ĐỒ án tốt NGHIỆP XE tự HÀNH TRÁNH vật cản sử DỤNG cảm BIẾN SIÊU âm SRF05 và có điều KHIỂN từ XA

BỘ GIAO THÔNG VẬN TẢI – BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC HÀNG HẢI VIỆT NAM KHỔNG THỊ PHƯƠNG THẢO ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP XE TỰ HÀNH TRÁNH VẬT CẢN SỬ DỤNG CẢM BIẾN SIÊU ÂM SRF05 VÀ CĨ ĐIỀU KHIỂN TỪ XA HẢI PHỊNG – 2014 BỘ GIAO THÔNG VẬN TẢI - BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC HÀNG HẢI VIỆT NAM KHỔNG THỊ PHƯƠNG THẢO ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP XE TỰ HÀNH TRÁNH VẬT CẢN SỬ DỤNG CẢM BIẾN SIÊU ÂM SRF05 VÀ CĨ ĐIỀU KHIỂN TỪ XA NGÀNH: CƠNG NGHỆ THƠNG TIN CHUYÊN NGÀNH: CÔNG NGHỆ THÔNG TIN Người hướng dẫn khoa học: Ths Phạm Trung Minh ; MÃ SỐ: D114 HẢI PHÒNG - 2014 LỜI CẢM ƠN Trên thực tế khơng có thành cơng mà khơng gắn liền với hỗ trợ, giúp đỡ dù hay nhiều, dù trực tiếp hay gián tiếp người xung quanh Trong trình làm đồ án tốt nghiệp, em nhận nhiều giúp đỡ, đóng góp ý kiến bảo nhiệt tình Thầy Cơ, gia đình bạn bè Với lịng biết ơn sâu sắc nhất, em xin gửi đến quý Thầy Cô khoa Công Nghệ Thông Tin – Trường Đại Học Hàng Hải với tri thức tâm huyết truyền đạt vốn kiến thức quý báu cho em suốt thời gian học tập trường Và em xin gửi lời cảm ơn chân thành tới Thầy giáo Th.s Phạm Trung Minh, người tận tình hướng dẫn, bảo, cung cấp cho em kiến thức tài liệu Robotics cần thiết để em hoàn thành khóa luận Cuối em xin chân thành cảm ơn gia đình, bạn bè, ln tạo điều kiện quan tâm, giúp đỡ, động viên em suốt q trình học tập hồn thành khóa luận tốt nghiệp Hải Phòng, ngày tháng năm Sinh viên thực Khổng Thị Phương Thảo MỤC LỤC Trang LỜI MỞ ĐẦU CHƯƠNG – TỔNG QUAN VỀ ĐỀ TÀI .7 1.1 Giới thiệu toán 1.2 Mục đích đề tài 1.3 Yêu cầu cần thực 1.4 Các chức cần có tốn 1.5 Các khối chức cần có CHƯƠNG – GIẢI BÀI TỐN TÌM ĐƯỜNG TRÁNH VẬT CẢN CỦA XE TỰ HÀNH .10 2.1 Giới thiệu xe tự hành tránh vật cản .10 2.2 Mơ hình hóa động học robot 11 2.3 Giải tốn tìm đường cho robot tự hành 13 2.3.1 Bài tốn tìm đường cục 14 2.3.2 Thuật toán xử lý kết đo khoảng cách để xuất lệnh .20 CHƯƠNG – CẤU TẠO PHẦN CỨNG VÀ CÁC PHƯƠNG PHÁP ĐIỀU KHIỂN TRONG ROBOT TỰ HÀNH TRÁNH VẬT CẢN 22 3.1 Khối nguồn 25 3.1.1 Thông số mạch 25 3.1.2 Linh kiện cần có mạch 25 3.1.3 Nguyên tắc hoạt động mạch 26 3.2 Khối điều khiển trung tâm 28 3.2.1 Khối reset 29 3.2.2 Khối tạo xung dao động 30 3.2.3 Khối vi điều khiển 31 3.3 Khối điều khiển động 32 3.3.1 Sử dụng IC L298 32 3.3.2 Điều khiển động phương pháp điều xung PWM 33 3.3.3 Mạch cầu H 38 3.3.4 Đối tượng điều khiển: Động DC 40 3.4 Hệ thống cảm biến 41 3.4.1 Cảm biến siêu âm SRF05 41 3.5 Khối hiển thị .43 3.6 Sơ đồ thuật toán điều khiển xe tự hành tránh vật cản 44 3.7 Sơ đồ nguyên lý mạch 45 3.8 Chuẩn bị linh kiện thi công 47 3.9 Sản phẩm 47 CHƯƠNG – PHƯƠNG PHÁP ĐIỀU KHIỂN TỪ XA BẰNG SÓNG RF 48 4.1 Điều khiển từ xa sóng vơ tuyến RF 48 4.1.1 Hoạt động 48 4.1.2 Ưu điểm 48 4.1.3 Nhược điểm 49 4.2 Tìm hiểu IC điều khiển từ xa PT 2262 PT2272 49 4.2.1 IC PT2262 49 4.2.2 IC PT2272(Giải mã) 51 4.3 Thiết kế mạch .52 4.3.1 Khối nguồn 53 4.3.2.Khối điều khiển 53 4.3.3 Khối phát 54 4.3.4 Khối thu 54 4.3.5 Nguyên lý hoạt động mạch 55 KẾT LUẬN 56 TÀI LIỆU THAM KHẢO .57 DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ Số hình Tên hình Trang PHẦN MỞ ĐẦU Tính cấp thiết đề tài Hiện tin học ứng dụng rộng rãi hầu hết ứng dụng kinh tế quốc gia Một ứng dụng sử dụng gần ứng dụng cơng nghệ thông tin vào công nghệ chế tạo điều khiển robot thông minh Xu phát triển giới khoa học cơng nghệ ln có thay đổi mạnh mẽ Nền kinh tế tri thức với cơng nghệ thơng tin góp phần quan trọng vào việc nâng cao chất lượng sống người Trong kinh tế tri thức phát triển xã hội tách khỏi phát triển công nghệ thông tin đặc biệt phát triển tin học, ngành khoa học công nghệ tạo sản phẩm robot nghiên cứu ứng dụng hình thành thập kỷ gần gọi Robotics Mục đích đề tài Mục đính đề tài áp dụng công nghệ thông tin vào công việc “Xây dựng xe tự hành có khả tự tránh vật cản, đồng thời có chế độ hoạt động điều khiển từ xa” Đối tượng phạm vi nghiên cứu Đối tượng nghiên cứu đề tài: - Nghiên cứu nguyên lý đo khoảng cách cảm biến siêu âm SRF05 - Phương pháp điều khiển động (theo phương thức tự hành) - Phương pháp điều khiển từ xa sóng vơ tuyến RF Phạm vi nghiên cứu: Không gian làm việc xe mặt phẳng giới hạn tường, vật cản xem vật cản chiều tĩnh hoàn toàn Phương pháp nghiên cứu khoa học Sử dụng kết hợp phương pháp như: - Phương pháp điều xung PWM - Phương pháp đảo chiều động cơ( mạch cầu H) - Phương pháp điều khiển sóng vơ tuyến RF Ý nghĩa khoa học thực tiễn đề tài a) Ý nghĩa khoa học Xây dựng sở khoa học khả tự hành tránh vật cản robot sử dụng cảm biến siêu âm khả nhận điều khiển từ xa thơng qua sóng vơ tuyến RF b) Ý nghĩa thực tiễn đề tài Tiềm ứng dụng xe tự hành lớn, kể đến robot vận hành vật liệu, hàng hóa tịa nhà, nhà máy, cửa hàng, sân bay hay thư viện… robot xe lăn phục vụ người khuyết tật,… CHƯƠNG – TỔNG QUAN VỀ ĐỀ TÀI 1 Giới thiệu toán - Tên đề tài: Xây dựng xe tự hành tránh vật cản sử dụng cảm biến siêu âm SRF05 để đo khoảng cách 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 robot mặt phẳng, giới hạn tường, vật cản xem vật cản chiều tĩnh hồn tồn Trong tốn robot trang bị sensor cảm biến siêu âm SRF05, cảm biến đặt lệch góc α ( chọn α=25°) để đo khoảng cách từ bánh xe tùy động tới vật cản B1: sensor cảm biến SRF05 tiến hành đo khoảng cách theo hướng bên trái, bên phải, Sau gửi kết đo đạc vi điều khiển Nguyên lý đo khoảng cách cảm biến siêu âm SRF05 - SRF05 sử dụng nguyên lý phản xạ sóng để đo khoảng cách Khi muốn đo khoảng cách SRF05 phát xung với tần số 40KHz sau chờ đợi xung phản xạ Thời gian từ lúc xung xung dễ dàng tính khoảng cách từ SRF05 tới vật cản Khi phát xung chờ xung phản xạ về, chân Echo SRF05 kéo lên mức cao(echo =1) có xung phản xạ chân Echo kéo xuống thấp sau 30us khơng có xung phản xạ B2: Vi điều khiển vào kết đo đạc cảm biến SRF05 tiến hành xử lý (căn vào tình xảy sensor phát vật cản, tình cần có cách ứng xử riêng) định điều khiển động hay động - Giao tiếp PIC 16F877A với SRF05 Đo hoảng cách với SRF05 đo thời gian chân Echo mức cao 10 3.7 Sơ đồ nguyên lý mạch Hình 3.14: Sơ đồ nguyên lý mạch 50 Hình 3.15: Mạch in 51 3.8 Chuẩn bị linh kiện thi cơng Hình 3.16: Linh kiện chuẩn bị cho mơ hình 3.9 Sản phẩm Hình 3.17: Sản phẩm 52 CHƯƠNG – PHƯƠNG PHÁP ĐIỀU KHIỂN TỪ XA BẰNG SÓNG RF 4.1 Điều khiển từ xa sóng vơ tuyến RF Điều khiển từ xa sóng vơ tuyến RF loại điều khiển từ xa xuất đến gữ vai trò quan trọng phổ biến đời sống Điều khiển RF sử dụng cho nhiều vật dụng bên thiết bị mở cửa gara xe, hệ thống báo hiệu cho loại đồ chơi điện tử từ xa, hệ thống điều khiển từ xa cho robot, điện thoại thông minh,… - Sóng RF cịn gọi tần số sóng Radio sử dụng rộng rãi thiết bị điều khiển từ xa khả truyền nhận tốt môi trường khả thi công dễ dàng - Vấn đề quan trọng truyền nhận liệu qua RF chống nhiễu Nhiễu nhiễu từ môi trường xung quanh modul phát thu như: sóng điện từ, điện tích, nguồn nhiễu,…do liệu bên thu nhận khơng cịn ngun vẹn bị sai Biện pháp khắc phục: Mã hóa/ giải mã liệu cần truyền 4.1.1 Hoạt động Sử dụng nguyên lý tương tự điều khiển tia hồng ngoại thay gửi tín hiệu ánh sáng, lại truyền sóng vơ tuyến tương ứng với lệnh nhị phân Bộ phận thu sóng vơ tuyến thiết bị điều khiển nhận tín hiệu giải mã 4.1.2 Ưu điểm Truyền xa với khoảng cách 30m- 100m Truyền xuyên tường, kính,… 53 4.1.3 Nhược điểm Bị nhiễu sóng bên ngồi có nhiều thiết bị máy móc sử dụng tần số khác 4.2 Tìm hiểu IC điều khiển từ xa PT 2262 PT2272 4.2.1 IC PT2262 PT2262 sử dụng bit gồm trạng thái 0,1 f Mỗi trạng thái có kiểu mã hóa bit code khác Mỗi bit code mã hóa chứa 32 chu kì tần số mã hóa OSC thuộc vào trị điện trở gắn chân OSC1 OSC2, sau xung nhịp có chu kì α, ta tạo xung khác để trạng thái bit 0,1 f - bít mã hóa chuỗi 10001000 - bit mã hóa chuỗi 11101110 - bit f mã hóa chuỗi 10001110 Sync bit thay chuỗi 10000000|10000000|00000000|00000000 54 Hình vẽ cho thấy hàng chân địa A0 A5 chân liệu từ D0 D5 bên IC phát IC thu giống Vậy ta cho chân nối masse chân định bit 0, cho nối đường nguồn chân định bit chân bỏ trống xem bit f Chỉ mã lệnh bên phát bên thu đặt giống tần số xung nhịp phù hợp lúc cặp IC hiểu có tác dụng điều khiển Nếu có khác bên thu khơng nhận bên phát không phát lệnh điều khiển theo lệnh bên phát 55 Hình 4.1: code word mã hóa hồn chỉnh PT2262 đặt bit liệu bit địa chỉ, tạo code word tương ứng bên phát cho phát nhóm mã lệnh bên thu nhận vào nhóm mã lệnh này, qua so sánh mạch computer logic thấy trùng mã IC PT2262 phát lệnh điều khiển chân VT Quy ước mã hóa địa chỉ: Vì PT2262/2272 sử dụng bit địa trạng thái 0,1 f cách biểu diễn địa số với bit địa ta có 3^8 địa mã hóa Để đơn giản hóa việc sử dụng bit trạng thái ta chuyển số thập phân 32 bit với chữ số với ký số biểu diễn bit trạng thái với quy ước - Số biểu diễn mức - Số biểu diễn mức - Số biểu diễn mức f 4.2.2 IC PT2272(Giải mã) Hình 4.2: cấu trúc IC PT2272 56 Khi xung mã lệnh phát từ IC PT2262 nhóm xung mã lệnh đưa vào IC PT2272 để giải mã phát tín hiệu để điều khiển thiết bị Hoạt động IC PT2272: Chân OSC1 OSC2 dùng để gắn thạch anh định tần cho xung nhịp, chân địa A0 A5 chân địa chỉ/ liệu A6/D5 đến A11/D0 trạng thái bit chân dùng xác lập mã lệnh dùng cho việc dò mã lệnh bên phát Chân ngõ vào DIN mã lệnh bên phát với mã lệnh xác lập IC, sau qua tầng khuếch đại đảo tín hiệu mã lệnh cho vào mạch computer logic để dò cho qua mạch output logic chờ xuất ra, mạch dò xung đồng Synchro detect xác nhận tín hiệu vào xác, cho xuất lệnh điều khiển chân VT Thiết kế mạch Sơ đồ khối Hình 4.3: Sơ đồ khối hệ thống điều khiển từ xa 57 Chức Năng nhiệm vụ khối 4.3.1 Khối nguồn ( Xem phần robot tự hành) Hình 4.4: Khối nguồn 4.3.2.Khối điều khiển Gồm khối nhỏ: khối tạo xung dao động khối vi điều khiển ( xem phần robot tự hành) Hình 4.5: Khối điều khiển trung tâm 58 4.3.3 Khối phát Khối phát tín hiệu để cung cấp cho khối thu Khối phát dùng IC PT2262 tạo mã hóa sử dụng modul phát RF 315MHz để truyền Hình 4.6: Sơ đồ khối phát 4.3.4 Khối thu Khối dùng để thu tín hiệu từ khối phát, sau đưa PT2272 để giải mã đưa đến khối điều khiển để điều khiển động 59 Hình 4.7: Sơ đồ khối thu 4.3.5 Nguyên lý hoạt động mạch - Mạch PT 2272 M4 giải mã điều khiển từ xa dùng chung với PT 2262 sử dụng cơng nghệ Cmos Có địa mã hóa, địa liệu có nhiều cách set chân 3^8 cách, sản xuất nhiều mà không sợ set trùng mã Ở mạch thu 2272 set chân(chân 1- chân 8) mạch phát 2262(chân 1- chân 8) phải 60 KẾT LUẬN Trong trình thực em nhận tận tình giúp đỡ bảo Thầy Cô khoa đặc biệt bảo Thầy hướng dẫn ThS Phạm Trung Minh Em xin chân thành cảm ơn bảo Thầy Cơ! Do kiến thức cịn hạn chế em chưa có nhiều điều kiện để khảo sát thực tế hoạt động xe tự hành tránh vật cản cách chi tiết, với khoảng thời gian thực không nhiều, tiểu luận em cịn nhiều thiếu sót mong Thầy Cơ đóng góp bổ xung ý kiến để báo cáo em hoàn thiện hơn! Em xin chân thành cảm ơn ! 61 TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] Giải toán cục tránh vật cản cho robot tự hành – Báo cáo Hội nghị – Điện tử lần thứ I [2] Đồ án tốt nghiệp: Thiết kế kết cấu khí hệ thống điều khiển Robot tự hành ( K45-KSTN- ĐHBKHN) [3] Vi Điều khiển PIC 16F877A 62 NHẬN XÉT TÓM TẮT CỦA GIẢNG VIÊN HƯỚNG DẪN Tinh thần thái độ, cố gắng sinh viên trình làm đồ án: Đánh giá chất lượng đồ án tốt nghiệp (so với nội dung yêu cầu đề mặt: lý luận, thực tiễn, chất lượng thuyết minh ban vẽ): Chấm điểm giảng viên hướng dẫn (Điểm ghi số chữ) Hải Phòng, ngày tháng năm 2014 Giảng viên hướng dẫn 63 ĐÁNH GIÁ CỦA GIẢNG VIÊN PHẢN BIỆN Đánh giá chất lượng đồ án tốt nghiệp mặt: thu thập phân tích số liệu ban đầu, sở lý thuyết, vận dụng vào điều kiện cụ thể, chất lượng thuyết minh vẽ, mơ hình (nếu có), ý nghĩa khoa học thực tiễn đồ án: Chấm điểm giảng viên phản biện (Điểm ghi số chữ) Hải Phòng, ngày tháng năm 2014 Giảng viên phản biện 64 ... tin vào cơng việc “Xây dựng xe tự hành có khả tự tránh vật cản, đồng thời có chế độ hoạt động điều khiển từ xa? ?? Yêu cầu cần thực  Hoàn chỉnh thiết kế thi cơng xe tự hành có cảm biến tự tránh vật. .. TẢI - BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC HÀNG HẢI VIỆT NAM KHỔNG THỊ PHƯƠNG THẢO ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP XE TỰ HÀNH TRÁNH VẬT CẢN SỬ DỤNG CẢM BIẾN SIÊU ÂM SRF05 VÀ CÓ ĐIỀU KHIỂN TỪ XA NGÀNH: CÔNG NGHỆ... CỨNG VÀ CÁC PHƯƠNG PHÁP ĐIỀU KHIỂN TRONG ROBOT TỰ HÀNH TRÁNH VẬT CẢN Phân tích cấu tạo chức khối sơ đồ mạch điều khiển xe tự hành tránh vật cản: Hình 3.1: Sơ đồ mạch hệ thống điều khiển xe tự hành