Thiêết kêế robot di chuyển và tránh vật cản tự hành

Đ IẠH Ọ C ĐÀ NẴẴNG TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA KHOA ĐIỆN ĐỒỒ ÁN LIÊN MỒN NGÀNH: KỸẴ THU ẬT ĐIỀỀU KHIỂN & TỰ ĐỘNG HOÁ ĐÊỒ TÀI: THIÊẾT KÊẾ ROBOT DI CHUYỂN VÀ TRÁNH VẬT CẢN TỰ HÀNH Ng ười h ướng dẫẫn: TS NGUỸỀẴN HOÀNG MAI Nhóm thực hiện: NHĨM - lớp 19.33B Sinh viên thực hiện: Phạm Quang trung Nguyễn Duy Trường Trần Phước Lanh Ngơ Quang Trung Lê Vũ hồi Nam Đà Nẵẵng Chương I: Tổng quan đề tài Mục đích đề tài Mục đính đề tài áp dụng công nghệ thông tin vào kỹ thuật “Xây dựng xe tự hành đến vị trí định có khả tự tránh vật cản” Ý nghĩa khoa học thực tiễn đề tài  Ý nghĩa khoa học Xây dựng sở khoa học khả tự hành tránh vật cản robot sử dụng cảm biến siêu âm xử lý hình ảnh camera  Ý nghĩa thực tiễn đề tài Tiềm ứng dụng xe tự hành lớn, kể đến robot vận hành vật liệu, hàng hóa tịa nhà, nhà máy, cửa hàng, sân bay hay thư viện… Ưu điểm nhược điểm đề tài  Ưu điểm  Với thiết kế mơ hình xe tránh vật cản hoạt động bình thường ổn định, phần cứng phần mềm tương thích với kết hợp thêm thiết bị khác để phát triển mô hình lớn hơn, dễ dàng hoạt động  Bên cạnh giá thành linh kiện ngồi thị trường lại rẻ dễ dàng tìm kiếm  Nhược điểm  Do thiếu điều kiện nên làm mơ hình cịn to cồng kềnh  Những địa hình khó khăn, góc hẹp xe hoạt động hạn chế Chương II: CẤU TẠO PHẦN CỨNG VÀ SƠ ĐỒ KẾT NỐI ROBOT TỰ HÀNH TRÁNH VẬT CẢN 1.Tổng quan thiết kế Mobile Robot Thông số chi tiết linh kiện mạch 2.1 Khối điều khiển trung tâm Arduino UNO R3 a Arduino gì? Arduino tảng mã nguồn mở phần cứng phần mềm Phần cứng Arduino (các board mạch vi xử lý) sinh thị trấn Ivrea Ý, nhằm xây dựng ứng dụng tương tác với với môi trường thuận lợi Phần cứng bao gồm board mạch nguồn mở thiết kế tảng vi xử lý AVR Atmel 8bit, ARM Atmel 32-bit Những Model trang bị gồm cổng giao tiếp USB, chân đầu vào analog, 14 chân I/O kỹ thuật số tương thích với nhiều board mở rộng khác b Thông số kỹ thuật Vi điều khiển Điện áp hoạt động Tần số hoạt động Dòng tiêu thụ Điện áp vào khuyên dùng Điện áp vào giới hạn Số chân Digital I/O Số chân Analog Dòng tối đa chân I/O Dòng tối đa (5V) Dòng tối đa (3.3V) Bộ nhớ flash SRAM EEPROM ATmega328 họ 8bit 5V DC (chỉ cấp qua cổng USB) 16MHz khoảng 30mA 7-12V DC 6-20V DC 14 (6 chân hardware PWM) (độ phân giải 10bit) 30 mA 500 mA 50 mA 32 KB (ATmega328) với 0.5KB dùng bootloader KB (ATmega328) 1KB (ATmega328)  Cấp nguồn Arduino UNO cấp nguồn 5V thông qua cổng USB cấp nguồn với điện áp khuyên dùng 7-12V DC giới hạn 6-20V Thường cấp nguồn pin vng 9V hợp lí bạn khơng có sẵn nguồn từ cổng USB Nếu cấp nguồn vượt ngưỡng giới hạn trên, bạn làm hỏng Arduino UNO  Các chân nguồn  GND (Ground): cực âm nguồn điện cấp cho Arduino UNO Khi bạn dùng thiết bị sử dụng nguồn điện riêng biệt chân phải nối với  5V: cấp điện áp 5V đầu Dòng tối đa cho phép chân 500mA  3.3V: cấp điện áp 3.3V đầu Dòng tối đa cho phép chân 50mA  Vin (Voltage Input): để cấp nguồn cho Arduino UNO, bạn nối cực dương nguồn với chân cực âm nguồn với chân GND  IOREF: điện áp hoạt động vi điều khiển Arduino UNO đo chân Và dĩ nhiên ln 5V Mặc dù bạn không lấy nguồn 5V từ chân để sử dụng chức khơng phải cấp nguồn  RESET: việc nhấn nút Reset board để reset vi điều khiển tương đương với việc chân RESET nối với GND qua điện trở 10KΩ 2.2 điều khiển A4988 a Tổng quan Driver A4988 A4988 trình điều khiển vi bước để điều khiển động bước lưỡng cực có dịch tích hợp để vận hành dễ dàng Điều có nghĩa điều khiển động bước với chân từ điều khiển chân để điều khiển hướng quay chân để điều khiển bước A4988-Trình điều khiển bước Driver cung cấp năm độ phân giải bước khác nhau: bước đủ, ½ bước, ¼ bước, 1/8 bước 1/16 bước Ngồi ra, có biến trở để điều chỉnh đầu tại, tắt nhiệt độ cao bảo vệ dịng điện chéo Nguồn vào từ đến 5,5 V dòng điện tối đa pha 2A làm mát bổ sung tốt dịng điện liên tục 1A pha mà khơng cần tản nhiệt làm mát b Thông số kỹ thuật 2.3 Động step motor a Tổng quan Đô ng a Cơ Bưbc Servo KH42KM2R015D 4.42V 1.3A - Động bước loại động có nguyên lý ứng dụng khác biệt với đa số động điện thông thường, chúng thực chất động đồng bộ, dùng để biến đổi tín hiệu điều khiển dạng xung điện rời rạc thành chuyển động góc quay chuyển động rotor có khả cố định rotor vào vị trí cần thiết - Động bước Servo KH42KM2R015D 4.42V 1.3A thường sử dụng ứng dụng cần có độ xác cao, lực kéo mạnh, chạy thời gian dài, không chổi than (BLDC), chạy vòng bi nên bền với thời gian, dùng chế tạo máy in 3D, máy khắc CNC, robot - Động bước loại pha dây, tức gồm có cuộn dây, cuộn có đầu hình phía Để sử dụng bạn xác định dây common cuộn, sau nối hai dây chung lại với (chỉ nối chung với nhau), động cịn lại dây theo thứ tự A+, A-, B+, B-, b Thông số kỹ thuât:a - Mã sản phẩm: KH42KM2R015D - Hãng sản xuất: Nidec Servo - Kích thước: 42x42x50mm - Trục: 5mm - Loại động bước: pha - Điện áp định mức: 4.42V - Dòng định mức: 1,3A - Độ phân giải: 1.8 độ/1 bước - Số dây: dây 2.4 Khối di chuyển a Bánh xe sau Thông số kỹ thuật  Chất liệu: Nhựa  Đường kính bánh xe: 72mm  Chiều rộng bánh xe : 27mm b Bánh xe trưbc Thông số kỹ thuật  Chất liệu: Nhựa  Đường kính bánh xe: 40mm  Chiều rộng bánh xe : 15mm Sơ đồ mạch cách nối dây 3.1 Sơ đồ mạch driver Sơ đồ nối dây tối thiểu để kết nối vi điều khiển vbi điều khiển động A4988 3.2 Sơ đồ mạch tổng quát Chương III: THIẾT KẾ BỘ ĐIỀU KHIỂN MỜ 1.Lịch sử phát triển Lý thuyết logic mờ (fuzzy sets theory) bắt đầu xuất từ năm 1965 giáo sư Lotfi Zadeh đăng cơng 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 khơng thể 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 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 vào- đầu 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, cơng 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 2.Điều khiển mờ Sơ đồ hệ thống điều khiển mờ: 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 hố biến ngơn ngữ đầu vào thành giá trị mờ biến ngôn ngữ đầu theo luật hợp thành Khối luật mờ (Rule-base) 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 ñiều 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 3.Thiết kế điều khiển mờ Đầu vào: Sai lệch góc so với vật: Trái, Giữa, Phải Sai lệch khoảng cách so với vật: Gần, Vừa, Xa Đầu ra: Tốc độ quay bánh xe trái, bánh xe phải Bánh trái: Góc so với Vật Khoảng cách Trái Giữa Phải Gẫần Nhanh V ừa Chậm V ừa V ừa Nhanh Chậm Xa Chậm Chậm Chậm Góc so với vật Khoảng cách Trái Zero Phải Gẫần Chậm Chậm Chậm V ừa Chậm Nhanh V ừa Xa Chậm Vừa Nhanh Bánh phải: Chương IV: MƠ HÌNH ĐỘNG HỌC MOBILE ROBOT Robot hệ tọa độ Oxy Trong đó: 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 L - khoảng cách bánh w(t) - vận tốc góc robot v(t)- vân tốc dài robot C - trọng tâm xe -Phương trình tốn học robot khơng gian:  vx(t)= =v(t)cosӨ  vy(t)= =v(t)sinӨ  = ω(t) -Vận tốc dài robot: v(t)= ω(t).R= Suy ra: vr(t)= vl(t)= ω(t)= (phương trình bán kính cong) R  cos   x    y   R sin    2     R    L   R  cos    w  R sin    l    wr   R  L  *Mô matlab Simulink