Thi công và thiết kế mô hình xe tự hành theo chỉ dẫn từ smartphone

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT TP.HCM KHOA ĐIỆN - ĐIỆN TỬ ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP NGÀNH CÔNG NGHỆ KỸ THUẬT ĐIỆN TỬ - TRUYỀN THƠNG THI CƠNG VÀ THIẾT KẾ MƠ HÌNH XE TỰ HÀNH THEO CHỈ DẪN TỪ SMARTPHONE GVHD: ThS.NGUYỄN VĂN HIỆP SVTH: NGUYỄN VĂN NAM MSSV: 12141143 SVTH: TRƯƠNG HỒNG PHÚ MSSV: 12141171 SKL004497 Tp Hồ Chí Minh, tháng 07/2016 TRƯỜNG ĐẠI HỌC SPKT TPHCM Khoa Điện - Điện Tử Bộ Môn Điện Tử Công Nghiệp Họ tên sinh viên 1: Trương Hoàng Phú Lớp: 12141DT2C Họ tên sinh viên 2: Nguyễn Văn Nam Lớp: 12141DT2C Tên đề tài: Thi cơng thiết kế mơ hình xe tự hành theo dẫn từ Smartphone Tuần/ngày Tuần Tuần Tuần Tuần 4+5 Tuần 6+7+8+9 Tuần 10+11 Tuần 12+13 Tuần 14+15 Tuần 16 GV HƯỚNG DẪN (Ký ghi rõ họ tên) TRƯỜNG ĐH SƯ PHẠM KỸ THUẬT TP HCM KHOA ĐIỆN-ĐIỆN TỬ BÔ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP CỘNG HÒA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM Độc lập - Tự - Hạnh phúc PHIẾU ĐÁNH GIÁ KHĨA LUẬN TỚT NGHIỆP I Thơng tin chung - Họ tên sinh viên: Nguyễn Văn Nam - Họ tên sinh viên: Trương Hoàng Phú - Tên đề tài: THI CƠNG VÀ THIẾT KẾ MƠ HÌNH XE TỰ HÀNH THEO CHỈ DẪN TỪ SMARTPHONE - Họ tên giáo viên hướng dẫn: Nguyễn Văn Hiệp II Nhận xét khóa luận 2.1 Đánh giá chung (hồn thành phần trăm mục tiêu đề tài): 2.2 Ưu điểm đề tài: 2.3 Khuyết điểm đề tài: 2.4 Thái độ làm việc sinh viên: 2.5 Kết thu được: 2.6 Đề nghị: Được bảo vệ Không bảo vệ Tp HCM, ngày … tháng… năm 2016 Giáo viên hướng dẫn (Ký ghi rõ họ tên) PHIẾU GIAO NHIỆM VỤ ĐỒ ÁN TỚT NGHIỆP Thơng tin sinh viên Họ tên: Trương Hoàng Phú Tel: 01685503078 Họ tên: Nguyễn Văn Nam Tel: Thông tin đề tài Tên đề tài: THI CƠNG VÀ THIẾT KẾ MƠ HÌNH XE TỰ HÀNH THEO HƯỚNG DẪN TỪ SMARTPHONE Mục đích đề tài: cố kiến thức chuyên ngành trao dồi kiến thức kỹ để chuẩn bị cho công việc tới sau tốt nghiệp Thiết kế sản phẩm cơng nghệ có tiềm phát triển tương lai Việt Nam lĩnh vực giao thông vận tải Đồ án tốt nghiệp thực tại: Bộ môn Điện Tử Công Nghiệp, Khoa Điện - Điện Tử, Trường Đại Học Sư Phạm Kỹ Thuật Thành Phố Hồ Chí Minh Thời gian thực hiện: Từ ngày 21/3/2016 đến 7/7/2016 Các nhiệm vụ cụ thể đề tài - - Tìm hiểu hệ thống định vị tồn cầu GPS Nghiên cứu VĐK ARM STM32F10x, đại cương KIT STM32F103VET6 Viết chương trình điều khiển cho VĐK phần mềm KeilC v5, khai báo sử dụng ngoại vi Nghiên cứu cách điều khiển KIT Arduino Nano, viết chương trình điều khiển cho với Arduino IDE Tìm hiểu cách sử dụng module cảm biến, giao tiếp chúng với vi điều khiển để thực chức định vị, tránh vật cản tĩnh, xác định hướng Nghiên cứu ứng dụng giao thức truyền thông Client – Server Tìm hiểu cách sử dụng Google Spreadsheets (máy chủ ảo) Tìm hiểu hệ điều hành Android, cách sử dụng phần mềm Android Studio Viết ứng dụng điện thoại để điều khiển, giám sát thiết lập hoạt động cho mơ hình Đăng ký API Key cho ứng dụng Tính tốn thiết kế thi cơng mạch chức (nguồn, cơng suất) Thi cơng mơ hình hồn chỉnh Vận hành thử mơ hình Cân chỉnh mơ hình Viết báo cáo đề tài Báo cáo đề tài tốt nghiệp Lời cam đoan sinh viên Chúng tơi – Trương Hồng Phú Nguyễn Văn Nam cam đoan ĐATN cơng trình nghiên cứu hướng dẫn Thạc sỹ Nguyễn Văn Hiệp Các kết công bố ĐATN trung thực khơng chép từ cơng trình khác năm 2016 Tp.HCM, ngày thán g SV thực đồ án Xác nhận Bộ Môn Tp.HCM, ngày tháng năm 2016 Giáo viên hướng dẫn (Ký ghi rõ họ tên học hàm học vị) LỜI CAM ĐOAN Đề tài tự thực dựa vào số tài liệu không chép từ tài liệu hay cơng trình có trước Nếu có gian lận chúng tơi xin chịu trách nhiệm nội dung đồ án TP.HCM, ngày tháng năm 2016 Người thực Nguyễn Văn Nam Trương Hoàng Phú i LỜI CẢM ƠN  Chúng em xin chân thành cảm ơn quý thầy, cô Trường Đại Học Sư Phạm Kỹ Thuật TP.HCM tận tình dạy dỗ chúng em suốt năm qua Trong phải kể đến q thầy khoa Điện – Điện Tử truyền đạt kiến thức, kinh nghiệm với đam mê đốt lên lửa đam mê khám phá chúng em từ kiến thức, đam mê chúng em kết lại thành đồ án cuối cùng, đồ án tốt nghiệp tay tạo ra, bàn đạp đầu tiên để bước vào cánh cửa lớn Đặc biệt, nhóm xin chân thành cảm ơn thầy Nguyễn Văn Hiệp tận tình giúp đỡ chúng em trình lựa chọn đề tài hỗ trợ chúng em trình thực đề tài Trong trình thực đồ án xảy nhiều khó khăn, thiếu sót đơn đốc góp ý thầy chúng em gặt hái nhiều kiến thức kinh nghiệm Một lần chúng em xin cảm ơn thầy Bên cạnh đó, nhóm chúng em xin cảm ơn thầy Nguyễn Đình Phú, thầy Nguyễn Tấn Như cho chúng em mượn phòng D401 để tham khảo tài liệu thực đồ án Và gửi lời cảm ơn đến người bạn đóng góp ý kiến, động viên tinh thần giúp cho nhóm thực đề tài đạt hiệu Cuối cùng, chúng chân thành cảm ơn động viên hỗ trợ gia đình cha mẹ suốt thời gian học tập Chúng xin gửi lời cảm ơn trân trọng đến cha mẹ, người sinh nuôi dưỡng chúng nên người tạo điều kiện thuận lợi để chúng hồn thành đề tài TP.HCM, ngày tháng năm 2016 Sinh viên thực đồ án Nguyễn Văn Nam Trương Hoàng Phú ii MỤC LỤC LỜI CAM ĐOAN i LỜI CẢM ƠN ii MỤC LỤC iii LIỆT KÊ HÌNH VẼ v LIỆT KÊ BẢNG vii TÓM TẮT viii Chương TỔNG QUAN 1.1 ĐẶT VẤN ĐỀ 1.2 MỤC TIÊU 1.3 NỘI DUNG NGHIÊN CỨU 1.4 GIỚI HẠN 1.5 BỐ CỤC Chương CƠ SỞ LÝ THUYẾT 2.1 HỆ THỐNG ĐỊNH VI TOÀN CẦU (GPS) VÀ HỆ TOẠ ĐỘ ĐỊA LÝ .4 2.2 GIAO THỨC HTTP– TCP/IP 2.2.1 TCP/IP 2.2.2 GIAO THỨC HTTP 10 2.3 HỆ ĐIỀU HÀNH ANDROID 15 2.3.1 TỔNG QUAN 15 2.3.2 GIỚI THIỆU VỀ NỀN TẢNG CỦA HỆ ĐIỀU HÀNH ANDROID: 16 Chương TÍNH TỐN VÀ THIẾT KẾ 24 3.1 TỔNG QUAN VỀ YÊU CẦU THIẾT KẾ HỆ THỐNG 24 3.2 TÍNH TỐN VÀ THIẾT KẾ HỆ THỐNG 25 3.2.1 THIẾT KẾ SƠ ĐỒ ĐIỀU KHIỂN 26 3.2.2 TÍNH TỐN VÀ THIẾT KẾ MƠ HÌNH XE 27 3.2.3 SERVER INTERNET 41 3.2.4 PHẦN MỀM ỨNG DỤNG TRÊN ĐIỆN THOẠI 45 Chương THI CÔNG HỆ THỐNG 49 4.1 THI CÔNG HỆ THỐNG: 49 4.1.1 BOARD ĐIỀU KHIỂN 49 4.1.2 GIAO TIẾP MODULE WIFI VỚI WEB SERVER (GOOGLE SPREADSHEET) 50 4.2 LẬP TRÌNH BOARD ĐIỀU KHIỂN 54 4.2.1 NỘI DUNG CHƯƠNG TRÌNH ĐIỀU KHIỂN 54 4.2.2 LƯU ĐỒ GIẢI THUẬT 55 iii 4.2.3 PHẦN MỀM KEIL C LẬP TRÌNH CHO VI ĐIỀU KHIỂN ARM .62 4.2.4 CHƯƠNG TRÌNH TRÊN BOARD ĐIỀU KHIỂN 65 4.3 LẬP TRÌNH ỨNG DỤNG TRÊN ANDROID 68 4.3.1 NỘI DUNG CHƯƠNG TRÌNH ANDROID 68 4.3.2 LƯU ĐỒ GIẢI THUẬT 69 4.3.3 PHẦN MỀM ANDROID STUDIO 73 4.3.4 CHƯƠNG TRÌNH TRÊN ANDROID 74 4.4 HƯỚNG DẪN SỬ DỤNG VÀ VẬN HÀNH HỆ THỐNG 87 4.4.1 HỆ THỐNG XE 87 4.4.2 PHẦN MỀM ĐIỆN THOẠI 87 Chương 5: KẾT QUẢ_NHẬN XÉT_ĐÁNH GIÁ 90 5.1 SẢN PHẨM SAU KHI HOÀN THÀNH 90 5.1.1 MƠ HÌNH XE 90 5.1.2 ỨNG DỤNG TRÊN ĐIỆN THOẠI 91 5.2 KẾT QUẢ CHẠY HỆ THỐNG 93 5.2.1 MƠ HÌNH XE 93 5.2.2 ỨNG DỤNG TRÊN ĐIỆN THOẠI 97 5.2.3 CLOUD SERVER (GOOGLE SPREADSHEETS) 98 5.3 KIẾN THỨC CĨ ĐƯỢC TRONG Q TRÌNH THIẾT KẾ SẢN PHẨM .98 Chương KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN 99 6.1 KẾT LUẬN 99 6.2 HƯỚNG PHÁT TRIỂN 99 TÀI LIỆU THAM KHẢO 100 PHỤ LỤC 101 iv CHƯƠNG KẾT QUẢ_NHẬN XÉT_ĐÁNH GIÁ Chương 5: KẾT QUẢ_NHẬN XÉT_ĐÁNH GIÁ 5.1 SẢN PHẨM SAU KHI HOÀN THÀNH 5.1.1 MƠ HÌNH XE Các linh kiện sau hàn lên mạch in gắn chặt với kết nói với dây bus Hình 5.1 hình ảnh board điều khiển sau gắn lên xe Hình 5.1 Board mạch sau in lắp ráp linh kiện BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP CHƯƠNG KẾT QUẢ_NHẬN XÉT_ĐÁNH GIÁ Hình 5.2 Mơ hình xe sau hoàn thành 5.1.2 ỨNG DỤNG TRÊN ĐIỆN THOẠI Sau hồn thành ứng dụng điện thoại, nhóm em thu sản phẩm có giao diện hình sau: Hình 5.3 Biểu tượng ứng dụng BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP CHƯƠNG KẾT QUẢ_NHẬN XÉT_ĐÁNH GIÁ Hình 5.4 Giao diện khởi động ứng dụng hướng dẫn sử dụng Hình 5.5 Giao diện tìm kiếm điểm đến BỘ MƠN ĐIỆN TỬ CƠNG NGHIỆP Hình 5.6 Giao diện hiển thị lộ trình xe chạy CHƯƠNG KẾT QUẢ_NHẬN XÉT_ĐÁNH GIÁ Hình 5.7 Thơng báo hồn thành qng đường Hình 5.8 Cảnh báo cố 5.2 KẾT QUẢ CHẠY HỆ THỚNG 5.2.1 MƠ HÌNH XE a Các cảm biến module  Cảm biến la bàn Cảm biến la bàn có sai số cao lần đo, sai số lên đến 4˚ , sai số xác định cách dùng ứng dụng la bàn số smartphone có hỗ trợ cảm biến la bàn Mức sai số khơng ảnh hưởng nhiều khoảng cách hai toạ độ di chuyển nhỏ( khúc chuyển hướng vòng cung) khoảng cách toạ độ lộ trình lớn(các khúc đường thẳng kéo dài) ảnh hưởng nhiều làm xe chạy lệch khỏi đường Cảm biến la bàn giao tiếp với vi điều khiển ARM với thư viện hỗ trợ internet chạy vài giây đầu sau khởi động, sau thời gian bị treo khiến chương trình khơng chạy tiếp Do nên nhóm em chọn dùng Arduino Nano để giao tiếp với với thư viện mở hỗ trợ cộng đồng arduino Khi module la bàn HMC5883L giao tiếp với arduino khơng xảy tượng treo chương trình  Module GPS Sau 30 lần đo thử hiển thị toạ độ đọc từ module GPS khu vực vị trí khác nhóm em đưa kết luận module GPS Ubox Neo có độ xác cao hoạt động trời, sai số 1,5m Nhưng đo BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP CHƯƠNG KẾT QUẢ_NHẬN XÉT_ĐÁNH GIÁ nhà sai số lớn, lên đến 15m Do xe chạy đường có vật cản đầu nên hướng di chuyển xe bị ảnh hưởng mức sai số 1,5m Thời gian từ khởi động module GPS đọc vị trí vấn đề lớn đề tài Khi xe đặt nhà có mái che thời gian khởi động module GPS khơng xác định lệnh lớn, có lúc 20s, có lúc phút, chí có Nhưng xe đặt trời thời gian khởi động module nhanh, cần 5s khởi động xong sau 50 lần thử nghiệm chưa có lần thời gian khởi động trời phút  Cảm biến khoảng cách Khi đo khoảng cách cảm biến SRF-05 với mặt phẳng nhẵn tường, sàn nhà độ xác cảm biến cao, sai số 2-4 cm đo mặt đường gồ ghề từ vị trí thấp ( cách mặt đường 20cm, độ cao đặt cảm biến mơ hình xe) cảm biến trả giá trị sai lệch lớn, chí khơng có vật cản trước mặt khoảng cách đọc 1,5m Vì sai số lớn nên lần có sai số xe chạy khơng ổn định, nhóm em chưa khắc phục nhược điểm Động Servo RC để định hướng đo góc cho SRF-05 có sai số 4˚ khắc phục chương trình điều khiển!  Module WIFI Trong q trình thi cơng sau hồn thành hệ thống, nhóm em đo thời gian từ khởi động hệ thống module kết nối thành công với mạng wifi định bật sẵn 9,35s thời gian để module gửi toạ độ lên SERVER 2s thời gian để module nhận lộ trình 4,5s Các giá trị thời gian mang tính chất tham khảo chúng cịn phụ thuộc vào nhiều yếu tố cường độ tín hiệu wifi, chất lượng mạng internet mà module kết nối độ phức tạp lộ trình nhận về! b Động Cả hai động hai bên bánh xe hoạt động tốt c Mạch Driver Cả hai Transistor công suất mạch Driver q trình xe chạy nóng lên ít, chí khơng thể phát chạm vào Nhưng xe bị đụng phải vật cản điều làm bánh xe bị đứng lại trượt chỗ mặt đường hai Transistor cơng suất bị nóng lên nhiệt độ nóng lên dừng lại mức tay chạm vơ mà không bị nên không làm hư Transistor công suất d Nguồn cung cấp Với mạch nguồn cung cấp nhóm thiết kế tất linh kiện sử dụng chạy bình thường, khơng xảy tượng sụp nguồn động khởi động tải động Nguồn pin sạc đầy đủ để xe chạy liên tục e Chương trình điều khiển vi điều khiển  Vi điều khiển ARM STM32f103VET6 BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CƠNG NGHIỆP CHƯƠNG KẾT QUẢ_NHẬN XÉT_ĐÁNH GIÁ Chương trình điều khiển bị treo đồng thời vừa nhận liệu từ module GPS vừa nhận liệu từ module WIFI nhiên khắc phục cố cách nhận liệu từ module WIFI khơng cho phép nhận liệu từ module GPS Dữ liệu đọc xử lý từ module GPS lộ trình bị sai lệnh nhiều dùng kiểu dấu phẩy động biến khai báo kiểu bị sai lệnh bắt đầu từ chữ số thập phân thứ sau dấu phẩy độ chia toạ độ tính đến số thập phân thứ sau dấu phẩy Vì sai lệch nên vị trí thực tế nhận với vị trí mà xử lý tính tốn bị lệnh 2-3m Tuy nhiên nhóm em khắc phục chuyển số nguyên ( nhân với 10 triệu) dùng số để tính tốn hướng di chuyển chuyển lại ban đầu tính tốn khoảng cách hai toạ độ HTTP POST: Yêu cầu trực tiếp đến máy chủ để gửi liệu tọa độ GPS bị lỗi “404 Bad Requets” Mặc dù thực thủ tục yêu cầu đến máy chủ áp dụng với máy chủ docs.google.com để gửi liệu lên spreadsheets lại báo lỗi 404 Giả thuyết đặt tính hạn chế ESP8266, máy chủ spreadsheets cho phép Web Client (các Client có chạy trình duyệt web) mà chất ESP8266 khơng phải Web Client, khơng chạy trình duyệt Trong trình nghiên cứu cách gửi liệu lên spreadsheets tìm máy chủ khác api.pushingbox.com Máy chủ cung cấp dịch vụ nhằm liên kết máy chủ docs.google.com https://docs.google.com/forms/d/FormKey/formResponse?entry.1042112715=10 6.78282&entry.1318635767=10.84875 Liên kết với pushingbox: entry.1042112715=$KinhDo$&entry.1318635767=$ViDo$  api.pushingbox.com/pushingbox?devid=DeviceID&KinhDo=106.78282&V iDo=10.84875 Cuối cùng, thực thụ tục yêu cầu POST đến máy chủ liệu gửi lên Spreadsheets HTTP GET: Về yêu cầu lấy liệu từ máy chủ spreadsheets áp dụng thủ tục HTTP đọc liệu bình thường, đầu tìm hiểu cho vi điều khiển lần toàn liệu từ máy chủ (gồm tất hướng dẫn cũ lộ trình), ban đầu liệu cịn nên vi điều khiển xử lý được, sau nhiều lần máy chủ có thêm nhiều liệu, liệu đọc nhiều, vi điều khiển xử lý nhiều làm cho trình cập nhật liệu bị chậm , bị gián đoạn Giải pháp đặt ra, tao biến spreadsheets, biến tính tổng hàng spreadsheet (mỗi hàng liệu lộ trình) lần vi điều khiển đọc giá trị tổng giá trị tăng lên có nghĩa có liệu vừa cập nhật, vi điều khiển thiết lập lệnh lấy liệu từ hàng có giá trị lớn BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP CHƯƠNG KẾT QUẢ_NHẬN XÉT_ĐÁNH GIÁ Hình 5.9 Dữ liệu lộ trình Giả sử lúc giá trị tổng total of row data Theo hình hàng liệu thứ có giá trị stt = 6, lúc vi điều khiển đọc liệu từ hàng xử lý điều khiển xe chạy theo hướng dẫn Những lần truy cập máy chủ để lấy liệu kiểm tra giá trị khơng cho thực xử lý liệu Ngược lại, tăng lên (có liệu mới), chuyển sang đọc hàng có giá trị stt = 7, lúc liệu STOP vi điều khiển cho dừng toàn hệ thống xe Làm số lần truy cập máy chủ để đọc liệu nhiều lại làm giảm lượng liệu vi điều khiển nhận Điều giúp tiết kiệm lượng tăng tốc độ xử lý Sau sửa lỗi vi điều khiển ARM chạy ổn định khơng cịn bị treo chương trình nữa, liệu nhận từ module không bị lỗi chip không phát nhiệt trình hoạt động  Arduino Nano Vấn đề gặp phải với Arduino Nano hệ thống hoạt động xe va chạm mạnh với vật cản arduino bị treo chương trình khơng tự reset có lập trình dùng watchdog timer nhóm em chưa xử lý lỗi Ngoài lỗi chương trình arduino chạy tốt f Phần cứng mơ hình xe Mơ hình xe có độ bền cao, chịu va đập đến từ phía trước với tốc độ thấp (chạy thử nghiệm với tốc độ 7km/h) mà không bị hư hỏng đến phận board mạch Board mạch gắn xe chắn, khơng bị lung lay q trình hoạt động g Kết luận Xe đến nơi cần đến, trình vận hành xe bị va đập nhiều (do tránh vật cản chưa tốt), xe chạy chệch khỏi đường (do sai số GPS khoảng 1,5m), xe chạy bị lắc (do sai số la bàn tần số cập nhật hướng la bàn chưa cao), bán kính chuyển hướng xe lớn(1,5m) Các chức cịn lại thực tốt, truyền thơng xử lý liệu đủ, liệu nhận từ module GPS đầy đủ xác, lộ trình nhận từ SERVER đầy đủ, xe dừng có lệnh báo stop ứng dụng xe tiếp tục lộ trình trước bị dừng hệ thống đột ngột BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP CHƯƠNG KẾT QUẢ_NHẬN XÉT_ĐÁNH GIÁ 5.2.2 ỨNG DỤNG TRÊN ĐIỆN THOẠI Khi chạy ứng dụng, điện thoại bị giật có chút gián đoạn thực chức truy cập máy chủ để gửi/nhận liệu hoạt động được, đáp ứng tốt yêu cầu truyền thông, không xảy tượng dừng ứng dụng đột ngột, đảm bảo tính liên tục cho hoạt động hệ thống Các giao diện điều khiển lưu lại trạng thái tốt mà Activity điều khiển bị dừng, nghĩa có liệu đồ mà người dùng muốn chuyển sang Activity trợ giúp để xem lại cách điều khiển Activity khác quay lại Activity điều khiển, liệu không bị không bị sai, chế độ hoạt động kích hoạt lại làm việc bình thường Thời gian truy cập máy chủ để gửi lấy liệu khoảng 0.5 giây tình trạng kết nối Internet tốt, kết nối lên đến giây, thực tốt, liệu gửi lên hay nhận xác vè xác 100% Chương trình vẽ lộ trình lên đồ bị treo nhiều lần trình chạy thử ứng dụng Chương trình nhận tọa độ GPS điểm đầu điểm cuối từ chương trình khác Nó dùng liệu để truy cập máy chủ Google để tìm kiếm thơng tin hướng dẫn, trình làm chương trình chạy bị lỗi Nguyên nhân: có tầm giá trị theo chuẩn (-90 < Vĩ độ < 90) (-180 < Kinh độ