Phương pháp xác định khoảng cách

Nếu D là khoảng cách từ đối tượng tới nguồn thu thì khoảng cách này được tính như sau :

D = B.tg (1.3)

Phương pháp xác định khoảng cách bằng đo khoảng thời gian truyền sóng :

Trong phương pháp này sử dụng nguồn phát lazer xung để phát ra xung, sau đó thu lại ánh sáng của nó với điều kiện chùm sáng đi và trùm sáng về phải đồng trục.Khi đó là khoảng cách từ sensor tới đối tượng sẽ được tính :

D = C.T /2 (1.4)

D : khoảng cách từ sensor tới đối tượng.

C : vận tốc truyền ánh sáng.

T : là thời gian kể từ khi phát xung sáng cho tới khi nhận được xung sáng. Công thức này, để đo khoảng cách D sẽ gặp khó khăn là khoảng thời gian T thường rất nhỏ cỡ pcr giây. Thường thực tế sử dụng đo thời gian trễ giữa sóng phát ra và sóng phản xạ. Trong cách này, một nguồn laser sẽ phát ra liên tục, bộ đo sẽ thực hiện đo pha giữa hai sóng tới và sóng phản xạ.

Hình 1.26 . Đo khoảng cách bằng đo pha Được xác định bởi công thức :

D’ = 2D + L (1.5)

L: là khoảng cách từ tia chuẩn tới detector .

D’: là tổng quãng đường của laser với vật thể và quay trở lại detector. Nếu đối tượng ở gần (D = 0) khi đó pha của 2 tia sáng như nhau. Khi D tăng thì độ lêch pha tăng dần độ dịch pha giữa 2 tia trong trường hợp này sẽ là :

D’ = L + /3600 (1.6)

D=L+ /(3600) (1.7) Bên cạnh việc sử dụng đo khoảng cách bằng nguồn phát laser, trên thực tế người ta còn sử dụng nguồn thu phát siêu âm. Chùm siêu âm phát ra đập tới bề mặt phản xạ của đối tượng , xung phản xạ ta hoàn toàn có thể đo được khoảng cách tới vật. Nếu đo được khoảng thời gian kéo dài xung phản xạ ta hoàn toàn có thể đo khoảng cách tới các vật.

1.3.7. Nhận xét.

Có rất nhiều các cảm biến với những chức năng đa dạng và phong phú, không có một cảm biến nào có thể đáp ứng đủ các chức năng trên chúng vì vậy việc lựa chọn cảm biến mang cấp độ hệ thống, tránh trường hợp riêng lẻ khi chọn. Khi đó ta mới xét tới kích cỡ, phạm vi xử lý tín hiệu, độ bền vững, độ tin cậy.

1.4. Lựa chọn các cảm biến.

Để một robot di động có thể đạt độ chuẩn xác và thông minh, hoạt động tốt trong các môi trường làm việc, hệ cảm biến phải đáp ứng đủ yêu cầu cơ bản là: xử lý linh hoạt để phát hiện, tránh các loại vật cản. Do đó việc lựa chọn những dạng cảm biến hỗ trợ chức năng đócho robot di động bao gồm những loại sau :

1.4.1.Cảm biến siêu âm SRF06. [14]

Hình 1.28. Sơ đồ nối chân của cảm biến siêu âm SFR06

Bảng 1. Thông số cơ bản của cảm biến siêu âm SRF 06 * Nguyên lý hoạt động của SRF 06 là :

FRS 06 tự động thực hiện liên tục phát ra sóng siêu âm, thời gian 70 -100 ms trong một chu kỳ, đầu thu sẽ nhận sóng phản xạ sau đó chuyển thành tín hiệu đưa về bộ điều khiển.

Thông số Ngưỡng thấp

Định mức Ngưỡng cao Đơn vị

Điện áp cấp 9v - 24 v Phạm vi đo lường 2 - 510 cm Chu kì thực hiện 70 - 100 ms Tần số - 40 - khz Dòng tiêu thụ 4 - 20 mA Góc quét - <30 - Độ

1.4.2.Cảm biến hồng ngoại 0A41SK . [14]

Hinh1.29.Sơ đồ khối chân của cảm biến hồng ngoại

Thông số Điều kiện thử Ngưỡng

thấp Định mức Ngưỡng cao Đ.vị Dải đo (*1) 4 - 30 cm Điện áp đầu ra L=30cm (*1) 0.25 0.4 0.55 V Sai lệch điện áp đầu ra 30 -> 4 cm (*1) 1.95 2.25 2.55 V Điện áp cấp L=30cm (*1) - 12 22 mA

(*1) vật phản xạ sử dụng giấy trắng (Kodak gray card R-27, hệ số phản xạ 90%) Bảng 2. Thông số của cảm biến hồng ngoại.

 Cảm biến hồng ngoại tích hợp một đầu PSD, IR - LED và mạch điều

khiển.

 Nguyên lý hoạt động : tính khoảng cách đến vật cản theo nguyên lý TOF dựa vào sóng phản xạ được thực hiện bởi đầu phát và thu.

 Tín hiệu đầu ra là Analog.

Hình 1.28 dưới đây thể hiện mối liên quan giữa khoảng cách cần đo với điện áp đầu ra.

Hình 1.30. Đồ thị biểu diễn mối liên hệ điên áp đầu ra và dải đo khoảng cách

 Trong đồ thị khi điện áp đầu ra lớn nhất thì khoảng cách đo đạt nhỏ nhất.

 Khi điện áp đầu ra giảm dần thì khoảng cách đo lớn dần.

1.4.3. La bàn số CMPS 03. [14]

Hình 1.32. Sơ đồ chân nối la bàn số CPMS03

Thanh ghi Chức năng

0 Phiên bản phần mềm

1 Giá trịđo (độ phân giải 8-bit); 0-255 cho một vòng

2,3 Giá trị đo (độ phân giải 12-bit) ; 0-3599 cho một vòng, tương ứng với 0-359.9 độ

4,5 Thanh ghi chức năng 6,7 Thanh ghi chức năng 8,9 Thanh ghi chức năng 10,11 Thanh ghi chức năng

12 Mã khóa 1 13 Mã khóa 2 14 Mã khóa 3 15 Thanh ghi lệnh Bảng 3. Thanh ghi CMPS 03 - CMPS03 được cấp nguồn 5v - Dòng tiêu thụ là 15 mA

- Thực hiện qua kết nối cổng I2C, việc đọc và thiết lập được thực hiện qua các bộ thanh ghi như ở bảng 3

- La bàn sử dụng cảm biến trường từ Philips KMZ51, có khả năng phát hiện trường từ của trái đất. Ngõ ra từ hai trong các chân đế ở phía bên tay phải được sử dụng để tính toán hướng ở thành phần phương ngang của trường từ trái đất.

1.4.4. Cảm biến nhiệt độ TPA81. [14]

Hình 1.33. Cảm biến nhiệt độ TPA81

Thông số Ngưỡng thấp Định mức Ngưỡng cao Đ.vị Dải đo 4 - 100 Độ C Điện áp - 5 - V Khoảng cách đo 1 - 200 cm Dòng tiêu thụ - 12 mA Bước sóng làm việc 2 - 20 µm

Bảng 4. Thông số của cảm biến nhiệt độ - Phát hiện vật phát nhiệt độ tối đa khoảng 200 cm.

- Kết nối qua 2 chân SDA và SCL trong vi điều khiển qua cổng truyền thông I2C.

Từ bảng 3 ta có bước sóng làm việc của cảm biến được thể hiện đồ thị hình 1.35:

Hình 1.34. Đồ thị vùng làm việc bước sóng của cảm biến

Hình 1.35. Sơ đồ kết nối chân cảm biến nhiệt TPA81 với vi điều khiển

1.4.5. Cảm biến va chạm. [14]

Hình 1.36. Cảm biến va chạm

Hình 1.37. Sơ đồ nguyên lý cảm biến va chạm

Thông số Định mức Đơn vị

Điện áp 5 v

Dây đen Dây đen

Dây đỏ -

Dây trắng Dây tín hiệu

Chương II

Xây dựng, phân tích kiến trúc hệ cảm biến trong robot di động.

2.1. Các thành phần cơ bản trong một robot di động

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.