BÁO CÁO THỰC TẬP-Nghiên Cứu Robot Tự Hành

Lời nói đầu Cùng với sự phát triển của xã hội loài nguời thấp lên cao,công cụ lao động cũng được phát triển và thay đổi từ đơn giản,thô sơ đến tinh vi hiện đại.Nến sản suất từ thủ công đến nền sản xuất tự động linh hoạt. Thời gian gần đây,khoa học kỹ thuật phát triển như vũ bão,và đã có nhiều thành tựu đáng kể.một trong những thành tựu đó phải kể đến sự phát triển của Robot công nghiệp.Những robot này làm việc thay con người một cách hiệu quả trong nhiều lĩnh vực như:vận chuyển,đóng gói sản phẩm,hàn,phun sơn,lắp ráp…Vậy robot công nghiệp là gì?có nhiều định nghĩa khác nhau nhưng chúng ta có thể hiểu đơn giản như sau: Robot công nghiệp là một cơ cấu chuyển động tự động có thể lập trình,lặp lại các trương trình,tổng hợp các trương trình đặt ra,trên các trục tọa độ,có khả năng định vị,định hướng,di chuyển các đối tượng vật chất theo những hành trình thay đổi đã trương trình hóa nhằm thực hiện những nhiệm vụ khác nhau(đinh nghĩa theo tiêu chuẩn của afron-phap).Nói một cách khác Robot công nghiệp là sản phẩm đặc trưng của ngành Điện Tử.Một ngành đã có bề dầy lịch sử và được coi là ngành mũi nhọn trong các trường khối kỹ thuật.Với mong muốn tìm hiểu sâu hơn về Robot và được sự định hướng của thầy TRẦN ĐÌNH THÔNG em đã thực hiện đề tài “ Nghiên Cứu Robot Tự Hành ”.Em rất mong nhận đươc sự đóng góp ý kiến của các thầy cô và các bạn sinh viên để đề tài của em được hoàn thiện hơn. Em xin chân thành cảm ơn thầy TRẦN ĐÌNH THÔNG là giảng viên hướng dẫn và các thầy cô trong bộ môn Điện Tử nói riêng cũng như các thầy cô trong khoa Điện Tử nói chung đã giúp đỡ tận tình để em hoàn thành đề tài này. Đại Học Công Nghiệp Hà Nội Sinh viên thực hiện: NGUYỄN VĂN HƯỞNG CHƯƠNG 1 GIỚI THIỆU TRUNG Robot tự hành (Mobile Robot) là một phần có vai trò quan trọng trong ngành Robot học.Cùng với sự phát triển mạnh mẽ của công nghệ khoa học,Robot tự hành ngày một được hoàn thiện và càng cho thấy lợi ích của nó trong công việc và sinh hoạt đời sống.Cùng với sự phát triển không ngừng đó việc áp dụng các máy móc hiện đại vào sản xuất là một yêu cầu không thể thiếu trong các nhà máy nhằm tăng năng xuất và giảm giá thành sản phẩm.Song song với sự phát triển đó,công nghệ chế tạo Robot cũng phát triển nhanh tróng(đặc biệt ở các nước phát triển như Nhật,Mỹ,Châu Âu…),nhằm đáp ứng các nhu cầu về sản xuất,quốc phòng…Robot có thể thực hiện những công việc mà con người khó thực hiện được hoặc không thể thực hiện được như: làm những công việc đòi hỏi độ chính xác cao,làm việc trong môi trường nguy hiểm (như lò phản ứng hạt nhân,dò phá mìn trong quân sự,thám hiểm không gian vũ trụ…).Qua nhiều thập lien phát trieenrngayf nay công nghệ chế tạo Robot của thế giới đã có những bước phát triển vượt bậc .Với việc ứng dụng song RF(…… ) trong điều khiển,Robot ngày nay trở nên thông minh hơn rất nhiều.Gần đây Robot không những phục vụ cho sản xuất,quân sự mà nó còn được chế tạo nhằm phục vụ nhu cầu giải trí của con người và phục vụ trong gia đình…nhờ những khả năng đăc biệt mà Robot trước đây không thực hiện được. Ở nước ta,công nghệ chế tạo Robot và việc ứng dungjRobot vào sản xuất mới chỉ là giai đoạn đầu và đây cũng là một lĩnh vực hứa hẹn nhiều tiềm năng trong tương lai .Muốn có nền kinh tế hung mạnh,nền công nghiệp tiên tiến thì việc ứng dụng Robot vào sản xuất và đời sống là một điều cần thiết .Từ những suy nghĩ đó nên mặc dù kiến thức còn hạn chế song em cũng cố gắng nghiên cứu về công nghệ chế tạo và điều khiển Robot trong phạm vi đồ án môn học với ước muốn có những đóng góp vào công nghệ công nghệ chế tạo Robot của nước nhà trong thời gian tới. CHƯƠNG 2 TỔNG QUAN VỀ ROBOT TỰ HÀNH 2.1 Giới thiệu về Robot tự hành Robot tự hành hay Robot di động(mobile robots,thường được gọi là mobots)được định nghĩa là một loại xe robot 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 Robot tự hành có thể là đất,nước,không khí,không gian vũ trụ hay sự tổ hợp giữa chúng.địa hình bề mặt mà Robot di chuyển trên đó có thể là bằng phẳng hoặc thăy đổi,lồi lõm. Theo bộ phận thực hiện chuyển động,ta có thể chia Robot tự hành thành 2 lớp:chuyển động bằng chân(legged) và bằng bánh (wheeled).Trong lớp đầu tiên chuyển động có được nhờ các chân cơ khí bắt trước chuyển động của con người và động vật.Robot loai này có thể di chuyển rất tốt trên các định hình lồi lõm,phức tạp.Tuy nhiên cách phối hợp các chân cũng như vấn đề giữ vững tư thế là công việc cực kỳ khó khan. Lớp còn lại (di chuyển bằng bánh ) tỏ ra thực tế hơn,chúng có thể làm việc tốt trên hầu hết các địa hinhfdo con người tạo ra.Điều kiện Robot di chuyển bằng bánh cũng đơn giản hơn nhiều,gần như luôn đảm bảo tính ổn định cho Robot .Lớp này có thể chia làm 3 loại Robot : loại chuyển động bằng bánh xe( phổ biến),loại chuyển động bằng vòng xích(khi cần momen phát động lớn hay khi cần di chuyển trên vùng đầm lầy,cát và bang tuyết,và loại hỗn hợp bánh xe và xích (ít gặp). Tiềm năng ứng dụng của Robot tự hành hết sức dộng lớn.Có thể kể đến Robot vận chuyển vật liệu,hàng hóa trong các tòa nhà,nhà máy,cửa hàng,sân bay hay thư viện; Robot thực hiện quét dọn đường phố,khoang chân không;Robot kiểm tra trong môi trường nguy hiểm;Robot canh gác,do thám;Robot khám phá không gian,di chuyển trên hành tinh;Robot hàn sơn trong nhà máy;Robot xe lăn phục vụ người khuyết tật;Robot phục vụ sinh hoạt gia đình v.v… Mặc dù nhu cầu ứng dụng cao,nhưng những hạn chế chưa giải quyết được của Robot tự hành như chi phí chế tạo cao,đã không cho phép chúng được sử dụng rộng rãi.Một nhược điểm khác của Robot tự hành nữa phải kể đến là thiếu tính linh hoạt và thích ứng khi làm việc ở những vị trí khác nhau.Bài toán tìm đường (navigation problem) của Robot tự hành cũng không phải là bài toán đơn giản như nhiều người nghĩ lúc ban đầu. Trong tiểu luận này,bài toán tìm đường sẽ được giải quyết ở mức độ không quá phức tạp. Một số hình ảnh về Robot tự hành với những nhiệm vụ khác nhau 2.2 Thành phần chính của Robot điều khiển từ xa Các bộ phận chính bao gồm: -Thân Robot :Khung cơ khí. -Các bộ phận dẫn động và điều khiển: Động cơ,bánh,mạch điều khiển… -nguồn năng lượng :Ắc quy,điện một chiều. -Hệ thống truyền thông :Modul truyền phát tín hiệu điều khiển,hình ảnh 2.2.1 Vi điều khiển ATMEGA16 a.Giới thiệu Atmega16 là bộ vi điều khiển CMOS 8 bit tiêu thụ điện năng thấp dựa trên kiến trúc RISC(Reduced Intruction Set Computer).Vào ra Analog – digital và ngược lại.Với công nghệ này cho phép các lệnh thực thi chỉ trong một chu kỳ xung nhịp,vì thế tốc độ xử lý dữ liệu có thể đạt đến 1 triệu lệnh trên dây ở tần số 1Mhz.Vi điều khiển này cho phép người thiết kế tối ưu hóa chế độ tiêu thụ năng lượng mà vẫn đảm bảo tốc độ xử lý. Hình 2.8 .Sơ đồ chân Atmega 16 • VCC: Điện áp nguồn nuôi. • GND: Nối mass • PortA (PA7…PA0): PortA nhận vào tín hiệu Analog và chuyển đổi qua tín hiệu Digital.Ngoài ra PortA có thể được tách ra làm vào ra 2 hướng 2 bit nếu bộ chuyển đổi A/D không được sử dụng.Các chân của PortA ở vào trạng thái có điện trở cao khi tín hiệu reset ở chế độ tích cực hoặc ngay cả khi không có tín hiệu xung đồng hồ. PortA cung cấp các đường địa chỉ / dữ liệu vào/ra hoạt động theo kiểu đa hợp kênh khi dùng bộ nhớ SRAM ở bên ngoài. • portB,D :Tương tự như PortA. • PortC (PC7…PC0) :Tương tự như PortA.Nhưng nếu cho phép giao diện JTAG, thì các chân PC5, PC3, PC2 xẽ hoạt động ngay cả khi reset lại tín hiệu. • Reset : Lối vào đặt lại .Bộ vi điều khiển sẽ được đặt lại khi chân này ở chế độ thấp trong hơn 50ns,các xung ngắn hơn không tạo ra tín hiệu đặt lại. • XTAL1 : Lối vào bộ khuếch đại đảo và nối vào mạch tạo xung nhịp bên trong. • XTAL2 : Lối ra bộ khuếch đại đảo : XTAL1 và XTAL2 lần lượt là lối vào và nối ra của một bộ khuếch đại đảo. Bộ khuếch đại này được bố trí để làm bộ tạo dao động trên chip xung nhịp bên ngoài. • AREF : Là chân chuyển đổi tín hiệu analog cho bộ chuyển đổi A/D. • AVcc : là chân nguồn cho PortA và cho bộ chuyển đổi A/D.nó có thể tự kết nối với nguồn chính ngay cả khi ADC không được sử dụng. b.Đặc trưng * • Được chế tạo theo kiến trúc RISC hiệu suất cao mà điện nagw tiêu thụ thấp • Tập lệnh gồm 131 lệnh,hầu hết đều được thực thi trong một chu kỳ xung nhịp. • Bộ nhân 2 chu kỳ. • 32x8 thanh ghi làm viêc đa dụng. • Hoạt động tĩnh • 16 MÍP với thong lượng 16Mhz • 8KB Flash ROM lập trình được ngay trên hệ thống: o Giao diện nối tiếp SP1 có thể lập trình ngay trên hệ thống. o Cho phép 1000 lần ghi/xóa. • Bộ EEPROM 512 byte,cho phép 100.000 lần ghi/xóa • 16 Kbyte bộ nhớ chương trình in-System Self-programmable Flash. • Chu kì ghi/xóa (Write/Erase) :10.000 Flash / 100.000 EEPROM. • Độ bền dữ liệu 20 năm ở 85*C và 100 năm ở 25*C • Bộ nhớ SRAM 512 byte. • Bộ biến đổi ADC 8 kênh ,10 bit. • 32 ngõ I/O lập trình được. • Bộ truyền nối tiếp bất đồng bộ vạn năng UART. • Vcc=2.7 V đến 5.5 V. • Tốc đọ làm việc :8 Mhz đối với Atmega16L,16Mhz đối voiwsAtmega 16 tối đa. • Tốc độ xử lý lệnh đến 8 MIPS ở 8 Mhz nghĩa là 8 triệu lệnh trên giây. • Bộ định thời gian thực (RTC) với bộ dao động và chế độ đếm tách biệt 2 bộ timer 8 bit và 1 bộ timer 16 bit với chế độ so sánh và chia tần số tách biệt và chế độ bắt mẫu. 4 kênh điều chế độ rộng xung PWM. • Có đến 13 interrupt ngoài và trong. Bộ so sánh Analog. • Bộ lập trình Watch dog timer. • 6 chế độ ngủ :Idle,ADC Noise Reduction,Power-save,Power-dơn,standby và Extended Standbly • Giao tiếp nối tiếp Master/Slave SPI c. Sơ đồ khối Hình 2.9.Sơ đồ khối của Atmega 16 Atemega có tập lệnh phong phú về số lượng với 32 thanh ghi làm việc đa năng. Toàn bộ 32 thanh ghi đều được nối trực tiếp với ALU(Arithmetic Logic Unit),Cho phép truy cập 2 thanh ghi độc lập bằng một chu kỳ xung nhip.Kiến trúc đạt được có tốc độ xử lý gấp 10 lần vii điều khiển dạng CISC (Complex Intruction Set Computer) thông thường. Khi sử dụng vi điều khiển Atmega 16, có rât nhiều phần mềm được dùng để lập trình bằng nhiều ngôn ngữ khác nhau đó là: trình dịch Assmbly như AVR studio của Atmel, trình dịch C như win AVR, CodeVisionAVR C,ICCAVR, C – CMPPILER của GNU…Trình dịch C đã được nhiều người sử dụng và đánh giá tương đối mạnh, dễ tiếp cận với những người mới bắt đầu tìm hiểu AVR, đó là trình dịch CodeVisionAVR C. Phần mềm này hỗ trợ nhiều ứng dụng và có nhiều hàm có sẵn nên việc lập trình tốt hơn. Với những ưu điểm vươt trội so với dạng vi điều khiển thông thường mà giá thành hợp lý không quá cao và tương thích lập trình tốt khiến vi điều khiển AVR là một lựa chọn thích hợp với những yêu cầu từ nhỏ cho đến rất cao về xử lý, điều khiển… 2.2.2 Hệ thống điều khiển không dây a. Giới thiệu về truyền thong nối tiếp Khi một bộ vi xử lý truyền thong với thế giới bên ngoài thì nó cấp giữ liệu dưới dạng từng khúc 8 byte một. Trong một số trường hợp chẳng hạn [...]... tiếp dị bộ Đóng khung một ký tự “A” của mã ASCII (41H) có tín hiệu là 1 (cao) được coi như là một dấu (mark), còn không có tín hiệu tức là 0 (thấp) thì được coi là khoảng trốn (space): lưu ý rằng phép truyền bắt đầu với start sau đó byte D0, byte thấp nhất LSB, sau các byte còn lại cho đến byte D7, byte cao nhất MSB và cuối cùng là byte dừng Stop để báo cáo kết thúc kí tự “A” Trong truyền dữ liệu nếu... hỏi 2 đường dữ liệu (ngoài đường truyền âm của tín hiệu), một để phát và một để thu dữ liệu cùng một lúc Xuất phát từ yêu cầu thực tế của đề tài, nhóm đã nghiên cứu rất kĩ về lý thuyết cũng như thực tế, từ đó quy định RF (Radio Frequency) để điều khiển không dây Wireless cho Robot b) Mã hóa và giải mã dữ liệu trong truyền thông RF Trên không trung có rất nhiều sóng điện từ tồn tại, tác động vào máy... bộ , mỗi ký tự được bố trí giữa các bit bắt đầu (start) và byte dừng (stop) Công việc này gọi là đóng gói dữ liệu Trong đó gói dữ liệu đối với truyền thông dị bộ thì dữ liệu chẳng hạn là các ký tự mã ASCII được đóng gói giữa một byte bắt đầu và một byte dừng Byte bắt đầu luôn là byte thấp (bít 0) và các byte dừng luôn là byte cao (bít 1) Ví dụ, hãy xét ví dụ trên hình vẽ sau, trong đó ký tự “A” của... với sơ đồ truyền song song Thực tế là trong truyền thong nối tiếp là một đường dữ liệu duy nhất đươc dùng thay cho một đường dữ liệu 8 byte của truyền thong song song làm cho nó không chỉ rẻ hơn rất nhiều mà còn mở ra khả năng để hai máy tính ở cách xa nhau có truyền thông qua đường thoại Truyền thông dữ liệu nối tiếp dị bộ được sử dụng rộng rãi cho các phép truyền hướng ký tự, còn các bộ truyền dữ liệu... FS.hình dưới minh họa tín hiệu điều chế FSK Hình 2.15 Điều chế FM c Một vài định nghĩa căn bản cần nắm khi tiến hành xây dựng mạch thu phát tín hiệu RF *) Tốc độ truyền dữ liệu (Baud Rate) Lấy ví dụ về việc truyền 1 bit trong 1ms, ta thấy rằng để việc truyền và nhận không đồng bộ xảy ra thành công thì các thiết bị tham gia phải “thống nhất” nhau về khoảng thời gian dành cho 1 byte truyền, hay nói cách... lệch dữ liệu, quá trình theo kiểu này phải tuân theo một số quy cách nhất định Bên cạnh tốc độ baud, khung truyền là một yếu tố quan trọng tạo nên sự thành công khi truyền và nhận Khung truyền bao gồm các quy định về số bit trong mỗi lần truyền ,các bít báo như bit start và bit stop, các bít kiểm tra parity, ngoài ra số lượng các bit trong một data cũng được quy định bởi khung truyền theo UART, khung... Zero Level) NRZI (Non Return to Zero Inverted), Manchester… Hình dưới là một số dạng phổ biến Điều chế là dùng tín hiệu cần truyền để làm thay đổi một thông số nào đó của một tín hiệu khác, tín hiệu này thực hiện nhiệm vụ mang tín hiệu cần truyền đến nơi thu nên được gọi là sóng mang Mục đích của điều chế là dời phổ tần của tín hiệu cần truyền đến một vùng phổ tần khác thích hợp với đường truyền vầ nhất . nghệ công nghệ chế tạo Robot của nước nhà trong thời gian tới. CHƯƠNG 2 TỔNG QUAN VỀ ROBOT TỰ HÀNH 2.1 Giới thiệu về Robot tự hành Robot tự hành hay Robot di động(mobile robots,thường được gọi. xe robot 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 Robot tự. Robot tự hành hết sức dộng lớn.Có thể kể đến Robot vận chuyển vật liệu,hàng hóa trong các tòa nhà,nhà máy,cửa hàng,sân bay hay thư viện; Robot thực hiện quét dọn đường phố,khoang chân không ;Robot kiểm