CHƯƠNG 1: TÌM HIỂU TỔNG QUAN 1.1 Mục tiêu thiết kế Thiết kế robot bám đường có khả năng bám đường với độ ổn định tốt và hoàn thành sa bàn đúng yêu cầu với thời gian ngắn nhất có thể (sa bàn được cho trước hình dạng và chiều dài). F B 500 E A Finish C Start D G 2000 Hình 1.1 Thông số sa bàn.2 Tìm hiểu các mô hình từ các cuộc thi Japan Robotrace Contest 2014 - Đội chiến thắng: CartisX04 Hình 1.2 Hình ảnh thực tế và sơ đồ nguyên lý của CartisX04 1 Tieu luan THIẾT KẾ HỆ THỐNG CƠ ĐIỆN TỬ GVHD: TS. PHÙNG TRÍ CÔNG Thông số: Cảm biến: 6 bộ cảm biến hồng ngoại, 2 cảm biến gyro Bánh sau: 4 bánh chủ động - 2 động cơ DC. Bánh trước: 1 bánh lái có động cơ chỉ đạo Tốc độ tối đa: 𝑉𝑚𝑎𝑥 = 4,2 𝑚/𝑠 Kết cấu giúp xe dễ cân bằng hơn nhưng phức tạp, xảy ra hiện tượng trượt khi rẽ.
Cuộc thi ở Tây Ban Nha 2010 - Đội chiến thắng: Silvestre Hình 1.3 Hình ảnh thực tế và sơ đồ nguyên lý của Robot Silvestre Thông số: Cảm biến: 8 bộ cảm biến hồng ngoại. Bánh sau: 2 bánh chủ động - 2 động cơ DC. Bánh trước: 1 bánh tự lựa – bánh mắt trâu. Tốc độ tối đa: 𝑉𝑚𝑎𝑥 = 2,24 𝑚/𝑠 Kết cấu này khá đơn giản, độ đồng phẳng cao, xe rẽ được các bán kính cong nhỏ nhưng khó cân bằng.
Cuộc thi Chibots ở Mỹ - Đội chiến thắng: Fireball 2 Tieu luan THIẾT KẾ HỆ THỐNG CƠ ĐIỆN TỬ GVHD: TS. PHÙNG TRÍ CÔNG Hình 1.4 Hình ảnh thực tế và sơ đồ nguyên lý của Robot Fireball Thông số: Cảm biến: 16 bộ cảm biến hồng ngoại 4 bánh chủ động - 4 động cơ DC Vận tốc : 3 m/s Kết cấu phức tạp, độ đồng phẳng thấp, khó điều khiển 1.3 Tìm hiểu về cảm biến Có 3 loại cảm biến thường dùng trong các robot dò line: Camera, cảm biến quang điện trở và cảm biến hồng ngoại.1 Camera Camera dùng để ghi lại hình ảnh của đường line, sau đó xử lý đưa ra thông tin sai lệch vị trí tương đối của line so với xe. Phương pháp này cho độ chính xác cao, tuy nhiên do tốc độ xử lý ảnh cần nhiều thời gian, làm hạn chế tốc độ của xe, nên không phù hợp với xe đua.2 Cảm biến quang điện trở và cảm biến hồng ngoại Cảm biến quang điện trở có điện trở thay đổi khi ánh sáng thay đổi. Trong bóng tối giá trị điện trở cao, nhưng khi được chiếu sáng giá trị điện trở giảm mạnh.
3 Tieu luan THIẾT KẾ HỆ THỐNG CƠ ĐIỆN TỬ GVHD: TS. PHÙNG TRÍ CÔNG Hình 1.5 Nguyên lý hoạt động của cảm biến quang điện trở Hai phương pháp sử dụng cảm biến quang điện trở và cảm biến hồng ngoại có nguyên tắc hoạt động tương tự nhau, gồm 1 nguồn phát ánh sáng phản xạ xuống đất và 1 nguồn thu ánh sáng phản xạ từ đó xử lí tín hiệu và đưa ra vị trí của xe so với line. Tuy nhiên cảm biến hồng ngoại được ứng dụng nhiều hơn vì thời gian đáp ứng nhanh hơn.4 Tìm hiểu về các cách xử lí tín hiệu cảm biến 1.1 Sử dụng giải thuật so sánh Sử dụng mạch lấy ngưỡng hoặc giải thuật lọc ngưỡng bằng lập trình để chuyển tín hiệu điện áp đọc từ cảm biến về thành mức cao hoặc mức thấp, từ đó suy ra vị trí của xe so với đường line.6 Mức so sánh của cảm biến ứng với các vị trí line khi xe di chuyển 4 Tieu luan THIẾT KẾ HỆ THỐNG CƠ ĐIỆN TỬ GVHD: TS. PHÙNG TRÍ CÔNG 1.2 Sử dụng giải thuật xấp xỉ Các giá trị đọc về qua phép xấp xỉ để tìm ra vị trí của đường line.
Phương pháp này cho ra sai số phát hiện line nhỏ, có thể tới 2. Công thức xấp xỉ: ∑𝑛𝑖=0 𝑥𝑖 𝑦𝑖 𝑥= ∑𝑛𝑖=0 𝑦𝑖 Hình 1.7 Tìm vị trí tâm đường line bằng giải thuật xấp xỉ 1.5 Tìm hiểu về cấu trúc điều khiển 1.1 Cấu trúc điều khiển phân cấp Mạch điều khiển phân cấp sử dụng nhiều vi điều khiển, mỗi vi điều khiển đảm nhận một chức năng riêng. Nhờ đó có sự chuyên biệt hóa, mỗi vi điều khiển chỉ đảm nhận một công việc giúp việc kiểm tra lỗi chương trình dễ dàng, các chức năng được thực hiện đồng thời, không cần phải đợi hoặc bỏ qua các tác vụ ngắt. Tuy nhiên cấu trúc phần cứng phức tạp và cần đảm bảo tín hiệu giao tiếp giữa các vi điều khiển tuyệt đối chính xác, không bị nhiễu.
5 Tieu luan THIẾT KẾ HỆ THỐNG CƠ ĐIỆN TỬ GVHD: TS. PHÙNG TRÍ CÔNG Hình 1.8 Cấu trúc điều khiển phân cấp 1.2 Cấu trúc điều khiển tập trung Mạch chỉ sử dụng một vi điều khiển đảm nhận tất cả các chức năng nhờ vào đó mà phần cứng đơn giản. Tuy nhiên, không có sự chuyên biệt hóa nên khó cho việc kiểm tra lỗi chương trình, các chức năng (tính toán ra vận tốc 2 bánh xe và điều khiển động cơ đạt vận tốc mong muốn) không được thực hiện đồng thời, khi chức năng này đang thực hiện thì chức năng khác phải đợi.9 Cấu trúc điều khiển tập trung 6 Tieu luan THIẾT KẾ HỆ THỐNG CƠ ĐIỆN TỬ GVHD: TS. PHÙNG TRÍ CÔNG 1.6 Đặt đầu bài Từ mục tiêu thiết kế và yêu cầu môn học, nhóm đưa ra yêu cầu thiết kế số như sau: Vận tốc tối đa: 𝑉𝑚𝑎𝑥 = 0.5 𝑚/𝑠 Bán kính vòng cua tối thiểu: 𝑅𝑚𝑖𝑛 = 50𝑐𝑚 Sai số dò line: 𝑒𝑚𝑎𝑥 = 45𝑚𝑚 7 Tieu luan THIẾT KẾ HỆ THỐNG CƠ ĐIỆN TỬ GVHD: TS.
PHÙNG TRÍ CÔNG CHƯƠNG 2: LỰA CHỌN PHƯƠNG ÁN VÀ PHÂN CÔNG NHIỆM VỤ 2.1 Lựa chọn kết cấu xe Thiết kế xe 3 bánh, 2 chủ động ở phía sau điều khiển bằng 2 động cơ DC độc lập, bánh trước là bánh mắt trâu.2 Lựa chọn cảm biến Sử dụng cảm biến LED kết hợp với phototransistor, tín hiệu đọc về dùng giải thuật xấp xỉ để tìm vị trí tâm đường line.3 Lựa chọn bộ điều khiển Bộ điều khiển bám line theo tiêu chuẩn Lyapunov.4 Lựa chọn cấu trúc điều khiển Điều khiển tập trung (dùng 1 vi điều khiển).1 Cấu trúc điều khiển lựa chọn 8 Tieu luan THIẾT KẾ HỆ THỐNG CƠ ĐIỆN TỬ GVHD: TS. PHÙNG TRÍ CÔNG 2.5 Phân công nhiệm vụ Bảng 2.1 Phân công nhiệm vụ các thành viên STT Thành viên Nhiệm vụ Công việc 1 Quản lí nhóm, phân công và hỗ Đỗ Tuấn Anh PM trợ các thành viên. 2 Hoàng Văn An Điện Thiết kế driver 3 Mô hình Trần Minh Chiến Mô phỏng động học hóa 4 Doãn Hoàng Cơ khí Thiết kế phần cơ khí, bản vẽ 5 Lựa chọn vi điều khiển, thiết kế Nguyễn Minh Hoàng Lập trình cảm biến 9 Tieu luan THIẾT KẾ HỆ THỐNG CƠ ĐIỆN TỬ GVHD: TS. PHÙNG TRÍ CÔNG CHƯƠNG 3: THIẾT KẾ CHI TIẾT VÀ MÔ HÌNH HÓA 3.1 Thiết kế cơ khí Yêu cầu đặt ra: + Xe có thể chạy với vận tốc tối đa 𝑣𝑚𝑎𝑥 = 0,5 𝑚/𝑠.
+ Kết cấu xe nhỏ gọn, chắc chắn, không rung lắc. + Xe có thể qua các đoạn cong (bán kính cong R= 500mm) với vận tốc tối ưu mà xe không bị lật.1 Lựa chọn bánh xe a. Lựa chọn bánh bị động Các loại bánh có thể dùng làm bánh bị động cho xe dò line là bánh castor, bánh mắt trâu. Bánh castor có khả năng di chuyển ổn định.
Tuy nhiên khi bẻ lái với vận tốc lớn hoặc bẻ lái nhiều lần trong thời gian ngắn thì bánh xe có thể không kịp đáp ứng dẫn dến hiện tượng trượt, ảnh hưởng đến tốc độ di chuyển của xe, có thể làm xe bị lật. Bánh mắt trâu có vỏ ngoài được làm bằng sắt hay thép nên rất bền, bên trong có ổ bi nên di chuyển rất trơn tru. Tuy nhiên bánh này có nhược điểm lớn là chỉ có thể chạy trong những môi trường ít bụi, cát vì chúng có thể bám vào bánh làm bánh bị kẹt không chạy được.1 So sánh giữa 2 loại bánh trên: Bánh castor Bánh mắt trâu - Chịu tải 20kg - Chịu tải khoảng 50kg. - Ít chịu ảnh hưởng bởi điều kiện của - Chịu ảnh hưởng bởi điều kiện đường đường đua đua.
- Kết cấu cồng kềnh. - Kết cấu nhỏ gọn. 10 Tieu luan THIẾT KẾ HỆ THỐNG CƠ ĐIỆN TỬ GVHD: TS. PHÙNG TRÍ CÔNG Từ bảng so sánh kết hợp với yêu cầu của đường đua, nhóm quyết định chọn bánh mắt trâu là bánh dẫn hướng cho robot dò line.
Lựa chọn bánh chủ động Bánh chủ động là bộ phận trực tiếp làm xe chuyển động. Bánh xe phải có khả năng bám đường tốt, không trơn trượt, chịu tải ổn định, dễ dàng tháo lắp và thay thế. Từ những yêu cầu trên ta có thể sử dụng bánh xe giảm tốc V1- V3 hoặc bánh Mecanum để làm bánh chủ động cho xe. Bánh Mecanum là một dạng của bánh đa hướng (Omnidirectional Wheel).
Bánh xe này được tạo thành bởi các con lăn nhỏ với trục được lắp nghiêng một góc 45 độ so với trục quay chính của bánh xe, nhờ kết cấu đặc biệt này nên bánh có thể thực hiện nhiều chuyển động phức hợp theo phương pháp cộng vector. Với bánh Mecanum, xe có thể chuyển động tiến lùi, xoay tròn trong không gian nhỏ hẹp, đặc biệt có thể di chuyển theo phương ngang khi cần thiết. Tuy có nhiều ưu điểm nhưng giá thành của bánh xe Mecanum khá cao và giải thuật điều khiển phức tạp nên nhóm quyết định sẽ sử dụng bánh xe giảm tốc V3 có đường kính D= 80 mm để làm bánh chủ động cho xe.2 Tính toán chọn động cơ Giả sử toàn bộ thân xe có khối lượng M1= 2kg, vật nặng hình hộp chữ nhật có khối lượng M2= 2kg, khối lượng bánh xe m= 0,025kg - Toạ độ trọng tâm:Chọn hệ trục toạ độ như hình vẽ: 11 Tieu luan THIẾT KẾ HỆ THỐNG CƠ ĐIỆN TỬ GVHD: TS. PHÙNG TRÍ CÔNG Hình 3.1 Hệ tọa độ trên robot dò line Chọn vị trí đặt vật nặng mong muốn là ở vị trí 𝑥 = 𝐿/4 với 𝐿 là khoảng cách giữa 2 bánh xe sauvà bánh trước, G1 và G2 là trọng tâm của xe và của vật nặng.
Ta tính được hoành độ trọng tâm của hệ: 𝐿 𝐿 𝑚1 𝑥𝐺1+ 𝑚2 𝑥𝐺2 2. 4 3𝐿 𝑥𝐺 = = = 𝑚1 + 𝑚2 2+2 8 Từ đó ta tính được lực tác dụng lên mỗi bánh xe: 3𝑃 𝑀1 + 𝑀2 𝑅1 + 𝑅2 = 𝑃 𝑅1 = = 3. 5𝑃 8 8 𝑅2 = = 24,5𝑁 8 Xét các lực tác dụng lên một bánh chủ động, ta có mô hình toán: 12 Tieu luan THIẾT KẾ HỆ THỐNG CƠ ĐIỆN TỬ GVHD: TS. PHÙNG TRÍ CÔNG 𝜔 𝐹 𝑅1 𝐹𝑚𝑠 Hình 3.