Đồ án môn học thiết kế hệ thống cơ điện tư đề tài thiết kế mobile platform bám line cho trước

ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP.HCM TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA TP.HCM KHOA CƠ KHÍ ĐỜ ÁN MƠN HỌC THIẾT KẾ HỆ THỐNG CƠ ĐIỆN TỬ GVHD: PGS.TS Nguyễn Tấn Tiến Đề tài: THIẾT KẾ MOBILE PLATFORM BÁM LINE CHO TRƯỚC Nhóm STT Họ tên MSSV Nguyễn Kế Nhựt Hứa Thái Châu 21202639 21200315 Phan Nguyên Vũ Điểu Đung 21204632 21200812 Huỳnh Kim Thạch 21203476 TpHCM, ngày 06 tháng 05 năm 2016 ĐỒ ÁN THIẾT KẾ HỆ THỐNG CƠ ĐIỆN TỬ GVHD : PGS.TS Nguyễn Tấn Tiến MỤC LỤC MỤC TIÊU ĐỒ ÁN: CHƯƠNG I TỔNG QUAN CHƯƠNG IILỰA CHỌN PHƯƠNG ÁN 2.1 Lựa chọn sơ đồ nguyên lý : 2.2 Lựa chọn cảm biến : 2.3 Lựa chọn cấu trúc điều khiển : 2.4 Phương án thiết kế : 10 CHƯƠNG IIITHIẾT KẾ CƠ KHÍ 11 3.1 Lựa chọn bánh xe : 11 3.1.1 Bánh xe chủ động 11 3.1.2Bánh xe bị động 11 3.2 Tính chọn động 11 3.3 Kích thước thân xe 14 CHƯƠNG IVTHIẾT KẾ PHẦN ĐIỆNN 15 4.1 Xây dựng sơ đồ khối chung hệ thống điện 15 4.2 Driver cho động 15 4.3 Mạch nguồn 19 4.4 Sơ đồ mạch điện hệ thống 20 CHƯƠNG VMÔ HÌNH HÓA HỆN THỐNG 21 5.1 CHƯƠNG VI Mơ hình hóa động học : 21 COMPUTER SYSTEMS 28 6.1 Yêu cầu cảm biến: 28 6.2 Các phương án khả thi: 28 6.3 Thiết kế mạch cảm biến: 29 6.3.1 Tính tốn điện trở: 29 6.3.2 Chọn cách đặt cảm biến: 31 ĐỒ ÁN THIẾT KẾ HỆ THỐNG CƠ ĐIỆN TỬ GVHD : PGS.TS Nguyễn Tấn Tiến 6.3.3 Tính khoảng cách cảm biến: 32 6.3.4 Chọn số lượng cảm biến: 33 6.4 Tún tính hóa cảm biến: 35 6.4.1 Calibration: 35 6.4.2 Sơ đồ test cảm biến: 37 6.4.3 Kết quả: 37 6.5 Giải thuật dò line 38 CHƯƠNG VII THỰC NGHIỆM VÀ ĐÁNH GIÁ 41 PHỤ LỤC 43 Tài liệu tham khảo 46 ĐỒ ÁN THIẾT KẾ HỆ THỐNG CƠ ĐIỆN TỬ GVHD : PGS.TS Nguyễn Tấn Tiến MỤC TIÊU ĐỒ ÁN: Thiết kế chế tạo xe dò line di chuyển tốc độ cao sa bàn có đặc điểm :  Màu sắc đường line : đen  Màu nền : trắng  Bề rộng line : 26mm  Bề mặt địa hình di chuyển : phẳng  Sa bàn được thể hiện hình : F B R500 E C A START END R500 D G 1500 3000 Sa bàn di chuyển của robot Khi bắt đầu, robot được đặt tại vị trí START (điểm A), sau đó robot chạy theo thứ tự qua điểm nút quy định lần lượt : (START)A→B→C→D→E→F→C→G→A→C→E(END) ĐỒ ÁN THIẾT KẾ HỆ THỐNG CƠ ĐIỆN TỬ CHƯƠNG I GVHD : PGS.TS Nguyễn Tấn Tiến TỔNG QUAN Xe dò line loại robot được thiết kế để bám theo một đường đã được định sẵn bởi người sử dụng Trong công nghiệp, xe dò line có thể được dùng những hệ thống từ bán tự động đến tự đợng hồn tồn Nó có thể được sử dụng để vận chuyển nguyên, vật liệu hoặc sản phẩm từ nơi đến nơi khác mà những phương pháp băng tải, cần cẩu không khả thi Để thiết kế vận hành một robot dò line tất cả những yếu tố kỹ thuật đều cần được quan tâm : sơ đồ nguyên lý, loại cảm biến, động cơ, cấu trúc điều khiển Về sơ đồ nguyên lý: Một sơ đồ nguyên lý được sử dụng phổ biến xe dò line hiện : chariot (LVBots line following rules), HBFS-2 (Robot RobotChallenge 2015), Silvestre(COSMOBOT 2012) sử dụng hai bánh chủ động được điều khiển độc lập một bánh tự lựa Sơ đồ nguyên lý có ưu điểm cấu tạo đơn giản, nhỏ gọn, cho phép thực hiện những góc cua với bán kính cong nhỏ, cả quay tại chỗ Nhưng nhược điểm của kết cấu di chuyển khó khăn những bề mặt không bằng phẳng Hình 1.1 (a) Sơ đồ nguyên lý (b) Chariot Một dạng sơ đồ nguyên lý cũng được dùng phổ biến sử dụng hai bánh chủ động được điều khiển độc lập hai bánh tự lựa Được ứng dụng xe : Usaint Volt 2.0 (LVBots line following rules), Taquion( Masler robotics), ĐỒ ÁN THIẾT KẾ HỆ THỐNG CƠ ĐIỆN TỬ Hình 1.2 (a) Sơ đồ nguyên lý GVHD : PGS.TS Nguyễn Tấn Tiến (b) Usain Volt 2.0 Một dạng khác của sơ đồ nguyên lý có thể được ứng dụng vào xe dò line dùng một động điều khiển bánh sau thông qua cấu vi sai, hai bánh trước tự lựa hướng được nối với bởi trục truyền động Ở loại giúp xe dễ cân bằng hơn, bám đường tốt, nhiên kết cấu khí phức tạp Hình 1.3 Sơ đờ ngun lý xe sử dụng cấu vi sai Ngoài ra, một dạng của sơ đồ nguyên lý có thể sử dụng xe dò line dùng bốn động điều khiển bốn bánh Tiêu biểu Fireball (Brooks Sumobots), Thunder ĐỒ ÁN THIẾT KẾ HỆ THỐNG CƠ ĐIỆN TỬ GVHD : PGS.TS Nguyễn Tấn Tiến (a) (b) Hình 1.4 (a) Sơ đồ nguyên lý xe bánh chủ động (b) Xe Fireball Về đường line[1] sử dụng thực tế gờm có loại :  Line màu : đường vạch sẵn sàn, có thể đường trắng nền đen hoặc ngược lại Line màu thường được dùng cuộc thi cũng được ứng dụng công nghiệp, chúng có ưu điểm dễ dàng thay đổi có nhu cầu, nhược điểm của loại line vết bẩn có thể ảnh hưởng tới đợ xác của xe  Line từ : được cấu tạo từ dây từ ( Magnetic wire ) Line từ có ưu điểm có mỹ quan tốt, không bị ảnh hưởng bởi vết bẩn di chuyển, bên cạnh đó loại line cũng có nhược điểm để trì từ tính cần tiêu tớn lượng lớn, chi phí bảo trì, vận hành, thay đởi line cao nên loại line sử dụng chủ yếu công nghiệp Về cảm biến, phần lớn robot dò line hiện sử dụng loại cảm biến quang để nhận biết vị trí tương đới của xe so với đường line, từ đó xử lý để đưa tín hiệu điều khiển Các loại cảm biến được sử dụng tùy vào mục đích, có thể kể :  Camera lấy hình ảnh từ thực tế, sau đó xử lý cho kết quả vị trí góc lệch của xe so với đường line Do đó phương pháp có đợ xác cao Tuy nhiên, nhược điểm tốc độ lấy mẫu chậm không ứng dụng trường hợp đòi hỏi tốc độ cao  Cảm biến quang được sử dụng rất phổ biến cuộc thi robot dò line Điển hình : quang điện trở hoặc phototransistor kết hợp với LED Hai loại cảm biến hoạt ĐỒ ÁN THIẾT KẾ HỆ THỐNG CƠ ĐIỆN TỬ GVHD : PGS.TS Nguyễn Tấn Tiến động với nguyên lý bản giống nhau, bợ thu sẽ thu tín hiệu ánh sáng phản xạ từ bộ phát xuống mặt đất Từ đó xử lý kết quả để xác định vị trí của xe so với đường line Đối với cảm biến quang, giải thuật để xử lý thường dùng so sánh hoặc nội suy Phương pháp so sánh[2] dựa vào trạng thái đóng/ngắt của cảm biến để suy vị trí của xe Với phương pháp có ưu điểm tốc độ xử lý nhanh chỉ phụ thuộc vào mức ngưỡng so sánh của sensor Line nằm lệch trái Line nằm giữa Line nằm lệch phải Hình 1.5 Phương pháp so sánh Với phương pháp nội suy [3][4][5] , vị trí của xe được suy từ giá trị analog đọc về từ cảm biến, phương pháp có ưu điểm cho kết quả có đợ xác cao, nhược điểm xử lý tốn thời gian so với phương pháp so sánh Hình 1.6 Phương pháp nợi suy ĐỜ ÁN THIẾT KẾ HỆ THỐNG CƠ ĐIỆN TỬ GVHD : PGS.TS Nguyễn Tấn Tiến Về động cơ, hầu hết xe dò line thực tế đều dùng động DC servo nhờ đảm bảo được u cầu về kích thước, momen, ́u tớ lắp đặt Điều khiển vòng kín nhờ gắn encoder nên đảm bảo tính ởn định đợ xác cho hệ thống Về cấu trúc điều khiển, xe dò line thực tế thường dùng cấu trúc :  Điều khiển tập trung Ở cấu trúc này, một MCU chịu trách nhiệm đọc tín hiệu từ cảm biến, xử lý, sau đó trùn tín hiệu điều khiển đợng Ưu điểm của cấu trúc cấu trúc phần cứng đơn giản, nhược điểm đòi hỏi MCU có cấu hình mạnh, tốc độ xử lý nhanh, khó chỉnh sửa gặp cố Cấu trúc dùng một số xe : Usain Volt 2.0, Chariot,…  Điểu khiển phân cấp Ở cấu trúc này, một MCU (Master) đảm nhận vai trò xử lý thông tin nhận được từ mợt MCU (slave) đọc tín hiệu từ cảm biến, một MCU (slave) khác chịu trách nhiệm điều khiển động Cấu trúc có ưu điểm giúp giảm khới lượng tính tốn, đó đòi hỏi cấu hình MCU không cao, cho phép thực hiện nhiều tác vụ cùng lúc Dựa vào mục tiêu đề đặt ra, bán kính cong nhỏ nhất 500 mm Sai số bám line phụ thuộc vào sai số của cảm biến giải thuật nội suy Qua thực nghiệm nhóm đã thực hiện, lựa chọn sai số bám line ±4.5 mm Với xe tham khảo thì tốc độ trung bình khoảng – (m/s) vận tốc trung bình của động thị trường khoảng 450 (rev/min), đường kính bánh xe trung bình 65 (mm) thì vận tốc tham khảo tính được : 450.2π 0.065 60 Từ đó ta có thông số đặt cho xe dò line :    Vận tốc tối đa : vmax = 1,5 (ms) Sai số : e = ±4,5 (mm) Bán kính cong nhỏ nhất : ρ = 500(mm)