- 1. BÁCH KHOA KHOA CƠ KHÍ BỘ MÔN CƠ-ĐIỆN TỬ ĐỒ ÁN MÔN HỌC THIẾT KẾ HỆ THỐNG CƠ-ĐIỆN TỬ HỌC KÌ II, NĂM HỌC 2016-2017 ĐỀ TÀI: THIẾT KẾ, CHẾ TẠO VÀ ĐIỀU KHIỂN ROBOT XE ĐUA DÒ LINE GVHD: PGS.TS. NGUYỄN TẤN TIẾN SVTH: NHÓM 1 1. HỒ LÊ TẤN BẢO 21300222 2. LÊ MINH ĐỨC 21300912 3. NGUYỄN HOÀNG HUY 21301476 4. NGUYỄN HỮU HUY 21301478 TP. HỒ CHÍ MINH, NGÀY 13 THÁNG 05 NĂM 2017
- 2. ..................................................................................................................................1 MỤC TIÊU.................................................................................................................................1 CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN......................................................................................................2 Về Cơ Khí.....................................................................................................................2 1. Mô hình xe đua dò line trong nước ..............................................................................2 2. Mô hình xe đua dò line ngoài nước..............................................................................3 3. So sánh ưu, nhược điểm ...............................................................................................5 Về Điện.........................................................................................................................6 1. Về cảm biến..................................................................................................................6 2. Về động cơ ...................................................................................................................8 Về Cấu Trúc Điều Khiển..............................................................................................8 Về Bộ Điều Khiển......................................................................................................10 ĐẶT ĐỀ BÀI..............................................................................................................10 CHƯƠNG 2: LỰA CHỌN PHƯƠNG ÁN ..............................................................................12 Về Cơ Khí...................................................................................................................12 1. Phương án khả thi.......................................................................................................12 2. Lựa chọn phương án...................................................................................................12 Về Điện.......................................................................................................................12 1. Lựa chọn động cơ.......................................................................................................12 2. Lựa chọn cảm biến .....................................................................................................13 Về Cấu Trúc Điều Khiển............................................................................................13 Về Bộ Điều Khiển......................................................................................................13 CHƯƠNG 3: THIẾT KẾ..........................................................................................................14 Thiết Kế Cơ Khí.........................................................................................................14 1. Tính toán kích thước xe..............................................................................................14 2. Tính toán công suất động cơ ......................................................................................17 3. Tính toán moment xoắn động cơ................................................................................18 4. Dung sai......................................................................................................................19 Thiết Kế Điện.............................................................................................................25 1. Thiết kế cảm biến .......................................................................................................25 2. Lựa chọn nguồn..........................................................................................................30 3. Khối động cơ-driver ...................................................................................................31 Thiết Kế Phần Lập Trình............................................................................................36 1. Sơ đồ khối hệ thống điều khiển..................................................................................36 2. Chọn vi điều khiển .....................................................................................................36 3. Lưu đồ giải thuật ........................................................................................................37 Mô Hình Hóa..............................................................................................................39 1. Mô hình hóa động học................................................................................................39 2. Thiết kế bộ điều khiển................................................................................................40 3. Mô hình hóa cảm biến................................................................................................40 4. Cách tìm sai số ...........................................................................................................40 5. Mô hình hóa động cơ..................................................................................................41 6. Kết quả mô phỏng ......................................................................................................42 7. Nhận xét .....................................................................................................................45 CHƯƠNG 4: KẾT QUẢ THỰC NGHIỆM .............................................................................46 Kết Quả Thực Nghiệm ...............................................................................................46 Phân Tích Thực Nghiệm ............................................................................................48 Đề Xuất Hiệu Chỉnh Thiết Kế....................................................................................48 CHƯƠNG 5: BIỂU ĐỒ GANLT.............................................................................................49 TÀI LIỆU THAM KHẢO........................................................................................................51
- 3. Cơ-Điện Tử Xe Đua Dò Line Nhóm 1 1 YÊU CẦU Đồ án môn học (ĐAMH) Thiết Kế Hệ Thống Cơ-Điện Tử yêu cầu nhóm sinh viên thực hiện hoàn chỉnh các quá trình thiết kế, chế tạo và điều khiển Robot Xe Đua Dò Line (Line Following Robot). Robot sau khi hoàn thành phải di chuyển bám theo sa bàn line phẳng cho trước (hình H.1), theo thứ tự (START) A → B → C → D → E → F → C → G → A → C → E (END), với vận tốc không nhỏ hơn 0.2𝑚/𝑠. H.1 Sa bàn di chuyển của robot MỤC TIÊU Do yêu cầu của ĐAMH là thiết kế, chế tạo và điều khiển robot xe đua dò line nên mục tiêu quan trọng nhất của cả quá trình là xe đua dò line chạy nhanh nhất có thể. 1500 A B G C START F D E END 𝑅500 𝑅500 3000
- 4. Cơ-Điện Tử Xe Đua Dò Line Nhóm 1 2 CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN Về Cơ Khí 1. Mô hình xe đua dò line trong nước a. Robot Không Độ của đội Không Độ vô địch BCR 2013 Sơ đồ nguyên lí (a) (b) H.𝟐 (a) Robot Không Độ; (b) Sơ đồ kết cấu Robot Không Độ Kích thước: 𝐿 × 𝑊 × 𝐻 = 270 × 140 × 140 (𝑚𝑚). Số bánh xe: Xe có 4 bánh, trong đó 2 bánh cao su dẫn động (𝐷 = 50 (𝑚𝑚)) đường kính lớn đặt ở phía sau, 2 bánh cao su có đường kính nhỏ hơn đặt ở phía trước thực hiện chức năng rẽ hướng, phần bộ phận cảm biến tiếp xúc trực tiếp với đường line không có bi lăn hoặc bánh mắt trâu ở giữa. Vận tốc xe: Vận tốc cực đại 𝑣 𝑚𝑎𝑥 = 0.6 (𝑚/𝑠), vận tốc trung bình 𝑣 𝑎𝑣𝑔 = 0.4 (𝑚/𝑠). b. Robot TDC1 của đội TDC1 vô địch MCR 2014 Sơ đồ nguyên lí (a) (b) H.𝟑 (a) Robot TDC1; (b) Sơ đồ kết cấu Robot TDC1 Kích thước: 𝐿 × 𝑊 × 𝐻 = 24 × 160 × 80 (𝑚𝑚). Số bánh xe: Xe có 4 bánh, trong đó 2 bánh cao su (𝐷 = 40 (𝑚𝑚)) dẫn động đặt ở phía sau, 2 bánh cao su có đường kính nhỏ hơn (𝐷 = 20 (𝑚𝑚)) đặt ở phía trước thực hiện chức năng như rẽ hướng, phần bộ phận cảm biến tiếp xúc trực tiếp với đường line không có bi lăn hoặc bánh mắt trâu ở giữa. Vận tốc xe: Vận tốc cực đại 𝑣 𝑚𝑎𝑥 = 0.7 (𝑚/𝑠), vận tốc trung bình 𝑣 𝑎𝑣𝑔 = 0.4 (𝑚/𝑠). c. Robot BKC] của đội BKC vô địch BCR 2015
- 5. Cơ-Điện Tử Xe Đua Dò Line Nhóm 1 3 Sơ đồ nguyên lí (a) (b) H.𝟒 (a) Robot BKC; (b) Sơ đồ kết cấu Robot BKC Kích thước: 𝐿 × 𝑊 × 𝐻 = 300 × 150 × 100 (𝑚𝑚). Số bánh xe: Xe có 4 bánh, trong đó 2 bánh cao su (𝐷 = 40 (𝑚𝑚)) dẫn động đặt ở phía sau, 2 bánh cao su tự lựa có đường kính lớn hơn (𝐷 = 50 (𝑚𝑚)) đặt ở phía trước thực hiện chức năng như 2 bánh castor, phần bộ phận cảm biến tiếp xúc trực tiếp với đường line không có bi lăn hoặc bánh mắt trâu ở giữa. Vận tốc xe: Vận tốc cực đại 𝑣 𝑚𝑎𝑥 = 0.7 (𝑚/𝑠), vận tốc trung bình 𝑣 𝑎𝑣𝑔 = 0.5 (𝑚/𝑠). 2. Mô hình xe đua dò line ngoài nước a. Robot Pika của đội Mechatron vô địch Cyberbot 2015, Poznan Sơ đồ nguyên lí (a) (b) H.𝟓 (a) Robot Pika; (b) Sơ đồ kết cấu Robot Pika Kích thước: 𝐿 × 𝑊 × 𝐻 = 280 × 180 × 50 (𝑚𝑚). Số bánh xe: Xe 𝑐ó 4 bánh, trong đó 2 bánh cao su dẫn động (𝐷 = 34 (𝑚𝑚)) đặt ở khung chính, 2 bánh mắt trâu đặt ở dãy cảm biến thực hiện chức năng như 2 bánh castor. Vận tốc xe: Vận tốc cực đại 𝑣 𝑚𝑎𝑥 = 2.7 (𝑚/𝑠), vận tốc trung bình 𝑣 𝑎𝑣𝑔 = 1.9 (𝑚/𝑠). b. Robot Green Gaint V4.1 tại cuộc thi Micromouse 2013-2014 Sơ đồ nguyên lí
- 6. Cơ-Điện Tử Xe Đua Dò Line Nhóm 1 4 (a) (b) H. 𝟔 (a) Robot Green Gaint V4.1; (b) Sơ đồ kết cấu Green Gaint V4.1 Kích thước: 𝐿 × 𝑊 × 𝐻 = 190 × 110 × 40 (𝑚𝑚). Số bánh xe: Xe có 4 bánh, trong đó 2 bánh cao su phía trước dẫn động (𝐷 = 40 (𝑚𝑚)), 2 bánh cao su phía sau là 2 bánh castor. Vận tốc xe: Vận tốc cực đại 𝑣 𝑚𝑎𝑥 = 3.5 (𝑚/𝑠), vận tốc trung bình 𝑣 𝑎𝑣𝑔 = 2 (𝑚/𝑠). c. Robot RR của Khoa Điện - Điện tử của trường Đại học Manchester Sơ đồ nguyên lí (a) (b) H.𝟕 (a) Robot RR; (b) Sơ đồ kết cấu Robot RR Kích thước: 𝐿 × 𝑊 × 𝐻 = 160 × 100 × 80 (𝑚𝑚). Số bánh xe: Xe có 3 bánh, trong đó 2 bánh cao su phía sau dẫn động (𝐷 = 54(𝑚𝑚)), bánh cao su phía trước có chức năng rẽ hướng. Vận tốc xe: Vận tốc cực đại 𝑣 𝑚𝑎𝑥 = 1 (𝑚/𝑠), vận tốc trung bình 𝑣 𝑎𝑣𝑔 = 0.5 (𝑚/𝑠). d. Robot Dave của đội đua Bruce tại cuộc thi LVBots Line Following, 4/2015 Sơ đồ nguyên lí (a) VS (b) H.𝟖 (a) Robot Dave; (b) Sơ đồ kết cấu Robot Dave
- 7. Cơ-Điện Tử Xe Đua Dò Line Nhóm 1 5 Kích thước: 𝐿 × 𝑊 × 𝐻 = 200 × 90 × 60 (𝑚𝑚). Số bánh xe: Xe có 4 bánh, trong đó 2 bánh cao su phía sau (𝐷 = 60 (𝑚𝑚)) được truyền chuyển động từ bộ vi sai, 2 bánh mắt trâu phía trước có chức năng rẽ hướng. Vận tốc xe: Vận tốc cực đại 𝑣 𝑚𝑎𝑥 = 1.2 (𝑚/𝑠), vận tốc trung bình 𝑣 𝑎𝑣𝑔 = 0.7 (𝑚/𝑠). e. Robot Pinto của đội đua Grant tại cuộc thi LVBots Line Following, 4/2015 Sơ đồ nguyên lí (a) (b) H. 𝟗 (a) Robot Pinto; (b) Sơ đồ kết cấu Robot Pinto Kích thước: 𝐿 × 𝑊 × 𝐻 = 210 × 130 × 120 (𝑚𝑚). Số bánh xe: Xe có 3 bánh, trong đó 2 bánh cao su phía trước (𝐷 = 60 (𝑚𝑚)) vừa dẫn động vừa rẽ hướng, bánh cao su phía sau là bánh castor. Vận tốc xe: Vận tốc cực đại 𝑣 𝑚𝑎𝑥 = 0.8 (𝑚/𝑠), vận tốc trung bình 𝑣 𝑎𝑣𝑔 = 0.5 (𝑚/𝑠). Từ những thông tin thu thập được ở trên, để lựa chọn được mô hình kết cấu phù hợp chúng ta cần phải thực hiện các quá trình phân tích, so sánh về các ưu, nhược điểm của những phần quan trọng trong kết cấu xe. 3. So sánh ưu, nhược điểm a. Về kết cấu Xe 4 bánh Mô hình 1. Bám đường Tốt: Có kết cấu khớp bản lề Không tốt Không tốt 2. Vào cua Khó: Do hiện tượng trượt Khó Dễ: Kết cấu bánh tự lựa 3. Điều khiển Không phức tạp: Lái và chuyển động tách biệt Không phức tạp Phức tạp: Lái và chuyển động kết hợp 4. Kết cấu Phức tạp Đơn giản Đơn giản Mô hình VS
- 8. Cơ-Điện Tử Xe Đua Dò Line Nhóm 1 6 1. Bám đường Không tốt Không tốt Tốt: Có kết cấu khớp cầu 2. Vào cua Dễ Trung bình Khó 3. Điều khiển Phức tạp Phức tạp Không phức tạp 4. Kết cấu Đơn giản Đơn giản Phức tạp Xe 3 bánh Mô hình 1. Bám đường Tốt Tốt 2. Vào cua Khó Dễ 3. Điều khiển Không phức tạp Phức tạp 4. Kết cấu Đơn giản Đơn giản b. Về số lượng bánh xe Số bánh 𝟒 bánh 𝟑 bánh 1. Đồng phẳng Khó đảm bảo đồng phẳng Luôn đồng phẳng 2. Độ ổn định khi có vật cản Vẫn giữ được độ ổn định Khó giữ được độ ổn định 3. Lật khi vào cua Khó Dễ 4. Ma sát Nhiều Ít Về Điện 1. Về cảm biến Phần lớn các robot dò line hiện nay sử dụng các loại cảm biến quang để nhận biết vị trí tương đối của đường line so với xe, từ đó xử lí để đưa ra tín hiệu điều khiển. Có hai phương pháp thường được sử dụng cho robot dò line là phương pháp sử dụng camera và các loại cảm biến quang dẫn: Trường hợp sử dụng camera để phát hiện vị trí line thì người ta sử dụng hình ảnh thu được tử đường line thực tế [5] , sau đó xử lý và dùng các giải thuật xử lý ảnh để xác định vị trí và góc lệch của xe so với đường line. Các xe sử dụng camera như Smart Car trong cuộc thi The Freescale 2012 hay Raspberry Pi Line Following Robot trong cuộc thi Robocup Junior Competition Flanders 2014… Trường hợp sử dụng cảm biến quang dẫn được sử dụng phổ biến trong các cuộc thi robot dò line hiện nay. Điển hình như quang điện trở hoặc phototransistor kết hợp với LED. Hai loại cảm biến này có nguyên tắc hoạt động giống nhau, bộ thu sẽ thu tín hiệu ánh sáng phản xạ từ bộ phát xuống mặt đất, từ đó xử lí để xác định vị trí của đường line. Các xe sử dụng phototransistor cho bộ phận dò line như Usain Volt 2.0, Thunderbolt…
- 9. Cơ-Điện Tử Xe Đua Dò Line Nhóm 1 7 Bảng so sánh giữa các loại cảm biến Cảm biến Camera Quang điện trở Phototransistor 1. Thời gian xử lý 6 − 10 (frame/𝑠) 20 − 30 (𝑚𝑠) 15 (𝜇𝑠) 2. Giá thành Cao Thấp Thấp 3. Lắp đặt Phức tạp Đơn giản Đơn giản Có 2 cách đọc giá trị áp của bộ phận thu cảm biến trả về: Cách thứ nhất là đọc theo dạng analog với sơ đồ điện của một cảm biến như hình H.𝟏𝟎. Tín hiệu analog đọc được từ cảm biến qua phép xấp xỉ để tìm ra vị của xe so với tâm đường line [6] . Các giải thuật xấp xỉ theo bậc 2, theo trọng số (hình H.𝟏𝟏) cho sai số dò line khác nhau. H.𝟏𝟎 Sơ đồ điện đọc giá trí analog của cảm biến hồng ngoại (a) (b) H.𝟏𝟏 (a) Xấp xỉ bậc 2; (b) Xấp xỉ theo trọng số Cách thứ hai là đọc digital. Tín hiệu đầu ra của cảm biến vẫn là anlog nhưng sau đó thông qua mạch lấy ngưỡng, hoặc lấy ngưỡng bằng lập trình để cho ra 2 giá trị logic 0 hoặc 1 ứng với vị trí của cảm biến trên đường line hoặc ngoài đường line. Sơ đồ mạch đọc giá trị cảm biến của phương pháp này như hình H.𝟏𝟐. H.𝟏𝟐 Sơ đồ điện của 1 cảm biến để đọc giá trị digital
- 10. Cơ-Điện Tử Xe Đua Dò Line Nhóm 1 8 Để điều khiển robot theo quỹ đạo, người thiết kế lập trình xác định độ lệch tương đối giữa quỹ đạo của robot và quỹ đạo mong muốn, sau đó so sánh độ lệch đó thành các mức và điều khiển lái robot quay về quỹ đạo như hình H.𝟏𝟑 [7] . ` 7 6 5 4 3 2 1 0 Trạng thái cảm biến Giữa vạch Lệch trái mức 1 Lệch trái mức 2 Lệch phải mức 1 Lệch phải mức 2 H.𝟏𝟑 Quy định mức lệnh giữa quy đạo của robot và quỹ đạo mong muốn Bảng so sánh giữa các phương pháp đọc cảm biến Đọc tín hiệu analog Đọc tín hiệu digital 1. Độ chính xác Cao Thấp 2. Thời gian đọc tín hiệu Tốn nhiều thời gian Tốn ít thời gian 3. Giải thuật xử lý Phức tạp Đơn giản 2. Về động cơ Hầu hết các xe dò line trong thực tế đều dùng động cơ dc có gắn encoder, vì có bộ Encoder hồi tiếp nên đảm bảo được độ ổn định và chính xác cho hệ thống. Đối với các xe việc chuyển hướng không dùng bánh đa hướng thì có thể dùng Rc Servo để điều khiển hướng di chuyển. Các xe như Usain Volt 2.0 sử dụng động cơ 50:1 HP gearmotors , Silvestre-line sử dụng động cơ Maxon DC motor . Bảng so sánh động cơ servo và DC DC có gắn encoder DC 1. Điều khiển Có hồi tiếp nên độ chính xác cao Không hồi tiếp nên độ chính xác thấp 2. Giá thành Cao Thấp Về Cấu Trúc Điều Khiển Mạch xe dò line gồm các thành phần cơ bản gồm mạch cảm biến (sensor); mạch điều khiển (micro controller); mạch lái động cơ (driver). Có hai phương pháp chính để kết nối phần cứng với nhau là điều khiển tập trung và điều khiển phân cấp. Trong điều khiển tâp trung, một MCU duy nhất đồng thời: nhận và xử lý tín hiệu từ cảm biến, nhận và xử lý tín hiệu từ hai encoder, thực hiện chương trình chính, tính giá trị điều khiển và truyền cho hai động cơ. Cấu trúc này được sử dụng nhiều trong thực tế trong hầu hết các mô hình xe: HBFS, Pika,…
- 11. ĐẦY ĐỦ NỘI DUNG MÃ TÀI LIỆU: 50338 DOWNLOAD: + Link tải: Xem bình luận Hoặc : + ZALO: 0932091562
|
