Thiết kế robot tự hành đi theo đường vạch sẵn

Robot tự hành hay robot di động (mobile robots) được định nghĩa là một loại xe robot có khả năng tự dịch chuyển, tự vận động (có thể lập trình lại được) dưới sự điền khiển tự động để thực hiện thành công công việc được giao

BÁO CÁO ĐỒ ÁN Đề tài : THIẾT KẾ ROBOT TỰ HÀNH ĐI THEO ĐƯỜNG VẠCH SẴN Hà Nội, tháng 12 năm 2012 MỤC LỤC LỜI NÓI ĐẦU CHƯƠNG I : ROBOT TỰ HÀNH GIỚI THIỆU CHUNG I Lịch sử hình thành phát triển robot Xu hướng phát triển robot Giới thiệu robot tự hành II PHÂN TÍCH ĐỀ TÀI Nhiệm vụ thiết kế Mục tiêu thiết kế Thiết kế tuyến đường III THUẬT TỐN DỊ ĐƯỜNG 10 CHƯƠNG II: THỰC HIỆN ĐỀ TÀI 12 KẾ HOẠCH THỰC HIỆN 12 I Công việc 12 Phân công công việc 13 II THIẾT KẾ PHẦN CỨNG 13 Sơ đồ khối tổng quát hệ thống 13 Sơ đồ chi tiết khối 14 Mô mạch Proteus 19 KẾT LUẬN 20 TÀI LIỆU THAM KHẢO 21 Tóm tắt Robot tự hành hay robot di động (mobile robots) định nghĩa loại xe robot có khả tự dịch chuyển, tự vận động (có thể lập trình lại được) điền khiển tự động để thực thành công công việc giao Dưới hướng dẫn PGS.TS Nguyễn Văn Khang, đồ án II lần này, chúng em có ý tưởng thiết kế xe tự hành nhỏ gọn tự di chuyển đoạn đường định sẵn Sản phẩm ứng dụng sống : robot vận chuyển vật liệu, hàng hóa tịa nhà, nhà máy, cửa hàng, sân bay thư viện; robot phục vụ quét dọn đường phố ; robot kiểm tra môi trường nguy hiểm Summary Self – operated robots (also mobile robots) are defined as a kind of robotic vehicles sucessfully moving without a need to the hand of anyone (probably self – reprograming) under the automatic control for an attempt to accomplish the assigned tasks Under the careful and serious instruction of Associate Professor – Doctor Nguyen Van Khang, in the project II, an idea crossed our mind that to design an automatic vehicle of small size moving in a certain road section under no control, why not Possibly, the model will be made available in daily life: materials and goods transport robots in buildings, factories, shops, airports and libraries; robots serving as street sweepers; in – danger environment checking robots LỜI NÓI ĐẦU Ngày nay, với phát triển mạnh mẽ khoa học công nghệ, thiết bị máy móc dần tự động hóa, robot trở thành ứng dụng quan trọng sống Robot thay người làm công việc từ đơn giản đến việc địi hỏi xác cao Tầm quan trọng robot sống dẫn tới phát triển vượt bậc ngành công nghệ Thời gian học tập giảng đường trường Đại học Bách Khoa Hà Nội nói chung , Viện Điện tử -Viễn thơng nói riêng ,chúng em tiếp thu kiến thức khoa học cơng nghệ đại Đồng thời tính ứng dụng cao thiết thực sống nên nhóm em định chọn đề tài : “Thiết kế Robot tự hành theo đường vạch sẵn” nhằm áp dụng kiến thức mà thày cô giảng dạy vào sản phẩm mạch điện tử Qua chúng em có thêm nhiều kiến thức thực tế cho công việc sau Thực đề tài hướng dẫn PGS.TS Nguyễn Văn Khang, trình độ có hạn, chúng em chưa có nhiều kinh nghiệm thiết kế mạch nên thiết kế có nhiều sai xót, phương pháp thiết kế chưa tối ưu Chúng em mong nhận ý kiến đóng góp quý báu từ Thầy Chúng em xin gửi lời cảm ơn chân thành tới Thầy góp ý, giải đáp thắc mắc, hướng dẫn chi tiết, tận tình cho nhóm, qua giúp cho nhóm hiểu thêm nhiều điều hoàn thành đề tài Nhóm sinh viên thực CHƯƠNG I : ROBOT TỰ HÀNH I GIỚI THIỆU CHUNG Lịch sử hình thành phát triển robot - Gần nửa kỉ có mặt ngày có ứng dụng cao sống, robot có lịch sử phát triển hấp dẫn - Năm 1956, Engelberger xây dựng cơng ty sản xuất robot có tên Unimation Năm 1961, họ cho đời robot có tên Unimate Với thành cơng này, Engelberger gọi cha đẻ robot học Một ngành công nghiệp đời với nhiều công việc robot thực Robot công nghiệp Unimate robot sử dụng phổ biến giới Unimate robot cho nâng trọng lượng 500 pound với tốc độ nhanh Sau 20 năm cải tiến, robot có độ tin cậy cao dễ sử dụng - Năm 1969, Victor Scheinman - sinh viên chế tạo máy làm việc phịng thí nghiệm trí thơng minh nhân tạo Stanford chế tạo cách tay Stanford Thiết kế trở thành chuẩn mực ảnh hưởng nhiều đến thiết kế cánh tay robot ngày Đây cánh tay robot chạy điện điều khiển máy tính thành cơng Robot theo lộ trình tùy ý mở rộng khả cho ứng dựng phức tạp robot lắp ráp hàn hồ quang Cũng robot sử dụng để phát triển kỹ thuật lắp ráp công nghiệp cho cánh tay robot thương mại - Shakey robot di động suy luận hoạt động nó, trung tâm trí tụệ nhân tạo SRI (nay viện nghiên cứu Stanford, Menlo Park, California) phát triển từ năm 1966 năm 1972 Shakey tảng có ảnh hưởng to lớn đến trí thơng minh nhân tạo khoa học robot ngày - Từ năm 1979, phịng thí nghiệp Stanford tiếp tục đưa thiết kế mới, xe tự định vị Standford, xây dựng với mục đích ban đầu tạo thiết bị điều khiển từ xa lưu động (rover) mặt trăng - Từ năm 1967 1970, thiết kế lại để tự động theo vạch kẻ màu trắng đường Một máy tính từ xa điều khiển hoạt động xe nhờ thông tin truyền từ camera vô tuyến gắn xe Năm 1977 Hans Moravec tiếp tục thiết kế lại, trang bị cho camera vơ tuyến gắn đỉnh để chụp ảnh từ góc độ khác chuyển cho máy tính Máy tính tính tốn khoảng cách xe chướng ngại vật sau điều khiển xe vòng qua chướng ngại vật Năm 1979, Stanford Cart gần len lỏi qua phịng đầy bàn ghế - khơng có trợ giúp người Đây cột mốc đánh dấu thành cho cỗ xe tự định vị - Ở năm 1990, nước ta hoàn toàn chưa du nhập kĩ thuật robot, chí cịn chưa nhận nhiều thơng tin kỹ thuật lĩnh vực Từ năm 1990 nhiều sở công nghiệp bắt đầu nhập ngoại nhiều loại robot để phục vụ sản xuất tháo lắp dụng cụ cho trung tâm gia công, lắp ráp linh kiện điện tử, thao tác máy ép nhựa, hàn vỏ xe ô tô, xe máy, phun sơn… Xu hướng phát triển robot Các robot đại có xu hướng tăng tương lai, ngày hỗ trợ người nhiều hơn: tạo sản phẩm mới, bảo vệ sở hạ tầng người, chăm sóc nhà cửa, mua bán Một xu hướng phát triển nghiên cứu phát triển trí tuệ nhân tạo, mạng nơ-ron vào robot nhằm tạo robot thơng minh, có khả thích nghi với mơi trường xung quanh người Giới thiệu robot tự hành - Robot tự hành hay robot di động (mobile robots, thường gọi tắt mobots) định nghĩa loại xe robot có khả tự dịch chuyển, tự vận động (có thể lập trình lại được) điền khiển tự động để thực thành công công việc giao - Tiềm ứng dụng robot tự hành rộng lớn: robot vận chuyển vật liệu, hàng hóa tịa nhà, nhà máy, cửa hàng, sân bay thư viện; robot phục vụ quét dọn đường phố; robot kiểm tra môi trường nguy hiểm; robot canh gác, thám; robot khám phá không gian, di chuyển hành tinh; robot xe lăn phục vụ người khuyết tật; robot phục vụ sinh hoạt gia đình v.v - Cùng với phát triển mạnh mẽ hệ thống tự động hóa, robot tự hành ngày hoàn thiện cho thấy lợi ích cơng nghiệp sinh hoạt Một vấn đề quan tâm nghiên cứu robot tự hành làm để robot biết vị trí đứng di chuyển tới vị trí xác định, đồng thời tự động tránh chướng ngại vật đường Vì vậy, việc chế tạo thành cơng đề tài mở hướng tiếp cận góp phần thúc đẩy việc ứng dụng robot ngày nhiều vào đời sống hàng ngày nghiên cứu chế tạo - Mặc dù nhu cầu ứng dụng cao, hạn chế chưa giải robot tự hành, chi phí chế tạo cao, không cho phép chúng sử dụng rộng rãi Bài tốn tìm đường robot tự hành khơng phải loại toán đơn giản nhiều người nghĩ lúc ban đầu Trong đề tài này, tốn tìm đường giải mức độ không phức tạp: dò đường theo đường vạch sẵn II PHÂN TÍCH ĐỀ TÀI Nhiệm vụ thiết kế - Đề tài nhóm “Thiết kế Robot tự hành dị đường theo đường vạch sẵn” - Đứng phía người thiết kế:  Robot dịch chuyển theo đường thiết kế trước  Việc di chuyển robot lập trình sẵn dựa vi điều khiển  Lựa chọn linh kiện tiêu chí: giá thành hợp lý đảm bảo đủ chức năng, khả thiết kế sử dụng  Vi điều khiển sử dụng đề tài vi điều khiển PIC: 16F877A  Mạch nhỏ gọn, đẹp, tối ưu - Đứng phía người sử dụng:  Có tính ứng dụng cao sống, chi phí hợp lý  Robot hoạt động tốt, Kích thước nhỏ gọn, Giao diện dễ nhìn, dễ sử dụng Mục tiêu thiết kế - Kết đạt robot tự động có khả di chuyển theo đường định sẵn - Sản phẩm dễ dàng sử dụng nâng cấp - Chi phí khoảng 500k- 600k Thiết kế tuyến đường - Xe chạy đường màu trắng vẽ màu đen - Xe phát đường màu trắng nhờ cảm biến gắn vào xe - Ở cuối đường đi, ta vẽ đường màu trắng nằm ngang ( vng góc với vạch trắng mà xe chạy) Khi phát thấy vạch trắng nằm ngang này, xe dừng lại - Đường màu trắng có kích thước khoảng cách cảm biến cộng với lần đường kính cảm biến III THUẬT TỐN DỊ ĐƯỜNG  Ngun tắc điều khiển đơn giản robot lệch phía bên ta điều khiển cho robot "bẻ lái" hướng ngược lại gọi điều khiển ONOFF Ta cần cách điều khiển tốt hơn, cải tiến cách trên, ta cần phải xem xét thêm robot lệch nhiều hay để ta "bẻ lái" nhiều hay Đây gọi phương pháp điều khiển tỷ lệ Như giá trị điều khiển động tỷ lệ theo độ lệch  Với cảm biến hình vẽ thiết kế tuyến đường trên, ta có 17 trường hợp xảy ra: ( * ý: ledn : led n cảm nhận vạch trắng /ledn : led n không cảm nhận vạch trắng ) + Vùng trung tâm: led4 + led5 → Tốc độ động trái = 100% Tốc độ động phải = 100% + Lệch phải 1: /led3 + led4 + /led5 → Tốc độ động trái = 90% Tốc độ động phải = 100% + Lệch phải 2: led3 + led4 → Tốc độ động trái = 80% Tốc độ động phải = 90% + Lệch phải 3: /led2 + led3 + /led4 → Tốc độ động trái = 70% Tốc độ động phải = 80% + Lệch phải 4: led2 + led3 → Tốc độ động trái = 60% Tốc độ động phải = 70% + Lệch trái 1: /led4 + led5 + /led6 → Tốc độ động trái = 100% Tốc độ động phải = 90% + Lệch trái 2: led5 + led6 → Tốc độ động trái = 90% Tốc độ động phải = 80% + Lệch trái 3: /led5 + led6 + /led7 → Tốc độ động trái = 80% Tốc độ động phải = 70% + Lệch trái 4: led6 + led7 → Tốc độ động trái = 70% Tốc độ động phải = 60% + Lệch trái 5: /led6 + led7 + /led8 10 + Lệch phải 5: /led1 + led2 + /led3 → Tốc độ động trái = 50% Tốc độ động phải = 60% + Lệch phải 6: led1 + led2 → Tốc độ động trái = 40% Tốc độ động phải = 60% + Lệch phải 7: led1 + /led2 → Tốc độ động trái = 30% Tốc độ động phải = 60% + Lệch phải 8: Bit nhớ trái + /led1 → Tốc độ động trái = 20% Tốc độ động phải = 60% → Tốc độ động trái = 60% Tốc độ động phải = 50% + Lệch trái 6: led7 + led8 → Tốc độ động trái = 60% Tốc độ động phải = 40% + Lệch trái 7: /led7 + led8 → Tốc độ động trái = 60% Tốc độ động phải = 30% + Lệch trái 8: Bit nhớ phải + /led8 → Tốc độ động trái = 60% Tốc độ động phải = 20% * Khi gặp vạch trắng nằm ngang, cảm biến cảm nhận được, tốc độ động ( Bit nhớ phải set = xảy trường hợp /led6 + led7 + /led8 xảy trường hợp /led5 + led6 + /led7 Bit nhớ phải set = xảy trường hợp /led1 + led2 + /led3 xảy trường hợp /led2 + led3 + /led4 ) 11 CHƯƠNG II: THỰC HIỆN ĐỀ TÀI I KẾ HOẠCH THỰC HIỆN Công việc Tuần Cơng việc Tuần 3-4 Tìm hiểu đề tài & nhiệm vụ thiết kế Tuần 5-6 Lựa chọn linh kiện thích hợp xây dựng sơ đồ khối tổng quát hệ thống Tuần 7-11 Thiết kế phần cứng: +Xây dựng sơ đồ khối chi tiết cho khối + Thiết kế phương án tối ưu +Mô sơ đồ khối chi tiết hệ thống công cụ: Orcad, Proteus, Pic C… + Phần khung xe Tuần 12-15 Đặt mạch, kiểm tra mạch, hàn linh kiện, test hoàn thiện sản phẩm Tuần 16 Viết báo cáo 12 Phân công công việc Công việc Người thực - Xây dựng sơ đồ nguyên lý, layout mạch Kiều Văn Bằng - Code Phạm Ngọc Thao - Hàn linh kiện, test mạch Vũ Đức Cường - Thiết kế khung xe tự hành + viết báo cáo Nguyễn Thị Thảo II THIẾT KẾ PHẦN CỨNG Sơ đồ khối tổng quát hệ thống 13 Sơ đồ chi tiết khối 2.1 Khối cảm biến - Mạch cảm biến đóng vai trò giác quan robot để giúp robot nhận dạng mơi trường xung quanh để gửi tín hiệu vi điều khiển  Nguyên lý hoạt động: - Khi có ánh sáng điện trở quang trở giảm ngược lại, điện trở thay đổi cỡ từ 5k (khi có ánh sáng) đến 100k (khơng có ánh sáng), ta sử dụng led phát làm nguồn sáng cho => gặp trắng, ánh sáng phản xạ lên quang trở làm điện trở giảm xuống gặp vạch đen (băng keo đen) ánh sáng khó phản xạ nên quang trở nhận ánh sáng => trở tăng Từ dựa vào quang trở, robot phân biệt vạch trắng đen (dưới hỗ trợ opamp so sánh) 14 2.2 Khối vi xử lý trung tâm PIC 16F877A mạch loại có 40 chân,với cổng vào Port A(RA0÷RA5),Port B(RB0÷RB7),Port C(RC0÷RC7),Port D(RD0÷RD7),Port E(RE0÷RE2)  Một số thơng số PIC 16F877A CPU tốc độ cao:  có 35 cấu trúc lệnh 15  hầu hết cấu trúc lệnh chu kì máy, ngoại trừ lệnh rẽ nhánh chương trình chu kì máy  tốc độ làm việc: xung clock đến 20MHz, tốc độ thực thi lệnh 200ns  8Kx14 bit nhớ chương trình  nhớ liệu 368x8 byte RAM  nhớ liệu EEPROM với dung lượng256x8 byte Đặc điểm ngoại vi:  Timer0 : bit  Timer1 : 16 bit  Timer2: 8bit Timer dùng cho nhiều ứng dụng : định thời, capture, pwm,  chuẩn giao tiếp nối tiếp SSP, SPI, I2C  chuẩn giao tiếp song song PSP với chân điều khiển RD, WR, CS bên Đặc điểm tương tự:  kênh chuyển đổi ADC 10bit  modul so sánh tương tự: hai modul so sánh tương tự, modul tham chiếu điện áp chip lập trình được, lập trình nhiều chức đầu vào từ đầu vào điện áp bên trong, hai đầu so sánh sử dụng bên ngồi Một số đặc tính khác :  Bộ nhớ flash với khả ghi xóa 100.000 lần  Bộ nhớ EEPROM với khả ghi xóa 1.000.000 lần  Dữ liệu nhớ EEPROM lưu trữ 40 năm  Watchdog Timer với dao động  Chức bảo mật mật chương trình 16 2.3 Khối động  Xe có động gắn với bánh sau xe Động cấp nguồn acquy 12V Sử dụng module PWM để điều chế điện áp đặt lên đầu động cơ, điều khiển tốc độ động  Mạch cầu H mạch phổ biến để điều khiển động chiều IC L298 IC tích hợp nguyên khối gồm mạch cầu H bên Với điện áp làm tăng công suất đầu từ 5V – 47V , dịng lên đến 4A, L298 thích hợp ứng dụng công suất nhỏ động DC loại vừa  Tóm tắt chức chân L298: - chân INPUT: IN1, IN2, IN3, IN4 nối với chân 5, 7, 10, 12 L298 Đây chân nhận tín hiệu điều khiển - chân OUTPUT: OUT1, OUT2, OUT3, OUT4 ( tương ứng với chân INPUT) nối với chân 2, 3, 13, 14 L298 Các chân nối với động - Hai chân ENA ENB dung để điều khiển mạch cầu H L298 Nếu mức logic “1” (nối với nguồn 5V) cho phép mạch cầu H hoạt động, mức logic “0” mạch cầu H khơng hoạt động 17 - Chân VS ( 5V – 47 V) L298 điện áp nuôi động ,VSS điện áp tham chiếu để so sánh với chân logic đầu vào lên đến 7V (nhưng thường để 5V )  Diode mắc vào để chống dòng ngược động bắt đầu quay,vì động giai đoạn q độ sinh dịng điện ngược  IC 7404 sử dụng mạch có tác dụng: 2.4 Khối nguồn - Khối nguồn để cung cấp cho mạch hoạt động nguồn chiều 5V nguồn chiều 12V, sử dụng IC ổn áp LM7805 để ổn định điện áp nguồn,có led báo hiệu 18 Mô mạch Proteus 19 KẾT LUẬN Đề tài thiết kế chế tạo robot dò đường tự động giúp cho chúng em làm quen với việc sử dụng vi điều khiển, kĩ lập trình, phương pháp thu thập liệu từ cảm biến sensor, điều khiển động mạch phụ trợ khác Đây hội cho sinh viên chúng em làm quen nhiều với cách học tự nghiên cứu, làm việc nhóm, vận dụng kiến thức tìm hiểu học hỏi với hướng dẫn thày để có sản phẩm mạch điện tử Trong thời gian tiếp theo, có điều kiện, nhóm tiếp tục hoàn thiện, mở rộng thêm số chức sản phẩm Trong trình thực hiện, kiến thức cịn nhiều hạn chế kinh nghiệm làm mạch chưa có nên đề tài chúng em khơng thể tránh khỏi sai sót,cũng chức mạch cịn nhiều hạn chế, nhóm em mong góp ý từ Thầy để đề tài hồn thiện hơn, sớm đưa vào ứng dụng thực tế Chúng em xin chân thành cảm ơn 20 TÀI LIỆU THAM KHẢO Đề tài: “ Thiết kế robot mini tự hành dị đường” , Nhóm sinh viên Đại học Bách Khoa Đà Nẵng http://google.com.vn http://hlab.com.vn www.dientuvietnam.net http:// www.bkpro.info 21