điều khiển mobile robot dùng cảm biến gia tốc

ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP ĐIỀU KHIỂN MOBILE ROBOT DÙNG CẢM BIẾN GIA TỐC MỞ ĐẦU Trong năm gần theo tiến khoa hoc kỹ thuật, công cơng nghiệp hóa đại hóa đất nước diễn tồn diện Trước tình hình nhiều thách thức đặt Với phát triển khoa học kỹ thuật ngày cao, đất nước muốn phát triển phải đáp ứng khoa học tiên tiến lĩnh vực sản xuất công nghiệp nay.Việc áp dụng công nghệ mới, tinh tiến vào đời sống vô quan trọng Với đề tài điều khiển mobile robot cảm biến gia tốc, chúng em muốn nghiên cứu ứng dụng điều khiển chuyển động để điều khiển rô bốt thay cho cách điều khiển thông thường nút bấm, hướng đến mục tiêu điều khiển máy móc khác cách dể dàng hơn, than thiện với người sử dụng Ngoài ứng dụng cảm biến gia tốc vào lĩnh vực cụ thể ô tô, điện thoại thông minh, nhà thông minh, điều khiển 3D, , Mặc dù chúng em cố gắng hoàn thành báo cáo thời hạn,nên thiếu sót điều khơng thể tránh khỏi, mong q thầy thơng cảm.Chúng em mong nhận ý kiến đóng góp q thầy cô để báo cáo chúng em ngày hoàn thiện Cuối chúng em xin chân thành cám ơn quý thầy cô ! GVHD: …………… Page ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP ĐIỀU KHIỂN MOBILE ROBOT DÙNG CẢM BIẾN GIA TỐC LỜI CẢM ƠN Với kiến thức thầy cô trang bị thời gian học tập trường với khoảng thời gian miệt mài nghiên cứu thiết kế phát triển tập lớn chúng em hoàn thành theo quy định Để làm điều chúng em xin chân thành cảm ơn …………… người ln theo dõi chỉ bảo tận tình chúng em suốt thời gian làm đồ án tốt nghiệp Cơ hướng dẫn tận tình truyền đạt lại nhiều kiến thức kinh nghiệm quý báu giúp chúng em hoàn thành đề tài Bên cạnh chúng em xin chân thành cảm ơn quý thầy cô môn Cơ Điện Tử nhà trường hướng dẫn tận tình dạy dỗ truyền đạt kiến thức cho chúng em suốt năm học vừa qua Và cuối chúng em xin chân thành cảm ơn gia đình, bạn bè giúp chúng em hoàn thành đề tài Chúng em xin chân thành cảm ơn! GVHD: …………… Page ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP ĐIỀU KHIỂN MOBILE ROBOT DÙNG CẢM BIẾN GIA TỐC NHẬN XÉT CỦA GIÁO VIÊN HƯỚNG DẪN TP.HCM, ngày…tháng 06 năm 2013 Chữ ký GVHD GVHD: …………… Page ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP ĐIỀU KHIỂN MOBILE ROBOT DÙNG CẢM BIẾN GIA TỐC NHẬN XÉT CỦA GIÁO VIÊN PHẢN BIỆN Cao Thắng, ngày…tháng 06 năm 2013 Chữ ký GVPB GVHD: …………… Page ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP ĐIỀU KHIỂN MOBILE ROBOT DÙNG CẢM BIẾN GIA TỐC MỤC LỤC GVHD: …………… Page ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP ĐIỀU KHIỂN MOBILE ROBOT DÙNG CẢM BIẾN GIA TỐC CHƯƠNG I: TÌM HIỂU CHUNG GVHD: …………… Page ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP ĐIỀU KHIỂN MOBILE ROBOT DÙNG CẢM BIẾN GIA TỐC MOBILE ROBOT: Robot tự hành (Mobile Robot) thành phần có vai trò quan trọng nghành robot học Cùng với phát triển mạnh mẻ hệ thống – điện tử, robot tự hành ngày hoàn thiện ngày cho thấy lợi ích cơng nghiệp sinh hoạt I Sự phát triển khoa học kỹ thuật ngày nhanh góp phần nâng cao nâng suất lao động Đặc biệt đời phát triển công nghệ chế tạo Robotnhằm tạo tự động hóa q trình sản xuất giảm sức lao động bằngchân tay người lao động Mobile Robot ứng dụng nhiềutrong sống.Tiềm ứng dụng robot tự hành rộng lớn Có thể kể đến robot vận chuyển vật liệu, hàng hóa tòa nhà, nhà máy, cửa hàng, sân bay thư viện; robot phục vụ quét dọn đường phố, khoang chân không; robot kiểm tra môi trường nguy hiểm; robot canh gác, thám; robot khám phá không gian, di chuyển hành tinh; robot hàn, sơn 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, hạn chế chưa giải robot tự hành, chi phí chế tạo cao, khơng cho phép chúng sử dụng rộng rãi.Một nhược điểm khác robot tự hành phải kể đến thiếu tính linh hoạt thích ứng làm việc vị trí khác a Giới thiệu chung Mobile Robot:  Khái Niệm: Robot tự hành hay robot di động (Mobile Robot) định nghĩa loại xe robot có khả tự dịch chuyển, tự vận động (có thể lập trình lại được) điều khiển tự động để thực thành công công việc giao.Theo lý thuyết, mơi trường hoạt động robot tự hành đất, nước, khơng khí,khơng gian vũ trụ hay tổ hợp chúng Địa hình bề mặt mà robot di chuyển phẳng thay đổi lồi lõm GVHD: …………… Page ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP ĐIỀU KHIỂN MOBILE ROBOT DÙNG CẢM BIẾN GIA TỐC a) Robot Nomad 150 b) Sự kết hợp robot tự hành Nomadic XR4000 cánh tay robot PUMA 560 chuyển bánh xích c) Robot “con rùa” d) Robot Houdini di e) Robot bán tự động nghiên cứu vùng cực bắc Một số hình ảnh Mobile Robot ứng dụng sống: b Cấu trúc chung Mobile Robot: POWER SUPPLY MCU ACTUATOR CONTROLER DISPLAY SENSOR • Cảm biến: Cảm biến thường định nghĩa theo nghĩa rộng thiết bị cảm nhận đáp ứng lại với kích thích tín hiệu Đây thiết bị vơ quan trọng để robot nhận biết giới bên Chúng ta phải cần nghiên cứu rõ vấn đề này, để giúp cho robot trở lên GVHD: …………… Page ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP ĐIỀU KHIỂN MOBILE ROBOT DÙNG CẢM BIẾN GIA TỐC ngày thông minh Cảm biến phận ví mắt robot, có nhiều loại cảm biến cảm biến quang, cảm biến hồng ngoại, cảm biến siêu âm, cảm biến hình ảnh,cảm biến gia tốc góc… • Cơ cấu vận hành: Là phận dùng để thực cử động robot động cơ, tay máy… • Bộ xử lý: Bộ não điều khiển hoạt động tương tác robot, vi xử lí dùng nhiều loại chip vi xử lí khác nhau, điển hình thường loại chip họ 89MC, PIC, AVR,… GVHD: …………… Page ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP GVHD: …………… ĐIỀU KHIỂN MOBILE ROBOT DÙNG CẢM BIẾN GIA TỐC Page 10 ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP ĐIỀU KHIỂN MOBILE ROBOT DÙNG CẢM BIẾN GIA TỐC Các chân module nối trực tiếp vào vi điều khiển, chân DTXRX, DRX-TX, chân ENABLE kết nối với chân I/O vi điều khiển – chân ENABLE có mức logic cao (1) module hoạt động, mức logic thấp (0) module chế độ ngủ tiết kiệm lượng Hình 13: Tồn cảnh module HM-TR TTL GVHD: …………… Page 27 ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP GVHD: …………… ĐIỀU KHIỂN MOBILE ROBOT DÙNG CẢM BIẾN GIA TỐC Page 28 ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP ĐIỀU KHIỂN MOBILE ROBOT DÙNG CẢM BIẾN GIA TỐC CHƯƠNG II: THIẾT KẾ HỆ THỐNG GVHD: …………… Page 29 ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP I ĐIỀU KHIỂN MOBILE ROBOT DÙNG CẢM BIẾN GIA TỐC MƠ HÌNH: Thiết kế: Chúng em dùng phần mềm Solidworks để thiết kế phần khí Sử dụng động RC Servo để điều khiển cấu bẻ lái phía trước( trái – phải ).Cơ cấu bẻ lái phía trước có ưu điểm dễ điều khiển, chuyển hướng dễ dàng di chuyển Sử dụng động DC để điều kiển tiến, lùi xe Hình : Thiết kế mơ hình robot Chế tạo a Chế tạo chi tiết: Chúng em tận dụng cấu bẻ lái phía trước xe đồ chơi, sau gắn RC servo vào để điều khiển Do lắp trực tiếp động RC lên sànxe nên chúng em làm bệ để nâng động RC lên, sau cố định động RC với bệ nâng cố định bệ nâng với thân xe Phần cấu bẻ lái dùng RC Servo Sàn xe cần gia cố sàn xe tận dụng làm nhựa, nên để acquy bord mạch lên trên, sàn xe có tượng bị cong, lắp phần nắp xe thiết bị khác Dùng nhôm để gia cố lại khung, sànxe GVHD: …………… Page 30 ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP ĐIỀU KHIỂN MOBILE ROBOT DÙNG CẢM BIẾN GIA TỐC Cần phải cách li bord mạch với nguồn diện tránh tượng gây chập điện dẩn đến cháy nổ làm hổn mạch diều kiển nên chúng em sử dụng mica để cách điện Sử dụng mica làm thêm tần nửa bên thân xe, để tận dụng khoảng không phía acquy phía sau xe làm nơi để bord mạch điều khiển Để cố định acquy xuống sàn xe tránh tượng dịch chuyển qua lại lên xuống, gây chập điện nên chúng em sử dụng mica, làm thành hộc để acquy tận phần mica làm tần để bord mạch phần nấp cho hộc để acquy - Động cố định dây gút cổ dê ( hay dùng để siết van thủy lực) Do sử dụng lại cấu giảm sốc xe nên phần động cố định lên sàn xe mà phải nằm tách biệt Do chúng em chúng em làm bệ riêng để đặt động chỉ phép di chuyển lên, xuống không di chuyển tới, lui Di chuyển lên, xuống giới hạn tần mica để bord mạch, di chuyển tới lui khống chế rây thẳng đứng, dùng để định hướng di chuyển lên, xuống phần bệ máy, tương thích với chiều phần giảm sốc GVHD: …………… Page 31 ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP - II ĐIỀU KHIỂN MOBILE ROBOT DÙNG CẢM BIẾN GIA TỐC Dùng tán, bu long, đai ốc để lắp ráp robot ĐIỆN TỬ Mạch nguồn Mạch nguồn 5V dùng để nuôi vi điều khiển Ở chúng em dùng loại ic nguồn LM7805 LM1117 – 5V, mạch Master dùng LM1117 – 5V cho nguồn 5V 1A chip SMD để mạch nhỏ gọn GVHD: …………… Page 32 ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP ĐIỀU KHIỂN MOBILE ROBOT DÙNG CẢM BIẾN GIA TỐC vẫn đảm bảo cơng suất Còn mạch Slaver dùng LM7805 cho nguồn 5V 1.5A để cấp nguồn cho động RC mạch điều khiển động cơ.Trên mạch có tụ hóa tụ gốm dùng để lọc nguồn, đèn báo thị nguồn cấp vào – nguồn cấp vào 12VDC Trên board Master có nguồn 3v3 tạo từ ic LM1117 – 3V3 để cấp cho cảm biến gia tốc điện áp để chân VRef+ so sánh với tín hiệu từ cảm biến đưa vào vi điều khiển để kết đo xác Hình 21: Mạch nguồn 5V 3V3 cho board Master Hình 22: Mạch nguồn 5V cho board Slaver Board cảm biến MMA7361: Hình 23: Sơ đồ nguyên lý mạch cảm biến GVHD: …………… Page 33 ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP ĐIỀU KHIỂN MOBILE ROBOT DÙNG CẢM BIẾN GIA TỐC Master board: Mạch dùng vi điều khiển PIC16F887 để xử lý tín hiệu điều khiển, mạch PIC16F8887 sử dụng dao động dùng thạch anh 20MHz để hoạt động Mạch có nút nhấn reset, có chân ngỏ ICSP dùng để nạp chương trình cho vi điều khiển qua chân PGD PGC, ngỏ kết nối với module RF HM-TR TTL 433 để truyền nhận liệu thơng qua module – có chân TX, RX, ENB Ngõ vào vi điều khiển chân đọc ADC từ module cảm biến vào chân AN0, AN1, AN2, chân VReft + 3v3 Hình 24: Sơ đồ mạch điện board Master GVHD: …………… Page 34 ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP ĐIỀU KHIỂN MOBILE ROBOT DÙNG CẢM BIẾN GIA TỐC Slaver Board: Mạch sử dụng vi điều khiển PIC16F887 để xử lý tín hiệu điều khiển Sử dụng dao động thạch anh 20MHz, nút reset, cổng nạp chương trình ICSP Ngõ kết nối module RF HM-TR TTL 433 để thu nhận liệu qua chân TX, RX, chân ENB để kích hoạt module Có ngõ để điều khiển động cơ, ngõ điều khiển động DC có chân DIR1 dùng để đảo chiều, chân PWM để điều khiển tốc độ động Ngõ điều khiển SERVO dùng để điều khiển động RC chân nguồn 5V để cấp nguồn cho động Hình 25: Sơ đồ mạch điện board Slaver GVHD: …………… Page 35 ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP ĐIỀU KHIỂN MOBILE ROBOT DÙNG CẢM BIẾN GIA TỐC Mạch điều khiển động DC: Do mơ hình sử dụng động công suất nhỏ nên chúng em chọn sử dụng Module Fet Relay để điều khiển động chịu dòng tối đa 1A phù hợp với thiết kê mạch nhỏ gọn mạch chúng em sử dụng th opto817 với chức cách ly với mạch vi điều khiển va kich chi chan DIR va PWM điều khiển dễ dàng Con nguồn 24V để cấp cho động Các chân kết nối với vi điều khiển gồm có PWM ; DIR Hình 26: Sơ đồ mạch điều khiển động dùng Module Fet Relay GVHD: …………… Page 36 ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP III ĐIỀU KHIỂN MOBILE ROBOT DÙNG CẢM BIẾN GIA TỐC SƠ ĐỒ GIẢI THUẬT : + Chương trình điều khiển:Khi có thay đổi vị trí tay game -> xử lý truyền thông số cho mạch mơ hình + Chương trình cho board điều khiển mơ hình: Nhận thơng số truyền xuống từ điều khiển -> xử lý -> điều khiển động Lưu đồ giải thuật điều khiển: BEGIN Đặt biến X,Y Đọc giá trị ADC cua trục x,y gán vào biến X,Y tương ứng Quy đổi giá trị X, Y Truyền giá trị X, Y GVHD: …………… Page 37 ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP ĐIỀU KHIỂN MOBILE ROBOT DÙNG CẢM BIẾN GIA TỐC Lưu đồ giải thuật main robot: GVHD: …………… Page 38 ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP ĐIỀU KHIỂN MOBILE ROBOT DÙNG CẢM BIẾN GIA TỐC Start Control motor Serial Interup Chieu = True Forward True Backward False Read String Chieu = Processing String False Servo value = huong Control Motor PWM value = tocdo Return Return GVHD: …………… Page 39 ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP ĐIỀU KHIỂN MOBILE ROBOT DÙNG CẢM BIẾN GIA TỐC CHƯƠNG III: KẾT QUẢ VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN GVHD: …………… Page 40 ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP I - ĐIỀU KHIỂN MOBILE ROBOT DÙNG CẢM BIẾN GIA TỐC KẾT QUẢ Chế tạo hoàn tất mơ hình điều khiển sử dụng cảm biến gia tốc Mơ hình nhỏ gọn, phát triển thêm Mơ hình chạy ổn định Tuy nhiên, vẫn số hạn chế: - Vì sử dụng ắc qui nên khối lượng rô bốt nặng, thời gian hoạt động - thấp Cơ cấu khí phụ thuộc vào sản phẩm sản xuất Cách khắc phục hạn chế: II - Sử dụng pin lithium giảm bớt tải trọng, tang thời lượng hoạt động - cho robot Thiết kế giảm sốc có hiệu HƯỚNG PHÁT TRIỂN: Từ mơ hình này, phát triển đề tài theo hướng sau : Tích hợp camera để giám sát, sử dụng cảm biến gia tốc robot truyền liệu máy tính để nhận biết môi trường xung quanh, gắn la bàn điện tử để nhận biết hướng di chuyển, tất tạo nên thống điều khiển thực tế ảo GVHD: …………… Page 41 ... ĐIỀU KHIỂN MOBILE ROBOT DÙNG CẢM BIẾN GIA TỐC ngày thông minh Cảm biến phận ví mắt robot, có nhiều loại cảm biến cảm biến quang, cảm biến hồng ngoại, cảm biến siêu âm, cảm biến hình ảnh ,cảm biến. .. ĐIỀU KHIỂN MOBILE ROBOT DÙNG CẢM BIẾN GIA TỐC Page 28 ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP ĐIỀU KHIỂN MOBILE ROBOT DÙNG CẢM BIẾN GIA TỐC CHƯƠNG II: THIẾT KẾ HỆ THỐNG GVHD: …………… Page 29 ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP I ĐIỀU KHIỂN... …………… Page ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP GVHD: …………… ĐIỀU KHIỂN MOBILE ROBOT DÙNG CẢM BIẾN GIA TỐC Page 10 ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP II ĐIỀU KHIỂN MOBILE ROBOT DÙNG CẢM BIẾN GIA TỐC RC SERVO Cấu tạo: 1, Động 2, Bảng