CHƯƠNG 1: GIỚI THIỆU 1.1 Tổng quan Xe điện tự hành là một lĩnh vực quan trọng trong các ứng dụng về tự động hóa và robot. Đặc biệt, xe điện dò line là một trong những hệ thống đơn giản nhưng có nhiều tiềm năng nghiên cứu, thường được dùng trong các môi trường công nghiệp và học thuật để phát triển kỹ năng lập trình, cảm biến và điều khiển tự động. Xe dò line được ứng dụng trong các hệ thống sản xuất, kho bãi thông minh, giúp vận chuyển hàng hóa tự động mà không cần can thiệp của con người.1 Tìm hiểu các mô hình Robot Pika của đội Mechatron vô địch Cyberbot 2015, Poznan Sơ đồ nguyên lí 8 SVTH: Nguyễn Hoàng Mỹ Hình 1a: Robot Pika Hình 1b: Sơ đồ kết cấu Kích thước: Dài x Rộng x Cao = 280 x 180 x 50 (mm) Hệ thống bánh xe: Tổng số: 4 bánh Bánh dẫn động: 2 bánh cao su (đường kính 34mm), đặt ở khung chính Bánh bị động: 2 bánh mắt trâu, đặt ở dây cảm biến, đóng vai trò như bánh tự do (caster) Khả năng di chuyển: Vận tốc tối đa: 2.7 m/s Vận tốc trung bình: 1.9 m/s Robot RR của Khoa Điện – Điện tử của trường đại học Manchester Sơ đồ nguyên lí. Hình 2: Robot RR Hình 2b: Sơ đồ kết cấu Kích thước: Dài x Rộng x Cao = 160 x 100 x 80 (mm) Hệ thống bánh xe: Tổng cộng 3 bánh xe.
2 bánh sau: Bánh cao su có đường kính 54 mm, dùng để dẫn động robot. 1 bánh trước: Bánh cao su có chức năng điều khiển hướng đi của robot. Khả năng di chuyển: 9 SVTH: Nguyễn Hoàng Mỹ Vận tốc tối đa: 1 m/s Vận tốc trung bình: 0.5 m/s Robot Pinto của đội đua Grant tại cuộc thi LVBots Line Following, 4/2015 Sơ đồ nguyên lí. Hình 3a: Robot Pinto Hình 3b: Sơ đồ kết cấu Kích thước: Dài x Rộng x Cao = 210 x 130 x 120 (mm) Hệ thống bánh xe: Tổng cộng 3 bánh xe.
2 bánh trước: Bánh cao su có đường kính 60 mm, vừa có chức năng dẫn động vừa có chức năng điều khiển hướng đi của robot. 1 bánh sau: Bánh cao su nhỏ hơn, có chức năng như bánh tự do (bánh xoay). Khả năng di chuyển: Vận tốc tối đa: 0.8 m/s Vận tốc trung bình: 0.5 m/s Robot Dave của đội đua Bruce tại cuộc thi LVBots Line Following, 4/2015 Sơ đồ nguyên lí: Hình 5a: Robot Dave Hình 4b: Sơ đồ kết cấu Kích thước: Dài x Rộng x Cao = 200 x 90 x 60 (mm) 10 SVTH: Nguyễn Hoàng Mỹ Hệ thống bánh xe: Tổng cộng 4 bánh xe. 2 bánh sau: Bánh cao su có đường kính 60 mm, được truyền động từ bộ vi sai.
Bộ vi sai là một cơ cấu truyền động đặc biệt giúp phân chia lực kéo giữa hai bánh sau, giúp robot chuyển hướng dễ dàng hơn. 2 bánh trước: Bánh tự do (bánh xoay) có chức năng điều khiển hướng đi của robot. Khả năng di chuyển: Vận tốc tối đa: 1.2 m/s Vận tốc trung bình: 0.7 m/s Robot Green Gaint V4.1 tại cuộc thi Micromouse 2013-2014. Hình 5a: Robot Green Gaint V4.1 Hình 5b: Sơ đồ kết cấu Kích thước: Dài x Rộng x Cao = 190 x 110 x 40 (mm) Hệ thống bánh xe: Tổng cộng 4 bánh xe.
2 bánh trước: Bánh cao su có đường kính 40 mm, dùng để dẫn động robot. 2 bánh sau: Bánh cao su nhỏ hơn, có chức năng như bánh tự do (bánh xoay). Khả năng di chuyển: Vận tốc tối đa: 3.5 m/s Vận tốc trung bình: 2 m/s So sánh ưu nhược điểm Về kết cấu: Xe 4 bánh 11 SVTH: Nguyễn Hoàng Mỹ Mô hình Kết cấu Đơn giản Phức tạp Phức tạp Điều khiển Phức tạp Phức tạp Không phức tạp Bám đường Không tốt Không tốt Tốt Vào cua Dễ Trung bình Khó Xe 3 bánh Mô hình Kết cấu Đơn giản Đơn giản Điều khiển Không phức tạp Phức tạp Bám đường Tốt Tốt Vào cua Khó Dễ Về số lượng bánh: Số bánh 4 bánh 3 bánh Đồng phẳng Khó đảm bảo đồng phẳng Luôn đồng phẳng Độ ổn định khi có vật cản Vẫn giữ ổn được độ ổn định Khó giữ được độ ổn định Lật khi vào cua Khó Dễ Ma sát Nhiều Ít 1.2 Tìm hiểu về cảm biến Có 3 loại cảm biến thường dùng trong các robot dò line: Camera, cảm biến quang điện trở và cảm biến hồng ngoại. Camera 12 SVTH: Nguyễn Hoàng Mỹ Camera dùng để ghi lại hình ảnh của đường line, sau đó xử lý đưa ra thông tin sai lệch vị trí tương đối của line so với xe.
Phương pháp này cho độ chính xác cao, tuy nhiên do tốc độ xử lý ảnh cần nhiều thời gian, làm hạn chế tốc độ của xe, nên không phù hợp với xe đua. Cảm biến quang điện trở và cảm biến hồng ngoại Cảm biến quang điện trở có điện trở thay đổi khi ánh sáng thay đổi. Trong bóng tối giá trị điện trở cao, nhưng khi được chiếu sáng giá trị điện trở giảm mạnh. Hình 6 Nguyên lý hoạt động của cảm biến quang điện trở Hai phương pháp sử dụng cảm biến quang điện trở và cảm biến hồng ngoại có nguyên tắc hoạt động tương tự nhau, gồm 1 nguồn phát ánh sáng phản xạ xuống đất và 1 nguồn thu ánh sáng phản xạ từ đó xử lí tín hiệu và đưa ra vị trí của xe so với line.
Tuy nhiên cảm biến hồng ngoại được ứng dụng nhiều hơn vì thời gian đáp ứng nhanh hơn. Cách xử lý tín hiệu của cảm biến: Sử dụng giải thuật so sánh Sử dụng mạch lấy ngưỡng hoặc giải thuật lọc ngưỡng bằng lập trình để chuyển tín hiệu điện áp đọc từ cảm biến về thành mức cao hoặc mức thấp, từ đó suy ra vị trí của xe so với đường line. Hình 7 Mức so sánh của cảm biến ứng với các vị trí line khi xe di chuyển Sử dụng giải thuật xấp xỉ 13 SVTH: Nguyễn Hoàng Mỹ Các giá trị đọc về qua phép xấp xỉ để tìm ra vị trí của đường line. Phương pháp này cho ra sai số phát hiện line nhỏ, có thể tới 2.
Công thức xấp xỉ: Hình 8 Tìm vị trí tâm đường line bằng giải thuật xấp xỉ 1.3 Tìm hiểu về cấu trúc điều khiển Cấu trúc điều khiển phân cấp Mạch điều khiển phân cấp sử dụng nhiều vi điều khiển, mỗi vi điều khiển đảm nhận một chức năng riêng. Nhờ đó có sự chuyên biệt hóa, mỗi vi điều khiển chỉ đảm nhận một công việc giúp việc kiểm tra lỗi chương trình dễ dàng, các chức năng được thực hiện đồng thời, không cần phải đợi hoặc bỏ qua các tác vụ ngắt. Tuy nhiên cấu trúc phần cứng phức tạp và cần đảm bảo tín hiệu giao tiếp giữa các vi điều khiển tuyệt đối chính xác, không bị nhiễu. Hình 9 Cấu trúc điều khiển phân cấp 14 SVTH: Nguyễn Hoàng Mỹ Cấu trúc điều khiển tập trung Mạch chỉ sử dụng một vi điều khiển đảm nhận tất cả các chức năng nhờ vào đó mà phần cứng đơn giản.
Tuy nhiên, không có sự chuyên biệt hóa nên khó cho việc kiểm tra lỗi chương trình, các chức năng (tính toán ra vận tốc 2 bánh xe và điều khiển động cơ đạt vận tốc mong muốn) không được thực hiện đồng thời, khi chức năng này đang thực hiện thì chức năng khác phải đợi. Hình 10 Cấu trúc điều khiển tập trung 1.2 Lựa chọn phương án Lựa chọn kết cấu xe Thiết kế xe 4 bánh được điều khiển bằng động cơ DC độc lập. Lựa chọn cấu trúc điều khiển Điều khiển tập trung dùng vi máy tính Raspberry pi 4, nó quản lý tất cả các thiết bị ngoại vi, cảm biến qua các giao thức như UART, I2C, SPI hoặc GPIO. Lựa chọn cảm biến Sử dụng cảm biến hồng ngoại SCRT5000 để dò line và cảm biến siêu âm HC- SR04 dùng để phát hiện vật cản.
Lựa chọn bộ điều khiển động cơ Sử dụng bộ module điều khiển động L298N. Mục tiêu cần nghiên cứu: Nâng cao hiểu biết về cách tích hợp các loại cảm biến và điều khiển động cơ với Raspberry Pi 4. Xây dựng hệ thống điều hướng tự động cho xe bằng cách sử dụng cảm biến hồng ngoại để dò line, cùng với cảm biến siêu âm để tránh vật cản. 15 SVTH: Nguyễn Hoàng Mỹ Tối ưu hóa thuật toán điều khiển để xe di chuyển chính xác, ổn định và hiệu quả trong quá trình theo dõi vạch kẻ đường cũng như tránh được các chướng ngại vật.3 Nhiệm vụ đề tài Nghiên cứu cách hoạt động của các cảm biến SCRT5000 và HC-SR04, và làm thế nào để tích hợp chúng với Raspberry Pi 4.
Thiết kế và triển khai thuật toán điều khiển sử dụng dữ liệu từ cảm biến để đưa ra các quyết định điều hướng. Tích hợp hệ thống điều khiển động cơ bằng cách lập trình bộ điều khiển L298N để xe có thể di chuyển chính xác theo vạch kẻ và phản ứng nhanh chóng khi phát hiện vật cản. Thử nghiệm và đánh giá hiệu suất của xe trong các môi trường khác nhau để đảm bảo tính ổn định và chính xác trong quá trình hoạt động. CHƯƠNG 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT 2.1 Giới thiệu chi tiết linh kiện 2.1 Raspberry Pi 4 Hình 11a: Raspberry Pi 4 Hình 11b: Sơ đồ chân Raspberry Pi 4 Thông số kỹ thuật Bộ xử lý (CPU): Model: Broadcom BCM2711 16 SVTH: Nguyễn Hoàng Mỹ Kiến trúc: ARM Cortex-A72 (ARMv8) 64-bit SoC Số lõi: 4 lõi Tần số xung nhịp: 1.5 GHz Bộ nhớ (RAM): 4 GB LPDDR4-3200 SDRAM Đồ họa (GPU): Model: Broadcom VideoCore VI Hỗ trợ: OpenGL ES 3.0, giải mã phần cứng video H.
Kết nối mạng: Ethernet: Gigabit Ethernet (băng thông thực 300 Mbps). Wi-Fi: Wi-Fi 802.11ac (băng tần 2.4 GHz và 5 GHz). Lưu trữ: Thẻ nhớ microSD: Sử dụng cho hệ điều hành và lưu trữ dữ liệu. Khả năng khởi động từ USB: Có thể khởi động từ ổ SSD hoặc USB flash.
Cổng kết nối: HDMI: 2 cổng micro-HDMI, hỗ trợ đầu ra 2 màn hình với độ phân giải 4K@30Hz hoặc 1 màn hình 4K@60Hz. USB: 2 cổng USB 3. Cổng GPIO: 40 chân GPIO hỗ trợ nhiều giao thức (I2C, SPI, UART). Cổng Camera và Display: MIPI DSI và MIPI CSI.
Nguồn: Nguồn cấp: 5V qua cổng USB-C (khuyên dùng nguồn 5V 3A). Chân cấp nguồn GPIO: Có thể cấp nguồn qua chân GPIO (5V). Kích thước: Kích thước: 85.5 mm Trọng lượng: Khoảng 46 g Hệ điều hành: Raspberry Pi OS (trước đây là Raspbian), hỗ trợ nhiều hệ điều hành như Ubuntu, và các hệ điều hành Linux khác.