Đồ án tốt nghiệp- thiết kế bộ điều khiển tự động cho robot tự hành

Đồ án tốt nghiệp- thiết kế bộ điều khiển tự động cho robot tự hành

Thiết kế bộ điều khiển chuyển động theo quỹ đạo cho Robot tự hành Mục lục Mục lục 1 Lời Cảm Ơn 2 Lời nói đầu 3 Phần I Phân tích cấu trúc tổng quát của Robot tự hành 5 1. Hệ Quang học 5 1.1. Vai trò, nhiệm vụ của hệ quang học 5 1.2. Cấu trúc cơ bản của hệ quang học 5 2. Hệ chuyển động 5 2.1. Vai trò, nhiệm vụ của hệ chuyển động 5 2.2. Cấu trúc cơ bản của hệ chuyển động 6 3. Hệ điều khiển 7 3.1. Vai trò, nhiệm vụ của hệ điều khiển 7 3.2. Cấu trúc cơ bản của hệ điều khiển 7 Phần II Phân tích các mô hình điều khiển và các phơng pháp điều khiển thông dụng 9 1. Định nghĩa bài toán lái tự động: 9 2. Mô hình tính năng hệ điều khiển lái tự động cho Robot tự hành 9 3. Các mô hình điều khiển bám vạch thông dụng 10 3.1. Mô hình điều khiển không có phản hồi 10 3.2. Mô hình điều khiển có phản hồi 12 3.3. Kết luận: 13 Phần III Thiết kế bộ điều khiển chuyển động cho robot tự hành 14 1. Bài toán điều chế công suất: 14 1.1. Mạch động lực 14 1.2. Điều chế PWM 18 1.3. Bộ cách ly 20 2. ổn định vận tốc: 20 2.1. Các phơng pháp điều khiển thông dụng : 20 2.2. Tìm hiểu về phơng pháp điều khiển fuzzy: 22 2.3. Thiết kế chi tiết khối ổn định vận tốc 25 3. Bộ xử lý trung tâm 31 3.1. Khảo sát họ vi điều khiển 8051 31 3.2. Ghép nối thu thập số liệu từ hệ điều khiển 54 1. SM0 SCON.7 Số xác định chế độ làm việc cổng nối tiếp 73 2. SM1 SCON.6 Số xác định chế độ làm việc cổng nối tiếp 73 3. SM2 SCON.5 Dùng cho truyền thông giữa các bộ vi xử lý (SM2 = 0) 73 SVTH: Lu Xuân Công 1 Trang bị điện K42 Thiết kế bộ điều khiển chuyển động theo quỹ đạo cho Robot tự hành 4. Tổng hợp bộ điều khiển 74 4.1. Phần cứng 74 4.2. Phần mềm 75 4.3. ổn định vngang: 83 Kết Luận 94 Tài liệu tham khảo 95 Lời Cảm Ơn Em xin chân thành gửi lời cảm ơn tới tất cả các thầy cô trong bộ môn Trang thiết bị Điện - Điện Tử trong công nghiệp và giao thông vận tải cùng các thầy cô trong khoa Điện - Điện tử đã tận tình dạy dỗ em những kiến thức chuyên môn làm cơ sở để em hoàn thành tốt đề tài tốt nghiệp và đã tạo điều kiện thuận lợi cho em hoàn tất khóa học. Đặc biệt em xin gửi lời cảm ơn tới TS. Nguyễn Văn Nghĩa, ngời đã gợi ý, đã tạo mọi điều kiện và nhiệt tình giúp đỡ em hoàn thành đề tài này. Con xin chân thành cảm ơn Bố Mẹ, gia đình, bạn bè đã động viên và tạo mọi điều kiện giúp con học tập tốt. Đồng thời em xin gửi lời cảm ơn tới tất cả các bạn sinh viên đã đóng góp những ý kiến quý báu giúp em hoàn thành đề tài tốt nghiệp đúng thời gian. Em xin chân thành cảm ơn Sinh viên thực hiện Lu Xuân Công SVTH: Lu Xuân Công 2 Trang bị điện K42 Thiết kế bộ điều khiển chuyển động theo quỹ đạo cho Robot tự hành Lời nói đầu ROBOCON là cuộc thi trí tuệ và sáng tạo đợc phát động hàng năm do hiệp hội ROBOT Châu á Thái Bình Dơng tổ chức. Cuộc thi này đã thu hút đ- ợc rất nhiều sự quan tâm của các bạn sinh viên ở các nớc Châu á. Đặc biệt là các bạn sinh viên nớc ta. Là một cầu nối Đài truyền hình Việt Nam đã phát động cuộc thi này hàng năm nhằm khuyến khích các bạn sinh viên Việt Nam tham gia nghiên cứu khoa học, chế tạo Robot, thể hiện óc sáng tạo của sinh viên Việt Nam để chọn ra một đội vô địch trong nớc đi tham gia thi đấu, giao lu với các nớc trong khu vực Châu á Thái Bình Dơng. Tổng quát các Robot tự động phải thực hiện các bài toán cơ bản sau: Bài toán định vị: Dựa trên lới vạch trắng trên sân, xác định vị trí hiện tại của rôbốt. Bài toán di chuyển: Bám theo vạch trắng để dịch chuyển tới vị trí cần tiếp cận. Bài toán tiếp cận mục tiêu: Thực hiện thao tác ghi điểm. Việc giải quyết tốt bài toán di chuyển sẽ cho phép rôbốt đi trên lới tọa độ với tốc độ cao, tin cậy, chính xác. Chính vì vậy, đợc sự đồng ý của Thầy giáo hớng dẫn và Bộ môn, em đã thực hiện đề tài tốt nghiệp với nội dung: Thiết kế bộ điều khiển chuyển động theo quỹ đạo cho rôbốt tự hành Nội dung cơ bản của đề tài gồm các phần sau: Phân tích đầu bài Hệ quang học Hệ chuyển động Hệ điều khiển Phân tích các mô hình điều khiển và các phơng pháp điều khiển thông dụng có thể sử dụng trong bài toán điều khiển bám. Mô hình điều khiển không có phản hồi Mô hình điều khiển có phản hồi Thiết kế bộ điều khiển chuyển động cho Robot tự hành Thiết kế tính năng SVTH: Lu Xuân Công 3 Trang bị điện K42 Thiết kế bộ điều khiển chuyển động theo quỹ đạo cho Robot tự hành Phân chia phần cứng, phần mềm và thiết kế chi tiết từng khối Tổng hợp bộ điều khiển Phân tích và đánh giá chất lợng của bộ điều khiển bằng máy tính Do hạn chế về thời gian và kinh nghiệm nên bản đồ án này khó tránh khỏi những khiếm khuyết. Em rất mong đợc sự đóng góp của các quý thầy cô để đề tài này đợc hoàn thiện hơn. SVTH: Lu Xuân Công 4 Trang bị điện K42 Thiết kế bộ điều khiển chuyển động theo quỹ đạo cho Robot tự hành Phần I Phân tích cấu trúc tổng quát của Robot tự hành Về cấu trúc, có thể phân chia robot tự hành thành các khối cơ bản sau: - Hệ quang học - Hệ chuyển động - Hệ điều khiển. 1. Hệ Quang học 1.1. Vai trò, nhiệm vụ của hệ quang học Hệ quang học đợc ví nh mắt của Robot tự hành. Nhiệm vụ của nó là giúp cho Robot tự hành dò đờng và tìm đờng đi trên lới tọa độ. Mặt khác nó còn phải xác định góc lệch hiện tại của Robot, vị trí lệch của Robot so với quỹ đạo chuyển động đã định sẵn của Robot. 1.2. Cấu trúc cơ bản của hệ quang học Hệ quang học đợc cấu tạo từ rất nhiều các cặp mắt thu - phát khác nhau. Thờng thì mỗi một Robot tự hành đợc trang bị từ 7 12 cặp mắt thu - phát tùy thuộc vào chiều rộng của xe nhng số cặp mắt thu phát càng nhiều thì thông tin từ hệ quang học càng nhiều và độ tin cậy của hệ quang học càng lớn. Các cặp mắt thu phát thờng là các cặp thu phát hồng ngoại hoặc các loại điện trở quang có độ nhậy với ánh sáng cao. 2. Hệ chuyển động 2.1. Vai trò, nhiệm vụ của hệ chuyển động Hệ chuyển động đợc ví nh đôi chân của Robot tự hành.nhiệm vụ của nó là giúp cho Robot tự hành chuyển động tới mọi vị trí trên lới tọa độ. Để làm đợc điều này hệ chuyển động phải đạt đợc những yêu cầu tốc độ, gia tốc, mômen và công suất sao cho thời gian chuyển động của Robot từ vị trí này SVTH: Lu Xuân Công 5 Trang bị điện K42 Thiết kế bộ điều khiển chuyển động theo quỹ đạo cho Robot tự hành đến vị trí kia trên lới tọa độ là nhanh nhất, ổn định nhất và mômen chuyển động luôn luôn phải đủ lớn để có thể thắng đợc mọi vật cản trên sân. 2.2. Cấu trúc cơ bản của hệ chuyển động Hệ chuyển động thờng đợc cấu tạo từ các động cơ một chiều kích từ độc lập công suất nhỏ từ 12 24 [W] hoặc là các động cơ bớc nhng trên thực tế động cơ bớc ít đợc dùng do khó điều khiển, giá thành cao và công suất quá nhỏ. Cấu trúc của hệ chuyển động thờng bao gồm 2 bánh chủ động và một bánh bị động. 2 bánh chủ động vừa có tác dụng cung cấp mômen chuyển động cho xe vừa có tác dụng làm bánh lái. Bánh bị động chỉ có tác dụng dẫn hớng và giúp xe cân bằng. 2.2.1. Hệ chuyển động điều khiển ON/OFF và đảo chiều bằng rơle Hệ chuyển động này là cấu trúc đơn giản nhất. Nó chỉ gồm 1 rơle dùng để đảo chiều động cơ và 1 rơle dùng để đống, cắt động cơ với nguồn điện. Hệ này có u điểm là không phải tiêu tốn công suất tổn hao do dùng rơle nhng nhợc điểm của nó là chỉ có thể đóng cắt và đảo chiều động cơ với tần số rất thấp nên chất lợng ổn định của nó không cao. Hệ này chỉ thích hợp cho các Robot điều khiển bằng tay. SVTH: Lu Xuân Công 6 Trang bị điện K42 Bánh xe bị động Bánh xe chủ động Bánh xe chủ động Hai động cơ chính Mô hình Robot tự hành sử dụng hệ 2 bánh xe chủ động độc lập Thiết kế bộ điều khiển chuyển động theo quỹ đạo cho Robot tự hành 2.2.2. Hệ chuyển động điều khiển bằng PWM và đảo chiều bằng rơle Hệ này sử dụng 1 phần tử bán dẫn công suất để điều chỉnh điện áp cung cấp cho động cơ bằng phơng pháp điều chế độ rộng xung nên hệ này khắc phục đợc nhợc điểm của hệ điều khiển ON/OFF là tần số đóng cắt của nó đợc nâng lên rất cao nhng nó phải chịu thêm nhợc điểm là bị tiêu tốn công suất trên phần tử bán dẫn công suất. 2.2.3. Hệ điều khiển chuyển động bằng PWM và đảo chiều bằng cầu H là các phần tử bán dẫn công suất Hệ này sử dụng 2 phần tử bán dẫn công suất kênh N và 2 phần tử bán dẫn công suất kênh P để tạo nên một cầu H. u điểm nổi bật của hệ này tần số đảo chiều rất cao rất thích hợp cho các hệ thống điều khiển có chiều cần độ đáp ứng điều khiển nhanh. Nhợc điểm chính của hệ này là do dùng 4 phần tử bán dẫn công suất nên tiêu tốn công suất trên chúng tơng đối lớn. Nhợc điểm thứ hai là các phần tử bán dẫn thờng có một thời gian quá độ (thời gian trễ) giữa các lần đóng và mở dẫn đến khi tần số đảo chiều quá cao sẽ dẫn đến hiện tợng trùng dẫn trong một thời gian rất ngắn. Nếu nh thời gian này kéo dài và lặp lại liên tục sẽ làm cho các phần tử bán dẫn bị cháy. 3. Hệ điều khiển 3.1. Vai trò, nhiệm vụ của hệ điều khiển Hệ điều khiển đợc ví nh bộ não của Robot tự hành. Nhiệm vụ của nó là tổng hợp các thông tin từ hệ quang học và hệ chuyển động để đa ra các lệnh điều khiển ngợc trở lại hệ chuyển động giúp cho Robot thực hiện các nhiệm vụ hay các chức năng của nó nh di chuyển đến đích, tiếp cận mục tiêu 3.2. Cấu trúc cơ bản của hệ điều khiển Hệ điều khiển đợc cấu tạo bởi các bộ vi xử lý cỡ nhỏ có thể lập trình đợc. Phổ biến và dễ ứng dụng nhất là họ vi điều khiển 8051. Họ vi điều khiển này cũng có rất nhiều loại nh 89C51, 89C52, 89C2051 và tùy thuộc vào yêu cầu của hệ thống điều khiển về tốc độ xử lý, số lợng các đầu IN/OUT và dung lợng bộ nhớ chơng trình mà sử dụng chúng sao cho thích hợp mà tiết kiệm đợc tối đa giá thành sản phẩm. Từ những phân tích trên ta có thể đa ra sơ đồ khối cấu trúc tổng quát của Robot tự hành nh sau: SVTH: Lu Xuân Công 7 Trang bị điện K42 Thiết kế bộ điều khiển chuyển động theo quỹ đạo cho Robot tự hành SVTH: Lu Xuân Công 8 Trang bị điện K42 Bộ điều khiển Bộ chuyển động Bộ phản hồi vận tốc Thông tin từ bộ quang học Thiết kế bộ điều khiển chuyển động theo quỹ đạo cho Robot tự hành Phần II Phân tích các mô hình điều khiển và các phơng pháp điều khiển thông dụng 1.Định nghĩa bài toán lái tự động: Bài toán lái tự động là một trong những bài toán cơ bản trong điều khiển Robot tự hành. Lái tự động có nghĩa là Robot tự hành phải tự biết tìm đờng đi theo một quỹ đạo đã đợc vạch định sẵn. Chúng phải dựa vào các thông tin của mắt và chân để biết đợc vị trí hiện tại của xe, vận tốc của xe, độ lệch và góc lệch của xe so với quỹ đạo chuyển động cho trớc. Mô hình chuyển động của một Robot tự hành: 2.Mô hình tính năng hệ điều khiển lái tự động cho Robot tự hành Bài toán gồm 3 phân cơ bản: 1. Sensor quang nhận tín hiệu quang; từ đó phát hiện ra độ lệch của xe so với vạch dẫn hớng. SVTH: Lu Xuân Công 9 Trang bị điện K42 Vận tốc xe Góc lệch xe độ lệch xe Vạch dẫn h ớng chuyển động Bắt đầu Kiểm soát vạch dọc Thuật toán bám vạch Điều chỉnh vi sai vận tốc Kết thúc Thiết kế bộ điều khiển chuyển động theo quỹ đạo cho Robot tự hành 2. Bộ điều khiển, trên cơ sở trạng thái hiện tại của xe, sẽ ra lệnh điều chỉnh để lái xe trở về vạch dọc. 3. Trên cơ sở yêu cầu về độ lệch, các khối điều khiển động cơ sẽ tạo ra vận tốc vi sai 2 bánh để tạo ra quỹ đạo hợp lý cho xe. Tuy nhiên, tùy theo cách thiết kế mà ngời ta có 2 phơng pháp điều khiển bám vạch sau: 3.Các mô hình điều khiển bám vạch thông dụng 3.1. Mô hình điều khiển không có phản hồi Trong mô hình này, các cảm biến quang sẽ phát hiện đợc độ lệch của xe, trên cơ sở đó trực tiếp điều khiển mômen hai bánh xe: Độ lệch xe càng nhiều - độ chênh PWM giữa 2 bánh càng lớn để điều khiển xe về trạng thái cân bằng. ý nghĩa và nhiệm vụ của các khối chức năng: - Bộ tính độ lệch mômen 2 bánh: Có nhiệm vụ nhận thông tin từ mắt và kiểm tra vị trí và độ lệch hiện tại của xe từ đó tính toán ra độ lệch mômen 2 bánh. - Bộ điều chế độ rộng xung: Có nhiệm vụ nhận giá trị điều khiển từ bộ xử lý và xuất ra giá trị PWM . - Mạch cách ly: Có nhiệm vụ cách ly tín hiệu giữa mạch động lực và mạch điều khiển. - Mạch động lực: Có nhiệm vụ khuyếch đại tín hiệu điều khiển và đa công suất ra 2 động cơ. Nhận xét: SVTH: Lu Xuân Công 10 Trang bị điện K42 Bộ điều chế độ rộng xung Mạch động lực Động cơ trái Động cơ phải Thông tin từ hệ quang học Tính độ lệch momen 2 bánh Cách ly [...]... suất 2 bánh xe theo yêu cầu điều khiển Phần tiếp theo em sẽ phân tích và thiết kế 3 bài toán trên: SVTH: Lu Xuân Công 13 Trang bị điện K42 Thiết kế bộ điều khiển chuyển động theo quỹ đạo cho Robot tự hành Phần III Thiết kế bộ điều khiển chuyển động cho robot tự hành 1 Bài toán điều chế công suất: 1.1 Mạch động lực Mạch động lực đợc thiết kế hoàn toàn bằng phần cứng Có rất nhiều phơng pháp thiết kế phần... bánh Bộ điều chế độ rộng xung Động cơ bánh phải Mạch cách ly Mạch động lực Động cơ bánh trái Sơ đồ tính năng Robot tự hành Bắt đầu đo vận tốc Khống chế gia tốc ổn định vận tốc Bảo vệ chống kẹt xe Kết thúc Sơ đồ các khối chức năng trong bộ xử lý trung tâm SVTH: Lu Xuân Công 25 Trang bị điện K42 Thiết kế bộ điều khiển chuyển động theo quỹ đạo cho Robot tự hành 2.3.2 Thiết kế chi tiết 2.3.2.1 Thiết kế. .. phải điều khiển độc lập 2 động cơ một chiều kích từ độc lập gắn trên xe Các thông số của vi xử lý 89C2051: Sơ đồ chân: Sơ đồ các khối chức năng: SVTH: Lu Xuân Công 27 Trang bị điện K42 Thiết kế bộ điều khiển chuyển động theo quỹ đạo cho Robot tự hành - Thiết kế chi tiết: Sơ đồ mạch nguyên lý: SVTH: Lu Xuân Công 28 Trang bị điện K42 Thiết kế bộ điều khiển chuyển động theo quỹ đạo cho Robot tự hành. .. SVTH: Lu Xuân Công 11 Trang bị điện K42 Thiết kế bộ điều khiển chuyển động theo quỹ đạo cho Robot tự hành 3.2 Mô hình điều khiển có phản hồi Thông tin từ hệ quang học Tính độ lệch vận tốc 2 bánh Bộ điều khiển vận tốc 2 bánh Bộ điều chế độ rộng xung Bộ cách ly Bộ phản hồi tốc độ Bộ phản hồi tốc độ Mạch động lực Động cơ phải Động cơ trái - Trong mô hình này, mỗi động cơ có mạch vòng ổn định tốc độ riêng,... lại của bộ điều chỉnh PID Thành phần tích phân có tác dụng thay đổi giá trị điều khiển cho đến khi giá trị trung bình của sai lệch vận tốc theo thời gian là bằng 0 Đây là phSVTH: Lu Xuân Công 21 Trang bị điện K42 Thiết kế bộ điều khiển chuyển động theo quỹ đạo cho Robot tự hành ơng pháp điều khiển tốt song khá phức tạp về mặt toán học lúc này hàm truyền bộ điều chỉnh là bậc 3 2.1.5 Luật điều khiển PI:... Thiết kế chi tiết phần cứng, phần mềm 2.3.2.1.1 Hệ điều khiển Phần cứng bộ xử lý trung tâm sử dụng là các vi xử lý họ 8051 Thiết kế chi tiết - Sơ đồ mạch nguyên lý: - Sơ đồ mạch Reset và mạch dao động: 2.3.2.1.2 Bộ điều chế độ rộng xung SVTH: Lu Xuân Công 26 Trang bị điện K42 Thiết kế bộ điều khiển chuyển động theo quỹ đạo cho Robot tự hành Phần cứng bộ điều chế độ rộng xung đợc tạo bởi 2 vi xử lý 89C2051... tố nh điều khiển vòng kín hay vòng hở, tính chất liên tục của biến ra, Nhng trong điều khiển các đối tợng vật lý thì phơng pháp CoM là đáng để xét đến nhất SVTH: Lu Xuân Công 24 Trang bị điện K42 Thiết kế bộ điều khiển chuyển động theo quỹ đạo cho Robot tự hành 2.3 Thiết kế chi tiết khối ổn định vận tốc 2.3.1 Sơ đồ tính năng Vận tốc đặt 2 bánh xe Thông tin từ hệ quang học Bộ xử lý trung tâm Bộ phản... Thiết kế bộ điều khiển chuyển động theo quỹ đạo cho Robot tự hành quá nhiều lần có thể gây ra mất ổn định hệ thống vì vậy mà chất lợng điều chỉnh của phơng pháp này là rất thấp do sai số giữa vận tốc đặt và vận tốc phản hồi và do mỗi lần đóng cắt thì xe sẽ bị giật Mô hình điều khiển này thờng đợc dùng cho các Robot bằng tay 2.1.2 Điều khiển tỷ lệ P Là phơng pháp nhằm cải thiện việc thực hiện điều khiển. .. full-bridge) dùng để điều khiển một động cơ bớc hoặc hai động cơ một chiều Nó có thể sử dụng với điện áp nguồn nuôi đến 48V và dòng điện một chiều cho mỗi cầu là 2A tổng cộng cả hai cầu là 4A Hình dáng bên ngoài của vi mạch L298 SVTH: Lu Xuân Công 16 Trang bị điện K42 Thiết kế bộ điều khiển chuyển động theo quỹ đạo cho Robot tự hành Các thông số cơ bản của L298 Sử dụng L298 để điều khiển độc lập 2 động cơ 1... các bánh xe Phần cứng Mạch phản hồi tốc độ sử dụng Triggered D Flip Flops 74LS74 để phản hồi chiều quay của động cơ các thông số kỹ thuật của 74LS74: SVTH: Lu Xuân Công 29 Trang bị điện K42 Thiết kế bộ điều khiển chuyển động theo quỹ đạo cho Robot tự hành Bộ ECD phản hồi tốc độ có độ phân giải 100 xung/Vòng 2 chiều gắn sẵn trên động cơ: SVTH: Lu Xuân Công 30 Trang bị điện K42 Thiết kế bộ điều khiển . chuyển động cho Robot tự hành Thiết kế tính năng SVTH: Lu Xuân Công 3 Trang bị điện K42 Thiết kế bộ điều khiển chuyển động theo quỹ đạo cho Robot tự hành Phân chia phần cứng, phần mềm và thiết kế. bị điện K42 Thiết kế bộ điều khiển chuyển động theo quỹ đạo cho Robot tự hành Phần I Phân tích cấu trúc tổng quát của Robot tự hành Về cấu trúc, có thể phân chia robot tự hành thành các khối. của Robot tự hành nh sau: SVTH: Lu Xuân Công 7 Trang bị điện K42 Thiết kế bộ điều khiển chuyển động theo quỹ đạo cho Robot tự hành SVTH: Lu Xuân Công 8 Trang bị điện K42 Bộ điều khiển Bộ chuyển