Robot tự hành bám đường

Robot tự hành bám đường

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI

VIỆN ĐIỆN TỬ VIỄN THÔNG

**********************

Đề tài: Robot tự hành bám đường

Giáo viên hướng dẫn: PGS.TS Nguyễn Văn Khang

Lớp: KSTN – ĐTVT – K58

Nhóm 8

Hà Nội 1-2017

LỜI NÓI ĐẦU

Ngày nay, nền khoa học kỹ thuật đang phát triển như vũ bão, rất nhiều các phátminh, sản phẩm công nghệ mới ra đời Các robot tự động đang là xu hướng công nghệtương lai vì sự tiện dụng, khả năng hoạt động chính xác trong các điều khiện khắcnghiệt với con người Một yêu cầu cơ bản của các robot tự động là khả năng hoạt độngtheo chức năng mong muốn mà không cần sự can thiệp của con người trong quá trìnhlàm việc Đây là cơ hội, cũng là thách thức cho các sinh viên kỹ thuật nói chung vàsinh viên trường Đại học Bách Khoa Hà Nội nói riêng Để chuẩn bị kiến thức và kỹnăng cần thiết trong bối cảnh nói trên, môn học Đồ án 2 được đưa vào chương trìnhđào tạo kỹ sư Điện tử viễn thông để cho sinh viên môi trường làm việc sáng tạo, thựchiện các ý tưởng kỹ thuật Trong thời lượng môn học này, dưới sự hướng dẫn vủaPGS.TS Nguyễn Văn Khang, nhóm chúng em thực hiện đề tài Thiết kế xe tự hành bámđường, thực hiện nhiệm vụ di chuyển theo một quỹ đạo định sẵn

Xe tự hành bám đường là một trong những ý tưởng robot cơ bản nhất, có thểđược sử dụng cho mục đích vận tải trong quy mô nhỏ, hoặc kết hợp với các modunkhác để thực hiện các nhiệm vụ phức tạp hơn

Chúng em xin cảm ơn sự hướng dẫn, chia sẻ tận tình của PGS.TS Nguyễn VănKhang giúp chúng em hoàn thành đề tài này Trong thời lượng hạn chế của môn học,với kỹ năng và kinh nghiệm ít ỏi, chúng em không thể tránh khỏi những sai sót, rấtmong được sự góp ý của thầy và các bạn để đề tài được hoàn thiện hơn

Hà Nội, tháng 1 năm 2017

MỤC LỤC

LỜI NÓI ĐẦU 1

MỤC LỤC 2

DANH MỤC HÌNH VẼ, BẢNG BIỂU 3

I Giới thiệu chung 4

II Cơ sở lý thuyết 4

1 Bộ điều khiển PID 4

2 Phương pháp điều xung PWM (Pulse Width Modulation) [1] 6

3 Bộ cảm biến ánh sáng sử dụng LED thu phát 7

III Ý tưởng 8

IV Yêu cầu 8

1 Yêu cầu chức năng 8

2 Yêu cầu phi chức năng 9

V Sơ đồ khối, chức năng các khối 9

2 Sơ đồ khối 9

3 Chức năng các khối 9

VI Thiết kế, lựa chọn linh kiện, thực hiện 10

1 Thiết kế cơ khí 10

2 Thiết kế, lựa chọn linh kiện phần cứng điều khiển 12

3 Thiết kế thuật toán, lập trình điều khiển 21

VII Kết quả 26

1 Robot: 26

2 Kết quả chạy và đánh giá: 26

KẾT LUẬN CHUNG 26

TÀI LIỆU THAM KHẢO 27

PHỤ LỤC 27

DANH MỤC HÌNH VẼ, BẢNG BIỂU

Figure 1 Minh họa bộ điều khiển PID 4

Figure 2 Đồ thị xung PWM 7

Figure 3 Hình ảnh cặp LED thu phát 8

Figure 4 Mô tả hoạt động cảm biến của cặp LED thu phát [2] 8

Figure 5 Sơ đồ khối robot tự hành bám đường 9

Figure 6 Khung cơ khí của robot 12

Figure 7 Sơ đồ nguyên lý khối hạ áp 12

Figure 8 Sơ đồ thiết kế cảm biến 13

Figure 9 Hình ảnh bộ cảm biến dò đường 14

Figure 10 Mô tả cách điều hướng xe tự hành [2] 15

Figure 11 Mô tả cách kết nối L293D 16

Figure 12 Sơ đồ nguyên lý khối điều khiển công suất 17

Figure 13 Sơ đồ nguyên lý khối điều khiển trung tâm 19

Figure 14 Khối tạo dao động 20

Figure 15 Mạch reset 20

Figure 16 Sơ đồ nguyên lý khối hiển thị trạng thái 20

Figure 17 Mạch điều khiển robot 21

Figure 18 Phần cứng hoàn thiện robot tự hành bám đường 21

Figure 19 Lưu đồ thuật toán đọc cảm biến và hiển thị trạng thái 22

Figure 20 Thuật toán điều khiển PID 23

Figure 21 Thuật toán điều khiển động cơ 24

Figure 22 Thuật toán tổng quát cho MCU 25

Table 1 Bảng chọn chi tiết cơ khí cho robot 11

I Giới thiệu chung

Robot đã và đang xuất hiện trong cuộc sống của chúng ta từ lâu và ngày càng trởthành một phần không thể thiếu trong cuộc sống hiện đại Chúng đã góp phần mìnhvào công cuộc lao động, chính robot đang làm nên một cuộc cách mạng về lao động,khoa học, và đang phục vụ đắc lực cho các ngành khoa học như: Khoa học quân sự,khoa học giáo dục, các ngành dịch vụ, giải trí

Trong đề tài này, nhóm em sẽ thực hiện thiết kế một robot tự hành bám đường từcác bước đầu tiên như đưa ra yêu cầu chức năng, phi chức năng… cho tới bước đưa rasản phẩm mẫu hoàn chỉnh

II Cơ sở lý thuyết

1 Bộ điều khiển PID

PID là cách viết tắt của các từ Proportional (tỉ lệ), Integral (tích phân),Differential (đạo hàm) PID là phương pháp xuất hiện từ sớm nhưng vẫn được sửdụng phổ biến trong các ứng dụng điều khiển tự động Để hiểu về bản chất củagiải thuật điều khiển PID, xét ví dụ điều khiển vị trí của một xe sử dụng động cơ

DC trên đường thẳng, động cơ sinh ra lực để đẩy xe chạy tới hoặc lui trên đườngthẳng như hình dưới

Figure 1 Minh họa bộ điều khiển PID

Gọi F là lực do động cơ tạo ra điều khiển xe Ban đầu xe ở vị trí A, đặt ranhiệm vụ là điều khiển lực F một cách tự động để đẩy xe đến đúng vị trị O vớicác yêu cầu: chính xác, nhanh, ổn định

Nếu vị trí của xe xa với vị trí mong muốn (điểm O), hay nói cách khác là sai

số e lớn, ta cần tác động lực F lớn để đưa xe về O Ý tưởng đơn giản là dùng

Trong đó Kp là một hằng số dương nào đó mà ta gọi là hệ số P (Proportionalgain), e là sai số cần điều chỉnh, ở ví dụ này là khoảng cách từ điểm đích O với vịtrí hiện tại của xe Mục tiêu điều khiển là đưa e tiến về O càng nhanh càng tốt.Với Kp lớn thì F cũng lớn và xe nhanh chóng tiến về vị trí O Tuy nhiên, lực Flớn sẽ gây ra gia tốc lớn cho xe làm xe đi quá điểm O, lúc này sai số e lại khác 0,theo đó lực F sẽ lại xuất hiện theo chiều ngược lại để kéo xe lại điểm O Quátrình này lặp lại, xe sẽ dao động qua lại quanh điểm O Đề xuất để giải quyết vấn

đề này là sử dụng thành phần tương tự như “thắng” trong bộ điền khiển Ý tưởnglúc này là khi xe ở xa O thì bộ điều khiển sinh lực F lớn nhưng khi xe tiến gần Othì thành phần “thắng” sẽ giảm tốc độ xe lại Khi xe dao động quanh điểm O thìtốc độ xe sẽ cao nhất tại O tức là khi xe tiến về gần O, đạo hàm của sai số e sẽtăng nhưng ngược chiều lực F, do vậy ta có thể sử dụng đạo hàm này để làmthành phần thắng để giảm “độ vọt lố” cho xe, thành phần này là thành phần D(Difference) trong bộ điều khiển PID Thêm thành phần D này vào bộ điều khiển,

ta thu được bộ điều khiển PD như sau:

(2)Trong đó là vận tốc thay đổi của sai số e và Kd là hằng số không âm gọi là hệ

số D (Differential gain)

Lúc này khi xe tiến gần về O, lực F gồm 2 thành phần… Một vấn đề nảy sinh

là nếu thành phần D quá lớn so với thành phần P hoặc bản thân thành phần P quánhỏ khi xe đang tiến gần tới O (chưa tới O) thì xe đã dừng hẳn do không thắngnổi lực ma sát tĩnh, thành phần D lúc này bằng 0 do e không biến thiên, sai số etrong tình huống này gọi là sai số trạng thái tĩnh (steady state error) Để khắcphục tình trạng này, giải pháp đưa ra là đưa thêm vào bộ thành phần có chứcnăng “cộng dồn” sai số Khi sai số trạng thái tĩnh xảy ra, 2 thành phần P và Dkhông đủ để đáp ứng, thành phần điều khiển mới sẽ “cộng dồn” sai số theo thờigian và làm tăng lực F theo thời gian Đến lúc lực F sẽ đủ lớn để thắng ma sáttĩnh và đẩy xe tiến tiếp về đích O Thành phần cộng dồn này chính là thành phần

I (Integral) trong bộ điều khiển PID Lúc này ta có bộ điều khiển đầy đủ là PID:

(3)

Tùy vào mục đích và đối tượng điều khiển, các thành phần có thể được bỏ bớt.Công việc thiết kế bộ điều khiển PID là chọn các hệ số Kp, Kd, và Ki để bộ điềukhiển hoạt động như kỳ vọng (gọi là quá trình PID gain tunning)

2 Phương pháp điều xung PWM (Pulse Width Modulation) [1]

Là phương pháp điều chỉnh điện áp ra tải, hay nói cách khác là phươngpháp điều chế dựa trên sự thay đổi độ rộng của chuỗi xung vuông, dẫn đến sựthay đổi điện áp ra

- Kỹ thuật PWM được sử dụng để điều khiển nhanh chậm của động cơ haycao hơn là điều khiển ổn định tốc độ động cơ

- Các PWM khi biến đổi thì có cùng 1 tần số và khác nhau về độ rộng củasườn dương hoặc sườn âm

*) Nguyên lý:

Trong khoảng thời gian 0 – t1 , cho mở toàn bộ điện áp nguồn đưa ra tải Còntrong khoảng thời gian t1 – T, cắt nguồn cung cấp cho tải Vì vậy với t1 thayđổi từ 0 tới T, toàn bộ hoặc một phần điện áp được cung cấp cho tải

Figure 2 Đồ thị xung PWM

Đồ thị trên là dạng xung điều chế trong 1 chu kỳ thì thời gian xung lên (sườndương) nó thay đổi dãn ra hoặc co vào Như vậy, thời gian xung lên càng lớntrong 1 chu kỳ càng lớn thì điện áp đầu ra sẽ càng lớn.

số đáp ứng nhanh, phù hợp để chế tạo bộ dò đường

 LED phát:

Do sử dụng photodiode nên màu sắc của LED ko quan trọng mà chỉ cầnquan tâm cường độ sáng, ta chọn LED siêu sáng hồng ngoại Điện áp đặt trêncác LED siêu sáng khoảng 2V, dòng điện qua LED từ 10 tới 15mA, ta chọnđiện trở hạn dòng cho LED:

Chọn Rled = 220Hình ảnh 1 cặp LED thu phát:

Figure 3 Hình ảnh cặp LED thu phát

Nguyên lý cảm biến ánh sáng sử dụng cặp LED thu phát

Figure 4 Mô tả hoạt động cảm biến của cặp

LED thu phát [2]

Hoạt động:

Khi có bề mặt màu trắngngay dưới cảm biến (cặpLED), cường độ tia phản

xạ lớn dẫn tới điện áp racủa cảm biến lớn Ngượclại, điện áp ra của cảmbiến nhỏ khi bề mặt màuđen Dựa vào tín hiệu thuđược, vi xử lý có thểphân biệt được các màu

III Ý tưởng

Robot có nhiệm vụ di chuyển theo một quỹ đạo định sẵn được gọi là xe tự hànhbám đường Robot tự hành bám đường có thể di chuyển theo một đường, đường đi cóthể được nhận biết như một dòng màu đen trên bề mặt trắng ( hoặc ngược lại ) hoặc cóthể là một đường vô hình như một từ trường

IV Yêu cầu

1 Yêu cầu chức năng

- Sử dụng bộ cảm biến ánh sáng bằng LED thu để nhận biết đường đi

- Robot di chuyển theo theo đường đi từ điểm bắt đầu tới điểm kết thúc (đường đi

là vạch màu đen trên nền trắng)

2 Yêu cầu phi chức năng

a Công suất tiêu thụ nhỏ, nguồn nuôi pin hoặc ắc quy, duy trì được hoạt độngcủa Robot trong thời gian dài (1h)

b Tự điều chỉnh khi lệch khỏi quỹ đạo, độ rộng của quỹ đạo 4cm

c Có công tắc bật, tắt và reset robot

d Cảm biến nhận biết đường hoạt động chính xác trong điều kiện sáng thay đổi(trong phòng hay ngoài trời)

e Kích thước 20cm * 15 cm * 10 cm hoặc nhỏ hơn

f Chi phí sản xuất : nhỏ hơn 500K

V Sơ đồ khối, chức năng các khối

2 Sơ đồ khối

Figure 5 Sơ đồ khối robot tự hành bám đường

3 Chức năng các khối

a Khối cảm biến vị trí: nhận biết đường đi thông qua cảm biến ánh sáng

b Khối điều khiển trung tâm: nhận tín hiệu vào từ khối cảm biến vị trí, thựchiện thuật toán để điều khiển mạch công suất để đáp ứng

c Khối điều khiển công suất: nhận tín hiệu từ khối điều khiển trung tâm, điềukhiển công suất khối thực thi

d Khối hiển thị: nhận tín hiệu từ khối điều khiển trung tâm, thể hiện trạng thái

- Giá đỡ chính kích thước 70mm*85mm.

- Hai bánh xe đường kính 35mm gắn vào trục 2 động cơ khác nhau

- Một bánh xe đa hướng gắn ở đầu xe

- 2 động cơ một chiều

- Nguồn pin 12V

- Mạch CPU thu nhận, phân tích và đưa ra lệnh điều khiển

- Mạch cảm biến thu nhận thông tin

- IC điều khiển công suất

Bảng lựa chọn chi tiết cơ khí cho robot:

Figure 6 Khung cơ khí của robot

2 Thiết kế, lựa chọn linh kiện phần cứng điều khiển

a Khối nguồn:

Sử dụng nguồn pin 12V Pin được đặt trong cell holder để dễ dàng thay khihết pin

b Khối hạ áp:

Dùng nguồn 12V từ khối nguồn, sau đó dùng tụ lọc, hạ áp dùng 7805 để lấy

ra điện áp 5V ổn định cung cấp cho khối xử lý trung tâm và bộ cảm biến vị trí

và khối hiển thị

Figure 7 Sơ đồ nguyên lý khối hạ áp

Nguồn dành cho motor driver điều khiển 2 động cơ được lấy trực tiếp từ pin

c Khối cảm biến vị trí :

phát và thu hồng ngoại (IR Rx/Tx) LED phát phát tia hồng ngoại, phản xạtrở lại vào LED thu [2]

Bộ cảm biến vị trí cần nhiều cặp LED thu phát như trên Ở đề tài này,chúng em dùng 5 cặp LED làm khối cảm biến vị trí Giá trị điện áp ra từ cácLED thu được đưa về bộ điều khiển trung tâm để quyết định là vạch đườnghay nền

(*) Để xe nhận biết đường chính xác, các LED bố trí song song, cần xemxét khoảng cách giữa các cặp LED thu phát, độ rộng vạch quỹ đạo phải nhỏhơn khoảng cách giữa 2 LED ngoài cùng; trong đề tài này, chúng em sử dụng

5 cặp LED, 3 cặp LED giữa cách nhau 2 cm, 2 LED ngoài cùng cách LED ởtrong 4cm Khoảng cách giữa bộ cảm biến tới bề mặt đường nên nhỏ nhất cóthể, chúng em chọn 0.5cm là đủ để LED nhận biết chính xác vạch màu, nếucần thiết phải che chắn các LED cẩn thận để đảm bảo không bị nhiễu, ảnhhưởng tới kết quả đưa về khối điều khiển trung tâm

Sơ đồ nguyên lý của cảm biến (1 cặp LED thu phát)

Figure 8 Sơ đồ thiết kế cảm biến

Hình ảnh mạch in khối cảm biến vị trí:

Figure 9 Hình ảnh bộ cảm biến dò đường

d Khối thực thi

Xe tự hành này sử dụng hệ thống 2 động cơ độc lập: bên trái và bên phải.Với hệ thống này, không cần thiết phải sử dụng bánh xe phía trước để điềuhướng như ô tô hay xe đạp Để điều hướng cho xe tự hành, 2 động cơ phải quayvới tốc độ khác nhau Ví dụ nếu động cơ bên phải quay nhanh hơn động cơ bêntrái, xe sẽ rẽ trái Việc điều khiển xe di chuyển và điều hướng trở thành điềukhiển tốc độ của 2 động cơ DC

Figure 10 Mô tả cách điều hướng xe tự hành [2]

e Khối điều khiển công suất

Bộ điều khiển trung tâm (MCU) không thể điều khiển trực tiếp 2 động cơ, vìvậy ta sử dụng một IC điều khiển động cơ (motor driver) cho để dễ dàng điềukhiển Chọn IC điều khiển động cơ là L293D, cho phép điều khiển 2 động cơ

DC Ta sử dụng kỹ thuật PWM để thay đổi tốc độ của động cơ bằng điều khiển

số từ khối điều khiển trung tâm

*) IC L293D (motor driver) [3]

L293D là IC tích hợp 2 mạch cầu H trong gói 16 chân Tất cả các mạch kích,mạch cầu đều được tích hợp sẵn L293D có điện áp danh nghĩa cao (lớn nhất36V) và dòng điện danh nghĩa lớn nhất 1.2A nên thích hợp cho các ứng dụngcông suất nhỏ như các động cơ DC loại nhỏ và vừa IC L293D phù hợp vớinhững người thiếu kinh nghiệm làm mạch điện tử

Có 2 mạch cầu H trên mỗi chip L293D nên có thể điều khiển 2 đối tượng chỉvới 1 chip Mỗi mạch cầu bao gồm 1 đường nguồn Vs, một đường currentsensing (cảm biến dòng), phần cuối của mạch cầu H không được nối với GND

mà bỏ trống cho người dùng nối một điện trở nhỏ gọi là sensing resistor

2 động cơ được nối với các chân OUT, động cơ bên trái nối với OUT1,OUT2, động cơ bên phải nối với OUT3, OUT4 Các chân EnA, EnB cho phép 2mạch cầu hoạt động bằng cách kéo lên tín hiệu mức cao

Figure 11 Mô tả cách kết nối L293D

Sơ đồ nguyên lý cho bộ điều khiển công suất:

Figure 12 Sơ đồ nguyên lý khối điều khiển công suất

Chip L293D nhận tín hiệu từ khối điều khiển trung tâm, từ đó đưa ra tín hiệu

Vi xử lý để thực thi code điều khiển sẽ lấy input từ bộ cảm biến và đưa ra tínhiệu điều khiển chuyển động của xe Ta sử dụng một vi điều khiển (MCU) là đủđáp ứng yêu cầu Họ vi điều khiển phổ biến là AVR từ nhà sản xuất Atmel.Trong đó, ta chọn ATmega8 vì nó vừa đủ đáp ứng yêu cầu về tài nguyên và giárẻ.

*) Các tính năng của ATmega8 [4]

- Vi điều khiển 8 bit của AVR hiệu suất cao, tiêu thụ ít năng lượng

- Cấu trúc RISC với

+ 130 lệnh, hầu hết thực thi trong 1 xung nhịp đồng hồ

+ 32x8 thanh ghi

+ Fully static operation

+ Tốc độ làm việc lên tới 16 MIPS với thạch anh 16MHz

+ Hỗ trợ bộ nhân 2-cycle on-chip

- Dữ liệu và lập trình ko bay hơi

+ 8KB bộ nhớ ISP cho phép 10,000 ghi, xóa

+ Phần mã khởi động tùy chọn với bit khóa độc lập

+ 512 bytes EEPROM cho phép 100,000 lần ghi, xóa

+ 1KB SRAM nội

+ Khóa lập trình cho software security

- Ngoại vi

+ 2 timer/counter 8-bit với các mode: so sánh và chia tần số

+ 1 timer/counter 16-bit với các mode: so sánh, chia tần số và capture+ Bộ đếm thời gian thực với bộ dao động riêng biệt

+ 3 kênh PWM

+ 8 kênh biến đổi ADC đối với kiểu TQFP và MLF: 6 kênh 10bit, 2 kênh8bit

+ 6 kênh biến đổi ADC với kiểu PDIP: 4 kênh 10bit, 2 kênh 8bit

+ Giao diện 2 dây hướng byte nối tiếp (byte-oriented two-wire serialinterface)

+ Master/Slave SPI Serial Interface

+ Watchdog-timer có thể lập trình với bộ dao động on-chip riêng biệt+ Bộ so sánh tương tự on-chip

- Tính năng đặc biệt

+ Power-on reset và brown-out dectection

+ Bộ tạo dao động RC hiệu chỉnh