16.05 Final Report - Nhom 2

ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP.HCM TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA TP.HCM KHOA CƠ KHÍ ĐỜ ÁN MƠN HỌC THIẾT KẾ HỆ THỐNG CƠ ĐIỆN TỬ GVHD: PGS.TS Nguyễn Tấn Tiến Đề tài: THIẾT KẾ MOBILE PLATFORM BÁM LINE CHO TRƯỚC Nhóm STT Họ tên MSSV Nguyễn Kế Nhựt 21202639 Hứa Thái Châu 21200315 Phan Nguyên Vũ 21204632 Điểu Đung 21200812 Huỳnh Kim Thạch 21203476 TpHCM, ngày 06 tháng 05 năm 2016 ĐỒ ÁN THIẾT KẾ HỆ THỐNG CƠ ĐIỆN TỬ GVHD : PGS.TS Nguyễn Tấn Tiến MỤC LỤC MỤC TIÊU ĐỒ ÁN: CHƯƠNG I TỔNG QUAN CHƯƠNG II LỰA CHỌN PHƯƠNG ÁN 2.1 Lựa chọn sơ đồ nguyên lý : 2.2 Lựa chọn cảm biến : 2.3 Lựa chọn cấu trúc điều khiển : 2.4 Phương án thiết kế : 10 CHƯƠNG III 3.1 THIẾT KẾ CƠ KHÍ 11 Lựa chọn bánh xe : 11 3.1.1 Bánh xe chủ động 11 3.1.2 3.2 Bánh xe bị động 11 Tính chọn động 11 3.3 Kích thước thân xe 14 CHƯƠNG IV THIẾT KẾ PHẦN ĐIỆN 15 4.1 Xây dựng sơ đồ khối chung hệ thống điện 15 4.2 Driver cho động 15 4.3 Mạch nguồn 19 4.4 Sơ đồ mạch điện hệ thống 20 CHƯƠNG V 5.1 MÔ HÌNH HÓA HỆ THỐNG 21 Mô hình hóa động học : 21 CHƯƠNG VI COMPUTER SYSTEMS 28 6.1 Yêu cầu cảm biến: 28 6.2 Các phương án khả thi: 28 6.3 Thiết kế mạch cảm biến: 29 6.3.1 Tính toán điện trở: 29 6.3.2 Chọn cách đặt cảm biến: 31 ĐỒ ÁN THIẾT KẾ HỆ THỐNG CƠ ĐIỆN TỬ GVHD : PGS.TS Nguyễn Tấn Tiến 6.3.3 Tính khoảng cách cảm biến: 32 6.3.4 Chọn số lượng cảm biến: 33 6.4 Tún tính hóa cảm biến: 35 6.4.1 Calibration: 35 6.4.2 Sơ đồ test cảm biến: 37 6.4.3 Kết quả: 37 6.5 Giải thuật dò line 38 CHƯƠNG VII THỰC NGHIỆM VÀ ĐÁNH GIÁ 41 PHỤ LỤC 43 Tài liệu tham khảo 46 ĐỒ ÁN THIẾT KẾ HỆ THỐNG CƠ ĐIỆN TỬ GVHD : PGS.TS Nguyễn Tấn Tiến MỤC TIÊU ĐỒ ÁN: Thiết kế và chế tạo xe dò line di chuyển tốc độ cao sa bàn có đặc điểm :  Màu sắc đường line : đen  Màu nền : trắng  Bề rộng line : 26mm  Bề mặt địa hình di chuyển : phẳng  Sa bàn được thể hiện hình : F B R500 END E C A START R500 D G 1500 3000 Sa bàn di chuyển của robot Khi bắt đầu, robot được đặt tại vị trí START (điểm A), sau đó robot chạy theo thứ tự qua điểm nút quy định lần lượt : (START) A → B → C → D → E → F → C → G → A → C → E (END) ĐỒ ÁN THIẾT KẾ HỆ THỐNG CƠ ĐIỆN TỬ CHƯƠNG I GVHD : PGS.TS Nguyễn Tấn Tiến TỔNG QUAN Xe dò line là loại robot được thiết kế để bám theo một đường đã được định sẵn bởi người sử dụng Trong công nghiệp, xe dò line có thể được dùng những hệ thống từ bán tự động đến tự động hoàn toàn Nó có thể được sử dụng để vận chuyển nguyên, vật liệu hoặc sản phẩm từ nơi này đến nơi khác mà những phương pháp băng tải, cần cẩu không khả thi Để thiết kế và vận hành một robot dò line tất cả những yếu tố kỹ thuật đều cần được quan tâm : sơ đồ nguyên lý, loại cảm biến, động cơ, cấu trúc điều khiển Về sơ đồ nguyên lý: Một sơ đồ nguyên lý được sử dụng phổ biến xe dò line hiện : chariot (LVBots line following rules), HBFS-2 (Robot RobotChallenge 2015), Silvestre(COSMOBOT 2012) sử dụng hai bánh chủ động được điều khiển độc lập và một bánh tự lựa Sơ đồ nguyên lý này có ưu điểm là cấu tạo đơn giản, nhỏ gọn, cho phép thực hiện những góc cua với bán kính cong nhỏ, cả là quay tại chỗ Nhưng nhược điểm của kết cấu này là di chuyển khó khăn những bề mặt không bằng phẳng Hình 1.1 (a) Sơ đồ nguyên lý (b) Chariot Một dạng sơ đồ nguyên lý cũng được dùng phổ biến là sử dụng hai bánh chủ động được điều khiển độc lập và hai bánh tự lựa Được ứng dụng xe : Usaint Volt 2.0 (LVBots line following rules), Taquion( Masler robotics), ĐỒ ÁN THIẾT KẾ HỆ THỐNG CƠ ĐIỆN TỬ Hình 1.2 (a) Sơ đồ nguyên lý GVHD : PGS.TS Nguyễn Tấn Tiến (b) Usain Volt 2.0 Một dạng khác của sơ đồ nguyên lý có thể được ứng dụng vào xe dò line là dùng một động điều khiển bánh sau thông qua cấu vi sai, hai bánh trước tự lựa hướng được nối với bởi trục truyền động Ở loại này giúp xe dễ cân bằng hơn, bám đường tớt, nhiên kết cấu khí phức tạp Hình 1.3 Sơ đồ nguyên lý xe sử dụng cấu vi sai Ngoài ra, một dạng của sơ đồ nguyên lý có thể sử dụng xe dò line là dùng bốn động điều khiển bốn bánh Tiêu biểu là Fireball (Brooks Sumobots), Thunder ĐỒ ÁN THIẾT KẾ HỆ THỐNG CƠ ĐIỆN TỬ GVHD : PGS.TS Nguyễn Tấn Tiến (a) (b) Hình 1.4 (a) Sơ đồ nguyên lý xe bánh chủ động (b) Xe Fireball Về đường line[1] sử dụng thực tế gờm có loại :  Line màu : là đường vạch sẵn sàn, có thể là đường trắng nền đen hoặc ngược lại Line màu thường được dùng cuộc thi và cũng được ứng dụng công nghiệp, chúng có ưu điểm là dễ dàng thay đổi có nhu cầu, nhược điểm của loại line này là vết bẩn có thể ảnh hưởng tới đợ xác của xe  Line từ : được cấu tạo từ dây từ ( Magnetic wire ) Line từ có ưu điểm là có mỹ quan tốt, không bị ảnh hưởng bởi vết bẩn di chuyển, bên cạnh đó loại line này cũng có nhược điểm là để trì từ tính cần tiêu tớn lượng lớn, chi phí bảo trì, vận hành, thay đổi line cao nên loại line này sử dụng chủ yếu công nghiệp Về cảm biến, phần lớn robot dò line hiện sử dụng loại cảm biến quang để nhận biết vị trí tương đới của xe so với đường line, từ đó xử lý để đưa tín hiệu điều khiển Các loại cảm biến được sử dụng tùy vào mục đích, có thể kể :  Camera lấy hình ảnh từ thực tế, sau đó xử lý cho kết quả là vị trí và góc lệch của xe so với đường line Do đó phương pháp này có đợ xác cao Tuy nhiên, nhược điểm là tốc độ lấy mẫu chậm không ứng dụng trường hợp đòi hỏi tốc độ cao  Cảm biến quang được sử dụng rất phổ biến cuộc thi robot dò line Điển hình : quang điện trở hoặc phototransistor kết hợp với LED Hai loại cảm biến này hoạt ĐỒ ÁN THIẾT KẾ HỆ THỐNG CƠ ĐIỆN TỬ GVHD : PGS.TS Nguyễn Tấn Tiến động với nguyên lý bản giống nhau, bộ thu sẽ thu tín hiệu ánh sáng phản xạ từ bợ phát x́ng mặt đất Từ đó xử lý kết quả để xác định vị trí của xe so với đường line Đới với cảm biến quang, giải thuật để xử lý thường dùng là so sánh hoặc nội suy Phương pháp so sánh[2] dựa vào trạng thái đóng/ngắt của cảm biến để suy vị trí của xe Với phương pháp này có ưu điểm tốc độ xử lý nhanh chỉ phụ thuộc vào mức ngưỡng so sánh của sensor Line nằm lệch trái Line nằm giữa Line nằm lệch phải Hình 1.5 Phương pháp so sánh Với phương pháp nợi suy[3][4][5], vị trí của xe được suy từ giá trị analog đọc về từ cảm biến, phương pháp này có ưu điểm là cho kết quả có đợ xác cao, nhược điểm là xử lý tốn thời gian so với phương pháp so sánh Hình 1.6 Phương pháp nợi suy ĐỜ ÁN THIẾT KẾ HỆ THỐNG CƠ ĐIỆN TỬ GVHD : PGS.TS Nguyễn Tấn Tiến Về động cơ, hầu hết xe dò line thực tế đều dùng động DC servo nhờ đảm bảo được yêu cầu về kích thước, momen, ́u tớ lắp đặt Điều khiển vòng kín nhờ gắn encoder nên đảm bảo tính ởn định và đợ xác cho hệ thống Về cấu trúc điều khiển, xe dò line thực tế thường dùng cấu trúc :  Điều khiển tập trung Ở cấu trúc này, mợt MCU chịu trách nhiệm đọc tín hiệu từ cảm biến, xử lý, sau đó truyền tín hiệu điều khiển động Ưu điểm của cấu trúc này là cấu trúc phần cứng đơn giản, nhược điểm là đòi hỏi MCU có cấu hình mạnh, tốc độ xử lý nhanh, khó chỉnh sửa gặp cố Cấu trúc này dùng một số xe : Usain Volt 2.0, Chariot,…  Điểu khiển phân cấp Ở cấu trúc này, một MCU (Master) đảm nhận vai trò xử lý thông tin nhận được từ một MCU (slave) đọc tín hiệu từ cảm biến, và mợt MCU (slave) khác chịu trách nhiệm điều khiển động Cấu trúc này có ưu điểm là giúp giảm khới lượng tính tốn, đó đòi hỏi cấu hình MCU không cao, cho phép thực hiện nhiều tác vụ cùng lúc Dựa vào mục tiêu đề bài đặt ra, bán kính cong nhỏ nhất là 500 mm Sai số bám line phụ thuộc vào sai số của cảm biến và giải thuật nội suy Qua thực nghiệm nhóm đã thực hiện, lựa chọn sai số bám line là ±4.5 mm Với xe tham khảo thì tốc độ trung bình khoảng – (m/s) và vận tốc trung bình của động thị trường là khoảng 450 (rev/min), đường kính bánh xe trung bình là 65 (mm) thì vận tớc tham khảo tính được là : 450.2π 0.065 m = 1,5 ( ) 60 s Từ đó ta có thông số đặt cho xe dò line : m  Vận tốc tối đa : vmax = 1,5 ( s )  Sai số : e = ±4,5 (mm)  Bán kính cong nhỏ nhất : ρ = 500(mm) ĐỒ ÁN THIẾT KẾ HỆ THỐNG CƠ ĐIỆN TỬ CHƯƠNG II : GVHD : PGS.TS Nguyễn Tấn Tiến LỰA CHỌN PHƯƠNG ÁN 2.1 Lựa chọn sơ đồ nguyên lý : Dựa yêu cầu thiết kế, ta thấy sơ đồ nguyên lý phải đảm bảo cho robot có khả bám được bán kính cong nhỏ, kết cấu đơn giản Do đó sơ đồ nguyên lý với hai bánh sau được điều khiển độc lập và mợt bánh tự lựa ở phía trước sẽ đảm bảo yêu cầu đặt Hình 2.1 Phương án sơ đồ nguyên lý 2.2 Lựa chọn cảm biến : Để đảm bảo yêu cầu bám được những vị trí gấp khúc và sai số bám line là khoảng ±5 (mm) Ta cần chọn loại cảm biến và giải thuật xử lý phù hợp Về loại cảm biến : Để có thể bám được những đoạn gấp khúc cần loại cảm biến có thời gian đáp ứng nhanh Nhờ đó có thể lấy mẫu nhanh, cập nhật trạng thái của xe liên tục Do đó ta chọn loại cảm biến là phototransistor và led hồng ngoại Về giải thuật xử lý : Để đảm bảo xe di chuyển ở tốc độ cao mà vẫn bám được line với sai số cho phép, ta chọn giải thuật nội suy Nhóm sử dụng vi điều khiển có tốc độ xử lý cao để khắc phục nhược điểm của phương pháp này là tốn nhiều thời gian để tính tốn 2.3 Lựa chọn cấu trúc điều khiển : Để xe có thể đạt được tốc độ cao và bám được đoạn gấp khúc thì cấu trúc điều khiển phải đảm bảo được yêu cầu về thời gian xử lý để tránh hiện tượng xe chạy nhanh và vượt khỏi line Và cũng đảm bảo là tất cả thành viên nhóm cùng làm song song để đẩy nhanh tốc độ thực hiện đồ án, dễ sửa lỗi Nhóm quyết định chọn cấu trúc điều khiển phân cấp ... k2 vR e2 + ωR + k3 sine3 (6) Ta chọn hàm Lyapunov: 1 V= e21 + e 22 + 1-cose3 k2 ≥0 Với hệ số