TỔNG QUAN VỀ ĐỀ TÀI
Giới thiệu bài toán
- Tên đề tài: Xây dựng xe tự hành tránh vật cản sử dụng cảm biến siêu âm SRF05 để đo khoảng cách và có điều khiển từ xa.
- Giáo viên hướng dẫn: Ths Phạm Trung Minh
Robot tự hành sử dụng cảm biến siêu âm SRF05 để đo khoảng cách
Môi trường làm việc của robot được xác định trên một mặt phẳng, với các bức tường và vật cản tạo thành những trở ngại tĩnh hai chiều Trong nghiên cứu này, robot được trang bị ba cảm biến siêu âm SRF05, được lắp đặt lệch nhau một góc α (chọn α%°) nhằm đo khoảng cách từ bánh xe di động đến các vật cản.
B1: 3 sensor cảm biến SRF05 tiến hành đo khoảng cách theo 3 hướng bên trái, bên phải, ở giữa Sau đó gửi kết quả đo đạc về vi điều khiển
- Nguyên lý đo khoảng cách của cảm biến siêu âm SRF05
SRF05 sử dụng nguyên lý phản xạ của sóng để đo khoảng cách
Khi muốn đo khoảng cách SRF05 sẽ phát ra 1 bộ 8 xung với tần số
SRF05 phát ra xung âm tần số 40KHz và chờ đợi xung phản xạ trở về Thời gian từ khi xung được phát đi cho đến khi nhận được xung phản xạ cho phép tính toán khoảng cách từ SRF05 đến vật cản một cách dễ dàng.
Khi phát ra xung và chờ xung phản xạ, chân Echo của SRF05 sẽ được kéo lên mức cao (echo = 1) Nếu có xung phản xạ, chân Echo sẽ được kéo xuống mức thấp, trong khi nếu không có xung phản xạ, chân Echo sẽ trở về mức thấp sau 30us.
B2: Vi điều khiển xử lý dữ liệu từ cảm biến SRF05 dựa trên kết quả đo đạc, với 7 tình huống có thể xảy ra khi phát hiện vật cản Mỗi tình huống yêu cầu một cách ứng xử riêng biệt để đưa ra quyết định điều khiển động cơ 1 hoặc động cơ 2.
- Giao tiếp giữa PIC 16F877A với SRF05 Đo hoảng cách với SRF05 chính là đo thời gian chân Echo ở mức cao
10 Để đo thời gian chân Echo ở mức cao ta sử dụng Timer1 và ngắt ngoài của PIC
Để đo khoảng cách, cần kích hoạt chân Trigger bằng một xung tối thiểu 10ms, sau đó chờ chân Echo lên mức cao Tiếp theo, kích hoạt timer1 và đợi chân Echo xuống mức thấp Khi chân Echo xuống mức thấp, dừng timer và tính toán giá trị từ timer để suy ra khoảng cách.
Robot hoạt động theo phương pháp điều khiển từ xa bằng sóng RF
Robot điều khiển bằng tần số vô tuyến (RF) hoạt động dựa trên nguyên lý tương tự như điều khiển bằng tia hồng ngoại Tuy nhiên, thay vì sử dụng tín hiệu ánh sáng, robot này truyền sóng vô tuyến để gửi các lệnh nhị phân Bộ phận thu sóng vô tuyến trên thiết bị nhận tín hiệu và tiến hành giải mã để thực hiện các lệnh điều khiển.
Mục đích của đề tài
Mục đích của đề tài là ứng dụng công nghệ thông tin để phát triển một xe tự hành có khả năng tự động tránh vật cản và hoạt động dưới sự điều khiển từ xa.
Yêu cầu cần thực hiện
Hoàn chỉnh thiết kế và thi công xe tự hành có cảm biến tự tránh vật cản, có bộ thu RF để nhận sự điều khiển từ người dùng.
Xây dựng thiết bị có bộ phát RF, điều khiển sự hoạt động của xe.
Các chức năng cần có trong bài toán
Robot có khả năng tự tránh vật cản dựa vào 3 sensor cảm biến siêu âm SRF05, cảm nhận môi trường xung quanh robot
Robot có khả năng hoạt động dưới sự điều khiển từ xa của người dùng thông qua sóng vô tuyến RF
Các khối chức năng cần có
Từ việc xác định các chức năng cần phải có trong bài toán ta xác định được bài toán cần các khối chức năng sau
Khối nguồn: chức năng cấp nguồn điện đầu vào +5V cho hệ thống
Khối điều khiển trung tâm: gồm 3 khối nhỏ ( khối reset, khối tạo xung dao động và khối vi điều khiển)
- Khối reset: chức năng reset hệ thống trở về trạng thái ban đầu
- Khối tạo xung dao động: chức năng tạo xung nhịp với tần số thạch anh 20MHz
Khối vi điều khiển PIC 16F877A đóng vai trò quan trọng trong việc điều khiển hoạt động của hệ thống Nó xử lý thông tin từ các cảm biến và điều khiển hoạt động của động cơ dựa trên dữ liệu thu thập được.
Khối điều khiển 2 động cơ ( IC L298): chức năng điều khiển tốc độ và chiều thuận, nghịch của 2 động cơ
Khối cảm biến SRF05 có chức năng xác định trạng thái môi trường bên ngoài bằng cách phát hiện vật cản Sau khi thu thập thông tin, nó gửi dữ liệu về trạng thái môi trường tới bộ xử lý, từ đó giúp robot đưa ra các phản ứng điều khiển phù hợp để ứng phó với các sự kiện bên ngoài.
Khối hiển thị LCD: chức năng hiển thị kết quả đo đạc của sensor cảm biến SRF05
Bộ thu- phát RF: chức năng thu và nhận tín hiệu sóng vô tuyến RF điều khiển hoạt động của robot
Nguyên lý hoạt động của bộ thu phát RF
+ Modul phát: khi cấp mức logic 0 hoặc 1 vào chân data tương ứng thì modul RF sẽ không phát hoặc phát sóng điện từ
+ Modul thu: bên thu sẽ thu sóng điện từ và khi nhận được sóng chân data sẽ xuất ra mức logic 1, không thu được sẽ xuất ra mức logic 0
GIẢI BÀI TOÁN TÌM ĐƯỜNG TRÁNH VẬT CẢN CỦA XE TỰ HÀNH
Giới thiệu về xe tự hành tránh vật cản
Xe tự hành tránh vật cản, hay còn gọi là xe di động, là loại xe có khả năng tự di chuyển và tự vận động Xe này có thể được lập trình lại và hoạt động dưới sự điều khiển tự động, nhằm thực hiện hiệu quả các nhiệm vụ được giao.
Theo lý thuyết, môi trường hoạt động của xe tự hành có thể bao gồm đất, nước, không khí, không gian vũ trụ hoặc sự kết hợp giữa các yếu tố này Địa hình mà xe di chuyển có thể là bề mặt bằng phẳng hoặc có độ lồi lõm thay đổi.
Robot tự hành có thể được phân loại thành hai loại dựa trên cơ chế chuyển động: chuyển động bằng chân và chuyển động bằng bánh Trong bài viết này, chúng ta sẽ tập trung vào xe tự hành chuyển động bằng bánh, loại phương tiện hoạt động hiệu quả trên hầu hết các địa hình do con người tạo ra Hệ thống điều khiển di chuyển bằng bánh đơn giản và ổn định hơn Chuyển động bằng bánh có thể chia thành ba loại: xe sử dụng bánh xe, xe sử dụng vòng xích và xe kết hợp giữa bánh xe và vòng xích.
Xe tự hành có tiềm năng ứng dụng rộng rãi, bao gồm việc vận chuyển vật liệu và hàng hóa trong các tòa nhà, nhà máy, cửa hàng, sân bay và thư viện Ngoài ra, robot xe lăn cũng có thể hỗ trợ người khuyết tật, mang lại tiện ích và cải thiện chất lượng cuộc sống.
Mặc dù robot tự hành có nhu cầu ứng dụng cao, nhưng chi phí chế tạo đắt đỏ và thiếu tính linh hoạt khi làm việc ở các vị trí khác nhau đã cản trở sự phổ biến của chúng.
Mô hình hóa và động học robot
Kết cấu robot lựa chọn gồm 3 bánh trong đó 2 bánh chủ động (phía trước) và 1 bánh tùy động (phía sau) có khả năng tùy ý.
Với kết cấu cơ khí này robot có khả năng di chuyển rất linh hoạt, lùi và quay 1 góc bất kỳ.
Hình 2.1: Mô hình và động học robot Gọi s1, s2 là đoạn dịch chuyển từ bánh xe tùy động tới 2 bánh chủ động
Với 1, 2, r lần lượt là lượng dịch chuyển quay và bán kính của 2 bánh chủ động.
T là khoảnh cách giữa 2 bánh, và là bán kính và góc dịch chuyển của robot trong mặt phẳng nằm ngang Khi đó
Ta xét 2 trường hợp sau của chuyển động:
TH1: robot đi theo quỹ đạo là đường thẳng (tiến hoặc lùi)
TH2: robot quay qua trái, qua phải
Lượng dịch chuyển theo 2 phương của hệ tọa độ gắn với robot
Vị trí của robot được xác định bởi tọa độ gốc của D ( ), góc định hướng tọa độ tại thời điểm thứ (i) được xác định như sau:
Giải bài toán tìm đường cho robot tự hành
Dò đường là một lĩnh vực khoa học quan trọng trong việc hướng dẫn robot tự hành di chuyển trong các môi trường khác nhau như đất, nước và không khí Một trong những thách thức lớn nhất trong việc dò đường là tìm ra lộ trình đến đích mà không va chạm với các vật cản trên đường đi.
Có 2 loại bài toán tìm đường trên đường đi cho robot: bài toán cục bộ, và bài toán toàn cục.
Trong bài toán cục bộ, robot hoạt động trong một môi trường không xác định hoặc chỉ có thông tin hạn chế Để di chuyển và thực hiện nhiệm vụ, robot phải dựa vào cảm biến gắn trên nó để nhận diện và dò đường trong môi trường xung quanh.
Lợi thế: yêu cầu tính toán, dung lượng nhớ thấp, tính linh hoạt cao (tránh được vật cản ngay cả khi vật đó di chuyển).
Robot tìm đường cục bộ có hạn chế là chỉ nhận biết thông tin xung quanh thông qua các cảm biến môi trường gắn kèm, do đó khả năng hoàn thành nhiệm vụ đến đích của chúng có thể bị ảnh hưởng.
Trong bài toán toàn cục, bản đồ môi trường làm việc của robot đã được xác định rõ ràng Nhiệm vụ chính là xác định lộ trình cho robot trước khi nó bắt đầu di chuyển.
Lợi thế: ta đã biết trước có đường đi tối ưu tới đích hay không trước khi robot khởi hành.
Hạn chế của phương pháp này bao gồm việc yêu cầu nhiều lệnh tính toán và bộ nhớ Một nhược điểm đáng chú ý là nếu bản đồ môi trường làm việc không được khai báo chính xác, điều này có thể dẫn đến các tình huống xấu Ngoài ra, việc cần phải biết trước hoàn toàn môi trường hoạt động cũng là một yếu tố hạn chế.
Trong tiểu luận này, tôi tập trung vào việc giải quyết bài toán tìm đường cục bộ cho robot trong môi trường 2D đơn giản Môi trường làm việc của robot được giới hạn bởi các bức tường và vật cản tĩnh, với các vật cản được xem là hai chiều Robot được trang bị cảm biến để xác định khoảng cách từ bánh xe đến các vật cản, giúp nó di chuyển hiệu quả trong không gian này.
2.3.1 Bài toán tìm đường cục bộ
Phương pháp bản đồ noron cực của Michail G Lagoudakis (1998) là một cách tìm đường cục bộ hiệu quả, sử dụng 16-32 cảm biến gán trên robot Normad để tạo ra một trường cảm biến xung quanh Thuật toán áp dụng trong phương pháp này là thuật toán ánh xạ noron, mặc dù có độ phức tạp tương đối Tuy nhiên, do giới hạn của tiểu luận, các chi tiết về phương pháp này không được đề cập thêm.
Phương pháp này sử dụng ba cảm biến dò đường để xác định khoảng cách từ bánh xe của robot đến vật cản Dựa vào khoảng cách đo được từ từng cảm biến, chúng ta có thể xác định phương hướng di chuyển phù hợp cho robot.
Các cảm biến của robot được lắp đặt lệch một góc α (chọn α%°), với khoảng cách tối đa dmax từ điểm D để nhận diện vật cản Để đảm bảo robot có thể phát hiện vật cản khi di chuyển thẳng, dmax và góc α cần được điều chỉnh sao cho vùng kiểm tra của cảm biến đủ rộng.
Hình 2.3: Không gian làm việc của robot trong mặt phẳng 2 chiều
Các ứng xử của robot khi sensor phát hiện vật cản.
Có 7 tình huống khác nhau khi sensor phát hiện vật cản, mỗi tình huống cần có cách ứng xử riêng.
Tình huống 1: cả 3 cảm biến đều phát hiện vật cản
- Nếu dl>dr thì robot quay sang trái: = ( Ox)
- Nếu dl khoang_cach_phai)
Lenh= lenh_lui_phai; // lùi qua phải Dieu_khien(); // đưa lệnh tới động cơ ; If (Lenh_tam != lenh_lui_phai) Delay_ms(time );
If ( khoang_cach_trai < khoang_cach_phai )
{ lenh= lenh_lui_trai; // lùi qua trái Dieu_khien(); // đưa lệnh tới động cơ
If (Lenh_tam !=lenh_lui_trai) Delay_ms(time );
If( khoang_cach_phai < khoang_cach_max || khoang_cach_trai < khoang_cach_max )
If( khoang_cach_phai < khoang_cach_trai )
{ lenh = lenh_re_trai; // rẽ trái Dieu_khien (); // đưa lệnh tới động cơ }
If( khoang_cach_trai < khoang_cach_phai)
{ lenh = lenh_re_phai; // rẽ phải Dieu_khien (); // đưa lệnh tới động cơ
If ( (khoang_cach_trai > khoang_cach_max) && (khoang_cach_phai > khoang_cach_max ))
{ lenh = lenh_tien; // điều khiển xe tiến
Dieu_khien (); // đưa lệnh tới động cơ Return ;
CẤU TẠO PHẦN CỨNG VÀ CÁC PHƯƠNG PHÁP ĐIỀU KHIỂN TRONG ROBOT TỰ HÀNH TRÁNH VẬT CẢN
Khối nguồn
Hình 3.3: Mạch nguồn kết nối với VDK
3.1.1 Thông số chính của mạch Đây là mạch dùng để tạo nguồn điện áp chuẩn +5V dùng IC 7805
- Hoạt động: đầu vào là nguồn điện 7.4V đưa vào bộ Diod cầu để cho ra dòng điện 1 chiều.
Mạch ổn áp là thiết bị cần thiết cho vi điều khiển, vì nguồn điện không ổn định có thể gây ra tình trạng treo, không hoạt động hoặc reset liên tục, thậm chí làm hỏng vi điều khiển Điện áp đầu vào của mạch ổn áp là 7.4V, được cung cấp từ hai cục pin Li-ion 3.7V có dung lượng khoảng 840mAh nối tiếp Điện áp đầu ra ổn định là 5V với dòng điện 1A.
3.1.2 Linh kiện cần có trong mạch
Tụ điện không phân cực C2 = 100nF
Led báo nguồn và điện trở Led Ổn áp 7805
Để tạo ra mạch dao động với tần số f = 1,5Hz và điện trở R = 1K, cần lưu ý rằng các LED chiếu sáng thường có mức điện áp là 2V và dòng điện làm việc khoảng 10mA là đủ để LED sáng Sử dụng nguồn điện 12V, áp dụng định luật Ôm để tính toán các thông số cần thiết cho mạch.
R= =1K áp dụng công thức ta tính được C1 = 100uF).
3.1.3 Nguyên tắc hoạt động của mạch
Mạch ổn áp 5V sử dụng IC 7805 rất đơn giản và phổ biến trong các ứng dụng điều khiển cũng như cấp nguồn cho các mạch tín hiệu Chức năng chính của mạch này là ổn định điện áp, nhờ vào hoạt động hiệu quả của con 7805.
Hình : Hình ảnh Pin Li-ion 3.7V dòng 840mAh
- 7805 là loại IC dùng để ổn định điện áp dương đầu ra với điều kiện đầu vào luôn luôn > đầu ra 3V – 5V
7805 gồm 3 chân: Chân 1: Input là chân nguồn đầu vào.
Chân 2: GND chân nối đất.
Chân 3: Output chân nguồn đầu ra.
Chân 1 (chân điện áp đầu vào): đây là chân cấp nguồn điện đầu vào cho 7805 hoạt động.
Chân 3 (chân điện áp đầu ra): chân này cho chúng ta lấy điện áp đầu ra ổn định 5V, đảm bảo đầu ra ổn định luôn nằm trong giải từ 4.75V – 5.25V.
Để đảm bảo hoạt động hiệu quả của mạch ổn áp 7805, điện áp cấp vào phải nằm trong khoảng từ 8V đến 40V, với yêu cầu tối thiểu là trên 3V Nếu điện áp dưới 8V, mạch sẽ không còn tác dụng Thông thường, người dùng nên cấp nguồn lớn hơn ít nhất gấp đôi điện áp đầu ra để tránh hiện tượng sụt áp, giúp duy trì nguồn đầu ra ổn định trong thời gian ngắn.
Thành phần lọc nguồn, lọc nhiễu
Như chúng ta đã biết tụ C1 là tụ hóa dùng để lọc điện áp Vì đây là điện áp
1 chiều nhưng chưa được phẳng vẫn còn gợn nhấp nhô nên tụ này có tác dụng lọc nguồn cho thành điện áp 1 chiều phẳng
Tụ C1 đóng vai trò quan trọng trong việc lọc nguồn đầu vào cho mạch 7805 Tụ hóa này cần có điện dung lớn để đảm bảo điện áp đầu vào được lọc phẳng, đồng thời điện áp chịu đựng của tụ phải lớn hơn điện áp đầu vào để hoạt động hiệu quả.
Tụ C2 đóng vai trò quan trọng trong việc lọc nguồn đầu ra cho IC 7805 Tụ lọc nhiễu tần số cao này cần phải là tụ không phân cực, giúp loại bỏ các thành phần sóng nhấp nhô và nhiễu bên ngoài, từ đó đảm bảo mạch hoạt động ổn định và hiệu quả.
Hỏi: Phần đèn led tại sao phải sử dụng điện trở hạn dòng R = 1K?
Các đèn LED chiếu sáng thường hoạt động với mức điện áp 2V và dòng điện 10mA là đủ để phát sáng Khi sử dụng nguồn điện 12V, có thể áp dụng định luật Ohm để tính toán các thông số cần thiết.
Hỏi: Vì sao trong mạch cần sử dụng IC ổn áp 3 chân 7805?
Trả lời: Để có mức áp DC 5V có độ ổn định tốt, trong mạch ta nên dùng
Hỏi: Vai trò của tụ C1, C2 trong mạch là gì?
Để tránh hiện tượng dao động tự kích trong IC ổn áp 7805, cần sử dụng tụ C1 (tụ hóa) nhằm dập tắt dao động này Đồng thời, tụ C2 (tụ giấy không phân cực) được sử dụng để lọc nhiễu tần số cao ở đầu ra.
Khối điều khiển trung tâm
Khối điều khiển trung tâm bao gồm 3 khối nhỏ: khối reset, khối tạo xung dao động và khối vi điều khiển
- Chức năng reset hệ thống trở về trạng thái ban đầu.
Khi nút reset được cấp điện áp +5V từ nguồn vào chân reset của vi điều khiển, điện áp của vi điều khiển sẽ giảm đột ngột về 0 Sự thay đổi này được vi điều khiển nhận biết và dẫn đến việc khởi động lại trạng thái ban đầu của chip.
Hỏi: vai trò của tụ C3 trên khối reset là gì?
Trả lời: tụ C3 có tác dụng chống nhiễu cho chân MCLR.
3.2.2 Khối tạo xung dao động
Hình 3.5: Khối tạo xung dao động
Bộ dao động thạch anh có chức năng tạo xung nhịp với tần số 20MHz, được kết nối với hai chân OSC1 và OSC2 của vi điều khiển.
Hỏi: vì sao trên thạch anh C1 = C2 = 33pF?
Trên chân OSC1 và OSC2 của IC lập trình, thạch anh định tần 20MHz thường được sử dụng kết hợp với tụ có C = 33pF để nâng cao hệ số ổn định tần số Việc này giúp cải thiện độ ổn định của tần số trong mạch dao động.
Hình 3.6: Khối vi điều khiển PIC ( Programable Intelligent Computer ) tạm dịch là “ máy tính thông minh khả trình”.
Các chân RD0 đến RD7 (trừ chân RD3) gửi tín hiệu đến khối hiển thị LCD Ba chân RD0, RD1 và RD2 được kết nối với ba chân điều khiển của LCD, trong khi bốn chân RD4 đến RD7 được nối với các chân khác của thiết bị.
4 bít cao của các chân nhận dữ liệu của LCD.
- Khối dao động được nối vào chân 13,14(OSC1, OSC2)
- Khối reset được nối vào chân 1 ( MCLR)
- Khối nguồn được nối vào chân 12,31
- Chức năng: điều khiển hệ thống hoạt động Xử lý các thông tin từ các sensor báo về sau đó điều khiển hoạt động của động cơ
Khối điều khiển động cơ
Hình 3.7: Khối điều khiển động cơ
Mạch công suất sử dụng IC L298 cầu H có hai kênh A và B, mỗi kênh có điện áp định mức 50V và dòng định mức cho tải là 2A Khi kết nối song song hai kênh, dòng cấp cho tải có thể đạt tới 4A với điện áp điều khiển 5V.
- Cầu diode dùng để chống dòng điện ngược, do tải động cơ có tính chất cảm kháng Nguồn cấp cho động cơ 7.4V.
- Sử dụng IC cầu H không những có tác dụng trong việc đảo chiều động cơ mà còn điều khiển tốc độ động cơ bằng phương pháp băm xung PWM.
3.3.1 Sử dụng IC L298 a) Đặc tính của IC
Với điện áp làm tăng công suất đầu ra từ 5V- 47V, dòng lên đến 4A, L298 rất thích hợp trong những ứng dụng công suất nhỏ như động cơ DC loại vừa.
Tích hợp trong IC là 2 mạch cầu H do đó có khả năng điều khiển 2 chiều 2 động cơ DC.
Chức năng các chân của L298
4 chân Input: IN1, IN2, IN3, IN4 được nối lần lượt với các chân 5, 7, 10,
12 của L298 Đây là các chân nhận tín hiệu điều khiển.
4 chân Output: OUT1, OUT2, OUT3, OUT4 được nối với các chân 2, 3,
13, 14 của L298 Các chân này sẽ được nối với động cơ.
Hai chân ENA và ENB trên mạch L298 được sử dụng để điều khiển hoạt động của các mạch cầu H Khi ở mức logic 1 (kết nối với nguồn 5V), mạch cầu H sẽ hoạt động, ngược lại, nếu ở mức logic 0, mạch cầu H sẽ không hoạt động.
Với bài toán ta chỉ cần lưu ý đến cách điều khiển chiều quay của L298 Khi ENA = 0: động cơ không quay với mọi đầu vào
IN1 = 1, IN2 =0 động cơ quay thuận IN1 = 0, IN2 = 1 động cơ quay nghịch IN1 = IN2 động cơ dừng ngay lập tức (tương tự với chân ENB , IN3, IN4)
Khả năng điều khiển dễ dàng (4 chân điều khiển 2 động cơ)
Không xảy ra hiện tượng ngắn mạch trong mạch cầu H như trong các mạch cầu thông thường.
3.3.2 Điều khiển 2 động cơ bằng phương pháp điều xung PWM Để điều khiển tốc độ của động cơ DC người ta thường dùng nhiều phương pháp khác nhau trong đó có 1 phương pháp hết sức quan trọng và thông dụng là phương pháp điều chế độ rộng xung kích PWM.
Phương pháp điều xung PWM là gì?
- Phương pháp điều xung PWM là phương pháp thay đổi duty cycle
( khoảng thời gian tín hiệu ở mức cao) trong 1 chu kỳ cố định, qua đó làm thay đổi điện áp trung bình cấp ra tải
Trong động cơ một chiều, PWM (Điều chế độ rộng xung) được áp dụng để điều chỉnh tốc độ hoạt động của động cơ, giúp nó vận hành nhanh, chậm và ổn định Nguyên lý hoạt động của PWM dựa trên việc thay đổi độ rộng của xung điện để điều chỉnh lượng năng lượng cung cấp cho động cơ, từ đó kiểm soát tốc độ quay một cách hiệu quả.
PWM là phương pháp điều khiển dựa trên nguyên tắc đóng ngắt nguồn tải theo chu kỳ, được điều chỉnh bởi thời gian đóng cắt Các van bán dẫn là thành phần chính thực hiện nhiệm vụ này trong mạch.
Xét hoạt động đóng cắt của 1 van bán dẫn, dùng van đóng cắt bằng
Hình 3.8: Sơ đồ đóng ngắt nguồn với tải
Trong khoảng thời gian từ 0 đến T, van G điều chỉnh điện áp nguồn cung cấp cho tải, mở hoàn toàn điện áp khi van G ở trạng thái mở và cắt nguồn khi van G khóa Do đó, chúng ta có thể cung cấp toàn bộ, một phần, hoặc hoàn toàn ngắt điện áp cho tải tùy theo trạng thái của van G.
Sơ đồ trên minh họa dạng xung điều chế trong một chu kỳ, trong đó thời gian xung lên (sườn dương) có thể thay đổi về độ dài Độ rộng của xung được tính theo công thức: Độ rộng = (t1 / T) * 100%, với t1 là thời gian xung tại sườn dương.
T: thời gian của cả sườn âm và dương Ta có: giá trị trung bình của điện áp ra tải hay * D
39 và : điện áp nguồn cung cấp cho tải.
Như vậy theo đồ thị ta có:
Trong nghiên cứu về việc điều khiển tốc độ của động cơ DC, tôi đã áp dụng phương pháp điều chế độ rộng xung (PWM) để điều chỉnh điện áp Phương pháp này cho phép thay đổi tốc độ động cơ một cách hiệu quả, giúp đạt được các mức tốc độ nhanh và chậm theo yêu cầu.
DC cung cấp năng lượng cho động cơ, giúp điều chỉnh tốc độ của động cơ DC Đối với vi điều khiển PIC 16F877A, phương pháp điều khiển này có thể thực hiện thông qua bộ điều chế độ rộng xung PWM tích hợp sẵn Nhờ đó, có thể kiểm soát tốc độ của hai động cơ một cách hiệu quả.
Chân CCP1 (chân 17) và CCP2 (chân 16) của PIC 16F877A có khả năng xuất ra chuỗi xung vuông với độ rộng điều chỉnh dễ dàng Để thiết lập chế độ PWM cho vi điều khiển này, người dùng cần thực hiện các bước cấu hình phù hợp.
Để sử dụng chức năng điều chế PWM, trước tiên cần cài đặt các pin của khối CCP làm output, sau đó tín hiệu điều chế sẽ được phát ra từ các pin này.
Để thiết lập thời gian cho một chu kỳ xung điều chế PWM, cần đưa giá trị thích hợp vào thanh ghi PR2, là thanh ghi 8 bit thuộc Timer 2 có khả năng đọc và viết.
B2: Thiết lập độ rộng xung cần điều chế ( duty cycle) bằng cách đưa giá trị vào thanh ghi CCPRxL và các bit CCP1CON.
B3: Điều khiển các pin của CCP là output bằng cách clear các bit tương ứng trong thanh ghi TRISC.
B4: Thiết lập giá trị bộ chia tần số prescaler của Timer 2 và cho phép Timer 2 hoạt động bằng cách đưa giá trị thích hợp vào thanh ghi T2CON.
B5: Cho phép CCP hoạt động ở chế độ PWM. Điều chế độ rộng xung PWM
Sử dụng vi điều khiển PIC 16F877A để điều khiển động cơ quay thuận-nghịch và điều chỉnh tốc độ, chúng ta áp dụng bộ điều chế độ rộng xung PWM tích hợp sẵn trong PIC Bộ điều chế này cho phép tạo ra hai ngõ ra xung tại các chân CCP1 và CCP2.
Khi hoạt động, các chân này phát ra chuỗi xung vuông với độ rộng có thể điều chỉnh, được sử dụng để tạo tín hiệu đóng ngắt transistor trong mạch động lực Độ rộng xung xác định sẽ tạo ra một điện áp trung bình nhất định Việc thay đổi độ rộng xung sẽ dẫn đến sự thay đổi điện áp trung bình và ảnh hưởng đến tốc độ của động cơ.
- Để có thể sử dụng được bộ PWM trước hết nó phải được khởi tạo chế độ PWM bằng lệnh
Setup_CCP1(CCP_PWM) Setup_CCP2(CCP_PWM)
Bộ PWM hoạt động nhờ vào sự hỗ trợ của Timer 2, một timer 8 bit có bộ chia trước Ngõ vào xung clock (fosc/4) cho phép lựa chọn hệ số chia trước là 1:4, 1:8 hoặc 1:16, được điều khiển thông qua các bit T2CKPS1 và T2CKPS2.
- Lệnh khởi tạo timer 2 và cũng là lệnh tạo xung cho PWM là
Setup_timer_2(mode,period,postscale) Với:
Mode: có thể chọn 1 trong các hình thức T2_DIV_BY_4, T2_DIV_BY_8, T2_DIV_BY_16
Period: là 1 số nguyên (0- 255) để xác định khi nào thì xung clock reset
Postscale: là 1 số từ 1-16 để xác định có bao nhiêu lần reset trước 1 ngắt( 1 có nghĩa là 1 lần, 2 có nghĩa là 2 lần,…)
- Chức năng của lệnh này là tạo ra chu kỳ xung, được tính như sau
Vd trong bài: muốn tạo chu kỳ xung 0,2ms ta khởi tạo timer 2 như sau
Setup_timer_2(T2_DIV_BY_16,200,1) T= (1/20e6)*4*16*(200+1) = 0,2ms Tạo xung bằng lệnh
Set_PWM1_duty(value) Set_PWM2_duty(value) Value là biến hoặc hằng giá trị 8 bit hoặc 16 bit
Hệ thống cảm biến
Hình 3.11: Kết nối giữa khối điều khiển trung tâm với sensor SRF05 Một trong những phần quan trọng nhất trong robot chính là hệ thống cảm biến.
Cảm biến là hệ thống giác quan của robot, giúp nó nhận diện trạng thái môi trường xung quanh, bao gồm các vật cản và màu sắc Thông qua việc thu thập thông tin từ môi trường, cảm biến gửi dữ liệu đến bộ xử lý, từ đó robot có thể đưa ra các phản ứng điều khiển phù hợp để ứng phó với các sự kiện bên ngoài.
3.4.1 Cảm biến siêu âm SRF05
Cảm biến siêu âm SRF05
- Nguyên lý đo khoảng cách của cảm biến siêu âm SRF05
SRF05 sử dụng nguyên lý phản xạ của sóng để đo khoảng cách
Để đo khoảng cách, cảm biến SRF05 phát ra một bộ 8 xung với tần số 40KHz và sau đó chờ đợi xung phản xạ trở về Thời gian từ khi xung phát đi đến khi xung phản xạ trở lại có thể được sử dụng để tính toán khoảng cách từ SRF05 đến vật cản.
Khi phát ra xung và chờ xung phản xạ, chân Echo của SRF05 sẽ được kéo lên mức cao (echo = 1) Nếu có xung phản xạ về, chân Echo sẽ được kéo xuống thấp; ngược lại, nếu không nhận được xung phản xạ trong 30us, chân Echo vẫn giữ mức cao.
Giao tiếp giữa PIC 16F877A và cảm biến SRF05 cho phép đo khoảng cách bằng cách đo thời gian chân Echo ở mức cao Để thực hiện việc đo này, chúng ta sử dụng Timer1 kết hợp với ngắt ngoài của PIC, giúp tối ưu hóa quá trình đo lường.
Để đo khoảng cách, kích hoạt chân Trigger bằng cách gửi một xung tối thiểu 10ms, sau đó chờ chân Echo lên mức cao Kích hoạt timer và tiếp tục chờ cho đến khi chân Echo xuống mức thấp Khi chân Echo trở về mức thấp, dừng timer và tính toán giá trị từ timer để suy ra khoảng cách.
Khối hiển thị
Hình 3.12: Kết nối Khối điều khiển TT với LCD 1602C ở chế độ 4 bit
Mạch hiển thị sử dụng màn hình LCD kết nối với PIC qua Port RD thông qua giao thức 4 bit, đồng thời được trang bị biến trở để điều chỉnh độ sáng của LCD.
Các chân RD0 đến RD7 (trừ chân RD3) gửi tín hiệu đến khối hiển thị LCD Trong đó, ba chân RD0, RD1 và RD2 kết nối với ba chân điều khiển của LCD, trong khi bốn chân RD4 đến RD7 được nối với các chân khác của thiết bị.
4 bít cao của các chân nhận dữ liệu của LCD.
Hỏi: ưu và nhược điểm của phương pháp hiển thị bằng LCD 16x2?
Trả lời: LCD hiển thị được tất cả các ký tự trong bảng mã ASCI trong khi led 7 thanh chỉ hiện thị được 1 số các ký tự.
Nhưng LCD lại có nhược điểm là giá thành cao và khoảng cách nhìn gần.
Hiển thị kết quả đo được từ việc sử dụng cảm biến SRF05 lên màn hình LCD:
Lcd_ int(); // khởi tạo LCD
Lcd_gotoxy(1,1); // đưa LCD về dòng 1 cột 1
Printf( Lcd_putc, “%3Ld cm - %3Ld cm”, khoang_cach_trai, khoang_cach_phai ); // hiển thị khoảng cách lên LCD
Sơ đồ thuật toán điều khiển xe tự hành tránh vật cản
Hình 3.13: Sơ đồ thuật toán điều khiển xe tự hành tránh vật cản
Sơ đồ nguyên lý mạch
Hình 3.14: Sơ đồ nguyên lý mạch
Chuẩn bị linh kiện thi công
Hình 3.16: Linh kiện chuẩn bị cho mô hình
Sản phẩm
PHƯƠNG PHÁP ĐIỀU KHIỂN TỪ XA BẰNG SÓNG RF 48 4.1 Điều khiển từ xa bằng sóng vô tuyến RF
Ưu điểm
Truyền xa với khoảng cách 30m- 100m
Nhược điểm
Bị nhiễu sóng do bên ngoài có rất nhiều các thiết bị máy móc sử dụng các tần số khác nhau
Tìm hiểu về 2 IC trong điều khiển từ xa PT 2262 và PT2272
PT2262 sử dụng mỗi bit gồm 3 trạng thái 0,1 và f Mỗi trạng thái sẽ có
Mỗi kiểu mã hóa bit code khác nhau được chứa trong 32 chu kỳ tần số mã hóa của OSC, phụ thuộc vào giá trị điện trở gắn trên chân OSC1 và OSC2 Khi xung nhịp có chu kỳ α, các xung khác nhau được tạo ra để biểu thị trạng thái các bit 0, 1 và f.
- bít 0 được mã hóa bằng chuỗi 10001000
- bit 1 được mã hóa bằng chuỗi 11101110
- bit f được mã hóa bằng chuỗi 10001110
Sync bit được thay thế bằng chuỗi 10000000|10000000|00000000|00000000
Hình vẽ cho thấy các chân địa chỉ A0 A5 và chân dữ liệu D0 D5 của IC phát và IC thu giống nhau Khi một chân nối với masse, nó được định là bit 0; nếu nối với nguồn, nó là bit 1; và nếu bỏ trống, xem như là bit f Cặp IC này chỉ hoạt động hiệu quả khi mã lệnh và tần số xung nhịp giữa bên phát và bên thu giống nhau Nếu có sự khác biệt, bên thu sẽ không nhận diện được bên phát và không thực hiện lệnh điều khiển.
Mã hóa hoàn chỉnh của PT2262 bao gồm 8 bit dữ liệu và 4 bit địa chỉ, tạo ra một code word tương ứng Khi bên phát truyền nhóm mã lệnh này, bên thu sẽ nhận và so sánh với nhóm mã lệnh trong mạch logic máy tính Nếu mã trùng khớp với IC PT2262, lệnh điều khiển sẽ được phát ra trên chân VT.
Quy ước mã hóa địa chỉ:
PT2262/2272 sử dụng các bit địa chỉ với 3 trạng thái: 0, 1 và f, dẫn đến việc biểu diễn địa chỉ theo cơ số 3 Với 8 bit địa chỉ, ta có tổng cộng 3^8 địa chỉ được mã hóa Để đơn giản hóa việc sử dụng các bit 3 trạng thái này, chúng ta chuyển đổi sang số thập phân 32 bit, với 8 chữ số, trong đó mỗi ký số đại diện cho một bit 3 trạng thái theo quy ước đã định.
Hình 4.2: cấu trúc của IC PT2272
Khi mã lệnh được phát từ IC PT2262, nó sẽ được truyền đến IC PT2272 để được giải mã, từ đó phát ra tín hiệu điều khiển các thiết bị.
Hoạt động của IC PT2272:
Chân OSC1 và OSC2 được sử dụng để gắn thạch anh định tần cho xung nhịp, trong khi các chân địa chỉ A0 A5 và A6/D5 đến A11/D0 xác lập mã lệnh cho việc dò mã lệnh của bên phát Chân ngõ vào DIN sẽ kiểm tra mã lệnh từ bên phát; nếu khớp với mã đã xác lập trong IC, tín hiệu mã lệnh sẽ được khuếch đại qua hai tầng và đưa vào mạch logic máy tính Sau khi mạch dò xung đồng bộ (Synchro detect) xác nhận tín hiệu vào chính xác, lệnh điều khiển sẽ được xuất ra qua chân VT.
Thiết kế mạch
Hình 4.3: Sơ đồ khối của hệ thống điều khiển từ xa
Chức Năng và nhiệm vụ của từng khối
( Xem trên phần robot tự hành)
Gồm 2 khối nhỏ: khối tạo xung dao động và khối vi điều khiển ( xem trên phần robot tự hành)
Hình 4.5: Khối điều khiển trung tâm
Khối phát tín hiệu để cung cấp cho khối thu Khối phát dùng IC PT2262 tạo mã hóa và sử dụng modul phát RF 315MHz để truyền đi
Hình 4.6: Sơ đồ khối phát
Khối dùng để thu tín hiệu từ khối phát, sau đó đưa về PT2272 để giải mã và đưa đến khối điều khiển để điều khiển động cơ
Hình 4.7: Sơ đồ khối thu
4.3.5 Nguyên lý hoạt động của mạch
Mạch PT 2272 M4 là bộ giải mã điều khiển từ xa kết hợp với PT 2262, sử dụng công nghệ Cmos Với 8 địa chỉ mã hóa và 4 địa chỉ dữ liệu, mạch này cho phép thiết lập chân với 3^8 cách khác nhau, giúp sản xuất nhiều sản phẩm mà không lo trùng mã Để đảm bảo hoạt động đồng bộ, cách set chân (chân 1 đến chân 8) trên mạch thu 2272 phải tương ứng với cách set chân trên mạch phát 2262.
