(Đồ án hcmute) điều khiển xe sử dụng kit myrio

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT TP.HCM KHOA ĐÀO TẠO CHẤT LƯỢNG CAO KHĨA LUẬN TỐT NGHIỆP NGÀNH CƠNG NGHỆ KỸ THUẬT MÁY TÍNH ĐIỀU KHIỂN XE SỬ DỤNG KIT MYRIO GVHD: ThS NGUYỄN NGÔ LÂM SVTH: NGUYỄN THANH BẢO MSSV: 11119155 SVTH: NGUYỄN ĐÌNH HỒNG MSSV: 11119064 SKL 0 Tp Hồ Chí Minh, tháng 7/2015 an TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH KHOA ĐÀO TẠO CHẤT LƯỢNG CAO ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP ĐIỀU KHIỂN XE SỬ DỤNG KIT NI MYRIO SVTH : NGUYỄN THANH BẢO MSSV: 11119155 NGUYỄN ĐÌNH HỒNG MSSV: 11119064 Khóa : 2011 – 2015 Ngành : Cơngnghệkỹthuậtmáytính GVHD: ThS.NGUYỄN NGƠ LÂM Tp HồChí Minh, tháng 07 năm 2015 an LỜI CẢM ƠN Lời đầu tiên, nhóm sinh viên thực đề tàixin đƣợc phép chân thành gửi lời cảm ơn đến thầy Nguyễn Ngô Lâm, giáo viên hƣớng dẫn đề tài định hƣớng trao đổi kinh nghiệm quý báu để nhóm thực đề tài hoàn thành nội dung đề tài cách hoàn chỉnh nhất, nhƣ tạo điều kiện thuận lợi từ sở vật chất, không gian nghiên cứu góp ý quý báu cho nhóm để nhóm thực đề tài thực hồn thành tốt đề tài Nhóm thực đề tài cũngxin trân trọng cảm ơn thầy(cô) trƣờng Đại Học Sƣ Phạm Kỹ Thuật TP HCM nói chung thầy(cơ) khoa Điện – Điện Tử nói riêng tận tình truyền đạt kiến thức tảng để từ đónhóm thực đề tài có kỹ để phát triển, hoàn thành đề tài nghiên cứu cho riêng Cũng xin gửi lời cảm ơn đến gia đình, bạn sinh viên lớp trao đổi, góp ý tạo điều kiện thuận lợi mặt vật chất tinh thần để nhóm sinh viên thực đề tài hoàn thành cách tốt đẹp thời gian Mặc dù có nhiều cố gắng nỗ lực thực hiện, nhƣng kiến thức nhƣ khả thân nhiều hạn chế nên trình thực đề tài khơng thể tránh khỏi sai phạm, thiếu sót…Rất mong nhận đƣợc góp ý, dẫn từ hội đồng bảo vệ, quý thầy cô bạn sinh viên Giáo viên hƣớng dẫn Nhóm thực đề tài Nguyễn Ngơ Lâm Nguyễn Thanh Bảo Nguyễn Đình Hồng v an MỤC LỤC LỜI CẢM ƠN v MỤC LỤC v DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT ix DANH MỤC BẢNG x DANH MỤC HÌNH x TÓM TẮT xiii CHƢƠNG 1: TỔNG QUAN 1.1 Tình hình nghiên cứu 1.2 Tính cấp thiết đề tài 1.3 Mục tiêu nghiên cứu 1.4 Nhiệm vụ nghiên cứu 1.5 Đối tƣợng phạm vi nghiên cứu 1.6 Phƣơng pháp nghiên cứu 1.7 Bố cục đồ án CHƢƠNG 2: PHẦN MỀM LẬP TRÌNH LABVIEW 2.1 Phần mềm lập trình Labview 2.1.1 Giới thiệu 2.1.2 Ứng dụng Labview 2.1.3 Cách sử dụng phần mềm Labview 2.1.4 Giao tiếp kit NI myRio với phần mềm Labview PC 11 2.2 Phần mềm tạo giao diện máy tính bảng (Data Dashboard iOS) 13 CHƢƠNG 3: KIT MYRIO VÀ CÁC LINH KIỆN 14 3.1 Kit Nation Instruments myRio 1900 14 3.1.1 Giới thiệu 14 3.1.2 Thông số kỹ thuật 15 3.1.3 Các chuẩn giao tiếp 29 vi an 3.2 Mạch cầu H L298 38 3.2.1 Giới thiệu chung 38 3.2.2 Tóm tắt chức năng: 39 3.2.3 Thông số kỹ thuật 39 3.2.4 Sơ đồ mạch nguyên lý 40 3.2.5 Kết nối Labview 40 3.3 Động DC 41 3.4 Servo 42 3.4.1 Giới thiệu 42 3.4.2 Cấu tạo 43 3.4.3 Nguyên lý hoạt động 44 3.5 IR Range Finder 45 3.5.1 Giới thiệu 45 3.5.2 Thông số kỹ thuật 46 3.5.3 Nguyên lý hoạt động 46 CHƢƠNG 4: THIẾT KẾ HỆ THỐNG 49 4.1 Sơ đồ khối hệ thống 49 4.1.1 Yêu cầu hệ thống 49 4.1.2 Sơ đồ khối chức hệ thống 49 4.1.3 Hoạt động hệ thống 50 4.2 Thiết kế, tính tốn hệ thống 50 4.2.1 Khối nguồn hệ thống 50 4.2.2 Khối servo GWS S03N 51 4.2.3 Khối cảm biến Sharp GP2Y0A21 52 4.2.4 Khối điều khiển động DC 53 4.2.5 Khối xử lý trung tâm 54 4.2.6 Sơ đồ nguyên lý hệ thống 55 vii an 4.2.7 4.3 Lƣu đồ giải thuật hệ thống 56 Giao tiếp với máy tính bảng iPad 57 4.3.1 Yêu cầu 57 4.3.2 Lƣu đồ giải thuật 57 4.3.3 Phần mềm NI Data Dashboard iOS 59 CHƢƠNG 5: KẾT QUẢ VÀ NHẬN XÉT 61 5.1 Kết nhận xét 61 5.1.1 Phần cứng 61 5.1.2 Phần mềm 63 5.2 Kết thực nghiệm 63 5.2.1 Chế độ tay 63 5.2.2 Chế độ tự động 64 5.3 Phân tích kết 64 CHƢƠNG 6: KẾT LUẬN VÀ HƢỚNG PHÁT TRIỂN 65 6.1 Kết luận 65 6.2 Đánh giá 65 6.3.1 Ƣu điểm 65 6.3.2 Khuyết điểm 65 6.3 Hƣớng ứng dụng phát triển 65 PHỤ LỤC 66 Phụ lục A: Hƣớng dẫn sử dụng 66 Phụ lục B: Code chƣơng trình 69 TÀI LIỆU THAM KHẢO 74 viii an DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT Chữ viết tắt Cụm từ giải thích ADC Analog Digital Convert ARM Advanced RISC Machine AI Analog Input DIO Digital Input Output FPGA Field programmable Gate Array GND Ground GPIB General-Purpose Interface Bus I2C Inter-Integrated Circuit IC Integrated Circuit IDE Integrated Development Environment IR InfraRed sensor LCD Liquid Crystal Display LED Light Emitting Diode MXP myRio Expansion Port MSP Mini System Port NI Nation Instrument LabVIEW Laboratory Virtual Instrumentation Engineering Workbench PC personal compute PCI Peripheral Component Interconnect PWM Pulse Width Modulation TCP/IP Transmission Control Protocol / Internet Protocol UART Universal Asynchronous Receiver Transmitter USB Universal Serial Bus ix an DANH MỤC BẢNG Bảng 3.1: Bảng mô tả tín hiệu kênh kết nối MXP A MXP B 16 Bảng 3.2: Bảng mơ tả tín hiệu kết nối MSP C 18 Bảng 3.3: Các chế độ truyền thông giao thức SPI 35 Bảng 5.1: Thông số xe 62 DANH MỤC HÌNH Hình 2.1: Labview khởi động Hình 2.2: Icon labview 2014 Hình 2.3: Cửa sổ giao diện Labview khởi động Hình 2.4: Front Panel Block Diagram Hình 2.5: Control Indicator Front Panel Hình 2.6: Các hàm Block Diagram Hình 2.7: Click Run để chạy chƣơng trình Hình 2.8: Lƣu file Hình 2.9: Các lựa chọn lƣu file Save As 10 Hình 2.10: Giao diện cửa sổ NI MAX 11 Hình 2.11: Các bƣớc thiết lập IP cho kit NI myRio 12 Hình 2.12: Gán địa kit myRio phần mềm Labview 12 Hình 2.13: Giao diện ứng dụng NI Data Dashboard 13 Hình 3.1: Kit Nation Instruments myRio 1900 14 Hình 3.2: Mặt nhìn từ bên kit myRio 15 x an Hình 3.3: Mặt nhìn từ bên dƣới kit myRio 15 Hình 3.4: NI myRIO MXP A MXP B 16 Hình 3.5: NI myRIO MSP C, Audio I/O 17 Hình 3.6: Board mở rộng MXP Breadboard 18 Hình 3.7: Sơ đồ khối tổng quát kit NI myRio 19 Hình 3.8:Mạch điện thể analog input myRio 20 Hình 3.9: Mạch điện thể analog output NI myRio 21 Hình 3.10: Line DIO Kết nối MXP A B 22 Hình 3.11: Line DIO Kết nối MXP A B 22 Hình 3.12: Line DIO Kết nối MSP C 23 Hình 3.13: Giản đồ thời gian SPI Mode 35 Hình 3.14: Giản đồ thời gian SPI Mode 36 Hình 3.15: Giản đồ thời gian SPI Mode 36 Hình 3.16: Giản đồ thời gian SPI Mode 37 Hình 3.17: Mạch cầu H 39 Hình 3.18: Sơ đồ nguyên lý mạch cầu H 40 Hình 3.19: SubVi điều khiển động chạy tiến, lùi 41 Hình 3.20: Kết nối động DC 12V với mạch cầu H 42 Hình 3.21: Servo GWS S03N STD 42 Hình 3.22: Cấu tạo bên servo 43 Hình 3.23: Các chân tín hiệu servo 43 Hình 3.24: Kết nối servo với kit myRio 44 Hình 3.25: Nguyên lý hoạt động servo 45 Hình 3.26: Hình thể độ rộng xung thay đổi theo góc quay 45 Hình 3.27: IR Range Finder 46 Hình 3.28: Hình mơ cách tính khoảng cách IR sensor 47 Hình 3.29: Sơ đồ kết nối chân 48 xi an Hình 4.1: Sơ đồ khối hệ thống 49 Hình 4.2: Acquy 12V – 1.2A 51 Hình 4.3: Sơ đồ kết nối khối Servo 52 Hình 4.4: Sơ đồ kết nối khối cảm biến 53 Hình 4.5: Sơ đồ kết nối mạch cầu H – L298 54 Hình 4.6: Lƣu đồ giải thuật hệ thống 56 Hình 4.7: Lƣu đồ giải thuật máy tính bảng iPad 58 Hình 4.8: Giao diện điều khiển xe phần mềm NI Data Dashboard 60 Hình 5.1: Xe điều khiển dùng kit myRio 62 Hình 5.2: Góc quẹo tối đa xe 63 Hình 5.3: Bật wifi nút nhấn kit 66 Hình 4: Kết nối tới mạng wifi “myRIO test” 67 Hình 5.5: Nhấn RUN để chạy ứng dụng 68 xii an 4.3 Giao tiếp với máy tính bảng iPad 4.3.1 Yêu cầu Sử dụng kết nối wifi có sẵn kit NI myRio giao tiếp với thiết bị cầm tay chạy hệ điều hành Android, iOS WindowPhone, sau thiết kế giao diện điều khiển xe thiết bị cầm tay Có nhiều cách khác để tạo giao diện điều khiển thiết bị cầm tay, ví dụ nhƣ lập trình ứng dụng Xcode với Objective C cho thiết bị iOS, hay dùng ngơn ngữ Java lập trình cho Android Tuy nhiên, việc phải học ngơn ngữ lập trình nhƣ làm quen với để tạo phần mềm khó khăn cần có thời gian dài Vì vậy, nhóm định lựa chọn sử dụng phần mềm NI Data Dashboard để giao tiếp với kit myRio điều khiển xe Đây phần mềm đƣợc NI viết để giao tiếp thiết bị cầm tay với Labview, phần mềm có hệ điều hành lớn Android, iOS Window Phone Tuy nhiên, nhóm chọn dùng iOS với thiết bị máy tính bảng iPad thiết bị mà nhóm có sẵn 4.3.2 Lƣu đồ giải thuật (xem trang kế tiếp) 57 an Hình 4.7: Lưu đồ giải thuật máy tính bảng iPad 58 an 4.3.3 Phần mềm NI Data Dashboard iOS Có nhiều cách khác để tạo giao diện điều khiển thiết bị cầm tay, ví dụ nhƣ lập trình ứng dụng Xcode với Objective C cho thiết bị iOS, hay dùng ngơn ngữ Java lập trình cho Android Tuy nhiên, việc phải học ngơn ngữ lập trình nhƣ làm quen với để tạo phần mềm khó khăn cần có thời gian dài Vì vậy, nhóm định lựa chọn sử dụng phần mềm NI Data Dashboard để giao tiếp với kit myRio điều khiển xe Đây phần mềm đƣợc NI viết để giao tiếp thiết bị cầm tay với Labview, phần mềm có hệ điều hành lớn Android, iOS Window Phone Tuy nhiên, nhóm chọn dùng iOS với thiết bị máy tính bảng iPad thiết bị mà nhóm có sẵn Dựa vào đặc điểm ứng dụng NI Data Dashboard, nhóm thiết kế giao diện để điều khiển xe gồm:  Một công tắc bật tắt phép ứng dụng hoạt động  Một công tắc để chuyển chế độ điều khiển tay điều khiển tự động  Một công tắc để điều chỉnh chế độ chạy tiến hay chạy lùi chế độ điều khiển tay  Một trƣợt có giá trị từ -50 đến 50, với bƣớc nhảy 25  Một đồng hồ kim để hiển thị khoảng cách từ xe đến vật cản Từ kiện trên, nhóm thiết kế giao diện ứng dụng NI Data Dash Board, sau sử dụng chức chia sẻ biến Labview NI Data Dashboard thông qua Wifi xuống kit myRio, qua điểu khiển xe hoạt động 59 an Hình 4.8: Giao diện điều khiển xe phần mềm NI Data Dashboard 60 an CHƢƠNG 5: KẾT QUẢ VÀ NHẬN XÉT 5.1 Kết nhận xét Sau trình nghiên cứu thực đề tài “Điều Khiển Xe Sử Dụng Kit myRio” đề tài hoàn thành nội dung sau: 5.1.1 Phần cứng Về kit NI myRio 1900:  Nắm đƣợc cấu hình phần cứng kit NI myRio  Tìm hiểu phân tích đặc điểm kỹ thuật kit  Các giao tiếp kit với thiết bị ngoại vi  Kết nối linh kiện với kit  Trình bày Labview lập trình cho kit NI myRio Về linh kiện khác:  Trình bày cảm biến khoảng cách Sharp GP2Y0A21  Trình bày Servo GWS S03N  Trình bày động DC  Trình bày mạch cầu H L-298 Về thiết kế tổng thể:  Tìm hiểu thiết kế hệ thống bánh lái cho xe  Thiết kế xe hoạt động ổn định chức tay tự động, điều khiển xe thiết bị cầm tay thơng qua sóng wifi  Dƣới số hình ảnh thực tế xe: 61 an Hình 5.1: Xe điều khiển dùng kit myRio Bảng 5.1: Thông số xe Tên xe Xe Điều Khiển Sử Dụng Kit myRio Tốc độ Khoảng 0.2m/s Vùng hoạt động Nằm khoảng 10-80cm cảm biến Loại cảm biến sử Cảm biến hồng ngoại Sharp GP2Y0A21 dụng Nguồn cung cấp Acquy 12V – 2A Thông số kỹ thuật Cân nặng: 1kg Kích thƣớc: 20x18cm Sai số khoảng cách Từ -5cm đến 5cm Tải trọng tối đa 0.5 kg 62 an 5.1.2 Phần mềm Nhóm tìm hiểu phần mềm Labview, cách thức lập trình, giao tiếp cách thức giao tiếp với kit myRio, qua lập trình điều khiển xe chạy với u cầu đặt Ngồi ra, nhóm cịn tìm hiểu ứng dụng NI Data Dashboard, qua thiết kế giao diện điều khiển xe ứng dụng 5.2 Kết thực nghiệm Sau hoàn thành phần cứng lẫn phần mềm cho xe, nhóm tiến hành cho xe chạy thực tế để kiểm tra lỗi, dƣới kết quả: 5.2.1 Chế độ tay Xe chạy ổn định, việc điều khiển thiết bị cầm tay dễ dàng, nhiên bánh lái tự thiết kế nên quẹo khơng có đƣợc góc quẹo lớn Ngồi ra, việc sử dụng wifi làm hạn chế tầm di chuyển xe Hình 5.2: Góc quẹo tối đa xe 63 an 5.2.2 Chế độ tự động Xe nhận biết vật cản nhanh xác thời gian trễ lần lấy khoảng cách cảm biến nhỏ, xe tự dừng lại có vật cản xoay hƣớng tìm hƣớng khơng có vật cản để tiếp tục di chuyển đến hƣớng 5.3 Phân tích kết Qua chạy thực tế chế độ, nhóm đạt đƣợc số kết sau: Tốc độ xe chậm thao tác dễ dàng đƣợc, chạy tốc độ nhanh khó xử lí quẹo Do sử dụng kết nối wifi để điều khiển nên hạn chế tầm di chuyển xe Ở chế độ tự động thời gian đáp ứng cảm biến nhanh nên việc xử lí dừng chạy xe dễ dàng, nhiên bánh lái tự thiết kế nên quẹo khơng có đƣợc góc quẹo nhƣ ý muốn Để rõ cách điều khiển thiết bị cầm tay, vui lòng xem thêm phụ lục “Hƣớng dẫn sử dụng” 64 an CHƢƠNG 6: KẾT LUẬN VÀ HƢỚNG PHÁT TRIỂN 6.1 Kết luận Hoàn thành yêu cầu đề tài đặt Xây dựng đƣợc ứng dụng làm tảng cho việc tiếp cận sử dụngkit NI myRIO cho tiện ích ứng dụng phức tạp Trong q trình thực đề tài khơng tránh khỏi thiếu sót, mong nhận đƣợc đóng góp thầy (cơ) bạn 6.2 Đánh giá 6.3.1 Ƣu điểm  Dễ sử dụng  Do kit myRio cơng nghiệp, u cầu độ xác cao nên mạch chạy ổn định so với số kit dùng giáo dục nhƣRaspberry 6.3.2 Khuyết điểm  Mạch thi công chạy chƣa ổn định độ delay lập trình chƣa đƣợc đáp ứng xác chế độ điều khiển tự động  Cảm biến đo khoảng cách chƣa xác với thực tế  Tính thẩm mỹ chƣa cao  Dùng pin phải thay định kỳ  Tốc độ chƣa ổn định, hai bánh quay chƣa  Mạch chạy gây tiếng ồn lớn 6.3 Hƣớng ứng dụng phát triển  Điều chỉnh đƣợc tốc độ động  Phát triển thêm camera  Hoạt động phạm vi xa  Đi đƣợc địa hình phức tạp 65 an PHỤ LỤC Phụ lục A: Hƣớng dẫn sử dụng Bƣớc 1: Đặt xe nơi phẳng, gắn pin cấp nguồn chờ kit myRio khởi động Bƣớc 2: Bật wifi kit lên nút nhấn kích hoạt wifi nằm kit Mặc định kit tạo sẵn wifi, nhiên nhóm đổi tên wifi lại thành tên “myRIO Test” với mật là: “12345678” nhằm tiện cho mục đích sử dụng Sau bật wifi kit, ta dùng thiết bị cầm tay có sẵn ứng dụng NI Data Dashboard với giao diện điều khiển kết nối vào mạng wifi kit Hình 5.3: Bật wifi nút nhấn kit 66 an Hình 5.4: Kết nối tới mạng wifi “myRIO test” Bƣớc 3: Nhấn Run ứng dụng NI Data Dashboard, phím điều khiển khơng báo lỗi việc kết nối thành công 67 an Hình 5.5: Nhấn RUN để chạy ứng dụng Bƣớc 4: Gạt công tác ON/OFF sang ON phép ứng dụng điều khiển xe Bƣớc 5: Lựa chọn chế độ điều khiển cách gạt công tắt CHẾ ĐỘ sang ON muốn cho xe tự di chuyển giữ nguyên OFF muốn tự điều khiển Nếu lựa chọn chế độ điều khiển tay, kéo trƣợt sang trái phải để quẹo bánh xe theo ý muốn Link video sản phẩm chạy thử: https://www.youtube.com/channel/UCwkNG24XopPBW8S4b5eIq7A/videos 68 an Phụ lục B: Code chƣơng trình (xem trang tiếp theo) 69 an TÀI LIỆU THAM KHẢO Tiếng Việt [1] TS Nguyễn Bá Hải (2011), “Giáo trình Lập trình Labview” Tiếng Anh [2] Ed Doering, “NI myRio Project Essentials Guide” [3] NI, “User Guide And Specifications NI myRIO 1900” [4] Malan Shiralkar (2007),“LabVIEW Graphical Programming Course” Website [5] http://ni.com Link Link hƣớng dẫn lý thuyết nguyên lý hoạt động servo [6] https://www.youtube.com/watch?v=DOu5AvSDP2E&feature=youtu.be [7] https://www.youtube.com/watch?v=mVN9jfwXleI&feature=youtu.be Link hƣớng dẫn lý thuyết nguyên lý hoạt động IR sensor [8] https://www.youtube.com/watch?v=Xwr-j-2WT3k&feature=youtu.be [9] https://www.youtube.com/watch?v=N6Mi-VjBlmc&feature=youtu.be 74 an an ... phƣơng án thực đề tài  Ý tƣởng: Điều khiển xe sử dụng kit myRio gồm chế độ điều khiển tự động điều khiển tay Sẽ có nút nhấn để chuyển đổi qua lại hai chế độ Chế độ điều khiển tay: có switch để điều. .. myRio hãng Nation Instruments, kit chƣa có nhiều đề tài thực nghiên cứu kit Đề tài mà nhóm định thực là: ? ?Điều khiển xe sử dụng kit myRio? ??.Tuy đề tài điều khiển xe khơng phải q mới, đƣợc nhiều... 4.8: Giao diện điều khiển xe phần mềm NI Data Dashboard 60 Hình 5.1: Xe điều khiển dùng kit myRio 62 Hình 5.2: Góc quẹo tối đa xe 63 Hình 5.3: Bật wifi nút nhấn kit