Thuyết minh báo cáo đồ án thiết kế hệ thống cơ điện tử

ĐẠI ỌC QUỐC GIA THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH H TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA KHOA CƠ KHÍ BỘ MƠN CƠ ĐIỆN TỬ BÁO CÁO ĐỒ ÁN THIẾT KẾ HỆ THỐNG CƠ ĐIỆN TỬ GVHD: TS Nguyễn Tấn Tiến Sinh viên thực hiện: MSSV Nguyễn Hữu Lê Quang Tín 21203870 Đinh Hoàng Bảo Thịnh 21203610 Nguyễn Mạnh Hùng 21201455 Nguyễn Xuân Thiệu 21203601 Đặng Duy Khánh 21201614 TpHCM, ngày tháng năm 20 ĐỒ ÁN THIẾT KẾ HỆ THỐNG CƠ ĐIỆN TỬ GVHD: TS Nguyễn Tấn Tiến MỤC LỤC MỤC LỤC i DANH SÁCH HÌNH ẢNH .iii DANH SÁCH BẢNG BIỂU v MỤC TIÊU ĐỒ ÁN CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN .2 CHƯƠNG 2: ĐỀ XUẤT VÀ LỰA CHỌN PHƯƠNG ÁN 2.1 Đề xuất sơ đồ nguyên lý .7 2.2 Đề xuất cảm biến 2.3 Đề xuất cấu trúc điều khiển 2.4 Đề xuất giải thuật điều khiển 2.5 Phương án thiết kế CHƯƠNG 3: MECHANICAL SYSTEMS .10 3.1 Lựa chọn bánh xe 10 3.2 Lựa chọn động .10 3.3 Kích thước thân xe 12 3.4 Thiết kế đồ gá cho động 13 CHƯƠNG 4: INFORMATION SYSTEMS 16 4.1 Mơ hình động học robot .16 4.2 Cách xác định vị trí robot .17 4.3 Bộ điều khiển tracking, tìm khoảng cách d mô bám sa bàn 19 CHƯƠNG 5: ELECTRICAL SYSTEMS .25 5.1 Hệ thống cảm biến 25 5.1.1 Xác định yêu cầu cảm biến 25 5.1.2 Thực nghiệm cảm biến 25 5.2 Hệ thống điều khiển động 29 5.2.1 Lựa chọn driver 29 5.2.2 Mơ hình hóa hệ driver-động 29 5.2.3 Bộ điều khiển PID 33 5.3 Lựa chọn pin .36 i ĐỒ ÁN THIẾT KẾ HỆ THỐNG CƠ ĐIỆN TỬ GVHD: TS Nguyễn Tấn Tiến CHƯƠNG 6: COMPUTER SYSTEMS 37 6.1 Lựa chọn vi điều khiển .37 6.1.1 Sơ đồ khối điều khiển .37 6.1.2 Xác định yêu cầu lựa chọn vi điều khiển 37 6.1.3 Lựa chọn vi điều khiển 38 6.2 Tính tốn thời gian truyền nhận liệu 38 6.3 Giải thuật điều khiển 39 CHƯƠNG 7: KẾT QUẢ THỰC NGHIỆM 40 PHỤ LỤC A: KIT THÍ NGHIỆM SENSOR 42 PHỤ LỤC B: TÀI LIỆU THAM KHẢO 44 ii ĐỒ ÁN THIẾT KẾ HỆ THỐNG CƠ ĐIỆN TỬ GVHD: TS Nguyễn Tấn Tiến DANH SÁCH HÌNH ẢNH Hình 0.1 Sa bàn di chuyển robot Hình 1.1 Sơ đồ nguyên lý RC racing cars Hình 1.2 Sơ đồ nguyên lý hai cặp chủ động vi sai (a) Loại bánh; (b) Loại bánh Hình 1.3 Giải thuật xử lí tín hiệu phương pháp so sánh Hình 1.4 Giải thuật xử lý tín hiệu cảm biến phương pháp xấp xỉ [18] .5 Hình 2.1 Phương án sơ đồ nguyên lý Hình 2.2 Phương án cấu trúc điều khiển Hình 3.1 Mơ hình tốn bánh xe 10 Hình 3.2 Mơ hình tốn xe chuyển hướng 12 Hình 3.3 Sơ đồ xếp linh kiện thân xe 14 Hình 4.1 Mơ hình động học mobile platform 16 Hình 4.2 Mơ hình động học sử dụng cho robot dò line 18 Hình 4.3 Cách xác định e3 18 Hình 4.4 Sai số trung bình ứng với giá trị khoảng cách d 19 Hình 4.5 Kết bám line đoạn A-B-C-D 21 Hình 4.6 Kết bám line đoạn D-E-F-C-G .22 Hình 4.7 Kết bám line đoạn G-A-C-E 23 Hình 4.8 Robot phát tự động thực đổi hướng đoạn vng góc 24 Hình 4.9 Robot phát đoạn giao cắt 24 Hình 5.1 Sơ đồ khối hệ thống điện 25 Hình 5.2 Sơ đồ mạch điện cảm biến TCRT5000 cho thí nghiệm 26 Hình 5.3 Phạm vi hoạt động cảm biến dựa theo góc chiếu 27 Hình 5.4 Đồ thị kết thí nghiệm đo giá trị điện áp trả từ cảm biến 27 Hình 5.5 Mơ hình vùng giao thoa cực phát cực thu 28 Hình 5.6 Đường đặc tuyến giá trị đọc từ cảm biến giá trị lý tưởng 29 Hình 5.7 Đồ thị PWM(%) vận tốc quay động .30 Hình 5.8 Đồ thị đáp ứng theo thời gian khối driver-động 31 Hình 5.9 Đồ thị PWM(%) vận tốc quay động .32 Hình 5.10 Đồ thị đáp ứng theo thời gian khối driver-động 33 iii ĐỒ ÁN THIẾT KẾ HỆ THỐNG CƠ ĐIỆN TỬ GVHD: TS Nguyễn Tấn Tiến Hình 5.11 Mơ đáp ứng khối driver-động sau thêm PID .34 Hình 5.12 Đồ thị đáp ứng theo thời gian khối driver-động sau thêm PID 34 Hình 5.13 Mơ đáp ứng khối driver-động sau thêm PID .35 Hình 5.14 Đồ thị đáp ứng theo thời gian khối driver-động sau thêm PID 35 Hình 6.1 Sơ đồ khối điều khiển 37 Hình 6.2 Chu kỳ truyền nhận liệu hệ thống 38 Hình 6.3 Lưu đồ giải thuật hệ thống 39 Hình 7.1 Kết chạy mơ .40 Hình 7.2 Kết chạy thực tế 41 Hình A.1 Mơ hình thí nghiệm dùng cho thí nghiệm 42 Hình A.2 Bộ mơ hình dùng cho thí nghiệm 43 iv ĐỒ ÁN THIẾT KẾ HỆ THỐNG CƠ ĐIỆN TỬ GVHD: TS Nguyễn Tấn Tiến DANH SÁCH BẢNG BIỂU Bảng 3.1 Thông số đầu vào xe 11 Bảng 3.2 Thông số yêu cầu động 12 Bảng 3.3 Các thiết bị thân xe 13 Bảng 4.1 Thông số đầu vào mô .19 Bảng 4.2 Thông số đầu vào mô .20 Bảng 5.1 Số liệu thử nghiệm TB6612 với động .30 Bảng 5.2 Số liệu thử nghiệm TB6612 với động .32 Bảng 5.3 Dòng điện tiêu thụ linh kiện mạch 36 v ĐỒ ÁN THIẾT KẾ HỆ THỐNG CƠ ĐIỆN TỬ GVHD: TS Nguyễn Tấn Tiến vi ĐỒ ÁN THIẾT KẾ HỆ THỐNG CƠ ĐIỆN TỬ GVHD: TS Nguyễn Tấn Tiến MỤC TIÊU ĐỒ ÁN Thiết kế chế tạo xe dò line di chuyển tốc độ cao sa bàn có đặc điểm : - Màu sắc đường line: đen - Màu nền: trắng - Bề rộng đường line: 26mm - Bề mặt địa hình di chuyển: phẳng - Sa bàn thể Hình 0.1 F B R500 END E A START C R500 D G 1500 3000 Hình 0.1 Sa bàn di chuyển robot - Khi bắt đầu, robot đặt vị trí START (điểm A), sau robot chạy theo thứ tự qua điểm nút quy định : (START) A → B → C → D → E → F → C → G → A → C → E (END) ĐỒ ÁN THIẾT KẾ HỆ THỐNG CƠ ĐIỆN TỬ GVHD: TS Nguyễn Tấn Tiến CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN Robot dò line trường hợp đặc biệt mobile robot, robot nhận biết vị trí tương đối robot bám theo đường line (line từ, line màu) có Hiện [1] robot dò line ứng dụng rộng rãi môi trường kho bãi, nhà xưởng, cảng … để [6][8] vận chuyển hàng hóa, dùng làm tảng cho nhiều nghiên cứu kỹ thuật nhận diện [18] [16][25][26][28] thiết kế điều khiển đề tài cho nhiều thi kỹ thuật Để thiết kế vận hành robot dò line, tất yếu tố kỹ thuật cấu thành robot cần quan tâm: sơ đồ nguyên lý, loại cảm biến, động cơ, cấu trúc điều khiển giải thuật điều khiển sử dụng Rất nhiều sơ đồ nguyên lý ứng dụng cho việc chế tạo robot dò line Để đạt tốc độ khả bám đường, sơ đồ nguyên lý loại xe đua điều khiển từ xa (RC racing cars) sử dụng Có hai loại sơ đồ nguyên lý chung cho loại xe đua chuyên chạy mặt đường phẳng: - Loại 1(Hình 1.1a) sử dụng trục truyền động cho trục trước sau xe (Khung xe hãng Awesomatrix, TAMIYA TT01, Overdose Divall…) Loại 2(Hình 1.1b) sử dụng đai truyền động cho trục trước sau xe (Khung xe hãng Sakura D3 CS, Serpent VETEQ 02, TA04 EPRO…) Những sơ đồ nguyên lý có đặc điểm hạn chế tượng trượt bánh xe thực đổi hướng, nhiên thiết kế khí phức tạp bán kính cong nhỏ xe bị giới hạn kết cấu xe XX XX XX (a) (b) Hình 1.1 Sơ đồ nguyên lý RC racing cars (a) loại truyền động trục; (b) loại truyền động đai ĐỒ ÁN THIẾT KẾ HỆ THỐNG CƠ ĐIỆN TỬ GVHD: TS Nguyễn Tấn Tiến Một sơ đồ nguyên lý nhiều xe đua dò line HBFS-2 (Robot RobotChallenge 2015) Sylvestre (COSMOBOT 2012, CRJET International Robotics Competition 2010), Johnny-5 (IGVC), Thunderbolt (Robot Challenge 2014)… sử dụng hai bánh chủ động điều khiển độc lập kết hợp với bánh đa hướng (Hình 1.2a) Sơ đồ ngun lý có đặc điểm kết cấu, mơ hình động học đơn giản, dễ hiệu chỉnh sai số hệ [5] thống cho phép xe di chuyển theo bán kính nhỏ, kể việc quay chỗ , nhiên xe lại dễ bị trượt theo phương pháp tuyến thực việc bám theo đoạn đường bán kính nhỏ tốc độ cao Ngoài ra, dạng khác sơ đồ nguyên lý xe đua CartisX04 (All Japan Micromouse 2015), Mouse (RobotChallenge 2014)… sử dụng (Hình 1.2b) Ở sơ đồ này, bánh xe vi sai chủ động thay cặp bánh, giúp xe dễ cân hơn, nhiên kết cấu khí phức tạp ln xuất hiện tượng trượt bánh xe đổi hướng (a) (b) Hình 1.2 Sơ đồ nguyên lý hai cặp chủ động vi sai (a) Loại bánh; (b) Loại bánh Về cảm biến, phần lớn robot dò line sử dụng loại cảm biến quang để nhận biết vị trí tương đối đường line so với xe, từ xử lí để đưa tín hiệu điều khiển Có hai phương pháp thường sử dụng cho robot dò line phương pháp sử dụng camera loại cảm biến quang dẫn: - - [3][6][7][8] Ở phương pháp camera, thiết bị thu hình ảnh từ đường line thực tế (robot Johny-5 thi IGVC), sau xử lí đưa tín hiệu điều khiển Đặc điểm phương pháp đạt độ xác cao, nhiên phương pháp dùng thi đua xe line màu khối lượng xử lí nhiều, dẫn đến hạn chế tốc độ tối đa xe Phương pháp thứ hai ứng dụng phổ biến cho hầu hết loại thi robot dò line Một số loại cảm biến sử dụng quang [12] điện trở (robot ALF thi ROBOCON Malaysia 2006) photo[10][11][13] transistor kết hợp với LED Hai loại cảm biến có nguyên tắc hoạt động giống nhau, thu thu tín hiệu ánh sáng phản xạ từ phát xuống mặt ... Dòng điện tiêu thụ linh kiện mạch 36 v ĐỒ ÁN THIẾT KẾ HỆ THỐNG CƠ ĐIỆN TỬ GVHD: TS Nguyễn Tấn Tiến vi ĐỒ ÁN THIẾT KẾ HỆ THỐNG CƠ ĐIỆN TỬ GVHD: TS Nguyễn Tấn Tiến MỤC TIÊU ĐỒ ÁN Thiết kế chế... học, sơ đồ nguyên lý hai bánh chủ động vi sai kết hợp bánh đa hướng bị động (Hình 2.1) lựa chọn 2.2 Đề xuất cảm biến: Hình 2.1 Phương án sơ đồ nguyên lý ĐỒ ÁN THIẾT KẾ HỆ THỐNG CƠ ĐIỆN TỬ GVHD:... khiển, thời gian xử lý lâu phương pháp Tuy nhiên độ phân giải cao đáng kể so với phương án đầu ĐỒ ÁN THIẾT KẾ HỆ THỐNG CƠ ĐIỆN TỬ GVHD: TS Nguyễn Tấn Tiến Hình 1.4 Giải thuật xử lý tín hiệu cảm