Ngày nay, sự phát triển mạnh mẽ của khoa học đời sống, cuộc sống của con người đã thay đổi ngày một tốt hơn, với những trang thiết bị hiện đại phục vụ trong công cuộc công nghiệp hóa, hiện đại hóa. Đặc biệt góp phần không nhỏ đó là ngành kĩ thuật điện – điện tử trong sự nghiệp xây dựng đất nước. Những thiết bị điện, điện tử được phát triển và ứng dụng rộng rãi trong đời sống hằng ngày. Từ những thời gian đầu phát triển vi xử lý đã cho thấy sự ưu việt của nó và cho tới ngày nay tính ưu việt đó ngày càng được khẳng định thêm. Những thành tựu của nó đã có thể biến được những cái tưởng chừng như không thể thành những cái có thể, góp phần nâng cao đời sống vật chất và tinh thần cho con người.
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI VIỆN CÔNG NGHỆ ĐIỆN - - ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP Ngành: Kỹ thuật Điện điều khiển tự động THIẾT KẾ CHẾ TẠO XE TỰ ĐỘNG DÒ ĐƯỜNG VÀ TRÁNH VẬT CẢN Giáo viên hướng dẫn : GS.TS NGUYÊN ĐẠT LỘC Sinh viên thực : NGUYỄN HÙNG HUY Mã sinh viên : 1662030015 Lớp : K60 ĐKTĐ HÀ NỘI, NĂM 2020 MỤC LỤC NHẬN XÉT CỦA GIẢNG VIÊN HƯỚNG DẪN CHƯƠNG I: TỔNG QUAN VỀ ĐỀ TÀI I Giới thiệu chung vấn đề nghiên cứu 1.1 Lý chọn đề tài 1.2 Mục đích 1.3 Giới hạn đề tài II Phân tích hệ thống 2.1 Giới thiệu chung 2.2 Yêu cầu hệ thống 2.3 Tiêu chuẩn để lựa chọn 2.3.1Vi điều khiển 2.3.2 Cảm biến siêu âm:HC-SR04 2.3.3 Cảm biến hồng ngoại 2.3.4 Động giảm tốc 3V-9V 2.3.5 Shield L298P 2.3.6 Động servo SG90 10 CHƯƠNG II: CÁC NGHIÊN CỨU CHÍNH CỦA ĐỀ TÀI 12 I Khái quát mạch Arduino 12 1.1 Arduino ? 12 1.2 Tại lại chọn Arduino 13 1.3 Ứng dụng Arduino 14 II Giới thiệu tổng quát loại Arduino 14 2.1 Arduino Uno R3 chíp cắm, Arduino chíp dán 14 2.2 Arduino Nano 18 2.3 Arduino Mega2560 22 III Thiết kế phần mềm Solidwork 27 3.1 Khung xe: 27 3.2 Bánh xe 29 i 3.3 Động giảm tốc 30 3.4 Bánh dẫn hướng 31 3.5 Mô hình robot mơ lắp ghép hồn chỉnh 34 IV Sơ đồ nối dây 35 CHƯƠNG III: LẬP TRÌNH ĐIỀU KHIỂN VÀ KẾT QUẢ NHẬN ĐƯỢC 36 I Chạy thử nghiệm kiểm tra lỗi 36 1.1 Chạy thử 36 1.2 Nhiễu 36 II Kết luận 36 PHỤ LỤC 27 ii DANH MỤC HÌNH ẢNH Hình 1: Nguyên lý hoạt động cảm biến siêu âm Hình 2: Sơ đồ thuật toán Hình 3: Arduino Uno R3 Hình 4: Sơ đồ chân Arduino uno Hình 5: Cảm biến siêu âm HC-SR04 Hình 6: Cảm biến hồng ngoại Hình 7: Động giảm tốc 3-9V Hình 8: Mạch điều khiển động L298 Hình 9: Sơ đồ chân L298 10 Hình 10: Bộ kit hỗ trợ arduino 37 cảm biến 14 Hình 12: Arduino Uno R3 chíp dán CH340 15 Hình 13: Sơ đồ chân Arduino Uno R3 17 Hình 14: Arduino nano 20 Hình 15: ARDUINO NANO 21 Hình 16: Arduino Mega2560 23 Hình 17: ARDUINO MEGA2560 24 Hình 18: Khung xe mơ 27 Hình 19: Khung xe mơ 27 Hình 20: Khung xe mô 27 Hình 21: Tấm đỡ động 28 Hình 22: Tấm đỡ động 28 Hình 23: Bánh xe mơ 29 Hình 24: Bánh xe mô 29 Hình 25: Bánh xe mơ 30 Hình 26: Động giảm tốc mơ 30 Hình 27: Động giảm tốc mô 30 Hình 28: Động giảm tốc mô 31 Hình 29: Đế bánh dẫn hướng 31 iii Hình 30: Đế bánh dẫn hướng 31 Hình 31: Đế bánh dẫn hướng 32 Hình 32: Đế bánh dẫn hướng 32 Hình 33: Bánh dẫn hướng 32 Hình 34: Bánh dẫn hướng 33 Hình 35: Bánh dẫn hướng mô lắp 33 Hình 36: Bánh dẫn hướng mơ lắp 33 Hình 36: Mô lắp ghép robot 34 Hình 37: Mơ lắp ghép robot 34 Hình 38: Mơ lắp ghép robot 34 Hình 39: Sơ đồ mô cách nối dây 35 iv Đồ án tốt nghiệp GVHD: Nguyên Đạt Lộc LỜI MỞ ĐẦU Ngày nay, phát triển mạnh mẽ khoa học đời sống, sống người thay đổi ngày tốt hơn, với trang thiết bị đại phục vụ cơng cơng nghiệp hóa, đại hóa Đặc biệt góp phần khơng nhỏ ngành kĩ thuật điện – điện tử nghiệp xây dựng đất nước Những thiết bị điện, điện tử phát triển ứng dụng rộng rãi đời sống ngày Từ thời gian đầu phát triển vi xử lý cho thấy ưu việt ngày tính ưu việt ngày khẳng định thêm Những thành tựu biến tưởng chừng khơng thể thành có thể, góp phần nâng cao đời sống vật chất tinh thần cho người Để góp phần làm sáng tỏ hiệu ứng dụng thực tế môn vi xử lý, sau thời gian học tập thầy cô khoa giảng dạy kiến thức chuyên ngành, đồng thời giúp đỡ nhiệt tình thầy cô Bộ môn Kỹ thuật Điện - Điện tử, với lỗ lực thân, nhóm em hồn thành đề tài “Thiết kế chế tạo robot tự động dò đường tránh vật cản” thời gian, kiến thức kinh nghiệmcủa em cịn có hạn nên khơng thể tránh khỏi sai sót Em mong giúp đỡ tham khảo ý kiến thầy cô bạn nhằm đóng góp phát triển thêm đề tài Thanh hóa, ngày tháng năm 2020 Sinh viên thực Nguyễn Hùng Huy Sinh viên: Đinh Hùng Lực Mã SV: 1662030015 Đồ án tốt nghiệp GVHD: Nguyên Đạt Lộc CHƯƠNG I: TỔNG QUAN VỀ ĐỀ TÀI I Giới thiệu chung vấn đề nghiên cứu 1.1 Lý chọn đề tài Theo dự đốn sau cách mạng lớn internet cách mạng lĩnh vực robot Các Robot ứng dụng đời sống ngày nhiều robot vận chuyển hàng hóa, robot kiểm tra nguy hiểm, robot xe lăn cho người khuyết tật Robot phục vụ sinh hoạt gia đình… Điểm hạn chế robot tự hành tính thiếu linh hoạt khả thích ứng làm việc vị trí khác Từ lý nảy sinh vấn đề tránh vật cản cho robot tự hành nhằm nâng cao tính linh hoạt cho robot Hầu hết robot đại có kiểu tránh vật cản robot xác định vật cản vàdừng lại khoảng cách ngắn so với vật cản để tránh va chạm, đến thuật toán tinh tế hơn, cho phép robot di chuyển theo đường viền quanh vật cản Nhằm bước tiếp cận tạo tảng cho q trình nghiên cứu ứng dụng cáccơng nghệ vào sản phẩm phù hợp thực thế, nhóm đồ án chúng em chọn đề tài: “Điều khiển xe tự hành tránh vật cản” 1.2 Mục đích Xây dựng xe tự hành hồn chỉnh có khả tìm đến vị trí đặt trước có khả tránh vật cản trình di chuyển Điểm xe tự hành sử dụng cảm biến Kinect có khả khơi phục mơi trường phía trước robot dạng 3D từ xác định thơng số cần thiết cho giải thuật điều khiển robot Trong đợt thực tập tốt nghiệp trường, nhóm thực tập chúng em dừng lại việc tìm hiểu cấu trúc tổng quan robot Xây dựng mơ hình động học, động lực học robot đồng thời tìm hiểu khối phục vụ cho việc điều khiển robot khối cảm biến Kinect, KIT sử dụng chip MSP TI giao thức truyền thơng máy tính KIT 1.3 Giới hạn đề tài Việc xây dựng mô hình phù hợp với điều kiện nghiên cứu học tập, muốn ứng dụng vào thực tiễn cần hoàn thiện sản phẩm đạt chất lượng cao hơn, đáp ứng nhu cầu sử dụng Sinh viên: Đinh Hùng Lực Mã SV: 1662030015 Đồ án tốt nghiệp GVHD: Nguyên Đạt Lộc II Phân tích hệ thống 2.1 Giới thiệu chung Để robot hoạt động ngồi u cầu thiết yếu phận bảo vệ robot phận vô quan trọng Bộ phận bảo vệ giúp cho robot tránh nguy hiểm gây hư hỏng hay phá hủy robot Trước khi, robot đưa vào hoạt động người thiết kế cần tính tốn trước, qua mơ nhằm dự đoán trường hợp xảy để đưa biện pháp khắc phục trước đưa vào hoạt động thực tế Các trường hợp ngây lỗi hoạt động thực tế nhiều mà khó xác định dự đoán 2.2 Yêu cầu hệ thống ❖ Hệ thống cần đạt yêu cầu sau: Bảo vệ robot tránh vật cản, tránh va đập gây hư hỏng cho robot Bảo vệ robto tránh hố sâu hay xuống cầu thang, tránh robot bị rơi gây hư hại robot • Phương án giải quyết: Sử dụng cảm biến đo khoảng cách nhằm trì khoảng cách an tồn robot vật cản tránh robot va chạm với vật cản Có nhiều cảm biến đo khoảng cách sử dụng thực tế: cảm biến siêu âm, cảm biến hồng ngoại, cảm biến lazer,… Trong trường hợp này, nhóm em chọn cảm biến siêu âm vì: tầm hoạt động ổn định cảm biến siêu âm khoảng cách 100cm, sai số 0.3cm Ngoài ra, cảm biến siêu âm cịn có góc qt rộng gần 15 độ Việc có góc quét rộng cảm biến lại mang lại ưu điểm phát vật cản với nhiều kích thước khác Hình 1: Nguyên lý hoạt động cảm biến siêu âm Sinh viên: Đinh Hùng Lực Mã SV: 1662030015 Đồ án tốt nghiệp GVHD: Nguyên Đạt Lộc Vậy muốn cho robot tránh vật cản ta cần trì khoảng cách an toàn với vật mà cảm biến siêu âm nhận diện Dựa theo yêu cầu đề ta có thuật tốn sau: Hình 2: Sơ đồ thuật tốn Để robot di chuyển tránh hố ta phải trì khoảng cách từ xe đến cho khoảng cách ln trì, vị trí cần so sánh đầu xe Vì đầu xe phận dẫn hướng xe di chuyển Để thực yêu cầu nhóm sử dụng cảm biến đo khoảng cách tia hồng ngoại Tia hồng ngoại có chất có chất với ánh sáng, có ưu điểm tốc độ truyền nhận tín hiệu nhanh so với cảm biến siêu âm vùng nhận diện lại nhỏ cảm biến siêu âm 2.3 Tiêu chuẩn để lựa chọn 2.3.1Vi điều khiển Từ điều kiện thuật tốn đưa nhóm định chọn vi điều khiển arduino UNO R3 làm vi điều khiển cho hệ thống Giới thiệu arduino: Arduino UNO sử dụng vi điều khiển họ 8bit AVR ATmega8, ATmega168, ATmega328 Bộ não xử lí tác vụ đơn giản điều khiển đèn LED nhấp nháy, xử lí tín hiệu cho xe điều khiển từ xa, làm trạm đo nhiệt độ - độ ẩm hiển thị lên hình LCD,… Sinh viên: Đinh Hùng Lực Mã SV: 1662030015 Đồ án tốt nghiệp GVHD: Nguyên Đạt Lộc Hình 3: Arduino Uno R3 • Vi điều khiển: ATmega328 họ 8bit • Điện áp hoạt động: 5V DC (chỉ cấp qua cổng USB) • Tần số hoạt động:16 MHz • Dòng tiêu thụ: khoảng: 30mA • Điện áp vào khuyên dùng: 7-12V DC • Điện áp vào giới hạn: 6-20V DC • Số chân Digital I/O: 14 (6 chân hardware PWM) • Số chân Analog: (độ phân giải 10bit) • Dịng tối đa chân I/O: 30 mA • Dịng tối đa (5V): 500 mA • Dịng tối đa (3.3V): 50 mA • Bộ nhớ flash: 32 KB (ATmega328) với 0.5KB dùng bootloader • SRAM: KB (ATmega328) • EEPROM: KB (ATmega328) • Sơ đồ chân: Sinh viên: Đinh Hùng Lực Mã SV: 1662030015 Đồ án tốt nghiệp GVHD: Ngun Đạt Lộc 3.5 Mơ hình robot mơ lắp ghép hồn chỉnh Hình 36: Mơ lắp ghép robot Hình 37: Mơ lắp ghép robot Hình 38: Mơ lắp ghép robot Sinh viên: Đinh Hùng Lực 34 Mã SV: 1662030015 Đồ án tốt nghiệp GVHD: Nguyên Đạt Lộc IV Sơ đồ nối dây Hình 39: Sơ đồ mô cách nối dây Sinh viên: Đinh Hùng Lực 35 Mã SV: 1662030015 Đồ án tốt nghiệp GVHD: Nguyên Đạt Lộc CHƯƠNG III: LẬP TRÌNH ĐIỀU KHIỂN VÀ KẾT QUẢ NHẬN ĐƯỢC I Chạy thử nghiệm kiểm tra lỗi 1.1 Chạy thử Kết chạy thử nghiệm: Mơ hình hoạt động thiết kế gặp số lỗi nhỏ như: • Khi gặp vật cản xe ko dừng mà di chuyển thêm quán tính, khắc phục cách giảm tốc độ di chuyển xe mức vừa phải nhằm giảm qn tính xe • Khi xe hoạt động cảm biến gặp lỗi nhỏ nhiều nguyên nhân gây lên như: nhiễu, vật cản có bề mặt gồ gề, cảm biến hồng ngoại nhận biết hố sâu kiểm tra bề mặt kính suốt,… • Ngồi cịn số lỗi nhóm chưa tìm ngun nhân 1.2 Nhiễu Đối với cảm biến siêu âm: • Do cách nhận diện vật cản theo nguyên lý phản hồi âm, nên gặp bề mặt không phẳng hay vật liệu tiêu âm cảm biến cho kết khơng cịn xác dẫn đến sai xót q trình di chuyển • Do âm gửi thu phản hồi có góc phản xạ nên bỏ qua số vật nhỏ góc phản xạ dẫn đến thiết bị di chuyển có va chạm nhỏ Đối với cảm biến hồng ngoại: • Do tia hồng ngoại có đặc trưng tia xạ nhiệt, nên robot di chuyển gặp phải chênh lệch nhiệt độ gây nhiễu cho cảm biến, vd: vùng chiếu nắng nhà robot di chuyển đến khu vực gặp nhiễu tín hiệu dẫn đến kết đo khơng cịn xác • Do tia hồng ngoại mang chất ánh sáng nên gặp vật suốt thủy tinh cảm biến không hoạt động II Kết luận Từ vốn kiến thức nhóm với yêu cầu tốn nhóm em thiết kế mơ hình xe tự hành, robot hoạt động ổn định gặp số lỗi tác động ngoại vi gây lên: Sinh viên: Đinh Hùng Lực 36 Mã SV: 1662030015 Đồ án tốt nghiệp GVHD: Nguyên Đạt Lộc • Thiết kế robot sơ xài đảm bảo độ ổn định di chuyển • Do mơ hình lên vấn đề ghép nối thiết bị chưa thật hồn hảo • Q trình tránh vật cản robot thực tốt xảy di chuyển qn tính khơng nhiều số trường hợp ảnh hưởng tới hoạt động robot • Các thiết bị hoạt động tốt bị xảy nhiễu môi trường số trường hợp gây lên cảm biến cho lại kết không xác Từ việc thiết chạy thử mơ hình thật, nhóm em nhận thấy nhiều kiến thức thực tế giúp cho thành viên có thêm nhiều kinh nghiệm việc đưa kiến thức giảng dạy vào công việc thực tế Sinh viên: Đinh Hùng Lực 37 Mã SV: 1662030015 Đồ án tốt nghiệp GVHD: Nguyên Đạt Lộc PHỤ LỤC Code lập trình Lập trình phần mềm Arduino IDE: #include Servo myservo; int pos = 0; const int trig = 6; const int echo = 5; int tien1=10; int tien2=11; int lui1=12; int lui2=13; int dongcoservo=9; int gioihan = 35; int i; int x=0; unsigned long thoigian; int khoangcach; int khoangcachtrai,khoangcachphai; void dokhoangcach(); void dithang(int duongdi); void disangtrai(); void disangphai(); void dilui(); void resetdongco(); void quaycbsangphai(); void quaycbsangtrai(); void setup() { myservo.attach(9); pinMode(trig,OUTPUT); pinMode(echo,INPUT); Sinh viên: Đinh Hùng Lực 38 Mã SV: 1662030015 Đồ án tốt nghiệp GVHD: Nguyên Đạt Lộc pinMode(2,OUTPUT); pinMode(3,OUTPUT); pinMode(4,INPUT); pinMode(tien1,OUTPUT); pinMode(tien2,OUTPUT); pinMode(lui1,OUTPUT); pinMode(lui2,OUTPUT); digitalWrite(tien1,LOW); digitalWrite(tien2,LOW); digitalWrite(lui1,LOW); digitalWrite(lui1,LOW); digitalWrite(2,HIGH); digitalWrite(3,LOW); myservo.write(90); delay(500); } void loop() { x = digitalRead(4); khoangcach=0; dokhoangcach(); if((khoangcach>gioihan||khoangcach==0)&&(x==0)) { dokhoangcach(); if((khoangcach>gioihan||khoangcach==0)&&(x==0)) { dithang(); } } else { resetdongco(); Sinh viên: Đinh Hùng Lực 39 Mã SV: 1662030015 Đồ án tốt nghiệp GVHD: Nguyên Đạt Lộc digitalWrite(lui1,HIGH); digitalWrite(lui2,HIGH); delay(200); digitalWrite(lui1,LOW); digitalWrite(lui2,LOW); quaycbsangtrai(); khoangcachtrai=khoangcach; quaycbsangphai(); khoangcachphai=khoangcach; if(khoangcachphai