Thiết kế, chế tạo và điều khiển robot dò line (line following robot)

Hiện nay robot dò line được ứng dụng rộng rãi trong các quá trình chế tạo trong công nghiệp, mang vác vật đến các địa điểm đặc biệt,… Để thiết kế và vận hành một robot dò line, tất cả c

ĐẠI HỌC QUỐC GIA THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA

Sinh viên thực hiện:

Thành phố Hồ Chí Minh, tháng 5 năm 2017

MỤC LỤC

MỤC LỤC ii

DANH SÁCH HÌNH ẢNH iv

DANH MỤC BẢNG BIỂU vi

MỤC TIÊU THIẾT KẾ 1

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN 2

1.1 Sơ đồ nguyên lý 2

1.2 Cảm biến 5

1.3 Động Cơ 7

1.4 Cấu trúc điều khiển 7

1.5 Giải thuật điều khiển 8

CHƯƠNG 2: PHƯƠNG ÁN THIẾT KẾ 9

2.1 Đề xuất sơ đồ nguyên lý 9

2.2 Đề xuất cảm biến 9

2.3 Đề xuất cấu trúc điều khiển 10

2.4 Đề xuất giải thuật điều khiển 10

2.5 Phương án thiết kế 11

CHƯƠNG 3: CƠ KHÍ 12

3.1 Lựa chọn bánh xe 12

3.1.1 Lựa chọn bánh chủ động 12

3.1.2 Lựa chọn bánh bị động 12

3.2 Tính toán lựa chọn động cơ 12

3.3 Kích thước thân xe 14

3.3.1 Chiều cao trọng tâm xe 14

3.3.2 Các kích thước cơ sở của xe 15

3.4 Hình ảnh mô hình 3D xe 17

3.5 Tính toán dung sai độ đồng trục hai động cơ 17

3.5.1 Tính chuỗi kích thước 17

3.5.2 Sơ đồ và phương pháp kiểm tra độ đồng trục của 2 động cơ 21

3.6 Bản vẽ robot xe dò line 22

CHƯƠNG 4: MÔ HÌNH HÓA 23

4.1 Mô hình động học 23

4.2 Cách xác định vị trí của robot 24

4.3 Bộ điều khiển tracking, tìm khoảng cách d 25

4.4 Mô phỏng sa bàn 26

CHƯƠNG 5: CẢM BIẾN VÀ LẬP TRÌNH 33

5.1 Thiết kế cảm biến 33

5.1.1 Chọn cảm biến 33

5.1.2 Tính toán giá trị điện trờ 33

5.2 Lựa chọn vi điều khiển 34

5.3 Cách bộ trí cảm biến 35

5.4 Chọn khoảng cách hợp lý giữa cảm biến với sàn 36

5.5 Kiểm tra khoảng cách thực tế 37

5.6 Tính toán khoảng cách giữa 2 led 37

5.7 Tính toán số lượng cảm biến 39

5.8 Ca-líp cảm biến 39

5.9 Xác định vị trí tâm đường line 40

5.10 Mô hình thí nghiệm 41

5.11 Giải thuật điều khiển xe 42

5.11.1 Sơ đồ khối của bộ điều khiển 42

5.11.2 Giải thuật điều khiển 42

5.12 Lập trình chương trình 47

CHƯƠNG 6: ĐIỆN – MẠCH ĐIỆN 62

6.1 Sơ đồ khối hệ thống điện 62

6.2 Nguồn điện 62

6.3 Mạch nguồn 63

6.4 Mạch driver động cơ 64

6.5 Thiết kế board mạch tổng kết nối các thiết bị 67

6.6 Thiết kế mạch cảm biến 67

6.7 Giải thuật PID để nâng cao đáp ứng của bộ driver và motor 68

6.8 Kết quả thực hiện phần điện cho xe dò line 71

CHƯƠNG 7: THỰC NGHIỆM VÀ ĐÁNH GIÁ 72

TÀI LIỆU THAM KHẢO 74

DANH SÁCH HÌNH ẢNH

Hình 0.1 Sa bàn di chuyển của robot 1

Hình 1.1 Sơ đồ nguyên lý RC cars sử dụng trục truyền động 2

Hình 1.2 Sơ đồ nguyên lý RC racing cars sử dụng trục truyền động 3

Hình 1.3 Sơ đồ nguyên lý hai cặp chủ động vi sai loại 2 bánh 4

Hình 1.4 Sơ đồ nguyên lý hai cặp chủ động vi sai loại 4 bánh 4

Hình 1.5 Nguyên lý của cảm biến quang 5

Hình 1.6 Vùng giao thoa của cực phát và cực thu 5

Hình 1.7 Giải thuật xử lí tín hiệu bằng phương pháp so sánh 6

Hình 1.8 Giải thuật xử lý tín hiệu cảm biến bằng phương pháp xấp xỉ 6

Hình 1.9 Cấu trúc điều khiển thường dùng 7

Hình 2.1 Phương án sơ đồ nguyên lý 9

Hình 2.2 Phương án cấu trúc điều khiển 10

Hình 3.1 Bánh dẫn động 12

Hình 3.2 Mô hình toán của bánh xe 12

Hình 3.3 Mô hình toán khi xe chuyển hướng 14

Hình 3.4 Sơ đồ tính khoảng cách giữa hai tâm bánh xe dẫn động 15

Hình 3.5 Sơ đồ phân bố linh kiện cho xe 16

Hình 3.6 Mô hình 3D robot xe dò line 17

Hình 3.7 Sai lệch tâm trục 2 động cơ 17

Hình 3.8 Các khâu hình thành chuỗi kích thước 18

Hình 3.9 Các khâu hình thành chuỗi kích thước 20

Hình 3.10 Sơ đồ kiểm tra độ đồng trục của 2 động cơ 21

Hình 4.1 Mô hình động học của mobile platform 23

Hình 4.2 Mô hình động học được sử dụng cho robot dò line 24

Hình 4.3 Cách xác định e3 25

Hình 4.4 Quan hệ giữa khoảng cách d và sai số lớn nhất 26

Hình 4.5 Mô phỏng chuyển động robot trong đoạn ABC 27

Hình 4.6 Mô phỏng chuyển động robot trong đoạn CDE 28

Hình 4.7 Mô phỏng chuyển động robot trong đoạn EFC 29

Hình 4.8 Mô phỏng chuyển động robot trong đoạn CGA 30

Hình 4.9 Mô phỏng chuyển động robot trong đoạn GAE 31

Hình 4.10 Mô phỏng chuyển động robot trong sa bàn 32

Hình 5.1 Sơ đồ nguyên lý của 1 cặp LED trong mạch cảm biến 33

Hình 5.2 Đồ thị thể hiện giữa dòng và áp qua LED 34

Hình 5.3 Kit Tiva C chip Tm4c123gh6pm 34

Hình 5.4 Ảnh hưởng của cách đặt cảm biến đến switching distance Xd 36

Hình 5.5 Vùng hoạt động của cảm biến 36

Hình 5.6 Tính toán giá trị h 36

Hình 5.7 Test độ cao và đáp ứng của LED 37

Hình 5.8 Phạm vi quét của led thu và led phát ở 2 cảm biến đặt liền kề nhau 38

Hình 5.9 Vùng bất định của cảm biến 38

Hình 5.10 sơ đồ bố trí sử dụng 5 cảm biến 39

Hình 5.11 Sơ đồ bố trí sử dụng 7 cảm biến 39

Hình 5.12 Giải thuật xấp xỉ bậc 2 40

Hình 5.13 Giải thuật xấp xỉ bậc 2 41

Hình 5.14 Đồ thị quan hệ giá trị tính toán và giá trị thực tâm đường line 41

Hình 5.15 Sơ đồ cấu trúc tập trung 42

Hình 5.16 Sơ đồ giải thuật điểu khiển xe 46

Hình 6.1 Sơ đồ khối hệ thống điện 62

Hình 6.2 Module LM2596 63

Hình 6.3 Mạch in lắp nguồn 64

Hình 6.4 Mạch driver TB6612 64

Hình 6.5 Đồ thị giữa PWM và vận tốc motor (không tải) 65

Hình 6.6 Đồ thị đáp ứng với PWM = 40% 66

Hình 6.7 Đồ thị đáp ứng với PWM = 70% 66

Hình 6.8 Sơ đồ nguyên lý và sơ đồ mạch in board tổng 67

Hình 6.9 Mô hình hóa 3D board tổng 67

Hình 6.10 Sơ đồ nguyên lý mạch cảm biến 67

Hình 6.11 Bảng vẽ mạch in mạch cảm biến 68

Hình 6.12 Mô hình hóa 3D mạch cảm biến 68

Hình 6.13 Đồ thị giữa PWM và vận tốc motor (có tải) 68

Hình 6.14 Mô hình tuyến tính động cơ trái 69

Hình 6.15 Mô hình tuyến tính động cơ phải 69

Hình 6.16 Đồ thị đáp của động cơ trái tại PWM = 55% (có tải) 69

Hình 6.17 Đồ thị đường cong đáp của hệ bậc nhất 70

Hình 6.18 PID Tuner Matlab 70

Hình 6.19 Bản vẽ sơ đồ điện 71

Hình 7.1 Mô hình thực tế xe dò line 72

Hình 7.2 Kết quả chạy trên sa bàn trích từ video 72

DANH MỤC BẢNG BIỂU

Bảng 3.1 Các thông số đầu vào của xe 13

Bảng 3.2 Các thông số yêu cầu của động cơ 14

Bảng 3.3 Các thiết bị trên xe 17

Bảng 4.1 Thông số đầu vào mô phỏng 25

Bảng 5.1 Bảng trạng thái và số xung cần 45

Bảng 6.1 Công suất điện cần cung cấp cho các thiết bị 62

Bảng 6.3 Các ngõ ra/vào module TB6612 64

MỤC TIÊU THIẾT KẾ

Thiết kế và chế tạo xe dò line di chuyển tốc độ cao trên sa bàn có các đặc điểm :

- Màu sắc đường line: đen

- Màu nền: trắng

- Bề rộng đường line: 26mm

- Bề mặt địa hình di chuyển: phẳng

- Sa bàn được thể hiện trên Hình 0.1

- Mỗi robot mang trên người một vật nặng hình hộp chữ nhật có trọng lượng 2 Kg

Hình 0.1 Sa bàn di chuyển của robot

- Khi bắt đầu, robot được đặt tại vị trí START (điểm A), sau đó robot chạy theo thứ tự

đi qua các điểm nút quy định lần lượt :

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN

Robot dò line là một trường hợp đặc biệt của mobile robot, trong đó robot sẽ nhận biết vị trí tương đối của robot và bám theo đường line (line từ, line màu) đã có Hiện nay robot dò line được ứng dụng rộng rãi trong các quá trình chế tạo trong công nghiệp, mang vác vật đến các địa điểm đặc biệt,…

Để thiết kế và vận hành một robot dò line, tất cả các yếu tố kỹ thuật cấu thành của robot đều cần được quan tâm: sơ đồ nguyên lý, loại cảm biến, động cơ, cấu trúc điều khiển và giải thuật điều khiển được sử dụng

1.1 Sơ đồ nguyên lý

Rất nhiều sơ đồ nguyên lý có thể được ứng dụng cho việc chế tạo robot dò line Để đạt được tốc độ và khả năng bám đường, sơ đồ nguyên lý của các loại xe đua điều khiển từ xa (RC racing cars) có thể được sử dụng Có hai loại sơ đồ nguyên lý chung cho các loại xe đua chuyên chạy trên mặt đường phẳng:

- Loại 1(Hình 1.1) sử dụng trục truyền động cho trục trước và sau xe (Khung xe của

hãng Awesomatrix, TAMIYA TT01, Overdose Divall…)

- Loại 2(Hình 1.2) sử dụng đai răng truyền động cho trục trước và sau xe (Khung xe

của hãng Sakura D3 CS, Serpent VETEQ 02, TA04 EPRO…)

a) Khung xe hãng Overdose Divall b) Sơ đồ nguyên lý sử dụng trục truyền động

Hình 1.1 Sơ đồ nguyên lý RC cars sử dụng trục truyền động

a) Khung xe hãng TA04 EPRO b) Sơ đồ nguyên lý sử dụng đai răng truyền động

Hình 1.2 Sơ đồ nguyên lý RC racing cars sử dụng trục truyền động

Những sơ đồ nguyên lý này có chung các ưu điểm và nhược điểm sau:

Ưu điểm: Hạn chế được hiện tượng trượt giữa các bánh khi xe thực hiện đổi hướng Nhược điểm:

- Thiết kế cơ khí phức tạp và bán kính cong nhỏ nhất của xe sẽ bị giới hạn bởi kết cấu của xe

- Giá thành cao đối với nhu cầu của sinh viên

- Thích hợp cho việc đua trên mặt đường phẳng

Bên cạnh các sơ đồ nguyên lý mà các xe RC car sử dụng, hiện nay rất nhiều xe đua dò line như đội HBFS (Robot RobotChallenge) và Sylvestre (COSMOBOT 2012), Flash Robot RobotChallenge 2016), Johnny-5 (IGVC),Thunderbolt (Robot Challenge 2014)… sử dụng hai

bánh chủ động được điều khiển độc lập kết hợp với bánh đa hướng (Hình 1.3)

Ưu – nhược điểm chung của sơ đồ nguyên lý này:

Ưu điểm: Bám đường tốt do tiếp xúc 3 điểm mới mặt đường, mô hình động học đơn giản,

dễ hiệu chỉnh sai số hệ thống và cho phép xe di chuyển được theo bán kính rất nhỏ, kể cả việc quay tại chỗ.Giá thành chế tạo phù hợp với sinh viên

Nhược điểm: Dễ bị trượt theo phương pháp tuyến khi thực hiện việc bám theo các đoạn

đường bán kính nhỏ ở tốc độ cao

(a) Mẫu xe đội Sylvestre (b) Sơ đồ nguyên lý loại 2 bánh

Hình 1.3 Sơ đồ nguyên lý hai cặp chủ động vi sai loại 2 bánh

a) Mẫu xe đội CartisX04 (b) Sơ đồ nguyên lý loại 4 bánh

Hình 1.4 Sơ đồ nguyên lý hai cặp chủ động vi sai loại 4 bánh

Ngoài ra, một dạng khác của sơ đồ nguyên lý này cũng được các xe đua như CartisX04

(All Japan Micromouse 2015), Mouse (RobotChallenge 2014)… sử dụng (Hình 1.4) Ở sơ đồ

này, mỗi bánh xe vi sai chủ động được thay bằng một cặp bánh Điều này tạo ra các ưu – nhược điểm chung của sơ đồ nguyên lý này:

Ưu điểm: Dễ cân bằng, ưu thế chạy trên đường bằng phẳng Nhược điểm: Kết cấu cơ khí phức tạp hơn, xuất hiện hiện tượng trượt bánh khi xe đổi

hướng

1.2 Cảm biến

Về cảm biến, phần lớn các robot dò line hiện nay sử dụng các loại cảm biến quang để nhận biết vị trí tương đối của đường line so với xe, từ đó xử lí để đưa ra tín hiệu điều khiển Có hai phương pháp thường được sử dụng cho robot dò line là phương pháp sử dụng camera và các loại cảm biến quang dẫn:

- Phương pháp sử dụng camera Hình ảnh đường đua được lấy từ camera, thông qua

xử lí và đưa ra tín hiệu điều khiển

Ưu điểm: Độ chính xác cao, ít bị nhiễu

Nhược điểm: Yêu cầu xử lí nhiều, do đó đòi hỏi tốc độ xử lí phải nhanh, nếu không sẽ

làm giảm tốc độ của xe

- Phương pháp xử dụng cảm biến quang được sử dụng trong hầu hết các loại xe đua hiện nay Một số loại cảm biến có thể được sử dụng như quang điện trở (robot ALF trong cuộc thi ROBOCON Malaysia 2006) hoặc Photo-transistorkết hợp với LED Hai loại cảm biến này

có nguyên lí hoạt động như nhau (Hình 1.5) Hai led phát và thu phải bố trí khoảng cách với

mặt đường sao cho vùng hoạt động của chúng giao thoa với nhau và không trùng với vùng giao

thoa của bộ liền kề (Hình 1.6)

Hình 1.5 Nguyên lý của cảm biến quang

Hình 1.6 Vùng giao thoa của cực phát và cực thu

Đối với các loại cảm biến quang, tín hiệu tương tự từ cảm biến sẽ được hiệu chuẩn và xử

lí bằng các giải thuật so sánh hoặc xấp xỉđể tìm ra vị trí tương đối của robot dò line với tâm đường line

- Phương pháp thứ nhất: dùng bộ so sánh để xác định trạng thái đóng/ngắt của các sensor, sau đó suy ra vị trí xe theo một bảng trạng thái đã định sẵn(Hình 1.7) Với phương pháp

này, sai số dò line sẽ phụ thuộc vào thông số của sensor được sử dụng, hay khoảng cách giữa các sensor Phương pháp này có đặc điểm phụ thuộc chủ yếu vào mức ngưỡng so sánh của các sensor, do đó tốc độ xử lý rất nhanh

- Phương pháp thứ hai: xấp xỉ ra vị trí của xe so với tâm đường line từ các tín hiệu tương

tự từ cảm biến Có 3 giải thuật xấp xỉ được giới thiệu đó là xấp xỉ theo bậc 2, tuyến tính và theo

trọng số (Hình 1.8) với sai số dò line lần lượt là 5.4mm, 2.8mm và 2.6mm trong thí nghiệm

được thực hiện Đặc điểm của phương pháp này là phụ thuộc chủ yếu vào thời gian đọc ADC tất cả các sensor của vi điều khiển, do đó thời gian xử lý sẽ lâu hơn phương pháp 1 Tuy nhiên

độ phân giải cao hơn đáng kể so với phương án đầu

Hình 1.7 Giải thuật xử lí tín hiệu bằng phương pháp so sánh

Hình 1.8 Giải thuật xử lý tín hiệu cảm biến bằng phương pháp xấp xỉ

Line nằm giữa

Line nằm lệch bên phải

Line nằm lệch bên trái

Tín hiệu mức thấp tại vị trí không có line Tín hiệu mức cao tại vị trí có line

00011000

00000110

01100000

1.3 Động Cơ

Về động cơ, các xe đua dò line như Pika, HFBS-2, CartisX04, Thunderstorm, Impact… đều sử dụng động cơ DC có gắn encoder làm cơ cấu chấp hành Đặc điểm của động cơ DC đa dạng về kích thước, momen, chủng loại driver, dễ dàng lắp đặt và điều khiển chính xác do có thể kết hợp thêm encoder và được ứng dụng thêm bộ điều khiển PID để có thể điều chỉnh tốc

độ hoặc vị trí chính xác theo yêu cầu

1.4 Cấu trúc điều khiển

Về cấu trúc điều khiển, robot dò line có các module chính bao gồm module sensor, module điều khiển và module điều khiển động cơ Trong đó có hai phương pháp chủ yếu để kết nối các module đó với nhau là phương pháp điều khiển tập trung và phân cấp:

- Trong phương pháp điều khiển tâp trung (Hình 1.9a), một MCU nhận tín hiệu từ cảm

biến, xử lí dữ liệu rồi truyền tín hiệu điều khiển cho cơ cấu tác động.Đây là cấu trúc được sử dụng khá nhiều trong các xe đua dò line thực tế như xe CartisX04, Le’Mua (Robot Challenge 2015), Pika Cấu trúc điều khiển tập trung có đặc điểm phần cứng đơn giản, tuy nhiên MCU phải xử lý tất cả thông tin trước khi cập nhật thông tin mới

Hình 1.9 Cấu trúc điều khiển thường dùng

- Trong phương pháp điều khiển phân cấp (Hình 1.9b) nhiều hơn một MCU sẽ được sử

dụng trong hệ thống Bên cạnh MCU master đảm nhiệm việc tính toán tổng thể, một số robot còn có thêm 1 Slave MCU chuyên xử lí tín hiệu encoder hoặc 1 slave MCU để xử lí tín hiệu từ sensor (RobotALF) Ngoài ra, các robot dò line dùng camera thường có một MCU slave chuyên

xử lí hình ảnh, rồi chuyển dữ liệu về MCU master Cấu trúc này giúp giảm nhẹ khối lượng tính toán cho master và cho phép robot thực hiện nhiều tác vụ cùng lúc Cấu trúc điều khiển phân cấp có đặc điểm phần cứng phức tạp hơn, phải quan tâm đến vấn đề giao tiếp giữa các MCU, tuy nhiên có khả năng xử lý nhiều tác vụ cùng lúc, giúp cho thời gian lấy mẫu của hệ thống nhanh hơn khi sử dụng cấu trúc tập trung

1.5 Giải thuật điều khiển

Giải thuật điều khiển được dùng phổ biến cho các xe đua dò line là bộ điều khiển PD, PID, FIC cho hệ thống lái của xe kết hợp với PID cho từng động cơ như xe Bolt, Pika, Major (Robocomp 2014), Thunderstorm… Ngoài ra, một bộ điều khiển phổ biến khác thường được ứng dụng cho mobile robot là bộ điều khiển tracking Thực nghiệm từ cho thấy bộ điều khiển này có thể giúp sai số bám line của robot trên đoạn đường thẳng và cong; đạt sai số tối đa 150mm khi gặp các đoạn line gấp khúc và tối đa 250mm khi robot thực hiện đổi hướng 900

Về vận tốc tối đa, vận tốc cực đại trung bình của của các robot như Pika, HBFS-2, Sylvestre, Thunderbolt, Thunderstorm, Impact… tại các cuộc thi đều đạt từ 1-3m/s

Về sai số tối đa của robot trong suốt quá trình, sai số trong quá trình xe di chuyển trên đường thẳng hay cong sẽ phụ thuộc vào sai số xác định vị trí của xe do hệ thống sensor (tối đa 5.4mm) và sai số do bộ điều khiển Đối với sai số khi xe bám theo các vị trí đổi hướng đột ngột, sai số phụ thuộc phần lớn vào giải thuật điều khiển

Từ các thông số của các xe đã thực hiện và yêu cầu của đề bài mỗi robot mang vật nặng

2 Kg, lựa chọn các thông số:

- Tốc độ tối đa: vmax = 1 m/s

- Bán kính cong tối thiểu: Rmin = 500mm Dựa trên kết quả mô phỏng và thực nghiệm của các đồ án đi trước lựa chọn sai số dò line trên đoạn đường thẳng và cong: emax = ±15 mm

CHƯƠNG 2: PHƯƠNG ÁN THIẾT KẾ

Chương này, ta đưa ra đề xuất và lựa chọn phương án thiết kế phù hợp với mục tiêu thiết

kế đã đặt ra.Đề xuất gồm có: sơ đồ nguyên lý, cảm biến, cấu trúc điều khiển, giãi thuật điều khiển

2.1 Đề xuất sơ đồ nguyên lý

Do robot chỉ cần bám theo đường cong bán kính lớn (R = 500mm), khả năng đổi hướng

độ ngột tại các vị trí line gãy khúc đồng thời kết cấu xe phải đơn giản, giá thành chế tạo phù

hợp Vì thế sơ đồ nguyên lý loại 2 bánh sử dụng bánh đa hướng được đề xuất (Hình 2.1).

Hình 2.1 Phương án sơ đồ nguyên lý

2.2 Đề xuất cảm biến

Từ yêu cầu đề bài về sai số bám line tối đa của robot (±15 mm) và khả năng giúp xe có thể bám line ở các đoạn đường gấp khúc đột ngột, các phương án sau về loại cảm biến và giải thuật xử lý sẽ được cân nhắc

Về loại cảm biến:

Để thỏa mãn yêu cầu về việc đáp ứng được với các đường gãy khúc đột ngột của sa bàn, phương án cảm biến phải có độ nhạy thích hợp Dựa trên đặc tính độ nhạy cao của phototransistor so với các loại cảm biến quang khác hai phương án sử dụng loại sensor này được đề xuất:

- Phototransistor kết hợp với LED thường

- Phototransistor kết hợp với LED hồng ngoại Đối với đường line màu có độ tương phản cao vì thế LED hồng ngoại cho độ nhạy cao hơn nhưng cần phải che chắn để chống nhiễu Đối với đường đua mà màu line với màu của nền

có độ tương phản thấp, sử dụng LED thường sẽ hiệu quả hơn

Về giải thuật xử lí tín hiệu:

Với sai số yêu cầu ±15mm như đầu bài, các phương pháp có độ phân cao nên được lựa chọn Có hai giải thuật xử lý được đề xuất:

- So sánh

- Xấp xỉ Với phương pháp so sánh, vị trí của robot so với đường line chỉ có thể thuộc vào một số trường hợp đã được quy định sẵn Số trường hợp này phụ thuộc số lượng cảm biến, sai số ảnh hưởng bởi khoảng cách tối thiểu giữa các cảm biến Khoảng cách giữa các cảm biến này phụ thuộc nhiều vào góc chiếu của LED, góc thu của sensor và độ cao so với mặt đất

Với phương pháp xấp xỉ, sai số phụ thuộc vào số lượng cảm biến và cách chọn độ cao của chúng so với mặt đất Tuy nhiên, độ phân giải của phương pháp này cao hơn đáng kể so với phương pháp so sánh, giúp cho hệ thống sensor có thể đạt được sai số tốt hơn Tuy nhiên, thời gian đáp ứng của phương pháp này sẽ lâu hơn phương án trên do vi điều khiển cần thực hiện chuyển đổi ADC cho tất cả các cảm biến

2.3 Đề xuất cấu trúc điều khiển

Để tránh tình trạng bị nhiễu hoặc rớt dữ liệu trong quá trình truyền dữ liệu phương án cấu

trúc điều khiển tập trung (Hình 2.2)

Hình 2.2 Phương án cấu trúc điều khiển

Phương án này sử dụng một MCU cho các hoạt động của robot do đó MCU phải thực hiện nhiều tác vụ hơn, do đó việc tính toán thời gian để đảm bảo các tác vụ diên ra được thống

nhất và không bị trùng lặp là vấn đề quan trọng, cần tính toán kỹ

2.4 Đề xuất giải thuật điều khiển

Dựa vào yêu cầu robot phải bám được trên các đoạn đường thẳng, cong và sai số vị trí line bị gấp khúc (2mm), hai phương án cho bộ điều khiển được đề xuất:

- Phương án 1: Bộ điều khiển PD kết hợp ghi nhớ đường đi

- Phương án 2: Bộ điều khiển tracking

Phương án 1 có đặc điểm giúp robot có khả năng cải thiện được khả năng bám đường line sau mỗi lần chạy Tuy nhiên giải thuật tự học phức tạp và cần phải kết hợp thêm cảm biến accelometer và gyrometer để bộ điều khiển có thể nhớ được trạng thái gia tốc và gốc của robot trong suốt đường đua

Phương án 2 là một bộ điều khiển thông dụng trong các nghiên cứu về khả năng bám theo quỹ đạo cho trước của mobile robot Lý thuyết và thực nghiệm đã chứng minh bộ điều khiển

có khả năng di chuyển robot tới các tọa độ cho trước với vận tốc mong muốn

2.5 Phương án thiết kế

Từ các đề xuất trên, ta tiến hành lựa chọn phương án phù hợp:

- Sơ đồ nguyên lý: robot 2 bánh chủ động vi sai có bánh đa hướng bị động (Hình 2.1)

- Cảm biến: bộ LED hồng ngoại-Phototransistor và sử dụng giải thuật xấp xỉ để tìm ra

vị trí của robot so với đường line

- Động cơ: động cơ DC servo

- Cấu trúc điều khiển: bộ điều khiển tập trung (Hình 2.2)

- Giải thuật điều khiển: bộ điều khiển tracking

CHƯƠNG 3: CƠ KHÍ 3.1 Lựa chọn bánh xe

3.2 Tính toán lựa chọn động cơ

Để xe chuyển động, động cơ có vai trò cung cấp moment cho các bánh Quá trình chuyển động này chịu ảnh hưởng đáng kể của khối lượng xe và ma sát giữa bánh xe và mặt đường Mô

hình toán cho một bánh xe được thể hiện ở Hình 3.2

Hình 3.2 Mô hình toán của bánh xe

 𝐹𝑚𝑠 =(2𝑚 + 𝑀)𝑎

2Thay 𝐹𝑚𝑠 vào phương trình moment ở trên ta được:

𝜏 =𝑚𝑅

2

2 𝛾 +

(2𝑚 + 𝑀)𝑎𝑅2Công suất mỗi động cơ cần cung cấp:

Trong đó:

(kg.m2): moment quán tính của bánh xe (N.m): moment

(kg): khối lượng của bánh xe (m/s2): gia tốc dài mong muốn (kg): khối lượng thân xe (m/s2): gia tốc trọng trường

(m): bán kính bánh xe (W): công suất mỗi động cơ

3.3 Kích thước thân xe

3.3.1 Chiều cao trọng tâm xe

Hình 3.3 Mô hình toán khi xe chuyển hướng

Trong đó:

𝐶: tâm quay khi xe lật ℎ: chiều cao trọng tâm xe

Để tránh lật, moment sinh ra do trọng lực quanh tâm quay C phải lớn hơn moment của lực

li tâm:

𝐹𝑙𝑡ℎ − 𝑃𝑏

2≤ 0

(3.5)

Gia tốc trọng trường 𝑔 = 9,81m/s2

Bề rộng xe 𝑏 = 0,17𝑚 Bán kính cong của đường đua 𝑅 = 0,5𝑚 Vận tốc dài tối đa 𝑣 = 1𝑚/𝑠

3.3.2 Các kích thước cơ sở của xe

Kích thước bao của xe phụ thuộc vào kích thước và việc sắp xếp các linh kiện điện, điện

tử, khoảng cách được mô phỏng giữa sensor và các bánh chủ động Ngoài ra tỉ lệ kích thước dài-rộng của xe nên được chọn theo tỉ số √5 nhằm giảm thiểu tối đa ảnh hưởng của các yếu tố động lực học lên xe

Ta tính toán khoảng cách giữa 2 bánh chủ động: Đặt bài toán xe đang chạy qua khúc

cong có bán kính R = 500mm, với vận tốc 1 m/s Tìm khoảng cách nhỏ nhất giữa 2 bánh xe chủ động để xe không bị lật

R=500mm

Z

X Y

Hình 3.4 Sơ đồ tính khoảng cách giữa hai tâm bánh xe dẫn động

Từ việc ước lượng được các kích thước của các thành phần trên xe, Ước lượng được chiều cao xe là 80 mm Ước lượng điểm G (trọng tâm xe) nằm ở vị trí cách mặt đất h = 30 mm b: là khoảng các giữa tâm 2 bánh xe dẫn động

𝐹𝑙𝑡

⃗⃗⃗⃗

𝑃⃗

Sơ đồ phân bố các phần tử trên xe

Hình 3.5 Sơ đồ phân bố linh kiện cho xe

Hình 3.6 Mô hình 3D robot xe dò line

3.5 Tính toán dung sai độ đồng trục hai động cơ

3.5.1 Tính chuỗi kích thước

Dung sai độ đồng tâm của trục 2 động cơ: 𝑒 ≤ 0,5𝑚𝑚

Hình 3.7 Sai lệch tâm trục 2 động cơ

Do đó:

𝑒2 = Δ𝑥2+ Δ𝑦2 ≤ 0,025 Giả sử Δ𝑥 = Δ𝑦 ⇒ Δ𝑥 = Δ𝑦 ≤ 0,112𝑚𝑚

Xét trên mặt phẳng chứa Δ𝑦 và song song với mặt phẳng cắt dọc trục động cơ, ta có:

a)

b) Hình 3.8 Các khâu hình thành chuỗi kích thước Chuỗi trên Hình 3.8a với khâu khép kín 𝐴Σ = 𝐴3 Từ đó ta có được chuỗi kích thước

𝐴2− 𝐴1 = 𝐴Σ

Vì Δ𝑦 ≤ 0,112 và 2 chi tiết đồ gá có thể đổi lẫn cho nhau nên dung sai khau khép kín 𝐴Σ

từ −0,056 đến +0,056 Từ đó ta cần phải xác định lại dung sai của các khâu thành phần 𝐴𝑖Giả sử các khâu thành phần có cùng một cấp chính xác, ta có:

𝑎𝑚 = 𝐴Σ

∑𝑚+𝑛𝑖𝑖𝑖=1Dựa vào bảng 9.1[27] ta tìm được 𝑖𝑖 = 1,08

⇒ 𝑎𝑚 = 112

2 × 1,08≈ 51 Dựa vào bảng 4.1[27] ta chọn cấp chính xác 9 làm cấp chính xác chung cho các khâu thành phần

Sai lệch giới hạn và dung sai khâu 𝐴2

𝐴2 = 14𝐻9 = 14+0,043Tính khâu 𝐴1 (khâu giảm):

Khâu tăng:

𝐴2 = 14𝐻9 = 14+0,043

𝐸𝑆 = +0,043

𝐸𝐼 = 0 Khâu để tính:

Ta thấy miền dung sai của khâu 𝐴2 và 𝐴1 sai khác không quá lớn và 2 chi tiết gá động cơ

có thể thay thế lẫn nhau Do đó ta chọn dung sai của 2 khâu 𝐴1 và 𝐴2 là 14+0,04

Xét trên mặt phẳng chứa Δ𝑥 và vuông góc với mặt cắt dọc trục động cơ, ta có:

a)

b) Hình 3.9 Các khâu hình thành chuỗi kích thước Chuỗi trên Hình 3.9b với khâu khép kín 𝐴Σ = 𝐴3 Từ đó ta có được chuỗi kích thước

𝐴2− 𝐴1 = 𝐴Σ

Vì Δ𝑥 ≤ 0,112 và 2 chi tiết đồ gá có thể đổi lẫn cho nhau nên dung sai khau khép kín 𝐴Σ

A3 A1

A2

A2

A A1

từ −0,056 đến +0,056 Từ đó ta cần phải xác định lại dung sai của các khâu thành phần 𝐴𝑖Kích thước danh nghĩa của khâu khép kín:

𝐷𝐴Σ = 𝐷𝐴2− 𝐷𝐴1 = 33 − 21 = 12 Giả sử các khâu thành phần có cùng một cấp chính xác, ta có:

𝑎𝑚 = 𝐴Σ

∑𝑚+𝑛𝑖=1 𝑖𝑖Tra bảng 9.1[27] ta có 𝑖1 = 1,31; 𝑖2 = 1,56

1.31 + 1.56≈ 39 Dựa vào bảng 4.1[27] ta chọn cấp chính xác 9 làm cấp chính xác chung cho các khâu thành phần

Sai lệch giới hạn và cung sai khâu 𝐴2

𝐴2 = 33𝐻9 = 33+0,062Khâu 𝐴1:

3.5.2 Sơ đồ và phương pháp kiểm tra độ đồng trục của 2 động cơ

Hình 3.10 Sơ đồ kiểm tra độ đồng trục của 2 động cơ

Phương pháp kiểm tra: Ta lồng hai trục chuẩn A và B vào hai lỗ, đầu đo rà liên tục trên một tiết diện vuông góc với trục B Ta sẽ đọc được khoảng cách lớn nhất và nhỏ nhất

Ta có công thức tính độ sai lệch như sau:

CHƯƠNG 4: MÔ HÌNH HÓA 4.1 Mô hình động học

Để thực hiện việc điều khiển cho xe bám line tốt hơn, ta tiến hành thiết lập mô hình động học của hệ thống.Mô hình này bao gồm các điểm quan trọng: Điểm R: điểm tham chiếu cho

robot; Điểm M: trung điểm của hai bánh chủ động; Điểm C: Điểm tracking của robot (Hình 4.1)

y

x O

x

M M

10

0sin

0cos







(4.1)

Trong đó v và  là vận tốc dài và vận tốc góc của xe

Phương trình động học tại điểm C

M c

d y y

d x x

R R

R R R

R r R

v y

v x

C R

C R

y y

x x

e e e

00

3 2

1

cossin

sincos

w

e v

e v

e e e

R R R

10

3 2

1

sincos

chạy với vận tốc bằng vận tốc tham chiếu nên ta có e1 = 0 Mô hình này được thể hiện trên Hình 4.2 Như vậy, để xác định được đầy đủ thông tin về vị trí của điểm tracking so với tham chiếu, sai số e 2 và e 3 cần được xác định

y

x O

x O

Trên thực tế, e 2 được xác định trực tiếp từ hệ thống sensor Đối với e 3, phương án xác

định được đề xuất là cho robot di chuyển theo phương trước đó một đoạn d s đủ nhỏ để khi nối

2 điểm RR’ tạo thành tiếp tuyến của đường cong (Hình 4.3) Khi đó, sai số e 3 được xác định theo công thức

𝑒3 = arctan (𝑒2− 𝑒2′

4.3 Bộ điều khiển tracking, tìm khoảng cách d

Sau khi có được các sai số e 1 , e 2 , e 3 , bộ điều khiển tracking cho phép xác định giá trị v và

 cần thiết để điểm tracking có thể bám theo điểm tham chiếu:

2

1 1 3

e k e

v k

e k e v v

R R

Tiến hành mô phỏng quá trình bám sa bàn của robot, ta sử dụng bảng thông số đầu vào:

Bảng 4.1 Thông số đầu vào mô phỏng

Thời di chuyển đoạn nhỏ (tìm e2’) 0.002 s

Hình 4.4 Quan hệ giữa khoảng cách d và sai số lớn nhất

Với sự lựa chọn ban đầu các hệ số [k1 k2 k3] lần lượt là [1 500 1] từ đồ thị Hình

4.4 ta chọn khoảng cách d là 96 mm

4.4 Mô phỏng sa bàn

Quy ước: đường vẽ màu xanh lá thể hiện vận tốc gốc bánh xe phải, đường màu đỏ thể

hiện vận tốc gốc bánh xe trái

Với khoảng cách từ tâm cảm biến C đến tâm 2 bánh chủ động M được chọn là 96

mm Bên cạnh đó, giá trị e2 phụ thuộc vào bộ số [k1 k2 k3] được chọn Tiến hành mô phỏng trên đoạn đường đua với các hệ số [k1 k2 k3] lần lượt là [1 520 0.8]

Các thông số mô phỏng về sự chuyển động của sensor cảm biến, sai số e2, e3, vận tốc xe và số vòng quay của bánh xe trong quá trình chuyển động đoạn ABC được mô tả

a) Sa bàn di chuyển đoạn ABC b) Sai số trong quá trình di chuyển

c) Vận tốc robot đoạn ABC d) Tốc độ 2 bánh đoạn ABC

Hình 4.5 Mô phỏng chuyển động robot trong đoạn ABC

Các thông số mô phỏng về sự chuyển động của sensor cảm biến, sai số e2, e3, vận tốc xe và số vòng quay của bánh xe trong quá trình chuyển động đoạn CDE được mô tả

trong Hình 4.6

Tương tự đoạn ABC, trên đoạn CDE điểm có sai số lớn nhất là tại giao điểm D – nơi chuyển giao giữa đường thẳng và đường cong, sai số e2 lớn nhất đạt gần 9 mm Trên

đoạn thẳng và đoạn cong, sai số e2 tương đối ổn định (Hình 4.6 b)

Để vào cua mượt, tốc độ 2 bánh cần đảm bảo như Hình 4.6 d

Sự thay đổi vận tốc liên tục trong đoạn CDE (Hình 4.6 c) giúp cho quá trình di

chuyển của xe đảm bảo được sự ổn định về sai số, tránh hiện tượng trượt xe ra khỏi đường line

a) Sa bàn di chuyển đoạn CDE b) Sai số trong quá trình di chuyển

c) Vận tốc robot đoạn CDE d) Tốc độ 2 bánh đoạn CDE

Hình 4.6 Mô phỏng chuyển động robot trong đoạn CDE

Các thông số mô phỏng về sự chuyển động của sensor cảm biến, sai số e2, e3, vận tốc xe và số vòng quay của bánh xe trong quá trình chuyển động đoạn EFC được mô tả

trong Hình 4.7

Trong đoạn EFC, sai số lớn e2 lớn nhất là khúc giao tại F với 10 mm, tại đây có

sự chuyển hướng đột ngột dẫn đến sai số lớn Trên đoạn EF và FC sai số tương đối ổn

định (Hình 4.7 b) Trong quá trình di chuyển, vận tốc thường xuyên thay đổi ( Hình 4.7

c) do sai số e3 (Hình 4.7 b) cũng hay thay đổi, để có thể đáp ứng cho sai số này, vận tốc

cũng cần thay đổi để tránh hiện tượng trượt, làm sai số càng lớn hơn

a) Sa bàn di chuyển đoạn EFC b) Sai số trong quá trình di chuyển

c) Vận tốc robot đoạn EFC d) Tốc độ 2 bánh đoạn EFC

Hình 4.7 Mô phỏng chuyển động robot trong đoạn EFC

Các thông số mô phỏng về sự chuyển động của sensor cảm biến, sai số e2, e3, vận tốc xe và số vòng quay của bánh xe trong quá trình chuyển động đoạn CGA được mô tả

a) Sa bàn di chuyển đoạn CGA b) Sai số trong quá trình di chuyển

c) Vận tốc robot đoạn CGA d) Tốc độ 2 bánh đoạn CGA

Hình 4.8 Mô phỏng chuyển động robot trong đoạn CGA

Các thông số mô phỏng về sự chuyển động của sensor cảm biến, sai số e2, e3, vận tốc xe và số vòng quay của bánh xe trong quá trình chuyển động đoạn GAE được mô tả

trong Hình 4.9

Trong đoạn GAE, có khúc cua 90o làm cho sai số e2 tại vị trí này khá lớn 30 mm Tuy nhiên sai số này là có thể chấp nhận trong quá trình chạy

Trong quá trình di chuyển, vận tốc xe thay đổi (Hình 4.9 c) và tại vị trí bẻ cua 90o

vận tốc xe giảm nhiều nhất, đây cũng là điều cần lưu ý khi áp dụng giải thuật cho mô hình xe thật

a) Sa bàn di chuyển đoạn GAE b) Sai số trong quá trình di chuyển

c) Vận tốc robot đoạn GAE d) Tốc độ 2 bánh đoạn GAE

Hình 4.9 Mô phỏng chuyển động robot trong đoạn GAE

Dựa trên các hệ số đã lựa chọn và kiểm nghiệm trong từng đoạn, Hình 4.10 mô

phỏng toàn bộ sa bàn di chuyển của robot

Trong quá trình di chuyển, sai số e2 thỏa mãn yêu cầu đề bài trên đoạn đường thẳng sai số dao động từ 0,9 đến -8,6 mm và đường cong với sai số nhỏ hơn 15 mm, riêng tại khúc cua 90o sai số e2 là lớn nhất với giá trị 21,14 mm

Tốc độ hai bánh nhỏ hơn 320 vòng trên phút và thỏa mãn đáp ứng của động cơ đã lựa chọn ban đầu

a) Sa bàn di chuyển xe dò line b) Sai số trong quá trình di chuyển

Hình 4.10 Mô phỏng chuyển động robot trong sa bàn

CHƯƠNG 5: CẢM BIẾN VÀ LẬP TRÌNH 5.1 Thiết kế cảm biến

5.1.1 Chọn cảm biến

Dựa vào chương phương án thiết kế, ta nhận thấy đường line được sử dụng với 2 màu trắng và đen Nên ta sử dụng phototransistor kết hợp với LED hồng ngoại để nhận biết bên cạnh

đó ta đảm bản việc che chắn tốt đến tránh ảnh hưởng của nhiễu Thông qua tìm hiểu thông tin,

ta nhận thấy trên thị trường hiện tại đã có nhiều sản phẩm kết hợp phototransistor với LED hồng ngoài với giá thành tương đối phù hợp Vì thế ta chọn sản phẩm TCRT5000 với giá 5000 VNĐ/1 Cặp LED

Sơ đồ nguyên lý ta sử dụng cho 1 cặp LED trong mạch cảm biến

Hình 5.1 Sơ đồ nguyên lý của 1 cặp LED trong mạch cảm biến

5.1.2 Tính toán giá trị điện trờ

Với sơ đồ nguyên lý trên, ta kết hợp với các giá trị được cho trong datasheet của TCRT5000:

a) b)

Hình 5.2 Đồ thị thể hiện giữa dòng và áp qua LED a) Mối quan hệ giữa I F và I C b) Mối quan hệ giữa điện áp vào và dòng I C qua LED thu

5.2 Lựa chọn vi điều khiển

Yêu cầu đặt ra cho việc lựa chọn vi điều khiển để đảm bảo robot hoạt động tốt cần thỏa mãn các yêu cầu đặt ra như sau:

 Cần có ít nhất 7 kênh chuyển đổi ADC tương tứng với 7 cặp led hồng ngoại thu –

phát

 Cần có ít nhất 3 bộ timer/counter để thực việc tính toán vị trí xe cũng như đọc

encoder trả về từ động cơ

 Cần có ít nhất 2 khối tạo xung PWM

 Cần có thời gian đáp ứng thỏa mãn yêu cầu của đã bài toán đặt ra

Sau quá trình tìm hiểu các vi điều khiển, người thực hiện đã chọn kit tiva C với chip Tm4c123gh6pm

Hình 5.3 Kit Tiva C chip Tm4c123gh6pm