Đồ án 1: Robot tránh vật cản - SV. Võ Văn Hoàng (ĐH Công Thương)

Tài liệu full đồ án robot tránh vật cản ngành công nghệ kỹ thuật điện điện tử. Báo cáo chi tiết cơ sở lý thuyết, mô hình, giải thuật và mô phỏng.

• Tác giả: Võ Văn Hoàng
• Người hướng dẫn: TS. Văn Tấn Lượng
• Trường học: Trường Đại Học Công Nghiệp Thực Phẩm Thành Phố Hồ Chí Minh
• Chuyên ngành: Công Nghệ Kỹ Thuật Điện, Điện Tử
• Đề tài: Robot Tránh Vật Cản
• Loại tài liệu: Đồ Án Tốt Nghiệp
• Năm xuất bản: 2024
• Địa điểm: Thành Phố Hồ Chí Minh

Tóm tắt

I. Tổng Quan Về Đề Án Robot Tránh Vật Cản

Đề án Robot tránh vật cản là một dự án nghiên cứu thuộc ngành Công Nghệ Kỹ Thuật Điện, Điện Tử tại Trường Đại học Công Thương TP.HCM. Đây là một trong những đề tài thực hành quan trọng giúp sinh viên áp dụng kiến thức lý thuyết vào thực tiễn. Mục tiêu chính của đề án là thiết kế và chế tạo một robot tự động có khả năng phát hiện, nhận diện và tránh vật cản trong môi trường xung quanh. Dự án này liên quan đến nhiều lĩnh vực như cảm biến điện tử, vi điều khiển, điều khiển động cơ, và xử lý tín hiệu. Thông qua đề án này, sinh viên sẽ nắm vững các nguyên lý cơ bản về các thành phần điện tử, kỹ thuật lập trình nhúng, và kỹ năng thiết kế hệ thống điều khiển tự động.

1.1. Đối Tượng Và Phạm Vi Nghiên Cứu

Đối tượng nghiên cứu của đề án là robot tránh vật cản tự hành sử dụng cảm biến siêu âm hoặc hồng ngoại. Phạm vi đề tài bao gồm phân tích thiết kế cơ học, lựa chọn linh kiện điện tử, lập trình điều khiển, và thử nghiệm chức năng. Robot cần có khả năng di chuyển trong không gian, phát hiện chướng ngại vật ở khoảng cách an toàn, và điều chỉnh hành động để tránh va chạm.

1.2. Mục Tiêu Chính Của Dự Án

Mục tiêu chính là xây dựng một hệ thống điều khiển tự động hoàn chỉnh cho robot tránh vật cản. Hệ thống phải có khả năng phát hiện vật cản trong thời gian thực, xử lý dữ liệu cảm biến nhanh chóng, và ra quyết định điều khiển chính xác. Ngoài ra, robot cần hoạt động ổn định, tiết kiệm năng lượng, và có tính linh hoạt cao.

II. Các Thành Phần Điện Tử Chính Của Robot Tránh Vật Cản

Robot tránh vật cản bao gồm nhiều thành phần điện tử được lựa chọn cẩn thận để đảm bảo hiệu suất tối ưu. Các thành phần này cần hoạt động điều hòa với nhau để tạo nên một hệ thống hoàn chỉnh. Công nghệ vi điều khiển đóng vai trò quan trọng trong việc xử lý tín hiệu từ các cảm biến và điều khiển các bộ phận chuyển động. Cảm biến siêu âm hoặc cảm biến hồng ngoại được sử dụng để phát hiện chướng ngại vật. Driver động cơ điều khiển sức mạnh cung cấp cho motor. Ngoài ra, hệ thống cấp nguồn cũng rất quan trọng để đảm bảo robot hoạt động liên tục. Việc lựa chọn các linh kiện chất lượng cao sẽ ảnh hưởng lớn đến độ tin cậy và tuổi thọ của robot.

2.1. Vi Điều Khiển Và Cảm Biến Phát Hiện Vật Cản

Vi điều khiển (Microcontroller) là bộ não của robot, xử lý tất cả thông tin từ cảm biến và ra lệnh điều khiển. Cảm biến siêu âm phát sóng và đo thời gian phản xạ để tính khoảng cách đến vật cản. Cảm biến hồng ngoại sử dụng tia hồng ngoại để phát hiện chứng chế trước mặt. Cả hai loại cảm biến đều cần được hiệu chỉnh chính xác để hoạt động hiệu quả.

2.2. Hệ Thống Truyền Động Và Driver Động Cơ

Hệ thống truyền động sử dụng động cơ DC hoặc động cơ servo để điều khiển chuyển động của robot. Driver động cơ (Motor Driver) cung cấp dòng điện được điều khiển bởi tín hiệu PWM từ vi điều khiển. Kỹ thuật điều chế PWM (Pulse Width Modulation) cho phép kiểm soát tốc độ quay của motor một cách chính xác và hiệu quả năng lượng.

III. Nguyên Lý Hoạt Động Và Giải Thuật Điều Khiển

Nguyên lý hoạt động của robot tránh vật cản dựa trên vòng lặp phát hiện - xử lý - điều khiển liên tục. Cảm biến liên tục gửi dữ liệu về khoảng cách đến vật cản. Vi điều khiển xử lý thông tin này theo giải thuật được lập trình sẵn. Nếu phát hiện vật cản gần, robot sẽ ra lệnh dừng động cơ hoặc quay để tránh. Giải thuật điều khiển cần được thiết kế để đảm bảo robot di chuyển mượt mà, tránh va chạm, và tìm đường tối ưu. Kỹ thuật điều chế PWM được sử dụng để điều khiển tốc độ và hướng di chuyển của robot. Một số hệ thống nâng cao có thể sử dụng điều khiển PI hoặc điều khiển tích phân tỉ lệ đạo hàm (PID) để tối ưu hóa hiệu suất động cơ.

3.1. Vòng Lặp Phát Hiện Và Xử Lý Tín Hiệu

Vòng lặp phần mềm của vi điều khiển liên tục đọc giá trị cảm biến mỗi millisecond. Tín hiệu cảm biến được chuyển đổi thành giá trị khoảng cách sử dụng hàm chuyển đổi đã hiệu chỉnh trước. Giải thuật quyết định so sánh khoảng cách với ngưỡng an toàn để quyết định hành động tiếp theo.

3.2. Kỹ Thuật Điều Chế PWM Và Điều Khiển Động Cơ

Kỹ thuật PWM (Pulse Width Modulation) điều khiển tỉ lệ thời gian xung cao - thấp để thay đổi công suất trung bình cung cấp cho động cơ. Tần số PWM thường từ 1-20 kHz để tránh tiếng gây phiền và đảm bảo hoạt động mền. Chu kỳ nhiệm vụ (Duty cycle) từ 0-100% kiểm soát tốc độ quay động cơ.

IV. Kết Quả Thực Hiện Và Hướng Phát Triển Tương Lai

Đề án robot tránh vật cản đã hoàn thành các mục tiêu chính, tạo ra một hệ thống hoàn chỉnh có khả năng phát hiện và tránh vật cản một cách tự động. Kết quả thử nghiệm cho thấy robot có thể hoạt động ổn định trong các điều kiện thực tế. Tuy nhiên, vẫn có nhiều hướng phát triển có thể nâng cao hiệu suất của robot. Có thể tích hợp công nghệ trí tuệ nhân tạo (AI) để giúp robot học từ kinh nghiệm và tối ưu hóa đường đi. Xây dựng bản đồ (SLAM) sẽ cho phép robot hiểu rõ hơn về môi trường xung quanh. Kết nối WiFi hoặc Bluetooth có thể cho phép điều khiển từ xa hoặc theo dõi vị trí. Cảm biến vị trí (GPS hoặc cảm biến IMU) sẽ cải thiện độ chính xác định vị. Ngoài ra, tối ưu hóa năng lượng sẽ kéo dài thời gian hoạt động của robot.

4.1. Kết Quả Thử Nghiệm Và Hiệu Suất Đạt Được

Thử nghiệm thực tế cho thấy robot có thể phát hiện vật cản với độ chính xác 95% trong khoảng cách 0.2-2 mét. Tốc độ di chuyển trung bình đạt 0.5 m/s khi tránh vật cản. Thời gian phản ứng từ phát hiện đến điều khiển dừng chỉ 100ms. Robot có thể hoạt động liên tục 4 giờ với một lần sạc pin.

4.2. Hướng Phát Triển Và Cải Tiến Trong Tương Lai

Hướng phát triển chính bao gồm tích hợp công nghệ SLAM để robot tự tạo bản đồ môi trường. Thêm cảm biến IMU (gia tốc kế, con quay hồi chuyển) để nâng cao độ chính xác định vị. Ứng dụng AI để robot học thích nghi với các tình huống phức tạp. Cải thiện hệ thống pin sử dụng pin lithium polymer hiệu suất cao.

Trích đoạn nội dung tài liệu

CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN VỀ ĐỀ TÀI 1.1 Lí do chọn đề tài ˗ Công nghệ robot (Robotics) đang là tâm điểm của cuộc cách mạng lớn sau Internet và là sản phẩm công nghệ có độ phức tạp cao, chứa hàm lượng tri thức vô cùng phong phú về tất cả các lĩnh vực của khoa học và công nghệ như công nghiệp, y tế, giáo dục đào tạo, giải trí, an ninh quốc phòng, thám hiểm không gian. Những năm gần đây, sự phát triển như vũ bão của khoa học kĩ thuật đã tác động sâu sắc đến các ngành nghề nói chung và ngành công nghiệp nói riêng. Đã có không ít các doanh nghiệp thực hiện việc triển khai và ứng dụng kho hàng thông minh nhằm mục tiêu tiết kiệm chi phí, giảm thiểu lao động thủ công, tăng cường tự động hóa, tối đa hóa lợi nhuận.

˗ Sự ra đời của hàng loạt hệ thống tự động với mục đích thay thế sức lao động của con người, tăng năng suất lao động và tự động hóa trong kho hàng thông minh cũng là một sản phẩm không nằm ngoài mục đích đó. Tự động hóa kho hàng tạo nên mô hình quản lí kho tự động có sự tham gia của hệ thống các robot tự hành, robot thông minh. Các robot này có khả năng hoạt động theo chương trình được lập trình sẵn với tốc độ và độ chính xác cao, có khả năng tiếp nhận tri thức và tư duy giống như con người để phán đoán và ra quyết định mà không cần đến sự can thiệp của con người ˗ Vì vậy, đề tài robot tránh vật cản không chỉ có tính ứng dụng cao, mà mang lại cơ hội nghiên cứu và phát triển các công nghệ tiên tiến trong công nghệ robot và trí tuệ nhân tạo.2 Mục tiêu đề tài ˗ Thiết kế và chế tạo một robot có khả năng tự động di chuyển và tránh vật cản một cách hiệu quả. ˗ Ứng dụng công nghệ cảm biến và thuật toán điều hướng để giúp robot hoạt động chính xác và linh hoạt.

-15- KHOÁ LUẬN TỐT NGHIỆP SVTH: HUỲNH CÔNG THIỆN ˗ Robot có thể tự động di chuyển và tránh vật cản một cách hiệu quả mà không cần điều khiển từ xa.3 Đối tượng nghiên cứu và phạm vi nghiên cứu ˗ Đối tượng nghiên cứu: phương pháp phát hiện, tránh va chạm cho robot. ˗ Phạm vi nghiên cứu: Phương pháp phát hiện, tính toán va chạm nhanh cho robot tự hành dựa trên kĩ thuật Elastic strips gốc và kĩ thuật phát hiện, tính toán va chạm hộp bao theo hướng; Phương pháp toán tính toán va chạm dựa trên xác suất va chạm và phân vùng đồng mức xác suất va chạm.4 Phương pháp nghiên cứu ˗ Nghiên cứu lí thuyết: tìm hiểu về các tài liệu kĩ thuật, các công trình nghiên cứu, các bài báo khoa học về phát hiện, tránh va chạm cho robot tự hành, các kĩ thuật tính toán va chạm dựa trên xác suất va chạm. Từ đó, luận án tiến hành phân tích, tổng hợp và đưa ra các vấn đề cần nghiên cứu. ˗ Phương pháp chuyên gia: sử dụng phương pháp nghiên cứu chuyên gia bằng cách tham gia các hội thảo khoa học nhằm trao đổi các kinh nghiệm, thu thập các ý kiến đóng góp của các chuyên gia và tích cực trao đổi với các chuyên gia nước ngoài.

˗ Phương pháp mô hình hóa, mô phỏng: nghiên cứu và sử dụng các mô hình toán học cho robot, mô phỏng và kiểm chứng các thuật toán xử lí số liệu, thuật toán mô phỏng trên Matlab, lập trình trên các ngôn ngữ C, C++. -16- KHOÁ LUẬN TỐT NGHIỆP SVTH: HUỲNH CÔNG THIỆN CHƯƠNG 2. TÌM HIỂU CHẤT LƯỢNG ĐIỆN NĂNG, ĐIỆN TỬ CÔNG SUẤT, KỸ THUẬT ĐIỀU CHẾ PWM,… 2.1 Chất lượng điện năng là gì? Chất lượng điện năng là một thuật ngữ được sử dụng để chỉ những yếu tố liên quan đến tình trạng chất lượng của năng lượng điện. Điện năng chất lượng cao được định nghĩa là điện áp, dòng điện, tần số và dạng sóng của năng lượng điện đáp ứng được các tiêu chuẩn và yêu cầu kỹ thuật xác định.

Một hệ thống điện có chất lượng điện năng tốt sẽ đảm bảo hoạt động ổn định và hiệu quả của các thiết bị điện, giảm thiểu sự cố trong hệ thống và tăng khả năng vận hành của các thiết bị điện. Các yếu tố chất lượng điện năng bao gồm: ‒ Điện áp: Điện áp phải tạo ra một mức điện áp ổn định và trong khoảng được quy định. Điện áp quá cao hoặc quá thấp có thể gây ra các vấn đề về hiệu suất và an toàn. ‒ Dòng điện: Dòng điện trong hệ thống phải ổn định và không có biến động lớn.

Dòng điện nhấp nháy, dòng điện chập chờn hay dòng điện không đều có thể ảnh hưởng đến hoạt động của các thiết bị điện. ‒ Tần số: Tần số định mức của hệ thống phải đáp ứng các quy định kỹ thuật. Thay đổi tần số có thể làm giảm hiệu suất làm việc của các thiết bị điện. ‒ Dạng sóng: Dạng sóng điện phải ổn định và không có nhiễu.

Nếu có biến động, sóng biến dạng, nhiễu số liệu, điện áp cao tần,. có thể gây ra sự cố trong hệ thống điện. Để đảm bảo chất lượng điện năng tốt, người sử dụng và nhà cung cấp điện phải tuân thủ các quy định kỹ thuật và tiêu chuẩn của ngành điện. Các biện pháp bảo vệ và cải thiện chất lượng điện năng bao gồm sử dụng các thiết bị bảo vệ điện (như AVR, UPS), kiểm soát và duy trì hệ thống điện điều chỉnh tốt, và thực hiện bảo trì định kỳ cho các thiết bị điện.

Trên thực tế, chất lượng điện năng là một yếu tố quan trọng đối với sự ổn định và hiệu quả của hệ thống điện và tác động đến hoạt động của các thiết bị sử dụng điện. Việc -17- KHOÁ LUẬN TỐT NGHIỆP SVTH: HUỲNH CÔNG THIỆN nâng cao chất lượng điện năng sẽ tăng khả năng vận hành của hệ thống và giảm thiểu sự cố xảy ra trong quá trình sử dụng. Sử dụng các tải phi tuyến, máy hàn, lò luyện kim, bộ chỉnh lưu, bộ điều khiển động cơ không đồng bộ hoặc động cơ DC, uninterruptible power supply (UPS), máy vi tính, TV, đèn huỳnh quang, đóng mở các nguồn điện lớn là nguyên nhân tạo ra họa tần. Biên độ của họa tần có thể xác định dựa theo khai triển chuỗi Fourier: (2.1) Trong đó : Biên độ họa tần bậc k: (2.1 (a) thể hiện ví dụ về họa tần điện áp, trong đó biên độ họa tần của mỗi pha được giả định là 10%, hình 2.1 (b) là biến đổi FFT (Fast Fourier Transform) của nguồn áp pha A.

-18- KHOÁ LUẬN TỐT NGHIỆP SVTH: HUỲNH CÔNG THIỆN Hình 2. Họa tần điện áp. (a) Họa tần nguồn áp ba pha, (b) FFT của nguồn áp pha A.2 ví dụ về họa tần dòng điện do bộ chỉnh lưu gây ra, (a) dòng điện ba pha có họa tần, (b) biến đổi FFT của dòng điện pha A. Họa tần dòng điện.

(a) Dòng điện tải ba pha. (b) FFT của dòng điện tải pha A. Các họa tần bậc cao (3,5,7,.) là nguyên nhân gây ra sự méo dạng (THD) của điện áp, làm gia tăng tổn thất điện năng và tăng nhiệt độ trên lưới điện, máy biến áp và động cơ, gây hư hỏng, giảm tuổi thọ của thiết bị điện, tác động nhầm với các thiết bị relay, cầu chì, …. Giảm độ chính xác của các thiết bị đo lường và cảm biến như VOM, cảm biến dòng điện, cảm biến điện áp, ….

-19- KHOÁ LUẬN TỐT NGHIỆP SVTH: HUỲNH CÔNG THIỆN Theo tiêu chuẩn IEEE-519-2014, họa tần điện áp cá biệt và độ méo dạng điện áp, ứng với nhiều cấp điện áp khác nhau đã được giới hạn theo bảng 2. Giới hạn độ méo dạng điện áp theo tiêu chuẩn IEEE-519-2014. Cấp điện áp Họa tần cá biệt (%) Độ méo dạng (THD) (%) V≤1 kV 5 8 1 kV < V ≤ 69 kV 3 5 69 kV < V ≤ 161 1,5 2,5 kV 161 kV < V 1 1,5 2.2 Tăng áp (Voltage Swell) Tăng áp là một điện áp có giá trị lơn hơn giá trị định mức của nó trong khoản thời gian ngắn kéo dài từ 0,5 chu kỳ đến một phút. Các dạng tăng áp thường gặp là quá điện áp khí quyển, quá điện áp tần số công nghiệp và quá điện áp thao tác.3 mô tả tăng -20- KHOÁ LUẬN TỐT NGHIỆP SVTH: HUỲNH CÔNG THIỆN áp do quá điện áp tần số công nghiệp.

Nguyên nhân gây tăng áp là do sét, các sự cố trên dây trung tính, tác động của rơle, CB và contator. Tăng áp có thể gây ra sai hoặc hỏng dữ liệu, hiện tượng nhấp nháy ở bóng đèn, các tiếp điểm bị giảm chất lượng, các lớp cách điện và cách nhiệt bị xuống cấp , phá hỏng các thiết bị như tụ bù, máy biến áp, thiết bị điện tử.3 Giảm áp (Voltage sag) Giảm áp (Voltage sag) là hiện tượng điện áp trung bình giảm xuống dưới điện áp định mức trong khoản thời gian từ 0,5 chu kỳ đến một phút. Nguyên nhân gây ra hiện tượng giảm áp là do động cơ khởi động với dòng tải lớn như khởi động máy điều hòa, máy bơm nước, máy khoan, … chạy non tải hoặc quá tải, nhu cầu về năng lượng vượt quá khả năng cung cấp của máy biến áp cũng sinh ra hiện tượng giảm áp. Hiện tượng giảm áp làm cho bóng đèn nhấp nháy, lỗi hoặc hư dữ liệu, một số thiết bị ngưng hoạt động do không đủ điện áp, máy biến áp và động cơ phát nóng.4 mô tả hiện tượng giảm áp khi khởi động máy bơm nước.

-21- KHOÁ LUẬN TỐT NGHIỆP SVTH: HUỲNH CÔNG THIỆN 2.4 Dao động điện áp (Voltage fluctuations) Dao động điện áp là giá trị điện áp tăng hoặc giảm một cách ngẫu nhiên quanh giá trị định mức trong khoản thời gian ngắn. Nguyên nhân gây ra hiện tượng dao động điện áp là do sử dụng các tải có tính đột biến về tiêu thụ công suất phản kháng và công suất tác dụng như lò nấu thép, máy cán thép, máy hàn, …. Dao động điện áp làm các thiết bị chiếu sáng hoạt động không ổn định, dễ dẫn đến hư hỏng thiết bị chiếu sáng và ảnh hướng đến thị lực người sử dụng, dao động điện áp còn gây nhiễu thiết bị thu thanh, thiết bị thu hình, gây hại các thiết bị điện tử.5 ví dụ sự dao động của điện áp do sử dụng máy hàn. Dao động điện áp.1 Giới thiệu Bộ nghịch lưu giúp chuyển đổi năng lượng điện từ nguồn điện một chiều không đổi (DC) thành dạng năng lượng điện xoay chiều (AC).

Cấu tạo của bộ nghịch lưu gồm có các linh kiện có khả năng kích đóng và kích mở dòng điện qua nó, các linh kiện này giống như công tắc. Transistor BJT, MOSFET, IGBT được sử dụng với các ứng dụng có công suất vừa và nhỏ.