Thiết kế hệ thống cơ Điện tử thiết kế robot Định vị odometry

LỜI NÓI ĐẦU Trong những năm gần đây, robot di động ngày càng được các nhà khoa học và sinh viên quan tâm nghiên cứu bởi những ứng dụng của chúng trong hệ thống dây chuyên sản xuất hay l

BỘ CÔNG THƯƠNG TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHIỆP TP.HCM

Thiét ké Robot dinh vi Odometry

Giang vién huéng dan: TS Nguyen Vien Quéc

Sinh viên thực hiện: Nguyễn Xuân Trường

Lê Huy Phát

Nguyễn Văn Trường

Nguyễn Tuần Nguyên

Nguyễn Hưng Nam

Lớp: DHCDT16B

Tp.Hé Chi Minh, thang nam 2023

NHẬN XÉT CỦA GIẢNG VIÊN HƯỚNG DẪN

LỜI NÓI ĐẦU

Trong những năm gần đây, robot di động ngày càng được các nhà khoa học và sinh viên

quan tâm nghiên cứu bởi những ứng dụng của chúng trong hệ thống dây chuyên sản xuất hay là đời sống xã hội giúp đỡ con người ví dụ như: dây chuyền tự hành lây hang hóa trong

nhà máy AMAZON hay robot tự lau nhà, Hệ thông robot odometry được thiết kế tự hành né vật cản theo nguyên lý vi sai, trong đó dữ liệu thu được từ các cảm biến encoder,

hướng xe theo mạch càu L298H và cảm biến hỏng ngoại Hệ thống định vị đã loại bỏ được

các sai lệch do các yếu tô môi trường cũng như những sai số tích lũy của phương pháp định

VỊ tương đôi

Các dòng Vi xử lý và Vi điều khiển đã hình thành và phát triển từ rất sớm, nhưng đối

với Việt Nam thì sự ứng dụng chưa được nhiều Những nơi sử dụng VI xử lý và VI điều khiên chủ yêu ở những khu công nghệ cao, viện nghiên cứu hoặc những trường đại học top đầu, việc tiếp cận với công nghệ mới, những dòng Vi xử lý và Vi điều khiển mới cần được nghiên cứu có những hạn chế nhất định Do đó em nhận thay thật sự cần thiết để nghiên

cứu và tìm hiểu về vấn đề này nên đã sử dụng vi điều khiển STM32F103C8T6 cho đề tài

Quá trình học tập môn thiết kế hệ thống cơ điện tử tại trường em có được giao đề tài: “Thiết

kế robot định vị Odometry sử dụng STM32F103C8§T6”, dù đã có gắng hết sức để có thé

hoàn thành tốt nhất đề tài được giao Nhưng quá trình làm đề tài không tránh khỏi những

sai sót, em hy vọng nhận được sự đóng góp ý kiến của các thầy cô, bạn bè cùng lớp Chúng

em xin chân thành cảm ơn!

LỜI CÁM ƠN

Đề hoàn thành đề tài thiết kế hệ thông cơ điện tử này trước hết chúng em xin gửi lời cam ơn đến thầy Nguyễn Viễn Quốc khoa Cơ Khí lời cảm ơn chân thành Cảm ơn thầy đã

tận tình giáng dạy và trang bị cho chúng em những kiến thức chuyên môn, giúp đỡ chúng

em trong suốt quá trình học tập Đưa ra những phương án giải quyết vấn đề, hướng dẫn và

tận tình giúp đỡ nhóm chúng em trong quá trình làm đề tài

Mặc dù nhóm chúng em đã cô gắng hoàn thành đề tai nay voi tat cá nỗ lực bản thân và tinh thần nhóm nhưng do trình độ hiệu biết và kinh nghiệm thực tế vẫn còn nhiều hạn ché

nên sẽ không tránh khỏi những thiếu sót và sai sót không giải quyết hét tất cá các vấn đề

nhát định, rất mong nhận được sự thông cảm, chia sẻ, góp ý tận tình từ phía thầy Và cùng

với những lời góp ý vô cùng quý giá đề giúp nhóm em bồ sung thêm kiến thức và kĩ năng

đề tích lũy kiến thức b ô sung vào thực hiện khóa luận tốt nghiệp

Một lần nữa nhóm em xin chân thành cám ơn thầy đã hướng dẫn!

MỤC LỤC

NHẬN XÉT CỦA GIẢNG VIÊN HƯỚNG DẪN S25: ScSSSterererrrerererree 2

LỜI CẢM ƠN c tct nh ng 11111111 trệt 4 DANH MUC HINH ANH 05157 4 ÔỎ 7

IM.IN|IERY10I9E=7.\)|CšEHtddtdddddáảẳỶẲÄẲỒỒỒỒ 8 97.01 ẻằằằằăẽằẽšwšăáảẳaaAAAẶAAa 9

"0/0 9

hi on 9

1.2 Mục tiêu cụ thê của đề tài tt nh HH1 H1 Hài 9

2 Đôi tượng nghiên Cứu St t St 1E HH HH HH HH nếu 9

EWyn2ì i50: 090i ii 0n a 9

5 Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài - án tt ng ng HH 10

6 Két cau bai thuyét MINN cece ằằằM 10

CHƯƠNG 1: CƠ SỞ LÝ THUYÊT tt tt ghe T1

CHƯƠNG 2: BẢN VỀ THIẾT KẾ 2D -.- St EvteEexekrrrerrrrrrrerree 21

CHUONG 3: THIET KE HE THONG DIEU KHIỂN -.-: 5-55 5c55 55s: 25

3.2 Thiết kế phần cứng của hệ thống c2: tt t1 2111 112EEtEtrtrrrrrrrrerie 25

3.2.1 Các thiết bị được Sử dụng : : c t2 v 2v 1 121211111 101518111 0181011111180 ưu 25

3.2.2 Thiết bị khối cảm biến -: c2: c1 21211 1 15111 E111 11 E111 HT HH nh dc 26 3.2.3 Thiết bị khói điều khiên trung tâm .- 5S: 22222221 32323212 xexsrsrrrei 28 3.2.4 Thiết bi khói xử lý tín hiệU -¿- ¿2c 1 12121111 E3 113 E1 2v ghnnrHnggnrrrro 30 3.2.5 Thiết bị khối cơ cấu chấp hành ‹- ¿222111 11123 E1 E1 1E Extrrrkrkrrrerrkerkrrei 36

CHƯƠNG 4: THỊ CÔNG MÔ HÌNH CHẠY THỰC NGHIỆM VÀ DANH GIA 44

4.1 Lắp ráp linh kiện -¿-¿-¿ + +t21 2119121815111 1E115151 111115111111 101111111 81011111 HH 44

4.1.1 Danh sách linh kiện sử dụng ác LH HH kh ki 44

4.1.2 Lắp ráp và hoàn thiện mạCh ¿- ¿2c c1 S122 111 E15121 E12 1111 tk Erxnrgrưệt 45 4.2 Nội dụng kết quá chạy thực nghiệm của Xe -:-.Sc S22 Svsetrereerree 51 6n ga n6 334 52

CHƯƠNG 5: KÉT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIẺN - 52525 Scscccccs+ 47

Hình 3.7: Module mạch càu H L298N .- L1 SE vn TH Tế Hy nhện 31 Hình 3.8: Nguyên lý hoạt động mạch câu H L298N n nnn TH ng hưu 32

Hình 3.9: Chân kết nói của LCD ¿+ c1 3221111 E151 111 E1 111 E1 grynHggr ưu 35

Hình 3.10: Động cơ DC Servo JGA25-370 Geared MOIor nhe 36

Hình 3.12: Bánh xe V2 65mm khớp lục giác 12mm Ác nhe 38

Hình 3.13: Khung xe Robot Chassis Simple S1 nhe 39

Hình 3.14: Thông số khung Xe@ 2t tt 2121111111 1111111111111111111111 re 40

Hình 3.15: Pin sạc 18650 Li-ion rechargeable battery 3.7V 12mAh 2C 41

Hình 4.1: Sơ đồ dây ở bước đầu lắp ráp ¿c1 22t SE v22 S2 111111 re 45

Hình 4.2: Sơ đồ dây sau khi lắp ráp hoàn chinh ¿- 222cc rxexexererreserea 46

Hình 4.3: Hình ảnh sau khi hiệu chinh lại xe . nE 2n nh snkrkkkkrrske 47

Hình 4.4: Hình ánh khi bật công tắc Xe@ ¿L1 22.1 v21 9211815121211 18111811811 reu 48 Hình 4.5: Số xung khi xe về đích và reset tt St té Errrrrrkrie 49

Hình 4.6: Mạch Ïn ‹‹‹- c cc nn SH ĐH HH chen in pH nen 50

Hình 4.7: Sơ đồ mạch -:cccc t ng n1 HH HH HH tiep 51

DANH MỤC BẢNG

Báng 4.1: Linh kiện sử dụng cho hệ thông điện

MỞ ĐẦU

% MỤC TIỂU

1 Mục tiêu tông quát

Mục tiêu của đề tài là phát triển robot định vị Odometry chạy trên một phạm vi không gian nhất định chạy vẻ đích né vật cản rồi dừng lại vị trí đã định trước rồi xoay theo hướng

mà đặt ra ban đầu Hệ thông robot được điều khiên một cách tự động hoặc được điều khiên theo sự tùy chinh của người dùng và giám sát thông qua chính code trén Keil C va nap vào

vi điều khiển STM32F103G8T6 thông qua ST-Link

2 Mục tiêu cụ thể của đề tài

-_ Thiết kế mô hình robot Odometry sử dụng 2 động cơ encoder đọc xung và 1 bánh

xe sau đa hướng mắt trâu kim loại cân bằng

- Bộ điều khiên trung tâm sử dụng vi điều khiển STM32F103C8§T6 đề điều khiên toàn

bộ hoạt động của hệ thông robot và điều khiển động cơ thông qua mạch cau L298H -_ Dữ liệu đo được số xung 2 động cơ encoder sẽ được hiển thị lên màn hình LCD 16x2

3 Đối tượng nghiên cứu

- Robot dinh vi Odometry

- STM32F103C8T6, L298H, LCD 16x2, déng co DC servo JGA25-370, cam bién héng ngoai

4 Phương pháp nghiên cứu

- Thu thap và phân tích các tài liệu nghiên cứu và tài liệu thay gui

-_ Kế thừa những kết quả nghiên cứu đã có đề làm nèn táng cho việc giái quyết yêu cau Cua dé tai

- _ Áp dụng các kiến thức được học ở trường từ đó tạo thành một sản phẩm hoạt động theo đúng mục đích đề ra.

5 Phạm vi và giới hạn của đề tài

- Ung dung các mạch điều khiên, xử lý tín hiệu có sẵn trên thị trường két hợp lại với nhau tạo thành một robot odometry tự động hoàn chinh

6 Kết cầu bài thuyết minh

Chương 1: Tổng quan

Chương 2: Bản vẽ thiết ké 2D

Chương 3: Thiết kế hệ thông điều khiến

Chương 4: Thi công mô hình chạy thực nghiệm và đánh giá kết quả

Chương 5: Kết luận và hướng phát triển

CHƯƠNG 1: CƠ SỞ LÝ THUYÉT

Chúng ta can theo dõi xe dựa vào hai vecto đó là vecto vị trí và vecto định hướng theta

(@) Dé tìm được hai vecto này, chúng ta mô hình hóa chuyên động của xe dưới dạng

hình cung như bên dưới

Trong hình vẽ ta có khoảng cách giữa trung tâm xe với 2 bánh xe đó là T, va Tp Va

khoảng cách từ bánh xe phụ tới trung tâm xe là 7» Giá sử xe chuyên động theo hình cung như lí thuyết chúng ta đề ra Khi đó chúng ta sé nhan thay có 2 cung khác nhau nữa

ngoài cung của trung tâm xe so với điểm C Chúng ta gọi vòng cung bên trai la AL va vòng cung bên phải la AR Khi đó sẽ có góc hướng mới của vòng cung trung tâm và góc

này Sẽ giúp ta tìm được vỊ trí và hướng mới của xe

Ta có công thức độ dài vòng cung (S)

Tiếp theo, chúng ta sẽ tính toán vị trí của xe Tưởng tượng xe trong tọa độ, khi đó có thé

phản ánh được vị trí dọc và ngang của xe Thông thường cách dễ nhát là làm cho hướng

đi của xe song song với trục y Và giả sử rằng trục y thực sự là một đường thằng từ tâm

xe ở vị trí ban đầu đến tâm xe của vị trí tiếp theo Khi đó quãng đường mà xe di chuyền

theo hướng thăng đứng tạo thành 1 tam giác cân với với tâm của cung tròn trung tâm của

Xe

c? = a2+b° — 2abcos(C) (3)

Theo như hình khi ta giả Sử thì

AR a=b=—-+ Tp = RB (4)

Thay vào công thức (3) ta có

2 Thay công thức (4) vào ta được

x' x rsin(@ + wat) — rsin8

Vp: van téc dai quanh truc banh phai/

0,: Vận tốc dài quanh trục bánh trái

Thay vp =— 2 va v, = a vào phương trình (7) và phương trình (9) với đạ và đs, là độ

dài mỗi bánh dịch chuyền được trong thời gian di Thay lại r và ø trong các biêu thức này

vào phương trình (3) ta được

Theo thứ tự, biến đôi của phương trình (7) và (9) là:

nụ, 2 đại lượng này là số đếm tăng thêm từ encoder của mỗi bánh, và tọa độ x, y, Ø cuối

chu kì trước Khi đó ta gán giá trị nạ Dr va n, Dr vao vi tri cua ds, va ds, trong phuong trinh trén

Ta cũng có 1 dẫn chứng khác

CHƯƠNG 2: BAN VE THIET KE 2D

22

CHUONG 3: THIET KE HE THONG DIEU KHIỂN

3.1 Sơ đồ tông thể hệ thống

cảm biến hồng ngoại

màn hình LCD Nguôn

STM32F103C8T6 (Trang tam dieu khien)

Khái cảm biến: Gồm cảm biến hồng ngoại

Khối xử lý trung tâm: Module vi điều khiển STM32F103C8T6

Khái xử lý tín hiệu vào ra: Mạch cầu L298, màn hình LCD, biến trở

Khối cơ cấu chấp hành: Động cơ Encoder

3.2.1 Các thiết bị được sử dụng

Trong hệ thống sử dụng STM32F103C8T6 đề thực hiện điều khiển chính Kít điều

khiên sẽ dựa vào thông số cảm biến và encoder thu thập được đề điều khiên động cơ

Bang 4.1: Linh kiện s dựng cho hệ thống điện

1 Cam biến hông ngoại 1 Né khi gap vat can

3 Biến trở 1 Thay đôi độ tương phản của LCD

4 Driver L298 1 Điều khiên tốc độ động cơ

5 Màn hình LCD 1 Hiên thị thông sô xung encoder

Khối cơ cầu chấp hành

fresnel Lang kinh fresnel này có tác dụng chặn lại và phân thành nhiều vung (zone)

cho phép tia hồng ngoại đi vào mắt sensor Chúng ta có thẻ hiểu đơn giản rằng, nếu

không có lăng kính fresnel, toàn bộ bức Xạ Của môi trường sẽ chỉ coi như có | Zone

đội hết vào mắt sensor, như vậy thì nó sẽ không có tác dụng phân biệt chuyên động, và

sẽ cực kỳ nhạy với bất kỳ sự thay đổi nhiệt độ nào của môi trường

Hình 3.2: Cm biến hồng ngoại

Thông số kỹ thuật:

« Model: OMDHON E18-D80NK

« - Số dây tín hiệu: 3 dây (2 dây cấp nguồn va | day tin hiệu)

« _ Chân tín hiệu ngõ ra: cầu trúc cực thu hở Transistor NPN - Open Collector nên sẽ cần phải có trở kéo (khoảng I~10K) lên chân nguồn đương VCC dé tạo thành tín hiệu mức cao (High)

« - Nguồn điện cung cấp: 5VDC

« _ Khoảng điều chỉnh phát hiện vật cản của cảm biến: 3~-80cm (điều chỉnh bằng biến trở trên cảm biến)

« Góc khuếch tán (góc chiếu): 3-5 độ

» _ Dòng kích ngõ ra: < 30 0mA

© (Cé led hién thi ngõ ra màu đỏ

« _ Chất liệu sản phẩm: vỏ ngoài nhựa ABS, phía trong đồ keo chống nước, chống va đập

¢ Kích thước: l8 x 70mm

27

Sơ đồ dây:

« Mau Nau (Brown): chan nguén dương VCC cấp nguôn từ 5VDC

« - Màu Đen (Black): chân tín hiệu SIGNAL đầu ra cầu trúc cực thu hở Transistor NPN - Open Collector

+ _ Xanh Dương (Blue): chân nguồn âm GND 0VDC

Hinh 3.3: So dé két néi cam biến trên mạch

3.2.3 Thiết bị khối điều khiến trung tâm

“ STM32F103C8T6

Kit phat trién STM32F103C8T6 Blue Pill ARM Cortex-M8 Ia loai duoc sir dung dé

nghiên cứu về ARM nhiều nhát hiện nay do có mức giá rẻ đồng thời có thẻ nạp

bootloader Blue Pill dé giao tiép va lập trình với phần mềm Arduino một cách dễ

dàng, kit có chát lượng gia công tót, độ bèn cao

Bộ 11 loại biến trở thông dụng 100~1M Ohm (11 kind variable resistor) bao gồm

11 loại biến trở cắm thông dụng với số lượng mỗi loại 5 con (tổng 55 con) giúp bạn

dễ dàng thực hiện các thí nghiệm trên Breadboard với các module, vi điều khiến, cam bién,

Thông số kỹ thuật:

10K Ohm (103)

30

— Cấu tạo Mạch cầu H

- _ 2Vpower, 5V power Dây là 2 chân cáp nguồn trực tiếp đến động cơ

« Power GND chan này là GND của nguôn cáp cho Động cơ

- - 2Jump Aenable và B enable, đề như hình, Gồm có 4 chân

Input IN1, IN2, IN3, IN4 Chức năng các chân này tôi sẽ

giải thích ở bước sau

Output A: noi với déng co A ban chu y chân +, - Nếu bạn nỗi ngược thì động cơ sẽ chạy ngược Và chú ý nếu bạn nỗi động cơ bước, bạn phải đấu nối các pha cho phù hợp

Hình 3.8: Nguyên lý hoạ đóng mạch cầu H L298N

- - Hai chân ENA và ENB dùng đề điều khiên các mach cau

H trong L298 Nêu ở mức logic “1” (nối với nguồn 5V) thì

cho phép mach cau H hoạt động, néu ở mức logic “0” thi

32

mạch cau H không hoạt động

« Khi ENA = 0: Déng co khong quay với mọi đầu vào

- Khi ENA = 1:

° JINTT1 =1; INT2=0: động cơ quay thuận

° INT1=0; INT2 = 1: động cơ quay nghịch

» - INTT1 = INT2: động cơ dừng ngay tức thì

— Thông số kỹ thuật

- - Driver: L298N tích hợp hai mạch cau H

- _ Diện áp điều khiên: +5 V ~ +12 V

- _ Dòng tối đa cho mỗi càu H là: 2A (=>2A cho mỗi motor)

- _ Điện áp của tín hiệu điều khiến: +5 V ~ +7 V

- _ Dòng của tín hiệu điều khiên: 0 ~ 36mA (Arduino có thẻ

chơi đến 40mA nên khỏe re nhé các bạn)

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

« Nhiét d6 bao quan: -25 °C ~ +130 °C

“+ Man hinh LCD 16x2 xanh lá

Màn hình text LCD1602 xanh lá sử dụng driver HD44780, có khá năng hiển

thị 2 dòng với mỗi dòng 16 ký tự, màn hình có độ bèn cao, rat phô biến, nhiều code

mẫu và dễ sử dụng thích hợp cho những người mới học và làm dự án

Thông số kỹ thuật:

e_ Điện áp hoạt động là 5 V

«Öồ Kích thước: 80 x 36 x 12.5 mm

« Chữ đen, nền xanh lá

« - Khoảng cách giữa hai chân kết nối là 0.1 inch tiện dụng khi kết nối

với Breadboard

« - Tên các chân được ghi ở mặt sau của màn hình LCD hồ trợ việc kết

nối, đi dây điện

« Có đèn led nên, có thé dùng biến trở hoặc PWM điều chình độ sáng

để sử dụng ít điện năng hơn

« - Có thê được điều khiến với 6 dây tín hiệu

« - Có bộ ký tự được xây dựng hồ trợ tiếng Anh và tiếng Nhật, xem thêm

HD44780 datasheet dé biét thém chỉ tiết

4 RS Lựa chọn thanh ghi

RS=I (mức cao) chọn thanh ghi dữ liệu

5 BAN Chọn thanh ghi R/W=0 thanh ghi viet

doc/viét dữ liệu R/W=I thanh ghi đọc

Cực âm led

No Symbol Function vss Ground VDD 5V+

vo Contrast

RS Register Read/Write

E Enable D0 Data bus D1 Data bus D2 Data bus