Xây dựng một robot thông minh có khả năng tự động di chuyển dựa vào bản đồ siêu âm mà robot xây dựng được trong bộ nhớ của nó

Vũ Tuấn Anh-Đại học Công Nghệ văn tốt nghiệp Luận MỞ ĐẦU Cùng với phát triển mạnh mẽ vũ bão khoa học kỹ thuật ngày nay, ngành robotics đóng vai trị quan trọng, tiên phong làm tảng cho lĩnh vực khoa học công nghệ tự động hoá khác Nhiều ứng dụng ngành nghề, lĩnh vực khác đòi hỏi cần phải trang bị thiết bị hoàn toàn tự động làm việc theo chương trình hay người điều khiển robot Thiết kế chế tạo robot kết hợp lĩnh vực máy tính, điện tử, viễn thơng, khí, phối hợp ứng dụng vi điều khiển hệ thống thông tin liên lạc sóng vơ tuyến hình thành hướng nghiên cứu phát triển không ngừng khoa học kỹ thuật Khoá luận nghiên cứu, xây dựng robot thơng minh có khả tự động di chuyển dựa vào đồ siêu âm mà robot xây dựng nhớ Bản đồ siêu âm tạo cách sử dụng khoảng cách đo từ hệ gồm nhiều cảm biến siêu âm mắc thành vịng trịn Khố luận bước đầu nghiên cứu kỹ thuật xử lý ảnh, kết hợp thơng tin hình ảnh thu từ camera toàn phương khoảng cách đo từ cảm biến siêu âm để tạo nên đồ hồn chỉnh, xác mơi trường xung quanh giúp cho robot tự động di chuyển -1- Vũ Tuấn Anh-Đại học Công Nghệ văn tốt nghiệp Luận CHƯƠNG TỔNG QUAN VỀ ROBOT DI ĐỘNG 1.1 Tổng quan robot Cuộc cách mạng công nghiệp bước phát triển vượt bậc người, cách mạng cho phép ứng dụng rộng rãi robot nhiều lĩnh vực sống Yếu tố phù hợp với nhận thức vấn đề an toàn công việc, robot thay cho người sản xuất, lao động, nhà máy… điều góp phần vào xuất nhu cầu sử dụng robot Ngày đời sống có nhiều cơng việc tính chất cơng việc nặng nhọc, mơi trường làm việc khó khăn độc hại nguy hiểm tác hại trực tiếp người Một số nơi địa hình q khó khăn để di chuyển (vùng rừng núi, sa mạc, vùng có lở núi, động đất, vùng bị cháy rừng, vùng nhiễm phóng xạ, khu vực bị khủng bố…) Ở nơi người cần tới hỗ trợ robot Với mơ hình robot đa có tuỳ biến cao, dễ lắp đặt vận chuyển, thiết kế lập trình từ máy tính cá nhân, robot làm việc độc lập theo chu trình cài đặt sẵn theo điều khiển từ xa qua vô tuyến từ người điều khiển, tính chất cơng việc cụ thể thay đổi dễ dàng, khả kết nối với thiết bị chuyên dụng linh hoạt Robot có kích thước tương đối làm việc nhiều mơi trường khắc nghiệt thời tiết, khí hậu độc hại nguy hiểm người Ngoài robot thiết kế cho phù hợp với cơng việc mang tính chất tự động hố cao, ứng dụng vào dây chuyền sản xuất tự động nhà máy, xí nghiệp, khu công nghiệp, khu chế xuất… Hiện hầu hết thiết bị robot dây chuyền tự động hoá sử dụng ngành công nghiệp sản xuất chế biến nhập từ nước đắt tiền Trong nhu cầu nước ta cao nước có khả chế tạo sản xuất để phù hợp với điều kiện làm việc Việt Nam Lĩnh vực thiết kế, chế tạo robot thiết bị điều khiển tự động mẻ có tiềm rộng lớn khơng nước mà giới Việc thâm nhập, nghiên cứu chế tạo số mơ hình điều khiển tự động robot thông minh, robot thăm dò, robot sản xuất hướng cần thiết -2- Vũ Tuấn Anh-Đại học Công Nghệ văn tốt nghiệp Luận nhằm rút ngắn khoảng cách khoa học công nghệ nước giới lĩnh vực 1.2 Giới thiệu chung robot di động Có số khác biệt quan trọng yêu cầu việc lắp đặt robot cố định truyền thống với yêu cầu hệ thống robot di động Một mối quan tâm hàng đầu trước môi trường vận hành robot di động Đối với hệ thống robot cố định, người ta thường xây dựng (thiết kế) không gian làm việc nhỏ để thực công việc robot cố định thường thực công việc lặp lặp lại môi trường xác định trước Đối với hệ thống robot di động, việc nhận biết môi trường làm việc yếu tố định tới “hành động” robot, nhận biết đầy đủ thông tin môi trường xung quanh robot di động thích ứng môi trường làm việc khác Theo khái niệm, robot di động phải có số phận chuyển động Chuyển động dạng bánh xe, chân, cánh số cấu khác Việc lựa chọn cấu chuyển động dựa vào chức robot công việc robot cần phải thực Trong nhiều môi trường làm việc công nghiệp, bánh xe dạng chuyển động thích hợp Đối với hệ thống nghiên cứu ứng dụng khác, chân cánh giúp cho robot di động chuyển động địa hình mà robot khơng có khả qua Một nhân tố quan trọng thiết kế hệ thống robot di động khả mang theo thiết bị Thiết bị bao gồm nguồn điện tất phần cứng cảm biến xử lý mà robot đòi hỏi Các thiết bị lắp đặt robot cố định kết nối trực tiếp với nguồn điện xử lý, không gian làm việc thường xác định trước kiểm sốt Hầu hết robot di động có tải trọng (payload) định, điều dẫn tới giới hạn thiết kế hệ thống, đặc biệt ứng dụng hay bị giới hạn kích cỡ cân nặng Các thành phần bản, thông dụng hệ thống robot di động sử dụng thực tế hình Thơng tin trạng thái hệ thống cung cấp cảm biến nội cảm biến ngoại Thông tin khối dẫn đường (có thể mơđun phần cứng phần mềm, thường chương trình phần mềm có khả tính tốn) sử dụng -3- Vị Tn Anh-Đại học Công Nghệ văn tốt nghiệp Luận c lượng trạng thái hệ thống Tín hiệu sau mơđun lập kế hoạch điều khiển sử dụng để phát lệnh gửi tới phận thao tác robot Hình Các khối robot di động Các khối cho hệ thống robot di động bao gồm phận cảm biến, phận dẫn đường, mô đun lập kế hoạch, điều khiển chấp hành dùng để di chuyển robot tác động tới môi trường Trong số phần cụ thể robot di động phụ thuộc vào mục đích ứng dụng, hệ thống robot di dộng điển hình địi hỏi phải có tất khối vận hành Thơng tin trạng thái môi trường xung quanh robot cung cấp với cảm biến nội cảm biến ngoại Thông tin xử lý trung tâm (có cài đặt sẵn chương trình, thuật tốn dẫn đường…) sử dụng để ước lượng trạng thái hệ thống, không bao gồm trạng thái thân robot mà trạng thái mơi trường xung quanh Ước lượng sử dụng để lập kế hoạch hoạt động robot phát lệnh cho cấu chấp hành rotot Thiết kế hệ thống robot di động phần nhiều bị chi phối mục đích ứng dụng Khơng có giới hạn số lượng kết hợp thiết bị thao tác, phận cảm biến thuật toán điều khiển cho hệ thống robot di động Hơn nữa, luồng thông tin phạm vi hệ thống thay đổi tuỳ thuộc vào trình thực thi, có số thiết kế robot khác đáng kể so với robot trình bày hình Trong số trường hợp, liệu từ phận cảm biến trực tiếp cung cấp cho lên kế -4- Vũ Tuấn Anh-Đại học Công Nghệ văn tốt nghiệp LuËn hoạch điều khiển, cho phép hệ thống phản ứng nhanh với thay đổi mạnh mẽ môi trường 1.3 Các phận điều khiển điện tử cấu chấp hành robot di động 1.3.1 Bộ phận chấp hành robot Bộ phận chấp hành robot di động trường hợp thực chất motor điện, loại máy chuyển điện thành thường dạng chuyển động tròn Một motor cấu tạo gồm hai phần chính: Rotor Stator (hình 2) Rotor phần động nằm lõi gồm cuộn dây quanh lõi thép, lõi vào trục motor Stator phần tĩnh cấu tạo từ nam châm vĩnh cửu tạo từ trường động Khi có dịng điện chạy qua dòng điện sinh stator từ trường bên động tác động lên cuộn dây làm cho động quay Có hai loại động thường dùng điều khiển là:  Động chiều (DC motor)  Động bước (Step motor) 1.3.1.1 Động chiều Là loại động cấu tạo từ cuộn dây hệ thống nam châm vĩnh cửu Loại motor hoạt động dựa vào dòng điện đưa vào cuộn dây stator, điện trở cuộn dây stator không đổi nên tốc độ động phụ thuộc vào điện áp nguồn đưa vào điểu khiển động điều khiển độ rộng xung điện áp đưa vào, thường công xuất động chiều lớn Nhược điểm lớn động chiều điều khiển khó xác điều khắc phục sử dụng động bước Hình sơ đồ nguyên lý cấu tạo động chiu -5- Vũ Tuấn Anh-Đại học Công Nghệ văn tốt nghiƯp Ln Hình Sơ đồ ngun lý cấu tạo động chiều 1.3.1.2 Động bước Khác với động chiều, động bước cấu tạo từ nhiều cuộn dây đối xứng, cặp cuộn dây tương ứng với pha chuyển động việc điều khiển động bước thông qua xung có độ lệch pha với qua cặp cuộn dây Chính nhờ việc cho tín hiệu chạy qua cặp cuộn dây tạo bước chuyển động Tùy thuộc vào độ xác yêu cầu mà loại động bước có góc bước khác nhau, góc bước nhỏ độ xác lớn Đây ưu điểm lớn so với động chiều, việc sử dụng động bước cho phép điều khiển xác tới vị trí yêu cầu Tuy nhiên đặc điểm cấu tạo mà động bước bị giới hạn nhiều mặt công suất nên chế tạo động bước có cơng suất cao Chính thiết bị địi hỏi độ xác cao, cơng suất nhỏ phận quay đầu từ đĩa cứng người ta thường sử dụng động bước Những đặc tính quan trọng động điện là:  Điện áp sử dụng, dịng tiêu thụ: hai đặc tính quan trọng xác định giới hạn làm việc động giới hạn làm việc mạch khuyếch đại cơng suất Chính hai thơng số cho ta biết công suất tối đa mạch công suất để điều khiển động cách an tồn  Tốc độ tối đa đạt được: tốc độ khơng có tải  Lực xoắn động cơ: mơmen lực lớn mà động tạo ra, thơng số quan trọng định tới khả tải động c -6- Vũ Tuấn Anh-Đại học Công Nghệ văn tốt nghiÖp LuËn 1.3.2 Bộ phận điều khiển điện tử Do đặc điểm động bước, điều khiển xác khơng có cơng suất lớn điều khiển theo bước (góc quay) nên không tạo chuyển động liên tục cách trơn tru Trong khóa luận sử dụng động chiều phận thao tác robot Động chiều có ưu điểm dễ điều khiển (chỉ cần cung cấp dòng điện vào cuộn dây động chiều hoạt động) để tăng độ xác cho động chiều lập mã (encoder) sử dụng phận phản hồi từ động khối điều khiển Mạch công suất sử dụng mạch cầu H (H-Bridge) Sở dĩ phải sử dụng mạch cầu H với mạch cầu H cho phép điều khiển động chiều quay theo hai chiều khác Sơ đồ nguyên lý mạch cầu H hình Hình Sơ đồ nguyên lý mạch cầu H, K1, K2, K3, K4 khóa điện tử Nguyên tắc hoạt động mạch cầu H sau:  Khi K1 K4 đóng, K2 K3 mở động quay theo chiều  Khi K2 K3 đóng, K1 K4 mở động quay theo chiều ngược lại  K1, K2 hoặc, K3, K4 không đồng thời mở Dựa vào nguyên tắc yêu cầu cần phải thiết kế mạch cơng suất dựa linh kiện sẵn có để sử dụng cho hệ robot di động, khóa luận thiết kế thành cơng mạch cầu H tương đối tối ưu có số thơng số k thut ni bt sau: -7- Vũ Tuấn Anh-Đại học Công Nghệ văn tốt nghiệp Luận u vo iu khiển bits tương ứng với trạng thái điều khiển (tiến, lùi, phanh không phanh) động  Có thể điều khiển động cơng suất tương đối lớn (600W)  Tần số hoạt động