Thiết Kế Robot Tránh Vật Cản: Đồ Án 2 Ngành CNKT Điều Khiển & Tự Động Hóa

• Trường học: Trường Đại Học Kỹ Thuật
• Chuyên ngành: Công Nghệ Kỹ Thuật Điều Khiển & Tự Động Hóa
• Đề tài: Thiết Kế Robot Tránh Vật Cản
• Loại tài liệu: Đồ Án

• LỜI CẢM ƠN
• LỜI CAM ĐOAN
• 1. CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ ĐỀ TÀI
• 1.1. Lý do chọn đề tài
• 1.2. Mục đích đề tài
• 1.3. Đối tượng và phạm vi nghiên cứu
• 1.4. Phương pháp nghiên cứu
• 1.5. Mục tiêu thiết kế
• 1.6. Tìm hiểu các mô hình từ các cuộc thi
• 1.7. Giới thiệu Arduino Uno R3
• 1.8. Lời mở đầu
• 1.9. Các thông số của Arduino Uno R3
• 1.10. Các chân đầu vào và đầu ra
• 2. CHƯƠNG 2: GIỚI THIỆU ARDUINO UNO R3
• 2.1. Lời mở đầu
• 2.2. Mạch Arduino Uno R3
• 2.3. Sơ đồ cấu trúc Arduino Uno R3
• 2.4. Các thông số của Arduino Uno R3
• 2.5. Cấp nguồn
• 2.6. Chân cấp nguồn Arduino Uno R3
• 2.7. Bộ nhớ Vi điều khiển ATmega328
• 2.8. Các chân đầu vào và đầu ra
• 2.9. Giới thiệu Chip điều khiển ATmega328P
• 2.10. Các thông số kỹ thuật cơ bản của vi điều khiển ATmega328P
• 2.11. Giới thiệu Mạch cầu H
• TÀI LIỆU THAM KHẢO

I. Khám phá đồ án robot tránh vật cản ngành tự động hóa

Đồ án thiết kế robot tránh vật cản là một đề tài nền tảng và cốt lõi trong ngành CNKT Điều Khiển & Tự Động Hóa. Đề tài này không chỉ là một bài tập kỹ thuật mà còn là sự tổng hòa của nhiều lĩnh vực như cơ khí, điện tử, và lập trình. Mục tiêu chính là xây dựng một robot tự hành có khả năng di chuyển, nhận diện và né tránh các chướng ngại vật một cách tự động, mô phỏng các ứng dụng thực tiễn trong công nghiệp và đời sống. Sự phát triển của các hệ thống tự động hóa đòi hỏi nguồn nhân lực có khả năng tích hợp và vận hành các hệ thống phức tạp. Do đó, việc thực hiện một đồ án như xe tự hành tránh vật cản giúp sinh viên áp dụng kiến thức lý thuyết vào giải quyết một bài toán cụ thể. Quá trình này bao gồm từ khâu lên ý tưởng, lựa chọn linh kiện, thiết kế cơ khí, lắp ráp mạch điện, cho đến phát triển thuật toán tránh vật cản. Đề tài này đặt ra yêu cầu cao về sự ổn định của hệ thống, độ chính xác của cảm biến và hiệu quả của thuật toán điều khiển. Các mô hình robot từ những cuộc thi quốc tế như Japan Robotrace Contest hay Chibots tại Mỹ là nguồn tham khảo quý giá, cho thấy sự đa dạng trong phương pháp tiếp cận và thiết kế, từ kết cấu cơ khí đến số lượng và loại cảm biến được sử dụng.

1.1. Tầm quan trọng của robot tự hành trong công nghiệp 4.0

Trong bối cảnh công nghiệp 4.0, robot tự hành đóng vai trò then chốt trong việc tự động hóa các dây chuyền sản xuất, kho vận thông minh và nhiều lĩnh vực dịch vụ khác. Khả năng tự di chuyển và thực hiện nhiệm vụ mà không cần sự can thiệp liên tục của con người giúp tăng năng suất, giảm thiểu sai sót và tối ưu hóa chi phí vận hành. Các xe tự hành tránh vật cản là một ứng dụng cơ bản nhưng thiết yếu, làm nền tảng cho các hệ thống phức tạp hơn như xe tự lái, robot giao hàng hay drone giám sát. Việc nghiên cứu và phát triển các mô hình này giúp tạo ra những giải pháp an toàn và hiệu quả cho môi trường công nghiệp hiện đại.

1.2. Mục tiêu và phạm vi nghiên cứu của đồ án robot

Mục tiêu cốt lõi của đồ án là thiết kế và thi công thành công một mô hình robot 2 bánh (hoặc 3 bánh) có khả năng di chuyển theo một đường line định trước và tự động tránh vật cản xuất hiện trên đường đi. Phạm vi nghiên cứu tập trung vào việc sử dụng vi điều khiển Arduino Uno R3 làm bộ não trung tâm, kết hợp các cảm biến hồng ngoại để dò line và cảm biến siêu âm HC-SR04 để phát hiện vật cản. Nghiên cứu cũng bao gồm việc thiết kế phần cơ khí vững chắc, tính toán lựa chọn động cơ phù hợp và xây dựng thuật toán điều khiển logic hiệu quả. Đề tài không đi sâu vào các vấn đề xử lý ảnh phức tạp hay trí tuệ nhân tạo, mà tập trung vào giải pháp điều khiển kinh điển và đáng tin cậy.

II. Hướng dẫn lựa chọn linh kiện cho xe tự hành tránh vật cản

Việc lựa chọn linh kiện phần cứng là bước quyết định đến sự thành công của một đồ án robot tránh vật cản. Một hệ thống hoàn chỉnh bao gồm bốn khối chính: khối nguồn, khối cảm biến, khối điều khiển, và khối chấp hành (động cơ). Khối điều khiển được xem là trung tâm, và Arduino Uno R3 là lựa chọn phổ biến nhờ cộng đồng hỗ trợ lớn và môi trường lập trình thân thiện. Board mạch này dựa trên chip vi điều khiển ATmega328P, cung cấp đủ các chân I/O digital và analog để giao tiếp với các module khác. Đối với khối cảm biến, cảm biến hồng ngoại TCRT5000 thường được dùng để dò line, trong khi cảm biến siêu âm HC-SR04 là lựa chọn tối ưu để đo khoảng cách và phát hiện vật cản. Khối chấp hành bao gồm động cơ DC giảm tốc và mạch cầu H L298N. Động cơ DC cung cấp lực kéo cần thiết, và module L298N cho phép điều khiển cả chiều quay và tốc độ của hai động cơ một cách độc lập, tạo ra khả năng di chuyển linh hoạt. Cuối cùng, khối pin và nguồn cấp phải đảm bảo cung cấp đủ năng lượng ổn định cho cả board mạch và động cơ hoạt động hết công suất.

2.1. Phân tích vi điều khiển Arduino Uno R3 và chip ATmega328P

Arduino Uno R3 là một board mạch nguồn mở dựa trên chip ATmega328P, hoạt động ở điện áp 5V với tần số thạch anh 16 MHz. Nó cung cấp 14 chân digital I/O (6 chân có thể dùng cho PWM) và 6 chân analog input, đáp ứng đầy đủ nhu cầu kết nối cảm biến và cơ cấu chấp hành cho robot. Chip ATmega328P có 32KB bộ nhớ Flash để lưu chương trình, 2KB SRAM cho các biến và 1KB EEPROM để lưu dữ liệu không bị mất khi ngắt điện. Theo tài liệu, các thông số này hoàn toàn đủ cho một báo cáo đồ án môn học về robot dò line và tránh vật cản.

2.2. Nguyên lý hoạt động của cảm biến hồng ngoại và siêu âm

Cảm biến hồng ngoại (IR) hoạt động dựa trên nguyên lý thu-phát ánh sáng hồng ngoại. Mắt phát sẽ phát ra tia hồng ngoại, nếu gặp bề mặt sáng (line trắng), tia sáng sẽ phản xạ lại và được mắt thu nhận. Ngược lại, bề mặt tối (nền đen) sẽ hấp thụ tia sáng. Sự chênh lệch tín hiệu này giúp robot xác định vị trí tương đối so với đường line. Trong khi đó, cảm biến siêu âm HC-SR04 hoạt động bằng cách phát ra một xung siêu âm và đo thời gian xung đó phản xạ lại từ vật cản. Dựa vào thời gian và vận tốc âm thanh, vi điều khiển có thể tính toán chính xác khoảng cách đến vật cản, từ đó ra quyết định né tránh.

2.3. Vai trò của động cơ DC giảm tốc và mạch cầu H L298N

Động cơ DC giảm tốc được lựa chọn vì chúng cung cấp moment xoắn lớn ở tốc độ thấp, phù hợp để di chuyển robot một cách ổn định. Để điều khiển chúng, mạch cầu H L298N là một thành phần không thể thiếu. Mạch này cho phép đảo chiều dòng điện cấp vào động cơ, từ đó điều khiển chiều quay (tiến/lùi). Bằng cách sử dụng tín hiệu điều chế độ rộng xung (PWM) từ Arduino Uno R3 đưa vào chân ENA/ENB của L298N, tốc độ của động cơ cũng có thể được điều chỉnh một cách linh hoạt. Đây là cơ chế cốt lõi để thực hiện các thao tác rẽ trái, rẽ phải hoặc dừng robot.

III. Bí quyết lập trình robot Lưu đồ và thuật toán tránh vật cản

Phần mềm là linh hồn của robot tránh vật cản, quyết định cách robot phản ứng với môi trường. Quá trình phát triển phần mềm bắt đầu bằng việc xây dựng một lưu đồ giải thuật rõ ràng. Lưu đồ này mô tả tuần tự các bước hoạt động của robot: khởi tạo hệ thống, đọc dữ liệu từ cảm biến, xử lý tín hiệu, và cuối cùng là ra quyết định điều khiển động cơ. Bước đầu tiên là đọc giá trị từ các cảm biến dò line. Dựa trên tổ hợp trạng thái của các cảm biến (ví dụ: 00100 cho trạng thái đi thẳng, 00011 cho trạng thái rẽ phải), thuật toán tránh vật cản sẽ điều chỉnh tốc độ của hai bánh xe để giữ robot đi đúng trên line. Song song với đó, robot liên tục kiểm tra dữ liệu từ cảm biến siêu âm. Nếu khoảng cách đến vật cản nhỏ hơn một ngưỡng an toàn định trước (ví dụ 15cm), chương trình sẽ ưu tiên thực hiện logic né tránh: dừng lại, lùi một đoạn ngắn, quay sang một hướng (trái hoặc phải) để tìm đường đi mới, sau đó tiếp tục dò line. Toàn bộ logic này được triển khai bằng ngôn ngữ lập trình C/C++ trên môi trường Arduino IDE.

3.1. Xây dựng sơ đồ khối hệ thống và lưu đồ giải thuật chi tiết

Sơ đồ khối hệ thống là bản thiết kế tổng quan, thể hiện mối liên kết giữa các thành phần chính: Khối cảm biến (Input), Khối điều khiển trung tâm (Processing), và Khối điều khiển động cơ (Output). Từ sơ đồ này, lưu đồ giải thuật được chi tiết hóa. Lưu đồ bắt đầu với khối Start, tiếp theo là khối Initialization (khai báo chân, biến). Vòng lặp chính (loop) sẽ chứa các khối quyết định (if-else) dựa trên giá trị đọc từ cảm biến. Ví dụ, một nhánh rẽ sẽ kiểm tra distance < stop_distance, nếu đúng thì thực hiện chuỗi hành động Stop, Reverse, Turn, nếu sai thì tiếp tục thực hiện logic dò line. Lưu đồ này là kim chỉ nam cho việc viết code, đảm bảo chương trình chạy đúng logic và dễ dàng gỡ lỗi.

3.2. Triển khai code với ngôn ngữ C C trên Arduino IDE

Arduino IDE cung cấp một môi trường phát triển tích hợp (IDE) đơn giản để viết, biên dịch và nạp code cho board Arduino. Code được viết bằng ngôn ngữ lập trình C/C++ nhưng được đơn giản hóa với các hàm dựng sẵn như pinMode(), digitalRead(), analogWrite(). Chương trình chính gồm hai hàm setup() và loop(). Hàm setup() chạy một lần duy nhất khi khởi động để cấu hình các chân I/O. Hàm loop() lặp lại liên tục, chứa logic chính của robot như đọc cảm biến và điều khiển động cơ. Việc sử dụng các thư viện có sẵn giúp đơn giản hóa các tác vụ phức tạp, chẳng hạn như giao tiếp với các loại cảm biến đặc biệt. Mô phỏng Proteus cũng có thể được sử dụng để kiểm tra logic thuật toán trước khi triển khai trên phần cứng thật.

IV. Phân tích kết quả thi công mô hình robot tránh vật cản

Sau quá trình thiết kế và thi công, mô hình robot tránh vật cản đã hoàn thành và đi vào thử nghiệm. Kết quả thực tiễn cho thấy robot có khả năng hoạt động đúng như mục tiêu đề ra. Robot di chuyển ổn định trên đường line, bám theo các đoạn thẳng và khúc cua một cách chính xác. Khi gặp vật cản, hệ thống cảm biến siêu âm hoạt động hiệu quả, cho phép robot dừng lại ở khoảng cách an toàn và thực hiện thành công thuật toán né tránh. Thiết kế cơ khí với khung xe robot 3 bánh (hoặc 2 bánh chủ động và 1 bánh tự lựa) đảm bảo độ cứng vững, ít rung lắc khi di chuyển. Tuy nhiên, trong quá trình vận hành, một số hạn chế đã được ghi nhận. Cảm biến hồng ngoại đôi khi bị nhiễu bởi ánh sáng mạnh từ môi trường bên ngoài, gây ra sai lệch trong việc dò line. Ngoài ra, tốc độ phản ứng của robot khi vào cua gắt hoặc khi vật cản xuất hiện đột ngột vẫn còn độ trễ nhất định. Những vấn đề này cho thấy sự khác biệt giữa lý thuyết và thực tiễn, đòi hỏi các biện pháp hiệu chỉnh và tối ưu hóa hệ thống để cải thiện hiệu suất.

4.1. Đánh giá ưu điểm và nhược điểm của mô hình thực tế

Ưu điểm lớn nhất của mô hình là tính linh hoạt và chi phí thấp, sử dụng các linh kiện phổ biến như Arduino Uno R3 và mạch cầu H L298N. Thuật toán đơn giản nhưng hiệu quả, dễ dàng triển khai và tùy biến. Robot đã chứng minh được khả năng tự động hóa một tác vụ cơ bản. Tuy nhiên, nhược điểm là sự phụ thuộc vào điều kiện môi trường lý tưởng. Robot hoạt động tốt nhất trên bề mặt phẳng, có độ tương phản cao giữa line và nền. Nó cũng nhạy cảm với nhiễu điện từ và ánh sáng, và khả năng xử lý các tình huống phức tạp (ngã ba, giao cắt) còn hạn chế.

4.2. Các biện pháp khắc phục và tối ưu hóa hệ thống robot

Để khắc phục hạn chế, có thể áp dụng một số biện pháp. Về phần cứng, cần che chắn cho cụm cảm biến hồng ngoại để giảm nhiễu sáng. Nâng cấp lên các loại cảm biến chất lượng cao hơn hoặc bổ sung bộ lọc tín hiệu trong phần mềm cũng là một giải pháp. Về phần mềm, thuật toán tránh vật cản có thể được cải tiến bằng cách sử dụng logic mờ (fuzzy logic) hoặc bộ điều khiển PID (Proportional-Integral-Derivative) để robot di chuyển mượt mà hơn và phản ứng nhanh hơn tại các khúc cua. Tối ưu hóa code để giảm thời gian thực thi của vòng lặp cũng góp phần tăng khả năng phản hồi của robot.