Thiết kế xe tự hành di động bám tường

Thiết kế xe tự hành di động bám tường MỤC LỤC Đồ Án I Thiết kế xe tự hành di động bám tường DANH MỤC HÌNH VẼ Đồ Án I Thiết kế xe tự hành di động bám tường DANH MỤC BẢNG BIỂU Đồ Án I Thiết kế xe tự hành di động bám tường DANH MỤC TỪ VIẾT TẮT I/O Input/Output Cổng vào/ra PID Proportional Integral Derivative Bộ điều khiển vi tích phân tỷ lệ USB Universal Serial Bus Chuẩn kết nối đa dụng IDE Integrated Development Environment Mơi trường phát triển tích hợp LED Light Emitting Diode Điốt phát quang PWM Pulse Width Modulation Điều chế độ rộng xung RISC Reduced Instructions Set Computer Máy tính với tập lệnh đơn giản hóa ISP In-System Programmer Nạp chương trình hệ thống EEPROM Electrically Erasable Programmable Bộ nhớ đọc tái lập trình tín Read-Only Memory hiệu điện RAM Random Access Memory Bộ nhớ truy cập ngẫu nhiên SRAM Static Random Access Memory Bộ nhớ truy cập ngẫu nhiên tĩnh UART Universal Asychronous serial Giao thức truyền nhận nối tiếp không Receiver and Transmitter đồng SPI Serial Peripheral Interface Giao diện ngoại vi nối tiếp I2C Inter-Integrated Circuit Giao tiếp truyền thông dây ADC Analog-to-Digital Converter Bộ chuyển đổi tuơng tự-số DAC Digital-to-Analog Converter Bộ chuyển đổi số-tuơng tự IC Integrated Circuit Mach tich hop LCD Liquid Crystal Display Màn hình tinh thể lỏng Đồ Án I Thiết kế xe tự hành di động bám tường LỜI NÓI ĐẦU Trong thời đại công nghiệp ngày nay, robot ngày sử dụng phổ biến sản xuất sống người Robot có vị trí quan trọng khó thay được, giúp người để làm việc điều kiện nguy hiểm, khó khăn Ngồi ra, robot dùng vào lĩnh vực thám hiểm không gian, quân sự, giải trí Lĩnh vực robot di động ngày chiếm quan tâm nhà nghiên cứu xã hội Chính lí này, em lựa chọn đề tài “Thiết kế xe tự hành di động bám tường” cho học phần Đồ Án I Trong học kỳ vừa qua, dẫn thầy TS Nguyễn Hoàng Nam anh Bùi Tuấn Anh anh Phạm Tùng Lâm thuộc Nhóm nghiên cứu thầy, em học hỏi nhiều kiến thức bổ ích xe tự hành để hồn thiện Đồ Án Trong báo cáo mình, em xin trình bày 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 thực nghiệm Chương 5: Kết luận Em xin chân thành cảm ơn! Sinh viên Đồ Án I Thiết kế xe tự hành di động bám tường CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN 1.1 Giới thiệu xe tự hành [1] Xe tự hành loại xe robot có khả tự dịch chuyển, tự vận động (có thể lập trình lại được) điều khiển tự động có khả hồn thành công việc giao Xe tự hành thành phần có vai trò quan trọng ngành robot học Cùng với phát triển mạnh mẽ hệ thống tự động hóa, xe tự hành ngày hồn thiện cho thấy lợi ích cơng nghiệp sinh hoạt Ngày xe tự hành có nhiều ứng dụng tự động hóa đời sống, cơng nghiệp….Có nhiều cơng việc đòi hỏi thực thi môi trường độc hại, nguy hiểm có phóng xạ, khí độc, bụi bẩn, kí sinh trùng gây bệnh Vì giải pháp sử dụng robot nói chung việc quan trắc môi trường cần thiết Với khả tích hợp nhiều loại cảm biến nhiệt độ, độ ẩm, bụi, camera, siêu âm, hồng ngoại…, robot có khả thay người cách hiệu cơng 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 chương trình hoạt động cho xe tự hành điều thiết yếu Một vấn đề quan tâm thiết kế xe tự hành điều khiển cho xe theo quỹ đạo mong muốn Bài toán xe tự hành di động bám tường (wall-following Đồ Án I Thiết kế xe tự hành di động bám tường problem) toán thường gặp robot kiểu phản xạ (reactive paradigm), giải nhiều cách khác Bản báo cáo trình bày phương pháp giải vấn đề với thuật tốn điều khiển PID sử dụng Arduino 1.2 Tổng quan Arduino 1.2.1 Giới thiệu chung [2] Hình 1.2 Các dòng Arduino [3] 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 Những Model trang bị gồm cổng giao tiếp USB, chân đầu vào analog, 14 chân I/O kỹ thuật số tương thích với nhiều board mở rộng khác Arduino đời thị trấn Ivrea thuộc nước Ý đặt theo tên vị vua vào kỷ thứ King Arduin Arduino thức đưa giới thiệu vào năm 2005 công cụ khiêm tốn dành cho sinh viên Massimo Banzi, người phát triển Arduino, trường Interaction Design Instistute Ivrea (IDII) Mặc dù khơng tiếp thị cả, tin tức Arduino lan truyền với tốc độ chóng mặt nhờ lời truyền miệng tốt đẹp người dùng Đồ Án I Thiết kế xe tự hành di động bám tường Những nhà thiết kế Arduino cố gắng mang đến phương thức dễ dàng, không tốn cho người yêu thích, sinh viên giới chuyên nghiệp để tạo thiết bị có khả tương tác với môi trường thông 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 thông thường cho phép người dùng viết chương trình cho Aduino ngơn ngữ C C++ Và điều làm nên tượng Arduino mức giá thấp tính chất nguồn mở từ phần cứng tới phần mềm Hiện tại, có 20 loại bo mạch Arduino phát triển phù hợp cho với nhu cầu khác người sử dụng Dựa theo mục đích sử dụng, bo mạch phân loại theo bảng sau: Bảng 1.1 Phân loại bo mạch Arduino [4] Mục đích Bo mạch Phổ thơng 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 đeo GEMMA, LILYPAD ARDUINO USB, LILYPAD ARDUINO MAINBOARD, LILYPAD ARDUINO SIMPLE, LILYPAD ARDUINO SIMPLE SNAP 1.2.2 Ứng dụng [5] Arduino chọn làm não xử lý nhiều thiết bị từ đơn giản đến phức tạp Trong số có vài ứng dụng thực chứng tỏ khả vượt trội Arduino chúng có khả thực nhiều nhiệm vụ phức tạp Có thể kể đến số ứng dụng bật như: Điều khiển ánh sáng (đóng ngắt LED, điều khiển ánh sáng theo nhạc), điều khiển máy bay Đồ Án I Thiết kế xe tự hành di động bám tường không người lái, điều khiển máy in 3D Và ứng dụng quan trọng không nhắc đến sử dụng Arduino để điều khiển robot, đặc biệt robot di động Trong Đồ Án này, Arduino sử dụng làm mạch điều khiển xe tự hành, công việc đo đạc, điều khiển động lệnh bo mạch Hình 1.3 Robot di động tự tránh vật cản dùng camera CMUCam Arduino Nano Đồ Án I Thiết kế xe tự hành di động bám tường CHƯƠNG 2: THIẾT KẾ PHẦN CỨNG CHO XE TỰ HÀNH 2.1 Cấu tạo xe tự hành112Equation Chapter Section Yêu cầu toán đặt thiết kế xe tự hành có khả di chuyển song song với tường, cạnh phải xe bám tường, cách tường khoảng không đổi 25 cm Để giải toán này, ta sử dụng khung xe Robot ba bánh với bánh trước bánh đa hướng, hai bánh sau điều khiển hai động Để thu thập liệu khoảng cách phía trước bên phải xe, ta cần gắn hai cảm biến siêu âm theo hai hướng tương ứng Với yêu cầu đặt ra, ta lựa chọn động Servo DS04-NFC cảm biến siêu âm HC-SRF04 Để điều khiển xe tự hành, bo mạch Arduino Pro Mini phù hợp với 14 chân tín hiệu số (trong có chân PWM), hồn tồn đáp ứng nhu cầu điều khiển hai động (cần chân PWM cho động cơ) hai cảm biến (cần chân số cho cảm biến), chân thừa có tác dụng dự phòng cho phiên sau Nguồn điện cho xe hoạt động cấp từ Pin sạc 7.4v Lithium Li-Ion ICR18650-2600mAh Như vậy, cấu tạo xe tự hành có dạng sau: Hình 2.4 Mơ hình xe tự hành Trong đó: Đồ Án I 10 Thiết kế xe tự hành di động bám tường Hình 3.31 Đồ thị tín hiệu theo thời gian, với giá trị KD (KP and KI không đổi) Khâu tỉ lệ, tích phân, vi phân cộng lại với để tính tốn đầu điều khiển PID Gọi u tín hiệu điều khiển, ta có: t u = K P e + K I ∫ e ( τ ) dτ + K D d e( t) dt 10310\* MERGEFORMAT (.) Nhờ ưu điểm nêu trên, ta ứng dụng điều khiển PID để giải toán xe tự hành bám tường 3.2.2 Xây dựng thuật toán Yêu cầu toán đặt cho xe tự di chuyển song song với tường, cạnh phải xe bám tường, cách tường khoảng không đổi 25 cm Để giải toán này, ta cần sử dụng hai cảm biến siêu âm để thu thập liệu khoảng cách phía trước bên phải xe ATmega328P liên tục đọc liệu theo chu kì 200ms từ hai cảm biến gửi Sai lệch khoảng cách từ cạnh phải xe đến tường đưa vào điều khiển PID từ đưa tín hiệu điều khiển thích hợp để đưa xe trở quỹ đạo Xe phát vật cản phía trước cảm biến siêu âm phía trước xe đo giá trị khoảng cách nhỏ 15 cm Đồ Án I 33 Thiết kế xe tự hành di động bám tường Do cảm biến siêu âm đo khoảng cách vật cản đủ lớn, mặt phẳng vật cản tạo với hướng quét cảm biến góc lớn 60 nên ta giả thiết mơi trường làm việc xe thỏa mãn yêu cầu sau: [17] • Đối tượng theo phương đứng đối tượng theo phương ngang phải đặt • vng góc với Đối tượng đặt theo phương đứng phải có dạng mặt cong trơn có bán kính cong đoạn khơng bé khoảng cách từ • tâm robot đến mặt cong Đối tượng đặt theo phương ngang phải có dạng mặt phẳng Thuật tốn dùng để giải tốn trình bày rõ thơng qua lưu đồ thuật tốn 3.2.2.1 Lưu đồ thuật toán Đồ Án I 34 Thiết kế xe tự hành di động bám tường Bắt đầu Đo D1, D2 Đ D1 < 15cm Quay trái 450 S D1, D2: Khoảng cách phía trước bên phải xe e = SP - D2 e: Sai lệch giá trị đặt khoảng cách đo SP: Giá trị đặt, chọn 25cm P, I, D: Các tham số điều khiển PID pe: Giá trị sai lệch vòng lặp trước P = KP*e I += KI*e D = KD*(e – pe) U: Tín hiệu điều khiển VR, VL: Tốc độ động phải, trái V0: Tốc độ động U=P+I+D Đi thẳng S VR = V0 + U VL = V0 - U D1 < 15cm pe = e Đo D1 Đ Đ e < -25cm Đ C ≥ 50 S C++ S C=0 Hình 3.32 Lưu đồ thuật tốn điều khiển xe tự hành Đồ Án I 35 Thiết kế xe tự hành di động bám tường 3.2.2.2 Diễn giải thuật toán Ban đầu, xe thu thập liệu từ hai cảm biến siêu âm để xác định D 1, D2 Xe ưu tiên tránh vật cản phía trước Khi phát vật cản, xe quay trái góc 450 Hình 3.33 Khi xe gặp vật cản phía trước Sau xác định phía trước khơng có vật cản, xe thực điều chỉnh để bám tưởng với khoảng cách không đổi 25 cm Để làm điều này, vi điều khiển tính tốn giá trị sai số e theo công thức: e = SP − D 11311\* MERGEFORMAT (.) Trong đó: • • SP: Giá trị đặt, chọn 25cm D2: Khoảng cách đo từ cảm biến bên phải xe Từ đó, ta suy giá trị tương ứng tham số điều khiển PID: Đồ Án I 36 Thiết kế xe tự hành di động bám tường P = K P *e 12312\* MERGEFORMAT (.) I+ = K I *e 13313\* MERGEFORMAT (.) D = K D * ( e – pe ) 14314\* MERGEFORMAT (.) Trong đó: • • e: Giá trị sai lệch vòng lặp pe: Giá trị sai lệch vòng lặp trước Sau nhiều lần thử nghiệm, hệ số điều khiển lựa chọn sau: K P = 10 K I = 0.0075 KD = Sau có giá trị tín hiệu đầu ra, vi điều khiển tiến hành điều chỉnh tốc độ hai động Cụ thể, phát cạnh phải xe cách tưởng 25 cm, vi điều khiển tăng tốc độ động bên trái giảm tốc độ động bên phải, độ tăng giảm tốc độ phụ thuộc vào độ lớn sai lệch Nhờ xe quay sang phải Đồ Án I 37 Thiết kế xe tự hành di động bám tường Hình 3.34 Khi khoảng cách bên phải xe lớn 25 cm Tốc độ hai bánh xe cần giới hạn vừa đủ để phòng trường hợp khoảng cách bên phải lớn, xe khơng bị quay tròn chỗ góc quay lớn làm xe bị chệch khỏi quỹ đạo mong muồn Đồ Án I 38 Thiết kế xe tự hành di động bám tường Hình 3.35 Góc quay cần điều chỉnh cho phù hợp Ngược lại, cạnh phải xe cách tường khoảng nhỏ 25 cm, tốc độ động phải tăng lên đồng thời tốc độ động trái giảm xuống giúp xe quay sang trái Đồ Án I 39 Thiết kế xe tự hành di động bám tường Hình 3.36 Khi khoảng cách bên phải xe nhỏ 25 cm Một trường hợp cần ý đặt xe vị trí mà khoảng cách phía trước bên phải lớn (đặt phòng), vi điểu khiển xác định khoảng cách bên phải lớn giá trị đặt nên điều khiển xe liên tục quay sang phải dẫn đến tình xe chạy thành vòng tròn mà khơng bám tường Chính ta cần giới hạn thời gian xe trạng thái quay tròn 10 giây Để làm điều ta sử dụng biến đếm C để đếm số chu kỳ liên tiếp mà xe đo khoảng cách phía trước lớn 15 cm khoảng cách bên phải lớn 50 cm (SP - D2 > -25 cm) Ta giới hạn C > 50 (tương đương với 10 giây, chu kỳ lấy mẫu 200ms) cho xe thẳng đến gặp vật cản phía trước nhỏ 15 cm khoảng cách bên phải nhỏ 50 cm Lúc xe tiếp tục thực việc bám tường: Đồ Án I 40 Thiết kế xe tự hành di động bám tường Hình 3.37 Khi khoảng cách phía trước bên phải xe lớn Do gặp hạn chế phần cứng nên xe phát vật cản nằm chếch với hướng di chuyển xe góc 450 Nhược điểm khắc phục phiên sau Hình 3.38 Khi có vật cản nằm chếch với hướng di chuyển xe góc 450 Đồ Án I 41 Thiết kế xe tự hành di động bám tường CHƯƠNG 4: KẾT QUẢ THỰC NGHIỆM Sau xây dựng thuât toán cho xe, ta tiến hành nạp code vào Arduino thử nghiệm cho xe tự di chuyển tòa nhà Kết thu sau: Khi đo khoảng cách bên phải xe 25 cm xác định phía trước khơng có vật cản (khoảng cách phía trước lớn 15 cm), xe thẳng Hình 4.39 Trường hợp phía trước khơng có vật cản, bên phải cách tường 25 cm Hai cảm biến liên tục đo khoảng cách với chu kỳ 200ms, phát khoảng cách bên phải lớn 25 cm, xe quay sang phải để thu hẹp khoảng cách, đến khoảng cách tới tường lại 25 cm, xe di chuyển song song với tường Hình 4.40 Trường hợp khoảng cách bên phải xe lớn 25 cm Trong trường hợp này, góc quay xe điều chỉnh hợp lý để khoảng cách bên phải lớn 25 cm nhiều, xe không bị quay chỗ Đồ Án I 42 Thiết kế xe tự hành di động bám tường Hình 4.41 Góc quay xe điều chỉnh hợp lý Khi khoảng cách bên phải nhỏ 25 cm, xe quay sang trái để điều chỉnh cho khoảng cách trở lai bẳng 25 cm Hình 4.42 Trường hợp khoảng cách bên phải xe nhỏ 25 cm Nếu phát phía trước có vật cản, xe quay sang trái Hình 4.43 Trường hợp phía trước có vật cản Tuy nhiên, có vật cản phía trước nằm chếch với hướng di chuyển xe góc 45 0, xe không xử lý Đồ Án I 43 Thiết kế xe tự hành di động bám tường Hình 4.44 Trương hợp xảy cố Có thể thấy, xe tự hành tự trì khoảng 25 cm tường, có khả xử lí tốt đa số tình di chuyển với quỹ đạo mong muốn Mặc dù vây, xe số hạn chế cần khắc phục phiên sau Đồ Án I 44 Thiết kế xe tự hành di động bám tường KẾT LUẬN Về bản, toán bám tưởng đề giải tương đối tốt Tuy nhiên, hạn chế phần cứng, sản phẩm chưa thực hoàn chỉnh, gặp tình khơng thể xử lí xác, cụ thể là: - Do cảm biến siêu âm có góc quét 450 nên gặp vật cản nằm phạm vi quét cảm biến, xe tự hành tránh xảy va chạm Cách khắc phục gắn hai cảm biến siêu âm lên động servo cho quay với góc 45 để phát vật cản từ hướng, từ giúp cho việc tự hành xe đạt hiệu - cao Do hai bánh xe chưa cố định chặt vào trục động nên dẫn đến việc tốc độ hai bánh không đặt tốc độ vào hai động Cách khắc phục gia cố cho bánh xe gắn chặt với trục động ốc vít, đồng thời gắn thêm cảm biến - Encoder vào hai bánh xe để đo tốc độ tự động hiệu chỉnh phần mềm Cảm biến siêu âm chưa hồn tồn xác đo khoảng cách, gặp khoảng cách lớn 6m, cảm biến trả lại giá trị khoảng cách sai, có giá trị nhỏ 15cm gây sai sót thuật tốn xe hoạt động khơng theo ý muốn Cách khắc phục hiệu chỉnh lại thuật toán để loại trừ kết đo sai, sử dụng cảm biến có độ xác cao Ngồi việc khắc phục điểm thiếu sót, em xin đề xuất phương hướng cải tiển cho phiên tiếp theo: - Sau giải tốt toán bám tường, vi điều khiển vẽ lại đường xe xác định tọa độ xe không gian Để làm điều này, ta cần thêm cảm biến vận tốc góc MPU6050 để xác định góc quay xe cảm biến Encoder để - đo vận tốc xe từ suy quãng đường dịch chuyển Bài tốn mơ hình hóa mơi trường: Sử dụng cảm biến Lidar để thu thập liệu từ môi trường xung quanh, kết hợp với tọa độ xe xác định phương pháp nêu để dựng lại hình dạng 3D mơi trường Em xin chân thành cảm ơn bảo thầy TS Nguyễn Hồng Nam anh thuộc Nhóm nghiên cứu thầy giúp em hoàn thành Đồ Án Hà Nội, ngày 14 tháng năm 2017 Sinh viên Đồ Án I 45 Thiết kế xe tự hành di động bám tường TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] D M Đăng, "Luân Văn Tốt Nghiệp Đại Học: Robot Di Động Theo Dấu Tường," Đại Học Bách Khoa Tp.HCM, 2004 [2] "Arduino," [Online] Available: https://vi.wikipedia.org/wiki/Arduino#cite_ref-2 [3] "Types of Arduinos," [Online] Available: http://karma- laboratory.com/workshops/arduinoforprogrammers/arduino_types.html [4] "Arduino Products," [Online] Available: https://www.arduino.cc/en/Main/Products [5] "Giới Thiệu Về Arduino," [Online] Available: http://sotatec.com.vn/nhom-gioi-thieu- sotatec-94.html [6] "Arduino Pro Mini," [Online] Available: https://www.arduino.cc/en/Main/ArduinoBoardProMini [7] "8-bit AVR Microcontrollers Atmega328/P Datasheet Complete," Atmel, 2016 [Online] Available: http//www.atmel.com [8] N M Khang, "Luận Văn Tốt Nghiệp Đại Học: Thiết Kế Xe Tự Hành Mơ Hình Hóa Mơi Trường," Đại Học Bách Khoa Hà Nội, 2016 [9] "Xung PPM," 2014 [Online] Available: http://arduino.vn/reference/xung-ppm [10] "Servo Motor Set - Model: DS04-NFC Datasheet," EKT, [Online] Available: http://www.ekt2.com/pdf/412_CH_SERVO_MOTOR_SET.pdf [11] "SRF04 Technical Documentation," [Online] Available: http://inside.mines.edu/~whoff/courses/EENG383/lab/SRF04%20Technical %20Documentation.pdf [12] "Build and Test the Ping))) Sensor Circuit," [Online] Available: http://learn.parallax.com/tutorials/robot/activitybot/activitybot/navigateultrasound/build-and-test-ping-sensor-circuit [13] "Li-Ion 18650 7.4V 2600 mAh 2x18650 2S Rechargeable Battery Pack," SuPower Battery, [Online] Available: http://www.batterysupports.com/72v-74v-2-18650- 2600mah-2s-lithium-ion-liion-battery-pack-p-69.html [14] "AMS1117," Advanced Monolithic Systems, [Online] Available: http://www.advanced-monolithic.com/pdf/ds1117.pdf [15] "TP4056," NanJing Top Power ASIC Corp, [Online] Available: https://dlnmh9ip6v2uc.cloudfront.net/datasheets/Prototyping/TP4056.pdf Đồ Án I 46 Thiết kế xe tự hành di động bám tường [16] "Bộ điều khiển PID," [Online] Available: https://vi.wikipedia.org/wiki/B%E1%BB %99_%C4%91i%E1%BB%81u_khi%E1%BB%83n_PID#cite_ref-ben93p48_1-0 [17] P V Hồn, "Nghiên Cứu Và Kiểm Chứng Thuật Tốn Bám Tường Cho Robot Tự Hành," Đại học Sư Phạm Kỹ Thuật Tp Hồ Chí Minh Đồ Án I 47 .. .Thiết kế xe tự hành di động bám tường DANH MỤC HÌNH VẼ Đồ Án I Thiết kế xe tự hành di động bám tường DANH MỤC BẢNG BIỂU Đồ Án I Thiết kế xe tự hành di động bám tường DANH MỤC TỪ... động cho xe tự hành điều thiết yếu Một vấn đề quan tâm thiết kế xe tự hành điều khiển cho xe theo quỹ đạo mong muốn Bài toán xe tự hành di động bám tường (wall-following Đồ Án I Thiết kế xe tự. .. Chương 4: Kết thực nghiệm Chương 5: Kết luận Em xin chân thành cảm ơn! Sinh viên Đồ Án I Thiết kế xe tự hành di động bám tường CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN 1.1 Giới thiệu xe tự hành [1] Xe tự hành loại xe robot