Báo cáo nghiên cứu khoa học cấp trường thiết kế robot dùng trong học tập và nghiên cứu robocon

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, Phịng 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 vịng 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… địi 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 dị 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 dị 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 if((Psbyte4&16)==0) { t_up=loc_nhieu; TCCR2=0x7C; OCR2=255; } } //============================================================= void down() { if((Psbyte4&64)==0) { t_down=loc_nhieu; TCCR2=0x7C; OCR2=255; DirDC1=1; } } //============================================================= void right() { if((Psbyte4&128)==0) { t_right=loc_nhieu; tay_kep=1; } } //============================================================= void left() { if((Psbyte4&32)==0) { t_left=loc_nhieu; tay_kep=1; Dir_tay_kep=1; } } //============================================================= void triangle() { Trang 81 if((Psbyte5&16)==0) { t_triangle=loc_nhieu; tay_truot=1; } } //============================================================= void x() { if((Psbyte5&64)==0) { t_x=loc_nhieu; DirDC3=1; tay_truot=1; } } //============================================================= void square() { if((Psbyte5&128)==0) { if(t_square>0) t_square ; else { kep_token=kep; } } } //============================================================= void circle() { if((Psbyte5&32)==0) { kep_token=tha; } } Trang 82 Chương trình Test sa bàn thí nghiệm *****************************************************/ #include // Alphanumeric LCD functions #include #include #define PWML OCR1A #define PWMR OCR1B #define DIRL PORTD.6 #define DIRR PORTD.7 #define BUZZ PORTD.3 #define STARTBUT PIND.2 #define SENSORS PINC #define FORW #define REV #define MAXSPEED 255 #define center 0b00011000 #define r1 #define r2 #define r3 #define r4 #define r5 #define r6 #define r7 0b00001000 0b00001100 0b00000100 0b00000110 0b00000010 0b00000011 0b00000001 #define l1 #define l2 #define l3 #define l4 #define l5 #define l6 #define l7 0b00010000 0b00110000 0b00100000 0b01100000 0b01000000 0b11000000 0b10000000 Trang 83 #define err 0b00000000 #define quarter 0b00111100 char cnt; void sound(char count) { while(count !=0) { BUZZ=0; delay_ms(100); BUZZ=1; delay_ms(100); } } // Timer overflow interrupt service routine interrupt [TIM0_OVF] void timer0_ovf_isr(void) { switch (SENSORS) { case (center) : PWML=PWMR=MAXSPEED; break; case (r1) : PWML=MAXSPEED; PWMR=MAXSPEED*6/7; break; case (r2) : PWML=MAXSPEED; PWMR=MAXSPEED*5/7; break; case (r3) : PWML=MAXSPEED; PWMR=MAXSPEED*4/7; break; case (r4) : PWML=MAXSPEED; PWMR=MAXSPEED*3/7; break; case (r6) : PWML=MAXSPEED; PWMR=MAXSPEED*2/7; break; Trang 84 case (r7) : PWML=MAXSPEED/2; PWMR=MAXSPEED*1/7; break; case (l1) : PWMR=MAXSPEED; PWML=MAXSPEED*6/7; break; case (l2) : PWMR=MAXSPEED; PWML=MAXSPEED*5/7; break; case (l3) : PWMR=MAXSPEED; PWML=MAXSPEED*4/7; break; case (l4) : PWMR=MAXSPEED; PWML=MAXSPEED*3/7; break; case (l6) : PWMR=MAXSPEED; PWML=MAXSPEED*2/7; break; case (l7) : PWMR=MAXSPEED/2; PWML=MAXSPEED*1/7; break; default: if ((SENSORS&0b00111100)==quarter) { sound(1); ++cnt; while ((SENSORS&0b00111100)==quarter); } } } void main(void) { // Declare your local variables here // Input/Output Ports initialization // Port A initialization // Func7=In Func6=In Func5=In Func4=In Func3=In Func2=In Func1=In Func0=In Trang 85 // State7=T State6=T State5=T State4=T State3=T State2=T State1=T State0=T PORTA=0x00; DDRA=0x00; // Port B initialization // Func7=In Func6=In Func5=In Func4=In Func3=In Func2=In Func1=In Func0=In // State7=T State6=T State5=T State4=T State3=T State2=T State1=T State0=T PORTB=0x00; DDRB=0x00; // Port C initialization // Func7=In Func6=In Func5=In Func4=In Func3=In Func2=In Func1=In Func0=In // State7=T State6=T State5=T State4=T State3=T State2=T State1=T State0=T PORTC=0xFF; DDRC=0x00; // Port D initialization // Func7=In Func6=In Func5=Out Func4=Out Func3=In Func2=In Func1=In Func0=In // State7=T State6=T State5=0 State4=0 State3=T State2=T State1=T State0=T PORTD=0x00; DDRD=0x30; DDRD.6=1; DDRD.7=1; DDRD.3=1; PORTD.2=1; // Timer/Counter initialization // Clock source: System Clock // Clock value: 115.200 kHz // Mode: Normal top=0xFF // OC0 output: Disconnected TCCR0=0x03; TCNT0=0x00; OCR0=0x00; // Timer/Counter initialization // Clock source: System Clock // Clock value: 115.200 kHz // Mode: Ph correct PWM top=0x00FF Trang 86 // OC1A output: Non-Inv // OC1B output: Non-Inv // Noise Canceler: Off // Input Capture on Falling Edge // Timer1 Overflow Interrupt: Off // Input Capture Interrupt: Off // Compare A Match Interrupt: Off // Compare B Match Interrupt: Off TCCR1A=0xA1; TCCR1B=0x03; TCNT1H=0x00; TCNT1L=0x00; ICR1H=0x00; ICR1L=0x00; OCR1AH=0x00; OCR1AL=0x00; OCR1BH=0x00; OCR1BL=0x00; // Timer/Counter initialization // Clock source: System Clock // Clock value: Timer2 Stopped // Mode: Normal top=0xFF // OC2 output: Disconnected ASSR=0x00; TCCR2=0x00; TCNT2=0x00; OCR2=0x00; // External Interrupt(s) initialization // INT0: Off // INT1: Off // INT2: Off MCUCR=0x00; MCUCSR=0x00; // Timer(s)/Counter(s) Interrupt(s) initialization TIMSK=0x01; // USART initialization Trang 87 // USART disabled UCSRB=0x00; // Analog Comparator initialization // Analog Comparator: Off // Analog Comparator Input Capture by Timer/Counter 1: Off ACSR=0x80; SFIOR=0x00; // ADC initialization // ADC disabled ADCSRA=0x00; // SPI initialization // SPI disabled SPCR=0x00; // TWI initialization // TWI disabled TWCR=0x00; // Alphanumeric LCD initialization // Connections are specified in the // Project|Configure|C Compiler|Libraries|Alphanumeric LCD menu: // RS - PORTA Bit // RD - PORTA Bit // EN - PORTA Bit // D4 - PORTA Bit // D5 - PORTA Bit // D6 - PORTA Bit // D7 - PORTA Bit // Characters/line: 16 lcd_init(16); lcd_clear(); lcd_gotoxy(0,0); lcd_putsf("HELLO"); Trang 88 DIRL=DIRR=FORW; while(STARTBUT!=0) sound(1); // Global enable interrupts #asm("sei") while (1) { if (cnt==2) { #asm("cli") PWML=PWMR=MAXSPEED; DIRL=FORW; DIRR=REV; delay_ms(5000); #asm("sei") DIRL=DIRR=FORW; cnt=0; } } } Trang 89 MỤC LỤC TRANG LỜI CẢM ƠN DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ DANH MỤC CÁC BẢNG DANH MỤC CHỮ VIẾT TẮT CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN ĐỀ TÀI 1.1 Sự cần thiết đề tài 1.2 Các công trình nghiên cứu liên quan 1.2.1 Tổng quan số thi Robocon 1.2.2 Cuộc thi Robocon cấp trường trường đại học Trà Vinh 1.3 Mục tiêu đề tài 1.4 Phạm vi nghiên cứu 1.5 Quy trình thực CHƯƠNG 2: PHƯƠNG PHÁP VÀ KỸ THUẬT THỰC HIỆN 2.1 Nguyên lý dò đường Robot 2.2 Vi điều khiển AVR 10 2.2.1 Chip vi điều khiển ATMEGA8 12 2.2.2 Chip vi điều khiển ATMEGA32 13 2.3 Giao tiếp tay game PS2 điều khiển robot 14 2.3.1 Kết nối phần cứng 14 2.3.2 Cách truyền nhận liệu 16 2.4 Phần mềm CodevisionAVR 16 CHƯƠNG THIẾT KẾ VÀ THI CÔNG 22 3.1 Robot tự động 22 3.1.1 Sơ đồ khối 22 3.1.2 Thiết kế hệ thống khí 23 3.2 Robot điều khiển tay 27 3.3 Sa bàn thí nghiệm robot 28 3.3.1 Sơ đồ khối 28 3.3.2 Chức khối 28 3.3.3 Các thí nghiệm sa bàn 44 CHƯƠNG 4: KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN 45 4.1 Kết đạt 45 4.2 Ưu khuyết điểm 46 4.3 Hướng phát triển đề tài 46 TÀI LIỆU THAM KHẢO 477 PHỤ LỤC 1: CÁC SƠ ĐỒ MẠCH ĐIỆN 48 PHỤ LỤC 2: CHƯƠNG TRÌNH ĐIỀU KHIỂN 59 DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ TRANG Hình 1.1: Sân chơi Robocon năm 2002 Hình 1.2: Sân chơi Robocon năm 2008 Hình 1.3: Sân chơi Robocon năm 2011 Hình 1.4: Sân chơi Robocon năm 2012 Hình 1.5: Robocon TVU năm 2011 Hình 1.6: Robocon TVU năm 2012 Hình 2.1: Cảm biến nhận biết vạch màu Hình 2.2: Độ lệch line Robot Hình 2.3: Robot nhận line vị trí trung tâm Hình 2.4: Robot bị lệch line bên trái bên phải Hình 2.5: Sơ đồ chân ATMEGA8 13 Hình 2.6: Sơ đồ chân ATMEGA32 14 Hình 2.7: Tay Game PS2 Sony 14 Hình 2.8: Sơ đồ chân tay Game 15 Hình 2.9: Giao diện phần mềm CodeVision 17 Hình 2.10: Tạo Project 17 Hình 2.11:Cấu hình chip AVR 18 Hình 2.12: Lưu lại cấu hình chip 19 Hình 2.13: Đặt tên Project lưu vào ổ cứng máy tính 19 Hình 2.14: Giao diện soạn thảo chương trình 20 Hình 2.15: Cửa sổ biên dịch 21 Hình 3.1: sơ đồ khối Robot tự động 22 Hình 3.4a: Board sensor dị line 24 Hình 3.4b: Board sensor dị line 25 Hình 3.6: Bộ điều khiển tay 27 Hình 3.7: Sơ đồ khối sa bàn thí nghiệm 28 Hình 3.8: Sơ đồ tổng quát board thí nghiệm vi điều khiển 30 Hình 3.9: board thí nghiệm vi điều khiển thực tế 31 Hình 3.10: Sơ đồ nguyên lý khối nguồn 32 Hình 3.11: Khối Led đơn 33 Hình 3.12: Khối nút nhấn 34 Hình 3.13: Sơ đồ nguyên lý khối Led đoạn 35 Hình 3.14a: Sơ đồ nguyên lý khối LCD 36 Hình 3.14b: Sơ đồ khối LCD 37 Hình 3.15: Sơ đồ nguyên lý khối loa buzze 37 Hình 3.16: Sơ đồ nguyên lý khối ADC 38 Hình 3.17a: Sơ đồ nguyên lý khối UART 39 Hình 3.17b: Sơ đồ khối UART 40 Hình 3.18: Sơ đồ nguyên lý khối RTC 41 Hình 3.19: Sơ đồ khối Port mở rộng 42 Hình 3.20: Sơ đồ nguyên lý khối cổng nạp ISP JTAG 43 Hình 4.1: Các sản phẩm đề tài 45 DANH MỤC CÁC BẢNG TRANG Bảng 1.1: Quy trình thực đề tài Bảng 3.1: Các chế độ nguồn cấp 32 Bảng 3.2: Chọn trạng thái tích cực nút nhấn 33 Bảng 3.3: Sử dụng chế độ UART 40 Bảng 3.4: Sử dụng chế độ RTC 41 Bảng 3.5: Sử dụng chế độ điện trở pull up/down 41 Bảng 4.1: Báo cáo kinh phí sử dụng đề tài Error! Bookmark not defined DANH MỤC CHỮ VIẾT TẮT JTAG: Joint Test Action Group SPI : Serial Peripheral Interface Bus UART : Universal Asynchronous Receiver/Transmitter PWM : Pulse-width modulation RTC : real-time clock RF: CMOS: Radio frequency Complementary Metal-Oxide-Semiconductor TTL : Transistor–transistor logic JP: JUMPER SW: SWITCH ...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... 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... Giám Hiệu, Phịng 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