đề tài thiết kế hệ thống mô hình robot địa hình quân sự .

1 MỤC LỤC CHƯƠNG I GIỚI THIỆU CHUNG 5 1.1 Giới thiệu chung 5 1.2 Các vấn đề đặt ra 5 1.3 Phương pháp nghiên cứu 5 1.4 Phạm vi giới hạn đề tài 6 CHƯƠNG II TỔNG QUAN VỀ ROBOT ĐỊA HÌNH QUÂN SỰ 7 2.1 Lịch sử phát triển của robot địa hình quân sự 7 2.2 Các loại robot địa hình quân sự 7 2.3 Các thành phần cơ bản của robot địa hình quân sự 12 2.3.1 Kết cấu cơ khí của robot địa hình quân sự 12 2.3.2 Các vi điều khiển có thể dùng trong robot 14 2.3.3 Truyền thông giao tiếp 16 2.3.4 Động cơ 17 2.3.5 Cơ cấu truyền động 18 CHƯƠNG III THIẾT KẾ HỆ THỐNG MÔ HÌNH ROBOT ĐỊA HÌNH QUÂN SỰ 19 3.1 Mô hình hóa hệ thống 19 3.1.1 Mô hình hóa cơ học 19 3.1.2 Mô hình hóa hệ thống cơ khí 22 3.1.3 Mô hình hóa hệ thống điều khiển 27 3.2 Thiết kế hệ thống 30 3.2.1 Thiết kế mạch hệ thống điều khiển 30 3.2.1.1 Thành phần 30 3.2.1.2 Module thu phát DRF7020D13 33 3.2.1.3 Sơ lược về vi điều khiển 36 3.2.1.4 Mạch in 48 2 3.2.2 Chương trình điều khiển 49 3.2.3 Thiết kế cơ khí 56 3 DANH MỤC HÌNH ẢNH Hình 2.1 Robot Hanwha robot.…………………………………….….7 Hình 2.2 Robot cứu thương…………………………………….…… 8 Hình 2.3 Robot BEAR……………………………………………… 8 Hình 2.4 iRobot 210.………………………………………………… 9 Hình 2.5 irobot 710 Warrior……………………………………………9 Hình 2.6 iRobot 510 Packbot…………………………………… … 9 Hình 2.7.iRobot SUGV……………………………………………… 10 Hình 2.8.Chiến binh iRobot 710………………………………………10 Hình 2.9 Robot Asendro ……………………………………………11 Hinh 2.10 Robot MAARS.…………………………………………….11 Hình 2.11 Dragon Runner.………………………………………… 11 Hình 2.12 SWORDS………………………………………………… 12 Hình 2.13 Robot chiến trường (VIỆT NAM) ……………………….12 Hình 2.14 MATILDA……………………… …………………… 13 Hinh 2.15 Dente II ……………………………………………… 13 Hinh 2.16 Shrimp III địa hình gập ghềnh…………………….…… 13 Hình 2.17 Thích nghi với địa hình lồi lõm của robot nâng thân…… 14 Hình 2.18 Vi điều khiển ATmega32………………………………….15 Hình 2.19 Điều khiển PIC………………………………………… 15 Hinh 2.20 Vi điều khiển hãng intel……………………………… ….16 Hình 2.21 Động cơ……………………………………………… … 21 Hình 3.1 Mô hình hóa hệ thống cơ khí……………………………… 22 Hình 3.2 Cơ cấu bánh sau…………………………………….…….…23 Hình 3.3 cơ cấu tay nâng……………………………….….………….24 Hình3.4 Cơ cấu bánh trước………………………….… ………… 25 4 Hình 3.5 Thân……………………… ………… …… ……………26 Hình 3.6 Mạch nguyên lý hệ thống điều khiển…….…………………27 Hình 3.7 Khối nguồn……………………………….………………….30 Hình 3.8 IC 7805……………………………………… …………….30 Hình 3.9 Tụ điện………………………………………… ………… 31 Hình 3.10 led……………………………………………… ………….31 Hình 3.11Vi điều khiển 89S52……………………………… ………31 Hình 3.12 Sơ đồ chân IC L298………………………………….…… 32 Hình 3.13 Module thu phát DRF7020D1…………………… … … 33 Hình 3.14 Bộ thu phát RF……………………… ………………….…35 Hình 3.15 Sơ đồ mạch nguyên lý mạch phát……………………… 35 Hình 3.16 Sơ đồ nguyên lý mạch thu……………………………… 35 Hìn3.17.Sơ Đồ Khối Của Bộ Vi Điều Khiển……………………… …37 Hình 3.18.Sơ Đồ Chân của AT89S52………………………………….38 Hình 3.19.Sơ đồ khối cổng nối tiếp của 8051………………………… 43 Hình 3.20 Mạch in …………………………………………………… 48 5 CHƯƠNG I GIỚI THIỆU CHUNG 1.1 Giới thiệu chung Cùng với sự phát triển mạnh mẽ của các hệ thống Cơ-Điện tử, robot vượt địa hình ngày một được hoàn thiện và càng cho thấy lợi ích của nó trong quân sự, trong nghiên cứu. Nó có khả năng thăm dò những khu vực mà con người không đến được thậm chí trong khám phá vũ trụ. Với sự phát triển mạnh mẽ của khoa học kĩ thuật. Cộng với nhu cầu con người ngày càng cao, tiềm năng ứng dụng của robot địa hình quân sự càng rộng lớn. Có thể kể tới một vài ứng dụng của robot như: -Kiểm tra trong các môi trường nguy hiểm, khắc nhiệt những nơi nhiễm khí độc, môi trường nước, các đường ống ngầm… -Dùng trong lĩnh vực quân sự, robot do thám… -Một ưu điểm khác của robot địa hình quân sự phải kể đến là tính linh hoạt và thích nghi khi làm việc ở những vị trí và địa hình khác nhau, điều này mở ra cho robot vượt địa hình quân sự có thêm nhiều ứng dụng mới. 1.2 Các vấn đề đặt ra - Vấn đề đầu tiên là robot địa hình dạng nâng phải leo được cầu thang và hoạt động linh hoạt ở địa hình gồ gề. - Từ yêu cầu về vượt địa hình phức tạp của robot, phải đưa ra thiết kế hệ thống cơ khí phù hợp, mạch điều khiển phù hợp cho robot. - Vật liệu làm khung robot phải nhẹ nhưng cũng phải chịu được lục tác dụng lớn. 1.3 Phương pháp nghiên cứu Từ những nhiệm vụ đặt ra và thực tế bên ngoài , chúng em đã chọn những bước làm cụ thể như sau: 6 - Tích cực tra cứu thông tin, tìm tài liệu liên quan tới những gì phải dùng trong đồ án qua mạng internet, qua những cuốn sách có liên quan. Tìm những đồ án, công trình nghiên cứu liên quan tới robot địa hình. - Liên tục lên gặp thầy hướng dẫn để có những ý kiến đóng góp của thầy, sau khi kết hợp với ý tưởng của nhóm để có một ý tưởng hoàn chỉnh. - Phân công công việc cho những thành viên ở trong nhóm, những vẫn có sự hỗ trợ của những thành viên trong nhóm. - Thiết kế cơ khí, vẽ mạch điều khiển, tính toán linh kiện cần mua. - Khi có đủ đồ tiến hành thiết kế cơ khí. Đặt mạch in, test thử mạch cẩn thận - Lập trình cho robot. - Cho robot chạy so sánh với nhiệm vụ đặt ra. 1.4 Phạm vi giới hạn đề tài Trong phạm vi đồ án, với những giới hạn về thời gian, tài chính, tầm hiểu biết, nên nhóm chúng em chế tạo một con robot vượt địa hình dạng tay nâng với những tính năng là: - Robot di chuyển vượt địa hình nhấp nhô, và có khả năng leo dốc với góc nghiêng lớn nhất là 45▫, vận tốc lớn nhất có thể đạt được là 2m/s. - Kết cấu cơ khí của robot được chế tạo bằng thép có khả năng chịu lực tốt, đảm bảo gọn nhẹ đẹp, bền, chắc. 7 CHƯƠNG II TỔNG QUAN VỀ ROBOT ĐỊA HÌNH QUÂN SỰ 2.1 Lịch sử phát triển của robot địa hình quân sự Sáng tạo ra robot là niềm vinh hạnh của con người, khẳng định sự tiến bộ của khoa học kĩ thuật. Năm1930 xe tăng không người lái đầu tiên được Liên Xô phát triển điều khiển bằng sóng vô tuyến với khoảng cách từ 500 đến 1500m. Năm 1940 xe dò mìn được quân đội Đức phát triển và đưa vào sử dụng ở chiến chiến tranh thế giới thứ 2, được điều khiển thông qua dây nối. Đến ngày nay thì chủng loại robot khá phong phú, chúng thực hiện được rất nhiều chức năng khác nhau và được sử dụng khá phổ biến trong quân sự với nhiều mục đích khác nhau. 2.2 Các loại robot địa hình quân sự Robot địa hình di chuyển linh hoạt trên địa hình phức tạp, có thể làm việc trong môi trường khắc nhiệt và những nơi nguy hiểm mà không thích hợp với con người đặc biệt là robot được lắp camera, được thích hợp bộ điều khiển từ xa. Vì thế robot địa hình sử dụng nhiều trong quân sự, sử dụng để do thám canh gác, tham gia công tác cứu hộ ở những nơi con người khó tiếp cận. Hình 2.1 Robot Hanwha robot Những chiếc xe cứu thương không người lái REV (Robotic Extraction Vehicle) mang theo một robot thứ hai nhỏ hơn có khả năng đưa những người bị thương ra khỏi chiến trường. 8 Hình 2.2 Robot cứu thương Robot BEAR sẽ tiếp cận và mang người bị thương đến nơi an toàn được thiết kế để có thể đi đến những vùng nguy hiểm nhất, nơi mà con người không thể hoặc không nên tiếp cận như: các bãi mìn, trong các vụ cháy, những khu vực rò rỉ hóa chất độc. Hình 2.3 Robot BEAR Robot này chuyên làm nhiêm vụ xâm nhập, do thám vào những vùng nguy hiểm. Chẳng hạn như vào trong một tòa nhà đang cháy để tìm người bị nạn thay cho lực lượng chữa cháy hoặc được dùng trong những nhiệm vụ giải cứu con tin của cảnh sát, với camera truyền hình ảnh trực tiếp về người điều khiển, ta có thể biết được vị trí của tội phạm cũng như con tin. 9 Hình 2.4 iRobot 210 Robot này được sử dụng trong quân đội, nó như một chiến binh, mang các khí tài quân sự cũng như vận chuyển các robot khác phục vụ cho tác chiến. Hình 2.5 irobot 710 Warrior Robot này ngoài nhiệm vụ vượt địa hình để thâm nhập do thám ở những nơi nguy hiểm, chúng còn được trang bị cánh tay máy để gắp được các vật, đặc biêt là để phục vụ cho công tác tháo gỡ bom mìn. Hình 2.6 iRobot 510 Packbot Robot này được phục vụ trong quân đội, không chỉ có khả năng vượt địa hình, nó còn có cánh tay 3 bậc tự do để mang vác, tháo dỡ các vật nặng. Robot này có 10 tốc độ rất cao cộng với khả năng điều khiển từ xa ở cự ly lớn, được quân đội Hoa Kỳ rất ưa chuộng. Hình 2.7.iRobot SUGV Nó có thể leo cầu thang và leo dốc nghiêng 45º, lăn trên đá và chịu được sức nặng lên tới 68 kg. Chiến binh iRobot 710 được thiết kế để gỡ bom và dọn dẹp các tòa nhà, thậm chí là mở cửa xe ô tô. Hình 2.8.Chiến binh iRobot 710 Robot Asendro chỉ nặng 40kg, robot nhẹ cân này trông giống một chiếc xe tăng. Với cánh tay của mình, thiết bị này có thể mở các cánh cửa và sử dụng cặp mắt video của mình để do thám và điều tra các vị trí nguy hiểm mà con người không tiếp cận được. [...] .. . hoạt kết hợp với nhiều loại súng và có khả năng di chuyển trên mọi địa hình Hình 2.1 2 SWORDS 2.3 Các thành phần cơ bản của robot địa hình quân sự 2.3 .1 Kết cấu cơ khí của robot địa hình quân sự Robot địa hình có nhiều dạng, tùy vào từng mục đích, môi trường hoạt động nên mỗi loại robot có kết cấu cơ khí khác nhau Dưới đây là một số dạng kết cấu robot địa hình quân sự: -Robot dạng 6 bánh Hình 2.1 3 robot. .. chiến trường (VIỆT NAM) 12 -Robot dạng bánh xích Hình 2.1 4MATILDA -Robot dạng chân Hinh 2.1 5 dente II -Robot dạng nhện Hinh 2.1 6 Shrimp III địa hình gập ghềnh 13 Với yêu cầu từ đề tài và địa hình mấp mô, leo cầu thang, các kết cấu cơ khí robot được thiết kế đặc biệt đơn giản Chủ yếu là kết cấu cơ khí thích nghi với địa hình Hình 2.1 7 Thích nghi với địa hình lồi lõm của robot Môi trường hoạt động có th .. . của robot, hoạt động trên địa hình phức tạp nên yêu cầu bánh của robot phải có momen lớn, và cũng xuất phát từ công nghệ chế tạo và kinh tế, do đó ta sử dụng bộ truyền xích truyền động giữa động cơ bánh sau và bánh trước robot, giữa động cơ và cần trước, sau của robot 18 CHƯƠNG III THIẾT KẾ HỆ THỐNG MÔ HÌNH ROBOT ĐỊA HÌNH QUÂN SỰ 3.1 Mô hình hóa hệ thống 3.1 .1 Mô hình hóa cơ học Chuyển động bởi robot. .. hợp và động cơ nam châm vĩnh cửu 3.1 .2 Mô hình hóa hệ thống cơ khí Từ phần tổng quan của robot và yêu cầu về cơ hoc chúng em đã dung phần mềm Solidworks để thiết kế các chi tiết của robot Việc thiết kế giúp cho chúng em có thêm hình dung tốt hơn về kết cấu tổng quan của robot đề ra nhưng phuong pháp tối ưu Hình 3.1 Mô hình hóa hệ thống cơ khí 22  Cơ cấu bánh sau Hình 3.2 Cơ cấu bánh sau stt Tên chi tiết .. . định, xử lí được nhiều tín hiệu đồng thời Mô phỏng tương đối chuẩn xác quỹ đạo của robot Điều khiển robot từ xa bằng sóng RF 3.2 Thiết kế hệ thống 3.2 .1 Thiết kế mạch hệ thống điều khiển 3.2 . 1.1 Thành phần a, khối nguồn Hình 3.7 khối nguồn Hình 3.8 IC7805 Chức năng chuyển điện áp 12VDC từ sác quy sang 5 VDC là nguồn nuôi linh kiện trong mạch Tụ điện 30 Hình 3.9 Tụ điện Chức năng lọc điện áp giúp điện .. . thân Hình 3.5 Thân Stt Tên chi tiết Stt Tên chi tiết 1 thân 3 đáy 2 Nắp 4 Căng xích 26 3.1 .3 Mô hình hóa hệ thống điều khiển Hình 3.6 mạch nguyên lý hệ thống điều khiển 3.1 . 3.1 Yêu cầu về điều khiển - Điều khiển tốc độ 4 động cơ: chạy tiến, chạy lùi, rẽ sang phải, rẽ sang trái, nâng càng trước, hạ càng trước, nâng càng sau, hạ càng sau - Nhận tín hiệu điều khiển từ bộ phát RF 27 3.1 . 3.2 Sơ đồ khối hệ thống. .. v22 – v12 Thay số ta có: 2a.2= 2.2 - 0 a=1m/s2 Khối lượng robot nặng 10kg thay vào công thức ta có F =ma F= 1 0.1 =10 ( N.m) Ta có momen xoắn là: T=F.d T=1 0.0 .1 =1 (N.m) g/s động cơ có tốc độ là 220v/p thay vào công thức ta có T=P.9,55/n T=P.9,55/220 Suy ra ta chọn động cơ 24(W) Từ yêu cầu đề tài và thực tế không cần tốc độ lớn chỉ cần momen lớn chúng em chọn loại động cơ này Hình 2.2 1 Động cơ - Đặc tính của .. . cho robot di chuyển trên mọi địa hình Chuyển động cơ cấu tay nâng, kết cấu của tay nâng có thể nâng thân robot giúp cho robot di chuyển qua những vật cản một cách dễ dàng Chuyển động song phẳng ở hai bên robot, khi đi trên địa hình phẳng, robot di chuyển bằng 4 bánh và đồng tốc độ Khi di chuyển trên địa hình lồi lõm, nhờ cơ cấu dẫn động bằng xích có gắn thêm đai giúp robot bám sát trên bề mặt địa hình. .. các port I/O trên chip, do đố khi sử dụng thiết kế hệ thống phải bổ sung thêm RAM, ROM, I/O và các bộ định thời (Timer/Counter) ngoài để cho chúng hoạt động được Hinh 2.2 0 Vi điều khiển hãng intel 2.3 .3 Truyền thông giao tiếp Hiện này với sự tiến bộ của khoa học kỹ thuật đã ứng dụng vào việc truyền nhận thông tin, tín hiều điều khiển cho robot địa hình quân sự ngày càng đa dạng và phong phú với nhiều .. . liệu I/O Chân cài đặt giá trị I I O O I Tổng số giới hạn Tên VCC VI VO TST Chức năng Nguồn cấp Điện áp vào Điện áp ra Nhiệt độ Min - 0.3 - 0.3 - 0.3 - 5.5 34 Max 5.5 VCC+ 0.3 VCC+ 0.3 125 Đơn vị V V V V Khối RF Hình 314 Bộ thu phát RF Hình 3.1 5 Sơ đồ mạch nguyên lý mạch phát Hình 3.1 6 Sơ đồ nguyên lý mạch thu 35 Là một modul kép tích sẵn có nhiệm vụ thu và phát tín hiệu bằng sóng radio -Một số đặc điểm của . CHƯƠNG III THIẾT KẾ HỆ THỐNG MÔ HÌNH ROBOT ĐỊA HÌNH QUÂN SỰ 19 3.1 Mô hình hóa hệ thống 19 3.1.1 Mô hình hóa cơ học 19 3.1.2 Mô hình hóa hệ thống cơ khí 22 3.1.3 Mô hình hóa hệ thống điều. và bánh trước robot, giữa động cơ và cần trước, sau của robot. 19 CHƯƠNG III THIẾT KẾ HỆ THỐNG MÔ HÌNH ROBOT ĐỊA HÌNH QUÂN SỰ 3.1 Mô hình hóa hệ thống 3.1.1 Mô hình hóa cơ học. năng di chuyển trên mọi địa hình Hình 2.12 SWORDS 2.3 Các thành phần cơ bản của robot địa hình quân sự 2.3.1 Kết cấu cơ khí của robot địa hình quân sự Robot địa hình có nhiều dạng, tùy