ĐỒ án môn học THIẾT kế hệ THỐNG cơ điện tử đề tài THIẾT kế ROBOT dò LINE

ĐẠI HỌC QUỐC GIA THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA
KHOA CƠ KHÍ
BỘ MƠN CƠ ĐIỆN TỬ

ĐỒ ÁN MÔN HỌC

THIẾT KẾ HỆ THỐNG CƠ ĐIỆN TỬ
ĐỀ TÀI: THIẾT KẾ ROBOT DỊ LINE
GVHD: TS. PHÙNG TRÍ CƠNG
Thực hiện:
HỒNG VĂN AN

MSSV: 21300007

ĐỖ TUẤN ANH

MSSV: 21300057

TRẦN MINH CHIẾN

MSSV: 21300382

DỖN HỒNG

MSSV: 21301311

NGUYỄN MINH HỒNG MSSV: 21301340

TP HỒ CHÍ MINH – THÁNG 5/ 2017

ĐẠI HỌC QUỐC GIA THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA
KHOA CƠ KHÍ
BỘ MƠN CƠ ĐIỆN TỬ

ĐỒ ÁN MÔN HỌC

THIẾT KẾ HỆ THỐNG CƠ ĐIỆN TỬ
ĐỀ TÀI: THIẾT KẾ ROBOT DỊ LINE
GVHD: TS. PHÙNG TRÍ CƠNG
Thực hiện:
HỒNG VĂN AN

MSSV: 21300007

ĐỖ TUẤN ANH

MSSV: 21300057

TRẦN MINH CHIẾN

MSSV: 21300382

DỖN HỒNG

MSSV: 21301311

NGUYỄN MINH HỒNG MSSV: 21301340

TP HỒ CHÍ MINH – THÁNG 5/ 2017


LỜI CẢM ƠN
Chúng em xin gửi lời cảm ơn đến Bộ mơn Cơ điện tử - Khoa Cơ Khí đã tạo điều
kiện để chúng em thực hiện đồ án này.
Để hoàn thành bài tập lớn này, chúng em xin gửi lời cảm ơn đến TS. Phùng Trí
Cơng đã tận tình hướng dẫn, giảng dạy chúng em trong suốt quá trình học tập, nghiên
cứu và rèn luyện để có thể thực hiện tốt đồ án này.
Chúng em cũng xin chân thành cảm ơn đến các thành viên trong nhóm đã cùng
nhau thảo luận, thu thập tài liệu và giúp đỡ tôi giải quyết các vấn đề nảy sinh trong quá
trình thực hiện bài tập lớn.
Mặc dù đã rất cố gắng để thực hiện bài tập lớn một cách tốt nhất. Song do sự hạn
chế về kiến thức chuyên môn cũng như kinh nghiệm thực tế nên khơng tránh khỏi những
thiếu sót. Vì vậy chúng em rất mong được sự góp ý của quý thầy cô và các bạn để đề tài
này được hoàn chỉnh hơn.
Chúng em xin chân thành cảm ơn!

TP. Hồ Chí Minh, ngày 11 tháng 05 năm 2017
Nhóm sinh viên thực hiện

i


MỤC LỤC
LỜI CẢM ƠN ...................................................................................................................i
MỤC LỤC ...................................................................................................................... ii
DANH MỤC HÌNH .......................................................................................................iv
DANH MỤC BẢNG ......................................................................................................vi
CHƯƠNG 1: TÌM HIỂU TỔNG QUAN ........................................................................1

1.1 Mục tiêu thiết kế.....................................................................................................1
1.2 Tìm hiểu các mơ hình từ các cuộc thi ....................................................................1
1.3 Tìm hiểu về cảm biến .............................................................................................3
1.3.1 Camera .............................................................................................................3
1.3.2 Cảm biến quang điện trở và cảm biến hồng ngoại ..........................................3
1.4 Tìm hiểu về các cách xử lí tín hiệu cảm biến.........................................................4
1.4.1 Sử dụng giải thuật so sánh ...............................................................................4
1.4.2 Sử dụng giải thuật xấp xỉ .................................................................................5
1.5 Tìm hiểu về cấu trúc điều khiển .............................................................................5
1.5.1 Cấu trúc điều khiển phân cấp...........................................................................5
1.5.2 Cấu trúc điều khiển tập trung...........................................................................6
1.6 Đặt đầu bài .............................................................................................................7
CHƯƠNG 2: LỰA CHỌN PHƯƠNG ÁN VÀ PHÂN CÔNG NHIỆM VỤ .................8
2.1 Lựa chọn kết cấu xe ............................................................................................... 8
2.2 Lựa chọn cảm biến .................................................................................................8
2.3 Lựa chọn bộ điều khiển ..........................................................................................8
2.4 Lựa chọn cấu trúc điều khiển .................................................................................8
2.5 Phân công nhiệm vụ ............................................................................................... 9
CHƯƠNG 3: THIẾT KẾ CHI TIẾT VÀ MƠ HÌNH HĨA ..........................................10

ii


3.1 Thiết kế cơ khí ..................................................................................................10
3.1.1 Lựa chọn bánh xe ...........................................................................................10
3.1.2 Tính tốn chọn động cơ .................................................................................11
3.1.3 Chống lật khi xe ơm cua ................................................................................14
1.4 Kích thước xe dị line ...........................................................................................15
3.2 Thiết kế hệ thống điện ..........................................................................................16
3.2.1 Lựa chọn Driver ............................................................................................. 16

3.3 Tính tốn cảm biến ............................................................................................... 25
3.3.1 u cầu cảm biến...........................................................................................25
3.3.2 Calib cảm biến ............................................................................................... 30
3.4 Chọn vi điều khiển ............................................................................................... 32
3.4.1 Chọn vi điều khiển .........................................................................................32
3.4.2 Giải thuật điều khiển ......................................................................................34
3.5 Mơ hình hịa hệ thống ..........................................................................................35
3.5.1 Mơ hình hóa động học ...................................................................................35
4.2 Mơ phỏng bộ điều khiển trên Matlab ...................................................................38
CHƯƠNG 4: KẾT QUẢ THỰC NHIỆM VÀ KẾT LUẬN .........................................43
4.1 Kết quả thực nghiệm ............................................................................................ 43
4.2 Kết luận ................................................................................................................44
TÀI LIỆU THAM KHẢO ............................................................................................. 45
PHỤ LỤC 1: BIỂU ĐỒ GANTT TRIỂN KHAI .......................................................... 46

iii


DANH MỤC HÌNH

Hình 1.1 Thơng số sa bàn. ............................................................................................... 1
Hình 1.2 Hình ảnh thực tế và sơ đồ nguyên lý của CartisX04 ........................................1
Hình 1.3 Hình ảnh thực tế và sơ đồ nguyên lý của Robot Silvestre................................ 2
Hình 1.4 Hình ảnh thực tế và sơ đồ nguyên lý của Robot Fireball .................................3
Hình 1.5 Nguyên lý hoạt động của cảm biến quang điện trở ..........................................4
Hình 1.6 Mức so sánh của cảm biến ứng với các vị trí line khi xe di chuyển ................4
Hình 1.7 Tìm vị trí tâm đường line bằng giải thuật xấp xỉ ..............................................5
Hình 1.8 Cấu trúc điều khiển phân cấp ...........................................................................6
Hình 1.9 Cấu trúc điều khiển tập trung ...........................................................................6
Hình 2.1 Cấu trúc điều khiển lựa chọn ............................................................................8

Hình 3.1 Hệ tọa độ trên robot dị line ............................................................................12
Hình 3.2 Mơ hình các lực tác dụng lên bánh xe ............................................................ 13
Hình 3.3 Mơ hình tính tốn và phân tích lực khi xe ôm cua .........................................14
Hình 3.4 Sơ đồ hệ thống điện ........................................................................................16
Hình 3.5 Các loại Driver cho động cơ DC ....................................................................17
Hình 3.6 Đồ thị tốc độ động cơ khi cấp xung PWM sử dụng Driver L298 ..................19
Hình 3.7 Đồ thị tốc độ động cơ khi cấp xung PWM sử dụng Driver TB6612..............20
Hình 3.8 Vận tốc động cơ 1 khi cấp 50% xung PWM ..................................................21
Hình 3.9 Vận tốc động cơ 2 khi cấp 50% xung PWM ..................................................21
Hình 3.10 Thời gian đáp ứng của động cơ ....................................................................22
Hình 3.11 Mơ hình bộ điều khiển PID ..........................................................................23
Hình 3.12 Đáp ứng động cơ 1 khi sử dụng bộ PID .......................................................23
Hình 3.13 Đáp ứng động cơ 2 khi sử dụng bộ PID .......................................................24
Hình 3.14 Sơ đồ mạch điện cảm biến TCRT5000 ........................................................25
Hình 3.15 Phạm vi hoạt động của cảm biến ..................................................................26
Hình 3.16 Kết quả thí nghiệm độ cao cảm biến trên bề mặt giấy trắng ........................27
Hình 3.17 Vùng giao thoa của cảm biến .......................................................................27

iv


Hình 3.18 Phạm vi quét của 2 cảm biến ........................................................................28
Hình 3.19 Kích thước của cảm biến TCRT5000 ...........................................................29
Hình 3.20 Tọa độ các cảm biến .....................................................................................31
Hình 3.21 Vị trí line đọc về từ cảm biến .......................................................................31
Hình 3.22 Sơ đồ điều khiển của robot ...........................................................................32
Hình 3.23 Lưu đồ giải thuật ..........................................................................................34
Hình 3.24 Xác định vị trí rẽ trên line.............................................................................35
Hình 3.25 Sơ đồ vị trí robot dị line trong hệ tọa độ. ....................................................35
Hình 3.26 Mơ hình xác định sai số trong mơ phỏng. ....................................................37

Hình 3.27 Mơ hình line trên Matlab. .............................................................................38
Hình 3.28 Mơ phỏng bám line trong đoạn cong A-B để tìm khoảng cách 𝑑 phù hợp. .39

Hình 3.29 Đồ thị sự phụ thuộc giữa sai số dò line và khoảng cách 𝑑. ..........................40

Hình 3.30 Kết quả bám line với các hệ số 𝑘1 𝑘2 𝑘3 và vận tốc thay đổi ..................42
Hình 4.1 Mơ hình robot khi thiết kế ..............................................................................43
Hình 4.2 Mơ hình robot khi chế tạo ..............................................................................43
Hình 4.3 Robot dị line trên sa bàn ................................................................................44

v


DANH MỤC BẢNG

Bảng 2.1 Phân công nhiệm vụ các thành viên .................................................................9
Bảng 3.1 So sánh giữa 2 loại bánh trên: ........................................................................10
Bảng 3.2 Thông số động cơ GA25-V1 ..........................................................................14
Bảng 3.3 Tốc độ động cơ 1 khi cấp xung PWM sử dụng Driver L298.........................17
Bảng 3.4 Tốc độ động cơ 2 khi cấp xung PWM sử dụng Driver L298.........................18
Bảng 3.5 Tốc độ động cơ 1 khi cấp xung PWM sử dụng Driver TB6612 ....................18
Bảng 3.6 Tốc độ động cơ 2 khi cấp xung PWM sử dụng Driver TB6612 ....................19
Bảng 3.7 Các thông số đầu vào .....................................................................................39
Bảng 3.8 Thông số mô phỏng........................................................................................40

vi


THIẾT KẾ HỆ THỐNG CƠ ĐIỆN TỬ

GVHD: TS. PHÙNG TRÍ CƠNG

CHƯƠNG 1: TÌM HIỂU TỔNG QUAN
1.1 Mục tiêu thiết kế
Thiết kế robot bám đường có khả năng bám đường với độ ổn định tốt và hoàn
thành sa bàn đúng yêu cầu với thời gian ngắn nhất có thể (sa bàn được cho trước hình
dạng và chiều dài).
F

B

500
E
Finish

A
Start

C

D

G
2000

Hình 1.1 Thơng số sa bàn.
Hướng đi: A → B → C → D → E → F → C → G → A → C → E

1.2 Tìm hiểu các mơ hình từ các cuộc thi

 Japan Robotrace Contest 2014 - Đội chiến thắng: CartisX04

Hình 1.2 Hình ảnh thực tế và sơ đồ nguyên lý của CartisX04

1


THIẾT KẾ HỆ THỐNG CƠ ĐIỆN TỬ

GVHD: TS. PHÙNG TRÍ CƠNG

Thơng số:
 Cảm biến: 6 bộ cảm biến hồng ngoại, 2 cảm biến gyro
 Bánh sau: 4 bánh chủ động - 2 động cơ DC.
 Bánh trước: 1 bánh lái có động cơ chỉ đạo
 Tốc độ tối đa: 𝑉𝑚𝑎𝑥 = 4,2 𝑚/𝑠

 Kết cấu giúp xe dễ cân bằng hơn nhưng phức tạp, xảy ra hiện tượng trượt khi
rẽ.

 Cuộc thi ở Tây Ban Nha 2010 - Đội chiến thắng: Silvestre

Hình 1.3 Hình ảnh thực tế và sơ đồ nguyên lý của Robot Silvestre
Thông số:
 Cảm biến: 8 bộ cảm biến hồng ngoại.
 Bánh sau: 2 bánh chủ động - 2 động cơ DC.
 Bánh trước: 1 bánh tự lựa – bánh mắt trâu.
 Tốc độ tối đa: 𝑉𝑚𝑎𝑥 = 2,24 𝑚/𝑠

 Kết cấu này khá đơn giản, độ đồng phẳng cao, xe rẽ được các bán kính cong

nhỏ nhưng khó cân bằng.

 Cuộc thi Chibots ở Mỹ - Đội chiến thắng: Fireball
2


THIẾT KẾ HỆ THỐNG CƠ ĐIỆN TỬ

GVHD: TS. PHÙNG TRÍ CƠNG

Hình 1.4 Hình ảnh thực tế và sơ đồ ngun lý của Robot Fireball
Thông số:
 Cảm biến: 16 bộ cảm biến hồng ngoại
 4 bánh chủ động - 4 động cơ DC
 Vận tốc : 3 m/s
 Kết cấu phức tạp, độ đồng phẳng thấp, khó điều khiển
1.3 Tìm hiểu về cảm biến
Có 3 loại cảm biến thường dùng trong các robot dò line: Camera, cảm biến quang điện
trở và cảm biến hồng ngoại.
1.3.1 Camera
Camera dùng để ghi lại hình ảnh của đường line, sau đó xử lý đưa ra thơng tin sai
lệch vị trí tương đối của line so với xe.
Phương pháp này cho độ chính xác cao, tuy nhiên do tốc độ xử lý ảnh cần nhiều
thời gian, làm hạn chế tốc độ của xe, nên không phù hợp với xe đua.
1.3.2 Cảm biến quang điện trở và cảm biến hồng ngoại
Cảm biến quang điện trở có điện trở thay đổi khi ánh sáng thay đổi. Trong bóng
tối giá trị điện trở cao, nhưng khi được chiếu sáng giá trị điện trở giảm mạnh.

3

THIẾT KẾ HỆ THỐNG CƠ ĐIỆN TỬ

GVHD: TS. PHÙNG TRÍ CƠNG

Hình 1.5 Ngun lý hoạt động của cảm biến quang điện trở
Hai phương pháp sử dụng cảm biến quang điện trở và cảm biến hồng ngoại có
nguyên tắc hoạt động tương tự nhau, gồm 1 nguồn phát ánh sáng phản xạ xuống đất và
1 nguồn thu ánh sáng phản xạ từ đó xử lí tín hiệu và đưa ra vị trí của xe so với line. Tuy
nhiên cảm biến hồng ngoại được ứng dụng nhiều hơn vì thời gian đáp ứng nhanh hơn.
1.4 Tìm hiểu về các cách xử lí tín hiệu cảm biến
1.4.1 Sử dụng giải thuật so sánh
Sử dụng mạch lấy ngưỡng hoặc giải thuật lọc ngưỡng bằng lập trình để chuyển tín
hiệu điện áp đọc từ cảm biến về thành mức cao hoặc mức thấp, từ đó suy ra vị trí của xe
so với đường line.

Hình 1.6 Mức so sánh của cảm biến ứng với các vị trí line khi xe di chuyển

4


THIẾT KẾ HỆ THỐNG CƠ ĐIỆN TỬ

GVHD: TS. PHÙNG TRÍ CÔNG

1.4.2 Sử dụng giải thuật xấp xỉ
Các giá trị đọc về qua phép xấp xỉ để tìm ra vị trí của đường line. Phương pháp
này cho ra sai số phát hiện line nhỏ, có thể tới 2.6mm.
Cơng thức xấp xỉ:
𝑥=

∑𝑛𝑖=0 𝑥𝑖 𝑦𝑖
∑𝑛𝑖=0 𝑦𝑖

Hình 1.7 Tìm vị trí tâm đường line bằng giải thuật xấp xỉ
1.5 Tìm hiểu về cấu trúc điều khiển
1.5.1 Cấu trúc điều khiển phân cấp
Mạch điều khiển phân cấp sử dụng nhiều vi điều khiển, mỗi vi điều khiển đảm
nhận một chức năng riêng. Nhờ đó có sự chuyên biệt hóa, mỗi vi điều khiển chỉ đảm
nhận một cơng việc giúp việc kiểm tra lỗi chương trình dễ dàng, các chức năng được
thực hiện đồng thời, không cần phải đợi hoặc bỏ qua các tác vụ ngắt. Tuy nhiên cấu trúc
phần cứng phức tạp và cần đảm bảo tín hiệu giao tiếp giữa các vi điều khiển tuyệt đối
chính xác, khơng bị nhiễu.

5


THIẾT KẾ HỆ THỐNG CƠ ĐIỆN TỬ

GVHD: TS. PHÙNG TRÍ CƠNG

Hình 1.8 Cấu trúc điều khiển phân cấp
1.5.2 Cấu trúc điều khiển tập trung
Mạch chỉ sử dụng một vi điều khiển đảm nhận tất cả các chức năng nhờ vào đó mà
phần cứng đơn giản. Tuy nhiên, khơng có sự chuyên biệt hóa nên khó cho việc kiểm tra
lỗi chương trình, các chức năng (tính tốn ra vận tốc 2 bánh xe và điều khiển động cơ
đạt vận tốc mong muốn) không được thực hiện đồng thời, khi chức năng này đang thực
hiện thì chức năng khác phải đợi.

Hình 1.9 Cấu trúc điều khiển tập trung

6


THIẾT KẾ HỆ THỐNG CƠ ĐIỆN TỬ

GVHD: TS. PHÙNG TRÍ CÔNG

1.6 Đặt đầu bài
Từ mục tiêu thiết kế và yêu cầu mơn học, nhóm đưa ra u cầu thiết kế số như sau:
 Vận tốc tối đa: 𝑉𝑚𝑎𝑥 = 0.5 𝑚/𝑠

 Bán kính vịng cua tối thiểu: 𝑅𝑚𝑖𝑛 = 50𝑐𝑚
 Sai số dò line: 𝑒𝑚𝑎𝑥 =  45𝑚𝑚

7


THIẾT KẾ HỆ THỐNG CƠ ĐIỆN TỬ

GVHD: TS. PHÙNG TRÍ CÔNG

CHƯƠNG 2: LỰA CHỌN PHƯƠNG ÁN
VÀ PHÂN CÔNG NHIỆM VỤ

2.1 Lựa chọn kết cấu xe
Thiết kế xe 3 bánh, 2 chủ động ở phía sau điều khiển bằng 2 động cơ DC độc lập,
bánh trước là bánh mắt trâu.
2.2 Lựa chọn cảm biến
Sử dụng cảm biến LED kết hợp với phototransistor, tín hiệu đọc về dùng giải thuật
xấp xỉ để tìm vị trí tâm đường line.

2.3 Lựa chọn bộ điều khiển
Bộ điều khiển bám line theo tiêu chuẩn Lyapunov.
2.4 Lựa chọn cấu trúc điều khiển
Điều khiển tập trung (dùng 1 vi điều khiển).

Hình 2.1 Cấu trúc điều khiển lựa chọn

8


THIẾT KẾ HỆ THỐNG CƠ ĐIỆN TỬ

GVHD: TS. PHÙNG TRÍ CƠNG

2.5 Phân cơng nhiệm vụ
Bảng 2.1 Phân cơng nhiệm vụ các thành viên
STT

Thành viên

Nhiệm vụ

Cơng việc

1

Đỗ Tuấn Anh

PM

Quản lí nhóm, phân cơng và hỗ
trợ các thành viên.

2

Hồng Văn An

Điện

Thiết kế driver

3

Trần Minh Chiến

4

Dỗn Hồng

5

Nguyễn Minh Hồng

Mơ hình
hóa
Cơ khí
Lập trình

9

Mơ phỏng động học
Thiết kế phần cơ khí, bản vẽ
Lựa chọn vi điều khiển, thiết kế
cảm biến


THIẾT KẾ HỆ THỐNG CƠ ĐIỆN TỬ

GVHD: TS. PHÙNG TRÍ CƠNG

CHƯƠNG 3: THIẾT KẾ CHI TIẾT VÀ MƠ HÌNH HĨA

3.1 Thiết kế cơ khí
u cầu đặt ra:
+ Xe có thể chạy với vận tốc tối đa 𝑣𝑚𝑎𝑥 = 0,5 𝑚/𝑠.

+ Kết cấu xe nhỏ gọn, chắc chắn, không rung lắc.

+ Xe có thể qua các đoạn cong (bán kính cong R= 500mm) với vận tốc tối ưu
mà xe không bị lật.
3.1.1 Lựa chọn bánh xe
a. Lựa chọn bánh bị động
Các loại bánh có thể dùng làm bánh bị động cho xe dị line là bánh castor, bánh
mắt trâu.
Bánh castor có khả năng di chuyển ổn định. Tuy nhiên khi bẻ lái với vận tốc lớn
hoặc bẻ lái nhiều lần trong thời gian ngắn thì bánh xe có thể khơng kịp đáp ứng dẫn dến
hiện tượng trượt, ảnh hưởng đến tốc độ di chuyển của xe, có thể làm xe bị lật.
Bánh mắt trâu có vỏ ngồi được làm bằng sắt hay thép nên rất bền, bên trong có ổ
bi nên di chuyển rất trơn tru. Tuy nhiên bánh này có nhược điểm lớn là chỉ có thể chạy
trong những mơi trường ít bụi, cát vì chúng có thể bám vào bánh làm bánh bị kẹt không

chạy được.
Bảng 3.1 So sánh giữa 2 loại bánh trên:
Bánh castor

Bánh mắt trâu

- Chịu tải 20kg

- Chịu tải khoảng 50kg.

- Ít chịu ảnh hưởng bởi điều kiện của

- Chịu ảnh hưởng bởi điều kiện đường

đường đua

đua.

- Kết cấu cồng kềnh.

- Kết cấu nhỏ gọn.

10


THIẾT KẾ HỆ THỐNG CƠ ĐIỆN TỬ

GVHD: TS. PHÙNG TRÍ CÔNG

Từ bảng so sánh kết hợp với yêu cầu của đường đua, nhóm quyết định chọn bánh mắt

trâu là bánh dẫn hướng cho robot dò line.
b. Lựa chọn bánh chủ động
Bánh chủ động là bộ phận trực tiếp làm xe chuyển động. Bánh xe phải có khả
năng bám đường tốt, không trơn trượt, chịu tải ổn định, dễ dàng tháo lắp và thay thế.
Từ những yêu cầu trên ta có thể sử dụng bánh xe giảm tốc V1- V3 hoặc bánh
Mecanum để làm bánh chủ động cho xe.
Bánh Mecanum là một dạng của bánh đa hướng (Omnidirectional Wheel). Bánh
xe này được tạo thành bởi các con lăn nhỏ với trục được lắp nghiêng một góc 45 độ so
với trục quay chính của bánh xe, nhờ kết cấu đặc biệt này nên bánh có thể thực hiện
nhiều chuyển động phức hợp theo phương pháp cộng vector. Với bánh Mecanum, xe
có thể chuyển động tiến lùi, xoay trịn trong khơng gian nhỏ hẹp, đặc biệt có thể di
chuyển theo phương ngang khi cần thiết.
Tuy có nhiều ưu điểm nhưng giá thành của bánh xe Mecanum khá cao và giải thuật
điều khiển phức tạp nên nhóm quyết định sẽ sử dụng bánh xe giảm tốc V3 có đường
kính D= 80 mm để làm bánh chủ động cho xe.
3.1.2 Tính tốn chọn động cơ
Giả sử tồn bộ thân xe có khối lượng M1= 2kg, vật nặng hình hộp chữ nhật có khối
lượng M2= 2kg, khối lượng bánh xe m= 0,025kg
- Toạ độ trọng tâm:Chọn hệ trục toạ độ như hình vẽ:

11


THIẾT KẾ HỆ THỐNG CƠ ĐIỆN TỬ

GVHD: TS. PHÙNG TRÍ CƠNG

Hình 3.1 Hệ tọa độ trên robot dị line
Chọn vị trí đặt vật nặng mong muốn là ở vị trí 𝑥 = 𝐿/4 với 𝐿 là khoảng cách

giữa 2 bánh xe sauvà bánh trước, G1 và G2 là trọng tâm của xe và của vật nặng. Ta tính
được hồnh độ trọng tâm của hệ:

𝐿
𝐿
𝑚1 𝑥𝐺1+ 𝑚2 𝑥𝐺2 2. 2 + 2. 4 3𝐿
𝑥𝐺 =
=
=
𝑚1 + 𝑚2
8
2+2

Từ đó ta tính được lực tác dụng lên mỗi bánh xe:

3𝑃
𝑀1 + 𝑀2
𝑅1 + 𝑅2 = 𝑃
𝑅1 =
= 3.
𝑔 = 14,7𝑁
8
8
3𝐿 ⇒ {
{ 5𝐿
5𝑃
𝑅1 .
= 𝑅2 .
𝑅2 =
= 24,5𝑁

8
8
8

Xét các lực tác dụng lên một bánh chủ động, ta có mơ hình tốn:

12


THIẾT KẾ HỆ THỐNG CƠ ĐIỆN TỬ

GVHD: TS. PHÙNG TRÍ CƠNG

𝜔

𝐹

𝑅1

𝐹𝑚𝑠

Hình 3.2 Mơ hình các lực tác dụng lên bánh xe
Ta giả sử thời gian để xe tăng tốc từ 0 m/s lên vận tốc cực đại 0,5 m/s là 1s. Ta suy ra
được gia tốc của xe là:
𝑎=

Phương trình cân bằng moment:

𝑣𝑚𝑎𝑥 0,5
=

= 0,5 𝑚/𝑠 2
1
𝑡
𝑇 − 𝐹𝑚𝑠 . 𝑅 = 𝐼𝛾

Với moment quán tính của bánh xe: 𝐼 = 𝑚𝑅 2 /2 và 𝛾 là gia tốc góc của bánh xe

Gọi 𝑀 = 𝑅2 /𝑔 = 2,5𝑘𝑔 là khối lượng tương đương mà mỗi bánh xe sau phải chịu khi
mang vật nặng.

Moment tác dụng lên bánh xe:
1
𝑇 = 𝐹𝑚𝑠 . 𝑅 + 𝐼𝛾 = (𝑀 + 𝑚). 𝑎. 𝑅 + 𝑚𝑅2 𝛾
2

1
𝑇 = (2,5 + 0,025). 0,5.0,04 + . 0,025. 0,042 . 12,5 = 50,75 𝑁𝑚𝑚
2

Công suất cần thiết của động cơ:

𝑃 = 𝑇. 𝜔 = 0,0508.12,5 = 0,634𝑊

13


THIẾT KẾ HỆ THỐNG CƠ ĐIỆN TỬ

GVHD: TS. PHÙNG TRÍ CƠNG

Từ cơng suất đã tính, ta chọn cơ GA25-V1 có hộp giảm tốc và encoder. Moment tải
0,184Nm.
Bảng 3.2 Thông số động cơ GA25-V1
Điện áp
Cơng suất
Dịng khơng tải
Dịng có tải
Tốc độ
Dài x rộng
Đường kính
Chiều dài
Đường kính
Chiều dài
Đường kính
Chiều dài

Hộp giảm tốc
Encoder
Trục

3 - 12V
13,2W
80 mA
600 mA
320 rpm
31 x 25 mm
25 mm
21 mm
14 mm
11 mm

4 mm
12 mm

3.1.3 Chống lật khi xe ôm cua
Khi vào cua, do ảnh hưởng của lực li tâm nên xe có thể bị lật. Để phịng ngừa
trường hợp này, ta phải thiết kế khoảng cách giữa 2 bánh xe và chiều cao xe cho phù

→

→

Flt

→

P

F

→

Flt

a/2

Hình 3.3 Mơ hình tính tốn và phân tích lực khi xe ơm cua

14

b

hợp để xe khơng bị lật. ta có mơ hình tốn như sau:


THIẾT KẾ HỆ THỐNG CƠ ĐIỆN TỬ

GVHD: TS. PHÙNG TRÍ CÔNG

Gọi khoảng cách giữa 2 bánh xe là a, chiều cao trọng tâm xe là b. Ta có:
Moment gây ra lật xe:
𝑚. 𝑣 2
𝑀1 = 𝐹𝑛 . 𝑏 =
.𝑏
𝑅

Moment chống lật xe:

𝑀2 = 𝑃.

Để xe khơng bị lật thì: 𝑀2 ≥ 𝑀1
⇒

𝑎
𝑎
= 𝑚𝑔.
2
2

𝑅𝑔 0,5.9,8
𝑏

≤ 2=
= 9,8
2. 0,52
𝑎 2𝑣

Do tổng chiều dài 2 động cơ và hộp giảm tốc là 134mm. Nên ta chọn sơ bộ
khoảng cách giữa 2 bánh xe là 150 mm. Chọn tỷ lệ b/a= 0,5; ta được chiều cao trọng
tâm xe là b= 60 mm.
1.4 Kích thước xe dị line
Từ các tính tốn trên ta xác định được các kích thước của xe dị line:
- Chiều cao trọng tâm xe là 60mm.
- Chiều rộng thân xe chọn sơ bộ 150mm.
- Chiều dài thân xe: dựa theo các thiết kế của các hãng xe trên thế giới như Ford,
Mistubishi, Mercedes-Benz,… có chiều dài/chiều rộng là khoảng 0,38 – 0,6. Nên
nhóm lựa chọn tỉ lệ chiều dài/chiều rộng cho xe dò line là 0,6; suy ra chiều dài xe
250mm.

15


THIẾT KẾ HỆ THỐNG CƠ ĐIỆN TỬ

GVHD: TS. PHÙNG TRÍ CÔNG

3.2 Thiết kế hệ thống điện
Sơ đồ khối chung của hệ thống điện:

SS1

SS2

SS3

SS4

SS5

SS6

SS7

TCRT5000

TCRT5000

TCRT5000

TCRT5000

TCRT5000

TCRT5000

TCRT5000

Micocontroller
PIC18F4550

Motor 1
GA25

Encoder

PWM 1

Mạch hạ áp 3.3V
AMS1117

Driver
TB6612

PWM 2

Mạch hạ áp 5V
LM2596

Encoder

Mạch hạ áp12V
LM2596

Pin

Đường tín hiệu
Đường điện áp

Hình 3.4 Sơ đồ hệ thống điện
3.2.1 Lựa chọn Driver
a. Yêu cầu:
 Cho phép cấp điện áp vào được 12V.

 Có hai mạch cầu H để điều khiển hai động cơ.
16

Motor 2
GA25


THIẾT KẾ HỆ THỐNG CƠ ĐIỆN TỬ

GVHD: TS. PHÙNG TRÍ CÔNG

 Đảm bảo quan hệ giữa xung PWM và tốc độ động cơ xấp xỉ tuyến tính
Với những yêu cầu trên và kết hợp với sản phẩm trên thị trường, có thể khảo sát
hai loại Driver L298 và TB6612 để lựa chọn.

a)

b)

Hình 3.5 Các loại Driver cho động cơ DC
a) Driver L298

b)Driver TB6612

b. Khảo sát tuyến tính giữa xung PWM và tốc độ động cơ
Đối với Driver L298, khi cấp xung PWM và đo tốc độ động cơ, thu được bảng số
liệu sau:
Bảng 3.3 Tốc độ động cơ 1 khi cấp xung PWM sử dụng Driver L298
PWM(%)
0

5
10
15
20
25
30
35
40
45
50

v(rpm)
0
0
0
14
51
88
122
149
172
189
203

PWM(%)
55
60
65
70
75

80
85
90
95
100

17

v(rpm)
215
226
234
242
250
258
263
268
272
285