Xây dựng robot di động tránh vật cản dựa trên các sensor siêu âm và sensor địa bàn

Xây dựng robot di động tránh vật cản dựa trên các sensor siêu âm và sensor địa bàn

http://www.ebook.edu.vn Khóa luận tốt nghiệp ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI TRƯỜNG ĐẠI HỌC CƠNG NGHỆ Bạch Hồng Giang XÂY DỰNG ROBOT DI ĐỘNG TRÁNH VẬT CẢN DỰA TRÊN CÁC SENSOR SIÊU ÂM VÀ SENSOR ĐỊA BÀN KHỐ LUẬN TỐT NGHIỆP ĐẠI HỌC HỆ CHÍNH QUY Ngành: Điện tử - Viễn thơng Cán bộ hướng dẫn: TS. Trần Quang Vinh Đồng hướng dẫn: CN. Phạm Duy Hưng HÀ NỘI – 2005 BẠCH HỒNG GIANG K46ĐC 1 http://www.ebook.edu.vn Khóa luận tốt nghiệp Lời cảm ơn Trước tiên tôi xin chân thành cám ơn Thầy giáo TS.Trần Quang Vinh, cùng Người đồng hướng dẫn cử nhân Phạm Duy Hưng thuộc Khoa Điện Tử- Viễn Thông đã tận tình hướng dẫn tôi tìm hiểu và nghiên cứu khóa luận này. Tôi cũng tỏ lòng biết ơn tới các Thầy, cô giáo trong Trường Đại Học Công Nghệ - Đại Học Quốc Gia Hà Nội đã có công đào tạo, quan tâm, giúp đỡ tôi trong suốt quá trình học tập và hoàn thành khóa luận này. Đồng thời tôi cũng chân cảm ơn các cán bộ trong phòng Robot đã tạo mọi điều kiện cho tôi làm tốt phần thực nghiệm của mình. Cuối cùng, tôi muốn cám ơn tới tất cả bạn bè, gia đình và người thân đã đông viên và giúp đỡ tôi trong quá trình học tập và hoàn thành khóa luận này. Hà nội,ngày 1 tháng 6 năm 2005 Sinh viên BẠCH HOÀNG GIANG K46ĐC 2 http://www.ebook.edu.vn Khóa luận tốt nghiệp TÓM TẮT NỘI DUNG Khóa luận này tập trung nghiên cứu các vấn đề liên quan đến xây dựng một robot di động tránh vật cản dựa trên các sensor siêu âm và sensor địa bàn.Trên cơ sở đó thực hiện nhiệm vụ chính là xây dựng một robot di động giải quyết 3 bài toán điều khiển cơ bản. Robot được xây dựng trong khóa luận này sử dụng vi điều khiển Basic Stamp 2sx, với một hệ sensor bao gồm: Sensor siêu âm và sensor địa bàn. Robot sử dụng motor một chiều được điều khiển thông qua mạch công suất. BẠCH HOÀNG GIANG K46ĐC 3 http://www.ebook.edu.vn Khóa luận tốt nghiệp Mục lục Giới thiệu ………………………………………………………………1 Phần 1: Tổng quan về một số vấn đề liên quan đến xây dựng một robot di động thông minh tự động tránh vật……………………… .2 Chương 1: Sơ lược về lịch sử ra đời và phát triển của robot……….3 1.1. Lịch sử ra đời và phát triển…………………………………3 1.2. Các thế hệ robot…………………………………………….4 1.3. Xu hướng phát triển của robot hiện đại ……………………5 Chương 2: Hệ sensor trong robot…………………………………… 7 2.1. Phân loại sensor…………………………………………….7 2.1.1. Sensor nội ……………………………………………… 7 2.1.2. Sensor ngoại …………………………………………… 7 2.1.3. Sensor khoá ………………………………………………7 2.2. Một số loại sensor thườ ng gặp…………………………… .7 2.2.1. Sensor xác định khoảng cách …………………………….8 2.2.1.1. Phương pháp xác định khoảng cách bằng lượng giác….8 2.2.1.2. Phương pháp xác định khoảng cách bằng đo khoảng cách thời gian truyền song………………………………………………8 2.2.2. Sensor phát hiện vật thể gần…………………………….10 2.2.2.1. Sensor siêu âm……………………………………… .10 Chương 3: Cơ cấu chuyển động trong robot di động………………12 3.1. Phân loại motor điện………………………………………12 3.1.1. Motor một chiều……………………………………… .12 3.1.2. Motor bước…………………………………………… .12 3.2. Các đặc tính của motor……………………………………13 3.2.1. Điện áp sử dụng và dòng tiêu thụ của motor………… .13 3.2.2. Tốc độ cực đạ i của motor…………………… ………13 BẠCH HOÀNG GIANG K46ĐC 4 http://www.ebook.edu.vn Khóa luận tốt nghiệp 3.2.3. Lực xoắn củamotor……………………………………13 3.3. Điều khiển chuyển động của motor …………………….14 3.3.1. Điều khiển motor DC………………………………….14 3.3.2. Điều khiển motor bước…………………………………15 Chương 4: Khảo sát một số loại sensor sử dụng trong robot di động………………………………………………………………… 16 4.1. Sensor hồng ngoại……………………………………… 16 4.1.1. Sensor hồng ngoại sử dụng phát hiện màu đen trắng… 16 4.1.2. Nghiên cứu các sensor hồng ngoại có mặt trên thị trường tích hợp cả bộ thu và phát trên cùng một vỏ………………………… .17 4.2. Sensor siêu âm……………………………………………18 4.2.1. Sensor siêu âm MUST01d…………………………… .18 4.2.2. Sensor siêu âm Devantech SRF04…… .………………20 4.3. Giớ i thiệu về sensor địa bàn CMPS03… ……………….22 Phần 2: Thực nghiệm thiết kế, xây dựng một robot di động tự động tránh vật…………………………………………………… .25 Chương 5: Khảo sát thiết kế bộ điều khiển robot………………… 26 5.1. Chíp vi điều khiển Basic Stamp 2sx…………………… .26 5.2. Giới thiệu về ngôn ngữ BASIC STAMP…………………28 5.2.1 Một số câu lệnh chính trong Basic Stamp………………30 5.3. Mạch điều khiển công suất động cơ…………………… .34 5.4. Kết cấu cơ khí của robot…………………………………36 5.4.1. Sơ đồ thiết kế………………………………………… .36 5.4.2 Các thành phần khác của Robot…………………………37 Chương 6: Robot di động tránh vật cản…………………………….38 6.1. Bài toán điều khiển robot tránh vật cản………………….38 6.2. Các trường hợp của vật cản trên đường đi của robot……38 BẠCH HOÀNG GIANG K46ĐC 5 http://www.ebook.edu.vn Khóa luận tốt nghiệp 6.2.1 Có một vật cản nằm trên đường đi của robot……………38 6.2.2. Trường hợp đặt 2 vật so le nhau……………………… 40 6.2.3. Trường hợp robot lách giữa 2 vật cản………………….41 BẠCH HOÀNG GIANG K46ĐC 6 http://www.ebook.edu.vn Khóa luận tốt nghiệp GIỚI THIỆU Ngành khoa học công nghệ mới, tạo ra các sản phẩm robot và nghiên cứu ứng dụng chính hình thành trong những thập kỷ gần đây được gọi là Robotics. Trong Robotics có hầu hết các vấn để của “cơ-điện tử”. Thuật ngữ “cơ - điện tử “( mechatronics) thể hiện sự kết hợp giữa cơ học máy và điều khiển điện tử . Đồng thời sự phát triển của mechatronics cũng được phản ánh trong khoa học công nghệ robot. Một trong những tiêu chí đặc trưng cho robot là khả năng “lập trình được “(programable). Muốn có khả năng đó robot phải dùng đến máy tính hoặc các thiết bị khác có chức năng tương tự. Máy tính có vai trò như bộ não của robot. Ngày nay sự cải thiện của tốc độ máy tính đã tạo ra những bước trưởng thành đáng kể cho robot trong t ừng giai đoạn phát triển và đang mở ra những triển vọng trở thành những robot thông minh nhờ khả năng xử lý rất nhanh của bộ điều khiển dùng máy tính.Tuy nhiên khả năng hiện thực của robot này không chỉ phụ thuộc vào bộ điều khiển mà còn ở khả năng nhận biết của các “cơ cấu cảm nhận” và khả năng phản ứng kịp thờ i của cơ cấu “chân tay” chấp hành. Robot ngày càng đóng vai trò quan trọng trong công nghiệp và cuộc sống hàng ngày. Chúng sẽ thực hiện những công việc rất nhàm chán hoặc nguy hiểm, những công việc mà tốc độ và độ chính xác vượt quá khả năng của con người. Bản khoá luận này đề cập đến vấn đề xây dựng một robot di động tránh vật cản dựa trên các sensor siêu âm và sensor địa bàn. BẠCH HOÀNG GIANG K46ĐC 7 http://www.ebook.edu.vn Khóa luận tốt nghiệp PHẦN MỘT TỔNG QUAN MỘT SỐ VẤN ĐỂ LIÊN QUAN ĐẾN XÂY DỰNGMỘT ROBOT DI ĐỘNG TỰ ĐỘNG TRÁNH VẬT BẠCH HOÀNG GIANG K46ĐC 8 http://www.ebook.edu.vn Khóa luận tốt nghiệp CHƯƠNG 1 SƠ LƯỢC VỀ LỊCH SỬ RA ĐỜI VÀ XU HƯỚNG PHÁT TRIỂN CỦA ROBOT Robot là loại máy có thể lập trình điều khiển tự động bằng máy tính (máy tính ở đây có thể được hiểu là một bộ vi điều khiển hoặc một máy tính PC) để thực hiện các di chuyển, cầm nắm các vật, hoàn thành các công việc dưới tác động của môi trường. Thường robot được sử dụ ng để thực hiện các công việc lặp đi lặp lại, các công việc dễ gây nhàm chán, nó cho các kết quả chính xác, nhanh hơn, rẻ hơn nếu được thực hiện bởi con người. 1.1 Lịch sử ra đời và phát triển Thuật ngữ Robot lần đầu tiên xuất hiện năm 1921 ở Tiệp Khắc trong tác phẩm R.U.R (Rossum’s Universal Robot) của nhà soạn kịch Karel Capek mang ý nghĩa người làm tạp dịch. Kể từ đó thuậ t ngữ này được sử dụng rộng rãi. Khái niệm máy tự động xuất hiện từ lâu với những viễn tưởng về người máy trong cuộc sống. Ngay sau chiến tranh thế giới lần thứ hai, nhiều công trình được bắt đầu tại các phòng thí nghiệm OakRidge và Argome để phát triển các máy cơ khí được điều khiển từ xa nhằm phục vụ trong các phòng thí nghiệm về vật liệu phóng xạ. Các cánh tay này được thiế t kết mô phỏng một cách chính xác sự chuyển động của bàn tay và cánh tay con người. Trong giữa những năm 1950, bên cạnh các cánh tay cơ khí đó đã xuất hiện các cánh tay thuỷ lực và điện từ. Cũng trong những năm này, George C.Devol đã thiết kế một thiết bị có tên là thiết bị vận chuyền có khớp nối được lập trình (programmed artculated transfer device). Đây là một cánh tay máy mà hoạt động của nó có thể được lậ p trình thực hiện một chuỗi các bước chuyển động được xác định trong các câu lệnh trong chương trình. Phát triển xa hơn ý tưởng trên, Devol và Joseph F.Engelberger đã dẫn đường cho các robot công nghiệp đầu tiên được giới thiệu năm 1959 ở công ty Unimation. Thiết bị này sử dụng máy tính liên kết với tay máy nhằm dạy cho nó thực hiện các công việc khác nhau một cách tự động . Khi robot được lập trình đã tạo một sự kỳ lạ và tạo ra sứ c mạnh trong sản xuất, vào năm 1960 như một sự tất yếu, sự linh hoạt của hệ thống robot được nâng cao đáng kể thông qua hệ thống phản hồi từ các sensor. Tiếp đó BẠCH HOÀNG GIANG K46ĐC 9 http://www.ebook.edu.vn Khóa luận tốt nghiệp H.A.Ernst đã công bố sự ra đời và phát triển của bàn tay cơ khí được điều khiển bằng máy tính sử dụng các sensor xúc giác. Đây là sự xuất hiện đầu tiên về robot có khả năng thích ứng với môi trường. Vào cuối những năm 1960, Mc Carthy cùng bạn đồng nghiệp đã công bố sự phát triển của máy tính cùng với camera vô tuyến và microphone. Năm 1968 Pieper đã nghiên cứu những vấn đề động học trong điề u khiền robot bằng máy tính, trong khi đó năm 1971 Kanh và Roth đã phân tích về động lực học và giới hạn điều khiển tay máy. Trong suốt những năm 1970, một số lượng lớn các công trình nghiên cứu đã tập trung vào việc sử dụng các sensor ngoại để tăng sự tiện lợi và linh hoạt cho robot. Vào thời gian này công ty máy tính IBM đã chế tạo ra loại robot có các sensor xúc giác và sensor lực để lắp ráp các máy in gồm 20 cụm chi tiết . Một l ĩnh vực được nhiều phòng thí nghiệm quan tâm là robot tự hành, robot di động. Nhiều công trình nghiên cứu đã thiết kế, xây dựng tạo ra các robot tự hành bắt chước chân người hoặc súc vật. Trong những thập kỷ 80 - 90 do sự phát triển mạnh mẽ của khoa học kỹ thuật, đặc biệt trong lĩnh vực kỹ thuật vi xử lý và công nghệ thông tin, số lượng robot đã gia tăng, giá thành giảm đi rõ rệt, tính năng có nhiều b ước tiến vượt bậc. Ngày nay, chuyên ngành khoa học robot (robotics) đã trở thành một lĩnh vực rộng trong khoa học, bao gồm việc giải quyết các vấn đề về cấu trúc cơ cấu động học, động lực học, lập trình quỹ đạo, cảm biến tín hiệu, điều khiển chuyển động.v.v. 1.2 Các thế hệ robot. Kể từ khi khái niệm robot ra đời, việc thiết kế và chế tạo robot đã trải qua nhiều giai đoạn với nhiều thế hệ khác nhau. Có 5 thế hệ robot ra đời kể từ năm 1960 . Thế hệ thứ nhất: Bao gồm các loại robot hoạt động lặp lại theo một chu trình không thay đổi. Chương trình điều khiển có hai dạng: - Chương trình “cứng”, nghĩa là không thay đổi hoặc không sửa được trừ khi thay đổi phần cứng. BẠCH HOÀNG GIANG K46ĐC 10 [...]... toàn có thể đo được khoảng cách tới vật 2.2.2 Sensor phát hiện vật thể gần (Proximity sensor) Đây là loại sensor được sử dụng để xác định xem có hay không có vật thể nằm trong vùng hoạt động của sensor Các loại sensor phát hiện vật thể gần thường cho lối ra tín hiệu số 2.2.2.1 Sensor siêu âm Loại sensor này phát ra xung siêu âm Nếu tồn tại vật thể trong vùng làm việc của sensor sẽ xuất hiện sóng phản... ngoài như sensor thị giác giúp robot quan sát, sensor xác định khoảng cách giúp robot ước lượng được khoảng cách tới đối tượng, sensor xúc giác giúp robot có cảm giác khi cầm nắm các vật Các sensor này sẽ phản ánh các thông tin môi trường xung quanh tới robot 2.1.3 Sensor khoá Đây là loại sensor được dùng trong các tình huống khẩn cấp để bảo vệ robot Sau đây xin được đề cập đến một số loại sensor thường... ngoài của sensor Nhựa Vỏ bọc kim loại Cáp điện Phần tử áp điện Hình 2.3 : Các thành phần cấu tạo sensor siêu âm BẠCH HOÀNG GIANG K46ĐC 17 http://www.ebook.edu.vn Khóa luận tốt nghiệp CHƯƠNG 3 CƠ CẤU CHUYỂN ĐỘNG TRONG ROBOT DI ĐỘNG Khác với cánh tay máy tại các robot tĩnh, robot di động có cơ cấu chuyển động nhằm đưa bệ máy của toàn hệ thống robot tới một vị trí mong muốn trong không gian hoạt động Cơ... (external sensor) , sensor khoá (interlock sensor) 2.1.1 Sensor nội Được đặt trong bản thân robot, nó sử dụng các thiết bị về cơ khí, điện, điện tử hoặc thuỷ lực để nhận các thông tin phản hồi về vị trí của các bộ phận trên robot Sensor nội có thể đơn giản là các công tắc giới hạn nhưng cũng có thể phức tạp như đĩa lập mã quang dùng để điều khiển motor 2.1.1 Sensor ngoại Sensor ngoại là loại sensor giúp robot. .. Khoảng cách sensor phát hiện được vật từ 1cm-3m với sai số 2% - Góc mở chùm siêu âm phát ra là 150 Cấu trúc của sensor và các chân được mô tả trong hình 4.1 Khi có xung kích, siêu âm phát ra sẽ đập vào vật và phản xạ trở lại, tín hiệu điện thu được ở lối ra của sensor có mức điện áp tỉ lệ với khoảng cách Cụ thể, nếu không có sóng phản xạ điện áp lối ra ở mức cao Ngược lại, có tín hiệu phản xạ tuỳ thuộc vào... khoảng cách được thực hiện thông qua tín hiệu số từ lối ra của sensor Giá trị thu được tỉ lệ với khoảng cách từ sensor tới vật Tuỳ thuộc khoảng cách từ sensor tới vật là bao nhiêu mà xung đó có độ rộng khác nhau Xác định được độ rộng xung này ta sẽ xác định được khoảng cách từ vật tới robot BẠCH HOÀNG GIANG K46ĐC 25 http://www.ebook.edu.vn Khóa luận tốt nghiệp 4.2.2 Sensor siêu âm Devantech SRF04 Siêu âm. .. 1 và bit 2), (bít 3 và bít 4) BẠCH HOÀNG GIANG K46ĐC 21 http://www.ebook.edu.vn Khóa luận tốt nghiệp CHƯƠNG 4 KHẢO SÁT MỘT SỐ LOẠI SENSOR SỬ DỤNG TRONG ROBOT DI ĐỘNG Như đã được nhắc đến, sensor là yếu tố giúp robot thích nghi kịp thời với môi trường xung quanh Trong phần này sẽ đưa ra một số loại sensor có thể sử dụng để dẫn đường cũng như phát hiện vật cản, đo khoảng cách của robot tới vật để tránh. .. thị nguồn và đèn chỉ thị trạng thái tín hiệu ra 4.2 Sensor siêu âm Trên thị trường hiện nay phổ biến hai loại sensor siêu âm trong đó loại thứ nhất bộ thu phát siêu âm được tích hợp với nhau trên cùng một đế Loại thứ hai bộ thu phát được chế tạo độc lập (có một đầu thu và một đầu phát ) Trong khoá luận này nghiên cứu khảo sát cả hai loại sensor kể trên thông qua hai loại mang kí hiệu MUST01a và Devantech... cm) Khoảng cách đo được xác định như sau : Khoảng cách = thời gian kéo dài xung thu được/hệ số chuyển đổi xung nhỏ nhất 10 µ s 10ms trễ giữa 2 xung Lối vào Âm thanh Lối ra 8 chu kì burst Xung ph át hiện vật thể 100 µ s-18ms Hình 4.4: Giản đồ xung thu phát siêu âm SRF04 Trong khoá luận này ngoài việc sử dụng sensor siêu âm đo khoảng cách em còn sử dụng sensor la bàn để đo góc lệch khi robot di chuyển... ) hay D’ = L Như vậy cách này chỉ đo với các giá trị lệch pha θ < 3600 hay với khoảng cách 2D < λ Bên cạnh việc sử dụng đo khoảng cách bằng nguồn phát lazer, trên thực tế người ta còn sử dụng nguồn thu phát siêu âm Chùm xung siêu âm phát ra đập tới bề mặt phản xạ của đối tượng, xung phản xạ được thu ở đầu thu siêu âm có thời gian kéo dài xung tỉ lệ với khoảng cách từ sensor tới vật Nếu đo được khoảng . tập trung nghiên cứu các vấn đề liên quan đến xây dựng một robot di động tránh vật cản dựa trên các sensor siêu âm và sensor địa bàn .Trên cơ sở đó thực. NGHỆ Bạch Hồng Giang XÂY DỰNG ROBOT DI ĐỘNG TRÁNH VẬT CẢN DỰA TRÊN CÁC SENSOR SIÊU ÂM VÀ SENSOR ĐỊA BÀN KHỐ LUẬN TỐT NGHIỆP ĐẠI