báo cáo thiết kế robot dò đường

báo cáo thiết kế robot dò đường

LỜI NÓI ĐẦU

Trong thời gian gần đây, những đề tài về robot xuất hiện thường xuyên trên Tivi Điều đó cho thấy rằng con người ngày càng quan tâm nhiều hơn đến robot, nhưng lại có rất ít cơ hội để họ có thể tự mình chế tạo ra những con robot Bài báo cáo này sẽ sử dụng robot dò đường với việc sử dụng cả ba yếu tố để tạo ra một robot

“cảm biến”, “ xử lý vi tính “, “ kiểm soát điều khiển chuyển động “ Robot mà cấu tạo càng đơn giản thì càng dễ hiểu được cái nguyên tắc hoạt động của trương trình cũng như hiểu được bố trí của mạch điện, chính vì vậy cũng sẽ nắm được cái nguyên tắc chung của thiết bị mà đang sử dụng trong mạch đó Mục đích của báo cáo này chúng em sẽ tìm hiểu sâu hơn về cơ chế hoạt động của robot,tạo ra một con robot, mạch điện cũng như viết và phát hiện lỗi của chương trình điều khiển để có thể điều khiển robot

Chúng em gửi lời cảm ơn chân thành tới Thầy đã góp ý, giải đáp thắc mắc, hướng dẫn chi tiết, tận tình cho nhóm, qua đó đã giúp cho chúng em hiểu thêm rất nhiều điều và hoàn thành đề tài này

Hà Nội, 06/2013

MỤC LỤC

LỜI NÓI ĐẦU 1

MỤC LỤC 2

CHƯƠNG 1 GIỚI THIỆU ROBOT DÒ ĐƯỜNG 3

1.1 Giới thiệu 3

1.2 Các thành phần chính của robot 3

CHƯƠNG 2 CẤU TRÚC ROBOT VÀ LẮP RÁP 5

2.1 Sơ đồ nguyên lí, mạch in và danh sách linh kiện 5

2.2 Thiết kế khung xe và động cơ 7

2.3 Lắp ráp 9

CHƯƠNG 3 XÂY DỰNG CHƯƠNG TRÌNH VỚI PIC16F84A 10

3.1 Thiết lập các cổng với PIC16F84A 10

3.2 Lập trình với ngôn ngữ C 11

3.2.1 Ngôn ngữ C 11

3.2.2 Led nhấp nháy và nút bấm 12

3.3 Phát hiện đường đi bằng cảm biến 17

3.4 Điều khiển động cơ 19

3.4.2 Điều khiển tốc độ động cơ 22

3.5 Dò đường 22

3.6 CODE 27

KẾT LUẬN 31

CHƯƠNG 1 GIỚI THIỆU ROBOT DÒ ĐƯỜNG

1.1 Giới thiệu

Robot tự hành hay robot di động (mobile robots, thường được gọi tắt là mobots) được định nghĩa là một loại xe robot có khả năng tự dịch chuyển, tự vận động (có thể lập trình lại được) dưới sự điền khiển tự động để thực hiện thành công công việc được giao

Tiềm năng ứng dụng của robot tự hành hết sức rộng lớn: robot vận chuyển vật liệu, hàng hóa trong các tòa nhà, nhà máy, cửa hàng, sân bay và thư viện; robot phục

vụ quét dọn đường phố; robot kiểm tra trong môi trường nguy hiểm; robot canh gác,

do thám; robot khám phá không gian, di chuyển trên hành tinh; robot xe lăn phục vụ người khuyết tật; robot phục vụ sinh hoạt gia đình v.v

Cùng với sự phát triển mạnh mẽ của các hệ thống tự động hóa, robot tự hành ngày một được hoàn thiện và càng cho thấy lợi ích của nó trong công nghiệp và sinh hoạt Một vấn đề được quan tâm khi nghiên cứu về robot tự hành là làm thế nào để robot biết được vị trí đang đứng và có thể di chuyển tới 1 vị trí xác định, đồng thời có thể tự động tránh được các chướng ngại vật trên đường đi Vì vậy, việc chế tạo thành công đề tài này sẽ mở ra 1 hướng tiếp cận mới và góp phần thúc đẩy việc ứng dụng của robot ngày càng nhiều vào trong đời sống hàng ngày và trong nghiên cứu chế tạo

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 Bài toán tìm đường của robot tự hành cũng không phải là loại bài toán đơn giản như nhiều người nghĩ lúc ban đầu

Trong đề tài này, bài toán tìm đường sẽ được giải quyết ở mức độ không quá phức tạp: dò đường theo đường vạch sẵn

1.2 Các thành phần chính của robot

3) Động cơ 2 động cơ DC công suất nhỏ

Hình 1.1 Robot dò đường

CHƯƠNG 2 CẤU TRÚC ROBOT VÀ LẮP RÁP

2.1 Sơ đồ nguyên lí, mạch in và danh sách linh kiện

Hình 2.2 Xắp xếp vị trí linh kiện

Đi dây và đổ đồng

Hình 2.3 Mạch in

Hình 2 4 Khung xe

Hình 2.5 Khung xe và động cơ

Hình 2.6 Vị trí bắt ốc

2.3 Lắp ráp

Tiến hành hàn linh kiện vào mạch ta đƣợc:

Hình 2.7 Mạch robot

CHƯƠNG 3 XÂY DỰNG CHƯƠNG TRÌNH VỚI PIC16F84A

Dùng phầm mềm MPLAB X IDE 1.6 lập trình với ngôn ngữ C, biên dịch bằng HI-TECH PICC (v9.83)

Tìm hiểu và thực hành với PIC16F84A, LM324, mở transistor…

3.1 Thiết lập các cổng với PIC16F84A

R sensor M sensor L sensor S-I

R sensor M sensor L sensor Dịch

Bảng 4.3 Điều khiển động cơ theo cảm biến đầu vào

Right sensor B2

Middle sensor B1

Lefeft sensor B0

Bảng 4.4 Điều khiển động cơ theo mức logic

L motor Right motor Control logic

assembly

Sự phát triển của một chương trình trong ngôn ngữ C được hoàn thiện trong những bước sau Trước tiên, ngôn ngữ C được tạo ra bằng việc sử dụng một bản soạn thảo với máy tính cá nhân Sau đó ngôn ngữ C được biến đổi thành mã khiến máy tính hiểu được

Hình 3.1 Cấu trúc chương trình ngôn ngữ C

3.2.2 Led nhấp nháy và nút bấm

a Đèn LED nhấp nháy:

(a) khi điện thế cao (5v) đầu ra từ PORT , LED sẽ bật lên (b) khi điện thế thấp (0v) đầu ra từ PORT , LED sẽ tắt

Để đầu ra có điện thế cao (5v) , thiết lập giá trị “1” cho PORT :

Để đầu ra có điện thế thấp (0V) , thiết lập “1” cho PORT

 Mô tả chương trình đèn LED nhấp nháy

(1) Tất cả các LED nhấp nháy 5s 1 lần

Bên dưới là chương trình để điều khiển 3 đèn LED kết nối tới bit 3, bit 4,

và bit 5 của PORT B Khi chương trình được thực hiện , tất cả các đèn LED đều bật và tắt mỗi 5s

LED (PORT B) tất cả LED bật

LED (PORT B) tất cả LED tắt

(Tất cả LED đều tắt ) PORTB =0x00;

(Tất cả LED đều tắt ) PORTB =0x38;

{

TRISA = 0xFC; /* A0,1:output, 2,3,4:input */

TRISB = 0xC7; /* B0,1,2:input, B3,4,5:LED output, other bits input */

while(1){ /* infinite loop */

PORTB=0x00; /* LEDs off */

wait0(50); /* wait time = 0.5 sec */

PORTB=0x38; /* LEDs on */

wait0(50); /* wait time = 0.5 sec */

}

}

TRISA = 0xFC; /* A0,1:output, 2,3,4:input */

TRISB = 0xC7; /* B0,1,2:input, B3,4,5:LED output, other bits input */

Hai dòng code bên trên thiết lập hoạt động làm việc của input/output của PIC’s PORTA và PORTB

Chi tiết hoạt động được thể hiện ở (Hình 3.2) bên dưới

Hình 3.2 Các cổng I/O

Nếu input được định nghĩa như 1 và output được định nghĩa như 0, cấu hình input

và output của PORTA và PORTB đều được thể hiện ở Bảng 4.1a và Bảng 4.1b Cho PORTA , những pin còn lại đều được đặt cho input PORTB tất cả đều được đặt cho input Bên dưới là giá trị cấu hình của mỗi PORT và giá trị tương ứng trong

Hình 3.3 (a) và (b) thể hiện mạch phần cứng và logic để xử lý nút bấm

Trong hình 3.3(a) , khi mà công tắc không được bật, chân IC tương ứng sẽ ở mức điện thế cao (5v) Do đó , giá trị khi mà viết vào trương trình sẽ là “1”

Trong hình 3.4(b) , khi mà công tắc được bấm, chân IC tương ứng sẽ ở mức điện thế thấp (0v) Do đó giá trị được viết vào chương trình sẽ là “0”

Ví dụ:

while(RA4!=0){} // next code

Hình 3.3a Bút bấm

Hình 3.3b Thiết kế nút Start và Reset

3.3 Phát hiện đường đi bằng cảm biến

Chúng em dung cảm biến hồng ngoại, với mạch dò đường cần 3 bộ thu phát, mỗi bộ gồm 1 led phát hồng ngoại và 1 led thu hồng ngoại được đặt sát nhau Chúng

em kết hợp dùng LM324 để mức logic vào PIC16f84a được chính xác và ổn định hơn

LM324 gồm 4 bộ so sánh, mỗi bộ được kết nối theo Hình 3.4 Cổng 2 được

phân áp cố định Khi Led thu hồng ngoại không thu được sóng hồng ngoại của led phát thì áp trên cổng 3 sẽ nhỏ hơn áp trên cổng 2  đầu ra mức 0, led báo tắt Ngược lại, nếu led thu nhận được sóng hồng ngoại thì áp trên cổng 3 lớn hơn áp trên cổng 2 đầu ra mức 1,led báo sáng Các bộ so sánh khác cũng tương tự như vậy

Ta có thể chỉnh độ nhạy của cảm biến bằng cách thay đổi giá trị của biến trở vi chỉnh

Hình 3.4 Khối cảm biến

Hình 3.5 Led báo

Đầu ra của LM324 nối với đầu vào của PIC16F84A

3.4 Điều khiển động cơ

Dùng 2 động cơ 1 chiều công suất nhỏ, đóng mở 2 động cơ bằng transistor TIP

122

3.4.1 Nguyên lí

Trong Hình 3.6 (a), khi điện thế cao (5v) là cổng ra từ PORT, động cơ xoay

Trong Hình 3.6 (b), khi điện thế thấp (0v) là cổng ra từ PORT, động cơ dừng

Khi ở điện thế cao (5v) là cổng ra từ PORT, motor quay, tương đương mức

“1”

Khi ở điên thế thấp (0v) là cổng ra từ PORT, motor dừng quay, tương đương mức “0”

Hình 3.6 Nguyên lí

Sơ đồ thiết kế thực tế:

Hình 3.7 Khối động cơ

 Ví dụ code điều khiển động cơ đơn giản:

if(RB0==1 && RB1==0 && RB2==0){

RB6=1;// motor trai quay

RB7=1;//motor phai quay

}

}

}

3.4.2 Điều khiển tốc độ động cơ

Hình 3.8, khi motor được bật lên và tắt đi lặp lại nhiều lần trong chu kì thời gian

ngắn sẽ được thể hiện như bên phải, mức trung bình dòng điện chảy qua nó sẽ được thể hiện ở bên trái Bởi vậy, sự thay đổi tỷ lệ thời gian bật và tắt theo chu kì, nó có thể điều khiển tốc độ của motor

Hình 3.8 Các trạng thái tốc độ

Với 2 động cơ trái và phải, việc điều khiển tốc độ từng động cơ sẽ giúp xe rẽ trái hoặc rẽ phải Động cơ trái tắt, động cơ phải bật sẽ điều khiển xe rẽ trái và ngược lại Nếu thời gian động cơ trái bật lớn hơn thời gian động cơ phải tắt sẽ điều khiển động cơ rẽ phải với góc cua rộng hơn…

3.5 Dò đường

 Chuyển đổi giữa các trạng thái

Như trong Hình 3.9, trạng thái của robot sẽ thay đổi bởi cảm biến, phải cân

nhắc sự khác biệt giữa các trạng thái của robot để thiết kế chương trình dò đường

(màu trắng, màu trắng, màu trắng) Trạng thái của robot sẽ thay đổi theo hướng của đường đi

Hình 3.9 Chuyển đổi giữa các trạng thái

 Nếu robot không bị nghiêng khỏi đường đi

Hình 3.10 Đi thẳng Như đã được thể hiện trong Hình 3.10, nếu robot không chệch

khỏi đường đi , robot sẽ đi thẳng

 Nếu hơi nghiêng khỏi đường đi

Hình 3.11 Rẽ trái vòng cua nhỏ

Mô tả trường hợp này như mô Hình 3.11 và Hình 3.12 được thể

hiện bên dưới

Mỗi pin RB0,RB1 và RB2 của PORTB được kết nối với 1 cảm biến tương ứng là trái , giữa và phải Nếu sàn là màu trắng, là mức “1” Nếu sàn là màu đen, là mức “0” Khi cảm biến trái , phải và giữa là ( đen, đen ,trắng ) =( 0,0,1), robot hơi nghiêng sang bên phải Như vậy để trở lại đường đi, robot phải rẽ trái c theo vòng cung bán kính lớn bằng việc làm giảm động cơ bên trái

Hình 3.12 Chu trình rẽ trái

 Nếu robot từ từ rẽ phải

Hình 3.13 Rẽ trái vòng cua lớn

Mô tả của trường hợp này như Hình 3.13 và Hình 3.14 đều được

thể hiện bên dưới

Mỗi RB0, RB1 và RB2 là PORT kết nối với cảm biến trái, phải ,

và giữa Nếu sàn là màu trắng, là mức “1” Nếu sàn là màu đen, là mức

“0” Khi mỗi cảm biến trái, phải và giữa phát hiện ( đen, trắng ,trắng ) =( 0,1,1), robot nghiêng nhiều sang bên phải Sau đó để trở về đường đi , robot phải rẽ trái dọc theo vòng cung bán kính lớn bằng việc làm giảm động cơ bên trái

Hình 3.14 Chu trình rẽ trái vòng cua lớn

 Nếu robot đi chệch hẳn khỏi đường đi khi nghiêng quá nhiều sang

bên phải

Hình 3.15 Tìm đường

Mô tả của trường hợp này như Hình 3.15 và Hình 3.16 đều được

thể hiện bên dưới

Mỗi RB0, RB1 và RB2 là PORT kết nối với cảm biến trái, phải,

và giữa Nếu sàn là màu trắng, là mức “1” Nếu sàn là màu đen, là mức

“0” Khi mỗi cảm biến trái , phải và giữa phát hiện ( trắng, trắng ,trắng )

=( 1,1,1), robot rẽ trái lần cuối, robot phải rẽ trái dọc theo vòng cung bán kính lớn bằng việc làm giảm động cơ bên trái

Hình 3.16 Chu trình tìm đường ( trường hợp rẽ trái)

Hình 3.17 Sơ đồ thuật toán

KẾT LUẬN

Sau một thời gian tìm tòi và tiến hành công việc thiết kế nhóm chúng em đã tạo ra được sản phẩm là robot dò đường như mục tiêu đề ra Mặc dù với nhiều tính năng chưa được tối ưu như: khả năng vận hành chưa được linh hoạt, chưa xử lý được các đoạn đường phức tạp, giới hạn về tốc độ di chuyển…nhưng nó cũng đáp ứng được đúng chức năng của nó (dò đường và di chuyển ) ở mức độ đơn giản Trong quá trình làm Project 2, chúng em được sự hướng dẫn rất tận tình của T.S Lê Dũng Thầy đã hướng dẫn cho chúng em cách tiến hành làm đề tài và hướng

đi đúng cho đề tài

Đồ án 2 đã cho chúng em cơ hội trao đổi và học hỏi thêm cách làm việc theo nhóm hiệu quả, biết thêm về lập trình, vi điều khiển…nhưng bên cạnh đó chúng em cũng gặp phải không ít khó khăn và hạn chế trong công việc: giới hạn về khả năng lập trình, kiến thức còn hạn hẹp về PIC…

Cuối cùng chúng em chân thành cảm ơn Viện Điện tử- viễn thông đã cho chúng em cơ hội học và tiến hành làm Đồ án 2, cùng sự hướng dẫn hết sức nhiệt tình và tận tâm của T.S Lê Dũng - người đã theo chúng em trong suốt môn học và

đã giúp chúng em hoàn thành đề tài của mình