Yêu cầu đưa ra là lựa chọn loại bánh xe nhẹ, khả năng bám đường tốt nên nhóm quyết định chọn bánh xe V3. Hình 3.1 : Bánh xe V3. Bảng 3.1 : Thông số bánh chủ động Vật liệu Nhựa 3.1.2. Lựa chọn bánh bị động :
- Yêu cầu đặt ra là robot sử dụng bánh bị động có thiết kế đơn giản,, phổ biến. Với yêu cầu đó, bánh bị động được sử dụng là bánh bi cầu.
- Bánh bi cầu có thể di chuyển đa hướng, khi đổi hướng không bị trượt không thay đổi trọng tâm xe lúc di chuyển.
- Bánh bị động phải nhẹ để Robot có thể di chuyển nhanh trên đường đua.
Hình 3.2 : Bánh mắt trâu.
18
3.2. Tính toán chọn động cơ
- Thông số yêu cầu:
+ Maximum speed := 1 / + Maximum mass: = 3
+ Diameter of active wheels: = 65
+ Maximum acceleration:= 1 / 2 Số vòng quay của động cơ:
Phân tích các lực tác dụng lên bánh, giả sử tải trọng phân bố đều cho 2 bánh chủ động.
Hình 3.3 :Phân tích lực trên một bánh xe.
Ta có mối liên hệ giữa gia tốc cực đại amax và gia tốc góc cực đại γmax
=
Phương trình động lực học của bánh xe
Với I : moment quán tính của bánh xe
Fms : lực ma sát nghỉ với hệ số ma sát nghỉ= 0.6
Do đó:
Để tránh hiện tượng trượt khi Robot rẽ hướng:
ĐỒ ÁN THIẾT KẾ HỆ THỐNG CƠ ĐIỆN TỬ GVHD : TS.LÊ ĐỨC HẠNH
Thay (2) vào (1):
=
Khi đó:
+ I (kg.m2): Moment quán tính bánh chủ động
+ m (kg): Khối lượng mỗi bánh xe
+ M (kg): Khối lượng tải
+ r (m): Bán kính bánh xe
+ T (Nm): Torque của động cơ
Bảng 3.3 : Kết quả
v 1
nmax
Vậy yêu cầu lựa chọn động cơ ≥ 0.075 Nm và nmax ≥ 293.82 vòng/phút Từ các tính toán ở trên, nhóm chọn động cơ DC servo GA25V1
Bảng 3.4 : Thông số động cơ
Motor Name GA25V1
3.3. Tính toán ổn định cho xe di chuyển trên bán kính cong :
/2
ℎ
Hình 3.4 : Mô hình tính toán khi xe rẽ hướng
Với mô hình trên, điều kiện để khi vào cua, xe không lật quanh điểm O là :
2 Trong đó
+ ℎ : chiều cao trọng tâm,
+ : bán kính cong, 500
+ : bề rộng xe đua, = 216
+ G : gia tốc trọng trường = 9.81 / 2
Nên ta có : hg ≤ 147.15 (cm).
3.4. Tính toán dung sai độ đồng trục hai động cơ và các dung sai khác :
Hình 3.5 : Sai lệch tâm trục 2 động cơ
Ta có:
2 = ∆ 2 + ∆ 2 ≤ 0.052
↔ ∆ = ∆ = 0.112 ( )
ĐỒ ÁN THIẾT KẾ HỆ THỐNG CƠ ĐIỆN TỬ GVHD : TS.LÊ ĐỨC HẠNH
3.4.1. Dung sai theo phương ngang:
Hình 3.6 : Chuỗi kích thước tại mặt cắt ngang lỗ định tâm động cơ.
- Kích thước danh nghĩa các khâu thành phần:
• 1=29( ). • 2=21( ).
3=8( ).
- Dựa vào sơ đồ chuỗi ta xác định :
+ 2, 3 là khâu giảm
+ 1là khâu tăng.
- Kích thước danh nghĩa của khâu khép kín∑ = 0+0.112 ( ) , và sai lệch trung bình của khâu khép kín là : ∑ = 0.056 ( ).
- Dựa vào công thức 9.13 (Dung sai và lắp ghép, Ninh Đức Tốn) ta tính hệ số cấp
chính xác chung cho các khâu thành phần:
=
Vậy ≈ 32. Đem so sánh với hệ số cấp chính xác trong bảng 4.1 (Dung sai và lắp ghép, Ninh Đức Tốn) ta thấy nó gần với = 25 nhất. Từ đó, ta chọn cấp chính
xác 8 làm cấp chính xác chung cho các khâu.
- Với cấp chính xác 8 đã chọn, ta tra sai lệch giới hạn và dung sai cho − 1 khâu:
1= 29 8 = 29.5+00.033 2= 21ℎ8 = 210−0.033
- Khâu để lại chính là khâu giảm3, nên sai lệch giới hạn của được tính theo công thức 9.14 - 9.20 (Dung sai và lắp ghép, Ninh Đức Tốn), ta có:
T
k
= 0.112-0.033-0.033 = 0.046 mm
e mk = 0.0165 – (-0.0165) -0.056 = -0.023 mm esk =emk esk =emk - Vậy: 2 + 12Tk = -0.023 + 0.023 = 0.0 mm − 1T 2 k = 80 −0.05
3.4.2. Dung sai phương dọc:
Hình 3.7 : Chuỗi kích thước tính dung sai theo phương dọc.
- Kích thước danh nghĩa các khâu thành phần:
• 1=16( ). 2=16( ). 2=16( ). - 1là khâu giảm và 2 là khâu tăng.
- Kích thước danh nghĩa của khâu khép kín ∑ = 0+0.112 (), ∑ = 0.056 ( ). - Dựa vào công thức 9.13 (Dung sai và lắp ghép, Ninh Đức Tốn) ta tính hệ số cấp
chính xác chung cho các khâu thành phần :
=
Vậy ≈ 52. Đem so sánh với hệ số cấp chính xác trong bảng 4.1 (Dung sai và lắp ghép, Ninh Đức Tốn) ta thấy nó gần với = 40 nhất. Từ đó, ta chọn cấp chính
xác 9 làm cấp chính xác chung cho các khâu.
- Với cấp chính xác 9 đã chọn, ta tra sai lệch và dung sai cho − 1 khâu:
• 1 = 16ℎ9 = 160
−0.043
ĐỒ ÁN THIẾT KẾ HỆ THỐNG CƠ ĐIỆN TỬ GVHD : TS.LÊ ĐỨC HẠNH
- Khâu để lại chính là khâu tăng2, nên sai lệch giới hạn của được tính theo công thức 9.14 - 9.20 (Dung sai và lắp ghép, Ninh Đức Tốn), ta có:
T =T k E mk = 0.112-0.043 = 0.069 mm Em ∑ = 0-0.0215+0.056 = 0.0345 mm ESk =Emk + 12Tk ES Vậy: 2= 160 0..070 = 0.0345 + 0.0335 = 0.068 mm = 0.0345 - 0.0335 = 0.001 mm 3.4.3. Lỗ định vị đồ gá:
Hình 3.8 : Chuỗi kích thước dung sai lỗ định vị đồ gá
- Kích thước danh nghĩa các khâu thành phần:
• 1=51( ). 2=7( ). - 1là khâu tăng và 2 là khâu giảm.
- Kích thước danh nghĩa của khâu khép kín và dung sai được chọn vừa phải ở cấp chính xác 8∑ = 44+0.039 ( ), ∑ = 0.0195 ( ).
- Dựa vào công thức 9.13 (Dung sai và lắp ghép, Ninh Đức Tốn) ta tính hệ số cấp
chính xác chung cho các khâu thành phần :
=
Vậy ≈ 14. Đem so sánh với hệ số cấp chính xác trong bảng 4.1 (Dung sai và lắp ghép, Ninh Đức Tốn) ta thấy nó gần với = 16 nhất. Từ đó, ta chọn cấp chính
xác 7 làm cấp chính xác chung cho các khâu.
T k = e mk = 0.039 – 0.03 = 0.009 mm Em ∑ = 0.015 - 0 – 0.0195 = -0.0045 mm es es • emk emk Vậy: 1 2 1 2 2 T k T k = 7−0+0.. 3.4.4. Đảm bảo đồng trục khi lắp đặt:
Hình 3.9 : Chuỗi kích thước lỗ định vị trên thân xe.
- Kích thước danh nghĩa các khâu thành phần:
• 1=23( ). 2=23( ). - 1là khâu giảm và 2 là khâu tăng.
- Kích thước danh nghĩa của khâu khép kín và dung sai được chọn theo sai lệch phương ngang của trục động cơ:∑ = 0+0.112 ( ), ∑ = 0.056 ( ).
- Dựa vào công thức 9.13 (Dung sai và lắp ghép, Ninh Đức Tốn) ta tính hệ số cấp chính xác chung cho các khâu thành phần :
ĐỒ ÁN THIẾT KẾ HỆ THỐNG CƠ ĐIỆN TỬ GVHD : TS.LÊ ĐỨC HẠNH
=
Vậy ≈ 43. Đem so sánh với hệ số cấp chính xác trong bảng 4.1 (Dung sai và lắp ghép, Ninh Đức Tốn) ta thấy nó gần với = 40 nhất. Từ đó, ta chọn cấp chính
xác 9 làm cấp chính xác chung cho các khâu.
- Với cấp chính xác 9 đã chọn, ta tra sai lệch và dung sai cho − 1 khâu:
• 1 = 23ℎ9 = 230 −0.052
- Khâu để lại chính là khâu tăng2, nên sai lệch giới hạn của được tính theo công thức 9.14 - 9.20 (Dung sai và lắp ghép, Ninh Đức Tốn), ta có:
T =T =T k E mk = 0.112-0.052 = 0.06 mm Em ∑ = -0.026 – 0 + 0.056 = 0.03 mm ES ESk =Emk − 12 Tk Vậy: 2= 23+0−0..0903 = 0.03 + 0.06 = 0.09 mm = 0.03 - 0.06 = -0.03 mm 3.5. Thiết kế các bộ phận cơ khí :
Với cơ cấu xe đã chọn, nhóm chọn thiết kế và chế tạo các chi tiết :
- Thân xe
- Đồ gá động cơ dẫn động
- Một số chi tiết phụ
Các chi tiết khác nhóm sử dụng các chi tiết có sẵn trên thị trường
Yêu cầu thiết kế: để đảm bảo cho xe chạy ổn định không bị rung lắc thì đòi hỏi trục của hai động cơ dẫn động phía sau phải trùng nhau do đó cần đảm bảo các dung sai như đã được tính toán ở trên .
ĐỒ ÁN THIẾT KẾ HỆ THỐNG CƠ ĐIỆN TỬ GVHD : TS.LÊ ĐỨC HẠNH
Hình 3.10 : Mô hình 3D xe dò line
CHƯƠNG 4 : THIẾT KẾ HỆ THỐNG ĐIỆN 4.1. Sơ đồ khồi hệ thống điện
Hình 4.1 : Sơ đồ khối hệ thống điện
4.2. Lựa chọn vi điều khiển
Yêu cầu đặt ra cho việc lựa chọn vi điều khiển để đảm bảo robot hoạt động tốt cần thỏa mãn các yêu cầu đặt ra như sau:
Cần có ít nhất 7 kênh chuyển đổi ADC tương tứng với 7 cặp led hồng ngoại thu – phát.
Cần có ít nhất 2 bộ timer để thực việc tính toán tính toán thời gian lấy mẫu động cơ và thời gian lấy mẫu hệ thống.
Cần có ít nhất 2 chân ngắt ngoài để đọc Encoder. Cần có ít nhất 2 khối tạo xung PWM
Cần có thời gian đáp ứng thỏa mãn yêu cầu của đã bài toán đặt ra.
Sau quá trình tìm hiểu các vi điều khiển, người thực hiện đã chọn kit STM32f411VETx
ĐỒ ÁN THIẾT KẾ HỆ THỐNG CƠ ĐIỆN TỬ GVHD : TS.LÊ ĐỨC HẠNH
Hình 4.2 : Kit STM32F411VET Discovery
Bảng 4.1 : Thông số kỹ thuật STM32F411VET Discovery.
Thông số
Điện áp hoạt động Xung clock
Ngắt ngoài Số kênh PWM
Tần số lấy mẫu (ADC) tối đa
4.3. Thiết kế cảm biến4.3.1. Lựa chọn cảm biến 4.3.1. Lựa chọn cảm biến
- Dựa vào phương án thiết kế, ta nhận thấy đường line được sử dụng với 2 màu trắng và đen. Nên nhóm đề xuất lựa chọn sử dụng loại cảm biến thu phát hồng ngoại được đóng gói sẵn vì lý do: Đảm bảo được kích thước giữa các cặp cảm biến, có được đặc tính của IR phát và thu. Nhóm lựa chọn loại cảm biến: TCRT5000.
Bảng 4.2 : Thông số kỹ thuật cảm biến TCRT 5000
Kích thước (LxWxH) Bước sóng IR phát Phạm vi hoạt động
Dòng hoạt động IC/IF tối đa Điện áp hoạt động
Công suất tiêu thụ Góc phát
Góc thu
Hình 4.3 : Sơ đồ nguyên lý cảm biến TCRT5000
4.3.2. Tính toán giá trị điện trở
- Với sơ đồ nguyên lý trên, ta kết hợp với các giá trị được cho trong datasheet của TCRT5000 :
{ = 1.25
≤ 60 - Điện trở R1 được tính theo công thức
Ω Chọn R1=220 Ω - Tính điện trở R2 : = Từ Hình 4.2 a) , ta tìm được= 1.2 , và từ đồ thị Hình 4.2 b) ta được = 0.6 2 = −=5−0.6=3666,67Ω 1,2.10−3 Chọn 2= 10 Ω 30
ĐỒ ÁN THIẾT KẾ HỆ THỐNG CƠ ĐIỆN TỬ GVHD : TS.LÊ ĐỨC HẠNH
a) b)
Hình 4.4 : Đồ thị thể hiện giữa dòng và áp qua LED
a) Mối quan hệ giữa và b) Mối quan hệ giữa điện áp vào và dòng qua LED thu
4.3.3. Cách bố trí cảm biến :
- Có 2 cách đặt cảm biến trên mảng các cảm biến : đặt dọc (position 2 Hình 4.3 ) và đặt ngang (position 1 Hình 4.3 ).
- Khi đi từ nền trắng vào nền đen, cảm biến phải di chuyển một khoảng Xd thì giá trị analog của nó mới thật sự xác định. Ta chọn cách bố trí cảm biến sao cho giá trị Xd nhỏ để đảm bảm cảm biến ổn định và sẽ cho kết quả chính xác hơn
- Dựa vào đồ thị Hình 4.3 ta sẽ chọn cảm biến bố trí nằm ngang (position 1)
Hình 4.5 : Ảnh hưởng của cách đặt cảm biến đến switching distance
4.3.4. Chọn khoảng cách giữa cảm biến và sàn :
Hình 4.6 : Vùng hoạt động của mỗi cảm biến TCRT5000
- Để đảm bảo rằng phototransistor có thể nhận được tín hiệu từ led phát khi robot bám theo line,khoảng cách từ sensor đến line được tính như sau :
( + ). (tan(45 ) + tan(31 )) =
=
tan(45 )+tan(31 )−
- Dựa trên datasheet của TCRT5000, ta biết được rằng = 0.7 và = 3.5, nên
ta có :
3.5
=
tan(45 )+tan(31 )− 0.7 = 1.48mm
- Với kết quả trên, nhóm quyết định làm thực nghiệm để tìm ra khoảng cách thích hợp nhất. Từ đây ta tiến hành đo bằng thực nghiệm: ta cho cảm biến tịnh tiến vuông góc từ thấp lên cao, ghi lại giá trị ADC đọc về vi điều khiển tại từng vị trí. Ta có được đồ thị quan hệ khoảng cách và giá trị ADC như hình :
Hình 4.7 : Sự thay đổi giá trị ADC trong khoảng 0-15mm
ĐỒ ÁN THIẾT KẾ HỆ THỐNG CƠ ĐIỆN TỬ GVHD : TS.LÊ ĐỨC HẠNH
- Từ đồ thị Hình 4.5 ta thấy rằng tại các vị trí h=4-6 mm, giá trị ADC đọc về là nhỏ nhất, có nghĩa là ánh sáng phản xạ nhiều nhất. Vì vậy ta chọn h=6mm là chiều cao thích hợp của cảm biến
4.3.5. Chọn khoảng cách giữa 2 led :
Yêu cầu :
- Phạm vi hoạt động của 2 led không chồng lên nhau
- Tối thiểu sai số
Để cảm biến hoạt động tốt thì các led phải tách biệt nhau, các led không được giao thoa với nhau, vì sẽ gây nên sai số khi hoạt động. Giả sử ta đặt hai cảm biến sát nhau sao cho vùng hoạt động của chúng vừa chạm nhau như hình
Hình 4.8 : Phạm vi quét của led thu và led phát ở 2 cảm biến đặt liền kề nhau
- Khoảng cách giữa 2 led phát và thu liền kề phải đảm bảo:
≥ ℎ ∗ 16 + ℎ ∗ 30 = 5.18
- Khoảng cách giữa 2 led trong 1 cảm biến là 3.5 mm. Do đó khoảng cách tối thiểu giữa 2 cảm biến sẽ là:
= + 3.5 ≥ 8.68
- Ngoài ra khi hoạt động sẽ có trường hợp cảm biến nằm trong vùng bất định thì giá trị
analog của cảm biến đưa về sẽ như nhau. Do đó sẽ không xác định được chính xác vị trí cảm biến so với tâm đường line. Vùng bất định của cảm biến được mô tả lại như sau:
Hình 4.9 : Vùng bất định của cảm biến
- Trên Hình 4.7 ta thấy khi cảm biến dịch chuyển sang phải một đoạn 26-d thì luôn có 2 led nằm trong đường line, và do đó tín hiệu analog đo được sẽ như nhau, tương tự khi cảm biến di chuyển sang trái đoạn 2d-26 thì chỉ có 1 led nằm trong đường line. Phải chọn giá trị của d sao cho các khoảng cách này là nhỏ nhất và thỏa điều kiện ≥ 8.68
- Xác định sự ảnh hưởng của đường line đến khoảng cách giữa 2 cảm biến
- Cách tiến hành thực nghiệm :
Cố định khoảng cách giữa cảm biến đến mặt sàn là h=6mm.Thay đổi khoảng cách giữa tâm cảm biến và tâm line từ tâm line ra đến vị trí cách tâm line 20mm theo 2 bước : + Dùng một cảm biến đơn di chuyển từ tâm ra vị trí cách tâm 20mm rồi vẽ lại đồ
thị quan hệ giữa khoảng cách và giá trị ADC
+ Cố định một cảm biến ở tâm line, sau đó dùng một cảm biến khác đặt sát cảm biến cố
định. Di chuyển cảm biến thứ hai đó ra xa đến vị trí cách tâm line 20mm. Vẽ lại đồ thị quan hệ khoảng cách và giá trị ADC của cảm biến thứ hai. Từ đó ta có được
đồ thị :
Hình 4.10 : Đồ thị quan hệ ảnh hưởng line đến khoàng cách hai cảm biến
ĐỒ ÁN THIẾT KẾ HỆ THỐNG CƠ ĐIỆN TỬ GVHD : TS.LÊ ĐỨC HẠNH
- Dựa vào đồ thị ta thấy rằng trong khoảng 14-18mm hai đường gần như trùng nhau. Điều này có nghĩa là trong khoảng 14-18mm, dù có hay không có cảm biến đặt kế bên thì giá trị ADC vẫn không đổi, chứng tỏ cảm biến không bị ảnh hưởng đến nhau. Ta chọn khoảng cách giữa hai cảm biến liên tiếp là 15 mm.
- Do sử dụng giải thuật xấp xỉ trọng số nên chọn ta đặt dãy cảm biến cách đều nhau.
4.3.6. Tuyến tính hóa cảm biến :
- Từ kết quả mô hình hóa nhóm lựa chọn chiều dài thanh cảm biến 120mm, từ đó sử dụng 7 cảm biến. Sử dụng phương pháp xấp xỉ để tính ra vị trí tâm cảm biến so với đường lineThông số test:
Chiều cao cảm biến : 7mm
Khoảng cách giữa hai cảm biến : 15mm