thiết kế và thi công mạch đo khoảng cách dùng hệ thống cảm biến siêu âm cho robot di động

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH BÁO CÁO NGHIÊN CỨU KHOA HỌC CẤP SINH VIÊN THIẾT KẾ VÀ THI CÔNG MẠCH ĐO KHOẢNG CÁCH DÙNG HỆ THỐNG CẢM BIẾN SIÊU ÂM CHO ROBOT DI ĐỘNG S K C 0 9 S KC 0 Tp Hồ Chí Minh, tháng 5/2011 BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT TP HỒ CHÍ MINH KHOA ĐIỆN-ĐIỆN TỬ BỘ MÔN TỰ ĐỘNG ĐIỀU KHIỂN -BÁO CÁO NGHIÊN CỨU KHOA HỌC CẤP SINH VIÊN ĐỀ TÀI: THIẾT KẾ VÀ THI CÔNG MẠCH ĐO KHOẢNG CÁCH DÙNG HỆ THỐNG CẢM BIẾN SIÊU ÂM CHO ROBOT DI ĐỘNG GVHD: T.S NGÔ VĂN THUYÊN SVTH: NGUYỄN HẢI QUANG TRẦN VĂN LUÂN TP HỒ CHÍ MINH – 5/2011 07118030 07118025 Mục lục Nội dung Trang Phần I: Đặt vấn đề Phần 2: Giải vấn đề I Mục đích đề tài II Phương pháp nghiên cứu III Nội dụng Chương 1: Robot di động sử dụng cảm biến siêu âm 1.1 Khái niệm chung Robot di động 1.2 Các thành phần cấu tạo Robot 1.3 Mô tả hoạt động .7 Chương 2: Giới thiệu cảm biến siêu âm SRF05 2.1 Tổng quan cảm biến siêu âm SRF05 2.2 Các đặc tính cảm biến siêu âm SRF05 2.2.1 Các chế độ hoạt động 2.2.2 Tính toán khoảng cách 2.2.3 Góc quét cảm biến 2.2.4 Một số đặc tính khác Chương 3: Giới thiệu Vi điều khiển H8 .15 3.1 Tổng quan Vi điều khiển H8 15 3.2 Những chức Vi điều khiển H8 ………………… .16 Chương 4: Mạch công suất điều khiển động xử lí tín hiệu điều khiển 23 4.1 Mạch công suất điều khiển động cơ… 23 4.2 Mạch xử lí tín hiệu điều khiển 25 Chương 5: Giải toán tránh vật cản cho robot 26 5.1 Cách tính đọc liệu trả từ cảm biến 26 5.2 Giải thuật robot di chuyển tránh vật cản 26 IV Kết đạt 30 Phần 3: Kết luận .30 I Kết luận 30 II Đề nghị 30 Phần 1: Đặt vấn đề Ngày với phát triển vũ bão khoa học công nghệ vấn đề sử dụng Robot thay người làm việc yêu cầu tất yếu nhu cầu nâng cao chất lượng sống người Do nhu cầu người ngày đòi hỏi ứng dụng rộng rãi phương tiện tự động hoá Xu hướng tạo thiết bị tự động có tính linh hoạt cao hình thành Các thiết bị thay dần máy tự động cứng đáp ứng việc định Điều dẫn đến nhu cầu ứng dụng robot để tạo hệ thống tự động linh hoạt Việc Robot thay người làm việc môi trường khắc nghiệt hầm mỏ, đáy đại dương sâu hàng Km, hay Robot tự hành có khả xác định đường thu thập liệu để gởi trung tâm điều khiển,… trở thành phổ biến nước phát triển trở thành xu hướng nước phát triển có Việt Nam Đứng trước nhu cầu khát khao nghiên cứu khoa học, tìm tòi nhóm nghiên cứu nghiên cứu, chế tạo Robot di động sữ dụng cảm biến siêu âm để tránh vật cản Phần 2: Giải vấn đề I- Mục tiêu đề tài Mục tiêu đề tài nhằm xây dựng mô hình Robot tự hành, đặt móng cho phát triển mạnh mẽ nghiên cứu khoa học lĩnh vực Robot II- Phương pháp nghiên cứu Phương pháp nghiên cứu đề tài tham khảo tài liệu, thiết kế thử nghiệm Cụ thể:  Tham khảo tài liệu: đọc datasheet Vi điều khiển H8, cảm biến siêu âm SRF05, nghiên cứu phương pháp điều khiển Vi điều khiển H8 cảm biến siêu âm SRF05  Tham khảo kinh nghiệm thiết kế thi công phần cứng Robot III- Nội dung Nội dung đề tài gồm chương sau: Chương1: Robot di động sử dụng cảm biến siêu âm Chương trình bày mô hình robot di động tránh vật cản dùng cảm biến siêu âm Chương 2: Giới thiệu cảm biến siêu âm SRF05 Chương trình bày nguyên tắc hoạt động cảm biến siêu âm chế độ hoạt động SRF05 Chương 3: Giới thiệu Vi điều khiển H8 Chương trình bày phần vi điều khiển H8 sử dụng đề tài Chương 4: Mạch công suất điều khiển động xử lí tín hiệu điều khiển Chương trình bày sơ đồ nguyên lí xử lí tín hiệu sử dụng đề tài Chương 5: Giải toán tránh vật cản cho robot Chương trình bày giải thuật tính toán điều khiển cho robot di động tránh vật cản  Chương1: Robot di động sử dụng cảm biến siêu âm 1.1- Khái niệm chung Robot di động Robot di động loại thiết bị chuyển động, lập trình điều khiển tự động nhằm thực mục đích mà người đặt 1.2- Các thành phần cấu tạo Robot di động a) Đế: Phần đế Robot di động đóng vai trò quan trọng, đảm bảo cho Robot hoạt động cách ổn định, thiết kế phần đế phải đảm bảo yêu cầu: độ cứng vững, độ đồng phẳng b) Thân: Phần chủ yếu nơi gắn cấu nhằm giúp Robot thực mục tiêu c) Board mạch: Phần thể thông minh Robot, bao gồm có main board, board mạch công suất điều khiển động board xử lí tín hiệu từ cảm biến siêu âm đưa d) Cảm biến siêu âm: Phần giống “con mắt” Robot, đưa tín hiệu có vật hay vật main board để xử lí 1.3- Mô tả hoạt động: Robot chuyển động nhờ hệ thống bánh xe bên đế Robot, chuyển động đồng thời cảm biến siêu âm quét góc định phía mặt trước Robot:  Khi vật tức cảm biến siêu âm không đưa tín hiệu “không có vật” board xử lí Robot tiếp tục thẳng  Khi vật xuất vùng quét cảm biến cảm biến đưa tín hiệu “có vật” board xử lí, lúc vi điều khiển đưa định bẻ lái sáng trái sang phải để tránh vật Chương 2: Giới thiệu cảm biến siêu âm SRF05 2.1- Tổng quan cảm biến siêu âm SRF05 Giới thiệu: Cảm biến siêu âm hoạt động dựa phát thu sóng siêu âm SRF05(Hình 1) bước phát triển từ SRF04, thiết kế để làm tăng tính linh hoạt, tăng phạm vi, giảm bớt chi phí SRF05 hoàn toàn tương thích với SRF04 Khoảng cách tăng từ mét đến mét SRF05 cho phép sử dụng chân cho kích hoạt phản hồi, tiết kiệm giá trị Hình 1: Hình ảnh cảm biến SRF05 chân điều khiển Khi chân chế độ không kết nối, SRF05 hoạt động riêng biệt chân kích hoạt chân hồi tiếp, SRF04 2.2- Các đặc tính cảm biến siêu âm SRF05 2.2.1- Các chế độ hoạt động 2.2.1.1- Chế độ Tương ứng SRF04 – tách biệt kích hoạt phản hồi Chế độ sử dụng riêng biệt chân kích hoạt chân phản hồi, chế độ đơn giản để sử dụng Tất chương trình điển hình cho SRF04 làm việc cho SRF05 chế độ Để sử dụng chế độ này, cần chân chế độ không kết nối(Hình 3) Hình 2: Kết nối SRF05 hoạt động mode Hình 3: Hoạt động SRF05 chế độ 2.2.1.2- Chế độ hai Dùng chân cho kích hoạt phản hồi Chế độ sử dụng chân cho tín hiệu kích hoạt hồi tiếp, thiết kế để lưu giá trị chân lên điều khiển nhúng Để sử dụng chế Hình 14: Các ghi CPU 19  Các ghi đa dụng H8SX có ghi đa dụng 32-bit Các ghi đa dụng có chức sử dụng làm ghi địa lẫn ghi liệu Khi ghi đa dụng sử dụng làm ghi liệu, truy xuất ghi 32-bit, 16-bit, hay 8-bit Cách sử dụng ghi đa dụng trình bày theo bảng sau: Hình 15: Cách sử dụng ghi đa dụng  Các ghi điều khiển  Thanh ghi đếm chương trình (PC) PC ghi đếm chương trình 32-bit dùng để địa câu lệnh thực thi Chiều dài tất câu lệnh CPU 16 bit (một word) số 16 bit Vì vậy, bit có trọng số nhỏ bỏ qua (Khi mã lệnh đọc, bit gán 0)  Thanh ghi mã điều kiện (CCR) Thanh ghi CCR ghi 8-bit mà chứa thông thi trạng thái CPU, bao gồm cờ cho phép ngắt (interrupt mask) (I), bit người dùng (userUI,U), cờ nhớ nửa (H), cờ dấu (N), cờ zero (Z), cờ tràn (V) cờ nhớ (C) 20  Thanh ghi điều khiển mở rộng (EXR) EXR ghi 8-bit mà chứa bit theo dõi T (trace bit) bít cho phép ngắt quãng (I2 đến I0) Ta thao tác lên bit ghi EXR lệnh LDC, STC, ANDC, ORC, XORC  Thanh ghi vector (VBR) VBR ghi 32-bit 20 bit cao hợp lệ, 12 bit thấp ghi có giá trị Thanh ghi địa bảng vector ngoại lệ ngoại trừ reset ngoại lệ tạo CPU (gián tiếp nhớ mở rộng nằm mục tiêu) Giá trị khởi đầu H’0000 0000 Các nội dung VBR bị thay đổi với câu lệnh LDC STC  Thanh ghi địa ngắn (SBR) SBR ghi 32-bit mà 24 bit cao hợp lệ bit thấp đọc bit Trong chế độ đánh địa tuyệt đối 8-bit, ghi sử dụng với vai trò địa cao Giá trị khởi tạo H’FFFF FF00 Nội dung SBR bị thay đổi với câu lệnh LDC STC  Thanh ghi tích luỹ nhân (MAC) MAC ghi 64-bit Nó lưu trữ kết phép toán nhân tích lũy (multiply-and-accumulate) Nó bao gồm ghi 32-bit MACH MACL 10 bit thấp MACH hợp lệ, bit cao lại mở rộng dấu (sign extended) Nội dung MAC bị thay đổi với câu lệnh MAC, CLRMAC, LDMAC, STMAC  Giá trị khởi tạo cho ghi: Xử lý ngoại lệ reset tải địa bảng vector vào ghi PC, xóa bit T ghi EXR xuống 0, thiết lập bit I ghi CCR EXR lên Các ghi đa dụng, MAC, bit khác ghi CCR không khởi tạo Cụ thể là, giá trị khởi đầu trỏ chồng stack pointer (ER7) không xác định Chính mà ghi SP khởi đầu lệnh MOV.L sau khởi động lại 21  Tập lệnh CPU H8SX có 87 loại câu lệnh, bao gồm:  Các câu lệnh luận lý số học 8/16/32 bit  Các câu lệnh nhân chia  Các câu lệnh truyền liệu  Các câu lệnh mạnh để xử lý bit  Các câu lệnh rẽ nhánh bit  Các câu lệnh nhân tích luỹ Phép toán số học, phép toán luận lý, dịch, câu lệnh thao tác bit, tài liệu gọi câu lệnh phép toán (operation instruction) 3.2- Những chức Vi điều khiển H8 sử dụng đề tài  Cổng xuất, nhập  Bộ điều xung (PWM)  Timer 22 Chương 4: Mạch công suất điều khiển động xử lí tín hiệu điều khiển 4.1 Nguyên lý mạch công suất điều khiển động  Động trái Hình 16: Sơ đồ nguyên lí điều khiển động trái Robot  Động phải 23 Hình 17: Sơ đồ nguyên lí điều khiển động phải Robot 5.2- Mạch xử lí tín hiệu điều khiển  Tín hiệu xung từ cảm biến đưa kết nối trực tiếp với vi điều khiển H83048 để xử lý  Chân cấp xung trigger nối chân PA7  Chân xung trả nối chân PA4 24 Hình 18 : sơ đồ chân kết nối h8-3048 25 Chương 5: Giải toán tránh vật cản cho robot 5.1- Cách tính đọc liệu trả từ cảm biến  Cấp xung trigger cho cảm biến siêu âm  Kiểm tra xung trả từ cảm biến, xung trả lên mức cho timer bắt đầu chạy tiếp tụp kiểm tra xung xuống mức không cho timer dừng lại  Lấy giá trị biến timer kiểm tra suy khoảng cách phát vật 5.2- Giải thuật robot di chuyển tránh vật cản Bài toán dẫn hướng cho cho robot di chuyên chia làm hai loại : toán toàn cục toán cục bộ, tùy theo môi trường làm việc robot Ở toán toàn cục, môi trường làm việc robot biết trước từ tránh vật cản xác định Trong toán cục bộ, môi trường làm việc robót hoàn toàn chưa biết trước, hay biết phần Đối với toán loại cảm biến gắn robot phát vật cản để điều khiển hệ thống dẫn hướng đưa robot từ điểm xuất phát đến điểm đích mà không chạm vào vật cản Nội dung báo cáo tập trung giải toán cục Một phương pháp dẫn hướng phát triển sớm theo đường biên vật cản Ở phương pháp này, robot di chuyển dọc theo vật cản với khoảng cách định trước Kiểu dẫn hướng thường dùng cho robot làm công việc : robot làm việc đường ống, robot lau nhà, hút bụi Robot sử dụng thuật toán để tìm biên vật cản tạo điểm đích phụ thực giải thuật tìm đường tối ưu đến điểm đích phụ Để đồ vị trí vật cản người ta sử dụng phương pháp chia lưới Khi không gian làm việc robot chia thành nhiều mảng không gian hai chiều Các phần tử chứa giá trị định để có vật cản hay vật cản vị trí Bài toán tập trung vào phương pháp dẫn thích nghi Ở điểm đầu điểm đích kích thước hình học robot biết trước, hình dáng hình học tọa độ vật cản chưa biết Hướng di chuyển robot xác định dựa vào góc hướng tới điểm đích tín hiệu từ cảm biến Ưu điểm phương 26 pháp sử dụng cảm biến luật dẫn hướng đơn giản so với phương pháp khác  Phương pháp dẫn hướng thích nghi: Ký hiệu sử dụng: x(t),y(t): vị trí robot điểm t v(t): vận tốc robot thời điểm t θ(t): góc hướng robot thời điểm t (0 ≤ θ(t) < 2π) so với trục x θo: góc hướng robot thời điểm ban đầu so với trục x (xo,yo) , (0,0): vị trí đầu vị trí cuối robot φ (t): góc hướng đích hợp đoạn thẳng qua hai điểm (x(t), y(t)) (0,0) so với trục x θ*(t): góc hướng cho robot tới đích hay trấn vật cản θ*t(t): góc dẫn hướng tính toán cho robot tới đích θa(t): góc dẫn hướng tính toán cho robot tránh vật cản (t).θ = -η[θ(t)- θ*(t)] 27 không gian làm việc lý thuyết robot hinh robot không phát vật cản θ*(t) = θ*t(t) với:  Giải thuật điều khiển Giải thuật điều khiển tương đối đơn giản đảm bảo robot tránh vật cản đến điểm đích Chương trình điều khiển phải thỏa mản yêu cầu sau:  Luôn cập nhật thông tin vị trí góc robot mặt phẳng  Xử lý tín hiệu cảm biến tính góc tránh vật cản cho robot θ*a(t)  So sánh giá trị góc lệch, góc hướng đích góc tránh vật cản để xác định góc dẫn hướng thích hợp θ*(t)  Sơ đồ khối mạch điều khiển  Sơ đồ giải thuật điều khiển 28  Trước cho robot di chuyển ta kiểm tra cảm biến có phát có vật phía trước không  Nếu vật ta cho robot thẳng liên tục kiểm tra cảm biến  Nếu có vật ta cho robot rẽ trái tiến hành kiểm tra cảm biến Nếu vật cho robot thẳng Nếu có vật ta tiếp tục rẽ trái 29 IV Kết đạt Sau mô hình đưa vào chạy thực tế ta thu số kết sau:  Hệ thống khí hệ thống điện hoạt động ổn định, tượng cháy, chập mạch  Các board công suất, board xử lí tín hiệu, board nguồn hoạt động tốt, giá trị đo sữ dụng Ossilocope đo đầu cảm biến siêu âm với datasheet SRF05  Robot di chuyển tránh vật cản, khả phát vật thấp Phần 3: Kết luận I- Kết luận Cảm biến siêu âm loại cảm biến cấu thành từ hai thành phần phát thu sóng siêu âm, khoảng cách phát vật từ 0cm đến 3m thuận lợi ứng dụng công nghiệp lĩnh vực công nghệ cao, thường phải kèm theo mạch xử lí tín hiệu để lọc nhiễu hay kết hợp với loại cảm biến khác loại cảm biến tiệm cận, camera,… để làm cho thiết bị thông minh đáp ứng nhu cầu người Hệ thống cần phải có nhiều cảm biến siêu âm bố trí hợp lí để tăng khả phát vật theo hướng II- Đề nghị Do gặp phải vấn đề thời gian, kinh phí thực đề tài nên việc thiết kế, thi công dừng lại mức độ sữ dụng cảm biến siêu âm đặt phía trước Robot, điều gặp phải nhiều hạn chế trình làm việc Robot là:  Đụng phải vật cản góc quét cảm biến không tới vật  Tính linh hoạt, độ trơn, mượt mà Robot gặp vật cản chưa cao 30 Kết hợp với điều khiển khác PID, mờ sữ dụng thêm loại cảm biến tiệm cận hay camera để tăng khả phát tránh vật cản cho Robot Kết cấu khí cần phải xác linh hoạt để thuận lợi việc lập trình trình hoạt động Robot 31 TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] Nguyễn Văn Giáp, giải toán cục cho robot tự hành tránh vật cản [2].www_khongtenmien_com.htm()cảm biến siêu âm srf05 [3] http://www.codeproject.com/KB/audio-video/Motion_Detection.aspx [4]http://www dks.com.vn [5]http://www.cdtvn.net 32 [...]... hoạt động tốt, giá trị đo được sữ dụng Ossilocope đo trên đầu ra của cảm biến siêu âm là đúng với datasheet của SRF05  Robot có thể di chuyển và tránh vật cản, nhưng khả năng phát hiện vật còn thấp Phần 3: Kết luận I- Kết luận Cảm biến siêu âm là loại cảm biến được cấu thành từ hai thành phần là phát và thu sóng siêu âm, khoảng cách phát hiện vật từ 0cm đến 3m rất thuận lợi trong các ứng dụng công. .. 18 : sơ đồ chân kết nối h8-3048 25 Chương 5: Giải bài toán tránh vật cản cho robot 5.1- Cách tính đọc dữ liệu trả về từ cảm biến  Cấp xung trigger cho cảm biến siêu âm  Kiểm tra xung trả về từ cảm biến, nếu xung trả về lên mức 1 thì cho timer bắt đầu chạy và tiếp tụp kiểm tra nếu xung về xuống mức không thì cho timer dừng lại  Lấy giá trị biến timer ra kiểm tra và suy ra khoảng cách phát hiện được... thẳng liên tục kiểm tra cảm biến  Nếu có vật ta cho robot rẽ trái rồi tiến hành kiểm tra cảm biến Nếu không có vật thì cho robot đi thẳng Nếu có vật thì ta tiếp tục rẽ trái 29 IV Kết quả đạt được Sau khi mô hình được đưa vào chạy thực tế ta thu được một số kết quả như sau:  Hệ thống cơ khí và hệ thống điện hoạt động ổn định, không có hiện tượng cháy, chập mạch  Các board công suất, board xử lí tín... điều xung (PWM)  Timer 22 Chương 4: Mạch công suất điều khiển động cơ và xử lí tín hiệu điều khiển 4.1 Nguyên lý mạch công suất điều khiển động cơ  Động cơ trái Hình 16: Sơ đồ nguyên lí điều khiển động cơ trái Robot  Động cơ phải 23 Hình 17: Sơ đồ nguyên lí điều khiển động cơ phải Robot 5.2- Mạch xử lí tín hiệu điều khiển  Tín hiệu xung từ cảm biến đưa về được kết nối trực tiếp với vi điều khiển... rất thuận lợi trong các ứng dụng công nghiệp cũng như trong các lĩnh vực công nghệ cao, nhưng thường phải kèm theo mạch xử lí tín hiệu để lọc nhiễu hay kết hợp với các loại cảm biến khác như các loại cảm biến tiệm cận, camera,… để làm cho thi t bị thông minh hơn đáp ứng nhu cầu con người Hệ thống cần phải có nhiều cảm biến siêu âm hơn được bố trí hợp lí để tăng khả năng phát hiện vật theo mọi hướng... việc thi t kế, thi công chỉ dừng lại ở mức độ chỉ sữ dụng một cảm biến siêu âm đặt phía trước của Robot, điều này gặp phải nhiều hạn chế đối với quá trình làm việc của Robot đó là:  Đụng phải vật cản do góc quét của cảm biến không tới được vật  Tính linh hoạt, độ trơn, mượt mà khi Robot gặp vật cản là chưa cao 30 Kết hợp với các bộ điều khiển khác như PID, mờ hoặc sữ dụng thêm các loại cảm biến như... thời gian mà sóng đi từ cảm biến tới vật Hình 7: Nguyên lí TOF 2.2.3- Góc quét và chùm tia của cảm biến  Góc quét của cảm biến: có dạng hình quạt(Hình 8) 11 Hình 8: Góc quét của SRF05  Chùm tia của cảm biến Chùm tia của SRF05 có dạng hình nón với độ rộng của chùm là một hàm của di n tích mặt của các cảm biến và là cố định Chùm tia của cảm biến được sử dụng trên SRF05 được biểu di n bên dưới: Hình 9:... trí và góc của robot trong mặt phẳng  Xử lý tín hiệu cảm biến và tính góc tránh vật cản cho robot θ*a(t)  So sánh các giá trị góc lệch, góc hướng đích và góc tránh vật cản để xác định góc dẫn hướng thích hợp θ*(t)  Sơ đồ khối mạch điều khiển  Sơ đồ giải thuật điều khiển 28  Trước khi cho robot di chuyển ta kiểm tra cảm biến có phát hiện có vật ở phía trước không  Nếu không có vật ta cho robot. .. độ kết nối vào chân mass Tín hiệu hồi tiếp sẽ xuất hiện trên cùng một chân với tín hiệu kích hoạt SRF05 sẽ không tăng dòng phản hồi cho đến 700uS sau khi kết thúc các tín hiệu kích hoạt(Hình 4 và 5) Hình 5: Kết nối SRF05 ở mode 2 Hình 6: Hoạt động của SRF05 ở mode 2 10 2.2.2- Tính toán khoảng cách Sóng siêu âm được truyền trong không khí với vận tốc khoảng 343m/s Nếu một cảm biến phát ra sóng siêu âm. .. camera để tăng khả năng phát hiện và tránh vật cản cho Robot Kết cấu cơ khí cần phải chính xác và linh hoạt hơn để thuận lợi trong việc lập trình và quá trình hoạt động của Robot hơn 31 TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] Nguyễn Văn Giáp, giải bài toán cục bộ cho robot tự hành tránh vật cản [2].www_khongtenmien_com.htm( )cảm biến siêu âm srf05 [3] http://www.codeproject.com/KB/audio-video/Motion_Detection.aspx [4]http://www