Báo Cáo Đồ Án Thiết Kế Hệ Thống Cơ Điện Tử Đề Tài Thiết Kế, Chế Tạo, Điều Khiển Robot Dò Line.pdf

Ngoài ra, mobile robot có thể dựa vào các thiết bị hướng dẫn cho phép nó di chuyền trên tuyến đường dẫn được xác định trước trong không gian được cho trước robot tự điều khién, khác với

ĐẠI HỌC QUOC GIA THÀNH PHÔ HỒ CHÍ MINH

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA KHOA CƠ KHÍ ~ BỘ MÔN CƠ ĐIỆN TỬ

BAO CAO DO AN THIET KE HE THONG CO DIEN TU

DE TAI THIET KE, CHE TAO, DIEU KHIEN

ROBOT DO LINE GVHD: Thdy Pham Céng Bang SVTH: Nguyễn Trấn Quốc Toàn 1613601

MUC LUC coc ccs cescenscenseenaeeaeeaecaeeaeeaeesaeenesaaeeaaesaaeeaesaaeseaeeaaeeaaesaaeseaeaaeenaeenaeeas 1

MUC LUC HINH ANH o.eecsseccssssssssssssssessnseesuseesuscesnsceesnscesnsccansccsnsccsnecssneessneecaneceenneesaees 4 009896: c2 6

Phần 1: TONG QUAN oecescsscssssssssesssssessssssessesecsusssssscssssesaesussucsussesuesuessetssesaeseeatsaeesees 9

1.1 Téng quan vé Mobile Robot: .c.cscssssssssssssssssssssssesssssseessesssesssessecsesstessesseesseesseess 9 1.1.1 Phân loại Mobile robot: - -< 5E S22 1111230 1111233111119 11H 11x 9 1.1.2 Cách định hướng di chuyển của Mobile Robot: 2 5:s+- 10 LEIE đài ảnG ốố 10

b Magnetic spot guidance (hay con goi là điểm từ): . -c ©5e 11

c Magnetic Tape guidance (hay còn gọi là băng từ): - - S5 <c+<<s+<ssssss 12

HA (00400 12 1.1.3 Ứng dụng của Mobile rObot: -¿ 2¿©22+©52+cx+2EE+EE2EEEerkrsrxrrrrsrxrrrree 13 1.2 Tổng quan về robot đò line: ¿2-22 +¿©2++E£22E++EE+2EEtEEE+EESEEEEEerkerrxerrrerkeee 16 1.2.1 Một số mô hình robot đò line trong các cuộc thH: -<<<<<<<-s2 16

* Phương pháp đọc tín hiệu cảm biến: . 222+22+2E+2E+2E2EE+EEvrxrrxered 22

c Phần cấu trúc điều khiỂn: . 2- 2 2 +s+E+EE+EE+E2EEE21121311211 2112121111 xe 23

QL VE Co kts ce ccececcccccessessscsseessesuesucsussssesussucsuesssesassussussssesuesussucstsaesatsussucaneatessees 28 2.2 VG pla MiG o cecccccccccesessssssssssssesssesssessssssessscssesssssssssnesssesssesssessesseessesseeseeeseeseeess 28

2.2.1 DONG COD 28

2.2.2 Phurong an cam DiGh: ooo eceseeseessseeseesestssessesecsuestssessesecstsstsatsseesteseeneeees 28 2.3 Cầu tric didur KmiGI eee ececceccessessessessesseseccucsessesaesucsuesssessesucsucsaesuesucsnsateaesnessees 28 2.4 Bo didu biG cceccesseseesecsesecsuesecsucsssesucsucsucsussucsucsussesaesucssaesaesatesaesseees 28

3.1 Tính toán kích thước Xe - - <3 3S SH HH9 111K n ng KH n TH 01 K51 1kg 29 3.1.1 Tính toán công suất cho động cƠ: -2 2-©2+©22+2E+2E+2E2EE+EEerxrrxered 30 3.1.2 Tính toán moment xoắn động cơ . - 2-2 2++2+++++2x+2E2Ez+Ex+rxsrxered 31 3.1.3 Điều kiện để xe vào cua ma không bị trưỢt: - -S-ccSSssssssseees 32

3.1.5 Các thông $6 CO DAN CUA XC ceececececcsssssscsesesesesesestsesusssssscscsssesesesesssestscseseseees 32 k2 ro nh .Ố 33 3.2.1 Dung sai lắp ghép đồ gá động cơ: 2-2 ©2+S+222E+EE2EEEEerxerkrrkred 33 3.2.2 Gia công đỗ gá động cơ . -2-©2+2222222212212221221221211211211211211 11 Xe 34

E000 i00 vn ae 37

4.1.1 Các yêu cầu khi lựa chọn cảm biến -2- 2 2+Sz+E+SE+EE+EE+Ereerxersee 41

4.2.2 Phương án 1: Đọc tín hiệu Digital bằng thanh cảm biến BED-1000: 42 4.1.3 Phương án 2: Đọc tín hiệu Analog băng cảm biến TCRC 5000 43

c Bố trí các cảm biến: 2-52 S< ST S1 S321 21 21111111111111515555515111 1111151115 151E1EEEEExEe 45

4.2 Khối driver và động CƠ: 2 2- +2E22222EE22E2212112212212112112112112111111 1126 47

2

4.4 Điều khiển động cơ hai bánh xe? oo c.cceccsccseessesssssssssssessessessessessessssesseeseeseeeseesees 50

408i 8n 54

Phan 6: KET QUA THUC NGHIỆM -2- 2 2+ 2+E2+EE+E+EeEE2EESEEEEEEEerkerkerrrree 58

6.1 Kết qua thyre nghi@me .c cccccccceccsesssssssssssessssssesssesssssnssssessuessessesstesssesseestesseeseeess 58 6.2 Danh gid két qua thyre mghiGnns c.ccccceccccessesssessssssessesssesseessesssessecsteeseeseeseeeseeess 59

Tài liệu tham khiảO: - - G5 2216111231111 1111230 1111131111130 111123 1K nE H11 kcrưy 60

MUC LUC HINH ANH

Ipihii08g.6i4:0iii.o s2 1n 7 Hình 1.1: Robot chuyên động bằng bánh xe (a) và bánh xích (b) -2 5z52 9 Hình 1.2: Robot truyền động băng chân 2-52 ©2SE+SE+2E2EE2EE2EE2EEEEEEErreee 10 Hinh 1.2: Hé thong Laser guidance [5], - 2-22 2¿©52+E22EE+EE++EE2EEvrxesrxerreerxee 10 Hinh 1.3: Magnetic spot guidance [6] oo cecccceeeeeesceceeseeeseeseeeeeeeeeaesaeeeeeeeeaeeeeaeeaees 11 Hình 1.4: Nguyén tac hoạt động Magnetic spot guidance [7] -.: 2 52-=52 11 Hình I.5: Nguyên tắc hoat déng magnetic guidace [§] ¿©22-55z2cscccszccxa 12

In 020-531 11 12 Hinh 1.7: Robot Opportunity của NASA [10], S ẶSẶS S2 Sseirkkreeeerre 13 Hinh 1.8: Robot Scorpion cua TOSHIBA [1 1] 55 5+S<<++<++sxssesseeseesses 14 Hinh 1.9: Robot van chuyén hang hoa [12] c.ccccccsseessessesssessessessessesseesesseeseeseesseesees 14 Hinh 1.10: Robot lau nhà Xiaomi Roboroek Gen 3 [13] -<<<<<<<<<x<<<+s 15 Hinh 1.11: Robot 510 PackBot được sản xuất bởi iRobot 2©5sss+e+zszesezevrsrs 15 Hinh 1.12: Robot phục vụ nhà hàng của LKK Group [1Š], -<<<<<<<<<s 16 Hình 1.13: Robot dò line “The Chariot” (a) và sơ đồ nguyên lý của nó (b) [16] 17 Hình 1.14: Robot dò line Silvestre (a) va sơ đồ nguyên lý (b) [L7] - 17 Hình 1.15: Mô hình xe dò line “Fireball” (a) và sơ đồ nguyên lý (b) [1§] 18 Hình 1.16: Động cơ DC Servo giảm tốc GA25 [19] -2-©22©72222+2E+ExvErxerxerxeee 19 Hinh 1.17: Động Cơ Bước Step Motor NEMA17 NEMA23 Stepper [20] 20 Hinh 1.18: Động cơ §€TVO - Ác S- 2< ST ST TH H1 1 11T H1 11T HH TH HH Hư 20 Hinh 1.19: Pixy2 CMUcam5 Smart Vision Sensor [2Ï] +-<+<<+cs+cxssessecxs 21 Hinh 1.20: PhototrafisISOT - - SĂ 2< S113 S3 2512111151211 11111111 111 11 1 1 11H Hi He 21 Hinh 1.21: Nguyén ly cua cam bién quang dan .c.cceccecsesseessesseessessesseeseeseeseeseeeeeeees 22

Hình 1.22: Tín hiệu đọc về digital .c.ccccccccscssssesssesssssesssesssessesssesseesseeseeesseesteeseeseeess 22

Hình 1.23: Thuật toán xấp xỉ đọc tín hiệu analog: xấp xỉ bậc hai (a) và theo trong sé (b)

111111511111 11 1111130111111 T1 T111 T111 TT TT TH TT TT TT TT TT T111 T111 TT re 23

Hình 1.24: Điều khiển tập trung (Centralized control) -¿-sz©c++csz+cs+2 23 Hình 1.25: Cấu trúc điều khiển phần cấp (Distributed control) -ss- 24

Hình 2.1: Phương án xe 3 bánh 2 bánh sau dẫn động 2-2-2 se: 28

Hình 3.1: Các lực tác dụng lên xe dò line - <5 5< <++< + *++<++sxe+eeeeeseeseeesee 29

Hinh 3.2 M6 hinh SolidWorks cla xe dO Ïlne -csScsSx+sxssersessresrrereeeeke 33 Hinh 3.3: Kích thước 94 dOng CO oo cece ceceeeeeeeceeceeseeseeseescescesaeeeeeaesaeeecenaesaeeeeenaesaees 34 Hình 3.4: Đồ gá động cơ sau khi hoàn thiện 2© 2©22+++EE+EE+2Ez+EE+EE+rxerxeee 34 Hình 3.5: Các bước thực hiện gia công đỗ gá; -©2-©52©22SE22E2EE2EEEEerxerkeei 35 Hinh 3 6: Kích thước mặt mica phía đưỚi - 5 55 S5 ++x*+s+sxerseesexrrereeee 36 Hinh 3.7: Kích thước mặt mica phía trÊn - 5-5 5< 5+ S<*+*E*+EExsesrxrrrrrxseeeeree 36 Hinh 3.8: Cy 6c) 0i 37

Hình 3.10: Vận tốc xe và bánh trái, phải theo thời gian khi xe chạy thắng 39

Hình 3.1 L:Vận tốc xe và bánh trái, phải theo thời gian khi xe chạy cung tròn 39

Hình 4.1: Thanh cảm biến dò line hồng ngoại BED-1000 [22], -2 5- 42

Hình 4.3: Mạch điện I cảm biến TCRC5000 -2- S2 SE SESE111 1111525111151 Exey 43 Hình 4.4: Đồ thị quan hệ giữa [F và I€ [23] 2-©22-52222++2 xe2Execxrsrxesrxerkecred 43

Hình 4.5: Đồ thị quan hệ I€Œ và V [244] ¿ ¿©-2+-<+2E£+EE+EE+EEEEEEEEEEEEEerkrrkerreee 44

Hình 4.6: Ảnh hưởng của việc đặt cảm biến lên switching distance .- 44 Hinh 4.7: Vùng hoạt động của cảm biến TCR.-5000 - 2-2 St SE SE EErErxererrree 45 Hình 4.8: Khoảng cách giữa 2 cảm biến D (mm) 2- ©5222 S222E22222EE+EEvrxerxeei 46

Hình 4.9: Phạm vi quét của 2 cảm biến liền kề ©2-©52©52222+EE+EE+EE+EEcxeczeeei 46 Hình 4.10: Sơ đồ khối cảm biến -2 252+ SS+ttEExtrtrEkrrttrrrrrrrrrrrrrrrrrrrrrirerried 47

Hình 4.11: Động cơ DC Servo giảm tốc GA25 55-S2S22222222122122122121 xe 47 Hình 4.12: Motor driver L298N [2Š] . 5-2 22211122111 22111 1211122111221 1211 ke 48

Hình 4.13: Sơ đồ khối driver và động cơ [25] -©2+©52©222222EE+EE+EEerxerxecrxeee 48

Hình 4.14: Sơ đồ khố chung cho toàn hệ thống . 2 2-©522+2©52+2++2z++>xz+cxd 49

Hình 4.15: Quan hệ giữa phần trăm xung PWM và vận tốc động cơ trái (a) và phải (b)

Hình 5.2: Ví điều khiên Arduino Atmega 2560 [26] -2 2¿©225522cxccescsee 54

5

Hình 5.3 Sơ đồ khối điều khiễn -¿-+222cc+tEEEkErrttErkrrrtrirrrriirrrried 55

Hinh 6.1: Chạy thực nghiệm robot đò Ìine ©5555 5c *+x+s+sEEsexsekrxrreeeeeeree 58

MUC LUC BANG

Bảng 1.1: Đánh giá ưu, nhược điểm sơ đồ nguyên lý . -2 222+2cs+cx+zxscxeei 18 Bang 1.2: So sánh giữa các phương pháp đọc cảm biến: 2-©-222+2s+cxzc5ze: 23

Bang 1.3: So sánh cấu trúc điều khién tập trung và cấu trúc điều khiên phân cấp .24

Bảng 3.1: Thông số xe đò line 2-2 2©222EE2+E2EE+EE+EESEEEEE221222122122121212221 22C 33 Bảng 4.1: So sánh sánh ưu nhược điểm của số lượng cảm biến dò line 41 Bảng 4.2: Thông số kỹ thuật của thanh cảm biến đò line hồng ngoại BFD-1000 42

Bảng 4.3: Thông số kỹ thuật của cảm biến TCR 5000 22©22©7222<+2S+cxcxeei 45

Bảng 4.4: Các thông số của motor driver L298N 2¿©22-22222x2cxvcrxecrxerrecred 49 Bang 5.1: Các thông số của Arduino Atmega 2560 -©22©722S222222E2EEerxerxeei 54 Bang 6.1: Két qua thurc nghigm .cccccccccssssssssssssssesssesssssnesssesssesssesseeseeseesseestesseeseeess 58

YEU CAU

Đồ án môn học Thiết kế hệ thống cơ điện tử yêu cầu sinh viên thực hiện thiết ké,

chế tạo và điều khiến robot đò line (Line following robot) Robot sau khi hoan thanh phải đúng kích thước như yêu cầu và di chuyên đúng theo sa bàn line phăng có quỹ đạo

di chuyển: A 3> B >C>D>E>F>C>3G>3A>3C3E và các kích thước như (hỉnh 1)

Hình 1: Kích thước sa bàn

MỤC TIỂU

Do yêu cầu của đồ án môn học (ĐAMR) là thiết kế, chế tạo và điều khiển nên mục tiêu quan trọng nhất của robot dò line là bám line ôn định nhất có thể và thỏa mãn các yêu câu của bài toán

Lập trinh

Phan 1: TONG QUAN

1.1 Téng quan vé Mobile Robot:

Cùng với sự phát triển không ngừng của các ngành khoa học kỹ thuật, các ngành công nghiệp cũng phát triển nhanh chóng Việc áp dụng các máy móc hiện đại vào sản suất là một yêu cầu không thẻ thiếu trong các nhà máy nhằm tăng năng suất, tăng chất lượng và giảm giá thành sản phẩm Song song với sự phát triển đó, công nghệ chế tạo Robot cũng phát triển nhanh chóng, đặc biệt là ở các nước phát triển, nhăm đáp các nhụ cầu về sản xuất, sinh hoạt, quốc phòng Trong các họ robot, chúng ta không thê không nhắc tới Mobile Robot với những đặt thù riêng mà những loại robot khác không có Mobile robot có khả năng tự đi chuyên, có nghĩa là chúng có khả năng tự điều hướng trong một môi trường không biết trước mà không cần các thiết bị hướng dẫn vật lý hoặc

cơ điện Ngoài ra, mobile robot có thể dựa vào các thiết bị hướng dẫn cho phép nó di

chuyền trên tuyến đường dẫn được xác định trước trong không gian được cho trước

(robot tự điều khién), khác với các loại robot công nghiệp thường đặt gan nhu cé dinh

va hoạt động bằng các cánh tay robot

1.1.1 Phan loai Mobile robot:

Mobile robot có thê được phân loại theo các cách sau:

*Phân loại theo môi trường mà chúng di chuyển:

- Robot ngoàải trời và robot trong nhà Thông thường chùng đước lắp bánh xe nhưng cũng có khi được trang bị bánh xích hoặc chân giống người hoặc động vật

- Robot trên không: như các loại máy bay không người lái, drones,

- Robot dưới nước

a Robot chuyên động bằng bánh xe [1] b Robot chuyên động bằng bánh xích [2]

Hình 1.1: Robot chuyên động bằng bánh xe (a) và bánh xích (b)

9

a Robot 6 chan giống nhện [3] b “Chó Robot” di chuyên bằng 4 chân [4]

Hình 1.2: Robot truyền động bằng chân

* Phân loại theo phương pháp di chuyển:

- Robot di chuyển bằng bánh xe (hình I.1.a)

- Robot di chuyên bằng bánh xích (hình 1.1.b)

- Robot có chân, chân giỗng người hay giống động vật (hình I.2.a và 1.2.b)

1.1.2 Cách định hướng di chuyền của Mobile Robot:

a Laser guidance:

Hinh 1.2: Hé thong Laser guidance [5]

Tia laser duoc phát ra từ Mobile robot sẽ được truyền đến các mốc được đặt trong

khu vực hoạt động như (hình 1.2) Khoảng cách và góc từ Mobile robot đến các mốc sẽ được truyền đến bộ xử lý để tính toán vị trí Mobile robot, từ đó truyền tín hiệu để Mobile robot đi đúng hướng đến vị trí mong muốn

* Dac diem:

- Ban dé hoat động của Mobile robot được lưu trữ trước trong bô nhớ

- Đường đi của Mobile robot có thê đễ dáng được thay đôi và mở rộng

10

- Day là phương pháp dẫn hướng chính xác nhất

b Magnetic spot guiđanee (hay còn gọi là điểm từ):

Hinh 1.3: Magnetic spot guidance [6]

Các điểm từ được đặt trước trên nền nhà như (hình 1.3) Bộ cảm biến từ được lắp trên robot sẽ cảm biến trên robot sẽ nhận diện các điểm từ này Ứng với mỗi điểm từ sẽ

có một lệnh được cài đặt sẵn từ trước cho robot (đi thăng, rẽ trái/ phai 90°, .) Robot

sẽ thực hiện lệnh đó cho đến khi gặp phải một điểm từ khác Khoảng di chuyền giữa 2

điểm từ gọi là khoảng không tính toán (dead-reckoning) (hình 1.4)

Hình 1.4: Nguyên tắc hoạt động Magnetic spot guidance [7]

* Đặc điểm:

- Đường đi được quy định bằng các điểm từ

- Đường dẫn gián đoạn

- Hệ thông đường dẫn có thê thay đôi

- Sai lệch khi đi chuyên phụ thuộc vào độ chính xác của cảm biến từ

11

- Hé thong có thê mở rộng mả không ảnh hưởng đến cơ sở vật chất

c Magnetic Tape guidance (hay con gọi là băng từ):

Hinh 1.5: Nguyén tac hoat déng magnetic guidace [8]

Giống như điểm từ, băng từ được đán trước trên sàn để tạo vùng hoạt động cho robot Robot được trang bị cảm biến để nhận diện băng từ, đi theo băng từ để đi đến điểm mong muốn như (hình 1.5)

* Đặc điểm:

- Đường dẫn được quy định bới băng từ

- Hệ thông đường dẫn liên tục

- Hệ thống đường dẫn thay đổi hoặc điều chỉnh dễ dàng

- Sai lệch khi di chuyên phụ thuộc vảo độ chính xác của cảm biến từ

d Wire guidance:

Hinh 1.6: Wire guidance [9]

Line dan đường được dán trước trên sàn để tạo vùng hoạt động cho robot Vật liệu

của line dẫn không quan trọng Line dẫn thường được chọn màu đối xứng với mặt sàn hoạt động Robot được trang bị camera hoặc led để nhận diện line này, từ đó truyền tín

12

hiệu đến bộ xử lý, xác định vị tri và điều khiển xe Hệ thống xe dò line được thê hiện

như (hình 1.6) Chỉ tiết về xe dò line sẽ được trình bày ở các phần tiếp theo

* Đặc điểm:

- Đường dẫn được quy định bởi line dẫn

- Hệ thông đường dẫn liên tục

- Hệ thông đường dẫn thay đổi hoặc điều chỉnh dé dàng, hệ thống dễ dàng mở rộng

- Sai lệch khi đi chuyển phụ thuộc vào độ chính xác của cảm biến

1.1.3 Ứng dụng của Mobile robot:

Hình 1.7: Robot Opportunity của NASA [10]

Mobile robot được sử dụng phô biến đề thực hiện những công việc mà con người khó thực hiện và thậm chí không thực hiện được: làm những công việc đòi hỏi độ chính xác cao, làm việc trong môi trường nguy hiểm (như lò phản ứng hạt nhân, dò phá mìn trong quân sự), thám hiểm không gian vũ trụ

Những nơi con người không thể đặt chân được như bề mặt hành tính khác, bề mặt

long biến sâu, người ta phải dùng robot tự hành với cầu trúc đặt biệt Robot

Opportunrty (hình 1.7) được NASA gửi lên Sao Hỏa vào năm 2003 trong nhiệm vụ thám hiểm sao Hỏa 90 ngày Robot có thể hoàn toàn điều khiến từ xa được từ bề mặt Trái Đắt, nhưng cũng có thể tự động thực hiện công việc một cách độc lập Trong I5 năm làm

việc, Opportunity đã không ngừng di chuyên, đưa ra các quan sát khoa học và báo cáo

lại cho Trái Đất với thời gian dài hơn 55 lần tuôi thọ thiết kế của nó Cho đến năm 2018,

Opportunity đã đi được quãng đường 45,6 km trong suốt quãng đời của mình trước khi ngưng hoạt động hoản toản

13

Robot nói chung và mobile robot nói riêng có thể được thiết kế và vận hành thay

thế hoàn toàn con người trong các môi trường độc hại Hình cho thấy Robot Scorpion

do công ty Toshiba thiết kế (2015) (hình 1.8) trong nhiệm vụ đọn đẹp nhà máy hạt nhân

sau sự cố hạt nhân Fukushima, Nhat Ban hồi năm 2011

Hình 1.8: Robot Scorpion cua TOSHIBA [11]

Trong công nghiệp, mobile robot thường được sử dụng chủ yếu để di chuyên các thiết bị, mang vác các nguyên vật liệu nặng và các phụ kiện cần thiết Mobile robot được ứng dụng rộng rãi đặt biệt trong các kho hàng, để vận chuyền và phân phối hàng hóa (hình 1.9) Robot thường được dẫn hướng bằng các đường line, bang từ đặt đưới sản và

được lập trình để thực hiện một số công việc nhất định

Hình 1.9: Robot vận chuyền hàng hóa [12]

14

Hinh 1.10: Robot lau nha Xiaomi Roborock Gen 3 [13]

Ngoài ra, mobile không chỉ được sử dung trong céng nghiép ma ca trong lĩnh vực quân sự và cuộc sông hàng ngày Robot hút bụi Xiaomi Roborock Gen 3 (ra mắt năm

2019) (hình 1.10) có khả năng tìm đường đi về dock sạc với thời gian ngắn nhất, bất

chấp mọi loại bản đồ phức tạp Robot được trang bị thuật toán thiết lập bản dé nha va

khoảng đường thông minh nhất Người dùng cũng có thể thiết lập và phân vùng bản đồ

bằng điện thoại thông minh Trong quân sự, robot được trang bị súng, radar và di chuyên linh hoạt trân các địa hình (hình 1.11)

Hình 1.11: Robot 510 PackBot được sản xuất bởi iRobot trang bị cho quân đội Mỹ[14]

15

Hinh 1.12: Robot phục vụ nhà hàng của LKK Group [15]

Mobile Robot có thê được sử dụng để phục vụ trong các nha hàng như (hình 1.12) Phương pháp định hướng của robot này là dùng cảm biến từ (magnetic sensors tracking)

dé đi theo băng từ (magnetic tape) được dán sẵn trên nền Ngoài ra, robot này còn có thể được điêu khiến tử xa và tránh được chướng ngại vật

1.2 Tổng quan về robot đò line:

Robot do line (Line following robot) la m6t dang robot di động (mobile robot) di chuyền bằng bánh xe Robot sẽ đi chuyên bám theo các đường Line được vẽ/dán trên

mặt đất Quỹ đạo di chuyên của robot phụ thuộc vào sa ban của hệ thông các đường Line

được vẽ/dán săn Phần này trình bày về yêu cầu đề bài được đặt ra, các thành phần quan trọng của xe dò line cũng như một số mô hình nguyên lý đã xuất hiện trong các cuộc thi

trước khi bắt đầu vào công việc thiết kế hệ thống cơ khí, điện, điều khiển

1.2.1 Một số mô hình robot đò line trong các cuộc thi:

Có nhiều thiết kế về robot dò line được sử dụng trong các cuộc thị Dưới đây la một số mô hình các robot dò line được sử dụng và đạt giải cao trong các kỳ thi ngoài nước:

* Chariot: Mô hình xe Chariot (hình 1.13) về nhì cuộc thi LV Bots April line following

- Xe có trọng luong: 210 (gram)

- Kết cầu xe: 2 bánh sau chủ động, I bánh trước tự lựa

- Xe sử dụng động cơ DC Servo, thanh cảm biến hồng ngoại gồm 6 sensor QTR-8RC

- Phần cứng trung tâm của xe là vi điều khiến A- Start 32u4 Mini LV (MCU

Atmega32u4), câu trúc điều khiển tập trung, bộ điều khiển PID

- Xe có vận tôc qua khúc cua cao, có thê thực hiện được góc cua cong với bán kính nhỏ

16

a) Robot do line “The Chariot b) So dé nguyén ly xe “The Chariot” Hình 1.13: Robot dò line “The Chariot” (a) và sơ đồ nguyên lý của nó (b) [16]

* Sjfresfre: Mô hình xe Silvestre (hình 1.14) đạt giải vô địch Cosmo bot 2012

- Xe có trọng lượng: 250 (gram) Kết cầu xe: 2 bánh sau chủ động, 2 bánh trước tự lựa

- Xe sử dụng động cơ DC Servo (Maxon DC Motor), thanh cảm biến hồng ngoại gồm 8 sensor

- Phần cứng trung tâm của xe là vi điều khiên LPC2148 ARM7, cấu trúc điều khiến tập

trung, bộ diéu khién PD

- Xe có khả năng nhớ đường, tốc độ xe cao

a) Mô hinh xe do line “Silvestre” b) So dé nguyén ly xe “Silvestre” Hình 1.14: Robot dò line Silvestre (a) và sơ đồ nguyên lý (b) [17]

* Fireball: Mô hình và sơ đồ nguyên lý xe dò line Fireball như trong hình Xe Fire đạt được các giải thưởng cao trong các cuộc thi Bot Brawl (2010) ở Peoria; ChiBot”s Fall (2010) ở I hobby Expo

- Xe sử dụng động cơ DC Servo (Maxon DC Motor), thanh cảm biến hồng ngoại gồm 8 sensor QTR-8RC

17

- Phan trung tâm của xe là vi diéu khién Parallax Propeller

- Xe có khối lượng nhẹ, kết cấu cân bằng tốt nhưng khi bo cua dễ xảy ra hiện tượng

nhất Dù cơ cấu nảo đi nữa, nó cũng phải giải quyết được khả năng cân bằng của robot

và sự tiếp xúc của bánh xe với mặt đường đặt biệt khi bo các vòng cua có bán kính nhỏ

Ưu nhược điểm của một số loại xe 3, 4 bánh được thê hiện trong (bang 1.1)

Bang 1.1: Danh gia wu, nhuge diém so dé nguyén ly

3 bánh (dẫn động 2 bánh ˆ Tiếp xúc mặt đường tốt - Khi ôm cua, xe mang

- Trọng lượng phân bố không tốt (trên hình tam giác)

3 bánh (dẫn động 2 bánh ˆ Tiếp xúc mặt đường tốt - Bánh tự lựa ở phía sau sau) - Khi ôm cua, xe mang tải có ma sát nhỏ khiến xe

khó bị lật hơn trường hợp có thể bị xoay khi cua ở

18

- Khi rẽ hướng mang theo

tải khó lật hơn do có hai

điểm tựa ở bánh

- Xe cân bằng tốt do trọng lượng phân phối trên một tứ

giác

- 2 bánh trước dẫn hướng

kéo tải nên xe khó lật

- Xe cân bằng tốt do trọng lượng phân phối trên một tứ

giác

- Tải chia ra cho các động cơ nên giảm tải cho động cơ

- Trọng lượng phân bố không tốt (trên hình tam

giác)

- Tiép xuc mat duong không tốt (đường đua không băng phẳng)

- Bám đường không tốt

Hình 1.16: Động cơ DC Servo giảm tốc GA25 [19]

- Động cơ điện một chiều (DC motor): Động cơ điện một chiều được dùng rộng rãi trong các hệ thống truyền động điện chất lượng cao, đải công suất động cơ điện một chiều từ vài W đến vài MW Đây là động cơ đa dạng, linh hoạt, có thê đáp ứng yêu cầu moment, tang tốc, và hãm với tải trọng nặng Động cơ điện một chiều cũng dễ đàng đáp

19

úng với các truyền động trong khoảng điều khiến tốc độ rộng và đảo chiều nhanh với nhiều đặc tuyến quan hé moment- tốc độ Một số DC motor được sử dụng trong robot

đò line như (hình 1.16)

Hinh 1.17: Động Cơ Bước Step Motor NEMA17 NEMA23 Stepper [20]

- Động cơ bước (stepper motor): Động cơ bước (hình 1.17) có thể được mô tả như

là một động cơ điện không dùng bộ chuyên mạch Cụ thê, các mẫu trong động cơ là

stator, và rotor là nam châm vĩnh cữu hoặc trong trường hợp của động cơ biến từ trở, nó

lả những khối răng làm bằng vật liệu nhẹ có từ tính Tất cả các mạch đảo phải được điều

khién bên ngoài bởi bộ điều khiến, và đặc biệt, các động cơ và bộ điều khiển được thiết

kế để động cơ có thê giữ nguyên bắt cứ vị trí có định nào cũng như là quay đến bắt kì vi trí nào Hầu hết các động cơ bước, có thể chuyên động ở tần số âm thanh, cho phép

chúng quay khá nhanh, và với một bộ điều khiến thích hợp, chúng có thê khởi động và dừng lại dễ dàng ở các vị trí bất kì

Hình 1.18: Động cơ servo

- Động cơ servo (hình 1.18) có thể là bất kì loại động cơ nào vừa nêu trên khi kết hợp với bộ điều khiên động cơ servo, phần hỏi và hệ thống điều khiến thích hợp Động

cơ servo dùng trong đồ chơi điều khiển vô tuyến thường sử dụng thiết kế mạch DC

truyền thống rẻ tiền để giảm kích thước Động cơ servo trong công nghiệp đáp ứng được

20

yêu câu tôc độ nhanh, độ chính xác cao va sản sinh ra moment lớn trong suôt dải hoạt động là dựa vao thiết kế của động cơ điện một chiều không chổi than

* Cam bien:

Hinh 1.19: Pixy2 CMUcam5 Smart Vision Sensor [21]

- Camera (hinh 1.19): Trong trường hợp sử dụng camera, hình anh thu được từ đường line thực tế sẽ được gửi về, xử ly và sử dụng các giải thuật xử lý anh để xác định

vị trí và póc lệch chính xác của xe so với đường line Camera cho kết quả với độ chính xác cao Hạn chế lớn ở đây là chi phí cao vì bộ camera giá thành thấp sẽ không đạt được

tốc độ lấy ảnh như yêu cầu và bộ xử lý phải đủ mạnh đề xử lý lượng lớn thông tin

- Cảm biến quang dẫn thường được sử dụng nhiều trong các cuộc thi robot dỏ line hiện nay Điện hình như quang điện trở hoặc phototransistor kết hợp với LED như (hình

1.20)

Hinh 1.20: Phototransistor Hai cảm biến có nguyên tắc hoạt động giống nhau, bộ thu sẽ thu tín hiệu phản xạ

từ bộ phát phát xuốn g mat đất, từ đó xử lý để xác định được vị trí của đường line Nguyên

lý của cảm biến hồng ngoại được thê hiện như trong (hinh 1.21) Ưu điểm của cảm biến

21

quang dan la giải thuật xử lý đơn giản, nhưng van ton tại nhiều nhược điểm: dễ bị nhiễu,

bê mặt mâp mô có thê gây sai số

Hình 1.21: Nguyên lý của cảm biến quang dẫn

* Phương pháp đọc tín hiệu cảm biến:

- Đọc tín hiệu Digttal: Tín hiệu đầu ra của cảm biến vẫn là analog nhung sau đó thông qua mạch lấy ngưỡng hoặc lấy ngưỡng bằng lập trình để cho ra 2 giá trị logic 0 va 1 ứng với vị trí cảm biến trên đường line hoặc ngoài đường line

Đề điều khiến robot theo quỹ đạo, người thiết kế lập trình xác định độ lệch tương

đối giữa quỹ đạo của robot và quỹ đạo mong muốn, sau đó so sánh độ lệch đó thành các mức và điều khiến lái robot quay về quỹ đạo Sai số dò line phụ thuộc vào khả năng phân biệt các trạng thái của hệ thống, hay khoảng cách giữa các sensor, do đó tốc độ xử

lý rất nhanh

Hinh 1.22: Tin hiệu doc vé digital

- Đọc tín hiệu analog: Doc theo dang analog tin hiéu analog đọc được tử cảm bién qua

phép xấp xỉ để tìm ra vị của xe so với tâm đường line Các giải thuật xấp xi theo bac 2, theo trọng số cho sai số dò line khác nhau Thuật toán được mô tả như (hình 1.23) Thời gian xử lý phụ thuộc vào thời gian doc ADC tất cả các sensor của vi điều khiển, do đó

sẽ lâu hơn phương pháp thứ nhất, tuy nhiên độ chính xác cao hơn nhiều

22

a) Xap xi bac hai b) Xap xi theo trong sé Hình 1.23: Thuật toán xấp xỉ đọc tín hiệu analog: xấp xi bac hai (a)

va theo trong sé (b) Bang 1.2: So sánh giữa các phương pháp đọc cảm biến:

Đọc tín hiệu analog Doc tin higu digital

2 Thời gian đọc tín hiệu Ton nhiều thời gian Tốn ít thời gian

c Phần cấu trúc điều khiến:

Mạch điện xe dò line gồm các thành phần cơ bản chính gồm mạch sensor, mạch điều khiển, driver motor Do đó, có thể dùng một trong 2 phương án sau đề thiết kế bộ điều khiến:

Sensor

Hinh 1.24: Diéu khiển tập trung (Centralized control)

- Diéu khién tap trung (Centralized control): B6é vi diéu khién duy nhat dong thoi nhận và xử lý tín hiệu từ cảm biến, nhận và xử lý tín hiệu từ 2 encoder, thực hiện chương trình chính, tính giá trị điều khiển và truyền cho hai động cơ Hầu hết các Robot, xe đua

23

dò line thực tế thường xử dụng cấu trúc điều khién nay So dé diéu khién tap trung dugc

Hinh 1.25: Cau tric diéu khiển phần cấp (Distributed control)

Một vi điều khiển sử dụng như một master tính toán cho chương trình điều khiển chính

Các slaver còn lại sử dụng các vị điều khiến khác, thực hiện các nhiệm vụ riêng biệt:

thu và xử lý tín hiệu từ cảm biến, tính toán vị trí tương đối của xe so với đường line và

truyền về cho master, thu nhận tín hiệu từ encoder, tính toán thuật toán điều khiến cho động cơ, đảm bảo động cơ hoạt động theo đúng yêu cầu master, Tín hiệu trao đối giữa các vi điều khiển theo nhiều chuân khác nhau như 12C, CAN Câu trúc này giúp giảm được khối lượng tính toán cho master và cho phép robot thực hiện nhiều chức năng cùng

1 lúc Bảng 1.3 so sánh sự giống và khác giữa 2 cau trúc điều khiến

Bảng 1.3: So sánh cầu trúc điều khiên tập trung và cầu trúc điều khiển phân cấp

Điều khiên tập trung Điều khiến phân cấp

24

Nhận tín hiệu từ cảm biến, Master tính toán luật điều khiển Các Nguyên ly

tính toán , điều khiển động slaver thực hiện đọc cảm biến, xử lý

co tín hiệu truyén vé master, diéu khién

động cơ

Ưu điểm Ít tốn không gian Dễ dàng nạp chương trình

Giảm được trọng lượng Đề dàng phát triển Giảm chi phí

Nhược điểm Ton thoi gian debug, code Chi phi cao hon

Tăng khối lượng

- Bộ điều khiển Fuzzy, duoc thyc hiện gồm 3 bước: mờ hóa, thực hiện hợp thành và giải

mờ Sai số đầu ra của bộ điều khiến phụ thuộc hoàn toản vào luật mờ Đưa ra luật mờ tốt sẽ được sai số đầu ra nhỏ và ngược lại

- Bộ điều khién self-tuning fuzzy PI, đây là bộ điều khiển kết hợp giữa PI va fuzzy, hai

thông số Kp và Ki được chỉnh định bởi bộ điều khiển fuzzy BO diéu khién nảy được ứng dụng trong hệ phi tuyến MIMO, điều khiến robot theo các quỹ đạo phức tạp và ôn định

trước các tác động của nhiễu Tuy nhiên bộ điều khiển này phải thiết kế phức tạp hơn

bộ điều khiển PID và fuzzy

- Bộ điều khiên Following tracking, bộ điều khiến này xem xét 3 sai số của robot và line theo phương tiếp tuyến ei, theo phương pháp tuyến e› và theo góc lệch giữa robot với

25

line e3 để điều khiển robot thông qua các biến điều khiến là vận tốc góc và vận tốc dài Phương pháp này cho kết quả bám line tốt và với sai số nhỏ

- Bộ điều khiển và giải thuật tự học đường Q-learning để thêm khả năng shi nhớ đường

đi nhằm thay đổi thông số phù hợp với từng chặn đường, tăng khả năng đáp ứng của xe sau mỗi lần chạy

*Điều kiện ràng buộc:

- Đường kính các bánh xe không quá 200mm

- Kích thước tối đa các chiều cao của robot (dai x rộng x cao): 300x200x100 (mm)

- Màu sắc đường line: đen

- Lắp ráp mô hình đề kiểm nghiệm giải thuật điều khiến

b) Thiết kế hệ thông điện:

- Tính toán đề lựa chọn nguồn và các linh kiện điện tử như cảm biến

- Bố trí và kết nói các thiết bị điện tử trên mô hình thực tế

1.3.4 Biéu dé Gantt:

26

Phần 2: LỰA CHỌN PHƯƠNG ÁN 2.1 Về Cơ khí:

Do tinh chat ua đồ án là làm cho xe đua hoạt động ôn định khi mang tải, nên xe

cần phải có khả năng bám đường tốt vào cua đễ dàng, có kết cầu đơn giản nhưng chắc chắn Qua phân tích kỹ ở chương I, sơ đồ nguyên lý của xe đua Chariot như (hình 2.) được nhóm chọn sử dụng

Hình 2.1: Phương an xe 3 bánh 2 bánh sau dẫn động

2.2 Về phần điện:

2.2.1 Động cơ:

Đề đạt được yêu cầu điều khiển chính xác và đạt được vận tốc, công suất theo yêu

cầu, nhóm chọn sử dụng loại motor DC thường có gan Encoder

2.2.2 Phương án cảm biến:

Từ yêu cầu đề bài đặt ra: xe phải bám line hiệu quả, xe không bị lệch khỏi line và trệch ra khỏi đường đua nên việc chọn lựa cảm biến đóng vai trò quan trọng ảnh hưởng đến kết quả cuộc đua Nhóm đề ra 2 phương án:

- Sử dụng thanh cảm biến BFD-2000 được lắp sẵn

- Thiết kế thanh cảm biến mới sử dụng cảm biến TCR-5000

Có hai loại loại giải thuật được đề xuất: giải thuật so sánh và giải thuật xấp Xi

2.3 Cấu trúc điều khiến:

Để giảm khối lượng của xe, tiết kiệm không gian dé đặt các thiết bị điện cùng với giảm bớt chị phí khi làm mô hình, nhóm quyết định chọn cấu trúc điều khiển tập trung

2.4 Bộ điều khiến:

Nhóm chọn bộ điều khiên following tracking, vì đây là bộ điều khiến phố biến

trong các nghiên cứu về khả năng bám theo quỹ đạo cho trước của mobile robot, đáp ứng các yêu cầu về sai số và vận tốc do yêu cầu đề bài đặt ra

28

Phan 3: THIET KE CO KHI

Việc xây dựng kết cầu cơ khí đóng vai trò vô cùng quan trọng Nó ảnh hưởng đền việc phân phối kết cấu, cấu trúc hệ thong dién va ca phan lap trinh điều khiển của robot

Thiết kế cơ khí xác định điều kiện cân thiết của kết cầu xe đề đáp ứng những yêu cầu đã

đặt ra Các phép tính toán được dùng để xác định:

- Kích thước xe: chiều dài, chiều rộng, chiều cao xe, vị trí đặt tải trọng

- Công suất và moment của động cơ

- Dung sai lắp ghép xe

- Mô phỏng đông học xe dò line

g.1i+a.h > amax = ụ g.1) +a.h (3.3)

M.amax= eM." Hài

*Nhận xét: Dựa vào (3.3), gia tốc lớn nhất mà xe đạt được sẽ cảng lớn nếu trọng tâm càng dịch về phía sau (l¡ cảng lớn) và càng thấp (# càng thấp) Tuy nhiên, dựa vào phương trình thứ hai của hệ phương trình (3.1) nhận thấy, nếu gia tốc đ, trong trường hợp này là amax, cảng lớn sẽ dẫn đến F;i¡ —› 0 Lúc đó sẽ xảy ra hiện tượng bánh trước không còn bám được trên mặt đường Vì vậy:

— 1

3.1.1 Tính toán công suất cho động cơ:

Công suất của động cơ cần đủ lớn để giúp xe tăng tốc và thắng được lực cản khi chạy ở vận tôc cài đặt

P=K.(Pi+P›)

Trong đó:

- Pi: công suất cần để xe tăng tốc

- P›: công suất cần khi xe chạy ở tốc độ v

- K: hệ số tồn that năng lượng khi truyền động ( chọn K =2)

Các thông số ước tính:

- Vận tốc mong muốn: v =l,0 (m/s)

- Thời gian tăng tốc mong muốn: t= l (s) ®a = I (m/s?)

- Ước lượng bán kính xe: R = 32.5 (mm)

- Khối lượng bánh xe: M = 0,025 (kg

- Khối lượng xe và tải: m = 4 (kg)

30