CHƯƠNG 2. THIẾT KẾ MÔ HÌNH XE DÒ LINE GIẢI MÃ MÊ CUNG
2.3. Thiết kế hệ thống
Phần cứng thiết kế theo từng khối chức năng, mỗi khối có thiết kế và phương pháp kết nối khác nhau.
2.3.1. Khối nguồn
Sơ đồ kết nối của khối nguồn
Hình THIẾT KẾ MÔ HÌNH XE DÒ LINE GIẢI MÃ MÊ CUNG.8. Sơ đồ khối nguồn Các linh kiện trong mạch thường sử dụng nguồn điện từ 12VDC ~ 5VDC. Vì thế để có cấp nguồn điện trong mạch cần sử dụng hai cục pin 18650 3.7VDC mắc song song với nhau. Hai cục pin mắc song song có đầu ra đo được là ~5VDC tối thiểu để cấp nguồn cho linh kiện mạch.
Module L298N điều khiển động cơ hướng quay và tốc độ quay theo tín hiệu điều khiển của vi điều khiển Arduino Nano. Hai động cơ lấy nguồn trực tiếp từ module L298N, nguồn cấp cho module ảnh hướng đến tốc độ của động cơ. Vì thế cần mạch hạ áp LM2596S cấp nguồn điện ổn định tránh sai lệch tốc độ không mong muốn khi pin bị hạ áp trong quá trình sử dụng.
2.3.2. Khối cảm biến
Xe dò line theo mê cung cần phải phân biệt giữa màu nền và màu của line. Để phân biệt màu nền và màu line cần có các cảm biến. Thường là cảm biến hồng ngoại giúp xác định phân biệt màu.
Khối cảm biến chia làm hai phần:
Cảm biến dò line giúp xe bám theo line.
Cảm biến phân biệt line giúp xe phân biệt các line ngã rẽ.
Hình THIẾT KẾ MÔ HÌNH XE DÒ LINE GIẢI MÃ MÊ CUNG.9. Sơ đồ khối cảm biến a) Cảm biến bám theo line
Để xe bám theo line, nhóm sử dụng cảm biến tám mắt QTR8A-TH063. Cảm biến chứa tận 8 đèn hồng ngoại giúp xe có thể dễ dàng phân biệt màu nền và màu line một cách chính xác hơn các xe do line trang bị ít đèn hơn. Số cảm biến hồng ngoại càng nhiều, càng giúp cho thuật toán bám line kỹ thuật số càng chính xác hơn và dễ bám line hơn.
Tám đèn hồng ngoại của cảm biến được chia thành ba khu vực. Bên trái bốn đèn và bên phải bốn đèn và chính giữa kết hợp của một đèn bên trái và một đèn bên phải nằm bên trong. Cơ chế hoạt động như sau:
Khi đèn khu vực bên trái báo hiệu trạng thái On càng nhiều vậy vị trí xe đang lệch về bên phải của đường line.
Hình THIẾT KẾ MÔ HÌNH XE DÒ LINE GIẢI MÃ MÊ CUNG.10. Xe lệch phải
Khi đèn khu vực bên phải báo hiệu trạng thái On càng nhiều vậy vị trí xe đang lệch về bên trái của đường line.
Hình THIẾT KẾ MÔ HÌNH XE DÒ LINE GIẢI MÃ MÊ CUNG.11. Xe lệch trái Khi vị trí chính giữa trạng thái hai bóng đèn đều On vậy vị trí xe đang nằm ở giữa đường line không lệch về hướng nào.
Hình THIẾT KẾ MÔ HÌNH XE DÒ LINE GIẢI MÃ MÊ CUNG.12. Xe không lệch Dựa vào các nguyên tắc trong nhóm vận dụng triển khai code trong phần triển khai phần mềm.
Đầu ra cảm biến QTR8A-TH063 được nối trực tiếp vào chân analog của vi điều khiển Arduino Nano.
b) Cảm biến phân biệt line
Do trên line có các line đặc biệt có dạng như bảng sau:
Đích đến Ngã tư Ngã ba trái Ngã ba phải Ngã ba hình T
Bảng 1. Hình dạng các line đặc biệt
Phân biệt các line đặc biệt này phải có thêm các mắt cảm biến vì thế nhóm gắn thêm 3 cảm biến hồng ngoại TCRT5000. Một cảm biến vị trị ở giữa xích lên trên so với cảm biến bám line, và hai cảm biến nằm ở trái và phải ở phía xích lên trên so với cảm biến bám line.
Hình THIẾT KẾ MÔ HÌNH XE DÒ LINE GIẢI MÃ MÊ CUNG.13. Vị trí gắn cảm biến TCRT5000
Dựa vào vị trí gắn ta có phân biệt các line đặc biệt theo các trạng thái cảm biến như sau:
Các line Trạng thái cảm biến Đích đến Cảm biến bám line khu vực giữa Off.
3 cảm biến TCRT5000 On.
Ngã tư Cảm biến bám line khu vực giữa On.
3 cảm biến TCRT5000 On.
Ngã ba trái
Cảm biến bám line khu vực giữa On Cảm biến TCRT5000 bên trái On.
Cảm biến TCRT5000 chính giữa On.
Cảm biến TCRT5000 bên phải Off.
Ngã ba phải
Cảm biến bám line khu vực giữa On Cảm biến TCRT5000 bên trái Off.
Cảm biến TCRT5000 chính giữa On.
Cảm biến TCRT5000 bên phải On.
Ngã ba hình T
Cảm biến bám line khu vực giữa On.
Cảm biến TCRT5000 bên trái On.
Cảm biến TCRT5000 chính giữa Off.
Cảm biến TCRT5000 bên phải On.
Bảng 2. Trạng thái cảm biến phân biệt line
Dựa vào các trạng thái trên có thể dễ dàng triển khai phân biệt các line trong phần viết phần mềm.
Và đầu ra của cảm biến được nối với chân digital của vi điều khiển Arduino Nano.
2.3.3. Khối vi điều khiển
Vi điều khiển nhóm sử dụng Arduino Nano. Vi điều khiển Arduino có nhiều chân Analog có thể dễ dàng kết nối nhiều cảm biến đưa ra tín hiệu dạng Analog. Ngoài ra với thiết kế nhỏ gọn cùng với việc hỗ trợ lập trình dễ dàng của nền tảng Arduino bao gồm phần mềm Arduino Nano. Nên nhóm cảm thấy Arduino Nano là lựa chọn phù hợp.
Arduino Nano đảm nhận vai trò là bộ điều khiển trung tâm của xe do line. Nhận các tín hiệu từ các cảm biến từ đó xử lý và nhớ các dạng line đặc biệt để tìm hướng đi trong mê cung thông qua truyền tín hiệu điều khiển tới module L298N.
Arduino nhận nguồn từ hai viên Pin 18650, và kết nối với các cảm biến thông qua mạch mở rộng Arduino Nano Shield V3.0. Và kết nối với module L298N thông qua 6 chân kết nối trong đó có hai chân Analog điều khiển tốc độ động cơ.
2.3.4. Khối điều khiển động cơ
Nhóm sử dụng module L298N điều khiển 4 động cơ. Module L298N điều khiển động cơ theo cặp. Nhóm phân thành hai cặp, cặp bên trái và cặp bên phải. Nhờ vậy, vi điều khiển có thể ra lệnh truyền tín hiệu sang L298N quay trái, quay phải điều chỉnh tốc độ theo cặp, theo bảng sau.
Trạng thái Tín hiệu điều khiển
Đi thẳng Cặp trái: Tiến
Cặp phải: Tiến
Quẹo trái Cặp trái: Lùi
Cặp phải: Tiến
Quẹo phải Cặp trái: Tiến
Cặp phải: Lùi Bảng 3. Tín hiệu điều khiển động cơ
Dựa vào bảng trên nhóm có thể triển khai phần mềm điều động cơ trong phần triển khai.