ án: Chương 1: Tổng quan hệ thống xe tự hành Chương 2: Các sở lý thuyết Chương 3: Thiết kế hệ thống 4.Cơ sở liệu ban đầu: Môn học: Hệ thống nhúng, Kỹ thuật vi xử lý, CAD/CAM, Các nghiên cứu tính chất MIMO (Multi – Input Multi - Output), Bộ lọc Kalman, Thuật toán điều khiển PID,… 5.Ngày giao đề tài: ./ ./20… 6.Ngày nộp quyển: / /20 GIẢNG VIÊN HƯỚNG DẪN SINH VIÊN THỰC HIỆN (Ký, ghi rõ họ tên) (Ký, ghi rõ họ tên) TRƯỞNG KHOA (Ký, ghi rõ họ tên) TIEU LUAN MOI download : skknchat123@gmail.com moi nhat NHẬN XÉT CỦA GIẢNG VIÊN HƯỚNG DẪN NỘI DUNG ĐỒ ÁN: - HÌNH THỨC TRÌNH BÀY: Thuyết minh: Bản vẽ: NHẬN XÉT KHÁC: Ý KIẾN ĐÁNH GIÁ: Ngày tháng năm 2022 Giáo viên hướng dẫn (ký tên) TIEU LUAN MOI download : skknchat123@gmail.com moi nhat TIEU LUAN MOI download : skknchat123@gmail.com moi nhat LỜI MỞ ĐẦU TIEU LUAN MOI download : skknchat123@gmail.com moi nhat MỤC LỤC LỜI MỞ ĐẦU Danh mục hình ảnh CHƯƠNG I: TỔNG QUAN VỀ XE CÂN BẰNG HAI BÁNH THÔNG MINH 1.Thế xe hai bánh tự cân (two wheel self balancing) 2.Ưu nhược điểm xe hai bánh tự cân 2.1 Ưu điểm xe tự cân hai bánh 2.2 Nhược điểm xe 3.Một số dạng xe hai bánh tự cân dung robot 3.1 nBot 3.2 Balance bot CHƯƠNG CÁC CƠ SỞ LÝ THUYẾT 1.Đặc tính động lực học 1.1 Mơ hình hóa robot bánh tự cân địa hình 2.Bộ lọc Kalman 2.1 Giới thiệu lọc Kalman 2.2 Quá trình ước lượng 2.3 Bản chất xác suất lọc 2.4 Thuật toán Kalman rời rạc 3.Giải thuật điều khiển 3.1 Bộ điều khiển PID 3.2 Cấu trúc điều khiển PID cho robot hai bánh tự cân 4.Các thành phần mơ hình 4.1 Mạch Điều Khiển Động Cơ Bước A4988 4.2 Vi điều khiển STM32F103C8T6 4.3 Kit ESP32 DOIT DevKit V1 4.4 Bánh xe 4.5 Mạch Giảm Áp DC XL4015 (5A) 4.6 Mạch Giảm Áp DC LM2596 3A 4.7 Pin cell 18650 2000mAh 4.8 Trụ đồng đực 20mm 4.9 Hộp đế pin 18650 cell 4.10 Cảm biến gia tốc GY-521 6DOF IMU MPU6050 TIEU LUAN MOI download : skknchat123@gmail.com moi nhat 4.10 Cảm biến siêu âm (HC – SRF04) CHƯƠNG THIẾT KẾ HỆ THỐNG Thiết kế phần cứng Thiết kế khí Kết nối phần cứng Bộ lọc Kalman Lưu đồ giải thuật điều khiển CHƯƠNG KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN Kết đạt Những hạn chế hướng phát triển 2.1 Hạn chế 2.2 Hướng phát triển TÀI LIỆU THAM KHẢO TIEU LUAN MOI download : skknchat123@gmail.com moi nhat Danh mục hình ảnh Hình 1: Hình ảnh xe tự hành thực tế Hình 2: Xe tự hành thực tế nghiên cứu sản xuất .10 Hình 3: Mơ hình cấu trúc xe AGV 11 Hình 4:Hệ trục toạ độ cho phương trình chuyển động hệ thống 11 Hình 5: Xe di chuyển đoạn ds tròn thời gian lấy mẫu 14 Hình 6: Quy trình thực lọc Kalman 17 Hình 7: Tổng quan chu trình thực lọc Kalman hồn chỉnh .18 Hình 8: Sơ đồ hệ thống điều khiển sử dụng PID 19 Hình 9: Ảnh hưởng thông số điều khiển PID đến hệ thống 20 Hình 10: Cấu trúc điều khiển PID cho hệ robot hai bánh tự cân 20 Hình 11: Mạch điều khiển động bước A4988 22 Hình 12: Bảng cấu hình chân tạo độ phân giải bước module A4988 .22 Hình 13: Sơ đồ chân trình điều khiển A4988 23 Hình 14: Kit phát triển STM32F103C8T6 Blue Pill ARM Cortex-M3 24 Hình 15: Board kit phats triển ESP32 DOIT DevKit V1 26 Hình 16: Bánh xe 65mm khớp lục giác 27 Hình 17: Mạch giảm áp DC XL4015 (5A) 27 Hình 18: Mạch giảm áp DC LM2596 3A 28 Hình 19: Pin cell 18650 2000mAh 28 Hình 20: Trụ đồng đực 20mm 28 Hình 21: Hộp để pin 18650 cell 29 Hình 22: Cảm biến siêu âm (HC-SR04) 29 Hình 23: Sơ đồ xung SR05 30 Hình 24: Động step size 42 ngắn(NEMA17HS3401S) 30 Hình 25: Cánh tay robot bậc 31 TIEU LUAN MOI download : skknchat123@gmail.com moi nhat CHƯƠNG I: TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG XE TỰ HÀNH Xe tự hành Hình 1: Hình ảnh xe tự hành thực tế Xe tự hành hay gọi AGV (Tên tiếng anh Automated Guided Vehicle), dạng phương tiện di chuyển tự động từ địa điểm đến địa điểm khác để chở trọng tải, thường trình sản xuất Chúng không điều hành người vận hành hoạt động điều kiện bình thường Phương pháp di chuyển liên quan đến dây dẫn hướng, cảm biến tín hiệu điện, cảm biến đọc ánh sáng Mỗi loại hệ thống hướng dẫn có chi phí lợi ích cần phân tích cẩn thận trước thiết kế hệ thống cụ thể để giữ cho AGV hướng Chúng sử dụng nhiều ngành công nghiệp khác từ hệ thống phân phối thuốc bệnh viện đến xử lý vật liệu nặng kho 2.Xe tự hành hoạt động nào? Xe tự hành hoạt động cách sử dụng số phương pháp khác tuân theo nguyên tắc để xe hoạt động, xe theo đường cảm biến đưa phản hồi cho hệ thống điều khiển 2.1 Định tuyến dựa dây Một hệ thống để giữ cho xe tự hành hướng đặt sợi dây bê tơng để phát tín hiệu vơ tuyến cho xe chạy theo Một rãnh nông cắt dọc theo đường dự định nhà kho nơi xe dự định hoạt động Một dây có khả tạo tín hiệu cho AGV theo nhúng vào sàn Sau xác định đường đi, cảm biến xe sử dụng để phát tín hiệu truyền từ dây Đây hệ thống TIEU LUAN MOI download : skknchat123@gmail.com moi nhat ∫ y (t ) dt= y ( k )≈ y (k −1)+ 22 Phép biến đổi rời rạc (z-Tranform) ∞ X [ z ]=Z {x [k ]}=∑ x [k ] z−k k=0 z= Ae jθ= A (cos θ+ J sin θ) Ta có Z {x [ k−n ]}=z−n X [z ] Z {x [k ]}=X [z ] Do đó: ( y ) k = Và y (k )= y (k −1) U [ z] E =K [ z] ⇔ p U [z ] = E[z] U [z ] ⇔ E[z] = U [z ] ⇔ E[z] ⇔ U [z ]=z−1 U [z ]+ aE [ z ]+b z−1 E [z ]+c z−2 E [z ] ⇔ u [k ]=u [k−1 ]+ae [ k ]+ be [k−1 ]+ce [k −2] Trong đó: a=K p + Ki = [2.53] [2.54] [2.55] [2.56] [2.57] [2.60] [2.61] [2.62] [2.58] [2.59] TIEU LUAN MOI download : skknchat123@gmail.com moi nhat Các thành phần mơ hình 4.1 Mạch Điều Khiển Động Cơ Bước A4988 THƠNG SỐ KỸ THUẬT Công suất ngõ lên tới 35V, dịng đỉnh 2A Có chế độ: Full bước, ½ bước, ¼ bước, 1/8 bước, 1/16 bước Điểu chỉnh dịng triết áp, nằm bên Current Limit = VREF × 2.5 Tự động ngắt điện nhiệt Trình điều khiển cung cấp năm độ phân giải bước khác nhau: bước đầy đủ, bước cao hơn, bước phần tư, bước tám bước thứ mười sáu Ngoài ra, có chiết áp để điều chỉnh đầu tại, ngắt nhiệt nhiệt bảo vệ dòng điện chéo 23 TIEU LUAN MOI download : skknchat123@gmail.com moi nhat Hình 12: Bảng cấu hình chân tạo độ phân giải bước module A4988 Điện áp logic từ đến 5,5 V dịng điện tối đa pha 2A cung cấp làm mát bổ sung tốt dòng điện liên tục 1A pha mà không cần tản nhiệt làm mát CÁCH SỬ DỤNG Lựa chọn chế độ full hay ẵ hay ẳ s c thụng qua pin MS1 MS2 MS3 Mình thường nối thẳng pin với công tắc bit 3p để dễễ̃ thiết lập từ phần cứng Lưu ý thả pin tức mode full step Bật tắt động thơng qua pin ENABLE, mức LOW bật module, mức HIGH tắt module Điều khiển chiều quay động thông qua pin DIR Điều khiển bước động thông qua pin STEP, xung tương ứng với bước (hoặc vi bước) Hai chân Sleep với Reset ln nối với Hình 13: Sơ đồ chân trình điều khiển A4988 Bây quan sát sơ đồ chân trình điều khiển kết nối với động bước điều khiển Vì vậy, chúng tơi bắt đầu với chân phía bên phải nút để cấp nguồn cho trình điều khiển, chân VDD Ground mà cần kết nối chúng với nguồn điện từ đến 5,5 V trường hợp chúng tơi, điều khiển chúng tôi, Arduino Bo mạch cung cấp V chân sau dùng để 24 TIEU LUAN MOI download : skknchat123@gmail.com moi nhat kết nối động Các chân 1A 1B kết nối với cuộn dây động chân 2A 2B với cuộn dây khác động Để cấp nguồn cho động cơ, sử dụng chân tiếp theo, Ground VMOT, cần kết nối chúng với Nguồn điện từ đến 35 V cần sử dụng tụ tách có 47 µF để bảo vệ bo mạch điều khiển khỏi tăng điện áp Hai chân tiếp theo, Step Direction chân mà thực sử dụng để điều khiển chuyển động động Chân Direction điều khiển hướng quay động cần kết nối với chân kỹ thuật số vi điều khiển chúng tôi, trường hợp chúng tơi, tơi kết nối với chân số Bảng Arduino Với chân Step, điều khiển bước động với xung gửi đến chân này, động di chuyển bước Vì vậy, điều có nghĩa khơng cần lập trình phức tạp nào, bảng thứ tự pha, đường điều khiển tần số, v.v., trình biên dịch tích hợp Trình điều khiển A4988 đảm nhiệm thứ Ở cần đề cập chân không kéo đến điện áp bên trong, khơng nên để chúng trơi chương trình Tiếp theo Pin SLEEP mức logic thấp đặt bo mạch chế độ nghỉ để giảm thiểu tiêu thụ điện động không sử dụng Tiếp theo, chân ĐẶT LẠI đặt dịch sang trạng thái Trang chủ xác định trước Trạng thái nhà Vị trí microstep nhà nhìn thấy từ Hình từ Biểu liệu A4988 Vì vậy, vị trí ban đầu từ nơi động khởi động chúng khác tùy thuộc vào độ phân giải microstep Nếu trạng thái đầu vào cho chân mức logic thấp tất đầu vào STEP bị bỏ qua Chân Reset chân nên khơng có ý định điều khiển chương trình mình, cần kết nối với chân SLEEP để đưa lên cao kích hoạt bo mạch 4.2 Vi điều khiển STM32F103C8T6 25 TIEU LUAN MOI download : skknchat123@gmail.com moi nhat Hình 14: Kit phát triển STM32F103C8T6 Blue Pill ARM Cortex-M3 - STM32F103C8T6 vi điều khiển 32bit, thuộc họ F1 dòng chip STM32 hãng ST - Lõi ARM COTEX M3 - Tốc độ tối đa 72Mhz - Bộ nhớ : 64 kbytes nhớ Flash 20 kbytes SRAM - Clock, reset quản lý nguồn Điện áp hoạt động từ 2.0 → 3.6V Sử dụng thạch anh từ 4Mhz → 20Mhz Thạch anh nội dùng dao động RC mode 8Mhz 40Khz - Chế độ điện áp thấp: Có mode: ngủ, ngừng hoạt động hoạt động chế độ chờ Cấp nguồn chân Vbat pin để dùng RTC sử dụng liệu lưu trữ nguồn cấp - ADC 12 bit với kênh cho Khoảng giá trị chuyển đổi từ – 3.6 V Có chế độ lấy mẫu kênh nhiều kênh - DMA: kênh DMA Có hỗ trợ DMA cho ADC, UART, I2C, SPI - Timer: Timer 16 bit hỗ trợ mode Input Capture/ Output Compare/ PWM 26 TIEU LUAN MOI download : skknchat123@gmail.com moi nhat Timer 16 bit hỗ trợ để điều khiển động với mode bảo vệ ngắt Input, deadtime Watchdog Timer để bảo vệ kiểm tra lỗi Systick Timer 24 bit đếm xuống cho hàm Delay,… - Có hỗ trợ kênh giao tiếp: I2C USART SPI CAN USB 2.0 full-speed interface - Kiểm tra lỗi CRC 96-bit ID Các thông số kĩ thuật: Điện áp cấp 5VDC qua cổng Micro USB chuyển đổi thành 3.3VDC qua IC nguồn cấp cho Vi điều khiển Tích hợp sẵn thạch anh 8Mhz Tích hợp sẵn thạnh anh 32Khz cho ứng dụng RTC Ra chân đầy đủ tất GPIO giao tiếp: CAN, I2C, SPI, UART, USB, Tích hợp Led trạng thái nguồn, Led PC13, Nút Reset Kích thước: 53.34 x 15.24mm 4.3 Kit ESP32 DOIT DevKit V1 Hình 15: Board kit phats triển ESP32 DOIT DevKit V1 27 TIEU LUAN MOI download : skknchat123@gmail.com moi nhat Thông số kỹ thuật: ESP32 lõi kép, điều có nghĩa có vi xử lý Nó tích hợp Wi-Fi bluetooth Nó chạy chương trình 32 bit Xung nhịp (clock frequency) lên đến 240MHz có RAM 512 kB Loại board có 30 36 chân, hàng có 15 chân Nó có sẵn nhiều loại ngoại vi (peripheral), như: cảm ứng điện dung (capacitive touch), ADC, DAC, UART, SPI, I2C nhiều Nó tích hợp với cảm biến hiệu ứng Hall (Hall effect sensor) cảm biến nhiệt độ Mơi trường lập trình ESP32 lập trình nhiều mơi trường lập trình khác Bạn sử dụng: Arduino IDE Espressif IDF (IoT Development Framework) MicroPython JavaScript LUA v.v Trong dự án này, lập trình ESP32 chủ yếu Arduino IDE MicroPython 4.4 Bánh xe Thông số kỹ thuật: - Chất liệu: Nhựa cứng, lớp đệm mút, cao su tốt - Đường kính: 65mm - Độ rộng bánh: 27mm 28 TIEU LUAN MOI download : skknchat123@gmail.com moi nhat Hình 16: Bánh xe 65mm khớp lục giác 4.5 Mạch Giảm Áp DC XL4015 (5A) Hình 17: Mạch giảm áp DC XL4015 (5A) (5A): IC chính: XL4015 - Tích hợp led báo điện áp - Dịng đầu tối đa: 5A - Hiệu suất : 96% - Tần số xung: 180KHz - Tích hợp Mosfet đóng ngắt - Maximum Duty Cycle: 100% - Minimum Drop Out: 0.3VDC - Nhiệt độ làm việc : -40 ~ 125 độ C Kích thước: 54 x 23 x 18mm đầu nhơm tản nhiệt cho IC - Điện áp đầu ra: 1.25 ~ 32VDC tần số cao Thông số mạch giảm áp DC XL4015 - - Điện áp đầu vào: 8~36VDC 4.6 Mạch Giảm Áp DC LM2596 3A 29 TIEU LUAN MOI download : skknchat123@gmail.com moi nhat Thông số kỹ thuật: - Điện áp đầu vào: Từ 3V đến 30V - Điện áp đầu ra: Điều chỉnh khoảng 1.5V đến 30V Hình 18: Mạch giảm áp DC LM2596 3A - Dòng đáp ứng tối đa 3A - Hiệu suất: 92% - Cơng suất: 15W - Kích thước: 45 (dài) * 20 (rộng) * 14 (cao) mm 4.7 Pin cell 18650 2000mAh Thông số kỹ thuật: - Điện áp: 3.7v - Dung lượng: 2000mah - Điện áp sạc đầy: 4.2v Hình 19: Pin cell 18650 2000mAh 4.8 Trụ đồng đực 20mm Hình 20: Trụ đồng đực 20mm 30 TIEU LUAN MOI download : skknchat123@gmail.com moi nhat 4.9 Hộp đế pin 18650 cell Thông số kỹ thuật: - Các Cell pin nối tiếp với với điện áp tối đa: 4.2 x - Dây màu đỏ + - Dây màu đen – Hình 21: Hộp để pin 18650 cell 4.10 Cảm biến siêu âm (HC – SRF04) Hình 22: Cảm biến siêu âm (HC-SR04) Nguyên lý 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 31 TIEU LUAN MOI download : skknchat123@gmail.com moi nhat Hình 23: Sơ đồ xung SR05 4.11 Động bước Thông số kỹ thuật: - Góc bước: 1.8° - Kích thước: 42x42x34mm - Truyền động bước pha - Độ xác điện trở: ± 10 % - Điện cảm xác: ± 20 % - Lực đẩy: 500VAC phút - Điện áp: Vdc ± 36 Vdc Hình 24: Động step size 42 ngắn(NEMA17HS3401S) 4.12 Cánh tay robot bậc 32 TIEU LUAN MOI download : skknchat123@gmail.com moi nhat Hình 25: Cánh tay robot bậc CHƯƠNG THIẾT KẾ HỆ THỐNG Thiết kế phần cứng Thiết kế khí Kết nối phần cứng Thiết kế phần mềm Bộ lọc Kalman Giải thuật điều khiển PID Lưu đồ giải thuật điều khiển Dựa tảng thuật toán điều khiển PID, giải thuật cân điều khiển bám theo vị trí ban đầu mơ hình robot xây dựng theo lưu đồ sau: 33 TIEU LUAN MOI download : skknchat123@gmail.com moi nhat CHƯƠNG KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN Kết đạt Những hạn chế hướng phát triển 2.1 2.2 Hạn chế Hướng phát triển TÀI LIỆU THAM KHẢO 34 TIEU LUAN MOI download : skknchat123@gmail.com moi nhat ... 25: Cánh tay robot bậc 31 TIEU LUAN MOI download : skknchat123@gmail.com moi nhat CHƯƠNG I: TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG XE TỰ HÀNH Xe tự hành Hình 1: Hình ảnh xe tự hành thực tế Xe tự hành. .. QUAN VỀ XE CÂN BẰNG HAI BÁNH THÔNG MINH 1.Thế xe hai bánh tự cân (two wheel self balancing) 2.Ưu nhược điểm xe hai bánh tự cân 2.1 Ưu điểm xe tự cân hai bánh 2.2 Nhược điểm xe ... : skknchat123@gmail.com moi nhat Cơng nghệ xe tự hành gì? Hình 2: Xe tự hành thực tế nghiên cứu sản xuất Cơng nghệ AGV, cịn gọi cơng nghệ xe tư hanh, đề cập đến robot di động, khơng người lái