(TIỂU LUẬN) báo cáo đồ án THIẾT kế hệ THỐNG cơ điện tử

TỔNG QUAN

Giới thiệu

Với sự phát triển nhanh chóng về khoa học, kĩ thuật và công nghệ thì việc ứng dụng robot thay thế con người làm việc ngày càng trở nên phổ biến Trong ngành công nghiệp thường thấy nhất là các cánh tay robot, chúng được lập trình để thực hiện nhiều thao tác (như lắp ráp, vận chuyển, hàn,…) Ngoài ra còn có một họ robot cũng được nghiên cứu nhiều là robot di động (mobile robot) Nó là một hệ thống có khả năng di chuyển lớn trong một môi trường nhất định, với một mức độ tự hành nào đó Khái niệm mobile robot đã xuất hiện từ những năm 1150 với những robot di động như Elsie của Grey Walter (năm 1950), Shakey của đại học Stanford (năm 1969).Cho đến nay, chúng càng khẳng định được tầm quan trọng của mình khi được nghiên cứu ứng dụng trong nhiều lĩnh vực: y tế, nông nghiệp, công nghiệp, quân sự, vũ trụ… Trong đó, được sử dụng phổ biến rộng rãi là dạng robot dò line (Line Following Robot).

Hình 1.1 Ví dụ mô hình robot dò line [6]

Robot dò line là một dạng robot di động (mobile robot) Nó có khả năng dò tìm và di chuyển bám theo đường line Thông thường, đường line được xác định trước và có thể nhìn thấy như vạch đường đen được kẻ/ dán/ vẽ trên nền trắng hoặc không thấy được như một đường từ trường Nguyên lý cơ bản ở đây là việc sử dụng hệ cảm biến quang gắn trước mũi xe để phát hiện sự sai lệch khỏi vạch đường Tín hiệu sau đó sẽ được gửi

Chương 1: Tổng quan về vi điều khiển, từ đó hai bánh xe dẫn động của robot được điều khiển và chuyển động thông qua chương trình định sẵn nhằm đưa xe trở lại đúng vạch kẻ đường.

Robot dò line đã được nghiên cứu và ứng dụng rộng rãi trong mọi lĩnh vực cuộc sống từ dân sự, quân sự cho đến trong công nghiệp Có thể kể tên đến một vài ứng dụng phổ biến như di chuyển tự động trong vận chuyển – sắp xếp hàng hóa, robot dẫn đường cho người khiếm thị, robot phục vụ thức ăn trong nhà hàng, Robot dò line còn được ứng dụng cả trong lĩnh vực y khoa khi mà nó có thể cấp thuốc đến tận giường bệnh bất cứ khi nào bệnh nhân cần Qua đó, có thể thấy rằng robot dò line là một cơ sở quan trọng đối với thiết kế và chế tạo robot thuộc các lĩnh vực khác nhau Bên cạnh đó, với tổng chi phí thấp từ giá thành linh kiện cho đến phí gia công, nó tạo điều kiện để sinh viên học tập và tiếp cận với một hệ thống điều khiển tự động thực tế.

Hình 1.2 Ứng dụng robot dò line trong phòng bệnh nhân [7]

Tình hình nghiên cứu

Do tính hữu ích và tiềm năng ứng dụng rộng rãi trong công nghiệp mà nhiều nghiên cứu về robot dò line đã được thực hiện để ngày càng nâng cao năng suất và tính hiệu quả của chúng Trong số các nghiên cứu về Robot dò line, nhóm chọn tham khảo và phân tích một số bài báo nghiên cứu sau:

1.2.1 An intelligent line-following robot [1]

Một quy trình hiệu chuẩn tự động cho các cảm biến quang phản xạ sử dụng các kỹ thuật điều chế độ rộng xung được đề xuất và xác minh Các toán khác nhau về phát hiện dòng như bình quân gia quyền và nội suy bậc hai cũng được mô tả và thử nghiệm so sánh bằng cách sử dụng nền tảng tuyến tính theo quy trình hiệu chuẩn Bài báo cho thấy rằng rằng thuật toán tìm đường dẫn bằng bình quân gia quyền là tốt nhất Ưu điểm:

- Áp dụng tốt kĩ thuật calibration cho cảm biến quang dò line Calibration là tinh chỉnh khoảng cách giữa cảm biến quang và mặt đường, đồng thời củng điều chỉnh khoảng trống giữa 2 cảm biến quang.

- Vận tốc trung bình của robot khá nhanh: 1.3 m/s.

Hình 1.3 Giá trị trả về của cảm biến trước (trái) và sau (phải) sau khi calibration[1]

1.2.1 Path planning of line follower robot [2]

Sử dụng vi điều khiển LM3S811 làm bộ điều khiển để phản ứng đối với dữ liệu nhận được từ cảm biến đường hồng ngoại để mang lại chuyển động nhanh, trơn tru,

Chương 1: Tổng quan chính xác và an toàn trong môi trường có cấu trúc một phần Một thuật toán điều khiển PID động đã được đề xuất để cải thiện độ tin cậy điều hướng của rô-bốt di động có bánh xe sử dụng hệ thống điều khiển ổ đĩa vi sai. Ưu điểm:

- Kết quả thử nghiệm cho thấy thuật toán đề xuất có thể đạt được mục tiêu thành công sau trong các kịch bản khác nhau, bao gồm đường thẳng và chuyển động tròn, chuyển động rẽ ngoặt và theo dõi đường chữ S.

- Chạy theo đường chậm, mức tiêu thụ năng lượng nhiều.

1.2.2 Điều khiển robot dò đường sử dụng bộ điều khiển PID kết hợp phương pháp PWM [3]

Bài báo này giới thiệu phương pháp điều khiển robot dò đường bằng sự kết hợp giữa giải thuật điều khiển vi tích phân tỉ lệ với phương pháp điều chế độ rộng xung sử dụng vi điều khiển P89V51RD2 [3] Tốc độ động cơ được thay đổi bằng cách giữ nguyên điện áp nhưng thay đổi thời gian đặt điện áp vào động cơ kết hợp với giải thuật điều khiển PID.

Hình 1.4 Sơ đồ khối ứng dụng giải thuật PID vào robot dò đường [3] Ưu điểm:

 Robot di chuyển bám vạch tốt hơn và vận tốc nhanh hơn các phương pháp điều khiển điều khiển ON-OFF và PWM.

 Việc tìm các hệ số của bộ điều khiển PID bằng thực nghiệm mất nhiều thời gian và khó đạt đến trị số tối ưu.

1.2.3 Line Follower Robot Using A Sophisticated Sensor Approach [4]. Đa số các mô hình robot dò line trong các nghiên cứu trước đây đều gặp phải vấn đề về tốc độ trong khâu dò tìm vạch đường và thực hiện lệnh Trong bài báo này, tác giả đã đề xuất một mô hình mới của robot dò line Mô hình này tốt hơn tất cả mô hình khác ở điểm đưa vào sử dụng cảm biến màu phức tạp đồng thời với cảm biến quang, đem lại khả năng dò tìm vạch đường trong khoảng thời gian tối ưu nhất, đạt đến vài nano giây. e

Hình 1.5 Sơ đồ khối của mô hình robot dò line đề xuất

[4] 1.2.4 Design and implementation of RGB color line following robot [5]

Mục đích là ứng dụng track các loại màu khác nhau trong kho hang bằng sử dụng cảm biến Light Dependent Resistor (LDR) và 3 đèn led đỏ, xanh dương và xanh lá Cảm biến LDR nhận biết sự phản ánh màu dưới nền để di chuyển Hạn chế của mô hình này là khả năng xử lí ánh sáng còn khó khăn, tốc độ di chuyển thấp 0.082 m/s.

Xe sử dụng 2 bánh truyền động đồng trục và một bánh tự lựa phía trước Xe dò line bằng 9 cảm biến hồng ngoại được sắp xếp như hình.

Hình 1.6 Mặt dưới của xe dò line [8] Ưu điểm:

 Sử dụng nhiều cảm biến, hiệu quả dò theo đường dẫn cao

 Sử dụng chỉ 2 bánh xe truyền động, giúp làm việc điều khiển động cơ đơn giản hơn

 Số lượng cảm biến nhiều khiến thuật toán nhận diện tìn hiệu trở nên phức tạp

Zumo là xe dò line được thiết kế dạng xe tăng Nó được trang bị 2 động cơ DC và 2 cảm biến dò line 2 bên. Ưu điểm:

 Di chuyển ổn định trên địa hình gồ ghề Tốc độ tương đối.

 Khó nhận dạng vạch đường dẫn đến rẽ sai Dẫn động phức tạp.

Expressway là chiếc xe dò line giành giải 3 trong cuộc thi NEIRG năm 2005 Kết cấu xe đơn giản gồm 2 bánh dẫn động và 1 bánh bị động, 6 cảm biến đặt như hình 1.8. Ưu điểm:

 Nó có khả năng hoàn thành cuộc thi với các góc quẹo 45 0 , 90 0 , 135 0 hoặc hơn nữa Xe chạy ổn định với các cua quẹo.

 Tốc độ trung bình chỉ khoảng 0.5 m/s a) b)

Hình 1.8 Xe dò line Expressway [10]

3pi được biết đến khi thắng giải đấu Tech Fest 2009 Xe được điều khiển bởi 2 động cơ giảm tốc và 1 bánh tự lựa. Ưu điểm:

 Tích hợp khả năng nhớ đường và kết cấu xe nhỏ gọn như hình 1.9 giúp xe dễ quay đầu trong các cuộc thi dò đường mê cung.

 Dò đường chính xác và tốc độ xe tương đối cao có thể đạt được 0.9 m/s.

Fireball từng thắng giải Bot Bowl 2010 ở Pioria và ChiBot’s Fall 2010 Xe gồm

4 bánh dẫn động được điều khiển bởi 4 động cơ Maxon Ưu điểm:

 Tốc độ cải thiện đáng kể khoảng 1.4 m/s và có thuật toán giảm tốc tại cua quẹo giúp dò đường chính xác.

 Bộ điều khiển khá phức tạp để có thể điều khiển 4 động cơ cùng lúc tránh hiện tượng trượt.

 Khả năng cân bằng phẳng

1.2.10 Cuộc thi IT Car Racing 2017

Xe được thiết kế với bộ cảm biến đặt xa phía trước 2 bánh dẫn động cùng tốc độ phía sau, 2 bánh bẻ hướng được điều khiển bằng động cơ servo phía trước như hình 1.11. Ưu điểm:

 Bộ cảm biến đặt xa giúp dò line quẹo chính xác, tốc độ cao.

 Khó khăn trong việc cân bằng phẳng, thuật toán điều khiển servo chính xác,

Sau khi tìm hiểu về tình hình nghiên cứu trong và ngoài nước như trên, nhóm có một số nhận xét sau:

 Sử dụng 2 bánh chủ động và 1 bánh bị động dễ điều khiển.

 Dãy cảm biến đặt không quá gần xe để có thời gian tính toán xử lý.

 Cảm biến có thể dùng cảm biến hồng ngoại hoặc quang.

 Dùng thuật toán PID xuất tín hiệu PWM để điều khiển.

 Vật liệu làm khung xe là mica đảm bảo độ chắc và nhẹ.

Giới hạn đề tài

Dựa vào yêu cầu kỹ thuật của đồ án, kết quả phân tích ở trên và do kiến thức còn hạn chế nên nhóm xin đặt ra phạm vi đề tài như sau:

 Chạy trên sa bàn cho trước như hình 1.13 và không có khả năng nhớ đường.

Hình 1.12 Sa bàn thi đấu Chiều di chuyển:

 Nền trắng và đường line đen.

 Địa hình chạy: bằng phẳng (mặt sàn nhà, mặt đất, )

 Đường kính bánh xe: d ≤ 200 mm

 Kích thước tối đa của Robot (dài x rộng x cao): 300mm x 220mm x 300mm

 Tải trọng: tối thiểu 2kg, có kích thước tối đa 200mm x 100mm x 300mm.

 Sai số: Dãy cảm biển và xe không lệch hoàn toàn ra khỏi line.

 Thời gian hoàn thành tối đa: 20s

LỰA CHỌN PHƯƠNG ÁN

Lựa chọn phương án cơ khí

2.1.1 Lựa chọn kết cấu xe

Bảng 2.1 Phương án kết cấu xe

Phương án Ưu điểm Nhược điểm

Phương án 1: 2 bánh chủ - Luôn đồng phẳng - Bánh tự lựa dễ bị lệch động phía sau có động cơ - Kết cấu đơn giản khỏi đường dẫn khi chịu riêng và 1 bánh tự lựa phía - Rẽ hướng đơn giản hơn 4 lực trước bánh - Dễ lật khi cua khi mang tải nặng

- Không đảm bảo khoảng cách từ cảm biến tới bề mặt

Chương 2: Lựa chọn phương án

Phương án 2: 2 bánh chủ - Đảm bảo khoảng cách của - Kết cấu phức tạp hơn 3 động phía sau có động cơ cảm biến tới bề mặt đường bánh riêng và 2 bánh tự lựa phía tốt hơn chỉ 1 bánh tự lựa - Khó đồng phẳng 4 bánh trước - Khắc phục hiện tượng xe trượt

Phương án 3: 4 bánh chủ - Đảm bảo khoảng cách của - Bộ điều khiển phức tạp động có động cơ riêng, 2 cảm biến tới bề mặt đường - Khó đồng phẳng 4 bánh bánh phía trên và 2 phía - Điều khiển chính xác, sử dưới dụng được với những góc cua nhỏ

Phương án 4: 4 bánh, 2 - Giúp xe giữ cân bằng, -Kết cấu cơ khí phức tạp bánh chủ động nối với cơ bám đường tốt (cần bộ vi sai phía sau và cấu vi sai, 2 bánh tự lựa - Bẻ lái dễ dàng, giảm cơ cấu bẻ lái phía trước). được nối bằng cơ cấu trượt của bánh xe. truyền động (có cơ cấu bẻ lái)

Chương 2: Lựa chọn phương án

Dựa vào các phân tích ưu nhược điểm trên và yêu cầu đề bài, nhóm chọn kết cấu xe

2 bánh dẫn động sau và một bánh bị động trước Hệ thống đơn giản dễ điều khiển, chế tạo nhưng vẫn đáp ứng tốt tiêu chí đề ra.

2.1.2 Lựa chọn bánh bị động

Có 2 loại bánh tự do thông dụng hiện nay là: bánh tự lựa và bánh cầu

Bánh tự lựa được chia làm 2 loại là: Standard Wheels và Castor Wheels.

 Standard Wheels là loại bánh có trục xoay đi qua trục quay của bánh xe nên khi chuyển hướng bánh không gây lệch so với vị trí cần chuyển Tuy nhiên, có những trường hợp, với góc xoay nhất định, chuyển động của 2 bánh đặt sau sẽ không đủ tạo moment làm chuyển hướng của bánh.

 Loại Castor Wheels có trục xoay cách một khoảng xác định so với trục bánh xe.Khi chuyển hướng, điểm tiếp xúc của bánh xe với đất vô tình đã trở thành tâm xoay tức thời làm khung xe xoay quay trục đi qua tâm xoay và sẽ làm lệch hướng cần chuyển.

Chương 2: Lựa chọn phương án

Khắc phục sự hạn chế về số bậc tự do của bánh tự lưa, việc sử dụng cầu làm tăng tính linh hoạt của xe khi chuyển hướng mà không phải chịu một tác dụng phụ nào ảnh hưởng đến chất lượng của việc chuyển hướng Tuy nhược điểm của bánh cầu là dễ bị kẹt bởi bụi cát, nhưng do địa hình di chuyển tương đối sạch và phẳng nên yếu tố này có thể bỏ qua.

Hình 2.2 Hình minh họa bánh mắt trâuKết luận: Dựa vào phân tích trên nhóm chọn bánh cầu.

Lựa chọn phương án điện

Các yêu cầu lựa chọn cảm biến:

- Khả năng đáp ứng nhanh sự thay đổi màu sắc giữa trắng và đen.

- Có khả năng nhận biết những đoạn line gấp khúc đột ngột.

- Ít bị ảnh hưởng bởi nhiễu.

Chương 2: Lựa chọn phương án

- Dễ tìm trên thị trường, giá cả hợp lí. Đối với cảm biến dò line, thường dùng 2 loại cảm biến để dò line là:

- Phototransitor kết hợp led thường.

- Phototransitor kết hợp led hồng ngoại.

Bảng 2.2 So sánh cảm biến

Cảm biến Ưu điểm Nhược điểm

Camera - Đạt độ chính xác cao, xử nhiều lí đường line phức tạp - Hạn chế tốc độ xe

Phototransitor kết hợp - Không cần che chắn, thích hợp line có độ tương - Độ nhạy thấp

- Độ nhạy cao - Cần che chắn để

Phototransitor kết hợp - Phù hợp với line có độ chống nhiễu

LED hồng ngoại tương phản cao - Dễ bị ảnh hưởng bởi

- Giá thành rẻ ánh sáng ngoài trời a) b) c)

Hình 2.3 Các loại cảm biến dò line: a) camera; b) Cảm biến hồng ngoại; c) Cảm biến

Chương 2: Lựa chọn phương án Đối với đường line chạy trong đồ án này có độ tương phản cao (line màu đen, nền trắng) nên chọn Phototransitor kết hợp LED hồng ngoại.

Robot dò line thường sử dụng 2 loại động cơ là DC servo và Động cơ bước.

 Động cơ DC Servo Ưu điểm:

- Điều khiển vị trí khá chính xác

 Động cơ bước: Ưu điểm:

- Dễ điều khiển vì không cần hồi tiếp để phản hồi vị trí.

- Độ chính xác rất cao.

- Có khả năng tự hãm.

- Tốc độ thường chậm, nếu hoạt động với tốc độ cao dễ xảy ra trượt bước.

- Không phù hợp với các ứng dụng có tải thay đổi và các ứng dụng cần tốc độ cao.

 Dựa vào những đặc tính, ưu điểm và nhược điểm của từng động cơ kết hợp với yêu cầu của đồ án ta sử dụng 2 động cơ DC Servo Hai động cơ DC Servo được sử dụng cho hai bánh xe chủ động ở phía sau.

Chương 2: Lựa chọn phương án

Lựa chọn phương án điều khiển

Có 2 loại điều khiển thông dụng hiện nay là điều khiển tập trung và điều khiển phân tán.

Hình 2.4 Sơ đồ điều khiển tập trung Ưu điểm:

- Chỉ cần dùng 1 VĐK sử dụng cho toàn bộ hệ thống.

- Mạch điện nhỏ gọn và tiết kiệm chi phí.

- Lập trình không cần giao tiếp với vi điều khiển khác.

- Yêu cầu tốc độ xử lí vi điều khiển cao.

- Khó lập trình và sửa lỗi đối với hệ thống lớn.

Chương 2: Lựa chọn phương án

Hình 2.5 Sơ đồ điều khiển phân tán Ưu điểm:

- VĐK chỉ cần có module làm nhiệm vụ chuyên môn.

- Dễ dàng sửa lỗi, lập trình với các hệ thống phức tạp.

- Phải giao tiếp giữa các VĐK.

- Hệ thống gồm nhiều VĐK, cần tránh xảy ra nhiễu khi giao tiếp.

Hệ thống điều khiển xe dò line không quá lớn hay phức tạp, không yêu cầu xử lí quá cao, lập trình khá đơn giản Bên cạnh đó, yêu cầu giá thành thấp nên nhóm lựa chọn phương án điều khiển tập trung.

Chương 2: Lựa chọn phương án

Lựa chọn vi điều khiển

2.4.1 Xác định yêu cầu lựa chọn vi điều khiển

Dựa trên phương án thiết kế đã lựa chọn cho Robot, vi điều khiển có nhiệm vụ thu thập tín hiệu từ các cảm biến, sau đó tiến hành tính toán, điều chỉnh và truyền tín hiệu đến các động cơ

Hiện nay trên thị trường có nhiều dòng vi điều khiển, mỗi dòng có nhưng đặc tính và khả năng khác nhau Tuy nhiên, ta cần lựa chọn dòng vi điều khiển thích hợp để đảm bảo đáp ứng các yêu cầu đặt ra cho Robot, cụ thể:

 Số lượng cảm biến tối thiểu đã lựa chọn là 7 nên đọc cảm biến cần có ít nhất 7 ngõ vào Analog.

 Có hỗ trợ điều chế xung PWM để điều khiển tốc độ động cơ.

 Có bộ ngắt để đọc tín hiệu Encoder.

 Bộ điều khiển phân cấp nên phải có hỗ trợ các giao tiếp SPI, I2C hoặc RS232…

2.4.2 Lựa chọn vi điều khiển

Từ những yêu cầu trên, chọn vi điều khiển Arduino Nano CH340 (vi xử lý ATmega368) với đặc điểm:

 14 chân Digital, trong đó có 6 chân có PWM.

 Hỗ trợ giao tiếp I2C, UART, RS232.

 Tần số xung clock 16Mhz cho thời gian chu kì lệnh nhanh (62,5ns) hơn thời gian đọc xung encoder bằng ngắt ngoài nên không có hiện tượng trượt xung khi đọc.

Chương 2: Lựa chọn phương án

TÍNH TOÁN THIẾT KẾ

Lựa chọn bánh xe

Chọn bánh xe chủ động bằng nhựa lốp cao su, bánh bị động là bánh đa hướng.

Hình 3.2 Bánh xe chủ động Thông số bánh chủ động:

- Chất liệu: Nhựa, cao su

Chương 2: Lựa chọn phương án

Hình 3.3 Bánh cầu Thông số bánh bị động:

- Đường kính bánh xe: 12 mm

- Tổng chiều cao chân đế: 15 mm

Tính toán công suất động cơ

Vận tốc max mong muốn: v = 1m/s

Bán kính bánh xe: R = 4 cm 1

=> Vận tốc góc bánh xe: ω = = 0.04 = 25 rad/s

=> Gia tốc góc bánh xe: ε = = 0.04 = 12.5 rad/s 2

Hình 3.4 Mô hình toán bánh xe

Chương 2: Lựa chọn phương án

Momen quán tính của bánh xe đối với tâm bánh xe: I = 1 2

Phương trình Định luật II Newton:

Phương trình cân bằng momen đối với tâm bánh xe: τ - F ms R 1

2 Điều kiện để bỏnh xe lăn khụng trượt khi quay: F ms ≤ àN (3.5)

Với hệ số ma sỏt à = 0.7 => a ≤ 0,7.9,81 = 6.867 m/s 2

Vậy chọn a = 0.5 m/s 2 thỏa mãn điều kiện xe lăn không trượt.

Ngoài lực ma sát, khi lăn bánh xe còn chịu lực ma sát lăn nhưng vì lực ma sát lăn rất nhỏ hơn so với lực ma sát trượt nên bỏ qua.

Bảng 3.1 Thông số của xe

Kí hiệu Đại lượng Giá trị

F Lực ma sát nghỉ m Khối lượng bánh xe chủ động 50g

Chương 2: Lựa chọn phương án à Hệ số ma sỏt nghỉ 0.7 à Hệ số ma sỏt lăn 0.07

R Bán kính bánh xe 4 cm ω Vận tốc góc 25 rad/s ε Gia tốc gốc 12.5 rad/s 2 g Gia tốc trọng trường 9.81 m/s 2

Từ đó, momen để bánh xe lăn không trượt là: τ = [(1,5+0,06).0,5.0,04 + 0,5.0,06.0,04.0.5].9,81 = 0, 3042 Nm Vậy, momen của động cơ thỏa: τ = 0.312 Nm

Công suất mỗi động cơ là: P =  ω

Chọn hệ số an toàn là 1.3 => P = 1,3.7,8 = 10,14 W

Tốc độ quay động cơ: n = =

Dựa vào tính toán động cơ phía trên, cần chọn động cơ có τ = 0.312 Nm, torque 10.14W và tốc độ là 238 rpm.

Trong phần lựa chọn phương án, nhóm đã chọn động cơ DC servo Do đó sau khi tìm các động cơ DC servo có trên thị trường, nhóm chọn động cơ DC Servo GA25 V1.

Chương 2: Lựa chọn phương án

Hình 3.5 Động cơ DC servo GA25 V1 Bảng 3.2 Thông số động cơ Điện áp hoạt động 3-12V

Dòng điện không tải 80mA

Mô men khi bị giữ 0.78 Nm

Tốc độ động cơ không tải 320 rpm

Tốc độ động cơ có tải 284 rpm

Tỉ số truyền 1:34 Đường kính trục 4 mm Điện áp encoder 3.3 V

Số xung sau khi giảm tốc 374 xung/vòng

Chương 2: Lựa chọn phương án

Tính toán lại vận tốc xe: v t = 284 2  0.04 = 1.19 (m/s)

Vậy động cơ đã chọn thỏa mãn vận tốc đặt ra.

Tính toán pin

Để động cơ hoạt động không ảnh hưởng đến nguồn cấp mạch điều khiển, ta sử dụng

Sa bàn cuộc thi bao gồm các đoạn đường: đường thẳng dài 3000 mm, 2 đoạn cong bán kính 500mm, 4 đoạn đường giao nhau dài 1118 mm Vậy tổng chiều dài robot phải đi trên sa bàn là 10 613 mm Vận tốc trung bình của xe là 0.7 m/s Do đó thời gian cần để chạy hết đoạn đường là 15.16 s Để đảm bảo robot hoạt động ổn định trong quá trình thử nghiệm, pin yêu cầu phải có dung lượng đủ lớn cho nhiều lần thử nghiệm.

 Áp của pin phải lớn hơn hoặc bằng áp lớn nhất của động cơ DC Servo GA25 (12V).

 Khả năng cung cấp dòng cho hệ thống hoạt động khoảng 2 giờ.

Tính toán cường độ dòng điện cần cung cấp:

 Dòng khi có tải của động cơ: 600 mA

 Dòng tiêu thụ tổng cộng: 600x2x1.3 = 1560 mA

Từ yêu cầu kỹ thuật như trên, lựa chọn nguồn cấp cho động cơ gồm 3 pin Lition (3.7 V,

3400 mAh) mắc nối tiếp kết hợp mạch ổn áp XL6009.

Chương 2: Lựa chọn phương án

3.3.2 Nguồn cấp mạch điều khiển

Thiết bị Số lượng Dòng/đơn vị Dòng tổng cộng Điện áp

Cảm biến 7 8mA 56mA 5VDC

Vi điều khiển 1 30mA 30mA 9VDC

Ta chọn nguồn cấp cho mạch điều khiển gồm 2 pin Lition (3.7V - 3400V) kết hợp mạch ổn áp LM2596.

Kích thước khung xe

Chiều dài khối động cơ từ gá động cơ tới encoder (không tính trục động cơ) là: 65 mm

Với 2 động cơ lắp đồng trục nên chiều rộng thên xe phải > 65x2 = 130 mm

Chiều rộng khung xe phù hợp với đường đua vừa phải, bề rộng vạch kẻ 26 mm. Chọn chiều ngang xe 140 mm

Chiều dài khung xe kết hợp với chiều rộng chọn trước đó tạo đủ không gian để bố trí các linh kiện: mạch điện/ mạch điều khiển, nguồn, tải trọng 2kg, …

Ngoài ra, ta còn phải quan tâm đến dung sai hình học độ đồng trục của 2 bánh xe, yêu cầu phải có phần định vị khi thiết kế khung xe.

Chương 2: Lựa chọn phương án

Tại các đoạn đường chuyển hướng, xe có khả năng bị lật nếu việc bố trí thiết bị trên thân xe làm cho trọng tâm xe cao hơn một giới hạn nhất định Giới hạn này có thể được tính toán dựa trên mô hình toán sau trên Hình 3.2.

Hình 3.6 Mô hình toán khi xe chuyển hướng Với :

T: trọng tâm xe Flt: lực li tâm

Fms: lực ma sát P: trọng lực

C: tâm quay khi xe lật h: chiều cao trọng tâm xe Để tránh lật, moment sinh ra do trọng lực quanh tâm quay C phải lớn hơn moment của lực li tâm:

Chương 2: Lựa chọn phương án

Bán kính cong của đường đua R = 0,5 m

Vận tốc dài tối đa v = 1 m/s

Kích thước bao của xe phụ thuộc vào kích thước và việc sắp xếp các linh kiện điện,điện tử, khoảng cách được mô phỏng giữa sensor và các bánh chủ động Ngoài ra tỉ lệ kích thước dài-rộng của xe nên được chọn theo tỉ số √5 nhằm giảm thiểu tối đa ảnh hưởng của các yếu tố động lực học lên xe.

Bố trí linh kiện

Bảng 3.3 Tổng hợp linh kiện

Tên linh kiện Hình ảnh minh họa Số lượng

Bánh xe đường kính 85mm trục lục giác 2

Bánh cầu 1 Động cơ DC servo giảm tốc GA25_V1 2

MÔ HÌNH TOÁN HỌC

Mô hình toán học của xe

Vì xe chỉ chạy trên địa hình bằng phẳng, tải không đổi, không có ngoại lực khác tác dụng trong quá trình di chuyển của xe nên chỉ cần phân tích động học.

Vị trí và hướng của xe trong mặt phẳng được đặt trưng bởi ba thông số  x , y,  Với

 x , y  là tọa độ của xe tuyệt đối trong hệ tọa độ quán tính và là góc hợp bởi một vector gắn liền với xe và một vector cố định trong hệ tọa độ cố định Ở trường hợp robot dò line,

Hình 4.1 Mô hình động học của xeGọi và lần lượt là vận tốc dài và vận tốc góc của xe tại điểm trọng tâm C của xe.Phương trình động học của hệ: ̇ ̇

Vận tốc góc của các bánh xe:

: tốc độ góc bánh phải

: tốc độ góc bánh trái

: ẵ khoảng cỏch giữa 2 tõm bỏnh xe

: Khoảng cách từ tâm đến điểm tracking point T Để điều khiển xe bám theo line R  x r , y r , r  cần điều khiển sao cho trọng tâm của xe chuyển động dọc theo quỹ đạo đường line mong muốn và hướng của xe tiếp tuyến với đường line.

Xe di chuyển trên đường tham chiếu thỏa mãn

Hình 4.2 Mô hình sai số của xe bám theo line Để đạt được mục tiêu đó, ta cần 3 sai số đặc trưng cho độ sai lệch của trọng tâm C so với R là e = [e 1 e 2 e 3 ] T

Bằng các quan hệ hình học ta xác định được:

 3    Đạo hàm phương trình (4.3) ta đươc:

Hàm truyền của động cơ – Driver

Định nghĩa hàm truyền: Hàm truyền của hệ thống là tỉ số giữa biến đổi Laplace của tín hiệu ra và biến đổi Laplace của tín hiệu vào khi điều kiện đầu bằng 0. Đối với động cơ, chọn tín hiệu ra là tốc độ quay của động cơ (vòng/phút), tín hiệu vào là %PWM.

Như vậy để tìm hàm truyền động cơ ta cấp điện áp cho động cơ với dạng tín hiệu biết trước rồi tiến hành đo tốc độ quay của động cơ. Đầu tiên ta phải xác định quan hệ giữa tín hiệu ra và tín hiệu vào là tuyến tính hay phi tuyến Để xác định ta cho nhiều giá trị PWM rồi tìm đáp ứng của tốc độ động cơ khi xác lập Từ các mẫu thu thập được rồi tiến hành vẽ đồ thị quan hệ giữa PWM và tốc độ. Ở giai đoạn tìm quan hệ giữa tín hiệu ra và tín hiệu vào là tuyến tính hay phi tuyến cần chọn thời gian lấy mẫu đủ để tốc độ động cơ xác lập Qua thực nghiệm cho thấy thời gian lấy mẫu 1s đủ để tốc độ động cơ đạt xác lập. Đề tìm quan hệ vào- ra của động cơ số mẫu tùy chọn Chọn số mẫu cần lấy là 22 mẫu để tìm quan hệ giữa tốc độ động cơ và % PWM cho động cơ trái và phải.

 Tìm quan hệ vào- ra

Tiến hành lấy mẫu ta được bảng số liệu sau:

Bảng 4.1 Tốc độ động cơ theo % PWM

STT PWM (%) Tốc độ động cơ (vòng/phút)

Hình 4.3 Đồ thị %PWM - tốc độ

Từ Hình 4.3 ta thấy tốc độ quay của động cơ là hàm tuyến tính theo giá trị PWM.

Tốc độ lớn nhất của động cơ khi không tải: v max = 328 vòng/phút.

Số xung Encoder: n = 374 xung/vòng.

=> Tần số lớn nhất để đọc encoder: = 2 60 = 4090 Hz (nhân 2 khi đọc bằng 2 kênh)

=> Chu kì lấy mẫu nhỏ nhất: T min = 1/f max = 244,5 us

Chọn tín hiệu vào là giá trị PWM theo hàm số sau:

Hình 4.4 Đồ thị tín hiệu PWM cấp cho động cơ

Lấy mẫu trong 1 chu kì của tín hiệu vào là 2 s => f = 1 = 0.5

Phân tích tín hiệu vào thành chuỗi Fourier có tần số các họa tần là f k = kf =0,5k Phân tích Fourier tín hiệu vào tới họa tần thứ k = 50.

Tần số cắt cao nhất của tín hiệu vào là f c = 25 Hz Để khôi phục được tín hiệu thì tần số lấy mẫu f s ≥ 2f c = 50 Hz Chọn f s = 50 Hz => T s = 0.02 s

Số mẫu cần lấy là: n = => = 0 2

Hình 4.5 Đáp ứng của tốc độ động cơ trái

Hàm truyền động cơ trái- driver có dạng: H ( s)  s K

Sử dụng công cụ System Identification của Matlab để tìm hàm truyền

=> Hàm truyền tìm được là: H ( s)  76.47 s  23.6

 Tìm quan hệ vào- ra

Tiến hành lấy mẫu ta được bảng số liệu sau:

Bảng 4.2 Tốc độ động cơ theo % PWM

STT % PWM Tốc độ động cơ (vòng/phút)

Hình 4.6 Đồ thị %PWM - tốc độ

Từ đồ thị ta thấy quan hệ giữa tốc độ góc và PWM là tuyến tính.

Tương tự như động cơ trái, có các kết quả sau:

Hình 4.7 Đáp ứng của động cơ phải

Hàm truyền động cơ phải- driver có dạng: H ( s)  s K

Hàm truyền tìm được là: H ( s)  74.58 s  22.57

Hàm truyền cảm biến IR

Sử dụng cảm biển TCRT5000 để phát hiện line:

Hình 4.10 Vùng hoạt động của cảm biến

Theo như datasheet của cảm biến TCRT5000, góc phát của Emiter là = 16 0 , góc thu là = 30 0 Khoảng cách giữa hai cảm biến = 3,5 Từ đó ta có thể xác định được giá trị của

Khi sử dụng module dò line tích hợp sẵn cảm biến TCRT5000, vùng hoạt động của cảm biến nằm trong khoảng 1 – 25 mm.

Chọn h = 15mm ta tính được:

2 Để cảm biến không bị nhiễu bởi các cảm biến khác, khoảng cách giữa 2 cảm biến phải lớn hơn hoặc bằng một khoảng K = d + (d 1 + d 2 )/2 =3,5 + (8,60 + 17,32)/2 16.46 mm

Hình 4.11 Điều kiện để cảm biến không bị nhiễu bởi cảm biến khác Chọn khoảng cách giữa 2 cảm biến là 18mm a Hiệu chuẩn cảm biến (Calibration) Để có thể nhận ra giao lộ giữa 3 đường, ta sử dụng 7 module dò line đơn Mỗi module dò line lại trả về tín hiệu analog khác nhau Vì vậy để có thể sử dụng các tín hiệu này hiệu quả, việc hiệu chuẩn cảm biến là vô cùng cần thiết. Đê hiệu chuẩn cảm biến, ta sử dụng công thức:

 x max,i và x min,i là giá trị lớn nhất và nhỏ nhất đọc được từ cảm biến thứ I,

 y max và y min là giá trị lớn nhất và nhỏ nhất mà ta mong muốn cho tất cả các cảm biến

 x j,i = là giá trị đọc được thứ j của cảm biến thứ i

 y jo = là giá trị sau khi điều chỉnh x j,i

Trước khi hiệu chuẩn x max,i x min,i

Từ 2 giá trị trung bình cộng Ta chọn y max = 637, y min = 57

Sau khi hiệu chuẩn số liệu thu thập phía trên, ta được y jo max y jo min

Cảm biến 7 637 57 b Xác định khoảng cách tới tâm đường line

Từ các giá trị analog của cảm biến đã qua hiệu chuẩn, ta sử dụng phương pháp trung bình trọng số để xác định vị trí của xe so với đường line.

Hình 4.12 Vị trí cảm biến ứng với trọng số của cảm biến

Theo phương pháp trung bình trọng số, tọa độ tâm đường line dọc theo các cảm biến được xác định bằng công thức:

Với n là số cảm biến sử dụng và L là hệ số khuếch đại Số liệu x tìm được ta sẽ đi khảo sát so sánh với khoảng cách thật từ tâm đường line để tìm hàm truyền cảm biến Tính số mấu cần lấy:

 Khoảng cách dịch chuyển 1 lần: 6mm/lần

 Thời gian giữa 2 lần di chuyển cảm biến = 1s

 Tổng khoảng cách dịch chuyển = 18*6 = 108 mm

Tần số lấy mẫu f s >= 2*f = 2/18= 1/9 Hz

Vậy số mẫu cần lấy là 18 mẫu ứng với f s = 1 Hz

Lấy 23 mẫu ta xấp xỉ được mối quan hệ và giữa trung bình trọng số và sai số thực là y = 1.5135x + 5.5558 với y là sai số thực, x là trung bình trọng số

Mối quan hệ trung bình trọng số và độ lệch thực thựclệch

Hình 4.13 Hàm xấp xỉ trung bình trọng số và sai số thực Bảng số liệu ứng với đồ thị:

Bảng 4.3 Dữ liệu calib cảm biến

Trung bình Khoảng cách thực tới tâm line Khoảng cách xấp xỉ Sai lệch trọng số (mm) (mm) (mm)

THIẾT KẾ BỘ ĐIỀU KHIỂN

Yêu cầu điều khiển

Thiết kế bộ điều khiển thỏa mãn các yêu cầu sau:

 Bám line tốt, trọng tâm xe lệch tâm đường line < 10 mm

 Thời gian hoàn thành đường line < 15 s

 Vận tốc xe đoạn chạy thẳng đạt tốc độ tối đa v max = 1 m/s

Tín hiệu input dùng để điều khiển

Cảm biến hồng ngoại trả về giá trị analog 1024 mức Tìm hàm truyền cảm biến để tìm mối quan hệ giữa giá trị analog với khoảng cách giữa tâm cảm biến và tâm đường line. Theo kết quả hàm truyền cảm biến tìm được ở mục 4.3 ta được: y = 1.5135x + 5.5558 Với: y là khoảng cách giữa tâm cảm biến và tâm đường line. x là giá trị trung bình trọng số của 7 cảm biến.

Giải thuật điều khiển

Giải thuật điều khiển của robot dò line gồm ba nội dung chính ứng với ba chương trình con:

 Hiệu chuẩn giá trị cảm biến

Chương trình con hiệu chuẩn giá trị cảm biến:

Hình 5.2 Chương trình con hiệu chuẩn giá trị cảm biến

Chương trình con đọc giao lộ:

Hình 5.3 Chương trình con đọc giao lộ Chương trình con bám line:

Hình 5.4 Chương trình con bám line

Bộ điều khiển

Sau khi mô hình hóa hệ thống xe robot dò line, nhóm chọn và thiết kế bộ điều khiển PD vì tính đơn giản và hiệu quả của bộ điều khiển này.

Tín hiệu PWM cấp cho động cơ là PWM base 0/255 = 75.5 % u = K p error + K i ∫ + K d (error – last error)

Trong đó error là sai lệch khoảng cách giữa tâm cảm biến và tâm đường line.

 Nếu u < 0 thì xe rẽ trái PWM trái = PWM base - |u| PWM phải = PWM base + |u|

 Nếu u >0 thì xe rẽ phải PWM trái = PWM base + |u| PWM phải = PWM base - |u|

 Nếu u =0 thì xe đi thẳng PWM trái = PWM base

Kết quả mô phỏng

Sau khi đã thiết kế bộ khiển PD như đã trình bày bên trên, tiến hành lập trình trong phần mềm Matlab và chạy mô phỏng Kết quả mô phỏng xe dò line được thể hiện như các hình dưới đây:

Hình 5.5 Quỹ đạo xe mô phỏng

Dựa vào đồ thị quỹ đạo trên, xe dò line đã hoàn thành hết đường đua với thời gian nhỏ hơn thời gian quy định Do quỹ đạo vẽ dựa vào tọa độ của điểm nằm giữa hai bánh xe nên khi xe dừng ở đich đến (cảm biến dò line nhận giao lộ thứ 6), tồn tại một khoảng cách giữa đích và điểm đó.

Hình 5.6 Vận tốc góc hai bánh xe trái (xanh) – phải (đỏ)

Từ đồ thị trên, ta có thể nhận thấy được đáp ứng nhanh chóng của hai bánh xe khi xe tiến đến những khúc cua quẹo gấp, đặc biệt là ở điểm A khi xe phải cua gấp một góc 90 0 Đồ thị vận tốc góc tồn tại những dao động lớn, nhỏ do thuật toán bám line.

Hình 5.7 Đồ thị vận tốc dài của xe

Nhận xét: Vận tốc dài tối đa của xe lên đến > 1.2 m/s, thỏa mãn yêu cầu đặt ra ban đầu.Vận tốc dài ở đoạn đường thẳng (A-C-E) tăng lên mức tối đa để xe nhanh chóng kết thúc đường đua, tối ưu hóa thời gian hoàn thành.

THỰC NGHIỆM VÀ PHƯƠNG HƯỚNG PHÁT TRIỂN

Thực nghiệm

Quỹ đạo của robot trong thực nghiệm có hình dạng tương đồng với hình dạng sa bàn chứng tỏ giải thuật đề ra ban đầu là hợp lý Tuy nhiên có những đoạn robot không bám chính xác line do bề mặt sàn có những đoạn nhấp nhô cao làm sai lệch giá trị đọc về của cảm biến.

Hình 6.1 Quỹ đạo robot dò line trên thực nghiệm Đồ thị vận tốc dài robot trong thực nghiệm xuất hiện những nhấp nhô do trong thực tế robot dò line bị ảnh hưởng bởi nhiễu (ánh sáng thay đổi đột ngột, bề mặt line phản xạ khác nhau, ma sát giữa bánh và bề mặt,…) Vận tốc dài tối đa xe có thể đạt được thỏa yêu cầu đã đặt ra (v max = 1.2 m/s).

Hình 6.2 Vận tốc dài của robot thực nghiệm Vận tốc góc hai bánh trên thực nghiệm so với mô phỏng:

Hình 6.3 Tốc độ 2 bánh của xe thực nghiệm

Nhận xét: Vận tốc góc hai bánh xe cũng như vận tốc dài dao động liên do nguyên nhân là trong thực tế xe luôn lắc để bám line và nhiễu từ môi trường (bề mặt sa bàn nhấp nhô, …) cũng như nhiễu tín hiệu encoder trả về.

Phương hướng phát triển

- Phát triển thuật toán tự hiểu chỉnh cảm biến khi thay đổi điều kiện hoạt động (bề mặt/ chất liệu sa bàn, ánh sáng ngoài trời,…).

- Thiết kế mạch đo dung lượng pin còn lại để báo hết pin tự động nhằm tránh sử dụng cạn pin Ngoài ra, kết hợp với thuật toán điều chỉnh đáp ứng của robot ổn định ứng với dung lượng pin.

- Điều khiển vận tốc trên từng đoạn đường khác nhau để tối ưu thời gian hoàn thành.

- Tích hợp chức năng tránh vật cản nhằm tránh va chạm gây hư hại phần cứng robot.