Hcmute nghiên cứu chế tạo bộ điều khiển đầu robot phục vụ giải trí

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH CƠNG TRÌNH NGHIÊN CỨU KHOA HỌC CẤP TRƯỜNG NGHIÊN CỨU CHẾ TẠO BỘ ÐIỀU KHIỂN ÐẦU ROBOT PHỤC VỤ GIẢI TRÍ S K C 0 9 MÃ SỐ: SV2012-50 S KC 0 8 Tp Hồ Chí Minh, 11/2012 Luan van BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT TP HCM ĐỀ TÀI NCKH SINH VIÊN NGHIÊN CỨU CHẾ TẠO BỘ ĐIỀU KHIỂN ĐẦU ROBOT PHỤC VỤ GIẢI TRÍ MÃ SỐ: SV2012-50 THUỘC NHÓM NGÀNH: KỸ THUẬT GIÁO VIÊN HƯỚNG DẪN: THS TƯỞNG PHƯỚC THỌ NGƯỜI CHỦ TRÌ: NGƯỜI THAM GIA: NGUYỄN QUÍ LÂM VĂN NGỌC ĐỨC ĐÀO TRỌNG HIỆP ĐƠN VỊ: KHOA ĐÀO TẠO CHẤT LƯỢNG CAO Luan van LỜI CẢM ƠN Nhóm chúng em xin chân thành cảm ơn ThS.Tưởng Phước Thọ người tận tình dẫn, khuyến khích động viên chúng em đề tài này.Xin chân thành cảm ơn thầy môn giúp chúng em cách nghiên cứu cách trình bày đề tài nghiên cứu.Chân thành cảm ơn bạn bè lớp Cơ điện tử 09 chia sẻ đóng góp ý kiến để hồn thành đề tài tốt Thành phố Hồ Chí Minh ngày 21 tháng 11 năm 2012 Nhóm SVTH: Nguyễn Quí Lâm Đào Trọng Hiệp Văn Ngọc Đức Luan van Nghiên cứu chế tạo điều khiển đầu robot phục vụ giải trí 2012 I ĐẶT VẤN ĐỀ Ngày nay, với phát triển khoa học , đặc biệt lĩnh vực khoa học máy tính, hướng nghiên cứu lĩnh vực trí tuệ nhân tạo, điều khiển thơng minh, thị giác máy tính robot sau chế tạo robot thơng thinh đạt nhiều thành tựu rực rỡ Với hướng nghiên cứu này, việc tạo cảm xúc cho robot thông minh nhiều hãng sản xuất robot áp dụng chế tạo thành cơng mẫu robot thơng minh có khả biểu lộ trạng thái cảm xúc thơng qua phận khn mặt đôi mắt, lông mày, miệng… hay màu sắc da má nhịp đập trái tim Trên giới đặc biệt nước đầu lĩnh vực Robot như: Nhật Bản, Mỹ, Hàn Quốc, Đức,….thì professional service robot hướng đề tài nghiên cứu mà industrial robot có chỗ đứng định; Ngoài chức đảm bảo nhiệm vụ như: tiếp tân, hướng dẫn khách, dọn bàn,…thì robot cần thân thiện với người I.1 ĐỐI TƯỢNG NGHIÊN CỨU Hiểu chất vấn đề robot thân thiện, có khả tương tác với người nên nhóm chúng em định thiết kế thi cơng đầu robot dạng hình người Gồm phần như: mơ hình khí với 10 bậc tự do, mạch điện tử điều khiển, trạng thái tương tác I.2 TÌNH HÌNH NGHIÊN CỨU TRONG VÀ NGOÀI NƯỚC Vào năm 2003, đại học Standford Hoa kỳ cho sản phẩm mang tên Kismet biểu trạng thái như: buồn, vui, giận dữ, ngạc nhiên, hào hứng Nhóm SVTH: Nguyễn Quí Lâm-Đào Trọng Hiệp-Văn Ngọc Đức Luan van Page Nghiên cứu chế tạo điều khiển đầu robot phục vụ giải trí 2012 Tiếp sau hàng loạt robot loại đời khắp giới đáng kể tới như: Leonardo, robot teddy bear,… đặc biệt Gemioid Robot cảm xúc phát triển từ nhiều năm trước kỉ nguyên robot cảm xúc báo hiệu vào ngày cuối tháng năm 2008, triển lãm nhằm giới thiệu giới robot Bảo tàng khoa học Anh, bật triển lãm Heart Robot nhà khoa học Đại học West England Briston Anh sáng tạo với mục đích khám phá cách người phản ứng với điều xung quanh Heart Robot có tầm vóc đứa bé với trái tim biết đập, bụng hô hấp phận cảm biến cảm nhận phản ứng trước cử động, âm tiếp xúc, tức biết thể "cảm xúc" tùy theo cách đối xử người đối diện Nếu ôm ấp vỗ về, bày tỏ cảm động với tứ chi mềm ra, mi mắt hạ xuống, thở nhẹ tim đập chậm lại Nhưng tỏ giận dữ, giật mạnh hay la mắng, Heart Robot trở nên khó chịu, bàn tay nắm chặt, thở nhịp tim nhanh hơn, mắt mở to Và kỉ nguyên robot cảm xúc phát triển vượt bậc với sản phẩm nối tiếng toàn cầu EMIEW2 hãng Hitachi, ASIMO hãng Honda thuộc Nhật Bản, robot NAO hãng Aldebaran Robotics (Pháp) hay Robo Head "FLOBI" hãng The Bielefeld Anthropomorphic (Đức) I.3 TÍNH ỨNG DỤNG VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN Với việc giao tiếp tốt với người robot sử dụng tiếp viên hiếu khách nơi nhà hàng, khách sạn, hay chí nơi công cộng bệnh viện, sân bay, ga tàu hỏa… Định hướng phát triển nhóm tăng cường thêm nhiều sensor để robot thông minh hơn, giải thuật phần mềm mạch điều khiển gọn nhẹ hơn, đặc biệt lớp da phận bên ngồi Nhóm SVTH: Nguyễn Q Lâm-Đào Trọng Hiệp-Văn Ngọc Đức Luan van Page Nghiên cứu chế tạo điều khiển đầu robot phục vụ giải trí 2012 II GIẢI QUYẾT VẤN ĐỀ II.1 MỤC ĐÍCH Khi định chế tạo đầu robot, nhóm hi vọng robot tạo bước phát triển việc giao tiếp người máy móc, làm cho robot gẫn gũi thân thiện với người Do tính phức tạp đề tài có kết hợp khí , điện điều khiển nên nhóm chia nhiệm vụ cho thành viên: Nguyễn Quí Lâm: nghiên cứu chế tạo điều khiển Đào Trọng Hiệp: ứng dụng thư viện mã nguồn mở OpenCV để giúp robot tương tác Văn Ngọc Đức: thiết kế chế tạo mơ hình khí Phần báo cáo tập trung nói điều khiển có nhiệm vụ điều khiển động RC motor vi điều khiển PIC 16f887, truyền liệu xuống từ PC chuẩn giao tiếp RS-232 II.1.a PHẦN CỨNG II.11.a Sơ dồ khối phần cứng Khối nguồn (220V) Biến 12v Chỉnh lưu 6v RC motor toàn kỳ Cấp xung Mạch điều khiển RS-232 PC Nhóm SVTH: Nguyễn Q Lâm-Đào Trọng Hiệp-Văn Ngọc Đức Luan van Page Nghiên cứu chế tạo điều khiển đầu robot phục vụ giải trí 2012 II.21.a Sơ đồ nguyên lí phần mạch điều khiển Khối ổn áp 5V Vi điều khiển Khối tạo dao động Khối giao tiếp EUSART Nhóm SVTH: Nguyễn Q Lâm-Đào Trọng Hiệp-Văn Ngọc Đức Luan van Page Nghiên cứu chế tạo điều khiển đầu robot phục vụ giải trí 2012 II.31.a Khối nguồn II.31.a1 Sơ đồ mạch nguyên lí IC ổn áp 7805[2] Nhóm SVTH: Nguyễn Q Lâm-Đào Trọng Hiệp-Văn Ngọc Đức Luan van Page Nghiên cứu chế tạo điều khiển đầu robot phục vụ giải trí 2012 II.31.a2 Thơng số kỹ thuật IC ổn áp 7805[2]  Giải thích hoạt động IC ổn áp 7805: I C 7805 có nhiệm vụ ổn định điện áp ngõ vào Vin 7.0÷20.0V cho điện áp ngõ Vo 4.75V÷5.25V, Io=1000mA II.41.a RC motor: Một động RC bao gồm : Một động DC nhỏ có hộp giảm tốc Một cảm biến góc quay(Nó hoạt động biến trở) Mạch cơng suất mạch điều khiển Nhóm SVTH: Nguyễn Quí Lâm-Đào Trọng Hiệp-Văn Ngọc Đức Luan van Page Nghiên cứu chế tạo điều khiển đầu robot phục vụ giải trí 2012 RC motor hoạt động nguyên tắc cấp xung, có nghĩa chu kỳ xung T % duty on tương ứng với góc quay quy định nhà sản xuất II.51.a Chuẩn giao tiếp RS232: Vấn đề giao tiếp PC vi điều khiển quan trọng ứng dụng điều khiển, đo lường Ghép nối qua cổng nối tiếp RS232 kỹ thuật sử dụng rộng rãi để ghép nối thiết bị ngoại vi với máy tính.Nó chuẩn giao tiếp nối tiếp dùng định dạng không đồng bộ, kết nối nhiều thiết bị , chiều dài kết nối lớn cho phép để đảm bảo liệu 12.5 đến 25.4m, tốc độ 20kbit/s tốc độ 115kbit/s với số thiết bị đặc biệt Ý nghĩa chuẩn truyền thông nối tiếp nghĩa thời điểm có bit gửi dọc theo đường truyền Có hia phiên RS232 lưu hành thời gian tương đối dài RS232B RS232C Nhưng phiên RS232B cũ dùng cịn RS232C dùng tồn thường gọi tên ngẵn gọn chuẩn RS232 Nhóm SVTH: Nguyễn Q Lâm-Đào Trọng Hiệp-Văn Ngọc Đức Luan van Page Nghiên cứu chế tạo điều khiển đầu robot phục vụ giải trí 2012 Các máy tính thường có cổng nối chuẩn RS232 gọi cổng Com Chúng dùng ghép nối cho chuột, modem, thiết bị đo lường Trên main máy tính có loại chân lại 25 chân tùy vào đời máy main máy tính Việc thiết kế giao tiếp với cổng RS232 tương đối dễ dàng, đặc biệt chọn chế độ hoạt động không đồng tốc độ truyền liệu thấp Ưu điểm giao diện nối tiếp RS232: + Khả chống nhiễu cổng nối tiếp cao + Thiết bị ngoại vi tháo lắp máy tính cấp điện + Các mạch điện đơn giản nhận điện áp nguồn ni qua cơng nối tiếp Các mức điện áp đường truyền RS 232 sử dụng phương thức truyền thông không đối xứng, tức sử dụng tín hiệu điện áp chênh lệch dây dẫn đất Do từ đời mang vẻ lỗi thời chuẩn TTL, vấn sử dụng mức điện áp tương thích TTL để mơ tả mức logic Ngoài mức điện áp tiêu chuẩn cố định giá trị trở kháng tải đấu vào bus phận trở kháng phát Mức điện áp tiêu chuẩn RS232C ( chuẩn thường dùng bây giờ) mô tả sau: + Mức logic : +3V , +12V + Mức logic : -12V, -3V Các mức điện áp phạm vi từ -3V đến 3V trạng thái chuyển tuyến Chính từ 3V tới 3V phạm vi không định nghĩa, trường hợp thay đổi giá trị logic từ thấp lên cao từ cao xuống thấp, tín hiệu phải vượt qua quãng độ thơì gian ngắn hợp lý Điều dẫn đến việc phải hạn chế điện dung thiết bị tham gia đường truyền Tốc độ truyền dẫn tối đa phụ thuộc vào chiều dài dây dẫn Đa số hệ thống hỗ trợ với tốc độ 19,2 kBd Quá trình liệu: a) Quá trình truyền liệu Truyền liệu qua cổng nối tiếp RS232 thực khơng đồng Do nên Nhóm SVTH: Nguyễn Quí Lâm-Đào Trọng Hiệp-Văn Ngọc Đức Luan van Page Nghiên cứu chế tạo điều khiển đầu robot phục vụ giải trí 2012 thời điểm có bit truyền (1 kí tự) Bộ truyền gửi bit bắt đầu (bit start) để thông báo cho nhận biết kí tự gửi đến lần truyền bit tiếp the Bit bắt đầu mức Tiếp theo bit liệu (bits data) gửi dạng mã ASCII( 5,6,7 hay bit liệu) Sau Parity bit ( Kiểm tra bit chẵn, lẻ hay không) cuối bit dừng - bit stop 1, 1,5 hay bit dừng b) Tốc độ Baud Đây tham số đặc trưng RS232 Tham số đặc trưng cho trình truyền liệu qua cổng nối tiếp RS232 tốc độ truyền nhận liệu hay gọi tốc độ bit Tốc độ bit định nghĩa số bit truyền thời gian giây hay số bit truyền thời gian giây Tốc độ bit phải thiết lập bên phát bên nhận phải có tốc độ ( Tốc độ vi điều khiển máy tính phải chung tốc độ truyền bit) Ngồi tốc độ bit cịn tham số để mô tả tốc độ truyền tốc độ Baud Tốc độ Baud liên quan đến tốc độ mà phần tử mã hóa liệu sử dụng để diễn tả bit truyền cịn tơc độ bit phản ánh tốc độ thực tế mà bit truyền.Vì phần tử báo hiệu mã hóa bit nên hai tốc độ bit tốc độ baud phải đồng Một số tốc độ Baud thường dùng: 50, 75, 110, 150, 300, 600, 1200, 2400, 4800, 9600, 19200, 28800, 38400, 56000, 115200 … Trong thiết bị họ thường dùng tốc độ 19200 Khi sử dụng chuẩn nối tiếp RS232 yêu cầu sử dụng chuẩn thời gian chuyển mức logic không vượt 4% thời gian truyền bit Do vậy, tốc độ bit cao thời gian truyền bit nhỏ thời gian chuyển mức logic phải nhỏ Điều làm giới hạn tốc Baud khoảng cách truyền c) Bit chẵn lẻ hay Parity bit Đây bit kiểm tra lỗi đường truyền Thực chất trình kiểm tra lỗi truyền liệu bổ xung thêm liệu truyền để tìm sửa số lỗi trình truyền Do chuẩn RS232 sử dụng kỹ thuật kiểm tra chẵn lẻ Một bit chẵn lẻ bổ sung vào liệu truyền để ch thấy số lượng bit "1" Nhóm SVTH: Nguyễn Q Lâm-Đào Trọng Hiệp-Văn Ngọc Đức Luan van Page Nghiên cứu chế tạo điều khiển đầu robot phục vụ giải trí 2012 gửi khung truyền chẵn hay lẻ Một Parity bit tìm số lẻ lỗi chả hạn 1,3,,5,7,9 Nếu bit chẵn mắc lỗi Parity bit trùng giá trị với trường hợp không mắc lỗi khơng phát lỗi Do kỹ thuật mã hóa lỗi khơng sử dụng trường hợp có khả vài bit bị mắc lỗi Do điện áp Max vi điều khiển 5V chuẩn giao tiếp RS 232 nhận 12V mức logic -12V la mứa logic ta sử dụng IC chuyển mức điện áp MAX232 II.51.a1 cấu trúc frame truyền[3] II.61.a Vi điều khiển PIC 16f887 - Vi điều khiển bit Microchip - Kiến trúc harvard , tập lệnh RISC - Thạch anh gắn tối đa 20MHz - Tầm điện áp hoạt động 2.0- 5.5V Nhóm SVTH: Nguyễn Quí Lâm-Đào Trọng Hiệp-Văn Ngọc Đức Luan van Page 10 Nghiên cứu chế tạo điều khiển đầu robot phục vụ giải trí 2012 - PORT, 35 chân I/O - Có đầy đủ chức như: ADC(14 kênh 10bit), Timer, USART, SPI, I2C, compare, capture, PWM,… II.51.a Sơ đồ chân VDK 16f887 [1]) Nhóm SVTH: Nguyễn Quí Lâm-Đào Trọng Hiệp-Văn Ngọc Đức Luan van Page 11 Nghiên cứu chế tạo điều khiển đầu robot phục vụ giải trí 2012 II.1.b PHẦN MỀM II.11.b Giải thuật điều khiển RC motor: Begin Khởi tạo timer ngắt mỗi100us bd ++ Khởi tạo biến đếm(bd) bd =set Chờ ngắt Xuất xung Có ngắt end Nhóm SVTH: Nguyễn Quí Lâm-Đào Trọng Hiệp-Văn Ngọc Đức Luan van Page 12 Nghiên cứu chế tạo điều khiển đầu robot phục vụ giải trí 2012 Code chương trình: Nhóm sử dụng phần mềm MPLAB 2008 dựa ngôn ngữ H-tech C để viết code điều khiển cho động RC: #include"htc.h" #include"lcd.h" #include"stdio.h" CONFIG(HS&WDTDIS&PWRTEN&MCLREN&UNPROTECT&DUNPROTEC T&FCMDIS&IESODIS&LVPDIS&BORDIS); #include #include #include #include #include char data; int rc1[8]={370,358,386,386,386,386,386,386}; int adc,readc,kt,homex,homey,curx,cury,dentax,ktra; int n,i; char chuoi[20]; void init(); void send_string(char*s); void send_char(char c); void delstr(void); void guikytu(char c); void guichuoi(const char* s); void main(){ //ANSEL=ANSELH=0X00; init(); SYNC=0; // TRUYEN KO DONG BO TXEN=1; SPEN=1; CREN=1; BRGH=0;BRG16=0;SPBRG=32; Nhóm SVTH: Nguyễn Q Lâm-Đào Trọng Hiệp-Văn Ngọc Đức Luan van Page 13 Nghiên cứu chế tạo điều khiển đầu robot phục vụ giải trí 2012 //SPBRGH=0; RCIE=PEIE=GIE=1; //dinh thoi timer2 while(1){ if(ktra==0) homex=curx=0; if(ktra==1) { dentax=homex-curx; if(dentax>=-10 && dentax =rc1[0])?RB0=1:RB0=0; (n>=rc1[1])?RB1=1:RB1=0; (n>=rc1[2])?RB2=1:RB2=0; (n>=rc1[3])?RB3=1:RB3=0; (n>=rc1[4])?RB4=1:RB4=0; (n>=rc1[5])?RB5=1:RB5=0; (n>=rc1[6])?RB6=1:RB6=0; (n>=rc1[7])?RB7=1:RB7=0; if (n>=399) n=0; } } void send_char(char c){ while(!TXIF); Nhóm SVTH: Nguyễn Q Lâm-Đào Trọng Hiệp-Văn Ngọc Đức Luan van Page 15 Nghiên cứu chế tạo điều khiển đầu robot phục vụ giải trí 2012 TXREG=c; } void send_string(char*s){ while(*s) send_char(*s++); } void delstr(void) { for(char i=20; i>0;i ) { chuoi[i]='\0'; } return; } void guichuoi(const char* s) { while(*s){ guikytu(*s++); } } void putch (char c) { guikytu(c); } void init(){ ANSEL=ANSELH=0; TRISB=0x00; PORTB=0X00; T2CKPS1=0; T2CKPS0=0; TOUTPS0=1; TOUTPS1=0; TOUTPS2=TOUTPS3=0; TMR2=255; PR2=124; TMR2ON=1; //NGAT TMR2IF=0; TMR2IE=1; Nhóm SVTH: Nguyễn Quí Lâm-Đào Trọng Hiệp-Văn Ngọc Đức Luan van Page 16 Nghiên cứu chế tạo điều khiển đầu robot phục vụ giải trí 2012 PEIE=1; GIE=1; } II.2 KẾT QUẢ ĐẠT ĐƯỢC II.2.a Kết đạt Bộ điều khiển nhận lệnh từ PC điều khiển RC motor hiệu ổn định II.2.b Các mặt hạn chế Do sử dụng timer để điều chế xung nên độ phân giải động nhỏ nên cần sử dụng dòng vi điều khiển chuyên dụng để điều khiền động (có nhiều chân PWM) III KẾT LUẬN III.1 KẾT LUẬN Do thời gian hạn hẹn nên đề tài dừng mức độ hàn lâm chưa cao tính thẩm mĩ ,kích thước cịn lớn III.2 LỜI ĐỀ NGHỊ Nên sử dụng loại vi điều khiển chuyên dụng để điều khiển động RC Tìm vật liệu thay có khối lượng riêng nhỏ hơn, cấu cần cải tiển chuyển động phận nhịp nhàng Tìm vật liệu làm da cho robot Nhóm SVTH: Nguyễn Quí Lâm-Đào Trọng Hiệp-Văn Ngọc Đức Luan van Page 17 Nghiên cứu chế tạo điều khiển đầu robot phục vụ giải trí 2012 III.3 POSTER Nhóm SVTH: Nguyễn Quí Lâm-Đào Trọng Hiệp-Văn Ngọc Đức Luan van Page 18 Nghiên cứu chế tạo điều khiển đầu robot phục vụ giải trí 2012 Tài liệu tham khảo: [1] datasheet PIC16f887(http://www.alldatasheet.com/datasheetpdf/pdf/197719/MICROCHIP/PIC16F887-E/ML.html) [2] Datasheet IC 7805( http://www.alldatasheet.com/datasheetpdf/pdf/69437/KEC/7805.html ) [3] www.HocAVR.com Nhóm SVTH: Nguyễn Q Lâm-Đào Trọng Hiệp-Văn Ngọc Đức Luan van Page 19 Nghiên cứu chế tạo điều khiển đầu robot phục vụ giải trí 2012 Mục lục I ĐẶT VẤN ĐỀ I.1 ĐỐI TƯỢNG NGHIÊN CỨU I.2 TÌNH HÌNH NGHIÊN CỨU TRONG VÀ NGOÀI NƯỚC I.3 TÍNH ỨNG DỤNG VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN II GIẢI QUYẾT VẤN ĐỀ II.1 MỤC ĐÍCH II.1.a PHẦN CỨNG II.1.b PHẦN MỀM 12 II.2 KẾT QUẢ ĐẠT ĐƯỢC 17 II.2.a Kết đạt 17 II.2.b Các mặt hạn chế 17 III KẾT LUẬN 17 III.1 KẾT LUẬN 17 III.2 LỜI ĐỀ NGHỊ 17 III.3 POSTER 18 Nhóm SVTH: Nguyễn Q Lâm-Đào Trọng Hiệp-Văn Ngọc Đức Luan van Page 20 S K L 0 Luan van ... 17 Nghiên cứu chế tạo điều khiển đầu robot phục vụ giải trí 2012 III.3 POSTER Nhóm SVTH: Nguyễn Q Lâm-Đào Trọng Hiệp-Văn Ngọc Đức Luan van Page 18 Nghiên cứu chế tạo điều khiển đầu robot phục vụ. .. Đức Luan van Page 16 Nghiên cứu chế tạo điều khiển đầu robot phục vụ giải trí 2012 PEIE=1; GIE=1; } II.2 KẾT QUẢ ĐẠT ĐƯỢC II.2.a Kết đạt Bộ điều khiển nhận lệnh từ PC điều khiển RC motor hiệu... Luan van Page 11 Nghiên cứu chế tạo điều khiển đầu robot phục vụ giải trí 2012 II.1.b PHẦN MỀM II.11.b Giải thuật điều khiển RC motor: Begin Khởi tạo timer ngắt mỗi100us bd ++ Khởi tạo biến đếm(bd)