CHƯƠNG 3: TÍNH TOÁN, THIẾT KẾ PHẦN CỨNG HỆ THỐNG
3.3. Thiết kế hệ thống điện
3.3.2. Sơ đồ khối tổng quát phần điện
Máy tính nhúng
Cảm biến Lidar
Cảm biến la bàn
Màn hình hiển thị Vi điều khiển
Driver cầu H Nguồn công suất
Động cơ
Nguồn điều khiển
Phần cách ly
Encoder
Module Sim
Hình 3.24 Sơ đồ khối tổng quát phần điện
Sơ đồ được dựng lên từ yêu cầu đặt ra, dựa vào sơ đồ có thể chia ra làm 4 phần chính:
Phần nguồn, phần điều khiển, phần công suất, phần cảm biến, hiển thị và SIM.
68 a. Phần điều khiển:
Với yêu cầu xử lý tín hiệu trả về từ cảm biến LiDAR từ đó lặp bản đồ, vạch đường đi, tránh vật cản bằng cách kết hợp với ROS. Ta cần một hệ thống điều khiển đủ mạnh và máy tính nhúng là một sự lựa chọn tối ưu. Và với một số yếu tố bên ngoài như chi phí, phần mềm,… Nhóm tác giả quyết định chọn máy tính nhúng Raspberry Pi 3B để thực hiện đồ án này.
Hình 3.25 Máy tính nhúng Raspberry Pi 3B
(Nguồn: https://www.cytrontech.vn/p-raspberry-pi-3-model-b) Thông số kỹ thuật:
• Bộ xử lý (SoC):
- ChipBroadcom BCM2837
- Kiến trúc: ARM Cortex-A53 64-bit, bốn lõi, xung nhịp 1.2GHz
• Bộ nhớ RAM: 1GB
• Các cổng kết nối:
- 4 cổng USB 2.0, hỗ trợ dòng điện đầu ra lên đến 1.2A - 1 cổng Ethernet 10/100 (RJ45)
- 1 cổng 4 chân 3.5mm cho âm thanh analog và video - 1 cổng xuất hình HDMI full-size
- 1 cổng MIPI DSI Display - 1 cổng MIPI CSI Camera
• Kết nối không dây:
- WiFi tích hợp (BCM43143)
69 - Bluetooth Low Energy (BLE)
• Lưu trữ: MicroSD dùng để chạy hệ điều hành và lưu trữ dữ liệu.
• GPIO:
- 40 chân GPIO có thể mở rộng
- Các giao diện ngoại vi cấp thấp bao gồm:
- 27 chân GPIO - UART
- I2C bus
- SPI bus với 2 chip
- Các chân cấp nguồn +3.3V và +5V - Chân Ground
• Đề xuất cấp nguồn: 5V/2.4A tương đương 12W qua cổng MicroUSB với yêu cầu nguồn cấp phải ổn định, công suất nguồn nên lớn hơn 20 đến 30%.
• Kích thước: 85mm x 56mm x 17mm
Ngoài ra để thực hiện các công việc như đọc các tín hiệu từ cảm biến, tính toán các thông số PID xuất xung PWM cho driver để điều khiển động cơ hoạt động theo đúng vị trí và vận tốc ta cần một vi điều khiển đủ mạnh. Ở đây nhóm tác giả lựa chọn vi điều khiển STM32F407VET6 nhờ tốc độ xử lý nhanh, khả năng kết nối và xử lý cùng lúc nhiều ngoại vi, giá thành phải chăng.
Hình 3.26 Vi điều khiển STM32F407VET6 Thông số kỹ thuật:
• Bộ xử lý:
- Loại vi xử lý: ARM® Cortex®-M4
70 - Kích thước: 32-bit
- Tốc độ: 168 MHz
• Kết nối: Các giao thức kết nối như CAN, DCMI, EBI/EMI, Ethernet, I²C, IrDA, LIN, SPI, UART/USART, USB OTG.
• Thiết bị ngoại vi:
- Phát hiện/Mở lại khi sụt áp (Brown-out Detect/Reset) - Điều khiển truy cập trực tiếp bộ nhớ (DMA)
- Giao tiếp âm thanh kỹ thuật số (I²S) - Điều khiển màn hình LCD
- Mở lại khi mất nguồn (POR) - Điều khiển độ rộng xung (PWM) - Bộ đếm thời gian giám sát (WDT)
• Số lượng chân I/O: 82
• Bộ nhớ chương trình:
- Dung lượng bộ nhớ: 512KB (512K x 8) - Loại bộ nhớ: FLASH
- Bộ nhớ EEPROM: Không có
• Bộ nhớ RAM: 192K x 8
• Điện áp cung cấp (Vcc/Vdd): 1.8V đến 3.6V
• Bộ chuyển đổi dữ liệu:
- A/D: 16 kênh, độ phân giải 12-bit - D/A: 2 kênh, độ phân giải 12-bit
• Loại dao động: Dao động nội b. Phần công suất:
Với yêu cầu điều khiển được 2 động cơ đã chọn thực hiện các chuyển động tiến, lùi, xoay đòi hỏi sự phối hợp chiều quay của cả 2 động cơ để đạt được chuyển động tương ứng, điều này cần một mạch cầu H để có thể đáp ứng. Bên cạnh đó cũng cần phải điều khiển được tốc độ quay tức điện áp cấp cho động cơ. Với động cơ đã chọn có điện áp hoạt động là 12V, dòng hoạt động ổn định là 4.71A và dòng hoạt động tối đa
71
có thể lên đến 38A. Từ những yếu tố trên nhóm tác giả đã tham khảo trên thị trường và chọn được IC cầu H đáp ứng hoàn toàn những yêu cầu trên là BTS7960B
Hình 3.27 IC cầu H BTS7960B Thông số kỹ thuật:
- Loại động cơ: Động cơ DC - Cấu hình ngõ ra: Half Bridge - Giao tiếp điều khiển: Logic - Dòng điện ngõ ra tối đa: 40A - Điện áp cung cấp: 5.5V đến 27.5V - Điện áp tải: 5.5V đến 27.5V
- Nhiệt độ hoạt động: -40°C đến 150°C - Kiểu chân: Dán bề mặt (Surface Mount)
Bên cạnh đó để tín hiệu điều khiển không bị ảnh hưởng bởi nhiễu động từ sự hoạt động ta cũng cần một bộ phận để thực hiện cách ly giữa tín hiệu điều khiển và tín hiệu công suất nhưng vẫn đảm bảo tín hiệu được chính xác ổn định ở tần số cao.
Nhóm tác giả đã lựa chọn IC OPTO cách ly tốc độ cao HCPL2631
Hình 3.28 Opto cách ly tốc độ cao HCPL 2631
72 Thông số kỹ thuật:
- Số kênh: 2
- Tốc độ chuyển đổi tín hiệu cao: 10Mbit/s - Loại ngõ vào: DC
- Loại ngõ ra: Open Collector - Dòng ngõ ra / kênh: 50mA - Điện áp tín hiệu vào: 1.4V - Dòng điện tín hiệu vào: 30mA - Điện áp hoạt động: 4.5V đến 5.5V - Kiểu chân: Xuyên lỗ (Through Hole) c. Phần cảm biến, hiển thị và sim
Bên cạnh Encoder và LiDAR đã chọn. IMU (Inertial Measurement Unit) - Cảm biến góc quay và gia tốc cũng là một cảm biến không thể thiếu để có thể xác định góc quay của Robot trong quá trình di chuyển. Việc kết hợp giữa IMU và Encoder sẽ giúp đồng bộ vị trí Robot trên thực tế so với bản đồ giúp điều khiển chính xác hơn. Từ đó nhóm tác giả chọn module cảm biến MPU6050.
Hình 3.29 Cảm biến gia tốc và góc quay MPU6050 Thông số kỹ thuật:
• Chip: MPU-6050 (Cảm biến đo góc 3 trục và gia tốc 3 trục)
• Điện áp hoạt động: 3V đến 5V
73
• Giao tiếp: I2C
• Độ phân giải ADC: 16 bit
• Độ phân giải góc: ± 250, 500, 1000, 2000 độ/s
• Độ phân giải gia tốc: ±2, ±4, ±8, ±16g
Về phần hiển thị nhóm đã chọn được màn hình cảm ứng 14 inch như đã chọn ở mục (3.3.12).
Về phần sim do hiện tại sóng 2G hầu như đã bị các nhà mạng ngừng cung cấp, cho nên các module SIM phổ biến trước đây như SIM800, SIM800L không thể gọi điện được nữa. Và bởi vì mục đích của việc tích hợp module SIM vào Robot là để khi di chuyển đến gian hàng cần giao tài liệu Robot sẽ tự động gọi đến số điện thoại của gian hàng đó đã được lưu từ trước, giúp họ nắm thông tin và đến nhận. Do vậy vấn đề đặt ra là cần phải lựa chọn module có hỗ trợ sóng 3G 4G mới có thể gọi điện. Cuối cùng sau khi cân nhắc lựa chọn, nhóm quyết định chọn module A7680C.
Hình 3.30 Module SIM A7680C Thông số kỹ thuật:
• Nguồn cấp: từ 3.7 đến 4VDC
• Băng tần: LTE-CAT 1 10Mbps
- LTE-TDD: B34/B38/B39/B40/B41 - LTE-FDD: B1/B3/B5/B8
• Kết nối: UART/ USB serial port
• Phương thức điều khiển: tập lệnh AT
• Loại SIM hỗ trợ: Micro
74 d. Phần nguồn
Để đáp ứng yêu cầu tự hành của Robot ta cần một nguồn điện lưu trữ riêng cho Robot.
Để tiết kiệm không gian nhóm tác giả đã chọn pin Lipo cho dự án này. Bên cạnh đó để đáp ứng việc cách ly tín hiệu điều khiển và tín hiệu công suất ta cần cách ly cả nguồn điện cung cấp cho cả 2 phần điều khiển và công suất, cho nên nhóm tác giả chọn 2 viên pin Lipo 3S (gồm 3 viên pin mắc nối tiếp nhau).
Hình 3.31 Pin Lipo 3s 12V Thông số kỹ thuật:
- Điện áp danh định: 11.1V (3s) - Điện áp sạc đầy: 12.6V
- Dung lượng: 5400mAh - Dòng xả: 30C
- Kích thước: 135x40x30mm (+-2mm) - Cân nặng: 335g
- Jack kết nối XT60
Để tạo ra nguồn điện 5V cung cấp cho các linh kiện cần lựa chọn IC giảm áp (buck), ở đây nhóm tác giả sử dụng IC LM2596S-5V.
75
Hình 3.32 IC hạ áp cố định 5V LM2596S Thông số kỹ thuật:
• Dải điện áp đầu vào: 4.5V đến 40V
• Dải điện áp đầu ra: 1.23V đến 37V (điều chỉnh được)
• Dòng đầu ra: Lên đến 3A
• Hiệu suất: Lên đến 90%
• Tần số chuyển mạch: 150 kHz
• Chức năng bảo vệ:
- Bảo vệ quá dòng - Bảo vệ quá nhiệt - Bảo vệ ngắn mạch
Để cung cấp nguồn cho vi điều khiển STM32F407VET6 với ngưỡng điện áp cấp là 1.8V đến 3.6V, ta cũng cần một IC hạ áp từ 5V với ngõ ra trong ngưỡng điện áp trên.
Ở đây phổ biến và dễ sử dụng nhất là 3.3V. Từ đó nhóm tác giả lựa chọn IC hạ áp 3.3V RT9193.
76
Hình 3.33 IC hạ áp 3.3V RT9193 Thông số kỹ thuật:
• Điện áp đầu vào: 2.5V đến 5.5V
• Điện áp đầu ra: 3.3V
• Dòng đầu ra tối đa: 500mA
• Dropout Voltage: Điện áp chênh lệch rất thấp (thường khoảng 300mV ở dòng 500mA)
• Độ chính xác điện áp đầu ra: ±2%
• Chức năng bảo vệ:
- Bảo vệ quá nhiệt