STT Thiết bị Số lượng Kích thước(mm)
1 Driver L298 2 43x43
2 Mạch ổn áp 12V 2 43x21
4 Bánh mắt trâu 1
5 Kit Vi điều khiển 18f4550 1 69x63 6 Hộp đững 4 Pin 3.7 V 4 76x75 7 Cảm biến TCRT 5000 7 10.2x5.8
8 Động cơ GA25 V1 2
9 Tải 2kg 1 113x83x22
Sau khi ước lượng trên mơ hình, nhóm quyết định thiết kế kích thước mặt đế : dài x rộng = 180x160 mm.
ĐỒ ÁN THIẾT KẾ HỆ THỐNG CƠ ĐIỆN TỬ GVHD: TS. Phùng Trí Cơng. Khoảng cách từ cảm biến đến động cơ : 51 mm (số liệu từ mô phỏng).
3.3.2 Chiều cao trọng tâm:
Để đảm bảo xe không bị lật khi chuyển hướng do tác dụng của lực ly tâm, ta cần đảm bảo chiều cao của trọng tâm không vượt quá một giá trị nhất định, giá trị đó được tính như sau:
Hình 3.4 Mơ hình tốn khi xe chuyển hướng
Giả sử trọng tâm của xe là T. Để xe cân bằng ở những đoạn chuyển hướng thì
moment gây ra bởi lực ly tâm phải nhỏ hơn moment gây ra bởi trọng lực của xe. Ở đây, ta tính tốn tại vị trí xe chuyển hướng với bán kính cong lớn nhất.Theo hình vẽ, để xe khơng bị lật thì : Flth ≤ P b2 ⇔mv2 R h ≤ mg b 2 ⇔ 3. 0,9 2 0,5 h ≤ 3.9,81 0,195 2 ⇔ h ≤ 590 mm
ĐỒ ÁN THIẾT KẾ HỆ THỐNG CƠ ĐIỆN TỬ GVHD: TS. Phùng Trí Cơng. Với các thông số :
+ Gia tốc trọng trường g= 9.81 (m/s2)
+ Bề rộng xe b= 195 (mm)
+ Bán kính cong lớn nhất của đường line R=0.5 (m)
+ Vận tốc dài tối đa v = 0.9 (m/s)
3.4 Yêu cầu đồ gá cho động cơ:
Kích thước của chi tiết gá được lựa chọn theo kích thước mặt bích của động cơ[32]. Nhơm được lựa chọn làm vật liệu đồ gá, đảm bảo độ cứng vững.
+ Mối ghép giữa đồ gá và mặt bích động cơ :
Đây là mối ghép cố định, cần bảo đảm độ định tâm. Chi tiết ghép có khối lượng nhỏ nên ta chọn kiểu lắp giữa mặt bích động cơ với đồ gá là kiểu lắp trung gian. Mối lắp trung gian được sử dụng đối với mối ghép cố định nhưng chi tiết cần tháo lắp và đảm bảo độ định tâm tốt các chi tiết lắp ghép.
+ Về mối ghép giữa trục động cơ và nối trục:
Đây là mối ghép cần độ chính xác đồng tâm và có chi tiết kẹp phụ, ta chọn kiểu lắp lỏng.
ĐỒ ÁN THIẾT KẾ HỆ THỐNG CƠ ĐIỆN TỬ GVHD: TS. Phùng Trí Cơng.
Hình 3.5 Ảnh 3D xe dị line nhìn từ mặt dưới.
ĐỒ ÁN THIẾT KẾ HỆ THỐNG CƠ ĐIỆN TỬ GVHD: TS. Phùng Trí Cơng.
CHƯƠNG 4 : THIẾT KẾ ĐIỆN 4.1 Sơ đồ khối :
Hình 4.1 Sơ đồ khối của hệ thống điện
Hệ thống điện bao gồm bộ phận nguồn, mạch cảm biến, mạch ra chân vi điều khiển, mạch điều khiển và đọc tín hiệu từ động cơ.
4.2 Thiết kế cảm biến: 4.2.1 Yêu cầu cảm biến: 4.2.1 Yêu cầu cảm biến:
Sai số bám line emax = ± 30 mm
ĐỒ ÁN THIẾT KẾ HỆ THỐNG CƠ ĐIỆN TỬ GVHD: TS. Phùng Trí Cơng.
4.2.2 Lựa chọn cảm biến:
Cảm biến sử dụng là phototransistor TCRT5000. Với các thông số như sau: Bảng 4.1 Thông số cảm biến TCRT5000 Thông số Giá trị Phạm vi hoạt động 0-20 mm Góc phát 160 Góc thu 300 Dịng Ic 100 mA Dịng IF 20 mA Điện áp hoạt động 5V Kích thước bao 10.2x5.8x7 mm Bước sóng IR phát 950 nm
Hình 4.2 Sơ đồ nguyên lý cảm biến TCRT5000
4.2.3 Phương án sắp xếp cảm biến:
Để đạt được điều hướng thành công, số lượng cảm biến được sử dụng và vị trí của chúng đóng vai trị khá quan trọng. Khơng đủ số lượng cảm biến có thể làm giảm độ phân giải của sai số đọc về, không nhận dạng đầy đủ các trạng thái đường đi ở các vị trí đặc biệt.
ĐỒ ÁN THIẾT KẾ HỆ THỐNG CƠ ĐIỆN TỬ GVHD: TS. Phùng Trí Cơng. Một số cách sắp xếp cảm biến sau được xem xét:
a) Loại ma trận b) Loại 1 hàng đơn c) Loại 2 cảm biến Hình 4.3 Các cách sắp xếp cảm biến
Sắp xếp theo dạng ma trận (Hình 4.2.3 a) là giải pháp để phát hiện đường giao nhau. Tuy nhiên, việc quá nhiều cảm biến dẫn đến giải thuật nhận diện phức tạp, không cần thiết với mục đích điều hướng. Mặt khác,để có thể hoạt động bám line hiệu quả, phải có tối thiểu 2 cảm biến. Tuy nhiên, 2 cảm biến không đủ để phân biệt đường đi tại các vị trí giao nhau (Hình 4.2.3 c).
Nhóm quyết định chọn phương án sắp xếp cảm biến theo hàng đơn(Hình 4.2.3 c).
4.2.4 Vị trí của dãy cảm biến:
Theo mơ phỏng , khoảng cách cảm biến so với động cơ 51 mm.
4.2.5 Lựa chọn điện trở mạch cảm biến:
Theo tài liệu , dòng qua led nằm trong khoảng 20-40 mA . Do đó với hiệu điện thế 5V, giá trị điện trở R1 xác định như sau:
𝑅1 =𝑣𝑐𝑐 𝐼𝐹 =
5
20. 10−3 đế𝑛 40. 10−3 = 125 đế𝑛 250 𝛺
Nhóm chọn R1 =150 𝛺
Ta lựa chọn dòng qua IC = 0.6 mA thỏa mãn khi đó điện trở R2 là:
𝑅1 =𝑣𝑐𝑐 𝐼𝐹 =
5
ĐỒ ÁN THIẾT KẾ HỆ THỐNG CƠ ĐIỆN TỬ GVHD: TS. Phùng Trí Cơng.
4.2.6 Khoảng cách giữa cảm biến và mặt đất:
Yêu cầu :
+ Khoảng cách cảm biến so với mặt đường cần đảm bảo thu được tín hiệu tại các vị trí nền trắng là như nhau.
+ Xuất hiện vùng giao thao giữa 2 cực phát và cực thu.
Hình 4.4 Vùng hoạt động của cảm biến
Hình 4.5 Tính tốn giá trị h
Dựa vào các tính tốn hình học cơ bản, để xuất hiện vùng giao thoa thì h > 8,57mm. Cảm biến có độ phân giải tốt nhất trong khoảng 0,2-15mm.
Qua phân tích và tham khảo thí nghiệm của các nhóm trước, chọn h = 10mm. • Thí nghiệm test chiều cao h :
ĐỒ ÁN THIẾT KẾ HỆ THỐNG CƠ ĐIỆN TỬ GVHD: TS. Phùng Trí Cơng. Điều kiện test: Test trên nền giấy A4. Hiệu điện thế cung cấp là 5V. Kết quả được đọc và xuất ra LCD.
Kết quả :
Hình 4.6 Sự thay đổi giá trị ADC khi đọc trên nền trắng với h từ 0-20 mm
Hình 4.7 Sự thay đổi giá trị ADC khi đọc trên nền đen với h từ 0-20 mm
Dựa vào kết quả đo được, đối với nền trắng ,ở khoảng cách từ 3 đến 12 mm thì ánh sáng bị phản xạ lại nhiều nhất (Vout nhỏ nhất), đối với nền line đen thì ánh sáng nằm trong khoảng 10 mm điện áp ra đã đáp ứng ngưỡng so sánh.
0 100 200 300 400 500 600 700 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 G iá tr ị A DC Độ cao ADC trên nền trắng 0 200 400 600 800 1000 1200 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 G iá tr ị A DC Độ cao ADC nền đen
ĐỒ ÁN THIẾT KẾ HỆ THỐNG CƠ ĐIỆN TỬ GVHD: TS. Phùng Trí Cơng.
4.2.7 Khoảng cách giữa 2 cảm biến:
Về khoảng cách giữa 2 cảm biến, không đặt các cảm biến quá xa hoặc quá gần nhau. Nếu những cảm biến này được đặt quá xa có thể có sai số cảm biến để phân biệt đường giao nhau nếu nó đi vào đường giao nhau ở góc khơng thoải mái. Nếu các cảm biến được đặt quá gần, các bộ cảm biến đường giao nhau có thể tình cờ phát hiện ra đường line chứ khơng phải là đường giao nhau.
a.Quá gần b.Quá xa Hình 4.8 Lỗi bố trí cảm biến
Tính tốn sơ bộ khoảng cách giữa 2 cảm biến để vùng hoạt động của chúng khơng trùng lên nhau.
u cầu: Có ít nhất 2 sensor nằm trong line và nhiều nhất là 3 sensor nằm trong line và khoảng cách giữa 2 cảm biến không trùng lên nhau trong vùng hoạt động của chúng.
Theo tài liệu [38] ,góc chiếu của led phát hồng ngoại là 160 và góc thu của led thu hồng ngoại là 300.
ĐỒ ÁN THIẾT KẾ HỆ THỐNG CƠ ĐIỆN TỬ GVHD: TS. Phùng Trí Cơng.
Hình 4.9 Sơ đồ tính tốn khoảng cách để vùng hoạt động của cảm biên không trùng lên nhau
Điều kiện để hai cảm biến không trùng lên vùng làm việc của nhau là: l≥2.h.tan(30°)=2.10.tan(30°)=11,54 mm
Với điều kiện ít nhất 2 sensor nằm trong line và nhiều nhất 3 sensor nằm trong line nên 10mm < l < 13mm. Để đảm bảo nằm hoàn tồn trong line và đủ xa để khơng ảnh hưởng đến nhau giữa 2 sensor, nhóm chọn L = 12,5mm.
Phương án kiểm tra lại để xác định cảm biến có bị nhiễu hay khơng:
Dùng một con cảm biến, ta di chuyển con cảm biến này dần đến đường line. Ghi lại các giá trị trả về ở các khoảng cách tương ứng.
Sau đó, ta dùng 2 con cảm biến, đặt cách nhau 12.5 mm. Ta di chuyển 2 con cảm biến này gần đến đường line. Ghi lại giá trị trả về ở các khoảng cách tương ứng.
ĐỒ ÁN THIẾT KẾ HỆ THỐNG CƠ ĐIỆN TỬ GVHD: TS. Phùng Trí Cơng. Hình 4.10 Phương pháp kiểm tra nhiễu giữa hai cảm biến
Vì giá trị đọc về của bộ 1 cảm biến và bộ 2 cảm biến có giá trị tương tự nhau nên ta có thể kết luận. Ở khoảng cách 12.5 mm giữa 2 con thì giá trị đọc về của cảm biến không bị nhiễu.
Calib cảm biến:
Giá trị analog trả về của các cảm biến là khác nhau dù với cùng một điều kiện, vì vậy ta phải calib cảm biến theo công thức sau:
max min j0 min ij min,i max,i min,i y y y y (x x ) x x Trong đó:
xmax , xmin là giá trị lớn nhất và nhỏ nhất của cảm biến thứ i ứng với khi cảm biến nằm hoàn toàn trên nền đen và trên nền trắng.
ymax , ymin là giá trị lớn nhất và nhỏ nhất mà ta mong muốn giá trị cảm biến trả về nằm trong khoảng đó.
xij là giá trị thứ j của cảm biến thứ i.
yjo là giá trị thứ j của cảm biến thứ i sau khi đã calib
Sử dụng bộ chuyển đổi ADC độ phân giải 1023/5V,xuất kết quả ra màn hình LCD và ghi nhận lại, ta có kết quả như sau:
Bảng 4.2 Calib cảm biến
Cảm biến xmin xmax Phương trình calib
x0 52 726 y0= 550+0.5935(x0-52) x1 309 636 y1= 550+1.22(x1-309) x2 64 812 y2= 550+0.53476(x2-64) x3 56 620 y3= 550+0.70922.(x3-56) x4 57 450 y4= 550+1,01781(x4-57) x5 57 576 y5= 550+0,77071.(x5-57) x6 59 713 y6= 550+0,61162(x6-59) Chọn ymin=550, ymax= 950
ĐỒ ÁN THIẾT KẾ HỆ THỐNG CƠ ĐIỆN TỬ GVHD: TS. Phùng Trí Cơng. Tìm vị trí của tâm đường line dựa vào giải thuật xắp xỉ:
Phương pháp thực hiện: Dùng 7 cảm biến, bố trí thành hàng ngang. Ghi lại các giá trị đọc được từ các cảm biến. Dùng phương pháp trung bình của tài liệu để tính vị trí của tâm các cảm biến so với đường line. Từ đó tính ra sai số.
Cách bố trí:
- Chiều cao test của cảm biến là 10 mm.
- Theo tài liệu [ ], ta chọn khoảng cách giữa các con cảm biến sao cho khi di chuyển cảm biến từ tâm đường line ra tại vị trí mà cảm biến đọc về cịn lại 50% giá trị của nó. Từ thực nghiệm, ta chọn khoảng cách 2 con là 12.5 mm.
- Số lượng cảm biến:7
Hình 4.11 Sơ đồ bố trí cảm biến
Theo [ ], các cảm biến x0, x1, x2, x3, x4, x5, x6 tương ứng với các tọa độ -3, -2, -1, 0, 1, 2, 3, giá trị trả về của các cảm biến tương ứng là y0, y1, y2, y3, y4, y5, y6 như hình vẽ sau:
ĐỒ ÁN THIẾT KẾ HỆ THỐNG CƠ ĐIỆN TỬ GVHD: TS. Phùng Trí Cơng. Cơng thức tính giá trị trung bình:
7 i i i 0 6 0 5 1 4 2 7 7 i i i 0 i 0 x y 3(y y ) 2(y y ) (y y ) x y y Tóm lại : + Số lượng cảm biến 7
+ Chiều cao cảm biến so với nền 10 mm + Khoảng cách giữa hai cảm biến 12.5 mm
+ Kiểu sắp xếp cảm biến : loại một hàng đơn, đặt ngang.
4.3 Lựa chọn driver:
Yêu cầu:
Driver kết hợp với động cơ phải có đặc tính tuyến tính giữa áp đầu vào driver và vận tốc đầu ra của động cơ.
Driver phải có khả năng cung cấp 12V DC và dịng 600mA cho động cơ đã tính tốn ở phần cơ khí.
Đáp ứng được tần số xung PWM từ vi điều khiển. Kích thước nhỏ gọn, phù hợp lắp trên xe .
Ta chọn driver điều khiển động cơ L298N có thơng số cơ bản: +Driver: L298N tích hợp hai mạch cầu H.
+Điện áp điều khiển: +5 V ~ +12 V +Dòng tối đa cho mỗi cầu H là: 2A
+Điện áp của tín hiệu điều khiển: +5 V ~ +7 V +Dịng của tín hiệu điều khiển: 0 ~ 36mA
4.3.1 Mơ hình hóa hệ driver-động cơ
Để đơn giản cho việc điều khiển, động cơ và driver đƣợc xem như là một khối. Tiến hành kiểm tra mối quan hệ giữa tín hiệu vào và ra của khối này bằng việc cấp xung PWM và ghi lại giá trị vận tốc động cơ.
Phương pháp tiến hành: Sử dụng arduino Uno có chế độ hiển thị monitor, kết hợp
ĐỒ ÁN THIẾT KẾ HỆ THỐNG CƠ ĐIỆN TỬ GVHD: TS. Phùng Trí Cơng. xung/vòng bằng PWM. Động cơ được cấp nguồn 12V, thay đổi % giá trị duty cycle từ 20 đến 100, quan sát chế độ hiển thị monitor, ghi lại giá trị vận tốc động cơ tương ứng.
Kết quả thể hiện trong hình bên dưới:
Bàng 4.3 Số liệu thử nghiệm L298 với động cơ 1:
STT PWM (%) RPM (vòng/phút) 1 20 78 2 25 93 3 30 108 4 35 125 5 40 144 6 45 155 7 50 173 8 55 190 9 60 207 10 65 222 11 70 238 12 75 255 13 80 271 14 85 287 15 90 300 16 95 311 17 100 322
ĐỒ ÁN THIẾT KẾ HỆ THỐNG CƠ ĐIỆN TỬ GVHD: TS. Phùng Trí Cơng.
Hình 4.4 Đồ thị giữa PWM(%) và RPM vận tốc quay của động cơ 1
Bảng 4.4 Số liệu thử nghiệm L298 với động cơ 2:
STT PWM (%) RPM (vòng/phút) 1 20 81 2 25 96 3 30 112 4 35 128 5 40 144 6 45 160 7 50 176 8 55 193 9 60 209 10 65 225 11 70 241 12 75 256 13 80 273 14 85 288 15 90 301 16 95 312 17 100 320
ĐỒ ÁN THIẾT KẾ HỆ THỐNG CƠ ĐIỆN TỬ GVHD: TS. Phùng Trí Cơng.
Hình 4.14 Đồ thị giữa PWM(%) và RPM vận tốc quay của động cơ 2
Tiếp theo ta tuyến tính hóa đường quan hệ này của 2 động cơ. Phương trình thể hiện mối quan hệ giữa áp đầu vào Driver (thể hiện qua giá trị duty cycle của tần số PWM) và vận tốc đầu ra của động cơ bên trái và bên phải lần lượt là:
Y1=3,1422X1 + 16,1176
Y2=3,1X2 + 20,7647 Trong đó:
+ Y1, Y2 lần lượt là vận tốc đầu ra (vòng/phút) của động cơ trái, phải.
+ X1, X2: lần lượt là giá trị duty cycle của PWM cấp vào 2 động cơ trái, phải. Nhận xét:
Ta thấy quan hệ giữa tốc độ và xung PWM gần như tuyến tính đối vs cả hai động cơ.
4.3.2 Tìm hàm truyền động cơ:
Trước hết ta xác định gần đúng hàm truyền của động cơ thông qua việc xác định thời gian đáp ứng. Việc xác định này được tiến hành theo các bước sau:
ĐỒ ÁN THIẾT KẾ HỆ THỐNG CƠ ĐIỆN TỬ GVHD: TS. Phùng Trí Cơng. - Ghi lại giá trị vận tốc của động cơ theo thời gian. Thời gian lấy mẫu được chọn ở thí nghiệm này chọn là 0,05s.
Kết quả của thí nghiệm được thể hiện qua hình dưới đây:
Hình 4.15 Đáp ứng của động cơ 1 theo thời gian
ĐỒ ÁN THIẾT KẾ HỆ THỐNG CƠ ĐIỆN TỬ GVHD: TS. Phùng Trí Cơng.