Các linh kiện chính
Khối nguồn
Pin 18650 là pin có đường kính 180mm* chiều dài 650mm là loại pin có hiệu điện thế 3.7volt đến 4.2 volt, với dung lượng pin 3500mAh Có chức năng là cung cấp nguồn cho hệ thống.
Khối điều khiển Arduino R3
Hình 2.2: Khối điều khiển Arduino R3 [3]
Arduino là một board mạch vi xử lý nhằm xây dựng các ứng dụng tương tác với nhau hoặc với môi trường được thuận lợi hơn Được giới thiệu đến công chúng năm
2005 những nhà thiết kế mong muốn mang đến một cách thức đơn giản chi phí thấp để
2 khuyến khích sinh viên, người yêu thích có thể dễ dàng chế tạo ra những thiết bị có khả năng tương tác với môi trường qua các cảm biến và cơ cấu chấp hành
Arduino hiện nay đã rất phổ biến trên thế giới và chúng cũng được biết đến rộng rãi tại Việt Nam Với vô vàn những ứng dụng mở rộng độc đáo Arduino ngày càng chứng tỏ được sức mạnh của mình Arduino là một nền tảng mã nguồn mở được sử dụng để xây dựng các ứng dụng điện tử tương tác với nhau hoặc với môi trường được thuận lợi hơn Arduino giống như một máy tính nhỏ để người dùng có thể lập trình và thực hiện các dự án điện tử mà không cần phải có các công cụ chuyên biệt để phục vụ việc nạp code Arduino và Raspberry Pi là những công cụ hỗ trợ đắc lực cho lập trình và những hoạt động liên quan [3].
Với Arduino bạn có thể ứng dụng vào những mạch đơn giản như mạch cảm biến ánh sáng bật tắt đèn, mạch điều khiển động cơ, hoặc cao hơn nữa bạn có thể làm những sản phẩm như: máy in 3D, Robot, khinh khí cầu, máy bay không người lái,
Chân giao tiếp Digital (tín hiệu số):
Những chân có dấu ~ (3, 5, 6, 9, 10,11) là những chân có thể xuất ra xung có thể thay đổi độ rộng, được ứng dụng để điều khiển tốc độ động cơ hoặc độ sáng của đèn
Chân đọc tín hiệu Analog (tín hiệu tương tự):
Đọc tín hiệu Analog từ cảm biến để IC Atmega 328 xử lý
Chân cấp nguồn: Arduino UNO có thể được cấp nguồn 5V thông qua cổng
USB hoặc cấp nguồn ngoài với điện áp khuyên dùng là 7-12VDC và giới hạn là 6-20V Thường thì cấp nguồn bằng pin vuông 9V là hợp lí nhất nếu bạn không có sẵn nguồn từ cổng USB Nếu cấp nguồn vượt quá ngưỡng giới hạn trên, bạn sẽ làm hỏng Arduino UNO
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: điện áp hoạt động của vi điều khiển trên Arduino UNO có thể được đo ở chân này Và dĩ nhiên nó luôn là 5V Mặc dù vậy bạn không được lấy nguồn 5V từ chân này để sử dụng bởi chức năng của nó không phải là cấp nguồn.
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 chân này dùng để cấp nguồn cho các thiết bị bên ngoài như role, cảm biến, RC servo, …
Ngoài ra còn có các chân: Vin, Reset, IOREF
Bảng 2.1: Thông số cơ bản của Arduino R3 [3]
Vi điều khiển Atmega 328 (họ 8 bit) Điện áp hoạt động 5V – DC
Tần số hoạt động 16 MHz
Dòng tiêu thụ 30 mA Điện áp vào khuyên dùng 7 – 12 – DC Điện áp vào giới hạn 6 – 20 – DC
Số chân Digital I/O 14 chân (6 chân PWM)
Số chân Analog 6 chân (độ phân giải 10 bit)
Dòng tối đa trên mỗi chân I/O 30 mA
Dòng ra tối đa (5V) 500 mA
Dòng ra tối đa (3.3V) 50 mA
Chức năng là nhận tín hiệu từ cảm biến sau đó xử lí tín hiệu từ đó đưa tín hiệu ra để điều khiển các chức năng của xe robot.
Cảm biến siêu âm (đo khoảng cách) HY-SRF05
Cảm biến siêu âm UltraSonic HY-SRF05 được sử dụng để nhận biết khoảng cách từ vật thể đến cảm biến nhờ sóng siêu âm, cảm biến có thời gian phản hồi nhanh, độ chính xác cao, phù hợp cho các ứng dụng phát hiện vật cản, đo khoảng cách bằng sóng siêu âm [4].
Hình 2.3: Cảm biến siêu âm HY – SRF05 [4]
Bảng 3.2: Thông số kỹ thuật cảm biến siêu âm HY – SRF05 [4] Điện áp cung cấp DC – 5V
Cường độ dòng điện tiêu thụ 2 mA Điện áp ngõ ra ở mức cao 5V Điện áp ngõ ra ở mức thấp 0V
Góc phát hiện Không quá 15 độ
Khoảng cách phát hiện 2cm – 450cm Độ chính xác Độ chính xác cao lên đến 0.3cm
Chân VCC Chân cấp nguồn 5V
Chân Trigger (T) Kích hoạt quá trình phát sóng siêu âm Quá trình kích hoạt khi một chu kỳ điện áp cao/thấp diễn ra
Chân Echo (R) Bình thường sẽ ở trạng thái 0V, được kích hoạt lên 5V ngay sau khi có tín hiệu trả về, sau đó trả về 0V
Chân OUT Thường ít sử dụng
Chân GND Chân cấp nguồn GND (mass)
Nguyên lý hoạt động: Để đo khoảng cách, các bạn phát một xung ngắn (5 microSeconds) từ chân TRIG Sau đó cảm biến sẽ tạo ra một xung HIGH phản xạ ở chân này Chiều rộng của xung sẽ bằng với thời gian sóng siêu âm được phát từ cảm biến quay trở lại Tốc độ tương đương 29.412 microSeconds/cm (1 000 000/ (340*100)) Khi tính được thời gian ta chia cho 29.412 để lấy khoảng cách [4]
Hình 2.4: Tín hiệu xung cảm biến siêu âm [4]
Chức năng để xác định khoảng cách từ xe đến vật cản gửi về Arduino xử lí
Module điều khiển động cơ L298N
Hình 2.5: Module điều khiển động cơ L298N [5]
L298N là module điều khiển động cơ trong các xe DC và động cơ bước. Module có một IC điều khiển động cơ L298 và một bộ điều chỉnh điện áp 5V 78M05. Module L298N có thể điều khiển tối đa 4 động cơ DC hoặc 2 động cơ DC với khả năng điều khiển hướng và tốc độ.
Module điều khiển động cơ L298N có IC điều khiển động cơ L298, Bộ điều chỉnh điện áp 78M05, điện trở, tụ điện, LED nguồn, jumper 5V tích hợp.
Bộ điều chỉnh điện áp 78M05 chỉ được bật khi đặt jumper Khi nguồn điện nhỏ hơn hoặc bằng 12V thì mạch bên trong sẽ được cấp nguồn bởi bộ điều chỉnh điện áp và chân 5V có thể sử dụng như một chân đầu ra để cấp nguồn cho vi điều khiển Không nên đặt jumper khi nguồn điện lớn hơn 12V và chân 5V phải được cấp riêng bằng nguồn 5V cho mạch bên trong [5]
Chân ENA & ENB là chân điều khiển tốc độ cho Động cơ A và Động cơ B trong khi IN1 & IN2 và IN3 & IN4 là chân điều khiển hướng quay cho Động cơ A và Động cơ B
Hình 2.7: Tín hiệu điều khiển động cơ PWM [5]
Bảng 2.3: Thông số kỹ thuật module điều khiển động cơ L298N [5]
IN1 & IN2 Chân đầu vào điều khiển hướng quay động cơ A
IN3 & IN4 Chân đầu vào điều khiển hướng quay động cơ B
ENA Kích hoạt tín hiệu PWM cho động cơ A
ENB Kích hoạt tín hiệu PWM cho động cơ B
OUT1 & OUT2 Chân đầu ra cho động cơ A
OUT3 & OUT4 Chân đầu ra cho động cơ B
5V Cấp nguồn cho mạch logic bên trong IC L298N
GND Chân cấp nguồn GND (mass)
Servo SG90
Servo là một dạng động cơ điện đặc biệt Không giống như động cơ thông thường cứ cắm điện vào là quay liên tục, servo chỉ quay khi được điều khiển (bằng xung PPM) với góc quay nằm trong khoảng bất kì từ 0 o - 180 o Động cơ servo được thiết kế những hệ thống hồi tiếp vòng kín Tín hiệu ra của động cơ được nối với một mạch điều khiển Khi động cơ quay, vận tốc và vị trí sẽ được hồi tiếp về mạch điều khiển này Nếu có bất kỳ lý do nào ngăn cản chuyển động quay của động cơ, cơ cấu hồi tiếp sẽ nhận thấy tín hiệu ra chưa đạt được vị trí mong muốn Mạch điều
9 khiển tiếp tục chỉnh sai lệch cho động cơ đạt được điểm chính xác Các động cơ servo điều khiển bằng liên lạc vô tuyến được gọi là động cơ servo RC (radio-controlled) [6]
Hình 2.9: Tín hiệu điều khiển servo SG90 [6]
Bảng 2.4: Thông số kỹ thuật servo SG90 [6] Điện áp hoạt động 4.8 – 5V
Lực kéo 1.6 kg/cm Độ rộng xung 0.5ms – 2.5ms ứng với 0 – 180 độ
Tần số & chu kỳ 50Hz & 20ms
Dây nâu Dây GND (mass)
Dây cam Dây tín hiệu điều khiển
Chức năng: Servo để tạo góc quay cho cảm biến siêu âm
Động cơ (DC) và bánh xe
Hình 2.10: Động cơ (DC) và bánh xe [7] Động cơ (DC) vàng là mẫu động cơ giảm tốc được sử dụng nhiều nhất để chế tạo các loại robot mô hình Với đặc tính dễ sử dụng, tính ổn định cao, bền bỉ, giá cả cạnh tranh Combo Động Cơ Giảm Tốc Vàng 3V-9V Và Bánh Xe luôn được các nhà nghiên cứu phát triển chuyên nghiệp và không chuyên tin dùng [7]
Bảng 2.5: Thông số kỹ thuật động cơ DC [7] Điện áp hoạt động 3 – 9V
Chức năng: dẫn động tiến, lùi, sang trái, sang phải cho xe robot.
Thân xe
Thân xe được Tham khảo mẫu xe từ ứng dụng Maket Bot Thingiveres [8] Và mẫu xe chúng em chọn là “Nissan GTR” Sử dụng phần mềm Inventor để chỉnh sửa lại một số chi tiết trên xe và phần mềm Ultimaker Cura để chỉnh sửa phần in 3D
Hình 2.11: Thân xe trên phần mềm Ultimaker Cura
Các linh kiện khác
Dây cắm breadboard đầu đực đầu cái
HÌnh 2.12: Các linh kiện khác
KẾT QUẢ THIẾT KẾ, CHẾ TẠO VÀ THỬ NGHIỆM
Sơ đồ khối của hệ thống
Hình 3.1: Sơ đồ khối của hệ thống
Chức năng của từng khối:
Cảm biến đầu vào: xác định khoảng cách từ xe đến vật cản
Bộ điều khiển trung tâm: nhận tín hiệu của cảm biến đầu vào xử lí tín hiệu và đưa tín hiệu điều khiển để điều khiển xe robot
Bộ điều khiển động cơ: điều khiển động cơ tiến và lùi Động cơ: dẫn động cho xe robot
Khối nguồn: cung cấp nguồn cho bộ điều khiển trung tâm và bộ điều khiển động cơ.
Sơ đồ mạch chi tiết của hệ thống
Hình 3.2: Sơ đồ đấu dây của hệ thống
Bảng 3.1: Sơ đồ đấu dây
L298N Servo SRF - 05 Đế pin Bánh xe
Nguyên lí làm việc của mạch
Arduino là bộ xử lý trung tâm của robot với 14 ngõ Digital I/O số sẵn có.
Cảm biến siêu âm có 4 chân: Vcc, Trig, Echo và Gnd Vcc và Gnd được kết nối với các chân 5v và GND, chân Trig kết nối với chân digital 7 và chân Echo kết nối với chân digital 4 của Arduino.
Servo được sử dụng để tạo góc quay cho cảm biến siêu âm, tương tự như một radar hay mắt của robot tạo ra tầm nhìn cho nó để tránh vận cản trong phạm vi cụ thể Servo được kết nối và điều khiển từ chân digital 8 của Arduino.
L298N có các chân ENA, IN1, IN2, IN3, IN4, ENB, OUT1, OUT2, OUT3, OUT4, 12V, 5V, GND Các chân ENA, IN1, IN2, IN3, IN4, ENB là các chân ngõ vào để điều khiển IC các chân này nhận tín hiệu điều khiển từ các chân digital I/O 3, 5, 6, 9, 10, 11 của vi điều khiển là board arduino và các chân OUT1, OUT2, OUT3, OUT4 là ngõ ra và đi vào động cơ của robot, chân 12V, 5V và GND là chân để cung cấp nguồn cho module điều khiển động cơ
Động cơ 1, 2, xem như động cơ bên trái kết nối với chân OUT1 và OUT2,tương tự với động cơ 3, 4 kết nối với OUT3 và OUT4 của module điều khiển động cơ L298N.
Nguyên lý làm việc
Sau khi hoàn thành đổ chương trình và vận hành bật nguồn Robot Mạch điều khiển sẽ cấp nguồn cho các động cơ sẽ bắt đầu chạy di chuyển về phía trước và hướng đi về phía trước sẽ là hướng đi chính của xe robot, đồng thời hệ thống sẽ nhận tính hiệu từ cảm biến siêu âm sau đó phân tích dữ liệu vật cản Các thông tin được chuyển và xử lý bởi bộ điều khiển trung tâm Arduino Khi khoảng cách giữa vật cản và xe robot nhỏ hơn hoặc bằng 25cm xe robot sẽ dừng lại và điều khiển servo bắt đầu quay sang trái và sang phải một góc 90ᵒ để cho cảm biến siêu âm xác định khoảng cách bên trái và bên phải Nếu hướng bên phải không có chướng ngại vật và trống hơn hướng bên trái thì xe robot sẽ quay sang phải một đoạn với một góc 30ᵒ sau đó dừng lại rồi tiếp tục đi thẳng một đoạn 25cm sau đó dừng lại và quay cảm biến về bên trái để kiểm tra lại hướng bên trái nếu khoảng cách trái lớn hơn 25cm thì xe robot sẽ quay sang trái một đoạn với một góc 40ᵒ sau đó đi thẳng 25cm, sau đó mạch điều khiển trung tâm tiếp tục điều khiển cho xe quay sang phải một góc 10ᵒ để về hướng đi chính và tiếp tục đi thẳng về phía trước Và ngược lại nếu bên trái không có chướng ngại vật và trống hơn bên phải Và nếu vật cản bên trái và bên phải điều nhỏ hơn hoặc bằng 25cm thì xe
15 sẽ lùi lại một đoạn 25cm Quá trình này sẽ lặp lại với tất cả các vật cản tiếp theo khiRobot di chuyển.
Kết quả chế tạo
Sau khi thực hiện thiết kế và chế tạo mô hình thành viên đã chia công việc thực hiện:
In 3D thân xe và sơn màu cho xe.
Thiết kế thân xe với kích thước chiều dài 32 cm, cao 10 cm, ngang 14 cm và in3D hoàn thiện trong 2 ngày
Sau khi in3D hoàn thiện thân xe tiếp theo đó là xử lý bề mặt và sơn màu cho xe hoàn thiện trong 5 ngày
Thực hiện bố trí các linh kiện cho hợp lý lên mô hình xe và kết nối các linh kiện.
Hình 3.5: Bố trí linh kiện vào thân xe
Lắp đặt cảm biến lên đầu xe ở khoảng cách thích hợp.
Dưới đây là hình ảnh sau khi lắp ráp hoàn chỉnh Robot xe tự tránh vật cản và cho vận hành thử nghiệm.
Hình 3.6: Xe robot tránh vật cản hoàn thiện.
Kết quả thử nghiệm
Hình 3.7: Xe robot tự tránh vật cản đang chạy trên tuyến đường thẳng.
Xe robot tự hành được thiết kế mô phỏng chạy trên tuyến đường thẳng Khi bật nguồn lên thì xe sẽ chạy thẳng và cảm biến siêu âm bắt đầu hoạt động quét phía trước để nhận vật cản.
Hình 3.8: Xe robot gặp vật cản cách 25cm.
Khi gặp vật cản cách 25cm thì xe dừng lại tiến hành điều khiển servo bắt đầu quay sang trái và sang phải một góc 90ᵒ để cho cảm biến siêu âm xác định khoảng cách bên trái và bên phải Trong trường hợp này bên trái không có vật cản và trống hơn bên phải lúc này bộ điều khiển trung tâm sẽ điều khiển xe quay sang trái một đoạn với một góc 30ᵒ.
Hình 3.9: Xe robot tránh vật cản.
Sau khi xe robot đi sang trái xe sẽ đi thẳng một đoạn 25cm sau đó dừng lại.
Hình 3.10: Xe robot tránh vật cản
Quay cảm biến về bên trái để kiểm tra lại hướng bên trái nếu khoảng cách trái lớn hơn 25cm thì xe robot sẽ quay sang trái một góc 40ᵒ
Hình 3.11: Xe robot tránh vật cản
Nếu bên khoảng cách bên trái lớn hơn 25cm thì bộ điều khiển trung tâm sẽ điều khiển xe quay sang trái một đoạn với một góc 40 0 sau khi đi sang trái xe tiếp tục đi thẳng một đoạn 25cm và dừng lại
Hình 3.12: Xe robot qua vật cản tiếp tục đi thẳng.
Sau khi xe đã đi sang trái một góc 40 0 và đi thẳng một đoạn 25cm và dừng lại lúc này mạch điều khiển trung tâm điều khiển cho robot quay lại sang phải một góc 10 0 để xe quay trở về hướng đi chính và tiếp tục đi thẳng
CHƯƠNG: IV KẾT LUẬN VÀ ĐỀ XUẤT
Kết luận
Qua thời gian thực hiện đồ án “thiết kế và chế tạo mô hình xe robot tự tránh vật cản sử dụng mạch điều khiển Arduino”, nhóm chúng em thực hiện đã đạt được các kết quả sau:
Thiết kế và lựa chọn được các bộ phận chính để hình thành hệ thống điều khiển xe robot tránh vật cản
Hiểu được nguyên lí làm việc và cấu tạo của các chi tiết trong hệ thống điều khiển: như cảm biến siêu âm, mạch điều khiển động cơ L298N, mạch Arduino.
Sử dụng phần mềm để cắt chi tiết xe để in một cách dễ dàng hơn, sử dụng máy in 3D một cách thành thạo hơn
Học thêm được các ngôn ngữ lập trình và cách viết CODE để điều khiển xe robot.
Kết nối được các hệ thống mạch điện và kiểm tra các mạch điện.
Qua kết quả thử nghiệm cho thấy xe robot hoạt động ổn định, di chuyển khá chính xác khi vượt qua vật cản và quay trở lại hướng chính.
Đề xuất
Xe robot tránh vật cản có thể ứng dụng vào trong vận chuyển hàng hóa trong công nghiệp Là một ứng dụng thực tiễn xe robot tránh vật cản sẽ có nhiệm vụ vận chuyển hàng hóa nhanh chóng từ công đoạn này tới công đoạn khác Với khả năng tránh vật cản và đi về một hướng đã lập trình sẵn xe robot sẽ thực hiện nhiệm vụ này một cách nhanh chóng, chính xác và an toàn Việc sử dụng xe robot tránh vật cản để vận chuyển hàng hóa trong công nghiệp góp phần tăng tính đồng bộ và tăng năng suất lao động cho các doanh nghiệp