đồ án kỹ thuật điện cơ Điều khiển robot omni tránh vật cản

ĐAMH: Điều khiển hệ thống Bộ môn: Cơ điện tử pg. 1 ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP.HCM TRƯỜNG ĐH BÁCH KHOA KHOA CƠ KHÍ BỘ MÔN CƠ ĐIỆN TỬ CỘNG HOÀ XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM ĐỘC LẬP - TỰ DO – HẠNH PHÚC NHIỆM VỤ ĐỒ ÁN MÔN HỌC Tên đề tài: Điều khiển robot omni tránh vật cản Giáo viên hướng dẫn: Nguyễn Thái Anh Tuấn Sinh viên thực hiện: Bùi Quốc Vũ MSSV: 20503575 Lê Nhật Toàn MSSV: 20502985 Ngày nhận đồ án: Ngày hoàn thành đồ án: NHẬN XÉT CỦA GIÁO VIÊN HƯỚNG DẪN: ĐAMH: Điều khiển hệ thống Bộ môn: Cơ điện tử pg. 2 Giáo viên hướng dẫn ĐAMH: Điều khiển hệ thống Bộ môn: Cơ điện tử pg. 3 NHẬN XÉT CỦA GIÁO VIÊN DUYỆT Giáo viên duyệt ĐAMH: Điều khiển hệ thống Bộ môn: Cơ điện tử pg. 4 LỜI CẢM ƠN Đồ án này được hoàn thành đánh dấu sự trưởng thành trong công việc học tập tại trường Đại học Bách khoa. Vì đây là đồ án đầu tiên chúng em làm nên không tránh khỏi sự bỡ ngỡ cũng như còn rất nhiều sai sót. Nhưng với sự giúp đỡ tận tình của thầy cô, cùng sự đóng góp ý kiến của các bạn sinh viên, chúng em đã có thể hoàn thành tốt đồ án này. Chúng em xin gửi lời cảm ơn chân thành đến các thầy cô trong bộ môn Cơ điện tử, đăc biệt là thầy Nguyễn Thái Anh Tuấn đã tận tình hướng dẫn chúng em thực hiện đề tài này. Cảm ơn các bạn sinh viên lớp CK05LCD1 đã giúp đỡ chúng em hết mình. Và sự ủng hộ về tinh thần và vật chất của gia đình đã là một sự ủng hộ to lớn để chúng em hoàn thành đồ án này. Nhóm sinh viên thực hiện Bùi Quốc Vũ Lê Nhật Toàn ĐAMH: Điều khiển hệ thống Bộ môn: Cơ điện tử pg. 5 TỔNG QUAN Đồ án điều khiển thống 1 là đồ án đầu tiên của chương trình học, giúp sinh viên làm quen với mơi trường làm việc độc lập hay theo nhóm với sự hướng dẫn định kỳ của giảng viên. Vận dụng những kiến thức đã học, sinh viên thực hành đi vào giải quyết một vấn đề cụ thể. Robot omni là một loại mobile robot di chuyển bằng những bánh xe đã được ứng dụng nhiều trong thực tế do quỹ đạo chuyển động của nó rất đa dạng. Đặc biệt trong đó, omni với 3 bánh xe có kết cấu lạ, nhưng chính vì thế sự phối hợp chuyển động của 3 bánh xe lại có thể cho ta điều khiển tốt quỹ đạo của robot. Trong đồ án này, ta sẽ điều khiển phối hợp 3 động cơ rc servo và 3 cảm biến hồng ngoại cho robot đi theo những quỹ đạo đơn giản và tránh chướng ngại vật. Mục tiêu của đồ án giúp sinh viên làm quen với việc giải quyết một vấn đề nhỏ trong điều khiển cũng như làm quen với các thiết bị trong thực tế. Từ đó, ta sẽ có kinh nghiệm giải quyết những vấn đề rộng và sâu hơn trong thực tế sau này…. ĐAMH: Điều khiển hệ thống Bộ môn: Cơ điện tử pg. 6 Sơ đồ phần cứng tổng quan của Robot omni ĐAMH: Điều khiển hệ thống Bộ môn: Cơ điện tử pg. 7 CHƯƠNG 1: TÌM HIỂU ĐỘNG CƠ RC SERVO 1. Động cơ RC SERVO là gì? RC SERVO là chữ viết tắt của continous rotation servo, hoạt động nhờ chế độ điều rộng xung và có thể quay liên tục 360 độ. Đây là loại động cơ có các đặc tính như: momen lớn, dòng khởi động nhỏ, có thể hoạt động ở tốc độ nhỏ và qn tính thấp. Động cơ này có hằng số thời gian điện và cơ rất nhỏ. Động cơ servo được thiết kế cho những hệ thống hồi tiếp vòng kín. Tín hiệu ra của động cơ được nối với một mạch điều khiển. Khi động cơ quay, vận tốc và vị trí sẽ được hồi tiếp về mạch điều khiển này. Nếu có bầt kỳ lý do nào ngăn cản chuyển động quay của động cơ, cơ cấu hồi tiếp sẽ nhận thấy tín hiệu ra chưa đạt được vị trí mong muốn. Mạch điều khiển tiếp tục chỉnh sai lệch cho động cơ đạt được điểm chính xác. Động cơ servo có nhiều kiểu dáng và kích thước, được sử dụng trong nhiếu máy khácnhau, từ máy tiện điều khiển bằng máy tính cho đến các mơ hình máy bay và xe hơi. Ứngdụng mới nhất của động cơ servo là trong các robot, cùng loại với các động cơ dùng trong mơ hình máy bay và xe hơi. 2. Loại động cơ RC SERVO được sử dụng ĐAMH: Điều khiển hệ thống Bộ môn: Cơ điện tử pg. 8 Ta sử dụng RC Servo của hãng Parallax, đây là sản phẩm lý tưởng để phục vụ cho các đồ án robot đòi hỏi động cơ có thể quay 360 độ. Các thơng số kỹ thuật của động cơ như sau: • Nguồn cấp tối đa 6v DC • Tốc độ trung bình 60 vòng phút/ phút • Khối lượng 45.0 grams/ 1.59 oz • Momen 3.40 kg-cm/47oz-vào • Kích thước mm (L x W x H) 40.5x20.0x38.0 • Kích thước in (L x W x H) 1.60x.79x1.50 • Điều chỉnh port bằng tay Động cơ được điều khiển bởi xung vào dây tín hiệu. 3. Điều khiển RC servo Khơng giống động cơ DC ta chỉ cần lắp pin vào là chạy, động cơ servo đòi hỏi một mạch điện tử chính xác để quay trục ra của nó. Có thể một mạch điện tử sẽ làm việc sử dụng servo phức tạp hơn ở một mức độ nào đó nhưng thực ra mạch điện tử này rất đơn giản. Nếu ta muốn điều khiển servo bằng máy tính hay bằng bộ vi xử lý thì chỉ cần một vài dòng lệnh là đủ. Một động cơ DC điển hình cần các transistor cơng suất, MOSFET hay relay nếu muốn kết nối với máy tính. Còn servo có thể gắn trực tiếp với máy tính hay bộ vi xử lý mà khơng cần một linh kiện điện tử nào cả. Tất cà yếu tố cần thiết để điều khiển cơng suất đều được quản lý bởi mạch điều khiển để tránh rắc rối. Đây là lợi ích chủ yếu khi sử dụng servo cho các robot điều khiển bằng máy tính hay vi điều khiển Ở đây chúng ta sử dụng Vi điều khiển 8051 để tạo xung cho servo. Đối với loại RC servo trên thì ta cần cấp xung với tần số là f=50hz. Điểm trung hòa của Servo trên ( servo quay được 180 độ) đạt được khi ta cấp xung tích cực cao trong thời gian 1,5ms trên tồn bộ chu kỳ ( T= 20ms). ĐAMH: Điều khiển hệ thống Bộ môn: Cơ điện tử pg. 9 Nếu như ta cấp xung có thời gian mức tích cực cao it hơn 1,5ms ( Vd 1ms) thì động cơ sẽ quay cùng chiều kim đồng hồ và nếu như thời gian tích cực cao lớn hơn 1,5ms ( VD 2ms) thì động cơ sẽ quay ngược chiều kim đồng hồ. Giản đồ xung Sơ đồ ngun lý dùng 3 chân của Port 1 89C51 để cấp xung cho 3 động cơ ĐAMH: Điều khiển hệ thống Bộ môn: Cơ điện tử pg. 10 CHƯƠNG 2: TÌM HIỂU VỀ HỌ VI ĐIỀU KHIỂN 8051 1. Giới thiệu về vi điều khiển và sơ đồ khối: Vi điều khiển 8051 là một trong những vi điều khiển 8 bit thơng dụng nhất hiện nay. Bắt đầu xuất hiện vào năm 1980, trải qua gần 30 năm, hiện đã có tới hàng trăm biến thể (derrivatives) được sản xuất bởi hơn 20 hãng khác nhau, trong đó phải kể đến các đại gia trong làng bán dẫn (Semiconductor) như ATMEL, Texas Instrument, Philips, Analog Devices… Tại Việt Nam, các biến thể của hãng ATMEL là AT89C51, AT89C52, AT89S51, AT89S52… đã có thời gian xuất hiện trên thị trường khá lâu và có thể nói là được sử dụng rộng rãi nhất trong các loại vi điều khiển 8 bit. Chương này sẽ tập trung mơ tả tương đối chi tiết cấu trúc bên trong của các biến thể nói trên (tạm gọi chung là AT89) của hãng ATMEL. Cấu trúc của AT89 ở dạng sơ đồ khối tổng qt [...]... (slave )và xuất ra tín hiệu cho VDK Master biết Tùy thuộc vào mục đích sử dụng robot nên sẽ có nhiều phương án để điều khiển robot Ở đây chúng ta xem xét đến 2 phương án tiêu biểu : Phương án 1 : Điều khiển robot chỉ đơn thuần là né tránh vật cản trên đường di chuyển Ở phương án này chúng ta chỉ đơn thuần là điều khiển robot né vật cản dựa vào tín hiệu hồng ngoại đưa vào VDK slave Dó đó để đơn giản hóa mạch... Điện trờ vào RB bởi biến trở để có thể tinh chỉnh phù hợp với điêu kiện mơi trường Với phương án sử dụng chế độ khóa của transistor như trên thì VDK Master có nhiệm vụ là phải né tránh vật cản trên đường đi Như vậy khi robot gặp vật cản chúng ta sẽ điều khiển robot xoay 1 góc α sau đó tịnh tiến tới đề tránh khỏi vật cản pg 32 ĐAMH: Điều khiển hệ thống Bộ môn: Cơ điện tử ... ĐAMH: Điều khiển hệ thống Bộ môn: Cơ điện tử 2 Ứng dụng vi điều khiển cho động cơ: Sử dụng các Port Xuất nhập và một ngơn ngữ lập trình phù hợp với loại vi điều khiển ta sẽ điều khiển được động cơ Các thơng số cần quan tâm khi điều khiển động cơ: - Điện áp sử dụng - Cơng suất làm việc - Dòng khơng tải, dòng làm việc - Tốc độ của động cơ Các... làm việc - Tốc độ của động cơ Các phưong pháp điều khiển động cơ: a- Điều khiển ON/OFF b- Điều khiển tốc độ động cơ - Mạch cầu H: - Mạch sử dụng 1 FET + 1 Relay Ở đây, ta quan tâm đến các thơng số kỹ thuật của RC Servo sử dụng được nêu ở phần trước Dùng TIMER để điều rộng xung, điều khiển động cơ quay như mong muốn pg 12 ĐAMH: Điều khiển hệ thống Bộ môn: Cơ điện tử ... P3.2) đồng thời cũng xuất giá trị của phương bị vật cản cho CDK Master biết Sơ đồ khối của hoạt động VDK Slave pg 34 ĐAMH: Điều khiển hệ thống Bộ môn: Cơ điện tử Sơ đồ khối hoạt động của VDK Master pg 35 ĐAMH: Điều khiển hệ thống Bộ môn: Cơ điện tử Phương án 2: Điều khiển Robot omni. .. cho servo quay nghịch là 2ms trên tồn bộ chu 1350 kỳ 20ms Khi điều khiển robot xoay tròn thì cả 3 bánh quay cùng chiều với cùng tốc độ do đó đạt về sự đồng bộ và ổn định hơn Do đó chúng ta chọn thời gian cho quay Ở đây chúng ta sử dụng 2 vi điều khiển 89C51 để điều khiển robot 1 vi điều khiển chun điều khiển động cơ (master) và 1 vi điều khiển dùng cho việc qt các tín hiệu hồng ngoại (slave )và xuất... 28 ĐAMH: Điều khiển hệ thống Bộ môn: Cơ điện tử CHƯƠNG 5 : Điều khiển chuyển động của Robot Omni Điều khiển Servo: Ở đây loại servo sử dụng là loại RC servo do đó mối quan hệ giữa đại lượng vào ( Xung PWM) và đại lượng ra ( Servo Speed) khơng quan hệ tuyến tính nên sẽ gấy khó khăn cho q trình điều khiển đặc biệt là khi điều khiển robot chuyển... pg 18 ĐAMH: Điều khiển hệ thống Bộ môn: Cơ điện tử Chương 4 : Phân tích động học và động lực học Robot Omni 1 Phân tích động học Robot Omni 3 Bánh Mơ hình hóa robot omni như hình vẽ trên 3 bánh xe robot được bố trí tiếp tuyến với 1 đường tròn bán kính Ro và lệch nhau 1 góc 120 độ 3 Cảm biến hồng ngoại...   α 3 ROBOT TRONG KHƠNG GIAN PHẲNG: Chúng ta có thể tính được vận tốc cuối cùng của các bánh robot, và vận tốc của robot trên mặt phẳng bằng cách mơ tả các phương trình chuyển động của robot theo thời gian Khi xét robot trong khơng gian phẳng, chúng ta có thể tính được quỹ đạo của robot và chúng ta có thể đạt được điều này bằng cách phân tích vận tốc của các bánh xe robot pg 24 ĐAMH: Điều khiển hệ... 1 cos ϕ = 2VW 2 cosϕ = 2ωR cos 30° (1) Chuyển động xoay : Khi cho 3 bánh xe chuyển động cùng chiều nhau thì sẽ làm cho robot chuyển động xoay pg 21 ĐAMH: Điều khiển hệ thống Bộ môn: Cơ điện tử 2 Phân Tích Động lực học Robot Omni pg 22 ĐAMH: Điều khiển hệ thống Bộ môn: Cơ điện tử . ĐAMH: Điều khiển hệ thống Bộ môn: Cơ điện tử pg. 6 Sơ đồ phần cứng tổng quan của Robot omni ĐAMH: Điều khiển hệ thống Bộ môn: Cơ điện tử pg. 7 CHƯƠNG 1: TÌM HIỂU ĐỘNG CƠ. cần thiết để điều khiển cơng suất đều được quản lý bởi mạch điều khiển để tránh rắc rối. Đây là lợi ích chủ yếu khi sử dụng servo cho các robot điều khiển bằng máy tính hay vi điều khiển Ở. chuyển động của 3 bánh xe lại có thể cho ta điều khiển tốt quỹ đạo của robot. Trong đồ án này, ta sẽ điều khiển phối hợp 3 động cơ rc servo và 3 cảm biến hồng ngoại cho robot đi theo những