Đồ án thiết kế hệ thống Cơ- điện tử thiết kế robot dò line

2 3.3.3 Tính toán khoáng cách đặt cảm biến cho với trục của bánh dẫn động... Xe sử dụng cơ cấu lái Ackerman, hai bánh trước được cố định trực tiếp với khung cảm biến dò line, đồng thời đ

1

Mục lục

Chương 1 : TỔNG QUAN 4

1.1 Đề bài đặt ra : 4

1.2 Giới thiệu: 5

1.3 Tình hình nghiên cứu trong và ngoài nước: 5

1.3.1 Ngoài nước: 5

1.3.2 Trong nước: 8

Chương 2 : LỰA CHỌN PHƯƠNG ÁN 10

2.1 Cơ khí 10

2.1.1 Sơ đồ nguyên lý 10

2.1.2 Bánh xe 11

2.1.3 Động cơ 12

2.1.4 Cảm biến 13

2.1.5 Phương án điều khiển: 14

2.1.6 Giải thuật điều khiển: 14

2.1.7 Phương án thiết kế : 14

Chương 3 : HỆ THỐNG CƠ KHÍ 15

3.1 Bánh xe: 15

3.1.1 Bánh chủ động: 15

3.1.2 Bánh bị động: 15

3.2 Tính toán lựa chọn động cơ 15

3.3 Tính toán thiết kế thân xe: 18

3.3.1 Thiết kế kích thước thân xe 18

3.3.2 Tính toán trọng tâm xe 21

2

3.3.3 Tính toán khoáng cách đặt cảm biến cho với trục của bánh dẫn động.

22

3.3.4 Bố trí thiết bị : 23

Chương 4 : HỆ THỐNG ĐIỆN 24

4.1 Sơ đồ tổng quan: 24

4.2 Nguồn: 25

4.3 Lựa chọn driver: 26

4.4 Thiết kế bộ điều khiển PID động cơ: 31

4.4.1 Động cơ trái: 31

4.4.2 Động cơ phải: 32

4.5 Thiết kế cảm biến: 32

4.5.1 Thiết kế gá đặt cảm biến: 32

4.5.2 Test độ cao cảm biến phù hợp: 35

4.5.3 Lựa chọn số lượng cảm biến: 36

Calibration 37

4.5.4 Thiết kế mạch cảm biến: 38

Chương 5 : HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN 39

5.1 Mô hình hóa: 39

5.2 Thiết kế bộ điều khiển 41

5.3 Kết quả mô phỏng 43

5.4 Giải thuật điều khiển: 47

5.4.1 Giải thuật tính sai số e2 47

5.4.2 Sơ đồ khối bộ điều khiển: 47

5.4.3 Giải thuật điều khiển xe: 48

3

Lưu đồ giải thuật 50

Chương 6 : KẾT QUẢ THỰC NGHIỆM 52

6.1 Kết quả chạy xe 52

6.2 Trải nghiệm trong quá trình làm đồ án 53

- Đường line liên tục

Robot bắt buộc phải chạy theo chiều quy định đã ghi trên sa bàn (hình 1)

Khi bắt đầu, robot được đặt tại vị trí START (điểm A), sau đó robot chạy theo thứ

tự qua các điểm nút quy định lần lượt như sau:

(START) A → B → C → D → E → F → C → G → A → C → E (END)

Hình 1-1 Sa bàn di chuyển của robot

Bên cạnh đó còn các ràng buộc về xe dò line như sau:

- Tốc độ tối thiểu của robot: 0,2 m/s

- Đường kính các bánh xe: d ≤ 200mm

- Số lượng bánh xe (chủ dộng và bị động): tùy chọn

Mobile robot là một loại robot có khả năng tự dịch chuyển, tự vận động có khả năng hoàn thành công việc được giao Trong đó robot dò line là loại robot có thể tự xác định vị trí tương đối của mình và di chuyển bám theo một quỹ đạo (line từ, line màu) đã định sẵn

Hiện nay, robot dò line đã và đang được ứng dụng rộng rãi và ngày càng hoàn thiện trong lĩnh vực thăm dò đại dương, tự hành trên không, trong các môi trường kho bãi, nhà xưởng để vận chuyển hàng hóa thay con người hoặc dùng để nghiên cứu kỹ thuật trong các cuộc thi ở các quy mô khác nhau

1.3 Tình hình nghiên cứu trong và ngoài nước:

1.3.1.2 FH Westküste là robot dò line của đội vô địch cuộc thi MCU Car Rally

được tổ chức tại Nuremberg vào năm 2015

Xe được cấu tạo giống xe đua thực tế với gầm thấp và thân dài về phía trước

Xe sử dụng cơ cấu lái Ackerman, hai bánh trước được cố định trực tiếp với khung cảm biến dò line, đồng thời được điều khiển bằng một động cơ servo nhằm điều hướng cho xe, động cơ sau tạo lực đẩy xe tiến lên thông qua cơ cấu

vi sai

Hình 1-5 Đường line MCU Car Rally 2015

8

Bảng 1.2 Thông sô ́ kỹ thuật Xe dò line FH Westküste

9

 Ưu điểm : xe đảm bảo khả năng cân bằng tốt

 Nhược điểm : không đảm bảo độ đồng phẳng do đó cần một hệ thống

treo để đảm bảo xe tiếp xúc với mặt đường

1.3.2.2 Xe UIT-Mon - Nguyễn Tiến Đình - Giải nhất cuộc thi năm 2013

Số lượng bánh xe: 3 bánh, 2 bánh sau gắn dẫn động, bánh trước tự lựa

Tốc độ đạt được: 1,5m/s

- Sai số: 20 mm

 Ưu điểm : 3 bánh xe luôn tiếp xúc với bề mặt di chuyển, đáp ứng nhanh

do phần cảm biến đặt xa bánh chủ động

 Nhược điểm : dễ bị lật khi tải trọng đặt lệch so với trọng tâm, khó ôm

cua do chiều dài xe lớn

Hình 1-7 Sơ đồ xe UIT-Mon

10

2.1 Cơ khí

2.1.1 Sơ đồ nguyên lý

Đặc điểm và yêu cầu của xe:

- Xe di chuyển trên địa hình bằng phẳng không có dốc nghiêng

tự lựa phía sau

2 bánh tự lựa phía trước và 2 bánh chủ động phía sau

2 bánh tự lựa phía trước có hệ thống treo

* Ưu điểm:

- Xe có kết cấu đơn giản

-Xe có 4 bánh nên

* Ưu điểm:

-Xe bẻ lái dễ dàng khi qua cua và không bị lật dù

- Xe dù có lực bên ngoài cũng khó bị văng ra khỏi đường line hơn là bánh tự lựa phía trước

-Qua cua dễ dàng

*Nhược điểm:

- Do xe mang tải nặng nên khi qua cua xe dễ bị lật

- Mô hình: Arobot mobile robot vận tốc tối đa 0.25 m/s

khi qua cua dù mang tải nặng cũng không

bị lật như xe 3 bánh

*Nhược điểm:

-Khó đảm bảo cho 4 bánh xe luôn đồng phẳng

- khó qua cua do đặc điểm của bánh xe tự lựa

- Mô hình: line following robot trong cuộc thi Cosmobot với tốc độ tối đa lên tới 3m/s

Silvestre-mang tải nặng

- 4 bánh xe luôn đồng phẳng do có

hệ thống treo

* Nhược điểm:

- Thiết kế cơ khí phức tạp khó chế tạo

- khó điều khiển

- Mô hình: Smart Car trong cuộc thi The Freescale

12

+ Nhẹ, bền, khả năng bám đường tốt

+ Đường kính bánh xe 𝑑 ≤ 200𝑚𝑚

+ Di chuyển trên địa hình bằng phẳng

- Phương án lựa chọn: dựa trên đặc điểm của các loại bánh và yêu cầu cần đáp ứng, nhóm lựa bánh thông thường có gai: bánh V3

- Xử lý nhanh khi vào cua

- Phù hợp hoàn cảnh kinh tế sinh viên

 Chọn phương án bánh mắt trâu

2.1.3 Động cơ

→ Theo đề bài, với yêu bài toán xe đạt vận tốc 1 m/s trong thời gian mong muốn 1s, nhóm chọn động cơ DC servo có encoder

13

2.1.4 Cảm biến

Các yêu cầu khi lựa chọn cảm biến

- Khả năng đáp ứng nhanh sự thay đổi màu sắc giữa trắng và đen

- Có khả năng nhận biết những đoạn line gấp khúc đột ngột

- Ít bị nhiễu

- Dễ tìm kiếm, mua được trên thị trường và giá thành hợp lí

Dựa trên sự phân tích các phương án về sensor ở phần tổng quan, ta thấy sử dụng phototransitor là hợp lý cũng như đáp ứng được các yêu cầu kĩ thuật của thực tế cuộc thi Dựa trên đặc tính độ nhạy cao của phototransitor, hai phương án sử dụng loại sensor này được đề xuất:

- Phototransistor kết hợp với LED thường

- Phototransistor kết hợp với LED hồng ngoại

 Đối với đường line màu có độ tương phản cao vì thế LED hồng ngoại cho độ nhạy cao hơn nhưng cần phải che chắn để chống nhiễu Đối với đường đua mà màu line với màu của nền có độ tương phản thấp, sử dụng LED thường sẽ hiệu quả hơn

 Thực tế đường line cho thấy màu có độ tương phản cao (line đen, nền trắng) nên nhóm chọn phương án Phototransistor kết hợp với LED hồng ngoại

- Số lượng cảm biến:

Bảng 2.2 So sánh số lượng cảm biến

Ưu

- Bắt được line tốt hơn do có

1 cảm biến ở tâm line (so với số cảm biến chẵn)

- Giảm chi phí (so với 7)

- Hạn chế nhiễu (so với 7)

- Bắt được line tốt hơn do có 1 cảm biến

ở tâm line (so với số cảm biến chẵn)

- Giữ được vận tốc cao khi vào cua và khi giao nhau giữa các line (so với 5)

do bắt line giao nhau sớm

- Bám line tốt hơn Nhược - Vào cua bám line không tốt, - Tốn thêm chi phí

14

xe trượt xa so với đường line (so với 7)

 Do đó, nhóm chọn sử dụng 7 cảm biến

2.1.5 Phương án điều khiển:

Các tiêu chí để lựa chọn phương án điều khiển :

- Mạch điều khiển thiết kế đơn giản, giảm khối lượng xe

- Dễ dàng chỉnh sửa và khắc phục lỗi khi lập trình

- Dễ dàng thay thế và nâng cấp

- Giá thành hợp lý

 Dựa trên các tiêu chí trên, nhóm chọn phương án điều khiển tập trung

2.1.6 Giải thuật điều khiển:

Các tiêu chí để lựa chọn giải thuật điều khiển :

Phương án thiết kế robot được lựa chọn:

- Sơ đồ nguyên lý: robot 3 bánh (2 bánh V3 chủ động , 1 bánh mắt trâu dẫn hướng)

- Cảm biến: bộ 7 LED hồng ngoại-Phototransistor

- Động cơ: động cơ DC có gắn encoder

- Cấu trúc điều khiển: bộ điều khiển tập trung

- Giải thuật điều khiển: bộ điều khiển Follow-tracking

15

Chương này bao gồm lựa chọn bánh xe, tính toán chọn động cơ, tính toán kích thước

xe, thiết kế đồ gá cho động cơ, bố trí các bộ phận xe

Bánh bị động chọn bánh mắt trâu để tránh hiện tượng shopping-cart

3.2 Tính toán lựa chọn động cơ

Để xe chuyển động, động cơ có vai trò cung cấp moment cho các bánh Quá trình chuyển động này chịu ảnh hưởng đáng kể của khối lượng xe và ma sát giữa bánh xe và mặt đường

Mục tiêu:

- Vận tốc mong muốn v=1m/s

- Thời gian mong muốn: t=1s

- Gia tốc mong muốn a=1 m/s

16

- Momen quán tính quanh tâm bánh xe:

𝐼 =1

2𝑚𝑅2

- Cân bằng momen quanh tâm bánh xe, ta được:

Dòng khi động cơ bị giữ

Tốc độ khi không tải

Tốc độ khi có tải

Momen

Momen động cơ khi bị giữ

12V 13.2W

80 mA

600 mA 2.29 A

320 rpm

284 rpm 1,88kgf.cm 7.96kgf.cm

Vậy động cơ đã chọn thỏa mãn mục tiêu đặt ra

3.3 Tính toán thiết kế thân xe:

3.3.1 Thiết kế kích thước thân xe

Tính toán chiều dài và chiều rộng xe

𝐿𝑅Dựa vào quan hệ hình học ta có :

𝛿2 = 𝐴𝑂𝐶̂ ; 𝛼 − 𝛿1 = 𝐶𝑂𝐵̂

𝛿1, 𝛿2 : góc lệch bên của bánh trước và bánh sau

L : Chiều dài thân xe

R : bán kính cong quỹ đạo

Lực li tâm :

𝐹𝑙𝑡 =𝑀𝑣

2𝑅Trong đó : - M là khối lượng của xe

- 𝑣 là vận tốc dài của xe

𝑃𝑏

𝐿 = 𝑃1;

𝑃𝑎

𝐿 = 𝑃2Suy ra :

𝐹𝑦1 =𝑃1𝑣

2

𝑔𝑅 𝐹𝑦2 =

𝑃2𝑣2𝑔𝑅

20

Ta lại có 𝐹𝑦 = 𝐶𝐿𝛿

Với : 𝐶𝐿 là hệ số trượt ngang của bánh xe

Lần lượt thay 𝐹𝑦1, 𝐹𝑦2 vào biểu thức 𝐹𝑦 ta tính được :

𝛿1 =𝐹𝑦1

𝐶𝐿1 =

𝑃1𝑣2𝑔𝑅𝐶𝐿1

𝛿2 =𝐹𝑦2

𝐶𝐿2 =

𝑃2𝑣2𝑔𝑅𝐶𝐿2Thay 𝛿1, 𝛿2 vào biểu thức (1) ta được :

𝛼 = 𝐿

𝑃1𝑣2𝑔𝑅𝐶𝐿1−

𝑃2𝑣2𝑔𝑅𝐶𝐿2

2𝑔

Ở đoạn cua ta cần quay một góc 45° nên chọn :

𝛼 = 𝜋4

𝐾 là hệ số quay vòng được mô tả ở hình dưới

R R

K < 0

Hệ số quay vòng thiếu

K > 0

Hệ số quay vòng thừa

3.3.2 Tính toán trọng tâm xe

Tại các đoạn đường chuyển hướng, xe có khả năng bị lật khi trọng tâm xe cao so với mặt đường Để tránh lật, moment sinh ra do trọng lực quanh tâm quay C phải lớn hơn moment của lực li tâm

Ta ước lượng khoảng cách 𝑏 giữa 2 bánh xe chủ động là 170 mm

𝐹𝑙𝑡 là lực li tâm được tạo ra khi qua khúc cua

Hình 3-3 Mô hình tính toán khi xe chuyển hướng

Hình 3-4 Mô hình toán khi xe chạy qua đoạn cong có bán kính 500mm

L e

Hình 3-5 Mô hình biểu diễn lúc xe vào cua

Gọi C là điểm cần điều khiển bám line, C trùng với tâm hai bánh dẫn động Giả sử ở thời điểm t xe bắt đầu đầu vào cua với vận tốc v, ta điều khiển được C trùng với E Dựa vào quan hệ hình học ta tính được:

𝑒 = 𝑟 − √𝑟2− 𝑑2Với:

- e là sai số dò line (mm)

- r là bán kính cong (mm)

- d là khoảng cách từ cụm cảm biến đến tâm hai bánh dẫn động (mm)

Ta chọn sơ bộ 𝑒 ≤ 15 (𝑚𝑚), và đề bài cho 𝑟 = 500 (𝑚𝑚) Khi đó ta tính được :

𝑑 ≤ √2𝑒𝑟 − 𝑒2

⟺ 𝑑 ≤ 122 (𝑚𝑚) Chọn sơ bộ 𝑑 = 70 (𝑚𝑚)

23

3.3.4 Bố trí thiết bị :

Kích thước bao của xe phụ thuộc vào kích thước và việc sắp xếp các linh kiện điện, điện tử, khoảng cách được mô phỏng giữa sensor và các bánh chủ động Ngoài ra tỉ lệ kích thước dài-rộng của xe nên được chọn theo tỉ số √5 nhằm giảm thiểu tối đa ảnh hưởng của các yếu tố động lực học lên xe Các thiết bị được đặt trên thân xe :

- Chiều dài khổi động cơ ( từ gá đến encoder) khoảng 62 mm

- Ước tính và chọn bề rộng xe khoảng 170 mm (khoảng cách 2 bánh)

- Ước tính và chọn chiều dài xe khoảng 245 mm

- Vật liệu thân xe: mica 4 mm

Hình 3-6 Mô phỏng 3D xe

Bảng 4.2.2 Thông số của mạch giảm áp

 Driver: Tích hợp hai mạch cầu H

 Điện áp điều khiển 5V-12V

 Dòng tối đa cho mỗi cầu H là: 2A (2A cho mỗi motor)

 Điện áp tín hiệu điều khiển: 5V-7V

 Công suất hao phí 20W (khi t = 750) Các chân của L298

 12V, 5V, GND là 2 chân cấp nguồn trực tiếp cho động cơ

 2 chân jump enable A, enable B

 Gồm 4 chân input: IN1, IN2, IN3, IN4

 4 chân output nối với hai động cơ

27

Hình 4-4:Driver L298 Thông số Giá trị

Dòng ngõ ra liên tục cho mỗi cầu, 𝐴 2

Bảng 4.3.2 Số Liệu thử nghiệm L298 với động cơ trái

Hình 4-5:Đồ thị giữa PWM(%) và vận tốc quay động cơ trái

- Từ dữ liệu Bảng 4.3.2 và đồ thị Hình 4-5, mối quan hệ giữa PWM và vận

tốc quay động cơ tuyến tính

- Dựa trên dạng đáp ứng của khối driver – động cơ 1 theo thời gian , hàm truyền của khối driver – động cơ 1 được xấp xỉ bằng cách xem như hệ là hệ bậc 1

29

Hình 4-6:Đồ thị đáp ứng theo thời gian khối driver – động cơ trái

(𝑡𝑠𝑎𝑚𝑝𝑙𝑒 = 0.02(𝑠), 𝑃𝑊𝑀 = 100%) Thời gian đáp ứng của khối là 𝑡𝑟𝑒𝑠 = 0.04(𝑠)

Hàm truyền của khối được xác định theo công thức:

G(s) = K

1+TsTrong đó 𝐾 ≈ 168.108 và 𝑇 ≈ 0.11261

Vậy hàm truyền của khối driver – động cơ 1:

G(s) = 168.108

1+0.11261s

 Bảng số liệu thử nghiệm Driver L298N với động cơ phải

Tưng tự với động cơ trái số liệu thử nghiệm ở trên:

(%)

RPM (vòng/phút)

Bảng 4.3.3 Số liệu thử nghiệm L298 với động cơ phải

Hình 4-7: Đồ thị giữa PWM(%) và vận tốc quay động cơ phải

31

Hình 4-8: Đồ thị đáp ứng theo thời gian khối driver – động cơ phải

(𝑡𝑠𝑎𝑚𝑝𝑙𝑒 = 0.02(𝑠), 𝑃𝑊𝑀 = 100%) Hàm truyền của khối driver-động cơ 2 xác định được:

 Steady state error: 𝑒𝑠𝑠 = 7%

 Overshoot: 𝑀 ≈ 5%

 Steady state error: 𝑒𝑠𝑠 = 6%

 Overshoot: 𝑀 ≈ 5%

4.5 Thiết kế cảm biến:

4.5.1 Thiết kế gá đặt cảm biến:

- Yêu cầu: thời gian đáp ứng lấy mẫu nhỏ hơn 0.02s

- Cảm biến được sử dụng: Phototransitor TCRT5000

 Dòng hoạt động tối đa của Ic là 100mA và IF là 20 mA

 Khoảng cách tối ưu để hạn chế khả năng nhiễu từ các cảm biến khác

Mạch điện 1 cảm biến TCRT5000 gồm 1 bộ phát là Diode hồng ngoại và 1

bộ thu là Phototransistor như sau:

33

Hình 4-9:Mạch điện một cảm biến

- Chọn cách đặt cảm biến:

 Có 2 cách đặt cảm biến: đặt dọc (position 1) và đặt ngang (position 2)

Hình 4-10:Ảnh hưởng của việc đặt cảm biếm đến Switching Distance

 Từ cách đặt trên khi cảm biến chuyển từ vùng màu đen sang màu trắng thì cảm biến phải duy chuyển một đoạn Xd thì giá trị analog mới thực được đọc

về Vì vậy để tránh hiện tượng tâm xe lệch khỏi tâm line thì chọn Xd nhỏ nhất để điều khiển chính xác hơn trong quá trình vận hành của xe

 Dựa và Hình ta chọn cảm biến nằm ngang (Position 1)

- Chọn khoảng cách giữa cảm biến với sa bàn

- Cảm biến TCRT5000 có góc LED phát (Emitter) là 16o và LED thu (Collector)

là 30o

34

Hình 4-11:Kích thước của cảm biến TCRT5000

Hình 4-12: Vùng hoạt động của một cảm biến TCRT5000

Hình 4-13: Khoảng cách nhỏ nhất giữa 2 cảm biến

Do quá trình lắp đặt và nhiễu bởi các cảm biến khác nên ta chọn khoảng cách giữa các con cảm biển l = 20 mm

35

4.5.2 Test độ cao cảm biến phù hợp:

Với khoảng chiều cao dựa theo datasheet:

Hình 4-14:Mối quan hệ giữa giá trị thu về và khoảng cách

Hình 4-15: Kiểm tra khả năng hoạt động của cảm biến ở các độ cao

Từ kết quả thực nghiệm nhóm quyết định chọn độ cao 8cm cho về kết quả tốt

và ít bị nhiễu

e w

26 < 𝐿 < 109.3 Gọi 𝑛 là số cảm biến, với khoảng cách giữa hai cảm biến là 20(𝑚𝑚)

1.3 < 𝑛 − 1 < 5.465

Có thể chọn 𝑛 = {3,4,5}

37

Chọn 𝑛 = 5

Trong trường hợp tâm cảm biến ở mép đường line

3 2 1

1 Cảm biến TCRT5000

2 Đường line

3 Đường tâm đường line

Hình 4-17 : Trường hợp tâm cảm biến ở mép đường line

So sánh hai trường hợp đường line thẳng và tại vị trí giao các đường line, nếu chọn

𝑛 = 5, tất cả cảm biến nằm cùng một phía so với tâm cảm biến đều nhận tín hiệu phản

xạ về, như vậy khó để phân biệt được các vị trí cần chuyển hướng

Như vậy, ta cần thêm hai cảm biến ở hai đầu để giúp phân biệt các trường hợp khác nhau

Calibration

Viêc thu nhân tín hiêu analog giúp ta nhân biêt đươc sự thay đôi cua giá tri mỗi khi cảm biến di chuyển lại gần hay ra xa đường line Tuy nhiên, tín hiệu analog cho mỗi cảm biến khác nhau, làm viêc trong cùng điều kiện như nhau, cho ra giá tri khác nhau

kể cả các phần cảm biên như nhau Đây là lý do tại sao hiệu chuẩn (calibration) là cần thiết cho viêc lắp đặt các cảm biến quang trên robot dò line

Để Calib cảm biến, ta dùng công thức sau:

𝑦𝑗0 = 𝑦𝑚𝑖𝑛 + 𝑦𝑚𝑎𝑥 − 𝑦𝑚𝑖𝑛

𝑥𝑚𝑎𝑥,𝑖− 𝑥𝑚𝑖𝑛,𝑖(𝑥𝑗,𝑖 − 𝑥𝑚𝑖𝑛,𝑖) Trong đó:

 xmax,i và xmin,I là giá trị lớn nhất và nhỏ nhất đọc từ cảm biến thứ i

 ymax,i và ymin,I là giá trị lớn nhất và nhỏ nhất mà ta mong muốn cảm biến thứ i

 xj,i là giá trị đọc được thứ j của cảm biến thứ j của cảm biến thứ i

 yj0 là giá trị sau khi điều chỉnh xj,i

Bảng giá trị đọc analog từ cảm biến: