ĐỒ ÁN: THIẾT KẾ, CHẾ TẠO VÀ ĐIỀU KHIỂN ROBOT DÒ LINE

ĐỒ ÁN THIẾT KẾ HỆ THỐNG CƠ ĐIỆN TỬ GVHD Nguyễn Minh Tuấn SVTH Trần Ngọc Trọng 1713683 Trần Trí Thông 1713356 Nguyễn Hoàng Anh Tuấn 1710366 BÁO CÁO ĐỒ ÁN THIẾT KẾ HỆ THỐNG CƠ ĐIỆN TỬ ĐỀ TÀI THIẾT KẾ, C.

TỔNG QUAN

Robot dò line

Robot đã ra đời rất sớm thay thế con người làm những việc nặng nhọc và độc hại.Trong thời đại công nghiệp hiện nay, robot ngày càng được ứng dụng rộng rãi trong sản xuất cũng như trong đời sống Do yêu cầu ngày càng cao và phức tạp,robot cần có sự thay đổi linh hoạt và đáp ứng nhanh, nhất là mobile robot.

Mobile robot là một loại robot có khả năng tự dịch chuyển, tự vận động có khả năng hoàn thành công việc được giao Trong đó Robot dò line là loại robot có thể tự xác định vị trí tương đối của mình và di chuyển bám theo một quỹ đạo (line từ, line màu) đã định sẵn.

Hiện nay, robot dò line đã và đang được ứng dụng rộng rãi và ngày càng hoàn thiện trong lĩnh vực thăm dò đại dương, tự hành trên không, trong các môi trường kho bãi, nhà xưởng để vận chuyển hàng hóa thay con người hoặc dùng để nghiên cứu kỹ thuật trong các cuộc thi ở các quy mô khác nhau

Trong công nghiệp, robot dò line thường được biết đến với tên gọi AGV (Automated guided vehicle) và việc ứng dụng nó đã thay đổi cách mà các kho hàng được sắp xếp và vận hành trên toàn thế giới.

Hình 1.1 Robot Kiva hoạt động trong nhà kho Amazon

Yêu cầu kỹ thuật robot

- Số lượng bánh xe của robot (bao gồm bánh xe dẫn động và bánh xe bị động) được chọn tùy thuộc vào thiết kế của các nhóm.

- Trên robot được trang bị hệ thống cảm biến để giúp robot nhận biết đường line trên bề mặt sàn/mặt đất và di chuyển bám theo đường line đó Nhóm sinh viên tự chọn loại cảm biến phù hợp.

- Đường kính các bánh xe: d ≤ 200mm.

- Số lượng bánh xe (chủ động + bị động): tùy chọn

- Kích thước tối đa các chiều của robot (dài x rộng x cao): 350 x 250 x 350mm.

- Màu sắc đường line: đen.

- Bề rộng đường line: 26mm.

- Bề mặt địa hình hình di chuyển: phẳng.

 Sa bàn hệ thống line

- Robot của các nhóm bắt buộc phải chạy theo chiều quy định như đã ghi trên sa bàn

Hình 1.2 Sa bàn di chuyển của Robot

- Khi bắt đầu, robot được đặt tại vị trí START (điểm A), sau đó robot chạy theo thứ tự đi qua các điểm nút quy định lần lượt như sau:

Các mẫu xe trong nước

3.1 Xe UIT-Mon - Nguyễn Tiến Đình - Giải nhất cuộc thi năm 2013

Cảm biến sử dụng: Led hồng ngoại 7 cặp, đọc tín hiệu digital, quét led song song

Số lượng bánh xe: 3 bánh, 2 bánh sau gắn dẫn động, bánh trước tự lái

Hình 1.3 Sơ đồ xe UIT-Mon

- Ưu điểm : 3 bánh xe luôn tiếp xúc với bề mặt di chuyển

- Nhược điểm : dễ bị lật khi tải trọng đặt lệch so với trọng tâm

3.2 Xe Mr.zero - Trịnh Nguyễn Trọng Hữu - Giành giải nhì trong cuộc thi 2015

Cảm biến sử dụng: Led hồng ngoại 5 cặp, đọc tín hiệu analog, quét led nối tiếp

Số lượng bánh xe: 4 bánh, 2 bánh sau gắn dẫn động, 2 bánh trước tự lựa

Hình 1.4 Sơ đồ xe Mr.zero

- Ưu điểm: xe đảm bảo khả năng cân bằng tốt

- Nhược điểm: không đảm bảo độ đồng phẳng do đó cần một hệ thống treo để đảm bảo xe tiếp xúc với mặt đường.

Các mẫu xe nước ngoài

4.1 Silvestre-line following robot Đạt hạng 5 trong một cuộc thi ở Tây Ban Nha

- Cảm biến : 8 bộ cảm biến hồng ngoại

- Động cơ: 2 bánh chủ động - 2 động cơ DC, 1 bánh tự lái – bánh mắt trâu

Hình 1.5 Silvestre-line following robot

4.2 Fireball-line following robot Đạt giải nhất tại cuộc thi Chibots ở Mỹ

- Cảm biến: 8 bộ cảm biến hồng ngoại

- 4 bánh chủ động - 4 động cơ DC

- Ưu điểm: tốc độ cao, dễ cân bằng.

- Nhược điểm: vì sử dụng 4 động cơ nên khối lượng xe tăng, tốn kinh phí.

Hình 1.6 Fireball-line following robot

4.3 Taquion Đạt giải tại cuộc thi UN-Robot tại Colombia

- Cảm biến: 7 bộ cảm biến hồng ngoại

- 2 bánh chủ động - 2 động cơ DC, 2 bánh tự lựa - bánh mắt trâu

Hình 1.7 Taquion - line following robot

Vô địch cuộc thi đua xe tại Mexico

- 16 bộ cảm biến hồng ngoại xếp hình vòng cung

- 4 bánh chủ động - 4 động cơ DC

Hình 1.8 Thunder - line following robot

Tên Thành tích Hình ảnh Tốc độ (m/ s)

Giải nhất tại cuộc đua xe dò line ở được tổ chức bởi LVBots

Giải nhì tại cuộc đua xe dò line ở được tổ chức bởi LVBots

2nd in LVBots Line following competition

Giải nhất ở cuộc thi Hispabots Competition và Giải nhì ở cuộc thi Robolid Competition

LỰA CHỌN PHƯƠNG ÁN

Lựa chọn nguyên lý xe

Bảng 2.1 Bảng tiêu chí lựa chọn nguyên lý xe

Chi phí 10 Tổng chi phí linh kiện tối thiểu cho từng cơ cấu xe (chưa tính mạch điều khiển)

Khả năng thực hiện 9 Độ phức tạp của kết cấu, và giải thuật điều khiển.

Khả năng chuyển hướng 8 Vận tốc quay của robot ω, với tâm quay tại tâm các bánh của robot

Vận tốc thẳng 7 Vận tốc trung bình của trọng tâm xe trên đoạn thẳng.

Vận tốc trên 6 Vận tốc tại tâm các bánh trên đoạn đường cong với bán kính RP0mm

1.1.1 Xe 4 bánh song song, 4 động cơ

Bảng 2.2 Chi phí phương án 4 động cơ

Thiết bị Số lượng Giá Tổng Ghi chú Động cơ 4 219,000 876,000 GA25-V1 Encoder

1.1.2 Xe 4 bánh song song có cơ cấu bẻ lái (cơ cấu vi sai)

Bảng 2.3 Chi phí phương án 4 bánh song song có bẻ lái

Thiết bị Số lượng Giá Tổng Ghi chú

Caka.vn Động cơ 2 219,000 438,000 GA25-V1 Encoder

Cơ cấu vi sai 1 249,000 249,000 Lazada.vn

1.1.3 Xe 2 bánh chủ động, 1 bị động

Bảng 2.4 Chi phí phương án 2 bánh chủ động, 1 bị động

Bảng 2.5 Chi phí phương án 3 bánh omni

Bảng 2.6 Chi phí phương án 4 bánh omni

Bảng 2.7 Bảng tổng hợp chi phí các phương án

4 bánh song song có cơ cấu bẻ lái 855,000 3

2 bánh chủ động, 1 bị động 631,000 4

Trong đó thang điểm được chấm như sau:

1.2 Xét về khả năng thực hiện

Bảng 2.8 Độ phức tạp của kết cấu, và giải thuật điều khiển

Phương án Đánh giá độ phức tạp của kết cấu, và giải thuật điều khiển Điểm đánh giá

Xe 4 bánh song song, 4 động cơ

- Giải thuật đồng bộ 4 bánh xe

Xe 4 bánh song song có cơ cấu bẻ lái (cơ cấu vi sai)

- Thiết kế cơ cấu vi sai

Xe 2 bánh chủ động, 1 bị động - Gá đồng trục động cơ 3

Omni 3 bánh - Giải thuật điều khiển đồng bộ 3 bánh 2

Omni 4 bánh - Giải thuật điều khiển đồng bộ 4 bánh

1.3 Xét khả năng chuyển hướng

Vận tốc quay của robot ω, với tâm quay tại tâm các bánh của robot

Thang điểm được chấm như sau:

1 điểm: 0 - 0,25 V/r (Hoặc không tự quay được)

Hình 2.1 Sơ đồ vận tốc góc phương án 4 động cơ

Trong chuyển động trong vật rắn, vận tốc quay của các chất điểm bằng vận tốc góc của khối tâm:

=> Vận tốc góc của khối tâm là ω Đánh giá 4/4 điểm

Hình 2.2 Sơ đồ vận tốc góc phương án xe 4 bánh có cơ cấu bẻ lái

Do cơ cấu vi sai gắn trên bánh chủ động hoạt động dựa vào sự chênh lệch momen cản trên hai bánh nên hai bánh phải quay cùng chiều và cùng chiều với hai bánh dẫn hướng phía trước Vì vậy xe 4 bánh song song có bẻ lái không thể tự quay quanh chính nó Đánh giá 1/4 điểm

Hình 2.3 Sơ đồ vận tốc góc phương án 2 bánh chủ động

=> Vận tốc góc của khối tâm là ω Đánh giá 4/4 điểm.

Hình 2.4 Sơ đồ vận tốc góc phương án 3 bánh omni

=> Vận tốc góc của khối tâm là ω Đánh giá 4/4 điểm.

=> Vận tốc góc của khối tâm là ω Đánh giá 4/4 điểm

Vận tốc tại mỗi bánh tối đa là V Thang điểm được xét với vận tốc tối thiểu:

Hình 2.6 Sơ đồ vận tốc thẳng phương án 4 động cơ

Trong chuyển động trong vật rắn, vận tốc của các chất điểm bằng vận tốc của khối tâm:

=> Vận tốc của khối tâm là v Đánh giá 4/4 điểm

Hình 2.7 Sơ đồ vận tốc thẳng phương án có cơ cấu vi sai

=> Vận tốc của khối tâm là v Đánh giá 4/4 điểm.

Hình 2.8 Sơ đồ vận tốc thẳng phương án 2 chủ động

=> Vận tốc của khối tâm là v Đánh giá 4/4 điểm

Xe omni có khả năng di chuyển đa hướng tuy nhiên ta chỉ xét 2 hướng vuông góc nhau (các hướng còn lại sẽ là tổng hợp của 2 hướng này):

+ Vận tốc các bánh theo phương vuông góc với phương di chuyển của bánh 3:

+ Theo phương trùng với phương di chuyển của bánh 3:

+ Với mỗi trường hợp ta chỉ muốn robot chạy theo 1 hướng (không có chuyển động xoay) nên vận tốc góc tổng hợp bằng 0.

+ Do đặc điểm của bánh omni có thể trượt theo phương vuông góc với bánh vận tốc bất kì nên ta có: Vận tốc của 3 bánh theo phương X là V.cos(30)

=> Vận tốc khối tâm theo phương X bằng vận tốc của 3 bánh là √ 3

Dấu “=” xảy ra khi V 1= V 2=- V 3=-V + Do đặc điểm của bánh omni có thể trượt theo phương vuông góc với bánh vận tốc bất kì nên ta có: Vận tốc của 3 bánh theo phương Y là V.

=> Vận tốc khối tâm theo phương Y bằng vận tốc của 3 bánh là V Đánh giá 3/4 điểm.

+ Do kết cấu đối xứng khác với loại 3 bánh nên loại 4 bánh chỉ cần xét theo 1 phương.

+ Do đặc điểm của bánh omni có thể trượt theo phương vuông góc với bánh vận tốc bất kì nên ta có: Vận tốc của 4 bánh theo phương trong hình là V

=> Vận tốc khối tâm theo phương trong hình bằng vận tốc của 4 bánh là V Đánh giá 4/4 điểm.

1.5 Vận tốc trên đoạn đường cong

Vận tốc tại mỗi bánh tối đa là V Xét vận tốc tại tâm các bánh trên đoạn đường cong với bán kính RP0mm Khoảng cách giữa các bánh là d0mm

Trong chuyển động quay, vận tốc dài của 1 điểm bất kì là v=ω.r Với cùng tốc độ quay ta có vận tốc dài càng lớn khi bán kính càng lớn Vận tốc dài của cặp bánh ngoài

Khi đó tốc độ quay của chuyển động là ω=

Vận tốc dài tại tâm các bánh là V o =

Xe 4 bánh song song có cơ cấu bẻ lái tương tự với trường hợp 4 bánh song song không bẻ lái (bánh ngoài cùng quay với vận tốc lớn nhất) Điểm khác biệt giữa hai phương án là 4 bánh song song có bẻ lái bị trượt bánh khi đi trên đoạn đường cong. Đánh giá 3/4 điểm

Xe 2 bánh chủ động, 1 bị động tương tự với trường hợp 4 bánh song song, 4 động cơ Đánh giá 3/4 điểm

Xe Omni có khả năng di chuyển theo mọi Xe Omni có khả năng di chuyển theo mọi hướng nên vận tốc trên đoạn đường cong cũng tương tự như vận tốc trên đoạn đường thẳng: V 0 ∈ [ √ 2 3 V , V ] Đánh giá 3/4 điểm

Xe Omni có khả năng di chuyển theo mọi hướng nên vận tốc trên đoạn đường cong cũng tương tự như vận tốc trên đoạn đường thẳng: Vo = V Đánh giá 4/4 điểm

Bảng 2.9 Bảng đánh giá chung các phương án Phương án

4 bánh song song, 4 động cơ

4 bánh có cơ cấu bẻ lái

2 bánh chủ động, 1 bánh bị động

Vận tốc trên đoạn cong

Kết luận: chọn cơ cấu xe 2 bánh chủ động, 1 bánh bị động.

Lựa chọn bánh xe

Các loại bánh xe thường được dùng làm bánh chủ động gồm:

+ Bánh xe cao su: Ma sát với mặt đường nhỏ, có khả năng bị trượt trên đường

+ Bánh lốp cao su có rãnh: Tăng ma sát so với bánh cao su trơn, khả năng bám đường tốt hơn.

+ Bánh xích: Di chuyển trên địa hình không bằng phẳng; cần moment lớn hơn các loại bánh trên do khối lượng xích lớn; khả năng bám đường tốt do ma sát lớn.

+ Bánh có gai: Thiết kế đặc biệt dành cho xe chạy trên các bề mặt không bằng phẳng do các điểm tiếp xúc thay đổi liên tục nên không ổn định.

+ Bánh ommi: Cơ cấu 3 bánh chủ động dùng bánh xe ommi cho xe có khả năng chuyển hướng nhanh mà không làm thay đổi hướng xe Có giá thành cao so với bánh lốp có cùng đường kính.

Do bề mặt di chuyển khá bằng phẳng, vận tốc di chuyển có thể không quá lớn, nên bánh lốp cao su có rãnh sẽ được chọn là hợp lý Mặt khác, kích thước đường kính một số bánh xe đó trên thị trường là: 100mm, 85mm, 65mm và 25mm và nhỏ hơn 25mm Do đó, với yêu cầu đường kính không lớn hơn 200mm, ta sẽ dùng bánh xe V12 đường kính 65mm (khớp lục giác 12mm).

Hai loại bánh bị động thường được sử dụng cho mobile robot là bánh mắt trâu và và trược bánh gây ra hiện tượng shopping-cart làm ảnh hưởng đến phương trình động học của xe Để tránh hiện tượng này ta chọn bánh mắt trâu.

Lựa chọn cảm biến

3.1 Lựa chọn loại cảm biến

Cảm biến phải có độ nhạy thích hợp để có thể bắt được những đoạn đường cong hoặc những khúc cua rẽ 90 o ra khỏi đường cong số 8 Tìm hiểu một số loại cảm biến hiện có trên thị trường, nhóm có những đánh giá sau:

Bảng 2.10 Ưu - nhược điểm các loại cảm biến

Cảm biến Ưu điểm Nhược điểm

Camera - Phân biệt được nhiều line màu cùng lúc.

- Độ chính xác rất cao.

- Tốc độ xử lí phụ thuộc rất nhiều vào MCU.

- Chương trình điều khiển dài do phải xử lí hình ảnh, nhúng vào MCU.

- Tốc độ xử lí phụ thuộc vào giải thuật điều khiển, không bị hạn chế.

- Độ chính xác phụ thuộc vào số lượng cảm biến, nhưng cũng không bằng camera.

- Kích thước nhỏ phù hợp với xe dò line.

 Dựa vào bảng so sánh, chọn loại cảm biến quang

3.2 Chọn loại cảm biến quang

Do điều kiện chạy của xe chưa được định rõ trong hay ngoài trời, cường độ ánh sáng của môi trường có thể lớn gây nhiễu cảm biến Hiện tại trên thị trường, các loại diode quang và quang trở đều hoạt động tốt nhất ở vùng ánh sáng khả kiến (bước sóng380-700nm) nên hoạt động không chính xác ở điều kiện ngoài trời Các loại cảm biến theo hai nguyên lý này hoạt động ở miền hồng ngoại hiện rất khan hiếm trên thị trườngViệt Nam

Hình 2.11 Quan hệ độ nhạy của cảm biến quang trở CdS và bước sóng ánh sáng

Mặt khác, phototransistor gồm 2 bóng thu phát tín hiệu ở miền hồng ngoại (bước sóng 950 nm) cách khá xa so với miền khả kiến (380-700 nm) nên hạn chế nhiễu do ánh sáng khả kiến từ môi trường

Kết luận: chọn cảm biến hồng ngoại TCRT5000 theo nguyên lý phototransistor.

Chọn giải thuật xác định tọa độ line

Hình 2.12 Thuật toán so sánh Đặc điểm:

- Trạng thái đầu ra của tín hiệu là bật/tắt

- Phụ thuộc vào giá trị ngưỡng so sánh và khoảng cách giữa các cảm biến

- Tốc độ xử lý rất nhanh

Sai số hệ thống =1 2 khoảng cách giữa 2 cảm biến

4.2 Thuật toán nội suy hàm bậc hai

Hình 2.13 Thuật toán nội suy hàm bậc hai Đặc điểm:

- Giả sử có 7 cảm biến được đặt trên xe và vị trí cảm biến bên trái ngoài cùng bên trái là -3

- Khoảng cách liên tiếp của hai cảm biến là 1 (theo tỷ lệ)

- Đầu ra của cảm biến cao hơn khi nó gần đường màu đen hơn, do vậy luôn xác định được 3 cảm biến liên tiếp với đầu ra cao hơn các cảm biến còn lại.

Giả định rằng tọa độ của 3 cảm biến này là x 1, x 1+1 và x 1+2 và hình dạng thực của các giá trị đầu ra cảm biến trong phạm vi của [ x 1, x 1 + 2] có thể được tính gần đúng bằng một đường cong bậc hai

Ta có, mối quan hệ giữa tọa độ và đầu ra của các cảm biến:

Tính được vị trị tọa độ và giá trị a và b là: x=−b

Sai số: Giả sử sai số output của 1 cặp IR là e, và các cặp cảm biến có cùng sai số a=´ ý 1 + ý 3 −2ý 2

∆ x ´x =∆ a ´a +∆ b b´ Các bước thực hiện giải thuật:

- Đọc tín hiệu từ các cảm biến

- Chọn 3 vị trí có output cao nhất trong các vị trí

- Tính tọa độ vị trí

4.3 Thuật toán trung bình trọng số

Hình 2.14 Thuật toán trung bình trọng sốGiả sử tọa độ của 7 cảm biến lần lượt là : 𝑥0,𝑥1,𝑥2,𝑥3,𝑥4,𝑥5,𝑥6 và các gia trị analog đầu ra tương ứng là: 𝑦0,𝑦1, 𝑦2, 𝑦3, 𝑦4,𝑦5,𝑦6 Vị trí đường line được tính theo công thức x=∑

Sai số: Giả sử sai số output của 1 cặp IR là e, và các cặp cảm biến có cùng sai số ´x=3(´ y 6− ý 0 )+ 2(´ y 5−ý 1 )+( ´ y 4− ý 2 )

Các bước thực hiện giải thuật:

- Đọc tín hiệu từ các cảm biến

- Tính toán giá trị của x

Bảng 2.11 Bảng đánh giá giải thuật xác định tọa độ line

Tiêu chí Thuật toán so sánh Thuật toán nội suy hàm bậc 2

Thuật toán trọng số trung bình Độ phức tạp thấp cao trung bình

Sai số cao thấp thấp

Kết luận: chọn phương án trọng số trung bình.

Chọn loại động cơ

Động cơ được xem xét dùng trong đồ án này là động cơ DC Động cơ DC có 2 loại là động cơ có chổi than và động cơ không chổi than Xét về mặt kinh phí, thì nhóm chọn động cơ có chổi than, vì nó rẻ nhưng vẫn đảm bảo về vấn đề điều khiển lẫn độ ổn định.

Bảng 2.12 Ưu - nhược điểm các loại động cơ DC có chổi than Động cơ Ưu điểm Nhược điểm

Có giảm tốc và encoder

- Điều khiển chính xác vị trí, tốc độ.

- Biết góc quay, chiều quay,

Có giảm tốc, không có encoder

- Không xác định được tốc độ thực của động cơ

- Khó điều khiển chính xác vị trí, góc quay, chiều quay.

Không có giảm tốc - Tốc độ động cơ quay khá nhanh.

- Khó điều khiển được tốc độ động cơ chính xác. Không có giảm tốc và có encoder

- Xác định được tốc độ thực, góc quay, chiều quay.

- Chi phí phụ thuộc vào chất lượng, tùy hãng motor.

Step - Xác định góc quay chính xác.

- Tốc độ bị hạn chế.

 Để có thể mang lại khả năng điều khiển tốt nhất, dựa vào bảng so sánh, nhóm dùng động cơ có encoder và giảm tốc với tỉ lệ thích hợp.

Chọn Driver

Trên thị trường hiện tại, các driver đều được tích hợp đa tính năng Khi đó 1 driver có thể điều khiển được 2 động cơ DC rất mượt Điển hình như LN298, TB6612…Do đó, nhóm dùng 1 driver để điều khiển chung cho cả 2 động cơ.

+ Áp và dòng ra của driver phải lớn hơn so với áp và dòng cực đại của động cơ DC GA25V1 (12V-650mA).

+ Mối quan hệ giữa tín hiệu vào và ra của driver phải tuyến tính với nhau trong một khoảng giá trị (phải đảm bảo đạt được vận tốc yêu cầu của nhóm đề ra

- Một số mạch cầu giá < 50000 vnđ:

- Điện áp hoạt động: 2.5 ~ 12VDC

- Số kênh điều điều khiển: 2 kênh (2 động cơ)

- Dòng cực đại mỗi kênh: 0.8A

- IC chính: DRV8833 Dual H-Bridge Motor Driver

- Dòng đầu ra mỗi động cơ: 1.5A

- Điều khiển được 2 động cơ DC hoặc 1 động cơ bước 4 dây

- Bảo vệ chống quá dòng, quá nhiệt

- Điện áp nuôi và cấp mức Logic: 2.7 ~ 5.5V DC

- Điện áp cấp cho motor Vin tối đa 15VDC

- Driver hỗ trợ 2 cầu H có thể dùng cho hai động cơ DC hoặc một động cơ bước

- Tần số hoạt động lên đến 100KHz

- Dòng ngõ ra liên tục: 1.2A cho mỗi cầu

- Bảo vệ quá nhiệt và quá áp

- Tụ lọc ở cả 2 ngõ cấp nguồn

- Bảo vệ chống ngược nguồn cấp cho motor

- IC chính: L298N - Dual Full Bridge Driver

- Điện áp đầu vào: 5~30VDC

- Công suất tối đa: 25W 1 cầu

- Dòng tối đa cho mỗi cầu H là: 2A

Kết luận: chọn mạch cầu TB6612.

Chọn mạch ổn áp

Vì đầu vào của các thiết bị yêu cầu nhiều mức điện áp khác nhau nên phải cần các loại mạch ổn áp để đảm bảo cấp đủ áp cho thiết bị hoạt động bình thường, tránh vượt hoặc hụt áp làm hệ thống có thể bị ảnh hưởng hoặc nguy cơ hư hỏng do áp cao.

Xem xét các thiết bị cần dùng, nhóm thấy rằng, cần 3 loại áp khác nhau là 12V, 5V, 3.3V Nhưng chỉ có 1 nguồn là 4 pin 18650 3.7V, áp tổng mà pin có thể đạt được là 14.8V Nhưng lúc xả dòng ra thì áp sẽ tụt xuống, thế nên áp của pin sẽ không ổn định Những thiết bị trong robot dùng đều yêu cầu cao về điện áp, nên để chúng hoạt động ổn định và có tuổi thọ cao thì cần cấp đúng áp cho chúng ở mọi thời điểm Vì vậy, qua quá trình đánh giá chọn lựa về khả năng đáp ứng áp ra ổn định, giá cả và kích thước, nhóm quyết định dùng:

+ 1 ổn áp LM2596 để đưa áp từ pin về 12V ổn định cấp cho động cơ

+ 1 ổn áp LM2596 để đưa áp từ pin về 5V ổn định để cấp nguồn cho MCU và sensor.

+ 1 ổn áp AMS1117 để đưa áp từ pin về 3.3V để cấp cho encoder Hoặc ta có thể sử dụng nguồn 3.3V từ Kit ra chân của MCU.

8 Lựa chọn cấu trúc điều khiển

8.1 Cấu trúc điều khiển tập trung

Hình 2.19 Sơ đồ cấu trúc điều khiển tập trung Ở cấu trúc điều khiển này, sử dụng 1 vi điều khiển duy nhất đóng vai trò master, thực hiện cả 3 nhiệm vụ chính:

 Nhận tín hiệu từ cảm biến để xử lý Nếu muốn xử lý tín hiệu số thì phải xác định các trạng thái của cảm biến, sau đó xác định vị trí tương đối của robot so với line Nếu muốn xử lý tín hiệu tương tự, phải có thêm bộ chuyển đổi DAC trước khi tính toán vị trí tương đối của robot so với line.

 Từ kết quả tính toán cho cảm biến, master phải xử lý theo luật điều khiển để tính toán vận tốc góc cần thiết cho 2 động cơ trái và phải.

 Điều khiển cho 2 động cơ quay đúng vận tốc góc cần thiết Để điều khiển được như vậy, master phải nhận và xử lý tín hiệu từ encoder gắn với mỗi động cơ, xuất pwm điều khiển phù hợp cho 2 động cơ.

 Ưu điểm: Cấu trúc này ngắn gọn, tiết kiệm chi phí Có thể đáp ứng được những điều kiện đặt ra nếu tính chọn vi điều khiển làm master hợp lý.

 Nhược điểm: Master phải thực hiện nhiều nhiệm vụ, master thực hiện

Driver lớn đến những nhiệm vụ cần thời gian đáp ứng nhỏ như điều khiển động cơ hay lấy mẫu cảm biến Hơn nữa, cấu trúc vật lý của master phải đảm bảo đầy đủ một số lượng chân xử lý tín hiệu nhiều để kết nối với các thiết bị, gây khó khăn trong việc lựa chọn vi điều khiển.

8.2 Cấu trúc điều khiển phân cấp

Hình 2.20 Sơ đồ cấu trúc điều khiển phân cấp

Cấu trúc điều khiển này sử dụng 4 vi điều khiển: 1 vi điều khiển đóng vai trò master, 1 điều khiển khác làm slave cho cảm biến, 2 vi điều khiển còn lại làm slave cho hai động cơ:

 Slave cảm biến nhận và xử lý tín hiệu từ cảm biến Tính toán vị trí tương đối của robot so với line rồi gửi tín hiệu về cho master.

 Master nhận tín hiệu gửi về từ cảm biến, sử dụng luật điều khiển hợp lý để tính toán vận tốc cần thiết cho 2 động cơ Sau đó gửi tín hiệu chứa giá trị vận tốc đó về cho mỗi động cơ.

 2 slave động cơ sẽ nhận vận tốc cần thiết được gửi từ master Sau đó điều khiển động cơ quay đúng vận tốc đó Để điều khiển được như vậy, slave phải nhận cả tín hiệu trả về từ encoder của động cơ để xử lý theo luật điều khiển phù hợp.

 Ưu điểm: Mỗi vi điều khiển có một nhiệm vụ cụ thể, từ đó dễ dàng xác định giải thuật điều khiển cho mỗi vi điều khiển Hơn nữa, việc các slave chỉ chuyên môn hoá một nhiệm vụ nhất định sẽ đáp ứng được các yêu cầu về thời gian đáp ứng trong việc điều khiển động cơ, cũng như các yêu cầu lấy mẫu và xử lý tín hiệu từ cảm biến (khắc phục nhược điểm của điều khiển tập trung) Ngoài ra, việc lựa chọn vi điều khiển để cấu trúc vật lý phù hợp với chức năng của nó cũng sẽ dễ dàng hơn.

 Nhược điểm: Cấu trúc nhiều thành phần, tốn chi phí hơn so với cấu trúc điều khiển tập trung Đồng thời, phát sinh vấn đề giao tiếp giữa các vi điều khiển để truyền – nhận tín hiệu, làm phức tạp hơn khi lập trình áp dụng giải thuật điều khiển. Bảng 2.13 Bảng đánh giá cấu trúc điều khiển Độ phức tạp khi lập trình Chi phí Điều khiển tập trung Cao Thấp Điều khiển phân cấp Trung bình Cao

Do kinh phí khi làm đồ án có giới hạn nên nhóm quyết định chọn Điều khiển tập trung

Lựa chọn vi điều khiển

- Có ít nhất 2 chân PWM, 2 ngắt ngoài đọc xung encoder và 7 chân analog

- Có sẵn công cụ trình biên dịch

Bảng 2.14 Bảng so sánh các loại vi điều khiển thông dụng

ATmega2560 CPU, xung nhịp lớn nhất

Flash 64KB 256 KB 32 KB 16KB

RAM 20KB 8 KB 2 KB 512 bytes

Mức điện áp ra ở các chân I/O

Cấp nguồn Dùng nguồn 5V thông qua cổng USB hoặc các chân cắm

Kích thước mạch ra chân (mm)

(bao gồm mạch ra chân)

Dựa theo tiêu chí và kiến thức có sẵn về vi điều khiển ta chọn PIC18F4550.

Lựa chọn bộ điều khiển vận tốc

Động cơ DC là hệ SISO (Single Input – Single Output) Điều này có thể giải thích rằng đầu vào của động cơ là điện áp cấp (hay 𝑝𝑤𝑚) còn đầu ra của động cơ là vận tốc quay (𝑅𝑃𝑀).

Ta dùng luật điều khiển của bộ điều khiển PID để điều khiển:

Hình 2.21 Bộ điều khiển PID Ưu điểm: Một bộ điều khiển phổ biến Có thể đạt được các đáp ứng mong muốn bằng cách điều chỉnh 3 tham số Kp, Ki, Kd.

Nhược điểm: Phải tuyến tính hoá hệ thống, mà việc tuyến tính hoá chỉ áp dụng tại điểm cân bằng của hệ, từ đó sẽ xuất hiện sai số tại các đoạn đường đổi hướng hay giao nhau mà bộ điều khiển không kiểm soát được Vì vậy phải thiết kế riêng các bộ số

K cho từng đoạn đường. Đối với hệ SISO, bộ điều khiển PID là thích hợp để sử dụng.

Lựa chọn bộ điểu khiển bám line

Đối với hệ robot dò line hoặc xét là robot di động, đây là một hệ MIMO (Multiple

Input – Multiple Output) với đầu vào của hệ là hai vận tốc góc của hai động cơ (𝑅𝑃𝑀1, 𝑅𝑃𝑀2) còn đầu ra của hệ là ba thông số trong hệ tọa độ Descartes:

𝑥𝐴, 𝑦𝐴, 𝜑. Đối với hệ MIMO, có các giải thuật để điều khiển là Fuzzy, Following tracking

11.1 Bộ điều khiển Following tracking

Không tiến hành tuyến tính hoá mà giữ nguyên hệ phi tuyến Đồng thời, sẽ dùng tiêu chuẩn Lyapunov để kiểm tra tính ổn định.

Luật điều khiển: { ω=k v M 2 =v v P e P 2 cos+ω e P 3 +k + k 3 1 sin e 1 e 3 (k1,k2,k3 ≥ 0)

+ e3 phản ánh sai lệch về hướng của robot, do đó số hạng v P cose 3 giúp cho vận tốc dài nhỏ đi khi sai lệch lớn nhằm ưu tiên chuyển động quay cho robot.

+ e1 là sai lệch theo phương chuyển động nên e1 càng lớn thì v càng phải lớn, do đó cần có số hạng k 1 e 1

+ e2 là sai lệch theo phương ngang nên e2 càng lớn thì robot cần quay với tốc độ góc ω càng lớn, ngoài ra nếu hướng của robot bị lệch càng lớn (e3) thì vẫn cần robot có ω càng lớn Do đó xuất hiện các số hạng k 2 v P e 2 và k 3sine 3 Và tất nhiên tốc độ góc mong muốn số hạng ω P sẽ có trong công thức tính ω Ưu điểm: Luật điều khiển trực quan, dễ điều chỉnh các tham số k1, k2, k3 Không cần tuyến tính hoá giúp giảm sai số khi bám line Đồng thời, tập trung giải quyết yêu cầu cho robot bám line.

Nhược điểm: Không đề cấp trực tiếp đến vấn đề yêu cầu về thời gian xác lập.

Khó khăn khi kiểm tra tính ổn định, phải tìm ra được hàm Lyapunov thoả điều kiện ổn định

Left LED Mid LED Right LED State Control output

Ví dụ đơn giản cho luật điều khiển Fuzzy

Giá trị của 𝛿 có thể được tìm qua mô phỏng.

Các bộ điều khiển có chung mục đích: cố định 𝑣 = 𝑣𝑚𝑎𝑥, điều khiển 𝜔 để robot bám line.

THIẾT KẾ CƠ KHÍ

Tính toán lựa chọn động cơ

 Thời gian đáp ứng mong muốn: t = 1s

 Sai số dò line: ± 5 mm

 Khối lượng tải trọng M = 2kg

 Một số hệ số ma sát ước lượng ban đầu

 Ma sát nghỉ bánh xe chủ động và sa bàn: μ 1=0,8

 Ma sát trượt bánh xe chủ động và sa bàn: μ 2=0,8

 Ma sát trượt của ổ bi trong ổ bánh bị động: μ 3=0,05

 Ước lượng khối lượng của xe khoảng 3 kg và trọng lực phân bố đều trên

 Chọn bánh V2 khớp lục giác 12 chuyên cho xe mô hình điều khiển

 Chất liệu: Nhựa cao su

 Đường kính bánh xe: 65mm

 Chọn nối trục lục giác: 4 x 18mm

Hình 3.1 Khớp nối trục động cơ lục giác

 Bánh đa hướng mắt trâu kim loại lớn có kích thước nhỏ gọn thường được sử dụng như bánh cân bằng của Robot, bánh có chất lượng tốt, chuyển hướng nhanh và rất êm, phù hợp cho nhiều loại thiết kế robot khác nhau.

 Thông số kĩ thuật: o Chất liệu ổ bi: sắt o Chất liệu vỏ: thép o Chiều cao: 20mm o Chiều dài: 50mm o Khoảng cách 2 lỗ bắt vít: 40mm o Đường kính lỗ vít: 4mm o Trọng lượng: 44g

 Để xe chuyển động, động cơ phải có vai trò cung cấp moment cho các bánh Quá trình chuyển động này chịu ảnh hưởng của khối lượng xe và ma sát giữa bánh xe và mặt đường Mô hình toán cho một bánh xe được thể hiện như sau:

 Moment quán tính của bánh xe có thể tính gần đúng:

 Cân bằng moment quanh tâm của bánh xe: τ−F ms R=Iγ(1)

 Điều kiện để bánh xe không bị trượt khi động cơ quay thì:

 Phương trình định luật 2 Newton theo phương ngang:

 Công suất mỗi động cơ cần cung cấp:

I (kg.m 2 ): Moment quán tính của bánh xe m (kg): Khối lượng của bánh xe

M (kg): Khối lượng của thân xe

F ms (N): Lực ma sát γ (rad/s 2 ): Gia tốc góc τ (N.m): Moment a (m/s 2 ): Gia tốc dài mong muốn g (m/s 2 ): Gia tốc trọng trường w (rad/s): Vận tốc góc

 Thay số liệu vào ta có: τ=1

2 0,0325=0,0418N m Để an toàn ta nhân thêm hệ số 2 τ=2.0,0337=0,0837N m

 Điều kiện xe không bị trượt: τ ≤1

 Để xe đạt vận tốc 0.5 m/s theo yêu cầu bài toán, đường kính bánh xe là

 Công suất của động cơ: P=τ ω =0,0837 0,0325 0.5 =1,287 ( w)

Bảng 3.1 Thông số yêu cầu chọn động cơ

Vận tốc lớn nhất 146,9 vòng/phút

Moment cần thiết để xe chuyển động 83,6 Nmm

Công suất mỗi động cơ 1,287W

Dựa vào công suất, số vòng quay, đường kính trục của bánh xe ta chọn Động cơ DC giảm tốc GA25-280 DC Motor.

 Tính toán lại vận tốc: v= nπDD

Tính kích thước thân xe

 Chọn vật liệu là mica dày 5mm

 Kích thước của động cơ 57 mm, bề rộng bánh xe 30mm:

 Để bố trí cho động cơ ta chọn đồ gá động cơ có kích thước như hình :

Hình 3.3 Đồ gá động cơ

 Chọn khoảng cách giữa bánh mắt trâu và 2 bánh chủ động: L0 mm

 Do kích thước tải theo yêu cầu là 20 x 30 x 10 , nhóm chọn thiết kế thêm hộp đựng tải , bề rộng xe là 220 mm

Hình 3.4 Mô hình 3D của tải

 Tính toán chiều cao trọng tâm xe

 Để tránh hiện tượng xe bị lật khi qua cua, hay chuyển hướng tại các điểm giao của các đường line thì moment do trọng lực quay quanh điểm C phải lớn hơn moment của lực li tâm.

 Lực li tâm khi qua cua:

 Cân bằng moment quang tâm C:

 Để xe không bị lật:

Mô hình tính toán khi xe chạy qua đoạn cong bán kính 500mm

C: Tâm quay khi xe lật

F ¿ : Lực quán tính li tâm h: Chiều cao tâm xe

 Ta tính toán khoảng cách giữa 2 bánh chủ động Tìm khoảng cách nhỏ nhất giữa 2 bánh xe chủ động để xe không bị lật khi vào cua bán kính RP0mm.

B: Khoảng các giữa tâm 2 bánh xe dẫn động

⃗F ¿ : Lực ly tâm khi xe qua khúc cong.

0,5 =1,5(N) Để xe không lật thì: F ¿ h ≤ P B

2,5.9,81 ,57(mm) Kết hợp với việc phân bố linh kiên ta thiết kế xe có kích thước cơ sở: a= 290mm ; b = 220mm; B 0 mm

Bố trí các thiết bị trên xe

Ta bố trí xe như hình sau:

Hình 3.5 Bố trí các thiết bị trên xe Bảng 3.2 Các thiết bị bố trí trên xe

STT Tên thiết bị Số lượng

Dung sai lắp ghép

Động cơ phải vừa gá cố định vừa có thể tháo lắp được Do động cơ là sản phẩm được chế tạo sẵn nên trục động cơ được xem như là trục chuẩn, do đó giữa mặt định vị động cơ và gá động cơ được lắp theo hệ thống trục với cấp dung sai 𝜙8 H k 6 7

Hình 3.7 Dung sai giữa mặt định vị động cơ với gá động cơ

Dung sai hình học và dung sai chế tạo của đồ gá

Dựa vào bảng chọn cấp dung sai trung bình cho chi tiết đồ gá với các kích thước:Chiều dài : 32 ± 0,3

Dựa vào tiêu chuẩn JIS của Nhật Bản

Ta lấy dung sai hình học tư thế của đồ gá như sau:

Mặt A vuông góc với mặt B theo cấp dung sai 0,1;Mặt A song song với mặt trên theo cấp dung sai 0,1;

 Dung sai hình học của mặt đế:

 Cấp chính xác khi gia công mặt đế ảnh hưởng đến độ đồng tâm của trục động cơ

 Độ đồng phẳng của mặt âm của đế dùng để lắp đồ gá có cấp dung sai 0,1

 Độ vuông góc giữa mặt âm và mặt A có cấp dung sai 0,1.

PHẦN ĐIỆN

1 Sơ đồ khối hệ thống điện

Hình 4.1 Sơ đồ khối hệ hống điện

Hệ thống điện bao gồm bộ phận nguồn, mạch cảm biến, mạch ra chân vi điều khiển, mạch điều khiển và đọc tín hiệu từ động cơ.

2.1 Yêu cầu đối với cảm biến

+ Thời gian đáp ứng nhỏ hơn 0,01s

+ Sai số tối đa giữa các giá trị đọc về từ cảm biến và giá trị lý tưởng: ± 10

+ Số lượng cảm biến sử dụng đảm bảo độ dài thanh cảm biến > 50 mm.

2.2 Thông số kỹ thuật cảm biến

Hình 4.2 Kích thước cảm biến TCRT5000

Bảng 4.1 Thông số kỹ thuật cảm biến TCRT5000

Dòng hoạt động tối đa 𝐼 𝐶 100 mA

Dòng hoạt động tối đa 𝐼𝐹 60 mA Điện áp hoạt động 5V

Công suất tiêu thụ 200 mA

Khoảng cách hoạt động 0.2 – 15 mm

Hình 4.3 Mạch điện cặp bóng phát-thu

2.3 Phương án sắp xếp cảm biến độ phân giải của sai số đọc về, không nhận dạng đầy đủ các trạng thái đường đi ở các vị trí đặc biệt

Một số cách sắp xếp cảm biến sau được xem xét: a) Loại ma trận b) Loại 1 hàng đơn c) Loại 2 cảm biến

Hình 4.4 Các cách sắp xếp cảm biến

Sắp xếp theo dạng ma trận (Hình 4.4 a) là giải pháp để phát hiện đường giao nhau Tuy nhiên, việc quá nhiều cảm biến dẫn đến giải thuật nhận diện phức tạp, không cần thiết với mục đích điều hướng Mặt khác,để có thể hoạt động bám line hiệu quả, phải có tối thiểu 2 cảm biến Tuy nhiên, 2 cảm biến không đủ để phân biệt đường đi tại các vị trí giao nhau (Hình 4.4 c) Nhóm quyết định chọn phương án sắp xếp cảm biến theo hàng đơn (Hình 4.4 b) Để đảm bảo khả năng đáp ứng tốt cho toàn hệ thống thực nghiệm cũng như tính chính xác khi xấp xỉ thực nghiệm, nhóm dùng 7 cảm biến bố trí theo hàng ngang cách đều nhau.

2.4 Lựa chọn điện trở mạch cảm biến

Theo như thông số đưa ra từ của hàng bán linh kiện điện tử Hshop ta cóR10𝛺, R2k𝛺.

Hình 4.5 Sơ đồ nguyên lý cảm biến TCRT5000

Ta tính toán kiểm tra lại:

Thỏa dòng hoạt động tối đa, vậy ta chọn R 10𝛺 và R2 k𝛺

2.5 Xác định chiều cao của dãy cảm biến so với mặt sàn

Phạm vi hoạt động của cảm biến được mô tả như sau:

Hình 4.6 Phạm vi hoạt động của cảm biến Để cảm biến hoạt động tốt, không bị chồng ánh sáng từ nguồn phát của cảm biến khác, đồng thời xuất hiện vùng giao giữa 2 cực phát và thu trên cùng 1 hệ cảm biến,thì khoảng cách từ cảm biến đến mặt sàn d phải lớn hơn h Trong trường hợp này,

Do phạm vi làm việc của TCRT5000 nằm trong khoảng 0,2 -15mm nên nhóm tiến hành thí nghiệm với khoảng cách dao động từ 9mm đến 15mm.

Thí nghiệm test chiều cao h:

Mục tiêu: xác định khoảng cách giữa cảm biến và mặt đất Điều kiện test: Test trên nền giấy A4 Hiệu điện thế cung cấp là 5V Kết quả được đọc từ Pic18F4550 và gửi về máy tính thông qua UART

Hình 4.7 Sự thay đổi giá trị ADC khi đọc trên nền trắng với h từ 9-15 mm Hình 4.8 Sự thay đổi giá trị ADC khi đọc trên nền đen với h từ 9-15 mm

Dựa vào kết quả đo được, đối với nền trắng, ở khoảng cách từ 11 đến 12 mm trong lúc đọc về giá trị có sự ổn định nhất, đối với nền line đen thì ánh sáng nằm trong khoảng 11mm điện áp ra đã đáp ứng ngưỡng so sánh.

Như vậy, chiều cao cảm biến so với mặt đường được lựa chọn nằm trong khoảng 11-12mm Nhóm chọn 11mm.

2.6 Xác định khoảng cách giữa 2 cảm biến

Khoảng cách giữ 2 cảm biến liên tiếp phải đảm bảo vùng hoạt động của mắt thu và nguồn phát hồng ngoại trên cùng một cảm biến không bị chồng chéo lên vùng hoạt động của cảm biến khác Ứng với chiều cao cảm biến đã chọn 11mm, vùng giao thoa của cảm biến được tính toán như sau:

Hình 4.9 Phạm vi quét của led thu và led phát của 2 cảm biến liền kề nhau Dựa theo mô hình trên, khoảng cách giữa các cảm biến phải lớn hơn 7,99mm.

Thực nghiệm với 7 cảm biến Thay đổi khoảng cách các cảm biến lần lượt các giá trị từ 8 đến 20mm và di chuyển cảm biến qua lại đường line Từ thông số ADC trả về, nhóm nhận thấy khoảng cách giữa các cảm biến là 15mm thì thông số khá đẹp, độ lệch của giá trị hầu như ít xảy ra.

 Như vậy, khoảng cách thích hợp giữa các cảm biến được lựa chọn là 15mm.

Giá trị analog trả về của các cảm biến là khác nhau dù với cùng một điều kiện, vì vậy ta phải calib cảm biến theo công thức sau: y jo =y min + y max −y min x max,i −x min ,i (x ji −x min ,i ) xmax,i , xmin,i là giá trị lớn nhất và nhỏ nhất của cảm biến thứ i ứng với khi cảm biến nằm hoàn toàn trên nền đen và trên nền trắng ymax, ymin là giá trị lớn nhất và nhỏ nhất của tất cả các cảm biến mà ta đọc về. xij là giá trị thứ j của cảm biến thứ i yjo là giá trị thứ j của cảm biến thứ i sau khi đã calib.

2.8 Tìm vị trí của tâm đường line

Xác định tọa độ tâm đường line theo thuật toán trung bình trọng số

Hình 4.10 Thuật toán trung bình trọng số Với 7 cảm biến cách đều nhau 15mm lần lượt là : 𝑥0, 𝑥1, 𝑥2, 𝑥3, 𝑥4, 𝑥5, 𝑥6 và các giá trị analog đầu ra tương ứng là : 𝑦0, 𝑦1, 𝑦2, 𝑦3, 𝑦4, 𝑦5, 𝑦6 Vị trí đường line được tính theo công thức sau: x=∑ i=0

2.9 Thiết kế PCB mạch cảm biến

Sử dụng phần mềm Proteus thiết kế mạch PCB cảm biến

Hình 4.11 Mạch PCB cảm biến

Chương trình con xử lý cảm biến

Chương trình con xác định ngã rẽ

Xử lý sai số e1, e2, e3 Điều khiển động cơ

Lưu đồ giải thuật chương trình chính

THIẾT KẾ BỘ ĐIỀU KHIỂN

Giải thuật điều khiển

Nhận lần lượt tín hiệu analog từ dãy 7 cảm biến

Chương trình con xử lý cảm biến Điều khiển động cơ trái bằng PID Đọc encoder động cơ trái, phải

Tính vận tốc động cơ trái Điều khiển động cơ phải bằng PID Tính vận tốc động cơ phải

Chương trình con điều khiển động cơ

Tín hiệu cảm biến 0,6 và vitri=0

Tín hiệu cảm biến 0 và vitri=1 Chuyển hướng C D, vitri=2 Đúng

Tín hiệu cảm biến 6 và vitri=2 Chuyển hướng F A, vitri=3 Đúng

Chương trình con xác định ngã rẽ

Không có tín hiệu cảm biến và vitri=4 Dừng xe Đúng ĐỒ ÁN THIẾT KẾ HỆ THỐNG CƠ ĐIỆN TỬ

Thiết kế bộ điều khiển

2.1 Bộ điều khiển bám line

Theo mô hình toán tìm được, đặt điểm bám line C trùng với trung điểm M của trục bánh xe

Ta có phương trình trạng thái: X ´ = [ e e e ´ ´ ´ 1 2 3 ] = [ v v P P cose ω sin P e 3 3 ] + [ −1 0 0 − −1 e e 2 1 ] [ v ω M ]

Luật điều khiển: { ω=k v M 2 =v v P e P 2 cos+ω e P 3 +k + k 3 1 sin e 1 e 3 (k1, k2, k3≥0)

Kiểm tra tính ổn định theo tiêu chuẩn Lyapunov:

⇒ Hệ ổn định theo tiêu chuẩn Lyapunov

Sau đó, với vận tốc mong muốn vP= 500 (mm/s), ω P = 0 (rad/s), ta mô phỏng để tìm được bộ số k phù hợp.

So với mô phỏng, thực tế ta sẽ điều chỉnh lại bộ số k lân cận giá trị tìm được.

2.2 Bộ điều khiển cho động cơ

Mục tiêu: Dùng bộ điều khiển PID để điều khiển vận tốc 2 động cơ:

Thời gian xác lập: Ts ≤ 0,1 (s) Độ vọt lố: %OS ≤ 10%

Sai số xác lập: ec = 0,02

Nhóm dùng bộ điều khiển PID để điều khiển 2 động cơ Để dùng được bộ điều khiển này, mối quan hệ giữa xung PWM cấp cho driver và vận tốc của động cơ phải tuyến tính Từ kết quả thực nghiệm, ta thấy mối quan hệ này được đảm bảo theo yêu cầu.

Hình 5.1 Mối quan hệ giữa xung pwm cấp và tốc độ trả về của động cơ phải

Hình 5.2 Mối quan hệ giữa xung pwm cấp và tốc độ trả về của động cơ trái Để tìm bộ số K của bộ điều khiển, trước tiên ta khảo sát đáp ứng của động cơ khi chưa có bộ điều khiển:

Hình 5.3 Đáp ứng của động cơ bên trái khi chưa có bộ điều khiển

(pwmP%) Hình 5.4 Đáp ứng của động cơ bên trái khi chưa có bộ điều khiển (pwmP%)

Ta thấy đáp ứng của 2 động cơ là khác nhau, thời gian xác lập của cả 2 động cơ đều chưa đáp ứng được yêu cầu đặt ra.

Ta dùng công cụ PID Tuner của Matlab ta xác định được các bộ số K cho mỗi động cơ:

+131.7 Hình 5.5 Đáp ứng động cơ trái khi chưa có bộ điều khiển PID

Hệ số PID tìm được

Hình 5.6 Đáp ứng động cơ trái sau khi có bộ điều khiển PID

Hình 5.7 Đáp ứng động cơ phải khi chưa có bộ điều khiển PID

Hệ số PID tìm được

Hình 5.8 Đáp ứng động cơ phải sau khi có bộ điều khiển PID Thời gian xác lập khi có bộ điều khiển 0.04s thỏa yêu cầu đặt ra ban đầu Từ hệ số PI tìm được bằng mô phỏng là cơ sở để tìm hệ số PI trong thực tế xe hoạt động.

MÔ HÌNH HÓA VÀ MÔ PHỎNG

Mô hình động học của robot

Mô hình động học của mobile platform đã được giới thiệu nhiều trong các nghiên cứu Mô hình này bao gồm các điểm quan trọng: Điểm R: điểm tham chiếu cho robot; Điểm M: trung điểm của hai bánh chủ động; Điểm C: Điểm tracking của robot

Mô hình này được thể hiện trên Hình 6.1

Hình 6.1 Mô hình động học được sử dụng cho robot dò line Với: - M ( x, y): Trung điểm đoạn nối tâm hai bánh xe;

- I ( xI, yI): Tâm vận tốc tức thời của xe;

- C (xC, yC) : Tọa độ điểm bám line (Tracking Point);

- R (xR, yR): Tọa độ điểm mong muốn của điểm C trên đường line;

- v: Vận tốc dài của xe;

- : vận tốc góc của xe

Trong đó v và là vận tốc dài và vận tốc góc của xe

Phương trình động học tại điểm C:

Với d là khoảng cách từ M đến C Phương trình động học tại R:

Trong đó là vận tốc mong muốn của xe tại điểm tham chiếu.

Cách xác định vị trí của robot

Bộ điều khiển được thiết kế cho điểm tracking C để bám theo điểm tham chiều R với vận tốc mong muốn 𝑣𝑅 Sai số của hệ thống được xác định bởi:

{ ´ e 2 e ´ =−sinφ 1 =cosφ ( ( ´ x ´ x R R −´ − ´ x x C C ) ) − − ( ( x x R R −x − x C C ) ) dcosφ sinφ e ´ 3 = ´ φ φ+ ´ R φ+ ´ − ´ sinφ φ cosφ ( ´ y ( R ´ y − ´ R − ´ y C y ) C +cosφ ) − sinφ ( y ( R y − R − y C y ) ´ C φ ) ´ φ

{ ´ e ´ e 1 =v 2 =v R ( R cos (−cos φ R cosφ+sin φ R sinφ+ sinφ cosφ φ R sinφ ) −(cos2 )−[ dcos ´ e 3 φ =´ +sin 2 2φ+ φ R − ´ dsin2 φ φ) v+[−( φ +( x x R R −x −x C C ) ) cosφ+( sinφ +( y y R R − − y y C C ) ) sinφ cosφ] ´ ] ´ φ φ

Vậy ta được kết quả sau:

Từ đó ta tìm được mối quan hệ của vận tốc xe và vận tốc bánh trái và bánh phải:

Với: r: bán kính bánh xe trái và phải;

: vận tốc góc bánh xe trái;

: vận tốc góc bánh xe phải; b: khoảng cách giữa hai bánh xe.

Vậy phương trình động học của robot tại điểm M:

[ φ ´ x ´ ´ y ] = [ cosφ sinφ 0 0 0 1 ] [ ω v ] = [ cosφ sinφ 2b 2 2 1 cosφ sinφ −1 2 2 2 b ] [ r ω r ω r l ]

Bộ điều khiển Following tracking, tìm khoảng cách d và mô phỏng bám sa bàn 67 4 Xác định sai số trong mô phỏng

Hệ thống ổn định với bộ điều khiển bám line sau:

Ta sử dụng tiêu chuẩn kiểm tra độ ổn định Lyapunov:

Trong đó 𝑘1, 𝑘2, 𝑘3 là những giá trị dương Đạo hàm 𝑉 ta được:

2 (𝑘2 v R e 2 + ω R − 𝜔) Với phần tử: e 1 ( v R 𝑐𝑜𝑠 e 3− 𝑣), ta đặt: 𝑣= v R 𝑐𝑜𝑠 e 3+ 𝑘1 e 1

Với phần tử −𝑑 e 2𝜔, do tính chất điều khiển, nên e 2và 𝜔 luôn cùng dấu nhau nên

Từ điều trên ta có ta có:

−k 3 sin 2 e 3 k 2 ≤0,∀k 2 , k 3 ≥0 Vậy với bộ luật điều khiển:

Với các giá trị trên bộ điều khiển sẽ ổn định theo phương pháp 2 lí thuyết ổn định Lyapunov, và các giá trị e 1, e 2, e 3 sẽ tiến về 0 khi 𝑡 → ∞

4 Xác định sai số trong mô phỏng

Do hệ thống phototransistor chỉ xác định được sai số theo phương pháp tuyến với phương chuyển động của xe, mô hình động học của xe cần được giới thiệu lại với của xe Khi đó, ta có e 1= d Mô hình này được thể hiện trên Hình 6.2 Như vậy, để xác định được đầy đủ thông tin về vị trí của điểm tracking so với tham chiếu, sai số e2 và e3 cần được xác định

Hình 6.2 Mô hình động học được sử dụng cho robot dò line

Trên thực tế, e2 được xác định trực tiếp từ hệ thống sensor Đối với e 3, phương án xác định được đề xuất là cho robot di chuyển theo phương trước đó một đoạn ds đủ nhỏ để khi nối 2 điểm RR’ tạo thành tiếp tuyến của đường cong (Hình 5.3) Khi đó, sai số e 3 được xác định theo công thức: e 3 =arctan⁡(e 2 −e 2 ' d s )

Mô phỏng bộ điều khiển

Ta thực hiện quá trình mô phỏng xe bám line trên sa bàn với bảng thông số sau

Bảng 6.1 Bảng thông số khi mô phỏng Đại lượng Giá trị Đơn vị

Tốc độ góc lớn nhất của động cơ 140 rpm

Khoảng cách giữa 2 bánh xe 180 mm Đường kính bánh xe 65 mm

Thời gian di chuyển đoạn nhỏ (tìm e 2 ' ) 0.001 s

Với khoảng cách từ tâm cảm biến C đến tâm 2 bánh chủ động M được chọn là 70 mm Bên cạnh đó, giá trị e 2 phụ thuộc vào bộ số [k1 k2 k3] được chọn Tiến hành mô phỏng trên đoạn đường đua với các hệ số [k1 k2 k3] lần lượt là [1 50 1].

Hình 6.4 Kết quả mô phỏng bám line toàn sa bàn

Hình 6.5 Sai số bám line

Hình 6.6 Vận tốc hai bánh xe Sai số tối đa e2 khoảng 6 mm, vận tốc góc tối đa hai bánh khoảng 140rpm

Nhận xét kết quả mô phỏng:

- Vì mô phỏng tiến hành cộng liên tục một lượng sai số ngẫu nhiên nên đồ thị sai số lẫn vận tốc có dạng nhấp nhô và không mịn

- Sai số e2max = 6mm, thỏa mục tiêu bài toán emax = 10mm Sai số xuất hiện tại các vị trí thay đổi dạng đường line đột ngột, hay tại ngã giao trung tâm

- Sai số e2 tương đối ổn định trên các đoạn đường thẳng và thay đổi nhanh trên đoạn đường cong và tại ngã giao

- Vận tốc của hai bánh xe không vượt quá 140 v/ph phù hợp với khả năng tải của hai động cơ được tính chọn ban đầu và khoảng điều khiển được của chúng.

THỰC NGHIỆM VÀ KẾT LUẬN

- Điều kiện trong phòng, ánh sáng đèn huỳnh quang.

- Sa bàn line đen nền trắng, trải trên sàn bằng phẳng.

- Thông số bộ điều khiển

+ Thông số bộ điều khiển Following tracking: k1=1; k2 ; k3=1

+ Thông số bộ điều khiển PID vận tốc: Kp=0.15; Ki4

2 Kết quả thực nghiệm và nhận xét

Xe chạy hoàn thành sa bàn trong 44s với vận tốc trung bình 0,24m/s đáp ứng yêu cầu đề bài > 0,2m/s Tại các vị trí đặc biệt B, C, E, F, G xe có sai số lớn.

Hình 7.2 Xe bám line tại điểm CHình 7.3 Xe bám line tại điểm E

Hình 7.4 Xe bám line tại điểm F Hình 7.5 Xe bám line tại điểm G

Như vậy so với kết quả mô phỏng, kết quả bám line thực tế của robot có sai số

(CE, FG) sai số cũng giảm dần và ổn định Tại các điểm rẽ đột ngột (B, C, E, F, G) xe có sai số lớn.

Các lý do dẫn đến việc sai số này bao gồm:

- Sai số lắp đặt độ đồng trục của hai động cơ;

- Sai lệch tốc độ của hai động cơ;

- Sai số của hệ thống cảm biến do sự khác biệt giữa môi trường thí nghiệm và thực nghiệm;

- Sai số của hệ thống cảm biến do chiều cao gá đặt và độ song song với trục động cơ. Để khắc phục các sai số này, các giải pháp được đề ra bao gồm:

- Thực hiện thí nghiệm nhằm đánh giá sai số vận tốc của động cơ để có thể đưa vào mô phỏng;

- Thực hiện thí nghiệm để đánh giá ảnh hưởng của môi trường thực nghiệm lên giá trị đọc của hệ thống cảm biến để có thể thực hiện các biện pháp xử lý phù hợp

3 Kết luận và phát triển

+Việc làm nhóm với các bạn chưa được hiệu quả.

+ Việc lựa chọn phương án điều khiển tập trung gây khó khăn cho việc lập trình, nhóm phải tìm hiểu lại việc lập trình và tốn nhiều thời gian sửa chữa lỗi.

+ Lựa chọn thuật toán xấp xỉ khiến cho việc thực nghiệm mất nhiều thời gian vì phải tìm ra được hệ số PID phù hợp và calib giá trị cảm biến.

+ Vẫn chưa thực sự tìm ra các hệ số hoàn hảo để xe đạt được vận tốc và sai số đặt ra.

+ Lựa chọn tự thiết kế mạch cảm biến buộc thành viên nhóm phải tự học thêm về thiết kế và làm mạch điện, tốn nhiều thời gian và mạch dễ bị hư do mối hàn không tốt và va đạp khi di chuyển và bị nhiễu khá nhiều.

+ Lần đầu tiếp xúc với việc làm robot nên các vấn đề hư hỏng linh kiện nhóm phải tốn thời gian tìm hiểu và khắc phục vấn đề.

+ Khả năng lập trình và sử dụng tốt vi điều khiển PIC18F4550.

+ Biết sử dụng tốt các linh kiện điện tử như: driver, giảm áp, vi điều khiển, pin, cảm biến,… tránh gây hư hỏng đáng tiếc.

+ Biết tự thiết kế và làm mạch điện.

+ Biết đi cắt mica cũng như gia công trên một số máy cơ khí.

+ Cách đặt ra mục tiêu theo khả năng của nhóm cũng như vật tư hiện có.

3.2 Hướng phát triển đề tài

- Cải tiến xe với vận tốc nhanh hơn, tải trọng lớn hơn, bám line với sai số nhỏ hơn.

- Hạn chế nhiễu do môi trường bên ngoài tác động đến cảm biến như: nhiễu từ ánh sáng mặt trời, bề mặt sa bàn.

- Kết hợp xe dò line với tránh vật cản để có thể tránh những vật xuất hiện trên đường line không mong muốn.

Tiêu đề	Đồ Án Thiết Kế Hệ Thống Cơ Điện Tử
Người hướng dẫn	Thầy Nguyễn Minh Tuấn
Trường học	Trường Đại Học Bách Khoa Đại Học Quốc Gia TP. Hồ Chí Minh
Chuyên ngành	Cơ Điện Tử
Thể loại	Đồ án
Thành phố	TP. Hồ Chí Minh

Định dạng
Số trang	89
Dung lượng	6,88 MB