ROBOT TRÁNH vật cản

Ngày nay sự cải thiện của tốc độ máy tính đã tạo ra những bướctrưởng thành đáng kể cho robot trong từng giai đoạn phát triển và đang mở ra những triển vọng trở thành những robot thông mi

GIỚI THIỆU

Ngành khoa học công nghệ mới, tạo ra các sản phẩm robot và nghiêncứu ứng dụng chính hình thành trong những thập kỷ gần đây được gọi làRobotics Trong Robotics có hầu hết các vấn để của “cơ-điện tử” Thuậtngữ “cơ - điện tử “( mechatronics) thể hiện sự kết hợp giữa cơ học máy vàđiều khiển điện tử Đồng thời sự phát triển của mechatronics cũng đượcphản ánh trong khoa học công nghệ robot

Một trong những tiêu chí đặc trưng cho robot là khả năng “lập trìnhđược “(programable) Muốn có khả năng đó robot phải dùng đến máy tínhhoặc các thiết bị khác có chức năng tương tự Máy tính có vai trò như bộnão của robot

Ngày nay sự cải thiện của tốc độ máy tính đã tạo ra những bướctrưởng thành đáng kể cho robot trong từng 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 hiệnthực của robot này không chỉ phụ thuộc vào bộ điều khiển mà còn ở khảnăng nhận biết của các “cơ cấu cảm nhận” và khả năng phản ứng kịp thờicủa cơ cấu “chân tay” chấp hành

Cuộc cách mạng về robot đã mở ra một thời kì mới cho nhân loại Tạo

ra một kỉ nguyên về khám phá vũ trụ Robot ngày càng đóng vai trò quantrọng trong công nghiệp và cuộc sống hàng ngày Chúng sẽ thực hiệnnhững 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 độngtránh vật cản dựa trên các sensor hồn ngoại

CHƯƠNG DẪN NHẬP

Robot tự tránh vật cản 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.

Theo lý thuyết, môi trường hoạt động của mobile robot 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 bằng phẳng hoặc thay đổi, lồi lõm Theo bộ phận thực hiện chuyển động, ta có thể chia mobile robot làm 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

chước chuyển động của con người và động vật Robot loại 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 khăn Lớp còn lại (di chuyển bằng bánh) tỏ ra thực tế hơn, chúng có thể làm việc tốt trên hầu hết các địa hình do con người tạo ra Điều khiển 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 mô men phát động lớn hay khi cần di chuyển trên vùng đầm lầy,cát và băng tuyết), và loại hỗn hợp bánh xe và xích (ít gặp)

Tiềm năng ứng dụng của mobile robot hết sức rộng lớn Có thể kể đến 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, 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 mobile robot, như chi phí chế tạo cao, đã không cho phép chúng được sử dụng rộng rãi Một nhược điểm khác của mobile robot phải kể đến là còn thiếu tính linh hoạt và thích ứng khi làm việc ởnhững vị trí khác nhau Bài toán tìm đường (navigation problem) của mobile robot cũng không phải là loại bài toán đơn giản như nhiều

người nghĩ lúc ban đầu

Trong đồ án này, bài toán tìm đường sẽ được giải quyết ở mức độ khôngquá phức tạp.Chỉ tập trung nghiên cứu những vấn đề cơ bản

Hình 1.1 Một số hình ảnh về robot

a) Robot Nomad 150.

b) Sự kết hợp giữa robot tự hành Nomadic XR4000 và cánh tay robot

PUMA 560

c) Robot “con rùa”

d) Robot Houdini di chuyển bằng bánh xích

e) Robot bán tự động nghiên cứu ở vùng cực bắc

CHƯƠNG 2: LÝ THUYẾT CƠ SỞ

2.1 Giải bài toán tìm đường cho robot

2.1.1.Đặt vấn đề

- Dò đường (navigation) là một khoa học dẫn hướng robot tự hành di chuyển trong không gian làm việc của nó (đất, nước, không khí ) Trong vấn đề dò đường, bài toán được quan tâm nhiều nhất có lẽ là tìm đường

về đích mà không chạm vật cản trên đường đi Có hai loại bài toán tìm đường cho robot: bài toán cục bộ (local) và bài toán toàn cục (global) Trong bài toán toàn cục, bản đồ môi trường làm việc của robot hoàn toàn được biết trước, vấn đề chính phải giải quyết là tìm được đường đi cho robot trước khi nó xuất phát Ở bài toán cục bộ, môi trường làm việc của robot hoàn toàn không được biết trước hoặc chỉ biết được một phần, robothoàn toàn phải nhờ vào sự cảm nhận môi trường thông qua cảm biến gắn trên nó để dò đường Bài toán toàn cục tỏ rõ lợi thế là ta đã biết trước có đường đi (tối ưu) tới đích hay không trước khi cho robot khởi hành Tuy vậy nó có hạn chế là đòi hỏi nhiều tính toán và bộ nhớ, và đặc biệt tình huống xấu có thể xảy ra nếu bản đồ môi trường làm việc không được khai báo chính xác, yêu cầu biết trước hoàn toàn môi trường hoạt động cũng làmột nhược điểm của nó Trong khi đó, robot tìm đường cục bộ chỉ biết

được thông tin xung quanh qua sensor cảm nhận môi trường gắn cùng Vìthế, robot tìm đường cục bộ có thể không hoàn thành việc tới đích (mặc dùthực tế có đường đi tới đích), khái niệm tối ưu không có ý nghĩa trong bài toán này Tuy nhiên, yêu cầu tính toán, dung lượng nhớ thấp cùng tính linhhoạt cao (như tránh được vật cản ngay cả khi vật đó di động) khiến tìm đường cục bộ trở thành một công cụ mạnh của robot tự hành Hiện nay, cách tiếp cận kếthợp giữa cục bộ và toàn cục đang ở ngày càng phổ biến, giúp robot tự hành tăng tính linh hoạt và hiệu quả Trong đây chỉ tập trung vào giải quyết cả hai bài toán nhưng ở mức độ đơn giản Môi trường hoạt động của robot là một mặt phẳng, được giới hạn bởi các bức tường Các

vật cản được xem là vật cản hai chiều, tĩnh hoàn toàn Trong bài toán cục

bộ, robot được trang bị 5 cảm biến hồng ngoại xác định khoảng cách vật cản Trong bài toán toàn cục, từ đầu vào là vị trí xuất phát, vị trí đích, kích thước robot, bản đồ hoạt động, ta tìm ra đường đi để robot tự hành.Mục đích cuối cùng là robot tự về được tới đích không chạm vật cản mà không cần bất cứ sự trợ giúp nào từ bên ngoài

2.1.2 Bài toán tìm đường cục bộ

- Giải quyết hoàn toàn bài toán này khó khăn hơn nhiều so với giải quyết

bài toàn toàn cục Một cách tìm đường cục bộ khá hoàn hảo là phương pháp bản đồ nơron cực (PolarNeurol Map) của Michail G Lagoudakis (1998) dùng 16-32 cảm biến gắn trên con robot Normad (hình 1.1a, b) tạo trường cảm biến bao phủ vùng xung quanh robot, thuật toán sử dụng là thuật toán ánh xạ nơron tương đối phức tạp Do giới hạn của bài luận, phương pháp này không được đề cập đến Phương pháp được đề cập đến ở đây sử dụng 5 cảm biến dò đường xác định khoảng cách từ đầu xe tới vật cản.Tùy vào khoảng cách tới vật cản ứng với từng cảm biến, ta xácđịnh được phương hướng di chuyển robot phù hợp Ý tưởng của phương

pháp xuất phát từ một bài báo Cơ điện tử[1] Tuy nhiên ở đâu đã có sự điều chỉnh để phù hợp hơn với khải năng.

2.2 Các khối phần cứng cơ bản được sử dụng trong robot

2.2.1 Khối nguồn

Nguồn là nơi cung cấp năng lượng cho các mạch hoạt động.Yêu cầu của một bộ nguồn là điên áp và dòng ra ổn định.Có nhiều phương pháp để thực hiện yêu cầu đó như sử dụng các transitor để có một nguồn công suất lớn ( tương đối phức tạp ), sử dụng các IC ổn áp chuyên dụng như 78XX ( cho ra điện áp dương ổn định ) 79XX (cho ra điện áp âm ổn định )

và một số IC có thể điều chỉnh được điện áp ( LM 317,LM 309 ……) ngoài

ra còn có các loại diode zener cũng cho ra một điện áp ổn định.Ở đây chỉ giới thiệu về các loại IC ổn áp loại 78XX và diode zener

Hình 2.1 Mạch cơ bản sử dụng IC 78XX

Vout = Vout(ic), Vin > Vout(ic)

Hình 2.2 Mạch tăng điện áp sử dụng có diode zener

Hình 2.3 Mạch tăng điện áp sử dụng bằng điện trở

Hình 2.4 Mạch điều chỉnh điện áp ra bằng biến trở

Hình 2.5 Mạch kéo dòng

2.3 Hê thống cảm biến

2.3.1 Định nghĩa

Trong một con robot cơ bản Một trong những phần quan trọng nhất

trong robot chính là hệ thống cảm biến Vậy hệ thống cảm biến là gì ?

- Cảm biến được định nghĩa nôm na là hệ thống các giác quan của robot, đúng vậy Robot cần xác định trạng thái môi trường bên ngoài (như

là các vật cản, màu sắc của các vật , ) để gửi trạng thái môi trường đến

bộ xử lý rồi đưa ra các phản ứng điều khiển robot để đối phó với các sự kiện bên ngoài ấy Để các bạn hiểu rõ hơn về cách làm việc của các bộ cảm biến , xin đưa ra một số ví dụ :

- Ví dụ đơn giản nhất chính là con người của chúng ta Ta ví con mắt như là một bộ cảm biến Khi chúng ta đang đi sắp đụng vào vách tường thì con mắt sẽ như những cảm biến truyền dữ liệu về cho bộ não Tương

tự như vậy, các cảm biến sẽ chuyền dữ liệu về cho bộ vi xử lí Sau đó bộ não sẽ gửi trả thông tin phản ứng như là đi hướng khác để tránh va đụng vào vách tường Vi xử lí của robot cũng thế, nó sẽ gửi thông tin dể cho robot đi đúng đường

2.3.2 Các loại cảm biến :

Trong kĩ thuật robot thường sử dụng các loại cảm biến như:

1 Led hồng ngoại ( bộ thu phát hồng ngoại )

2 Quang điện trở (PHOTORESISTANCE ) : cds hoặc cdse

3 Tế bào quang điện

4 Camera số trong công nghệ sử lí ảnh

5 Cảm biến siêu âm

- Ở đây chỉ giới thiệu về cảm biến thông dụng, đó là led hồng ngoại:

Phần này giới thiệu về mạch cảm biến trong robot.Mạch cảm biến đóng vai trò như “mắt “ của robot giúp cho robot có khả năng nhận biết được môi trường xung quanh (vạch trắng ,chướng ngại vật ) để từ đó có biện pháp xử lý

Trong mạch cảm biến ,các bạn có thể sử dụng các loại led thu phát hồng ngoại hoặc quang trở Led thu phát hồng ngoại có giá thành rẻ (2500 /cặp).

Hình 2.1: Hình ảnh của bộ thu phát hồng ngoại

Đối với robot công nghiệp ,bạn có thể sử dụng những loại cảm biến công nghiệp của các hãng Omron ,hay Siemens.Các loại cảm biến này có độ nhạy cao và khả năng chống nhiễu tốt.Tuy nhiên giá thành rất đắt (hàng trăm đô)

Hình 2.2 Các loại cảm biến công nghiệp

Hình 2.2 : Kí hiệu bộ led phát , thu

Hình 2.3 : led hông ngoại Hình 2.4 : led thu hồng ngoại

2.3.3 Phát hồng ngoai

Cần chú ý đến 2 chân nối với mạch điện của led.Chân anode (a – nốt) nối

với cực dương của nguồn điện, chân Cathode ( ca – thốt) được nối với

cực âm của nguồn điện ,qua hình 2.3 có thể thấy chân dài hơn là chân anode, còn chân ngắn hơn là chân cathode.Lưu y dòng qua led là từ 5mA

20mA, khi tính toán thường chọn Iled = 10 mA , và điện áp rơi vào khoảng

1,7 V đến 2.4 V , khi tinh toán chọn Vled = 2 V

2.3.4 Led thu hồng ngoại ( photodiode):

* Cấu tạo:

Photodiode ( hình 2.4) là một loại bán dẫn đơn giản nhưng vỏ có gắn thấu kính để dẫn tia sáng chiếu đúng vào mặt tiếp giáp

* Đặc điểm :

Photodiode là loại diode làm việc theo chế độ phân cực nghịch, dòng nghịch qua diode được điều khiển bởi cường độ ánh sáng chiếu vào.khi ánh sáng chiếu qua diode tăng thì dòng nghịch qua nó cũng tăng theo

2.3.5 Cơ chế hoạt động

Hình 2.5 : cơ chế hoạt động

- Từ hình 2.5 có thể thấy khi led hồng ngoai chiếu ánh sáng hồng ngoại tới gặp vật cản thì các tia hồng ngoại sẽ bị dội ngược trở lại,và khi đó đầu thu detector sẽ nhận được một lượng ánh sáng hồng ngoại bi hắt ngược trở về, và truyền tín hiệu về mạch xử lí, thông qua bộ khếch đại so sánh

- Chú ý : đầu thu phát hồng ngoại cần được che chắn tốt để tránh bị nhiễu ánh sáng bên ngoài ( ánh sáng tự nhiên, ánh sáng của các loại đèn cao áp, ) và nên đặt hai đầu thu phát cạnh nhau ( cách nhau khoảng từ 2mm đến 5mm)

2.3.6.Sơ đồ mạch cảm biến

Hình 2.6 : Sơ đồ nguyên lý

- Nguyên lý hoạt động

Khi photodiode chưa thu được ánh sáng từ led, thì điện trở của photodiode lớn ( Rt ), áp rơi trên V1- = ( Vcc * Rt ) / ( Rt + R1 ) Điều chỉnh biến trở VR sao cho V+ < V1- ,điện áp ra Vo = 0 V

Khi photodiode thu được ánh sáng từ led, thì điện trở của photodiode giảm( Rs ), áp rơi trên V2- = ( Vcc * Rs ) / ( Rs + R1 ) Điều chỉnh biến trở VR sao cho V+ > V2- ,điện áp ra Vo = Vcc

2.4 Động cơ DC

- Động cơ một chiều (động cơ DC,DC motor) có cấu tạo từ 2 bộ phận : bộ phận đứng yên được cấu tạo từ nam châm vĩnh cửu gọi là stato và bộ phận quay được cấu tạo là một nam châm điện cấu tạo từ 1 cuộn dây đồng có lõi

là 1 thanh kim loại được gọi là roto:

cao,do đó có thể mắc một hộp số vào động cơ DC nhằm giảm tốc độ của động cơ và tăng momen ngẫu lực.

- Để đảo chiều quay của động cơ DC chỉ cần đảo chiều cực tính của nguồn điện.Sử dụng cầu H

2.5 Mạch điều khiển động cơ DC

2.5.1 Mạch cầu H

- Mạch được gọi là cầu H là vì mạch có 4 transitor mắc theo sơ đồ giống hình chữ H,để điều khiển chiều quay của động cơ.Ngoài còn kết hợp với thành phần bên ngoài để điều khiển tốc độ ( phương pháp điều xung )

Hình 4.3 : sơ đồ nguyên lý động cơ quay theo chiều thuận

*Nguyên lý hoạt động : khi A ở mức cao B ở mức thấp , Transitor Q2 và

Q4 dẫn bão hòa Q1 và Q3 không dẫn Động cơ quay theo chiều

thuận.Chiều của mũi tên trên hình 4.3 chỉ chiều của dòng điện.Dòng điện

đi từ nguồn Vcc Q2 Motor DC Q4 Mass

Hình 4.4 :Sơ đồ nguyên ly động cơ DC quay theo chiều nghịch

*Nguyên lý hoạt động : khi B ở mức cao A ở mức thấp , Transitor Q1 và

Q3 dẫn Q2 và Q4 không dẫn Động cơ quay theo chiều nghịch.Chiều của mũi tên trên hình 4.4 chỉ chiều của dòng điện.Dòng điện đi từ nguồn Vcc

→Q2 → Motor → DC → Q4 → Mass

2.5.2 Mạch điều khiển động cơ dùng IC L293B

- Ứng dụng của IC L293B được vẽ ở hình 4.9 ,Vs là điện áp đặt vào motor

và có thể lên đến 36V.Dòng lớn nhất của IC L293B có thể lên tới 1A.Có thể điểu khiển cho 2 động cơ.Chân 2 và 7 dùng để điều khiển motor 1, chân 10 và 15 dùng để điều khiển motor 2 L293B là IC thông dụng có thể mua ở các cửa hàng điện tử ( giá khoảng 20 nghàn đồng )

Hình 4.8 Cấu tạo của IC L298

Hình 4.9 : Sơ đồ nguyên lý sử dụng IC L293B

- Nguồn nuôi động cơ được cấp vào chân 8, điện áp thực tế phụ thuộc vàothông số thực tế của động cơ DC Trong trường hợp hình 4.9 dùng cho động cơ DC 12V.Chân số 16 có thể nối chung nguồn với mạch điều

khiển.Chân 1 là ngõ vào cho phép tác động mức cao để khiều khiển motor

1, Chân 9 là ngõ vào cho phép tác động mức cao để khiều khiển motor 2.Trên hình 4.9 hai chân 1 và 9 được nối chung để điều khiển 2 motor cùng lúc

2.5.3 Mạch điều khiển động cơ dùng IC L298

- Cũng tương tự như IC L 293B nhưng nó cho phép dòng qua nó lớn hơn khoảng hơn 2A ( Giá khoảng 40 nghàn )

Mạch ứng dụng như hình 4.12.Nguồn cấp cho động cơ được nối với chân

4 (Vs) nguồn cấp tùy thuộc vào thông số của động cơ.Chân 9 (Vss) có thể được nối chung với nguồn của mạch điều khiển (+5V),chân 6 là ngõ vào cho phép điều khiển M1 , chân 11 là ngõ vào cho phép điều khiển M2 và

đều tác động ở mức cao,hình 4.12 chân 6 và 11 được nối chung để điều khiển 2 motor cùng lúc.Chân 1 và 15

được nối với Rs về mass, chức năng của Rs là để điều chỉnh dòng qua M1

và M2

Hình.10:Bảng trạng thái

Hình 4.11: Sơ đồ chân và cấu tạo của IC L298

Hình 4.12: Sơ đồ nguyên lý sử dụng IC L298

2.6 Đặc tính của các loại IC họ TTL

Các IC số họ TTL được sản xuất lần đầu tiên vào năm 1964 bởi hãng

Texas Instrument Corporation của Mỹ, lấy số hiệu là 74XXXX và

54XXXX.Sự khác biệt giữa 2 họ 74XXXX và 54XXXX chỉ ở hai điểm :

74 : Vcc = 5V +/- 0.5V và khoảng nhiệt độ hoạt động từ 0độ C đến 70độ C

54 : Vcc = 5 V +/- 0.25V và khoảng nhiệt độ hoạt động từ -55 độ C đến

125 độ C

Các tính chất khác hoàn toàn giống nhau nếu chúng có cùng số

Trước số 74 thường có them kí hiệu để chỉ nhà sản xuất Thí dụ SN của

hãng Texas, DM của National Semiconductor, S của Signeticus

Ngoài ra trong quá trình phát triển, các thong số kỹ thuật ( nhất là tích số

công suất vận tốc) luôn được cải tiến và các loạt khác nhau: 74 chuẩn,

74L ( Low power), 74H ( High speed), 74S (Schottky), 74LS (Low power

Schottky), 74AS ( Advance Schottky), 74ALS (Advance Low power

Schottky), 74F (Fast, Fair Child)

Bảng 3.1 cho thấy một số tính chất của các loạt trên:

Thông số kỹ thuật 74 74L 74H 74S 74LS 74AS 74ALS 74F

- Loạt 74S: Các transistor trong mạch được mắc thêm một DoidSchottky giữa hai cực CB với mục đích giảm thời gian chuyển trạngthái của transistor do đó làm giảm thời trễ truyền.

- Loạt 74AS va 74ALS là cải tiến của 74S để làm giảm hơn nửa giá trịtích số Công suất vận tốc

- Loạt 74F: Dùng kỹ thuật đặc biệt làm giảm điện dung ký sinh do đócải thiện thời trễ truyền của cổng

CHƯƠNG 3: TÍNH TOÁN VÀ THIẾT KẾ

3.1 Mô hình động học:

3.1.1 Mô hình kết cấu của robot

Mô hình như hinh 1.1

Hình 3.1 : MÔ HÌNH KẾT CẤU

- Phần khung sàn robot được làm bằng một miếng mika có độ dày 3mm,chiều rông 15cm,có chiều dài 17cm,chiều cao của robot là 7cm tính từmặt đất đến các cảm biến Robot gồm 3 bánh xe, 2 bánh phát động được

điều khiển bằng hai động cơ riêng và một bánh bi động phía trước đượcgắn cố định

 Khi 2 bánh xe trái và phải quay cùng chiều thì robot tiến hoặc lùi

 Khi bánh trái quay tiến và bánh phải quay lùi thì robot di chuyểnsang phải

 Khi bánh trái quay lùi và bánh phải quay tiến thì robot di chuyểnsang trái

3.1.2 Các tình hướng khi robot găp vât cản

Có 7 trường hợp sensor gặp vật cản:

- TH 1: Khi không có vật cản (như hình a.1), và được di chuyển trên địa

hình bằng phẳng ( như hình a.2),thì sensor A nhận được tín hiệu về,cácsensor còn lại không có tín hiệu về,robot sẽ đi thẳng