Báo Cáo Đồ Án: Thiết Kế và Thi Công Robot Dò Line Vượt Địa Hình

Việc thiết kế và thi công robot dò line vượt địa hình là một chủ đề phổ biến trong các… 74 trang · Đại học Công nghiệp Thực phẩm Thành phố Hồ Chí Minh · 2021.

• Tác giả: Nghiêm Đình Thắng
• Người hướng dẫn: ThS. Nguyễn Phú Công
• Trường học: Đại học Công nghiệp Thực phẩm Thành phố Hồ Chí Minh
• Chuyên ngành: Công nghệ Điện - Điện tử
• Đề tài: Thiết Kế và Thi Công Robot Dò Line Vượt Địa Hình
• Loại tài liệu: Đồ án
• Năm xuất bản: 2021
• Địa điểm: Thành phố Hồ Chí Minh

Mục lục chi tiết

• LỜI CAM ĐOAN
• LỜI MỞ ĐẦU
• 1. CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ ROBOT
• 1.1. Tổng quan về Robot di động (Mobile Robot)
• 1.2. Phân loại Mobile Robot
• 1.3. Cách định hướng di chuyển của Mobile Robot
• 1.4. Ứng dụng của Mobile Robot
• 1.5. Các công trình nghiên cứu liên quan
• TÀI LIỆU THAM KHẢO

Tóm tắt

I. Hướng Dẫn Tổng Quan Thiết Kế Robot Dò Line Vượt Địa Hình

Việc thiết kế và thi công robot dò line vượt địa hình là một chủ đề phổ biến trong các đồ án robot dò đường và lĩnh vực robotics cơ bản. Đây không chỉ là một bài tập kỹ thuật mà còn là nền tảng để phát triển các hệ thống tự hành phức tạp hơn. Một robot dò line, về cơ bản, là một robot di động có khả năng tự động di chuyển theo một vạch kẻ (line) được vẽ sẵn trên một bề mặt. Phiên bản vượt địa hình yêu cầu cấu trúc cơ khí vững chắc hơn, hệ thống truyền động mạnh mẽ và thuật toán điều khiển thông minh để xử lý các bề mặt không bằng phẳng và độ dốc. Các ứng dụng thực tế của công nghệ này rất đa dạng, từ xe tự hành (AGV) trong các nhà kho tự động của Amazon đến robot thám hiểm không gian như Opportunity của NASA. Trong bối cảnh giáo dục, việc thực hiện một dự án như thế này giúp sinh viên tiếp cận với các khái niệm cốt lõi về cơ điện tử, bao gồm: lựa chọn linh kiện làm robot, thiết kế mạch điện tử, lập trình robot tự hành và các phương pháp điều khiển tiên tiến. Theo tài liệu nghiên cứu của Nghiêm Đình Thắng (2021), một dự án robot dò line thành công đòi hỏi sự kết hợp nhuần nhuyễn giữa thiết kế cơ khí, lựa chọn linh kiện điện tử phù hợp như vi điều khiển Arduino, và xây dựng một thuật toán điều khiển ổn định. Quá trình này bắt đầu từ việc tìm hiểu lý thuyết, mua sắm linh kiện, lắp ráp cơ khí, lập trình, và cuối cùng là chạy thử và hiệu chỉnh để hoàn thiện sản phẩm. Mỗi giai đoạn đều mang lại những kiến thức và kinh nghiệm quý báu, là tiền đề cho các dự án lớn hơn trong tương lai.

1.1. Khái niệm và ứng dụng của robot tự hành dò line

Robot tự hành dò line (Line Following Robot) là một dạng robot di động được lập trình để di chuyển theo một quỹ đạo xác định bởi một vạch kẻ có màu sắc tương phản với nền. Nguyên tắc hoạt động cơ bản dựa vào một dãy cảm biến dò line, thường là cảm biến hồng ngoại TCRT5000, để phát hiện vị trí của vạch kẻ và gửi tín hiệu về bộ xử lý trung tâm. Ứng dụng của chúng rất rộng rãi, từ các cuộc thi robot cho sinh viên, xe tự hành vận chuyển hàng hóa trong công nghiệp, đến các robot phục vụ trong nhà hàng. Tài liệu gốc đề cập đến các mô hình robot đạt giải cao như 'The Chariot' và 'Silvestre', chứng tỏ tầm quan trọng của việc tối ưu hóa thiết kế và thuật toán trong các ứng dụng thực tế.

1.2. Nền tảng robotics cơ bản cho đồ án robot dò đường

Để thực hiện thành công một đồ án robot dò đường, cần có kiến thức nền tảng về nhiều lĩnh vực. Về điện tử, cần hiểu về các linh kiện như vi điều khiển, cảm biến, và driver điều khiển động cơ. Về cơ khí, cần có kỹ năng thiết kế và lắp ráp khung xe robot 4WD sao cho cân bằng và ổn định. Về lập trình, việc nắm vững ngôn ngữ lập trình C++ cho Arduino là rất cần thiết để có thể viết code điều khiển robot. Tài liệu tham khảo nhấn mạnh rằng đây là đồ án nền tảng, giúp sinh viên làm quen với vi điều khiển họ AVR (Atmega328), mạch cầu H L298N, và môi trường lập trình IDE.

II. Thách Thức Khi Thi Công Robot Dò Line Trên Địa Hình Phức Tạp

Quá trình thiết kế và thi công robot dò line vượt địa hình đối mặt với nhiều thách thức kỹ thuật. Khác với robot chạy trên mặt phẳng, phiên bản vượt địa hình phải có khả năng leo dốc, di chuyển trên bề mặt gồ ghề mà không bị trượt bánh hay mất phương hướng. Thách thức lớn nhất nằm ở việc cân bằng giữa tốc độ và sự ổn định. Như được chỉ ra trong báo cáo, một trong những nhược điểm của mô hình là "dễ bị trượt khỏi đường khi chạy vận tốc cao, khi bẻ cua, xuống dốc". Nguyên nhân có thể đến từ thiết kế cơ khí chưa tối ưu, quán tính của robot, hoặc do tốc độ của bốn động cơ DC giảm tốc không đồng đều. Một thách thức khác là việc lựa chọn linh kiện làm robot. Việc chọn sai loại bánh xe robot địa hình có độ bám đường kém hoặc động cơ không đủ mô-men xoắn sẽ ảnh hưởng trực tiếp đến khả năng leo dốc. Ngoài ra, việc hiệu chỉnh thuật toán điều khiển là một quá trình phức tạp, đòi hỏi nhiều lần thử nghiệm và tinh chỉnh. Thuật toán phải đủ thông minh để xử lý các tình huống đặc biệt như ngã rẽ 90 độ, giao lộ, hoặc các đoạn đường có độ dốc thay đổi đột ngột. Sự sai lệch nhỏ trong việc đọc tín hiệu từ cảm biến dò line cũng có thể dẫn đến việc robot đi chệch hướng hoàn toàn. Việc đảm bảo nguồn cấp năng lượng ổn định từ pin Lipo cho robot hoặc pin 18650 trong suốt quá trình hoạt động cũng là một yếu tố quan trọng cần được xem xét kỹ lưỡng.

2.1. Vấn đề lựa chọn linh kiện làm robot phù hợp nhất

Việc lựa chọn linh kiện là bước khởi đầu quan trọng, quyết định đến hiệu năng và chi phí của robot. Cần phải cân nhắc giữa các loại vi điều khiển Arduino khác nhau, chọn module cảm biến QTR-8A hay các cảm biến hồng ngoại rời rạc, và quyết định loại động cơ DC giảm tốc nào có tỉ số truyền và mô-men xoắn phù hợp với trọng lượng robot và độ dốc của địa hình. Tài liệu gốc đã liệt kê chi tiết các linh kiện được sử dụng, bao gồm Arduino Uno R3, Module L298N, 5 cảm biến hồng ngoại, và 4 động cơ DC, cung cấp một cấu hình tham khảo hiệu quả cho người mới bắt đầu.

2.2. Khó khăn trong việc hiệu chỉnh thuật toán điều khiển

Hiệu chỉnh thuật toán là giai đoạn tốn nhiều thời gian nhất. Một thuật toán dò line đơn giản có thể hoạt động tốt trên đường thẳng nhưng lại thất bại ở những khúc cua gấp hoặc ngã ba. Báo cáo nghiên cứu đã mô tả cách mã hóa tín hiệu từ 5 cảm biến để xử lý các trường hợp rẽ góc vuông. Tuy nhiên, phương pháp này vẫn còn hạn chế. Để tăng độ chính xác và ổn định, nhiều nghiên cứu đề xuất sử dụng thuật toán PID. Việc tinh chỉnh các tham số P (Proportional), I (Integral), và D (Derivative) trong điều khiển PID cho robot là một bài toán khó, đòi hỏi kiến thức sâu về lý thuyết điều khiển tự động và kinh nghiệm thực tế.

III. Phương Pháp Thiết Kế Phần Cứng Robot Dò Line Vượt Địa Hình

Nền tảng của một robot dò line hiệu quả là một thiết kế phần cứng vững chắc và được tính toán kỹ lưỡng. Quá trình này bao gồm hai phần chính: thiết kế cơ khí và thiết kế mạch điện tử. Về cơ khí, việc lựa chọn khung xe robot 4WD (4 bánh chủ động) là một phương án tối ưu được đề xuất trong tài liệu gốc. Ưu điểm của cấu trúc này là sự cân bằng, độ bám đường tốt và khả năng leo dốc vượt trội so với xe 3 bánh. Việc sử dụng các loại bánh xe robot địa hình có độ ma sát cao cũng góp phần quan trọng trong việc chống trượt. Nhiều dự án chuyên nghiệp còn sử dụng phần mềm thiết kế 3D robot như Solidworks thiết kế robot để mô phỏng và tối ưu hóa kết cấu trước khi thi công thực tế. Về phần điện tử, trái tim của hệ thống là bo mạch Arduino Uno R3, chịu trách nhiệm nhận tín hiệu từ các cảm biến dò line và xuất lệnh điều khiển. Để điều khiển 4 động cơ DC giảm tốc, một driver điều khiển động cơ như mạch cầu H L298N là lựa chọn phổ biến và tiết kiệm chi phí. Sơ đồ kết nối các linh kiện phải được thiết kế rõ ràng để tránh sai sót. Nguồn điện, thường là các cell pin 18650 hoặc pin Lipo cho robot, cần được tính toán dung lượng để đảm bảo robot có thể hoạt động đủ lâu. Toàn bộ hệ thống phần cứng này phải được lắp ráp một cách chắc chắn, đảm bảo không có sự rung lắc quá mức khi robot di chuyển ở tốc độ cao.

3.1. Lựa chọn vi điều khiển Arduino và driver L298N

Bo mạch Arduino Uno R3 được chọn làm bộ não trung tâm nhờ vào ưu điểm dễ sử dụng, cộng đồng hỗ trợ lớn và nhiều thư viện có sẵn. Nó hoạt động dựa trên chip Atmega328 và cung cấp đủ các chân I/O để kết nối với hệ thống cảm biến và driver. Module mạch cầu H L298N được sử dụng để điều khiển chiều và tốc độ quay của động cơ. Mỗi IC L298N có thể điều khiển độc lập 2 động cơ DC, với dòng tối đa lên đến 2A mỗi kênh, đủ mạnh cho hầu hết các loại động cơ DC giảm tốc phổ thông.

3.2. Thiết kế hệ thống cảm biến và khung xe robot 4WD

Hệ thống cảm biến trong dự án này bao gồm 5 cặp LED thu/phát hồng ngoại. Các cảm biến này hoạt động dựa trên nguyên tắc phản xạ ánh sáng: bề mặt sáng (line trắng) phản xạ nhiều ánh sáng, bề mặt tối (nền đen) hấp thụ ánh sáng. Tín hiệu trả về (mức 0 hoặc 1) được vi điều khiển đọc để xác định vị trí của robot so với line. Khung xe được chọn là loại 4 bánh chủ động (khung xe robot 4WD) để tối ưu hóa độ bám và sự ổn định, đặc biệt quan trọng khi vượt địa hình dốc.

IV. Bí Quyết Lập Trình Robot Tự Hành Dò Line Với Thuật Toán PID

Phần hồn của dự án thiết kế và thi công robot dò line vượt địa hình nằm ở chương trình điều khiển. Một code mẫu robot dò line hiệu quả cần có khả năng xử lý tín hiệu analog (hoặc digital) từ cảm biến một cách chính xác và đưa ra quyết định điều khiển động cơ nhanh chóng. Ngôn ngữ lập trình phổ biến nhất cho nền tảng này là lập trình C++ cho Arduino. Thuật toán điều khiển có thể chia thành hai cấp độ: cơ bản và nâng cao. Ở mức cơ bản, robot hoạt động theo logic bật-tắt (on-off) hoặc các quy tắc if-else dựa trên trạng thái của các cảm biến. Phương pháp này đơn giản nhưng thường khiến robot di chuyển giật cục và không ổn định ở tốc độ cao. Để khắc phục, các hệ thống tiên tiến hơn áp dụng thuật toán PID (Proportional-Integral-Derivative). Đây là một cơ chế điều khiển vòng lặp phản hồi, liên tục tính toán giá trị sai số (Error) giữa vị trí hiện tại của robot và vị trí mong muốn (chính giữa line). Sau đó, nó điều chỉnh tốc độ của hai động cơ một cách mượt mà để giảm sai số về 0. Thành phần P (Tỷ lệ) giúp robot phản ứng nhanh với sai số. Thành phần I (Tích phân) giúp khử sai số tích lũy theo thời gian. Thành phần D (Vi phân) giúp giảm thiểu dao động và ổn định hệ thống. Việc triển khai và hiệu chỉnh điều khiển PID cho robot là một kỹ năng quan trọng trong lập trình robot tự hành, giúp robot bám line mượt mà ngay cả ở những khúc cua khó và tốc độ cao.

4.1. Giải thuật dò line cơ bản và mã hóa tín hiệu cảm biến

Trong tài liệu gốc, giải thuật được xây dựng bằng cách mã hóa trạng thái của 5 cảm biến dò line thành một giá trị sai số (ERROR) duy nhất, từ -4 đến 4. Ví dụ, khi cảm biến trung tâm (số 3) nằm trên line, ERROR = 0 và robot đi thẳng. Khi robot lệch sang phải, ERROR nhận giá trị dương và robot sẽ được điều khiển để rẽ trái, và ngược lại. Phương pháp này hiệu quả cho các đường đi đơn giản nhưng gặp khó khăn ở các góc cua 90 độ, đòi hỏi các trường hợp mã hóa đặc biệt.

4.2. Phân tích code mẫu robot dò line viết bằng C cho Arduino

Đoạn code mẫu robot dò line được cung cấp trong báo cáo sử dụng một chuỗi các lệnh if để kiểm tra biến ERROR. Với mỗi giá trị của ERROR, chương trình sẽ đặt tốc độ và chiều quay cho động cơ trái và phải thông qua các hàm analogWrite() (để điều khiển tốc độ qua PWM) và digitalWrite() (để điều khiển chiều quay thông qua mạch cầu H L298N). Cấu trúc code này rõ ràng và dễ hiểu cho người mới bắt đầu, là một điểm khởi đầu tốt trước khi chuyển sang các thuật toán phức tạp hơn như thuật toán PID.

V. Kết Quả Thi Công Robot Dò Line Và Hướng Tối Ưu Hóa Hiệu Năng

Kết quả cuối cùng của dự án thiết kế và thi công robot dò line vượt địa hình là một sản phẩm hoạt động, đáp ứng được các yêu cầu cơ bản của đề bài. Robot có khả năng bám theo line trắng trên nền đen và vượt qua các đoạn dốc. Theo đánh giá trong báo cáo, ưu điểm của mô hình là bám line tương đối tốt, chương trình không quá phức tạp và linh kiện làm robot dễ tìm. Tuy nhiên, mô hình vẫn còn một số nhược điểm cần khắc phục. Tốc độ của robot chưa cao, và thường xảy ra hiện tượng trượt bánh khi vào cua gấp hoặc xuống dốc ở tốc độ cao. Nguyên nhân được xác định là do thiết kế cơ khí chưa hoàn hảo và tốc độ 4 bánh chưa đồng đều. Để tối ưu hóa, có nhiều hướng phát triển có thể được áp dụng. Hướng quan trọng nhất được đề xuất là chuyển từ thuật toán điều khiển if-else sang sử dụng thuật toán PID. Điều khiển PID cho robot sẽ giúp robot di chuyển mượt mà hơn và ổn định hơn ở tốc độ cao. Ngoài ra, có thể tăng số lượng cảm biến dò line để tăng độ phân giải, giúp xác định vị trí chính xác hơn. Việc thay thế các bánh xe robot địa hình bằng loại có chất lượng và độ bám tốt hơn cũng là một cải tiến quan trọng. Về lâu dài, có thể nâng cấp bộ xử lý trung tâm lên các vi điều khiển mạnh hơn Arduino để có tốc độ xử lý cao hơn, cho phép thực hiện các thuật toán phức tạp hơn.

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

Mô hình thực tế đã chứng minh được tính khả thi của thiết kế. Ưu điểm lớn nhất là sự đơn giản trong thiết kế và lắp ráp, phù hợp với một đồ án robot dò đường nhập môn. Nhược điểm chính là hiệu suất hoạt động chưa cao, đặc biệt là ở tốc độ và khả năng xử lý các góc cua khó. Những nhược điểm này cung cấp cơ sở quan trọng để xác định các hướng cải tiến trong tương lai.

5.2. Phương pháp hiệu chỉnh và khắc phục lỗi thường gặp

Quá trình hiệu chỉnh bao gồm việc điều chỉnh tốc độ PWM trong code để cân bằng tốc độ hai bên bánh xe. Một lỗi thường gặp là robot bị "lạc đường" ở các ngã ba hoặc góc vuông. Cách khắc phục được trình bày trong tài liệu là mã hóa các trường hợp đặc biệt này trong code. Ví dụ, khi 3 cảm biến ngoài cùng bên phải cùng phát hiện line trắng, chương trình sẽ hiểu đây là một góc cua 90 độ và thực hiện lệnh quay gấp. Việc này đòi hỏi thử nghiệm và tinh chỉnh lặp đi lặp lại trên sa bàn thực tế.

VI. Tương Lai Của Robot Dò Line Và Các Hướng Phát Triển Mở Rộng

Dự án thiết kế và thi công robot dò line vượt địa hình không phải là điểm kết thúc, mà là nền tảng cho nhiều hướng phát triển thú vị và phức tạp hơn. Trong tương lai, robot dò line có thể được tích hợp thêm nhiều tính năng để trở nên thông minh và đa dụng hơn. Một trong những hướng phát triển phổ biến nhất là kết hợp khả năng dò line với khả năng tránh vật cản. Bằng cách trang bị thêm các cảm biến siêu âm HC-SR04 hoặc cảm biến hồng ngoại đo khoảng cách, robot có thể phát hiện và tự động né tránh các chướng ngại vật xuất hiện trên đường đi. Một hướng nâng cao khác là xây dựng khả năng "ghi nhớ đường đi" và tìm đường ngắn nhất. Robot có thể chạy một lượt để lập bản đồ sa bàn, sau đó ở những lượt chạy sau, nó sẽ tự động chọn con đường tối ưu nhất để đến đích. Xa hơn nữa, có thể nâng cấp hệ thống điều khiển, sử dụng các bo mạch mạnh mẽ hơn như Raspberry Pi để áp dụng các thuật toán xử lý ảnh. Thay vì dùng cảm biến dò line, robot sẽ sử dụng camera để nhận diện đường đi, cho phép nó hoạt động trên nhiều loại bề mặt và điều kiện ánh sáng khác nhau. Những cải tiến này không chỉ nâng cao giá trị học thuật của dự án mà còn mở ra tiềm năng ứng dụng trong thực tế, từ mô phỏng robot trong giáo dục đến các hệ thống tự hành trong công nghiệp 4.0.

6.1. Hướng phát triển kết hợp robot tránh vật cản

Việc tích hợp thêm chức năng cho robot tránh vật cản là một bước tiến tự nhiên. Bằng cách lắp đặt cảm biến siêu âm HC-SR04 ở phía trước, robot có thể đo khoảng cách đến vật cản. Khi phát hiện chướng ngại vật, chương trình sẽ tạm dừng thuật toán dò line và thực hiện một chuỗi hành động được lập trình sẵn, như dừng lại, đi lùi, hoặc đi vòng qua vật cản trước khi tiếp tục tìm lại line. Điều này làm tăng tính tự chủ và độ an toàn của robot khi hoạt động trong môi trường thực tế.

6.2. Tiềm năng ứng dụng trong công nghiệp và giáo dục STEM

Các kiến thức và kỹ năng thu được từ việc làm robot dò line có thể được áp dụng rộng rãi. Trong công nghiệp, đây là nguyên lý cơ bản của các xe tự hành AGV trong nhà máy và kho bãi. Trong giáo dục STEM, các bộ kit làm robot dò line là công cụ tuyệt vời để giảng dạy về lập trình, điện tử và cơ khí cho học sinh, sinh viên. Việc mô phỏng robot trên các phần mềm trước khi chế tạo cũng là một phương pháp giảng dạy hiệu quả, giúp giảm chi phí và rủi ro.

Nội dung chính

Bối cảnh và vấn đề nghiên cứu

Ngành công nghiệp tự động hóa giữ vai trò thiết yếu trong việc đáp ứng các mục tiêu phát triển kinh tế và tiến trình công nghiệp hóa, hiện đại hóa. Lĩnh vực này là sự tích hợp liên ngành giữa kỹ thuật điện, điện tử, cơ khí, cơ điện tử, điều khiển tự động và công nghệ thông tin nhằm hình thành các hệ thống sản xuất tự động toàn diện. Trong các dòng sản phẩm tiêu biểu của ngành tự động hóa, robot di động (Mobile Robot) ngày càng khẳng định vị trí quan trọng nhờ khả năng di chuyển linh hoạt, thay thế con người thực hiện các nhiệm vụ trong môi trường nguy hiểm, độc hại hoặc thực hiện các công việc vận chuyển hàng hóa tự động trong kho bãi và nhà máy.

Đề tài "Thiết kế và thi công robot dò line vượt địa hình" được thực hiện trong khuôn khổ học phần Đồ án 1 thuộc Khoa Công nghệ Điện - Điện tử, Trường Đại học Công nghiệp Thực phẩm TP. Hồ Chí Minh. Nghiên cứu tập trung giải quyết bài toán thiết kế một mô hình xe tự hành bám quỹ đạo kết hợp khả năng vượt địa hình dốc, làm nền tảng kỹ thuật cơ sở cho các dự án nghiên cứu ứng dụng robot di động phức tạp hơn trong tương lai.

Mục tiêu và nhiệm vụ nghiên cứu của đề tài được xác định cụ thể theo các nội dung sau:

1. Nghiên cứu cơ sở lý thuyết về robot di động, các phương pháp định hướng di chuyển và khảo sát các mô hình robot dò line thực tế.
2. Thiết kế kết cấu cơ khí cho robot, đảm bảo độ vững chắc, hạn chế rung lắc và tối ưu hóa khả năng bám đường khi leo dốc.
3. Lựa chọn linh kiện, thiết kế hệ thống điện và sơ đồ đấu nối giữa bộ xử lý trung tâm, mạch công suất điều khiển động cơ và cụm cảm biến dò đường.
4. Xây dựng giải thuật nhận diện sai lệch đường line và lập trình điều khiển chuyển động trên môi trường Arduino IDE.
5. Thi công mô hình phần cứng, tạo lập sa bàn thử nghiệm có địa hình dốc và tiến hành chạy thực nghiệm, tinh chỉnh chương trình.

Đối tượng và phạm vi nghiên cứu:

• Đối tượng nghiên cứu: Hệ thống robot dò đường 4 bánh chủ động dẫn động độc lập bằng động cơ một chiều, trang bị cụm cảm biến hồng ngoại và vi điều khiển nhúng.
• Phạm vi không gian (sa bàn thực nghiệm): Sân thi đấu làm bằng gỗ kích thước 2.000 mm x 4.000 mm, nền màu đen, đường dẫn hướng màu trắng có độ rộng vạch là 20 mm. Địa hình thử nghiệm bao gồm các đoạn đường thẳng, đường chéo, khúc rẽ vuông góc 90 độ, các giao lộ ngã ba và địa hình mố cầu vượt dốc với góc nghiêng không quá 37 độ. Quỹ đạo di chuyển chuẩn: Xuất phát 1 (hoặc 2) $\rightarrow$ Cầu vượt 1 (hoặc 3) $\rightarrow$ Cầu vượt 2 $\rightarrow$ Vượt sông $\rightarrow$ Điểm hoàn thành.
• Phạm vi thời gian: Đề tài được triển khai thực hiện và hoàn thành trong học kỳ phụ trách năm học 2020 - 2021 (thời điểm nghiệm thu báo cáo vào tháng 6 năm 2021).

Cơ sở lý thuyết và phương pháp

Khung lý thuyết của đề tài dựa trên nguyên lý hoạt động của robot di động và kỹ thuật dẫn hướng bằng đường line vật lý (Wire/Line guidance). Để robot tự định hướng mà không cần sự can thiệp từ xa của con người, hệ thống sử dụng nguyên lý phản xạ ánh sáng của bức xạ hồng ngoại: bề mặt màu trắng có hệ số phản xạ ánh sáng cao làm cảm biến xuất tín hiệu logic mức cao (HIGH/1), trong khi bề mặt màu đen hấp thụ gần như hoàn toàn tia hồng ngoại khiến cảm biến phản hồi tín hiệu logic mức thấp (LOW/0).

Về mặt điều khiển chấp hành, nghiên cứu ứng dụng nguyên lý mạch cầu H (H-Bridge) tích hợp trên vi mạch bán dẫn để đảo chiều dòng điện qua cuộn dây phần ứng của động cơ DC, kết hợp với phương pháp điều chế độ rộng xung (Pulse Width Modulation - PWM) nhằm thay đổi điện áp hiệu dụng đặt lên tải, từ đó điều chỉnh tốc độ góc của các bánh xe chủ động.

Phương pháp nghiên cứu thực tế được tác giả áp dụng bao gồm:

• Phương pháp phân tích - tổng hợp lý thuyết: Phân tích tài liệu kỹ thuật về các dòng vi điều khiển 8-bit họ AVR, vi mạch công suất L298N, động cơ DC giảm tốc và khảo sát các thiết kế xe dò line đạt thành tích cao trong các cuộc thi robot quốc tế (như robot "The Chariot", "Silvestre", "Fireball").
• Phương pháp tính toán và thiết kế kỹ thuật: Tính toán phân bố trọng tâm, lựa chọn cấu hình hệ dẫn động 4 bánh chủ động thay vì cấu hình 3 bánh nhằm gia tăng độ bám mặt đường khi leo dốc nghiêng; sơ đồ hóa các khối chức năng và thiết lập bảng ánh xạ trạng thái cảm biến.
• Phương pháp thực nghiệm mô hình: Lắp ráp phần cứng thực tế trên khung mica, đấu nối mạch dây dẫn ngoại vi và tiến hành nạp code, hiệu chỉnh thông số điều khiển thông qua quan sát chuyển động của xe trên sa bàn gỗ mô phỏng.

Nguồn dữ liệu của đề tài bao gồm thông số kỹ thuật tiêu chuẩn (datasheet) do các nhà sản xuất linh kiện công bố (chip vi xử lý ATmega328P, vi mạch L298N, cell pin Li-ion 18650) kết hợp với các số liệu đo kiểm thực tế về kích thước sa bàn, góc nghiêng dốc cầu và kết quả ghi nhận trạng thái logic của cảm biến quang điện.

Thiết kế và triển khai

Hệ thống robot dò line vượt địa hình được cấu trúc thành ba khối chức năng chính: khối cảm biến thu thập thông tin quỹ đạo, khối xử lý trung tâm và khối chấp hành công suất.

Nhóm chức năng	Tên linh kiện / Thiết bị	Thông số kỹ thuật chính	Số lượng
Xử lý trung tâm	Board Arduino Uno R3	Vi điều khiển ATmega328P, tần số thạch anh 16 MHz, bộ nhớ Flash 32 KB, SRAM 2 KB, EEPROM 1 KB; 14 chân Digital I/O, 6 chân Analog Input	01 cái
Cảm biến dẫn đường	Module cảm biến hồng ngoại	Cặp LED thu/phát hồng ngoại, điện áp hoạt động 3,3V - 5V, khoảng cách phát hiện vật cản/mặt sàn từ 0,5 cm đến 4 cm, ngõ ra Digital	05 cái
Mạch công suất	Module điều khiển động cơ L298N	Tích hợp 2 mạch cầu H, dòng tải định mức 2A/cầu (cực đại 4A khi mắc song song), công suất cực đại 25W, tích hợp IC hạ áp 7805 (ngõ ra 5VDC)	01 cái
Cơ cấu chấp hành	Động cơ DC giảm tốc V1	Điện áp 3 - 9VDC, dòng tiêu thụ 110 - 140 mA, tỉ số truyền hộp số 1:48, tốc độ 125 vòng/phút (tại 3VDC) và 208 vòng/phút (tại 5VDC)	04 cái
Bánh xe	Bánh xe đồng trục	Đường kính và độ ma sát phù hợp với trục động cơ V1	04 chiếc
Nguồn điện	Cell pin Li-ion 18650 + Đế pin	Điện thế danh định 3,7V/cell, điện thế khi sạc đầy 4,2V/cell, dung lượng thực tế 1.340 mAh, dòng xả cực đại 5C (12A)	02 cell
Kết cấu & phụ kiện	Tấm mica, Breadboard, Dây cắm	Khung mica 13 cm x 14 cm, công tắc một chiều, 27 dây cắm nối Breadboard loại Female - Female (F-F) dài 20 cm	01 bộ

Sơ đồ kết nối phần cứng giữa các khối:

• Cụm cảm biến hồng ngoại 5 mắt (IR1 đến IR5) được cấp nguồn 5V và GND từ bo mạch Arduino; các chân tín hiệu ra dạng số của cảm biến từ IR1 đến IR5 được kết nối lần lượt vào các chân Analog từ A0 đến A4 trên bo Arduino (được cấu hình làm các ngõ vào số để đọc dữ liệu).
• Mạch công suất L298N kết nối với Arduino thông qua các chân điều khiển logic: chân 6 (nối chân IN1), chân 7 (nối chân IN2), chân 8 (nối chân IN3), chân 9 (nối chân IN4). Hai chân điều chế độ rộng xung PWM được kết nối vào chân số 5 (nối chân ENA - điều khiển vế động cơ bên trái) và chân số 10 (nối chân ENB - điều khiển vế động cơ bên phải).
• Cổng ra công suất: Cụm chân OUT1 và OUT2 điều khiển song song 2 động cơ DC bên trái; cụm chân OUT3 và OUT4 điều khiển song song 2 động cơ DC bên phải.
• Nguồn cấp: Hai cell pin 18650 mắc nối tiếp cung cấp điện áp danh định từ 7,4V đến 8,4VDC vào ngõ vào 12V của module L298N. Cổng 5V hạ áp từ IC 7805 trên module L298N được dùng để cấp nguồn ngược lại cho bo mạch vi điều khiển Arduino Uno R3 thông qua chân Vin.

Chiến lược giải thuật dò line được xây dựng dựa trên việc gán trọng số cho 5 cảm biến hồng ngoại đặt ngang ở phần đầu xe với thứ tự lần lượt là IR1 (-4), IR2 (-2), IR3 (0), IR4 (2) và IR5 (4). Điểm đặt mong muốn (setpoint) của hệ thống luôn là 0, tương ứng với vị trí cảm biến trung tâm IR3 nằm đè lên vạch line trắng. Trạng thái lệch line được mã hóa thành các giá trị sai số ERROR để vi điều khiển tính toán xuất xung PWM điều khiển tốc độ hai vế bánh xe:

Trạng thái cảm biến (IR1 - IR5)	Sai số mã hóa (ERROR)	Hướng di chuyển tương ứng	Trạng thái xung PWM xuất ra Driver (Trái - Phải)
00100	0	Xe ở chính giữa line, tiến thẳng	Chân 5: 178 / Chân 10: 178
00110	1	Lệch nhẹ sang trái, rẽ phải bù	Chân 5: 169 / Chân 10: 174
00010	2	Lệch sang trái mức 2, rẽ phải	Chân 5: 212 / Chân 10: 211
00011	3	Lệch sang trái mức 3, bẻ lái phải	Chân 5: 92 / Chân 10: 188
00001	4	Lệch hẳn sang trái, quay phải gắt	Chân 5: 253 / Chân 10: 39
01100	-1	Lệch nhẹ sang phải, rẽ trái bù	Chân 5: 233 / Chân 10: 236
01000	-2	Lệch sang phải mức 2, rẽ trái	Chân 5: 200 / Chân 10: 202
11000	-3	Lệch sang phải mức 3, bẻ lái trái	Chân 5: 119 / Chân 10: 128
10000	-4	Lệch hẳn sang phải, quay trái gắt	Chân 5: 157 / Chân 10: 174
00000	5	Mất vạch dẫn hoàn toàn	Chân 5: 128 / Chân 10: 128 (chạy chậm dò tìm)
11111	-5	Toàn bộ cảm biến chạm nền trắng	Chân 5: 0 / Chân 10: 0 (dừng hệ thống)

Xử lý các tình huống sa bàn đặc biệt:

• Khúc cua vuông góc 90 độ (Vị trí đặc biệt 1): Khi robot tiếp cận góc rẽ vuông, các cảm biến IR3, IR4, IR5 (hoặc IR1, IR2, IR3) đồng thời nhận diện vạch trắng (trạng thái logic HIGH). Thuật toán kích hoạt lệnh quay xe tại chỗ với vận tốc cao bằng cách đảo ngược logic một vế động cơ (ví dụ chân 6 LOW, chân 7 HIGH, chân 8 HIGH, chân 9 LOW) và đẩy xung PWM lên các mức tối đa (lên tới 254) để thân xe xoay nhanh cho đến khi cảm biến biên ngoài cùng chạm vạch và đưa xe về vùng điều chỉnh cân bằng.
• Giao lộ ngã ba và phân làn nhánh (Vị trí đặc biệt 2 và 3): Nhằm ngăn ngừa robot đi chệch vào nhánh đường cấm (Vị trí đặc biệt 3) và định hướng xe theo "Hướng di chuyển 1", tác giả mở rộng mã hóa các trạng thái kết hợp không đối xứng của cảm biến (ví dụ trạng thái 10100 khi bánh trước chém góc rẽ) để ép xung điều khiển rẽ trái cưỡng bức, duy trì việc bám vạch trên cung đường quy định.

Nội dung chính theo từng chương

Chương 1: Tổng quan về robot

Chương này khái quát toàn diện về lịch sử, khái niệm và phân loại hệ thống Mobile Robot. Tác giả phân chia robot di động theo môi trường hoạt động (ngoài trời, trong nhà, trên không, dưới nước) và theo phương thức di chuyển (bánh xe, bánh xích, chân mô phỏng sinh học). Các công nghệ dẫn hướng tự động được khảo sát bao gồm: dẫn hướng laser (Laser guidance), điểm từ (Magnetic spot guidance - gắn liền với khái niệm khoảng cách không tính toán dead-reckoning), băng từ (Magnetic tape guidance) và dẫn hướng bằng đường line (Wire/Line guidance).

Chương 1 cũng điểm lại các ứng dụng thực tế tiêu biểu của robot di động như xe tự hành thám hiểm Sao Hỏa Opportunity của NASA (hoạt động 15 năm từ 2003 đến 2018, vượt quãng đường 45,16 km), robot Scorpion của Toshiba tham gia xử lý sự cố nhà máy điện hạt nhân Fukushima năm 2015, robot kho vận tự động của Amazon, robot hút bụi gia dụng Xiaomi Roborock Gen 3 và robot phục vụ tại các nhà hàng. Về các công trình liên quan, tác giả khảo sát chi tiết ba mẫu robot dò line thi đấu quốc tế:

• Robot "The Chariot" (cuộc thi LV Bots April line following): Khối lượng 210 g, kết cấu 2 bánh sau chủ động và 1 bánh trước tự lựa, dùng vi điều khiển A-Star 32u4 Mini LV, cảm biến 6 sensor QTR-8RC và bộ điều khiển PID.
• Robot "Silvestre" (vô địch Cosmo bot 2012): Khối lượng 250 g, kết cấu 2 bánh sau chủ động và 2 bánh trước tự lựa, dùng vi điều khiển LPC2148 nền ARM7, 8 cảm biến quang điện và động cơ Maxon DC Motor.
• Robot "Fireball" (đạt giải tại Bot Brawl 2010 và ChiBot’s Fall 2010): Dùng vi điều khiển đa lõi Parallax Propeller, thanh cảm biến 8 mắt QTR-8RC và động cơ DC Servo của Maxon.

Chương 2: Yêu cầu và cơ sở thực hiện

Chương 2 trình bày chi tiết các yêu cầu kỹ thuật do giảng viên hướng dẫn đặt ra đối với đồ án, bao gồm cấu trúc sa bàn và quy cách quỹ đạo chạy. Nội dung trọng tâm của chương là phân tích, lựa chọn cấu trúc phần cứng và thuyết minh thông số kỹ thuật của toàn bộ linh kiện sử dụng trong mô hình.

Tác giả đưa ra lập luận lựa chọn phương án xe 4 bánh chủ động dẫn động độc lập thay vì mô hình 3 bánh (2 bánh chủ động kết hợp 1 bánh tự lựa). Mặc dù cấu hình 4 bánh có nhược điểm là kích thước cồng kềnh hơn và trọng lượng bản thân nặng hơn, nhưng ưu điểm vượt trội là độ thăng bằng cao, diện tích tiếp xúc mặt đường lớn, khả năng chịu tải tốt và cung cấp lực kéo đồng đều trên cả 4 trục, đáp ứng yêu cầu vượt qua các mố cầu dốc có góc nghiêng lên tới 37 độ trên sa bàn thi đấu. Toàn bộ thông số định mức của chip xử lý ATmega328, module mạch cầu H L298N, động cơ DC tỉ số truyền 1:48 và đặc tính xả dòng cao 5C của cell pin Li-ion 18650 đều được hệ thống hóa chi tiết.

Chương 3: Cơ sở thực hiện và giải thuật điều khiển

Nội dung Chương 3 tập trung vào thiết kế logic hệ thống, phân tích động học chuyển động của xe vi sai và xây dựng chương trình điều khiển nhúng. Tác giả phân tích chuyển động của robot dựa trên tương quan vận tốc giữa hai cụm bánh xe trái ($v_L$) và cụm bánh xe phải ($v_R$):

• Khi $v_L = v_R$: Robot chuyển động tịnh tiến thẳng về phía trước.
• Khi $v_L = -v_R$: Robot thực hiện chuyển động quay tròn tại tâm hình học.
• Khi $v_L > v_R$: Thân robot quay/bẻ lái về phía bên phải.
• Khi $v_L < v_R$: Thân robot quay/bẻ lái về phía bên trái.

Chương này trình bày chi tiết sơ đồ khối hệ thống điều khiển, sơ đồ đấu nối dây vật lý chi tiết từng chân của bo mạch Arduino với module driver L298N và cụm cảm biến hồng ngoại. Tác giả giải thích tường tận giải thuật chia nhỏ độ phân giải cảm biến thành các mức sai lệch vị trí từ -4 đến +4, đồng thời thiết lập các mức điều khiển băm xung PWM cụ thể trong mã nguồn viết bằng ngôn ngữ C/C++ trên môi trường Arduino IDE để giải quyết triệt để các góc cua vuông 90 độ và ngã ba chuyển hướng.

Chương 4: Kết quả và hướng phát triển cho đề tài

Chương cuối cùng tổng kết các kết quả kỹ thuật đạt được thông qua quá trình chạy thử nghiệm mô hình thực tế trên sa bàn mô phỏng. Tác giả đánh giá khách quan các ưu điểm như khả năng giữ vạch tương đối chính xác, bám line ổn định, đáp ứng được các tiêu chí vượt dốc của đề bài, cấu trúc chương trình sáng sủa và chi phí thi công thấp nhờ sử dụng linh kiện phổ biến.

Đồng thời, chương này cũng phân tích các nhược điểm còn tồn tại của hệ thống cơ khí và giải thuật điều khiển, chỉ rõ nguyên nhân phát sinh lỗi lệch line khi xe di chuyển ở vận tốc cao hoặc vượt dốc gắt, từ đó vạch ra các hướng mở rộng kỹ thuật nhằm hoàn thiện mô hình trong các học phần chuyên sâu tiếp theo.

Kết quả và đóng góp

Về kết quả thực nghiệm, đề tài đã thiết kế, thi công chế tạo hoàn chỉnh mô hình phần cứng của một xe robot di động 4 bánh chủ động và nạp chương trình điều khiển tự hành thành công. Các chỉ tiêu kỹ thuật thực nghiệm được ghi nhận trực tiếp trong văn bản bao gồm:

• Robot bám ổn định đường line trắng có bề rộng 20 mm trên nền đen của sa bàn gỗ kích thước 2.000 mm x 4.000 mm.
• Vượt qua thành công các cung đường dốc của cầu vượt với góc nghiêng lên đến 37 độ nhờ lực kéo đồng bộ từ 4 động cơ giảm tốc DC tỉ số truyền 1:48.
• Xử lý được các khúc cua ngoặt vuông góc 90 độ và điều hướng chính xác qua điểm giao cắt ngã ba phức tạp để về đích theo đúng quỹ đạo quy định mà không bị rẽ nhầm sang đường nhánh cấm.
• Thiết lập bảng giá trị băm xung PWM thực nghiệm điều khiển tốc độ linh hoạt theo từng mức độ lệch line của cụm cảm biến hồng ngoại (dải giá trị PWM điều khiển biến thiên từ 0 đến 254).

Về giải pháp và kiến nghị kỹ thuật, tác giả đề xuất việc phối hợp điều khiển logic phân cực cầu H kết hợp băm xung PWM không đối xứng ở hai bên bánh xe để tạo ra mô-men quay đủ lớn giúp xe đổi hướng nhanh tại các góc rẽ gắt mà không cần trang bị thêm cơ cấu bẻ lái cơ khí phức tạp.

Đóng góp tự nêu của tác giả trong báo cáo:

• Đã hoàn thành một mô hình robot tự hành mức độ hoàn chỉnh từ khâu thiết kế cơ khí, thiết kế hệ thống mạch điện đến xây dựng thuật toán điều khiển nhúng với chi phí tiết kiệm, sử dụng linh kiện sẵn có trên thị trường.
• Đưa ra phương án sử dụng hệ thống dẫn động 4 bánh chủ động mang lại khả năng phân bổ trọng lượng và thăng bằng tốt hơn so với kết cấu xe 3 bánh truyền thống khi phải hoạt động trên các địa hình dốc nghiêng lớn.
• Báo cáo cung cấp tài liệu kỹ thuật thực tế về việc ghép nối vi điều khiển ATmega328 với mạch công suất L298N và xử lý tín hiệu cảm biến hồng ngoại phục vụ trực tiếp cho các sinh viên tiếp cận môn học Đồ án 1 ngành Kỹ thuật Điện - Điện tử và Tự động hóa.

Hạn chế và hướng nghiên cứu tiếp

Hạn chế của đề tài được tác giả ghi nhận từ thực tế vận hành:

• Tại các khúc rẽ có độ ngoặt lớn và khi chạy ở vận tốc cao, xe vẫn còn xuất hiện sai sót và có xu hướng bị trượt bánh văng ra khỏi vạch line.
• Tốc độ vận hành tổng thể của robot chưa cao; xe dễ mất quỹ đạo khi chuyển tiếp giữa giai đoạn leo dốc và đổ dốc do ảnh hưởng của quán tính cơ học và độ đồng đều tốc độ của 4 động cơ DC chưa đạt mức tuyệt đối.
• Thuật toán điều khiển hiện tại dựa trên bảng mã hóa các trường hợp cố định (if-else), chưa có cơ chế phản hồi vòng kín tự động bù trừ sai lệch một cách mềm mại.

Hướng nghiên cứu tiếp được tác giả đề xuất:

• Ứng dụng thuật toán điều khiển vi tích phân tỉ lệ PID (Proportional - Integral - Derivative) để tối ưu hóa quá trình điều khiển tốc độ và bám quỹ đạo mượt mà hơn, hạn chế hiện tượng giật cục khi đổi hướng.
• Gia tăng số lượng mắt cảm biến quang điện trên thanh dò line nhằm nâng cao độ phân giải không gian của hệ thống thu nhận tín hiệu vị trí.
• Cải tiến cơ cấu truyền động: xem xét thay thế động cơ DC giảm tốc bằng động cơ RC Servo chuyên dụng để bẻ góc lái, hoặc sử dụng động cơ bước (Stepper Motor) nhằm nâng cao độ chính xác điều khiển vị trí và góc quay.
• Nâng cấp bộ xử lý trung tâm sang các dòng vi điều khiển có xung nhịp và tốc độ tính toán cao hơn họ vi điều khiển 8-bit hiện tại.
• Thay thế bánh xe cao su có hệ số ma sát và độ bám đường tốt hơn để chống hiện tượng trượt quán tính khi xuống dốc.
• Bổ sung cảm biến siêu âm hoặc cảm biến quang để tích hợp tính năng phát hiện, tránh chướng ngại vật; kết hợp thuật toán ghi nhớ bản đồ (nhớ đường) và tối ưu hóa đường đi ngắn nhất trên sa bàn phức tạp.

Giá trị tham khảo

Báo cáo đồ án là tài liệu tham khảo thực tiễn hữu ích dành cho sinh viên thuộc các chuyên ngành Công nghệ Kỹ thuật Điều khiển và Tự động hóa, Kỹ thuật Cơ điện tử, Kỹ thuật Điện - Điện tử hoặc Kỹ thuật Robot khi bước đầu thực hiện các đồ án môn học, đề tài nghiên cứu về xe tự hành AGV hoặc tham gia các cuộc thi sáng tạo robot dò line (Line Following Robot).

Nội dung đáng tham khảo nhất trong công trình bao gồm:

• Phương pháp luận phân tích cơ cấu dẫn động vi sai 4 bánh chủ động phục vụ bài toán leo dốc nghiêng lớn.
• Sơ đồ đấu nối dây vật lý chi tiết và nguyên lý cấp nguồn cách ly/hạ áp giữa khối vi xử lý logic 5V và khối động cơ công suất tiêu thụ dòng lớn thông qua vi mạch L298N.
• Bảng ánh xạ trạng thái cảm biến quang điện sang giá trị sai số vị trí ERROR và tập thông số băm xung PWM thực nghiệm được kiểm chứng trong chương trình điều khiển thực tế.

Câu hỏi thường gặp

1. Robot sử dụng cấu hình dẫn động mấy bánh và vì sao tác giả lựa chọn cấu hình này?
Robot sử dụng cấu hình 4 bánh chủ động, trong đó cả 4 bánh xe đều được kết nối trực tiếp với 4 động cơ DC giảm tốc riêng biệt. Tác giả chọn phương án này vì cấu hình 4 bánh mang lại độ cân bằng cơ học cao hơn xe 3 bánh, khả năng bám đường và bắt vạch tốt hơn, chịu tải ổn định và đặc biệt là tối ưu hóa lực kéo giúp xe có đủ mô-men để leo qua các dốc cầu nghiêng tới 37 độ trên sa bàn thi đấu.

2. Nguồn điện cấp cho hệ thống robot và module điều khiển động cơ L298N được thiết kế như thế nào?
Hệ thống sử dụng bộ nguồn gồm 2 cell pin sạc Li-ion 18650 mắc nối tiếp, cung cấp điện áp danh định khoảng 7,4V (đạt 8,4V khi sạc đầy) với dòng xả cao lên tới 5C (12A). Nguồn dương từ khối pin này được cấp trực tiếp vào chân 12V của module driver L298N. Module này sử dụng IC hạ áp 7805 tích hợp sẵn để trích xuất nguồn điện 5VDC cấp ngược lại cho bo mạch vi điều khiển Arduino Uno R3 thông qua chân Vin, giúp tối ưu hóa kết cấu nguồn mà không cần trang bị thêm khối nguồn phụ cho vi điều khiển.

3. Giải thuật dò đường của robot mã hóa tín hiệu từ cụm cảm biến hồng ngoại như thế nào?
Cụm dò đường gồm 5 cảm biến hồng ngoại (IR1 đến IR5) được tác giả gán trọng số không gian lần lượt là -4, -2, 0, 2, 4 với điểm đặt mong muốn setpoint = 0. Tín hiệu phản xạ từ vạch trắng đưa về mức logic HIGH (1) và nền đen đưa về mức LOW (0). Vi điều khiển phân tích tổ hợp tín hiệu logic từ 5 cảm biến này để mã hóa thành các giá trị sai số ERROR từ -4 đến +4 (và các giá trị mở rộng đến $\pm 8$), từ đó tra cứu bảng băm xung PWM định sẵn để điều chỉnh chênh lệch tốc độ giữa hai vế bánh xe nhằm đưa xe trở lại tâm vạch.

4. Robot giải quyết khúc cua vuông góc 90 độ trên sa bàn thi đấu bằng cách thức nào?
Khi robot di chuyển đến góc cua vuông 90 độ, một nửa cụm cảm biến (ví dụ IR3, IR4 và IR5) sẽ đồng thời chạm vạch trắng và xuất tín hiệu logic 1. Thuật toán nhận diện trạng thái đặc biệt này và lập tức kích hoạt lệnh quay xe cưỡng bức với tốc độ cao: cấp tín hiệu đảo chiều quay của một vế động cơ đồng thời đẩy giá trị băm xung PWM lên mức cực đại (240 - 254). Khi xe hoàn tất góc xoay và chỉ còn cảm biến biên ngoài cùng (IR5) chạm vạch trắng, hệ thống tự động chuyển tiếp về giải thuật bám line thông thường để ổn định hướng đi.

5. Địa hình sa bàn thi đấu mà robot phải vượt qua có quy cách kỹ thuật cụ thể ra sao?
Sa bàn thi đấu được gia công bằng vật liệu gỗ, có kích thước tổng thể là 2.000 mm x 4.000 mm với nền sơn đen và đường dẫn hướng màu trắng rộng 20 mm. Đường đua kết hợp giữa đường thẳng, đường chéo, các khúc ngoặt vuông góc 90 độ, các giao lộ ngã ba và chướng ngại vật mố cầu vượt dốc (Cầu vượt 1, 2, 3 và chướng ngại vượt sông) với góc nghiêng leo/xuống dốc quy định không vượt quá 37 độ.

Kết luận

Báo cáo đồ án "Thiết kế và thi công robot dò line vượt địa hình" đã thực hiện thành công việc chế tạo và lập trình điều khiển mô hình xe tự hành 4 bánh chủ động trên nền tảng vi điều khiển ATmega328P của Arduino Uno R3 kết hợp vi mạch công suất L298N. Nghiên cứu đã chứng minh tính hiệu quả của phương án cấu hình cơ khí 4 bánh trong việc đảm bảo lực kéo vượt dốc nghiêng 37 độ và đề xuất giải thuật mã hóa tín hiệu cảm biến hồng ngoại phù hợp để xử lý các khúc rẽ vuông góc cùng giao lộ phức tạp trên sa bàn thử nghiệm. Mặc dù vẫn còn tồn tại các hạn chế do quán tính cơ học và giải thuật điều khiển chưa tích hợp cơ chế phản hồi vi tích phân tỉ lệ, công trình là tài liệu kỹ thuật có giá trị tham khảo thực nghiệm rõ ràng cho sinh viên khối ngành kỹ thuật điện - điện tử và tự động hóa.

Trích đoạn nội dung tài liệu

CHƯƠNG 1: TONG QUAN V EROBOT 1. T6éng quan v €Robot di động (Mobile Robot) Trong các họ robot, chúng ta không thể không nhắc tới Mobile Robot với những đặt thù riêng mà những loại robot khác không có. Mobile robot có khả năng tự di chuyển, có nghĩa là chúng có khả năng tự đi âI hướng trong một môi trưởng không biết trước mà không cân các thiết bị hướng dẫn vật lý hoặc cơ điện. Ngoài ra, mobile robot có thể dựa vào các thiết bị hướng dẫn cho phép nó di chuyển trên tuyến đường dẫn được xác định trước trong không gian được cho trước (robot tự đi`âi khiển), khác với các loại robot công nghiệp thường đặt øgn như cố định và hoạt động bằng các cánh tay robot.

Phân loại Mobile Robot: Mobile robot có thể được phân loại theo các cách sau: * Phân loại theo môi trưởng mà chúng di chuyển: - Robot ngoài trởi và robot trong nhà. Thông thưởng chùng đước lấp bánh xe nhưng cũng có khi được trang bị bánh xích hoặc chân giống người hoặc động vật. - Robot trên không: như các loại máy bay không người lái, drones,. - Robot dưới nước.

Robot chuyển động bằng bánh xe b. Robot chuyển động bằng bánh xích Hình 1.1 Robot chuyển động bằng bánh xe SVTH: Nghiêm Đình Thắng Trang | 2 a. Robot 6 chan gidng con nhện b. “Ché Robot” di chuyén bang 4 chan Hình 1.2 Robot chuyển động bằng chân * Phân loại theo phương pháp di chuyển: - Robot di chuyén bằng bánh xe (hình I.

- _ Robot di chuyển bằng bánh xích (hình 1. - _ Robot có chân, chân giống người hay giống động vật (hình 1. Cách định hướng di chuyển của Mobile Robot: a. Laser guldance wie.

Hệ thống Laser guidance Tia laser được phát ra từ Mobile robot sẽ duoc truy đến các mốc được đặt trong khu vực hoạt động như (hình 1. Khoảng cách và góc từ Mobile robot đến các mốc sẽ được truy ` đến bộ xử lý để tính toán vị trí Mobile robot, từ đó truy `& tín hiệu để Mobile robot đi đúng hướng đến vị trí mong muốn. * Đặc điểm: - Bản đ ôhoạt động của Mobile robot được lưu trữ trước trong bô nhớ. - Đường đi của Mobile robot có thể dễ dáng được thay đổi và mở rộng.

- Đây là phương pháp dẫn hướng chính xác nhất. Magnetic spot guidance (hay con goi la điểm từ) Hinh 1.4 Magnetic spot guidance Các điểm từ được đặt trước trên n` nhà như (hình 1. Bộ cảm biến từ được lấp trên robot sẽ cảm biến trên robot sẽ nhận diện các điểm từ này. Ứng với mỗi điểm từ sẽ có một lệnh được cài đặt sẵn từ trước cho robot (đi thẳng, rẽ trái/ phải 90°,.

Robot sẽ thực hiện lệnh đó cho đến khi gặp phải một điểm từ khác. Khoảng di chuyển giữa 2 điểm từ gọi là khoảng không tính toán (dead-reckoning) (hình 1. Magnet spot Magnet spot Magnet spot t1 a 2 < AGV t2 a_. + AGV | Dead-reckoning > Dead-reckoning —> Hình 1.5 Khoảng không tính toán (Dead-reckoning) * Đặc điểm: - Đường đi được quy định bằng các điểm từ.

- Đường dẫn gián đoạn. - Hệ thống đường dẫn có thể thay đổi. - Sai lệch khi di chuyển phụ thuộc vào độ chính xác của cảm biến từ. - Hệ thống có thể mở rộng mà không ảnh hưởng đến cơ sở vật chất.

Magnetic Tape guidance (hay còn gọi là băng tử) Hình 1. Nguyên tắc hoạt động magnetic guidace Giống như điểm từ, băng từ được dán trước trên sàn để tạo vùng hoạt động cho robot. Robot được trang bị cảm biến để nhận diện băng từ, đi theo băng từ để đi đến điểm mong muốn (hình 1. * Đặc điểm: - Đường dẫn được quy định bới băng từ.

- Hệ thông đường dẫn liên tục. - Hệ thống đường dẫn thay đổi hoặc đi `âi chỉnh dễ dàng. - Sai lệch khi di chuyển phụ thuộc vào độ chính xác của cảm biến từ. Wire guidance Hinh 1.

Wire guidance Line dẫn đường được dán trước trên sàn để tạo vùng hoạt động cho robot. Vật liệu của line dẫn không quan trọng. Line dẫn thưởng được chọn màu đối xứng với mặt sàn hoạt động. Robot được trang bị camera hoặc led để nhận diện line này, từ đó truy & tín hiệu đến bộ xử lý, xác định vị trí và đi âI khiển xe.

Hệ thống xe đò line được thể hiện như hình 1. Chi tiết v`ềxe dò line sẽ được trình bày ở các ph tiếp theo. * Đặc điểm: - Đường dẫn được quy định bởi line dẫn. - Hệ thông đường dẫn liên tục.

- Hệ thống đường dẫn thay đổi hoặc đi `âi chỉnh dễ dàng, hệ thống dễ dàng mở rộng. - Sai lệch khi di chuyển phụ thuộc vào độ chính xác của cảm biến. Ứng dụng của Mobile robot Mobile robot được sử dụng phổ biến để thực hiện những công việc mà con người khó thực hiện và thậm chí không thực hiện được: làm những công việc đòi hỏi độ chính xác cao, làm việc trong môi trưởng nguy hiểm (như lò phản ứng hạt nhân, dò phá mìn trong quân sự), thám hiểm không gian vũ trụ. Robot Opportunity của NASA Những nơi con người không thể đặt chân được như b`êềmặt hành tính khác, b`ãnặt long biển sâu,.

người ta phải dùng robot tự hành với cầi trúc đặt biệt. Robot Opportunity (hình 1.8) được NASA gửi lên Sao Hỏa vào năm 2003 trong nhiệm vụ thám hiểm sao Hỏa 90 ngày. Robot có thể hoàn toàn đi `âầi khiển từ xa được tử b`êmặt Trái Đất, nhưng cũng có thể tự động thực hiện công việc một cách độc lập. Trong 15 năm làm việc, Opportunity đã không ngừng di chuyển, đưa ra các quan sát khoa học và báo cáo lại cho Trái Đất với thời gian dài hơn 55 Lần tuổi thọ thiết kế của nó.

Cho đến năm 2018, Opportunity đã đi được quãng đường 45,16 km trong suốt quãng đời của mình trước khi ngưng hoạt động hoàn toàn. Robot nói chung và mobile robot nói riêng có thể được thiết kế và vận hành thay thế hoàn toàn cơn người trong các môi trưởng độc hại.9 cho thấy Robot Scorpion do céng ty Toshiba thiết kế (2015) trong nhiệm vụ dọn dẹp nhà máy hạt nhân sau sự cố hạt nhân Fukushima, Nhật Bản h` năm 201 1. Robot Scorpion của TOSHIBA Trong công nghiệp, mobile robot thưởng được sử dụng chủ yếu để di chuyển các thiết bị, mang vác các nguyên vật liệu nặng và các phụ kiện cần thiết. Mobile robot được ứng dụng rộng rãi đặt biệt trong các kho hàng, để vận chuyển và phân phối hàng hóa (hình 1.

Robot thường được dẫn hướng bằng các đường line, băng từ đặt dưới sàn và được lập trình để thực hiện một số công việc nhất định. Robot hut bui Xiaomi Roborock Gen 3 Ngoài ra, mobile không chỉ được sử dụng trong công nghiệp mà cả trong lĩnh vực quân sự và cuộc sống hàng ngày. Robot hút bụi Xiaomi Roborock Gen 3 (ra mất năm 2019) (hình 1.11) có khả năng tìm đường di v dock sac vGi thoi gian ngén nhat, bat chấp mọi loại bản đ`ôphức tạp. Robot được trang bị thuật toán thiết lập bản đ`ồnhà và khoảng đường thông minh nhất.

Ngươi dùng cũng có thể thiết lập và phân vùng bản đ ồ bằng điện thoại thông minh. Trong quân sự, robot được trang bị súng, radar và di chuyển linh hoạt trân các địa hình (hình 1. Một robot chiến đấu của quân đội Mỹ Hình 1. Một nhà hàng ở Hà Lan sử dụng Robot để phục vụ Mobile Robot có thể được sử dụng để phục vụ trong các nhà hàng như (hình 1.

Phương pháp định hướng của robot này là dùng cảm biến tử (magnetic sensors tracking) dé di theo bang tt (magnetic tape) duoc dan san trén nn. Ngoai ra, robot nay còn có thể được đi âi khiển tử xa và tránh được chướng ngại vật. Trong lĩnh vực điện ảnh giải trí, robot là một chủ đ`êkhông thể thiếu được của các bộ phim khoa học viễn tưởng. Những bộ phim vềđ tài robot luôn luôn ăn khách và giúp cho nhà sản xuất kiếm được hàng tỷ đô la doanh thu phòng vé.

Nhân vật người máy T-800 trong phim The Terminator 2: Judgment Day (1991) (Kẻ hủy diệt 2: Ngày phán xét ) của đạo diễn James Cameron Hình 1. Robot Wall - E trong tác phẩm điện ảnh cùng tên của hãng Pixar Animation Studios. Các công trình nghiên cứu liên quan Robot do line (Line following robot) la mét dang robot di động (mobile robot) di chuyển bằng bánh xe. Robot sẽ di chuyển bám theo các đường Line được vẽ/dán trên mặt đất.

Quỹ đạo di chuyển của robot phụ thuộc vào sa bàn của hệ thống các đường Line được vẽ/dán sẵn. Phần này trình bày v`êmột số mô hình nguyên lý đã xuất hiện trong các cuộc thi trước khi bất đi vào công việc thiết kế hệ thống cơ khí, điện, đi âi khiển. Một số mô hình robot dò line trong các cuộc thi AL OSA Có nhi ân thiết kế v`êrobot dò line được sử dụng trong các cuộc thi. Dưới đây là một số mô hình các robot dò line được sử dụng và đạt giải cao trong các kỳ thi ngoài nước: * Chariot: M6 hinh xe Chariot (hình 1.16) vênhì cuộc thị LV Bots April line following.

- Xe có trọng lượng: 210 (gram). - Kết cấu xe: 2 bánh sau chủ động, 1 bánh trước tự lựa. - Xe sử dụng động cơ DC Servo, thanh cảm biến h ông ngoại g Gn 6 sensor QTR- 8RC. - Ph3n cứng trung tém ctia xe 1a vi di khién A- Start 32u4 Mini LV (MCU Atmega32u4), cau triic đi `âi khiển tập trung, bộ đi `âi khiển PID.

- Xe có vận tốc qua khúc cua cao, có thể thực hiện được góc cua cong với bán kính nhỏ. Robot do line “The Chariot b. So d G6nguyén ly xe “The Chariot” Hình 1. Robot do line “The Chariot” (a) va so: d 6nguyén ly cia né (b) * Silvestre: M6 hinh xe Silvestre (hinh 1.14) dat giai v6 dich Cosmo bot 2012.

- Xe có trọng lượng: 250 (gram). Kết cấu xe: 2 bánh sau chủ động, 2 bánh trước tự lựa. - Xe sử dụng động cơ DC Servo (Maxon DC Motor), thanh cảm biến h ông ngoại ø ôm 8 sensor. - Phần cứng trung tâm của xe là vi đi `âi khiển LPC2148 ARM7, cấu trúc đi ân khiển tập trung, bộ đi `âi khiển PID.

- Xe có khả năng nhớ đường, tốc độ xe cao. M6 hinh xe do line “Silvestre” b. Sơ d Gnguyén ly xe “Silvestre” Hình 1. Robot do line Silvestre (a) va so d Gnguyén ly (b) * Fireball: Mô hinh va so d6nguyén ly xe do line Fireball như trong hình.

Xe Hire đạt được các giải thưởng cao trong các cuộc thi Bot Brawl (2010) ở Peoria; ChiBot’s Fall (2010) ở I hobby Expo. - Xe sử dụng động cơ DC Servo (Maxon DC Motor), thanh cảm biến h`ng ngoại g Gm 8 sensor QTR-8RC.