Theo mạch thì nguồn 12V từ acquy cấp cho động cơ. Phần công suất để điều khiển động cơ là linh kiện Mosfet IRF540. Theo thiết kế mạch có phần cách ly giữa khối Vi điều khiển và 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 cơ ta sử dụng relay12 (VDPDT).
Các chế độ hoạt động của mạch như sau :
1. Chế độ thuận: tín hiệu điều chế độ rộng xung PWM từ vi điều khiển kích chân 1 của opto, chân 3 và chân 4 của opto thông nhau dẫn kích mở IRF từ chân số 1, chân 2 và chân 3 thông nhau động cơ quay thuận.
2. Chế độ đảo: tín hiệu điện áp từ vi điều khiển kích chân 1 của opto, chân 3 và chân 4 thông nhau dẫn kích mở Transistor C1815
Hình 2.40 Sơ đồ mạch in khối công suất và đảo chiều 2.5.2.2.1 Linh kiện IRF540
Động cơ giúp cho robot di chuyển có dòng tiêu thụ tối đa là 2A, yêu cầu hoạt động chính xác và công suất đủ để robot di chuyển linh hoạt. Sử dụng MOSFET-N là IRF 540 là nhiệm vụ đóng mở động cơ.
Hình 2.41 Mô tả IRF 540
Như vậy, IRF540 có thể tải được dòng lớn 33A đủ để đáp ứng cho động cơ, điện trở giữa cực nguồn (S) và cực máng (D) khi mở rất nhỏ 44 (mΩ) nên sụt áp trên hai cực DS cũng nhỏ cỡ 1V. Thêm vào đó, trong IRF đã có sẵn một diode Schottky để bảo vệ dòng ngược từ S sang D mà có thể làm hỏng MOSFET. IRF540 mở hoàn toàn ở 10V.
2.5.2.2.2 Relay 12V DPDT
Trong mạch được thiết kế sử dụng relay 12VDPDT đảm nhiệm đảo chiều động cơ.
Hình 2.42 Mô tả nguyên lý Relay
Nguyên lý đóng mở của relay phụ thuộc vào cấp nguồn cho cuộn dây và tiếp điểm. Cuộn dây được cuộn trên một lõi sắt từ. Khi cuộn dây được cấp điện, từ trường xung quanh cuộn và lõi tập trung lại tạo thành nam châm điện hút thanh kim
loại tiếp xúc với tiếp điểm. Khi cuộn dây ngắt điện từ trường biến mất và thanh kim loại được loxo phản hồi hỗ trợ, đưa tiếp điểm về vị trí ban đầu.
Hình 2.43 Relay Ormon sử dụng 2.5.2.3 Mạch công suất động cơ chổi và hút bụi
Mạch sử dụng MOSFET IRF540 để kích đóng mở động cơ chổi quét và hút bụi. Nguồn acquy 12V cấp cho động cơ. Tín hiệu điều khiển từ Vi điều khiển qua khối cách ly là opto quang. Khi opto quang được đóng sẽ kích mở IRF540, động cơ được đóng. Trong mạch có mắc diode để bảo vệ IRF540 chống sụt áp mạnh trên chân C của IRF.
Hình 2.45 Sơ đồ mạch in điều khiển chổi 2.5.2.4 Bộ điều khiển Remote
2.5.2.4.1 Tìm hiểu về hồng ngoại
Hồng ngoại là sự bức xạ với tần số mắt ta không nhìn thấy được, tuy nhiên ta cũng cảm nhận về nó thông qua sự cảm ứng nhiệt trên da.
Hồng ngoại trong điện tử thật thú vị, bởi vì nó tạo ra một cách dễ dàng và không bị ảnh hưởng bởi nhiễu điện từ. Do đó nó được sử dụng rộng rãi và tiện lợi trong thông tin và điều khiển. Nhiều thứ có thể phát ra hồng ngoại, bất kỳ thứ gì có bức xạ nhiệt đều có khả năng đó. Bao gồm cơ thể của chúng ta, lò vi song,…Vì vậy để cho phép sự truyền thông hiệu quả khi sử dụng hồng ngoại và tránh những tín hiệu nhiễu không mong muốn phải sử dụng một khóa để báo cho đầu thu biết đâu là tín hiệu có ích, đâu là nhiễu.
Do đó, điều khiển từ xa dung để điều chế hồng ngoại phát đi với một tần số riêng biệt. Khoảng tần số hay sử dụng là 30→60 (KHz ), tốt nhất là khoảng
36→38 (KHz). Hồng ngoại được phát ra theo xung nhịp với tần số 36000 lần một giây phát ra các mức logic “0” và “1”.
Để tạo ra tần số 36 (KHz) là việc đơn giản cái khó ở đây là việc thu và nhận dạng nó. Đó là lý do tại sao nhiều công ty sản xuất thiết bị thu hồng ngoại bao gồm những bộ lọc, mạch giải mã và sửa dạng đầu ra. Một xung vuông chu kỳ xấp xỉ 27µs đưa vào cực bazơ của tranzitor có thể điều khiển một led hồng ngoại để truyền đi.
Hình 2.46 Phát tín hiệu hồng ngoại
Bạn có thể bật hoặc tắt tần số này tại đầu phát, đầu thu xẽ chỉ ra khi nào đầu phát là bật hay tắt.
Hình 2.47 Thu tín hiệu hồng ngoại
Những bộ giải điều chế có mức logic đảo tại đầu ra khi có một gói hồng ngoại được gửi, đầu ra ở mức tích cực thấp tương đương với mức logic 1.
Để tránh việc một điều khiển từ xa philip có thể thay đổi kênh của một TV Panasonic,…Người ta sử dụng các cách mã hóa khác nhau cho cùng một khoảng tần số đó. Chúng sử dụng các kiểu tổ hợp bit khác nhau để mã hóa việc truyền dữ liệu và tránh nhiễu.
Điều khiển hồng ngoại sony
Sony sử dụng kiểu mã hóa độ rộng bit, đây là kiểu mã hóa đơn giản cho việc giải mã.
Hãy xem xét khoảng thời gian nhỏ 600µs mỗi bit truyền đi là sự kết hợp của -T+T cho bit “0” và –T+2T cho bit “1”.Vì vậy bit “0” có chiều dài 1200µs và bit “1” có chiều dài 1800µs.
Hình 2.48 Giản đồ xung của tín hiệu hồng ngoại
Mức lên (+T) có nghĩa là hồng ngoại được truyền đi, mức xuống (-T) có nghĩa là không có.
Để tiết kiệm pin, hầu hết các nhà sản xuất rút gắn còn 5/6 thậm chí 3/4 độ rộng xung như lý thuyết. Bằng cách này pin 500 giờ có thể sử dụng được 600 giờ (5/6) hoặc 800 (3/4). Một số nhà sản xuất khác không quan tâm đến vấn đề này, họ tăng cường hiệu quả truyền tin bằng cách mở rộng một chút khoảng thời gian sóng mang 36 (KHz) tích cực và rút ngắn khoảng thời gian kia. Như vậy tín hiệu Remote TV sony có dạng như sau:
Hình 2.49 Giản đồ xung của hồng ngoại Remote Sony
Bit bắt đầu (start bit), bit có có độ rộng 3T hay 1800µs.
Tiếp theo phần Header là 12 bit liên tiếp được giải điều chế như sau: • 500µs bit im lặng + 700µsbit hồng ngoại = bit 0.
• 500µs bit im lặng + 1300µsbit hồng ngoại = bit 1.
Bit đầu tiên sau bit start là bit LSB ta đặt là bit B0, bit cuối cùng là B11: • B0 – B6: 7 bit mã lệnh.
• B7 – B11: 5 bit địa chỉ.
Hình 2.50 Gói dữ liệu của Remote Control
Trong hình vẽ trên địa chỉ là 02H, mã lệnh là 16H, có 32 khả năng địa chỉ và 128 lệnh. Toàn bộ thời gian truyền đi của khung có thể thay đổi theo thời gian vì độ rộng của bit 1 > độ rộng bit 0. Nếu bạn giữ nút bấm, khung dữ liệu sẽ phát lại sau 25 ms. Nếu bạn sử dụng mắt nhìn hồng ngoại có sẵn trên thị truờng, tất cả dạng sóng trên sẽ bị đảo như sau:
Hình 2.51 Gói dữ liệu thu từ mắt thu hồng ngoại
Để thu và giải mã được tín hiệu Remote TV sony, thực tế không cần thu toàn bộ 12 bit mã hóa, ta chỉ cần thu 7 bit lệnh và có thể bỏ qua 5 bit địa chỉ. Bởi với cùng điều khiển thì tất cả nút bắm đều phát ra mã địa chỉ như nhau, chỉ khác mã lệnh. Mã địa chỉ để phân biệt giữa các remote khác nhau.
2.5.2.4.2 Thuật toán thu tín hiệu Remote Sony
1.Thiết lập chế độ ngắt ngoài lấy sườn xuống(Failling edge). 2.Chờ tín hiệu đi xuống logic mức “0” đó là bit Start.
3.Đợi tiếp cho tín hiệu lên cao. 4.Sau 3 lần delay kiểm tra nhiễu. 5.Bắt đầu thu tín hiệu.
6.Thu 7 bit mã lệnh. 7.Chờ tín hiệu lên cao. 8.Cho vào vòng lập.
9.7 bit dữ liệu của remote chứa trong 7 bit phải của thanh ghi: A = 0A0A1A2A3A4A5A6
2.5.2.4.3 Mắt thu hồng ngoại
Bộ điều khiển sử dụng mắt thu hồng ngoại JS1838B để thu nhận frame dữ liệu từ remote phát ra.
Hình 2.52 Sơ đồ mắt thu hồng ngoại
Hình 2.53 Hình dạng mắt thu JS1838B
• Chân đưa ra tín hiệu ra (OUT). • Chân nối mass (GND).
• Chân nối nguồn +5V.
2.5.2.4.4 Bộ điều khiển Remote
Sử dụng remote Trinitron của Sony.
Bảng 2.4 mã hóa dữ liệu remote Phím Mã hex Power 21 1 0 2 1 3 2 4 3 5 4 6 5 7 6 8 7 9 8 0 9 Vol+ 18 Vol- 19 Pro+ 16 Pro- 17 Sleep 54 Wake up 60 TV 56 Display 58 Text 43 Video 37 A/B 23 -/… 29 Pic mode 97
2.6 Thiết kế chương trình điều khiển robot hút bụi 2.6.1 Lập trình cho hệ thống thời gian thực
Khái niệm về điều khiển thời gian thực
RTOS (real time operation system) là một hệ điều hành đa nhiệm dành cho các ứng dụng thời gian thực, như trong các hệ thống nhúng, robotics, điều khiển tự động.
Một hệ thống real-time được hiểu là một hệ thống làm việc với các sự kiện tức thời (real-time). Tuy nhiên, không phải mọi hệ thống đều có thể thực hiện được những quyết định tức thời hay đáp trả lại các sự kiện một cách tức thời như mong muốn. khi xây dựng các ứng dụng phần mềm chúng ta luôn mong muốn thời gian trễ để đưa ra một lệnh hay một quyết định là nhỏ nhất.Các hệ thống đáp ứng bao giờ cũng có một thời gian trễ nhất định. Khái niệm “hệ thống thời gian thực” ở đây được hiểu ngầm như một hệ thống đáp ứng sự kiện với một thời gian trễ chấp nhận được.
Như vậy, sự tin cậy của một hệ thống thời gian thực không chỉ phụ thuộc vào sự chính xác của kết quả, mà còn phụ thuộc vào thời điểm đưa ra kết quả, hệ thống có lỗi khi yêu cầu về thời gian không được thỏa mãn.
Một hệ thống thời gian thực có các đặc điểm tiêu biểu sau :
• Tính bị động: Hệ thống phải phản ứng với các sự kiện xuất hiện vào các thời điểm thường không biết trước.
• Tính nhanh nhạy: Hệ thống phải xử lý thông tin một cách nhanh chóng để có thể đưa ra kết quả phản ứng một cách kịp thời.
• Tính đồng thời: Hệ thống phải có khả năng phản ứng và xử lý đồng thời nhiều sự kiện diễn ra.
• Tính tiền định: Dự đoán trước được thời gian phản ứng tiêu biểu, thời gian phản ứng chậm nhất cũng như trình tự đưa ra các phản ứng. Nếu một bộ điều khiển phải xử lý đồng thời nhiều nhiệm vụ, ta phải tham gia quyết định được về trình tự thực hiện các công việc và đánh giá được thời gian xử lý mỗi công việc. Như vậy, người sử dụng mới có cơ sở để đánh giá về khả năng đáp ứng tính thời gian thực của hệ thống.
Xử lý thời gian thực:
Trong các hệ thống điều khiển với nhiều đầu vào và đáp ứng ở đầu ra thì số lượng công việc phải xử lý là khá lớn. Vì vậy ta phải chia khối lượng công việc đó thành nhiều tác vụ nhỏ. Mỗi tác vụ xử lý một công việc nhất định, có thể là quét bàn phím, đọc cảm biến, điều khiển động cơ,…Tại một thời điểm vi điều khiển chỉ thực hiện một tác vụ, nhưng với thời gian chuyển đổi rất nhanh giữa các tác vụ ta có thể coi như các tác vụ được thực hiện đồng thời.
2.6.2 Bài toán di chuyển của robot
Để điều khiển robot đi theo một quỹ đạo nào đó, ví dụ như di chuyển theo một đường cong nào đó thực chất là ta thay đổi tỉ lệ tốc độ 2 bánh xe của robot.
Gọi tỉ lệ tốc độ quay giữa 2 bánh xe là R:
• R = với Vt là tốc độ bánh xe bên trái, Vp là tốc độ bánh xe bên phải.
• Với R = 1, robot tiến thẳng.
• Với 0 < R < 1, robot đi theo hình tròn ngược chiều kim đồng hồ. • Với R > 1, robot đi theo hình tròn thuận chiều kim đồng hồ. • Với R = 0, robot quay tròn tại chỗ với tâm là bánh trái. • Với R = ∞, robot quay tròn tại chỗ với tâm là bánh phải.
• Với R = -1, hai bánh xe quay ngược chiều và đồng tốc, robot quay tròntại chỗ, tâm là điểm giữa hai bánh xe.
Tổ hợp các quỹ đạo cơ bản ở trên lại với nhau ta có thể cho robot di chuyển theomột hình dạng bất kỳ nào đó.
2.6.3 Lưu đồ giải thuật điều khiển robot 2.6.3.1 Lưu đồ giải thuật chung
Hình 2.55 Sơ đồ giải thuật điều khiển robot
Begin Remote Phím Power Phím Select Phím 1 Zigzag move Phím 2 Spot move Sleep Hẹn giờ mở Wake up Hẹn giờ tắt Mutting Dừng End Đ Đ S S Đ S Đ S Đ S Chổi hoạt động
2.6.3.2 Lưu đồ giải thuật di chuyển Zigzag
Hình 2.56 Sơ đồ giải thuật chế độ di chuyển Zigzag
Begin Chạy Thẳng CB1 == 0 Dừng Lùi CB2 == 0 Rẽ phải Chạy thẳng Rẽ phải End Chạy thẳng S Đ Đ S
2.6.3.3 Lưu đồ giải thuật di chuyển Spot
Hình 2.57 Sơ đồ giải thuật chế độ di chuyển Spot
Begin CB 1 == 0 Tránh vật cản Spot 1 Spot 2 CB 1 == 0 Spot 3 CB 1 == 0 Spot 4 End Đ S Đ S Đ S
CHƯƠNG 3
THỰC NGHIỆM VÀ ĐÁNH GIÁ KẾT QUẢ
3.1 Thông số kỹ thuật Robot hút bụi
- Kích thước (dài x rộng x cao): 320 x 320 x 65 (mm). - Khối lượng: 1,2 (kg).
- Thời gian hoạt động liên tục 30 (phút). - Thể tích hộp bụi 0,37 (lít).
3.2 Kiểm tra trước khi hoạt động
- Kiểm tra tình trạng ắc quy: Dùng đồng hồ đo ở chế độ đo điện áp, kiểm tra cực dương và cực âm của 2 bình ắc quy còn sử dụng tốt nếu điện áp đạt được từ 12 - 12,76 (V).
Hình 3.1 Kiểm tra nguồn acquy
- Kiểm tra nguồn cấp cho vi điều khiển AVR và khối công suất điều khiển động cơ: cắm jack nguồn cung cấp điện cho cả 2 khối, nếu cả 2 LED cùng sáng chứng tỏ phần mạch điều khiển và mạch công suất robot đã được cấp nguồn và sẵn sàng hoạt động.
Hình 3.2 Kiểm tra khối công suất
- Kiểm tra bộ điều khiển từ xa remote: dùng remote chọn các chế độ hoạt động của robot, từ đó xem khả năng đáp ứng của robot.
- Kiểm tra hoạt động của LCD: xem LCD có hiển thị các dữ liệu mong muốn hay không.
Hình 3.4 Kiểm tra LCD 3.3 Thử nghiệm khả năng di chuyển và tránh vật cản
Robot di chuyển chế độ Zigzag
Sau khi chạy được 1 đoạn đường robot gặp vật cản là bức tường.
Hình 3.6 Robot dừng và lùi.
Sau đó robot tiếp tục sang trái.
Robot tiếp tục di chuyển.
Hình 3.8 Robot đi thẳng 3.4 Nhận Xét Kết Quả Thử Nghiệm
Sau nhiều lần thử nghiệm,robot đã đạt được những kết quả : - Robot làm việc hiệu quả, sàn nhà sạch bụi, mảnh vụn.
- Robot di chuyển và tránh vật cản linh hoạt.
- Robot hoạt động đúng yêu cầu của 2 chế độ thiết lập là Zigzag và Spot. - Bộ điều khiển remote hoạt động tốt.
- Khối mạch vi điều khiển và công suất hoạt động an toàn. - Robot hoạt động tốt khi hẹn giờ, tối đa là 60 phút.
-Tuy nhiên, robot chỉ hoạt động tốt ở các sàn gỗ và gạch men, hạn chế hoạt động ở những nơi có độ mấp mô cao, không gian chật hẹp. Tiếng ồn hơi lớn khi robot hoạt động. Khối lượng của robot hơi nặng.
3.4 Giải pháp tăng khả năng hoạt động của Robot
- Cải tiến một số bộ phận cơ khí để cải thiện tiếng ồn. - Sử dụng pincell để cải thiện khối lượng robot.
CHƯƠNG 4
KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN ĐỀ TÀI
4.1 Kết luận
Đề tài đã nghiên cứu phương pháp điều khiển cũng như thiết kế, chế tạo robot hút bụi dựa trên nhu cầu thực tiễn.Robot hút bụi đã đạt yêu cầu đề ra.
Mô hình được hoàn thiện bao gồm cả phần thiết kế cơ khí, mạch điện tử và