Hình 2.1.Các thành phần cơ bản trong một robot di động
Trong một robot di động mối liên hệ module với nhau là một vòng khép kín.
Khối cơ bản cho các hệ thống robot di động bao gồm một hệ cảm cảm biến, các
module điều khiển và bộ cơ cấu chấp hành dùng. Một hệ thống robot di động điển hình đòi hỏi phải tất cả các khối trên vận hành được. Thông tin về trạng thái môi trường xung quanh robot được cung cấp bởi các cảm biến nội và cảm biến ngoại.Thông tin này được truyền về bộ xử lý trung tâm (có cài đặt sẵn các chương trình, thuật toán dẫn đường ....) sử dụng để ước lượng trạng thái của hệ thống. Không chỉ bao gồm trạng thái của bản thân robot mà trạng thái của môi trường xung quanh nó.
Thành phần cơ bản trong robot di động bao gồm: Khối nguồn, khối cảm biến, khối xử lý, khối cơ cấu chấp hành.
Khối nguồn: làm nhiệm vụ cung cấp điện áp phù hợp cho toàn thiết bị trong hệ thống, như nguồn nuôi cho các cảm biến, nguồn nuôi cho bộ điều
NGUỒN CẤP 5V NGUỒN CẤP 24V KHỐI CẢM BIẾN KHỐI XỬ LÝ KHỐI CHẤP HÀNH Động cơ trái Động cơ phải
khiển, nguồn nuôi cho động cơ. Khối nguồn được cung cấp pin sạc lại hoặc ắc qui.
Khối cảm biến: hay được gọi là hệ cảm biến bao gồm các cảm biến như
siêu âm, hồng ngoại, va chạm, cảm biến nhiệt, ..., nhiệm vụ như một con mắt giúp robot cảm nhận và ứng xử với môi trường xung quanh.
Khối chấp hành: bao gồm động cơ, giúp robot di chuyển trên những địa hình.
Khối xử lý: Bao gồm hệ thống xử lý tín hiệu cảm biến, điều khiển cơ cấu chấp hành, báo và hiển thị ra màn hình. Khối xử lý chia ra là hai khối : - Khối điều khiển trung tâm: khối điều khiển trung tâm được coi là bộ não của robot di động. Tại đây, tín hiệu thu thập từ khối cảm biến sẽ được xử lý để xuất ra các lệnh điều khiển tới khối điều khiển động cơ. Bộ phận chính của khối điều khiển trung tâm là chip vi xử lý, chíp này sẽ được nhà sản xuất nạp chương trình tùy theo mục đích sử dụng.
- Khối điều khiển động cơ: khối này là các mạch điện tử công suất nhận tín hiệu điều khiển từ khối điều khiển trung tâm để đưa tín hiệu điều khiển động cơ hoạt động. Hiện nay người ta tạo ra rất nhiều các mạch điều khiển động cơ như: Điều khiển bằng mạch cầu H, Relay.
Khi được khối nguồn cung cấp điện áp phù hợp, các khối còn lại sẽ hoạt động. Đầu tiên khối cảm biến có chức năng thu nhận các thông tin từ môi trường bên ngoài, sau đó truyền tín hiệu thu được về khối xử lý, khối xử lý tiếp nhận thông tin xử lý thuật toán, gửi lệnh điều khiển xuống khối chấp hành.Từ đó, robot di động có thể di chuyển và tránh vật cản theo đúng yêu cầu đã đặt ra.
2. Sơ đồ cấu trúc hệ cảm biến trong robot di động [4]
Cấu trúc hệ cảm biến trong robot rất đa dạng. Tùy thuộc vào từng loại robot, chức năng mà ta có thể phân tích và xây dựng một hệ cảm biến cho robot di động.Ví dụ đối với những dạng robot lau nhà tránh vật cản, cần trang bị một hệ
thống cảm biến gồm cảm biến va chạm nhằm giúp robot cảm nhận được vật cản
khi chạm vào trong quá trình di chuyển. Ngoài ra để nâng cao hơn về độ thông minh cho robot thì chúng ta có thể gắn vào những cảm biến hỗ trợ cho việc dò tìm đường như cảm biến hồng ngoại, hay camera nhận diện hình ảnh để gắn thêm chức năng tự xác định được vật qua hình ảnh.
Tuy nhiên về cơ bản thì một hệ cảm biến trong robot di động có cấu trúc như sau:
Hình
Hình 2.2. Sơ đồ cấu trúc hệ cảm biến.
2.2.1. Các thành phần cơ bản trong cấu trúc của hệ cảm biến.
Sensor 1, sensor 2,.... là những cảm biến khác nhau trong robot.
Mux (Mulltiplexer): bộ dồn kênh có nhiệm vụ là đưa các tín hiệu song song thành dạng nối tiếp vào ADC và MCU. Ngày nay các bộ dồn kênh được sản xuất dưới dạng IC chúng thực hiện theo hai chế độ :
- Chế độ chu trình: các tín hiệu từ cảm biến qua chuyển đối chuẩn hóa sẽ lần lượt được đưa vào ADC theo một chu trình.
- Chế độ địa chỉ: các tín hiệu được đưa đến ADC theo chương trình định trước. Để đảm bảo sai số các bộ dồn kênh được chế tạo với số lượng kênh thích hợp. Modul ADC: bộ biến đổi tương tự số có nhiệm vụ biến đổi các tín hiệu tương tự thành tín hiệu số. Ngày nay các bộ chuyển đổi số được chế tạo rất đa dạng theo công nghệ CMOS với số lượng kênh vào và ra khác nhau.
MCU: bộ vi xử lý bao gồm những vi điều khiển có nhiệm vụ nhận tín hiệu điều khiển từ các modul khác rồi phản hồi tin hiệu lại để điều khiển chúng.
Khối nguồn cấp 5v Cảm biến 1 Cảm biến 2 Cảm biếnn BỘ DỒN KÊNH (MUX) BỘ BIẾN ĐỔI (ADC) VI XỬ LÝ (MCU) HIỂN THỊ LÊN MÀN (LCD) KẾT NỐI COM UART
COM UART: bộ truyền nhận nối tiếp đồng bộ và không đồng bộ. UART được tích hợp hầu hết trong các chip vi điều khiển, được coi như là một module ngoại
vi(peripheral), UART thường kết hợp với chuẩn giao tiếp RS232 để truyền nhận
nối tiếp giữa vi điều khiển với một thiết bị khác.
Khâu chuyển đối chuẩn hóa trong cấu trúc hệ cảm biến có nhiệm vụ biến đổi tín hiệu điện sau cảm biến thành tín hiệu dưới chuẩn dưới dạng điện áp từ 0 - 5 V hay dòng điện từ 0 -5 mA hoặc 4-20mA. Tín hiệu ra của cảm biến có thể khác nhau về dải đo sau khi qua chuẩn hóa chúng được biến đổi tương ứng với một giới
hạn nhất định sao cho tương thích với các ADC và MCU. Các bộ chuẩn hóa có
thể thực hiện với từng cảm biến hoặc với một số cảm biến giống nhau về loại và khoảng đo.
Do tín hiệu ra của bộ chuẩn hóa là điện áp hoặc dòng điện một chiều nên chúng được thực hiện dưới dạng khuếch đại áp (K >1) hoặc dạng suy giảm
( K<1) hay nguồn dòng. Đặc tính ra của chuyển đổi chuẩn hóa thường tuyến tính. Đó là một khâu biến đổi tỉ lệ.
2.2.2. Nguyên lý hoạt động cấu trúc hệ cảm biến như sau :
Các tín hiệu đo được đưa vào các cảm biến (sensor 1, sensor 2..) để biến đổi thành tín hiệu điện sau đó đưa qua các bộ chuẩn hóa để chuẩn hóa tín hiệu thành dòng và áp.
Bộ dồn kênh (MUX) làm nhiệm vụ chuyển các tín hiệu điện theo chương trình định trước đến ADC, biến đổi tín hiệu tương tự sang tín hiệu số và đưa qua bộ xử lý MCU, và nó điều khiển ADC và MUX làm việc theo chương trình. Các thông số cảm biến sẽ được hiển thị trên LCD.
Dựa vào cấu trúc chung hệ cảm biến nên ta có thể tạo ra sơ đồ khối cho hệ cảm biến cho mô hình robot cần chế tạo
Trong đó
MCU : chính là vi điều khiển 18F4520.
Các cảm biến cho robot.
Màn hiển thị LCD.
Chương III
Thiết kế mô hình hệ cảm biến trên robot di động 3.1. Thiết kế mô hình hệ cảm biến cho robot di động trên Solid Work 2008
Robot di động là một cơ cấu kết hợp giữa cơ khí và điện tử. Để có thể hiểu rõ được cấu trúc hệ cảm biến trên Robot dạng ba bánh, ngoài lý thuyết tìm hiểu các dạng cảm biến cơ bản có trong Robot. Điều quan trọng là có thể xây dựng được hình dạng thực tế của hệ cảm biến được đặt trên robot di động.
Solidwork 2008 là một phần mềm mạnh về thiết kế các mô hình cơ khí, vận dụng phần mềm emđã thiết kế và xây dựng một mô hình hệ cảm biến trên robot di động. Qua đó giúp chúng ta có thể hình dung rõ hơn về vị trí, phương pháp chọn góc đặt cảm biến trong Robot di động.
3.1.1. Yêu cầu chung thiết kế cơ khí của robot di động.
Trong phạm vi luận văn, mô hình Robot di chuyển trên mặt phẳng trong phòng nên mô hình có một số yêu cầu:
Hình dáng và khối lượng phù hợp với không gian làm việc;
Robot phải được thiết kế gọn, dễ dàng tránh vật cản, di chuyển linh hoạt, ổn định;
Robot chắc chắn, sự cân đối và ổn định để điều khiển chính xác;
3.1.2. Mô hình cấu trúc của robot.
Có rất nhiều sự lựa chọn cho hình dạng bên ngoài của Robot như: tròn, vuông, lục giác, bát giác, chữ nhật hoặc một hình dạng đặc biệt nào đó phù hợp với ứng dụng cụ thể. Lựa chọn tối ưu nhất cho di chuyển tránh vật cản là mô hình hình trụ tròn.
Có khả năng tránh vật cản dễ dàng.
Các mặt bên là bề mặt phẳng có thể dễ gá các thiết bị: cảm biến, đèn, công tắc.
Có tính thẩm mĩ cao.
Có thể chia góc cho các cảm biến xác định vật cản.
3.1.3. Lựa chọn vật liệu.
Việc lựa chọn vật liệu chế tạo tùy thuộc vào yêu cầu đề ra đối với robot di động như môi trường làm việc, công việc robot cần thực hiện. Một số vật liệu hay dùng nhất là nhôm, nhựa công nghiệp, gỗ. Những vật liệu này có đặc tính là khối lượng nhẹ, dễ gia công, giá thành rẻ. Một số loại robot hoạt động trong môi
trường đặc biệt như môi trường hóa chất, vũ trụ thì yêu cầu về lựa chọn vật liệu rất khắt khe để đảm bảo chịu được đặc tính của môi trường.
Với mục tiêu đề tài đặt ra là thiết kế mẫu một mô hình hệ cảm biến trong robot di động trên phần mềm Solidworks hướng để phục vụ cho việc nghiên cứu và đào tạo, chúng ta có thể chọn mika làm vật liệu chính cho toàn bộ phần đế, khung, nắp. Mika là vật liệu với đặc tính nhẹ, cứng, dễ gia công, tạo hình, uốn, cắt, khoan. Nhưng lí do chính chọn vật liệu này là có màu trong suốt, có thể nhìn thấy rõ các kết cấu bên trong.
Hình 3.2 là mô hình thiết kế robot di động 3 bánh gồm: - Hai bánh chủ động được gắn với 2 động cơ. - Một bánh bị động hay còn gọi là bánh dẫn hướng.
Ngoài ra robot trong mô hình được thiết kế có một tấm đế dày 10mm, chất liệu là mika. Tấm đế là nơi gá đặt vị trí động cơ, bánh dẫn hướng và có thế là một số cảm biến. Nắp đậy của robot được thiết kế bởi một khối hộp hình trụ tròn bằng vật liệu trong suốt, có thể tháo lắp dễ dàng. Nắp có nhiệm vụ dùng để che
chắn, bảo vệ các mạch điều khiển bên trong dưới tác động của môi trường bên
ngoài, đồng thời cũng là nơi có thể gá đặt các cảm biến. Trong hình, những cảm biến hồng ngoại được gắn cạnh phía trước và phía sau nắp robot.
Sau khi thiết kế những thành phần cơ bản trong robot di động trên phần mềm như đế, nắp.Vấn đề thiết kế cơ cấu cơ khí cho các cảm biến trên robot cũng phải được chú trọng. Mẫu robot di động hình 3.2 được thiết kế có sáu tấm làm bằng vật liệu thép, áp sát vào bề mặt đế của robot, với chức năng là nơi đặt cảm biến siêu âm và hồng ngoại.
Khung tròn trên và dưới được thiết kế với kích thước đường kính sao cho bo tròn góc với bề mặt cạnh nắp robot. Chúng được gắn cố định với Robot qua các đinh ốc.
Hình 3.2. Mô hình thiết kế hệ cảm biến trên robot
3.2. Phân tích cấu trúc hệ cảm biến trên mô hình robot di động.
Robot di động muốn đạt được khả năng thông minh, linh hoạt ngoài việc có được những thuật toán tố ưu,việc thiết kế mô hình hoàn chỉnh về cơ khí và hệ thống điện tử đóng vai trò quan trọng. Để một hệ cảm biến cho robot hoạt động tốt, việc sắp xếp vị trí, gá đặt các cảm biến trên robot ảnh hưởng rất lớn đến độ làm việc chính xác. Hình 3.2 là mô hình của robot di động được thiết kế trên
phần mềm với một hệ cảm biến.
Hệ cảm biến được sắp xếp trên mô hình robot di động bao gồm : a. Cảm biến siêu âm.(số lượng sáu).
b. Cảm biến hồng ngoại.(số lượng sáu). c. La bàn số.(số lượng một).
d. Cảm biến nhiệt độ.
Trong mô hình thiết kế robot di động, cụm cảm biến siêu âm được thiết kế gá trên đế khung tròn phía trên của robot bằng tấm gá thếp chữ L. Nguyên lý hoạt động của cảm biến siêu âm là phát ra sóng siêu âm và nhận về để đo khoảng cách từ nó đến các vật cản, với hai đâu phát và thu.Việc chọn vị trí đặt cảm biến xung quanh đương bao tròn trên đế Robot theo mỗi một vị trí góc cảm biến là 30 với mục đích giúp chúng có thể phủ sóng siêu âm ra mọi hướng, từ đó robot có thể phát hiện và đo khoảng cách vật cản ở một góc rộng, linh hoạt hơn trong việc nhận diện có vật cản trong quá trình di chuyển.Cảm biến hồng
Cảm biến siêu âm Cảm biến hồng ngoại La bàn số CMP03 Cảm biến nhiệt độ
ngoại là dạng cảm biến ra có cặp led thu nhận, chức năng bao gồm phát hiện các vật cản hay có thể phát hiện theo những vạch màu trên đường đi, giúp robot di động có thể bám theo. Trên mô hình cụm cảm biến hồng ngoại cũng được gá đặt phía trên miếng gá chữ L của robot.
Với vị trí gá đặt cao nhất của cảm biến hồng ngoại giúp chúng có thể thu tín
hiệu hồng ngoại một cách dễ dàng hơn. Ngoài ra cụm cảm biến hồng ngoại có
tác dụng hỗ trợ cho cảm biến siêu âm đo khoảng cách từ robot tới vật thể, giúp tăng độ chính xác. Nhưng nhược điểm của loại cảm biến hồng ngoại đó là bị nhiễu từ những tác động môi trường xung quanh như ánh sáng ..v.v nên chúng ta cần có những biện pháp khắc phục như che tối bộ thu phát hay làm một mạch lọc từ. Trên mô hình thành phía sau gắn thêm hai cảm biến để phát hiện vật cản phía sau.
La bàn từ trường CMPS03 được được sử dụng trong robot di động với chức năng cao cấp là tính toán xác định hướng cho robot trong quá trình di chuyển, để la bàn từ trường có thể hoạt động một cách chính xác, thì vị trí đặt nó phải ở trên đính cao nhất và là trọng tâm của Robot. Tuy nhiên trong thực tế, do tính chất
hoạt động của cảm biến là theo nguyên lý nam châm nên nó cũng bị ảnh hưởng
rất nhiều từ các thiết bị khác trong Robot, thường không gây độ không chính xác.
Cảm biến nhiệt độ TPA81 là có khả năng phát hiệu những điểm nhiệt trong bán kính lớn nhất là 100 cm, dựa vào khả năng đó, em chọn vị trí đặt cảm biến ở trên nắp cao nhất của robot, đầu dò điểm nhiệt hướng theo chiều di chuyển.
Chương IV
Thiết kế, chế tạo tích hợp mạch điều khiển cho
hệ cảm biến
4.1. Xây dựng sơ đồ thuật toán và thiết kế mạch cảm biến cho robot di
động.
Bài toán dẫn hướng cho robot có thể chia làm 2 loại: bài toán toàn cục (global) và bài toán cục bộ (local), tùy theo môi trường làm việc của robot. Ở bài toán toàn cục, môi trường làm việc của robot đã biết trước và từ đó đường đi tránh vật cản được xác định. Trong bài toán cục bộ, môi trường làm việc của robot hoàn toàn chưa biết trước, hay chỉ biết một phần. Đối với bài toán này các cảm biến gắn trên robot sẽ phát hiện vật cản để điều khiển hệ thống dẫn hướng đưa robot đi từ điểm xuất phát tới điểm đích mà không chạm vào vật cản. Nội dung chương này tập trung giải quyết bài toán cục bộ.
Cảm biến siêu âm SRF06 và cảm biến hồng ngoại 0A41SK là dạng cảm