TỔNG QUAN ROBOT DÒ ĐƯỜNG
Tổng quan về ứng dụng vi điều khiển
Sự tiến bộ không ngừng của khoa học kỹ thuật, đặc biệt trong lĩnh vực điện tử, đã mang lại nhiều ứng dụng hữu ích cho cả ngành công nghiệp và đời sống hàng ngày.
Công nghệ chế tạo vi mạch lập trình đã mang lại nhiều phương thức điều khiển hiện đại, vượt trội hơn so với các mạch điều khiển lắp ráp từ linh kiện rời Những ưu điểm nổi bật bao gồm kích thước nhỏ gọn, chi phí hợp lý, độ tin cậy cao và mức tiêu thụ năng lượng thấp.
Trong các lĩnh vực dân dụng và công nghiệp, bộ vi mạch vi điều khiển đang trở thành lựa chọn phổ biến nhờ vào những ưu điểm vượt trội của chúng Sự phát triển và ứng dụng ngày càng rộng rãi của các bộ vi mạch này khẳng định vai trò quan trọng của chúng trong công nghệ hiện đại.
Việc áp dụng các bộ vi điều khiển trong quản lý các công việc lặp đi lặp lại là rất quan trọng, nhằm thay thế sự giám sát của con người Điều này không chỉ giúp giảm thiểu số lượng nhân công trong dây chuyền sản xuất mà còn bảo vệ con người khỏi những công việc nguy hiểm và độc hại.
Giới thiệu về robot dò đường
Ngày nay, sự phát triển của khoa học kỹ thuật không còn giới hạn ở một số quốc gia châu Âu mà đã lan rộng ra toàn cầu Một trong những bước tiến đáng chú ý trong lĩnh vực này là sự ra đời của robot, những cỗ máy thông minh.
Robot là những thiết bị được chế tạo từ nhiều loại vật liệu, chủ yếu là vật liệu dẫn điện Chúng được gọi là máy móc thông minh vì khả năng thực hiện các nhiệm vụ thay thế con người, từ những công việc đơn giản đến những nhiệm vụ phức tạp.
Có thể hiểu cấu trúc robot như sau:
Robot gồm có hai phần:
+ Phần cứng: là phần cấu tạo nên cấu trúc hoạt động của robot (có thể xem là phần ta có thể thấy bằng mắt thường)
Phần mềm là chương trình do lập trình viên phát triển và cài đặt vào robot, giúp robot hoạt động độc lập Đây là thành phần không thể nhìn thấy bằng mắt thường nhưng đóng vai trò quan trọng trong việc điều khiển chức năng của robot.
Nhận thức được tầm quan trọng của robot đối với đời sống ngày nay chúng em đã mạnh dạn chế tạo robot dò đường một dạng của robot
Robot dò đường là loại robot tự động nhận diện và di chuyển theo lộ trình đã được lập trình sẵn Chúng sử dụng các vạch đường, cụ thể là vạch đen trên nền trắng, để xác định hướng đi và tự tính toán đường đến đích mà không cần sự điều khiển của con người.
Những đường thẳng màu đen trên sân là vạch đường cho robot dò tìm, trong khi phần sân được phủ màu trắng để tạo sự tương phản Mục đích của việc này là giúp robot không bị nhiễu trong quá trình dò đường, vì cảm biến của robot chuyên nhận diện và phát hiện các vạch đen.
Chiếc xe tự động này có khả năng di chuyển tự động đến vị trí mong muốn trên sân, với các chế độ 1, 2, cho phép thực hiện nhiều kiểu di chuyển đa dạng Sản phẩm hứa hẹn sẽ có nhiều hướng phát triển trong tương lai.
Khi có ánh sáng, điện trở của quang trở giảm, dao động từ 5k (khi có ánh sáng) đến 100k (khi không có ánh sáng) Chúng ta sử dụng 2 LED phát sáng làm nguồn sáng cho quang trở Khi quang trở gặp vạch trắng, ánh sáng phản xạ lên nó, làm điện trở giảm Ngược lại, khi gặp nền đen, ánh sáng khó phản xạ, khiến quang trở nhận ít ánh sáng và điện trở tăng lên.
Từ đó dựa vào 8 quang trở, robot có thể phân biệt được vạch trắng (dưới sự hỗ trợ của opamp so sánh)
Hình 1.3 Nguyên lý hoạt động của quang trở
Qua quá trình so sánh tín hiệu nhận được, tín hiệu này được gửi về mạch xử lý trung tâm, nơi Arduino Uno R3 thực hiện xử lý và đưa ra các điều khiển dựa trên lập trình của người dùng.
Hình 1.4 Cách bố trí cảm biến
Dựa vào nững nhận biết vạch của cảm biến mà từ đó xe có thể rẽ trái, rẽ phải
• Để rẽ trái: cảm biến 5,6 có tính hiệu hoặc cảm biến 5,6,7 có tính hiệu
Khi r trái động cơ trái chạy chậm lại động cơ phải chạy nhanh hơn Khi r trái ở ngã tư động cơ phải quay thuận,động cơ trái quay ngược
• Để rẽ phải: cảm biến 3,4 có tính hiệu hoặc cảm biến 2,3,4 có tính hiệu
Khi r phải động cơ phải chạy chậm, động cơ trái chạy nhanh hơn Khi r phải ở ngã tư động cơ trái quay thuận, động cơ phải quay ngược
• Để chạy thẳng: hai cảm biến 4,5 có tính hiệu Hai động cơ trái phải chạy cùng tốc độ
• Nhận biết số ngã tư 1 hoặc 8 cảm biến đồng thời có tính hiệu.
Ứng dụng robot dò đường
Trong cuộc sống hằng ngày, chúng ta có thể chế tạo máy hút bụi tự động bằng cách sử dụng một robot mini gắn liền với một máy hút bụi nhỏ Robot này sẽ tự động di chuyển trong nhà, đồng thời máy hút bụi hoạt động để làm sạch bụi bẩn trên mặt sàn.
Robot vận chuyển hàng hóa trong công nghiệp có khả năng di chuyển theo vạch, cho phép chế tạo một hệ thống vận chuyển hiệu quả giữa các xưởng sản xuất Bằng cách xác định một lộ trình cố định từ xưởng sản xuất A đến xưởng sản xuất B, robot có thể tự động chở hàng hóa một cách an toàn và nhanh chóng, nâng cao năng suất và giảm thiểu sai sót trong quá trình vận chuyển.
Trong lĩnh vực quân sự, việc chế tạo robot dò mìn đã trở thành ứng dụng quan trọng Hiện nay, khoa học đã phát triển nhiều loại robot có khả năng di chuyển thông minh thông qua việc xử lý hình ảnh mà chúng chụp lại Nhờ vào công nghệ này, robot có thể xác định được lộ trình di chuyển và phát hiện mìn cũng như các vật thể cần tìm một cách hiệu quả.
KẾ VÀ TÌM HIỂU LINH KIỆN CỦA HỆ Thống
Yêu cầu đề tài
Sử dụng thuật toán PID trong khối điều khiển Arduino UNO R3 giúp điều chỉnh chính xác chuyển động của robot qua bộ cảm biến dò đường Thuật toán này xuất tín hiệu cho Module L298, điều khiển hai bánh xe di chuyển đúng theo vạch Việc áp dụng PID nâng cao hiệu suất và độ ổn định trong quá trình điều khiển.
Giải pháp thiết kế
2.2.1 Sơ đồ khối và lưu đồ giải thuật Để thực hiện được thiết kế và chế tạo robot dò đường sử dụng thuật toán PID em đưa ra sơ đồ thiết kế như sau:
Hình 2.1 Sơ đồ khối robot dò đường
Dò Line, Tránh vật cản
Bắt Đầu Đọc giá trị cảm biến dò line
Kết Thúc Hình 2.2 Lưu Đồ Giải Thuật
2.2.2 Phân tích chức năng các khối
- Khối cấp nguồn: Khối cấp nguồn 5VDC có chức năng cấp nguồn 5V cho các khối có thể hoạt động được
Khối cấp nguồn 12VDC có chức năng cấp nguồn 12V cho khối điều khiển động cơ có thể hoạt động được
- Khối cảm biến: Sử dụng module cảm biến dò đường để nhận tín hiệu từ bên ngoài xong chuyển tín hiệu sang khối so sánh
Khối so sánh nhận tín hiệu từ cảm biến, tiến hành so sánh và khếch đại tín hiệu Kết quả là mức logic 0 được phát ra cho trạng thái có vạch và mức logic 1 cho trạng thái không vạch, sau đó chuyển tín hiệu đến khối điều khiển trung tâm để xử lý.
Khối điều khiển trung tâm sử dụng Arduino Uno R3 để nhận tín hiệu từ khối so sánh Sau đó, nó thực hiện các phép toán nhằm xác định trạng thái di chuyển của robot và xuất ra tín hiệu xung để điều khiển động cơ.
Khối điều khiển động cơ sử dụng module L298 để nhận và xử lý tín hiệu từ khối điều khiển trung tâm, nhằm điều hướng xe di chuyển một cách chính xác.
2.2.3 Nguyên lý hoạt động của hệ thống
Tín hiệu từ cảm biến được xử lý qua mạch so sánh và khếch đại, cho ra mức logic “0” khi có vạch và mức logic “1” khi không có vạch Dựa vào tín hiệu này, khối điều khiển trung tâm tính toán để xác định trạng thái di chuyển của robot, từ đó xuất ra tín hiệu xung PWM điều khiển động cơ thông qua mạch điều khiển sử dụng IC L298 Quá trình này giúp robot tự di chuyển theo quỹ đạo đã được xác định trước, nâng cao khả năng dò đường một cách chính xác và hiệu quả.
Thị trường hiện nay có nhiều loại cảm biến khác nhau, giúp robot dò đường chính xác và hiệu quả, bao gồm cảm biến la bàn điện từ, cảm biến tiếp xúc, cảm biến quang, bộ giải mã encoder, hệ thống định vị toàn cầu GPS và camera quan sát kết hợp công nghệ xử lý ảnh Bài báo này tập trung vào việc sử dụng các cặp cảm biến quang đặt ngang dưới thân robot, nhằm hỗ trợ robot di chuyển theo vạch k màu đen trên nền trắng.
Mạch cảm biến thu phát quang hoạt động dựa trên sự hấp thụ và phản xạ ánh sáng của các màu sắc khác nhau Vạch màu trắng phản xạ ánh sáng tốt hơn vạch màu đen, dẫn đến quang trở nhận được cường độ ánh sáng phản xạ cao, làm giảm giá trị điện trở và tạo ra điện áp V min thấp Ngược lại, vạch màu đen phản xạ ánh sáng kém hơn, khiến quang trở nhận được cường độ ánh sáng thấp, dẫn đến giá trị điện trở không giảm nhiều và tạo ra điện áp V max cao.
Sơ đồ mạch nguyên lý của cảm biến được thể hiện trong Hình 3.b, trong đó điện áp trên biến trở V ref được tính theo công thức (1) Điện áp này được sử dụng để so sánh với điện áp từ quang trở, từ đó chuyển đổi thành các mức logic: mức logic 0 tương ứng với 0V dc và mức logic 1 tương ứng với 5V dc, giúp vi điều khiển có thể hiểu được.
Hình 2.3 Mạch cảm biến LED quang trở
Khối điều khiển động cơ chuyển đổi tín hiệu từ khối điều khiển trung tâm thành tín hiệu điện áp để điều chỉnh tốc độ và chiều quay của động cơ Nhiều mạch điều khiển động cơ như mạch cầu H (BJT hoặc FET), mạch 1 FET + 1 relay, IC 298, và IC TD18200 có thể thực hiện nhiệm vụ này Việc lựa chọn mạch điều khiển phù hợp phụ thuộc vào ứng dụng cụ thể và các giá trị dòng điện, điện áp yêu cầu Bài báo này trình bày việc sử dụng IC L298 để thiết kế mạch điều khiển động cơ, với khả năng hoạt động ở điện áp tối đa 46Vdc và dòng điện định mức 5A IC L298 tích hợp 2 mạch cầu H, cho phép đảo chiều quay và thay đổi tốc độ quay của động cơ dễ dàng thông qua phương pháp PWM Sơ đồ mạch nguyên lý của khối điều khiển động cơ được thiết kế như hình 2.3.
Hình 2.4 Mạch điều khiển motor sử dụng L298
Lựa chọn linh kiện
Arduino đang ngày càng phổ biến trên toàn cầu, thể hiện sức mạnh vượt trội thông qua nhiều ứng dụng độc đáo từ cộng đồng nguồn mở Tuy nhiên, tại Việt Nam, việc áp dụng Arduino vẫn còn nhiều tiềm năng chưa được khai thác.
Arduino vẫn còn chưa được biết đến nhiều
Arduino is a fundamental open-source electronic prototyping platform that consists of both hardware and software components Technically, it can be regarded as a versatile tool for creating interactive electronic projects.
Arduino là một bộ điều khiển logic có thể lập trình, cho phép tương tác với môi trường thông qua cảm biến và hành vi lập trình sẵn Thiết bị này giúp việc lắp ráp và điều khiển các thiết bị điện tử trở nên dễ dàng hơn bao giờ hết Được phát triển để đơn giản hóa thiết kế và lập trình linh kiện điện tử, Arduino giúp người dùng tiếp cận công nghệ điện tử mà không cần nhiều kiến thức chuyên sâu Những thế mạnh của Arduino so với các nền tảng vi điều khiển khác là khả năng dễ sử dụng, tính linh hoạt và cộng đồng hỗ trợ đông đảo.
Lập trình Arduino hỗ trợ đa nền tảng, cho phép người dùng thực hiện trên nhiều hệ điều hành khác nhau như Windows, Mac OS, Linux trên máy tính để bàn và Android trên thiết bị di động.
- Ngôn ngữ lập trình đơn giản dễ hiểu
Arduino là một nền tảng mở, cho phép phần mềm chạy trên nó được chia sẻ và tích hợp dễ dàng vào nhiều nền tảng khác nhau.
- Mở rộng phần cứng: Arduino được thiết kế và sử dụng theo dạng module nên việc mở rộng phần cứng cũng dễ dàng hơn
- Đơn giản và nhanh: Rất dễ dàng lắp ráp, lập trình và sử dụng thiết bị
- Dễ dàng chia s : Mọi người dễ dàng chia s mã nguồn với nhau mà không lo lắng về ngôn ngữ hay hệ điều hành mình đang sử dụng
Arduino có nhiều module được thiết kế cho các ứng dụng khác nhau, chia thành hai loại chính: bo mạch chính với chip Atmega và bo mạch mở rộng chức năng Mặc dù các bo mạch chính tương tự về chức năng, chúng khác nhau về cấu hình như số lượng I/O, dung lượng bộ nhớ và kích thước Một số bo mạch còn tích hợp các tính năng kết nối như Ethernet và Bluetooth Các bo mạch mở rộng chủ yếu bổ sung tính năng cho bo mạch chính, ví dụ như kết nối Ethernet, Wireless và điều khiển động cơ.
Sử dụng chip AVR Atmega328 của Atmel Mạch arduino được lắp ráp từ các linh kiện dễ tìm và hướng đến đối tượng người dùng đa dạng
Arduino UNO sử dụng ba vi điều khiển 8 bit AVR: Atmega8, Atmega168 và Atmega328 Với khả năng xử lý các tác vụ đơn giản như điều khiển đèn LED nhấp nháy, xử lý tín hiệu cho xe điều khiển từ xa, và làm trạm đo nhiệt độ, độ ẩm hiển thị trên màn hình LCD, Arduino UNO mở ra nhiều ứng dụng đa dạng.
Arduino UNO có thể được cấp nguồn 5V qua cổng USB hoặc từ nguồn bên ngoài, với điện áp khuyên dùng là 7-12V DC và giới hạn là 6-20V Sử dụng pin vuông 9V là lựa chọn hợp lý khi không có nguồn từ cổng USB Nếu cấp nguồn vượt quá giới hạn, Arduino UNO sẽ bị hỏng.
Hình 2.5 Arduino UNO R3 Bảng 2 1 Đặc điểm kỹ thuật Arduino Uno R3
Vi điều khiển Atmega328 (họ 8bit) Điện áp hoạt động 5V – DC (chỉ được cấp qua cổng USB)
Tần số hoạt động 16 MHz
Dòng tiêu thụ 30mA Điện áp vào khuyên dùng 712V – DC Điện áp vào giới hạn 620V – DC
Số chân Digital I/O 14 (6 chân PWM)
Số chân Analog 6 (độ phân giải 10bit)
Dòng tối đa trên mỗi chân
Dòng ra tối đa (5V) 500 mA
Dòng ra tối đa (3.3V) 50 mA
Bộ nhớ flash 32 KB (Atmega328) với bootloader
GND (Ground) là cực âm của nguồn điện cung cấp cho Arduino UNO Khi sử dụng các thiết bị có nguồn điện riêng, các chân GND cần được kết nối với nhau để đảm bảo hoạt động ổn định.
5V: cấp điện áp 5V đầu ra Dòng tối đa cho phép ở chân này là 500mA
3.3V: cấp điện áp 3.3V đầu ra Dòng tối đa cho phép ở chân này là 50mA Vin (Voltage Input): để cấp nguồn ngoài cho Arduino UNO, bạn nối cực dương của nguồn với chân này và cực âm của nguồn với chân GND
IOREF trên Arduino UNO cho phép đo điện áp hoạt động của vi điều khiển, thường là 5V Tuy nhiên, không nên sử dụng chân này để lấy nguồn 5V vì chức năng chính của nó không phải là cung cấp điện.
RESET: việc nhấn nút Reset trên board để reset vi điều khiển tương đương với việc chân RESET được nối với GND qua 1 điện trở 10KΩ
Các cổng vào/ra: Arduino UNO có 14 chân digital dùng để đọc hoặc xuất tín hiệu
Vi điều khiển Atmega328 có hai mức điện áp là 0V và 5V, với dòng vào/ra tối đa 40mA trên mỗi chân Mỗi chân được trang bị các điện trở pullup từ, nhưng mặc định không được kết nối Ngoài ra, một số chân digital còn có các chức năng đặc biệt.
Chân Serial 0 (RX) và 1 (TX) trên Arduino Uno được sử dụng để gửi và nhận dữ liệu TTL Serial, cho phép giao tiếp với các thiết bị khác Kết nối Bluetooth thường được xem như một dạng kết nối Serial không dây Nếu không cần thiết phải giao tiếp Serial, nên tránh sử dụng hai chân này để tối ưu hóa hiệu suất.
Chân PWM (3, 5, 6, 9, 10 và 11) cho phép xuất xung PWM với độ phân giải 8bit, tương ứng với giá trị từ 0 đến 281, tạo ra điện áp từ 0V đến 5V thông qua hàm analogWrite() Điều này có nghĩa là bạn có thể điều chỉnh điện áp đầu ra ở các chân này, khác với các chân khác chỉ có mức điện áp cố định 0V và 5V.
Chân giao tiếp SPI gồm 10 (SS), 11 (MOSI), 12 (MISO), và 13 (SCK) Ngoài chức năng thông thường, các chân này còn hỗ trợ truyền dữ liệu qua giao thức SPI với các thiết bị khác.
PHÂN TÍCH THUẬT TOÁN PID VÀ ỨNG DỤNG TRONG ROBOT DÒ ĐƯỜNG
Giới thiệu
Thuật toán dò đường cho robot thường sử dụng một dãy cảm biến được sắp xếp đồng đều phía trước Robot sẽ phát hiện sự lệch hướng thông qua các trạng thái của cảm biến: nếu hai cảm biến ở giữa nhận diện đường đi, robot di chuyển thẳng; nếu các cảm biến bên phải nhận diện đường, robot lệch sang trái; và ngược lại, nếu các cảm biến bên trái nhận diện đường, robot lệch sang phải Thuật toán này đã được áp dụng thành công trong thiết kế robot dò đường.
Định nghĩa thuật toán PID
Bộ điều khiển vi tích phân tỉ lệ (PID) là một cơ chế phản hồi quan trọng trong các hệ thống điều khiển công nghiệp PID được sử dụng rộng rãi nhờ vào khả năng điều chỉnh chính xác và hiệu quả, làm cho nó trở thành bộ điều khiển phản hồi phổ biến nhất hiện nay.
Bộ điều khiển PID tính toán sai số bằng cách lấy hiệu giữa giá trị đo được và giá trị đặt mong muốn Để giảm thiểu sai số, bộ điều khiển điều chỉnh giá trị điều khiển đầu vào một cách tối ưu.
Nếu bạn không có kiến thức cơ bản về mô hình toán học của hệ thống điều khiển, bộ điều khiển PID là lựa chọn tối ưu Để đạt hiệu quả cao nhất, các thông số PID cần được điều chỉnh phù hợp với đặc điểm của hệ thống Mặc dù kiểu điều khiển không thay đổi, nhưng các thông số phải tương thích với tính chất riêng của từng hệ thống.
Bộ điều khiển PID sử dụng ba thông số chính, bao gồm tỉ lệ (P), tích phân (I) và đạo hàm (D), thường được gọi là điều khiển ba khâu Các thông số này giúp tối ưu hóa hiệu suất của hệ thống điều khiển, đảm bảo sự ổn định và độ chính xác trong quá trình điều khiển.
D Giá trị tỉ lệ xác định tác động của sai số hiện tại, giá trị tích phân xác định tác động của tổng các sai số quá khứ, và giá trị vi phân xác định tác động của tốc độ biến đổi sai số
Tổng hợp ba tác động (P, I, D) điều chỉnh quá trình thông qua các phần tử điều khiển như van và bộ nguồn gia nhiệt Giá trị này làm rõ mối quan hệ thời gian: (P) phụ thuộc vào sai số hiện tại, (I) dựa vào tổng lũy các sai số trong quá khứ, và (D) dự đoán sai số tương lai dựa trên tốc độ thay đổi hiện tại.
Phương pháp điều chế độ rộng xung (PWM)
Tốc độ quay của động cơ một chiều tỷ lệ thuận với điện áp đầu vào, vì vậy, việc điều chỉnh tốc độ quay của rotor có thể thực hiện dễ dàng bằng cách thay đổi mức điện áp cung cấp cho động cơ.
Nguyên tắc cơ bản để điều chỉnh tốc độ quay của động cơ bằng phương pháp PWM là giữ nguyên điện áp đầu vào và thay đổi thời gian áp dụng điện áp Khi thời gian mức cao T on trong chu kỳ xung ngõ vào động cơ tăng, điện áp trung bình cung cấp cho động cơ cũng tăng theo; ngược lại, khi thời gian mức thấp T off tăng, điện áp trung bình giảm Mối quan hệ giữa T on và T off được mô tả bằng độ rộng xung (duty_cycle), tính theo công thức cụ thể.
(a) Giản đồ độ rộng xung (b) Giản đồ xung với theo duty_cycle Hình 3.1 Giản đồ thời gian của xung PWM
Trong hình 3.1 (b), với chu kỳ xung 1kHz, thời gian xung mức cao T on là 0.3ms và thời gian xung mức thấp T off là 0.7ms, biên độ xung đạt 12Vdc Tốc độ quay của rotor là 1500 vòng/phút Tính toán cho thấy duty_cycle là 30%, dẫn đến điện áp trung bình vào động cơ là 3.6Vdc (12V x 30%) và tốc độ quay của rotor giảm xuống còn 450 vòng/phút (1500 x 30%).
Giải thuật điều khiển vi tích phân tỉ lệ (PID)
Thuật toán điều khiển vi tích phân (PID) điều chỉnh sai số giữa giá trị đo được và giá trị mong muốn bằng cách tính toán và xuất ra "hành động điều chỉnh" nhanh chóng, nhằm giữ cho lỗi ở mức tối thiểu Bộ điều khiển PID bao gồm ba thông số chính: Proportional (P), Integral (I) và Derivative (D), được thể hiện qua sơ đồ khối và phương trình tổng quát.
Hình 3.2 Sơ đồ khối giải thuật PID Phương trình PID tổng quát:
Hàm lỗi e(t) tại thời điểm t: độ lệch giữa giá trị mong muốn và giá trị đo được: e(t) = V set V mo (t) Trong đó:
V set : Setpoint Value (giá trị điện áp mong muốn)
V mo (t) : Measurable Output Value (giá trị điện áp đo được tại thời điểm t)
Proportional P(t) (hàm tỉ lệ): điều khiển tỉ lệ với giá trị lỗi hiện tại P(t) =
K p : hằng số tỉ lệ, tham số dùng để tinh chỉnh
Integral I(t) (hàm t ch phân): điều khiển tương ứng với mức lỗi được t ch lũy theo thời gian
K i : hằng số điều chỉnh hàm t ch phân
Derivative D(t) (hàm vi phân): điều khiển tương ứng với tốc độ thay đổi của lỗi, hay độ dốc lỗi theo thời gian
K d : hằng số điều chỉnh hàm vi phân.
Ứng dụng giải thuật trên robot dò đường
3.5.1 Mô hình PID áp dụng cho robot dò đường
Giải thuật PID được tích hợp vào điều khiển robot dò đường để tính toán và xuất ra giá trị PWM cho 2 động cơ gắn với bánh sau, dựa vào độ sai lệch giữa giá trị đo đạc và giá trị mong muốn Độ sai lệch, hay giá trị lỗi, được xác định là sự khác biệt giữa trạng thái hiện tại của robot và đường đi, tức là sự chênh lệch giữa giá trị cảm biến hiện tại và giá trị cảm biến khi robot di chuyển thẳng Việc áp dụng giải thuật PID cho robot dò đường sử dụng cảm biến quang được minh họa qua sơ đồ khối.
Hình 3.3 Sơ đồ khối ứng dụng giải thuật PID vào robot dò đường
Trước khi đề cập ứng dụng giải thuật PID vào robot dò đường, tác giả đưa ra các định nghĩa của các thuật ngữ liên quan
Vị trí mục tiêu Vset: trung tâm của đường đi, vị trí mà ta muốn robot hướng đến
Vị trí thực tại Vmo(t): vị trí thực của robot, có thể lệch bên trái hoặc lệch bên phải so với đường đi của robot
Lỗi e(t) là độ sai lệch giữa vị trí mục tiêu và vị trí thực của robot, có thể có giá trị âm, dương hoặc bằng 0 Độ sai lệch này được tính toán theo một công thức cụ thể.
Hệ số Kp, Ki và Kd là các hằng số quan trọng trong việc điều chỉnh ảnh hưởng của các khâu tỉ lệ, khâu tích phân và khâu vi phân trong hệ thống điều khiển.
Giải thuật PID bao gồm các phép toán để xác định giá trị cho khâu điều khiển tỉ lệ, vi phân và tích phân, nhằm xuất ra giá trị điều rộng xung PWM để điều khiển hai động cơ bánh sau của robot Khâu điều khiển tỉ lệ tính toán độ lệch của robot, giúp xác định xem robot đang lệch phải hay lệch trái so với đường đi và xuất ra giá trị PWM để điều chỉnh hướng di chuyển, đưa robot trở về vị trí mục tiêu Độ lệch được tính theo công thức: e(n) = V mo (n) – V set, trong khi đáp ứng của khâu tỉ lệ được tính bằng: P(n) = K p e(n).
Trong đó : n là số lần lấy mẫu
Hằng số K p càng lớn thì sự điều chỉnh càng lớn khi lỗi càng lớn
Ngược lại, K p càng nhỏ thì sẽ đáp ứng điều chỉnh nhỏ đối với lỗi
Khâu điều khiển tích phân tính toán dựa trên sai số t ch lũy theo thời gian, cho thấy mức độ lệch của robot so với đường đi Khi robot càng xa đường, sai số t ch lũy sẽ càng lớn, phản ánh khả năng bám đường của robot trong quá khứ.
E(n) e(n) n 1 Đáp ứng khâu t ch phân: I(n)= K i E(n) (11) Trong đó : n là số lần lấy mẫu
Khâu vi phân tính toán dựa trên sai số hiện tại Khâu này cho biết tốc độ robot dao động qua lại của đường đi
Tốc độ dao động: ∆e(n) = e(n) – e(n1) (12) Đáp ứng khâu vi phân: D(n) = K d ∆e(n) (13)
Cuối cùng, giá trị PWM để xuất ra điều khiển cho các động cơ điều khiển hoạt động của robot sẽ là
3.5.3 Hiệu chỉnh thuật toán PID
Khi áp dụng giải thuật PID để điều khiển robot dò đường, ban đầu robot không hoạt động như mong đợi do các hệ số Kp, Ki và Kd chưa được điều chỉnh phù hợp Mỗi robot có đặc tính vật lý riêng, vì vậy cần thay đổi các hệ số này cho phù hợp Tác giả đề xuất các bước thực nghiệm đơn giản nhằm xác định các hệ số Kp, Ki và Kd hiệu quả hơn.
3.6 Giới thiệu phần mềm Arduino IDE
Hình 3.4 Giao diện phần mềm Arduino IDE 3.6.2 Vùng lệnh
Bài viết mô tả các nút lệnh menu trong IDE, bao gồm File, Edit, Sketch, Tools và Help Dưới đây là các biểu tượng cho phép truy cập nhanh vào các chức năng thường dùng của IDE.
Hình 3.5 Các nút lệnh trong Arduino IDE
Hình 3.6 Vùng thông báo trong Arduino IDE
Thông báo từ IDE sẽ xuất hiện tại đây Lưu ý rằng góc dưới cùng bên phải hiển thị loại board Arduino và cổng COM đang sử dụng Việc chọn đúng loại board và cổng COM là rất quan trọng, nếu không bạn sẽ không thể tải lên mã của mình.
Trong bài viết này, chúng ta sẽ khám phá một số hướng dẫn khắc phục các lỗi phổ biến khi lập trình Arduino Những lỗi này thường gặp trong quá trình phát triển dự án và có thể gây khó khăn cho người lập trình Hãy cùng tìm hiểu cách nhận diện và sửa chữa những lỗi này để cải thiện hiệu suất và độ tin cậy của các ứng dụng Arduino.
Khi lập trình, bạn cần chọn cổng kết nối và tên board sử dụng Ví dụ, nếu bạn đang dùng mạch Arduino Uno và khi kết nối với máy tính qua cáp USB, nó được nhận diện là COM4, bạn chỉ cần điều chỉnh theo thông tin này để có thể lập trình thành công.
Hình 3.7 Chọn cổng kết nối cho Arduino Uno R3
THIẾT KẾ VÀ CHẾ TẠO ROBOT DÒ ĐƯỜNG
Thiết kế đường đi cho robot
Từ ý tưởng có sẵn sử dụng phần nềm Panit 3D để mô phỏng đường đi giúp cho việc chế tạo đường đi của robot dò đường được dễ dàng hơn
Hình 4.1 Mô phỏng đường đi trên phần nềm Paint 3D 4.2.2 Hệ thống đường line cho robot
Sử dụng băng keo cách nhiệt làm đường line cho robot mang lại nhiều lợi ích nhờ vào độ bám dính và sự đàn hồi tốt Băng keo này có kích thước phù hợp, giúp tạo ra các đường line chính xác và hiệu quả cho robot hoạt động.
Hình 4.2 Băng keo dùng làm đường line
Hình 4.3 Sân đi sau khi chế tạo
Kết quả thực nghiệm trên mô hình robot
Robot dò đường sử dụng thuật toán PID đã được thiết kế và chế tạo hoàn chỉnh, hiện đang trong quá trình sử dụng Robot này có khả năng tự động nhận biết đường line, cho phép nó hoạt động với độ chính xác cao.
Hình 4.5 Hoàn thiện robot dò đường
Phần tiếp theo sẽ áp dụng phương pháp PWM kết hợp với giải thuật PID, hay còn gọi là PWM vòng kín, để thực nghiệm trên mô hình robot thực tế Robot được thiết kế và chế tạo với 5 cặp cảm biến thu phát quang, mỗi cặp cách nhau 25mm, nhằm mục đích dò đường hiệu quả.
Vì, đường đi là vạch đen được k trên nền trắng và có bề rộng 30mm
Hình 4.6 Cảm biến hồng ngoại
PHẦN KẾT LUẬN KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN
Sau thời gian nghiên cứu dưới sự hướng dẫn tận tình của cô ThS Trần Thị Trà Vinh, em đã hoàn thành những nhiệm vụ quan trọng trong đề tài này.
- Tổng quan về robot dò đường
- Thuật toán PID sử dụng trong robot dò đường
- Thiết kế và chế tạo robot dò đường sử dụng thuật toán PID
- Cơ cấu truyền động, bánh xe áp dụng cho Robot dò line và tránh vật cản
- Chế tạo mô hình xe theo kích thước thực với linh kiện
- Thực hiện kết nối và trao đổi dữ liệu giữa thiết
- Tìm hiểu về các linh kiện cũng như cách thiết kế và làm mạch thủ công
- Đi sâu tìm hiểu một số thuật toán điều khiển
- Đề tài này rất phổ biến và có ứng dụng rất cao vào đời sống thực tiễn
- Ứng dụng công nghệ dò line tránh vật cản vào các hệ thống khác
- Thiết kế mạch điều khiển trung tâm, mạch công suất điều khiển động cơ.
- Mạch nhỏ gọn, các linh kiện rẻ
- Mạch hoạt động tốt, không gặp vấn đề trong quá trình chạy
- Bộ điều khiển hoạt động đúng với yêu cầu đặt ra, đạt giá trị tiệm cận với giá trị đặt (setpoint)
- Mạch còn thô sơ, dễ bị hư hỏng
- Bám line chưa ổn định
- Tiếp tục nghiên cứu về xe dò line và tránh vật cản một cách ổn định và chính xác nhất có thể
Cải tiến xa nhanh hơn bằng cách sử dụng động cơ có Encoder là mục tiêu chính của đồ án tốt nghiệp này Đồ án được thực hiện với sự nỗ lực cá nhân và sự hướng dẫn tận tình từ giáo viên Mặc dù có những thiếu sót không thể tránh khỏi, em hy vọng nhận được ý kiến đóng góp từ thầy cô trong hội đồng và các bạn để hoàn thiện đồ án hơn nữa.
Robot dò đường sử dụng thuật toán PID đã hoàn thành và hoạt động, tự dò vạch nhưng chưa phát huy hết tính năng Trong quá trình thực hiện đồ án, tôi đã tìm hiểu thêm về chức năng quét mã vạch, nhưng do điều kiện hạn chế, chưa thể áp dụng Nếu có cơ hội, tôi sẽ tiếp tục phát triển hệ thống để đáp ứng nhu cầu ngày càng cao Tôi hy vọng robot dò đường này sẽ được ứng dụng trong đời sống hàng ngày, không chỉ giới hạn trên mô hình.