Nghiên cứu thiết kế và chế tạo mobile robot vượt địa hình

NHẬN XÉT CỦA GIÁO VIÊN HƢỚNG DẪN Chữ ký giáo viên hướng dẫn I NHẪN XÉT CỦA GIÁO VIÊN PHẢN BIỆN Chữ ký giáo viên phản biện II MỤC LỤC MỞ ĐẦU 1 Đặt vấn đề Mục tiêu đề tài Nội dung nghiên cứu Phương pháp nghiên cứu Ý nghĩa khoa học - kỹ thuật thực tiễn Tóm tắt nội dung báo cáo CHƢƠNG I GIỚI THIỆU CHUNG 1.1 Khái niệm lịch sử phát triển mobile robot 1.2 Phân loại mobile robot 1.2.1 Phân loại theo theo phương pháp di chuyển 1.2.1.1 Robot sử dụng bánh xe 1.2.1.2 Robot di chuyển sử dụng chân 1.2.2 Phân loại theo môi trường hoạt động 1.2.2.1 Mobile robot không 1.2.2.2 Mobile robot di chuyển nước 1.2.2.3 Mobile robot di chuyển mặt đất 10 1.2.3 Phân loại theo phương pháp điều khiển 10 1.2.3.1 Mobile robot tự trị (Autonomous robot) 10 1.2.3.2 Mobile robot điều khiển từ xa (Remote control robot) 10 1.2.3.3 Mobile robot di chuyển theo lộ trình (Move robot schedule) 11 1.3 Ứng dụng mobile robot 11 CHƢƠNG II 17 CƠ SỞ LÝ THUYẾT 17 2.1 Động học mobile robot 17 2.1.1 Khái niệm toán đặt 17 III 2.1.2 Mô hình bánh xe robot 18 2.1.3 Phương trình động học robot 19 2.2 Động lực học mobile robot 22 2.3 Động lực học tay máy 33 2.4 Các phương thức truyền thông giao tiếp vi điều khiển 42 2.5 Động điện chiều 48 CHƢƠNG III 52 THIẾT KẾ HỆ THỐNG 52 3.1 Thiết kế hệ thống khí 52 3.1.1 Thiết kế mobile robot 52 3.1.1.1 Thiết kế nguyên lý di chuyển mobile robot 52 3.1.1.2 Tính chọn động 53 3.1.1.3 Tính toán số chi tiết khác 55 3.1.2 Thiết kế tay máy 62 3.2 Thiết kế hệ thống điều khiển 67 3.2.1 Chức hệ thống điều khiển 67 3.2.2 Lựa chọn thiết bị cho hệ thống điều khiển 68 3.2.2.1 Vi điều khiển trung tâm PIC18F4520 69 3.2.2.2 Tay PS2 70 3.2.2.3 Module RF 73 3.2.2.4 Camera 74 3.2.3 Thiết kế mạch nguyên lý 76 3.2.3.1 Sơ đồ nguyên lý mạch phát 76 3.2.3.2 Sơ đồ nguyên lý mạch thu 77 3.2.4 Lưu đồ thuật toán 78 3.2.5 Mô hệ thống điều khiển 85 CHƢƠNG IV 86 CHẾ TẠO VÀ THỬ NGHIỆM HỆ THỐNG 86 IV 4.1 Chế tạo hệ thống khí 86 4.1.1 Chế tạo tay máy 86 4.1.1.1 Tay ngắn 86 4.1.1.2 Tay dài 88 4.1.1.3 Trục khâu số 90 4.1.1.4 Ôm động khâu số 92 4.1.1.5 Trục khâu số 94 4.1.1.6 Gối đỡ ổ bi tay máy 96 4.1.1.7 Nối trục động khâu số 99 4.1.1.8 Tấm đế 100 4.1.1.9 Tấm đế 102 4.1.2 Chế tạo mobile robot 105 4.1.2.1 Thân xe 105 4.1.2.2 Nắp thân xe 106 4.1.2.3 Trục 109 4.1.2.4 Khớp tự lựa 110 4.1.2.5 Càng xe 112 4.2 Xây dựng điều khiển 115 4.3 Lắp ráp thử nghiệm hệ thống 120 4.3.1 Lắp ráp hệ thống 120 4.3.2 Thử nghiệm hệ thống 121 CHƢƠNG V 123 KẾT LUẬN 123 TÀI LIỆU THAM KHẢO 125 PHỤ LỤC 129 CODE CHƢƠNG TRÌNH MATLAP 129 PHỤ LỤC 138 CODE LẬP TRÌNH ĐIỀU KHIỂN 138 V PHỤ LỤC 158 BẢN VẼ TỔNG THỂ VÀ BẢN VẼ CHI TIẾT 158 VI DANH MỤC CÁC KÍ HIỆU, VIẾT TẮT Giải thích Đơn vị đo STT Ký hiệu Ktt Động tịnh tiến thân xe mt Khối lượng thân xe Kg Vt Vận tốc dài xe m/s Kb Động quay bánh xe J b1 , Jb mb1 , mb Vb1,Vb Momen quán tính bánh xe J J Kg/ m Khối lượng bánh xe 1, bánh xe Kg Vận tốc dài bánh 1, bánh m/s M dc Momen sinh động N.m M mst Momen hao tổn trục N.m 10 u 11 M msl Momen ma sát lăn N.m 12 r Bán kính bánh xe m 13 k Hệ số ma sát bánh xe mặt đường 14 g Gia tốc trọng trường 15 mt Khối lượng thân robot Kg 16 mb Khối lượng bánh xe Kg 17 q Gia tốc góc bánh rad/s2 18 a Gia tốc dài m/s2 19 Vb , Va Vận tốc điểm cuối B, điểm đầu A m/s Hệ số tổn thất trục động VII m/ s 20 t Thời gian xe di chuyển s 21 Dsb Đường kính sơ trục động 22 Pdc Công suất động 23 n Tốc độ động 24 [T] Ứng suất bền 25 J1 Là momen quán tính khâu Kg/ m 26 J2 Là momen quán tính khối tâm khâu Kg/ m 27 vc Vận tốc khối tâm khâu 28 J3 Là momen quán tính khối tâm khâu 29 vc Vận tốc khối tâm khâu mm W vòng/phút MPa VIII 2 m/s Kg/ m m/s DANH MỤC HÌNH ẢNH Hình 1.1 Robot di chuyển dạng Hình 1.2 Robot di chuyển sử dụng Hì M y ay k ô g gười Hình 1.4 Mobile robot di chuyể ướ Hình 1.5 Mobile robot di chuyển mặt 10 Hình 1.6 Robot 11 Hình 1.7 Robot vận chuyển nhà máy sản xu t xe y 12 Hình 1.8 SMP 13 Hình 1.9 Robot H 14 Hình 1.10 PackBot 14 Hình 1.11 Robot cứu hỏa 15 Hình 2.1 Moibile robot bánh 18 Hì Mô ì ã ượ ý ưởng a 18 Hì Mô ì ộng học 19 Hình 2.4 Các toán chuyể ộng thực tế robot 22 Hình 2.5 Vận tốc xe ường 23 Hì Đồ thị công su t theo thờ g a , ường 27 Hình 2.7 Xe trạng thái lên dốc 28 Hì Đồ thị công su t theo thời gian toán lên dốc 33 Hì Đồ thị biến thiên momen công su ộ g ời gian 42 Hì Đồ thị biến thiên momen công su ộ g ời gian 42 Hì Đồ thị biến thiên momen công su ộ g ơ3 ời gian 42 Hì p ươ g p p yền thông song song 43 Hì p ươ g p p yền thông nối tiếp 43 Hình 2.14 Giao diện SPI 45 Hì Đặ í ộ g k ay ổ ện p 49 Hì Ng yê ý ều chế ộ rộng g 50 Hì mạch cầ H g ản 51 Hình 3.1 Mô kết c u robot 52 Hình 3.2 Các trạng thái robot thực tế 53 IX Hì 3 Độ g p a 55 Hình 3.4 Tổng hợp lực tác dụng lên trục 56 Hình 3.5 Biể momen uố p ươ g 59 Hình 3.6 Tổng hợp lực tác dụng lên ổ ă 60 Hình 3.7 Cánh tay hệ tọa ộ cầu RRR 63 Hì Đồ thị biến thiên momen công su ộ g ời gian 63 Hì Đồ thị biến thiên momen công su ộ g ời gian 63 Hì Đồ thị biến thiên momen công su ộ g ơ3 ời gian 64 Hì Độ g k ớp 64 Hì Độ g k ớp 65 Hì 3 Độ g k ớp 3 66 Hì khối hệ thố g ều khiển 67 Hì chân 69 Hì u dây tay 71 Hình 3.17 Module E17-TTL3 73 Hình 3.18 SJCAM X 3 74 Hình 3.19 FPV 3 75 Hình 3.20 Màn hình hiển ị 75 Hì u dây mạch phát 76 Hì u dây mạch thu 77 Hình 3.23 Mô hệ thố g ều khiển Proteus 85 Hình 4.1 Bản vẽ chi tiết tay ngắn 87 Hình 4.2 Tay ngắn sau chế tạo 88 Hình 4.3 Bản vẽ chi tiết tay dài 89 Hình 4.4 Tay dài sau chế tạo 90 Hình 4.5 Bản vẽ chi tiết trục khâu số 91 Hình 4.6 Trục khâu số sau chế tạo 92 Hình 4.7 Bản vẽ chi tiế ô ộ g k số ba 93 Hì Ô ộ g ơk sa ế tạo 94 Hình 4.9 Bản vẽ chi tiết trục khâu số 95 Hình 4.10 Trục khâu số sau chế tạo 96 Hình 4.11 Bản vẽ chi tiết gố ỡ ổ bi tay máy 97 Hình 4.12 Gố ổ bi tay máy sau chế tạo 98 Hình 4.13 Bản vẽ chi tiết nối trục khâu số 99 X { lcd_init(); set_tris_D(0x00);set_tris_B(0xf0);set_tris_C(0x00);set_tris_A(0xf0); lcd_clear();lcd_gotoxy(0,0); sprintf(a,"TTCS WELCOMS YOU");LCD_puts(a); y=0; while(true) { doctayPS(); MA_HOA(); if((tamgiac==0)||(tron==0)||(X==0)||(vuong==0)||(UP==0)||(R1==0)||(L1==0) ||(L2==0)||(R2==0)) { printf("%c",'@'); printf("%d",y); printf("%d",num4); printf("%d",num5); printf("%d",num6); printf("%d",num7); printf("%d",num8); printf("%d",num9); hien_thi_LCD(); delay_ms(200); } } } CODE MẠCH THU 144 #include #include #fuses NOLVP, NOWDT, WDT128, HS, NOBROWNOUT, NOXINST #use delay(clock=20000000) #use rs232(baud=9600,parity=N,xmit=PIN_C6,rcv=PIN_C7,bits=8) #use fast_IO(D) #use fast_IO(A) #use fast_IO(B) #use fast_IO(E) int dem,x=0,m=0; int16 num[8]; unsigned int PES3=0,PES5=0; char dc1,dc2,dc3,dc4,dc5,i1=160/255,i2=210/255,j1=160,j2=210; #INT_RDA void nhan_tin_hieu() { dem=getc(); if(dem=='@') x=1; if(x==1) { num[m]=dem-48; m++; if(m>7) { m=0; x=0; PES3=num[2]*100+num[3]*10+num[4]; 145 PES5=num[5]*100+num[6]*10+num[7]; } } } void dung_dc(void) { set_pwm1_duty(0); set_pwm2_duty(0); output_low(PIN_C0); output_low(PIN_C3); output_low(PIN_C4); output_low(PIN_C5); dc1=dc2=dc3=dc4=dc5=0; } void chon_dc(void) /////lua chon dc { if(num[1]==0) { dung_dc(); } if(num[1]==1) // chon dong co { dc2=dc3=dc4=dc5=0;dc1=1; } if (num[1]==2) // chon dong co 146 { dc1=dc3=dc4=dc5=0;dc2=1; } if (num[1]==3) // chon dong co { dc2=dc1=dc4=dc5=0;dc3=1; } if (num[1]==4) // dieu khien XE { dc2=dc3=dc1=dc5=0;dc4=1; } if (num[1]==5) // chon dong co tay kep { dc2=dc3=dc1=dc4=0;dc5=1; } if(num[1]==7) { i1=200/255;i2=255/255; j1=200;j2=255; } if(num[1]==8) { i1=170/255;i2=210/255; j1=170;j2=210; } } void dong_co_1() 147 { int k; if(PES3==0) { output_high(PIN_D0); output_low (PIN_D1); output_high(PIN_C0); set_pwm1_duty(170); } if(PES3==128) { set_pwm1_duty(0); output_low(PIN_C0); output_low (PIN_D0); output_low (PIN_D1); } if(PES3==255) { output_low (PIN_D0); output_high(PIN_D1); output_high(PIN_C0); set_pwm1_duty(170); } if((PES3128)) { k=((PES3-128)*4)/3; output_low (PIN_D0); 148 output_high(PIN_D1); output_high(PIN_C0); set_pwm1_duty(k); } if((PES30)) { k=-((PES3-128)*4)/3; output_high(PIN_D0); output_low (PIN_D1); output_high(PIN_C0); set_pwm1_duty(k); } } void dong_co_2() { int h; if(PES3==0) { output_low (PIN_D3); output_high(PIN_D2); output_high(PIN_C3); set_pwm1_duty(255); } if(PES3==128) { set_pwm1_duty(0); 149 output_low(PIN_C3); } if(PES3==255) { output_high(PIN_D3); output_low (PIN_D2); output_high(PIN_C3); set_pwm1_duty(255); } if((PES3128)) { h=((PES3-128)*2); output_high(PIN_D3); output_low (PIN_D2); output_high(PIN_C3); set_pwm1_duty(h); } if((PES30)) { h=-((PES3-128)*2); output_low (PIN_D3); output_high(PIN_D2); output_high(PIN_C3); set_pwm1_duty(h); } } 150 void dong_co_3() { int u; if(PES3==128) { set_pwm1_duty(0); output_low(PIN_C4); } if(PES3==0) { output_low (PIN_D4); output_high(PIN_D5); output_high(PIN_C4); set_pwm1_duty(255); } if(PES3==255) { output_high(PIN_D4); output_low (PIN_D5); output_high(PIN_C4); set_pwm1_duty(128); } if((PES3128)) { u=((PES3-128)*2)/2; output_high(PIN_D4); output_low (PIN_D5); 151 output_high(PIN_C4); set_pwm1_duty(u); } if((PES30)) { u=-((PES3-128)*2); output_low (PIN_D4); output_high(PIN_D5); output_high(PIN_C4); set_pwm1_duty(u); } } void xe_smp() { int n,t; /////// PHAI - DOC if(PES3==128) { set_pwm1_duty(0); output_low(PIN_E0); } if(PES3==0) { output_low(PIN_E1); output_high(PIN_E0); set_pwm1_duty(j1); } 152 if(PES3==255) { output_high(PIN_E1); output_high(PIN_E0); set_pwm1_duty(j1); } if((PES3>0)&&(PES3