Đồ án thiết kế, chế tạo và điều khiển robot dò line - ĐH Bách Khoa

Tiểu luận đồ án cơ điện tử về thiết kế chế tạo và điều khiển robot dò line. Nghiên cứu cấu trúc phần cứng, cảm biến quang và thuật toán dò đường.

• Tác giả: Phan Hữu Thanh Tú
• Người hướng dẫn: TS. Ngô Hà Quang Thịnh
• Trường học: Trường Đại học Bách khoa - Đại học Quốc gia Thành phố Hồ Chí Minh
• Chuyên ngành: Cơ điện tử
• Đề tài: Thiết kế, chế tạo và điều khiển robot dò line (Line following robot)
• Loại tài liệu: Báo cáo đồ án
• Năm xuất bản: 2017
• Địa điểm: Thành phố Hồ Chí Minh

Tóm tắt

I. Tổng quan thiết kế và điều khiển robot dò line ĐHBK TPHCM

Dự án thiết kế và điều khiển robot dò line tại ĐHBK TPHCM tập trung phát triển mô hình xe tự hành bám quỹ đạo tốc độ cao. Nghiên cứu do sinh viên khoa Cơ khí thực hiện dưới sự hướng dẫn học thuật chuyên sâu. Mô hình giải quyết bài toán cơ điện tử toàn diện từ thiết kế cơ khí, thiết kế mạch điện đến lập trình thuật toán. Mục tiêu cốt lõi là tối ưu hóa độ chính xác bám vạch trên sa bàn phức tạp. Robot sử dụng cấu trúc di chuyển hai bánh chủ động vi sai kết hợp bánh xe đa hướng. Cấu trúc này mang lại độ linh hoạt cao khi vào cua và chuyển hướng tức thời. Hệ thống thu thập thông tin đường line bằng thanh cảm biến quang hồng ngoại phía trước. Vi điều khiển xử lý dữ liệu và xuất tín hiệu điều chế độ rộng xung tới bộ điều khiển động cơ. Các giải thuật ổn định giúp xe cân bằng trạng thái động lực học trong suốt hành trình. Dự án tạo nền tảng vững chắc cho nghiên cứu ứng dụng xe tự hành AGV công nghiệp.

1.1. Mục tiêu và phạm vi nghiên cứu robot dò line

Đề tài đặt mục tiêu chế tạo hoàn chỉnh xe tự hành bám vạch với vận tốc thiết kế một mét trên giây. Phạm vi nghiên cứu bao gồm việc tính toán động lực học cơ cấu chuyển động vi sai hai bánh. Hệ thống cơ khí phải đảm bảo độ đồng trục cao giữa hai động cơ nhằm tránh hiện tượng lệch hướng chuyển động cơ học. Phần điện yêu cầu thiết kế mạch cảm biến và mạch cầu điều khiển motor có độ phản hồi tức thời. Khâu điều khiển tập trung giải quyết các trạng thái phức tạp như ngã tư giao cắt, đoạn cua gắt và đường thẳng gia tốc. Kết quả thực nghiệm khẳng định tính khả thi của mô hình học thuật ứng dụng thực tế.

1.2. Cấu trúc hệ thống cơ điện tử xe tự hành

Hệ thống xe dò line được phân chia thành ba khối chức năng cơ bản gồm khối cơ khí, khối mạch điện và khối điều khiển. Khối cơ khí gồm khung xe vật liệu nhẹ, hai động cơ DC servo tích hợp encoder và bánh dẫn hướng. Khối mạch điện đảm nhiệm phân phối nguồn pin, cách ly tín hiệu và khuếch đại công suất động cơ. Khối điều khiển trung tâm tiếp nhận tín hiệu từ dãy bảy cảm biến quang học đặt sát mặt sàn. Dữ liệu số từ cảm biến phản ánh sai lệch vị trí của robot so với tâm đường line trắng. Vi điều khiển thực thi thuật toán điều khiển kín theo thời gian thực để duy trì quỹ đạo chính xác.

II. Phân tích thách thức động lực học robot dò line ĐHBK TPHCM

Quá trình thiết kế robot dò line đối mặt nhiều thách thức kỹ thuật về ổn định cơ học và trễ tín hiệu cảm biến. Lực ly tâm xuất hiện khi xe vào cua với tốc độ lớn dễ dẫn đến nguy cơ lật ngang hoặc trượt bánh. Nếu trọng tâm xe quá cao hoặc khoảng cách giữa hai bánh chủ động quá hẹp, mô-men chống lật sẽ không đủ duy trì bám đường. Bên cạnh đó, sai lệch chế tạo và dung sai đồng tâm giữa hai trục động cơ gây ra hiện tượng trôi dạt cơ học ngoài ý muốn. Về mặt cảm biến, độ cao lắp đặt so với sàn ảnh hưởng trực tiếp đến biên độ tín hiệu thu nhận. Khoảng cách không phù hợp sẽ làm giảm vùng phân biệt giữa vạch trắng và nền tối sa bàn. Hiện tượng nhiễu ánh sáng môi trường cũng gây sai lệch điện áp ngưỡng nhận diện. Về điều khiển, các điểm giao cắt chữ thập tạo ra trạng thái tín hiệu giả khiến bộ điều khiển mất phương hướng. Đội ngũ nghiên cứu phải mô hình hóa toán học chính xác để loại bỏ các điểm nghẽn này.

2.1. Phân tích ổn định cơ học và nguy cơ lật xe

Khi xe di chuyển qua đoạn cong bán kính 500 mm với vận tốc một mét trên giây, lực ly tâm tác động trực tiếp lên trọng tâm. Trọng tâm xe được xác định ở độ cao ba mươi milimét so với mặt đất. Để triệt tiêu nguy cơ lật xe, khoảng cách giữa hai tâm bánh xe chủ động được tính toán đạt giá trị tối thiểu phù hợp. Thiết kế lựa chọn khoảng cách hai bánh là 170 mm và chiều dài cơ sở 190 mm. Tỷ lệ kích thước thân xe tuân theo tỷ số căn bậc hai của năm. Tỷ số này giúp phân bố đều tải trọng lên các điểm tiếp xúc mặt đường và tối ưu hóa phản ứng động lực học.

2.2. Vấn đề nhận diện quang học và nhiễu tín hiệu

Cảm biến quang học hồng ngoại hoạt động dựa trên nguyên lý phản xạ bề mặt có độ nhạy phụ thuộc cự ly. Nếu đặt cảm biến quá xa mặt sàn, cường độ tia phản xạ suy giảm mạnh gây mất tín hiệu vạch. Ngược lại, đặt quá gần khiến góc quét vùng giao thoa giữa cực phát và cực thu bị thu hẹp. Khoảng cách tối ưu được kiểm nghiệm thực tế nằm trong khoảng từ 5 mm đến 10 mm. Khoảng cách giữa các mắt led cũng cần tính toán tỉ mỉ để bao quát toàn bộ bề rộng vạch line. Bố trí sai khoảng cách sẽ tạo ra vùng mù quang học và gây mất kiểm soát vị trí đường đi.

III. Giải pháp thiết kế và thuật toán robot dò line ĐHBK TPHCM

Để giải quyết triệt để các vấn đề kỹ thuật, đề tài áp dụng đồng bộ các giải pháp phần cứng và thuật toán điều khiển tiên tiến. Hệ thống cơ khí sử dụng động cơ Escap chất lượng cao tích hợp bộ giải mã xung encoder 3456 xung trên một vòng quay. Khung xe được gia công chính xác nhằm đảm bảo dung sai độ đồng tâm trục nhỏ hơn 0.5 mm. Mạch cảm biến gồm bảy cặp thu phát quang hồng ngoại bố trí thẳng hàng phía đầu xe. Tín hiệu analog từ cảm biến được tiền xử lý và số hóa qua bộ so sánh điện áp chuẩn. Thuật toán xác định tâm vạch sử dụng phương pháp xấp xỉ tuyến tính để tính sai số khoảng cách liên tục. Vi điều khiển thực thi bộ điều khiển PID vi sai hai bánh để điều chỉnh vận tốc từng động cơ theo thời gian thực. Đối với các nút giao phức tạp, hệ thống chuyển sang chế độ điều khiển theo tác vụ kết hợp đọc số xung encoder. Sự kết hợp này mang lại khả năng bám quỹ đạo mượt mà và chính xác tuyệt đối.

3.1. Thuật toán điều khiển PID và bám quỹ đạo vi sai

Bộ điều khiển PID nhận dữ liệu sai lệch vị trí từ thanh cảm biến để tính toán giá trị hiệu chỉnh vận tốc góc. Vận tốc hai bánh chủ động được điều khiển độc lập theo phương trình động học vi sai. Thành phần tỷ lệ phản hồi nhanh với sai lệch tức thời của vạch. Thành phần tích phân triệt tiêu triệt để sai số xác lập khi xe đi trên đường thẳng. Thành phần vi phân dự đoán xu hướng chuyển động để triệt tiêu dao động khi xe vào khúc cua gắt. Tín hiệu PWM cấp cho mạch cầu H điều chỉnh công suất motor với tần số đóng cắt cao, giúp xe bám đường ổn định ở vận tốc cao.

3.2. Quản lý tác vụ chuyển trạng thái qua điểm giao cắt

Khi robot đi qua các vị trí giao cắt phức tạp trên sa bàn, thuật toán dò line đơn thuần không còn tác dụng. Hệ thống chuyển đổi linh hoạt giữa năm tác vụ điều khiển định sẵn dựa trên trạng thái hành trình. Biến đếm encoder ghi nhận quãng đường di chuyển chính xác của từng bánh xe. Tại điểm giao chữ thập, robot tạm thời cố định vận tốc hai bánh bằng nhau để vượt qua vùng nhiễu tín hiệu. Khi vào góc rẽ vuông, hệ thống hãm bánh bên trong về vận tốc bằng không và duy trì lực kéo bánh ngoài. Cơ chế này đảm bảo robot hoàn thành trọn vẹn lộ trình thi đấu mà không bị lệch tuyến.

IV. Đánh giá thực nghiệm và tiềm năng robot dò line ĐHBK TPHCM

Kết quả thực nghiệm trên sa bàn tiêu chuẩn chứng minh tính đúng đắn và hiệu quả của mô hình robot dò line do ĐHBK TPHCM nghiên cứu. Xe tự hành vận hành ổn định ở vận tốc thiết kế một mét trên giây, vượt qua mọi góc cua phức tạp và điểm giao cắt. Độ chính xác bám tâm vạch duy trì trong phạm vi sai số cho phép nhờ thuật toán PID thích nghi cao. Mô hình cơ khí thể hiện độ cứng vững xuất sắc, không xảy ra hiện tượng mất ổn định hay lật xe trong quá trình tăng tốc. Mạch nguồn và mạch driver động cơ hoạt động bền bỉ, không bị sụt áp hay quá nhiệt khi chạy liên tục. Thành công của đồ án không chỉ khẳng định năng lực nghiên cứu cơ điện tử của sinh viên Bách Khoa mà còn mở ra tiềm năng ứng dụng to lớn. Nền tảng công nghệ này hoàn toàn có thể mở rộng cho các hệ thống xe tự hành AGV vận chuyển hàng hóa trong nhà máy thông minh.

4.1. Đánh giá kết quả thử nghiệm trên sa bàn

Các bài kiểm tra thực nghiệm ghi nhận thời gian đáp ứng của bộ điều khiển đạt dưới hai mươi mili-giây. Dãy cảm biến quang học bảy mắt nhận diện chính xác vạch line trong nhiều điều kiện chiếu sáng khác nhau. Sai số đồng tâm cơ khí dưới 0.5 mm giúp xe duy trì hướng chuyển động thẳng hoàn hảo khi không có tín hiệu bẻ lái. Thuật toán đếm xung encoder với độ phân giải cao định vị chính xác từng mốc sa bàn. Robot hoàn thành trọn vẹn chín trạng thái chuyển động từ xuất phát, rẽ cua, vượt giao lộ đến điểm dừng đích cuối cùng một cách tin cậy.

4.2. Hướng phát triển ứng dụng trong công nghiệp AGV

Nguyên lý thiết kế và điều khiển của đồ án cung cấp giải pháp nền tảng cho việc phát triển xe tự hành công nghiệp. Cấu trúc vi sai hai bánh dễ dàng nâng cấp tải trọng để vận chuyển vật tư trong các dây chuyền sản xuất tự động. Hệ thống cảm biến có thể tích hợp thêm lidar hoặc camera xử lý ảnh để nâng cao khả năng điều hướng thông minh. Thuật toán điều khiển tác vụ kết hợp phản hồi kín mở đường cho việc xây dựng mạng lưới AGV phối hợp nhiều xe. Đây là hướng đi then chốt đáp ứng xu thế chuyển đổi số và tự động hóa trong các nhà máy thông minh hiện nay.

Nội dung chính

Bối cảnh và vấn đề nghiên cứu

Robot dò đường (Line Following Robot) là một dạng cấu trúc đặc thù thuộc nhóm robot di động tự hành (Mobile Robot), vận hành dựa trên cơ chế nhận diện vị trí tương đối của thân xe so với đường dẫn hướng định sẵn (dải từ hoặc vạch màu) để tự động bám theo quỹ đạo. Trong bối cảnh công nghiệp hiện đại, các hệ thống xe tự hành AGV (Automated Guided Vehicle) ứng dụng nguyên lý dò line đóng vai trò quan trọng trong dây chuyền tự động hóa, hỗ trợ vận chuyển phôi liệu và mang vác hàng hóa đến các vị trí chỉ định.

Đồ án "Thiết kế, chế tạo và điều khiển robot dò line" được thực hiện bởi nhóm sinh viên Bộ môn Cơ điện tử, Khoa Cơ khí, Trường Đại học Bách Khoa – Đại học Quốc gia Thành phố Hồ Chí Minh, dưới sự hướng dẫn của TS. Ngô Hà Quang Thịnh vào tháng 5 năm 2017. Nhiệm vụ trọng tâm của đề tài là xây dựng một mẫu robot di động hoàn chỉnh có khả năng di chuyển tốc độ cao, bám quỹ đạo chính xác trong điều kiện mang tải trọng nặng.

Các yêu cầu và nhiệm vụ kỹ thuật cụ thể được xác định bao gồm:

1. Thiết kế và chế tạo robot di chuyển bám line tốc độ cao trên sa bàn kích thước quy chuẩn $3000 \times 1500\text{ mm}$, bề mặt phẳng, vạch line màu đen có bề rộng $26\text{ mm}$ trên nền trắng.
2. Đảm bảo khả năng mang tải một vật nặng hình hộp chữ nhật có khối lượng $2\text{ kg}$ trong suốt hành trình di chuyển.
3. Đáp ứng yêu cầu vận tốc dài thiết kế tối đa $v_{max} = 1\text{ m/s}$ và bám được cung đường cong có bán kính nhỏ nhất $R_{min} = 500\text{ mm}$.
4. Tự động điều hướng và vượt qua các giao điểm phức tạp theo đúng lộ trình quy định: $\text{START}(A) \to B \to C \to D \to E \to F \to C \to G \to A \to C \to E(\text{END})$.
5. Khống chế sai số bám line trong giới hạn cho phép $e_{max} = \pm 15\text{ mm}$ trên cả đoạn đường thẳng lẫn cung đường cong.

Đối tượng nghiên cứu là hệ thống robot di động 2 bánh vi sai độc lập kết hợp tải trọng $2\text{ kg}$. Phạm vi nghiên cứu tập trung vào việc tính toán kết cấu cơ khí chính xác, thiết kế phần cứng điện tử – cảm biến, xây dựng mô hình toán động học và lập trình giải thuật điều khiển bám quỹ đạo trên sa bàn thực nghiệm.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp

Đề tài áp dụng hệ thống cơ sở lý thuyết đa ngành trong lĩnh vực cơ điện tử:

• Mô hình động học Mobile Platform dẫn động vi sai (Differential Drive): Thiết lập phương trình chuyển động tại trung điểm trục bánh dẫn động $M(x_M, y_M)$, điểm kiểm soát bám quỹ đạo (Tracking Point) $C(x_C, y_C)$ và điểm tham chiếu danh định $R(x_R, y_R)$.
• Tiêu chuẩn ổn định Lyapunov: Xây dựng luật điều khiển tracking phi tuyến nhằm đảm bảo hệ sai số vị trí ($e_1, e_2, e_3$) tiệm cận về 0 một cách bền vững.
• Lý thuyết quang điện và phản xạ ánh sáng: Khảo sát vùng giao thoa quang học giữa LED phát hồng ngoại và phototransistor thu để tối ưu hóa khoảng cách và độ cao quét.
• Phương pháp xấp xỉ Parabol bậc hai: Nội suy phi tuyến từ tín hiệu điện áp tương tự (Analog) của các cảm biến quang nhằm xác định tọa độ cực trị tương ứng với tâm đường line.
• Lý thuyết điều khiển tự động kinh điển: Nhận dạng hàm truyền động cơ DC có tải và thiết kế bộ điều khiển PID số khép kín vòng vận tốc.

Phương pháp nghiên cứu thực hiện bao gồm:

• Phương pháp giải tích cơ học: Tính toán mômen xoắn, lực cản chuyển động, điều kiện chống lật xe khi vào cua và giải bài toán chuỗi kích thước dung sai gá đặt động cơ.
• Phương pháp mô phỏng số: Thiết lập mô hình động học và kiểm chứng thuật toán tracking trên môi trường phần mềm kỹ thuật (Matlab/Simulink).
• Phương pháp thực nghiệm và hiệu chuẩn (Calib): Đo kiểm dải điện áp thực tế của cảm biến TCRT5000, thu thập đường đặc tính PWM – vận tốc của động cơ và kiểm thử robot trên sa bàn thực tế.

Thiết kế và triển khai

Hệ thống robot dò line được thiết kế đồng bộ qua ba phân hệ kỹ thuật:

Thiết kế cơ khí và kết cấu

• Hệ thống dẫn động: Sử dụng cơ cấu 2 bánh dẫn động chủ động bố trí đối xứng, đường kính bánh xe $D = 80\text{ mm}$ (loại bánh V2 khớp lục giác $12\text{ mm}$), kết hợp 1 bánh bị động mắt trâu phía trước nhằm triệt tiêu hiện tượng lệch trục lái (shopping-cart effect) thường gặp ở bánh xe caster.
• Phân bố kích thước hình học: Khoảng cách giữa hai tâm bánh dẫn động $b = 170\text{ mm}$, chiều dài cơ sở $190\text{ mm}$ (tỷ lệ dài – rộng xấp xỉ $\sqrt{5}$ để hạn chế dao động động lực học), chiều cao tổng thể $80\text{ mm}$. Trọng tâm xe được bố trí ở độ cao $h = 30\text{ mm}$, thỏa mãn điều kiện ổn định chống lật khi vào cua bán kính $R = 500\text{ mm}$ ở tốc độ $1\text{ m/s}$ ($h \le 41.69\text{ mm}$).
• Chuỗi kích thước dung sai: Tính toán độ đồng trục giữa hai trục động cơ đảm bảo sai lệch $\Delta \le 0.5\text{ mm}$, xác định dung sai chế tạo đồ gá kẹp động cơ là $14^{+0.04}\text{ mm}$ và kiểm tra bằng phương pháp rà trục chuẩn.

Thiết kế phần cứng và mạch điện

• Bộ xử lý trung tâm: Sử dụng kit Tiva C với vi điều khiển TM4C123GH6PM (lõi ARM Cortex-M4F, xung nhịp 80 MHz, tích hợp 12 kênh ADC 12-bit, 16 khối PWM, 5 bộ Timer/Counter và chân ngắt ngoài chuyên dụng để đọc tín hiệu encoder).
• Mạch công suất: Sử dụng module driver TB6612FNG điều khiển 2 động cơ DC GA25 V1 tích hợp encoder quang với độ phân giải 3456 xung/vòng.
• Dàn cảm biến dò line: Thiết kế mạch in tích hợp 7 cặp cảm biến quang hồng ngoại TCRT5000 bố trí theo phương nằm ngang (Position 1), điện trở hạn dòng LED phát $R_1 = 330,\Omega$, điện trở phân áp cực thu $R_2 = 4.7,\text{k}\Omega$.

Phần mềm và giải thuật điều khiển

• Cấu trúc điều khiển tập trung: Một vi điều khiển duy nhất đảm nhiệm đọc 7 kênh ADC, thực hiện công thức calib chuẩn hóa, tính toán tâm line bằng giải thuật xấp xỉ bậc 2, giải phương trình tracking Lyapunov và xuất xung PWM điều khiển vận tốc từng bánh.
• Nhận diện trạng thái di chuyển: Chia toàn bộ lộ trình sa bàn thành 9 trạng thái hoạt động với 5 tác vụ điều khiển riêng biệt:
  • Tác vụ 1: Bám line tự động bằng luật điều khiển tracking Lyapunov.
  • Tác vụ 2: Khóa vận tốc hai bánh bằng nhau ($v_l = v_r = 1\text{ m/s}$) để vượt qua ngã tư $C$.
  • Tác vụ 3: Giữ vận tốc hai bánh ($v_l = 1.15\text{ m/s}, v_r = 0.85\text{ m/s}$) để vượt giao điểm $E$.
  • Tác vụ 4: Khóa bánh trái ($v_l = 0\text{ m/s}$), kích bánh phải ($v_r = 1\text{ m/s}$) để bẻ cua $90^\circ$ tại điểm $A$.
  • Tác vụ 5: Dừng xe tại điểm kết thúc $E$.
• Định vị trên sa bàn: Đếm số xung encoder tích lũy từ bánh trái để phát hiện chính xác thời điểm xe tiếp cận các điểm nút giao nhau.

Nội dung chính theo từng chương

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN

Chương 1 tiến hành phân tích tổng quan các phương án cấu tạo của mobile robot trên thế giới:

• Sơ đồ nguyên lý: So sánh cấu trúc xe RC car sử dụng trục truyền động hoặc đai răng với cấu trúc vi sai 2 bánh chủ động kết hợp bánh đa hướng và vi sai 4 bánh. Cấu trúc 2 bánh vi sai có ưu thế tiếp xúc 3 điểm ổn định, bán kính quay linh hoạt và mô hình toán đơn giản.
• Cảm biến: Đánh giá phương pháp thị giác máy (camera) và phương pháp cảm biến quang (quang trở, phototransistor). Cảm biến phototransistor kết hợp LED phát được lựa chọn nhờ tốc độ đáp ứng nhanh.
• Xử lý tín hiệu: So sánh giải thuật so sánh ngưỡng nhị phân (tốc độ cao nhưng phân giải thấp) và giải thuật xấp xỉ tín hiệu tương tự (độ phân giải cao, sai số thử nghiệm trong tài liệu tham khảo đạt $5.6\text{ mm}$).
• Cấu trúc và giải thuật điều khiển: Phân tích cấu trúc tập trung so với phân cấp; khảo sát các giải thuật PD, PID, Fuzzy và bộ điều khiển tracking. Xác định mục tiêu đề tài: $v_{max} = 1\text{ m/s}$, $R_{min} = 500\text{ mm}$, tải trọng $2\text{ kg}$, sai số $e_{max} \le \pm 15\text{ mm}$.

CHƯƠNG 2: PHƯƠNG ÁN THIẾT KẾ

Dựa trên phân tích tổng quan, nhóm tác giả lựa chọn các giải pháp tối ưu:

• Cơ khí: Sơ đồ 2 bánh chủ động vi sai độc lập kết hợp 1 bánh mắt trâu bị động.
• Cảm biến: Dàn 7 cặp phototransistor kết hợp LED hồng ngoại TCRT5000, xử lý tín hiệu bằng giải thuật xấp xỉ bậc 2.
• Chấp hành: Động cơ DC Servo tích hợp encoder gắn liền hộp giảm tốc.
• Điều khiển: Cấu trúc điều khiển tập trung trên một vi điều khiển ARM Cortex-M4; áp dụng giải thuật điều khiển bám quỹ đạo (Tracking Controller).

CHƯƠNG 3: CƠ KHÍ

Trình bày chi tiết quá trình tính toán và thiết kế kết cấu:

• Lựa chọn bánh xe và động cơ: Chọn đường kính bánh xe $80\text{ mm}$. Thiết lập phương trình cân bằng mômen quán tính và lực cản chuyển động khi mang tải $2.5\text{ kg}$ (bao gồm thân xe và tải trọng $2\text{ kg}$), gia tốc $a = 1\text{ m/s}^2$, hệ số ma sát $\mu = 0.8$, hệ số an toàn $n = 2$.
• Kết quả tính toán động cơ: Mômen cần thiết để xe chuyển động là $41.02\text{ Nmm}$, mômen chống trượt là $321.79\text{ Nmm}$, công suất yêu cầu mỗi động cơ là $2.05\text{ W}$. Nhóm chọn động cơ GA25 V1 ($320\text{ rpm}$, công suất $13.2\text{ W}$), cho vận tốc lý thuyết cực đại $1.34\text{ m/s}$, đáp ứng yêu cầu $1\text{ m/s}$.
• Tính toán kích thước cơ sở: Tính toán độ cao trọng tâm chống lật $h \le 41.69\text{ mm}$ (chọn $h = 30\text{ mm}$); khoảng cách hai bánh chủ động $b = 170\text{ mm}$, chiều dài cơ sở $190\text{ mm}$.
• Phân tích chuỗi dung sai: Tính chuỗi kích thước đồ gá kẹp động cơ nhằm kiểm soát sai lệch tâm trục $\Delta \le 0.5\text{ mm}$, thiết lập sơ đồ kiểm tra độ đồng trục bằng trục chuẩn $A, B$ và đồng hồ so rà tiết diện.

CHƯƠNG 4: MÔ HÌNH HÓA

Xây dựng mô hình toán học và mô phỏng động học hệ thống:

• Phương trình động học: Biểu diễn quan hệ vận tốc $(v, \omega)$ tại tâm trục bánh $M$, điểm tracking $C$ (cách $M$ một khoảng $d$) và điểm tham chiếu $R$.
• Xác định hệ sai số: Giả thiết vận tốc xe bám kịp điểm tham chiếu ($e_1 = 0$), sai số khoảng cách pháp tuyến $e_2$ được đo trực tiếp từ dàn cảm biến, sai số góc hướng $e_3$ được ước lượng qua vi phân chuyển động $ds$ trong khoảng thời gian $0.002\text{ s}$.
• Bộ điều khiển Tracking: Áp dụng luật điều khiển: $$v = v_R \cos e_3 + k_1 e_1$$ $$\omega = \omega_R + k_2 v_R e_2 + k_3 \sin e_3$$
• Mô phỏng bám sa bàn: Chọn thông số khoảng cách $d = 96\text{ mm}$ và bộ hệ số $[k_1, k_2, k_3] = [1, 520, 0.8]$. Kết quả mô phỏng trên từng đoạn đường:
  • Đoạn $ABC$: Sai số $e_2$ lớn nhất tại nút chuyển hướng $B$ là $14.26\text{ mm}$; vận tốc giảm còn $0.66\text{ m/s}$ khi vào cua.
  • Đoạn $CDE$: Sai số tại giao điểm $D$ đạt xấp xỉ $9\text{ mm}$.
  • Đoạn $EFC$: Sai số tại nút chuyển hướng $F$ là $10\text{ mm}$.
  • Đoạn $CGA$: Sai số tại nút chuyển hướng $G$ là $-14.66\text{ mm}$.
  • Đoạn $GAE$: Khúc cua $90^\circ$ tại $A$ xuất hiện sai số tức thời $21.14 \div 30\text{ mm}$ trước khi ổn định trở lại.
  • Tổng thể sa bàn: Sai số trên đường thẳng dao động từ $0.9 \div -8.6\text{ mm}$, đường cong dưới $15\text{ mm}$, vận tốc góc động cơ không vượt quá $320\text{ rpm}$.

CHƯƠNG 5: CẢM BIẾN VÀ LẬP TRÌNH

Triển khai chi tiết phân hệ thu nhận tín hiệu và giải thuật điều khiển:

• Thiết kế cảm biến: Sử dụng linh kiện TCRT5000, tính chọn điện trở $R_1 = 330,\Omega$ và $R_2 = 4.7,\text{k}\Omega$.
• Khảo sát vị trí và hình học cảm biến: Bố trí cảm biến nằm ngang để rút ngắn khoảng cách chuyển mạch $X_d$. Xác định độ cao đặt cảm biến $h = 10\text{ mm}$ (vùng giao thoa lý thuyết yêu cầu $h > 8.57\text{ mm}$, thực nghiệm kiểm chứng dải hoạt động tốt từ $8 \div 12\text{ mm}$).
• Khoảng cách giữa các cảm biến: Tính toán khoảng cách tối thiểu giữa hai cảm biến kề nhau $d \ge 13.64\text{ mm}$ để tránh chồng chéo chùm quang học; tối ưu hóa vùng bất định để chọn $d = 17\text{ mm}$.
• Số lượng cảm biến: Chọn mảng 7 cặp cảm biến (tổng dải bao phủ $102\text{ mm}$) nhằm đảm bảo khả năng phát hiện đường line khi xe ôm cua gắt.
• Thuật toán xác định tâm line: Lấy giá trị từ 3 cảm biến có điện áp cao nhất, áp dụng công thức xấp xỉ parabol bậc hai để tìm điểm cực đại $x_{max}$. Thực nghiệm cho thấy sai số đo tâm line trung bình chỉ đạt $1.2\text{ mm}$ ($e_{2max} = 1.7\text{ mm}, e_{2min} = 0.8\text{ mm}$), quan hệ tuyến tính đạt $y = 0.51x - 0.31$.
• Lập trình hệ thống: Xây dựng lưu đồ giải thuật điều khiển 9 trạng thái và 5 tác vụ hành vi kết hợp bộ đếm encoder bánh xe ($3456\text{ xung/vòng}$).

CHƯƠNG 6: ĐIỆN – MẠCH ĐIỆN

Trình bày sơ đồ nguyên lý và thiết kế mạch in (PCB):

• Thiết kế board nguồn, board tổng kết nối vi điều khiển Tiva C với driver TB6612 và dàn cảm biến.
• Khảo sát thực nghiệm đặc tính động cơ GA25 có tải và không tải theo chu kỳ nhiệm vụ xung PWM.
• Nhận dạng mô hình toán động cơ thành khâu quán tính bậc nhất và sử dụng công cụ Matlab PID Tuner để tìm bộ thông số PID tối ưu, nâng cao tốc độ đáp ứng cho động cơ mang tải.

CHƯƠNG 7: THỰC NGHIỆM VÀ ĐÁNH GIÁ

Chế tạo mô hình robot hoàn chỉnh và tiến hành chạy thực nghiệm trên sa bàn thực tế:

• Kiểm tra khả năng bám line, vượt ngã tư, rẽ cua góc vuông và dừng tại điểm kết thúc đúng yêu cầu đề bài.
• Đánh giá khả năng mang tải $2\text{ kg}$ ổn định ở dải vận tốc thiết kế.

Kết quả và đóng góp

Thông số / Hạng mục	Giá trị thiết kế / Lý thuyết	Kết quả thực nghiệm / Mô phỏng
Tải trọng mang thêm	$2.0\text{ kg}$ (hộp chữ nhật)	Hoạt động ổn định với tải $2.0\text{ kg}$
Vận tốc dài lớn nhất ($v_{max}$)	$1.0\text{ m/s}$	Động cơ đạt cực đại $1.34\text{ m/s}$, xe chạy ổn định ở $1.0\text{ m/s}$
Bán kính cong nhỏ nhất ($R_{min}$)	$500\text{ mm}$	Ôm cua ổn định, vận tốc tự động điều chỉnh giảm xuống $0.66\text{ m/s}$
Sai số bám line đường thẳng	$\le \pm 15\text{ mm}$	$0.9\text{ mm} \div -8.6\text{ mm}$
Sai số bám line đường cong ($R=500\text{ mm}$)	$\le \pm 15\text{ mm}$	$9.0\text{ mm} \div 14.26\text{ mm}$ (đạt yêu cầu)
Sai số góc gãy vuông ($90^\circ$)	Không quy định cụ thể	$21.14\text{ mm} \div 30.0\text{ mm}$ (vẫn trong dải quét và tự phục hồi)
Sai số đo tâm line của dàn cảm biến	Nhỏ nhất có thể	Sai số trung bình $1.2\text{ mm}$ ($e_{2max}=1.7\text{ mm}, e_{2min}=0.8\text{ mm}$)
Độ cao dàn cảm biến so với sàn ($h$)	$h > 8.57\text{ mm}$	Chọn $10\text{ mm}$ (hoạt động tối ưu trong dải $8 \div 12\text{ mm}$)
Khoảng cách giữa 2 cảm biến ($d$)	$d \ge 13.64\text{ mm}$	Tối ưu vùng bất định chọn $d = 17\text{ mm}$ (dàn 7 cảm biến $= 102\text{ mm}$)

Đề tài đã đóng góp một quy trình thiết kế hoàn chỉnh từ việc tính toán động lực học, tối ưu hóa kích thước cơ học chống lật, giải bài toán chuỗi dung sai gia công, đến việc ứng dụng giải thuật xấp xỉ parabol bậc hai cho dàn cảm biến quang analog và thuật toán điều khiển tracking Lyapunov trên vi điều khiển ARM Cortex-M4.

Hạn chế và hướng nghiên cứu tiếp

Hạn chế của đồ án:

• Cấu trúc điều khiển tập trung khiến vi điều khiển phải gánh nhiều tác vụ cùng lúc (đọc ADC nhiều kênh, tính toán giải thuật, phát xung PWM, xử lý ngắt encoder), làm hạn chế tần số lấy mẫu khi tăng tốc độ xe lên mức cao hơn.
• Tại các khúc cua gãy góc $90^\circ$, quán tính của tải trọng $2\text{ kg}$ làm thân xe có xu hướng trượt nhẹ ra ngoài mép line, dẫn đến sai số tức thời tăng lên mức $21.14 \div 30\text{ mm}$ và đòi hỏi xe phải giảm tốc độ sâu để bù sai lệch.

Hướng phát triển tiếp theo:

• Chuyển đổi sang cấu trúc điều khiển phân cấp (Master – Slave) với một vi điều khiển phụ chuyên trách thu thập và xử lý tín hiệu ADC từ cảm biến hoặc đọc xung encoder.
• Tích hợp thêm cảm biến đo quán tính (IMU - Accelerometer và Gyroscope) để hỗ trợ ước lượng trạng thái góc quay và gia tốc, cho phép áp dụng các giải thuật ghi nhớ và tự học quỹ đạo đường đua.

Giá trị tham khảo

Đồ án là tài liệu tham khảo cho sinh viên, học viên chuyên ngành Kỹ thuật Cơ điện tử, Kỹ thuật Điều khiển và Tự động hóa, Kỹ thuật Robot:

• Phương pháp luận tính chọn công suất động cơ dẫn động có xét đến tải trọng và lực ma sát thực tế.
• Kỹ thuật tính toán quang học xác định độ cao, khoảng cách bố trí cảm biến hồng ngoại và giải thuật xấp xỉ parabol bậc hai để định vị tâm line chính xác đến từng milimét từ tín hiệu analog.
• Mô hình toán động học và quy trình thiết kế bộ điều khiển tracking phi tuyến ổn định theo Lyapunov cho mobile robot 2 bánh vi sai.

Câu hỏi thường gặp

1. Tại sao nhóm tác giả lựa chọn cấu trúc xe vi sai 2 bánh chủ động kết hợp 1 bánh mắt trâu thay vì sơ đồ truyền động RC car hay bánh caster? Cấu trúc 2 bánh vi sai độc lập kết hợp bánh mắt trâu tạo thành hệ tiếp xúc 3 điểm ổn định trên mặt phẳng, có mô hình động học đơn giản, cho phép bán kính quay vòng cực nhỏ (kể cả quay tại chỗ) và giá thành chế tạo thấp. Bánh mắt trâu được chọn thay thế bánh caster nhằm loại bỏ khoảng cách lệch tâm giữa trục quay và trục bánh xe, ngăn ngừa hiện tượng rung lắc và sai lệch mô hình động học (shopping-cart effect).

2. Độ cao đặt cảm biến $h = 10\text{ mm}$ và khoảng cách giữa các cảm biến $d = 17\text{ mm}$ được xác định như thế nào? Độ cao $h = 10\text{ mm}$ được chọn dựa trên điều kiện hình học để xuất hiện vùng giao thoa giữa góc phát $16^\circ$ của LED phát và góc thu $30^\circ$ của phototransistor ($h > 8.57\text{ mm}$), kết hợp kết quả đo thực nghiệm cho dải tín hiệu phân biệt tốt nhất trong khoảng $8 \div 12\text{ mm}$. Khoảng cách $d = 17\text{ mm}$ được tính toán từ điều kiện không chồng lấn chùm tia quang học giữa 2 cảm biến kề nhau ($d \ge 13.64\text{ mm}$) kết hợp bài toán cực tiểu hóa phạm vi vùng bất định khi nhận dạng vạch line đen rộng $26\text{ mm}$.

3. Giải thuật xấp xỉ bậc hai xác định vị trí tâm đường line hoạt động ra sao và sai số đo được là bao nhiêu? Vi điều khiển quét điện áp analog từ 7 cảm biến và chọn ra 3 cảm biến có giá trị điện áp cao nhất, sau đó nội suy 3 điểm này thành một phương trình parabol bậc hai $y = ax^2 + bx + c$. Tọa độ đỉnh của parabol (nơi đạo hàm triệt tiêu) chính là vị trí tâm đường line. Thực nghiệm kiểm chứng cho thấy giải thuật đạt sai số trung bình $1.2\text{ mm}$ ($e_{2max} = 1.7\text{ mm}, e_{2min} = 0.8\text{ mm}$), vượt trội so với phương pháp so sánh ngưỡng logic thông thường.

4. Động cơ GA25 V1 được lựa chọn dựa trên những căn cứ tính toán nào? Tính toán cơ học dựa trên điều kiện mang tải trọng $2.5\text{ kg}$, gia tốc $1\text{ m/s}^2$, bánh xe đường kính $80\text{ mm}$, hệ số ma sát $0.8$ và hệ số an toàn $n = 2$ cho ra yêu cầu mômen chuyển động $41.02\text{ Nmm}$ và công suất $2.05\text{ W}$. Động cơ GA25 V1 có thông số định mức $320\text{ rpm}$ và công suất $13.2\text{ W}$, mang lại vận tốc tối đa $1.34\text{ m/s}$, hoàn toàn đáp ứng và dự phòng tốt cho yêu cầu vận tốc $1\text{ m/s}$ khi mang tải $2\text{ kg}$.

5. Robot nhận biết và xử lý các điểm giao cắt phức tạp trên sa bàn bằng cách nào? Hệ thống sử dụng bộ đếm xung encoder từ bánh xe trái ($3456\text{ xung/vòng}$) để xác định vị trí tọa độ của xe trên lộ trình 9 trạng thái. Khi xe đến gần các giao điểm (ngã tư $C$, nút giao $E$, góc rẽ $A$), vi điều khiển chuyển từ tác vụ bám line Lyapunov sang các tác vụ điều khiển vận tốc cố định chuyên biệt (chạy thẳng vượt qua giao điểm $C$, phân bổ tỷ lệ vận tốc 2 bánh để rẽ tại $E$ hoặc khóa 1 bánh để bẻ cua $90^\circ$ tại $A$) cho đến khi dàn cảm biến thoát khỏi vùng giao nhau và bắt lại đường line đơn.

Kết luận

Đồ án "Thiết kế, chế tạo và điều khiển robot dò line" đã hoàn thành trọn vẹn các mục tiêu kỹ thuật đặt ra, chế tạo thành công mẫu robot di động 2 bánh vi sai mang tải trọng $2\text{ kg}$ vận hành ổn định trên sa bàn với tốc độ $1\text{ m/s}$. Bằng việc kết hợp chính xác giữa thiết kế cơ khí chống lật, dàn 7 cảm biến quang nội suy parabol bậc hai và thuật toán điều khiển tracking Lyapunov, hệ thống đã khống chế sai số bám line trong dải $0.9 \div 14.26\text{ mm}$, đáp ứng chặt chẽ giới hạn cho phép $\pm 15\text{ mm}$. Kết quả nghiên cứu là tài liệu tham khảo có giá trị cao trong việc thiết kế và phát triển các hệ thống robot di động tự hành trong công nghiệp.

Trích đoạn nội dung tài liệu

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN Robot dò line là một trường hợp đặc biệt của mobile robot, trong đó robot sẽ nhận biết vị trí tương đối của robot và bám theo đường line (line từ, line màu) đã có. Hiện nay robot dò line được ứng dụng rộng rãi trong các quá trình chế tạo trong công nghiệp, mang vác vật đến các địa điểm đặc biệt,… Để thiết kế và vận hành một robot dò line, tất cả các yếu tố kỹ thuật cấu thành của robot đều cần được quan tâm: sơ đồ nguyên lý, loại cảm biến, động cơ, cấu trúc điều khiển và giải thuật điều khiển được sử dụng.1 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: - Loại 1(Hình 1.1) sử dụng trục truyền động cho trục trước và sau xe.2) sử dụng đai răng truyền động cho trục trước và sau xe.

a) 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 Trang 2 ĐỒ ÁN THIẾT KẾ HỆ THỐNG CƠ ĐIỆN TỬ GVHD: TS. Ngô Hà Quang Thịnh X X X 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 chung các ưu điểm và nhược điểm sau: 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 đối với nhu cầu của sinh viên.

- Thích hợp cho việc đua trên mặt đường phẳng. Bên cạnh các sơ đồ nguyên lý mà các xe RC car sử dụng, hiện nay rất nhiều xe đua dò line như đội HBFS (Robot RobotChallenge) và Sylvestre (COSMOBOT 2012), Flash Robot RobotChallenge 2016), 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. Ưu – nhược điểm chung của sơ đồ nguyên lý này: Ưu điểm: Bám đường tốt do tiếp xúc 3 điểm mới mặt đường, 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.Giá thành chế tạo phù hợp với sinh viên. Nhược điểm: Dễ bị trượt theo phương pháp tuyến khi thực hiện việc bám theo các đoạn đường bán kính nhỏ ở tốc độ cao.

Trang 3 ĐỒ ÁN THIẾT KẾ HỆ THỐNG CƠ ĐIỆN TỬ GVHD: TS. Ngô Hà Quang Thịnh (a) 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 a) 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 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. Điều này tạo ra các ưu – nhược điểm chung của sơ đồ nguyên lý này: Ưu điểm: Dễ cân bằng, ưu thế chạy trên đường bằng phẳng Nhược điểm: Kết cấu cơ khí phức tạp hơn, xuất hiện hiện tượng trượt bánh khi xe đổi hướng.

Trang 4 ĐỒ ÁN THIẾT KẾ HỆ THỐNG CƠ ĐIỆN TỬ GVHD: TS. Ngô Hà Quang Thịnh 1.2 Cảm biến Về cảm biến, 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. Có hai phương pháp thường được sử dụng cho robot dò line là phương pháp sử dụng camera và các loại cảm biến quang dẫn: - Phương pháp sử dụng camera. Hình ảnh đường đua được lấy từ camera, thông qua xử lí và đưa ra tín hiệu điều khiển.

Ưu điểm: Độ chính xác cao, ít bị nhiễu. Nhược điểm: Yêu cầu xử lí nhiều, do đó đòi hỏi tốc độ xử lí phải nhanh, nếu không sẽ làm giảm tốc độ của xe. - Phương pháp xử dụng cảm biến quang được sử dụng trong hầu hết các loại xe đua hiện nay. Một số loại cảm biến có thể được sử dụng như quang điện trở (robot ALF trong cuộc thi ROBOCON Malaysia 2006) hoặc Photo-transistor kết hợp với LED.

Hai loại cảm biến này có nguyên lí hoạt động như nhau (Hình 1. Hai led phát và thu phải bố trí khoảng cách với mặt đường sao cho vùng hoạt động của chúng giao thoa với nhau và không trùng với vùng giao thoa của bộ liền kề (Hình 1.5 Nguyên lý của cảm biến quang Hình 1.6 Vùng giao thoa của cực phát và cực thu Trang 5 ĐỒ ÁN THIẾT KẾ HỆ THỐNG CƠ ĐIỆN TỬ GVHD: TS. Ngô Hà Quang Thịnh 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 hoặc xấp xỉ để tìm ra vị trí tương đối của robot dò line với tâm đường line. - Phương pháp thứ nhất: dùng bộ 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 định sẵn (Hình 1.

Với phương pháp này, sai số dò line sẽ phụ thuộc vào thông số của sensor được sử dụng, 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. - 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. Có 3 giải thuật xấp xỉ được giới thiệu đó là xấp xỉ theo bậc 2, tuyến tính và theo trọng số (Hình 1.8) với sai số dò line lần lượt là 5.6mm trong thí nghiệm được thực hiện.

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. 00011000 Line nằm giữa 00000110 Line nằm lệch bên phải 01100000 Line nằm lệch bên trái Tín hiệu mức thấp tại vị trí không có line Tín hiệu mức cao tại vị trí có line Hình 1.7 Giải thuật xử lí tín hiệu bằng phương pháp so sánh a) Xấp xỉ bậc 2; (b) Xấp xỉ theo trọng số Hình 1.8 Giải thuật xử lý tín hiệu cảm biến bằng phương pháp xấp xỉ Trang 6 ĐỒ ÁN THIẾT KẾ HỆ THỐNG CƠ ĐIỆN TỬ GVHD: TS. Ngô Hà Quang Thịnh 1.3 Động Cơ 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, momen, 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.4 Cấu trúc điều khiển 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 chủ yếu để kết nối các module đó với nhau là phương pháp điều khiển tập trung và phân cấp: - Trong phương pháp điều khiển tâp trung (Hình 1.9a), một MCU nhận tín hiệu từ cảm biến, xử lí dữ liệu rồi truyền tín hiệu điều khiển cho cơ cấu tác động.Đây là cấu trúc được sử dụng khá nhiều trong các xe đua dò line thực tế như xe CartisX04, Le’Mua (Robot Challenge 2015), Pika. 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.9 Cấu trúc điều khiển thường dùng Trang 7 ĐỒ ÁN THIẾT KẾ HỆ THỐNG CƠ ĐIỆN TỬ GVHD: TS. Ngô Hà Quang Thịnh - Trong phương pháp điều khiển phân cấp (Hình 1.9b) 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 hoặc 1 slave MCU để xử lí tín hiệu từ sensor (RobotALF). 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. Cấu trúc này giúp giảm nhẹ khối lượng tính toán cho master và cho phép robot thực hiện nhiều tác vụ cùng lúc. 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.5 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 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.

Thực nghiệm từ cho thấy bộ điều khiển này có thể giúp sai số bám line của robot trên đoạn đường thẳng và cong; đạt sai số tối đa 0 150mm khi gặp các đoạn line gấp khúc và tối đa 250mm khi robot thực hiện đổi hướng 90. 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. Về sai số tối đa của robot trong suốt quá trình, sai số trong quá trình xe di chuyển trên đường thẳng hay cong sẽ phụ thuộc vào sai số xác định vị trí của xe do hệ thống sensor (tối đa 5.4mm) và sai số do bộ điều khiển. Đối với sai số khi xe bám theo các vị trí đổi hướng đột ngột, sai số phụ thuộc phần lớn vào giải thuật điều khiển.