CHƯƠNG 1 : TỔNG QUAN Giới thiệu chung: Robot dò line (line following robot) là một dạng robot di động (mobile robot) di chuyển bằng bánh xe. Robot này được thiết kế mục đích bám theo một đường line được kẻ,vẽ hoặc dán trên mặt đất. Quỹ đạo di chuyển được thiết kế tùy theo mong muốn của người sử dụng. Ứng dụng trong việc vận chuyển hàng hóa tự động trong các nhà kho, xưởng sản xuất,cảng [1] , dùng làm nền tảng cho nhiều nghiên cứu kỹ thuật nhận diện [6][8] [11] và thiết kế bộ điều khiển [16] [17] [19] cũng như đề tài cho nhiều cuộc thi về kỹ thuật.
Một robot dò line gồm các phần chính là : bộ phận khung xe, các bánh xe được dẫn động bởi động cơ,hệ thống cảm biến-đóng vai trò như đôi mắt dùng để nhận biết line, bộ phận điều khiển,bộ phận nguồn và tải. Về sơ đồ nguyên lý: Rất nhiều sơ đồ nguyên lý có thể được ứng dụng cho việc chế tạo robot dò line. Để đạt được tốc độ và khả năng bám đường, sơ đồ nguyên lý của các loại xe đua điều khiển từ xa (RC racing cars) có thể được sử dụng. Có hai loại sơ đồ nguyên lý chung cho các loại xe đua chuyên chạy trên mặt đường phẳng, đó là: Loại 1(Hình 1.1) sử dụng trục truyền động cho trục trước và sau xe (Khung xe của hãng Awesomatrix, TAMIYA TT01, Overdose Divall…).2) sử dụng đai răng truyền động cho trục trước và sau xe (Khung xe của hãng Sakura D3 CS, Serpent VETEQ 02, TA04 EPRO…).
NHÓM 3 8 ĐỒ ÁN THIẾT KẾ HỆ THỐNG CƠ ĐIỆN TỬ GVHD: TS. Phùng Trí Công. Khung xe hãng Overdose Divall b. Sơ đồ nguyên lý sử dụng trục truyền động Hình 1.1 Sơ đồ nguyên lý RC cars sử dụng trục truyền động a.
Khung xe hãng TA04 EPRO b. Sơ đồ nguyên lý sử dụng đai răng truyền động Hình 1.2 Sơ đồ nguyên lý RC racing cars sử dụng trục truyền động Những sơ đồ nguyên lý này có đặc điểm : Ưu điểm : Hạn chế được hiện tượng trượt giữa các bánh khi xe thực hiện đổi hướng. Nhược điểm: thiết kế cơ khí phức tạp và bán kính cong nhỏ nhất của xe sẽ bị giới hạn bởi kết cấu của xe. Giá thành cao.
NHÓM 3 9 ĐỒ ÁN THIẾT KẾ HỆ THỐNG CƠ ĐIỆN TỬ GVHD: TS. Phùng Trí Công. Mặt khác, một sơ đồ nguyên lý của rất nhiều xe đua dò line như HBFS-2 ( Robot Challenge 2015) và Sylvestre (COSMOBOT 2012, CRJET International Robotics Competition 2010), Johnny-5 (IGVC), Thunderbolt (Robot Challenge 2014)… sử dụng hai bánh chủ động được điều khiển độc lập kết hợp với bánh đa hướng (Hình 1. Sơ đồ nguyên lý này có đặc điểm : Ưu điểm: kết cấu, mô hình động học đơn giản, dễ hiệu chỉnh sai số hệ thống và cho phép xe di chuyển được theo bán kính rất nhỏ, kể cả việc quay tại chỗ.
Nhược điểm : xe rất dễ bị trượt theo phương pháp tuyến khi thực hiện việc bám theo các đoạn đường bán kính nhỏ ở tốc độ cao. Mẫu xe đội Sylvestre b. Sơ đồ nguyên lý loại 2 bánh Hình 1.3 Sơ đồ nguyên lý hai cặp chủ động vi sai loại 2 bánh Ngoài ra, một dạng khác của sơ đồ nguyên lý này cũng được các xe đua như CartisX04 (All Japan Micromouse 2015), Mouse (RobotChallenge 2014)… sử dụng (Hình 1. Ở sơ đồ này, mỗi bánh xe vi sai chủ động được thay bằng một cặp bánh.
Sơ đồ nguyên lý này có đặc điểm : Ưu điểm : giúp xe dễ cân bằng hơn. Nhược điểm :kết cấu cơ khí phức tạp hơn và luôn xuất hiện hiện tượng trượt bánh khi xe đổi hướng. NHÓM 3 10 ĐỒ ÁN THIẾT KẾ HỆ THỐNG CƠ ĐIỆN TỬ GVHD: TS. Phùng Trí Công.
Mẫu xe đội CartisX04 b. Sơ đồ nguyên lý loại 4 bánh Hình 1.4 Sơ đồ nguyên lý hai cặp chủ động vi sai loại 4 bánh 1. Về cảm biến: Có hai phương pháp thường được sử dụng cho robot dò line là: + Sử dụng camera. + Sử dụng các loại cảm biến quang dẫn.
Phần lớn các robot dò line hiện nay sử dụng các loại cảm biến quang để nhận biết vị trí tương đối của đường line so với xe, từ đó xử lí để đưa ra tín hiệu điều khiển. - Ở phương pháp camera[2] [4] [5] [6], thiết bị thu hình ảnh từ đường line thực tế (robot Johny-5 trong cuộc thi IGVC- hình 1.2), sau đó xử lí và đưa ra tín hiệu điều khiển. Đặc điểm của phương pháp này: Ưu điểm: có thể đạt được độ chính xác rất cao Nhược điểm: khối lượng xử lí nhiều, dẫn đến hạn chế tốc độ tối đa của xe. NHÓM 3 11 ĐỒ ÁN THIẾT KẾ HỆ THỐNG CƠ ĐIỆN TỬ GVHD: TS.
Phùng Trí Công.5 Robot Johny-5 - Phương pháp thứ hai được ứng dụng phổ biến cho hầu hết các loại trong các cuộc thi robot dò line hiện nay. Một số loại cảm biến có thể được sử dụng như quang điện trở[9] (robot ALF trong cuộc thi ROBOCON Malaysia 2006) hoặc phototransistor[7] [8] [10] kết hợp với LED. Hai loại cảm biến này có nguyên tắc hoạt động giống nhau(Hình 1.2), bộ thu sẽ thu tín hiệu ánh sáng phản xạ từ bộ phát xuống mặt đất, từ đó xử lí để xác định vị trí của đường line. Trong đó, photo-transistor được ứng dụng nhiều hơn bởi nó cho thời gian đáp ứng nhanh hơn quang điện trở.6 Nguyên lý hoạt động cảm biến quang NHÓM 3 12 ĐỒ ÁN THIẾT KẾ HỆ THỐNG CƠ ĐIỆN TỬ GVHD: TS.
Phùng Trí Công. Về phương pháp xử lý tín hiệu cảm biến: Đối với các loại cảm biến quang, tín hiệu tương tự từ cảm biến sẽ được hiệu chuẩn và xử lí bằng các giải thuật so sánh[19] hoặc xấp xỉ [11] để tìm ra vị trí tương đối của robot dò line với tâm đường line. - Phương pháp thứ nhất dùng giải thuật so sánh để xác định trạng thái đóng/ngắt của các sensor, sau đó suy ra vị trí xe theo một bảng trạng thái đã được định sẵn [12] [14] [18] (Hình 1. Với phương pháp này, sai số dò line sẽ phụ thuộc vào số khả năng phân biệt các trạng thái của hệ thống, hay khoảng cách giữa các sensor.
Phương pháp này có đặc điểm phụ thuộc chủ yếu vào mức ngưỡng so sánh của các sensor, do đó tốc độ xử lý rất nhanh.7 Giải thuật xử lý tín hiệu bằng phương pháp so sánh Phương pháp thứ hai xấp xỉ ra vị trí của xe so với tâm đường line từ các tín hiệu tương tự từ cảm biến[11]. Có 3 giải thuật xấp xỉ được giới thiệu đó là xấp xỉ theo bậc 2, tuyến tính và theo trọng số (Hình 1.) đặc điểm của phương pháp này là phụ thuộc chủ yếu vào thời gian đọc ADC tất cả các sensor của vi điều khiển, do đó thời gian xử lý sẽ lâu hơn phương pháp 1. Tuy nhiên độ phân giải cao hơn đáng kể so với phương án đầu. NHÓM 3 13 ĐỒ ÁN THIẾT KẾ HỆ THỐNG CƠ ĐIỆN TỬ GVHD: TS.
Phùng Trí Công. Xấp xỉ bậc hai b. Xấp xỉ theo trọng số Hình 1.8 Giải thuật xử lý tín hiệu bằng phương pháp xấp xỉ 1. Về động cơ: Các xe đua dò line như Pika, HFBS-2, CartisX04, Thunderstorm, Impact,… đều sử dụng động cơ DC có gắn encoder làm cơ cấu chấp hành.
Đặc điểm của động cơ DC : đa dạng về kích thước, moment, chủng loại driver, dễ dàng lắp đặt và điều khiển chính xác do có thể kết hợp thêm encoder và được ứng dụng thêm bộ điều khiển PID để có thể điều chỉnh tốc độ hoặc vị trí chính xác theo yêu cầu. Về cấu trúc điều khiển : Robot dò line có các module chính bao gồm module sensor,module điều khiển và module điều khiển động cơ. Trong đó có hai phương pháp chính để kết nối các module đó với nhau là phương pháp điều khiển tập trung và phân cấp. - Trong phương pháp điều khiển tập trung, một MCU nhận tín hiệu từ cảm biến, xử lí dữ liệu rồi truyền tín hiệu điều khiển cho cơ cấu tác động.Cấu trúc điều khiển tập trung có đặc điểm phần cứng đơn giản, tuy nhiên MCU phải xử lý tất cả thông tin trước khi cập nhật thông tin mới.
- Trong phương pháp điều khiển phân cấp, nhiều hơn một MCU sẽ được sử dụng trong hệ thống. Bên cạnh MCU master đảm nhiệm việc tính toán tổng thể, một số robot còn có thêm 1 Slave MCU chuyên xử lí tín hiệu encoder[11] hoặc 1 slave MCU để xử lí tín hiệu từ sensor [19] .Ngoài ra, các robot dò line dùng camera thường có một MCU slave chuyên xử lí hình ảnh, rồi chuyển dữ liệu về MCU master[13]. Cấu trúc này giúp giảm nhẹ khối lượng NHÓM 3 14 ĐỒ ÁN THIẾT KẾ HỆ THỐNG CƠ ĐIỆN TỬ GVHD: TS. Phùng Trí Công.
tính toán cho master và cho phép robot thực hiện nhiều tác vụ cùng lúc[19] [13]. Cấu trúc điều khiển phân cấp có đặc điểm phần cứng phức tạp hơn, phải quan tâm đến vấn đề giao tiếp giữa các MCU, tuy nhiên có khả năng xử lý nhiều tác vụ cùng lúc, giúp cho thời gian lấy mẫu của hệ thống nhanh hơn khi sử dụng cấu trúc tập trung. Về giải thuật điều khiển: Giải thuật điều khiển được dùng phổ biến cho các xe đua dò line là bộ điều khiển PD, PID, FIC [15] cho hệ thống lái của xe kết hợp với PID cho từng động cơ như xe Bolt,Pika, Major (Robocomp 2014), Thunderstorm…Ngoài ra, một bộ điều khiển phổ biến khác thường được ứng dụng cho mobile robot là bộ điều khiển tracking[16] [17] [19].Bên cạnh đó, một số xe có áp dụng thêm khả năng ghi nhớ đường đi nhằm thay đổi các thông số điều khiển ứng với từng cung đường, giúp tăng khả năng đáp ứng của xe sau mỗi lần chạy như xe Silvestre và CartisX04. Tuy nhiên để áp dụng các giải thuật này, robot cần sử dụng thêm cảm biến gyro để nắm được trạng thái gia tốc của xe trong suốt quá trình chuyển động.
NHÓM 3 15 ĐỒ ÁN THIẾT KẾ HỆ THỐNG CƠ ĐIỆN TỬ GVHD: TS. Phùng Trí Công. Đặt đầu bài : Với mục tiêu thiết kế và chế tạo robot bám được sa bàn với tốc độ ổn định, đầu bài cho bài toán thiết kế cần được đặt ra cho vận tốc tối đa của robot trên sa bàn, khả năng đổi hướng của robot và sai số tối đa của robot trong quá trình bám theo đường line. Về vận tốc tối đa, vận tốc cực đại trung bình của của các robot như Pika, HBFS-2, Sylvestre, Thunderbolt, Thunderstorm, Impact… tại các cuộc thi đều đạt từ 1-3m/s.
Với yêu cầu robot mang thêm tải nên vận tốc đa nhóm đặt ra là 0. Về khả năng đổi hướng, ngoài việc robot có thể bám được bán kính cong 500mm (đoạn G →B, D→F Hình 0.