Đồ án môn học: Thiết kế, chế tạo và điều khiển Robot dò line ĐH Bách Khoa

Bài viết cung cấp hướng dẫn toàn diện về thiết kế, chế tạo và điều khiển Robot dò line. Khám phá các thành phần, mạch điều khiển và thuật toán lập trình cho

• Tác giả: Trương Công Tây
• Người hướng dẫn: PGS.TS. Võ Tường Quân
• Trường học: Đại học Quốc gia Thành phố Hồ Chí Minh
• Chuyên ngành: Cơ điện tử
• Đề tài: Thiết kế, chế tạo và điều khiển robot dò line (Line Following Robot)
• Loại tài liệu: Đồ án môn học
• Năm xuất bản: 2020
• Địa điểm: Hồ Chí Minh

Tóm tắt

I. Tổng quan về Robot dò line và ứng dụng

Robot dò line là một hệ thống cơ điện tử tự động. Robot có khả năng di chuyển theo một đường kẻ trên bề mặt. Đường kẻ này thường có màu đen trên nền trắng. Hệ thống sử dụng cảm biến quang để nhận biết vị trí đường. Vi điều khiển xử lý tín hiệu từ cảm biến. Bộ điều khiển tạo ra tín hiệu điều khiển động cơ. Động cơ sẽ điều chỉnh hướng đi của robot. Công nghệ này có nhiều ứng dụng thực tiễn. Nó được dùng trong sản xuất công nghiệp để vận chuyển hàng hóa. Trong giáo dục, robot dò line giúp sinh viên học về điều khiển. Cuộc thi robot dò line là sân chơi sáng tạo cho sinh viên kỹ thuật.

1.1. Khái niệm và nguyên lý hoạt động cơ bản

Robot dò line hoạt động dựa trên nguyên lý phản xạ ánh sáng. Cảm biến hồng ngoại phát ra tia sáng và thu tín hiệu phản xạ. Mặt đường màu đen hấp thụ ánh sáng nhiều hơn mặt trắng. Vi điều khiển so sánh tín hiệu từ các cảm biến. Nếu tín hiệu lệch, hệ thống tính toán sai số. Từ sai số, bộ điều khiển tính toán công suất phù hợp cho từng động cơ. Quá trình này lặp lại liên tục giúp robot bám theo đường đi một cách chính xác.

1.2. Cấu trúc phần cứng và phần mềm chính

Cấu trúc phần cứng gồm các khối chính. Khung xe và bánh xe tạo thành phần cơ khí. Cảm biến quang là mắt nhìn của robot. Vi điều khiển như Arduino hay STM32 đóng vai trò bộ não. Driver motor khuếch đại tín hiệu điều khiển. Nguồn pin cung cấp năng lượng. Phần mềm điều khiển được lập trình trên vi điều khiển. Chương trình đọc giá trị cảm biến, tính toán sai số. Sau đó áp dụng thuật toán điều khiển như PID để phát tín hiệu PWM cho driver.

II. Phân tích các thách thức trong thiết kế Robot dò line

Thiết kế robot dò line đối mặt với nhiều thách thức kỹ thuật. Thách thức đầu tiên nằm ở phần cơ khí. Khung xe phải nhẹ nhưng đủ cứng cáp. Hệ thống truyền động cần hiệu suất cao, ít trượt bánh. Thách thức thứ hai là lựa chọn cảm biến. Số lượng, vị trí đặt cảm biến ảnh hưởng lớn đến độ chính xác. Cảm biến phải được hiệu chuẩn đúng cách cho môi trường ánh sáng thay đổi. Thách thức thứ ba là thiết kế bộ điều khiển. Robot cần phản ứng nhanh nhưng ổn định trên các đoạn cua gấp. Nhiễu từ cảm biến và môi trường cũng là vấn đề cần giải quyết. Cuối cùng, tích hợp tất cả thành một hệ thống hoạt động trơn tru đòi hỏi kỹ năng tổng hợp.

2.1. Vấn đề về độ chính xác và ổn định của cảm biến

Độ chính xác của cảm biến bị ảnh hưởng bởi nhiều yếu tố. Khoảng cách từ cảm biến đến mặt đường rất quan trọng. Nếu quá xa, tín hiệu yếu. Nếu quá gần, có thể bị va chạm. Ánh sáng môi trường bên ngoài gây nhiễu. Mặt đường không phẳng hoặc có vết bẩn cũng gây sai lệch. Việc hiệu chuẩn (calibration) cảm biến là bước bắt buộc. Phương pháp phổ biến là xác định giá trị analog lớn nhất và nhỏ nhất. Từ đó tính toán vị trí tương đối của robot so với đường line.

2.2. Khó khăn trong việc điều khiển động cơ và bám line

Điều khiển động cơ để bám line là bài toán phức tạp. Hai động cơ bên trái và phải phải được phối hợp chính xác. Khi đi thẳng, cả hai quay cùng tốc độ. Khi rẽ, động cơ bên ngoài quay nhanh hơn. Sai lệch nhỏ trong đặc tính động cơ sẽ làm robot đi cong. Độ trễ trong xử lý tín hiệu từ cảm biến đến động cơ cũng gây ra overshoot. Robot có thể bị rung lắc hoặc mất lái ở tốc độ cao. Bộ điều khiển phải đủ thông minh để thích ứng với các khúc cua khác nhau.

III. Giải pháp thiết kế và điều khiển Robot dò line hiệu quả

Để giải quyết các thách thức, cần có giải pháp thiết kế tổng thể. Về cơ khí, khung xe nên dùng vật liệu composite hoặc nhựa kỹ thuật. Cấu trúc ba bánh với hai bánh chủ động và một bánh lái cân bằng giúp ổn định. Về cảm biến, sử dụng mảng cảm biến hồng ngoại có số lẻ như 5 hoặc 7 chiếc. Đặt cảm biến cách mặt đường khoảng 5-10mm và song song nhau. Về điều khiển, thuật toán PID là lựa chọn phổ biến và hiệu quả. Có thể kết hợp với bộ điều khiển mờ (Fuzzy) để tăng khả năng thích nghi. Phần mềm cần có routine hiệu chuẩn tự động mỗi khi khởi động.

3.1. Thiết kế cơ khí và lựa chọn linh kiện phù hợp

Thiết kế cơ khí tập trung vào độ cứng và trọng lượng nhẹ. Bánh xe chủ động cần độ bám đường tốt, thường dùng bánh cao su. Bánh bị động có thể là bánh đa hướng (omni wheel) để giảm ma sát. Động cơ DC có encoder hoặc động cơ bước được ưu tiên vì dễ điều khiển tốc độ. Driver motor L298N hoặc L293D là phổ biến vì dễ sử dụng và công suất đủ dùng. Pin Li-Po hoặc pin sạc NiMH cung cấp điện áp ổn định. Cần tính toán kỹ tỷ số truyền để đảm bảo momen và tốc độ mong muốn.

3.2. Thiết kế bộ điều khiển và thuật toán bám line

Bộ điều khiển PID hoạt động dựa trên ba thành phần: tỷ lệ (P), tích phân (I) và vi phân (P). Thành phần P phản ứng nhanh với sai số hiện tại. Thành phần I loại bỏ sai số tĩnh. Thành phần D giảm overshoot bằng cách dự đoán xu hướng. Tham số Kp, Ki, Kd cần được tinh chỉnh qua thực nghiệm. Một phương pháp khác là điều khiển Fuzzy, sử dụng tập luật if-then dựa trên kinh nghiệm. Bộ điều khiển Fuzzy PI kết hợp ưu điểm của cả hai phương pháp, cho phép thích nghi tốt với hệ phi tuyến.

IV. Kết luận và định hướng phát triển Robot dò line

Robot dò line là một dự án kỹ thuật hay, tích hợp nhiều kiến thức. Quá trình thiết kế bao gồm cơ khí, điện tử và lập trình. Kết quả thực nghiệm cho thấy robot có thể bám line chính xác ở tốc độ vừa phải. Sai số vị trí có thể kiểm soát trong khoảng vài milimet. Hệ thống hoạt động ổn định trên sa bàn có các góc cua 90 độ và cua cong. Tuy nhiên, vẫn còn những hạn chế cần cải thiện. Robot chưa thích nghi tốt với điều kiện ánh sáng mạnh thay đổi. Tốc độ di chuyển còn chậm ở các khúc cua phức tạp. Đây là nền tảng tốt để phát triển các ứng dụng thực tế.

4.1. Kết quả đạt được và bài học kinh nghiệm

Sản phẩm hoàn thành đáp ứng được yêu cầu cơ bản của đồ án. Robot dò line thành công trên sa bàn tiêu chuẩn. Bài học lớn nhất là tầm quan trọng của việc hiệu chuẩn cảm biến. Kỹ năng lập trình vi điều khiển và giao tiếp phần cứng được nâng cao. Quá trình tinh chỉnh tham số PID dạy cho người làm về tính kiên nhẫn và phương pháp thử sai. Làm việc nhóm và quản lý dự án cũng là kỹ năng mềm thu được.

4.2. Ứng dụng thực tế và hướng phát triển tương lai

Công nghệ dò line có thể mở rộng sang nhiều lĩnh vực. Trong kho hàng, robot vận chuyển hàng hóa tự động theo đường vạch sẵn. Trong nông nghiệp, robot phun thuốc theo luống cây. Hướng phát triển bao gồm nâng cấp cảm biến camera để nhận diện phức tạp hơn. Tích hợp module GPS và bản đồ số để định vị ngoài trời. Nâng cấp bộ điều khiển bằng các thuật toán học máy (machine learning) để robot tự học đường đi tối ưu. Phát triển đội robot phối hợp (multi-robot) là một hướng nghiên cứu hấp dẫn.

Trích đoạn nội dung tài liệu

CHƯƠNG 1.1 Giới thiệu Robot dò line (Line Following Robot) là một dạng robot di động (mobile robot) di chuyển bằng bánh xe. Robot sẽ di chuyển bám theo các đường line được kẻ/vẽ/dán trên mặt đất. Quỹ đạo di chuyển của robot phụ thuộc vào sa bàn của hệ thống các đường line được kẻ/vẽ/dán.2 Yêu cầu đặt ra đồ án 1. Mục tiêu 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: (START)A→B→C→D→E→B→F→A→G→B→D(END)  Màu sắc đường line: đen.  Màu nền: trắng.  Bề rộng đường line: 26 mm.  Bề mặt địa hình hình di chuyển: phẳng.

Yêu cầu kỹ thuật  Tốc độ di chuyển của robot: tối thiểu 0. 1  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  Trên robot được trang bị hệ thống cảm biến để giúp robot nhận biết đường line trên bề mặt sàn/mặt đất và di chuyển bám theo đường line đó. Nhóm sinh viên tự chọn loại cảm biến phù hợp. Điều kiện ràng buộc:  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 350 mm.3 Các tiêu chí đánh giá (1) Kết cấu cơ khí (sơ đồ nguyên lý, kích thước tổng, số bánh xe) (2) Cảm biến (3) Động cơ (4) Hệ thống điều khiển (5) Môi trường làm việc (6) Vận tốc 1.4 Tình hình nghiên cứu ngoài nước 1. Robot – Line Follower Hình 1.2 Mặt dưới Robot – Line Follower [1] Kết cấu cơ khí: Xe 3 bánh: 2 2 bánh dẫn động phía sau, D = 50 mm 1 bi cầu, Sơ đồ nguyên lý: 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: Về ưu điểm:  Sử dụng nhiều cảm biến hồng ngoại cho hiệu quả dò line cao.  Kết cấu truyền động, mô hình động học đơn giản, đảm bảo các bánh xe luôn đồng phẳng và cho phép xe di chuyển ở những bán kính cong nhỏ, thậm chí là quay lại chỗ [2].  Số lượng cảm biến nhiều khiến thuật toán nhận diện tín hiệu trở nên phức tạp.

 Xe có thể bị trượt theo phương pháp tuyến khi vào các đoạn line có bán kính nhỏ với tốc độ cao. Để dảm bảo chính xác khi xe di chuyển trên các đoạn đường thẳng, dòi hỏi điều khiển đồng bộ hai động cơ độc lập sao cho hai bánh xe quay cùng tốc độ. 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 1 bi cầu (ball castor) Sơ đồ nguyên lý: Cảm biến: Cảm biến dò line QTR-6RC Động cơ: DC Hệ thống điều khiển: Bám line sử dụng PID Môi trường làm việc: Phẳng Vận tốc: Vtb = 1,17 m/s Dựa vào các thông số của xe nhóm có một số đánh về ưu nhược điểm của xe như sau: Về ưu điểm:  Kết cấu truyền động, mô hình động học đơn giản, ddamrboar các bánh xe luôn đồng phẳng và cho phép xe di chuyển ở những bán kính cong nhỏ, thậm chí là quay lại chỗ [2]. 4 Về nhược điểm:  Xe có thể bị trượt theo phương pháp tuyến khi vào các đoạn line có bán kính nhỏ với tốc độ cao.

Để dảm bảo chính xác khi xe di chuyển trên các đoạn đường thẳng, dòi hỏi điều khiển đồng bộ hai động cơ độc lập sao cho hai bánh xe quay cùng tốc độ. Robot Fireball Hình 1.4 Robot Fireball [4] Kết cấu cơ khí: Xe 4 bánh dẫn động độc lập Sơ đồ nguyên lý: Cảm biến: Cảm biến dò line QTR-8RC Động cơ: DC Hệ thống điều khiển: Bám line sử dụng PID Môi trường làm việc: Phẳng Vận tốc: Vtb = 1,5 m/s Dựa vào các thông số của xe nhóm có một số đánh về ưu nhược điểm của xe như sau: 5 Về ưu điểm:  Kết cấu truyền động đơn giản, độ cứng vững cao, bán kính cong nhỏ.  Mô hình động học phức tạp, cần điều khiển đồng bộ 4 động cơ (đặc biệt trên các đoạn đường thằng), dễ bị trượt trong quá trình chuyển động, yêu cầu bộ điều khiển phức tạp. CartisX04 của Hirai Masataka Hình 1.5 CartisX04 [5] Kết cấu cơ khí: Xe 4 bánh dẫn động theo cơ cấu lái skid-steering Sơ đồ nguyên lý: Cảm biến: 3 x SHARP GP2S700, phototransitor Động cơ: DC Hệ thống điều khiển: Bám line sử dụng PID Môi trường làm việc: Phẳng Vận tốc: Vtb = 2,5 m/s 6 Ưu điểm:  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 1.5 Tình hình nghiên cứu trong nước 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 Sơ đồ nguyên lý: 7 Cảm biến: 7 x TCRT5000 Động cơ: DC, DC servo Hệ thống điều khiển: PID Môi trường làm việc: Phẳng Vận tốc: Vtb = 1,5 m/s 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.  Bán kính cong lớn.  Chỉ đáp ứng được trong môi trường bằng phẳng do cần gá cảm biến khá dài.

Xe dò line – Đồ án môn học của nhóm sinh viên lớp CK16KSCD Đại học Bách Khoa TPHCM 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) Sơ đồ nguyên lý: 8 Cảm biến: 6 x TCRT5000 Động cơ: DC servo GA25 Hệ thống điều khiển: Bám line theo tiêu chuẩn Lyapunov Môi trường làm việc: Phẳng Vận tốc: 0.35 m/s Dựa vào các thông số của xe nhóm có một số đánh về ưu nhược điểm của xe như sau: Ưu điểm:  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.  Chi phí thấp.

 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.

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) Sơ đồ nguyên lý: Cảm biến: 7 x TCRT5000 Động cơ: DC servo GA25  Hệ thống điều khiển: Bám line bằng giải thuật Fuzzy Môi trường làm việc: Phẳng Vận tốc: Vmax = 0.65 m/s Dựa vào các thông số của xe nhóm có một số đánh về ưu nhược điểm của xe như sau: Ưu điểm: 10  Kết cấu cơ khí linh hoạt với bán kính cong nhỏ, đơn giản chỉ sử dụng hai động cơ. Vị trí đặt các chi tiết và bánh dẫn động thuận lợi cho cân bằng khi có tải  Chi phí thấp.  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).6 Đặt bài toán Dựa vào kết quả tìm hiểu và phân tích các loại xe đua dò line trong và ngoài nước và yêu cầu của đề bài, nhóm đặt ra bài toán cần thực hiện như sau: Vận tốc tối đa của xe = 0,4 /.    Bán kính cong nhỏ nhất = 500. LỰA CHỌN PHƯƠNG ÁN 2.1 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 Không phức Tốt, có kết Khó, do hiện tạp, lái và hợp cơ cấu Phức tạp tượng trượt chuyển động bản lề tách biệt Không phức Không tốt Khó Đơn giản tạp Không tốt Dễ Phức tạp Đơn giản Không tốt Trung bình Phức tạp Đơn giản Tốt, có kết Không phức Khó Phức tạp cấu khớp cầu tạp Không phức Tốt Khó Đơn giản tạp 12 Tốt Dễ Phức tạp Đơn giản Yêu cầu: Do tính chất của xe dò line được làm ra nhằm phục vụ cho mục tiêu về đích trong thời gian ngắn nhất. Vì vậy, cần phải lựa chọn những mô hình có khả năng bám đường tốt, vào cua dễ, kết cấu đơn giản để giảm trọng lượng xe (yếu tố gây nên những sai số phát sinh không mong muốn), tăng tính khả thi cho quá trình thiết kế, chế tạo về sau.