CHƯƠNG 2 : LỰA CHỌN PHƯƠNG ÁN
2.4 Các cách xử lí tín hiệu cảm biến
Đối với các loại cảm biến quang, tín hiệu tương tự từ cảm biến sẽ được hiệu chuẩn và xử lí bằng các giải thuật so sánh hoặc xấp xỉ để tìm ra vị trí tương đối của robot dị line với tâm đường line.
Có 2 phương pháp xử lý tín hiệu cảm biến:
- Dùng bộ so sánh [12][13][14][15]: để xác định trạng thái đóng/ngắt của các sensor, sau đó suy ra vị trí xe theo một bảng trạng thái đã định sẵn. Với phương pháp này, sai số dò line sẽ phụ thuộc vào khả năng phân biệt các trạng thái của hệ thống sensor, hay khoảng cách giữa các sensor. Nó phụ thuộc chủ yếu vào mức ngưỡng so sánh của các sensor, do đó tốc độ xử lý rất nhanh.
Hình 2.10 Mức so sánh của cảm biến ứng với các vị trí line khi xe di chuyển
Phương pháp này là phụ thuộc chủ yếu vào thời gian đọc ADC tất cả các sensor của vi điều khiển, do đó thời gian xử lý sẽ lâu hơn phương pháp 1. Tuy nhiên độ phân giải cao hơn đáng kể so với phương án đầu.
+ Sai số giữa đường line theo thuật toán và tâm xe: có 2 phương pháp
Xấp xỉ bậc 2 Xấp xỉ theo trọng số
Hình 2.11 Minh họa phương pháp Xấp xỉ bậc 2 và Xấp xỉ theo trọng số
a) Phương pháp xấp xỉ bậc 2: chọn 3 sensor có giá trị đọc về cao nhất [3] *Nếu Δx = 1 thì:
y1=a x12+b x1+c
y2=a(x1+1)2+b(x1+1)+c y3=a(x1+2)2+b(x1+2)+c
Với x1 là toạ độ điểm đầu tiên trong 3 điểm có tín hiệu cao nhất. y1, y2, y3 lần lượt là 3 giá trị analog cao nhất trong 8 tín hiệu.
Suy ra a=(y1+y32−2y2); b=y2− y1−2a x1− a
Cực trị hàm bậc 2: x=− b2a
Nếu hệ trục toạ độ đặt tại tâm dãy cảm biến thì error = x và error max = L/2 (đỉnh của hàm bậc 2 cao nhất là ở 2 biên)
*Nếu Δx ≠ 1 thì các hệ số a, b thay đổi thành:
a=y1+y3−2y2
2Δ x2 ; b=y2− y1−2a x1Δx − aΔ x2
Δx
b) Phương pháp trọng số trung bình[3]: đọc về giá trị tất cả các cảm biến, tìm vị trí
đường line theo cơng thức tương tự tìm khối tâm, giả sử có n sensor ta có vị trí tâm đường line: x=∑ 1 n xi. yi ∑ 1 n yi
Kết luận: chọn phương pháp xấp xỉ trọng số trung bình có độ chính xác cao hơn (phương pháp xấp xỉ bậc 2 có độ chính xác thấp hơn nhưng nhanh hơn).
- Tính sai số bám line:
Theo bài báo: “Optimization of PID” [16] đã ví dụ thực tế robot dị line sử dụng thuật tốn trọng số tính sai số với việc sử dụng 10 con cảm biến ỈR hồng ngoại:
error=∑
1
n
xi. yi
Ta có chiều rộng sensor (khoảng cách 2 cảm biến ngoài cùng) là 90mm. Giá trị lỗi bằng 0 có nghĩa là rơ bốt đang ở chính xác giữa đường thẳng. Lỗi dương nghĩa là rô bốt đã lệch sang trái và giá trị lỗi âm có nghĩa là rơ bốt đã lệch sang phải. Nên sai số có thể có giá trị lớn nhất là ± 4500 tương ứng với độ lệch lớn nhất.
Ưu điểm chính của phương pháp này là mười số đọc cảm biến được thay thế bằng một error duy nhất có thể được đưa vào thuật tốn điều khiển để tính tốn tốc độ động cơ sao cho error bằng 0. Hơn nữa, giá trị error độc lập với chiều rộng line và do đó robot có thể xử lý các line có độ dày khác nhau mà không cần bất kỳ thay đổi nào về code.
Kết luận: sai số error nằm trong khoảng ± 45mm (khoảng cách 2 cảm biến ngoài cùng)
Thực nghiệm so sánh sự chính xác của 2 phương pháp ở trên, từ đó xác định sai số giữa đường line thực tế và đường line tính bằng thuật tốn [16].
Bộ thiết bị đo đưa đường line đi lần lượt qua các sensor từ vị trí 130mm tới 220mm và tính tốn vị trí đường line thơng qua 2 thuật toán là xấp xỉ bậc hai và trọng số trung bình.
Hình 2.12 Ví dụ về thiết bị đo cảm biến
Hình 2.13 Kết quả thực nghiệm đo vị trí theo các cơng thức và vị trí đường line thực tế
Sai số trung bình bình phương của phương pháp trọng số trung bình là 2.6 và phương pháp nội suy bậc hai là 5.4mm.
Sai số bám line cần tính là:
Sai số giữa tâm xe và đường line thực tế = Sai số giữa đường line theo thuật toán và tâm xe + sai số giữa đường line thực tế và đường line tính bằng thuật tốn
Do đó sai số bám line nằm trong khoảng:
Phương pháp trọng số trung bình: 2.6 < e < L/2mm (L là khoảng cách 2 cảm biến ngoài cùng).
Phương pháp xấp xỉ bậc 2: e > 5.4mm.
Kết luận: Chọn phương pháp trung bình trọng số có sai số bé hơn.
a. Theo hàng b. Ma trận
Hình 2.6 Các phương pháp bố trí cảm biến
- Bố trí dạng ma trận là một cách bố trí với nhiều cảm biến nên sẽ có nhiều thơng tin để tìm vị trí và hướng của xe nhưng nó sử dụng nhiều cảm biển nên cần phải lựa chọn hợp lý phụ thuộc vào kích thước, tốc độ đáp ứng của xe
- Bố trí dạng đường thẳng vẫn đảm bảo đủ thơng tin về vị trí để xử lí và ít cảm biến hơn nên dạng đường thẳng vẫn thích hợp cho việc xác định đường đi.
Kết luận: Chọn bố trí cảm biến dạng đường thẳng.
- Xác định độ cao tối ưu:
o Dùng thực nghiệm đo đạt giá trị độ cao tối ưu để tín hiệu cảm biến trả về được ổn định nhất.
o Kết quả đo được độ cao tối ưu là 11mm.
o Calip cảm biến: vì các cảm biến không đồng nhất nhau, nên cần tinh chỉnh giá trị ban đầu tín hiệu analog mà từng cảm biến trả về, giúp tăng độ chính xác của thuật tốn.
Thực nghiệm trình bày ở phần dưới.
- Cách xác định khoảng cách giữa 2 cảm biến liên tiếp theo bề rộng line [16]
Theo tài liệu [16]:
Bề rộng line là 19mm tương ứng với giá trị của khoảng cách giữa hai cảm biến quang liên tiếp được chọn là 12,5mm. Do đó có thể chọn bề rộng line 19mm, khoảng cách 2 cảm biến liên tiếp là 13mm.