ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP ROBOT TỰ HÀNH TRÁNH VẬT CẢN

Đồ án tốt nghiệp điện tử ROBOT TỰ HÀNH TRÁNH VẬT CẢN LỜI NÓI ĐẦU Trong phát triển ngành kỹ thuật điện tử ngày nay, vi điều khiển dần chiếm ưu số lượng ứng dụng nhiều thiết bị dân dụng chuyên dụng Ngoài ra, vi điều khiển phổ biến lĩnh vực đo lường điều khiển, vv Trên sở kiến thức học Chúng em định chọn, thiết kế thi công đề tài: “ Thiết kế thi công Robot tự hành tránh vật cản ” dùng arduino để hiểu rõ ứng dụng thực tiễn tương lai Do kiến thức hạn hẹp lần đầu thiết kế Mặc dù cố gắng khắc phục khuyết điểm, chúng em tránh khỏi sai sót nhiều hạn chế Tập thể nhóm chúng em mong nhận góp ý từ thầy để chúng em khắc phục sai sót mắc phải đồ án tốt nghiệp sau Một lần nữa, chúng em xin chân thành cám ơn thầy Ths.Vũ Đức Vương thầy cô môn điện tử giúp chúng em thiết kế hoàn thành đề tài MỤC LỤC CHƯƠNG TỔNG QUAN VỀ ROBOT TỰ HÀNH TRÁNH VẬT CẢN 1.1 Tổng quan Robot tự hành tránh vật cản 1.1.1 Tình hình phát triển 1.1.2 Yêu cầu công nghệ nhu cầu thực tế 1.1.3 Ưu, nhược điểm robot tự hành tránh vật cản .2 1.1.4 Ứng dụng robot tự hành 1.2 Thông số kỹ thuật cần đạt .5 1.3 Thơng số kỹ thuật mơ hình chức 1.4 Kết luận CHƯƠNG THIẾT KẾ HỆ THỐNG CƠ KHÍ 2.1 Thiết kế sơ hệ thống khí lựa chọn truyền khí 2.1.1 Tính toán động 2.1.2 Mơ hình đơn giản xe tự hành 2.1.3 Tính chọn cơng suất động .7 2.1.4 Chọn thiết bị kèm TRƯỜNG ĐẠI HỌC KỸ THUẬT CÔNG NGHIỆP THÁI NGUYÊN Đồ án tốt nghiệp điện tử 2.2 Thiết kế chi tiết khí .10 2.3 Kết Luận 14 CHƯƠNG THIẾT KẾ HỆ THỐNG ĐIỆN, ĐIỆN TỬ .15 3.1 Chọn phương án thiết kế .15 3.2 Lựa chọn linh kiện 15 3.3 Sơ đồ nguyên lý .21 3.4 Kết luận 21 CHƯƠNG THI CÔNG VÀ ĐÁNH GIÁ SẢN PHẨM 22 4.1 Thi công sản phẩm 22 4.2 Sản phẩm hoàn chỉnh .22 ĐÁNH GIÁ SẢN PHẨM .23 TÀI LIỆU THAM KHẢO 24 PHỤ LỤC 25 DANH MỤC BẢNG BIỂU Bảng 1.1 Thông số kỹ thuật khách hàng đưa Bảng 1.2 Thông số kỹ thuật đặt Bảng 2.1 Tổng hợp nguyên vật liệu khí Bảng 3.1 Tổng hợp nguyên vật liệu điện, điện tử TRƯỜNG ĐẠI HỌC KỸ THUẬT CÔNG NGHIỆP THÁI NGUYÊN Đồ án tốt nghiệp điện tử DANH MỤC HÌNH VẼ Hình 1.1 Robot tự hành nhà máy Hình 1.2 Robot tự hành siêu thị Hình 1.3 Robot tự hành Gita tự chạy theo chủ nhân Hình 1.4 Robot mang theo thiết bị lĩnh vực khoa học vũ trụ Hình 1.5 Hình ảnh minh họa robot đưa thức ăn Hình 2.1 Mơ hình xe tự hành Hình 2.2 Động giảm tốc GA 37 Hình 2.3 Bánh xe V7 Hình 2.4 Bánh xe dẫn hướng Hình 2.5 Tấm thân xe Hình 2.6 Sơ tổng thể hệ thống khí Hình 2.7 Hình ảnh bóc tách chi tiết Hình 3.1 Sơ đồ khối Hình 3.2 Hình ảnh mạch vi xử lý Arduino uno R3 Hình 3.3 Cảm biến siêu âm SRF05 Hình 3.4 Mạch cầu L298N Hình 3.5 Mạch giảm áp LM2596 Hình 3.6 Sơ đồ chân LM2596 Hình 3.7 Pin 9v Hình 3.8 Ắc quy 12v Hình 3.9 Sơ đồ nguyên lý Hình 4.1 Hình ảnh tổng hợp chi tiết linh kiện Hình 4.2 Hình sản phẩm hồn chỉnh TRƯỜNG ĐẠI HỌC KỸ THUẬT CÔNG NGHIỆP THÁI NGUYÊN Đồ án tốt nghiệp điện tử CHƯƠNG TỔNG QUAN VỀ ROBOT TỰ HÀNH TRÁNH VẬT CẢN 1.1 Tổng quan Robot tự hành tránh vật cản 1.1.1 Tình hình phát triển Ngày nay, Robot học đạt thành tựu to lớn sản xuất cơng nghiệp Những cánh tay robot có khả làm việc với tốc độ cao, xác liên tục làm suất lao động tăng nhiều lần Chúng làm việc mơi trường độc hại hàn, phun sơn, nhà máy hạt nhân, hay lắp ráp linh kiện điện tử tạo điện thoại, máy tính…một cơng việc đòi hỏi tỉ mỉ, xác cao Tuy nhiên robot có hạn chế chung hạn chế không gian làm việc Không gian làm việc chúng bị giới hạn số bậc tự tay máy vị trí gắn chúng Ngược lại, Robot tự hành lại có khả hoạt động cách linh hoạt môi trường khác Robot tự hành tránh vật cản có khả tự hoạt động, thực thi nhiệm vụ mà không cần can thiệp người Với cảm biến, chúng có khả nhận biết môi trường xung quanh Robot tự hành tránh vật cản ngày có nhiều ý nghĩa ngành công nghiệp, thương mại, y tế, ứng dụng khoa học phục vụ đời sống người Với phát triển ngành Robot học, robot tự hành tránh vật cản ngày có khả hoạt động môi trường khác nhau, tùy lĩnh vực áp dụng mà chúng có nhiều loại khác robot sơn, robot hàn, robot cắt cỏ, robot thám hiểm đại dương, robot làm việc vũ trụ Cùng với phát triển yêu cầu thực tế, robot tự hành tránh vật cản tiếp tục đưa thách thức cho nhà nghiên cứu Vấn đề robot tự hành tránh vật cản làm để robot tự hành tránh vật cản hoạt động, nhận biết mơi trường thực thi nhiệm vụ đề Vấn đề di chuyển, Robot tự hành tránh vật cản nên di chuyển cấu di chuyển lựa chọn tốt Điều hướng vấn đề nghiên cứu chế tạo Robot tự hành tránh vật cản Trong hiệp hội nghiên cứu Robot tự hành tránh vật cản có hướng nghiên cứu khác nhau: - Hướng thứ nghiên cứu Robot tự hành tránh vật cản có khả điều hướng tốc độ cao nhờ thông tin thu từ cảm biến, loại robot có khả hoạt động mối trường phòng mơi trường bên ngồi Loại robot u cầu khả tính tốn đồ sộ trang bị cảm biến có độ nhạy cao, dải đo lớn để điều khiển robot di chuyển tốc độ cao, mơi trường có địa hình phức tạp - Hướng thứ hai: nhằm giải vấn đề loại robot tự hành tránh vật cản dùng để hoạt động mơi trường phòng Loại robot tự hành tránh vật cản có kết cấu đơn giản loại trên, thực nhiệm vụ đơn giản Bài toán dẫn hướng cho robot tự hành tránh vật cản chia làm loại: tốn tồn cục (global) tốn cục (local) Ở tồn cục, mơi trường làm việc robot hoàn toàn xác định, đường vật cản hồn tồn biết trước Ở tốn cục bộ, mơi trường hoạt động robot chưa biết trước biết phần Các cảm biến TRƯỜNG ĐẠI HỌC KỸ THUẬT CÔNG NGHIỆP THÁI NGUYÊN 1 Đồ án tốt nghiệp điện tử thiết bị định vị cho phép robot xác định vật cản, vị trí mơi trường giúp tới mục tiêu Các vấn đề gặp phải điều hướng cho Robot tự hành tránh vật cản thường không giống loại robot khác Để điều hướng cho Robot tránh vật cản , định theo thời gian thực phải dựa vào thông tin liên tục môi trường thông qua cảm biến, môi trường phòng ngồi trời, điểm khác biệt lớn so với kỹ thuật lập kế hoạch ngoại tuyến Robot tự hành tránh vật cản phải có khả tự định phương thức điều hướng, định hướng chuyển động để tới đích thực nhiệm vụ định Điều hướng cho robot tự hành tránh vật cản cơng việc đòi hỏi phải thực số khả khác nhau, bao gồm : khả di chuyển mức bản, ví dụ hoạt động tới vị trí cho trước; khả phản ứng kiện theo thời gian thực, ví dụ có xuất đột ngột vật cản; khả xây dựng, sử dụng trì đồ mơi trường hoạt động; khả xác định vị trí robot đồ đó; khả thiết lập kế hoạch để tới đích tránh tình khơng mong muốn khả thích nghi với thay đổi mơi trường hoạt động 1.1.2 Yêu cầu công nghệ nhu cầu thực tế Trong nhà xưởng, người công nhân bị gò bó suất lao động, robot tự hành tránh vật cản giải pháp nhằm cung cấp nguyên liệu từ nhà kho đến tay người công nhân, giúp giảm nhân công, tăng suất Tùy theo loại nguyên liệu có đặc thù, khối lượng, kích thước khác mà thiết kế người ta vào đưa yêu cầu : - Kích thước - Khối lượng - Cơng suất - Tốc độ di chuyển Trong đồ án chúng em chủ yếu tập trung nghiên cứu thiết kế modul chuyển động điều khiển robot chở nguyên liệu dây chuyền sản xuất, với kích thước thông số nhỏ thực tế Kết nhóm robot tự động có khả di chuyển tự mơi trường có vật cản Đề tài thiết kế chế tạo robot tự hành tránh vật cản chủ yếu giúp cho sinh viên làm quen với việc sử dụng vi điều khiển, kĩ lập trình, phương pháp tự thập liệu từ cảm biến sensor, điều khiển động cơ, hiển thị trạng thái hoạt động hệ thống mạch phụ trợ khác 1.1.3 Ưu, nhược điểm robot tự hành tránh vật cản  Ưu điểm TRƯỜNG ĐẠI HỌC KỸ THUẬT CÔNG NGHIỆP THÁI NGUYÊN 2 Đồ án tốt nghiệp điện tử - Không gây ô nhiễm, sử dụng bình điện, sạc - Sử dụng không gian hiệu quả, đa nhà máy xí nghiệp - Giá thành khơng q đắt  Nhược điểm - Khơng thể leo bậc thang có chiều cao 1/2 bán kính bánh xe - Thiếu tính linh hoạt thích ứng làm việc vị trí khác 1.1.4 Ứng dụng robot tự hành - Robot làm việc mơi trường độc hại - Ứng dụng robot tự hành nhà máy Hình 1.1 Robot tự hành nhà máy - Ứng dụng robot tự hành siêu thị Hình 1.2 Robot tự hành siêu thị TRƯỜNG ĐẠI HỌC KỸ THUẬT CÔNG NGHIỆP THÁI NGUYÊN 3 Đồ án tốt nghiệp điện tử - Ứng dụng robot tự hành lĩnh vực sống Hình 1.3 Robot tự hành Gita tự chạy theo chủ nhân - Ứng dụng robot tự hành lĩnh vực khoa học vũ trụ Hình 1.4 Robot mang theo thiết bị lĩnh vực khoa học vũ trụ - Robot di chuyển theo theo vạch mầu thiết kế sẵn nhà xưởng đển vị trí yêu cầu thực thao tác Hình 1.5 Hình ảnh minh họa robot đưa thức ăn TRƯỜNG ĐẠI HỌC KỸ THUẬT CÔNG NGHIỆP THÁI NGUYÊN 4 Đồ án tốt nghiệp điện tử 1.2 Thông số kỹ thuật cần đạt  Yêu cầu kỹ thuật khách hàng: Bảng 1.1 Thông số kỹ thuật khách hàng đưa ST Nội dung yêu cầu khách hàng Ghi T Tải trọng 15kg Tốc độ nhỏ xe m/s Tốc độ lớn xe 0,5 m/s  Yêu cầu kỹ thuật chung tự đặt để giải yêu cầu khách hàng đưa Bảng 1.2 Thông số kỹ thuật đặt ST T Nội dung đặt Xác định tải trọng xác xe có thiết bị kèm: Hình dạng xe cần thiết kế Ghi >15kg Đưa công suất cho động Thời lượng pin cho sản phẩm Vật liệu sử dụng làm khung Chiều dài tối thiểu xe để lắp thiết bị 1.3 Thơng số kỹ thuật mơ hình chức Cấu trúc robot tự hành tránh vật cản: Cấu trúc xe gồm:  Hai bánh xe sau nối với hai motor truyền động cho xe  Hai bánh xe dẫn hướng  Bo mạch chủ dùng arduino để tiếp nhận tín hiệu từ sensor phát lệnh  Hệ thống tránh vật dùng cảm biến siêu âm Yêu cầu:  Hệ thống gồm khối nguồn 9v 12v cung cấp ổn định để hoạt động khoảng thời gian cho phép tối đa 2h đồng hồ Khi phải thay nguồn nạp lượng cho robot phải thay nhanh chóng dễ dàng  Sử dụng động DC giảm tốc 12v TRƯỜNG ĐẠI HỌC KỸ THUẬT CÔNG NGHIỆP THÁI NGUYÊN 5 Đồ án tốt nghiệp điện tử  Bộ điều khiển gắn trực tiếp xe 1.4 Kết luận Từ sơ đồ kết nối thông số dự kiến ta xây dựng giải thuật điều khiển thiết kế module theo kết cấu hoạch định TRƯỜNG ĐẠI HỌC KỸ THUẬT CÔNG NGHIỆP THÁI NGUYÊN 6 Đồ án tốt nghiệp điện tử CHƯƠNG THIẾT KẾ HỆ THỐNG CƠ KHÍ 2.1 Thiết kế sơ hệ thống khí lựa chọn truyền khí 2.1.1 Tính tốn động  Bài toán Thiết kế xe tự hành tránh vật cản Xe gồm có bánh có bánh dẫn hướng bánh đẩy, động nối với bánh đẩy thông qua truyền bánh có N=50 Tổng khối lượng xe bao gồm m  10kg động cơ, bánh xe ; đường kính bánh xe d1  100mm , đường kính trục m  15kg bánh xe d  8mm ; xe mang theo tải có khối lượng Mơ hình hóa dạng sơ đồ đơn giản ? k  0.0015 , hệ số ma sát Tính cơng suất động cơ? biết hệ số ma sát trục k  0.012 , xe tăng tốc từ => 0.5(m/s) 2(s), hệ số an toàn bánh xe với SF=1.5, hiệu suất EF=0.8 2.1.2 Mơ hình đơn giản xe tự hành Hình 2.1 Mơ hình xe tự hành 2.1.3 Tính chọn cơng suất động Momen ma sát với ổ gây ra: TRƯỜNG ĐẠI HỌC KỸ THUẬT CÔNG NGHIỆP THÁI NGUYÊN 7 Đồ án tốt nghiệp điện tử Hình 3.6 Sơ đồ chân LM2596 Cách sử dụng LM256: Chỉ cần cấp nguồn vào chân INPUT+, INPUT- nhận nguồn từ chân OUTPUT+, OUTPUT Nguồn 9v Hình 3.7 Pin 9v  Ắc quy 12v - 3,5 Ah Thơng tin sản phẩm:  Bền  An tồn giá tiết kiệm  Có thể nạp TRƯỜNG ĐẠI HỌC KỸ THUẬT CÔNG NGHIỆP THÁI NGUYÊN 20 Đồ án tốt nghiệp điện tử Hình 3.8 Ắc quy 12v Dung lượng & Kích thước: - Dung lượng: 12V - 3.5Ah (10HR) - Kích thước (mm): 112 x 70 x 85 (dài x rộng x cao) Bảng 3.1 Tổng hợp nguyên vật liệu điện, điện tử STT Tên linh kiện Ký hiệu Thông số Số lượng Mua / Chế tạo Arduino Arduino uno R3 Mua Module Cảm Biến Siêu Âm SRF05 Mua Mạch cầu H L298N Mua TRƯỜNG ĐẠI HỌC KỸ THUẬT CÔNG NGHIỆP THÁI NGUYÊN 21 Đồ án tốt nghiệp điện tử Modul LM2596 LM2596 Mua Nguồn 9v Pin 9v Mua Nguồn 12v Ắc quy 12v Mua 3.3 Sơ đồ nguyên lý Hình 3.9 Sơ đồ nguyên lý 3.4 Kết luận TRƯỜNG ĐẠI HỌC KỸ THUẬT CÔNG NGHIỆP THÁI NGUYÊN 22 Đồ án tốt nghiệp điện tử Các modul hoàn thành theo thiết kế, hoạt động ổn định theo thông số đề Sau hồn thành phần khí điện, điện tử, ta tiến hành thi công lắp ráp sản phẩm TRƯỜNG ĐẠI HỌC KỸ THUẬT CÔNG NGHIỆP THÁI NGUYÊN 23 Đồ án tốt nghiệp điện tử CHƯƠNG THI CÔNG VÀ ĐÁNH GIÁ SẢN PHẨM 4.1 Thi cơng sản phẩm Hình 4.1 Hình ảnh tổng hợp chi tiết linh kiện 4.2 Sản phẩm hoàn chỉnh TRƯỜNG ĐẠI HỌC KỸ THUẬT CÔNG NGHIỆP THÁI NGUYÊN 24 Đồ án tốt nghiệp điện tử Hình 4.2 Sản phẩm hồn chỉnh TRƯỜNG ĐẠI HỌC KỸ THUẬT CƠNG NGHIỆP THÁI NGUYÊN 25 Đồ án tốt nghiệp điện tử ĐÁNH GIÁ SẢN PHẨM  Quá trình thực hoàn thành nhiệm vụ sau: - Thiết kế khung khí hồn chỉnh - Thiết kế điện, điện tử, mô thi công mạch chạy ổn định - Tự hành tự tránh vật cản đường  Tuy nhiên mạch số hạn chế như: - Tốc độ chưa khống chế cách hợp lý - Dễ bị trượt chạy tốc độ cao, bẻ cua xuống dốc - Cách bố trí mạch chưa khoa học  Một số cách khắc phục: - Tăng số lượng sensor đầu dò - Chất liệu làm bánh xe có độ bám tốt TRƯỜNG ĐẠI HỌC KỸ THUẬT CÔNG NGHIỆP THÁI NGUYÊN 26 Đồ án tốt nghiệp điện tử TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] www.banlinhkien.vn [2] www.codientu.org [3] http://arduino.vn/ [4] http://hshop.vn/ [5] http://www.3dcontentcentral.com/ [6] TS Phạm Thành Long, Bài giảng Robot công nghiệp, Thái Nguyên 2014 [7] GS.TSKH Nguyễn Thiện Phúc, Robot công nghiệp, Nhà xuất khoa học kỹ thuật Hà Nội 2006 TRƯỜNG ĐẠI HỌC KỸ THUẬT CÔNG NGHIỆP THÁI NGUYÊN 27 Đồ án tốt nghiệp điện tử PHỤ LỤC #define trig1 A5 #define echo1 A4 #define trig2 A3 #define echo2 A2 #define trig3 A1 #define echo3 A0 #define inA1 #define inA2 11 #define inB1 12 #define inB2 13 #define enA #define enB 10 float kcleft,maxkc,maxkctp; float leftdistance() { long duration1, leftdistancecm; digitalWrite(trig1, LOW); delayMicroseconds(2); digitalWrite(trig1, HIGH); delayMicroseconds(10); digitalWrite(trig1, LOW); duration1 = pulseIn(echo1, HIGH); leftdistancecm = duration1 / 29.1 / 2; return leftdistancecm; } float kcmid; float middistance() TRƯỜNG ĐẠI HỌC KỸ THUẬT CÔNG NGHIỆP THÁI NGUYÊN 28 Đồ án tốt nghiệp điện tử { long duration2, middistancecm; digitalWrite(trig2, LOW); delayMicroseconds(2); digitalWrite(trig2, HIGH); delayMicroseconds(10); digitalWrite(trig2, LOW); duration2 = pulseIn(echo2, HIGH); middistancecm = duration2 / 29.1 / 2; return middistancecm; } float kcright; float rightdistance() { long duration3, rightdistancecm; digitalWrite(trig3, LOW); delayMicroseconds(2); digitalWrite(trig3, HIGH); delayMicroseconds(10); digitalWrite(trig3, LOW); duration3 = pulseIn(echo3, HIGH); rightdistancecm = duration3 / 29.1 / 2; return rightdistancecm; } void setup() { TRƯỜNG ĐẠI HỌC KỸ THUẬT CÔNG NGHIỆP THÁI NGUYÊN 29 Đồ án tốt nghiệp điện tử Serial.begin (9600); pinMode(trig1, OUTPUT); pinMode(echo1, INPUT); pinMode(trig2, OUTPUT); pinMode(echo2, INPUT); pinMode(trig3, OUTPUT); pinMode(echo3, INPUT); pinMode(inA1, OUTPUT); pinMode(inA2, OUTPUT); pinMode(inB1, OUTPUT); pinMode(inB2, OUTPUT); pinMode(enA, OUTPUT); pinMode(enB, OUTPUT); } void loop() { kcleft = leftdistance(); //Serial.print("left(cm): "); // Serial.println(kcleft); //delay(100); kcmid = middistance(); //Serial.print("mid(cm): "); // Serial.println(kcmid); //delay(100); kcright = rightdistance(); //Serial.print("right(cm): "); //Serial.println(kcright); //delay(100); if (kcmid > 30 && kcmid 25 && kcleft > 25) TRƯỜNG ĐẠI HỌC KỸ THUẬT CÔNG NGHIỆP THÁI NGUYÊN 30 Đồ án tốt nghiệp điện tử { tien(); } if (kcright > 25 && kcleft