THIẾT KẾ, CHẾ TẠO VÀ ĐIỀU KHIỂN ROBOT DÒ LINE (LINE FOLLOWING ROBOT

ĐẠI HỌC QUỐC GIA THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA KHOA CƠ KHÍ BỘ MƠN CƠ – ĐIỆN TỬ _oOo _ ĐỒ ÁN MÔN HỌC THIẾT KẾ HỆ THỐNG CƠ – ĐIỆN TỬ THIẾT KẾ, CHẾ TẠO VÀ ĐIỀU KHIỂN ROBOT DÒ LINE (LINE FOLLOWING ROBOT) GVHD: SVTH: PGS TS VÕ TƯỜNG QUÂN NHÓM TRƯƠNG CÔNG TÂY NGUYỄN VĂN TRIỆU VỸ ĐÀO NGUYÊN THIÊN VŨ 1710283 1714065 1714007 TP HỒ CHÍ MINH, THÁNG 12, NĂM 2020 MỤC LỤC DANH MỤC HÌNH ẢNH iv DANH MỤC BẢNG BIỂU vi CHƯƠNG TỔNG QUAN 1.1 Giới thiệu 1.2 Yêu cầu đặt đồ án 1.2.1 Mục tiêu đồ án 1.2.2 Yêu cầu kỹ thuật 1.3 Các tiêu chí đánh giá 1.4 Tình hình nghiên cứu nước 1.4.1 Robot – Line Follower .2 1.4.2 Brandon’s line following robot: The Chariot 1.4.3 Robot Fireball 1.4.4 CartisX04 Hirai Masataka 1.5 Tình hình nghiên cứu nước 1.5.1 Xe đua dò line trường Đại học Công nghệ Thông tin .7 1.5.2 Xe dị line – Đồ án mơn học nhóm sinh viên lớp CK16KSCD Đại học Bách Khoa TPHCM 1.5.3 Xe dò line – Đồ án mơn học nhóm sinh viên khóa 16 Ngành Cơ điện Trường Đại Học Bách Khoa TPCHM 10 1.6 Đặt toán 11 CHƯƠNG LỰA CHỌN PHƯƠNG ÁN 12 2.1 Phương án khí, kết cấu xe 12 2.2 Phương án điện 14 2.2.1 Lựa chọn cảm biến 14 2.2.2 Lựa chọn loại động 14 i 2.3 Phương án điều khiển 15 2.3.1 Về cấu trúc điều khiển 15 2.3.2 Về điều khiển 16 2.4 Kế hoạch thực 17 CHƯƠNG 3.1 THIẾT KẾ CƠ KHÍ 19 Chọn bánh xe 19 3.1.1 Bánh chủ động .19 3.1.2 Bánh bị động 20 3.2 Tính tốn chọn động 20 3.3 Kích thước khung xe: .24 CHƯƠNG MƠ HÌNH HĨA HỆ THỐNG 26 4.1 Mơ hình hóa động học robot .26 4.2 Hàm truyền động – Driver 27 4.2.1 Định nghĩa 27 4.2.2 Tìm quan hệ vào – .28 4.2.3 Tìm hàm truyền 30 CHƯƠNG THIẾT KẾ ĐIỆN 34 5.1 Xây dựng sơ đồ khối nguyên lý hệ thống điện 34 5.2 Thiết kế cảm biến 34 5.2.1 Thông số kỹ thuật cảm biến 35 5.2.2 Tính tốn giá trị điện trở 35 5.2.3 Tính tốn thực nghiệm lựa chọn khoảng cách từ cảm biến đến sa bàn: 36 5.2.4 Xác định cách đặt cảm biến 38 5.2.5 Tính tốn khoảng cách hai cảm biến .39 5.2.6 Lựa chọn số cảm biến 40 5.2.7 Hiệu chỉnh cảm biến (Calibration) 41 ii 5.3 Lựa chọn driver 43 5.4 Lựa chọn vi điều khiển 43 5.5 Chọn nguồn pin mạch hạ áp 45 5.5.1 Chọn nguồn pin 45 5.5.2 Chọn mạch hạ áp 45 5.6 Sơ đồ nối dây 45 CHƯƠNG THIẾT KẾ BỘ ĐIỀU KHIỂN 49 6.1 Thành lập luật điều khiển 49 6.2 Sơ đồ giải thuật 51 6.3 Mô 54 CHƯƠNG THỰC NGHIỆM VÀ KẾT LUẬN 57 7.1 Tóm tắt nội dung thực 57 7.2 Hình ảnh xe thực tế 57 7.3 Kết thực nghiệm bám line 57 7.4 Nhận xét 58 7.5 Định hướng phát triển đề tài 58 TÀI LIỆU THAM KHẢO 59 iii DANH MỤC HÌNH ẢNH Hình 1.1 Sa bàn di chuyển robot Hình 1.2 Mặt Robot – Line Follower [1] Hình 1.3 Brandon's line following robot: The Chariot [3] Hình 1.4 Robot Fireball [4] Hình 1.5 CartisX04 [5] Hình 1.6 Xe đua dị line thi IT Car Racing 2017 Hình 1.7 Xe dị line nhóm sinh viên lớp CK16KSCD [6] .8 Hình 1.8 Xe dị linne nhóm sinh viên điện tử khóa 16 [7] .10 Hình 2.1 Phương án khí, kết cấu xe 13 Hình 2.2 Sơ đồ cấu trúc điều khiển tập trung [9] 15 Hình 2.3 Sơ đồ cấu trúc tập trung [9] 16 Hình 3.1 Sơ đồ nguyên lý cấu xe chọn 19 Hình 3.2 Bánh xe V2-65mm 19 Hình 3.3 Bánh mắt trâu kim loại lớn .20 Hình 3.4 Phân tích lực bánh xe chủ động 21 Hình 3.5 Ngoại lực tác dụng lên xe chiều dài cánh tay địn .21 Hình 3.6 Động GA25 24 Hình 3.7 Mơ hình tính tốn xe chuyển hướng .25 Hình 4.1 Mơ hình động học robot 26 Hình 4.2 Đồ thị tốc độ RPM theo độ rộng xung PWM động A 29 Hình 4.3 Đồ thị tốc độ RPM theo độ rộng xung PWM động B .29 Hình 4.4 Đồ thị tín hiệu PWM(%) cấp cho động để xác định hàm truyền 31 Hình 4.5 Đồ thị đáp ứng động A 32 Hình 4.6 Đồ thị đáp ứng động B 32 Hình 4.7 Tính xác hàm truyền tìm động A 33 Hình 4.8 Tính xác hàm truyền tìm động B 33 Hình 5.1 Sơ đồ khối hệ thống điện 34 iv Hình 5.2 Sơ đồ nguyên lý mạch nhận giá trị analog từ cảm biến 35 Hình 5.3 Mối quan hệ dòng điện điện áp 36 Hình 5.4 Thơng số góc quét cảm biến TCRT5000 36 Hình 5.5 Biểu đồ thể thay đổi giá trị đọc từ cảm biến 38 Hình 5.6 Cách đặt vùng làm việc cảm biến 39 Hình 5.7 Mối quan hệ khoảng cách cảm biến đến tâm đường line theo hai cách 39 Hình 5.8 Vùng cảm biến chồng .40 Hình 5.9 Phương pháp tính giá trị trung bình xấp xỉ theo trọng số 42 Hình 5.10 Đồ thị quan hệ vị trí thực line theo tính tốn thực tế đo .42 Hình 5.11 Sơ đồ nối dây khối nguồn 46 Hình 5.12 Sơ đồ nối dây khối động Encoder 46 Hình 5.13 Sơ đồ nối dây khối mạch cảm biến 46 Hình 5.14 Sơ đồ nối dây khối xử lý trung tâm 47 Hình 5.15 Sơ đồ nối dây khối điều khiển động 47 Hình 5.16 Sơ đồ nối dây khối xử lý cảm biến 48 Hình 6.1 Sai số 𝑒2 49 Hình 6.2 Sơ đồ giải thuật chương trình 51 Hình 6.3 Sơ đồ giải thuật chương trình phụ - Khối thời gian rẽ 52 Hình 6.4 Sơ đồ giải thuật chương trình phụ - Khối PID động trái 53 Hình 6.5 Sơ đồ giải thuật chương trình phụ - Khối PID động phải 53 Hình 6.6 Sơ đồ giải thuật chương trình phụ - Khối PD bám line .53 Hình 6.7 Mô bám line sa bàn 54 Hình 6.8 Độ rộng xung điều khiển hai động 55 Hình 6.9 Vận tốc đáp ứng hai động 55 Hình 6.10 Giá trị sai số e2 56 Hình 7.1 Hình ảnh xe dò line thực tế 57 v DANH MỤC BẢNG BIỂU Bảng 2.1 So sánh phương án kết cấu khí 12 Bảng 2.2 So sánh loại cảm biến 14 Bảng 2.3 Biểu đồ Ganlt kế hoạch thực công việc 17 Bảng 3.1 Thông số động DC servo GA25V1 23 Bảng 4.1 Tốc độ động theo % PWM động A (trái) 28 Bảng 4.2 Tốc độ động theo % PWM động B (phải) 28 Bảng 5.1 Thông số Data analog từ cảm biến gửi slave .37 Bảng 5.2 Phương trình hiệu chỉnh cảm biến 41 Bảng 5.3 Bảng so sánh số loại vi điều khiển thông dụng 44 Bảng 5.4 Đánh giá loại vi điều khiển 44 Bảng 6.1 Thông số đầu vào mô .54 vi CHƯƠNG TỔNG QUAN 1.1 Giới thiệu Robot dò line (Line Following Robot) dạng robot di động (mobile robot) di chuyển bánh xe Robot di chuyển bám theo đường line kẻ/vẽ/dán mặt đất Quỹ đạo di chuyển robot phụ thuộc vào sa bàn hệ thống đường line kẻ/vẽ/dán 1.2 Yêu cầu đặt đồ án 1.2.1 Mục tiêu đồ án Thiết kế chế tạo xe dò line di chuyển sa bàn có điểm điểm hình: Hình 1.1 Sa bàn di chuyển robot  Khi bắt đầu, robot đặt vị trí START (điểm A), sau robot chạy theo thứ tự qua điểm nút quy định sau: (START)A → B → C → D → E → B → F → A → G → B → D (END)  Màu sắc đường line: đen  Màu nền: trắng  Bề rộng đường line: 26 mm  Bề mặt địa hình hình di chuyển: phẳng 1.2.2 Yêu cầu kỹ thuật  Tốc độ di chuyển robot: tối thiểu 0.2 m/s  Số lượng bánh xe robot (bao gồm bánh xe dẫn động bánh xe bị động) chọn tùy thuộc vào thiết kế nhóm  Trên robot trang bị hệ thống cảm biến để giúp robot nhận biết đường line bề mặt sàn/mặt đất di chuyển bám theo đường line Nhóm sinh viên tự chọn loại cảm biến phù hợp Điều kiện ràng buộc:  Đường kính bánh xe: d ≤ 200 mm  Số lượng bánh xe (chủ động + bị động): tùy chọn  Kích thước tối đa chiều robot (dài x rộng x cao): 350 mm x 250 mm x 350 mm 1.3 Các tiêu chí đánh giá (1) Kết cấu khí (sơ đồ nguyên lý, kích thước tổng, số bánh xe) (2) Cảm biến (3) Động (4) Hệ thống điều khiển (5) Môi trường làm việc (6) Vận tốc 1.4 Tình hình nghiên cứu ngồi nước 1.4.1 Robot – Line Follower Hình 1.2 Mặt Robot – Line Follower [1] Kết cấu khí: Xe bánh: 2 bánh dẫn động phía sau, D = 50 mm bi cầu, Sơ đồ nguyên lý: Cảm biến: cặp IR transmitter and Receiver Động cơ: DC Hệ thống điều khiển: PID Môi trường làm việc: Phẳng Vận tốc: Khơng có thơng số Dựa vào thơng số xe nhóm có số đánh ưu nhược điểm xe sau: Về ưu điểm:  Sử dụng nhiều cảm biến hồng ngoại cho hiệu dò line cao  Kết cấu truyền động, mơ hình động học đơn giản, đảm bảo bánh xe đồng phẳng cho phép xe di chuyển bán kính cong nhỏ, chí quay lại chỗ [2] Về nhược điểm:  Số lượng cảm biến nhiều khiến thuật tốn nhận diện tín hiệu trở nên phức tạp  Xe bị trượt theo phương pháp tuyến vào đoạn line có bán kính nhỏ với tốc độ cao Để dảm bảo xác xe di chuyển đoạn đường thẳng, dòi hỏi điều khiển đồng hai động độc lập cho hai bánh xe quay tốc độ Hình 5.11 Sơ đồ nối dây khối nguồn Hình 5.12 Sơ đồ nối dây khối động Encoder Hình 5.13 Sơ đồ nối dây khối mạch cảm biến 46 Hình 5.14 Sơ đồ nối dây khối xử lý trung tâm Hình 5.15 Sơ đồ nối dây khối điều khiển động 47 Hình 5.16 Sơ đồ nối dây khối xử lý cảm biến 48 CHƯƠNG THIẾT KẾ BỘ ĐIỀU KHIỂN 6.1 Thành lập luật điều khiển Hình 6.1 Sai số 𝑒2 Đối với toán tracking robot bám line, điều khiển giúp robot bám theo quỹ đạo cho trước với sai số theo phương vng góc xe 𝑒2 Ở đây, nhóm chọn điề khiển PID (Proportional-Integral-Derivative) Tín hiệu đầu vào (Input) điều khiển sai số 𝑒2 tâm cảm biến với giao tuyến đường cảm biến, tín hiệu đầu (Output) chênh lệch vận tốc bánh xe Bộ điểu khiển PID đơn giản dạng song song (Parallel form) miền thời gian liên tục biểu diễn sau: 𝑡 𝑢(𝑡 ) = 𝐾𝑝 𝑒(𝑡 ) + 𝐾𝑖 ∫ 𝑒(𝑡 )𝑑𝑡 + 𝐾𝑑 𝑑𝑒(𝑡 ) 𝑑𝑡 (39) Trong : 𝑢(𝑡 ) : tín hiệu điều khiển 𝑒 (𝑡 ) = 𝑟(𝑡 ) − 𝑦(𝑡): sai số tín hiệu mong muốn 𝑟(𝑡) tín hiệu hệ thống 𝑦(𝑡) Để thực điều khiển vi điều khiển ta nên sử dụng công thức dạng thời gian rời rạc: 𝑛 𝑢(𝑘𝑇) = 𝐾𝑝 𝑒(𝑘𝑇) + 𝐾𝑖 𝑇 ∑ 𝑒(𝑘𝑇) + 𝐾𝑑 𝑘=0 Trong : 49 𝑒(𝑘𝑇) − 𝑒 (𝑘𝑇 − 𝑇) 𝑇 (40) 𝑢(𝑘𝑇), 𝑒(𝑘𝑇): Tín hiệu điều khiển tín hiệu sai số dạng dời rạc với thời gian lấy mẫu 𝑇 Vận tốc hai bánh phụ thuộc vào hai tham số giá trị điểu khiển của điều khiển vận tốc tối đa mà động chạy Giả sử, vận tốc yêu cầu xe 𝑉𝑠𝑒𝑡 vận tốc hai bánh xe tính sau: 𝑉𝑀𝑜𝑡𝑜𝑟𝑅 (𝑘𝑇) = 𝑉𝑠𝑒𝑡 + 𝑢(𝑘𝑇) ; 𝑉𝑀𝑜𝑡𝑜𝑟𝐿 (𝑘𝑇) = 𝑉𝑠𝑒𝑡 − 𝑢(𝑘𝑇) Điều kiện là: 𝑉𝑀𝑜𝑡𝑜𝑟𝑅 , 𝑉𝑀𝑜𝑡𝑜𝑟𝐿 ≤ 𝑉𝑀𝑎𝑥 50 (41) 6.2 Sơ đồ giải thuật Hình 6.2 Sơ đồ giải thuật chương trình 51 Hình 6.3 Sơ đồ giải thuật chương trình phụ - Khối thời gian rẽ 52 Hình 6.4 Sơ đồ giải thuật chương trình Hình 6.5 Sơ đồ giải thuật chương trình phụ - Khối PID động trái phụ - Khối PID động phải Hình 6.6 Sơ đồ giải thuật chương trình phụ - Khối PD bám line 53 6.3 Mơ Bảng 6.1 Thông số đầu vào mô Đại lượng Giá trị Đơn vị Bán kính cong 500 mm Vận tốc lớn 0.4 m/s Tốc độ góc lớn động 280 rpm Khoảng cách từ tâm cảm biến tới tâm bánh sau 175 mm Khoảng cách hai bánh xe 168 mm Đường kính bánh xe 65 mm Thời gian lấy mẫu hệ thống 0.15 s Thời gian lấy mẫu motor 0.02 s Hình 6.7 Mơ bám line sa bàn 54 Hình 6.8 Độ rộng xung điều khiển hai động Hình 6.9 Vận tốc đáp ứng hai động 55 Hình 6.10 Giá trị sai số e2 Nhận xét: Sau tối ưu hệ số PID ta thu tời gian chạy hết sa bàn với vận tốc 0,4 m/s 26,5s Sai số lớn sa bàn 75,8 mm 56 CHƯƠNG THỰC NGHIỆM VÀ KẾT LUẬN 7.1 Tóm tắt nội dung thực  Tìm hiểu tổng quan Robot dò line  Thiết kế phần cứng xe dò line theo yêu cầu đồ án  Xác định hàm truyền động  Thiết kế mạch cảm biến sử dụng Phototransistor TCRT5000  Tìm hiểu dòng vi điều khiển STM32 giao tiếp truyền liệu chúng (SPI)  Tính tốn mơ hình hóa động học robot  Thiết kế điều khiển mô hoạt động xe phần mềm Matlab  Hồn thành chế tạo mơ hình xe dò line thực nghiệm chạy sa bàn Xe dị line hồn thành vĩ đạo di chuyển yêu cầu 7.2 Hình ảnh xe thực tế Hình 7.1 Hình ảnh xe dị line thực tế 7.3 Kết thực nghiệm bám line Tổng thời gian di chuyển: 86 𝑠 Vận tốc trung bình: 0,12 𝑚/𝑠 57 7.4 Nhận xét So với thực nghiệm, mô bỏ qua yếu tố ảnh hưởng khối lượng lực quán tính thành phần xe, lực ma sát bánh xe sa bàn, sai số đồng trục hai bánh xe, thời gian đáp ứng động cơ, tác động nhiễu môi trường độ đồng ánh sáng, màu sắc độ phẳng sa bàn Do đó, kết thực nghiêm không khớp với mô Kết chạy thực tế nhóm chưa đạt tốc độ sai số cho phép yêu cầu, nguyên nhân giải thuật điều khiển chưa tối ưu Để khắc phục sai xót này, nhóm đề giải pháp:  Gia công thân xe gá trục động lại vật liệu nhôm để đảm bảo độ đồng tâm hai bánh xe tốt  Động vấn đề quan tâm, cần lựa chọn tính tốn xác để đáp ứng đủ moment mà thời gian đáp ứng vận tốc động có tải cần vượt mức yêu cầu  Thêm cảm biến để nhận biết chỗ giao đoạn chuyển tiếp 7.5 Định hướng phát triển đề tài  Điều khiển vận tốc đoạn đường khác để tối ưu thời gian hồn thành  Tích hợp chức tránh vật cản nhằm tránh va chạm làm hỏng phần cứng xe 58 TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] Midhun, "Robot - Line follower" [2] B Siciliano and O Khatib, "Springer handbook of robotics, chaper 17.2.2-17.2.6," Springer, 2008 [3] Brandon, "Brandon's line following robot: The Chariot," 2015 [4] Brooks, "Fireball," 2010 [5] Aniki, "CartisX04," 2014 [6] Ôn Từ Quốc Đạt, Trần Bình Trọng, Đinh Ngọc Viết Văn, Nguyên Thanh Tú, PGS TS Nguyễn Tấn Tiến, "Thiết kế xe dò line," Đại Học Bách Khoa TPHCM, 2019 [7] Võ Trường San, Trần Ngơ Hồng Sang, Nguyễn Việt Sơn, Bùi Đức Thắng, PGS TS Nguyễn Quốc Chí, "Thiết kế, chế tạo điều khiển xe bám line tự động," Đại Học Bách Khoa TP HCM, 2019 [8] J.-F Dupuis and M Parizeau, "Evolving a Vision-Based Line-Following Robot Controller," Institute of Electrical and Electronics Engineers, 2006 [9] N T Tiến, T T Tùng and K S Bong, "Giảng Dạy Thiết Kế Hệ Thống Cơ Điện Tử qua Đồ Án," Hội nghị toàn quốc lần thứ Cơ Điện tử - VCM, 2016 [10] T H Văn, Hướng dẫn tìm hiểu chương trình TDC MCR, 2012 [11] M S Islam and M A Rahman, "Design and Fabrication of Line Follower Robot," Asian Journal of Applied Science and Engineering, 2013 [12] B Vikram, M Balaji, M Chandrasekaran, M Ahamed and I Elamvazuthi, "Optimization of PID Control for High Speed Line Tracking Robots," IEEE International Sysmposium on Robotics and Intelligent Sensors, 2015 [13] U Frarooq, M Amar, M U Asad, G Abbas and A Hanif, "Fuzzy Logic Reasoning System for Line Following Robot," IACSIT International Journal of Engineering and Technology, vol 6, 2014 59 [14] Đường Khánh Sơn & Từ Diệp Công Thành, "Ứng Dụng Bộ Điều Khiển Self Tuning Fuzzy-i điều khiển Omni-Directional Mobile Robot," Báo Khoa học & Ứng dụng, vol 20, pp 54-57, 2012 [15] Huu Danh Lam et al., "Smooth tracking controller for AGV through junction using CMU camera," Tuyển Tập HN Cơ điện tử lần 7, pp 679-601, 2014 [16] Fernando Orduna C et al., "ALDRO Learning and Mixed Decision Support Method for Mobile Robot," Workshop Proceedings of the 8th International Conference on Intelligent Environments, 2012 [17] T Đ Quân, "Điều khiển robot dò đường theo vạch với điều khiển PID" [18] S Juing-Huei, "An intelligent line-following robot project for introductory robot courses," World Transactions on Engineering and Technology Education, 2010 60