Tài liệu Do an thiet ke robot do duong me cung chinh thuc

ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT TP HỒ CHÍ MINH Khoa: ĐIỆN – ĐIỆN TỬ -----  ----- BÁO CÁO ĐỒ ÁN II Đề tài: THIẾT KẾ ROBOT TỰ ĐỘNG DÒ ĐƯỜNG TRONG MÊ CUNG GVHD: TS. Trương Đình Nhơn SVTH: 1 Trương Lê Hữu Phát 2. Trần Huy Đạt 3.Võ Tấn Toàn MSSV 12151061 MSSV 12151015 MSSV 12151085 TP Hồ Chí Minh, tháng 6 năm 2015 NHẬN XÉT CỦA GIẢNG VIÊN: .......................................................................................................................... .......................................................................................................................... .......................................................................................................................... .......................................................................................................................... .......................................................................................................................... .......................................................................................................................... .......................................................................................................................... .......................................................................................................................... .......................................................................................................................... .......................................................................................................................... .......................................................................................................................... .......................................................................................................................... .......................................................................................................................... .......................................................................................................................... .......................................................................................................................... .......................................................................................................................... .......................................................................................................................... .......................................................................................................................... .......................................................................................................................... .......................................................................................................................... .......................................................................................................................... .......................................................................................................................... .......................................................................................................................... .......................................................................................................................... .......................................................................................................................... ........................... TP Hồ Chí Minh, ngày….tháng….năm 2015 Mục Lục I. TỔNG QUAN ............................................................................ 1 Phần 1 Giới thiệu ....................................................................... 1 Phần 2 Mục tiêu đề tài .............................................................. 1 Phần 3 Giới hạn đề tài ............................................................... 1 II. Cấu tạo, Giải thuật, Lập trình ............................................... 3 Phần 1 Cấu tạo ........................................................................... 3 Phần 2 Giải Thuật ................................................................... 11 Phần 3 Lập Trình .................................................................... 15 III Kết luận và hướng phát triển đề tài .................................... 21 Tài liệu tham khảo ...................................................................... 23 Danh mục hình vẽ: Hình 1.1 Sơ đồ khối của xe Trang 3 Hình 1.2 Sơ đồ nguyên lý của sensor digital Trang 4 Hình 1.3 Cặp led thu phát hồng ngoại Trang 4 Hình 1.4 Module cảm biến hồng ngoại Trang 4 Hình 1.5 Sơ đồ kết nối module cảm biến vào arduino nano Trang 4 Hình 1.6 Arduino nano Trang 5 Hình 1.7 Sơ đồ nguyên lý L298 Trang 5 Hình 1.8 Hình ảnh module L298 Trang 6 Hình 1.9 Mạch cầu H Trang 7 Hình 1.10 Hoạt động cầu H Trang 7 Hình 1.11 Hình ảnh động cơ Trang 8 Hình 1.12 Sơ đồ kết nối động cơ với L298 và arduino Trang 8 Hình 1.13 Hình ảnh cục sạc và pin Trang 9 Hình 1.14 Hình ảnh khung xe được vẽ bằng autocad 2007 Trang 9 Hình 1.15 Bánh xe nối với động cơ Trang 10 Hình 1.16 Bánh xe mắt trâu Trang 10 Hình 1.17 Test board mini (35x47mm) Trang 10 Hình 1.18 Công tắc nhỏ Trang 10 Hình 2 Bước giải mê cung của bám tường trái Trang 11,12,13,14 Hình 3.1 Lưu đồ giải thuật Trang 15 Hình 3.2 Lưu đồ cho lập trình Trang 15 Hình 4 Xe hoàn chỉnh Trang 21,22 I. TỔNG QUAN Phần 1 Giới thiệu Robot tự hành hay robot di động được định nghĩa là một loại xe robot có khả năng tự dịch chuyển, tự vận động (có thể lập trình lại được) dưới sự điều khiển tự động có khả năng hoàn thành công việc được giao. Theo lý thuyết, môi trường hoạt động của robot tự hành có thể là đất, nước, không khí, không gian vũ trụ hay tổ hợp giữa chúng. Địa hình bề mặt mà robot di chuyển trên đó có thể bằng phẳng hoặc thay đổi, lồi lõm. Đề tài này nghiên cứu robot tự hành dò đường trong mê cung. Robot tự hành là một thành phần có vai trò quan trọng trong ngành Robot học, một ngành không thể thiếu trong lĩnh vực tự động hóa. Cùng với sự phát triển mạnh mẽ của các hệ thống tự động hóa, robot tự hành ngày một được hoàn thiện và càng cho thấy lợi ích của nó trong công nghiệp và sinh hoạt. Một vấn đề rất được quan tâm khi nghiên cứu về robot tự hành là làm thế nào để robot biết được vị trí nó đang đứng và có thể di chuyển tới một vị trí xác định, đồng thời có thể tự động tránh được các chướng ngại vật trên đường đi. Vì vậy, việc chế tạo thành công đề tài này sẽ mở ra một hướng tiếp cận mới và góp phần thúc đẩy việc ứng dụng của robot ngày càng nhiều vào trong đời sống hằng ngày và trong nghiên cứu chế tạo. Phần 2 Mục tiêu đề tài Thiết kế, thi công, điêù khiển robot tự hành. Sau khi hoàn thành xe có khả năng tránh vật cản, phân tích đường đi và tự tìm đường ra mê cung. Lưu được mê cung, tìm đường ngắn nhất. Phần 3 Giới hạn đề tài Robot tự hành, tránh vật cản, đi dọc theo tường trái và tự tìm đường ra khỏi mê cung . Nội dung nghiên cứu: - Dựa vào nguyên lý hoạt động của robot tự hành nhóm đã thiết kế mô hình bằng các phương pháp cụ thể như sau: + Khảo sát phân tích tổng hợp: phân tích cách thức hoạt động của robot tự hành để lựa chon thiết bị, linh kiện phù hợp. Thiết kế khung xe sao cho nhỏ gọn dễ dàng lắp đặt các linh kiện để tối ưu hóa phần cứng, bộ phận xử lí tín hiệu có tốc độ cao nhất đồng thời có giá thành thấp và tuổi thọ cao… + Khảo sát tính khả thi của từng thuật toán làm cho robot có thể di chuyển và đi ra khỏi mê cung một cách nhanh nhất và chính xác nhất . 1 + Thực nghiệm: dùng phương pháp thực nghiệm để kiểm tra tính khả thi của từng thuật toán, sau khi thực nghiệm nhóm chúng em lựa chọn phương pháp xét từng trường hợp nhận tín hiệu của các cảm biến để xe tự di chuyển và tránh vật cản tìm đường thoát khỏi mê cung. + Đánh giá kết quả dựa trên quá trình thực nghiệm và cuộc thi “ROBOT TÌM ĐƯỜNG TRONG MÊ CUNG LẦN II 2015” nhóm chúng em vượt qua vòng 1 với thành tích là đứng vị trí thứ 5 trên tổng số các đội tham dự, tuy nhiên ở vòng 2 do mê cung phức tạp hơn kĩ thuật còn thiếu ở pin yếu, động cơ chưa sử dụng hết tốc độ, xe bị lệch vị trí nhiều nên chưa đạt được thành tích cao ở vòng này. 2 II. Cấu tạo, Giải thuật, Lập trình Phần 1 Cấu tạo 1. Sơ Đồ Khối Hình 1.1 Sơ đồ khối của xe. 3 1.1 Cảm Biến và Mạch Cảm Biến Hình 1.2 Sơ đồ nguyên lý của sensor digital Dùng cập Led thu phát hồng ngoại 5mm D6 và D5. Ic lm324 để tạo tín hiệu digital về cho vi điều khiển, khoảng cách đo sẽ được tinh chỉnh bằng biến trờ, theo mô hình khả năng chích xác từ 3cm đến 7cm. Hình 1.3 Cặp led thu phát hồng ngoại. ngoại Hình 1.4 Module cảm biến hồng Hình 1.5 Sơ đồ kết nối module cảm biến vào arduino nano 4 1.2 Vi Điều Khiển Arduino nano nhỏ tiện lợi, ưu điểm cho kích thước cho xe nhỏ gọn thông số: - Vi điều khiển atmega328(8bit) - Điện áp cung cấp là 5v-dc; điện áp khuyên dùng 7-12v; điện áp ngưỡng 620V - Tần số 16Mhz - Dòng điện tiêu thụ 30mA -Số chân analog là 8 chân - Số chân D/I 14 chân(6 chân pwm) Chức năng của arduino nano là: - nhận tín hệu từ mạch cảm biến và xử lý tín hiệu. - Xử lý mọi hoạt động của robot. - Điều khiển hai động cơ bên trái, bên phải. -Ngôn ngữ lập trình C. -Phần mềm lập trình arduino 1.6.1 Hình 1.6 Arduino nano 1.3 Mạch Điều Khiển Động Cơ và Động Cơ 1.3.1 Mạch L298 Hình 1.7 Sơ đồ nguyên lý L298 5 Hình 1.8 hình ảnh module L298 Dual H-Bridge Module sử dụng IC ST L298N tích hợp nguyên khối 15-pin kiểu Multiwatt, điện áp và dòng tải cao, được thiết kế để chấp nhận mức điện áp logic tiêu chuẩn TTL và tải điện cảm như Solenoids, 2 động cơ DC hoặc 1 động cơ bước 4 dây. Hai Enable inputs cho phép kích hoạt (enable) hoặc vô hiệu hóa (disable) các thiết bị độc lập của tín hiệu đầu vào. Cực E của các Transistor dưới của mỗi cầu được nối với nhau và đưa ra bên ngoài (chân SENSE A và SENSE B) để có thể nối với một điện trở để có thể cung cấp một nguồn đầu vào bổ sung để logic làm việc với điện áp thấp hơn  Trọng lượng nhẹ, kích thước nhỏ 42 x 50 mm  Dung lượng tải lớn  FWD Protection  Tản nhiệt cho tải nặng  Lựa chọn chuyển đổi nguồn  2 DC motor, 4 dây 2 pha Step motor  1 Led chỉ báo nguồn và 4 Led chỉ báo chiều Motor  4 lỗ tiêu chuẩn để cố định Thông số     Driver: L298 Nguồn cấp: +5V~+46V Dòng ra: 2A Có cổng nguồn +5~+7V (internal supply +5V) 6   Dòng logic: 0~36mA Kích thước: 40mm * 39 mm Hình 1.9 mạch cầu H 2 đầu V và GND là 2 đầu (+) và (-) của ắc qui, “đối tượng” là động cơ DC mà chúng ta cần điều khiển, “đối tượng” này có 2 đầu A và B, mục đích điều khiển là cho phép dòng điện qua “đối tượng” theo chiều A đến B hoặc B đến A. Thành phần chính tạo nên mạch cầu H của chúng ta chính là 4 “khóa” L1, L2, R1 và R2 (L: Left, R:Right). Ở điều kiện bình thường 4 khóa này “mở”, mạch cầu H không hoạt động. Tiếp theo chúng ta sẽ khảo sát hoạt động của mạch cầu H thông qua các hình minh họa 2a và 2b. Trường hợp 1: L1 và R2 đóng và R1 và L2 mở thì dòng điện đi từ A đến B. Trường hợp 2: R1 và L2 đóng và L1 và R2 mở thì dòng điện đi từ B đến A. Hình 1.10 hoạt động cầu H a) 7 Trường hợp 1 b) Trường hợp 2 Các trường hợp ngắn mạch: L1 và L2 cùng đóng hoặc R1 và R2 cùng đóng hoặc, L1 và L2 và R1 và R2 cùng đóng. Trường hợp dừng động cơ: L1 và R1 đóng hoặc L2 và R2 đóng. 1.3.2 Động cơ Động cơ Gear motor 6VDC, 400 rpm Hình 1.11 hình ảnh động cơ. Hình 1.12 Sơ đồ kết nối động cơ với L298 và arduino. 1.4 Pin + sạc đầy pin 4.2V 350mAh, pin 3.7v 350mAh 8 Hình 1.13 Hình ảnh cục sạc và pin. 1.5 Khung Xe Hình 1.14 Hình ảnh khung xe được vẽ bằng autocad 2007. 9 1.6 Một số linh kiện khác của xe hình 1.15 Bánh xe nối với động cơ. hình 1.16 Bánh xe mắt Trâu. - Hai Bánh xe nối trực tiếp với động cơ Thông số: + vỏ cao su + trọng lượng: 19g + đường kính bánh: 42mm + độ rộng bánh: 19mm - Một Bánh mắt trâu 3pi Với khả năng di chuyển linh hoạt, đa chiều. + Đường kính bánh xe nhỏ 12mm. + Bánh xe này dùng làm bánh lái cho robot. + Toàn bộ bánh xe được làm bằng thép nên rất bền. + Đơn giản, nhỏ gọn và dễ lắp đặt. hình 1.17 test board mini(35 x 47mm) Hình 1.18 công tắc nhỏ. 10 Phần 2 Giải Thuật Đi Dọc Theo Tường Trái Thuật toán bám theo tường (wall follower) là một quy tắc nổi tiếng nhất để vượt qua mê cung, còn được gọi là quy tắc tay trái hoặc quy tắc tay phải. Nếu mê cung chỉ liên thông đơn giản nghĩa là tất cả các bức tường của nó được kết nối với nhau hoặc kết nối với đường bao quanh mê cung, thì bằng cách dò một tay lên một bức tường của mê cung thì người đi đảm bảo không bị lạc và tìm được lối ra nếu có một lối ra trên đường bao; hoặc nếu không có lối ra thì sẽ quay trở lại lối vào và sẽ đi qua tất cả các đường của mê cung ít nhất 1 lần. Các bước mô phỏng giải mê cung: M là vị trí hiện của xe, x là vị trí đã đi qua ở bước trước. 11 12 13 Hình 2 Các bước vẻ mê cung 14 Phần 3 Lập Trình 3.1 Lưu Đồ Hình 3.1 Lưu đồ giải thuật Hình 3.2 Lưu đồ cho lập trình 3.2 Viết Chương Trình 1: 2: 3: 4: const int IN1 = 2; const int IN2 = 4; const int ENB = 3; const int IN3 = 6; // nau //do // vang // den 15 5: 6: 7: 8: 9: 10: 11: 12: 13: 14: 15: 16: 17: 18: const int IN4 = 7; //trang const int ENA = 5; // xanh int sensorvalue; int i, t; int value = 0; int old; int sensor; const int sensor12Pin = 12; const int sensor11Pin = 11; const int sensor10Pin = 10; const int sensor9Pin = 9; const int sensor8Pin = 8; int tt = 0, old_tt; int flag = 0; 19: void setup() { // put your setup code here, to run once: 20: pinMode(IN1, OUTPUT); 21: pinMode(IN2, OUTPUT); 22: pinMode(ENB, OUTPUT); 23: pinMode(IN3, OUTPUT); 24: pinMode(IN4, OUTPUT); 25: pinMode(ENA, OUTPUT); 26: 27: 28: 29: 30: pinMode(sensor12Pin, INPUT); pinMode(sensor11Pin, INPUT); pinMode(sensor10Pin, INPUT); pinMode(sensor9Pin, INPUT); pinMode(sensor8Pin, INPUT); 31: Serial.begin(9600); } 32: int read_sensor() { // doc sensor 33: sensorvalue = digitalRead(sensor12Pin) + digitalRead(sensor11Pin) * 2 + digitalRead(sensor10Pin) * 4 + digitalRead(sensor9Pin) * 8 + digitalRead(sensor8Pin) * 16; 34: return (sensorvalue); } 16