Thiết kế, chế tạo và điều khiển xe bám line tự động bằng bộ điều khiển Fuzzy

Robot dò line (Line following Robot) là một dạng robot di động (mobile robot) di chuyển bằng bánh xe. Robot sẽ di chuyển bám theo các đường line được kẻvẽdán trên mặt đất. Quỹ đạo di chuyển của robot phụ thuộc và sa bàn của hệ thống các đường line được kẻvẽdán sẵn

ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP HỒ CHÍ MINH TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA KHOA CƠ KHÍ BỘ MƠN CƠ ĐIỆN TỬ -o0o - ĐỒ ÁN THIẾT KẾ HỆ THỐNG CƠ ĐIỆN TỬ Đề tài: “THIẾT KẾ, CHẾ TẠO VÀ ĐIỀU KHIỂN XE BÁM LINE TỰ ĐỘNG” GVHD: PGS.TS Nguyễn Quốc Chí SVTH: Võ Thường San 1612923 Trần Ngơ Hồng Sang 1612938 Nguyễn Việt Sơn 1611981 Bùi Đức Thắng 1613249 TP HỒ CHÍ MINH, ngày 04 tháng 12 năm 2019 SVTH: Võ Thường San Trần Ngơ Hồng Sang Nguyễn Việt Sơn Bùi Đức Thắng 1612923 1612938 1611981 1613249 Tên đề tài: “Thiết kế, chế tạo điều khiển Xe bám line tự động” Nhận xét giảng viên hướng dẫn Giảng viên hướng dẫn ký tên i LỜI CẢM ƠN Xin gửi lời cảm ơn đến PGS.TS Nguyễn Quốc Chí tận tình hướng dẫn nhóm hồn thành đồ án suốt học kỳ vừa qua Những kiến thức học từ môn Đồ án Thiết kế hệ thống điện tử kinh nghiệm quý giá cho thành viên nhóm để tiếp tục học tập rèn luyện vững vàng đường nghiệp sau Xin kính chúc thầy sức khỏe, hạnh phúc có nhiều cống hiến cho ngành Cơ khí nói chung Cơ điện tử nói riêng Hy vọng từ điều thầy hướng dẫn cho sinh viên nhóm người gặt hái thành cơng sau đóng góp cho ngành tương lai sau Xin chân thành cảm ơn thầy! ii MỤC LỤC Trang Chương 1.1 Giới thiệu đồ án Yêu cầu đề .1 1.1.1 Khái niệm .1 1.1.2 Yêu cầu kỹ thuật robot 1.1.3 Sa bàn hệ thống line .1 1.2 Xác định thông số kỹ thuật 1.3 Kế hoạch, phân công thực Chương 2.1 Chọn nguyên lý xe Các mẫu xe dị line ngồi nước .3 2.1.1 Các mẫu xe nước 2.1.2 Các mẫu xe nước 2.2 Đánh giá lựa chọn phương án .6 2.2.1 Xét vận tốc thẳng 2.2.2 Xét khả chuyển hướng 2.2.3 Vận tốc đoạn đường cong 11 2.2.4 Chi phí 12 2.3 Kết luận .14 Chương Phân tích động học .15 Chương Chọn động .18 Chương Chọn cảm biến 20 5.1 Minh họa phương án 20 5.2 Đánh giá so sánh phương án .20 5.3 Chọn loại cảm biến quang 22 Chương Chọn giải thuật xác định tọa độ line 23 6.1 Thuật toán so sánh .23 6.2 Thuật toán nội suy hàm bậc hai .23 6.3 Thuật toán trọng số trung bình 24 iii Chương Thiêt kế điều khiển 26 7.1 Sơ đồ khối điều khiển 26 7.2 Giải thuật điều khiển 26 7.2.1 Yêu cầu .26 7.2.2 Cấu trúc fuzzy 27 7.2.3 Miền giá trị biến hàm liên thuộc .27 7.2.4 Bộ luật fuzzy 28 7.2.5 Lưu đồ giải thuật 29 7.2.6 Mô điều khiển .31 7.3 Giải thuật điều khiển 35 7.3.1 Yêu cầu .35 7.3.2 Tìm hàm truyền động 35 7.3.3 Bộ điều khiển động 36 Chương Chọn vi điều khiển .38 8.1 Phân tích cấu trúc điều khiển .38 8.2 Lựa chọn vi điều khiển 38 Chương Chọn thiết bị mạch nguồn 40 9.1 Chọn mạch cầu 40 9.2 Chọn pin 41 9.3 Mạch giảm áp 42 Chương 10 Gá đặt cảm biến 43 10.1 Thông số kỹ thuật TCRT5000 43 10.2 Chọn hướng đặt cảm biến 43 10.3 Chọn khoảng cách cảm biến với sa bàn 44 10.4 Chọn khoảng cách cảm biến .46 Chương 11 Thiết kế khung xe .49 11.1 Mô vật liệu .49 11.2 Các ràng buộc kích thước khung xe 50 11.2.1 Điều kiện chống lật ngang 50 11.2.2 Điều kiện chống lật dọc 51 iv 11.2.3 Điều kiện bám đường bánh chủ động .51 11.3 Thiết kế sơ 52 Chương 12 Chế tạo vận hành mô hình .55 12.1 Chế tạo mơ hình 55 12.1.1 Chế tạo mạch cảm biến 55 12.1.2 Chế tạo khung xe 56 12.2 Vận hành mơ hình .57 12.2.1 Điều kiện thử nghiệm mơ hình 57 12.2.2 Phương pháp kiểm tra sai số 58 12.2.3 Kết kiểm tra sai số .58 KẾT LUẬN .60 TÀI LIỆU THAM KHẢO 61 v DANH MỤC CÁC BẢNG Bảng 1.1 Bảng phân công tạm thời Bảng 2.1 Một số mơ hình xe dị line nước ngồi Bảng 2.2 Bảng tiêu chí lựa chọn nguyên lý xe Bảng 2.3 Chi phí phương án động 13 Bảng 2.4 Chi phí phương án có bẻ lái 13 Bảng 2.5 Chi phí phương án bánh chủ động 13 Bảng 2.6 Chi phí phương án bánh omni 13 Bảng 2.7 Chi phí phương án bánh omni 14 Bảng 2.8 Bảng tổng hợp chi phí phương án .14 Bảng 2.9 Bảng đánh giá chung phương án .14 Bảng 5.1 Bảng giá số loại cảm biến camera 21 Bảng 5.2 Bảng giá cho phương án cảm biến 21 Bảng 5.3 Đánh giá kích thước phương án cảm biến 21 Bảng 5.4 Đánh giá độ phức tạp tính tốn phương án cảm biến 21 Bảng 5.5 Đánh giá phương án bố trí cảm biến 22 Bảng 6.1 Bảng đánh giá giải thuật xác định tọa độ line 25 Bảng 7.1 Bộ luật fuzzy áp dụng cho vận tốc v 29 Bảng 7.2 Bộ luật fuzzy áp dụng cho vận tốc góc 𝜔 29 Bảng 8.1 Tiêu chí lực chọn cấu trúc điều khiển 38 Bảng 8.2 Bảng so sánh loại vi điều khiển thông dụng .39 Bảng 8.3 Bảng đánh giá loại vi điều khiển 39 Bảng 10.1 Thông số kỹ thuật cảm biến TCRT5000 43 vi DANH MỤC CÁC HÌNH Hình 1.1 Sa bàn Hình 2.1 Sơ đồ xe UIT-Mon Hình 2.2 Sơ đồ xe Mr.zero Hình 2.3 Hình ảnh sơ đồ nguyên lý xe FRAGILE013RT .4 Hình 2.4 Hình ảnh sơ đồ nguyên lý xe Fireball-line .4 Hình 2.5 Sơ đồ vận tốc thẳng phương án động Hình 2.6 Sơ đồ vận tốc thẳng phương án có bẻ lái Hình 2.7 Sơ đồ vận tốc thẳng phương án chủ động Hình 2.8 Sơ đồ vận tốc thẳng phương án omni bánh Hình 2.9 Sơ đồ vận tốc thẳng phương án omni bánh Hình 2.10 Sơ đồ vận tốc góc phương án động 10 Hình 2.11 Sơ đồ vận tốc góc phương án có bẻ lái 10 Hình 2.12 Sơ đồ vận tốc góc phương án bánh chủ động .10 Hình 2.13 Sơ đồ vận tốc góc phương án bánh omni .11 Hình 2.14 Sơ đồ vận tốc góc phương án bánh omni .11 Hình 3.1 Minh họa sai số e2 e3 15 Hình 3.2 Mơ hình động học xe thẳng .16 Hình 3.3 Mơ hình động học xe xoay chỗ 17 Hình 4.1 Sơ đồ phân tích động lực học 18 Hình 4.2 Sơ đồ phân tích động lực học bánh xe 19 Hình 4.3 Đường đặc tính momen – vận tốc GA25 19 Hình 5.1 Một số phương án bố trí cảm biến quang 20 Hình 5.2 Một số phương án bố trí camera 20 Hình 5.3 Quan hệ độ nhạy cảm biến quang trở CdS bước sóng ánh sáng 22 Hình 6.1 Thuật tốn so sánh .23 Hình 6.2 Thuật tốn nội suy hàm bậc hai 23 Hình 6.3 Thuật tốn trọng số trung bình 25 Hình 7.1 Sơ đồ khối điều khiển 26 Hình 7.2 Miền giá trị hàm liên thuộc biến e2 .27 vii Hình 7.3 Miền giá trị hàm liên thuộc biến e3 .27 Hình 7.4 Miền giá trị hàm liên thuộc biến 𝜔 .28 Hình 7.5 Miền giá trị hàm liên thuộc biến v 28 Hình 7.6 Lưu đồ chương trình điều khiển động tính tốn theo fuzzy 29 Hình 7.7 Lưu đồ giải thuật chương trình 30 Hình 7.8 Lưu đồ chương trình rẽ điểm A đọc sai số bám line .31 Hình 7.9 Kết mơ vị trí xe điều kiện khơng nhiễu 32 Hình 7.10 Kết mô sai số điều kiện không nhiễu 32 Hình 7.11 Vận tốc góc động điều kiện không nhiễu 33 Hình 7.12 Kết mơ vị trí xe điều kiện có nhiễu 33 Hình 7.13 Kết mơ sai số điều kiện có nhiễu 34 Hình 7.14 Vận tốc góc động điều kiện có nhiễu 34 Hình 7.15 Quan hệ tốc độ động theo duty cycle 35 Hình 7.16 Đáp ứng động có tải với duty cycle 100% .36 Hình 7.17 Đáp ứng động trái 36 Hình 7.18 Đáp ứng động phải .37 Hình 9.1 Mạch cầu L9110 40 Hình 9.2 Mạch cầu DRV 8833 40 Hình 9.3 Mạch cầu TB6612 .41 Hình 9.4 Mạch cầu L298N .41 Hình 9.5 Pin 18650 42 Hình 9.6 Mạch giảm áp LM2596 .42 Hình 10.1 Kích thước cảm biến TCRT5000 43 Hình 10.2 Mạch điện cặp bóng phát-thu 43 Hình 10.3 Ảnh hưởng vùng phản chiếu lên đồ thị dòng IC 44 Hình 10.4 Đồ thị quan hệ Switching Distance khoảng cách cảm biến 44 Hình 10.5 Mối quan hệ ICrel khoảng cách với sa bàn 45 Hình 10.6 Mơ hình đo chiều cao cảm biến .46 Hình 10.7 Mối quan hệ chiều cao cảm biến giá trị Analog đọc 46 Hình 10.8 Phạm vi quét led thu led phát cảm biến liền kề 47 viii Hình 10.9 Vùng hoạt động cảm biến TCRT5000 .47 Hình 10.10 Vùng bất định cảm biến 48 Hình 11.1 Kết mô biến dạng 49 Hình 11.2 Kết mơ hệ số an toàn .49 Hình 11.3 Sơ đồ lực xe vào cua 50 Hình 11.4 Sơ đồ lực tác động lên trọng tâm xe 51 Hình 11.5 Phân tích lực tác dụng lên xe 51 Hình 11.6 Phân tích lực tác dụng lên bánh chủ động .52 Hình 11.7 Thiết kế sơ xe .53 Hình 11.8 Bố trí thiết bị phía sàn xe 53 Hình 11.9 Bố trí thiết bị phía sàn xe 54 Hình 12.1 Sơ đồ nguyên lý mạch cảm biến 55 Hình 12.2 Mạch PCB cảm biến thiết kế Proteus .55 Hình 12.3 Mạch cảm biến thực tế 56 Hình 12.4 Tổng thể xe 56 Hình 12.5 Bố trí thiết bị phía sàn xe 57 Hình 12.6 Bố trí thiết bị phía sàn xe 57 Hình 12.7 Cơ cấu kiểm tra sai số 58 ix Chương 10 Gá đặt cảm biến Hình 10.8 Phạm vi quét led thu led phát cảm biến liền kề Cảm biến TCRT5000 có góc LED phát (Emitter) 15o LED thu (Collector) 30 o Hình 10.9 Vùng hoạt động cảm biến TCRT5000 Ngoài hoạt động có trường hợp cảm biến nằm vùng bất định giá trị analog đưa cảm biến Do khơng xác định xác cảm biến so với tâm đường line Vùng bất định cảm biến mô tả hình sau: 47 Chương 10 Gá đặt cảm biến Hình 10.10 Vùng bất định cảm biến Trên hình, ta thấy cảm biến dịch sang phải đoạn 26 – d ln có led nằm đường line, tín hiệu chỗ nhau, tương tự, cảm biến di chuyển sang trái đoạn 2d - 26 có led nằm đường line Ta phải chọn giá trị d cho khoảng cách nhỏ với: 𝑒 = max(2𝑑 − 26, 26 − 𝑑 ) − 𝑠𝑤𝑖𝑡𝑐ℎ𝑖𝑛𝑔 𝑑𝑖𝑠𝑡𝑎𝑛𝑐𝑒 Từ working distance 8mm chọn mục 10.2, dựa vào Hình 10.4, ta chọn cách đặt dọc, switching distance 6.27mm Từ suy ra: 𝑑 = 17𝑚𝑚 ⇒ 𝑒 = 2.73𝑚𝑚 Do khoảng cách cảm biến 17mm kết luận mô điều khiển 1, ta cần dùng cảm biến Kết luận: dùng cảm biến, khoảng cách với sàn 6-9mm, khoảng cách cảm biến 17mm 48 Chương 11 Thiết kế khung xe 11.1 Mô vật liệu Ta tiến hành mô sàn (là chi tiết dễ hư hỏng nhất) với điều kiện sau: - Kích thước sàn kích thước dài x rộng lớn xe: 300x220mm - Vật liệu: mica (PMMA) dày 4.5mm - Tấm dạng hình chữ nhật, cố định góc - Tải phân bố 40N (4kg với khối lượng lớn xe theo tiêu chí đặt ra) Nội dung mơ phỏng: Mơ biến dạng hệ số an tồn sàn Tiêu chí: - Biến dạng khơng vượt 3mm (chọn theo working distance cảm biến 69mm) Hệ số an tồn lớn 2.0 Kết mơ phỏng: Hình 11.1 Kết mơ biến dạng Hình 11.2 Kết mơ hệ số an tồn 49 Chương 11 Thiết kế khung xe Kết luận: mica 4.5mm thỏa mãn yêu cầu vật liệu 11.2 Các ràng buộc kích thước khung xe 11.2.1.Điều kiện chống lật ngang Hình 11.3 Sơ đồ lực xe vào cua Trong đó: Flt: lực li tâm P: trọng lực xe G: trọng tâm xe h: chiều cao trọng tâm xe C: tâm quay tức thời xe lật Fms: lực ma sát tác dụng lên bánh xe b: khoảng cách bánh xe chủ động Để tránh bị lật, momen trọng lực sinh tâm C phải lớn so với momen lực li tâm sinh tâm C Ta có: 𝑃 𝑏 ≥ 𝐹𝑙𝑡 ℎ 𝑏 𝑚𝑣 ⇒ 𝑚𝑔 − ℎ ≥0 𝑅 2𝑣 ℎ ⇒𝑏 ≥ (3) 𝑅𝑔 ⇒ℎ ≤ 𝑅𝑔𝑏 (3) 2𝑣 Thay thông số chọn bao gồm:  Vận tốc dài tối đa: v = 0.65 m/s 50 Chương 11 Thiết kế khung xe  Bán kính cong đường đua: R = 500 mm  Chiều rộng xe b=80mm Ta ℎ ≤ 464𝑚𝑚 11.2.2.Điều kiện chống lật dọc Hình 11.4 Sơ đồ lực tác động lên trọng tâm xe Khi xe tăng tốc, xét cân momen C: 𝑃𝑥 − 𝐹𝑞𝑡 ℎ = Để xe không bị lật dọc thì: 𝑃𝑥 − 𝐹𝑞𝑡 ℎ = 𝑚𝑔𝑥 − 𝑚𝑎ℎ ≥ ⇒𝑥≥ 𝑎 𝑎 ℎ𝑚𝑎𝑥 = 441 = 441 = 44.9 (𝑚𝑚) 𝑔 𝑔 9,81 11.2.3.Điều kiện bám đường bánh chủ động Hình 11.5 Phân tích lực tác dụng lên xe Áp dụng định luật Newton xét moment lực quanh trọng tâm G ta có hệ phương trình: 51 Chương 11 Thiết kế khung xe 𝑁1 = 𝑁2 2𝑁1 𝑥 = 𝑁3 (𝐿 − 𝑥) 2𝑁1 + 𝑁3 = 𝑃 𝑁1 + 𝑁2 + 𝑁3 = 𝑃 𝑀𝑔(𝐿 − 𝑥) 𝑁1 = 𝑁2 = 2𝐿 ⇒{ 𝑀𝑔𝑥 𝑁3 = 𝐿 {(𝑁1 + 𝑁2 )𝑥 = 𝑁3 (𝐿 − 𝑥) ⟹ { Xét lực tác dụng lên bánh chủ động quay: Hình 11.6 Phân tích lực tác dụng lên bánh chủ động Để xe khơng bị trượt quay thì: 𝐹𝑚𝑠 = 𝑇 ≤ 𝜇𝑁1 𝑟 ⟹ 𝑇 ≤ 𝜇𝑁1 𝑟 𝜇𝑟𝑀𝑔 𝑥 (1 − ) 𝐿 𝑥 ⇒𝐿 ≥ 2𝑇 1− 𝜇𝑀𝑔𝑟 ⟹𝑇≤ Trong đó: x khoảng cách từ trọng tâm xe tới bánh chủ động 𝑇𝑚𝑎𝑥 momen tối đa động để xe đạt gia tốc 1m/s2 µ = 0,8: hệ số ma sát trượt r = 0,0325 mm : bán kính bánh xe chủ động 11.3 Thiết kế sơ Từ kết mô matlab, ta chọn chiều rộng xe b=180mm khoảng cách cảm biến d=80mm Ta bố trí thiết bị sơ lên khung xe sau: 52 Chương 11 Thiết kế khung xe Hình 11.7 Thiết kế sơ xe Hình 11.8 Bố trí thiết bị phía sàn xe 53 Chương 11 Thiết kế khung xe Hình 11.9 Bố trí thiết bị phía sàn xe Sau thiết lập vật liệu cho linh kiện xe, ta có: - Khối lượng M=2.637 kg (kể tải) - Chiều cao trọng tâm h=36mm - Khoảng cách trọng tâm so với trục bánh dẫn động x=72,71mm Kiểm tra điều kiện ràng buộc: Điều kiện chống lật ngang: ℎ = 36𝑚𝑚 ≤ 464𝑚𝑚 Điều kiện chống lật dọc 𝑥 = 72,71 ≥ 44.9 (𝑚𝑚) Điều kiện bám đường bánh chủ động 𝑥 𝐿 = 190𝑚𝑚 ≥ 1− 2𝑇 𝜇𝑀𝑔𝑟 = 0.07271 (𝑚) = 119 (𝑚𝑚) 2.0,13 1− 0,8.2,637.9.8.0,0325 Kết luận: thiết kế xe với vật liệu mica 4.5mm thỏa ràng buộc động lực học, yêu cầu mô động học mô vật liệu 54 Chương 12 Chế tạo vận hành mơ hình 12.1 Chế tạo mơ hình 12.1.1 Chế tạo mạch cảm biến Việc thiết kế board mạch cảm biến nhằm mục đích đảm bảo khoảng cảm biến theo tính tốn, hướng đặt cảm biến, chắn giảm tối đa nhiễu Do đó, nhóm lựa chọn phương án tự thiết kế mạch in PCB Sơ đồ nguyên lý mạch cảm biến thể hình sau: Hình 12.1 Sơ đồ nguyên lý mạch cảm biến Trong đó, lọc thơng thấp RC với R = 10k Ω, C = 10nF sử dụng giúp giảm xuất tín hiệu có tần số cao đột ngột khơng mong muốn chân tín hiệu đọc vi điều khiển Với sơ đồ nguyên lý trên, ta kết hợp với giá trị cho datasheet TCRT5000: { 𝑉𝐹 = 1.25𝑉 𝐼𝐹 ≤ 60𝑚𝐴 Ta có: 𝑅1 = 𝑉𝑐𝑐 − 𝑉𝐹 − 𝑉𝐹 − 1.25 = → 𝑅1 ≥ = 62.5Ω 𝐼𝐹 𝐼𝐹 60 10−3 Ta chọn: 𝑅1 = 1000 Ω Mạch PCB cảm biến thiết kế Proteus có dạng sau: Hình 12.2 Mạch PCB cảm biến thiết kế Proteus 55 Chương 12 Chế tạo vận hành mơ hình Hình 12.3 Mạch cảm biến thực tế 12.1.2 Chế tạo khung xe Vật liệu: mica 4.5mm Kết quả: Hình 12.4 Tổng thể xe 56 Chương 12 Chế tạo vận hành mơ hình Hình 12.5 Bố trí thiết bị phía sàn xe Hình 12.6 Bố trí thiết bị phía sàn xe 12.2 Vận hành mơ hình 12.2.1 Điều kiện thử nghiệm mơ hình Kích thước khí thiết kế khung xe: - Chiều dài cảm biến 104 mm (1 hàng cảm biến) Khoảng cách cảm biến 80 mm Khoảng cách bánh xe 180 mm Chương trình điều khiển: - Thời gian lấy mẫu: 0.03 giây Xử lý đặc biệt cho điểm A lần (rẽ 90 độ) điều kiện dừng 57 Chương 12 Chế tạo vận hành mô hình - Điều khiển bám line giải thuật fuzzy với số điều chỉnh miền giá trị hàm liên thuộc w_mf=[-5; -1; 0; 1; 5] Môi trường thử nghiệm: - Điều kiện phòng, ánh sáng đèn huỳnh quang Sa bàn in bạc trắng, trải sàn gạch 12.2.2.Phương pháp kiểm tra sai số Dùng bút chì để ghi lại quỹ đạo điểm lân cận điểm điều khiển, từ ước lượng sai số Hình 12.7 Cơ cấu kiểm tra sai số 12.2.3.Kết kiểm tra sai số Số lần thực hiện: 20 lần 58 Chương 12 Chế tạo vận hành mơ hình Sai số lớn đoạn đường (tính từ điểm điều khiển tới mép line) - Sai số đoạn AB: 30mm (tại cung AB) Sai số đoạn BCD: 30mm (tại C) Sai số đoạn DE: 20mm (tại D) Sai số đoạn EF: 10mm (tại F) Sai số đoạn FCG: 30mm (tại C) Sai số đoạn GA: 25mm (tại G) Sai số đoạn ACE: