Đồ án môn học xe tự hành tránh vật cản đề tài thiết kế xe 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 12 năm 2022   CỘNG HÒA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM Độc lập – Tư – Hạnh phúc   *** Tp Hồ Chí Minh, ngày - tháng - năm 2023  NHIỆM VỤ ĐỒ ÁN MÔN HỌC Họ tên sinh viên:  Ngành: Giảng viên hớng dẫn:  Ngày nhận đề tài: MSSV: Lớp: ĐT: Ngày nộp đề tài: Tên đề tài: Các số liệu, tài liệu ban đâu: Nội dung thưc đề tài: Sản phẩm: TRƯỞNG NGÀNH GIẢNG VIÊN HƯỚNG DẪN   CỘNG HOÀ XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM Độc lập – Tự – Hạnh Phúc ******* PHIẾ U  NHÂN XÉT CỦA GIÁO VIÊN HƯỚNG DẪN Họ tên Sinh viên: MSSV:  Ngành: Tên đề tài: Họ tên Giáo viên hớng dẫn: NHẬN XÉT Về nội dung đề tai & khối lượng thc hiện: Ưu điểm: Khuyêt điểm: Đề ngh cho bảo vệ hy không? Đánh giá loại: Điểm:……………….(Bng chữ: .) Tp Hồ Chí Minh, ngày tháng năm 20… Giáo viên hớng dẫn (Ký & ghi rõ họ tên)   CỘNG HOÀ XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM Độc lập – Tự – Hạnh Phúc ******* PHIẾ U  NH̣ N XÉT CỦA GIÁO VIÊN PHẢN BIỆN Họ tên Sinh viên: MSSV: MSSV: MSSV:  Ngành: Tên đề tài: Họ tên Giáo viên phản biện: NHẬN XÉT Về nội dung đề tai & khối lượng thc hiện: Ưu điểm: Khuyêt điểm: Đề ngh cho bảo vệ hy không? Đánh giá loại: Điểm:……………….(Bng chữ: ) Tp Hồ Chí Minh, ngày tháng năm 2022     LỜI NÓI ĐẦU Trong thời đại công nghiệp ngày nay, robot ngày đợc sử dụng phổ biến sản xuất nh sống ngời Robot có vị trí quan trọng khó thay đợc, giúp ngời để làm việc điều kiện nguy hiểm, khó khăn Ngồi ra, robot cịn đợc dùng vào lĩnh vưc thám hiểm khơng gian, qun sư, giải trí Lĩnh vưc robot di động ngày chiếm đợc sư quan tm nhà nghiên cứu xã hội Chính lí này, em lưa chọn đề tài “Thiết kế xe tránh vật cản” cho học phân Đồ Án Trong báo cáo mình, em xin trình bày nội dung sau: - Chương 1: Tổng qun - Chương 2: Cơ sơ lý thuyêt - Chương 3: L chọn linh kiện - Chương 4: Kêt thc nghiệm - Chương 5: Kêt luận  Em xin chân cảm ơn!   Sinh viên Đặng Thanh Huy Hoàng Văn Phú Qúy   CHƯƠNG TỔNG QUAN 1.1 Đặt vấn đề Hiện công nghiệp 4.0 phát triển mạnh rộng rãi hâu hết ứng dụng kinh tế quốc gia Một ứng dụng đợc sử dụng gân đy ứng dụng cơng nghệ thông tin vào công nghệ chế tạo điều khiển robot thông minh Xu phát triển giới khoa học cơng nghệ ln có thay đổi mạnh mẽ Nền kinh tế tri thức với cơng nghệ thơng tin kỹ thuật góp phân quan trọng vào việc nng cao chất lợng sống ngời Trong kinh tế tri thức thưc sư phát triển xã hội tách khỏi sư phát triển kỹ thuật công nghệ thông tin đặc biệt sư phát triển tin học, ngành khoa học công nghệ tạo sản phẩm robot nghiên cứu ứng dụng hình thành thập kỷ gân đy đợc gọi Robotics 1.2 Mục đích đề tài  – Điều khiển xe robot chạy tiến, lùi, trái phải  – Sử dụng cảm biến trớc để tránh vật cản  – Viết chơng trình điều khiển  – Thi cơng mơ hình xe robot  – Sản phẩm cuối chạy thưc tế 1.3 Đối tượng phạm vi nghiên cứu * Đối tợng ngun cứu đề tài - Mơ hình xe tư hành ( Kích thớc 25 cm x 15cm ) - Chạy mơ hình ổn định q trình cảm biến tư hành tránh vật cản * Phạm vi nguyên cứu  Không gian làm việc xe mặt phẳng đợc giới hạn tờng, vật cản đợc xem vật cản chiều tĩnh hoàn tĩnh 1.4 Ý nghĩa khoa học thực tiễn đề tài * Ý nghĩa khoa học Xy dưng đợc khả tư hành tránh vật cản robot sử dụng cảm biến siêu m   * Ý nghĩa thưc tiễn đề tài Ứng dụng xe tư hành lớn, kể đến robot vận hành vật liệu, hàng hóa tịa nhà, nhà máy, cửa hàng, sn bay hay th viện, tư hành vào khu thơng mại điện tử,robot hút bụi… Hình 1.1 Robot hút bụi Hình 1.2 Robot vận chuyển hàng hóa   CHƯƠNG CƠ SỞ LÍ THUYẾT 2.1Mơ hình xe tự hành tránh vật cản Hình 2.1 Mơ hình xe tự hành tránh vật cản 2.2Tổng quan robot tự hành tránh vật cản Xe tư hành loại xe robot có khả tư dịch chuyển, tư vận động (có thể lập trình lại đợc) dới sư điều khiển tư động có khả hồn thành cơng việc đợc giao Xe tư hành thành phân có vai trò quan trọng ngành robot học Cùng với sư phát triển mạnh mẽ hệ thống tư động hóa, xe tư hành ngày đợc hồn thiện cho thấy lợi ích cơng nghiệp sinh hoạt Ngày xe tư hành có nhiều ứng dụng tư động hóa đời sống, cơng nghiệp….Có nhiều cơng việc địi hỏi thưc thi mơi trờng độc hại, nguy hiểm nh có phóng xạ, khí độc, bụi bẩn, kí sinh trùng gy bệnh Vì giải pháp sử dụng robot nói chung việc quan trắc môi trờng cân thiết Với khả tích hợp nhiều loại cảm biến nh nhiệt độ, độ ẩm, bụi, camera, siêu m, hồng   ngoại…, robot có khả thay ngời cách hiệu cơng việc có độ nguy hiểm cao 2.3Sơ đồ khối  Nguyên lý hoạt động xe đợc minh họa qua sơ đồ khối Hình 2.4 Sơ đồ khối cấu tạo xe tư hành Cấu tạo xe gồm có bồn khối bản: Khối nguồn, khối cảm biến, khối điều khiển khối động Chức khối: - Khối nguồn: sử dụng nguồn 12 VDC cấp cho khối điều khiển hoạt động cấp nguồn 5VDC cho khối hoạt động Điều khiển tắt mở nguồn chia nguồn thành nhiều mức khác nhau, ổn định nguồn cung cấp cho tải   - Khối cảm biến: Sử dụng cảm biến siêu m để đo khoảng cách - Khối điều khiển: sử dụng Arduino Uno R3 nhận tín hiệu từ khối đa tín hiệu điều khiển vận hành - Khối động cơ: Nhận tín hiệu từ Arduino qua L298 khối điều khiển để điều khiển động 2.4 Các tình cảm biến phát vật cản: 10   - Lưc kéo: 1.6 Kg.cm - Kích thớc: 21x12x22mm - Trọng lợng: 9g 3.4.3 Cấp nguồn chân nguồn * Cấp nguồn Điện áp hoạt động ngỡng : 4.8-5V * Các chn nguồn - Dy đen: GNG - Dy đỏ: VCC - Dy 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 đợc lưa chọn sử dụng nhiều cho thiết kế khung Robot, xe, thuyền, , động có chất lợng giá thành vừa phải với khả dễ lắp ráp đem đến chi phí tiết kiệm sư tiện dụng cho ngời sử dụng Tính tốn chọn động Giả sử tồn thn xe có khối lợng M1= 1kg, vật nặng hình hộp chữ nhật có khối lợng M2= 0.5kg, khối lợng bánh xe m= 0,025kg Toạ độ trọng tm:Chọn hệ trục toạ độ nh hình vẽ: 25   Hình 3.7 Các lưc tác dụng lên xe Chọn vị trí đặt vật nặng mong muốn vị trí x=L/4 với L khoảng cách bánh xe sau bánh trớc, G1 G2 trọng tm xe vật nặng Ta tính đợc hoành độ trọng tm hệ:  X G = m 1 x G 1+ m 2 x G m 1+ m Từ ta tính đợc lưc tác dụng lên bánh xe: {   R1 + R2= P  R1  L = R  L {   ==>  R 1= 3 P =3  R2 =  M 1+ M 2 5 P g = 5.5125 N  =9.1875 N  Xét lưc tác dụng lên bánh chủ động, ta có mơ hình tốn: Hình 3.8 Các lưc tác dụng lên bánh xe Ta giả sử thời gian để xe tăng tốc từ m/s lên vận tốc cưc đại 0,5 m/s 1s Ta suy đợc gia tốc xe là: a= v max 0.5 t    = =0.5 m / s Phơng trình cn bng momen T − F ms R = Iγ  Với moment quán tính bánh xe:  I = M2R  và γ  là gia tốc bánh xe  R Gọi  M = g =1.5kg khối lợng tơng đơng mà bánh xe sau phải chịu Moment tác dụng lên bánh xe: 26   T = F ms R + Iγ =( M + m) a R + m R γ  2 T =( , + 0,025 ) 0,5.0,04 + 0,025.0,0 12,5= 30.81 Nmm Công suất cân thiết động cơ   P=Tω =0.03081 12,5=0.385125 W Từ cơng suất tính, ta chọn V1 Dual Shaft Plastic Geared TT Motor có hộp giảm tốc encoder Hình 3.9 Động Motor  3.5.2 Thơng số kỹ thuật • Điện áp hoạt động : 3~9VDC Dòng 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 27   • Moment: 1.0KG.CM 3.6 Khối di chuyển 3.6.1 Bánh xe V1 Bánh xe V1 đợc thiết kế để sử dụng với động giảm tốc V1 Bánh xe V1 loại bánh đợc sử dụng nhiều thiết kế robot có giá thành  phải chăng, chất lợng tốt, để lắp ráp ứng dụng thiết kế Bên cạnh phận trưc tiếp làm xe chuyển động Bánh xe phải có khả bám đờng tốt, khơng trơn trợt, chịu tải ổn định, dễ dàng tháo lắp thay Từ yêu câu ta sử dụng bánh xe giảm tốc V1- V3 bánh Mecanum để làm bánh chủ động cho xe Bánh Mecanum dạng bánh đa hớng (Omnidirectional Wheel) Bánh xe đợc tạo thành lăn nhỏ với trục đợc lắp nghiêng góc 45 độ so với trục quay bánh xe, nhờ kết cấu đặc biệt nên bánh thưc nhiều chuyển động phức hợp theo  phơng pháp cộng vector Với bánh Mecanum, xe chuyển động tiến lùi, xoay trịn khơng gian nhỏ hẹp, đặc biệt di chuyển theo phơng ngang cân thiết Tuy có nhiều u điểm nhng giá thành bánh xe Mecanum cao giải thuật điều khiển phức tạp nên nhóm định sử dụng bánh xe giảm tốc V1 có đờng kính D= 80 mm để làm bánh chủ động cho xe Hình 3.10 Bánh xe 3.6.2 Thông số kỹ thuật 28   - Chất liệu: Nhưa - Đờng 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 IRC 18650 Pin IRC 18650 4200mAh dòng pin sạc đợc sử dụng phổ biến Thờng thấy loại đèn pin siêu sáng, pin sạc dư phịng Hình 3.11 pin IRC 18650 3.7.2 Thông số kỹ thuật - Pin sạc 3.7V / 4.2V IRC 18650 4200mAh sử dụng cho sạc dư phòng, đèn pin, đồ chơi - Pin dung lợng cao lithium sạc nhiều lân mà khơng làm giảm tuổi thọ  pin - Pin cho phép sạc lại đến Trên 100 lân mà không làm giảm chất lợng pin - Loại pin: lithium ion (li-ion) - Kích thớc : 6.5 x 1.8 cm CHƯƠNG THIẾT KẾ CHI TIẾT HỆ THỐNG 4.1 Sơ đồ lắp ráp robot 29   Hình 4.1 Sơ đồ nối dy 4.2 Lập trình cho xe tự hành Để lập trình nh gửi lệnh nhận tín hiệu từ mạch Arduino, nhóm phát triển dư án cấp đến cho ngời dùng mơi trờng lập trình Arduino đợc gọi Arduino IDE (Intergrated Development Environment) 30   Hình 4.2 Giao diện Arduino IDE  Ngơn ngữ lập trình Arduino dưa tảng C/C++ quen thuộc với ngời làm kỹ thuật, nhng so với lập trình lập trình trưc tiếp với vi điều khiển, lập trình với Arduino đơn giản nhiều phải giao tiếp với phân cứng thông qua th viện Trên website arduino.cc, có nhiều th viện viết sẵn để điều khiển ngoại vi: LCD, cảm biến, động nên đơn giản cho ngời sử dụng để viết chơng trình ứng dụng riêng 4.3 Giải thuật PID Sau xác định phía trớc khơng có vật cản, xe thưc điều chỉnh để bám tởng với khoảng cách không đổi 25 cm Để làm đợc điều này, vi điều khiển tính tốn giá trị sai số e theo công thức: e = SP Trong đó: Từ đó, ta suy giá trị tơng ứng tham số điều khiển PID: -SP: Giá tr đặt, chọn 25cm 31   P  KP *e I    KI *e D  KD *e –   pe Trong đó:  e: Giá tr si lệch củ vòng lặp  pe: Giá tr si lệch củ vòng lặp trước Sau nhiều lân thử nghiệm, hệ số điều khiển đợc lưa chọn nh sau: KP  5.5 KI  0.0001  KD  1 CHƯƠNG KẾT QUẢ THỰC NGHIỆM Sau xy dưng thut toán cho xe, ta tiến hành nạp code vào Arduino thử nghiệm cho xe tư di chuyển Kết thu đợc nh sau: -Xác định phía trớc khơng có vật cản, xe thẳng Hình 5.1 Trờng hợp phía trớc khơng có vật cản - Xác định phía trớc bên trái có vật cản , xe rẽ phải 32     Hình 5.2 Trờng hợp phía trớc bên trái có vật cản - Xác định phía trớc bên phải có vật cản, xe rẽ trái   Hình 5.3 Trờng hợp phía trớc bên phải có vật cản - Xác định bên trái có vật cản ,xe rẽ phải 33     Hình 5.4 Trờng hợp bên trái có vật cản - Xác định bên phải có vật cản ,xe rẽ trái   Hình 5.5 Trờng hợp bên phải có vật cản - Xác định xe dồn vào góc   34   Hình 5.6 Trờng hợp dồn vào góC KẾT LUẬN Về bản, toán tránh vật cản đề đợc giải tơng đối tốt: - Thiết kế chế tạo robot tránh vật cản có sử dụng thuật toán PID  Tuy nhiên, hạn chế phân cứng, sản phẩm cha thưc sư hoàn chỉnh, gặp tình khơng thể xử lí xác, cụ thể là: - Do cảm biến siêu m có góc qt 450 nên gặp vật cản nm ngồi  phạm vi quét cảm biến, xe tư hành tránh đợc xảy va chạm Cách khắc phục gắn hai cảm biến siêu m lên động cơ  servo cho quay với góc 450 để phát vật cản từ hớng, từ giúp cho việc tư hành xe đạt hiệu cao  Ngoài việc khắc phục điểm thiếu sót, em xin đề xuất phơng hớng cải tiển cho phiên tiếp theo: - Sau giải tốt toán tránh vật cản, vi điều khiển vẽ lại đờng xe nh xác định tọa độ xe không gian Để làm đợc điều này, ta cân thêm cảm biến vận tốc góc MPU6050 để xác định góc quay xe cảm biến Encoder để đo vận tốc xe từ suy quãng đờng dịch chuyển 35   TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] Bộ điều khiển PID - giới thiệu thuật toán, http://arduino.vn/bai-viet/1130-bodieu-khien-pid-gioi-thieu-thuat-toan-phan-1, Việt Nam [2] Kim Uyên (2020), PID điều khiển tư động, https://www.stdio.vn/dien-tuung-dung/thuat-toan-pid-trong-dieu-khien-tu-dong-3Iu1u , Việt Nam [3] Aswinth Raj (2018), What is PWM: Pulse Width Modulation, https://circuitdigest.com/tutorial/what-is-pwm-pulse-width-modulation [4] P V Hồn, "Nghiên Cứu Và Kiểm Chứng Thuật Tốn Bám Tờng Cho Robot Tư Hành," Đại học S Phạm Kỹ Thuật Tp Hồ Chí Minh [5] "Xung PPM," 2014 [Online] Available: http://arduino.vn/reference/xung-ppm [6] "Servo Motor Set - Model: DS04-NFC Datasheet," EKT, [Online] Available: http://www.ekt2.com/pdf/412_CH_SERVO_MOTOR_SET.pdf 36   37   38     39