Tài liệu Thiết kế, chế tạo và điều khiển robot xe đua dò line

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA KHOA CƠ KHÍ BỘ MÔN CƠ-ĐIỆN TỬ  ĐỒ ÁN MÔN HỌC THIẾT KẾ HỆ THỐNG CƠ-ĐIỆN TỬ HỌC KÌ II, NĂM HỌC 2016-2017  ĐỀ TÀI: THIẾT KẾ, CHẾ TẠO VÀ ĐIỀU KHIỂN ROBOT XE ĐUA DÒ LINE  GVHD: PGS.TS. NGUYỄN TẤN TIẾN  SVTH: NHÓM 1 1. HỒ LÊ TẤN BẢO 21300222 2. LÊ MINH ĐỨC 21300912 3. NGUYỄN HOÀNG HUY 21301476 4. NGUYỄN HỮU HUY 21301478 TP. HỒ CHÍ MINH, NGÀY 13 THÁNG 05 NĂM 2017 MỤC LỤC YÊU CẦU .................................................................................................................................. 1 MỤC TIÊU ................................................................................................................................. 1 CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN ...................................................................................................... 2 Về Cơ Khí..................................................................................................................... 2 1. Mô hình xe đua dò line trong nước .............................................................................. 2 2. Mô hình xe đua dò line ngoài nước .............................................................................. 3 3. So sánh ưu, nhược điểm ............................................................................................... 5 Về Điện......................................................................................................................... 6 1. Về cảm biến .................................................................................................................. 6 2. Về động cơ ................................................................................................................... 8 Về Cấu Trúc Điều Khiển .............................................................................................. 8 Về Bộ Điều Khiển ...................................................................................................... 10 ĐẶT ĐỀ BÀI.............................................................................................................. 10 CHƯƠNG 2: LỰA CHỌN PHƯƠNG ÁN .............................................................................. 12 Về Cơ Khí................................................................................................................... 12 1. Phương án khả thi ....................................................................................................... 12 2. Lựa chọn phương án ................................................................................................... 12 Về Điện....................................................................................................................... 12 1. Lựa chọn động cơ ....................................................................................................... 12 2. Lựa chọn cảm biến ..................................................................................................... 13 Về Cấu Trúc Điều Khiển ............................................................................................ 13 Về Bộ Điều Khiển ...................................................................................................... 13 CHƯƠNG 3: THIẾT KẾ .......................................................................................................... 14 Thiết Kế Cơ Khí ......................................................................................................... 14 1. Tính toán kích thước xe .............................................................................................. 14 2. Tính toán công suất động cơ ...................................................................................... 17 3. Tính toán moment xoắn động cơ ................................................................................ 18 4. Dung sai ...................................................................................................................... 19 Thiết Kế Điện ............................................................................................................. 25 1. Thiết kế cảm biến ....................................................................................................... 25 2. Lựa chọn nguồn .......................................................................................................... 30 3. Khối động cơ-driver ................................................................................................... 31 Thiết Kế Phần Lập Trình ............................................................................................ 36 1. Sơ đồ khối hệ thống điều khiển .................................................................................. 36 2. Chọn vi điều khiển ..................................................................................................... 36 3. Lưu đồ giải thuật ........................................................................................................ 37 Mô Hình Hóa .............................................................................................................. 39 1. Mô hình hóa động học ................................................................................................ 39 2. Thiết kế bộ điều khiển ................................................................................................ 40 3. Mô hình hóa cảm biến ................................................................................................ 40 4. Cách tìm sai số ........................................................................................................... 40 5. Mô hình hóa động cơ .................................................................................................. 41 6. Kết quả mô phỏng ...................................................................................................... 42 7. Nhận xét ..................................................................................................................... 45 CHƯƠNG 4: KẾT QUẢ THỰC NGHIỆM ............................................................................. 46 Kết Quả Thực Nghiệm ............................................................................................... 46 Phân Tích Thực Nghiệm ............................................................................................ 48 Đề Xuất Hiệu Chỉnh Thiết Kế .................................................................................... 48 CHƯƠNG 5: BIỂU ĐỒ GANLT ............................................................................................. 49 TÀI LIỆU THAM KHẢO ........................................................................................................ 51 Đồ án TKHT Cơ-Điện Tử Xe Đua Dò Line YÊU CẦU Đồ án môn học (ĐAMH) Thiết Kế Hệ Thống Cơ-Điện Tử yêu cầu nhóm sinh viên thực hiện hoàn chỉnh các quá trình thiết kế, chế tạo và điều khiển Robot Xe Đua Dò Line (Line Following Robot). Robot sau khi hoàn thành phải di chuyển bám theo sa bàn line phẳng cho trước (hình H.1), theo thứ tự (START) A → B → C → D → E → F → C → G → A → C → E (END), với vận tốc không nhỏ hơn 0.2𝑚/𝑠. F B 𝑅500 C E A START END 𝑅500 D G 1500 3000 H.1 Sa bàn di chuyển của robot MỤC TIÊU Do yêu cầu của ĐAMH là thiết kế, chế tạo và điều khiển robot xe đua dò line nên mục tiêu quan trọng nhất của cả quá trình là xe đua dò line chạy nhanh nhất có thể. Nhóm 1 1 Đồ án TKHT Cơ-Điện Tử Xe Đua Dò Line CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN Về Cơ Khí 1. Mô hình xe đua dò line trong nước a. Robot Không Độ của đội Không Độ vô địch BCR 2013  Sơ đồ nguyên lí (a) (b) H.𝟐 (a) Robot Không Độ; (b) Sơ đồ kết cấu Robot Không Độ  Kích thước: 𝐿 × 𝑊 × 𝐻 = 270 × 140 × 140 (𝑚𝑚).  Số bánh xe: Xe có 4 bánh, trong đó 2 bánh cao su dẫn động (𝐷 = 50 (𝑚𝑚)) đường kính lớn đặt ở phía sau, 2 bánh cao su có đường kính nhỏ hơn đặt ở phía trước thực hiện chức năng rẽ hướng, phần bộ phận cảm biến tiếp xúc trực tiếp với đường line không có bi lăn hoặc bánh mắt trâu ở giữa.  Vận tốc xe: Vận tốc cực đại 𝑣𝑚𝑎𝑥 = 0.6 (𝑚/𝑠), vận tốc trung bình 𝑣𝑎𝑣𝑔 = 0.4 (𝑚/𝑠). b. Robot TDC1 của đội TDC1 vô địch MCR 2014  Sơ đồ nguyên lí (a) (b) H.𝟑 (a) Robot TDC1; (b) Sơ đồ kết cấu Robot TDC1  Kích thước: 𝐿 × 𝑊 × 𝐻 = 24 × 160 × 80 (𝑚𝑚).  Số bánh xe: Xe có 4 bánh, trong đó 2 bánh cao su (𝐷 = 40 (𝑚𝑚)) dẫn động đặt ở phía sau, 2 bánh cao su có đường kính nhỏ hơn (𝐷 = 20 (𝑚𝑚)) đặt ở phía trước thực hiện chức năng như rẽ hướng, phần bộ phận cảm biến tiếp xúc trực tiếp với đường line không có bi lăn hoặc bánh mắt trâu ở giữa.  Vận tốc xe: Vận tốc cực đại 𝑣𝑚𝑎𝑥 = 0.7 (𝑚/𝑠), vận tốc trung bình 𝑣𝑎𝑣𝑔 = 0.4 (𝑚/𝑠). c. Robot BKC] của đội BKC vô địch BCR 2015 Nhóm 1 2 Đồ án TKHT Cơ-Điện Tử Xe Đua Dò Line  Sơ đồ nguyên lí (a) (b) H.𝟒 (a) Robot BKC; (b) Sơ đồ kết cấu Robot BKC  Kích thước: 𝐿 × 𝑊 × 𝐻 = 300 × 150 × 100 (𝑚𝑚).  Số bánh xe: Xe có 4 bánh, trong đó 2 bánh cao su (𝐷 = 40 (𝑚𝑚)) dẫn động đặt ở phía sau, 2 bánh cao su tự lựa có đường kính lớn hơn (𝐷 = 50 (𝑚𝑚)) đặt ở phía trước thực hiện chức năng như 2 bánh castor, phần bộ phận cảm biến tiếp xúc trực tiếp với đường line không có bi lăn hoặc bánh mắt trâu ở giữa.  Vận tốc xe: Vận tốc cực đại 𝑣𝑚𝑎𝑥 = 0.7 (𝑚/𝑠), vận tốc trung bình 𝑣𝑎𝑣𝑔 = 0.5 (𝑚/𝑠). 2. Mô hình xe đua dò line ngoài nước a. Robot Pika của đội Mechatron vô địch Cyberbot 2015, Poznan  Sơ đồ nguyên lí (a) (b) H.𝟓 (a) Robot Pika; (b) Sơ đồ kết cấu Robot Pika  Kích thước: 𝐿 × 𝑊 × 𝐻 = 280 × 180 × 50 (𝑚𝑚).  Số bánh xe: Xe 𝑐ó 4 bánh, trong đó 2 bánh cao su dẫn động (𝐷 = 34 (𝑚𝑚)) đặt ở khung chính, 2 bánh mắt trâu đặt ở dãy cảm biến thực hiện chức năng như 2 bánh castor.  Vận tốc xe: Vận tốc cực đại 𝑣𝑚𝑎𝑥 = 2.7 (𝑚/𝑠), vận tốc trung bình 𝑣𝑎𝑣𝑔 = 1.9 (𝑚/𝑠). b. Robot Green Gaint V4.1 tại cuộc thi Micromouse 2013-2014  Sơ đồ nguyên lí Nhóm 1 3 Đồ án TKHT Cơ-Điện Tử Xe Đua Dò Line (a) (b) H. 𝟔 (a) Robot Green Gaint V4.1; (b) Sơ đồ kết cấu Green Gaint V4.1  Kích thước: 𝐿 × 𝑊 × 𝐻 = 190 × 110 × 40 (𝑚𝑚).  Số bánh xe: Xe có 4 bánh, trong đó 2 bánh cao su phía trước dẫn động (𝐷 = 40 (𝑚𝑚)), 2 bánh cao su phía sau là 2 bánh castor.  Vận tốc xe: Vận tốc cực đại 𝑣𝑚𝑎𝑥 = 3.5 (𝑚/𝑠), vận tốc trung bình 𝑣𝑎𝑣𝑔 = 2 (𝑚/𝑠). c. Robot RR của Khoa Điện - Điện tử của trường Đại học Manchester  Sơ đồ nguyên lí (a) (b) H.𝟕 (a) Robot RR; (b) Sơ đồ kết cấu Robot RR  Kích thước: 𝐿 × 𝑊 × 𝐻 = 160 × 100 × 80 (𝑚𝑚).  Số bánh xe: Xe có 3 bánh, trong đó 2 bánh cao su phía sau dẫn động (𝐷 = 54(𝑚𝑚)), bánh cao su phía trước có chức năng rẽ hướng.  Vận tốc xe: Vận tốc cực đại 𝑣𝑚𝑎𝑥 = 1 (𝑚/𝑠), vận tốc trung bình 𝑣𝑎𝑣𝑔 = 0.5 (𝑚/𝑠). d. Robot Dave của đội đua Bruce tại cuộc thi LVBots Line Following, 4/2015 VS (a) (b) H.𝟖 (a) Robot Dave; (b) Sơ đồ kết cấu Robot Dave  Sơ đồ nguyên lí Nhóm 1 4 Đồ án TKHT Cơ-Điện Tử Xe Đua Dò Line  Kích thước: 𝐿 × 𝑊 × 𝐻 = 200 × 90 × 60 (𝑚𝑚).  Số bánh xe: Xe có 4 bánh, trong đó 2 bánh cao su phía sau (𝐷 = 60 (𝑚𝑚)) được truyền chuyển động từ bộ vi sai, 2 bánh mắt trâu phía trước có chức năng rẽ hướng.  Vận tốc xe: Vận tốc cực đại 𝑣𝑚𝑎𝑥 = 1.2 (𝑚/𝑠), vận tốc trung bình 𝑣𝑎𝑣𝑔 = 0.7 (𝑚/𝑠). e. Robot Pinto của đội đua Grant tại cuộc thi LVBots Line Following, 4/2015  Sơ đồ nguyên lí (a) (b) H. 𝟗 (a) Robot Pinto; (b) Sơ đồ kết cấu Robot Pinto  Kích thước: 𝐿 × 𝑊 × 𝐻 = 210 × 130 × 120 (𝑚𝑚).  Số bánh xe: Xe có 3 bánh, trong đó 2 bánh cao su phía trước (𝐷 = 60 (𝑚𝑚)) vừa dẫn động vừa rẽ hướng, bánh cao su phía sau là bánh castor.  Vận tốc xe: Vận tốc cực đại 𝑣𝑚𝑎𝑥 = 0.8 (𝑚/𝑠), vận tốc trung bình 𝑣𝑎𝑣𝑔 = 0.5 (𝑚/𝑠). Từ những thông tin thu thập được ở trên, để lựa chọn được mô hình kết cấu phù hợp chúng ta cần phải thực hiện các quá trình phân tích, so sánh về các ưu, nhược điểm của những phần quan trọng trong kết cấu xe. 3. So sánh ưu, nhược điểm a. Về kết cấu  Xe 4 bánh Mô hình 1. Bám đường 2. Vào cua 3. Điều khiển 4. Kết cấu Tốt: Có kết cấu khớp bản lề Khó: Do hiện tượng trượt Không phức tạp: Lái và chuyển động tách biệt Phức tạp Không tốt Khó Không phức tạp Đơn giản Không tốt Dễ: Kết cấu bánh tự lựa Phức tạp: Lái và chuyển động kết hợp Đơn giản Mô hình VS Nhóm 1 5 Đồ án TKHT Cơ-Điện Tử 1. 2. 3. 4. Bám đường Vào cua Điều khiển Kết cấu Xe Đua Dò Line Không tốt Dễ Phức tạp Đơn giản Không tốt Trung bình Phức tạp Đơn giản Tốt: Có kết cấu khớp cầu Khó Không phức tạp Phức tạp  Xe 3 bánh Mô hình 1. 2. 3. 4. Bám đường Vào cua Điều khiển Kết cấu Tốt Khó Không phức tạp Đơn giản Tốt Dễ Phức tạp Đơn giản b. Về số lượng bánh xe 1. 2. 3. 4. Số bánh Đồng phẳng Độ ổn định khi có vật cản Lật khi vào cua Ma sát 𝟒 bánh Khó đảm bảo đồng phẳng Vẫn giữ được độ ổn định Khó Nhiều 𝟑 bánh Luôn đồng phẳng Khó giữ được độ ổn định Dễ Ít Về Điện 1. 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:  Trường hợp sử dụng camera để phát hiện vị trí line thì người ta sử dụng hình ảnh thu được tử đường line thực tế [5], sau đó xử lý và dùng các giải thuật xử lý ảnh để xác định vị trí và góc lệch của xe so với đường line. Các xe sử dụng camera như Smart Car trong cuộc thi The Freescale 2012 hay Raspberry Pi Line Following Robot trong cuộc thi Robocup Junior Competition Flanders 2014…  Trường hợp sử dụng cảm biến quang dẫn được sử dụng phổ biến trong các cuộc thi robot dò line hiện nay. Điển hình như quang điện trở hoặc phototransistor kết hợp với LED. Hai loại cảm biến này có nguyên tắc hoạt động giống nhau, bộ thu sẽ thu tín hiệu ánh sáng phản xạ từ bộ phát xuống mặt đất, từ đó xử lí để xác định vị trí của đường line. Các xe sử dụng phototransistor cho bộ phận dò line như Usain Volt 2.0, Thunderbolt… Nhóm 1 6 Đồ án TKHT Cơ-Điện Tử Xe Đua Dò Line Bảng so sánh giữa các loại cảm biến Cảm biến Camera Quang điện trở Phototransistor 1. Thời gian xử lý 2. Giá thành 3. Lắp đặt 6 − 10 (frame/𝑠) Cao Phức tạp 20 − 30 (𝑚𝑠) Thấp Đơn giản 15 (𝜇𝑠) Thấp Đơn giản Có 2 cách đọc giá trị áp của bộ phận thu cảm biến trả về:  Cách thứ nhất là đọc theo dạng analog với sơ đồ điện của một cảm biến như hình H.𝟏𝟎. Tín hiệu analog đọc được từ cảm biến qua phép xấp xỉ để tìm ra vị của xe so với tâm đường line [6]. Các giải thuật xấp xỉ theo bậc 2, theo trọng số (hình H.𝟏𝟏) cho sai số dò line khác nhau. H.𝟏𝟎 Sơ đồ điện đọc giá trí analog của cảm biến hồng ngoại (a) (b) H.𝟏𝟏 (a) Xấp xỉ bậc 2; (b) Xấp xỉ theo trọng số  Cách thứ hai là đọc digital. Tín hiệu đầu ra của cảm biến vẫn là anlog nhưng sau đó thông qua mạch lấy ngưỡng, hoặc lấy ngưỡng bằng lập trình để cho ra 2 giá trị logic 0 hoặc 1 ứng với vị trí của cảm biến trên đường line hoặc ngoài đường line. Sơ đồ mạch đọc giá trị cảm biến của phương pháp này như hình H.𝟏𝟐. H.𝟏𝟐 Sơ đồ điện của 1 cảm biến để đọc giá trị digital Nhóm 1 7 Đồ án TKHT Cơ-Điện Tử Xe Đua Dò Line Để điều khiển robot theo quỹ đạo, người thiết kế lập trình xác định độ lệch tương đối giữa quỹ đạo của robot và quỹ đạo mong muốn, sau đó so sánh độ lệch đó thành các mức và điều khiển lái robot quay về quỹ đạo như hình H.𝟏𝟑 [7]. 7 6 5 4 3 2 1 Trạng thái cảm biến 0 Giữa vạch Lệch trái mức 1 ` Lệch trái mức 2 Lệch phải mức 1 Lệch phải mức 2 H.𝟏𝟑 Quy định mức lệnh giữa quy đạo của robot và quỹ đạo mong muốn Bảng so sánh giữa các phương pháp đọc cảm biến 1. Độ chính xác 2. Thời gian đọc tín hiệu 3. Giải thuật xử lý Đọc tín hiệu analog Cao Tốn nhiều thời gian Phức tạp Đọc tín hiệu digital Thấp Tốn ít thời gian Đơn giản 2. Về động cơ Hầu hết các xe dò line trong thực tế đều dùng động cơ dc có gắn encoder, vì có bộ Encoder hồi tiếp nên đảm bảo được độ ổn định và chính xác cho hệ thống. Đối với các xe việc chuyển hướng không dùng bánh đa hướng thì có thể dùng Rc Servo để điều khiển hướng di chuyển. Các xe như Usain Volt 2.0 sử dụng động cơ 50:1 HP gearmotors , Silvestre-line sử dụng động cơ Maxon DC motor . Bảng so sánh động cơ servo và DC 1. Điều khiển 2. Giá thành DC có gắn encoder DC Có hồi tiếp nên độ chính xác cao Cao Không hồi tiếp nên độ chính xác thấp Thấp Về Cấu Trúc Điều Khiển Mạch xe dò line gồm các thành phần cơ bản gồm mạch cảm biến (sensor); mạch điều khiển (micro controller); mạch lái động cơ (driver). Có hai phương pháp chính để kết nối phần cứng với nhau là điều khiển tập trung và điều khiển phân cấp.  Trong điều khiển tâp trung, một MCU duy nhất đồng thời: nhận và xử lý tín hiệu từ cảm biến, nhận và xử lý tín hiệu từ hai encoder, thực hiện chương trình chính, tính giá trị điều khiển và truyền cho hai động cơ. Cấu trúc này được sử dụng nhiều trong thực tế trong hầu hết các mô hình xe: HBFS, Pika,… Nhóm 1 8 Đồ án TKHT Cơ-Điện Tử Xe Đua Dò Line Sensor Driver Master Driver Motor Motor Encoder Encoder H.𝟏𝟒 Sơ đồ cấu trúc tập trung  Trong điều khiển phân cấp, nhiều MCU sẽ được sử dụng, trong đó 1 MCU đóng vai trò là master dùng tính toán cho chương trình điều khiển chính. Các MCU còn lại đóng vai trò là slave, thực hiện các tác vụ riêng biệt như: thu nhận và xử lí tín hiệu từ cảm biến, tính toán vị trí tương đối của xe so với line và truyền về cho master; thu nhận tín hiệu từ encoder, tính toán luật điều khiển cho động cơ... Sensor Master Driver Slave Slave Driver Motor Motor Encoder Encoder H.𝟏𝟓 Sơ đồ cấu trúc tập trung Nhóm 1 9 Đồ án TKHT Cơ-Điện Tử 1. 2. 3. 4. Bảng so sánh cấu trúc điều khiển Tập trung Phần cứng Đơn giản Tài nguyên (năng Tốn ít lượng, không gian) Tốc độ xử lí Chậm hơn Quản lý chương trình Khó hơn Xe Đua Dò Line Phân cấp Phức tạp Tốn nhiều Nhanh hơn Dễ hơn Về Bộ Điều Khiển  Robot bán line có thể được điều khiển bằng bộ điều khiển on-off[9], [10]. Với bộ điều khiển này chỉ cần dùng 2 cảm biến đặt cách nhau 1 khoảng lớn hơn chiều rộng của đường line, khi một cảm biến nằm trên line thì động cơ tương ứng bên đó sẽ đứng yên, và ngược lại, và 𝑐ả 2 động cơ sẽ cùng quay khi không có cảm biến nào nằm trên đường line. Phương pháp điều khiển này không thể áp dụng cho robot thực hiện tác vụ đua đồng thời cũng không thể điều khiển robot bám line với sai số nhỏ.  Bộ điều khiển PID[11] được xem như một giải pháp đa năng cho các ứng dụng điều khiển tương tự hay điều khiển số. Hơn 90% các bộ điều khiển trong công nghiệp được sử dụng là bộ điều khiển PID. Nếu được thiết kế tốt, bộ điều khiển PID có khả năng điều khiển hệ thống đáp ứng tốt các chỉ tiêu chất lượng như đáp ứng nhanh, thời gian quá độ ngắn, độ quá điều chỉnh thấp, triệt tiêu được sai lệch tĩnh. Tuy nhiên, bộ điều khiển PID có nhược điểm là chỉ đạt kết quả tốt trong hệ tuyến tính, xảy ra nhiễu ở khâu vi phân dẫn đến sai lệch lớn ở đầu ra.  Với bộ điều khiển fuzzy[12], thực hiện gồm 3 bước: mờ hóa, thực hiện luật hợp thành và giải mờ. Sai số đầu ra của bộ điều khiển phụ thuộc hoàn toàn vào luật mờ. Đưa ra luật mờ tốt sẽ được sai số đầu ra nhỏ và ngược lại.  Bộ điều khiển self-tuning fuzzy PI[13], đây là bộ điều khiển kết hợp giữa PI và fuzzy, hai thông số 𝐾𝑃 và 𝐾𝐼 được chỉnh định bởi bộ điều khiển fuzzy. Bộ điều khiển này được ứng dụng trong các hệ phi tuyến MIMO, điều khiển robot theo các quỹ đạo phức tạp và ổn định đối với tác động của nhiễu. Tuy nhiên bộ điều khiển này phải thiết kế phức tạp hơn bộ điều khiển PID hoặc fuzzy.  Bộ điều khiển Following tracking[14], bộ điều khiển này xem xét 3 sai số của robot và line theo phương tiếp tuyến 𝑒1 , theo phương pháp tiếp tuyến 𝑒2 , và theo góc lệch giữa robot với line 𝑒3 để điều khiển robot thông quá các biến điều khiển là vận tốc góc và vận tốc dài. Bộ điều khiển này cho kết quả bám line tốt, với sai số nhỏ. Tuy nhiên để có được bộ 3 sai số trên, ta phải sử dụng camera thay vì sử dụng cảm biến.  Có thể kết hợp bộ điều khiển và giải thuật tự học đường Q – learning[15] để thêm khả năng ghi nhớ đường đi nhằm thay đổi thông số phù hợp với từng chặn đường, giúp tăng khả năng đáp ứng của xe sau mỗi lần chạy, như xe Silvestre và CartisX04. ĐẶT ĐỀ BÀI  Dựa vào kết quả tim hiểu và phân tích các loại xe đua dò line trong và ngoài nước ta được các kết quả  Vận tốc xe thường không vượt quá 3.1(𝑚/𝑠)  Theo sa bàn thì bán kính cong nhỏ nhất 𝜌 = 500 (𝑚𝑚)  Sai số xe lớn nhất |𝑒𝑚𝑎𝑥 | ≤ 10 (𝑚𝑚). Nhóm 1 10 Đồ án TKHT Cơ-Điện Tử Xe Đua Dò Line  Từ đó, nhóm đưa ra các thông số dự kiến cho quá trình thiết kế như:  Vận tốc 𝑣 = 1 (𝑚/𝑠)  Gia tốc 𝑎 = 0.5 (𝑚/𝑠)  Bán kính cong nhỏ nhất 𝜌𝑚𝑖𝑛 = 500 (𝑚𝑚)  Sai số 𝑒𝑚𝑎𝑥 = ±10 (𝑚𝑚). Nhóm 1 11 Đồ án TKHT Cơ-Điện Tử Xe Đua Dò Line CHƯƠNG 2: LỰA CHỌN PHƯƠNG ÁN Về Cơ Khí 1. Phương án khả thi Do tính chất của cuộc thi là xe được làm ra nhằm phục vụ cho mục tiêu dùng để đua. Vì vậy, cần phải lựa chọn những mô hình có khả năng bám đường tốt, vào cua dễ và kết cấu càng tối giản càng tốt để hạn chế được trọng lượng xe cùng với những sai số phát sinh không mong muốn, tăng tính khả thi cho quá trình chế tạo về sau. Những phương án thỏa mãn đa phần các tiêu chí vừa nêu:  Robot Green Gaint v4.1  Robot Pika  Robot Pinto 2. Lựa chọn phương án Mặc dù xe 3 bánh Pinto có nhiều ưu điểm nổi bật nhưng trong cuộc đua do sa bàn đua được kết cấu từ nhiều mảnh line ghép lại với nhau, nên yếu tố ổn định của xe sau khi vượt những chướng ngại vật (mối ghép) là điều cần đặc biệt quan tâm, mà yếu tố đó xe 3 bánh không thể nào đáp ứng tốt yếu tố đó được như xe 4 bánh. Mặt khác, nếu xét về phương diện robot dò line, tức yếu tố “dò line” là yếu tố quan trọng nhất thì xe Pika vượt trội so với xe Green Gaint ở chỗ 2 bánh xe trước ngoài khả năng giúp xe bám đường tốt còn giúp cho cảm biến luôn giữ được khoảng cách mong muốn so với mặt sa bàn trong suốt quá trình đua. Yếu tố đó giúp cho xe đảm bảo đáp ứng được sai số của hệ thống khi di chuyển với tốc độ cao. Tuy nhiên, xe Pika có nhược điểm là khả năng bám đường không được tốt do kết cấu xe không có khớp bản lề hoặc khớp cầu để đảm bảo 4 bánh xe đồng phẳng. Nhưng trái lại, việc đó giúp hạn chế sai số cơ khí lớn, đồng thời nếu 4 bánh xe không đồng phẳng thì chỉ có thể là 1 trong 2 bánh mắt trâu phía trước không tiếp xúc được với mặt đường do đường kính nhỏ hơn nhiều so với bánh cao su, điều đó không hề ảnh hưởng lớn đến mục tiêu mong muốn. Từ những phân tích trên chỉ ra rằng mô hình Robot xe Pika là hợp lí nhất. Do đó, nhóm quyết định lựa chọn phương án có sơ đồ nguyên lí như sau: H.𝟏𝟔 Phương án khả thi thiết kế Cơ Khí Về Điện 1. Lựa chọn động cơ Yêu cầu: Động cơ phải đáp ứng được vận tốc 1 (𝑚/𝑠) đã đề ra. Kết luận: Sử dụng động cơ DC có gắn encoder. Nhóm 1 12 Đồ án TKHT Cơ-Điện Tử Xe Đua Dò Line 2. Lựa chọn cảm biến Yêu cầu: Cảm biến được sử dụng phải có thời gian đáp ứng nhanh để có thể bám được những đoạn gấp khúc. Kết luận: Sử dụng cảm biến TCRT5000 gồm phototransistor kết hợp led hồng ngoại. Về Cấu Trúc Điều Khiển Yêu cầu: Dễ kiểm tra lỗi và phân chia module. Kết luận: Nhóm quyết định lựa chọn phương án điều khiển phân cấp. Về Bộ Điều Khiển Nhóm chọn bộ điều khiển Following tracking, vì đây là bộ điểu khiển phổ biến trong các nghiên cứu về khả năng bám theo quỹ đạo cho trước cho mobile robot, đáp ứng được các sai số và vận tốc nhóm đặt ra. Nhóm 1 13 Đồ án TKHT Cơ-Điện Tử Xe Đua Dò Line CHƯƠNG 3: THIẾT KẾ Thiết Kế Cơ Khí Tiêu chí của quá trình thiết kế cơ khí là có thể xác định được những điều kiện cần thiết về động lực học nhằm giải quyết đầu bài đặt ra. Cụ thể là phân tích sự ảnh hưởng rồi từ đó đưa ra lựa chọn hợp lí đối với các thông số sau:  Kích thước chiều dài, chiều rộng và chiều cao xe  Khoảng cách giữa trục bánh xe trước và sau  Công suất và moment xoắn của động cơ  Đường kính bánh xe Ngoài việc đáp ứng được các yêu cầu về động lực học, kết cấu khung xe còn phải thỏa mãn các điều kiện về sai số. Do đó việc tính toán để lựa chọn hợp lí về dung sai, vật liệu của các chi tiết sẽ được tiến hành sau khi có vẽ bản phác thảo xe. Từ đó, đưa ra các bản vẽ cần thiết để phục vụ cho quá trình chế tạo. 1. Tính toán kích thước xe[1]  Do phương án lựa chọn là xe 4 bánh với 2 bánh sau dẫn động và 2 bánh trước là 2 bánh mắt trâu nên các mô hình động lực học của xe được mô tả như sau:  Mô hình động lực học khi xe chuyển động thẳng như hình H.6. 𝑧 𝑎2 𝑎1 𝑪 2𝐹𝑧2 𝑎 𝑥 2𝐹𝑧1 𝑚𝑔 2𝐹𝑥2 ℎ 2𝐹𝑥1 H.𝟏𝟕 Mô hình động lực học chung khi xe chuyển động thẳng Các thông số từ hình  𝐶 là vị trí đặt trọng tâm của xe  2𝐹𝑥1 là lực ma sát ở 2 bánh trước  2𝐹𝑥2 là lực ma sát ở 2 bánh sau  2𝐹𝑧1 là phản lực tại 2 bánh trước  2𝐹𝑧2 là phản lực tại 2 bánh sau  𝑙 = 𝑎1 + 𝑎2 Do mô hình xe lựa chọn là 2 bánh sau dẫn động nên 2𝐹𝑥1 = 0 Nhóm 1 14 Đồ án TKHT Cơ-Điện Tử Xe Đua Dò Line Ta có phương trình động lực học tổng quát cho xe ∑ 𝐹𝑥 = 𝑚𝑎 ∑ 𝐹𝑦 = 0 {∑ 𝑀𝑦/𝐶 = 0 2𝐹𝑥2 = 𝑚𝑎 2𝐹𝑥2 = 𝑚𝑎 1 𝑎2 1 ℎ𝑎 𝐹𝑧1 = 𝑚𝑔 − 𝑚𝑔 ⟹ { 2𝐹𝑧1 + 2𝐹𝑧2 − 𝑚𝑔 = 0 ⟹ 2 𝑙 2 𝑙𝑔 −2𝐹𝑧1 𝑎1 + 2𝐹𝑧2 𝑎2 − 2𝐹𝑥2 ℎ = 0 1 𝑎1 1 ℎ𝑎 𝐹 = 𝑚𝑔 + 𝑚𝑔 𝑙 2 𝑙𝑔 { 𝑧2 2 (1) Giả sử gia tốc lớn nhất mà xe đạt được là 𝑎𝑟 Ta có: { 𝐹𝑥2 = 𝜇. 𝐹𝑧2 𝐹𝑥1 = 0 (2) Lấy (1) thay vào (2), ta được: 1 1 𝑎1 1 ℎ 𝑎𝑟 𝑚𝑎𝑟 = 𝜇 ( 𝑚𝑔 + 𝑚𝑔 ) 2 2 𝑙 2 𝑙 𝑔 𝑎𝑟 𝜇 𝑎1 = . ℎ 𝑙 𝑔 1−𝜇 𝑙 𝑎𝑟 𝜇 𝑎1 ⟹ = . ℎ 𝑙 𝑔 1−𝜇 𝑙 ⟹ (3) Nhận xét: Dựa vào (3) ta thấy gia tốc lớn nhất mà xe đạt được sẽ càng lớn nếu trọng tâm càng dịch về phía sau (𝑎1 càng lớn) và càng thấp (ℎ càng thấp) Tuy nhiên, Dựa vào phương trình thứ hai của hệ phương trình (1) ta nhận thấy, nếu gia tốc 𝑎, trong trường hợp này là 𝑎𝑟 , càng lớn sẽ dẫn đến 𝐹𝑧1 ⟶ 0 Lúc đó sẽ xảy ra hiện tượng 2 bánh trước không còn bám được trên mặt đường. Vì vậy 𝐹𝑧1 ≥ 0 (4) Khi đó, từ (1) và (4) ta suy ra 1 𝑎2 1 ℎ 𝑎𝑟 𝑚𝑔 − 𝑚𝑔 ≥0 2 𝑙 2 𝑙 𝑔 ⟹ Nhóm 1 𝑎𝑟 𝑎2 ≤ 𝑔 ℎ (I) 15 Đồ án TKHT Cơ-Điện Tử Xe Đua Dò Line 𝑣𝑐 𝑪 𝑎𝑛 𝑟 H.𝟏𝟖 Mô hình động lực học khi xe vào cua  Từ đó, ta được mô hình động lực học khi nhìn trực diện như hình H. 𝟏𝟗 𝑧 𝑁 𝐹𝑚𝑠 𝑪 𝑎𝑛 𝑦 𝑚𝑔 H.𝟏𝟗 Mô hình động lực học khi xe vào cua nhìn từ mặt trước Phương trình động lực học cho xe 𝐹 = 𝑚𝑎𝑛 { 𝑚𝑠 𝑁 = 𝑃 (5) Mà 𝐹𝑚𝑠 = 𝜇𝑁 = 𝜇𝑚𝑔 { 𝑣𝑐2 𝑎𝑛 = 𝑟 Từ phương trình (6), để xe không trượt khi vào cua thì 𝜇𝑚𝑔 > 𝑚 𝑣𝑐2 𝑟 ⟹ 𝑣𝑐 < √𝜇𝑔𝑟 (II) Mô hình động lực học của xe khi xuất hiện lực quán tính như H.𝟐𝟎 Nhóm 1 16 Đồ án TKHT Cơ-Điện Tử Xe Đua Dò Line 𝑧 𝐹𝑞𝑡 𝑦 𝑚𝑔 𝑨 ℎ 𝑤 H.𝟐𝟎 Mô hình lực sinh moment tại 𝑨 𝑤 𝑀𝑦/𝐴 = 𝑚𝑔. − 𝐹𝑞𝑡 . ℎ 2 Để xe không bị lật khi vào cua thì 𝑀𝑦/𝐴 ≥ 0 ⟹ 𝑚𝑔. ⟹ 𝑚𝑔. 𝑤 ≥ 𝐹𝑞𝑡 . ℎ 2 𝑤 𝑣𝑐2 ≥ 𝑚 .ℎ 2 𝑟 𝑔𝑤𝑟 2ℎ ⟹ 𝑣𝑐 ≤ √ (III) Tóm lại, từ những phân tích trên các kích thước chiều dài, rộng, cao và khoảng cách trục của xe phải thỏa mãn các điều kiện (𝐼), (𝐼𝐼) và (𝐼𝐼𝐼). Đồng thời, dựa vào phương trình (3) cùng cách bố trí các linh kiện, gá đặt các thiết bị để tìm ra kích thước phù hợp. 𝑎𝑟 𝑎2 ≤ 𝑔 ℎ 𝑣𝑐 < √𝜇𝑔𝑟 𝑔𝑤𝑟 𝑣𝑐 ≤ √ 2ℎ 𝑎𝑟 𝜇 𝑎1 ≤ . ℎ 𝑙 𝑔 1−𝜇 { 𝑙 Dựa vào mô hình thiết kế phác thảo trên phần mềm SolidWork cho ta các thông số như sau 𝑙 ≈ 156; 𝑎1 ≈ 96; 𝑎2 ≈ 60; ℎ ≈ 36; 𝑤 ≈ 152 Kiểm tra các điều kiện 0.051 ≤ 1.67 1 < 1.21 { 1 ≤ 3.22 0.051 ≤ 0.2 2. Tính toán công suất động cơ[1]  Công suất cần cung cấp cho xe di chuyển ổn định với tốc độ 𝑣 𝑃 = 𝐹𝑓 𝑣 Mà 𝐹𝑓 = 𝐹𝑟𝑜𝑙𝑙 + 𝐹𝑎𝑖𝑟 tổng lực của lực ma sát lăn và lực cản của không khí Nhóm 1 17 Đồ án TKHT Cơ-Điện Tử Xe Đua Dò Line Với 𝐹𝑟𝑜𝑙𝑙 = 𝜇𝑟 𝑁 = 𝜇𝑟 𝑚𝑔 { 1 1 𝐹𝑎𝑖𝑟 = 𝐶𝐴𝜌𝑣 2 = × 0.5 × 𝐴 × 1.2. 𝑣 2 = 0.3𝐴𝑣 2 , 𝐶 ∈ (0.3 ÷ 0.5) 2 2 ⟹ 𝑃 = (𝐹𝑟𝑜𝑙𝑙 + 𝐹𝑎𝑖𝑟 )𝑣 = (𝜇𝑟 𝑚𝑔 + 0.3𝐴𝑣 2 )𝑣 (6)  Công suất cần cung cấp cho xe tăng tốc từ 0 đến 𝑣 trong thời gian 𝑡 Động năng của xe 𝐾= 1 𝑚𝑣 2 2 Công suất cần cung cấp để đạt được gia tốc 𝑎 = 𝑣/𝑡 𝑃′ = 𝐾 𝑡 Công suất có ích toàn bộ 𝑃𝑜𝑢𝑡 = 𝑃 + 𝑃′ Công suất cung cấp 𝑃𝑖𝑛 = 𝑃𝑜𝑢𝑡 = 𝐾. 𝑃𝑜𝑢𝑡 𝜂 Với 𝜂 = 𝑛𝑚𝑜𝑡𝑜𝑟 𝜂𝑐𝑜𝑛𝑡𝑟𝑜𝑙𝑙𝑒𝑟 𝜂𝑡𝑟𝑎𝑛𝑠𝑚𝑖𝑠𝑠𝑖𝑜𝑛 Thông thường: 𝑛𝑚𝑜𝑡𝑜𝑟 = 0.9; 𝜂𝑐𝑜𝑛𝑡𝑟𝑜𝑙𝑙𝑒𝑟 = 0.75; 𝜂𝑡𝑟𝑎𝑛𝑠𝑚𝑖𝑠𝑠𝑖𝑜𝑛 = 0.97 Chọn 𝐾 = 2 𝑃𝑖𝑛 = 2𝑃𝑜𝑢𝑡 Tóm lại, công suất động cơ được tính như sau 𝑃𝑖𝑛 = 2𝑃𝑜𝑢𝑡 = 2(𝑃 + 𝑃′ ) Trong đó 𝑃 = (𝜇𝑟 𝑚𝑔 + 0.3𝐴𝑣 2 )𝑣 𝑃′ = 1 𝑚𝑣 2 2 𝑡 𝑣 = 𝜔. 𝑟𝑤ℎ𝑒𝑒𝑙 Kết quả tính toán 𝜔= 𝑣 𝑟𝑤ℎ𝑒𝑒𝑙 × 60 ≈ 240 (𝑟𝑝𝑚) 2𝜋 𝑃𝑖𝑛 = 3.65 (𝑤) 3. Tính toán moment xoắn động cơ[1]  Tổng lực kéo của xe 𝐹𝑘 = 𝐹𝑓 + 𝐹𝑡𝑡 = 𝜇𝑟 𝑚𝑔 + 0.3𝐴𝑣 2 + 𝑚𝑎 Nhóm 1 18