Tin học cho Điều khiển và tự Động hóa Đề tài thiết kế xe tự hành

Nó góp phần rất lớn trong việc đưa kỹ thuật hiện đại thđm nhập rôấy rêi văo mọi lĩnh vực của hoạt đôầ sản xuất, kinh tế vă đời sống xê hô” Từ những hệ thống mây tính lớn đến những hệ th

TRƯỜNG ĐẠI HỌC ĐIỆN LỰC KHOA DIEU KHIỂN & TỰ ĐỘNG HÓA

<

Déll HOC DIEN LUC ELECTRIC POWER UNIVERSITY

DO AN TOT NGHIEP NGANH: CONG NGHE Ki THUAT DIEU KHIEN VA TỰ ĐỘNG HÓA CHUYEN NGANH: TIN HOC CHO DIEU KHIEN VA TỰ DONG HOA

DE TAI:

THIET KE XE TU HANH

Người hướng dẫn: TS Nguyễn Tùng Linh

Tên sinh viên Mã sinh viên Lớp

en ARGS, 02/2023 ANGE 02/2033 THOKTDH

Ha Noi, 12/2024

LỜI CÁM ƠN

Chúng em xin chân thành cảm ơn các thầy cô và các bạn đã dành thời gian

giúp đỡ chúng em trong quá trình thực hiện đỗ án này Đặc biệt, chúng em xin

chân thành cảm ơn thầy Ts Nguyễn Tùng Linh là người đồng ý hướng dẫn trực tiếp

cho dé tài của chúng em Là người tận tình siúp đỡ chúng em về thông tin của đồ án

Nhờ vậy mà chúng em đã hoản chỉnh được đồ án của mình và quan trọng hơn hết là

chúng em đã tiếp thu được những kinh nghiệm trong suốt quá trình thực hiện đồ án Tuy nhiên, vì đây là lần đầu chúng em thực hiện môt€dự án cho bản thân mặc

dù đã tìm tòi nghiên cứu nhưng không tránh khỏi những thiểu sót Chúng em rất mong

nhận được sự thông cảm và góp y cua thầy cô

Chúng em xin chân thành cảm ơn!

MỞ ĐẦU

Trong những năm qua, khoa học mây tính vả xử lý thông tin có những bước tiễn vượt

bậc vă ngăy căng có những đóng sóp to lớn văo cuô€ câch mạng khoa học kỹ thuật hiện đại Đặc biệt sự ra đời vă phât triển nhanh chóng của kỹ thuật số lăm cho ngănh điện tử trở nín phong phú vă đa dạng hơn Nó góp phần rất lớn trong việc đưa kỹ thuật

hiện đại thđm nhập rôấy rêi văo mọi lĩnh vực của hoạt đôầ sản xuất, kinh tế vă đời

sống xê hô” Từ những hệ thống mây tính lớn đến những hệ thống mây tính câ nhđn, từ những việc điều khiển câc mây công nghiệp đến câc thiết bị phục vụ đời sống hằng ngăy của con người Trong câc hệ thông đó, việc trao đối thông tin lă vô cùng quan trọng Bản bâo cảo năy trình băy kết quả nghiín cứu công nghệ không dđy Bluetooth của câc thiết bị điện tử chạy trín nín hệ điều hănh Android, ứng dụng văo thiết kế mô hình xe điều khiến từ câc thiết bị Android qua kết nối không dđy Bluetooth vă xe tự trânh vật cản trong kỹ nguyín xe tự đôâb hiện nay

MỤC LỤC

1.1 Linh kiện điện tử, vi điều khiên và cảm biến 2 22s zzzzx2 9

1.2 Các phần mềm thiết kế xe robOCaF 2-52 SEE92E12E1271111111212222 2x2 9 1.3 Các công nghệ được mới nhất được sử dụng trong xe robocar hiện nay 9

6 - 12

2.1 Các linh kiện và thành phần 2-5 2E 1921111 1171111111122111 xe 13 2.2 Thiết kế xe điều khiển 2 52 2S SE 2 1111211112111 ca 15 2.2.1 Yêu cầu sản phẩm 2-5 21s E1 2212112111111111211 21212121122 cau 15

2.2.2 Sơ đồ khối và chức năng các khối 5 5s S2 E211 zzx2 15

2.2.3 So d6 kOt NGb ec lccccccccscccceseessessessesssssecsessessesssessessessseseesessssseeees 17

2.2.4 Luru d6 thudt toan icc ccccccccecsessesseesseseessessesesseseesareteessesesssseeees 18

2.3 Thiết ké xe ty han ccceecessessessesssseesecsessesssessessesssessessesesssen 19 2.3.1 Yu cau san phan cccccccccccecessesessessessessessesssssessessessessesseseseees 19

2.3.2 Sơ đồ khối và chức năng các khối - 5 5s 2S 2 EE11112122x z2 19 2.3.3 Sơ đồ kết ni à ST 1211211211211 2121122121 re 20

2.3.4 Lưu đồ thuật toán - 5s 1T 1122112112121111112121212 se 21

PHAN III: THI CONG VÀ KET QUÁ 22

3.1 Xe ty nama cc eccceccceecseessseseseseseessessesesessseesssetssesaesenenseesasesaresesees 26

3.1.1 Nouyén ly hoat G68 ccc ccc ceenecnsecnseeseeseenssnseeseeneenseees 26

3.1.2 Kinh phí thực hiện 2c 22222211221 221 12311511111 221 111211281 112112, 28

3.1.3 Sam pham thực tẾ - 2 5s 2 E1 12112112112111111122 121211 cu 30

3.2 Kết quả thực hiện 2 + S221 EE1E712111111211211 1111112122 1212 re 31 3.2.1 Xe điều khiến -s s2 EE1211211211 1211111211112 21 2112 2e ca 31

k8 cn nh s7/, dd 31

AL Bann ChE cece ccccecccscsesseessessvesssssetsnsinsssesssetasessetsetesetetsesssetsisseessnetseee 32

VY 4|(.::3ÝŸỶẢÝẢÝỶẢỶẢ 32

PHAN I: CO SO LY LUAN

1.1 Linh kiện điện tử, vi điều khiển và cảm biến

Gồm các linh kiện cơ bản như :

1 ðây điện

Module ứSP32

Module Bluetooth

Đôi@b cơ giảm tốc

Banh xe V1

Pin 18650

Module cam bién anh sang

Dong co servo sø90

Bo mạch mở rộng ứSP32

10 Module cảm biến sóng siêu âm

11.SP32 CAM

12 Module dò lann TRCT5000 3 chiều

1.2 Các phần mềm thiết kế xe robocar

eng HOTELS ©

\

Cy wy Sere

{TR ARDUINO

‘CAD CONNECTED

1.3 Các công nghệ được mới nhất được sử dụng trong xe robocar hiện

nay

¬ Công nghệ không dây Bluetooth:

- Bluetooth là môt&ông nghệ cho phép truyền thông giữa các thiết bị với nhau mà không cần dây dẫn Nó là mô€thuẩn điện tử, điều đó có nghĩa là các hãng sản xuất muốn có đặc tính này trong sản phẩm thì họ phải tuân theo các yêu cầu của chuẩn này cho sản phâm của mình Những tiêu chuẩn kỹ thuật này đảm bảo cho các thiết bị có thê nhận ra và tương tác với nhau khi sử dụng công nghệ Bluetooth Ngày nay phần lớn các nhà máy đều sản xuất các thiết bị có sử dụng công nghệ Bluetooth Các thiết bị này gồm có điện thoại di đôáb, máy tính và thiết bị hỗ trợ cá nhân PòA (Prosonal digital Assistant) Công nghệ Bluetooth là mô công nghệ dựa trên tần số vô tuyến và bat cứ môtđhiết bị nào có tích hợp bên trong công nghệ này đều có thể truyền thông với các thiết bị khác với mô£khoảng cách nhất định về cự ly để đảm bảo công suất cho việc phát và nhận sóng Công nghệ này thường được sử dụng để truyền thông giữa hai loại thiết bị khác nhau Ví dụ: Bạn có thể hoạt đôáb trên máy tính với môtàn phím khong day, str dung bé Gi nghe không dây đề nói chuyện trên điện thoại di đôấb của bạn hoặc bỗ sung thém môt€tuôé€ hẹn vào lịch biéu POA của mô người bạn từ POA của bạn

¬ Đặc điểm của công nghệ Bluetooth :

+ Ưu điểm

- Tiêu thụ năng lượng thấp

- Cho phép ứng dụng được nhiều loại thiết bị bao gồm các thiết bị cầm tay và điện thoại di đô b

- Giá thành ngày môfb1ảm

- Khoảng cách giao tiếp cho phép giữa hai thiết bị kết nối có thể lên đến 100m

- Bluetooth str dung bang tan 2.4Gaz, tốc đô Œruyền đữ liệu có thé dat tới mức toi da 1Mbps ma cac thiét bi khéng can phai tryc tiếp thấy nhau

- 06 đàng trong việc phát triển ứng dụng: Bluetooth kết nỗi mô Cứng dụng này với môtŒrng dụng khác thông qua chuẩn Bluetooth, do đó có thể đô€lập về

phần cứng cũng như hệ điều hành sử dụng - Tính tương thích cao, được nhiều

nhà sản xuất phần cứng cũng như phần mềm hỗ trợ

+ Nhược điểm

- Khoảng cách kết nối còn ngắn so với công nghệ mạng không dây khác

- Chỉ kết nối được hai thiết bị với nhau, không kết nối thành mạng

+ Hoạt động

- Bluetooth là chuân kết nối không dây tầm ngắn, thiết kế cho các kết nói thiết bị cá nhân hay mạng cục bô Ghỏ trong phạm vi băng tần từ 2.4Gáz đến 2.485Gáz Bluetooth được thiết kế hoạt do fp trén 79 tần số đơn lẻ Khi kết nối, nó sẽ tự đâ@ tìm

ra tần số tương thích để di chuyên đến thiết bị cần kết nối trong khu vực nhằm đảm bảo sự liên tục

Bluetooth +————> © Bluetooth’ © Bluetooth’

Hình 3 : Khả năng kết nối các thiết bị qua Bluetooth

+ Công nghệ sóng siêu âm:

mh we

Hình 4: Biêu điên các loại bước sóng

Sóng siêu âm là môfloại sóng âm có tần số cao hơn giới hạn nghe thấy của con người Siêu âm không khác với các loại âm thanh bình thường về tính chất, chỉ khác nhau ở chỗ con người không thê nghe thấy được Tân suất của nó tầm cở 20ấz cho tới vai Gigahertz Trong áp suất khí quyến siêu âm có bước sóng dưới 1.9 cm

- Sóng siêu âm di chuyên trong nhiều môi trường khác nhau như: không khí, chất

long, chat rắn, giống như âm thanh bình thường Với tốc đô 6rơng tương với tốc đô C

của âm thanh, nhưng do có tần số cao hơn nên bước sóng ngắn hơn bước sóng âm thanh

1.4 Ứng dụng

+ Ứng dụng trong các nhà máy sử dụng các xe điêu khiến từ xa đề bốc

va do hang

+ Ứng dụng cảnh báo va chạm ở ô tô : Các dong 6 tô mới hiện đại luôn có hệ thống cảnh báo trước va chạm Với việc thiết lập hệ thống này giup người lái luôn trong thé

chủ đôáb khi đi chuyên tránh những tai nạn ngoải ý muốn Ngoài ra, còn giúp người

lái có những trải nghiệm mới lạ Khi lùi xe vào chỗ đậu, các cảm biến liên tục đo Nếu sân va chạm sẽ báo cho người lái biết, tránh những thiệt hại không cần thiết

+ AGV ~ Robot vận chuyển hàng hóa trong công nghiệp : Là ứng dụng thực tiễn được

sử dụng rất nhiều trong các nhà máy AGV có nhiệm vụ vận chuyền hàng hóa nhanh chóng từ công đoạn này đến công đoạn khác Với khả năng tìm đường và tránh vat can AGV sẽ thực hiện nhiệm vụ chính xác và an toàn Việc sử dụng AGV cũng sẽ tăng tính đồng bô Găng năng suất lao đôđ» cho các doanh nghiệp

+ Cánh tay robot được ứng dụng trong các nhà máy :

- Công nghiệp đúc : Arm robot làm nhiệm vụ rót kim loại nóng chảy vào khuôn, cắt mép thừa, làm sạch vật đúc hoặc làm tăng bền vật đúc bằng cách phun cát

- Ngành gia công áp lực: các quá trình hàn và nhiệt luyện thường bao gồm nhiều công

việc đô€hại và ở nhiệt đô €ao, điều kiện làm việc khá nặng nề, dé gây mệt mỏi nhất là

ở trong các phân xưởng rèn dap

- Ngành gia công và lắp ráp: Arm robot thường được sử dụng vào những việc như tháo

lắp phôi và sản phẩm cho các máy ra công bánh răng, máy khoan, máy tiện bán tự

do

PHAN II: THIET KE ROBOCAR

2.1 Các linh kiện và thành phần

Tên linh kiện ãïnh ảnh

STM32

Bo mạch mở rộng ứSP32

Đôi@@ cơ giảm tốc vàng òC

3-6V

Bô hung xe robot 2 tầng 4

dod co

Module dé lann TRCT5000

3 chiéu

7: ICDAYRO!

tees ——Thégidi dién tử ——

“ so N5 sec Nas Ja Ral

as

ấộp đề pin 18650 3 ngăn nối tiếp

Cảm biến siêu âm ấC- SR04

Module cảm biên ánh sáng

2.2 Thiết kế xe điều khiển

2.2.1 Yêu cầu sản phẩm

- - Xe tự động di chuyên theo vạch kẻ đường (dò line) mà không cần sự can thiệp trực tiếp từ con người

» - Tránh va chạm với các vật cản trên đường

‹ - Điều chính chế độ hoạt động dựa trên cường độ ánh sáng môi trường

« _ Tích hợp camera (ứSP32-CAM) để truyền dữ liệu hình ảnh hoặc nhận

diện ký hiệu/môi trường xung quanh

2.2.2 Sơ đồ khối và chức năng các khối

- Sơ đồ khối:

- Chức năng các khối :

e Khối nguồn : Tao ra dòng điện và điện thế ôn định cung cấp an toàn cho cả mạch Mach 6n áp có chức năng tạo ra điện áp nhỏ hơn điện áp đầu vào và luôn duy trì mức

ap nay mac du ap dau vao tang/giam Module 6n 4p LM2596S str dung cac tụ có khả nang loc nhiễu cao và trữ điện tốt Ngoài ra trên module có sẵn đèn Lứò báo hiệu hoạt dog cua mach nguồn

Hình 6 : Module khối nguôn

¢ Khéi module Buletooth: Bluetooth là chuẩn truyền thông không dây đề trao đổi dữ liệu giữa các thiết bị ở khoảng cách ngắn.Chuẩn truyền thông nảy sử dụng sóng radio ngan(Ua6 radio) trong dai tần số ISM (2.4 tới 2.485 Gáz) Khoảng cách truyền của

module nảy vào khoảng 15m

s Khối trung tâm xử lí: STM32 là dòng vi điều khiển của hãng STMicroelectronics,

sử dụng lõi ARM Cortex-M Nó được sử dụng rộng rãi trong các ứng dụng nhúng nhờ vảo hiệu năng cao, chi phí hợp lý, và khả năng linh hoạt

Hình 7 : Mach STM32

s Khối điều khiến xe: Nhận tín hiệu từ cảm biên, xử lý tín hiệu, điêu khiên các thiết bị đầu ra, liên tục giảm sát và điều chỉnh đảm bảo xe hoạt động ôn định và hiệu quả

2.2.3 Sơ đồ kết nối

Hình 9 : Sơ đồ kết nối xe điều khiến

2.2.4 Lưu đồ thuật toán

Hình 10 : Lưu đồ thuật toán xe điễu khiến

2.3 Thiết kế xe tự hành

2.3.1 Yêu cầu sản phẩm

§ã Đảm bảo kết nói ôn định giữa các module (Bluetooth hoặc Wi-ói)

# Tối ưu hóa năng lượng đề kéo dài thời gian hoạt động

# Đảm bảo các cảm biến phối hợp tốt đề tránh xung đột tín hiệu

2.3.2 Sơ đồ khối và chức năng các khối

- Sơ đồ khối

Hình 11 : Sơ đồ khối xe tự hành

- Chức năng các khôi:

® Khôi nguồn: cập nguồn 5V cho các khôi có thê hoạt đôáb được

® Khôi cảm biên: Su dung module cam bién dò vật cản đề nhận tín hiệu từ bên ngoài xong chuyên tín hiệu sang khôi so sánh

e Khối so sánh: Nhận tín hiệu từ khối cảm biến, so sánh và khếch đại tín hiệu để đưa ra mức logIc 0 tương ứng với trạng thái không vật cản và mức logic Ì tương ứng với trạng thái có vật cản rồi chuyền tín hiệu cho khối trung tâm xử lí

® Khối trung tâm xử lí: Sử dụng STM32, nhận tín hiệu từ khối so sánh rồi tính toán dé

xác định trạng thái robot đang di chuyến và xuất ra tín hiệu xung chuyên qua khối điều

khiển đôểb cơ

s Khối điều khién dé cơ: Nhận tín hiệu từ khối trung tâm rồi xử lí tín hiệu để điều

hướng xe đi chuyển đúng (rẽ trái, rẽ phải)

2.3.3 Sơ đồ kết nối

2.3.4 Lưu đồ thuật toán

Hình 13 : Lưu đồ thuật toán xe tự hành