(Đề tài NCKH) nghiên cứu chế tạo xe robot phần mạch điện

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH CƠNG TRÌNH NGHIÊN CỨU KHOA HỌC CẤP TRƯỜNG NGHIÊN CỨU CHẾ TẠO XE ROBOT PHẦN MẠCH ÐIỆN SKC003828 Tp Hồ Chí Minh, 11/2012 BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT TP HCM KHOA CƠ KHÍ ĐỘNG LỰC -  - NGHIÊN CỨU KHOA HỌC ĐỀ TÀI: NGHIÊN CỨU CHẾ TẠO XE ROBOT PHẦN MẠCH ĐIỆN GVHD : TS NGUYỄN BÁ HẢI SVTH : PHẠM VĂN LONG – 06105068 TP.HCM 11/2012 LỜI CẢM ƠN Lời đầu tiên, xin chân thành cảm ơn tồn thể thầy trường Đại học Sư Phạm Kỹ Thuật Thành phố Hồ Chí Minh Đặc biệt khoa khí động lực thầy tận tình dạy dỗ, giúp đỡ tơi suốt khoảng thời gian qua Tôi xin gửi lời biết ơn sâu sắc đến Tiến sĩ Nguyễn Bá Hải dành nhiều thời gian, tâm huyết tình cảm để giúp đỡ thực tốt đề tài Mặc dù có nhiều cố gắng nổ lực để hồn thành đề tài tất nhiệt tình lực tôi, nhiên tránh khỏi thiếu sót, mong nhận đóng góp q báu q thầy bạn Tơi xin chân thành cám ơn Trường Đại Học SPKT TP.HCM MUCC̣ LUCC̣ Tựa mục Trang Mục lục i PHẦN 1: ĐẶT VẤN ĐỀ CHƯƠNG I: MỞ ĐẦU 1.1 Lý chọn đề tài 1.2 Tình hình nghiên cứu 1.2.1 Nước 1.2.2 Trong nước 1.3 Điểm đề tài PHẦN 2: GIẢI QUYẾT VẤN ĐỀ CHƯƠNG II:CƠ SỞ LÝ THUYẾT 2.1 Sơ lược lịch sử robot 2.2 Phân loại robot 2.3 Tổng quan robot phục vụ 2.4 Phương pháp điều khiển PWM 2.5 Đề xuất nghiên cứu 2.6 Mục đích nhiệm vụ nghiên cứu 2.7 Đối tượng nghiên cứu 2.8 Phương pháp nghiên cứu 2.9 Phạm vi nghiên cứu CHƯƠNG III: KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU 11 3.1 Thành phần mạch điện 11 3.1.1 Card giao tiếp máy tính 11 _ GVHD: TS Nguyễn Bá Hải Trang i Trường Đại Học SPKT TP.HCM 3.1.2 Mạch công suất 15 3.1.3 Động DC 16 3.2 Sơ đồ mạch điện 19 3.3 Lưu đồ thuật toán 21 3.4 Tổng quan phần điện xe robot 22 3.5 Mô tả hoạt động mạch điện 22 PHẦN 3: KẾT LUẬN & HƯỚNG NGHIÊN CỨU CHƯƠNG IV: KẾT LUẬN & HƯỚNG NGHIÊN CỨU 23 4.1 Kết đạt 23 4.2 Hạn chế đề tài 23 4.3 Hướng nghiên cứu 23 TÀI LIỆU THAM KHẢO 24 _ GVHD: TS Nguyễn Bá Hải Trang i Trường ĐH sư phạm kỹ thuật Tp.HCM CHƯƠNG I MỞ ĐẦU 1.1 Lý chọn đề tài Ở nước phát triển có robot với đủ kích thước, hình dạng chế tạo nhằm mục đích khác Chúng thực thay cho người nhiều công việc công nghiệp lẫn đời sống hàng ngày Hiện nước giới có nhiều đề tài nghiên cứu chế tạo thành công xe robot Tiềm ngành công nghệ robot vô hạn Ở nước hàng năm có phát động thi sáng tạo robot dành cho sinh viên, kỹ sư Nhưng cơng nghệ cịn nghiên cứu ứng dụng, đặc biệt công nghệ xử lý ảnh nước phát triển ứng dụng nhiều cho robot Đó lí chọn hướng nghiên cứu ứng dụng công nghệ xử lý ảnh sử dụng ngơn ngữ lập trình LabVIEW để chế tạo xe robot Báo cáo trình bày nghiên cứu chế tạo phần mạch điện cho xe robot với hướng dẫn tiến sĩ Nguyễn Bá Hải 1.2 Tình hình nghiên cứu 1.2.1 Nước ngồi Ở nước phát triển Nhật, Mỹ, Pháp, Trung Quốc, v.v… có robot phục vụ người nhà, văn phòng làm việc, nhà hàng, siêu thị, v.v Ví dụ:  Robot phục vụ bàn cửa hàng mỳ Cáp Nhĩ Tân, Trung Quốc Hình 1.1: Robot phục vụ nhà hàng Trung Quốc Sau thực khách gọi món, robot nhà bếp bắt đầu chế biến ăn đến lúc ăn hoàn tất, robot phục vụ di chuyển dọc theo đường ray sàn nhà để đưa thức ăn từ bếp đến bàn ăn thực khách Món ăn đặt cố định băng chuyền đưa đến “địa chỉ” Trong lúc thưởng thức ăn, người nghe robot hát để tạo không khí sơi động làm vui lịng thực khách  Robot làm việc nhà thay người Nhật GVHD: TS Nguyễn Bá Hải Page Trường ĐH sư phạm kỹ thuật Tp.HCM Hình 2.2: SmartPal V hút bụi làm sàn nhà Chú robot có tên SmartPal V, trơng "đứa trẻ" cao 1,325m, ngang 0,555m, dày 0,613m, nặng 127 kg, riêng ắc quy nặng 23 kg có thời gian hoạt động 30 phút Cánh tay SmartPal V nhấc vật nặng kg, có khớp hoạt động mềm mại Nó thu dọn rác, đặt đồ đạc, lau nhà 1.2.2 Trong nước Hàng năm nước ta tổ chức thi chế tạo robot, tiêu biểu thi robocon dành cho sinh viên nước Đã có thành tựu định nước khu vực Thành tích cao robocon Việt Nam đấu trường châu Á – Thái Bình Dương hai lần lọt vào trận chung kết giành giải nhì vào năm 2010 2012 Trong thi Robocon hàng năm, robot tự động dùng cảm biến dò line gặp trục trặc, chạy không vạch lúc chạy thử khơng có vấn đề Tại robocon năm 2007, trường Học viện kỹ thuật quân mang đến đội hình robot dùng công nghệ xử lý ảnh Tuy kết chưa khả quan đủ làm mãn nhãn người xem Đây xem kiện mở hướng nghiên cứu công nghệ - công nghệ xử lý ảnh trường đại học kỹ thuật Việt Nam Đầu năm nay, nhà khoa học thuộc khoa điện - điện tử trường đại học giao thông vận tải thiết kế chế tạo thành công hệ thống giám sát giao thông ứng dụng công nghệ xử lý ảnh Hệ thống bao gồm camera giám sát, camera chụp hình, mạng truyền thông, phần mềm xử lý ảnh sở liệu tự động ghi nhận tình phạm luật Kết thử nghiệm ghi nhận điều kiện ánh sáng ban ngày lưu lượng giao thơng bình thường, hệ thống cho kết tốt Về chức phát xe chuyển trái phép, kết tính tốn máy so với quan sát mắt thường cho thấy độ xác phần mềm 97% Kết phát xe chạy tốc độ so với súng bắn tốc độ theo nguyên lý rađa, sai số phần mềm 5% Mới kiện mRobo, DiscoRobo SketRobo công ty Robot Tosy gây ấn tượng mạnh triễn lãm robot Nhật GVHD: TS Nguyễn Bá Hải Page Trường ĐH sư phạm kỹ thuật Tp.HCM Hình 1.3: mRobo gây ấn tượng mạnh triễn lãm robot Nhật DiscoRobo mRobo nhún nhảy mềm mại theo nhạc biểu lộ cảm xúc khn mặt SketRobo vẽ tranh với đường nét điêu luyện, xác Hiện nay, FPT software sử dụng công nghệ xử lý ảnh 3D – hình thức cơng nghệ dùng để chẩn đốn hình ảnh kết hợp y học hạt nhân Cơng nghệ chẩn đốn hình ảnh kết hợp y học hạt nhân giúp bác sĩ công cụ khác để nhìn sâu vào bên thể chẩn đốn bệnh Việc sử dụng cơng nghệ có tác dụng lớn khơng người bệnh mà với xã hội Công nghệ ứng dụng thành công thiết bị CT tạo khả quét nhanh tốc độ nhịp tim thu nhận hình ảnh tim vừa chi tiết vừa đầy đủ, đồng giảm 50% liều tia cho bệnh nhân so với thiết bị chụp cắt lớp CT truyền thống 1.3 Điểm đề tài Đề tài thiết kế phần điện cho xe robot ứng dụng công nghệ xử lý ảnh với LabVIEW Đây lĩnh vực mẻ Việt Nam, chưa nghiên cứu ứng dụng vào thực tế nhiều, trường đại học nước ta Do vậy, mạch điện phải đảm bảo tương thích với phần mềm lập trình để robot hoạt động ổn định, xác GVHD: TS Nguyễn Bá Hải Page Trường ĐH sư phạm kỹ thuật Tp.HCM GVHD: TS Nguyễn Bá Hải Page Trường ĐH sư phạm kỹ thuật Tp.HCM CHƯƠNG II CƠ SỞ LÝ THUYẾT 2.1 Sơ lược lịch sử robot Dưới vài mốc quan trọng lịch sử đời robot: Người Babilon phát minh đồng hồ đo thời gian sử dụng dòng chảy nước Đây coi cỗ máy “robot” giới Năm 1495, lần robot có hình dạng giống người tạo Leona da vince Năm 1956, Engelberger - cha đẻ robot học cho đời robot công nghiệp mang tên Unimate Năm 1970, phịng thí nghiệm Stanford cho đời xe robot tự theo vạch đen trắng Đây cột mốc đánh dấu thành tựu cho xe tự định vị Những thập kỷ sau, ngành công nghiệp chế tạo robot phát triển vượt bậc với cơng nghệ tiến tiến khí, mạch điện phần mềm Hình 2.1: Lịch sử phát triển robot Asimo Nhật Bản 2.2 Phân loại robot  Theo tính năng: - Mobile robot: robot có nhiệm vụ chủ yếu di chuyển, định vị, tìm đường tối ưu, vẽ lại đồ - Manipulator (tay máy): robot hoạt động cánh tay người, chúng cầm nắm, xếp, di chuyển tương tác với đồ vật - Robot haptics: robot điều khiển từ xa ứng dụng cơng nghệ haptic  Theo mục đích sử dụng: - Robot phục vụ: phục vụ người đời sống hàng ngày dọn dẹp, trông nhà, chơi đùa với trẻ,… hay robot phục vụ lĩnh vực y tế như: robot phẫu thuật, robot chăm sóc bệnh nhân Trường ĐH sư phạm kỹ thuật Tp.HCM - Vcc: chân xuất nguồn 5V từ card CNT+/- : đếm (counter) DI: chân đọc tín hiệu digital SW: chân xuất tín hiệu digital ADC: chân đọc tín hiệu analog PWM: chân điều chế xung PUSLE/DIR: nối với chân A,B encoder Bảng thông số kỹ thuật card USB HDL 9090: GVHD: TS Nguyễn Bá Hải Page 12 Trường ĐH sư phạm kỹ thuật Tp.HCM Thông tin chung Số kênh Tốc độ lấy mẫu Hệ điều hành Phần mềm CD Tài liệu, giáo trình, ví dụ mẫu Ngõ vào tương tự Số kênh Tốc độ lấy mẫu Bộ đếm (counter) Số kênh Số kênh Tốc độ lấy mẫu Tốc độ lấy mẫu Độ phân giải Ngõ tương tự Độ phân giải Số kênh Số kênh Tốc độ lấy mẫu Tốc độ lấy mẫu Độ phân giải Ngõ vào số Độ phân giải Một số ứng dụng thực với card USB HDL 9090: - Đo lường (giao tiếp máy tính) thu thập tín hiệu từ cảm biến - Điều khiển mobile robot, robot công nghiệp - Điều khiển lắc ngược, động DC, van từ - Điều khiển từ xa qua WIFI - Điều khiển lò nhiệt, hệ thống lạnh - Đào tạo lập trình LabVIEW, điều khiển tự động, điện tử, điện tử - Hệ thống phun xăng điện tử xe gắn máy - Hệ thống phun xăng điện tử ô tô Dưới số hình ảnh ứng dụng card USB HDL 9090: GVHD: TS Nguyễn Bá Hải Page 13 Trường ĐH sư phạm kỹ thuật Tp.HCM Hình 3.3: Mơ thuật tốn cảm biến đo gió tơ Hình 3.4: Robocon GVHD: TS Nguyễn Bá Hải Page 14 Trường ĐH sư phạm kỹ thuật Tp.HCM Hình 3.5: Hệ thống lái khơng trục lái phịng thí nghiệm Hình 3.6: Con lắc ngược GVHD: TS Nguyễn Bá Hải Page 15 Trường ĐH sư phạm kỹ thuật Tp.HCM Hình 3.7: Xe quân điều khiển từ xa 3.1.2 Mạch công suất Mạch công suất hay mạch khuếch đại thành phần thiếu hầu hết hệ thống điều khiển Theo wikipedia, mạch khuếch đại định nghĩa thiết bị điện tử sử dụng công suất nhỏ đầu vào để điều khiển công suất lớn đầu cung cấp cho tải Mạch công suất chọn sử dụng cho đề tài HDL Motor Driver 12V-40A Đây mạch công suất loại Transistor Chức motor driver nhận tín hiệu xung điều khiển từ card USB HDL 9090 cấp điện áp tương ứng để điều khiển tốc độ động Thêm nữa, motor driver cịn có nhiệm vụ đảo chiều động giúp robot chạy tiến lùi Hình 3.8: HDL Motor Driver 12V-40A Sơ đồ chân HDL Motor driver: GVHD: TS Nguyễn Bá Hải Page 16 Trường ĐH sư phạm kỹ thuật Tp.HCM Hình 3.9: Sơ đồ chân HDL Motor Driver Chân DIR nối chân SW card để nhận tín hiệu đảo chiều động Chân PWM nối chân PWM card để nhận xung điều khiển động Chân COM nối GND card Chân Vdc nối với +12/24V accu hay nguồn sử dụng cho động Chân GND nối mass accu hay nguồn sử dụng cho động Hai chân MOTOR cấp nguồn tương ứng với xung nhận chân PWM đến động Một số ứng dụng HDL Motor driver: Sử dụng đào tạo thực hành ngành kỹ thuật đo lường, điều khiển thiết bị, tự động hóa, tơ,… Kết hợp camera để thu thập hình ảnh mơ hệ thống lái tàu thủy Điều khiển loại động hệ thống, mơ hình kỹ thuật công nghiệp từ đơn giản đến phức tạp 3.1.3 Động DC Động DC hay cấu chấp hành khác động bước, van điện từ,… thành phần sau hệ thống điều khiển Chức chúng chuyển điện thành (quay tính tiến) Động DC hay động điện chiều hoạt động dòng điện chiều cung cấp từ nguồn DC Cấu tạo động DC có phần chính: rotor (phần quay), stator (phần đứng yên) phận chỉnh lưu Stator cặp nam châm vĩnh cữu hay nam châm điện Rotor gồm lõi thép cuộn dây quấn nối với nguồn điện chiều Bộ phận chỉnh lưu có nhiệm vụ đổi chiều dịng điện để chuyển động quay rotor liên tục Thông thường phận gồm có cổ góp chổi than tiếp xúc với cổ góp GVHD: TS Nguyễn Bá Hải Page 17 Trường ĐH sư phạm kỹ thuật Tp.HCM Hình 3.10: Cấu tạo động DC Nếu trục động điện chiều kéo lực ngoài, động hoạt động máy phát điện chiều, tạo sức điện động cảm ứng Khi vận hành bình thường, rotor quay phát điện áp gọi sức phản điện động sức điện động đối kháng, đối kháng lại điện áp bên ngồi đặt vào động Sức điện động tương tự sức điện động phát động sử dụng máy phát điện chiều Cơ chế sinh lực quay động điện chiều: có dịng điện chạy qua cuộn dây quấn xung quanh lõi thép rotor, cạnh phía bên cực dương bị tác động lực hướng lên, cạnh đối diện lại bị tác động lực hướng xuống theo nguyên lý bàn tay trái Fleming Các lực gây momen quay lên cuộn dây, làm cho rotor quay Để rotor quay liên tục chiều, cổ góp điện làm chuyển mạch dịng điện sau vị trí ứng với 1/2 chu kỳ Chỉ có vấn đề mặt cuộn dây song song với đường sức từ trường Nghĩa lực quay động cuộn dây lệch 90º so với phương ban đầu nó, rotor quay theo qn tính GVHD: TS Nguyễn Bá Hải Page 18 Trường ĐH sư phạm kỹ thuật Tp.HCM Động chọn cho đề tài động gạt nước ô tô, nguồn cấp 12V, dòng hoạt động tốc độ thấp 3-4A, dòng khởi động 5-6A Qua thực nghiệm cho thấy động chọn đảm bảo công suất để robot hoạt động Momen động truyền tới bánh xe chủ động robot thông qua cấu trục vít bánh Hình 3.11: Động DC Động có chân nối với chân MOTOR Motor Driver GVHD: TS Nguyễn Bá Hải Page 19 Trường ĐH sư phạm kỹ thuật Tp.HCM 3.2 Sơ đồ mạch điện Hình trình bày sơ đồ khối mạch điện kết nối với laptop camera Hình 3.12: Sơ đồ khối mạch điện GVHD: TS Nguyễn Bá Hải Page 20 Trường ĐH sư phạm kỹ thuật Tp.HCM Hình trình bày sơ đồ nối dây: Hình 3.13: Sơ đồ nối dây GVHD: TS Nguyễn Bá Hải Page 21 Trường ĐH sư phạm kỹ thuật Tp.HCM 3.3 Lưu đồ thuật tốn Hình ảnh từ camera truyền laptop xử lý, tín hiệu điều khiển xuất từ card 9090 tới Motor driver Motor driver nhận tín hiệu PWM truyền cơng suất tương ứng đến động Tín hiệu True/False (tương đương với On/Off) từ chân SW1,2 card truyền đến Motor driver chân DIR, làm đảo chiều động Nếu vật cản, trạng thái chân SW False, motor chạy vận tốc ban đầu với giá trị PWM = 70, robot chạy tiến thẳng Nếu camera phát có vật cản, chân SW chuyển trạng thái sang True, motor bị đảo chiều để robot chạy lùi Vận tốc motor gấp lần vận tốc motor lại để robot vừa lùi vừa đổi hướng di chuyển Khi camera hết phát vật cản, trạng thái chân SW trở False, motor đổi chiều lần chạy vận tốc, robot chạy tiến Hình 3.14: Lưu đồ thuật toán GVHD: TS Nguyễn Bá Hải Page 22 Trường ĐH sư phạm kỹ thuật Tp.HCM 3.4 Tổng quan phần điện xe robot Phần điện xe robot lắp ráp với phần khí trình bày hình Hình 3.15: Tổng quan phần điện xe robot 3.5 Mô tả hoạt động mạch điện Chương trình xử lý ảnh với LabVIEW máy tính xử lý tín hiệu hình ảnh thu từ camera, sau xuất lệnh điều khiển tới card USB HDL thơng qua cổng USB Cụ thể tín hiệu PWM SW Tín hiệu PWM giá trị số định độ rộng xung điều khiển, tín hiệu SW giá trị digital ON OFF Hai tín hiệu truyền từ card USB HDL tới hai Motor Driver hai chân PWM DIR Accu 12V-6A cấp nguồn thường trực cho hai Motor Driver Motor Driver cấp điện áp tương ứng với giá trị PWM hay độ rộng xung điều khiển mà nhận tới hai chân nguồn động Giá trị định xe robot di chuyển nhanh hay chậm Tùy theo trạng thái ON OFF từ chân SW card đưa tới chân DIR Driver Motor mà động đổi chiều quay, tức xe robot chạy tiến hay lùi GVHD: TS Nguyễn Bá Hải Page 23 Trường ĐH sư phạm kỹ thuật Tp.HCM CHƯƠNG IV KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG NGHIÊN CỨU 4.1 Kết đạt Qua thời gian nghiên cứu thực đề tài, tác giả đạt kết sau: Đã chế tạo thành công phần điện cho xe robot chạy văn phịng Kết hợp với phần khí lập trình xử lý ảnh thành mơ hình xe robot hồn chỉnh Robot hoạt động ổn định,chính xác văn phòng, tự tránh vật cản 4.2 Hạn chế đề tài - Tuy hồn thành mơ hình vâñ chưa đạt độ thẩm mỹ cao - Phần điện chưa đạt độ nhỏ gọn mong muốn 4.3 Hướng nghiên cứu - Tìm giải pháp thay nhỏ gọn thiết kế chế tạo mạch công suất nhỏ gọn - Nghiên cứu giải pháp chống nước cho mạch điện để robot hoạt động trời - Nâng cao độ thẩm mỹ xác GVHD: TS Nguyễn Bá Hải Page 24 Trường ĐH sư phạm kỹ thuật Tp.HCM TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] TS Nguyễn Bá Hải, Lập trình LabVIEW, trình độ bản, Nhà xuất Đại học quốc gia TP.HCM [2] Hồ Văn Sung, Cơ sở lý thuyết mạch điện điện tử, Nhà xuất Khoa học kỹ thuật [3] Internet http://www.google.com.vn/ http://www.vi.wikipedia.com/ http://thuvienso.hcmutrans.edu.vn/xem-tai-lieu/ly-thuyet-dieu-khien-tu-dong.62939.html http://voer.vn/content/m17099/latest/ http://www.tin247.com/robot_giup_viec_nha-12-42860.html http://songmoi.vn/the-gioi-bon-phuong/robot-phuc-vu-ban-tai-cua-hang-my http://www.thanhnien.com.vn/pages/20121006/robot-viet-gay-an-tuong-manh-tai-nhatban.aspx http://www.tudongbk.info/showthread.php?20-L%26%237883%3Bch-s%26%237917%3Bc%26%237911%3Ba-robot http://world.honda.com/ASIMO/history/ http://hoiquandientu.com/read.php?573 http://thuvien.hcmute.edu.vn/xem-tai-lieu/bai-giang-mon-hoc-ly-thuyet-dieu-khientu-dong.59990.html GVHD: TS Nguyễn Bá Hải Page 25 ... nhiều cho robot Đó lí tơi chọn hướng nghiên cứu ứng dụng công nghệ xử lý ảnh sử dụng ngơn ngữ lập trình LabVIEW để chế tạo xe robot Báo cáo trình bày nghiên cứu chế tạo phần mạch điện cho xe robot. .. pháp nghiên cứu - Tham khảo tài liệu phần điện robot công nghệ điều khiển động - Tham khảo tài liệu card giao tiếp máy tính - Thực nghiệm hiệu chỉnh 2.9 Phạm vi nghiên cứu Nghiên cứu chế tạo xe robot. ..BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT TP HCM KHOA CƠ KHÍ ĐỘNG LỰC -  - NGHIÊN CỨU KHOA HỌC ĐỀ TÀI: NGHIÊN CỨU CHẾ TẠO XE ROBOT PHẦN MẠCH ĐIỆN GVHD : TS NGUYỄN BÁ