Báo cáo mobile robot bám tường, Xe tự hành di chuyển bám tường, xe AGV di chuyển theo quỹ đạo, Báo cáo mobile robot bám tường, Xe tự hành di chuyển bám tường, xe AGV di chuyển theo quỹ đạo, Báo cáo mobile robot bám tường, Xe tự hành di chuyển bám tường, xe AGV di chuyển theo quỹ đạo
Thiết kế xe tự hành di động bám tường MỤC LỤC DANH MỤC HÌNH VẼ DANH MỤC BẢNG BIỂU DANH MỤC TỪ VIẾT TẮT LỜI NÓI ĐẦU CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN 1.1 Giới thiệu xe tự hành [1] 1.2 Tổng quan Arduino 1.2.1 Giới thiệu chung [2] 1.2.2 Ứng dụng [5] CHƯƠNG 2: THIẾT KẾ PHẦN CỨNG CHO XE TỰ HÀNH .11 2.1 Cấu tạo xe tự hành .11 2.1.1 Khối điều khiển 13 2.1.2 Khối động 15 2.1.3 Khối cảm biến .18 2.1.4 Khối nguồn 20 2.2 Thiết kế mạch điều khiển xe tự hành [8] 21 2.2.1 Khối xử lí trung tâm .23 2.2.2 Khối nguồn 23 2.2.3 Mạch sạc pin 25 2.2.4 Hệ thống Jump kết nối 26 2.2.5 Mơ hình sản phầm 27 CHƯƠNG 3: THIẾT KẾ PHẦN MỀM CHO XE TỰ HÀNH .28 3.1 Lập trình cho xe tự hành 28 3.1.1 Phần mềm Arduino IDE [5] 28 3.1.2 Lập trình cho ATmega328P [8] 29 3.2 Xây dựng thuật toán cho xe tự hành 29 3.2.1 Bộ điều khiển PID [16] 29 3.2.2 Xây dựng thuật toán .33 CHƯƠNG 4: KẾT QUẢ THỰC NGHIỆM .41 KẾT LUẬN 44 TÀI LIỆU THAM KHẢO 45 Đồ Án I Thiết kế xe tự hành di động bám tường DANH MỤC HÌNH VẼ Hình 1.1 Xe tự hành thám hiểm Sao Hỏa Curiosity Hình 1.2 Các dịng Arduino [3] Hình 1.3 Robot di động tự tránh vật cản dùng camera CMUCam Arduino Nano 10 Hình 2.1 Mơ hình xe tự hành 11 Hình 2.2 Hình ảnh thực tế xe 12 Hình 2.3 Sơ đồ khối cấu tạo xe tự hành 12 Hình 2.4 Arduino Pro Mini 13 Hình 2.5 Chip ATmega328P-AU 14 Hình 2.6 Độ rộng xung ứng với giá trị Duty Cycle 15 Hình 2.7 Góc quay Servo ứng với độ rộng xung 16 Hình 2.8 Động Servo DS04-NFC phụ kiện .16 Hình 2.9 Code điều khiển động Servo DS04-NFC 17 Hình 2.10 Cảm biến siêu âm HC-SRF04 18 Hình 2.11 Nguyên lý hoạt động cảm biến [8] .18 Hình 2.12 Biểu đồ thời gian cảm biến [11] 19 Hình 2.13 Những trường hợp cảm biến không đo khoảng cách [12] 19 Hình 2.14 Code điều khiển cảm biến siêu âm HC-SRF04 20 Hình 2.15 Pin sạc 7.4v Lithium Li-Ion ICR18650-2600mAh 21 Hình 2.16 Sơ đồ nguyên lý mạch điều khiển xe tự hành 22 Hình 2.17 Sơ đồ nguyên lý khối xử lí trung tâm 23 Hình 2.18 IC AMS1117-5V 24 Hình 2.19 Sơ đồ nguyên lý khối nguồn 24 Hình 2.20 IC TP4056 25 Hình 2.21 Sơ đồ nguyên lý mạch sạc pin 26 Đồ Án I Thiết kế xe tự hành di động bám tường Hình 2.22 Hệ thống Jump kết nối 26 Hình 2.23 PCB mơ mạch điều khiển động 27 Hình 3.1 Giao diện Arduino IDE 28 Hình 3.2 Sơ đồ khối điều khiển PID 30 Hình 3.3 Đồ thị tín hiệu theo thời gian, ba giá trị KP (KI KD số) .31 Hình 3.4 Đồ thị tín hiệu theo thời gian, tương ứng với giá trị KI (KP KD không đổi) 32 Hình 3.5 Đồ thị tín hiệu theo thời gian, với giá trị KD (KP and KI khơng đổi) .33 Hình 3.6 Lưu đồ thuật tốn điều khiển xe tự hành 35 Hình 3.7 Khi xe gặp vật cản phía trước 36 Hình 3.8 Khi khoảng cách bên phải xe lớn 25 cm 37 Hình 3.9 Góc quay cần điều chỉnh cho phù hợp 38 Hình 3.10 Khi khoảng cách bên phải xe nhỏ 25 cm 39 Hình 3.11 Khi khoảng cách phía trước bên phải xe lớn 40 Hình 3.12 Khi có vật cản nằm chếch với hướng di chuyển xe góc 450 40 Hình 4.1 Trường hợp phía trước khơng có vật cản, bên phải cách tường 25 cm 41 Hình 4.2 Trường hợp khoảng cách bên phải xe lớn 25 cm 41 Hình 4.3 Góc quay xe điều chỉnh hợp lý .42 Hình 4.4 Trường hợp khoảng cách bên phải xe nhỏ 25 cm 42 Hình 4.5 Trường hợp phía trước có vật cản 42 Hình 4.6 Trương hợp xảy cố 43 Đồ Án I Thiết kế xe tự hành di động bám tường DANH MỤC BẢNG BIỂU Bảng 1.1 Phân loại bo mạch Arduino [4] .9 Bảng 2.1 Thông số kỹ thuật Arduino Pro Mini .13 Bảng 2.2 Thông số kỹ thuật chip ATmega328P-AU 14 Bảng 2.3 Thông số kỹ thuật động Servo DS04-NFC .17 Bảng 2.4 Thông số kỹ thuật cảm biến siêu âm HC-SRF04 [11] 20 Bảng 2.5 Thông số kỹ thuật pin sạc 7.4v Lithium Li-Ion ICR18650-2600mAh [13] 21 Bảng 2.6 Thông số kỹ thuật IC AMS1117-5V [14] .24 Bảng 2.7 Thông số kỹ thuật IC TP4056 [15] .25 Bảng 3.1 Cách nối dây nạp bootloader cho ATmega328P 29 Đồ Án I Thiết kế xe tự hành di động bám tường DANH MỤC TỪ VIẾT TẮT I/O Input/Output Cổng vào/ra PID Proportional Integral Derivative Bộ điều khiển vi tích phân tỷ lệ USB Universal Serial Bus Chuẩn kết nối đa dụng IDE Integrated Development Environment Mơi trường phát triển tích hợp LED Light Emitting Diode Điốt phát quang PWM Pulse Width Modulation Điều chế độ rộng xung RISC Reduced Instructions Set Computer Máy tính với tập lệnh đơn giản hóa ISP In-System Programmer Nạp chương trình hệ thống EEPROM Electrically Erasable Programmable Bộ nhớ đọc tái lập trình tín Read-Only Memory hiệu điện RAM Random Access Memory Bộ nhớ truy cập ngẫu nhiên SRAM Static Random Access Memory Bộ nhớ truy cập ngẫu nhiên tĩnh UART Universal Asychronous serial Giao thức truyền nhận nối tiếp không Receiver and Transmitter đồng SPI Serial Peripheral Interface Giao diện ngoại vi nối tiếp I2C Inter-Integrated Circuit Giao tiếp truyền thông dây ADC Analog-to-Digital Converter Bộ chuyển đổi tuơng tự-số DAC Digital-to-Analog Converter Bộ chuyển đổi số-tuơng tự IC Integrated Circuit Mach tich hop LCD Liquid Crystal Display Màn hình tinh thể lỏng Đồ Án I Thiết kế xe tự hành di động bám tường LỜI NÓI ĐẦU Trong thời đại công nghiệp ngày nay, robot ngày sử dụng phổ biến sản xuất sống người Robot có vị trí quan trọng khó thay được, giúp người để làm việc điều kiện nguy hiểm, khó khăn Ngồi ra, robot cịn dùng vào lĩnh vực thám hiểm không gian, quân sự, giải trí Lĩnh vực robot di động ngày chiếm quan tâm nhà nghiên cứu xã hội Chính lí này, em lựa chọn đề tài “Thiết kế xe tự hành di động bám tường” cho học phần Đồ Án I Trong học kỳ vừa qua, dẫn thầy TS Nguyễn Hoàng Nam anh Bùi Tuấn Anh anh Phạm Tùng Lâm thuộc Nhóm nghiên cứu thầy, em học hỏi nhiều kiến thức bổ ích xe tự hành để hoàn thiện Đồ Án Trong báo cáo mình, em xin trình bày nội dung sau: - Chương 1: Tổng quan - Chương 2: Thiết kế phần cứng xe cho tự hành - Chương 3: Thiết kế phần mềm cho xe tự hành - Chương 4: Kết thực nghiệm - Chương 5: Kết luận Em xin chân thành cảm ơn! Sinh viên Lê Duy Anh Đồ Án I Thiết kế xe tự hành di động bám tường CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN 1.1 Giới thiệu xe tự hành[CITATION Doã \l 1033 ] Xe tự hành loại xe robot có khả tự dịch chuyển, tự vận động (có thể lập trình lại được) điều khiển tự động có khả hồn thành cơng việc giao Xe tự hành thành phần có vai trị quan trọng ngành robot học Cùng với phát triển mạnh mẽ hệ thống tự động hóa, xe tự hành ngày hồn thiện cho thấy lợi ích cơng nghiệp sinh hoạt Ngày xe tự hành có nhiều ứng dụng tự động hóa đời sống, cơng nghiệp….Có nhiều cơng việc địi hỏi thực thi môi trường độc hại, nguy hiểm có phóng xạ, khí độc, bụi bẩn, kí sinh trùng gây bệnh Vì giải pháp sử dụng robot nói chung việc quan trắc mơi trường cần thiết Với khả tích hợp nhiều loại cảm biến nhiệt độ, độ ẩm, bụi, camera, siêu âm, hồng ngoại…, robot có khả thay người cách hiệu cơng việc có độ nguy hiểm cao Hình 1.1 Xe tự hành thám hiểm Sao Hỏa Curiosity Từ tình hình thực tế đó, việc xây dựng chương trình hoạt động cho xe tự hành điều thiết yếu Một vấn đề quan tâm thiết kế xe tự hành điều khiển cho xe theo quỹ đạo mong muốn Bài toán xe tự hành di động bám tường (wall-following Đồ Án I Thiết kế xe tự hành di động bám tường problem) toán thường gặp robot kiểu phản xạ (reactive paradigm), giải nhiều cách khác Bản báo cáo trình bày phương pháp giải vấn đề với thuật tốn điều khiển PID sử dụng Arduino 1.2 Tổng quan Arduino 1.2.1 Giới thiệu chung[ CITATION Ard1 \l 1033 ] Hình 1.2 Các dòng Arduino.[ CITATION Typ \l 1033 ] Arduino board mạch vi xử lý, nhằm xây dựng ứng dụng tương tác với với môi trường thuận lợi Phần cứng bao gồm board mạch nguồn mở thiết kế tảng vi xử lý AVR Atmel 8bit, ARM Atmel 32-bit Những Model trang bị gồm cổng giao tiếp USB, chân đầu vào analog, 14 chân I/O kỹ thuật số tương thích với nhiều board mở rộng khác Arduino đời thị trấn Ivrea thuộc nước Ý đặt theo tên vị vua vào kỷ thứ King Arduin Arduino thức đưa giới thiệu vào năm 2005 công cụ khiêm tốn dành cho sinh viên Massimo Banzi, người phát triển Arduino, trường Interaction Design Instistute Ivrea (IDII) Mặc dù khơng tiếp thị cả, tin tức Arduino lan truyền với tốc độ chóng mặt nhờ lời truyền miệng tốt đẹp người dùng Đồ Án I Thiết kế xe tự hành di động bám tường Những nhà thiết kế Arduino cố gắng mang đến phương thức dễ dàng, không tốn cho người yêu thích, sinh viên giới chuyên nghiệp để tạo thiết bị có khả tương tác với mơi trường thông qua cảm biến cấu chấp hành Những ví dụ phổ biến cho người yêu thích bắt đầu bao gồm robot đơn giản, điều khiển nhiệt độ phát chuyển động Đi với mơi trường phát triển tích hợp (IDE) chạy máy tính cá nhân thông thường cho phép người dùng viết chương trình cho Aduino ngơn ngữ C C++ Và điều làm nên tượng Arduino mức giá thấp tính chất nguồn mở từ phần cứng tới phần mềm Hiện tại, có 20 loại bo mạch Arduino phát triển phù hợp cho với nhu cầu khác người sử dụng Dựa theo mục đích sử dụng, bo mạch phân loại theo bảng sau: Bảng 1.1 Phân loại bo mạch Arduino.[ CITATION Ard \l 1033 ] Mục đích Bo mạch Phổ thơng UNO, LEONARDO, 101, ROBOT, ESPLORA, MICRO, NANO, MINI Nâng cao Internet vạn vật Thiết bị đeo MEGA, ZERO, DUE, MEGA ADK, PRO, M0, M0 PRO, MKRZERO, PRO MINI YUN, ETHERNET, TIAN, INDUSTRIAL 101, LEONARDO ETH, MKRFOX 1200, MKR1000, YUN MINI GEMMA, LILYPAD ARDUINO USB, LILYPAD ARDUINO MAINBOARD, LILYPAD ARDUINO SIMPLE, LILYPAD ARDUINO SIMPLE SNAP 1.2.2 Ứng dụng[CITATION TạQ16 \l 1033 ] Arduino chọn làm não xử lý nhiều thiết bị từ đơn giản đến phức tạp Trong số có vài ứng dụng thực chứng tỏ khả vượt trội Arduino chúng có khả thực nhiều nhiệm vụ phức tạp Có thể kể đến số ứng dụng bật như: Điều khiển ánh sáng (đóng ngắt LED, điều khiển ánh sáng theo nhạc), điều khiển máy Đồ Án I Thiết kế xe tự hành di động bám tường bay không người lái, điều khiển máy in 3D Và ứng dụng quan trọng không nhắc đến sử dụng Arduino để điều khiển robot, đặc biệt robot di động Trong Đồ Án này, Arduino sử dụng làm mạch điều khiển xe tự hành, công việc đo đạc, điều khiển động lệnh bo mạch Hình 1.3 Robot di động tự tránh vật cản dùng camera CMUCam Arduino Nano Đồ Án I 10