Đồ án Thiết kế, chế tạo và điều khiển Robot dò line (ĐH Bách Khoa)

Hướng dẫn chi tiết thiết kế, chế tạo và điều khiển robot dò line. Tìm hiểu nguyên lý hoạt động, sơ đồ mạch và code cho line following robot.

• Tác giả: Phan Gia Huy
• Người hướng dẫn: TS. Phùng Trí Công
• Trường học: Trường Đại học Bách khoa - Đại học Quốc gia TP. 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 thiết kế hệ thống cơ điện tử
• Năm xuất bản: 2021
• Địa điểm: TP. Hồ Chí Minh

Mục lục chi tiết

• LỜI CẢM ƠN
• 1. CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN
• 1.1. Giới thiệu đồ án và nghiên cứu các mô hình trong và ngoài nước
• 1.2. Phân tích Usain Volt
• 1.3. Phân tích TABAR Robot
• 1.4. Phân tích Sunfounder PiCar – S
• 1.5. Phân tích Pinto Robot
• 1.6. Phân tích Chariot Robot
• 1.7. Phân tích Pika Robot
• 1.8. Nhận xét, ưu điểm và nhược điểm của các mô hình Robot được trích dẫn
• 1.9. Về điều khiển
• 2. CHƯƠNG 2: LỰA CHỌN PHƯƠNG ÁN
• 2.1. Lựa chọn phương án cơ khí
• 2.2. Lựa chọn phương án điện
• 2.3. Lựa chọn cảm biến
• 2.4. Lựa chọn động cơ
• 2.5. Lựa chọn vi điều khiển
• 2.6. Lựa chọn cấu trúc điều khiển
• 2.7. Phương án thiết kế bộ điều khiển
• 2.8. Tổng hợp lựa chọn phương án
• 2.9. Phương án thiết kế chung
• 2.10. Phương án thiết kế cơ khí
• 2.11. Phương án thiết kế điện
• 2.12. Phương án điều khiển
• 3. CHƯƠNG 3: TÍNH TOÁN THIẾT KẾ CƠ KHÍ
• 3.1. Tính toán kích thước xe
• 3.2. Tính toán lựa chọn công suất động cơ dẫn động
• 3.3. Tính toán lựa chọn công suất động cơ dẫn hướng
• 4. CHƯƠNG 4: MÔ HÌNH HÓA HỆ THỐNG
• 4.1. Phân tích lựa chọn mô hình tính toán
• 4.2. Xây dựng phương trình động học của Robot
• 4.3. Mô hình bài toán động học
• 4.4. Mô hình toán xác định sai số
• 4.5. Xây dựng hàm truyền động cơ
• 5. CHƯƠNG 5: THIẾT KẾ BỘ ĐIỀU KHIỂN
• 5.1. Tiêu chí lựa chọn bộ điều khiển và thiết kế bộ điều khiển
• 5.2. Xây dựng bộ điều khiển mô hình toán
• 5.3. Bài toán bám line
• 6. CHƯƠNG 6: THIẾT KẾ HỆ THỐNG ĐIỆN CHO ROBOT
• 6.1. Tính toán thiết kế cảm biến
• 6.2. Thông số kỹ thuật cảm biến TCRT5000
• 6.3. Tính toán điện trở cho cảm biến
• 6.4. Xác định cách gá đặt cảm biến
• 6.5. Xác định chiều cao đặt cảm biến
• 6.6. Khoảng cách giữa các cảm biến
• 6.7. Calib cảm biến
• 6.8. Phương pháp trung bình trọng số
• 6.9. Thực hiện xây dựng mạch cảm biến
• 6.10. Lựa chọn các linh kiện và thiết bị điện phù hợp
• 6.11. Lựa chọn driver động cơ dẫn động
• 6.12. Tính toán số pin
• 6.13. Sơ đầu nguyên lý hệ thống điện và các module chức năng
• 6.14. Lưu đồ giải thuật điều khiển
• 6.15. Lưu đồ giải thuật điều khiển khối master
• 6.16. Lưu đồ giải thuật điều khiển khối slave 1
• 6.17. Lưu đồ giải thuật điều khiển khối slave 2
• 7. CHƯƠNG 7: MÔ PHỎNG CHUYỂN ĐỘNG CỦA ROBOT
• 7.1. Kết quả mô phỏng chuyển động của Robot
• 7.2. Kết quả mô phỏng chuyển động của Robot chưa kèm nhiễu
• 7.3. Kết quả mô phỏng chuyển động của Robot kèm nhiễu
• 7.4. Nhận xét kết quả mô phỏng
• 8. CHƯƠNG 8: KẾT LUẬN
• 8.1. Kết quả thực nghiệm
• 8.2. Nhận xét giữa kết quả mô phỏng và kết quả thực nghiệm
• 8.3. Kết luận và định hướng phát triển đề tài
• TÀI LIỆU THAM KHẢO
• figure_list. DANH SÁCH CÁC HÌNH VẼ
• table_list. DANH SÁCH CÁC BẢNG BIỂU
• abbreviation_list. DANH SÁCH TỪ VIẾT TẮT

Tóm tắt

I. Tổng quan thiết kế robot dò line Từ ý tưởng đến mô hình

Thiết kế chế tạo và điều khiển robot dò line là một chủ đề nền tảng và hấp dẫn trong lĩnh vực cơ điện tử và robotics. Đây không chỉ là một bài toán kỹ thuật thú vị trong các cuộc thi như Robocon hay giáo dục STEM, mà còn là mô hình thu nhỏ của các hệ thống tự hành ứng dụng trong công nghiệp và logistics. Một robot dò line (line following robot) là loại robot di động tự hành có khả năng phát hiện và di chuyển theo một vạch kẻ sẵn trên một bề mặt. Nhiệm vụ cốt lõi của robot là duy trì vị trí của mình trên đường line, xử lý các khúc cua, ngã rẽ và thay đổi tốc độ một cách thông minh. Để thực hiện được điều này, một hệ thống hoàn chỉnh cần sự kết hợp chặt chẽ giữa thiết kế cơ khí chính xác, lựa chọn linh kiện điện tử phù hợp và xây dựng một thuật toán điều khiển hiệu quả. Đồ án của nhóm sinh viên Đại học Bách Khoa TP.HCM đặt ra mục tiêu cụ thể: thiết kế một robot có tốc độ trung bình 1 m/s, hoạt động trên sa bàn với line đen nền trắng, kích thước giới hạn (350x250x350 mm) và sai số bám line mong muốn dưới ±15mm. Nghiên cứu này không chỉ dừng lại ở việc lắp ráp, mà đi sâu vào mô hình hóa, tính toán động lực học và mô phỏng hệ thống trước khi triển khai, thể hiện một quy trình thiết kế kỹ thuật bài bản.

1.1. Nguyên lý hoạt động robot dò line và ứng dụng thực tiễn

Về cơ bản, nguyên lý hoạt động robot dò line dựa trên một vòng lặp điều khiển kín. Hệ thống cảm biến dò line, thường là một dãy cảm biến hồng ngoại hoặc camera, sẽ liên tục đọc trạng thái của bề mặt bên dưới. Khi cảm biến phát hiện sự thay đổi về độ phản xạ ánh sáng giữa vạch đen và nền trắng, nó sẽ gửi tín hiệu về cho vi điều khiển (như Arduino, STM32 hoặc PIC). Vi điều khiển sẽ xử lý tín hiệu này để xác định vị trí tương đối của robot so với tâm của vạch kẻ (sai số). Dựa trên sai số này, thuật toán điều khiển sẽ tính toán và gửi lệnh đến khối chấp hành, bao gồm driver động cơ và động cơ DC, để điều chỉnh tốc độ quay của các bánh xe. Mục tiêu là làm giảm sai số về 0, giữ cho robot luôn bám theo đường line một cách chính xác và mượt mà. Ứng dụng của công nghệ này rất đa dạng, từ xe tự hành AGV (Automated Guided Vehicle) trong nhà kho, robot giao hàng trong bệnh viện, cho đến các hệ thống dẫn đường tự động trong sản xuất công nghiệp.

1.2. Phân tích các mô hình robot bám line thành công

Để có phương án thiết kế tối ưu, việc phân tích các mô hình robot đã thành công là vô cùng cần thiết. Tài liệu nghiên cứu đã xem xét nhiều mẫu robot như Usain Volt 2.0, TABAR Robot, Sunfounder PiCar-S. Mỗi mô hình có ưu nhược điểm riêng về kết cấu cơ khí. Ví dụ, robot Usain Volt sử dụng kết cấu 4 bánh với 2 bánh sau chủ động, cho khả năng bám đường tốt nhưng hạn chế khi vào cua. Ngược lại, robot TABAR dùng kết cấu 3 bánh (2 bánh sau chủ động, 1 bánh trước bị động) có mô hình toán đơn giản, dễ điều khiển nhưng độ ổn định kém hơn. Về hệ thống điện, các robot này phổ biến sử dụng cảm biến hồng ngoại (QTR-3RC, TCRT5000), vi điều khiển dòng ATmega, và các driver động cơ như DRV8838 hay L298N. Việc phân tích này giúp đưa ra kết luận quan trọng: một cấu trúc 4 bánh với 2 bánh trước dẫn hướng và 2 bánh sau dẫn động là lựa chọn cân bằng giữa độ ổn định và khả năng điều khiển linh hoạt, đặt nền tảng cho phương án thiết kế của đồ án robot.

II. Thách thức chính khi chế tạo robot dò line chuyên nghiệp

Việc thiết kế chế tạo và điều khiển robot dò line không chỉ là lắp ráp các module có sẵn mà còn đối mặt với nhiều thách thức kỹ thuật phức tạp. Một trong những vấn đề đầu tiên là lựa chọn phương án thiết kế tổng thể. Cấu trúc cơ khí (3 bánh hay 4 bánh, dẫn động cầu trước hay sau), loại vi điều khiển (hiệu năng, số chân I/O, hệ sinh thái), loại cảm biến (độ nhạy, khả năng chống nhiễu) và cấu trúc điều khiển (tập trung hay phân cấp) đều là những quyết định quan trọng ảnh hưởng trực tiếp đến hiệu suất của robot. Một thách thức lớn khác nằm ở việc cân bằng giữa tốc độ và độ chính xác. Robot di chuyển càng nhanh, thời gian đáp ứng của hệ thống càng phải ngắn, đòi hỏi cảm biến phải nhạy, vi điều khiển xử lý nhanh và thuật toán điều khiển phải có khả năng dự đoán và bù trừ sai số hiệu quả. Ngoài ra, các yếu tố ngoại cảnh như ánh sáng môi trường, độ mòn của bánh xe, sự sụt áp của pin cũng gây ra nhiễu, ảnh hưởng đến hoạt động ổn định của robot. Việc giải quyết các bài toán này đòi hỏi kiến thức sâu về động lực học, lý thuyết điều khiển tự động và kỹ năng gỡ lỗi hệ thống.

2.1. Lựa chọn phương án cơ khí 3 bánh đối đầu 4 bánh

Quyết định giữa khung xe robot 3 bánh và 4 bánh là một sự đánh đổi quan trọng. Cấu trúc 3 bánh thường có kết cấu cơ khí và mô hình toán đơn giản hơn, dễ điều khiển. Tuy nhiên, nhược điểm lớn là khả năng bám đường không tốt và dễ bị lật khi vào cua ở tốc độ cao. Ngược lại, cấu trúc 4 bánh mang lại độ ổn định vượt trội. Trong đồ án tham khảo, phương án được chọn là xe 4 bánh với 2 bánh trước chủ động dẫn hướng và 2 bánh sau chủ động dẫn động. Lựa chọn này, theo phân tích, "giúp xe chuyển động tốt hơn, khó lật khi vào cua", đồng thời giảm áp lực cho bánh sau so với các cấu hình 4 bánh khác. Tuy nhiên, nó cũng làm phát sinh bài toán phức tạp hơn là phải đảm bảo sự đồng phẳng của cả 4 bánh và thiết kế một cơ cấu lái chính xác.

2.2. So sánh vi điều khiển Arduino STM32 hay PIC

Việc lựa chọn vi điều khiển là trái tim của hệ thống. Các dòng phổ biến như Arduino (dựa trên ATmega), STM32 và PIC đều có ưu nhược điểm riêng. Arduino mạnh về cộng đồng hỗ trợ lớn và thư viện phong phú, rất phù hợp cho người mới bắt đầu. STM32 nổi bật với tốc độ xử lý vượt trội và ngoại vi đa dạng, phù hợp cho các bài toán phức tạp cần hiệu năng cao. Trong khi đó, dòng MicroChip PIC, được lựa chọn trong tài liệu, có ưu điểm là "nhỏ gọn, dễ lắp đặt, dễ tiếp cận và điều khiển". Quyết định này còn phụ thuộc vào cấu trúc điều khiển. Với điều khiển tập trung, một vi điều khiển mạnh là cần thiết. Nhưng với cấu trúc điều khiển phân cấp (Master-Slave) được chọn, có thể sử dụng các vi điều khiển thông thường, mỗi con đảm nhận một nhiệm vụ riêng (đọc cảm biến, điều khiển động cơ), giúp tối ưu hóa hiệu năng toàn hệ thống và dễ dàng gỡ lỗi.

III. Hướng dẫn thiết kế phần cứng cho robot dò đường hiệu quả

Phần cứng là nền tảng vật lý quyết định khả năng của robot. Một hệ thống phần cứng được thiết kế tốt sẽ đảm bảo robot hoạt động ổn định, chính xác và bền bỉ. Quá trình này bao gồm ba cấu phần chính: hệ thống cảm biến, hệ thống truyền động và khối xử lý trung tâm. Việc thiết kế mạch dò line đòi hỏi sự tính toán cẩn thận để tối ưu hóa khoảng cách và chiều cao đặt cảm biến, giúp nhận diện vạch kẻ một cách rõ ràng nhất và giảm thiểu nhiễu xuyên âm giữa các cảm biến. Hệ thống truyền động, bao gồm động cơ DC và driver động cơ, phải được lựa chọn dựa trên tính toán động lực học để đảm bảo đủ moment xoắn và tốc độ, giúp robot tăng tốc nhanh và duy trì vận tốc ổn định. Cuối cùng, khối xử lý trung tâm, được xây dựng quanh vi điều khiển, phải được thiết kế với sơ đồ mạch rõ ràng, có các khối cách ly nguồn để bảo vệ linh kiện và đảm bảo tín hiệu không bị nhiễu. Toàn bộ các linh kiện này được tích hợp trên một mạch in (PCB) được thiết kế chuyên biệt hoặc kết nối qua các module, tạo thành một hệ thống điện tử hoàn chỉnh.

3.1. Thiết kế mạch cảm biến dò line với TCRT5000 tối ưu

Cảm biến là "đôi mắt" của robot. Trong nghiên cứu này, cảm biến hồng ngoại TCRT5000 được lựa chọn vì giá thành hợp lý, nhỏ gọn và độ chính xác cao. Việc thiết kế mạch cảm biến không chỉ đơn giản là nối dây. Tài liệu đã chỉ ra quá trình tính toán chi tiết để chọn điện trở phù hợp (R1=220Ω, R2=4700Ω) nhằm tối ưu dòng hoạt động của LED phát và phototransistor thu. Quan trọng hơn, việc gá đặt cảm biến được phân tích kỹ lưỡng. Chiều cao tối ưu được xác định là h = 13mm so với mặt sa bàn, nơi có độ chênh lệch tín hiệu giữa nền trắng và vạch đen lớn nhất. Khoảng cách giữa các cảm biến được tính toán là d = 17mm để vừa bao phủ được vạch kẻ rộng 26mm, vừa giảm thiểu hiện tượng nhiễu chéo. Cuối cùng, phương pháp hiệu chuẩn (calibrate) bằng phần mềm được áp dụng để đồng bộ hóa giá trị đọc về từ tất cả các cảm biến, đảm bảo dữ liệu đầu vào cho thuật toán là chính xác nhất.

3.2. Tính toán lựa chọn động cơ DC và driver động cơ TB6612

Để robot đạt tốc độ 1 m/s, việc lựa chọn động cơ DC và driver động cơ phải dựa trên tính toán động lực học. Dựa trên khối lượng dự kiến của robot (khoảng 2kg) và các kích thước khung xe, nghiên cứu đã tính toán moment xoắn và công suất cần thiết cho động cơ dẫn động. Kết quả là động cơ DC servo GA25 (12V, 4W, 1360 rpm) được lựa chọn. Đối với động cơ dẫn hướng, RC servo MG996R được chọn vì có moment xoắn lớn và tích hợp sẵn cơ cấu điều khiển vị trí. Để điều khiển động cơ DC, driver TB6612 được ưu tiên hơn L298N vì hiệu suất cao hơn và kích thước nhỏ gọn. Driver này có khả năng cung cấp dòng liên tục 1.2A, đủ cho yêu cầu của động cơ GA25. Một điểm quan trọng trong thiết kế là sử dụng mạch cách ly nguồn dùng opto PC817, giúp bảo vệ vi điều khiển khỏi dòng nhiễu ngược từ động cơ, một bước đi cần thiết để đảm bảo sự ổn định của hệ thống.

IV. Phương pháp điều khiển robot dò line bằng thuật toán PID

Linh hồn của một robot bám line hiệu suất cao nằm ở thuật toán điều khiển. Nếu phần cứng là cơ thể, thì phần mềm và thuật toán chính là bộ não, quyết định robot phản ứng nhanh hay chậm, mượt mà hay giật cục. Bước đầu tiên và quan trọng nhất trong việc thiết kế bộ điều khiển là xây dựng mô hình toán học của hệ thống. Mô hình này mô tả mối quan hệ giữa các yếu tố đầu vào (tín hiệu điều khiển) và đầu ra (vị trí, vận tốc của robot). Dựa trên mô hình hóa, kỹ sư có thể thiết kế và mô phỏng các bộ điều khiển khác nhau trước khi áp dụng lên robot thật. Bộ điều khiển PID (Proportional-Integral-Derivative) và các biến thể của nó (P, PI, PD) là lựa chọn phổ biến và hiệu quả nhất cho bài toán bám line. Việc lập trình robot dò line không chỉ là viết code robot dò line mà là tinh chỉnh các hệ số Kp, Ki, Kd của thuật toán PID để đạt được đáp ứng mong muốn: bám line nhanh, ít vọt lố và ổn định tại tâm. Trong đồ án này, một cấu trúc điều khiển phân cấp Master-Slave được sử dụng để tối ưu hóa quá trình xử lý.

4.1. Xây dựng mô hình toán học và động học của robot

Thay vì phương pháp thử-sai, nghiên cứu đã tiếp cận bài toán một cách khoa học bằng việc xây dựng phương trình động học của robot. Mô hình này xem xét vị trí của các điểm quan trọng trên robot: tâm trục bánh sau (L), khớp xoay dẫn hướng (C), và tâm dãy cảm biến (U). Các phương trình được thiết lập để mô tả mối quan hệ giữa vận tốc dài (v) của robot, vận tốc góc (ω) của cơ cấu lái và sự thay đổi vị trí cũng như hướng của robot theo thời gian. Từ đó, một mô hình toán xác định sai số (e₂, khoảng cách từ tâm cảm biến đến tâm line) được xây dựng. Mô hình này là cơ sở để thiết kế bộ điều khiển, cho phép phân tích và dự đoán hành vi của hệ thống một cách lý thuyết, giúp rút ngắn đáng kể thời gian tinh chỉnh thực nghiệm.

4.2. Thiết kế bộ điều khiển PD để bám line chính xác

Dựa trên mô hình toán đã tuyến tính hóa, một bộ điều khiển PD (Proportional-Derivative) được lựa chọn để giải quyết bài toán bám line. Thành phần P (tỷ lệ) giúp robot phản ứng ngay lập tức với sai số hiện tại: sai số càng lớn, góc lái điều chỉnh càng nhiều. Thành phần D (đạo hàm) giúp giảm thiểu dao động (vọt lố) và làm cho chuyển động của robot mượt mà hơn bằng cách phản ứng với tốc độ thay đổi của sai số. Nghiên cứu đã sử dụng phương pháp đồng nhất thức với phương trình đặc trưng mong muốn để tính toán ra các hệ số Kp và Kd tối ưu, nhắm đến các tiêu chí như thời gian xác lập (ts < 2/3 s) và độ vọt lố (POT < 10%). Việc sử dụng bộ điều khiển PD thay vì thuật toán PID đầy đủ là một lựa chọn hợp lý, vì thành phần I (tích phân) có thể không cần thiết và đôi khi gây ra bất ổn định trong bài toán bám line tốc độ cao.

4.3. Lưu đồ giải thuật điều khiển phân cấp Master Slave

Để tăng hiệu quả xử lý, một cấu trúc điều khiển phân cấp được triển khai với một vi điều khiển Master và hai vi điều khiển Slave. Lưu đồ giải thuật được thiết kế rõ ràng cho từng khối. Slave 1 có nhiệm vụ duy nhất là đọc và xử lý tín hiệu từ 7 cảm biến dò line, tính toán sai số vị trí (x) bằng phương pháp trung bình trọng số, sau đó gửi giá trị này cùng trạng thái hai cảm biến ngoài cùng cho Master. Master nhận dữ liệu, thực hiện tính toán của bộ điều khiển PD để quyết định vận tốc dài (v) và vận tốc góc (ω) cần thiết, đồng thời xử lý logic tại các ngã rẽ. Cuối cùng, Master gửi các giá trị điều khiển này đến Slave 2. Slave 2 nhận lệnh và chịu trách nhiệm tạo xung PWM chính xác để điều khiển động cơ DC và RC servo. Cấu trúc này giúp giảm tải cho Master, cho phép mỗi vi điều khiển tập trung vào nhiệm vụ của mình, dẫn đến thời gian đáp ứng toàn hệ thống nhanh hơn.

V. Kết quả chế tạo robot dò line Mô phỏng và thực nghiệm

Giai đoạn quan trọng nhất của mọi dự án kỹ thuật là kiểm chứng lý thuyết thông qua mô phỏng và thực nghiệm. Việc mô phỏng cho phép kiểm tra tính đúng đắn của mô hình toán và bộ điều khiển trong một môi trường lý tưởng, giúp phát hiện các sai sót trong thuật toán trước khi triển khai lên phần cứng. Sau khi mô phỏng đạt kết quả tốt, robot thực tế được chế tạo và chạy thử trên sa bàn. Kết quả thực nghiệm là thước đo chính xác nhất về hiệu suất của toàn bộ hệ thống, từ thiết kế cơ khí, lựa chọn linh kiện đến thuật toán điều khiển. So sánh kết quả giữa mô phỏng và thực tế mang lại những hiểu biết sâu sắc về các yếu tố chưa được tính đến trong mô hình, chẳng hạn như ma sát, độ trễ của cơ cấu, nhiễu điện tử và sai số gia công. Phân tích sự khác biệt này là cơ sở để cải tiến và tối ưu hóa robot trong các phiên bản tiếp theo. Đồ án đã thực hiện cả hai bước này một cách bài bản, cung cấp dữ liệu định lượng cụ thể về hiệu suất của robot.

5.1. Phân tích kết quả mô phỏng chuyển động trên MATLAB

Sử dụng phần mềm MATLAB, nhóm nghiên cứu đã mô phỏng chuyển động của robot dò line trên toàn bộ sa bàn. Kết quả mô phỏng không kèm nhiễu cho thấy bộ điều khiển hoạt động rất tốt: robot bám sát đường line, sai số lớn nhất là e₂ ≈ 27 mm (nhỏ hơn giới hạn 30 mm) và nhanh chóng ổn định về 0. Thời gian xác lập của sai số chỉ khoảng 0.6 giây, đáp ứng tốt yêu cầu thiết kế. Khi thêm nhiễu 10% vào mô phỏng để gần với thực tế hơn, hệ thống vẫn giữ được sự ổn định, mặc dù sai số có dao động nhẹ quanh giá trị 0. Động cơ DC cũng được mô phỏng cho thấy khả năng đạt được vận tốc 1 m/s trong khoảng 1 giây. Những kết quả này khẳng định rằng mô hình toán và bộ điều khiển PD được thiết kế là hoàn toàn phù hợp và có tiềm năng hoạt động tốt trên robot thực tế.

5.2. Đánh giá sai số bám line và hiệu suất robot thực tế

Robot sau khi chế tạo đã hoàn thành nhiệm vụ di chuyển hết sa bàn theo lộ trình định sẵn trong thời gian 16.52 giây. Robot đạt tốc độ cao (khoảng 1 m/s) trên đường thẳng và giảm tốc hợp lý tại các khúc cua và giao lộ. Tuy nhiên, kết quả đo đạc cho thấy sai số bám line lớn nhất trong thực tế là e₂ ≈ 29.74 mm. Mặc dù giá trị này vẫn nằm trong giới hạn cho phép của bộ điều khiển, nó lớn hơn đáng kể so với sai số mong muốn ban đầu là ±15mm. Sự khác biệt này có thể đến từ nhiều nguyên nhân: sai số trong quá trình gia công và lắp ráp cơ khí, độ trễ thực tế của động cơ RC servo, sự sụt áp của pin khi tải nặng, và ảnh hưởng của ánh sáng môi trường lên cảm biến dò line. Dù vậy, việc robot hoạt động tương đối ổn định và hoàn thành nhiệm vụ đã chứng minh sự thành công của dự án.

VI. Kết luận và hướng phát triển cho đề tài robot dò line

Đồ án thiết kế chế tạo và điều khiển robot dò line đã hoàn thành các mục tiêu chính: xây dựng thành công một robot có khả năng di chuyển bám theo vạch kẻ phức tạp với tốc độ cao. Dự án đã thể hiện một quy trình nghiên cứu và phát triển sản phẩm cơ điện tử bài bản, từ bước phân tích các mô hình hiện có, lựa chọn phương án thiết kế, tính toán lý thuyết, mô hình hóa hệ thống, mô phỏng và chế tạo thực nghiệm. Kết quả đạt được cho thấy sự tương đồng giữa mô phỏng và thực tế, khẳng định tính đúng đắn của phương pháp tiếp cận. Mặc dù vẫn còn một số hạn chế như sai số bám line còn cao hơn kỳ vọng và điều khiển hướng là vòng hở, đây là một nền tảng vững chắc cho những cải tiến trong tương lai. Những tồn tại này không làm giảm giá trị của nghiên cứu, mà ngược lại, mở ra những hướng phát triển tiềm năng để nâng cao hiệu suất và tính năng của robot.

6.1. Tổng kết kết quả đạt được và những hạn chế của đồ án

Kết quả nổi bật nhất là robot đã hoạt động ổn định và hoàn thành sa bàn trong 16.52 giây, chỉ chênh lệch khoảng 5 giây so với thời gian mô phỏng (11.42 giây), một sự chênh lệch có thể chấp nhận được. Việc áp dụng thành công mô hình toán học và bộ điều khiển PD vào thực tế là một thành tựu quan trọng. Tuy nhiên, hạn chế lớn nhất được chỉ ra là điều khiển hướng của động cơ RC servo vẫn là điều khiển vòng hở, không có tín hiệu phản hồi về góc quay thực tế. Điều này dẫn đến độ chính xác không cao và phụ thuộc nhiều vào đặc tính của động cơ. Thêm vào đó, sai số bám line còn lớn (29.74 mm) cho thấy cần tối ưu hơn nữa cả về thuật toán lẫn thiết kế cơ khí để giảm thiểu các sai số do gia công và độ rơ của các khớp nối.

6.2. Tối ưu hóa robot dò line Điều khiển vòng kín và hơn thế

Để khắc phục những hạn chế hiện tại, hướng phát triển quan trọng nhất là chuyển đổi hệ thống điều khiển hướng sang vòng kín. Điều này có thể thực hiện bằng cách tích hợp thêm một cảm biến đo góc (như encoder hoặc biến trở xoay) vào trục lái của bánh trước. Tín hiệu phản hồi từ cảm biến này sẽ cho phép vi điều khiển biết chính xác góc lái hiện tại, từ đó điều khiển một cách chính xác hơn, giảm sai số và tăng độ ổn định. Các hướng phát triển khác bao gồm tối ưu hóa tốc độ của xe khi vào cua dựa trên bán kính cong, sử dụng các thuật toán điều khiển nâng cao hơn như Fuzzy Logic hay Mạng Nơ-ron. Về phần cứng, có thể nâng cấp lên sử dụng camera và xử lý ảnh với OpenCV để nhận dạng các loại vạch kẻ phức tạp hơn như vạch đứt đoạn, ngã ba, ngã tư, đưa robot dò đường lên một tầm cao mới về trí thông minh và khả năng tự hành.

Trích đoạn nội dung tài liệu

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN -   Gia tốc tối đa của Robot: a  1 m / s 2. - Robot có khả năng di bám theo đường line trên sa bàn với thứ tự quy định: (START) A → B → C → D → E → B → F → A → G → B → D (END). Màu sắc đường line là màu đen, màu nền là màu trắng và địa hình di chuyển là bằng phẳng - Kích thước giới hạn của xe nằm trong khoảng giới hạn: 350  mm   250 mm   350  mm  - Sai số bám line lớn nhất mong muốn: e  15 mm. 20 CHƯƠNG 2: LỰA CHỌN PHƯƠNG ÁN CHƯƠNG 2: LỰA CHỌN PHƯƠNG ÁN 2.

Lựa chọn phương án cơ khí Lựa chọn nguyên lý xe Với các kết cấu xe 3 bánh: Vi sai a) b) c) d) Hình 2. Sơ đồ nguyên lý các loại Robot 3 bánh Với các kết cấu xe 4 bánh: Vi sai Vi sai d) e) f) Vi sai g) Hình 2. Sơ đồ nguyên lý các loại xe 4 bánh 21 CHƯƠNG 2: LỰA CHỌN PHƯƠNG ÁN Các yêu cầu để lựa chọn nguyên lý xe: - Đảm bảo độ bám đường, khó lật khi vào cua và tải nặng. - Chủ động trong việc chuyển hướng, chuyển hướng tốt.

- Kết cấu xe vững để khi có yêu cầu đặt tải thì không làm cho xe bị lật. Kết luận: Lựa chọn kết cấu xe 4 bánh và lựa chọn kết cấu xe f), 2 bánh trước chủ động dẫn hướng, 2 bánh sau chủ động dẫn động. Vì: - So với kết cấu xe 3 bánh thì 4 bánh sẽ giúp xe chuyển động tốt hơn khó lật khi vào cua, mặc dù phải giải quyết vấn đề đồng phẳng cho 4 bánh. - Lựa chọn 2 bánh trước chủ động dẫn hướng thay vì 2 bánh caster dạng cầu vì muốn giảm bớt áp lực cho bánh sau và điều khiển.

- Lựa chọn kết cẩu xe f) thay vì g) và e) vì, kết cấu cơ khí của kết cấu g) rất phức tạp, rất nhiều ràng buộc thiết kế, kết cấu e) thì khi vào cua do đặc tính của cơ cấu hình bình hành nên vận tốc của 2 bánh bằng nhau dẫn đến trượt bánh. Lựa chọn vi sai Căn cứ vào kích thước tối đa của Robot mà đề bài cho (dài x rộng x cao): 350  mm   250  mm   350  mm  và chú ý lựa chọn tỉ số truyền cho hợp lý. Do đó, lựa chọn loại vi sai 1:16 , với tỉ số truyền tương ứng là 2,6 và lựa chọn loại vi sai kèm vỏ, với chiều dài tổng thể là 132  mm . Lựa chọn phương án điện 2.

Lựa chọn cảm biến Loại cảm biến Các yêu cầu để lựa chọn cảm biến dùng cho xe: - Khả năng đáp ứng nhanh sự thay đổi màu sắc giữa trắng và đen. - Tín hiệu cảm biến trả về nhanh để giúp xe có khả năng nhận biết những đoạn line gấp khúc đột ngột. - Tín hiệu đọc về dạng analog. 22 CHƯƠNG 2: LỰA CHỌN PHƯƠNG ÁN - Dễ tìm trên thị trường và giá cả hợp lý.

Một số cảm biến được phân tích ở phần tổng quan thường được dùng cho Robot dò line: - Camera. - Cảm biến hồng ngoại: Gồm 1 bóng thu, 1 bóng phát (ví dụ TCRT5000). - Cảm biến quang trở. Lựa chọn phương án cảm biến Nhận diện đường Nhiễu Độ phức tạp Giá thành line Camera Nhận diện chính Ít chịu nhiễu - Thuật toán giải Giá thành xác được line.

từ môi trường quyết phức tạp. cao điển hình là - Độ phức tạp ánh sáng. của chương trình ảnh hưởng nhiều đến tốc độ xử lý Robot. Cảm biến Nhận diện được Ít chịu ảnh Độ phức tạp thấp Giá thành hồng ngoại IR line vì có độ tương hưởng bởi các vì dễ dàng thiết thấp.

sáng, nhưng analog/digital để dễ gặp hiện trả về tín hiệu tượng cross analog hoặc over (cảm digital. biến này phát, cảm biến kia thu). 23 CHƯƠNG 2: LỰA CHỌN PHƯƠNG ÁN Cảm biến Nhận diện được Nhạy bởi Độ phức tạp Giá thành quang trở line có độ tương cường độ ánh thấp. Do đó, hạn chế hoạt động trong môi trường thiếu ánh sáng.

Kết luận: Lựa chọn sử dụng cảm biến hồng ngoại IR và sử dụng loại có cặp bóng thu, phát hồng ngoại TCRT5000 với các thông số về điện trở, khoảng cách cảm biến tối ưu so với mặt sa bàn, góc phát và góc thu… đã được đề cập trong datasheet. Phương án bố trí cảm biến Các dạng bố trí cảm biến thông dụng: - Bố trí dạng đường thẳng. - Bố trí dạng V. - Bố trí dạng ma trận.

- Bố trí kết hợp theo đặc điểm sa bàn. Cân nhắc về đặc điểm của sa bàn, độ rộng line là 26  mm  , các nút giao và thứ tự di chuyển của Robot, do đó: - Bố trí dạng ma trận thì cũng chỉ tương tự dạng bố trí theo đường thẳng. - Bố trí dạng V thì chỉ phù hợp với việc di chuyển từ A  B  C, còn khi di chuyển từ E  B  F thì không phù hợp. Do đó có thể chọn bố trí theo dạng đường thẳng, nhưng để đảm bảo Robot có thể nhận diện giao điểm nhanh hơn thì có thể bố trí ở phía trên dãy cảm biến 24 CHƯƠNG 2: LỰA CHỌN PHƯƠNG ÁN dò line thêm 2 cảm biến nữa, việc này sẽ được cân nhắc và sửa chữa trong quá trình thực nghiệm cảm biến.

Kết luận: Lựa chọn bố trí cảm biến dạng đường thẳng. Số lượng cảm biến Số lượng cảm biến được lựa chọn sẽ ảnh hưởng đến độ chính xác bám line của Robot. Sơ bộ số lượng cảm biến nên lựa chọn là số lẻ, vì cảm biến chính giữa sẽ đảm nhận việc xác định đường tâm line và điều chỉnh lại vị trí Robot khi Robot bị lệch ra khỏi đường line. Các cứ vào sa bàn và đường đi của Robot, đặc biệt là tại các giao A  B  C, E  B  F, G  B  D.

Thì lựa chọn số lượng cảm biến là 7, trong đó: - Giai đoạn di chuyển A  B  C: Cần ít nhất 3 cảm biến để xác định giao điểm B. - Giai đoạn di chuyển E  B  F: Cần ít nhất 2 cảm biến để xác định giao điểm B, nhưng ngoài cảm biến ở tâm thì cảm biến còn lại sẽ bố trí xa hơn về bên phải Robot. - Giai đoạn di chuyển G  B  D: Cần 2 cảm biến để xác định giao điểm B, nhưng ngoài cảm biến ở tâm thì cảm biến còn lại sẽ bố trí xa hơn về bên trái Robot. Kết luận: Số lượng cảm biến cần thiết tốt thiểu là 5, do đó để chính xác trong việc xác định sai số thì lựa chọn số lượng cảm biến là 7.

Trong đó 5 cảm biến dùng cho việc xác định khoảng cách so với đường line, còn 2 cảm biến còn lại thì dùng để xác định giao điểm. Lựa chọn động cơ Động cơ dẫn động Động cơ dẫn động được lựa chọn thỏa các yêu cầu: - Đảm bảo sau khi tính toán có thể đạt được vận tốc 1 m / s . - Có thể điều khiển vận tốc. - Giá trị Torqe đầu ra động cơ đủ lớn để dẫn động.

25 CHƯƠNG 2: LỰA CHỌN PHƯƠNG ÁN - Nhỏ gọn. - Có khả năng trả về giá trị vận tốc vòng của động cơ. Kết luận: Lựa chọn động cơ dẫn động là động cơ DC có encoder và hộp số, vì có thể đảm bảo thỏa mãn các yêu cầu đặt ra như trên. Động cơ dẫn hướng Động cơ dẫn hướng được lựa chọn thỏa các yêu cầu: - Tốc độ quay của động cơ phải thỏa giá trị tối thiểu để Robot có thể bám line.

- Có thể điều khiển vận tốc. - Giá trị Torqe đầu ra động cơ đủ lớn để dẫn hướng. Kết luận: Lựa chọn động cơ dẫn hướng là động cơ RC servo. Vì so với động cơ step thì: - Động cơ RC servo có tích hợp driver, do đó khả năng điều khiển chính xác tốt hơn động cơ step.

- Khi torqe quá lớn có thể làm cho động cơ step bị trượt. Lựa chọn vi điều khiển Vi điều khiển được lựa chọn thỏa các yêu cầu: - Có đủ các cổng để đọc giá trị digital. - Có đủ các cổng đọc các giá trị analog. - Hổ trợ giao tiếp giữa các vi điều khiển.

- Tốc độ xử lý nhanh. - Nhỏ gọn, giá thành rẻ. - Dễ điều khiển… Các dòng vi điều khiển được phân tích ở tổng quan: - MicroChip PIC. 26 CHƯƠNG 2: LỰA CHỌN PHƯƠNG ÁN Kết luận: Lựa chọn vi điều khiển MicroChip PIC, vì: - Nhỏ gọn, dễ lắp đặt.

- Dễ tiếp cận và điều khiển. - Đảm bảo các Port digital, analog, ngắt… - Hổ trợ các chuẩn giao tiếp theo yêu cầu. Lựa chọn cấu trúc điều khiển Có 2 cấu trúc điều khiển thường dùng hiện nay: - Điều khiển tập trung. - Điều khiển phân cấp.

Điều khiển tập trung Ưu điểm: - Tiết kiệm được không gian bố trí. - Giá thành thấp, vì chỉ cần 1 vi điều khiển cho toàn bộ hệ thống. - Dễ điều khiển vì không cần thực hiện giao tiếp giữa các vi điều khiển. Nhược điểm: - Phải sử dụng loại vi điều khiển yêu cầu có đầy đủ các port IO, analog, digital và phải đảm bảo được tốc độ xử lý.

- Đi dây điện phức tạp. - Khó mở rộng chương trình khi có sự thay đổi (vì có thể vi điều khiển đã chọn sẽ không đủ bộ nhớ và các port IO, analog, digital…). - Khi phát lỗi chương trình thì khó khăn trong việc tìm kiếm vị trí lỗi và sửa chữa. Điều khiển phân cấp Ưu điểm: - Có tính linh hoạt cao trong việc mở rộng và chỉnh sửa.

- Khi phát sinh lỗi thì có thể phát hiện nhanh chóng vị trí lỗi, vì khi giao tiếp với nhau, lỗi phát sinh ở đâu thì vi điều khiển (slave) đó không có dữ liệu gửi lên master. 27 CHƯƠNG 2: LỰA CHỌN PHƯƠNG ÁN - Mỗi vi điều khiển chỉ đảm nhận một vai trò nhất định trong chương trình. Do đó, việc xử lý tín hiệu có thể thực hiện bất đồng bộ, giúp tiết kiệm thời gian, cũng như dung lượng xử lý của vi điều khiển master. - Chỉ cần sử dụng loại vi điều khiển thông thường và đảm bảo có khả năng giao tiếp với nhau là đủ.

Nhược điểm: - Sử dụng nhiều vi điều khiển, do đó gây khó khắn trong việc bố trí. - Giá thành cao. - Phải thực hiện giao tiếp giữa các vi điều khiển, do đó phải lựa chọn thời gian lấy mẫu hợp lý cho từng vi điều khiển.