Thiết Kế, Chế Tạo Module Điều Khiển Không Dây Cho Mobile Robot

Với sự phát triển của công nghệ điện tử, kỹ thuật số, các hệ thống điều khiển dần dần được tự động hóa. Nó trở thành một lĩnh vực khoa học, mà ứng dụng của nó không thể thiếu trong dân dụng cũng như trong các VNĐh công nghiệp.Và nó còn là nền tảng cho các VNĐh khác. Với kỹ thuật tiên tiến như: vi xử lý, vi mạch số,.. được ứng dụng rộng rãi vào lĩnh vực điều khiển. Trong quá trình sản xuất ở các nhà máy, xí nghiệp việc phải sử dụng những cánh tay robot, những máy tự động làm việc theo chương trình cài sẵn, những robot di động thực hiện các công việc nguy hiểm là một yêu cầu hết sức cần thiết và quan trọng. Nó giúp thực hiện những thao tác đòi hỏi độ chính xác cao hoặc môi trường làm việc ô nhiễm độc hại nhằm đảm bảo an toàn cho người lao động , tăng năng suất sản xuất. Nhất là trong các công việc mang tính lặp đi lặp lại công việc cụ thể thì robot có thể làm việc rất là chính xác. Bởi những lí do trên nhóm đã thực hiện đề “Thiết kế, chế tạo các module điều khiển không dây cho mobilerobot ” với các tính năng điều khiển không dây bằng sóng RF, wifi, bluetooth để có thể thực hiện những công việc nguy hiểm gián tiếp.

Thiết Kế, Chế Tạo Module Điều Khiển Không Dây Cho Mobile Robot Mục Lục Chương I TỔNG QUAN 1 Lý chọn đề tài Mục tiêu đề tài Đối tượng nghiên cứu .2 Phương tiện nghiên cứu Nội dung đề tài Tổng quan mobile robot .3 6.1 Lịch sử phát triển robot .3 6.2 Sơ lược mobile robot 6.3 Phân loại mobile robot 6.4 Ứng dụng 7 Phương pháp nghiên cứu 7.1 Thiết kế, chế tạo mobile- robot 7.2 Sơ đồ nguyên lý dạng điều khiển không dây 10 Kết dự kiến .14 CHƯƠNG THIẾT KẾ CƠ KHÍ VÀ LÝ THUYẾT 15 Thiết kế khí 15 1.1 Thiết kế khí .15 1.1.1 Sơ lược phần mềm thiết kế .15 1.1.2 Động 18 1.1.3 Bánh xe đa hướng 19 1.1.4 Nguồn 19 1.1.5 Một số chi tiết khác .20 Thiết kế giao diện 21 2.1 Phần mềm thiết kế 21 2.2 Cách kết nối labview Arduino 23 Lý thuyết 29 3.1 Sóng RF 29 3.2 Sóng Wifi 30 3.3 Sóng Bluetooth 31 3.4 So sánh lý thuyết chuẩn điều khiển 33 CHƯƠNG MƠ HÌNH HĨA VÀ MƠ PHỎNG 34 Thiết bị điều khiển 34 Thiết Kế, Chế Tạo Module Điều Khiển Không Dây Cho Mobile Robot 1.1 Arduino Mega 2560 .34 1.2 Arduino Uno R3 36 1.3 Ngôn Ngữ Lập Trình Cho Arduino 37 1.4 Lưu đồ giải thuật mobile robot 39 Giới thiệu module điều khiển không dây 39 2.1 Module Bluetooth 39 2.2 Module nRF24L01 41 2.3 Module Wifi ESP8266 44 Chương KẾT QUẢ THỰC HIỆN 47 Kết đạt .47 1.1 Mạch phát RF 47 1.2 Main 48 1.3 Mạch điều khiển động 48 1.4 Mơ hình mobile- robot sau hoàn thành 49 1.5 Giao diện điều khiển 50 Khảo nghiệm thực tế 52 Thiết Kế, Chế Tạo Module Điều Khiển Không Dây Cho Mobile Robot DANH MỤC BẢNG Bảng 2.1 So sánh loại điều khiển không dây 33 Bảng 3.1 Nối chân Bluetooth với Arduino Mega 40 Bảng 3.2 Điều kiện làm việc nRF24L01 .42 Bảng 3.3 Các chế độ hoạt động nRF24L01 43 Bảng 3.4 Nối chân Esp8266 với Arduino Mega 46 Bảng 4.1 Kết khảo sát nhiễu RF 53 Bảng 4.2 Kết khảo sát tượng nhiễu Bluetooth 54 Bảng 4.3 Kết khảo sát tượng nhiễu Wifi .54 Bảng 4.4 So sánh loại truyền không dây thông qua khảo nghiệm thực tế .55 Thiết Kế, Chế Tạo Module Điều Khiển Không Dây Cho Mobile Robot Chương I TỔNG QUAN Lý chọn đề tài Với phát triển công nghệ điện tử, kỹ thuật số, hệ thống điều khiển tự động hóa Nó trở thành lĩnh vực khoa học, mà ứng dụng khơng thể thiếu dân dụng VNĐh công nghiệp.Và tảng cho VNĐh khác Với kỹ thuật tiên tiến như: vi xử lý, vi mạch số, ứng dụng rộng rãi vào lĩnh vực điều khiển Trong trình sản xuất nhà máy, xí nghiệp việc phải sử dụng cánh tay robot, máy tự động làm việc theo chương trình cài sẵn, robot di động thực công việc nguy hiểm yêu cầu cần thiết quan trọng Nó giúp thực thao tác đòi hỏi độ xác cao mơi trường làm việc ô nhiễm độc hại nhằm đảm bảo an toàn cho người lao động , tăng suất sản xuất Nhất cơng việc mang tính lặp lặp lại cơng việc cụ thể robot làm việc xác Bởi lí nhóm thực đề “Thiết kế, chế tạo module điều khiển không dây cho mobile-robot ” với tính điều khiển khơng dây sóng RF, wifi, bluetooth để thực cơng việc nguy hiểm gián tiếp Mục tiêu đề tài - Mục tiêu trước hết hoàn thành đề tài tốt nghiệp - Áp dụng lý thuyết học vào thực tế, phát huy thành vi điều khiển vào thực tế nhằm tạo sản phẩm, thiết bị tiên tiến nhằm đạt hiệu cao sản xuất phục vụ nhu cầu sinh hoạt ngày - Ơn lại, tìm hiểu rộng thêm kiến thức học - Và cuối hồn thiện mơ hình mobile robot thiết kế, chế tạo module điều khiển không dây RF, wifi, Bluetooth Trang Thiết Kế, Chế Tạo Module Điều Khiển Không Dây Cho Mobile Robot - Ngồi ra, nhóm mong muốn đề tài tảng để khóa sau nghiên cứu, phát triển hồn thiện hệ thống để ứng dụng vào thi robocon Đối tượng nghiên cứu - Tìm hiểu vi xử lí Atmega2560, Atmega328 - Tìm hiểu ngơn ngữ lập trình C/C++ phần mềm Arduino IDE - Tìm hiểu mosfet IRF540, IRF 9540 - Tìm hiểu điều khiển từ xa sóng RF (nRF24L01), wifi (ESP8266), bluetooth(HC-05) Phương tiện nghiên cứu - Các tài liệu liên quan đến đề tài - Máy tính - Các dụng cụ hổ trợ thiết kế mạch điện tử Nội dung đề tài Nội dung đề tài cần thực là: - Tổng hợp phân tích chuẩn không dây điều khiển cho mobile robot : dùng sóng RF, sóng bluetooth , sóng wifi - Thiết kế, chế tạo mobile robot - Thiết kế, chế tạo điều khiển không dây dựa lý thuyết tìm hiểu - So sánh , phân tích ưu nhược chuẩn điều khiển tìm hiểu Trang Thiết Kế, Chế Tạo Module Điều Khiển Không Dây Cho Mobile Robot Tổng quan mobile robot 6.1 Lịch sử phát triển ROBOT Hình dạng Robot xuất nước Hoa Kỳ, loại tay máy chép hình dung phòng thí nghiệm vật liệu phóng xạ Vào năm 50 kỷ trước, bên cạnh loại tay máy chép hình khí, loại tay máy chép hình thủy lực điện tử xuất Tuy nhiên, tay máy thương mại có chung nhược điểm thiếu di động, tay máy hoạt động hạn chế quanh vị trí Ngược lại, Mobile Robot lại Robot di động di chuyển từ khơng gian đến không gian khác cách độc lập hay điều khiển từ xa, tạo khơng gian hoạt động lớn Từ năm 1939 đến năm 1945: Trong chiến giới lần thứ II, Robot di động xuất Nó kết thành tựu công nghệ lĩnh vực nghiên cứu có liên quan khoa học máy tính điều khiển học, hầu hết chúng bom bay, ví dụ bom nổ dãy mục tiêu định, sử dụng hệ thống hướng dẫn rada điều khiển Tên lửa V1 V2 có “ phi cơng tự động” hệ thống phát nổ, chúng tiền thân đầu đạn hạt nhân tự điều khiển đại Từ năm 1948 đến 1948: W.Gray Walter tạo nên Elmer Elsie, hai Robot trông giống đồi mồi Về mặc hành chính, chúng gọi Machina Speculatrix Robot hoạt động môi trường chim đồi mồi Elmer Elsie trang bị cảm biến sáng Nếu chúng nhận nguồn sáng, chúng di chuyển phía nguồn sáng Chúng tránh chuyển chướng ngại đường di chuyển Những Robot chứng cử phức tạp phát sinh từ thiết kế đơn giản Elmer Elsie thiết kế tương đương hai tế bào thần kinh Từ năm 1961 đến 1963: Trường đại học Johns Hopkins phát triển “Beast” Beast sử dụng hệ thống định vị di chuyển xung quanh Khi pin yếu tự tìm ổ cắm điện cắm vào Trang Thiết Kế, Chế Tạo Module Điều Khiển Không Dây Cho Mobile Robot Năm 1969: Mowbot Robot cắt bãi cỏ cách tự động The Stanford Cart line follower Robot di động di chuyển thông qua nhận dạng đường kẻ trắng, sử dụng camera để nhìn Nó bao gồm “kênh truyền thanh” gắn với hệ thống máy tính lớn để tạo tính tốn Năm 1970: Cùng thời điểm 1969-1972, viện nghiên cứu Stanford xây dựng nghiên cứu Shakey Shakey có camera, dãy kính gắm, cảm biến truyền Shakey Robot lý giải chuyển động Điều có nghĩa Shakey đưa nhiều mệnh lệnh chung và Robot tính tốn bước cần thiết để hồn thiện nhiệm vụ giao Năm 1976: chương trình Vikiry, tổ chức NASA phóng hai tàu vũ trụ khơng người lái lên hỏa Năm 1977: Bộ phim “Chiến tranh sao” phần I, A new Hope mô tả R2D2, Robot di động hoạt động độc lập C3P0, robot hình người Họ khiến công chúng biết đến Robot Năm 1980: Thị hiếu người tiêu dùng Robot tăng, robot bày bán mua để sử dụng nhà Ví dụ RB5X tồn tới ngày loạt mẫu robot HERO Robot The Stanford Cart phát triển mạnh, lái tàu biển vượt qua trở ngại tạo lên đồ nơi qua Năm 1989: Mark Tinden phát minh BEAM robotics Năm 1990: Cha đẻ robot công nghiệp Joseph Engelberger làm việc với đồng nghiệp phát minh robot tự động VNĐh y tế bán Helpmate Sở an ninh Mỹ gây quỹ cho dự án MDARS-I dựa vào robot bảo vệ nhà Cybermotion Năm 1993-1994: Dante-I Dante-II phát triển trường đại học Carnegie Mellon, hai Robot dùng để thám hiểm núi lửa hoạt động Năm 1995: Robot di động lập trình Pioneer (người tiên phong) bán sẵn mức giá chấp nhận được, điều dẫn tới gia tăng rộng rãi nghiên cứu Robot trường đại học nghiên cứu Robot suốt thập sau Robot di Trang Thiết Kế, Chế Tạo Module Điều Khiển Không Dây Cho Mobile Robot động trở thành phần thiếu chương trình giảng dạy trường đại học Năm 1996-1997: NASA phóng tàu Mars Pathfinder có Robot Rover Sojourner lên Hoả The Rover thám hiểm bề mặt hoả điều khiển từ mặt đất Sojourner trang bị với hệ thống tránh rủi ro cao Hệ thống làm cho Sojourner tìm thấy đường cách độc lập địa hình Hoả Năm 1999: Sony giới thiệu Aibo, robot có khả lại, quan sát tác động qua lại tới môi trường Robot điều khiển từ xa dùng cho quân PackBot giới thiệu Năm 2001: Dự án Swaim-Bots, Swaim-Bots giống bầy côn trùng khởi động Chúng bao gồm số lượng lớn Robot đơn lẻ, tác động lẫn thực nhiệm vụ phức tạp Năm 2002: Roomaba, robot di động dung gia đình, thực công việc lau nhà xuất Tiếp tục phát triển có nhiều loại Robot phục vụ cho người dần xuất ngày thân thiện Năm 2004: Robosapien, robot đồ chơi, thiết kế Mark Tilden bán sẵn Trong dự án “The Centibots Project” 100 Robot làm việc với để tạo lên đồ cho vùng khơng xác định tìm vật thể mơi trường Trong thi DARPA Grand Challenge, Robot tự động tranh tài sa mạc Năm 2006: Sony dừng việc sản xuất Aibo Helpmate PatrolBot trở lên phổ biến Robot di động tiếp tục cạnh tranh để trở thành mặt hàng độc quyền Sở an ninh Mỹ bỏ dự án MDARS-I, lại gây quỹ cho dự án MDARSE loại Robot an ninh tự động khác TALON-Sword, loạiRobot tự động dùng để bán sẵn với dàn phóng lựu đạn lựa chọn vũ khí hợp thành khác đời Asimo Honda biết cách chạy leo cầu thang với hai chân người Trang Thiết Kế, Chế Tạo Module Điều Khiển Không Dây Cho Mobile Robot Năm 2007: Hệ thống KiVa, Robot thông minh tăng nhanh số lượng quy trình phân phối, Robot thông minh phân loại theo mức độ phổ biến nội dung chúng Robot trở thành phương tiện phổ biến bệnh viện dùng để vận chuyển đồ kho từ nơi sang nơi khác ARCSinside SpeciMinder mang máu vật mẫu từ trạm y tá tới phòng xét nghiệm Seekur, Robot dịch vụ dùng ngồi trời với mục đích phi qn kéo xe qua bãi đậu xe, lái cách độc lập (tự động) vào nhà bắt đầu học cách lái Trong đó, PatrolBot học cách theo sau người cửa mà mở đóng lại 6.2 Sơ lược mobile robot - Khái niệm: mobile robot robot mà nhiệm vụ chủ yếu di chuyển, định vị, tìm đường tối ưu, vẽ lại vẽ - Thành phần chia làm phần chính: + Bộ bão (Brain): Là main dùng để điều khiển hoạt động tồn hệ thống robot + Cảm biến (Sensor): loại cảm biến âm thanh, nhiệt độ, chuyển động, ánh sáng, khoảng cách,…… Nhờ vào phần mà robot biết yếu tố môi trường xung quanh + Các phận khí cấp hành (Actuator): động cơ, piston, cấu kẹp, bánh răng, bánh xe - Ngoài lắp thiết bị phụ trợ camera, máy ghi âm,… vũ khí để thực nhiệm vụ riêng tùy vào mục đích - Sơ đồ tổng quát điều khiển Robot: NGƯỜI ĐIỀU KHIỂN BỘ ĐIỀU KHIỂN TỪ XA MOBILE ROBOT Hình 1.1 Sơ đồ tổng quát điều khiển Robot Trang Thiết Kế, Chế Tạo Module Điều Khiển Không Dây Cho Mobile Robot - Mobile robot lĩnh vực có nhiều tiềm năng, dùng nhiều mục đích khác như: giải trí gia đình, phục vụ cơng sở, mục đích quân sự, dùng nhiều thám hiểm hành tinh Tiêu biểu họ robot kể đến như: robot chó Aibo, xe tự hành Sojourner thám hiểm hỏa loại robot dò mìn, tìm đường, … 6.3 Phân loại mobile robot Có số cách phân loại mobile robot sau: - Phân loại theo môi trường mà chúng di chuyển: + Robot Ngồi trời robot nhà Thơng thường, chúng lắp bánh xe, có loại robot có chân (gồm nhiều chân) robot hình người, robot hình dạng động vật trùng + Robot không thường dùng cho phương tiện không, phương tiện không người lái + Robot nước dùng cho phương tiện hoạt động nước, chúng hoạt động độc lập - Phân loại theo phương pháp di chuyển: + Robot có chân, chân giống người hay chân giống động vật + Robot có bánh xe + Robot di chuyển bánh xích 6.4 Ứng dụng - Ngày nay, mobile robot ứng dụng rộng rãi hầu hết lĩnh vực - Lĩnh vực ứng dụng nhiều công nghiệp, mobile robot sử dụng chủ yếu để di chuyển thiết bị, mang vác ngun liệu phụ kiện cần thiết, nơi có mơi trường làm việc ô nhiễm độc hại Robot dẫn hướng đường dây điện đặt sàn, hay robot lập trình theo đường công việc định Trang 45m x 60m x X x Bảng 4.4 So sánh loại truyền không dây thông qua khảo nghiệm thực tế Giá thành Khoảng cách truyền khơng có vật cản Khoảng cách truyền có vật cản Số câu lệnh để truyền tín hiệu Bluetooth RF Wifi (Hc-05) (nRF24L01) (ESP8266) 110 ngàn 40 ngàn 90 ngàn < 13m < 18m < 60m < 10m < 14m < 46m 10 câu lệnh 11 câu lệnh 18 câu lệnh Tốc độ truyền 9600 Hiện tượng nhiễu Thấp Có thể lên đến 8Mbps Cao 115200 Thấp Nhận xét: Qua số liệu bảng so sánh khảo nghiệm thực tế nhìn chung xe có khả chạy ổn định module điều khiển không dây wifi (mà thực tế module esp8266) Điều khiển wifi bị nhiễu khoảng cách xa hơn, giá thành nằm mức trung bình Còn điều khiển sóng RF bị nhiễu cao ngồi thực tế có nhiều âm nhiều tần số khác nhau, điều khiển sóng bluetooth khoảng cách bị hạn chế giá thành module cao Mục Lục Code Điều Khiển Mobile Robot Code phát RF: #include #include #include #define CE_PIN #define CSN_PIN const uint64_t pipe = 0xE8E8F0F0E1LL; RF24 radio(CE_PIN, CSN_PIN); int data[1]; const int button = 7; unsigned int i,j,k,t; int Angle; String inString = ""; void setup() { Serial.begin(9600); radio.begin(); radio.openWritingPipe(pipe); } void loop() { if (Serial.available()>0) {int value = Serial.read(); if (isDigit(value)) { inString += (char)value; } if (value == '\n') { Serial.print("Angle:"); Angle = inString.toInt(); Serial.println(Angle); data[0] = Angle; for(i = 0; i