Luận văn: Nghiên cứu thiết kế hệ thống điều khiển thông minh cho Robot Shrimp

Luận văn thạc sĩ nghiên cứu, thiết kế hệ thống điều khiển thông minh cho robot Shrimp. Phân tích kết cấu cơ khí, động học và hệ thống cảm biến.

• Người hướng dẫn: TS. Nguyễn Trọng Doanh
• Trường học: Trường Đại Học Bách Khoa Hà Nội
• Chuyên ngành: Điện Tử Viễn Thông
• Đề tài: Nghiên Cứu, Thiết Kế Hệ Thống Điều Khiển Thông Minh Cho Rô Bot Shrimp
• Loại tài liệu: Luận văn thạc sỹ
• Năm xuất bản: 2010
• Địa điểm: Hà Nội

Tóm tắt

I. Giới thiệu về Robot Shrimp và ứng dụng thực tiễn

Robot Shrimp là một rô bốt tự hành tiên tiến được phát triển bởi công ty Bluebotics từ Thụy Sĩ, đại diện cho sự phát triển vượt bậc của công nghệ robot hiện đại. Trong hơn nửa thế kỷ qua, robot công nghiệp đã được ứng dụng rộng rãi để thay thế con người trong các công việc nguy hiểm và phức tạp. Robot Shrimp nổi bật với khả năng di chuyển trên địa hình không bằng phẳng và vượt qua vật cản có bề mặt thẳng đứng, điều mà rất ít mẫu robot tự hành khác có thể thực hiện. Ngoài ứng dụng trong chế tạo máy truyền thống, robot hiện nay được sử dụng trong y tế, nông nghiệp, xây dựng, an ninh quốc phòng và gia đình, tạo ra nhu cầu ngày càng tăng cho các rô bốt địa hình thông minh với khả năng thích ứng cao.

1.1. Đặc điểm nổi bật của Robot Shrimp

Robot Shrimp sở hữu kết cấu cơ khí đặc biệt cho phép nó vượt qua những vật cản phức tạp. Hệ thống chân tự hành được thiết kế với hai chân trước, bốn bánh giữa và hai chân sau, tạo thành cơ cấu hoàn hảo. Khả năng vượt qua vật cản với độ dốc lớn, thậm chí bẻ mặt thẳng đứng, là ưu điểm nổi trội nhất. Robot có thể hoạt động trên các địa hình phức tạp, không bằng phẳng, từ đó mở ra nhiều ứng dụng thực tiễn trong các môi trường khó khăn.

1.2. So sánh với các mẫu robot tự hành khác

Trên thế giới hiện có nhiều mẫu robot tự hành như SmartTRO7, Mantis, các robot NASA và RODITAZ-DT3. Tuy nhiên, Robot Shrimp nổi bật nhất về khả năng di chuyển trên địa hình không bằng phẳng và vượt qua vật cản. Trong khi các robot khác chỉ hoạt động tốt trên bề mặt phẳng, Robot Shrimp có thể thích ứng với các thay đổi topography phức tạp, làm cho nó trở thành giải pháp robot tiên tiến nhất hiện nay.

II. Kiến trúc cơ khí và hệ thống truyền động

Hệ thống cơ khí của Robot Shrimp được thiết kế theo nguyên lý chân tự hành kết hợp với bánh xe, tạo nên một cơ cấu hybrid độc đáo. Kết cấu bao gồm hai chân trước có khả năng vượt vật cản cao, bốn bánh giữa cung cấp sự cân bằng, và hai chân sau hỗ trợ di chuyển. Phương trình truyền động giữa động cơ và bánh đẫn động được xây dựng dựa trên các nguyên lý cơ học cổ điển. Hàm truyền cho phép tối ưu hóa lực kéo và tốc độ theo điều kiện địa hình. Việc tính toán chiều cao vật cản tối đa mà robot có thể vượt qua là quá trình quan trọng trong thiết kế. Phân tích động học và động lực học trong quá trình di chuyển giúp đảm bảo độ ổn định và hiệu suất hoạt động tối ưu.

2.1. Cơ cấu chân trước và khả năng vượt vật cản

Chân trước được thiết kế với cơ cấu lợi bảnh hình đặc biệt cho phép nó vượt vật cản với chiều cao đáng kể. Khả năng vượt qua vật cản của chân trước quyết định khả năng tổng thể của robot. Thiết kế bánh giữa cung cấp sự cân bằng và phân tán lực đều đặn. Tính toán chính xác chiều cao tối đa là yếu tố then chốt để đảm bảo robot có thể hoạt động trên địa hình phức tạp.

2.2. Phân tích động lực học trên các loại địa hình

Robot di chuyển trên địa hình có độ dốc và các vật cản không đều yêu cầu phân tích động lực học chi tiết. Khi bánh trước tiếp xúc vật cản, hệ thống phải cân bằng lực. Quá trình di chuyển qua vật cản được chia thành các giai đoạn, từ tiếp xúc ban đầu đến vượt qua hoàn toàn. Phân tích quay vòng và chuyển hướng khi di chuyển trên nền phẳng là cần thiết để tối ưu hóa hiệu suất.

III. Hệ thống cảm biến và xử lý hình ảnh

Hệ thống cảm biến là thành phần then chốt giúp Robot Shrimp nhận thức về môi trường xung quanh. Robot được trang bị nhiều loại cảm biến khác nhau để đo lường vận tốc, khoảng cách và các thông số khác. Camera quan sát tích hợp cung cấp xử lý hình ảnh thời gian thực, cho phép robot nhận diện vật cản và lên kế hoạch di chuyển. Sơ đồ khối xử lý điện tử bao gồm các module xử lý tín hiệu, giao tiếp dữ liệu và điều khiển. Thuật toán điều khiển được thiết kế để tối ưu hóa đường đi và đảm bảo an toàn hoạt động. Hệ thống cách ly quang bảo vệ các mạch điều khiển khỏi nhiễu điện từ.

3.1. Các loại cảm biến và ứng dụng

Cảm biến vận tốc đo lường tốc độ di chuyển của robot, cung cấp phản hồi cho hệ thống điều khiển. Camera RGB tích hợp cho phép xử lý hình ảnh và nhận diện vật cản trong thời gian thực. Cảm biến khoảng cách giúp robot định vị chính xác so với vật cản. Các cảm biến đặc biệt khác như cảm biến lực, cảm biến góc nghiêng hỗ trợ quá trình điều khiển toàn diện.

3.2. Sơ đồ khối xử lý và thuật toán điều khiển

Sơ đồ khối xử lý hiển thị quy trình từ thu thập tín hiệu cảm biến đến ra quyết định điều khiển. Vi điều khiển AVR là trung tâm xử lý, tiếp nhận dữ liệu từ các cảm biến. Thuật toán điều khiển tự động được lập trình để tối ưu hóa chuyển động robot. Mạch giao tiếp cho phép robot kết nối với máy tính để theo dõi và điều chỉnh tham số.

IV. Hệ thống điều khiển thông minh và các mạch điều khiển

Hệ thống điều khiển thông minh là trái tim của Robot Shrimp, bao gồm các mạch điều khiển phức tạp và vi điều khiển hiện đại. Mạch cấp nguồn cung cấp điện ổn định cho toàn bộ hệ thống. Mạch giao tiếp giữa máy tính và vi điều khiển cho phép lập trình và giám sát hoạt động. Vi điều khiển AVR xử lý dữ liệu từ cảm biến và phát ra lệnh điều khiển cho các động cơ servo. Mạch công suất điều khiển dòng điện cho động cơ, đảm bảo hoạt động ổn định. Cách ly quang bảo vệ các mạch logic khỏi nhiễu. IC LM7805 điều chỉnh điện áp ổn định. Các transistor FET IRF540 và transistor NPN được sử dụng để chuyển mạch công suất cao hiệu quả.

4.1. Vi điều khiển AVR và các thành phần chính

Vi điều khiển AVR là bộ xử lý trung tâm của hệ thống điều khiển, có khả năng xử lý tín hiệu từ nhiều cảm biến đồng thời. Các dòng AVR khác nhau như Tiny, AVR và Mega được chọn dựa trên yêu cầu xử lý. Kiến trúc AVR cho phép lập trình linh hoạt và điều khiển các thiết bị ngoại vi hiệu quả. Bộ nhớ chương trình lưu trữ thuật toán điều khiển phức tạp.

4.2. Mạch cấp nguồn và cách ly quang

Mạch cấp nguồn sử dụng IC LM7805 để điều chỉnh và ổn định điện áp 5V cho vi điều khiển và cảm biến. Cách ly quang sử dụng Opto PC817 tách biệt điện thoại từ mạch công suất, bảo vệ vi điều khiển khỏi sóng nhiễu điện từ. Mạch điều khiển động cơ sử dụng transistor FET IRF540 để chuyển mạch dòng cao hiệu quả.

Trích đoạn nội dung tài liệu

CHƯƠNG 1: NGHIEN CUT VE KET CAL CUA RO BOT SHRIMP.1 Một số mẫu robot tự hành nổi tiếng trên thể giới 1.1 Rô BẮItụ hành siartitO7) 1.2 Mantis Ré bét 1.3 Ré bat thdm hidm cha NASA 1.4 Rõ bắt RODITAZ-DT3 9 1.5 RO bot Shrimp IH.2 Thiết lập phương trình truyền động giữa động cơ và robo! 1.3 Xây dựng hàm truyền giữa động cơ và bánh đẫn động rô bốt.4 Các thành phần trong kết cấu cơ khí của rô bấtất Shrimp. 141 Co clin tink bình bành (4 bánh: giữa). 1-42 Chân trước câa rô Bắt.3 Chan sau (chan cé dink vii than ré bby 1.5 Tỉnh toán chiễn cao vật cân tối đa rô bốt có thể vượt qua được.1 Chiẳu cao lớn nhất cũa vật căn mà chân trước rõ BắI cả thê vượt guá.2 Chidu cao lén nhất của vật cân mà 2 bảnh giữa (cơ câu hồh) có thể vượt gua 23 1.6 Phân tích động học và động lực học trong di chuyên của rô bốt 16,1 Rô bốt di chuyển trên địa in coi niưự phẳng. Giai đaạu từ khi bánh châu trưức tiấp vúc vật cầu đến Ri tượt qua 27 1.

Hai bảnh thân (21 và 2) tiện xúc vật cân.4 Hai bánh thân (31 và 32) wept vat cin. 16S Bdith sau cùng vượt vột căn 1. Trường hợp vật cân nhà nằm lệch một piáa LO? Robot quay vòng và chuyển kưởng khi di chuyển trên nễn phẳng.7 Kích thước thiết kế và chế tạo mỏ hình rõ bắt Si 1.1 Chân trước (chân lình hop) 1.8 KÉT LUẬN CHƯƯNG 1. CHƯƠNG 2: NGHIÊN CỨU VẺ HỆ THÔNG CẢM BIẾN VÀ CAMERA QUAN SAT CIO RO BOT TY IANIL.2 Tìm hiểu một số hộ cảm biến thường sir dung trong rabot 3.2 Cửa biến vận tức.8 Trén mau eo ban Hình 2.9 Biéu 46 mau RGB và đặc tuyên 1oa độ mâu trong hệ hệ taa đạ RGB Tình 3.1 Sơ đồ khối xử lý điển kí robot tự hành Me8lrimpVn Hình 3.2 Sơ để giải thuật điều khiển Hình 3.3 5o đỗ các khối mạch điều khiển Hình 3.4 Mạch cấp nguồn chơ hệ thống, Hình 3.5 Mạch giao tiếp mảy tỉnh vả vị điển khiển Hình 3.6 Vi điều khiển AVE.7 Khối hiển thị Hình 3.8 Các phần tử kết trong khối cáchly quang Hình 3.9 Mạch công suất điều khiển đẳng cơ Tlinh 3.10 Bảng danh mnục các thiết bị Hình 3.11 IC LM7805 Ilinh 3.12 Ilinh đạng và sơ đổ mạch nổi mach tao nguén Hình 3.13 Hình dạng ví điền khiển Atcgal 28T.14 Các dòng AVR Khác nhau: Tiny, AVR và Mega Hình 3.15 Câu Irúc của Vì điêu khiển AVR.16 Phân mạch khoang cách ly quang, Hình 3.17 Hinh đạng Opto PC817 Hình 3.18 Hinh đạng và ký hiệu transistor trường (FET) IRF540 Hình 3.19 Ký hiệu vả hình nguyên lý role đóng ngắt Hình 3.20 Hình ä ký hiệu transistor (npn) C828 Hình 3.21 Sơ đỗ khỏi xửlý ảnh.22 Thật toản điều khiến tự động robỏt Phạm ì nghiên cứu.

Tác giả lập trung nghiền cứu vẻ kết câu cơ khí và hệ thống điển khién thang minh char bal Shrimp 4. Các luận điểm cơ bản và dòng góp mới của tác giả Củc luận điểm co bin R6 bết Shrimp có một kết câu đặc biệt cha phép nó có thể di chuyển trên địa hình. không bằng phẳng Có thể vượt qua vật cản mà có bé mặt với độ dốc lớn, thậm chỉ là bẻ mặt thẳng đứng trong giới hạn chiên cao vật cân nhất định Dĩ chuyển nhờ sảu bảnh xe, mỗi bánh được đẫn động bởi mội động cơ điện một chiếu, có tốc độ đuợc điều chỉnh sao cho phủ hợp với tải trong thục tế tác động lêu mỗi trục động cơ. Cie ding gép mới Tác giả đã nghiên cứu và thiết kế hệ thông điều khiển mới cho rô bốt với việc trang bạ hệ thông cảm biển thông mình, có thê phát hiện vật thả phía trước và hai bên từ đẻ đưa ra các phương án xử lý phù hợp 5.

Phương pháp nghiên cứu. Tác giả đã tìm hiểu các thể hệ rô bốt tự hành Irước đó và sứ đụng phương pháp kết hợp giữa nghiên cứu lý [huyết và thực nghiệm cũng như chế tạo theo mồ tình rô bốt Shrimp CHUONG 1: NGHIEN CUU VE KET CAU CUA RO BOT SHRIMP 1.1 Một số mẫu robot tự hành nỗi tiếng trên thế giới Rô bốt tư hành đang ngày cảng phát triển với các tính năng hoàn thiện hơn, dưới đây là một số mẫu rô bốt tự hảnh.1 Ré bét te hanh smartROD Hinh 1. Robot te hanh SmatROD Đặc tính có thể mang trong tải vả di chuyển tự động trên nên phẳng. Về kết cầu mẫu robot tự hanh này tương tự một hệ thông nâng chuyển được điều khiển hoàn toàn tự động.2 Mantis R6 bét Hinh 1.

Mantis Robot Đặc điểm của Robot mantis là khả năng leo dia hình đặc biệt là cầu thang. Tuy nhiên vẻ kết cầu phần cơ khí của hệ thông thỉ còn nhiều yếu tô chưa hoàn hảo khi 2.3 Cam bién gia toc. eveineutinninannanateeninainennerenaneesnensd 224 tine biến áp KHẤT ví cơ điện 8.5 Câm biếu vị tri.8 Cảm biến phát biện 3.3 Cảm hiển dùng cho mộ hình roboL Shrimp 3.1 Hỗ trí các cảm biển và công tắc hank tink.2 Các trường hợp phiát hiện vật của bộ câm biển 46 3. Camera quan sát và kỹ thuật xử lý ảnh 2.7 Camera quan sat.2 Cơ sử §' thuyết công nghệ xá Ù† ảnh.5 KÉT LUẬN CHƯƠNG 2 CHƯƠNG 3: THIẾT KẺ HỆ THÔNG DIỀU KHIẾN VÀ PHẦN MÈM DIEU KHIEN THONG MINH CHO RO BOT SHRIMP.1 Sơ để nguyên lÿ điều khiến robot ty banh Shrimp.

Giới thiện tẵng quan ko vi didn khiến AUR, 3.2 Kiến trite AVR 3.4 Thiết kế mạch điển khiển 4. Nhiệm vụ thiết RỄ.2 "Mạch nguyên ff - 3⁄4.3 Các khi chuc năng của mach.5 Các linh kiện sử đụng trong mạch 3. 2 Vi điều khiển ATMEGA 3281.4 Khoang cách fy (optoisalator) 3.5 Transistor tring IRFS20 3.7 Giới thiệu các phân mềm.2 Lap trinh cho AVR ATmega 1281. tý ngôn ngữ C, với trình biên dịch là CodeVisionAVR .2 Phan mdm lập trinh cho vì điều khién : CODEVISION AVR BA 3.3 Dida khién te ding robot te hdnh dag dung cing ngh@ xi I Gt.8 KET LUẬN CHƯƠNG3 KẾT LUẬN VÀ KIÊN NGHỊ,.

BO TAL LIEU TILAM KIIẢO -. PHỤ LỤC 3 103 MỠ BẦU 1. Lý do chạn đề tài Thco dự báo trong vòng 20 năm nita mỗi người sế có nhu cầu sử dụng mật rô hối cá nhân như cần một máy tỉnh PC hiện nay vả Rồ bót šể là tâm điểm của một cuộc cach mang công nghệ lớn sau Iuternet. Với xu thể này, củng với các ứng đụng truyền thống khác của rõ bốt trong công nghiệp, y tế, giáo dục đào tạo, giải trí và đặc biệt trong an ninh quốc phòng thì thị trường rê bốt và các địch vụ kèm theo rô bết sẽ vô cùng lớrL Là sinh viên của một Irơng những trường hàng đầu về khoa học công nghệ, từ lâu tối đã có sự quan lâm và niễm đam mê về rõ bởi.

Vì vậy, sau khi xem xét gác để lài tôi đã quyết định làm luận văn tốt nghiệp với để tài: *Vghiên cứa, thiết kế hệ thống điều khiển thông minh cho rô bất Shrimp 2. Tỉnh cấp thiết của đề tài Rôồ bết tự hành đã không còn xa lạ với các nước phát triển trên thể giới và đang là tâm điểm của thời đại ngày nay. Tuy nhiên ở Việt Nam cả kiến thức lẫn công nghệ về rõ bốt tự hành còn khá mói mẻ. Vì vậy, để tài có ý định nghiên cứu cac mau robot tự hành đã có để phát huy các tu điểm và xây đựng mô hình rô bốt tự hành ngày cảng hoàn thiện hơn.

Phục vụ cho việc phát triển công nghệ cao, một lĩnh vụrc mà nước ta còn thua kém các nước phát triển rt nhiều. Mục đích, đỗi tượng, phạm vi nghiÊn cứu Muc dich Tìm hiểu nâng cao các kiên thức về công nghệ thông tin, điện tử, tự động hóa ứng. dung cho rõ bốt cũng như trong cơ khi chế tạo máy. Vì xu thế thời đại các lĩnh vực trên ngày cảng cỏ mỗi quan hệ chặt chẽ với nhau, nên đỏi hỏi người thiết kế cần có các kiến thíc tổng hợp để tạo ra các sản phẩm hoàn thiện hơn.

DẮI tượng Rô bốt tự hành MeShrimpVn, một để tai nghiên cứu khoa học của nhỏm sinh viên lớp cơ điện tử 3 K49 ĐH Bách khoa hà nội. Được nghiên cửu và phát triển từ mô. hình rõ bết Shrimp IHI của công ty Bluebotiss Thụy 8ÿ.8 Trén mau eo ban Hình 2.9 Biéu 46 mau RGB và đặc tuyên 1oa độ mâu trong hệ hệ taa đạ RGB Tình 3.1 Sơ đồ khối xử lý điển kí robot tự hành Me8lrimpVn Hình 3.2 Sơ để giải thuật điều khiển Hình 3.3 5o đỗ các khối mạch điều khiển Hình 3.4 Mạch cấp nguồn chơ hệ thống, Hình 3.5 Mạch giao tiếp mảy tỉnh vả vị điển khiển Hình 3.6 Vi điều khiển AVE.7 Khối hiển thị Hình 3.8 Các phần tử kết trong khối cáchly quang Hình 3.9 Mạch công suất điều khiển đẳng cơ Tlinh 3.10 Bảng danh mnục các thiết bị Hình 3.11 IC LM7805 Ilinh 3.12 Ilinh đạng và sơ đổ mạch nổi mach tao nguén Hình 3.13 Hình dạng ví điền khiển Atcgal 28T.14 Các dòng AVR Khác nhau: Tiny, AVR và Mega Hình 3.15 Câu Irúc của Vì điêu khiển AVR.16 Phân mạch khoang cách ly quang, Hình 3.17 Hinh đạng Opto PC817 Hình 3.18 Hinh đạng và ký hiệu transistor trường (FET) IRF540 Hình 3.19 Ký hiệu vả hình nguyên lý role đóng ngắt Hình 3.20 Hình ä ký hiệu transistor (npn) C828 Hình 3.21 Sơ đỗ khỏi xửlý ảnh.22 Thật toản điều khiến tự động robỏt CHUONG 1: NGHIEN CUU VE KET CAU CUA RO BOT SHRIMP 1.1 Một số mẫu robot tự hành nỗi tiếng trên thế giới Rô bốt tư hành đang ngày cảng phát triển với các tính năng hoàn thiện hơn, dưới đây là một số mẫu rô bốt tự hảnh.1 Ré bét te hanh smartROD Hinh 1. Robot te hanh SmatROD Đặc tính có thể mang trong tải vả di chuyển tự động trên nên phẳng.

Về kết cầu mẫu robot tự hanh này tương tự một hệ thông nâng chuyển được điều khiển hoàn toàn tự động.2 Mantis R6 bét Hinh 1. Mantis Robot Đặc điểm của Robot mantis là khả năng leo dia hình đặc biệt là cầu thang. Tuy nhiên vẻ kết cầu phần cơ khí của hệ thông thỉ còn nhiều yếu tô chưa hoàn hảo khi DANII MUC CAC HINIE VE, BO THI Hình 1. Robol tự hành SmalROD Hinh 1.

Mantis Robot Hình 1. Robot thám hiểm của trung tam vii wu NASA.4 Robot ROBHAZ, DT3 của Viện KH va CK Han Quốc KIST Hình 1.5 Robot tự hành Shrimp III của công ty Bluebotics Hình 1.6 Phân bổ nội lực và ngoại lực tác dụng lên trục mỗi động cơ.7 8ø đỏ động cơ điện 1 chiêu kích từ độc lập Hình 1.8 Sơ đỏ động cơ điện kết nối với bánh robot qua hộn giảm tốc Linh 1.9 Sơ đồ khất hàm truyền đạt giữa đông cơ và bánh dẫn động robot Hình 1.