Đồ án môn học (ĐAMH) Thiết Kế Hệ Thống CơĐiện Tử yêu cầu nhóm sinh viên thực hiện hoàn chỉnh các quá trình thiết kế, chế tạo và điều khiển Robot Xe Đua Dò Line (Line Following Robot). Robot sau khi hoàn thành phải di chuyển bám theo sa bàn line phẳng cho trước (hình H.1), theo thứ tự (START) A → B → C → D → E → F → C → G → A → C → E (END), với vận tốc không nhỏ hơn 0.2
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA KHOA CƠ KHÍ BỘ MƠN CƠ-ĐIỆN TỬ ĐỒ ÁN MÔN HỌC THIẾT KẾ HỆ THỐNG CƠ-ĐIỆN TỬ HỌC KÌ II, NĂM HỌC 2016-2017 ĐỀ TÀI: THIẾT KẾ, CHẾ TẠO VÀ ĐIỀU KHIỂN ROBOT XE ĐUA DÒ LINE GVHD: PGS.TS NGUYỄN TẤN TIẾN SVTH: NHÓM 1 HỒ LÊ TẤN BẢO 21300222 LÊ MINH ĐỨC 21300912 NGUYỄN HOÀNG HUY 21301476 NGUYỄN HỮU HUY 21301478 TP HỒ CHÍ MINH, NGÀY 13 THÁNG 05 NĂM 2017 MỤC LỤC YÊU CẦU MỤC TIÊU CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN Về Cơ Khí Mơ hình xe đua dị line nước 2 Mơ hình xe đua dị line nước 3 So sánh ưu, nhược điểm Về Điện Về cảm biến Về động Về Cấu Trúc Điều Khiển Về Bộ Điều Khiển 10 ĐẶT ĐỀ BÀI 10 CHƯƠNG 2: LỰA CHỌN PHƯƠNG ÁN 12 Về Cơ Khí 12 Phương án khả thi 12 Lựa chọn phương án 12 Về Điện 12 Lựa chọn động 12 Lựa chọn cảm biến 13 Về Cấu Trúc Điều Khiển 13 Về Bộ Điều Khiển 13 CHƯƠNG 3: THIẾT KẾ 14 Thiết Kế Cơ Khí 14 Tính tốn kích thước xe 14 Tính tốn cơng suất động 17 Tính tốn moment xoắn động 18 Dung sai 19 Thiết Kế Điện 25 Thiết kế cảm biến 25 Lựa chọn nguồn 30 Khối động cơ-driver 31 Thiết Kế Phần Lập Trình 36 Sơ đồ khối hệ thống điều khiển 36 Chọn vi điều khiển 36 Lưu đồ giải thuật 37 Mơ Hình Hóa 39 Mơ hình hóa động học 39 Thiết kế điều khiển 40 Mơ hình hóa cảm biến 40 Cách tìm sai số 40 Mơ hình hóa động 41 Kết mô 42 Nhận xét 45 CHƯƠNG 4: KẾT QUẢ THỰC NGHIỆM 46 Kết Quả Thực Nghiệm 46 Phân Tích Thực Nghiệm 48 Đề Xuất Hiệu Chỉnh Thiết Kế 48 CHƯƠNG 5: BIỂU ĐỒ GANLT 49 TÀI LIỆU THAM KHẢO 51 Đồ án TKHT Cơ-Điện Tử Xe Đua Dò Line YÊU CẦU Đồ án môn học (ĐAMH) Thiết Kế Hệ Thống Cơ-Điện Tử yêu cầu nhóm sinh viên thực hồn chỉnh q trình thiết kế, chế tạo điều khiển Robot Xe Đua Dò Line (Line Following Robot) Robot sau hoàn thành phải di chuyển bám theo sa bàn line phẳng cho trước (hình H.1), theo thứ tự (START) A → B → C → D → E → F → C → G → A → C → E (END), với vận tốc không nhỏ 0.2𝑚/𝑠 F B 𝑅500 C E A START END 𝑅500 D G 1500 3000 H.1 Sa bàn di chuyển robot MỤC TIÊU Do yêu cầu ĐAMH thiết kế, chế tạo điều khiển robot xe đua dò line nên mục tiêu quan trọng trình xe đua dị line chạy nhanh Nhóm 1 Đồ án TKHT Cơ-Điện Tử Xe Đua Dị Line CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN Về Cơ Khí Mơ hình xe đua dị line nước a Robot Không Độ đội Không Độ vô địch BCR 2013 Sơ đồ nguyên lí (a) (b) H.𝟐 (a) Robot Không Độ; (b) Sơ đồ kết cấu Robot Không Độ Kích thước: 𝐿 × 𝑊 × 𝐻 = 270 × 140 × 140 (𝑚𝑚) Số bánh xe: Xe có bánh, bánh cao su dẫn động (𝐷 = 50 (𝑚𝑚)) đường kính lớn đặt phía sau, bánh cao su có đường kính nhỏ đặt phía trước thực chức rẽ hướng, phần phận cảm biến tiếp xúc trực tiếp với đường line khơng có bi lăn bánh mắt trâu Vận tốc xe: Vận tốc cực đại 𝑣𝑚𝑎𝑥 = 0.6 (𝑚/𝑠), vận tốc trung bình 𝑣𝑎𝑣𝑔 = 0.4 (𝑚/𝑠) b Robot TDC1 đội TDC1 vơ địch MCR 2014 Sơ đồ ngun lí (a) (b) H.𝟑 (a) Robot TDC1; (b) Sơ đồ kết cấu Robot TDC1 Kích thước: 𝐿 × 𝑊 × 𝐻 = 24 × 160 × 80 (𝑚𝑚) Số bánh xe: Xe có bánh, bánh cao su (𝐷 = 40 (𝑚𝑚)) dẫn động đặt phía sau, bánh cao su có đường kính nhỏ (𝐷 = 20 (𝑚𝑚)) đặt phía trước thực chức rẽ hướng, phần phận cảm biến tiếp xúc trực tiếp với đường line khơng có bi lăn bánh mắt trâu Vận tốc xe: Vận tốc cực đại 𝑣𝑚𝑎𝑥 = 0.7 (𝑚/𝑠), vận tốc trung bình 𝑣𝑎𝑣𝑔 = 0.4 (𝑚/𝑠) c Robot BKC] đội BKC vơ địch BCR 2015 Nhóm Đồ án TKHT Cơ-Điện Tử Xe Đua Dò Line Sơ đồ nguyên lí (a) (b) H.𝟒 (a) Robot BKC; (b) Sơ đồ kết cấu Robot BKC Kích thước: 𝐿 × 𝑊 × 𝐻 = 300 × 150 × 100 (𝑚𝑚) Số bánh xe: Xe có bánh, bánh cao su (𝐷 = 40 (𝑚𝑚)) dẫn động đặt phía sau, bánh cao su tự lựa có đường kính lớn (𝐷 = 50 (𝑚𝑚)) đặt phía trước thực chức bánh castor, phần phận cảm biến tiếp xúc trực tiếp với đường line khơng có bi lăn bánh mắt trâu Vận tốc xe: Vận tốc cực đại 𝑣𝑚𝑎𝑥 = 0.7 (𝑚/𝑠), vận tốc trung bình 𝑣𝑎𝑣𝑔 = 0.5 (𝑚/𝑠) Mơ hình xe đua dị line ngồi nước a Robot Pika đội Mechatron vơ địch Cyberbot 2015, Poznan Sơ đồ ngun lí (a) (b) H.𝟓 (a) Robot Pika; (b) Sơ đồ kết cấu Robot Pika Kích thước: 𝐿 × 𝑊 × 𝐻 = 280 × 180 × 50 (𝑚𝑚) Số bánh xe: Xe 𝑐ó bánh, bánh cao su dẫn động (𝐷 = 34 (𝑚𝑚)) đặt khung chính, bánh mắt trâu đặt dãy cảm biến thực chức bánh castor Vận tốc xe: Vận tốc cực đại 𝑣𝑚𝑎𝑥 = 2.7 (𝑚/𝑠), vận tốc trung bình 𝑣𝑎𝑣𝑔 = 1.9 (𝑚/𝑠) b Robot Green Gaint V4.1 thi Micromouse 2013-2014 Sơ đồ ngun lí Nhóm Đồ án TKHT Cơ-Điện Tử Xe Đua Dò Line (a) (b) H 𝟔 (a) Robot Green Gaint V4.1; (b) Sơ đồ kết cấu Green Gaint V4.1 Kích thước: 𝐿 × 𝑊 × 𝐻 = 190 × 110 × 40 (𝑚𝑚) Số bánh xe: Xe có bánh, bánh cao su phía trước dẫn động (𝐷 = 40 (𝑚𝑚)), bánh cao su phía sau bánh castor Vận tốc xe: Vận tốc cực đại 𝑣𝑚𝑎𝑥 = 3.5 (𝑚/𝑠), vận tốc trung bình 𝑣𝑎𝑣𝑔 = (𝑚/𝑠) c Robot RR Khoa Điện - Điện tử trường Đại học Manchester Sơ đồ nguyên lí (a) (b) H.𝟕 (a) Robot RR; (b) Sơ đồ kết cấu Robot RR Kích thước: 𝐿 × 𝑊 × 𝐻 = 160 × 100 × 80 (𝑚𝑚) Số bánh xe: Xe có bánh, bánh cao su phía sau dẫn động (𝐷 = 54(𝑚𝑚)), bánh cao su phía trước có chức rẽ hướng Vận tốc xe: Vận tốc cực đại 𝑣𝑚𝑎𝑥 = (𝑚/𝑠), vận tốc trung bình 𝑣𝑎𝑣𝑔 = 0.5 (𝑚/𝑠) d Robot Dave đội đua Bruce thi LVBots Line Following, 4/2015 VS (a) (b) H.𝟖 (a) Robot Dave; (b) Sơ đồ kết cấu Robot Dave Sơ đồ nguyên lí Nhóm Đồ án TKHT Cơ-Điện Tử Xe Đua Dị Line Kích thước: 𝐿 × 𝑊 × 𝐻 = 200 × 90 × 60 (𝑚𝑚) Số bánh xe: Xe có bánh, bánh cao su phía sau (𝐷 = 60 (𝑚𝑚)) truyền chuyển động từ vi sai, bánh mắt trâu phía trước có chức rẽ hướng Vận tốc xe: Vận tốc cực đại 𝑣𝑚𝑎𝑥 = 1.2 (𝑚/𝑠), vận tốc trung bình 𝑣𝑎𝑣𝑔 = 0.7 (𝑚/𝑠) e Robot Pinto đội đua Grant thi LVBots Line Following, 4/2015 Sơ đồ nguyên lí (a) (b) H 𝟗 (a) Robot Pinto; (b) Sơ đồ kết cấu Robot Pinto Kích thước: 𝐿 × 𝑊 × 𝐻 = 210 × 130 × 120 (𝑚𝑚) Số bánh xe: Xe có bánh, bánh cao su phía trước (𝐷 = 60 (𝑚𝑚)) vừa dẫn động vừa rẽ hướng, bánh cao su phía sau bánh castor Vận tốc xe: Vận tốc cực đại 𝑣𝑚𝑎𝑥 = 0.8 (𝑚/𝑠), vận tốc trung bình 𝑣𝑎𝑣𝑔 = 0.5 (𝑚/𝑠) Từ thông tin thu thập trên, để lựa chọn mơ hình kết cấu phù hợp cần phải thực q trình phân tích, so sánh ưu, nhược điểm phần quan trọng kết cấu xe So sánh ưu, nhược điểm a Về kết cấu Xe bánh Mô hình Bám đường Vào cua Điều khiển Kết cấu Tốt: Có kết cấu khớp lề Khó: Do tượng trượt Khơng phức tạp: Lái chuyển động tách biệt Phức tạp Khơng tốt Khó Khơng phức tạp Đơn giản Không tốt Dễ: Kết cấu bánh tự lựa Phức tạp: Lái chuyển động kết hợp Đơn giản Mơ hình VS Nhóm Đồ án TKHT Cơ-Điện Tử Bám đường Vào cua Điều khiển Kết cấu Xe Đua Dị Line Khơng tốt Dễ Phức tạp Đơn giản Khơng tốt Trung bình Phức tạp Đơn giản Tốt: Có kết cấu khớp cầu Khó Khơng phức tạp Phức tạp Xe bánh Mơ hình Bám đường Vào cua Điều khiển Kết cấu Tốt Khó Khơng phức tạp Đơn giản Tốt Dễ Phức tạp Đơn giản b Về số lượng bánh xe Số bánh Đồng phẳng Độ ổn định có vật cản Lật vào cua Ma sát 𝟒 bánh Khó đảm bảo đồng phẳng Vẫn giữ độ ổn định Khó Nhiều 𝟑 bánh Ln đồng phẳng Khó giữ độ ổn định Dễ Ít Về Điện Về cảm biến Phần lớn robot dò line sử dụng loại cảm biến quang để nhận biết vị trí tương đối đường line so với xe, từ xử lí để đưa tín hiệu điều khiển Có hai phương pháp thường sử dụng cho robot dò line phương pháp sử dụng camera loại cảm biến quang dẫn: Trường hợp sử dụng camera để phát vị trí line người ta sử dụng hình ảnh thu tử đường line thực tế [5], sau xử lý dùng giải thuật xử lý ảnh để xác định vị trí góc lệch xe so với đường line Các xe sử dụng camera Smart Car thi The Freescale 2012 hay Raspberry Pi Line Following Robot thi Robocup Junior Competition Flanders 2014… Trường hợp sử dụng cảm biến quang dẫn sử dụng phổ biến thi robot dị line Điển quang điện trở phototransistor kết hợp với LED Hai loại cảm biến có nguyên tắc hoạt động giống nhau, thu thu tín hiệu ánh sáng phản xạ từ phát xuống mặt đất, từ xử lí để xác định vị trí đường line Các xe sử dụng phototransistor cho phận dò line Usain Volt 2.0, Thunderbolt… Nhóm Đồ án TKHT Cơ-Điện Tử Xe Đua Dò Line Bảng so sánh loại cảm biến Cảm biến Camera Quang điện trở Phototransistor Thời gian xử lý Giá thành Lắp đặt − 10 (frame/𝑠) Cao Phức tạp 20 − 30 (𝑚𝑠) Thấp Đơn giản 15 (𝜇𝑠) Thấp Đơn giản Có cách đọc giá trị áp phận thu cảm biến trả về: Cách thứ đọc theo dạng analog với sơ đồ điện cảm biến hình H.𝟏𝟎 Tín hiệu analog đọc từ cảm biến qua phép xấp xỉ để tìm vị xe so với tâm đường line [6] Các giải thuật xấp xỉ theo bậc 2, theo trọng số (hình H.𝟏𝟏) cho sai số dị line khác H.𝟏𝟎 Sơ đồ điện đọc giá trí analog cảm biến hồng ngoại (a) (b) H.𝟏𝟏 (a) Xấp xỉ bậc 2; (b) Xấp xỉ theo trọng số Cách thứ hai đọc digital Tín hiệu đầu cảm biến anlog sau thơng qua mạch lấy ngưỡng, lấy ngưỡng lập trình giá trị logic ứng với vị trí cảm biến đường line ngồi đường line Sơ đồ mạch đọc giá trị cảm biến phương pháp hình H.𝟏𝟐 H.𝟏𝟐 Sơ đồ điện cảm biến để đọc giá trị digital Nhóm Đồ án TKHT Cơ-Điện Tử Xe Đua Dò Line Để điều khiển robot theo quỹ đạo, người thiết kế lập trình xác định độ lệch tương đối quỹ đạo robot quỹ đạo mong muốn, sau so sánh độ lệch thành mức điều khiển lái robot quay quỹ đạo hình H.𝟏𝟑 [7] Trạng thái cảm biến Giữa vạch Lệch trái mức ` Lệch trái mức Lệch phải mức Lệch phải mức H.𝟏𝟑 Quy định mức lệnh quy đạo robot quỹ đạo mong muốn Bảng so sánh phương pháp đọc cảm biến Độ xác Thời gian đọc tín hiệu Giải thuật xử lý Đọc tín hiệu analog Cao Tốn nhiều thời gian Phức tạp Đọc tín hiệu digital Thấp Tốn thời gian Đơn giản Về động Hầu hết xe dò line thực tế dùng động dc có gắn encoder, có Encoder hồi tiếp nên đảm bảo độ ổn định xác cho hệ thống Đối với xe việc chuyển hướng khơng dùng bánh đa hướng dùng Rc Servo để điều khiển hướng di chuyển Các xe Usain Volt 2.0 sử dụng động 50:1 HP gearmotors , Silvestre-line sử dụng động Maxon DC motor Bảng so sánh động servo DC Điều khiển Giá thành DC có gắn encoder DC Có hồi tiếp nên độ xác cao Cao Khơng hồi tiếp nên độ xác thấp Thấp Về Cấu Trúc Điều Khiển Mạch xe dò line gồm thành phần gồm mạch cảm biến (sensor); mạch điều khiển (micro controller); mạch lái động (driver) Có hai phương pháp để kết nối phần cứng với điều khiển tập trung điều khiển phân cấp Trong điều khiển tâp trung, MCU đồng thời: nhận xử lý tín hiệu từ cảm biến, nhận xử lý tín hiệu từ hai encoder, thực chương trình chính, tính giá trị điều khiển truyền cho hai động Cấu trúc sử dụng nhiều thực tế hầu hết mơ hình xe: HBFS, Pika,… Nhóm Đồ án TKHT Cơ-Điện Tử Xe Đua Dò Line Tần số xung 16 (𝑀ℎ𝑧) Lưu đồ giải thuật Start Ngắt Sai Chờ Đúng Dữ liệu từ cảm biến Tính toán sai số tốc độ cho động Đường thẳng Đúng Vận tốc động Sai Đúng Cua 90 độ Vận tốc bánh trái =0 Vận tốc bánh phải =200 Sai ` Truyền tín hiệu slaver H.𝟒𝟎 Lưu đồ giải thuật Master Nhóm 37 Đồ án TKHT Cơ-Điện Tử Xe Đua Dò Line Trên sa bàn có vị trí đặc biệt nút giao số vị trí cua 900 Nút giao số 8: vị trí cảm biến dễ bị nhiễu làm xe bám sai line.Nhóm xử lý cách cho vận tốc bánh xe vào line thẳng thời gian ngắn để vượt qua nút giao, sau cho xe tiếp tục bám line bình thường Cua 900 : Do biết trước vận tốc sa bàn nên nhóm sử dụng timer đo thời gian xe chạy tới vị trí cho vận tốc bánh trái = 0, vận tốc bánh phải = 200 Bắt đầu Sai Dữ liệu từ master Đúng Tính tốn giá trị cần thiết Dừng Đúng Tắt Sai PID cho động H.𝟒𝟏 Lưu đồ giải thuật Slaver Nhóm 38 Đồ án TKHT Cơ-Điện Tử Xe Đua Dị Line Mơ Hình Hóa Mơ hình hóa động học H.𝟒𝟐 Mơ tả biểu diễn động học xe Vận tốc xe chạy vị trí tâm bánh xe dẫn động 𝑥̇ = 𝑐𝑜𝑠𝜑 × 𝑣 𝑦̇ = 𝑠𝑖𝑛𝜑 × 𝑣 𝜑̇ = 𝜔 𝑥̇ 𝑐𝑜𝑠𝜑 𝑣 =>[ 𝑦̇ ] = [ 𝑠𝑖𝑛𝜑 0] [ ] 𝜔 𝜑̇ Quan hệ động học bánh xe 𝑣𝑟 + 𝑣𝑙 𝑣𝑟 − 𝑣𝑙 𝑣= ;𝜔= 𝑏 với 𝑣𝑙 : vận tốc bánh trái 𝑣𝑟 : vận tốc bánh phải 𝑏: khoảng cách bánh xe Phương trình động học điểm bám line C xe 𝑥̇ 𝐶 = 𝑐𝑜𝑠𝜑 × 𝑣 − 𝑑𝑠𝑖𝑛𝛼 × 𝜔 𝑦̇ 𝐶 = 𝑠𝑖𝑛𝜑 × 𝑣 + 𝑑𝑐𝑜𝑠𝛼 × 𝜔 𝜑𝐶̇ = 𝜑̇ với 𝑑 khoảng cách từ tâm bánh xe đến vị trí bám line Xét vị trí đường line điểm R 𝑥̇ 𝑅 = 𝑣𝑅 𝑐𝑜𝑠𝜑𝑅 { 𝑦̇ 𝑅 = 𝑣𝑅 𝑠𝑖𝑛𝜑𝑅 𝜑̇ 𝑅 = 𝜔𝑅 với 𝑣𝑅 vận tốc yêu cầu đường line Ta có sai số động học: 𝑒1 = (𝑥𝑅 − 𝑥𝐶 )𝑐𝑜𝑠𝜑 + (𝑦𝑅 − 𝑦𝐶 )𝑠𝑖𝑛𝜑 {𝑒2 = −(𝑥𝑅 − 𝑥𝐶 )𝑠𝑖𝑛𝜑 + (𝑦𝑅 − 𝑦𝐶 )𝑐𝑜𝑠𝜑 𝑒3 = 𝜑𝑅 − 𝜑 Đạo hàm sai số động học, ta được: 𝑣𝑅 𝑐𝑜𝑠𝑒3 𝑒1̇ −1 𝑒2 𝑣 [𝑒2̇ ] = [ 𝑣𝑅 𝑠𝑖𝑛𝑒3 ] + [ −(𝑑 + 𝑒1 )] [ ] 𝜔 𝜔𝑅 𝑒3̇ −1 (7) (8) (9) (10) (11) (12) Trong trường hợp xe chuyển động ngược, công thức thay 𝑑 −𝑑, 𝑑 dương hay âm phụ thuộc hướng chuyển động xe Nhóm 39 Đồ án TKHT Cơ-Điện Tử Xe Đua Dị Line Thiết kế điều khiển Định lí : Hệ thống (12) ổn định với độ điều khiển bám line sau: { 𝑣 = 𝑣𝑅 cos 𝑒3 + 𝑘1 𝑒1 𝜔 = 𝑘2 𝑣𝑅 𝑒2 + 𝑘3 sin 𝑒3 (13) Ta chọn hàm Lyapunov: 1 − cos 𝑒3 𝑉 = 𝑒12 + 𝑒22 + 2 𝑘2 (14) Với hệ số k1, k2, k3 giá trị dương Ta đạo hàm được: 𝑉̇ = 𝑒1 (𝑣𝑅 cos 𝑒3 − 𝑣) + ( 𝑠𝑖𝑛𝑒3 )(𝑘2 𝑣𝑅 𝑒2 + 𝜔𝑅 − 𝜔) 𝑘2 (15) Chúng ta cần điều khiển (15) 𝑉̇ đạt giá trị âm Có nghĩa ta phải điều khiển để giá trị sai số tiến thời gian tiến ∞ Mơ hình hóa cảm biến Số lượng cảm biến chọn cảm biến ( lập luận dựa phần mô khoảng cách mà hai sensor không bị nhiễu khoảng cách tối thiểu hai sensor ngồi để xe dò line hết đường đua) Khoảng cách cảm biến 13 (𝑚𝑚) Chính khoảng cách để cách sensor không bị nhiễu giá trị đọc tốt (thực nghiệm) Tọa độ cảm biến 𝐶𝐵3 trùng với tâm sensor 𝑥𝐶𝐵3 = 𝑥𝐶 {𝑦 𝐶𝐵3 = 𝑦𝐶 Gọi 𝑥𝐶𝐵 , 𝑦𝐶𝐵 tọa độ chung, e khoảng cách cảm biến 𝐶𝐵0, 𝐶𝐵1, 𝐶𝐵2, 𝐶𝐵3, 𝐶𝐵4, 𝐶𝐵5, 𝐶𝐵6, 𝐶𝐵7 Độ lớn e khoảng cách nhỏ mà cảm biến khơng bị nhiễu Theo tính tốn phần mơ phỏng, để đáp ứng được, tức bám line tốt, khoảng cách hai cảm biến ngồi phải đạt khoảng cách d Ta giả sử, vị trí tâm hai bánh xe : C(𝑥𝐶 , 𝑦𝐶 ) Tâm sensor S(𝑥𝑆 , 𝑦𝑆 ) ⇒ ⃗⃗⃗⃗ 𝑆𝐶 = (𝑥𝑆 − 𝑥𝐶 , 𝑦𝑆 − 𝑦𝐶 ) Phương trình qua sensor (𝑥𝑆 − 𝑥𝐶 )(𝑥 − 𝑥𝐶 ) + (𝑦𝑆 − 𝑦𝐶 )(𝑦 − 𝑦𝐶 ) = Từ ta dễ dàng xác định vị trí tọa độ sensor có tọa độ sensor trung tâm Cách tìm sai số Để xe bám theo line, công việc xác định vị trí xe so với line Ta đặt hệ toạ độ H.43, M trung điểm bánh xe, C trung điểm dãy sensor Nhóm 40 Đồ án TKHT Cơ-Điện Tử Xe Đua Dị Line Mục đích giải thuật điều khiển làm cho điểm C bám theo điểm tham chiếu R Để làm điều đó, ta cần xác định sai số 𝑒2 𝑒3 Do ta sử dụng cảm biến nên công thức tính sai số 𝑒3 dựa 𝑒2 làm cho sai số 𝑒3 lớn Vì cho sai số 𝑒3 = H.𝟒𝟑 Cách tính sai số 𝑒2 Trên thực tế, sai số 𝑒2 đo từ dãy sensor Từ phương trình hàm xấp xỉ bậc vị trí thực cảm biến giá trị analog thu được: 𝑦 = 0.9629𝑥 − 1.4789 với y: giá trị đọc cảm biến x: vị trí tâm cảm biến so với tâm line sai số lớn 𝑒𝑚𝑎𝑥 = 2.78 (𝑚𝑚) Ta có cách tính sai số 𝑒2 từ phương trình cảm biến cho mơ hình hóa: 𝑒2 = 0.9629𝑥 − 1.4789 + [−𝑒𝑚𝑎𝑥 ; 𝑒𝑚𝑎𝑥 ] Mơ hình hóa động Từ hàm truyền hai động 318 𝐺𝐷𝐶1 = + 0.055𝑠 351 𝐺𝐷𝐶1 = + 0.061𝑠 Và hệ số 𝐾𝑃 = 0.05, 𝐾𝐼 = 2.88, 𝐾𝐷 = 0.001, ta tìm hàm truyền vịng kín hai động sau sử dụng điều khiển PID 0.318𝑠 + 15.9𝑠 + 915.8 𝐺𝑐𝑙_1 = 0.373𝑠 + 16.9𝑠 + 915.8 0.351𝑠 + 17.55𝑠 + 1011 𝐺𝑐𝑙_2 = 0.412𝑠 + 18.55𝑠 + 1011 Biến đổi Laplace ngược, ta hàm truyền vịng kín hai động miền thời gian 1055 [1.12𝑒 −22.65𝑡 sin(44.068𝑡 − 1.07)] 𝐺𝑐𝑙_1 = − 373 Nhóm 41 Đồ án TKHT Cơ-Điện Tử 𝐺𝑐𝑙_2 = − Xe Đua Dò Line 1061 [1.12𝑒 −22.512𝑡 sin(44.13𝑡 − 1.1)] 412 Kết mô Bảng thông số xe thông số điều khiển: Thông số Khoảng cách từ tâm tracking đến tâm sensor Khoảng cách hai bánh xe Thời gian lấy mẫu Vận tốc tham chiếu xe 𝑘1 𝑘2 𝑘3 Giá trị 60 (𝑚𝑚) 150 (𝑚𝑚) 0.06 (𝑚𝑚) 0.8 (𝑚/𝑠) 450 𝑦 (𝑚𝑚) Đoạn (A-B-C-D-E) x (𝑚𝑚) H.𝟒𝟒 Bám line đoạn Nhóm 42 Đồ án TKHT Cơ-Điện Tử Xe Đua Dò Line 300 Bánh phải Bánh trái 250 200 150 100 50 -50 -100 10 12 14 t (𝑠) H.𝟒𝟓 Vận tốc bánh đoạn 10 -10 -20 10 15 20 t (𝑠) H.𝟒𝟔 Sai số 𝑒2 đoạn Nhóm 43 Đồ án TKHT Cơ-Điện Tử Xe Đua Dò Line 𝑦 (𝑚𝑚) Đoạn (E-F-C-G-A-C-E) t (𝑠) H.𝟒𝟕 Bám line đoạn 350 Bánh phải 300 Bánh trái 250 200 150 100 50 -50 -100 -150 10 15 20 25 30 35 40 45 t (𝑠) H.48 Vận tốc bánh đoạn Nhóm 44 Đồ án TKHT Cơ-Điện Tử Xe Đua Dò Line 40 20 -20 -40 10 15 20 25 30 35 40 45 t (𝑠) H.49 Sai số 𝑒2 đoạn Nhận xét Sai số lớn 13.5 (𝑚𝑚), vận tốc bánh xe tối đa 270.6 (𝑟𝑝𝑚) đoạn Sai số lớn 21 (𝑚𝑚), vận tốc bánh xe tối đa 300 (𝑟𝑝𝑚) đoạn Như vậy, sai số nằm khoảng cho phép ( 39 (𝑚𝑚)), động đáp ứng vận tốc bánh xe yêu cầu (lớn 320 (𝑟𝑝𝑚)) Nhóm 45 Đồ án TKHT Cơ-Điện Tử Xe Đua Dò Line CHƯƠNG 4: KẾT QUẢ THỰC NGHIỆM Kết Quả Thực Nghiệm Nhóm hồn thành việc chế tạo mơ hình, vận hành thực tế để kiểm nghiệm giải thuật Tuy robot hoàn thành việc bám hết sa bàn với thời gian 34s cách ổn định,nhưng vận tốc xe không cao (0.4 (𝑚/𝑠)), sai số bám line lớn, đặc biệt vị trí vào cua: (b) (a) H.53 Xe chạy qua điểm F sa bàn thực nghiệm (a) Xe bắt đầu bẻ cua (b) Xe bẻ cua, vào trạng thái ổn định (a) H.54 Xe chạy qua điểm G sa bàn thực nghiệm (b) (a) Xe bắt đầu bẻ cua (b) Xe bẻ cua, vào trạng thái ổn định Nhóm 46 Đồ án TKHT Cơ-Điện Tử (a) Xe Đua Dò Line (b) (d) (c) H.55 Xe vào cua điểm A sa bàn thực nghiệm (a) Xe bắt đầu bẻ cua (b) Xe bẻ cua, chưa ổn định (c) Xe bắt line (d) Xe vào trạng thái ổn định Nhận xét: Ta nhận thấy robot chuyển hướng, sai số bám line cảm biến đọc lớn, xe phải cần khoảng thời gian để đáp ứng ổn định Sự ổn định xe đoạn sau phụ thuộc vào ổn định đoạn trước, vận tốc xe số 𝑘1 , 𝑘2 , 𝑘3 Kết luận: Xe bám line ổn định theo giải thuật chưa đáp ứng sai số vận tốc đặt Sai số vượt qua sai số mô phỏng, vận tốc thấp vận tốc mơ Nhóm 47 Đồ án TKHT Cơ-Điện Tử Xe Đua Dò Line Phân Tích Thực Nghiệm Trong mơ phỏng, bỏ qua yếu tố ảnh hưởng: Khối lượng lực quán tính thành phần xe Các lực ma sát bánh xe sa bàn Sai số đồng trục hai bánh xe Thời gian đáp ứng động Các tác động nhiễu môi trường độ đồng ánh sáng, màu sắc độ phẳng sa bàn Do đó, kết thực nghiệm khơng khớp với mơ Bên cạnh đó, thiết kế cảm biến, kiểm tra cảm biến sa bàn khác với sa bàn thực nghiệm, dẫn đến việc calib cảm biến bị sai lệch; chưa che chắn cảm biến đầy đủ; thiếu cảm biến nhận dạng chỗ giao nhau, đoạn chuyển tiếp Đề Xuất Hiệu Chỉnh Thiết Kế Gia công thân xe gá trục động lại vật liệu nhôm để đảm bảo độ đồng tâm bánh xe tốt Động vấn đề quan tâm, cần lựa chọn tính tốn xác để khơng đáp ứng đủ moment, mà thời gian đáp ứng vận tốc động cần vượt mức yêu cầu Thiết kế phận che cảm biến tốt hơn; thêm cảm biến để nhận biết chỗ giao đoạn chuyển tiếp Nhóm 48 Đồ án TKHT Cơ-Điện Tử Xe Đua Dò Line CHƯƠNG 5: BIỂU ĐỒ GANLT I TỔNG QUAN Tìm hiểu vấn đề liên quan viết tổng quan Đề xuất lựa chọn phương án phù hợp Hiệu chỉnh phần tổng quan II THIẾT KẾ Cơ khí Tính tốn lựa chọn động Vẽ phác thảo, vẽ 3D hiệu chỉnh Vẽ vẽ 2D Hiệu chỉnh thông số Điện Xây dựng sơ đồ khối nguyên lý hệ thống điện Lựa chọn thành phần hệ thống điện Xây dựng mạch điều khiển mạch công suất Hiệu chỉnh Điều khiển động Hardware - sofware Xây dựng sơ đồ khối cho hệ thống điều khiển Lựa chọn vi điều khiển xây dựng lưu đồ giải thuật Lập trình cho vi điều khiển Hiệu chỉnh thông số Bộ điều khiển Mơ hình hóa xe đua bám line Hiệu chỉnh III Hoàn thành tài liệu kỹ thuật xe đua bám line 10 11 12 13 14 15 16 17 H.50 Biểu đồ ganlt tiến độ công việc dự kiến I TỔNG QUAN Tìm hiểu vấn đề liên quan viết tổng quan Đề xuất lựa chọn phương án phù hợp Hiệu chỉnh phần tổng quan II THIẾT KẾ Cơ khí Tính tốn lựa chọn động Vẽ phác thảo, vẽ 3D hiệu chỉnh Vẽ vẽ 2D Hiệu chỉnh thông số Điện Xây dựng sơ đồ khối nguyên lý hệ thống điện Lựa chọn thành phần hệ thống điện Xây dựng mạch điều khiển mạch công suất Hiệu chỉnh Điều khiển động Hardware - sofware Xây dựng sơ đồ khối cho hệ thống điều khiển Lựa chọn vi điều khiển xây dựng lưu đồ giải thuật Lập trình cho vi điều khiển Hiệu chỉnh thông số Bộ điều khiển Mơ hình hóa xe đua bám line Hiệu chỉnh III Hoàn thành tài liệu kỹ thuật xe đua bám line 10 11 12 13 14 15 16 17 H.51 Biểu đồ ganlt tiến độ công việc thực tế Nhóm 49 Đồ án TKHT Cơ-Điện Tử Xe Đua Dò Line 10 11 12 13 14 15 16 17 I TỔNG QUAN Tìm hiểu vấn đề liên quan viết tổng quan Đề xuất lựa chọn phương án phù hợp Hiệu chỉnh phần tổng quan II THIẾT KẾ Cơ khí Tính tốn lựa chọn động Vẽ phác thảo, vẽ 3D hiệu chỉnh Vẽ vẽ 2D Hiệu chỉnh thông số Điện Xây dựng sơ đồ khối nguyên lý hệ thống điện Lựa chọn thành phần hệ thống điện Xây dựng mạch điều khiển mạch công suất Hiệu chỉnh Điều khiển động Hardware - sofware Xây dựng sơ đồ khối cho hệ thống điều khiển Lựa chọn vi điều khiển xây dựng lưu đồ giải thuật Lập trình cho vi điều khiển Hiệu chỉnh thông số Bộ điều khiển Mơ hình hóa xe đua bám line Hiệu chỉnh III Hoàn thành tài liệu kỹ thuật xe đua bám line H.52 Biểu đồ ganlt tiến độ công việc tốt thực đồ án Nhóm 50 Đồ án TKHT Cơ-Điện Tử Xe Đua Dò Line TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] Vehicle Dynamics: Theory and Applications, Reza N Jazar, Springer, p.50 – p.70 [2] Tính Tốn TKHT Dẫn Động Cơ Khí Tập (12nd), Trịnh Chất, NXBGDVN, p.5 – p.13 [3] Tính Tốn TKHT Dẫn Động Cơ Khí Tập (12nd), Trịnh Chất, NXBGDVN, p.116 – p.142 [4] Dung Sai Lắp Ghép (12nd), Ninh Đức Tốn, NXBGDVN, p.70 – p.77, p.107 – p.125 [5] Jean-Francois Dupuis and Marc Parizeau, Evolving a Vision-Based Line-Following Robot Controller, p.1-p.2 [6] Juing-Huei Su et al., An intelligent line-following robot project for introductory robot courses, World Transactions on Engineering and Technology Education,Vol.8, No.4, p.455-461, 2010 [7] Trần Đức Quân, Điều khiển robot dò đường theo vạch với điều khiển Pid [8] Vishay Semiconductors - Datasheet TCRT5000 [9] Huong dan su dung chuong trinh BKIT MCR.pdf [10] M S Islam and M A Rahman, Design and Fabrication of Line Follower Robot, Asian Journal of Applied Science and Engineering, 2013 [11] Vikram Balajia et al., Optimization of PID Control for High Speed Line Tracking Robots, in 2015 IEEE International Symposium on Robotics and Intelligent Sensors, 2015 [12] Umar Farooq et al., Fuzzy Logic Reasoning System for Line Following Robot, IACSIT International Journal of Engineering and Technology, 2014 [13] Đường Khánh Sơn & Từ Diệp Công Thành, Ứng Dụng Bộ Điều Khiển Self Tuning Fuzzy-Pi Điều Khiển Omni-Directional Mobile Robot, Báo Khoa học & Ứng dụng, Số 20, pp.54-57, 2012 [14] Huu Danh Lam et al., Smooth tracking controller for AGV through junction using CMU camera, Tuyển tập HN Cơ điện tử lần 7, VCM-2014, pp.597-601, Vietnam, 2014 [15] Fernando Orduña C et.al., ALDRO Learning and Mixed Decision Support Method for Mobile Robot, Workshop Proceedings of the 8th International Conference on Intelligent Environments, J.A Botía et al (Eds.), IOS Press, 2012 Nhóm 51 ... chuyển robot MỤC TIÊU Do yêu cầu ĐAMH thiết kế, chế tạo điều khiển robot xe đua dò line nên mục tiêu quan trọng q trình xe đua dị line chạy nhanh Nhóm 1 Đồ án TKHT Cơ-Điện Tử Xe Đua Dò Line CHƯƠNG... Chậm Quản lý chương trình Khó Xe Đua Dò Line Phân cấp Phức tạp Tốn nhiều Nhanh Dễ Về Bộ Điều Khiển Robot bán line điều khiển điều khiển on-off[9], [10] Với điều khiển cần dùng cảm biến đặt cách... bám line với sai số nhỏ Bộ điều khiển PID[11] xem giải pháp đa cho ứng dụng điều khiển tương tự hay điều khiển số Hơn 90% điều khiển công nghiệp sử dụng điều khiển PID Nếu thiết kế tốt, điều khiển