Báo cáo cuối kỳ thiết kế, chế tạo và thử nghiệm robot micromouse

Tổng quan về thiết kế cơ khí của Micromouse Mô hình 3d tổng quan của robotThiết kế cơ khí của robot Micromouse là yếu tố quan trọng, ảnh hưởng trực tiếp đến khảnăng di chuyển linh hoạt,

ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ

BÁO CÁO CUỐI KỲ THIẾT KẾ, CHẾ TẠO VÀ THỬ NGHIỆM

TS Dương Việt Dũng

Hà Nội – Tháng 05 năm 2024

LỜI CẢM ƠN

Tổng quan về micromouse

1.1.1 1.1 Tổng Quan về Cuộc Thi Micromouse

Cuộc thi Micromouse đã được tổ chức trên toàn thế giới từ cuối thập niên 1970 Hình thức hiện đại của cuộc thi được cho là bắt nguồn từ khoảng thời gian đó Với mục tiêuthiết kế và xây dựng một robot tự hành nhỏ gọn, robot phải có khả năng di chuyển từ điểm xuất phát đến trung tâm của mê cung một cách tự động và nhanh nhất

Một người đam mê chia sẻ: “Tôi đã quyết định bắt đầu làm một Micromouse cách đâybốn năm, và cuối cùng nó cũng sẵn sàng tham gia thi đấu Mặc dù nó đã đến được trung tâm mê cung, nhưng vẫn chưa tối ưu hóa lộ trình Bước tiếp theo sẽ là tập trung vào tốc độ!”

Hình 1 Cuộc thi Micromouse Nhật Bản 2019 phiên bản halfsize

1.1.2 1.2 Những Thách Thức trong Quá Trình Xây Dựng Micromouse

Việc thiết kế Micromouse không hề dễ dàng Người chơi thường dành rất nhiều thời gian nghiên cứu về thiết kế và lập trình, tận dụng các tài liệu và ý tưởng thu thập được

từ nhiều nguồn, bao gồm cả các bài viết chuyên ngành từ hơn 20 năm trước Một sinh viên từng nói đùa rằng: "Thầy thực sự không có cuộc sống riêng phải không?" Tuy nhiên, niềm đam mê đã giúp họ vượt qua những khó khăn để đạt được những tiến bộ quan trọng

Các ý tưởng xây dựng Micromouse thường xuất phát từ nhiều nguồn khác nhau:

 Tài liệu đã xuất bản, như các bài viết của Dave Otten trên Circuit Cellar

INK vào năm 1990.

 Quan sát các thiết kế của những robot khác

 Thảo luận với cộng đồng người chơi tại các sự kiện, như cuộc thi do Royal Holloway College tổ chức hoặc trên các diễn đàn trực tuyến.

1.1.3 1.3 Quy Định Cơ Bản và Cách Thức Thi Đấu

Mê cung được thiết kế từ một lưới ô vuông 16x16, với các tường ngăn chia tạo thành các hành lang Robot (Micromouse) phải tự động di chuyển từ vị trí khởi đầu đến khu vực trung tâm của mê cung mà không cần sự trợ giúp từ con người

Robot cần có khả năng:

 Xác định vị trí hiện tại: Robot phải giữ được thông tin chính xác về vị trí

của mình trong mê cung

 Khám phá mê cung: Dò tìm và lưu trữ thông tin về các bức tường.

 Lập bản đồ và định hướng: Xây dựng lộ trình tối ưu đến mục tiêu.

 Phát hiện trung tâm mê cung: Nhận biết khi đã đến đích.

Yếu tố quyết định chiến thắng là thời gian hoàn thành Ngoài ra, khả năng tối ưu

hóa lộ trình và tốc độ di chuyển cũng đóng vai trò quan trọng

1.1.4 1.4 Thực Trạng và Sự Phát Triển của Cuộc Thi

Mặc dù các Micromouse hiện đại đã trở nên rất phức tạp và tinh vi, đây vẫn là một thử thách lớn cho cả người mới bắt đầu và những người giàu kinh nghiệm Một số robot được chế tạo từ hơn 20 năm trước vẫn tham gia và đạt thành tích ấn tượng trongcác cuộc thi

Tuy nhiên, cuộc thi Micromouse có vẻ như đã giảm sức hút trong những năm gần đây, đặc biệt ở Vương quốc Anh, nơi số lượng người tham gia không còn nhiều như trước Ngược lại, tại Mỹ và Nhật Bản, sự quan tâm đến cuộc thi vẫn rất lớn

Việc Royal Holloway College tiếp quản quyền tổ chức từ IEE được kỳ vọng sẽ khôi

phục lại sức hấp dẫn của cuộc thi tại Anh Một cộng đồng những người đam mê đã và đang nỗ lực để duy trì và phát triển sự kiện này, không chỉ tại Anh mà còn trên toàn thế giới

1.1.5 1.5 Hạn Chế trong Nguồn Tài Liệu Tham Khảo

Mặc dù Internet cung cấp rất nhiều thông tin về Micromouse, phần lớn chỉ là mô tả chung chung hoặc báo cáo tiến độ rời rạc Các tài liệu chi tiết và thực tế để hướng dẫnngười mới bắt đầu vẫn còn thiếu Vì vậy, cộng đồng cần chia sẻ nhiều hơn về các

phương pháp và kinh nghiệm thiết kế để thúc đẩy sự phát triển của cuộc thi

Nhìn chung, cuộc thi Micromouse không chỉ là một sân chơi công nghệ mà còn là nơi khuyến khích sáng tạo, học hỏi và đổi mới trong lĩnh vực robot tự hành.

1.1.6 1.6 Cuộc thi Micromouse Dash do CLB UETX(UET-VNU) tổ chức

-UET MAKERTHON là sự kiện thường niên do CLB UETX của trường Đại họcCông Nghệ-ĐHQGHN với chủ đề về sáng tạo công nghệ tập trung vào lĩnh vựcđiều khiển tự động, tự động hóa, IoT…

-Năm 2024 chủ đề của cuộc thi lần này là Micromouse Dash là một chủ đề khó và

có tính chuyên môn cao với nhiều sự kì vọng và cố gắng của ban tổ chức, cuộc thiMicromouse năm nay diễn ra đã thu hút được rất nhiều đội thi trên địa bàn Hà Nộinói chung, hầu hết các đội thi đều đến từ các trường đại học top đầu như Đại họcBách Khoa Hà Nội, Học Viện Công Nghệ Bưu Chính Viễn Thông và cũng rấtnhiều đội thi từ Trường Đại Học Công nghệ-ĐHQGHN cũng tham gia sự kiệnnày

-Tổng cộng có 35 đội thi tài năng đã tham gia sự kiện, chỉ với 2 vòng thi duy nhất

là bán kết và chung kết, trong khi đó vòng bán kết sẽ là vòng quyết định loạinhiều nhất khi chỉ có 8 đội đến được đích nhanh nhất sẽ được vào vòng chung kếtcuộc thi

-Luật chơi giống với quốc tế có phần đơn giản hơn để phù hợp với nhưng ngườimới chưa có kinh nghiệm, với 1 mê cung chúng ta sẽ biết trước điểm xuất phát vàđiểm đích, đội thi sẽ thiết kế 1 chiếc robot trong khoảng 1 tháng chuẩn bị với kíchthước phù hợp để có thể di chuyển được trong mê cung, sau khi thiết kế xongphần cứng đội sẽ tập trung lập trình cho robot có thể di chuyển và tự động tìm đến

vị trí đích dựa vào các cảm biến có thể nhận biết tường như cảm biến hồng ngoại,siêu âm, laser…

35 đội thi đăng ký tham gia Micromouse Dash

=> Đội thi Flybot là em và 1 bạn học bên ngành kĩ thuật Robot đã thành lập lên đểtham gia cuộc thi này với sự nỗ lực bọn em đã lọt vào top 5 đội vượt qua vòng bánkết nhánh nhất và đã được giải khuyến khích trong cuộc thi lần này.Flybot đặtmục tiêu cố gắng trong tương lai có thể chinh phục được những cuộc thiMicromouse tương tự

Mê cung vòng bán kết của cuộc thi

Chương 2: TỔNG QUAN VỀ CÁC MÔ HÌNH ROBOT MICROMOUSE

2.2 Một số mô hình robot Micromouse điển hình

Dựa trên kết quả từ vòng bán kết của cuộc thi, em đã lựa chọn 4 mô hình tiêu biểu để đạidiện cho các thiết kế Micromouse phổ biến Hầu hết các mô hình robot khác cũng đượcphát triển dựa trên các thiết kế cơ bản này, tuy nhiên sự khác biệt chủ yếu nằm ở việc lựachọn linh kiện, cảm biến và các thiết kế cơ khí dẫn đến sự khác nhau về kích thước vàhiệu năng Dưới đây là mô tả chi tiết từng mô hình:

 Mô hình 1: Đây là thiết kế có kích thước lớn và cồng kềnh, với trọng tâm cao,

điều này có thể ảnh hưởng tiêu cực đến tính ổn định khi robot di chuyển với tốc

độ cao hoặc khi quay vòng Tuy nhiên, thiết kế này phù hợp cho các thử nghiệmlinh kiện hoặc phát triển sơ khai khi không cần tối ưu về cơ khí

 Mô hình 2: Đây là một thiết kế gọn nhẹ với cấu trúc tối giản chỉ sử dụng 2 bánh

xe chính để di chuyển Thiết kế này ưu tiên sự đơn giản, dễ lắp ráp và giảm trọnglượng tổng thể Tuy nhiên, vì chỉ sử dụng 2 bánh xe nên khả năng ổn định khi dichuyển trong mê cung phức tạp có thể gặp hạn chế, đặc biệt khi robot tăng tốc

 Mô hình 3: Đặc trưng của mô hình này là sử dụng khung bảo vệ bằng dây thép

xung quanh robot để tránh việc bị kẹt vào tường mê cung Đây là một giải pháphiệu quả để giảm thiểu các sự cố khi va chạm Tuy nhiên, robot lại sử dụng cảmbiến siêu âm thông thường, có thể thiếu chính xác trong việc định vị chính xáccác bức tường gần robot, dẫn đến hạn chế trong việc tối ưu hóa lộ trình

 Mô hình 4 (của nhóm): Đây là thiết kế của nhóm em với đặc điểm nổi bật là sử

dụng cơ chế truyền động 4 bánh xe qua hệ thống bánh răng, giúp robot có lựckéo tốt hơn và cải thiện khả năng bám đường trong mê cung Hệ thống điện tửđược thiết kế theo kiểu module trên mạch PCB, tạo sự gọn gàng và dễ sửa chữa.Tuy nhiên, vị trí của pin LiPo chưa được tối ưu, làm giảm không gian và tính hợp

lý trong việc bố trí linh kiện

c) mô hình 3 d) mô hình 4(của nhóm)

Các mô hình Micromouse phổ biến

2.3 So sánh các thiết kế cơ khí và tính năng của robot

Tiêu Chí Mô hình 1 Mô hình 2 Mô hình 3 Mô hình 4

Kích thước Lớn, cồng kềnh Nhỏ gọn Nhỏ dài Nhỏ gọn

Trọng tâm Cao, khó điều

hướng

Trọng tâm thấp Trọng tâm thấp Trọng tâm thấp

Cơ chế di chuyển Di chuyển thẳng

dễ dàng Phải tối ưu để di chuyển thẳng Di chuyển thẳng dễ dàng Phải tối ưu để di chuyển thẳng Loại cảm biến Sử dụng IR Sử dụng IR Sử dụng siêu âm Sử dụng IR Khả năng tối ưu

lộ trình Khó khăn Dựa vào module, thuật toán Dựa vào tối ưu thuật toán Dựa vào module, thuật toán Thiết kế cơ khí Đơn giản, không

tối ưu

Tối giản do có thiết kế PCB

Trung bình, cần khung bảo vệ

Tối giản do có thiết kế PCB

2.4 Ưu điểm và nhược điểm của từng mô hình

 Mô hình 1:

o Ưu điểm: Thiết kế rộng rãi, dễ làm, chế tạo và tích hợp nhiều linh kiện

thử nghiệm các công nghệ mới

o Nhược điểm: Kích thước lớn và trọng tâm cao làm giảm khả năng cơ

động và tính ổn định khi di chuyển

 Mô hình 2:

o Ưu điểm: Gọn nhẹ, thiết kế tối giản, dễ chế tạo và bảo trì, với thiết kế

2 bánh sẽ có tốc độ cao

o Nhược điểm: Hạn chế về tính ổn định khi di chuyển, đặc biệt trong

các tình huống yêu cầu tốc độ cao hoặc đường đi phức tạp

 Mô hình 3:

o Ưu điểm: Có khung bảo vệ hiệu quả, tránh kẹt tường, phù hợp cho mê

cung hẹp

o Nhược điểm: Cảm biến siêu âm không đảm bảo độ chính xác cao, ảnh

hưởng đến khả năng định vị và tối ưu lộ trình

 Mô hình 4 (của nhóm):

o Ưu điểm: Truyền động 4 bánh qua bánh răng đảm bảo lực kéo mạnh

và khả năng bám đường với độ chính xác cao Thiết kế mạch module gọn gàng, dễ bảo trì và sửa chữa

o Nhược điểm: Chưa tối ưu vị trí pin LiPo, làm giảm tính hợp lý trong

sắp xếp linh kiện và trọng lượng, tốc độ sẽ không được cao do cơ chế truyền động với tỉ lệ 1/2

Nhìn chung, mỗi mô hình đều có ưu và nhược điểm riêng Tuy nhiên, mô hình của nhóm em (mô hình 4) với thiết kế PCB có sẵn tích hợp nhiều module và cơ chế truyềnđộng 4 bánh nổi bật nhờ tính ổn định và khả năng cải thiện hiệu suất Trong tương lai,cần tối ưu vị trí pin và hoàn thiện thêm các chi tiết cơ khí để nâng cao hiệu năng tổng thể

Chương 3: GIẢI PHÁP THIẾT KẾ CƠ KHÍ CHO ROBOT MICROMOUSE

3.1 Tổng quan về thiết kế cơ khí của Micromouse

Mô hình 3d tổng quan của robotThiết kế cơ khí của robot Micromouse là yếu tố quan trọng, ảnh hưởng trực tiếp đến khảnăng di chuyển linh hoạt, độ chính xác và hiệu quả trong quá trình giải mê cung Do đó,việc xây dựng một thiết kế cơ khí tối ưu cần đảm bảo các tiêu chí về kích thước, trọngtâm, sự ổn định và cách bố trí các linh kiện sao cho hợp lý

Robot Micromouse được thiết kế với kích thước nhỏ gọn, trong đó chiều dài và chiềurộng của robot được xác định bởi kích thước của mạch PCB chính Lý do sử dụng PCB

làm nền tảng xác định kích thước là bởi mạch PCB sẽ chứa các linh kiện quan trọng như

vi điều khiển, cảm biến, và module điều khiển động cơ, giúp tối ưu hóa không gian vàgiảm thiểu độ phức tạp trong lắp ráp

Robot được thiết kế để di chuyển linh hoạt trong mê cung, với kích thước hànhlang hẹp nhất của mê cung chỉ 16,6cm Để đảm bảo robot không bị va chạm vớitường mê cung và có khoảng không gian đủ để các cảm biến hồng ngoại nhậnbiết tường, chiều ngang của robot được tối ưu nhỏ hơn 10cm Khoảng cách dưnày giúp cảm biến hoạt động chính xác hơn khi đo khoảng cách từ robot đếntường

Chiều dài của robot cũng được tối ưu để đảm bảo khả năng xoay chuyển linhhoạt tại các góc hẹp trong mê cung Một thiết kế robot quá dài sẽ làm tăng bánkính quay, gây khó khăn khi di chuyển qua các ngã rẽ hoặc góc 90 độ trong mêcung Vì vậy, chiều dài được cân nhắc kỹ lưỡng để không chỉ đảm bảo sự ổnđịnh mà còn giúp robot dễ dàng xử lý các tình huống di chuyển phức tạp

Trọng tâm thấp và sự ổn định

Một yếu tố quan trọng khác trong thiết kế cơ khí là trọng tâm của robot Robot được thiết

kế với trọng tâm thấp nhằm giảm thiểu tác động của momen lực, đặc biệt trong các tìnhhuống robot cần tăng tốc, giảm tốc đột ngột hoặc thực hiện các động tác xoay tại chỗ.Trọng tâm thấp giúp robot duy trì sự ổn định, giảm nguy cơ trượt bánh hoặc lật khi vậnhành ở tốc độ cao

Để đạt được trọng tâm thấp, các linh kiện nặng như pin, động cơ và hệ thống truyềnđộng được bố trí gần mặt đất nhất có thể Đồng thời, các linh kiện nhẹ hơn như cảm biến

và vi điều khiển được đặt phía trên, vừa đảm bảo gọn gàng vừa giảm thiểu ảnh hưởngđến trọng tâm

Bố trí các module và cảm biến

 Cảm biến và module điều khiển: Các cảm biến hồng ngoại được bố trí ở các vị

trí phù hợp để đảm bảo nhận biết chính xác khoảng cách từ robot đến tường.Chúng được đặt cách xa nhau và hướng ra hai bên để tăng phạm vi quan sát

 Mạch chính (PCB): PCB được thiết kế dạng module hóa, với các khu vực riêng

biệt dành cho các linh kiện chính như vi điều khiển, driver động cơ và cảm biến.Điều này giúp dễ dàng trong việc lắp ráp, sửa chữa hoặc thay thế Vi điều khiểnđược đặt ở phần đầu của robot để tiện lợi trong việc cắm/rút dây debug và lậptrình

 Pin: Mặc dù pin Lipo có ưu điểm gọn nhẹ và dung lượng cao, nhưng việc bố trí

pin cần được tính toán kỹ hơn để không ảnh hưởng đến sự cân bằng của robot.Các vị trí lắp đặt pin cần được tối ưu để đảm bảo trọng tâm của robot không bịlệch

Tính thẩm mỹ và thực tiễn

Ngoài các yếu tố kỹ thuật, thiết kế cơ khí của robot cũng cần đảm bảo tính thẩm mỹ vàtính thực tiễn Robot được thiết kế sao cho các dây điện được bó gọn gàng, tránh cản trở

các bộ phận chuyển động hoặc gây rối trong quá trình bảo trì Các chi tiết như khung cố

định động cơ, bánh xe và các bộ phận truyền động được gia công chính xác, đảm bảo độ

bền và hiệu suất hoạt động cao

Thiết kế cơ khí của robot Micromouse được xây dựng dựa trên nguyên tắc tối ưu hóa

kích thước, đảm bảo sự ổn định và linh hoạt khi di chuyển trong mê cung Đồng thời,

việc bố trí các module và cảm biến một cách khoa học không chỉ giúp robot hoạt động

hiệu quả mà còn dễ dàng trong việc bảo trì và nâng cấp Sự kết hợp giữa trọng tâm thấp,

kích thước nhỏ gọn và tính mô-đun hóa trong thiết kế cơ khí chính là chìa khóa để đạt

được hiệu suất tốt nhất trong cuộc thi Micromouse

Bản vẽ kĩ thuật sơ bộ

3.2 Thiết kế khung sườn và bánh xe

Bánh răng lớn Đường kính ngoài: 20mm

Số răng: 34 răng

Bánh răng nhựa được dùng để truyền động giữa động cơ và bánh xe Răng được gia công chính xác.

Bánh răng nhỏ Đường kính ngoài: 8.5mm

Số răng : 15 răng

Bánh răng nhựa được cố định vào trục động cơ để truyền động đến bánh răng lớn.

Vòng bi

Đường kính ngoài: 6mmđường kính trong: 3mm

Vòng bi dùng để giảm ma sát trong các trục quay, giúp bánh

xe và bánh răng hoạt động ổn định hơn.

3.2.1 Vật liệu và kết cấu-Vật liệu chính để in 3d là nhựa SLA với độ chính xác cao và có tính thẩm mỹ

Khung và bánh xe sau khi in 3d

-bánh răng là nhựa cứng bền nhẹ

-tấm plate là mạch PCB có độ cứng cáp

3.2.2 Cơ chế truyền động

Trong thiết kế cơ khí của robot Micromouse, cơ chế truyền động đóng vai trò quan

trọng trong việc truyền tải lực từ động cơ đến bánh xe, đảm bảo robot di chuyển chính

xác và linh hoạt trong mê cung Để đạt được hiệu suất tối ưu, hệ thống truyền động

được thiết kế với các bánh răng có kích thước và thông số phù hợp, giúp truyền lực

hiệu quả và đồng thời duy trì tính ổn định của robot

Cấu trúc bánh răng trong cơ chế truyền động

Hệ thống truyền động sử dụng hai loại bánh răng: bánh răng nhỏ và bánh răng lớn

Thông số chi tiết của hai loại bánh răng như sau:

 Bánh răng nhỏ:

o Đường kính: 8,5 mm

o Số răng: 15 răng

 Bánh răng lớn:

Zlớn: số răng của bánh răng lớn.

Znhỏ: số răng của bánh răng nhỏ.

cơ chế truyền động (minh họa)

Tỷ số truyền này giúp giảm tốc độ quay của động cơ đi khoảng 0.6 lần, đồng thời tănglực kéo tại bánh xe Nhờ đó, robot có thể di chuyển ổn định và chính xác hơn, đặc biệt làtrong các tình huống đòi hỏi sự kiểm soát tốc độ cao hoặc khi cần tăng tốc đột ngột

Nguyên lý hoạt động của cơ chế truyền động

 Mỗi động cơ gắn một bánh răng nhỏ (pinion) truyền lực cho một bánh răng lớngắn trực tiếp với bánh xe

 Các bánh răng được thiết kế để ăn khớp hoàn hảo, đảm bảo hiệu suất truyềnđộng cao và giảm thiểu tổn hao năng lượng

 Nhờ việc sử dụng bánh răng với tỷ số truyền hợp lý, cơ chế truyền động khôngchỉ giúp cải thiện hiệu suất mà còn giảm tải cho động cơ, tăng tuổi thọ của hệthống

Ưu điểm của thiết kế

1 Độ chính xác cao: Sự ăn khớp giữa các bánh răng đảm bảo chuyển động đồng

đều và ổn định

2 Tối ưu tốc độ và lực kéo: Tỷ số truyền được thiết kế hợp lý để phù hợp với đặc

tính của động cơ và yêu cầu di chuyển trong mê cung

3 Thiết kế nhỏ gọn: Các bánh răng được bố trí hợp lý, giúp tiết kiệm không gian

và đảm bảo trọng tâm thấp cho robot

Mặc dù cơ chế truyền động bánh răng có nhiều ưu điểm, nhưng có thể phát sinh một sốvấn đề như:

 Mài mòn bánh răng theo thời gian

 Tiếng ồn khi bánh răng hoạt động ở tốc độ cao

 Tốc độ bị giảm đáng kể

Để khắc phục, các vật liệu chế tạo bánh răng cần được lựa chọn kỹ lưỡng (như nhựaABS hoặc kim loại chống mài mòn), và hệ thống cần được bôi trơn định kỳ để duy trìhiệu suất truyền động lâu dài, hoặc chọn động cơ có tốc độ cao hơn với giá thành đắt.Tóm lại, cơ chế truyền động bánh răng với tỷ số truyền xấp xỉ trong thiết kế robotMicromouse giúp đạt được sự cân bằng giữa tốc độ và lực kéo, đảm bảo robot hoạt độnghiệu quả trong các tình huống di chuyển phức tạp trong mê cung

3.3 Thiết kế động cơ và hệ thống điều khiển chuyển động

-Động cơ được chọn là động cơ DC N20-encoder loại có tỉ số truyền là 1:30 cókích thước nhỏ gọn hiệu suất cao đạt được tốc độ tối đa là 1000RPM ở 12V rất

Lực kéo tối đa(KG.CM)

Bảng thông số động cơ

3.4 Gia công và lắp ráp các bộ phận cơ khí

Các bộ phận sau khi in 3D:

Khung và bánh xe

Việc gia công và lắp ráp các bộ phận cơ khí là công đoạn cần tính tỉ mỉ rất cao và yêu cầu sự tập trung cao độ khi lắp để giúp cho sai số cơ khí là nhỏ nhất có thể Cụ thể cáccông đoạn mà em đã làm được thực hiện theo trình tự sau:

-Đầu tiên sẽ xác định đường thẳng chính giữa PCB để có thể cố định động cơ 1 cách chính xác nhất , qua các quá trình đo đạc và căn chỉnh, khéo léo đổ keo epoxy để cố định động cơ vào PCB đợi khoảng 1 tiếng cho keo khô

-Trong thời gian chờ đợi keo khô ta bắt đầu cố định vòng bi vào lỗ bánh xe (mỗi bánh

xe dùng 2 vòng bi ở 2 đầu), có thể dùng thêm chút keo epoxy để vòng bi chắc chắn vàkhó bị lung lay

-Tiếp đến ta dùng máy khoan khoét lỗ ở bánh răng sao cho lỗ lớn hơn 3mm để có thể cho vít M3 xuyên qua tự do, sau khi khoét xong thì mài nhẵn 2 mặt thật phẳng để chuẩn bị cho công việc dán vào mặt bánh xe

-Dán bánh răng vào bánh xe sao cho lỗ nằm chính giữa trọng tâm của bánh xe để việc truyền động được diễn ra hiệu quả, sau khi thực hiện xong thì dán lốp xe vào bánh rồi đợi toàn bộ keo trên bánh xe khô

-Sử dụng các ốc vít M2, M3 để cố định bánh vào khung cố định động cơ đảm bảo các chi tiết bánh răng đã ăn khớp nhau, thử xoay bánh để xem hệ thống truyền động đã trơn tru hay trưa, nếu chưa thì lại phải cố định lại ốc vít

Các chi tiết sau khi lắp ráp cơ khí

Chương 4: THIẾT KẾ MẠCH ĐIỆN CHO ROBOT MICROMOUSE

4.1 Lựa chọn vi điều khiển STM32F103C8T6(Blue pill)

Vi điều khiển Blue Pill là một bo mạch nhỏ gọn và giá rẻ sử dụng vi điều khiển

STM32F103C8T6, thuộc dòng STM32 ARM Cortex-M3 của STMicroelectronics

Blue Pill nổi bật với hiệu năng tốt, nhiều tính năng tích hợp và khả năng lập trình linh hoạt Một số đặc điểm chính bao gồm:

 Bộ xử lý ARM Cortex-M3 hoạt động ở tần số lên đến 72 MHz.

 Bộ nhớ Flash 64 KB và RAM 20 KB, đáp ứng tốt cho các ứng dụng nhúng

nhỏ và vừa

 Giao tiếp đa dạng, bao gồm UART, I2C, SPI, CAN, và USB, giúp kết nối với

nhiều loại thiết bị ngoại vi

 Kích thước nhỏ gọn (34x22 mm), phù hợp cho các dự án yêu cầu không gian

hạn chế như robot, IoT và điều khiển nhúng

 Hỗ trợ lập trình bằng nhiều công cụ như Arduino IDE, PlatformIO, hoặc

STM32CubeIDE, với bộ nạp chương trình thông qua ST-Link hoặc giao thức USB

Blue Pill được đánh giá cao trong cộng đồng lập trình nhúng nhờ sự linh hoạt và tài liệu hỗ trợ phong phú, phù hợp cho cả người mới bắt đầu và các chuyên gia

Vi điều khiển Blue Pill STM32F103C8T6

4.2.1 Lựa chọn mạch điều khiển động cơ

Mạch điều khiển động cơ DRV8833 được chọn để điều khiển hai động cơ DC của

robot Micromouse DRV8833 là một driver động cơ cầu H kép được thiết kế để điều khiển hai động cơ một cách độc lập hoặc một động cơ bước với dòng tối đa lên đến

1.5A liên tục và dòng đỉnh 2A (trong thời gian ngắn) Các đặc điểm chính của mạch

 Điều khiển tốc độ: Có thể điều khiển tốc độ động cơ bằng cách sử dụng tín

hiệu PWM từ vi điều khiển

 Kích thước nhỏ gọn: Dễ dàng tích hợp trên robot.

Mạch điều khiển động cơ DRV8833

4.2.2 Sơ đồ kết nối

Nguồn cấp cho mạch điều khiển động cơ được lựa chọn là 9V, được cung cấp thông

qua module chuyển nguồn (step-down converter) từ pin chính của robot Nguồn 9V này sẽ được dùng để cung cấp năng lượng cho cả DRV8833 và hai động cơ DC Mạch

DRV8833 được kết nối với các chân điều khiển trên vi điều khiển STM32F103C8T6

như sau:

 IN1 và IN2: Nhận tín hiệu điều khiển PWM từ vi điều khiển để điều chỉnh tốc

độ và chiều quay của động cơ thứ nhất

 IN3 và IN4: Nhận tín hiệu điều khiển PWM từ vi điều khiển để điều chỉnh tốc

độ và chiều quay của động cơ thứ hai

 OUT1 và OUT2: Kết nối với động cơ trái.

 OUT3 và OUT4: Kết nối với động cơ phải.

 VM: Nối với nguồn 9V từ module chuyển nguồn.

 GND: Kết nối với GND chung của hệ thống.

Sơ đồ kết nối mạch DRV8833

4.2.3 Nguyên lý hoạt động

Khi vi điều khiển gửi tín hiệu PWM đến các chân điều khiển (IN1/IN2 hoặc

IN3/IN4), DRV8833 sẽ điều chỉnh điện áp ra tại các cặp chân OUT tương ứng, từ đó thay đổi tốc độ và chiều quay của động cơ

 Nếu IN1 = 1 và IN2 = 0, động cơ quay theo chiều thuận

 Nếu IN1 = 0 và IN2 = 1, động cơ quay theo chiều nghịch

 Nếu cả IN1 và IN2 đều bằng 0 hoặc 1, động cơ sẽ dừng

4.2.4 Ưu điểm của thiết kế

 Hiệu quả cao: DRV8833 có trở kháng thấp trên các MOSFET tích hợp, giúp

giảm tổn thất nhiệt và tăng hiệu suất

 Tương thích tốt: Điện áp và dòng hỗ trợ của DRV8833 phù hợp với động cơ

N20 encoder trong thiết kế

 An toàn: Các cơ chế bảo vệ tích hợp giúp hệ thống hoạt động ổn định ngay cả

trong trường hợp xảy ra sự cố như quá dòng hay ngắn mạch

4.3 Cảm biến và hệ thống điều hướng

4.3.1 Cảm biến hồng ngoại nhận biết tường

Các bóng cảm biến được quấn kín xung quanh để đảm bảo không bị ảnh hưởng bởi

môi trường nhiệt

Hệ thống cảm biến hồng ngoại của robot Micromouse được thiết kế để nhận biết tường nhằm hỗ trợ điều hướng trong mê cung Hệ thống này gồm:

Cảm biến phát (Emitter):

 Sử dụng 4 đèn LED hồng ngoại SFH4550, được biết đến với hiệu suất phát

cao và góc phát hẹp, lý tưởng để tập trung ánh sáng hồng ngoại về một hướng

 Các LED phát được kết nối thông qua các điện trở hạn dòng (33Ω), đảm bảo hoạt động ổn định mà không gây quá tải dòng điện

 MOSFET loại kênh N (FDV301N) được sử dụng để điều khiển các LED phát, cho phép bật/tắt LED thông qua vi điều khiển với tín hiệu logic mức thấp.

Sơ đồ mạch cảm biến phát SFH 4550

Cảm biến thu (Receiver):

 Sử dụng 4 phototransistor SFH309 FA với độ nhạy cao đối với ánh sáng hồng

ngoại Đây là thành phần quan trọng để phát hiện ánh sáng phản xạ từ tường

 Mỗi phototransistor được kết nối với điện trở pull-down (10kΩ) để ổn định tínhiệu và giảm nhiễu

 Phototransistor được cấp nguồn 3.3V, phù hợp với mức điện áp hoạt động của

vi điều khiển và hệ thống điện

Sơ đồ mạch cảm biến thu SFH 309 FA

3 Tín hiệu từ phototransistor được gửi về vi điều khiển để xử lý Dựa vào cường

độ tín hiệu phản xạ, robot sẽ biết khoảng cách với tường và điều chỉnh hướng

di chuyển

Ưu điểm:

 Độ chính xác cao: Kết hợp các linh kiện chuyên dụng giúp phát hiện tường

một cách ổn định và chính xác

 Điều khiển linh hoạt: MOSFET cho phép bật/tắt cảm biến phát một cách dễ

dàng, tiết kiệm năng lượng khi không cần thiết

Hệ thống cảm biến hồng ngoại này đóng vai trò quan trọng trong việc định hướng và giúp robot di chuyển chính xác trong mê cung

4.3.2 Bộ mã hóa quang học (Encoder)

Bộ mã hóa quang học (Encoder) được tích hợp sẵn vào động cơ N20 DC motor sử dụng để đo lường vận tốc và khoảng cách của bánh xe trong robot Micromouse Đây

là thành phần không thể thiếu để thực hiện điều khiển chính xác khi robot di chuyển trong mê cung

Nguyên lý hoạt động:

 Encoder quang học sử dụng cảm biến từ trường Hall để phát hiện sự thay đổi

từ trường khi bánh xe quay

 Encoder tạo ra hai kênh tín hiệu xung (A và B) lệch pha nhau 90°, cho phép

xác định chiều quay (thuận/nghịch) và vận tốc của động cơ

 Độ phân giải của encoder được xác định bởi số lượng xung được tạo ra trên mỗi vòng quay:

o Đĩa encoder ban đầu tạo ra 7 xung trên mỗi kênh (A hoặc B) cho mỗi

vòng quay

o Khi kết hợp cả hai kênh (A và B), tổng số xung là 14 xung/vòng.

o Sau khi giảm tốc qua hộp số (tỉ số truyền 1:30), số xung mỗi kênh tănglên:

Số xung/vòng = 7 × 30 = 210 xung/vòng/kênh.

Tổng số xung từ cả hai kênh sẽ là 420 xung/vòng.

Chức năng của Encoder:

 Xác định vận tốc: Số xung được ghi nhận trong một khoảng thời gian cụ thể

giúp tính toán tốc độ quay của bánh xe

 Xác định khoảng cách: Tổng số xung được đếm trong quá trình di chuyển

giúp tính toán quãng đường mà robot đã di chuyển

 Xác định hướng: Độ lệch pha giữa hai kênh A và B cho biết chiều quay của

bánh xe

Kết nối Encoder với mạch điều khiển:

Encoder được kết nối với vi điều khiển thông qua các chân sau:

 M1/M2: Chân cấp nguồn cho động cơ (tối đa 12VDC), điều khiển quay bánh

xe

 GND: Nối đất (0VDC) cho Encoder.

 C1/C2: Tín hiệu xung đầu ra của hai kênh A và B.

 VCC: Chân cấp nguồn cho Encoder (3~5VDC).

Sơ đồ kết nối mạch động cơ và encoder

Tính toán ví dụ:

 Với động cơ có tỉ số truyền 1:30, số xung trên mỗi vòng của trục bánh xe là

210 xung/kênh.

 Khi robot di chuyển một khoảng cách tương đương với một vòng bánh xe, vi

điều khiển sẽ nhận được 210 xung từ kênh A hoặc 420 xung từ cả hai kênh

(A và B).

Ưu điểm:

1 Chính xác cao: Tăng độ phân giải nhờ hệ thống giảm tốc.

2 Đa chức năng: Cho phép đo vận tốc, khoảng cách và xác định chiều quay.

3 Tương thích: Có thể hoạt động với nguồn 3~5V, phù hợp với hầu hết các vi

điều khiển

Hệ thống encoder trong robot Micromouse giúp tối ưu hóa khả năng điều khiển bánh

xe, cho phép di chuyển chính xác và ổn định trong mê cung

4.4 Thiết kế mạch nguồn và quản lý năng lượng

Hệ thống nguồn đóng vai trò quan trọng trong việc đảm bảo cung cấp năng lượng ổn

định và an toàn cho các thành phần của robot Micromouse Với thiết kế này, nguồn

năng lượng chính được cung cấp từ 3 pin LiPo 3.7V (kết nối nối tiếp) và được quản

lý thông qua các module chuyển đổi (converter) để cung cấp các mức điện áp khác nhau phù hợp với từng linh kiện

1 Nguồn điện chính

 Pin sử dụng: 3 pin LiPo 3.7V ghép nối tiếp.

 Tổng điện áp: 3 × 3.7V = 11.1V (danh định, khi đầy có thể lên đến ~12.6V).