ĐIỀU KHIỂN ROBOT NHẬN BIẾT BẰNG HỒNG NGOẠI

Đề tài: “ ĐIỀU KHIỂN ROBOT NHẬN BIẾT BẰNG HỒNG NGOẠI” I.Cơ sở đề tài : 1.Lý chọn đề tài : Robot có vai trò quan trọng đời sống đặc biệt ứng dụng sản xuất kinh tế, quốc phòng…Tuy nhiên cơng nghệ chế tạo robot nghành mẻ với Việt Nam nên việc phát triển nghành công nghiệp để bắt kịp với nước phát triển khác điều vô quan trọng Theo nhóm nghĩ,cách tiếp cận robot đơn giản thực thiết kế robot sử dụng cảm biến,có thể tránh vật cản,đi mê cung,hoặc dò đường…Và nhóm chọn đề tài xe tự động dò đường.Với đề tài này,nhóm kết hợp lý thuyết vi điều khiển học với thực hành,đồng thời tìm hiểu thêm điện-điện tử 2.Giới thiệu đề tài : Sản phẩm robot tự động có chức tự di chuyển theo vạch kẻ cho trước(trắng đen-nhóm cho xe theo vạch đen).Đầu tiên ta thiết kế đường vạch đen (nhóm dùng băng keo đen) Xe có phận cảm biến đầu xe,bộ phận dò vạch đen,nếu xe bắt vạch đen truyền tín hiệu đến vi điều khiển.Từ đó,vi điều khiển xuất tín hiệu điều khiển động chuyển động cho phù hợp với hoàn cảnh xe bắt vạch đen trạng thái (đi thẳng,trái,phải…) Ta hiểu rõ chế hoạt động xe thông qua sơ đồ khối bên 3.Sơ đồ khối toàn hệ thống : II Xác định mục tiêu giới hạn : 1.Mục tiêu : +Hệ thống điều khiển phải có khối nguồn cung cấp ổn định +Hệ thống nhận tín hiệu báo nhận đường +Hệ thống có khả điều khiển động tốt,linh hoạt +Khối xử lý trung tâm(khối điều khiển) hoạt động tốt,phối hợp khối khác hoạt động đồng thời ổn định tồn q trình hoạt động +Có hướng phát triển sau cải tiến thành robot thông minh +Chất lượng sản phẩm : kết cấu khí đẹp,chạy ổn định + Hồn thành thời hạn 2.Giới hạn : +Tốc độ chưa cao +Thỉnh thoảng bị trượt khỏi đường chạy nhanh,khi bẻ cua III Thực đề tài : 1.Khối nguồn : Trong khối nguồn,nhóm sử dụng pin khơ 9V.Tuy nhiên,vi điều khiên hoạt động điện áp 4.5V-5.5V.Do đó,nhóm tạo nguồn 5V để cung cấp cho hệ thống điều khiển,và khối mạch khác Trước hết,ta xét thử mạch ổn áp dùng Diode Zener: Hình 1: mạch ổn áp dùng Diode Zener Mạch ổn áp tạo áp 33V cố định cung cấp cho mạch dò kênh Ti vi mầu : Từ nguồn 110V không cố định thơng qua điện trở hạn dòng R1 gim Dz 33V để lấy điện áp cố định cung cấp cho mạch dò kênh Khi thiết kế mạch ổn áp ta cần tính tốn điện trở hạn dòng cho dòng điện ngược cực đại qua Dz phải nhỏ dòng mà Dz chịu được, dòng cực đại qua Dz dòng qua R2 = Như sơ đồ dòng cực đại qua Dz sụt áp R1 chia cho giá trị R1 , gọi dòng điện I1 ta có I1 = (110 - 33 ) / 7500 = 77 / 7500 ~ 10mA Thông thường ta nên để dòng ngược qua Dz ≤ 25 mA.Mạch ổn áp dùng Diode Zener có ưu điểm đơn giản nhược điểm cho dòng điện nhỏ ( ≤ 20mA ) Để tạo điện áp cố định cho dòng điện mạnh nhiều lần người ta mắc thêm Transistor để khuyếch đại dòng sơ đồ Hình : Mạch ổn áp dùng Transistor Ở mạch điện áp điểm A thay đổi gợn điệnáp điểm B không thay đổi tương đối phẳng Hình cách phân cực nguồn điện chung cho Transistor Ta có : VCC= VBB + VBE + VEE Do đó, ta có nguyên lý ổn áp sau : Thông qua điện trở R1 Dz gim cố định điện áp chân B Transistor Q1, giả sử điện áp chân Eđèn Q1 giảm => điện áp VBEtăng => dòng qua đèn Q1 tăng => làm điện áp chân E đèn tăng , ngược lại Hình : IC ổn áp LM7805 tạo nguồn 5V Sơ đồ vật lý: Hình 4: sơ đồ vật lý khối nguồn chuyển đổi 5V Bao gồm chân cắm nguồn 9V,4 diode tạo mạch chỉnh lưu chu kỳ,IC LM7805 chuyển sang nguồn 5V,các loại tụ lọc,1 đèn Led báo hiệu điện trở hạn dòng cho đèn Led Lắp mạch chỉnh lưu : mạch chỉnh lưu có tác dụng chuyển nguồn xoay chiều sang chiều.Do đó,ta ko cần quan tâm tới việc cực âm cực dương nguồn lắp vào chân cắm.Thông qua mạch chỉnh lưu ta thu nguồn chiều nhấp nhơ tụ 1000μF có tác dụng làm phẳng nguồn chiều,tụ có điện dung lớn điện áp đầu phẳng,thơng thường có trị số khoảng vài trăm đến vài ngàn μF.Hai tụ lại đầu IC LM7805 có tác dụng lọc nhiễu cho IC này.Theo datasheet,ta có : CIN=0.33μF,COUT= 0.1μF IOUTtối đa chịu 500mA.Do thị trường khơng có tụ 0.33μF nên nhóm gắn tụ0,1μF,điều không ảnh hưởng bao nhiêu.Với đèn báo hiệu,nhóm sử dụng Led siêu sáng trắng 2-3V Nhóm đo Led có áp 2.8V Ta có dòng qua Led thường từ 5-20mA.Ở đây,nhóm muốn đèn sáng với I=5mA,khi ta có cơng thức tính cho điện trở sau:R=(5-2.8)/0.005=440Ω Do thị trường khơng bán loại nên nhóm dùng loại 330Ω,ta dòng gần 6,6mA đủ sáng cho Led 2.Khối động : Sơ đồ vật lý : Hình : Sơ đồ vật lý khối động *Giải thích sơ đồ vật lý :  IC L298N bên tích hợp hai mạch cầu H,mỗi mạch cầu H gồm cổng AND Tranzito Sơ đồ khối bên sau(Hình 10) :  Mỗi mạch cầu H điều khiển tín hiệu Input tín hiệu Enable Ví dụ với mạch cầu H điều khiển Out1 Out2 cho động 1(bánh trái ) điều khiển tín hiệu In1,In2,EnA (In1,In2,EnA xuất từ vi điều khiển,EnA=5V) Ta có mối quan hệ tín hiệu sau : Khi có độ chênh áp Out1 Out2 động quay.Nếu In1In2=01 tiến tới,và In1In2=10 lùi Tương tự cho mạch cầu H thứ chịu điều khiển In3,In4 xuất tín hiệu Out3,Ou4 điều khiển động 2(bánh phải)  Cung cấp nguồn Vcc=5V cho IC hoạt động,và cấp nguồn Vs=12V cho động hoạt động  Mỗi mạch cầu H bao gồm đường nguồn Vs(thật đường chung cho mạch cầu),một chân current sensing(cảm biến dòng) phần cuối mạch cầu(ta có chân SENA SENB cho mạch cầu),chân không nối đất mà bỏ trống để người dùng nối điện trở gọi sensing resistor,mục đích để ổn định dòng,nó điện trở cơng suất có giá trị cỡ nhỏ,thường từ 0,52ohm,2W(theo datasheet),khi chuyển mạch L298N dẫn,nó trạng thái bão hòa mạnh,dòng qua gần maximum,do khả hút dòng lớn -> dễ sụt nguồn khơng có điện trở  Tụ C1 tụ lọc nhiễu cho L298N,thương tụ 0.1uF,tụ C2 C4 tụ lọc nguồn ,giúp nguồn cấp 12V phẳng,ổn định  Khi đảo chiều động hay ngừng động cơ,lúc động giống như1 máy phát điện nhỏ.Nó phát sinh dòng điện ngược có giá trị lớn,về lý thuyết L298N chịu 4A,nhưng 2A IC nóng,nếu dòng phát sinh đạt ngưỡng chảy ngược IC dễ gây hỏng IC.Chính mạch diode cầu theo để bảo vệ chip.mấy diode dùng để ngăn dòng ngược động đảo chiều hay ngừng khơng cho dòng quay ngược trở lại làm cháy IC Nhóm dùng diode 1N5399,2A 3.Khối cảm biến : Đường xe vẽ vạch đen nằm trắng.Để nhận đường đi,nhóm sử dụng cặp led thu phát hồng ngoại đặt gần nhau.Led phát hồng ngoại không phát ánh sáng mà phát cường độ,led thu có điện trở phụ thuộc vào có nhận cường độ hồng ngoại phản xạ lại từ đường hay khơng Hình : phản xạ ánh sáng led phát trắng đen Sơ đồ cặp thu phát hồng ngoại (Hình 7):  L1 đèn phát hồng ngoại có dải điện áp ->R1  Led thu mắc ngược.Việc tính toán R2 cho độ chênh lệch Vs có khơng có ánh sáng lớn nhất.(Vs điện áp rơi R2) - Giả sử điện trở Led thu có ánh sáng Rmin,và khơng có ánh sáng Rmax - Tương ứng có điện áp có ánh sáng Vs=I*R2=Vcc*R2/(R2+Rmin) Và khơng có ánh sáng Vs=Vcc*R2/(R2+Rmax) => Độ chênh lệch điện áp :Delta= |Vcc*R2/(R2+Rmax) - Vcc*R2/(R2+Rmin)| ->Khảo sát hàm y(R2)= |Vcc*R2/(R2+Rmax) - Vcc*R2/(R2+Rmin)|.Tìm R2 cho hàm y(R2) đạt cực đại Tính tốn đơn ta có cơng thức R2=sqrt(Rmin*Rmax).Với Led thu,theo tính tốn thực nghiệm nhóm nghiên cứu trước làm khơng có ánh sáng,điện trở led thu cỡ 100k; có ánh sáng giảm xuống 1k  R2=sqrt(1*100)=10k Với sơ đồ trên,theo lý thuyết : +Khi khơng có ánh sáng(gặp vạch đen) : Vs=5*10/(10+100)=0.45V +Khi có ánh sáng(vạch trắng) : Vs=5*10/(10+1)=4.54V Tuy nhiên,trong trình chạy thực nghiệm,tùy khoảng cách led thu led phát,và khoảng cách cảm biến mặt đường mà cho giá trí Vs khác có ánh sáng.Với kết thực nghiệm nhóm,khi có ánh sáng nhóm đo Vs xấp xỉ 1,6V,và khơng có ánh sáng xấp xỉ 0V.Điện áp 1,6V thấp,không thể đưa vào vi điều khiển để hoạt động được,do cần phải khếch đại.Điện áp Vs so sánh với điện áp Vref tinh chỉnh theo cách mắc sau(Hình 8) : Vref tinh chỉnh điện áp 1V Cơ chế hoạt động mạch so sánh : - Khi có ánh sáng : Vs=1,6V>Vref => Output =5V - Khi ánh sáng : Vs=0V Output=0V Nhóm sử dụng cặp led thu-phát.Do cần tới so sánh.Nhóm sử dụng IC LM324.Mỗi IC LM324 chứa so sánh.Với sơ đồ chân sau (Hình 9) : IC LM324 với nguồn ni 5V cho Output cao 3.7V,do điện áp rơi van chuyển mạch,các điện trở bên nó.Nhóm đo xấp xỉ 3,6V.Tuy nhiên,điện áp đủ để vi điều khiển hiểu làmức logic 1.Qua kiểm tra trạng thái cảm biến để điều khiển động hướng Ngồi ra,nhóm sử dụng đèn led báo hiệu cho cặp led thu-phát để dễ dàng nhận biết trạng thái cảm biến gặp vạch đen hay vạch trắng.Nhóm sử dụng đèn trắng 1,4V-1,8V.Nhóm đo 1,8V,và muốn dòng 15mA Do ta có : R=(5-1,8)/0.015=213 ,xấp xỉ 220 Khi gặp vạch đen,Output(của so sánh)=0 -> có chênh áp ->đèn Led sáng Khi gặp vạch trắng,Output=3,6V -> chênh áp thấp ->đèn Led tắt Sơ đồ nguyên lý : gồm mạch Hình 10 : mạch dò đường gồm cặp led thu – phát Hình 11 : mạch so sánh ,khếch đại Trên mạch này,3 đèn bên trái dùng đèn trắng báo hiệu,3 đèn bên phải dùng đèn vàng báo hiệu (đèn vàng có V=2V –>T=(5-2)/220=13,6mA).Xét từ trái qua,đèn báo hiệu đánh số từ 1-6.Các trường hợp cảm biến dò đường (bắt vạch đen):  Phạm vi đèn 3-4 : thẳng  Phạm vi đèn 1-4 : lệch trái -> quẹo trái  Phạm vi đèn 3-6: lệch phải -> quẹo phải *Lưu đồ giải thuật(Hình 12) : IV Khối vi điều khiển 1.Giới thiệu kit thử nghiệm CPLD COOLRUNNER – II 256 TQ144 The CooRunner – II 256 TQ144 kit CPLD xilinx Bộ kit bao gồm nguồn cung cấp với hiệu cao,bộ tạo dao động cấu hình , cổng giao tiếp I/0,đồng hồ đo thời gian thực cổng USB cấp nguồn lập trình cho CPLD Bộ KIT có cổng mở rộng với 64 tín hiệu giao tiếp từ CPLD mạch ngồi giúp mở rộng khả kết nối Các đặc điểm bật KIT: 256 khối Coolrunner – II CPLD gói TQ 144 Có cổng USB cấp nguồn ,lập trình chuyển liệu người dung Bộ dao động thay đổi (1000/100/10khz) ,them vào có khe nắp dao động thạch anh thứ 64 tín hiệu I/0 cổng giao tiếp(32 cổng nối tiếp ,32 cổng song song) Các miếng đệm cho SPI PROM gắn Hình 13: CoolRunner – II 256 TQ144 Hình 14: Sơ đồ khối KIT CPLD CoolRunner – II 256 TQ144 2.Lập trình KIT thử nghiệm Modul điều khiển viết VHDL – ngôn ngữ mô tả phần cứng Xilinx sử dụng phần mềm Xilinx Integrated Software Environment (ISE) v.10.0 Việc soạn thảo văn có sẵn ISE để viết modul hệ thống quản lí project ,file cấu hình cho CoolRunner – II 256 TQ144 tạo ISE Nó bao gồm việc sau (tất phần mềm làm tự động ) : Biên dịch VHDL thành sơ đồ cổng logic ,thành phần mạch (thông qua công cụ tổng hợp XST) Vẽ sơ dựa tài nguyên có sẵn FPGA Sắp xếp thành phần để đạt tối ưu File cấu hình nạp vào CPLD qua giao tiếp JTAG Kết trình tối ưu hóa dẫn đến thay đổi file gốc chu trình sau 3.Sơ đồ khối mạch điều khiển Hình 15: Sơ đồ khối mạch điều khiển Mạch điều khiển lập trình tạo khối Khối phát đường dẫn: Có nhiệm vụ xử lí tín hiệu từ sensor dò đường đưa vào FPGA Khối điều khiển chuyển động : Nhận tín hiệu điều khiển từ khối phát đường dẫn đưa mức điều khiển hợp lí Khối tạo xung : Phát xung cho hai động giúp động hoạt động linh hoạt để bám theo đường dẫn 4 Cách bố trí cảm biển robot Hình 16: Cách bố trí cảm robot Trong mạch sử dụng cặp thu phát hồng ngoại để dò đường.Khi cặp thu phát chạm vạch trắng mức tín hiệu đưa vào FPGA tương ứng R=101.Khi cặp thu phát bên trái chạm vạch trắng mức tín hiệu đưa vào FPGA R=011.Tương tự cặp thu phát bên phải chạm vạch trắng tín hiệu đưa vào FPGA R=110 Trạng thái hoạt động FSM Sơ đồ biểu diễn trạng thái hoạt động robot: Hình 17 : Trạng thái hoạt động Code modul điều khiển robot library IEEE; use IEEE.STD_LOGIC_1164.ALL; use IEEE.STD_LOGIC_ARITH.ALL; use IEEE.STD_LOGIC_UNSIGNED.ALL; Uncomment the following library declaration if instantiating any Xilinx primitives in this code library UNISIM; use UNISIM.VComponents.all; entity robot is Port ( cb : in STD_LOGIC_VECTOR (2 downto 0); clk : in STD_LOGIC; dctrai : out STD_LOGIC; dcphai : out STD_LOGIC; ); end robot; architecture Behavioral of robot is bo dem signal dem : std_logic_vector (6 downto 0) :="0000000"; signal clk50hz : std_logic :='0'; begin process(clk,dem) begin if(dem = "1100100") then dem