MỤC LỤC DANH SÁCH HÌNH ẢNH .......................................................................... 4 DANH SÁCH BẢNG BIỂU ........................................................................ 4 CHƯƠNG 1. MÔ TẢ ĐỀ TÀI..................................................................... 5 I. Mô tả bài toán ............................................................................................... 5 1. Kết quả cần đạt được .................................................................................. 5 2. Các yêu cầu cần đạt được ........................................................................... 5 II. Phân công công việc .................................................................................... 5 III. Thành viên nhóm ....................................................................................... 6 CHƯƠNG 2. MÔ TẢ HỆ THỐNG ............................................................. 7 I. Mô hình hóa hệ thống .................................................................................. 7 1. Vi xử lý Arduino UNO R3 ......................................................................... 7 2. Module điều khiển L298N ......................................................................... 7 3. Cảm biến d line 4 đ n LED (HW-096-A) ................................................ 8 4. C cấu chấp hành ....................................................................................... 9 5. Nguồn + pin ................................................................................................ 9 6. Các thành phần khác................................................................................. 10 II. Nguyên lý hoạt động ................................................................................. 11 1. S đồ đấu nối mạch .................................................................................. 11 2. Hoạt động của cảm biến hồng ngoại IR ................................................... 11 3. Cách thức hoạt động ................................................................................. 12 4. Bảng thiết kế chi tiết các đấu nối ............................................................. 12 CHƯƠNG 3. PHẦN MỀM NHÚNG ........................................................ 14
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI VIỆN CÔNG NGHỆ THÔNG TIN VÀ TRUYỀN THÔNG ──────── * ──────── BÀI TẬP LỚN HỆ NHÚNG ĐỀ TÀI ROBOT DÒ ĐƯỜNG MỤC LỤC DANH SÁCH HÌNH ẢNH DANH SÁCH BẢNG BIỂU CHƯƠNG MÔ TẢ ĐỀ TÀI I Mơ tả tốn Kết cần đạt Các yêu cầu cần đạt II Phân công công việc III Thành viên nhóm CHƯƠNG MÔ TẢ HỆ THỐNG .7 I Mơ hình hóa hệ thống Vi xử lý Arduino UNO R3 Module điều khiển L298N Cảm biến dò line đèn LED (HW-096-A) Cơ cấu chấp hành Nguồn + pin Các thành phần khác 10 II Nguyên lý hoạt động 11 Sơ đồ đấu nối mạch 11 Hoạt động cảm biến hồng ngoại IR 11 Cách thức hoạt động 12 Bảng thiết kế chi tiết đấu nối 12 CHƯƠNG PHẦN MỀM NHÚNG 14 I Các hàm điều khiển động 14 Hàm forward() 14 Hàm backward() 14 Hàm turn_right() 15 Hàm turn_left() 15 Hàm process_white_line() 15 II Các trường hợp điều khiển 16 Đọc tín hiệu từ cảm biến hồng ngoại 16 Trường hợp thẳng 16 Trường hợp lệch trái 16 Trường hợp lệch phải 16 Trường hợp ngoại lệ 16 Các trường hợp khác 17 CHƯƠNG KẾT QUẢ THỰC HIỆN 18 I Kết demo 18 Xe sau hoàn thiện 18 Video demo 19 CHƯƠNG KẾT LUẬN 20 I Khó khăn học 20 II Kết luận 20 III Hướng phát triển 20 TÀI LIỆU THAM KHẢO 21 DANH SÁCH HÌNH ẢNH Hình 1: Vi xử lý UNO R3 dây nối USB Hình 2: Module điều khiển động L298N Hình 3: Cảm biến dò line LED (HW-096-A) Hình 4: Hình ảnh cặp motor, servo bánh xe Hình 5: Sạc dự phòng, viên pin đế pin 10 Hình 6: Sơ đồ đấu nối mạch (chưa thể sạc dự phịng nối ngồi) 11 Hình 7: Nguyên lý hoạt động cảm biến hồng ngoại 12 Hình 8: Hình ảnh xe Phạm Minh Hiệp Trần Đức Ngọc 18 Hình 9: Hình ảnh xe Nguyễn Trọng Hải 18 DANH SÁCH BẢNG BIỂU Bảng 1: Bảng đấu nối điều khiển động 12 Bảng 2: Bảng đấu nối Module cảm biến hồng ngoại 12 Bảng 3: Bảng đấu nối nguồn điện cho xe 13 CHƯƠNG MƠ TẢ ĐỀ TÀI I Mơ tả tốn Kết cần đạt Hồn thiện sản phẩm robo dò đường theo đồ có sẵn Các yêu cầu cần đạt Xe di chuyển ổn định, chạy mượt, hạn chế lắc lư, đánh võng Di chuyển theo đồ có sẵn, khơng văng ngồi đường Di chuyển với tộc độ đảm bảo hoàn thành đồ thời gian cho phép II Phân công công việc Nhiệm vụ Tìm hiểu, xây dựng sơ đồ mạch Xử lý tín hiệu nhận từ cảm biến Module điều khiển động L298N Mua lắp xe (chiếc thứ nhất) Mua lắp xe (chiếc thứ hai) Người tham gia Nguyễn Trọng Hải Phạm Minh Hiệp Trần Đức Ngọc Phạm Minh Hiệp Trần Đức Ngọc Nguyễn Trọng Hải Nguyễn Trọng Hải Phát triển phần mềm điều khiển Phạm Minh Hiệp Trần Đức Ngọc Nguyễn Trọng Hải Demo + Quay video Phạm Minh Hiệp Trần Đức Ngọc Làm Báo cáo Làm Slide Nguyễn Trọng Hải Phạm Minh Hiệp Trần Đức Ngọc III Thành viên nhóm Họ tên MSSV Email Nguyễn Trọng Hải 20183730 hai.nt183730@sis.hust.edu.vn Phạm Minh Hiệp 20183738 hiep.pm183738@sis.hust.edu.vn Trần Đức Ngọc 20183806 ngoc.td183806@sis.hust.edu.vn CHƯƠNG MÔ TẢ HỆ THỐNG I Mơ hình hóa hệ thống Hệ thống gồm thành phần chính: + Vi xử lý Arduino Uno R3 + Module điều khiển L298N + Các cảm biến dò line đèn led (HW-096-A) + Cơ cấu chấp hành + Nguồn điện Vi xử lý Arduino UNO R3 Arduino UNO R3 vi xử lý phổ biến dễ sử dụng Nhiệm vụ robot dị đường nơi nhận tín hiệu từ cảm biến, xử lý tín hiệu theo code nạp sẵn (nơi chứa code), gửi tín hiệu cho module L298N điều khiển động Hình 1: Vi xử lý UNO R3 dây nối USB Module điều khiển L298N Module có chân điện áp dương (một chân 12V chân 5V), chân điện cáp dương chân nối đất (GND) Chân 12V nối với nguồn pin, chân 5V nối với chân 5V Arduino nguồn pin đủ mạch (sẽ cấp nguồn cho Arduino hoạt động) Các chân IN1, IN2 nơi nhận tín hiệu cao (HIGH) thấp (LOW) để điều khiển motor1 Các chân IN3, IN4 nơi nhận tín hiệu cao (HIGH) thấp (LOW) để điều khiển motor2 Module có motor để điều khiển động Mỗi motor có cực, cần đổi chiều dòng điện qua cực động đảo chiều Một cách khác thay đổi LOGIC chân tín hiệu IN1, IN2, IN3, IN4 tương ứng để xe chạy theo chiều mong muốn chân ENA ENB nối tương ứng với chân Arduino phép chuyển tín hiệu vào chân IN1, IN2, IN3, IN4 Hình 2: Module điều khiển động L298N Cảm biến dò line đèn LED (HW-096-A) đèn LED hồng ngoại (IR) riêng biệt, LED có biến trở điều chỉnh độ nhạy riêng Một LED có chân tín hiệu, chân điện áp chân nối đất đèn LED nối chung với mạch so sánh để biết trạng thái đèn hồng ngoại Mạch có thành phần chân gồm chân điện áp, chân nối đất chân nối với Arduino để gửi tín hiệu Arduino Hình 3: Cảm biến dò line LED (HW-096-A) Cơ cấu chấp hành Một ba motor, servo bánh xe nối với cặp cực motor module điều khiển L298N Hình 4: Hình ảnh cặp motor, servo bánh xe Nguồn + pin Sạc dự phòng dùng để cấp nguồn trực tiếp cho Arduino UNO R3 cảm biến hồng ngoại LED (HW-096-A) Pin dùng để cấp nguồn cho module L298N cấp chấp hành hoạt động Hình 5: Sạc dự phòng, viên pin đế pin Các thành phần khác Board để gắn cố định thành phần lên Dây nối để kết nối thành phần với Một bánh phụ để thăng điều hướng xe 10 II Nguyên lý hoạt động Sơ đồ đấu nối mạch Hình 6: Sơ đồ đấu nối mạch (chưa thể sạc dự phịng nối ngồi) Hoạt động cảm biến hồng ngoại IR Cảm biến hồng ngoại dựa nguyên lý hấp thụ sóng hồng ngoại Cảm biến gồm cặp đèn thu phát tín hiệu hồng ngoại Khi tín hiệu hồng ngoại gặp vật thể hấp thụ tốt (line đen) tín hiệu bị hấp thụ trả giá trị thấp (LOW) (mức logic 0) Khi tín hiệu hồng ngoại gặp vật thể hấp thụ (line trắng) tín hiệu mang giá trị lớn trả giá trị cao (HIGH) (mức logic 1) 11 Hình 7: Nguyên lý hoạt động cảm biến hồng ngoại Cách thức hoạt động Tín hiệu từ cảm biến hồng ngoại xử lý liên tục gửi chân tương ứng Arduino Arduino nhận tín hiệu, vào code nạp sẵn đưa mức điện áp tương ứng với chân IN1, IN2, IN3, IN4 module điều khiển L298N với tốc độ xung PWM đặt chân ENA ENB tương ứng Cơ cấu chấp hành gồm ba motor, servo bánh xe quay theo chiều dòng điện qua cặp cực motor L298N Bảng thiết kế chi tiết đấu nối Bảng 1: Bảng đấu nối điều khiển động Động L298N Arduino L298N Phải Out In Phải Out In Trái Out In Trái Out In 10 ENA 11 ENB Bảng 2: Bảng đấu nối Module cảm biến hồng ngoại Cảm biến hồng ngoại Arduino 12 S1 A1 S2 A2 S3 A3 S4 A4 Vcc 3.3V GND GND Bảng 3: Bảng đấu nối nguồn điện cho xe Arduino GND Vin L298N Pin 12V Vcc GND GND 5V 13 CHƯƠNG PHẦN MỀM NHÚNG *Phần mềm code cho Arduino UNO R3 Thực tế nhóm dùng đèn, tương ứng với chân tín hiệu sau: sensor2 A0 sensor3 A1 sensor4 A2 I Các hàm điều khiển động Hàm forward() Hàm forward() tiến thực cách set module L298N hai chân in2(inA2) in4(inB2) giá trị HIGH hai chân in1(inA1) in3(inB1) giá trị LOW Xe set up tốc độ cách cấp xung có giá trị 80/255 = 31% để xe chạy vừa phải không bị nhanh Hàm backward() Hàm backward() lùi thực cách set module L298N hai chân in1(inA1) in3(inB1) giá trị HIGH hai chân in2(inA2) in4(inB2) giá trị LOW Xe set up tốc độ cách cấp xung có giá trị 80/255 = 31% để xe chạy vừa phải không bị nhanh 14 Hàm turn_right() Hàm turn_right() rẽ phải thực cách set module L298N chân in2(inA2) giá trị HIGH ba chân in1(inA1), in3(inB1) in4(inB2) giá trị LOW Xe set up tốc độ cách cấp xung có giá trị 80/255 = 31% để xe chạy vừa phải không bị nhanh Hàm turn_left() Hàm turn_left() rẽ trái thực cách set module L298N chân in4(inB2) giá trị HIGH ba chân in1(inA1), in2(inA2) in3(inB1) giá trị LOW Xe set up tốc độ cách cấp xung có giá trị 80/255 = 31% để xe chạy vừa phải không bị nhanh Hàm process_white_line() Hàm process_white_line() thực cách set module L298N tất chân in1(inA1), in2(inA2), in3(inB1) in4(inB2) giá trị LOW để xe dừng lại 15 II Các trường hợp điều khiển Đọc tín hiệu từ cảm biến hồng ngoại Các biến x2, x3, x4 sử dụng để đọc từ cảm biến sensor2, sensor3, sensor4 tương ứng với đèn LED S2, S3, S4 Trường hợp thẳng Khi xe trạng thái line đen (x2 = 1, x3 = 0, x4 = 1) khơng nhìn thấy line đen (x2 = 1, x3 = 1, x4 = 1) thẳng hàm forward() Trường hợp lệch trái Khi xe trạng thái lệch trái line đen (x2 = 1, x3 = 0, x4 = 0) (x2 = 1, x3 = 1, x4 = 0) rẽ phải hàm turn_right() Trường hợp lệch phải Khi xe trạng thái lệch phải line đen (x2 = 0, x3 = 0, x4 = 1) (x2 = 0, x3 = 1, x4 = 1) rẽ trái hàm turn_left() Trường hợp ngoại lệ 16 Khi xe trạng thái đèn nhận line đen (x2 = 0, x3 = 0, x4 = 0) dừng lại hàm process_white_line() Các trường hợp khác Khi xe rơi vào csac trạng thái khác khó xảy ra, có xảy xe thẳng hàm forward() 17 CHƯƠNG KẾT QUẢ THỰC HIỆN I Kết demo Xe sau hồn thiện 1.1 Hình ảnh xe thứ Hình 8: Hình ảnh xe Phạm Minh Hiệp Trần Đức Ngọc 1.2 Hình ảnh xe thứ hai Hình 9: Hình ảnh xe Nguyễn Trọng Hải 18 Video demo 2.1 Demo xe Phạm Minh Hiệp Trần Đức Ngọc https://drive.google.com/file/d/1CBwWcN1TsEjVeaypbL5jU Y6BMjoHRS3c/view?usp=sharing 2.2 Demo xe Nguyễn Trọng Hải https://drive.google.com/file/d/1Js6VcVKPxPSLO8s8pgfTPckfCs7Ix2h/view?usp=sharing 19 CHƯƠNG KẾT LUẬN I Khó khăn học Do dịch bệnh Covid-19 diễn phức tạp nên việc gặp mặt trực tiếp thành viên khó khăn (chỉ khoảng 2, lần) nên hầu hết buổi trao đổi diễn Online thông qua mạng xã hội Facebook phần mềm MS Teams May mắn chuẩn bị, mua đồ từ trước gửi cho bạn Hà Nội Dịch bệnh ngày phức tạp nên vấn đề nguồn pin không đảm bảo, đến ngày demo pin yếu Nguồn pin khơng thay đổi để đáp ứng dòng cao ổn định Cảm biến bị hỏng, không nhạy nên dùng LED Các motor quay không đặt tần số xung PWM nên xe di chuyển không mượt mà II Kết luận Xe chạy tương đối ổn định, nhiên có xảy việc lệch đường di chuyển qua đoạn có line trắng line đen tỉ lệ khơng nhiều Tốc độ xe trung bình, khơng q nhanh cảm biến không nhạy nguồn cấp không đủ đáp ứng tốc độ cao III Hướng phát triển Đã thử thuật toán PID chưa đủ nhiều để điều chỉnh tham số đến mức hợp lý, tương lai nhóm áp dụng thuật tốn PID để thay cho câu lệnh if-else thơng thường Tích hợp thêm cảm biến khác cảm biến khoảng cách để tránh vật cản, cảm biến khơng khí để đo chất lượng khơng khí Điều khiển xe từ xa thiết bị thông minh Smartphone thông qua Bluetooth 20 TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] Bài giảng học phần Hệ nhúng – TS Ngô Lam Trung [2] Hoạt động L298: https://www.youtube.com/watch?v=PECsADORR_g [3] Cơ chế băm xung PWM: https://www.youtube.com/watch?v=3s9a70Ff7to&t=536s [4] Sơ đồ tham khảo: http://arduino.vn/bai-viet/995-phan-4-tiep-noi-du-robot-do-line 21