Với mục tiêu tạo ra một sân chơi Robocon cho sinh viên trường đại học Trà Vinh, giúp cho giáo viên và sinh viên có được nhận định tổng quan hơn về Robocon, đồng thời chế tạo ra các mô hình robot với kết cấu cơ khí chắc chắn, hoạt động ổn định nhằm làm mô hình thí nghiệm trực quan về Robocon, giúp cho giáo viên và sinh viên có thể tiếp cận Robocon một cách nhanh chóng. Hướng tới mục tiêu TVU sẽ tham gia vào cuộc thi Robocon quốc gia trong tương lai gần.
TRƯỜNG ĐẠI HỌC TRÀ VINH KHOA KỸ THUẬT VÀ CÔNG NGHỆ BÁO CÁO TỔNG KẾT ĐỀ TÀI KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ CẤP TRƯỜNG TÊN ĐỀ TÀI THIẾT KẾ ROBOT DÙNG TRONG HỌC TẬP VÀ NGHIÊN CỨU ROBOCON CHỦ NHIỆM ĐỀ TÀI: Ths ĐẶNG HỮU PHÚC ĐƠN VỊ: BỘ MÔN ĐIỆN TỬ - VIỄN THÔNG Trà Vinh, ngày tháng 11 năm 2012 TRƯỜNG ĐẠI HỌC TRÀ VINH KHOA KỸ THUẬT VÀ CÔNG NGHỆ BÁO CÁO TỔNG KẾT ĐỀ TÀI KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ CẤP TRƯỜNG TÊN ĐỀ TÀI THIẾT KẾ ROBOT DÙNG TRONG HỌC TẬP VÀ NGHIÊN CỨU ROBOCON Xác nhận quan chủ trì (ký tên đóng dấu) Chủ nhiệm đề tài (ký tên, họ tên) ĐẶNG HỮU PHÚC Trà Vinh, ngày 12 tháng 11 năm 2012 LỜI CẢM ƠN Trước hết, xin chân thành cảm ơn Ban Giám Hiệu, Phòng Khoa học Cơng nghệ Đào tạo sau đại học, Phòng Kế hoạch Tài vụ, Khoa Kỹ thuật Công nghệ Trường Đại học Trà Vinh tạo điều kiện tốt cho thực đề tài nghiên cứu khoa học Tôi xin gởi đến Thầy em sinh viên nhóm nghiên cứu tơi hồn thành đề tài nghiên cứu khoa học Cuối cho xin gởi lời cảm ơn tới người thân, gia đình, bạn bè đồng nghiệp động viên, khuyến khích, giúp đỡ tơi suốt q trình thực đề tài nghiên cứu Tôi xin chân thành cám ơn! Chủ nhiệm đề tài Đặng Hữu Phúc CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN ĐỀ TÀI 1.1 Sự cần thiết đề tài RoBot sản phẩm chế tạo chủ yếu dựa sở hai yếu tố khoa học trí tuệ, tạo từ tích hợp nhiều lĩnh vực khoa học cơng nghệ như: khí, điện, điện tử công nghệ thông tin… Robocon thi bổ ích cho sinh viên, kích thích khả học hỏi, tư sáng tạo sinh viên Cuộc thi có từ lâu (năm 2002) nhiều trường đại học nước tham gia Tuy nhiên, trường đại học Trà Vình thi mới, giáo viên sinh viên trường chưa có điều kiện tham gia nên chưa có nhiều kinh nghiệm Robocon Điều thể qua thi Robocon cấp trường vừa qua, đề thi dễ, robot thiết kế sơ sài không đạt chuẩn để tham gia thi cấp khu vực hay cao cấp quốc gia… Với mục tiêu tạo sân chơi Robocon cho sinh viên trường đại học Trà Vinh, giúp cho giáo viên sinh viên có nhận định tổng quan Robocon, đồng thời chế tạo mơ hình robot với kết cấu khí chắn, hoạt động ổn định nhằm làm mơ hình thí nghiệm trực quan Robocon, giúp cho giáo viên sinh viên tiếp cận Robocon cách nhanh chóng Hướng tới mục tiêu TVU tham gia vào thi Robocon quốc gia tương lai gần, tác giả đề xuất đề tài nghiên cứu “THIẾT KẾ ROBOT DÙNG TRONG HỌC TẬP VÀ ROBOCON” Trang NGHIÊN CỨU 1.2 Các cơng trình nghiên cứu liên quan 1.2.1 Tổng quan số thi Robocon Robocon thi khởi xướng Nhật Bản Từ năm 2002, trở thành thi thường niên Hiệp hội Phát Truyền hình Châu Á Thái Bình Dương (Asia-Pacific Broadcasting Union) tổ chức luân phiên nước thành viên mang tên ABU Robocon, để cổ vũ cho phong trào sáng tạo robot niên khu vực Thành viên nước cử đội sinh viên trường đại học hay cao đẳng tham dự (ngoại trừ nước đăng cai tổ chức cử hai đội) Trong đa số trường hợp, đội tham dự ABU Robocon tuyển từ vòng thi nước đài truyền hình thành viên tổ chức với chủ đề nước chủ nhà đưa Mỗi đội có robot thực thi nhiệm vụ vòng phút, đội hồn tất cơng việc trước ( làm nhiều việc hơn) đội đội chiến thắng ❖ Robocon 2002: ROBOCON lần tổ chức Nhật Bản năm 2002 với chủ đề "Chinh phục núi Phú Sĩ" Các Robot di chuyển mặt sân phẳng để thực thi nhiệm vụ Hình 1.1: Sân chơi Robocon năm 2002 Trang ❖ Robocon năm 2008: Được tổ chức Pune, Ấn Độ với chủ đề Touch the sky (Vươn tới bầu trời) luật chơi khó hẳn năm trước Các robot thực cơng việc phức tạp Hình 1.2: Sân chơi Robocon năm 2008 ❖ Robocon năm 2011: Được tổ chức Thái Lan với chủ đề Loy Krathong (là truyền thống Thái Lan nhằm để tôn vinh nữ thần sông) Các robot phải thực công việc leo dốc, thả quà cầu bập bênh Hình 1.3: Sân chơi Robocon năm 2011 Trang ❖ Robocon năm 2012: Được tổ chức HongKong với chủ đề "Peng On Dai Gat", Luật thi dựa lễ hội hái bánh bao người Trung Hoa Các robot phải chở người, leo dốc, leo cầu thang để thực thi nhiệm vụ Hình 1.4: Sân chơi Robocon năm 2012 1.2.2 Cuộc thi Robocon cấp trường trường đại học Trà Vinh Trường đại học Trà Vinh tổ chức thi Robocon nội vào năm 2011 2012 ❖ Robocon năm 2011: Hình 1.5: Robocon TVU năm 2011 Trang ❖ Robocon năm 2012: Hình 1.6: Robocon TVU năm 2012 ❖ NHẬN XÉT : Cuộc thi Robocon tổ chức từ năm 2002 đến 13 năm, đề thi nhìn chung có mức độ ngày khó, năm sau khó năm trước, robot phải thực nhiều công việc phức tạp hơn, từ chạy địa hình phẳng đến leo dốc, leo cầu thang, chở người… đòi hỏi robot phải thiết kế ngày cải tiến, hoạt động ổn định So với thi Robocon nội trường đại học Trà Vinh vừa qua, dễ dàng nhận đề thi đơn giản robot thiết kế đơn giản, động bánh xe mạch điện bố trí chưa đúng, robot khơng thể thực công việc phức tạp 1.3 Mục tiêu đề tài • Chế tạo sa bàn thí nghiệm Robot • Chế tạo mơ hình Robot chạy tự động Trang • Chế tạo mơ hình Robot điều chỉnh tay Phạm vi nghiên cứu 1.4 Trong đề tài này, tác giả tìm hiểu Robocon, phương pháp thiết kế robot tự động robot điều khiển tay thường sử dụng thi Robocon, đồng thời nghiên cứu chế tạo mơ hình thí nghiệm Robocon phục vụ cho công việc giảng dạy nghiên cứu robot Đề tài thực sở kế thừa sản phẩm công nghệ chế tạo bán thị trường bánh xe, encoder, board mạch cơng suất… 1.5 Quy trình thực Quy trình thực đề tài thực theo thứ tự cơng việc sau: Bảng 1.1: Quy trình thực đề tài 16 Tiến độ thực STT Nội dung cơng việc Tìm kiếm tài liệu (phục vụ việc tính tốn lý thuyết thi cơng mơ hình) Sản phẩm phải đạt Thơng tin tính tốn thiết kế thi cơng mơ hình Mua linh kiện, vật tư, thiết kế thi cơng mơ hình Robot Mơ hình khí, Board mạch điện Viết chương trình điều khiển Board mạch chương trình Chỉnh sửa viết báo cáo Báo cáo Trang Thời gian 04/2012 đến 05/2012 05/2012 đến 07/2012 07/2012 đến 09/2012 09/2012 đến 10/2012 Người, quan thực Đặng Hữu Phúc Đặng Hữu Phúc Đặng Hoàng Vũ Đặng Hữu Phúc Lê Tấn Cường Đặng Hữu Phúc CHƯƠNG 2: PHƯƠNG PHÁP VÀ KỸ THUẬT THỰC HIỆN 2.1 Nguyên lý dò đường Robot [5] Dò đường hay gọi dò line phương pháp giúp cho robot di chuyển xác đến mục tiêu định trước, Robot di chuyển theo vạch trắng đen có sẳn sân thi đấu để đến mục tiêu ghi điểm Có nhiều phương pháp dò đường khác nhau, tác giả giới thiệu phương pháp dò đường bám vạch Đây phương pháp đơn giản hiệu thường sử dụng chơi Robocon, phương pháp thực dựa sở phản chiếu ánh sáng từ thân Robot xuống mặt sân, ánh sáng phản xạ lại gặp vạch màu trắng không phản xạ ( ít) gặp vạch màu đen hay vùng màu tối, từ giúp Robot xác định đường đến mục tiêu thực thi nhiệm vụ người điều khiển lập trình từ trước Hình 2.1: Cảm biến nhận biết vạch màu Trang ❖ Thuật toán bản: Nguyên tắc điều khiển đơn giản robot lệch phía bên ta điều khiển cho robot "bẻ lái" hướng ngược lại gọi điều khiển ON-OFF Cách điều khiển đơn giản robot chạy lắc lư Như ta cần cách điều khiển tốt hơn,cải tiến cách trên, ta cần phải xem xét thêm robot lệch nhiều hay để ta "bẻ lái" nhiều hay Đây gọi phương pháp điều khiển tỷ lệ Ví dụ ta có cảm biến robot :3 trái (A1 A2 A3),3 phải (A4 A5 A6) Ta có độ lệch tương ứng +2 ; +1 ; ; ; -1 ; -2 tương ứng với A1 A2 A3 A4 A5 A6 Vậy cảm biến A2 có tín hiệu ta có độ lệch +1, A6 tích cực ta có độ lệch -2 Như giá trị điều khiển động tỷ lệ theo độ lệch : PWM =PWM0 +/- K*độ lệch (1) Trong đó, K hệ số tỷ lệ PWM giá trị điều xung cho động cơ, PWM0 tốc độ trung bình Hình 2.2: Độ lệch line Robot Trang Từ giá trị cảm biến đưa vi điều khiển sẻ điều khiển tốc độ động dò đường cách phù hợp để đưa robot chạy vào giửa đường line nhằm đảm bảo độ xác di chuyển Hình 2.3: Robot nhận line vị trí trung tâm Hình 2.4: Robot bị lệch line bên trái bên phải Trang Như vậy, sau xác định trường hợp mà dò đường robot gặp phải, ta nhận giá trị cảm biến so sánh với trường hợp thiết lập, cảm biến rơi vào trường hợp ta điều khiển động cho trường hợp Từ giá trị cảm biến đưa về, vi điều khiển sẻ điều khiển tốc độ động cách phù hợp để đưa robot chạy vào giửa đường line nhằm đảm bảo độ xác di chuyển 2.2 Vi điều khiển AVR [1],[8] AVR họ vi điều khiển bit theo công nghệ mới, với tính mạnh tích hợp chip hãng Atmel theo cơng nghệ RISC, mạnh ngang hàng với họ vi điều khiển bit khác PIC, Psoc Do đời muộn nên họ vi điều khiển AVR có nhiều tính mới, đáp ứng tối đa nhu cầu người sử dụng, so với họ 89xx có độ ổn định tốt hơn, khả tích hợp, mềm dẻo việc lập trình tiện lợi Hơn nữa, cơng cụ lập trình (mạch nạp, phần mềm soạn thảo biên dịch) cho AVR đơn giản, dễ sử dụng, có hỗ trợ miễn phí ❖ Các tính họ AVR: Hầu hết chip họ AVR có tính sau: - Bộ nhớ chương trình Flash lập trình lại nhiều lần dung lượng lớn, có SRAM (Ram tĩnh) nhớ EEPROM lớn - Giao diện nối tiếp Serial Peripheral Interface (SPI) - Các ngõ vào/ra (I/O) hai hướng - Giao tiếp I2C - Bộ biến đổi ADC 10 bit - Các chế độ tiết kiệm lượng sleep, stand by … - Một định thời Watchdog - Timer/Counter bit, 16 bit tích hợp PWM - so sánh analog Trang 10 - Giao tiếp USART… ❖ Một số chip AVR thơng dụng: • AT90S1200 • AT90S2313 • AT90S2323 and AT90S2343 • AT90S2333 and AT90S4433 • AT90S4414 and AT90S8515 • AT90S4434 and AT90S8535 • AT90C8534 • ATtiny10, ATtiny11 and ATtiny12 • ATtiny15 • ATtiny22 • ATtiny26 • ATtiny28 • ATmega8/8515/8535 • ATmega16 • ATmega161 • ATmega162 • ATmega163 • ATmega169 • ATmega32 • ATmega323 • ATmega103 Trang 11 • • ❖ ATmega64/128/2560/2561 AT86RF401 Lập trình cho AVR Để lập trình cho AVR, sử dụng ngơn ngữ C ASM Nhìn chung, ngơn ngữ có ưu nhược điểm riêng Ngơn ngữ ASM có ưu điểm gọn nhẹ, giúp người lập trình nắm bắt sâu phần cứng Tuy nhiên lại có nhược điểm phức tạp, khó triển khai mặt thuật tốn, khơng thuận tiện để xây dựng chương trình lớn Ngược lại ngôn ngữ C lại dễ dùng, tiện lợi, dễ debug, thuận tiện để xây dựng chương trình lớn Nhưng nhược điểm ngơn ngữ C khó giúp người lập trình hiểu biết sâu phần cứng, ghi, tập lệnh vi điều khiển Hơn nữa, xét tốc độ, chương trình viết ngơn ngữ C chạy chậm chương trình viết ngơn ngữ ASM, chiếm dụng nhớ nhiều ASM Tùy vào toán, yêu cầu cụ thể mà ta chọn lựa ngơn ngữ lập trình cho phù hợp 2.2.1 Chip vi điều khiển ATMEGA8 ATMEGA8 chip vi điều khiển họ AVR nên có đầy đủ chức AVR - Có tất 28 chân - 23 chân I/O chia làm port B, C, D - Nguồn cấp từ 4.5 – 5.5 vol - 8Kb nhớ Flash, nạp xoá 10.000 lần - 512 bytes EEPROM, nạp xoá 100.000 lần - 1Kb Ram nội - 32 ghi bit - timer bit, timer 16 bit - kênh PWM - kênh ADC – 10 bit Trang 12 - Giao tiếp SPI Hình 2.5: Sơ đồ chân ATMEGA8 2.2.2 Chip vi điều khiển ATMEGA32 Cũng chip ATMEGA8, ATMEGA32 có đầy đủ tính họ AVR, giá thành so với loại khác giá thành vừa phải nghiên cứu làm công việc ứng dụng tới vi điều khiển Ngồi ra, ATMEGA32 có nhiều chức ATMEGA8 như: nhiều I/O hơn, nhớ lớn hơn, … ❖ Tính : - Bộ nhớ 32KB Flash có khả đọc, ghi 10000 lần - 1024 byte EEPROM có khảnăng đọc, ghi 100000 lần - 2KB SRAM - kênh đầu vào ADC 10 bit, kênh PWM - Có 40 chân, có 32 chân I/O chia làm PORT A,B,C,D Các chân có chế độ pull_up resistors - Giao tiếp SPI, JTAG - Nguồn cấp từ 4.5 – 5.5 vol Trang 13 Hình 2.6: Sơ đồ chân ATMEGA32 2.3 Giao tiếp tay game PS2 điều khiển robot [7] 2.3.1 Kết nối phần cứng Hình 2.7: Tay Game PS2 Sony Trang 14 Hình 2.8: Sơ đồ chân tay Game Đối với điều khiển robot, cần dùng dây sau: Clock, Data, Command, VCC & GND, Attention Clock,Data,Command,Attention nối với chân I/O Chân Data nên kéo nguồn điện trở từ 1k-10k Clock: xung, đồng hóa q trình truyền liệu Data: liệu từ gamepad vdk; Command: liệu từ vdk đến gamepad Attention: Chip select VCC: 3-5V; GND:0V Trang 15 2.3.2 Cách truyền nhận liệu Gampad vi điều khiển truyền nhận byte liệu lúc giao tiếp nối tiếp Xung Clock giữ mức cao bắt đầu gửi 1byte Sau đó, Clock đưa xuống mức thấp để bắt đầu trình truyền nhận liệu thời gian xung Clock Khi xung Clock cạnh xuống, liệu đường truyền bắt đầu thay đổi Khi xung Clock cạnh lên, liệu đọc Byte có trọng số thấp truyền trước ❖ Các bước truyền nhận liệu: thông thường trải qua bước - Bước 1: Vdk gửi 0x01 - Bước 2: Vdk gửi 0x42 - Bước 3: Vdk gửi 0x00 - Bước 4: Vdk nhận byte thứ (UP,DOWN,RIGHT,LEFT,START,SELECT) - Bước 5: Vdk nhận byte thứ (□, O , X , Δ , R1,R2,L1,L2) - Bước 6: Vdk nhận byte thứ 6: Analog bên phải 0x00 = Left 0xFF = Right - Bước 7: Vdk nhận byte thứ 7: Analog bên phải 0x00 = Up 0xFF = Down - Bước 8: Vdk nhận byte thứ 8: Analog bên trái 0x00 = Left 0xFF = Right - Bước 9: Vdk nhận byte thứ 9: Analog bên trái 0x00 = Up 0xFF = Down Các nút ấn tích cực mức thấp Ví dụ: - Phím UP ấn byte thứ nhận 0b11101111 - Phím vng ấn byte thứ nhận 0b01111111 2.4 Phần mềm CodevisionAVR [5],[8],[9] Có nhiều phần mềm lập trình cho AVR, CodeVisionAVR, IAR, AVRStudio, WinAVR, BascomAVR CodeVisionAVR phần mềm tiếng phổ biến, hỗ trợ nhiều thư viện lập trình Trong khn khổ đề tài này, tác giả sử dụng phần mềm CodeVision để lập trình cho AVR Trang 16 Hình 2.9: Giao diện phần mềm CodeVision ❖ Để tạo Project mới, ta chọn menu: File -> New sau: Hình 2.10: Tạo Project Trang 17 ...TRƯỜNG ĐẠI HỌC TRÀ VINH KHOA KỸ THUẬT VÀ CÔNG NGHỆ BÁO CÁO TỔNG KẾT ĐỀ TÀI KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ CẤP TRƯỜNG TÊN ĐỀ TÀI THIẾT KẾ ROBOT DÙNG TRONG HỌC TẬP VÀ NGHIÊN CỨU ROBOCON Xác nhận quan... xuất đề tài nghiên cứu “THIẾT KẾ ROBOT DÙNG TRONG HỌC TẬP VÀ ROBOCON Trang NGHIÊN CỨU 1.2 Các cơng trình nghiên cứu liên quan 1.2.1 Tổng quan số thi Robocon Robocon thi khởi xướng Nhật Bản Từ năm... Robot • Chế tạo mơ hình Robot chạy tự động Trang • Chế tạo mơ hình Robot điều chỉnh tay Phạm vi nghiên cứu 1.4 Trong đề tài này, tác giả tìm hiểu Robocon, phương pháp thiết kế robot tự động robot