Bài thuyết trình thiết kế Robot dò line bám theo vạch - ĐH Bách Khoa TPHCM

File thuyết trình thiết kế robot dò line chi tiết, đầy đủ các phần: cơ khí, điện, điều khiển PID, lựa chọn linh kiện và kết quả mô phỏng.

• Tác giả: Phạm Tấn Tài
• Người hướng dẫn: PGS. Nguyễn Duy Anh
• Trường học: Đại học Bách khoa TP. Hồ Chí Minh
• Chuyên ngành: Cơ Điện Tử
• Đề tài: Thiết kế robot dò line
• Loại tài liệu: File thuyết trình
• Địa điểm: TP. Hồ Chí Minh

Tóm tắt

I. Tổng Quan Về Thiết Kế Robot Dò Line

Robot dò line là một robot tự động có khả năng theo dõi và di chuyển theo một đường line được vẽ sẵn trên mặt đất. Đây là một ứng dụng phổ biến trong lĩnh vực cơ điện tử và thường được sử dụng trong các cuộc thi kỹ thuật. Mục tiêu thiết kế chính là tạo ra một chiếc xe tự hành có thể bám theo đường line màu đen trên nền trắng, có bề rộng 26mm, với tốc độ tối đa và độ chính xác cao nhất. Dự án này yêu cầu tích hợp ba hệ thống chính: cơ khí, điện, và điều khiển. Bán kính cong tối thiểu của đường line là 500mm, trong khi sai số dò line trên đoạn cong không được vượt quá 20mm. Để đạt được hiệu suất tối ưu, các nhóm thiết kế phải xem xét kỹ lưỡng từng thành phần từ cảm biến, động cơ cho đến thuật toán điều khiển.

1.1. Các Thông Số Kỹ Thuật Chính

Thông số đầu bài được thiết lập nhằm đảm bảo robot hoạt động ổn định và hiệu quả. Tốc độ tối đa là yếu tố quan trọng để hoàn thành cuộc đua nhanh nhất. Bán kính cong tối thiểu 500mm đặt ra thách thức lớn cho hệ thống điều khiển. Sai số dò line được chia thành hai trường hợp: tại vị trí rẽ hướng đột ngột là 100mm, còn trên đoạn thẳng và cong là 20mm. Các thông số này là điều kiện tiên quyết cho việc chọn lựa các linh kiện và thiết kế hệ thống.

1.2. Cơ Sở Lý Thuyết Dò Line

Dò line dựa trên nguyên lý phát hiện sự khác biệt ánh sáng giữa đường line đen và nền trắng. Cảm biến photortransistor TCRT5000 được sử dụng để phát hiện sự thay đổi này. Thông qua thuật toán xử lý tín hiệu, robot xác định vị trí tương đối giữa tâm xe và tâm đường line. Hai phương pháp chính là giải thuật so sánh (nhanh nhưng độ chính xác thấp) và giải thuật nội suy (chậm hơn nhưng chính xác hơn).

II. Thiết Kế Hệ Thống Cơ Khí

Hệ thống cơ khí là nền tảng vật lý cho toàn bộ robot dò line. Thiết kế này bao gồm lựa chọn bánh xe, động cơ, và cấu trúc thân xe phù hợp với yêu cầu kỹ thuật. Bánh chủ động được chọn với đường kính 65mm, vật liệu nhựa cao su, giúp tối ưu hóa lực kéo. Động cơ GA25 được lựa chọn dựa trên tính toán công suất yêu cầu là 9,99W, vượt quá mức để đảm bảo độ tin cậy. Tỉ số truyền qua hộp giảm tốc là 1:34, cho phép kiểm soát tốc độ chính xác. Thân xe được gia công từ Mika bằng phương pháp cắt laser để đạt độ chính xác cao. Toàn bộ thiết kế 3D được mô hình hóa trước khi gia công, đảm bảo tính khoa học.

2.1. Lựa Chọn và Tính Toán Động Cơ

Quá trình lựa chọn động cơ DC dựa trên phương trình cân bằng moment. Với khối lượng xe 3kg, gia tốc mong muốn 0,45 m/s², và vận tốc 0,9 m/s, moment tác dụng được tính là 3N.m. Tốc độ góc 27,75 rad/s và công suất 9,99W là cơ sở chọn động cơ GA25 (13,2W, 284rpm, 12V). Tỉ số truyền 1:34 giúp tối ưu hóa tốc độ và momen.

2.2. Chi Tiết Bánh Xe và Khung Gầm

Bánh chủ động đường kính 65mm, bề rộng 27mm được chọn để đảm bảo lực kéo đủ lớn. Bánh bị động kiểu mắt trâu giúp xe di chuyển mượt mà. Khung gầm Mika được gia công bằng laser cutter cho độ chính xác ±0,1mm, đảm bảo cân bằng hình học.

III. Thiết Kế Hệ Thống Điện và Cảm Biến

Hệ thống điện của robot dò line bao gồm cảm biến, vi điều khiển, mạch điều khiển động cơ và bộ cung cấp năng lượng. Cảm biến photortransistor TCRT5000 là lựa chọn tối ưu so với camera vì tốc độ xử lý nhanh, chi phí thấp, và công suất tiêu thụ ít. Mỗi cảm biến TCRT5000 có khả năng phát hiện sự thay đổi ánh sáng trong phạm vi 3-10mm, cho phép robot xác định chính xác vị trí của đường line. Bộ vi điều khiển nhận tín hiệu từ cảm biến, xử lý bằng thuật toán, rồi gửi lệnh điều khiển tốc độ đến các động cơ thông qua mạch điều khiển motor. Pin 12V, 600mA cung cấp đủ năng lượng cho cả hai động cơ và các thiết bị điện tử khác.

3.1. Cảm Biến Photortransistor TCRT5000

TCRT5000 là cảm biến phản xạ kết hợp LED hồng ngoại với transistor quang. Nguyên lý hoạt động dựa trên phản xạ ánh sáng: phần tử phát chiếu tia hồng ngoại, khi gặp bề mặt đen hạp thụ tia (tín hiệu yếu), bề mặt trắng phản xạ (tín hiệu mạnh). Tín hiệu analog từ cảm biến được số hóa bởi bộ chuyển đổi ADC, cho phép vi điều khiển xử lý.

3.2. Kiến Trúc Điều Khiển Phân Cấp

Mô hình phân cấp gồm một vi điều khiển Master (xử lý chương trình chính và logic điều khiển) và ba vi điều khiển Slave (điều khiển cảm biến, lái động cơ trái, lái động cơ phải). Kiến trúc này cho phép xử lý song song, tăng tốc độ đáp ứng hệ thống.

IV. Hệ Thống Điều Khiển và Mô Phỏng

Thuật toán điều khiển là yếu tố quyết định hiệu suất của robot dò line. Dự án sử dụng điều khiển PID (Proportional-Integral-Derivative) để điều chỉnh tốc độ các động cơ dựa trên sai số vị trí. Sai số được định nghĩa là khoảng cách giữa tâm xe và tâm đường line, được tính toán từ tín hiệu cảm biến. Khi sai số dương (xe lệch sang phải), động cơ trái tăng tốc độ; khi sai số âm (xe lệch sang trái), động cơ phải tăng tốc độ. Hệ số P, I, D được tuning sao cho robot vừa đủ nhanh vừa đủ ổn định. Phương trình động học của mobile platform được thiết lập dựa trên mô hình bánh xe vi sai, liên hệ giữa vận tốc hai bánh xe và vận tốc, vận tốc góc của xe. Mô phỏng trên phần mềm MATLAB/Simulink xác minh tính đúng đắn của thuật toán trước khi triển khai thực tế.

4.1. Phương Trình Động Học Mobile Platform

Phương trình động học mô tả mối liên hệ giữa tọa độ xe (x, y, θ) và vận tốc hai bánh xe (v_R, v_L). Với khoảng cách giữa hai bánh L, vận tốc tuyến tính v = (v_R + v_L)/2 và vận tốc góc ω = (v_R - v_L)/L. Ma trận Jacobian chuyển đổi tín hiệu cảm biến thành lệnh điều khiển.

4.2. Thuật Toán Điều Khiển PID và Kết Quả Mô Phỏng

Bộ điều khiển PID điều chỉnh sai số vị trí thành lệnh điều khiển động cơ. Thành phần P phản ứng nhanh với sai số, thành phần I loại bỏ sai số định mức, thành phần D giảm quá điều khiển. Kết quả mô phỏng cho thấy robot có thể theo dõi đường cong bán kính 500mm với sai số nhỏ hơn 20mm trên đoạn ổn định.

Trích đoạn nội dung tài liệu

Trường Đại Học Bách Khoa TP.Hồ Chí Minh Khoa Cơ Khí Bộ Môn Cơ Điện Tử GVHD : PGS. Thầy Nguyễn Duy Anh Sinh viên thực hiện MSSV Phạm Tấn Tài 21303489 Nguyễn Văn Quí 21303243 Hồ Văn Nguyên 21302617 Trần Hoài Vĩnh Phúc 21303069 1. Lựa chọn phương án 3. Thiết kế hệ thống cơ khí 4.

Thiết kế hệ thống điện 5. Thiết kế hệ thống điều khiển 6. Kết quả mô phỏng TỔNG QUAN 1. Mục tiêu thiết kế Thiết kế xe có thể bám theo đường line cho sẵn trên sa bàn với tốc độ lớn nhất.

 Đường line màu đen trên nền trắng.  Bề rộng: 26mm.  Bề mặt phẳng. Các sơ đồ nguyên lý đã được sử dụng TỔNG QUAN 3.

Về cảm biến Hai loại cảm biến từng được sử dụng trong các cuộc đua trước đây gồm có: cảm biến quang dẫn và camera. Cảm biến quang dẫn Camera  Độ chính xác không cao  Độ chính xác rất cao  Công việc xử lý dễ dàng, tốc độ  Khối lượng xử lí nhiễu dẫn đến đáp ứng nhanh. hạn chế tốc độ của xe, ngoài ra  Giá thành tương đối rẻ. còn bị nhiễu ở cường độ ánh sáng cao.

 Giá thành cao. Về cảm biến Thuật toán xử lý để tìm ra vị trí tương đối của tâm xe và tâm đường line. • Giải thuật so sánh Phương pháp so sánh [4] tín hiệu dựa vào trạng thái đóng ngắt của cảm biến rồi từ đó suy ra vi trị của robot, tốc độ đáp ứng nhanh. Về cảm biến Thuật toán xử lý để tìm ra vị trí tương đối của tâm xe và tâm đường line.

• Giải thuật nội suy Phương pháp nội suy là các giá trị đọc về được thực hiện qua phép xấp xỉ để tìm ra vị trí của đường line, tìm ra vị trí của robot với độ chính xác cao. Giải thuật điều khiển Cấu trúc mạch điều khiển: hai phương pháp điều khiển tập trung và điều khiển phân cấp. - PP tập trung: một vi điều khiển sẽ nhận và đồng thời xử lí các tính hiệu từ sensor, tín hiệu từ encoder, thực hiện các chương trình chính đồng thời truyền dữ liệu cho việc điều khiển hai động cơ. - PP phân cấp: gồm một master và ba Slave để điều khiển mạch sensor, mạch lái động cơ.

Vi điều khiển master được dùng để thực hiện các chương trình chính. Còn các Slave dùng với các nhiệm vụ riêng biệt và truyền về cho master TỔNG QUAN 5. Thông số đầu bài  Tốc độ tối đa: 1.  Bán kính cong tối thiểu: 𝑅𝑚𝑖𝑛 = 500 𝑚𝑚.

 Sai số dò line tại vị trí rẽ hướng đột ngột: 𝑒𝑚𝑎𝑥 = 100 𝑚𝑚.  Sai số dò line trên vị trí đường thẳng và cong: 𝑒𝑚𝑎𝑥 = 20 𝑚𝑚. LỰA CHỌN PHƯƠNG ÁN 1. Động cơ Sử dụng động cơ DC có gắn encoder LỰA CHỌN PHƯƠNG ÁN 3.

Cảm biến Về loại cảm biến: cảm biến photortransistor TCRT5000. Phương án điều khiển Điều khiển phân cấp, với thuật PID. THIẾT KẾ HỆ THỐNG CƠ KHÍ 1. Thiết kế 3D THIẾT KẾ HỆ THỐNG CƠ KHÍ 2.

Lựa chọn chi tiết có sẵn  Lựa chọn bánh xe • Bánh chủ động: - Vật liệu: nhựa, cao su. - Đường kính: 65mm V2. - Khớp lục giác: 12mm. - Bề Rộng bánh: 27mm - Khối lượng: 0,06kg • Bánh bị động: Bánh mắt trâu THIẾT KẾ HỆ THỐNG CƠ KHÍ 2.

Lựa chọn chi tiết có sẵn Tính toán lựa chọn động cơ: 1 Moment quán tính I bánh xe: 𝐼 = 𝑘𝑅2 2 Ta có phương trình cân bằng moment với trọng tâm xe : M−𝐹𝑚𝑠 = 𝑚𝑎 Với lực ma sát : 𝐹𝑚𝑠 = 𝜇. 𝑔 => 𝑀 = 𝑚 𝜇𝑔 + 𝑎 𝑟 + 𝐼𝜀 THIẾT KẾ HỆ THỐNG CƠ KHÍ 2. Lựa chọn chi tiết có sẵn Tính toán lựa chọn động cơ: Trong đó : k : là khối lượng bánh xe, k = 0,06kg. M : momen tác dụng lên bánh xe.

(Nmm) µ: hệ số ma sát nghỉ là 0.7 theo tài liệu sổ tay thiết kế oto – tải. v: vận tốc mong muốn (m/s), v = 0.9m/s t: thời gian để xe đạt vận tốc cao nhất trên đoạn đường thẳng: t = 2(s) 𝑑𝑣 1 a : gia tốc mong muốn (m/s ): 𝑎 = = = 0,45(𝑚. 𝑠 −2 ) 2 𝑑𝑡 2 r: đường kính bánh xe (mm) 𝑣2 𝜀: gia tốc góc (rad/s ) : 𝜀 = 2 𝑟 THIẾT KẾ HỆ THỐNG CƠ KHÍ 2. Lựa chọn chi tiết có sẵn Tính toán lựa chọn động cơ: I : momen quán tính (kg.m2) m: khối lượng xe và tải trọng (kg), m = 3kg.

Momen tác dụng lên xe là: 𝑀 = 3.0,9 Số vòng quay: 𝑛 = ≈ 265 𝑣ò𝑛𝑔/𝑝ℎú𝑡 𝜋.65 Vận tốc góc: 𝜔 = 27,75 𝑟𝑎𝑑/𝑠 Công suất động cơ: 𝑃 = 𝑇. 𝜔 = 9,99(𝑊) THIẾT KẾ HỆ THỐNG CƠ KHÍ 2. Lựa chọn chi tiết có sẵn Tính toán lựa chọn động cơ: Với các thông số trên nhóm chọn động cơ GA25. GA25 GIÁ TRỊ Công suất định mức 13.2W Momen quá tải 7,96kgf.cm Tốc độ 284rpm Số xung khi qua hộp giảm tốc 374xung Điện áp 12V, 600mA Tỉ số truyền qua hộp giảm tốc 1:34 THIẾT KẾ HỆ THỐNG CƠ KHÍ 3.

Một số chi tiết gia công  Thân xe • Vật liệu: Mika. • Phương pháp gia công: Cắt laser. MÔ HÌNH HÓA Thiết lập phương trình động học Sơ đồ mô tả phương trình động học MÔ HÌNH HÓA Thiết lập phương trình động học Chọn hệ trục tọa độ tuyệt đối là 𝑂𝑋0 𝑌0 và hệ trục tương đối 𝑂𝑋𝐴 𝑌𝐴 gắn với tọa độ tâm vận tốc tức thời I trên hệ trục 𝑋0 𝑌0 : 𝑥𝐼 = 𝑥 − 𝐷𝑠𝑖𝑛𝜃 𝑦𝐼 = 𝑦 + 𝐷𝑠𝑖𝑛𝜃 Với D là khoảng cách từ tâm vận tốc tức thời đến tâm hai bánh xe 𝐿 𝑣𝑅 + 𝑣𝐿 𝐷= 2 𝑣𝑅 − 𝑣𝐿 Ta có vận tốc của mobile platform : 1 𝑣= 𝑣𝑅 + 𝑣𝐿 2 𝑣 −𝑣𝐿 𝜔= 𝑅 𝐿 MÔ HÌNH HÓA Thiết lập phương trình động học Phương trình động học của Mobile Platform trong hệ tọa độ O: 𝑥 𝑐𝑜𝑠𝜃 0 𝑣 𝑦 = 𝑠𝑖𝑛𝜃 0 𝜔 𝜃 0 1 Với v là vận tốc dài, 𝜔 là vận tốc góc Phương trình được biểu diễn lại theo vận tốc của 2 bánh xe: 1 1 𝑐𝑜𝑠𝜃 𝑐𝑜𝑠𝜃 𝑥 2 2 1 1 𝑣𝑅 𝑦 = 𝑠𝑖𝑛𝜃 𝑠𝑖𝑛𝜃 𝑣 2 2 𝐿 𝜃 1 1 − 𝐿 𝐿 MÔ HÌNH HÓA Thiết lập phương trình động học Phương trình động học của Mobile Platform trong hệ tọa độ O: 𝑥 𝑐𝑜𝑠𝜃 0 𝑣 𝑦 = 𝑠𝑖𝑛𝜃 0 𝜔 𝜃 0 1 Với v là vận tốc dài, 𝜔 là vận tốc góc Phương trình được biểu diễn lại theo vận tốc của 2 bánh xe: 1 1 𝑐𝑜𝑠𝜃 𝑐𝑜𝑠𝜃 𝑥 2 2 1 1 𝑣𝑅 𝑦 = 𝑠𝑖𝑛𝜃 𝑠𝑖𝑛𝜃 𝑣 , L là khoảng cách 2 bánh xe 2 2 𝐿 𝜃 1 1 − 𝐿 𝐿 MÔ HÌNH HÓA Thiết lập phương trình động học Tại điểm C 𝑥𝐶 , 𝑦𝐶 tọa độ tracking point, ta có: 𝑥𝐶 = 𝑥 + 𝑎𝑐𝑜𝑠𝜃 𝑦𝐶 = 𝑦 + 𝑎𝑠𝑖𝑛𝜃 Với a là khoảng cách từ tâm hai bánh xe đến điểm tracking point Phương trình động học tại C: 𝑥𝐶 = 𝑥 − 𝑎𝑠𝑖𝑛𝜃 ∗ 𝜃 𝑦𝐶 = 𝑦 − 𝑎𝑠𝑖𝑛𝜃 ∗ 𝜃 𝜃𝐶 = 𝜃 MÔ HÌNH HÓA Thiết lập phương trình động học điểm mong muốn của điểm C trên đường line là điểm P: 𝑥𝑃 = 𝑣𝑃 𝑐𝑜𝑠𝜃𝑃 𝑦𝑃 = 𝑣𝑃 𝑠𝑖𝑛𝜃𝑃 𝜔𝑃 = 𝜃𝑃  phương trình động học cho sự sai lệch giữa vị trí tâm xe và vị trí của điểm mong muốn 𝑒1 𝑣𝑃 𝑐𝑜𝑠𝑒3 −1 𝑒2 𝑣 𝑒2 = 𝑣𝑃 𝑠𝑖𝑛𝑒3 + 0 − 𝑎 + 𝑒1 𝜔𝑃 𝜔 𝑒3 0 −1 Với 𝑒1 ,𝑒2 ,𝑒3 lần lượt là sai số về vị trí theo tọa độ x, y và góc di chuyển trên hệ trục tọa độ. MÔ HÌNH HÓA Mô phỏng matlab Tiếp theo ta xác định vị trí của xe so với line với hệ tọa độ đặt như hình Với M và C lần lượt là trung điểm của xe và sensor.

MÔ HÌNH HÓA Mô phỏng matlab Sai số 𝑒1 bị triệt tiêu, ta cần xác định các sai số 𝑒2 và 𝑒3. Ta có công thức : 𝑒2 − 𝑒2′ 𝑒3 = 𝑎𝑟𝑐𝑡𝑎𝑛 𝑑𝑠 𝑒2 được đo từ dãy sensor. -Tại một vị trí đường line, ta sẽ xác định được giá trị góc giữa đường tâm xe so với trục ngang Ox.Từ mối quan hệ giữa tọa độ tâm hai bánh xe, tọa độ tâm cảm biến và góc giữa đường tâm xe so với trục ngang ta sẽ xác định được phương trình đường thẳng đi qua các cảm biến – được dùng trong mô phỏng để xác định sai số 𝑒2. -Dựa theo phần trình bày trên, ta sẽ tìm được các giá trị sai số đưa vào bộ điều khiển.

MÔ HÌNH HÓA Mô phỏng động học. Trên đoạn 1: AB với v = 325 mm/s 150 1000 500 0 100 Wheel Velocity (rpm) -500 -1000 -1500 -1000 -500 0 500 1000 1500 10 50 0 e2 (mm) -10 -20 -30 0 0 0.5 3 Time (s) MÔ HÌNH HÓA Mô phỏng động học. Trên đoạn 2: BCD với v = 340 mm/s 160 1000 800 600 400 140 200 0 120 Wheel Velocity (rpm) -200 -400 -600 -800 100 -1000 10 -1500 -1000 -500 0 500 1000 1500 80 0 e2 (mm) -10 60 -20 -30 40 0 1 2 3 4 5 6 7 0 1 2 3 4 5 6 7 Time (s) Time (s) 40 20 Vận tốc 2 bánh e3 (deg) 0 -20 -40 0 1 2 3 4 5 6 7 Time (s) MÔ HÌNH HÓA Mô phỏng động học. Trên đoạn 3: DE với v = 260 mm/s 1000 140 500 120 0 100 Wheel Velocity (rpm) -500 80 -1000 -1500 -1000 -500 0 500 1000 1500 20 60 10 40 e2 (mm) 0 20 -10 0 0 0.5 Time (s) MÔ HÌNH HÓA Mô phỏng động học.

Trên đoạn 4: EF với v = 260 mm/s 100 1000 95 500 90 0 85 Wheel Velocity (rpm) -500 80 -1000 -1500 -1000 -500 0 500 1000 1500 75 3 70 2 65 e2 (mm) 1 60 0 55 0 0.5 Time (s) MÔ HÌNH HÓA Mô phỏng động học. Trên đoạn 5: FCG với v = 260 mm/s 1000 150 800 600 400 200 0 -200 100 Wheel Velocity (rpm) -400 -600 -800 -1000 -1500 -1000 -500 0 500 1000 1500 40 50 20 e2 (mm) 0 -20 -40 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 0 Time (s) 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 Time (s) 100 50 Vận tốc 2 bánh e3 (deg) 0 -50 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 Time (s) MÔ HÌNH HÓA Mô phỏng động học. Trên đoạn 6: GA với v = 300 mm/s 140 1000 120 500 100 0 Wheel Velocity (rpm) -500 80 -1000 60 -1500 -1000 -500 0 500 1000 1500 0 40 -10 20 e2 (mm) -20 0 -30 -20 0 0.5 Time (s) MÔ HÌNH HÓA Mô phỏng động học.