Đồ án đề tài xe dò line

TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ THÔNG TIN VÀ TRUYỀN THÔNG VIỆT - HÀN KHOA KĨ THUẬT MÁY TÍNH & ĐIỆN TỬ ĐỒ ÁN ĐỀ TÀI: XE DÒ LINE Sinh viên thực : Bùi Nhật Linh Giảng viên hướng dẫn: ThS Đà Nẵng, tháng năm 2023 TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ THÔNG TIN VÀ TRUYỀN THÔNG VIỆT - HÀN KHOA KĨ THUẬT MÁY TÍNH & ĐIỆN TỬ ĐỒ ÁN ĐỀ TÀI: XE DÒ LINE Sinh viên thực : Bùi Nhật Linh Giảng viên hướng dẫn: ThS Đà Nẵng, tháng năm 2023 MỞ ĐẦU Ngày sống kỷ nguyên khoa học công nghệ, đặc biệt công nghệ thông tin Trong thời đại bùng nổ thơng tin có nhiều phương thức truyền đạt thơng tin phương thức truyền thơng tin công nghệ số nhanh phổ biến nhất, nhiều người tiếp cận Trong năm gần đây, công nghệ truyền nhận liệu không dây có bước phát triển mạnh mẽ, góp cơng lớn việc phát triển hệ thống điều khiển, giám sát từ xa, đặc biệt hệ thống thông minh Hiện nay, có nhiều cơng nghệ khơng truyền nhận liệu không dây RF, Wifi, Bluetooth, NFC Trong đó, Bluetooth cơng nghệ phát triển từ lâu cải tiến để nâng cao tốc độ khả bảo mật Trên thị trường Việt Nam chưa có nhiều sản phẩm điều khiển thiết bị không dây, đa số sản phẩm có nhập từ nước với giá thành cao Việc nghiên cứu thiết kế sản phẩm điều khiển thiết bị khơng dây có ý nghĩa lớn, giúp tăng thêm lựa chọn cho ngƣời sử dụng, sản phẩm sản xuất nước nên giá thành rẻ góp phần phát triển hệ thống điều khiển thông minh Bên cạnh đó, Robot dị line ứng dụng đời sống ngày nhiều robot vận chuyển hàng hóa, kiểm tra nguy hiểm, xe lăn cho người khuyết tật… Nhưng điểm hạn chế robot dò line tính thiếu linh hoạt khả thích ứng làm việc vị trí khác Từ lý nảy sinh vấn đề tránh vật cản cho xe dò line nhằm nâng cao tính linh hoạt cho xe Vì vậy, nhóm định thực đề tài: “Thiết kế xe điều tay xe dị line” để làm đồ án mơn Vi điều khiển LỜI CẢM ƠN Nhóm xin gửi lời cảm ơn chân thành đến quý thầy cô Trường Đại học Công nghệ Thông tin Truyền thông Việt – Hàn truyền đạt cho nhóm kiến thức học quý báu học kỳ vừa qua Nhóm xin trân trọng gửi lời cảm ơn đến cô giáo ThS Nguyễn Thị Huyền Trang giảng viên Trường Đại học Công nghệ Thông tin Truyền thông Việt - Hàn tận tình hướng dẫn giúp đỡ nhóm suốt q trình làm đồ án, giúp nhóm có thêm nhiều kiến thức bổ ích, hiểu rõ vấn đề nghiên cứu Và thời gian làm đồ án vừa qua, cô giành nhiều thời gian quý báu tâm huyết để hướng dẫn nhóm hồn thành đồ án Dưới kết trình tìm hiểu nghiên cứu mà nhóm đạt học kỳ vừa qua Tuy có nhiều cố gắng học hỏi trau dồi để nâng cao kiến thức khơng thể tránh khỏi sai sót Nhóm mong góp ý quý báu thầy giáo, cô giáo tất bạn để đồ án nhóm hồn thiện Nhóm xin chân thành cảm ơn! Đa Nng, … tháng … năm 2022 Sinh viên NHẬN XÉT CỦA GIẢNG VIÊN ………………………………………………………………………………… ……… ………………………………………………………………………… ……………… ………………………………………………………………… ……………………… …………………………… …………………………………………………………… ………………………………………………… ……………………………………… ………………………………………… ……………………………………………… ………………………………… ……………………… …………………………………………………………………………………………… ……………………………………………… ………………………………………………………………………… ……… …………………………………………………………………………… ……………………………………………………………………………………… ……… ………………………………………………………………………… ……………… ………………………………………………………………… ……………………… ……………………… ………………………………………………………………… ………………………………………………… ……………………………………… ………………………………………… ……………………………………………… ………………………………… ………………… …………………………………………………………………………………………… …………………………………………………… ………………………………………………………………………… ……… ……………………………………………………………………… ………… Đa Nng, … tháng … năm 2022 Giảng viên hướng dẫn MỤC LỤC MỞ ĐẦU LỜI CẢM ƠN NHẬN XÉT CỦA GIẢNG VIÊN MỤC LỤC DANH MỤC HÌNH ẢNH CHƯƠNG TỔNG QUAN 1.1 Lý chọn đề tài .7 1.2 Mục đích thực đề tài 1.3 Nhiệm vụ thực đề tài .8 1.4 Cấu trúc đồ án CHƯƠNG XE DÒ LINE 2.1 Thiết kế hệ thống điều khiển 2.1.1 Sơ đồ khối 2.1.2 Chức khối 2.2 Thiết kế phần cứng 11 2.2.1 Arduino Uno 11 2.2.2 Cảm biến dò line TCRT5000 11 2.3 Phần mềm 12 2.3.1 Giải thuật điều khiển PID .12 2.3.2 Lưu đồ thuật toán PID 15 2.3.3 Mã lập trình xe điều tự hành 16 KẾT LUẬN 18 TÀI LIỆU THAM KHẢO 19 DANH MỤC HÌNH ẢNH Hình Hình Hình Hình Hình Hình Hình Hình Hình 2.1 Sơ đồ khối xe tự hành 2.2 Module khối nguồn 2.3 Module Arduino Uno R3 10 2.4 Sơ đồ nguyên lý cặp led cảm biến dò line 11 2.5 Cảm biến hồng ngoại TCRT5000 .12 2.6 Xe dò line đường thẳng .12 2.7 Giải thuật điều khiển tốc độ động PID 15 2.8 Code xe dò line 17 2.10 Xe dò line sử dụng thuật toán PID 18 CHƯƠNG TỔNG QUAN 1.1 Lý chọn đề tài Trong năm gần đây, công nghệ truyền nhận liệu khơng dây có bước phát triển mạnh mẽ, góp cơng lớn việc phát triển hệ thống điều khiển, giám sát từ xa, đặc biệt hệ thống thơng minh Hiện nay, có nhiều công nghệ không truyền nhận liệu không dây RF, Wifi, Bluetooth, NFC Trong đó, Bluetooth công nghệ phát triển từ lâu cải tiến để nâng cao tốc độ khả bảo mật Trên thị trường Việt Nam chưa có nhiều sản phẩm điều khiển thiết bị khơng dây, đa số sản phẩm có nhập từ nước với giá thành cao Việc nghiên cứu thiết kế sản phẩm điều khiển thiết bị khơng dây có ý nghĩa lớn, giúp tăng thêm lựa chọn cho ngƣời sử dụng, sản phẩm sản xuất nước nên giá thành rẻ góp phần phát triển hệ thống điều khiển thơng minh Bên cạnh đó, Robot tự hành ứng dụng đời sống ngày nhiều robot vận chuyển hàng hóa, kiểm tra nguy hiểm, xe lăn cho người khuyết tật… Nhưng điểm hạn chế robot tự hành tính thiếu linh hoạt khả thích ứng làm việc vị trí khác Từ lý nảy sinh vấn đề tránh vật cản cho xe tự hành nhằm nâng cao tính linh hoạt cho xe 1.2 Mục đích thực đề tài Sau tìm hiểu thông tin đề tài, với hiểu biết sẵn có tìm kiếm thơng tin liên quan, chúng em xác định đối tượng cần nghiên cứu là:  Công nghệ Bluetooth: khái niệm Bluetooth, đặc điểm công nghệ Bluetooth, liên kết vật lý công nghệ Bluetooth, chế độ kết nối, cách thức hoạt động Nghiên cứu Module Bluetooth HC-05: thông số kỹ thuật, nguyên lý hoạt động module HC-05  Module Arduino Uno R3: thiết kế hệ thống sử dụng để giao tiếp module Bluetooth, điều khiển thiết bị, phần mềm hỗ trợ lập trình Arduino, ngơn ngữ lập trình C++  Hệ điều hành Android: kiến trúc hệ điều hành Android, chu kỳ hoạt động ứng dụng chạy hệ điều hành Android, phần mềm hỗ trợ lập trình Android Studio, ngơn ngữ lập trình Java,viết phần mềm ứng dụng 1.3 Nhiệm vụ thực đề tài  Học tập, nắm vững ngôn ngữ cần thiết để ứng dụng vào việc thiết kế  Tìm hiểu, đọc nguồn tài liệu, thông tin tham khảo  Nghiên cứu tình hình thực tế, qua sách báo, internet  Trước tiên, chế tạo phần cứng khung xe điều kiển Khung xe phải đảm bảo bền đạt độ xác định việc bố trí bánh xe động thơng qua việc vẽ phần mềm cắt CNC Tiếp theo cơng đoạn lập trình Arduino dựa kiến thức học để lập trình xe điều khiển Và cuối tạo app điều kiển xe chạy Andoid 1.4 Cấu trúc đồ án Đồ án gồm phần chính:  Mở đầu  Chương Tổng quan: giới thiệu tổng quan đề tài, mục tiêu thực nhiệm vụ thực đề tài  Chương Thiết kế xe dò line  Kết luận CHƯƠNG XE DÒ LINE 2.1 Thiết kế hệ thống điều khiển 2.1.1 Sơ đồ khối Hình 2.1 Sơ đồ khối xe tự hanh 2.1.2 Chức khối 2.1.2.1 Khối nguồn Hình 2.2 Module khối nguồn Khối nguồn tạo dòng điện điện ổn định cung cấp an tồn cho mạch Mạch ổn áp có chức tạo điện áp nhỏ điện áp đầu vào ln trì mức áp áp đầu vào tăng/giảm Module ổn áp LM2596S sử dụng tụ có khả lọc nhiễu cao trữ điện tốt Ngồi module có sẵn đèn LED báo hiệu hoạt động mạch nguồn 2.1.2.2 Khối xử lí trung tâm Arduino UNO R3 dùng vi điều khiển ATmega328 Bộ não xử lí tác vụ đơn giản điều khiển đèn LED nhấp nháy, xử lí tín hiệu cho xe điều khiển từ xa, điều khiển động bước, điều khiển động servo, làm trạm đo nhiệt độ – độ ẩm hiển thị lên hình LCD,… hay ứng dụng khác Hình 2.3 Module Arduino Uno R3 2.1.2.3 Khối cảm biến (Sensor) Cảm biến quang dò đường thành phần quan trọng thiếu điều khiển lộ trình chạy Robot cách xác đẹp mắt Sơ đồ mạch lựa chọn kiểu thông dụng đơn giản để nâng cao khả nhận dạng vạch trắng (hoặc vạch màu) phù họp với việc dùng chung nguồn vi điều khiến +12V, ta nâng cao điện áp cung cấp cho cảm biến, tăng số led phát ánh sáng trắng Trước hết, cần có quan niệm ánh sáng gồm ánh sáng nhìn thấy (có màu sắc) ánh sáng khơng thấy (hồng ngoại ) Và biết, màu sắc vật ánh sáng phản xạ từ ra, tức vật có màu hấp thu tất ánh sáng khác trừ màu Trong đó, màu trắng màu phản xạ lại tất ánh sáng chiếu tới, màu đen màu hấp thụ toàn ánh sáng Sân thi đấu Robocar nhìn chung màu trắng dán vạch đen Bộ dò đường gồm tập hợp hàng led phát hàng cảm biến quang (light sensor) quang trở, IR sensor có khả thay đổi điện trở có ánh sáng chiếu vào Từ đó, thứ ánh sáng phát từ led phát dò đường, vạch đen sè phản xạ nhiều nhất, điện trở cảm biến nhỏ nhất, ngược lại màu trắng hấp thu phần ánh sáng, cảm biến có điện trở lớn Giá trị điện áp cảm biến thu đưa ADC qua mạch đệm, từ VĐK định vạch hay Hình 2.4 Sơ đồ nguyên lý cặp led cảm biến dò line 2.2 Thiết kế phần cứng 2.2.1 Arduino Uno Arduino Uno điều khiển cảm biến hồng ngoại Cả cảm biến động servo kết nối với chân đầu vào kỹ thuật số Kết nối hai động servo với chân riêng biệt cho phép điều khiển động riêng biệt cần thiết cho truyền động vi sai 2.2.2 Cảm biến dò line TCRT5000 Cảm biến dò line TCRT5000 mắt sử dụng dự án Các cảm biến xác định khoảng cách từ 0.5 - 3cm Chúng yêu cầu mức tiêu thụ mA nguồn điện 5V Cảm biến đặt trước đầu xe Xe lập trình để theo đường line hồng ngoại phát line Hình 2.5 Cảm biến hồng ngoại TCRT5000 2.3 Phần mềm 2.3.1 Giải thuật điều khiển PID PID cách viết tắt từ Propotional (tỉ lệ), Integral (tích phân) Derivative (đạo hàm) Tuy xuất lâu đến PID giải thuật điều khiển dùng nhiều ứng dụng điều khiển tự động Để giúp hiếu rõ chất giải thuật PID, theo dõi ví dụ điều khiến vị trí xe đường thẳng Giả sử bạn có xe (đồ chơi ) có gắn động DC Động sinh lực để đẩy xe chạy tới lui đường thẳng hình Hình 2.6 Xe dị line đường thẳng Gọi F lực động tạo điều khiến xe Ban đầu xe vị trí A, nhiệm vụ đặt điều khiển lực F (một cách tự động) để đẩy xe đến vị trí o với yêu cầu: xác (accurate), nhanh (fast response), ổn định (small overshot) Một điều tự nhiên, vị trí xe xa vị trí mong muốn (điểm O), hay nói cách khác sai số (error) lớn, cần tác động lực F lớn để nhanh chóng đưa xe O Một cách đơn giản để cơng thức hóa ý tưởng dùng quan hệ tuyến tính: F=Kp*e (1) Trong Kp số dương mà gọi hệ số p (Propotional gain), e sai số cần điều khiển tức khoảng cách từ điểm O đến vị trí xe Mục tiêu điều khiển đưa e tiến nhanh tốt Rõ ràng Kp lớn F lớn xe nhanh chóng tiến vị trí O Tuy nhiên, lực F lớn gia tốc cho xe nhanh (định luật II Newton: F=ma) Khi xe đến vị trí o (tức e=0), lực F=0 (vì F=Kp*e=F=Kp*0) qn tính xe tiếp tục tiến bên phải lệch điểm O bên phải, sai số e lại trở nên khác 0, giá trị sai số lúc gọi overshot (vượt quá) Lúc này, sai số e số âm, lực F lại xuất với chiều ngược lại đế kéo xe lại điếm O Nhưng lần nữa, Kp lớn nên giá trị lực F lớn kéo xe lệch bên trái điểm O Quá trình tiếp diễn, xe dao động quanh điểm O Có trường hop xe dao động ngày xàng xa điểm O Bộ điêu khiên lúc nói khơng ơn định Một đề xuất nhằm giảm overshot cùa xe sử dụng thành phần “thắng” điều khiển Sẽ lý tưởng xe xa điểm O, điều khiển sinh lực F lớn xe tiến gần đến điểm O thành phần “thắng” giảm tốc độ xe lại Chúng ta biết vật dao động quanh điểm vật có vận tốc cao tâm dao động (điểm O) Nói cách khác, gần điểm O sai số e xe thay đổi nhanh (cần phân biệt: e thay đổi nhanh e lớn nhất) Mặt khác, tốc độ thay đổi e tính đạo hàm biến theo thời gian Như vậy, xe từ A tiến gần O, đạo hàm sai số e tăng giá trị ngược chiều cùa lực F (vì e giảm nhanh dần) Nếu sử dụng đạo hàm làm thành phần “thắng” giảm overshot xe Thành phần “thắng” thành phần D (Derivative) điều khiển PID mà khảo sát Thêm thành phần D vào điều khiển p tại, thu điều khiển PD sau: F=Kp*e + Kd*(de/dt) (2) Trong (de/dt) vận tốc thay đổi sai số e Kd số không âm gọi hệ số D (Derivative gain) Sự diện cùa thành phần D làm giảm overshot xe, xe tiến gần O, lực F gồm thành phần Kp*e > =0 (P) Kd*(de/dt)