thiết kế robot tự động dò đường sử dụng vi điều khiển (pic8f4431)

NHẬN XÉT CỦA GIÁO VIÊN HƯỚNG DẪN ……………………………………………………………………………………… ……………………………………………………………………………………… ……………………………………………………………………………………… ……………………………………………………………………………………… ………………………………………………………………………………………. ……………………………………………………………………………………… ……………………………………………………………………………………… ……………………………………………………………………………………… ……………………………………………………………………………………… ………………………………………………………………………………………. ……………………………………………………………………………………… ……………………………………………………………………………………… ……………………………………………………………………………………… ……………………………………………………………………………………… ………………………………………………………………………………………. ………………………………………………………………………………………. ………………………………………………………………………………………. Hưng Yên, Ngày….tháng… năm 2010 Giáo Viên Hướng Dẫn : Nguyễn Ngọc Minh Môc lôc Môc lôc Néi dung Trang PHẦN I : GIỚI THIỆU ĐỀ TÀI A: Mục tiêu của đề tài B: Chủ đề và luật thi I : Giới thiệu về sân thi đấu, kích thước sân II : Chủ đề và luật thi PHẦN I I : Ý TƯỞNG VÀ PHƯƠNG ÁN CHẾ TẠO RÔBÔT A: Phương án về mảng cơ khí B. Phương án lập trình điều khiển cho robot. 1.Vi điều khiển 89C51 2.Vi điều khiển PIC. 3. Một số giải thuật phương án lập trình PHẦN III : THIẾT KẾ VÀ THI CÔNG LẮP RÁP RÔBÔT CHƯƠNG 1. CẢM BIẾN TRONG ROBOT 1. Cảm biến dò đường 2.Công tắc hành trình 3.Cảm biến quang CHƯƠNG 2. MẠCH CÔNG SUẤT ĐIỀU KHIỂN ĐỘNG CƠ 1.Động cơ điện 1 chiều sử dụng trong robot 2.Điều khiển chiều quay động cơ (đảo chiều động cơ) 3.Điều khiển tốc độ động cơ 1 chiều CHƯƠNG 3. MẠCH ĐIỀU KHIỂN CHO ROBOT 1.Thiết kế mạch tổng quát điều khiển Robot 2.Thiết kế mạch điện tử cụ thể cho từng môdul CHƯƠNG 4. LẬP TRÌNH ĐIỀU KHIỂN ROBOT 1.Giới thiệu phần mềm CCS C 2. Các hàm cơ bản trong CCS C 3. Thuật toán điều khiển RôBôt a.Lưu đồ thuật toán b.Chương trình lập trình LỜI MỞ ĐẦU Cùng với sự phát triển của xã hội loài người, các ngành khoa học - kỹ thuật không ngừng đi đến những thành công mới. Nhiều công trình khoa học, những phát minh của các nhà khoa học đã đi vào cuộc sống, phục vụ lợi ích của con người. Với sự phát triển mạnh mẽ của các ngành công nghiệp, máy móc đã dần thay thế cho sức lao động của con người. Đặc biệt những thập niên gần đây với sự xuất hiện và phát triển nhanh chóng của công nghệ robot, những dây chuyền tự động chủ yếu thực hiện bằng hệ thống cánh tay robot linh hoạt. Robot được ứng dụng rộng rãi trong các ngành công nghiệp, thay thế cho các hoạt động của con người trong các môi trường độc hại, nguy hiểm như thám hiểm. Robot không những được sử dụng nhằm mục đích tăng năng suất lao động mà dần đi vào đời sống sinh hoạt của chúng ta. Ban đầu từ con robot lau sàn, những chú chó trông nhà, … mục đích của chúng ta là tạo ra những con robot ngày càng trở nên thân thiện hơn nữa với con người. Cùng với sự phát động phong trào Rôbôt mạnh mẽ của trường Đại học sư phạm kĩ thuật Hưng Yên trong những năm gần đây khoa Điện – Điện Tử đã phát động cuộc thi Racing ( Rôbôt đua) nhằm khuyến khích niềm đam mê Rôbôt của sinh viên khoa Điện – Điện Tử nói riêng và nhà trường nói chung chúng em đã bắt tay vào nghiên cứu ngay từ những ngày đầu tiên và phát triển lên thành đề tài đồ án môn học này. Sau một thời gian tập trung nghiên cứu, tìm tòi, học hỏi, đặc biệt dưới sự chỉ bảo, hướng dẫn nhiệt tình của thầy: Nguyễn Ngọc Minh cùng các thầy cô trong khoa đã giúp đỡ, tạo điều kiện cho chúng em hoàn thành đồ án môn học này. Chúng em xin chân thành cảm ơn thầy giáo: Nguyễn Ngọc Minh, cùng các thầy,cô đã giúp đỡ chúng em hoàn thành đồ án môn học này! Nhóm sinh viên thực hiện : PHẦN I : GIỚI THIỆU ĐỀ TÀI A: Mục tiêu của đề tài : * Thiết kế và chế tạo hoàn thiện robot Racing tham gia cuộc thi Rôbôt Racing khoa Điện -Điện Tử - Thiết kế và chế tạo phần cơ khí. - Thiết kế và chế tạo mạch điện điều khiển robot. - Lập trình điều khiển robot. - Khơi dậy niềm đam mê cho sinh viên và khả năng sáng tạo cho sinh viên, vận dụng những kiến thức được trang bị trong nhà trường vào trong thực tế, khả năng làm việc theo nhóm. B. Chủ đề và luật chơi I: Giới thiệu về sân thi đấu và kích thước * Sân thi đấu: a. Sân thi đấu với màu sắc và kích thước được thể hiện trên Hình số 1. Sân được chia làm 2 vùng: vùng màu xanh cho Robot của đội 1; vùng màu đỏ cho Robot của đội 2. b. Chất liệu của sân thi đấu bằng nhựa, mặt sân bằng phẳng. Sân thi đấu II : Chủ đề và luật thi * Giới thiệu cuộc thi ROBOT RACING CONTEST 1.Đội thi đấu: Mỗi đội thi đấu không quá 03 thành viên 2. Đối tượng tham dự: Sinh viên Khoa Điện – Điện tử, Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật Hưng Yên 3. Thời gian thi đấu: Mỗi trận đấu kéo dài 03 phút 4. Quy định về Robot a. Mỗi đội sử dụng một Robot duy nhất b. Khối lượng Robot không quá 2kg c. Kích thước Robot (dài x rộng x cao) không vượt quá 300 x 200 x 200 mm d. Nguồn điện sử dụng cho Robot không vượt quá 09V (DC) e. Robot không được sử dụng sóng vô tuyến hoặc các phương tiện truyền dẫn không dây khác 5. Cách tính điểm a. Các Robot thực hiện đi từ điểm xuất phát (START) đến điểm đích (FINISH) với hành trình 02 vòng liên tiếp theo hướng được quy định như trên Hình số 1. Hành trình vòng 1 được xác định khi Robot lần lượt đi qua các điểm Checkpoint 1, Checkpoint 2, Checkpoint 3, Checkpoint 4 và trở về điểm xuất phát (START). Hành trình vòng 2 được xác định khi Robot lần lượt đi qua các điểm Checkpoint 1, Checkpoint 2, Checkpoint 3, Checkpoint 4 và điểm đích (FINISH). Mỗi một điểm Checkpoint và điểm xuất phát (START), đích (FINISH) mà Robot đi qua được tính 10 điểm. Số điểm tối đa mà một Robot đạt được trong một trận đấu là 100 điểm. Khi có một đội về đích, trận đấu được kết thúc (KNOCK-OUT). b. Thứ tự ưu tiên sẽ là: điểm trận (đội thắng được 3 điểm, đội hòa được 1 điểm, đội thua được 0 điểm), điểm hành trình (từ 0 đến 100 điểm), và điểm thời gian (từ 0 đến 180 giây). Khi hai đội có cùng số điểm có số điểm hành trình cao hơn sẽ là đội thắng cuộc. Khi hai đội có cùng số điểm trận và điểm hành trình, đội có thời gian thực hiện hành trình ngắn hơn sẽ là đội thắng cuộc. c. Các đội được phép retry Robot với số lần retry không hạn chế, việc retry Robot được thực hiện tại điểm Checkpoint gần nhất mà Robot vượt qua được. Trong trường hợp Robot bị phạm luật bởi Robot đối phương, Robot bị phạm luật được phép retry. 6. Phạm luật Các trường hợp sau được cho là phạm luật và Robot bị truất quyền thi đấu: a. Robot đi không theo hướng hành trình quy định. c. Robot hai đội chạm nhau, Robot gây va chạm trên phần sân của đổi phương là Robot phạm luật. d. Robot dừng quá 10 giây. PHẦN II : Ý TƯỞNG VÀ PHƯƠNG ÁN CHẾ TẠO RÔBÔT * Sau một thời gian nghiên cứu và phân tích yêu cầu của luật thi do khoa phát động chúng em đã đưa ra những ý tưởng và phương án chế tạo robot để giải quyết đề tài của cuộc thi như sau: A. Phương án về mảng cơ khí • Giải pháp thiết kế cơ cấu cơ khí: Để phù hợp với yêu cầu luật thi cuộc thi yêu cầu Rôbôt có tốc độ cao trong suốt quá trình đua nên cơ cấu phải gọn nhẹ bám đường tốt bẻ lái góc cua thật tốt và tăng tốc độ trên những đoạn đường thẳng. - Qua nhiều ngày họp bàn ý tưởng và tham khảo các video cũng như những mô hình Rôbôt Racing BKIT chúng em đã thiết kế và test thử tất các mô hình. Ban đầu từ những mô hình thứ nhất và được tối ưu qua các lần chế tạo tiếp theo cuối cùng đã thông nhất ra một mô hình tối ưu và đã thử nghiệm thành công - Mô hình của bọn em như sau : mô hình Rôbôt đua xe F1,bẻ lái bánh trước nhằm đạt tốc độ cao trên suốt quãng đường đua - Động cơ bẻ lái là động cơ RC Servo - Chuyển động hai bánh sau bằng động cơ điện một chiều tỉ số truyền được thay đổi qua cơ cấu truyền đai * Yêu cầu chế tạo Rôbôt kích thước phù hợp luật thi chiều dài nhỏ hơn 30cm, chiều rộng nhỏ hơn 20cm, chiều cao nhỏ hơn 20cm, khối lượng nhỏ hơn 2kg  Chúng em đã chế tạo thành công mô hình Rôbôt Racing tham gia cuộc đua Racing do khoa Điện – Điện Tử tổ chức với nhưng thành tích cao như sau: + IT02 : giải nhất + IT01 : giải nhì + IT03 : giải ba + IT04 : giải ba + IT05 : giải khuyến khích B. Phương án lập trình điều khiển cho robot. Vi điều khiển PIC. Vi điều khiển PIC của microchip là một sự lựa chọn rất tốt cho các đội robocon do những tính năng vượt trội của nó so với các loại vi điều khiển khác như bộ nhớ flash lớn và có nhiều modul như : PWM, ADC,Timer, ngắt đặc biệt với sự hỗ trợ của trình dịch như CCS C và bằng việc viết bằng ngôn ngữ C người lập trình sẽ rất mềm rẻo trong việc khai triển thuật toán . Hiện nay trên thị trường có khá nhiều dòng vi điều khiển PIC.VD: pic16f877, pic16f84, pic16f828, PIC18F4x31 v.v.v Đánh giá các dòng PIC - Dòng PIC nhiều chân nhất là dòng PIC18Fxxxx, có những số chân lên đến 80 chân. - Dòng PIC ít chân nhất là dòng PIC10Fxxx, chỉ có 6 chân - Dòng PIC phổ biến nhất là dòng PIC16F877A (đủ mạnh về tính năng,40 chân, bộ nhớ đủ cho hầu hết các ứng dụng thông thường). - Dòng PIC hỗ trợ giao tiếp USB là dòng PIC18F2550 và PIC18F4550 - Dòng PIC điều khiển động cơ mạnh nhất là dòng PIC18F4x31 Vi điều khiển PIC 18F4431 Kết Luận: Qua phân tích các loại dòng vi điều khiển, chúng em đã lựa chọn vi điều khiển loại PIC18F4431chuyên dụng điều khiển động cơ với các ưu điểm nổi bật so với các loại vi điều khiển khác: • Dung lượng bộ nhớ lớn hơn: PIC18F4431 có 16 Kbyte Flash nội trú bên trong, trong khi đó họ 80C51 chỉ có 4Kbyte. Trong bộ nhớ dữ liệu RAM, PIC18F4431 có vùng RAM mở rộng gồm 768 Byte , 256 byte EPROM [...]... PWM modul - Power control PWM modul đơn giản là tạo ra nhiều xung động bộ có độ rộng xung thay đổi được( PWM: pulse Width Modulation) Các ngõ ra của PWM ứng dụng trong điều khiển động cơ và các ứng dụng điều khiển công suất Modul PWM này hỗ trợ điều khiển các ứng dụng sau: + Động cơ KĐB 1 pha và 3 pha + Swithched Reluctance Motor + Động cơ DC không chổi than + UPS ( Uninterruptible Power Suppliers)... 1.2.Bố trí cảm biến dò đường Trên robot, về nguyên tắc bố trí càng nhiều cảm biến dò đường thì khả năng bám đường càng tốt Tuy nhiên, trên thực tế ta thường sử dụng 6, hoặc 8 cảm biến, tùy vào đề tài, chất lượng động cơ mà ta bố trí cảm biến Thường có hai phương pháp bố trí cảm biến 1.2.1 .Sử dụng 6 cảm biến xếp thành hàng ngang Cách này thích hợp với loại động cơ có khả năng hãm tốt (loại động cơ có hộp... dùng nhiều nhất trong robot đó là thay đổi điện áp phần ứng sử dụng PWM Phương pháp PWM _điều chế độ rộng xung là phương pháp hay được sử dụng nhất đặc biệt là trong tự động hóa, robot bởi nó đơn giản, dễ thực hiện và đảm bảo thay đổi trơn tốc độ động cơ Chúng ta sẽ chỉ đi nghiên cứu phương pháp này: Điều khiển độ rộng của xung được làm bằng cách tắt bật nhanh nguồn điện đặt lên động cơ Nguồn áp 1 chiều... Khả năng hãm tốt, thường sử dụng loại động cơ có hộp giảm tốc - Dòng ,áp thích hợp áp yêu càu các khoá công suất được bảo vệ 3 Một số giải thuật phương án lập trình Với đề thi năm nay chúng ta có thể sử dụng một số giải thuật sau: + Giải thuật dò đường: - Bám vạch - Đếm số vạch ngang - Tăng tốc trên những đoạn đường thẳng để Rôbôt đạt tốc độ cao nhất - … + Ngắt ngoài sử dụng cho encoder Đối với mỗi con robot cụ thể chúng ta sẽ áp dụng giải thuật... thường sử dụng quay bằng 1 bánh (1 bánh dừng còn 1 bánh tiến) Hình 19: Bố trí 6 cảm biến theo hàng ngang 1.2.2 .Sử dụng 8 cảm biến Hình 20: Bố trí 8 cảm biến 6 trước 2 sau Hoặc theo một đường thẳng như hình vẽ Hình 21: Bố trí 8 cảm biến theo 1 hàng ngang Cách này thích hợp với những loại động cơ có khả năng hãm kém, khi quay thì cho bánh tiến bánh lùi CHƯƠNG 2 1 .Động cơ điện 1 chiều sử dụng trong robot . cơ) 3 .Điều khiển tốc độ động cơ 1 chiều CHƯƠNG 3. MẠCH ĐIỀU KHIỂN CHO ROBOT 1 .Thiết kế mạch tổng quát điều khiển Robot 2 .Thiết kế mạch điện tử cụ thể cho từng môdul CHƯƠNG 4. LẬP TRÌNH ĐIỀU KHIỂN ROBOT . dò đường 2.Công tắc hành trình 3.Cảm biến quang CHƯƠNG 2. MẠCH CÔNG SUẤT ĐIỀU KHIỂN ĐỘNG CƠ 1 .Động cơ điện 1 chiều sử dụng trong robot 2 .Điều khiển chiều quay động cơ (đảo chiều động cơ) 3 .Điều. Luận: Qua phân tích các loại dòng vi điều khiển, chúng em đã lựa chọn vi điều khiển loại PIC18F4431chuyên dụng điều khiển động cơ với các ưu điểm nổi bật so với các loại vi điều khiển khác: • Dung