ĐỒ án THIẾT kế hệ THỐNG cơ điện tử tốc độ di chuyển tối thiểu là 0 2 ms robot mang trên người một tải nặng 2kg

TỔNG QUAN

Về sơ đồ nguyên lý

Nhiều sơ đồ nguyên lý có thể áp dụng trong việc chế tạo robot dò line, trong đó sơ đồ của xe đua điều khiển từ xa (RC racing cars) giúp đạt tốc độ và khả năng bám đường hiệu quả Hai loại sơ đồ nguyên lý chính dành cho xe đua trên mặt đường phẳng bao gồm:

Loại 1(Hình 1.1) sử dụng trục truyền động cho trục trước và sau xe (Khung xe của hãng Awesomatrix, TAMIYA TT01, Overdose Divall…).

Loại 2(Hình 1.2) sử dụng đai răng truyền động cho trục trước và sau xe (Khung xe của hãng Sakura D3 CS, Serpent VETEQ 02, TA04 EPRO…).

Tải xuống TIEU LUAN MOI tại địa chỉ skknchat123@gmail.com, với nội dung ĐỒ ÁN THIẾT KẾ HỆ THỐNG CƠ ĐIỆN TỬ do GVHD: TS Phùng Trí Công hướng dẫn Bài viết giới thiệu khung xe hãng Overdose Divall và sơ đồ nguyên lý sử dụng trục truyền động (Hình 1.1), cùng với khung xe hãng TA04 EPRO và sơ đồ nguyên lý sử dụng đai răng truyền động (Hình 1.2) Những sơ đồ nguyên lý này giúp hạn chế hiện tượng trượt giữa các bánh xe khi thực hiện đổi hướng, nhưng cũng có nhược điểm là thiết kế cơ khí phức tạp và bán kính cong nhỏ nhất bị giới hạn bởi kết cấu của xe, dẫn đến giá thành cao.

TIEU LUAN MOI download : skknchat123@gmail.com moi nhat

Mặt khác, một sơ đồ nguyên lý của rất nhiều xe đua dò line như HBFS-2 ( Robot Challenge 2015) và Sylvestre (COSMOBOT 2012, CRJET International Robotics

Competition 2010), Johnny-5 (IGVC), Thunderbolt (Robot Challenge 2014)… sử dụng hai bánh chủ động được điều khiển độc lập kết hợp với bánh đa hướng (Hình 1.3).

Sơ đồ nguyên lý này nổi bật với kết cấu và mô hình động học đơn giản, giúp dễ dàng hiệu chỉnh sai số hệ thống Ngoài ra, nó còn cho phép xe di chuyển theo bán kính rất nhỏ, bao gồm cả khả năng quay tại chỗ.

Xe dễ bị trượt theo phương pháp tuyến khi di chuyển trên các đoạn đường bán kính nhỏ với tốc độ cao Mẫu xe đội Sylvestre và sơ đồ nguyên lý loại 2 bánh là hai yếu tố quan trọng trong thiết kế này Hình 1.3 minh họa sơ đồ nguyên lý hai cặp chủ động vi sai loại 2 bánh Ngoài ra, một phiên bản khác của sơ đồ nguyên lý này cũng được sử dụng trong các xe đua như CartisX04 (All Japan Micromouse 2015) và Mouse (RobotChallenge 2014), như thể hiện trong Hình 1.4, trong đó mỗi bánh xe vi sai chủ động được thay thế bằng một cặp bánh.

Sơ đồ nguyên lý này có đặc điểm : Ưu điểm : giúp xe dễ cân bằng hơn.

Nhược điểm :kết cấu cơ khí phức tạp hơn và luôn xuất hiện hiện tượng trượt bánh khi xe đổi hướng.

Tải luận văn mới nhất về Đồ án thiết kế hệ thống cơ điện tử từ địa chỉ skknchat123@gmail.com, với sự hướng dẫn của TS Phùng Trí Công Bài viết giới thiệu mẫu xe đội CartisX04 và sơ đồ nguyên lý của loại xe 4 bánh, bao gồm hình ảnh minh họa cho sơ đồ nguyên lý hai cặp chủ động vi sai của loại xe này.

Về cảm biến

Có hai phương pháp thường được sử dụng cho robot dò line là:

+ Sử dụng các loại cảm biến quang dẫn.

Hiện nay, hầu hết các robot dò line sử dụng cảm biến quang để xác định vị trí của đường line so với xe Qua đó, chúng xử lý thông tin để phát tín hiệu điều khiển chính xác.

Phương pháp camera sử dụng thiết bị thu hình ảnh từ đường line thực tế, như robot Johny-5 trong cuộc thi IGVC, để xử lý và phát tín hiệu điều khiển Ưu điểm của phương pháp này là khả năng đạt độ chính xác rất cao, tuy nhiên nhược điểm là khối lượng xử lý lớn, dẫn đến hạn chế tốc độ tối đa của xe.

Phương pháp thứ hai là một trong những kỹ thuật phổ biến nhất được áp dụng trong các cuộc thi robot dò line hiện nay Các loại cảm biến như quang điện trở thường được sử dụng để nâng cao hiệu quả của robot trong việc phát hiện và theo dõi đường đi.

Robot ALF trong cuộc thi ROBOCON Malaysia 2006 sử dụng cảm biến phototransistor kết hợp với LED để xác định vị trí đường line Hai loại cảm biến này hoạt động dựa trên nguyên tắc thu tín hiệu ánh sáng phản xạ từ bộ phát xuống mặt đất Trong đó, phototransistor được ưa chuộng hơn do có thời gian đáp ứng nhanh hơn so với quang điện trở.

Hình 1.6 Nguyên lý hoạt động cảm biến quang

TIEU LUAN MOI download : skknchat123@gmail.com moi nhat ĐỒ ÁN THIẾT KẾ HỆ THỐNG CƠ ĐIỆN TỬ GVHD: TS Phùng Trí Công.

Về phương pháp xử lý tín hiệu cảm biến

Cảm biến quang sử dụng tín hiệu tương tự, được hiệu chuẩn và xử lý qua các thuật toán so sánh hoặc xấp xỉ, nhằm xác định vị trí tương đối của robot trong việc dò đường line.

Phương pháp đầu tiên áp dụng giải thuật so sánh nhằm xác định trạng thái đóng/ngắt của các cảm biến, từ đó suy luận vị trí của xe dựa trên một bảng trạng thái đã được thiết lập trước.

Phương pháp này cho thấy rằng sai số dò line phụ thuộc vào khả năng phân biệt các trạng thái của hệ thống và khoảng cách giữa các sensor Đặc điểm chính của phương pháp là sự phụ thuộc vào mức ngưỡng so sánh của các sensor, điều này giúp tăng tốc độ xử lý một cách đáng kể.

Phương pháp xấp xỉ vị trí xe so với tâm đường line sử dụng tín hiệu từ cảm biến, bao gồm ba giải thuật chính: xấp xỉ bậc 2, tuyến tính và theo trọng số Mặc dù thời gian xử lý lâu hơn do phụ thuộc vào thời gian đọc ADC của các cảm biến, nhưng phương pháp này mang lại độ phân giải cao hơn đáng kể so với phương pháp trước.

Tải luận văn mới nhất tại địa chỉ skknchat123@gmail.com, bao gồm các phương pháp xấp xỉ bậc hai và xấp xỉ theo trọng số Hình 1.8 minh họa giải thuật xử lý tín hiệu thông qua phương pháp xấp xỉ.

Về động cơ

Các xe đua dò line như Pika, HFBS-2, CartisX04, Thunderstorm và Impact sử dụng động cơ DC gắn encoder làm cơ cấu chấp hành Động cơ DC có nhiều kích thước và moment khác nhau, dễ dàng lắp đặt và điều khiển chính xác nhờ vào khả năng kết hợp với encoder Việc ứng dụng bộ điều khiển PID cho phép điều chỉnh tốc độ và vị trí một cách chính xác theo yêu cầu.

Về cấu trúc điều khiển

Robot dò line bao gồm ba module chính: module cảm biến, module điều khiển và module điều khiển động cơ Hai phương pháp kết nối các module này là điều khiển tập trung và điều khiển phân cấp.

Trong phương pháp điều khiển tập trung, một MCU nhận tín hiệu từ cảm biến, xử lý dữ liệu và truyền tín hiệu điều khiển đến cơ cấu tác động Cấu trúc này có phần cứng đơn giản, nhưng yêu cầu MCU phải xử lý toàn bộ thông tin trước khi cập nhật dữ liệu mới.

Trong phương pháp điều khiển phân cấp, hệ thống sử dụng nhiều hơn một MCU, bao gồm một MCU master chịu trách nhiệm tính toán tổng thể và các MCU slave để xử lý tín hiệu từ encoder hoặc sensor Đối với các robot dò line sử dụng camera, thường có một MCU slave chuyên xử lý hình ảnh trước khi chuyển dữ liệu về MCU master Cấu trúc này giúp giảm nhẹ khối lượng công việc cho MCU master.

Tải luận văn mới nhất về Đồ án thiết kế hệ thống cơ điện tử từ địa chỉ skknchat123@gmail.com, dưới sự hướng dẫn của TS Phùng Trí Công Hệ thống này được tính toán cho master, cho phép robot thực hiện nhiều tác vụ đồng thời Cấu trúc điều khiển phân cấp, mặc dù có phần cứng phức tạp và yêu cầu giao tiếp giữa các MCU, nhưng lại mang lại khả năng xử lý nhiều tác vụ cùng lúc, giúp tăng tốc độ lấy mẫu của hệ thống so với cấu trúc tập trung.

Về giải thuật điều khiển

Giải thuật điều khiển được dùng phổ biến cho các xe đua dò line là bộ điều khiển PD,

Hệ thống lái của xe như Bolt, Pika, Major (Robocomp 2014), và Thunderstorm sử dụng bộ điều khiển PID kết hợp với PID cho từng động cơ Bên cạnh đó, bộ điều khiển tracking cũng là một giải pháp phổ biến được áp dụng cho robot di động.

Một số xe, như Silvestre và CartisX04, được trang bị khả năng ghi nhớ đường đi để điều chỉnh các thông số điều khiển theo từng cung đường, từ đó cải thiện khả năng đáp ứng của xe sau mỗi lần chạy Để áp dụng các giải thuật này, robot cần sử dụng cảm biến gyro nhằm theo dõi trạng thái gia tốc của xe trong suốt quá trình di chuyển.

Đặt đầu bài

Mục tiêu chính của thiết kế robot là đảm bảo khả năng bám sa bàn với tốc độ ổn định Để đạt được điều này, cần xác định vận tốc tối đa của robot trên sa bàn, khả năng chuyển hướng linh hoạt và sai số tối đa trong quá trình theo dõi đường line.

Về vận tốc tối đa, vận tốc cực đại trung bình của của các robot như Pika, HBFS-2, Sylvestre, Thunderbolt, Thunderstorm, Impact… tại các cuộc thi đều đạt từ 1-3m/s.

Với yêu cầu robot mang thêm tải nên vận tốc đa nhóm đặt ra là 0.9 m/s.

Robot không chỉ có khả năng bám theo bán kính cong 500mm trên sa bàn mà còn cần phải theo dõi đường line tại các vị trí bị cắt đột ngột và góc 90° Các điểm quan trọng này bao gồm B, D, F, G và A trong hình 0.1.

Sai số tối đa của robot trong suốt quá trình di chuyển phụ thuộc vào hai yếu tố chính: sai số xác định vị trí của xe từ hệ thống cảm biến và sai số do bộ điều khiển Khi xe di chuyển trên đường thẳng hoặc cong, sai số sẽ khác nhau, đặc biệt là khi xe bám theo các vị trí đổi hướng đột ngột, lúc này sai số chủ yếu phụ thuộc vào thuật toán điều khiển.

Hình 1.9 Vị trí giao điểm sa bàn.

Xét đoạn đường từ O đến D với giả sử sai số bám line tại O là e=0, thời gian lấy mẫu là t=0,01s và vận tốc lớn nhất v max là 0,95 m/s Quảng đường mà robot sẽ lấy mẫu lần thứ hai được tính toán dựa trên các thông số này.

Từ thông số sa bàn, ta có:

AC OC sin(13) (OD DC ).sin(13) (57,8 9).sin(13) 10, 97mm

Nếu sai số khi robot rời khỏi vị trí giao O vượt quá 11mm, robot sẽ không đi đúng quỹ đạo đã được quy định Nhóm đã xác định sai số bám line lớn nhất cho cả đoạn đường thẳng và cong là 11mm.

Tóm lại, các thông số đầu vào cho bài toán thiết kế:

- Tốc độ tối đa: vmax = 0,9 m/s

- Bán kính cong tối thiểu: Rmin = 500mm

- Sai số dò line tại các vị trí line đổi hướng đột ngột: emax = 250mm

- Sai số dò line trên đoạn đường thẳng và cong: emax = ±11mm

NHÓM 3 ĐỒ ÁN THIẾT KẾ HỆ THỐNG CƠ ĐIỆN TỬ GVHD: TS Phùng Trí Công.

ĐỀ XUẤT VÀ LỰA CHỌN PHƯƠNG ÁN

Đề xuất sơ đồ nguyên lý

Để đáp ứng yêu cầu về việc robot bám theo đường cong bán kính lớn (R = 500mm) và có khả năng đổi hướng tại các vị trí gãy khúc, nhóm đã chọn sơ đồ nguyên lý hai bánh chủ động kết hợp bánh bị động đa hướng, với mục tiêu đơn giản hóa kết cấu và mô hình động học.

Hình 2.1 Sơ đồ nguyên lý hai bánh chủ động kết hợp bánh bị động đa hướng

Đề xuất động cơ dẫn động

Có các đề xuất như động cơ step, động cơ DC có gắn encoder.

Bảng 2.1 Ưu nhược điểm của các loại động cơ Động cơ step Động cơ DC có encoder

Kiểm soát, xác định chính Dễ điểu khiển, hoạt động ở Ưu điểm xác vị trí và hướng khi tốc độ cao,moment xoắn quay cao

Nhược điểm Dễ bị hiện tượng trượt Dòng khởi động lớn, độ bước khi tải lớn vọt lố cao

Với yêu cầu bám line với tôc độ cao và mang tải 2kg, nhóm quyết định chọn động cơ

DC có gắn encoder Hiện tượng dòng khởi động lớn có thể khắc phục thông qua driver điều khiển động cơ.

Đề xuất cảm biến

Cảm biến quang, bao gồm camera và cảm biến quang dẫn, được sử dụng để nhận biết đường line trong mobile robot Tuy nhiên, do khối lượng xử lý lớn của camera ảnh hưởng đến tốc độ robot, cảm biến quang dẫn được ưu tiên hơn Để đáp ứng yêu cầu về độ nhạy với các đường gãy khúc đột ngột trên sa bàn, cần lựa chọn cảm biến có độ nhạy thích hợp Với đặc tính độ nhạy cao của phototransistor, hai phương án sử dụng loại cảm biến này được đề xuất.

- Phototransistor kết hợp với LED thường.

- Phototransistor kết hợp với LED hồng ngoại.

Nguyên tắc hoạt động của phototransistor là dựa vào tín hiệu ánh sáng phản xạ từ nguồn phát để tạo ra tín hiệu điện áp Trong các đường đua có độ tương phản cao giữa màu line và nền (như line đen trên nền trắng), LED hồng ngoại cho độ nhạy cao hơn, nhưng dễ bị nhiễu bởi ánh sáng môi trường, do đó cần che chắn khi sử dụng Ngược lại, trong trường hợp đường đua có độ tương phản thấp, việc sử dụng LED thông thường sẽ mang lại hiệu quả tốt hơn Vì lý do này, nhóm đã quyết định chọn cảm biến hồng ngoại TRCT5000.

Hình 2.2 Cảm biến hồng ngoại TRCT5000

Đề xuất giải thuật xử lý tín hiệu

Theo phần tổng quan được trình bày ở trên,có hai giải thuật xử lý tín hiệu được đề xuất là :

Phương pháp so sánh xác định vị trí của robot dựa trên các trường hợp đã được quy định, phụ thuộc vào số lượng cảm biến và sai số do khoảng cách tối thiểu giữa các cảm biến gây ra Khoảng cách này chịu ảnh hưởng lớn từ góc chiếu của LED, góc thu của cảm biến và độ cao của cảm biến so với mặt đất.

Phương pháp xấp xỉ cho thấy rằng sai số phụ thuộc vào số lượng cảm biến và độ cao của chúng so với mặt đất Mặc dù vậy, độ phân giải của phương pháp này vượt trội hơn so với phương pháp so sánh, cho phép hệ thống cảm biến đạt được sai số tốt hơn.

Tuy nhiên, phương pháp này có thời gian đáp ứng lâu hơn so với phương án trước, vì vi điều khiển phải thực hiện chuyển đổi ADC cho tất cả các cảm biến.

Nhằm tối ưu hóa quy trình lập trình và rút ngắn thời gian xử lý tín hiệu, nhóm đã quyết định lựa chọn thuật toán so sánh để thực hiện nhiệm vụ này.

Đề xuất cấu trúc điều khiển

Cấu trúc điều khiển trong hệ thống có hai loại chính: tập trung và phân cấp Trong phương pháp điều khiển tập trung, một MCU nhận tín hiệu từ cảm biến, xử lý dữ liệu và truyền tín hiệu điều khiển đến cơ cấu tác động Mặc dù cấu trúc này có phần cứng đơn giản, nhưng yêu cầu MCU phải xử lý toàn bộ thông tin trước khi cập nhật dữ liệu mới.

Hình 2.3 Hệ điều khiển tập trung

Hình 2.4 Cấu trúc hệ điều khiển phân cấp

Trong phương pháp điều khiển phân cấp, một MCU (Master) xử lý thông tin từ một MCU (Slave) đọc tín hiệu từ cảm biến, trong khi hai MCU (Slave) khác điều khiển động cơ Cấu trúc này mang lại ưu điểm như khả năng xử lý tín hiệu riêng biệt, thuận lợi cho thiết kế nhóm, dễ sửa lỗi và cập nhật mã điều khiển khi phát triển sản phẩm Hơn nữa, nó cho phép xử lý nhiều tác vụ đồng thời, giảm thiểu thời gian lấy mẫu Tuy nhiên, nhược điểm chính là tiêu tốn nhiều tài nguyên và cần chú ý đến giao tiếp giữa các MCU.

Qua đó nhóm quyết định lựa chọn thiết kế theo hệ điều khiển tập trung.

Đề xuất giải thuật điều khiển

Hai phương án cho bộ điều khiển được đề xuất:

- Bộ điều khiển PD kết hợp ghi nhớ đường đi

Phương án đầu tiên giúp robot cải thiện khả năng bám đường line sau mỗi lần chạy Tuy nhiên, để thực hiện điều này, cần áp dụng một giải thuật tự học phức tạp và kết hợp với cảm biến gyro, giúp bộ điều khiển ghi nhớ trạng thái gia tốc của robot trong suốt quá trình di chuyển trên đường đua.

Phương án 2 là một bộ điều khiển phổ biến trong nghiên cứu khả năng bám theo quỹ đạo của robot di động Lý thuyết và thực nghiệm đã chứng minh rằng bộ điều khiển này có thể đưa robot đến các tọa độ mong muốn với vận tốc cụ thể Hơn nữa, các thông số Kx, Ky, Kθ của bộ điều khiển có thể được điều chỉnh để cải thiện khả năng bám đường của robot trên các đoạn đường khác nhau.

Tổng hợp phương án thiết kế

Tóm lại, phương án thiết kế được nhóm lựa chọn:

- Sơ đồ nguyên lý: 2 bánh chủ động vi sai và một bánh đa hướng bị động.

- Cảm biến: bộ LED hông ngoại-Phototransistor

- Giải thuật xử lý tín hiệu cảm biến : sử dụng giải thuật so sánh.

- Động cơ: động cơ DC có gắn encoder.

- Cấu trúc điều khiển: bộ điều khiển tập trung.

- Giải thuật điều khiển: bộ điều khiển tracking.

THIẾT KẾ CƠ KHÍ

Lựa chọn bánh xe

+ Đường kính các bánh xe: d ≤ 200mm.

+ Di chuyển trên địa hình bằng phẳng không trơn trượt, bám đường tốt.

Sau khi xem xét các thiết kế từ các đội thi ở mục tổng quan, nhóm đã quyết định chọn bánh xe V2, được làm từ nhựa và vỏ cao su, với đường kính 65 mm và bề rộng 27 mm.

Hai loại bánh bị động phổ biến cho robot di động là bánh mắt trâu và bánh caster Bánh caster có đặc điểm khoảng cách giữa trục quay và trục bánh, gây ra hiện tượng shopping-cart, ảnh hưởng đến động học của xe Để khắc phục vấn đề này, nhóm đã quyết định chọn bánh mắt trâu với các thông số: chiều cao 20 mm, chiều dài 50 mm và khoảng cách hai lỗ bắt vít 40 mm.

Tính toán lựa chọn động cơ

Động cơ cung cấp moment cho các bánh xe, giúp xe chuyển động Quá trình này bị ảnh hưởng bởi khối lượng xe và ma sát giữa bánh xe và mặt đường.

Bảng 3.1 Các thông số đầu vào tính toán lựa chọn động cơ Đường kính bánh xe 65 mm

Vận tốc lớn nhất mong muốn 0.9 m/s

Thời gian tăng tốc mong muốn 2s

Khối lượng tải ước lượng 3 kg

Khối lượng bánh xe 0.06 kg

Hệ số ma sát giữa bánh cao su và nhựa 0.9

* Các lực tác dụng lên bánh xe chủ động:

Hình 3.3 Mô hình các lực tác dụng lên bánh xe 1

TIEU LUAN MOI download : skknchat123@gmail.com moi nhat ĐỒ ÁN THIẾT KẾ HỆ THỐNG CƠ ĐIỆN TỬ GVHD: TS Phùng Trí Công. τ − F ms R = Iγγ

Tổng lực ma sát tác dụng lên 2 bánh:

=> Lực ma sát tác dụng lên 1 bánh = 13,24 N

=> Moment tác dụng lên mỗi bánh τ = F ms R + Iγγ = 0,43 N m Với γ= v R 2 = 24,9 rad/s 2

Số vòng quay: n = 60000.0,9 π.65 = 264,44 vòng/phút

Công suất yêu cầu của động cơ: =τ = 11,91 W Trong đó:

+ (kg.m 2 ): moment quán tính của bánh xe.

+ (kg): khối lượng của bánh xe.

+ (kg): khối lượng thân xe và tải.

Dựa theo công suất và số vòng quay tính toán được, ta chọn động cơ GA25V1 ( = 284 vòng/phút, P= 13,2 W).

Thông số chi tiết của động cơ GA25 V1:

- Điện áp cấp cho động cơ hoạt động: 3-12V

- Điện áp cấp cho Encoder hoạt động: 3.3VDC

- Tỷ số truyền qua hộp giảm tốc: 1:34

+ (m/s 2 ): gia tốc dài mong muốn.

+ (W): công suất mỗi động cơ.

- Số xung khi qua hộp giảm tốc: 374 xung

- Đường kính động cơ: 25mm

- Tốc độ không tải: 320rpm

- Tốc độ có tải: 284rpm

- Dòng khi có tải: 600mA

- Dòng khi động cơ bị giữ: 2.29A

- Momen khi bị giữ: 7.96kgf.cm

Kích thước khung xe

Kích thước mặt đế được xác định bởi cách bố trí linh kiện điện tử và khoảng cách giữa bánh chủ động và cảm biến Các thiết bị được lắp đặt trên khung xe bao gồm:

Bảng 3.2 Các linh kiện đặt trên khung xe và kích thước của chúng

STT Thiết bị Số lượng Kích thước(mm)

Sau khi ước lượng trên mô hình, nhóm quyết định thiết kế kích thước mặt đế : dài x rộng = 180x160 mm.

Bề dày của các tấm đế : 4 mm.

Khoảng cách từ cảm biến đến động cơ : 51 mm (số liệu từ mô phỏng).

3.3.2 Chiều cao trọng tâm: Để đảm bảo xe không bị lật khi chuyển hướng do tác dụng của lực ly tâm, ta cần đảm bảo chiều cao của trọng tâm không vượt quá một giá trị nhất định, giá trị đó được tính như sau:

Hình 3.4 Mô hình toán khi xe chuyển hướng

Để xe cân bằng khi chuyển hướng, moment do lực ly tâm phải nhỏ hơn moment do trọng lực của xe Tính toán được thực hiện tại vị trí xe chuyển hướng với bán kính cong lớn nhất, nhằm đảm bảo xe không bị lật.

+ Bán kính cong lớn nhất của đường line R=0.5 (m)

+ Vận tốc dài tối đa v = 0.9 (m/s)

Yêu cầu đồ gá cho động cơ

Kích thước chi tiết gá được xác định dựa trên kích thước mặt bích của động cơ, trong khi nhôm được chọn làm vật liệu chính cho đồ gá nhằm đảm bảo độ cứng vững cần thiết.

Mối ghép giữa đồ gá và mặt bích động cơ là một mối ghép cố định, đòi hỏi độ định tâm cao Do chi tiết ghép có khối lượng nhỏ, kiểu lắp giữa mặt bích động cơ và đồ gá được chọn là lắp trung gian Kiểu lắp trung gian này phù hợp cho các mối ghép cố định, trong đó chi tiết cần tháo lắp dễ dàng và vẫn đảm bảo độ định tâm tốt cho các chi tiết lắp ghép.

Mối ghép giữa trục động cơ và nối trục yêu cầu độ chính xác đồng tâm cao và sử dụng chi tiết kẹp phụ, do đó, kiểu lắp lỏng được lựa chọn để đảm bảo hiệu suất hoạt động tối ưu.

Hình 3.5 Ảnh 3D xe dò line nhìn từ mặt dưới.

Hình 3.6 Ảnh 3D xe nhìn từ mặt bên.

THIẾT KẾ ĐIỆN

Sơ đồ khối

Hình 4.1 Sơ đồ khối của hệ thống điện

Hệ thống điện bao gồm bộ phận nguồn, mạch cảm biến, mạch ra chân vi điều khiển, mạch điều khiển và đọc tín hiệu từ động cơ.

Thiết kế cảm biến

Sai số bám line e max = ± 30 mm

Thời gian đáp ứng nhanh,nhỏ hơn 0.1s

Cảm biến sử dụng là phototransistor TCRT5000 Với các thông số như sau:

Bảng 4.1 Thông số cảm biến TCRT5000

Phạm vi hoạt động 0-20 mm

Dòng I F 20 mA Điện áp hoạt động 5V

Bước sóng IR phát 950 nm

Hình 4.2 Sơ đồ nguyên lý cảm biến TCRT5000

4.2.3 Phương án sắp xếp cảm biến: Để đạt được điều hướng thành công, số lượng cảm biến được sử dụng và vị trí của chúng đóng vai trò khá quan trọng Không đủ số lượng cảm biến có thể làm giảm độ phân giải của sai số đọc về, không nhận dạng đầy đủ các trạng thái đường đi ở các vị trí đặc biệt.

Một số cách sắp xếp cảm biến sau được xem xét: a) Loại ma trận b) Loại 1 hàng đơn c) Loại 2 cảm biến

Hình 4.3 Các cách sắp xếp cảm biến

Sắp xếp theo dạng ma trận (Hình 4.2.3 a) là giải pháp để phát hiện đường giao nhau.

Việc sử dụng quá nhiều cảm biến có thể dẫn đến các thuật toán nhận diện phức tạp và không cần thiết cho mục đích điều hướng Để hoạt động bám line hiệu quả, tối thiểu cần có 2 cảm biến; tuy nhiên, số lượng này không đủ để phân biệt đường đi tại các vị trí giao nhau.

Nhóm quyết định chọn phương án sắp xếp cảm biến theo hàng đơn(Hình 4.2.3 c).

4.2.4 Vị trí của dãy cảm biến:

Theo mô phỏng , khoảng cách cảm biến so với động cơ 51 mm.

4.2.5 Lựa chọn điện trở mạch cảm biến:

Theo tài liệu , dòng qua led nằm trong khoảng 20-40 mA Do đó với hiệu điện thế

5V, giá trị điện trở R 1 xác định như sau:

Ta lựa chọn dòng qua I C = 0.6 mA thỏa mãn khi đó điện trở R 2 là:

4.2.6 Khoảng cách giữa cảm biến và mặt đất:

Yêu cầu : + Khoảng cách cảm biến so với mặt đường cần đảm bảo thu được tín hiệu tại các vị trí nền trắng là như nhau.

+ Xuất hiện vùng giao thao giữa 2 cực phát và cực thu.

Hình 4.4 Vùng hoạt động của cảm biến

Để tạo ra vùng giao thoa, chiều cao h cần phải lớn hơn 8,57mm, theo các tính toán hình học cơ bản Cảm biến hoạt động hiệu quả nhất trong khoảng chiều cao từ 0,2 đến 15mm.

Qua phân tích và tham khảo thí nghiệm của các nhóm trước, chọn h = 10mm.

• Thí nghiệm test chiều cao h :

Mục tiêu: xác định khoảng cách giữa cảm biến và mặt đất.

Tải xuống TIEU LUAN MOI qua email skknchat123@gmail.com ĐỒ ÁN THIẾT KẾ HỆ THỐNG CƠ ĐIỆN TỬ do GVHD: TS Phùng Trí Công hướng dẫn Điều kiện kiểm tra bao gồm việc thực hiện trên giấy A4 với hiệu điện thế cung cấp là 5V, và kết quả sẽ được đọc và hiển thị trên màn hình LCD.

Hình 4.6 Sự thay đổi giá trị ADC khi đọc trên nền trắng với h từ 0-20 mm

Hình 4.7 Sự thay đổi giá trị ADC khi đọc trên nền đen với h từ 0-20 mm

Kết quả đo cho thấy, với nền trắng, ánh sáng phản xạ mạnh nhất ở khoảng cách từ 3 đến 12 mm, dẫn đến điện áp ra (Vout) nhỏ nhất Trong khi đó, với nền line đen, điện áp ra đạt ngưỡng so sánh tại khoảng cách 10 mm.

Vậy, khoàng cách h thỏa điều kiện.

4.2.7 Khoảng cách giữa 2 cảm biến:

Khoảng cách giữa hai cảm biến rất quan trọng; không nên đặt chúng quá xa hoặc quá gần nhau Nếu cảm biến quá xa, có thể xảy ra sai số trong việc phân biệt đường giao nhau, đặc biệt khi tiếp cận từ góc không thuận lợi Ngược lại, nếu cảm biến quá gần, chúng có thể nhầm lẫn phát hiện đường line thay vì đường giao nhau thực sự.

Hình 4.8 Lỗi bố trí cảm biến

Tính toán sơ bộ khoảng cách giữa 2 cảm biến để vùng hoạt động của chúng không trùng lên nhau.

Yêu cầu đặt ra là phải có tối thiểu 2 cảm biến và tối đa 3 cảm biến nằm trong cùng một đường thẳng Đồng thời, khoảng cách giữa các cảm biến không được trùng lặp trong vùng hoạt động của chúng.

Theo tài liệu [38] ,góc chiếu của led phát hồng ngoại là 16 0 và góc thu của led thu hồng ngoại là 30 0

Để đảm bảo rằng hai cảm biến không chồng lấp lên vùng làm việc của nhau, khoảng cách giữa chúng cần đáp ứng điều kiện l ≥ 2.h.tan(30°) Với h = 10 mm, khoảng cách tối thiểu được tính toán là 54 mm.

Để đảm bảo có ít nhất 2 cảm biến và tối đa 3 cảm biến nằm trong một đường thẳng, chiều dài l phải nằm trong khoảng 10mm < l < 13mm Nhóm đã quyết định chọn L = 12,5mm để các cảm biến hoàn toàn nằm trong đường thẳng và đủ xa nhau nhằm tránh ảnh hưởng lẫn nhau.

Phương án kiểm tra lại để xác định cảm biến có bị nhiễu hay không:

Dùng một con cảm biến, ta di chuyển con cảm biến này dần đến đường line Ghi lại các giá trị trả về ở các khoảng cách tương ứng.

Sau khi đặt hai cảm biến cách nhau 12.5 mm, chúng ta di chuyển chúng gần đến đường line và ghi lại giá trị trả về ở các khoảng cách tương ứng.

Hình 4.10 Phương pháp kiểm tra nhiễu giữa hai cảm biến

Giá trị đọc của bộ 1 cảm biến và bộ 2 cảm biến tương đương nhau, cho thấy rằng ở khoảng cách 12.5 mm giữa hai cảm biến, giá trị đọc không bị nhiễu.

Giá trị analog của các cảm biến có sự khác biệt ngay cả khi điều kiện giống nhau, do đó cần phải tiến hành hiệu chuẩn cảm biến theo công thức y = y0 + (j0 - min) / (max - min).

Trong bài viết này, x max và x min đại diện cho giá trị lớn nhất và nhỏ nhất của cảm biến thứ i khi nó nằm trên nền đen và nền trắng Các giá trị y max và y min là khoảng giá trị mà chúng ta mong muốn cảm biến trả về Giá trị x ij là giá trị thứ j của cảm biến thứ i, trong khi y jo là giá trị thứ j của cảm biến thứ i sau khi đã được hiệu chỉnh (calib).

Sử dụng bộ chuyển đổi ADC độ phân giải 1023/5V,xuất kết quả ra màn hình LCD và ghi nhận lại, ta có kết quả như sau:

Cảm biến x min x max Phương trình calib x

Tìm vị trí của tâm đường line dựa vào giải thuật xắp xỉ:

Để thực hiện phương pháp này, chúng ta sử dụng 7 cảm biến được bố trí thành hàng ngang Các giá trị đọc từ các cảm biến sẽ được ghi lại và áp dụng phương pháp trung bình từ tài liệu để xác định vị trí của tâm các cảm biến so với đường line Từ đó, chúng ta có thể tính toán sai số một cách chính xác.

- Chiều cao test của cảm biến là 10 mm.

Theo tài liệu [ ], khoảng cách giữa các cảm biến được chọn sao cho khi di chuyển cảm biến ra khỏi tâm đường line, giá trị đọc còn lại đạt 50% Qua thực nghiệm, khoảng cách tối ưu giữa hai cảm biến là 12.5 mm.

Hình 4.11 Sơ đồ bố trí cảm biến

Theo [ ], các cảm biến x 0 , x 1 , x 2 , x 3 , x 4 , x 5 , x 6 tương ứng với các tọa độ -3, -2, -1, 0, 1, 2, 3, giá trị trả về của các cảm biến tương ứng là y 0 , y 1 , y 2 , y 3 , y 4 , y 5 , y 6 như hình vẽ sau:

Hình 4.12 Tọa độ tâm đường line

Công thức tính giá trị trung bình:

+ Chiều cao cảm biến so với nền 10 mm

+ Khoảng cách giữa hai cảm biến 12.5 mm

+ Kiểu sắp xếp cảm biến : loại một hàng đơn, đặt ngang.

Driver kết hợp với động cơ phải có đặc tính tuyến tính giữa áp đầu vào driver và vận tốc đầu ra của động cơ.

Tiêu đề	Thiết Kế Hệ Thống Cơ Điện Tử Tốc Độ Di Chuyển Tối Thiểu Là 0 2 Ms Robot Mang Trên Người Một Tải Nặng 2Kg
Người hướng dẫn	TS. Phùng Trí Công
Thể loại	Đồ Án

Định dạng
Số trang	77
Dung lượng	3,31 MB