Đồ án môn học xe tự hành tránh vật cản

TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH KHOA ĐÀO TẠO CHẤT LƯỢNG CAO ************ ĐỒ ÁN MÔN HỌC XE TỰ HÀNH TRÁNH VẬT CẢN SVTH: HOÀNG VĂN PHÚ QUÝ - 20151409 ĐẶNG THANH HUY - 20151378 Khố : 2020 Ngành : CƠNG NGHỆ KỸ THUẬT ĐIỀU KHIỂN VÀ TỰ ĐỘNG HOÁ GVHD: NGUYỄN TRẦN MINH NGUYỆT Tp.Hồ Chí Minh,tháng 09 năm 2022 n CỘNG HÒA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM Độc lập – Tự – Hạnh phúc *** Tp Hồ Chí Minh, ngày - tháng - năm 2023 NHIỆM VỤ ĐỒ ÁN MÔN HỌC Họ tên sinh viên: Ngành: Giảng viên hướng dẫn: Ngày nhận đề tài: MSSV: Lớp: ĐT: Ngày nộp đề tài: Tên đề tài: Các số liệu, tài liệu ban đầu: Nội dung thực đề tài: Sản phẩm: TRƯỞNG NGÀNH GIẢNG VIÊN HƯỚNG DẪN n CỘNG HOÀ XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM Độc lập – Tự – Hạnh Phúc ******* PHIẾU NHẬN XÉT CỦA GIÁO VIÊN HƯỚNG DẪN Họ và tên Sinh viên: MSSV: Ngành: Tên đề tài: Họ và tên Giáo viên hướng dẫn: NHẬN XÉT Về nội dung đề tài & khối lượng thực hiện: Ưu điểm: Khuyết điểm: Đề nghị cho bảo vệ hay không? Đánh giá loại: Điểm:……………….(Bằng chữ: .) Tp Hồ Chí Minh, ngày tháng năm 20… Giáo viên hướng dẫn (Ký & ghi rõ họ tên) n CỘNG HOÀ XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM Độc lập – Tự – Hạnh Phúc ******* PHIẾU NHẬN XÉT CỦA GIÁO VIÊN PHẢN BIỆN Họ và tên Sinh viên: MSSV: MSSV: MSSV: Ngành: Tên đề tài: Họ và tên Giáo viên phản biện: NHẬN XÉT Về nội dung đề tài & khối lượng thực hiện: Ưu điểm: Khuyết điểm: Đề nghị cho bảo vệ hay không? Đánh giá loại: Điểm:……………….(Bằng chữ: ) Tp Hồ Chí Minh, ngày tháng năm 20… n CHƯƠNG TỔNG QUAN 1.1 Đặt vấn đề Hiện công nghiệp 4.0 phát triển mạnh rộng rãi hầu hết ứng dụng kinh tế quốc gia Một ứng dụng sử dụng gần ứng dụng công nghệ thông tin vào công nghệ chế tạo điều khiển robot thông minh Xu phát triển giới khoa học công nghệ ln có thay đổi mạnh mẽ Nền kinh tế tri thức với công nghệ thông tin kỹ thuật góp phần quan trọng vào việc nâng cao chất lượng sống người Trong kinh tế tri thức thực phát triển xã hội tách khỏi phát triển kỹ thuật công nghệ thông tin đặc biệt phát triển tin học, ngành khoa học công nghệ tạo sản phẩm robot nghiên cứu ứng dụng hình thành thập kỷ gần gọi Robotics 1.2 Mục đích đề tài – Điều khiển xe robot chạy tiến, lùi, trái phải – Sử dụng cảm biến trước để tránh vật cản – Viết chương trình điều khiển – Thi cơng mơ hình xe robot – Sản phẩm cuối chạy thực tế 1.3 Đối tượng phạm vi nghiên cứu * Đối tượng nguyên cứu đề tài - Mơ hình xe tự hành ( Kích thước 25 cm x 15cm ) - Chạy mơ hình ổn định trình cảm biến tự hành tránh vật cản * Phạm vi nguyên cứu Không gian làm việc xe mặt phẳng giới hạn tường, vật cản xem vật cản chiều tĩnh hoàn tĩnh 1.4 Ý nghĩa khoa học thực tiễn đề tài * Ý nghĩa khoa học n Xây dựng khả tự hành tránh vật cản robot sử dụng cảm biến siêu âm * Ý nghĩa thực tiễn đề tài Ứng dụng xe tự hành lớn, kể đến robot vận hành vật liệu, hàng hóa tòa nhà, nhà máy, cửa hàng, sân bay hay thư viện, tự hành vào khâu thương mại điện tử,… n CHƯƠNG CƠ SỞ LÍ THUYẾT 2.1 Mơ hình xe tự hành tránh vật cản Hình 2.1 Mơ hình xe tự hành tránh vật cản 2.2 Tổng quan robot tự hành tránh vật cản Ngày nay, Robot học đạt thành tựu to lớn sản xuất cơng nghiệp Những cánh tay robot có khả làm việc với tốc độ cao, xác liên tục làm tăng suất lao động tăng nhiều lần Chúng làm việc mơi trường độc hại hàn, phun sơn, nhà máy hạt nhân, hay lắp ráp linh kiện điện tử tạo điện thoại, máy tính cơng việc địi hỏi tỉ mỉ, xác cao Tuy nhiên robot có hạn chế chung hạn chế không gian làm việc Không gian làm việc chúng bị giới hạn số bậc tự tay máy vị trí gắn chúng Ngược lại, Robot tự hành laị có khả hoạt động cách linh hoạt môi trường khác 2.3 Mơ hình động học robot tự hành tránh vật cản Mơ hình kết cấu n Kết cấu robot nhóm em lựa chọn gồm bánh Với kết cấu robot có khả di chuyển linh hoạt quay góc Gọi ∆ S1 , ∆ S2 đoạn dịch chuyển bánh chủ động Ta có ∆ S1 =∆ φ1 r ∆ S2 =∆ φ r Với ∆ φ1 , ∆ φ lượng dịch chuyển quay bán kính bánh chủ động T khoảng cách bánh R D , ∆ α bán kính quay góc dịch chuyển robot mặt phẳng nằm ngang Khi R D= ( ) ∆ S 2−∆ S T ∆ S 2+ ∆ S ,∆ α= ∆ S2 −∆ S1 T Trong tiểu luận ta xét trường hợp đặc biệt chuyển động: Khi ∆ S2 =∆ S1 , R D=∞,∆ α=0 robot theo quỹ đạo đường thẳng(tiến lùi) Khi ∆ S2 =-∆ S1 , R D=0,∆ α= ∆ S2 robot quay quanh điểm bánh xe T ∆ x=∆ y : lượng dịch chuyển theo phương hệ toạ độ gắn với robot ∆ x=R D sin( ∆ α ),∆ y =RD (1−cos (∆ α )) n [ ][ ][ ∆ X = ∆ x −∆ y cos( ∆ α ) ∆ y ∆ x sin(∆ α ) ∆Y ] Vị trí robot toạ độ gốc D ( X D Y D) + góc định hướng α D , toạ độ thời điểm thứ (i) xác định sau [ ][ ][ ] α D (i) ∆ α D(i) α D(i−1) X D(i) = X D (i−1) + ∆ X D (i ) Y D (i) Y D (i−1) ∆ Y D (i) Các tình sensor phát hiên vật cản: Tình : cảm biến phát vật cản +Nếu dl>dr robot di chuyển sang trái θ a=¿) +Nếu dl2A cho motor) - Điện áp tín hiệu điều khiển: +5 V~ +7V - Dịng tín hiệu điều khiển: ~ 36mA (Arduino chơi đến 40mA nên khỏe re bạn) - Cơng suất hao phí: 20W (khi nhiệt độ T = 75 °C) - Nhiệt độ bảo quản: -25 °C ~ +130 °C 3.2.3 Cấp nguồn chân nguồn * Cấp nguồn Bộ nguồn 12V-GND-5V: Tùy thuộc loại động mà ta chọn 12V hay 5V * Các chân nguồn - Chân A Enable, B Enable chân điều khiển tốc độ động riêng biệt - Input: Là chân điều khiển chiều quay động - Output A, Output B: Là đầu kết nối với động 3.3 Khối hệ thống cảm biến SR04 *Yêu cầu cảm biến 15 n Thời gian đáp ứng nhỏ 0,01s Sai số nhỏ mm Lựa chọn cảm biến SR04 3.3.1 Cảm biến SR04 gì? Cảm biến khoảng cách hay gọi cảm biến siêu âm loại cảm biến phổ biến Cảm biến đo khoảng từ đến 300 cm Cảm biến siêu âm Ultrasonic HC-SR04 sử dụng để nhận biết khoảng cách từ vật thể đến cảm biến nhờ sóng siêu âm, cảm biến có thời gian phản hồi nhanh, độ xác cao, phù hợp cho ứng dụng phát vật cản, đo khoảng cách sóng siêu âm Cảm biến siêu âm - Nguyên lý hoạt động: Để đo khoảng cách, ta phát xung ngắn (5 microSeconds - ú) từ chân Trig Sau đó, cảm biến tạo xung HIGH chân Echo nhận lại sóng phản xạ pin Chiều rộng xung với thời gian sóng siêu âm phát từ cảm biển quay trở lại - Cảm biến SRF04 hoạt động dựa nguyên tắc phát xung tính thời gian từ lúc phát xung đến lúc nhận xung Từ tính khoảng cách cách với thời gian vừa đọc nhân với vận tốc sóng siêu âm MỤC TIÊU XÁC ĐỊNH KHOẢNG CÁCH CẢM BIẾN VỚI VẬT CẢN 16 n 3.3.2 Thông số kỹ thuật - Điện áp hoạt động: 5VDC - Dòng tiêu thụ: 10~40mA - Tín hiệu giao tiếp: TTL Chân tín hiệu: Echo, Trigger - Góc quét: nối vi điều khiển (ngõ thu) (pin arduino) - Gnd -> nối âm VCC 5V TRIG Một chân Digital output Echo Một chân Digital input 17 n GND GND 3.4 Khối động RC Servo 3.4.1 Động RC Servo gì? Động RC Servo có kích thước nhỏ, loại sử dụng nhiều để làm mơ hình nhỏ cấu kéo không cần đến lực nặng Động servo SG90 Tower Pro có tốc độ phản ứng nhanh, bánh làm nhựa nên cần lưu ý nâng tải nặng làm hư bánh răng, động RC Servo 9G có tích hợp sẵn Driver điều khiển động bên nên dễ dàng điều khiển góc quay phương pháp điều độ rộng xung PWM Động servo thiết kế hệ thống hồi tiếp vịng kín Tín hiệu động nối với mạch điều khiển Khi động quay, vận tốc vị trí hồi tiếp mạch điều khiển Nếu có lý ngăn cản chuyển động quay động cơ, cấu hồi tiếp nhận thấy tín hiệu chưa đạt vị trí mong muốn Mạch điều khiển tiếp tục chỉnh sai lệch cho động đạt điểm xác Các động servo điều khiển liên lạc vô tuyến gọi động servo RC (radio-controlled) Trong thực tế, thân động servo điều khiển vơ tuyến, nối với máy thu vơ tuyến máy bay hay xe Động servo nhận tín hiệu từ máy thu 18 n 3.4.2 Thơng số kỹ thuật - Điện áp hoạt động: 4.8-5VDC - Tốc độ: 0.12 sec/ 60 deg (4.8VDC) - Lực kéo: 1.6 Kg.cm - Kích thước: 21x12x22mm - Trọng lượng: 9g 3.4.3 Cấp nguồn chân nguồn * Cấp nguồn Điện áp hoạt động ngưỡng : 4.8-5V * Các chân nguồn - Dây đen: GNG - Dây đỏ: VCC - Dây cam: Input 3.5 Khối động Motor DC 3.5.1 Động Motor DC gì? Động DC giảm tốc V1 Dual Shaft Plastic Geared TT Motor loại lựa chọn sử dụng nhiều cho thiết kế khung Robot, xe, thuyền, , động có chất lượng giá thành vừa phải với khả dễ lắp ráp đem đến chi phí tiết kiệm tiện dụng cho người sử dụng Tính tốn chọn động Giả sử tồn thân xe có khối lượng M1= 2kg, vật nặng hình hộp chữ nhật có khối lượng M2= 2kg, khối lượng bánh xe m= 0,025kg Toạ độ trọng tâm:Chọn hệ trục toạ độ hình vẽ: 19 n Chọn vị trí đặt vật nặng mong muốn vị trí x=L/4 với L khoảng cách bánh xe sau bánh trước, G1 G2 trọng tâm xe vật nặng Ta tính hồnh độ trọng tâm hệ: XG= m x G 1+ m x G m 1+ m Từ ta tính lực tác dụng lên bánh xe: { { M +M2 3P R1 + R2=P R 1= =3 g=14.7 N 8 5L L ==> R1 =R 5P R 2= =24.5 N 8 Xét lực tác dụng lên bánh chủ động, ta có mơ hình tốn: 20 n Ta giả sử thời gian để xe tăng tốc từ m/s lên vận tốc cực đại 0,5 m/s 1s Ta suy gia tốc xe là: a= Phương trình cân momen v max 0.5 = =0.5 m/ s t T −F ms R=I γ Với moment quán tính bánh xe: I = M R2 γ gia tốc bánh xe R2 =2.5kg khối lượng tương đương mà bánh xe sau phải chịu g Moment tác dụng lên bánh xe: T =F ms R+ I γ =( M +m) a R+ m R γ 2 T =(2,5+0,025).0,5 0,04+ 0,025.0,0 12,5=50.75 Nmm Công suất cần thiết động Gọi M = P=T ω=0,0508.12,5=0.634W Từ cơng suất tính, ta chọn V1 Dual Shaft Plastic Geared TT Motor có hộp giảm tốc encoder Moment tải 0,184Nm 21 n 3.5.2 Thông số kỹ thuật • Điện áp hoạt động : 3~9VDC Dịng điện tiêu thụ: 110~140mA - Tỉ số truyền 1:48 • 125 vịng/ phút 3VDC • 208 vịng/ phút 5VDC Moment: 0.5KG.CM - Tỉ số truyền 1:120 • 50 vịng/ phút 3VDC • 83 vịng/ phút 5VDC • Moment: 1.0KG.CM 3.6 Khối di chuyển 3.6.1 Bánh xe V1 Bánh xe V1 thiết kế để sử dụng với động giảm tốc V1 Bánh xe V1 loại bánh sử dụng nhiều thiết kế robot có giá thành phải chăng, chất lượng tốt, để lắp ráp ứng dụng thiết kế 22 n Bên cạnh cịn phận trực tiếp làm xe chuyển động Bánh xe phải có khả bám đường tốt, không trơn trượt, chịu tải ổn định, dễ dàng tháo lắp thay Từ yêu cầu ta sử dụng bánh xe giảm tốc V1- V3 bánh Mecanum để làm bánh chủ động cho xe Bánh Mecanum dạng bánh đa hướng (Omnidirectional Wheel) Bánh xe tạo thành lăn nhỏ với trục lắp nghiêng góc 45 độ so với trục quay bánh xe, nhờ kết cấu đặc biệt nên bánh thực nhiều chuyển động phức hợp theo phương pháp cộng vector Với bánh Mecanum, xe chuyển động tiến lùi, xoay trịn khơng gian nhỏ hẹp, đặc biệt di chuyển theo phương ngang cần thiết Tuy có nhiều ưu điểm giá thành bánh xe Mecanum cao giải thuật điều khiển phức tạp nên nhóm định sử dụng bánh xe giảm tốc V1 có đường kính D= 80 mm để làm bánh chủ động cho xe 3.6.2 Thông số kỹ thuật - Chất liệu: Nhựa - Đường kính bánh xe: 66mm - Đồ dày lốp xe : 6.5mm - Chiều rộng bánh xe : 27mm - Trục xe phi 5mm, độ rộng khuyết 3.66mm 3.7 Khối cấp nguồn 3.7.1 Pin 18650 Ultrafire gì? 23 n Pin 18650 Ultrafire 4200mAh dòng pin sạc sử dụng phổ biến Thường thấy loại đèn pin siêu sáng, pin sạc dự phịng 3.7.2 Thơng số kỹ thuật - Loại pin: Pin sạc / NiMH - Hãng: Ultrafire - Model: Ultrafire 18650 - Điện thế: 3.7V - Dung lượng: 4200 mAh - Kích thước: 18mm*65mm/1 viên CHƯƠNG KẾ HOẠCH THỰC HIỆN Tuần thực 5-6 7-8 9-11 12 13-14 Nội dung -Nhận đề tài -Đề mục tiêu nghiên cứu, lập kế hoạch thực ,lên ý tưởng, tìm hiểu linh kiện -Tính tốn, lựa chọn linh kiện - Chuẩn bị thiết bị cần dùng mạch - Kiểm tra thông số kỹ thuật -Nghiên cứu, tìm hiểu để đưa sơ đồ nguyên lý mạch -Viết chương trình điều khiển, lắp rắp linh kiện, hoàn thành cấu tạo -Thử nghiệm thực tế, chỉnh sửa - Kiểm tra - Viết báo cáo -Trang trí xe, đóng gói sản phẩm 24 n -Hoàn thành sản phẩm 25 n