Thiết kế, chế tạo xe vượt địa hình thám hiểm sao hỏa điều khiển bằng arduino thông qua wifi

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO BỘ NÔNG NGHIỆP VÀ PTNT TRƯỜNG ĐẠI HỌC THỦY LỢI VŨ MINH THÀNH THIẾT KẾ, CHẾ TẠO XE VƯỢT ĐỊA HÌNH THÁM HIỂM SAO HỎA ĐIỀU KHIỂN BẰNG ARDUINO THÔNG QUA WIFI ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP HÀ NỘI, NĂM 2023 BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO BỘ NÔNG NGHIỆP VÀ PTNT TRƯỜNG ĐẠI HỌC THỦY LỢI VŨ MINH THÀNH THIẾT KẾ, CHẾ TẠO XE VƯỢT ĐỊA HÌNH THÁM HIỂM SAO HỎA ĐIỀU KHIỂN BẰNG ARDUINO THÔNG QUA WIFI Ngành: Kỹ Thuật Cơ Điện Tử Mã số: 1851202383 NGƯỜI HƯỚNG DẪN ThS Nguyễn Hùng Anh ThS Nguyễn Tiến Thịnh HÀ NỘI, NĂM 2023 LỜI CAM ĐOAN Tác giả xin cam đoan Đồ án tốt nghiệp thân tác giả Các kết Đồ án tốt nghiệp trung thực, không chép từ nguồn hình thức Việc tham khảo nguồn tài liệu (nếu có) thực trích dẫn ghi nguồn tài liệu tham khảo quy định Tác giả ĐATN Vũ Minh Thành i LỜI CÁM ƠN Chúng em xin trân trọng cám ơn tất quý Thầy, Cô trường Đại học Thủy Lợi q Thầy, Cơ khoa Cơ khí trang bị cho chúng em kiến thức quý báu trình học tập trường Chúng em xin chân thành cám ơn Thầy, Cô môn kỹ thuật điện tử hướng dẫn, giúp đỡ chúng em tận tình trình chúng em làm đề tài Chúng em xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc tới thầy ThS Nguyễn Hùng Anh thầy ThS Nguyễn Tiến Thịnh, người tận tâm hướng dẫn, bảo tạo điều kiện thuận lợi cho chúng em hoàn thành ĐATN Đặc biệt, chúng em xin cảm ơn quý Thầy, Cô Hội đồng dành thời gian nhận xét, góp ý để ĐATN chúng em hoàn thiện Mặc dù cố gắng thực đề tài cách hoàn chỉnh Nhưng chưa làm quen nhiều với công tác nghiên cứu khoa học, tiếp xúc thực tế với thiết bị, hạn chế kiến thức kinh nghiệm nên tránh khỏi thiếu sót Chúng em mong nhận góp ý quý Thầy - Cô bạn để ĐATN hoàn chỉnh Chúng em xin chân thành cám ơn! ii MỤC LỤC CHƯƠNG TỔNG QUAN VỀ XE ĐỊA HÌNH THÁM HIỂM SAO HỎA 1.1 Giới thiệu 1.2 Lịch sử phát triển mobile robot 1.3 Phân loại mobie robot 1.3.1 Phân loại theo môi trường mà chúng di chuyển: 1.3.2 Phân loại theo phương pháp di chuyển 1.4 Một số dạng điều khiển mobie robot 1.5 Các loại chuyển động mobile robot 1.5.1 Chuyển động chân (Legged mobile robot) 1.5.2 Chuyển động xích 1.5.3 Di chuyển bánh xe 1.6 Robot Mars Rover 1.6.1 Lý chọn đề tài: 10 1.6.2 Mục tiêu đề tài: 11 1.6.3 Giới thiệu xe Mars rover 11 1.6.4 Đóng góp đồ án 15 CHƯƠNG TÍNH TỐN ĐỘNG HỌC CHO XE ĐỊA HÌNH THÁM HIỂM SAO HỎA 15 2.1 Động học vật rắn 15 2.1.1 Hệ tọa độ vật 15 2.1.2 Ma trận côsin hướng 16 2.1.3 Ý nghĩa ma trận côsin hướng 17 2.1.4 Mô tả tối thiểu hướng 19 2.1.5 Góc Euler 19 2.1.6 Góc YPR 21 2.1.7 Tọa độ ma trận biến đổi tọa độ 23 2.2 Động học mobile robot di chuyển mặt 29 2.2.1 Các giả thiết 29 2.2.2 Vị trí mobile robot 30 2.2.3 Liên kết động học bánh lăn 31 2.2.4 Bánh lái tâm 34 2.2.5 Bánh lái lệch tâm 35 2.2.6 Phương trình ràng buộc phân loại động học mobile robot 36 2.3 Bậc tự 40 2.4 Tính động học cho mars rover 41 CHƯƠNG THIẾT KẾ CHẾ TẠO CHO XE ĐỊA HÌNH THÁM HIỂM SAO HỎA 45 3.1 Phần mềm thiết kế 45 iii 3.1.1 Phần mềm Autocad 45 3.1.2 Phần mềm Inventor 45 3.1.3 Phần mềm Unigraphics NX 45 3.1.4 Phần mềm CATIA 46 3.1.5 Phần mềm Solidworks 46 3.2 Chọn ổ bi 48 3.3 Chọn bánh xe 49 3.4 Tính chọn động cơ: 50 3.5 Tính tốn thiết kế cấu Roker-bogie 53 3.6 Vật liệu khung chủ yếu sử dụng mơ hình 55 3.7 Thiết kế, gia công chi tiết khác 56 3.8 Bản vẽ 3D 58 3.9 Đánh giá ưu nhược điểm khả hoạt động xe sau hoàn thành: 61 CHƯƠNG THIẾT KẾ HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN VÀ GIAO DIỆN CHO XE 62 4.1 Giới thiệu hệ thống điều khiển 62 4.1.1 Giới thiệu linh kiện điện tử 62 4.1.2 Lựa chọn khối nguồn 63 4.1.3 Raspberry Pi 3B 64 4.1.4 Sơ đồ kết nối chân điều khiển 66 4.2 Thiết kế Giao diện 67 4.2.1 Phần mềm Android studio 67 4.2.2 Giới thiệu phần mềm Firebase 69 KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN 70 4.3 Kết đạt 70 4.4 Một số hạn chế đề tài 70 4.5 Hướng phát triển 70 iv DANH MỤC HÌNH ẢNH Hình 1.1 hình a robot ngồi trời, hình b robot khơng, hình c robot nước Hình 1.2 Robot hai chân BRAT Hình 1.3 Robot MANOI AT01 MANOI PF01 Hình 1.4 Robot Irobot chuyển động xích Hình 1.5 Robot di chuyển xích Hình 1.6 AI RACING ROBOT Hình 1.7 Robot snake Hình 1.8 Robot Mars rover 10 Hình 1.9 Robot di chuyển địa hình khác 12 Hình 1.10 Mơ hình kết cấu xe 13 Hình 2.1 Hệ tọa độ vật 15 Hình 2.2 Các hệ tọa độ 18 Hình 2.3 Phép quay góc Euler 20 Hình 2.4 Phép quay RPY 21 Hình 2.5 Hệ tọa độ 24 Hình 2.6 Hệ tọa độ A B 28 Hình 2.7 Bánh lăn chuyển động mặt phẳng 29 Hình 2.8 Vị trí robot mặt phẳng 30 Hình 2.9 Bánh xe lăn mặt phẳng 31 Hình 2.10 Bánh lăn cố định thơng số hình học 32 Hình 2.11 Bánh lái tâm thơng số hình học 34 Hình 2.12 Bánh lái lệch tâm thơng số hình học 35 Hình 2.13 Xe Ackerman xe đạp 39 Hình 2.14 Pygmalion robot Piaggio minitransporter 39 Hình 2.15 Phân tích động học xe 41 Hình 3.1 Bánh xe nhơm đường kính 100mm 50 Hình 3.2 Động Cơ Giảm Tốc Encoder DC Servo JGB37-520 110RPM 53 Hình 3.3 Tính tốn thơng số độ dài cho xe 53 Hình 3.4 Nhơm định hình 55 Hình 3.5 Thanh vi sai CNC 57 Hình 3.6 Các chi tiết gia cơng in 3D 57 Hình 3.7 Tổng thể mơ hình xe vượt địa hình 58 Hình 3.8 Cụm Roker 58 Hình 3.9 Cụm Bogie 59 Hình 3.10 Thanh vi sai 59 Hình 3.11 Xe hồn chỉnh 60 Hình 3.12 Xe lên dốc 60 Hình 3.13 Xe qua vật cản bên bánh 61 Hình 4.1 Cấu tạo Arduino Uno R3 62 Hình 4.2 Module mạch cầu H L298N 63 Hình 4.3 Bo mạch Raspberry Pi 65 Hình 4.4 Sơ đồ kết nối điều khiển tổng quát 66 Hình 4.5 Sơ đồ đấu nối điện thực tế 66 Hình 4.6 Giao diện thiết kế thực tế 68 Hình 4.7 Sơ đồ kết nối liệu 69 v DANH MỤC BẢNG BIỂU Bảng 1: Tổng quan phận chức mars rover 14 Bảng 2: Bảng động học 42 Bảng Bảng thích ổ bi 608 48 Bảng Dữ liệu tính tốn ổ bi 48 Bảng Bảng thích ổ bi 625Z 49 Bảng Dữ liệu tính toán ổ bi 49 Bảng Thông số bánh xe 50 vi Hình 3.5 Thanh vi sai CNC - Các khớp lại lựa chọn in 3D gia cơng phức tạp tốn nhiều tg chi phí chi tiết in 3D có khả chịu lực tốt đảm bảo yêu cầu đặt Hình 3.6 Các chi tiết gia cơng in 3D 57 3.8 Bản vẽ 3D Hình 3.7 Tổng thể mơ hình xe vượt địa hình Hình 3.8 Cụm Roker Cụm có bên trái bên phải rover dùng để kết nối bánh trước với vi sai bánh sau 58 Hình 3.9 Cụm Bogie Cụm dùng để kết nối bánh bánh sau với roker Hình 3.10 Thanh vi sai Thanh sử dụng để nối hai cụm Roker với thân xe để giữ cân cho xe 59 Hình 3.11 Xe hồn chỉnh Hình 3.12 Xe lên dốc 60 Hình 3.13 Xe qua vật cản bên bánh 3.9 Đánh giá ưu nhược điểm khả hoạt động xe sau hoàn thành: Ưu điểm: - Xe vượt qua nhiều địa hình phức tạp mà khơng bị lật nghiêng - Tốc độ di chuyển ổn định - Xe vượt địa hình, vật cản tốt địa hình có độ cao nửa đường kính bánh xe Nhược điểm: - Do tiết kiệm chi phí nên phận trước xe in cơng nghệ in 3D có khả chịu tải yếu Nếu đầu từ để gia cơng CNC độ chịu tải ổn định - Bánh xe có tiết diện tiếp xúc nhỏ nên di chuyển có lúc trơn trượt - Xe vượt địa hình địa hình có độ cao đường kính bánh xe 61 CHƯƠNG THIẾT KẾ HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN VÀ GIAO DIỆN CHO XE 4.1 Giới thiệu hệ thống điều khiển 4.1.1 Giới thiệu linh kiện điện tử  Giới thiệu Arduino UNO R3 Arduino bo mạch vi điều khiển nhóm giáo sư sinh viên nước Ý thiết kế đưa vào năm 2005 Mạch Arduino sử dụng để cảm nhận điều khiển nhiều đối tượng khác Nó thực nhiều nhiệm vụ lấy tín hiệu từcảm biến đến điều khiển đèn, động cơ, nhiều đối tượng khác Ngồi mạch cịn có khả liên kết với nhiều module khác module đọc thẻ từ, ethernet shield, sim900A, …để tăng khả ứng dụng mạch Phần cứng bao gồm board mạch nguồn mở thiết kế tảng vi xử lý AVR Atmel 8bit, ARM, Atmel 32-bit, … Hiện phần cứng Arduino có tất phiên bản, nhiên phiên thường sử dụng nhiều Arduino Uno Arduino Mega.Phần mềm để lập trình cho mạch Arduino phần mềm IDE Trong đồ án lần này, nhóm sử dụng Arduino Uno R3 Hình 4.1 Cấu tạo Arduino Uno R3 62  Module điều khiển động L298N Hình 4.2 Module mạch cầu H L298N Mạch điều khiển động DC L298 có khả điều khiển động DC, dòng tối đa 2A động cơ, mạch tích hợp diod bảo vệ IC nguồn 7805 giúp cấp nguồn 5VDC cho module khác (chỉ sử dụng 5V nguồn cấp