Dồ án tốt nghiệp đề tài xe tự hành tránh vật cản sử dụng cảm biến siêu âm SRF05 và có điều khiển từ xa

BỘ GIAO THÔNG VẬN TẢI – BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC HÀNG HẢI VIỆT NAM KHỔNG THỊ PHƯƠNG THẢO ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP XE TỰ HÀNH TRÁNH VẬT CẢN SỬ DỤNG CẢM BIẾN SIÊU ÂM SRF05 VÀ CÓ ĐIỀU KHIỂN TỪ XA HẢI PHÒNG – 2014 BỘ GIAO THÔNG VẬN TẢI - BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC HÀNG HẢI VIỆT NAM KHỔNG THỊ PHƯƠNG THẢO ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP XE TỰ HÀNH TRÁNH VẬT CẢN SỬ DỤNG CẢM BIẾN SIÊU ÂM SRF05 VÀ CÓ ĐIỀU KHIỂN TỪ XA NGÀNH: CÔNG NGHỆ THÔNG TIN ; MÃ SỐ: D114 CHUYÊN NGÀNH: CÔNG NGHỆ THÔNG TIN Người hướng dẫn khoa học: Ths. Phạm Trung Minh HẢI PHÒNG - 2014 LỜI CẢM ƠN Trên thực tế không có sự thành công nào mà không gắn liền với những sự hỗ trợ, giúp đỡ dù ít hay nhiều, dù trực tiếp hay gián tiếp của mọi người xung quanh. Trong quá trình làm đồ án tốt nghiệp, em đã nhận được nhiều sự giúp đỡ, đóng góp ý kiến và chỉ bảo nhiệt tình của Thầy Cô, gia đình và bạn bè. Với lòng biết ơn sâu sắc nhất, em xin gửi đến quý Thầy Cô trong khoa Công Nghệ Thông Tin – Trường Đại Học Hàng Hải đã cùng với tri thức và tâm huyết của mình truyền đạt vốn kiến thức quý báu cho em trong suốt thời gian học tập tại trường. Và em cũng xin gửi lời cảm ơn chân thành tới Thầy giáo Th.s Phạm Trung Minh, người đã tận tình hướng dẫn, chỉ bảo, cung cấp cho em những kiến thức và tài liệu về Robotics cần thiết để em hoàn thành khóa luận này. Cuối cùng em xin chân thành cảm ơn gia đình, bạn bè, đã luôn tạo điều kiện quan tâm, giúp đỡ, động viên em trong suốt quá trình học tập và hoàn thành khóa luận tốt nghiệp. Hải Phòng, ngày tháng năm 2014 Sinh viên thực hiện Khổng Thị Phương Thảo 3 MỤC LỤC Trang mỤC lỤC 4 phẦn MỞ ĐẦU 7 1.Tính cấp thiết của đề tài 7 2.Mục đích của đề tài 7 3.Đối tượng và phạm vi nghiên cứu 7 4.Phương pháp nghiên cứu khoa học 8 5.Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài 8 CHƯƠNG 1 – TỔNG QUAN VỀ ĐỀ TÀI 9 1.1. Giới thiệu bài toán 9 1.2. Mục đích của đề tài 10 1.3. Yêu cầu cần thực hiện 10 1.4. Các chức năng cần có trong bài toán 10 1.5. Các khối chức năng cần có 11 CHƯƠNG 2 – GIẢI BÀI TOÁN TÌM ĐƯỜNG TRÁNH VẬT CẢN CỦA XE TỰ HÀNH 12 2.1. Giới thiệu về xe tự hành tránh vật cản 12 2.2. Mô hình hóa và động học robot 13 2.3. Giải bài toán tìm đường cho robot tự hành 16 2.3.1. Bài toán tìm đường cục bộ 17 2.3.2. Thuật toán xử lý kết quả đo khoảng cách để xuất lệnh 23 CHƯƠNG 3 – CẤU TẠO PHẦN CỨNG VÀ CÁC PHƯƠNG PHÁP ĐIỀU KHIỂN TRONG ROBOT TỰ HÀNH TRÁNH VẬT CẢN 25 3.1. Khối nguồn 28 3.1.1. Thông số chính của mạch 28 3.1.2. Linh kiện cần có trong mạch 28 3.1.3. Nguyên tắc hoạt động của mạch 29 4 3.2. Khối điều khiển trung tâm 31 3.2.1. Khối reset 32 3.2.2. Khối tạo xung dao động 33 3.2.3. Khối vi điều khiển 34 3.3. Khối điều khiển động cơ 35 3.3.1. Sử dụng IC L298 35 3.3.2. Điều khiển 2 động cơ bằng phương pháp điều xung PWM 36 3.3.3. Mạch cầu H 41 3.3.4. Đối tượng điều khiển: Động cơ DC 43 3.4. Hệ thống cảm biến 44 3.4.1. Cảm biến siêu âm SRF05 44 3.5. Khối hiển thị 46 3.6. Sơ đồ thuật toán điều khiển xe tự hành tránh vật cản 48 3.7. Sơ đồ nguyên lý mạch 49 49 50 3.8. Chuẩn bị linh kiện thi công 51 51 3.9. Sản phẩm 51 51 CHƯƠNG 4 – pHƯƠNG PHÁP điỀu khiỂn TỪ XA BẰNG SÓNG RF 52 4.1. Điều khiển từ xa bằng sóng vô tuyến RF 52 4.1.1. Hoạt động 52 4.1.2. Ưu điểm 52 4.1.3. Nhược điểm 53 4.2. Tìm hiểu về 2 IC trong điều khiển từ xa PT 2262 và PT2272 53 4.2.1. IC PT2262 53 4.2.2. IC PT2272(Giải mã) 55 4.3. Thiết kế mạch 56 5 4.3.1. Khối nguồn 57 4.3.2.Khối điều khiển 57 Gồm 2 khối nhỏ: khối tạo xung dao động và khối vi điều khiển ( xem trên phần robot tự hành) 57 4.3.3. Khối phát 58 4.3.4. Khối thu 58 4.3.5. Nguyên lý hoạt động của mạch 59 KẾT LUẬN 60 TÀI LIỆU THAM KHẢO 61 DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ Số hình Tên hình Trang 6 PHẦN MỞ ĐẦU 1. Tính cấp thiết của đề tài Hiện nay tin học đã và đang được ứng dụng rộng rãi trong hầu hết các ứng dụng của nền kinh tế trong mỗi quốc gia. Một trong những ứng dụng được sử dụng gần đây nhất đó là ứng dụng công nghệ thông tin vào công nghệ chế tạo và điều khiển robot thông minh. Xu thế phát triển hiện nay trên thế giới khoa học và công nghệ luôn có những thay đổi mạnh mẽ. Nền kinh tế tri thức cùng với công nghệ thông tin đã góp phần quan trọng vào việc nâng cao chất lượng cuộc sống của con người. Trong nền kinh tế tri thức sự phát triển của xã hội không thể tách khỏi sự phát triển của công nghệ thông tin và đặc biệt là sự phát triển của tin học, ngành khoa học công nghệ mới tạo ra các sản phẩm robot và nghiên cứu ứng dụng chính hình thành trong những thập kỷ gần đây được gọi là Robotics. 2. Mục đích của đề tài Mục đính của đề tài là áp dụng công nghệ thông tin vào công việc “Xây dựng 1 xe tự hành có khả năng tự tránh vật cản, đồng thời có chế độ hoạt động dưới sự điều khiển từ xa”. 3. Đối tượng và phạm vi nghiên cứu Đối tượng nghiên cứu của đề tài: - Nghiên cứu nguyên lý đo khoảng cách của cảm biến siêu âm SRF05 - Phương pháp điều khiển động cơ (theo phương thức tự hành) - Phương pháp điều khiển từ xa bằng sóng vô tuyến RF 7 Phạm vi nghiên cứu: Không gian làm việc của xe là 1 mặt phẳng được giới hạn bởi các bức tường, các vật cản được xem là vật cản 2 chiều tĩnh hoàn toàn 4. Phương pháp nghiên cứu khoa học Sử dụng kết hợp các phương pháp như: - Phương pháp điều xung PWM - Phương pháp đảo chiều động cơ( mạch cầu H) - Phương pháp điều khiển bằng sóng vô tuyến RF 5. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài a) Ý nghĩa khoa học Xây dựng được cơ sở khoa học về khả năng tự hành tránh vật cản của robot sử dụng cảm biến siêu âm cũng như khả năng nhận sự điều khiển từ xa thông qua sóng vô tuyến RF b) Ý nghĩa thực tiễn của đề tài Tiềm năng ứng dụng của xe tự hành là lớn, có thể kể đến robot vận hành vật liệu, hàng hóa trong các tòa nhà, nhà máy, cửa hàng, sân bay hay thư viện… robot xe lăn phục vụ người khuyết tật,… 8 CHƯƠNG 1 – TỔNG QUAN VỀ ĐỀ TÀI 1.1. Giới thiệu bài toán - Tên đề tài: Xây dựng xe tự hành tránh vật cản sử dụng cảm biến siêu âm SRF05 để đo khoảng cách và có điều khiển từ xa. - Giáo viên hướng dẫn: Ths Phạm Trung Minh Robot tự hành sử dụng cảm biến siêu âm SRF05 để đo khoảng cách Môi trường làm việc của robot là 1 mặt phẳng, được giới hạn bởi các bức tường, các vật cản được xem là vật cản 2 chiều tĩnh hoàn toàn. Trong bài toán robot được trang bị 3 sensor cảm biến siêu âm SRF05, các cảm biến này được đặt lệch nhau 1 góc α ( chọn α=25°) để đo khoảng cách từ bánh xe tùy động tới vật cản B1: 3 sensor cảm biến SRF05 tiến hành đo khoảng cách theo 3 hướng bên trái, bên phải, ở giữa. Sau đó gửi kết quả đo đạc về vi điều khiển - Nguyên lý đo khoảng cách của cảm biến siêu âm SRF05 • SRF05 sử dụng nguyên lý phản xạ của sóng để đo khoảng cách • Khi muốn đo khoảng cách SRF05 sẽ phát ra 1 bộ 8 xung với tần số 40KHz sau đó nó sẽ chờ đợi xung phản xạ về. Thời gian từ lúc xung đi cho tới khi xung về có thể dễ dàng tính ra khoảng cách từ SRF05 tới vật cản • Khi phát ra xung và chờ xung phản xạ về, chân Echo của SRF05 được kéo lên mức cao(echo =1) khi có xung phản xạ về chân Echo sẽ được kéo xuống thấp hoặc sau 30us nếu không có xung phản xạ về 9 B2: Vi điều khiển căn cứ vào kết quả đo đạc của cảm biến SRF05 tiến hành xử lý (căn cứ vào 7 tình huống có thể xảy ra khi sensor phát hiện ra vật cản, mỗi tình huống cần có cách ứng xử riêng) và ra quyết định điều khiển động cơ 1 hay động cơ 2 - Giao tiếp giữa PIC 16F877A với SRF05 • Đo hoảng cách với SRF05 chính là đo thời gian chân Echo ở mức cao • Để đo thời gian chân Echo ở mức cao ta sử dụng Timer1 và ngắt ngoài của PIC • Khi muốn đo khoảng cách ta sẽ kích hoạt chân Trigger, 1 xung tối thiểu 10ms sau đó đợi chân echo lên mức cao. Kích hoạt timer1 và đợi chân Echo xuống mức thấp, khi chân Echo xuống mức thấp dừng timer và tính toán giá trị từ timer để suy ra khoảng cách Robot hoạt động theo phương pháp điều khiển từ xa bằng sóng RF Robot được điều khiển bằng tần số vô tuyến(RF) sử dụng nguyên lý tương tự như điều khiển bằng tia hồng ngoại nhưng thay vì gửi đi các tín hiệu ánh sáng, nó lại truyền sóng vô tuyến tương ứng với các lệnh nhị phân. Bộ phận thu sóng vô tuyến trên thiết bị được điều khiển nhận tín hiệu và giải mã nó 1.2. Mục đích của đề tài  Mục đính của đề tài là áp dụng công nghệ thông tin vào công việc “Xây dựng 1 xe tự hành có khả năng tự tránh vật cản, đồng thời có chế độ hoạt động dưới sự điều khiển từ xa”. 1.3. Yêu cầu cần thực hiện  Hoàn chỉnh thiết kế và thi công xe tự hành có cảm biến tự tránh vật cản, có bộ thu RF để nhận sự điều khiển từ người dùng.  Xây dựng thiết bị có bộ phát RF, điều khiển sự hoạt động của xe. 1.4. Các chức năng cần có trong bài toán 10 [...]... // điều khiển xe tiến Dieu_khien (); // đưa lệnh tới động cơ Return ; } } 24 CHƯƠNG 3 – CẤU TẠO PHẦN CỨNG VÀ CÁC PHƯƠNG PHÁP ĐIỀU KHIỂN TRONG ROBOT TỰ HÀNH TRÁNH VẬT CẢN Phân tích cấu tạo và chức năng của các khối trong sơ đồ mạch điều khiển của xe tự hành tránh vật cản: Hình 3.1: Sơ đồ mạch của hệ thống điều khiển xe tự hành tránh vật cản 25 Hình 3.2: sơ đồ nguyên lý của hệ thống điều khiển xe tự hành. .. CHƯƠNG 2 – GIẢI BÀI TOÁN TÌM ĐƯỜNG TRÁNH VẬT CẢN CỦA XE TỰ HÀNH 2.1 Giới thiệu về xe tự hành tránh vật cản Xe tự hành tránh vật cản hay xe di động được định nghĩa là 1 loại xe có khả năng tự di chuyển, tự vận động (có thể lập trình lại được) dưới sự điều khiển tự động để thực hiện thành công công việc được giao Theo lý thuyết môi trường hoạt động của xe tự hành có thể là đất, nước, không khí, không gian... của vật cản do chỉ có 3 cảm biến vì vậy dẫn đến tình huống robot vẫn có thể chạm vật hoặc không về được đích ⊗ Hỏi: Robot sử dụng 3 cảm biến có khả năng chạm vật cản không? ⊗ Trả lời: robot sử dụng 3 cảm biến vẫn có khả năng chạm vật cản tuy nhiên khả năng đó ít xảy ra do robot có thêm thủ tục lùi lại khi cảm biến phát hiện 22 vật cản quá gần robot Muốn robot hoàn toàn không chạm vật, ta cần có 1 hệ cảm. .. (1998) dùng 16-32 cảm biến gán trên con robot Normad tạo trường cảm biến bao phủ xung quanh con robot, thuật toán sử dụng là thuật toán ánh xạ noron tương đối phức tạp Do giới hạn của tiểu luận phương pháp này không đề cập đến Phương pháp được đề cập đến ở đây sử dụng 3 cảm biến dò đường xác định khoảng cách từ bánh xe tùy động tới vật cản tùy vào khoảng cách tới vật cản ứng với từng cảm biến, ta xác định... Robot có khả năng tự tránh vật cản dựa vào 3 sensor cảm biến siêu âm SRF05, cảm nhận môi trường xung quanh robot  Robot có khả năng hoạt động dưới sự điều khiển từ xa của người dùng thông qua sóng vô tuyến RF 1.5 Các khối chức năng cần có Từ việc xác định các chức năng cần phải có trong bài toán ta xác định được bài toán cần các khối chức năng sau  Khối nguồn: chức năng cấp nguồn điện đầu vào +5V... hình bề mặt của xe di chuyển trên đó có thể bằng phẳng hoặc thay đổi lồi lõm Theo bộ phận thực hiện chuyển động ta có thể chia robot tự hành thành 2 lớp: chuyển động bằng chân hoặc bằng bánh Trong đề tài này chúng ta sẽ nghiên cứu xe tự hành chuyển động bằng bánh, xe tự hành chuyển động bằng bánh làm việc tốt trong hầu hết các địa hình do con người tạo ra Điều khiển di chuyển bằng bánh cũng đơn giản... 4: chỉ có cảm biến giữa không phát hiện ra vật cản 19 Robot quay sang phải 1 góc 90 (gán = - 90 ), sau đó hiệu chỉnh  Tình huống 5: chỉ có cảm biến bên trái phát hiện ra vật cản Robot quay sang phải 1 góc 25 ( gán = - 25 ) sau đó hiệu chỉnh  Tình huống 6: chỉ có cảm biến bên phải phát hiện ra vật cản Robot quay sang trái 1 góc 25 ( gán = + 25 ) sau đó hiệu chỉnh  Tình huống 7: chỉ có cảm biến ở... ba cảm biến của robot Các cảm biến được đặt lệch 1 góc α ( chọn α=25°) khoảng cách lớn nhất tính từ D mà các cảm biến có thể nhận diện được vật cản là dmax, dmax và α phải đảm bảo sao cho cảm biến có vùng kiểm tra đủ rộng để khi tiến thẳng robot có thể nhận diện được vật cản 17 Hình 2.3: Không gian làm việc của robot trong mặt phẳng 2 chiều Gọi: Các ứng xử của robot khi sensor phát hiện vật cản Có. .. nguyên lý của hệ thống điều khiển xe tự hành tránh vật cản 26  Nguyên lý hoạt động: B1: 3 sensor cảm biến SRF05 tiến hành đo khoảng cách theo 3 hướng bên trái, bên phải, ở giữa sau đó gửi kết quả đo đạc tới vi điều khiển - Nguyên lý đo khoảng cách của cảm biến siêu âm SRF05  SRF05 sử dụng nguyên lý phản xạ của sóng để đo khoảng cách  Khi muốn đo khoảng cách SRF05 sẽ phát ra 1 bộ 8 xung với tần số 40KHz... gian từ lúc xung đi cho tới khi xung về có thể dễ dàng tính ra khoảng cách từ SRF05 tới vật cản  Khi phát ra xung và chờ xung phản xạ về, chân Echo của SRF05 được kéo lên mức cao(echo =1) khi có xung phản xạ về chân Echo sẽ được kéo xuống thấp hoặc sau 30us nếu không có xung phản xạ về B2: Vi điều khiển căn cứ vào kết quả đo đạc của cảm biến SRF05 tiến hành xử lý( căn cứ vào 7 tình huống khác nhau có . TẢI – BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC HÀNG HẢI VIỆT NAM KHỔNG THỊ PHƯƠNG THẢO ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP XE TỰ HÀNH TRÁNH VẬT CẢN SỬ DỤNG CẢM BIẾN SIÊU ÂM SRF05 VÀ CÓ ĐIỀU KHIỂN TỪ XA HẢI PHÒNG – 2014 BỘ. TẢI - BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC HÀNG HẢI VIỆT NAM KHỔNG THỊ PHƯƠNG THẢO ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP XE TỰ HÀNH TRÁNH VẬT CẢN SỬ DỤNG CẢM BIẾN SIÊU ÂM SRF05 VÀ CÓ ĐIỀU KHIỂN TỪ XA NGÀNH: CÔNG. hoạt động dưới sự điều khiển từ xa . 1.3. Yêu cầu cần thực hiện  Hoàn chỉnh thiết kế và thi công xe tự hành có cảm biến tự tránh vật cản, có bộ thu RF để nhận sự điều khiển từ người dùng.  Xây