- Khâu nhận tín hiệu có nhiệm vụ điều khiển các thiết bị cảm biến, các thiết bị được kết nối với robot sẽ cho các thông tin về môi trường quan sát được.
- Khâu tính tốn thơng số: chuyển các tín hiệu nhận được từ cảm biến thành số liệu có mối liên quan giữa robot với mơ hình bên trong mơi trường, để tính tốn qng đường cần đi.
- Khâu lập kế hoạch: xây dựng kế hoạch thực hiện cho robot sao cho đạt được mục đích cần tới với tình trạng mơi trường hiện tại.
- Khâu thực hiện công việc: chia các kế hoạch vừa được xây dựng thành các lệnh điều khiển để chuyển động robot.
- Khâu điều khiển động cơ: dùng để thực hiện các lệnh này.
Mỗi một hệ thống con như là một khâu tương đối phức tạp và tất cả phải hoạt động một cách đồng bộ với hoạt động của robot tại mọi thời điểm. Phương pháp này đòi hỏi phải trang bị các cảm biến, các thiết bị đo để nhận biết thông tin từ môi trường hoặc dạng thơng tin dự đốn trước từ bản đồ tồn cục. Thơng tin đó sẽ được tham chiếu với bản đồ mơi trường, sử dụng thuật tốn lập kế hoạch để tạo ra quỹ đạo chuyển động giúp robot tránh vật cản và tăng xác suất tới mục tiêu đến tối đa. Đây cũng chính là bất lợi của phương pháp này. Phương pháp này tỏ ra rất hữu hiệu cho các tình huống mà trong đó mơi trường làm việc là tương đối tĩnh (môi trường trong đó có thể bao gồm vật cản, tường chắn, hành lang, điểm đích, v.v. là các đối tượng có vị trí khơng thay đổi trong bản đồ tồn cục).
Trong phương pháp điều hướng có tính tốn, khâu lập kế hoạch đường đi cho robot là cực kì quan trọng. Việc lập kế hoạch đường đi cho robot thường có hai giai đoạn đó là lập kế hoạch tồn cục và lập kế hoạch cục bộ. Lập kế hoạch tồn cục có thể được hiểu như là cách di chuyển robot qua một môi trường tùy ý và môi trường này là tương đối lớn. Còn lập kế hoạch cục bộ sẽ đưa ra quyết định khi robot đối mặt với mơi trường tĩnh, ví dụ như khi robot gặp phải vật cản, tường chắn,…. Kế hoạch cục bộ đưa ra phương pháp để đi tới đích ngắn nhất, an tồn nhất. Chính vì thế khi gặp phải các vật cản, kế hoạch cục bộ sẽ giúp cho robot tránh không va chạm rồi mới tiếp tục thực hiện kế hoạch tồn cục để tới đích.
Phương pháp điều hướng robot theo phản ứng:
Như đã phân tích thì phương pháp điều hướng có tính tốn có nhiều ưu điểm đối với q trình điều hướng cho robot. Tuy nhiên, điều hướng có tính tốn thường u cầu khối lượng tính tốn tương đối lớn và phương pháp này tỏ ra không tối ưu khi môi trường hoạt động của robot thay đổi.
Phương pháp điều hướng theo phản ứng nhằm giải quyết các vấn đề có liên quan tới mơi trường không biết trước hoặc môi trường thường xuyên thay đổi. Điều hướng theo phản ứng khắc phục được những hạn chế của phương pháp điều hướng tính tốn, giúp giảm khối lượng tính tốn, tăng tốc độ xử lý trong môi trường phức tạp. Trong thực tế, các thiết bị vệ tinh thám hiểm kiểu robot đã sử dụng phương pháp điều hướng theo phản ứng, lí do là phương pháp điều hướng theo tính tốn địi hỏi việc lập kế hoạch phức tạp có q nhiều phép tính tốn bị giới hạn bởi khả năng của bộ nhớ và tốc độ tính tốn. Điều hướng theo phản ứng chỉ phụ thuộc vào trạng thái hiện thời của robot và địi hỏi rất ít các phép tính tốn để tác động lại mơi trường hoạt động.
Tuy nhiên, phương pháp điều hướng theo phản ứng cũng có nhiều mặt hạn chế, việc khơng có kế hoạch tồn cục có thể khiến cho q trình điều khiển gặp phải những khó khăn. Các hoạt động tối ưu cục bộ chủ yếu thu được nhờ điều khiển theo phản ứng, chính vì thế mà có thể gây ra hiện tượng lệch hướng tồn cục. Trong phương pháp điều hướng theo tính tốn, hệ thống khơng bao giờ mất tầm quan sát đích trong khi các hệ thống điều hướng theo phản ứng cần phải giữ các đích tức thời để độ lệch hướng so với đích tồn cục là không quá lớn.
Một số thuận lợi ở điều hướng theo phản ứng so với các phương pháp tính tốn đó là khả năng mở rộng bộ điều khiển để thêm vào các thành phần phản ứng khác mà không cần phải điều chỉnh lại tồn bộ phần mềm điều khiển. Chính vì thế, ta có thể dễ dàng bổ xung thêm tính năng cho robot bằng cách thêm vào các hoạt động mới mà không làm thay đổi những hoạt động đã có trước. Các phương pháp tính tốn, bạn cần phải xây dựng một thuật tốn hồn tồn mới để sử dụng dữ liệu thu được từ cảm biến.
Phương pháp điều khiển lai ghép:
Điều hướng lai ghép là phương pháp kết hợp giữa phương pháp điều hướng tính tốn truyền thống với phương pháp điều hướng phản ứng. Mỗi phương pháp đều có những nhược điểm và ưu điểm khác nhau mà phương pháp kia có thể khắc phục và cải thiện
các môi trường động, là nơi yêu cầu khả năng tính tốn nhanh cũng như các kỹ năng tránh vật cản cũng phải nhanh nhẹn. Nếu phương pháp điều hướng theo phản ứng không kết hợp với bất cứ quá trình lập kế hoạch chuyển động nào thì có thể sẽ khơng đưa được robot đến theo quỹ đạo tối ưu nhất. Các hoạt động phản ứng giúp robot an tồn và xử lý các tình trạng khẩn cấp trong khi phần điều khiển có tính tốn sẽ giúp robot đạt được mục đích cuối cùng. Phương pháp điều khiển lai ghép có thể cho ta kết quả khả quan hơn khi chỉ sử dụng phương pháp điều hướng theo phản ứng hoặc điều hướng theo tính tốn.
Từ u cầu đề tài và các phân tích trên nhóm quyết định chọn phương pháp điều khiển có tính tốn. Vì nhóm hướng tới khơng gian làm việc của robot nhỏ hẹp và có nhiều vật cản và tường chắn.
CHƯƠNG 3. TÍNH TỐN VÀ THIẾT KẾ
3.1 Phương trình động học robot:
3.1.1 Mơ hình động học cho robot: [10]
Động học là những nghiên cứu cơ bản nhất để tìm hiểu quá trình hoạt động của một hệ thống cơ khí, trong lĩnh vực mobile robot (robot di động), để tìm hiểu đặc tính cơ của robot để thiết kế cho phù hợp với nhiệm vụ đặt ra, việc tìm hiểu đặc tính của robot cũng giúp cho việc điều khiển robot cũng trở nên dễ dàng hơn.
Giữa cánh tay robot và mobile robot có khá nhiều điểm tương đồng. Đối với cánh tay robot, không gian làm việc là vấn đề được quan tâm rất nhiều, nó cho phép xác định phạm vi các vị trí khả thi. Khơng gian làm việc của mobile robot cũng có mức độ quan trọng khơng kém, nó cho phép xác định phạm vi hoạt động có thể có trong mơi trường. Cánh tay robot được cho là có khả năng điều khiển các động cơ để tay máy có thể di chuyển từ vị trí này đến vị trí kia trong khơng gian làm việc. Tương tự như cánh tay robot, mobile robot được định nghĩa với những quỹ đạo định trước hoặc khơng định trước có thể đạt được trong khơng gian làm việc của nó. Mobile robot cũng bị giới hạn bởi các nguyên lý về động học, giống như ở ô tô, khi chuyển động với tốc độ cao, nếu trọng tâm của mobile robot cao nó sẽ là nguyên nhân giới hạn bán kính xoay thực tế. Tuy nhiên, sự khác biệt chính giữa mobile robot và cánh tay robot là thách thức trong quá trình ước lượng vị trí mong muốn mà robot cần đến. cánh tay robot thường có một đầu được giữ cố định, việc xác định vị trí của đầu hoạt động kia hồn tồn đơn giản, vấn đề là ta cần tìm hiểu được là các nguyên lý động học của cánh tay robot và xác định được vị trí của các khớp trung gian. Vì vậy, ta có thể xác định được vị trí của cánh tay robot nhờ dữ liệu thu được từ cảm biến. Trong khi đó, mobile robot lại là một thiết bị hoạt động độc lập, nó hồn tồn có thể tự do di chuyển trong mơi trường hoạt động. Khơng có phương pháp nào có thể giúp ta đo trực tiếp vị trí tức thời của mobile robot. Thay vào đó, thơng thường để xác định vị trí của mobile robot, người ta phải tích hợp chuyển động của robot theo thời gian. Ngồi ra, sự trượt của bánh xe còn là nguyên nhân khiến cho quá trình ước lượng chuyển động của robot giảm bớt độ chính xác. Việc đo chính xác vị trí mobile robot vẫn là lĩnh vực đầy thách thức.
Như phần trên đã trình bày, robot tự hành là lĩnh vực khá rộng, đa dạng. Tuy nhiên chúng lại có một điểm chung đó là nhiệm vụ điều khiển robot chính là điều khiển các
robot tự hành cơ bản bao gồm 3 bánh. Trong đó, hai bánh sau là hai bánh chủ động được điều khiển bởi hai động cơ độc lập, bánh phía trước là bánh lái. Bánh xe di chuyển trên mặt phẳng là lăn không trượt, tốc độ của robot là tốc độ của trung điểm là khoảng cách giữa hai bánh sau. Khối lượng và qn tính của bánh xe coi là khơng đáng kể, có thể bỏ qua.
3.1.2 Phương trình động học cho robot: [10]
Hình 3. 1 Mơ hình động học robot di động - A(xA, yA) : vị trí của tâm khối của phần cứng robot.
- C(xC, yC):trung điểm của đoạn trục thẳng nối hai bánh xe. - ω : vận tốc góc của robot.
- L là khoảng cách giữa hai bánh xe. - α là tọa độ hướng của robot di động.
Từ tâm vận tốc tức thời 𝐼𝑐𝑐, ta xác định được vận tốc góc của robot:
( ) ( ) / 2 r v t t R L (3.1) ( ) ( ) / 2 l v t t R L (3.2)
( ) ( ) ( ) v tr v tl
t
L
(3.3)
Bán kính cong từ tâm di chuyển của robot tới tâm vận tốc tức thời được tính theo cơng thức: ( ( ) ( )) 2( ( ) ( )) l r l r L v t v t R v t v t (3.4) Từ đó vận tốc dài của robot được tính :
1
( ) ( ). ( ( ) ( ))
2 r l
v t t R v t v t (3.5)
Phương trình tốn học trong khơng gian trạng thái có thể được viết thành:
𝑥(𝑡) = 𝑣(𝑡)𝑐𝑜𝑠𝛼(𝑡) 𝑦(𝑡) = 𝑣(𝑡)𝑠𝑖𝑛𝛼(𝑡)̇ 𝛼(𝑡) = 𝜔(𝑡)̇ ̇ (3.6) Tích phân 2 vế ta được : 𝑥(𝑡) = ∫ 𝑣(𝑡)cos(𝛼))𝑑(𝑡)0𝑡 𝑦(𝑡) = ∫ 𝑣(𝑡)sin (𝛼))𝑑(𝑡)0𝑡 𝛼(𝑡) = 𝜔(𝑡)̇ dt (3.7) Phương trình trên có thể được viết lại dưới dạng ma trận :
[ 𝑣𝑥(𝑡) 𝑣𝑦(𝑡) 𝛼(𝑡) ]=[ 𝑐𝑜𝑠𝛼 0 𝑠𝑖𝑛𝛼 0 0 1 ] [𝑣(𝑡) 𝜔(𝑡)]=[ 𝑣(𝑡)𝑐𝑜𝑠𝛼 𝑣(𝑡)𝑠𝑖𝑛𝛼 𝜔(𝑡) ] [𝑣𝑙(𝑡) 𝑣𝑟(𝑡)] =[ 1 2(𝑣𝑟 − 𝑣𝑙)𝑐𝑜𝑠𝛼 1 2(𝑣𝑟 − 𝑣𝑙)𝑠𝑖𝑛𝛼 (𝑣𝑟 − 𝑣𝑙)/𝐿 ] = [ 1 2𝑐𝑜𝑠𝛼 1 2𝑐𝑜𝑠𝛼 1 2𝑠𝑖𝑛𝛼 1 2𝑠𝑖𝑛𝛼 1 𝐿 − 1 𝐿 ] [𝑣𝑣𝑟 𝑙] (3.8)
3.2 Thiết bị điện:
3.2.1 Tính tốn và lựa chọn động cơ:
Chức năng chính của khối động cơ là nhận tín hiệu điều khiển mơ đun A4988 giúp robot di chuyển tiến thẳng và rẽ trái, rẽ phải.
Việc lựa chọn động cơ phải phù hợp với trọng lượng robot, các thông số tốc độ vòng/phút, điện áp hoạt động, … ảnh hưởng trực tiếp đến sự di chuyển của robot. Robot cần được di chuyển một cách chậm và giảm thiểu tối đa sự rung lắc để tránh làm tác động xấu đến các cảm biến trong quá trình hoạt động.
Địa hình làm việc của robot là địa hình phẳng, giả thiết bỏ qua sự biến dạng của bánh xe, bỏ qua lực cản của khơng khí trong q trình robot di chuyển.
Các thông số của robot:
Khối lượng robot ước tính: M = 1 kg Chọn bánh xe có bán kính: R= 32.5 mm Tốc độ tối đa là: 0,05 (m/s).
Phân tích lực tác dụng lên một bánh xe chủ động gồm 4 lực tác dụng như sau:
Hình 3. 2 Sơ đồ phân tích lực
𝑭𝒎𝒔𝒏: là lực ma sát nghỉ giữa bánh xe và bề mặt sàn.
𝑭𝒘: là lực kéo sinh ra momen của động cơ. N: là phản lực của mặt sàn.
𝑷𝟏: là trọng lực của xe.
𝑴𝟏: là momen xoắn của động cơ.
Phương trình cân bằng moment đối với trọng lượng của xe:
𝑀 − 𝐹𝑚𝑠 = 𝑚𝑎 (3.9)
Phương trình cân bằng moment tác dụng lên xe:
𝑀 = 𝑚(𝜇𝑔 + 𝑎)𝑟 + 𝐼𝜀 (3.10) Phương trình cân bằng lực: 𝐹𝑚𝑠𝑛 + 𝐹𝑤 + 𝑁 + 𝑃1 = 𝑚1∗ 𝑎 (3.11) Momen tác dụng lên xe là: M= 𝑚(𝜇𝑔 + 𝑎)𝑟 + 𝐼𝜀 =1.(0,7.9,81 + 0,45).0,0325 + 1,31.10−3= 0,24(Nm) Trong đó: K: là khối lượng bánh xe M: momen tác dụng lên bánh xe (Nmm) v: vận tốc mong muốn (m/s), v= 0.05 m/s a: gia tốc (m/𝑠2) 𝑎 =𝑑𝑣 𝑑𝑡 =1 2 = 0.45 (𝑚. 𝑠2) I: momen quán tính (kg.𝑚2)
Momen cần thiết cho mỗi động cơ: T=𝑀 2 =0,24 2 = 0,12 (Nm) Vận tốc góc: 𝜔 =2𝜋 𝑇 = 2𝜋 0.12= 52,3 𝑟𝑎𝑑/𝑠
Công suất động cơ:
Với a là gia tốc của xe Khi xe chuyển động đều
Chọn phương án chuyển động của robot là chuyển động thẳng. Hai bánh dẫn động di chuyển cùng tốc độ về phía trước với vận tốc v = 0.05 m/s. Tốc độ quay của bánh xe là: 𝑛 = 60 ∗ 1000 ∗ 𝑣 2𝜋 ∗ 𝑅 = 60 ∗ 1000 ∗ 0.05 𝜋 ∗ 32,5 ≃ 15 ( 𝑣ò𝑛𝑔 𝑝ℎú𝑡)
Lực kéo sinh ra do momen của động cơ là:
𝐹𝑤 = 𝐹𝑚𝑠𝑛 = 𝜇𝑙 ∗ 𝑁 = 0.015 ∗ 15 = 225.10−3(𝑁)
Với: hệ số ma sát con lăn 𝜇𝑙 = 0.015 khi di chuyển trên nền bê tông.
Công suất cần thiết để xe di chuyển ổn định với vận tốc v = 0.5 m/s là:
𝑃1 = 𝐹𝑤 ∗ 𝑣 = 225.10−3∗ 0.05 = 112,5.10−3(𝑊)
Từ kết quả suy ra công suất động cơ cần thiết là 0.112 (W) và tốc độ vòng yêu cầu là 15 (vòng/phút).
Lựa chọn động cơ bước [11]
- Kích thước: 42x42x34mm. - Chiều Cao: 33.5mm
- Trục đầu ra Chiều Dài: 20mm - Giai đoạn Kháng: 1.8 Ohm
- Mơ-men xoắn định mức: 0.25N.M. - 6V dịng điện ngắn mạch: 2.6A - Trọng lượng: 288g - Đường kính trục: 5mm - Bước: 1.8° - Phase: 2 Phase
- Để lựa chọn động cơ bước phù hợp là cần căn cứ vào: momen tải quy đổi, memen qn tính, số vịng quay tối đa.
Một động cơ bước có góc 1,8 độ/ bước nếu quay hết 1 vịng khoảng 360 độ thì mất 200 bước. Các chế độ quay nhiều xung thì động cơ quay của máy sẽ càng êm hơn. Động cơ Nema 17 thường được sử dụng phổ biến có tốc độ động cơ 200 step.
Hình 3. 3 Nema 17 Động Cơ Bước Minebea 42
3.2.2 Lựa chọn khối nguồn:
Thiết bị Số lượng Dòng Điện áp Động cơ bước 2 1.5A 6 - 12V
Lcd 1602 1 0.3 - 0.6A 5V Cảm biến HC-SR04 2 2mA 5V Arduino nano 1 19mA 5V Module CNC Shield
V4
1 2A 7-12V
Tổng Cộng 6 2mA - 2A 5 – 12V
Hình 3. 4 Liệt kê một số thiết bị điện tử
Với những thơng số như trên nhóm sử dụng 3 cell pin 18650 với điện áp tổng: 12.6V và dịng: 2A
3.3 Biểu đồ hoạt động của robot:
Hình 3. 6 Biểu đồ hoạt động của robot tự hành O: là vị trí đầu cảm biến xác định.
α: là góc quay của robot.
S: là quãng đường robot cần di chuyển.
a: là khoảng cách tính từ robot theo phương Y. b: là khoảng cách tính từ robot theo phương X. c: là khoảng cách tính từ robot đến điểm cuối. : là khoảng từ robot đến vật cản
Tính quãng đường robot đi được:
S= c=√𝑎2+ 𝑏2 (3.12)
Tính góc quay α như sau: α= arctan 𝑏
Động cơ Step: ( giá trị cho trước của động cơ)
1 vòng= 200 xung
2,15 vịng= 2,15×200
1 = 430 xung
Động cơ quay 1 góc 360°= 430 xung Vd: α=50° => số xung = 50×430
360 ≃ 60
Hình 3. 7 Hiển thị các góc xoay của bánh xe Đường kính bánh xe: 6,5 cm
Tính được chu vi bánh xe: Π.d= 20.42 cm => 200 xung
Vd: S= 70cm, số xung= 70×200
20,42 ≃ 686 Đường kính hình trịn của robot: 14 cm
Tính được chu vi hình trịn robot: Π.d= 43,98 cm
Để tính được bánh xe có thể xoay được 1 vịng cần:
3.4 Sơ lược về phần mềm thiết kế: