Thiết kế mô hình robot bám đường tự động

Thiết kế mô hình robot bám đường tự động

Mục Lục LỜI NÓI ĐẦU Cơ - Điện tử ngành khoa học tổng hợp liên ngành khí xác, điện tử, điều khiển tư hệ thống thiết kế phát triển sản phẩm Đây ngành quan trọng thiếu phát triển khoa học kỹ thuật đại Với khóa đào tạo nào, trình thực tập có ý nghĩa quan trọng sinh viên Thực tập tốt nghiệp giúp sinh viên tổng hợp kiến thức chung khí, điện tử, lập trình … tích lũy từ năm học trước Đồng thời phát triển thêm, nhận thức thực tế tích hợp Cơ – Điện tử thực tế, biến lý thuyết trước để ứng dụng tạo thành sản phẩm thực Không thế, trình thực tập giúp sinh viên đúc kết kinh nghiệm quý báu, kỹ làm việc có kế hoạch, làm việc theo nhóm, … Đó hành trang thiết thực cho sinh viên tương lai sau Thực tập tốt nghiệp trường giúp có hội học tập trau dồi thêm kiến thức thiếu Chúng xin chân thành cảm ơn giúp đỡ tận tình thầy giáo hướng dẫn với ủng hộ , tạo điều kiện khoa nhà trường Nhóm CHƯƠNG I: TỔNG QUAN VỀ ROBOT GIỚI THIỆU VỀ ROBOT BÁM ĐƯỜNG TỰ ĐỘNG I.1 Tổng quan Robot Robot xuất sống từ lâu ngày trở thành phần thiếu sống đại Chúng góp phần vào công lao động, robot làm nên cách mạng lao động, khoa học, phục vụ đắc lực cho ngành khoa học như: Khoa học quân sự, khoa học giáo dục, ngành dịch vụ, giải trí… Vậy robot xuất từ nào? Năm 1921 nhà soạn kịch Karel Capek người Tiệp Khắc đưa lên sân khấu kịch có tiêu đề “Romands Univesal Robot” Theo tiếng Séc “Robot” nghĩa “Người tạp dịch” Có thể nói gợi ý, ý tưởng ban đầu cỗ máy có khả thao tác người Đến trước chiến tranh giới lần thứ hai nhu cầu sử dụng máy móc có khả thay người môi trường làm việc độc hại trở thành nhu cầu cấp thiết Ban đầu cấu máy hoạt động giống tay máy người vận hành Cấu tạo cấu bao gồm khớp hệ thống giây chằng Người vận hành điều khiển tay máy thông qua cấu khuyếch đại khí.Trong chiến tranh giới lần thứ hai (năm 1945), xuất cấu máy điều khiển từ xa để cầm nắm chất phóng xạ Cho đến năm 1950 với đời kỹ thuật điều khiển chương trình số NC (Number Control) kỹ thuật tay máy lúc kết hợp kỹ thuật điều khiển xa điều khiển chương trình số Sự kết hợp tạo hệ máy điều khiển từ xa có khả mềm dẻo, khả tự động hoá cao gọi tên robot Năm 1949, máy phay điều khiển số đời phục vụ sản xuất Mỹ Đến năm 1960 George Devol đưa mẫu Robot Năm 1961 Mỹ Robot công nghiệp (IR: Industrial Robot) đưa thị trường: Robot Unimat 1990 (Do trường đại học MIT chế tạo) Robot phản hồi lực ứng dụng vào công nghiệp sản xuất ô tô Theo số thống kê đến năm 1990 toàn giới triển khai ứng dụng khoảng 300.000 IR Do phát triển mạnh mẽ kỹ thuật Vi xử lý Tin học mà số lượng IR tăng nhanh chóng tính có nhiều bước đột phá, giá thành đơn vị IR giảm dần I.2.1 Giới thiệu Robot bám đường tự động Loại robot mà việc di động theo quĩ đạo định sẵn gọi Robot bám đường Robot bám đường di chuyển theo đường, đường nhìn nhận dòng màu đen bề mặt trắng (hoặc ngược lại) đường vô từ trường I.2.2 Nguyên tắc hoạt động chung Robot bám đường tự động Robot chuyển động theo quỹ đạo định trước nhờ vạch dẫn, hệ thống hai bánh xe dẫn động động điện chiều thông qua mạch điều khiển mạch công suất Thường vạch dẫn có màu khác với màu quỹ đạo chuyển động Để Robot chuyển động quỹ đạo cần có phận cảm biến, phận có nhiệm vụ phân biệt vạch dẫn màu quỹ đạo chuyển động Để Robot chuyển động theo quỹ đạo cần có phận cảm biến, phần có nhiệm vụ phân biệt vạch dẫn màu nền, đưa tín hiệu điện tương ứng mạch điều khiển Mạch điều khiển có nhiệm vụ thu nhận thông tin phản hồi từ phận cảm biến từ điều khiển tốc độ chiều quay hai động điện chiều cho xe bám chuyển động theo vạch dẫn Nhìn chung, mặt cấu tạo Robot tự động bám đường thể theo sơ đồ sau Hình 1: Cấu tạo chung Robot bám đường tự động I.2.3 Ứng dụng robot bám đường tự động Được ứng dụng vào công nghệ dò đường di chuyển tự động vận chuyển hàng hóa Tuy sơ khai nguyên tắc điều khiển robot dò đường tạo bước ngoặt quan trọng công nghệ thiết kế chế tạo robot, mở kỷ nguyên ngành công nghệ kỹ thuật tự động hóa đưa tự động hóa vào sản xuất HƯƠNG II: THIẾT KẾ MÔ HÌNH ROBOT BÁM ĐƯỜNG TỰ ĐỘNG II.1 Cấu trúc robot dò đường tự động KHỐI HIỂN THỊ VÀ CẢM BIẾN KHỐI XỬ LÝ TRUNG TÂM (Atmega16) KHỐI NGUỒN VÀ CÔNG TẮC HÀNH TRÌNH (Cảm biến dò đường) MẠCH CÔNG SUẤT ĐIỀU KHIỂN ĐỘNG CƠ BÁNH TRÁI ĐIỀU KHIỂN ĐỘNG CƠ BÁNH PHẢI M1 M2 BỘ PHẬN CHẤP HÀNH Hình 2: Sơ đồ cấu trúc robot dò đường tự động Trong đó: - - - Khối hiển thị cảm biến: led hiển thị cho cảm biến dò đường led thu hồng ngoại nhận tín hiệu vạch dẫn đường Khối nguồn công tắc hành trình: Các công tắc hành trình sử dụng cho việc xác định trạng thái cấu chấp hành robot Nguồn cung cấp cho khối xử lý trung tâm, khối mạch công suất điều chỉnh cấp nguồn cho khối chấp hành Khối xử lý trung tâm: quan trọng chip Atmega16 điều khiển toàn hoạt động robot: nhận tín hiệu khối cảm biến sau gửi tín hiệu qua khối hiển thị điều khiển khối cấu chấp hành Khối cấu chấp hành : mạch công suất dùng để điều khiển động bánh xe II.2 Thiết kế khí II.2.1 Ý tưởng : Theo yêu cầu robot đơn bám đường tự đông, không yêu cầu chức khác nên phần không cần cầu kì, nên lựa chọn vật liệu vừa đảm bảo độ bền cho robot, vừa có giá thành phù hợp với sinh viên Có nhiều chi tiết gá robot, cần ý tới mạch gồm mạch điều khiển,và mạch công suất kích thước, độ cao linh kiện, dây nối linh kiện, nên cần thiết kế không gian Robot đảm bảo cho việc gá chi tiết robot, mạch, RC servo… II.2.2 Khung xe : Là nơi gá đặt phận robot hệ thống bánh xe, động cơ, mạch điều khiển, mạch cảm biến,… Khung xe đơn giản làm phẳng gỗ, fip, mika, alumiun,…; Tùy theo hình dạng vị trí gá đặt thành phần mà thiết kế khung xe cho hợp lý Cách bố trí trọng tâm Trọng tâm hiểu đơn giản nơi phân bố sức nặng Robot, trọng tâm có quan trọng Trọng tâm đóng vai trò quan trọng việc giữ cân cho Robot lúc di chuyển , với robot có mặt chân đế nhỏ có kết cấu cao,việc bảo đảm bảo vị trí trọng tâm cách hợp lý giúp nhiều cho người lập trình viết chương trình dò đường cho Robot Phần truyền lực khung đế định hai động chạy, khung đế xoay ( bẻ cua ) tâm xoay nằm trung điểm trục nối bánh chủ động ( điểm màu đỏ ) lực xoay xe định khoảng cách d trọng lượng Robot bạn biết Momem xoay ( M ) bánh thiết lập đơn giản : F = ( Momem quay động )/ (chu vi bánh xe chủ động ) M = F x d/2 (khi chưa xét tới vị trí trọng tâm độ dài a Robot) (Có thể tạm xem ma sát bánh sàn nhau) Vậy theo công thức hiểu Robot có trọng lượng chiều dài Robot có khoảng cách d lớn xoay xe dể II.2.3 Lựa chọn phần tử kết cấu, mô 3D Sử dụng phần mềm Autodesk Inventor để mô 3D robot dựa ý tưởng định sẵn Mô hình 3D thiết kế Autodesk Inventor mô hình số 3D xác, cho phép người dùng kiểm soát hình dạng, thuộc tính, chức môt thiết kế, giới hạn bớt nhu cầu mô hình vật lý, giảm bớt chi phí thay đổi thiết kế thiết kế truyền thống đưa sản xuất Lựa chọn phần tử kết cấu:  Giá đỡ kích thước 250x180mm có tác dụng khung xe để liên kết chi tiết lại với  Hai bánh xe có đường kính 60mm gắn vào trục động  Một bánh xe đa hướng gắn đầu xe  Động điện chiều kích từ động lập tỉ số vòng quay 110 vg /ph  Nguồn acquy 12V  Mạch CPU nhiệm vụ thu nhận ,phân tích phát lệnh điều khiển  Mạch cảm biến thu nhận thông tin cung cấp cho mạch điều khiển  Mạch công suất khuếch đại tín hiệu điều khiển  Vít , dây nạp , dây nguồn … Bảng 1: Lựa chọn chi tiết khí cho robot Tên Số Thông số Hình ảnh lượng Khung xe - Chất liệu: mika - Kích thước 210x280x2,5 (mm) Tấm gá động khung Động Khớp nối L - Chất liệu: mika - Kích thước 80x130x2,5 (mm) - Tự chế tạo - Động có hộp giảm tốc - Mua - Chất liệu: thép - Mua Bánh dẫn hướng - Mua Bánh xe - Mua Chốt bánh xe - Chất liệu: thép - Mua Bulong 3x30 - Chất liệu: thép - Mua - Gá sensor toàn mạch Bulong 3x10 22 - Chất liệu: thép - Mua - Gá khung Bulong 5x25 - Chất liệu: thép - Mua - Gá mắt trâu Đai ốc loại(2,3,5mm ) 30 - Chất liệu: thép - Mua - Lắpvới bulong 22 Nguồn - Mua Mô hình 3D: Khung robot: Hình 3: Khung 3D robot Robot hoàn thiện phần khí: Hình 4: Phần khí hoàn thiện II.2 Phần điều khiển II.2.1 Tổng quan sơ đồ khối : Robot bám đường loại robot di động có khả bám theo vạch có màu phân biệt với môi trường Phạm vi ứng dụng loại robot chủ yếu công việc vận chuyển hàng hóa tự động nhà máy, cảng biển, quốc phòng an ninh, hàng không vũ trụ Xe dò đường thực tế có nhiều dạng Loại đơn giản mà sinh viên thường biết đến loại xe bánh chủ động,1 bánh đa hướng mạch dò đường cho hình sau: Hình 5: Sơ đồ khối xe bám đường II.2.2 Các khối robot : II.2.2.1 Khối nguồn cấp cho Robot : Hình 6: Khối nguồn CPU Dùng nguồn 9-24V để cấp điện áp vào, sau thông qua khối lọc, hạ áp dùng LM2576 ta lấy điện áp 5V ổn định để cung cấp cho khối lại mạch điều khiển Hình 7: Khối nguồn mạch công suất Trên mạch công suất, dùng nguồn 24V để cấp điện áp vào, sau thông qua khối lọc, hạ áp dùng LM2576 ta lấy điện áp 12V ổn định để cung cấp cho động II.2.2.2 Khối cảm biến dò đường : Cảm biến quang dò đường thành phần quan trọng thiếu điều khiển lộ trình chạy Robot cách xác đẹp mắt Sơ đồ mạch lựa chọn kiểu thông dụng đơn giản để nâng cao khả nhận dạng vạch trắng (hoặc vạch màu) phù hợp với việc dùng chung nguồn vi điều 10 LCD nối với PORT C IC CHƯƠNG III: XÂY DỰNG THUẬT TOÁN CHO ROBOT BÁM ĐƯỜNG III.1 GIÁI THUẬT III.1 Ý tưởng giải thuật Khi xe hoạt động, sensor thu thập thông tin qua chuyển đổi ADC chuyển thành tín hiệu điện đưa vi điều khiển Giá trị nhận so sánh với giá trị đặt trước (ngưỡng) Nếu giá trị ADC[i]< giá trị ngưỡng LED thu thứ i phần sân, ngược lại LED thu thứ i phần vạch Mạch cảm biến dùng cặp led thu phát tương ứng với giá trị ADC gửi vi điều khiển Dựa giá trị ADC thu về, xác định độ lệch tương đối quỹ đạo robot quỹ đạo mong muốn, sau so sánh độ lệch thành mức Hình 11: Các mức lệch khỏi quỹ đạo robot theo cảm biến dò đường Dựa mức lệch, điều chỉnh tốc độ bánh trái – phải để đưa robot quỹ đạo Cụ thể, để rẽ trái tốc độ bánh xe bên phải robot nhanh bên trái giá trị tương ứng với mức lệch (cần phải thử nghiệm nhiều lần), ngược lại Phương pháp đơn giản, robot chạy không ổn định, lúc nhanh, lúc lại chậm, tính ổn định phụ thuộc nhiều vào động kết cấu khí robot 15 Để khắc phục nhược điểm này, cách áp dụng điều khiển PID điều khiển vị trí robot Giải thuật điều khiển PID PID cách viết tắt từ Propotional (tỉ lệ), Integral (tích phân) Derivative (đạo hàm) Tuy xuất lâu đến PID giải thuật điều khiển dùng nhiều ứng dụng điều khiển tự động Để giúp hiểu rõ chất giải thuật PID, theo dõi ví dụ điều khiển vị trí car (xe) đường thẳng Giả sử bạn có xe (đồ chơi ) có gắn động DC Động sinh lực để đẩy xe chạy tới lui đường thẳng hình 12 Hình 12 Ví dụ điều khiển vị trí xe đường thẳng Gọi F lực động tạo điều khiển xe Ban đầu xe vị trí A, nhiệm vụ đặt điều khiển lực F (một cách tự động) để đẩy xe đến vị trí O với yêu cầu: xác (accurate), nhanh (fast response), ổn định (small overshot) Một điều tự nhiên, vị trí xe xa vị trí mong muốn (điểm O), hay nói cách khác sai số(error) lớn, cần tác động lực F lớn để nhanh chóng đưa xe O Một cách đơn giản để công thức hóa ý tưởng dùng quan hệ tuyến tính: F=Kp*e (1) Trong Kp số dương mà gọi hệ số P (Propotional gain), e sai số cần điều khiển tức khoảng cách từ điểm O đến vị trí xe Mục tiêu điều khiển đưa e tiến nhanh tốt Rõ ràng Kp lớn F lớn xe nhanh chóng tiến vị trí O Tuy nhiên, lực F lớn gia tốc cho xe nhanh (định luật II Newton: F=ma) Khi xe đến vị trí O (tức e=0), lực F=0 (vì F=Kp*e=F=Kp*0) quán tính xe tiếp tục tiến bên phải lệch điểm O bên phải, sai số e lại trở nên khác 0, 16 giá trị sai số lúc gọi overshot (vượt quá) Lúc này, sai số e số âm, lực F lại xuất với chiều ngược lại để kéo xe lại điểm O Nhưng lần nữa, Kp lớn nên giá trị lực F lớn kéo xe lệch bên trái điểm O Quá trình tiếp diễn, xe dao động quanh điểm O Có trường hơp xe dao động ngày xàng xa điểm O Bộ điều khiển lúc nói không ổn định Một đề xuất nhằm giảm overshot xe sử dụng thành phần “thắng” điều khiển Sẽ lý tưởng xe xa điểm O, điều khiển sinh lực F lớn xe tiến gần đến điểm O thành phần “thắng” giảm tốc độ xe lại Chúng ta biết vật dao động quanh điểm vật có vận tốc cao tâm dao động (điểm O) Nói cách khác, gần điểm O sai số e xe thay đổi nhanh (cần phân biệt: e thay đổi nhanh e lớn nhất) Mặt khác, tốc độ thay đổi e tính đạo hàm biến theo thời gian Như vậy, xe từ A tiến gần O, đạo hàm sai số e tăng giá trị ngược chiều lực F (vì e giảm nhanh dần) Nếu sử dụng đạo hàm làm thành phần “thắng” giảm overshot xe Thành phần “thắng” thành phần D (Derivative) điều khiển PID mà khảo sát Thêm thành phần D vào điều khiển P tại, thu điều khiển PD nhu sau: F=Kp*e + Kd*(de/dt) (2) Trong (de/dt) vận tốc thay đổi sai số e Kd số không âm gọi hệ số D (Derivative gain) Sự diện thành phần D làm giảm overshot xe, xe tiến gần O, lực F gồm thành phần Kp*e > =0 (P) Kd*(de/dt)