ĐỒ án môn học THIẾT kế hệ THỐNG cơ – điện tử THIẾT kế, CHẾ tạo và điều KHIỂN ROBOT dò LINE (LINE FOLLOWING ROBOT)

Lựa chọn driver

Để đảm bảo hiệu suất hoạt động 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 ngõ ra là 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 sẽ thu thập tín hiệu từ các cảm biến, thực hiện tính toán và điều chỉnh, sau đó truyền tín hiệu đến các động cơ.

Hiện nay, thị trường vi điều khiển rất đa dạng với nhiều dòng sản phẩm khác nhau, mỗi loại sở hữu những đặc điểm và khả năng riêng Việc lựa chọn dòng vi điều khiển phù hợp là rất quan trọng để đáp ứng các yêu cầu cụ thể 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.

CPU, xung nhịp lớn nhất Flash RAM

Số chân analog Mức điện áp ra ở các chân I/O Cấp nguồn Kích thước mạch ra chân (mm) Giá thành (bao gồm cả mạch nạp và mạch ra chân) (VNĐ)

CPU Kích thước Giá thành Tổng

Vi điều khiển STM32F103C8T6 là lựa chọn lý tưởng nhờ vào giá thành hợp lý và hiệu suất hoạt động ổn định, phù hợp cho phương án điều khiển phân cấp với việc sử dụng ba vi điều khiển.

Kết luận: Chọn vi điều khiển STM32F103C8T6

Chọn nguồn pin và mạch hạ áp

Chọn nguồn pin

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

 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.

 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.

Chọn mạch hạ áp

Để đảm bảo vi điều khiển hoạt động ổn định với mức điện áp quy định, việc sử dụng mạch hạ áp từ nguồn Pin 18650 3,7V là rất cần thiết.

Mạch hạ áp LM2596 là một trong những lựa chọn phổ biến trên thị trường hiện nay, có khả năng giảm điện 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.

THIẾT KẾ BỘ ĐIỀU KHIỂN

Thành lập luật điều khiển

In the context of line-following robot tracking, the controller enables the robot to adhere to a predetermined trajectory with a perpendicular error of 2 The team has opted for a PID (Proportional-Integral-Derivative) controller to achieve this precision.

Bộ điều khiển sai số 2 nhận tín hiệu đầu vào từ sự chênh lệch giữa tâm thanh cảm biến và giao tuyến giữa 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:

( ) : tín hiệu ra của bộ điều khiển.

Sai số giữa tín hiệu mong muốn và tín hiệu ra của hệ thống được xác định bằng công thức ( ) = ( ) − ( ) Để triển khai bộ điều khiển trên vi điều khiển, cần áp dụng công thức này dưới dạng thời gian rời rạc.

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

Vận tốc của hai bánh xe phụ thuộc vào hai yếu tố chính: giá trị điều khiển từ bộ điều khiển và vận tốc tối đa mà động cơ có thể đạt được Để tính toán vận tốc của hai bánh xe, cần xác định vận tốc yêu cầu của xe.

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

Tốc độ góc lớn nhất của động cơ

Khoảng cách từ tâm cảm biến tới tâm bánh sau

Khoảng cách giữa hai bánh xe Đường kính bánh xe

Thời gian lấy mẫu hệ thống

Thời gian lấy mẫu motor

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

Nhận xét

Mô phỏng không tính đến một số yếu tố quan trọng ảnh hưởng đến kết quả, bao gồm khối lượng và lực quán tính của các bộ phận xe, lực ma sát giữa bánh xe và sa bàn, sai số đồng trục giữa hai bánh xe, thời gian phản hồi của động cơ, cùng với các tác động nhiễu từ môi trường như độ đồng đều về ánh sáng, màu sắc và độ phẳng của sa bàn.

Do đó, kết quả thực nghiêm đã không khớp với mô phỏng.

Kết quả chạy 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 đề xuất các giải pháp cải thiện.

 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 chú trọng lựa chọn và tính toán một cách chính xác Việc này không chỉ đảm bảo đáp ứng đủ moment mà còn cần phải xem xét thời gian phản hồi và vận tốc của động cơ khi có tải, đảm bảo vượt qua các yêu cầu đề ra.

 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.