Ứng dụng cảm biến khoảng cách lên mô hình ô tô đo đạc khoảng cách cảnh báo va chạm

Sử dụng sóng siêu âm: Cảm biến đo khoảng cách sử dụng sóng siêu âm để đo khoảng cách bằng cách phát ra một tín hiệu sóng và đo thời gian mà sóng này mất để quay trở lại.2.. Sử dụng sự th

TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT TP HỒ CHÍ MINH

KHOA ĐÀO TẠO CHẤT LƯỢNG CAO

BỘ MÔN CẢM BIẾN VÀ CƠ CẤU CHẤP HÀNH

BÁO CÁO CUỐI KỲ

GVHD : T.S Hà Lê Như Thành

SVTH : Phạm Ngọc Thái - 21146152

Nguyễn Văn Xuân Quí - 21146141 Kiều Anh Tuấn - 21146529

Năm học : 2022 – 2023

ĐỀ TÀI : ỨNG DỤNG CẢM BIẾN KHOẢNG

CÁCH LÊN MÔ HÌNH Ô TÔ ĐO ĐẠC KHOẢNG CÁCH CẢNH BÁO VA CHẠM

MỤC LỤC

PHẦN 1 : TỔNG QUAN 3

1.1 Định nghĩa 4

1.2 Các nguyên lý của cảm biến 4

PHẦN 2: THỰC NGHIỆM TRÊN CẢM BIẾN 6

2.1 Giới thiệu về cảm biến 6

2.2 Các thông số kỹ thuật 8

PHẦN 3: KẾT QUẢ THỰC NGHIỆM 9

3.1 Bảng thông số thực nghiệm 10

3.2 Bảng sai số dựa trên thực nghiệm 10

3.3 Biểu đồ đường đặc tính hàm truyền 11

PHẦN 4 : ỨNG DỤNG CẢM BIẾN 11

4.1 Giới thiệu về mô hình ứng dụng cảm biến 11

4.2 Ứng dụng của cảm biến trong mô hình 13

4.3 Thực nghiệm điều khiển 13

PHẦN 5 : KẾT LUẬN VÀ ĐỀ XUẤT 15

5.1 Đánh giá kết quả 15

5.2 Đánh giá các phương pháp đo đạc 15

5.3 Phương án khắc phục sai số 15

Phần 1 Tổng quan các nguyên lý chế tạo cảm biến cảm

biến đo khoảng cách

1 Các nguyên lý cơ bản của cảm biến đo khoảng cách

1 Sử dụng sóng siêu âm: Cảm biến đo khoảng cách sử dụng sóng siêu âm để đo khoảng cách bằng cách phát ra một tín hiệu sóng và đo thời gian mà sóng này mất để quay trở lại

2 Sử dụng tia laser : Các cảm biến đo khoảng cách sử dụng tia laser để đo khoảng cách Tia laser phát ra một tia sáng và sử dụng cảm biến để đo thời gian

mà tia sáng mất để quay trở lại

Tốc độ của ánh sáng laser là khoảng 299,792,458 mét mỗi giây hoặc xấp xỉ 299,8 triệu mét mỗi giây

3 Sử dụng sự thay đổi của từ trường: cuộn dây điện từ sẽ tạo ra vùng từ trường biến thiên nằm ở đầu cảm biến, nếu có một vật bằng kim loại nằm trong vùng đường sức của từ trường, trong kim loại sẽ hình thành dòng điện xoáy, dòng điện xoáy này tạo ra từ trường mới ngược với từ trường ban đầu, làm cho biên

độ dao động của từ trường giảm

Mạch trigger có nhiệm vụ giám sát biên độ dao động của từ trường, nếu có sự thay đổi về biên độ từ trường, mạch trigger sẽ tác động đến output, làm thay đổi trạng thái ngõ ra của tải

4 Dựa trên sự thay đổi của điện dung : nguyên lý hoạt động cơ bản của cảm biến điện dung dựa trên việc đánh giá sự thay đổi điện dung của tụ điện Bất kì vật nào đi qua trong vùng nhạy của cảm biến điện dung thì điện dung của tụ điện

sẽ thay đổi Sự thay đổi điện dung này phụ thuộc vào khoảng cách, kích thước

và hằng số điện môi của vật liệu.Điện dung thay đổi thì dung kháng sẽ thay đổi theo thì vật được phát hiện

Sự thay đổi điện dung này phụ thuộc vào khoảng cách vật tới cảm biến: Khi khoảng cách của vật càng ra xa thì điện dung giảm đi

Các nguyên lý này đều đóng vai trò quan trọng trong việc đo khoảng cách

và các ứng dụng thực tế của các cảm biến đo khoảng cách

PHẦN 2 : LÀM THỰC NGHIỆM TRÊN CẢM BIẾN SIÊU ÂM : cảm biến siêu âm HC-SR04

2.1 Giới thiệu về cảm biến

Cảm biến siêu âm HC-SR04 hoạt động dựa trên nguyên lý phát ra sóng siêu âm

và đo thời gian cho đến khi sóng phản chiếu quay trở lại

Để đo khoảng cách bằng cảm biến siêu âm HC-SR04, ta sẽ phát 1 xung rất ngắn (5 microSeconds) từ chân Trig Tiếp theo, 1 xung HIGH ở chân Echo sẽ được cảm biến tạo ra và phát đi lan truyền với tốc độ 340m/s trong không khí cho đến khi nhận lại được sóng phản xạ ở chân này Lúc này, độ rộng của xung sẽ bằng với thời gian sóng siêu âm được phát từ cảm biến và phản xạ lại tính toán khoảng cách giữa cảm biến và vật thể

Để tính toán khoảng cách, ta có thể sử dụng công thức:

Ghi chú: 343m / s = 0,0343 cm / us hoặc âm thanh sẽ

mất 29.145us để di chuyển một cm

Do đó, chúng ta có hai phương pháp để tính toán

một khoảng cách D:

- Biểu đồ mối quan hệ giữa thời gian tra về và khoảng cách

Cảm biến siêu âm có thể đo khoảng cách tuyến tính hoặc phi tuyến tùy thuộc vào loại cảm biến Tuy nhiên, cảm biến siêu âm đo khoảng cách tuyến tính phổ biến hơn

Tín hiệu đầu ra của cảm biến siêu âm HC-SR04 là một xung tín hiệu có độ dài tương ứng với khoảng cách đo được Nó là một xung tín hiệu có tần số cao, với

độ dài ở khoảng thời gian tính bằng micro giây Cụ thể, tín hiệu đầu ra được mô

tả như sau:

- Khi bạn cấu hình đúng cảm biến và kích hoạt nó, đầu ra sẽ chuyển từ mức thấp (LOW) lên mức cao (HIGH) trong khoảng thời gian 10 micro giây

- Sau đó, cảm biến bắt đầu phát sóng bức xạ siêu âm và chờ đợi cho đến khi sóng siêu âm được phản xạ lại

- Khi sóng siêu âm phản xạ trở lại, đầu ra của cảm biến sẽ chuyển từ mức cao (HIGH) xuống mức thấp (LOW) Độ dài của tín hiệu này tương ứng với khoảng cách đo được, và được tính bằng thời gian từ lúc phát sóng đến lúc phát hiện sóng phản chiếu

- Thời gian này được tính bằng micro giây và có thể được chuyển đổi sang đơn vị khoảng cách tương ứng (thường là đơn vị cm hoặc inch) bằng cách áp dụng công thức: khoảng cách = thời gian x vận tốc sóng âm / 2

- Nếu không phát hiện được sóng siêu âm phản xạ trong thời gian nhất định (thường là khoảng 38ms), cảm biến sẽ tự động chuyển đầu ra

về mức thấp (LOW)

Cảm biến siêu âm thường được thiết kế với dải đo khoảng cách khác nhau, phù hợp với các ứng dụng khác nhau Tuy nhiên, thông thường dải đo khoảng cách của cảm biến siêu âm nằm trong khoảng từ vài cm đến vài mét Ví dụ, một số cảm biến siêu âm thông dụng có dải đo khoảng cách từ 2 cm đến 450 cm Sai số cảm biến siêu âm đo khoảng cách phụ thuộc vào nhiều yếu tố khác nhau như chất liệu vật thể, nhiệt độ môi trường, áp suất, độ ẩm, độ chính xác của cảm biến và các yếu tố khác Tuy nhiên, thông thường sai số của cảm biến siêu âm

đo khoảng cách là khoảng 1-2cm Các công nghệ tiên tiến hơn hiện nay có thể đạt được sai số thấp hơn nhưng thường có giá thành cao hơn

Độ nhạy cảm biến siêu âm đo khoảng cách phụ thuộc vào nhiều yếu tố như chất liệu, kích thước và hình dạng của đối tượng cần đo, đặc tính của cảm biến và thông số kỹ thuật của thiết bị điều khiển Tuy nhiên, hầu hết các biến siêu âm có

độ nhạy trong khoảng từ vài mm đến vài cm và có thể chính xác đo được khoảng cách từ vài mm đến vài m đối với các đối tượng khác nhau

2.2 Các thông số kỹ thuật

Module cảm biến có 4 chân:

Chân VCC: Dùng để cấp nguồn 5v

Chân Trig: Chân digital output

Chân Echo: Chân digital input

Chân GND: Chân 0v

Trước khi đi vào tìm hiểu các phần tiếp theo của dòng cảm biến này, chúng ta cùng điểm qua một vài thông số kỹ thuật nổi bật của cảm biến siêu âm HC-SR04 như sau:

Model: HC-SR04

Điện áp làm việc: 5VDC

Dòng điện: 15mA

Tần số: 40 KHZ

Khoảng cách phát hiện: 2cm – 4m

Góc cảm biến: Không quá 15 độ

Độ chính xác cao: Lên đến 3mm

Chế độ kết nối: VCC / Trig (T-Trigger) / Echo (R-Receive) / GND

Phần 3 : KẾT QUẢ THỰC NGHIỆM

3.1 Bảng thông số thực nghiệm

Các lần đo Số liệu thực

tế (cm)

Số liệu cảm biến

đo được (cm)

Các lần

đo

Số liệu cảm

biến đo được

(cm)

Số liệu thực tế (cm)

Sai số giữa các lần đo

Phần trăm sai số (%)

3.3 Biểu đồ thực nghiệm thể hiện đặc tính hàm truyền

Khoảng

cách(cm)

Thời

gian (ms)

0 5 10 15 20 25 30 35 40 45

0

500

1000

1500

2000

2500

Biểu đồ đặc tính hàm truyền

Series2

Khoảng cách (cm)

KHOẢNG CÁCH

4.1 Giới thiệu về mô hình ứng dụng cảm biến

4.1.1 Cấu tạo của mô hình

Khung xe robot 3 bánh

Arduino UNO R3 SMD chip dán (kèm cáp)

Mạch Điều Khiển Động Cơ DC L298N

Cảm Biến Siêu Âm HC-SR04

Đế module cảm biến siêu âm HC-SR04

Động cơ servo SG90 180 độ

Hộp Pin 18650 2 cell có nắp và công tắc

Pin cell 18650 2000mAh x2

Jack DC đực có dây

Dây Cắm Test Board Đực Đực 30cm ( 10 sợi )

Dây Cắm Test Board Đực Cái 30cm ( 20 sợi )

- Khung xe :

+ Bánh xe 65mm (2 cái) + 1 bánh xe dẫn động

+ 2 Đô •ng cơ có hô •p giảm tốc , mức điện áp hoạt đô •ng 3 – 6V

+ Kích thước của khung xe 3 bánh là 220×150mm

- Arduino Uno R3

+ 2 chân Serial 0 (RX) và 1 (TX): dùng để gửi (transmit – TX) và nhận :

(receive – RX) dữ liệu TTL Serial Arduino Uno có thể giao tiếp với thiết bị khác thông qua 2 chân này

+ Chân PWM (~): 3, 5, 6, 9, 10, và 11: cho phép bạn xuất ra xung PWM với độ phân giải 8bit (giá trị từ 0 → 2 -1 tương ứng với 0V → 5V)8

LED: Có 1 LED được tích hợp trên bảng mạch và được nối vào chân +

D13 Khi chân có giá trị mức cao (HIGH) thì LED sẽ sáng và LED tắt khi ở mức thấp (LOW)

+ VIN: Chân này dùng để cấp nguồn ngoài (điện áp cấp từ 7-12VDC)

+ 5V: Điện áp ra 5V (dòng điện trên mỗi chân này tối đa là 500mA) + 3V3: Điện áp ra 3.3V (dòng điện trên mỗi chân này tối đa là 50mA) + GND: Là chân mang điện cực âm trên board.

Arduino UNO

+ IOREF: Điệp áp hoạt động của vi điều khiển trên và có thể đọc điện áp trên chân IOREF Chân IOREF không dùng để làm chân cấp nguồn

+ 32 KB bộ nhớ Plash: trong đó bootloader chiếm 0.5KB.

+ 2 KB cho SRAM: (Static Random Access Menory): giá trị các biến khai báo sẽ được lưu ở đây

+ 1 KB cho EEPROM: (Electrically Eraseble Programmable Read Only Memory): Là nơi có thể đọc và ghi dữ liệu vào đây và không bị mất dữ liệu khi mất nguồn

+ Trên Board Arduino Uno có 14 chân Digital được sử dụng để làm chân đầu vào và đầu ra và chúng sử dụng các hàm pinMode(),

digitalWrite(), digitalRead() Giá trị điện áp trên mỗi chân là 5V, dòng trên mỗi chân là 20mA và bên trong có điện trở kéo lên là 20-50 ohm Dòng tối đa trên mỗi chân I/O không vượt quá 40mA để tránh trường hợp gây hỏng board mạch

- Module điều khiển động cơ L298

+ Driver: L298N tích hợp hai mạch cầu H

+ Điện áp điều khiển: +5 V ~ +35 V

+ Dòng tối đa cho mỗi cầu H là: 2A

+ Điện áp của tín hiệu điều khiển: +5 V ~ +7 V

+ Dòng của tín hiệu điều khiển: 0 ~ 36mA

+ Công suất hao phí: 20W (khi nhiệt độ T = 75 ℃)

+ Nhiệt độ bảo quản: -25 ℃ ~ +130 ℃

+ 12V power, 5V power: là 2 chân cấp nguồn trực tiếp đến động cơ + Power GND : là chân GND cấp nguồn cho động cơ

+ 2 Jump A enable và B enable dùng cho phép động cơ chạy hoặc dừng

+ IN1, IN2, IN3, IN4: Là 4 chân input , chức năng nhận tín hiệu từ vi điều khiển hoặc Arduino để điều khiển động cơ

+ Output A: nối với động cơ A

- Động cơ DC giảm tốc

+ Điện áp hoạt động: 3V~ 9V DC (Hoạt động tốt nhất từ 6 – 8V) + Dòng không tải: 70mA (250mA MAX)

+ Mômen xoắn cực đại: 800gf cm min 1:48 (3V)

+ Tốc độ không tải: 125 Vòng/ 1 Phút (3V)

(Với bánh 66mm: 26m/1p)

208 Vòng/ 1 Phút (5V)

(Với bánh 66mm: 44m/1p)

- Động cơ servo SG90

+ Điện áp hoạt động: 4.8-5VDC

+ Tốc độ: 0.12 sec/ 60 deg (4.8VDC)

+ Lực kéo: 1.6 Kg.cm

+ Kích thước: 21x12x22mm

- Cảm biến siêu âm HC-SR04

+ Điện áp làm việc: 5V DC

+ Dòng điện hoạt động: 15mA

+ Tần số hoạt động: 40 KHZ

+ Khoảng cách phát hiện: 2cm - 4m

+ Tín hiệu đầu ra: mức cao 5V, mức thấp 0V

+ Góc cảm biến: Không quá 15 độ

+ Độ chính xác cao: Lên đến 3mm

+ Chế độ kết nối: VCC / Trig (T-Trigger) / Echo (R-Receive) / GND

4.2 Ứng dụng của cảm biến trong mô hình

- Cảm biến được gắn cùng với động cơ Servo ở đầu xe định hướng các hướng quay

để đo được khoảng cách các hướng đi để đưa ra quyết định chính xác cho xe

- Thiết bị cảm biến siêu âm được gắn vào đầu và đuôi xe để đo khoảng cách và báo hiệu khi xe di chuyển gần đến các vật cản Cụ thể, khi sử dụng, thiết bị này sẽ tạo ra các tia sóng hình nón để đo khoảng cách giữa các phương tiện hoặc chướng ngại vật đang đứng yên hay di chuyển

4.3 Thực nghiệm điều khiển

- Sử dụng vật cản và thước đo ở các mức 5cm, 10cm, 15cm, 20cm ta thu được số liệu

mà cảm biến đo được khoảng cách như sau :

+ 5cm :

20:45:36.862 -> Distance: 4.73cm

20:45:36.862 -> Distance: 4.73cm

20:45:36.895 -> Distance: 4.62cm

20:45:36.895 -> Distance: 4.73cm

20:45:36.928 -> Distance: 4.73cm

20:45:36.928 -> Distance: 4.73cm

20:45:36.961 -> Distance: 4.62cm

20:45:36.961 -> Distance: 4.73cm

+ 10cm

20:47:31.261 -> Distance:9.59cm

20:47:31.294 -> Distance:9.59cm

20:47:31.327 -> Distance: 9.42cm

20:47:31.327 -> Distance: 9.42cm

20:47:31.359-> Distance:9.59cm

20:47:31.359 -> Distance:9.47cm

20:47:31.394 -> Distance: 9.49cm

20:47:31.394-> Distance:9.59cm

20:47:31.427 -> Distance:9.59cm

+ 15cm

20:48:24.404-> Distance:14.69cm

20:48:24.404-> Distance:14.69cm

20:48:24.438 -> Distance: 14.69cm

20:48:24.438 -> Distance: 14.79cm

20:48:24.471 -> Distance: 14.69cm

20:48:24.504 -> Distance: 14.69cm

20:48:24.504 -> Distance: 14.69cm

20:48:24.537 -> Distance: 14.69cm

20:48:24.537 -> Distance: 14.69cm

20:48:24.570-> Distance: 14.69cm

20:48:24.570 -> Distance: 14.79cm

+ 20cm

20:50:35.364 -> Distance: 19.79cm

20:50:35.364 -> Distance: 19.77cm

20:50:35.397-> Distance:19.77cm

20:50:35.430 -> Distance:19.79cm

20:50:35.430 -> Distance: 19.79cm

20:50:35.463-> Distance:19.79cm

20:50:35.463-> Distance: 19.62cm

20:50:35.497 -> Distance: 19.72cm

20:50:35.497 -> Distance:19.72cm

20:50:35.531 -> Distance: 19.72cm

20:50:35.563 -> Distance:19.62cm

20:50:35.563 -> Distance: 19.72cm

PHẦN 5 : KẾT LUẬN VÀ ĐỀ XUẤT

5.1 Đánh giá kết quả

- Cảm biến siêu âm được sử dụng để đo khoảng cách, chuẩn đoán hình ảnh,

đo mức nước, với độ chính xác gần như tuyệt đối Đặc biệt, trong lĩnh vực

ô tô, cảm biến này còn hỗ trợ người điều khiển phát hiện chướng ngại vật và lùi xe một cách an toàn trong quá trình di chuyển hay dừng, đỗ

- Cần cải thiện độ nhiễu tín hiệu của cảm biến siêu âm.

5.2 Đánh giá các phương pháp đo đạc

- Phương pháp đo chưa chính xác

- Sai số là do:

+ Lỗi phát sóng âm đo của cảm biến

+ Do địa hình đặt cảm biến

+ Do vật để cảm biến phát hiện quá nhỏ

5.3 Phương án khắc phục sai số

Điểm hạn chế của máy

Hiện tại ROBOT còn 1 số nhược điểm như:

- Độ ổn định của hệ thống chưa tốt

- Môi trường đo có nhiều vật cản nhỏ khiến nhiễu tín hiệu đưa ra không chính xác

-

Hướng phát triển của ROBOT

- Thay cảm biến khác khi bị lỗi

- Sử dụng bề mặt phẳng để đặt cảm biến

- Sử dụng vật đủ lớn để cảm biến đễ dàng nhận được