đồ án môn học thiết kế hệ thống cơ điện tử đề tài thiết kế robot mê cung

Ví dụ: ứng dụng phương pháp mô phỏng luyệnthép để tìm đường đi ngắn nhất cho xe cứu hỏa, hay robot tự hành…Robot tự hành Mobile Robot là một thành phần có vai trò quan trọng trong ngànhR

TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHIỆP THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH

KHOA CÔNG NGHỆ CƠ KHÍ

BỘ MÔN THIẾT KẾ MÁY



ĐỒ ÁN MÔN HỌC

THIẾT KẾ HỆ THỐNG CƠ ĐIỆN TỬ

Đề tài: THIẾT KẾ ROBOT MÊ CUNG

Lớp học phần: 420300275108

Nhóm: 05GVHD: Nguyễn Viễn Quốc

Thành phố Hồ Chí Minh, tháng 12 năm 2023

BỘ CÔNG THƯƠNGTRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHIỆP THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH

KHOA CÔNG NGHỆ CƠ KHÍ

BỘ MÔN THIẾT KẾ MÁY



ĐỒ ÁN MÔN HỌC

THIẾT KẾ HỆ THỐNG CƠ ĐIỆN TỬ

Đề tài: THIẾT KẾ ROBOT MÊ CUNG

Lớp học phần: 420300275108Nhóm: 05

NHẬN XÉT CỦA GIÁO VIÊN

Thành phố Hồ Chí Minh, tháng 12 năm 2023

3

Báo cáo cuối kỳ Nhóm 5

MỤC LỤC

LỜI NÓI ĐẦU 6

NỘI DUNG 7

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN 7

1.1 Đặt vấn đề 7

1.2 Mục tiêu đề tài 7

1.3 Nội dung nghiên cứu 7

CHƯƠNG 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT 8

2.1 Tổng quan về trí tuệ nhân tạo 8

2.2 Khái niệm xe tự hành 8

2.3 Bài toán tránh vật cản 8

2.4 Hệ thống để xe tránh vật cản 9

CHƯƠNG 3: THIẾT KẾ VÀ THI CÔNG MÔ HÌNH ROBOT TỰ HÀNH 10

3.1 Tổng quan về phần cứng Robot tự hành 10

3.2 Lựa chọn thiết bị 10

3.3 Thực hiện giao tiếp giữa stm 32 với động cơ DC (sử dụng modul : L298N) 12

3.4 Mạch điều khiển (sử dụng Kit STM32F103C8T6) 13

CHƯƠNG 4: THUẬT TOÁN ĐIỀU KHIỂN 14

4.1 Thuật toán tìm đường đi cho Robot 14

CHƯƠNG 5: KẾT QUẢ THỰC NGHIỆM 16

5.1 Robot đã được thực hiện 16

5.2 Đọc giá trị Analog và hiện thị trên LCD 17

5.3 Sơ đồ khối của bộ ADC trong STM32F103 17

5.4 Tiến hành đo và đọc giá trị Analog của 4 cảm biến 19

5.5 Sơ đồ thuật toán và code 20

CHƯƠNG 6: KẾT LUẬN 21

TÀI LIỆU THAM KHẢO 22

your phone? Save

to read later on your computer

Save to a Studylist

LỜI NÓI ĐẦU

Đất nước ta đang từng bước phát triển, vì vậy nền khoa học kỹ thuật đóng vai trò quantrọng trong công cuộc công nghiệp hóa, hiện đại hóa đất nước Thế nên việc thiết kế và pháttriển những hệ thống truyền động là vấn đề cốt lõi trong cơ khí, mặt khác một nền côngnghiệp phát triển không thể thiếu một nền cơ khí hiện đại Hiểu biết nắm vững và vận dụngtốt lý thuyết vào thiết kế các hệ thống truyền động là những yêu cầu rất cần thiết đối với sinhviên

Trong cuộc sống xung quanh chúng ta có thể bắt gặp robot ở khắp nơi có thể nói nóđóng một vai trò quan trọng trong cuộc sống Đồ án môn học thiết kế hệ thống cơ điện tửgiúp ta tìm hiểu và thiết kế thực hiện công việc một cách tự động bằng sự điều khiển của máytính hoặc các vi mạch điện tử được lập trình Thêm vào đó, trong quá trình thực hiện sinhviên có thể hoàn thiện bổ sung kỹ năng lập trình điều khiển vi điện tử, điều rất cần thiết vớisinh viên Từ đây cộng với những kiến thức chuyên nghành nhóm sẽ tiếp cận được với hệthống thực tế, có cái nhìn tổng quan hơn để chuẩn bị cho đồ án tiếp theo và đồ án tốt nghiệp.Trong quá trình thực hiện đề tài của nhóm được giao là thiết kế robot mê cung Với vốnkiến thức còn hạn hẹp, nhóm em xin chân thành cảm ơn các thầy Nguyễn Viễn Quốc bộmôn, đặc biệt là thầy đã trực tiếp hướng dẫn, chỉ chỉ ra những lỗi sai của nhóm khi làm đề tàigiúp nhóm chúng em hoàn thành đồ án

Kính chúc quý thầy cô sức khỏe và hạnh phúc

5

NỘI DUNG

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN 1.1 Đặt vấn đề

Trong thời đại hiện nay, máy tính có thể giải được rất nhiều bài toán khó mà trước kiachưa giải quyết được Mặc dù vậy còn một số lớn các bài toán rất thú vị cần một thuật toánthích hợp để giải chúng Trong đó, các bài toán sử dụng trí tuệ nhân tạo là các bài toánthường gặp trong các ứng dụng thực tiễn Ví dụ: ứng dụng phương pháp mô phỏng luyệnthép để tìm đường đi ngắn nhất cho xe cứu hỏa, hay robot tự hành…

Robot tự hành (Mobile Robot) là một thành phần có vai trò quan trọng trong ngànhRobot học, một ngành không thể thiếu trong lĩnh vực tự động hóa Cùng với sự phát triểnmạnh mẽ của các hệ thống tự động hóa, robot tự hành ngày một được hoàn thiện và càng chothấy lợi ích của nó trong công nghiệp và sinh hoạt Một vấn đề rất được quan tâm khi nghiêncứu về robot tự hành là làm thế nào để robot biết được vị trí nó đang đứng và có thể dichuyển tới một vị trí xác định, đồng thời có thể tự động tránh được các chướng ngại vật trênđường đi Vì vậy, việc chế tạo thành công đề tài này sẽ mở ra một hướng tiếp cận mới và gópphần thúc đẩy việc ứng dụng của robot ngày càng nhiều vào trong đời sống hằng ngày vàtrong nghiên cứu chế tạo

1.2 Mục tiêu đề tài

Mục tiêu của đề tài là thiết kế, thực hiện, điều khiển robot tự hành Robot tự hành có thểhoạt động ổn định, tự tìm đường đi đến vị trí đích đã xác định sẵn trong mê cung, có thể họcnhanh chóng cách tìm đường đi khi thay đổi hình dạng mê cung, sử dụng thuật toán tìm kiếmtheo chiều sâu trong trí tuệ nhân tạo

1.3 Nội dung nghiên cứu

Dựa vào nguyên lý hoạt động của robot tự hành nhóm đã thiết kế mô hình bằng cácphương pháp cụ thể như sau:

- Khảo sát phân tích tổng hợp: phân tích cách thức hoạt động của robot tự hành để thiết kế

bộ phận dò tìm có độ chính xác cao nhất, bộ phận xử lí tín hiệu có tốc độ cao nhất đồng thời

có giá thành thấp và tuổi thọ cao…

- Khảo sát tính khả thi của từng thuật toán nhỏ trong trí tuệ nhân tạo

- Thực nghiệm: dùng phương pháp thực nghiệm để kiểm tra tính khả thi của từng thuậttoán, đồng thời mô phỏng hoạt động của robot trên Matlab.

- Đánh giá kết quả dựa trên quá trình thực nghiệm

CHƯƠNG 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT

2.1 Tổng quan về trí tuệ nhân tạo

Trí tuệ nhân tạo (Artificial Intelligence - AI) là một lĩnh vực trong khoa học máy tính,nghiên cứu về việc tạo ra các máy móc có khả năng thực hiện các tác vụ đòi hỏi trí thôngminh như của con người Trong khoa học máy tính, thuật ngữ “trí tuệ nhân tạo” thường được

sử dụng để mô tả các máy chủ (hoặc máy tính) có khả năng bắt chước các chức năng “nhậnthức” mà con người thường phải liên kết với tâm trí, như “học tập” và “giải quyết vấn đề”.Trí tuệ nhân tạo có thể được phân thành ba loại hệ thống khác nhau: trí tuệ nhân tạo phântích, lấy cảm hứng từ con người và nhân tạo

2.2 Khái niệm xe tự hành

Xe tự hành hay robot di động được định nghĩa là một loại xe có khả năng tự dịchchuyển , tự vận động để thực hiện thành công công việc được giao Theo lý thuyết, môitrường hoạt động của robot tự hành có thể là đất, nước, không khí, không gian vũ trụ hay sự

tổ hợp giữa chúng Địa hình bề mặt mà robot di chuyển trên đó có thể bằng phẳng, hoặc thayđổi lồi lõm,

2.3 Bài toán tránh vật cản

Tìm đường là một khoa học dẫn hướng robot tự di chuyển trog không gian làm việc củanó( mê cung) Trong vấn đề tìm đường, bài toán lớn nhất đặt ra là tìm được hướng về đíchđúng và nhanh nhất mà không chạm vào các vật cản trên đường( không để robot va chạm vàotường)

Có 2 loại bài toán tìm đường cho robot:

- Bài toán cục bộ: Môi trường làm việc của robot hoàn toàn không biết trước hoặc chỉbiết một phần Robot hoàn toàn nhờ vào các cảm biến để dò và tìm hướng đi Ở đâyrobot phải tính toán thử và sai nhiều lần để có hướng đi đúng

- Bài toán toàn cục: Robot đã biết trước được địa hình của mê cung, vì vậy bài toán ở đâychỉ cần lập trình để chỉ dẫn robot đến đích như mong muốn

7

Theo như luật của ban tổ chức công bố, địa hình mê cung sẽ được biết trước nên nhómtập trung vào giải quyết bài toán toàn cục với 5 cảm biến hồng ngoại( 1 cảm biến đằng trước,

2 cảm biến bên trái và 2 cảm biến bên phải) Môi trường hoạt động của robot là mặt phẳnggiới hạn bởi các bức tường

2.4 Hệ thống để xe tránh vật cản

Hệ thống tổng quan gồm 4 bộ phận chính: Năm cảm biến hồng ngoại, hai bánh xe có gắnđộng cơ 1 chiều, laptop, vi điều khiển STM32F103C8T6 và driver điều khiển động cơ.Các thành phần phối hợp hoạt động như sau: Khi robot di chuyển ở giữa trong mê cungthì bốn cảm biến hồng ngoại giá trị Analog bằng nhau Khi robot tới ngã rẽ hồng ngoại ởđầu robot sẽ nhận biết vật cản sau đó động cơ 1 sẽ ngừng động cơ 2 sẽ hoạt động xoay bênngã rẽ, sau đó robot chạy thẳng

CHƯƠNG 3: THIẾT KẾ VÀ THI CÔNG MÔ HÌNH ROBOT TỰ HÀNH

3.2 Lựa chọn thiết bị

4.1 Lựa chọn động cơ

9

Mô tả: Cảm biến vật cản hồng ngoại có khả năng phản ứng mạnh ánh sáng xung quanh,

có cặp truyền và nhận tia hồng ngoại Khoảng cách phát hiện có thể được điều chỉnh bằngbiến trở ,cố định dễ dàng và sử dụng thuận tiện Khi bật nguồn, đèn báo nguồn màu đỏ.Ứng dụng: sử dụng rộng rãi trong nhiều ứng dụng như tránh chướng ngại vật robot, xeđẩy tránh chướng ngại vật, đếm đường và vạch đen trắng

* Thông số kỹ thuật:

 Driver: L298N tích hợp hai mạch cầu H

 Điện áp điều khiển: +5 V ~ +12 V

 Dòng tối đa cho mỗi cầu H là: 2A (=>2A cho mỗi motor)

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

 Dòng của tín hiệu điều khiển: 0 ~ 36mA (Arduino có thể chơi đến 40mAnên khỏe re nhé các bạn)

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

 Nhiệt độ bảo quản: -25 ℃ ~ +130 ℃

11

3.4 Mạch điều khiển (sử dụng Kit STM32F103C8T6)

Thông số kỹ thuật STM32F103C8T6 :

 Điện áp hoạt dộng : 5VDC

 Có chân ra GPIO và giao tiếp CAN, I2C,SPI,UART,USB

 Kích thước :53x15mm

CHƯƠNG 4: THUẬT TOÁN ĐIỀU KHIỂN 4.1 Thuật toán tìm đường đi cho Robot

4.1.1 Ước định

U: Đi thẳng

R: Rẻ phải

4.1.2 Hướng giải quyết cho Robot

Đặt Robot vào vị trí xuất phát (ưu tiên canh cho Robot ở vị trí cân bằng), nhấn nútSTART Robot bắt đầu đi chuyển Hệ thống so sánh các cảm biến hồng ngoại cạnh bên đểđiều chỉnh xung PWM của động cơ giúp Robot đi đúng quỹ đạo cân bằng (nếu Robot đang dichuyển bị lệch) Khi CB1 nhận biết tín hiệu ngã rẻ (CB1 = 0), Robot di chuyển thêm mộtđoạn đến khi CB4 = 7,5cm (giá trị Analog = ) thì Robot rẻ phải

4.1.3 Thuật toán

Start U so sánh điều khiện rẻ R  

4.1.4 Lưu đồ giải thuật

13

CHƯƠNG 5: KẾT QUẢ THỰC NGHIỆM

5.1 Robot đã được thực hiện

- Thực hiện khảo sát tính định hồng ngoại: Để dễ dàng lập trình robot đi giữa mê cung

- Bảng khảo sát thực nghiệm:

15Biểu đồ 1:Biểu đồ khảo sát hồng ngoại

5.2 Đọc giá trị Analog và hiện thị trên LCD

1 Một số tính năng chính được liệt kê như sau:

 Độ phân giải 12 bit tương ứng với giá trị maximum là 4095

 Có các ngắt hỗ trợ như End conversion, End of Injected Conversion and AnalogWatchdog Event

 Single mode hay Continuous mode

 Tự động calib và có thể điều khiển hoạt động ADC bằng xung Trigger

 Thời gian chuyển đổi nhanh : 1us tại tần số 65Mhz

 Điện áp cung cấp cho bộ ADC là 2.4V -> 3.6V Nên điện áp Input của thiết bị có ADC2.4V ≤ VIN ≤ 3.6V

 Có bộ DMA giúp tăng tốc độ xử lí

5.3 Sơ đồ khối của bộ ADC trong STM32F103

– Multichannel (scan), single conversion – Chế độ chuyển đổi nhiều kênh, chuyển đổi 1lần: Ở chế độ này, bộ ADC sẽ lần lượt chuyển đổi một chuỗi các kênh đầu vào đã được cấuhình từ trước, tối đa có thể chuyển đổi được 16 kênh kết quả chuyển đổi của kênh cuối cùng

Giá trị thay đổi điện áp theo khoảng cách

(Khảo sát cảm biến hồng ngoại)

V (Lần 1) V1 (Lần 2) V2 (Lần3)

sẽ được lưu vào thanh ghi ADC_DR, cờ báo kết thúc quá trình chuyển được được bật lên,yêu cầu ngắt sẽ được sinh ra nếu người dùng cấu hình cho phép ngắt Chế độ này cần đượckết hợp với tính năng DMA để có thể nhận đầy đủ kết quả chuyển đổi của các kênh Thứ tự chuyển đổi của các kênh có thể được người dùng sắp xếp và thời gian lấy mẫu củacác kênh có thể được cấu hình độc lập.

- Tính năng DMA (Direct Memory Access) hỗ trợ ngoại vi có thể chuyển dữ liệu trựctiếp đến bộ nhớ mà không cần sự can thiệp của CPU

- Single-channel continuous conversion mode – Chế độ chuyển đổi đơn kênh, chuyểnđổi liên tục: Ở chế độ này kênh được chọn sẽ được chuyển đổi liên tục mà không cần sự canthiệp của CPU trong mỗi lần chuyển đổi Chức năng DMA với mode circular nên được sửdụng trong chế độ này để giảm tải cho CPU

- Multichannel (scan) continuous conversion mode – Chế đội chuyển đổi nhiều kênh,chuyển đổi liên tục: Ở chế độ này các kênh được chọn sẽ được chuyển đổi liên tục mà khôngcần sự can thiệp của CPU trong mỗi lần chuyển đổi Chức năng DMA với mode circular kếthợp với việc tăng bộ nhớ tự động nên được sử dụng trong chế độ này để giảm tải cho CPU

17

5.4 Tiến hành đo và đọc giá trị Analog của 4 cảm biến

I Chuẩn bị

Chọn nguồn cung cấp cho STM32

Debug trên keilC

Thiết lặp chân ADC in và đọc ở chế độ Multichannel (scan) continuousconversion mode.

5.5 Sơ đồ thuật toán và code

19

CHƯƠNG 6: KẾT LUẬN

Đề tài đã thiết kế thành công phần điện, phần cơ khí, chương trình phần mềm cho robot

tự hành Xét về những mục tiêu và giới hạn của đề tài đã được đặt ra ngay từ đầu thì nhữngđiều mà đề tài đã thực hiện được và chưa thực hiện được như sau:

- Thiết kế phần cơ khí cho robot tự hành dò đường trong mê cung với những chi tiết cókích thước nhỏ và phức tạp, đạt được tính kỹ thuật

- Thiết kế thành công phần điện cho robot Mạch điện gồm có: điều khiển động cơ bằngPWM, mạch cầu H sử dụng IC L298n, cảm biến hồng ngoại đọc tín hiệu Analog xác địnhkhoảng cách,

- Thiết kế thành công phần mềm cho robot áp dụng thuật toán tìm kiếm theo chiều sâutrong trí tuệ nhân tạo, tuy nhiên chưa thích ứng được hoàn toàn với các hình dạng mê cungkhác nhau Ví dụ: khi ta rút ngắn khoảng cách các đường trong mê cung thì robot sẽ hoạtđộng không còn ổn định

- Chưa thể chạy ổn định đường của mê cung dùng công nghệ xử lý

TÀI LIỆU THAM KHẢO

21