Thiết Kế Và Điều Khiển Robot Dò Line.docx

ĐỒ ÁN MÔN HỌC: HỆ THỐNG CƠ ĐIỆN TỬ THIẾT KẾ VÀ ĐIỀU KHIỂN ROBOT DÒ LINE Ngành: Kỹ thuật Cơ điện tử Lớp: Giảng viên hướng dẫn: ThS. Lê Tấn Sang Tp.HCM, ngày 01 tháng 07 năm 2021 BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ TP. HỒ CHÍ MINH ĐỒ ÁN MÔN HỌC: HỆ THỐNG CƠ ĐIỆN TỬ THIẾT KẾ VÀ ĐIỀU KHIỂN ROBOT DÒ LINE Ngành: Kỹ thuật Cơ điện tử Lớp: 18DCTA1 Giảng viên hướng dẫn: ThS. Lê Tấn Sang Tp.HCM, ngày 01 tháng 07 năm 2021 VIỆN KỸ THUẬT HUTECH PHIẾU GIAO ĐỀ TÀI TÊN MÔN HỌC : HỆ THỐNG CƠ ĐIỆN TỬ NGÀNH: KỸ THUẬT CƠ ĐIỆN TỬ 1. Họ và tên sinh viên/ nhóm sinh viên được giao đề tài (sĩ số trong nhóm 3): 2. Tên đề tài : Thiết kế và điều khiển Robot dò line (Follower Mobile Robot) 3. Các dữ liệu ban đầu : Thiết kế và chế tạo xe dò line di chuyển tốc độ cao trên sa bàn có các đặc điểm: Màu sắc đường line: đen; Màu nền: trắng; Bề rộng đường line: 26mm; Bề mặt địa hình di chuyển: phẳng; Mỗi robot mang trên người một vật nặng hình hộp chữ nhật có trọng lượng 2 Kg; Sa bàn theo yêu cầu 4. Nội dung nhiệm vụ : Tìm hiểu tổng quan về đề tài, từ đó đặt ra đầu bài và các số liệu cụ thể Thiết kế kết cấu cơ khí và hệ thống điện cho robot Thiết kế bộ điều khiển và mô phỏng giải thuật Thực nghiệm, hiệu chỉnh và viết báo cáo. 5. Kết quả tối thiểu phải có: 1) 01 tập thuyết minh trình bày đề tài 2) 01 Robot tìm đường trong mê cung 3) 4) Ngày giao đề tài: 05/04/2021 Ngày nộp báo cáo: 27/06/2021 Sinh viên thực hiện (Ký và ghi rõ họ tên các thành viên) TP. HCM, ngày 05 tháng 04 năm 2021 Giảng viên hướng dẫn (Ký và ghi rõ họ tên) ThS. Lê Tấn Sang VIỆN KỸ THUẬT HUTECH PHIẾU THEO DÕI TIẾN ĐỘ THỰC HIỆN ĐỒ ÁN MÔN HỌC & ĐÁNH GIÁ KẾT QUẢ THỰC HIỆN TÊN MÔN HỌC: HỆ THỐNG CƠ ĐIỆN TỬ NGÀNH: KỸ THUẬT CƠ ĐIỆN TỬ (Do giảng viên hướng dẫn ghi và giao lại cho sinh viên đóng vào cuốn báo cáo) 6. Tên đề tài: Thiết kế và điều khiển Robot dò line (Follower Mobile Robot) Tuần Ngày Nội dung thực hiện Kết quả thực hiện của sinh viên (Giảng viên hướng dẫn ghi) 1 06/04/2021 Giao đề tài - Tìm hiểu tổng quan 2 1304/2021 Tuần 1 - Tìm hiểu tổng quan - Giới thiệu - Phân tích các sản phẩm/mô hình hiện có - Các nghiên cứu liên quan - Các vấn đề liên quan - Đặt đầu bài 3 20/04/2021 Tuần 2 - Lựa chọn phương án thiết kế - Phương án về cơ khí - Phương án về điện - Phương án về điều khiển 4 27/04/2021 Tuần 3 - Thiết kế cơ khí - Tính toán, chọn động cơ - Hệ thống truyền động (nếu có) - Giải quyết các bài toán cơ bản về kích thước xe 5 04/05/2021 Tuần 4 - Thiết kế cơ khí - Bản vẽ 3D - Bản vẽ 2D 6 11/05/2021 Tuần 5 - Thiết kế hệ thống điện - Tính toán, lựa chọn nguồn điện - Tính toán, thiết kế hoặc khảo sát cảm biến - Khảo sát động cơ - Đặc tính kỹ thuật các thiết bị sử dụng - Bản vẽ sơ đồ đấu dây giữa các thiết bị. 7 18/05/2021 Tuần 6 - Mô hình hóa - Mô hình hóa động học robot - Hàm truyền động cơ (nếu cần) 8 25/05/2021 Tuần 7 - Thiết kế bộ điều khiển - Tiêu chí thiết kế bộ điều khiển - Giải thuật bám line 9 01/06/2021 Tuần 8 - Mô phỏng và thực nghiệm 10 08/06/2021 Tuần 9 - Mô phỏng và thực nghiệm 11 15/06/2021 Tuần 10 - Thực nghiệm. - Đánh giá kết quả 12 04/07/2021 Bảo vệ đồ án - Thuyết minh - Mô phỏng và Mô hình 7. Giảng viên hướng dẫn: ThS. Lê Tấn Sang 8. Sinh viên/ nhóm sinh viên thực hiện đề tài (sĩ số trong nhóm: 3): Cách tính điểm: Điểm quá trình = 0.5 x Tổng điểm tiêu chí đánh giá + 0.5 x điểm báo cáo ĐAMH Lưu ý: Tổng điểm tiêu chí đánh giá về quá trình thực hiện đồ án; Điểm báo cáo bảo vệ đồ án môn học; Điểm quá trình (Ghi theo thang điểm 10) Họ tên sinh viên Mã số SV Tiêu chí đánh giá về quá trình thực hiện đồ án Tổng điểm tiêu chí đánh giá về quá trình thực hiện đồ án (tổng 2 cột điểm 1+2) 50% Điểm báo cáo bảo vệ đồ án môn học (50%) Điểm quá trình = 0.5*tổng điểm tiêu chí + 0.5*điểm báo cáo Tính chủ động, tích cực, sáng tạo (tối đa 5 điểm) Đáp ứng mục tiêu đề ra (tối đa 5 điểm) 1 2 3 4 5 Võ Lê Hữu Phúc 1811030135 4 3.5 7.5 7.5 7.5 Văn Minh Khoa 1811030180 4 3.5 7.5 7.5 7.5 Võ Minh Tiến 1811020071 4 3.5 7.5 7.5 7.5 Ghi chú: Điểm số nếu có sai sót, GV gạch bỏ rồi ghi lại điểm mới kế bên và ký nháy vào phần điểm chỉnh sửa. Sinh viên thực hiện (Ký và ghi rõ họ tên các thành viên) TP. HCM, ngày 04 tháng 07 năm 2021. Giảng viên hướng dẫn (Ký và ghi rõ họ tên) Th.S Lê Tấn Sang LỜI CẢM ƠN e&f Lời đầu tiên, chúng em không biết nói gì hơn ngoài bày tỏ sự biết ơn sâu sắc đến các thầy và cô đã hỗ trợ chúng em trong thời gian vừa qua. Đặc biệt, chúng em xin bày tỏ sự kính trọng và lòng biết ơn sâu sắc nhất đến giáo viên hướng dẫn thầy Lê Tân Sang, thầy là người đã trực tiếp hướng dẫn, giúp đỡ cho chúng em có thể hoàn thành đồ án này một cách thuận lợi nhất. Trong quá trình học tập và nghiên cứu, nếu có những sai sót gì, kính mong thầy bỏ qua cho chúng em! Chúng em xin kính chúc các thầy luôn luôn khỏe mạnh và ngày một thành công hơn trên con đường giảng dạy của mình. Chúng em xin trân trọng cảm ơn.

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO

TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ TP HỒ CHÍ MINH

ĐỒ ÁN MÔN HỌC: HỆ THỐNG CƠ ĐIỆN TỬ

THIẾT KẾ VÀ ĐIỀU KHIỂN ROBOT DÒ LINE

Ngành: Kỹ thuật Cơ điện tử

Lớp:

Giảng viên hướng dẫn: ThS Lê Tấn Sang

Tp.HCM, ngày 01 tháng 07 năm 2021

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO

TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ TP HỒ CHÍ MINH

ĐỒ ÁN MÔN HỌC: HỆ THỐNG CƠ ĐIỆN TỬ

THIẾT KẾ VÀ ĐIỀU KHIỂN ROBOT DÒ LINE

Ngành: Kỹ thuật Cơ điện tử

Giảng viên hướng dẫn: ThS Lê Tấn Sang

Tp.HCM, ngày 01 tháng 07 năm 2021

VIỆN KỸ THUẬT HUTECH

PHIẾU GIAO ĐỀ TÀI

TÊN MÔN HỌC : HỆ THỐNG CƠ ĐIỆN TỬNGÀNH: KỸ THUẬT CƠ ĐIỆN TỬ

1 Họ và tên sinh viên/ nhóm sinh viên được giao đề tài (sĩ số trong nhóm 3):

2 Tên đề tài : Thiết kế và điều khiển Robot dò line (Follower Mobile Robot)

3 Các dữ liệu ban đầu : Thiết kế và chế tạo xe dò line di chuyển tốc độ cao trên sa bàn có các đặc điểm: Màu sắc đường line: đen; Màu nền: trắng; Bề rộng đường line: 26mm; Bề mặt địa hình di chuyển: phẳng; Mỗi robot mang trên người một vật nặng hình hộp chữ nhật có trọng lượng 2 Kg; Sa bàn theo yêu cầu

4 Nội dung nhiệm vụ :

Tìm hiểu tổng quan về đề tài, từ đó đặt ra đầu bài và các số liệu cụ thể

Thiết kế kết cấu cơ khí và hệ thống điện cho robot

Thiết kế bộ điều khiển và mô phỏng giải thuật

Thực nghiệm, hiệu chỉnh và viết báo cáo

5 Kết quả tối thiểu phải có: 1) 01 tập thuyết minh trình bày đề tài

2) 01 Robot tìm đường trong mê cung

3)

4) Ngày giao đề tài: 05/04/2021 Ngày nộp báo cáo: 27/06/2021

Sinh viên th c hi nực hiệnện

(Ký và ghi rõ h tên các thành viên)ọ tên các thành viên)

TP HCM, ngày 05 tháng 04 năm 2021

Gi ng viên hảng viên hướng dẫnướng dẫnng d nẫn

(Ký và ghi rõ h tên)ọ tên các thành viên)

ThS Lê T n Sangấn Sang

VIỆN KỸ THUẬT HUTECH

PHIẾU THEO DÕI TIẾN ĐỘ

THỰC HIỆN ĐỒ ÁN MÔN HỌC & ĐÁNH GIÁ KẾT QUẢ THỰC HIỆNTÊN MÔN HỌC: HỆ THỐNG CƠ ĐIỆN TỬ

NGÀNH: KỸ THUẬT CƠ ĐIỆN TỬ

(Do giảng viên hướng dẫn ghi và giao lại cho sinh viên đóng vào cuốn báo cáo)

6 Tên đề tài: Thiết kế và điều khiển Robot dò line (Follower Mobile Robot)

Kết quả thực hiện của sinh viên (Giảng viên hướng dẫn ghi)

1 06/04/2021 Giao đề tài- Tìm hiểu tổng quan

2 1304/2021 Tuần 1

- Tìm hiểu tổng quan

- Giới thiệu

- Phân tích các sản phẩm/mô hình hiện có - Các nghiên cứu liên quan - Phương án về điều khiển 4 27/04/2021 Tuần 3- Thiết kế cơ khí

- Tính toán, chọn động cơ - Hệ thống truyền động (nếu có)

- Giải quyết các bài toán cơ bản về kích thước xe

5 04/05/2021 Tuần 4- Thiết kế cơ khí - Bản vẽ 3D- Bản vẽ 2D

6 11/05/2021 Tuần 5- Thiết kế hệ thống điện

- Tính toán, lựa chọn nguồn điện

- Tính toán, thiết kế hoặc khảo sát cảm biến

- Khảo sát động cơ

- Đặc tính kỹ thuật các thiết bị sử dụng - Bản vẽ sơ đồ đấu dây giữa các thiết bị 7 18/05/2021 Tuần 6- Mô hình hóa - Mô hình hóa động học robot- Hàm truyền động cơ (nếu cần)

8 25/05/2021 Tuần 7- Thiết kế bộ điều khiển - Tiêu chí thiết kế bộ điều khiển- Giải thuật bám line 9 01/06/2021 Tuần 8- Mô phỏng và thực nghiệm

nNgàyNội dung thực hiệnKết quả thực hiện của sinh viên (Giảng viên hướng dẫn ghi)

10 08/06/2021 Tuần 9- Mô phỏng và thực nghiệm 11 15/06/2021

Tuần 10

- Thực nghiệm - Đánh giá kết quả

12 04/07/2021 Bảo vệ đồ án - Thuyết minh- Mô phỏng và Mô hình

7 Giảng viên hướng dẫn: ThS Lê Tấn Sang 8 Sinh viên/ nhóm sinh viên thực hiện đề tài (sĩ số trong nhóm: 3):

Cách tính điểm:

Điểm quá trình = 0.5 x Tổng điểm tiêu chí đánh giá + 0.5 x điểm báo cáo ĐAMH

Lưu ý: Tổng điểm tiêu chí đánh giá về quá trình thực hiện đồ án; Điểm báo cáo bảovệ đồ án môn học; Điểm quá trình (Ghi theo thang điểm 10)

Họ tên sinh viênMã số SV

Ghi chú: Điểm số nếu có sai sót, GV gạch bỏ rồi ghi lại điểm mới kế bên và ký nháyvào phần điểm chỉnh sửa.

Sinh viên thực hiện

(Ký và ghi rõ họ tên các thành viên)

TP HCM, ngày 04 tháng 07 năm 2021.

Giảng viên hướng dẫn

(Ký và ghi rõ họ tên)

Th.S Lê Tấn Sang

LỜI CẢM ƠN

Lời đầu tiên, chúng em không biết nói gì hơn ngoài bày tỏ sự biết ơn sâu sắc đến các thầy và cô đã hỗ trợ chúng em trong thời gian vừa qua.

Đặc biệt, chúng em xin bày tỏ sự kính trọng và lòng biết ơn sâu sắc nhất đến giáo viên hướng dẫn thầy Lê Tân Sang, thầy là người đã trực tiếp hướng dẫn, giúp đỡ cho chúng em có thể hoàn thành đồ án này một cách thuận lợi nhất Trong quá trình học tập và nghiên cứu, nếu có những sai sót gì, kính mong thầy bỏ qua cho chúng em!

Chúng em xin kính chúc các thầy luôn luôn khỏe mạnh và ngày một thành công hơn trên con đường giảng dạy của mình

Chúng em xin trân trọng cảm ơn.

CHƯƠNG 1 TÌM HIỂU TỔNG QUAN

1.1.Giới thiệu tổng quan về Robot bám đường

1.4.4Cấu trúc điều khiển

1.4.5Tìm hiểu giải thuật điều khiển

CHƯƠNG 2: PHƯƠNG ÁN THIẾT KẾ 10

2.1Lựa chọn kết cấu 10

2.2Đề xuất sơ đồ nguyên lý 10

2.3Đề xuất cảm biến 11

2.4Đề xuất bộ điều khiển 11

2.5Đề xuất cấu trúc điều khiển 12

2.6Đề xuất giải thuật điều khiển 12

4.1.3Chọn khoảnh cách cảm biến với sàn 21

4.1.4Tính toán khoảng cách giữa 2 cặp LED 22

4.1.5Tính toán số lượng cảm biến 24

4.2Thiết kế hệ thống điện - mạch điện: 26

4.2.1Lựa chọn Driver động cơ 26

4.2.2Nguồn và mạch ổn áp 28

CHƯƠNG 5 MÔ HÌNH HÓA HỆ THỐNG 29

5.1Mô hình hóa động học 29

5.2Mô phỏng hệ thống điều khiển 31

Sau khi có được sai số e, ta sử dụng bộ điều khiển PID để tính toán giá trị PWM cung cấp cho động cơ để xe di chuyển bám line 31

CHƯƠNG 6 HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN 34

6.1Lựa chọn bộ điều khiển 34

6.1.1Sơ đồ khối của bộ điều khiển 34

6.1.2Yêu cầu của bộ điều khiển và lựa chọn 34

6.2Giải thuật điều khiển 35

CHƯƠNG 7: THỰC NGHIỆM VÀ ĐÁNH GIÁ 39

TÀI LIỆU THAM KHẢO 41

DANH SÁCH HÌNH Ả

Hình 1 1 Robot đi theo vạch kẻ 13

Hình 1 2 Sa bàn di chuyển của Robot 14

Hình 1 3 Mô hình robot và sơ đồ nguyên lý 15

Hình 1 4 Mô hình và sơ đồ nguyên lý Robot VTT 15

Hình 1 5 Robot Mr.Zero 16

Hình 1 6 Sơ đồ nguyên lý robot 2 bánh chủ động 16

Hình 1 7 Robot 4 bánh xe chủ động 17

Hình 1 8 Nguyên lý của cảm biến quang 18

Hình 1 9 Vùng giao thoa của led phát và led thu 18

Hình 1 10 Giải thuật xử lý tín hiệu bằng phương pháp so sánh 19

Hình 1 11 Giải thuật xử lý tín hiệu cảm biến bằng phương pháp xấp xỉ 19

Hình 1 12 Cấu trúc hệ điều phân cấp 20

Hình 1 13 Cấu trúc hệ điều khiển tập trung 20YHình 2 1 Phương án lựa chọn 22

Hình 2 2 Sơ đồ nguyên lý 22

Hình 2 3 Bộ điều khiển Aduino 23

Hình 2 4 Phương pháp điều khiển tập trung 24

Hình 2 5 Điều khiển PID2Hình 3 1 Bánh xe chủ động 26

Hình 3 2 Bánh xe bị động 27

Hình 3 3 Mô hình các lực tác dụng lên bánh xe 27

Hình 3 4 Mô hình vật lí khi xe chuyển hướng 29

Hình 3 5 Sơ đồ phân bố linh kiện cho xe 30

Hình 3 6 Mô hình 3D robot xe dò line 3Hình 4 1 Cảm biến TCRT5000 32

Hình 4 2 Ảnh hưởng của của cách đặt cảm biến đền Xd 33

Hình 4 3 Vùng hoạt động của cảm biến 33

Hình 4 4 Tính toán thông số h 34

Hình 4 5 Khảo sát thực tế chiều cao đặt cảm biến 34

Hình 4 6 Phạm vi ảnh hưởng của 2 cặp LED khi đặt liền kề nhau 35

Hình 4 7 Khảo sát mức độ ảnh hưởng của 2 cảm biến đặt cạnh nhau 35

Hình 4 14 Tương quan giữa PWM và RPM của L2983Hình 5 1 Mô hình hóa động học robot dò line 41

Hình 5 3 Cách xác định sai số e_3 43

Hình 5 4 Bám line đoạn A-B-C-D-E-F-C-G-A 44

Hình 5 5 Bám line đoạn line G-A-C-E 45

Hình 6 1 Sơ đồ bộ điều khiển 46

Hình 6 2 Sơ đồ cấu trúc điều khiển tập trung 4 Hình 7 1 Hình thực tế của xe 51

Hình 7 2 Hình ảnh xe di chuyển trong sa bàn 51

DANH MỤC CÁC BẢ

Bảng 3 1 Các thông số đầu vào của xe 28Bảng 3 2 Thông số động cơ GA25 29Bảng 3 3 Các linh kiện trên xe 31YBảng 4 1 Thông số cảm biến TCRT5000 32Bảng 4 2 Tốc độ động cơ khi cấp xung PWM sử dụng Driver L298 39Bảng 4 3 Công suất điện cần cung cấp cho các thiết bị 4

Bảng 5 1 Thông số đầu vào mô phỏng 4

Bảng 6 1 Giá trị xung cho mỗi đoạn đường 48

CHƯƠNG 1

TÌM HIỂU TỔNG QUAN 1.1 Giới thiệu tổng quan về Robot bám đường

Như chúng ta đã biết nhu cầu công nghiệp, đời sống đang ngày càng hiện đại Là chất xúc tác đẩy mạnh thêm cuộc cách mạng công nghệ 4.0 Trong đó Robot dò đường là một khái niệm công nghệ rất quen thuộc với các sinh viên, kỹ sư trong ngành điện tự động hóa Nhưng khá là xa lạ với người dân làm trong các lĩnh vực khác

Trong thực tế Robot dò line được áp dụng rất nhiều trong các sản phẩm công nghệ Cũng như giúp ích con người trong đời sống các hoạt động hằng ngày Nhưng đầu tiên chúng ta hãy cùng tìm hiểu từ những thứ cơ bản nhất về Robot.

Robot dò line là loại Robot có thể đi theo đường vẽ có sẵn hoặc các vật cản, bản đồ để Robot có thể nhận biết và di chuyển Nhằm mục đích đi đến vị trí đề ra ban đầu Dù chỉ là 1 ứng dụng rất nhỏ, nhưng đây chính là cơ sở để phát triển những dự án lớn và tối tân hơn Robot vận chuyển công nghiệp, Robot dò đường tránh vật cản là những ứng dụng của robot dò line được phát triển lên

Vì vậy đề tài này sẽ thiết kế và điều khiển xe đua bám đường theo một quỹ đạo đường đi nhất định Mục đích đề tài là xe đua sẽ di chuyển trong quãng đường định sẵn với thời gian ngắn nhất và đảm bảo bám line theo yêu cầu đặt ra.

1.2 Xác định mục tiêu thiết kế

Thiết kế và chế tạo xe dò line di chuyển tốc độ cao trên sa bàn có các đặc

Hình 1 1 Robot đi theo vạch kẻ

Hình 1 2 Sa bàn di chuyển của Robot

- Màu sắc đường line: đen - Màu nền: trắng.

- Bề rộng đường line: 26mm.

- Bề mặt địa hình di chuyển: phẳng - Sa bàn được thể hiện trên Hình 0.1.

- Mỗi robot mang trên người một vật nặng có trọng lượng 2 Kg.

- Khi bắt đầu, robot được đặt tại vị trí START (điểm A), sau đó robot chạy theo thứ

tự đi qua các điểm nút quy định lần lượt :

(START)A→B→C→D→E→F→C→G→A→C→E (END)

Chọn các thông số ban đầu cho Robot như sau:  Tốc độ tối đa: vmax = 0,5 m/s

 Bán kính cong tối thiểu: Rmin = 500mm

Dựa trên kết quả mô phỏng và thực nghiệm của các đồ án đi trước lựa chọn sai số dò line trên đoạn đường thẳng và cong: emax = ±15 mm.

1.3 Các mẫu Robot bám đường đã chế tạo

 Đồ án môn học - Nhóm sinh viên Huỳnh Cao Trí Lớp CK16KSCD

 Cảm biến: 7 bộ cảm biến hồng ngoại

1.4 Tìm hiểu về kết cấu

1.4.1 Các kiểu sơ đồ nguyên lý

Có thể có nhiều cấu hình khác nhau cho bài toán mobile robot như: xe một bánh, hai bánh, xe ba bánh, xe bốn bánh, nhiều bánh, bánh xích, …

Tuy nhiên, để có cấu hình đơn giản phù hợp với điều kiện đường đua trơn phẳng, thì chỉ có cấu hình xe ba hoặc bốn bánh là khả thi Sau khi phân tích, mỗi phương án có các ưu nhược điểm như sau:  Xe ba bánh có hai bánh chủ động và một bánh đa hướng

bánh nên luôn đồng phẳng, có thể bẻ cua tương đối dể dàng qua các điểm chuyển + Nhược điểm: trọng tâm sẽ được dịch về phía sau nên khoảng cách từ trọng tâm đến đầu cảm biến lớn, việc bố trí cảm biến yêu cầu độ cân bằng tốt; đồng thời khi qua các góc lượn xe dễ bị mất cân bằng.

→ Phương án này thường sử dụng trong trường hợp xe di chuyển trên mặt phẳng, xe chở thêm tải được đặt cân bằng.

 Xe có 4 bánh chủ động:

Hình 1 6 Sơ đồ nguyên lý robot 2 bánh chủ động

+ Ưu điểm: Xe di chuyển linh hoạt, gia tốc và hãm nhanh, khoảng cách giửa các cảm biến và mặt đường được đảm bảo.

+ Nhược điểm: xe được dẫn động bởi 4 động cơ riêng biệt nên sẽ rất phức tạp để đồng bộ các động cơ này điều khiển phúc tạp.

→ Phương án này được sử dụng khi xe cần độ cứng vững cao, khó lật khi chuyển hướng gấp.

1.4.2 Các loại cảm biến

Có hai phương pháp thường được sử dụng cho robot dò line là phương pháp sử dụng camera và các loại cảm biến quang dẫn:

 Phương pháp sử dụng camera: lấy hình ảnh từ thực tế, sau đó xử lý để cho ra kết quả là vị trí góc lệch của xe so với đường tâm line Phương pháp này có độ chính xác cao, nhưng nhược điểm là tốc độ lấy mẫu chậm không ứng dụng trong trường hợp đòi hỏi tốc độ cao.

o Ưu điểm: Độ chính xác cao, ít bị nhiễu

o Nhược điểm: Yêu cầu xử lí nhiều, do đó đòi hỏi tốc độ xử lí phải

nhanh, nếu không sẽ làm giảm tốc độ của xe.

 Phương pháp sử dụng cảm biến quang được sử dụng rất phổ biến trong các cuộc thi robot dò line Điển hình như: quang điện trở hay

phototransistor kết hợp với LED Hai loại cảm biến này hoạt động với nguyên lý cơ bản giống nhau, bộ thu sẽ thu tín hiệu phản xạ từ bộ phát

xuống mặt đất Từ đó xử lý kết quả để xác định vị trí của xe so với đường line.

Phương pháp xử dụng cảm biến quang được sử dụng trong hầu hết các loại xe đua hiện nay

Hình 1 8 Nguyên lý của cảm biến quang

Hình 1 9 Vùng giao thoa của led phát và led thu

Đối với các loại cảm biến quang, tín hiệu tương tự từ cảm biến sẽ được hiệu chuẩn và xử lí bằng các giải thuật so sánh hoặc xấp xỉ để tìm ra vị trí tương đối của robot dò line với tâm đường line.

- Phương pháp thứ nhất: dùng bộ so sánh để xác định trạng thái đóng/ngắt của các sensor, sau đó suy ra vị trí xe theo một bảng trạng thái đã định sẵn (Hình 1.6) Phương pháp này có đặc điểm phụ thuộc chủ yếu vào mức ngưỡng so sánh của các sensor, do đó tốc độ xử lý rất nhanh.

- Phương pháp thứ hai: xấp xỉ ra vị trí của xe so với tâm đường line từ các tín hiệu tương tự từ cảm biến Có 3 giải thuật xấp xỉ được giới thiệu đó là xấp xỉ theo bậc 2, tuyến tính và theo trọng số (Hình 1.7) Đặc điểm của phương pháp này là phụ thuộc chủ yếu vào thời gian đọc ADC tất cả các sensor của vi điều khiển, do đó thời gian xử lý sẽ lâu hơn phương pháp 1 Tuy nhiên độ phân giải cao hơn đáng kể so với phương án đầu.

Hình 1 10 Giải thuật xử lý tín hiệu bằng phương pháp so sánh

a) Xấp xỉ bậc 2 (b) Xấp xỉ theo trọng số

Hình 1 11 Giải thuật xử lý tín hiệu cảm biến bằng phương pháp xấp xỉ

1.4.3 Tìm hiểu động cơ

Các xe đua dò line như Pika, HFBS-2, CartisX04, Thunderstorm, Impact… đều sử dụng động cơ DC có gắn encoder làm cơ cấu chấp hành Đặc điểm của động cơ DC đa dạng về kích thước, momen, chủng loại driver, dễ dàng lắp đặt và điều khiển chính xác do có thể kết hợp thêm encoder và được ứng dụng thêm bộ điều khiển PID để có thể điều chỉnh tốc độ hoặc vị trí chính xác theo yêu cầu.

1.4.4 Cấu trúc điều khiển

Robot dò line có các module chính bao gồm module sensor, module điều khiển và module điều khiển động cơ

Trong đó có hai phương pháp chính để kết nối các module đó với nhau là phương pháp điều khiển tập trung và phân cấp: Trong phương pháp điều khiển phân cấp, một MCU (Master) đảm nhận vai trò

xử lý thông tin nhận được từ một MCU (Slave) đọc tín hiệu từ cảm biến, và hai MCU (Slave) khác chịu trách nhiệm điều khiển động cơ Ưu điểm chính của cấu trúc hệ điều khiển phân cấp là chương trình điều khiển xử lý tín

Hình 1 12 Cấu trúc hệ điều khiển tập trung

hiệu riêng biệt, dễ dàng cho tác vụ thiết kế nhóm, dễ dàng sửa lỗi và update code điều khiển khi phát triển sản phẩm; có khả năng xử lý nhiều tác vụ cùng lúc, giúp giảm thiểu thời gian lấy mẫu Nhược điểm chính là tốn nhiều tài nguyên (4 MCU so với 1 MCU), phải quan tâm đến vấn đề giao tiếp giữa các MCU.

1.4.5 Tìm hiểu giải thuật điều khiển

Giải thuật điều khiển được dùng phổ biến cho các xe đua dò line là bộ điều khiển PD, PID, FIC cho hệ thống lái của xe kết hợp với PID cho từng động cơ như xe Bolt, Pika, Major (Robocomp 2014), Thunderstorm…

Ngoài ra, một bộ điều khiển phổ biến khác thường được ứng dụng cho mobile robot là bộ điều khiển tracking Thực nghiệm từ cho thấy bộ điều khiển này có thể giúp sai số bám line của robot trên đoạn đường thẳng và cong; đạt sai số tối đa 150mm khi gặp các đoạn line gấp khúc và tối đa 250mm khi robot thực hiện đổi hướng 90 độ

CHƯƠNG 2: PHƯƠNG ÁN THIẾT KẾ 2.1 Lựa chọn kết cấu

Kết cấu cơ khí của robot cần đảm bảo ổn định cho robot chạy ở vận tốc tối đa là 1m/ s và có khả năng thực hiện chuyển hướng ở những vị trí chuyển hướng gấp

Do robot chỉ cần bám theo đường cong bán kính lớn (R = 500mm), có khả năng thực hiện được việc đổi hướng tại các vị trí line bị gãy khúc và tính đơn giản trong kết cấu, mô hình động học; đồng thời giảm moment quán tính giúp hạn chế sự trượt bánh khi cua nên nhóm đã chọn sơ đồ nguyên lý hai bánh chủ động phía trước kết hợp bánh tự lựa phía sau.

2.2 Đề xuất sơ đồ nguyên lý

Hình 2 1 Phương án lựa chọn

Do robot chỉ cần bám theo đường cong bán kính lớn (R = 500mm), có khả năng thực hiện được việc đổi hướng tại các vị trí line bị gãy khúc và tính đơn giản trong kết cấu, mô hình động học; đồng thời giảm moment quán tính giúp hạn chế sự trượt bánh khi cua nên nhóm đã chọn sơ đồ nguyên lý hai bánh chủ động phía sau kết hợp bánh tự

lựa phía trước

+ Ưu điểm: Vì xe có 3 bánh nên luôn đồng phẳng, có thể bẻ cua tương đối dể dàng qua

các điểm chuyển hướng đột ngột và các bán kính cong nhỏ.

+ Nhược điểm: trọng tâm sẽ được dịch về phía sau nên khoảng cách từ trọng tâm đến đầu cảm biến lớn, việc bố trí cảm biến yêu cầu độ cân bằng tốt; đồng thời khi qua

các góc lượn xe dễ bị mất cân bằng

2.3 Đề xuất cảm biến

Từ yêu cầu đề bài về sai số bám line tối đa của robot (±15 mm) và khả năng giúp xe có thể bám line ở các đoạn đường gấp khúc đột ngột, các phương án sau về loại cảm biến và giải thuật xử lý sẽ được cân nhắc.

- Chọn cảm biến:

Sử dụng cảm biến LED kết hợp với phototransistor, tín hiệu đọc về dùng giải thuật xấp xỉ để tìm vị trí tâm đường line.

- Chọn giải thuật xử lý tín hiệu:

Với sai số yêu cầu ±15mm như đầu bài, các phương pháp có độ phân cao nên được lựa chọn

Với phương pháp xấp xỉ, sai số phụ thuộc vào số lượng cảm biến và cách chọn độ cao của chúng so với mặt đất Độ phân giải của phương pháp này cao hơn đáng kể so với phương pháp so sánh, giúp cho hệ thống sensor có thể đạt được sai số tốt hơn Tuy nhiên, thời gian đáp ứng của phương pháp này sẽ lâu hơn phương án trên do vi điều khiển cần thực hiện chuyển đổi ADC cho tất cả các cảm biến.

Hình 2 2 Sơ đồ nguyên lýHình 2 3 Sơ đồ nguyên lý

2.4 Đề xuất bộ điều khiển

Do yêu cầu thiết kế đơn giản, giá cả phù hợp nên đề xuất chọn bộ điều khiển Arduino với giá thảnh rẻ và phổ biến.

2.5 Đề xuất cấu trúc điều khiển

Hình 2 4 Bộ điều khiển Aduino

Để tránh tình trạng bị nhiễu hoặc rớt dữ liệu trong quá trình truyền dữ liệu ta chọn phương án cấu trúc điều khiển tập trung (Hình 2.2).

2.6 Đề xuất giải thuật điều khiển

Dựa vào yêu cầu robot phải bám được trên các đoạn đường thẳng, cong, hai phương án cho bộ điều khiển được đề xuất:

- Phương án 1: Bộ điều khiển PID

Đặc điểm của bộ điều khiển: Bộ điều khiển PID hoạt động theo cơ chế phản hồi vòng điều khiển, tính toán giá trị “sai số” là hiệu số giữa giá trị đo tín hiệu biến đổi và giá trị đặt mong muốn Bộ điều khiển sẽ thực hiện giảm tối đa sai số bằng cách điều chỉnh giá trị điều khiển đầu vào ( KP, KI , KD)

- Phương án 2: Bộ điều khiển tracking

Bộ điều khiển Following tracking được phát triển cho các mô hình robot bám line hiện nay, bộ điều khiển này vận hành dựa trên 3 sai số giữa xe và đường line theo phương tiếp tuyến e1 , theo phương pháp tuyến e2 , và theo góc lệch giữa xe với line e3, dựa vào các sai số này để điều khiển xe thông qua các biến điều khiển là vận tốc góc và vận tốc dài theo phương trình sau:

Hình 2 5 Phương pháp điều khiển tập trung

Hình 2 6 Điều khiển PID

Trong đó: k1, k2, k3 là các hệ số của bộ điều khiển

2.7 Chọn phương án thiết kế

Từ các đề xuất trên, ta tiến hành lựa chọn phương án phù hợp: - Sơ đồ nguyên lý: Robot 2 bánh chủ động và 1 bánh tự lựa

- Cảm biến: bộ LED hồng ngoại-Phototransistor và sử dụng giải thuật so sánh để tìm ra vị trí của robot so với đường line

- Động cơ: động cơ DC servo

- Cấu trúc điều khiển: bộ điều khiển tập trung - Giải thuật điều khiển: bộ điều khiển PID

CHƯƠNG 3: THIẾT KẾ CƠ KHÍ

Yêu cầu đặt ra:

+ Xe có thể chạy với vận tốc tối đa 𝑣𝑚𝑎𝑥 = 0,5 𝑚/𝑠 + Kết cấu xe nhỏ gọn, chắc chắn, không rung lắc

+ Xe có thể qua các đoạn cong (bán kính cong R= 500mm) với vận tốc tối ưu mà xe không bị lật.

3.1 Lựa chọn bánh xe

 Lựa chọn bánh chủ động

Bánh chủ động là bộ phận trực tiếp làm xe chuyển động Bánh xe phải có khả năng bám đường tốt, không trơn trượt, chịu tải ổn định, dễ dàng tháo lắp và thay thế Từ những yêu cầu trên ta có thể sử dụng bánh xe giảm tốc V1- V3 hoặc bánh Mecanum để làm bánh chủ động cho xe

Tuy có nhiều ưu điểm nhưng giá thành của bánh xe Mecanum khá cao và giải thuật điều khiển phức tạp nên nhóm quyết định sẽ sử dụng bánh xe giảm tốc V3 có đường kính D= 65 mm để làm bánh chủ động cho xe.

 Lựa chọn bánh bị động

Nhóm chọn bánh xe đa hướng AGV làm bánh bị động.

Hình 3 1 Bánh xe chủ động

3.2 Lựa chọn động cơ

Mục tiêu:

- Vận tốc mong muốn Vmax=0,5m/s - Thời gian mong muốn: t=1s

Hình 3 2 Bánh xe bị động

Hình 3 3 Mô hình các lực tác dụng lên bánh xe