TỔNG QUAN
Lựa chọn sơ đồ nguyên lý
Dựa yêu cầu thiết kế, ta thấy sơ đồ nguyên lý phải đảm bảo cho robot có khả năng bám được bán kính cong nhỏ, kết cấu đơn giản Do đó sơ đồ nguyên lý với hai bánh sau được điều khiển độc lập và một bánh tự lựa ở phía trước sẽ đảm bảo yêu cầu đặt ra.
Hình 2.1 Phương án sơ đồ nguyên lý
Lựa chọn cảm biến
Để đảm bảo yêu cầu bám được những vị trí gấp khúc và sai số bám line là khoảng ±5 (mm).
Ta cần chọn loại cảm biến và giải thuật xử lý phù hợp.
Về loại cảm biến : Để có thể bám được những đoạn gấp khúc cần loại cảm biến có thời gian đáp ứng nhanh Nhờ đó có thể lấy mẫu nhanh, cập nhật trạng thái của xe liên tục Do đó ta chọn loại cảm biến là phototransistor và led hồng ngoại.
Về giải thuật xử lý : Để đảm bảo xe di chuyển ở tốc độ cao mà vẫn bám được line với sai số cho phép, ta chọn giải thuật nội suy Nhóm sử dụng vi điều khiển có tốc độ xử lý cao để khắc phục nhược điểm của phương pháp này là tốn nhiều thời gian để tính toán.
Lựa chọn cấu trúc điều khiển
Để xe có thể đạt được tốc độ cao và bám được đoạn gấp khúc thì cấu trúc điều khiển phải đảm bảo được yêu cầu về thời gian xử lý để tránh hiện tượng xe chạy quá nhanh và vượt ra khỏi line Và cũng đảm bảo là tất cả các thành viên nhóm cùng làm song song để đẩy nhanh tốc độ thực hiện đồ án, dễ sửa lỗi Nhóm quyết định chọn cấu trúc điều khiển phân cấp.
Hình 2.2 Cấu trúc điều khiển phân cấp
Phương án thiết kế
- Sơ đồ nguyên lý : 2 bánh chủ động được điều khiển độc lập và một bánh tự lựa.
- Cảm biến : Cảm biến phototransistor và led hồng ngoại.
- Động cơ : động cơ DC có gắn encoder.
- Cấu trúc điều khiển : Cấu trúc điều khiển phân cấp.
CHƯƠNG III THIẾT KẾ CƠ KHÍ
Lựa chọn bánh xe
Các bánh xe được sử dụng cho xe đua thường được thiết kế sao cho lốp ngoài dày để chịu nhiệt do xe chạy ở vận tốc cao, một số loại xe đua có thể đạt vận tốc 110m/s, lốp được chế tạo từ cao su để tăng thêm khả năng bám đường.
Trong phần tổng quan, vận tốc mong muốn có gia trị 2 / được tham khảo từ các xe đua đạt thành tích cao trong các cuộc thi dành cho xe dò line, trong đó có Chariot và Suckbot,2 xe đều sử dụng bánh xe có đường kính = 70 , từ việc tham khảo kích thước bánh xe này cùng với việc tìm hiểu các loại bánh xe dành cho xe dò line được bày bán trên thị trường nhóm quyết định chọn bánh xe có đường kính = 65 , bánh xe được chọn có ưu điểm bề rộng có kích thước lớn, lốp được chế tạo từ cao su nên bám đường tốt.
Bánh xe được chọn dựa trên các yêu cầu gọn nhẹ, dễ dàng lắp đặt và thay thế, có khả năng giữ thăng bằng cho xe khi xe chuyển hướng đột ngột ở vận tốc lớn, từ đó ta chọn bánh xe bị động là loại bánh bi cầu, loại bánh này được làm từ hai loại vật liệu chính đó là thép và nhựa, mỗi loại có ưu điểm riêng, bánh bi cầu làm từ thép chịu tải rất tốt thường được sử dụng cho các xe có khối lượng lớn,loại bánh này có khối lượng khá nặng trung bình khoảng 50 bánh làm từ nhựa không chịu được tải trọng nặng nhưng có khối lượng nhỏ (5 ) Từ các yêu cầu trên và tham khảo thêm bánh bị động của hai robot dò line Chariot và Suckbot ta chọn bánh bi cầu làm bằng nhựa để làm bánh bị động, bánh xe được chọn có chiều cao 15 , đường kính bánh xe nhỏ gọn 12
Tính chọn động cơ
Mô hình vật lí của bánh xe:
1 1 ĐỒ ÁN THIẾT KẾ HỆ THỐNG CƠ ĐIỆN TỬ GVHD : PGS.TS Nguyễn Tấn Tiến
Hình 3.1 Sơ đồ phân tích lực
Momen quán tính của bánh xe
Cân bằng momen quanh tâm của bánh xe ta được:
− = (1) Điờ̀u kiợ̀n Đờ̉ bỏnh xe lăn khụng trượt : ≤ à từ đó suy ra
Mặt khác từ định luật 2 Newton ta có:
Vận tốc góc của mỗi bánh xe là : =
Công suất của mỗi động cơ được tính theo công thức: =
( / 2 ): Gia tốc trọng trường ( ): Khối lượng của bánh xe
( ): Khối lượng của xe ( ): Bán kính bánh xe
( ): Công suất của mỗi động cơ ( / ): Vận tốc góc
( / 2 ): Gia tốc góc của bánh xe
Ta có bảng thông số đầu vào :
Khối lượng của xe 0,7( )
Khối lượng bánh xe 25( ) Đường kính bánh xe 65( )
Từ các thông số đầu vào ta tính được các giá trị momen, vận tốc góc và công suất:
Momen cần thiết để xe chuyển động 25,55( )
Công suất động cơ 3,1( )
Từ các thông số trên ta chọn động cơ ESCAP 16G 214EMR19 Động cơ có các thông số cơ bản sau: Áp định mức 12( )
Dòng định mức 300( )
Tốc độ động cơ 540( )
Chiều dài động cơ 50( ) Động cơ Đường kính 16( )
Hộp giảm tốc Đường kính 16( )
Chiều dài 3 ( ) Đường kính 8 ( )
Kích thước thân xe
Bảng liệt kê các thiết bị trên xe
STT Tên thiết bị Số lượng
8 Gá trục động cơ 2
Kích thước bao ngoài của khung xe được thiết kế dựa trên việc tham khảo kích thước của robot trong chương tổng quan cùng với việc bố trí hợp lí các thiết bị trên xe.
CHƯƠNG IV THIẾT KẾ PHẦN ĐIỆN
Xây dựng sơ đồ khối chung của hệ thống điện
Vi Điều Khiển si gn al si gn al
Driver si gn al si gn al
Hệ thống điều khiền
Hình 4.1 Sơ đồ khổi chung của hệ thống điện
Hệ thống điện sử dụng cho xe gồm 2 phần chính:
- Hệ thống điều khiển
Driver cho động cơ
- Tích hợp mạch cầu H điều khiển 2 động cơ DC servo giảm tốc Escap 12V – 540rpm
- Điện áp ngõ ra của mạch driver phải phù hợp với điện áp của động cơ 12V
- Có thể điều khiển được tốc độ, đảo chiều quay động cơ, hãm
- Động cơ DC servo giảm tốc Escap 12V – 540rpm có dòng định mức 300mA nên driver phải có dòng cực đại lớn hơn
Hình 4.2 Đồ thị test độ tuyến tính của vận tốc bằng driver TB6612
Hình 4.3 Đồ thị test độ tuyến tính của vận tốc bằng driver L298
Dựa vào 2 đồ thị trên ta thấy driver TB6612 có độ tuyến tính tốt hơn so với driver L298
Thiết kế bộ điều khiển PID:
Cấp một giá trị PWM nằm trong khoảng điều khiển mong muốn (1,5-1,8m/s) ta có dạng đồ thị vận tốc theo thời gian là:
Hình 4.4 Đồ thị đáp ứng vận tốc của hệ thống
Dựa vào đồ thị trên, ta xấp xỉ cả hệ thống (vi điều khiển, driver, động cơ) là một hệ quán tính bậc 1 và có dạng hàm truyền:
Dựa vào đồ thị ta có K ≈ 7
Thời điểm đáp ứng của khâu quán tính bậc 1 (đạt 63% giá trị xác lập): T = 0,17 (s)
Hàm truyển của cả hệ thống là:
Dùng PID Tuner của Matlab ta có các hệ số: K P = 0.56 K I = 0.42 K D = 0.002
1 7 ĐỒ ÁN THIẾT KẾ HỆ THỐNG CƠ ĐIỆN TỬ GVHD : PGS.TS Nguyễn Tấn Tiến
Giao tiếp I2C giữa 1 Master với 2 Slave:
Hình 4.5 Đồ thị vận tốc theo thời gian của động cơ 1 được điều khiển bởi Slave 1 với: K P = 0.39 K I = 0.38 K D = 0.0028
Hình 4.6 Đồ thị vận tốc theo thời gian của động cơ 2 được điều khiển bởi Slave 2 với: K P = 0.39 K I = 0.38 K D = 0.0029
Theo như 2 đồ thị trên thì giá trị vận tốc trung bình xấp xỉ bằng giá trị vận tốc mong muốn
(400 vòng/phút) và thời gian đáp ứng bằng 0,028s nhỏ hơn thời gian đáp ứng toàn hệ thống
(0,1s), độ vọt lố POT ≈ 0%, nên các thông số PID cho từng động cơ trên phù hợp.
8 ĐỒ ÁN THIẾT KẾ HỆ THỐNG CƠ ĐIỆN TỬ GVHD : PGS.TS Nguyễn Tấn Tiến
Mạch nguồn
Gồm 1 bộ 4 pin sạc 3.7V, 1 mạch ổn áp 12VDC cấp nguồn cho 2 driver động cơ, 1 mạch ổn áp 5VDC cấp nguồn nuôi cho encoder, 1 mạch ổn áp 3.3V để cấp nguồn cho bộ cảm biến
Tính toán điện cần cung cấp:
Thiết bị Số lượng Dòng Tổng cộng Động cơ 2 300mA 600mA
Tổng cộng 1144.4mA
Chọn 4 pin sạc 18650 Panasonic 3,7V 3700mAh và 2 mạch giảm áp DC LM2596 3A để ổn áp 12V và 5V
- Điện áp đầu vào: 3 – 40VDC
- Điện áp đầu ra: điều chỉnh được trong khoảng 1.5 – 35VDC
- Dòng đáp ứng tối đa: 3A
Hình 4.7 Mạch giảm áp DC LM2596 3A
Sơ đồ mạch điện của hệ thống
Hình 4.8 Sơ đồ mạch điện của hệ thống
MÔ HÌNH HÓA H THỐNG ỆN
Mô hình hóa động học
Hệ thống xe bám line trên đường line được mô tả qua hình 1.
Hình 5.1 Hệ trục tọa độ cho phương trình chuyển động của hệ thống với vị trí bánh lái khác nhau
Phương trình động học của xe ẋ cos φ 0 v
Phương trình động học cho điểm bám line C : x C = x + d cos φ ẋ = ẋ + d cos φφ̇
Với d là khoảng cách từ tâm xe đến điểm bám line C.
Phương trình động học của điểm tham chiếu R trên nằm trên đường line. ẋ = v cos φ
R vớilà vận tốc mong muốn được thiết kế cho xe.
Bộ điều khiển được thiết kế cho điểm bám đường C đến vị trí mong muốn R với vận tốc mong muốn Để làm được điều đó, ta xác định được các sai số bám đường sau: e cos φ sin φ 0 xR - xC
1 ĐỒ ÁN THIẾT KẾ HỆ THỐNG CƠ ĐIỆN TỬ GVHD : PGS.TS Nguyễn Tấn Tiến
Sau khi tính toán các giá trị sai số, ta đạo hàm chúng, từ đó có kết quả sau : ė v cos e
Trong trường hợp xe di chuyển theo chiều ngược lại thì vẫn giữ nguyên giá trị với việc thay d bởi –d, có nghĩa là d có giá trị dương hay âm phụ thuộc vào hướng chuyển động của xe.
Phương trình động học của robot : cosθ cosθ ẋ cos φ 0 2 2 v sinθ sinθ ẏ
Từ đó ta tìm được mối quan hệ của vận tốc xe và vận tốc bánh trái và bánh phải: v = r.ω r + r.ω l
Thiết kế bộ điều khiển. Định lí : Hệ thống (5) được ổn định với bộ độ điều khiển bám line sau: v = v R cose 3 + k 1 e 1
Với các hệ số 1 , 2 , 3 là những giá trị dương Ta đạo hàm được:
Chúng ta cần điều khiển (6) để cho ̇ đạt giá trị âm Có nghĩa là ta phải điều khiển để các giá trị sai số tiến về 0 khi thời gian tiến ∞.
2 ĐỒ ÁN THIẾT KẾ HỆ THỐNG CƠ ĐIỆN TỬ GVHD : PGS.TS Nguyễn Tấn Tiến
Từ phương trình mô tả động học của hệ thống, ta cần tìm các sai số e 1 ,e 2 ,e 3
Nếu chọn điểm bám line là tâm hai bánh xe, ta có : e1 = d
Hình 5.2 Hình minh họa cho cách tìm sai số e 2 Để xe bám theo được line, công việc đầu tiên là xác định vị trí của xe so với line Ta đặt hệ toạ độ như hình 4, trong đó M là trung điểm giữa 2 bánh xe, C là trung điểm của dãy sensor.
Mục đích của giải thuật điều khiển là làm cho điểm C bám theo điểm tham chiếu R Để làm điều đó, ta cần xác định các sai số e 2 và e 3
Trên thực tế, sai số e 2 được đo từ dãy sensor nên ta chỉ cần tính toán sai số e 3 Để tính sai số này, ta cho xe di chuyển theo phương trước đó của xe một đoạn d s sao cho ds đủ nhỏ để khi nối 2 điểm R R’ ta được tiếp tuyến với đường cong. e 3
Hình 5.3 Cách xác định sai số 3
Khi đó ta xác định được e 3 theo công thức: e 3 = tan -1 e 2 - e' 2 ds
Ta nhận thấy rằng:
Tại một vị trí đường line, ta sẽ xác định được giá trị góc giữa đường tâm xe so với trục ngang
Ox Từ mối quan hệ giữa tọa độ tâm hai bánh xe, tọa độ tâm cảm biến và góc giữa đường tâm xe so với trục ngang ta sẽ xác định được phương trình đường thẳng đi qua các cảm biến. Dựa theo phần trình bày trên, ta sẽ tìm được ba giá trị sai số đưa vào hệ điều khiển.
Từ những lí thuyết trên và đề bài đầu vào ta vẽ được phương trình đường line :
Hình 5.4 Hình mô tả đường line thực tế
Các thông số kỹ thuật cần thiết cho xe dò line :
Các thông số Giá trị
Khoảng cách từ cảm biến đến tâm 2 bánh xe D (mm)
Khoảng cách giữa 2 bánh xe 150 (mm)
Khoảng cách một bên của cảm biến 60 (mm)
Dựa vào (6) ta có : k2 ảnh hưởng lớn nhất đến giá trị đầu ra Do đó để chọn khoảng cách giữa cảm biến và 2 bánh xe sau, ta khảo sát dựa vào sự thay đổi giá trị của k2 và D.
Kết quả mô phỏng matlab khi khảo sát trên đoạn (A-B-C) :
Mối quan hệ giữa d và sai số :
Hình 5.5 Mối quan hệ giữa khoảng cách d và sai số
Dựa vào đó, ta chọn : d = 50 (mm)
Hình 5.6 Kết quả mô phỏng bám line
2 6 ĐỒ ÁN THIẾT KẾ HỆ THỐNG CƠ ĐIỆN TỬ GVHD : PGS.TS Nguyễn Tấn Tiến
Hình 5.8 Vận tốc góc của 2 bánh
Hình 5.9 Vận tốc trung bình của xe
7 ĐỒ ÁN THIẾT KẾ HỆ THỐNG CƠ ĐIỆN TỬ GVHD : PGS.TS Nguyễn Tấn Tiến
COMPUTER SYSTEMS
Yêu cầu của cảm biến
Chọn: thời gian lấy mẫu của hệ thống là: 0.1 (s) thời gian lấy mẫu của cảm biến là 0.01 (s).
Suy ra, thời gian đáp ứng của cảm biến được chọn: ≤ 0.01( ).
− Khoảng cách giữa cảm biến so với bề mặt: Độ cao đặt cảm biến so với bề mặt: 3( ) ≤ ℎ ≤ 6( ) là khoảng cách hiệu quả [9] để cảm biến có thể nhận tín hiệu tốt.
− Giá thành: ≤ 7,000 VND/ cặp thu phát
Các phương án khả thi
Có 2 phương án để có thể lựa chọn: Ta có thể kết hợp giữa IR LED và phototransistor để tạo thành một cặp thu phát hồng ngoại hoặc sử dụng cặp thu phát hồng ngoại đã được đóng gói sẵn Tuy nhiên, việc kết hợp giữa IR LED và phototransistor mang đến nhiều bất lợi: mất thời gian trong việc tìm kiếm cặp thu phát thích hợp, việc tự căn chỉnh chiều cao giữa 2 cảm biến làm giảm độ chính xác hoặc xuất hiện nhiễu, chi phí bỏ ra hầu như lớn hơn việc sử dụng cặp thu phát hồng ngoại được đóng gói sẵn.
Hình 6.1 Sơ đồ nguyên lý của cặp thu phát hồng ngoại
Khoảng cách so với bề mặt 0.5 ÷ 5( )
Khoảng cách so với bề mặt 0.5 ÷ 15( )
Trong các cảm biến được liệt kê ở trên, ta thấy TCRT5000 là phù hợp hơn cả.
Do đó, ta sử dụng TCRT5000 làm cảm biến cho xe dò line.
Thiết kế mạch cảm biến
Chọn khoảng cách đặt cảm biến so với mặt sàn là 6(mm)
Giá trị dòng điện đi qua IR LED D1 thông thường là = 20( ) [2] Tuy nhiên, nếu sensor hoạt động trong thời gian lâu dài có thể bị dòng 40 (mA) phá hỏng Do đó, giá trị điện trở R1 là:
2 9 ĐỒ ÁN THIẾT KẾ HỆ THỐNG CƠ ĐIỆN TỬ GVHD : PGS.TS Nguyễn Tấn Tiến
Theo biểu đồ hình 4.8, ta được = 0.6( ) Do đó, giá trị điện trở R2 là:
Hình 6.2 Mạch dò line đơn sử dụng cảm biến TCRT5000
Hình 6.3 Mối liên hệ giữa khoảng cách và dòng ở cực thu
0 ĐỒ ÁN THIẾT KẾ HỆ THỐNG CƠ ĐIỆN TỬ GVHD : PGS.TS Nguyễn Tấn Tiến
6.3.2 Chọn cách đặt cảm biến: Đối với cảm biến TCRT5000, góc của led phát là 16 o và góc của led thu là 30 o [1]
Vùng hoạt động a = 1.5 (mm)
Khoảng cách so với mặt sàn: h = 6 (mm)
Hình 6.4 Vùng hoạt động của mỗi cảm biến TCRT5000 Từ đó, ta tính được bán kính của đường tròn trên mặt sàn của:
Có 2 cách đặt cảm biến trên mảng các cảm biến [1]: đặt dọc (position 2 hình 2) và đặt ngang (position 1 hình 2).
Hình 6.5 Ảnh hưởng của cách đặt cảm biến đến switching distance X d [13]
1 ĐỒ ÁN THIẾT KẾ HỆ THỐNG CƠ ĐIỆN TỬ GVHD : PGS.TS Nguyễn Tấn Tiến
Ta có, khoảng cách đặt cảm biến so với mặt sàn là h = 6(mm).
Do đó, theo đồ thị hình 2, ta sẽ được X d ≈ 3(mm) nếu ta đặt cảm biến theo phương nằm ngang và X d ≈ 5(mm) nếu ta đặt cảm biến theo phương nằm dọc trên mảng các cảm biến.
Mặt khác, sai số bám line được chọn là e = 5 (mm) Nên X d < e = 5(mm).
Vậy ta đặt cảm biến theo phương nằm ngang trên mảng các cảm biến.
6.3.3 Tính khoảng cách giữa các cảm biến:
Hình 6.6 Phạm vi quét của led thu và led phát ở 2 cảm biến đặt liền kề nhau
Từ hình 3, ta dễ thấy khoảng cách ngắn nhất của tâm Collector 1 đối với tâm Emitter 2 để cảm biến 1 không bị nhiễu do Collector 1 thu nhầm ánh sáng từ Emitter 2 là:
Hình 6.7 Kích thước của cảm biến TCRT5000 [2]
Gọi kích thước dài của cảm biến TCRT5000 là: k.2(mm).
Từ đó, ta suy ra được, khoảng cách giữa 2 cảm biến trên mảng các cảm biến là:
6.3.4 Chọn số lượng cảm biến: Để robot dò line định hướng tốt thì số lượng cảm biến được sử dụng và vị trí của chúng đóng vai trò quan trọng [4] Thông thường, để robot dò line bám đường hiệu quả, ta nên sử dụng ít nhất là 2 cảm biến Tuy nhiên, việc sử dụng 2 cảm biến là không đủ để có thể phân biệt các giao lộ trên sa bàn, vì vậy ta cần sử dụng nhiều cảm biến hơn [4], và số lượng cảm biến sẽ phụ thuộc vào góc quay của robot khi gặp ngã rẽ ở A (như hình 7.8).
Hình 6.8 Góc rẽ 90 o của robot dò line tại vị trí A
Nếu số lượng cảm biến được chọn là 5 (như hình 7.9), ta được khoảng cách giữa 2 cảm biến ngoài cùng là 73.2 (mm), với khoảng cách này, đưa vào file mô phỏng (hình 7.11), ta thấy robot sẽ không thể bám line như đoạn rẽ 90 o ở hình 5.
Nếu số lượng cảm biến được chọn là 7 (như hình 7.10), ta được khoảng cách giữa 2 cảm biến ngoài cùng là 109.6 (mm), với khoảng cách này, đưa vào file mô phỏng (hình 7.12), ta thấy robot bám line tốt trên cả sa bàn.
Hình 6.9 Sử dụng 5 cảm biến dò line
Hình 6.10 Sử dụng 7 cảm biến dò line
Hình 6.11 Mô phỏng động học robot dò line với 5 cảm biến
Hình 6.12 Mô phỏng động học robot dò line với 7 cảm biến Vậy, ta chọn số lượng cảm biến trên mảng là 7
Từ các tính toán ở trên, ta đưa ra được sơ đồ nguyên lý mạch dò line sử dụng 7 cảm biếnTCRT5000 (hình 7.13).
Hình 6.13 Sơ đồ nguyên lý mạch dò line sử dụng 7 cảm biến TCRT5000
Tuyến tính hóa cảm biến
Việc thu nhận tín hiệu analog giúp ta nhận biết được sự thay đổi của giá trị mỗi khi cảm biến di chuyển lại gần hay ra xa đường line Tuy nhiên, tín hiệu analog cho mỗi cảm biến khác nhau, làm việc trong cùng điều kiện như nhau, cho ra giá trị khác nhau kể cả các phần cảm
3 5 biến như nhau Đây là lý do tại sao hiệu chuẩn (calibration) là cần thiết cho việc lắp đặt các cảm biến quang trên robot dò line [3]
Công việc hiệu chuẩn có thể thực hiện bằng cách sử dụng biến trở điều chỉnh trên mỗi cặp cảm biến hoặc thông qua phần mềm.
Hình 6.14 Dạng đáp ứng của cảm biến sau khi calib Để calib cảm biến bằng phần mềm, ta sử dụng công thức sau:
, và , là giá trị lớn nhất và nhỏ nhất đọc được từ cảm biến thứ i. và là giá trị lớn nhất và nhỏ nhất mà ta mong muốn cho tất cả các cảm biến.
, là giá trị đọc được thứ j của cảm biến thứ i. là giá trị sau khi điều chỉnh ,
3 6 ĐỒ ÁN THIẾT KẾ HỆ THỐNG CƠ ĐIỆN TỬ GVHD : PGS.TS Nguyễn Tấn Tiến
Bảng giá trị các cảm biến sau khi calib:
6.4.2 Sơ đồ test cảm biến:
6.4.3 Kết quả: Đồ thị của hàm sau khi đã được xấp xỉ tuyến tính:
7 ĐỒ ÁN THIẾT KẾ HỆ THỐNG CƠ ĐIỆN TỬ GVHD : PGS.TS Nguyễn Tấn Tiến
Hình 6.15 Hàm xấp xỉ tuyến tính
Phương trình hàm xấp xỉ bậc nhất giữa vị trí thực của cảm biến và giá trị analog thu được:
Tại , = −78.2561 ( ) và giá trị analog đọc được tại đó là –90.57 =1
Giải thuật dò line
Hình 6.16 Sa bàn hệ thống line Giải thuật điều khiển của xe dò line bao gồm 3 nội dung chính:
Hiệu chuẩn giá trị của các cảm biến sao cho giá trị của chúng nằm trong cùng một phạm vi [min, max].
Nội suy vị trí của xe dò line dựa vào giá trị của các cảm biến đọc được.
Xử lý các điểm giao nhau.
Calib sensor Nhận biết giao lộ i = 0;
B = (max(sensor[i])–min(sensor[i])); sensor[i]%0+(1500–250)*A/B; i = i + 1; sensor[3] > 1000
Hình 6.17 Lưu đồ giải thuật chương trình con “Calib sensor” và “Nhận biết giao lộ”
Nhận biết giao lộ flag = flag + 1;
Hình 6.18 Lưu đồ giải thuật chương trình chính
THỰC NGHIỆM VÀ ĐÁNH GIÁ
Hình 7.1 Sai số thực nghiệm
Sai số trung bình thực nghiệm : = 4,4767 mm
Sai số trung bình theo lý thuyết : = 2,2398 mm
Sai số thực nghiệm e2 và sai số mô phỏng e2 có dạng đồ thị khác nhau tuy nhiên sai số trung bình của chúng xấp xỉ bằng nhau. Điều này có thể được giải thích bởi trong thực tế, các giá trị e2 và e3 bị ảnh hưởng bởi các yếu tố động lực học (kết cấu cơ khí, khối lượng của xe, ma sát giữa bánh xe so với mặt sàn
…) so với mô phỏng, các giá trị này chỉ bị ảnh hưởng bởi các yếu tố động học.
Mặt khác, những giá trị nhấp nhô bất thường trên đồ thị xuất hiện bởi nhiễu (ánh sáng từ bên ngoài, sự thay đổi ánh sáng đột ngột, phản xạ ánh sáng giữa các bề mặt line khác nhau, … đôi khi xe bị bật bánh trước do lệch trọng tâm cũng có thể gây nên tình trạng này) xuất hiện làm sai lệch giá trị đọc về của cảm biến. Đề xuất hướng phát triển
- Đưa trọng tâm về chính giữa xe.
- Thiết kế cơ cấu che cảm biến.
- Thêm tụ ở analog output của cảm biến để chống nhiễu.
Thiết kế gá bánh xe và lựa chọn nối trục phù hợp sao cho 2 bánh chủ động có độ đồng tâm cao.
Mạch cảm biến Động cơ bước
Bàn dịch chuyển line
Hình 1 Sơ đồ test cảm biến Đường line được dẫn động bởi động cơ bước thông qua bộ truyền thanh răng – bánh răng.
Mạch cảm biến được đặt ở vị trí cố định để thu về các giá trị và tính toán vị trí của tâm mạch cảm biến so với đường line, nhằm mục đích tìm hàm nội suy chính xác.
Sơ đồ mạch điện: sensor0 5 sensor1 6 sensor2 7 sensor3 8 sensor4 9 sensor5 10 sensor6 11
PE3 PE2 PE1 PE0 PD3 PD2 PD1 T M 4 C 1 2 3 G X L PB2
Hình 2 Sơ đồ mạch điện test cảm biến
Kích 1 bước Đọc và calib cảm biến
Hình 3 Lưu đồ giải thuật test cảm biến
Hình 4 Hình ảnh thực tế mô hình test thí nghiệm
[1] M Zafri Baharuddin, Izham Z Abidin, S Sulaiman Kaja Mohideen, Yap Keem Siah, Jeffrey Tan Too Chuan, Analysis of Line Sensor Configuration for the Advanced Line Follower Robot.
[2] Richard T.Building a Line Following Robot.
[3].Xiaoling Wu, YiChao Li, ZuShen Zhang, Jianjun Li, Ruxu Du, HuaWei Fu, An Improved
Hardware Design and Navigation Optimization Algorithm for Line Following Robot.
[4] Juing-Huei Su, Chyi-Shyong Lee, Hsin-Hsiung Huang, Sheng-Hsiung Chuang, Chih-Yuan Lin,
An Intelligent Line-Following Robot Project for Introductory Robot Courses.
[5] Hsin-Hsiung Huang, Juing-Huei Su, Chyi-Shyong Lee, Jheng-Yu Huang, and Sheng-Hsiung Chuang, Hands-on Intelligent Mobile Robot Laboratory with Support from the Industry
[6]: G Desaulnier On shortest path for a car-like robot maneuvering around obstacles,
[7]: Ngô Tôn Quyền.Phân tích về thiết kế xe AGV
[8]: Joseph L.Jones, Anita M.Flynn & Bruce A.Seiger Mobile Robot Inspirational to
Implementation 2nd ed Cambridge, MA: MIT Artificial Intelligence Laboratory Publication
[10] Mitsumi – Datasheet DC motor with encoder
[11] Richard T Vannoy II - Designing and Building a Line Following Robot
[13] Vishay - Application of Optical Reflex Sensors
[15] Juing-Huei Su, Chyi-Shyong Lee, Hsin-Hsiung Huang, Sheng-Hsiung Chuang & Chih-Yuan Lin
- An intelligent line-following robot project for introductory robot courses