TỔNG QUAN
Mục tiêu thiết kế
Thiết kế robot di động chạy trên sa bàn bám line với độ ổn định cao, đảm bảo hoàn thành sa bàn theo đúng yêu cầu về hình dạng và kích thước đã được cung cấp Tốc độ tối đa của robot có thể điều chỉnh tùy thuộc vào mục đích sử dụng.
Hình 1.1 Sa bàn line yêu cầu
Sơ lược về xe dò line
Xe dò line, hay còn gọi là xe dò đường (Line following Robot), là một loại robot di động sử dụng chuyển động quay của bánh xe để di chuyển Robot này có khả năng đảo hướng dựa trên các nguyên lý đặc biệt và có thể bám theo một đường line nhất định được vẽ trên sa bàn.
Xe dò line là một ứng dụng nhỏ trong hệ thống cơ điện tử, đóng vai trò quan trọng trong việc phát triển các sản phẩm cơ điện quy mô lớn như robot vận chuyển hàng hóa AGV và robot tránh vật cản Đối với sinh viên, đây là một đề tài hấp dẫn, thực tế và có chi phí thấp, mang lại cơ hội thực hành tốt, từ đó giúp xây dựng nền tảng nghiên cứu và chế tạo cho các dự án sau này.
Nhóm chúng em đã xác định mục tiêu thiết kế cho xe dò line trong phần 1.1 và nghiên cứu hướng đi cho việc chế tạo Dựa trên những thông tin thu thập được, chúng em đã định hướng thiết kế xe đua dò line và dưới đây là một số mẫu xe đua dò line mà nhóm đã tìm hiểu.
Một số thiết kế điển hình
Xe đua dò line: cuộc thi MCR (Micom Rally Car) Đại học Trà Vinh năm 2017
Hình 1.2 Xe đua dò line cuộc thi MCR Đại học Trà Vinh 2017 và sơ đồ nguyên lý
Thông số kỹ thuật chính:
- Motor trái và Motor phải: là hai động cơ DC dẫn động 2 bánh xe sau của xe
- Motor lái: Một động cơ RC Servo làm nhiệm vụ bẻ lái 2 bánh xe trước của xe.
- Modul H-Drive: Sử dụng IC chuyên dụng L298, nhận tín hiệu từ vi điều khiển và thực hiện chức năng điều khiển tốc độ 2 động cơ sau.
- Tốc độ tối đa có thể đạt được: 1,6m/s.
Modul vi điều khiển phổ biến được sử dụng là PIC16F887 của Microchip, có chức năng nhận tín hiệu từ cảm biến dò line để điều khiển hai động cơ phía sau, giúp xe di chuyển đúng hướng.
Modul cảm biến dò line hoạt động dựa trên nguyên lý phản xạ ánh sáng, giúp truyền tín hiệu vị trí của xe về vi điều khiển Giải thuật cảm biến sử dụng phương pháp so sánh để xác định vị trí chính xác.
- Khối nguồn Pin: Sử dụng 2 nguồn điện DC là 5V (cung cấp cho vi điều khiển, cảm biến) và 12V (cung cấp cho động cơ).
Khung xe được làm từ vật liệu mica và nhựa dẻo, với kích thước tối đa là 300 mm bề rộng và 150 mm bề cao Chiều dài, trọng lượng và chất liệu của xe có thể thay đổi, nhưng thiết kế khung xe phải tuân thủ quy định kích thước này Ngoài ra, xe không được quá dài hoặc quá nặng để không ảnh hưởng đến tốc độ và khả năng lái khi vào cua.
Xe 4 bánh có ưu điểm nổi bật với kết cấu giúp dễ dàng lấy thăng bằng và giảm nguy cơ bị lật, đồng thời bánh lái phía trước hỗ trợ vào cua dễ dàng với bán kính cua nhỏ Tuy nhiên, nhược điểm của nó là 4 bánh sau có nguy cơ trượt khi vào cua do 4 điểm tiếp xúc không nằm trên cùng một mặt phẳng.
1.3.2 Tình hình nghiên cứu ngoài nước 1.3.2.1 CartisX04: Xe đua dò line về nhất cuộc thi Japanese Robotrace Contest 2014
Hình 1.3 Hình ảnh thực tế và sơ đồ nguyên lý xe đua đội CartisX04
Thông số kỹ thuật chính:
- Tốc độ tốt nhất để đảm bảo xe bám line tốt: v = 1.4 m/s, Tốc độ tối đa: = 4,2 m/s
- Vi điều khiển: sử dụng STM32F103RE và dùng giải thuật điều khiển học đường giúp tăng tốc độ ở những lần chạy sau.
Xe được trang bị cấu trúc gồm 2 cặp bánh dẫn động bởi 2 động cơ Maxon DCX10L với tốc độ 6780 rpm, điện áp 12 V và dòng điện 0,682 A, tạo ra moment 2,05 mNm Bánh lái phía trước được điều khiển bởi động cơ Maxon RE10, đảm bảo khả năng điều khiển linh hoạt và chính xác.
- Đường kính bánh xe: 25 mm.
- Encoder: ENX 10 EASY loại 1024 count / rotation.
- Chiều dài 175 mm, Chiều rộng 153 mm, Khoảng cách 2 bánh 2 bên 130mm, Trọng tâm giữa 4 bánh cao 7 mm.
- Gyro sensor (cảm biến góc quay) Invensense ISZ-650 x2 cái.
Cảm biến dò line sử dụng cảm biến hồng ngoại SHARP GP2S700, với 6 cái được chia thành 3 cặp đặt song song Khoảng cách giữa cảm biến và sàn là 3mm, theo tài liệu PDF Kích thước của cảm biến là 4x3x2 mm và được che chắn bằng nhựa đen phía dưới màu xanh lá.
Xe có ưu điểm nổi bật với kết cấu 4 bánh sau, giúp dễ dàng lấy thăng bằng và giảm nguy cơ lật Bánh lái phía trước hỗ trợ vào cua linh hoạt, tạo bán kính cua nhỏ Hệ thống cảm biến góc quay nâng cao độ chính xác trong điều khiển Tuy nhiên, xe cũng gặp nhược điểm như 4 bánh sau dễ bị trượt khi vào cua và cấu trúc cơ khí phức tạp.
1.3.2.2 Chariot [2] : Về nhì cuộc thi LV Bots April line following
Hình 1.4 Hình ảnh thực tế và sơ đồ nguyên lý xe Chariot
Thông số kỹ thuật chính:
- Kết cấu xe: 2 bánh sau chủ động (Bánh răng kim loại 35 – 115 - 5Dx30L mm, D = 30mm), 1 bánh trước tự lựa (D=9,5mm)
- Phần điện: Động cơ: DC Servo, cảm biến hồng ngoại gồm 6 sensor QTR-8RC.
(không sử dụng 2 cảm biến ngoài cùng)
- Vận tốc trung bình chạy trong cuộc đua là 1,17m/s.
Mạch cảm biến QTR-8RC, QTR-8A
Hình 1.5 Mạch cảm biến phản xạ QTR-8RC, QTR-8A
Cung cấp hiện tại: 100 mA.
Định dạng đầu ra: 8 tín hiệu tương thích I / O kỹ thuật số có thể được đọc dưới dạng xung cao được định thời.
Khoảng cách phát hiện tối ưu: 0,125 "(3 mm).
Khoảng cách giữa 2 cảm biến liên tiếp: 0,375 "(9,525 mm).
Trọng lượng không có chân cắm: 0,11 oz (3,09 g).
Kết cấu đơn giản, mô hình động học đơn giản, dễ điều khiển.
Tiếp xúc 3 điểm nên khả năng bám đường tốt.
Khi chế tạo chỉ quan tâm độ đồng trục của 2 bánh xe sau.
Trọng tâm xe gần 2 bánh chủ động giúp moment quán tính giảm khi xe qua cua hạn chế sự trượt. o Nhược điểm:
Dễ lật khi vào cua, cần tính toán
Chuyển động đảo hướng theo nguyên lý 2 bánh vi sai nên dễ bị trượt khi vào cua ở tốc độ cao.
1.3.2.3 Robot Pika của đội Mechatron vô địch Cyberbot 2015 tại Poznan
Hình 1.6 Hình ảnh thực tế và sơ đồ nguyên lý xe đua đội Robot Pika
Thông số kỹ thuật chính:
Xe có cấu trúc 4 bánh, bao gồm 2 bánh cao su được dẫn động bởi 2 động cơ D4mm Hai bánh mắt trâu có đường kính nhỏ hơn nhiều và được đặt ở dãy cảm biến, giúp đảm bảo rằng 2 bánh sau luôn tiếp xúc với mặt đất, trong khi 1 trong 2 bánh trước có thể ở vị trí hở.
- Vận tốc tối đa: 2,7 (m/s), vận tốc trung bình: 1,7 (m/s).
Nhận xét: o Ưu điểm: xe cân bằng tốt khó bị lật khi vào cua.
Hình 1.7 Hình ảnh thực tế và sơ đồ nguyên lý xe đua đội FireBall
Thông số kỹ thuật chính:
- Đường kính bánh xe: 60mm.
- Vận tốc trung bình: 1,5m/s Vận tốc tối đa 3m/s.
- Cảm biến: 8x cảm biến hồng ngoại QTR-8RC.
- Khoảng cách giữa 2 cảm biến 9,525mm.
Xe 4 bánh có ưu điểm vượt trội khi vào cua, khó bị lật hơn so với xe 3 bánh và có khả năng chuyển động linh hoạt, giúp cua gấp dễ dàng Tuy nhiên, nhược điểm của xe 4 bánh là có thể xảy ra hiện tượng trượt bánh khi vào cua, điều này làm giảm khả năng tiếp xúc giữa lốp và mặt đường, ảnh hưởng đến sự ổn định khi điều khiển.
1.3.3 Tiêu chí chung của các nghiên cứu tham khảo
- Vận tốc các xe nằm trong khoảng: 1,5 đến 4,2 m/s
Đầu bài thiết kế
Thiết kế xe đua dò line chạy trên sa huỳnh có quỹ đạo cho trước, với các thông số:
Vận tốc tối đa (nằm trong khoảng vận tốc thường đạt được với mobile robot bám line ví dụ trong phần 1.2), chọn: v max = 2 m/s.
Bán kính cong tối thiểu: R min = 500mm.
Sai số bám line trên đoạn thẳng và cong: e max = ± 18 mm.
Các tiêu chí phụ để phù hợp với đầu bài được nêu ở phần 1.3.3.
Trong quá trình thực nghiệm, động cơ nhóm mua không thể duy trì tốc độ 2m/s do các điều kiện không cho phép, với thời gian xác lập lớn (settling time = 0.13s) Do đó, bài toán đã được điều chỉnh với giá trị v max = 0,7 m/s.
Tính toán sai số bám line: với giả thuyết ban đầu: Bề rộng đường line: 19 mm
(Cách xác định khoảng cách giữa 2 cảm biến liên tiếp theo bề rộng line: Theo tài liệu [3] )
Bề rộng line đạt 19mm, tương ứng với khoảng cách giữa hai cảm biến quang liên tiếp là 12,5 mm Qua nội suy tuyến tính, khoảng cách tối đa giữa hai cảm biến gần nhất để đảm bảo hoạt động hiệu quả là 13 mm.
Sử dụng 7 cảm biến với bề rộng dãy cảm biến lớn hơn 13x6, tức là 78 mm, cho phép tính toán sai số lớn nhất giữa tâm xe và tâm cảm biến Theo thuật toán, sai số này được xác định là e 1 x/2 = 36 mm.
Khi áp dụng thuật toán xấp xỉ theo trọng số, sai số lớn nhất giữa tâm cảm biến và tâm line được xác định là e2 = 2,6 [3] Từ đó, sai số bám line lớn nhất đạt 38,6 mm, do đó cần điều chỉnh giá trị sao cho nhỏ hơn 38,6 mm.
Sai số bám line phụ thuộc vào: bề rộng line, sai số cảm biến, bộ điều khiển và nhiều yếu tố khác, được tính toán ở các phần sau.
Chọn: e = ±18 mm (được hiệu chỉnh).
LỰA CHỌN PHƯƠNG ÁN
Kết cấu cơ khí
Xe đua bám line có nhiều loại kết cấu như 1 bánh, 2 bánh (tự cân bằng), 3 bánh và 4 bánh Để đáp ứng yêu cầu thiết kế xe chỉ để bám line, xe 3 hoặc 4 bánh là lựa chọn hợp lý nhất, vì xe 1 bánh và 2 bánh cần giải thuật phức tạp để duy trì sự cân bằng.
Các kết cấu xe 3 bánh, 4 bánh:
Bảng 1 So sánh ưu nhược điểm xe 3 bánh và 4 bánh
Cấu hình xe Sơ đồ nguyên lý Ưu điểm Nhược điểm
3 bánh -Tiếp xúc mặt đường tốt (do 3 điểm tạo mặt phẳng) giúp dễ điều khiển.
-Ưu thế ở các đoạn đường di chuyển thẳng.
-Trọng lượng phân bố không tốt (trên hình tam giác).
-Xe dễ bị lật khi vào cua gấp với tốc độ cao.
4 bánh -Khi rẽ hướng, mang theo tải, khó lật hơn do có 2 điểm tựa ở bánh
-Xe cân bằng tốt do trọng lượng phân phối trên một tứ giác.
-Tiếp xúc mặt đường không tốt, bám đường không tốt.
-Khi cua dễ bị trượt bánh
Chọn xe đua loại 3 bánh vì yêu cầu về tốc độ nhanh, kết cấu nhỏ gọn và khả năng bám đường tốt Xe không cần phải chịu tải trọng lớn và bán kính cua tối ưu là R = 500mm Do đó, xe 3 bánh với những đặc điểm này là sự lựa chọn phù hợp.
Xe 3 bánh với kết cấu đồng phẳng giúp tăng cường tiếp xúc với mặt đường, giảm thiểu độ trượt bánh Điều này cũng mang lại lợi thế trong việc dễ dàng điều khiển và xoay xe thông qua việc điều chỉnh tốc độ của hai bánh.
Hình 2.8 Sơ đồ nguyên lý xe 3 bánh, 2 bánh trước dẫn động
Nhược điểm của thiết kế này bao gồm trọng lượng phân bố không hợp lý, tạo thành hình tam giác, do đó không phù hợp cho các yêu cầu tải trọng cao Thêm vào đó, kết cấu 3 bánh không thích hợp cho việc ôm cua gấp, vì dễ dẫn đến tình trạng lật.
Có 2 loại kết cấu 3 bánh xe phổ biến có ưu nhược điểm là:
Loại xe Ưu điểm Nhược điểm
3 bánh (gồm 2 bánh sau dẫn động, 1 bánh tự lựa ở trước)
Khi trọng tải tác động lên hai bánh sau của xe tăng, phản lực cũng gia tăng, dẫn đến lực ma sát trượt tăng lên Điều này giúp xe khó bị trượt hơn, từ đó nâng cao giới hạn moment cấp cho động cơ và cho phép xe tăng tốc nhanh chóng hơn.
Xe 2 bánh sau dẫn động có sai số bám line lớn hơn xe 2 bánh trước dẫn động (do vị trí của cảm biến với
2 bánh chủ động), nếu gắn cảm biến gần thân xe [27]
3 bánh (gồm 2 bánh trước dẫn động, 1 bánh tự lựa ở sau)
- Khi ôm cua, xe mang tải khó bị lật hơn trường hợp 2 bánh sau dẫn động.
- Có thể dễ dàng đặt cảm biến gần với trục bánh chủ động làm tăng độ ổn định của xe khi điều khiển [27]
- Bánh tự lựa ở phía sau có ma sát nhỏ khiển xe có thể bị xoay khi cua ở tốc độ cao.
- Sức kéo thấp hơn, khả năng tăng tốc thấp hơn (giải thích cho xe đua thì động cơ hay nằm phía sau).
Kết luận: Chọn xe 3 bánh với 2 bánh trước chủ động ổn định hơn.
Động cơ
Động cơ điện một chiều (DC motor) có dải công suất rộng, từ vài W đến vài MW, cho phép đáp ứng nhiều nhu cầu khác nhau Với tính đa dạng và linh hoạt, nó có khả năng cung cấp moment, tăng tốc và hãm hiệu quả ngay cả khi tải trọng nặng Đặc biệt, động cơ này dễ dàng tích hợp với các bộ truyền động và có khả năng điều khiển tốc độ rộng cũng như đảo chiều, mang lại sự tiện lợi trong ứng dụng.
Động cơ bước (stepper motor) cần được điều khiển bên ngoài bởi bộ điều khiển, cho phép động cơ giữ vị trí cố định hoặc quay đến bất kỳ vị trí bước nào, với khoảng cách bước phụ thuộc vào độ phân giải của động cơ Hầu hết các động cơ bước hoạt động ở tần số âm thanh, cho phép quay nhanh và dễ dàng khởi động, dừng lại ở các vị trí mong muốn khi sử dụng bộ điều khiển phù hợp Động cơ bước vi Step sử dụng driver để chia nhỏ bước, nâng cao độ chính xác trong chuyển động.
Động cơ servo là loại động cơ DC hoặc động cơ Step được trang bị bộ điều khiển servo, giúp cung cấp lực chuyển động cần thiết Trong công nghiệp, động cơ servo đáp ứng yêu cầu về tốc độ nhanh, độ chính xác cao và khả năng sản sinh moment lớn trong suốt dải hoạt động.
Bảng 2 So sánh giữa các loại động cơ
Loại động cơ Độ chính xác Cấu trúc điều khiển Ưu điểm Nhược điểm
Step Phụ thuộc số bước trên 1
Vòng hở -Sử dụng nhiều trong -Điều khiển vòng hở, Bị trượt bước khi vận tốc vòng thường là
→1,8 0 /bước điều khiển vị trí
-Moment xoắn lớn ở vận tốc thấp và giảm khi vận tốc cao cao => Thời gian đáp ứng chậm, Khó điều khiển chính xác vận tốc động cơ
-Trục động cơ xoay không liên tục => Rung động cao hơn DC gắn encoder
Phụ thuộc vào độ phân giải encoder thường là 1024xung/vòng (0,35 0 /xung)
Chính xác hơn động cơ bước
Vòng kín -Điều khiển vòng kín, Áp dụng được các giải thuật điều khiển =>
Thời gian đáp ứng nhanh, Điều khiển chính xác vận tốc
-Trục động cơ xoay liên tục => Êm hơn
-Moment xoắn không đổi theo vận tốc
Để đạt được yêu cầu điều khiển chính xác về vận tốc và công suất, nhóm đã chọn sử dụng động cơ DC có gắn Encoder, vì chúng có hiệu suất cao hơn so với động cơ Step.
Kết luận: Dùng DC encoder vì: Điều khiển vòng kín giúp áp dụng được các giải
Cảm biến
Có 2 loại cảm biến thường dùng trong các robot dò line:
Camera thu hình ảnh đường line, sau đó xử lý để tạo ra tín hiệu điều khiển Phương pháp này có độ chính xác cao và ít bị nhiễu, nhưng yêu cầu quá trình xử lý phức tạp và thời gian xử lý ảnh lâu, điều này ảnh hưởng đến tốc độ di chuyển của xe.
Photoresistor bao gồm hai đèn LED phát và thu được bố trí cách mặt đường một khoảng hợp lý để vùng hoạt động của chúng giao thoa mà không trùng với vùng giao thoa của bộ liền kề Điện trở của photoresistor thay đổi theo ánh sáng: trong bóng tối, giá trị điện trở cao, trong khi khi có ánh sáng, giá trị điện trở giảm mạnh.
Hình 2.9 Nguyên lí cảm biến quang điện trở
Phototransistor hoạt động tương tự như cảm biến quang điện trở, với một nguồn phát ánh sáng phản xạ xuống đất và một nguồn thu ánh sáng phản xạ để xử lý tín hiệu, xác định vị trí của xe so với đường kẻ Tuy nhiên, phototransistor được ứng dụng rộng rãi hơn nhờ thời gian đáp ứng nhanh hơn so với cảm biến quang điện trở.
When comparing three options for line detection sensors based on signal principles, Digital Sensors (IR Sensors) are noted for their simplicity and quick data reading, though they offer lower accuracy and higher line-following error In contrast, Analog Sensors, which include Photoresistors and Phototransistors, provide more nuanced readings but may require more complex processing algorithms Lastly, Vision Sensors, utilizing MCU cameras, offer advanced capabilities for line detection but come with increased processing demands and potential latency.
Bảng 3 So sánh Photoresistor và Phototransistor [28] Đặc trưng Photoresistor Phototransistor
Sơ đồ mẫu thể hiện độ nhạy với ánh sáng trắng, với mức độ nhạy cảm ít hơn và nhiều hơn Đối với độ nhạy với bóng tối, có sự phân biệt giữa thấp hơn và cao hơn Ngoài ra, định hướng không có ảnh hưởng, vì nó nhạy cảm với ánh sáng từ bất kỳ hướng nào.
Có, nhạy cảm với ánh sáng từ một hướng cụ thể và bị ảnh hưởng bởi nhiệt độ, giá trị điện trở dễ dàng thay đổi theo sự biến động của nhiệt độ.
Giá trị trở kháng ít thay đổi theo nhiệt độ
Thay đổi điện áp ảnh hưởng đến giá trị điện trở
Giá trị điện trở không thay đổi
Giá trị điện trở thay đổi theo điện áp đặt vào
Thời gian phản hồi Chậm, thường từ 0.1s đến
Nhanh hơn, tùy thuộc vào loại c) Vision Sensor:
Hình ảnh đường line được lấy từ camera, thông qua xử lí và đưa ra tín hiệu điều khiển.
Có độ chính xác cao và ít bị nhiễu, nhưng việc xử lý ảnh yêu cầu nhiều thời gian, điều này làm hạn chế tốc độ của xe.
Lựa chọn phù hợp với yêu cầu đề bài:
Sử dụng Phototransistor phù hợp cho sai số bám line e = ± 18mm.
Sử dụng led hồng ngoại thay vì led thường vì:
LED hồng ngoại có độ nhạy cao hơn so với LED thường, nhưng dễ bị nhiễu hơn, do đó, nó thích hợp cho các dòng sản phẩm có độ tương phản cao với nền Trong trường hợp này, chúng ta đang xem xét dòng trắng đen.
Tia hồng ngoại có bước sóng dài hơn ánh sáng đỏ, cho phép chế tạo phototransistor với khả năng điều chỉnh linh hoạt, giảm thiểu ảnh hưởng từ các nguồn sáng khác.
Giải thuật cảm biến sử dụng phương pháp xấp xỉ với trọng số trung bình, đạt độ chính xác cao nhất Sai số giữa tâm line và tâm thuật toán chỉ là 2,6mm, đây là mức sai số nhỏ nhất được đề cập trong bài viết.
Kết luận: Sử dụng cảm biến loại Phototransistor + led hồng ngoại, giải thuật cảm biến là Xấp xỉ trọng số trung bình.
Các cách xử lí tín hiệu cảm biến
Đối với các loại cảm biến quang, tín hiệu tương tự thu được từ cảm biến sẽ trải qua quá trình hiệu chuẩn và xử lý bằng các giải thuật so sánh hoặc xấp xỉ, nhằm xác định vị trí tương đối của robot dò line so với tâm đường line một cách chính xác.
Có 2 phương pháp xử lý tín hiệu cảm biến:
Sử dụng bộ so sánh để xác định trạng thái đóng/ngắt của các cảm biến, từ đó suy ra vị trí xe dựa trên bảng trạng thái đã định sẵn Phương pháp này cho thấy sai số dò line phụ thuộc vào khả năng phân biệt trạng thái của hệ thống cảm biến và khoảng cách giữa các cảm biến Điều này chủ yếu phụ thuộc vào mức ngưỡng so sánh của các cảm biến, giúp đạt được tốc độ xử lý rất nhanh.
Hình 2.10 Mức so sánh của cảm biến ứng với các vị trí line khi xe di chuyển
- Xấp xỉ ra vị trí của xe so với tâm đường line từ các tín hiệu tương tự từ cảm biến.
Phương pháp này phụ thuộc vào thời gian đọc ADC của tất cả các cảm biến trên vi điều khiển, dẫn đến thời gian xử lý lâu hơn so với phương pháp 1 Tuy nhiên, nó mang lại độ phân giải cao hơn đáng kể so với phương án đầu tiên.
+ Sai số giữa đường line theo thuật toán và tâm xe: có 2 phương pháp
Xấp xỉ bậc 2 Xấp xỉ theo trọng số
Hình 2.11 Minh họa phương pháp Xấp xỉ bậc 2 và Xấp xỉ theo trọng số a) Phương pháp xấp xỉ bậc 2: chọn 3 sensor có giá trị đọc về cao nhất [3]
Với x 1 là toạ độ điểm đầu tiên trong 3 điểm có tín hiệu cao nhất. y 1 , y 2 , y 3 lần lượt là 3 giá trị analog cao nhất trong 8 tín hiệu.
Nếu hệ trục toạ độ đặt tại tâm dãy cảm biến thì error = x và error max = L/2 (đỉnh của hàm bậc 2 cao nhất là ở 2 biên)
*Nếu Δx ≠ 1 thì các hệ số a, b thay đổi thành: a = y 1 + y 3 − 2 y 2
Phương pháp trọng số trung bình là một kỹ thuật hữu ích trong việc xác định vị trí đường line dựa trên dữ liệu từ nhiều cảm biến Để tính toán, ta cần đọc giá trị từ tất cả các cảm biến và áp dụng công thức tương tự như tìm khối tâm Giả sử có n cảm biến, vị trí tâm đường line được xác định bằng công thức: x = ∑ (x_i * y_i) từ i = 1 đến n.
Kết luận cho thấy rằng việc chọn phương pháp xấp xỉ trọng số trung bình mang lại độ chính xác cao hơn, trong khi phương pháp xấp xỉ bậc 2, mặc dù có độ chính xác thấp hơn, lại cho kết quả nhanh hơn.
- Tính sai số bám line:
The article "Optimization of PID" discusses a practical example of a line-following robot that employs a weighted error calculation algorithm using 10 infrared sensors The error is defined by the formula: error = ∑ (1/n) * x_i * y_i / (n - 4500) This method enhances the robot's ability to navigate effectively along a designated path.
Ta có chiều rộng sensor (khoảng cách 2 cảm biến ngoài cùng) là 90mm Giá trị lỗi bằng
Giá trị 0 có nghĩa là rô bốt đang ở chính giữa đường thẳng, trong khi lỗi dương cho thấy rô bốt lệch sang trái và lỗi âm cho thấy lệch sang phải Sai số có thể đạt tối đa ± 4500, tương ứng với độ lệch lớn nhất Phương pháp này có ưu điểm là thay thế mười số đọc cảm biến bằng một giá trị lỗi duy nhất, giúp thuật toán điều khiển tính toán tốc độ động cơ để đạt được lỗi bằng 0 Hơn nữa, giá trị lỗi này không phụ thuộc vào chiều rộng của đường, cho phép rô bốt xử lý các đường có độ dày khác nhau mà không cần thay đổi mã nguồn.
Kết luận: sai số error nằm trong khoảng ± 45mm (khoảng cách 2 cảm biến ngoài cùng)
Thực nghiệm so sánh sự chính xác của 2 phương pháp ở trên, từ đó xác định sai số giữa đường line thực tế và đường line tính bằng thuật toán [16]
Bộ thiết bị đo đường line hoạt động bằng cách đưa đường line qua các sensor từ vị trí 130mm đến 220mm Thiết bị này sử dụng hai thuật toán để tính toán vị trí đường line, bao gồm xấp xỉ bậc hai và trọng số trung bình.
Hình 2.12 Ví dụ về thiết bị đo cảm biến
Hình 2.13 Kết quả thực nghiệm đo vị trí theo các công thức và vị trí đường line thực tế
Sai số trung bình bình phương của phương pháp trọng số trung bình là 2.6 và phương pháp nội suy bậc hai là 5.4mm.
Sai số bám line cần tính là:
Sai số giữa tâm xe và đường line thực tế được xác định bằng tổng sai số giữa đường line theo thuật toán và tâm xe, cùng với sai số giữa đường line thực tế và đường line được tính toán bằng thuật toán.
Do đó sai số bám line nằm trong khoảng:
Phương pháp trọng số trung bình: 2.6 < e < L/2mm (L là khoảng cách 2 cảm biến ngoài cùng).
Phương pháp xấp xỉ bậc 2: e > 5.4mm.
Kết luận: Chọn phương pháp trung bình trọng số có sai số bé hơn
- Cách bố trí cảm biến a Theo hàng b Ma trận
Hình 2.6 Các phương pháp bố trí cảm biến
Bố trí dạng ma trận sử dụng nhiều cảm biến để cung cấp thông tin chính xác về vị trí và hướng của xe Tuy nhiên, việc lựa chọn cảm biến cần phải được cân nhắc kỹ lưỡng, phụ thuộc vào kích thước và tốc độ đáp ứng của xe để đảm bảo hiệu quả tối ưu.
Bố trí dạng đường thẳng cung cấp thông tin đầy đủ về vị trí cần xử lý, đồng thời sử dụng ít cảm biến hơn Do đó, hình thức này vẫn rất phù hợp cho việc xác định lộ trình di chuyển.
Kết luận: Chọn bố trí cảm biến dạng đường thẳng
Để xác định độ cao tối ưu cho cảm biến, cần thực hiện các phép đo thực nghiệm nhằm đạt được tín hiệu ổn định nhất Kết quả cho thấy độ cao tối ưu là 11mm Ngoài ra, việc hiệu chỉnh giá trị ban đầu của tín hiệu analog cho từng cảm biến là cần thiết, do sự không đồng nhất giữa các cảm biến, giúp nâng cao độ chính xác của thuật toán.
Thực nghiệm trình bày ở phần dưới.
- Cách xác định khoảng cách giữa 2 cảm biến liên tiếp theo bề rộng line [16]
Bề rộng line được chọn là 19mm, tương ứng với khoảng cách giữa hai cảm biến quang liên tiếp là 12,5mm Do đó, có thể điều chỉnh khoảng cách giữa hai cảm biến lên 13mm.
Bộ điều khiển
Bộ điều khiển ON-OFF là một hệ thống điều khiển đơn giản, hoạt động bằng cách cấp nguồn ON để khởi động động cơ và ngắt nguồn OFF để dừng hoạt động của động cơ theo thiết kế đã định sẵn.
Dễ chế tạo nhưng không chính xác
Sử dụng hai cảm biến quang điện, với cảm biến bên trái gắn ở bánh xe phía trên và cảm biến bên phải gắn ở bánh xe phía dưới, sẽ giúp phát hiện đường line đen Khi một trong hai cảm biến gặp line đen, động cơ tương ứng sẽ tự động tắt.
Hình 2.7 Cấu tạo nguyên lý làm việc bộ điều khiển ON-OFF
Khi cảm biến chạm vào line đen, điện trở LDR tăng lên, dẫn đến điện áp tại chân âm của opamp tăng lên khoảng 2,7V Khi đạt ngưỡng điện áp tham chiều đã cài đặt tại chân dương, output của opamp sẽ bằng 0, khiến điện áp chân Base của transistor BD135 cũng bằng 0 Kết quả là transistor không dẫn điện, làm cho động cơ tương ứng với cảm biến dừng hoạt động.
Khi cả hai cảm biến không chạm vào đường đen, điện trở LDR giảm, dẫn đến điện áp tại chân âm (chân 2) của opamp giảm xuống còn 1,1V do dòng điện dẫn qua điện trở xuống đất, từ đó động cơ sẽ hoạt động bình thường.
+ Điện áp tham chiếu = (2,7+1,1)/2 = 1,9V là điện áp cài đặt cho đầu dương của opamp.
Hình 2.8 Sơ đồ mạch điện bộ điều khiển ON-OFF
- Bộ điều khiển Fuzzy [18] : bài toán điều khiển dựa trên tỉ lệ xác xuất xảy ra một mức độ nào đó của một sự việc.
- Bộ điều khiển PD/PID [19] : tính toán sai số giữa giá trị mong muốn và giá trị cảm biến.
Thuật toán này giảm thiểu sai số thông qua việc điều chỉnh giá trị đầu vào, mang lại kết quả chính xác trong các phần tuyến tính Tuy nhiên, nhược điểm của nó là nhiễu có thể xảy ra trong quá trình vi phân, dẫn đến sai số ở giá trị đầu ra.
Nghiên cứu cho thấy ưu điểm vượt trội của bộ điều khiển PID về các thông số: Tốc độ, Sai số bám line [19]
Hình 2.9 So sánh bộ điều khiển PID và ON-OFF
Bộ điều khiển Following tracking xem xét ba thông số quan trọng của robot: khoảng cách theo tiếp tuyến e1, khoảng cách theo pháp tuyến e2, và góc lệch e3 giữa robot và đường đi Qua đó, bộ điều khiển điều chỉnh robot bằng cách sử dụng các biến điều khiển như vận tốc góc và vận tốc dài, giúp robot bám đường hiệu quả và đạt được sai số nhỏ.
Hình 2.10 Mô hình hóa động học robot áp dụng bộ điều khiển tracking
Sai số được đo theo các phương: x, y, w z (quay quanh trục Z) lần lượt là e 1 , e 2 , e 3
Bộ điều khiển DQN (Deep Q-Network) sử dụng giải thuật Q-learning giúp xe tự động ghi nhớ hành trình sau khi chạy một vòng trên đường line Giải thuật này tính toán tốc độ và gia tốc tối ưu cho từng đoạn đường, từ đó nâng cao khả năng phản ứng của xe với các điều kiện đường khác nhau Để đạt được hiệu quả cao, việc trang bị cảm biến Gyro là cần thiết nhằm theo dõi chính xác trạng thái gia tốc của xe.
Sơ đồ thể hiện độ ổn định của các thuật toán (góc lệch của robot tự cân bằng so với vị trí đầu theo thời gian) [24]
Hình 2.11 Đồ thị đáp ứng của tín hiệu đầu ra bộ điều khiển PID, fuzzy, LQR
=> DQN kém ổn định hơn PID
Kết luận: Sử dụng 2 giải thuật điều khiển
Giải thuật điều khiển tracking phân tích sai số động học của xe để điều chỉnh tốc độ động cơ một cách ổn định, dựa trên tín hiệu từ cảm biến Phương pháp này áp dụng điều khiển nâng cao theo tiêu chuẩn Lyapunov, nhằm tối ưu hóa hiệu suất và độ an toàn trong quá trình vận hành.
Điều khiển vòng kín tốc độ động cơ sử dụng PID giúp kiểm soát chính xác giá trị vị trí và vận tốc hiện tại của bánh xe thông qua tín hiệu encoder Nhờ vào cơ chế này, sai số luôn được điều chỉnh dần về 0, đảm bảo hiệu suất hoạt động tối ưu.
Hệ thống điều khiển hoạt động bằng cách xử lý tín hiệu số từ sensor qua vi điều khiển, sau đó truyền tín hiệu điều khiển dạng xung PWM đến driver tương ứng Vi điều khiển nhận xung từ encoder và áp dụng thuật toán PID để đảm bảo vận tốc xe đạt giá trị tính toán.
Cấu trúc dạng các module bao gồm: module sensor, module điều khiển và module driver động cơ
Có 2 phương pháp chủ yếu để kết nối các module với nhau là: tập trung và phân cấp:
Phương pháp điều khiển tập trung sử dụng một MCU để nhận tín hiệu từ cảm biến, xử lý dữ liệu và truyền tín hiệu điều khiển đến cơ cấu tác động Đặc điểm của phương pháp này là phần cứng đơn giản, nhưng yêu cầu MCU phải xử lý toàn bộ thông tin trước khi cập nhật dữ liệu mới Phương pháp này được áp dụng rộng rãi trong các xe đua dò line thực tế như CartisX04, Le’Mua (Robot Challenge 2015) và Pika.
Hình 2.12 Cấu trúc điều khiển tập trung
- Phương pháp điều khiển phân cấp nhiều hơn một MCU:
The master MCU is responsible for overall calculations, while several slave MCUs specialize in processing different modules, such as encoder signals or data from sensors like RobotALF Additionally, a module handles image processing and transmits the data back to the master MCU.
Cấu trúc phần cứng phức tạp hơn yêu cầu chú ý đến giao tiếp giữa các MCU, nhưng nó mang lại khả năng xử lý nhiều tác vụ đồng thời Điều này giúp giảm tải khối lượng tính toán và cải thiện thời gian lấy mẫu của hệ thống khi áp dụng cấu trúc tập trung.
Hình 2.13 Cấu trúc điều khiển tầng
Kết luận, việc áp dụng cấu trúc điều khiển tầng mang lại khả năng xử lý đồng thời nhiều tác vụ, giúp giảm tải khối lượng tính toán và rút ngắn thời gian lấy mẫu của hệ thống so với cấu trúc tập trung Đặc biệt, cấu trúc điều khiển tầng còn dễ dàng hơn trong việc triển khai và quản lý.
CHƯƠNG 3: SƠ ĐỒ GANTT CHO ĐỒ ÁN
3.1 Sơ đồ GANTT sơ bộ
Nội dung Người thực hiện 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 Chương 1: TỔNG QUAN
Xác định mục tiêu đồ án Tìm hiểu tổng quan Hiệu chỉnh tổng quan và xác định đầu bài thiết kế
Chương 2: LỰA CHỌN PHƯƠNG ÁN Đề xuất phương án khả thi
Vẽ sơ đồ nguyên lý Chọn phương án khả thi và hiệu chỉnh sơ đồ nguyên lý
Chương 3: XÂY DỰNG BIỂU ĐỒ GANTT Cả nhóm
Tính chọn động cơ Thiết kế/chọn các chi thiết/cụm chi tiết cơ khí Thiết kế bản vẽ 3D, 2D
Xây dựng sơ đồ khối chung hệ thống điện Lựa chọn/thiết kế cảm biến
Lựa chọn/thiết kế driver động cơ Lựa chọn/thiết kế nguồn
Xây dựng sơ đồ khối tổng quát cho hệ thống điều khiển là bước đầu tiên quan trọng Tiếp theo, xác định các yêu cầu cụ thể và lựa chọn bộ vi điều khiển phù hợp Sau đó, tìm hiểu sâu về vi điều khiển để hiểu rõ các tính năng và khả năng của nó Cuối cùng, phát triển giải thuật điều khiển và tiến hành coding hệ thống để đảm bảo hoạt động hiệu quả và chính xác.
Mô hình hóa động học/động lực học hệ thống: mobile platform, cảm biến, mạch động lực, hệ thống
Thiết kế bộ điều khiển bám line
Mô phỏng xác định các thông số thích hợp cho bộ điều khiển bám line
Chương 5: MÔ PHỎNG THỰC NGHIỆM
Xác định yêu cầu mô phỏng Xác định các thông số cụ thể cần đo để đánh giá
Mô phỏng/Thực nghiệm Đánh giá số liệu Đề xuất hiệu chỉnh thiết kế nếu có
Chương 6: HOÀN THÀNH BÁO CÁO Cả nhóm
Chương 7: BẢO VỆ Cả nhóm
3.2 Sơ đồ GANTT tiến độ thật công việc
THIẾT KẾ
Thiết kế cơ
- Vận tốc tối đa v max = 0,7 m/s
- Kết cấu xe nhỏ gọn, chắc chắn, không rung lắc.
- Xe có thể qua các đoạn cong (bán kính cong R= 500mm) với vận tốc tối ưu mà xe không bị lật.
Hình 4.14 Sơ đồ nguyên lý thiết kế xe 3 bánh, 2 bánh trước dẫn động
4.1.1 Lựa chọn bánh chủ động và bánh bị động
- Có 2 loại bánh bị động thường dùng cho xe dò line là: bánh castor, bánh mắt trâu.
Bảng 4 So sánh bánh castor và bánh mắt trâu
Bánh castor Bánh mắt trâu điểm bẩn
- Kết cấu đơn giản. thép nên rất bền, bên trong có ổ bi nên di chuyển rất trơn tru, di chuyển linh hoạt khi vào cua
Khi vào cua với tốc độ nhanh, bánh xe không kịp quay quanh trục mà bị trượt, ảnh hưởng đến tốc độ di chuyển của xe và có thể dẫn đến hiện tượng lật xe, được gọi là hiện tượng Shopping-cart.
- Chỉ có thể chạy trong những môi trường ít bụi, cát vì chúng có thể bám vào bánh làm bánh bị kẹt không chạy được.
- Kết cấu phức tạp, ổ bi cần chế tạo chính xác và bảo quản.
Theo đề bài và thực tế sa bàn: Xe đua chạy trên xa bàn hầu như không bụi, vận tốc nhanh, chuyển hướng nhanh, cần kết cấu gọn nhẹ.
Kết luận: Chọn bánh mắt trâu
- Một số mẫu bánh mắt trâu: o Chariot: Pololu Ball Caster with 3/8″ Plastic Ball [30]
Hình 4.15 Bánh mắt trâu xe đua Pololu
Thông số: Đường kính bánh: 0,375 inch ≈ 10mm.
Vật liệu bánh: nhựa o Small Ball Caster Wheel - 12mm Diameter Metal – Hshop [ 31]
Thông số Đường kính bánh xe: 12mm.
Chiều cao: 15mm Vật liệu bánh: thép
Hình 4.16 Bánh mắt trâu nhỏ Hshop
Kết luận: Chọn bánh mắt trâu nhỏ của Hshop – phổ biến, kích thước nhỏ, không yêu cầu tải trọng quá lớn là bánh dẫn hướng cho robot dò line
- Yêu cầu: o Khả năng bám đường tốt o Không trơn trượt o Chịu tải ổn định o Dễ dàng tháo lắp và thay thế.
- Các loại bánh trên thị trường thường dùng cho xe dò line: o Dòng bánh thường: V1,2,3,4,5,6,7,8… các đặc điểm
Thiết kế của V1 với kích thước d = 65mm và b = 15mm đảm bảo tính chắc chắn, gọn nhẹ và thẩm mỹ cao Sản phẩm tương thích hoàn hảo với động cơ DC giảm tốc V1, rất phù hợp cho các mô hình robot như xe tránh vật cản, xe tự hành và xe cân bằng.
Lõi nhựa, vỏ cao su.
Bánh xe V2 với kích thước d = 65mm, b = 27mm là lựa chọn phổ biến trong thiết kế robot, có thể lắp đặt với nhiều loại động cơ khác nhau Sản phẩm được làm từ nhựa, mút và cao su, với lớp mút dày và đàn hồi bên trong giúp bánh không bị xẹp dưới tải trọng Lốp cao su mềm mang lại độ ma sát tối ưu, cùng với thiết kế rãnh lốp giúp cải thiện khả năng bám đường.
+ V3, d = 80mm, b = 30mm, chất liệu nhựa, bên ngoài lốp có thiết kế dạng các gai giúp tăng ma sát với mặt đường.
+ V4, d = 130mm, b = 60mm, chất liệu nhựa, kích thước lớn ứng dụng cho xe mang tải cao hơn V1,V2,V3.
+ V5, d = 95mm, b = 14mm, chất liệu lõi: nhôm, lốp: cao su ma sát tốt, là sự lựa chọn tối ưu cho các thiết kế chịu tải nặng lên tới 100kg.
+ V6, d = 85mm, b = 30mm, chất liệu lõi nhựa, lốp cao su bền: chịu được tải trọng lớn.
+ V7, d = 96mm, b = 40mm, chất liệu nhựa chất lượng cao độ bền cao, thường ứng dụng trong robot leo địa hình.
+ V8, d = 115mm, b = 52mm, chất liệu: nhựa, lõi nhựa, mút, lốp cao su cho ma sát tốt, độ bền cao.
Bánh thường V2 là lựa chọn lý tưởng cho xe đua với kích thước nhỏ gọn và tải trọng thấp, đảm bảo độ bám đường tốt mà không bị trượt Trong khi đó, bánh đa hướng Mecanum được thiết kế với các con lăn nhỏ nghiêng 45 độ, cho phép thực hiện nhiều chuyển động phức tạp như tiến lùi, xoay tròn trong không gian hạn chế, và di chuyển ngang khi cần thiết, nhờ vào thuật toán điều khiển phức tạp.
Hình 4.17 Bánh đa hướng Mecanum D48
Kết luận: Chọn bánh xe V2 đơn giản và gọn hơn, có các thông số:
Hình 4.18 Bánh xe V2 của HShop
Chất liệu: nhựa, mút, cao su
Kích thước khớp trục lục giác: 12 mm
4.1.2 Tính toán và lựa chọn động cơ
Do hạn chế về ngân sách cho động cơ thực nghiệm, nhóm không thể mua được động cơ chất lượng cao, dẫn đến vận tốc chỉ đạt 0,7m/s sau khi đã được hiệu chỉnh.
Xe 3 bánh với 2 bánh dẫn động ở phía trước và 1 bánh mắt trâu ở phía sau có vận tốc tối đa mong muốn là 0,7 m/s Thời gian tăng tốc dự kiến là 1 giây, trong đó vận tốc sẽ tăng từ 0 m/s lên 2 m/s khi xuất phát.
Suy ra gia tốc khởi động: a=0,7 m/s 2
Thông số đầu vào cho bài toán bao gồm vận tốc tối đa là 0,7 m/s, gia tốc đạt 0,7 m/s², bán kính bánh xe là 2,5 mm, và khối lượng bánh xe là 0,02 kg Khối lượng tải giả định là 0,4 kg, với hệ số ma sát μt là 0,8, tương ứng với lốp cao su trên bề mặt bê tông khô ráo Hệ số an toàn được thiết lập là 1,2.
- Mô hình động học, xét trạng thái bánh xe lăn về phía trước với gia tốc dài a =2 m/ s 2
Hình 4.19 Mô hình động học bánh xe
Tính toán: o Moment quán tính của bánh xe (xem bánh xe là đĩa trong đặc):
Giả sử tải trọng xe phân bố đều lên 2 bánh xe dẫn động, trọng lực tác dụng lên một bánh xe được tính bằng cách áp dụng định luật 2 Newton.
Phương trình Moment quay quanh trục bánh xe:
Phương trình cân bằng lực theo phương thẳng đứng và từ (4.2) suy ra:
Phương trình lực theo phương ngang
2 )a(4.5) o Từ (4.1), (4.4), (4.5) thế vào (4.3) ta được Moment kéo động cơ bánh xe là:
2 0,025.0,0325 0,7=0,054 (Nm) o Để bánh xe lăn không trượt khi chuyển động:
2 mRa o Moment động cơ lớn nhất để bánh xe lăn không trượt:
2 0,025 0,0325 0,7=0,0577 (Nm) o Vận tốc góc động cơ là: ω 0 = v max
Số vòng quay động cơ: n 0 = 60 ω
- Hệ số an toàn cho cả tốc độ và moment: s= 1,2 o Vận tốc tối đa của động cơ: ω%,85 rad /s
Số vòng quay động cơ: n= 60 ω
2 π $7 rpm o Moment tối đa gây trượt của động cơ: T tr =0,0692 Nm o Moment hoạt động của động cơ: T =0,055 Nm o Công suất của động cơ là:
- Chọn động cơ: DC giảm tốc GA25 280rpm [35]
Động cơ GA25 có tốc độ 280 rpm và được thiết kế với công suất định mức 4 W Điện áp hoạt động của động cơ này là 12 V, với dòng điện khi không tải là 0,1 A và dòng điện khi bị giữ là 0,45 A Thông số moment hoạt động và moment bị giữ cũng là những yếu tố quan trọng cần lưu ý khi sử dụng động cơ này.
Động cơ có mô men xoắn 0,056 Nm/0,167 Nm và kích thước D 25 x L 75 mm, với khối lượng 104 g Hộp giảm tốc tích hợp bên trong động cơ có tỉ số truyền 21,3:1 Encoder 2 kênh A, B cung cấp 235 xung khi qua hộp giảm tốc, với điện áp định mức là 3,3V Trục động cơ có đường kính 4 mm.
(Dùng khớp nối lục giác chuyển từ 12mm (đường kính trục bánh xe) đến chốt gắn với động cơ có đường kính 4mm [36] ).
- Với tốc độ lớn nhất thì moment động cơ tác dụng lên bánh xe đạt cực đại
Bánh xe đảm bảo lăn không trượt trên toàn quỹ đạo.
4.1.3 Xét điều kiện để xe vào cua không bị trượt
Hình 4.21 Phân tích lực gây trượt cho bánh xe khi vào cua
Xe đảm bảo không trượt khi vào cua.
4.1.4 Xét điều kiện để vào cua không lật
Hình 4.22 Phân tích lực gây lật khi vào cua
Gọi: o Trọng tâm xe cách sàn 1 khoảng h o Khoảng cách trọng tâm xe đến tâm bánh xe theo phương ngang với a là khoảng cách tâm 2 bánh xe là:
- Phương trình cân bằng moment chọn gốc quay tại vị trí bánh xe tiếp xúc với sàn,
4.1.5 Thiết kế thân xe và các bộ phận
Quá trình tính toán các kích thước của xe được kiểm tra và thay đổi liên tục để có kết quả tốt nhất
- Chiều dài mỗi động cơ là 75m, đặt thành hàng ngang nên khoảng cách giữa 2 bánh xe ≥ 150mm Chọn khoảng cách tâm 2 bánh xe tối thiểu: x 0 mm
Trọng tâm xe là yếu tố quan trọng để đảm bảo an toàn khi vào cua, với mối quan hệ giữa khoảng cách tâm hai bánh xe và chiều cao trọng tâm xe so với mặt đất được xác định bằng h ≤ x 1,63 m Trong thiết kế tổng quan của CartisX04, trọng tâm xe cách sàn 7mm và đường kính bánh xe là 25mm Đối với Chariot, bánh tự lựa có đường kính 9,5mm, do đó trọng tâm xe cách mặt sàn lớn hơn 9,5mm, trong khi bánh xe dẫn động có đường kính 30mm, cho phép ước lượng trọng tâm xe nằm trong khoảng 10 đến 15mm so với mặt sàn.
Bánh xe sử dụng: loại V2-65mm Bánh mắt trâu dùng loại như xe Chariot Bố trí linh kiện sao cho trọng tâm xe nằm ở càng thấp càng tốt.
Khoảng cách gầm dưới xe cách sàn: Bánh mắt trâu Hshop có chiều cao 15mm, suy ra chọn k mm
Suy ra trọng tâm xe nằm trong khoảng từ 15 đến 32,5mm.
Giả sử sau khi phân bố các linh liện, trọng tâm xe cách mặt sàn trong khoảng (đã tính toán lại sau khi hoàn thành sản phẩm) h mm
- Tấm thân xe: vật liệu nhôm 6061
Kiểm tra bền bằng Solidworks Simulation, suy ra độ dày tấm thân xe (nhỏ nhất thỏa bền) là: i=1,5 mm
Kích thước xe được xác định bởi bố trí linh kiện và thiết kế nhỏ gọn Chiều dài xe được chọn dựa trên việc bố trí các bộ phận nằm ở một tầng thân xe, với kích thước a0 mm Chiều rộng xe là khoảng cách giữa hai tâm bánh xe, trừ đi hai khoảng nhô ra ở hai trục, với kích thước b8 mm Cuối cùng, chiều cao xe tương đương với đường kính bánh xe, đạt kích thước c e mm.
- Khoảng cách từ tâm dãy cảm biến đến tâm trục bánh dẫn động:
Khoảng cách giữa các bánh xe càng nhỏ thì xe càng ổn định; tuy nhiên, khoảng cách này cần phải lớn hơn khoảng cách mà xe di chuyển được sau một lần lấy mẫu, vì vậy chọn d là 0 mm.
Bảng 5 Các kích thước cơ bản của khung thân xe Đối tượng Thông số
Khoảng cách từ tâm dãy cảm biến đến tâm trục bánh dẫn động d= 30 mm
Khoảng cách 2 bánh xe x 0 mm
Chiều cao trọng tâm xe h mm Độ dày thân xe i=1,5 mm
Chiều cao gầm xe k mm
Các kích thước bánh xe dẫn động, bánh tự lựa: được nêu tại phần 4.1.1 Các kích thước động cơ: phần 4.1.2
Bộ cảm biến có chiều cao 11mm so với mặt đất, bao gồm 7 cảm biến với khoảng cách giữa mỗi cảm biến là 13mm Kích thước tổng thể của dãy cảm biến là 90mm chiều dài và 21mm chiều rộng.
4.1.6 Kiểm bền tấm thân xe
Sử dụng Solidworks Simulation để kiểm tra độ bền của tấm thân xe
- Vật liệu tấm xe: Nhôm tấm 6061
+ Dày: 1,5mm + khối lượng riêng:2,7g/cm 3 + thể tích: 13300.1,5= 20000mm 3 = 20cm 3
- Vật liệu gá: Nhôm 6061 + dày 5mm
- Khối lượng hộp chứa pin: 2,7(g/cm 3 ).2,6(cm 3 ) = 7g
- Tấm gá cảm biến: nhôm tấm 6061 + dày 0,2mm
+ kg riêng: 2,7g/cm 3 + thể tích: 0,8cm 3
+ kg riêng: 2,7g/cm 3 + thể tích: 2 cm 3
- Khối lượng mạch cảm biến: 50g
- Khối lượng mạch điều khiển cảm biến: 20g
- Khối lượng mạch điều khiển chính: 150g
Vị trí đặt lực phân bố được thể hiện ở phần tiếp theo
Tổng trọng lượng của xe là: 800g.
4.1.6.2 Đặt lực và kết quả mô phỏng Đặt lực
Hình 4.24 Mô phỏng đặt lực trên tấm thân xe
Hình 4.25 Thông số vật liệu tấm thân xe Độ bền
Hình 4.26 Phân bố ứng suất trên tấm thân xe
Hình 4.27 Phân tích chuyển vị trên tấm thân xe
Kết luận: Chuyển vị tương đối nhỏ (< 0,3mm), vị trí gắn với đồ gá: chuyển vị sấp sỉ:
4.1.7 Thiết kế đồ gá động cơ – Tính toán dung sai
Hình 4.28 Đồ gá động cơ
Kiểm tra: Dung sai độ đồng tâm
4.1.7.1Tính chọn các mối lắp theo các chi tiết tiêu chuẩn
- Dung sai chốt định vị
Hình 4.29 Datasheet chốt định vị trụ suốt [37]
Tra bảng 1.31 trang 63 tài liệu [38] suy ra sấp sỉ mối lắp
Do đó, dựa vào bảng 20.4 trang 122 tài liệu [39] , chọn mối lắp có độ đồng tâm cao là
Mối lắp trung gian H7/n6 là lựa chọn tối ưu cho kết cấu, vì nếu sử dụng lắp lỏng, chốt định vị có nguy cơ bong ra trong quá trình vận hành Ngược lại, nếu sử dụng lắp chặt, việc siết ốc có thể dẫn đến biến dạng của thành chi tiết.
∅ 30,010 0,000 Cấp chính xác gia công đồ gá là cấp 7.
- Dung sai hình dáng của tấm gá:
Hình 4.30 Chọn mặt chuẩn và dung sai các mặt phụ vuông góc
Thiết kế điện
Sơ đồ khối mạch điện:
Hình 4.26 Sơ đồ khối hệ thống điện
Hình 4.7 Sơ đồ mạch điện cảm biến quang TCRT5000
Với sơ đồ nguyên lý trên, ta kết hợp với các giá trị được cho trong datasheet của TCRT5000, ta chọn V F =1.25 V, I F mA
Hình 4.39 Đồ thị thể hiện mối tương quan giữa dòng điện vào led phát với dòng điện transitor (bên trái) và với điện áp 2 dầu transistor (bên phải)
Dựa vào đồ thị thể hiện dòng và áp qua LED ta tìm được I C = 1mA và V CE = 0.6V
Chọn cách đặt cảm biến
Có hai cách đặt cảm biến: đặt theo chiều dọc (position 2) và đặt theo chiều ngang (positiion 1).
Hình 4.29 Cách đặt cảm biến
Hình 4.30 Ảnh hưởng của cách đặt cảm biến với Switching distance
Dựa theo đồ thị ta thấy rằng Switching distance X d của position 1(đặt theo chiều ngang) luôn nhỏ hơn Switching distance X d của position 2 (đặt theo chiều dọc).
Khi chuyển từ nền trắng sang nền đen, khả năng nhận diện của cảm biến phụ thuộc vào giá trị X d; giá trị này càng nhỏ thì khả năng nhận diện đường line của cảm biến càng tốt Do đó, việc bố trí cảm biến theo chiều ngang là lựa chọn tối ưu.
Để đảm bảo rằng phototransistor nhận được tín hiệu từ LED phát khi robot bám theo đường, cần chọn chiều cao cảm biến phù hợp so với mặt sàn, nhằm tạo ra vùng giao nhau hiệu quả giữa vùng phát và thu.
Hình 4.31 Sơ đồ đo chiều cao cảm biến so với mặt sàn
Trong trương hợp này, khoảng cách phù hợp là d>8.57mm.
Cảm biến TCRT5000 có phạm vi làm việc tối đa là 15mm, do đó, thí nghiệm được tiến hành trong khoảng cách từ 9mm đến 15mm.
Hình 4.32 Đồ thị kết quả thí nghiệm đo giá trị điện áp trả về từ cảm biến tại từng vị trí so với tâm đường line
Kết quả: (được kiểm nghiệm đo đạt từ thực nghiệm)
Với khoảng cách lớn từ 13 đến 15mm, độ chênh lệch điện áp giữa vị trí tại lâm line và trên nền trắng được thu hẹp so với khoảng cách thấp từ 9 đến 12mm, trong khi điện áp đo được tại vùng nền trắng lại không ổn định.
- Với khoảng cách thấp (từ 9 – 12mm), điện áp đo tại vùng nền trắng có sự ổn định hơn (các giá trị tương gần như nhau).
- Giá trị điện áp tại nền trắng ứng với khoảng cách 10mm ổn định hơn so với khoảng cách 9mm, 11mm và 12mm.
Kết luận: Như vậy, chiều cao cảm biến so với mặt đường được lựa chọn là 11mm
Xác định khoảng cách giữa các cảm biến
Để đảm bảo cảm biến hoạt động hiệu quả, các đèn LED cần phải được tách biệt hoàn toàn, tránh tình trạng giao thoa giữa chúng, vì điều này có thể dẫn đến sai số trong quá trình hoạt động.
Do sử dụng giải thuật xấp xỉ trọng số, ta bố trí các cảm biến đều nhau
- Giả sử ta đặt hai cảm biến sát nhau sao cho vùng hoạt động của chúng vừa chạm nhau như sau:
Trong trường hợp cảm biến nằm ngang
Hình 4.40 Sơ đồ tính toán khoảng cách giữa 2 cảm biến
Khoảng cách tối thiểu giữa hai LED phát và thu liền kề phải đảm bảo lớn hơn 4.08 mm, được tính theo công thức l > 10*(tan(8 độ) + tan(15 độ)) Trong một cảm biến, khoảng cách giữa hai LED là 3.5 mm, do đó khoảng cách tối thiểu giữa hai cảm biến sẽ là 7.58 mm (d = l + 3.5 = 4.08 + 3.5) Điều kiện đặt ra là ít nhất 2 cảm biến nằm trong cùng một line và nhiều nhất 3 cảm biến nằm trong khoảng cách 19 mm.
Hình 4.34 Điều kiện khoảng cách giữa các cảm biến
Theo datasheet chiều dài cụm sensor là 10.2mm
Khi sử dụng bề dày line 19mm, việc di chuyển cảm biến qua đoạn 19-d (mm) sẽ dẫn đến tình trạng có hai cảm biến phát hiện line với giá trị analog giống nhau (bên trái và chính giữa), gây khó khăn trong việc xác định Nếu tiếp tục di chuyển trong vùng 2d-19, chỉ có một cảm biến phát hiện line nằm hoàn toàn trong line và đủ xa để không bị chồng lấn vùng làm việc, do đó, khoảng cách cảm biến được chọn là 13 mm.
Khi áp dụng giải thuật xấp xỉ bậc 2, cần ít nhất 3 cặp cảm biến để nhận diện tâm đường line Nếu tâm đường line trùng với tâm nội suy từ cảm biến, ta cần thêm 1 cặp cảm biến ở mỗi bên khi xe lệch trái hoặc phải để xác định phía lệch Như vậy, với 5 cảm biến, ta có thể xác định được phía lệch của xe Tuy nhiên, khi gặp khúc cua, việc sử dụng 5 cặp cảm biến sẽ làm cho việc ôm cua trở nên khó khăn do thiếu tín hiệu cần thiết Do đó, ta quyết định tăng cường mỗi bên của mạch cảm biến thêm 1 cặp LED, tổng cộng sẽ sử dụng 7 cặp LED trong mạch cảm biến.
Hình 4.42 Kích thước dãy cảm biến
Hình 4.43 Mạch proteus cảm biến
Hình 4.44 Mạch PCB cảm biến
+ Kích thước bao mạch cảm biến theo 2 phương là: 92mm x 21mm
4.2.2 Lựa chọn và thiết kế mạch driver
Nhóm đã lựa chọn động cơ DC servo GA25 với điện áp hoạt động 12V, công suất 4W và dòng tối đa 0,9A, đạt tốc độ 280rpm Để điều khiển động cơ, nhóm tham khảo motor driver L298N với các thông số phù hợp.
Driver L298N Điện áp cần cấp cho động cơ +5V -> +12V
Dòng tối đa mỗi cầu H 2A Điện áp logic +5 -> +7V
Dòng điện của tín hiệu điều khiển 0 -> 36mA
Để thiết kế mạch driver, nhóm đã chọn IC L298N, một mạch nguyên khối cầu H tích hợp các transistor NPN và opamp, nhằm so sánh tín hiệu đảo chiều động cơ khi cần thiết.
Hình 4.40 Block diagram của IC L298N
Trong khối block diagram, có hai mạch cầu H, với nửa bên trái bao gồm chân 2,3 kết nối động cơ, chân +Vss cung cấp nguồn cho các opamp, và chân In1, In2 xác định chiều quay của động cơ Chân EnA quyết định hoạt động của cầu A; khi EnA ở mức ‘1’, cầu A sẽ hoạt động Nếu In1 ở mức ‘1’ và In2 ở mức ‘0’, động cơ quay thuận, ngược lại, nếu In2 ở mức ‘1’ và In1 ở mức ‘0’, động cơ quay ngược Để điều chỉnh tốc độ động cơ, cần cấp xung PWM vào chân EnA.
Mỗi khối block so sánh là các con opamp sau:
Opamp so sánh, để chuyển trạng thái từ ‘Off’ lên ‘On’ thì chân ENA và INPUT phải có giá trị ‘HIGH’.
Ngược lại với opamp trên, để chuyển trạng thái từ ‘Off’ lên ‘On’ thì chân ENA phải
‘HIGH’ và chân INPUT phải ‘LOW’.
Thiết kế mạch driver yêu cầu các linh kiện thiết yếu như IC L298N (còn gọi là IC multiWatt 15), tụ điện, diot chống ngược dòng và điện trở Tụ điện được sử dụng để lọc nhiễu phát sinh từ dòng điện đi qua động cơ.
‘on’ ‘off’ liên tục khi sử dụng PWM, thứ 2 là chống dòng ngược.
Hình 4.41 Sơ đồ mạch driver proteus
4.2.3 Lựa chọn nguồn và mạch hạ áp Mạch nguồn:
- Yêu cầu: Khối driver sử dụng nguồn 12V, micro controller và các cảm biến ta sử dụng nguồn 5V, encoder dùng nguồn 3,3V
- Cần cách ly mạch điều khiển và mạch động lực.
- Do đó dùng 2 pin 9V cấp nguồn cho mạch động lực và 1 pin 9V cấp nguồn cho mạch điều khiển.
Pin Mã hiệu Dòng điện max Dung tích Chức năng
5mA 600mAh Nguồn nuôi cho vi điều khiển
Hình 4.46 Datasheet Pin 9V Eveready Silver
Mạch hạ áp 18V thành 12V có thể sử dụng module LM7812, bao gồm chip IC7812, hai tụ điện 0,33uF và 0,1uF, cùng với một diode ngăn dòng ngược IC7812 hỗ trợ điện áp đầu vào từ 14.2V đến 27V và có dòng cực đại lên tới 2.2A.
Hình 4.47 Block diagram module hạ áp LM7812
Sơ đồ mạch và kiểm tra
Hình 4.48 Sơ đồ mạch hạ áp 12V
+ Với điện áp đầu vào (D1(A)) là 18V mạch cho giá trị hiệu điện thế đầu ra là 12V.
+Với mạch hạ áp 9V thành 5V cấp nguồn nuôi cho vi điều khiển sử dụng IC 7805, 2 tụ điện tương tự cho mạch hạ áp IC 7805.
Sơ đồ mạch và kiểm tra
Hình 4.46 Sơ đồ mạch hạ áp 5V
Với điện áp đầu vào (C1(A)) là 9V mạch cho giá trị hiệu điện thế đầu ra là 5V.
+ Với mạch hạ áp 5V thành 3,3V cấp nguồn nuôi cho vi điều khiển sử dụng IC LM 1117DT-3,3, 2 tụ điện âm dương 10uF cho mạch hạ áp IC LM 1117.
Sơ đồ mạch và kiểm tra
Hình 4.47 Sơ đồ mạch hạ áp 3,3V
4.2.4 Thiết kế bộ điều khiển trung tâm 4.2.4.1Yêu cầu vi điều khiển
Lựa chọn vi điều khiển
Hệ thống điều khiển yêu cầu ba vi điều khiển: một vi điều khiển slave để điều khiển động cơ, một vi điều khiển slave khác nhận tín hiệu từ cảm biến và xử lý thông tin, cùng với một vi điều khiển master để quản lý toàn bộ hệ thống.
- Đọc giá trị analog của 7 cảm biến.
- Đọc tín hiệu trả về từ encoder của động cơ.
- Chân PWM để điều khiển động cơ
- Giao tiếp giữa master và slave.
- Ngắt timer và ngắt ngoài để đọc tín hiệu từ encoder
Từ những yêu cầu trên nhóm sử dụng vi điều khiển Atmega328 với các thông số:
- 6 kênh PWM trong đó có 2 kênh tần số cao (62500Hz)
- 2 kênh ngắt ngoài và 3 timer
Hình 4.48 Sơ đồ chân vi điều khiển Atmega 328
+ Giao tiếp Slaver 1: 7 chân đọc tín hiệu analog và giao tiếp
+ Giao tiếp Slaver 2: 4 chân logic và 2 chân PWM cho driver, giao tiếp và 2 chân ngắt ngoài encoder.
+ 1 Master giao tiếp với 2 Slaver
Kết luận: Nhóm chọn slaver 1 là atmega328P dạng TQFQ, master và slaver 2 là atmega328P dạng PDIP
- Giao tiếp master và slaver 1 là: RX, TX
- Giao tiếp master và slaver 2 là: I2C
Hình 4.50 PCB mạch điều khiển trung tâm
Hình 4.51 Model 3D mạch điều khiển trung tâm
Kết luận: Mạch không quá phức tạp nên nhóm chọn phương pháp hàn tay
4.3 Mô hình hoá hệ thống
Xe di chuyển với trọng lượng không đổi, dẫn đến lực tác dụng theo phương thẳng đứng cũng không thay đổi Trong điều kiện di chuyển trên sa bàn phẳng và không gồ ghề, xe chỉ chịu tác động của ngoại lực là lực ma sát, nên lực tác động vào xe hầu như giữ nguyên.
=> Chọn phân tích động học cho hệ thống.
MÔ PHỎNG HOẠT ĐỘNG CỦA XE ROBOT
Mô phỏng sa bàn khi chưa nhúng sai số cảm biến và hàm truyền động cơ
Với khoảng cách từ tâm cảm biến C đến tâm 2 bánh chủ động được chọn là 96 mm.
Bên cạnh đó, giá trị e 2 phụ thuộc vào bộ số [k1 k2 k3] được chọn Tiến hành mô phỏng trên đoạn đường đua với các hệ số [k1 k2 k3] lần lượt là [10 1000 1].
Bảng 11 Các thông số dùng cho mô phỏng động học Đại lượng Giá trị Đơn vị
Vận tốc lớn nhất, vmax 0,7 m/s
Khoảng cách 2 bánh xe 150 mm Đường kính bánh xe 65 mm
Khoảng cách giữa tâm 2 bánh xe và điểm tracking, d 30 mm
Thời gian lấy mẫu là 0,16 giây Kết quả mô phỏng trên sa bàn cho thấy vận tốc góc của bánh trái và bánh phải Hình 5.1 minh họa kết quả mô phỏng trước khi có sự can thiệp của sai số cảm biến và hàm truyền của động cơ.
Mô phỏng sa bàn khi đã nhúng sai số cảm biến và hàm truyền động cơ
Khi tiến hành mô phỏng cảm biến, sai số giữa tâm cảm biến thực và phương pháp xấp xỉ trung bình tính toán từ các giá trị cảm biến là 3,3 mm.
Dựa vào vị trí giữa hai bánh xe và hướng của xe, ta có thể thiết lập phương trình đường thẳng đi qua dãy cảm biến Tiếp theo, cần xác định giao điểm của đường thẳng này với sa bàn và tính khoảng cách giữa tâm cảm biến và giao điểm để xác định sai số e2.
Sai số của thuật toán xấp xỉ từ cảm biến là 3,3 mm (0,0033 m) Để tính sai số e2, ta cộng sai số này với một số ngẫu nhiên trong khoảng từ -0,0033 m đến +0,0033 m.
Tiêu chí thời gian lấy mẫu bộ điều khiển Điều chỉnh lại thời gian lấy mẫu là 0,16s để phù hợp với settling time của động cơ là 0,13s.
Mô phỏng kết hợp cảm biến và hàm truyền động cơ:
Nhóm sử dụng 2 động cơ để điều khiển tốc độ bánh trái và tốc độ bánh phải, các động cơ có hàm truyền và đáp ứng step như sau:
- Hàm truyền của động cơ trái:
Hình 5.2 Đáp ứng step của động cơ trái
- Hàm truyền động cơ phải:
Hình 5.4 Khi xe di chuyển với vận tốc 0,7 m/s thời gian lấy mẫu là 0,16s
Hình 5.5 Sai số e 2 khi phóng to sa bàn
Hình 5.7 Tốc độ 2 bánh sau khi có bộ điều khiển
Nhận xét kết quả mô phỏng
Kết quả mô phỏng đã bao gồm sai số từ cảm biến e2, với sai số ngẫu nhiên khoảng ± 3,3 mm, liên quan đến sự khác biệt giữa tâm cảm biến vật lý và giá trị tính toán từ thuật toán xấp xỉ Ngoài ra, hai hàm truyền của động cơ (bánh trái và bánh phải) cũng được xem xét sau khi áp dụng bộ điều khiển PID.
Kết quả mô phỏng chỉ ra rằng giải thuật điều khiển bám line và PID có thể được áp dụng hiệu quả vào mô hình thực tế Các hệ số K1, K2, K3 được xác định từ quá trình mô phỏng cho thấy sự tương thích với vận tốc của động cơ.
120 rpm đến 260 rpm phù hợp với động cơ đã chọn ở phần thiết kế cơ khí là 280 rpm.
Giá trị sai số e 2 tối đa khi mô phỏng là ± 16mm phù hợp với yêu cầu đặt ra là ±18 mm.
Thời gian đáp ứng của động cơ trên mô hình thực với bộ điều khiển PID là 0.13 giây, dẫn đến chu kỳ lấy mẫu lớn để đảm bảo động cơ đạt tốc độ mong muốn Khi vận tốc tăng cao, xe sẽ không ổn định và có khả năng lệch khỏi đường line Để kết quả thực tế gần giống với mô phỏng, cần che chắn cảm biến nhằm hạn chế nhiễu từ môi trường xung quanh, đồng thời giữ vận tốc dưới 1m/s.
THỰC NGHIỆM
Lắp ráp phần cơ
- Các nguyên công gia công:
+ Gia công cắt Laze CNC độ chính xác cao: tấm thân xe, 2 tấm gá động cơ, tấm gá cảm biến, tấm che cảm biến.
+ Gia công thô – cắt: Hộp pin.
+ Chấn: Hộp pin, tấm gá cảm biến, tấm che cảm biến.
+ Khoan và doa lỗ: Tấm thân xe tại vị trí lắp chốt định vị, 2 tấm gá động cơ tại vị trí lắp chốt định vị.
+ Khoang và taro ren: 2 tấm gá động cơ tại vị trí bắt vít.
Bulong lục giác đầu dù giúp tăng lực xiết và giảm kích thước, thuận tiện cho việc lắp đặt ở những vị trí chật hẹp, so với bulong lục giác đầu trụ Trong khi đó, bulong lục giác đầu chìm được sử dụng tại vị trí nối trục, có tác dụng chống tháo lỏng do trục động cơ quay nhanh.
- Kết quả lắp ráp (chưa lắp các mạch điện):
Hình 6.1 Lắp ráp cơ khí xe
Thực nghiệm phần điện và điều khiển
Nhóm sử dụng cảm biến TRCT5000 5 con lắp mạch và tiến hành đo:
Hình 6.2 Hình thành cảm biến
Xác định độ cao từ cảm biến tới mặt sàn, nhóm thử cảm biến ở các độ cao từ 9mm-15mm cho ra các đồ thị sau:
Hình 6.3 Kết quả thực nghiệm giá trị cảm biến
Kết luận: Nhóm chọn khoảng cách 11mm và sự ổn định và giá trị chênh lệch giữa nền đen và trắng tốt.
Tiến hành calib cảm biến bằng cách đo giá trị lớn nhất và nhỏ nhất của từng cảm biến ta có giá trị sau:
Phương trình calib được trình bày như sau: y jo = y min + y max − y min x maxj − x minj ( x j ,i − x minj ) Trong đó, y jo là giá trị sau khi điều chỉnh của cảm biến thứ i, x ji là giá trị đọc được thứ j của cảm biến đó, và y max cùng y min là giá trị lớn nhất và nhỏ nhất mong muốn cho tất cả các cảm biến.
Bảng 12 Tính toán calib cảm biến
Cảm biến GTLN GTNN Phương trình sau khi calib
Với y max y min lấy lần lượt là: 990 và 200 Tiến hành thực nghiệm theo sơ đồ sau:
Hình 6.4 Sơ đồ thực nghiệm cảm biến
Sử dụng giải thuật trọng số trung bình ta có đồ thị như sau:
Hình 6.5 Đồ thị kết quả thực nghiệm cảm biến
Kết luận: Sai số lớn nhất emax = 3,3 mm đáp ứng được yêu cầu đặt ra của đề bài
6.2.2 Thực nghiệm driver động cơ Đã nêu ở phần 4.3.3 Thiết kế bộ điều khiển.
6.2.3 Thực nghiệm nguồn mạch giảm áp
Mạch động lực sử dụng hai cục pin vuông 9V Panasonic với dung tích 600mAh, cung cấp nguồn cho hai động cơ thông qua một mạch driver và một mạch hạ áp Hệ thống có khả năng hoạt động liên tục ít nhất 10 phút.
Sử dụng mạch giảm áp để chuyển đổi điện áp từ 18V xuống 12V cho thí nghiệm tìm hàm truyền động cơ liên tục trong 5 phút cho thấy rằng đầu ra Vout của mạch giảm áp đạt 12V mà không xảy ra hiện tượng sụt áp.
Chip LM7812 và L298N không nóng nên hiệu suất ổn định.
Kết luận: Mạch giảm áp và mạch động lực hoạt động tốt.