Đồ Án Truyền động điều khiển, Robot phục vụ

TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH KHOA CƠ KHÍ CHẾ TẠO MÁY ĐỒ ÁN TRUYỀN ĐỘNG ĐIỆN ĐỀ TÀI: “ THIẾT KẾ VÀ CHẾ TẠO ROBOT PHỤC VỤ” SVTH : NGUYỄN TRUNG KIỆT MSSV : 15146062 SVTH : PHAN TRẦN HUY MSSV : 15146306 SVTH : NGUYỄN QUỐC VIỆT MSSV : 15146119 GVHD: Ths TƯỞNG PHƯỚC THỌ Tp Hồ Chí Minh, tháng năm 2018 CỘNG HÒA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM Độc lập – Tự – Hạnh phúc *** -Tp Hồ Chí Minh, tháng năm 2018 NHIỆM VỤ ĐỒ ÁN HỆ THỐNG TRUYỀN ĐỘNG ĐIỀU KHIỂN Giảng viên hướng dẫn: ThS Tưởng Phước Thọ Sinh viên thực hiện: Nguyễn Trung Kiệt MSSV: 15146062 Phan Trần Huy MSSV: 15146306 Nguyễn Quốc Việt MSSV: 15146119 Ngành: Công nghệ kỹ thuật điện tử Tên đề tài: Thiết kế chế tạo robot phục vụ Các số liệu, tài liệu ban đầu: 2.1 Khích thước sơ 400x400x1000mm 2.2 Sử dụng cảm biến dò đường định hướng di chuyển 2.3 Sử dụng bo mạch vi xử lý Arduino Mega 2560 Nội dung thực đề tài: 3.1 Tìm hiểu mẫu robot tự di chuyển thị trường 3.3 Tính tốn, thiết kế, gia cơng, lắp ráp phần khí 3.4 Tính tốn, lắp ráp phần điện tử Các sản phẩm dự kiến: 4.1 Mơ hình máy hoàn chỉnh 4.2 Tập vẽ chi tiết vẽ lắp, thuyết minh đồ án TRƯỞNG BỘ MÔN (Ký, ghi rõ họ tên) GIẢNG VIÊN HƯỚNG DẪN (Ký, ghi rõ họ tên) a CỘNG HÒA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM Độc lập – Tự – Hạnh phúc *** PHIẾU NHẬN XÉT CỦA GIÁO VIÊN HƯỚNG DẪN Họ tên Sinh viên: Nguyễn Trung Kiệt MSSV: 15146062 Họ tên Sinh viên: Phan Trần Huy MSSV: 15146306 Họ tên Sinh viên: Nguyễn Quốc Việt MSSV: 15146119 Ngành: Công nghệ kỹ thuật điện tử Tên đề tài: Thiết kế chế tạo robot phục vụ Họ tên Giáo viên hướng dẫn: ThS Tưởng Phước Thọ NHẬN XÉT Về nội dung đề tài & khối lượng thực hiện: Ưu điểm: Khuyết điểm: Đề nghị cho bảo vệ hay không? Đánh giá loại: b Điểm:……………….(Bằng chữ: ) Tp Hồ Chí Minh, ngày tháng năm 20… Giáo viên hướng dẫn (Ký & ghi rõ họ tên) c CỘNG HÒA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM Độc lập – Tự – Hạnh phúc *** PHIẾU NHẬN XÉT CỦA GIÁO VIÊN PHẢN BIỆN Họ tên Sinh viên: Nguyễn Trung Kiệt MSSV: 15146062 Họ tên Sinh viên: Phan Trần Huy MSSV: 15146306 Họ tên Sinh viên: Nguyễn Quốc Việt MSSV: 15146119 Ngành: Công nghệ kỹ thuật điện tử Tên đề tài: Thiết kế chế tạo robot phục vụ Họ tên Giáo viên phản biện: PGS.TS Nguyễn Trường Thịnh NHẬN XÉT Về nội dung đề tài & khối lượng thực hiện: Ưu điểm: Khuyết điểm: Đề nghị cho bảo vệ hay không? Đánh giá loại: d Điểm:……………….(Bằng chữ: ) Tp Hồ Chí Minh, ngày tháng năm 20… Giáo viên phản biện (Ký & ghi rõ họ tên) e LỜI CẢM ƠN Để hoàn thành đồ án truyền động điện này, nhóm nhận hỗ trợ tổ chức, cá nhân Với tình cảm chân thành, cho xin phép nhóm bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc đến tất cá nhân tổ chức tạo điều kiện giúp đỡ nhóm q trình nghiên cứu thực đồ án Trước hết nhóm xin gởi đến thầy cô Khoa Cơ Khí Chế Tạo Máy trường Đại học Sư Phạm Kỹ Thuật TP Hồ Chí Minh lời chúc sức khỏe lời cảm ơn Với quan tâm, giúp đỡ tận tình Thầy Cơ khơng truyền đạt cho nhóm kiến thức chun mơn mà giáo dục cho tụi em lý tưởng, đạo đức sống Đây hành trang thiếu cho sống nghiệp nhóm sau Đặc biệt, nhóm xin gởi lời cảm ơn chân thành đến thầy giáo Tưởng Phước Thọ tận tình hướng dẫn, bảo nhóm suốt thời gian thực đồ án Và đồ án cột mốc quan trọng làm tiền đề phát triển đồ án sau tốt Qua nhóm xin gửi lời cảm ơn đến gia đình bạn bè ln động viên tạo điều kiện để nhóm hồn thành đồ án f DANH MỤC CÁC HÌNH ẢNH, BIỂU ĐỒ Hình 2.1 : robot tránh vật cản Hình 2.2 : Một dạng robot bám đối tượng di động Hình 2.3 : robot dọn vệ sinh Hình 2.4: Peper robot cơng ty Softbank Hình 2.5: Morta robot kỹ sư Việt Nam Hình 2.6: ‘‘ Cơ Ba‘‘ robot thầy trò tiến sĩ Nguyễn Bá Hải - trưởng khoa sáng tạo khởi nghiệp ĐH Sư phạm kỹ thuật TP.HCM Hình 2.7: Robot dò đường Hình 3.1: Sắt hộp mạ kẽm 20x20 Hình 3.2: Bản vẽ khung máy Hình 3.3: Ngoại lực tác dụng lên mơ hình Hình 3.4: Động giảm tốc DCM50-775 24VDC Hình 3.5: Cảm biến dò line BFD-1000 Hình 3.6: Mạch cầu H điều khiển motor PWM Hình 3.7: bảng thơng số ngõ vào mạch cầu H Hình 3.8: Mạch ghi phát âm loa Hình 3.9: Arduino Mega 2560 R3 Hình 3.10: sơ đồ chân Arduino Mega 2560 R3 Bảng 4.1: Sai số ứng với trường hợp cảm biến g MỤC LỤC NHIỆM VỤ ĐỒ ÁN HỆ THỐNG TRUYỀN ĐỘNG ĐIỀU KHIỂN a PHIẾU NHẬN XÉT CỦA GIÁO VIÊN HƯỚNG DẪN b PHIẾU NHẬN XÉT CỦA GIÁO VIÊN PHẢN BIỆN d LỜI CẢM ƠN f DANH MỤC CÁC HÌNH ẢNH, BIỂU ĐỒ g Chương 1: Tổng quang 1.1 Tính cấp thiết đề tài 1.2 Thị trường robot phục vụ 1.4 Mục tiêu nghiên cứu 1.5 Đối tượng phạm vi nghiên cứu 1.5.1 Đối tượng nghiên cứu 1.5.2 Phạm vi nghiên cứu 1.6 Cơ sở phương pháp luận 1.7 Phương pháp nghiên cứu Chương 2: Cơ sở lý thuyết 2.1 Tổng quan robot phục vụ: 2.2 Phân loại Mobile robot 2.3 Robot phục vụ sử dụng cảm biến dò đường Chương 3: Thiết kế hệ thống khí 3.1 Thiết kế khung máy 3.2 Động DC 3.3 Cảm biến dò đường BFD-1000 11 3.4 Mạch cầu H điều khiển motor PWM 12 3.5 Mạch ghi phát âm 13 3.6 Mạch vi xử lý Arduino Mega 2560 R3 15 Chương 4: Phần điều khiển 17 4.1 LẬP TRÌNH ROBOT DI CHUYỂN THEO PHƯƠNG PHÁP DỊ LINE 17 4.2 Viết code điều khiển giải thích 19 4.2.1 Thiết lập timer 19 h 4.2.2 Đọc cảm biến dò line 21 4.2.3 Tính giá trị P, I, D: 22 4.2.4 Điều khiển động cơ: 22 i < Giả sử Hệ số ma sát lăn bánh xe mặt đường = 0.9 Vì robot sau phải tải thêm vật khác (nguồn, mạch động cơ, đồ ăn, đũa, muỗng,…) nên ta chọn khối lượng robot để tính toán = 2.5 = 12.5 Theo định luật II Newton ta có:  Phương :  Phương : = = = = × = = 0.9 × 12.5 × 9.81 = 110.4 Do thiết kế mơ hình, bánh xe cần cung cấp lực đẩy = /2 = 55.2 Ta muốn xe di chuyển với tốc độ vừa phải bưng bê đồ ăn sau nên tốc độ 0.2m/s phù hợp Bên cạnh đó, nhằm phù hợp thẩm mĩ ta chọn bánh xe có đường kính = 145 Tốc độ góc quy trục cơng tác: = /2 = 0.2 × 1000 = 2.76 145/2 ≈ 27 / ℎ Mơ-men bánh: = × ( /2) = 55.2 × 145 = 4002 = 40 Cơng suất trục cơng tác: = × = 4002 × 10 × 2.76 = 11.05 Để tối giản thiết kế, ta chọn động tích hợp sẵn hộp giảm tốc nhằm gắn trực tiếp bánh xe lên trục động ta chọn động thỏa mãn điều kiện: ≥ ≥ Dựa động sẵn có thị trường hướng dẫn thầy Thọ, nhóm chọn Động giảm tốc DCM50-775 24VDC (60W - 100RPM) đồ án tới thêm nhiều linh kiện thiết bị nên động đáp ứng tốt yêu cầu mong muốn 10 Hình 3.4: Động giảm tốc DCM50-775 24VDC - Động điện áp 12-24V Công suất 60W Hộp số giảm tốc tỉ số truyền 55:1 Tốc độ quay 100 vòng/phút Momen xoắn 490 N.cm Encoder 5V kênh A, B độ phân giải 13 xung/vòng 3.3 Cảm biến dò đường BFD-1000 Trong mơi trường làm việc, robot cần phải di chuyển quảng đường từ vị trí xuất phát đến vị trí khách hàng để phục vụ ngược lại Vì Robot chuyển động theo quỹ đạo định trước nhờ vạch dẫn, hệ thống hai bánh xe dẫn động động điện chiều thông qua mạch điều khiển Thường vạch dẫn có màu khác với màu quỹ đạo chuyển động Để Robot chuyển động quỹ đạo cần có phận cảm biến, phận có nhiệm vụ phân biệt vạch dẫn màu quỹ đạo chuyển động, có chức giống đơi mắt người giúp cho robot xác định đường 11 Hình 3.5: Cảm biến dò line BFD-1000 Thanh cảm biến dò đường BFD-1000 thiết kế dùng để phát line đen line trắng Trên cảm biến có cảm biến hồng ngoại hướng xuống đất nhằm phát line, cảm biến hồng ngoại đặt phía trước với cơng tắc hành trình báo hiệu đụng vật Tín hiệu ngõ dạng số dễ dàng cho việc xử lý Thông số kỹ thuật: - Điện áp hoạt động: 3.3 ~ 5V Khoảng cách phát hiện: 0.5 ~ 40mm Ngõ dạng tín hiệu số dễ dàng cho vi điều khiển Có LED thị ngõ cho cảm biến Tích hợp cảm biến dò line, cảm biến tránh vật cản cơng tắc hành trình báo chạm vật - Ngõ gồm chân tín hiệu cảm biến dạng số ngõ vào cấp nguồn cho thiết bị - Kích thước: 128 x 45 x 12mm 3.4 Mạch cầu H điều khiển motor PWM Để giúp Robot di chuyển tịnh tiến nhanh hay chậm, rẻ trái, rẻ phải quay đầu Ta cần thay đổi tốc độ chiều quay hai động để đáp ứng yêu cầu 12 Hình 3.6: Mạch cầu H điều khiển motor PWM Mạch cầu H điều khiển motor PWM sử dụng đơn giản với chức đảo chiều động DC Ngõ vào sử dụng điều khiển xung PWM để điều khiển tốc độ chiều quay động Thông số kỹ thuật: - Điện áp hoạt động từ đến 27 VDC - Dòng tải 5A - Dòng điện tiêu thụ khơng tải 3mA - Ngõ vào có ngõ PWM (có opto cách ly, hỗ trợ tần số 10KHz) - Kích thước 61x30 mm Bảng thơng số ngõ vào: Hình 3.7: bảng thơng số ngõ vào mạch cầu H 3.5 Mạch ghi phát âm Trong trường hợp mạch ghi phát âm dùng để ghi phát số câu thoại robot đến vị trí khách hàng, ví dụ: “ Kính chào q khách”, “ Q khách muốn dùng gì…”, “Chúc quý khách ngon miệng”… 13 Hình 3.8: Mạch ghi phát âm loa Mạch ghi phát âm ISD1820 (20s) dùng để ghi phát âm người dùng ghi vào Đoạn ghi âm lưu vào nhớ chip, liệu lưu trữ đến 100 năm ghi / xóa lên đến 100.000 lần ghi tối đa 20s Thông số kỹ thuật: - Điện áp hoạt động từ 2.4 đến 5.5VDC Ghi âm tối đa 20s Có khuếch đại âm nội bên trong, phát trực tiếp loa cơng suất nhỏ Microphone tích hợp board, nhấn nút ghi âm dễ dàng Tất chân IC xuất để dễ dàng điều khiển với vi điều khiển Có phím điều khiển board REC, PLAYE, PLAYL thuận tiện cho q trình sử dụng Kích thước 38 x 42.5mm Cách sử dụng: - Phím REC: Ngõ vào REC kích hoạt chân kéo lên mức cao Chân phải giữ mức cao q trình ghi âm Tín hiệu REC ưu tiên so với tín hiệu PLAYE PLAYL Nếu chân REC kéo lên cao trình phát lại trình phát lại ngừng chuyển sang trình ghi âm Quá trình ghi âm hoàn tất chân REC kéo xuống thấp Chân REC kéo điện trở nội xuống thấp 14 - - Phím PLAYE: Khi chân nhận xung tín hiệu mức cao q trình phát lại bắt đầu Đoạn phát lại tiếp tục kết thúc nhớ chip cho dù bạn có kéo chân xuống mức thấp chu kỳ phát không dừng lại Chân kéo điện trở nội xuống thấp Phím PLAYL: Khi tín hiệu chân chuyển từ thấp sang cao q trình phát lại bắt đầu Nó phát tiếp tục phát tín hiệu mức thấp chân PLAYL, kết thúc nhớ tín hiệu cuối củng đoạn ghi âm Chân kéo điện trở nội xuống thấp 3.6 Mạch vi xử lý Arduino Mega 2560 R3 Arduino board mạch vi xử lý, nhằm xây dựng ứng dụng tương tác với với môi trường thuận lợi Phần cứng bao gồm board mạch nguồn mở thiết kế tảng vi xử lý AVR Atmel 8bit, ARM Atmel 32-bit Được giới thiệu vào năm 2005, Những nhà thiết kế Arduino cố gắng mang đến phương thức dễ dàng, khơng tốn cho người u thích, sinh viên giới chuyên nghiệp để tạo thiết bị có khả tương tác với mơi trường thơng qua cảm biến cấu chấp hành Những ví dụ phổ biến cho người yêu thích bắt đầu bao gồm robot đơn giản, điều khiển nhiệt độ phát chuyển động Đi với mơi trường phát triển tích hợp (IDE) chạy máy tính cá nhân thơng thường cho phép người dùng viết chương trình cho Aduino ngôn ngữ C C++ Arduino Mega 2560 R3 phiên nâng cấp Arduino Uno R3 với số chân giao tiếp, ngoại vi nhớ nhiều hơn, mạch thiết kế sử dụng linh kiện tương đương với phiên hãng Arduino.cc, phù hợp cho ứng dụng cần nhiều nhớ nhiều chân, cổng giao tiếp so với Arduino Uno 15 Hình 3.9: Arduino Mega 2560 R3 Hình 3.10: sơ đồ chân Arduino Mega 2560 R3 Thông số kỹ thuật: - Vi điều khiển chính: ATmega2560 16 - - C nạp giao tiếp UART: ATmega16U2 Nguồn ni mạch: 5VDC từ cổng USB nguồn ngồi cắm từ giắc tròn DC (khuyên dùng 7-9VDC để đảm bảo mạch hoạt động tốt Nếu cắm 12V IC ổn áp dễ chết gây hư hỏng mạch) Số chân Digital: 54 (15 chân PWM) Số chân Analog: 16 Giao tiếp UART : UART Giao tiếp SPI : ( chân 50 -> 53 ) dùng với thư viện SPI Arduino Giao tiếp I2C : Ngắt : chân Bộ nhớ Flash: 256 KB, 8KB sử dụng cho Bootloader SRAM: KB EEPROM: KB Xung clock: 16 MHz Chương 4: Phần điều khiển 4.1 LẬP TRÌNH ROBOT DI CHUYỂN THEO PHƯƠNG PHÁP DÒ LINE Với thiết bị chọn, ta tiến hành kết hợp lập trình điều khiển robot di chuyển theo line Cảm biến dò line BFD-1000 gồm cảm biến, ứng với cảm biến vị trí với vị trí ta có sai số tương ứng: 17 Bên trái cảm biến x Error -1 -2 -3 -4 -5 S1 S2 x x x x x S3 x x x S4 x x x S5 Bên phải cảm biến x x x Bảng 4.1: Sai số ứng với trường hợp cảm biến Tốc độ động bánh hiểu chỉnh sau: Right_Motor_Speed Left_Motor_Speed = = _ _ + − Do sai số nhỏ nên tác động tức thời không làm cho robot thay đổi hướng nhanh chóng Ta sử dụng thêm khuếch đại P để khuếch đại sai số nhằm tác động tức thời lớn hơn, robot chuyển hướng nhanh chóng lệch khỏi line Việc sử dụng khuếch đại dẫn đến tượng sai số xác lập offset Ta loại bỏ tượng khâu tích phân I 18 nhược điểm khâu tích phân tác động không tức thời làm cho đáp ứng dao động nhiều Khâu vi phân D sau thêm vào để ổn định đáp ứng Từ tính chất khâu, ta có tốc độ bánh xe hiệu chỉnh sau: Right_Motor_Speed Left_Motor_Speed = _ = _ +( + + ) −( + + ) Trong đó: = ∗ = = _ + ∗ [( ∗ − ∗ _ )/ ] Các thông số , , điều khiển PID tiến hành thực nghiệm tìm ra: = 4.25, = 0.015, = 0.001 Các yêu cầu thêm: Robot di chuyển đến bàn ngừng lại thông báo (Chào khách hàng, u cầu order,…) Sau quay vị trí xuất phát Với sở trên, ta tiến hành lập trình thiết kế điều khiển PID cho robot di chuyển bám theo line để 4.2 Viết code điều khiển giải thích 4.2.1 Thiết lập timer Vi điều khiển sử dụng Arduino Mega2560 R3 Ta sử dụng Timer1 thiết lập tiến hành ngắt sau 10ms để lấy mẫu (thu thập giá trị cảm biến dò line tính tốn sai số) tính tốn thơng số , , : 19 Giải thích code: Ta thiết lập Timer1 ngắt sau 10ms hàm xử lý ngắt ta gọi hàm đọc cảm biến tính tốn giá trị hiệu chỉnh read_sensor_values( ) calculate_pid( ) Trong hàm xử lý ngắt, ta xét trường hợp biến chờ biencho, biến có giá trị ứng với trường hợp rời trạm chờ khoảng 100ms (cảm biến đọc sau 10ms) rối lấy giá trị sai số 20 4.2.2 Đọc cảm biến dò line Code đọc cảm biến dò line trả sai số tương ứng: Giải thích code: Đây code viết cho cảm biến dò line nhận biết line màu đen nên tín hiệu dò line mức logic Chân tín hiệu cảm biến S1, S2, S3, S4, S5 nối với Arduino theo thứ tự chân 26, 28, 30, 32, 34 Sai số với trường hợp trình bày Riêng trường hợp cảm biến lệch hoàn toàn khỏi line (5 -5) ta cần xét sai số trước để biết xu hướng lệch robot chọn sai số xác Nếu kênh bắt line (trường hợp đến trạm dừng) dừng động set biến trạng thái _ xuống mức 21 4.2.3 Tính giá trị P, I, D: Code tính tốn giá trị , , : Giải thích code: Sai số thu chuyển vào hàm để tính tốn giá trị , , Cơng thức tính trình bày trước Giá trị hiệu chỉnh _ = + + Sai số gán cho _ để phục vụ cho việc tính tốn giá trị , lần sau Vì tín hiệu cấp cho cầu H động xung PWM nên giá trị hiệu chỉnh _ phải số nguyên Bên cạnh ta giới hạn giá trị anti-windup khâu I có tính chất tích lũy dần sai số Từ giá trị , , tính được, ta tiến hành hiệu chỉnh tốc độ động bánh liên ( ) sau tục thông qua hàm void 4.2.4 Điều khiển động cơ: Code điều khiển riêng động cơ: 22 Giải thích code: Theo sơ đồ chân điều khiển cầu H sơ đồ lắp ráp động + bánh xe, ta cấp xung cho cầu H theo thứ tự chân gọi ngược Sau thiết lập chân tín hiệu mức thấp với động cơ, ta tiến hành cung cấp xung PWM cho ( ) Xung cấp cho cầu cầu H với giá trị tương ứng tính từ hàm _ H giới hạn từ 0-255 dòng vi điều khiển 8-bit Ta mong muốn sai số xung PWM cấp _ _ = 35 ứng với tốc độ quay = (35/255) × 100 = 13.73 v/ph = 1.44 rad/s Tốc độ dài lúc = 1.44 × 0.145/2 = 0.1 / Hàm phanh( ) dùng để phanh xe theo phương pháp đơn giản không cấp điện áp hay xung PWM 23 Vòng lặp liên tục void ( ): Giải thích code: Đầu tiên ta kiểm tra nút Start bt1 có nhấn hay không (ta thiết lập mạch cho bị tác động, tín hiệu thu từ nút nhấn mức logic 0) Tương tự nút Stop bt2 Ta có biến trạng thái motor_state, biến có giá trị động quay, robot di chuyển robot dừng lại báo thông báo đến khách hàng thông qua loa 24