Đang tải... (xem toàn văn)
Mạch điều khiển robot nhận biết đường đi bằng đèn hồng ngoại sử dụng Arduino.Đề tài này thiết kế nhằm ứng dụng vào chế tạo ô tô tự lái sử dụng trong các khu du lịch với việc chạy trên một đường cố định sử dụng đèn hồng ngoại để xác định tuyến đường đi.
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI VIỆN ĐIỆN TỬ-VIỄN THÔNG BÁO CÁO ĐỒ ÁN THIẾT KẾ III Đề tài: ROBOT BÁM ĐƯỜNG SỬ DỤNG CẢM BIẾN HỒNG NGOẠI Sinh viên thực Giảng viên hướng dẫn ĐVH Hà Nội, 10/2016 Đồ án thiết kế III LỜI NÓI ĐẦU Ngày nay,xã hội ngày phát triển đòi hỏi nhu cầu đại hóa cơng nghiệp.Các ứng dụng tự động hóa phát triển nhằm nâng cao suất lao động,cũng phục vụ nhu cầu sống ngày phát triển người.Ngày nhiều robot thông minh chế tạo nghiên cứu để nâng cao chất lượng sống người xe không người lái phục vụ du lịch, tham quan, robot dây chuyền sản xuất tự động,… hay phục vụ mục đích người thám hiểm,thăm dò vũ trụ,thăm dò đáy biển,những nơi mà người khơng thể đến,…… Robot tự hành thành phần có vai trò quan trọng ngành Robot học Cùng với phát triển mạnh mẽ hệ thống tự động hóa, robot tự hành ngày hoàn thiện cho thấy lợi ích cơng nghiệp sinh hoạt Một vấn đề quan tâm nghiên cứu robot tự hành làm để robot tự động theo quỹ đạo định Trong báo cáo chúng em trình bày đề tài “MẠCH ĐIỀU KHIỂN ROBOT NHẬN BIẾT BẰNG ĐÈN HỒNG NGOẠI” liên quan đến vấn đề Nhóm thực MỤC LỤC LỜI NÓI ĐẦU MỤC LỤC I.ĐỀ TÀI II.MỤC TIÊU .4 III.NỘI DUNG CHÍNH .5 Hình thành ý tưởng Robot tự hành Sơ đồ khối mạch .6 Phân công công việc Mô tả hoạt động robot .8 Lưu đồ thuật toán Linh kiện tìm hiểu chi tiết linh kiện 7.1 Khối điều khiển .9 Đồ án thiết kế III 7.2 Khối cảm biến .12 7.3 Bộ so sánh (LM324) .15 7.4 Khối chuyển động 17 7.5 Khối nguồn 19 KẾT QUẢ THỰC HIỆN ĐỀ TÀI 22 Mạch nguyên lý .22 Mạch in 22 Hình ảnh minh họa .23 KẾT LUẬN .23 PHỤ LỤC 24 TÀI LIỆU THAM KHẢO 24 Đồ án thiết kế III I.ĐỀ TÀI Mạch điều khiển robot nhận biết đường đèn hồng ngoại sử dụng Arduino.Đề tài thiết kế nhằm ứng dụng vào chế tạo ô tô tự lái sử dụng khu du lịch với việc chạy đường cố định sử dụng đèn hồng ngoại để xác định tuyến đường II.MỤC TIÊU - Robot hoạt động tốt, vận tốc tối đa dự kiến m/min, hoạt động xác bám đường - Mạch nhỏ gọn, trọng tải Robot < 1kg - Giá thành hợp lý - Có thể hoạt động xác chuyển trắng-đen sang đen –trắng ngược lại - Xe có khả tự dịch chuyển, tự vận động điều khiển tự động để thực thành công công việc giao Yêu cầu chức - Có khả thay đổi thiết lập hệ thống thiển thị trạng thái Có khối nguồn cung cấp ổn định dễ dàng thay Có khả nhận tín hiệu báo nhận đường Có khả điều khiển tốc độ bánh xe linh hoạt Đi nhanh đường thẳng Giảm tốc khúc cua Độ trễ < 1s Yêu cầu phi chức - Mềm dẻo việc thay đổi cấu trúc thông số hệ thống tự động Độ xác cao Khả chống nhiễu tốt Dễ dàng tự động hóa Đồ án thiết kế III III.NỘI DUNG CHÍNH Hình thành ý tưởng Dựa vào đề tài “Mạch điều khiển robot nhận biết đèn hồng ngoại”, chúng em đề xuất ý tưởng thực đề tài sau: Sử dụng kit Arduino để làm xử lý trung tâm mạch mà cụ thể nhóm chúng em sử dụng kit Arduino R3 Mạch sử dụng senser hồng ngoại nhận biết đường Robot Sử dụng hai động chiều (DC motor) Robot tự hành Robot tự hành hay robot di động định nghĩa loại xe robot có khả tự dịch chuyển , tự vận động điều khiển tự động để thực thành công công việc giao Theo lý thuyết, môi 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 Theo phận thực chuyển động ta chia robot thành lớp: chuyển động chân bánh Trong đề tài , tìm hiểu lớp robot chuyển động bánh Điều khiển robot bánh đơn giản gần đảm bảo tính ổn định robot Tiềm ứng dụng robot tự hành rộng lớn Đồ án thiết kế III Hình Một số loại robot tự hành Mặc dù nhu cầu ứng dụng cao , hạn chế chưa giải robot tự hành , chi phí chế tạo cao, cho phép chúng sử dụng rộng rãi Một nhược điểm robot tự hành phải thiếu tính linh hoạt thích ứng làm việc vị trí khác Bài tốn tìm đường robot tự hành loại toán đơn giản nhiều người nghĩ ban đầu Trong đề tài , tốn tìm đường mơ hình robot giải mức độ không phức tạp Arduino R3 Sơ đồ khối mạch Hình Sơ đồ khối - Khối nguồn: cung cấp nguồn điện 6V DC cho khối khác làm việc Đồ án thiết kế III - Khối cảm biến: gồm senser hồng ngoại có nhiệm vụ nhận biết đường - Khối xử lý trung tâm: Arduino R3 lấy liệu từ khối cảm biến phát lệnh điều khiển khối chuyển động - Khối động cơ: gồm hai động chiều điều khiển bánh xe sau Đồ án thiết kế III Phân công công việc Tuần 4,5 Công việc Người thực Lên ý tưởng Cả nhóm Thảo luận chọn đề tài 6,7 Tìm hiểu module linh kiện So sánh lựa chọn linh kiện phù hợp với yêu cầu ( chức năng, chất lượng, giá thành, ) - H.Dũng (Khối nguồn) - Hương (Khối xử lí trung tâm) - V.Dũng (Khối chuyển động) - Hưng (Khối cảm biến) - Hùng (viết Code) 8,9,1 Lập danh sách linh kiện Hương Mua linh kiện H.Dũng + Hương Test hoạt động riêng (theo phần tìm hiểu) module theo khối chức 12,13 14 Cắm board test mạch Cả nhóm Thiết kế mạch in Hùng + Hưng Hàn mạch V.Dũng + H.Dũng Chạy thử Cả nhóm Hồn thiện sản phẩm Lập báo cáo Hưng Bảng Phân chia công việc Đồ án thiết kế III Mơ tả hoạt động robot Hình Mô tả hoạt động robot Đồ án thiết kế III Lưu đồ thuật tốn mã hóa :trắng = 1; đen = Hình Lưu đồ thuật tốn Linh kiện tìm hiểu chi tiết linh kiện 7.1 Khối điều khiển Nhiệm vụ : - Điều khiển hệ thống hoạt động, xử lý thông tin từ sensor báo sau điều khiển hoạt động động Reset hệ thống trở trạng thái ban đầu Tạo xung nhịp Để đơn giản việc thực hiện, nhóm em chọn module Arduino UNO R3 để đảm nhận khối xử lí trung tâm Module Arduino bo mạch vi xử lý dùng để lập trình tương tác với thiết bị phần cứng cảm biến, động cơ, đèn thiết bị khác Đặc điểm bật 10 Đồ án thiết kế III Arduino môi trường phát triển ứng dụng dễ sử dụng, với ngôn ngữ lập trình học cách nhanh chóng với người am hiểu điện tử lập trình Và điều làm nên tượng Arduino mức giá thấp tính chất nguồn mở từ phần cứng tới phần mềm Bo mạch ArduinoUNO bo mạch thông dụng ArduinoUno sử dụng chip Atmega328 có 14 port IN/OUT digital, port analog , thạch anh dao động 16Mhz Ưu điểm sử dụng Arduino UNO R3 - Arduino dùng với mục đích phát triển ứng dụng nhanh ứng dụng có code phức tạp mã nguồn mở arduino lớn So với vi điều khiển khác pic hay msp code arduino dễ nhiều giúp cho người dùng dễ dàng sử dụng tối ưu hóa thời gian thực Nên bọn e chọn Arduino UNO R3 làm khối xử lý trung tâm cho đề tài Thông số kĩ thuật: - Vi điều khiển: Atmega328 họ 8bit Điện áp hoạt động: 5V DC ( cấp qua cổng USB ) Điện áp khuyên dùng: 7-12V DC Điện áp giới hạn : 6-20V DC Số đầu vào/ra số: 14 (6PWM) Đầu vào tương tự: (độ phân giải 10 bit ) Dòng điện vào/ra số: 40 mA Dòng điện tiêu thụ: 30mA Bộ nhớ flash: 32 KB (ATmega328) với 0,5KB dung bootloader Tần số hoạt động : 16 MHz 11 Đồ án thiết kế III Sơ đồ chân ArduinoUNO Hình UNO R3 - USB (1): Arduino sử dụng cáp USB để giao tiếp với máy tính Thơng qua cáp USB Upload chương trình cho Arduino hoạt động, ngồi USB sử dụng nguồn cấp cho Arduino Nguồn cấp chiều cho Arduino UNO (2,3), 7÷12V Đầu vào tương tự (4), A0÷A5 Đầu vào/ra số (5,6), D0÷D13 Bộ nhớ - 32KB nhớ flash: đoạn lệnh lập trình lưu trữ nhớ Flash vi điều khiển Thường có khoảng vài KB số dùng cho bootloader đừng lo,hiếm cần 20KB nhớ đâu 2KB cho SRAM (Static Random Access Memory): giá trị biến khai báo lập trình lưu Khi khai báo nhiều biến cần nhiều nhớ RAM Tuy vậy, nhớ RAM lại trở thành thứ phải bận tâm Khi điện, liệu SRAM bị 1KB cho EEPROM (Electrically Eraseble Programmable Read Only Memory): giống ổ cứng mini – nơi mà đọc ghi liệu vào mà lo bị cúp điện giống liệu SRAM Các cổng vào/ra : - Arduino UNO có 14 chân digital dùng để đọc xuất tín hiệu Chúng có mức điện áp 0V 5V với dòng vào/ra tối đa chân 40mA Ở chân 12 Đồ án thiết kế III có điện trở pull-up từ cài đặt vi điều khiển ATmega328 (mặc định điện trở khơng kết nối) - Arduino UNO có chân analog (A0 → A5) cung cấp độ phân giải tín hiệu 10bit (0 → 210-1) để đọc giá trị điện áp khoảng 0V → 5V Với chân AREF board, để đưa vào điện áp tham chiếu sử dụng chân analog Tức cấp điện áp 2.5V vào chân dùng chân analog để đo điện áp khoảng từ 0V → 2.5V với độ phân giải 10bit.Đặc biệt, Arduino UNO có chân A4 (SDA) A5 (SCL) hỗ trợ giao tiếp I2C/TWI với thiết bị khác - Arduino UNO sử dụng vi điều khiển họ 8bit AVR ATmega8, ATmega168, ATmega328 Bộ não xử lí tác vụ đơn giản điều khiển đèn LED nhấp nháy, xử lí tín hiệu cho xe điều khiển từ xa, làm trạm đo nhiệt độ - độ ẩm hiển thị lên hình LCD,… 7.2 Khối cảm biến Chức Giống mắt robot, giúp robot phát vật cản theo lộ trình có sẵn Hình LED thu phat hồng ngoại chế hoạt động Cơ chế hoạt động cảm biến hồng ngoại Như thấy hình bên trái : Light source phát hồng ngoại nguồn sáng có tia hồng ngoại Khi chiếu xuống bề mặt màu đen bề mặt màu sẫm , tối tia sang bề mặt hấp tụ lượn ánh sang bị xạ trở lại , nên thu nhận ánh sang phản hồi 13 Đồ án thiết kế III Ta nhận xét hình bên trái : Khi bề mặt màu trắng màu sang ánh sáng phát bới phát hồng ngoại khơng bị hấp thụ bề mặt mà bị hất dội ngược lại đầu thu thu lương tia hồng ngoại lớn => Do Led hồng ngoại phân biệt cảm biến chiếu vật màu sáng hay màu tối để truyền tới xử lý Cấu tạo phát hồng ngoại Hình :Cấu tạo phát hồng ngoại Hình cấu tạo đèn led phát hồng ngoại Chân anode nối với cực dương nguồn điện Chân cathode nối với đất.Thơng thường chân anode dài chân cathode Cấu tạo thu hồng ngoại Hình : Cấu tạo thu hồng ngoại Cấu tạo Quang trở gồm lớp chất bán dẫn( cadimi sunfua Cds chẳng hạn) phủ trê nhựa cách điện Có hai điện cực gắn vào lớp chất bán dẫn 14 Đồ án thiết kế III Nối nguồn khoáng vài vôn với quang trở thông qua miliampe kế Ta thấy quang trở đặt tối mạch khơng có dòng điện Khi chiếu quang trở ánh sáng có bước song ngắn ( ánh sáng hồng ngoại …) giới hạn quang dẫn quang trở xuất dòng điện mạch Điện trở quang trở giảm mạnh bị chiếu sáng ánh sáng nói Đo điện trở quang trở Cds, người ta thấy : không bị chiếu sáng , điện trường vào khoảng 3.10^6 om, bị chiếu sáng , điện trở khoảng 20om + Led phát hồng ngoại quang trở thu Trong này, nhóm em sử dụng cảm biến hồng ngoại tcrt5000 với chân Emitter mắt thu có độ nhạy bước sóng 950nm Sơ đồ nguyên lý cảm biếnhồng ngoại Hình Sơ đồ ngun lí cảm biến hồng ngoại Trong sơ đồ nguyên lý , cặp led thu phát đặt sát , môt chân quang trở đưa vào LM324 LM324 IC khuếch đại so sánh , mục đích khuếch đại tín hiệu từ sensor Khi hoạt động , led phát chiếu tia hồng ngoại xuống sàn thi đấu , chùm tia hồng ngoại chiếu xuống đen , quang trở không nhận chùm phản xạ nên không dẫn điện , điện trở vơ cùng, tín hiệu LM324 mức đưa vào UNO R3 Tương tư, robot gặp trắng quang trở nhận chùm phản xạ , điện trở giảm nên dẫn đến tín hiệu LM324 mức 15 Đồ án thiết kế III Ưu điểm cảm biến hồng ngoại Led hồng ngoại loại cảm biến sử dụng phổ biến, nguyên lí hoạt động đơn giản mà hoàn toàn phù hợp với chức bám đường robot giá thành thấp TCRT5000 Hình TCRT 5000 7.3 Bộ so sánh (LM324) Chức Để giảm bớt nhiễu không mong muốn mắt thu cảu cảm biến hồng ngoại thu tín hiệu, nhóm em sử dụng ic LM324 để giải vấn đề LM324 IC công suất thấp bao gồm khuếch đại thuật tốn (Op Amp) Các Opamp LM324 thiết kế đặc biệt để sử dụng với nguồn đơn Tức bạn cần Vcc GND đủ Một điều đặc biệt nguồn cung cấp LM324 hoạt động độc lập với nguồn tín hiệu Ví dụ nguồn cung cấp LM324 5V làm việc bình thường với nguồn tín hiệu ngõ vào V+ V- 15V mà ko bị 16 Đồ án thiết kế III Sơ đồ chân LM324 Hình Sơ đồ chân LM324 Thông số kĩ thuật - Nguồn cung cấp cho LM324 tầm từ 5V~32V Tuy nhiên điện áp khuyên dùng 5V - Điện áp tối đa ngõ vào: ~Vcc áp ngõ vào từ 0~32V nguồn đơn ±15V đối - với nguồn đôi công suất Lm324 loại chân cắm (Dip) khoảng 1W Thứ tư điện áp dòng ngõ điện áp ngõ từ 0~Vcc-1,5V Dòng ngõ mắc theo kiểu đẩy dòng (dòng Sink) dòng đẩy tối đa đạt 20mA Dòng ngõ mắc theo kiểu hút dòng (dòng Souce) dòng hút tối đa lên đến 40mA Hai thông số quan trọng thiết kế với LM324 Tần số hoạt động LM324 1MHz Khuếch đại điện áp DC LM324 tối đa khoảng 100 dB Nguyên lí hoạt động op amp Khi điện áp V+ > V- ngõ op amp mức +Vcc Khi điện áp V+ < V- ngõ op amp mức Gnd -Vcc 7.4 Khối chuyển động Động mà nhóm sử dụng động chiều (DC motor) 17 Đồ án thiết kế III Động chiều có cấu tạo từ hai phận: Bộ phận đứng yên có cấu tạo từ nam châm vĩnh cửu gọi Stato phận quay cấu tạo từ nam châm nhân tao có cấu tạo từ cuộn dây đồng có lõi kim loại gọi Rotor Hình 10 Động DC Hình 11 Hoạt động motor DC Khi cho dòng điện chiều qua motor khiến motor quay theo chiều hình bên trái Khi ta đảo cực dòng điện động chiều hình bên phải Động DC cho dòng điện chiều chạy qua làm quay Roto dẫn đến motor quay, ta đổi chiều dòng điện motor quay theo chiều ngược lại Do điểu chỉnh hướng quay motor Đặc tính kỹ thuật hầu hết động motor tốc độ quay( Vòng/ phút) cao moment ngẫu lực thấp Nhưng mà hầu hết Robot cần tốc quay chậm moment ngẫu lực cao Do hộp số lắp vào DC motor nhằm giảm tốc độ quay làm tang moment ngẫu lực Trên hộp số thường ghi rõ số truyền động trước sau hộp số 18 Đồ án thiết kế III Ví dụ: Tốc độ quay DC motor 1000 vòng/Phút gắn vào hộp số 1000/1 Có nghĩa tốc độ quay đầu hộp số 1/1000 tốc độ DC motor chưa gắn hộp số => Vận tốc hộp số vận tốc DC motor chia cho 1000 Điều xung PWM, điều chỉnh vận tốc cho động Điều xung PWM khâu quan trọng thiếu thiết kế Robot Qua bạn điều khiển linh hoạt cho DC motor từ dùng hàm vận tốc robot bám theo vạch trắng Điều xung nói chung cách bật tắt nguồn điện motor liên tục motor lúc nhận điện Lúc điện Khi tần số đủ cao motor quay ổn định tốc độ nhờ moment quay bánh xe Xung vuông đồ thị biểu trạng thái nguồn điện Nguồn mở motor hoạt động lúc xung trạng thái cao, nguồn tắt motor dừng lại lúc motor trạng thái thấp Tốc độ motor tỉ lê trung bình với độ dài xung vng Sau số trạng thái hoạt động: Hình 12 Điều xung PWM 19 Đồ án thiết kế III Ta xem xung , xung dù 20% , 50% hay 80% có hai trạng thái 12V 0V 12V gọi trạng thái cao mức motor quay Còn 0V trạng thái thấp , trạng thái motor có điện áp dừng Biểu đồ xung , tổng phần trăm trạng thái cao trạng thái thấp 100% Và số 20% hay 50%, 80% xung cao Cho nên phần trăm thấp 100%-% xung cao Nếu độ dài xung rộng tốc độ motor cao đạt tốc độ cao motor gửi đến xung 100% motor dừng có 0% gửi tới 7.5 Khối nguồn Khối nguồn có chức cung cấp lượng cho tất thiết bị linh kiện robot hoạt động Để cung cấp nguồn lượng cho robot ta có nhiều lựa chọn như: Pin thường, pin sạc, ac-quy adapter Hình 13 số nguồn thông dụng Đây thiết bị thông dụng nay, so sánh chút ưu-nhược điểm chúng So sánh số nguồn thông dụng Ngồn Pin thường Ưu điểm Giá rẻ ~2000/1 pin, trọng lượng nhỏ ~25g, Nhược điểm Chỉ sử dụng lần Khích thước gọn h=50.5, d=14.5 (mm) Di động Dung lượng nhỏ 600-1000 (mAh) loại pin R6 Nhanh hết pin Điện áp nhỏ 20 Đồ án thiết kế III Pin sạc 1.5V/pin Tái sử dụng lên tới ~1500 lần (pin sạc AA), Giá thành vừa trọng lượng nhỏ ~31g , dung lượng có loại cao 200.000đ/ 4pin cao >4000 (mAh) kích thước gọn gần pin thường cho phép khả di Ac-quy chuyển linh động Điện áp cao pin thường Tái sử dụng nhiều lần - Kích thước lớn Dung lượng cao ( vd: Ắc quy SUNCA - Trọng lượng lớn - Không phù hợp RB45C 6V) với xe mơ hình Có dung lượng cao 4500 mAh Giá thành trung bình Ắc quy SUNCA mini Adapter RB45C 6V 80.000đ Di động Cung cấp lượng ổn định Không di động Giá thành đa dạng tùy vào chủng loại xuất xứ, trung bình khoảng vài chục nghìn cao chút Kích thước nhỏ Điện áp đa dạng (5V,6V,9V,12V ) Bảng So sánh số nguồn Lựa chọn ngồn Để đáp ứng yêu cầu mạch nhỏ gọn, khối lượng robot nhẹ di chuyển linh hoạt đặc biệt robot làm việc khoảng thời gian định Nhóm em định sử dụng loại pin xạc Khối chuyển động hoạt động với 5-12V nhóm em chọn loại pin xạc có điện áp nằm khoảng cho phép hoạt động robot Khối xử lí hoạt động 5V khối truyền nhận, khối cảm biến chung nguồn với khối xử lí 21 Đồ án thiết kế III KẾT QUẢ THỰC HIỆN ĐỀ TÀI Sau trình tìm tòi, nghiên cứu Nhóm chúng em hồn thành bước vẽ mạch nguyên lý mạch in sử dung Alitum Mạch nguyên lý Hình 14 Sơ đồ nguyên lý 22 Đồ án thiết kế III Mạch in Hình 15 Mạch in Hình ảnh minh họa Hình 16 Hình minh họa robot 23 Đồ án thiết kế III KẾT LUẬN Qua đợt thực hành , chúng em nâng cao kiến thức thiết kế phần cứng thực hành vẽ mạch nguyên lý thiết kế mạch in phần mềm Altium Ngồi chúng em tìm hiểu thêm Arduino R3 kit thông dụng phổ biến thực tế Kiến thức mà nhóm em thu đợt thực hành giúp ích chúng em nhiều việc học tập trường lớp ứng dụng vào thực tế công việc tương lai Em xin chân thành cảm ơn cô giúp đỡ chúng em hoàn thành báo cáo Em xin chân thành cảm ơn PHỤ L Hình Một số loại robot tự hành Hình Sơ đồ khối Hình Mơ tả hoạt động robot .8 Hình Lưu đồ thuật tốn .9 Hình UNO R3 11 Hình LED thu phat hồng ngoại chế hoạt động 12 Hình Sơ đồ nguyên lí cảm biến hồng ngoại 14 Hình TCRT 5000 .15 Hình Sơ đồ chân LM324 16 Hình 10 Động DC 17 Hình 11 Hoạt động motor DC .17 Hình 12 Điều xung PWM 19 Hình 13 số nguồn thơng dụng .20 Hình 14 Sơ đồ nguyên lý 22 Hình 15 Mạch in 22 Hình 16 Hình minh họa robot 23 Y Bảng Phân chia công việc Bảng So sánh số nguồn 21 24 Đồ án thiết kế III TÀI LIỆU THAM KHẢO https://www.google.com.vn/ http://www.dientuvietnam.net/ http://codientu.org/ http://arduino.vn/ 25