Đồ án môn học thiết kế hệ thống cơ Điện tử Đề tài thiết kế robot mê cung

Đồ án môn học thiết kế hệ thống cơ điện tử giup ta tim hiểu và thiết kế thực hiện công việc một cách tự động bằng sự điều khiển của máy tính hoặc các vi mạch điện tử được lập trình.. Cùn

TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHIỆP THÀNH PHÔ HỖ CHÍ MINH

KHOA CÔNG NGHỆ CƠ KHÍ

BO MON THIET KE MAY

(0 EN

BO AN MON HOC

THIET KE HE THONG CO DIEN TU

Dé tai: THIET KE ROBOT ME CUNG

Bao cao cudi ky Nhom 5

BỘ CÔNG THƯƠNG TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHIỆP THÀNH PHÔ HỖ CHÍ MINH

KHOA CÔNG NGHỆ CƠ KHÍ

BO MON THIET KE MAY

(0

BO AN MON HOC

THIET KE HE THONG CO DIEN TU

Dé tai: THIET KE ROBOT ME CUNG

Lớp học phần: 420300275108

NHAN XET CUA GIAO VIEN

Thành phố Hồ Chí Minh, tháng 12 năm 2023

GVHD: Nguyễn Viễn Quốc

Bao cao cudi ky Nhom 5

3.1 Tổng quan về phần cứng Robot tự hành 5-1 2E E2E121821111271211211212 1.16 10 3.2 Lựa chọn thiết bị Sa TS 2111111151511 111515181 111515 1211151810111 E51 10

3.3 Thực hiện giao tiếp giữa stm 32 với động cơ DC (sử dụng modul : L298N) 12 3.4 Mạch điều khiến (sử dụng Kít STM32F103C§T6) 2221111111211 te 13

4.1 Thuật toán tìm đường đi cho Robot 2222011211211 12 112211811151 1111 1111111181 xe 14

5.1 Robot đã được thực hiện - - - QQn 1n n1 111111111 111255 1211151111111 2x E11 y ca kg 16 5.2 Đọc giá trị Analog và hiện thị trên LCT - 2: 22 22 2212212212221 1351131252112 22x x2 17

5.3 Sơ đồ khối của bộ ADC trong STM32F104 - cSn 2221 21211221221211 ra 17

5.4 Tiến hành đo và đọc gia tri Analog của 4 cảm biến 2S nH 12121211115 re 19 5.5 Sơ đồ thuật toán và code ca ST 1112121511115 15 1215 HH Ha 20

CHƯƠNG 6: KẾT LLUẬNN ° <2 2 ©S< se SE hEr ch ghen ngtrsrree 21 TÀI LIỆU THAM KHẢO 2-2 <2 2S EeseEserseesetrsesserse sersee 22

GVHD: Nguyễn Viễn Quốc

LOI NOI DAU

Đất nước ta đang từng bước phát triển, vì vậy nền khoa học kỹ thuật đóng vai trò quan trọng trong công cuộc công nghiệp hóa, hiện đại hóa đất nước Thế nên việc thiết kế và phát triển những hệ thống truyền động là vấn đề cốt lõi trong cơ khí, mặt khác một nền công

nghiệp phát triển không thê thiếu một nền cơ khí hiện đại Hiểu biết năm vững và vận dụng

tốt lý thuyết vào thiết kế các hệ thống truyền động là những yêu cầu rất cần thiết đối với sinh viên

Trong cuộc sông xung quanh chúng ta có thể bắt gặp robot ở khắp nơi có thể nói nó đóng một vai trò quan trọng trong cuộc sống Đồ án môn học thiết kế hệ thống cơ điện tử giup ta tim hiểu và thiết kế thực hiện công việc một cách tự động bằng sự điều khiển của máy tính hoặc các vi mạch điện tử được lập trình Thêm vào đó, trong quá trình thực hiện sinh viên có thé hoàn thiện bô sung kỹ năng lập trình điều khiến vi điện tử, điều rất cần thiết với sinh viên Từ đây cộng với những kiến thức chuyên nghành nhóm sẽ tiếp cận được với hệ thống thực tế, có cái nhìn tông quan hơn đề chuẩn bị cho đồ án tiếp theo và đỗ án tốt nghiệp Trong quá trình thực hiện đề tài của nhóm được giao la thiét ké robot mé cung Với vốn kiến thức còn hạn hẹp, nhóm em xin chân thành cảm ơn các thầy Nguyễn Viễn Quốc bộ môn, đặc biệt là thầy đã trực tiếp hướng dẫn, chỉ chỉ ra những lỗi sai của nhóm khi làm đề tài

giúp nhóm chúng em hoàn thành đồ án

Kính chúc quý thầy cô sức khỏe và hạnh phúc

GVHD: Nguyễn Viễn Quốc

Báo cáo cuối kỳ Nhóm 5

NỘI DUNG

CHUONG 1: TONG QUAN

1.1 Dat van dé

Trong thời đại hiện nay, máy tính có thể giải được rất nhiều bài toán khó mà trước kia

chưa giải quyết được Mặc dù vậy còn một số lớn các bài toán rất thú vị cần một thuật toán thích hợp để giải chúng Trong đó, các bài toán sử dụng trí tuệ nhân tạo là các bài toán thường gặp trong các ứng dụng thực tiễn Ví dụ: ứng dụng phương pháp mô phỏng luyện thép đề tìm đường đi ngắn nhất cho xe cứu hỏa, hay robot tự hành

Robot tự hành (Mobile Robot) là một thành phần có vai trò quan trọng trong ngành Robot học, một ngành không thê thiếu trong lĩnh vực tự động hóa Cùng với sự phát triển mạnh mẽ của các hệ thống tự động hóa, robot tự hành noày một được hoàn thiện và cảng cho thấy lợi ích của nó trong công nghiệp và sinh hoạt Một vấn đề rất được quan tâm khi nghiên cứu về robot tự hành là làm thế nào để robot biết được vị trí nó đang đứng và có thể di chuyền tới một vị trí xác định, đồng thời có thể tự động tránh được các chướng ngại vật trên đường đi Vì vậy, việc chế tạo thành công để tài này sẽ mở ra một hướng tiếp cận mới và góp phân thúc đây việc ứng dụng của robot ngày càng nhiều vào trong đời sống hằng ngày và

trong nghiên cứu chế tạo

1.2 Mục tiêu đề tài

Mục tiêu của đề tài là thiết kế, thực hiện, điều khiến robot tự hành Robot tự hành có thể hoạt động ôn định, tự tìm đường đi đến vị trí đích đã xác định sẵn trong mé cung, co thé hoc nhanh chóng cách tìm đường đi khi thay đổi hình dạng mê cuns, sử dụng thuật toán tìm kiếm theo chiều sâu trong trí tuệ nhân tạo

1.3 Nội dung nghiên cứu

Dựa vào nguyên lý hoạt động của robot tự hành nhóm đã thiết kế mô hình bằng các

phương pháp cụ thể như sau:

- Khảo sát phân tích tông hợp: phân tích cách thức hoạt động của robot tự hành đề thiết kế

bộ phận dò tìm có độ chính xác cao nhất, bộ phân xử lí tín hiệu có tốc độ cao nhất đồng thời

có giá thành thấp và tuôi thọ cao

- Khảo sát tính khả thị của từng thuật toán nhỏ trong trí tuệ nhân tạo

GVHD: Nguyễn Viễn Quốc

- Thực nghiệm: dùng phương pháp thực nghiệm đề kiểm tra tính khả thí của từng thuật

tốn, đồng thời mơ phỏng hoạt động của robot trên Matlab

- Đánh giá kết quả dựa trên quá trình thực nghiệm

CHUONG 2: CO SO LY THUYET

2.1 Tổng quan về trí tuệ nhân tạo

Trí tuệ nhân tạo (Artificial Intelligence - AI) la mét Iinh vyc trong khoa hoc may tinh, nghiên cứu về việc tạo ra các máy mĩc cĩ khả năng thực hiện các tác vụ địi hỏi trí thơng minh như của con người Trong khoa học máy tính, thuật ngữ “trí tuệ nhân tạo” thường được

sử dụng để mơ tả các máy chủ (hoặc máy tinh) cĩ khả năng bắt chước các chức năng “nhận thức” mà con người thường phải liên kết với tâm trí, như “học tập” và “giải quyết vấn đề” Trí tuệ nhân tạo cĩ thể được phân thành ba loại hệ thơng khác nhau: trí tuệ nhân tạo phân tích, lây cảm hứng từ con người và nhân tạo

2.2 Khái niệm xe tự hành

Xe tự hành hay robot di động được định nghĩa là một loại xe cĩ khả năng tự dịch chuyển , tự vận động để thực hiện thành cơng cơng việc được giao Theo lý thuyết, mơi trường hoạt động của robot tự hành cĩ thể là đất, nước, khơng khí, khơng gian vũ trụ hay sự

tơ hợp giữa chúng Địa hình bề mặt mà robot di chuyền trên đĩ cĩ thê bằng phẳng, hoặc thay

đổi lỗi lõm

2.3 Bài tốn tránh vật cản

Tìm đường là một khoa học dẫn hướng robot tự di chuyên trò khơng gian làm việc của nĩ( mê cung) Trong vấn đề tìm đường, bài tốn lớn nhất đặt ra là tìm được hướng về đích đúng và nhanh nhất mà khơng chạm vảo các vật cản trên đường( khơng để robot va chạm vào tường)

Cĩ 2 loại bài tốn tìm đường cho robot:

- Bài tốn cục bộ: Mơi trường làm việc của robot hồn tồn khơng biết trước hoặc chỉ

biết một phần Robot hoản toản nhờ vào các cảm biến để dị và tìm hướng đi Ở đây

robot phải tính tốn thử và sai nhiều lần để cĩ hướng đi đúng

- Bài tốn tồn cục: Robot đã biết trước được địa hình của mê cung, vì vậy bài tốn ở đây

chỉ cần lập trình đề chỉ dẫn robot đến đích như mong muốn

GVHD: Nguyễn Viễn Quốc

Bao cao cudi ky Nhom 5

Theo như luật của ban tổ chức công bố, địa hình mê cung sẽ được biết trước nên nhóm tập trung vào giải quyết bài toán toàn cục với 5 cảm biến hồng ngoại( I cảm biến đẳng trước,

2 cảm biến bên trái và 2 cảm biến bên phải) Môi trường hoạt động của robot là mặt phẳng giới hạn bởi các bức tường

2.4 Hệ thống để xe tránh vật cản

Hệ thống tông quan gồm 4 bộ phận chính: Năm cảm biến hồng ngoại, hai bánh xe có gắn

động cơ 1 chiều, laptop, ví điều khiến STM32F103C§T6 và driver điều khiến động cơ

Các thành phân phối hợp hoạt động như sau: Khi robot di chuyển ở giữa trong mê cung thì bốn cảm biến hồng ngoại giá trị Analoe bằng nhau Khi robot tới ngã rẽ hồng ngoại ở đầu robot sẽ nhận biết vật cản sau đó động cơ I sẽ ngừng động cơ 2 sẽ hoạt động xoay bên

ngã rẽ, sau đó robot chạy thắng

GVHD: Nguyễn Viễn Quốc

CHUONG 3: THIET KE VA THI CONG MO HiNH ROBOT TU HANH

Bao cao cudi ky Nhom 5 Thông số kỹ thuật:

= Momen xoan : 800gf cm/phut

Mô tả: Cảm biến vật cần hồng ngoại có khả năng phản ứng mạnh ánh sáng xung quanh,

có cặp truyền và nhận tia hồng ngoại Khoảng cách phát hiện có thể được điều chỉnh bằng biến trở ,có định dễ dàng và sử dụng thuận tiện Khi bật nguồn, đèn báo nguồn màu đỏ Ứng dụng: sử dụng rộng rãi trong nhiều ứng dụng như tránh chướng ngại vật robot, xe đây tránh chướng ngại vật, đếm đường và vạch den trắng

3.3 Thực hiện giao tiếp giữa stm 32 với động cơ DC (sử dụng modul : L298N)

GVHD: Nguyễn Viễn Quốc

# Thông số kỹ thuật:

Driver: L298N tích hợp hai mạch cầu H

Điện áp điều khiển: +5 V ~ +12 V

Dòng tối đa cho mỗi cầu H là: 2A (=>2A cho mỗi motor)

Điện áp của tín hiệu điều khiển: +5 V ~ +7 V

Dòng của tín hiệu điều khiển: 0 ~ 36mA (Arduino co thé choi dén 40mA nên khỏe re nhé các bạn)

Công suất hao phí: 20W (khi nhiệt độ T = 75 °C)

Nhiét d6 bao quan: -25 °C ~ +130 °C

GVHD: Nguyễn Viễn Quốc

Bao cao cudi ky Nhom 5

3.4 Mach diéu khién (str dung Kit STM32F103C8T6)

CHƯƠNG 4: THUẬT TOÁN DIEU KHIEN

4.1 Thuật toán tìm đường đi cho Robot

4.1.1 Ước định

U: Đi thắng

R: Rẻ phải

4.1.2 Hướng giải quyết cho Robot

Dat Robot vao vi tri xuất phát (ưu tiên canh cho Robot ở vị trí cân bằng), nhân nút START Robot bắt đầu đi chuyến Hệ thống so sánh các cảm biến hồng ngoại cạnh bên để điều chỉnh xung PWM của động cơ giúp Robot đi đúng quỹ đạo cân bằng (nếu Robot đang di

chuyền bị lệch) Khi CB1 nhận biết tín hiệu ngã rẻ (CB1 = 0), Robot di chuyên thêm một

đoạn đến khi CB4 = 7,5cm (giá trị Analog = ) thì Robot rẻ phải

4.1.3 Thuật toán

Start > U -> so sánh điều khién ré > R

4.1.4 Lưu đồ giải thuật

GVHD: Nguyễn Viễn Quốc

SUNG

Pvt DC2 > PWM DC1

CHUONG 5: KET QUA THUC NGHIEM

5.1 Robot đã được thực hiện

- _ Thực hiện khảo sát tính định hồng ngoại: Đề dé dàng lập trình robot đi giữa mê cung

GVHD: Nguyễn Viễn Quốc

Bao cao cudi ky Nhom 5

Giá trị thay đổi điện áp theo khoảng cách

(Khảo sát cảm biến hồng ngoại)

1 Một số tính năng chính được liệt kê như sau:

« Độ phân giải 12 bịt tương ứng với giá trị maximum là 4095

-Ồ Có các ngắt hỗ trợ như End conversion, End of Injected Conversion and Analog Watchdog Event

« Single mode hay Continuous mode

- Tự động calib và có thê điều khiển hoạt động ADC bằng xung Trigger

« Thời gian chuyên đổi nhanh : 1us tại tần số 65Mhz

« Điện áp cung cấp cho bộ ADC là 2.4V -> 3.6V Nên điện áp Input của thiết bị có ADC

2.4V < VIN <3.6V

« Có bộ DMA giúp tăng tốc độ xử lí

5.3 Sơ đồ khối của bộ ADC trong STM32F103

ADC Block Diagram

— Multichannel (scan), single conversion — Ché d6 chuyén doi nhiều kênh, chuyên đổi l lan: O ché d6 nay, b6 ADC sé lần lượt chuyên đổi một chuỗi các kênh đầu vào đã được cấu hình từ trước, tối đa có thể chuyên đôi được 16 kênh kết quả chuyên đổi của kênh cuối cùng

16 GVHD: Nguyễn Viễn Quốc

sẽ được lưu vao thanh ghi ADC_DR, co bao kết thúc quá trình chuyên được được bật lên, yêu cầu ngắt sẽ được sinh ra nếu người dùng cấu hình cho phép ngắt Chế độ này cần được

kết hợp với tinh nang DMA để có thê nhận đầy đủ kết quả chuyên đổi của các kênh

Thứ tự chuyến đôi của các kênh có thế được người dùng sắp xếp và thời gian lây mẫu của các kênh có thể được cấu hình độc lập

- _ Tỉnh năng DMA (Direct Memory Access) hỗ trợ ngoại vi có thê chuyên đữ liệu trực tiếp đến bộ nhớ mà không cần sự can thiệp của CPU

|

- Single-channel continuous conversion mode — Ché a6 chuyén déi don kénh, chuyén đổi liên tục: Ở chế độ này kênh được chọn sẽ được chuyên đổi liên tục mà không cần sự can thiệp của CPU trong mỗi lần chuyến đổi Chức năng DMA với mode circular nên được sử dụng trong chế độ này để giảm tải cho CPU

GVHD: Nguyễn Viễn Quốc

Bao cao cudi ky

5.4 Tiên hành do và đọc giá trị Analog cua 4 cam bien

1 Chuân bị

IWDG NVIC ASYS

Reset Configuration anes no

ệ ® Parameter Setttngs Su

ADCs_Common_Settings Timers Mode Independent mode

ADC_Settings Connectivit 7 _ TW Data Alignment Right alignment Computing Scan Conversion Mode Enabled Middleware Continuous Conversion M Enabled

Discontinuous Conversion Disabled

Thiét lap chan ADC in va đọc ở chế dé Multichannel (scan) continuous conversion mode

5.5 Sơ đồ thuật toán và code

Báo cáo cuối kỳ Nhóm 5

CHUONG 6: KET LUAN

Đề tài đã thiết kế thành công phần điện, phần cơ khí, chương trình phần mềm cho robot

tự hành Xét về những mục tiêu và giới hạn của đề tài đã được đặt ra ngay từ đầu thì những điều mà đề tài đã thực hiện được và chưa thực hiện được như sau:

- Thiết kế phần cơ khí cho robot tự hành dò đường trong mê cung với những chỉ tiết có kích thước nhỏ và phức tạp, đạt được tính kỹ thuật

- Thiết kế thành công phần điện cho robot Mạch điện gồm có: điều khiển động cơ bằng PWM, mach cau H sir dung IC L298n, cam bién hồng ngoại đọc tín hiệu Analose xác định khoảng cách,

- Thiết kế thành công phần mềm cho robot áp dụng thuật toán tìm kiếm theo chiều sâu trong trí tuệ nhân tạo, tuy nhiên chưa thích ứng được hoàn toàn với các hình dạng mê cung khác nhau Ví dụ: khi ta rút ngắn khoảng cách các đường trong mê cung thì robot sẽ hoạt động không còn ôn định

- Chưa thê chạy ổn định đường của mê cung dùng công nghệ xử lý

20 GVHD: Nguyễn Viễn Quốc