Đồ án thiết kế hệ thống nhúng, học viện công nghệ bưu chính viễn thông (8)

HỌC VIỆN CƠNG NGHỆ BƯU CHÍNH VIỄN THƠNG KHOA KỸ THUẬT ĐIỆN TỬ I HỌC VIỆN CƠNG NGHỆ BƯU CHÍNH VIỄN THÔNG KHOA KỸ THUẬT ĐIỆN TỬ I BÁO CÁO MÔN HỌC ĐỒ ÁN HỆ THỐNG NHÚNG ROBOT TỰ HÀNH TRÁNH VẬT CẢN SỬ DỤNG BÁO CÁO MÔN HỌC ARDUINO UNO R3 NHÚNG ĐỒ ÁN HỆ Nhóm THỐNG Giảng viên hướng dẫn : NGUYỄN NGỌC MINH ROBOT TỰ HÀNH TRÁNH VẬT CẢN SỬ DỤNG ARDUINO UNO R3 Nhóm Sinh viên thực : NGUYỄN THẾ ĐẠO - B17DCDT030 Giảng viên hướng dẫn : NGUYỄN NGỌC MINH NGUYỄN THÀNH CHUNG - B17DCDT026 NGUYỄN TIẾN MẠNH - B17DCDT122 Sinh viên thực : NGUYỄN THẾ ĐẠO - B17DCDT030 NGUYỄN THÀNH CHUNG - B17DCDT026 NGUYỄN TIẾN MẠNH - B17DCDT122 Hà Nội - 2021 Hà Nội - 2021 LỜI CẢM ƠN LỜI MỞ ĐẦU……………………………………………………………………… Lý chọn đề tài…………………………………………………………… Mục đích đề tài………………………………………………………… Đối tượng phạm vi nghiên cứu………………………………………… CHƯƠNG 1: GIỚI THIỆU TỔNG QUAN VỀ ĐỀ TÀI 1: Giới thiệu Robot hình thành phát triển 1.1: Định nghĩa Robot 1.2: Tình hình phát triển 1.3: Ứng dụng Robot CHƯƠNG 2: GIỚI THIỆU VỀ ROBOT TỰ HÀNH TRÁNH VẬT CẢN 2.1: Giới thiệu Robot tự hành tránh vật cản 2.2: Tổng quan xe tự hành tránh vật cản 2.2.1: Sự phát triển 2.2.2: Mơ hình hóa Robot 2.2.3: u cầu công nghệ nhu cầu thực tế 2.2.4: Ưu nhược điểm Robot tự hành tránh vật cản CHƯƠNG 3: Cấu tạo phần cứng phương pháp điều khiển robot tự hành 3.1: Giới thiệu linh kiện chức 3.1: Thơng số chi tiết linh kiện mạch 3.1.1: Khối điều khiển trung tâm Arduino UNO R3 3.1.2: Khối điều khiển động 3.1.3: Khối hệ thống cảm biến SR04 3.1.4: Khối động Motor DC CHƯƠNG 4: Sơ đồ nguyên lý nguyên lý hoạt động mạch 4.1 Sơ đồ nguyên lý PHẦN 5: Kết luận hướng phát triển 5.1: Kết luận 5.2: Hướng phát triển LỜI CẢM ƠN Trên thực tế khơng có thành cơng mà không gắn liền với hỗ trợ, dù giúp đỡ hay nhiều, trực tiếp hay gián tiếp từ người xung quanh Trong trình làm đồ án tốt nghiệp em nhận nhiều giúp đỡ đóng góp ý kiến bảo nhiệt tình thầy cơ, gia đình bạn bè Trong q trình thực đồ án thực tập sở này, nhóm chúng em nhận giúp đỡ tận tình cán hướng dẫn ThS.Nguyễn Ngọc Minh Giảng viên Khoa Công nghệ Kỹ thuật Điện-Điện tử Học viện Cơng Nghệ Bưu Chính VIễn Thơng Chúng em xin cảm ơn tất người bên cạnh giúp đỡ chúng tơi gặp khó khăn tạo điều kiện tốt đề nhóm hồn thành chun đề này! Chúng em xin chân thành cảm ơn! SINH VIÊN THỰC HIỆN ĐỒ ÁN Nguyễn Thế Đạo Nguyễn Tiến Mạnh Nguyễn Thành Chung (Nhóm trưởng) PHẦN MỞ ĐẦU Lý lựa chọn đề tài: Hiện tin học ứng dụng rộng rãi hầu hết tảng xã hội quốc gia Một ứng dụng sử dụng gần ứng dụng cơng nghệ thơng tin vào cơng nghệ chế tạo điều khiển robot thông minh Xu phát triển ln có thay đổi mạnh mẽ khoa học công nghệ Nền tri thức góp phần làm nâng cao trình độ dân trí, chất lượng sống người Ngành khoa học công nghệ tạo sản phẩm Robot nghiên cứu ứng dụng hình thành năm gần gọi Robotics Mục đích đề tài: Áp dụng công nghệ thông tin, kĩ thuật lập trình để “ Xây dựng xe tự hành có khả tránh vật cản”, giúp tìm hiểu thực tế qua sản phẩm, từ lý thuyết đến thực tiễn Với toán này, yêu cầu đặt thời gian đáp ứng robot, độ tối ưu thuật tốn độ phức tạp mơi trường Nhiệm vụ luận văn giải vấn đề Đối tượng nghiên cứu: Sử dụng vi điều khiển Arduino R3: + Đọc liệu cảm biến siêu âm SRF05 + Điều khiển động Motor DC Phạm vi nghiên cứu: Không gian hoạt động xe mặt phẳng giới hạn bới bốn tường, vật cản xem vật cản chiều tĩnh hoàn toàn Chương I: Tổng quan RoBot 1) Giới thiệu robot hình thành phát triển 1.1) Định nghĩa Robot: Robot hay gọi “Người máy" loại máy thực công việc cách tự động điều khiển máy tính vi mạch điện tử lập trình Robot tác nhân khí, nhân tạo, ảo, thường hệ thống khí-điện tử Từ ngữ "robot" thường hiểu với hai nghĩa: robot khí phần mềm tự hoạt động Do đa dạng mức độ tự động hệ thống cơ-điện tử mà ranh giới phân chia robot với phần cịn lại khơng rõ ràng, thể quan niệm định nghĩa robot Về lĩnh vực Robot, Mỹ Nhật Bản nước đầu giới lĩnh vực 1.2) Tình hình phát triển: Robot tổng hợp có khoa học công nghệ Để thiết kế chế tạo robot, ta cần có tri thức tốn học, học, vật lý, điện tử,lý thuyết điều khiển, khoa học tính tốn nhiều tri thức khác.Để ứng dụng rô bốt, ta cần biết rõ đối tượng ứng dụng Robot sản phẩm tích hợp khoa học công nghệ với độ phức tạp cao Robot có tiến đáng kể nửa kỷ qua Robot ứng dụng công nghiệp vào năm 60 để thay người làm công việc nặng nhọc, nguy hiểm môi trường độc hại Do nhu cầu cần sử dụng ngày nhiều trình sản xuất phức tạp nên robot cần có khả thích ứng linh họat thơng minh Ngày nay, ngồi ứng dụng sơ khai ban đầu rơ bốt chế tạo máy ứng dụng khác y tế, chăm sóc sức khỏe, nơng nghiệp, đóng tàu, xây dựng, an ninh quốc phịng gia đình có nhu cầu gia tăng động lực cho robot địa hình robot dịch vụ phát triển 1.3) Ứng dụng robot: Robot đời giúp dây chuyền sản xuất tổ chức lại, suất hiệu sản xuất tăng lên rõ rệt.Trong ngành khí Robot sử dụng nhiều công nghệ Đúc , công nghệ hàn cắt kim loại, sơn, phun phủ kim loại, tháo lắp vận chuyển phôi lắp ráp sản phẩm Chương 2: Giới thiệu Robot tự hành tránh vật cản 2.1) Giới thiệu Robot tự hành tránh vật cản Xe tự hành tránh vật cản hay xe di động định nghĩa loại xe có khả tự di chuyển, tự vận động (có thể lập trình lại được) điều khiển tự động để thực thành công công việc giao.Theo lý thuyết môi trường hoạt động xe tự hành đất, nước, khơng khí, khơng gian vũ trụ hay tổ hợp chúng Địa hình bề mặt xe di chuyển phẳng thay đổi lồi lõm Theo phận thực chuyển động ta chia robot tự hành thành lớp: chuyển động chân bánh Trong đề tài nghiên cứu xe tự hành chuyển động bánh, xe tự hành chuyển động bánh làm việc tốt hầu hết địa hình người tạo Điều khiển di chuyển bánh đơn giản nhiều, gần đảm bảo tính ổn định Lớp chuyển động bánh chia làm loại: loại chuyển động bánh xe, loại chuyển động vịng xích loại hỗn hợp bánh xe vịng xích.Tiềm ứng dụng xe tự hành lớn, kể đến robot vận hành vật liệu, hàng hóa tịa nhà, nhà máy, cửa hàng, sân bay hay thư viện… robot xe lăn phục vụ người khuyết tật,… Mặc dù nhu cầu ứng dụng cao, hạn chế chưa giải robot tự hành chi phí chế tạo cao không cho phép chúng ứng dụng rộng rãi Ngồi cịn phải kể thêm nhược điểm robot tự hành thiếu tính linh hoạt thích ứng làm việc vị trí khác 2.2) Tổng quan Robot tự hành tránh vật cản 2.2.1) Sự phát Triển Ngày nay, Robot học đạt thành tựu to lớn sản xuất công nghiệp Những cánh tay robot có khả làm việc với tốc độ cao, xác liên tục làm tăng suất lao động tăng nhiều lần Chúng làm việc môi trường độc hại hàn, phun sơn, nhà máy hạt nhân, hay lắp ráp linh kiện điện tử tạo điện thoại, máy tính…một cơng việc địi hỏi tỉ mỉ, xác cao Tuy nhiên robot có hạn chế chung hạn chế khơng gian làm việc Không gian làm việc chúng bị giới hạn số bậc tự tay máy vị trí gắn chúng.Ngược lại, Robot tự hành laị có khả hoạt động cách linh hoạt mơi trường khác 2.2.2) Mơ hình hóa Robot Vấn đề robot tự hành tránh vật cản làm để robot tự hành tránh vật cản hoạt động, nhận biết mơi trường thực thi nhiệm vụ đề Vấn đề di chuyển, Robot tự hành tránh vật cản nên di chuyển cấu di chuyển lựa chọn tốt Điều hướng vấn đề nghiên cứu chế tạo Robot tự hành tránh vật cản Trong hiệp hội nghiên cứu Robot tự hành tránh vật cản có hướng nghiên cứu khác nhau: Hướng thứ nhất: nghiên cứu Robot tự hành tránh vật cản có khả điều hướng tốc độ cao nhờ thông tin thu từ cảm biến, loại robot có khả hoạt động mơi trường phịng mơi trường bên ngồi Loại robot u câù khả tính tốn đồ sộ trang bị cảm biến có độ nhạy cao, dải đo lớn để điều khiển robot di chuyển tốc độ cao, mơi trường có địa hình phức tạp Hướng thứ hai: nhằm giải vấn đề loại robot tự hành tránh vật cản dùng để hoạt động mơi trường phịng Loại robot tự hành tránh vật cản có kết cấu đơn giản loại trên, thực nhiệm vụ đơn giản Bài toán dẫn hướng cho robot tự hành tránh vật cản chia làm loại: toán tồn cục ( global) tốn cục (local) Ở tồn cục, mơi trường làm việc robot hoàn toàn xác định, đường vật cản hồn tồn biết trước Ở tốn cục bộ, mơi trường hoạt động robot chưa biết trước biết phần Các cảm biến thiết bị định vị cho phép robot xác định vật cản, vị trí mơi trường giúp tới mục tiêu Các vấn đề gặp phải điều hướng cho Robot tự hành tránh vật cản thường giống loại robot khác Để điều hướng cho Robot tránh vật cản, định theo thời gian thực phải dựa vào thông tin liên tục môi trường thông qua cảm biến, môi trường phịng ngồi trời, điểm khác biệt lớn so với kỹ thuật lập kế hoạch ngoại tuyến Robot tự hành tránh vật cản phải có khả tự định phương thức điều hướng, định hướng chuyển động để tới đích thực nhiệm vụ định Điều hướng cho robot tự hành tránh vật cản cơng việc địi hỏi phải thực số khả khác nhau, bao gồm : khả di chuyển mức bản, ví dụ hoạt động tới vị trí cho trước, khả phản ứng kiện theo thời gian thực, ví dụ có xuất đột ngột vật cản; khả xây dựng, sử dụng suy trì đồ 10 BẮT ĐẦU Đo khoảng cách phía trước R0 > 50 Sai Đo khoảng cách bên R150 R1>R2>50 saiđúng Đi lùi sai Rẽ phải  Rẽ trái Đi thẳng st 13 Hình ảnh: Nguyên lý hoạt động mạch Nguyên lý hoạt động mạch: - Sử dụng cảm biến SRF05 đọc khoảng cách tới vật cản Nếu khơng có vật cản tiếp tục thẳng Nếu có vật cản đo khoảng cách bên trái, bên phải rẽ sang bên - có khoảng cách lớn Nếu có vật cản hai bên lùi đến khơng có vật cản hai bên rẽ Ngun lý đo khoảng cách cảm biến siêu âm SRF05 SRF05 sử dụng nguyên lý phản xạ sóng để đo khoảng cách Khi muốn đo khoảng cách SRF05 phát xung với tần số 40KHz sau chờ đợi xung phản xạ Thời gian từ lúc xung xung dễ dàng tính khoảng cách từ SRF05 tới vật cản Khi phát xung chờ xung phản xạ về, chân Echo SRF05 kéo lên mức cao(echo =1) có xung phản xạ chân Echo kéo xuống thấp sau 30us khơng có xung phản xạ Trung tâm điều khiển vào kết đo đạc cảm biến SRF05 tiến hành xử lý định điều khiển động hay động Đo hoảng cách với SRF05 đo thời gian chân Echo mức cao Khi muốn đo khoảng cách ta kích hoạt chân Trigger, xung tối thiểu 10ms sau đợi chân echo lên mức cao Kích hoạt timer đợi chân Echo xuống mức thấp, chân Echo xuống mức thấp dừng timer tính tốn giá trị từ timer để suy khoảng cách 14 15 3.1 Thông số chi tiết linh kiện mạch 3.1.1 Khối điều khiển trung tâm Arduino UNO R3 a Arduino gì? Arduino tảng mã nguồn mở phần cứng phần mềm Phần cứng Arduino (các board mạch vi xử lý) sinh thị trấn Ivrea Ý, nhằm xây dựng ứng dụng tương tác với với môi trường thuận lợi Phần cứng bao gồm board mạch nguồn mở thiết kế tảng vi xử lý AVR Atmel 8bit, ARM Atmel 32-bit Những Model trang bị gồm cổng giao tiếp USB, chân đầu vào analog, 14 chân I/O kỹ thuật số tương thích với nhiều board mở rộng khác Mạch Adruno Uno R3 Thông số kĩ thuật 16 c Cấp nguồn chân nguồn Cấp nguồn Arduino UNO cấp nguồn 5V thơng qua cổng USB cấp nguồn với điện áp khuyên dùng 7-12V DC giới hạn 6-20V Thường cấp nguồn pin vng 9V hợp lí bạn khơng có sẵn nguồn từ cổng USB Nếu cấp nguồn vượt ngưỡng giới hạn trên, bạn làm hỏng Arduino UNO Các chân nguồn GND (Ground): cực âm nguồn điện cấp cho Arduino UNO Khi bạn dùng thiết bị sử dụng nguồn điện riêng biệt chân phải nối với 5V: cấp điện áp 5V đầu Dòng tối đa cho phép chân 500mA 17 3.3V: cấp điện áp 3.3V đầu Dòng tối đa cho phép chân 50mA Vin (Voltage Input): để cấp nguồn cho Arduino UNO, bạn nối cực dương nguồn với chân cực âm nguồn với chân GND IOREF: điện áp hoạt động vi điều khiển Arduino UNO đo chân Và dĩ nhiên ln 5V Mặc dù bạn không lấy nguồn 5V từ chân để sử dụng chức khơng phải cấp nguồn RESET: việc nhấn nút Reset board để reset vi điều khiển tương đương với việc chân RESET nối với GND qua điện trở 10KΩ 3.1.2 Khối điều khiển động Module L298 a Module L298 gì? Module điều khiển động L298 module gồm mạch cầu H tích hợp IC L298, nhờ module điều khiển động riêng biệt 18 Module L298 b Thông số kỹ thuật Driver: L298N tích hợp hai mạch cầu H Điện áp điều khiển: +5 V ~ +12 V Dòng tối đa cho cầu H là: 2A (=>2A cho motor) Điện áp tín hiệu điều khiển: +5 V ~ +7 V Dịng tín hiệu điều khiển: ~ 36mA (Arduino chơi đến 40mA nên khỏe re bạn) Cơng suất hao phí: 20W (khi nhiệt độ T = 75 ℃) Nhiệt độ bảo quản: -25 ℃ ~ +130 ℃ 19 c Cấp nguồn chân nguồn Cấp nguồn Bộ nguồn 12V:Ở loại động mà ta chọn 12V Các chân nguồn Chân A Enable, B Enable chân điều khiển tốc độ động riêng Input: Là chân điều khiển chiều quay động Output A, Output B: Là đầu kết nối với động 3.1.3 Khối hệ thống cảm biến SRF05 a Cảm biến SRF05 gì? Cảm biến khoảng cách hay gọi cảm biến siêu âm loại cảm biến phổ biến Cảm biến đo khoảng từ đến 300 cm Cảm biến siêu âm Ultrasonic HC-SRF05 sử dụng để nhận biết khoảng cách từ vật thể đến cảm biến nhờ sóng siêu âm, cảm biến có thời gian phản hồi nhanh, độ xác cao, phù hợp cho ứng dụng phát vật cản, đo khoảng cách sóng siêu âm Cảm biến SRF 05 Nguyên lý hoạt động: Để đo khoảng cách, ta phát xung ngắn (5 microSeconds - ú) từ chân Trig Sau đó, cảm biến tạo xung HIGH chân Echo nhận lại sóng phản xạ pin 20 Chiều rộng xung với thời gian sóng siêu âm phát từ cảm biển quay trở lại Cảm biến SRF05 hoạt động dựa nguyên tắc phát xung tính thời gian từ lúc phát xung đến lúc nhận xung Từ tính khoảng cách cách với thời gian vừa đọc nhân với vận tốc sóng siêu âm b Thông số kỹ thuật Điện áp hoạt động: 5VDC Dịng tiêu thụ: 10~40mA Tín hiệu giao tiếp: TTL Chân tín hiệu: Echo, Trigger Góc qt: nối vi điều khiển (ngõ phát) (pin arduino) (có thể sử dụng mức áp 3.3V để kích cảm biến mà không ảnh hưởng đến kết quả) Echo -> nối vi điều khiển (ngõ thu) (pin arduino) Gnd -> nối âm 1.5 Khối động Motor DC a Động Motor DC gì? Động DC giảm tốc V1 Dual Shaft Plastic Geared TT Motor loại lựa chọn sử dụng nhiều cho thiết kế khung Robot, xe, thuyền, , động có chất lượng giá thành vừa phải với khả dễ lắp ráp đem đến chi phí tiết kiệm tiện dụng cho người sử dụng b Thông số kỹ thuật Điện áp hoạt động : 3~9VDC Dịng điện tiêu thụ: 110~140mA • Đây sản phẩm sau lắp đặt thành công 22 23 Chương 4: Sơ đồ nguyên lý 3.1 Sơ đồ nguyên lý proteus 24 Chương 5: Kết luận hướng phát triển 5.1 Kết luận + Mơ hình xe tương đối xác + Tuy nhiên tốc độ cịn tương đối chậm + Những góc nhỏ hẹp xe cịn nhiều khó khan, mắc phải hạn chế 5.2 Hướng phát triển + Cải tiến mơ hình xe lớn hơn, chạy nhanh hơn, khắc phục hạn chế cịn mắc phải + Xây dựng mơ hình kết hợp với dò dường điều khiển từ xa wifi qua điện thoại 25 Tài liệu tham khảo [1]https://mlab.vn/index.php?_route_=20736-huong-dan-su-dung-module-cambien-sieu-am-hy-srf05.html [2]http://arduino.vn/result/1306-robot-tranh-vat-can? fbclid=IwAR3eHVFnK5I3UwFJNuU4GHi2e8MoQ1diGjrDWGQG5RLlGiYJkr64 YkW8mYs [3]http://arduino.vn/bai-viet/893-cach-dung-module-dieu-khien-dong-co-l298ncau-h-de-dieu-khien-dong-co-dc [4] https://123doc.net//document/2666907-do-an-tot-nghiep-de-tai-xe-tu-hanh- tranh-vat-can-su-dung-cam-bien-sieu-am-srf05-va-co-dieu-khien-tu-xa.htm 26 27 ... trình thực đồ án thực tập sở này, nhóm chúng em nhận giúp đỡ tận tình cán hướng dẫn ThS.Nguyễn Ngọc Minh Giảng viên Khoa Công nghệ Kỹ thuật Điện-Điện tử Học viện Cơng Nghệ Bưu Chính VIễn Thơng... hình phát triển: Robot tổng hợp có khoa học công nghệ Để thiết kế chế tạo robot, ta cần có tri thức toán học, học, vật lý, điện tử,lý thuyết điều khiển, khoa học tính tốn nhiều tri thức khác.Để ứng... Một ứng dụng sử dụng gần ứng dụng cơng nghệ thơng tin vào công nghệ chế tạo điều khiển robot thơng minh Xu phát triển ln có thay đổi mạnh mẽ khoa học công nghệ Nền tri thức góp phần làm nâng cao