1.3.1 Tại sao dùng bánh xe omni ?
Như ta đã thấy, robot với ba bánh xe omni có thể chuyển động theo bất cứ hướng nào ngay lập tức, điều này làm robot có tính linh hoạt rất cao, thích hợp để tránh vật cản. Đồng thời robot có thể quay tại chỗ làm cho việc bám theo đối tượng thuận lợi. Khi đối tượng quay, robot có thể quay theo mà không làm thay đổi khoảng cách đến mục tiêu. Khi mất dấu đối tượng thì robot có thể quay tại chỗđể dò tìm đối tượng. Do đó robot omni rất thích hợp cho đề
tài này.
1.3.2 Điều khiển robot omni trong thực tế
Việc phân tích robot omni ở trên cho thấy đểđiều khiển robot moni chính xác và tối ưu
rất phức tạp do chuyển động của robot omni luôn có trượt. Một lý do khác là do thân robot khá cao ( đáp ứng yêu cầu đặt camera bắt mặt người) nên khi di chuyển sẽ có quán tính lớn, lắc lư
nhiều, đồng thời với giải thuật tránh vật cản thi việc robot chuyển hướng xảy ra liên tục nên khó điều khiển theo các phương pháp truyền thống như là PID. Việc điều khiển robot được em
điều khiển vòng hở và điện áp cấp cho các động cơ là dựa vào kinh nghiệm, không quá thấp để
robot di chuyển chậm nhưng không quá cao để robot có thể gặp sự cố khi chuyển hướng đột ngột.
Với một robot omni ba bánh thì có thể có các trường hợp chuyển động sau :
(a) (b) (c) (d)
Hình 3.10 Các trường hợp chuyển động của robot omni ba bánh: vector màu trắng: vận tốc
của robot; vector màu xanh lá cây : vận tốc lái của động cơ; vector màu xanh dương : vận tốc
sau cùng; vector màu cam : vận tốc bù; điểm màu vàng : tâm quay.
Ø Trường hợp (a) : khi một bánh không cấp vận tốc, hai bánh còn lại quay ngược chiều nhau ( chiều lượng giác quy ước là ngược chiều kim đồng hồ), thi robot sẽ
tịnh tiến theo hướng vuông góc với bánh không cấp vận tốc, chiều theo chiều vector tổng.
Ø Trường hợp (b) : khi 3 bánh cùng cấp vận tốc cùng chiều lượng giác thì robot sẽ
Chương 3 Robot omni
——————————————————————————————————————
Robot tránh chướng ngại vật - GVHD TS.Nguyễn Đức Thành Trang 29
Ø Trường hợp (c) : khi một trong ba bánh chuyển động ngược hướng với hai bánh còn lại và hai bánh còn lại được cấp vận tốc giống nhau nhưng nhỏ hơn bánh thứ
nhất, robot sẽ tịnh tiến theo hướng song song với bánh thứ nhất.
Ø Trường hợp (d) : đây là trường hợp tổng quát nhất với ba bánh được cấp vận tốc bất kì, robot sẽ quay theo một tâm nào đó. Các trường hợp trước coi như là trường hợp đặc biệt của trương hợp (d) vì: trường hợp (b) tâm quay nằm ngay tâm hình
học của robot, trương hợp (a) và (c) tâm quay xem nhưở vô cùng.
Tóm lại với một robot omni ba bánh ta có điều khiển theo các hướng như sau :
Hình 3.11 Các hướng điều khiển robot omni
Ta có thểđiều khiển robot omni tịnh tiến theo 12 hướng và quay tại chỗ theo hai chiều. Việc điều khiển này yêu cầu đơn giản về phần mềm nhưng không làm mất tính linh hoạt của robot. Robot có thể di chuyển đến bất cứ vị trí nào trong mặt phẳng bằng cách kết hợp các hướng chuyển động xoay và tịnh tiến trong một thời gian ngắn, phát huy được thế mạnh của robot omni.
Chương 3 Cảm biến dùng trong robot tự hành
——————————————————————————————————————
Robot trán h hướng ngại vật - GVHD: TS.Nguyễn Đức Thành Trang 30
CHƯƠNG 3
CẢM BIẾN DÙNG TRONG ROBOT TỰ HÀNH
Có một lượng lớn các cảm biến khác nhau được dùng trong lĩnh vực robotic, áp dụng nhiều kĩ thuật đo khác nhau và sử dụng các giao tiếp khác nhau với bộđiều khiển. Điều quan trọng là tìm ra cảm biến thích hợp cho một ứng dụng cụ thể. Dữ liệu truyền đến bộđiều khiển có 2 dạng : CPU-initiated (hỏi vòng) và sensor-initiated (sử dụng ngắt). Trong trường hợp
CPU-initiated, CPU liên tục kiểm tra xem dữ liệu có sẵn sàng đểđọc không bằng một đường
tín hiệu trạng thái. Việc này thì tốn thời gian hơn là giải pháp sensor-initiated, chi đòi hỏi đủ
ngõ vào ngắt thôi. Cảm biến phát tín hiêu ngắt đến CPU và CPU đáp ứng ngay lập tức. Sau đây là bảng tóm tắt các dạng ngõ ra của cảm biến :
Ngõ ra cảm biến Ứng dụng
Tín hiệu logic (1,0) Công tắc hành trình
Tín hiệu tương tự Cảm biến đo góc
Tín hiệu xung thời gian Cảm biến siêu âm
Dữ liệu nối tiếp (RS232 hoặc USB) GPS Module
Dữ liệu song song Camera số
Bảng 4.1 Phân loại cảm biến theo ngõ ra
4.1 PHÂN LOẠI CẢM BIẾN
Dưới cái nhìn của người kỹ sư, thật hợp lý khi phân loại cảm biến theo ngõ ra vì điều này rất cần thiết khi giao tiếp chúng với hệ thống nhúng. Tuy nhiên, Bảng 4.2 trích từ [9] cho ta
các cách phân loại khác cũng quan trọng khi nhìn vào khía cạnh ứng dụng của chúng:
Từ cách nhìn của một robot, ta cần phân loại như sau:
• Local hoặc on-board sensors ( cảm biến được đặt trên robot )
• Global sensors (cảm biến được đặt bên ngoài robot và trong môi trường làm việc
của nó, gửi dữ liệu về robot)
Từ cách nhìn của một hệ thống robot tự hành, ta cần phân loại như sau:
• Internal hoặc proprioceptive sensors ( cảm biến khảo sát trạng thái bên trong của
robot )
Chương 3 Cảm biến dùng trong robot tự hành
——————————————————————————————————————
Robot trán h hướng ngại vật - GVHD: TS.Nguyễn Đức Thành Trang 31
Một cách phân biệt khác là :
• Passive sensors ( cảm biến khảo sát môi trường mà không tác động đến môi trường
đó, ví dụ như camera, con quay gyroscope)
• Active sensors (cảm biến tương tác với môi trường để thực hiện đo đạc, ví dụ như
cảm biến dùng sóng siêu âm, lazer, hồng ngoại)
Local Global
Internal Passive
Cảm biến định lượng (pin,accu) Cảm biến nhiệt độ cho chip Encoder đầu trục Cảm biến góc Cảm biến gia tốc La bàn (compass) Active External Passive Camera onboard Active Cảm biến siêu âm Cảm biến hồng ngoại Cảm biến lazer Passive Overhead Camera GPS từ vệ tinh Active Hệ thống định vị dùng cảm biến siêu âm
Bảng 4.2 Các cách phân loại cảm biến trong robot tự hành
4.2 CÁC CẢM BIẾN THÔNG DỤNG TRONG ROBOT TỰ HÀNH: 4.2.1 Rotary Encoder: 4.2.1 Rotary Encoder:
Rotary encoder hay còn gọi là shaft encoder, là một thiết bịđiện cơ dùng đểđo vận tốc hoặc vị trí. Encoder sử dụng các cảm biến quang đểđưa ra một chuỗi xung có thể chuyển
đổi thành các giá trị của chuyển động như vận tốc, vị trí hay hướng.Hình dưới mô tả cấu tạo một dạng encoder: một đĩa rất mỏng và một diode phát quang (LED) gắn ở một phía, phía bên kia có một transistor nhạy sáng (light activate) phát hiện ánh sáng từ LED. Đĩa
được gắn vào trục quay và khi trục quay thì đĩa quay. Khi đĩa quay đến vị trí mà ánh sáng
từ LED có thể truyền qua khe trên đĩa đến transistor làm nó bão hòa, transistor sẽ phát ra
Chương 3 Cảm biến dùng trong robot t
——————————————————————————————————————
Robot trán h hướng ngại vật - GVHD: TS.Nguy
§ Incremental Encoder :
Encoder với một chu
thể. Các encoder lo
chuỗi thứ nhất. Encoder này s các trạng thái đượ
Hình 4.2 (a): Mã hóa tín hi
Trường hợp encoder quay thu
§ Absolute encoder :
và lưu trong bộ đ
Trong trường một thi
n dùng trong robot tự hành
——————————————————————————————————————
GVHD: TS.Nguyễn Đức Thành
Incremental Encoder :
Hình 4.1 Nguyên lý incremental encoder
t chuỗi xung thì khó để nhận biết chiều chuyển đ
. Các encoder loại incremental có thêm chuỗi xung thứ hai l
t. Encoder này sử dụng hai ngõ ra A, B vuông pha v
ợc mã hóa như sau :
(a)
(b)
Hình 4.2 (a): Mã hóa tín hiệu từ incremental encoder băng mã gray; (b) :
p encoder quay thuận chiều chiều kim đồng hồ
Absolute encoder : hạn chế của incremental encoder là số xung ph
đệm hoặc bộ đếm ngoài, nếu mất nguồn, giá tr t thiết bị cần tắt nguồn định kì để bảo dưỡng thì khi c
——————————————————————————————————————
Trang 32
n động của vật hai lệch pha so với
ng hai ngõ ra A, B vuông pha với nhau, có
ã gray; (b) :
xung phải được đếm n, giá trị đếm sẽ mất. ng thì khi cấp nguồn
Chương 3 Cảm biến dùng trong robot tự hành
——————————————————————————————————————
Robot trán h hướng ngại vật - GVHD: TS.Nguyễn Đức Thành Trang 33
lại nó sẽ không biết tiếp tục ở vị trí nào. Absolute encoder có thể khắc phục
điều này bằng thiết kế đĩa với các vòng đồng tâm trên đĩa, mội vòng đều có những chỗ hở cho ánh sáng đi qua và những chỗ kín xen kẽ nhau gọi là các phần tử nhị phân. Các vòng này bắt đầu từ tâm đĩa và càng ra xa thì số phần tử
nhị phân lại tăng gấp đôi. Giá trịđọc được sẽ có dạng số nhị phân duy nhất cho mội vị trí tương đương của đĩa. Việc mã hóa được thể hiện trong hình sau :
Hình 4.3 : Mã hóa từng vị trí theo mã gray nhị phân của absolute encoder
4.2.2 Gia tốc kế : (accelerometer)
Gia tốc kếđo gia tốc mà nó nhận được tương đối so với gia tốc rơi tự do, tức là bằng gia tốc quán tính trừ gia tốc trọng trường, trong đó gia tốc quán tính được hiểu theo khái niệm của Newton về gia tốc thuộc một hệ quy chiếu đứng yên. Một điều hơi phản trực giác là nếu gia tốc kếđứng yên trên mặt đất sẽ cho ra gia tốc 1 g hướng lên. Để có được gia tốc theo chuyển động, giá trị offset này phải được trừ ra. Nếu gia tốc cần đo nẳm ngang thì gia tốc kế sẽ cho giá trị trực tiếp.
Về nguyên lý, gia tốc kế họat động như một vật nặng đặt trên lò xo. Khi chịu tác động một gia tốc , vật nặng được dịch chuyển đến vị trí mà lò xo có thểđạt được với cùng một gia tốc. Sự dịch chuyển này được đo để cho ra gia tốc.
Chương 3 Cảm biến dùng trong robot tự hành
——————————————————————————————————————
Robot trán h hướng ngại vật - GVHD: TS.Nguyễn Đức Thành Trang 34
Hình 4.4 : Cấu tạo một gia tốc kế dùng lò xo
Một loại gia tốc kế thông dụng là MEMS ( Micro Electro-Mechanical System) . MEMS là công nghệ tích hợp các phần tử cơ khí, cảm biến, chấp hành và điện tử trên cùng một đế silicon. Trong khi phần điện tử có thể chế tạo bằng quy trình sản xuất vi
mạch, phần vi cơ học (micromechanical) được chế tạo bằng quy trình “micromachining”
: làm ăn mòn các tấm sillicon (wafer) hoặc thêm vào các lớp cấu trúc mới để tạo nên các thiết bị cơ và điện cơ. Gia tốc kế lọai MEMS bao gồm một thanh đỡ mang trọng lượng, khi nhận các tác động gia tốc bên ngoài, thanh đỡ này bị lệch khỏi vị trí cân bằng của nó.
Độ lệch này có thểđược đo theo kiểu tương tự ( analog) hoặc số (digittal).
Hình 4.5 : Gia tốc kế 2-trục ADXL202 và sơđồ nguyên lý mạch đo
Một gia tốc kế có thể là loại một hay nhiều trục, do robot có thể phát hiện lực trên một hay nhiều hướng. Robot dùng gia tốc kế loại một hướng, nó có thể nhận biết khi nào robot đụng phải tường ( theo hướng đó ) nhưng không thể biết được nếu robot khác đâm
Chương 3 Cảm biến dùng trong robot tự hành
——————————————————————————————————————
Robot trán h hướng ngại vật - GVHD: TS.Nguyễn Đức Thành Trang 35
vào nó theo hướng vuông góc. Do đó dùng gia tốc kế nhiều trục sẽ tiện lợi hơn. Một ứng
dụng khác là cho robot đi bằng hai chân và ta muốn robot cân bằng trên mặt phẳng. Do
gia tốc kế có thể tính được góc lệch của gia tốc so với gia tốc trọng trường nên ta chỉ cần dùng loại hai trục, nếu gia tốc trên hai trục X-Y ( 2 trục nằm ngang) bằng không, có
nghĩa là robot đang cân bằng hòan tòan.
4.2.3 Con quay ( Gyroscopes)
Gyroscopes có hai loại : mechanical gyroscopes và optical gyroscope.
§ Mechanical Gyroscopes : dựa trên nguyên lý lệch trục của con quay hồi chuyển.
Trong trường hợp con quay đạng quay với tốc độ cao, ta tác động vào một trục thì con quay sẽ phản ứng ở trục còn lại. Trong sơ đồ con quay hình dưới, phần quay (rotor ) có ba bậc tự do và trục của nó ( spin axis) có hai bậc tự do. Khi
rotor quay với vận tốc cao, ta tác động vào trục nằm ngang ( input axis ) thì con
quay sẽđáp ứng ở trục thẳng đứng ( output axis)
Hình 4.6 : Cấu tạo và nguyên lý họat động của con quay hồi chuyển
Trong thực tế, con quay hồi chuyển gồm một rotor được lắp trên một khung động quay quanh trục Y’Y với tốc độ lớn (~ 10000 vòng / phút) nhờ một động cơ. Tốc độ
quay ω cần đo theo trục Z’Z vuông góc với trục Y’Y. Nó làm xuất hiện một ngẫu lực Cg( tỉ lệ với ω) theo hướng X’X vuông góc với hai trục Y’Y và Z’Z có xu hướng làm cho khung động của con quay hồi chuyển quay theo. Ngẫu lực Cgcân bằng với lực đàn hồi của lò xo và thể hiện qua góc quay α của khung. Góc quay αtỉ
lệ với vận tốc góc ω cần đo, để tiện cho việc xử lý thì góc α được chuyển thành tín hiệu điện nhờ vào một điện thế kế.
§ Optical Gyroscopes : mới được phát triển gần đây và được thương mại hóa vào
năm 1982 với ứng dụng trên máy bay. Optical gyroscopes dựa trên nguyên lý : khi
các sóng truyền theo hai hướng ngược nhau trên chu vi hình tròn bán kính r ( chu vi
2
L= πr), và hình tròn quay với tốc độ ω, biểu thức hiệu hai quãng đường có dạng :
Chương 3 Cảm biến dùng trong robot tự hành
——————————————————————————————————————
Robot trán h hướng ngại vật - GVHD: TS.Nguyễn Đức Thành Trang 36
21 12 2 r d d L c ω − = (4.1) Trong trường hợp này, hiệu quãng đường đi sóng tỷ lệ với tốc độ quay cần đo.
Trong thực tế, người ta cho hai chùm tia xuất phát từ cùng một nguồn lazer truyền theo hai hướng ngược nhau trong một sợi cáp quang quay với vận tốc cần đo. Khi ra khỏi cáp, hai tia giao thoa. Bằng cách đếm số vân giao thoa ∆Z bị dịch chuyển do cáp quay có thể tính tốc độ quay : 2Lr Z c ω λ ∆ = (4.2)
trong đó L là chiều dài cáp quang, λ là bước sóng lazer. Con quay quang này cho phép mở rộng phạm vi đo vận tốc về giới hạn dưới ( tốc độ nhỏ) bằng cách tăng độ
dài L của cáp quang khi cuốn nó thành cuộn nhiều vòng
Hình 4.7 Nguyên lý họat động của Optical Gyroscopes
2.2.4 Cảm biến hồng ngoại
Cảm biến hồng ngoại hoạt động dựa trên nguyên tắc sau : một xung ánh sáng trong vùng
hồng ngoại được phát đi rồi phản xạ lại ( hoặc không phản xạ). Khi ánh sáng phản xạ lại, góc tới của sóng phản xạ sẽ phụ thuộc vào khoảng cách của vật phản xạ. Với việc đo góc phản xạ, ta sẽ suy ra được khoảng cách cần đo. Phép đo như vậy gọi là phép tam giác lượng (triangulation).
Chương 3 Cảm biến dùng trong robot tự hành
——————————————————————————————————————
Robot trán h hướng ngại vật - GVHD: TS.Nguyễn Đức Thành Trang 37
Hình 4.8 Phép đo bằng cảm biến hồng ngoại.
Nhược điểm của cảm biến hồng ngoại là chịu tác động của ánh sáng môi trường và màu sắc của vật phản xạ. Do đó không thể sử dụng cảm biến này cho robot dung ngoải trời. Tuy nhiên một số cảm biến hồng ngoại mới như Sharp IR có thể làm việc tốt với ánh sánh môi trường. Ưu điểm của cảm biến hồng ngoại là góc mở nhỏ nên độ phân giải hướng lớn.
4.3 CẢM BIẾN SIÊU ÂM
4.3.1 Cơ sở vật lý của sóng siêu âm :
Sóng siêu âm là áp suất âm tuần hoàn với tần số lớn hơn ngưỡng nghe trên của tai người. Ngưỡng nghe này thay đổi theo từng người, tính xấp xỉ là 20KHz. Sóng siêu âm được ứng dụng trong nhiều lĩnh vực, chủ yếu là truyền qua môi trường vật chất và đo tín hiệu phản xạ, tín hiệu phản xạ có thể mang theo đặc tính của môi trường đó
.
Hình 4.9 : Vị trí sóng siêu âm trong dải tần số
Siêu âm được sử dụng rộng rãi trong việc đo khoảng cách và định vị vật thể. Sóng siêu âm
được truyền trong không khí với vận tốc 343m/s. Các công thức tính toán cho sóng siêu âm:
f c
=
λ
Chương 3 Cảm biến dùng trong robot tự hành
——————————————————————————————————————
Robot trán h hướng ngại vật - GVHD: TS.Nguyễn Đức Thành Trang 38
m Hz s m khi khong f c 01 .