Đề tài hướng đến việc xây dựng một mô hình robot hút bụi có khả năng hoạt động cơ bản, phù hợp với các điều kiện sử dụng thông thường và góp phần vào việc nghiên cứu, ứng dụng công nghệ
TỔNG QUAN VỀ ĐỀ TÀI
Giới thiệu chương
Chương này cung cấp cái nhìn tổng quan về thiết kế và chế tạo robot hút bụi, bao gồm lý do thực hiện, mục tiêu nghiên cứu, đối tượng và quy trình triển khai Đề tài tập trung vào việc phát triển một mô hình robot hút bụi với khả năng hoạt động cơ bản, phù hợp với các điều kiện sử dụng thông thường, đồng thời góp phần vào nghiên cứu và ứng dụng công nghệ robot tự động trong thực tiễn Sơ đồ khối hệ thống cũng được đề xuất để minh họa cho quá trình thiết kế.
Tổng quan về robot hút bụi
Robot hút bụi tự động là thiết bị công nghệ thông minh giúp làm sạch bụi trên sàn nhà một cách tự động Với thiết kế nhỏ gọn và hiện đại, chúng có khả năng di chuyển và hoạt động hiệu quả trên nhiều bề mặt như gạch, gỗ và sân nhà cứng Các robot này sử dụng cảm biến để phát hiện và tránh va chạm với các vật dụng trong phòng như ghế, bàn và cột.
Robot hút bụi hoạt động bằng cách di chuyển linh hoạt để tránh các vật cản, đồng thời thực hiện nhiệm vụ quét và hút bụi để làm sạch sàn nhà Sau khi hoàn thành công việc, người dùng chỉ cần lấy hộp chứa bụi và rác ra ngoài, sau đó đặt robot trở lại vị trí sạc pin để chuẩn bị cho lần sử dụng tiếp theo.
Robot thường có cấu tạo như sau:
Robot hút bụi lau nhà Ecovacs T20 Omni là một trong những sản phẩm phổ biến trên thị trường Hình 1.1 minh họa cấu tạo cơ bản của robot này, với các thành phần được thiết kế tối ưu để đảm bảo khả năng di chuyển linh hoạt, làm sạch hiệu quả và hoạt động bền bỉ.
1.2.3 Các robot hút bụi hiện có trên thị trường
Dreame D9 Pro nổi bật với công nghệ hút mạnh mẽ, hệ thống điều hướng thông minh, thời gian sử dụng pin dài, hệ thống lọc hiệu quả, khả năng sạc tự động và ứng dụng điều khiển từ xa tiện lợi.
Hình 1.2 Robot hút bụi lau sàn Dreame D9 Pro
Robot hút bụi và lau nhà AIVI là sản phẩm tiên tiến, với khả năng lau chùi và hút bụi đồng thời Thiết bị này có thể được điều khiển từ xa và hoạt động thông minh trên nhiều tầng, mang lại hiệu quả tối ưu cho việc dọn dẹp nhà cửa.
Hình 1.3 Robot hút bụi lau sàn Ecovacs
Roborock S5 Max sử dụng cảm biến laser để di chuyển, mang lại khả năng lập bản đồ nhà hiệu quả, đảm bảo an toàn tối ưu trong quá trình sử dụng.
Hình 1.4 Roborock S5 Max Bảng thông số của 3 sản phẩm trên
Bảng 1.1 Bảng thông số của 3 sản phẩm
Bảng 1.1 trình bày sự so sánh giữa ba mẫu robot hút bụi: Dreame D9 Pro, Ecovacs Deebot Ozmo T8 AIVI và Roborock S5 Max Mỗi sản phẩm mang đến những ưu điểm riêng về kích thước, dung lượng pin, lực hút và khả năng làm sạch, giúp người dùng dễ dàng lựa chọn sản phẩm phù hợp với nhu cầu của mình.
1.2.4 Ưu điểm và nhược điểm của robot hút bụi Ưu điểm:
- Tự động và tiện lợi
- Linh hoạt và di chuyển dễ dàng
- Hút sạch và hiệu quả
- Robot hút bụi chưa được cải tiến để có thể hút được bụi trên các mặt phẳng gồ ghề và hút bụi ở các bậc cầu thang
- Dung tích hộp chứa bụi còn nhỏ
- Các góc khuất robot vệ sinh không sạch
- Hoạt động kém hiệu quả khi sản bừa bộn
- Thời gian làm sạch lâu
- Giá thành khác cao so với các thiết bị gia dụng làm sạch khác.
Mục tiêu nghiên cứu
Mô hình robot hút bụi được thiết kế và chế tạo nhằm đáp ứng các yêu cầu như khả năng hút các mảnh giấy vụn và bụi thô, tự động tránh các vật cản, cùng với cơ chế hoạt động ổn định.
Đối tượng nghiên cứu
Phương pháp nghiên cứu
Nghiên cứu cơ chế hoạt động của máy hút bụi giúp thiết kế và chế tạo mô hình robot hút bụi hiệu quả Bên cạnh đó, lập trình cho robot để nó có khả năng tự động tránh vật cản là yếu tố quan trọng, đảm bảo tính năng hoạt động tối ưu và an toàn trong quá trình dọn dẹp.
Trình tự công việc tiến hành
Bước 1: Tìm hiểu và nghiên cứu về robot hút bụi tự động, các công nghệ và các đồ ản trước đây
Bước 2: Xác định mục tiêu cụ thể cho đề tài
Bước 3: Thiết kế cơ khí
Bước 4: Thiết kế phần cứng và phần mềm
Bước 5: Thực nghiệm và đánh giá
Bước 7: Báo cáo và thuyết trình.
Sơ đồ khối hệ thống
Hình 1.5 Sơ đồ khối hệ thống
Hệ thống robot hút bụi được mô tả qua sơ đồ khối trong Hình 1.5, với mỗi khối đảm nhận nhiệm vụ cụ thể nhằm đảm bảo hoạt động hiệu quả của toàn bộ hệ thống.
Nhiệm vụ: Tiếp nhận và xử lý các tín hiệu từ khối cảm biến, sau đó đưa ra tín hiệu điều khiển cho khối chấp hành
Thành phần chính: Arduino Mega 2560 Pro (Embed), ngoài ra còn có thể kết hợp với ESP32
Nhiệm vụ: Thu thập thông tin về môi trường xung quanh, phát hiện vật cản và hỗ trợ robot định hướng
- Cảm biến siêu âm: Đo khoảng cách từ robot đến vật cản
- Cảm biến hồng ngoại: Phát hiện vật cản ở khoảng cách gần
- Cảm biến la bàn số: Giúp robot định hướng chính xác
- Động cơ servo: Hỗ trợ quay góc cảm biến siêu âm để mở rộng góc qué
Nhiệm vụ: Thực hiện các tác vụ vận hành chính của robot hút bụi dựa trên tín hiệu điều khiển từ khối xử lý
Thành phần chính: Mạch điều khiển động cơ, 4 động cơ DC giảm tốc, 1 động cơ hút bụi, và 2 động cơ chổi quét
Nhiệm vụ: Cung cấp năng lượng cho toàn bộ hệ thống, đảm bảo robot hoạt động ổn định và liên tục.
Kết luận chương
Chương 1 đã giới thiệu tổng quan về đề tài thiết kế và chế tạo robot hút bụi, từ đặc điểm, cấu tạo đến các công nghệ hiện có Đồng thời, chương này đã trình bày mục tiêu nghiên cứu, phương pháp tiếp cận và sơ đồ khối hệ thống, làm tiền đề cho việc thiết kế và triển khai robot trong các chương tiếp theo
THIẾT KẾ TÍNH TOÁN
Giới thiệu chương
Nhiệm vụ của chương này nhằm thiết kế, tính toán lần lượt từng khối của robot hút bụi Nội dung nghiên cứu sẽ bao gồm các phần
Thiết kế cơ khí
Nhóm nghiên cứu đã quyết định thiết kế phần đế của robot theo hình tròn với bán kính 20 cm, nhằm đảm bảo khả năng di chuyển linh hoạt trong các không gian hẹp Chiều cao của robot sẽ được điều chỉnh tùy theo từng tầng thiết kế.
Nhóm đặt mục tiêu chế tạo robot hút bụi có tải trọng khoảng 3kg, do đó việc lựa chọn vật liệu rất quan trọng Các vật liệu cần đáp ứng tiêu chí nhẹ, bền, đẹp và giá thành hợp lý để đảm bảo robot hoạt động hiệu quả trong việc hút bụi Đề xuất sử dụng các vật liệu như gỗ, mica và bìa cứng.
Thử nghiệm vật liệu gỗ
Nhóm đã quyết định sử dụng gỗ làm phần đế cho robot hút bụi vì tính bền chắc và dễ gia công Tuy nhiên, sau khi thử nghiệm thực tế, họ nhận thấy gỗ quá nặng, ảnh hưởng đến hiệu suất của động cơ giảm tốc và bánh xe, không phù hợp với yêu cầu thiết kế Do đó, nhóm đã quyết định không tiếp tục sử dụng gỗ cho sản phẩm.
Hình 2.1 Phần đế robot thi công bằng vật liệu gỗ
Thử nghiệm vật liệu mica
Sau khi loại bỏ gỗ, nhóm đã thử nghiệm tấm mica làm đế, nhờ vào những ưu điểm như trọng lượng nhẹ, độ bền cao và khả năng gia công dễ dàng Tuy nhiên, trong quá trình áp dụng thực tế, mica cũng bộc lộ một số nhược điểm, khiến nó không phải là lựa chọn tối ưu cho sản phẩm.
- Chi phí cao: Giá thành của mica không phù hợp với mục tiêu tối ưu hóa chi phí của nhóm
Mica, mặc dù dễ dàng trong việc cắt gọt, nhưng vẫn gặp phải những hạn chế khi gia công linh hoạt, đặc biệt là trong việc chế tạo các bộ phận phức tạp hoặc khi cần thay đổi thiết kế nhiều lần.
- Khả năng thay thế: Trong giai đoạn thử nghiệm, nhóm cần một vật liệu rẻ hơn và dễ thay thế khi cần chỉnh sửa
Từ những hạn chế trên, nhóm quyết định không sử dụng mica làm vật liệu chính
Hình 2.2 Phần đế robot thi công bằng vật liệu mica
Lựa chọn vật liệu bìa cứng
Nhóm đã quyết định sử dụng bìa cứng làm đế cho robot, vì vật liệu này phù hợp với yêu cầu trong giai đoạn phát triển nguyên mẫu nhờ vào những ưu điểm vượt trội của nó.
- Trọng lượng nhẹ: Giảm tải cho động cơ và bánh xe, phù hợp với yêu cầu thiết kế
- Chi phí thấp: Tiết kiệm chi phí cho giai đoạn thử nghiệm và phát triển ban đầu
- Dễ gia công: Bìa cứng dễ dàng cắt, ghép và điều chỉnh, tạo điều kiện thuận lợi cho việc thay đổi và hoàn thiện thiết kế
Sau quá trình thử nghiệm và phân tích, nhóm quyết định sử dụng bìa cứng làm vật liệu chính cho phần đế và một số thành phần khác của robot Bìa cứng mang lại sự nhẹ nhàng, bền bỉ và thẩm mỹ, đồng thời giúp tiết kiệm chi phí và dễ gia công Đây là lựa chọn lý tưởng để đảm bảo tính khả thi cho dự án chế tạo robot hút bụi của nhóm.
Thiết kế khối xử lý
2.3.1 Vi điều khiển ESP32 DEVKIT
ESP32 là một dòng vi điều khiển giá rẻ, tiết kiệm năng lượng, tích hợp WiFi và Bluetooth dual-mode Sản phẩm này sử dụng bộ vi xử lý Tensilica Xtensa LX6, mang lại hiệu suất cao cho các ứng dụng IoT.
Bài viết đề cập đến hai biến thể lõi kép và lõi đơn, bao gồm các thành phần quan trọng như công tắc antenna tích hợp, RF balun, bộ khuếch đại công suất, bộ khuếch đại thu nhiễu thấp, bộ lọc và module quản lý năng lượng.
ESP32, sản phẩm của công ty Espressif Systems có trụ sở tại Thượng Hải, Trung Quốc, được sản xuất bởi TSMC với công nghệ 40 nm Đây là phiên bản nâng cấp của vi điều khiển ESP8266.
Bộ vi xử lý Xtensa 32-bit LX6, có tùy chọn lõi kép hoặc lõi đơn, hoạt động với tần số 240 MHz, trong khi các phiên bản ESP32-S0WD và ESP32-U4WDH hoạt động ở 160 MHz Bộ vi xử lý này có khả năng đạt tối đa 600 MIPS, nhưng với các phiên bản ESP32-S0WD và ESP32-U4WDH, hiệu suất tối đa là 200 MIPS.
Bộ đồng xử lý công suất cực thấp (ULP) giúp đọc ADC và các thiết bị ngoại vi khi bộ xử lý chính chuyển sang chế độ ngủ sâu.
- Hệ thống xung nhịp: CPU Clock, RTC Clock và Audio PLL Clock
- Hỗ trợ hai giao tiếp không dây:
Bluetooth: v4.2 BR/EDR and BLE
- Hỗ trợ tất cả các loại giao tiếp:
Bộ chuyển đổi số - tương tự (Digital-to-Analog Converter – DAC)
Bộ chuyển đổi tương tự - số (Analog-to-Digital Converter – ADC)
SD card /SDIO/MMC host
Ethernet MAC interface with dedicated DMA and IEEE 1588 support
- Cảm biến tích hợp trên ESP 32:
1 cảm biến Hall (cảm biến từ trường)
1 cảm biến đo nhiệt độ
Cảm biến chạm (điện dung) với 10 đầu vào khác nhau
Hỗ trợ tất cả các tính năng bảo mật chuẩn IEEE 802.11, bao gồm WFA, WPA/WPA2 và WAPI
Secure boot (khởi động an toàn)
1024-bit OTP, lên đến 768-bit cho khách hàng
Tăng tốc mã hóa phần cứng: AES, SHA-2, RSA, elliptic curve cryptography – ECC, random number generator – RNG
2.3.2 Vi điều khiển Arduino Mega 2560 Pro Embed:
Arduino Mega 2560 Pro (Embed) là phiên bản thu nhỏ của Arduino Mega 2560, sử dụng vi điều khiển ATmega2560-16AU, thạch anh 16MHz và bootloader giống nhau Mạch này có chức năng, số chân GPIO và cách sử dụng tương tự như Arduino Mega 2560.
Mega 2560 là mạch lý tưởng cho các dự án sử dụng Arduino Mega 2560, được thiết kế nhỏ gọn và tiện lợi Mạch này nổi bật với chất lượng gia công tốt, độ bền cao và tính ổn định vượt trội, đáp ứng nhu cầu của người dùng trong nhiều ứng dụng khác nhau.
Hình 2.3 Arduino Mega 2560 Pro Embed
- IC nạp và giao tiếp UART CH340G tương thích với tất cả các hệ điều hành Windows, Mac, Linux,
- Vi điều khiển chính: ATmega2560
- Tốc độ thạch anh: 16Mhz
- Nguồn nuôi mạch: 5VDC từ cổng Micro USB, nguồn ngoài từ chân Vin từ 6~9VDC
- Dòng đầu ra chân 5VDC khi cấp nguồn từ:
- Tích hợp IC chuyển nguồn 3.3VDC 800mA
- Số chân Digital: 54 (hỗ trợ 15 chân PWM)
- Dòng ra tối đa trên GPIO: 20mA
- Dung lượng bộ nhớ Flash: 256 KB, 8 KB used by bootloader
Thiết kế khối cảm biến
Bao gồm 1 cảm biến hồng ngoại, 2 cảm biến siêu âm, 2 động cơ servo và 1 cảm biến la bàn số
2.4.1 Cảm biến siêu âm HC-SR04
Nhiệm vụ chính của robot là xác định khoảng cách từ vật cản đến nó và chuyển đổi tín hiệu thành tín hiệu điện Hiện nay, có nhiều phương pháp để đo khoảng cách, bao gồm cảm biến siêu âm, laser và quang trở.
Cảm biến siêu âm HC-SR04 là một thiết bị phổ biến để đo khoảng cách nhờ vào tính năng RẺ và ĐỘ CHÍNH XÁC Thiết bị này sử dụng sóng siêu âm để đo khoảng cách trong khoảng từ 2 đến 300cm, và độ chính xác của nó chủ yếu phụ thuộc vào cách lập trình.
Hình 2.4 Cảm biến siêu âm HC-SR04
VCC (5V), trig (chân điều khiển phát), echo (chân nhận tín hiệu phản hồi), GND (nối đất)
Cảm biến siêu âm SR04 hoạt động dựa trên nguyên lý phản xạ sóng siêu âm, bao gồm hai module: một module phát sóng siêu âm và một module thu sóng phản xạ Khi cảm biến phát ra sóng siêu âm với tần số 40kHz, nếu có chướng ngại vật, sóng sẽ phản xạ trở lại và được module thu nhận Bằng cách đo thời gian từ khi phát đến khi nhận sóng, cảm biến có thể xác định khoảng cách giữa nó và chướng ngại vật.
Khoảng cách = (thời gian * vận tốc âm thanh (340 m/s) / 2
Hình 2.5 Cảm biến vật cản hồng ngoại
Cảm biến vật cản hồng ngoại là thiết bị linh hoạt, bao gồm một cặp phát và nhận tia hồng ngoại Khi tia hồng ngoại được phát ra và gặp vật cản, nó sẽ phản xạ trở lại vào đèn thu hồng ngoại Sau khi tiến hành so sánh, đèn màu xanh sẽ sáng lên và đồng thời phát tín hiệu số đầu ra ở mức thấp.
Khoảng cách làm việc hiệu quả của cảm biến vật cản hồng ngoại là từ 2 đến 5 cm, với điện áp hoạt động từ 3.3V đến 5V Độ nhạy sáng của cảm biến có thể được điều chỉnh thông qua chiết áp, giúp cho việc lắp ráp và sử dụng trở nên dễ dàng hơn.
Có thể được sử dụng rộng rãi trong robot tránh chướng ngại vật, xe tránh chướng ngại vật và dò đường…
- Bộ so sánh sử dụng LM393, làm việc ổn định
- Điện áp làm việc: 3.3𝑉– 5𝑉 DC
- Khi bật nguồn, đèn báo nguồn màu đỏ sáng
- Lỗ vít 3 mm, dễ dàng cố định, lắp đặt
Các mô-đun đã được so sánh điện áp ngưỡng thông qua chiết áp Khi sử dụng ở chế độ thông thường, người dùng không nên tự ý điều chỉnh chiết áp để đảm bảo hiệu suất hoạt động ổn định.
2.4.3 Động cơ servo SG90 Động cơ servo SG90 có kích thước nhỏ, là loại được sử dụng nhiều nhất để làm các mô hình nhỏ hoặc các cơ cấu kéo không cần đến lực nặng Động cơ servo SG90 180 độ có tốc độ phản ứng nhanh, các bánh răng được làm bằng nhựa nên cần lưu ý khi nâng tải nặng vì có thể làm hư bánh răng, động cơ RC Servo 9G có tích hợp sẵn Driver điều khiển động cơ bên trong nên có thể dễ dàng điều khiển góc quay bằng phương pháp điều độ rộng xung PWM
Hình 2.6 Động cơ servo SG90
- Điện áp hoạt động: 4.8-5VDC
- Tốc độ: 0.12 sec/60 deg (4.8VDC)
Phương pháp điều khiển PWM:
- Độ rộng xung 0.5𝑚𝑠~2.5𝑚𝑠 tương ứng 0-180 độ
- Tần số 50Hz, chu kỳ 20ms
2.4.4 Cảm biến la bàn số GY-521 6DOF IMU MPU6050
Hình 2.7 Cảm biến GY-521 6DOF IMU MPU6050
Cảm biến GY-521 6DOF IMU MPU6050 là thiết bị lý tưởng để đo 6 thông số quan trọng, bao gồm 3 trục góc quay (Gyro) và 3 trục gia tốc hướng (Accelerometer) Đây là loại cảm biến gia tốc phổ biến nhất hiện nay với nhiều ví dụ và mã code hỗ trợ, tương thích với hầu hết các loại vi điều khiển Nếu bạn đang tìm kiếm một cảm biến gia tốc để phát triển các mô hình như con lắc động, xe tự cân bằng hay máy bay, MPU6050 sẽ là sự lựa chọn tối ưu cho dự án của bạn.
- Điện áp sử dụng: 3~5VDC
- Điện áp giao tiếp: 3~5VDC
- Giá trị Gyroscopes trong khoảng: +/- 250 500 1000 2000 degree/sec
- Giá trị Acceleration trong khoảng: +/- 2g, +/- 4g, +/- 8g, +/- 16g
- Board mạch mạ vàng, linh kiện hàn tự động bằng máy chất lượng tốt nhất.
Thiết kế khối chấp hành
Bao gồm mạch điều khiển động cơ, 4 động cơ DC giảm tốc kèm bánh xe, 1 động cơ hút bụi và 2 động cơ chổi quét
2.5.1 Mạch điều khiển động cơ L293D
IC L293D là một bộ điều khiển động cơ với hai mạch cầu H tích hợp, cho phép điều khiển đồng thời hai động cơ DC theo cả chiều kim đồng hồ và ngược chiều kim đồng hồ Nó hoạt động như một bộ khuếch đại dòng cao, biến tín hiệu dòng điện thấp ở đầu vào thành tín hiệu dòng điện cao hơn ở đầu ra để điều khiển các tải như động cơ bước và động cơ DC L293D có nhiều tính năng nổi bật như phạm vi điện áp nguồn đầu vào lớn, tín hiệu đầu vào chống nhiễu cao và dòng điện đầu ra lớn Các ứng dụng thực tế phổ biến của L293D bao gồm trình điều khiển động cơ bước, trình điều khiển relay và trình điều khiển động cơ DC.
- Có thể được sử dụng để chạy hai động cơ DC với cùng một IC
- Có thể kiểm soát tốc độ và hướng
- Điện áp động cơ Vcc2 (Vs): 4,5V đến 36V
- Dòng động cơ cao nhất tối đa: 1.2A
- Dòng động cơ liên tục tối đa: 600mA
- Điện áp cung cấp cho Vcc1 (vss): 4,5V đến 7V
- Thời gian chuyển tiếp: 300ns (ở 5V và 24V)
2.5.2 Động cơ DC giảm tốc kèm bánh xe
Hình 2.9 Động cơ DC giảm tốc V1 Dual Shaft Plastic Geared TT Motor + bánh xe
Cặp động cơ DC giảm tốc V1 Dual Shaft Plastic Geared TT Motor kết hợp với bánh xe là lựa chọn phổ biến cho các thiết kế khung robot, xe và thuyền Động cơ này nổi bật với chất lượng tốt, giá cả hợp lý và khả năng lắp ráp dễ dàng, mang lại sự tiết kiệm chi phí và tiện lợi cho người sử dụng.
- Điện áp hoạt động: 3~9VDC
- Dòng điện tiêu thụ: 110~140mA
- Kèm bánh xe đường kính 65mm
Động cơ 775 12VDC 10000rpm với 1 ổ bi phía trước và 1 ổ bi phía sau là lựa chọn lý tưởng cho nhiều ứng dụng như chế tạo robot, mô hình học tập, và các loại máy khoan mini cầm tay Nó có thể được sử dụng để khoan mạch điện tử, làm máy mài mini, cắt gỗ, cắt sắt và nhiều thiết bị khác Đặc biệt, động cơ này còn phù hợp cho việc chế tạo máy bơm nước mini, máy hút bụi, và máy thổi bụi Sản phẩm hoạt động hiệu quả với điện áp từ 12-24VDC.
- Dòng điện rôto bị khóa: 2.6A
- Tốc độ sản phẩm: khoảng 10000 vòng / phút (12V), 20000 vòng / phút (24V)
- Đường kính động cơ: 44mm
- Chiều dài động cơ: 67mm (không có trục)
- Đường kính trục của trục: 5mm
- Chiều dài trục động cơ: 16mm
- Trọng lượng sản phẩm: khoảng 350 gram
Hình 2.11 Động Cơ Mini 5V Thông số kỹ thuật:
- Kích thước Động cơ: 20x28x15MM
- Động cơ chạy ổn định ở 3V
Thiết kế khối nguồn
Hình 2.12 Mạch sạc pin 3 cell 18650
Nguồn sử dụng pin cell Ưu điểm:
- Đáp ứng được yêu cầu về bộ nguồn của robot tránh vật cản
- Có khối lượng và kích thước nhỏ
- Điện áp chuẩn 3.7V dung lượng từ 1800mAH - 2600mAH
- Có nội trở nhỏ nên cho dòng phóng điện lớn, là loại pin có lần cho phép sạc xả nhiều nhất (lên tới 1000 lần)
- Dòng phóng điện khá lớn nên được sử dụng phổ biến cho điện thoại di động, Laptop, máy ảnh, camera
- Dòng điện rò rỉ khá nhiều (pin không dùng tới nhưng điện vẫn bị mất)
- Pin bị suy giảm tuổi thọ nhanh chóng nếu sạc pin với dòng sạc nhỏ hoặc dùng pin chưa xài cạn đã sạc
Chương này đã hoàn tất việc lựa chọn và thiết kế từng khối cho robot hút bụi, với các khối được phát triển dựa trên tính toán và thử nghiệm Điều này đảm bảo hiệu quả hoạt động, chi phí hợp lý và tính khả thi trong quá trình triển khai thực tế.
THI CÔNG VÀ ĐÁNH GIÁ
Thi công khối vi xử lý
Khối vi xử lý là trung tâm điều khiển của hệ thống robot, nhận tín hiệu đầu vào từ các cảm biến như cảm biến siêu âm, cảm biến dòng điện và cảm biến gia tốc, cùng với tín hiệu điều khiển từ người dùng (nếu có) Từ đó, nó phát tín hiệu đầu ra để điều khiển các khối chấp hành như động cơ bánh xe, động cơ hút bụi và hệ thống hiển thị thông tin pin.
Hình 3.1 Sơ đồ nguyên lý khối vi xử lý.
Thi công khối cảm biến
Khối cảm biến của robot bao gồm cảm biến siêu âm, cảm biến dòng điện và cảm biến gia tốc, giúp nhận diện môi trường xung quanh, đo lường mức năng lượng tiêu thụ và phát hiện các chuyển động bất thường.
Hình 3.2 Sơ đồ nguyên lý khối cảm biến
Thi công khối chấp hành
3.5.1 Thi công khối điều khiển động cơ bánh xe
Khối điều khiển động cơ sử dụng hai IC L293D cho phép điều khiển độc lập bốn động cơ bánh xe Mỗi IC đảm nhận hai động cơ với các ngõ vào điều khiển và ngõ ra được thiết kế riêng biệt, giúp robot di chuyển linh hoạt.
Hình 3.3 Sơ đồ nguyên lý khối điều khiển động cơ
Khối điều khiển là thành phần quan trọng trong việc điều khiển chuyển động của robot, nhận tín hiệu điều khiển từ vi điều khiển qua các chân IN1-IN4 và EN1-EN2 của IC L293D Sau khi xử lý, tín hiệu được chuyển đến bốn động cơ bánh xe có hộp số giảm tốc thông qua các cổng OUT1-OUT4 nối với header HD1-HD4.
3.5.2 Thi công khối điều khiển động cơ hút bụi và chổi quét
Khối điều khiển của robot chịu trách nhiệm vận hành hệ thống hút bụi và chổi quét Tín hiệu từ vi điều khiển điều khiển động cơ quạt hút bụi và hai động cơ chổi phụ, cho phép điều chỉnh tốc độ quay của quạt và chổi một cách độc lập, từ đó tối ưu hóa hiệu quả làm sạch.
Hình 3.4 Sơ đồ nguyên lý khối điều khiển quạt hút bụi và 2 chổi phụ
Khối nguồn đóng vai trò quan trọng trong việc cung cấp năng lượng ổn định cho hệ thống robot Quy trình thiết kế và thi công khối nguồn được thực hiện qua các bước cụ thể.
Thiết kế sơ đồ nguyên lý
Sử dụng IC ổn áp như LM7805 và LM7809 giúp tạo ra các mức điện áp phù hợp cho các khối khác nhau, với 5V dành cho vi điều khiển và cảm biến, trong khi 9V hoặc 12V được sử dụng cho động cơ Bên cạnh đó, việc tích hợp mạch bảo vệ quá dòng và quá áp sẽ tăng cường độ bền cho hệ thống.
Chọn nguồn năng lượng chính
Pin Lithium-ion 18650 được chọn làm nguồn năng lượng do ưu điểm dung lượng cao, trọng lượng nhẹ và khả năng sạc lại
Các linh kiện được hàn lên bo mạch in (PCB) theo sơ đồ nguyên lý
Các kết nối giữa mạch nguồn và các khối khác được kiểm tra kỹ lưỡng để đảm bảo cấp nguồn chính xác và ổn định
Kiểm tra và đánh giá
Dùng đồng hồ đo để kiểm tra các mức điện áp đầu ra
Kết nối thực tế với các khối hệ thống và kiểm tra hiệu suất hoạt động của khối nguồn
Hình 3.5 Sơ đồ nguyên lý khối nguồn
3.7 Thi công mạch in toàn mạch
Mạch in toàn mạch đóng vai trò kết nối các khối của hệ thống robot thành một thể thống nhất Quy trình thi công được thực hiện như sau:
Thiết kế sơ đồ nguyên lý và bố trí linh kiện trên PCB
Sử dụng phần mềm thiết kế mạch (như Altium Designer hoặc Proteus) để tạo sơ đồ nguyên lý và bố trí linh kiện trên mạch in
Các đường mạch được tối ưu hóa để giảm nhiễu và đảm bảo truyền tín hiệu chính xác giữa các khối
Sử dụng phương pháp in lưới hoặc máy khắc laser để sản xuất mạch in 2D
Kỹ thuật in 3D được áp dụng để tạo mẫu mạch in hoàn chỉnh, giúp nhóm hình dung cách lắp ráp các linh kiện một cách tối ưu
Lắp ráp và kiểm tra
Hàn linh kiện lên PCB, kiểm tra kết nối và khắc phục lỗi mạch là bước quan trọng Đánh giá hiệu suất tổng thể của mạch in khi tích hợp với toàn bộ hệ thống cũng cần được thực hiện để đảm bảo hoạt động ổn định.
30 Hình 3.6 Sơ đồ nguyên lý của mạch in
Hình 3.9 Hình ảnh bảng mạch sau khi đã khoan và hàn đầy đủ linh kiện
3.8 Kết quả và đánh giá:
Sau khi tiến hành thi công và lắp ráp, nhóm đã đưa được mô hình hút bụi như hình 3.10
Hình 3.10 Mô hình robot hút bụi tự động
Khi nạp code cho robot, nó không hoạt động như mong đợi; cụ thể, robot không thể di chuyển và quạt quét bụi không hiệu quả do chổi quá ngắn so với mặt sàn.
