Đề xuất nghiên cứu Robot dò đường tránh vật cản

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN1.1 GIỚI THIỆU, ĐẶT VẤN ĐỀNgày nay, cùng với sự phát triển của khoa học kỹ thuật, ngành tự động hóa cũng đóng góp một vai trò không nhỏ trong việc tham gia vào các quá

ĐỀ XUẤT NGHIÊN CỨU ROBOT BÁM TƯỜNG VÀ TRÁNH VẬT CẢN

GVHD: Ngô Văn thuyên

Thông tin nhóm:

Đinh Tiến Đạt 12151014 Dinhtiendat12151014@gmail.co

Nguyễn Ngọc Sáng 12151069 nguyenngocsang1411@gmail.co

Mục lục

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN1.1 GIỚI THIỆU, ĐẶT VẤN ĐỀ

Ngày nay, cùng với sự phát triển của khoa học kỹ thuật, ngành tự động hóa cũng đóng góp một vai trò không nhỏ trong việc tham gia vào các quá trình sản xuất, đời sống và khám phá hành trình tri thức của loài người, trong đó có việc đi lại, di chuyển tới những nơi mà con người chưa thể đặt chân tới như sao hỏa, đáy đại dương hay những nơi nhỏ hẹp như ống ngầm, khe rãnh thậm chí là những nơi phức tạp như mê cung thì việc sử dụng một robot di chuyển thay người là phù hợp nhất và cũng có thể tránh được những tổn thất, rủi ro nguy hiểm cho con người Chúng ta có nhiều loại robot khác nhau từ mục đích hoạt động như dò đường, tránh vật cản, tìm đường trong mê cung, robot tự hành trên sao hỏa, robot hàn được điều khiển từ xa… tới những loại cơ cấu di chuyển bằng chân, di chuyển bằng bánh xe, bánh xích, bay ,phản lực…

Trong phạm vi đề xuất nghiên cứu của nhóm thì nhóm tập trung tìm hiểu về robot có khả năng bám tường, tránh vật cản và di chuyển bằng cơ cấu bánh xe vì đây là loại robot đơn giản nhất và dễ thực hiện hơn cả

Hình 1.1 và hình 1.2 cho chúng ta thấy một số ứng dụng của robot trong thực tiễn.

Hình 1.1: Robot thám hiểm sao hỏa

chống nhiễu, kích thước nhỏ gọn, tiết kiệm công suất nên rất phù hợp với những robot di động liên tục, hoặc phải hoạt động xuyên xuốt trong một thời gian dài Vi điều khiển thường được hàn trong một modul như một khối xử lý trung tâm được minh họa trong hình 1.3 dưới đây

Hình 1.3: Modul xử lý trung tâm dùng vi điều khiển

1.2 MỤC TIÊU ĐỀ TÀI

Chúng em với mong muốn thiết kế và thi công một robot có kích thước nhỏ gọn,

có thể chạy qua qua những khe có khoảng cách nhỏ hơn 40cm Robot có thể chạy bám tường ở một khoảng cách cố định và bám tường sai lệch khoảng 3cm Robot có thể dò khoảng cách và phát hiện vật cản từ hai hướng, tự động chuyển hướng nếu phía trước

có vật cản Robot có 1 nút nhấn sử dụng cho 2 chế độ bám tường bên trái hoặc bám tường bên phải

Tuy nhiên vì thời gian thực hiện có hạn nên robot vẫn còn nhiều mặt hạn chế như không thể di chuyển trên các địa hình gồ ghề hay di chuyển trên mặt nước, khả năng bám tường chưa cao do cảm biến dễ bị nhiễu tác động từ môi trường Robot chỉ có thể

di chuyển trên mặt đất, không có khả năng định vị trí và gửi về máy tính, tốc độ di chuyển của robot chậm và cố định, không có khả năng tùy biến tốc độ cũng như không thể điều khiển từ xa

1.3 NỘI DUNG ĐỀ TÀI

Chương 1: Tổng quan, ứng dụng robot trong sự phát triển của khoa học kỹ thuật, mục tiêu đặt ra để thiết kế robot, những hạn chế, nội dung và kế hoạch thực hiện.

Chương 2: Giới thiệu về các loại cơ cấu di chuyển, cảm biến, động cơ, vi xử lý… và nêu những loại sử dụng trong đồ án này.

Chương 3: Trình bày nội dung phần thiết kế phần cứng như khung xe, lắp ráp động cơ…

Chương 4: trình bày nội dung phần thiết kế lưu đồ giải thuật, xử lý ngắt, điều chế xung điều khiển động cơ.

Chương 5: báo cáo kết quả thực hiện được

Chương 6: kết luận, hướng phát triển trong tương lai.

2 CHƯƠNG 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT2.1 CƠ CẤU DI CHUYỂN

2.1.1 Cơ cấu di chuyển bằng bánh xe

Robot sử dụng cơ cấu di chuyển bằng bánh xe phù hợp cho địa hình bằng phẳng, ít gò ghề, xe gồm có 3 bánh sử dụng 2 động cơ cho 2 bánh xe sau và 1 bánh đa hướng dùng để di chuyển xoay xe khi chuyển hướng sang trái hoặc phải, 2 bánh xe sau

sử dụng mỗi bánh 1 động cơ riêng thuận lợi trong viêc điều khiển từng bánh giúp robot dễ dàng chuyển hướng sang trái hoặc phải, đây cũng là cơ cấu được sử dụng trong đồ án này vì sự linh hoạt, dễ điều khiển cũng như giá thành thấp của chúng

Hình 2.1: Robot gắp sản phẩm

2.1.2 Cơ cấu di chuyển dùng chân

Robot có cơ cấu di chuyển bằng chân phù hợp với địa hình không bằng phẳng, chủ yếu ở những địa hình dốc, gồ ghề như bậc thang Robot di chuyển bằng chân thường sử dụng 6 chân hoặc nhiều hơn, robot sử dụng với số chân càng ít thì khả năng giữ thăng bằng càng khó, đây cũng là loại cơ cấu phức tạp nhất, khó lập trình và liên quan nhiều tới lĩnh vực cơ khí

Robot này có những ưu điểm là có thể di chuyển trên hầu hết các dạng bề mặt địa hình nhưng nhược điểm của robot là lắp ráp cơ khí và điện tử khó , chi phí thường rất cao, pin và năng lượng là yêu cầu khó trong việc robot di chuyển lâu dài

Hình 2.2 cho chúng ta thấy một robot nhện với cơ cấu di chuyển bằng 6 chân

Hình 2.2: Robot nhện

2.1.3 Cơ cấu di chuyển bằng bánh xích

Cơ cấu di chuyển dùng bánh xích thường được sử dụng trong những thiết bi như máy kéo do cơ cấu có khả năng thích nghi với địa hình và có khả năng kéo cao, đồng thời có thể giảm tính trượt nên có khả năng di chuyển trên địa hình tốt

Cơ cấu di chuyển này có khả năng giảm tính trượt trên bề mặt tiếp xúc của bánh xích, giúp robot phân bố đều trọng lượng, hoạt động lính hoạt với nhiều bề mặt, địa hình khác nhau nhưng thường gây tổn hại bề mặt di chuyển, lắp ráp cơ khí phức tạp, hạn chế về số lượng động cơ có thể sử dụng

Dưới đây là một robot gắp với cơ cấu di chuyển bằng bánh xích như hình 2.3

Hình 2.3: Robot sử dụng cơ cấu di chuyển bánh xich (Talon Robot)

2.2 CẢM BIẾN

2.2.1 Giới thiệu các loại cảm biến

Robot tránh vật cản không thể thiếu các cảm biến, đây là thành phần tương đối quan trọng của robot vì việc sử dụng các loại cảm biến giúp robot có thể nhận biết môi trường xung quanh và từ đó đưa ra những quyết định cho cơ cấu chấp hành Hiện nay, trên thị trường có nhiều loại cảm biến như cảm biến hồng ngoại, cảm biến siêu âm, cảm biến laser Những loại cảm biến này có chức năng đo được khoảng cách từ cảm biến đến vật cản, dò đường đi, từ đó có thể phát triển lên để tránh vật cản trên đường đi cho robot.

Cảm biến laser dùng để đo khoảng cách từ cảm biến tới vật tương đối lớn Cảm

biến đo khoảng cách dựa trên thời gian T từ khi phát trùm tia đến khi nhận được trùm sóng phản xạ Cảm biến này dễ lắp đặt nhưng giá thành cao và độ chính xác không cao.

Cảm biến hồng ngoài có các loại như D80NK, cảm biến hồng ngoại này dùng ánh sáng hồng ngoại để xác định khoảng cách tới vật cản cảm biến có thể chỉnh khoảng cách mong muốn thông qua biến trở Cảm biến loại này có giá thành rẻ, dễ lắp đặt tuy nhiên khả năng chống nhiễu không cao và tầm đo hạn chế

Cảm biến siêu âm có khả năng phát sóng siêu âm ra ngoài không gian và nhận sóng siêu âm trả về khi phát hiện có vật cản phía trước, từ đó có thể đo được khoảng cách từ cảm biến tới vật cản Cảm biến này có giá thành tương đối

rẻ tuy nhiên cảm biến dễ bi ảnh hưởng của nhiễu khi đo các vật có khoảng cách

xa Đây cũng là cảm biến chính được sử dụng trong đề xuất nghiên cứu này.

2.2.2 Cảm biến siêu âm HC-SR04

Cảm biến siêu âm SRF04 là một modul được thiết kế sẵn có khả năng phát ra sóng siêu âm ra ngoài không gian và nhận sóng siêu âm trả về khi phát hiện có vật cản phía trước, khoảng cách trả về là một xung mức cao có độ rông xung tối đa 30ms.

Hình 2.5 cho thấy hình ảnh thực tế và các chân kết nối của cảm biến siêu

âm HC-SR04

Hình 2.5: Cảm biến HC-SR04 Theo như hình 2.5, thứ tự và chức năng các chân từ trái qua như sau:

1-VCC: Chân cung cấp nguồn 5V cho cảm biến hoạt động.

2-Trigger: Chân phát một xung ngắn lớn hơn 10us kích cảm biến hoạt động 3-Echo: Chân xuất tín hiệu ra khi có sóng siêu âm phản hồi về.

4-GND: Chân mass nối 0v.

2.2.3 Nguyên lý hoạt động của cảm biến siêu

âm HC-SR04

Khi vi xử lý kích một xung đơn có độ rộng lớn hơn 10us vào chân trigger của cảm biến thì SRF04 sẽ phát ra liên tiếp 8 xung vuông có tần số 40Khz ra ngoài môi trường đồng thời chân echo của cảm biến siêu âm được kéo lên mức cao Cảm biến sẽ đợi xung trả về, nếu phía trước có vật cản, cảm biến sẽ nhận các xung trả về, khi đó nó sẽ kéo chân echo xuống mức thấp, nếu không có xung trả về thì 30ms tự động nó sẽ kéo chân echo xuống mức thấp Khoảng cách đo được chính là khỏang thời gian chân echo còn ở mức cao.

Giản đồ thời thời gian hoạt động của cảm biến siêu âm HC-SH04 được

mô tả trong hình 2.6 dưới đây

Hình 2.6: Giản đồ thời gian của SRF04

2.3 ĐỘNG CƠ

2.3.1 Giới thiệu

Có nhiều loại động cơ được sử dụng rộng rãi hiện nay trong việc điều khiển robot như động cơ DC, động cơ AC, động cơ bước, động cơ servo… Tuy nhiên trong việc điều khiển mobile robot di chuyển bằng cơ cấu bánh xe thì động cơ DC được sử dụng rộng rãi vì tính phổ biến, dễ tìm kiếm trên thị trường, giá thành rẻ với đa dạng các loại động cơ có công suất nhỏ, có thể sử dụng trực tiếp nguồn điện DC được cung cấp từ pin, tốc độ tương đối nhanh.

Hình 2.7 là hình ảnh của động cơ DC có hộp số được sử dụng rộng rãi cho các mobile robot

Hình 2.7: Động cơ DC có hộp số

2.3.1.1 Phương pháp điều chế độ rộng xung (PWM)

Phương pháp điều xung PWM (Pulse Width Modulation) là phương pháp điều chỉnh điện áp ra tải, hay nói cách khác, là phương pháp điều chế dựa trên sự thay đổi độ rộng của chuỗi xung vuông, từ đó dẫn đến sự thay đổi điện áp ra Các PWM khi biến đổi thì có cùng 1 tần số và khác nhau về độ rộng của sườn dương hay sườn âm.

PWM thường được tạo ra bằng cách so sánh giữa tín hiệu răng cưa (saw signal ) với tín hiệu DC (DC signal) từ đó với tạo ra những xung vuông có độ rộng chu kì lớn nhỏ khác nhau Các chu kì này phụ thuộc vào chu kì của tín hiệu sóng răng cưa, còn tín hiệu DC có vai trò trong việc xác định mức công suất điều chế Phương pháp điều chế này thường được tạo ra bằng các IC chuyên dụng như NE555.

Cách thức điều chế được biểu diễn như trong hình 2.8 dưới đây:

Hình 2.8: Phương pháp điều chế PWM Đây là phương pháp được sử dụng rộng rãi trong việc điều khiển tốc độ động

cơ nhanh, chậm, thuận, nghịch và thường được sử dụng nhiều nhất với động cơ DC

có công suất nhỏ và vừa.

Hình 2.8 bên dưới mô tả các mức duty (độ rộng xung) khác nhau với mức điện áp 12V

Hình 2.9: Giản đồ xung PWM

2.3.1.2 Nguyên lý mạch cầu H

Mạch cầu H có vai trò quan trọng trong việc điều khiển tốc độ và chiều quay của động cơ, giúp cho robot có thể di chuyển tới lui, xoay trái phải một cách linh hoạt hơn Đồng thời, mạch cầu H có khả năng điều chỉnh tốc độ để từ đó có thể sử dụng thuật toán PID trong việc hiệu chỉnh robot bám tường một cách tự động

Nguyên lý hoạt động đơn giản nhất của mạch cầu H thường được biểu diễn bằng sự đóng ngắt của các công tắc hoặc có thể được thay thế bằng các transistor để tạo ra các chiều dòng điện đi theo 2 hướng khác nhau vào động cơ, từ đó làm động cơ

Hình 2.10: Nguyên lý của cầu HVới các mạch cầu H có công suất lớn thì người ta thường không sử dụng các transistor để kích dẫn các chiều của dòng điện mà được thay thế bằng các mosfet và các relay Mosfet có nhiệm vụ nhận xung PWM từ bên ngoài từ đó điều chỉnh tốc độ động cơ với chu kỳ duty mong muốn Relay được sử dụng để đảo chiều động cơ thuận nghịch

Nguyên lý của mạch cầu H dùng Mosfet và relay như hình 2.11

Hình 2.11: Nguyên lý mạch cầu H dùng relay và mosfetCách thức của mạch hoạt động như sau Ban đầu khi chưa cấp điện cho cuộn dây relay thì xung PWM được đưa vào mosfet với một mức duty nào đó đồng thời relay hoạt động ở trạng thái 7-5 và 2-4 Dòng điện từ nguồn đi qua 4, qua 2 của relay tới vị trí 1 của động cơ, vào động cơ rồi về vị trị 2 của động cơ rồi về vị trí 7-5 của relay rồi về nguồn => động cơ lúc này chạy thuận Khi cấp điện cho relay hoạt động, relay chuyển sang vị trí 7-6 và 2-3, nguồn lúc này đi qua vi trí 6-7 của relay tới vị trí 2 của động cơ vào động cơ rồi về 1 về 2-3 => động cơ lúc này chạy nghịch

Hình 2.12 dưới đây là hình ảnh thực tế của ic công suất có chứa 2 cầu H

Hình 2.12: IC L298

L298 gồm có 15 chân kết nối như hình 2.13

Hình 2.13: Chân kết nốiNguyên lý hoạt động:

Khi chân enable cho phép mức 1, nếu ngõ vào IN1 mức cao và IN2 mức thấp, cầu H sẽ cho phép dòng diện chạy từ 1 sang 2, nếu ngõ vào IN1 mức thấp và IN2 mức cao, cầu H sẽ cho dòng điện chạy theo chiều ngược lại từ 2 sang 1 Việc cho phép dòng điện chạy theo chiều thuận hay nghịch sẽ làm cho đầu ra điều khiển động cơ quay thuận hay quay nghịch

Hình 2.14 bên dưới cho thấy nguyên lý bên trong của ic điều khiển động cơ L298

Hình 2.14: Mạch nguyên lý L298

2.4 VI XỬ LÝ

Hiện nay trên thị trường có nhiều loại vi điều khiển như AVR, PIC, STM, Atmel, ARM… Mỗi loại cũng được phân ra nhiều nhóm với những chức năng khác nhau và tốc độ xử lý khác nhau tùy vào giá thành Trong đó dòng vi điều khiển PIC của hãng Microchip là dòng vi điều khiển có giá thành tương đối thấp, tốc độ xử lý trung bình

và đầy đủ những tính năng cần thiết của một vi điều khiển Trong đồ án này nhóm sử dụng vi điều khiển PIC16F887 như hình 2.15

Hình 2.15: Vi điều khiển Pic 16F887

Vi điều khiển Pic 16f887 là dòng vi điều khiển thuộc họ 16f do hãng Microchip sản xuất, đây là dòng vi điều khiển tầm trung có giá thành rẻ nhưng đầy đủ các tính năng cần thiết cho người sử dụng Pic 16f887 sử dụng mức điện

áp từ 2,5-5,5V, hỗ trợ 8Kbyte cho bộ nhớ flash và 256 byte cho bộ nhớ eeprom nội, có khả năng sử dụng thạch anh tạo dao động lên đến 20Mhz, có nhiều nguồn ngắt như ngắt ngoài, ngắt trạng thái portb và các tính năng khác như chế

độ ngủ tiết kiêm năng lượng, chế độ watchdog time, bảo vệ code, có 2 bộ modul PWM dùng để điều chế độ rộng xung…

Ở trạng thái chờ, Pic tiêu tốn dòng 50nA, điện áp 5V.

Ở trạng thái hoạt động, Pic tiêu tốn dòng 220uA, điện áp 5V.

2.5 LCD

Để tương tác giữa người với vi điều khiển thì cần đến sự hiện thị cho phép con người quan sát kết quả của robot cũng như diễn biến quá trình hoạt động của robot một cách rõ ràng hơn từ đó có thể sửa chửa điều chỉnh robot theo như mong muốn

Có nhiều phương pháp hiện thị như led đơn, led 7 đoạn, lcd, graphic lcd, led ma trận Trong đó, lcd là phương pháp hiện thị đơn giản va trực quan hơn cả.

Trong đề xuất này, chúng em sử dụng character lcd 16x2, đây là loại lcd tinh thể lỏng, có kích thước nhỏ gọn sử dụng chip HD44780U có khả năng hiện thị các ký tự hoặc số trong bảng mã ASCII Lcd này thường được chia thành các ô riêng biệt, mỗi

ô sẽ hiện thị được một ký tự bất kỳ Cấu tạo của mỗi ô gồm 5x10 điểm, điều khiển ẩn hiển các ô này sẽ tạo ra các ký tự như mong muốn

Hình 2.16 là hình dạng thực tế của character LCD 16x2.

Hình 2.16: Character LCD 16x2

3 CHƯƠNG 3: THIẾT KẾ PHẦN CỨNG3.1 YÊU CẦU PHẦN CỨNG

Robot chạy với vận tốc trung bình Robot có khả năng chuyển hướng sang trái phải một cách linh hoạt đồng thời robot sử dụng LCD 16x2 để hiện thị một vài thông

số trong quá trình hoạt động Thời gian làm việc liên tục của robot có thể đạt được là 4 tiếng Robot sử dụng 5 cảm biến bao gồm 1 cảm biến phía trước và 2 cảm biến 2 bên trái phải để đảm bảo có khả năng tránh vật cản từ nhiều hướng Hai bánh xe sau to có ruột rỗng giúp xe có khả năng di chuyển trên địa hình bằng phẳng một cách thuận lợi hơn

3.2 SƠ ĐỒ KẾT NỐI

Robot bao gồm một khối xử lý trung tâm có nhiệm vụ đọc các tín hiệu từ các cảm biến dò khoảng cách từ đó xuất ngõ ra tương ứng điều khiển động cơ và hiện thị

Hình 3.1: Sơ đồ khốiHình 3.2 dưới đây là sơ đồ kết nối của khối điều khiển trung tâm có nhiệm xử

lý toàn bộ tín hiệu đọc về từ cảm biến, điều chế PWM cho động cơ, sử dụng thuật toán PID để điều khiển robot bám tường, tránh vật cản, khối này bao gồm vi điều khiển PIC16F887, cổng nạp ICSP cho chip, mạch dao động dùng thạch anh 16Mhz, Khối này còn sử dụng thêm nút nhấn nguồn và các led báo hiệu

Hình 3.2: Khối xử lý trung tâm và nguồnHình 3.3 mô tả kết nối các cảm biến siêu âm với vi điểu khiển Chân 1 của tất

cả cảm biến đều được kết nối lên nguồn 5V, chân 4 của tất cả cảm biến được nối với GND 0v Các chân trigger của cảm cảm biến được nối vào PORTA của vi điều khiển

từ A0 tới A5 Các chân echo được nối vào PORTB của vi điều khiển từ B0 tới B5 Đây

Khối hiện thị

ra LCD 16x2