Dung sai phương dọc: - BÁO cáo đồ án THIẾT kế hệ T- 123docz.net

Hình 3.7 : Chuỗi kích thước tính dung sai theo phương dọc.

- Kích thước danh nghĩa các khâu thành phần:

 𝐴1 = 16 (𝑚𝑚).

 𝐴2 = 16 (𝑚𝑚).

- 𝐴1 là khâu giảm và 𝐴2 là khâu tăng.

- Kích thước danh nghĩa của khâu khép kín 𝐴∑ = 0+0.112 (𝑚𝑚), 𝐸𝑚∑ = 0.056 (𝑚𝑚).

- 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 :

𝑎𝑚 = 𝑇∑ ∑𝑚+𝑛𝑖=1 𝑖𝑖 =

112

1.08 + 1.08= 51.85 ≈ 52

Vậy 𝑎𝑚 ≈ 52. Đem so sánh với hệ số cấp chính xác 𝑎 trong bảng 4.1 (Dung sai và lắp ghép, Ninh Đức Tốn)ta thấy nó gần với 𝑎 = 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 𝑛 − 1 khâu:

- Khâu 𝐴𝑘 để lại chính là khâu tăng 𝐴2, nên sai lệch giới hạn của 𝐴𝑘 được tính theo công thức 9.14 - 9.20 (Dung sai và lắp ghép, Ninh Đức Tốn), ta có:

1 2 1 m n k i i T T T T         = 0.112-0.043 = 0.069 mm 1 1 1 n m mk mj mi m j i E e E E        = 0-0.0215+0.056 = 0.0345 mm 1 2 k mk k ES E  T = 0.0345 + 0.0335 = 0.068 mm 1 2 k mk k ES E  T = 0.0345 - 0.0335 = 0.001 mm Vậy: 𝐴2 = 160.00.07 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:

 𝐴1 = 51 (𝑚𝑚).

 𝐴2 = 7 (𝑚𝑚).

- 𝐴1 là khâu tăng và 𝐴2 là khâu giảm.

- Kích thước danh nghĩa của khâu khép kín và dung sai được chọn vừa phải ở cấp chính xác 8 𝐴∑= 44+0.039 (𝑚𝑚), 𝐸𝑚∑ = 0.0195 (𝑚𝑚).

- 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 :

𝑎𝑚 = 𝑇∑ ∑𝑛+𝑚𝑖=1 𝑖𝑖 =

0.9 + 1.86 = 14.13 ≈ 14

Vậy 𝑎𝑚 ≈ 14. Đem so sánh với hệ số cấp chính xác 𝑎 trong bảng 4.1 (Dung sai và lắp ghép, Ninh Đức Tốn)ta thấy nó gần với 𝑎 = 16 nhất. Từ đó, ta chọn cấp chính xác 7 làm cấp chính xác chung cho các khâu.

- Với cấp chính xác 7 đã chọn, ta tra sai lệch và dung sai cho 𝑛 − 1 khâu:

 𝐴1 = 51𝐻7 = 51 0+0.03

- Khâu 𝐴𝑘 để lại chính là khâu giảm 𝐴2, nên sai lệch giới hạn của 𝐴𝑘 được tính theo công thức 9.14 - 9.20 (Dung sai và lắp ghép, Ninh Đức Tốn), ta có:

1 2 1 m n k i i T T T T         = 0.039 – 0.03 = 0.009 mm 1 1 1 m n mk mi mi m i j e E e E        = 0.015 - 0 – 0.0195 = -0.0045 mm 1 2 k mk k es e  T = -0.0045 + 0.009 = 0.0045 mm 1 2 k mk k es e  T = -0.0045 - 0.009 = -0.0135 mm  Vậy: 𝐴2 = 7−0.01+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:

 𝐴1 = 23 (𝑚𝑚).

 𝐴2 = 23 (𝑚𝑚).

- 𝐴1 là khâu giảm và 𝐴2 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: 𝐴∑ = 0+0.112 (𝑚𝑚), 𝐸𝑚∑ = 0.056 (𝑚𝑚).

- 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 :

𝑎𝑚 = 𝑇∑ ∑𝑛+𝑚𝑖=1 𝑖𝑖 =

112

1.31 + 1.31= 42.75 ≈ 43

Vậy 𝑎𝑚 ≈ 43. Đem so sánh với hệ số cấp chính xác 𝑎 trong bảng 4.1 (Dung sai và lắp ghép, Ninh Đức Tốn)ta thấy nó gần với 𝑎 = 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 𝑛 − 1 khâu:

 𝐴1 = 23ℎ9 = 23−0.0520

1 2 1 m n k i i T T T T         = 0.112-0.052 = 0.06 mm 1 1 1 n m mk mj mi m j i E e E E        = -0.026 – 0 + 0.056 = 0.03 mm 1 2 k mk k ES E  T = 0.03 + 0.06 = 0.09 mm 1 2 k mk k ES E  T = 0.03 - 0.06 = -0.03 mm Vậy: 𝐴2 = 23−0.03+0.09 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 .

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.

Hình 4.2 : Kit STM32F411VET Discovery Bảng 4.1 : Thông số kỹ thuật STM32F411VET Discovery.

Thông số Giá trị Điện áp hoạt động 5VDC Xung clock 100MHz Ngắt ngoài 16 line (tất cả các chân đều có thể làm chân nhận tín hiệu ngắt)

Số kênh PWM 28 (có 14 timer mỗi timer có 2 kênh PWM độc lập) Tần số lấy mẫu (ADC) tối

đa 7.2 Msps, có hỗ trợ DMA

4.3. Thiết kế cảm biến 4.3.1.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) 10,2x5,8x7 mm Bước sóng IR phát 950nm

Dòng hoạt động IC/IF tối đa 100mA/20mA

Điện áp hoạt động 5V

Công suất tiêu thụ 200mW

Góc phát 16o

Góc thu 30o

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 :

{𝑉𝐹 = 1.25𝑉

𝐼𝐹 ≤ 60𝑚𝐴

- Điện trở R1 được tính theo công thức

1 3 5 1.25 62.5 60 10 CC F F V V R I x        Chọn R1=220  - Tính điện trở R2 : 𝐼𝐹 =5 − 1.25 220 ≈ 17𝑚𝐴 Từ Hình 4.2 a) , ta tìm được 𝐼𝐶 = 1.2𝑚𝐴, và từ đồ thị Hình 4.2 b) ta được 𝑉𝐶𝐸 = 0.6𝑉 𝑅2 =𝑉𝐶𝐶 − 𝑉𝐶𝐸 𝐼𝐶 = 5 − 0.6 1,2.10−3= 3666,67 Ω Chọn 𝑅2 = 10𝐾Ω

a) b)

Hình 4.4 : Đồ thị thể hiện giữa dòng và áp qua LED

a) Mối quan hệ giữa 𝐼𝐹 và 𝐼𝐶 b) Mối quan hệ giữa điện áp vào và dòng 𝐼𝐶 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 4.3ta sẽ chọn cảm biến bố trí nằm ngang (position 1)

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 :

( 𝐻𝑚𝑖𝑛+ 𝑎). (tan(45𝑜) + tan(31𝑜)) = 𝑑

 𝐻𝑚𝑖𝑛= 𝑑

tan(45𝑜)+tan(31𝑜)− 𝑎

- Dựa trên datasheet của TCRT5000, ta biết được rằng 𝑎 = 0.7𝑚𝑚 và 𝑑 = 3.5 𝑚𝑚, nên ta có :

 𝐻𝑚𝑖𝑛= 3.5

tan(45𝑜)+tan(31𝑜)− 0.7 = 1.48 mm

- 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 :

- 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:

𝑙 ≥ ℎ ∗ 𝑡𝑎𝑛16 + ℎ ∗ 𝑡𝑎𝑛30 = 5.18𝑚𝑚

- 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:

𝑑 = 𝑙 + 3.5 ≥ 8.68 𝑚𝑚

- 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 𝑑 ≥ 8.68𝑚𝑚

- 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 :

- 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 line Thông số test:

Chiều cao cảm biến : 7mm

Khoảng cách giữa hai cảm biến : 15mm Số lượng cảm biến : 7

- Việc thu nhận tín hiệu analog giúp ta nhận biết được sự thay đổi của giá trị mỗi khi cảm biến di chuyển lại gần hay ra xa đường line. Tuy nhiên, tín hiệu analog cho mỗi cảm biến khác nhau, làm việc trong cùng điều kiện như nhau, cho ra giá trị khác nhau kể cả các phần cảm biến như nhau. Đây là lý do tại sao hiệu chuẩn (calibration) là cần thiết cho việc lắp đặt các cảm biến trên robot dò line. Do đó ta phải tiến hành calib cảm biến

- Công thức calib cảm biến :

𝑦𝑗0 = 𝑦𝑚𝑖𝑛+ 𝑦𝑚𝑎𝑥 − 𝑦𝑚𝑖𝑛

𝑥𝑚𝑎𝑥,𝑖− 𝑥𝑚𝑖𝑛,𝑖(𝑥𝑗,𝑖− 𝑥𝑚𝑖𝑛,𝑖)

Trong đó:

𝑥𝑚𝑖𝑛,𝑖 và 𝑥𝑚𝑎𝑥,𝑖 là giá trị nhỏ nhất và lớn nhất đọc được từ cảm biến thứ 𝑖

𝑦𝑚𝑎𝑥 và 𝑦𝑚𝑖𝑛 là giá trị lớn nhất và nhỏ nhất mà ta mong muốn cho tất cả cảm biến

𝑥𝑗,𝑖 là giá trị đọc được lần thứ j của cảm biến thứ 𝑖 𝑦𝑗0 giá trị sau khi điều chỉnh 𝑥𝑗,𝑖

Công thức calib cho 7 cảm biến :

𝑥𝑚𝑎𝑥,𝑖 𝑥𝑚𝑖𝑛,𝑖 𝑦𝑗0

Cảm biến 1 896 51 𝑦𝑗0 = 49 + 0.9479(𝑥𝑗,𝑖− 51)

Cảm biến 2 820 48 𝑦𝑗0 = 49 + 1.376(𝑥𝑗,𝑖− 48)

Cảm biến 4 846 49 𝑦𝑗0 = 49 + 1.0050(𝑥𝑗,𝑖− 49)

Cảm biến 5 833 48 𝑦𝑗0 = 49 + 1.0204(𝑥𝑗,𝑖− 48)

Cảm biến 6 842 48 𝑦𝑗0 = 49 + 1.0088(𝑥𝑗,𝑖− 48)

Cảm biến 7 875 48 𝑦𝑗0 = 49 + 0.9686(𝑥𝑗,𝑖− 48)

- Xác định vị trí tâm đường line

Các cảm biến 𝑥0, 𝑥1, 𝑥2, 𝑥3, 𝑥4, 𝑥5, 𝑥6 tương ứng với các tọa độ -3,-2,-1,0,1,2,3 và giá trị trả về các cảm biến tương ứng là 𝑦0, 𝑦1, 𝑦2, 𝑦3, 𝑦4, 𝑦5, 𝑦6

Hình 4.11 : Phương pháp xấp xỉ theo trọng số

- Từ giá trị khi thực hiện calib cảm biến, áp dụng công thức tính giá trị trung bình theo phương pháp xấp xỉ theo trọng số : 6 0 6 0 i i i i i x y x L y      Trong đó:

+ 𝑥𝑖: trọng số của cảm biến so với line.

+ 𝑦𝑖: giá trị ADC đọc về của cảm biến thứ 𝑥𝑖.

+ 𝑥: tọa độ của tâm thanh cảm biến so với tâm line. + 𝐿: Khoảng cách giữa hai cảm biến.

37 6 0 6 0 5 1 4 2 6 0 1 2 3 4 5 6 0 45(y ) 30(y ) 15( ) i i i i i x y y y y y x L y y y y y y y y                 

Hình 4.12 : Đồ thị quan hệ giá trị tính toán và giá trị thực tâm đường line

- Sử dụng phương pháp nội suy hàm bậc nhất đề tìm ra phương trình thể hiện mối quan hệ giữa tọa độ thực và tọa độ đọc về cùa cảm biến .