Tài liệu đồ án thiết kế hệ thống cơ điện tử. robot dò line

Đồ án thiết kế hệ thống Cơ- điện tử Mục lục Chương 1 : TỔNG QUAN.......................................................................................4 1.1 Đề bài đặt ra :.................................................................................................4 1.2 Giới thiệu:.......................................................................................................5 1.3 Tình hình nghiên cứu trong và ngoài nước:.................................................5 1.3.1 Ngoài nước:..............................................................................................5 1.3.2 Trong nước:.............................................................................................8 Chương 2 : 2.1 LỰA CHỌN PHƯƠNG ÁN...............................................................10 Cơ khí............................................................................................................10 2.1.1 Sơ đồ nguyên lý......................................................................................10 2.1.2 Bánh xe...................................................................................................11 2.1.3 Động cơ...................................................................................................12 2.1.4 Cảm biến.................................................................................................13 2.1.5 Phương án điều khiển:..........................................................................14 2.1.6 Giải thuật điều khiển:............................................................................14 2.1.7 Phương án thiết kế :..............................................................................14 Chương 3 : 3.1 HỆ THỐNG CƠ KHÍ.........................................................................15 Bánh xe:........................................................................................................15 3.1.1 Bánh chủ động:......................................................................................15 3.1.2 Bánh bị động:.........................................................................................15 3.2 Tính toán lựa chọn động cơ.........................................................................15 3.3 Tính toán thiết kế thân xe:...........................................................................18 3.3.1 Thiết kế kích thước thân xe...................................................................18 3.3.2 Tính toán trọng tâm xe..........................................................................21 1 Đồ án thiết kế hệ thống Cơ- điện tử 3.3.3 Tính toán khoáng cách đặt cảm biến cho với trục của bánh dẫn động. 22 3.3.4 Chương 4 : Bố trí thiết bị :........................................................................................23 HỆ THỐNG ĐIỆN.............................................................................24 4.1 Sơ đồ tổng quan:...........................................................................................24 4.2 Nguồn:...........................................................................................................25 4.3 Lựa chọn driver:...........................................................................................26 4.4 Thiết kế bộ điều khiển PID động cơ:...........................................................31 4.4.1 Động cơ trái:...........................................................................................31 4.4.2 Động cơ phải:.........................................................................................32 4.5 Thiết kế cảm biến:........................................................................................32 4.5.1 Thiết kế gá đặt cảm biến:......................................................................32 4.5.2 Test độ cao cảm biến phù hợp:.............................................................35 4.5.3 Lựa chọn số lượng cảm biến:................................................................36 Calibration...........................................................................................................37 4.5.4 Chương 5 : Thiết kế mạch cảm biến:.......................................................................38 HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN...............................................................39 5.1 Mô hình hóa:.................................................................................................39 5.2 Thiết kế bộ điều khiển..................................................................................41 5.3 Kết quả mô phỏng........................................................................................43 5.4 Giải thuật điều khiển:..................................................................................47 5.4.1 Giải thuật tính sai số e2.........................................................................47 5.4.2 Sơ đồ khối bộ điều khiển:......................................................................47 5.4.3 Giải thuật điều khiển xe:.......................................................................48 Lưu đồ giải thuật..................................................................................................50 2 Đồ án thiết kế hệ thống Cơ- điện tử Chương 6 : KẾT QUẢ THỰC NGHIỆM.............................................................52 6.1 Kết quả chạy xe............................................................................................52 6.2 Trải nghiệm trong quá trình làm đồ án......................................................53 3 Đồ án thiết kế hệ thống Cơ- điện tử Chương 1 : TỔNG QUAN 1.1 Đề bài đặt ra : Mô tả về sa bàn: - Màu sắc đường line: đen. - Màu nền: trắng. - Bề rộng đường line: 26mm. - Bề mặt địa hình di chuyển: phẳng. - Đường line liên tục. Robot bắt buộc phải chạy theo chiều quy định đã ghi trên sa bàn (hình 1). Khi bắt đầu, robot được đặt tại vị trí START (điểm A), sau đó robot chạy theo thứ tự qua các điểm nút quy định lần lượt như sau: (START) A → B → C → D → E → F → C → G → A → C → E (END). Hình 1-1 Sa bàn di chuyển của robot Bên cạnh đó còn các ràng buộc về xe dò line như sau: - Tốc độ tối thiểu của robot: 0,2 m/s. - Đường kính các bánh xe: d ≤ 200mm. - Số lượng bánh xe (chủ dộng và bị động): tùy chọn. 4 Đồ án thiết kế hệ thống Cơ- điện tử - Kích thước tối đa các chiều của robot (dài ×rộng × cao ): 300 mm ×220 mm ×300 mm . - Có khẳ năng chở hình hộp chữ nhật trọng lượng 2kg với kích thước tối đa ( dài ×rộng × cao ): 200 mm ×100 mm ×300 mm . - Robot được trang bị hệ thống cảm biến để nhận biết và di chuyển bám line. 1.2 Giới thiệu: Robot đã ra đời rất sớm thay thế con người làm những việc nặng nhọc và độc hại. Trong thời đại công nghiệp hiện nay, robot ngày càng được ứng dụng rộng rãi trong sản xuất cũng như trong đời sống. Do yêu cầu ngày càng cao và phức tạp, robot cần có sự thay đổi linh hoạt và đáp ứng nhanh, nhất là mobile robot. Mobile robot là một loại robot có khả năng tự dịch chuyển, tự vận động có khả năng hoàn thành công việc được giao. Trong đó robot dò line là loại robot có thể tự xác định vị trí tương đối của mình và di chuyển bám theo một quỹ đạo (line từ, line màu) đã định sẵn. Hiện nay, robot dò line đã và đang được ứng dụng rộng rãi và ngày càng hoàn thiện trong lĩnh vực thăm dò đại dương, tự hành trên không, trong các môi trường kho bãi, nhà xưởng để vận chuyển hàng hóa thay con người hoặc dùng để nghiên cứu kỹ thuật trong các cuộc thi ở các quy mô khác nhau. 1.3 Tình hình nghiên cứu trong và ngoài nước: 1.3.1 Ngoài nước: 1.3.1.1 Xe Fireball tham gia cuộc thi đầu tiên Bot Brawl (Peoria, Illinois) (2014) Kết cấu xe rất đơn giản gồm bốn bánh đều là bánh chủ động được dẫn động bởi bốn động cơ riêng biệt. 5 Đồ án thiết kế hệ thống Cơ- điện tử Hình 1-2 Xe dò line Fireball Hình 1-3 Đường line Bot Brawl 2010 Bảng 1.1 Thông sô y thuu ̣t Fireball Thông số Dài x Rộng x Cao Vận tốc trung bình Khối lượng Giá trị 100 x 100 x 40 1.5 200 Đơn vị mm m/s g  Ưu điểm: Kết cấu truyền động đơn giản, độ cứng vững cao, bán kính cong nhỏ. 6 Đồ án thiết kế hệ thống Cơ- điện tử  Nhược điểm: Bộ điều khiển phức tạp do phải điều chỉnh độ đồng tốc của 4 động cơ riêng biệt để xe không bị trượt. 1.3.1.2 FH Westküste là robot dò line của đội vô địch cuộc thi MCU Car Rally được tổ chức tại Nuremberg vào năm 2015. Xe được cấu tạo giống xe đua thực tế với gầm thấp và thân dài về phía trước. Xe sử dụng cơ cấu lái Ackerman, hai bánh trước được cố định trực tiếp với khung cảm biến dò line, đồng thời được điều khiển bằng một động cơ servo nhằm điều hướng cho xe, động cơ sau tạo lực đẩy xe tiến lên thông qua cơ cấu vi sai. Hình 1-4 Xe dò line FH West üste Hình 1-5 Đường line MCU Car Rally 2015 7 Đồ án thiết kế hệ thống Cơ- điện tử Bảng 1.2 Thông sô y thuu ̣t Xe dò line FH West üste Thông số Dài × Rộng × Cao Vâ ̣n tốc trung bình Khối lượng Giá trị 550 × 170 × 140 1.04 1.1 Đơn vị mm m/s kg Ưu điểm: Cơ cấu lái Ackerman cho phép xe hoạt động ổn định, bám đường tốt, chống trượt.  Nhược điểm: Cơ cấu phức tạp, việc sử dụng hai bánh trước có cùng trục quay tạo áp lực lớn tác động lên động cơ điều hướng, bán kính cong lớn (hạn chế do góc lái của bánh trước và chiều dài thân xe), khó ôm cua. 1.3.2 Trong nước: 1.3.2.1 Xe Mr.zero - Trịnh Nguyễn Trọng Hữu – Giành giải nhì trong cuộc thi 2015. Số lượng bánh xe: 4 bánh, 2 bánh sau gắn dẫn động, 2 bánh trước tự lựa. Hình 1-6 Sơ đồ xe Mr.zero - Tốc độ đạt được: 1.6 m/s. - Sai số: 15 mm.  Ưu điểm : xe đảm bảo khả năng cân bằng tốt. 8 Đồ án thiết kế hệ thống Cơ- điện tử  Nhược điểm : không đảm bảo độ đồng phẳng do đó cần một hệ thống treo để đảm bảo xe tiếp xúc với mặt đường. 1.3.2.2 Xe UIT-Mon - Nguyễn Tiến Đình - Giải nhất cuộc thi năm 2013. Số lượng bánh xe: 3 bánh, 2 bánh sau gắn dẫn động, bánh trước tự lựa. Hình 1-7 Sơ đồ xe UIT-Mon Tốc độ đạt được: 1,5m/s. - Sai số: 20 mm.  Ưu điểm : 3 bánh xe luôn tiếp xúc với bề mặt di chuyển, đáp ứng nhanh do phần cảm biến đặt xa bánh chủ động.  Nhược điểm : dễ bị lật khi tải trọng đặt lệch so với trọng tâm, khó ôm cua do chiều dài xe lớn 9 Đồ án thiết kế hệ thống Cơ- điện tử Chương 2 : LỰA CHỌN PHƯƠNG ÁN 2.1 Cơ khí 2.1.1 Sơ đồ nguyên lý Đặc điểm và yêu cầu của xe: - Xe di chuyển trên địa hình bằng phẳng không có dốc nghiêng. - Xe chở tải nặng 2kg - Xe di chuyển với đường line liên tục không bị đứt đoạn, có khoảng giao nhau tại vị trí A,C,E và rẽ được 90 độ tại A. Đề xuất các phương án: Bảng 2.3 Bảng so sánh một số sơ đồ nguyên lý Xe 3 bánh Xe 4 bánh 2 bánh chủ động 2 bánh chủ động 2 bánh tự lựa phía 2 bánh tự lựa phía phía sau và bánh phía trước và bánh trước và 2 bánh chủ trước có hệ thông tự lựa phía trước. tự lựa phía sau. động phía sau. treo. * Ưu điểm: * Ưu điểm: * Ưu điểm: * Ưu điểm: - 3 bánh xe luôn - 3 bánh xe luôn - Xe có kết cấu đơn -Xe bẻ lái dễ dàng đồng phẳng tiếp đồng phẳng tiếp giản. khi qua cua và xúc với mặt đất. xúc với mặt đất. -Xe có 4 bánh nên không bị lật dù - Kết cấu cơ khí - Kết cấu cơ khí khi qua cua dù mang tải nặng. 10 Đồ án thiết kế hệ thống Cơ- điện tử mang tải nặng cũng đơn giản. - Qua cua dễ dàng. không bị lật như xe đơn giản. 3 bánh. - 4 bánh xe luôn - Xe dù có lực bên đồng phẳng do có ngoài cũng khó bị hệ thống treo. văng ra khỏi đường line hơn là bánh tự lựa phía trước. * Nhược điểm: -Qua cua dễ dàng. *Nhược điểm: - Bánh tự lựa phía *Nhược điểm: -Khó đảm bảo cho 4 * Nhược điểm: trước nên chỉ cần - Do xe mang tải bánh xe luôn đồng - Thiết kế cơ khí chịu một tác động nặng nên khi qua phẳng. phức tạp khó chế nhỏ cũng có thể cua xe dễ bị lật. - khó qua cua do đặc tạo. làm cho xe văng điểm của bánh xe tự khỏi đường line. lựa. - khó điều khiển - Xe mang tải nặng nên khi qua cua dễ bị lật. - Mô hình: uXbot- - Mô hình: line following - Mô hình: Arobot Silvestre-line - Mô hình: Smart robot của Daniel mobile robot following robot Car trong cuộc thi Álvarez với vận vận tốc tối đa 0.25 trong cuộc thi The Freescale tốc trung bình đạt m/s. Cosmobot với tốc 2012, Plethora II. 1.65 m/s. độ tối đa lên tới 3m/s. → Chọn phương án xe ba bánh với hai bánh chủ động phía sau và một bánh tự lựa phía trước. 2.1.2 Bánh xe 2.1.2.1 Bánh chủ động - Yêu cầu: 11 Đồ án thiết kế hệ thống Cơ- điện tử + Nhẹ, bền, khả năng bám đường tốt + Đường kính bánh xe d ≤200 mm + Di chuyển trên địa hình bằng phẳng - Phương án lựa chọn: dựa trên đặc điểm của các loại bánh và yêu cầu cần đáp ứng, nhóm lựa bánh thông thường có gai: bánh V3. Hình 2-8 Bánh xe V3 2.1.2.2 Bánh bị động: Trên thị trường có nhiều loại bánh xe khác nhau, nhưng thường được sử dụng nhiều nhất là bánh mắt trâu, bánh omni, bánh caster  Yêu cầu bánh bị động: - Kết cấu nhỏ gọn - Di chuyển trên bề mặt sa bàn phẳng, ít cát bụi. - Dẫn hướng tốt. - Xử lý nhanh khi vào cua - Phù hợp hoàn cảnh kinh tế sinh viên  Chọn phương án bánh mắt trâu 2.1.3 Động cơ → Theo đề bài, với yêu bài toán xe đạt vận tốc 1 m/s trong thời gian mong muốn 1s, nhóm chọn động cơ DC servo có encoder. 12 Đồ án thiết kế hệ thống Cơ- điện tử 2.1.4 Cảm biến Các yêu cầu khi lựa chọn cảm biến - Khả năng đáp ứng nhanh sự thay đổi màu sắc giữa trắng và đen. - Có khả năng nhận biết những đoạn line gấp khúc đột ngột - Ít bị nhiễu. - Dễ tìm kiếm, mua được trên thị trường và giá thành hợp lí. Dựa trên sự phân tích các phương án về sensor ở phần tổng quan, ta thấy sử dụng phototransitor là hợp lý cũng như đáp ứng được các yêu cầu kĩ thuật của thực tế cuộc thi. Dựa trên đặc tính độ nhạy cao của phototransitor, hai phương án sử dụng loại sensor này được đề xuất: - Phototransistor kết hợp với LED thường - Phototransistor kết hợp với LED hồng ngoại.  Đối với đường line màu có độ tương phản cao vì thế LED hồng ngoại cho độ nhạy cao hơn nhưng cần phải che chắn để chống nhiễu. Đối với đường đua mà màu line với màu của nền có độ tương phản thấp, sử dụng LED thường sẽ hiệu quả hơn. Thực tế đường line cho thấy màu có độ tương phản cao (line đen, nền trắng) nên nhóm chọn phương án Phototransistor kết hợp với LED hồng ngoại. - Số lượng cảm biến: Bảng 2.4 So sánh sô lượng cảm biến Số lượng 5 - Bắt được line tốt hơn do có 1 cảm biến ở tâm line (so Ưu với số cảm biến chẵn) - Giảm chi phí (so với 7) - Hạn chế nhiễu (so với 7) Nhược 7 - Bắt được line tốt hơn do có 1 cảm biến ở tâm line (so với số cảm biến chẵn) - Giữ được vận tốc cao khi vào cua và khi giao nhau giữa các line (so với 5) do bắt line giao nhau sớm - Bám line tốt hơn - Vào cua bám line không tốt, - Tốn thêm chi phí xe trượt xa so với đường 13 Đồ án thiết kế hệ thống Cơ- điện tử line (so với 7)  Do đó, nhóm chọn sử dụng 7 cảm biến. 2.1.5 Phương án điều khiển: Các tiêu chí để lựa chọn phương án điều khiển : - Mạch điều khiển thiết kế đơn giản, giảm khối lượng xe - Dễ dàng chỉnh sửa và khắc phục lỗi khi lập trình - Dễ dàng thay thế và nâng cấp. - Giá thành hợp lý  Dựa trên các tiêu chí trên, nhóm chọn phương án điều khiển tập trung 2.1.6 Giải thuật điều khiển: Các tiêu chí để lựa chọn giải thuật điều khiển : - Đáp ứng nhanh - Bám line tốt - Đạt mục tiêu đề ra.  Do đó, nhóm chọn giải thuật Follow-tracking điều khiển động cơ. 2.1.7 Phương án thiết kế : Phương án thiết kế robot được lựa chọn: - Sơ đồ nguyên lý: robot 3 bánh (2 bánh V3 chủ động , 1 bánh mắt trâu dẫn hướng). - Cảm biến: bộ 7 LED hồng ngoại-Phototransistor. - Động cơ: động cơ DC có gắn encoder . - Cấu trúc điều khiển: bộ điều khiển tập trung - Giải thuật điều khiển: bộ điều khiển Follow-tracking 14 Đồ án thiết kế hệ thống Cơ- điện tử Chương 3 : HỆ THỐNG CƠ KHÍ Chương này bao gồm lựa chọn bánh xe, tính toán chọn động cơ, tính toán kích thước xe, thiết kế đồ gá cho động cơ, bố trí các bộ phận xe. 3.1 Bánh xe: 3.1.1 Bánh chủ động: - Chọn bánh V3 để có độ cứng vững tốt - Thông số kĩ thuật: + Chất liệu: Nhựa + Đường kính bánh d=80 mm + Độ dày bánh xe 10 mm + Độ rộng bánh 30mm + Khớp lục giác 40mm + Khớp lục giác 15mm + Trục xe phi 4 mm 3.1.2 Bánh bị động: Bánh bị động chọn bánh mắt trâu để tránh hiện tượng shopping-cart 3.2 Tính toán lựa chọn động cơ Để xe chuyển động, động cơ có vai trò cung cấp moment cho các bánh. Quá trình chuyển động này chịu ảnh hưởng đáng kể của khối lượng xe và ma sát giữa bánh xe và mặt đường. Mục tiêu: - Vận tốc mong muốn v=1m/s - Thời gian mong muốn: t=1s - Gia tốc mong muốn a=1 m/s 15 Đồ án thiết kế hệ thống Cơ- điện tử - Momen quán tính quanh tâm bánh xe: 1 I = m R2 2 - Cân bằng momen quanh tâm bánh xe, ta được: τ −F ms . R=Iγ ⇔ τ=Iγ + F ms . R - Điều kiện để bánh xe lăn không trượt khi động cơ quay: F ms ≤ μN ⇔ τ ≤ μNR+ Iγ ⇔τ≤ μ - ( 12 M +m ) gR+ 12 m R γ 2 Thay vào phương trình momen trên ta được : 1 1 τ = m R2 γ + M +m . μ . g . R 2 2 ( - ) Công suất mỗi động cơ: P=τω Trong đó: - M=3kg: khối lượng xe (có tính tải) - m=0.025 kg: khối lượng bánh xe chủ động - μ=0.7 : hệ số ma sát - R=40 mm : bán kính bánh xe chủ động - F ms: lực ma sát 16 Đồ án thiết kế hệ thống Cơ- điện tử - γ : gia tốc góc - 2 a=1 m/s : gia tốc dài mong muốn - 2 g=9.81 m/ s : gia tốc trọng trường - ω: vận tốc góc Từ đó, momen lăn không trượt 2 1 1 1 τ = .0,025 . ( 40.10−3 ) . + .3+0,025 .0,7 .9,81. 40. 10−3 ¿ 0,419 Nm −3 2 2 40.10 ( - ) Với hệ số an toàn là 1,2, ta tính được: P=1,2. 0,419. - )( ( 40.110 )=12.57 W −3 Số vòng quay: n= 60.1 =239 v / p 2 π .40 . 10−3 Từ đó, ta chọn động cơ DC servo GA25 V1 có các thông số như sau : Điện áp định mức 12V 13.2W 80 mA 600 mA 2.29 A 320 rpm 284 rpm 1,88kgf.cm 7.96kgf.cm Công suất định mức Dòng khi không tải Dòng khi có tải Dòng khi động cơ bị giữ Tốc độ khi không tải Tốc độ khi có tải Momen Momen động cơ khi bị giữ Động cơ Hộp giảm tốc Encoder Trục công tác Đường kính Chiều dài Đường kính Chiều dài Tỷ số truyền Đường kính Số xung khi đi qua hộp 24,4 mm 31 mm 25 mm 21 mm 1:34 14 mm 374 giảm tốc Đường kính Chiều dài 4 mm 8 mm Tính toán lại vâ ̣n tốc: 17 Đồ án thiết kế hệ thống Cơ- điện tử V= 320.2 π −3 .40 .10 =1,34 m/s 60 Vậy động cơ đã chọn thỏa mãn mục tiêu đặt ra. 3.3 Tính toán thiết kế thân xe: 3.3.1 Thiết kế kích thước thân xe Tính toán chiều dài và chiều rộng xe Hình 3-9 Mô hình toán chiều dài xe Vì L ≪ R nên ta có thể xem : L 2 L ^ AOB=2arcsin = R R Dựa vào quan hệ hình học ta có : ^ δ 2= ^ AOC ; α −δ 1=COB L α −δ 1 +δ 2= ^ AOB= R L ⟹ α = + δ 1−δ 2 (1) R Trong đó : δ 1 , δ 2: góc lệch bên của bánh trước và bánh sau L : Chiều dài thân xe 18 Đồ án thiết kế hệ thống Cơ- điện tử R : bán kính cong quỹ đạo Lực li tâm : Mv F ¿= R 2 Trong đó : - M là khối lượng của xe. - v là vận tốc dài của xe. Vì các góc δ 1 , δ 2 và α nhỏ nên ta có thể coi F y 1= F ¿ b m v 2 b P v2 b = = L RL gRL F y 2= F ¿ a m v2 a P v2 a = = L RL gRL Đặt : Pb Pa =P 1 ; =P2 L L Suy ra : F y 1= P1 v 2 P v2 F y 2= 2 gR gR Trong đó : - F y 1 , F y2 lần lượt là phản lực ngang mặt đường tác dụng lên bánh xe trước và sau. P , P 1 , P2 lần lượt là trọng lượng của thân xe, trọng lượng phân bố lên bánh trước và bán sau. Ta lại có F y =C L δ Với : C L là hệ số trượt ngang của bánh xe. Lần lượt thay F y 1 , F y2 vào biểu thức F y ta tính được : 2 F P v δ 1= y 1 = 1 C L1 gR C L 1 2 F y2 P2 v δ 2= = C L2 gR C L 2 Thay δ 1 , δ 2 vào biểu thức (1) ta được : 19 Đồ án thiết kế hệ thống Cơ- điện tử P1 v 2 P2 v 2 L α= + − R g R C L1 gR C L 2 P P v2 L ⟹α= + 1 − 2 R C L1 C L 2 gR ( Đặt K= ) P1 P − 2 C L1 C L2 L v2 ⟺α= +K R gR 2 ⟹ L=αR−K v g Ở đoạn cua ta cần quay một góc 45 ° nên chọn : α= π 4 K là hệ số quay vòng được mô tả ở hình dưới. Hình 3-10 Mô hình biển diễn hộ sô quay vòng Ta chọn sơ bộ K = 1,5 π 4 Khi đó: L= 0,5−1,5. 12 ≈ 0,19 m=190 ( mm ) 9,81 Chọn L=245 mm 3.3.2 Tính toán trọng tâm xe Tại các đoạn đường chuyển hướng, xe có khả năng bị lật khi trọng tâm xe cao so với mặt đường. Để tránh lật, moment sinh ra do trọng lực quanh tâm quay C phải lớn hơn moment của lực li tâm. 20