Đề tài thiết kế hệ thống định vị cho robot tự hành bằng line

MỤC LỤC MỤC LỤC - DANH MỤC CÁC BẢNG - DANH MỤC CÁC HÌNH - PHẦN MỞ ĐẦU - CHƢƠNG 1: TỔNG QUAN ROBOT DÒ ĐƢỜNG - 1.1 Tổng quan ứng dụng vi điều khiển - 1.2 Giới thiệu robot dò đường - 1.2.1 Giới thiệu - 1.2.2 Hoạt động - 1.3 Ứng dụng robot dò đường - - CHƢƠNG II: THIẾT KẾ VÀ TÌM HIỂU LINH KIỆN CỦA HỆ THỐNG 10 - 2.1 Yêu cầu đề tài 10 2.2 Giải pháp thiết kế - 10 2.2.1 Sơ đồ khối - 10 2.2.2 Phân tích chức khối - 10 2.2.3 Nguyên lý hoạt động hệ thống - 11 2.3 Lựa chọn linh kiện - 13 2.3.1 Khối điều khiển - 13 2.3.2 Module điều khiển động L293D - 18 2.3.3 Module cảm biến hông ngoại TCRT5000 - 20 2.3.4 Động giảm tốc DC - 21 2.3.5 LED (Light Emitting Diode) - 21 2.3.6 Nguồn Adapter 12V2A - 22 CHƢƠNG III: PHÂN TÍCH THUẬT TỐN PID VÀ ỨNG DỤNG TRONG ROBOT DÒ ĐƢỜNG - 23 3.1 Giới thiệu - 23 3.2 Định nghĩa thuật toán PID - 23 3.3 Phƣơng pháp điều chế độ rộng xung (PWM) - 24 3.4 Giải thuật điều khiển vi tích phân tỉ lệ (PID) - 25 3.5 Ứng dụng giải thuật robot dò đƣờng - 26 3.5.1 Mơ hình PID áp dụng cho robot dò đường - 26 Trang - - 3.5.2 Giải thuật PID - 27 - Trang - - 3.5.3 Hiệu chỉnh thuật toán PID - 28 3.6 Giới thiệu phần mềm Arduino IDE - 29 3.6.1 Giao diện - 29 3.6.2 Vùng lệnh - 29 3.6.3 Vùng thông báo (debug) - 30 3.6.4 Một số lưu ý - 30 - CHƢƠNG VI: THIẾT KẾ VÀ CHẾ TẠO ROBOT DÒ ĐƢỜNG 31 - 4.1 Thiết kế đƣờng cho robot 31 4.2 Chế tạo hoàn thành sân cho robot - 31 4.2.1 Tấm Formex - 31 4.2.2 Hệ thống đường line cho robot - 32 4.3 Hồn thành Robot dị đƣờng - 33 4.4 Kết thực nghiệm mơ hình robot - 33 PHẦN KẾT LUẬN TÀI LIỆU THAM KHẢO PHỤ LỤC NHẬN XÉT CỦA CÁN BỘ HƢỚNG DẪN Trang - - DANH MỤC CÁC BẢNG Bảng Đặc điểm kỹ thuật Arduino Uno R3 - 15 - Trang - - DANH MỤC CÁC HÌNH Hình 1.1 Sân chạy robot - Hình 1.2 Quang trở - Hình 1.3 Nguyên lý hoạt động quang trở - Hình 1.4 Cách bố trí cảm biến - Hình 2.1 Sơ đồ khối robot dò đường - 10 Hình 2.2 Mạch cảm biến LED - quang trở - 12 Hình 2.3 Mạch điều khiển motor sử dụng L298 - 13 Hình 2.4 Arduino UNO R3 - 15 Hình 2.5 Vi xử lý ATmega328 - 17 Hình 2.6 Sơ đồ chân ATmega328 - 17 Hình 2.7 Module L293D - 18 Hình 2.8 Chân kết nối RC522 - 20 Hình 2.9 Động DC giảm tốc - 21 Hình 2.10 LED - 22 Hình 2.11 Nguồn adapter 12v2A - 22 Hình 3.1 Giản đồ thời gian xung PWM - 24 Hình 3.2 Sơ đồ khối giải thuật PID - 25 Hình 3.3 Sơ đồ khối ứng dụng giải thuật PID vào robot dò đường - 27 Hình 3.4 Giao diện phần mềm Arduino IDE - 29 Hình 3.5 Các nút lệnh Arduino IDE - 29 Hình 3.6 Vùng thơng báo Arduino IDE - 30 Hình 3.7 Chọn cổng kết nối cho Arduino Uno R3 - 30 Hình 4.1 Mô đường phần nềm Paint 3D - 31 Hình 4.2 Tấm formex dùng làm cho robot - 32 Hình 4.3 Băng keo dùng làm đường line - 32 Hình 4.4 Sân sau chế tạo - 33 Hình 4.5 Hồn thiện robot dị đường - 33 Hình 4.6 Cảm biến hồng ngoại - 34 - Trang - - PHẦN MỞ ĐẦU Ngày nay, với ứng dụng khoa học kỹ thuật tiên tiến, giới ngày thay đổi, văn minh đại Sự phát triển kỹ thuật điện tử tạo hàng loạt thiết bị với đặc điểm bật xác cao, tốc độ nhanh, gọn nhẹ yếu tố cần thiết góp phần cho hoạt động người đạt hiệu cao Các điều khiển sử dụng vi điều khiển đơn giản để vận hành sử dụng lại điều phức tạp Các vi điều khiển theo thời gian với phát triển công nghệ bán dẫn tiến triển nhanh, từ vi điều khiển bit đơn giản đến vi điều khiển 32 bit, sau 64 bit Điện tử trở thành ngành khoa học đa nhiệm vụ Điện tử đáp ứng địi hỏi khơng ngừng từ lĩnh vực công – nông – lâm – ngư nghiệp nhu cầu cần thiết hoạt động đời sống ngày Robot có vai trị quan trọng đời sống đặc biệt ứng dụng cơng nghiệp, sản xuất kinh tế, quốc phịng… Vì em chọn đề tài “Thiết kế hệ thống định vị cho robot tự hành line ” để làm đồ án tốt nghiệp Mặc dù cố gắng thiết kế làm mạch thời gian ngắn lực hạn chế nên mạch cịn sai sót Em mong thầy (cơ) giáo góp ý để em sớm hồn thành đồ án Em xin chân thành cảm ơn! Trang - - CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN 1.1 Tổng quan ứng dụng vi điều khiển - Với phát triển kh ng ngừng khoa học kỹ thuật, đặc biệt phát triển ngành điện tử đem đến nhiều ứng dụng c ng nghiệp sinh hoạt gia đình - Từ c ng nghệ chế tạp loại vi mạch lập trình phát triển đem đến phương thức kỹ thuật điều khiển đại có nhiều ưu điểm so với việc sử dụng mạch điều khiển lắp ráp linh kiện rời kích thước nhỏ, giá thành rẻ, độ làm việc tin cậy, công suất tiêu thụ nhỏ - Trong ứng dụng dân dụng công nghiệp, vi mạch vi điều khiển sử dụng rộng rãi chúng phát huy tính ưu việt ngày sử dụng rộng rãi - Việc sử dụng vi điều khiển để điều khiển cơng việc mang tính lặp lại có chu kì cần thiết để thay giám sát người, giảm số lượng nhân công dây chuyền sản xuất, thay người thực cơng việc mang tính nguy hiểm, độc hại, 1.2.1 Giới thiệu robot tự hành robot dò line 1.2.2 Giới thiệu Robot tự hành loại robot có khả di chuyển thực tác vụ mà không cần can thiệp người Robot tự hành thường trang bị cảm biến, máy tính phận khác để giúp chúng tự động hóa việc di chuyển thực tác vụ Hình 1-1: Robot tự hành công nghiệp Trang - - Ứng dụng : Ngoài ra, robot tự hành sử dụng ứng dụng dịch vụ, chẳng hạn lĩnh vực y tế giáo dục Trong lĩnh vực y tế, robot tự hành sử dụng để giúp bác sĩ y tá thực tác vụ đưa thuốc cho bệnh nhân giúp bệnh nhân di chuyển Trong lĩnh vực giáo dục, robot tự hành sử dụng để giúp giáo viên giảng dạy giúp trẻ em học tập Robot tự hành sử dụng ứng dụng khắc phục thiên tai tìm kiếm cứu hộ Ví dụ, robot tự hành sử dụng để tìm kiếm cứu hộ nạn nhân vụ tai nạn vụ động đất, lụt lội cháy nổ Hình 1-2: Robot cứu hỏa 1.2 Giới hạn thách thức : Tuy nhiên, robot tự hành đem lại số thách thức Một số khả xử lý thơng tin robot Một robot tự hành cần phải có khả xử lý liệu nhanh chóng xác để đưa định thực tác vụ cách hiệu Đồng thời, việc thiết kế hệ thống điều khiển điều hành thách thức nhà sản xuất robot tự hành Ngoài việc đảm bảo an toàn đảm bảo tính an tồn cho robot tự hành thách thức lớn Robot tự hành thường phải di chuyển môi trường đầy rủi ro gặp phải trở ngại bất ngờ, điều gây nguy hiểm cho robot người xung quanh Vì vậy, nhà sản xuất robot tự hành phải thiết kế hệ thống an toàn cảm biến hệ thống dừng khẩn cấp để đảm bảo tính an tồn cho robot người sử dụng Một thách thức khác robot tự hành khả tương tác với người Robot tự hành phải có khả tương tác giao tiếp với người cách hiệu để thực tác vụ cách hiệu Việc thiết kế giao diện ngườimáy hiệu dễ sử dụng thách thức lớn nhà sản xuất robot tự hành Ngoài ra, việc đảm bảo tính bảo mật riêng tư thơng tin thu thập robot tự hành thách thức đáng ý Robot tự hành thường thu thập nhiều liệu môi trường người xung quanh, việc đảm bảo tính bảo mật riêng tư thông tin quan trọng để tránh việc lạm dụng thông tin xâm nhập vào đời sống riêng tư người Tuy nhiên, với phát triển công nghệ, nhà sản xuất robot tự hành cố gắng giải thách thức đưa giải pháp hiệu để phát triển ứng dụng robot tự hành rộng rãi tương lai Các công ty công nghệ lớn Google, Amazon Tesla đầu tư mạnh vào nghiên cứu phát Trang - - triển robot tự hành với hy vọng tạo bước đột phá đáng kể lĩnh vực Hình 1.3: Xe tự hành Tesla Tóm lại, robot tự hành loại robot phát triển với nhiều tiềm ứng dụng rộng rãi Tuy nhiên, việc đảm bảo tính an tồn, tính hiệu tính bảo mật robot tự hành thách thức đáng 1.3 giới thiệu robot dị line : Hình 1.4 : robot dò line Robot dò line loại robot tự hành thiết kế để di chuyển bề mặt phẳng theo dõi đường viền đánh dấu bề mặt Đây ứng dụng phổ biến robot tự hành thường sử dụng lĩnh vực sản xuất công nghiệp, dịch vụ thực phẩm, giáo dục giải trí Robot dị line thường trang bị cảm biến quang học để theo dõi đường viền xác định vị trí robot bề mặt Các cảm biến quang học thường đặt đầu robot giúp robot theo dõi đường viền cách phát khác biệt màu sắc đường viền màu sắc bề mặt xung quanh Khi di chuyển đường viền, robot dò line thường sử dụng số thuật tốn điều khiển để trì hướng di chuyển đường viền giữ cho vận tốc di chuyển mức độ ổn định Nhiều robot dò line trang bị hệ thống điều khiển tự động thông minh để đảm bảo tính xác hiệu Trang - - việc theo dõi đường viền 1.4 Ứng Dụng robot dị line : Robot dị line có nhiều ứng dụng q trình sản xuất cơng nghiệp Chúng thường sử dụng để di chuyển chuyển đổi vật phẩm từ vị trí đến vị trí khác trình sản xuất, giúp tiết kiệm thời gian lượng Robot dò line sử dụng trình kiểm tra chất lượng để đảm bảo sản phẩm đạt chuẩn không bị lỗi Robot dị line sử dụng ứng dụng dịch vụ thực phẩm nhà hàng cửa hàng thực phẩm tự động Chúng lập trình để di chuyển dịng sản phẩm thực phẩm đảm bảo sản phẩm đến với khách hàng đầy đủ Ngoài ra, robot dị line sử dụng giáo dục giải trí Chúng sử dụng thi robot để đua đường viền công cụ học tập tuyệt vời để giúp học sinh, sinh viên học lập trình điều khiển robot Ngồi ra, robot dị line sử dụng phịng chơi trẻ em khu vui chơi giải trí, giúp trẻ em tận hưởng thời gian vui chơi học tập cách điều khiển robot Đây ứng dụng phổ biến robot tự hành thường sử dụng lĩnh vực sản xuất công nghiệp, dịch vụ thực phẩm, giáo dục giải trí Robot dị line thường trang bị cảm biến quang học để theo dõi đường viền xác định vị trí robot bề mặt Các cảm biến quang học thường đặt đầu robot giúp robot theo dõi đường viền cách phát khác biệt màu sắc đường viền màu sắc bề mặt xung quanh Khi di chuyển đường viền, robot dò line thường sử dụng số thuật tốn điều khiển để trì hướng di chuyển đường viền giữ cho vận tốc di chuyển mức độ ổn định Nhiều robot dò line trang bị hệ thống điều khiển tự động thơng minh để đảm bảo tính xác hiệu việc theo dõi đường viền Robot dị line có nhiều ứng dụng q trình sản xuất cơng nghiệp Chúng thường sử dụng để di chuyển chuyển đổi vật phẩm từ vị trí đến vị trí khác q trình sản xuất, giúp tiết kiệm thời gian lượng Robot dò line sử dụng trình kiểm tra chất lượng để đảm bảo sản phẩm đạt chuẩn khơng bị lỗi Robot dị line sử dụng ứng dụng dịch vụ thực phẩm nhà hàng cửa hàng thực phẩm tự động Chúng lập trình để di chuyển dịng sản phẩm thực phẩm đảm bảo sản phẩm đến với khách hàng đầy đủ Ngồi ra, robot dị line sử dụng giáo dục giải trí Chúng sử dụng thi robot để đua đường viền công cụ học tập tuyệt vời để giúp học sinh, sinh viên học lập trình điều khiển robot Ngồi ra, robot dị line sử dụng phòng chơi trẻ em khu vui chơi giải trí, giúp trẻ em tận hưởng thời gian vui chơi học tập cách điều khiển robot 1.5 Kết luận : Trong báo cáo Robot dò line thiết kế để tự động di chuyển đường kẻ màu đen trắng thiết kế sẵn Ý tưởng đề xuất viết cách sử dụng cảm biến để nhận diện theo vạch kẻ chúng với mục đích đến vị trí đề ban đầu Trang - 10 -