MỤC LỤC DANH SÁCH HÌNH ẢNH 3 DANH SÁCH BẢNG BIỂU 6 MỤC TIÊU ĐỒ ÁN 7 CHƯƠNG 1 : TỔNG QUAN 8 1.1. Về sơ đồ nguyên lý: 8 1.2. Về cảm biến: 11 1.3. Về phương pháp xử lý tín hiệu cảm biến: 13 1.4. Về động cơ: 14 1.5. Về cấu trúc điều khiển : 14 1.6. Về giải thuật điều khiển: 15 1.7. Đặt đầu bài : 16 CHƯƠNG 2 : ĐỀ XUẤT VÀ LỰA CHỌN PHƯƠNG ÁN 18 2.1. Đề xuất sơ đồ nguyên lý: 18 2.2. Đề xuất động cơ dẫn động: 18 2.3. Đề xuất cảm biến: 19 2.4. Đề xuất giải thuật xử lý tín hiệu: 20 2.5. Đề xuất cấu trúc điều khiển: 20 2.6. Đề xuất giải thuật điều khiển: 22 2.7. Tổng hợp phương án thiết kế: 22 CHƯƠNG 3 : THIẾT KẾ CƠ KHÍ 23 3.1. Lựa chọn bánh xe: 23 3.1.1 Bánh chủ động: 23 3.1.2 Bánh bị động: 23 3.2 Tính toán lựa chọn động cơ: 24 3.3 Kích thước khung xe: 26 3.3.1 Kích thước mặt đế: 26 3.3.2 Chiều cao trọng tâm: 27 3.4 Yêu cầu đồ gá cho động cơ: 28 CHƯƠNG IV : THIẾT KẾ ĐIỆN 30 4.1 Sơ đồ khối : 30 4.2 Thiết kế cảm biến: 30 4.2.1 Yêu cầu cảm biến: 30 4.2.2 Lựa chọn cảm biến: 31 4.2.3 Phương án sắp xếp cảm biến: 31 4.2.4 Vị trí của dãy cảm biến: 32 4.2.5 Lựa chọn điện trở mạch cảm biến: 32 4.2.6 Khoảng cách giữa cảm biến và mặt đất: 33 4.2.7 Khoảng cách giữa 2 cảm biến: 35 4.3 Lựa chọn driver: 39 4.3.1 Mô hình hóa hệ driverđộng cơ 39 4.3.2 Tìm hàm truyền động cơ: 42 4.4 Nguồn cấp: 46 CHƯƠNG V : MÔ HÌNH HÓA 48 5.1. Mô hình động học robot: 48 5.2 Mô phỏng tìm khoảng cách d: 52 5.3 Mô phỏng sa bàn: 53 5.3.1 Kết quả bám line ở đoạn ABCD: 53 5.3.2 Đoạn DEFC 55 5.3.3 Đoạn CGA 56 5.3.3 Đoạn GACE 58 CHƯƠNG VI : BỘ ĐIỀU KHIỂN. 60 6.1 Lựa chọn vi điều khiển: 60 6.2 Giải thuật điều khiển: 60 6.2.1 Chương trình điều khiển chính: 60 6.2.2 Chương trình con: 62 CHƯƠNG VII : THỰC NGHIỆM VÀ KẾT QUẢ 63 7.1 Hình ảnh xe thực tế: 63 7.2 Kết quả thực nghiệm bám line: 64 7.3 Nhận xét: 65 TÀI LIỆU THAM KHẢO 67 DANH SÁCH HÌNH ẢNH Hình 0.1 Sa bàn di chuyển của robot 7 Hình 1.1 Sơ đồ nguyên lý RC cars sử dụng trục truyền động 10 Hình 1.2 Sơ đồ nguyên lý RC racing cars sử dụng trục truyền động 10 Hình 1.3 Sơ đồ nguyên lý hai cặp chủ động vi sai loại 2 bánh 11 Hình 1.4 Sơ đồ nguyên lý hai cặp chủ động vi sai loại 4 bánh 12 Hình 1.5 Robot Johny5 13 Hình 1.6 Nguyên lý hoạt động cảm biến quang 13 Hình 1.7 Giải thuật xử lý tín hiệu bằng phương pháp so sánh 14 Hình 1.8 Giải thuật xử lý tín hiệu bằng phương pháp xấp xỉ 15 Hình 2.1 Sơ đồ nguyên lý hai bánh chủ động kết hợp bánh bị động đa hướng 18 Hình 2.2 Cảm biến hồng ngoại TRCT5000 20 Hình 2.3 Hệ điều khiển tập trung 21 Hình 2.4 Cấu trúc hệ điều khiển phân cấp 21 Hình 3.1 Bánh xe V2 23 Hình 3.2 Bánh mắt trâu 24 Hình 3.3 Mô hình các lực tác dụng lên bánh xe 27 Hình 3.4 Mô hình toán khi xe chuyển hướng 29 Hình 3.5 Mô hình 3D mobile robot 30 Hình 4.1 Sơ đồ khối của hệ thống điện 31 Hình 4.2 Sơ đồ nguyên lý cảm biến TCRT5000 32 Hình 4.3 Các cách sắp xếp cảm biến 32 Hình 4.4 Ảnh hưởng của cách đặt cảm biến đến switching distance Xd 33 Hình 4.5 Sự thay đổi giá trị ADC khi đọc trên nền trắng với h từ 020 mm 33 Hình 4.6 Vùng hoạt động của cảm biến 34 Hình 4.7 Lỗi bố trí cảm biến 35 Hình 4.8 Mô hình toán xác định khoản cách giữa hai cảm biến 35 Hình 4.9 Phương pháp kiểm tra nhiễu giữa hai cảm biến 37 Hình 4.10 Sơ đồ bố trí cảm biến 37 Hình 4.11 Tọa độ tâm đường line 39 Hình 4.12 Đồ thị giữa PWM(%) và RPM vận tốc quay của động cơ 1 40 Hình 4.13 Đồ thị giữa PWM(%) và RPM vận tốc quay của động cơ 2 42 Hình 4.14 Đáp ứng của động cơ 1 theo thời gian 42 Hình 4.15 Đáp ứng của động cơ 2 theo thời gian 43 Hình 4.16 Đồ thị đường cong đáp của hệ bậc nhất 43 Hình 4.17 Sơ đồ khối hệ thống driver và động cơ 49 Hình 4.18 Đáp ứng của động cơ 1 sau khi sử dụng bộ điều khiển PID 44 Hình 4.19 Đáp ứng của động cơ 2 sau khi sử dụng bộ điều khiển PID 45 Hình 5.1 Mô hình động học của mobile robot 47 Hình 5.2 Mô hình xác định sai số trong việc mô phỏng 49 Hình 5.3 Sơ đồ khối hệ thống. 50 Hình 5.4 Kết quả mô phỏng sai số max ứng với các giá trị khoảng cách 51 Hình 5.5 Kết quả bám line khoảng cách dược chọn là 51 mm 52 Hình 5.6 Sa bàn di chuyển đoạn ABCD 52 Hình 5.7 Đồ thị sai số trong quá trình di chuyển 53 Hình 5.8 Vận tốc quay hai bánh trên đoạn ABCD 53 Hình 5.9 Vận tốc dài robot trên đoạn ABCD 53 Hình 5.10 Mô phỏng bám line đoạn DEFC và sai số e2 ,e3 54 Hình 5.11 Vận tốc 2 bánh xe trên đoạn DEFC 54 Hình 5.12 Vận tốc dài robot trên đoạn DEFC 55 Hình 5.13 Mô phỏng bám line đoạn CGA và sai số e2 ,e3 55 Hình 5.14 Vận tốc hai bánh trên đoạn CGA 56 Hình 5.15 Vận tốc xe trên đoạn CGA 56 Hình 5.16 Mô phỏng bám line đoạn GACE và sai số e2 ,e3 57 Hình 5.17 Vận tốc hai bánh trên đoạn GACE 57 Hình 5.18 Vận tốc xe trên đoạn GACE 58 Hình 6.1 PIC 18F4550 59 Hình 6.2 Chương trình điều khiển chính 60 Hình 6.3 Chương trình con điều khiển 61 DANH SÁCH BẢNG BIỂU Bảng 2.1 Ưu nhược điểm của các loại động cơ 19 Bảng 3.1. Các thông số đầu vào tính toán lựa chọn động cơ 24 Bảng 3.2 Các linh kiện đặt trên khung xe và kích thước của chúng 26 Bảng 4.1 Thông số cảm biến TCRT5000 30 Bảng 4.2 Calib cảm biến 36 Bàng 4.3 Số liệu thử nghiệm L298 với động cơ 1 39 Bàng 4.4 Số liệu thử nghiệm L298 với động cơ 2 40 Bảng 4.5 Dòng điện tiêu thụ các linh kiện trong mạch 45 Bảng 5.1 Thông số đầu vào mô phỏng tìm khoảng cách d 51 MỤC TIÊU ĐỒ ÁN Thiết kế, chế tạo một robot dò line thỏa mãn các yêu cầu kỹ thuật như sau : tốc độ di chuyển tối thiểu là 0.2 ms.Robot mang trên người một tải nặng 2kg. Quỹ đạo mong muốn của robot được thể hiện như Hình 0.1 ,với thứ tự di chuyển được quy định như sau: Hình 0.1 Sa bàn di chuyển của robot Thứ tự di chuyển: (START) A B C D E F C G A C E (END) CHƯƠNG 1 : TỔNG QUAN Giới thiệu chung: Robot dò line (line following robot) là một dạng robot di động (mobile robot) di chuyển bằng bánh xe. Robot này được thiết kế mục đích bám theo một đường line được kẻ,vẽ hoặc dán trên mặt đất. Quỹ đạo di chuyển được thiết kế tùy theo mong muốn của người sử dụng. Ứng dụng trong việc vận chuyển hàng hóa tự động trong các nhà kho, xưởng sản xuất,cảng 1 , dùng làm nền tảng cho nhiều nghiên cứu kỹ thuật nhận diện 68 11 và thiết kế bộ điều khiển 16 17 19 cũng như đề tài cho nhiều cuộc thi về kỹ thuật. Một robot dò line gồm các phần chính là : bộ phận khung xe, các bánh xe được dẫn động bởi động cơ,hệ thống cảm biếnđóng vai trò như đôi mắt dùng để nhận biết line, bộ phận điều khiển,bộ phận nguồn và tải. 1.1. Về sơ đồ nguyên lý: Rất nhiều sơ đồ nguyên lý có thể được ứng dụng cho việc chế tạo robot dò line. Để đạt được tốc độ và khả năng bám đường, sơ đồ nguyên lý của các loại xe đua điều khiển từ xa (RC racing cars) có thể được sử dụng. Có hai loại sơ đồ nguyên lý chung cho các loại xe đua chuyên chạy trên mặt đường phẳng, đó là: 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…).
TỔNG QUAN
Về sơ đồ nguyên lý
Nhiều sơ đồ nguyên lý có thể áp dụng trong 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 tốt Có hai loại sơ đồ nguyên lý phổ biến cho xe đua chuyên chạy trên mặt đường phẳng.
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 của xe, như khung xe hãng Sakura D3 CS, Serpent VETEQ 02, và TA04 EPRO Hình 1.1 minh họa sơ đồ nguyên lý của RC cars với trục truyền động, trong khi Hình 1.2 thể hiện sơ đồ nguyên lý của RC racing cars sử dụng đai răng truyền động Những sơ đồ này có đặc điểm nổi bật là hạn chế hiện tượng trượt giữa các bánh xe khi xe thực hiện các thao tác đổi hướng.
Nhược điểm: thiết kế cơ khí phức tạp và bán kính cong nhỏ nhất của xe sẽ bị giới hạn bởi kết cấu của xe Giá thành cao.
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 có những đặc điểm nổi bật như kết cấu và mô hình động học đơn giản, giúp dễ dàng hiệu chỉnh sai số hệ thống Đặc biệt, nó cho phép xe di chuyển trong bán kính rất nhỏ, bao gồm cả khả năng quay tại chỗ.
Nhược điểm của xe là dễ bị trượt theo phương pháp tuyến khi bám theo các đoạn đường bán kính nhỏ ở tốc độ cao Mẫu xe đội Sylvestre và sơ đồ nguyên lý loại 2 bánh cho thấy rõ điều này Hình 1.3 minh họa sơ đồ nguyên lý hai cặp chủ động vi sai loại 2 bánh, một thiết kế cũng được áp dụng cho các xe đua.
CartisX04 (All Japan Micromouse 2015), Mouse (RobotChallenge 2014)… sử dụng (Hình 1.4) Ở sơ đồ này, mỗi bánh xe vi sai chủ động được thay bằng một cặp bánh.
Sơ đồ nguyên lý này có đặc điểm : Ưu điểm : giúp xe dễ cân bằng hơn.
Nhược điểm của mẫu xe CartisX04 là kết cấu cơ khí phức tạp, dẫn đến hiện tượng trượt bánh khi xe đổi hướng Sơ đồ nguyên lý của loại xe 4 bánh cũng thể hiện rõ những vấn đề này.
Hình 1.4 Sơ đồ nguyên lý hai cặp chủ động vi sai loại 4 bánh
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 tương đối của đường line so với xe Từ thông tin này, robot sẽ xử lý và đưa ra tín hiệu điều khiển chính xác.
Phương pháp camera sử dụng thiết bị để thu hình ảnh từ đường line thực tế, như robot Johny-5 trong cuộc thi IGVC Sau khi thu thập hình ảnh, thiết bị sẽ xử lý và phát tín hiệu điều khiển Ưu điểm nổi bật của phương pháp này là khả năng đạt được độ chính xác rất cao.
Nhược điểm: khối lượng xử lí nhiều, dẫn đến hạn chế tốc độ tối đa của xe.
Phương pháp phổ biến thứ hai trong các cuộc thi robot dò line hiện nay là sử dụng cảm biến quang điện trở và phototransistor kết hợp với LED Cả hai loại cảm biến này hoạt động theo nguyên tắc thu tín hiệu ánh sáng phản xạ từ mặt đất để xác định vị trí đường line Tuy nhiên, phototransistor được ưa chuộng hơn do có thời gian đáp ứng nhanh hơn so với quang điện trở, như đã được áp dụng trong robot ALF tại cuộc thi ROBOCON Malaysia 2006.
Hình 1.6 Nguyên lý hoạt động cảm biến quang
Về phương pháp xử lý tín hiệu cảm biến
Cảm biến quang sử dụng tín hiệu tương tự, được hiệu chuẩn và xử lý thông qua các thuật toán so sánh hoặc xấp xỉ, nhằm xác định vị trí tương đối của robot trong quá trình dò line với tâm đường line.
Phương pháp đầu tiên sử dụng giải thuật so sánh để xác định trạng thái đóng/ngắt của các cảm biến, từ đó suy ra vị trí xe dựa trên bảng trạng thái đã được định sẵn Sai số dò line của phương pháp này phụ thuộc vào khả năng phân biệt các trạng thái của hệ thống và khoảng cách giữa các cảm biến Đặc điểm nổi bật của phương pháp là sự phụ thuộc vào mức ngưỡng so sánh của các cảm biến, giúp tăng tốc độ xử lý một cách hiệu quả.
Phương pháp xấp xỉ vị trí xe so với tâm đường line sử dụng tín hiệu từ cảm biến, bao gồm ba giải thuật: xấp xỉ bậc hai, tuyến tính và theo trọng số Đặc điểm nổi bật của phương pháp này là thời gian xử lý lâu hơn do phụ thuộc vào thời gian đọc ADC của tất cả các cảm biến vi điều khiển, nhưng bù lại, nó cung cấp độ phân giải cao hơn đáng kể so với phương pháp đầu tiên.
Về động cơ
Các xe đua dò line như Pika, HFBS-2, CartisX04, Thunderstorm và Impact đều 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 giúp 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 Mặc dù cấu trúc điều khiển này có phần cứng đơn giản, nhưng MCU cần 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 MCU, bao gồm một MCU master chịu trách nhiệm tính toán tổng thể và một hoặc nhiều MCU slave để xử lý tín hiệu từ encoder hoặc sensor Các robot dò line có camera thường trang bị một MCU slave chuyên xử lý tính toán cho master, cho phép thực hiện nhiều tác vụ đồng thời Mặc dù cấu trúc điều khiển phân cấp có phần cứng phức tạp hơn và yêu cầu chú ý đến giao tiếp giữa các MCU, nhưng nó mang lại khả năng xử lý nhiều nhiệm 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, PID, FIC [15] cho hệ thống lái của xe kết hợp với PID cho từng động cơ như xe
Bolt, Pika, Major (Robocomp 2014), và Thunderstorm là những bộ điều khiển phổ biến cho robot di động, bên cạnh đó, bộ điều khiển tracking cũng được ứng dụng rộng rãi Một số xe như Silvestre và CartisX04 còn tích hợp khả năng ghi nhớ đường đi, cho phép điều chỉnh các thông số điều khiển phù hợp với từng cung đường, từ đó nâng cao khả năng đáp ứng sau mỗi lần chạy Để áp dụng các giải thuật này, robot cần trang bị thêm cảm biến gyro nhằm theo dõi trạng thái gia tốc trong suốt quá trình di chuyển.
Đặt đầu bài
Mục tiêu chính của thiết kế robot là đảm bảo khả năng bám đường trên sa bàn với tốc độ ổn định Để đạt được điều này, cần xác định vận tốc tối đa của robot, khả năng đổi hướng và sai số tối đa trong quá trình theo dõi đường line.
Vận tốc cực đại trung bình của các robot như Pika, HBFS-2, Sylvestre, Thunderbolt, Thunderstorm và Impact tại các cuộc thi đạt từ 1-3 m/s Tuy nhiên, do yêu cầu mang thêm tải, vận tốc tối thiểu cho các robot này được đặt ra là 0.9 m/s.
Robot cần có khả năng đổi hướng linh hoạt, không chỉ để bám theo bán kính cong 500mm trên sa bàn mà còn phải theo dõi đường line tại các vị trí bị cắt đột ngột và tại các góc 90 độ.
Sai số tối đa của robot trong quá trình di chuyển phụ thuộc vào hai yếu tố chính: sai số xác định vị trí do hệ thống cảm biến và sai số từ bộ điều khiển Khi xe di chuyển trên đường thẳng hoặc cong, sai số này sẽ khác nhau Đặc biệt, khi xe phải bám theo các vị trí đổi hướng đột ngột, sai số chủ yếu được ảnh hưởng bởi thuật toán điều khiển.
Hình 1.9 Vị trí giao điểm sa bàn.
Xét đoạn đường từ O đến D với sai số bám line tại O là e=0, thời gian lấy mẫu là t=0,01s và vận tốc lớn nhất vmax là 0,95 m/s Quảng đường mà robot sẽ lấy mẫu lần thứ hai là tối đa 0,009 m.
Từ thông số sa bàn, ta có:
DB mm OD DB mm
AC OC OD DC mm
Nếu sai số khi robot rời khỏi vị trí giao O lớn hơn AC, robot sẽ đi sai quỹ đạo đã định Do đó, nhóm đã chọn sai số bám line lớn nhất là 11mm cho cả đoạn đường thẳng và cong.
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
ĐỀ XUẤT VÀ LỰA CHỌN PHƯƠNG ÁN
Đề xuất sơ đồ nguyên lý
Để đáp ứng yêu cầu cho robot bám theo đường cong bán kính lớn (R = 500mm) và có khả năng đổi hướng tại các vị trí gãy khúc, nhóm đã lựa chọn sơ đồ nguyên lý hai bánh chủ động kết hợp với bánh bị động đa hướng, đồng thời đảm bảo tính đơn giản trong 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 Ưu điểm
Kiểm soát, xác định chính xác vị trí và hướng khi quay
Dễ điểu khiển, hoạt động ở tốc độ cao,moment xoắn cao
Nhược điểm Dễ bị hiện tượng trượt bước khi tải lớn
Dòng khởi động lớn, độ 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 được sử dụng để nhận biết đường line có thể là camera hoặc cảm biến quang dẫn, nhưng cảm biến quang dẫn được ưu tiên do khối lượng xử lý thấp hơn, giúp tăng tốc độ cho robot di động Để đáp ứng yêu cầu về khả năng nhận diện các đường gãy khúc đột ngột, cảm biến cần có độ nhạy phù hợp Với đặc tính độ nhạy cao của phototransistor, hai phương án sử dụng loại cảm biến này đã được đề xuất.
- Phototransistor kết hợp với LED thường.
- Phototransistor kết hợp với LED hồng ngoại.
Phototransistor hoạt động dựa trên tín hiệu ánh sáng phản xạ từ nguồn phát để tạo ra tín hiệu điện áp Trong trường hợp đường đua có độ tương phản cao giữa màu line và nền (chẳng hạn như line đen trên nền trắng), LED hồng ngoại cung cấp độ nhạy cao nhưng dễ bị nhiễu do ánh sáng môi trường, do đó cần phải che chắn khi sử dụng Ngược lại, với đường đua có độ tương phản thấp, LED thông thường sẽ mang lại hiệu quả tốt hơn Vì vậy, 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 trên đường line dựa vào các trường hợp đã được quy định Số lượng trường hợp này phụ thuộc vào số cảm biến và sai số do khoảng cách tối thiểu giữa các cảm biến gây ra Khoảng cách giữa các cảm biến chịu ảnh hưởng lớn từ góc chiếu của LED, góc thu của sensor và độ cao của cảm biến so với mặt đất.
Phương pháp xấp xỉ cho phép đạt được độ phân giải cao hơn so với phương pháp so sánh, giúp cải thiện độ chính xác của hệ thống cảm biến Tuy nhiên, sai số phụ thuộc vào số lượng cảm biến và độ cao của chúng so với mặt đất Một nhược điểm của phương pháp này là thời gian đáp ứng lâu hơn, do vi điều khiển phải thực hiện chuyển đổi ADC cho tất cả các cảm biến.
Nhằm đơn giản hóa quá trình lập trình và rút ngắn thời gian xử lý tín hiệu, nhóm đã quyết định lựa chọn giải thuật so sánh cho việc xử lý tín hiệu.
Đề xuất cấu trúc điều khiển
Trong hệ thống điều khiển, có hai cấu trúc chính là tập trung và phân cấp Cấu trúc điều khiển tập trung sử dụng một MCU để 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 cảm biến, trong khi hai MCU (Slave) khác điều khiển động cơ Ưu điểm của cấu trúc này bao gồm khả năng xử lý tín hiệu riêng biệt, thuận lợi cho thiết kế nhóm, dễ sửa lỗi và cập nhật mã khi phát triển sản phẩm, cùng với khả năng 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 cho phép robot cải thiện khả năng bám đường sau mỗi lần chạy Tuy nhiên, để đạt được điều này, cần áp dụng một thuật toán tự học phức tạp và kết hợp 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 xác nhận rằng bộ điều khiển này có thể đưa robot đến các tọa độ mong muốn với vận tốc cụ thể Hơn nữa, các tham số Kx, Ky, Kθ có thể được điều chỉnh để nâng cao khả năng bám đường của robot trên các loại địa hình 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 của các đội thi trong mục tổng quan, nhóm đã quyết định lựa chọn bánh xe V2 Bánh xe này được làm từ nhựa và vỏ cao su, có đường kính 65 mm và bề rộng 27 mm.
Hai loại bánh thường được sử dụng 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 phương trình động học của xe Để khắc phục vấn đề này, nhóm quyết định chọn bánh mắt trâu với 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 bánh xe để xe có thể chuyển động, trong khi quá trình này bị ảnh hưởng bởi khối lượng của 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 Moment quán tính của bánh xe tính gần đúng theo công thức :
Phương trình cân bằng moment quanh tâm bánh xe:
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
Số vòng quay: vòng/phút
Công suất yêu cầu của động cơ: �=.= 11,91 W
+ �(kg.m 2 ): moment quán tính của bánh xe + (N.m): moment.
Khối lượng bánh xe được ký hiệu là \( m \) (kg), trong khi gia tốc dài mong muốn là \( a \) (m/s²) Khối lượng của thân xe và tải được ký hiệu là \( M \) (kg), và gia tốc trọng trường là \( g \) (m/s²) Bán kính bánh xe được ký hiệu là \( r \) (m), và công suất mỗi động cơ là \( P \) (W) Lực ma sát được ký hiệu là \( F_f \) (N), còn vận tốc góc được ký hiệu là \( \omega \) (rad/s).
Dựa theo công suất và số vòng quay tính toán được, ta chọn động cơ GA25V1 ( 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
- Số xung khi qua hộp giảm tốc: 374 xung
- Đường kính động cơ: 25mm
- Tốc độ không tải: 320rpm
- Dòng khi động cơ bị giữ: 2.29A
- Momen khi bị giữ: 7.96kgf.cm
Kích thước khung xe
Kích thước mặt đế phụ thuộc vào 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 nhiều thành phần quan trọng.
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 giữ cân bằng khi chuyển hướng, moment do lực ly tâm phải nhỏ hơn moment do trọng lực của xe Tính toán này 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 của chi tiết gá được xác định dựa trên kích thước mặt bích của động cơ, trong khi nhôm được chọn làm vật liệu cho đồ gá để đảm bảo độ cứng vững cần thiết.
Mối ghép giữa đồ gá và mặt bích động cơ là một loại mối ghép cố định, yêu cầu 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 kiểu lắp trung gian Mối lắp trung gian phù hợp cho các mối ghép cố định mà vẫn cần tháo lắp, đồng thời 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 thường có chi tiết kẹp phụ, vì vậy kiểu lắp lỏng là sự lựa chọn phù hợp.
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.
Sai số bám line emax = 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 IF 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 là giải pháp hiệu quả để phát hiện đường giao nhau, nhưng việc sử dụng quá nhiều cảm biến có thể làm cho thuật toán nhận diện trở nên 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 các 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 R1 xácđịnh 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:
+ 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, giá trị h cần phải lớn hơn 8,57mm, dựa trên các tính toán hình học cơ bản Cảm biến đạt độ phân giải tối ưu trong khoảng 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 của bài kiểm tra là xác định khoảng cách giữa cảm biến và mặt đất Thí nghiệm được thực hiện trên nền giấy A4 với nguồn điện cung cấp là 5V Kết quả của thí nghiệm được đọc và hiển thị trên màn hình LCD.
ADC trên nền trắng Độ cao
Hình 4.6 Sự thay đổi giá trị ADC khi đọc trên nền trắng với h từ 0-20 mm
ADC nền đen Độ cao
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, trên nền trắng, ánh sáng phản xạ nhiều nhất ở khoảng cách từ 3 đến 12 mm với điện áp ra Vout nhỏ nhất Trong khi đó, trên nền line đen, ánh sáng 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:
Khi lắp đặt cảm biến, cần chú ý đến khoảng cách giữa chúng Nếu các cảm biến được đặt quá xa nhau, có thể dẫn đến sai số trong việc nhận diện đường giao nhau, đặc biệt khi xe vào giao nhau ở góc không thuận lợi Ngược lại, nếu cảm biến được đặt quá gần, chúng có thể nhầm lẫn giữa đường line và đường giao nhau, gây ra sự cố trong quá trình nhận diện Do đó, việc xác định khoảng cách hợp lý giữa các cảm biến là rất quan trọng để đảm bảo hiệu quả hoạt động.
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 có từ 2 đến 3 cảm biến nằm trong cùng một đường thẳng, với khoảng cách giữa các cảm biến không được chồng lấp trong vùng hoạt động của chúng Theo tài liệu [38], góc chiếu của đèn LED phát hồng ngoại là 16 độ, trong khi góc thu của đèn LED thu hồng ngoại là 30 độ.
Để đảm bảo rằng hai cảm biến không trùng nhau trong vùng hoạt động, điều kiện cần thiết là khoảng cách giữa chúng phải lớn hơn hoặc bằng 2 lần chiều cao nhân với tang của 30 độ, cụ thể là l ≥ 2.h.tan(30°) = 2.10.tan(30°), tương ứng với 54 mm.
Để đảm bảo có ít nhất 2 sensor và tối đa 3 sensor nằm trong line, chiều dài l cần phải đạt từ 10mm đến 13mm Nhằm đảm bảo rằng các sensor hoàn toàn nằm trong line và không ảnh hưởng lẫn nhau, nhóm đã chọn chiều dài L là 12,5mm.
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 tại 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 tự nhau, cho thấy rằng ở khoảng cách 12.5 mm giữa hai cảm biến, giá trị đọc không bị nhiễu.
Giá trị analog mà các cảm biến trả về có sự khác biệt ngay cả khi điều kiện giống nhau, do đó cần phải thực hiện việc hiệu chuẩn cảm biến theo công thức: max min j0 min ij min,i max,i min,i y y y y (x x ) x x.
Trong bài viết này, xmax và xmin đại diện cho giá trị lớn nhất và nhỏ nhất của cảm biến thứ i khi nó được đặt trên nền đen và nền trắng Các giá trị ymax và ymin là khoảng giá trị mà chúng ta mong muốn cảm biến trả về xij là giá trị thứ j của cảm biến thứ i, trong khi yjo là giá trị thứ j của cảm biến thứ i sau khi đã được hiệu chuẩn.
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 Phương trình calib
Tìm vị trí của tâm đường line dựa vào giải thuật xắp xỉ:
Phương pháp thực hiện bao gồm việc sử dụng 7 cảm biến được bố trí theo hàng ngang để ghi lại các giá trị đọc được Sau đó, áp dụng phương pháp trung bình từ tài liệu để xác định vị trí của tâm các cảm biến so với đường line và tính toán sai số tương ứng.
- 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 lý tưởng giữa hai cảm biến là 12.5 mm.
Hình 4.11 Sơ đồ bố trí cảm biến
Theo [ ], các cảm biến ,,,,,, tương ứng với các tọa độ -3, -2, -1, 0, 1, 2, 3, giá trị trả về của các cảm biến tương ứng là ,,,,,, 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.
Lựa chọn driver
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.
Driver cần cung cấp nguồn 12V DC với dòng điện 600mA cho động cơ đã được tính toán trong phần cơ khí, đồng thời phải đáp ứng tần số xung PWM từ vi điều khiển.
Kích thước nhỏ gọn, phù hợp lắp trên xe
Ta chọn driver điều khiển động cơ L298N có thông số cơ bản:
+Driver: L298N tích hợp hai mạch cầu H.
+Dòng tối đa cho mỗi cầu H là: 2A
+Điện áp của tín hiệu điều khiển: +5 V ~ +7 V
+Dòng của tín hiệu điều khiển: 0 ~ 36mA
4.3.1 Mô hình hóa hệ driver-động cơ Để đơn giản cho việc điều khiển, động cơ và driver đƣợc xem như là một khối Tiến hành kiểm tra mối quan hệ giữa tín hiệu vào và ra của khối này bằng việc cấp xung PWM và ghi lại giá trị vận tốc động cơ
Phương pháp thực hiện sử dụng Arduino Uno với chế độ hiển thị monitor và điều khiển động cơ bằng xung PWM Động cơ được cấp nguồn 12V, trong đó giá trị duty cycle được thay đổi từ 20% đến 100% Người thực hiện quan sát chế độ hiển thị trên monitor và ghi lại giá trị vận tốc của động cơ tương ứng.
Kết quả thể hiện trong hình bên dưới:
Bàng 4.3 Số liệu thử nghiệm L298 với động cơ 1:
Hình 4.4 Đồ thị giữa PWM(%) và RPM vận tốc quay của động cơ 1
Bảng 4.4 Số liệu thử nghiệm L298 với động cơ 2:
Hình 4.14 Đồ thị giữa PWM(%) và RPM vận tốc quay của động cơ 2
Tiếp theo, chúng ta sẽ tuyến tính hóa mối quan hệ giữa hai động cơ Phương trình mô tả sự liên hệ giữa áp đầu vào Driver, được thể hiện qua giá trị duty cycle của tần số PWM, và vận tốc đầu ra của động cơ bên trái và bên phải.
+ , lần lượt là vận tốc đầu ra (vòng/phút) của động cơ trái, phải.
+ ,: lần lượt là giá trị duty cycle của PWM cấp vào 2 động cơ trái, phải.
Ta thấy quan hệ giữa tốc độ và xung PWM gần như tuyến tính đối vs cả hai động cơ
4.3.2 Tìm hàm truyền động cơ:
Để xác định gần đúng hàm truyền của động cơ, trước tiên cần phân tích thời gian đáp ứng Quá trình xác định này được thực hiện qua các bước cụ thể.
- Cấp cho động cơ một mức điện áp cố định, ở thí nghiệm này chọn mức điện áp là 12V ứng với giá trị duty cycle của PWM là 100%.
- Ghi lại giá trị vận tốc của động cơ theo thời gian Thời gian lấy mẫu được chọn ở thí nghiệm này chọn là 0,05s.
Kết quả của thí nghiệm được thể hiện qua hình dưới đây:
Hình 4.15 Đáp ứng của động cơ 1 theo thời gian
Dựa vào đồ thị ta thấy hệ thống có dạng bậc nhất
với Km (rpm/pwm) là hằng số độ lợi của động cơ và T(sec) là hằng số thời gian đáp ứng thể hiện qua:
Hình 4.17 Đồ thị đường cong đáp của hệ bậc nhất
Từ đó ta có được hàm truyền của hai động cơ:
Thiết kế bộ điều khiển PID cho khối driver và động cơ:
Hình 4.18 Sơ đồ khối hệ thống driver và động cơ Tiêu chí bộ điều khiển:
Sử dụng PID tuner trong matlab ta tìm đc các hệ số của bộ điều khiển PID như sau:
Mô phỏng matlab với các hệ số PID thỏa tiểu chí đề ra là:
Hình 4.19 Đáp ứng của động cơ 1 sau khi sử dụng bộ điều khiển pid Đáp ứng mô phỏng là:
Hình 4.20 Đáp ứng của động cơ 2 sau khi sử dụng bộ điều khiển pid Đáp ứng mô phỏng là:
Nguồn cấp
Yêu cầu: Áp của pin phải lớn hơn hoặc bằng áp lớn nhất của thiết bị trong hệ thống (động cơGA25 V1 -12V)
- Tính toán cường độ dòng điện cần cung cấp:
Bảng 4.5 Dòng điện tiêu thụ các linh kiện trong mạch
Thiết bị Số lượng Dòng/1 đơn vị Tổng cộng Động cơ 2 2,29 A 4,58 A
Từ yêu cầu kĩ thuật và nguồn điện cần cung cấp, mắc nối tiếp 4 pin sạc 18650 Pananasonic 3,7V,3,7A
- Về điện áp tiêu thụ, dùng 2 mạch giảm áp DC LM2596 để tạo ra áp 12V cấp vào driver L298 để điều khiển động cơ.
Nguồn 5V được sử dụng lấy từ Driver L298.
Nguồn 3.3 V cấp cho encoder được sử dụng từ kit pic.
MÔ HÌNH HÓA
Mô hình động học robot
Để cải thiện khả năng bám line của xe, cần thiết lập mô hình động học cho hệ thống Mô hình này bao gồm các điểm quan trọng như: Điểm P, là điểm tham chiếu cho robot; Điểm A, là trung điểm giữa hai bánh chủ động; và Điểm C, là điểm tracking của robot.
Hình 5.1 Mô hình động học của mobile robot
Chọn hệ trục tọa độ tuyệt đối là �� 0 � 0 và hệ trục tương đối ����� gắn với tọa độ tâm vận tốc tức thời I trên hệ trục �0�0 : sin cos
Với D là khoảng cách từ tâm vận tốc tức thời đến tâm hai bánh xe
VL,R lần lượt là vận tốc của bánh trái và bánh phải của Mobile Platform
Ta có vận tốc của mobile robot: 1
Ta có phương trình động học của Mobile robot : '
� � Với v là vận tốc dài, � là vận tốc góc.
Ta biểu diễn phương trình trên theo vận tốc của hai bánh xe
Với L là khoảng cách giữa hai bánh xe.
Tại điểm C(��, ��) tọa độ trackingpoint, ta có: cos sin
� Phương trình động học tại C: ' ' '
Với a là khoảng cách từ tâm đường nối 2 bánh xe đến điểm tracking
Tại điểm P(��, ��) – điểm mong muốn của điểm C trên đường line, ta có : '
Ta tìm được phương trình động học cho sự sai lệch giữa vị trí tâm xe và vị trí của điểm mong muốn trên đường line:
Sai số vị trí theo tọa độ x, y và góc di chuyển trên hệ trục tọa độ tương đối gắn với nền tảng di động của trọng tâm C được ký hiệu lần lượt là ε1, ε2 và ε3 Những sai số này thể hiện sự chênh lệch giữa vị trí hiện tại của trọng tâm C và điểm mong muốn của nó trên đường line.
Tiếp theo ta xác định các sai số để đưa vào bộ điều khiển:
Để mô phỏng việc xe bám theo đường line, bước đầu tiên là xác định chính xác vị trí của xe so với đường line.
Ta thiết lập hệ toạ độ với M là trung điểm giữa 2 bánh xe và C là trung điểm của dãy sensor Sai số �1 bị triệt tiêu, do đó không cần xem xét Mục tiêu của thuật toán điều khiển là làm cho điểm C theo sát điểm tham chiếu P Để đạt được điều này, cần xác định các sai số �2 và �3 Sai số �2 được đo từ dãy sensor, vì vậy chỉ cần tính toán sai số �3 Để tính sai số này, xe di chuyển theo phương đã xác định một đoạn �� nhỏ, sao cho khi nối 2 điểm R và R’, ta có được phương tiếp tuyến với đường cong.
Khi đó ta có công thức xác định �3:
Tại vị trí đường line, chúng ta xác định giá trị góc giữa đường tâm xe và trục ngang Ox Dựa vào mối quan hệ giữa tọa độ tâm hai bánh xe, tọa độ tâm cảm biến và góc này, ta có thể thiết lập phương trình đường thẳng đi qua các cảm biến, điều này rất hữu ích trong mô phỏng để xác định sai số �2.
Dựa theo phần trình bày trên, ta sẽ tìm được các giá trị sai số đưa vào bộ điều khiển vị trí
Hình 5.3 Sơ đồ khối hệ thống.
Mô phỏng tìm khoảng cách d
Bảng 5.1 Thông số đầu vào mô phỏng tìm khoảng cách d Đại lượng Giá trị Đơn vị
Vận tốc lớn nhất 900 mm/s
Khoảng cách hai bánh xe 195 mm Đường kính bánh xe 65 mm
Thời gian di chuyển đoạn nhỏ tìm e2’ 0.002 s
Chiều dài cụm sensor 75 mm
Dựa vào các thông số đã nêu, khi khoảng cách d thay đổi, cần lựa chọn bộ hệ số k phù hợp để đảm bảo sai số tối đa là nhỏ nhất Kết quả mô phỏng được thể hiện trong hình ảnh dưới đây.
Hình 5.4 Kết quả mô phỏng sai số max ứng với các giá trị khoảng cách
Kết quả mô phỏng cho thấy, khi giá trị d nằm trong khoảng từ 50 đến 80 mm, sai số tối đa đạt mức nhỏ nhất Sai số bắt đầu tăng khi giá trị d vượt qua khoảng này Vì vậy, nhóm quyết định chọn d = 51 mm, đảm bảo xe có thể di chuyển hết quãng đường trên đường line.
Hình 5.5 Kết quả bám line khoảng cách được chọn là 51 mm
Mô phỏng sa bàn
Quy ước : đường vẽ màu xanh lá thể hiện vận tốc gốc bánh xe phải, đường màu đỏ thể hiện vận tốc gốc bánh xe trái.
Khoảng cách từ tâm cảm biến C đến tâm của hai bánh chủ động M được xác định là 51 mm Giá trị e2 phụ thuộc vào bộ số [k1 k2 k3] đã được lựa chọn Mô phỏng được thực hiện trên đoạn đường đua với các hệ số [k1 k2 k3] lần lượt là [1 600 0].
5.3.1 Kết quả bám line ở đoạn A-B-C-D:
Hình 5.7 Đồ thị sai số trong quá trình di chuyển
Hình 5.8 Vận tốc quay hai bánh trên đoạn A-B-C-D
Hình 5.9 Vận tốc dài robot trên đoạn A-B-C-D
Trong đoạn A-B-C-D, sai số lớn nhất e2 xảy ra tại điểm B, nơi có sự chuyển hướng đột ngột dẫn đến sai số 20 mm, mặc dù vẫn nhỏ hơn yêu cầu của đề bài Trong khi đó, sai số ở đoạn A-B và B-D tương đối ổn định (Hình 5.7) Qua quá trình chạy, tốc độ góc của hai bánh xe không vượt quá giới hạn cho phép của động cơ.
5.3.2 Đoạn D-E-F-C a.Sa bàn di chuyển đoạn D-E-F-C b Sai số e2, e3
Hình 5.10 Mô phỏng bám line đoạn D-E-F-C và sai số e2 ,e3
Hình 5.12 Vận tốc dài robot trên đoạn D-E-F-C
Trong đoạn D-E-F-C, sai số lớn nhất e2 xuất hiện tại điểm giao G với giá trị 13 mm, nơi có sự chuyển hướng đột ngột từ đường cong sang đường thẳng, dẫn đến sai số cao Trong khi đó, trên các đoạn D-E-F và F-C, sai số tương đối ổn định.
5.3.3 Đoạn C-G-A a.Sa bàn di chuyển đoạn C-G-A b Sai số e2 e3
Hình 5.13 Mô phỏng bám line đoạn C-G-A và sai số e2 ,e3
Hình 5.14 Vận tốc hai bánh trên đoạn C-G-A
Hình 5.15 Vận tốc xe trên đoạn C-G-A
Các thông số mô phỏng liên quan đến chuyển động của cảm biến, bao gồm sai số e2, e3, vận tốc xe và số vòng quay của bánh xe trong quá trình di chuyển từ đoạn C-G-A, được trình bày chi tiết trong hình 5.13 đến 5.15.
Trong đoạn C-G-A, sai số lớn nhất e2 xảy ra tại điểm G với giá trị -17 mm, nơi có sự chuyển hướng đột ngột gây ra sai số lớn Trong khi đó, sai số trên đoạn C-G và G-A tương đối ổn định.
5.3.3 Đoạn G-A-C-E a.Sa bàn di chuyển đoạn G-A-C-E b Sai số e2, e3
Hình 5.16 Mô phỏng bám line đoạn G-A-C-E và sai số e2 ,e3
Hình 5.17 Vận tốc hai bánh trên đoạn G-A-C-E
Hình 5.18 Vận tốc xe trên đoạn G-A-C-E
Trong Hình 5.4.4, các thông số mô phỏng liên quan đến chuyển động của sensor cảm biến, bao gồm sai số e2, e3, vận tốc xe và số vòng quay của bánh xe, được mô tả trong quá trình di chuyển đoạn G-A-C-E.
Trong đoạn G-A-C-E, khúc cua 90 độ gây ra sai số e2 tại vị trí này lên tới -23 mm Mặc dù sai số này khá lớn, nhưng vẫn nằm trong mức chấp nhận được trong quá trình vận hành.
Trong quá trình di chuyển, vận tốc của xe không ổn định và thường giảm mạnh nhất khi xe vào khúc cua 90 độ Điều này cần được chú ý khi áp dụng các thuật toán cho mô hình xe thực.
BỘ ĐIỀU KHIỂN
Lựa chọn vi điều khiển
Giải thuật điều khiển tập trung sử dụng một vi điều khiển để thực hiện tất cả các chức năng như đọc và xử lý tín hiệu từ cảm biến, điều khiển hai động cơ qua driver và đọc giá trị encoder Vi điều khiển cần đáp ứng đầy đủ các yêu cầu đặt ra cho robot.
Có 7 kênh đọc giá trị analog, có 2 kênh điều khiển độ rộng xung PWM và có thể đọc tín hiệu từ encoder tới tần số cao.
Nhóm quyết định chọn vi điều khiển Pic 18F4550, thỏa mãn tất cả các yêu cầu trên.
Giải thuật điều khiển
6.2.1 Chương trình điều khiển chính:
Hình 6.2 Chương trình điều khiển chính
Hình 6.3 Chương trình con điều khiển
THỰC NGHIỆM VÀ KẾT QUẢ
Hình ảnh xe thực tế
Hình 7.1 Ảnh xe thực tế 1.
Hình 7.2 Ảnh xe thực tế 2.
Kết quả thực nghiệm bám line
Hình 7.3 Ảnh xe bám line 1-ôm cua tại vị trí G.
Hình 7.4 Ảnh xe bám line 2- tới vị trí B.
Nhận xét
Kết quả chạy mô phỏng và thực tế của xe với vR = 0,9 m/s trên đường line cho thấy xe có dạng bám line giống nhau trên các đoạn đường thẳng và cong Cụ thể, trên các đoạn thẳng (B→D, F→G, A→E), xe dao động hai bên đường line, trong khi trên các đoạn cong (A→B, D→F, G→A), xe chỉ nằm ở một bên Mặc dù sai số mô phỏng đạt yêu cầu với emax = ±11mm trên đường thẳng và cong, cũng như emax = 250mm trên đoạn đổi hướng, nhưng sai số thực tế của xe không thỏa mãn yêu cầu đề ra Nguyên nhân dẫn đến việc tăng sai số này cần được xem xét.
- Sai số lắp đặt ảnh hưởng độ đồng trục của hai động cơ.
- Sai số tốc độ của hai động cơ.
Hình 7.5 Kết quả chạy mô phỏng.
- Sai số của hệ thống cảm biến cảm biến do sự khác biệt giữa môi trường thí nghiệm và thực nghiệm.
Sai số của hệ thống cảm biến có thể xảy ra do chiều cao lắp đặt và độ song song với trục động cơ Để khắc phục những sai số này, cần áp dụng các giải pháp thích hợp nhằm cải thiện độ chính xác của hệ thống.
- Thực hiện thí nghiệm nhằm đánh giá sai số vận tốc của động cơ để có thể đưa vào mô phỏng.
Thực nghiệm thí nghiệm nhằm đánh giá tác động của môi trường thực nghiệm đến giá trị đọc của hệ thống cảm biến, từ đó giúp xác định các biện pháp xử lý phù hợp.