Nghiên cứu định vị robot tự hành trên lưới tọa độ ô vuông

đồ án tốt nghiệp Lê anh linh ::::::::::::::::::::::~~~~~~~~~~~~~~~::::::::::::::::::::: Mục lục Trang Phần I: Đặt vấn đề C h ơng I : Mục tiêu của đề tài 3 Ch ơng II: Đối t ợng nghiên cứu . 4 Ch ơng III :H ớng giải quyết . 6 Phần II :Nội dung đề tài Ch ơngI : Thiết bị phần cứng 7 1 .1 Sensor cảm nhận quang 7 1.1.a: Lựa chọn thiết bị thu, phát quang 7 1.1.b: Lựa chọn dải sóng làm việc của bộ phát và bộ thu 7 1.1.c: Số l ợng và cách bố trí các sensor quang 8 1.1.d: Tính tần số quét của các sensor quang 8 1.2 Mạch phân tích thông tin 9 1.2.a: Sơ đồ mạch điện 9 1.2.b: Mạch biến đổi t ơng tự số( ADC) 10 1.2.b.1: Khâu chuyển đổi t ơng tự số 10 1.2.b.2: Giới thiệu chung về ADC0804 13 1.2.b.3:Hoạt động của ADC0804 17 1.2.c: Bộ phân kênh MC14051 . 8 1.2.c.1: Chức năng Hoạt Động 0 1.2.d: Bộ vi xử lý 89C51 18 1.2.d.1: Sơ đồ khối chức năng 19 Trang bị điện - điện tử 1 đhgtvt-k42 đồ án tốt nghiệp Lê anh linh ::::::::::::::::::::::~~~~~~~~~~~~~~~::::::::::::::::::::: 1.3 Truyền thông Máy tính Vi xử lý 1.3.a: Các cơ sở của truyền thông nối tiếp. 1.3.b: Các chuẩn RS232 1.3.c: Các cổng COM của IBM PC và t ơng thích . 1.3.d: Nối ghép 8051 tới RS232. Ch ơng II: Phần Mềm II.1 Phân tích các thông tin trả về từ sensor quang 26 2.1.a: Một số phơng pháp có thể sử dụng 26 2.1.a.1:Ph ơng pháp phản hồi bằng cụm 4 sensorvà điều khiển bằng bộ biến trạng thái. 26 2.1.a.2:Ph ơng pháp điều khiển bằng mạng noron nhân tạo 27 2.1.a.2.1: Một số khái niệm cơ bản về mạng Noron 27 2.1.a.2.2: Đánh giá về mạng Noron 41 2.1.a.3: Ph ơng pháp tìm kiếm sensor trung tâm 41 2.1.b: Kết luận về ph ơng pháp sử dụng 42 2.2: Ph ơng pháp tìm sensor trung tâm 42 2.2.a: Nhận dạng đối t ợng 42 2.2.b: Thuật toán thực hiện 47 2.3: Các ch ơng trình : 49 2.3.a: Ch ơng trình mạch đầu vào sử dụng ADC 49 2.3.b: Ch ơng trình tìm sensortrung tâm và xác định vạch ngang 52 Phần III Kết Luận 74 Trang bị điện - điện tử 2 đhgtvt-k42 đồ án tốt nghiệp Lê anh linh ::::::::::::::::::::::~~~~~~~~~~~~~~~::::::::::::::::::::: Phần I: Đặt vấn đề Chơng I: Mục tiêu của đề tài : Trong đề tài này ta nghiên cứu phơng pháp định vị cho rôbốt tự hành trên lới toạ độ ô vuông để từ đó đa ra quyết định về hớng chuyển động tiếp theo của rôbôt trên lới tọa độ. để định vị cho rôbốt tự hành trên lới toạ độ thì ta có thể dùng 1 trong các cách sau: 1. Dùng encoder để xác định quãng đờng đi đợc của 2 bánh rồi từ đó xuy ra vị trí của xe trên lới toạ độ. 2. Dúng các phơng pháp cơ khí để xác định toạ độ của xe (ví dụ dùng dây quấn ). 3. Dúng các bộ cảm nhận quang để nhận biết các vạch trắng ngang dọc của lới toạ độ, từ đó tính toán ra toạ độ chính xác của rôbôt. Ta thấy với phơng pháp xác định toạ độ bằng cơ khí thì ta chỉ xác định đợc 1 số ít các quỹ đạo cố định, và độ chính xác không cao do ma sát mặt sàn, độ trợt bánh xe. Với phơng pháp dùng encoder thì có độ linh hoạt cao hơn nhng cũng rất khó khăn trong việc thay đổi quỹ đạo và độ chính xác cũng không cao. Với phơng pháp dùng các bộ cảm nhận quang để nhận biết các vạch trắng ngang dọc của lới toạ độ thì ta có thể tính toán chính xác toạ độ của robot trên lới toạ độ mà không chịu ảnh hởng của việc trợt bánh do ma sát. Trang bị điện - điện tử 3 đhgtvt-k42 đồ án tốt nghiệp Lê anh linh ::::::::::::::::::::::~~~~~~~~~~~~~~~::::::::::::::::::::: Từ phân tích trên ta thấy chỉ với phơng pháp dùng các bộ cảm nhận quang để nhận biết các vạch trắng ngang dọc của lới toạ độ là có thể đáp ứng mục đích xác định toạ độ chính xác của robot tự hành lới toạ độ . Trang bị điện - điện tử 4 đhgtvt-k42 đồ án tốt nghiệp Lê anh linh ::::::::::::::::::::::~~~~~~~~~~~~~~~::::::::::::::::::::: Chơng II : Đối tợng nghiên cứu: Đối tợng nghiên cứu của bài toán này là tọa độ của rôbôt tự hành trong quá trình chuyển động trên lới toạ độ ô vuông. Lới toạ độ là những đờng kẻ màu trắng rộng 30mm song song và cách nhau 500mm, đợc vẽ đan xen để tạo nên 1 mạng lới ô vuông trên nền màu xanh lá cây xẫm ,nh hình vẽ trên đây: Những vạch kẻ trắng đợc gián bằng giấy trắng bóng có thể phản quang. Khi robot di chuyển trên lới toạ độ thì nó phải tự phân tích đợc vạch dọc và vạch ngang để từ đó tính đợc toạ độ của robot xo với lới toạ độ. Vì robot di chuyển dựa chủ yếu vào việc phân tích lới toạ độ nên phải làm sao để không bị nhầm lẫn hay bỏ sót các vạch dọc và ngang nếu không robot sẽ không thể đi đợc tới vị trí mong muốn. Trang bị điện - điện tử 5 đhgtvt-k42 đồ án tốt nghiệp Lê anh linh ::::::::::::::::::::::~~~~~~~~~~~~~~~::::::::::::::::::::: Có thể nó việc phân tích đợc chính xác vạch dọc và ngang có ý nghĩa quyết định tới việc định vị rôbốt trên lới toạ độ. Chơng III: Hớng nghiên cứu Ta xử dụng hệ thống sensor cảm nhận quang để xác định các vạch trắng trên nền sân, ta phân biệt các vạch trắng dựa theo sự khác biệt vể mức độ phản xạ ánh sáng của vạch màu trắng và nền màu xanh. Ta phát ánh sáng xuống nền sân và dùng sensor quang để thu ánh sáng phản xạ về, từ cờng độ ánh sáng phản xạ về mà ta sẽ phân biệt đợc vạch trắng và nền xanh. Để so sánh, đánh giá chính xác cờng độ ánh sáng phản xạ về ta sử dụng bộ biến đổi ADC00804 để chuyển đổi điện áp trả về từ các sensor ra dạng số, sau đó xử dụng bộ vi xử lý 89C51 để xử lý các thông tin đa về. Trang bị điện - điện tử 6 đhgtvt-k42 đồ án tốt nghiệp Lê anh linh ::::::::::::::::::::::~~~~~~~~~~~~~~~::::::::::::::::::::: Do cờng độ sáng, phản xạ ở các mặt sân là khác nhau nên ta sẽ phải xử dụng chơng trình tự động bắt mức sáng của sân để lấy đó làm giá trị so sánh. Phần II : Thực hiện đề tài Chơng I : Thiết bị phần cứng I.1: Sensor cm nhn quang: I.1.a: Lựa chọn thiết bị quang Về sensor quang ta có 3 loại thông dụng có bán trên thị trờng là phôtôdiode, phôtôtransistor và quang trở. Với phôtôdiode hồng ngoại và phôtôtransistor hồng ngoại thì độ nhạy rất lớn nhng chỉ thu ánh sáng hồng ngoại nhng mặt sàn sân làm bằng những chất liệu phản xạ tốt ở dải sóng ánh sáng nhìn thấy đợc thế nên nếu dùng đèn phát và thu hồng ngoại thì cờng độ ánh sáng phản xạ về là không thể tốt bằng việc dùng cụm đèn phát và thu ở dải sóng ánh sáng nhìn thấy đợc. Vì vậy trong trờng hợp này ta chọn cụm led phát ánh sáng trắng và quang trở để thu ánh sáng phản xạ là hợp lý. Một vài nét về điện trở quang Điện trở quang là một linh kiện bán dẫn thụ động không có lớp chuyển tiếp pn. Vật liệu dùng để chế tạo điện trở quang là Cds (Cadmium Sulfid), CdSe (Cadmium Selenid), ZnS (Zinc Sulfid) hoặc các tinh thể hỗn hợp khác. Khi bị chiếu sáng, độ dẫn điện của vật liệu bán dẫn gia tăng do các hạt mang điện tích sinh ra thêm. Độ dẫn điện của bán dẫn có thể đợc diễn tả bằng ph- ơng trình: )( pn pne àà += e: điện tích của electron= 1,602.10 -19 C n và p : mật độ electron và lỗ trống Trang bị điện - điện tử 7 đhgtvt-k42 đồ án tốt nghiệp Lê anh linh ::::::::::::::::::::::~~~~~~~~~~~~~~~::::::::::::::::::::: n à và p à : độ linh động của electron và lỗ trống Trong cơ chế gia tăng các hạt mang điện tích do sự chiếu sáng, ta có chiều dài sóng giới hạn c . Các photon có độ dài sóng lớn hơn c không làm sản sinh ra thêm các hạt mang điện tích. )( 24,1. eVEE ch gg c == )( m c à :chiều dài sóng giới hạn tuỳ theo độ rộng vùng cấm E g c: vận tốc ánh sáng trong chân không h: hằng số Planck bán dẫn có thể hấp thụ bức xạ có độ dài sõng bé hơn c , khi đó một cặp electron- lỗ trống đợc sinh ra. Với phơng trình (10.1) độ dẫn điện có thể gia tăng nhờ 2 cách: 1.Ga tăng mật độ các hạt mang điện tích. 2.Gia tăng độ linh động hiệu dụng. Quang trở đợc ứng dụng rộng rãi trong các lĩnh vực: - tắt mở đèn đờng - autofocus trong các máy chiếu phim slide - đo ánh sáng với các máy chụp hình bỏ túi (flash enable) - công tắc ánh sáng - điều chỉnh độ contrast của TV - điều chỉnh độ chiếu sáng cho các mặt hiện số LED và LCD - trò chơi điện tử - end stop trong các máy ghi âm - công tắc tự động bật sáng trong nhà - bật sáng tự động đèn bảo vệ hiên nhà - opto- coupler - detetor các ngọn lửa trong các lò Trang bị điện - điện tử 8 đhgtvt-k42 đồ án tốt nghiệp Lê anh linh ::::::::::::::::::::::~~~~~~~~~~~~~~~::::::::::::::::::::: I.1.b: Dải sóng làm việc: Vì thiết bị thu của ta là quang trở nên ta chọn giải sóng làm việc là dải sóng ánh sáng nhìn thấy đợc từ 650nm(đỏ) tới 400 nm(tím). Để có dải sóng này ta dùng nguồn phát là đèn led rọi ánh sáng trắng. Với nguồn phát này ta có đợc dải sóng đều từ 650nm tới 400nm. Vì tính chất phản xạ và hấp thụ của mặt sân nên khi ở vùng màu xanh chỉ có ánh sáng màu xanh phản xạ lên nên cờng độ ánh sáng phản xạ chỉ bằng 1 phần 7 ánh sáng phát, còn khi ở dải trắng thì ánh sáng phản xạ gần nh hoàn toàn cờng độ ánh sáng phản xạ về sensorthu là rất lớn gần nh tơng đơng với cờng độ phát. Từ sự khác biệt này ta sử dụng ADC00804 để biến đổi điện áp thu đợc từ quang trở thành dạng số từ đó xử dụng chíp 89C51 để phân tích, so sánh ta sẽ xác định đợc vạch trắng và nền xanh. I.1.c : Số lợng và cách bố trí sensor Để thuận tiện nhất cho việc xác định vạch trắng trong lúc xe di chuyển cũng nh phân biệt vạch ngang và dọc trong lúc xe rôbôt di chuyển với tốc độ cao thì ta xử dụng mô hình dàn senser gồm 12 quang trở thu và 13 led phát theo hành ngang ở phía trên của robot. Mỗi quang trở cách nhau 25mm, xen giữa 2 quang trở là 1 led phát. Độ dài của cả dãy sensorlà 300mm. Với dãy sensorcó độ dài nh thế này thì khi di chuyển rôbôt đợc phép lệch tâm sang mỗi bên là 150mm, đây là khoảng cách khá an toàn cho rôbôt có thể bám vạch tốt khi đi tốc độ cao cũng nh khi bị va chạm với chớng ngại vật hay rôbôt khác. Việc bố trí dãy sensor nh thế này sẽ tạo thuận lợi rất nhiều cho việc lập trình quỹ đạo đi của robot. Trang bị điện - điện tử 9 đhgtvt-k42 đồ án tốt nghiệp Lê anh linh ::::::::::::::::::::::~~~~~~~~~~~~~~~::::::::::::::::::::: I.1.d: Tần số quét của dãy sensor quang: Vì độ rộng của vạch ngang là 30mm thế nên ta phải tính toán sao cho rôbôt di chuyển không quá nhanh để đủ thời gian cho các sensor nhận biết đ- ợc vạch ngang. Tần số biến đổi của ADC00804 là 100 s nên để biến đổi xong tín hiệu từ 12 sensor ta cần ít nhất là 1200s rồi cộng thêm thời gian phân tích và tính toán thì vào khoảng 2000s. Vậy vận tốc tối đa của robot mà dãy sensor còn có thể đếm đợc đúng số vạch ngang là 15m/s. Tuy nhiên để robot đi ổn định thì ngoài chuyện bắt vạch còn phải tính đến quán tính của xe. Từ quá trình thử nghiệm ta chọn vận tốc cho robot di chuyển ổn định là 1,92m/s. Vận tốc này là khá nhanh khi so với tốc độ 1,2m/s là vận tốc nhanh nhất mà các rôbôt tự động trong cuộc thi rôbôcon 2005 có thể di chuyển. I.2 Mạch phân tích thông tin I.2.a: Sơ đồ mạch điện Do tín hiệu trả về từ các sensor ở dạng điện áp nên để nhận biết đợc sự khác nhau của điện áp trả về từ sensor ta phải có 1 khâu so sánh điện áp. Để thực hiện khâu so sánh điện áp ta có thể có hai cách: Thứ nhất là sử dụng IC so sánh HA17741, LF356, . Thứ hai sử dụng ADC để chuyển đổi điện áp ra số sau đó so sánh bằng vi xử lý. Trang bị điện - điện tử 10 đhgtvt-k42 [...]... các sensor thu về chủ yếu là ánh sáng của các LED phát phản xạ về Nên để ổn định cờng độ ánh sáng của sensor thu thì la phải ổn định cờng độ ánh sáng phát của các đèn LED , cũng chính là ổn định cờng độ dòng điện qua LED phát trong suốt quá trình robôt làm việc Để ổn định cờng độ dòng cấp cho các LED phát ta sử dụng mạch ổn định dòng dùng Transistor 468 Trang bị điện - điện tử 11 đhgtvt-k42 đồ án tốt... khiển đợc sử dụng trong Robot, dây chuyền tự động Các hệ thống càng thông minh thì vai trò của hệ vi điều khiển càng quan trọng I.2.d.2 Vi điều khiển 89C51 Mô tả chung AT89c51 là một hệ vi tính đơn chíp CMOS có hiệu suất cao, công suất nguồn tiêu thụ thấp và có 4 Kbyte bộ nhớ ROM Flash xoá đợc/ lập trình đợc chíp này đợc sản xuất dựa vào công nghệ bộ nhớ không mất nội dung có độ tích hợp cao của Atmel... giảm xuống 0 và hỗ trợ hai chế độ tiết kiệm năng lợng đợc lựa chọn bằng phần mềm Chế độ nghỉ dừng CPU trong khi vẫn cho phép RAM, các bộ định thời/đếm, port nối tiếp và hệ thống ngắt tiếp tục hoạt động Chế độ nguồn giảm duy trì nội dung của RAM nhng không cho mạch dao động cung cấp xung clock nhằm vô hiệu hoá các hoạt động khác của chip cho đến khi có reset cứng tiếp theo Phần chính của vi điều khiển... là điện áp đầu vào tơng tự và độ phân dải là sự thay đổi nhỏ nhất đợc tính nh là (2 ì Vref/2) chia cho 256 đối với ADC 8 bít 10: Chân đất tơng tự và chân đất số Đây là những chân đầu vào cấp đất chung cho cả tín hiệu số và tơng tự Đất tơng tự đợc nối tới đất của chân Vin tơng tự, còn đất số đợc nối tới đất của chân Vcc Lý do mà ta phải có hai đất là để cách ly tín hiệu tơng tự Vin từ các điện áp ký... tiến hành đọc , lu giữ Trang bị điện - điện tử 20 đhgtvt-k42 đồ án tốt nghiệp ::::::::::::::::::::::~~~~~~~~~~~~~~~::::::::::::::::::::: Lê anh linh thông tin, xử lý thông tin, đo thời gian và tiến hành đóng mở một cơ cấu nào đó Trong các thiết bị điện và điện tử dân dụng, các bộ vi điều khiển , điều khiển hoạt động của ti vi, máy giặt, đầu đọc laser, điện thoại, lò viba trong hệ thống sản suất tự động,... tiếp có chứa một bộ truyền và bộ nhận không đồng bộ, làm việc độc lập với nhau Tốc độ truyền qua cổng nối tiếp có thể đặt trong giải rộng và đợc ấn định băng một định thời Trong vi điều khiển có hai thành phần quan trọng khác đó là bộ nhớ và các thanh ghi Bộ nhớ gồm có bộ nhớ Ram và bộ nhớ Rom dùng để lu trữ dữ liệu và mã lệnh Các thanh ghi sử dụng để lu trữ thông tin trong quá trình xử lý Khi CPU làm... truyền thông dữ liệu nối tiếp Những IC này phục vụ nh các bộ thu - phát dị bộ tổng hợp VART (Universal Asynchronous Receiver Transmitter) và các bộ thu - phát đồng - dị bộ tổng hợp UBART (Universal Asynchronous Receiver Transmitter) Đơn công Bộ phát Bộ thu Bán đơn công Bộ phát Bộ thu Bộ thu Bộ phát Bộ phát Bộ thu Bộ thu Bộ phát Song công Hình 1.3.a2: Truyền dữ liệu đơn công, bán công và song công 1.3.b:... bit Hai bộ định thời/đếm 16 bit Một cấu trúc ngắt hai mức u tiên và 5 nguyên nhân ngắt Một port nối tiếp song công Mạch dao động và tạo xung clock trên chip Trang bị điện - điện tử 21 đhgtvt-k42 đồ án tốt nghiệp ::::::::::::::::::::::~~~~~~~~~~~~~~~::::::::::::::::::::: Lê anh linh Ngoài ra, AT89C51 đợc thiết kế với logic tĩnh cho hoạt động có tần số giảm xuống 0 và hỗ trợ hai chế độ tiết kiệm... Mức cao trên chân này trong 2 chu kỳ máy trong khi bộ dao động đang hoạt động sẽ reset AT89C51 ALE/ PROG - Xung của ngõ ra cho phép chốt địa chỉ ALE( address latch enable) cho phép chốt byte thấp của địa chỉ trong thời gian truy xuất bộ nhớ ngoài chân này cũng đợc dùng làm ngõ vào xung lập trình( PROG ) trong thời gian lập trình cho Flash - Khi hoạt động bình thờng, xung của ngõ ra ALE luôn luôn có tần... truyền song song Thực tế là trong truyền thông nối tiếp là một đờng dữ liệu duy nhất đợc dùng thay cho một đờng dữ liệu 8 bít của truyền thông song song làm cho nó không chỉ rẻ hơn rất nhiều mà nó còn mở ra khả năng để hai máy tính ở cách xa nhau có truyền thông qua đờng thoại Đối với truyền thông nối tiếp thì để làm đợc các byte dữ liệu phải đợc chuyển đổi thành các bít nối tiếp sử dụng thanh ghi giao . 6 A B C D 654321 D C B A Title Number RevisionSize B Date: 21-Apr-200 6 Sheet of File: E:DATADo an tot ng hiep hiet ke machmachmat.ddbDrawn By: 1 2 3 4 5 6 7 8 9 M13 M19 CAP 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 M14 RST XTAL1 XTAL2 A A B B C C AS1 AS2 AS3 AS4 AS1 1 2 3 4 5 6 7 8 M15 CON8 TD0 TD1 TD2 TD3 TD4 TD5 TD6 TD7 TD0 TD1 TD2 TD3 TD4 TD5 TD6 TD7 VCC5V P1.0 1 P1.1 2 P1.2 3 P1.3 4 P1.4 5 P1.5 6 P1.6 7 P1.7 8 RST 9 P3.0/RXD 10 P3.1/TXD 11 P3.2/INT0 12 P3.3/INT 13 P3.4/T0 14 P3.5/T1 15 P3.6/WR 16 P3.7/RD 17 XTAL1 19 P2.0/A8 21 P2.1/A9 22 P2.2/A10 23 P2.3/A11 24 P2.4/A12 25 P2.5/A13 26 P2.6/A14 27 P2.7/A15 28 PSEN 29 ALE 30 EA 31 P0.7/AD7 32 P0.6/AD6 33 P0.5/AD5 34 P0.4/AD4 35 P0.3/AD3 36 P0.2/AD2 37 P0.1/AD1 38 P0.0/AD0 39 XTAL2 18 GND 20 VCC 40 M10 8051 TD0 TD1 TD2 TD3 TD4 TD5 TD6 TD7 D0 D1 D2 D3 D4 D5 D6 D7 INTR1 D0 D1 D2 D3 D4 D5 D6 D7 VCC5V VCC5V VCC5V GND GND GND GND GND GND GND INTR0 INTR1 A B C AS2 VCC5V GND GND E0 E1 E2 E3 E4 E5 E6 E7 E8 E9 E10 E11 E12 E13 E14 E15 E0 E1 E2 E3 E4 E5 E6 E7 E8 E9 E10 E11 E12 E13 E14 E15 VCC12V VCC12V VCC5V INTR0 XTAL1 XTAL2 WR WR M17 RES1 M2 RES1 M20 RES1 M21 RES1 M28 RES1 M1 M22 CAP M27 CAP M26 CAP VCC5V VCC5V GND GND LED RST ANLIN VREF/2 GND VREF/2 VCC5V ANLIN ANLIN M18 CAP 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 M24 TD0 TD1 TD2 TD3 TD4 TD5 TD6 TD7 GND INTR0 LED M6. - điện tử 13 đhgtvt-k42 Mạch lấy mẫu ADC L~ợng tử hoá Mã hoá U M U A U D Hình 2.4:Sơ đồ khối minh hoạ nguyên tắc làm việc của ADC đồ án tốt nghiệp Lê anh linh ::::::::::::::::::::::~~~~~~~~~~~~~~~::::::::::::::::::::: Tín