Đồ án: Thiết kế hệ thống điều khiển Robot Robocon 2024 bằng tay (ĐH Phenikaa)

Tải toàn văn đồ án thiết kế hệ thống điều khiển robot Robocon 2024. Chi tiết từ phần cứng, lập trình vi điều khiển đến giải thuật và kết quả.

• Tác giả: Trần Quốc Huy
• Người hướng dẫn: TS. Nguyễn Văn Tuấn
• Trường học: Trường Đại học Phenikaa
• Chuyên ngành: Kỹ Thuật Điều Khiển Và Tự Động Hóa
• Đề tài: Thiết kế hệ thống điều khiển Robot Robocon 2024
• Loại tài liệu: Đồ án tốt nghiệp
• Năm xuất bản: 2024
• Địa điểm: Hà Nội

Tóm tắt

I. Tổng quan về thiết kế hệ thống điều khiển Robot Robocon 2024

Thiết kế hệ thống điều khiển Robot Robocon 2024 là một đề tài khoa học quan trọng trong lĩnh vực kỹ thuật điều khiển tự động hóa. Đồ án này tập trung vào việc xây dựng một hệ thống điều khiển hoàn chỉnh cho robot điều khiển bằng tay tham gia cuộc thi Robocon 2024. Quá trình phát triển bao gồm thiết kế chi tiết các thành phần điện, điều khiển, cảm biến và lập trình các chức năng cần thiết. Nhóm nghiên cứu đã phát triển hai phiên bản hệ thống, với phiên bản thứ hai là phiên bản cải tiến, được sử dụng trong cuộc thi chính thức. Mục tiêu chính là tạo ra một robot thông minh có khả năng điều khiển chính xác, phản ứng nhanh và hoạt động ổn định trong các điều kiện thi đấu khác nhau.

1.1. Phương án thiết kế hệ thống điện và điều khiển

Hệ thống điện và điều khiển được thiết kế bao gồm: vi điều khiển chính xử lý logic, các relay bán dẫn SSR điều khiển công suất, động cơ Hybrid Servo Step 57HS3 cho các chuyển động chính xác, và mạch hạ áp LM2596 cấp nguồn ổn định. Các thành phần được lựa chọn dựa trên yêu cầu về độ tin cậy cao và hiệu suất hoạt động tối ưu.

1.2. Yêu cầu kỹ thuật và thách thức

Thiết kế phải đáp ứng các yêu cầu về độ chính xác điều khiển, khả năng xử lý dữ liệu từ nhiều cảm biến đồng thời, và thời gian phản ứng nhanh dưới 50ms. Thách thức lớn nhất là cân bằng giữa độ phức tạp của hệ thống với khả năng tích hợp trong không gian giới hạn của robot.

II. Các thành phần chính trong hệ thống điều khiển

Hệ thống điều khiển Robot Robocon 2024 bao gồm nhiều thành phần điện tử tiên tiến được lựa chọn kỹ lưỡng. Main Board Robot F4 đóng vai trò là bộ xử lý trung tâm, xử lý các tín hiệu từ cảm biến và gửi lệnh điều khiển tới các bộ phận chuyển động. Tay điều khiển PS2 cho phép người điều khiển gửi các lệnh điều hướng, trong khi La bàn số IMU cung cấp thông tin về hướng di chuyển. Driver Smart PID giúp điều chỉnh tự động các tham số điều khiển để đạt hiệu suất tối ưu. Các relay bán dẫn SSR điều khiển các van xilanh pneumatic với độ chính xác cao. Mỗi thành phần được tích hợp cẩn thận để đảm bảo khả năng tương thích và hoạt động đồng bộ.

2.1. Main Board Robot F4 và các module cơ bản

Main Board F4 là vi điều khiển 32-bit có tần số xử lý 168 MHz, cho phép xử lý nhiều tác vụ đồng thời. Board tích hợp các port giao tiếp UART, SPI, I2C để kết nối các cảm biến và thiết bị ngoại vi. Khả năng lập trình linh hoạt thông qua Arduino IDE hoặc Keil C giúp dễ dàng tùy chỉnh các chức năng điều khiển.

2.2. Hệ thống cảm biến và xử lý dữ liệu

La bàn số IMU cung cấp thông tin định hướng 3 trục, cho phép robot bù lệch góc tự động khi di chuyển. Dữ liệu từ cảm biến được xử lý qua bộ lọc Kalman để giảm nhiễu và tăng độ chính xác. Hệ thống hỗ trợ xử lý thời gian thực với latency tối thiểu.

III. Hệ thống điều khiển bánh xe Mecanum và ứng dụng

Robot Robocon 2024 sử dụng hệ bánh Mecanum cho phép di chuyển đa chiều linh hoạt. Bánh xe Mecanum có cấu trúc đặc biệt với các con lăn nhỏ ở góc 45 độ, cho phép robot chuyển động tuyến tính theo bất kỳ hướng nào mà không cần quay. Phương pháp điều khiển bù lệch góc sử dụng dữ liệu từ La bàn số để tự động điều chỉnh tốc độ các bánh xe, đảm bảo robot di chuyển theo đường thẳng chính xác ngay cả trên sàn có độ ma sát không đều. Hệ thống động cơ Hybrid Servo Step 57HS3 cung cấp mô-men xoắn mạnh mẽ và độ định vị chính xác cao. Thuật toán điều khiển được tối ưu hóa để tiết kiệm năng lượng và giảm thiểu sai số tích lũy trong quá trình di chuyển dài.

3.1. Cơ chế hoạt động của bánh xe Mecanum

Bánh xe Mecanum gồm bốn bánh được sắp xếp theo cách cho phép vector tổng lực tác động theo bất kỳ hướng nào. Mỗi bánh được điều khiển độc lập bởi động cơ step riêng. Kết hợp với bộ điều khiển PID, hệ thống có thể thực hiện các chuyển động phức tạp như di chuyển ngang, chéo, hoặc xoay tại chỗ một cách mượt mà và chính xác.

3.2. Thuật toán bù lệch góc với La bàn số

Thuật toán bù lệch góc sử dụng dữ liệu từ IMU để phát hiện khi nào robot bị lệch khỏi hướng di chuyển dự định. Bộ điều khiển PID tính toán sai số góc và điều chỉnh tốc độ của các bánh xe để hiệu chỉnh hướng tự động. Phương pháp này loại bỏ cần thiết phải hiệu chuẩn thủ công thường xuyên, tăng độ tin cậy của hệ thống.

IV. Lập trình và thử nghiệm hệ thống điều khiển

Quá trình lập trình hệ thống điều khiển sử dụng các công cụ phần mềm chuyên nghiệp như Visual Studio Code, Arduino IDE, và Keil C. Mã nguồn được quản lý bằng GitHub để đảm bảo kiểm soát phiên bản và dễ dàng cộng tác giữa các thành viên. Ứng dụng Android được phát triển bằng Android Studio cho phép điều khiển robot từ điện thoại thông minh thông qua kết nối Bluetooth. Giao thức truyền thông giữa tay điều khiển PS2 và robot được tối ưu hóa để đảm bảo độ trễ thấp và tin cậy cao. Các test thực nghiệm được tiến hành trên nhiều bề mặt khác nhau để đảm bảo hiệu suất ổn định.

4.1. Phát triển ứng dụng điều khiển Android và PS2

Ứng dụng Android được thiết kế với giao diện thân thiện người dùng, hiển thị các nút điều khiển tương ứng với các chức năng của robot. Tay điều khiển PS2 kết nối qua module Bluetooth HC-05, cho phép điều khiển không dây với bán kính tới 10 mét. Cả hai phương pháp điều khiển đều được lập trình xử lý sự kiện để phản ứng nhanh với các lệnh từ người dùng.

4.2. Kết quả thực nghiệm và chiến thuật thi đấu

Các kết quả thực nghiệm cho thấy robot có thể hoạt động ổn định trong thời gian dài mà không gặp lỗi phần mềm. Chiến thuật di chuyển được phát triển bao gồm các đường đi tối ưu cho từng vùng thi đấu, giảm thiểu thời gian hoàn thành nhiệm vụ. Mặc dù không đạt thành tích cao ở lần đầu tiên, nhưng kinh nghiệm thu được sẽ là nền tảng để phát triển các phiên bản robot tốt hơn trong tương lai.

Trích đoạn nội dung tài liệu

CHƯƠNG 1: GIỚI THIỆU 1. Giới thiệu chung Robotics đang trở thành một lĩnh vực công nghệ tiên tiến và đầy tiềm năng phát triển trong ngành công nghiệp Việt Nam. Với những tiến bộ nhanh chóng trong công nghệ và sự phát triển của nền kinh tế, việc ứng dụng robot trong tự động hóa đã trở nên thiết yếu để nâng cao năng suất, chất lượng và giảm bớt gánh nặng lao động cho con người. Robot giúp con người làm việc an toàn trong các môi trường nguy hiểm như hầm mỏ và khu vực nhiễm phóng xạ, đồng thời duy trì hoạt động liên tục trong các dây chuyền sản xuất 24/7.

Robot cũng được sử dụng rộng rãi trong các nhà máy sản xuất điện tử, điện lạnh và hàng tiêu dùng, từ lắp ráp, kiểm tra chất lượng đến đóng gói sản phẩm. Ngành công nghiệp điện tử là một trong những lĩnh vực tiên phong trong việc sử dụng robot. Các nhà máy sản xuất linh kiện điện tử tại Việt Nam đã áp dụng robot vào các quy trình lắp ráp, kiểm tra chất lượng và đóng gói sản phẩm. Trong sản xuất và chế tạo, robot đóng vai trò quan trọng trong các công việc nguy hiểm hoặc đòi hỏi nhiều lao động như hàn, cắt, sơn, lắp ráp và mài kim loại.

Việc sử dụng robot trong các quy trình này không chỉ giảm thiểu rủi ro cho người lao động mà còn tăng hiệu suất và đảm bảo chất lượng sản phẩm. Cuộc thi ABU Robocon (Asia-Pacific Broadcasting Union Robot Contest) là một cuộc thi chế tạo robot dành cho sinh viên đại học trong khu vực châu Á - Thái Bình Dương. Cuộc thi nhằm mục đích tạo cơ hội cho sinh viên thể hiện sự sáng tạo, kỹ thuật và khả năng giải quyết vấn đề thông qua việc thiết kế và chế tạo robot. Thúc đẩy việc học tập và nghiên cứu trong lĩnh vực robot và tự động hóa, từ đó nâng cao trình độ chuyên môn và hiểu biết về công nghệ của sinh viên.

Tạo cơ hội giao lưu, học hỏi và hợp tác giữa các sinh viên đến từ nhiều quốc gia và vùng lãnh thổ khác nhau. Đây là một cơ hội để các sinh viên chia sẻ kiến thức và văn hóa, xây dựng mối quan hệ quốc tế. Cuộc thi đòi hỏi các sinh viên làm việc nhóm để hoàn thành nhiệm vụ, từ đó phát triển kỹ năng làm việc nhóm, quản lý thời gian và quản lý đề tài. Cung cấp một sân chơi thực tế để các sinh viên ứng dụng những kiến thức đã học vào việc giải quyết các bài toán cụ thể và thực tế, từ đó nâng cao 10 TRẦN QUỐC HUY ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP - KTDK & TỰ ĐỘNG HÓA khả năng ứng dụng và thực hành.

Thúc đẩy sự quan tâm và hứng thú của giới trẻ đối với công nghệ robot và sự phát triển của ngành công nghiệp này trong tương lai. Là thành viên đội tuyển Robocon của Trường Đại học Phenikaa, do đó em lựa chọn đồ án tốt nghiệp dựa trên yêu cầu của đề thi của cuộc thi ABU Robocon 2024 Việt Nam chính là nước đăng cai với chủ đề “Ngày mùa” lấy ý tưởng từ việc canh tác lúa trên các thửa ruộng bậc thang của nước chủ nhà Việt Nam, tác giả tập trung vào việc phân tích yêu cầu của cuộc thi, cơ cấu cơ khí được phát triển bởi đội ngũ các thành viên thuộc nhóm cơ khí đội Robocon Phenikaa để lựa chọn động cơ. Mục tiêu chính của đồ án là đưa ra phương án xây dựng hệ thống điều khiển và xây dựng thuật toán điều khiển cho - robot điều khiển bằng tay robot số 1. Kết cấu cơ khí của robot được xây dựng được gồm 2 phần chủ đạo bao gồm: phần đế robot thực hiện chức năng di chuyển và cơ cấu chấp hành để thực hiện các nhiệm vụ lấy mạ, trồng lúa và lấy bóng, bắn bóng vào khu vực ghi điểm.

Đề tài có 2 phiên bản sản phẩm với 2 phương pháp điều khiển khác nhau dẫn tới cấu trúc và cấu tạo hệ thống điều khiển của 2 robot là khác nhau. Phiên bản robot điền khiển bằng tay PS2 là phiên bản khắc phục những điểm hạn chế của phiên bản đầu tiền sử dụng điện thoại điều khiển, đây phiên bản đi thi đấu diễn ra vào các ngày 4-5/5/2024. Tổng quan đề tài Cuộc thi ABU Robocon là cuộc thi sáng tạo robot được tổ chức thường niên dành cho sinh viên, đặc biệt là sinh viên là khối nghành kĩ thuật. Chủ đề của ABU Robocon năm nay mang tên “Ngày mùa” lấy ý tưởng từ việc canh tác lúa trên các thửa ruộng bậc thang của nước chủ nhà Việt nam.

Đề tài được lựa chọn dựa trên yêu cầu về Robot điều khiển bằng tay của cuộc thi. Thể lệ cuộc thi ABU 2024 được ban tổ chức đưa ra như sau. Trận đấu được diễn ra trong khoảng thời gian 3 phút. Mỗi đội có 2 robot gồm: Robot 1 và Robot 2 (Robot điều khiển tay và robot tự động).

Sân thi đấu được chia làm 3 vùng: vùng 1, vùng 2 và vùng 3. 11 TRẦN QUỐC HUY ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP - KTDK & TỰ ĐỘNG HÓA Hình 1. 1 Sân thi đấu. [1] Vùng 1 bao gồm: Khu vực xuất phát; Giá để cây, 12 bó mạ cho mỗi đội; Khu vực gieo mạ.

3 Khu vực lấy mạ. [1] 12 TRẦN QUỐC HUY ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP - KTDK & TỰ ĐỘNG HÓA Hình 1. 4 Khu vực đặt mạ. [1] Vùng 2 bao gồm: Vị trí khởi động lại; Mương nước; Khu vực thu hoạch: có sẵn 6 hạt thóc và 6 hạt thóc lép cho mỗi đội.

6 Khu vực để thóc. [1] Vùng 3 bao gồm: Khu vực chứa thóc; Khu vực silo có 5 ống. Tại Vùng 3 có 6 hạt thóc và 10 hạt thóc lép được đặt sẵn trong kho chứa thóc. [1] 13 TRẦN QUỐC HUY ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP - KTDK & TỰ ĐỘNG HÓA Hình 1.

8 Khu vực chứa thóc. 9 Khu vực silo. [1] Khi trận đấu bắt đầu các Robot sẽ đến giá để lúa ở Vùng 1 để thu gom các bó mạ sau đó đem tới giao ở khu vực đặt mạ. Mỗi mạ đặt thành công đội ghi được 10 điểm.

[1] 14 TRẦN QUỐC HUY ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP - KTDK & TỰ ĐỘNG HÓA Hình 1. 10 Lấy và đặt mạ. [1] Tại vùng 2, các robot sẽ đi lấy các hạt thóc và hạt thóc lép đặt tại Khu vực thu hoạch và vận chuyển về Khu vực chứa thóc nằm ở Vùng 3 lần lượt như sau: một hạt thóc lép và một hạt thóc tiêu chuẩn. Mỗi lần chuyển thành công, đội ghi được 10 điểm.

Tuy nhiên, số lượng các hạt thóc mà robot thu hoạch không được nhiều hơn số bó mạ trồng được ở Vùng 1. 11 Chuyển thóc qua sân 3. [1] Tại vùng 3, Robot 2 thu hoạch thóc và chuyển thóc vào các silo chứa thóc. Robot 2 thả 1 hạt thóc thành công vào ống, ghi được 30 điểm.

[1] 15 TRẦN QUỐC HUY ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP - KTDK & TỰ ĐỘNG HÓA Hình 1. 13 Chuyển thóc vào silo. [1] Trận đấu sẽ kết thúc khi có đội thực hiện thành công nhiệm vụ chuyển thóc vào các silo và đạt các điều kiện sau. 14 Chiến thắng mùa vàng.

[1] - Thả thành công hạt thóc của đội mình vào tối thiểu 3 silo. - Các silo phải đầy thóc và có tối thiểu 2 hạt thóc của đội mình. - Hạt thóc của đội mình phải ở vị trí trên cũng. [1] Khi đó, đội sẽ đạt chiến thắng tuyệt đối mang tên "Mùa vàng".

Yêu cầu của robot: - Mỗi đội được mang theo 2 robot. - Các robot không được chia thành nhiều thành phần trong quá trình thi đấu. - Robot phải được chế tạo bởi các sinh viên cùng trường đại học/cao đẳng/bách khoa. - Robot 1 và 2 không được liên lạc với nhau ở bất kì hình thức nào - Kích thước robot: robot bao gồm cả bộ điều khiển phải có kích thước vừa vặn 700mm x 700mm x 700mm khi bắt đầu trò chơi.

Trong quá trình thi đấu kích thước tối đa không được vượt quá 900mm x 900mm x 900mm. 16 TRẦN QUỐC HUY ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP - KTDK & TỰ ĐỘNG HÓA - Trọng lượng: Tổng trọng lượng của từng robot, pin, bộ điều khiển, dây cáp và thiết bị đội mang vào thi đấu không được vượt quá 25kg. - Bất kỳ thiết bị nào khác mà nhóm mang đến cho mục đích thiết lập, công cụ, không khí hộp đựng và pin dự phòng (cùng loại với pin được lắp đặt ban đầu trong robot) được miễn. [2] - Nguồn điện: Mỗi đội phải có nguồn điện riêng cho robot của mình.

Các đội chỉ có thể sử dụng pin, khí nén và/hoặc lực đàn hồi làm nguồn điện nguồn. Điện áp danh định của bất kỳ pin nào được sử dụng trong robot, bộ điều khiển và bất kỳ thiết bị nào các thiết bị khác trong khi chơi game không được vượt quá 24V. Khi kết nối pin mắc nối tiếp thì tổng điện áp phải từ 24V trở xuống. [2] Như vậy với đề tài xây dựng hệ thống điều khiển cho robot số 1 (robot điều khiển tay) sẽ có yêu cầu về hệ thống điều khiển phù hợp với hệ thống cơ khi cơ cấu được xây dựng bởi đội cơ khí có thể thực hiện điều khiển được các cơ cấu hoạt động thực hiện được các chức năng như lấy mạ và đem trồng ở khu vực đặt mạ.

ở vùng 2 robot sẽ có nhiệm vụ lấy thóc và ném qua vùng 3 để robot 2 có thể thực hiện nhiệm vụ của mình. Chi tiết về luật chơi và yêu cầu robot nằm ở Phụ lục 1: 1. Lý do chọn đề tài Việc lựa chọn đề tài "Thiết kế và chế tạo hệ thống điều khiển cho robot điều khiển bằng tay trong cuộc thi ABU Robocon 2024" được thúc đẩy bởi nhiều lý do quan trọng và có tính ứng dụng cao trong nhiều lĩnh vực khác nhau. Nhận thấy được cuộc thi là một cơ hội để có thể học hỏi thêm kiến thức mới và vận dụng được những kiến thức đã được tích lũy xuyên suốt trong quá trình học tập để ứng dụng vào một sản phẩm thực tế.

Đề tài dựa trên yêu cầu của cuộc thi nhằm tạo ra robot được điều khiển bằng tay cầm điều khiển từ xa di chuyển với độ chính xác cao và phối hợp các cơ cấu để thực hiện các chức năng phù hợp. Đề tài có ứng dụng cao khi tùy chỉnh có thể phù hợp với những ứng dụng trong thực tế như: robot được điều khiển từ xa để hoạt động trong những môi trường mà con người 17 TRẦN QUỐC HUY ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP - KTDK & TỰ ĐỘNG HÓA không thể tiếp cận do yếu tố nguy hiểm và giới hạn về kích thước, tính linh hoạt, hoặc những công việc nặng nhọc, các công việc lặp đi lặp lại,.