Báo cáo tiểu luận thiết kế và chế tạo robot tự hành giải mê cung

LỜI CẢM ƠNSau một thời gian nghiên cứu và thực hiện đề tài "Thiết kế và chế tạo robot tự hànhgiải mê cung", chúng em đã hoàn thành và đạt được kết quả như mong muốn.. Đề tài nàygiúp chún

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO

TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ TP HỒ CHÍ MINH

BÁO CÁO TIỂU LUẬN

THIẾT KẾ VÀ CHẾ TẠO ROBOT TỰ HÀNH GIẢI

MÊ CUNG

NGÀNH: KỸ THUẬT ĐIỀU KHIỂN VÀ TỰ ĐỘNG HÓA

GIẢNG VIÊN HƯỚNG DẪN: ThS PHẠM NGUYỄN NHỰT THANH

Sinh viên thực hiện: MSSV: Lớp:

22DTDA122DTDA1

LỜI CẢM ƠN

Sau một thời gian nghiên cứu và thực hiện đề tài "Thiết kế và chế tạo robot tự hànhgiải mê cung", chúng em đã hoàn thành và đạt được kết quả như mong muốn Đề tài nàygiúp chúng em tích lũy thêm nhiều kinh nghiệm trong lĩnh vực điện tử, biết cách lập trình

và điều chỉnh hệ thống PID, cũng như nắm vững quy trình để tạo ra một robot hoàn chỉnh,đồng thời cải thiện kỹ năng tay nghề

Chúng em xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc tới quý Thầy Cô ở Viện Kỹ Thuật,những người đã truyền dạy cho chúng em những kiến thức quý báu trong suốt quá trìnhhọc tập tại trường Đặc biệt, chúng em xin chân thành cảm ơn sự hướng dẫn tận tình củaThầy Phạm Nguyễn Nhựt Thanh, nhờ có Thầy mà nhóm em đã có thể hoàn thành tốt đẹp

đề tài nghiên cứu này

Một lần nữa, chúng em xin gửi lời cảm ơn chân thành đến Thầy Phạm NguyễnNhựt Thanh, người đã trực tiếp hỗ trợ, hướng dẫn nhóm em hoàn thiện bài báo cáo trongsuốt thời gian vừa qua

Trong quá trình thực hiện đồ án, do kiến thức còn hạn chế và thời gian không đủnhiều nên chắc chắn còn nhiều thiếu sót Chúng em mong Thầy có thể đóng góp ý kiến đểnhóm em rút kinh nghiệm và hoàn thiện hơn Xin chân thành cảm ơn Thầy!

MỤC LỤC

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN VỀ ĐỀ TÀI 1

1.1 Lý do chọn đề tài 1

1.2 Mục đích chọn đề tài 1

1.3 Sợ lược các bước thực hiện 2

CHƯƠNG 2 THIẾT KẾ PHẦN CỨNG 3

2.1 Cấu trúc tổng thể 3

2.2 Sơ đồ kết nối và mạch PCB 3

2.3 Danh sách linh kiện 4

CHƯƠNG 3 THIẾT KẾ PHẦN MỀM 6

3.1 Ý tưởng lập trình và lưu đồ giải thuật 6

3.1.1 Ý tưởng lập trình 6

3.2 Lập trình cho cho micromouse 7

3.2.1 Sử dụng ESP32 để lập trình điều khiển 7

3.2.2 Điều khiển động cơ 8

CHƯƠNG 4 TỔNG HỢP HỆ THỐNG 10

4.1 Tổng hợp mô hình 10

4.2 Thực nghiệm hệ thống 11

CHƯƠNG 5 KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN 15

MỤC LỤC HÌNH ẢNH

Hình 2.1: Cấu trúc tổng thể 3

Hình 2.2: Sơ đồ kết nối 3

Hình 2.3: ESP32 Devkit v1 module USB C 4

Hình 2.4: Gá cảm biến 5

Hình 3.1: Hai ví dụ về trường hợp làm cho thuật toán bị giảm chất lượng 6

Hình 3.2: Minh họa cho việc rẽ trái để tìm lại tường 6

Hình 3.3: Chọn board 7

Hình 4.1: Mạch trước khi hàn các chân linh kiện 10

Hình 4.2: Mạch sau khi được hàn linh kiện 10

Hình 4.3: Xe sau khi hoàn thành phần cứng 11

Hình 4.4: Khởi động xe 11

Hình 4.5: Khi gặp vật cản 12

Hình 4.6: Cua góc 180 13

Hình 4.7: Đường cụt và quay đầu 14

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN VỀ ĐỀ TÀI

1.1 Lý do chọn đề tài

Hiện nay, máy tính có thể giải quyết nhiều bài toán phức tạp mà trước đây chưa thể thực hiện được Tuy nhiên, vẫn còn một số bài toán thú vị cần các thuật toán thích hợp Robot ngày càng đạt được nhiều thành tựu lớn trong sản xuất công nghiệp, với khả năng làm việc nhanh, chính xác và liên tục, giúp tăng năng suất lao động Chúng có thể làm việc trong các môi trường độc hại như hàn, phun sơn, các nhà máy hạt nhân hoặc lắp ráp linh kiện điện tử với độ chính xác cao

Robot dò đường mê cung hay robot tự hành nói chung là loại robot có thể tự hoạt động

mà không cần sự can thiệp của con người, nhờ vào cảm biến để nhận biết môi trường xung quanh Robot tự hành ngày càng có vai trò quan trọng trong nhiều lĩnh vực như côngnghiệp, y tế, khoa học và đời sống Chúng có thể hoạt động trong nhiều môi trường khác nhau, từ robot hàn, robot cắt cỏ, đến robot thám hiểm đại dương và vũ trụ Tuy nhiên, thách thức đặt ra cho các nhà nghiên cứu là làm sao để robot tự hành có thể nhận biết môi trường và thực thi nhiệm vụ hiệu quả

1.2 Mục đích chọn đề tài

Mục tiêu của đề tài là thiết kế và điều khiển robot tự hành, có khả năng hoạt động ổnđịnh và tự tìm đường tới vị trí đích trong mê cung Robot dò đường mê cung vừa có nhiềuứng dụng thực tế, vừa là công cụ để sinh viên áp dụng các kiến thức đã học Với cấu trúc

cơ khí đơn giản nhưng có thể tích hợp nhiều thành phần điện tử như ESP32, cảm biến đokhoảng cách bằng laser, và driver TB6612FNG, robot này rất phù hợp cho sinh viênnghiên cứu và học tập về tự động hóa một cách cụ thể

1.3 Sợ lược các bước thực hiện

Trước tiên ta phải chế tạo được khung xe của robot Khung xe phải đảm bảo bền chắc

và đạt độ chính xác nhất định về việc bố trí các bánh xe và động cơ Sau khi đã có xong

mô hình thì việc tiếp theo là chọn vi xử lí, khối óc của robot, cũng như các mạch điện tửcần thiết cho việc điều khiển xe Và cuối cùng là công đoạn lập trình dựa trên những kiếnthức đã học được

- Vi điều khiển: ESP32 Devkit V1 module vi điều khiển 2 core loại 32 bit với

xung nhịp tối đa 240 Mhz

2.2 Sơ đồ kết nối và mạch PCB

Sơ đồ kết nối chân các linh kiện:

Hình 2.2: Sơ đồ kết nối.

2.3 Danh sách linh kiện

Bảng 2.1: Danh sách linh kiện

3 Động cơ Ga12 – N20

hộp số 1:30kèm bánh và gá

Vi điều khiển ESP32 Devkit v1 module USB C:

Hình 2.3: ESP32 Devkit v1 module USB C.

Vi điều khiển ESP32 Dev Kit là một trong những module phổ biến và mạnh mẽ trong

hệ sinh thái của Espressif Systems Được thiết kế dựa trên vi điều khiển ESP32, nó cungcấp một loạt các tính năng và khả năng cho các ứng dụng IoT và nhúng ESP32 Dev Kit

có 30 chân GPIO (General Purpose Input/Output), mang lại sự linh hoạt trong kết nối vàđiều khiển nhiều loại thiết bị khác nhau

Gá cảm biến:

Hình 2.4: Gá cảm biến.

Gá cảm biến giúp đỡ 3 cảm biến hướng về phía trước và 2 bên sao cho chúng hoạt động ổn định, cảm biến hai bên được gắn chếch 45 độ so với cảm biến giữa

3.2 Lập trình cho cho micromouse

3.2.1 Sử dụng ESP32 để lập trình điều khiển

Đối tượng tập trình là ESP32, một vi điều khiển mạnh mẽ trong việc giao tiếp ngoại vi và tốc độ tính toán Môi trường lập trình khuyến nghị là Arduino IDE 2.1.0.

So với phiên bản 1.x trước đó thì phiên bản 2.1.0 có nhiều sự nâng cấp trong trìnhbiên dịch, khả năng lập trình linh hoạt cho nhiều dòng vi điều khiển khác nhau, trong

đó có ESP32 Để lập trình cho ESP32 trên Arduino IDE 2.1.0 thì đầu tiên phải chọn

board như hình và chọn Com port phụ thuộc vào máy tính của mỗi người

Hình 3.7: Chọn board.

3.2.2 Điều khiển động cơ

Hai động cơ trái và phải của megaMouse được kết nối với ngõ ra của mạch điều khiểnđộng cơ 2 cầu H TB6612 Mạch điều khiển TB6612 là mạch điều khiển động cơ cho phépđiều khiển độc lập 2 động cơ DC với tần số điều chế độ rộng xung tối đa 100 kHz MạchTB6612 có 2 ngõ PWMA và PWMB, ta sẽ cho xung PWM từ GPIO của ESP32 vào 2chân này để tay đổi điện áp cấp cho động cơ với nguyên tắc, độ rộng xung càng lớn thìđiện áp ra cho động cơ cũng lớn theo Trong khi các chân DIR1_1, DIR1_2, DIR2_1 vàDIR2_1 sẽ quy định chế độ hoạt động của động cơ là quay thuận, quay nghịch hoặcphanh Điều chế độ rộng xung của ESP32 có lẽ sẽ hơi khác một tí so với các dòngArduino khác

Sử dụng PID để giúp robot bám tường

Đọc giá trị của cảm biến và điều chỉnh sai số thực tế của cảm biến

Các hàm này điều khiển động cơ trái và phải dựa trên giá trị PWM

CHƯƠNG 4 TỔNG HỢP HỆ THỐNG

4.1 Tổng hợp mô hình

Phần mạch PCB

Hình 4.8: Mạch trước khi hàn các chân linh kiện.

Mạch khi được hàn và hoàn thành các linh kiện

Xe khi đã hoàn thành phần cứng

Hình 4.10: Xe sau khi hoàn thành phần cứng.

4.2 Thực nghiệm hệ thống

- Khởi động:

Lúc này xe đang trong trạng thái đọc giá trị cảm biến để xe có thể bắt đầu chạy ta cầnđưa tay gần cảm biến.

Hình 4.13: Cua góc 180.

Hình 4.14: Đường cụt và quay đầu.

CHƯƠNG 5 KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN

5.3 Phương hướng phát triển trong tương lai

Với sự phát triển không ngừng của khoa học kĩ thuật nói chung và lĩnh vực điện tử nóiriêng, thì đề tài này còn có thể nâng cấp thêm tính năng cải thiện mẫu mã để cho ra mộtsản phẩm tốt hơn dể đáp ứng trong công việc học tập và trong cuộc sống

Xu hướng phát triển các sản phẩm của ngành công nghiệp vi mạch điện tử dựa trêntiêu chí đơn giản: nhỏ, nhanh và rẻ hơn Nhờ xu hướng phát triển này nên công nghiệp vimạch điện tử đã phát triển song hành với rất nhiều lĩnh vực khác nhau và có doanh thutrên toàn cầu luôn tăng trong những năm qua

TÀI LIỆU THAM KHẢO

[1] ThS.Nguyễn Thị Ngọc Anh, ThS.Võ Thị Bích Ngọc- Kĩ thuật điện tử

[2] ThS Nguyễn Vạn Quốc, Lập trình PLC, Đại học công nghệ TPHCM, Năm 2019[3] ThS Phạm Quốc Phương, Cảm biến và xử lý tín hiệu đo, Đại học công nghệ TPHCM,Năm 2017

[4] TS Lê Ngọc Bích, Thiết bị và hệ thống tự động, Đại học công nghệ TPHCM, Năm2017

[5] ThS Hoàng Văn Ninh- Kỹ thuật điều khiển và tự động hóa

[6] http://tailieuso.udn.vn/bitstream/TTHL_125/10503/2/DuongQuangDuy.TT.pdf [7] http://tailieuso.udn.vn/bitstream/TTHL_125/10503/2/DuongQuangDuy.TT.pdf [8] https://en.wikipedia.org/wiki/Micromouse