Thiết kế và chế tạo Robot hút bụi thông minh

Chương Tổng quan robot hút bụi thông minh 1.1 Đặt vấn đề Ngày với sống đại tiện nghi khái niệm robot khơng cịn xa lạ với Robot sử dụng rộng rãi phổ biến, xuất sản xuất cơng nghiệp mà cịn phục vụ gia đình, giải trí, gọi chung robot dịch vụ Bên cạnh nhịp sống ngày gấp rút hối hơn, xuất robot phục vụ tự động gia đình trở nên cấp thiết Sự xuất robot hút bụi tự động mang lại cho sống thêm tiện nghi đại Đồng hành với ta thấy ngày nhiều cải tiến, nâng cấp lĩnh vực vi điều khiển Các vi điều khiển có thị trường đa dạng, tốc độ xử lý ngày cao, tính hỗ trợ ngày mạnh mẽ Có thể đưa tiêu biểu AVR, PIC, Psoc, …Đó điều kiện thuận lợi để phát triển hệ thống nhúng đa dạng hơn, thông minh Trong xu cạnh tranh hãng phát triển vi mạch cố gắng tăng mật độ tích hợp vi mạch ngày cao, hạ giá thành đến mức thấp Người sử dụng dễ dàng sỡ hữu vi điều khiển tốc độ cao giá rẽ, công cụ phát triển 1.2 Giới thiệu số robot hút bụi 1.2.1 Robot Roomba Robot Roomba hãng iRobot robot hút bụi thông minh Không giống loại máy hút bụi thông thường Roomba thực công việc hút bụi cách hồn tồn tự động theo chương trình lập sẵn Roomba thích hợp cho gia đình văn phịng có gỗ, thảm, đá hoa Hình 1.1 Robot hút bụi Roomba Với kích thước nhỏ gọn robot di chuyển hết phịng, nơi mà máy hút bụi thơng thường khó vào gầm bàn, giường, sofa, … Hình 1.2 Kết cấu Robot RoomBa Các chức bật Roomba điều khiển từ xa remote control tự cảm nhận tránh vật cản, tự động sạc hết nguồn pin Roomba có khả di chuyển linh hoạt di chuyển hình xoắn ốc, zig zag, … Hình 1.3 Quỹ đạo di chuyển robot RoomBa Roomba trang bị chổi quét, chổi thứ đặt phía trước có chức qt bụi góc tường Chổi thứ hai chổi thứ ba có chiều quay ngược đưa bụi rác vào hộp đựng bụi Hộp đựng bụi mà lọc khơng khí Hình1.4 Hệ thống chổi RoomBa Robot Roomba có khả báo hết pin tự động tìm nơi sạc pin Hình 1.5 RoomBa tự động sạc pin 1.2.2 Robot LG Hombot Hombot robot hút bụi thông minh hệ hãng LG nghiên cứu chế tạo Hình 1.6 Robot LG HomBot Khơng vượt trội thiết kế mà đột phá cơng nghệ trang bị cho robot Hình dáng robot hình vng bo góc tạo mượt mà tăng diện tích làm góc tường Hình 1.7 Hình dáng bố trí chổi quét góc tường Hombot trang bị hai chổi quét, cảm biến siêu âm, camera, …vì nâng cao hiệu làm việc cho robot Hình 1.8 Kết cấu bố trí cảm biến Robot Hệ thống cảm nhận vật cản robot sử dụng cảm biến siêu âm, cảm giúp cho robot phát vật cản hiệu quả, đo khoảng cách chuẩn xác Robot tiếp xúc với vật cản từ khoảng cách nhỏ với mm Hình 1.9 Hombot tiếp xúc vật cản Hình 1.10 Bố trí nguồn ni chổi Robot Không giống robot hút bụi khác, Hombot hoạt động hiệu nhờ chế độ di chuyển hợp lý, hình xốy ốc, zigzag, phân ngăn, phân ô Trang bị camera nhận biết không gian, từ đưa lịnh trình làm việc hiệu cao Ví dụ như: nơi mà robot qua không lập lại, ưu tiên làm nơi bẩn Hình 1.11 Robot di chuyển kiểu Zigzag Hình 1.12 Robot di chuyển phân Hình 1.13 Robot di chuyển xoáy ốc Robot LG Hombot xác định vị trí khơng gian, tự báo hết pin tự động tìm chỗ sạc pin 10 Hình3.18 Sơ đồ quỹ đạo di chuyển Robot 41 Hình3.19 Lưu đồ thuật tốn - Mơ tả hoạt động: Khi ấn nút Start Robot bắt đầu thẳng Cách tường 25cm Robot dừng đo khoảng cách bên trái phải Nếu khoảng cách trái lớn phải (a − b > 25cm) Robot quay trái 180 độ với bánh xe trái tâm sau thẳng ngược lại khoảng cách phải lớn trái ( a − b > 25cm ) Robot quay trái 180 độ với bánh xe phải tâm sau thẳng Cách vật cản 25cm Robot men theo vật sau theo quỹ đạo trước lúc gặp vật Robot dừng hết phòng Chương Thiết kế board mạch điều khiển 4.1 Mạch cơng suất đảo chiều động Hình 4.1 Mạch nguyên lý khối công suất đảo chiều Theo mạch nguồn 12V từ acquy cấp cho động Phần công suất để điều khiển động linh kiện Mosfet IRF540 Theo thiết kế mạch có phần cách ly khối Vi điều khiển công suất Sử dụng opto quang để nhận tín hiệu điều khiển từ Atmega, đồng thời kích đóng mở IRF 540 Phần đảo chiều động ta sử dụng relay12 (VDPDT) Các chế độ hoạt động mạch sau: • Chế độ thuận: tín hiệu điều chế độ rộng xung PWM từ vi điều khiển kích chân opto, chân chân opto 42 thơng dẫn kích mở IRF từ chân số 1, chân chân thơng động quay thuận • Chế độ đảo: tín hiệu điện áp từ vi điều khiển kích chân opto, chân chân thông dẫn kích mở Transistor C1815 1.1 Linh kiện IRF540 Động giúp cho robot di chuyển có dịng tiêu thụ tối đa 2A, yêu cầu hoạt động xác công suất đủ để robot di chuyển linh hoạt Sử dụng MOSFET-N IRF 540 nhiệm vụ đóng mở động Như vậy, IRF540 tải dòng lớn 33A đủ để đáp ứng cho động cơ, điện trở cực nguồn (S) cực máng (D) mở nhỏ 44 (mΩ) nên sụt áp hai cực DS nhỏ cỡ 1V Thêm vào đó, IRF có sẵn diode Schottky để bảo vệ dịng ngược từ S sang D mà làm hỏng MOSFET IRF540 mở hoàn toàn 10V Relay 12V DPDT Hình Relay 12V DPDT Trong mạch thiết kế sử dụng relay 12VDPDT đảm nhiệm đảo chiều động Nguyên lý đóng mở relay phụ thuộc vào cấp nguồn cho cuộn dây tiếp điểm Cuộn dây cuộn lõi sắt từ Khi cuộn dây cấp điện, từ trường xung quanh cuộn lõi tập trung lại tạo thành nam châm điện hút kim loại tiếp xúc 43 với tiếp điểm Khi cuộn dây ngắt điện từ trường biến kim loại loxo phản hồi hỗ trợ, đưa tiếp điểm vị trí ban đầu 4.2 Mạch vi điều khiển Robot trang bị vi điều khiển AT mega32 gồm giới thiệu sau: + Có thể sử dụng xung clock lên đến 16MHz, sử dụng xung clock nội lên đến 8MHz + Bộ nhớ chương trình flash lập trình lại nhiều lần dung lượng lớn + Nhiều ngõ vào (I/O PORT) hướng + bits, 16 bits timer/counter tích hợp PWM + Các chuyển đối Analog – Digital phân giải 10 bits, nhiều kênh + Chức Analog comparator + Giao diện nối tiếp USART (tương thích chuẩn nối tiếp RS-232) + Giao diện nối tiếp Two –Wire –Serial (tương thích chuẩn I2C) Master Slaver Ta có sơ đồ pin Atmega32 sau: 44 Hình 4.2 Sơ đồ pin Atmega32 Từ sơ đồ pin Atmega32, ta thấy: + Pin: Atmega32 gồm có 40 chân, chân nguồn (chân số 10: +5V, chân số 11: nối đất), chân cho tạo dao động (chân 12,13), chân đặt lại (chân 9), ba chân cung cấp điện tham chiếu điện áp cần thiết ADC bên chân I/O 32 (4 x 8) + Giới thiệu chân I/O: Atmega32 có khả xử lý đầu vào tương tự Cổng A sử dụng làm ngõ I/O số pin riêng lẻ sử dụng làm kênh đầu vào cho ADC bên Atmega32, cộng với cặp chân ISF, AVCC & GND + Chân I/O kỹ thuật số: Atmega32 có 32 chân (4portx8pin) cấu hình I/O dạng số 45 + Bộ hẹn giờ: đếm thời gian, chân 8bit (timer 0, timer 2) chân 16 bit (timer1) + ADC: Nó có loại ADC xấp xỉ liên tiếp, tổng số kênh đơn chọn Chúng sử dụng (đối với gói TQFP) (đối với gói DIP) Tham chiếu lựa chọn, sử dụng tham chiếu bên tham chiếu 2.56V bên Tham chiếu bên kết nối với chân ISF + Tùy chọn giao tiếp: Atmega32 có modun truyền liệu nhúng bao gồm: • • • Giao diện dây USART Giao diện ngoại vi nối tiếp + Bộ so sánh tương tự: Bộ so sánh tương tự có sẵn chip Một ngắt gán cho kết so sánh khác thu từ đầu vào + Ngắt bên ngoài: Ngắt bên chấp nhận cảm biến ngắt cấu hình + Bộ nhớ: Nó có 32Kbyte nhớ chương trình Flash tự lập trình hệ thống, 1024 Byte EEPROM, SRAM nội 2Kbyte Viết/Xóa với chu kỳ: 10.000 Flash / 100.000 EEPROM + Xung clock: Nó chạy tần số từ đến 16 MHz Tần số lấy từ tinh thể thạch anh ngoài, tinh thể gốm mạng RC Bộ dao động RC hiệu chuẩn bên sử dụng + Các tính khác: Lên đến 16 MIPS thông lượng 16 MHz Hầu hết thực chu kỳ Nhân hai chu kỳ chip Thanh ghi làm việc 32 × + Gỡ lỗi: Quét ranh giới JTAG tạo điều kiện thuận lợi cho việc gỡ lỗi chip + Lập trình: Atmega32 lập trình Lập trình hệ thống thông qua giao diện ngoại vi nối tiếp lập trình song song Lập trình qua giao diện JTAG sử dụng Lập trình viên phải đảm bảo lập trình SPI JTAG khơng bị vơ hiệu hóa cách sử dụng bit nút; việc lập trình thực SPI JTAG Ta có thiết kế sơ đồ mạch nguyên lý gồm linh kiện sau: 46 +Vi điều khiển Atmega32 +Cảm biến siêu âm +6 động DC +Module điều khiển động L298N +Biến trở Ta thiết kế sơ đồ nối chân Atmega32 với hình LCD sau: Hình 4.2.2 Sơ đồ nối chân Atmega32 với hình LCD Từ sơ đồ nối chân, ta có chân nối với sau: + Chân D4 nối với PC4/TD0 + Chân D5 nối với PC5/TD1 + Chân D6 nối với PC6/TOSC1 + Chân D7 nối với PC7/TOSC2 + Chân RS nối với PB4/SS + Chân RW nối với PB5/MOSI + Chân E nối với PB6/MISO 47 + Chân VDD nối với chân nguồn + Chân VEE, VSS nối với chân nối đất Ta thiết kế sơ đồ nối chân Atmega32 với Cảm biến siêu âm: Hình 4.2.3 Sơ đồ nối chân Atmega32 với cảm biến siêu âm Từ sơ đồ nối chân, ta có chân nối với sau: + Chân Trigger nối với PB1/T1 + Chân Echo nối với PB3/AIN1/OC0 + Chân +5V nối với chân nguồn 48 + Chân Grind nối với chân nối đất + Chân Simpin nối với biến trở đồng hồ đo Ta thiết kế sơ đồ nối chân Atmega32 với khối động cơ: Hình 4.2.4 Sơ đồ nối chân Atmega32 với cảm biến siêu âm Từ sơ đồ nối chân, ta có chân nối với sau: + Chân IN2 khối L298N thứ nối với PA0/ADC0 Atmega32, tiếp đến động thứ nối với chân OUT1 OUT2 Chân SENSA, SENSB GND nối với chân nối đất + Chân IN1 khối L298N thứ nối với PA1/ADC1 Atmega 32, tiếp đến động thứ nối với chân OUT3 OUT4 Chân SENSA, SENSB GND nối với chân nối đất + Chân IN2 khối L298N thứ nối với PA6/ADC6 Atmega32, tiếp đến động thứ nối với chân OUT1 OUT2 Chân SENSA, SENSB GND nối với chân nối đất 49 + Chân IN1 khối L298N thứ nối với PA7/ADC7 Atmega 32, tiếp đến động thứ nối với chân OUT3 OUT4 Chân SENSA, SENSB GND nối với chân nối đất + Chân IN2 khối L298N thứ nối với PD7/OC2 Atmega32, tiếp đến động thứ nối với chân OUT1 OUT2 Chân SENSA, SENSB GND nối với chân nối đất + Chân IN1 khối L298N thứ nối với PD6/ICP1 Atmega 32, tiếp đến động thứ nối với chân OUT3 OUT4 Chân SENSA, SENSB GND nối với chân nối đất Ta có sơ đồ mạch vi điều khiển chung sau: Hình 4.2.5 Sơ đồ mạch vi điều khiển Sơ đồ nối thực tế: 50 Hình 4.2.6 Sơ đồ thực tế kết nối Atmega32 với linh kiện 4.3 Phần mềm mô robot hút bụi Ta sử dụng phần mềm Matlab2017b để mơ q trình chuyển động robot hút bụi 4.3.1 Giới thiệu chung phần mềm Matlab2017b MATLAB ngơn ngữ lập trình MathWorks phát triển, cho phép người dùng xây dựng ma trận, vẽ đồ thị hàm số hay biểu đồ liệu, thực phép toán, tạo giao diện người dùng, liên kết chương trình máy tính viết nhiều ngôn ngữ khác nhau, bao gồm C, C++, Java, FORTRAN, phân tích liệu, phát triển thuật tốn, tạo mơ hình ứng dụng MATLAB tích hợp nhiều lệnh hàm tốn học, giúp người dùng thực tính toán số, vẽ đồ thị thực phương pháp số *Các phép tính tốn MATLAB: Matlab sử dụng rộng rãi khía cạnh tính tốn, hình thức phổ biến nhất: - Giải vấn đề ma trận mảng Đồ thị 2-D 3-D Đại số tuyến tính Phương trình đại số 51 - Các hàm phi tuyến tính Số liệu thống kê Phân tích liệu Giải tích phương trình vi phân Tính tốn số Chuyển đổi Hồi quy Các hàm đặc biệt khác *Các tính Matlab: - Matlab ngơn ngữ lập trình cấp cao, cho phép tính tốn số, hình dung phát triển ứng dụng - Cung cấp môi trường tương tác để khảo sát, thiết kế giải vấn đề - Cung cấp thư viện lớn hàm toán học cho đại số tuyến tính, thống kê, phân tích Fourier, lọc, tối ưu hóa, tích phân, giải phương trình vi phân bình thường - Matlab cung cấp đồ thị tích hợp sẵn để hiển thị hình ảnh liệu công cụ để tạo đồ thị tùy chỉnh - Cung cấp công cụ để xây dựng ứng dụng với giao diện đồ họa tùy chỉnh *Sử dụng Matlab: MATLAB sử dụng rộng rãi công cụ tính tốn lĩnh vực khoa học kỹ thuật, bao gồm lĩnh vực vật lý, hóa học, tốn học cơng nghệ MATLAB sử dụng loạt ứng dụng bao gồm: - Xử lý tín Xử lý hiệu thơng tin hình ảnh - video Hệ thống - khiển Kiểm tra Tính Tính đo lường tốn tài tốn sinh học 52 điều Hình 4.3.1 Giao diện MATLAB hình máy tính 4.3.2 Hướng dẫn mơ robot hút bụi MATLAB2017b B1: Ta click vào biểu tượng MATLAB hình máy tính để xuất giao diện sau B2: Khi giao diện MATLAB xuất hiện, ta click vào Add - Ons => tiếp tục chọn Manage Add – Ons sau xuất giao diện sau 53 B3: Click chuột phải vào biểu tượng Sim.I.am, sau chọn open folder xuất giao diện B4: Click chuột phải vào biểu tượng simiam.mlappinstall ta cài vào phần App Tiếp đến ta chọn App, sau click vào biểu tượng Sim.I.am xuất giao diện 54 B5: Click vào biểu tượng Play giao diện mô 55 ...1.2 Giới thiệu số robot hút bụi 1.2.1 Robot Roomba Robot Roomba hãng iRobot robot hút bụi thông minh Không giống loại máy hút bụi thông thường Roomba thực công việc hút bụi cách hoàn toàn tự... Phần điều khiển có phần thiết kế bo mạch điều khiển thiết kế giải thuật, chương trình điều khiển sử dụng robot hút bụi thông minh 1.4 Ý nghĩa thực tiễn Robot hút bụi thơng minh sở hữu kích thước... giúp cho robot di chuyển • linh hoạt Kiểu dáng màu sắc đẹp 26 Chương Thiết kế tính tốn khí 3.1 Thiết kế khí 3.1.1 Phương án xây dựng khí robot Thiết kế khí robot hút bụi bao gồm phần sau: + Thiết