Đồ án vi điều khiển đề tài thiết kế xe điều khiển bằng tay và xe tự hành

TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ THÔNG TIN VÀ TRUYỀN THÔNG VIỆT - HÀN KHOA KĨ THUẬT MÁY TÍNH & ĐIỆN TỬ ĐỒ ÁN VI ĐIỀU KHIỂN ĐỀ TÀI THIẾT KẾ XE ĐIỀU KHIỂN BẰNG TAY VÀ XE TỰ HÀNH Nhóm : Ghost Rider Sinh viên thực : NGUYỄN VIỆT HOÀNG – 20IT940 NGUYỄN PHƯỚC THỊNH – 20IT804 NGUYỄN THỊ HỒNG HẠNH – 20IT425 Giảng viên hướng dẫn: ThS NGUYỄN THỊ HUYỀN TRANG Đà Nẵng, tháng năm 2022 TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ THÔNG TIN & TRUYỀN THÔNG VIỆT HÀN KHOA KHOA HỌC MÁY TÍNH ĐỒ ÁN VI ĐIỀU KHIỂN THIẾT KẾ XE ĐIỀU KHIỂN BẰNG TAY VÀ XE TỰ HÀNH Đà Nẵng, tháng năm 2022 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 thông tin công nghệ số nhanh phổ biến nhất, nhiều người tiếp cận 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 ng ƣời 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 Vì vậy, nhóm định thực đề tài: “Thiết kế xe điều tay xe tự hành” để làm đồ án môn 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 thơng 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 tránh khỏi sai sót Nhóm mong góp ý q báu thầy giáo, giáo tất bạn để đồ án nhóm hồn thiện Nhóm xin chân thành cảm ơn! Đ Nng, ngy … tháng … năm 2022 Sinh viên NHẬN XÉT (Của giảng viên hướng dẫn) …………………………………………………………………………………… ………………………………………………………………………………… …………………………………………………………………………………… …………………………………………………………………………………… …………………………………………………………………………………… …………………………………………………………………………………… …………………………………………………………………………………… …………………………………………………………………………………… …………………………………………………………………………………… …………………………………………………………………………………… …………………………………………………………………………………… …………………………………………………………………………………… Đ Nng, ngy … tháng … năm 2022 Giảng viên hướng dẫn MỤC LỤC Trang MỞ ĐẦU MỤC LỤC DANH MỤC HÌNH Chương TỔNG QUAN 1.1 Lý chọn đề tài 1.2 Mục đích thực đề tài 1.3 Nhiệm vụ thực đề tài 1.4 Cấu trúc đồ án Chương XE ĐIỀU KHIỂN BẰNG TAY 10 2.1 Thiết kế hệ thống điều khiển 10 2.1.1 Sơ đồ khối 10 2.1.2 Nguyên lý hoạt động 10 2.1.3 Chức khối .10 2.2 Lựa chọn linh kiện 12 2.2.1 Moduke Arduino Uno R3 12 2.2.2 Module Bluetooth HC-05 13 2.2.3 Một số linh kiện khác 14 2.3 Thiết kế phần cứng 16 2.3.1 Sơ đồ mạch 16 2.3.2 Lưu đồ thuật toán 17 2.4 Phần mềm Arduino uno R3 .18 2.4.1 Mô tả phần mềm 18 2.4.2 Mã lập trình xe điều khiển tay .20 2.4.3 Phần mềm App điều khiển xe (Bluetooth RC Controller) 24 Chương XE TỰ HÀNH 27 3.1 Thiết kế hệ thống điều khiển 27 3.1.1 Sơ đồ khối 27 3.1.2 Chức khối .27 3.2 Thiết kế phần cứng 28 3.2.1 Arduino Uno 28 3.2.2 Cảm biến siêu âm 29 3.3 Phần mềm 29 3.3.1 Thuật toán 29 3.3.2 Mã lập trình xe điều tự hành 31 KẾT LUẬN 36 Kết đạt 36 Hướng nghiên cứu 37 TÀI LIỆU THAM KHẢO .39 DANH MỤC HÌNH Hình 2.1 Sơ đồ khối xe điều khiển tay 10 Hình 2.2 Module khối nguồn 10 Hình 2.3 Module Bluetooth HC-05 11 Hình 2.4 Module Arduino Uno R3 12 Hình 2.5 Module Arduino Uno R3 13 Hình 2.6 Module Bluetooth HC-05 13 Hình 2.7 Động bánh xe 14 Hình 2.8 Các thành phần khác 15 Hình 2.9 Sơ đồ mạch xe điều khiển tay 16 Hình 2.10 Mạch mơ xe điều khiển proteus 17 Hình 2.11 Lưu đồ thuật toán cho Arduino .17 Hình 2.12 Giao diện chương trình viết Arduino 18 Hình 2.13 Vùng lệnh chương trình 19 Hình 2.14 Vùng thơng báo (debug) 19 Hình 2.15 Sơ đồ hoạt động App điều khiển .25 Hình 2.16 Lưu đồ thuật tốn phần mềm điều khiển 25 Hình 2.17 Giao diện App Bluetooth RC Controller 26 Hình 2.18 Giao diện kết nối thiết bị Bluetooth 26 Hình 3.1 Sơ đồ khối xe tự hành .27 Hình 3.2 Module khối nguồn 27 Hình 3.3 Module Arduino Uno R3 28 Hình 3.4 Cảm biến xe tự hành 28 Hình 3.5 Cảm biến siêu âm 29 Hình 3.6 Lưu đồ thuật tốn xe điều khiến tay 30 Hình 4.1 Kết xe điều khiển tay 36 Hình 4.2 Kết xe tự hành 37 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 thơng 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, thơng 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 điều khiển tay - Chương Thiết kế xe tự hành - Kết luận Chương 2.1 XE ĐIỀU KHIỂN BẰNG TAY Thiết kế hệ thống điều khiển 2.1.1 Sơ đồ khối Bộ phần cứng : Module nguốn, khối xử lý ( Module Arduino Uno R3, code Arduino ), khối Module Bluetooth Phần mềm: Khối điều kiển (Điện thoại Andoid) Hình 2.1 Sơ đồ khối xe điều khiển tay 2.1.2 Nguyên lý hoạt động - Phần cứng xe điều kiển hoàn thiện Bắt đầu mở công tắc nguồn đồng thời khởi động Module Bluetooth Tiếp theo mở app điều khiển xe Andoid, cho app kết nối Bluetooth xe điều khiển Và cuối điều khiển xe chạy tiến, lùi, trái , phải, gắp hàng điện thoại 2.1.3 Chức khối 2.1.3.1 Khối nguồn Hình 2.2 Module khối nguồn 10 2.4.3.1 Sơ đồ hoạt động App Hình 2.16 Sơ đồ hoạt động App điều khiển 1.1.1.1 Lưu đồ thuận toán phần mềm App điều khiển Hình 2.17 Lưu đồ thuật tốn phần mềm điều khiển 25 2.4.3.2 Giao diện App điều khiển Hình 2.18 Giao diện App Bluetooth RC Controller Giao diện App gồm chức sau: - App dụng nút để Tiến, lùi, xoay trái, xoay phải xe điều khiển đẫ tạo từ phần cứng - Có nút cài đă để kêt nối Bluetooth từ điện thoại vào xe điều khiển Giao diện phụ nút cài đặt: Khi nhấn đúp kết nối với thiết bị, có thơng báo kết nối thiết bị Bluetooth thành cơng điều khiển xe điều khiển từ xa vòng 10m – m sử dụng nút giao diện để xe hoạt động Hình 2.19 Giao diện kết nối thiết bị Bluetooth 26 Chương XE TỰ HÀNH 3.1 Thiết kế hệ thống điều khiển 3.1.1 Sơ đồ khối Hình 3.20 Sơ đồ khối xe tự hành 3.1.2 Chức khối 3.1.2.1 Khối nguồn Hình 3.21 Module khối nguồn Khối nguồn tạo dòng điện điện ổn định cung cấp an toàn cho mạch Mạch ổn áp có chức tạo điện áp nhỏ điện áp đầu vào trì mức áp áp đầu vào tăng/giảm Module ổn áp LM2596S sử dụng tụ có khả lọc nhiễu cao trữ điện tốt Ngoài module có sẵn đèn LED báo hiệu hoạt động mạch nguồn 3.1.2.2 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 27 động serve, làm trạm đo nhiệt độ – độ ẩm hiển thị lên hình LCD,… hay ứng dụng khác Hình 3.22 Module Arduino Uno R3 3.1.2.3 Khối cảm biến (Sensor) Khối cảm biến gồm tín hiệu cảm biến tiếp giáp báo hết hành trình động tác cặp cảm biến hồng ngoại phát quang trở Một đầu cảm biển phát xạ hồng ngoại đầu cịn lại thu lấy xạ, lượng tín hiệu thu phù thuộc nhiều vào độ bong, màu sắc bề mặt phản xạ Độ bóng lớn, màu sang độ phản xạ nhiều, tín hiệu thu lớn ngược lại Tín hiệu thu đầu cảm biến thu tín hiệu tương tự, tín hiệu thu cần qua mạch so sánh mức Hình 3.23 Cảm biến xe tự hành 28 3.2 Thiết kế phần cứng 3.2.1 Arduino Uno Arduino Uno điều khiển hai động servo bốn cảm biến siêu âm 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 3.2.2 Cảm biến siêu âm Sáu cảm biến siêu âm loại HC-SR04 sử dụng dự án Các cảm biến xác định khoảng cách từ 2-400 cm Chúng yêu cầu mức tiêu thụ mA nguồn điện V Một cảm biến đặt hướng xe; phía trước, bên trái, bên phải Xe lập trình để dừng lại có chướng ngại vật cách vịng 15 cm Để giảm thiểu rủi ro xe va phải chướng ngại vật tính toán sai, tốt nên dừng lại khoảng cách đến chướng ngại vật Cảm biến bên phải sau điều khiển có chướng ngại vật bên phải, khơng có chướng ngại vật đó, xe rẽ phải Nếu có chướng ngại vật bên phải, cảm biến bên trái điều khiển có chướng ngại vật cản đường nó, rơ bốt rẽ trái khơng có chướng ngại vật phát Trong trường hợp xảy va chạm phía trước xe bên trái bên phải, xe lùi lại kiểm tra xem có chướng ngại vật phía sau hay khơng Nếu có, xe dừng lại khơng, xe quay đầu Hình 3.24 Cảm biến siêu âm 3.3 Phần mềm Mã cho vi điều khiển tạo Arduino IDE 3.3.1 Thuật toán Một lưu đồ tạo để mơ tả thuật tốn mà xe sử dụng Xe bắt đầu với việc lái phía trước Nếu gặp chướng ngại vật phía trước đường nó, kiểm tra xem có chướng ngại vật bên phải khơng, khơng quay sang phải 90 ° tiếp tục lái xe phía trước Trong trường hợp chướng ngại vật bên phải xe kiểm tra bên trái khơng có chướng ngại vật đó, quay sang trái 90° tiếp tục phía trước Trong trường hợp có chướng ngại vật phía trước hai bên, xe kiểm tra lùi lại phía sau đường cịn trống đó, xe lùi lại sau kiểm tra lại bên phải bên trái Nếu xảy tình có chướng ngại vật xung quanh xe, động dừng lại xe phải di chuyển tay 29 Hình 3.25 Lưu đồ thuật tốn xe điều khiến tay 30 3.3.2 Mã lập trình xe điều tự hành 31 32 33 34 Hình 3.26 Code xe tự hành 35 KẾT LUẬN Kết đạt Trong đồ án nhóm tìm hiểu vận dụng phân tích thiết để thiết kế xe điều khiển tay xe tự hành Kết đạt mà nhóm đạt bao gồm: - Xe điều khiển tay Hình 27 Kết xe điều khiển tay - Xe tự hành 36 Hình 4.28 Kết xe tự hành Trong thời gian nghiên cứu, xây dựng chương trình, nhóm cố gắng làm việc với giúp đỡ tận tình giảng viên hướng dẫn Xe đạt kết định Bên cạnh đó, với trình độ kinh nghiệm cịn hạn chế nên xe cịn nhiều thiếu sót Rất mong thầy giáo bạn tận tình giúp đỡ để đồ án nhóm hồn thiện 37 Hướng nghiên cứu Với hạn chế tồn nêu trên, nhóm dự kiến sẽ: - Tiếp tục hoàn thiện phát triển chức làm thêm số chức - Cố gắng hồn thiện xe từ góp ý xe bật dễ sử dụng - Tìm hiểu thêm lỗi dễ xảy khắc phục 38 TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] Giáo trình Arduino cho người mời bắt đầu, Cộng đồng Arduino Việt Nam [2] Giáo trình Internet of Thing with ESP8266 [3] Trang web: Arduino.v, dientubachviet.com 39