Tài liệu Xe điều khiển follow me (có code)

  • Số trang: 42 |
  • Loại file: DOCX |
  • Lượt xem: 33 |
  • Lượt tải: 1
luanlao

Tham gia: 20/02/2016

Mô tả:

ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP XE ĐIỀU KHIỂN “FOLLOW ME” i MỤC LỤC DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ.........................................................................................VI DANH MỤC CÁC BẢNG BIỂU..................................................................................VII DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT.............................................................................VIII CHƯƠNG 1. GIỚI THIỆU ĐỀ TÀI................................................................................1 1.1 GIỚI THIỆU..................................................................................................................1 1.2 MỤC TIÊU ĐỀ TÀI........................................................................................................2 1.3 HƯỚNG THỰC HIỆN ĐỀ TÀI.........................................................................................2 CHƯƠNG 2. THIẾT KẾ ĐỀ TÀI....................................................................................3 2.1 SƠ ĐỒ KHỐI................................................................................................................3 2.1.1 Sơ đồ khối...........................................................................................................3 2.1.2 Chức năng các khối.................................................................................................5 2.2 TÌM HIỂU CÁC THÀNH PHẦN, MODULE.......................................................................5 2.2.1 Vi điều khiển Atmega328P..................................................................................5 2.2.2 Cảm biến la bàn số HMC5883L.........................................................................7 2.2.3 GPS (Global Positioning System).......................................................................8 2.2.4 Module bluetooth HC-05..................................................................................10 2.2.5 Động cơ.............................................................................................................11 2.2.6 Nguồn cung cấp................................................................................................12 CHƯƠNG 3. LẬP TRÌNH VÀ THIẾT KẾ HỆ THỐNG............................................13 3.1 MÔ HÌNH ĐỀ TÀI.......................................................................................................13 3.2 NGUYÊN LÍ HOẠT ĐỘNG...........................................................................................13 3.2.1 Sơ đồ nguyên lí..................................................................................................13 3.2.2 Lưu đồ giải thuật...............................................................................................14 3.2.3 Nguyên lý hoạt động.........................................................................................16 3.2.4 Kiểm tra, các bước thực hiện, thiết kế mô hình xe............................................17 3.2.5 Kết quả, thiết kế, gia công mạch.......................................................................20 iv CHƯƠNG 4. KẾT LUẬN...............................................................................................22 4.1 ĐÁNH GIÁ.................................................................................................................22 4.2 KẾT LUẬN.................................................................................................................22 4.3 HƯỚNG PHÁT TRIỂN.................................................................................................22 TÀI LIỆU THAM KHẢO...............................................................................................23 TIẾNG VIỆT:.......................................................................................................................23 TIẾNG ANH:........................................................................................................................23 PHỤ LỤC ....................................................................................................................24 v DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ HÌNH 1-1 XE GOLF “FOLLOW ME”[5].......................................................................1 HÌNH 1-2 CÁCH HOẠT ĐỘNG[9].................................................................................1 HÌNH 2-1 SƠ ĐỒ KHỐI CỦA HỆ THỐNG...................................................................3 HÌNH 2-1 SƠ ĐỒ KHỐI CỦA XE...................................................................................4 HÌNH 2-2 SƠ ĐỒ KHỐI PHÍA PHÁT............................................................................4 HÌNH 2-3 ATMEGA328P [8]...........................................................................................5 HÌNH 2-4 CẢM BIẾN LA BÀN SỐ HMC5883L [7]......................................................7 HÌNH 2-5 GPS [5]..............................................................................................................8 HÌNH 2-6 MODULE GPS NEO 7 [6]..............................................................................9 HÌNH 2-7 CHUỖI NMEA [9]...........................................................................................9 HÌNH 2-8 MODULE BLUETOOTH HC-05 [3]...........................................................10 HÌNH 2-9 ĐỘNG CƠ GA25 100RPM [3]......................................................................11 HÌNH 2-10 PIN LIPO 11.1 V [3]....................................................................................12 HÌNH 3-1 SƠ ĐỒ NGUYÊN LÍ......................................................................................13 HÌNH 3-2 LƯU ĐỒ GIẢI THUẬT CỦA XE................................................................14 HÌNH 3-3 LƯU ĐỒ GIẢI THUẬT PHÍA PHÁT.........................................................15 HÌNH 3-4 BÁN KÍNH SAI SỐ CỦA GPS NEO7.........................................................18 HÌNH 3-5 SAI SỐ TỌA ĐỘ CỦA GPS NEO7..............................................................18 HÌNH 3-6 BẢN VẼ XE....................................................................................................19 HÌNH 3-7 MẶT DƯỚI CỦA MẠCH.............................................................................20 HÌNH 3-8 MẶT TRÊN GỒM CÁC LINH KIỆN.........................................................20 HÌNH 3-9 MÔ HÌNH XE VÀ MẠCH PHÁT................................................................21 vi DANH MỤC CÁC BẢNG BIỂU BẢNG 2-1 TÓM TẮT ATMEGA328P [8].......................................................................6 vii DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT GPS Global Positioning System I2C Inter-integrated Circuit LCD Liquid Crystal Display NMEA National Marine Electronics Assocition UART Universal Asynchronous Receiver-Transmitter viii ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP Trang 1/37 CHƯƠNG 1. GIỚI THIỆU ĐỀ TÀI 1.1 Giới thiệu Xe điều khiển là một trong các loại robot quen thuộc, được sử dụng với nhiều mục đích khác nhau, có thể ứng dụng trong đời sống từ những việc nhỏ nhặt đến những việc con người không thể làm được. Hình 1-1 Xe golf “follow me”[5] Hình 1-2 Cách hoạt động[9] Xe điều khiển Follow Me ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP Trang 2/37 Xe điều khiển “Follow me” là xe hay robot tự động đi theo người điều khiển, hoạt động nhờ sự định hướng của la bàn số và tọa độ GPS của xe với người thông qua đường truyền bluetooth. Nó còn có thể phụ giúp mang, di chuyển đồ vật. Xe “Follow me”: - Ưu điểm: điều khiển qua bluetooth, đáp ứng nhiều nhu cầu, phục vụ đời sống, ứng dụng nhiều mục đích. - Khuyết điểm: hoạt động dựa trên GPS nên chỉ sử dụng ở ngoài trời thoáng, sai số la bàn nếu gần các thiết bị có trường điện từ. Đề tài sử dụng chíp vi điều khiển Atmega328p, cảm biến la bàn số HMC5883L, điều khiển qua module bluetooth HC-05, module GPS NEO7. 1.2 Mục tiêu đề tài Thiết kế mạch vi điều khiển Atmega328p, hiểu được cảm biến là bàn số, tìm hiểu dữ liệu GPS cũng như các công thức tính toán, biết được thuật toán hoạt động định hướng giữa la bàn và tọa độ GPS. Lấy dữ liệu tọa độ từ module GPS chuyển qua vi điều khiển bằng module bluetooth, thiết kế xe có thể ứng dụng thực tế. 1.3 Hướng thực hiện đề tài Đọc tài liệu tìm hiểu cảm biến la bàn số HMC5883L, module GPS NEO7, vi điều khiển Atmega328p, lấy thông tin GPS của smartphone. Tìm hiểu thuật toán tìm đường giữa hướng của la bàn số và tọa độ GPS, củng cố kỹ năng lập trình, đọc hiểu datasheet, tài liệu liên quan, củng cố kỹ năng thiết kế mạch, vẽ mô hình xe. Xe điều khiển Follow Me ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP Trang 3/37 CHƯƠNG 2. THIẾT KẾ ĐỀ TÀI 1.4 Sơ đồ khối 1.1.1 Sơ đồ khối Xe “Follow Me” Bluetooth GPS La bàn HC-05 LCD GPS HC-05 Hình 2-2 Sơ đồ khối của hệ thống Nguồn(pin) Bluetooth HC-05 Xe điều khiển Follow Me Thiếết bị phát UART Module GPS L298 ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP Cảm biến la bàn số HMC5883L Trang 4/37 Động cơ I2C I2C Màn hình LCD Hình 2-3 Sơ đồ khối của xe Nguồn(pin) Bluetooth HC-05 UART UART Vi điều khiển Hình 2-2 Sơ đồ khối phía phát Xe điều khiển Follow Me Module GPS ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP Trang 5/37 1.1.2 Chức năng các khối Phần phía phát: sử dụng 1 vi điều khiển đọc giá trị của module GPS, truyền chuỗi thông tin qua bluetooth bằng module HC-05. Hai module bluetooth tự động kết nối với nhau sau vài giây khi cấp nguồn. Khối Bluetooth HC-05: truyền nhận thông tin chuỗi GPS. Khối vi điều khiển: Atmega 328P đọc dữ liệu bluetooth, GPS và cảm biến la bàn, xử lý số liệu và xuất tín hiệu điều khiển động cơ. Khối nguồn (pin): sử dụng pin lipo 11,1V cung cấp cho động cơ và toàn mạch. Khối L298: nhận tín hiệu điều khiển, sử dụng mạch cầu H điều khiển động cơ DC. Khối động cơ: sử dụng 2 động cơ DC giảm tốc, là thành phần tạo sự di chuyển của mô hình. 1.5 Tìm hiểu các thành phần, module 1.1.3 Vi điều khiển Atmega328P Đồ án dùng chíp vi điều khiển Atmega328P 8-bit, nhỏ nhẹ, đủ cung cấp các điều kiện để đọc, xử lý tín hiệu và điều khiển. Atmega328p là một trong những vi điều khiển họ AVR mới, sản xuất bởi hãng ATmel, là 1 trong những dòng vi điều khiển 8 bit nhưng mạnh mẽ, được hỗ trợ bootloader và ngôn ngữ lập trình C,C++. Hình 2-3 Atmega328P [8] Xe điều khiển Follow Me ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP Trang 6/37 Bảng 2-1 Tóm tắt Atmega328P [8] - Điện áp hoạt động - Digital I/O pin - PWM Digital I/O Pins - Analog Input Pins - Cường độ dòng điện trên mỗi I/O pin - Kết nối - Flash Memory - SRAM - EEPROM - Tốc độ Xe điều khiển Follow Me 1.8-5 V 14 6 6 20 mA I2C, SPI, UART 32KB 2KB 1KB 16MHz ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP Trang 7/37 1.1.4 Cảm biến la bàn số HMC5883L Cảm biến HMC5883L là cảm biến la bàn gồm 3 trục cảm biến điện trở từ và có bộ chuyển đổi ADC 12 bit. HMC5883L có kích thước nhỏ gọn, dùng để xác định phương hướng, có thể ứng dụng trong máy bay điều khiển, điện thoại thông minh, các thiết bị định hướng cá nhân, robot tìm đường. Cảm biến la bàn cho phép xuất các dữ liệu thô của 3 trục x, y, z từ đó có thể tính toán dữ liệu theo nhu cầu sử dụng dựa vào datasheet. Cảm biến HMC5883L dùng truyền thông kết nối I2C với vi điều khiển với tốc độ nhanh 160Hz, độ chính xác cao đến 1 hay 2 độ, độ phân giải tính toán ±8 gauss. Giao tiếp I2C (Inter-integrated Circuit): là một chuẩn giao tiếp ở phạm vi ngắn, tốc độ truyền nhận cao, giao thức kiểu Multi-Master Multi-Slave, chỉ sử dụng hai dây SCL và SDA để truyền nhận dữ liệu, tiết kiệm chân giao tiếp cho vi điều khiển và có thể nối nhiều thiết bị trên cùng một bus I2C. Cảm biến kết nối với vi điều khiển theo chuẩn giao tiếp I2C, SCL nối với chân 28, SDA nối với chân 27. Hình 2-4 Cảm biến la bàn số HMC5883L [7] Cảm biến la bàn số HMC5883L gồm 5 chân, đề tài chỉ dùng 4 chân: 2 chân nguồn với mức điện áp 3-5 V, 2 chân truyền nhận dữ liệu SDA và SCL. Xe điều khiển Follow Me ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP Trang 8/37 1.1.5 GPS (Global Positioning System) GPS là hệ thống định vị toàn cầu, xác định vị trí dựa trên vị trí của các vệ tinh nhân tạo do Hoa Kỳ thiết kế,xây dựng, quản lý và cho phép mọi người sử dụng một số chức năng miễn phí toàn cầu. Trong một thời điểm, tọa độ của một điểm trên bề mặt trái đất sẽ được xác định nếu xác định được khoảng cách từ điểm đó đến ít nhất 3 vệ tinh. Hình 2-5 GPS [5] Các vệ tinh bay quanh trái đất theo một quỹ đạo chính xác, phát tín hiệu thông tin xuống. Các máy thu GPS tiếp nhận dữ liệu và tính toán lượng giác xác định được vị trí người dùng. Máy thu GPS hay các module GPS phải nhận được tín hiệu ít nhất của 3 vệ tinh để tính được kinh độ và vĩ độ, càng nhận được nhiều vệ tinh thì càng tính được nhiều thông tin của người sử dụng. Đề tài sẽ sử dụng module GPS NEO 7 để thu tín hiệu GPS từ các vệ tinh. Mạch GPS NEO 7 có kích thước nhỏ gọn, tích hợp sẵn anten thu sóng nhưng phải đặt anten ở nơi thoáng đãng không bị chướng ngịa vật che trên đầu. Xe điều khiển Follow Me ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP Trang 9/37 Mạch GPS NEO 7 có độ ổn định và khả năng bắt sóng cao, chuẩn giao tiếp UART với vi điều khiển. Mạch sẽ trả về một chuỗi dữ liệu NMEA thu được từ vệ tinh, từ đó lập trình giải mã chuỗi để tìm được thông tin cần thiết. Hình 2-6 Module GPS NEO 7 [6] Chuỗi NMEA là 1 chuỗi giao tiếp hay có thể gọi là ngôn ngữ giao tiếp giữa các thiết bị như máy đo vận tốc, hướng gió, la bàn, máy thu GPS do Hiệp hội điện tử hàng hải quốc gia Mỹ (National Marine Electronics Assocition) định nghĩa và quản lý. Chuỗi NMEA sử dụng chuỗi mã ASCII đơn giản, truyền tuần tự theo một chiều duy nhất trong một thời điểm, chuỗi bắt đầu bởi dấu $, các số liệu cách nhau bởi dấu phẩy và khoảng trắng. Hình 2-7 Chuỗi NMEA [9] Xe điều khiển Follow Me ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP Trang 10/37 Phân tích chuỗi NMEA: - GPGGA là Global Positioning System Fix Data chứa các dữ liệu nâng cao độ chính xác của vị trí. - UTC Time: thời gian hiện tại - Latintude: vĩ độ dạng ddmm.mmmm - N/S-EW Indicator: các hướng Đông, Tây, Nam, Bắc. - Longtitude: kinh độ dạng ddmm.mmmm - Position Fix: ≠0 là sự hợp lệ của chuỗi. - HDOP: độ chính xác của vị trí, càng nhỏ càng tốt. - Checksum: kiểm tra tính hợp lệ của dữ liệu nhận được Đề tài sẽ sử dụng dữ liệu kinh độ, vĩ độ của GPS để tính toán các thông tin vị trí dựa vào việc giải mã chuỗi NMEA. 1.1.6 Module bluetooth HC-05 Hình 2-8 Module bluetooth HC-05 [3] Đề tài sẽ sử dụng giao thức bluetooth để truyền nhận tín hiệu giữa người dùng và xe; và sử dụng module bluetooth HC-05 do module này có chức năng vừa là slave vừa là master nên có thể dễ dàng áp dụng 1 trong 2 kiểu truyền nhận. Xe điều khiển Follow Me ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP Trang 11/37 Module HC-05 có tính phổ biến cao, là bluetooth thế hệ 2.0, hoạt động ở tần số 2.4GHz, khoảng cách truyền khi không có vật cản là 10-12m. Module HC-05 rất phổ biến hiện nay, được sử dụng nhiều trong các dự án ứng dụng với phạm vi nhỏ. 1.1.7 Động cơ Hình 2-9 Động cơ GA25 100RPM [3] Đề tại sẽ dùng động cơ DC 12V GA25 để làm phần chuyển động cho xe di chuyển. Động cơ GA25: - Điện áp hoạt động: 3-12V - Tốc độ: 100RPM (100 vòng/phút ở điện áp 12V) - Do tốc độ động cơ hơi chậm nhưng sẽ được moment khỏe, có thể tải được nhiều, dòng tải lớn nên sử dụng mạch điều khiển động cơ có dòng chịu tải tốt; trong để tài sẽ sử dụng IC l298 để làm mạch điều khiển động cơ. - Động cơ có giá đỡ, trục nối bánh xe và sử dụng bánh xe loại 65mm. 1.1.8 Nguồn cung cấp Xe điều khiển Follow Me ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP Trang 12/37 Hình 2-10 Pin lipo 11.1 V [3] Xe sẽ sử dụng pin lipo 3S là nguồn nuôi chính cho toàn bộ mạch. Dòng xả tối đa của pin là 2.2×25=55A, dung lượng 2200mA, điện áp từ 10.6V đến 12.6V, độ bền tốt để hoạt động lâu dài và dễ dàng sạc lại. Ngoài ra, đề tài sẽ sử dụng mạch hạ áp để chuyển từ nguồn pin xuống 5V cung cấp cho vi điều khiển cùng các module ngoại vi. Xe điều khiển Follow Me ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP Trang 13/37 CHƯƠNG 3. LẬP TRÌNH VÀ THIẾT KẾ HỆ THỐNG 1.6 Mô hình đề tài Yêu cầu: gửi dữ liệu GPS thông qua bluetooth của 2 module bluetooth HC05, đọc và tính toán góc của la bàn số, xử lý dữ liệu GPS của module, tính toán, lập trình xe chạy đến một vị trí định sẵn, lập trình xe chạy theo vị trí người sử dụng. Mục đích: hiểu rõ hệ thống GPS cũng như các cách ứng dụng nó, hiểu được các công thức lượng giác tính toán vị trí, điều hướng. 1.7 Nguyên lí hoạt động 1.1.9 Sơ đồ nguyên lí Hình 3-4 Sơ đồ nguyên lí 1.1.10 Xe điều khiển Follow Me ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP Trang 14/37 Lưu đồ giải thuật Bắết đầầu Kiểm tra kếết nốếi bluetooth S Đ GPS nhận được GPS của xe Vi Điếầu Khiển Tính góc la bàn Tính góc xoay và khoảng cách (>3m) S Đ Xe dừng PID hiệu chỉnh tốếc độ, hướng xoay của xe L298, động cơ LOOP LCD Hình 3-5 Lưu đồ giải thuật của xe Xe điều khiển Follow Me
- Xem thêm -