THIẾT KẾ, CHẾ TẠO VÀ ĐIỀU KHIỂN ROBOT DÒ LINE (LINE FOLLOWING ROBOT

TỔNG QUAN

Giới thiệu

Robot dò line (Robot theo dõi đường) là một loại robot di động sử dụng bánh xe để di chuyển Robot này hoạt động bằng cách bám theo các đường line được kẻ, vẽ hoặc dán trên mặt đất Quá trình di chuyển của robot phụ thuộc vào thiết kế của sa bàn với hệ thống các đường line đã được tạo ra.

Yêu cầu đặt ra đồ án

Thiết kế và chế tạo xe dò line di chuyển trên sa bàn có điểm điểm như hình:

Hình 1.1 Sa bàn di chuyển của robot

 Khi bắt đầu, robot được đặt tại vị trí START (điểm A), sau đó robot chạy theo thứ tự đi qua các điểm nút quy định lần lượt như sau:

 Màu sắc đường line: đen

 Bề rộng đường line: 26 mm

 Bề mặt địa hình hình di chuyển: phẳng

 Tốc độ di chuyển của robot: tối thiểu 0.2 m/s

 Số lượng bánh xe của robot (bao gồm bánh xe dẫn động và bánh xe bị động) được chọn tùy thuộc vào thiết kế của các nhóm

Robot được trang bị hệ thống cảm biến giúp nhận diện và di chuyển theo đường line trên bề mặt sàn hoặc mặt đất Nhóm sinh viên có thể tự chọn loại cảm biến phù hợp với yêu cầu của dự án.

 Đường kính các bánh xe: d ≤ 200 mm

 Số lượng bánh xe (chủ động + bị động): tùy chọn

 Kích thước tối đa các chiều của robot (dài x rộng x cao): 350 mm x 250 mm x

Các tiêu chí đánh giá

(1) Kết cấu cơ khí (sơ đồ nguyên lý, kích thước tổng, số bánh xe)

Tình hình nghiên cứu ngoài nước

Hình 1.2 Mặt dưới Robot – Line Follower [1]

Kết cấu cơ khí: Xe 3 bánh:

2 bánh dẫn động phía sau, D = 50 mm

Cảm biến: 9 cặp IR transmitter and Receiver Động cơ: DC

Hệ thống điều khiển: PID

Môi trường làm việc: Phẳng

Vận tốc: Không có thông số

Dựa vào các thông số của xe nhóm có một số đánh về ưu nhược điểm của xe như sau:

 Sử dụng nhiều cảm biến hồng ngoại cho hiệu quả dò line cao

Kết cấu truyền động và mô hình động học đơn giản giúp đảm bảo các bánh xe luôn đồng phẳng, cho phép xe di chuyển linh hoạt ở những bán kính cong nhỏ, thậm chí có khả năng quay lại chỗ.

 Số lượng cảm biến nhiều khiến thuật toán nhận diện tín hiệu trở nên phức tạp

Xe có thể trượt khi di chuyển vào các đoạn đường cong có bán kính nhỏ với tốc độ cao Để đảm bảo chính xác khi xe di chuyển trên đường thẳng, cần điều khiển đồng bộ hai động cơ độc lập để hai bánh xe quay với tốc độ giống nhau.

1.4.2 Brandon’s line following robot: The Chariot

Hình 1.3 Brandon's line following robot: The Chariot [3]

Kết cấu cơ khí: Xe 3 bánh:

2 bánh dẫn động phía sau, D = 70 mm

Cảm biến: Cảm biến dò line QTR-6RC Động cơ: DC

Hệ thống điều khiển: Bám line sử dụng PID

Kết cấu truyền động và mô hình động học đơn giản cho phép các bánh xe luôn đồng phẳng, giúp xe di chuyển linh hoạt ở những bán kính cong nhỏ và thậm chí có khả năng quay lại vị trí ban đầu.

Xe có thể bị trượt khi di chuyển vào các đoạn đường cong có bán kính nhỏ với tốc độ cao Để đảm bảo xe di chuyển chính xác trên đường thẳng, cần điều khiển đồng bộ hai động cơ độc lập, giúp hai bánh xe quay với tốc độ giống nhau.

Kết cấu cơ khí: Xe 4 bánh dẫn động độc lập

Cảm biến: Cảm biến dò line QTR-8RC Động cơ: DC

 Kết cấu truyền động đơn giản, độ cứng vững cao, bán kính cong nhỏ

Mô hình động học phức tạp yêu cầu điều khiển đồng bộ bốn động cơ, đặc biệt là trên các đoạn đường thẳng Trong quá trình chuyển động, mô hình này dễ bị trượt, do đó cần một bộ điều khiển phức tạp để đảm bảo hiệu suất ổn định.

Kết cấu cơ khí: Xe 4 bánh dẫn động theo cơ cấu lái skid-steering

Cảm biến: 3 x SHARP GP2S700, phototransitor Động cơ: DC

 Kết cấu xe đồng phẳng nên khả năng bám đường tốt, tạo điều kiện cho việc dò line chính xác

 Bán kính cong nhỏ, có thể quay tại chỗ

 Cảm biến dò line đặt xa phía trước tăng tính linh cho xe

 Kết cấu truyền động phức tạp, dễ trượt khi vào cua

Tình hình nghiên cứu trong nước

1.5.1 Xe đua dò line của trường Đại học Công nghệ Thông tin

Hình 1.6 Xe đua dò line trong cuộc thi IT Car Racing 2017

Kết cấu cơ khí: Xe 4 bánh: 2 bánh dẫn động đồng trục và 2 bánh dẫn hướng được điều khiển bằng động cơ servo

Cảm biến: 7 x TCRT5000 Động cơ: DC, DC servo

Hệ thống điều khiển: PID

Dựa vào các thông số của xe nhóm có một số đánh về ưu nhược điểm của xe như sau: Ưu điểm:

 Hệ thống cảm biến đặt xa giúp dò line chuyển hướng chính xác với tốc độ cao

 Kết cấu xe cân bằng, hai bánh dẫn động đồng trục

 Khó khăn trong việc cân bằng phẳng, thật toán điều khiển động cơ servo phức tạp, khó ôm cua

 Chỉ đáp ứng được trong môi trường bằng phẳng do cần gá cảm biến khá dài

1.5.2 Xe dò line – Đồ án môn học của nhóm sinh viên lớp CK16KSCD Đại học

Hình 1.7 Xe dò line nhóm sinh viên lớp CK16KSCD [6]

Kết cấu cơ khí: Xe 3 bánh: 2 bánh dẫn động và 1 bánh đa hướng (bi cầu)

Cảm biến: 6 x TCRT5000 Động cơ: DC servo GA25

Hệ thống điều khiển: Bám line theo tiêu chuẩn Lyapunov

 Cấu trúc điều khiển phân cấp dẫn đến tốc độ xử lý nhanh

 Kết cấu cơ khí linh hoạt với bán kính cong nhỏ, đơn giản chỉ sử dụng hai động cơ

 Động cơ có tích hợp sẵn encoder dễ điều khiển

 Hệ thống cảm biến dễ bị nhiễu

 Chỉ sử dụng một dãy cảm biến nên không thể đo được sai số e3 (sai số hướng của xe)

 Sai số lớn trong các đoạn đường cong

 Cách định vị, kẹp chặt giữa các chi tiết chưa tốt và thiết kế không được cân bằng khi có tải trọng cục bộ đặt tại phía sau

 Độ cân bằng kết cấu không tốt

 Cần phải xác định vị trí chính giữa cho vị trí bánh đa hướng

 Bánh đa hướng dễ bị kẹt bi, khó di chuyển khi bánh đụng vật cản, chỉ thích hợp cho môi trường bằng phẳng

 Với kết cấu cơ khí, bộ điều khiển Lyapunov được đơn giản giống như bộ điều khiển tỉ lệ nên cho đáp ứng chậm

1.5.3 Xe dò line – Đồ án môn học của nhóm sinh viên khóa 16 Ngành Cơ điện

Trường Đại Học Bách Khoa TPCHM

Hình 1.8 Xe dò linne của nhóm sinh viên cơ điện tử khóa 16 [7]

Kết cấu cơ khí: Xe 3 bánh: 2 bánh dẫn động và 1 bánh đa hướng (bi cầu)

Cảm biến: 7 x TCRT5000 Động cơ: DC servo GA25

Hệ thống điều khiển: Bám line bằng giải thuật Fuzzy

Cấu trúc cơ khí linh hoạt với bán kính cong nhỏ, chỉ cần hai động cơ, giúp tối ưu hóa hiệu suất Vị trí sắp xếp các chi tiết và bánh dẫn động được thiết kế hợp lý, tạo điều kiện thuận lợi cho việc cân bằng khi có tải.

 Động cơ dễ điều khiển có tích hợp sẵn encoder

 Động cơ đáp ứng chậm

 Độ cân bằng kết cấu không tốt

 Bánh đa hướng dễ bị kẹt bi, khó di chuyển khi bánh đụng vật cản, thích hợp cho môi trường bằng phẳng

 Cấu trúc điều khiển tập trung đòi hỏi vi điều khiển có tốc độ xử lý mạnh

 Cảm biến dễ bị nhiễu bởi ánh sáng và nhiệt độ

 Chỉ sử dụng một dãy cảm biến nên không thể đo được sai số e3 (sai số hướng của xe).

Đặt bài toán

Dựa trên việc nghiên cứu và phân tích các loại xe đua dò line cả trong và ngoài nước, nhóm đã xác định được các yêu cầu cần thiết cho đề bài và đặt ra bài toán cụ thể để thực hiện.

 Vận tốc tối đa của xe 𝑣 = 0,4 𝑚/𝑠

 Bán kính cong nhỏ nhất 𝜌 𝑚𝑖𝑛 = 500 𝑚𝑚

LỰA CHỌN PHƯƠNG ÁN

Phương án cơ khí, kết cấu xe

Có nhiều loại kết cấu dành cho xe dò line được so sánh trong bảng sau:

Bảng 2.1 So sánh các phương án kết cấu cơ khí

Mô hình Bám đường Vào cua Điều khiển Kết cấu

Tốt, có kết hợp cơ cấu bản lề

Khó, do hiện tượng trượt

Không phức tạp, lái và chuyển động tách biệt

Không tốt Khó Không phức tạp Đơn giản

Không tốt Dễ Phức tạp Đơn giản

Không tốt Trung bình Phức tạp Đơn giản

Tốt, có kết cấu khớp cầu Khó Không phức tạp Phức tạp

Tốt Khó Không phức tạp Đơn giản

Tốt Dễ Phức tạp Đơn giản

Để đạt được mục tiêu về đích trong thời gian ngắn nhất, việc lựa chọn mô hình xe dò line có khả năng bám đường tốt, vào cua dễ dàng và kết cấu đơn giản là rất quan trọng Những yếu tố này không chỉ giúp giảm trọng lượng xe, mà còn hạn chế sai số phát sinh không mong muốn, từ đó tăng tính khả thi cho quá trình thiết kế và chế tạo sau này.

Sa bàn với nhiều chướng ngại vật đòi hỏi xe phải hoạt động ổn định khi vượt qua Trong trường hợp này, cấu trúc xe 4 bánh thường mang lại hiệu suất tốt hơn so với xe 3 bánh.

Yếu tố dò line đóng vai trò quan trọng trong việc xác định vị trí của cảm biến trên xe, nhằm tránh sai số do kết cấu chênh vênh Để đảm bảo độ chính xác khi di chuyển với tốc độ cao, cảm biến cần duy trì khoảng cách ổn định với sa bàn.

Kết luận: Từ những phân tích trên, nhóm chọn cấu trúc xe 3 bánh với hai bánh chủ động phía sau và một bánh mắt trâu phía trước

Hình 2.1 Phương án cơ khí, kết cấu xe

Mặc dù khả năng ổn định của cấu trúc này không được đánh giá cao nhưng vẫn đáp ứng được mục tiêu đề ra

Phương án điện

Robot dò line sử dụng cảm biến quang để xác định vị trí đường line so với xe và điều khiển hành động của chúng Hai phương pháp phổ biến cho robot dò line là sử dụng camera và các loại cảm biến quang dẫn.

Sử dụng camera là phương pháp nhận diện đường line bằng cách phân tích hình ảnh thu được thông qua các thuật toán xử lý ảnh, giúp xác định vị trí và góc lệch của xe so với đường line.

Cảm biến quang dẫn là lựa chọn phổ biến trong các cuộc thi robot dò line hiện nay, điển hình như quang điện trở hoặc phototransistor kết hợp với LED Nguyên tắc hoạt động của hai loại cảm biến này tương tự nhau, khi bộ thu nhận tín hiệu ánh sáng phản xạ từ bộ phát xuống mặt đất, từ đó xử lý để xác định vị trí của đường line.

Bảng 2.2 So sánh các loại cảm biến

Cảm biến Camera Quang điện trở Phototransistor

Thời gian xử lý 6 – 10 frame/s 20 – 30 ms 15 𝜇𝑠

Giá thành Cao Thấp Thấp

Lắp đặt Phức tạp Đơn giản Đơn giản

Yêu cầu đối với hệ thống là thời gian phản hồi nhanh để nhận biết rõ ràng các đường nét và bám theo các khúc cua một cách chính xác Hệ thống cần có giá thành thấp và dễ dàng lắp đặt nhằm tối giản cấu trúc xe Bên cạnh đó, cần chú ý đến việc đảm bảo các yếu tố về nhiễu để nâng cao hiệu suất hoạt động.

Kết luận: sử dụng loại cảm biến có phototransistor kết hợp với led hồng ngoại

Cảm biến này có thời gian đáp ứng nhanh chóng (15𝜇𝑠) và phù hợp với các dòng sản phẩm có độ tương phản màu cao, đồng thời có giá thành phải chăng Tuy nhiên, để đảm bảo hiệu suất hoạt động tốt, cần phải che chắn để giảm thiểu nhiễu từ ánh sáng bên ngoài môi trường.

2.2.2 Lựa chọn loại động cơ

Yêu cầu: Phổ biến và có sẵn trên thị trường, dễ sử dụng và điều khiển tốc độ Kết luận: Động cơ DC kết hợp với encoder

Phương án điều khiển

2.3.1 Về cấu trúc điều khiển

Mạch xe dò line bao gồm ba thành phần chính: mạch cảm biến, mạch điều khiển và mạch lái động cơ Hai phương pháp kết nối phần cứng phổ biến là điều khiển tập trung và điều khiển phân cấp.

Trong điều khiển tập trung, một MCU duy nhất thực hiện nhiều nhiệm vụ quan trọng: nó nhận và xử lý tín hiệu từ cảm biến, tiếp nhận và xử lý tín hiệu từ hai encoder, thực hiện chương trình chính, tính toán giá trị điều khiển và truyền lệnh cho hai động cơ.

Hệ thống điều khiển tập trung mang lại nhiều lợi ích, bao gồm việc quản lý cơ sở dữ liệu quá trình một cách đồng nhất và tập trung Điều này cho phép thực hiện các thuật toán điều khiển công nghệ một cách hiệu quả và nhất quán Tuy nhiên, bên cạnh những ưu điểm, cũng cần lưu ý đến một số nhược điểm của hệ thống này.

Nhược điểm của việc điều khiển nhiều đối tượng phức tạp là khối lượng tính toán lớn, khiến hệ thống xử lý không đáp ứng được yêu cầu Thêm vào đó, trong phương án điều khiển tập trung, việc tập trung các giá trị đo lường về máy tính điều khiển dẫn đến khối lượng dây dẫn lớn, làm tăng chi phí và gây khó khăn cho công tác bảo trì, sửa chữa.

Trong hệ thống điều khiển phân cấp, nhiều MCU được triển khai, với một MCU giữ vai trò master để thực hiện tính toán cho chương trình điều khiển chính Các MCU còn lại hoạt động như slave, đảm nhiệm các nhiệm vụ riêng biệt như thu thập và xử lý tín hiệu từ cảm biến, tính toán vị trí tương đối của xe so với đường đi và truyền thông tin về cho master, cũng như nhận tín hiệu từ encoder và tính toán luật điều khiển cho động cơ.

Sơ đồ cấu trúc tập trung có những ưu điểm nổi bật như chương trình điều khiển xử lý tín hiệu riêng biệt, giúp dễ dàng trong thiết kế nhóm và thuận tiện cho việc sửa đổi cũng như cập nhật mã điều khiển trong quá trình phát triển sản phẩm Bên cạnh đó, nó còn có khả năng xử lý nhiều tác vụ đồng thời, tăng cường hiệu suất làm việc.

Nhược điểm: Tốn nhiều tài nguyên phần cứng

Yêu cầu: Dễ kiểm tra lỗi và phân chia module

Kết luận: Lựa chọn phương án điều khiển phân cấp

Robot bán line có thể được điều khiển bằng bộ điều khiển on-off, sử dụng hai cảm biến cách nhau một khoảng lớn hơn chiều rộng của đường line Khi một cảm biến phát hiện line, động cơ tương ứng sẽ dừng lại, trong khi động cơ còn lại tiếp tục hoạt động Nếu không có cảm biến nào nằm trên line, cả hai động cơ sẽ quay cùng lúc.

Phương pháp điều khiển đường line không hiệu quả cho robot thực hiện nhiệm vụ đua đồng thời và không thể duy trì độ chính xác cao khi bám đường với sai số nhỏ.

Bộ điều khiển PID là giải pháp phổ biến cho các ứng dụng điều khiển tương tự và số, với hơn 90% bộ điều khiển trong công nghiệp sử dụng loại này Khi được thiết kế hiệu quả, bộ điều khiển PID có khả năng đáp ứng nhanh, thời gian quá độ ngắn, độ quá điều chỉnh thấp và triệt tiêu sai lệch tĩnh Tuy nhiên, nhược điểm của nó là chỉ hoạt động hiệu quả trong hệ tuyến tính, và có thể gặp vấn đề với nhiễu ở khâu vi phân, dẫn đến sai lệch lớn ở đầu ra.

Bộ điều khiển fuzzy hoạt động qua ba bước chính: mờ hóa, thực hiện luật hợp thành và giải mờ Độ chính xác của đầu ra hoàn toàn phụ thuộc vào chất lượng của các luật mờ được thiết lập; nếu luật mờ tốt, sai số đầu ra sẽ nhỏ và ngược lại.

Bộ điều khiển self-tuning fuzzy PI là sự kết hợp giữa bộ điều khiển PI và fuzzy, trong đó hai thông số 𝐾𝑃 và 𝐾𝐼 được điều chỉnh bởi bộ điều khiển fuzzy Thiết bị này được áp dụng trong các hệ thống phi tuyến MIMO, điều khiển robot theo các quỹ đạo phức tạp và có khả năng ổn định trước tác động của nhiễu Tuy nhiên, việc thiết kế bộ điều khiển này phức tạp hơn so với bộ điều khiển PID hoặc fuzzy.

Bộ điều khiển Following tracking sử dụng ba sai số 𝑒1, 𝑒2 và 𝑒3 để điều khiển robot, trong đó 𝑒1 là sai số theo phương tiếp tuyến, 𝑒2 theo phương tiếp tuyến khác và 𝑒3 là góc lệch giữa robot và đường đi Qua đó, robot có thể được điều khiển bằng các biến tốc độ góc và tốc độ dài, mang lại kết quả bám đường hiệu quả với sai số nhỏ Tuy nhiên, để xác định ba sai số này, việc sử dụng camera là cần thiết thay vì cảm biến.

Có thể tích hợp bộ điều khiển và thuật toán tự học Q-learning để cải thiện khả năng ghi nhớ lộ trình, từ đó điều chỉnh thông số phù hợp cho từng đoạn đường Điều này giúp nâng cao hiệu suất và khả năng phản ứng của xe sau mỗi lần vận hành, tương tự như các mẫu xe Silvestre và CartisX04.

Kế hoạch thực hiện

Bảng 2.3 Biểu đồ Ganlt kế hoạch thực hiện công việc

TỔNG QUAN Tìm hiểu tình hình chung

Tìm hiểu các mô hình xe đua Đặt đề bài, lựa chọn phương án Hiệu chỉnh tổng quan

THIẾT KẾ CƠ KHÍ Tính toán chọn lựa chọn động cơ Thiết kế thân xe, đồ giá động cơ

Vẽ mô hình 3D và hiệu chỉnh

Vẽ bản vẽ 2D Hiệu chỉnh thông số

Thiết kế điện bao gồm việc xây dựng sơ đồ khối hệ thống điện, lựa chọn và kiểm tra cảm biến, thiết kế cách bố trí cảm biến, hiệu chỉnh thông số và tiến hành cali cảm biến để đảm bảo hệ thống hoạt động hiệu quả.

Mô hình hóa robot dò line

Mô hình đáp ứng bám line Chọn, mô hình hóa driver - động cơ Thiết kế bộ điều khiển PID động cơ Hiệu chỉnh mô hình hóa

Chế tạo mô hình bao gồm các bước quan trọng như làm phần cứng mạch điện, lập trình điều khiển xe, chế tạo và gá đặt các bộ phận, lắp ráp xe và tiến hành hiệu chỉnh Cuối cùng, việc chạy thử và điều chỉnh là cần thiết để đảm bảo mô hình hoạt động hiệu quả.

Cả nhóm Trương Công Tây Nguyễn Văn Triệu Vỹ Đào Nguyên Thiên Vũ

THIẾT KẾ CƠ KHÍ

Chọn bánh xe

Cần chọn hai bánh chủ động phía sau và một bánh mắt trâu phía trước

 Có khả năng bám đường tốt, nhóm chọn vật liệu cao su (hệ số ma sát cao)

 Giá thành rẻ, nhóm chọn vật liệu nhựa

Bánh xe V2 65mm tại Hshop.vn

 Chất liệu: Nhựa, mút, cao su

Yêu cầu: chuyển hướng nhanh và êm, phổ biến

Lựa chọn: bánh mắt trâu kim loại lớn tại Hshop.vn

Hình 3.3 Bánh mắt trâu kim loại lớn

Tính toán chọn động cơ

Động cơ xe cung cấp moment cho các bánh để xe chuyển động, và quá trình này bị ảnh hưởng bởi khối lượng xe cũng như ma sát Bài viết tập trung vào ma sát giữa bánh xe và mặt đường, trong khi bỏ qua ma sát ở các khớp nối.

 Tốc độ tối đa mong muốn: 𝑣 𝑜,𝑚𝑎𝑥 = 0,4 𝑚 𝑠 −1

 Thời gian đáp ứng mong muốn: 0,4 𝑠

2 = 32,5 mm Phân tích các lực tác dụng lên bánh, giả sử tải trọng phân bố đều cho 2 bánh chủ động

Hình 3.4 Phân tích lực bánh xe chủ động

Momen quán tính quanh tâm bánh xe:

Phản lực của mặt phẳng tác động lên hai bánh xe dẫn động được xác định thông qua việc cân bằng momen lực quanh điểm tiếp xúc giữa bánh mắt trâu và mặt phẳng.

Hình 3.5 Ngoại lực tác dụng lên xe và chiều dài cánh tay đòn

 𝑀: khối lượng của cả xe và tải

 𝑚: khối lượng của một bánh xe

 𝑙: khoảng cách từ bánh mắt trâu đến trọng tâm của xe

 𝑙 1 : Khoảng cách từ bánh mắt trâu đến điểm tiếp xúc của bánh xe dẫn động

Cân bằng momen quanh tâm bánh xe, ta được:

⇔ 𝜏 = 𝐼𝜀 + 𝐹 𝑚𝑠 𝑅 (3) Điều kiện để bánh xe lăn không trượt khi động cơ quay:

Và chính lực ma sát sinh ra gia tốc chuyển động cho xe, nên:

Xe lăn không trượt nên:

Ta xác định gia tốc tối đa xe có thể đạt được mà không bị trượt, từ phương trình

Suy ra gia tốc góc tối đa mà không bị trượt, từ phương trình (13) và (14) :

Và momen xoắn lớn nhất của động cơ mà không bị trượt, từ phương trình (16) và

 Khối lượng xe tối đa: 𝑀 = 5 𝑘𝑔

 Khối lượng bánh xe chủ động: 𝑚 = 0,08 𝑘𝑔

 Bán kính bánh xe chủ động: 𝑅 = 32,5 𝑚𝑚

Suy ra, giới hạn gia tốc, momen xoắn mà xe có thể hoạt động mà không trượt :

Ta thấy các giá trị trên đều thỏa điều kiện gia tốc đặt ra của xe là 𝑎 𝑜,𝑚𝑎𝑥 1 𝑚 𝑠 −2 , ta xác định :

Với hệ số an toàn 𝒔 = 𝟏, 𝟑 ta xác định các thông số tối thiểu cần có của động cơ:

Từ đó, ta chọn động cơ DC servo GA25 V1 có các thông số như sau (chọn theo momen):

Bảng 3.1 Thông số động cơ DC servo GA25V1 Động cơ Điện áp hoạt động 3 − 12𝑉

Dòng khi động cơ bị giữ 2.29 𝐴

Tốc độ khi không tải 320 𝑟𝑝𝑚

Tốc độ khi có tải 280 𝑟𝑝𝑚

Momen động cơ khi bị giữ 7.96 𝑘𝑔𝑓 𝑐𝑚 Đường kính 24,4 𝑚𝑚

Hộp giảm tốc Đường kính 25 𝑚𝑚

Encoder Điện áp hoạt động 3,3 𝑉𝐷𝐶 Đường kính 14 𝑚𝑚 Đĩa Encoder 11 xung, 2 kênh

Số xung khi đi qua hộp giảm tốc 374

Trục công tác Đường kính 4 𝑚𝑚

Tính toán lại vận tốc xe theo vận tốc động cơ:

𝑠) Vậy động cơ thỏa mãn vận tốc đặt ra.

Kích thước khung xe

Chiều rộng (chiều ngang) động cơ từ gá động cơ tới encoder (không tính trục động cơ) là: 65 (mm)

Xe được trang bị hai động cơ lắp đồng trục, do đó chiều rộng của xe phải lớn hơn hai lần độ dài, tức là phải lớn hơn 130 mm Giới hạn chiều ngang tối đa cho phép là 220 mm.

Chiều dài khung xe và chiều rộng trên tạo không gian để bố trí các linh kiện cần cho xe dò line: mạch điều khiển, nguồn, tải,…

Giới hạn chiều dài: 350 (mm)

Chọn chiều dài: 340 (mm) Độ cao trọng tâm:

Tại các đoạn đường chuyển hướng, nguy cơ lật xe gia tăng khi trọng tâm xe cao hơn mặt đường Để ngăn ngừa tình trạng này, moment do trọng lực tác động quanh tâm quay C cần phải lớn hơn moment do lực ly tâm sinh ra.

Ta ước lượng khoảng cách b giữa 2 bánh xe chủ động là 170 mm

 𝐹 𝑙𝑡 là lực li tâm được tạo ra khi qua khúc cua

 T là trọng tâm của xe

 C là trọng tâm của xe khi nó rẽ

 h là chiều cao trọng tâm xe

Hình 3.7 Mô hình tính toán khi xe chuyển hướng Để tránh lật, moment sinh ra do trọng lực quanh tâm quay C phải lớn hơn moment của lực li tâm:

2.1 2 = 0,551(𝑚) = 551(𝑚𝑚) Vậy xe cần trọng tâm cách mặt đất ℎ ≤ 551 𝑚𝑚

MÔ HÌNH HÓA HỆ THỐNG

Mô hình hóa động học của robot

Xe chỉ di chuyển trên địa hình bằng phẳng với tải trọng không đổi, do đó có thể bỏ qua ma sát cản trở và các ngoại lực khác Trong tình huống này, trọng lực cân bằng với phản lực, và lực ma sát giữa bánh xe và mặt đường là lực phát động chính giúp xe di chuyển Lực này phụ thuộc vào công suất hoạt động của động cơ dẫn động Vì không có ngoại lực thay đổi nào khác tác động trong quá trình di chuyển, nên chỉ cần phân tích động học để hiểu rõ hơn về chuyển động của xe.

Mô hình động học của robot được biểu diễn như hình:

Hình 4.1 Mô hình động học của robot

R: Điểm tham chiếu của robot

A: trung điểm của hai bánh chủ động

Phương trình động học tại điểm A

𝑣: vận tốc dài của tâm xe

𝜔: vận tốc góc của tâm xe

𝜔 𝑅 , 𝜔 𝐿 : lần lượt là vận tốc góc bánh phải và bánh trái của xe

𝐿: khoảng cách giữa hai bánh xe

Phương trình động học tại điểm tracking C:

Với 𝑑 là khoảng cách từ tâm đường nối giữa 2 bánh đẫn dộng đến điểm tracking

Phương trình động học của điểm tham chiếu R:

Với 𝑣 𝑅 là vận tốc mong muốn của xe

Bộ điều khiển được thiết kế cho điểm tracking C để bám theo điểm tham chiều R với vận tốc mong muốn 𝑣 𝑅 Sai số của hệ thống được xác định bởi:

Hàm truyền động cơ – Driver

4.2.1 Định nghĩa Định nghĩa hàm truyền: Hàm truyền của hệ thống là tỉ số giữa biến đổi Laplace của tín hiệu ra và biến đổi Laplace của tín hiệu vào khi điều kiện đầu bằng 0 Đối với động cơ, chọn tín hiệu ra là tốc độ quay của động cơ (vòng/phút), tín hiệu vào là %PWM (từ 1 – 100(%))

Để xác định hàm truyền động cơ, cần cấp điện áp cho động cơ với tín hiệu đã biết trước, sau đó tiến hành đo tốc độ quay của động cơ.

Để xác định quan hệ giữa tín hiệu ra và tín hiệu vào của động cơ, trước tiên cần xác định xem đó là tuyến tính hay phi tuyến Bằng cách cung cấp nhiều giá trị PWM và quan sát đáp ứng tốc độ động cơ, ta có thể vẽ đồ thị mối quan hệ giữa PWM và tốc độ Quan trọng là chọn thời gian lấy mẫu đủ để tốc độ động cơ đạt trạng thái ổn định, và thực tế cho thấy thời gian 0,5 giây là đủ Để tìm mối quan hệ vào-ra, cần chọn số mẫu là 25 để khảo sát quan hệ giữa tốc độ động cơ và %PWM cho động cơ bên trái (A) và bên phải (B).

Tiến hành lấy mẫu ta được bảng số liệu sau:

Bảng 4.1 Tốc độ động cơ theo % PWM của động cơ A (trái)

STT %PWM Tốc độ động cơ

(vòng/phút) STT %PWM Tốc độ động cơ

Bảng 4.2 Tốc độ động cơ theo % PWM của động cơ B (phải)

STT %PWM Tốc độ động cơ

(vòng/phút) STT %PWM Tốc độ động cơ

Hình 4.2 Đồ thị tốc độ RPM theo độ rộng xung PWM của động cơ A

Hình 4.3 Đồ thị tốc độ RPM theo độ rộng xung PWM của động cơ B

Từ hình Hình 4.2 và Hình 4.3 ta thấy tốc độ quay của động cơ là hàm tuyến tính (tương đối) theo giá trị PWM từ 15% đến 100%

4.2.3 Tìm hàm truyền Để xác định hàm truyền động cơ có nhiều cách khác nhau, trong đó có thể xác định hàm truyền động cơ thông qua việc thực nghiệm và sử dụng phần mềm hỗ trợ để tìm hàm truyền, cụ thể ở đây sẽ sử dụng công cụ System Identification của Matlab

Theo định lý Nyquist, để phục hồi toàn bộ thông tin của tín hiệu gốc, tần số lấy mẫu 𝑓𝑠 cần phải lớn hơn ít nhất hai lần tần số cao nhất 𝑓𝑚 trong tín hiệu đó Thời gian lấy mẫu được ký hiệu là 𝑡𝑠.

Nếu N là số mẫu cần lấy, 𝑚 𝑛 là số nguyên dương cho tất cả các thành phần của tín hiệu 𝑇 1 , 𝑇 2 , … 𝑇 𝑛 thì:

Tốc độ lớn nhất của động cơ khi không tải: 𝑣 𝑚𝑎𝑥 = 264 𝑣ò𝑛𝑔/𝑝ℎú𝑡

Đĩa encoder có 11 xung mỗi vòng với 2 kênh, tổng số xung được tính bằng cách nhân 4 với tổng số xung lên và xuống của cả 2 kênh, cho ra 44 xung mỗi vòng Với tỷ số truyền là 21,41, số xung trên một vòng quay trục chính được xác định là 898 xung/vòng.

Tần số lớn nhất để đọc encoder:

Chu kì lấy mẫu nhỏ nhất:

Chọn tín hiệu vào là giá trị PWM theo hàm số sau:

Hình 4.4 Đồ thị tín hiệu PWM(%) cấp cho động cơ để xác định hàm truyền

Lấy mẫu trong 1 chu kì của tín hiệu vào là 𝑇 = 2 𝑠 → 𝑓 𝑚 = 1

Từ (26), khảo sảo trong một chu kỳ tín hiệu gốc nên 𝑚 𝑛 = 1, số mẫu cần lấy là:

Ta tiến hành lấy mẫu thực nghiệm từ hai động cơ, được các kết quả như sau:

Hình 4.5 Đồ thị đáp ứng của động cơ A

Hình 4.6 Đồ thị đáp ứng của động cơ B

Hàm truyền động cơ có dạng: 𝐻(𝑠) = 𝐾

Sử dụng công cụ System Identification của Matlab, với số cực là 1, số zeros là 0, ta xác định được hàm truyền của mỗi động cơ:

Hình 4.7 Tính chính xác của hàm truyền tìm được của động cơ A

Hình 4.8 Tính chính xác của hàm truyền tìm được của động cơ B

THIẾT KẾ ĐIỆN

Xây dựng sơ đồ khối nguyên lý hệ thống điện

Hình 5.1 Sơ đồ khối hệ thống điện.

Thiết kế cảm biến

Để đảm bảo khoảng cách giữa bộ phát và bộ thu của cảm biến quang dẫn, nên sử dụng các sản phẩm đã được thị trường công nhận như CNY70, TCRT1000 và TCRT5000.

Hai loại cảm biến quang dẫn sở hữu nhiều đặc điểm chung Để đạt được tốc độ xử lý cao, đặc biệt trong môi trường cạnh tranh như đường đua và thị trường Việt Nam, việc lựa chọn cảm biến phù hợp là rất quan trọng.

35 phototransistor TCRT5000 có giá thành hợp lý và phổ biến, dễ tìm nơi mua Do đó, chúng tôi chọn loại cảm biến phototransistor TCRT5000

5.2.1 Thông số kỹ thuật của cảm biến

 Phototransistor TCRT5000, theo datasheet ta có:

 Dòng hoạt động tối đa IF: 60 mA

 Dòng hoạt động tối đa Ic: 100 mA

 Khoảng cách phát hiện: 0,2 – 15 mm

 Điện áp giữa A và K: VF = 1,25 V

5.2.2 Tính toán giá trị các điện trở

Hình 5.2 Sơ đồ nguyên lý mạch nhận giá trị analog từ cảm biến

Theo TCRT5000 Datasheet ta có:

VF là điện áp giữa A và K được sử dụng để bật Led phát: 1,25 (V) và IF < 60 (mA)

Vcc là điện áp cấp: 5 (V)

Giá trị R1 được tính theo công thức:

36 a) IC và IF b) IC , IF và VCE

Hình 5.3 Mối quan hệ giữa dòng điện và điện áp

Từ hình Hình 5.3 và IF = 18,75 mA, suy ra:

VCE = 0,2V (hình b) Giá trị R2 được tính theo công thức:

5.2.3 Tính toán thực nghiệm lựa chọn khoảng cách từ cảm biến đến sa bàn:

Hình 5.4 Thông số và góc quét của cảm biến TCRT5000

Khoảng cách giữa hai tâm cảm biến: d = 3,8 mm

Khoảng cách hoạt động tốt của cảm biến: 0,2 – 15 mm

Tiến hành đo giá trị ADC của cảm biến trong điều kiện thiếu ánh sáng do cảm biến được đặt dưới gầm xe Chúng tôi đã thay đổi vị trí của cảm biến so với sa bàn và ghi nhận các kết quả theo khoảng cách h.

Bảng 5.1 Thông số Data analog từ cảm biến gửi về slave

Khoảng cách (mm) Nền trắng Nền đen Khoảng cách (mm) Nền trắng Nền đen

Hình 5.5 Biểu đồ thể hiện sự thay đổi của giá trị đọc từ cảm biến

Dựa vào bảng 4.1 và hình 4.4, ta thấy khoảng cách từ nền trắng đến cảm biến trong khoảng từ 7-13mm là ổn định

→ Vì vậy, nhóm chọn khoảng cách từ cảm biến đến nền là 10 mm

5.2.4 Xác định cách đặt cảm biến

Có hai cách đặt vùng làm việc của cảm biến như hình 4.5: đặt theo chiều dọc phương xe (a) và đặt theo chiều ngang (b)

Giá trị cảm biến trên nền đen

Giá trị cảm biến trên nền trắng

Hình 5.6 Cách đặt vùng làm việc của cảm biến

Tiến hành đo giá trị ADC của cảm biến biến thiên theo khoảng cách giữa cảm biến và sa bàn theo hai cách đặt cảm biến

Hình 5.7 Mối quan hệ giữa khoảng cách cảm biến đến tâm đường line theo hai cách

Từ đồ thị Hình 5.7, ta thấy độ biến thiên giá trị ADC của cảm biến khi đặt ngang ổn định hơn so với khi đặt dọc

→ Nhóm chọn đặt cảm biến nằm ngang

5.2.5 Tính toán khoảng cách giữa hai cảm biến

Dựa theo Hình 5.4 ta có:

Khoảng cách từ điểm đo đến tâm line

Mối quan hệ giữa khoảng cách cảm biến đến tâm đường line theo hai cách đặt Đặt dọc Đặt ngang

{ h=0,7+10=9,7 α 0 β0 0 Led phát: 𝑅 𝑒𝑚𝑖𝑡𝑡𝑒𝑟 = h.tan(𝛼) = 10,7.tan(16) = 3,07(mm) Led thu: 𝑅 𝑑𝑒𝑡𝑒𝑐𝑡𝑜𝑟 = h.tan(𝛽) = 10,7.tan(30)=6,18(mm)

𝑥 = 𝑅 𝑒𝑚𝑖𝑡𝑡𝑒𝑟 + 𝑅 𝑑𝑒𝑡𝑒𝑐𝑡𝑜𝑟 − 𝑑 = 3,07 + 6,18 − 3,8 = 5,45 (𝑚𝑚) Để vùng hoạt động của 2 cảm biến không chạm nhau:

Hình 5.8 Vùng cảm biến chồng nhau

2 = 9,25 + 5,1 = 14,35 𝑚𝑚 Khoảng cách giữa 2 cảm biến nằm trong khoảng: 14,35 ≤ 𝑑 < 20,55

Nhóm chọn khoảng cách giữa 2 cảm biến là 18 mm để đảm bảo vùng hoạt động không trùng

5.2.6 Lựa chọn số cảm biến

Xe cần tối thiểu hai cảm biến để xác định đường line, nhưng nhóm đã chọn ba cảm biến để đảm bảo nhận biết chính xác ngay cả khi xe di chuyển lệch sang trái hoặc phải.

Khi xe vào cua và khi vào ngã rẽ cần thêm mỗi bên một cặp cảm biến để nhận biết ngã rẽ

Với chiều rộng sa bàn là 26mm và bán kính cong khúc cua là 500 mm

5.2.7 Hiệu chỉnh cảm biến (Calibration)

Trong điều kiện làm việc với tín hiệu analog, mỗi cảm biến có giá trị đọc khác nhau Do đó, việc hiệu chỉnh các cảm biến là cần thiết để đảm bảo chúng có giá trị đọc đồng nhất.

Có hai phương pháp phổ biến để hiệu chỉnh cảm biến: một là tính toán hệ số để điều chỉnh giá trị đọc từ cảm biến thông qua việc chỉnh sửa mã code, và hai là sử dụng biến trở trên mạch để hiệu chỉnh Trong bài viết này, chúng ta sẽ tập trung vào việc điều chỉnh giá trị cảm biến qua mã code bằng phương trình hiệu chỉnh cảm biến.

𝑥 𝑚𝑖𝑛,𝑖 và 𝑥 𝑚𝑎𝑥,𝑖 là giá trị nhỏ nhất và lớn nhất đọc được từ cảm biến thứ i

𝑦 𝑚𝑎𝑥 và 𝑦 𝑚𝑖𝑛 là giá trị lớn nhất và nhỏ nhất mà ta mong muốn cho tất cả cảm biến

𝑥 𝑗,𝑖 là giá trị đọc được lần thứ j của cảm biến thứ i

𝑦 𝑗0 là giá trị sau khi hiệu chỉnh

Từ giá trị thực nghiệm ta thu được công thức calib cho 7 cảm biến

Công thức calib cho từng cảm biến (phải qua trái) được thể hiện trong bảng sau:

Bảng 5.2 Phương trình hiệu chỉnh các cảm biến

Từ giá trị khi thực hiện calib cảm biến, áp dụng công thức tính giá trị trung bình theo phương pháp xấp xỉ theo trọng số:

𝑥 𝑖 : Khoảng cách đo được từ tâm cảm biến thứ i đến tâm của board cảm biến

𝑦 𝑖 : Giá trị ADC của cảm biến thứ i đọc về sau khi hiệu chỉnh

𝑥: Tọa độ tâm line so với tâm cảm biến sau khi tính toán

𝐾: Hệ số tỉ lệ hiệu chỉnh cảm biến

Hình 5.9 Phương pháp tính giá trị trung bình xấp xỉ theo trọng số

Ta tiến hành thực nghiệm và có kết quả sau:

Hình 5.10 Đồ thị quan hệ giữa vị trí thực của line theo tính toán và thực tế đo được

Phương trình hàm xấp xỉ bậc nhất giữa vị trí thực của cảm biến và giá trị analog thu được:

𝑥: Là giá trị thực tế khoảng cách tâm line so với tâm cảm biến đo được

𝑦: Là giá trị tính toán khoảng cách tâm line so với tâm cảm biến

Lựa chọn driver

Để đảm bảo hiệu suất tối ưu, yêu cầu áp và dòng ra của driver phải lớn hơn áp và dòng cực đại của động cơ Driver cần có khả năng điều khiển tốc độ, đảo chiều quay, và hãm động cơ, đồng thời phù hợp với điện áp đầu ra 12VDC và dòng 750mA.

Ta chọn Driver L298N với các thông số:

 Tích hợp hai mạch cầu H

 Điện áp điều khiển: 5 ~ 12VDC

 Dòng tối đa cho mỗi cầu H: 2A

 Dòng tín hiệu điều khiển: 0 ~ 36mA.

Lựa chọn vi điều khiển

Dựa trên thiết kế đã chọn cho Robot, vi điều khiển thu thập tín hiệu từ cảm biến, thực hiện tính toán và điều chỉnh, sau đó truyền tín hiệu đến động cơ.

Hiện nay, thị trường có đa dạng dòng vi điều khiển với các đặc tính và khả năng khác nhau Việc lựa chọn dòng vi điều khiển phù hợp là rất quan trọng để đảm bảo đáp ứng đầy đủ các yêu cầu cho Robot.

 Số lượng cảm biến tối thiểu đã lựa chọn là 7 nên đọc cảm biến cần có ít nhất 7 ngõ vào Analog

 Có hỗ trợ điều chế xung PWM để điều khiển tốc độ động cơ

 Có bộ ngắt để đọc tín hiệu Encoder

 Bộ điều khiển phân cấp nên phải có hỗ trợ các giao tiếp SPI, I2C hoặc RS232…

Bảng 5.3 Bảng so sánh một số loại vi điều khiển thông dụng

Atmega328p PIC16F887 MSP430G2553 CPU, xung nhịp lớn nhất 32-bit, 72MHz 8-bit, 16Mhz 8-bit, 20MHz 16-bit, 16MHz

Flash 64KB 32KB 8KB 16KB

RAM 20KB 2KB 368 bytes 512 bytes

Mức điện áp ra ở các chân

Cấp nguồn Dùng nguồn 5V thông qua cổng USB hoặc chân cắm

Kích thước mạch ra chân

(bao gồm cả mạch nạp và mạch ra chân) (VNĐ)

Bảng 5.4 Đánh giá các loại vi điều khiển

Vi điều khiển STM32F103C8T6 là lựa chọn tối ưu cho các yêu cầu về giá cả và hiệu suất, đặc biệt trong hệ thống điều khiển phân cấp với ba vi điều khiển.

Kết luận: Chọn vi điều khiển STM32F103C8T6

Chọn nguồn pin và mạch hạ áp

Để đáp ứng yêu cầu điều khiển phân cấp và nguồn sử dụng cho động cơ, cảm biến và encoder, cần thiết phải sử dụng 3 nguồn pin riêng biệt cho vi điều khiển độc lập.

 Điện áp 3,3V cấp cho vi điều khiển

 Điện áp từ 3,3 – 5V cấp cho encoder và cảm biến

 Điện áp 10 – 12V cấp cho driver và động cơ

Từ các yêu cầu trên, nhóm đã chọn:

 Sử dụng 1 viên Pin 18650 3,7V và mạch hạ áp để cấp nguồn 3,3V cho vi điều khiển

 Sử dụng 1 viên Pin 18650 3,7Vcấp nguồn cho encoder và cảm biến

 Sử dụng 1 viên Pin Lipo 3 cell 11,1V cấp nguồn cho driver và động cơ

5.5.2 Chọn mạch hạ áp Để vi điều khiển hoạt động được ổn định với đúng mức điện áp quy định nên cần thiết phải sử dụng mạch hạ áp để có thể sử dụng được từ nguồn Pin 18650 3,7V

Mạch hạ áp LM2596 là một trong những lựa chọn phổ biến và dễ tìm trên thị trường, có khả năng hạ áp từ 3,7V xuống 3,3V với dòng tải tối đa 1A.

 Điện áp đầu ra điều chỉnh được trong khoảng: 1,5 ~ 30V

 Dòng đáp ứng tối đa: 3A.

Sơ đồ nối dây

Sơ đồ nối dây được trình bày các chân nối bằng ký hiệu trên từng khối chức năng

Hình 5.11 Sơ đồ nối dây khối nguồn

Hình 5.12 Sơ đồ nối dây khối động cơ và Encoder

Hình 5.13 Sơ đồ nối dây khối mạch cảm biến

Hình 5.14 Sơ đồ nối dây khối xử lý trung tâm

Hình 5.15 Sơ đồ nối dây khối điều khiển động cơ

Hình 5.16 Sơ đồ nối dây khối xử lý cảm biến

THIẾT KẾ BỘ ĐIỀU KHIỂN

Thành lập luật điều khiển

In the context of line-following robot tracking, the error 𝑒2 represents the perpendicular deviation from the desired path To effectively manage this deviation, the team has chosen to implement a PID (Proportional-Integral-Derivative) controller, which enables the robot to follow the predetermined trajectory with precision.

Bộ điều khiển sai số 𝑒 2 nhận tín hiệu đầu vào từ sự chênh lệch giữa tâm thanh cảm biến và giao tuyến của đường, từ đó tạo ra tín hiệu đầu ra là sự chênh lệch vận tốc giữa hai bánh xe.

Bộ điểu khiển PID đơn giản ở dạng song song (Parallel form) trong miền thời gian liên tục được biểu diễn như sau:

𝑢(𝑡) : tín hiệu ra của bộ điều khiển

Sai số giữa tín hiệu mong muốn 𝑟(𝑡) và tín hiệu đầu ra của hệ thống 𝑦(𝑡) được xác định bằng công thức 𝑒(𝑡) = 𝑟(𝑡) − 𝑦(𝑡) Để triển khai bộ điều khiển trên vi điều khiển, cần chuyển đổi công thức này sang dạng thời gian rời rạc.

𝑢(𝑘𝑇), 𝑒(𝑘𝑇): Tín hiệu điều khiển và tín hiệu sai số ở dạng dời rạc với thời gian lấy mẫu là 𝑇

Vận tốc của hai bánh xe được xác định bởi hai yếu tố chính: giá trị điều khiển từ bộ điều khiển và vận tốc tối đa mà động cơ có thể đạt được Giả sử rằng vận tốc yêu cầu của xe là

𝑉 𝑠𝑒𝑡 thì vận tốc của hai bánh xe sẽ được tính như sau:

Sơ đồ giải thuật

Hình 6.2 Sơ đồ giải thuật chương trình chính

Hình 6.3 Sơ đồ giải thuật chương trình phụ - Khối thời gian rẽ

Hình 6.4 Sơ đồ giải thuật chương trình phụ - Khối PID động cơ trái

Hình 6.5 Sơ đồ giải thuật chương trình phụ - Khối PID động cơ phải

Hình 6.6 Sơ đồ giải thuật chương trình phụ - Khối PD bám line

Mô phỏng

Bảng 6.1 Thông số đầu vào mô phỏng Đại lượng Giá trị Đơn vị

Tốc độ góc lớn nhất của động cơ 280 rpm

Khoảng cách từ tâm cảm biến tới tâm bánh sau 175 mm

Khoảng cách giữa hai bánh xe 168 mm Đường kính bánh xe 65 mm

Thời gian lấy mẫu hệ thống 0.15 s

Thời gian lấy mẫu motor 0.02 s

Hình 6.7 Mô phỏng bám line sa bàn

Hình 6.8 Độ rộng xung điều khiển hai động cơ

Hình 6.9 Vận tốc đáp ứng hai động cơ

Hình 6.10 Giá trị sai số e 2

Sau khi tối ưu các hệ số PID thì ta thu được tời gian chạy hết sa bàn với vận tốc 0,4 m/s là 26,5s

Sai số lớn nhất trên cả sa bàn là 75,8 mm

THỰC NGHIỆM VÀ KẾT LUẬN

Tóm tắt các nội dung đã thực hiện

 Tìm hiểu tổng quan về Robot dò line

 Thiết kế phần cứng xe dò line theo yêu cầu đồ án

 Xác định được hàm truyền động cơ

 Thiết kế mạch cảm biến sử dụng Phototransistor TCRT5000

 Tìm hiểu về dòng vi điều khiển STM32 và giao tiếp truyền dữ liệu giữa chúng (SPI)

 Tính toán mô hình hóa động học của robot

 Thiết kế bộ điều khiển và mô phỏng hoạt động của xe trên phần mềm Matlab

Mô hình xe dò line đã được hoàn thành và thực nghiệm thành công trên sa bàn, với khả năng di chuyển đúng theo vĩ đạo yêu cầu.

Hình ảnh xe thực tế

Hình 7.1 Hình ảnh xe dò line thực tế.

Kết quả thực nghiệm bám line

Tổng thời gian di chuyển: 86 𝑠

Nhận xét

Mô phỏng đã không xem xét các yếu tố quan trọng như khối lượng, lực quán tính của các thành phần xe, lực ma sát giữa bánh xe và sa bàn, sai số đồng trục giữa hai bánh xe, thời gian đáp ứng của động cơ, cũng như các tác động nhiễu từ môi trường như độ đồng đều về ánh sáng, màu sắc và độ phẳng của sa bàn Kết quả là, thực nghiệm không khớp với mô phỏng.

Kết quả thử nghiệm thực tế của nhóm không đạt được tốc độ và sai số cho phép do thuật toán điều khiển chưa được tối ưu Để khắc phục những sai sót này, nhóm đã đưa ra các giải pháp cải tiến.

 Gia công thân xe và gá trục động cơ lại bằng vật liệu nhôm để đảm bảo độ đồng tâm giữa hai bánh xe tốt hơn

Động cơ là yếu tố quan trọng cần được lựa chọn và tính toán một cách chính xác, không chỉ để đảm bảo đủ moment mà còn để đáp ứng tốt về thời gian phản hồi và vận tốc khi có tải.

 Thêm cảm biến để nhận biết các chỗ giao nhau và đoạn chuyển tiếp.

Định hướng phát triển đề tài

 Điều khiển vận tốc trên từng đoạn đường khác nhau để tối ưu thời gian hoàn thành

 Tích hợp chức năng tránh vật cản nhằm tránh va chạm làm hỏng phần cứng của xe

Định dạng
Số trang	67
Dung lượng	2,91 MB