Báo cáo đồ án thiết kế hệ thống cơ điện tử

ĐẠI HỌC QUỐC GIA THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA  BÁO CÁO ĐỒ ÁN THIẾT KẾ HỆ THỐNG CƠ ĐIỆN TỬ GVHD: PGS-TS Nguyễn Tấn Tiến Nhóm: 04 Họ tên Trương Trường Giang Trần Mạnh Trưởng Lương Duy Khang Nguyễn Minh Quân Huỳnh Văn Sự Tp.HCM, tháng 05/2016 MSSV 21200889 21204236 21201579 21202979 21203198 MỤC LỤC CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN 1.1 Mô tả đề tài 1.2 Đặc tả sa bàn hệ thống line 1.3 Khái quát chung robot bám đường CHƯƠNG 2: LỰA CHỌN PHƯƠNG ÁN 2.1 Phương án khí 2.2 Phương án điện 12 2.3 Phương án điều khiển 13 CHƯƠNG 3: THIẾT KẾ CƠ KHÍ .14 3.1 Yêu cầu .14 3.2 Lựa chọn bánh xe .14 3.3 Chọn động .14 3.4 Tính tốn khoảng cách bánh xe chủ động .16 3.5 Thiết kế thân robot .17 3.6 Bản vẽ chi tiết vẽ lắp 17 CHƯƠNG 4: PHẦN ĐIỆN 19 4.1 Lựa chọn driver 19 4.2 Thiết kế điều khiển PID cho khối driver động : 24 4.3 Thiết kế cảm biến .27 4.4 Lựa chọn pin .32 CHƯƠNG 5: PHẦN ĐIỀU KHIỂN 34 5.1 Các thông số .34 5.2 Sơ đồ khối chung hệ thống điều khiển: .34 5.3 Chọn vi điều khiển: 35 5.4 Giải thuật điều khiển 37 CHƯƠNG 6: MƠ HÌNH HĨA - MÔ PHỎNG 43 6.1 Mơ hình hóa động học 43 6.2 Mơ hình hóa cảm biến 45 6.3 Cách tìm sai số 46 6.4 Kết mô 48 CHƯƠNG 7: PHẦN THỰC NGHIỆM .63 7.1 Yêu cầu thực nghiệm 63 7.2 Phương án thực nghiệm .63 7.3 Phân tích số liệu thực nghiệm 64 7.4 Đề xuất hiệu chỉnh thiết kế .69 TÀI LIỆU THAM KHẢO 70 CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN 1.1 Mô tả đề tài Hiện giới có tổ chức nhiều thi đua xe tự hành Ðáp ứng xu mơn Cơ Điện Tử khoa Cơ Khí trường Đại học Bách Khoa HCM có xây dựng sa bàn hệ thống line giúp sinh viên có hội sáng tạo trải nghiệm ứng dụng kỹ thuật công nghệ đào tạo giảng đường vào thực tiễn Nhằm tiếp cận ứng dụng kiến thức cách giải tốn thiết kế robot thực tế, nhóm tìm hiểu thiết kế loại “Robot bám line tự động” dùng để đua sa bàn hệ thống line mơn Robot dị đường loại sản phẩm có nhiều chức nhiều lĩnh vực khoa học đời sống Để thiết kế robot bám đường định sẵn yêu cầu đầu vào ta cần phải quan tâm đến nhiều vấn đề như: - - - - Mơ hình hóa + Mơ hình hóa động học xe + Mơ hình hóa cảm biến Cơ khí + Lựa chọn động số lượng động đáp ứng + Lựa chọn số lượng bánh xe loại bánh xe + Các thông số thân xe Điện + Lựa chọn Driver động + Thiết kế điều khiển + Thiết kế cảm biến Điều khiển + Dạng điều khiển + Vi điều khiển sử dụng 1.2 Đặc tả sa bàn hệ thống line - Màu sắc đường line: đen Màu nền: trắng Bề rộng đường line: 26mm Bề mặt địa hình di chuyển: phẳng - Đường line liên tục - Robot bắt buộc phải chạy theo chiều quy định ghi sa bàn (hình 1) Khi bắt đầu, robot đặt vị trí START (điểm A), sau robot chạy theo thứ tự qua điểm nút quy định sau: (START) A → B → C → D → E → F → C → G → A → C → E (END) B F R500 C END E A START R500 D G 1500 3000 Hình 1: Sa bàn hệ thống line 1.3 Khái quát chung robot bám đường Ngày giới xuất nhiều dạng sơ đồ ngun lí xe dị line Với dạng xe có bánh xe liên kết với qua hệ thống vi sai trục truyền động qua trục truyền động, dạng làm cho xe tốt việc điều chỉnh tương quan bánh xe, làm xe khó bị trượt, khí phức tạp, xe khó đáp ứng khúc cua có bán kính cong nhỏ Rồi dạng xe cấu trúc bánh xe độc lập kết hợp với bánh đa hướng khơng có cấu vi sai, hay trục truyền động nên cấu khí đơn giản làm dễ dàng hiệu chỉnh sai số, xe cong cua nơi có bán kính cong nhỏ Áp dụng ngun lí có Silvestreline following robot thi Cosmobot [1], uXbot-line following robot Daniel Álvarez, Smart Car thi The Freescale 2012, Plethora II hay High performance Line follower Robot Ta có sơ đồ nguyên lý xe: Xe áp dụng điều khiển độc lập bánh xe có kết hợp với bánh tự lựa Ngồi cịn có dạng ngun lí hai bánh sau điều khiển động truyền động qua hệ thống vi sai, hai bánh trước tự lựa hướng kết nối trục truyền động Được mô tả hình sau: Sơ đồ ngun lí hai bánh sau truyền động động hệ thống vi sai Trong phân xưởng nhà máy, robot thay người việc vận chuyển sản phẩm trình sản xuất, robot điều khiển tay để thay người giúp đỡ người gặp nạn Ở ta tìm hiểu robot có khả bám theo quỹ đạo xác định trước, để làm điều đó, robot phải thiết kế với sensor có khả nhận biết đường line vị trí tương đối điểm bám line xe đường line từ đưa tín hiệu điểu khiển để đưa xe vị trí mong muốn Dựa vào mục đích đó, camera, hay cảm biến quang điện trở, quang transitor,… sử dụng Tùy vào chức hay yêu cầu đầu vào mà ta sử dụng loại cảm biến - Camera trả vị trí góc lệch xe so với đường line lần lấy mẫu Có thể nhận biết dạng đường line phức tạp, đứt đoạn thông qua giải thuật xử lý ảnh Đặc điểm phương pháp đạt độ xác cao sử dụng camera có độ phân giải cao, nhiên phương pháp dùng thi đua xe line màu khối lượng xử lí nhiều, dẫn đến hạn chế tốc độ tối đa xe, đồng thời camera bị nhiễu mơi trường ngồi trời có cường độ ánh sáng cao Các xe sử dụng camera Smart Car thi The Freescale 2012 hay Raspberry Pi Line Following Robot thi Robocup Junior Competition Flanders 2014 - Photosensor dựa vào thay đổi ánh sáng chiếu vào làm thay đổi điện trở từ ta đưa giá trị điện áp quang trở (photoresistor), thời gian từ lúc quang trở gặp ánh sáng đến lúc điện trở đạt giá trị xác lập chậm, khoảng 20 – 30 ms [2] nên với xe cần tốc độ cao độ xác cảm biến thấp hay transistor quang (phototransistor): thời gian từ lúc ánh sáng chiếu vào phototransistor đến lúc dòng điện đạt giá trị xác lập nhanh, đạt 15 ns [3], nên độ xác cao so với quang trở Các robot sử dụng sensor loại uXbot-line following robot Daniel Álvarez[4] ,Silvestre-line following robot [1], High performance Line follower Robot Khi ta sử dụng photosensor việc bố trí cụm sensor hay vị trí bố trí sensor xe quan trọng, giúp cho xe có nhận biết đường line, hay tín hiệu trả có xác hay khơng Bố trí dạng đường thẳng với khoảng cách cảm biến nhau, thích hợp với loại đường có bán kính cong nhỏ 900 thẳng; đường có bán kính cong lớn 900 cần có giải thuật xử lý nhận biết vị trí đường line Bố trí dạng đường thẳng với cảm biến nằm gần để xác định vị trí line cịn cảm biến ngồi hai bên dùng để nhận diện chỗ giao hai đường line [6] Loại hoạt động tốt với chỗ giao 900 với tốc độ chậm, với chỗ giao khác 900 cần tốc độ cao Hay bố trí dạng hình chữ V [7] thích hợp với đường đua có bán kính cong lớn 900 Về động ta sử dụng động thường gắn phận hồi tiếp encoder gắn vào trục bánh xe nên ta điều khiển vận tốc, vị trí từ đố đặt u cầu ta phải tính tốn chọn diver thích hợp Các mơ hình xe sử dụng động thường Silvestre-line sử dụng động Maxon DC [1], hay UXbut-line sử dụng động Metal Gearbox[4] Sau bảng số liệu động dùng cho xe bám đường Việt Nam: Namiki DC 12V Coreless Servo Motor Điện áp 12V Công suất 6W Tốc độ qua giảm tốc 80 rpm Động DC escap 16G88 Điện áp 12V Công suất 4.5W Tốc độ 470 rpm Động DC Giảm Tốc GM25 370 Điện áp 9V Công suất 1.8W Tốc độ 150 rpm Động DC Giảm Tốc Planet Điện áp 24V Công suất 30W Tốc độ 469 rpm Về cấu trúc điều khiển ta cần điểu khiển vận tốc hai bánh xe lấy liệu từ cụm sensor Từ ta có hai phương pháp là: - Điều khiển tập trung: mạch sử dụng vi điều khiển đảm nhận tất chức nhờ vào mà phần cứng đơn giản nhiên khơng có chun biệt hóa nên khó cho việc kiểm tra lỗi chương trình, chức (tính tốn vận tốc bánh xe điều khiển động đạt vận tốc mong muốn) không thực đồng thời, chức thực chức khác phải đợi Với số mơ hình cho dạng điều khiển Trilobot thiết kế chế tạo Roger Arrich, UXbot-line Daniel Álvarez, hay Arobot mobile robot [11] - Điều khiển phân cấp: mạch điều khiển phân cấp sử dụng nhiều vi điều khiển, vi điều khiển đảm nhận chức riêng Nhờ có chuyên biệt hóa, vi điều khiển đảm nhận cơng việc giúp việc kiểm tra lỗi chương trình dễ dàng, chức thực đồng thời, không cần phải đợi bỏ qua tác vụ ngắt Ta thấy qua ta cần có thủ tục giao tiếp vi điều khiển, làm cho khối lượng công việc nhiều Với yêu cầu phần tìm hiểu trên, ta đưa mục tiêu đồ án Do đặc tính đường đua nên bán kính cong nhỏ 500mm Cùng với việc lựa chọn sai số bám line (khoảng lệnh tối đa điểm bám line đường tâm line mà ta bắt đầu q trình điều khiển) phụ thuộc nhiều vào việc ta lựa chọn cảm biến, tốc độ đáp ứng sai số cảm biến Dựa vào phần tìm hiểu ta thấy đa số xe sử dụng khoảng cảm biến Qua thử nghiệm nhóm, việc lựa chọn cảm biến hồng ngoại với số lượng sai số đọc cảm biến 3.88mm Ta lựa chọn sai số bám line 5mm Với xe tìm hiểu vận tốc trung bình nằm khoảng 540rpm đường kính bánh xe dị line trung bình khoảng 65mm vận tốc tham khảo tính là: 540rpm×π×0.065m=1.83 m/s Vận tốc tham chiếu bám line phụ thuộc nhiều vào thời gian lấy mẫu cảm biến thời gian đáp ứng động Để đảm bảo bám line tốt giải thuật điều khiển dễ dàng kết đua xe giới, nhóm định chọn vận tốc tham chiếu 1.5 m/s Nhóm đặt yêu cầu sau: - vmax = 1.5 m/s - ρmin = 500 mm - emax = mm CHƯƠNG 2: LỰA CHỌN PHƯƠNG ÁN 2.1 Phương án khí 2.1.1 Lựa chọn kết cấu - Đặc điểm yêu cầu: - Xe di chuyển địa hình phẳng khơng có dốc nghiêng - Xe không cần chở tải - Đường line liên tục - Phân tích phương án: - Xe có bánh với bánh chủ động phía sau, bánh tự lựa phía trước + Ưu điểm: Đối với loại xe bánh này, sensor bánh tự lựa thường bố trí hàng (2 bánh tự lựa bên sensor giữa), xe di chuyển đường có dốc nghiêng đảm bảo khoảng cách sensor mặt đường tốt loại xe bánh + Nhược điểm: Trong địa hình khơng phẳng, khó đảm bảo tiếp xúc bánh xe chủ động với mặt đường + Mơ hình: Silvestre-line following robot thi Cosmobot với tốc độ tối đa lên tới 3m/s [1] → Phương án thường sử dụng trường hợp xe di chuyển mặt nghiêng xe có chở thêm tải Sơ đồ nguyên lý xe bánh chủ động phía sau, bánh tự lựa phía trước vwl vwr Vận tốc góc Đoạn (E-F-C) Đoạn F-C-G: [ 500 0] xe bám line Bám line đoạn (F-C-G) 56 Sai số bé, khoảng 6mm Với đoạn dường line, vận tốc bánh trái bánh e2 (mm) phải không chênh lệnh nhiều với vận tốc tối đa 300rpm Sai số e2 Đoạn (F-C-G) 57 vwl vwr Vận tốc góc Đoạn (F-C-G) Đoạn C-G-A [0 500 0] ta thấy xe bám line Bám line đoạn (C-G-A) 58 Sai số e2 tối đa 14mm, khoảng sai số nhỏ, từ vận tốc bánh trái e2 (mm) vận tốc bánh phải đạt tối đa 350 rpm, thỏa mản giới hạn tối đa động chọn Sai số e2 Đoạn (7-8-9) 59 vwr vwl Vận tốc góc Đoạn (C-G-A) Đoạn G-A-C-E xe bám đường line Bám line đoạn (G-A-C-E) Sai số e2 tối đa 40 mm, từ vận tốc bánh trái vận tốc bánh phải đạt tối đa 530 rpm, thỏa mản giới hạn tối đa động chọn 60 e2 (mm) Sai số e2 Đoạn (G-A-C-E) 61 vwl vwl Vận tốc góc Đoạn (G-A-C-E) 62 CHƯƠNG 7: PHẦN THỰC NGHIỆM 7.1 Yêu cầu thực nghiệm Qua chương ta thấy với vận tốc tham chiếu vR = 1.5 m/s hệ số [k1 k2 k3] xe chạy hết đường line Tuy nhiên xe chạy ngồi thực tế khác mơ phần mô mô động học, bỏ qua yếu tố ảnh hưởng như: - Khối lượng lực quán tính thành phần xe - Các lực ma sát bánh xe sa bàn - Sự đồng trục hai bánh xe - Sai số cảm biến - Thời gian đáp ứng động - Các tác động nhiễu môi trường độ đồng ánh sáng, màu sắc độ phẳng sa bàn Do ta cần tiến hành thực nghiệm để xác định thông số yếu tố ảnh hưởng từ hiệu chỉnh lại hệ số [k1 k2 k3] Các thông số cụ thể cần đo để đánh giá: - Ảnh hưởng không đồng trục hai bánh xe đáp ứng động đến quỹ đạo xe - Calib cảm biến môi trường thay đổi - Sai số dò line e2 để chỉnh sửa lại hệ số [k1 k2 k3] - Vận tốc trung bình xe đường line - Sai số lớn dò line e2 7.2 Phương án thực nghiệm Để xác định thơng số cần đo trình bày phần 7.1 ta tiến hành sau: - Ảnh hưởng không đồng trục hai bánh xe đáp ứng động đến quỹ đạo xe: + Bước 1: Truyền cho hai động vận tốc + Bước 2: Đo sai số so với đường line thẳng cách: - Cách 1: Đọc sai số e2 từ cảm biến với sai số 4,65 mm (từ phần calib cảm biến), vẽ lại đồ thị e2 63 - Cách 2: Dán miếng đỏ hình trịn lên xe, cho xe chạy quay lại video Từ dùng giải thuật xử lý ảnh vẽ lại tâm đường trịn theo thời gian + Bước 3: Đánh giá kết Nếu đồ thị tuyến tính ảnh hưởng không đồng trục hai bánh xe đến quỹ đạo xe đáp ứng động đến quỹ đạo xe nhỏ - Calib cảm biến theo bước sau: + Bước 1: đưa cảm biến vào trắng line đen, đọc giá trị xmin, i xmax, i ứng với giá trị nhỏ lớn cảm biến + Bước 2: áp dụng cơng thức để tính sai số: yjo =ymin + - ymax -ymin xmax,i -xmin,i (xij -xmin,i ) Sai số dò line e2 để chỉnh sửa lại hệ số [k1 k2 k3] + Bước 1: Lấy liệu sai số e2 quãng đường d thông qua giao tiếp RS232 vi điều khiển máy vi tính + Bước 2: Vẽ đồ thị e2 theo công cụ excel matlab + Bước 3: Dựa đồ thị chỉnh lại hệ số [k1 k2 k3] cho phù hợp tiếp tục vòng lặp - Vận tốc trung bình xe đường line + Bước 1: Khi bắt đầu chạy xe bật biến thời gian t1 vi điều khiển + Bước 2: Khi kết thúc bật biến thời gian t2 + Bước 3: Truyền t2 - t1 lên máy tính Lấy độ dài đường line 10.613/ (t2-t1) vận tốc trung bình xe 7.3 Phân tích số liệu thực nghiệm Ở phần nhóm lấy liệu thực nghiệm từ yêu cầu phần 7.1 - Sai số lớn dò line e2 + Dựa vào số liệu e2 thu sau dò hết đường line, ta có đồ thị e2 theo quãng đường (mm) hình 7.1 + Nhận xét: Qua hình 7.1 ta thấy sai số e2 lớn q trình dị line 51 mm vị trí chuyển tiếp BD DF (dụa vào quãng đường d=4680mm) sai số e2 lý thuyết mô 10 mm 64 + Kết luận: yếu tố ảnh hưởng nêu phần 7.1 tác động lên trình dị line, làm cho sai số q trình dị line tăng lên so với mơ phỏng, tức làm cho xe chạy bám line không tốt Sai số e2 theo quãng đường - Sai số dò line e2 để chỉnh sửa lại hệ số [k1 k2 k3] + Vì cách làm tương tự nên nhóm trình bày sai số dị line e2 để chỉnh sửa lại hệ số [k1 k2 k3] đoạn cong AB + Nhận xét: Qua hình 7.2 ta thấy sai số e2 vọt lên cao 5.8 xe không dị line tiếp (khi xe chạy ngồi, sai số e2 nhỏ lại) Từ hình 7.3 ứng với hệ số k2 lớn, e2 dao động lớn từ ta giảm hệ số k2, e2 dao động với biên độ nhỏ hình 7.4 + Kết luận: ta hiệu chỉnh hệ số k1, k2, k3 dựa vào độ thị trả e2 65 Đồ thị e2 theo thời gian (s) ứng với hệ số theo mô [k1 k2 k3] = [1 500 0] 66 Đồ thị e2 theo thời gian (s) ứng với hệ số theo mô k2 lớn 67 Đồ thị e2 theo thời gian (s) ứng với hệ số k2 nhỏ lại k2=0.03 - Calib cảm biến môi trường thay đổi: số liệu phân tích trình bày chương phần calib cảm biến - Vận tốc trung bình xe đường line: nhóm cho xe chạy đường line nhiều lần đạt vận tốc trung bình 0.624 m/s (chạy hết đường line 17s) nhiên với vận tốc đó, xe chạy khơng ổn định Với vận tốc trung bình 0.559 m/s (chạy hết đường line 19s) xe chạy ổn định - Ảnh hưởng không đồng trục hai bánh xe đáp ứng động đến quỹ đạo xe đồ thị 7.5 + Nhận xét: Qua hình 7.5 ta thấy sai số e2 đoạn dao động theo hướng tăng lên + Nguyên nhân: sai số chế tạo, lắp ráp nên hai bánh xe quay bị đảo 68 Đồ thi sai số e2 cho hai động chạy vận tốc 7.4 Đề xuất hiệu chỉnh thiết kế Qua thực nghiệm phần 7.3 ta thấy ảnh hưởng thiết kế khí đến kết thực nghiệm lớn Do thời gian vấn đề kinh phí khơng đủ nên mơ hình chế tạo thiếu độ xác Nếu làm lại (với điều kiện thời gian kinh phí) - Về phần khí nhóm sẽ: + Gia cơng thân xe gá trục động lại vật liệu nhôm để đảm bảo độ đồng tâm bánh xe tốt + Vấn đề chọn lựa động vấn đề quan tâm, đáp ứng đủ momen, tốc độ mà đảm bảo trục động lúc xoay khơng bị đảo - Về phần điện nhóm thiết kế thêm phận che chắn cảm biến đảm bảo mơi trường ánh sáng ổn định Nhóm thiết kế thêm cảm biến có chức nhận dạng chỗ giao đoạn chuyển tiếp từ line thẳng sang line cong làm xe dễ chạy sai vị trí 69 TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] Daniel Alvarez – Silvestre [2] CDS Photo Resistors – PGM Series Datasheet [3] Infrared Sensors Line Guide – Honeywell [4] Reference_document_uXbot [5] Phân loại điều khiển - Hoàng Minh Sơn [6] Analysis of Line Sensor Configuration for the Advanced Line Follower Robot [7] Building a Line Following Robot [8] An Improved Hardware Design and Navigation Optimization Algorithm for Line Following Robot [9] An Intelligent Line-Following Robot Project for Introductory Robot Courses [10] Line Detection and Lane Following for an Autonomous [11] Arrick Robotics-Trilobot Research Robot [12] ARobot - Mobile Robot for Experimenters and Educators [13] BrooksBots - FireBall Line Following Robot [14] TCRT5000 datasheet [15] Smooth tracking controller for AGV through junction using CMU camera 70