Khối xử lý tín hiệu:

2.3 .Mạch Điều Khiển Robot Tự Hành

2.3.1.Khối xử lý tín hiệu:

2.3.1.1. Khối nguồn:

Khối nguồn có vai trị rất quan trọng, ảnh hưởng rất lớn tới tính ổn định của hệ thống, nó cung cấp điện áp ra ổn định ở mức 5V để cung cấp cho các vi mạch số.

Hình 2.5: Sơ đồ nguyên lý khối nguồn.

Nguồn VI ĐIỀU KHIỂN

MẠCH NẠP CẢM BIẾN CỔNG I/O A, B, C, D THIẾT BỊ HIỂN THỊ KHỐI CÔNG SUẤT

Phân tích:

Diot D1 có tác dụng chỉnh lưu dòng điện từ xoay chiều thành một chiều, các tụ điện C4, C5, C6, C7 có tác dụng san phẳng điện áp sau chỉnh lưu, LM7805 là IC ổn áp cho điện áp ra là +5V, nó chỉ có tác dụng ổn áp khi điện áp vào lớn hơn điện áp ra (trong khoảng giá trị cho phép của nó).

Linh kiện:

• Đi ốt (x1)

• IC ổn áp LM 7805 (x1)

• Tụ phân cực 2200uF (x1),1100uF (x1)

• Tụ khơng phân cực 104 (x2)

• LED báo hiệu nguồn (x1)

• Điện trở hạn dịng 1K (x1)

• Jack cắm 2 (x2)

2.3.1.2. Kiến trúc vi điều khiển AVR.

AVR là họ vi điều khiển 8 bit theo cơng nghệ mới, với những tính năng rất mạnh được tích hợp trong chip của hãng Atmel theo công nghệ RISC, AVR mạnh ngang hàng với các họ vi điều khiển 8 bit khác như PIC, PISOC. Ngoài ra, do ra đời muộn hơn nên họ vi điều khiển AVR có nhiều tính năng mới đáp ứng tối đa nhu cầu của người sử dụng, so với họ 8051 89xx thì nó độ ổn định, khả năng tích hợp, sự mềm dẻo trong việc lập trình và tiện lợi hơn.

Tính năng mới của họ AVR: - Giao diện SPI đồng bộ.

- Các đường dẫn vào/ra (I/O) lập trình được. - Giao tiếp I2C.

- Bộ biến đổi ADC 10 bit. - Các kênh băm xung PWM.

- Các chế độ tiết kiệm năng lượng như Sleep, Stand by..vv. - Bộ định thời Watchdog.

- 1 bộ Timer/Counter 16 bit. - 1 bộ so sánh Analog. - Bộ nhớ EEPROM. - Giao tiếp USART….

2.3.1.3. Khối xử lý.

Khối Xử lý của Mobile robot sử dụng vi điều khiển Atmega 32. Có thể nói đây là trung tâm của mobile robot. Nó có nhiệm vụ lưu trữ chương trình, xử lý tín hiệu vào/ ra. AT32 có sơ đồ chân như hình 2.6 .

Hình 2.6.Vi điều khiển AT32.

Atmega32L có đầy đủ tính năng của họ AVR, về giá thành so với các loại khác thì giá thành vừa phải khi nghiên cứu và làm các công việc ứng dụng tới vi điều khiển.

Tính năng

- Đóng vỏ 40 chân , trong đó có 32 chân vào ra dữ liệu chia làm 4 PORT A,B,C,D. Các chân này đều có chế độ pull_up resistors.

- Giao tiếp SPI. - Giao diện I2C. - Có 8 kênh ADC 10 bit. - 1 bộ so sánh analog. - 4 kênh PWM.

- 2 bộ Timer/Counter 8 bit, 1 bộ Timer/Counter 16 bit. - 1 bộ định thời Watchdog.

- 1 bộ truyền nhận UART lập trình được. (adsbygoogle = window.adsbygoogle || []).push({});

Mô tả các chân:

- Vcc và GND: Cấp nguồn cho vi điều khiển hoạt động.

- Reset: chân reset cứng khởi động lại mọi hoạt động của hệ thống.

- XTAL1, XTAL2: Tạo bộ dao động ngoài cho vi điều khiển, các chân này được nối với thạch anh (hay sử dụng loại 8M, 11.0592M hoặc 12M), tụ gốm (22p, 28p…).

- Vref: Thường nối lên 5V (Vcc), khi sử dụng bộ ADC thì chân này được sử dụng làm điện thế so sánh, khi đó phải cấp cho nó điện áp cố định.

- Chân Avcc: Thường được nối lên Vcc nhưng khi sử dụng bộ ADC thì chân này được nối qua 1 cuộn cảm lên Vcc với mục đích ổn định điện áp cho bộ biến đổi.

2.3.1.4. Sơ đồ nguyên lý:

Sơ đồ nguyên lý của khối vi điều khiển được biểu diễn như hình 2.8.

Hình 2.8: Sơ đồ nguyên lý khối vi điều khiển.

Phân tích

Tụ điện ở chân Reset có tác dụng xác định thời gian khởi động lại cho chip, giá trị tụ càng cao thì thời gian reset càng lâu, chip sẽ hoạt động sau khoảng thời gian lâu hơn.

Khối program để nạp chương trình vào cho ATMEGA 32, thạch anh được sử dụng có tần số 11.0592Mhz.

Khối LCD hiển thị các thơng tin lên màn hình nhỏ từ AVR. Có 4 PORT A,B,C,D vừa có thể là đầu vào, vừa có thể là đầu ra tùy theo cách khai báo. Do robot sử dụng 5 động cơ, và mỗi động cơ cần có 2 chân điều khiển (một chân

kích relay đảo chiều, một chân kích IRF cho động cơ hoạt động), do đó 10 chân

của vi điều khiển AVR được sử dụng để điều khiển đông cơ.

Để điều khiển tốc độ động cơ được như mong muốn ta sử dụng phương pháp PWM (điều chế độ rộng xung).

Linh kiện • Atmega 32(x1). • Nút bấm Reset (x1). • Jack cắm 10 (x1). • Thạch anh 11.0592Mhz (x1). • Điốt zener 5,1V (x1). • Tụ phân cực 4.7uF (x1). • Tụ khơng phân cực 18p (x2). • Jack cắm 6 (x1). • Jack cắm 8 (x2). 2.3.2. Khối hiển thị.

LCD đảm nhận vai trị hiển thị các thơng số, các thơng tin cần nhập vào hay các thông tin xử lý mà bộ điều khiển đang hoạt động được. Loại LCD được sử dụng là loại SD-DM1602A, có 2 hàng, mỗi hàng có16 kí tự.

.

a. S

Sơ đồ nguyên lý khối hiển thị LCD 16x2(hình 5.9)

Kết cấu LCD gồm 16 chân, trong đó: hai chân 1, 2 dùng để cấp nguồn cho LCD hoạt động, chân thứ 3 (chân VEE) được nối vào đầu ra của biến trở dùng để điều chỉnh độ tương phản, 2 chân 15, 16 (chân A và K ) là 2 chân cấp nguồn. Từ chân 4 → 14 là các chân điều khiển được nối với vi điều khiển, các chân 4, 5, 6 được dùng để điều khiển hoạt động của LCD, các chân còn lại là 8 bit Data dùng để truyền nhận dữ liệu.

Hình 2.10:Sơ đồ nguyên lý khối hiển thị LCD.

2.3.3. Khối mạch cơng suất.

a. Phân tích lựa chọn phương pháp điều khiển.

Bản chất của việc điều khiển Mobile robot thực ra là điều khiển các động cơ của robot đó. Mobile robot được xây dựng bao gồm 2 động cơ dẫn động 2 bánh sau. Hướng đi của robot sẽ do tốc độ của 2 bánh này quyết định, do vậy nó yêu cầu phải thay đổi chiều quay liên tục, đảo chiều quay.

Hình 2.11:Mơ hình Mobile Robot.

Động cơ sử dụng ở đây là động cơ một chiều, kích từ độc lập. Có 3 cách để điều khiển tốc độ động cơ là :

+ Thay đổi từ thông động cơ (adsbygoogle = window.adsbygoogle || []).push({});

+ Thay đổi điện áp đặt lên phần ứng động cơ + Thay đổi trở phụ vào phần ứng động cơ

Động cơ sử dụng là loại nam châm vĩnh cửu nên từ thông là khơng đổi. Do đó chỉ có thể điều chỉnh tốc độ động cơ bằng cách là thêm trở phụ vào phần ứng hoặc thay đổi điện áp đặt lên phần ứng động cơ. Họ đặc tính cơ của hai phương pháp điều chỉnh tốc độ trên là như sau:

Hình 2.12a là họ đặc tính cơ động cơ điện một chiều khi thay đổi điện trở phụ mắc vào phần ứng, trong đó: Rf1> Rf2>Rf3>Rf = 0 Ω. Hình 2.12b là họ đặc tính cơ động cơ điện một chiều khi thay đổi điện áp đặt vào phần ứng, trong đó : U1< U2 < U3 < U= Uđm.

Hình 2.12. Họ đặc tính cơ của động cơ điện một chiều khi.

a. Thêm điện trở phụ; b. Thay đổi điện áp đặt vào phần ứng.

Trong hai phương pháp trên, rõ ràng phương pháp điều chỉnh điện áp là có nhiều ưu điểm hơn vì :

- Thứ nhất: khi thay đổi tốc độ động co bằng thay đổi điện áp thì độ cứng đặc tính cơ khơng đổi, cịn khi thay đổi tốc độ bằng thay đổi điện trở phụ thì đặc tính cơ là thay đổi (nhỏ hơn).

- Thứ hai: thay đổi điện áp đặt lên phần ứng động cơ không gây ra tổn hao năng lượng, còn khi sử dụng điện trở phụ sẽ gây ra tổn hao trên trở phụ.

- Thứ ba: thay đổi trở phụ mắc vào phần ứng động cơ làm cho hằng số thời gian động cơ thay đổi dẫn đến các đặc tính quá độ thay đổi, điều này là không tốt, cần tránh.

Từ những điểm trên, ta lựa chọn phương pháp điều chỉnh tốc độ bằng cách thay đổi điện áp đặt lên phần ứng động cơ. Một phương pháp thường sử dụng ở đây để thay đổi điện áp vào động cơ là phương pháp băm xung ( điều chế độ rộng xung PWM ). b. Thiết kế mạch lực. 0 Rf = 0 Rf3 Rf2 Rf1 U = Udm U3 U2 U1 0

Hình 2.13: Khối mạch cơng suất.

Điều chỉnh độ rộng xung là sử dụng các xung điện để đóng ngắt nguồn với tải một cách có chu kỳ. Phần tử thực hiện nhiệm vụ đó là các van bán dẫn như Thyristor, Mosfet, IGBT, Tranzitor bipolar. Ở đây, 2 động cơ là công suất nhỏ nên ta sử dụng Mosfet vì điều khiển đơn giản hơn và thông dụng.

Nguyên lý của phương pháp điều chỉnh độ rộng xung PWM.

Hình 2.14. Nguyên lý băm xung điện một chiều.

Ur

T tm

Một xung được phát ra sẽ có chu kì là T, trong đó có thời gian xung ở mức cao là tm và thời gian xung ở mức thấp. Khi xung ở mức cao chính là lúc nó mở các van, cấp điện áp cho động cơ. Điện áp cấp trong một chu kì xung được tính :

Ur = Uv. tm / T

c. Lựa chọn động cơ

Hình 2.15.Động cơ.

- Động cơ sử dụng là động cơ một chiều có tốc độ 500RPM, sử dụng điện áp 12V. Có hộp giảm tốc để tăng mô men kéo và giảm tốc.

2.3.4.Gia công các khối mạch.

Quá trình gia cơng các mạch nguyên lý để tạo ra các bảng mạch điện tử được thực hiện theo quy trình sau:

Hình 2.16. Sơ đồ gia cơng các khối mạch.

MẠCH NGUYÊN LÝ PHẦN MỀM THIẾT KẾ MẠCH: + ORCAD +PROTEUS +PROTEL +ALTIUM MẠCH IN GIA CÔNG BO MẠCH

Có rất nhiều phần mềm thiết kế mạch khác nhau như Orcad, Proteus, Protel, Circust maker…Trong đồ án này sẽ sử dụng phần mềm Orcad để thiết kế mạch nguyên lý và mạch in PCB. Mạch in sau khi được thiết kế xong sẽ được sử dụng để gia công bo mạch trên phíp đồng. Trong giới hạn đồ án chỉ là những mạch không quá lớn, phức tạp, chỉ cần mạch in một lớp do vậy phương pháp làm mạch thủ công là đơn giản và hiệu quả hơn cả. Q trình gia cơng theo sơ đồ sau:

Orcad là phần mềm hỗ trợ thiết kế mạch khá mạnh. Nó cho phép thiết kế mạch nguyên lý, mạch in nhiều lớp. Mạch in có thể được số hóa để gia cơng trên các máy CNC.

Hình 2.17.Thiết kế mạch nguyên lý trên phần mềm Orcad.

MẠCH IN IN LÊN GIẤY LÀ TRÊN PHÍP ĐỒNG ĂN MỊN HĨA CHẤT FeCl3 GẮN LINH KIỆN

Hình 2.18.Thiết kế mạch in trên phần mềm Orcad. (adsbygoogle = window.adsbygoogle || []).push({});

Khi lắp ráp tất cả các phần lại ta được mơ hình thực tế :

Hình 2.20.Mơ hình thực tế của Mobile robot.

2.3.5. Cảm biến.

Mobile robot bám tường sử dụng 3 cảm biến siêu âm SRF 05 (hình 5.20). Cảm biến SRF05 là một loại cảm biến khoảng cách dựa trên nguyên lý thu phát siêu âm. Cảm biến gồm một bộ phát và một bộ thu sóng siêu âm. Sóng siêu âm từ đầu phát truyền đi trong khơng khí, gặp vật cản (vật cần đo khoảng cách tới) sẽ phản xạ ngược trở lại và được đầu thu ghi lại. Vận tốc truyền âm thanh trong khơng khí là một giá trị xác định trước, ít thay đổi. Do đó nếu xác định được khoảng thời gian từ lúc phát sóng siêu âm tới lúc nó phản xạ về đầu thu sẽ quy đổi được khoảng cách từ cảm biến tới vật thể. Cảm biến SRF05 cho khoảng cách đo tối đa lên tới 3-4 mét.

Cảm biến SRF05 có các đặc điểm sau: + Điện áp sử dụng: 5V

+ Dòng thấp: 4mA + Tần số: 40Khz

+ Phạm vi sử dụng: 1cm-4m

+ Đầu vào kích bởi xung: min 10us + Kích thước 43x20x17mm

a/Phía trước với 2 đầu thu/phát. b/Các chân nối

Hình 2.21.Cảm biến siêu âm SRF 05.

Tổng quan

SRF05 có thể thiết lập cách hoạt động thông qua các chân điều khiển MODE. Nối hoặc không nối chân MODE xuống GND cho phép cảm biến được điều khiển thông qua giao tiếp dùng 1 chân hay 2 chân IO.

Cách 1 – Tách riêng chân TRIGGER và ECHO.

Modun cảm biến SRF05 có hai chân TRIGGER và ECHO riêng biệt. Khi chân MODE để trống (chân MODE có điện trở kéo lên VCC, khi để trống nó sẽ nhận mức điện áp VCC) SRF05 sẽ sử dụng cả 2 chân chức năng TRIGGER và ECHO cho việc điều khiển hoạt động của cảm biến.

Hình 2.22.Sơ đồ hoạt động của IRF 540(cách 1).

SRF 05 có 2 chân Trigger và Echo là 2 chân điều khiển, Trigger là chân phát xung còn Echo là chân nhận xung về, cho tín hiệu ra vi điều khiển. Ban đầu cấp xung 10us cho chân trigger, chân ra Echo sẽ có tín hiệu ra. Giới hạn của tín hiệu ra từ 100us đến 25ms có nghĩa SRF05 chỉ cho phép đo được khoảng cách từ 1mm đến 4m.

Để phát hiện vật thể, trước hết phải cấp xung 10us cho Trigger để cảm biến hoạt động. SRF05 sẽ xuất ra 8 chu kỳ siêu âm tại tần số 40khz và Echo có tín hiệu. Khi xung phát ra thì đồng thời bộ đếm thời gian (timer 16bit) hoạt động, khi có xung phản hồi về chân Echo thì bộ vi điều khiển sẽ tính được thời gian đi

của sóng âm. Giới hạn thời gian sóng âm xuất ra tới khi phản hồi về từ 100us – 25ms, sau 30ms mà khơng có tín hiệu về chân Echo thì khơng xác định được vật thể.

Cách 2: Sử dụng một chân cho cả TRIGGER và ECHO.

Ở chế độ này, một chân của vi xử lý sẽ điều khiển quá trình phát xung của cảm biến siêu âm và việc đọc tín hiệu trả về. Yêu cầu lúc đó chân MODE cần được nối đất (GND). Đầu tiên xuất một xung với độ rộng tối thiểu 10uS vào chân TRIGGER-ECHO (chân số 3) của cảm biến. Sau đó vi xử lý tích hợp trên cảm biến sẽ phát ra tín hiệu điều khiển đầu phát siêu âm. Sau 700uS kể từ lúc kết thúc tín hiệu điều khiển, từ chân TRIGGER-ECHO có thể đọc ra một xung mà độ rộng tỉ lệ với khoảng cách từ cảm biến tới vật thể.

Hình 2.24.Sơ đồ tình khoảng cách của SRF05.

Thời gian mà bộ đếm thời gian tính được sẽ sử dụng để tính ra khoảng cách. Sóng âm có vận tốc 340m/s, cứ đi hết 1inch=25,4 mm thì hết 74us. Khi cách vật cản 1 khoảng S thì sóng âm đi hết 1 quãng đường là 2S. Thời gian mà vi điều khiển là T thì quãng đường S= T/(74.2) = T/148 (Inch) =T/58(mm).

2.4.Giải Thuật Và Điều Khiển.

2.4.1.Xây dựng thuật toán về ứng dụng logic mờ trong kĩ thuật dẫn hướng cho robot tự hành.

2.4.1.1.Thuật toán điều khiển Mobile robot, định nghĩa các biến vào ra.

Như mơ hình Mobile robot đã xây dựng ở Chương 2, robot gồm 3 bánh, 2 bánh chủ động ở phía sau được gắn với 2 động cơ, 1 bánh lái phía trước có khả năng quay tự do. Nhiệm vụ của Mobile robot là di chuyển dọc theo tường và duy trì một khoảng cách xác định với tường, tránh vật cản phía trước nếu có. Nó sẽ được gắn hai cảm biến đo khoảng cách và đo góc trên trục robot so với hướng cần di chuyển và 1 cảm biến phát hiện vật cản phía trước. Trong mơ hình điều khiển này thì các yếu tố như nhiễu, ma sát trượt, lực quán tính của xe sẽ được bỏ qua. Ở đây ta chỉ xét tới các yếu tố liên quan tới robot là góc θ, khoảng cách Xđ từ tâm robot tới tường. Bộ phận được tác động để điều khiển robot là 2 động cơ gắn với 2 bánh phải và trái.

Giả sử ta cho robot chạy theo một đường có khoảng cách so với tường là Xđ. Khi robot di chuyển, nó bị lệch ra khỏi đường đó, lúc đó sẽ có sự sai lệch cả về vị trí và tư thế của nó so với u cầu. Bộ điều khiển sẽ có nhiệm vụ xử lý các