Chương I Nghiên cứu tổng quan về hệ cảm biến ứng dụng cho robot di động 1.Giới thiệu về robot di động dạng 3 bánh dạng unicycle - like. Tình hình phát triến của robot di động trên thế giới. Khả năng di động được phát triển cùng với khả năng tránh vật cản và tự định hướng tìm đường trong không gian làm việc rất rộng (về nguyên lý là không có giới hạn) trên mọi địa hình và nhiều khả năng thông minh khác khiến cho Robot di động có tiềm năng ứng dụng rất lớn cùng với sự phát triển của nhân loại vượt xa các Robot truyền thống về cả số lượng và chủng loại ứng dụng.1 thể hiện sự phát triển “dân số” của Robot dịch vụ (có khả năng di động) theo thời gian 2009 và 2014. Biểu đồ sự phát triển robot trong các năm từ 2009 - 2014.
Với lợi thế về khả năng di động trên mọi địa hình, Robot di động có tiềm năng được ứng dụng rộng rãi và phổ biến hơn trong nhiều lĩnh vực như: Trong địa hình xác định (ứng dụng trong nhà): phục vụ cho công nghiệp và vận chuyển, thiết bị hỗ trợ khách tham quan trong bảo tàng, cửa hàng, thực hiện hút bụi, vệ sinh, thiết bị thông minh giám sát trong các tòa nhà, ứng dụng trong giải trí, đồ chơi, Trong địa hình không xác định (ứng dụng ngoài trời): ứng dụng trong không gian vũ trụ, ứng dụng trong khai thác mỏ, trong khai thác và bảo vệ rừng, ứng dụng trong khảo sát hệ thống cống, ứng dụng trong nông nghiệp, LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com 9 ứng dụng trong xây dựng, ứng dụng là thiết bị bay trên không, ứng dụng là tàu lặn dưới nước, ứng dụng trong phòng cháy chữa cháy, ứng dụng trong quân sự, Tại Việt Nam việc ứng dụng và phát triển Robot di động thông minh đã và đang được quan tâm tuy nhiên còn rất hạn chế. Hoạt động nghiên cứu, chế tạo Robot chỉ tập trung ở một số viện nghiên cứu và trường đại học, ví dụ như: robot kiểm tra lòng cống ngầm, xe tự hành trong y tế, robot phục vụ giám sát an ninh quốc phòng,. Bên cạnh đó, xu thế trên thế giới về ứng dụng Robot di động thông minh trong sinh hoạt của con người như lau nhà, hút bụi, cắt cỏ, giám sát khu nhà, ngày càng trở nên thiết thực giúp thay thế con người thực hiện những công việc nhàm chán, đơn điệu, mệt nhọc tạo điều kiện cho con người tập trung vào các công việc có giá trị cao hơn. Robot dạng unicycle - like.
Mobile robot được định nghĩa là một loại xe robot có khả năng tự dịch chuyển, tự vận động (có thể lập trình lại được) dưới sự điền khiển tự động để thực hiện thành công những công việc được giao. Theo lý thuyết, môi trường hoạt động của robot di động có thể là đất, nước, không khí, không gian vũ trụ hay sự tổ hợp giữa chúng. Địa hình bề mặt mà robot di chuyển trên đó có thể bằng phẳng hoặc thay đổi, lồi lõm.2 là dạng robot dạng unicycle - like là dạng robot chuyển động bằng bánh xe được sử dụng rộng rãi nhất trong công nghệ robot tự hành. Vấn đề cân bằng thường không phải là vấn đề được chú ý nhiều trong robot di chuyển bằng bánh.
Ba bánh là kết cấu có khả năng duy trì cân bằng, tuy nhiên kết cấu 2 bánh cũng có thể cân bằng được. Khi robot có số bánh nhiều hơn 3 thì thông thường người ta phải thiết kế hệ thống treo để duy trì sự tiếp xúc của tất cả các bánh xe với mặt đất. Có các loại bánh xe sau thường được sử dụng cho robot di động: Bánh xe tiêu chuẩn: 2 bậc tự do, có thể quay quanh trục bánh xe và điểm tiếp xúc. Bánh lái: 2 bậc tự do, có thể quay xung quanh khớp lái.
Bánh Swedish: 3 bậc tự do, có thể quay đồng thời xung quanh trục bánh xe, trục lăn và điểm tiếp xúc. LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail. Dạng robot unicycle like. Những ứng dụng mới nhất của robot di động trên thế giới.
Robot quân sự Hình 1. Robot thám hiểm Hình 1. Robot gia đình LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.Tổng quan nghiên cứu về hệ cảm biến robot di động.Khái niệm cảm biến (sensor). Cảm biến thường được định nghĩa theo nghĩa rộng là thiết bị cảm nhận và đáp ứng lại với những kích thích và các tín hiệu.
Đây là thiết bị điện tử đóng vai trò quan trọng để robot có thể nhận biết được môi trường bên ngoài.Qua hai sơ đồ sau ta có thể hình dung sơ lược về bộ cảm biến. Mô hình hoạt động của khối cảm biến. Cơ cấu chấp Quá trình các Bộ cảm biến hành biến trạng thái Chương Trình Bộ Vi Xử Lý Hình1.Hệ thống tự động điều khiển quá trình. Khái niệm hệ cảm biến (sensors system).
Hệ cảm biến là tập hợp hai hay nhiều cảm biến cùng loại hoặc khác loại trên một robot, các cảm biến này có thể hỗ trợ và bổ sung về tính năng cho robot di động. Các bộ cảm biến đóng vai trò cực kỳ quan trọng trong lĩnh vực đo lường và điều khiển. Chúng cảm nhận và đáp ứng theo các kích thích thường là các đại lượng không điện, chuyển đổi các đại lượng này thành các đại lượng điện và truyền các thông tin về hệ thống đo lường điều khiển, giúp ta nhận dạng, đánh giá và điều khiển mọi biến trạng thái của đối tượng. Sự kết hợp giữa các bộ vi xử lý hay vi điều khiển với các mạch vi điện tử và các cảm biến thông thường để LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com 12 thực hiện được các chức năng mới mà các cảm biến thông thường không thể thực hiện được, chúng có thể thu thập số liệu từ nhiều đại lượng đo khác nhau, gia công sơ bộ kết quả theo các thuật toán đã định trước.
Mặt khác nhờ có các mạch vi điện tử, module cảm biến có khả năng mã hóa tín hiệu đo, ghép nối với các thiết bị ngoại vi, ghép nối với bộ nhớ để lưu giữ số liệu. Kết hợp với bộ vi xử lý hay vi điều khiển chúng có khả năng thực hiện các phép tính đại số. Có thể điều khiển quá trình đo. Nhờ tính năng cao của vi xử lý và các phương pháp đo mà module cảm biến đã nâng cao độ chính xác, tăng độ tác động nhanh, tính ổn định, độ tuyến tính, hạn chế và loại bỏ các yếu tố ảnh hưởng đến chúng.
Với sự kết hợp đó đã tạo lên một module cảm biến thông minh hơn, nhiều chức năng hơn. Ngày nay do việc sử dụng vi xử lý hay vi điều khiển kết hợp với các cảm biến thông thường, các thiết bị đo, hệ thống thông tin đo lường và các hệ điều khiển tự động đã có những tiến bộ vượt bậc như tự động chọn thang đo, tự động xử lý thông tin và có khả năng đo nhiều đại lượng với khoảng cách khác nhau theo một chương trình đã định sẵn giúp cho quá trình đo và điều khiển thuận lợi hơn và đạt độ chính xác cao. Qua đó thấy rằng module cảm biến có tính năng kỹ thuật tốt hơn hẳn các cảm biến thông thường và sẽ ngày càng phát triển và hoàn thiện. Module Blutooth Hình 1.
Module Hồng Ngoại LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail. Module thu phát RF Hình 1. Phân loại các dạng cảm biến trong hệ. [4] Cảm biến sử dụng trong Robot di động được phân theo từng loại: Cảm biến nội (internal sensor): Được đặt trong bản thân của robot, nó sử dụng các thiết bị về cơ khí, điện, điện tử hoặc thủy lực để nhận các thông tin phản hồi về vị trí của các bộ phận robot.
Sensor nội đơn giản hiểu có thế là những công tắc giới hạn. Cảm biến ngoại (external sensor): là loại sensor giúp robot giao tiếp với môi trường bên ngoài như sensor thị giác giúp robot có thể quan sát được, sensor xác định khoảng cách giúp robot có thể ước lượng được khoảng cách tới đối tượng, sensor xúc giác giúp robot có thể cảm giác được khi nắm các vật. Các sensor này sẽ phản ánh các thông tin môi trường xung quanh tới robot. Cảm biến khóa (interlock sensor): đây là những loại sensor dùng cho robot trong những trường hợp khẩn cấp để bảo vệ robot.
Nghiên cứu chức năng các dạng cảm biến được dùng cho robot 1.Cảm biến hồng ngoại. [11] Là loại cảm biến quang sử dụng thu phát ánh sáng gần vùng hồng ngoại. Bước sóng ánh sáng sử dụng trong loại cảm biến này khoảng 880nm. Cảm biến hồng ngoại có thể sử dụng để phát hiện màu đen/trắng hoặc phát hiện vật cản.
Khả năng thực hiện được tùy thuộc vào việc thiết kế mạch. Cách đo khoảng cách: Cảm biến hồng ngoại sử dụng phương pháp TOF để đo khoảng cách đến vật cản. Mạch cảm biến đóng vai trò như mắt của robot di động, giúp nó có thể thể nhận biết môi trường xung quanh (vạch trắng chướng ngại vật) để từ đó có biện pháp xử lý. Trong mạch cảm biến, chúng ta có thể sử dụng các loại led thu phát hồng ngoại hoặc quang trở.
LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail. Bộ thu phát hồng ngoại Chú ý với hai chân nối với mạch điện của Led. Chân anode nối với cực dương của nguồn điện, chân catode nối với cực âm của nguồn điện, qua hình ở dưới ta có thể thấy chân cathode dài hơn chân anode. Lưu ý dòng qua led là từ 5 mAh đến 20mAh, khi tính toán thì chọn led =10mAh, điện áp rơi vào khoảng 1,7v đến 2,4v.
Cấu tạo led thu hồng ngoại (photodiode): là một loại bán dẫn đơn giản nhưng có vỏ gắn với thấu kính để dẫn tia sáng chiếu đúng vào mắt tiếp giáp. Đặc điểm: Photodiode là một loại diode làm việc theo chế độ phân cực nghịch, dòng nghịch qua diode được điều khiển bởi cường độ ánh sáng chiếu vào khi ánh sáng chiếu qua Diode tăng thì dòng nghịch qua nó cũng tăng theo. Cơ chế hoạt động: Hình 1. Quá trình thu phát của cặp led hồng ngoại Từ hình 1.13 ta có thể thấy khi led hồng ngoại chiếu ánh sáng hồng ngoại tới gặp vật cản thì các tia hồng ngoại sẽ dội ngược trở lại, và khi đó đầu thu detetor sẽ nhận những lượng ánh sáng hồng ngoại bị hắt lại trở về và truyền tín hiệu về mạch xử lý, thông qua bộ khếch đại so sánh.
Chú ý: đầu thu phát hồng ngoại cần LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com 15 được che chắn tốt để tránh bị nhiễu sáng bên ngoài (ánh sáng tự nhiên, ánh sáng các loại đền cao áp .) và nên đặt hai đầu thu phát cạnh nhau (khoảng cách là từ 2mm đến 5 mm ).