CHƯƠNG 4: THIẾT KẾ VÀ GIẢI THÍCH GIẢI THUẬT ĐIỀU KHIỂN
4.2.Lưu đồ phương tiện di chuyển zigzag
phương tiện.
Hình 3.10: Mô hình 3D phía trên của
phương tiện
Mô hình 3D phía dưới của phương tiện.
Hình 3.11: Mô hình 3D mặt trước của
phương tiện.
Hình 3.12: Mô hình 3D mặt sau của
35 Mô hình phương tiện 3D sau khi đã hoàn thành.
Hình 3.13: Mô hình 3D tổng quan của phương tiện
3.2.3.Thiết kế và tính toán chọn công suất động cơ Các yêu cầu đối với xe thiết kế:
Vận tốc: Vận tốc cực đại của xe thiết kế Vmax = 0.5m/s. Kích thước xe : R = 3.2 cm = 0.032 m; h= 10 cm.
Khối lượng của xe: m = 2.5kg.
Yêu cầu tốc độ v: 0 0.5m/s . Xe chạy trong nhà không có cản gió, độ dốc bằng 0. Điều kiện hoạt động: phương tiện di chuyển trong nhà, các phòng kín nên chọn loại mặt đường là mặt sàn nhà có hệ số ma sát gần tương đương với mặt bê tông trơn trượt trong ô tô có hệ số ma sát cho trong khoảng bằng 0.015.
36
Tính toán chọn động cơ:
Với các thông số về kích thước và khối lượng của các hệ thống đã được chọn, tiến hành tính toán công suất cần thiết của động cơ:
Ta có khối lượng toàn bộ xe là 2.5kg. Yêu cầu tốc độ v: 0 0.5 m/s.
Ta có mối quan hệ giữa vận tốc dài và vận tốc góc đối với xe ta có: v = R ∗ ω ω = v R= 0.5 0.032= 15.625 (rad/s) Với: [8] ω =n ∗ π 30 Suy ra: n = ω ∗ 30 π =15.625 ∗ 30 π = 149.2(vòng/phút)
Để chọn động cơ phù hợp ta xem xét xe trên một mặt phẳng. Lưu ý rằng tất cả các lực lên xe . Xét cân bằng phương trình cân bằng lực:
Hình 3.14: Xét các lực tác dụng lên xe trên mặt phẳng
𝐹𝑘
𝑍 = 𝑚𝑔 𝐹𝑓
37 Nhìn trên hình ta có:
Fx: Lực kéo chủ động tại bánh xe. Ff: Lực cản lăn.
Z: Trọng lượng đè lên thân xe. R: Bán kính bánh x.
Xét phương trình cân bằng lực để cho xe có thể di chuyển ta có: ∑ Fx ≥ Ff+ mg
[8] Từ đó ta có: Lực kéo chủ động lên bánh xe bằng.
Fk = mgf + mg = 0.015 ∗ 2.5 ∗ 9.81 + 2.5 ∗ 9.81 = 24.9 (N) Mô men tác dụng lên trục bánh xe là:
Mk = Fk∗ R = 24.9 ∗ 0.032 = 0.797 (N ∗ m) [8] Với:
ω =n∗π
30 = 15.625 (rad/s) [10]
Suy ra: Công suất của động cơ cần thiết là:
P = M. ω = 0.797 ∗ 15.625 = 12.45 W [8]
Vì vậy để đảm bảo xe đạt được các thông số thiết kế, chúng ta chọn động cơ điện có công suất lớn hơn 12.45W.
38
Bảng 3.1: Bảng so sánh các loại động cơ
STT TÊN MOTOR GIÁ (VNĐ) MOMEN XOẮN (kg.cm) Công suất định mức (vòng/phút ) GHI CHÚ 1 Động Cơ Bước Giảm Tốc Nema 17 Tỉ Số 3969/289 830,000 60kgf.cm 2 Động Cơ DC Giảm Tốc GA3 185,000 3.5 200 3 Động Cơ DC Servo Giảm Tốc GA25 V1 220,000 1.88 320 Có encoder 4 Động Cơ DC Servo Giảm Tốc GA12 - N20 Encoder 225,000 0.2 500 Có encoder
Thông qua dữ liệu vừa tính đươc vậy ta lựa chon : Động Cơ DC Servo Giảm Tốc GA25 V1. Thông số kỹ thuật:
39
Bảng 3.2: Bảng thông số kỹ thuật Động Cơ DC Servo Giảm Tốc GA
TT Thông số Đơn vị Giá trị
1 Đường kính động cơ mm 25 2 Khối lượng kg 30 3 Số vòng quay định mức rpm 320 4 Công suất định mức W 13.2 5 Momen xoắn định mức kgf.cm 1.88 6 Điện áp sử dụng V 3 -12
7 Điện áp cấp cho Encoder
hoạt động:
V 3.3
3.2.5.Tính toán dung lượng pin.
Tính lượng tiêu thụ điện cho hệ thống điện của xe như sau:
+Module điều khiển động cơ L298 V2: 50W – 1 giờ (25W với mỗi mạch cầu H). + 2 động cơ GA25 V1: 13.2W – 1 giờ.
Xác định tổng lượng điện tiêu thụ mỗi giờ. Q = 25.1 + 13.5*1 = 38.5 ( W/h ) Ta tính dung lượng pin như sau:
– Hiệu suất của pin chỉ khoảng 85% cho nên chia số Wh của tải tiêu thụ với 0.85 ta có Wh của pin.
– Với mức xả sâu (Deep of Discharge: DOD) là 0.6, ta chia số Wh của pin cho 0.6 sẽ có dung lượng pin.
40 Dung lượng pin (Ah) = tổng Wh tiêu thụ
hiệu suất pin ∗ mức DOD ∗ điện thế
Suy ra: [9]
Dung lượng pin (Ah) = tổng Wh tiêu thụ 0.85 ∗ 0.6 ∗ điện thế Xét vào bài toán cụ thể ta có:
Dung lượng pin = 63,2
0.85 ∗ 0.6 ∗ 12 = 10.33 (Ah) = 10326 (Ahm)
Vậy để đảm bảo cho phương tiện hoạt động trong vòng 1h liên tục ta sử dụng 3 viên pin Li-on 3800Ahm mắc nối tiếp điện áp 4.2V (giá mỗi viên pin là 50 nghìn đồng) Vậy ta sẽ có dung lượng là 3800*3= 11400Ahm.
3.3.Phương pháp điều cho phương tiện 3.3.1.Giới thiệu chương
Bất cứ một thiết bị điện tử thông minh nào lập trình cho chip VDK trung tâm là phần rất quan trọng .Vì điều đó sẽ quyết định đến độ chính xác cũng như ổn định cũng như khá năng xứ lý tình huống của thiết bị khi thực hiện một nhiệm vụ nào đó .Trong chương này tôi sẽ giới thiệu phương pháp cũng như thuật toán được sử dụng để lập trình cho phương tiện ,qua đó sẽ hiểu rõ hơn cách mà phương tiện di chuyển và thoát khỏi các chướng ngại vật.
3.3.2.Phương pháp điều chế cung PWM
Điều chế PWM (Pulse Width Modulation) là phương pháp điều chỉnh điện áp ra tải hay nói cách khác là phương pháp điều chế dựa trên sự thay đổi độ rộng của chuỗi xung vuông dẫn đếm sự thay đổi điện áp ra. Ta sử dụng PWM để điều khiển nhanh chậm của động cơ hay cao hơn nữa nó còn được dùng để điều khiển ổn định tốc độ động cơ.
41
Hình 3.15: Hình biểu diễn phương pháp điều chế xung PWM
Với một chu kỳ cố định trước, khi ta thay đổi độ rộng xung ở mức cao thì điện áp ra trung bình sẽ tăng lên theo.
Xung là các trạng thái cao/thấp (HIGH/LOW) về mức điện áp được lặp đi lặp lại. Đại lượng đặc trưng cho 1 xung PWM (Pulse Width Modulation) bao gồm tần số (frequency) và chu kì xung (duty cycle).
3.3.2.1.Phương pháp điều chế độ rộng xung
Tốc độ quay của động cơ DC tỷ lệ thuận với điện áp đặt vào nó. Do đó, cách đơn giản nhất để điều khiển tốc độ quay của rotor là thay đổi mức điện áp đặt vào động cơ. PWM là một phương pháp rất hiệu quả trong việc cung cấp ngay lập tức điện áp giữa mức cao và mức thấp của nguồn điện giúp động cơ thay đổi tốc độ mượt hơn so với phương pháp cổ điển. Với công tắc đơn giản và một bộ nguồn thông dụng, chúng ta chỉ có thể cung cấp điện áp lớn nhất của bộ nguồn khi đóng công tắc, nghĩa là động cơ sẽ chạy với vận tốc tối đa. Và ngược lại khi hở công tắc động cơ sẽ tắt hẳn.
Nguyên tắc cơ bản của phương pháp điều khiển PWM là giữ nguyên giá trị điện áp và thay đổi thời gian đặt điện áp vào động cơ. Điều này có nghĩa, với tần số đóng ngắt
42 công tắc đủ lớn, thời gian cấp điện áp vào động cơ càng lâu thì điện áp trung bình càng cao, ngược lại thời gian cấp điện vào động cơ ngắn điện áp trung bình giảm. Như vậy, PWM là một kỹ thuật so sánh tỷ lệ phần trăm điện áp nguồn bằng cách đóng ngắt nhanh nguồn điện cấp vào động cơ tạo ra một tín hiệu xung, với độ rộng xung (thời gian cấp điện áp) xác định sẽ tạo ra một điện áp trung bình xác định (được minh họa như hình 3.12). Khi tần số đóng ngắt đủ lớn (thường từ 1 ÷ 20 kHz), động cơ sẽ chạy với một tốc độ ổn định nhờ moment quay. [10]
3.3.2.2.Phương pháp tạo xung bằng VDK Arudino Mega2560
Bảng 3.4: Bảng phương pháp điều khiển xung PWM trên Arduino bằng hàm analogWrite
analogWrite Tỉ lệ Chu kỳ xung
analogWrite(0) 0/255 0%
analogWrite(64) 64/255 25%
analogWrite(127) 127/255 50%
analogWrite(191) 191/255 75% analogWrite(255) 255/255 100%
Ứng dụng phương pháp trong điều khiển tốc độ động cơ phương tiện Phương tiện di chuyển nhờ hai động cơ được gắn với bánh xe có hộp giảm tốc. Mỗi động cơ được điều khiển tốc độ nhờ chân PWM và hướng nhờ chân digital xuất ra từ vi điều khiển thông qua mach cầu H. Điều khiển tốc độ động cơ được thực hiện dễ dàng. [10]
43
CHƯƠNG 4: THIẾT KẾ VÀ GIẢI THÍCH GIẢI THUẬT ĐIỀU KHIỂN 4.1.Bài toán di chuyển trong phòng nhiều vật cản
Để phương tiện di chuyển linh hoạt trong phòng với nhiều vật cản đó là vấn đề cần được giải quyết để nhằm đảm bảo sự linh hoạt của phương tiện.
Hình 4.1: Khoảng sáng phát hiện vật cản của cảm biến
Khoảng sáng Khoảng mù Khoảng mù Khoảng mù Khoảng mù Khoảng sáng Khoảng sáng Khoảng sáng
44 Với sự hạn chế khi lắp đặt cảm biến với 4 hướng xác định có ưu điểm có thể bao quát nhanh các hướng nhưng nhược điểm do cảm biến siêu âm khoảng quét nhỏ nên độ rộng để phát hiện cảm biển nhỏ nên tạo ra 4 khoảng mù lớn điều đó làm ảnh hướng tới quá trình di chuyển khi các cảm biến quét không có vật cản vì vật cản nằm ở điểm mù nên cảm biến không phát hiện được điều đó thuật toán để tránh được điều này được đặt lên hàng đầu.
4.2.Lưu đồ phương tiện di chuyển zigzag
Hình 4.2: Lưu đồ giải thuật di chuyển zigzag
45 Ban đầu khi phương tiện được khởi động thì cảm biến phía trước được làm việc đầu tiên bằng việc đo khoảng cách phía trước với vật cản, nếu khoảng cách phía trước lớn hơn 25cm thì phương tiện chạy thẳng, còn nếu cảm biến phía trước đo khoảng cách với vật cản phía trước nhỏ hơn 25cm thì ban đầu phương tiện rẽ phải. Trong lần tiếp theo nó sẽ rẽ trái và tuần tự như vậy nó sẽ chạy hết căn phòng cho tới khi gặp điều kiện dừng lại.
4.3.Lưu đồ điều kiện phương tiện dừng lại
Hình 4.3: Lưu đồ điều khiện phương tiện dừng lại
46 Khi phương tiện hoạt động biến “dem” bắt đầu hoạt động. Nếu “dem” nhỏ hơn 4 lần thì phương tiện vẫn di chuyển tiếp. Cho đến khi gặp điều kiện: khoảng cách lần lượt giữa phương tiện với vật cản phía bên trái, bên phải so sánh khoảng cách phương tiện với vật cản phía trước nhỏ hơn 15cm (bentrai<15 && phiatruoc<15; benphai<15 && phiatruoc<15). Phương tiện sẽ phát hiện đó là góc, phương tiện sẽ dừng lại và biến “dem” được ghi 1 lần. Trong trường hợp nếu biến “dem” lớn hơn 4 thì phương tiện dừng lại bởi nó thỏa mãn điều kiện đi hết 4 góc của mô hình thử nghiệm.
4.4.Lưu đồ tránh vật cản
Hình 4.4: Lưu đồ tránh vật cản 4.4.1.Giải thích lưu đồ
47 Khi phương tiện di chuyển nó sẽ gặp hai trường hợp bởi vì các cảm biển chỉ quét được và phát hiện các vật cản ở khoảng nhỏ:
Trường hợp 1: Cảm biến phía trước phát hiện được vật cản (distance2<25). Nếu cảm biến phát hiện được vật cản, khi khoảng cách cảm biến phía trước đo khoảng cách tới vật cản nhỏ hơn 25 cm. Thì phương tiện sẽ rẽ trái hoặc rẽ phải tùy thuộc vào điều kiện rẽ trước đó của phương tiện. Nếu trước đó phương tiện rẽ trái thì khi gặp vật cản phương tiện sẽ rẽ phải và ngược lại.
Trường hợp 2: Tránh vật cản bằng công tác hành trình vì vật cản rơi vào điểm mù và
Khi phương tiện vướng vào điểm mù cảm biến không phát hiện được của vật cản thì công tắc hành trình hoạt động. Nó sẽ cung cấp một mức điện áp cao tới Arduino. Từ đó phương tiện sẽ phát hiện được vật cản. Từ đó phương tiện sẽ quyết định rẽ trái hoặc rẽ phải tùy thuộc vào điều kiện rẽ trước đó của phương tiện. Nếu trước đó phương tiện rẽ trái thì khi gặp vật cản phương tiện sẽ rẽ phải và ngược lại.
4.5.Thiết kế và thi công mạch điện
4.5.1.Thiết kế và thi công mạch kết nối Arduino và module điều khiển động cơ L298
- Sử dụng phần mềm proteus tiến hành thiết kế mạch kết nối các chân Arduino và chân module điều khiển động cơ.
48
Hình 4.5: Mạch kết nối Arduino và Module điều khiển động cơ L298
- Lắp mạch và kiểm tra:
Tiến hành thi công lắp mạch điện theo thiết kế trên hình.
Sử dụng đồng hồ VOM kiểm tra thông mạch và đo điện áp các thiết bị. Hàn cố định và quấn keo cách điện các mối nối.
Cố định các thiết bị lên khung xe.
49
Hình 4.6: Bố trí lắp đặt mạch kết nối Arduino và Module điều khiển động cơ L29
- Sơ đồ chân kết nối các thiết bị:
50
Bảng 4.1: Sơ đồ chân kết nối Arduino, module điều khiển động cơ và nguồn
Arduino Module L298
Bánh xe bên trái
Bánh xe
bên phải Công tắc Pin
Nguồn VCC VCC Nguồn GND GND GND 5V 5V GND GND 5V 5V GND GND Chân số 2 C1/A Chân số 3 C1/A VS(12V) VS VS Chân số 5 ENA Chân số 6 ENB Chân số 8 C2/A Chân số C2/B Chân số 40 IN1 IN1 Chân số 42 IN2 IN2 Chân số 41 IN3 IN3
51 Chú thích:
IN1,IN2 là 2 chân này dùng để kết nối với chân ra của Arduino nhằm điều khiển chiều của động cơ bên trái.
IN3,IN4 là 2 chân này dùng để kết nối với chân ra của Arduino nhằm điều khiển chiều của động cơ bên phải.
C1/A,C2/A Kênh trả xung A của ecorder của motor bên trái và bên phải. C1/B,C2/B Kênh trả xung B của ecorder của motor bên trái và bên phải. OUT-1,OUT-2 là 2 chân điều khiển động cơ bên trái từ mạch cầu L29. OUT-3,OUT-4 là 2 chân điều khiển động cơ bên phải từ mạch cầu L298.
4.5.2.Thiết kế và thi công mạch kết nối các cảm biến siêu âm SRF05
- Sử dụng phần mềm Proteus 7.11 tiến hành thiết kế mạch kết nối các chân Arduino và các cảm biến siêu âm SRF05.
Chân số 43 IN4 IN4 OUT-1 OUT-1 OUT-2 OUT-2 OUT-3 OUT-3 OUT-4 OUT-4
52
Hình 4.7: Sơ đồ bố trí lắp đặt mạch kết nối Arduino với các cảm biến trên siêu âm SRF05
- Sơ đồ chân kết nối các thiết bị. Chú thích các chân cảm biến:
TRIG-1,ECHO-1 là 2 chân TRIG và ECHO của cảm biến bên trái. TRIG-2,ECHO-2 là 2 chân TRIG và ECHO của cảm biến phía trước. TRIG-3,ECHO-3 là 2 chân TRIG và ECHO của cảm biến bên phải. TRIG-4,ECHO-4 là 2 chân TRIG và ECHO của cảm biến phía sau.
53
Bảng 4.2: Bảng sơ đồ chân kết nối Arduino với các cảm biến trên siêu âm SRF05
Arduino Cảm biến bên trái Cảm biến trước Cảm biến bên phải Cảm biến sau Nguồn VCC Nguồn GND 5V 5V 5V 5V 5V GND GND GND GND GND 5V GND Chân số 29 TRIG-1 Chân số 28 ECHO-1 Chân số 32 TRIG-2 Chân số 33 ECHO-2 Chân số 51 TRIG-3 Chân số 50 ECHO-3 Chân số 46 TRIG-4 Chân số 47 ECHO-4
54
CHƯƠNG 5: KẾT QUẢ, NHẬN XÉT VÀ ĐÁNH GIÁ 5.1.Kết quả
Trong khoản thời gian 4 tháng làm khóa luận, dưới sự hướng dẫn tận tình của thầy TS. Nguyễn Bá Hải nhóm đã đạt được:
5.1.1.Về phần cứng
Từ cảm hứng về các sản phẩm thực tế hiện nay trên thị trường, nhóm đã quyết định sử dụng các thiết bị có giá thành rẻ, thiết kế nhỏ gọn nhưng được hoàn thiện tốt giúp cho phương tiện vận hành hiệu quả và ổn định. Ngoài ra, sản phẩn còn ứng dụng trực tiếp phần cụm chi tiết dẻ lau hỗ trợ tính năng lau nhà cho phương tiện có thể ngay lập tức ứng dụng thực tế.
Đối với các sản phẩm thương mại trên thị trường như Xiaomi Mi Robot, LG Homebot, Samsung Powerbot robot… được thiết kế hiện đại sử dụng nhiều linh kiệt đắt