Thiết kế và chế tạo Robot tự hành

KẾT LUẬNRobot tự hành là một sản phẩm có tính ứng dụng cao trong cuộc sống, nó đang không ngừng được nghiên cứu, hoàn thiện và sử dụng ngày càng rộng rãi trong đời sống và sản xuất. Hơn nữa, nghiên cứu chế tạo Robot tự hành còn là sân chơi bổ ích cho các bạn sinh viên đam mê Robot, thúc đẩy đam mê và sự sáng tạo của học sinh, sinh viên

MỤC LỤC

LỜI MỞ ĐẦU 1

CHƯƠNG 1 ĐẶT VẤN ĐỀ 5

1.1 Tổng quan về Robot tự hành 5

1.1.1 Sự ra đời của Robot 5

1.1.2 Khái niệm Robot tự hành và ứng dụng của Robot tự hành 5

1.2 Giới thiệu về Ô tô tự hành và hiện trạng của Ô tô tự hành trong thực tế 8

1.2.1 Giới thiệu Ô tô tự hành 8

1.2.2 Thực trạng của ô tô tự hành trong thực tế 9

1.3 Nhiệm vụ đề tài 12

CHƯƠNG 2 THIẾT KẾ KỸ THUẬT 13

2.1 Robot bám đường theo vạch 13

2.1.1 Nhiệm vụ 13

2.1.2 Các phương pháp bám đường của Robot 13

2.1.3 Nguyên tắc hoạt động của Robot bám đường 16

2.2 Robot tránh va chạm 17

2.2.1 Nhiệm vụ 17

2.2.2 Các phương pháp phát hiện chướng ngại vật 17

2.3 Thiết kế Robot 20

2.3.1 Cấu tạo của Robot 20

2.3.2 Sơ đồ khối chức năng 22

CHƯƠNG 3 SƠ ĐỒ MẠCH VÀ LẬP TRÌNH 40

3.1 Sơ đồ thuật toán 40

3.2 Sơ đồ nguyên lý 41

3.3 Sản phẩm thực tế 42

3.4 Chương trình lập trình 42

KẾT LUẬN 53

TÀI LIỆU THAM KHẢO 54

DANH MỤC HÌNH ẢNH

Hình 1.1 Robot di chuyển bằng chân 6

Hình 1.2 Robot di chuyển bằng bánh 6

Hình 1.3 Robot di chuyển bằng xích 6

Hình 1.4 Robot trong y tế 7

Hình 1.5 Robot phun thuốc trừ sâu trong nông nghiệp 8

Hình 1.6 Xe tự hành ngoài thực tế 9

Hình 1.7 Robot tự hành thám hiểm vũ trụ 11

Hình 2.1 Chuyển động giữa cuộn dây và vạch từ 14

Hình 2.2 Robot bám đường theo vạch màu đen 15

Hình 2.3 Các hướng đi của Robot 16

Hình 2.4 Xe tự hành nhận diện chướng ngại vật trong thực tế 17

Hình 2.5 Ảnh gốc và ảnh sau khi tách biên 18

Hình 2.6 Phương pháp dò nền 18

Hình 2.7 Cảm biến siêu âm 19

Hình 2.8 Mô hình Xe tự lái 20

Hình 2.9 Sơ đồ khối chức năng 23

Hình 2.10 Pin 3,7V 23

Hình 2.11 Cấu tạo của Arduino 24

Hình 2.12 Led thu phát hồng ngoại trong cảm biến hồng ngoại 26

Hình 2.13 Led phát hồng ngoại 26

Hình 2.14 Led thu hồng ngoại 27

Hình 2.15 Hoạt động của led hồng ngoại 27

Hình 2.16 Modul cảm biến hồng ngoại 28

Hình 2.17 Bốn Modul cảm biến hồng ngoại 29

Hình 2.18 Hình ảnh cảm biến siêu âm HY- SRF05 30

Hình 2.19 Nguyên lý hoạt động của cảm biến siêu ấm SRF-05 31

Hình 2.20 Giản đồ xung chế độ 1 32

Hình 2.21 Giản đồ xung chế độ 2 33

Hình 2.22 Modul L298 34

Hình 2.23 Mạch cầu H 35

Hình 2.24 Cầu H điều khiển động cơ quay thuận 36

Hình 2.25 Cầu H điều khiển động cơ quay ngược 36

Hình 2.26 Xe pháo phòng không tự hành ZSU-57-2 dùng bánh xích 38

Hình 2.27 Màn hình LCD 16x2 38

Hình 3.1 Sơ đồ thuật toán 40

Hình 3.1 Sơ đồ các khối trong Matlab Simulink 41

Hình 3.2 Sơ đồ nguyên lý 41

Hình 3.3 Sản phẩm thực tế Robot tự hành 42

DANH MỤC BẢNG Bảng 1 Các linh kiện chính trong mạch 22

Bảng 2 Mức lệch của Robot 30

Bảng 3 Chức năng các chân của SRF05 31

LỜI MỞ ĐẦU

Cuộc cách mạng về khoa học công nghệ diễn ra từng ngày đang làm thay đổi toàn diện và sâu sắc cuộc sống cũng như quá trình sản xuất của con người Phép màu công nghệ đã giúp con người làm được nhiều việc phi thường mà trước đây chỉ có trong trí tưởng tượng Thế giới đang tiến ngày càng gần hơn đến với nền kinh tế tri thức

Xuất phát từ nhu cầu thực tiễn, Robot được ứng dụng rộng rãi trong công nghiệp, thay thế con người hoạt động trong những môi trường nguy hiểm, độc

hại Chính vì vậy nhóm tác giả đã lựa chọn đề tài đồ án tốt nghiệp “ Thiết kế

và chế tạo Robot tự hành” và cụ thể là Ô tô tự lái Hiện nay trên thế giới có

rất nhiều chuyên gia kỹ thuật và các hãng nghiên cứu và chế tạo xe tự hành, đây là một phát minh hiện đại và đầy tiềm năng phát triển Nhận thấy đây là một đề tài hay, tính ứng dụng cao, chúng em đã tìm hiểu, nghiên cứu và chế

tạo Robot tự hành dưới sự hướng dẫn của Th.s Phạm Khánh Tùng Mục đích

của đề tài hướng đến là tạo ra bước đầu cho sinh viên thử nghiệm những ứng dụng của vi điều khiển trong thực tiễn để rồi từ đó tìm tòi, phát triển nhiều

ứng dụng khác trong đời sống hằng ngày cần đến

Trong quá trình thực hiện đề tài, do kiến thức còn nhiều hạn chế nên gặp nhiều khó khăn và không tránh khỏi những sai sót, mong sự góp ý quý báu của thầy cô để chúng em có thể hoàn thiện đề tài hơn

Chúng em xin chân thành cảm ơn!

CHƯƠNG 1 ĐẶT VẤN ĐỀ 1.1 Tổng quan về Robot tự hành

1.1.1 Sự ra đời của Robot

Robot đã xuất hiện trong cuộc sống của chúng ta từ rất lâu, nó đã và đang

là một phần không thể thiếu trong cuộc sống hiện đại Robot đã góp mình vào công cuộc lao động, Robot đã làm nên một cuộc cách mạng về lao động, khoa học công nghệ và nó được coi là trợ thủ đắc lực cho các ngành khoa học như: khoa học quân sự, khoa học giáo dục, y học, các ngành giải trí,v.v…Vậy Robot là gì? xuất hiện từ khi nào?

Nhà soạn kịch Karel Capek người Tiệp Khắc đã đưa lên sân khấu vở kịch

có tiêu đề “ Romands Univesal Robot” vào năm 1921 Trong vở kịch này, Rossum và con trai ông ta đã chế tạo ra những chiếc máy gần giống với con người, để phục vụ cho con người Theo tiếng Sec “ Robot” nghĩa là “ Người tạp dịch” Có lẽ đây chính là một gợi ý ban đầu cho các nhà sáng chế kỹ thuật

về những cơ cấu máy móc bắt chước hoạt động cơ bắp của con người

Đến trước chiến tranh thế giới lần thứ hai nhu cầu sử dụng máy móc để làm việc trong những môi trường độc hại thay thế con người đã trở nên vô cùng cấp thiết Ban đầu cơ cấu máy đơn giản như tay máy người vận hành, gồm các khớp, thanh và dây chằng Cho đến những năm tiếp theo, qua sự nghiên cứu của các chuyên gia kỹ thuật những thế hệ máy điều khiển từ xa có khả năng mềm dẻo và tự động hóa cao ra đời, người ta gọi tên là Robot

1.1.2 Khái niệm Robot tự hành và ứng dụng của Robot tự hành

Robot là một loại máy có thể thực hiện công việc một cách tự động bằng

sự điều khiển của máy tính hoặc vi mạch điện tử đã được lập trình Robot là tác nhân cơ khí, nhân tạo, sự chuyển động của nó khiến người ta cảm giác giống sự chuyển động của con người

Vậy Robot tự hành là gì? Trước hết, “ Tự hành” là khả năng một thiết bị, máy móc thực hiện nhiệm vụ nào đó mà không cần đến sự tác động của con người, khi được kích hoạt nó sẽ tự thực hiện một số nhiệm vụ, nó có khả năng cảm nhận và phản ứng với môi trường xung quanh Robot tự hành được hiểu

là một loại xe Robot có khả năng tự di chuyển, tự vận động Có thể chia Robot tự hành thành hai nhóm : chuyển động bằng chân (legged) và bằng bánh (wheeled) Robot di chuyển bằng bánh có ba loại: loại di chuyển bằng bánh xe (loại phổ biến), loại di chuyển bằng bánh xích và loại hỗn hợp cả bánh xe và bánh xích

Hình 1.1 Robot di chuyển bằng chân Hình 1.2 Robot di chuyển bằng bánh

Hình 1.3 Robot di chuyển bằng xích

Robot ngày càng được sử dụng rộng rãi, ứng dụng của nó rất rộng, rải khắp các ngành nghề Trong các ngành giải trí, có các mô hình robot đồ chơi cho trẻ em; trong nông nghiệp có robot tưới cây, thu hoạch rau củ quả, phun thuốc trừ sâu,v.v…; trong quân sự, xe phòng không, dò mìn, xe tank, ; trong cuộc sống hàng ngày có máy hút bụi tự động; hay như trong y học, vai trò của Robot rất quan trọng, như mổ nội soi ứng dụng robot là bước đột phá của Bệnh viện nhi trung ương và là bước đột phá của ngành y học Việt Nam; Robot trong cuộc sống hàng ngày, Robot lễ tân do nhóm sinh viên trường đại học Sư phạm Kỹ thuật T.P.Hồ Chí Minh chế tạo ứng dụng tại nhà khác An Bình có khả năng giao tiếp đáng ngạc nhiên; thậm chí Robot còn được ứng dụng trong ngành giáo dục, Robot được ứng dụng trong dạy tiếng anh, hỗ trợ các bài kiểm tra nghe, nói và cùng học viên thực hành các tình huống giao tiếp; đặc biệt không thể không kể đến vai trò quan trọng của Robot trong ngành công nghiệp, ứng dụng Robot để hàn, phun sơn, thay thế con người làm việc trong môi trường độc hại, phóng xạ, dưới nước sâu, trong lòng đất, hay làm các việc nặng nhọc

Hình 1.4 Robot trong y tế

Hình 1.5 Robot phun thuốc trừ sâu trong nông nghiệp Robot tự hành có tiềm năng ứng dụng rất lớn, có thể kể đến vận chuyển nhiên liệu, hàng hóa trong các 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, do thám; Robot khám phá không gian, di chuyển trên hành tinh; Robot hàn, sơn trong các nhà máy; Robot xe lăn phục

vụ người khuyết tật; Robot phục vụ sinh hoạt gia đình,v.v…

Qua ứng dụng rất rộng rãi của Robot tự hành, trong đề tài đồ án tốt nghiệp này, em đã thiết kế và chế tạo Robot tự hành, cụ thể là ô tô tự hành, ô tô tự động bám đường theo vạch và tự động tránh va chạm cũng là một loại Robot

sẽ là tương lai của ngành ô tô Đã có nhiều cuộc thảo luận về loại xe này, và

cũng đã có nhiều hãng tham gia phát triển Google có một phòng thí nghiệm

"bí mật" chuyên nghiên cứu về các công nghệ kiểu như ô tô tự lái Ngoài ra có rất nhiều hãng cũng nghiên cứu về ô tô tự hành này như: Tesla, Uber, Toyota, Waymo, Apple, Ford, Daimler, PWM, Honda, v.v…

Hình 1.6 Xe tự hành ngoài thực tế

Ô tô tự hành là ô tô có khả năng hoạt động mà không cần đến sự can thiệp hay tác động của con người Ô tô có thể tự di chuyển trên đường và xử lý những tình huống khó khăn mà không cần tới tài xế Nó có khả năng phát hiện

và tránh chướng ngại vật và xác định tuyến đường tốt nhất cho mỗi hành trình

1.2.2 Thực trạng của ô tô tự hành trong thực tế

Theo CNN, những báo cáo sau các thử nghiệm cho thấy, xe tự lái có thể giảm tới 90% các vụ tai nạn như hiện nay, cứu được 30.000 người, giảm được 2,12 triệu thương tích mỗi năm Xe tự lái chạy điện cũng giúp tiết kiệm được

134 tỷ gallon xăng/năm Còn trong khảo sát của trang tin công nghệ Verge,

trên 60% người trưởng thành tại Mỹ sẽ sử dụng xe tự lái, còn 32% sử dụng những dịch vụ mà xe tự lái mang lại

Với xu hướng phát triển công nghệ hiện nay, các chuyên gia dự đoán, trong khoảng 15 đến 20 năm nữa, xe tự lái sẽ áp đảo các phương tiện đang thịnh hành hiện nay Theo ông Elon Musk, Giám đốc điều hành hãng Tesla Motor, các mẫu xe tự lái của hãng đang thử nghiệm có thể tự vận hành lên đến 90% thao tác mà không cần sự can thiệp của con người Bên cạnh đó, mẫu xe Cadillac thử nghiệm tự lái của GM có thể tự vận hành với vận tốc lên đến 70 dặm/giờ (khoảng 112 km/giờ) Cả Google và Telsa cùng dự đoán rằng tới năm 2020 đôi tay của con người sẽ được giải phóng hoàn toàn khi lên xe Những ưu điểm của xe tự lái: Hệ thống chống bó phanh tự động luôn tốt hơn ngưỡng phanh mà người lái thực hiện trên thiết bị tiêu chuẩn, tương tự với việc kiểm soát lực bám và kiểm soát sự ổn định Công nghệ tiên tiến này

đã giảm bớt gánh nặng đặt lên người điều khiển trên đường cao tốc hay khi tắc đường bởi tất cả đều được tự động hóa Từ phát hiện điểm mù, cảnh báo làn đường khi khởi hành, quản lý gia nhập làn đường và thậm chí tự đậu xe, Với xe tự hành, không thể kỳ vọng mức độ giảm thiểu tai nạn là 100% nhưng xe tự hành sẽ thay đổi đáng kể con số chục ngàn trường hợp tử vong xảy ra mỗi năm tại nhiều quốc gia Từ trước đến nay, điều khiển một chiếc xe chỉ dành cho người có thể vượt qua kì thi lấy bằng lái Những người quá trẻ hoặc quá già, người khuyết tật hoặc có triệu chứng tâm lý không thể có được trải nghiệm này Nhưng với xe tự hành, giao thông cá nhân sẽ mở ra tất cả các phân khúc đơn lẻ của xã hội Việc làm chủ một thiết bị di chuyển hiện đại sẽ nằm trong tầm tay của tất cả mọi người Về mặt thẩm mỹ, xe tự hành sẽ thay đổi cách nhìn nhận một chiếc xế hộp, hoặc ít nhất về khía cạnh nội thất sẽ rất khác biệt Vô-lăng, nút bấm, bàn đạp phanh, ga, cần sang số, đồng hồ tốc độ

và nhiều cụm thiết bị khác bỗng trở nên thừa thãi Những nguyên tắc cứng nhắc như ghế ngồi phải hướng về phía trước sẽ không còn hiệu lực Nội thất

xe sẽ được thiết kế phục vụ nhu cầu sinh hoạt và giải trí của người sử dụng Bạn có thể ăn, ngủ, nghỉ, thậm chí tận hưởng cuộc sống ngay trong lúc xe vẫn đang chạy trên đường Xét về tính ứng dụng, xe tự hành giống như một ngôi nhà lưu động và trở thành giải pháp cho hiện trạng đô thị chật chội ngày nay

Hình 1.7 Robot tự hành thám hiểm vũ trụ Rào cản từ các điểm yếu: Với khá nhiều ưu điểm nhưng hệ thống này không thực sự hoàn hảo bởi sự phụ thuộc vào điều kiện môi trường Tính hiệu quả chỉ phát huy tối đa khi môi trường xung quanh hội tụ đủ tiêu chuẩn nhất định.Thời tiết không thuận lợi sẽ ảnh hưởng tới độ chính xác cũng như an toàn của xe khi vận hành Liệu chiếc xe có thể xử lý kịp thời nếu đường lái

đột ngột thay đổi khác với bản đồ lập trình sẵn? Tuy nhiên, rào cản lớn nhất

không đến từ khía cạnh kỹ thuật mà là luật pháp Ví dụ như khi tai nạn xảy ra, thật khó xác định lỗi thuộc về người ngồi trên xe hay không Luật pháp dù có cải tiến vẫn chậm chạp hơn tốc độ phát triển của công nghệ

Qua ứng dụng và nhu cầu của ô tô tự hành trong thực tế, nhóm tác giả nhận thấy đây là một đề tài hay và thực tế, do đó nhóm tác giả đã lựa chọn đề tài của mình là thiết kế và chế tạo ô tô tự hành (Robot tự hành) với mục đích

tìm hiểu về cơ cấu và nguyên lý hoạt động của xe, đồng thời áp dụng những

kiến thức đã học để tạo ra được mô hình Robot tự hành có thể hoạt động gần

giống với xe tự hành ngoài thực tế

1.3 Nhiệm vụ đề tài

Đề tài : “ Thiết kế và chế tạo Robot tự hành” với hai nhiệm vụ như sau:

- Nhiệm vụ thứ nhất: Robot tự động bám theo vạch đường đã thiết kế

- Nhiệm vụ thứ hai: Robot tránh va chạm

 Kết luận chương 1:

Trong chương đầu tiên này, nhóm tác giả đã giới thiệu về Robot, các khái

niệm, sự ra đời và ứng dụng của Robot tự hành Giới thiệu về xe tự lái cũng

như hiện trạng, tiềm năng phát triển của xe tự lái trong thực tế và ưu, nhược

điểm của xe tự lái Qua đó lựa chọn đề tài đồ án, đòi hỏi phải giải quyết bài

toán với hai nhiệm vụ đề ra là tự động bám đường và tự động tránh va chạm

Trong những chương tiếp theo nhó tác giả sẽ phân tích và tiến hành giải quyết

bài toán này

CHƯƠNG 2 THIẾT KẾ KỸ THUẬT

Với đề tài đồ án này, có hai nhiệm vụ cần giải quyết là :

- Nhiệm vụ 1: Robot bám đường theo vạch

- Nhiệm vụ 2: Robot tránh va chạm theo yêu cầu:

+ Khoảng cách từ xe đến chướng ngại vật: khoảng cách 20cm : Xe dừng + Khoảng cách từ xe đến chướng ngại vật : 20cm khoảng cách 40cm :

Xe chạy chậm dần theo khoảng cách từ xe đến chướng ngại vật, khoảng cách càng gần xe chạy càng chậm

+ Khoảng cách từ xe đến đến chướng ngại vật: 40cm: Xe chạy tốc độ bình thường

2.1 Robot bám đường theo vạch

2.1.1 Nhiệm vụ

Là một Robot hoạt động theo quỹ đạo định sẵn cho nên điều quan trọng là khả năng chạy đúng lộ trình, từ đó yêu cầu đặt ra là phải có phần bám đường cho Robot, Robot phải bám theo vạch đường đã định sẵn

2.1.2 Các phương pháp bám đường của Robot

Trên thực nghiệm, Robot hay các dạng tương tự Robot bám đường thường

có cách bám đường theo từ trường, bám đường vạch dùng cảm biến hồng ngoại và bám đường dùng camera

- Phương pháp 1 Robot bám đường theo từ trường

Phương pháp này hoạt động theo nguyên tắc cảm ứng điện từ Để tạo ra từ trường, thường người ta dùng vật liệu dẫn từ và cuộn dây Theo như phương pháp này, đường đi của Robot sẽ được làm bằng vật liệu dẫn từ và bánh xe có cuộn dây Khi xe di chuyển đúng vạch đường, lúc này không có sức điện động cảm ứng Khi xe bị lệch khỏi vạch đường, cuộn dây và vạch từ có tác động với nhau, xuất hiện một sức điện động cảm ứng, có chiều phù hợp với

chuyển động tương đối của cuộn dây và vạch từ Do đó xe sẽ trở về đúng vạch đường

Hình 2.1 Chuyển động giữa cuộn dây và vạch từ

 Ưu điểm: Robot vẫn bám được đường và không bị nhiễu, không bị ảnh hưởng bởi các yếu tố tự nhiên như ánh sáng, bụi bẩn,v.v…

 Nhược điểm: Phạm vi sử dụng không lớn do giá thành cao, đường đi

làm bằng vật liệu dẫn từ phải cố định, khó thiết kế và thi công

- Phương pháp 2 Robot bám vạch đường dùng cảm biến hồng ngoại, laze

Trong một robot cơ bản, một trong những phần quan trọng nhất trong robot là hệ thống cảm biến Cảm biến của robot được định nghĩa là hệ thống các giác quan của robot Robot cần xác định trạng thái môi trường bên ngoài (như màu sắc đường cần dò) để gửi trạng thái môi trường đến bộ xử

lý rồi đưa các phản ứng điều khiển robot

Cảm biến hồng ngoại, laze được sử dụng để nhận dạng màu sắc của vạch đường (vạch đường có thể màu đen, trắng hoặc vạch laze), để từ đó truyền

thông tin dữ liệu cho bộ xử lý và điều khiển Robot đi theo vạch

Hình 2.2 Robot bám đường theo vạch màu đen

 Ưu điểm:

+ Cảm biến hồng ngoại đơn giản, giá thành rẻ, độ nhạy cao

+ Cảm biến laze có độ định hướng cao và truyền đi trong khảng cách lớn, khả năng chống nhiễu cao

 Nhược điểm:

+ Cảm biến hồng ngoại: có bị nhiễu, cảm biến không hoạt động tốt nếu bị dính bẩn, khoảng cách nhận biết đường phụ thuộc nhiều vào yếu tố màu sắc

+ Cảm biến laze: giá thành cao

- Phương pháp 3 Robot bám vạch dùng camera

Hình ảnh của đường đi sẽ được camera chụp lại gửi về bộ xử lý và đưa ra tín hiệu điều khiển

 Ưu điểm: độ chính xác cao, ít bị nhiễu

 Nhược điểm: yêu cầu xử lý nhiều, do đó đòi hỏi tốc độ xử lý phải nhanh

 Kết luận : Trong đồ án này, Robot sẽ bám theo vạch đường đã được

định màu đen Dựa vào ưu nhược điểm của các phương pháp bám đường trên, nhóm tác giả đã lựa chọn cảm biến hồng ngoại cho Robot bám đường

2.1.3 Nguyên tắc hoạt động của Robot bám đường

Robot bám đường hoạt động theo nguyên tắc san bằng sai lệch Tức là,

để điều khiển Robot theo đúng quỹ đạo, ta xác định độ lệch tương đối giữa quỹ đạo của Robot và quỹ đạo mong muốn, sau đó so sánh độ lệch đó thành các mức và điều khiển lái Robot quay về quỹ đạo Phương pháp này đơn giản nhưng Robot chạy không ổn định, tính ổn định phụ thuộc và động cơ

và kết cấu của Robot

Hình 2.3 Các hướng đi của Robot Khối cảm biến nhận biết Robot đi theo hay lệch khỏi quỹ đạo và gửi tín hiệu về điều khiển trung tâm Arduino Arduino tính toán tốc độ bánh xe Robot để điều khiển hướng di chuyển của Robot Cụ thể, để rẽ trái tốc độ bánh xe bên phải nhanh hơn tốc độ bánh xe bên trái Ngược lại để rẽ phải thì tốc độ bánh xe bên trái nhanh hơn tốc độ bán xe bên phải Khi Robot đi thẳng thì tốc độ di chuyển của Robot lớn nhất và tốc độ bánh phải bằng tốc

độ bánh trái, khi lệch khỏi quỹ đạo thì tốc độ Robot chậm dần (tốc độ tùy

thuộc vào độ lệch của bánh xe với vạch đường)

2.2 Robot tránh va chạm

2.2.1 Nhiệm vụ

Nhiệm vụ thứ hai của Robot là tránh va chạm theo yêu cầu về khoảng cách Đòi hỏi Robot đáp ứng được chính xác nhiệm vụ ở các mức khoảng cách khác nhau mà bài toán đặt ra Robot sẽ nhận diện chướng ngại vật trong khoảng cách yêu cầu và thực hiện nhiệm vụ tránh va chạm theo yêu cầu

Hình 2.4 Xe tự hành nhận diện chướng ngại vật trong thực tế

2.2.2 Các phương pháp phát hiện chướng ngại vật

- Phương pháp 1: Sử dụng công tắc hành trình

+ Đây là phương pháp đơn giản nhất và ít tốn kém Ở phương pháp này, công tắc hành trình được gắn trên Robot, khi Robot di chuyển nếu chạm chướng ngại vật, tác động công tắc, Robot sẽ nhận ra và rẽ hướng khác

+ Ưu điểm: đơn giản, dễ thực hiện, chi phí thấp

+ Nhược điểm: Robot phải va chạm mới phát hiện chướng ngại vật Va chạm nhiều lần sẽ gây hư hỏng và làm ảnh hưởng đế những vật mà Robot đang chở

- Phương pháp 2: Sử dụng Camera

+ Phương pháp này chủ yếu dựa trên các phân tích màu sắc hay sự thay đổi

do chuyển động của các khung hình liên tiếp nhau, kỹ thuật xử lý ảnh đơn giản nhưng chỉ hiệu quả trong một số môi trường nhất định Có ba phương pháp thường sử dụng là:

 Optical Flow: Phương pháp tránh chướng ngại vật nhờ quan sát sự di chuyển của phần tử ảnh

 Edge Detection: Phương pháp tránh chướng ngại vật dùng kỹ thuật tách biên, chỉ nhận đường biên (viền) của chướng ngại vật

Hình 2.5 Ảnh gốc và ảnh sau khi tách biên

 Floor Finder Technique: Phương pháp này dựa trên màu sắc của các điểm ảnh, những điểm ảnh không trùng màu với nền thì được xem là chướng ngại vật

Hình 2.6 Phương pháp dò nền

+ Ưu điểm: Độ chính xác cao, hiệu quả, phát hiện chính xác chướng ngại vật

+ Nhược điểm: Giá thành cao, độ chính xác phụ thuộc vào độ phân giải của camera

- Phương pháp 3: Sử dụng cảm biến siêu âm

+ Đây là phương pháp khá hiệu quả và thông dụng Cảm biến sẽ phát ra sóng siêu âm với góc mở nhất định Khi đó nếu trong tầm quét của nó phát hiện chướng ngại vật thì sóng siêu âm sẽ phản hồi lại Các cảm biến đươc đặt lệch một góc , khoảng cách lớn nhất tính từ D mà các cảm biến có thể nhận được là dmax, dmax và phải đảm bảo sao cho các cảm biến có vùng kiểm tra

đủ rộng để khi tiến thẳng Robot có thể nhận diện được chướng ngại vật

Hình 2.7 Cảm biến siêu âm + Ưu điểm: Xử lý nhanh, kết quả tương đối chính xác

+ Nhược điểm:

o Cảm biến siêu âm chỉ nhận biết được chướng ngại vật khi mặt phẳng quét của cảm biết quét ngang chướng ngại vật, do đó nó không thể phát hiện chướng ngại vật nhỏ, thấp hoặc nằm sát mặt đất

o Do sử dụng sóng siêu âm và sự phản xạ của nó để tính khoảng cách và phát hiện chướng ngại vật nên giải thuật của nó khá phức tạp, phát sinh sai số

 Kết luận: Qua tìm hiểu các phương pháp phát hiện chướng ngại vật và

qua ưu, nhược điểm của các phương pháp, nhóm tác giả đã lựa chọn sử dụng cảm biến siêu âm để phát hiện chướng ngại vật, thực hiện nhiệm vụ đo khoảng cách để Robot tránh va chạm với chướng ngại vật Sở dĩ lựa chọn cảm biến siêu âm vì nó xử lý thông tin khá nhanh và chính xác, giá thành rẻ và dễ

sử dụng, so với camera giá thành cao và công tắc hành trình dễ gây hư hỏng thì cảm biến siêu âm là lựa chọn hợp lý nhất

Theo hình thực tế của Robot, Robot gồm có những bộ phận sau:

Tên, thông tin linh

Bảng 1 Các linh kiện chính trong mạch

2.3.2 Sơ đồ khối chức năng

2.3.2.1 Sơ đồ khối

Hình 2.9 Sơ đồ khối chức năng

1, Khối nguồn: Có nhiệm vụ cấp nguồn cho động cơ và toàn bộ mạch điện

trên Robot Vì thế yêu cầu đặt ra là khối nguồn phải có điện áp, dòng điện ra

ổn định và công suất đủ lớn Trong đề tài này Robot hoạt động với nguồn 12V Do đó cần khối nguồn phải tạo được công suất đủ lớn và có tính ổn định cao Ở đây sử dụng ba pin cell 3,7V nối tiếp làm nguồn cho động cơ và mạch điều khiển

Hình 2.10 Pin 3,7V

2, Khối điều khiển trung tâm

Khối điều khiển trung tâm lấy dữ liệu từ khối cảm biến sau đó xử lý dữ liệu và đưa ra tín hiệu điều khiển cho khối động cơ, đồng thời xuất tín hiệu thông báo ra màn hình hiển thị

Trong đồ án này, khối điều khiển trung tâm được sử dụng là vi điều khiển Arduino

Arduino là một board mạch vi xử lý, nhằm xây dựng các ứng dụng tương tác với nhau hoặc với môi trường được thuận lợi hơn Phần cứng bao gồm một board nguồn mở được thiết kế trên nền tảng vi xử lý AVR Atmel 8bit hoặc ARM Atmel 32bit Modul bao gồm: 1 cổng giao tiếp USB, 6 chân đầu vào analog, 14 chân I/O kỹ thuật số tương thích với nhiều board mở rộng khác nhau

Hình 2.11 Cấu tạo của Arduino

Chân giao tiếp digital gồm có 14 chân từ chân 0 đến chân 13 Những chân

có dẫu ~ (3, 5, 6, 9, 10, 11) là chân xuất ra tín hiệu xung PWM có thể thay đổi

độ rộng xung, dùng để điều chỉnh tốc độ động cơ hoặc độ sáng tối của đèn Chân đọc tín hiệu analog: có 6 chân từ chân A0 đến chân A5 Đọc tín hiệu analog từ cảm biến IC Atmega 328 xử lý

Chân cấp nguồn gồm chân: GND (chân nối đất), 5V; 3,3V Các chân này dùng cấp nguồn cho cảm biến và động cơ servo Ngoài ra còn các chân Vin, RESET, IOREF

- Thông số kỹ thuật:

+ Điện áp hoạt động: 5V

+ Tần số xung nhịp của CPU: 16 MHz

+ Dòng tiêu thụ: 30mA

+ Điện áp vào khuyên dùng: 7 12V DC

+ Điện áp vào giới hạn: 6 20V DC

+ Dòng tối đa trên mỗi chân I/O 30 mA

Trong Robot, cảm biến được coi như các giác quan của Robot Robot cần xác đinh trạng thái môi trường bên ngoài (màu sắc vạch đường, đối tượng vật cản, chướng ngại vật ) để gửi trạng thái môi trường đến bộ xử lý rồi đưa các phản ứng điều khiển Robot

Robot bám đường tránh va chạm sẽ sử dụng hai loại cảm biến: một loại cảm biến giúp Robot bám theo đường đi và một loại cảm biến giúp Robot tránh va chạm

Trong đề tài này, Robot bám đường tránh va chạm của nhóm tác giả được

sử dụng cảm biến hồng ngoại để bám đường và cảm biến siêu âm để tránh va chạm

4, Cảm biến hồng ngoại bám đường

Trong mạch cảm biến, dùng led thu phát hồng ngoại hoặc quang trở

Hình 2.12 Led thu phát hồng ngoại trong cảm biến hồng ngoại

- Led phát hồng ngoại

Hình 2.13 Led phát hồng ngoại Ánh sáng được phát ra theo xung giúp cảm biến phân biệt được ánh sáng của cảm biến và ánh sáng từ các nguồn khác (như ánh nắng mặt trời hoặc ánh sáng trong phòng) Các loại Led thông dụng nhất là Led đỏ, Led hồng ngoại hoặc Led lazer Một số dòng cảm biến đặc biệt dùng Led trắng hoặc xanh lá Ngoài ra cũng có Led vàng

Cần chú ý đến hai chân nối với mạch điện của led Chân Anot nối với cực dương, chân Katot nối với cực âm của nguồn điện Dòng qua led từ 5mA đến

20mA, thông thường chọn Iled=10mA, và điện áp rơi vào khoảng 1,7V đến 2,4V, thông thường chọn Uled=2V

- Led thu hồng ngoại

Hình 2.14 Led thu hồng ngoại Led thu hồng ngoại là một loại bán dẫn đơn giản nhưng vỏ có gắn thấu kính để dẫn tia sáng chiếu đúng vào mặt tiếp giáp

Là loại diode làm việc theo chế độ phân cực nghịch, dòng nghịch qua diode được điều khiển bởi cường độ ánh sáng chiếu vào Khi ánh sáng chiếu qua diode tăng thì dòng nghịch qua nó cũng tăng theo

+ Nguyên lý hoạt động

Hình 2.15 Hoạt động của led hồng ngoại Khi led hồng ngoại chiếu ánh sáng hồng ngoại tới bề mặt đường đi Nếu vạch đường màu sẫm thì ánh sáng sẽ bị hấp thụ, mức độ ánh sáng bị hấp thụ phụ thuộc vào độ tối của màu sắc bề mặt đường, và phần ánh sáng còn lại sẽ dội ngược về Led thu Nếu bề mặt đường là màu đen thì ánh sáng sẽ bị hấp thụ nhiều nhất, gần như không có ánh sáng phản xạ lại cho Led thu, lúc này điện trở quang trở tăng, tín hiệu ra ở mức 0 (điện áp 0V) Ngược lại, khi bề