Thiết kế MÔ HÌNH HÓA VÀ MÔ PHỎNG HỆ THỐNG Robot được điều khiển từ xa

1.2 Các vấn đề đặt ra Robot được điều khiển từ xa, khả năng mở rộng nhiều. Giá thành vật liệu thấp nhưng vẫn phải đảm bảo chất lượng. Vì robot được điều khiển từ xa(RF) nên khả năng bị nhiễu sóng, phải hạn chế sự nhiễu sóng đó. Tăng tính cơ động cho robot trong nhiều trường hợp có thể cải tiến thêm để tăng sự thích nghi với yêu cầu đặt ra Robot phải cân đối được điều khiển dễ dàng, đòi hỏi thiết kế hệ thống cơ khi phải chính xác, đồng đều.

PHẦN I

Muc Lục

PHẦN I 1

LỜI NÓI ĐẦU 4

PHẦN II 4

CHƯƠNG I: GIỚI THIỆU CHUNG 5

1.1 Giới thiệu chung 5

1.2 Các vấn đề đặt ra 5

1.3 Mục đích nghiên cứu đề tài 5

1.4 Phương pháp nghiên cứu 6

CHƯƠNG II: TỔNG QUAN MOBILE ROBOT ĐIỀU KHIỂN BẰNG SÓNG RF .7

2.1 Giới thiệu điều khiển từ xa 7

2.2 Tổng quan về sóng RF 7

2.2.1 Biên độ và bước sóng 7

2.2.2 Bức xạ điện từ 8

2.2.3 Pha 8

2.4 Mã hóa bit 8

2.4.1 Các phương pháp mã hóa tín hiệu 9

2.4.2 Các dạng mã phổ biến 9

2 5 Giới thiệu về mã Manchester 9

2.6 Linh kiện sử dụng 9

2.6.1 Vi điều khiển PIC 16F877A 10

 Giao tiếp UART trong PIC 16F877A 11

2.6.2 Cơ cấu chấp hành 12

2.6.3 Mạch công suất 13

2.6.4 Modul thu phát RF PT2262 và PT2272 14

2.6.5 LED đơn 17

CHƯƠNG III: MÔ HÌNH HÓA VÀ MÔ PHỎNG HỆ THỐNG 19

3.1 Mô hình hóa hệ thống cơ khí 19

3.1.1 Chi tiết hệ thống 20

3.2 hệ thống điều khiển 24

3.2.1 Chi tiết hệ thống điện điều khiển 24

a, Khối điều khiển trung tâm và hiển thị (KIT 16F877A) 24

3.3 Mô hình hóa hệ thống điều khiển 28

CHƯƠNG IV: TỔNG KẾT VÀ ĐÁNH GIÁ 29

4.1 Đánh giá kết quả đạt được 29

4.2 Hướng phát triển đề tài 29

LỜI NÓI ĐẦU

Thế kỷ 20, thế kỷ của sự phát triển vượt bậc của nhân loại cả về cả kinh tế lẫnkhoa học kỹ thuật Ngày nay, Robot không còn là cái gì đó quá xa lạ với mọi người.Chúng là sự kết tinh những thành tựu to lớn về khoa học kỹ thuật của nhân loại Sảnxuất Robot là nghành công nghiệp trị giá hàng tỉ USD và ngày càng phát triển mạnh.Robot có thể di chuyển với tốc độ và độ chính xác cao để có thể thực hiện những độngtác lặp đi lặp lại như hàn hay sơn Robot cũng được ứng dụng rộng rãi trong các ngànhcông nghiệp, y tế, nghiên cứu khoa học, giải trí và phục vụ đời sống con người Kéotheo đó là những yêu cầu về những thế hệ robot thông minh, linh hoạt có kỹ năng laođộng như con người Trong các họ Robot, chúng ta không thể không nhắc tới loạiMobile Robot với những đặc thù riêng mà các loại Robot khác không có Các tay máy

cố định chỉ hoạt động trong một không gian bị giới hạn quanh vị trí của nó Ngược lại,Mobile Robot có thể di chuyển, do đó nó có không gian làm việc rất lớn Cho đến nay,

nó đã dần khẳng định vai trò không thể thiếu trong nhiều lĩnh vực, thu hút được rấtnhiều sự quan tâm và đầu tư nghiên cứu Mobile Robot cũng có thể phân chia thànhnhiều chủng loại, dựa theo cách thức vận hành ( Mobile Robot dùng bánh, dùng chân,dùng xích)

PHẦN II

CHƯƠNG I: GIỚI THIỆU CHUNG

1.1 Giới thiệu chung

Ngày nay, Robotic đã đạt được những thành tựu to lớn trong nền sản xuấtcôngnghiệp Những cánh tay robot có khả năng làm việc với tốc độ cao, chính xácvà làmtăng năng suất lao động lên nhiều lần Chúng có thể làm việc trong các môi trường độchại như hàn, phun sơn, các nhà máy hạt nhân, hay lắp ráp các linh kiệnđiện tử với độchính xác cao tạo nên các thiết bị tinh vi như điện thoại, máy tính,…Tuy nhiên nhữngrobot này có một hạn chế chung đó là hạn chế về không gian làm việc Không gianlàm việc của chúng bị giới hạn bởi số bậc tự do tay máy và vị trígắn chúng Ngược lại,các Robot tự hành lại có khả năng hoạt động một cách linhhoạt trong các môi trườngkhác nhau Robot tự hành hay robot di động được định nghĩa là loại xe robot có khảnăng tự dịch chuyển, tự hoạt động (có thể lập trình lại được) dưới sự điều khiển tựđộng để thực thi nhiệm vụ Với những cảm biến, chúng có khả năng nhận biết về môitrường xung quanh Robot tự hành ngày càng có nhiều ý nghĩa trong các ngành côngnghiệp, thương mại, y tế, các ứng dụng khoa học và phục vụ đời sống của con người.Với sự phát triển của ngành Robotic, robot tự hành ngày càng có khả năng hoạt độngtrong các môi trường khác nhau, tùy mỗi lĩnh vực áp dụng mà chúng có nhiều loạikhác nhau như robot sơn, robot hàn, robot cắt cỏ, robot thám hiểm đại dương, robotlàm việc ngoài vũ trụ Cùng với các yêu cầu thực tế ngày càng cao,robot tự hành tiếptục đưa ra những thách thức mới cho các nhà nghiên cứu

-Ứng dụng lý thuyết vào thực tiễn nhằm giải quyết một vấn đề cụ thể

-Nâng cao trình độ chuyên môn, cũng như kiến thức của người nghiên cứu

-Rèn luyện thói quen tích cực nghiên cứu, làm việc nghiêm túc trong suy nghĩ và độclập

-Giới thiệu một trong những ứng dụng hay của sóng RF vào thực tiễn

-Trong thời gian thực hiện sẽ xảy ra những khó khăn, điều đó dòi hỏi sinh viên phảirèn luyện tính kiên nhẫn vượt qua khó khăn

1.4 Phương pháp nghiên cứu

Phương pháp thiết kế trải qua các bước sau:

Để hoàn thành đề tài, nhóm đã áp dụng kiến thức chuyên ngành cơ điện tử và kiến thức liên ngành như: Cơ khí, điện-điện tử, công nghệ thông tin và hệ thống điều khiển.Cùng các tài liệu trên mạng internet, tham khảo các đồ án anh chị khóa trước, đặt ra các câu hỏi về các vấn đề đó và trả lời câu hỏi để chọn ra phương án thực hiện tốt nhất

Thiết kế bộphận và chọnphương án tốt

Thiết kế chi tiết

CHƯƠNG II: TỔNG QUAN MOBILE ROBOT ĐIỀU KHIỂN BẰNG SÓNG RF

2.1 Giới thiệu điều khiển từ xa

Ít người biết rằng những chiếc điều khiển trên thế giới được ra đời nhằm mục đíchphục vụ cho chiến tranh Các loại điều khiển từ xa bằng sóng vô tuyến xuất hiện vàochiến tranh thế giới thứ I nhằm hướng dẫn các tàu hải quân Đức đâm vào tàu của ĐồngMinh

Đến chiến tranh thế giới thứ II, điều khiển từ xa dùng để kich nổ những quả bom.Sau chiến tranh, công nghệ tuyệt vời của chúng tiếp tục được cải tiến để phục vụ đắclực trong đời sống con người Và đến nay, có thể nói, gần như ai cũng đã từng sử dụngđiều khiển từ xa để điều khiển một thiết bị nào đó

Ban đầu, người ta dùng điều khiển từ xa sử dụng công nghệ tần số vô tuyếnRF(Radio Frequency) và sau đó bắt đầu ứng dụng công nghệ hồng ngoại IR(InfraredRemote) vào điều khiển từ xa Hiện nay, trong đời sống chúng ta đang sử dụng hai loạiđiều khiển từ xa này

2.2 Tổng quan về sóng RF

Trong một phiên truyền thông, vì tận cùng bản chất của dữ liệu là bao gồm các bit

0 và 1, bên phát dữ liệu cần có một cách thức để gửi các bit 0 và 1 để gửi cho bênnhận Một tín hiệu xoay chiều hay một chiều tự nó sẽ không thực hiện tác vụ này Tuynhiên, nếu một tín hiệu có thay đổi và dao động, dù chỉ một ít, sự thay đổi này sẽ giúpphân biệt bit 0 và bit 1 Lúc đó, dữ liệu cần truyền sẽ có thể gửi và nhận thành côngdựa vào chính sự thay đổi của tín hiệu Dạng tín hiệu đã điều chế này còn được gọi làsóng mang (carrier signal) Có ba thành phần của dạng sóng có thể thay đổi để tạo rasóng mang, đó là biên độ, tần số và pha Tất cả các dạng truyền thông dùng sóng vôtuyến đều dùng vài dạng điều chế để truyền dữ liệu Để mã hóa dữ liệu vào trong mộttín hiệu gửi qua sóng AM/FM, điện thoại di động, truyền hình vệ tinh, ta phải thựchiện một vài kiểu điều chế trong sóng vô tuyến đang truyền

2.2.1 Biên độ và bước sóng

Truyền thông vô tuyến bắt đầu khi các sóng vô tuyến được tạo ra từ một máy phát vàgửi đến máy nhận ở một vị trí khác Sóng vô tuyến tương tự như các cơn sóng mà bạnhay gặp ở biển, hồ, sông, suối Sóng có hai thành phần chính: biên độ và bước sóng

- Biên độ là chiều cao, độ mạnh hoặc công suất của sóng

- Bước sóng là khoảng cách giữa hai điểm tương tự trên hai đỉnh sóng liên tiếp

- Biên độ và tần số cả hai đều là các thuộc tính của sóng

Hình 2.1 Dạng sóng điện từ

2.2.2 Bức xạ điện từ

Đầu tiên ta xét đến sóng điện từ Bức xạ điện từ bao gồm sóng radio, vi ba, hồngngoại, ánh sáng khả kiến, tia cực tím, tia X, và tia gamma Tất cả chúng đều truyền đivới vận tốc ánh sáng là c = 3x108 m/s và tạo ra phổ điện từ Sự khác nhau giữa cácloại sóng điện từ này phụ thuộc vào bước sóng của mỗi thứ và chính cái gọi là bướcsóng này liên quan trực tiếp đến năng lượng của sóng (bước sóng càng nhỏ thì nănglượng càng cao)

2.2.3 Pha

Pha là một thuật ngữ mang tính tương đối Nó chỉ ra mối quan hệ giữa hai sóng cócùng tần số Để xác định pha, bước sóng được chia thành 360 phần, được gọi là độ

2.3 Các phương thức điều chế

Để dữ liệu có thể được truyền, tín hiệu phải được xử lý sao cho bên máy nhận có cách

để phân biệt bit 0 và 1 Phương pháp xử lý tín hiệu sao cho nó tượng trưng cho nhiềumẫu dữ liệu được gọi là điều chế Phương thức này sẽ biến tín hiệu vào trong sóngmang Phương thức này mã hóa dữ liệu sao cho nó có thể truyền Có ba kiểu điều chế:điều biên, điều tần và điều pha

2.4 Mã hóa bit

Mã hóa bit là quá trình chuyển đổi dãy bit (1- 0) sang một tín hiệu thích hợp để có thểtruyền dẫn trong môi trường vật lý Việc chuyển đổi này chính là sử dụng một tham sốthông tin thích hợp để mã hóa dãy bit cần truyền tải Các tham số thông tin có thể đượcchứa đựng trong biên độ, tần số, pha hoặc sườn xung, v.v Sự thích hợp ở đây phảiđược đánh giá dựa theo các yêu cầu kỹ thuật như khả năng chống nhiểu cũng như gâynhiểu, khả năng đồng bộ hóa và triệt tiêu dòng một chiều

2.4.1 Các phương pháp mã hóa tín hiệu

Việc tạo mã để có tín hiệu trên các hệ thống số có thể thực hiện một cách đơn giản làgán một giá trị điện thế cho một trạng thái logic và một giá trị khác cho mức logic cònlại Tuy nhiên để sử dụng mã một cách có hiệu quả, việc tạo mã phải dựa vào một sốtính chất sau.(Phổ tần của tín hiệu, sự đồng bộ, khả năng dò sai, tính miễn nhiễu vàgiao thoa, mức độ phức tạp và giá thành của hệ thống)

2.4.2 Các dạng mã phổ biến

Dưới đây giới thiệu một số dạng mã thông dụng và được sử dụng cho các mục đíchkhác nhau tùy vào các yêu cầu cụ thể về các tính chất nói trên hình

Hình 2.2Các kiểu mã hóa thông dụng

2 5 Giới thiệu về mã Manchester

Mã hóa Manchester là một phương pháp mã hóa các bit dữ liệu sử dụng trong việctruyền các tín hiệu dạng số Đây là phương pháp mã hóa các bit dữ liệu 1,0 thành cácchuổi tín hiệu có mức tín hiệu thay đổi liên tục dù dãy bit dữ liệu là 1 hoặc 0 liên tiếp

Do đó, ưu điểm của mã hóa Manchester là dễ dàng tạo sự tự đồng bộ giữa bên phát vàbên nhận Trong lĩnh vực truyền thông điều khiển sử dụng vi điều khiển, mãManchester dễ thực hiện để lập trình cùng với khả năng phát hiện lỗi khi phát hiện có

vi phạm mã Đây là phương pháp sử dụng rộng rãi trong lĩnh vực truyền thông vôtuyến, hữu tuyến, Ethernet,…

2.6 Linh kiện sử dụng

2.6.1 Vi điều khiển PIC 16F877A

Hình 2.3Sơ đồ chân VĐK Pic16F877A

Dựa trên yêu cầu về chức năng và tốc độ xử lí nhóm đã lựa chon vi điều khiển PIC 16F877A của hãng Microchip sản xuất, với một số chức năng và thông số cơ bản sau:

- Sử dụng công nghệ tích hợp RISC CPU

- Người sử dụng có thể lập trình với 35 câu lệnh cơ bản

- Tất cả câu lệnh thực hiện trong một chu kỳ lệnh, ngoại trừ một số câu lệnh rẽnhánh thực hiện trong 2 chu kỳ lệnh

- Tốc độ hoạt động xung đồng hồ là 20MHZ

- Bộ nhớ hoạt động là flash 8k x14 words

- Bộ nhớ RAM 368x8 bytes

- Bộ nhớ EFPROM 256x8 bytes

- Khả năng ngắt lên đến 14 ngắt trong và ngắt ngoài

- Ngăn nhớ Stack được phân chia làm 8 mức

- Truy cập bộ nhớ bằng địa chỉ trực tiếp hoặc gián tiếp

- Nguồn khởi động (POR)

- Bộ tạo xung (PWRT) và bộ tạo dao động (OST)

- Bộ đếm thời gian (WDT) với nguồn dao động trên chíp (nguồn dao động RC)hoạt động đáng tin cậy

- Có mã chương trình bảo vệ.

- Phương thức cất giữ SLEEP

- Có bảng lựa chọn dao động

- Công nghệ CMOS FLASH/EFPRO nguồn mức thấp tốc độ cao

- Thiết kế hoàn toàn tĩnh

- Mạch chương trình nối tiếp có 2 chân

- Mạch xử lý đọc ghi tới bộ nhớ chương trình

- Dải điện thế hoạt động 2.0 đến 5.5V

- Nguồn điện sử dụng 25mA

- Dãy nhiệt độ công nghiệp và thuận lợi

- Công suất tiêu thụ thấp

- TIMER0: 8 bits của bộ định thời, bộ đếm với hệ số tỉ lệ trước

- TIMER1: 16 bits của bộ định thời, bộ đếm với hệ số tỉ lệ trước, có khả năngtăng trong khi ở chế độ sleep qua xung đồng hồ được cung cấp bên ngoài

- TIMER2: 8 bits của bộ định thời, bộ đếm với 8 bits của hệ số tỉ lệ trước, hệ số

- VDD: Là điện áp cấp nguồn cho vi điều khiển, nguồn điện cấp là 5V

- GND: Là chân nối mass khi sử dụng cần thiết kế một mạch ổn áp để bảo vệcho vi điều khiển , thường sử dụng IC ổn áp 7805

- PORTA: Có 6 pin từ chân 2 đến chân 7

- PORTB: Có 8 chân từ 34 đến 40, ngoài chức năng làm cổng xuất nhập còn cóthêm một số chức năng phụ khác

- PORTC, PORTE: Tương tự như PORTB

- Chân Reset (MCLR): Ngõ vào ở chân 1 dùng để thiết lập điều kiện đầu choviđiều khiển

- OSC1, OSC2: Hai chân này được sử dụng để nhận nguồn xung clock từbênngoài cụ thể là từ thạch anh dao động

- Các chân RC3, RC4 dùng để kết I2C

- Các chân RC6, RC7 là chân kết nối RS232

 Giao tiếp UART trong PIC 16F877A.

Trong PIC16F877A có tất cả năm thanh ghi cho quá trình điều khiển UART: Bao gồmhai thanh ghi chức năng TXSTA, RCSTA, hai thanh ghi dữ liệu RCREG và TXREG Thanh ghi tốc độ baund SPBRG Trong PIC16F877A có hai chế độ truyền High speed

và Low speed được quy định bởi Bit BRGH của thanh ghi TXSTA Việc phân chia hai

mức tốc độ này để có sự chọn lựa cho trường hợp sai số với tốc độ baud chuẩn của PC:

có hai phương thức để nhận biết lúc nào có dữ liệu truyền tới Sử dụng ngắt và sử dụngkiểu Polling (quay vòng)

- Quá trình truyền dữ liệu: Trong quá trình truyền dữ liệu cũng có hai chế độ sửdụng ngắt và Polling , tuy nhiên quá trình truyền dữ liệu lên PC không phải là thờidiểm bất kỳ mà dặt dưới sự kiểm soát của chương trình cho nên người ta thưòng sửdụng kiểu polling khi cần truyền thì truyền đi

2.6.2 Cơ cấu chấp hành

Động cơ DC cũng là một cơ cấu chấp hành cơ-điện, biến năng lượng điện thành các chuyển động cơ học Động cơ DC hoạt động được dựa trên 2 định luật Loren và Faraday Cấu tạo của động cơ DC gồm phần ứng, phần kích từ, chổi than và cổ góp

Có 5 loại động cơ DC là : động cơ kích từ nối tiếp, động cơ kích từ song song, động cơkích từ hỗn hợp, động cơ kích từ độc lập và động cơ nam châm vĩnh cửu

Hình 2.4 Cấu tạo và hình ảnh thực tế động cơ DC

Các trạng hoạt động của động cơ DC khá đơn giản, phân tích dựa trên đường đặc tính

cơ của động cơ Gồm các trạng thái khởi động và trạng thái hãm Do đường đặc tính

cơ là một đường thẳng, nên việc phân tích sự phụ thuộc của momen và vận tốc của động cơ ở các trạng thái đơn giản

Hình 2.5 Đường đặc tính động cơ DC

2.6.3 Mạch công suất

Với đề tài này nhóm đã chọn 2 động cơ dc 24v với công suất nhỏ, để thuận lợi cho việc điều khiển nhóm chọn module L298 để điểu khiển động cơ

Hình 2.6 Modul L298Dual H-Bridge

Dual H-Bridge Module sử dụng IC ST L298N tích hợp nguyên khối 15-pin kiểu Multiwatt, điện áp và dòng tải cao, được thiết kế để chấp nhận mức điện áp logic tiêu chuẩn TTL và tải điện cảm như Solenoids, 2 động cơ DC hoặc 1 động cơ bước dây.Hai Enable inputs cho phép kích hoạt (enable) hoặc vô hiệu hóa (disable) các thiết bị độc lập của tín hiệu đầu vào Cực E của các Transistor dưới của mỗi cầu được nối với

nhau và đưa ra bên ngoài (chân SENSE A và SENSE B) để có thể nối với một điện trở

để có thể cung cấp một nguồn đầu vào bổ sung để logic làm việc với điện áp thấp hơnTham số sản phầm:

- Sử dụng L298 gồm 2 mạch cầu H điều khiển động cơ DC

- Điện áp cung cấp: +5V đến +35V

- Dòng điện tối đa: 2A

- Dòng tiêu thụ 0 ~ 36mA

- Tin hiệu điều khiển điện áp đầuvào:

- Mức độ thấp: 0,3<Vin<1,5V ( Tín hiệ điều khiển là không hợp lệ)

- Cao: 2.3V<Vin<VSS ( tín hiệu điều khiển)

- Điện năng tiêu thụ tối đa: 20W( nhiệt độ T=75oC)

Hình 2.7 Sơ đồ chân IC 2262

IC PT2262 có nhiều nhóm, nhiều phiên bản, hình vẽ cho thấy có nhóm 18 chân vànhóm 20 chân, theo tên ghi trên các chân của IC chúng ta hiểu công dụng của từngchân như sau:

Chân cuối của hàng dưới nối masse và chân cuối của hàng trên nối với nguồn Vcc

từ 4V – 15V Trên chân OSC1 và OSC2 dùng gắn điện trở R để định tần cho xungnhịp, dùng tạo ra các mã lệnh Tần số xung nhịp phải lấy tương thích giữa bên thu vàbên nhận