CHƯƠNG 3 : XÂY DỰNG MƠ HÌNH ROBOT TỰ HÀNH
3.2. Xây dựng khối điều khiển cho robot tự hành
3.2.2. Khối cảm biến
a. Module cảm biến siêu âm SRF05
SRF05 là module cảm biến siêu âm dùng để đo khoảng cách bằng sóng siêu âm. Sóng siêu âm là sóng âm thanh thuộc nhóm sóng cơ học với tốc độ lan truyền trong khơng khí khơng cao, lợi dụng điều này mà người ta có thể đo đạc khoảng cách dựa trên sóng này
Hình 3.3. Cảm biến siêu âm SRF 05
Robot tự hành sử dụng 3 cảm biến siêu âm SRF 05 (hình 3.5). Nó 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
+ Góc hoạt động: :<150 + Độ phân giải: 0,3cm
45
Hoạt động của module:
Module hoạt động rất đơn giản, chỉ cần một chân IO với chứa năng output (Trigger) để kích hoạt module mà một chân input (Echo) để đo thời gian xung nhận về đại diện cho khoảng cách.
Các bước kích hoạt và đo như sau:
Đầu tiên ở chân Trigger phát một xung mức cao có độ rộng tối thiểu là 10us cho module.
Sau đó SRF05 sẽ phát ra một chuỗi tám xung với tốc độ 40KHz, tiếp theo nó sẽ chờ xung phản xạ về trên chân echo. Sau khi có được độ rộng xung ở chân Echo, dùng công thức được cho trong datasheet của module để tính khoảng cách (cơng thức này có thể hiệu chỉnh lại tùy mơi trường):
Kết quả đo tính theo lý thuyết của nhà sản xuất:
- Khoảng cách = Thời gian(us)/58 (cm) - Khoảng cách = Thời gian(us)/148 (inch)
Trường hợp vật ở xa hơn so với khoảng cách đo lường của cảm biến, cảm biến sẽ tự động tạo xung cạnh xuống sau 30ms kể từ lúc tạo xung cạnh lên. Trong tính tốn ta phải chú ý trường hợp này để tránh lỗi cho kết quả sai khi vật nằm ngoài tầm đo lường của cảm biến.
Hình 3.5. Sơ đồ tính khoảng cách của SRF05
Hình 3.6. Biểu đồ thời gian của cảm biến siêu âm SRF05
SRF05
46
Lưu ý khi sử dụng cảm biến siêu âm[1]:
Nguyên lý TOF: (Time of Flight)
Hình 3.7. Ngun lý TOF[1]
Sóng siêu âm được truyền đi trong khơng khí với vận tốc khoảng 343m/s. Nếu một cảm biến phát ra sóng siêu âm và thu về các sóng phản xạ đồng thời, đo được khoảng thời gian từ lúc phát đi tới lúc thu về, thì máy tính có thể xác định được qng đường mà sóng đã di chuyển trong khơng gian. Qng đường di chuyển của sóng sẽ bằng 2 lần khoảng cách từ cảm biến tới chướng ngoại vật, theo hướng phát của sóng siêu âm. Hay khoảng cách từ cảm biến tới chướng ngại vật sẽ được tính theo nguyên lý TOF:
2
t
d v (3.1)
Hiện tượng đọc chéo
Hiện tượng đọc chéo là hiện tượng mà cảm biến siêu âm này ghi nhận tín hiệu phản xạ hoặc trực tiếp từ cảm biến siêu âm khác, hoặc sau q trình sóng siêu âm truyền đi và phản xạ qua các bề mặt quay lại cảm biến một cách không mong muốn.
47
Khi sử dụng cùng lúc nhiều cảm biến, các SRF05 có thể được kích hoạt nhanh mỗi lần 50ms, hoặc 20 lần mỗi giây. Sau đó nên chờ 50ms trước khi kích hoạt tiếp theo, ngay cả khi SRF05 phát hiện đối tượng gần và xung echo ngắn hơn. Điều này là để đảm bảo các siêu âm "beep" đã biến mất và sẽ không gây ra một tiếng vang sai lệch của nhiều cảm biến bên cạnh nhau. Để nâng cao độ chính xác ta có thể đo nhiều lần (20 lần) sau đó lấy giá trị trung bình.
Hiện tượng Forecasting
Hiện tượng Forecasting là hiện tượng phản xạ góc sai lệch của cảm biến. Do nguyên lý TOF, để có khoảng cách đúng, cảm biến siêu âm phải hướng vng góc với bề mặt chướng ngại vật cần đo. Tuy nhiên, các chướng ngại vật không bao giờ là phẳng, mịn, nên tia phản xạ có thể khơng tương ứng với góc tới. Các chùm tia phản xạ này có năng lượng phản xạ thấp hơn. Tuy vậy, ở một khoảng cách nào đó, cảm biến siêu âm vẫn có thể ghi nhận được những tín hiệu phản xạ này. Kết quả, thơng số đọc về của cảm biến siêu âm bị lệch do góc mở của cảm biến siêu âm lớn.
Hình ảnh về hiện tượng Forecasting như sau:
Hình 3.9. Sự phản xạ của sóng siêu âm[1]
Hình 3.10. Hiện tượng Forescasting[1]
Ngồi ra, vì góc mở rộng, nên khơng chỉ sai về nhận dạng vị trí chướng ngại vật, mà khoảng cách ghi nhận cũng bị sai lệch. Tuy vậy, sai số này không đáng kể như sai số do hiện tượng đọc chéo gây ra. Vì sai số này là sai số có thể quản lý được, trong khi đó, sai số do hiện tượng đọc chéo không thể quản lý được.
48
b. Module Cảm biến la bàn số HMC5883L
Cảm biến la bàn HMC5883L do hãng Honeywell sản xuất, cảm biến la bàn số 3 trục này được sử dụng trong mơi trường có từ tính thấp, cảm biến có đủ dải ±8 Guass và độ phân dải lên đến 5 milli-Gauss.
Cảm biến la bàn số được dùng để đo từ trường của trái đất nhằm xác định phương hướng của vị trí hiện tại với độ chính xác lên 1 hoặc 2 độ. Nó cung cấp các cách đo riêng biệt cho từng trục và có thể kết hợp lại đề tính tốn 3D.
Có thể dùng để đo từ trường thô hoặc các nguồn từ trường mạnh hơn gần nó. Mạch có thể cảm nhận được nguồn từ từ trường xung quanh nó như của một nam châm hoặc điện trường. Khi phát hiện được từ trường từ bên ngồi, nó có thể xác định được khoảng cách tương đối hoặc chiều đến vật phát ra từ trường đó.
La bàn số kết hợp với encoder có thể xác định được vị trí của robot trên bản đồ.
Thông số kỹ thuật:
Điện áp cung cấp: 3 – 5VDC. Chuẩn giao tiếp: I2C ( 3 – 5TTL). Kích thước: 14x13mm.
49