Đồ án thiết kế hệ thống cơ -điện tử robot dò line

Đồ án thiết kế hệ thống cơ -điện tử robot dò line

Đồ án thiết kế hệ thống Cơ- điện tử Mục lục Đồ án thiết kế hệ thống Cơ- điện tử Chương : TỔNG QUAN 1.1 Đề đặt : Mô tả sa bàn: - Màu sắc đường line: đen Màu nền: trắng Bề rộng đường line: 26mm Bề mặt địa hình di chuyển: phẳng Đường line liên tục Robot bắt buộc phải chạy theo chiều quy định ghi sa bàn (hình 1) Khi bắt đầu, robot đặt vị trí START (điểm A), sau robot chạy theo thứ tự qua điểm nút quy định sau: (START) A → B → C → D → E → F → C → G → A → C → E (END) Hình 1-1 Sa bàn di chuyển robot Bên cạnh ràng buộc xe dò line sau: - Tốc độ tối thiểu robot: 0,2 m/s Đường kính bánh xe: d ≤ 200mm Số lượng bánh xe (chủ dộng bị động): tùy chọn Kích thước tối đa chiều robot (): Có khẳ chở hình hộp chữ nhật trọng lượng 2kg với kích thước tối đa - (): Robot trang bị hệ thống cảm biến để nhận biết di chuyển bám line 1.2 Giới thiệu: Đồ án thiết kế hệ thống Cơ- điện tử Robot đời sớm thay người làm việc nặng nhọc độc hại Trong thời đại công nghiệp nay, robot ngày ứng dụng rộng rãi sản xuất đời sống Do yêu cầu ngày cao phức tạp, robot cần có thay đổi linh hoạt đáp ứng nhanh, mobile robot Mobile robot loại robot có khả tự dịch chuyển, tự vận động có khả hồn thành cơng việc giao Trong robot dò line loại robot tự xác định vị trí tương đối di chuyển bám theo quỹ đạo (line từ, line màu) định sẵn Hiện nay, robot dò line ứng dụng rộng rãi ngày hoàn thiện lĩnh vực thăm dò đại dương, tự hành khơng, môi trường kho bãi, nhà xưởng để vận chuyển hàng hóa thay người dùng để nghiên cứu kỹ thuật thi quy mô khác 1.3 Tình hình nghiên cứu ngồi nước: 1.3.1 Ngoài nước: 1.3.1.1 Xe Fireball tham gia thi Bot Brawl (Peoria, Illinois) (2014) Kết cấu xe đơn giản gồm bốn bánh bánh chủ động dẫn động bốn động riêng biệt Hình 1-2 Xe dò line Fireball Đồ án thiết kế hệ thống Cơ- điện tử Hình 1-3 Đường line Bot Brawl 2010 Bảng 1.1 Thông số kỹ thuật Fireball Thông số Dài x Rộng x Cao Vận tốc trung bình Khối lượng Giá trị 100 x 100 x 40 1.5 200 Đơn vị mm m/s g Ưu điểm: Kết cấu truyền động đơn giản, độ cứng vững cao, bán kính cong nhỏ Nhược điểm: Bộ điều khiển phức tạp phải điều chỉnh độ đồng tốc động riêng biệt để xe không bị trượt 1.3.1.2 FH Westküste robot dò line đội vơ địch thi MCU Car Rally tổ chức Nuremberg vào năm 2015 Xe cấu tạo giống xe đua thực tế với gầm thấp thân dài phía trước Xe sử dụng cấu lái Ackerman, hai bánh trước cố định trực tiếp với khung cảm biến dò line, đồng thời điều khiển động servo nhằm điều hướng cho xe, động sau tạo lực đẩy xe tiến lên thông qua cấu vi sai Đồ án thiết kế hệ thống Cơ- điện tử Hình 1-4 Xe dò line FH Westküste Hình 1-5 Đường line MCU Car Rally 2015 Bảng 1.2 Thông số kỹ tḥt Xe dò line FH Westküste Thơng số Dài × Rộng × Cao Vận tốc trung bình Khối lượng Giá trị 550 × 170 × 140 1.04 1.1 Đơn vị mm m/s kg Ưu điểm: Cơ cấu lái Ackerman cho phép xe hoạt động ổn định, bám đường tốt, chống trượt  Nhược điểm: Cơ cấu phức tạp, việc sử dụng hai bánh trước có trục quay tạo áp lực lớn tác động lên động điều hướng, bán kính cong lớn (hạn chế góc lái bánh trước chiều dài thân xe), khó ơm cua 1.3.2 Trong nước: 1.3.2.1 Xe Mr.zero - Trịnh Nguyễn Trọng Hữu – Giành giải nhì thi 2015 Số lượng bánh xe: bánh, bánh sau gắn dẫn động, bánh trước tự lựa Đồ án thiết kế hệ thống Cơ- điện tử Hình 1-6 Sơ đồ xe Mr.zero   Tốc độ đạt được: 1.6 m/s Sai số: 15 mm Ưu điểm : xe đảm bảo khả cân tốt Nhược điểm : không đảm bảo độ đồng phẳng cần hệ thống treo để đảm bảo xe tiếp xúc với mặt đường 1.3.2.2 Xe UIT-Mon - Nguyễn Tiến Đình - Giải thi năm 2013 Số lượng bánh xe: bánh, bánh sau gắn dẫn động, bánh trước tự lựa Hình 1-7 Sơ đồ xe UIT-Mon Tốc độ đạt được: 1,5m/s - Sai số: 20 mm  Ưu điểm : bánh xe tiếp xúc với bề mặt di chuyển, đáp ứng nhanh phần cảm biến đặt xa bánh chủ động  Nhược điểm : dễ bị lật tải trọng đặt lệch so với trọng tâm, khó ôm cua chiều dài xe lớn Đồ án thiết kế hệ thống Cơ- điện tử Đồ án thiết kế hệ thống Cơ- điện tử Chương : LỰA CHỌN PHƯƠNG ÁN 2.1 Cơ khí 2.1.1 Sơ đồ nguyên lý Đặc điểm yêu cầu xe: - Xe di chuyển địa hình phẳng khơng có dốc nghiêng Xe chở tải nặng 2kg Xe di chuyển với đường line liên tục khơng bị đứt đoạn, có khoảng giao vị trí A,C,E rẽ 90 độ A Đề xuất phương án: Bảng 2.3 Bảng so sánh số sơ đồ nguyên lý Xe bánh Xe bánh bánh chủ động phía sau bánh tự lựa phía trước bánh chủ động phía trước bánh tự lựa phía sau bánh tự lựa phía trước bánh chủ động phía sau bánh tự lựa phía trước có hệ thống treo * Ưu điểm: - bánh xe đồng phẳng tiếp xúc với mặt đất - Kết cấu khí đơn giản - Qua cua dễ dàng * Ưu điểm: - bánh xe đồng phẳng tiếp xúc với mặt đất - Kết cấu khí đơn giản - Xe dù có lực bên ngồi khó bị văng khỏi đường line bánh tự lựa phía trước -Qua cua dễ dàng * Ưu điểm: - Xe có kết cấu đơn giản -Xe có bánh nên qua cua dù mang tải nặng không bị lật xe bánh * Ưu điểm: -Xe bẻ lái dễ dàng qua cua không bị lật dù mang tải nặng - bánh xe ln đồng phẳng có hệ thống treo Đồ án thiết kế hệ thống Cơ- điện tử * Nhược điểm: - Bánh tự lựa phía trước nên cần chịu tác động nhỏ làm cho xe văng khỏi đường line - Xe mang tải nặng nên qua cua dễ bị lật - Mô hình: uXbotline following robot Daniel Álvarez với vận tốc trung bình đạt 1.65 m/s *Nhược điểm: - Do xe mang tải nặng nên qua cua xe dễ bị lật *Nhược điểm: -Khó đảm bảo cho bánh xe ln đồng phẳng - khó qua cua đặc điểm bánh xe tự lựa * Nhược điểm: - Thiết kế khí phức tạp khó chế tạo - khó điều khiển - Mơ hình: - Mơ hình: Arobot Silvestre-line - Mơ hình: Smart mobile robot following robot Car thi vận tốc tối đa 0.25 thi The Freescale m/s Cosmobot với tốc 2012, Plethora II độ tối đa lên tới 3m/s → Chọn phương án xe ba bánh với hai bánh chủ động phía sau bánh tự lựa phía trước 2.1.2 Bánh xe 2.1.2.1 Bánh chủ động - Yêu cầu: + Nhẹ, bền, khả bám đường tốt + Đường kính bánh xe + Di chuyển địa hình phẳng - Phương án lựa chọn: dựa đặc điểm loại bánh u cầu cần đáp ứng, nhóm lựa bánh thơng thường có gai: bánh V3 Hình 2-8 Bánh xe V3 Đồ án thiết kế hệ thống Cơ- điện tử 2.1.2.2 Bánh bị động: Trên thị trường có nhiều loại bánh xe khác nhau, thường sử dụng nhiều bánh mắt trâu, bánh omni, bánh caster Yêu cầu bánh bị động: - Kết cấu nhỏ gọn - Di chuyển bề mặt sa bàn phẳng, cát bụi - Dẫn hướng tốt - Xử lý nhanh vào cua - Phù hợp hoàn cảnh kinh tế sinh viên  Chọn phương án bánh mắt trâu • 2.1.3 Động → Theo đề bài, với yêu toán xe đạt vận tốc m/s thời gian mong muốn 1s, nhóm chọn động DC servo có encoder 2.1.4 Cảm biến Các yêu cầu lựa chọn cảm biến - Khả đáp ứng nhanh thay đổi màu sắc trắng đen Có khả nhận biết đoạn line gấp khúc đột ngột Ít bị nhiễu Dễ tìm kiếm, mua thị trường giá thành hợp lí Dựa phân tích phương án sensor phần tổng quan, ta thấy sử dụng phototransitor hợp lý đáp ứng yêu cầu kĩ thuật thực tế thi Dựa đặc tính độ nhạy cao phototransitor, hai phương án sử dụng loại sensor đề xuất: • Phototransistor kết hợp với LED thường Phototransistor kết hợp với LED hồng ngoại Đối với đường line màu có độ tương phản cao LED hồng ngoại cho độ nhạy cao cần phải che chắn để chống nhiễu Đối với đường đua mà màu line với màu có độ tương phản thấp, sử dụng LED thường hiệu  Thực tế đường line cho thấy màu có độ tương phản cao (line đen, trắng) nên nhóm chọn phương án Phototransistor kết hợp với LED hồng ngoại - Số lượng cảm biến: 10 Đồ án thiết kế hệ thống Cơ- điện tử Chương : HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN 5.1 Mô hình hóa: Mơ hình động học robot biểu diễn hình Hình 5-34: Mơ hình động học robot Trong đó: R: Điểm tham chiếu robot A: trung điểm hai bánh chủ động C: Điểm tracking robot Phương trình động học điểm A (0) Trong đó: : vận tốc dài tâm xe : vận tốc góc tâm xe Với: : vận tốc góc bánh phải bánh trái xe : đường kính bánh xe : khoảng cách hai bánh xe Phương trình động học điểm tracking C (0) Với khoảng cách từ tâm đường nối bánh đẫn dộng đến điểm tracking C Phương trình động học điểm tham chiếu R 34 Đồ án thiết kế hệ thống Cơ- điện tử (0) Với vận tốc mong muốn xe Bộ điều khiển thiết kế cho điểm tracking C để bám theo điểm tham chiều R với vận tốc mong muốn Sai số hệ thống xác định bởi: (0) Hay Vậy: (0) 5.2 Thiết kế điều khiển Chọn hàm Lyapunov: (0) Trong giá trị dương Đạo hàm ta được: Suy ra: (0) (0) Với phần tử , ta đặt: Từ ta có: Với phần tử , tính chất điều khiển, nên ln dấu nên Với phần tử Ta đặt: Từ điều ta có ta có: Vậy với luật điều khiển: 35 Đồ án thiết kế hệ thống Cơ- điện tử Nên ta có: Điều có nghĩa hệ thống ổn định với điều khiển tracking theo tiêu chuẩn Lyapunov, giá trị tiến Do hệ thống xác định sai số theo phương pháp tuyến với phương chuyển động xe, mơ hình động học xe cần giới thiệu lại với điểm C tâm dãy sensor, M trung điểm hai bánh chủ động điểm tracking xe Khi ta có e 1=d Mơ hình thể hình Như vậy, để xác định đầy đủ thơng tin vị trí điểm tracking so với tham chiếu, sai số e2 e3 cần xác định Trên thực tế, e xác định trực tiếp từ hệ thống sensor Đối với e 3, phương án xác định đề xuất cho robot di chuyển theo phương trước đoạn d s đủ nhỏ để nối điểm RR’ tạo thành tiếp tuyến đường cong Khi đó, sai số e xác định theo công thức : e3 = arctan( e2 − e2 ' ) ds Hình 5-35: Hình ảnh mơ sai số e2 36 Đồ án thiết kế hệ thống Cơ- điện tử Hình 5-36: Hình ảnh mơ sai số e3 5.3 Kết mơ Để mơ q trình bám sa bàn xe, ta sử dụng bảng thông số đầu vào Đại lượng Giá trị Đơn vị Bán kính cong 500 mm Vận tốc lớn m/s Tốc độ góc lớn động 500 rpm Khoảng cách hai bánh xe 170 mm Đường kính bánh xe 80 mm Thời gian lấy mẫu 0.02 s Thời gian di chuyển đoạn nhỏ (tìm e2’) 0.002 s Khoảng cách trọng tâm xe điểm tracking 70 mm Quy ước: đường vẽ màu xanh thể vận tốc gốc bánh xe phải, đường màu đỏ thể vận tốc gốc bánh xe trái Với khoảng cách từ tâm cảm biến C đến tâm bánh chủ động M chọn 96 mm Bên cạnh đó, giá trị e2 phụ thuộc vào số [k1 k2 k3] chọn Tiến hành môphỏng đoạn đường đua với hệ số [k1 k2 k3] [1 450 0] 37 Đồ án thiết kế hệ thống Cơ- điện tử a) Sa bàn di chuyển đoạn ABC c) Vận tốc robot đoạn ABC b) Sai số e2, e3 d) Tốc độ hai bánh đoạn ABC Hình 5-37: Mơ chuyển động đoạn ABC Trong đoạn ABC, sai số lớn e2 lớn khúc giao B, có chuyển hướng đột ngột dẫn đến sai số lớn Trên đoạn AB BC sai số tương đối ổn định vào cua, vận tốc xe cần giảm xuống 0,75 m/s.Nhận thấy trình chạy, tốc độ góc bánh xe khơng vượt q giới hạn cho phép động a) Sa bàn di chuyển đoạn CDEF b) Sai số e2, e3 38 Đồ án thiết kế hệ thống Cơ- điện tử c) Vận tốc robot đoạn CDEF d) Tốc độ hai bánh đoạn CDEF Hình 5-38: Mơ chuyển động đoạn CDEF Nhận xét: - Ta chọn lại k2=500 - Sai số không ổn định khúc cua, có xu hướng tiến - Sai số lớn điểm cua nhanh chống ổn định lại a) Sa bàn di chuyển đoạn GAE b) Sai số e2, e3 39 Đồ án thiết kế hệ thống Cơ- điện tử c) Vận tốc robot đoạn GAE d) Tốc độ hai bánh đoạn GAE Hình 5-39: Mơ chuyển động đoạn GAE Hình 5-40: Mơ bám line sa bàn 5.4 Giải thuật điều khiển: 5.4.1 Giải thuật tính sai số e2 Sử dụng giải thuật xấp xỉ bậc 40 Đồ án thiết kế hệ thống Cơ- điện tử Hình 5-41:Giải thuật xấp sỉ bậc Lấy cảm biến cho giá trị cao Ta xấp xỉ tín hiệu đầu ra: Vị trí tâm đường line vị trí mà hàm xấp xỉ đạt giá trị cực đại: 5.4.2 Sơ đồ khối điều khiển: Robot sử dụng điều khiển tập trung để điều khiển chức riêng biệt Trong vi điều khiển Tiva Tm4c123 đảm nhiệm tất nhiệm vụ gồm có: Đọc xử lý giá trị sensor Đọc giá trị vận tốc từ Encoder Điều khiển động thông qua driver điều khiển PID Sau tín hiệu trả từ sensor dạng analog vi điều khiển tính tốn sai số e2 (bỏ qua sai số e3 chọn k3=0), áp dụng tiêu chuẩn ổn định lyaponouv để đưa vận tốc động trái động phải Vận tốc động trái • • • 41 Đồ án thiết kế hệ thống Cơ- điện tử phải vi điều khiển xử lý truyền tín hiệu điều khiển dạng xung pwm cho driver tương ứng Vi điều khiển nhận xung encoder trả áp dụng giải thuật PID để đảm bảo vận tốc xe đáp ứng giá trị tính tốn Hình 5-42: Sơ đồ cấu trúc tập trung 5.4.3 Giải thuật điều khiển xe: Theo sa bàn từ Hình 0.1, trình robot di chuyển qua đoạn đường: - Đoạn thứ 1: AB Đoạn thứ 2: BC Đoạn thứ 3: CD Đoạn thứ 4: DE Đoạn thứ 5: EF Đoạn thứ 6: FC Đoạn thứ 7: CG Đoạn thứ 8: GA Đoạn thứ 9: AC Đoạn thứ 10: CE Và xe có trạng thái sau: - Trạng thái 1: Xe bám theo line Trạng thái 2: Xe thẳng qua giao lộ Trạng thái 3: Xe xoay giao lộ Trạng thái 4: Dừng xe Đối với thời điểm, xe đoạn đường có trạng thái khác nhau, nên có tác vụ xử lý khác a) Tác vụ 42 Đồ án thiết kế hệ thống Cơ- điện tử Đoạn đường áp dụng: sa bàn Trạng thái xe: Giải thuật: sử dụng luật điều khiển sau Trong đó: đề cập Phần Từ tính vận tốc góc cho động cơ: b) Tác vụ Sử dụng chuyển tiếp đoạn đường: , , Trạng thái xe: Giải thuật: giữ vận tốc động dãy cảm biến vượt khỏi giao lộ c) Tác vụ Sử dụng xe gặp điểm A lần thứ 2, lúc chuyển tiếp đoạn Trạng thái xe: Giải thuật: giữ vận tốc bánh phải 0, giữ vận tốc bánh trái cố định dãy cảm biến trở lại đường line d) Tác vụ Áp dụng xe hết đoạn đường Trạng thái xe: Giải thuật: cảm biến biên trả tín hiệu, dừng xe Lưu đồ giải thuật Dựa vào giải thuật đề cập trên, ta có lưu đồ giải thuật sau: 43 Đồ án thiết kế hệ thống Cơ- điện tử Hình 5-43: Chương trình Hình 5-44:Chương trình 44 Đồ án thiết kế hệ thống Cơ- điện tử 45 Đồ án thiết kế hệ thống Cơ- điện tử Chương : KẾT QUẢ THỰC NGHIỆM 6.1 Kết chạy xe Nhóm hồn thành việc chế tạo mơ hình vận hành thực tế Tuy robot hoàn thành việc bám hết sa bàn với thời gian cách ổn định, sai số bám line lớn vị trí đặc biệt sau: Hình 6-45: Kết thực nghiệm đoạn AB Khi robot khởi động bắt đầu chạy đoạn AB, độ vọt lố (overshoot) lớn nên tốc độ điều khiển đoạn AB chưa xác, dẫn đến sai số dò line gần đến điểm B khơng ổn định Hình 6-46:Kết thực nghiệm qua điểm C Khi robot đến điểm C ta cho mù cảm biến sai số phụ thuộc vào sai số đoạn trước 46 Đồ án thiết kế hệ thống Cơ- điện tử Hình 6-47: Kết thực nghiệm qua điểm D Xe có qn tính khiến cho sai số điểm D lớn Hình 6-48: Kết thực nghiệm qua điểm G-A Xe chạy ổn định đoạn G-A  Xe chạy chưa ổn định tất lần chạy, khả thành hoàn thành toàn sa bàn 4/10 6.2 Trải nghiệm trình làm đồ án • Khó khăn: o Việc lựa chọn vi điều khiển Tiva C phương án điều khiển tập trung gây khó khăn cho việc lập trình, nhóm phải tìm hiểu lại việc lập trình tốn nhiều thời gian sửa chữa lỗi o Lựa chọn thuật toán xấp xỉ khiến cho việc thực nghiệm nhiều thời gian phải tìm hệ số PID phù hợp calib giá trị cảm biến o Việc lựa chọn khoảng cách cảm biến lớn (20mm) vị trí đặt dãy cảm biến gần bánh chủ động khiến cho sai số xe lớn, xe dễ bị văng line tiến hành cho mù cảm biến khoảng giao lộ 47 Đồ án thiết kế hệ thống Cơ- điện tử Lựa chọn tự thiết kế mạch cảm biến mạch nguồn buộc thành viên nhóm phải tự học thêm thiết kế làm mạch điện, tốn nhiều thời gian mạch dễ bị hư mối hàn không tốt va đạp di chuyển o Lần đầu tiếp xúc với việc làm robot nên vấn đề hư hỏng linh kiện nhóm phải tốn thời gian tìm hiểu khắc phục vấn đề • Kiến thức đạt sau đồ án: o Khả lập trình sử dụng tốt vi điều khiển Tiva C o Biết sử dụng tốt linh kiện điện tử Driver, giảm áp, vi điều khiển, pin, cảm biến,… tránh gây hư hỏng đáng tiếc o Biết tự thiết kế làm mạch điện o Cách đặt mục tiêu theo khả nhóm vật tư có o Cách thực đề tài theo phương pháp Cơ điện tử o 48 ... 11 Đồ án thiết kế hệ thống Cơ- điện tử Chương : HỆ THỐNG CƠ KHÍ Chương bao gồm lựa chọn bánh xe, tính tốn chọn động cơ, tính tốn kích thước xe, thiết kế đồ gá cho động cơ, bố trí phận xe 3.1 Bánh... 24 Đồ án thiết kế hệ thống Cơ- điện tử Bảng 4.3.3 Số liệu thử nghiệm L298 với động phải Hình 4-21: Đồ thị PWM(%) vận tớc quay động phải 25 Đồ án thiết kế hệ thống Cơ- điện tử Hình 4-22: Đồ. .. khó ơm cua chiều dài xe lớn Đồ án thiết kế hệ thống Cơ- điện tử Đồ án thiết kế hệ thống Cơ- điện tử Chương : LỰA CHỌN PHƯƠNG ÁN 2.1 Cơ khí 2.1.1 Sơ đồ nguyên lý Đặc điểm yêu cầu xe: - Xe di chuyển