Nghiên cứu robot dò line và tránh vật cản sử dụng Arduino

Đây là thời đại tiên tiến mà con người đã nghiên cứu, tìm hiểu và phát triển trí tuệ nhân tạo, tạo ra được robot để giúp con người làm việc, ở tương lai không xa robot sẽ thay thế hoàn t

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC NGUYỄN TẤT THÀNH

-oOo -BÁO CÁO ĐỀ TÀI

TÊN ĐỀ TÀI Nghiên cứu robot dò line và tránh vật cản sử dụng Arduino

Mã số đề tài:

Chủ nhiệm đề tài:

Giảng viên hướng dẫn:

Khoa: Kỹ Thuật Công Nghệ

Các thành viên tham gia:

ST

T

1 Nguyễn Trần Khánh Long 2100004748 21DOT2B

3 Nguyễn Thanh Tiễn 2100004487 21DOT2B

TP  Hồ Chí Minh, tháng 04 năm 2024

MỤC LỤC

DANH MỤC HÌNH ẢNH 3

DANH MỤC BẢNG 1

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN ĐỀ TÀI 2

1.1 Nội dung tổng quan 2

1.2 Hướng nghiên cứu 4

1.3 Ứng dụng đề tài 4

1.4 Tính cấp thiết của đề tài 6

CHƯƠNG 2 CƠ SỞ VÀ LÝ THUYẾT NGHIÊN CỨU 8

2.1 Thiết kế tổng quan 8

2.2 Các bước lắp ráp xe dò line 9

CHƯƠNG 3 KẾT QUẢ VÀ SẢN PHẨM ĐẠT ĐƯỢC 17

CHƯƠNG 4 KẾT LUẬN 20

TÀI LIỆU THAM KHẢO 21

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN ĐỀ TÀI

1.1 Nội dung tổng quan:

Chúng ta đang ở thời đại 4.0, thời đại của những công nghệ tiên tiến giúp đỡ  cuộc sống của con người trên thế giới trở nên hiện đại tốt đẹp nhất Đây là thời đại tiên tiến mà con người đã nghiên cứu, tìm hiểu và phát triển trí tuệ nhân tạo, tạo ra được robot để giúp con người làm việc, ở tương lai không xa robot sẽ thay thế hoàn toàn con người để làm việc trong rất nhiều lĩnh vực như là chế tạo, cơ khí, xây dựng, vận chuyển, các lĩnh vực có những hóa chất độc hại gây ảnh hưởng đến sức khỏe của con người,…Và tùy theo từng lĩnh vực khác nhau

mà chúng ta đã tạo ra những con robot phù hợp để làm việc thay thế con người, vừa đảm bảo an toàn hạn chế tối đa những tai nạn nghề nghiệp đáng tiếc xảy ra, vừa làm tăng năng suất một cách tối ưu nhất trong công việc của từng lĩnh vực khác nhau

Có thể hiểu cấu trúc robot như sau:

Robot gồm có hai phần:

Phần cứng: Là phần cấu tạo nên cấu trúc hoạt động của robot (có thể xem

là phần ta có thể thấy bằng mắt thường)

Phần mềm: Là phần chương trình được lập trình viên viết và nạp vào robot nhằm điều khiển robot hoạt động độc lập (có thể xem đây là phần không thể nhìn thấy bằng mắt thường)

Hình 1: Robot Asimo tại triển lãm Expo 2005 Robot là một sản phẩm thuộc lĩnh vực Robotics, nơi các máy móc được lập trình, chế tạo và hỗ trợ con người hay bắt chước các hành động của con người Ngành công nghiệp robot đang phát triển một cách tiềm năng và đầy hứa hẹn, trí tuệ nhân tạo và công nghệ phần mềm đang liên tục phát triển, trong tương lai gần, nhờ những tiến bộ này mà robot sẽ tiếp tục được cải tiến trở nên thông minh, linh hoạt hơn và tiết kiệm năng lượng hơn rất nhiều Với sự phát triển của các robot, lĩnh vực Robottics này thực sự là một “mảnh đất tiềm năng” chứa đựng đầy hứa hẹn về sự tiến bộ của khoa học công nghệ trong tương lai

Vì thấy đây là lĩnh vực đầy tiềm năng đang phát triển từng ngày và trong tương lai không xa nó sẽ là lĩnh vực chủ chốt của thế giới nên nhóm sinh viên chúng em lựa chọn nghiên cứu về lĩnh vực này và đề tài mà chúng em chọn là

“Nghiên cứu robot dò line và tránh vật cản sử dụng Arduino” , đề tài chỉ là một mảng nhỏ trong lĩnh vực Robotics nhưng nó rất hay, nghiên cứu về đề tài này sẽ giúp chúng em hiểu hơn về robot, về lĩnh vực Robotics, hiểu được cách chế tạo robot, cách lập trình để vận hành robot, giúp chúng em có thêm nhiều kiến thức quan trọng trên con đường học tập ở trình độ đại học

Robot dò line là loại robot có cấu tạo như một loại xe có thể động nhận dạng và chạy theo một đường đi có sẵn và tự tính toán đường đi để tới đích mà không cần người điều khiển nhờ chường trình được nạp sẵn do người lập trình

viết nên Robot dò line của nhóm em dò theo những vạch đường màu đen trên nền màu

Thực tế, robot dò line là một biến thể đặc biệt của robot hướng sáng Sỡ

dĩ nói như vậy là do loại robot có cùng nguyên tắc hoạt động là sử dụng cảm biến quang điện(quang trở hoặc diode hồng ngoại) để so sánh cường độ ánh sáng từ đó điều chỉnh hướng đi thích hợp

Robot dò line được ứng dụng vào công nghệ dò đường như di chuyển tự động trong vận chuyển hàng hóa Tuy còn sơ khai về nguyên tắc điều khiển nhưng robot đã tạo ra một bước ngoặt quan trọng trông công nghệ thiết kế và chế tạo robot, mở ra một kỷ nguyên mới về ngành công nghệ kỹ thuật tự động hóa và đưa tự động hóa vào sản xuất Robot dò line là cở sở quan trọng để thiết

kế và chế tạo Robot trong các lĩnh vực khác

Với học sinh, sinh viên yêu thích công nghệ hay muốn chọn đề tài để nghiên cứu thì robot dò line là một đề tài hay và bổ ích nên chọn và bắt đầu với việc làm những con robot dò line đơn giản, chi phí thấp nhưng lại là cơ hội thực hành bổ ích, làm nền tảng về lĩnh vực Robotics cho học sinh, sinh viên trong tương lai sau này

Hình 2: Hình ảnh về một số robot dò line

1.2 Hướng nghiên cứu:

Đây là robot dò line đơn giản, chi phí thấp phù hợp cho nhóm sinh viên chúng em Robot dò line này sẽ dò đường vẽ màu đen trên nền màu và chạy tự động nhờ các linh kiện điện tử và mã code nhóm nghiên cứu chúng em nạp vào Adruino để điều khiển robot Vì là robot dò đường nên cảm biến được bố trí gần mặt đường và nền màu để robot tự so sánh về sự sai lệch về màu sắc hay cường

độ sáng Làm sao để so sánh? Câu trả lời là nằm ở đường đi vẽ trên nền, đường

vẽ này sẽ có tính chất khác xung quanh, nó sẽ được vẽ, được làm từ màu đen để robot nhận dạng Khi robot đi vào vùng có vạch vẽ thì robot sẽ nhận dạng nó nhờ cảm biến và robot sẽ tự động chạy theo đường vẽ màu đen đó và chạy đến đích của con đường Bộ phận cảm biến sẽ giúp robot nhận dạng đường đi màu đen bằng cách là bộ phận cảm biến sẽ dùng các linh kiện điện tử như là: Led và quang trở

Hình 3: Nguyên lý hoạt động của bộ phận cảm biến dùng để dò đường vẽ

Nguyên lý hoạt động của bộ phận cảm biến: Khi có ánh sáng thì điện trở của quang trở sẽ giảm và ngược lại, điện trở của quang trở sẽ thay đổi cỡ từ 5k (khi có ánh sáng) đến 100k (không có ánh sáng), ta sử dụng led phát làm nguồn sáng phát sáng Khi gặp nền, ánh sáng sẽ phản xạ lên quang trở làm điện trở giảm xuống và khi gặp đường vẽ màu đen (băng keo đen) thì ánh sáng sẽ khó phản xạ nên quang trở nhận ít ánh sáng nên điện trở tăng lên Từ đó dựa vào

quang trở, robot dò line có thể phân biệt được vạch đen trên nền (dưới sự hổ trợ của opamp so sánh)

Qua opamp so sánh tín hiệu nhận được gửi về mạch xử lý trung tâm, ở đây Arduino sẽ xử lý tín hiệu và đưa ra các lệnh điều khiển tùy vào người lập trình Để nghiên cứu thực nghiệm thì đầu tiên phải chuẩn bị các linh kiện để thiết kế chế tạo như bo mạch Arduino để nạp code điều khiển vào, các linh kiện điện tử cần thiết như: dây điện, led, quang trở, bánh xe, pin,…Băng keo đen để làm đường đi mô phỏng, sau đó viết code nạp vào Adruino, tiếp đến là lắp ghép các linh kiện đã mua thành một robot dò line hoàn chỉnh rồi đem đi chạy thử nghiệm trên đường mô phỏng đã thiết kế trước đó rồi thu nhận kết quả, kiểm tra robot có lỗi hay trục trặc hay không, nếu có trục trặc thì sữa lỗi, kiểm tra mã code có đúng không, nếu sai thì sữa Ngoài ra coi các linh kiện điện tử có bị lỗi,

hư hỏng hay trục trặc gì không, nếu có thì sữa chữa hoặc thay thế,…Sau khi thực nghiệm rồi thì sẽ ghi kết quả của robot dò line và đánh giá mô hình robot

dò line và tránh vật cản trên đường vẽ màu đen

Hình 4: Robot dò line chạy thực nghiệm trên đường vẽ màu đen

1.3 Ứng dụng đề tài:

Ứng dụng trong học tập đề tài robot dò line này sẽ giúp sinh viên nghiên cứu hiểu thêm được nhiều thứ về robot, về lập trình robot hay các linh kiện điện tử Trau dồi cho sinh viên những kiến thức quan trọng cần thiết cho tương lai sau

này để đi làm, đây sẽ là nền móng cho thế hệ trẻ học hỏi, tiếp thu để tiếp bước ông cha trong con đường xây dựng và giúp đất nước phát triển,…

Hình 5: Cuộc thi robot dò line tổ chức dành cho học sinh, sinh viên Ứng dụng trong công nghiệp: Chế tạo một robot vận chuyển hàng hóa trên truyến đường cố định, dựa vào khả năng di chuyển theo vạch của robot ta

vẽ tạo một đường đi từ xưởng sản xuất A sang xưởng sản xuất B từ đó có thể sử  dụng robot chở hàng hóa đi theo con đường đã vạch ra sẵn từ xưởng sản xuất A sang xưởng sản xuất B và ngược lại,…

Hình 6: Hình ảnh robot vận chuyển trong công ty ngành công nghiệp

Ứng dụng trong cuộc sống hằng ngày: Giúp con người chúng ta chế tạo được máy hút bụi tự động là một robot mini gắn một máy hút bụi nhỏ ở trên, robot sẽ tự động di chuyển trong nhà đồng thời máy hút bụi cũng hoạt động sẽ làm sạch bụi bẩn trên mặt sàn nhà, hay robot phục vụ trong nhà hàng đã được một số nhà hàng áp dụng,…

Hình 7: Robot hút bụi và robot phục vụ nhà hàng Ứng dụng trong quân sự: Giúp chế tạo những robot dò mìn, hiện nay khoa học tiên tiến đã phát triển hơn nhiều robot có khả năng di chuyển dựa vào việc xử lý ảnh do robot chụp lại, từ đó robot có thể tìm được đường đi và phát hiện ra mìn, vật cần tìm…

Hình 8: Robot dò mìn sử dụng trong quân sự 

Trên thế giới thì các nước phát triển mạnh với tiềm lực kinh tế giàu và công nghệ kĩ thuật tiên tiến đã áp dụng robot dò line trên rất nhiều lĩnh vực ngành nghề trong cuộc sống con người của đất nước, việc vận dụng robot dò line vào nhiều lĩnh vực của các quốc gia phát triển đã làm cho kinh tế tăng mạnh đời sống con người trở nên tốt hơn, đáp ứng được các nhu cầu, tăng năng suất trong các lĩnh vực của đất nước như trong công nghiệp, nông nghiệp, nghiên cứu,…

Đối với đất nước Việt Nam thì chúng ta cũng có áp dụng robot dò line vào một số lĩnh vực, ngành nghề Tuy nhiên thì đất nước việt nam đang nằm trong nhóm các nước đang phát triển nên việc vận dụng robot vẫn còn nhiều hạn chế như là trình khoa học kĩ thuật vẫn đang phát triển nhưng vẫn còn kém với các nước phát triển mạnh trên thế giới, để vận hành robot dò line số lượng lớn và chất lượng cao thì vấn đề kính phí cũng là một rào cản đối với các doanh nghiệp

tư nhân,…Nhưng Việt Nam cũng đang dần áp dụng nhiều hơn về robot dò line nhằm nâng cao chất lượng cuộc sống, giúp đất nước phát triển, trong tương lai không xa robot dò line sẽ phát triển mạnh ở đất nước Việt Nam chúng ta

1.4 Tính cấp thiết của đề tài:

Đề tài “Nghiên cứu robot dò line và tránh vật cản” là một đề tài rất hay và là một đề tài có tầm quan trọng trong nền giáo dục của quốc gia, đây là đề tài quen thuộc của các ngành nằm trong lĩnh vực khoa học, công nghệ - kĩ thuật, đề tài

về robot dò line này sẽ bổ sung kiến thức, trau dồi thêm kiến thức để các em học sinh, sinh viên, các nhóm nghiên cứu về đề tài hiểu được về robot dò line, hiểu thêm về lĩnh vực Robotics Đề tài này sẽ làm nền móng giúp các em học sinh, sinh viên là những thế hệ trẻ sẽ tiếp bước ông cha những người đi trước để giúp đất nước Việt Nam phát triển hơn trong tương lai,…

Nhờ chọn đề tài “Nghiên cứu robot dò line và tránh vật cản” mà nhóm em có

cơ hội tiếp xúc với robot dò line, tự tìm hiểu và nghiên cứu từ đó hiểu được thêm về robot dò line, tiếp thu được những kiến thức về robot dò line, cũng như

là về lĩnh vực Robotics, giúp nhóm sinh viên chúng em biết được cách chế tạo

và làm nên robot dò line, biết được cách lập trình để vận hành robot, hiểu thêm

về ứng dụng của robot dò line đối với các lĩnh vực, ngành nghề khác nhau, hiểu thêm về các linh kiện điện tử và công dụng của các linh kiện điện tử và giúp chúng em có thêm kiến thức, thêm hiểu biết về bo mạch arduino, lập trình, viết code adruino,…Đây sẽ là những kiến thức, kinh nghiệm quý báo đối với bản thân mỗi người chúng em trên con đường đại học, nó sẽ là nền móng giúp ích cho em trong công việc sau khi ra trường đi làm,…

Robot dò line, hay lĩnh vực Robotics là lĩnh vực có tiềm năng rất lớn trong tương lai gần và xa đối với đất nước chúng ta, nên đề tài về robot dò line sẽ có ảnh hưởng rất lớn đến sự phát triển của đất nước trong tương lai Vì vậy cần chú tâm đầu tư vào những đề tài như thế nào, nếu có thể phát triển đề tài này thành một môn học, mở lớp đào tạo chuyên sâu về đề tài robot dò line để cho các em học sinh cũng như sinh viên , những người muốn hiểu thêm về robot dò line học hỏi và nghiên cứu, tìm hiểu và tiếp thu được những kiến thức, kinh nghiệm về robot dò line Từ đó góp phần làm cho lĩnh vực robot dò line cũng như là lĩnh vực Robotics sẽ phát triển mạnh mẽ trong tương lai, được áp dụng rộng rãi vào các lĩnh vực khác nhau của đất nước chúng ta

Chương 2: CƠ SỞ VÀ LÝ THUYẾT NGHIÊN CỨU

2.1 Thiết kế tổng quan:

2.1.1 Vật liệu – linh kiện:

1x Board điều khiển Arduino Uno R3

1x Modul điều khiển L298

3x Cảm biến hồng ngoại

1x Đế test board

1x Đế lắp pin

3x Pin Lithium 18650 3.7V

1x Khung xe 4 bánh

4x Giảm tốc V1

1x Công tắc

2.1.2 Phương án thiết kế:

Xe vận hành có 4 bánh, 4 bánh chủ động.

Xe dẫn động bằng 4 động cơ 

Xe có hiển thị trạng LED (báo nguồn, động cơ, ) tương ứng với trạng thái xe Phần điều khiển chuyển động chọn 2 mạch cầu H được tích hợp sẵn trong L298 Phần dò đường dùng 2 cặp cảm biến (1 led phát hồng ngoại và 1 quang trở) 2.1.3 Chi tiết thiết kế:

So do khoi do duong

Khối nguồn:

Khối nguồn 5VDC có chức năng cấp nguồn 5V cho các khối có thể hoạt động được

Khối cấp nguồn 12 VDC có chức năng cấp nguồn 12V cho khối điều khiển động cơ có thể hoạt động được

Khối cảm biến:

Gồm đèn led và quang trở 

Khi Led phát tín hiệu khi có tín phản lại thì quang trở sẽ thay đổi điện trở nó phát tín hiệu vào để so sánh rồi đưa vào vi điều khiển để vi điều khiển xử lý rồi đưa ra tín hiệu để phát lệnh điều khiển động cơ

Hình 9

Cảm biến siêu âm: được sử dụng để đo khoảng cách từ cảm biến đến một vật thể Sử dụng sóng siêu âm để phát ra tín hiệu, sau đó đo thời gian mà tín hiệu đó phản xạ từ vật thể và quay trở lại cảm biến Dựa vào thời gian này, ta có thể tính được khoảng cách từ cảm biến đến vật thể

Hình 10

Khối động cơ:

Dẫn động bánh xe giúp xe di chuyển

Hình 11

Khối điều khiển:

Khối điều khiển trung tâm: Sử dụng Arduino UNO R3, nhận tín hiệu từ khối so sánh rồi tính toán để xác định trạng thái robot đang di chuyển và xuất ra tín hiệu xung chuyển qua khối điều khiển động cơ

Khối điều khiển động cơ: Sử dụng module L298 để nhận tín hiệu từ khối điều khiển trung tâm rồi xử lí tín hiệu để điều hướng xe di chuyển đúng

Khối so sánh:

- Mạch gồm hai phần mạch ngõ vào là mộtː khuếch đại thuật toán có hệ sốkhuếch lớn, và mạch ngõ ra thông dụng của các mạch logic

- Mức điện áp đầu ra so sánh được nhận biết bằng led ở đầu ra so sánh, nếu gặp vạch trắng, mức điện áp ra là 0V, đèn sáng và nếu gặp vạch đen, mức điện áp ra

là 5V, đèn tắt

2.2 Các bước lắp ráp xe dò line

Bước 1: Gắn động cơ lên khung xe

Bước 2: Cố định cảm biến vật cản hồng ngoại.

Để có thể cố định cảm biến vật cản hồng ngoại khi di chuyển các bạn có thể dùng xốp hoặc một vật liệu bất kỳ để làm một giá đỡ và khoét thêm một lỗ để

cố định

Bước 3: Cố định board mạch Arduino Uno R3

Trên khung xe, dùng keo cố định board Arduino Uno R3

Bước 4: Lắp đặt Shield Motor L298 và đấu nối động cơ 

Cắm Shield Motor L298 vào Arduino Uno R3, chú ý chiều của board mạch Lắp đặt theo số thứ tự mình đánh dấu trên mỗi động cơ, cần đấu tương ứng với các vị trí M1, M2, M3, M4 có trên mạch

Bước 5: Tiến hành lắp đặt cảm biến vật cản hồng ngoại

Tiếp hành lắp cảm biến vào đúng vị trí trên khung và kết nối với chân A0, A1 trên Shield Motor L298

Bước 6: Tiến hành đấu dây kết nối các mạch