Đang tải... (xem toàn văn)
robot tự hành tránh vật cản, tìm đường trong mê cung Khi chọn đề tài này, ta đặt ra mục tiêu là robot phải chạy ổn định, giữ được thăng bằng (thiết kế động học) và thực hiện các công việc như né được vật cản phía trước (khoảng cách 10cm), bám tường trái phải (khoảng cách bám 4050cm). Xe nhỏ gọn, chạy được bằng pin. Các cảm biến đo lường chính xác. Robot được thiết kế để hoàn thành việc tránh vật cản và thoát được ra khỏi mê cung.
GVHD : TS Trương Đình Nhơn BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH KHOA ĐIỆN – ĐIỆN TỬ BỘ MÔN ĐIỀU KHIỂN TỰ ĐỘNG ĐỒ ÁN MÔN HỌC Đề tài: Robot tự hành tránh vật cản, GVHD: TS Đ SVTH: Thành Phố Hồ Chí Minh, tháng ă 2015 GVHD : TS Trương Đình Nhơn Mục lục Mục lục Danh mục hình Danh mục bảng Chương 1: Giới thiệu 1.1 Đặt vấn đề: 1.1.1 Robot di động: 1.2 Mục tiêu đề tài: 1.3 Nội dung đề tài: Chương Cơ Sở Lý Thuyết 2.1 Cơ cấu di chuyển: 2.1.1 Bánh xe 2.1.2 Xích: 2.1.3 Chi (chân): 2.2 Cảm biến: 2.2.1 Cảm biến hồng ngoại: 2.2.2 Cảm biến siêu âm: 2.2.3 Cảm biến lazer: 10 2.3 Động truyền động: 10 2.4 Nguồn cung cấp: 12 2.5 Điều khiển tốc độ: 12 2.5.1 Phương pháp điều khiển tốc độ: 12 2.5.2 Băm xung PWM: 13 2.6 Mạch cầu H : 13 2.7 Bộ xử lý trung tâm : 14 Chương Thiết kế phần cứng 16 3.1 Khung robot : 16 3.2 Chọn thiết bị : 18 3.2.1 Chọn động : 18 3.2.2 Chọn cảm biến : 18 GVHD : TS Trương Đình Nhơn 3.2.3 Lựa chọn điều khiển động cơ: 20 3.2.4 Lựa chọn vi điều hiển: 21 Chương : Thiết kế phần mềm 22 4.1 Yêu cầu : 22 4.2 Thiết ế: 22 4.3 Thuật toán điều hiển: 22 4.4 Code điều hiển : 23 Chương : Kết đánh giá v hướng phát triển 33 5.1 Kết : 33 5.2 Đánh giá: 33 5.1 Hướng h c phục: 33 Phụ Lục 34 GVHD : TS Trương Đình Nhơn Danh mục hình Hình 1.1 Mẫu robot NEURO Technology Hình 2.1 Robot bánh xe Hình 2.2 Robot di chuyển chân Hình 2.3 Robot di chuyển xích Hình 2.4 Cảm biến hồng ngoại Hình 2.5 Cảm biến siêu âm Hình 2.6 Cảm biến lazer Hình 2.7 Động DC Hình 2.8 Động AC Hình 2.9 Acquy Hình 2.10 PIN Hình 2.11 Phương pháp điều chế độ rộng xung Hình 2.12 Đồ thị dạng xung điều chế PWM Hình 2.13 Sơ đồ cấu tạo mạch cầu H Hình 3.1 Mặt c t đáy robot (mặt tầng 1) Hình 3.2 Mặt c t mặt tầng Hình 3.3 Mặt c t tầng robot (mặt hàng 2) Hình 3.4 Động V1 Hình 3.5 Nguyên t c điều khiển cảm biến siêu âm SRF04 Hình 3.6 Kết nối cảm biến siêu âm vi điều khiển Hình 3.7 Module L293D Hình 3.8 Sơ đồ chân L293D Hình 3.9 Module L293D kết nối vi điều khiển v động Hình 3.10 LCD kết nối vi điều khiển Hình 3.11 Sơ đồ chân Board Ardunio Hình 3.12 Kết nối vi điều khiển với thiết bị khác GVHD : TS Trương Đình Nhơn Danh mục bảng Bảng 2.1 Thông số động V1 Bảng 3.2 So sánh động DC v động xoay chiều Danh Mục Phụ Lục PL1 PL2 Ưu nhược điểm cấu di chuyển Sơ đồ chân Board Ardunio GVHD : TS Trương Đình Nhơn Chương 1: Giới thiệu 1.1 Đặt vấn đề: 1.1.1 Robot di động: Ngày nay, tự động hoá ngành tổng hợp nhiều lĩnh vực hí công nghệ thông tin điện tử Ngành công nghiệp tự động hoá ngày có vai trò quan trọng cần thiết, tiến trình công nghiệp hoá, đại hoá nhanh Trong tất nhiên robot phần thiếu Robot loại máy thực công việc cách tự động điều khiển máy tính vi mạch điện tử lập trình Robot ứng dụng rộng rãi nhiều lĩnh vực đời sống giáo dục, thể thao, y học, giao thông vận tải, quân … Những robot quy mô lớn cánh tay máy quy trình sản xuất nh máy công xưởng công trường lớn, nhỏ l robot có khả di chuyển (mobile robot), làm công việc thay người, môi trường mà người đến tự thao tác đường ống hí môi trường độc hại có xuất ga, hoá chất, phóng xạ, bụi bặm Hình 1.1 Mẫu robot tự hành NEURO Technology Ngo i robot có đặc điểm kết hợp hí v điện tử nên người dễ dàng cải tiến cấu trúc chương trình điều khiển để phù hợp với môi trường điều kiện làm việc, yêu cầu sử dụng hác phù hợp với phát triển công nghệ Chúng ta tích hợp nhiều robot nhỏ lại với nhau, robot có chức riêng tạo thành robot lớn với nhiều chức để giải nhiều công việc lúc Sự thay hợp lý robot góp phần giảm giá thành sản phẩm, tiết kiệm nhân công GVHD : TS Trương Đình Nhơn nước mà nguồn nhân công chi phí cao : Nhật Bản nước Tây Âu, Hoa Kỳ … Robot tránh vật cản dạng mobile robot Do nhóm định chọn thực đề tài với robot di chuyển tránh vật cản, vừa để thuận tiện cho người nghiên cứu robot, vừa tạo tảng cho thân để sau nghiên cứu sâu nghiên cứu robot khác phức tạp Ngo i robot tránh vật cản áp dụng cho phương tiện giao thông tránh vật cản tai nạn, rủi ro hi lưu thông đường phố tích hợp hệ thống lớn để tránh rủi ro bị cản trở vật không cần thiết 1.2 Mục tiêu đề tài: Khi chọn đề tài này, ta đặt mục tiêu robot phải chạy ổn định, giữ thăng (thiết kế động học) thực công việc né vật cản phía trước (khoảng cách 10cm) bám tường trái phải (khoảng cách bám 40-50cm) Xe nhỏ gọn, chạy pin Các cảm biến đo lường xác Robot thiết kế để ho n th nh việc tránh vật cản v thoát hỏi mê cung 1.3 Nội dung đề tài: Chương Cơ sở lý thuyết Ta tìm hiểu cấu di chuyển, cảm biến động truyền động, phương pháp điều khiển tốc độ, vi điều khiển, thuật toán PID, mạch cầu H Chương Thiết kế phần cứng Ta biết khung robot sao, bánh xe, vị trí thiết bị, chọn linh kiện cho robot? Ta thấy thiết bị L293D, cảm biến siêu âm SRF04 với vi điều khiển kết nối qua phần mềm mô Protues Chương Thiết kế phần mềm Ta biết thuật toán robot chạy tránh vật cản phía trước, chạy nhanh hi có vật khác chạy sát sau Chúng ta thấy giải thuật xe bám tường Chương Kết đánh giá v hướng phát triển Ta xem hình ảnh thi công robot trình chạy thực nghiệm Ta đưa định hướng cho xe để phát triển tương lai GVHD : TS Trương Đình Nhơn Chương Cơ Sở Lý Thuyết 2.1 Cơ cấu di chuyển: Hiện nay, ta biết cấu di chuyển mặt đất: bánh xe, xích, chi 2.1.1 Bánh xe: Bánh xe l phương pháp phổ biến cung cấp khả cho robot sử dụng với nhiều kích thước ứng dụng hác Bánh xe có ích thước dao động từ v i cm đến vài m Thông thường xu hướng phát triển tập trung vào bánh vài cm, với loại robot bánh, bánh lái bánh di chuyển Về vật liệu làm bánh xe tùy vào yêu cầu bám chống trượt nhiệt độ cao… 2.1.2 Xích: Bánh xích bánh sử dụng thiết bị yêu cầu thích ứng độ hình yêu cầu lực kéo Bánh xích di chuyển địa hình mấp mô đất yếu đất cát Cơ cấu bánh xích giảm tính trượt phân bố trọng lượng thiết bị Hình 2.1 Robot bánh 2.1.3 Chi (chân): Chân lựa chọn ưa thích robot di chuyển địa hình hông đồng Hầu hết robot nghiệp dư thiết kế với chân, với khả cân tĩnh chân đứng di chuyển Robot chân khó cân phải sử dụng điều kiện cân ổn định động 2.2 Cảm biến: Cảm biến thiết bị điện tử cảm nhận trạng thái, trình (vật lý, hóa học) môi trường cần quan sát biến đổi thành tín hiệu điện để thu thập thông tin trạng thái, trình GVHD : TS Trương Đình Nhơn Cảm biến có vai trò quan trọng b i toán điều khiển trình nói riêng hệ thống điều khiển tự động nói chung Cảm biến có khả cảm nhận tín hiệu điều khiển vào-ra có vai trò đo đạc giá trị giới hạn cảm nhận với đại lượng vật lý cần đo Hiện nay, thị trường có nhiều loại cảm biến với đa dạng sản phẩm v lĩnh vực Trong ngành công nghiệp robot đặc biệt robot tự hành, cảm biến đo khoảng cách sử dụng nhiều Có nhiều loại cảm biến đo hoảng cách cảm biến laze, cảm biến hồng ngoại, cảm biến siêu âm, encoder… 2.2.1 Cảm biến hồng ngoại: Hình 2.4 Cảm biến hồng ngoại Cảm biến có thích nghi với môi trường có cặp truyền nhận tia hồng ngoại Tia hồng ngoại phát tần số định phát hướng truyền có vật cản (mặt phản xạ) phản xạ vào đèn thu hồng ngoại sau so sánh, đèn màu xanh sáng lên, đồng thời đầu cho tín hiệu số đầu (một tín hiệu bậc thấp) Cảm biến có khoảng cách làm việc hiệu ~ 5cm, điện áp làm việc 3.3 V đến 5V Độ nhạy sáng cảm biến điều chỉnh chiết áp, cảm biến dễ l p ráp, dễ sử dụng 2.2.2 Cảm biến siêu âm: Cảm biến siêu âm loại cảm biến phát nhận sóng siêu âm theo hình parabol Cảm biến phát sóng siêu âm đo thời gian nhận để tính toán hoảng cách Cảm biến có tầm đo từ vài cm đến vài m Hình 2.5 Cảm biến siêu âm GVHD : TS Trương Đình Nhơn 2.2.3 Cảm biến lazer: Cảm biến sử dụng tia lazer để đo hoảng cách Cảm biến có chức khác mà loại cảm biến phản xạ khó làm màu s c mục tiêu, vật liệu độ bóng bề mặt môi trường Giá th nh cảm biến n y há cao hông muốn gọi l đ t Hình 2.6 Cảm biến lazer 2.3 Động truyền động: Hiện nay, thị trường có nhiều loại động step AC DC Mỗi loại có ưu nhược điểm khác Động step có chất giống động AC nên ta xét AC DC Động AC hoạt động điện áp xoay chiều, gồm có động có stato roto Khi cấp điện vào, từ trường quay stato gây làm cho roto quay liên tục Chuyển động quay roto trục máy truyền ngo i v sử dụng để vận hành công cụ cấu di chuyển khác Động DC l động điện hoạt động với dòng điện chiều Khi có dòng điện chạy qua cuộn dây quấn xung quanh lõi s t non, cạnh phía bên cực dương bị tác động lực hướng lên, cạnh đối diện lại bị tác động lực hướng xuống theo nguyên lý bàn tay trái Fleming Các lực n y gây tác động quay lên cuộn dây, làm cho rotor quay Để làm cho rotor quay liên tục v chiều, cổ góp điện làm chuyển mạch dòng điện sau vị trí ứng với 1/2 chu kỳ 10 GVHD : TS Trương Đình Nhơn 3.2.4 Lựa chọn vi điều khiển: Ardunio Uno l bo mạch thiết ế với xử lý trung tâm l vi điều hiển AVR Atmega328 Cấu tạo Ardunio bao gồm phần sau : Vi điều khiển Điện áp hoạt động Tần số hoạt động Dòng tiêu thụ Điện áp vào khuyên dùng Điện áp vào giới hạn Số chân Digital I/O Số chân Analog Dòng tối đa chân I/O Dòng tối đa (5V) Dòng tối đa (3.3V) Bộ nhớ flash SRAM EEPROM ATmega328 (họ 8bit) 5V – DC (chỉ cấp qua cổng USB) 16 MHz 30mA 7-12V – DC 6-20V – DC 14 (6 chân PWM) (độ phân giải 10bit) 30 mA 500 mA 50 mA 32 KB (ATmega328) với 0.5KB dùng bootloader KB (ATmega328) KB (ATmega328) 22 GVHD : TS Trương Đình Nhơn Chương : Thiết kế phần mềm 4.1 Yêu cầu : Robot điều hiển để thay đổi hướng nhằm tránh vật cản tìm đường mê cung v băng qua 4.2 hiết ế : Dựa v o số liệu thu từ cảm biến siêu âm Srf04 trang bị bên v phía trước robot xác định vị trí r o ch n (tường); tức l hoảng cách từ đến r o ch n Sau l lưu đồ giải thuật tìm đường cho robot : 4.3 hu t toán điều hiển: Giả sử, tín hiệu cảm biến trước l cảm biến bên phải l cảm biến bên trái l cảm biến Với điều kiện có vật cản phía trước với tín hiệu trái phải lớn 10cm rẻ theo hướng 23 GVHD : TS Trương Đình Nhơn Begin CB CB2>1 CB3>1 Rẻ phải Rẻ trái End 4.4 Cod điều hiển: #include #include #define TRIGGER_PIN A2 #define ECHO_PIN A3 #define MAX_DISTANCE 200 NewPing sonar1(TRIGGER_PIN, ECHO_PIN, MAX_DISTANCE); 24 GVHD : TS Trương Đình Nhơn #define TRIGGER_PIN2 A4 #define ECHO_PIN2 A5 #define MAX_DISTANCE2 200 NewPing sonar2(TRIGGER_PIN2, ECHO_PIN2, MAX_DISTANCE2); #define TRIGGER_PIN3 A0 #define ECHO_PIN3 A1 #define MAX_DISTANCE3 200 NewPing sonar3(TRIGGER_PIN3, ECHO_PIN3, MAX_DISTANCE3); AF_DCMotor motor1(1, MOTOR12_1KHZ); AF_DCMotor motor2(2, MOTOR12_1KHZ); int trai, phai, giua; void setup() { Serial.begin(9600); } // -MAIN LOOP void loop() { giua= currentDistanceHead1(); 25 GVHD : TS Trương Đình Nhơn trai = currentDistanceHead2(); phai = currentDistanceHead3(); if(giua>10) { if(phai >4 && phai< 8) { moveForward(); } if(phai>=8) { moveStop(); delay(25); phai(); } } if(trai 15 && phai[...]... th nh việc tránh vật cản v tìm đường ra trong mê cung 5.2.Đánh giá: Ưu điểm : xe tự thi công thi nên chi phí thấp hung xe nhỏ gọn dễ d ng tránh vật cản v ho n th nh việc tìm đường trong mê cung Nhược điểm : Tốc độ chưa cao việc sử dụng cảm biến siêu âm hi bị „điểm mù‟ robot sẽ bị nhiễu gây hó hăn trong việc tìm đường trong mê cung 5.3 ướng h c phục : Tăng số lượng cảm biến trên robot dò đường, dùng... Thiết kế phần mềm 4.1 Yêu cầu : Robot được điều hiển để thay đổi hướng đi nhằm tránh các vật cản tìm ra đường trong mê cung v băng qua nó 4.2 hiết ế : Dựa v o các số liệu thu được từ 3 cảm biến siêu âm Srf04 được trang bị 2 bên v phía trước robot xác định được vị trí của r o ch n (tường); tức l hoảng cách từ nó đến các r o ch n Sau đây l lưu đồ giải thuật tìm đường đi cho robot : 4.3 hu t toán điều hiển:... 16C5x 17C43 16Fxxx… 16 GVHD : TS Trương Đình Nhơn Chương 3 Thiết kế phần cứng Trong robot, ta không chỉ quan tâm đến mỗi bộ điều khiển trung tâm mà còn phải quan tâm đến cấu trúc xe Cấu trúc robot chính là phần cứng của robot Phần cứng hoàn chỉnh sẽ giúp nhiều trong việc điều khiển robot như đổi hướng, va chạm, kéo tải… 3.1 Khung robot : Khung xe được cấu tạo bởi : - 2 miếng mica dày 2mm với các lỗ nhiều... chiều trong robot mà dùng động cơ một chiều để l m động cơ truyền động trong robot? ” Để trả lời câu hỏi này, ta xem bảng so sánh: Bảng 3.2 So sánh động cơ DC v động cơ AC Đặc tính Động cơ DC Động cơ AC Nguồn sử dụng PIN, acquy, nguồn 1 chiều Nguồn xoay chiều Giá thành Cao Thấp Moment khởi động Lớn và ổn định Nhỏ Khả năng điều khiển Dễ dàng Khó hăn (mỗi khi chuyển pha) 3.2.2 Chọn cảm biến : Với những robot. .. Hình 2.8 Động cơ AC 11 GVHD : TS Trương Đình Nhơn 2.4 Nguồn cung cấp: Hình 2.9 Acquy Hình 2.10 PIN Với động cơ một chiều công suất nhỏ động cơ thường được cung cấp bởi pin hoặc acquy Đặc tính lưu trữ của pin v acquy l ưu điểm để cân nh c chọn nguồn cho các loại xe tự hành Bảng 2.1 So sánh pin và acquy Đặc tính Pin Acquy Trọng lượng Nhẹ Nặng Giá thành Thấp Cao hơn pin Khả năng tái nạp Có (đối với loại pin... thời gian sóng siêu âm truyền từ module đến vật cản và từ vật cản về module Thời gian tối đa cảm biến trả tín hiệu về là 34ms Từ thời gian thu được từ xung Echo bên trên, ta suy ra khoảng cách vật cản dựa trên công thức sau: Distance (cm) = (Echo*344)*100/2 Trong đó: - Echo là thời gian đo xung mức cao từ chân echo (s) - v = 344 là vận tốc âm thanh loan truyền trong không khí (m/s) - 100 là hệ số nhân... chuyển pha) 3.2.2 Chọn cảm biến : Với những robot tìm đường đơn giản người ta thường dùng cảm biến hồng ngoại hoặc cảm biến siêu âm Cảm biến hồng ngoại có tầm đo hoảng 1m, truyền thẳng v độ nhiễu cao Cảm biến siêu âm thì tầm đo rộng hơn ( hoảng 2cm đến 4m tùy loại), truyền cung Parabol và ít nhiễu hơn Ta chọn cảm biến siêu âm SRF04 làm cảm biến cho robot 19 GVHD : TS Trương Đình Nhơn Cảm biến siêu... xe ( ích thước bánh : đường ính 65mm độ dày 25mm) - 1 bánh quay 360độ - Ốc các loại Khung xe được thiết kế có 3 bánh xe : 2 bánh động lực 1 bánh quay 360độ (giúp xe hoạt động linh hoạt, giữ được thăng bằng khi di chuyển) Bánh 360 đơn giản nhưng hiệu quả Nhờ có nó, robot có thể rẽ trái, phải đi thẳng Khung xe có ích thước : 120mm x 85mm :2 Mặt dưới tầng 1: Hình 3.1 Mặt c t đáy robot (mặt dưới tầng 1)... các + Khả năng éo yếu phương pháp hác + Diện tích tiếp xúc nhỏ + Đơn giản trong thiết kế và chế tạo + Lựa chọn phong phú Bánh xích + Chi phí thường thấp so với các + Khả năng éo yếu phương pháp hác + Diện tích tiếp xúc nhỏ + Đơn giản trong thiết kế và chế tạo + Lựa chọn phong phú + Mở rộng dễ dàng Chi + Gần gũi với chuyển động tự nhiên + Tính phức tạp cơ hí v điện tử + Khả năng có thể vượt qua những... Vậy đối với việc điều khiển động cơ với mạch cầu H há l đơn giản bởi chỉ cần điều khiển đóng mở các van theo ý muốn Hình 2.13 Sơ đồ cấu tạo mạch cầu H 2.7 Bộ xử lý trung tâm : Trong kỹ thuật để điều khiển một động cơ đèn mobile -robot, ta có nhiều sự lựa chọn như dùng vi mạch số, vi điều khiển PLC… Tuy nhiên mỗi loại có những ưu nhược khác nhau So về kỹ thuật, vi điều khiển mạnh hơn vi mạch số (VMS) nhưng