BÁO cáo đồ án THIẾT kế hệ THỐNG cơ điện tử đề tài THIẾT kế, CHẾ tạo và điều KHIỂN ROBOT dò LINE (LINE FOLLOWING ROBOT )

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

BÁO CÁO
ĐỒ ÁN THIẾT KẾ HỆ THỐNG CƠ ĐIỆN TỬ
Đề tài :

THIẾT KẾ, CHẾ TẠO VÀ ĐIỀU KHIỂN
ROBOT DÒ LINE (LINE FOLLOWING ROBOT )
GVHD : TS. LÊ ĐỨC HẠNH

Sinh viên thực hiện :
Phạm Hồng Duy

1510494

Bùi Vũ Hồn

1511098

Lê Tiến Hồng

1511124

TP.Hồ Chí Minh, tháng 12 năm 2018


ĐỒ ÁN THIẾT KẾ HỆ THỐNG CƠ ĐIỆN TỬ

GVHD : TS.LÊ ĐỨC HẠNH

MỤC LỤC
DANH SÁCH HÌNH ẢNH ........................................................................................................... iii
DANH SÁCH BẢNG BIỂU .......................................................................................................... v
MỤC TIÊU THIẾT KẾ ................................................................................................................ 1
CHƯƠNG 1 : TỔNG QUAN ........................................................................................................ 2
1.1. Giới thiệu chung ................................................................................................................... 2
1.2. Cấu trúc cơ bản của các xe dị line thơng dụng .................................................................... 2
1.2.1. Phần cơ khí .................................................................................................................... 2
1.2.2. Cấu trúc cơ bản của xe dò line....................................................................................... 9
1.2.3. Cảm biến : ...................................................................................................................... 9
1.2.4. Cấu trúc điều khiển : .................................................................................................... 13
1.2.5. Giải thuật điều khiển : ................................................................................................. 14
1.3. Đặt đầu bài : ........................................................................................................................ 14
CHƯƠNG 2 : PHƯƠNG ÁN THIẾT KẾ ................................................................................. 16
2.1. Sơ đồ nguyên lý : ................................................................................................................ 16
2.2. Cảm biến : ........................................................................................................................... 16
2.3. Cấu trúc điều khiển : ........................................................................................................... 17
2.4. Bộ điều khiển : .................................................................................................................... 17
2.5. Phương án thiết kế : ............................................................................................................ 17
CHƯƠNG 3 : THIẾT KẾ CƠ KHÍ ........................................................................................... 18
3.1. Lựa chọn bánh xe ............................................................................................................... 18
3.1.1. Lựa chọn bánh chủ động : ........................................................................................... 18
3.1.2. Lựa chọn bánh bị động : .............................................................................................. 18
3.2. Tính tốn chọn động cơ ...................................................................................................... 19
3.3. Tính tốn ổn định cho xe di chuyển trên bán kính cong : .................................................. 20
3.4. Tính tốn dung sai độ đồng trục hai động cơ và các dung sai khác : ................................ 21
3.4.1. Dung sai theo phương ngang: ...................................................................................... 22
3.4.2. Dung sai phương dọc: .................................................................................................. 23

3.4.3. Lỗ định vị đồ gá: .......................................................................................................... 24
3.4.4. Đảm bảo đồng trục khi lắp đặt: ................................................................................... 25
3.5. Thiết kế các bộ phận cơ khí : .............................................................................................. 26
I


ĐỒ ÁN THIẾT KẾ HỆ THỐNG CƠ ĐIỆN TỬ

GVHD : TS.LÊ ĐỨC HẠNH

3.6. Hình ảnh mơ hình 3D xe dị line : ...................................................................................... 26
CHƯƠNG 4 : THIẾT KẾ HỆ THỐNG ĐIỆN ......................................................................... 28
4.1. Sơ đồ khồi hệ thống điện .................................................................................................... 28
4.2. Lựa chọn vi điều khiển ....................................................................................................... 28
4.3. Thiết kế cảm biến ............................................................................................................... 29
4.3.1. Lựa chọn cảm biến ...................................................................................................... 29
4.3.2. Tính tốn giá trị điện trở .............................................................................................. 30
4.3.3. Cách bố trí cảm biến : .................................................................................................. 31
4.3.4. Chọn khoảng cách giữa cảm biến và sàn : ................................................................... 32
4.3.5. Chọn khoảng cách giữa 2 led : .................................................................................... 33
4.3.6. Tuyến tính hóa cảm biến : ........................................................................................... 35
4.3.7. Thiết kế mạch cảm biến : ............................................................................................. 37
4.4. Nguồn điện ......................................................................................................................... 38
4.5. Mạch nguồn: ....................................................................................................................... 39
4.6. Mạch driver động cơ ........................................................................................................... 40
4.7. Giải thuật PID cho động cơ: ............................................................................................... 42
4.7.1. Động cơ trái ................................................................................................................. 42
4.7.2. Động cơ phải................................................................................................................ 50
4.8. Thiết kế board mạch tổng kết nối các thiết bị..................................................................... 56
4.8.1. Thiết kế board mạch nguồn ......................................................................................... 56

4.8.2. Thiết kế board mạch ra chân cho STM32F4 ............................................................... 57
CHƯƠNG 5 : MƠ HÌNH HĨA .................................................................................................. 59
5.1. Mơ hình động học ............................................................................................................... 59
5.2. Thiết kế luật điều khiển ...................................................................................................... 60
5.3. Thiết kế giải thuật điều khiển cho robot ............................................................................. 63
5.4. Mơ phỏng robot dị line ...................................................................................................... 64
CHƯƠNG 6 : THỰC NGHIỆM VÀ ĐÁNH GIÁ..................................................................... 67
TÀI LIỆU THAM KHẢO ........................................................................................................... 69

II


ĐỒ ÁN THIẾT KẾ HỆ THỐNG CƠ ĐIỆN TỬ

GVHD : TS.LÊ ĐỨC HẠNH

DANH SÁCH HÌNH ẢNH
Hình 0.1 : Sa bàn hệ thống line ....................................................................................................... 1
Hình 1.1 : Thunderstorm ................................................................................................................. 2
Hình 1.2 : Usain Volt 2.0 Robot ..................................................................................................... 3
Hình 1.3 : Suckbot robot.................................................................................................................. 4
Hình 1.4 : Chariot Robot ................................................................................................................. 5
Hình 1.5 : Pinto robot ...................................................................................................................... 5
Hình 1.6 : Newbie Robot ................................................................................................................. 6
Hình 1.7 : Fireball robot .................................................................................................................. 7
Hình 1.8 : Cartis X04 ....................................................................................................................... 8
Hình 1.9 : Một vài sơ đồ nguyên lý thiết kế cơ khí ....................................................................... 9
Hình 1.10 : Raspberr Pi Camera 1/4-Inch 5-Megapixel. ............................................................... 10
Hình 1.11 : CMUcam3 (left) CMUcam5 (right) .......................................................................... 10
Hình 1.12 : PGM 2000 .................................................................................................................. 10

Hình 1.13 : Mối quan hệ giữa cường độ ánh sáng và điện trở suất của LDR ............................... 10
Hình 1.14 : Cảm biến hồng ngoại TCRT5000............................................................................... 11
Hình 1.15 : Vũng nhiễu của led thu và led phát ............................................................................ 11
Hình 1.16 : Các phương pháp bố trí cảm biến ............................................................................... 12
Hình 1.17 : Tín hiệu đọc từ cảm biến ............................................................................................ 12
Hình 1.18 : Xử lý tín hiệu cảm biến bằng phương pháp xấp xỉ..................................................... 12
Hình 1.19 : Xử lý tín hiệu cảm biến bằng phương pháp so sánh................................................... 13
Hình 1.21 : Cấu trúc điều khiển tập trung ..................................................................................... 13
Hình 1.22 : Cấu trúc điều khiển phân cấp ..................................................................................... 14
Hình 2.1 : Phương án sơ đồ nguyên lý .......................................................................................... 16
Hình 2.2 : Cảm biến TCRT5000 ................................................................................................... 16
Hình 2.3 : Cấu trúc điều khiển tập trung ....................................................................................... 17
Hình 3.1 : Bánh xe V3. .................................................................................................................. 18
Hình 3.2 : Bánh mắt trâu. .............................................................................................................. 18
Hình 3.3 :Phân tích lực trên một bánh xe. ..................................................................................... 19
Hình 3.4 : Mơ hình tính tốn khi xe rẽ hướng ............................................................................... 20
Hình 3.5 : Sai lệch tâm trục 2 động cơ .......................................................................................... 21
Hình 3.6 : Chuỗi kích thước tại mặt cắt ngang lỗ định tâm động cơ. ............................................ 22
Hình 3.7 : Chuỗi kích thước tính dung sai theo phương dọc. ........................................................ 23
Hình 3.8 : Chuỗi kích thước dung sai lỗ định vị đồ gá .................................................................. 24
Hình 3.9 : Chuỗi kích thước lỗ định vị trên thân xe. ..................................................................... 25
Hình 3.10 : Mơ hình 3D xe dị line ................................................................................................ 27
Hình 4.1 : Sơ đồ khối hệ thống điện .............................................................................................. 28
Hình 4.2 : Kit STM32F411VET Discovery .................................................................................. 29
Hình 4.3 : Sơ đồ nguyên lý cảm biến TCRT5000 ......................................................................... 30
Hình 4.4 : Đồ thị thể hiện giữa dòng và áp qua LED .................................................................... 31

III

ĐỒ ÁN THIẾT KẾ HỆ THỐNG CƠ ĐIỆN TỬ

GVHD : TS.LÊ ĐỨC HẠNH

Hình 4.5 : Ảnh hưởng của cách đặt cảm biến đến switching distance 𝑿𝒅 .................................... 31
Hình 4.6 : Vùng hoạt động của mỗi cảm biến TCRT5000 ............................................................ 32
Hình 4.7 : Sự thay đổi giá trị ADC trong khoảng 0-15mm ........................................................... 32
Hình 4.8 : Phạm vi quét của led thu và led phát ở 2 cảm biến đặt liền kề nhau ............................ 33
Hình 4.9 : Vùng bất định của cảm biến ......................................................................................... 34
Hình 4.10 : Đồ thị quan hệ ảnh hưởng line đến khoàng cách hai cảm biến .................................. 34
Hình 4.11 : Phương pháp xấp xỉ theo trọng số .............................................................................. 36
Hình 4.12 : Đồ thị quan hệ giá trị tính tốn và giá trị thực tâm đường line .................................. 37
Hình 4.13 : Sơ đồ nguyên lý mạch cảm biến ................................................................................. 38
Hình 4.14 : Sơ đồ PCB của mạch cảm biến .................................................................................. 38
Hình 4.15 : Mạch cảm biến sau khi thi cơng ................................................................................. 38
Hình 4.16 : Module LM2596 ......................................................................................................... 39
Hình 4.17 : Mạch driver TB6612 .................................................................................................. 40
Hình 4.18 : Đồ thị quan hệ giữa PWM và tốc độ động cơ ( khơng tải)........................................ 41
Hình 4.19 : Liên hệ giữa vận tốc động cơ 1 và PWM ................................................................... 41
Hình 4.20 : Liên hệ giữa vận tốc động cơ 1 và PWM ................................................................... 42
Hình 4.21 : Cấp PWM Random..................................................................................................... 43
Hình 4.22 : Cấp PWM 75% ........................................................................................................... 43
Hình 4.23 : Cấp PWM 85% ........................................................................................................... 44
Hình 4.24 : PWM 100% ................................................................................................................ 44
Hình 4.25 : Độ chính xác của giá trị hàm truyền tìm được và giá trị dùng để Validate với PWM
85% ................................................................................................................................................ 45
Hình 4.26 : Mơ hình của hệ điều khiển ......................................................................................... 45
Hình 4.27 : Vận tốc động cơ bắt đầu dao động điều hịa (time (ms),van toc (rpm)) ..................... 48
Hình 4.28 : Hệ số kp, ki, kd khi sử dụng PID Tune Toolbox ........................................................ 48
Hình 4.29 : Đáp ứng động cơ với setpoint 100rpm ....................................................................... 49

Hình 4.30 : Đáp ứng động cơ với setpoint 200rpm ....................................................................... 49
Hình 4.31 : Đáp ứng động cơ với setpoint 250rpm ....................................................................... 50
Hình 4.32 : Đáp ứng động cơ với setpoint 300rpm ....................................................................... 50
Hình 4.33 : Cấp PWM Random..................................................................................................... 51
Hình 4.34 : Cấp PWM 75% ........................................................................................................... 52
Hình 4.35 : Cấp PWM 85% ........................................................................................................... 52
Hình 4.36 : Cấp PWM 100% ......................................................................................................... 53
Hình 4.37 : Độ chính xác của giá trị hàm truyền tìm được và giá trị dùng để Validate với PWM
85% ................................................................................................................................................ 53
Hình 4.38 : Hệ số kp, ki, kd khi sử dụng PID Tune Toolbox ........................................................ 54
Hình 4.39 : Đáp ứng động cơ với setpoint 100rpm ....................................................................... 54
Hình 4.40 : Đáp ứng động cơ với setpoint 200rpm ....................................................................... 55
Hình 4.41 :Đáp ứng động cơ với setpoint 250rpm ........................................................................ 55
Hình 4.42 :Đáp ứng động cơ với setpoint 300rpm ........................................................................ 56
Hình 4.43 : PCB mạch nguồn ( mặt trên và dưới ) ........................................................................ 56

IV


ĐỒ ÁN THIẾT KẾ HỆ THỐNG CƠ ĐIỆN TỬ

GVHD : TS.LÊ ĐỨC HẠNH

Hình 4.44 : Mạch nguồn sau khi thi cơng...................................................................................... 57
Hình 4.45 : PCB mạch nguồn ( mặt trên và dưới ) ........................................................................ 57
Hình 4.46 : Mạch ra chân cho STM32F4 sau khi thi cơng ............................................................ 58
Hình 5.1 : Mơ hình động học của robot trong hệ tọa độ Oxy........................................................ 59
Hình 5.2 : Mơ hình sai số xe dị line.............................................................................................. 60
Hình 5.3 : Quan hệ giữa khoảng cách 𝑑 và sai số lớn nhất ........................................................... 62
Hình 5.4 : Giải thuật điều khiển robot trong mơ phỏng ................................................................ 63

Hình 5.5 : Kết quả bám line của robot ........................................................................................... 64
Hình 5.6 : Sai số bám line 𝑒2 ........................................................................................................ 65
Hình 5.7 : Góc định hướng của robot ............................................................................................ 65
Hình 5.8 : Vận tốc góc của robot ................................................................................................... 66
Hình 5.9 : Vận tốc góc hai động cơ ............................................................................................... 66
Hình 6.1 : Mơ hình thực tế xe dị line ............................................................................................ 67
Hình 6.2 : Vận tốc 2 động cơ thu được trong quá trình xe chạy bám line .................................... 67
Hình 6.3 : Sai số e2 thực tế thuc được trong quá trình xe bám line ............................................... 68

DANH SÁCH BẢNG BIỂU
Bảng 1.1 : Thông số của Thunderstorm .......................................................................................... 2
Bảng 1.2 : Thông số của Usain Volt 2.0 Robot ............................................................................... 3
Bảng 1.3 : Thông số của Suckbot .................................................................................................... 4
Bảng 1.4 : Thông số của Chariot ..................................................................................................... 5
Bảng 1.5 : Thông số của Pinto......................................................................................................... 6
Bảng 1.6 : Thông số của Newbie ..................................................................................................... 6
Bảng 1.7 : Thông số của Fireball ..................................................................................................... 7
Bảng 1.8 : Thông số của Cartis....................................................................................................... 8
Bảng 3.1 : Thông số bánh chủ động .............................................................................................. 18
Bảng 3.2 : Thông số bánh bị động ................................................................................................. 19
Bảng 3.3 : Kết quả ......................................................................................................................... 20
Bảng 3.4 : Thông số động cơ ......................................................................................................... 20
Bảng 4.1 : Thông số kỹ thuật STM32F411VET Discovery. ......................................................... 29
Bảng 4.2 : Thông số kỹ thuật cảm biến TCRT 5000 ..................................................................... 29
Bảng 4.3 : Công suất điện cần cung cấp cho các thiết bị .............................................................. 38
Bảng 4.4 : Các ngõ ra/vào module TB6612 .................................................................................. 40
Bảng 4.5 : Bảng hàm truyền động cơ và PWM tương ứng ........................................................... 42
Bảng 4.6 : Bảng Zeigler – Nichols ................................................................................................ 47
Bảng 4.7 : Bảng hàm truyền động cơ và PWM tương ứng ........................................................... 51
Bảng 5.1 : Các thông số đầu vào cần thiết cho robot khi mô phỏng : ........................................... 61

V


ĐỒ ÁN THIẾT KẾ HỆ THỐNG CƠ ĐIỆN TỬ

GVHD : TS.LÊ ĐỨC HẠNH

MỤC TIÊU THIẾT KẾ
Thiết kế và chế tạo xe dò line di chuyển tốc độ cao, với một số yêu cầu :
-

Tốc độ di chuyển tối thiểu: 0.2 m/s
Robot mang vật nặng có khối lượng 2kg.
Đường kính bánh xe: d ≤ 200 mm.
Số lượng bánh xe: tùy chọn
Kích thước tối đa: 300mm x 220mm x 300mm
Màu sắc đường line: đen.
Màu nền: Trắng.
Bề rộng đường line: 26mm.
Bề mặt địa hình hình di chuyển: phẳng.
Sa bàn hệ thống line:

Hình 0.1 : Sa bàn hệ thống line

Khi bắt đầu robot được đặt ở vị trí A, sau đó robot chạy theo thứ tự được quy định
như sau:
(START) A – B – C – D – E – F – C – G – A – C – E (END)

1

ĐỒ ÁN THIẾT KẾ HỆ THỐNG CƠ ĐIỆN TỬ

GVHD : TS.LÊ ĐỨC HẠNH

CHƯƠNG 1 : TỔNG QUAN
1.1. Giới thiệu chung
Ngày nay, robot được đưa vào sử dụng rất nhiều trong cơng nghiệp, đời sống để thay thế con
người, giải thốt con người khỏi môi trường làm việc nặng nhọc, nguy hiểm, độc hại cũng như để
tăng năng suất. Một trong những ứng dụng đó là Robot AGV. Trong đồ án này, nhóm sẽ thiết kế
một mơ hình mobile robot đơn giản có khả năng bám line. Đây là mơ hình cũng được ứng dụng
nhiều trong thực tế như robot phục vụ trong nhà hàng, robot vận chuyển nguyên vật liệu, hàng hóa
trong các nhà xưởng.
1.2. Cấu trúc cơ bản của các xe dị line thơng dụng
1.2.1. Phần cơ khí
1.2.1.1. Thunderbolt Robot
- Thunderstorm đã tham gia cuộc thi Astor Robot Challenge 2012, Sosnowiec, Poland

(a)
(a) Xe đua Thunderstorm

(b)
Hình 1.1 : Thunderstorm
(b) Sơ đồ nguyên lý

Bảng 1.1 : Thông số của Thunderstorm
Thông số
Giá tr
n v

LìWìH:
145ì90ì70
mm
Khi lng
360
g
Tc
2.2ữ3
m/s
Bỏnh xe
?
mm
u im:
+ Qut hỳt to chân không bám nền giảm thiểu ảnh hưởng của lực ly tâm khi chạy ở
đường cong.
+ Thanh phía trước hoạt động như một thanh lò xo, đảm bảo cho 2 bánh bi cầu và 2 bánh
xe luôn tiếp xúc mặt đất.
 Nhược điểm:
+ Hao phí năng lượng cho quạt
1.2.1.2. Usain Volt 2.0 Robot
 Usain Volt 2.0 Robot tham gia cuộc thi LVBots Line Following Competition 2015, Las
Vegas, USA.

2


ĐỒ ÁN THIẾT KẾ HỆ THỐNG CƠ ĐIỆN TỬ

GVHD : TS.LÊ ĐỨC HẠNH

(a)

(b)
Hình 1.2 : Usain Volt 2.0 Robot

(a) Usain Volt 2.0 Robot
Bảng 1.2 : Thông số của Usain Volt 2.0 Robot
Thơng số
L×W×H:
Khối lượng
Tốc độ
Bánh xe

Giá trị
182×132×60
295
1,1 (trung bình)
60

(b) Sơ đồ nguyên lý
Đơn vị
mm
g
m/s
mm

 Ưu điểm:
+ Xe sử dụng 2 bánh bi cầu giúp ổn định khi vào đường cong
+ Thiết kế đơn giản, dễ chế tạo.
 Nhược điểm:

+ Khó đồng phẳng với 4 bánh
+ Khó điều khiển đồng bộ 2 động cơ

3


ĐỒ ÁN THIẾT KẾ HỆ THỐNG CƠ ĐIỆN TỬ

GVHD : TS.LÊ ĐỨC HẠNH

1.2.1.3. Suckbot Robot
 Suckbot robot tham gia cuộc thi LVBots Line Following Competition 2015, Las Vegas,
USA.

(a)

(b)
Hình 1.3 : Suckbot robot
(b) Sơ đồ nguyên lý

(a) Suckbot Robot
Bảng 1.3 : Thơng số của Suckbot

Thơng số
Giá trị
Đơn vị
L×W×H:
?×?×?
mm
Khối lượng

300
g
Tốc độ
0.93( trung bình)
m/s
Bánh xe
70
mm
 Ưu điểm:
+ Xe sử dụng 2 bánh bi cầu giúp ổn định khi vào đường cong
+ Quạt hút tạo chân không bám nền giảm thiểu ảnh hưởng của lực ly tâm khi chạy ở
đường cong.
+ Toàn bộ hệ thống mạch điện, pin, động cơ được đặt phía sau, giữa 2 bánh xe chủ
động giúp dời trọng tâm ra trục bánh xe, giảm momen xoay khi bẻ lái
 Nhược điểm:
+ Quạt tạo áp suất hút giúp xe bám đường nhưng cũng tạo ra một áp lực giữa xe và
mặt đường. Lực này là cho trọng tâm của xe bị đẩy ra xa trung điểm giữa 2 bánh xe
chủ động và gia tăng moment khi xe bẻ lái.
+ Robot sử dụng 4 bánh dẫn đến khó đồng phẳng

4


ĐỒ ÁN THIẾT KẾ HỆ THỐNG CƠ ĐIỆN TỬ

GVHD : TS.LÊ ĐỨC HẠNH

1.2.1.4. Chariot Robot
 Chariot Robot tham gia cuộc thi LVBots Line Following Competition 2015, Las Vegas,
USA.

(a)

(b)
Hình 1.4 : Chariot Robot
(b) Sơ đồ nguyên lý

(a) Chariot Robot
Bảng 1.4 : Thụng s ca Chariot

Thụng s
Giỏ tr
n v
LìWìH:
145ì90ì70
mm
Khi lng
210
g
Tc
1.2ữ2
m/s
Bỏnh xe
70
mm
Ưu điểm:
+ Robot sử dụng 3 bánh dễ đồng phẳng
 Nhược điểm:
+ Chỉ có một bánh bi cầu gây mất ổn định khi xe vào đường cong.
1.2.1.5. Pinto Robot

 Pinto robot tham gia cuộc thi LVBots Line Following Competition 2015, Las Vegas,
USA.

(a)

(b)

Hình 1.5 : Pinto robot
(b) Sơ đồ nguyên lý

(a) Pinto robot

5


ĐỒ ÁN THIẾT KẾ HỆ THỐNG CƠ ĐIỆN TỬ

GVHD : TS.LÊ ĐỨC HẠNH

Bảng 1.5 : Thông số của Pinto
Thông số
Giá trị
Đơn vị
L×W×H:
210×130×120
mm
Khối lượng
?
g
Tốc độ

0.8 (trung bình)
m/s
Bánh xe
60
mm
 Ưu điểm:
+ Hai bánh chủ động nằm phía trước, 1 bánh bị động phía sau → ổn định động học
cao.
+ Động cơ đặt lệch tâm, sử dụng đai truyền động cho 2 bánh chủ động giúp giảm bề
ngang của Robot. Do đó, Robot nhẹ hơn và giả được lực ly tâm khi vào đường cong.
 Nhược điểm:
+ Đai dẫn động làm cho thiết kế phức tạp hơn.
1.2.1.6. Newbie Robot
 Newbie robot tham gia cuộc thi LVBots Line Following Competition 2015, Las Vegas,
USA.

(a)

(b)
Hình 1.6 : Newbie Robot
(b) Sơ đồ nguyên lý

(a) Newbie Robot
Bảng 1.6 : Thơng số của Newbie
Thơng số
L×W×H:
Khối lượng
Tốc độ
Bánh xe

Đơn vị
Mm
G
m/s
Mm

Giá trị
?
?
?
28,42

 Ưu điểm:
+ Robot sử dụng 4 bánh giúp ổn định khi vào đường cong.

6


ĐỒ ÁN THIẾT KẾ HỆ THỐNG CƠ ĐIỆN TỬ

GVHD : TS.LÊ ĐỨC HẠNH

 Nhược điểm:
+ Xe có 3 btd truyền động, do đó dư 1 btd → việc đk đồng bộ khó, xảy ra hiện tượng
trượt.
+ Trên thực tế, xe vẫn chạy bám theo đường đua đủ 3 vòng, tuy nhiên tốc độ đua rất
hạn chế.
+ Xe sử dụng 4 bánh gây khó đồng phẳng.
1.2.1.7. Fireball
 Fireball tham gia cuộc thi Bot Brawl Contest(Peoria, Illinois) and then Chibots Summer

2010 Contest.

(a)

(b)
Hình 1.7 : Fireball robot
(b) Sơ đồ nguyên lý

(a) Fireball robot
Bảng 1.7 : Thơng số của Fireball
Thơng số
L×W×H:
Khối lượng
Tốc độ
Bánh xe

Giá trị
100×100×40
200
1.5 (trung bình)
?

Đơn vị
mm
g
m/s
mm

 Ưu điểm:
+ Kết cấu đơn giản. Mỗi bánh điều khiển bởi 1 động cơ. Do đó, giúp ổn định khi vào

đường cong. Bốn động cơ được điều khiển cùng lúc giúp robot dễ dàng chuyển
hướng.
 Nhược điểm:
+ Khó đồng phẳng
+ Cần phải điều khiển 4 động cơ cùng lúc nên động lực học và bộ điều khiển phức
tạp.

7


ĐỒ ÁN THIẾT KẾ HỆ THỐNG CƠ ĐIỆN TỬ

GVHD : TS.LÊ ĐỨC HẠNH

1.2.1.8. CartisX04
 CartisX04 tham gia cuộc thi Japan Robottrace contest 2014.

(a)

(b)
Hình 1.8 : Cartis X04
(b) Sơ đồ nguyên lý

(a) Catris X04
Bảng 1.8 : Thông số của Cartis

Thông số
Giá trị
Đơn vị
L×W×H:

175×153×40
mm
Khối lượng
98
g
Tốc độ
2.5 (trung bình)
m/s
Bánh xe
?
mm
 Ưu điểm:
+ Cấu trúc đơn giản. Robot có 2 động cơ và mỗi động cơ điều khiển 2 bánh. Do đó,
xe ổn định khi vào đường cong.
 Nhược điểm:
+ 4 bánh→ khó đồng phẳng.

8


ĐỒ ÁN THIẾT KẾ HỆ THỐNG CƠ ĐIỆN TỬ

GVHD : TS.LÊ ĐỨC HẠNH

1.2.2. Cấu trúc cơ bản của xe dò line
Từ tổng quan, chúng ta có rất nhiều lựa chọn cho thiết kế cơ khí.

Hình 1.9 : Một vài sơ đồ nguyên lý thiết kế cơ khí
1.2.3. Cảm biến :
- Mạch cảm biến chịu trách nhiệm theo dõi đường line và phản hồi tới bộ điều khiển vị trí

hiện tại của cảm biến liên quan đến đường line sao cho xe có thể theo dõi đường line. Việc
lựa chọn cảm biến sẽ ảnh hưởng một phần đến độ chính xác để theo dõi đường line. Có
nhiều loại cảm biến khác nhau có thể được sử dụng với phạm vi độ chính xác khác nhau
tùy thuộc vào yêu cầu của người dùng.
- Để đạt được yêu cầu theo dõi các đoạn gãy đột ngột của quỹ đạo đường line, lựa chọn cảm
biến phải có độ nhạy thích hợp.
+ Camera : Camera được sử dụng để chụp ảnh đường line, nhận dạng đường phức tạp,
bị gãy thơng qua xử lý hình ảnh, trả lại vị trí bánh xe và độ lệch .

9


ĐỒ ÁN THIẾT KẾ HỆ THỐNG CƠ ĐIỆN TỬ

GVHD : TS.LÊ ĐỨC HẠNH

Hình 1.10 : Raspberr Pi Camera 1/4-Inch 5-Megapixel.

Hình 1.11 : CMUcam3 (left) CMUcam5 (right)



Ưu điểm : độ chính xác cao 30 frames/sec
Nhược điểm : Khối lượng công việc xử lý của camera khá nhiều, nếu vi điều khiển
có tốc độ xử lý chậm, sự kết hợp giữa camera và bộ điều khiển sẽ ảnh hưởng đến
xe.
+ Quang trở : Điện trở của LDR thay đổi theo cường độ ánh sáng đi vào LDR (LUX).
Khi sử dụng LDF, màu của các đèn led khơng quan trọng lắm vì nó phụ thuộc vào
cường độ ánh sáng. Tuy nhiên, đường cong đặc trưng của photon khơng tuyến tính.

Hình 1.12 : PGM 2000

Hình 1.13 : Mối quan hệ giữa cường độ ánh sáng và điện trở suất của LDR

10


ĐỒ ÁN THIẾT KẾ HỆ THỐNG CƠ ĐIỆN TỬ

GVHD : TS.LÊ ĐỨC HẠNH




Ưu điểm : đơn giản, dễ sử dụng và rẻ
Nhược điểm : thời gian đáp ứng chậm khoảng 30 m/s gây ra thay đổi giá trị điện
trở khi đèn sáng và mất khoảng 40 m/s để trở về giá trị điện trở ban đầu khi đèn tắt.
+ Cảm biến hồng ngoại : Thường được sử dụng ngày nay. Khi tia hồng ngoại phát ra từ
đèn LED, nếu có bộ phản xạ hồng ngoại, cảm biến hồng ngoại hoạt động và tạo ra điện
áp giữa hai đèn LED. Led phát và thu phải được đặt cách nhau với bề mặt của đường
sao cho vùng hoạt động của chúng cản trở lẫn nhau và không trùng với bộ tiếp giáp .
 Ưu điểm : tốc độ phản hồi nhanh tầm ns, đơn giản dễ sử dụng
 Nhược điểm : dễ bị ánh sáng ảnh hưởng đến kết quả

Hình 1.14 : Cảm biến hồng ngoại TCRT5000

Hình 1.15 : Vũng nhiễu của led thu và led phát
1.2.3.1. Cách bố trí cảm biến :
- Có 3 cách bố trí cảm biến :
+ Theo hàng

+ Ma trận
+ Profile

11


ĐỒ ÁN THIẾT KẾ HỆ THỐNG CƠ ĐIỆN TỬ

a.

GVHD : TS.LÊ ĐỨC HẠNH

b.

c.

Hình 1.16 : Các phương pháp bố trí cảm biến
a. Theo hàng

b. Ma trận

c.Profile

1.2.3.2. Thuật toán xử lý tín hiệu :
Tín hiệu đọc từ cảm biến sẽ được xử lý bằng thuật toán xấp xỉ hoặc so sánh để tìm ra vị trí
tướng đối của robot dị line với tâm đường line

Hình 1.17 : Tín hiệu đọc từ cảm biến
-

Tín hiệu được xử lý bằng cách sử dụng phương pháp xấp xỉ:

Hình 1.18 : Xử lý tín hiệu cảm biến bằng phương pháp xấp xỉ
+ Độ lớn của tín hiệu từ cảm biến (y1, y2,…, yn) được sử dụng để tính vị trí của đường
line . Có thể sử dụng phương pháp xấp xỉ bậc hai, xấp xỉ trọng số, tuyến tính, ...
+ Thời gian xử lý phụ thuộc vào thời gian đọc của giá trị tương tự trong tất cả các
cảm biến, vì vậy phải mất một thời gian xử lý lâu, tuy nhiên phương pháp này cung
cấp kết quả chính xác cao

12


ĐỒ ÁN THIẾT KẾ HỆ THỐNG CƠ ĐIỆN TỬ

-

GVHD : TS.LÊ ĐỨC HẠNH

Tín hiệu được xử lý bằng phương pháp so sánh:

Hình 1.19 : Xử lý tín hiệu cảm biến bằng phương pháp so sánh
+ Sau khi xác định trạng thái chuyển mạch của các cảm biến, chúng ta có thể tìm ra
vị trí của xe theo một giá trị đã đặt. Đặc điểm của phương pháp này là dung sai phụ
thuộc vào khả năng phân biệt trạng thái của hệ thống (khoảng cách giữa các cảm
biến) nhưng tốc độ xử lý cao hơn vì nó chỉ xử lý trạng thái bật / tắt của dữ liệu đã
thu thập.
1.2.4. Cấu trúc điều khiển :
- Về cấu trúc điều khiển, robot dị line có các module chính bao gồm module sensor, module
điều khiển và module điều khiển động cơ. Trong đó có hai phương pháp chủ yếu để kết
nối các module đó với nhau là phương pháp điều khiển tập trung và phân cấp:

- Trong phương pháp điều khiển tâp trung (Hình 1.20), một MCU nhận tín hiệu từ cảm
biến, xử lí dữ liệu rồi truyền tín hiệu điều khiển cho cơ cấu tác động.Đây là cấu trúc được
sử dụng khá nhiều trong các xe đua dò line thực tế như xe CartisX04, Le’Mua (Robot
Challenge 2015), Pika. Cấu trúc điều khiển tập trung có đặc điểm phần cứng đơn giản, tuy
nhiên MCU phải xử lý tất cả thông tin trước khi cập nhật thơng tin mới.

Sensor

Driver

Left Wheel
Motor

Micro
Controller

Encoder

Driver

Encoder

Right Wheel
Motor

Hình 1.21 : Cấu trúc điều khiển tập trung
-

Trong phương pháp điều khiển phân cấp (Hình 1.20 ) nhiều hơn một MCU sẽ được sử dụng
trong hệ thống. Bên cạnh MCU master đảm nhiệm việc tính tốn tổng thể, một số robot cịn

có thêm 1 Slave MCU chuyên xử lí tín hiệu encoder hoặc 1 slave MCU để xử lí tín hiệu từ
sensor (RobotALF). Ngồi ra, các robot dị line dùng camera thường có một MCU slave

13


ĐỒ ÁN THIẾT KẾ HỆ THỐNG CƠ ĐIỆN TỬ

GVHD : TS.LÊ ĐỨC HẠNH

chun xử lí hình ảnh, rồi chuyển dữ liệu về MCU master. Cấu trúc này giúp giảm nhẹ khối
lượng tính tốn cho master và cho phép robot thực hiện nhiều tác vụ cùng lúc. Cấu trúc điều
khiển phân cấp có đặc điểm phần cứng phức tạp hơn, phải quan tâm đến vấn đề giao tiếp
giữa các MCU, tuy nhiên có khả năng xử lý nhiều tác vụ cùng lúc, giúp cho thời gian lấy
mẫu của hệ thống nhanh hơn khi sử dụng cấu trúc tập trung.
Sensor

Slaver 1

Slaver 2

Master

Slaver 3

Driver

Left Wheel
Motor

Driver

Encoder

Encoder

Right Wheel
Motor

Hình 1.22 : Cấu trúc điều khiển phân cấp
1.2.5. Giải thuật điều khiển :
- Giải thuật điều khiển được dùng phổ biến cho các xe đua dò line là bộ điều khiển PD,PID,
FIC cho hệ thống lái của xe kết hợp với PID cho từng động cơ như xe Bolt, Pika, Major
(Robocomp 2014), Thunderstorm… Ngoài ra, một bộ điều khiển phổ biến khác thường
được ứng dụng cho mobile robot là bộ điều khiển tracking.
- Để điều khiển xe hoạt động hiệu quả, bộ điều khiển có vai trị rất quan trọng. Một bộ điều
khiển tốt cho phép chiếc xe có khả năng bám line tốt trong khi hoạt động ở tốc độ cao.
Nhưng thơng thường, việc duy trì cả hai yếu tố này cùng một lúc là rất khó, vì vậy mọi
người thường tùy chỉnh cho phù hợp với mục đích thiết kế.
- Sử dụng bộ điều khiển PID: Tín hiệu tương tự được truyền từ cảm biến (lấy mẫu trong
phạm vi Δt), thông qua phương pháp xấp xỉ tính tốn sai số và sau đó nhập vào bộ điều
khiển PID.
- Sử dụng bộ điều khiển Lyapunov: Bộ điều khiển xem xét ba lỗi của xe phù hợp với đường
tiếp tuyến, đường bình thường, góc giữa xe và đường line .
1.3. Đặt đầu bài :
- Với mục tiêu thiết kế và chế tạo robot bám được sa bàn với tốc độ cao, đầu bài chobài toán
thiết kế cần được đặt ra cho vận tốc tối đa của robot trên sa bàn, khả năng đổihướng của robot
và sai số tối đa của robot trong quá trình bám theo đường line.
- Qua tham khảo một số robot dò line tại các cuộc thi trên thế giới, vận tốc cực đại củacác robot
này vào khoảng 2 - 3 m/s. Tuy nhiên các robot này có thiết kế rất gọn, nhẹ nêncó tốc độ di

chuyển rất nhanh, một số robot khác có thiết kế lớn hơn tốc độ di chuyểntối đa khoảng 1,5 –

14


ĐỒ ÁN THIẾT KẾ HỆ THỐNG CƠ ĐIỆN TỬ

-

-

GVHD : TS.LÊ ĐỨC HẠNH

2 m/s. Với yêu cầu thiết kế của đề bài, robot mang vật nặng 2 kgtrong quá trình di chuyển nên
tốc độ tối đa của robot sẽ không thể quá cao.
Về sai số của robot trong quá trình bám line thẳng hoặc cong, sai số này phụ thuộc
vào hệ thống cảm biến dò line và giải thuật điều khiển. Ngồi ra, robot cịn phải bám
được line tại các vị trí line giao nhau và đổi hướng đột ngột 900.
Dựa trên đặc điểm của những chiếc xe trong hiên có , nhóm chọn các thơng số sau:
+ vmax = 0.8 m/s
+ ρmin = 500 mm
+ emax = 20 mm

15


ĐỒ ÁN THIẾT KẾ HỆ THỐNG CƠ ĐIỆN TỬ

GVHD : TS.LÊ ĐỨC HẠNH

CHƯƠNG 2 : PHƯƠNG ÁN THIẾT KẾ
Chương này, ta đưa ra đề xuất và lựa chọn phương án thiết kế phù hợp với mục tiêu thiết kế đã đặt
ra. Đề xuất gồm có: sơ đồ nguyên lý, cảm biến, cấu trúc điều khiển, giãi thuật điều khiển.
2.1. Sơ đồ nguyên lý :
Do robot chỉ cần bám theo đường cong bán kính lớn (R = 500mm), khả năng đổi hướng độ ngột
tại các vị trí line gãy khúc đồng thời kết cấu xe phải đơn giản, giá thành chế tạo phù hợp. Vì thế sơ
đồ nguyên lý loại 2 bánh sử dụng bánh đa hướng được đề xuất (Hình 2.1)

Hình 2.1 : Phương án sơ đồ nguyên lý
2.2. Cảm biến :
Từ yêu cầu đề bài về sai số bám line tối đa của robot (±20 mm) và khả năng giúp xe có thể bám
line ở các đoạn đường gấp khúc đột ngột, các phương án sau về loại cảm biến và giải thuật xử lý
sẽ được cân nhắc.
Về loại cảm biến :Từ yêu cầu đề bài về sai số bám line tối đa của robot (e = ±10 mm)

và khả năng giúpxe có thể bám line ở các đoạn đường gấp khúc đột ngột. Do đó ta chọn
loại cảm biến led hồng ngoại TCR5000

Hình 2.2 : Cảm biến TCRT5000
Về giải thuật xử lý tín hiệu : Để đảm bảo xe di chuyển ở tốc độ cao mà vẫn bám được

line với sai số cho phép, phương pháp xấp xỉ theo trọng số được sử dụng

16


ĐỒ ÁN THIẾT KẾ HỆ THỐNG CƠ ĐIỆN TỬ

GVHD : TS.LÊ ĐỨC HẠNH

2.3. Cấu trúc điều khiển :
Để tránh tình trạng bị nhiễu hoặc rớt dữ liệu trong quá trình truyền dữ liệu phương án cấu trúc điều
khiển tập trung (Hình 2.3).

Hình 2.3 : Cấu trúc điều khiển tập trung
Phương án này sử dụng một MCU cho các hoạt động của robot do đó MCU phải thực hiện nhiều
tác vụ hơn, do đó việc tính tốn thời gian để đảm bảo các tác vụ diễn ra được thống nhất và khơng
bị trùng lặp là vấn đề quan trọng, cần tính toán kỹ.
2.4. Bộ điều khiển :
Bộ điều khiển bám line theo tiêu chuẩn ổn định Lyapunov
2.5. Phương án thiết kế :
Từ các đề xuất trên, ta tiến hành lựa chọn phương án phù hợp:
- Sơ đồ nguyên lý: robot 2 bánh chủ động vi sai có bánh đa hướng bị động (Hình 2.1)
- Cảm biến: bộ LED hồng ngoại và sử dụng giải thuật xấp xỉ trọng số để tìm ra vị trí của
robot so với đường line.
- Động cơ: động cơ DC servo.
- Cấu trúc điều khiển: bộ điều khiển tập trung (Hình 2.3)
- Bộ điều khiển : bám line theo tiêu chuẩn ổn đình Lyapunov

17


ĐỒ ÁN THIẾT KẾ HỆ THỐNG CƠ ĐIỆN TỬ

GVHD : TS.LÊ ĐỨC HẠNH

CHƯƠNG 3 : THIẾT KẾ CƠ KHÍ
3.1. Lựa chọn bánh xe
3.1.1. Lựa chọn bánh chủ động :
Yêu cầu đưa ra là lựa chọn loại bánh xe nhẹ, khả năng bám đường tốt nên nhóm quyết định

chọn bánh xe V3.

Hình 3.1 : Bánh xe V3.
Bảng 3.1 : Thơng số bánh chủ động
Đường kính (mm)
Độ dày (mm)
Khối lượng (g)
85
27
80
3.1.2. Lựa chọn bánh bị động :
- Yêu cầu đặt ra là robot sử dụng bánh bị động có thiết kế đơn giản,, phổ biến. Với yêu cầu
đó, bánh bị động được sử dụng là bánh bi cầu.
- Bánh bi cầu có thể di chuyển đa hướng, khi đổi hướng không bị trượt không thay đổi trọng
tâm xe lúc di chuyển.
- Bánh bị động phải nhẹ để Robot có thể di chuyển nhanh trên đường đua.
Vật liệu
Nhựa

Hình 3.2 : Bánh mắt trâu.

18


ĐỒ ÁN THIẾT KẾ HỆ THỐNG CƠ ĐIỆN TỬ

GVHD : TS.LÊ ĐỨC HẠNH

Bảng 3.2 : Thông số bánh bị động
Vật liệu

Độ cao (mm)
Độ dài (mm)
Khối lượng (g)
Thép
20
50
44
3.2. Tính tốn chọn động cơ
- Thông số yêu cầu:
+ Maximum speed : 𝑣𝑚𝑎𝑥 = 1 𝑚/𝑠
+ Maximum mass: 𝑚 = 3 𝑘𝑔
+ Diameter of active wheels: 𝐷 = 65 𝑚𝑚
+ Maximum acceleration: 𝑎𝑚𝑎𝑥 = 1 𝑚/𝑠 2
 Số vòng quay của động cơ:
60000𝑣𝑚𝑎𝑥 60000𝑥1
𝑛𝑚𝑎𝑥 =
=
= 293,82 (𝑟𝑝𝑚)
𝜋𝐷
65𝜋
Phân tích các lực tác dụng lên bánh, giả sử tải trọng phân bố đều cho 2 bánh chủ động.

Hình 3.3 :Phân tích lực trên một bánh xe.
Ta có mối liên hệ giữa gia tốc cực đại amax và gia tốc góc cực đại γmax
𝑎𝑚𝑎𝑥 =

𝑑𝑣
𝑑𝜔
=𝑟
= 𝑟. 𝛾𝑚𝑎𝑥

𝑑𝑡
𝑑𝑡

Phương trình động lực học của bánh xe
Với

I

𝐼𝛾 = 𝑇 − 𝐹𝑚𝑠 𝑟
: moment quán tính của bánh xe

Fms : lực ma sát nghỉ với hệ số ma sát nghỉ 𝑓𝑚𝑠𝑛 = 0.6
Do đó:
𝑇 = 𝐼𝛾 + 𝐹𝑚𝑠 𝑟
Để tránh hiện tượng trượt khi Robot rẽ hướng:
𝑚𝑎𝑥
𝑇 ≤ 𝐼𝛾 + 𝐹𝑚𝑠
𝑟
𝑇𝑚𝑎𝑥 =
Định luật 2 Newton:

(1)

1
1
𝑚𝑟𝑎𝑚𝑎𝑥 + 𝑓𝑚𝑠𝑛 𝑚𝑔𝑟
2
2

𝐹𝑚𝑠 =

(2𝑚+𝑀)
2

19

×𝑎

(2)