h CHƯƠNG : MỘT SỐ CẢM BIẾN THÔNG DỤNG DÙNG TRONG ROBOT 5.1 Giao tiếp với cảm biến : Trong chương này, chúng em xin trình bày số cảm biến đơn giản cách giao tiếp chúng với vi xử lý Xuyên suốt chương ví dụ khác cách giao tiếp với cảm biến Các loại cảm biến khác ø: cảm biến quang, công tắc tiếp xúc, microphone, cảm biến nhiệt, cảm biến tiếp cận dùng hồng ngoại, cảm biến lực, sonar … có chi phí không cao dùng mobile robot Trong muốn robot hiểu nhận biết môi trường nó, thực tế khả robot bò giới hạn cảm biến mà trang bò phần mềm viết cho Cảm nhận nhận thức, cảm biến đơn giản làchuyển đổi số tượng vật lý sang tín hiệu điện để vi xử lý đọc Điều thực cách dùng chuyển đổi analog sang digital board vi xử lý, cách đọc giá trò từ cổng I/O dùng ngắt Thông thường, cần có số mạch giao tiếp cảm biến vi xử lý để xử lý khuyếch đại tín hiệu 5.1.1 Giao tiếp cảm biến vi xử lý : Một cảm biến lựa chọn mạch giao tiếp thích hợp thiết kế để nối cảm biến đến vi xử lý, vi xử lý cần phải lập trình để đọc cảm biến Những chương trình lập trình để giao tiếp cảm biến vi xử lý liên quan đến giao tiếp phần cứng-phần mềm Những thủ tục thường xuyên hỏi vòng ngõ vào A/D, chờ xung kích bên ngoài, dùng trình xử lý ngắt Các chương trình nhận giá trò từ cảm biến lưu vào vò trí nhớ vi xử lý Do ngõ từ cảm biến xem giá trò biến hay cờ, từ phận khác hệ thống điều khiển dùng cờ để kích hoạt hành vi, lớp điều khiển cấp cao 5.1.2 Đô nhạy tầm đo : Hai đặc tính quan trọng cảm biến độ nhạy tầm đo Độ nhạy mức độ tín hiệu thay đổi đại lượng đo thay đổi Gọi ngõ h cảm biến r đại lượng vật lý cần đo x, độ nhạy cảm biến đònh nghóa: ∆r =S ∆x rx Trong đó, thay đổi nhỏ đại lượng đo ∆x liên hệ đến thay đổi nhỏ đáp ứng ngõ ∆r cảm biến độ nhạy S Một cảm biến phản ứng thay đổi khác số kích thích vật lý cách phát điện áp đặc trưng Thông thường, mạch điện gắn với cảm biến khuyếch đại biến đổi điện áp đưa sang biến đổi A/D sau nối đến vi xử lý Bộ biến đổi A/D nhạy với tầm giới hạn điện áp, thường 0-5v Đối với biến đổi A/D sử dụng luận văn vi mạch ADC 0809 chuyển đổi tín hiệu từ analog sang digital chuyển đổi tín hiệu điện áp ngõ vào chuyển thành 256 giá trò rời rạc Do đó, tượng vật lý phức tạp nào, biến thành số : ánh xạ tuyến tính ánh xạ logarithm nh xạ tuyến tính nh xạ loga +5 B +5 A R2 R Điện áp điểm A mass có quan hệ tuyến tính với vò trí chạy biến trở Photodiode tạo đáp ứng tuyến tính với tầm rộng ánh sáng Sau tín hiệu từ diode khuyếch đại khuyếch đại loga, điện áp B tỉ lệ logarithm với độ sáng nh sáng logarithm cho tầm đo rộng ánh xạ tuyến tính 5.2 Cảm biến quang : Cảm biến ánh sáng thấy cảm biến hồng ngoại có vùng phổ rộng Các photocell dễ giao tiếp với vi xử lý số cảm biến quang, gồm có loại : quang trở, photodiode, phototransitor … Ngõ photocell không phức tạp để diễn dòch h 5.2.1 Quang trở : Các cảm biến quang làm cho robot có hành vi trốn bóng tối, tìm nguồn sáng … Quang trở có điện trở thay đổi phụ thuộc cường độ ánh sáng chiếu vào Phototransistor có độ nhạy lớn quang trở cách giao tiếp với vi xử lý tương tự quang trở Photodiode có độ nhạy lớn nhất, cho tín hiệu tuyến tính với tầm rộng ánh sáng đáp ứng nhanh với thay đổi nguồn sáng Điều làm cho hữu dụng thiết bò thông tin để phát ánh sáng điều chế Tuy nhiên, tín hiệu lấy từ photodiode cần khuyếch đại trước đưa vào vi xử lý Dưới mạch điện giao tiếp quang trở với vi xử lý thông dụng : +5 IN2 +5 R + + R Vint2 RL - Vint1 RR - IN1 +5 R Phân tích mạch điện quang trở bên trái: hai điện trở hình thành cầu chia điện áp, Điện trở tổng mạch RT=R+RL, dòng qua mạch I=V/RT Để mạch chuyển đổi A/D vi mạch ADC 0809 đo điện áp phải có dòng vào chân INT1 Tuy nhiên, ngõ vào trở kháng cao nên dòng nhỏ so với dòng điện tổng chạy mạch Do xem điện áp INT1 : VINT1=IRL Trở kháng quang trở giảm cường độ sáng tăng, nghóa điện áp V INT1 giảm Thay vào biểu thức ta : INT V = RL R+RL Bộ biến đổi A/D mạch ADC 0809 ánh xạ điện áp biến thiên VINT1 vào tầm 0-255 R nên chọn giá trò tương đương với trở kháng quang trở h đặt vùng ánh sáng có độ sáng trung bình tầm biến đổi quang trở 5.2.2 Cảm biến tiếp cận hồng ngọai (Near-infrared proximity detector) : Các cảm biến tiếp cận hồng ngoại gần (gọi tắt IR) không nhạy cảm với bước sóng hồng ngoại dài thường thu cảm biến pyroelectric (hỏa điện), mà thường nhạy cảm với bước sóng khoảng 880-900 nanomet Mặc dù cảm biến không trả khoảng cách thực đến vật thể, chúng báo hiệu chắn hữu vật thể vùng phát hình nón Một hệ thống hồng ngoại thường gồm phần phát phần thu Phần phát đơn giản nhiều Led phát hồng ngoại bước sóng 880nm, phần thu photodiode phototransistor Để gọn nhẹ, nhà sản xuất tích hợp phần thu bao gồm khuyếch đại, lọc tần số, giới hạn vào module Module dò hồng ngọai GP1U52X đáp ứng với sóng mang có tần số 40kHz Tần số 40kHz có nghóa Led chớp tắt vào chu kỳ 25µs Theo bảng chi tiết kỹ thuật thiết bò, tín hiệu nên điều chế tần số thấp Việc chớp tắt thực 600µs ngưng 600µs, nghóa tần số điều chế 1667Hz Hình vẽ thể giản đồ thời gian giao thức thu- h Tín hiệu từ LED phát 600micro giây 600micro giây t Tín hiệu từ dò t Chú ý tín hiệ phá u t phải lan truyền vài chu kỳ trước nhận biết độ dò Tương tự, ngừng phát phải vài microgiây dò thay đổi trạng thái Phần dao động 40kHz mạch phát hồng ngoại sử dụng hai đảo (2/6 IC74HC04) Mạch dao động chạy liên tục cấp nguồn , chớp tắt Led chân P2.0 P2.1 port sử dụng Led phát bit mức cao ngược lại Do đó, cần bật tắt bit 600µs Ngõ module dò mức thấp (0V) có tín hiệu phản xạ mức cao (5V) không nhận tín hiệu, nghóa ngõ thuộc loại digital Do chân P3.2 Port sử dụng trực tiếp không qua chuyển đổi ADC 0809 Chương trình phát vật thể viết dễ dàng ngôn ngữ Assemply cho mạch vi xử lý Đầu tiên P2.0 bật không làm khác 600µs, sau P3.2 kiểm tra trạng thái lưu ô nhớ RAM Tiếp theo tắt P2.0 không làm 600µs kế, sau P3.2 kiểm tra lần lưu trạng thái vào ô nhớ khác RAM Một vật thể phát ngõ dò mức thấp Led phát mức cao Led tắt Bằng cách chớp tắt Led liên tục làm giảm nhiễu dò 5.2.3 Cảm biến hồng ngoại đo tầm (near-infrared range sensor) : Module GP1U52X phổ biến, dễ sử dụng Tuy nhiên, để đo xác tầm vật thể gần , cần sử dụng cảm biến GP2D12 có ngõ analog cho điện áp có độ lớn phụ thuộc vào khoảng cách đến vật cản Module GP2D12 gồm Led phát hồng ngoại dò nhạy với khoảng cách PSD Không dò tiếp cận IR, GP2D12 tính toán tầm thật h đến vật thể dựa phép đo tam giác Module tương đối không nhạy cảm với màu sắc chất vật thể phản xạ Hình vẽ thể cách thức dò làm việc Bộ phát chiếu sáng vùng nhỏ bề mặt vật thể với ánh sáng hồng ngoại để điều chế Một thấu kính tạo ảnh điểm sáng phần tử tích cực phía sau thu Ngõ phần tử tích cực hàm vò trí mà ảnh lên Trên (hình b) ảnh phần tử tích cực, thiết bò xa vật thể (hình a), ảnh lệch phía đáy … Như thể hình vẽ, khoảng cách thiết bò vật thể gần, khoảng 8cm, ảnh hoàn toàn vùng tích cực phần tử dò Do đó, h module phát vật thể gần xa (năng lượng phản xạ yếu để kích họat dò) tầm làm việc Trong khoảng từ 10-40 cm điện áp ngõ tương đối tuyến tính với khỏang cách, giá trò cần chuyển đổi A/D trước sử dụng Ngõ tín hiệu cảm biến đưa vào kênh IN0 biến đổi A/D 5.2.4 Cảm biến hỏa điện (pyroelectric sensor) : Một cảm biến hữu dụng cần cho robot để tương tác với người cảm biến hỏa điện Cảm biến pyrolectric thành phần quan trọng số loại báo động chống trộm dùng nguyên lý phát chuyển động Ngõ cảm biến pyroelectric thay đổi có thay đổi nhiệt độ nhỏ cảm biến Thành phần tích cực loại cảm biến tinh thể lithium tantalate Điện tích tạo tinh thể bò đốt nóng Các cảm biến hỏa điện tối ưu hóa để phát xạ có bước sóng 8-10 µm (còn gọi xạ hồng ngoại dài phát người ) Khả làm chúng tiện ích loại cảm biến chuyển động hệ thống an toàn Hình vẽ mô tả giao tiếp vi xử lý 89C51 cảm biến pyroelectric Cảm biến Eltec 442-3 gồm tinh thể lithium tantalate Ngõ cảm biến sai lệch điện áp khuyếch đại hai tinh thể Trong trường hợp tinh thể có nhiệt độ, cảm biến tạo tín hiệu mức 2,5V (nguồn cung cấp 5V) Nếu người ngang qua cảm biến từ trái sang phải, tín hiệu vọt lên 2,5V khoảng 1V sụt xuống mức trở trạng thái bền 2,5V Nếu người từ phải sang trái, tín hiệu sụt xuống, sau vọt lên sau trở trạng thái bền 5.0 V 2.5 V V +5 INT Sử dụng thông qua biến đổi A/D mạch vi xử lý tín hiệu cảm biến trả dạng số Chương trình xử lý tín hiệu thu từ A/D nhận biết h kết đọc từ cảm biến nằm hay ngưỡng ấn đònh trước, để kích hoạt số hành vi robot Các chương trình phức tạp có thề biết hướng người cố gắng hướng robot chỗ khác 5.3 Cảm biến lực : Trong loại cảm biến cảm biến lực tương đối tin cậy, không nhạy với nhiễu cho tín hiệu dễ diễn dòch Cảm biến lực dùng để xác đònh robot va chạm với vật thể vò trí chạm tương robot Những thông tin giúp robot xoay trở để thoát có va chạm Một số loại cảm biến lực thông dụng vi công tắc (microswitch), điện trở dán (load cell), cảm biến bẻ cong Trong khuôn khổ luận văn chúng em xin trình bày microswitch Microswitch : Microswitch công tắc đóng nhả nhỏ, gắn xung quanh robot để báo hiệu robot va chạm với vật cản Hình vẽ mô tả phương pháp dùng Microswitch để phát va chạm robot với vật cản khác Các Microswitch gắn theo cách thức: có va chạm, hai công tắc đóng, thể vò trí tương đối cuả robot vật cản Cảm biến lực Thân robot Có hai cách để giao tiếp công tắc với mạch vi xử lý Mạch điện sau tương đối dễ hiểu Một chân port P 3.2 dùng cho công tắc Khi robot va chạm, hai công tắc đóng, làm thay đổi trạng thái bit tương ứng từ đến Ưu điểm cách ngõ có dạng digital nên không cần biến đổi A/D, nhiên dùng đến ngõ vào Port h +5 P3.2 4.7k P3.3 P3.4 4.7K 4.7K Có cách khác chức cách trên, dùng ngõ vào Port Ta dùng mạng điện trở để tạo giá trò điện áp khác đầu vào 89C51 phụ thuộc công tắc bò đóng Chế độ A/D ADC 0809 cần sử dụng Chương trình xử lý đọc giá trò trả từ biến đổiA/D, chuyển đổi kết đọc tám cờ nhớ lưu trữ RAM nội Cờ đặt phản ánh công tắc hay công tắc bò đóng, dựa tám tầm điện áp sụt điện trở +5 47K A 1k 2.2K 47K INT3 B 1K 47K C 1K Phân tích kỹ ta thấy mạch cộng điện áp, miễn dòng điện chảy từ nguồn 5V qua điện trở 2.2K hai điện trở 1K xuống mass lớn nhiều so với dòng chảy vào phần mạch Điện áp nguồn lấy điểm 1/4, 1/2, lần điện áp nguồn , điện áp tổng 1/3 x(A+B+C) (trong mổi điểm A,B,C nối vào điểm tương ứng xuống mass) Vì biến đổi A/D cho giá trò số từ 0-255 nên điện áp đọc 1/3 255 lần điện áp tổng từ công tắc Ví dụ, có công tắc A bò đóng (nối xuống mass), giá trò đọc từ A/D là: 1/3x255x(0+1/2+1/4)=64 h Khi công tắc B,C bò đóng giá trò đọc 85 5.4 Các cảm biến vò trí hướng : Bộ mã hóa trục quay (shaft encoder) Shaft encoder cảm biến đo vò trí tốc độ quay trục Thông thường, shaft encoder gắn trục motor dẫn động Tín hiệu phát cảm biến mã tương ứng với vò trí trục quay (còn gọi mã hóa tuyệt đối) chuỗi xung Bộ mã hóa phát chuỗi xung gọi mã hóa tăng dần Mỗi lần trục quay góc nhỏ,trạng thái ngõ thay đổi từ mức cao xuống mức thấp ngược lại Do đó, tốc độ xung phát tương ứng với tốc độ quay trục Một biến trở dùng mã hóa tuyệt đối Mỗi vò trí trục xoay có trở kháng Mã hóa tuyệt đối dùng để xác đònh vò trí cánh tay robot Mã hóa tăng dần thường dùng để phản hồi vò trí robot không gian (bánh xe quay bao xa) hay để đồng vận tố bánh xe (mỗi bánh gắn mã hóa) Có loại mã hóa tăng dần phổ biến: photoreflector photointerrupter • Photointerrupter : Loại chứa đóa xoay có khắc rãnh Đóược gắn trục động xoay với Một Led hồng ngoại đặt phía đóa phototransistor phía lại Khi đóa quay, ánh sáng xuyên qua đóa bò ngắt khe chuyển động Do ngõ phototransistor tín hiệu có dạng chuỗi xung Chuỗi xung đếm vi xử lý Toàn hệ thống gồm : Led phát hồng ngoại photodetector gắn hai bên đóa xoay gọi photointerrupter • Loại photoreflector : Loại dựa nguyên lý phản xạ chùm tia hồng ngọai Chùm hồng ngoại từ Led phát, chiếu lên đóa có vạch đen trắng xen kẽ phản xạ phototransistor Tùy thuộc vào vạch đen hay trắng mà tia hồng ngïoại có phản xạ trở lại đến phototransistor hay không, ngõ phototransistor, tín hiệu có dạng chuỗi xung Ưu điểm photoreflector hệ thống thu phát đặt phía với đóa quay Đóa quay không nên mỏng quá, không lượng phát từ Led hồng ngoại xuyên qua giấy h mỏng, phản xạ lại trở lại thu, đơn giản đóa nhựa trắng có sơn vạch đen Đóa mã có vạch trắng vạch đen xen kẽ nhau, nhiều vạch độ phân giải lớn, nhiên bề rộng vạch không nên hẹp [...]...h mỏng, và không thể phản xạ lại trở lại bộ thu, nó có thể đơn giản là một đóa nhựa trắng trên đó có sơn các vạch đen Đóa mã dưới đây có 8 vạch trắng và 8 vạch đen xen kẽ nhau, càng nhiều vạch thì độ phân giải càng lớn, tuy nhiên bề rộng của mỗi vạch không nên hẹp quá ... : Một cảm biến hữu dụng cần cho robot để tương tác với người cảm biến hỏa điện Cảm biến pyrolectric thành phần quan trọng số loại báo động chống trộm dùng nguyên lý phát chuyển động Ngõ cảm biến. .. từ cảm biến nằm hay ngưỡng ấn đònh trước, để kích hoạt số hành vi robot Các chương trình phức tạp có thề biết hướng người cố gắng hướng robot chỗ khác 5. 3 Cảm biến lực : Trong loại cảm biến cảm. .. bền 2,5V Nếu người từ phải sang trái, tín hiệu sụt xuống, sau vọt lên sau trở trạng thái bền 5. 0 V 2 .5 V V +5 INT Sử dụng thông qua biến đổi A/D mạch vi xử lý tín hiệu cảm biến trả dạng số Chương