ĐỒ án TRUYỀN ĐỘNG điện đề tài thiết kế robot hút bụi sử dụng arduino

ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT KHOA ĐIỆN – ĐIỆN TỬ -  - ĐỒ ÁN TRUYỀN ĐỘNG ĐIỆN Đề tài: Thiết kế Robot hút bụi sử dụng Arduino Mã sinh viên Lớp học phần Đà Nẵng, 03/2022 LỜI NÓI ĐẦU Trong xã hội đại ngày nay, khoa học kỹ thuật phát triển mạnh mẽ với phát triển sản phẩm ứng dụng vào thực tế nhiều lĩnh vực như: y tế, giáo dục, công-nông nghiệp, sản phẩm dân dụng… Do đó, với mong muốn áp dụng kiến thức học giảng đường vào thực tế, nhóm chúng em định làm sản phẩm đơn giản ứng dụng vào đời sống thực tiễn Sản phẩm robot hút bụi thông minh sử dụng Arduino Trong sống đại, Robot dần trở nên thân quen với gia đình, đem lại trợ giúp không nhỏ với người nội trợ việc làm nhà cửa, giúp có nhiều thời gian dành cho gia đình Nhóm chúng em xin gửi lời cảm ơn chân thành đến Cô - Đỗ Hồng Ngân Mi tận tình bảo, hướng dẫn giúp đỡ nhóm suốt thời gian thực đề tài Nội dung đề tài gồm chương: - Chương Chương Chương Chương Chương Ⅰ : Giới thiệu tổng quan Ⅱ : Tìm hiểu linh kiện thiết bị sử dụng Ⅲ : Thiết kế, chế tạo Robot hút bụi Ⅳ : Thuật toán, kết chương trình điều khiển Ⅴ : Kết luận hướng phát triển Đà Nẵng, ngày 25, tháng 3, năm 2022 Nhóm sinh viên thực Nguyễn Ngọc Dũng Đinh Thiên Nhật Anh Nguyễn Ngọc Vĩnh Nguyễn Duy Phương Huỳnh Công Tín MỤC LỤC LỜI NĨI ĐẦU CHƯƠNG Ⅰ GIỚI THIỆU TỔNG QUAN 1.1 Thực trạng 1.2 Nguyên nhân chọn đề tài 1.3 Nghiên cứu loại Robot hút bụi thị trường 1.3.1 iRobot Roomba S9 Plus 1.4 1.3.2 Roborock S6 MaxV Đối tượng, phạm vi, phương pháp nghiên cứu chế tạo 1.4.1Đối tượng nghiên cứu 1.4.2Phạm vi nghiên cứu 1.5 1.4.3Phương pháp nghiên Cơ sở lý thuyết 1.5.1Khái quát Robot hú 1.5.1.1 Khái niệm 1.5.1.2 Nhiệm vụ 1.5.1.3 Phân loại Robot hút bụi 1.5.2Nguyên lý làm việc 1.5.2.1 Trạng thái làm việc Robot tránh vật cản sử dụng cảm biến si 1.6 1.5.2.2 Nguyên lý làm việc Robot tự động sử dụng cảm biến siêu âm Kết luận chương CHƯƠNG Ⅱ TÌM HIỂU LINH KIỆN VÀ THIẾT BỊ SỬ DỤNG 2.1 Giới thiệu chương 2.2 Tổng quan Arduino 2.2.1Giới thiệu Arduino 2.2.2 Phần cứng Arduino Uno R3 2.3 Các linh kiện điện tử khác 2.3.1Cảm biến siêu âm SRF-0 2.3.2Module điều khiển động 2.3.3 Động giảm tốc 12V DC 2.3.3.1 Động giảm tốc V1 DC Motor 2.3.3.2 Động hút bụi RS - 540SH 2.3.4 Cell Pin 3.7V 2800mAh 2.3.5 Mạch điều khiển tốc độ động DC PWM 10A 400W 2.3.6 Mạch giảm áp DC-DC LM2596 3A ADJ CHƯƠNG Ⅲ THIẾT KẾ, CHẾ TẠO ROBOT HÚT BỤI 3.1.Ý tưởng thiết kế 3.2 Sơ đồ khối 3.2.1 Khối xử lý 3.2.2 Khối cảm biến (Cảm biến siêu âm) 3.2.3 Khối chấp hành a) Phần chuyển động Robot b) Phần hút bụi 3.2.4 Khối nguồn a) Các phương án thiết kế nguồn b) Các phương án thiết kế mạch n 3.3.Sơ đồ mạch sản phẩm 3.3.1 Sơ đồ tổng quan hệ thống 3.3.2 Sơ đồ nguyên lý hệ thố 3.3.3 Sơ đồ mô Matlab CHƯƠNG Ⅳ THUẬT TỐN, KẾT QUẢ VÀ CHƯƠNG TRÌNH ĐIỀU KHIỂN 4.1.Lưu đồ thuật toán 4.4.1 Lưu đồ tổng quan hệ t 4.4.2 Lưu đồ trình đo kh 4.2.Kết hồn thiện 4.3.Chương trình điều khiển CHƯƠNG Ⅴ KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN 5.1 Tổng kết 5.1.1 Kết thu 5.1.2 Ưu nhược điểm 5.2 Hướng phát triển 5.3 Kết luận DANH MỤC HÌNH ẢNH Hình 1.1 Robot hút bụi cơng việc nội trợ gia đình Hình 1.2 Robot hút bụi tự điều hướng tránh vật cản Hình 1.3 iRobot Roomba S9 Plus Hình 1.4 Roborock S6 MaxV Hình 2.1 Cấu tạo Arduino Uno R3 Hình 2.2 Các chân vào/ra Arduino Uno 11 Hình 2.3 Chức chân Arduino (PinOut) 12 Hình 2.4 Cảm biến siêu âm SRF-04 13 Hình 2.5 Module điều khiển động L298 13 Hình 2.6 Động giảm tốc V1 14 Hình 2.7 Động RS – 540SH 15 Hình 2.8 Pin 3.7V 15 Hình 2.9 Module điều khiển tốc độ động DC PWM 10A 400W 16 Hình 2.10 Mạch giảm áp DC-DC LM2596 3A ADJ 17 Hình 3.1 Sơ đồ khối hệ thống 18 Hình 3.2 Các chân nguồn Arduino Uno R3 19 Hình 3.3 cổng vào/ra Arduino Uno R3 20 Hình 3.4 Giao diện lập trình cho Arduino 21 Hình 3.5 Chọn Board Arduino 22 Hình 3.6 Chọn cổng Arduino 22 Hình 3.7 Nguyên lý hoạt động cảm biến siêu âm 23 Hình 3.8 Kết nối Arduino với cảm biến 24 Hình 3.9 Chip L298D 25 Hình 3.10 Kích thước động giảm tốc DC 26 Hình 3.11 Cấu tạo động giảm tốc DC 27 Hình 3.12 Sơ đồ kết nối phần di chuyển 27 Hình 3.13 Cơ chế hút bụi 28 Hình 3.14 Mạch chống nhiễu 29 Hình 3.15 Sơ đồ nguyên lý Module LM2596 31 Hình 3.16 Sơ đồ tổng quan hệ thống 31 Hình 3.17 Sơ đồ nguyên lý hệ thống 32 Hình 3.18 Sơ đồ Matlab hệ thống 33 Hình 4.1 Lưu đồ thuật toán tổng quan hệ thống 34 Hình 4.2 Lưu đồ thuật tốn q trình đo khoảng cách 35 Hình 4.3 Tổng quan bên Robot 36 Hình 4.4 Tổng quan bên Robot 37 CHƯƠNG Ⅰ GIỚI THIỆU TỔNG QUAN 1.1 Thực trạng Hiện nay, cơng việc nội trợ gia đình dần xem lạc hậu, làm việc tay chân thời gian, cơng sức Chính thế, Robot hút bụi thơng minh dần trở thành xu mới, thay loại máy hút bụi truyền thống để hỗ trợ người việc dọn dẹp nhà cửa Tại Việt Nam, dịng sản phẩm vừa có mặt thị trường hứa hẹn trở thành sản phẩm hot thời gian tới Robot hút bụi tự động xem “Người” giúp việc vô thơng minh hiệu cho gia đình, đặc biệt người phụ nữ nội trợ phải làm suốt ngày, khơng có thời gian chăm sóc nhà cửa Hình 1.1 Robot hút bụi cơng việc nội trợ gia đình Robot thiết kế thơng minh, tự động thực cơng việc hút bụi, lau dọn nhà mà khơng cần có hướng dẫn người Kích thước Robot hút bụi tự động nhỏ gọn, đến tất ngóc ngách như: gầm bàn, gầm giường, ghế sofa, góc tường,… để làm tồn diện Hình 1.2 Robot hút bụi tự điều hướng tránh vật cản 1.2 Nguyên nhân chọn đề tài Trong sống nay, Robot dần thay thế, trợ giúp người vận chuyển hàng hóa, Robot kiểm tra nguy hiểm, Robot phục vụ cho cơng việc gia đình phổ biến Nhất loại Robot tự hoạt động mà không cần người điều khiển giúp giảm công việc cho người Cùng với phát triển khoa học, cơng nghệ việc thiết kế Robot làm việc nhà điều nên làm Từ ý tưởng trên, nhóm chúng em chọn đề tài “ Robot hút bụi tự động sử dụng Arduino” cho đồ án ❖ Tính đề tài: Robot hút bụi tự động Robot di chuyển tự động mà không cần người phải điều khiển, tự động tránh vật cản từ hút bụi tất vị trí nhà Robot tránh vật cơng nghệ dùng mạch logic áp dụng từ sớm thu số thành tựu định, đồng thời xuất số nhược điểm làm cho Robot khó xác định vật cản di chuyển tránh vật cản cách xác Để khắc phục nhược điểm này, đồ án xây dựng thiết kế Robot tránh vật cản, tín hiệu từ cảm biến siêu âm chuyển cổng điều khiển vi điều khiển, tín hiệu xử lí đưa tín hiệu để điều khiển cho cấu chấp hành động servo, module điều khiển động cơ,…Trong đồ án sử dụng module vi điều khiển, Arduino Uno R3 module thơng dụng dễ dàng lập trình Ngoài phần hút bụi sử dụng vật liệu có sẵn loại ống nước, vải, động DC 775,… dễ tìm kiếm thị trường dễ chế tạo, lắp ráp 1.3 Nghiên cứu loại Robot hút bụi thị trường Robot hút bụi - “cơn sốt” ngành thiết bị gia dụng? Là “tân binh” ngành gia dụng điện tử năm gần đây, thu hút nhiều quan tâm người tiêu dùng Lý để người dùng dành quan tâm đặc biệt đến mặt hàng dự báo xu hướng bật tương lai sao? Sẽ có lý minh chứng cho câu hỏi trên: Tích hợp lọc khơng khí để thúc đẩy thị trường Robot hút bụi Sự cạnh tranh từ thương hiệu mức giá phù hợp Quan tâm đến sách bảo hành, hỗ trợ khách hàng ❖ Một số mẫu Robot hút bụi tốt xướng danh Đáp ứng tiêu chuẩn cao gồm: Thương hiệu, Chất lượng hoàn thiện, Khả vận hành, Tính thơng minh, CHƯƠNG Ⅳ THUẬT TỐN, KẾT QUẢ VÀ CHƯƠNG TRÌNH ĐIỀU KHIỂN 4.1 Lưu đồ thuật toán 4.4.1 Lưu đồ tổng quan hệ thống Hình 4.1 Lưu đồ thuật tốn tổng quan hệ thống Giải thích thuật tốn: Trên Hình 4.1 trình bày lưu đồ thuật tốn tổng quan hệ thống Do trình điều khiển hoạt động Robot vịng lặp nhiều q trình bên trình bao gồm nhiều hàm xử lý phức tạp nên thuật toán điều khiển chia thành nhiều chức nhỏ nhằm đem đến nhìn trực quan nguyên tắc điều khiển hệ thống Đầu tiên khởi động hệ thống vi điều khiển khởi tạo biến toàn cục, khai báo hàm chức thiết lập ngoại vi cho hệ thống Sau thực trình đọc liệu từ khối cảm biến, vào xử lý tính tốn khoảng cách đến vật cản có điều khiển động với trạng thái tương ứng Quá trình lặp lặp lại Robot làm tồn diện tích mặt sàn 34 4.4.2 Lưu đồ trình đo khoảng cách Hình 4.2 Lưu đồ thuật tốn q trình đo khoảng cách Giải thích thuật tốn: Trên Hình 4.2 trình bày trình đo khoảng cách cảm biến SRF04, vi điều khiển cấp tín hiệu mức vào chân Trig khoảng thời gian 15µs, sau theo dõi trạng thái chân Echo Mặc định chân Echo mức chân Trig kéo lên mức cao, 15µs cảm biến phát sóng siêu âm đồng thời chân Echo kéo lên mức cao, vi điều khiển phát chân Echo lên mức cao lấy giá trị timer thời điểm tiếp tục theo dõi trạng thái chân Echo Khi phát trạng thái chân Echo xuống lại mức vi điều khiển tiếp tục lấy giá trị timer Hiệu giá trị timer hai lần lấy khoảng thời gian chân Echo mức cao Nếu khoảng thời gian lớn 25ms nghĩa phía trước cảm biến khơng có vật cản ngược lại ta dễ dàng tính khoảng cách từ cảm biến tới vật cản dựa vào thời gian lan truyền vận tốc sóng siêu âm Sau cấu hình chức PWM timer, khởi tạo biến cần thiết, phát phía trước có vật cản (để thuận tiện cho việc xử lý trình bày lưu đồ thuật tốn em coi trường hợp vật cản phía trước cách xa 30cm khơng có vật cản) vi điều khiển phát tín hiệu PWM điều khiển Robot chuyển hướng sang phải quay phía sau 180° tiếp tục thẳng Sau vi điều khiển tiếp tục kiểm tra xem có vật cản khơng có tiếp tục điều khiển Robot rẽ phải quay sau 180°, khơng có vật cản tiếp tục di chuyển theo đường thẳng vòng 10s rẽ trái quay phía sau 180° để 35 Robot di chuyển theo hình đường thẳng Trong trình di chuyển vi điều khiển kiểm tra vật cản phía trước giây lần, phát có vật cản chuyển hướng di chuyển Robot 180° 4.2 Kết hồn thiện Hình 4.3 Tổng quan bên ngồi Robot 36 Hình 4.4 Tổng quan bên Robot 4.3 Chương trình điều khiển /* * Do an truyen dong dien * Nhom 12 */ int trig1 = A0; //trai int echo1 = A1; int trig2 = A2; //giua int echo2 = A3; int trig3 = A4; //phai int echo3 = A5; 37 int in1 = 4; int in2 = 5; int in3 = 6; int in4 = 7; int ENA = 3; int ENB = 11; int LeftSpeed = 55; int RightSpeed = 55 ; long leftDistance = 0,middleDistance = 0,rightDistance = 0; long pingTime,distance; float speedSound = 0.0343; int DIS = 25; long leftMeasurement() { digitalWrite(trig1,LOW); delayMicroseconds(2); digitalWrite(trig1,HIGH); delayMicroseconds(10); digitalWrite(trig1,LOW); pingTime = pulseIn(echo1,HIGH); distance = (pingTime/2)*speedSound; return(distance); } long middleMeasurement() 38 { digitalWrite(trig2,LOW); delayMicroseconds(2); digitalWrite(trig2,HIGH); delayMicroseconds(10); digitalWrite(trig2,LOW); pingTime = pulseIn(echo2,HIGH); distance = (pingTime/2)*speedSound; return(distance); } long rightMeasurement() { digitalWrite(trig3,LOW); delayMicroseconds(2); digitalWrite(trig3,HIGH); delayMicroseconds(10); digitalWrite(trig3,LOW); pingTime = pulseIn(echo3,HIGH); distance = (pingTime/2)*speedSound; return(distance); } void setup() { Serial.begin(9600); pinMode(trig1,OUTPUT); 39 pinMode(trig2,OUTPUT); pinMode(trig3,OUTPUT); pinMode(echo1,INPUT); pinMode(echo2,INPUT); pinMode(echo3,INPUT); pinMode(in1,OUTPUT); pinMode(in2,OUTPUT); pinMode(in3,OUTPUT); pinMode(in4,OUTPUT); pinMode(ENA,OUTPUT); pinMode(ENB,OUTPUT); moveStop(); } void loop() { leftDistance = leftMeasurement(); delay(10); middleDistance = middleMeasurement(); delay(10); rightDistance = rightMeasurement(); delay(10); Serial.print("leftDistance = "); Serial.print(leftDistance); Serial.print("cm /"); Serial.print("middleDistance = "); Serial.print(middleDistance); 40 Serial.print("cm /"); Serial.print("rightDistance = "); Serial.print(rightDistance); Serial.println("cm"); // Obstacle on left side if(leftDistance < DIS && middleDistance > DIS && rightDistance > DIS) { turnRight(); delay(25); // turn lightly right } // Obstacle on front else if(leftDistance > DIS && middleDistance < DIS && rightDistance > DIS) { if(leftDistance > rightDistance) { turnLeft(); delay(400); // turn 90 degree left } if(leftDistance < rightDistance) { turnRight(); delay(400); // turn 90 degree right } } // Obstacle on right side else if(leftDistance > DIS && middleDistance > DIS && rightDistance < DIS) 41 { turnLeft(); delay(25); //turn lightly left } // Obstacle on front & left side else if(leftDistance < DIS && middleDistance < DIS && rightDistance > DIS) { turnRight(); delay(400); // turnRight 90 degree } // Obstacle on front & right side else if(leftDistance > DIS && middleDistance < DIS && rightDistance < DIS) { turnLeft(); delay(400); // turnLeft 90 degree } // Obstacle on left & right side else if(leftDistance < DIS && middleDistance > DIS && rightDistance < DIS) { if(leftDistance > rightDistance) { turnLeft(); delay(50); // shift left } if(leftDistance < rightDistance) { turnRight(); 42 delay(50); // shift right } } // Obstacle on all side else if(leftDistance < DIS && middleDistance < DIS && rightDistance < DIS) { moveStop(); delay(1000); moveBackward(); delay(1000); turnLeft(); delay(800); //turn 180 degrees } else { moveForward(); } } void moveForward() { Serial.println("Move Forward"); analogWrite(ENA,LeftSpeed); analogWrite(ENB,RightSpeed); digitalWrite(in1, HIGH); digitalWrite(in2, LOW); digitalWrite(in3, HIGH); 43 digitalWrite(in4, LOW); } void moveBackward() { Serial.println("Move Backward"); analogWrite(ENA,LeftSpeed); analogWrite(ENB,RightSpeed); digitalWrite(in1, LOW); digitalWrite(in2, HIGH); digitalWrite(in3, LOW); digitalWrite(in4, HIGH); } void turnRight() { Serial.println("Turn Right"); analogWrite(ENA,LeftSpeed); analogWrite(ENB,RightSpeed); digitalWrite(in1, HIGH); digitalWrite(in2, LOW); digitalWrite(in3, LOW); digitalWrite(in4, HIGH); } void turnLeft() { 44 Serial.println("Turn Left"); analogWrite(ENA,LeftSpeed); analogWrite(ENB,RightSpeed); digitalWrite(in1, LOW); digitalWrite(in2, HIGH); digitalWrite(in3, HIGH); digitalWrite(in4, LOW); } void moveStop() { Serial.println("Move Stop"); analogWrite(ENA,LOW); analogWrite(ENB,LOW); digitalWrite(in1, LOW); digitalWrite(in2, LOW); digitalWrite(in3, LOW); digitalWrite(in4, LOW); } 45 CHƯƠNG Ⅴ KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN 5.1 Tổng kết 5.1.1 Kết thu - Có thêm nhiều kiến thức mảng lập trình, lắp ráp, vận hành - Nâng cao kỹ làm việc nhóm - Được tự tay thiết kế, chế tạo mơ hình thực tế - Robot hoạt động ổn định, linh hoạt 5.1.2 Ưu nhược điểm * Ưu điểm - Mơ hình nhỏ gọn - Đáp ứng yêu cầu đặt - Giá sinh viên - Kết nối đơn giản, ổn định * Nhược điểm - Chưa khai thác triệt để tính - Khơng có khả leo cầu thang - Thời gian làm lâu 5.2 Hướng phát triển Qua trình chế tạo vận hành Robot hút bụi, nhóm em xin đưa số hướng phát triển Robot hoàn chỉnh hoạt động hiệu nhất: - Robot cần trang bị thêm cảm biến để định vị khơng gian Phát triển giải thuật để Robot thay đổi quỹ đạo di chuyển không gian - Cải tiến thêm nhiều tính - Khắc phục hạn chế tồn Robot 46 5.3 Kết luận Sau thời gian nghiên cứu, tìm tịi giúp đỡ, dẫn tận tình Cơ Th.s Đỗ Hồng Ngân Mi, mơ hình Robot hút bụi nhóm em hồn thành Robot mà nhóm làm đáp ứng tương đối tốt yêu cầu đề ra, chức hoạt động ổn định, trơn tru, hệ thống xử lý đảm bảo cách sử dụng dễ dàng Trong trình thực đề tài, nhóm tích lũy nhiều kiến thức, kinh nghiệm trình học tập nghiên cứu Một lần nữa, nhóm chúng em xin chân thành cảm ơn hướng dẫn tận tình Cơ Th.s Đỗ Hồng Ngân Mi giúp đỡ chúng em hoàn thành đồ án 47 TÀI LIỆU THAM KHẢO - http://arduino.vn/ https://www.arduinoplatform.com/arduino-sensors/detectingdistance-with-hc-sr04-sensor/ - - https://dientu360.com/module-dieu-khien-motor-l298n 48 ... chọn đề tài “ Robot hút bụi tự động sử dụng Arduino? ?? cho đồ án ❖ Tính đề tài: Robot hút bụi tự động Robot di chuyển tự động mà không cần người phải điều khiển, tự động tránh vật cản từ hút bụi. .. dây điện 30  Từ ưu nhược điểm phương án sử dụng nguồn cho Robot hút bụi tự động phương án tối ưu Robot sử dụng nguồn Pin Cell b) Các phương án thiết kế mạch nguồn cho module Robot Đề tài sử dụng: ... động cơ, động cơ, cảm biến phần hút bụi 5 1.5.1.2 Nhiệm vụ Robot tự động hút bụi tránh vật cản nhà từ di chuyển xung quanh nhà hút bụi 1.5.1.3 Phân loại Robot hút bụi ➢ Phân loại Robot hút bụi