Cảm biến siêu âm (HC-SRF04) là gì?

3. Phạm vi và đối tượng nghiên cứu, phương pháp nghiên cứu

2.5.2 Cảm biến siêu âm (HC-SRF04) là gì?

Cảm biến siêu âm HC-SR04 (Ultrasonic Sensor) được sử dụng rất phổ biến để xác định khoảng cách vì giá thành rẻ và khá chính xác. Cảm biến siêu âm HC-SR04 sử dụng sóng siêu âm và có thể đo khoảng cách trong khoảng từ 2 -> 300cm

HÌNH 2. 8 Cảm biến siêu âm HC - SR04

2.5.3 Nguyên lí hoạt động

Cảm biến siêu âm SR04 sử dụng nguyên lý phản xạ sóng siêu âm. Cảm biến gồm 2 module.1 module phát ra sóng siêu âm và 1 module thu sóng siêu âm phản xạ về. Đầu tiên cảm biến sẽ phát ra 1 sóng siêu âm với tần số 40khz. Nếu có chướng ngại vật trên đường đi, sóng siêu âm sẽ phản xạ lại và tác động lên module nhận sóng. Bằng cách đo thời gian từ lúc phát đến lúc nhận sóng ta sẽ tính được khoảng cách từ cảm biến đến chướng ngại vật.

Để đo khoảng cách, ta sẽ phát 1 xung rất ngắn (5 microSeconds) từ chân Trig. Sau đó, cảm biến siêu âm sẽ tạo ra 1 xung HIGH ở chân Echo cho đến khi nhận lại được sóng phản xạ ở pin này. Chiều rộng của xung sẽ bằng với thời gian sóng siêu âm được phát từ cảm biển và quay trở lại.

Tốc độ của âm thanh trong không khí là 340 m/s (hằng số vật lý), tương đương với 29,412 microSeconds/cm (106 / (340*100)). Khi đã tính được thời gian, ta sẽ chia cho 29,412 để nhận được khoảng cách.

Khoảng cách = (thời gian * vận tốc âm thanh (340 m/s) / 2

HÌNH 2. 9 Biểu đồ thời gian của SRF05

Lưu ý: Cảm biến siêu âm càng xa thì càng bắt không chính xác, vì góc quét của cảm biến sẽ mở rộng dần theo hình nón, ngoài ra bề mặt xiên hay xù xì cũng làm giảm độ chính xác của cảm biến, thông số kỹ thuật ghi ở dưới đây là của nhà sản xuất test trong điều khiện lý tưởng, còn thực tế thì tùy theo môi trường làm việc của cảm biến.

2.5.4 Các chân chức năng của cảm biến siêu âm

VCC Cấp nguồn cho cảm biến (5V) hoặc 3.3V ở cảm biến 3V3 TRIGGER Chân phát sóng âm. Là chu kỳ của của điện cao /thấp diễn ra. ECHO ^{Trạng thái ban dầu là 0V, khi có tín hiệu trả về sẽ là 5V và sau đó}

trở về 0V

GND Nối cực âm của mạch OUT Không sử dụng

HÌNH 2. 10 Sơ đồ nối dây test mạch cảm biến siêu âm HC - SR04

2.5.5 Ưu điểm của cảm biến siêu âm

Sử dụng sóng siêu âm nên có thể đo khoảng cách mà không cần tiếp xúc với vật chất cần đo. Vì thế, cảm biến siêu âm thường được dùng để sử dụng cho các robot dò đường hoặc các robot hút bụi trong gia đình

Sóng siêu âm là một loại âm thanh có tần số cao nên độ nhạy của cảm biến rất cao, thời gian đáp ứng nhanh.

Độ chính xác của cảm biến siêu âm gần như là tuyệt đối, sai số trung bình khoảng 0,15% đối với khoảng cách 2m trở lại.

2.5.6 Nhược điểm của cảm biến sóng siêu âm:

Cảm biến siêu âm chịu ảnh hưởng nhiều bởi nhiệt độ và áp suất. Vì thế nó chỉ hoạt động tốt nhất ở môi trường có nhiệt độ từ 60 độ C trở xuống và áp suất khoảng 1 bar trở lại.

Một nhược điểm khác là cảm biến siêu âm rất dễ bị nhiễu tín hiệu nên khi lắp đặt, cần phải lắp theo đúng hướng dẫn của nhà sản xuất.

2.6 Cảm biến hồng ngoại

2.6.1

Cảm biến hồng ngoại hay còn được gọi là IR Sensor, chúng là một thiết bị điện tử có khả năng đo và phát hiện bức xạ hồng ngoại trong môi trường xung quanh. Thực ra, tên tiếng anh của cảm biến hồng ngoại là Passive Infrared, viết tắt là PIR dịch sát nghĩa là “hồng ngoại thụ động”. Cảm biến hồng ngoại (IR Sensor) phát ra các tia vô hình đối với mắt người, vì bước sóng của nó dài hơn ánh sáng khả kiến (mặc dù nó vẫn nằm trên cùng một phổ điện từ). Bất cứ thứ gì phát ra nhiệt (mọi thứ có nhiệt độ trên năm độ Kelvin) đều phát ra bức xạ hồng ngoại.

Hồng ngoại hay còn gọi là tia hồng ngoại là bức xạ điện từ có bước sóng dài hơn ánh sáng và ngắn hơn tia bức xạ Vi ba. Hồng ngoại tức là ngoài bức sóng đỏ. Màu đỏ là màu có bước sóng dài nhất trong ánh sáng thường. Thông thường những vật thể có nhiệt độ trên 35° C sẽ phát ra bước sóng hồng ngoại. Bức xạ hồng ngoại đã vô tình được phát hiện bởi một nhà thiên văn học tên là William Herschel vào năm 1800. Trong khi đo nhiệt độ của từng màu ánh sáng (cách nhau bởi một lăng kính), ông nhận thấy rằng nhiệt độ vượt ra ngoài ánh sáng đỏ là cao nhất

Có hai loại cảm biến hồng ngoại đó là cảm biến dạng chủ động và thụ động. Cảm biến hồng ngoại hoạt động bằng cách phát ra và phát hiện bức xạ hồng ngoại. Cảm biến hồng ngoại chủ động thường cấu tạo có hai phần: diode phát sáng (LED) và máy thu. Khi một vật thể đến gần cảm biến, ánh sáng hồng ngoại từ đèn LED sẽ phản xạ khỏi vật thể và được người nhận phát hiện. Cảm biến hồng ngoại hoạt động đóng vai trò là cảm biến tiệm cận và chúng thường được sử dụng trong các hệ thống phát hiện chướng ngại vật (như trong robot).

Hồng ngoại thụ động có nghĩa là chỉ nhận các tia hồng ngoại phát ra từ vật thể khác như người, động vật hoặc một nguồn nhiệt bất kỳ, chứ tự nó không phát ra tia hồng ngoại nào cả. Sau khi nhận biết được nguồn nhiệt, bộ phận cảm biến sẽ phân tích để xách định điều kiện báo động. Vì thế người ta gọi đó là thụ động, chỉ phát hiện chứ không phải là nguồn phát ra tia hồng ngoại.

HÌNH 2. 11 Cảm biến hồng ngoại

2.6.2

Cảm biến hồng ngoại sẽ hoạt động bằng cách sử dụng một cảm biến ánh sáng cụ thể để phát hiện bước sóng ánh sáng chọn trong phổ hồng ngoại (IR). Bằng cách sử dụng đèn LED tạo ra ánh sáng có cùng bước sóng với cảm biến đang tìm kiếm, bạn có thể xem cường độ của ánh sáng nhận được. Khi một vật ở gần cảm biến, ánh sáng từ đèn LED bật ra khỏi vật thể và đi vào cảm biến ánh sáng. Điều này dẫn đến một bước nhảy lớn về cường độ, mà chúng ta đã biết có thể được phát hiện bằng cách sử dụng một ngưỡng.

HÌNH 2. 12 cảm biến hồng ngoạu khi không có vật cản

HÌNH 2. 13 cảm biến hồng ngoại khi có vật cản

HÌNH 2. 14 Sơ đồ nguyên lý

2.6.3

Là một robot hút bụi tự động có hiệu quả làm sạch sàn và thảm mà không cần sự giám sát của con người. Không giống như các máy hút bụi truyền thống, robot hút bụi sử dụng trong nhà sử dụng nhiều loại cảm biến để tránh nguy hiểm như va vào vật cản hay roi cầu thang và luôn đi đúng hướng để thực hiện tốt hoạt động hút bụi của họ. vì thế robot được thiết kế lắp đặt với các cảm biến hồng ngoại để đáp ứng nhu cầu trên Cảm biến hồng ngoại tránh cầu thang như thế nào?

Robot hút bụi sử dụng trong nhà sử dụng nhiều loại cảm biến để điều hướng và thực hiện các hoạt động hút bụi của nó. Mỗi cảm biến này được kết nối với hệ thống

thông minh của thiết bị để bảo vệ thiết bị khỏi mọi hiểm họa về địa hình và môi trường.

Khi robot hút bụi sử dụng trong nhà hoạt động, các cảm biến sẽ truyền dữ liệu đến một bộ vi xử lý có thể thay đổi chuyển động và đường dẫn làm sạch của thiết bị để giữ cho thiết bị an toàn, đặc biệt khi tránh cầu thang và các khu vực dốc. Robot cũng có một tấm chắn phía trước giúp làm giảm các tác động từ bất kỳ vật thể nào mà thiết bị gặp phải khi di chuyển về phía trước.

Các cảm biến hồng ngoại phía dưới liên tục truyền và nhận các tín hiệu để robot hút bụi sử dụng trong nhà biết nó đang ở gần mặt đất. Nếu Robot gặp cầu thang và được định vị một phần của nó đã qua mép của bậc thang hoặc gờ, các cảm biến sẽ thông báo cho hệ thống thông minh của robot rằng khoảng cách giữa robot và mặt đất đã tăng lên.

Sau khi hệ thống nhận được thông báo rằng thiết bị có nguy cơ rơi, hệ thống gửi tín hiệu để thiết bị lùi ra xa cầu thang và quay ngược một cách an toàn.

Tính năng bảo vệ này giữ cho robot hút bụi sử dụng trong nhà an toàn khi nó không được giám sát trong thời gian ngắn và rất hữu ích để tránh né khi gặp cầu thang Các cảm biến hồng ngoại của robot hút bụi sử dụng trong nhà được coi là một phần không thể thiếu của robot hút bụi. Chúng có thể bảo vệ robot hút bụi sử dụng trong nhà khỏi các điểm rơi, tránh để xảy ra tình trạng rơi vỡ khi đang làm việc, đặc biệt là gần khu vực cầu thang. Tuy nhiên, các cảm biến này có thể bị phủ bụi theo thời gian trong quá trình vệ sinh thiết bị.

Khi hoạt động lâu ngày, bụi bẩn có thể phủ kín các cảm biến, robot hút bụi sử dụng trong nhà có thể gặp sự cố khi truyền và nhận tín hiệu hồng ngoại để thiết bị biết nó đang ở gần mặt đất. Vì vậy, hãy thường xuyên vệ sinh các cảm biến để đảm bảo robot luôn hoạt động tốt nhất.

2.6.4

Như đã đề cập trước đó, các cảm biến hồng ngoại của robot hút bụi sử dụng trong nhà khá đáng tin cậy trong các trường hợp bình thường. Tuy nhiên, những người dùng quan tâm đến việc thực hiện các biện pháp phòng ngừa bổ sung để đảm bảo thiết bị của họ tránh cầu thang tốt. khách hàng có thể sử dụng tấm chắn ở rìa cầu thang để chắn, đó có lẽ là giải pháp đtốt nhất sđể có thể tránh được sai sót kh cảm biến hoạt động.

Nếu một tấm chắn được đặt gần cầu thang, Robot sẽ ngừng di chuyển về phía trước ngay khi nó gặp rào cản và bắt đầu từ từ lùi lại khỏi cầu thang mà tấm chắn được đặt bên cạnh. Điều này có thể đặc biệt hữu ích cho những robot có cảm biến độ cao bẩn hoặc bị lỗi gặp khó khăn khi phát hiện cầu thang.

Các cảm biến hồng ngoại làm rất tốt trong việc phát hiện các vật thể đặc biệt là việc tránh cầu thang khi làm việc. Tuy nhiên, một số va chạm vẫn có thể xảy ra khi thiết bị đang làm sạch sàn. Một số đồ vật mà Robot va chạm có thể ảnh hưởng đến các tính năng an toàn của thiết bị.

Bụi bẩn trên cảm biến đối tượng của robot cũng có thể ngăn thiết bị phát hiện bất kỳ Tường ảo nào được đặt xung quanh cầu thang. Điều này có thể khiến Roomba vượt qua rào cản vô hình và rơi xuống cầu thang.

Robot nên được giám sát trong khi hoạt động để tìm kiếm bất kỳ bụi bẩn nào tích tụ có thể chặn các cảm biến của nó. Bạn có thể dùng vải sạch để loại bỏ mọi lớp bụi bẩn đáng kể.

Với công nghệ cảm biến vô cùng hiện đại mà đã trang bị cho các dòng máy hút bụi sử dụng trong nhà, nó có thể dễ dàng tránh cầu thang cũng như các khu vực với độ cao nguy hiểm khác. Tuy nhiên, sự an toàn của thiết bị phụ thuộc vào độ sạch của các cảm biến. Do vậy nên thường xuyên vệ sinh các cảm biến của thiết bị để robot có thể hoạt động nhạy bén hơn, cũng như ngăn chặn các sự cố hy hữu có thể xảy ra.

2.7 Động cơ BLDC

2.7.1

Động cơ DC không chổi than, hay còn gọi là động cơ BLDC (Brushless DC mot or), là động cơ điện được chuyển mạch bằng điện tử với các nam châm điện dòng DC di chuyển rotor xung quanh stator. Thay vì bàn chải và máy cắt ở động cơ chổi than thì động cơ DC không chổi than sử dụng bộ điều khiển động cơ bước để tạo ra sự chuyển đổi năng lượng điện thành năng lượng cơ học.

2.7.2

Cũng giống với các động cơ đồng bộ thông thường, các cuộn dây BLDC cũng được đặt lệch nhau 120 độ trong không gian của stator. Các thanh nam châm được gắn chắc chắn vào thân rotor làm nhiệm vụ kích từ cho động cơ. Đặc biệt điểm khác biệt về hoạt động của động cơ BLDC so với các động cơ đồng bộ nam châm vĩnh cưu khác là động cơ BLDC bắt buộc phải cảm biến vị trí rotor giúp động cơ hoạt động.

 Stator: bao gồm lõi sắt (các lá thép kĩ thuật điện ghép cách điện với nhau) và dây quấn. Cách quấn dây của BLDC khác so với cách quấn dây động cơ xoay chiều 3 pha thông thường, sự khác biệt này tạo nên sức phản điện động dạng hình thang mà ta thấy. Nếu không quan tâm tới vấn đề thiết kế, chế tạo động cơ, ta có thể bỏ qua sự phức tạp này.

HÌNH 2. 15 Stator động cơ BLDC

 Rotor: Về cơ bản là không có gì khác so với các động cơ nam châm vĩnh cửu khác.

HÌNH 2. 16 Rotor động cơ BLDC

 Hall sensor: do đặc thù sức phản điện động có dạng hình thang nên cấu hình điều khiển thông thường của BLDC cần có cảm biến xác định vị trí của từ trường rotor so với các pha của cuộn dây stator. Để làm được điều đó người ta dùng cảm biến hiệu ứng Hall, gọi tắt là Hall sensor.

HÌNH 2. 17 Hall sensor gắn trên stator

Hall sensor được gắn trên stator của BLDC chứ không phải trên rotor.

2.7.3

Nguyên lý hoạt động của động cơ DC không chổi than là xác định bị trí của Rotor để điều khiển dòng diện vào cuộn dây Stator tương ứng, nếu không động cơ không thể thay đổi chiều quay và khởi động tự động được. Chính vì nguyên tắc điều khiển dựa vào vị trí Rotor như vậy mà động cơ BLDC luôn cần có một bộ điều khiển chuyên dụng phối hợp với cảm biến Hall để điều khiển động cơ.

Nguyên lý hoạt động của động cơ BLDC dựa trên lực tương tác của từ trường do stato tạo ra và nam châm vĩnh cửu trên roto. Khi dòng điện chạy qua một trong ba cuộn dây stato sẽ tạo ra cực từ hút các nam châm vĩnh cửu gần nhất có cực từ trái dấu. Roto sẽ tiếp tục chuyển động nếu dòng điện dịch chuyển sang một cuộn dây liền kề. Cấp điện tuần tự cho mỗi cuộn dây sẽ làm cho roto quay theo từ trường quay.

HÌNH 2. 18 hoạt động của động cơ BLDC

Nguyên lý của việc điều khiển tốc độ động cơ là sử dụng phương pháp điều chế độ rộng xung (PWM). Bộ điều khiển xác định vị trí trục roto và xuất điện áp điều khiển đóng, mở các khóa bán dẫn (mosfet) cấp điện áp cho động cơ.

HÌNH 2. 19 Sơ đồ điều khiển tốc độ BLDC motor

HÌNH 2. 20 Nguyên tắc điều khiển truyền thống động cơ BLDC

Chế độ điều khiển này gọi là chế độ điều khiển 120o. Đây là chế độ điều khiển cơ bản của BLDC, các chế độ khác tạm thời chưa xét đến.

Ta thấy rằng, trong một thời điểm bất kì luôn luôn chỉ có 2 pha dẫn điện, do đó ta còn gọi đây là chế độ điều khiển 2 pha dẫn. Chế độ khác (3 pha dẫn) cũng chưa xét ở đây. Dưới mỗi pha dẫn ta thấy đều có dòng điện 1 chiều và sức điện động 1 chiều, do đó động cơ BLDC có đặc tính cơ và đặc tính điều khiển giống với động cơ 1 chiều. Chính vì thế mà động cơ này có tên gọi là “động cơ một chiều không chổi than” chứ