Đồ án tốt nghiệp đại học đề tài thiết kế hệ thống định vị cho robot tự hành bằng line

TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT VINH KHOA ĐIỆN ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP ĐẠI HỌC Đề tài: THIẾT KẾ HỆ THỐNG ĐỊNH VỊ CHO ROBOT TỰ HÀNH BẰNG LINE Sinh viên thực hiện: NGUYỄN NGỌC MẠNH Lớp: DHTDHCK14A1 Mã số sinh viên: 140519001 Giảng viên hướng dẫn: THÁI HỮU NGUYÊN Nghệ An, 1-2023 i TRƯỜNG ĐH SPKT VINH CỘNG HÒA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM KHOA ĐIỆN Độc lập – Tự – Hạnh phúc ii LỜI CẢM ƠN Để hoàn thành báo cáo này, chúng em xin gửi lời cảm ơn đến Ban giám hiệu Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật Vinh tạo điều kiện sở vật chất với phòng học đẹp, có wifi, để phục vụ cho việc học tập tìm kiếm thơng tin chúng em Với lịng biết ơn sâu sắc nhất, chúng em xin gửi đến quý Thầy Thái Hữu Nguyên thầy cô giảng viên Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật Vinh với tri thức tâm huyết để truyền đạt cho chúng em kiến thức quý báu để chúng em học tập, nghiên cứu chế tạo sản phẩm Trong học kì, em khơng thể hồn thành dự án khơng có giảng dạy tận tâm, giúp đỡ nhiệt tình thầy Thái Hữu Nguyên Với lòng biết ơn sâu sắc nhất, nhóm em xin gửi đến Thầy Chúc Thầy ln thành công tâm huyết với nghề để tiếp tục truyền đạt kiến thức quý báu cho chúng em trình học tập trường xa ngồi sống Do chưa có nhiều kinh nghiệm nên khơng thể tránh khỏi thiếu sót hạn chế, mong nhận ý kiến đóng góp từ phía thầy để dự án hồn thiện Chúng em xin chân thành cảm ơn! [Gõ ở đây] Lời Nói 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 cơng – 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 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 sai sót Em mong thầy (cơ) giáo góp ý để em sớm hoàn thành đồ án Em xin chân thành cảm ơn! [Gõ ở đây] Chương Tổng quan 1.1 Giới thiệu robot tự hành 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 cơng nghiệp Ứng dụng : Ngồi 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 thông tin robot Một robot tự hành cần phải có khả xử lý liệu nhanh chóng xác để đưa định thực tác vụ [Gõ ở đây] 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 mơi 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 Ngồi ra, việc đảm bảo tính bảo mật riêng tư thông 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 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 : [Gõ ở đây] 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 dò 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 1.4 Ứng Dụng robot dò line : Robot dò line có nhiều ứng dụng q trình sản xuất công 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 dòng 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 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 [Gõ ở đây] 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 dị 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 dò line có nhiều ứng dụng q trình sản xuất công 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 dòng 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 Robot dò line tránh chướng ngại vật thiết kế phát chướng ngại vật đường di chuyển xung quanh chúng mà khơng gây va chạm Nó phương tiện robot hoạt động Bộ vi điều khiển Arduino sử dụng cảm biến hồng ngoại, cảm biến khoảng cách để phát chướng ngại vật Dù ứng dụng nhỏ, sở để phát triển dự án lớn tối tân [Gõ ở đây] CHƯƠNG CƠ SỞ LÝ THUYẾT 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 2.1Sơ đồ nguyên lý 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 1.1) sử dụng trục truyền động cho trục trước sau xe (Khung xe hãng Awesomatrix, TAMIYA TT01, Overdose Divall…) - Loại 2(Hình 1.2) sử dụng đai truyền động cho trục trước sau xe (Khung xe hãng Sakura D3 CS, Serpent VETEQ 02, TA04 EPRO…) a) Khung xe hãng Overdose Divall b) Sơ đồ nguyên lý sử dụng trục truyền động Hình 1.1 Sơ đồ nguyên lý RC cars sử dụng trục truyền động [Gõ ở đây] X X X X X X a) Khung xe hãng TA04 EPRO b) Sơ đồ nguyên lý sử dụng đai truyền động Hình 1.2 Sơ đồ nguyên lý RC racing cars sử dụng trục truyền động Những sơ đồ nguyên lý có chung ưu điểm nhược điểm sau: Ưu điểm: Hạn chế tượng trượt bánh xe thực đổi hướng Nhược điểm: - Thiết kế khí phức tạp bán kính cong nhỏ xe bị giới hạn kết cấu xe - Giá thành cao nhu cầu sinh viên - Thích hợp cho việc đua mặt đường phẳng Bên cạnh sơ đồ nguyên lý mà xe RC car sử dụng, nhiều xe đua dò line đội HBFS (Robot RobotChallenge) Sylvestre (COSMOBOT 2012), Flash Robot RobotChallenge 2016), Johnny-5 (IGVC),Thunderbolt (Robot Challenge 2014)… sử dụng hai bánh chủ động điều khiển độc lập kết hợp với bánh đa hướng (Hình 1.3) Ưu – nhược điểm chung sơ đồ nguyên lý này: Ưu điểm: Bám đường tốt tiếp xúc điểm mặt đường, mơ hình động học đơn giản, dễ hiệu chỉnh sai số hệ thống cho phép xe di chuyển theo bán kính nhỏ, kể việc quay chỗ.Giá thành chế tạo phù hợp với sinh viên Nhược điểm: Dễ bị trượt theo phương pháp tuyến thực việc bám theo đoạn đường bán kính nhỏ tốc độ cao [Gõ ở đây]