luận văn nghiên cứu, thiết kế và chế tạo mạch ứng dụng cho hệ thống cảm biến của robot di động

ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ LÊ CHÍ CÔNG NGHIÊN CỨU, THIẾT KẾ VÀ CHẾ TẠO MẠCH ỨNG DỤNG CHO HỆ THỐNG CẢM BIẾN CỦA ROBOT DI ĐỘNG LUẬN VĂN THẠC SĨ CƠ HỌC KĨ THUẬT Hà Nội - 2014 ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ LÊ CHÍ CÔNG NGHIÊN CỨU, THIẾT KẾ VÀ CHẾ TẠO MẠCH ỨNG DỤNG CHO HỆ THỐNG CẢM BIẾN CA ROBOT DI ĐỘNG Ngành: Cơ học kỹ thuật Chuyên ngành: Cơ học kỹ thuật Mã số: 60520101 LUẬN VĂN THẠC SĨ CƠ HỌC KỸ THUẬT NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC: PGS.TS PHẠM MẠNH THẮNG Hà Nội - 2014 1 MỤC LỤC Trang MỞ ĐẦU 7 Chương I. Nghiên cứu tổng quan về hệ cảm biến ứng dụng cho robot di động…… 8 1.1.Giới thiệu về robot di động dạng 3 bánh dạng unicycle - like. 8 1.1.1. Tình hình phát triến của robot di động trên thế giới. 8 1.1.2. Robot dạng unicycle - like. 9 1.1.3. Những ứng dụng mới nhất của robot di động trên thế giới. 10 1.2.Tổng quan nghiên cứu về hệ cảm biến robot di động. 11 1.2.1.Khái niệm cảm biến (sensor) 11 1.2.2. Khái niệm hệ cảm biến (sensors system). 11 1.2.3. Phân loại các dạng cảm biến trong hệ 13 1.3. Nghiên cứu chức năng các dạng cảm biến được dùng cho robot 13 1.3.1.Cảm biến hồng ngoại 13 1.3.2. Cảm biến siêu âm. 16 1.3.3. Sensor vị trí kiểu chiết áp 18 1.3.4. Cảm biến la bàn 22 1.3.5. Cảm biến tín hiệu gần 19 1.3.6. Một số tiêu chí đánh giá cảm biến 23 1.3.7. Nhận xét 26 1.4. Lựa chọn các cảm biến 26 1.4.1.Cảm biến siêu âm SRF06] 26 1.4.2.Cảm biến hồng ngoại 0A41SK . 28 1.4.3. La bàn số CMPS 03 29 1.4.4. Cảm biến nhiệt độ TPA 81 31 1.4.5. Cảm biến va chạm 32 2 Chương II Xây dựng, phân tích kiến trúc hệ cảm biến trong robot di động 34 2.1. Các thành phần cơ bản trong một robot di động 34 2.2.1. Các thành phần cơ bản trong cấu trúc của hệ cảm biến . 36 2.2.2. Nguyên lý hoạt động cấu trúc hệ cảm biến như sau 37 Chương III. Thiết kế mô hình hệ cảm biến trên robot di động 39 3.1. Thiết kế mô hình hệ cảm biến cho robot di động trên Solid Work 2008 39 3.1.1. Yêu cầu chung thiết kế cơ khí của robot di động 39 3.1.2. Mô hình cấu trúc của robot 39 3.1.3. Lựa chọn vật liệu 39 3.2. Phân tích cấu trúc hệ cảm biến trên mô hình robot di động. 41 Chương IV Thiết kế, chế tạo tích hợp mạch điều khiển chohệ cảm biến 43 4.1. Xây dựng sơ đồ thuật toán và thiết kế mạch cảm biến cho robot di động. 43 4.2. Thiết kế mạch điều khiển cho hệ cảm biến của robot di động 45 4.2.1. Giới thiệu về mạch điều khiển hệ cảm biến 45 4.2.2. Xây dựng phần cứng 45 4.2.3. Thiết kế chi tiết khối điều khiển trung tâm 46 4.2.4. Giới thiệu về vi điều khiển PIC18F4520 47 4.2.5. Thiết kế chi tiết khối cung cấp nguồn. 49 4.2.6.Thiết kế chi tiết khối cảm biến siêu âm SRF06 50 4.2.7.Thiết kế chi tiết khối cảm biến va chạm: 50 4.2.8. Thiết kế khối cảm biến hồng ngoại gồm: 50 4.2.9. Thiết kế cảm biến nhiệt độ và la bàn số: 51 3 4.2.10. Mạch dao động và LCD: 52 4.2.11. Lập trình cho mạch điều khiển hệ cảm biến 54 4.3. Tích hợp mạch điều khiển hệ cảm biến. 54 4.3.1.Thiết kế mạch đi dây và tích hợp cho hệ cảm biến trong robot di động. 54 4.3.2.Tích hợp hệ cảm biến cho robot di động qua mô hình 3D trong altium10 54 4.3.3. Hình ảnh mạch hệ cảm biến trên robot di động trên thực tế 57 4.4. Chạy thử nghiệm 58 Tài liệu tham khảo 59 4 DANH MỤC HÌNH ẢNH Hình 1.1. Biểu đồ sự phát triển robot trong các năm từ 2009 - 2014. 8 Hình 1.2. Dạng robot unicycle like. 10 Hình 1.3. Robot quân sự…………………………………………………… 16 Hình 1.4. Robot thám hiêm 10 Hình 1.5. Robot gia đình 10 Hình 1.6. Mô hình hoạt động của khối cảm biến. 11 Hình 1.7. Hệ thống tự động điều khiển quá trình. 11 Hình 1.8. Module Blutooth……………………………………………… 17 Hình 1.9. Module Hồng Ngoại 12 Hình 1.10. Module thu phát RF ………………………………………………………………………………….19 Hình 1.11. Module Wifi…………. 13 Hình 1.12. Bộ thu phát hồng ngoại 14 Hình 1.13. Quá trình thu phát của cặp led hồng ngoại 14 Hình 1.14. Mạch nguyên lý cảm biến hồng ngoại 15 Hình 1.15. Mạch đế phát hiện vật cản 16 Hình 1.16. Thu phát sóng siêu âm 17 Hình 1.17. Tầm quét của cảm biến. 17 Hình 1.18. Sensor vị trí kiểu triết áp 18 Hình 1.19. Sensor điện quang 19 Hình 1.20. Sensor Hall 20 Hình 1.21. Sensor Hall 21 Hình 1.22.Đặc tuyến của Sensor Hall 22 Hình 1.23. Cấu trúc mạch cảm biến 22 Hình 1.24. La bàn số và cảm biến góc 23 5 Hình 1.25. Phương pháp xác định khoảng cách 25 Hình 1.26. Đo khoảng cách bằng đo pha 26 Hình 1.27. Cảm biến siêu âm SRF06 26 Hình 1.28. Sơ đồ nối chân của cảm biến siêu âm SFR06 27 Hinh1.29.Sơ đồ khối chân của cảm biến hồng ngoại 28 Hình 1.30. Đồ thị biểu diễn mối liên hệ điên áp đầu ra và dải đo khoảng cách 29 Hình 1.31. La bàn số CMPS03 29 Hình 1.32. Sơ đồ chân nối la bàn số CPMS03 30 Hình 1.33. Cảm biến nhiệt độ TPA81 31 Hình 1.34. Đồ thị vùng làm việc bước sóng của cảm biến 32 Hình 1.35. Sơ đồ kết nối chân cảm biến nhiệt TPA81 với vi điều khiển 32 Hình 1.36. Cảm biến va chạm 33 Hình 1.37. Sơ đồ nguyên lý cảm biến va chạm 33 Hình 2.1.Các thành phần cơ bản trong một robot di động 34 Hình 2.2. Sơ đồ cấu trúc hệ cảm biến. 36 Hình 2.3. Sơ đồ khối hệ cảm biến cho robot 37 Hình 3.1. Mô hình hệ thiết kế robot di động. 40 Hình 3.2. Mô hình thiết kế hệ cảm biến trên robot 41 Hình 4.1. Sơ đồ thuật toán cho hệ cảm biến 44 Hình 4.2. Thiết kế mạch điều khiển trung tâm 46 Hình 4.3. Sơ đồ chân vi điều khiển Pic18F4520. 47 Hình 4.4. Thiết kế chi tiết khối nguồn 49 Hình 4.5. Thiết kế mạch khối cảm biến SRF06 50 Hinh 4.6. Sơ đồ nguyên lý khối cảm biến va chạm 50 Hình 4.7. Sơ đồ nguyên lý khối cảm biến hồng ngoại 51 6 Hình 4.8. Mạch nguyên lý của la bàn số và cảm biến nhiệt độ 51 Hình 4.9. Thiết kế sơ đồ truyền thông với máy tính bằng RS232 52 Hình 4.10. Mạch dao động………………………………………………… 53 Hình 4.11. Mạch hiển thị LCD 52 Hình 4.12. Sơ đồ nguyên lý mạch hệ cảm biến 53 Hình 4.13. Sơ đồ đi dây trong phần mềm altium 10 54 Hình 4.14. Mạch cảm biến tích hợp 3D trên Altium 10 55 Hình 4.15. Hình ảnh khối nguồn được thiết kế trên altium 10 56 Hình 4.16. Sơ đồ khối của mạch nguồn 56 Hình 4.17. Hình ảnh thực tế của mạch hệ cảm biến 57 Hình 4.18. Mạch hệ cảm biến gắn trên Robot. 57 DANH MỤC BẢNG Bảng 1. Thông số cơ bản của cảm biến SRF 06 27 Bảng 2. Thông số cơ bản cơ bản của cảm biến hồng ngoại 28 Bảng 3. Thanh ghi CMPS 03 30 Bảng 4. Thông số cảm biến nhiệt độ. 31 Bảng 5. Thông số của cảm biến va chạm. 33 Bảng 6.Bảng kê tín hiệu được dùng trong Pic 18F4520 . 48 Bảng 7. Sơ đồ chân của cổng ghép nối với máy tính. 52 7 MỞ ĐẦU 1. Xuất xứ của đề tài. Robot di động ngày càng được ứng dụng nhiều trên thế giới và tại Việt Nam cũng đang từng bước nghiên cứu và chế tạo. Nó có thể hoạt động trong các môi trường có điều kiện khắc nghiệt, độc hại như nhiệt độ cao, từ trường mạnh, phóng xạ hay chỉ đơn thuần là tiết kiệm sức lao động của con người. Có thể kể đến vài ứng dụng như vận chuyển hàng trong quá trình sản xuất, trong đời sống gia đình, trong quân sự, địa chất, năng lượng. Vấn đề robot chuyển động trên một quí đạo ổn định, hay cảm nhận được môi trường xung quanh cần phụ thuộc rất nhiều những yếu tố. Nhưng yếu tố quan trọng nhất để robot di động có thể cảm nhận được vị trí của mình so với môi trường bên ngoài phụ thuộc vào các cảm biến được gắn xung quanh robot. Hệ cảm biến bao gồm nhiều dạng cảm biến được coi như là một con mắt giúp robot có thể cảm nhận được những thay đổi bên ngoài của môi trường và biến đổi các tín hiệu để điều khiển các cơ cấu chấp hành. 2. Mục tiêu của đề tài. Nghiên cứu, thiết kế, chế tạo, tích hợp điều khiển thành công cho một mô hình mẫu về hệ cảm biến robot di động. 3. Nội dung nghiên cứu. a)Nghiên cứu tổng quan về hệ cảm biến ứng dụng cho robot di động. - Giới thiệu về robot di động dạng 3 bánh dang unicycle – like. - Nghiên cứu về các hệ cảm biến (cấu trúc thành phần, chức năng). - Nghiên cứu chức năng các cảm biến (siêu âm, hồng ngoại,va chạm). - Lựa chọn các cảm biến. b) Xây dựng, phân tích kiến trúc hệ cảm biến trong robot di động. c) Thiết kế mô hình hệ cảm biến cho robot di động. d) Thiết kế, chế tạo, tích hợp mạch điều khiển cho hệ cảm biến. - Xây dựng sơ đồ thuật toán và thiết kế mạch cảm biến. - Chế tạo một mạch cảm biến. - Lập trình. 8 Chương I Nghiên cứu tổng quan về hệ cảm biến ứng dụng cho robot di động 1.1.Giới thiệu về robot di động dạng 3 bánh dạng unicycle - like. 1.1.1. Tình hình phát triến của robot di động trên thế giới. Khả năng di động được phát triển cùng với khả năng tránh vật cản và tự định hướng tìm đường trong không gian làm việc rất rộng (về nguyên lý là không có giới hạn) trên mọi địa hình và nhiều khả năng thông minh khác khiến cho Robot di động có tiềm năng ứng dụng rất lớn cùng với sự phát triển của nhân loại vượt xa các Robot truyền thống về cả số lượng và chủng loại ứng dụng. Hình 1.1 thể hiện sự phát triển “dân số” của Robot dịch vụ (có khả năng di động) theo thời gian 2009 và 2014. Hình 1.1. Biểu đồ sự phát triển robot trong các năm từ 2009 - 2014. Với lợi thế về khả năng di động trên mọi địa hình, Robot di động có tiềm năng được ứng dụng rộng rãi và phổ biến hơn trong nhiều lĩnh vực như: Trong địa hình xác định (ứng dụng trong nhà):  phục vụ cho công nghiệp và vận chuyển,  thiết bị hỗ trợ khách tham quan trong bảo tàng, cửa hàng,  thực hiện hút bụi, vệ sinh, thiết bị thông minh giám sát trong các tòa nhà,  ứng dụng trong giải trí, đồ chơi, Trong địa hình không xác định (ứng dụng ngoài trời):  ứng dụng trong không gian vũ trụ,  ứng dụng trong khai thác mỏ, trong khai thác và bảo vệ rừng,  ứng dụng trong khảo sát hệ thống cống,  ứng dụng trong nông nghiệp, [...]... cảm biến Hình 1.6 Mô hình hoạt động của khối cảm biến Cơ cấu chấp hành Quá trình các biến trạng thái Bộ cảm biến Chương Trình Bộ Vi Xử Lý Hình1.7 .Hệ thống tự động điều khiển quá trình 1.2.2 Khái niệm hệ cảm biến (sensors system) Hệ cảm biến là tập hợp hai hay nhiều cảm biến cùng loại hoặc khác loại trên một robot, các cảm biến này có thể hỗ trợ và bổ sung về tính năng cho robot di động Các bộ cảm biến. ..9  ứng dụng trong xây dựng,  ứng dụng là thiết bị bay trên không,  ứng dụng là tàu lặn dưới nước,  ứng dụng trong phòng cháy chữa cháy,  ứng dụng trong quân sự, Tại Việt Nam việc ứng dụng và phát triển Robot di động thông minh đã và đang được quan tâm tuy nhiên còn rất hạn chế Hoạt động nghiên cứu, chế tạo Robot chỉ tập trung ở một số viện nghiên cứu và trường đại học, ví dụ như: robot kiểm... động NGUỒN CẤP NGUỒN CẤP 24V 5V Động KHỐI KHỐI KHỐI cơ CẢM XỬ CHẤP trái LÝ HÀNH Động cơ BIẾN phải Hình 2.1.Các thành phần cơ bản trong một robot di động Trong một robot di động mối liên hệ module với nhau là một vòng khép kín Khối cơ bản cho các hệ thống robot di động bao gồm một hệ cảm cảm biến, các module điều khiển và bộ cơ cấu chấp hành dùng Một hệ thống robot di động điển hình đòi hỏi phải tất... ứng dụng mới nhất của robot di động trên thế giới Hình 1.3 Robot quân sự Hình 1.4 Robot thám hiểm Hình 1.5 Robot gia đình 11 1.2.Tổng quan nghiên cứu về hệ cảm biến robot di động 1.2.1.Khái niệm cảm biến (sensor) Cảm biến thường được định nghĩa theo nghĩa rộng là thiết bị cảm nhận và đáp ứng lại với những kích thích và các tín hiệu Đây là thiết bị điện tử đóng vai trò quan trọng để robot có thể nhận... 640 Hình dáng của đường tuyến tính hóa phụ thuộc vào điện áp cấp (Vs) cho cảm biến Hình 1.22 Đặc tuyến của Sensor Hall Viết một chương trình thu thập dữ liệu trên VDK Pic Mạch phần cứng có thể thiết kế theo nguyên lý sau: Hình 1.23 Cấu trúc mạch cảm biến Như vậy ứng với mỗi vị trí của động cơ, ta sẽ đo được 1 điện áp xác định từ cảm biến Điện áp ra của cảm biến thường là 0 -10VDC tương ứng với góc quay... năng các dạng cảm biến được dùng cho robot 1.3.1 .Cảm biến hồng ngoại [11] Là loại cảm biến quang sử dụng thu phát ánh sáng gần vùng hồng ngoại Bước sóng ánh sáng sử dụng trong loại cảm biến này khoảng 880nm Cảm biến hồng ngoại có thể sử dụng để phát hiện màu đen/trắng hoặc phát hiện vật cản Khả năng thực hiện được tùy thuộc vào việc thiết kế mạch Cách đo khoảng cách: Cảm biến hồng ngoại sử dụng phương... dạng cảm biến trong hệ [4] Cảm biến sử dụng trong Robot di động được phân theo từng loại: Cảm biến nội (internal sensor): Được đặt trong bản thân của robot, nó sử dụng các thiết bị về cơ khí, điện, điện tử hoặc thủy lực để nhận các thông tin phản hồi về vị trí của các bộ phận robot Sensor nội đơn giản hiểu có thế là những công tắc giới hạn Cảm biến ngoại (external sensor): là loại sensor giúp robot. .. đầu ra của cảm biến được đưa tới bộ xử lý Việc xác định thời gian kéo dài xung sẽ giúp cho robot xác định được khoảng cách 18 Cảm biến siêu âm Ưu điểm: Xử lý nhanh, kết quả tương đối chính xác Khoảng cách mà cảm biến có thể phát hiện lên tới 15m Sóng phản hồi của cảm biến không phụ thuộc vào màu sắc của bề mặt đối tượng hay tính chất phản xạ ánh sáng của đối tượng Tín hiệu đáp ứng của cảm biến tiệm... khiển 1.4.5 Cảm biến va chạm [14] Cảm biến va chạm đóng vai trò như một công tác 33 Hình 1.36 Cảm biến va chạm Hình 1.37 Sơ đồ nguyên lý cảm biến va chạm Thông số Định mức Đơn vị Điện áp 5 v Dây đen Dây đen Dây đỏ - Dây trắng Dây tín hiệu Bảng 5 Thông số cảm biến va chạm 34 Chương II Xây dựng, phân tích kiến trúc hệ cảm biến trong robot di động 2.1 Các thành phần cơ bản trong một robot di động NGUỒN... tính năng cao của vi xử lý và các phương pháp đo mà module cảm biến đã nâng cao độ chính xác, tăng độ tác động nhanh, tính ổn định, độ tuyến tính, hạn chế và loại bỏ các yếu tố ảnh hưởng đến chúng Với sự kết hợp đó đã tạo lên một module cảm biến thông minh hơn, nhiều chức năng hơn Ngày nay do việc sử dụng vi xử lý hay vi điều khiển kết hợp với các cảm biến thông thường, các thiết bị đo, hệ thống thông . chế tạo tích hợp mạch điều khiển chohệ cảm biến 43 4.1. Xây dựng sơ đồ thuật toán và thiết kế mạch cảm biến cho robot di động. 43 4.2. Thiết kế mạch điều khiển cho hệ cảm biến của robot di động. trúc hệ cảm biến trong robot di động. c) Thiết kế mô hình hệ cảm biến cho robot di động. d) Thiết kế, chế tạo, tích hợp mạch điều khiển cho hệ cảm biến. - Xây dựng sơ đồ thuật toán và thiết kế. robot di động 34 Hình 2.2. Sơ đồ cấu trúc hệ cảm biến. 36 Hình 2.3. Sơ đồ khối hệ cảm biến cho robot 37 Hình 3.1. Mô hình hệ thiết kế robot di động. 40 Hình 3.2. Mô hình thiết kế hệ cảm biến