ĐỒ án THIẾT kế hệ THỐNG cơ điện tử đề tài THIẾT kế MOBILE PLATFORM bám LINE CHO TRƯỚC

TỔNG QUAN

Mục tiêu thiết kế

Thiết kế robot di động chạy trên sa bàn bám line với độ ổn định cao, đảm bảo hoàn thành sa bàn theo yêu cầu về hình dạng và kích thước đã được xác định trước Tốc độ tối đa của robot có thể điều chỉnh tùy thuộc vào mục đích sử dụng.

Hình 1.1 Sa bàn line yêu cầu

Sơ lược về xe dò line

Xe dò line, hay còn gọi là xe dò đường, là một loại robot di động sử dụng chuyển động quay của bánh xe để di chuyển Robot này có khả năng thay đổi hướng dựa trên các nguyên lý đặc biệt và được thiết kế để bám theo một đường line cụ thể được vẽ trên sa bàn.

Xe dò line là ứng dụng cơ điện tử cơ bản, đóng vai trò quan trọng trong việc phát triển các sản phẩm lớn hơn như robot vận chuyển hàng hóa AGV và robot tránh vật cản Đối với sinh viên, đây là đề tài hấp dẫn, chi phí thấp và tạo cơ hội thực hành tốt, giúp xây dựng nền tảng nghiên cứu và chế tạo cho các dự án sau này.

TIEU LUAN MOI download : skknchat123@gmail.com moi nhat

Nhóm chúng em đã xác định mục tiêu thiết kế ban đầu trong phần 1.1 và nghiên cứu định hướng chế tạo xe dò line Dựa trên đó, chúng em đã quyết định thiết kế xe đua dò line Dưới đây là một số mẫu xe đua dò line mà nhóm đã tìm hiểu.

Một số thiết kế điển hình

1.3.1 Tình hình nghiên cứu trong nước

Xe đua dò line: cuộc thi MCR (Micom Rally Car) Đại học Trà Vinh năm 2017

Hình 1.2 Xe đua dò line cuộc thi MCR Đại học Trà Vinh 2017 và sơ đồ nguyên lý

Thông số kỹ thuật chính:

- Motor trái và Motor phải: là hai động cơ DC dẫn động 2 bánh xe sau của xe.

- Motor lái: Một động cơ RC Servo làm nhiệm vụ bẻ lái 2 bánh xe trước của xe.

- Modul H-Drive: Sử dụng IC chuyên dụng L298, nhận tín hiệu từ vi điều khiển và thực hiện chức năng điều khiển tốc độ 2 động cơ sau.

- Tốc độ tối đa có thể đạt được: 1,6m/s.

Modul vi điều khiển PIC16F887 của Microchip là một lựa chọn phổ biến, có khả năng nhận tín hiệu từ cảm biến dò line Chức năng này giúp điều khiển hai động cơ, đảm bảo xe di chuyển đúng hướng.

Modul cảm biến dò line hoạt động dựa trên nguyên lý phản xạ ánh sáng, giúp truyền tải tín hiệu vị trí của xe về vi điều khiển Giải thuật cảm biến thực hiện việc so sánh để xác định đường đi của xe.

- Khối nguồn Pin: Sử dụng 2 nguồn điện DC là 5V (cung cấp cho vi điều khiển, cảm biến) và 12V (cung cấp cho động cơ).

- Khung xe làm bằng vật liệu mica và nhựa dẻo vì kích thước tối đa cho bề rộng của xe là

Khung xe cần được thiết kế với kích thước 300 mm chiều rộng và 150 mm chiều cao, trong khi chiều dài, trọng lượng và chất liệu có thể thay đổi Tuy nhiên, xe không được quá dài hoặc quá nặng, vì điều này sẽ ảnh hưởng đến tốc độ và khả năng lái khi vào cua.

Xe có kết cấu 4 bánh mang lại ưu điểm về khả năng thăng bằng tốt và khó bị lật, đồng thời bánh lái phía trước giúp vào cua dễ dàng với bán kính cua nhỏ Tuy nhiên, nhược điểm của thiết kế này là 4 bánh sau có nguy cơ trượt khi vào cua do 4 điểm tiếp xúc không cùng nằm trên một mặt phẳng.

1.3.2 Tình hình nghiên cứu ngoài nước

1.3.2.1 CartisX04: Xe đua dò line về nhất cuộc thi Japanese Robotrace Contest 2014

Hình 1.3 Hình ảnh thực tế và sơ đồ nguyên lý xe đua đội CartisX04

- Tốc độ tốt nhất để đảm bảo xe bám line tốt: v = 1.4 m/s, Tốc độ tối đa: = 4,2 m/s.

- Vi điều khiển: sử dụng STM32F103RE và dùng giải thuật điều khiển học đường giúp tăng tốc độ ở những lần chạy sau.

Hệ thống cơ cấu của thiết bị bao gồm 2 cặp bánh được dẫn động bởi 2 động cơ Maxon DCX10L, với tốc độ 6780 rpm, điện áp 12 V và dòng điện 0,682 A, tạo ra moment xoắn 2,05 mNm Ngoài ra, bánh lái phía trước được điều khiển bởi động cơ Maxon RE10, đảm bảo khả năng điều hướng linh hoạt cho thiết bị.

- Đường kính bánh xe: 25 mm.

- Encoder: ENX 10 EASY loại 1024 count / rotation.

- Chiều dài 175 mm, Chiều rộng 153 mm, Khoảng cách 2 bánh 2 bên 130mm, Trọng tâm giữa 4 bánh cao 7 mm.

- Gyro sensor (cảm biến góc quay) Invensense ISZ-650 x2 cái.

Cảm biến dò line sử dụng cảm biến hồng ngoại SHARP GP2S700, được lắp đặt thành 3 cặp song song với tổng số 6 cái Khoảng cách giữa các cảm biến được tính toán dựa trên trọng số theo tài liệu PDF.

TIEU LUAN MOI download : skknchat123@gmail.com moi nhat sàn 3mm (datasheet), Kích thước cảm biến 4x3x2 mm, Che chắn bằng nhựa đen phía dưới màu xanh lá.

Pin Li-Polymer 4.5V x2 có nhiều ưu điểm nổi bật như kết cấu 4 bánh sau giúp dễ dàng lấy thăng bằng và giảm nguy cơ lật, cùng với bánh lái phía trước hỗ trợ vào cua một cách linh hoạt, tạo ra bán kính cua nhỏ hơn Hơn nữa, việc sử dụng cảm biến góc quay giúp nâng cao độ chính xác trong điều khiển Tuy nhiên, sản phẩm cũng tồn tại một số nhược điểm, bao gồm việc 4 bánh sau có thể dễ bị trượt khi vào cua và kết cấu cơ khí phức tạp.

1.3.2.2 Chariot [2] : Về nhì cuộc thi LV Bots April line following

Hình 1.4 Hình ảnh thực tế và sơ đồ nguyên lý xe Chariot Thông số kỹ thuật chính:

- Kết cấu xe: 2 bánh sau chủ động (Bánh răng kim loại 35 – 115 - 5Dx30L mm, D = 30mm),

1 bánh trước tự lựa (D=9,5mm).

- Phần điện: Động cơ: DC Servo, cảm biến hồng ngoại gồm 6 sensor QTR-8RC (không sử dụng 2 cảm biến ngoài cùng).

- Phần cứng điều khiển: vi điều khiển A- Start 32u4 Mini LV (MCU Atmega32u4), cấu trúc điều khiển tập trung, bộ điều khiển PID.

- Nguồn: sử dụng bộ điều chỉnh điện áp 7,5 V D24V25F7.

- Vận tốc trung bình chạy trong cuộc đua là 1,17m/s.

Mạch cảm biến QTR-8RC, QTR-8A

Hình 1.5 Mạch cảm biến phản xạ QTR-8RC, QTR-8A

Kích thước: 2,95 "x 0,5" x 0,125 ". Điện áp hoạt động: 3.3-5.0 V.

Cung cấp hiện tại: 100 mA. Định dạng đầu ra: 8 tín hiệu tương thích I / O kỹ thuật số có thể được đọc dưới dạng xung cao được định thời.

Khoảng cách phát hiện tối ưu: 0,125 "(3 mm).

Khoảng cách giữa 2 cảm biến liên tiếp: 0,375 "(9,525 mm).

Trọng lượng không có chân cắm: 0,11 oz (3,09 g).

 Kết cấu đơn giản, mô hình động học đơn giản, dễ điều khiển.

 Tiếp xúc 3 điểm nên khả năng bám đường tốt.

 Khi chế tạo chỉ quan tâm độ đồng trục của 2 bánh xe sau.

 Trọng tâm xe gần 2 bánh chủ động giúp moment quán tính giảm khi xe qua cua  hạn chế sự trượt. o Nhược điểm:

 Dễ lật khi vào cua, cần tính toán

 Chuyển động đảo hướng theo nguyên lý 2 bánh vi sai nên dễ bị trượt khi vào cua ở tốc độ cao.

1.3.2.3 Robot Pika của đội Mechatron vô địch Cyberbot 2015 tại Poznan

Hình 1.6 Hình ảnh thực tế và sơ đồ nguyên lý xe đua đội Robot Pika Thông số kỹ thuật chính:

Kết cấu của hệ thống bao gồm 4 bánh, trong đó 2 bánh cao su được dẫn động bởi 2 động cơ D4mm Hai bánh mắt trâu có đường kính nhỏ hơn được đặt ở dãy cảm biến, giúp đảm bảo rằng 2 bánh sau luôn tiếp xúc với mặt đất, ngay cả khi 1 trong 2 bánh trước không tiếp xúc.

- Vận tốc tối đa: 2,7 (m/s), vận tốc trung bình: 1,7 (m/s).

 Nhận xét: o Ưu điểm: xe cân bằng tốt khó bị lật khi vào cua. o Nhược điểm: 4 bánh tiếp xúc mặt đường không tốt.

Hình 1.7 Hình ảnh thực tế và sơ đồ nguyên lý xe đua đội FireBall

- Đường kính bánh xe: 60mm.

- Vận tốc trung bình: 1,5m/s Vận tốc tối đa 3m/s.

- Cảm biến: 8x cảm biến hồng ngoại QTR-8RC.

- Khoảng cách giữa 2 cảm biến 9,525mm.

Xe 4 bánh có ưu điểm vượt trội khi vào cua, khó bị lật hơn so với xe 3 bánh và cho phép chuyển động linh hoạt hơn, giúp cua gấp dễ dàng Tuy nhiên, nhược điểm của xe 4 bánh là có thể xảy ra hiện tượng trượt bánh khi vào cua, dẫn đến khó khăn trong việc duy trì tiếp xúc giữa bánh xe và mặt đường.

1.3.3 Tiêu chí chung của các nghiên cứu tham khảo

Vận tốc các xe nằm trong khoảng: 1,5 đến 4,2 m/s Kích thước nhỏ hơn: 280x180x40

Đầu bài thiết kế

Thiết kế xe đua dò line chạy trên sa huỳnh có quỹ đạo cho trước, với các thông số:

Vận tốc tối đa (nằm trong khoảng vận tốc thường đạt được với mobile robot bám line ví dụ trong phần 1.2), chọn: v max = 2 m/s.

Bán kính cong tối thiểu: R min = 500mm.

Sai số bám line trên đoạn thẳng và cong: e max = ± 18 mm.

Các tiêu chí phụ để phù hợp với đầu bài được nêu ở phần 1.3.3.

Trong quá trình thực nghiệm, do điều kiện hạn chế, động cơ nhóm mua không đạt yêu cầu điều khiển ở tốc độ 2m/s với thời gian xác lập lớn (t settling time = 0.13s) Do đó, giá trị đầu vào được điều chỉnh thành v max = 0,7 m/s.

Tính toán sai số bám line: với giả thuyết ban đầu: Bề rộng đường line: 19 mm

(Cách xác định khoảng cách giữa 2 cảm biến liên tiếp theo bề rộng line: Theo tài liệu [3] )

Bề rộng line đạt 19mm, trong khi khoảng cách giữa hai cảm biến quang liên tiếp được xác định là 12,5 mm Qua nội suy tuyến tính, khoảng cách tối đa giữa hai cảm biến gần nhất để đảm bảo hoạt động hiệu quả là 13 mm.

Sử dụng 7 cảm biến với bề rộng dãy cảm biến lớn hơn 78 mm (13x6 mm), dẫn đến sai số lớn nhất giữa tâm xe và tâm cảm biến theo thuật toán là 36 mm.

Sử dụng thuật toán xấp xỉ theo trọng số, sai số lớn nhất giữa tâm cảm biến và tâm line đạt giá trị e2 = 2,6 [3], dẫn đến sai số bám line lớn nhất là 38,6 mm Vì vậy, cần điều chỉnh để giá trị sai số luôn nhỏ hơn 38,6 mm.

 Sai số bám line phụ thuộc vào: bề rộng line, sai số cảm biến, bộ điều khiển và nhiều yếu tố khác, được tính toán ở các phần sau.

Chọn: e = ±18 mm (được hiệu chỉnh).

LỰA CHỌN PHƯƠNG ÁN

Kết cấu cơ khí

Xe đua bám line có nhiều loại kết cấu như 1 bánh, 2 bánh (tự cân bằng), 3 bánh và 4 bánh Để thiết kế xe chỉ nhằm mục đích bám line, xe 1 bánh và 2 bánh cần có thuật toán phức tạp để duy trì sự cân bằng Do đó, việc sử dụng xe 3 hoặc 4 bánh là lựa chọn hợp lý nhất.

Các kết cấu xe 3 bánh, 4 bánh:

Bảng 1 So sánh ưu nhược điểm xe 3 bánh và 4 bánh

Cấu hình xe Sơ đồ nguyên lý Ưu điểm Nhược điểm

Ba bánh giúp xe có trọng lượng phân bố tốt, tạo hình tam giác vững chắc Tuy nhiên, xe dễ bị lật khi vào cua gấp với tốc độ cao Ưu điểm của thiết kế này là khả năng di chuyển ổn định trên các đoạn đường thẳng.

4 bánh -Khi rẽ hướng, -Tiếp xúc mang theo tải, khó đường không lật hơn do có 2 bám đường không điểm tựa ở bánh tốt.

-Xe cân bằng tốt do -Khi cua dễ bị trượt trọng lượng phân bánh phối trên một tứ giác.

Chọn xe đua loại 3 bánh xe vì yêu cầu về tốc độ nhanh, thiết kế nhỏ gọn và khả năng bám đường tốt Xe không cần chịu tải trọng lớn và có bán kính cua tối ưu R = 500mm, do đó, xe 3 bánh với các đặc điểm chính này là sự lựa chọn lý tưởng.

Xe 3 bánh có kết cấu đồng phẳng giúp tối ưu hóa khả năng tiếp xúc với mặt đường, từ đó giảm thiểu độ trượt bánh Hệ thống dẫn động và khả năng xoay của xe cũng trở nên dễ dàng hơn nhờ vào việc điều khiển tốc độ của 2 bánh, mang lại trải nghiệm lái mượt mà và an toàn.

Hình 2.8 Sơ đồ nguyên lý xe 3 bánh, 2 bánh trước dẫn động

Tải trọng phân bố không đồng đều trên hình tam giác khiến kết cấu này không phù hợp cho các yêu cầu tải trọng cao Hơn nữa, thiết kế 3 bánh không được khuyến nghị cho việc ôm cua gấp do nguy cơ dễ bị lật.

Có 2 loại kết cấu 3 bánh xe phổ biến có ưu nhược điểm là:

Loại xe Ưu điểm Nhược điểm

Xe 2 bánh sau chủ động có thể gặp sai số trọng tải lên 2 bánh sau, dẫn đến sự bám đường tốt hơn so với xe 2 bánh trước Khi gắn cảm biến trượt, phản lực tăng lên và lực dẫn động cũng tăng, làm cho ma sát trượt tăng, khiến xe khó điều khiển hơn Điều này có thể dẫn đến việc tăng giới hạn moment gần thân xe, từ đó cung cấp năng lượng cho động cơ và giúp tăng tốc nhanh hơn.

Khi ôm cua, xe mang tải với 3 bánh, trong đó có 2 bánh dẫn động, sẽ khó bị lật hơn so với xe chỉ có 2 bánh sau nhỏ Điều này là do bánh tự dẫn động ở phía sau tạo ra ma sát tốt hơn cho bánh trước, giúp xe ổn định hơn khi cua ở tốc độ cao.

Cảm biến có thể được lắp đặt một cách dễ dàng, giúp giảm sức kéo và cải thiện khả năng tăng tốc gần với trục bánh chủ động Điều này lý giải tại sao xe đua thường có động cơ nằm phía sau, nhằm tăng cường độ ổn định khi điều khiển.

 Kết luận: Chọn xe 3 bánh với 2 bánh trước chủ động ổn định hơn.

Động cơ

Động cơ điện một chiều (DC motor) có dải công suất rộng, từ vài W đến vài MW, cho phép ứng dụng đa dạng trong nhiều lĩnh vực Với khả năng đáp ứng tốt yêu cầu về moment, tăng tốc và hãm trong các điều kiện tải trọng nặng, động cơ này rất linh hoạt Hơn nữa, nó dễ dàng tích hợp với các bộ truyền động khác và có khoảng điều khiển tốc độ rộng, bao gồm cả khả năng đảo chiều.

Động cơ bước (stepper motor) yêu cầu bộ điều khiển bên ngoài để điều khiển các mạch đảo, cho phép động cơ giữ vị trí cố định hoặc quay đến bất kỳ vị trí bước nào, với khoảng cách bước phụ thuộc vào vi độ phân giải của động cơ Hầu hết các động cơ bước có khả năng hoạt động ở tần số âm thanh, cho phép quay nhanh chóng và dễ dàng khởi động, dừng lại tại các vị trí mong muốn khi sử dụng bộ điều khiển phù hợp Động cơ bước vi Step sử dụng driver bổ sung để chia nhỏ bước, nâng cao độ chính xác trong chuyển động.

- Động cơ servo: Là động cơ DC hoặc động cơ Step có tích hợp bộ điều khiển động cơ servo

Động cơ servo cung cấp lực chuyển động cần thiết, phản hồi nhanh chóng và hệ thống điều khiển hiệu quả Trong ngành công nghiệp, động cơ servo đáp ứng yêu cầu về tốc độ nhanh, độ chính xác cao và khả năng sản sinh moment lớn trong suốt dải hoạt động.

Bảng 2 So sánh giữa các loại động cơ

Loại Độ chính xác Cấu trúc Ưu điểm Nhược điểm động cơ điều khiển

Step Phụ thuộc số Vòng hở -Sử dụng nhiều trong -Điều khiển vòng hở, Bị bước trên 1 trượt bước khi vận tốc

TIEU LUAN MOI download : skknchat123@gmail.com moi nhat vòng thường là điều khiển vị trí cao => Thời gian đáp

-Moment xoắn lớn ở ứng chậm, Khó điều

→1,8 0 /bước khiển chính xác vận tốc vận tốc thấp và giảm động cơ khi vận tốc cao

-Trục động cơ xoay không liên tục => Rung động cao hơn DC gắn encoder

DC phụ thuộc vào điều khiển vòng kín, với moment động cơ DC gắn độ phân giải Các ứng dụng có thể sử dụng các mã hóa bước thấp hơn, giúp cải thiện thời gian đáp ứng trong điều khiển.

1024xung/vòng nhanh, Điều khiển

(0,35 0 /xung) chính xác vận tốc

Chính xác hơn -Trục động cơ xoay liên động cơ bước tục => Êm hơn

Để đảm bảo điều khiển chính xác và đạt được vận tốc, công suất theo yêu cầu, nhóm đã chọn sử dụng motor DC có gắn Encoder, giúp duy trì moment xoắn không đổi theo vận tốc.

Kết luận: Việc sử dụng DC encoder mang lại lợi ích vượt trội nhờ vào khả năng điều khiển vòng kín, cho phép áp dụng các thuật toán điều khiển chính xác tốc độ động cơ mà không cần yêu cầu mô men cao.

Cảm biến

Có 2 loại cảm biến thường dùng trong các robot dò line:

Camera thu hình ảnh đường line và xử lý để tạo ra tín hiệu điều khiển Phương pháp này mang lại độ chính xác cao và ít bị nhiễu, tuy nhiên, yêu cầu xử lý phức tạp và thời gian xử lý ảnh lâu, điều này có thể làm giảm tốc độ di chuyển của xe.

Photoresistor bao gồm hai đèn LED phát và thu được sắp xếp cách mặt đường một khoảng hợp lý, sao cho vùng hoạt động của chúng giao thoa mà không trùng với vùng giao thoa của bộ liền kề Điện trở của photoresistor thay đổi theo mức độ ánh sáng: trong bóng tối, giá trị điện trở cao, nhưng khi có ánh sáng chiếu vào, giá trị điện trở giảm mạnh.

Hình 2.9 Nguyên lí cảm biến quang điện trở

Phototransistor hoạt động dựa trên nguyên tắc tương tự như cảm biến quang điện trở, bao gồm một nguồn phát ánh sáng phản xạ xuống mặt đất và một nguồn thu nhận ánh sáng phản xạ để xử lý tín hiệu, từ đó xác định vị trí của xe so với đường kẻ Tuy nhiên, phototransistor được ứng dụng rộng rãi hơn do thời gian đáp ứng nhanh hơn so với cảm biến quang điện trở.

So sánh 3 phương án lựa chọn cảm biến dò line (theo nguyên lý tín hiệu): Digital

The article discusses various types of sensors, including Infrared (IR) Sensors, Analog Sensors such as Photoresistors and Phototransistors, and Vision Sensors like MCU cameras Digital Sensors are noted for their lower accuracy, leading to higher line-following errors, but they feature simple processing algorithms and quick data reading times In contrast, Analog Sensors offer a different approach to data measurement and interpretation.

Bảng 3 So sánh Photoresistor và Phototransistor [28] Đặc trưng Photoresistor Phototransistor

Sơ đồ mẫu cho thấy độ nhạy với ánh sáng trắng có thể ít hơn hoặc nhiều hơn, trong khi độ nhạy với bóng tối có thể thấp hơn hoặc cao hơn Định hướng ánh sáng cũng được phân loại thành hai loại: không nhạy cảm với ánh sáng đến từ bất kỳ hướng nào và nhạy cảm với ánh sáng từ một hướng cụ thể.

Tải luận văn mới tại địa chỉ skknchat123@gmail.com, nơi bạn có thể tìm thấy thông tin cập nhật nhất Nhiệt độ có ảnh hưởng đáng kể đến giá trị điện trở, trong khi giá trị trở kháng ít bị thay đổi hơn theo nhiệt độ.

Thay đổi điện áp ảnh Giá trị điện trở không thay Giá trị điện trở thay đổi theo hưởng đến giá trị điện đổi điện áp đặt vào trở

Thời gian phản hồi Chậm, thường từ 0.1s đến Nhanh hơn, tùy thuộc vào

Hình ảnh đường line được lấy từ camera, thông qua xử lí và đưa ra tín hiệu điều khiển.

Độ chính xác cao và ít bị nhiễu là ưu điểm nổi bật, tuy nhiên, việc xử lý ảnh đòi hỏi nhiều thời gian, dẫn đến hạn chế tốc độ di chuyển của xe.

 Lựa chọn phù hợp với yêu cầu đề bài:

Sử dụng Phototransistor phù hợp cho sai số bám line e = ± 18mm Sử dụng led hồng ngoại thay vì led thường vì:

LED hồng ngoại có độ nhạy cao hơn so với LED thông thường, nhưng lại dễ bị nhiễu hơn, do đó nó thích hợp hơn cho các line có độ tương phản cao với nền Cụ thể, trong trường hợp này là line trắng đen.

Tia hồng ngoại có bước sóng dài hơn ánh sáng đỏ, điều này cho phép việc chế tạo phototransistor trở nên dễ dàng hơn trong việc điều chỉnh, giúp giảm thiểu sự ảnh hưởng từ các nguồn sáng khác.

Giải thuật cảm biến sử dụng phương pháp xấp xỉ trọng số trung bình, đạt độ chính xác cao nhất với sai số giữa tâm line và tâm thuật toán chỉ là 2,6mm, đây là mức sai số thấp nhất được đề cập trong phần dưới.

 Kết luận: Sử dụng cảm biến loại Phototransistor + led hồng ngoại, giải thuật cảm biến là Xấp xỉ trọng số trung bình.

Các cách xử lí tín hiệu cảm biến

Cảm biến quang sử dụng tín hiệu tương tự, sau đó được hiệu chuẩn và xử lý qua các thuật toán so sánh hoặc xấp xỉ Mục tiêu là xác định vị trí tương đối của robot dò line so với tâm đường line.

Có 2 phương pháp xử lý tín hiệu cảm biến:

Sử dụng bộ so sánh [12][13][14][15] để xác định trạng thái đóng/ngắt của các sensor, từ đó suy ra vị trí xe theo bảng trạng thái đã định sẵn Phương pháp này cho thấy rằng sai số dò line phụ thuộc vào khả năng phân biệt trạng thái của hệ thống sensor và khoảng cách giữa chúng Mức ngưỡng so sánh của các sensor là yếu tố chính ảnh hưởng đến độ chính xác, đồng thời cho phép tốc độ xử lý diễn ra rất nhanh.

Hình 2.10 Mức so sánh của cảm biến ứng với các vị trí line khi xe di chuyển

- Xấp xỉ ra vị trí của xe so với tâm đường line từ các tín hiệu tương tự từ cảm biến.

Phương pháp này chủ yếu phụ thuộc vào thời gian đọc ADC của tất cả các cảm biến từ vi điều khiển, dẫn đến thời gian xử lý lâu hơn so với phương pháp đầu tiên Tuy nhiên, nó mang lại độ phân giải cao hơn đáng kể.

+ Sai số giữa đường line theo thuật toán và tâm xe: có 2 phương pháp

Xấp xỉ bậc 2 Xấp xỉ theo trọng số

Hình 2.11 Minh họa phương pháp Xấp xỉ bậc 2 và Xấp xỉ theo trọng số a) Phương pháp xấp xỉ bậc 2: chọn 3 sensor có giá trị đọc về cao nhất [3]

Với x 1 là toạ độ điểm đầu tiên trong 3 điểm có tín hiệu cao nhất. y 1 , y 2 , y 3 lần lượt là 3 giá trị analog cao nhất trong 8 tín hiệu.

TIEU LUAN MOI download : skknchat123@gmail.com moi nhat a=( y 1 + y 3 − 2 y 2 )

Nếu hệ trục toạ độ đặt tại tâm dãy cảm biến thì error = x và error max = L/2 (đỉnh của hàm bậc 2 cao nhất là ở 2 biên)

*Nếu Δx = 1 thì:x ≠ 1 thì các hệ số a, b thay đổi thành: a y 1 + y 3 −2 y 2

Phương pháp trọng số trung bình là một kỹ thuật quan trọng trong việc xác định vị trí của đường line bằng cách đọc giá trị từ tất cả các cảm biến Để tính toán vị trí này, ta áp dụng công thức tương tự như cách tìm khối tâm, với n cảm biến được sử dụng để xác định vị trí trung bình của đường line.

 Kết luận: chọn phương pháp xấp xỉ trọng số trung bình có độ chính xác cao hơn

(phương pháp xấp xỉ bậc 2 có độ chính xác thấp hơn nhưng nhanh hơn).

- Tính sai số bám line:

According to the article "Optimization of PID," a practical example is presented involving a line-following robot that utilizes a weighted error calculation algorithm with the implementation of 10 infrared IR sensors.

Ta có chiều rộng sensor (khoảng cách 2 cảm biến ngoài cùng) là 90mm Giá trị lỗi bằng

Trong hệ thống điều khiển robot, giá trị 0 biểu thị rằng robot đang ở giữa đường thẳng, trong khi lỗi dương cho thấy robot lệch sang trái và lỗi âm cho biết robot lệch sang phải, với sai số tối đa là ± 4500 Phương pháp này mang lại lợi ích lớn khi mười số đọc cảm biến được thay thế bằng một giá trị lỗi duy nhất, giúp thuật toán điều khiển tính toán tốc độ động cơ để đạt được giá trị lỗi bằng 0 Hơn nữa, giá trị lỗi này không phụ thuộc vào chiều rộng của đường, cho phép robot xử lý các đường có độ dày khác nhau mà không cần thay đổi mã nguồn.

 Kết luận: sai số error nằm trong khoảng ± 45mm (khoảng cách 2 cảm biến ngoài cùng)

Thực nghiệm so sánh sự chính xác của 2 phương pháp ở trên, từ đó xác định sai số giữa đường line thực tế và đường line tính bằng thuật toán [16]

Bộ thiết bị đo đường line sử dụng các sensor để xác định vị trí đường line từ 130mm đến 220mm, áp dụng hai thuật toán chính là xấp xỉ bậc hai và trọng số trung bình để tính toán vị trí chính xác.

Hình 2.12 Ví dụ về thiết bị đo cảm biến

Hình 2.13 Kết quả thực nghiệm đo vị trí theo các công thức và vị trí đường line thực tế

Sai số trung bình bình phương của phương pháp trọng số trung bình là 2.6 và phương pháp nội suy bậc hai là 5.4mm.

 Sai số bám line cần tính là:

Sai số giữa tâm xe và đường line thực tế được xác định bằng tổng sai số giữa đường line theo thuật toán và tâm xe, cộng với sai số giữa đường line thực tế và đường line tính bằng thuật toán.

Do đó sai số bám line nằm trong khoảng:

Phương pháp trọng số trung bình: 2.6 < e < L/2mm (L là khoảng cách 2 cảm biến ngoài cùng).

Phương pháp xấp xỉ bậc 2: e > 5.4mm.

 Kết luận: Chọn phương pháp trung bình trọng số có sai số bé hơn - Cách bố trí cảm biến

TIEU LUAN MOI download : skknchat123@gmail.com moi nhat a Theo hàng b Ma trận

Hình 2.6 Các phương pháp bố trí cảm biến

Bố trí dạng ma trận sử dụng nhiều cảm biến để thu thập thông tin, giúp xác định vị trí và hướng di chuyển của xe Tuy nhiên, việc sử dụng nhiều cảm biến đòi hỏi phải lựa chọn hợp lý, phụ thuộc vào kích thước và tốc độ đáp ứng của xe.

Bố trí dạng đường thẳng cung cấp đầy đủ thông tin về vị trí cần thiết cho việc xử lý, đồng thời yêu cầu ít cảm biến hơn Vì vậy, dạng đường thẳng vẫn là lựa chọn phù hợp cho việc xác định lộ trình.

 Kết luận: Chọn bố trí cảm biến dạng đường thẳng.

Để đạt được độ ổn định tối ưu cho tín hiệu cảm biến, cần xác định độ cao tối ưu thông qua các phép đo thực nghiệm, với kết quả cho thấy độ cao tối ưu là 11mm Ngoài ra, việc điều chỉnh giá trị ban đầu của tín hiệu analog từ từng cảm biến là cần thiết do sự không đồng nhất giữa các cảm biến, giúp nâng cao độ chính xác cho thuật toán.

 Thực nghiệm trình bày ở phần dưới.

- Cách xác định khoảng cách giữa 2 cảm biến liên tiếp theo bề rộng line [16]

Bề rộng line được xác định là 19mm, tương ứng với khoảng cách giữa hai cảm biến quang liên tiếp là 12,5mm Do đó, bề rộng line 19mm có thể kết hợp với khoảng cách giữa hai cảm biến là 13mm.

Bộ điều khiển

Bộ điều khiển ON-OFF là một hệ thống điều khiển đơn giản, cho phép động cơ hoạt động khi được cấp nguồn (ON) và dừng lại khi ngắt nguồn (OFF) Mặc dù dễ chế tạo, loại bộ điều khiển này không đảm bảo độ chính xác cao trong quá trình vận hành.

Sử dụng hai cảm biến quang điện, trong đó cảm biến bên trái theo chiều bánh xe trên và cảm biến bên phải theo chiều bánh xe dưới, khi một trong hai cảm biến phát hiện đường line đen, động cơ tương ứng sẽ được tắt.

Hình 2.7 Cấu tạo nguyên lý làm việc bộ điều khiển ON-OFF

Khi cảm biến chạm vào line đen, điện trở LDR tăng lên, làm điện áp tại chân âm của opamp tăng lên khoảng 2,7V Khi đạt ngưỡng điện áp tham chiều (cài đặt tại chân dương của opamp), output của opamp sẽ bằng 0, dẫn đến điện áp chân Base của transistor BD135 cũng bằng 0 Kết quả là transistor không dẫn điện, khiến động cơ tương ứng với cảm biến dừng hoạt động.

Khi cả hai cảm biến không chạm vào line đen, điện trở LDR sẽ giảm, dẫn đến điện áp tại chân âm (chân 2) của opamp giảm xuống còn 1,1V Điều này khiến dòng điện dẫn qua điện trở xuống đất, từ đó động cơ hoạt động bình thường.

+ Điện áp tham chiếu = (2,7+1,1)/2 = 1,9V là điện áp cài đặt cho đầu dương của opamp.

Hình 2.8 Sơ đồ mạch điện bộ điều khiển ON-OFF

- Bộ điều khiển Fuzzy [18] : bài toán điều khiển dựa trên tỉ lệ xác xuất xảy ra một mức độ nào đó của một sự việc.

Bộ điều khiển PD/PID tính toán sai số giữa giá trị mong muốn và giá trị cảm biến, giúp giảm thiểu sai số thông qua việc điều chỉnh giá trị đầu vào Thuật toán này mang lại ưu điểm vượt trội trong việc đạt được kết quả chính xác.

Tải xuống TIEU LUAN MOI tại địa chỉ skknchat123@gmail.com, phiên bản mới nhất đảm bảo độ chính xác cao trong phần tuyến tính Tuy nhiên, nhược điểm của nó là có thể xảy ra nhiễu ở khâu vi phân, dẫn đến sai số trong giá trị đầu ra.

Nghiên cứu cho thấy ưu điểm vượt trội của bộ điều khiển PID về các thông số: Tốc độ, Sai số bám line [19]

Hình 2.9 So sánh bộ điều khiển PID và ON-OFF

Bộ điều khiển Following tracking xem xét ba thông số chính của robot: độ lệch theo tiếp tuyến e1, độ lệch theo pháp tuyến e2 và góc lệch e3 của robot so với đường đi Thông qua các biến điều khiển là vận tốc góc và vận tốc dài, bộ điều khiển này giúp robot bám đường hiệu quả, đạt được kết quả chính xác với sai số nhỏ.

Hình 2.10 Mô hình hóa động học robot áp dụng bộ điều khiển tracking

Sai số được đo theo các phương: x, y, w z (quay quanh trục Z) lần lượt là e 1 , e 2 , e 3

Bộ điều khiển và giải thuật tự học Q-learning (DQN) giúp xe tự động chạy theo một vòng line, ghi nhớ hành trình và tính toán tốc độ cũng như gia tốc phù hợp cho từng đoạn đường Việc này tăng cường khả năng phản ứng của xe với đường line Tuy nhiên, để đảm bảo hiệu quả, cần sử dụng cảm biến Gyro để theo dõi trạng thái gia tốc.

Sơ đồ thể hiện độ ổn định của các thuật toán (góc lệch của robot tự cân bằng so với vị trí đầu theo thời gian) [24]

Hình 2.11 Đồ thị đáp ứng của tín hiệu đầu ra bộ điều khiển PID, fuzzy, LQR

=> DQN kém ổn định hơn PID

 Kết luận: Sử dụng 2 giải thuật điều khiển

Giải thuật điều khiển tracking giúp phân tích sai số động học của xe, từ đó ổn định tốc độ động cơ dựa trên tín hiệu từ cảm biến Phương pháp này áp dụng điều khiển nâng cao theo tiêu chuẩn Lyapunov, đảm bảo hiệu suất và độ tin cậy trong quá trình vận hành.

Điều khiển vòng kín tốc độ động cơ sử dụng PID giúp kiểm soát chính xác vị trí và vận tốc hiện tại của bánh xe thông qua tín hiệu encoder Nhờ vào phương pháp này, sai số sẽ được điều chỉnh liên tục về 0, đảm bảo hiệu suất hoạt động tối ưu.

Hệ thống điều khiển hoạt động bằng cách nhận tín hiệu từ cảm biến dưới dạng số Tín hiệu này sau đó được vi điều khiển xử lý để xác định sai số thành phần Tiếp theo, tiêu chuẩn ổn định Lyapunov được áp dụng để tính toán vận tốc cho động cơ trái và động cơ phải Vận tốc của hai động cơ này sẽ được điều chỉnh dựa trên kết quả xử lý.

Tải luận văn mới nhất tại địa chỉ skknchat123@gmail.com, trong đó vi điều khiển xử lý và truyền tín hiệu điều khiển dưới dạng xung PWM cho driver tương ứng Vi điều khiển nhận tín hiệu xung từ encoder và áp dụng thuật toán PID để đảm bảo tốc độ xe đạt được giá trị đã được tính toán.

Cấu trúc điều khiển

Cấu trúc dạng các module bao gồm: module sensor, module điều khiển và module driver động cơ.

Có 2 phương pháp chủ yếu để kết nối các module với nhau là: tập trung và phân cấp:

Phương pháp điều khiển tập trung sử dụng một MCU để nhận tín hiệu từ cảm biến, xử lý dữ liệu và truyền tín hiệu điều khiển cho cơ cấu tác động Đặc điểm của phương pháp này là phần cứng đơn giản, nhưng MCU cần phải xử lý tất cả thông tin trước khi cập nhật thông tin mới Phương pháp này được áp dụng rộng rãi trong các xe đua dò line thực tế, như xe CartisX04, Le’Mua (Robot Challenge 2015) và Pika.

Hình 2.12 Cấu trúc điều khiển tập trung

- Phương pháp điều khiển phân cấp nhiều hơn một MCU:

The MCU master is responsible for overall calculations, while several Slave MCUs specialize in processing different modules, such as encoder signals or data from sensors like RobotALF Additionally, a module handles image processing and transmits the data back to the MCU master.

Phần cứng phức tạp yêu cầu chú ý đến giao tiếp giữa các MCU, nhưng mang lại khả năng xử lý nhiều tác vụ đồng thời Điều này giúp giảm khối lượng tính toán và rút ngắn thời gian lấy mẫu của hệ thống khi áp dụng cấu trúc tập trung.

Hình 2.13 Cấu trúc điều khiển tầng

Kết luận: Cấu trúc điều khiển tầng là lựa chọn tối ưu nhờ khả năng xử lý đồng thời nhiều tác vụ, giảm tải khối lượng tính toán và rút ngắn thời gian lấy mẫu so với cấu trúc tập trung Ngoài ra, cấu trúc này còn dễ dàng trong việc điều khiển và bảo trì.

SƠ ĐỒ GANTT CHO ĐỒ ÁN

Sơ đồ GANTT sơ bộ

Xác định mục tiêu đồ án

Hiệu chỉnh tổng quan và xác định đầu bài thiết kế

Chương 2: LỰA CHỌN PHƯƠNG ÁN Đề xuất phương án khả thi

Vẽ sơ đồ nguyên lý

Chọn phương án khả thi và hiệu chỉnh sơ đồ nguyên lý

Chương 3: XÂY DỰNG BIỂU ĐỒ GANTT

Thiết kế/chọn các chi thiết/cụm chi tiết cơ khí Thiết kế bản vẽ 3D, 2D

Xây dựng sơ đồ khối chung hệ thống điện

Lựa chọn/thiết kế cảm biến

Lựa chọn/thiết kế driver động cơ

Lựa chọn/thiết kế nguồn

Xây dựng sơ đồ khối chung của hệ thống điều khiển

Xác định yêu cầu, lựa chọn bộ vi điều khiển, tìm hiểu vi điều khiển Xây dựng giải thuật điều khiển và coding hệ thống

Mô hình hóa động học/động lực học hệ thống: mobile platform, cảm biến, mạch động lực, hệ thống

Thiết kế bộ điều khiển bám line

Mô phỏng xác định các thông số thích hợp cho bộ điều khiển bám line

NGHIỆM Xác định yêu cầu mô phỏng

Xác định các thông số cụ thể cần đo để đánh giá

Mô phỏng/Thực nghiệm Đánh giá số liệu Đề xuất hiệu chỉnh thiết kế nếu có

Chương 6: HOÀN THÀNH BÁO CÁO

Sơ đồ GANTT tiến độ thật công việc

Sơ đồ GANTT cuối cùng

THIẾT KẾ

Thiết kế cơ

- Vận tốc tối đa v max =0,7 m/ s

- Kết cấu xe nhỏ gọn, chắc chắn, không rung lắc.

- Xe có thể qua các đoạn cong (bán kính cong R= 500mm) với vận tốc tối ưu mà xe không bị lật.

Hình 4.14 Sơ đồ nguyên lý thiết kế xe 3 bánh, 2 bánh trước dẫn động 4.1.1 Lựa chọn bánh chủ động và bánh bị động

- Có 2 loại bánh bị động thường dùng cho xe dò line là: bánh castor, bánh mắt trâu.

Bảng 4 So sánh bánh castor và bánh mắt trâu

Bánh castor Bánh mắt trâu Ưu - Có thể làm việc trong môi trường bụi - Vỏ ngoài được làm bằng sắt hay

TIEU LUAN MOI download : skknchat123@gmail.com moi nhat điểm bẩn thép nên rất bền, bên trong có ổ bi

- Kết cấu đơn giản. nên di chuyển rất trơn tru, di chuyển linh hoạt khi vào cua

Khi vào cua với tốc độ nhanh, nhược điểm của kết cấu là bánh xe chỉ có thể hoạt động trong những điểm quay nhất định, không kịp thích ứng với điều kiện mặt đường ít bụi, cát Điều này có thể dẫn đến tình trạng bánh xe bị kẹt và trượt, ảnh hưởng nghiêm trọng đến tốc độ di chuyển của xe Hơn nữa, kết cấu phức tạp và ổ bi cần chế tạo chính xác để tránh hiện tượng Shopping-cart, từ đó đảm bảo hiệu suất và độ bền của phương tiện.

Theo đề bài và thực tế sa bàn: Xe đua chạy trên xa bàn hầu như không bụi, vận tốc nhanh, chuyển hướng nhanh, cần kết cấu gọn nhẹ.

 Kết luận: Chọn bánh mắt trâu

- Một số mẫu bánh mắt trâu: o Chariot: Pololu Ball Caster with 3/8″ Plastic Ball [30]

Hình 4.15 Bánh mắt trâu xe đua Pololu

Thông số: Đường kính bánh: 0,375 inch ≈ 10mm.

Vật liệu bánh: nhựa o Small Ball Caster Wheel - 12mm Diameter Metal – Hshop [ 31]

Thông số Đường kính bánh xe: 12mm.

Chiều cao: 15mm Vật liệu bánh: thép

Hình 4.16 Bánh mắt trâu nhỏ Hshop

 Kết luận: Chọn bánh mắt trâu nhỏ của Hshop – phổ biến, kích thước nhỏ, không yêu cầu tải trọng quá lớn là bánh dẫn hướng cho robot dò line.

- Yêu cầu: o Khả năng bám đường tốt o Không trơn trượt o Chịu tải ổn định o Dễ dàng tháo lắp và thay thế.

- Các loại bánh trên thị trường thường dùng cho xe dò line: o Dòng bánh thường: V1,2,3,4,5,6,7,8… các đặc điểm

+ V1, d = 65mm, b = 15mm: thiết kế chắc chắn, gọn nhẹ, thẩm mĩ cao, tương thích với động cơ

DC giảm tốc V1, thích hợp với các mô hình robot xe tránh vật cản, tự hành, xe cân bằng Lõi nhựa, vỏ cao su.

Bánh xe V2 có kích thước d = 65mm và b = 27mm được sử dụng phổ biến trong thiết kế robot, có khả năng gắn với nhiều loại động cơ Chất liệu của bánh xe bao gồm nhựa, mút và cao su, với lớp mút dày đàn hồi bên trong giúp bánh không bị xẹp khi chịu tải Lốp cao su mềm mang lại độ ma sát tốt nhất, cùng với thiết kế rãnh lốp tối ưu giúp tăng cường độ bám đường.

+ V3, d = 80mm, b = 30mm, chất liệu nhựa, bên ngoài lốp có thiết kế dạng các gai giúp tăng ma sát với mặt đường.

+ V4, d = 130mm, b = 60mm, chất liệu nhựa, kích thước lớn ứng dụng cho xe mang tải cao hơn V1,V2,V3.

+ V5, d = 95mm, b = 14mm, chất liệu lõi: nhôm, lốp: cao su ma sát tốt, là sự lựa chọn tối ưu cho các thiết kế chịu tải nặng lên tới 100kg.

+ V6, d = 85mm, b = 30mm, chất liệu lõi nhựa, lốp cao su bền: chịu được tải trọng lớn.

+ V7, d = 96mm, b = 40mm, chất liệu nhựa chất lượng cao độ bền cao, thường ứng dụng trong robot leo địa hình.

+ V8, d = 115mm, b = 52mm, chất liệu: nhựa, lõi nhựa, mút, lốp cao su cho ma sát tốt, độ bền cao.

Bánh xe V2 là lựa chọn lý tưởng cho các xe đua nhờ kích thước nhỏ gọn và khả năng tải trọng thấp, đồng thời đảm bảo độ bám đường tốt, không bị trượt Trong khi đó, bánh đa hướng Mecanum được thiết kế với các con lăn nhỏ nghiêng 45 độ, cho phép thực hiện nhiều chuyển động phức tạp như tiến lùi, xoay tròn trong không gian hạn chế và di chuyển ngang khi cần thiết, nhờ vào thuật toán điều khiển phức tạp.

Hình 4.17 Bánh đa hướng Mecanum D48

 Kết luận: Chọn bánh xe V2 đơn giản và gọn hơn, có các thông số:

Hình 4.18 Bánh xe V2 của HShop

Chất liệu: nhựa, mút, cao su Đường kính: 65 mm Độ rộng bánh: 27 mm Kích thước khớp trục lục giác: 12 mm

4.1.2 Tính toán và lựa chọn động cơ

Do hạn chế về kinh phí cho động cơ thực nghiệm, nhóm không thể đầu tư vào động cơ chất lượng cao, dẫn đến việc vận tốc chỉ đạt 0,7m/s sau khi đã được hiệu chỉnh.

- Thông số đầu vào: o Kết cấu xe 3 bánh: 2 bánh dẫn động ở trước, 1 bánh mắt trâu ở sau

Vận tốc tối đa mong muốn: v max = 0,7 m/ s o Thời gian tăng tốc mong muốn: 1s (vận tốc tăng từ 0m/s đến 2m/s lúc xuất phát).

Suy ra gia tốc khởi động: a=0,7 m/ s 2

Thông số đầu vào cho bài phân tích bao gồm vận tốc tối đa là 0,7 m/s, gia tốc 0,7 m/s², bán kính xe R là 2,5 mm, khối lượng bánh xe m là 0,02 kg, và khối lượng tải M giả định là 0,4 kg Hệ số ma sát giữa lốp cao su và bề mặt bê tông khô ráo được xác định là 0,8, cùng với hệ số an toàn s là 1,2.

- Mô hình động học, xét trạng thái bánh xe lăn về phía trước với gia tốc dài a=2 m/ s 2

Hình 4.19 Mô hình động học bánh xe

Tính toán: o Moment quán tính của bánh xe (xem bánh xe là đĩa trong đặc):

2 m R 2 ( 4.1) o Giả sử tải trọng xe phân bố đều, toàn bộ lên 2 bánh xe dẫn động Suy ra trọng lực tác dụng lên 1 bánh xe là:

TIEU LUAN MOI download : skknchat123@gmail.com moi nhat o Áp dụng định luật 2 Newton:

Phương trình Moment quay quanh trục bánh xe:

Phương trình cân bằng lực theo phương thẳng đứng và từ (4.2) suy ra:

2 ) g (4.4) Phương trình lực theo phương ngang

2 ) a(4.5) o Từ (4.1), (4.4), (4.5) thế vào (4.3) ta được Moment kéo động cơ bánh xe là:

2 0,025.0,0325 0,7=0,054( Nm) o Để bánh xe lăn không trượt khi chuyển động:

2 mRa o Moment động cơ lớn nhất để bánh xe lăn không trượt:

2 0,025 0,0325 0,7=0,0577 ( Nm) o Vận tốc góc động cơ là: ω 0= v

 Số vòng quay động cơ: n 0 =60

- Hệ số an toàn cho cả tốc độ và moment: o

Vận tốc tối đa của động cơ:

 Số vòng quay động cơ: o Moment tối đa gây trượt của động cơ: o Moment hoạt động của động cơ: o Công suất của động cơ là: s= 1,2 ω%,85 rad / s n= 60 2π ω

- Chọn động cơ: DC giảm tốc GA25 280rpm [35]

Động cơ GA25 có tốc độ 280rpm với các thông số kỹ thuật quan trọng như công suất định mức, điện áp định mức, dòng điện khi không tải và khi bị giữ, tốc độ động cơ khi không tải, cùng với moment hoạt động và moment bị giữ.

0,056 Nm/ 0,167 Nm o Kích thước động cơ: D 25 xL 75 mm

Tải xuống TIEU LUAN MOI tại địa chỉ skknchat123@gmail.com, phiên bản mới nhất với khối lượng 104 g Hộp giảm tốc có tỉ số truyền 21,3:1, được tích hợp sẵn trong động cơ Encoder sử dụng 2 kênh A, B với tổng số xung qua hộp giảm tốc là 235 xung, điện áp định mức của encoder là 3,3V Đường kính trục động cơ là 4 mm.

(Dùng khớp nối lục giác chuyển từ 12mm (đường kính trục bánh xe) đến chốt gắn với động cơ có đường kính 4mm [36] ).

- Với tốc độ lớn nhất thì moment động cơ tác dụng lên bánh xe đạt cực đại

 Bánh xe đảm bảo lăn không trượt trên toàn quỹ đạo.

4.1.3 Xét điều kiện để xe vào cua không bị trượt

Hình 4.21 Phân tích lực gây trượt cho bánh xe khi vào cua

 Xe đảm bảo không trượt khi vào cua.

4.1.4 Xét điều kiện để vào cua không lật

Hình 4.22 Phân tích lực gây lật khi vào cua

Gọi: o Trọng tâm xe cách sàn 1 khoảng h o Khoảng cách trọng tâm xe đến tâm bánh xe theo phương ngang với a là khoảng cách tâm 2 bánh xe là: x

- Phương trình cân bằng moment chọn gốc quay tại vị trí bánh xe tiếp xúc với sàn,

4.1.5 Thiết kế thân xe và các bộ phận

Quá trình tính toán các kích thước của xe được kiểm tra và thay đổi liên tục để có kết quả tốt nhất

- Chiều dài mỗi động cơ là 75m, đặt thành hàng ngang nên khoảng cách giữa 2 bánh xe ≥ 150mm Chọn khoảng cách tâm 2 bánh xe tối thiểu: x0 mm

Để đảm bảo an toàn khi vào cua và tránh hiện tượng lật xe, cần xem xét mối quan hệ giữa khoảng cách tâm của hai bánh xe và chiều cao trọng tâm xe so với mặt đất Cụ thể, chiều cao trọng tâm xe phải nhỏ hơn hoặc bằng 1,63 lần khoảng cách giữa hai bánh xe, tức là h ≤ 1,63x m.

Trong thiết kế phần tổng quan của CartisX04, trọng tâm xe cách sàn 7mm với đường kính bánh xe 25mm Đối với Chariot, bánh tự lựa có đường kính 9,5mm, nên xe cách mặt sàn lớn hơn 9,5mm Bánh xe dẫn động có đường kính 30mm, từ đó có thể ước lượng trọng tâm xe nằm trong khoảng 10 đến 15mm cách mặt sàn.

Bánh xe sử dụng: loại V2-65mm Bánh mắt trâu dùng loại như xe Chariot Bố trí linh kiện sao cho trọng tâm xe nằm ở càng thấp càng tốt.

Khoảng cách gầm dưới xe cách sàn: Bánh mắt trâu Hshop có chiều cao 15mm, suy ra chọn khoảng cánh mặt dưới thân xe với mặt sàn:

TIEU LUAN MOI download : skknchat123@gmail.com moi nhat k mm

Suy ra trọng tâm xe nằm trong khoảng từ 15 đến 32,5mm.

Giả sử sau khi phân bố các linh liện, trọng tâm xe cách mặt sàn trong khoảng (đã tính toán lại sau khi hoàn thành sản phẩm) h mm

- Tấm thân xe: vật liệu nhôm 6061.

Kiểm tra bền bằng Solidworks Simulation, suy ra độ dày tấm thân xe (nhỏ nhất thỏa bền) là: i=1,5 mm

Kích thước xe được xác định bởi bố trí linh kiện và thiết kế nhỏ gọn Chiều dài xe phụ thuộc vào cách sắp xếp các bộ phận trên một tầng thân xe, với kích thước a0 mm Chiều rộng xe được tính bằng khoảng cách giữa hai tâm bánh xe, trừ đi hai khoảng nhô ra ở hai trục, với kích thước b8 mm Cuối cùng, chiều cao xe tương đương với đường kính bánh xe, đạt kích thước ce mm.

- Khoảng cách từ tâm dãy cảm biến đến tâm trục bánh dẫn động:

Khoảng cách giữa các xe càng nhỏ thì độ ổn định của xe càng cao Tuy nhiên, khoảng cách này cần phải lớn hơn khoảng cách mà xe có thể di chuyển sau một lần lấy mẫu, vì vậy nên chọn d0 mm.

Bảng 5 Các kích thước cơ bản của khung thân xe Đối tượng Thông số

Khoảng cách từ tâm dãy cảm biến đến tâm trục d= 30 mm bánh dẫn động

Khoảng cách 2 bánh xe x0 mm

Chiều cao trọng tâm xe h mm Độ dày thân xe i=1,5 mm

Chiều cao gầm xe k mm

Các kích thước bánh xe dẫn động, bánh tự lựa: được nêu tại phần 4.1.1

Các kích thước động cơ: phần 4.1.2

Bộ cảm biến có chiều cao 11mm so với mặt đất và bao gồm 7 cảm biến, mỗi cảm biến cách nhau 13mm Kích thước tổng thể của dãy cảm biến là 90x21mm.

4.1.6 Kiểm bền tấm thân xe

Sử dụng Solidworks Simulation để kiểm tra độ bền của tấm thân xe

- Vật liệu tấm xe: Nhôm tấm 6061

- Khối lượng hộp chứa pin: 2,7(g/cm 3 ).2,6(cm 3 ) = 7g

- Tấm gá cảm biến: nhôm tấm 6061

- Tấm gá che cảm biến: nhôm tấm 6061

- Khối lượng mạch cảm biến: 50g

- Khối lượng mạch điều khiển cảm biến: 20g

- Khối lượng mạch điều khiển chính: 150g

Vị trí đặt lực phân bố được thể hiện ở phần tiếp theo.

Tổng trọng lượng của xe là: 800g.

4.1.6.2 Đặt lực và kết quả mô phỏng Đặt lực

Hình 4.24 Mô phỏng đặt lực trên tấm thân xe

Hình 4.25 Thông số vật liệu tấm thân xe Độ bền

Hình 4.26 Phân bố ứng suất trên tấm thân xe

 Kết luận: Thỏa bền - ứng suất lớn nhất là 2,167.10 7 bé hơn ứng suất cho phép 5,515 10 7

Hình 4.27 Phân tích chuyển vị trên tấm thân xe

 Kết luận: Chuyển vị tương đối nhỏ (< 0,3mm), vị trí gắn với đồ gá: chuyển vị sấp sỉ:

4.1.7 Thiết kế đồ gá động cơ – Tính toán dung sai

Hình 4.28 Đồ gá động cơ

Kiểm tra: Dung sai độ đồng tâm

4.1.7.1Tính chọn các mối lắp theo các chi tiết tiêu chuẩn

- Dung sai chốt định vị

Hình 4.29 Datasheet chốt định vị trụ suốt [37]

Tra bảng 1.31 trang 63 tài liệu [38] suy ra sấp sỉ mối lắp

Do đó, dựa vào bảng 20.4 trang 122 tài liệu [39] , chọn mối lắp có độ đồng tâm cao là

Mối lắp trung gian H7/n6 là lựa chọn tối ưu cho kết cấu, giúp tránh tình trạng chốt định vị dễ bong ra trong quá trình vận hành khi sử dụng lắp lỏng Đồng thời, việc sử dụng lắp chặt có thể gây biến dạng cho chi tiết khi siết ốc.

Cấp chính xác gia công đồ gá là cấp 7.

- Dung sai hình dáng của tấm gá:

Hình 4.30 Chọn mặt chuẩn và dung sai các mặt phụ vuông góc

Mặt đáy là mặt chuẩn, tra bảng P4.4 trang 220 tài liệu [39]

+ Dung sai độ vuông góc của mặt bích: với kích thước 28,5mm, ccx 7: 0,012mm

+ Dung sai độ vuông góc của mặt trụ tấm gá với mặt bích: kích thước 5mm, ccx 7: 0,006mm

- Dung sai mặt trụ định vị của động cơ [40] :

Hình 4.31 Thông số kích thước dung sai động cơ

Dung sai chiều dài ống lót định vị của động cơ là ±0,2mm.

Phân tích hình học, sử dụng mặt bích của động cơ là mặt chuẩn.

Hình 4.32 Phân tích hình học 1

Suy ra rằng độ sai lệch đường kính của động cơ là x = 0,057mm, tương ứng với độ đồng trục, trong khi kích thước danh nghĩa là 2,5mm theo bảng P4.5 trang 221 của tài liệu [39] Do đó, cấp chính xác của mối lắp đồng tâm được xác định là cấp 10.

Dựa vào bảng 2.12 trang 92 tài liệu [38] , chọn độ chính xác hình học cao suy ra cấp chính kích thước xác chọn là 8.

Dựa vào bảng, với kích thước danh nghĩa của trục là 7, ccx 8, chọn lắp theo trục, gia công lỗ.

+ Theo tính chất hình học, với độ vuông góc mặt bích là 0,012, suy ra a = 0,006, suy ra c = 7,006.

Hình 4.33 Phân tích hình học 2

Do đó kích thước lỗ nhỏ nhất là

TIEU LUAN MOI download : skknchat123@gmail.com moi nhat ¿ c sin (arctan ( 2,5 a ))=7,006.sin ( arctan( 0,006 2,5

Lỗ gia công có kích thước 7, với miền dung sai có kích thước giới hạn dưới lớn hơn gần nhất là 7+0,006 Theo bảng dung sai trong tài liệu [38] trang 32, lựa chọn dung sai F7.

Mối lắp là F7h8 (lắp lỏng)

4.1.5.2 Giải bài toán dung sai, phân bố dung sai lên các chi tiết chế tạo

Thiết kế điện

Sơ đồ khối mạch điện:

Hình 4.26 Sơ đồ khối hệ thống điện

Tính toán điện trở cho cảm biến

Hình 4.7 Sơ đồ mạch điện cảm biến quang TCRT5000

Với sơ đồ nguyên lý trên, ta kết hợp với các giá trị được cho trong datasheet của TCRT5000, ta chọn V F =1.25 V, I F mA

Hình 4.39 Đồ thị thể hiện mối tương quan giữa dòng điện vào led phát với dòng điện transitor (bên trái) và với điện áp 2 dầu transistor (bên phải)

Dựa vào đồ thị thể hiện dòng và áp qua LED ta tìm được I C = 1mA và V CE = 0.6V

Chọn cách đặt cảm biến

Có hai cách đặt cảm biến: đặt theo chiều dọc (position 2) và đặt theo chiều ngang (positiion 1).

Hình 4.29 Cách đặt cảm biến

Hình 4.30 Ảnh hưởng của cách đặt cảm biến với Switching distance

Dựa theo đồ thị ta thấy rằng Switching distance X d của position 1(đặt theo chiều ngang) luôn nhỏ hơn Switching distance X d của position 2 (đặt theo chiều dọc).

Khi chuyển từ nền trắng sang nền đen, khả năng nhận biết của cảm biến phụ thuộc vào giá trị Xd; giá trị Xd càng nhỏ thì khả năng nhận diện đường line của cảm biến càng cao Do đó, việc bố trí cảm biến theo chiều ngang là lựa chọn tối ưu.

Để đảm bảo phototransistor nhận tín hiệu từ LED phát khi robot di chuyển theo đường, cần xác định chiều cao của cảm biến so với mặt sàn một cách chính xác, đặc biệt tại các điểm giao nhau giữa vùng phát và vùng thu.

Hình 4.31 Sơ đồ đo chiều cao cảm biến so với mặt sàn Trong trương hợp này, khoảng cách phù hợp là d>8.57mm.

Cảm biến TCRT5000 có phạm vi hoạt động tối đa là 15mm, vì vậy thí nghiệm được thực hiện với các khoảng cách từ 9mm đến 15mm.

Hình 4.32 Đồ thị kết quả thí nghiệm đo giá trị điện áp trả về từ cảm biến tại từng vị trí so với tâm đường line

 Kết quả: (được kiểm nghiệm đo đạt từ thực nghiệm)

Khi khoảng cách giữa các điểm đo lớn (từ 13 – 15mm), sự chênh lệch điện áp giữa vị trí tại lâm line và trên nền trắng sẽ giảm so với khoảng cách nhỏ (9 – 12mm) Điều này dẫn đến việc điện áp đo được tại vùng nền trắng trở nên không ổn định.

- Với khoảng cách thấp (từ 9 – 12mm), điện áp đo tại vùng nền trắng có sự ổn định hơn (các giá trị tương gần như nhau).

- Giá trị điện áp tại nền trắng ứng với khoảng cách 10mm ổn định hơn so với khoảng cách 9mm, 11mm và 12mm.

 Kết luận: Như vậy, chiều cao cảm biến so với mặt đường được lựa chọn là 11mm

Xác định khoảng cách giữa các cảm biến

- Có ít nhất 2 sensor nằm trong line và nhiều nhất là 3 sensor nằm trong line.

- Phạm vi hoạt động của 2 led không chồng lên nhau

Để đảm bảo cảm biến hoạt động hiệu quả, các LED cần được tách biệt và không giao thoa với nhau, vì điều này sẽ gây ra sai số trong quá trình hoạt động.

Do sử dụng giải thuật xấp xỉ trọng số, ta bố trí các cảm biến đều nhau

- Giả sử ta đặt hai cảm biến sát nhau sao cho vùng hoạt động của chúng vừa chạm nhau như sau:

Trong trường hợp cảm biến nằm ngang

Hình 4.40 Sơ đồ tính toán khoảng cách giữa 2 cảm biến

Khoảng cách tối thiểu giữa hai đèn LED phát và thu liền kề cần đảm bảo lớn hơn 4.08 mm, tính theo công thức l > 10*(tan(80) + tan(15)) Trong khi đó, khoảng cách giữa hai đèn LED trong một cảm biến chỉ là 3.5 mm Do đó, cần chú ý đến khoảng cách tối thiểu giữa các đèn LED để đảm bảo hiệu suất hoạt động của cảm biến.

2 cảm biến sẽ là: d= l + 3.5 = 4.08 + 3.5= 7.58 mm Với điều kiện ít nhất 2 sensor nằm trong line và nhiều nhất 3 sensor nằm trong line 19 mm

Hình 4.34 Điều kiện khoảng cách giữa các cảm biến Theo datasheet chiều dài cụm sensor là 10.2mm

Khi sử dụng bề dày line 19mm, việc di chuyển cảm biến qua đoạn 19-d (mm) sẽ dẫn đến tình trạng có hai cảm biến (bên trái và chính giữa) phát hiện line với giá trị analog giống nhau, gây khó khăn trong việc xác định vị trí Tiếp tục di chuyển trong vùng 2d-19, chỉ có một cảm biến phát hiện line, cũng không cho kết quả chính xác Do đó, khi chọn 19-d = 2d-26, ta có thể tính được d = 12,67 (mm).

Vì ít nhất 2 sensor nằm trong đường line nên có 10.2 mm < d < 19mm Để đảm bảo

Tải xuống TIEU LUAN MOI tại địa chỉ skknchat123@gmail.com Để đảm bảo không bị chồng chéo trong khu vực làm việc, chúng ta chọn khoảng cách cảm biến là 13 mm, với vị trí hoàn toàn nằm trong line và đủ xa.

Khi sử dụng giải thuật xấp xỉ bậc 2, cần ít nhất 3 cặp cảm biến để nhận dạng tâm đường line Nếu tâm đường line trùng với tâm nội suy từ cảm biến, ta cần thêm 1 cặp cảm biến ở mỗi bên khi xe lệch trái hoặc phải Như vậy, với 5 cảm biến, ta có thể xác định được phía lệch của xe Tuy nhiên, trong các khúc cua, việc sử dụng 5 cặp cảm biến có thể gây khó khăn cho việc ôm cua do thiếu tín hiệu cần thiết Do đó, ta quyết định tăng thêm mỗi bên một cặp LED, dẫn đến việc sử dụng tổng cộng 7 cặp LED cho mạch cảm biến.

Hình 4.42 Kích thước dãy cảm biến

Hình 4.43 Mạch proteus cảm biến

Hình 4.44 Mạch PCB cảm biến

+ Kích thước bao mạch cảm biến theo 2 phương là: 92mm x 21mm

Hình 4.45 Mô hình 3D cảm biến

4.2.2 Lựa chọn và thiết kế mạch driver

Nhóm sử dụng động cơ DC servo GA25 với điện áp hoạt động 12V và công suất 4W, có dòng lớn nhất mà motor chịu được là 0,9A và tốc độ đạt 280rpm Để điều khiển động cơ này, nhóm lựa chọn tham khảo motor driver L298N.

Driver L298N Điện áp cần cấp cho động cơ +5V -> +12V

Dòng tối đa mỗi cầu H 2A Điện áp logic +5 -> +7V

Dòng điện của tín hiệu điều khiển 0 -> 36mA

Để thiết kế mạch driver, nhóm đã lựa chọn IC L298N, một mạch tích hợp cầu H với các transistor NPN và opamp, nhằm so sánh tín hiệu đảo chiều động cơ khi cần thiết.

Hình 4.40 Block diagram của IC L298N

Trong khối block diagram, có hai mạch cầu H, với nửa bên trái chứa chân 2, 3 kết nối với động cơ, chân +Vss cung cấp nguồn cho các opamp, và chân In1, In2 xác định chiều quay của động cơ Chân EnA quyết định hoạt động của cầu A; khi EnA ở mức ‘1’, cầu A sẽ hoạt động Nếu In1 là ‘1’ và In2 là ‘0’, động cơ quay thuận, ngược lại, khi In2 là ‘1’ và In1 là ‘0’, động cơ quay ngược Để điều chỉnh tốc độ động cơ, cần cấp xung PWM vào chân EnA.

Mỗi khối block so sánh là các con opamp sau:

Opamp so sánh, để chuyển trạng thái từ ‘Off’ lên ‘On’ thì chân ENA và INPUT phải có giá trị ‘HIGH’.

Ngược lại với opamp trên, để chuyển trạng thái từ ‘Off’ lên ‘On’ thì chân ENA phải

‘HIGH’ và chân INPUT phải ‘LOW’.

Thiết kế mạch driver yêu cầu các linh kiện cơ bản như IC L298N (còn gọi là IC multiWatt 15), tụ điện, diot chống ngược dòng và điện trở Tụ điện đóng vai trò quan trọng trong việc lọc nhiễu do dòng điện qua động cơ bật tắt liên tục khi sử dụng PWM, đồng thời giúp ngăn chặn dòng ngược.

Hình 4.41 Sơ đồ mạch driver proteus

4.2.3 Lựa chọn nguồn và mạch hạ áp

- Yêu cầu: Khối driver sử dụng nguồn 12V, micro controller và các cảm biến ta sử dụng nguồn

- Cần cách ly mạch điều khiển và mạch động lực.

- Do đó dùng 2 pin 9V cấp nguồn cho mạch động lực và 1 pin 9V cấp nguồn cho mạch điều khiển.

Pin Mã hiệu Dòng điện max Dung tích Chức năng

9V Eveready Silver 5mA 600mAh Nguồn nuôi cho

Hình 4.46 Datasheet Pin 9V Eveready Silver

Mạch hạ áp 18V thành 12V có thể được thực hiện bằng cách sử dụng module hạ áp LM7812, bao gồm chip IC7812, hai tụ điện 0,33uF và 0,1uF, cùng với một diode ngăn dòng ngược IC7812 có khả năng nhận điện áp đầu vào từ 14.2V đến 27V và cung cấp dòng cực đại lên đến 2.2A.

Hình 4.47 Block diagram module hạ áp LM7812 Sơ đồ mạch và kiểm tra

Hình 4.48 Sơ đồ mạch hạ áp 12V

+ Với điện áp đầu vào (D1(A)) là 18V mạch cho giá trị hiệu điện thế đầu ra là 12V.

+Với mạch hạ áp 9V thành 5V cấp nguồn nuôi cho vi điều khiển sử dụng IC 7805, 2 tụ điện tương tự cho mạch hạ áp IC 7805.

Sơ đồ mạch và kiểm tra

Hình 4.46 Sơ đồ mạch hạ áp 5V

Với điện áp đầu vào (C1(A)) là 9V mạch cho giá trị hiệu điện thế đầu ra là 5V.

+ Với mạch hạ áp 5V thành 3,3V cấp nguồn nuôi cho vi điều khiển sử dụng IC LM 1117DT- 3,3, 2 tụ điện âm dương 10uF cho mạch hạ áp IC LM 1117.

Sơ đồ mạch và kiểm tra

Hình 4.47 Sơ đồ mạch hạ áp 3,3V

Với điện áp đầu vào (5V-vdk) là 9V mạch cho giá trị hiệu điện thế đầu ra là 3,3V.

4.2.4 Thiết kế bộ điều khiển trung tâm

4.2.4.1Yêu cầu vi điều khiển

Lựa chọn vi điều khiển

Hệ thống điều khiển yêu cầu sử dụng ba vi điều khiển: một vi điều khiển slave để điều khiển động cơ, một vi điều khiển slave khác để nhận tín hiệu từ cảm biến và xử lý thông tin, cùng với một vi điều khiển master để quản lý toàn bộ hệ thống.

- Đọc giá trị analog của 7 cảm biến.

- Đọc tín hiệu trả về từ encoder của động cơ.

- Chân PWM để điều khiển động cơ.

- Giao tiếp giữa master và slave.

- Ngắt timer và ngắt ngoài để đọc tín hiệu từ encoder

Từ những yêu cầu trên nhóm sử dụng vi điều khiển Atmega328 với các thông số:

- 6 kênh PWM trong đó có 2 kênh tần số cao (62500Hz)

- 2 kênh ngắt ngoài và 3 timer

Hình 4.48 Sơ đồ chân vi điều khiển Atmega 328

+ Giao tiếp Slaver 1: 7 chân đọc tín hiệu analog và giao tiếp

+ Giao tiếp Slaver 2: 4 chân logic và 2 chân PWM cho driver, giao tiếp và 2 chân ngắt ngoài encoder.

+ 1 Master giao tiếp với 2 Slaver

 Kết luận: Nhóm chọn slaver 1 là atmega328P dạng TQFQ, master và slaver 2 là atmega328P dạng PDIP.

- Giao tiếp master và slaver 1 là: RX, TX

- Giao tiếp master và slaver 2 là: I2C

Hình 4.49 Sơ đồ mạch proteus mạch điều khiển trung tâm

Hình 4.50 PCB mạch điều khiển trung tâm

Hình 4.51 Model 3D mạch điều khiển trung tâm

 Kết luận: Mạch không quá phức tạp nên nhóm chọn phương pháp hàn tay mạch.

4.3 Mô hình hoá hệ thống

Tiêu đề	Thiết Kế Mobile Platform Bám Line Cho Trước
Tác giả	Nguyễn Tuấn Hòa, Phạm Hoàng Ân, Nguyễn Hảo An
Người hướng dẫn	PGS. TS Nguyễn Tấn Tiến, TS Dương Văn Tú
Trường học	Đại học Quốc gia TP. Hồ Chí Minh
Chuyên ngành	Cơ điện tử
Thể loại	Đồ án
Năm xuất bản	2021
Thành phố	TP.HCM

Định dạng
Số trang	160
Dung lượng	7,19 MB