Đồ án 3 đề tài thiết kế, chế tạo robot tự hành bám quỹ đạo

  TRƯỜNG ĐẠI HỌC VINH VIỆN KỸ THUẬT VÀ CÔNG NGHỆ ĐỒ ÁN ĐỀ TÀI: THIẾT KẾ, CHẾ TẠO ROBOT TỰ HÀNH BÁM QUỸ ĐẠO Giảng viên hướng dẫn: ThS Hồ Sĩ Phương Thành viên nhóm: Nguyễn Tiến Mạnh   Trương Quang Linh  Nguyễn Xuân Đạt Lê Đăng Dụng Trần Anh Khang Lớp: 59K-KTĐK TĐH  Nghệ An, 2022   LỜI CẢM ƠN   Chúng em xin chân thành cảm ơn quý thầy môn ngành kỹ thật điều khiển tự động hóa thời gian qua truyền đạt trang bị chúng em đầy đủ kiến thức để thực tốt đề tài tốt nghiệp   Trong q trình học tập hồn thành đồ án, chúng em lĩnh hội nhiều kiến thức, nhận nhiều quan tâm giúp đỡ thầy Th.S Hồ Sĩ  Phương thầy nghành kĩ thuật điều khiển tự động hóa   Bên cạnh chúng em thu thập phát triển thêm nhiều kiến thức bổ ích cho nghiệp tương lai, gặp gỡ thầy giỏi tâm huyết người bạn đáng quý   Mặc dù cố gắng để thực tập lớn cách tốt Song hạn chế kiến thức chuyên môn kinh nghiệm thực tế nên khơng tránh khỏi thiếu sót Vì chúng em mong góp ý quý thầy cô bạn để đề tài hoàn chỉnh     Chúng em xin chân thành cảm ơn! TP Vinh, ngày tháng năm 2023  Nhóm sinh viên thực   MỤC LỤC TÓM TẮT ĐỀ TÀI   CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN 1.1 TỔNG QUAN VỀ XE TỰ HÀNH : 1.1.1 giới thiệu: Thuật ngữ Robot xuất lần vào năm 1922 tác phẩm “Rossum’s Universal Robot” Karel Capek Trong tác phẩm nhân vật Rossum trai tạo máy giống người để phục vụ cho người MobileRobot loại máy tự động có khả di chuyển số môi trường định Mobile Robot nhà nghiên cứu trọng trường đại học lớn có phịng thí nghiệm để tập trung nghiêng cứu loại Robot Chúng sử dụng ngành công nghiệp, quân sinh hoạt…, sing hoạt có Robot hút bụi, lau nhà hay cắt cỏ… 1.1.2 lịch sử phát triển: Hình dạng Robot xuất nước Hoa Kỳ, loại tay máy chép hình dung phịng thí nghiệm vật liệu phóng xạ Vào năm 50 kỷ trước, bên cạnh loại tay máy chép hình khí, loại tay máy chép hình thủy lực điện tử xuất Tuy nhiên, tay máy thương mại có chung nhược điểm thiếu di động, tay máy hoạt động hạn chế quanh vị trí Ngược lại, Mobile Robot lại Robot di động di chuyển từ không gian đến không gian khác cách độc lập hay điều khiển từ xa, tạo khơng gian hoạt động lớn Từ năm 1939 đến năm 1945: Trong chiến giới lần thứ II, Robot di động xuất Nó kết thành tựu cơng nghệ lĩnh vực nghiên cứu có liên quan khoa học máy tính   điều khiển học, hầu hết chúng bom bay, ví dụ  bom nổ dãy mục tiêu định, sử dụng hệ thống hướng dẫn vad radađiều khiển Tên lửa v v có “ phi cơng tự động” hệ thống phát nổ, chúng tiền thân đầu đạn hạt nhân tự điều khiển đại   Từ năm 1948 đến 1948: W.Gray Walter tạo nên Elmer Elsie, hai Robot trông giống đồi mồi.Về mặc hành chính, chúng gọi Machina Speculatrix Robot hoạt động môi trường chim đồi mồi Elmer Elsie trang bị cảm biến sáng Nếu chúng nhận nguồn sáng, chúng di chuyển phía nguồn sáng Chúng tránh chuyển chướng ngại đường di chuyển Những Robot chứng cử phức tạp phát sinh từ thiết kế đơn giản Elmer Elsie thiết kế tương đương hai tế bào thần kinh Từ năm 1961 đến 1963: Trường đại học Johns Hopkins phát triển “Beast” Beast sử dụng hệ thống định vị di chuyển xung quanh Khi pin yếu tự tìm ổ cắm điện cắm vào  Năm 1969: Mowbot Robot cắt bãi cỏ cách tự động The Stanford Cart line follower Robot di động di chuyển thơng qua nhận dạng đường kẻ trắng, sử dụng camera để nhìn Nó bao gồm “kênh truyền thanh” gắn với hệ thống máy tính lớn để tạo tính tốn  Năm 1970: Cùng thời điểm 1969-1972, viện nghiên cứu Stanford xây dựng nghiên cứu Shakey Shakey có camera, dãy kính gắm,  bộ cảm biến truyền Shakey Robot lý giải chuyển động Điều có nghĩa Shakey đưa nhiều mệnh lệnh chung và Robot tính tốn bước cần thiết để hoàn thiện nhiệm vụ giao    Năm 1976: chương trình Vikiry, tổ chức NASA phóng hai tàu vũ trụ khơng người lái lên hỏa  Năm 1977: Bộ phim “Chiến tranh sao” phần I, A new Hope mơ tả R2D2, Robot di động hoạt động độc lập C3P0, robot hình người Họ khiến công chúng biết đến Robot  Năm 1980: Thị hiếu người tiêu dùng Robot tăng, robot bày bán mua để sử dụng nhà Ví dụ RB5X tồn tới ngày loạt mẫu robot HERO Robot The Stanford Cart phát triển mạnh, lái tàu biển vượt qua trở ngại tạo lên đồ nơi qua  Năm 1989: Mark Tinden phát minh BEAM robotics  Năm 1990: Cha đẻ rôbốt công nghiệp Joseph Engelberger làm việc với đồng nghiệp phát minh rôbốt tự động ngành y tế bán Helpmate Sở an ninh Mỹ gây quỹ cho dự án MDARS-I dựa vào robot bảo vệ nhà Cybermotion Năm 1993-1994: Dante-I Dante-II  phát triển trường đại học Carnegie Mellon, hai Robot dung để thám hiểm núi lửa hoạt động Năm 1995: Robot di động lập trình Pioneer (người tiên phong) bán sẵn mức giá chấp nhận được, điều dẫn tới gia tăng rộng rãi nghiên cứu Robot trường đại học nghiên cứu Robottrong suốt thập sau Robot di động trở thành  phần khơng thể thiếu chương trình giảng dạy trường đại học Năm 1996-1997: NASA phóng tàu Mars Pathfinder có Robot Rover Sojourner lên Hoả The Rover thám hiểm bề mặt hoả điều khiển từ mặt đất Sojourner trang bị với hệ thống tránh rủi cao Hệ thống làm cho Sojourner tìm thấy đường cách độc lập địa hình Hoả Năm 1999: Sony giới thiệu Aibo, rôbốt có khả lại, quan sát tác động qua lại tới môi trường Robot điều khiển từ xa dùng cho quân PackBot giới thiệu Năm 2001: Dự án Swaim-Bots,   Swaim-Bots giống bầy côn trùng khởi động Chúng bao gồm số lượng lớn Robot đơn lẻ, tác động lẫn thực nhiệm vụ phức tạp Năm 2002: Roomaba, robot di động dung gia đình, thực cơng việc lau nhà xuất Tiếp tục phát triển có nhiều loại Robot phục vụ cho người dần xuất ngày thân thiện Năm 2004: Robosapien, rôbốt đồ chơi, thiết kế Mark Tilden bán sẵn Trong dự án “The Centibots Project” 100 Robot làm việc với để tạo lên đồ cho vùng khơng xác định tìm vật thểtrong mơi trường Trong thi DARPA Grand Challenge, Robot tự động tranh tài sa mạc Năm 2006: Sony dừng việc sản xuất Aibo Helpmate PatrolBot trở  lên phổ biến Robot di động tiếp tục cạnh tranh để trở thành mặt hàng độc quyền Sở an ninh Mỹ bỏ dự án MDARS-I, lại gây quỹ cho dự án MDARS-E loại Robot an ninh tự động khác TALON-Sword, loạiRobot tự động dùng để bán sẵn với dàn phóng lựu đạn lựa chọn vũ khí hợp thành khác đời Asimo Honda biết cách chạy leo cầu thang với hai chân người Năm 2007: Hệ thống KiVa, Robot thông minh tăng nhanh số lượng quy trình phân phối, Robot thông minh phân loại theo mức độ phổ biến nội dung chúng Robot Tug trở thành phương tiện phổ biến bệnh viện dùng để vận chuyển đồ kho từ nơi sang nơi khác ARCSinside Speci-Minder  mang máu vật mẫu từ trạm y tá tới phòng xét nghiệm Seekur, Robot dịch vụ dùng ngồi trời với mục đích phi quân kéo xe qua bãi đậu xe, lái cách độc lập (tự động) vào nhà bắt đầu học cách lái Trong đó, PatrolBot học cách theo sau người cửa mà mở đóng lại 1.2 Tìm hiểu cảm biến     Có loại cảm biến thường dùng robot dò line: Camera, cảm biến quang điện trở cảm biến hồng ngoại 1.2.1 Camera   Camera dùng để ghi lại hình ảnh đường line, sau xử lý đưa thơng tin sai lệch vị trí tương đối line so với xe Phương pháp cho độ xác cao, nhiên tốc độ xử lý ảnh cần nhiều thời gian, làm hạn chế tốc độ xe, nên không phù hợp với xe đua 1.2.2 Cảm biến quang điện trở cảm biến hồng ngoại Cảm biến quang điện trở có điện trở thay đổi ánh sáng thay đổi Trong  bóng tối giá trị điện trở cao, chiếu sáng giá trị điện trở giảm mạnh Hình 1.1: Nguyên lý hoạt động quang điện trở    Hai phương pháp sử dụng cảm biến quang điện trở cảm biến hồng ngoại có nguyên tắc hoạt động tương tự nhau, gồm nguồn phát ánh sáng phản xạ xuống đất nguồn thu ánh sáng phản xạ từ xử lí tín hiệu đưa vị trí xe so   với line Tuy nhiên cảm biến hồng ngoại ứng dụng nhiều thời gian đáp ứng nhanh 1.3 Tìm hiểu cách xử lí tín hiệu cảm biến 1.3.1 Sử dụng giải thuật so sánh Sử dụng mạch lấy ngưỡng giải thuật lọc ngưỡng lập trình để chuyển tín hiệu điện áp đọc từ cảm biến thành mức cao mức thấp, từ suy vị trí xe so với đường line 1.3.2 Sử dụng giải thuật xấp xỉ Các giá trị đọc qua phép xấp xỉ để tìm vị trí đường line Phương  pháp cho sai số phát line nhỏ, tới 2.6mm Cơng thức xấp xỉ: n  x  y ∑ = i  x = i n  y ∑ = i i i   Hình 1.2:Tìm vị trí trung tâm line giải thuật xấp xỉ 1.4 Tìm hiểu cấu trúc điều khiển 1.4.1 Cấu trúc điều khiển phân cấp Mạch điều khiển phân cấp sử dụng nhiều vi điều khiển, vi điều khiển đảm nhận chức riêng Nhờ có chuyên biệt hóa, vi điều khiển đảm nhận công việc giúp việc kiểm tra lỗi chương trình dễ dàng, chức thực đồng thời, không cần phải đợi bỏ qua tác vụ ngắt Tuy nhiên cấu trúc phần cứng phức tạp cần đảm bảo tín hiệu giao tiếp vi điều khiển tuyệt đối xác, khơng bị nhiễu   Hình 2.3 module buletooth HC-06 Thơng số kĩ thuật  Điện áp hoạt động: 3V-5V DC  Dòng điện tiêu thụ: 20-30 mA   Nhiệt độ hoạt động: -20 75° C   Sử dụng chíp: CSR Blutetooth V2.0  Cấu hình Slave mặc định, khơng thay đổi  Hỗ trợ tốc độ band: 200, 2400, 4800, 9600, 19200, 38400  Kích thước: 28x15x2,35mm  Giao tiếp: UART  Tốc độ Bất đồng bộ: 2,1Mbps/160kbps Đồng bộ: 1Mbps/1Mbps 2.3 Lựa chọn điều khiển Bộ điều khiển bám line theo tiêu chuẩn Lyapunov Bộ điều khiển sử dụng arudino mega 2560 chíp chíp dán   2.4 Lựa chọn động điều khiển động cơ    Bộ điều khiển động sử dụng module điều khiển động L298N Hình 2.3 module điều khiển ĐC L298N Động Motor 12-24V 150W 7000rpm motor có trục vát, dùng làm máy bơm nước, quạt gió, motor xe điện,… Hình 2.4 Động motor  THÔNG SỐ KỸ THUẬT:       Điện áp định mức: 12-24V Công suất: 100-150W Dịng khơng tải: 1.1A Dịng điện làm việc: 4-10A Tốc độ: 3500-7000 vòng/phút  Nhiệt độ làm việc: 0, h ln khả nghịch Kết hợp (22) (29), ta có: −1 yă =h m ( b )+ f (30) Ta chọn luật điều khiển: τ = b ˙η ω + mh ( fyă desired KDe +Kp e ) (31)   Trong đó, e = y − y desired  , K  p , K  D  là ma trận xác định dương Sơ đồ khối hệ thống điều khiển mô tả hình     u cầu cảu tốn điều khiển điểm P (hình 2) phải bám tiểm cẩn theo điểm D với sai lệch bám tiến không Do vậy, ta chọn  y desired =[ C , ] T    Thay (31) vào (30), ta c: eă +KDe +Kp e =0 (32) T phương trình động lực học sai lệch này, sai lệch e tiến tiệm cận Tức  y → C ;  y → 2.8 Thiết kế trục quỹ đạo di chuyển   Sau nhận số liệu đầu vào tương ứng với quỹ đạo đặt, hệ thống điều khiển phải điều khiển robot theo quỹ đạo đặt Vấn đề điều khiển robot nói chung phức tạp, ngồi việc đảm bảo thực quỹ đạo cách xác, cịn phải tương tác với đối tượng cộng tác, địa hình di chuyển Khả động giúp robot có nhiều ứng dụng đồng thời đòi hỏi phải giải nhiều vấn đề mới, cần tập trung nghiên cứu, phát triển nhằm tăng cường thích nghi thơng minh robot Những vấn đề nghiên cứu nhiều tác giả giới quan tâm lĩnh vực robot tự hành điều khiển thích nghi robot bám theo quỹ đạo đặt trước mong muốn đặc biệt robot có tham số thay đổi có nhiễu ( nhiễu ma sát, nhiễu sai lệch mơ hình, nhiễu ngoại sinh ) tác động   Dạng robot tiểu luận thuộc loại hệ thống học non- holonomic Đã có nhiều kết nghiên cứu hệ thống hệ thống điều khiển robot tư hành đảm bảo quỹ đạo đươc công bố thập niên trước [49, 50, 57,], số cơng trình nghiên cứu điều khiển bám sử dụng trực tiếp hàm điều khiển lyapunov [44,49,50], số khác sử dụng điều khiển phản hồi trạng thái [51], phần lớn giải pháp thiết kế dựa tảng mơ hình động học xác định [50,59] Gần đây, phương pháp thích nghi sử dụng để điều khiển tự hành non-holonomic thực chất hệ thống hệ  bất định nhiễu tác động Các nghiên cứu theo hướng tập trung   phương pháp dựa điều khiển trượt (SMC-Sliding Mode Control) hay gọi điều khiển có cấu trúc thay đổi (VSS-Variable Structure System), hàm điều khiển thích nghi Lyapunov [51,53,58,62,63,64], sử dụng kỹ thuật backstepping kết hợp với xấp xỉ vạn sử dụng hệ logic mờ mạng neural [63,66], số phương pháp phát triển theo hướng điều khiển thích nghi theo mơ hình mẫu [60]   Trong mục trình bày theo số phương pháp điều khiển cơng bố, phân tích ưu nhược điểm để từ rút điểm hạn chế cần khắc phục nhằm mục đích thiết kế điều khiển thích nghi thích hợp cho luận án Sơ đồ cấu trúc hệ thống điều khiển Hình 1: Sơ đồ cấu trúc hệ thống điều khiển Quỹ đạo đặt trước Bộ điều khiển cho mơ hình động học Bộ điều khiển cho mơ hình động lực học Đối tượng robot di động x v Các cảm biến tốc độ cảm biến tọa độ w   CHƯƠNG 3: THIẾT MƠ HÌNH VÀ LẬP TRÌNH CHO XE ĐIỀU KHIỂN BÁNH TỰ HÀNH 3.1 THIẾT MƠ HÌNH ƠTƠ 3.1.1 Tổng quan chung phần mềm autocad 3.1.2 Thiết kế cấu trúc ôtô bánh tự hành   Hình 2.3: Mặt robot Hình 2.4: Mặt robot   Hình 2.5:Mơ hình tổng qt robot 3.2: lập trình cho arduino mega 2650: Chương trình robot viết ngôn ngữ c/c++ 2.2: KCD4 mobile robot code: CHƯƠNG 4: KẾT LUẬN Kết đạt được: 1.1 Về mặt lý thuyết: 1.2 Về mặt thực nghiệm: Hạn chế: Hướng phát triển:   TÀI LIỆU THAM KHẢO Tài liệu tiếng việt [1] Nguyễn Doãn Phước, “Lý thuyết điều khiển tuyến tính” , NXB Khoa học Kỹ thuật, 2002 [2] Nguyễn Doãn Phước,Phan Xuân Minh, Hán Thành Trung, “Lý thuyết điều khiển phi tuyến”, nhà xuất khoa học kỹ thuật, 2003 [3] Lê Hoài Quốc, Chung Tấn Lâm, “Nhập môn robot công nghiệp”, NXB Khoa học kỹ thuật, 2002 [4] Đào Văn Hiệp, “Kỹ thuật Robot”, Nhà xuất kỹ thuật 2003 [5] Bạch Hoàng Giang, “Xây dựng Bobot tránh vật cản”, Đồ án tốt nghiệp đại học công nghệ, 2005 [6] Nguyễn Anh Kiệt, Nguyễn Minh Trung, Luận văn tốt nghiệp “Nhận dạng  bám đối tượng hai camera số”, PFIEV Bộ môn Cơ điện tử, Trường Đại học Bách Khoa Hồ Chí Minh, 2004   Tài liệu nước ngoài: [7] Georges ASCH et al., Acquisition de données du capteur l’ordinateur, DUNOD, 1999, p 330 [8] Max GIODANO et Jaques LOTTIN, Cours de Robotique – Description et fonctionnement des robots industriels, Armand Colin Éditeur, 1990, p 68,69,82,83 [9] Philippe de LARMINAT, Automatique commande des systèmes linéaires (2e edition revue et augmentée), HERMES Science Éditeur, 2000, p 167- 211 [10] William D.STANLEY, Bộ khuyếch đại xử lý IC tuyến tính, Nhà xuất  bản khoa học kỹ thuật, 1990, p 143 [11]  [] Tài liệu Website ... tượng robot di động x v Các cảm biến tốc độ cảm biến tọa độ w   CHƯƠNG 3: THIẾT MƠ HÌNH VÀ LẬP TRÌNH CHO XE ĐIỀU KHIỂN BÁNH TỰ HÀNH 3. 1 THIẾT MƠ HÌNH ƠTƠ 3. 1.1 Tổng quan chung phần mềm autocad 3. 1.2... autocad 3. 1.2 Thiết kế cấu trúc ơtơ bánh tự hành   Hình 2 .3: Mặt robot Hình 2.4: Mặt robot   Hình 2.5:Mơ hình tổng qt robot 3. 2: lập trình cho arduino mega 2650: Chương trình robot viết ngôn... θ  (3) Trong đó, η là độ trượt ngang robot di động V Bánh trái M Phần cứng robot di động Bánh  phải   Hình 2.1: robot bánh xe có trượt ngang Mơ dình động lực học robot di động Động thân Robot