Việc tích hợp các nội dung trong dé tài “Nghiên cứu, thiết kế Robot do linetheo phương pháp thiết kế hệ thong Cơ điện tử” sẽ giúp cho sinh viên, giảng viêntrong các trường đại học đào tạ
END A START
0O DO O -——` ¡ác
O Tin niệu mức thập tại ® Tín niệu mức cao tại vị trí không có line vi tri có line
Hình 3.20 : Giải thuật so sánh
- Phương pháp thứ hai: Xap xi [16] vị trí cảm biến so với tâm đường line từ các tín hiệu tương tự từ cảm biến (Y1, Y2 V3 Yn) - Cac giải thuật xấp xi theo bậc 2, tuyến tính, theo trọng số cho sai số dò line khác nhau Thời gian xử lý phụ thuộc vào thời gian đọc ADC tất cả các sensor của vi điều khiến, do đó sẽ lâu hơn phương pháp thứ nhất, tuy nhiên độ chính xác cao hơn nhiêu. hie Tine tinh inks vi tri line tinh toan tín hiéu dau ra tương tư 3 = > sai sO 12 sea ao Yo tị ị : Lại 16
(a) xáp xt bác 2 (b) xáp xi theo trong so
Hình 3.21: Xử lý tín hiệu cảm biến bằng phương pháp xấp xi [16]
Phương pháp điều khiển On-Off Đây là phương pháp điều khiến đơn giản nhất đối với các cơ cau truyền động.
Bằng cách cấp năng lượng cho động cơ (ON) thì động cơ sẽ hoạt động một cách tự động theo thiết kế từ trước Khi ngắt nguồn năng lượng (OFF) động cơ sẽ ngừng hoạt động Đối với phương pháp điều khiến này có ưu điểm là thiết kế điều khiển một cách dé dàng, dễ chế tạo Tuy vậy nhược điểm của phương pháp này là tạo chuyển động đột ngột, khó thiết kế giới hạn hành trình của các động cơ, không thé điều khiến chính xác,
Khi hai cảm biến đặt cách nhau 1 khoảng lớn hơn chiều rộng của đường line, khi một cảm biến năm trên line thì động cơ tương ứng bên đó sẽ đứng yên.Cả 2 động cơ sẽ cùng quay khi không có cảm biến nào năm trên đường line.
+ Sử dụng ít cảm biến nhất + Phương pháp điều khiến đơn giản - Nhược điểm:
+ Giải thuật điều khiến không tốt, xe hay bị đảo, khó chạy theo đường thang
+ Toc độ di chuyên cham
Một phương pháp vi tích phan tỉ lệ (phương pháp PID- Proportional Integral
Derivative) là một cơ chế phản hồi vòng điều khiến (bộ điều khiến) tong quát được sử dụng rộng rãi trong các hệ thống điều khiến công nghiệp — phương pháp PID là phương pháp được sử dụng nhiều nhất trong các bộ điều khiển phản hồi Phương pháp PID sẽ tính toán giá trị "sai số" là hiệu số giữa giá trị đo thông số biến đổi và giá trị đặt mong muốn Phương pháp sẽ thực hiện giảm tối đa sai số băng cách điều chỉnh giá trị điều khiển đầu vào Trong trường hợp không có kiến thức cơ bản (mô hình toán học) về hệ thống điều khiến thì phương pháp PID là sẽ phương pháp tốt nhất Tuy nhiên, dé đạt được kết quả tốt nhất, các thông số PID sử dụng trong tính toán phải điều chỉnh theo tính chat của hệ thống-trong khi kiểu điều khiến là giống nhau, các thông số phải phụ thuộc vào đặc thù của hệ thống.
Giải thuật tính toán bộ điêu khiển PID bao gồm 3 thông số riêng biệt, do đó đôi khi nó còn được gọi là điều khiến ba khâu: các giá trị tỉ lệ, tích phân và đạo hàm, viết tat là P, 1, và D Giá trị ti lệ xác định tác động của sai số hiện tai, giá trị tich phân xác định tác động của tổng các sai số quá khứ, và giá trị vi phân xác định tác động của tốc độ biến đổi sai số Tổng chập của ba tác động này dùng để điều chỉnh quá trình thông qua một phan tử điều khiến như vi trí của van điều khiến hay bộ nguồn của phan tử gia nhiệt Nhờ vậy, những giá trị này có thể làm sáng tỏ về quan hệ thời gian: P phụ thuộc vào sai số hiện tại, ẽ phụ thuộc vào tớch lũy cỏc sai số quỏ khứ, và D dự đoỏn cỏc saiSỐ tương lai, dựa vào tốc độ thay đối hiện tại.
Bang cách điều chỉnh 3 hằng số trong giải thuật của phương pháp PID, phương pháp có thể dùng trong những thiết kế có yêu cầu đặc biệt Đáp ứng của bộ điều khiến có thể được mô tả dưới dạng độ nhạy sai số của bộ điều khiến, giá trị mà bộ điều khiến vọt 16 điểm đặt và giá trị dao động của hệ thống Lưu ý là công dụng của giải thuật PID trong điều khiến không đảm bảo tính tối ưu hoặc ôn định cho hệ thống.
Vài ứng dụng có thể yêu cầu chỉ sử dụng một hoặc hai khâu tùy theo hệ thống. Điều này đạt được bang cách thiết đặt đội loi của các đầu ra không mong muốn về 0.
Một bộ điều khiến PID sẽ được gọi là bộ điều khiến PI, PD, P hoặc I nếu văng mặt các tác động bị khuyết Phương pháp PI khá phố biến, do đáp ứng vi phân khá nhạy đối với các nhiều đo lường, trái lại nếu thiếu giá trị tích phân có thé khiến hệ thống không đạt được giá tri mong muốn.
Hình 3.22 Đáp ung của bộ điêu khiên PID Đây là bộ điều khiến phố biến và thông dụng được nhiều xe sử dụng như CartisX04, Silvestre, Bolts, Tay vào phương pháp tìm thông số Kp, K, Kp ma xe dat vận tốc trung bình cao, sai số dò line nhỏ.
Fuzzy (bộ điêu khiển mo) Bộ điều khiến fuzzy thì hầu hết đều sử dụng dữ liệu mà cảm biến trả về Từ đó robot sẽ biết được nó lệch đường line nhiều hay ít và từ đó đưa ra giá trị vận tốc của các động cơ tương ứng để bám đường line Có thé dùng kết hợp với bộ điều khiến
Bộ điều khiến này xem xét 3 sai số của robot va line theo phương tiếp tuyến e,, theo phương pháp tuyến e,va theo góc lệch giữa robot với line e3 dé điều khiến robot thông qua các biến điều khiến là vận tốc góc w và vận tốc dai v theo phương trình: v= v,cose; + k,e, (@ = K;1„©› + Wy + k3sinez
Trong đó k,,k2z,k3 là các hệ số của bộ điều khiến Theo tiêu chuẩn Lyapunov thì bộ điều khiến này 6n định.
3.2.6 Bài toán thiết kế với các số liệu cu thể Với mục tiêu thiết kế và chế tạo xe dò line chạy nhanh và bám được sa bàn, các thông số cần được quan tâm: vận tốc tối đa của robot trên sa bàn, khả năng đổi hướng của robot, sai số tối đa của robot trong quá trình bám line.
Về vận tốc tối đa, vận tốc cực đại trung bình của các robot như Pika, HBFS-2, Sylvestre, Thumderbolt tai các cuộc thi déu dat 1.5-3 m/s.
Về kha năng đổi hướng, ngoài việc robot có thé bám theo đường line tại các vị tri bị cắt đột ngột (điểm B,D,F,G) hình 3.1 và vị trí góc 90° ( điểm A,E) hình 3.1.
Về sai số tối đa của robot trong suốt quá trình, sai số trong quá trình xe di chuyển trên đường thăng hay đường cong sẽ phụ thuộc vảo sai sô xác định vị trí của xe do hệ thống cản và sai số do bộ điều khiến Đối với sai số khi xe bám theo các vị trí đối hướng đột ngột, sai số phụ thuộc phan lớn vào giải thuật điều khiến.
Tu phân tích trên đầu bài đặt ra cho robot di chuyên bam line cho trước với các yêu cầu sau:
Vận tốc lớn nhất cho phép max = 1.5 m/s Bỏn kớnh cong nhỏ nhất của line ỉ„„ = 500mm Sai số cho phép Cmax = +5rTnm
3.3 Phương án triển khai Về cơ khí
Dựa trên phân tích ở tông quan, đê thỏa mãn những đặc điêm và yêu câu ở trên lựa chọn sơ đồ nguyên lý 4 bánh (2 bánh sau chủ động, 2 bánh trước tự lựa).
Hình 3.23: Sơ đồ nguyên lý Về cấu trúc điều khiển
Micro Driver 4 > Driver controller ry Ỳ Ỳ
Left wheel Ri ght wheel
Hình 3.24 : So đồ điều khiến tập trung
Về cảm biến Lựa chọn cảm biến analogue, Về bộ điêu khiển
Bộ điều khiến bám line theo tiêu chuẩn ôn định Lyapunov
3.4 Xây dựng kế hoạch thiết kế Bảng 3.5 Kế hoạch triển khai dự án được láp
Muc tiêu DA Văn đề lide quar Thông số đầu hài
| Yiu cầu thiết &ố cho chi tiết, cum ý tiết
| Chọn/thiết kế cắm bite
| Mạch: xứ lự tie hiệu cảm biến
| Chọn #guũn, các le lận oby trợ
X& đẹsh yêu chu, chon VK
| Chụn/thiết kế mạch cho hệ thống điều khiến
| Teen hiểu gái thudt xử lý tín Midu censor
| Ten hiểu giái thule *rệu chuẩn sersor Tien hiếu giải thud đều khiến cho robot
| Phương trình động hoc cla xo
| Tìm hiếu bộ điệu khiến
| Thông số bộ điệu khyến lize chọn khoảng cách thác xe-cắm biến
| Chế tạo mau và tực nghiệm: tiách pes số liệu thực nghiện
| Đề maất hiệu chính thiết š6
FECEL
Hình 3.25: Ban vẽ thiết kế 2D robot dò line
Tỉnh toán thiết kế - Dựa vào dau bai đã đặt trên tong quan (xe 2 bánh sau dẫn động, 2 bánh trước là bánh mắt trâu dân hướng), nên ta có mô hình động lực học của xe như sau: a Z ly l,
Hình 3.26: So đồ khung xe Do 2 bánh sau dẫn động nên F„s; = 0
Dựa vào định luật 2 Newton và các phương trình can bang, ta có hệ phương trình động
Fms1 + Fms2 = ma ằ 5, =0 ° Nị +N;ạ =mg (3.1)
Lại có từ (3.1) ta được
Từ (3.2) ta nhận thay được mối tương quan giữa tốc xe, chiều dai, chiêu rộng của xe.
- m khối lượng xe càng cao ảnh hưởng đến gia tốc (định luật 2 Newton) - h càng nhỏ thi a sẽ càng lớn vì thế bánh xe có kích thước càng nhỏ thuận lợi cho việc tăng tốc xe
- l¡: chiều dài từ trọng tâm xe đến 2 bánh chủ động ở sau càng lớn thì khi đó a càng lớn dẫn đến xe tăng tốc càng nhanh Nhưng tăng I, nhiều quá sé dẫn đến bánh trước không còn tiếp xúc với đường nên do đó ta phải có điều kiện như sau:
Khi l, = 1 khi đó xe có khả năng tăng tốc tốt nhất nhưng phải đảm bao điều kiện
Tinh toan van toc xe khi vao cuaNhư mục tiêu đã dat trên dau bài, khi xe vào cua, với van toc xe da đê ra từ trước và chiêu cao xe, khoảng cách giữa bánh chủ động và bị động đề đảm bảo xe vào cua không trượt và lật. mv?
Trong đó F,,, = mg thé vào (3.3) ta được mv
Tinh toán khoảng cách 2 bánh chu động umg =
Mục tiêu dé xe vào cua không bị lật mv? b h Tms 3 Tkhoidong > kmg (3.6) Momen tối da dé xe khong bi truot: h ms & F, ms trượt
Tmax 0 đều thỏa Tham khảo động co trên amngj nhóm chọn động cơ động cơ DC servo giảm tốc GA25-V 1 rpm
Bang 3.9: Thông số động cơ GA-25VI Công suat dau ra 13.2W
Vận tốc vòng (rpm) 320 rpm (no load)/ 284 rpm (nominal)
Torque (Nmm) 1 88kgf.cm Dong (mA) 80mA (no load)/ 600 mA (nomial)
Chiêu dài (mm) 31 Hộp giảm téc Đường kính(mm) | 25
Environments GetStarted Vault ey ag ‘ig Free Move kể ch — rin lẽ Sr f3 fa — i.% Free Rotate ` s a Mirror i Place Create Joint Constrain Billof Parameters Create _| Plane
* fy HideAll | GQ Copy | Materials Substitutes | * UCS ips + | Pattern + Manage * Productivity Component * | Position + Work Features
Sf | “pAssembly View > dh fj Lc.iam
Er origin BB Dest tt- Gcape:1 fe Ébanh xe:1 Er banh xe:2 t+ Ga DC:2 a Ƀbc:1 tt- ɃDc:2 Eb fi Truc Noi DC:1 f+ (5) origin
\~ [EJ sketch2 L— [f@ Work Piane2 L- ff Insert:3 (10.000 mm) L— FR) Insert:4 (-10.000 mm) E+ GB Truc Noi DC:2
— FB) Insert:6 (-10.000 mm) tI~ ẫẽ|Than de banh xe da huong:1 t~ Ƀ]Than de banh xe da huong:2 + (tanh xe da huong:1
3.5.2 Về điệnMạch điện được thiết kế theo sơ đồ như hình 3.29 bao gom mach vi diéu khién,mach cong suất, mạch cảm biến
Hình 3.29: So đồ nguyên lí hệ thong điện Về cảm biến
Cảm biến được chọn là phototransistor TCRT5000 [23, 24] với các thông số kĩ thuật sau:
Bảng 3.10: Thông số kĩ thuật của phototransistor TCRT5000
Kích thước (LxWxH) 10,2x5,8x7 mm Dong I¢ 100mA Dong I; 20mA Điện áp hoạt động 5V
Céng suat tiéu thu 200mW Khoảng cach hoạt động tốt nhật 2,5mm
Phạm vi hoạt động 0,02 — 15mm Góc phát 16°
Quá trình tính toán và thực nghiệm nhăm xác định vi trí đặt cảm biên so với sa bàn, khoảng cách giữa các cảm biên với nhau và calib cảm biên đề cho giá trị đo tôt nhất. i : lÍ 7 a A "_—†+ i TAGS
Baril TIT _— areesl, j —— _ lữ: ll 2°: Ằằ ®-i £ € € £ £ hen £ £
OutPut_! OutPut_2 OutPut_} OurPut_4 OutPut Š OutPut_6 OutPut_7 OutPut_#
Inlwt I InPu 2 | InPu 3 | InPut 4 InP § | InPut 6 | InPut 7 | lnPut &
Hình 3.30: Sơ đồ mạch điện cảm biên
Thiêt kê mach cảm biến, tính toán các giá trị điện trở
Hình 3.31: Mạch điện 1 cảm biên - Xác định R¡: ơ ˆ -.
V, là điện áp giữa A vaK ,Vp = 1,25V
Với việc chọn R, = 2200 ta tính lại dong I; lạ = = =~ 17mA
Từ Hình 3.31 ta tìm được I; = 1,1mA
Hinh 3.32: Do thi quan hệ giữa Ip va lẹ [23]
Với lc = 1,1mA dựa vào Hình 3.32 tìm được Vez = 0.6V, từ đó tính được giá trị Rạ:
IIIH
KET LUẬN 4.1 Kết quả dat được
Việc tích hợp các nội dung trong luận “Nghiên cứu thiết kế Robot dò line theo phương pháp thiết kế hệ thống Cơ điện tử” sẽ giúp cho sinh viên, giảng viên trong các trường đại học đào tạo chuyên ngành cơ điện tử có tài liệu tham khảo về thiết kế hệ thống cơ điện tử theo quy trình thiết kế hệ thông cơ điện tử được đưa ra [1].
Các mô hình thí nghiệm, bài toán cụ thể cho việc đi thiết kế một hệ thống cơ điện tử được đưa ra trình bày theo trình tự thuận lợi cho quá trình thực hiện một dự án hay do án vê Cơ điện tu cho sinh viên.
Luận văn trình bày tong hop co so thiét ké hé thong cơ điện tử thông qua vi du robot đò line Là tài liệu tham khảo cho sinh viên khi học các học phan thiết kế hệ thống cơ điện tử, đồ án thiết kế hệ thống cơ điện tử và các học phần khác trong ngành cơ điện tử có liên quan. Đóng góp | bài báo Hội nghị toàn quốc lần thứ 8 về Cơ điện tử- VCM 2016.
4.2 Hướng phát triển cua đề tài
Tiép tục hoàn thiện nghiên cứu về tôi ưu về ví dụ hệ thông cơ điện tử trên sự ảnh hưởng của các thông sô đâu vào của cảm biên của động cơ.
Có thể mở rộng áp dụng cho nhiều hệ thống cơ điện tử khác, đưa nhiều giải thuật điều khiến khác nhau để có thé đánh giá so sánh tác động khi thiết kế. Đưa ra quy trình chuẩn về tiêu chuẩn khi thiết kế các hệ thông cơ điện tử.
(II Nguyễn Tan Tiến, Trần Thanh Tùng, Kim Sang Bong., Giáng day thiết kế hệ thong cơ điện tử qua đô án Mechatronics System Design through Project —A Case Study, Hội nghị toàn quốc lần thứ 8 về Cơ điện tử- VCM 2016, pp117-
[2] National Instruments and SolidWorks, Incorporating Mechatronics into Your Design Process, White Paper, pp.1-12, 2016.
[3] Farhan A Salem, The Role of Modeling, Simulation and Analysis Stage in Mechatronics Systems Design Education, Journal of Multidisciplinary Eng.
Science and Technology, Vol.2, Issue 10, pp.2700-2715, 2015 [4] Huu Danh Lam et al., Smooth Tracking Controller for AGV through Junction using CMU Camera, Tuyên tập HN Co điện tử lần 7, VCM-2014, pp.597-601,
Vietnam, 2014 [5] F Kaiser et.al., Line Follower Robot: Fabrication and Accuracy Measurement by
Data Acquisition, Proc of The Int’! Conf on Electrical Eng and Information &
Communication Technology, pp.1-6, Bangladesh, 2014 [6] G H Lee et al., Line Tracking Control of a Two-Wheeled Mobile Robot Using
Visual Feedback, Int’! Journal of Advanced Robotic Systems, Vol.10, pp.177- 2013, 2013
[7] M.S Islam & M A Rahman, Design and Fabrication of Line Follower Robot, Asian Journal of Applied Science and Eng., Vol.2, No.2, pp.27-32, 2013
[3] K.Janschek, Mechatronic Systems Design: Methods, Models, Concepts, Springer,
[9] Mustafa Engin et al., Path Planning of Line Follower Robot, Proc of The 5m
European DSP Education and Research Conference, pp.1-5, Amsterdam, Dutch, 2012
[10] Khin Hooi Ng et al., Adaptive Phototransistor Sensor for Line Finding, Int'l Symp on Robotics and Intelligent Sensors, pp.237-243, Malaysia, 2012
[11] Ramiro Velazquez et al., A Review of Models and Structures for Wheeled Mobile
Robots: Four Case Studies, Proc of The 15" InPl Conf on Advanced Robotics, pp.524-529, Estonia, 2011 [12] E.K Boukas and F.M AL-Sunni, Mechatronic Systems: Analysis, Design and
Implementation, Springer, 2011 [13] A Saleem, Tutunji and L Al-Sharif, Mechatronic System Design Course for
Undergraduate Programmes, European Journal of Engineering Education, Vol.36, No, pp.341-356, 2011
[14] TJ van Beek, M.S Erden, T Tomiyama, Modular Design of Mechatronic Systems with Function Modeling, Mechatronics Journal, pp.S50-863, 2010
[15] WJ Shyr, Teaching Mechatronics: An Innovative (Group Project-Based Approach, Computer Applications in Eng Education, Vol.20, Issue 1, pp 93-102,
2010 [16] J.H Su et al., An Intelligent Line-Following Robot Project for Introductory Robot
Courses, World Transactions on Eng and Technology Education, Vol.8, No.4, pp.455-461, 2010
[17] D Shetty and R.A Kolk, Mechatronics System Design, 2Ed., Global Engineering,
[18] A H Ismail et al., Vision-based System for Line Following Mobile Robot, IEEE Symposium on Industrial Electronics and Applications, pp.642-645, Malaysia, 2009
[19] V.S Vasié and M.P Lazarevic, Standard Industrial Guideline for Mechatronic Product Design, FME Transactions Vol.36, pp.103-108, 2008
[20] Andrew Reed Bacha, Line Detection and Lane Following for an Autonomous Mobile Robot, MS Thesis, Virginia Polytechnic Institute and State University, 2005
[21] M Zafri Baharuddin et al., Analysis of Line Sensor Configuration for the Advanced Line Follower Robot, Universiti Tenaga Nasional, pp.1-12, Malaysia,
2005 [22] G Rzevski, On Conceptual Design of Intelligent Mechatronic Systems,
Mechatronics Journal, Vol.13, Issue 10, pp.1029-1044, 2003 [23] VISHAY, TCRTS5000, TCRTSOOOL Datasheet, Document number: 80112, Rev.
1.1, 02-Jul-09 [24] VISHAY, Application of Optical Reflex Sensors TCRT1000, TCRT5000,