Đề tài thiết kế robot di chuyển tránh vật cản và xử lí hình ảnh tự hành

ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA KHOA ĐIỆN ĐỒ ÁN LIÊN MÔN THIẾT KẾ HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN NÂNG CAO NGÀNH: KỸ THUẬT ĐIỀU KHIỂN & TỰ ĐỘNG HÓA ĐỀ TÀI: THIẾT KẾ ROBOT DI CHUYỂN TRÁNH VẬT CẢN VÀ XỬ LÍ HÌNH ẢNH TỰ HÀNH Người hướng dẫn: TS NGUYỄN HỒNG MAI Nhóm thực hiện: NHÓM _19NH33B Sinh viên thực hiện: Dương Tiến Đạt Tăng Hiếu Thịnh Đặng Văn Nghiêm Huỳnh Lê Tấn Phát Võ Hồng Quân Đà Nẵng,12/2022 MỤC LỤC CHƯƠNG 1: THIẾT KẾ PHẦN CƠ KHÍ CỦA ROBOT 1.1 Tổng quan thiết kế Robot .2 1.2 Khung robot 1.3 Vật liệu xe 1.4 Tổng kích thước Robot 1.5 Phương pháp gia công Robot CHƯƠNG 2: THIẾT KẾ PHẦN ĐIỆN CỦA ROBOT 2.1 Chọn điều khiển 2.2 Chọn mạch động lực 2.2.1 L298N 2.2.2 Module Arduino UNO 2.3 Chọn động 2.3.1 Cách tính chọn động cho xe tự hành 2.3.2 Tính chọn động 10 2.3.3 Bản vẽ mạch chi tiết 12 CHƯƠNG 3: MƠ HÌNH ĐỘNG LỰC CỦA XE TỰ HÀNH 12 3.1 Mơ hình hóa động chiều 12 3.2 Thiết kế chi tiết từ mơ hình Robot 13 3.3 Mô mơ hình xe tự hành Matlab – Simulink 16 3.4 Kết nhận xét 18 3.4.1 Kết khối động 18 3.4.2 Kết hệ thống .19 CHƯƠNG 4: THIẾT KẾ BỘ ĐIỀU KHIỂN MỜ 20 4.1 Bộ điều khiển mờ .20 4.1.1 Lịch sử phát triển 20 4.2 Thiết kế điều khiển mờ 22 4.2.1 Xác định tập mờ 22 4.2.2 Số lượng tập mờ 23 MỤC LỤC HÌNH ẢNH Hình ảnh 1: Mơ tả tổng quan Robot .2 Hình ảnh 2: Thiết kế mặt mặt Robot Hình ảnh 3: Module L298N Hình ảnh 4: Module Arduino UNO Hình ảnh 5: Động GB37 Hình ảnh 6: Sơ đồ nối dây Robot 10 Hình ảnh 7: Hệ quy chiếu Robot 11 Hình ảnh 8: Khối Mobile Robot 14 Hình ảnh 9: Khối động 15 Hình ảnh 10: Khối động nối với Mobile Robot .16 Hình ảnh 11: Đồ thị theo trục X 17 Hình ảnh 12: Đồ thị theo trục Y 17 Hình ảnh 13: Đồ thị theo góc theta 18 Hình ảnh 14: Sơ đồ khối điều khiển mờ 19 Hình ảnh 15: Miền xác định et 21 Hình ảnh 16: Miền xác định wr 21 Hình ảnh 17: Miền xác định wl 22 CHƯƠNG 1: THIẾT KẾ PHẦN CƠ KHÍ CỦA ROBOT 1.1 Tổng quan thiết kế Robot Hình ảnh 1: Mơ tả tổng quan Robot 1.2 Khung robot - Nhóm thiết kế xe với tầng, với khoảng cách 11 cm tạo khung sắt rỗng hình chữ nhật:  Tầng xe thiết kế với khung hình lục giác  Tầng xe thiết kế với khung hình chữ nhật hình vẽ Hình ảnh 2: Thiết kế mặt mặt Robot 1.3 Vật liệu xe - Xe thiết kế với vật liệu sắt nhựa alu:  Mặt tầng xe thiết kế nhựa alu đảm bảo sợ chắn, khối lượng tính thẩm mỹ  Khung xe thiết kế chủ yếu sắt khung chữ nhật rỗng để khung xe chắn để xe hoạt động tốt: 1.4 Tổng kích thước Robot Thông tin hệ thống  Thân Robot ã Kớch thc: 340ì310ì190 cm ã Khi lng:3,7 kg • Số bánh:  Hệ thống cảm biến • Hệ thống đo tốc độ encoder • Hệ thống camera quat sát webcam laptop  Nguồn điện • Ác quy 12V cấp vào Robot 1.5 Phương pháp gia công Robot - Xe gia công chủ yếu hàn khoan bắt vít:  Khung xe thiết kế việc hàn sắt vào với để tạo khung xe hoàn chỉnh  Tầng trên, tầng chi tiết (động cơ, bánh xe, bánh đai,…) gắn lên khung xe với việc khoan vào khung xe vặn vít CHƯƠNG 2: THIẾT KẾ PHẦN ĐIỆN CỦA ROBOT 2.1 Chọn điều khiển - Nhóm chọn thiết kế sử dụng điều khiển sau:  Bộ điều khiển mờ (FLC)  Bộ điều khiển Neural (ANN)  Bộ điều khiển mờ PID (FLC-PID)  Bộ điều khiển Neural PID (ANN-PID)  Bộ điều khiển Neural mờ PID (FLC-ANN-PID)  Bộ điều khiển mờ Neural PID (FLC-ANN-PID) 2.2 Chọn mạch động lực 2.2.1 L298N Hình ảnh 3: Module L298N Thông số kỹ thuật L298N  Module L298 điều khiển động DC động bước, có lỗ nằm góc thuận tiện cho người sử dụng cố định vị trí module  Có gắn tản nhiệt chống nóng cho IC, giúp IC điều khiển với dịng đỉnh đạt 2A IC L298N gắn với ốt board giúp bảo vệ vi xử lý chống lại dòng điện cảm ứng từ việc khởi động/ tắt động  Driver: L298N tích hợp hai mạch cầu H  Điện áp điều khiển : +5V ~ +12 V  Dòng tối đa cho cầu H :2A  Điện áp tín hiệu điều khiển : +5 V ~ +7 V  Dịng tín hiệu điều khiển : ~ 36Ma  Công suất hao phí : 20W (khi nhiệt độ T = 75 °C)  Nhiệt độ bảo quản : -25°C ~ +130 Tính  IC L298 IC tích hợp nguyên khối gồm mạch cầu H bên Với điện áp làm tăng công suất nhỏ động DC loại vừa… - Chức chân L298  chân INPUT: IN1, IN2, IN3, IN4 nối với chân 5, 7, 10, 12 L298 Đây chân nhận tín hiệu điều khiển  chân OUTUT: OUT1, OUT2, OUT3, OUT4 (tương ứng với chân INPUT) nối với chân 2, 3,13,14 L298 Các chân nối với động  Hai chân ENA ENB dùng để điều khiển mạch cầu H L298 Nếu mức logic “1” (nối với nguồn 5V) cho phép mạch cầu H hoạt động, mức logic “0” mạch cầu H khơng hoạt động  Với tốn trên, bạn cần lưu ý đến cách điều khiển chiều quay với L298:  Khi ENA = 0: Động không quay với đầu vào  Khi ENA = 1:  INT1 = 1; INT2 = 0: Động quay thuận  INT1 = 0; INT2 = 1: Động quay nghịch  INT1 = INT2: Động dùng tức  Với ENB tương tự với INT3, INT4  Trong sử dụng module L298 V3 để điều khiển chiều quay động DC 2.2.2 Module Arduino UNO Hình ảnh 4: Module Arduino UNO Module sử dụng dòng vi điều khiển họ 8bit Atmega328 với thông số kỹ thuật sau: Modul thiết kế nhỏ gọn, có tích hợp chuyển đổi chuẩn giao tiếp RS232 to COM để truyền nhận liệu với máy tính Thông số kỹ thuật:             Chip điều khiển chính: ATmega328P Chip nạp giao tiếp UART: ATmega16U2 Nguồn nuôi mạch: 5VDC từ cổng USB nguồn cắm từ giắc trịn DC Số chân Digital I/O: 14 (trong chân có khả xuất xung PWM) Số chân PWM Digital I/O: Số chân Analog Input: Dòng điện DC Current chân I/O: 20 mA Dòng điện DC Current chân 3.3V: 50 mA Flash Memory: 32 KB (ATmega328P), 0.5 KB dùng cho bootloader SRAM: KB (ATmega328P) EEPROM: KB (ATmega328P) Clock Speed: 16 MHz 2.3 Chọn động 2.3.1 Cách tính chọn động cho xe tự hành Tính chọn động cơ, cấu di chuyển robot, lực cản tĩnh phụ thuộc vào khối lượng robot, trạng thái đường (cong, thẳng, ổ gà, dốc, …) Do lực cản tính theo cơng thức sau: Trong đó: - khối lượng - bán kính bánh xe, - hệ số ma sát trượt, - bán kính cổ trục bánh xe, - hệ số ma sát lăn Mô men động sinh để thắng lực cản chuyển động bằng: Trong đó: - lực cản chuyển động, - tỉ số truyền từ trục động đến bánh xe - hiệu suất cấu Công suất động di chuyển có tải bằng: Với: Km - tỉ số truyền động đên trục truyền động xích = 1,15 2.3.2 Tính chọn động Từ mơ hình thực tế ta có được: - khối lượng robot: - bán kính bánh xe: - hệ số ma sát trượt: - bán kính cổ trục bánh xe: - hệ số ma sát lăn: Với: F - lực cản chuyển động = 4,9 [N] i - tỉ số truyền từ trục động đến bánh xe - hiệu suất cấu Mô men sinh để thắng lực cản chuyển động: Với vận tốc Công suất cần thiết động di chuyển chế độ xác lập bằng: Với: Km - tỉ số truyền động đên trục truyền động xích = 1,15 Cơng suất động lựa chọn dựa thông số lớn yêu cầu đặt Trong lúc hoạt động xe chịu nhiều ảnh hưởng lực cản bên ngồi (địa hình, khơng khí) Vì để đảm bảo công suất cho robot nên chọn động có cơng suất Vừa đáp ứng u cầu tốc độ khả chịu tải đảm bảo tính kinh tế cho sản phẩm Động mà nhóm lựa chọn là: Động giảm tốc 12V, 600RPM GB37 Hình ảnh 5: Động GB37 Thông số động cơ:  Tốc độ quay: 600 rpm  Điện áp: 12 VDC  Loại: Có chổi than  Đường kính trục: 6mm  Chiều dài động cơ: 41mm  Chiều dài trục: 12mm 2.3.3 Bản vẽ mạch chi tiết Hình ảnh 6: Sơ đồ nối dây Robot CHƯƠNG 3: MƠ HÌNH ĐỘNG LỰC CỦA XE TỰ HÀNH 3.1 Mơ hình hóa động chiều Phương trình điện áp mạch phần ứng: Suất điện động cảm ứng rotor: Phương trình mơmen điện từ: Phương trình mơ tả quan hệ điện cơ: Phương trình điện áp mạch phần ứng biến đổi qua miền Laplace: Va(s) = Ea(s) + RaIa(s) + LasIa(s) Phương trình suất điện động cảm ứng rotor biến đổi qua miền Laplace: 10 Từ phương trình ta có: Từ ta có: Vì bánh điều khiên động nên ta có động dành cho bánh trái bánh phải 3.2 Thiết kế chi tiết từ mô hình Robot Hình ảnh 7: Hệ quy chiếu Robot Trước tiên để xác định vị trí robot mặt phẳng, ta xây dựng mối quan hệ tọa độ tham chiếu toàn cục mặt phẳng hệ tọa độ tham chiếu cục robot hinh 2.2 Các trục x, y xác định tọa độ điểm hệ tọa độ tồn cục có gốc O (xOy) Điểm P coi tâm dịch chuyển robot, dùng để xác định vị trí robot Hệ tọa độ xmPym hệ tọa độ tham chiếu cục robot, gắn liền với robot Như vị trí điểm P hệ tọa độ tham chiếu toàn cục xác định tọa độ x, y góc lệch θ hai hệ tọa độ tồn cục cục Các thơng số 11 hình học robot bao gồm:  vr(t) - vận tốc dài bánh phải  vl(t) - vận tốc dài bánh trái  wr(t) - vận tốc góc bánh phải  wl(t) - vận tốc góc bánh trái  R - bán kính bánh mobile robot ( 0.0375 m)  L - khoảng cách bánh (0.32 m)  ICC - tâm vận tốc tức thời  w(t) - vận tốc góc robot  v(t)- vân tốc dài robot  P tâm trục  C trọng tâm  d khoảng cách P C theo trục ngang xe Ta có w = v/r, dựa vào hệ quy chiếu trên, từ tâm vận tốc tức thời ta có:  w(t) = (1)  w(t) = (2) Từ (1) (2) suy : w(t) = (3) Bán kính cong từ tâm di chuyển robot tới tâm vận tốc tức thời tính theo cơng thức: R = (4) Vận tốc dài robot tính theo cơng thức: v(t) = R×w(t) (5) Từ (3), (4), (5) ta có: v(t) = Thành phần vận tốc P theo wr(t) wl(t) : = v(t)cos(θ) = = (6) Tương tự ta có: = (7) Ta có: = w(t) = = = (8) Các thành phần vận tốc C là: = +d 12 = +d Ta giả định xe chạy mặt phẳng, xe 0, ta cần tìm động xe tự hành Động tồn cấu tính theo công thức trên: T = Tt + Tr + Trwr Trong Tt động tịnh tiến xe, Tr động chuyển động quay xe, Trwr động chuyển động quay bánh, tính (kgmm2 / s2 ) Các giá trị tính cơng thức sau: Tt = mvc2 = m(xc2 + yc2 ) T r = IA Trwr = I0R2 + I0L2 Động xe tự hành tính theo : T() = Phương trình Lagrange : MR ML momen xoắn bánh trái bánh phải (kgmm/s2 ) K hệ số ma sát( thường lấy 0.001) Mơ hình động học xe tự hành biểu diễn dạng sau: Trong : A =  B=  IA = momen quán tính xe  I0 = momen quán tính bánh  mi, li khối lượng chiều dài nhôm tạo thành xe Từ (6), (7), (8), ta viết mơ hình động học xe tự hành sau: 13  x     y    R  cos   R  sin    R   L   R cos    w  R sin    l    wr   R   L 3.3 Mơ mơ hình xe tự hành Matlab – Simulink Hình ảnh 8: Khối Mobile Robot 14 Hình ảnh 9: Khối động Hình ảnh 10: Khối động nối với Mobile Robot 15 3.4 Kết nhận xét 3.4.1 Kết khối động Ta thấy lúc khởi động động có tốc độ 100 rad/s, sau 0.25s ta đưa momen tải đặt lên động động giảm cịn khoảng 62.27 rad/s tương đương với 595rpm, tốc độ động lúc xấp xỉ với tốc độ lí datasheet 600 rpm động 16 3.4.2 Kết hệ thống Hình ảnh 11: Đồ thị theo trục X Hình ảnh 12: Đồ thị theo trục Y 17 Hình ảnh 13: Đồ thị theo góc theta Ta thấy cấp nguồn lúc này, xét trạng thái lí tưởng động tốc độ nên xe chạy thẳng đồ thị trục x đường thẳng cịn trục y góc lệch theta khơng có CHƯƠNG 4: THIẾT KẾ BỘ ĐIỀU KHIỂN MỜ 4.1 Bộ điều khiển mờ 4.1.1 Lịch sử phát triển Lý thuyết logic mờ (fuzzy sets theory) bắt đầu xuất từ năm 1965 giáo sư Lotfi Zadeh đăng công trình nghiên cứu “Fuzzy sets” tạp chí “Information and control” Từ “Fuzzy” - tiếng việt nghĩa “Mờ”, đưa vào lý thuyết nhằm mục đích phân định khác với mơn tốn xác truyền thống với khái niệm như: “thuộc – không thuộc”, “đúng - sai” Khái niệm tập hợp mờ Zadeh định nghĩa như: “Những khái niệm giải thích phương pháp tốn học thơng thường lý giải trí tuệ nhân tạo ví dụ hệ thống phức tạp với có mặt người ” Logic mờ ứng dụng vào năm 1975 Mamdani Assilian thiết kế điều khiển mờ (Fuzzy controler) để điều khiển động nước Năm 1982 Holmblad Osregaad chế tạo điều khiển mờ công nghiệp ứng dụng điều khiển ấu trình nung chảy xi măng nhà 18 máy Đan Mạch Nhờ có sáng chế mà việc nghiên cứu giải thuật mờ thúc đẩy mạnh mẽ Sau thời gian Bart Kosko chứng minh “định lý xấp sỉ mờ” (Fuzzy Approximation Theorem) Theo định lý hệ thống biến thành hệ thống xấp xỉ dựa nguyên tắc logic mờ Nói theo cách khác, nhờ phát biể u dạng “ - thì” hình thức hố cơng cụ lý thuyết tập hợp mờ ta phản ánh mối quan hệ “đầu vàođầu ra” mà không cần phương trình, phép tính tích phân vi phân phức tạp thường sử dụng hệ thống điều khiển hay đồng đối tượng điều khiển Lý thuyết logic mờ ứng dụng thành công lĩnh v ực như: điều khiển q trình cơng nghệ, điều khiển giao thông, xác định bệnh y học, quản lý tài chính, dự báo giá cổ phiếu, công nghệ nhận dạng Sản phẩm ứng dụng máy giặt, camera thiết bị đa hệ thống phòng thủ chiến lược, hay hệ thống điều khiển máy bay Kinh nghiệm thực tế thiết kế hệ thống logic mờ cho thấy giá thành thời gian nhỏ nhiều so với thiết kế hệ thống truyền thống Điều khiển mờ Sơ đồ hệ thống điều khiển mờ: Hình ảnh 14: Sơ đồ khối điều khiển mờ Khối mờ hoá: Biến đổi giá trị rõ đầu vào thành miền giá trị mờ với hàm thuộc chọn ứng với biến ngôn ngữ đầu vào Khối hợp thành (Inference Mechanism) Biến đổi giá trị mờ hoá biến ngôn ngữ đầu vào thành giá trị mờ biến ngôn ngữ đầu theo luật hợp thành Khối luật mờ (Rule-base) 19 Gồm tập luật “Nếu Thì ” dựa vào luật mờ sở người thiết kế xây dựng thích hợp cho biến giá trị biến ngôn ngữ theo quan hệ mờ Vào/Ra Khối giải mờ (Defuzzifier) Biến đổi giá trị mờ đầu thành giá trị rõ để điều khiển đối tượng Cấu trúc điều khiển mờ (gồm khâu): Khâu Fuzzy hố: có nhiệm vụ chuyển đổi giá trị đầu vào xo thành vector µ gồm hàm thuộc, biểu thị độ phụ thuộc giá trị rõ theo tập mờ biến ngôn ngữ đầu vào Khâu hợp thành: thực luật hợp thành, xử lý vector µ cho giá trị mờ B’ biến ngôn ngữ đầu Khâu giải mờ: chuyển đổi tập mờ B’ thành giá trị rõ y’ngõ Phân loại khâu điều khiển mờ: khâu điều khiển kinh điển, khâu điều khiển mờ phân theo tiêu chuẩn sau: • • • • • • Tĩnh - động Tuyến tính – phi tuyến Liên tục - Rời rạc Tiền định hay ngẫu nhiên Ổn định – không ổn định Tham số tĩnh hay tham số động 4.2 Thiết kế điều khiển mờ 4.2.1 Xác định tập mờ Đầu vào (góc lệch vật cản so với trục xe khoảng cách từ xe tới vật cản)  Δet : Trái, Zero, Phải ( -0.3 rad – 0.3 rad)  Δex: Gần, Vừa, Xa (0 cm – 30 cm) Đầu ra: tốc độ góc bánh trái bánh phải (wr wl) 20 Các hàm thuộc xây dựng cho đầu vào là:  Δet : Trái(tương đương -0.3 rad) , Zero (tương đương rad), Phải( tương đương 0.3 rad)  Δex: Gần(tương đương 0cm), Vừa, (tương đương10 cm), Xa(tương đương 30cm) 4.2.2 Số lượng tập mờ Mỗi đại lương tốc độ bánh có mức : Chậm, Vừa, Nhanh ( -3 rad/s – rad/s)  Chậm : tương đương -3 rad/s  Vừa : tương đương rad/s  Nhanh: tương đương rad/s Hình ảnh 15: Miền xác định et Hình ảnh 16: Miền xác định wr 21 Hình ảnh 17: Miền xác định wl Luật mờ bánh phải sau: Δet Trái Gần Chậm Vừa Chậm Xa Chậm Luật mờ bánh trái sau: Δet Gần Vừa Xa Trái Nhanh Vừa Chậm Δex Zero Chậm Nhanh Vừa Phải Chậm Vừa Nhanh Δex Zero Vừa Nhanh Chậm Phải Chậm Chậm Chậm 22 23