Đồ Án Đo lường và Điều khiển Đề tài nghiên cứu, xây dựng hệ thống Đo lường và Điều khiển cho robot tránh vật cản sử dụng cảm biến siêu Âm hc sr04 và thuật toán pid

Một bộ điều khiển vi tích phân tỉ lệ bộ điều khiển PID- Proportional Integral Derivative là một cơ chế phản hồi vòng điều khiển bộ điều khiển tổng quát được sử dụng rộng rãi trong các hệ

TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHIỆP HÀ NỘI

KHOA CƠ KHÍ

ĐỒ ÁN ĐO LƯỜNG VÀ ĐIỀU KHIỂN

Đề Tài: Nghiên cứu, xây dựng hệ thống đo lường và điều khiển cho Robot tránh vật cản sử dụng cảm biến siêu âm HC-SR04 và thuật toán PID

Sinh viên thực hiện: Nguyễn Đăng Kính 2022603911

Đỗ Viết Minh Kiên 2022604917

Vũ Ngọc Hoàng Hoà 2022604538

Giảng viên hướng dẫn: T.S Bùi Thanh Lâm

Hà Nội – 2024

MỤC LỤC

2.1 PHÂN TÍCH VÀ LỰA CHỌN CẢM BIẾN 4

2.1.1 Cảm biến siêu âm HC – SR04

2.1.1.1 Nguyên nhân lựa chọn cảm biến siêu âm HC – SR04 4

2.1.1.2 Khái niệm 5

2.1.1.3 Mô tả 5

2.1.1.4 Thông số kỹ thuật 5

2.1.1.5 Nguyên lý hoạt động 6

2.1.2 Động cơ DC Servo

2.2.2.1 Khái niệm 6

2.2.2.2 Thông số kỹ thuật 6

2.2.2.3 Chức năng các chân 7

2.2 PHÂN TÍCH VÀ LỰA CHỌN BỘ ĐIỀU KHIỂN 7

2.2.1 Lý thuyết bộ điều khiển PID liên tục

2.2.2 Hiệu chỉnh PID

2.2.2.1 Hiệu chỉnh tỉ tệ P 9

2.2.2.2 Hiệu chỉnh tích phân I 9

2.2.2.3 Hiệu chỉnh tỉ lệ tích phân PI 10

2.2.2.4 Hiệu chỉnh tỉ lệ vi phân PD 11

2.2.2.5 Hiệu chỉnh tỉ lệ tích phân PID 12

2.3 THIẾT KẾ SƠ ĐỒ KHỐI HỆ THỐNG 14

2.4 THIẾT KẾ MẠCH ĐO VÀ XỬ LÝ TÍN HIỆU 15

2.4.1 Sơ đồ mạch điện trên Proteus

DANH MỤC HÌNH VẼ

HÌNH 2.1.HC-SR04 MODULE CẢM BIẾN SIÊU ÂM 4

HÌNH 2.2.ĐỘNG CƠ DC SERVO GM25-370 LOẠI 12V 37RPM 6

HÌNH 2.3.SƠ ĐỒ KHỐI CỦA BỘ ĐIỀU KHIỂN PID 7

HÌNH 2.4.ĐỒ THỊ ĐÁP ỨNG NGÕ RA THEO THỜI GIAN KHI CỐ ĐỊNH VÀ THAY ĐỔI 9

HÌNH 2.5.ĐỒ THỊ ĐÁP ỨNG NGÕ RA THEO THỜI GIAN KHI CỐ ĐỊNH VÀ THAY ĐỔI 10

HÌNH 2.6.ĐỒ THỊ ĐÁP ỨNG NGÕ RA THEO THỜI GIAN KHI CỐ ĐỊNH VÀ THAY ĐỔI 11

HÌNH 2.7.SO SÁNH CÁC KHÂU HIỆU CHÌNH PD,PI,PID 12

HÌNH 2.8.SƠ ĐỒ KHỐI HỆ THỐNG 14

HÌNH 2.9.MẠCH ĐIỆN HẾ THỐNG 15

CHƯƠNG 2: XÂY DỰNG MÔ HÌNH HỆ THỐNG 2.1 PHÂN TÍCH VÀ LỰA CHỌN CẢM BIẾN

2.1.1 Cảm biến siêu âm HC – SR04

2.1.1.1 Nguyên nhân lựa chọn cảm biến siêu âm HC – SR04

Cảm biến siêu âm là một trong những cảm biến phổ biến và hiệu quả được sử dụng trong robot tránh vật cản Dưới đây là một số nguyên nhân chính dẫn đến việc lựa chọn cảm biến siêu âm cho ứng dụng này:

- Phạm vi đo lường rộng: Cảm biến siêu âm có thể đo khoảng cách từ vài cm

đến vài mét, cho phép robot xác định vật cản trong một khoảng cách lớn

- Độ chính xác cao: Cảm biến siêu âm cung cấp độ chính xác tốt trong việc đo

khoảng cách, giúp robot hiểu rõ hơn về môi trường xung quanh

- Chi phí hợp lý: Giá thành của cảm biến siêu âm thường thấp hơn so với các loại

cảm biến khác như cảm biến laser, giúp tiết kiệm chi phí cho các dự án

- Khả năng hoạt động trong nhiều điều kiện môi trường: Cảm biến siêu âm

không bị ảnh hưởng bởi ánh sáng mặt trời, bụi bẩn hay nước, điều này giúp robot có thể hoạt động hiệu quả trong nhiều môi trường khác nhau

- Dễ dàng tích hợp: Cảm biến siêu âm dễ dàng được tích hợp vào các hệ thống

điều khiển robot, với nhiều loại giao thức và giao diện khác nhau

- Khả năng phát hiện đa dạng vật cản: Cảm biến siêu âm có thể phát hiện nhiều

loại vật cản khác nhau, bao gồm vật thể cứng và mềm

- Thời gian phản hồi nhanh: Cảm biến siêu âm có khả năng gửi và nhận tín hiệu

nhanh chóng, giúp robot phản ứng kịp thời với những vật cản xuất hiện

- Giảm thiểu gián đoạn: Việc sử dụng cảm biến siêu âm cho phép robot di

chuyển liên tục và giảm thiểu sự gián đoạn trong quá trình di chuyển, do nó có thể liên tục quét và phát hiện vật cản

Nhờ vào những đặc điểm và lợi ích trên, cảm biến siêu âm trở thành lựa chọn lý tưởng cho các hệ thống robot để giúp chúng di chuyển an toàn và hiệu quả trong môi trường thực tế

2.1.1.2 Khái niệm

Cảm biến siêu âm là thiết bị cảm biến điện tử, được dùng để đo khoảng cách của một đối tượng mục tiêu bằng cách phát ra sóng siêu âm, sau đó âm thanh phản xạ được chuyển đổi thành tín hiệu điện Tín hiệu sẽ được xử lý và thông báo ở đầu ra Bộ phát của cảm biến có khả năng tạo ra âm thanh nhờ sử dụng tinh thể áp điện

Hình 2.1.HC-SR04 Module cảm biến siêu âm

2.1.1.3 Mô tả

HC-SR04 sử dụng cảm biến siêu âm sonar để xác định khoảng cách đến một đối tượng (giống như con dơi hoặc cá heo đã làm) Nó cung cấp phạm vi chính xác tuyệt vời và đọc ổn định trong một gói phần mềm dễ sử dụng Nó hoạt động không bị ảnh hưởng bởi ánh sáng mặt trời hoặc vật liệu màu đen giống như các loại cảm biến đo khoảng cách của Sharp (mặc dù âm thanh vật liệu mềm như là vải vóc có thể khó phát hiện) Hoạt động tương tự như SRF05 nhưng với mức giá thấp hơn một bộ cảm biến hồng ngoại của Sharp

2.1.1.4 Thông số kỹ thuật

 Nguồn cung cấp: 5V DC

 Dòng điện tiệu thụ khi hoạt động: <2mA

 Góc hoạt động: <15o

 Khoảng cách hoạt động: 2cm - 500 cm / 1 "- 16ft

 Độ phân giải: 0,3 cm

2.1.1.5 Nguyên lý hoạt động

 Để đo khoảng cách, ta sẽ phát 1 xung rất ngắn (5 MicroSeconds - us) từ chân Trig Sau đó, cảm biến sẽ tạo ra 1 xung HIGH ở chân Echo cho đến khi nhận lại được sóng phản xạ ở pin này Chiều rộng của xung sẽ bằng với thời gian sóng siêu âm được phát từ cảm biển và quay trở lại

 Tốc độ của âm thanh trong không khí là 340 m/s (hằng số vật lý), tương đương với 29,412 microSeconds/cm (106 / (340*100)) Khi đã tính được thời gian, ta

sẽ chia cho 29,412 để nhận được khoảng cách

2.1.2 Động cơ DC Servo

2.2.2.1 Khái niệm

Động Cơ DC Servo GM25-370 DC được tích hợp thêm Encoder hai kênh AB giúp đọc và điều kiển chính xác vị trí, chiều quay của động cơ trong các ứng dụng cần độ có chính xác cao: điều khiển PID, Robot tự hành,

Hình 2.2.Động cơ DC servo GM25-370 loại 12V 37RPM

2.2.2.2 Thông số kỹ thuật

 Tỷ số truyền: 45

 Dòng không tải: 150 mA

 Dòng chịu đựng khi có tải: 750 mA

 Tốc độ không tải: 37 RPM

 Lực kéo Momen định mức: 8 Kg.cm

 Lực kéo Momen tối đa: 9 Kg.cm

 Chiều dài hộp số: 25 mm

 Số xung Encoder mỗi kênh trên 1 vòng quay trục chính: 46=560 xung

2.2.2.3 Chức năng các chân

 Màu đỏ: dây nguồn cấp cho động cơ ( 12VDC)

 Màu đen: nguồn cấp cho Encoder ( 0 VDC)

 Màu vàng: kênh trả xung A

 Màu lục: kênh trả xung B

 Màu chàm: nguồn Encoder ( 3.3 VDC)

 Màu trắng: dây nguồn động cơ ( 0 VDC)

2.2 PHÂN TÍCH VÀ LỰA CHỌN BỘ ĐIỀU KHIỂN

2.2.1 Lý thuyết bộ điều khiển PID liên tục

Trong các hệ thống điều khiển liên tục thường là không có hệ xử lí như: vi xử lí, PLC, PC,…Ở đây các quá trình điều khiển được xây dựng dựa trên quá trình liên tục Một bộ điều khiển vi tích phân tỉ lệ (bộ điều khiển PID- Proportional Integral Derivative) là một cơ chế phản hồi vòng điều khiển (bộ điều khiển) tổng quát được sử dụng rộng rãi trong các hệ thống điều khiển công nghiệp – bộ điều khiển PID là bộ điều khiển được sử dụng nhiều nhất trong các bộ điều khiển phản hồi Bộ điều khiển 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 Bộ điều khiển sẽ thực hiện giảm tối đa sai số bằng cách điều chỉnh giá trị điều khiển đầu vào

Hiện nay, PID đã được dùng trong rất nhiều ngành công nghiệp khác nhau Nó thường dùng để hạn chế tối đa rụng động, giảm sai số, giảm thời gian thiết lập cùng với độ vọt lố,…

Có thể nói trong lĩnh vực điều khiển, bộ điều khiển PID được xem như một giải pháp đa năng cho các ứng dụng điều khiển tương tự hay điều khiển số Hơn 90% các

bộ điều khiển trong công nghiệp được sử dụng là bộ điều khiển PID Nếu được thiết kế tốt, bộ điều khiển PID có khả năng điều khiển hệ thống đáp ứng tốt các chỉ tiêu chất lượng như đáp ứng nhanh, thời gian quá độ ngắn, độ quá điều chỉnh thấp, triệt tiêu được sai lệch tĩnh

Hình 2.3.Sơ đồ khối của bộ điều khiển PID

Trong đó:

 Setpoint là giá tri đặt mong muốn

 Output là đại lượng vật lý cần điều khiển

 Erorr là sai số giữa giá trị ở ngõ ra và giá trị đặt

 Bộ tổng để hồi tiếp tín hiệu ở ngõ ra và giá trị đặt

Bộ điều khiển PID gồm 3 thành phần:

 P là khâu tỉ k khâu tỷ lệ đôi khi được gọi là độ lợi, làm thay đổi giá trị đầu ra tỉ lệ với sai số hiện tại đáp ứng tỷ lệ có thể được điều chỉnh bằng cách phân sai số bằng

tỉ số K p , được gọi là hằng số tỷ lệ.

 I là khâu tích phân là khâu tích lũy sai số từ quá khứ đến hiện tại

 D là khâu vi phân là khâu thể hiện tốc độ thay đổi của sai số hiện tại từ đó dự đoán sai số cho tương lai

Tổng chập của ba tác động này dùng để điều chỉnh quá trình thông qua một phần tử điều khiển Nhờ vậy, những giá trị này có thể làm sáng tỏ về quan hệ thời gian: P phụ

thuộc vào sai số hiện tại, I phụ thuộc vào tích lũy các sai số quá khứ và D dự đoán các sai số tương lai, dựa vào tốc độ thay đổi hiện tại

Định nghĩa u(t) là đầu ra của bộ điều khiển

Luật điều khiển PID sẽ được định nghĩa như sau:

u (t )=K P(e (t)+1

T i∫ 0

t

e (t )dt +T D

de (t)

dt ) (2.1)

2.2.2 Hiệu chỉnh PID

2.2.2.1 Hiệu chỉnh tỉ tệ P

Tín hiệu điều khiển trong quy luật tỷ lệ được hình thành theo công thức

(2.2) Trong đó là hệ số khuếch đại của quy luật Theo tính chất của khâu khuếch đại thì ta thấy rằng tín hiệu ra của khâu luôn luôn trùng pha với tín hiệu vào Điều này nói lên rằng ưu điểm của khâu khuếch đại là có tác động nhanh Vì vậy, trong công nghiệp quy luật tỷ lệ làm việc ổn định với mọi đối tượng Khâu tỉ lệ P có mục đích chính làm giảm sai số xác lập Tuy nhiên, nhược điểm của khâu tỷ lệ là khi hệ số tỷ lệ Kp càng lớn thì độ vọt lố càng cao, hệ thống kém ổn định Nếu độ lợi của khâu tỉ lệ quá thấp, tác động điều khiển có thể sẽ quá bé khi đáp ứng với các nhiễu của hệ thống

Hình 2.4.Đồ thị đáp ứng ngõ ra theo thời gian khi cố định và thay

đổi

2.2.2.2 Hiệu chỉnh tích phân I

Khâu tích phân I tỉ lệ thuận với cả biên độ sai số lẫn quảng thời gian xảy ra sai số Tổng sai số tức thời theo thời gian (tích phân sai số) cho ta tích lũy bù đã được hiệu chỉnh trước đó Tích lũy sai số sau đó được nhân với độ lợi tích phân và cộng với tín hiệu đầu ra của bộ điều khiển Biên độ phân phối của khâu tích phân trên tất cả tác động điều chỉnh được xác định bởi độ lợi tích phân

Trong quy luật tích phân, tín hiệu điều khiển được xác định theo biểu thức

(2.3) Trong đó gọi là hằng số tích phân

Từ công thức này ta thấy giá trị điều khiển chỉ đạt được giá trị xác lập (quá trình điều khiển đã kết thúc) khi e = 0 Như vậy ưu điểm của quy luật tích phân là triệt tiêu sai số xác lập

Xét đặc tính của khâu tích phân, tín hiều ra của nó luôn chậm pha so với tín hiệu vào 1 góc là π/2 Điều này có nghĩa là quy luật tích phân có tác động chậm Do sự tác động chậm mà trong công nghiệp, hệ thống điều khiển tự động sử dụng quy luật tích

phân kém ổn định Vì vậy mà quy luật này hiện nay ít được sử dụng trong công nghiệp

2.2.2.3 Hiệu chỉnh tỉ lệ tích phân PI

Để hệ thống vừa có tác động nhanh, vừa có thể triệt tiêu được sai lệch dư, người ta kết hợp quy luật tỷ lệ với quy luật tích phân để tạo ra quy luật tỷ lệ - tích phân

Tín hiệu điều khiển được xác định theo công thức

(2.4)

Trong đó: là hệ số khuếch đại, là hằng số thời gian tích phân

Tín hiệu PI chậm pha so với tín hiệu vào một góc trong khoảng từ −π/2 đến 0 phụ thuộc vào các tham số và tần số tín hiệu vào

Như vậy về tốc độ tác động thì quy luật PI chậm hơn quy luật tỷ lệ nhưng lại nhanh

hơn quy luật tích phân

Hình 2.5.Đồ thị đáp ứng ngõ ra theo thời gian khi cố định và

thay đổi

2.2.2.4 Hiệu chỉnh tỉ lệ vi phân PD

Tác động điều khiển của quy luật PD được hình thành theo công thức:

P D out =K p e +K D de

dt =K P (e+T D

de

Trong đó: là hệ số khuếch đại, là hằng số thời gian tích phân

Hiệu chỉnh PD là trường hợp riêng của hiệu chỉnh sớm pha Quy luật tác động của

PD còn nhanh hơn cả quy luật tỉ lệ Tuy nhiên, do có thêm thành phần vi phân nên hệ thống sẽ phản ứng với các nhiễu cao tần có biên độ nhỏ, là điều mà chúng ta không mong muốn, đồng thời quy luật PD cũng không làm giảm sai lệch dư Vì vậy, trong công nghiệp, quy luật PD chỉ sử dụng ở đâu đòi hỏi tốc độ tác động nhanh như điều khiển tay máy,…

Hình 2.6.Đồ thị đáp ứng ngõ ra theo thời gian khi cố định và

thay đổi

2.2.2.5 Hiệu chỉnh tỉ lệ tích phân PID

Để tăng tốc độ tác động của quy luật PI, trong thành phần của nó người ta ghép thêm thành phần vi phân và nhận được quy luật điều khiển tỉ lệ vi tích phân.Tác động điều khiển được tính toán theo công thức:

(2.6)

Trong đó: là hệ số khuếch đại, là hằng số thời gian tích phân, là hằng số vi phân

Khâu hiệu chỉnh PID có thể xem là khâu PI mắc nối tiếp với khâu PD nên có các

ưu điểm của cả 2 khâu Nghĩa là khâu hiệu chỉnh PID cải thiện đáp ứng quá độ ( giảm vọt lố, giảm thời gian quá độ) và giảm sai số xác lập Về tốc độ tác động, quy luật PID còn có thể nhanh hơn cả quy luật tỉ lệ Nói tóm lại, quy luật PID là hoàn hảo nhất Nó đáp ứng được yêu cầu về chất lượng của hầu hết các quy trình công nghệ nhưng việc hiệu chỉnh các tham số của nó rất phức tạp, đòi hỏi người sử dụng phải có một trình độ nhất định Vì vậy, trong công nghiệp, quy luật PID chỉ sử dụng ở những nơi cần thiết, khi quy luật PI không đáp ứng được yêu cầu về chất lượng điều chỉnh

Chúng ta vừa khảo sát xong ảnh hưởng của các khâu hiệu chỉnh nối tiếp thường dùng đến chất lượng của hệ thống, mỗi khâu hiệu chỉnh có những ưu điểm cũng như khuyết điểm riêng Do vậy cần phải hiểu rõ đặc điểm của từng khâu hiệu chỉnh chúng

ta mới có thể sử dụng linh hoạt và hiệu quả được Tùy theo đặc điểm của từng đối tượng điều khiển cụ thể và yêu cầu chất lượng mong muốn mà chúng ta phải sử dụng khẩu hiệu chỉnh thích hợp Khi đã xác định được khâu hiệu chỉnh cần dùng thì vấn đề còn lại là xác định thông số của nó Các mục tiếp sẽ đề cập đến vấn đề này

Hình 2.7.So sánh các khâu hiệu chình PD,PI,PID

Nhận xét: Khâu hiệu chỉnh PID có ưu điểm so với các khâu hiệu chỉnh còn lại có thời

gian đáp ứng nhanh và độ vượt mức nhỏ.

Nhận xét chung:

 Tác động khâu tỉ lệ

Khi mà Kp càng nhỏ thì sai số xác lập lớn, khi tăng Kp lên sai số xác lập càng lúc càng nhỏ lại Nếu hệ thống chưa vọt lố thì thời gian xác lập nhanh Còn khi đã có vọt

lố thì thời gian xác lập rất lâu Và khi Kp quá lớn hệ thống sẽ mất ổn định Vì:

Giải thích: ta có công thức bộ điều khiển PID:

u =K p e +K I¿ (2.7)

Với e là tín hiệu vào bộ điều khiển, u là ngõ ra bộ điều khiển Với công thức trên ta thấy nếu Kp lớn thì u gần với Kp.e, nếu Kp lớn thì dù e nhỏ cũng sinh ra u rất lớn =>

hệ thống vọt lên nhanh chóng để làm e càng nhỏ càng tốt Đôi khi vọt quá đà sinh ra vọt lố và làm hệ thống mất ổn định

 Tác động khâu tích phân

Khi tăng thì giảm dần về 0 nhưng tăng dần và nếu càng tăng Ki thì độ vọt lố cũng tăng nhanh dần, cũng tăng dần khi tăng Ki, vì:

Giải thích: là khâu tích phân nếu lớn thì chỉ cần nhỏ cũng đã gây ra tác động lớn đến hệ thống Và khi càng lớn thì nó sẽ xuất hiện dao động để bù trừ các vùng sai số âm và dương với nhau Vì thế sẽ dần về 0 và sai số xác lập sẽ phải bị triệt tiêu Nhưng tăng quá hệ sẽ mất ổn định luôn

 Tác động khâu vi phân

Khi tăng trong khoảng nhất định thì hầu như không thay đổi nhưng độ vọt

lố giảm đáng kể

Giải thích: Theo công thức bộ điều khiển PID:

u =K p e +K I¿

Ta thấy khi lớn thì chỉ cần nhỏ cũng ảnh hướng rất lớn đến u Vì thế xu hướng phải cho càng nhỏ càng tốt, mà là tốc độ thay đổi của sai số e Vì thế ta thấy sai số e gần như không đổi Khi lớn sai số không muốn thay đổi nhiều cho nên nó sẽ có xu hướng đi là là hơn Và do đó lớn hệ sẽ ổn định hơn nhưng chậm hơn và bù lại độ vọt lố giảm đáng kể

2.3 THIẾT KẾ SƠ ĐỒ KHỐI HỆ THỐNG

Hình 2.8.Sơ đồ khối hệ thống

Sơ đồ khối trên là mô hình hệ thống điều khiển được thiết kế với các thành phần chính như sau

 Cảm biến siêu âm: Cảm biến này có nhiệm vụ đo khoảng cách hoặc phát hiện vật cản trong môi trường Tín hiệu thu được từ cảm biến sẽ được truyền đến bộ điều khiển trung tâm để xử lý

 Bộ điều khiển trung tâm: Đây là thành phần cốt lõi của hệ thống, có nhiệm vụ tiếp nhận dữ liệu từ cảm biến siêu âm và xử lý thông tin Dựa trên thông tin này,

bộ điều khiển trung tâm sẽ đưa ra các quyết định điều khiển cho bộ điều khiển động cơ