Đồ án thiết kế hệ thống cơ điện tử: Thiết kế robot dò line

CHƯƠNG 1: TÌM HIỂU TỔNG QUAN 1.1 Mục tiêu thiết kế Thiết kế robot bám đường có khả năng bám đường với độ ổn định tốt và hoàn thành sa bàn đúng yêu cầu với thời gian ngắn nhất có thể sa b

KHOA CƠ KHÍ

BỘ MÔN CƠ ĐIỆN TỬ

ĐỒ ÁN MÔN HỌC

THIẾT KẾ HỆ THỐNG CƠ ĐIỆN TỬ

ĐỀ TÀI: THIẾT KẾ ROBOT DÒ LINE

KHOA CƠ KHÍ

BỘ MÔN CƠ ĐIỆN TỬ

ĐỒ ÁN MÔN HỌC

THIẾT KẾ HỆ THỐNG CƠ ĐIỆN TỬ

ĐỀ TÀI: THIẾT KẾ ROBOT DÒ LINE

Chúng em xin gửi lời cảm ơn đến Bộ môn Cơ điện tử - Khoa Cơ Khí đã tạo điều kiện để chúng em thực hiện đồ án này

Để hoàn thành bài tập lớn này, chúng em xin gửi lời cảm ơn đến TS Phùng Trí Công đã tận tình hướng dẫn, giảng dạy chúng em trong suốt quá trình học tập, nghiên cứu và rèn luyện để có thể thực hiện tốt đồ án này

Chúng em cũng xin chân thành cảm ơn đến các thành viên trong nhóm đã cùng nhau thảo luận, thu thập tài liệu và giúp đỡ tôi giải quyết các vấn đề nảy sinh trong quá trình thực hiện bài tập lớn

Mặc dù đã rất cố gắng để thực hiện bài tập lớn một cách tốt nhất Song do sự hạn chế về kiến thức chuyên môn cũng như kinh nghiệm thực tế nên không tránh khỏi những thiếu sót Vì vậy chúng em rất mong được sự góp ý của quý thầy cô và các bạn để đề tài này được hoàn chỉnh hơn

Chúng em xin chân thành cảm ơn!

TP Hồ Chí Minh, ngày 11 tháng 05 năm 2017

Nhóm sinh viên thực hiện

LỜI CẢM ƠN i

MỤC LỤC ii

DANH MỤC HÌNH iv

DANH MỤC BẢNG vi

CHƯƠNG 1: TÌM HIỂU TỔNG QUAN 1

1.1 Mục tiêu thiết kế 1

1.2 Tìm hiểu các mô hình từ các cuộc thi 1

1.3 Tìm hiểu về cảm biến 3

1.3.1 Camera 3

1.3.2 Cảm biến quang điện trở và cảm biến hồng ngoại 3

1.4 Tìm hiểu về các cách xử lí tín hiệu cảm biến 4

1.4.1 Sử dụng giải thuật so sánh 4

1.4.2 Sử dụng giải thuật xấp xỉ 5

1.5 Tìm hiểu về cấu trúc điều khiển 5

1.5.1 Cấu trúc điều khiển phân cấp 5

1.5.2 Cấu trúc điều khiển tập trung 6

1.6 Đặt đầu bài 7

CHƯƠNG 2: LỰA CHỌN PHƯƠNG ÁN VÀ PHÂN CÔNG NHIỆM VỤ 8

2.1 Lựa chọn kết cấu xe 8

2.2 Lựa chọn cảm biến 8

2.3 Lựa chọn bộ điều khiển 8

2.4 Lựa chọn cấu trúc điều khiển 8

2.5 Phân công nhiệm vụ 9

CHƯƠNG 3: THIẾT KẾ CHI TIẾT VÀ MÔ HÌNH HÓA 10

3.1.2 Tính toán chọn động cơ 11

3.1.3 Chống lật khi xe ôm cua 14

1.4 Kích thước xe dò line 15

3.2 Thiết kế hệ thống điện 16

3.2.1 Lựa chọn Driver 16

3.3 Tính toán cảm biến 25

3.3.1 Yêu cầu cảm biến 25

3.3.2 Calib cảm biến 30

3.4 Chọn vi điều khiển 32

3.4.1 Chọn vi điều khiển 32

3.4.2 Giải thuật điều khiển 34

3.5 Mô hình hòa hệ thống 35

3.5.1 Mô hình hóa động học 35

4.2 Mô phỏng bộ điều khiển trên Matlab 38

CHƯƠNG 4: KẾT QUẢ THỰC NHIỆM VÀ KẾT LUẬN 43

4.1 Kết quả thực nghiệm 43

4.2 Kết luận 44

TÀI LIỆU THAM KHẢO 45

PHỤ LỤC 1: BIỂU ĐỒ GANTT TRIỂN KHAI 46

Hình 1.1 Thông số sa bàn 1

Hình 1.2 Hình ảnh thực tế và sơ đồ nguyên lý của CartisX04 1

Hình 1.3 Hình ảnh thực tế và sơ đồ nguyên lý của Robot Silvestre 2

Hình 1.4 Hình ảnh thực tế và sơ đồ nguyên lý của Robot Fireball 3

Hình 1.5 Nguyên lý hoạt động của cảm biến quang điện trở 4

Hình 1.6 Mức so sánh của cảm biến ứng với các vị trí line khi xe di chuyển 4

Hình 1.7 Tìm vị trí tâm đường line bằng giải thuật xấp xỉ 5

Hình 1.8 Cấu trúc điều khiển phân cấp 6

Hình 1.9 Cấu trúc điều khiển tập trung 6

Hình 2.1 Cấu trúc điều khiển lựa chọn 8

Hình 3.1 Hệ tọa độ trên robot dò line 12

Hình 3.2 Mô hình các lực tác dụng lên bánh xe 13

Hình 3.3 Mô hình tính toán và phân tích lực khi xe ôm cua 14

Hình 3.4 Sơ đồ hệ thống điện 16

Hình 3.5 Các loại Driver cho động cơ DC 17

Hình 3.6 Đồ thị tốc độ động cơ khi cấp xung PWM sử dụng Driver L298 19

Hình 3.7 Đồ thị tốc độ động cơ khi cấp xung PWM sử dụng Driver TB6612 20

Hình 3.8 Vận tốc động cơ 1 khi cấp 50% xung PWM 21

Hình 3.9 Vận tốc động cơ 2 khi cấp 50% xung PWM 21

Hình 3.10 Thời gian đáp ứng của động cơ 22

Hình 3.11 Mô hình bộ điều khiển PID 23

Hình 3.12 Đáp ứng động cơ 1 khi sử dụng bộ PID 23

Hình 3.13 Đáp ứng động cơ 2 khi sử dụng bộ PID 24

Hình 3.14 Sơ đồ mạch điện cảm biến TCRT5000 25

Hình 3.15 Phạm vi hoạt động của cảm biến 26

Hình 3.16 Kết quả thí nghiệm độ cao cảm biến trên bề mặt giấy trắng 27

Hình 3.17 Vùng giao thoa của cảm biến 27

Hình 3.20 Tọa độ các cảm biến 31

Hình 3.21 Vị trí line đọc về từ cảm biến 31

Hình 3.22 Sơ đồ điều khiển của robot 32

Hình 3.23 Lưu đồ giải thuật 34

Hình 3.24 Xác định vị trí rẽ trên line 35

Hình 3.25 Sơ đồ vị trí robot dò line trong hệ tọa độ 35

Hình 3.26 Mô hình xác định sai số trong mô phỏng 37

Hình 3.27 Mô hình line trên Matlab 38

Hình 3.28 Mô phỏng bám line trong đoạn cong A-B để tìm khoảng cách 𝑑 phù hợp 39

Hình 3.29 Đồ thị sự phụ thuộc giữa sai số dò line và khoảng cách 𝑑 40

Hình 3.30 Kết quả bám line với các hệ số 𝑘1 𝑘2 𝑘3 và vận tốc thay đổi 42

Hình 4.1 Mô hình robot khi thiết kế 43

Hình 4.2 Mô hình robot khi chế tạo 43

Hình 4.3 Robot dò line trên sa bàn 44

Bảng 2.1 Phân công nhiệm vụ các thành viên 9

Bảng 3.1 So sánh giữa 2 loại bánh trên: 10

Bảng 3.2 Thông số động cơ GA25-V1 14

Bảng 3.3 Tốc độ động cơ 1 khi cấp xung PWM sử dụng Driver L298 17

Bảng 3.4 Tốc độ động cơ 2 khi cấp xung PWM sử dụng Driver L298 18

Bảng 3.5 Tốc độ động cơ 1 khi cấp xung PWM sử dụng Driver TB6612 18

Bảng 3.6 Tốc độ động cơ 2 khi cấp xung PWM sử dụng Driver TB6612 19

Bảng 3.7 Các thông số đầu vào 39

Bảng 3.8 Thông số mô phỏng 40

CHƯƠNG 1: TÌM HIỂU TỔNG QUAN 1.1 Mục tiêu thiết kế

Thiết kế robot bám đường có khả năng bám đường với độ ổn định tốt và hoàn thành sa bàn đúng yêu cầu với thời gian ngắn nhất có thể (sa bàn được cho trước hình dạng và chiều dài)

C

B

A

GD

Hình 1.1 Thông số sa bàn

Hướng đi: A → B → C → D → E → F → C → G → A → C → E

1.2 Tìm hiểu các mô hình từ các cuộc thi

 Japan Robotrace Contest 2014 - Đội chiến thắng: CartisX04

 Cuộc thi ở Tây Ban Nha 2010 - Đội chiến thắng: Silvestre

Hình 1.3 Hình ảnh thực tế và sơ đồ nguyên lý của Robot Silvestre

Hình 1.4 Hình ảnh thực tế và sơ đồ nguyên lý của Robot Fireball

Hình 1.5 Nguyên lý hoạt động của cảm biến quang điện trở

Hai phương pháp sử dụng cảm biến quang điện trở và cảm biến hồng ngoại có nguyên tắc hoạt động tương tự nhau, gồm 1 nguồn phát ánh sáng phản xạ xuống đất và

1 nguồn thu ánh sáng phản xạ từ đó xử lí tín hiệu và đưa ra vị trí của xe so với line Tuy nhiên cảm biến hồng ngoại được ứng dụng nhiều hơn vì thời gian đáp ứng nhanh hơn

1.4 Tìm hiểu về các cách xử lí tín hiệu cảm biến

1.4.1 Sử dụng giải thuật so sánh

Sử dụng mạch lấy ngưỡng hoặc giải thuật lọc ngưỡng bằng lập trình để chuyển tín hiệu điện áp đọc từ cảm biến về thành mức cao hoặc mức thấp, từ đó suy ra vị trí của xe

so với đường line

Hình 1.6 Mức so sánh của cảm biến ứng với các vị trí line khi xe di chuyển

Hình 1.7 Tìm vị trí tâm đường line bằng giải thuật xấp xỉ

1.5 Tìm hiểu về cấu trúc điều khiển

1.5.1 Cấu trúc điều khiển phân cấp

Mạch điều khiển phân cấp sử dụng nhiều vi điều khiển, mỗi vi điều khiển đảm nhận một chức năng riêng Nhờ đó có sự chuyên biệt hóa, mỗi vi điều khiển chỉ đảm nhận một công việc giúp việc kiểm tra lỗi chương trình dễ dàng, các chức năng được thực hiện đồng thời, không cần phải đợi hoặc bỏ qua các tác vụ ngắt Tuy nhiên cấu trúc phần cứng phức tạp và cần đảm bảo tín hiệu giao tiếp giữa các vi điều khiển tuyệt đối chính xác, không bị nhiễu

Hình 1.8 Cấu trúc điều khiển phân cấp 1.5.2 Cấu trúc điều khiển tập trung

Mạch chỉ sử dụng một vi điều khiển đảm nhận tất cả các chức năng nhờ vào đó mà phần cứng đơn giản Tuy nhiên, không có sự chuyên biệt hóa nên khó cho việc kiểm tra lỗi chương trình, các chức năng (tính toán ra vận tốc 2 bánh xe và điều khiển động cơ đạt vận tốc mong muốn) không được thực hiện đồng thời, khi chức năng này đang thực hiện thì chức năng khác phải đợi

Hình 1.9 Cấu trúc điều khiển tập trung

CHƯƠNG 2: LỰA CHỌN PHƯƠNG ÁN

VÀ PHÂN CÔNG NHIỆM VỤ

2.3 Lựa chọn bộ điều khiển

Bộ điều khiển bám line theo tiêu chuẩn Lyapunov

2.4 Lựa chọn cấu trúc điều khiển

Điều khiển tập trung (dùng 1 vi điều khiển)

Hình 2.1 Cấu trúc điều khiển lựa chọn

2.5 Phân công nhiệm vụ

Bảng 2.1 Phân công nhiệm vụ các thành viên

trợ các thành viên

3 Trần Minh Chiến Mô hình

hóa Mô phỏng động học

4 Doãn Hoàng Cơ khí Thiết kế phần cơ khí, bản vẽ

5 Nguyễn Minh Hoàng Lập trình Lựa chọn vi điều khiển, thiết kế

cảm biến

CHƯƠNG 3: THIẾT KẾ CHI TIẾT VÀ MÔ HÌNH HÓA

3.1 Thiết kế cơ khí

Yêu cầu đặt ra:

+ Xe có thể chạy với vận tốc tối đa 𝑣𝑚𝑎𝑥 = 0,5 𝑚/𝑠

+ Kết cấu xe nhỏ gọn, chắc chắn, không rung lắc

+ Xe có thể qua các đoạn cong (bán kính cong R= 500mm) với vận tốc tối ưu

Bánh mắt trâu có vỏ ngoài được làm bằng sắt hay thép nên rất bền, bên trong có ổ

bi nên di chuyển rất trơn tru Tuy nhiên bánh này có nhược điểm lớn là chỉ có thể chạy trong những môi trường ít bụi, cát vì chúng có thể bám vào bánh làm bánh bị kẹt không chạy được

Bảng 3.1 So sánh giữa 2 loại bánh trên:

- Chịu tải khoảng 50kg

- Chịu ảnh hưởng bởi điều kiện đường đua

- Kết cấu nhỏ gọn

Từ bảng so sánh kết hợp với yêu cầu của đường đua, nhóm quyết định chọn bánh mắt trâu là bánh dẫn hướng cho robot dò line

Bánh Mecanum là một dạng của bánh đa hướng (Omnidirectional Wheel) Bánh

xe này được tạo thành bởi các con lăn nhỏ với trục được lắp nghiêng một góc 45 độ so với trục quay chính của bánh xe, nhờ kết cấu đặc biệt này nên bánh có thể thực hiện nhiều chuyển động phức hợp theo phương pháp cộng vector Với bánh Mecanum, xe

có thể chuyển động tiến lùi, xoay tròn trong không gian nhỏ hẹp, đặc biệt có thể di chuyển theo phương ngang khi cần thiết

Tuy có nhiều ưu điểm nhưng giá thành của bánh xe Mecanum khá cao và giải thuật điều khiển phức tạp nên nhóm quyết định sẽ sử dụng bánh xe giảm tốc V3 có đường kính D= 80 mm để làm bánh chủ động cho xe

Hình 3.1 Hệ tọa độ trên robot dò line

Chọn vị trí đặt vật nặng mong muốn là ở vị trí 𝑥 = 𝐿/4 với 𝐿 là khoảng cách giữa 2 bánh xe sauvà bánh trước, G1 và G2 là trọng tâm của xe và của vật nặng Ta tính được hoành độ trọng tâm của hệ:

Từ đó ta tính được lực tác dụng lên mỗi bánh xe:

𝐹

𝜔

𝐹𝑚𝑠

𝑅1

Gọi 𝑀 = 𝑅2/𝑔 = 2,5𝑘𝑔 là khối lượng tương đương mà mỗi bánh xe sau phải chịu khi mang vật nặng

Moment tác dụng lên bánh xe:

Từ công suất đã tính, ta chọn cơ GA25-V1 có hộp giảm tốc và encoder Moment tải 0,184Nm

Bảng 3.2 Thông số động cơ GA25-V1

3.1.3 Chống lật khi xe ôm cua

Khi vào cua, do ảnh hưởng của lực li tâm nên xe có thể bị lật Để phòng ngừa trường hợp này, ta phải thiết kế khoảng cách giữa 2 bánh xe và chiều cao xe cho phù hợp để xe không bị lật ta có mô hình toán như sau:

Hình 3.3 Mô hình tính toán và phân tích lực khi xe ôm cua

Gọi khoảng cách giữa 2 bánh xe là a, chiều cao trọng tâm xe là b Ta có:

Moment gây ra lật xe:

𝑀1 = 𝐹𝑛 𝑏 =𝑚 𝑣

2

𝑅 𝑏 Moment chống lật xe:

𝑀2 = 𝑃.𝑎

2= 𝑚𝑔.

𝑎2

Để xe không bị lật thì: 𝑀2 ≥ 𝑀1

⇒𝑏

𝑎 ≤

𝑅𝑔2𝑣2 =0,5.9,8

2 0,52 = 9,8

Do tổng chiều dài 2 động cơ và hộp giảm tốc là 134mm Nên ta chọn sơ bộ khoảng cách giữa 2 bánh xe là 150 mm Chọn tỷ lệ b/a= 0,5; ta được chiều cao trọng tâm xe là b= 60 mm

1.4 Kích thước xe dò line

Từ các tính toán trên ta xác định được các kích thước của xe dò line:

- Chiều cao trọng tâm xe là 60mm

- Chiều rộng thân xe chọn sơ bộ 150mm

- Chiều dài thân xe: dựa theo các thiết kế của các hãng xe trên thế giới như Ford, Mistubishi, Mercedes-Benz,… có chiều dài/chiều rộng là khoảng 0,38 – 0,6 Nên nhóm lựa chọn tỉ lệ chiều dài/chiều rộng cho xe dò line là 0,6; suy ra chiều dài xe 250mm

Motor 1 GA25

GA25

Pin

Mạch hạ áp12V LM2596

Mạch hạ áp 5V LM2596

Driver TB6612

Mạch hạ áp 3.3V AMS1117

Đường tín hiệu Đường điện áp

Hình 3.4 Sơ đồ hệ thống điện 3.2.1 Lựa chọn Driver

a Yêu cầu:

 Cho phép cấp điện áp vào được 12V

 Có hai mạch cầu H để điều khiển hai động cơ

 Đảm bảo quan hệ giữa xung PWM và tốc độ động cơ xấp xỉ tuyến tính Với những yêu cầu trên và kết hợp với sản phẩm trên thị trường, có thể khảo sát hai loại Driver L298 và TB6612 để lựa chọn

Hình 3.5 Các loại Driver cho động cơ DC a) Driver L298 b)Driver TB6612

b Khảo sát tuyến tính giữa xung PWM và tốc độ động cơ

Đối với Driver L298, khi cấp xung PWM và đo tốc độ động cơ, thu được bảng số liệu sau:

Bảng 3.3 Tốc độ động cơ 1 khi cấp xung PWM sử dụng Driver L298

Bảng 3.4 Tốc độ động cơ 2 khi cấp xung PWM sử dụng Driver L298

Bảng 3.6 Tốc độ động cơ 2 khi cấp xung PWM sử dụng Driver TB6612

Hình 3.7 Đồ thị tốc độ động cơ khi cấp xung PWM sử dụng Driver TB6612

Ta thấy khi sử dụng Driver TB6612 thì độ thị giữa tốc độ động cơ và xung PWM xấp xỉ tuyến tính với phương trình: Y1 = 0.37X1 – 4.47; Y2 = 0.38X2 -3.18

Bên cạnh đó TB6612 có kích thước nhỏ gọn thuận tiện cho việc bố trí lên mạch, nên chọn TB6612 là Driver điều khiển động cơ

Thông số Driver TB6612:

 Điện áp nuôi và cấp mức Logic: 2.7 – 5.5V

 Điện áp cấp cho motor Vin tối đa: 15V

 Driver có hai mạch cầu H có thể dùng cho hai động cơ DC

+ Cấp vào giá trị xung PWM cố định, ở đây chọn 50% xung PWM

+ Ghi lại giá trị tốc độ động cơ theo thời gian với thời gian lấy mẫu là 0.05s

Kết quả được biểu diễn bằng đồ thị

Hình 3.8 Vận tốc động cơ 1 khi cấp 50% xung PWM

Từ đồ thị thấy tốc độ động cơ không có vọt lố, từ đó suy ra hệ động cơ - driver

có dạng bậc nhất:

P(s)= W(s)

PWM(s)=

Km1+ TsVới 𝐾𝑚 là hằng số độ lợi động cơ và cũng là hệ số góc phương trình tuyến tính đã tìm

ở phần trên, và 𝑇(𝑠𝑒𝑐) là hằng số thời gian đáp ứng thể hiện qua hình:

Hình 3.10 Thời gian đáp ứng của động cơ

Từ đó có được hàm truyền của hai động cơ:

+ Động cơ 1:

P1= 0.371+0.12s+ Động cơ 2:

P1= 0.381+0.15sThiết kế bộ PID điều khiển động cơ với mục tiêu

+ Thời gian xác lập: Nhỏ hơn 0.01s

+ Độ vọt lố: Cao nhất 5%

+ Sai số xác lập: Trong khoảng 5%

Hình 3.11 Mô hình bộ điều khiển PID

Kết hợp với Matlab, tìm được bộ thông số PID như sau:

+ Đối với động cơ 1: Kp = 150, Ki = 0, Kd = 0

Hình 3.12 Đáp ứng động cơ 1 khi sử dụng bộ PID

KP

𝑉(𝑠)

KIs

KD𝑠

0.370.12𝑠 + 1

𝜃(𝑠)

+ Đối với động cơ 2: Kp = 170, Ki = 0, Kd = 0

Hình 3.13 Đáp ứng động cơ 2 khi sử dụng bộ PID

 Thời gian đáp ứng: Ts = 0.00895s

 Sai số xác lập: POT = 1.5%

 Độ vọt lố bằng 0

3.3 Tính toán cảm biến

3.3.1 Yêu cầu cảm biến

Thời gian đáp ứng nhỏ hơn 0,01 (s)

Sai sô nhỏ hơn 5 mm( )

Lựa chọn cảm biến Phototransitor TCRT5000

 Dòng hoạt động I Ctối đa là 100mA, I Flà 60mA

 Điện áp hoạt động 5V

 Kích thước (L x W x H in mm): 10,2 x 5,8 x 7

 Khoảng cách so với đường đua để cảm biến hoạt động tốt là: 0,2 đến 15 mm

Hình 3.14 Sơ đồ mạch điện cảm biến TCRT5000

Mục tiêu:

Xác định khoảng cách giữa cảm biến so với đường đua

Xác định khoảng cách giữa các cảm biến

Hình 3.15 Phạm vi hoạt động của cảm biến

Ta có khoảng cách giữa 2 cảm biến là d  3 , 5mm

d d d

Hình 3.16 Kết quả thí nghiệm độ cao cảm biến trên bề mặt giấy trắng

Ta thấy rằng trong khoảng 10mm đến 20mm thì ánh sáng phản xạ lại nhiều nhất Dựa vào đó ta chọn khoảng cách h15mm.

Suy ra  X d  9 , 5mm

Ta có 2 cách đặt cảm: phương dọc hoặc phương ngang

Ta thấy rằng nếu đặt cảm biến theo phương dọc thì bề rông giao thoa sẽ lớn hơn khi ta đặt theo phương ngang Bề rộng lớn hơn có ưu điểm là sẽ làm tăng độ chính xác khi xác định vị trí

Do đó nhóm quyết định chọn đặt cảm biến theo phương dọc

b Thí nghiệm 2: Xác định khoảng cách giữa các cảm biến

Ta chọn khoảng cách giữa 2 cảm biến liên tiếp sao cho không xảy ra nhiễu

Hình 3.18 Phạm vi quét của 2 cảm biến

Ta nhận thấy rằng khoảng cách nhỏ nhất giữa 2 cảm biến là l để Collector 1 không nhận nhầm tia hồng ngoại của Emiter 2

mm

lmin 10,72  Ta chọn l  13 mm