Chọn vi điều khiển - ĐỒ án môn học THIẾT kế hệ THỐ- 123docz.net

Master:sử dụng arduino nano

 7 chân đọc analog

 Hỗ trợ chuẩn truyền SPI, I2C

 Tần số xung 16 ( )

 Slaver: sử dụng arduino uno

 Hỗ trợ chuẩn truyền SPI, I2C

 2 ngắt ngoài

 6 chân bắn xung PWM

hiệu slaver

 Nút giao số 8: vị trí này cảm biến rất dễ bị nhiễu làm xe bám sai line.Nhóm xử lý bằng cách cho vận tốc 2 bánh bằng nhau khi xe vào line thẳng trong thời gian ngắn để vượt qua nút giao, sau đó cho xe tiếp tục bám line bình thường  Cua 900: Do biết trước vận tốc và sa bàn nên nhóm sử dụng timer đo thời gian xe chạy tới vị trí này và cho vận tốc bánh trái = 0, vận tốc bánh phải = 200.

Dừng

H. Lưu đồ giải thuật Slaver

Đồ án TKHT Cơ-Điện Tử Xe Đua Dò Line

Mô Hình Hóa

1. Mô hình hóa động học

H. Mô tả biểu diễn động học của xe

Vận tốc khi xe chạy tại vị trí tâm bánh xe dẫn động

̇=× ̇=× ̇= =>[ ]=[ Quan hệ động học giữa 2 bánh xe = với : vận tốc bánh trái : vận tốc bánh phải : khoảng cách giữa 2 bánh xe.

Phương trình động học tại điểm bám line C trên xe

̇= × − ×

̇= × + ×

̇= ̇

với là khoảng cách từ tâm 2 bánh xe đến vị trí bám line.

Xét vị trí trên đường line tại điểm R

̇ =

{ ̇ =

̇ =

với là vận tốc yêu cầu trên đường line.

Ta có sai số động học:

1=( − ) +( − )

{ 2=−( − ) +( − )

3= −

Đạo hàm sai số động học, ta được:

[ 2 ̇]=[3]+[ 0 (7) (8) (9) (10) (11) (12)

2. Thiết kế bộ điều khiển

Định lí : Hệ thống (12) được ổn định với bộ độ điều khiển bám line sau:

{

= cos 3 + 1 1

Ta chọn hàm Lyapunov:

Với các hệ số k1, k2, k3 là những giá trị dương. Ta đạo hàm được:

(13)

̇ = (

Chúng ta cần điều khiển (15) để cho ̇đạt giá trị âm. Có nghĩa là ta phải điều khiển để các giá trị sai số tiến về 0 khi thời gian tiến ∞.

3. Mô hình hóa cảm biến

Số lượng cảm biến chọn là 7 cảm biến ( lập luận dựa trên phần mô phỏng và khoảng cách mà hai sensor không bị nhiễu và

khoảng cách tối thiểu giữa hai sensor ngoài cùng để xe có thể dò line được hết đường đua).

Khoảng cách giữa các cảm biến bằng nhau và bằngTọa độ cảm biến 3 trùng với tâm sensor 13 ( ). Chính bằng khoảng cách để cách sensor không bị nhiễu và giá trị đọc về là tốt nhất (thực nghiệm).

{ =

Gọi , là tọa độ chung, e là khoảng cách giữa các cảm biến 0, 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7. Độ lớn e chính là khoảng cách nhỏ nhất mà các cảm biến

không bị nhiễu.

Theo tính toán trong phần mô phỏng, để đáp ứng được, tức là bám line tốt, thì khoảng cách giữa hai cảm biến ngoài cùng phải đạt được khoảng cáchd.

Ta giả sử, vị trí tâm hai bánh xe là : C( , ). Tâm các sensor là S( , ).

⇒⇒⇒⇒⇒ =( − , − )

Phương trình đi qua các sensor

( − )( − )+( − )( − )=0

Từ đó ta dễ dàng xác định được vị trí cũng như tọa độ của các sensor khi có tọa độ sensor trung tâm.

4. Cách tìm sai số

Để xe bám theo được line, công việc đầu tiên là xác định vị trí của xe so với line.

Ta đặt hệ toạ độ như H.43, trong đó M là trung điểm giữa 2 bánh xe, C là trung điểm

của dãy sensor.

Mục đích của giải thuật điều khiển là làm cho điểm C bám theo điểm tham chiếu R. Để làm điều đó, ta cần xác định các sai số2 và3. Do ta sử dụng cảm biến nên công thức tính sai số3 dựa trên2 sẽ làm cho sai số3 rất lớn. Vì vậy ở đây cho sai số3 = 0.

H. Cách tính sai số 2

Trên thực tế, sai số2 được đo từ dãy sensor. Từ phương trình hàm xấp xỉ bậc nhất giữa vị trí thực của cảm biến và giá trị analog thu được:

= 0.9629 − 1.4789

với y: là giá trị đọc được của cảm biến

x: là vị trí của tâm cảm biến so với tâm line

và sai số lớn nhất = 2.78 ( ).

Ta có cách tính sai số 2từ phương trình cảm biến cho mô hình hóa:

2 = 0.9629 − 1.4789 + [− ; ].

5. Mô hình hóa động cơ

Từ hàm truyền hai động cơ

318

1 + 0.055 351

1= 1 + 0.061

Và 3 hệ số = 0.05, của hai động cơ sau khi sử

dụng 0.318 2 + 15.9 + 915.8 = 2.88, = 0.001, ta tìm được hàm truyền vòng kín bộ điều khiển PID

0.351 2 + 17.55 + 1011

Biến đổi Laplace ngược, ta được hàm truyền vòng kín của hai động cơ trên miền thời gian

_1 = 1 −1055

373 [1.12 −22.65 sin(44.068 − 1.07)]

Đồ án TKHT Cơ-Điện Tử Xe Đua Dò Line

_2 = 1 − 1061412 [1.12 −22.512 sin(44.13 − 1.1)]

6. Kết quả mô phỏng

Bảng thông số xe và thông số bộ điều khiển:

Thông số

Khoảng cách từ tâm tracking đến tâm sensor Khoảng cách giữa hai bánh xe

Thời gian lấy mẫu

Vận tốc tham chiếu của xe

1 2 3 Đoạn 1 (A-B-C-D-E) ( ) x( ) H. Bám line đoạn 1

Đồ án TKHT Cơ-Điện Tử Xe Đua Dò Line Đoạn 2 (E-F-C-G-A-C-E) ( ) 350 300 250 200 150 100 50 0 -50 -100 -150 0

 Sai số lớn nhất 13.5 ( ), vận tốc bánh xe tối đa 270.6 ( ) trên đoạn 1.

 Sai số lớn nhất 21 ( ), vận tốc bánh xe tối đa 300 ( ) trên đoạn 2.

 Như vậy, sai số vẫn nằm trong khoảng cho phép ( 39 ( )), động cơ vẫn đáp ứng được vận tốc bánh xe yêu cầu (lớn nhất 320 ( ))

Đồ án TKHT Cơ-Điện Tử Xe Đua Dò Line

CHƯƠNG 4: KẾT QUẢ THỰC NGHIỆM Kết Quả Thực Nghiệm

Nhóm đã hoàn thành việc chế tạo mô hình, vận hành thực tế để kiểm nghiệm giải thuật. Tuy robot hoàn thành việc bám hết sa bàn với thời gian 34s một cách ổn định,nhưng vận tốc xe không cao (0.4 ( / )), sai số bám line lớn, đặc biệt là tại những vị trí vào cua:

(a) (b)

H.53 Xe chạy qua điểm F trên sa bàn thực nghiệm

(a) Xe bắt đầu bẻ cua

(b) Xe bẻ cua, vào trạng thái ổn định.

(a)

H.54 Xe chạy qua điểm G trên sa bàn thực nghiệm

(a) Xe bắt đầu bẻ cua

(a) (b)

(c)

H.55 Xe vào cua ở điểm A trên sa bàn thực nghiệm

(a) Xe bắt đầu bẻ cua

(b) Xe bẻ cua, chưa ổn định

(d) Xe vào trạng thái ổn định.

Nhận xét: Ta nhận thấy khi robot chuyển hướng, sai số bám line do cảm biến đọc về lớn, xe phải cần một khoảng thời gian để đáp ứng và ổn định. Sự ổn định của xe ở đoạn

sau phụ thuộc vào sự ổn định ở đoạn trước, vận tốc xe và bộ số 1, 2, 3.

Kết luận: Xe tuy đã bám được line ổn định theo giải thuật nhưng vẫn chưa đáp ứng được sai số và vận tốc đặt ra. Sai số vượt qua sai số mô phỏng, vận tốc thấp hơn vận tốc mô phỏng.

Đồ án TKHT Cơ-Điện Tử Xe Đua Dò Line

Phân Tích Thực Nghiệm

 Trong mô phỏng, đã bỏ qua các yếu tố ảnh hưởng:

 Khối lượng và lực quán tính của các thành phần trong xe

 Các lực ma sát giữa bánh xe và sa bàn

 Sai số đồng trục giữa hai bánh xe

 Thời gian đáp ứng của động cơ

 Các tác động nhiễu của môi trường như độ đồng đều về ánh sáng, màu sắc cũng

như độ phẳng của sa bàn.

 Do đó, kết quả thực nghiệm đã không khớp với mô phỏng.

 Bên cạnh đó, khi thiết kế cảm biến, kiểm tra cảm biến trên sa bàn khác với sa bàn

khi thực nghiệm, dẫn đến việc calib cảm biến bị sai lệch; chưa che chắn cảm biến đầy đủ; thiếu các cảm biến nhận dạng các chỗ giao nhau, đoạn chuyển tiếp.

Đề Xuất Hiệu Chỉnh Thiết Kế

 Gia công thân xe và gá trục động cơ lại bằng vật liệu nhôm để đảm bảo độ đồng

tâm giữa 2 bánh xe tốt hơn.

 Động cơ là vấn đề được quan tâm, cần lựa chọn và tính toán chính xác hơn để

không những đáp ứng đủ moment, mà thời gian đáp ứng và vận tốc động cơ cũng cần vượt hơn mức yêu cầu.

 Thiết kế bộ phận che chắc cảm biến tốt hơn; thêm cảm biến để nhận biết các chỗ

CHƯƠNG 5: BIỂU ĐỒ GANLT

I. TỔNG QUAN Tìm hiểu các vấn đề liên quan và viết tổng quan Đề xuất và lựa chọn phương án phù hợp Hiệu chỉnh phần tổng quan

AI. THIẾT KẾ

1.Cơ khí Tính toán lựa chọn động cơ

Vẽ phác thảo, vẽ 3D và hiệu chỉnh Vẽ bản vẽ 2D Hiệu chỉnh thông số

2.Điện Xây dựng sơ đồ khối nguyên lý hệ thống điện Lựa chọn thành phần hệ thống điện Xây dựng mạch điều khiển và mạch công suất Hiệu chỉnh Điều khiển động cơ

3.Hardware - sofware Xây dựng sơ đồ khối cho hệ thống điều khiển Lựa chọn vi điều khiển và xây dựng lưu đồ giải thuật Lập trình cho vi điều khiển Hiệu chỉnh thông số

4.Bộ điều khiển Mô hình hóa xe đua bám line Hiệu chỉnh

BI. Hoàn thành tài liệu kỹ thuật về xe đua bám line

0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 1011121314151617

H.50 Biểu đồ ganlt tiến độ công việc dự kiến

I. TỔNG QUAN Tìm hiểu các vấn đề liên quan và viết tổng quan Đề xuất và lựa chọn phương án phù hợp Hiệu chỉnh phần tổng quan

AI. THIẾT KẾ

1.Cơ khí Tính toán lựa chọn động cơ

Vẽ phác thảo, vẽ 3D và hiệu chỉnh Vẽ bản vẽ 2D Hiệu chỉnh thông số

2.Điện Xây dựng sơ đồ khối nguyên lý hệ thống điện Lựa chọn thành phần hệ thống điện

Xây dựng mạch điều khiển và mạch công suất Hiệu chỉnh Điều khiển động cơ

4.Bộ điều khiển Mô hình hóa xe đua bám line Hiệu chỉnh

BI. Hoàn thành tài liệu kỹ thuật về xe đua bám line

0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 1011121314151617

H.51 Biểu đồ ganlt tiến độ công việc thực tế

I. TỔNG QUAN Tìm hiểu các vấn đề liên quan và viết tổng quan Đề xuất và lựa chọn phương án phù hợp Hiệu chỉnh phần tổng quan II. THIẾT KẾ 1. Cơ khí Tính toán lựa chọn động cơ Vẽ phác thảo, vẽ 3D và hiệu chỉnh Vẽ bản vẽ 2D Hiệu chỉnh thông số 2. Điện Xây dựng sơ đồ khối nguyên lý hệ thống điện Lựa chọn thành phần hệ thống điện Xây dựng mạch điều khiển và mạch công suất Hiệu chỉnh Điều khiển động cơ 3. Hardware - sofware Xây dựng sơ đồ khối cho hệ thống điều khiển Lựa chọn vi điều khiển và xây dựng lưu đồ giải thuật Lập trình cho vi điều khiển Hiệu chỉnh thông số 4. Bộ điều khiển Mô hình hóa xe đua bám line Hiệu chỉnh III. Hoàn thành tài liệu kỹ thuật về xe đua bám line

TÀI LIỆU THAM KHẢO

[1] Vehicle Dynamics: Theory and Applications, Reza N. Jazar, Springer, p.50 – p.70

[2] Tính Toán TKHT Dẫn Động Cơ Khí Tập 1 (12nd), Trịnh Chất, NXBGDVN, p.5 – p.13

[3] Tính Toán TKHT Dẫn Động Cơ Khí Tập 2 (12nd), Trịnh Chất, NXBGDVN, p.116 – p.142

[4] Dung Sai và Lắp Ghép (12nd), Ninh Đức Tốn, NXBGDVN, p.70 – p.77, p.107 – p.125

[5] Jean-Francois Dupuis and Marc Parizeau, Evolving a Vision-Based Line-Following

Robot Controller, p.1-p.2.

[6] Juing-Huei Su et. al., An intelligent line-following robot project for introductory robot

courses, World Transactions on Engineering and Technology Education,Vol.8, No.4, p.455-461, 2010.

[7] Trần Đức Quân, Điều khiển robot dò đường theo vạch với bộ điều khiển Pid.

[8] Vishay Semiconductors - Datasheet TCRT5000.

[9] Huong dan su dung chuong trinh BKIT MCR.pdf

[10] M. S. Islam and M. A. Rahman, Design and Fabrication of Line

Follower Robot, Asian Journal of Applied Science and Engineering, 2013

[11] Vikram Balajia et al., Optimization of PID Control for High Speed Line Tracking

Robots, in 2015 IEEE International Symposium on Robotics and Intelligent Sensors, 2015

[12] Umar Farooq et al., Fuzzy Logic Reasoning System for Line Following Robot, IACSIT

International Journal of Engineering and Technology, 2014

[13] Đường Khánh Sơn & Từ Diệp Công Thành, Ứng Dụng Bộ Điều Khiển Self Tuning

Fuzzy-Pi Điều Khiển Omni-Directional Mobile Robot, Báo Khoa học & Ứng dụng, Số 20, pp.54-57, 2012

[14] Huu Danh Lam et al., Smooth tracking controller for AGV through junction using CMU

camera, Tuyển tập HN Cơ điện tử lần 7, VCM-2014, pp.597-601, Vietnam, 2014

[15] Fernando Orduña C. et.al., ALDRO Learning and Mixed Decision Support Method for

Mobile Robot, Workshop Proceedings of the 8th International Conference on Intelligent Environments, J.A. Botía et al. (Eds.), IOS Press, 2012