Xây dựng đặc tính của cảm biến tiệm cận cho robot di động

Báo cáo tổng kết đề tài nghiên cứu khoa học cấp sở năm 2018 MỤC LỤC MỞ ĐẦU 1 Lý chọn đề tài Mục đích đề tài Nội dung nghiên cứu Phương pháp nghiên cứu Ý nghĩa khoa học thực tiễn CHƯƠNG CƠ SỞ LÝ THUYẾT VỀ CẢM BIẾN TIỆM CẬN CHO ROBOT DI ĐỘNG 1.1 Lịch sử phát triển .4 1.2 Tổng quan cảm biến tiệm cận .6 1.2.1 Định nghĩa cảm biến tiệm cận 1.2.2 Nguyên lý làm việc 1.2.3 Cảm biến tiệm cận tín hiệu tương tự .9 1.2.4 Cảm biến tiệm cận tín hiệu số .10 1.3 Một số tiêu chuẩn trình đo cảm biến 12 1.3.1 Khoảng cách cảm biến 12 1.3.2 Hiện tượng trễ 13 1.4 Mơ hình động học để đo đặc tính cảm biến tiệm cận 15 CHƯƠNG 21 PHƯƠNG PHÁP ĐO 21 2.1 Sơ đồ nguyên lý đo đặc tính tĩnh cảm biến tiệm cận 21 2.2 Sơ đồ nguyên lý đo đặc tính động cảm biến tiệm cận 22 CHƯƠNG 25 KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN .25 3.1 Đo đặc tính tĩnh cảm biến tiệm cận 25 3.1.1 Thép không gỉ 301 chiều dày 0.06mm 26 3.1.2 99,99% Cu, chiều dày 0.05mm .27 3.1.3 99,99% Cu, chiều dày 0.025mm 27 Chủ nhiệm đề tài: ThS Nguyễn Hoài Báo cáo tổng kết đề tài nghiên cứu khoa học cấp sở năm 2018 3.1.4 Al, chiều dày 0.1mm .29 3.1.5 Al, chiều dày 0.15mm 30 3.1.6 Hợp kim, chiều dày 0.3mm 31 3.2 Đo đặc tính động cảm biến tiệm cận 32 3.2.1 Sự biến dạng nhôm sử dụng không sử dụng nhựa đặt bên 32 3.2.2 Hình dạng tín hiệu đầu sử dụng cảm biến tiệm cận loại tương tự loại số 35 3.2.3 Mối quan hệ tốc độ băng tải, khoảng cách cảm biến hình dạng tín hiệu 37 3.2.4 Hình dạng tín hiệu đầu thêm nhựa bên 45 3.2.5 Hình dạng tín hiệu đầu thay đổi chiều dày nhôm 47 KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN ĐỀ TÀI 49 Kết luận 49 Hướng phát triển đề tài 49 TÀI LIỆU THAM KHẢO 50 Chủ nhiệm đề tài: ThS Nguyễn Hoài Báo cáo tổng kết đề tài nghiên cứu khoa học cấp sở năm 2018 MỞ ĐẦU Lý chọn đề tài Đối với tất hệ thống điều khiển với phát triển xe khơng người lái, việc xác định đặc tính tĩnh cảm biến đóng vai trị quan trọng việc nghiên cứu đặc tính động học hệ thống Cảm biến tiệm cận ngày sử dụng phổ biến để ứng dụng điều khiển robot Vì dải khoảng cách cảm biến tương đối rộng nên cảm biến tiệm cận ứng dụng dò đường robot để phát chướng ngại vật khác Tín hiệu đầu từ loại cảm biến khác định vùng hoạt động khác robot di động Nếu tín hiệu xuất nhiễu khó khăn việc điều khiển robot thiết bị di động Với tất lý trên, tác giả chọn đề tài “Xây dựng đặc tính cảm biến tiệm cận cho robot di động” làm đề tài nghiên cứu khoa học Mục đích đề tài - Xây dựng đường đặc tính tĩnh biểu thị mối quan hệ khoảng cách cảm biến chiều dày vật liệu vật liệu khác - Xây dựng đường đặc tính động học biểu thị mối quan hệ vận tốc, chiều dày vật liệu khoảng cách cảm biến hai loại cảm biến: cảm biến tín hiệu số cảm biến tín hiệu tương tự - So sánh kết vùng hoạt động tối ưu robot di động môi trường thực tế Nội dung nghiên cứu - Nghiên cứu sở lý thuyết cảm biến tiệm cận cho robot di động Trong chương này, trình bày khái quát chung cảm biến tiệm cận, kết cấu nguyên lý làm việc Đồng thời nêu rõ tầm quan trọng cảm biến tiệm cận việc điều khiển robot di động Dựa vào nghiên cứu trước Chủ nhiệm đề tài: ThS Nguyễn Hoài Báo cáo tổng kết đề tài nghiên cứu khoa học cấp sở năm 2018 đây, đánh giá tầm quan trọng đặc tính tĩnh đặc tính động cảm biến tiệm cận - Nghiên cứu phương pháp đo đặc tính tĩnh đặc tính động cảm biến tiệm cận Trong chương này, đưa hai phương pháp đo mơ hình thực nghiệm để xác lập mối quan hệ thông số khác nhau: + Đặc tính tĩnh: Chiều dày vật liệu (Al, Cu, Steel, Alloy) khoảng cách cảm biến + Đặc tính động: Hình dạng tín hiệu, khoảng cách cảm biến tốc độ - Phân tích đánh giá kết đạt Dựa vào kết nhận được, tiến hành phân tích, so sánh đánh giá mối quan hệ thông số mơ hình đo đặc tính tĩnh mơ hình đo đặc tính động Từ đó, tìm vùng hoạt động tối ưu trình nhận dạng robot di động - Rút kết luận hướng phát triển đề tài Trong phần này, rút số kết luận mối quan hệ khoảng cách cảm biến chiều dày loại vật liệu khác Cũng khác biệt tín hiệu nhận có thay đổi thơng số khoảng cách cảm biến, vận tốc Từ đưa hướng phát triển tương lai nhằm hoàn thiện đặc tính Phương pháp nghiên cứu - Nghiên cứu kỹ sở lý thuyết cảm biến tiệm cận bao gồm: Loại cảm biến, tính chất vật lý, dải khoảng cách cảm biến thường dùng cho việc điều khiển, dò đường - Nghiên cứu lại tính chất vật lý vật liệu kim loại Al, Cu, Steel, Alloy để xem khác từ tính có ảnh hưởng đến tín hiệu nhận từ cảm biến Chủ nhiệm đề tài: ThS Nguyễn Hoài Báo cáo tổng kết đề tài nghiên cứu khoa học cấp sở năm 2018 - Thiết lập mơ hình tĩnh mơ hình động để đo đặc tính cảm biến xác Ý nghĩa khoa học thực tiễn - Nghiên cứu khai thác loại cảm biến tiệm cận, đặc biệt cảm biện tiệm cận loại điện cảm cho công tác đào tạo, đặc biệt chuyên ngành Sản xuất tự động - Ứng dụng cảm biến tiệm cận vào công việc đường robot di động thơng qua vùng hoạt động tối ưu - Việc phát chướng ngại vật với khoảng cách xa cho phép cảm biến tiệm cận có nhiều ưu điểm vượt trội loại cảm biến khác Đặc biệt với việc sử dụng cảm biến tiệm cận mức độ nhiễu tín hiệu đầu giảm thiểu đáng kể hoàn thiện mạch IC cảm biến Chủ nhiệm đề tài: ThS Nguyễn Hoài Báo cáo tổng kết đề tài nghiên cứu khoa học cấp sở năm 2018 CHƯƠNG CƠ SỞ LÝ THUYẾT VỀ CẢM BIẾN TIỆM CẬN CHO ROBOT DI ĐỘNG 1.1 Lịch sử phát triển Trong lĩnh vực tự động hóa, cảm biến tiệm cận phận điện tử lâu đời nhất, khơng ngừng phát triển để bắt kịp với xu thời đại Khoảng 50 năm trước, Walter Pepperl Wilfried Gehl tạo bước ngoặt tiến cơng nghệ máy tính thơng qua việc khám phá thay cho tiếp xúc học [30-33] Tại thời điểm này, số nhà nghiên cứu khác nhận mối tương tác vật thể kim loại cảm biến tiệm cận Hơn 10 năm trước đó, William B.Shockley dùng vật liệu bán dẫn để dễ dàng đánh giá thay đổi tín hiệu chuyển mạch Từ đó, việc phát minh loại cảm biến tiệm cận tín hiệu số trở thành điển hình sơ khai cách thức truyền liệu chuyên môn kỹ thuật tiến cơng nghệ tự động hóa Hình 1.1 Cảm biến tiệm cận hệ Chủ nhiệm đề tài: ThS Nguyễn Hoài Báo cáo tổng kết đề tài nghiên cứu khoa học cấp sở năm 2018 Khoảng 10 năm sau, cảm biến tiệm cận hệ trưng bày Các bề mặt hoạt động cảm biến thay đổi hiệu với khuếch đại dải hoạt động khác [28] Hơn nữa, hoàn thiện công nghệ dẫn đến đa dạng chủng loại cảm biến Vùng hoạt động loại cảm biến tiệm cận cung cấp khoảng cách chuyển đổi từ 20mm đến 40mm Trong hệ thống có nhiều thiết bị điện tử làm việc với nhau, điều cho phép chống lại nhiễu bên [29] Các cảm biến tiệm cận loại NPN PNP Hình 1.2 Cảm biến tiệm cận loại VariKont Chủ nhiệm đề tài: ThS Nguyễn Hoài Báo cáo tổng kết đề tài nghiên cứu khoa học cấp sở năm 2018 1.2 Tổng quan cảm biến tiệm cận 1.2.1 Định nghĩa cảm biến tiệm cận Cảm biến tiệm cận thiết bị điện tử dùng để phát đối tượng không cần tiếp xúc [1] Chúng nhận dạng xác vật thể mà không cần thông qua công tắc học Bên cạnh đó, cảm biến tiệm cận thiết kế cung cấp hoạt động xác lặp lại tốc độ cao,tốc độ cao lên đến 5000Hz Vì độ xác chúng tính tốn vịng 0.001inch [2] Cảm biến tiệm cận phát diện kim loại màu kim loại đen cách tạo trường điện từ tần số cao Chúng thường chế tạo cách sử dụng cuộn dây lõi pherit [3] Khi đối tượng chuyển động qua từ trường, dòng điện cảm ứng xuất bề mặt vật thể Dịng điện gây thay đổi đặc tính cuộn dây khiến lượng Cảm biến thiết kế để phát lượng trình chuyển đổi Từ kích hoạt tín hiệu đầu hai trạng thái ON OFF Khi đối tượng kim loại khỏi khu vực từ trường cuộn dây phục hồi trạng thái cảm biến trở lại lúc ban đầu 1.2.2 Nguyên lý làm việc Một cảm biến tiệm cận cảm ứng bao gồm bốn thành phần Có cuộn dây, mạch dao động, mạch phát mạch đầu [4] Cơ sở nguyên lý cảm biến cảm ứng cuộn dây HF, bị ảnh hưởng từ bên vật liệu kim loại Cuộn dây dao động mạch cộng hưởng LC, tích hợp lõi ferrite, tạo trường xen kẽ điện từ tần số cao - qua bề mặt động học Khi vật kim loại tiếp cận dòng điện xoáy tạo bề mặt mục tiêu tạo điện lượng (Q) giảm dần mạch dao động, đó, biên độ dao động bị giảm [5] Sự thay đổi biên độ dao động phát khuếch đại chuyển đổi thành tín hiệu chuyển mạch xác định giai đoạn đầu Cấu hình cảm biến tiệm cận hiển thị hình 1.3 Chủ nhiệm đề tài: ThS Nguyễn Hoài Báo cáo tổng kết đề tài nghiên cứu khoa học cấp sở năm 2018 d FERRITE CORE WITH COIL HOUSING Metal tape OSCILLATOR DETECTOR OUTPUT OUTPUT CABLE h Hình 1.3 Sơ đồ nguyên lý làm việc cảm biến tiệm cận Nhìn chung, cảm biến tiệm cận loại điện cảm hoạt động theo nguyên tắc thay đổi dịng điện cảm ứng có biến thiên từ trường [6] Nó phát có mặt khơng có mặt kim loại màu kim loại đen mà không cần phải tiếp xúc với bề mặt chúng Rất nhiều loại số chúng phát vật liệu kim loại thành phần tạo vật liệu dẫn điện Hình 1.4 minh họa ứng dụng cảm biến tiệm cận cho việc dò đường robot di động nhờ vào độ tin cậy xác Chủ nhiệm đề tài: ThS Nguyễn Hoài Báo cáo tổng kết đề tài nghiên cứu khoa học cấp sở năm 2018 Proximity sensor Mobile Robot Defect of metal tape h Metal tape h Hình 1.4 Ứng dụng cảm biến tiệm cận cho việc dò đường robot [7] Mỗi cảm biến tiệm cận có phạm vi hoạt động khác nhau, chúng bảo vệ khơng bảo vệ lớp vỏ [8] Trong đó, cảm biến có vỏ che chắn có dải hoạt động giảm dần so với cảm biến khơng có vỏ che chắn Các cảm biến tiệm cận loại che chắn có dải kim loại bao quanh đầu cảm biến, mà bao gồm cuộn dây quấn quanh lõi thép Trường điện từ loại cảm biến điều chỉnh bề mặt trước Đối với loại cảm biến không bảo vệ, có có dải kim loại phần đầu, trường điện từ rộng nhiều so với bề mặt cảm biến Hai loại cảm biến mơ tả hình 1.5 bên Chủ nhiệm đề tài: ThS Nguyễn Hoài