Tổng quan về chủ đề robocon 2024
1.1.1 Chủ đề cuộc thi: “Ngày mùa”
Từ ngàn đời nay, cây lúa đã gắn bó với con người Việt Nam, cây lúa không chỉ mang lại sự no đủ mà còn trở thành một nét đẹp trong đời sống văn hoá tinh thần của người Việt Ngày nay, lúa gạo vừa là nguồn lương thực quan trọng, vừa là mặt hàng xuất khẩu chiến lược của Việt Nam
Có một hình thức canh tác độc đáo trong hoạt động nông nghiệp truyền thống của người dân sinh sống trên những vùng núi cao của Việt Nam, đó là ruộng bậc thang.
Người dân chọn các sườn đồi, núi tạo thành những vạt đất bằng phẳng để canh tác gieo mạ, trồng lúa Mục đích của biện pháp làm ruộng bậc thang là chống xói mòn, cải tạo và bảo vệ đất Những thửa ruộng bậc thang không chỉ đẹp mà còn là "vựa thóc" của người dân vùng cao, bằng cách dựa vào điều kiện của thiên nhiên để khai thác, canh tác hiệu quả mang lại cuộc sống ấm no.
Với ý nghĩa đó, đề thi lần này chú trọng đến các giải pháp thông minh, có khả năng nhận biết màu sắc và hoạt động ổn định trên địa hình đa dạng của sân thi.
Nhiều năm trở lại đây, ruộng bậc thang đã và đang là một điểm nhấn của du lịch thu hút nhiều du khách trong nước và quốc tế, trở thành một nét đẹp văn hóa, một niềm tự hào đối với người dân Việt Nam
Lấy ý tưởng từ việc canh tác trên các thửa ruộng bậc thang, đề thi ABURobocon 2024 của nước chủ nhà Việt Nam đã xây dựng các nhiệm vụ của robot minh hoạ theo các công đoạn trồng lúa như: gieo mạ, thu hoạch và vận chuyển thóc về kho, với thông điệp "Canh tác hiệu quả mang lại cuộc sống ấm no cho mọi người".
1.1.3 Sân thi đấu, cây mạ, hạt thóc và silo
Sân thi đấu được chia thành ba Vùng gồm Vùng 1, Vùng 2 và Vùng 3.
Hình 1.1 Tổng quan sân thi đấu.
Hình 1.2 Kích thước chi tiết sân thi đấu.
Vùng 1 bao gồm: Khu vực xuất phát; Giá để cây, 12 bó mạ cho mỗi đội;
Hình 1.3 Khu vực xuất phát, lấy mạ và gieo mạ.
Hình 1.4 Kích thước giá để cây và mạ.
Vùng 2 bao gồm: Vị trí khởi động lại; Mương nước; Khu vực thu hoạch: có sẵn 6 hạt thóc và 6 hạt thóc lép cho mỗi đội.
Hình 1.5 Khu vực khởi động lại của robot tự động, mương nước và lấy thóc.
Hạt thóc: là những quả bóng có màu đỏ và xanh.
Hạt lép: là những quả bóng có màu tím.
Hình 1.6 Hạt thóc mẩy và lép. Đường kính 190 ± 5% (chuẩn FIFA Size 3)
Hình 1.7 Kích thước hố đặt bóng khu vực thu hoạch.
Vùng 3 bao gồm: Khu vực chứa thóc; Khu vực silo có 5 ống Tại Vùng 3 có
6 hạt thóc và 10 hạt thóc lép được đặt sẵn trong kho chứa thóc.
Hình 1.8 Khu vực chứa thóc và silo.
Hình 1.9 Kích thước silo đổ bóng.
1.1.4 Một số thuật ngữ và định nghĩa
Các thuật ngữ và định nghĩa được sử dụng trong luật thi của ABU Robocon 2024 như sau:
Bảng 1.1 Thuật ngữ và định nghĩa sử dụng trong luật thi.
No Term Definition(Sự chỉ rõ)
1 Team Có hai đội, Đội đỏ, đội Xanh.
Robot 1 chỉ hoạt động ở Khu 1 và Khu 2.
Robot 1 là Robot thủ công hoặc Robot tự động.
Robot thủ công: Robot được người vận hành vận hành thông qua kết nối không dây.
Robot tự động: Robot có khả năng hoạt động độc lập mà không cần sự trợ giúp của người vận hành.
3 Robot 2 Robot 2 làm việc tại Khu 1, 2, 3.
Robot 2 phải là Robot tự động.
Khu vực 1 là nơi Robot trồng cây con.
Khu vực xuất phát là nơi hai robot xuất phát.
Khu trồng cây là nơi robot trồng Cây con Trong Vùng trồng cây, có mười hai (12) vòng trồng cây
Chỉ có một cây con được đặt trong một (1) vòng trồng.
Giá Cây Giống là nơi đặt 12 Cây Con trước khi trận đấu bắt đầu.
Khu 2 là nơi các robot thu hoạch lúa.
Khu vực 2 bao gồm: rỗng.
Khu vực sông là nơi robot không được làm việc.
Vùng thử lại cho Robot 2.
Khu vực 3 là nơi Robot 2 lưu trữ Thóc.
Kho chứa là nơi chứa thóc và thóc rỗng được tập hợp.
Silo là nơi Robot 2 mang thóc về kho.
Silo Zone là nơi cố định 5 Silo Robot bị cấm đi vào Khu vực Silo bao gồm cả không gian phía trên của nó Khi Robot đưa Thóc vào Silo, chỉ các bộ phận của Robot mang Thóc mới được phép vào không gian phía trên khu vực này Robot có thể chạm vào mặt bên của Silo Zone.
Cây mạ là vật dụng được làm bằng ống nhựa PVC
Chúng được đặt vào Giá Cây Giống trước khi trò chơi bắt đầu.
Mỗi đội có 12 Cây Con.
Hạt mẩy là những quả bóng mang màu sắc của đội
Chúng được đặt trong Vùng thu hoạch và Vùng lưu trữ trước khi trò chơi bắt đầu.
Mỗi đội có 12 hạt mẩy, trong đó 6 hạt được đặt vào Vùng Thu hoạch, 6 hạt còn lại được đặt vào Vùng Chứa.
Hạt rỗng là quả bóng màu tím Chúng được đặt trong vùng thu hoạch và vùng lưu trữ trước khi trò chơi bắt đầu. hoạch và 10 quả bóng màu tím trong vùng lưu trữ.
Mục tiêu “Mùa Vàng” (Thu hoạch vinh quang) đạt được khi có 3 Silo thỏa mãn các điều kiện sau:
Một Silo đã đầy và chứa tối thiểu 2 hạt thóc mẩy của đội mình.
Hạt thóc mẩy trên cùng mang màu sắc của đội. Đội chiến thắng vào thời điểm đạt được Mùa Vàng.
Là nhiệm vụ trong đó Robot nhặt cây con từ giá đỡ cây giống, mang và đặt chúng vào vòng trồng được chỉ định tại vùng trồng Mỗi vòng trồng chỉ được phép có một cây con.
Là nhiệm vụ trong đó Robot nhặt thóc/lúa rỗng từ Vùng thu hoạch và mang chúng đến Vùng lưu trữ
Robot phải nhặt Thóc/Thóc Rỗng theo trình tự sau: một Hạt rỗng và sau đó là một Hạt mẩy.
Là nhiệm vụ trong đó Robot 2 nhặt thóc nằm tại Khu lưu trữ, sau đó vận chuyển và đưa vào Silo.
1.1.5 Tầm quan trọng của an toàn
An toàn là một trong những yếu tố thiết yếu để thúc đẩy sự phát triển bền vững của ABU Robocon Sự an toàn của các robot được thiết kế là vấn đề đầu tiên của nguyên tắc an toàn đối với cuộc thi.
Các đội tham gia, với tư cách là nhà thiết kế robot, chịu trách nhiệm về sự an toàn của các robot.
Các đội phải coi sự an toàn là ưu tiên hàng đầu và phải xem xét sự an toàn của tất cả những người tham gia cuộc thi, bao gồm cả quan chức, người tham gia và khán giả trong mọi trường hợp.
Các đội phải làm việc và phối hợp chặt chẽ với ban tổ chức để đảm bảo an toàn tối đa cho cuộc thi.
Các đội phải chú ý đầy đủ đến sự an toàn trong hiệu suất của robot mà phải có thể nhìn thấy cả bằng mắt thường và camera.
Các đội phải trình bày các robot được thiết kế có đáp ứng các yêu cầu an toàn trong video kiểm tra robot và chạy thử nghiệm hay không.
Nhóm nghiên cứu phải gắn nút khẩn cấp trên robot ở những nơi có thể nhìn thấy.
Các thành viên trong đội phải quan tâm đến sự an toàn của bản thân bằng cách mặc đồ bảo hộ thích hợp trong quá trình luyện tập các trò chơi trong cuộc thi.
Robot (bao gồm cả bộ điều khiển) phải có kích thước vừa vặn 700mm x 700mm x 700mm khi bắt đầu trò chơi Trong suốt trò chơi, kích thước tối đa không được vượt quá 900mm (cao) x 900mm (rộng) x 900mm (sâu).
Tổng trọng lượng của mỗi robot, pin, bộ điều khiển, dây cáp và thiết bị mà đội mang theo sử dụng trong trận đấu không được vượt quá 25kg.
Luật chơi robocon 2024
Trận đấu giữa hai đội (Đội Đỏ và Đội Xanh) diễn ra trong thời gian 3 (ba) phút Mỗi đội có 2 (hai) Robot, đó là Robot 1 và Robot 2
Trước khi trò chơi bắt đầu:
1 Tại Khu vực 1, mười hai cây con được đặt vào Giá Cây giống.
2 Ở Khu vực 2, sáu hạt thóc và sáu thóc rỗng được đặt vào vùng thu hoạch.
3 Tại Khu vực 3, sáu hạt thóc và mười hạt rỗng được đặt trong vùng lưu trữ.
Khi trò chơi bắt đầu:
1 Robot có thể đến giá cây giống ở Khu vực 1 để thu thập cây con và trồng chúng trong vùng trồng cây.
2 Ở Khu vực 2, robot có thể thu thập hạt mẩy và hạt rỗng được đặt trong khu vực thu hoạch và vận chuyển chúng đến khu vực lưu trữ nằm ở Khu vực 3.
3 Ở Khu vực 3, Robot 2 có thể thu thập hạt mẩy và lưu trữ chúng trong Silo nằm trong vùng Silo.
4 Trận đấu sẽ kết thúc khi đội thi đấu hoàn thành xuất sắc nhiệm vụ của
5 Trường hợp không có chiến thắng “Mùa Vàng”, khi hết thời gian 3 phút, trận đấu sẽ kết thúc Đội nào có tổng điểm cao nhất sẽ là đội chiến thắng Trong trường hợp hòa thì kết quả cuối cùng sẽ được xác định theo Điều 3.7.
1.2.2 Cách tính điểm Điểm được tính như sau:
- Robot trồng thành công một Cây con: 10 điểm.
- Robot thu hoạch thành công một hạt mẩy trong khu thu hoạch: 10 điểm - Robot thu hoạch thành công một hạt rỗng trong khu thu hoạch: 10 điểm.
- Robot 2 cất giữ thành công một thóc trong silo: 30 điểm.
1.2.3 Quy định đội chiến thắng
1 Đội giành chiến thắng tuyệt đối “Mùa Vàng”.
2 Đội có tổng điểm cao hơn.
3 Trường hợp 2 đội có số điểm bằng nhau:
(a) Đội có tổng điểm lúa dự trữ ở Khu vực 3 cao hơn.
(b) Đội có tổng số bóng thu được cao hơn.
(c) Đội có tổng điểm trồng trọt ở Khu vực 1 cao hơn.
(d) Đội đạt điểm trồng trước ở Khu vực 1
(e) Hội đồng giám khảo quyết định.
1 Không có giới hạn cho việc thử lại Việc thử lại được xem xét theo quy định với sự chấp thuận của trọng tài Việc thử lại được áp dụng cho mỗi robot.
2 Trong trường hợp Robot 1 ở Khu vực 1 và Khu vực 2, robot phải thử lại từ khu vực bắt đầu.
Trong trường hợp Robot 2 ở Khu vực 1 và Khu vực 2, robot phải thử lại từ Khu vực Xuất phát Nếu Robot 2 ở Khu vực 3, robot phải thử lại từ Vùng thử lại.
3 Nếu Robot 2 cần thử lại ở Khu vực 3, các thành viên trong đội phải đưa robot ra khỏi sân và đưa nó đến khu vực thử lại ở khu vực 2 không được di chuyển robot.
4 Các vật phẩm mà robot có (Cây giống, Hạt mẩy, Hạt rỗng) phải được các thành viên trong nhóm trả lại khu vực được chỉ định khi thử lại Trong trường hợp Thóc và Thóc rỗng mà robot có ở Khu vực 3 thì các thành viên trong nhóm phải trả lại khu vực được chỉ định trong Khu vực Kho.
1.2.5 Vi phạm Đội nào vi phạm những điều sau đây sẽ bị coi là vi phạm nội quy và bắt buộc phải thử lại:
1 Robot sử dụng giác hút trên sàn thi đấu.
2 Robot xâm nhập vào sân thi đấu của đội đối phương 3 Robot có hành vi ném hoặc đẩy bóng sang sân thi đấu của đội đối phương.
4 Bất kỳ hành vi nào khác được coi là vi phạm các quy tắc.
1.2.6 Quy định về thành viên đội tuyển
Một đội đại diện cho một quốc gia/khu vực Hai (2) đội có thể đại diện cho nước chủ nhà
Mỗi đội bao gồm ba (3) sinh viên (được gọi là thành viên chính) và một (1) người hướng dẫn Tất cả đều thuộc cùng một trường cao đẳng, đại học hoặc bách khoa Ba sinh viên của đội có thể tham gia vào trò chơi
Ngoài ba (3) thành viên chính trong đội, còn thêm ba (3) thành viên sinh viên có thể đăng ký làm hỗ trợ và hỗ trợ thành viên chính trong khu vực hỗ trợ, để mang robot ra sân và tham gia vào việc thiết lập robot Họ phải là sinh viên đến từ cùng một trường cao đẳng, đại học hoặc bách khoa với đội chính
Sinh viên đã tốt nghiệp đại học không thể tham gia.
Thiết kế robot tự động cho cuộc thi robocon 2024
2.1.1 Đế robot Đế robot tổng quan là 1 khung vuông với kích thước 600*600mm
Hình 2.1 Kích thước đế robot.
Bố trí bốn bánh Omni chéo 45° ở bốn góc.
Hình 2.2 Cách bố trí bánh trên đế.
Cách thức điều khiển hướng di chuyển.
Hình 2.3 Hướng di chuyển của đế robot.
2.1.2 Cơ cấu lấy bóng của robot
Dùng cơ cấu lô cuốn, sử dụng dây nịt để tăng độ bám không bị trượt khi cuốn bóng vào.
Hình 2.4 Cơ cấu lấy bóng của robot tự động.
2.1.3 Cơ cấu phân loại bóng
Sử dụng xilanh để đẩy hạt lép sang 2 bên.
Hình 2.5 Cơ cấu phân loại bóng.
2.1.4 Cơ cấu kéo bóng lên đổ vào silo
Khi bóng cuốn vào đủ điều kiện để đổ vào Silo 2 xilanh sẽ kéo bóng lên kết hợp với đai cuốn kéo bóng lên lúc này bóng vẫn chưa thoát ra khỏi miệng Khi chạy tới sát Silo kết hợp với điều kiện của các cảm biến động cơ sẽ nâng cánh gạt hắt bóng lên chạy vào máng dẫn hướng đổ vào Silo.
Hình 2.6 Cơ cấu kéo bóng để thả vào Silo.
2.1.5 Robot tự động khi hoàn thiện
Hình 2.7 Robot tự động sau khi hoàn thiện.
Hình 2.8 Robot tự động sau khi hoàn thiện.
Chế tạo robot tự động cho cuộc thi robocon 2024
2.2.1 Vi điều khiển Để nâng cao hiệu suất, ổn định cho robot chúng ta xử dụng dòng chip ARM, ở đây ta chọn chip STM32F407VGT6.
Hình 2.9 Mặt trước của vi xử lý STM32F407VGT6.
Hình 2.10 Mặt sau của vi xử lý STM32F407VGT6.
STM32 là một họ vi điều khiển được xây trên nền tảng là các lõi Cortex- M3( đơn vị xử lý trung tâm ) dựa vào kiến trúc ARM Bộ xử lý cortex là thế hệ lõi nhúng kế tiếp từ ARM Cortex thừ kế các ưu thế từ bộ xử lý ARM trước đó, nó là một lõi xử lý hoàn chỉnh, bao gồm bộ xử lý trung tâm Cortex và một hệ thống các thiết bị ngoại vi xung quanh Cortex cung cấp phần xử lý trung tâm của một hệ thống nhúng để đáp ứng yêu cầu phát triển và đa dạng của các hệ thống dùng bộ xử lý Cortex gồm 3 nhánh được biểu hiện bằng các kí tự như sau:
Cortex- A:bộ xử lý dành cho hệ điều hành và các ứng dụng của người dùng phức tạp Hỗ trợ các tập lệnh ARM Thumb và Thumb 2.
Cortex-R: bộ xử lý dành cho cá hệ thống đòi hỏi khắt khe về tính thời gian thực Hỗ trợ các tập lệnh ARM, Thumb và Thumb2.
Cortex-M: bộ xử lý dành cho dòng vi điều khiển, được tối ưu hóa cho các ứng dụng yêu cầu chi phí thấp Chỉ hỗ trợ tập lệnh Thumb2.
2.2.2 Camera HIKvision DS-U02 Để đảm bảo quá trình robot tự động hoạt động được nhanh và chính xác thì trong suốt quá trình hoạt động cần thu thập và xử lý hình ảnh 1 cách liên tục, ổn định, chất lượng hình ảnh tốt, không bị gián đoạn
Qua thử nghiệm chúng em đã chọn sử dụng camera của hãng HIKvision có mã là DS-U02 với các thông số như sau:
Cảm biến hình ảnh: 2 MP CMOS
Độ sáng tối thiểu: 0.1 Lux @ (F1.2, AGC ON)
Thời gian đáp ứng PAL: 1/25 s to 1/50,000 s; NTSC: 1/30 s to 1/50,000 s
Ống kính: 3.6 mm fixed focal lens
Phạm vi quan sát: horizontal FOV: 80.3°, vertical FOV: 50.8°, diagonal FOV:
Ống kính: M8 Ngày/đêm 24/7 Color Imaging
Điều chỉnh góc quay: 360°; tilt: -15° to 15°; ratation: 0°
Chiều dài dây kết nối: 1.5 m
Giao diện Video đầu ra USB 2.0 Audio vào Built-in mic
Hệ điều hành: Windows 7/10, Android, Linux, macOS General
Bảo quản: -10°C to 45°C, Humidity: 90% or less (non-condensing)
Kích thước: 80.16 mm × 48.6 mm × 42.18 mm (3.16" × 1.91" × 1.66")
2.2.3 Máy tính AI xử lý ảnh JETSON ORIN NX 16GB
Trong quá trình tìm hiểu, thử nghiệm, khám phá các công nghệ để giải quyết các bài toán của chủ đề robocon 2024 Nhận thấy xử lý ảnh là công nghệ không thể thiếu Chúng em đã tập trung nghiên cứu tìm hiểu thông tin từ các nguồn, thử trên nhiều phần cứng các hãng Do đây cũng là 1 phần mới trong chế tạo robot nên cả đội đã mất rất nhiều thời gian nghiên cứu.
Cuối cùng từ tìm hiểu, đề xuất cũng như hỗ trợ từ nhà trường chúng em chọn sử dụng phần cứng của hãng NVIDIA với dòng máy tính JETSON ORIN NX.
Hình 2.12 Máy tính AI xử lý ảnh JETSON ORIN NX 16GB.
Theo như công bố của hãng NVIDIA dòng máy Jetson Orin NX 16GB cung cấp hiệu suất AI lên đến 100 TOPS trong hình dạng Jetson nhỏ nhất, với công suất cấu hình từ 10W đến 25W Điều này mang lại cho bạn hiệu suất gấp 3 lần so với NVIDIA® Jetson AGX Xavier™ và gấp 5 lần so với NVIDIA® Jetson Xavier™
NX, làm cho nó trở nên lý tưởng cho các sản phẩm nhỏ gọn và tiết kiệm năng lượng như máy bay không người lái và các thiết bị cầm tay.
Hệ thống trên module này hỗ trợ nhiều đường truyền ứng dụng AI đồng thời với kiến trúc GPU NVIDIA Ampere, bộ tăng tốc học sâu và thị giác thế hệ tiếp
Các đối tác trong hệ sinh thái Jetson cung cấp thêm phần mềm AI và hệ thống, công cụ phát triển và phát triển phần mềm tùy chỉnh Họ cũng có thể hỗ trợ với camera và các cảm biến khác, cũng như các bo mạch chủ và dịch vụ thiết kế cho sản phẩm của bạn
Các module Jetson Orin không có đối thủ về hiệu suất và hiệu quả cho robot và các máy tự động khác, và chúng mang lại cho bạn sự linh hoạt để tạo ra thế hệ giải pháp AI tiếp theo với công nghệ GPU mới nhất của NVIDIA Cùng với ngăn xếp phần mềm AI tiêu chuẩn thế giới của NVIDIA và hệ sinh thái dịch vụ và sản phẩm, con đường của bạn đến thị trường chưa bao giờ nhanh hơn thế.
Dưới đây là thông số chi tiết của sản phẩm:
Bảng 2.1 Thông số chi tiết của máy tính AI xử lý ảnh JETSON ORIN NX 16GB.
2.2.4 Động cơ điện 1 chiều sử dụng trên robot a) Lý thuyết về động cơ Động cơ điện đóng vai trò rất quan trọng nó giống như cơ bắp của con người vậy, là nguồn gốc của mọi chuyển động trên robot Động cơ sử dụng trong robot thường là động cơ DC làm việc ở điện áp 12VDC hoặc 24VDC.
Cấu tạo của động cơ gồm có 2 phần: stato đứng yên và rôto quay so với stato Phần cảm (phần kích từ-thường đặt trên stato) tạo ra từ trường đi trong mạch từ, xuyên qua các vòng dây quấn của phần ứng (thường đặt trên rôto) Khi có dòng điện chạy trong mạch phần ứng, các thanh dẫn phần ứng sẽ chịu tác động bởi các lực điện từ theo phương tiếp tuyến với mặt trụ rôto, làm cho rôto quay Chính xác hơn, lực điện từ trên một đơn vị chiều dài thanh dẫn là tích có hướng của vectơ mật độ từ thông B và vectơ cường độ dòng điện I Dòng điện phần ứng được đưa vào rôto thông qua hệ thống chổi than và cổ góp Cổ góp sẽ giúp cho dòng điện trong mỗi thanh dẫn phần ứng được đổi chiều khi thanh dẫn đi đến một cực từ khác tên với cực từ mà nó vừa đi qua (điều này làm cho lực điện từ được sinh ra luôn luôn tạo ra mômen theo một chiều nhất định).
Stator của động cơ điện 1 chiều thường là 1 hay nhiều cặp nam châm vĩnh cửu, hay nam châm điện, rotor có các cuộn dây quấn và được nối với nguồn điện một chiều, 1 phần quan trọng khác của động cơ điện 1 chiều là bộ phận chỉnh lưu, nó có nhiệm vụ là đổi chiều dòng điện trong khi chuyển động quay của rotor là liên tục Thông thường bộ phận này gồm có một bộ cổ góp và một bộ chổi than tiếp xúc với cổ góp.
Nếu trục của một động cơ điện một chiều được kéo bằng 1 lực ngoài, động cơ sẽ hoạt động như một máy phát điện một chiều, và tạo ra một sức điện động cảm ứng Electromotive force (EMF) Khi vận hành bình thường, rotor khi quay sẽ phát ra một điện áp gọi là sức phản điện động counter-EMF (CEMF) hoặc sức điện động đối kháng, vì nó đối kháng lại điện áp bên ngoài đặt vào động cơ Sức điện động này tương tự như sức điện động phát ra khi động cơ được sử dụng như một máy phát điện (như lúc ta nối một điện trở tải vào đầu ra của động cơ, và kéo trục động thành phần: sức phản điện động, và điện áp giáng tạo ra do điện trở nội của các cuộn dây phần ứng Dòng điện chạy qua động cơ được tính theo biểu thức (1.1) :
𝐼 = (𝑉𝑁𝑔𝑢ồ𝑛 − 𝑉𝑃ℎầầ𝑛 đ𝑖ệ𝑛 độ𝑛𝑔)/𝑅𝑃ℎầả𝑛 ứ𝑛𝑔 (1.1) Công suất cơ mà động cơ đưa ra được, được tính bằng biểu thức(1.2):
(1.2) Động cơ sử dụng trên robot
Hình 2.13 Loại động cơ dùng cho robot. Động cơ PLANET DC 24V - 80W, tốc độ 14.000rpm, encoder quang 500 xung 2 pha A B.
Bộ giảm tốc Planet bánh răng thép, hệ số giảm tốc 19.2 chiều dài L = 45mm.
Tốc độ sau bộ giảm tốc 520 vòng/phút, trọng lượng 800g. b) Nguyên tắc hoạt động của động cơ điện 1 chiều
Hình 2.14 Các pha của động cơ điện 1 chiều. c) Kinh nghiệm chọn động cơ
Việc lựa chọn động cơ phụ thuộc vào nhiều yếu tố, nhưng động cơ được chọn trong cuộc thi robot thường có yêu cầu chung sau:
Khả năng chịu tải cao.
Khả năng hãm tốt, thường sử dụng loại động cơ có hộp giảm tốc.
Đối với động cơ dùng cho cơ cấu chuyển động (phần đế của robot) yêu cầu đặt ra là phải có tốc độ nhanh, và có độ hãm tốt Động cơ thường được sử dụng ở phần này là loại động cơ planet.
Ngoài động cơ planet, có thể sử dụng các loại động cơ khác, miễn là đạt được các tiêu chí nêu trên Có thể sử dụng động cơ vuông tháo bánh răng.
2.2.5 Driver PID smart Motor DC
Hình 2.15 Driver PID smart Motor DC.
Mạch điều khiển động cơ (Driver board) sử dụng để điều khiển động cơ DC servo với cácthông số kỹ thuật như sau:
- Điện áp ngõ vào: 15-25VDC.
- Dòng điện ngõ ra max: 110A.
- Tốc độ động cơ max: 20000 vòng /phút (rpm).
- Thuật toán điều khiển: PID.
- Sử dụng vi điều khiển ARM STM32FF103C8T6.
- Mạch cầu H sử dụng IC lái IR2184 và FET chuyên dụng.
- Phương thức điều khiển: PWM, UART, Clock và DAC.
- Phần mềm thiết lập thông số cho driver giao tiếp với máy tình qua cổng UART.
- Driver được trang bị bộ xử lý ARM hiện đại nhất nên cung cấp nhiều chức năng cao cấp như sau:
Chạy động cơ công suất lớn tới 700W, điện áp điều khiển 24VDC.
Đèn led báo trạng thái hoạt động.
Thiết kế mạch điện sử dụng trên robot tự động
2.3.1 Mạch cảm biến và tín hiệu đầu vào
Hình 2.35 Sơ đồ nguyên lý mạch cách ly đầu vào.
Thông số kỹ thuật mạch:
Cách ly tín hiệu từ cảm biến trả về main.
Mạch gồm 8 đầu ra cảm biến và 8pin trạng thái về main.
Mạch sử dụng opto quang PC817 đảm bảo an toàn quá dòng, quá áp cho main.
Khi có tín hiệu tác động từ cảm biến (Vd: cảm biến quang, Laze, cảm biến từ tiệm cận,…) thì trả tín hiệu mức thấp (0) về main Khi không có tin hiệu tác động từ cảm biến thì trả tín hiệu ở mức cao (1) về main.
2.3.2 Mạch cách ly đầu ra
Hình 2.37 Sơ đồ nguyên lý mạch cách ly tín hiệu đầu ra.
Hình 2.38 Sơ đồ mạch in và 3D mạch cách ly tín hiệu đầu ra
Mạch sử dụng nguồn tín hiệu 5VDC từ main và 24VDC cho mạch động lực
Cách li tín hiệu điều khiển từ main và mạch động lực có điện áp cao từ đó tránh hiện tượng quá tải ngắn mạch động lực.
Mạch gồm 8pin trạng thái từ main và 8 cổng cấp nguồn 24VDC cho các thiết bị ngoại vi (VD: van khí,…).
Mạch sử dụng BJT Tip41 có khả năng chịu dòng tương đối cao phù hợp làm tác vụ điều khiển nguồn từ nhỏ tới vừa.
Khi có tín hiệu mức cao (1) được xuất ra từ main cho phép cấp nguồn điện 24VDC tại các cổng đầu ra Khi có tín hiệu mức thấp (0) thì không có điện áp tại các cổng đầu ra.
2.3.3 Mạch chia nguồn động lực
Hình 2.39 Sơ đồ nguyên lý mạch chia nguồn động lực.
Hình 2.40 Sơ đồ mạch in và 3D mạch chia nguồn.
Mạch nguồn động cơ dùng để cấp nguồn riêng cho động cơ bánh và các động cơ khác Sử dụng mạch này với mục đích tránh nhiễu cho main và các mạch có tín hiệu chính xác cao Đồng thời tránh hiện tượng dòng điện cao khi hãm động cơ làm chết main và các mạch tín hiệu ngoài ra trên mạch còn có 1 đồng hồ hiển thị điện
2.3.4 Mạch chia nguồn cho VXL và các thiết bị ngoại vi
Hình 2.41 Sơ đồ nguyên lý mạch chia nguồn điều khiển và cảm biến.
Hình 2.42 Sơ đồ mạch in và 3D mạch chia nguồn điều khiển, cảm biến.
Trên mạch chia nguồn main và các thiết bị ngoại vi gồm có 2 cấp điện áp là 12VDC và 24VDC nguồn 12VDC là nguồn được hạ áp trực tiếp từ nguồn 24 VDC thông qua mạch buck LM2596 dùng để cấp nguồn trực tiếp cho main và các thiết bị sử dụng nguồn 12v khác (VD cảm biến 12VDC, mạch hỗ trợ….) Nguồn 24VDC để cung cấp cho các mạch ngoại vi như (mạch xylanh, mạch cảm biến, mạch laze ). ngoài ra trên mạch còn có 2 đồng hồ hiển thị mức Pin hiện tại thuận lợi cho việc kiểm soát dung lượn pin tránh tình trạng xả kiệt dẫn đến hỏng Pin
2.3.5 Mạch tín hiệu cho cảm biến Laze
Hình 2.43 Sơ đồ nguyên lý mạch tín hiệu cảm biến Laze.
Hình 2.44 Sơ đồ mạch in và 3D mạch tín hiệu cảm biến Laze.
Điện áp đầu ra 2 cổng 0-3,3VDC.
Mạch sử dụng ic lm358.
Kết nối với main qua 1 dây bus4.
Có thể đọc được cùng lúc 2 cảm biến trả về tín hiệu analog.
Mạch sử dụng nguyên lý của một bộ opamp để giới hạn điện áp đầu ra tỉ lệ với điện áp đầu vào Cụ thể ở đây sử dụng trực tiếp cho laze sick DT50 Để có thể đọc được giá trị khoảng cách qua tín hiệu analog của laze mà không gây quá áp tại cách chân input.
Hệ thống điện sử dụng trên robot tự động
Mạch điều khiển trung tâm nhận tín hiệu từ các thiết bị đầu vào như ( module la bàn số, encoder, máy tính nhúng, cảm biến,…) xử lý tín hiệu rồi xuất tín hiệu điều khiển các thiết bị đầu ra như ( động cơ, xylanh, ) thực hiện theo ý đồ của người lập trình.
Hình 2.45 Hệ thống điện sử dụng trên robot tự động.
Sản phẩm thực tế
Phần mềm Keil C Uvision 5
Hình 3.1 Phần mềm Keil C Uvision 5.
Keil C Uvision 5, hay còn gọi là Keil MDK (Microcontroller Development Kit) phiên bản 5, là một bộ công cụ phát triển phần mềm hàng đầu dành cho các hệ thống nhúng, đặc biệt là các vi điều khiển ARM Bộ công cụ này bao gồm nhiều thành phần mạnh mẽ, hỗ trợ lập trình viên trong toàn bộ quá trình phát triển từ viết mã, biên dịch, đến gỡ lỗi và mô phỏng.
Một số tính năng nổi bật của Keil C Uvision 5 bao gồm:
Mụi trường phỏt triển tớch hợp (IDE) àVision của Keil cung cấp một giao diện thân thiện và trực quan, giúp lập trình viên quản lý dự án, viết mã, và gỡ lỗi một cách hiệu quả Nó hỗ trợ nhiều ngôn ngữ lập trình như C, C++, và Assembly.
Trình biên dịch ARM của Keil tối ưu hóa mã nguồn, giúp tạo ra mã máy hiệu quả và nhanh chóng Trình biên dịch này hỗ trợ tất cả các dòng vi điều khiển
ARM, từ ARM7, ARM9, ARM11 đến các dòng Cortex-M, Cortex-R và Cortex- A.
Cụng cụ gỡ lỗi mạnh mẽ tớch hợp sẵn trong àVision IDE, hỗ trợ mụ phỏng và gỡ lỗi trên cả phần cứng thật và mô phỏng phần mềm Debugger cung cấp các tính năng như theo dõi biến, kiểm tra bộ nhớ, và phân tích hiệu suất.
Keil C Uvision 5 hỗ trợ các hệ điều hành thời gian thực (RTOS) như CMSIS-RTOS và RTX, giúp lập trình viên dễ dàng phát triển các ứng dụng phức tạp yêu cầu xử lý đa nhiệm.
Keil cung cấp các thư viện trung gian (middleware) như USB, TCP/IP stack, File System, và GUI, giúp đẩy nhanh quá trình phát triển và tích hợp các tính năng cao cấp vào ứng dụng.
Hệ thống Software Packs của Keil cho phép dễ dàng cập nhật và mở rộng các thư viện và trình điều khiển (drivers) cho các vi điều khiển cụ thể, giúp duy trì và nâng cấp dự án một cách dễ dàng.
Với các tính năng toàn diện và hiệu quả, Keil C Uvision 5 là một lựa chọn lý tưởng cho các nhà phát triển muốn tạo ra các ứng dụng nhúng chất lượng cao và tối ưu hóa hiệu suất trên các nền tảng vi điều khiển ARM.
Phần mềm Pycham
PyCharm là một môi trường phát triển tích hợp (IDE) tiên tiến và chuyên nghiệp dành cho lập trình Python, được phát triển bởi JetBrains Được thiết kế để tối ưu hóa quy trình làm việc của các lập trình viên, PyCharm cung cấp một loạt các tính năng mạnh mẽ và tiện ích.
Một trong những điểm nổi bật của PyCharm là khả năng tự động hoàn thành mã, giúp tiết kiệm thời gian và giảm thiểu lỗi cú pháp Khi bạn gõ mã, PyCharm sẽ gợi ý các lệnh và biến phù hợp, giúp tăng tốc quá trình viết mã Khả năng kiểm tra lỗi ngay lập tức cũng giúp phát hiện và sửa lỗi nhanh chóng, nâng cao chất lượng mã nguồn.
PyCharm tích hợp công cụ gỡ lỗi mạnh mẽ, cho phép lập trình viên kiểm tra và sửa lỗi trong quá trình thực thi mã Công cụ này hỗ trợ việc đặt breakpoint, theo dõi biến, và xem các bước thực hiện của chương trình, giúp bạn hiểu rõ hơn về cách thức hoạt động của mã.
PyCharm còn hỗ trợ nhiều công cụ quản lý dự án, bao gồm tích hợp với các hệ thống kiểm soát phiên bản như Git, Mercurial, và SVN Điều này giúp bạn dễ dàng theo dõi các thay đổi, quản lý các nhánh và hợp nhất mã từ các thành viên khác trong nhóm.
Ngoài ra, PyCharm cung cấp các tính năng hỗ trợ phát triển web mạnh mẽ với các framework phổ biến như Django, Flask, và Pyramid Bạn có thể dễ dàng tạo, chạy và kiểm tra các ứng dụng web trực tiếp từ IDE PyCharm cũng hỗ trợ phát triển khoa học dữ liệu và học máy với các tích hợp như Jupyter Notebooks, Anaconda, và các thư viện như NumPy, pandas, và Matplotlib.
Giao diện của PyCharm được thiết kế trực quan và thân thiện với người dùng, cho phép bạn tùy chỉnh theo ý thích với nhiều theme và phím tắt Khả năng mở rộng của PyCharm thông qua các plugin cũng là một ưu điểm lớn, cho phép bạn thêm các chức năng mới và tích hợp với các công cụ khác mà bạn cần.
Với tất cả những tính năng này, PyCharm đã trở thành một công cụ không thể thiếu cho nhiều lập trình viên Python, từ người mới bắt đầu đến các chuyên gia.
Lưu đồ thuật toán của robot tự động
3.3.1 Lưu đồ thuật toán robot tự động lấy và thả bóng
Hình 3.3 Lưu đồ thuật toán robot tự động lấy và thả bóng.
3.3.2 Lưu đồ thuật toán tranh đoạt silo Được thực hiện tại sân robocon của trường, qua thực tế thi đấu tại các phần thi Test run và vòng chung kết toàn quốc cuộc thi robocon 2024.
Kết luận
Sau khi tham gia vào cuộc thi sáng tạo robot chúng em đã thu lượm được rất nhiều kiến thức chuyên môn về vi điều khiển ARM STM, van tuyến tính, cảm biến la bàn, lazer, PID, mạch buck,…
Trong suốt quá trình làm việc chúng em đã quen dần với cách làm việc độc lập hay làm việc theo nhóm, biết cách tổ chức công việc và sắp xếp thời gian hợp lý, rèn luyện được các kỹ năng cần thiết cho chuyên ngành của mình như: kỹ năng lập trình, làm mạch, tính toán lựa chọn thiết bị, sử dụng các phần mềm chuyên nghành, thương thảo mua sắm thiết bị, và đặc biệt là biết cách đứng lên sau thất bại, làm việc dưới sức ép lớn khi công việc phải hoàn thành nhanh trong thời gian nhất định Đó cũng chính là những kết quả to lớn mà chúng em đã thu được sau cuộc thi sáng tạo Robocon năm nay.
Kiến nghị
Qua 22 năm đồng hành cùng cuộc thi robocon, dần dần robocon đã trở thành một truyền thống cũng như một tinh thần đối với các sinh viên Việt Nam nói chung và sinh viên của trường Đại học Sư phạm Kỹ thật Hưng Yên nói riêng Với số lượng sinh viên tham gia ngày càng đông, các Robot được chế tạo ngày càng hoàn thiện hơn và có nhiều tính năng hơn, điều đó đủ để cho thấy sức hấp dẫn của cuộc thi Sáng tạo Robocon Chúng em mong rằng các cấp lãnh đạo nhà trường, các khoa,các phòng, ban tổ chức sẽ quan tâm và tạo điều kiện nhiều hơn nữa về thời gian cũng như tài chính để chúng em có thể đưa ra những giải pháp kỹ thuật tối ưu hơn để hoàn thiện robot Điều đó sẽ thúc đẩy được sự sáng tạo và nghiên cứu các đề tài toàn quốc.
DANH MỤC TÀI LIỆU THAM KHẢO
[1] Thông tin chi tiết về phần cứng máy tính nhúng JETSON ORIN NX Truy cập từ:https://www.nvidia.com/en-us/autonomous-machines/embedded- systems/jetson-orin/ ngày 24/3/2024
[2] Thông tin về dòng camera HIKvision được dùng trên robot tự động.Truy cập từ:https://www.hikvision.com/vn/products/Turbo-HD-Products/Turbo-HD- Cameras/webcam-series/ ngày 21/3/2024
[3] Thông tin về động cơ, cảm biến, bánh xe omni, pin, tay cầm điều khiển, …
Try cập từ:https://thegioichip.com.vn/collections/robot-robocon ngày 4/12/2023
[4] Giáo trình Máy điện, khoa Điện – Điện tử Trường đại học sư phạm kỹ thuật
[5] TS Nguyễn Viết , TS Đào Minh Tuấn ,Giáo trình Điều khiển hệ thống khí nén - thủy lực -Trường đại học sư phạm kỹ thuật Hưng Yên.
