CHƯƠNG 4 : THIẾT KẾ HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN XE DÒ LINE
4.3- HỆ THỐNG DÒ ĐƯỜNG
Bảng lựa chọn phương án cho cảm biến dò line.
39
Phương án
Camera
Cảm biến hồng ngoại
Lựa chọn số lượng cảm biến hồng ngoại:
40
Phương án 1: 5 cặp cảm biến
+ Bắt được
tốt hơn do
1cảm biến ở tâm
line (so với
cảm biến chẵn). + Giảm chi phí so với 7 cảm biến. + Hạn chế nhiễu so với 7 cảm biến.
Lựa chọn phương án 2: Dùng 7 cảm biến hồng ngoại
Hình 4.7- Cảm biến hồng ngoại
Cảm biến hồng ngoại (hay còn gọi là IR Sensor), chúng là một thiết bị điện tử có khả năng phát hiện bức xạ hồng ngoại trong môi trường xung quanh. Thực tế, 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 phát ra các tia vơ hình với mắt người, vì bước sóng của nó dài hơn bước sóng ánh sang khả kiến (tức là ánh sang có thể nhìn thấy được). Bất cứ thứ gì phát ra nhiệt (mọi thứ nhiệt độ nằm trên 5 độ Kelvin) đều phát ra bức xạ hồng ngoại.
Hồng ngoại hay còn gọi là tia hồng ngoại là một bức xạ điện từ. Hồng ngoại tức là ngồi bước sóng đỏ. Màu đỏ là màu có bước sóng dài nhất trong ánh sang thường. Thơng thường những vật thể có nhiệt độ trên 35 độ C sẽ phát ra bước song hồng ngoại. Bức xạ hồng ngoại được vơ tình phát hiện ra bởi một nhà thiên văn học tên là William Herschel vào năm 1800. Trong khi đó nhiệt độ của từng màu ánh sang, ông nhận thấy rằng nhiệt độ vượt qua ngồi ánh sang đỏ là cao nhất.
Có hai loại cảm biến hồng ngoại 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 2 phần: diode phát sáng (LED) và máy thu. Khi một vật thể đến gần cảm biến, ánh sáng hồng ngoại từ đèè̀n LED sẽ phản xạ khỏi vật thể và được thiết bị thu phát hiện. Cảm biến hồng ngoại hoạt động đóng vai trị là cảm biến tiệm cận và thường được sử dụng trong các hệ thống phát hiện vật cản, ở đây là phát hiện phôi trong mô đun đựng phôi. Hồng ngoại thụ động có nghĩa là chỉ nhận các tia hồng ngoại phát ra từ các vật thể khác như người, động vật hoặc một nguồn nhiệt bất kì, chứ tự nó khơng phát ra tia hồng ngoại nào cả. Sauk hi nhận biết được nguồn nhiệt, bộ phận cảm biến sẽ phân tích để xác định điều kiện báo động.
42
Hình 4.8- Ngun lí hoạt động của cảm biến hồng ngoại
Cảm biến hồng ngoại sử dụng cảm biến ánh sáng nên có sơ đồ rất giống cảm biến ánh sáng. Sự khác biệt duy nhất là việc bổ sung LED hồng ngoại và đầu dò hồng ngoại yêu cầu kết nối 5V và nối đất.
Khoảng cách giữa cảm biến và đường line: - Góc chiếu của Emitter:
- Góc chiếu của Detector:
- Khoảng cách giữa
Hình 4.9- Vùng hoạt động của 1 cặp cảm biến hồng ngoại
Xác định độ dài : Nên:
L=
là: ℎ + 0,7> = 9,3→ ℎ > 8,6
Do đó khoảng cách giữa cảm biến với mặt đường để xuất hiện vùng giao thoa
Từ thực nghiệm tiến hành kiểm tra, khoảng cách tối ưu với sàn cho cảm biến được chọn: h = 14 mm. (thể hiện trong bản vẽ 2D)
Khoảng cách giữa các cảm biến: Để các cảm biến hoạt động tốt, cùng hoạt động của 2 cảm biến phải tách biệt nhau, không được chồng lên nhau. Với khoảng cách từ cảm biến và đường line h = 14 mm, bán kính của đường trịn trên mặt sàn được tính tốn như sau:
- Led phát: r phá t = (ℎ +
- Led thu: Rt hu
Phạm vi quét của 2
Hình 4.10- Phạm vi quét của 2 cảm biến liền kề
Từ (H4.10), khoảng cách l1 được xác định:
l1 = r phá t + Rt hu = (2,07 + 3.94) = 6.01(
Tiế n hành t hực nghiệ m, chọn D
Khoảng cách tối thiểu D giữa 2 cảm biến để khơng bị D=11,2(
schematic mạch Altium).
Hình 4.11- Sơ đồ ngun lí module dị line tự thiết kế
Hình 4.12- Sơ đồ đấu nối chân trong mạch 2D
45
Hình 4.13- Hình 3D module dị line tự thiết kế 2 mặt trên, dưới
đây
4.4- NGUỒN CẤP CHO ROBOT DÒ LINE
Pin 18650 được ứng dụng trong rất nhiều các lĩnh vực thiết bị số như pin laptop, pin sạc dự phòng, pin máy khoan pin và trong các đồ án xe tự hành cơ vừa và nhỏ. Pin 18650 là cell pin Lithium-ion có thể sạc lại trong ngành cơng nghiệp pin, thường được sử dụng cho pin laptop hoặc sạc dự phịng. Là pin có thể sạc lại được và sử dụng cơng nghệ Lion (Lithium Ion). Pin 18650 có điện áp dao động quanh khoảng 3.7V – 4.2V.
Pin 18650 có đường kính 18mm và chiều dài khoảng 650mm, cái tên 18650 cũng bắt nguồn từ đây để phân biệt với các dịng pin khác. số 0 chính là để phân biệt đây là pin dạng hình trụ. Ngồi ra nó cũng có người anh em là pin 26650 với kích thước bé hơn và dung lượng lớn hơn nhưng ít phổ biến hơn 18650.
Trong đồ án nhóm quyết định sử dụng pin cell thày vì các loại pin thơng thường bởi một số lí do sau đây:
- Khối lượng, kích thước nhỏ gọn.
- Có thể sạc đầy và sử dụng tiếp.
- Đáp ứng đủ loại công suất, chỉ phụ thuộc vào công suất sử dụng và thời gian sử dụng (tức là cơng suất sử dụng càng lớn thì thời gian sử dụng càng ngắn và ngược lại).
Nhóm lựa chọn loại pin cell sau đây:
46
Thơng số kỹ thuật của Pin cell 18650 Samsung 2600mAh
Chất liệu pin: pin lithium ion; Thương hiệu pin: Samsung; Mẫu pin: 18650;
Thông số kỹ thuật của pin: đường kính 18mm * dài 65mm; Dung lượng pin: 2600 mAh;
Điện trở trong của pin: 45,6 mΩ (milliohms); Số lần xả: 1000 chu kỳ trở lên;
Tiêu chuẩn điện áp: điện áp tiêu chuẩn 3,6 ~ 3,7V, điện áp 4.2V sau khi đầy điện, 2,75V sau khi xả.
Hình 4.14- Pin cell 18650 Samsung 2600mAh
Dung lượng khả dụng (mah) = [Dung lượng tổng (mah) x 3.7v x Hiệu suất chuyển đổi (%) x số pin] / 5v
Lưu ý:
+ Dung lượng tổng và 3.7 V là thông số nhà sản xuất cell cung cấp, ghi rõõ̃ thơng tin trên pin dự phịng.
+ 5 volt là thông số Volt sạc của pin sạc dự phịng. Hiệu suất chuyển đổi:
- Vì Pin ln có chế độ giữ lại 10-20% dung lượng để tích lại tránh kiệt Pin, nếu cạn hết pin pin không hồi lại chu kỳ nạp xả được
- Ngồi ra pin dự phịng cịn tổn hao điện năng khác như: + Pin phát nhiệt trong q trình sạc.
47
+ Hao phí do sự tiêu hao điện năng cung cấp cho mạch sạc (mạch bên trong) của pin.
+ Hao phí trong q trình truyền tải điện năng (sạc).
Áp dụng vào tính pin robot:
Pin cell dung lượng 2600mAh, 3,7V; hiệu suất 80%
Dung lượng khả dụng = (2600x 3.7 x 80% x 2)/5 = 3078.4 mah.
4.5- SƠ ĐỒ KHỐI ROBOT DỊ LINE
Hình 4.15- Sơ đồ khối ngun lí hoạt động robot dị line
4.6- SƠ ĐỒ MẠCH THIẾT KẾ ALTIUM
Altium Designer trước kia có tên gọi là Protel DXP, là một trong những công cụ vẽ mạch điện tử mạnh nhất hiện nay. Được phát triển bởi hãng Altium Limited. Altium Designer là một phần mềm chuyên ngành được sử dụng trong thiết kế điện tử. Nó là một phần mềm mạnh với nhiều tính năng thú vị, tuy nhiệ phần mềm này ít được biết đến hơn so với các phần mềm cùng chức năng khác như ORCAD hay PROTEUS.
48
Hình 4.16- Phần mềm thiết kế mạch Altium
Altium Designer có một số đặc trưng sau:
- Giao diện thiết kế, quản lí và chỉnh sửa thân thiện, dêc dàng biên dịch, quản lí file, quản lí phiên bản các tài liệu thiết kế.
- Hỗ trợ mạnh mẽ cho việc thiết kế tự động, đi dây tự động theo thuật tốn tối ưu, phân tích lắp ráp linh kiện. Hỗ trợ cho việc tìm các giải pháp thiết kế hoặc chỉnh sửa mạch, linh kiện có sẵn trước theo các tham số mới.
- Mở, xem và in các file thiết kế mạch dễ dàng với đầy đủ các thông tin linh kiện, dữ liệu bản vẽ, kích thước và số lượng.
- Hệ thống các thư viện linh kiện phong phú, chi tiết và hoàn chỉnh bao gồm tất cả các linh kiện nhúng, số và tương tự.
- Đặt và sửa đối tượng trên các lớp cơ khí, định nghĩa các luật thiết kế, tùy chỉnh các lớp mạch in, chuyển từ schematic sang PCB, đặt vị trí linh kiện trên PCB.
- Mơ phỏng mạch PCB 3D, đem lại hình ảnh ,mạch điện trung thực trong không gian 3 chiều, hỗ trợ MCAD-ECAD, liên kết trực tiếp với mơ hình STEP, kiểm tra khoảng cách cách điện , cấu hình cả 2D và 3D.
- Hỗ trợ thiết kế PCB sang FFGA và ngược lại.
49
Hình 4.17- Sơ đồ mạch ngun lí của mạch điều khiển
Hình 4.18- Mạch 2D PCB
50
Hình 4.19- Mạch 3D PCB
4.7- CODE ĐIỀU KHIỂN
Giải thuật và luật điều khiển
Các hệ thống robot dò line đều được xây dựng trên bộ điều khiển PID, với đề bài chỉ yêu cầu không khắc khe hệ thống áp dụng luật điều khiển Fuzzy hệ PI nhầm đơn giản hóa q trình điều khiển.
Cảm biến trái
0
Tổng hợp phướng án thiết kế:
Tóm lại, phương án thiết kế được nhóm lựa chọn:
Sơ đồ nguyên lý: 2 cầu 4 bánh
Cảm biến: LED hồng ngoại
Giải thuật xử lý tín hiệu cảm biến : sử dụng giải thuật so sánh.
Động cơ: động cơ DC có gắn encoder.
Cấu trúc điều khiển: bộ điều khiển phân cấp.
Giải thuật điều khiển:bộ điều khiển PI.
52
Hình 4.20- Lưu đồ thuật tốn
Code điều khiển
(Phụ lục 1)
53
CHƯƠNG 5- MƠ PHỎNG CHUYỂN ĐỘNG CỦA XE DỊ LINE
5.1- GIỚI THIỆU CÔNG CỤ MÔ PHỎNG VÀ ỨNG DỤNG
Matlab Simulink
Chương trình Matlab là một chương trình viết cho máy tính PC nhằm hỗ trợ cho các tính tốn khoa học và kỹ thuật với các phần tử cơ bản là ma trận trên máy tính cá nhân do cơng ty “The MATHWORKS” viết ra. Thuật ngữ Matlab có đƣợc do hai từ MATRIX và LABORATORY ghép lại. Chương trình này hiện đang được sử dụng nhiều trong nghiên cứu các vấn đề tính tốn của các bài kỹ thuật như: Lý thuyết điều khiển tự động, kỹ thuật thống kê sắc suất, xử lý tín hiệu, .v.v..
Chƣơng trình Matlab có thể chạy liên kết với các chương trình ngơn ngữ cấp cao như C++,C,v.v.. Việc cài đặt Matlab thật dễ dàng và ta cần chú ý việc dùng thêm các thư viện trợ giúp hay muốn liên kết phần mềm này với một vài ngôn ngữ cấp cao.
TOOL BOX SIMULINK là phần mở rộng của Matlab, sử dụng mơ phỏng các hệ thống động học một cách nhanh chóng và tiện lợi. Thông thường dùng để thiết kế hệ thống điều khiển, thiết kế DSP, hệ thống thông tin và các ứng dụng mô phỏng khác.
Simulink là thuật ngữ mô phỏng dễ nhớ được ghép bởi hai từ Simulation và Link. Simulink cho phép mơ tả hệ thống tuyến tính, hệ phi tuyến, các mơ hình trong miền
thời gian liên tục, hay gián đoạn hoặc một hệ cả liên tục hay gián đoạn.
54
Hình 5.1- Phần mềm MATLAB
5.2- MƠ PHỎNG XE DỊ LINE
Thiết kế mobile platform di chuyển bám line cho trước sau:
Hình 5.2- Biên dạng hoạt động của robot
Mơ hình hố hệ thống robot dị line Mơ hình hố động cơ DC:
Cấu tạo của động cơ DC được mơ tả như hình dưới:
55
Động cơ điện một chiều (Động cơ điện DC) kích từ độc lập, được điều khiển bằng điện áp phần ứng. Sơ đồ nguyên lý của loại động cơ này được thể hiện trên hình, trong đó dịng kích từ ik được giữ khơng đổi.
Hình 5.3- Sơ đồ nguyên lý động cơ điện DC
Với: + Tín hiệu vào là điện áp u đặt vào phần ứng [Volt; V]. + Tín hiệu ra là vận tốc góc ω của động cơ
[rad/s]. Sử dụng 3 phương trình cơ bản như sau:
Phương trình mạch điện phần ứng U =L di dt + Ri+ K e ω Trong đó: + R – điện trở phần ứng, [Ω]. + L – điện cảm phần ứng, [H]. + i – dòng điện phần ứng, [A]. + Ke – hằng số sức điện động [Vs/rad]. + Ke ω – sức điện động phần ứng
[V]. Biến đổi Laplace 2 vế phương trình, ta được:
U (s )=LsI (s )+ RI (s )+ Ke ω(s )
Sơ đồ khối tương ứng:
56
Hình 5.4- Sơ đồ khối mạch điện phần ứng
Phương trình momen điện từ của động cơ
Với dịng kích từ ik khơng đổi thì từ thơng khe khí Φ=k2 ik là không đổi và momen điện từ M của động cơ tỉ lệ với dịng điện phần ứng:
M =K m i Trong đó Km =k 1 Φ=k 1 k 2 i
k là hằng số momen của động cơ, [N.m/A] Với: + k 1 - hằng số phụ thuộc vào kết cấu động cơ.
+ k 2 - hằng số đặc trưng đoạn tuyến tính của từ thơng thay đổi theo ik. Biến đổi Laplace hai vế ta được:
M(s )= Km I( s)Sơ đồ khối tương đương :
Hình 5.5- Sơ đồ khối phần momen điện từ
Phương trình cân bằng momen trên trục động cơ
M =J dω
dt +Bω+ M t
Trong đó:
+ J – momen qn tính của động cơ và tải quy về trục động cơ, [kg.m2]
+ B – hệ số ma sát nhớt của động cơ và tải quy về trục động cơ, [kg.m2]
+ M t – momen phụ tải (nhiễu), [Nm] Biến đổi Laplace 2 vế phương trình:
57
M (s )=Jsω (s )+Bω ( s)+ Mt ( s)
Sơ đồ khối tương ứng:
Hình 5.6- Sơ đồ khối phần cần bằng momen trên động cơ
Kết hợp 3 sơ đồ khối thành phần, ta thu được sơ đồ khối của động cơ:
Hình 5.7- Sơ đồ khối động cơ với tín hiệu vào điện áp và tín hiệu ra vận tốc
Hàm truyền của động cơ DC với tín hiệu vào là điện áp và tín hiệu ra là vận tốc:
G
dc
( s)=
(Ls+ R)( Js+ B)
Trong đồ án này, ta quan tâm đến điều khiển vị trí của robot, cụ thể là góc quay tại các khớp, do đó khi mơ hình hóa động cơ, tín hiệu ra phải là đại lượng dịch chuyển của góc.
Gọi θm – góc quay của động cơ. Do đó đạo hàm của góc quay chính là vận tốc góc:
Θm (t )=∫ ω (t ) dt
Chuyển sang miền tần số, ta được:
Lúc này, hàm truyền của động cơ trở thành:
Gdc (
Đặt: τ t= LR
Hàm truyền của động cơ DC với tín hiệu vào là điện áp và tín hiệu ra là góc quay:
Trong đó:
Sơ đồ khối của động cơ DC với tín hiệu vào là điện áp và tín hiệu ra là góc quay:
Hình 5.8- Sơ đồ khối động cơ với tín hiệu vào điện áp và tín hiệu ra góc quay
Bảng thông số động cơ servo DC sử dụng trong robot: Hằng số sức điện động Ke (Vs/ rad )
Hệ số momen xoắn Km ( Nm / A) Quán tính của rotor Jm ( kg . m2 )
Điện trở R( Ω)
Độ tự cảm L( H ) Tốc độ quay n( rpm)
Mơ hình hố động cơ trên matlab với đầu vào điện áp và đầu ra là vận tốc:
Mơ hình hố cảm biến:
Cảm biến dị line sử dụng mắt thu phát hồng ngoại hoặc quang trở, giá trị trả về khi gặp line là 1, khi lệch khỏi line là 0. Do đó cảm biến dị line là loại cảm biến