Thiết kế xe tự hành di động bám tường

Cùng với sự phát triển mạnh mẽ của các hệthống tự động hóa, xe tự hành ngày một được hoàn thiện và càng chothấy lợi ích của nó trong công nghiệp và sinh hoạt.. Những nhà thiết kế của Ard

MỤC LỤC

DANH MỤC HÌNH VẼ

DANH MỤC BẢNG BIỂU

DANH MỤC TỪ VIẾT TẮT

PID Proportional Integral Derivative Bộ điều khiển vi tích phân tỷ lệ

IDE Integrated Development Environment Môi trường phát triển tích hợp

RISC Reduced Instructions Set Computer Máy tính với tập lệnh đơn giản hóa

EEPROM Electrically Erasable Programmable Bộ nhớ chỉ đọc tái lập trình bằng tín

SRAM Static Random Access Memory Bộ nhớ truy cập ngẫu nhiên tĩnhUART Universal Asychronous serial Giao thức truyền nhận nối tiếp không

SPI Serial Peripheral Interface Giao diện ngoại vi nối tiếp

LỜI NÓI ĐẦU

Trong thời đại công nghiệp ngày nay, robot ngày càng được sử dụng phổ biến trong sảnxuất cũng như trong cuộc sống của con người Robot đã có một vị trí quan trọng khó có thểthay thế được, nó giúp con người để làm việc trong các điều kiện nguy hiểm, khó khăn.Ngoài ra, robot còn được dùng vào các lĩnh vực thám hiểm không gian, quân sự, giải trí Lĩnh vực robot di động đang ngày càng chiếm được sự quan tâm của các nhà nghiên cứu và

xã hội Chính vì lí do này, em đã lựa chọn đề tài “Thiết kế xe tự hành di động bám tường” cho học phần Đồ Án I.

Trong học kỳ vừa qua, dưới sự chỉ dẫn của thầy TS Nguyễn Hoàng Nam và các anh Bùi

Tuấn Anh và anh Phạm Tùng Lâm thuộc Nhóm nghiên cứu của thầy, em đã học hỏi đượcnhiều kiến thức bổ ích về xe tự hành để có thể hoàn thiện được Đồ Án này Trong bài báo cáocủa mình, em xin trình bày những nội dung sau:

- Chương 1: Tổng quan

- Chương 2: Thiết kế phần cứng xe cho tự hành

- Chương 3: Thiết kế phần mềm cho xe tự hành

- Chương 4: Kết quả thực nghiệm

- Chương 5: Kết luận

Em xin chân thành cảm ơn!

Sinh viên

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN 1.1 Giới thiệu về xe tự hành [1]

Xe tự hành là một loại xe robot có khả năng tự dịch chuyển, tự vận động(có thể lập trình lại được) dưới sự điều khiển tự động có khả năng hoànthành công việc được giao Xe tự hành là một thành phần có vai trò quantrọng trong ngành robot học Cùng với sự phát triển mạnh mẽ của các hệthống tự động hóa, xe tự hành ngày một được hoàn thiện và càng chothấy lợi ích của nó trong công nghiệp và sinh hoạt Ngày nay xe tự hành

có rất nhiều ứng dụng tự động hóa trong đời sống, công nghiệp….Có nhiềucông việc đòi hỏi thực thi trong môi trường độc hại, nguy hiểm như cóphóng xạ, khí độc, bụi bẩn, kí sinh trùng gây bệnh Vì thế giải pháp sửdụng robot nói chung trong việc quan trắc môi trường là rất cần thiết Vớikhả năng tích hợp nhiều loại cảm biến như nhiệt độ, độ ẩm, bụi, camera,siêu âm, hồng ngoại…, robot có khả năng thay thế con người 1 cách hiệuquả trong các công việc có độ nguy hiểm cao

Hình 1.1 Xe tự hành thám hiểm Sao Hỏa Curiosity.

Từ tình hình thực tế đó, việc xây dựng các chương trình hoạt động chocác xe tự hành là điều thiết yếu Một vấn đề rất được quan tâm khi thiết

kế xe tự hành là điều khiển làm sao cho xe có thể đi theo một quỹ đạomong muốn Bài toán xe tự hành di động bám tường (wall-following

problem) là một trong các bài toán thường gặp của robot kiểu phản xạ(reactive paradigm), nó đã được giải bằng nhiều cách khác nhau Bản báocáo này trình bày phương pháp giải quyết vấn đề đó với thuật toán điềukhiển PID sử dụng Arduino.

Arduino ra đời tại thị trấn Ivrea thuộc nước Ý và được đặt theo tên một vị vua vào thế kỷthứ 9 là King Arduin Arduino chính thức được đưa ra giới thiệu vào năm 2005 như là mộtcông cụ khiêm tốn dành cho các sinh viên của Massimo Banzi, là một trong những ngườiphát triển Arduino, tại trường Interaction Design Instistute Ivrea (IDII) Mặc dù hầu nhưkhông được tiếp thị gì cả, tin tức về Arduino vẫn lan truyền với tốc độ chóng mặt nhờ nhữnglời truyền miệng tốt đẹp của những người dùng đầu tiên

Những nhà thiết kế của Arduino cố gắng mang đến một phương thức dễ dàng, không tốnkém cho những người yêu thích, sinh viên và giới chuyên nghiệp để tạo ra những thiết bị cókhả năng tương tác với môi trường thông qua các cảm biến và các cơ cấu chấp hành Những

ví dụ phổ biến cho những người yêu thích mới bắt đầu bao gồm các robot đơn giản, điềukhiển nhiệt độ và phát hiện chuyển động Đi cùng với nó là một môi trường phát triển tíchhợp (IDE) chạy trên các máy tính cá nhân thông thường và cho phép người dùng viết cácchương trình cho Aduino bằng ngôn ngữ C hoặc C++ Và điều làm nên hiện tượng Arduinochính là mức giá rất thấp và tính chất nguồn mở từ phần cứng tới phần mềm

Hiện tại, có hơn 20 loại bo mạch Arduino được phát triển phù hợp cho với nhu cầu khácnhau của người sử dụng Dựa theo mục đích sử dụng, các bo mạch được phân loại theo bảngsau:

Bảng 1.1 Phân loại bo mạch Arduino [4]

Phổ thông UNO, LEONARDO, 101, ROBOT, ESPLORA, MICRO, NANO, MINI

Nâng cao MEGA, ZERO, DUE, MEGA ADK, PRO, M0, M0 PRO, MKRZERO, PRO MINI

Internet vạn vật YUN, ETHERNET, TIAN, INDUSTRIAL 101, LEONARDO ETH, MKRFOX 1200, MKR1000, YUN MINI

Thiết bị có thể

đeo được

GEMMA, LILYPAD ARDUINO USB, LILYPAD ARDUINO MAINBOARD, LILYPAD ARDUINO SIMPLE, LILYPAD ARDUINO SIMPLE SNAP

1.2.2 Ứng dụng [5]

Arduino được chọn làm bộ não xử lý của rất nhiều thiết bị từ đơn giản đến phức tạp Trong

số đó có một vài ứng dụng thực sự chứng tỏ khả năng vượt trội của Arduino do chúng có khảnăng thực hiện nhiều nhiệm vụ rất phức tạp Có thể kể đến một số ứng dụng nổi bật như:Điều khiển ánh sáng (đóng ngắt LED, điều khiển ánh sáng theo nhạc), điều khiển máy bay

không người lái, điều khiển máy in 3D Và một ứng dụng quan trọng không thể không nhắcđến là sử dụng Arduino để điều khiển robot, đặc biệt là robot di động Trong Đồ Án này,Arduino được sử dụng làm mạch điều khiển xe tự hành, mọi công việc đo đạc, điều khiểnđộng cơ đều được ra lệnh bởi bo mạch này.

Hình 1.3 Robot di động tự tránh vật cản dùng camera CMUCam và Arduino Nano.

CHƯƠNG 2: THIẾT KẾ PHẦN CỨNG CHO XE TỰ HÀNH 2.1 Cấu tạo xe tự hành112Equation Chapter 2 Section 1

Yêu cầu của bài toán đặt ra là thiết kế xe tự hành có khả năng di chuyển song song vớitường, cạnh phải của xe bám tường, cách tường một khoảng không đổi 25 cm Để giải quyếtbài toán này, ta sử dụng khung xe Robot ba bánh với bánh trước là bánh đa hướng, hai bánhsau được điều khiển bởi hai động cơ Để thu thập dữ liệu khoảng cách phía trước và bên phải

xe, ta cần gắn hai cảm biến siêu âm theo hai hướng tương ứng Với các yêu cầu đặt ra, ta lựachọn động cơ Servo DS04-NFC và cảm biến siêu âm HC-SRF04 Để điều khiển xe tự hành,

bo mạch Arduino Pro Mini là phù hợp nhất bởi với 14 chân tín hiệu số (trong đó có 6 chânPWM), nó hoàn toàn đáp ứng được nhu cầu điều khiển hai động cơ (cần 1 chân PWM chomỗi động cơ) và hai cảm biến (cần 2 chân số cho mỗi cảm biến), các chân còn thừa có tácdụng dự phòng cho những phiên bản về sau Nguồn điện cho xe hoạt động được cấp từ Pinsạc 7.4v Lithium Li-Ion ICR18650-2600mAh

Như vậy, cấu tạo xe tự hành có dạng như sau:

Hình 2.4 Mô hình xe tự hành.

Trong đó:

• B1, B2, B3: Các bánh xe của xe, trong đó B3 là bánh đa hướng.

• MT1, MT2: Động cơ gắn lên bánh phải và bánh trái của xe

• US1, US2: Hai cảm biến siêu âm

• MĐK: Mạch điều khiển xe

• PIN: Nguồn cấp cho xe hoạt động

Hình 2.5 Hình ảnh thực tế của xe.

Nguyên lý hoạt động của xe được minh họa qua sơ đồ khối:

Hình 2.6 Sơ đồ khối cấu tạo của xe tự hành.

Có thể thấy, cấu tạo của xe gồm có bồn khối cơ bản: Khối nguồn, khối cảm biến, khối điềukhiển và khối động cơ Ta tiến tới phân tích chi tiết từng khối chức năng

2.1.1 Khối điều khiển

2.1.1.1 Bo mạch Arduino Pro Mini [6]

Đối với khối điều khiển, ta sử dụng Arduino Pro Mini để thu thập và xử lí thông tin từkhối cảm biến đồng thời đưa ra tín hiệu điều khiển đến khối động cơ

Arduino Pro Mini là phiên bản nhỏ gọn nhất trong các dòng Arduino nhưng vẫn giữ đầy

đủ tính năng tương đương với Arduino UNO/Nano do cùng sử dụng vi điều khiển chính làATmega328P, vì là phiên bản sử dụng chip dán nên Arduino Pro Mini sẽ có nhiều hơnArduino UNO 2 chân Analog là A6 và A7, với thiết kế nhỏ gọn và giá thành phải chăng,Arduino Pro Mini là sự lựa chọn tối ưu cho vô số các ứng dụng khác nhau

Hình 2.7 Arduino Pro Mini.

Bảng 2.2 Thông số kỹ thuật Arduino Pro Mini.

2.1.1.2 Vi điều khiển ATmega328P [7]

Thiết kế tiêu chuẩn của Arduino Pro Mini sử dụng vi điều khiển ATmega328P-AU thuộc

họ MegaAVR có sức mạnh hơn hẳn ATmega8 ATmega328P-AU là một bộ vi điều khiển 8 bit

dựa trên kiến trúc RISC bộ nhớ chương trình 32KB ISP flash có thể ghi xóa hàng nghìn lần,1KB EEPROM, và 2KB SRAM.

Hình 2.8 Chip ATmega328P-AU.

Với 23 chân có thể sử dụng cho các kết nối vào hoặc ra I/O, 32 thanh ghi, 3 bộtimer/counter có thể lập trình, có các ngắt nội và ngoại (2 lệnh trên một vector ngắt), giaothức truyền thông nối tiếp UART, SPI, I2C Ngoài ra có thể sử dụng bộ biến đổi số tương tự

10 bít (ADC/DAC) mở rộng tới 8 kênh, khả năng lập trình được watchdog timer, hoạt độngvới 5 chế độ nguồn, có thể sử dụng tới 6 kênh điều chế độ rộng xung (PWM), hỗ trợ nạpbootloader

Bảng 2.3 Thông số kỹ thuật chip ATmega328P-AU.

2.1.2 Khối động cơ

2.1.2.1 Điều chế độ rộng xung PWM [8]

Xung là các trạng thái cao/thấp (HIGH/LOW) về mức điện áp được lặp đi lặp lại Đạilượng đặc trưng cho 1 xung PWM (Pulse Width Modulation) bao gồm tần số (frequency)

và chu kì xung (duty cycle)

Phương pháp điều chế độ rộng xung là thay đổi độ rộng của chuỗi xung vuông từ đó thayđổi điện áp trung bình cấp ra tải, nhằm điều khiển tốc độ động cơ

Hình 2.9 Độ rộng xung ứng với các giá trị Duty Cycle.

Để tạo xung PWM trong Atmega328P, ta đặt giá trị ban đầu cho thanh ghi OCRx KhiTCNTx tăng từ 0 lên bằng giá trị OCRx thì chân OCx được xóa về 0 TCNTx lại tiếp tục tănglên đến giá trị ICRx thì reset về 0 và chân OCx được kéo lên 1 Như vậy giá trị của ICRx làchu kì xung, giá trị của OCRx là thời gian xung ở mức cao

OCRxDuty Cycle

ICRx

=

222\* MERGEFORMAT (.)

Xung PWM dùng để điều khiển động cơ Servo có những đặc điểm sau: [9]

• Xung PWM có tần số thông thường trong khoảng 50Hz (20ms)

• Thời gian xung ở mức cao chỉ từ 1ms đến 2ms

• Có thể có nhiều hơn 1 sự thay đổi trạng thái điện cao/thấp trong 1 chu kỳ

Hình 2.10 Góc quay của Servo ứng với độ rộng xung.

Với thời gian 1ms ở mức cao, góc quay của Servo là 00, 1.5ms góc quay là 900 và 2ms gócquay là 1800 Các góc khác từ 00 - 1800 được xác định trong khoảng thời gian 1 - 2ms

Lưu ý: Có thể ghép nhiều xung trong cùng 1 thời gian là 20ms để xác định vị trí góc củanhiều Servo cùng 1 lúc, tối đa là 10 Servo

2.1.2.2 Động cơ RC Servo quay 360 0 DS04-NFC [10]

Thông thường, các động cơ Servo chỉ quay với góc quay nằm trong khoảng từ 00 – 1800.Tuy nhiên động cơ DS04-NFC có thể quay liên tục theo cả hai chiều Động cơ này thườngđược sử dụng trong các thiết kế xe với ưu điểm dễ sử dụng, nhỏ gọn, dễ lắp đặt, có thể mua

kèm bánh xe RC Servo để sử dụng với động cơ này Động cơ có 3 chân là: Vcc, Signal,

GND.

Hình 2.11 Động cơ Servo DS04-NFC cùng phụ kiện.

Để điều khiển động cơ, ta sử dụng thư viện <Servo.h> của Arduino, cụ thể là hàmmyservo.writeMicroseconds để cấp xung PWM cho động cơ với giá trị đặt từ 1000-2000 Ta

sẽ thấy động cơ quay chậm dần ở khoảng từ 1000 đến 1500, dừng lại, sau đó đảo chiều vàquay nhanh dần từ 1500-2000 Trên Servo có 1 biến trở để canh chỉnh điểm dừng, lợi dụngđặc tính như trên ta có thể sử dụng Servo như 1 động cơ xoay bình thường với Driver có sẵntrên động cơ và chỉ sử dụng 1 chân tạo xung duy nhất để điều khiển

Bảng 2.4 Thông số kỹ thuật động cơ Servo DS04-NFC.

Kích thước 41 x 20 x 40mm

Do động cơ sử dụng điện áp 4.8-6V phù hợp với điện áp đầu ra của Arduino nên ta có thểnối trực tiếp động cơ với Arduino mà không cần thông qua mạch khuếch đại công suất

Để điều khiển động cơ ta sử dụng đoạn lệnh sau:

Hình 2.12 Code điều khiển động cơ Servo DS04-NFC.

2.1.3 Khối cảm biến

Để xác định vật cản xung quanh xe, ta sử dụng cảm biến siêu âm HC-SRF04

Cảm biến khoảng cách siêu âm HC-SRF04 được sử dụng rất phổ biến để xác định khoảngcách Cảm biến sử dụng sóng siêu âm và có thể đo khoảng cách trong khoảng từ 3-600 cm,

với độ chính xác khá cao Cảm biến HC-SR04 có 4 chân là: Vcc, Trig, Echo, GND.

Hình 2.13 Cảm biến siêu âm HC-SRF04.

Cảm biến siêu âm hoạt động bằng cách phát đi 1 xung tín hiệu và đo thời gian nhận đượctín hiệu trở vể Sau khi đo được tín hiệu trở về trên cảm biến siêu âm, ta tính được thời gian

từ lúc phát đến lúc nhận được tín hiệu Từ thời gian này có thể tính ra được khoảng cách

Hình 2.14 Nguyên lý hoạt động của cảm biến [8]

Để đo khoảng cách, ta lập trình cho vi điều khiển phát một xung có độ rộng 10µs vào chân

Trig của cảm biến Ngay khi đó cực phát trên cảm biến sẽ phát ra xung của sóng âm

(v=340m/s) Chân Echo kéo lên mức cao cho đến khi nhận lại được sóng phản xạ thì chân

Echo được kéo xuống thấp Chiều rộng của xung sẽ bằng với thời gian sóng siêu âm được

phát từ cảm biến và quay trở lại Sử dụng Timer ta sẽ đo được khoảng thời gian này

• t: Khoảng thời gian sóng siêu âm được phát từ cảm biến và quay trở lại

Hình 2.15 Biểu đồ thời gian của cảm biến [11]

Nếu đo được chính xác thời gian và không có nhiễu, mạch cảm biến siêu âm trả về kết quảcực kì chính xác Điều này phụ thuộc vào cách viết chương trình không sử dụng các hàmdelay.

Lưu ý: Những trường hợp cảm biến không đo được khoảng cách:

• Khi khoảng cách đến vật lớn hơn 6m

• Khi mặt phẳng phản xạ không hướng vào cảm biến

• Khi vật cản quá nhỏ

• Khi vật cản quá mềm (chăn, gối…)

Hình 2.16 Những trường hợp cảm biến không đo được khoảng cách [12]

Bảng 2.5 Thông số kỹ thuật cảm biến siêu âm HC-SRF04 [11]

Ứng dụng:

• Đo mực chất lỏng.

• Robot dò đường

• Sử dụng chống va chạm trong các băng chuyền

• Kiểm tra, giám sát tình trạng của nguyên liệu gia công

• Phát hiện, giám sát chiều cao của vật

Để đo khoảng cách bằng cảm biến, ta sử dụng đoạn lệnh sau:

Hình 2.17 Code điều khiển cảm biến siêu âm HC-SRF04.

2.1.4 Khối nguồn

Bo mạch Arduino Pro Mini cho phép điện áp nguồn cấp nằm trongkhoảng 6-12V Chính vì vậy, để cung cấp điện áp cho xe hoạt động ổnđịnh, ta lựa chọn Pin sạc 7.4v Lithium Li-Ion ICR18650-2600mAh

Hình 2.18 Pin sạc 7.4v Lithium Li-Ion ICR18650-2600mAh.

Bảng 2.6 Thông số kỹ thuật pin sạc 7.4v Lithium Li-Ion ICR18650-2600mAh [13]

2.2 Thiết kế mạch điều khiển xe tự hành [8]

Sau khi đã hiểu rõ nguyên lý hoạt động và cấu tạo của xe tự hành, ta tiến tới thiết kế mạchđiều khiển động cơ nhằm tối ưu phần cứng của xe Mạch điều khiển bao gồm:

2.2.1 Khối xử lí trung tâm

Khối vi điều khiển ATmega328P sử dụng xung nhịp thạch anh ngoài 16MHz Khối điềukhiển còn gồm 1 nút reset để khởi động lại chương trình, một đèn LED báo nguồn và 1 nútnhấn giữ để cấp nguồn từ pin cho ATmega328 Vi điều khiển ATmega328P sau khi được nạp

Bootloader của Arduino UNO, ta có thể sử dụng IDE của Arduino để lập trình sử dụng thưviện của Arduino Ngoài ra, ta có thể nạp chương trình trực tiếp cho chip thông qua chuẩnUART mà không cần sử dụng mạch nạp

Hình 2.20 Sơ đồ nguyên lý khối xử lí trung tâm.

2.2.2 Khối nguồn

Khối vi điều khiển hoạt động ở mức điện áp 5V, vì vậy cần một khối nguồn thực hiện chứcnăng tưng ứng, cung cấp mức điện áp 5V cho các khối của thiết bị từ nguồn pin vào ban đầu.Trên cơ sở đó, ta có thể lựa chọn IC ổn áp AMS1117-5V để tạo ra nguồn 5V cho thiết bị

Hình 2.21 IC AMS1117-5V.

Bảng 2.7 Thông số kỹ thuật IC AMS1117-5V [14]