xe tự động tránh vật cản
TỔNG QUAN VỀ ĐỀ TÀI
Lý do chọn đề tài
Hiện nay, với sự phát triển của đời sống, máy móc tự động ngày càng được sử dụng rộng rãi để phục vụ cho nhiều mục đích khác nhau như nhà thông minh, nông trại thông minh, máy hút bụi tự động và xe dò đường Trong bài tiểu luận này, tôi sẽ tập trung vào xe tự động tránh vật cản, một lĩnh vực còn nhiều tiềm năng Đề tài này không chỉ có thể nâng cấp mà còn có khả năng mở rộng chức năng để phát triển những robot tự động cao cấp hơn trong tương lai.
Mục tiêu của đề tài
Thiết kế và thi công xe tự động có khả năng tránh vật cản được thực hiện bằng cách sử dụng cảm biến siêu âm SRF 05, module điều khiển động cơ L298, module Bluetooth HC 05 và vi điều khiển Arduino Uno để xử lý tín hiệu trong hệ thống.
Phương pháp nghiên cứu
Tìm hiểu lý thuyết vi xử lý Arduino, cách kết nối và sử dụng cảm biến siêu âm SRF 05, module điều khiển động cơ L298 và module Bluetooth HC 05 với Arduino Kết nối các linh kiện này và sử dụng phần mềm Arduino IDE để lập trình điều khiển xe hoạt động theo ý muốn.
Đối tượng và phạm vi nghiên cứu
Vi xử lý Arduino Uno R3 là bộ xử lý trung tâm của hệ thống, điều khiển hoạt động của các thành phần khác Module điều khiển động cơ L298 được sử dụng để kết nối và điều khiển hai động cơ DC, giúp điều chỉnh chuyển động của xe Động cơ DC được gắn vào hai bánh xe, cho phép xe di chuyển linh hoạt.
Động cơ servo được tích hợp với cảm biến siêu âm SRF 05, giúp tăng cường khả năng quét và phát hiện vật cản Cảm biến siêu âm này cho phép quét rộng hơn, nâng cao hiệu suất trong việc nhận diện và xử lý các chướng ngại vật.
+ Module bluetooth HC 05: Kết nối xe với app android dùng để điều khiển xe + Phần mềm Arduino IDE: Dùng để viết, biên dịch chương trình điều khiển
Phạm vi nghiên cứu: Thi công mô hình và thử nghiệm tại trường
CƠ SỞ LÝ THUYẾT
Arduino UNO R3
2.1.1 Giới thiệu tổng quan về Arduino UNO R3
Bảng Arduino có nhiều phiên bản với hiệu năng và mục đích sử dụng đa dạng như Arduino Mega và Arduino LilyPad Trong số đó, Arduino Uno R3 nổi bật là một trong những phiên bản phổ biến nhất nhờ vào chi phí hợp lý và tính linh hoạt cao.
Arduino Uno R3 có tính mở về phần cứng, dẫn đến sự xuất hiện của nhiều biến thể phù hợp với nhu cầu của các đối tượng khác nhau.
Để khai thác tối đa tiềm năng của bo mạch Arduino, việc hiểu rõ thông số kỹ thuật của từng loại và nhận diện sự khác biệt giữa các phiên bản là rất quan trọng Điều này giúp chúng ta có những giải pháp xử lý phù hợp cho từng ứng dụng.
2.1.2 Một vài thông số của Arduino UNO R3
Vi điều khiển ATmega 328 họ 8bit Điện áp hoạt động 5V DC (chỉ được cấp qua cổng USB)
Tần số hoạt động 16MHz
Dòng tiêu thụ Khoảng 30mA Điện áp vào khuyên dùng 7 – 12 V DC Điện áp vào giới hạn 6 – 20 V DC
Số chân Digital 14 (6 chân hardware PWM)
Số chân Analog 6 (độ phân giải 10bit)
Dòng tối đa trên mỗi chân I/O 30 mA
Dòng ra tối đa (5V) 500 mA
Dòng ra tối đa (3.3V) 50 mA
Bộ nhớ flash 32 KB (ATmega 328) với 0.5 KB dùng bởi bootloader
Arduino UNO có thể sử dụng 3 vi điều khiển họ 8bit AVR là ATmega8, ATmega168, ATmega328
Bộ não này có khả năng thực hiện các tác vụ đơn giản như điều khiển đèn LED nhấp nháy, xử lý tín hiệu cho xe điều khiển từ xa, và hoạt động như một trạm đo nhiệt độ - độ ẩm, hiển thị thông tin trên màn hình LCD, cùng nhiều ứng dụng khác.
Arduino UNO có thể nhận nguồn 5V qua cổng USB hoặc từ nguồn ngoài, với điện áp khuyên dùng từ 7-12V DC và giới hạn từ 6-20V Việc sử dụng pin vuông 9V là lựa chọn hợp lý nếu không có nguồn từ cổng USB Lưu ý rằng cấp nguồn vượt quá giới hạn này có thể gây hỏng Arduino UNO.
GND (Ground) là cực âm của nguồn điện cung cấp cho Arduino UNO Khi sử dụng các thiết bị với nguồn điện riêng biệt, các chân GND này cần được kết nối với nhau để đảm bảo hoạt động ổn định.
5V: cấp điện áp 5V đầu ra Dòng tối đa cho phép ở chân này là 500mA.
3.3V: cấp điện áp 3.3V đầu ra Dòng tối đa cho phép ở chân này là 50mA.
Vin (Voltage Input): để cấp nguồn ngoài cho Arduino UNO, bạn nối cực dương của nguồn với chân này và cực âm của nguồn với chân GND.
IOREF: điện áp hoạt động của vi điều khiển trên Arduino UNO có thể được đo ở chân này.
Chắc chắn rằng nguồn điện luôn là 5V Tuy nhiên, bạn không nên sử dụng nguồn 5V từ chân này vì chức năng của nó không phải là để cung cấp điện.
RESET: việc nhấn nút Reset trên board để reset vi điều khiển tương đương với việc chân RESET được nối với GND qua 1 điện trở 10KΩ
Arduino UNO không có tính năng bảo vệ khi cắm ngược nguồn, vì vậy bạn cần kiểm tra kỹ các cực âm và dương trước khi cấp điện Nếu xảy ra chập mạch, Arduino UNO có thể bị hỏng Do đó, tôi khuyên bạn nên sử dụng nguồn từ cổng USB khi có thể.
Các chân 3.3V và 5V trên Arduino được sử dụng để cung cấp nguồn cho các thiết bị khác, không phải là chân cấp nguồn vào Việc cấp nguồn sai vị trí có thể gây hỏng board, và điều này không được nhà sản xuất khuyến khích.
Cấp nguồn ngoài không qua cổng USB cho Arduino UNO với điện áp dưới 6V có thể làm hỏng board.
Cấp điện áp trên 13V vào chân RESET trên board có thể làm hỏng vi điều khiển
Cường độ dòng điện vào/ra ở tất cả các chân Digital và Analog của Arduino UNO nếu vượt quá 200mA sẽ làm hỏng vi điều khiển.
Cấp điệp áp trên 5.5V vào các chân Digital hoặc Analog của Arduino UNO sẽ làm hỏng vi điều khiển.
Cường độ dòng điện tối đa cho phép qua bất kỳ chân Digital hoặc Analog nào của Arduino UNO là 40mA; nếu vượt quá mức này, vi điều khiển sẽ bị hỏng Do đó, khi không sử dụng để truyền nhận dữ liệu, cần phải sử dụng điện trở hạn dòng để bảo vệ thiết bị.
Vi điều khiển Atmega328 tiêu chuẩn cung cấp cho người dùng:
Vi điều khiển này có 32KB bộ nhớ Flash, nơi lưu trữ các đoạn lệnh lập trình Thông thường, một phần nhỏ trong bộ nhớ này, khoảng vài KB, sẽ được dành cho bootloader Tuy nhiên, bạn không cần phải lo lắng, vì thường bạn sẽ không cần sử dụng quá 20KB bộ nhớ Flash này.
SRAM (Bộ nhớ truy cập ngẫu nhiên tĩnh) có dung lượng 2KB, nơi lưu trữ giá trị các biến mà bạn khai báo trong quá trình lập trình Số lượng biến bạn khai báo càng nhiều thì yêu cầu về bộ nhớ RAM càng lớn Tuy nhiên, bộ nhớ RAM thường không phải là vấn đề đáng lo ngại trong quá trình lập trình Lưu ý rằng, khi mất điện, dữ liệu trên SRAM sẽ bị mất.
EEPROM (Electrically Erasable Programmable Read-Only Memory) có dung lượng 1KB, hoạt động như một ổ cứng mini, cho phép người dùng đọc và ghi dữ liệu mà không lo mất mát khi mất điện, khác với dữ liệu trên SRAM.
Hình 2.3 Các cổng vào ra
Arduino UNO có 14 chân digital để đọc và xuất tín hiệu, hoạt động với hai mức điện áp 0V và 5V, và dòng vào/ra tối đa trên mỗi chân là 40mA Mỗi chân được trang bị điện trở pull-up được tích hợp trong vi điều khiển ATmega328, nhưng mặc định các điện trở này không được kết nối.
Một số chân digital có các chức năng đặc biệt như sau:
Chân Serial 0 (RX) và 1 (TX) trên Arduino Uno được sử dụng để truyền (TX) và nhận (RX) dữ liệu TTL Serial, cho phép giao tiếp với các thiết bị khác Kết nối Bluetooth thường được coi là một dạng kết nối Serial không dây Nếu không cần giao tiếp Serial, nên tránh sử dụng hai chân này để tiết kiệm tài nguyên.
Module điều khiển động cơ L298
Driver: L298 tích hợp hai mạch cầu H. Điện áp điều khiển: +5V ~ +12V.
Dòng tối đa cho mỗi cầu H là: 2A Điện áp của tín hiệu điều khiển: +5V ~ +7V
Dòng của tín hiệu điều khiển: 0 ~ 36mA
Công suất hao phí: 20W (khi nhiệt độ T = 75 o C)
Hình 2.5 Các chân tín hiệu L298
1 DC motor 1 “+” hoặc stepper motor A+
2 DC motor 1 “-” hoặc stepper motor A-
Khi sử dụng nguồn trên 12V, hãy tháo jumper 12V ra Jumper này được thiết kế để cung cấp nguồn cho IC ổn áp, giúp tạo ra nguồn 5V Nếu nguồn vượt quá 12V, IC nguồn có thể bị cháy.
4 Cắm dây nguồn cung cấp điện áp cho motor vào đây từ 6V đến 35V
5 Cắm chân GND của nguồn
6 Ngõ ra nguồn 5V, nếu jumper đầu vào không rút ra
7 Chân Enable của motor 1, chân này dùng để cấp xung PWM cho motor nếu dùng vi điều khiển thì rút jumper ra và cắm chân PWM vào Giữ nguyên khi dùng với động cơ bước
12 Chân Enable của Motor 2, chân này dùng để cấp xung cho motor nếu dùng vi điều khiển thì rút jumper ra và cắm chân PWM vào Giữ nguyên khi dùng với động cơ bước
13 DC motor 2 “+”, hoặc stepper motor B+
14 DC motor 2 “-“, hoặc stepper motor B-
Cảm biến siêu âm SRF05
Sóng siêu âm (sonar) là loại sóng tần số cao mà con người không nghe thấy, nhưng chúng hiện diện rộng rãi trong tự nhiên Nhiều loài động vật như dơi và cá heo sử dụng sóng siêu âm để giao tiếp, săn mồi và định vị không gian.
Dựa trên quan sát hoạt động của các loài vật, nguyên tắc sử dụng sóng âm để định vị rất đơn giản và có thể tóm gọn trong ba bước cơ bản.
Vật chủ phát ra sóng âm
Sóng âm này va chạm với môi trường xung quanh và phản xạ lại
Dựa vào thời gian phát / thu, khoảng cách giữa vật chủ và môi trường xung quanh được tính ra.
Khoảng cách truyền sóng âm phụ thuộc vào môi trường truyền dẫn; chẳng hạn, sóng âm di chuyển nhanh hơn trong nước hoặc kim loại so với trong không khí.
Cảm biến siêu âm SRF05 hoạt động dựa trên nguyên tắc phát và thu sóng âm, bao gồm 2 loa và 5 chân kết nối với Arduino Theo thông tin từ nhà sản xuất, tầm hoạt động tối đa của cảm biến này lên đến 5 mét.
Hình 2.7 Cảm biến siêu âm
Cảm biến SRF 05 là thiết bị đo khoảng cách sử dụng công nghệ siêu âm, bao gồm bộ phát và bộ thu sóng siêu âm Sóng siêu âm được phát ra sẽ di chuyển trong không khí, khi gặp vật cản, chúng sẽ phản xạ trở lại và được bộ thu ghi nhận Khoảng cách đo được của cảm biến SRF 05 dao động từ 4cm đến 300cm.
SRF 05 có thể thiết lập 2 mode hoạt động khác nhau thông qua các chân điều khiển Nối hoặc không nối chân OUT xuống GND cho phép cảm biến được điều khiển thông qua giao tiếp dùng 1 chân hay 2 chân IO.
Mode 1: Tách chân Trig và chân Echo dùng riêng:
Trong chế độ SRF 05, cả hai chân trig và echo được sử dụng để giao tiếp với vi điều khiển Để sử dụng chế độ này, chỉ cần để chân OUT của module trống, điện trở bên trong sẽ tự động kéo chân pin này lên mức 1.
Để điều khiển cảm biến SRF 05 ở chế độ 1, cần cung cấp cho chân trig một xung điều khiển có độ rộng tối thiểu 10us Sau khi nhận xung, đầu phát sóng siêu âm sẽ phát ra sóng, và vi xử lý tích hợp trên module sẽ tự động xác định thời điểm phát và thu sóng siêu âm Kết quả thu được sẽ được đưa ra chân echo, trong đó độ rộng xung vuông tại chân Echo tỉ lệ thuận với khoảng cách từ cảm biến đến vật thể.
Hình 2.9 Nguyên lý hoạt động của SRF 05 ở mode 1
Trong chế độ 2, chân Trig và Echo được sử dụng chung nhằm tiết kiệm pin cho vi điều khiển Trong chế độ này, cảm biến SRF 05 chỉ cần một chân pin để thực hiện cả hai chức năng Trig và Echo Để kích hoạt chế độ này, cần kết nối chân OUT xuống GND.
Để điều khiển cảm biến SRF 05 ở mode 2, cần xuất một xung có độ rộng tối thiểu 10us vào chân trig – echo Sau đó, vi xử lý trên cảm biến sẽ phát ra tín hiệu điều khiển cho đầu phát siêu âm Sau khoảng 700us từ khi tín hiệu điều khiển kết thúc, có thể đọc được một xung từ chân trig – echo, có độ rộng tương ứng với khoảng cách giữa cảm biến và vật cản.
Hình 2.11 Nguyên lý hoạt động của SRF 05 ở mode 2
Sử dụng cảm biến SRF05, chúng ta sẽ lập trình để kích hoạt cảm biến mỗi giây một lần nhằm kiểm tra sự hiện diện của vật cản xung quanh.
Thực hiện mỗi chu kì 1s
Kích hoạt cảm biến bằng việc bật PIN Trigger theo thứ tự LOW - HIGH - LOW qua hàm digitalWrite.
Tính toán khoảng cách thu được bằng việc sử dụng hàm pulseIn và các công thức tính.
Ta giả định nếu khoảng cách trả về < 0.5m thì sẽ in ra thông báo có vật cản.
Lặp lại chu trình này.
Động cơ điện một chiều
Động cơ điện một chiều (DC) hoạt động bằng cách sử dụng dòng điện một chiều và thường được áp dụng trong các lĩnh vực cần mô men khởi động cao hoặc yêu cầu tăng tốc êm ở dải tốc độ rộng Động cơ điện một chiều bao gồm ba thành phần chính.
Cực từ là yếu tố quan trọng trong động cơ một chiều, nơi mà sự tương tác giữa hai từ trường tạo ra chuyển động quay Động cơ một chiều thường có các cực từ cố định, trong khi phần ứng quay trong không gian giữa chúng Một động cơ đơn giản thường bao gồm hai cực từ: cực bắc và cực nam, với các đường sức từ chạy từ cực bắc đến cực nam Đối với các động cơ phức tạp hơn, thường có sự xuất hiện của nhiều nam châm điện, được cấp điện từ bên ngoài để tạo ra cấu trúc từ trường cần thiết cho hoạt động của động cơ.
Phần ứng trong động cơ điện là bộ phận biến thành nam châm điện khi có dòng điện đi qua Với hình dạng trụ, phần ứng được kết nối với trụ để thực hiện việc kéo tải Trong động cơ một chiều nhỏ, phần ứng quay trong từ trường do các cực tạo ra, và khi cực bắc và cực nam hoán đổi vị trí tương ứng với góc quay, dòng điện sẽ đảo chiều, làm thay đổi các cực bắc và nam của phần ứng.
Cổ góp là bộ phận quan trọng trong động cơ một chiều, có chức năng đảo chiều dòng điện trong phần ứng và hỗ trợ truyền điện giữa phần ứng và nguồn điện Một trong những ưu điểm nổi bật của động cơ điện một chiều là khả năng điều khiển tốc độ mà không ảnh hưởng đến chất lượng điện cung cấp.
Có thể điều khiển động cơ loại này bằng các điều chỉnh:
Điện áp phần ứng: tăng điện áp phần ứng sẽ làm tăng tốc độ
Giảm dòng kích thích có thể làm tăng tốc độ của động cơ điện một chiều, loại động cơ này thường được sử dụng cho các thiết bị có tốc độ chậm và công suất thấp đến trung bình Tuy nhiên, khi đạt công suất lớn, động cơ một chiều có thể gặp vấn đề với các cổ góp cơ Ngoài ra, động cơ này chỉ nên được sử dụng trong những khu vực sạch và không độc hại để tránh nguy cơ đánh lửa từ chổi than.
Module bluetooth HC-05
Bluetooth là công nghệ truyền thông không dây cho phép trao đổi dữ liệu trong khoảng cách ngắn, sử dụng sóng radio tần số cao (UHF) trong dải tần ISM từ 2.4 đến 2.485 GHz Khoảng cách truyền tối đa của module Bluetooth thường đạt khoảng 10m.
Hình 2.14 Sơ đồ chân HC - 05
Sơ đồ chân HC – 05 gồm có:
KEY: Chân này để chọn chế độ hoạt động AT Mode hoặc Data Mode
VCC chân này có thể cấp nguồn từ 3.6V đến 6V bên trong module đã có một ic nguồn chuyển về điện áp 3.3V và cấp cho IC BC417.
GND: nối với chần nguồn GND
TXD, RND: đây là hai chân UART để giao tiếp module hoạt động ở mức logic 3.3V
STATE: các bạn chỉ cần thả nổi và không cần quan tâm đến chân này.
2.5.2 Các chế độ hoạt động
HC-05 hoạt động với hai chế độ chính là Command Mode và Data Mode Trong Command Mode, người dùng có thể giao tiếp với module qua cổng serial bằng các lệnh AT Ngược lại, ở Data Mode, module cho phép truyền nhận dữ liệu với các module Bluetooth khác Chân KEY được sử dụng để chuyển đổi giữa hai chế độ này, và có hai phương pháp để chuyển module sang chế độ Data Mode.
Khi đưa chân KEY lên mức logic cao trước khi cấp nguồn, module sẽ vào chế độ Command Mode với baudrate mặc định 38400, rất hữu ích khi bạn không biết tốc độ baudrate đã được thiết lập Trong chế độ này, đèn LED trên module sẽ nháy chậm khoảng 2 giây Ngược lại, nếu chân KEY được nối với mức logic thấp trước khi cấp nguồn, module sẽ hoạt động ở chế độ Data Mode.
Để chuyển module từ chế độ Data Mode sang chế độ Command Mode, bạn cần đưa chân KEY lên mức cao Khi đó, module sẽ hoạt động ở chế độ Command Mode với tốc độ Baud Rate đã được thiết lập trước đó Do đó, việc biết baudrate hiện tại của thiết bị là rất quan trọng để có thể tương tác hiệu quả Lưu ý rằng nếu module chưa được thiết lập lại, nó sẽ sử dụng giá trị mặc định ban đầu.
+ Baudrate 9600, data 8 bits, stop bits 1, parity : none, handshake: none + Passkey: 1234
+ Device Name: HC-05 Ở chế độ Data Mode HC-05 có thể hoạt động như một master hoặc slave tùy vào việc bạn cấu hình
Để thiết lập chế độ SLAVE, bạn cần kết nối smartphone, laptop hoặc USB Bluetooth để dò tìm module và thực hiện ghép nối với mã PIN 1234 Sau khi ghép nối thành công, bạn sẽ có một cổng serial từ xa hoạt động với baud rate 9600.
Trong chế độ MASTER, module sẽ tự động tìm kiếm các thiết bị Bluetooth khác như module Bluetooth HC-06, USB Bluetooth hoặc Bluetooth của laptop và thực hiện quá trình ghép nối một cách chủ động mà không cần bất kỳ thiết lập nào từ máy tính hoặc smartphone.
THIẾT KẾ VÀ THI CÔNG
Sơ đồ khối và nguyên lý hoạt động của mạch
Hình 3.15 Sơ đồ khối tổng quát
Vi điều khiển Arduino Uno R3
Module điều khiển động cơ L298 Động cơ DC Động cơ servo
Arduino R3 có khả năng xử lý tất cả các tín hiệu từ module Bluetooth hoặc cảm biến siêu âm, cho phép phát tín hiệu điều khiển đến module điều khiển động cơ Điều này giúp điều khiển hoạt động của động cơ theo chương trình đã được lập trình sẵn.
Cảm biến siêu âm SRF 05: cảm biến phát hiện vật cản gửi tín hiệu về cho vi điều khiển
Module bluetooth HC-05: nhận tín hiệu điều khiển từ người dùng gửi về cho vi điều khiển xử lý
Module điều khiển động cơ L298: nhận tín hiệu từ vi điều khiển để điều khiển động cơ hoạt động chính xác
Khối nguồn: Cung cấp nguồn cho mạch hoạt động
Nguyên lý hoạt động của mạch: Ở đây có hai chế độ hoạt động cho xe:
Khi cấp nguồn cho mạch xe tự khởi động, chế độ chạy sẽ được kích hoạt để tránh vật cản Arduino nhận tín hiệu từ cảm biến siêu âm để điều khiển module động cơ, giúp xe di chuyển hợp lý Nếu không có vật cản, xe sẽ chạy thẳng, nhưng khi gặp vật cản, xe sẽ dừng lại Servo sẽ quay 180 độ từ trái qua phải để tìm đường di chuyển và xe sẽ rẽ về hướng không có vật cản Quá trình này sẽ tiếp tục cho đến khi tắt nguồn hoặc chuyển sang chế độ điều khiển.
Xe được điều khiển thông qua smartphone cài đặt ứng dụng kết nối qua module bluetooth Khi nhận tín hiệu điều khiển từ người dùng, Arduino sẽ xử lý tín hiệu để điều khiển động cơ hoạt động chính xác Người dùng có thể dễ dàng chuyển đổi sang chế độ tránh vật cản thông qua một nút trong ứng dụng hoặc khi ngắt kết nối bluetooth.
Lưu đồ thuật toán
Hình 3.16 Lưu đồ chương trình chính
Nhận tín hiệu từ module bluetooth HC-05
Nhận tín hiệu từ cảm biến siêu âm SRF 05
Module điều khiển động cơ L298
Lưu đồ thuật toán chương trình tự động
Hình 3.17 Lưu đồ chương trình tự động
Nhận tín hiệu từ cảm biến siêu âm SRF 05
Sơ đồ nguyên lý
Hình 3.18 Sơ đồ nguyên lý
Mạch thực tế
Kết quả kiểm thử mạch
Về cơ bản mạch đã hoạt động và tránh được các vật cản khi gặp phải.
Nhưng vẫn tồn tại một số vấn đề như sau:
Cảm biến siêu âm có một số hạn chế, bao gồm việc mức độ sóng âm hồi tiếp phụ thuộc vào cấu tạo và góc phản xạ của đối tượng Đối với những vật thể mềm, tín hiệu phản hồi có thể yếu hoặc không có, và mặt tiếp xúc của vật cản cũng ảnh hưởng đến khả năng nhận biết của cảm biến.
Khi di chuyển vào vùng hẹp có nhiều vật cản xe hoạt động trở nên thiếu chính xác
