Đồ án thiết kế hệ thống cơ điện tử xe đua dò line

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

GVHD: PGS. TS. Võ Tường Quân

Sinh viên thực hiện

MSSV

Nguyễn Thành Đạt

1410817

Lý Anh Hào

1411030

Nguyễn Thanh Hồng Hảo

1411089

Nguyễn Ngọc Anh Tú

1414493

Tp. Hồ Chí Minh, ngày 05 tháng 12 năm 2018

i


MỤC LỤC
Danh mục hình ảnh .................................................................................................v
Danh sách bảng .................................................................................................... vii
CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN ................................................................................1
1.1

Giới thiệu .................................................................................................1

1.2

Tình hình nghiên cứu ...............................................................................2

1.2.1 An intelligent line-following robot [1] ................................................3
1.2.1 Path planning of line follower robot [2] ..............................................3
1.2.2 Điều khiển robot dò đường sử dụng bộ điều khiển PID kết hợp phương
pháp PWM [3] .........................................................................................................4
1.2.3 Line Follower Robot Using A Sophisticated Sensor Approach [4]. ...5
1.2.4 Design and implementation of RGB color line following robot [5] ...5
1.2.5 Robot - line follower [8] ......................................................................6
1.2.6 ZUMO .................................................................................................6
1.2.7 Expressway ..........................................................................................7
1.2.8 3pi ........................................................................................................8
1.2.9 FireBall ................................................................................................8
1.2.10 Cuộc thi IT Car Racing 2017 ............................................................9
1.2.11 Tổng hợp .........................................................................................10
1.3

Giới hạn đề tài ........................................................................................10

CHƯƠNG 2: LỰA CHỌN PHƯƠNG ÁN ........................................................12
2.1

Lựa chọn phương án cơ khí ...................................................................12

2.1.1 Lựa chọn kết cấu xe...........................................................................12
2.1.2 Lựa chọn bánh bị động ......................................................................14

ii


2.2

Lựa chọn phương án điện ......................................................................15

2.2.1 Lựa chọn cảm biến ............................................................................15
2.2.2 Lựa chọn động cơ ..............................................................................17
2.3

Lựa chọn phương án điều khiển ............................................................18

2.4

Lựa chọn vi điều khiển ..........................................................................20

2.4.1 Xác định yêu cầu lựa chọn vi điều khiển ..........................................20
2.4.2 Lựa chọn vi điều khiển ......................................................................20
CHƯƠNG 3: TÍNH TỐN THIẾT KẾ .............................................................21

3.1

Lựa chọn bánh xe ...................................................................................21

3.2

Tính tốn cơng suất động cơ ..................................................................22

3.3

Tính tốn pin ..........................................................................................26

3.3.1 Nguồn cho động cơ ...........................................................................26
3.3.2 Nguồn cấp mạch điều khiển ..............................................................27
3.4

Kích thước khung xe ..............................................................................27

3.5

Bố trí linh kiện .......................................................................................29

CHƯƠNG 4: MƠ HÌNH TỐN HỌC...............................................................31
4.1

Mơ hình tốn học của xe ........................................................................31

4.2

Hàm truyền của động cơ – Driver .........................................................34

4.2.1 Động cơ trái .......................................................................................34
4.2.2 Động cơ phải .....................................................................................38
4.3

Hàm truyền cảm biến IR ........................................................................40

CHƯƠNG 5: THIẾT KẾ BỘ ĐIỀU KHIỂN .....................................................48
5.1

Yêu cầu điều khiển ................................................................................48

5.2

Tín hiệu input dùng để điều khiển .........................................................48

iii


5.3

Giải thuật điều khiển ..............................................................................48

5.4

Bộ điều khiển .........................................................................................52

5.5

Kết quả mô phỏng ..................................................................................52

CHƯƠNG 6: THỰC NGHIỆM VÀ PHƯƠNG HƯỚNG PHÁT TRIỂN .........55
6.1

Thực nghiệm ..........................................................................................55

6.2

Phương hướng phát triển: ......................................................................57

Tài liệu tham khảo ................................................................................................58

iv


Danh mục hình ảnh
Hình 1.1 Ví dụ mơ hình robot dị line [6] ........................................................................1
Hình 1.2 Ứng dụng robot dị line trong phịng bệnh nhân [7] .........................................2
Hình 1.3 Giá trị trả về của cảm biến trước (trái) và sau (phải) sau khi calibration[1] ....3
Hình 1.4 Sơ đồ khối ứng dụng giải thuật PID vào robot dị đường [3] ...........................4
Hình 1.5 Sơ đồ khối của mơ hình robot dị line đề xuất [4] ............................................5
Hình 1.6 Mặt dưới của xe dị line [8] ..............................................................................6
Hình 1.7 ZUMO [9] .........................................................................................................7
Hình 1.8 Xe dị line Expressway [10] .............................................................................7
Hình 1.9 Xe 3pi [11] ........................................................................................................8
Hình 1.10 FireBall [12] ...................................................................................................9
Hình 1.11 Xe dị đường [13] ...........................................................................................9
Hình 1.12 Sa bàn thi đấu ...............................................................................................10
Hình 2.1 Bánh tự lựa .....................................................................................................15
Hình 2.2 Hình minh họa bánh mắt trâu .........................................................................15

Hình 2.3 Các loại cảm biến dò line: a) camera; b) Cảm biến hồng ngoại; c) Cảm biến
quang trở ........................................................................................................................16
Hình 2.4 Sơ đồ điều khiển tập trung ..............................................................................18
Hình 2.5 Sơ đồ điều khiển phân tán ..............................................................................19
Hình 3.1 Cơ cấu thiết kế ................................................................................................21
Hình 3.2 Bánh xe chủ động ...........................................................................................21
Hình 3.3 Bánh cầu .........................................................................................................22
Hình 3.4 Mơ hình tốn bánh xe .....................................................................................22
Hình 3.5 Động cơ DC servo GA25 V1 .........................................................................25

v


Hình 3.6 Mơ hình tốn khi xe chuyển hướng ................................................................28
Hình 4.1 Mơ hình động học của xe ...............................................................................31
Hình 4.2 Mơ hình sai số của xe bám theo line ..............................................................33
Hình 4.3 Đồ thị %PWM - tốc độ ...................................................................................35
Hình 4.4 Đồ thị tín hiệu PWM cấp cho động cơ ...........................................................36
Hình 4.5 Đáp ứng của tốc độ động cơ trái.....................................................................37
Hình 4.6 Đồ thị %PWM - tốc độ ...................................................................................39
Hình 4.7 Đáp ứng của động cơ phải ..............................................................................40
Hình 4.8 Kích thước của cảm biến TCRT5000 .............................................................40
Hình 4.9 Cảm biến TCRT5000 .....................................................................................41
Hình 4.10 Vùng hoạt động của cảm biến ......................................................................41
Hình 4.11 Điều kiện để cảm biến khơng bị nhiễu bởi cảm biến khác ...........................42
Hình 4.12 Vị trí cảm biến ứng với trọng số của cảm biến ............................................44
Hình 4.13 Hàm xấp xỉ trung bình trọng số và sai số thực .............................................46
Hình 5.1 Chương trình chính .........................................................................................49
Hình 5.2 Chương trình con hiệu chuẩn giá trị cảm biến ...............................................50
Hình 5.3 Chương trình con đọc giao lộ .........................................................................51

Hình 5.4 Chương trình con bám line .............................................................................51
Hình 5.5 Quỹ đạo xe mơ phỏng.....................................................................................53
Hình 5.6 Vận tốc góc hai bánh xe trái (xanh) – phải (đỏ) .............................................53
Hình 5.7 Đồ thị vận tốc dài của xe ................................................................................54
Hình 6.1 Quỹ đạo robot dị line trên thực nghiệm .........................................................55
Hình 6.2 Vận tốc dài của robot thực nghiệm.................................................................56
Hình 6.3 Tốc độ 2 bánh của xe thực nghiệm .................................................................56

vi


Danh sách bảng
Bảng 2.1 Phương án kết cấu xe .....................................................................................12
Bảng 2.2 So sánh cảm biến............................................................................................16
Bảng 3.1 Thông số của xe .............................................................................................23
Bảng 3.2 Thông số động cơ ...........................................................................................25
Bảng 3.3 Tổng hợp linh kiện .........................................................................................29
Bảng 4.1 Tốc độ động cơ theo % PWM ........................................................................34
Bảng 4.2 Tốc độ động cơ theo % PWM ........................................................................38
Bảng 4.3 Dữ liệu calib cảm biến ...................................................................................46

vii


Chương 1: Tổng quan

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN
1.1

Giới thiệu

Với sự phát triển nhanh chóng về khoa học, kĩ thuật và cơng nghệ thì việc ứng

dụng robot thay thế con người làm việc ngày càng trở nên phổ biến. Trong ngành công
nghiệp thường thấy nhất là các cánh tay robot, chúng được lập trình để thực hiện nhiều
thao tác (như lắp ráp, vận chuyển, hàn,…). Ngồi ra cịn có một họ robot cũng được
nghiên cứu nhiều là robot di động (mobile robot). Nó là một hệ thống có khả năng di
chuyển lớn trong một môi trường nhất định, với một mức độ tự hành nào đó. Khái niệm
mobile robot đã xuất hiện từ những năm 1150 với những robot di động như Elsie của
Grey Walter (năm 1950), Shakey của đại học Stanford (năm 1969).Cho đến nay, chúng
càng khẳng định được tầm quan trọng của mình khi được nghiên cứu ứng dụng trong
nhiều lĩnh vực: y tế, nông nghiệp, công nghiệp, quân sự, vũ trụ… Trong đó, được sử
dụng phổ biến rộng rãi là dạng robot dị line (Line Following Robot).

Hình 1.1 Ví dụ mơ hình robot dị line [6]
Robot dị line là một dạng robot di động (mobile robot). Nó có khả năng dị tìm và
di chuyển bám theo đường line. Thơng thường, đường line được xác định trước và có
thể nhìn thấy như vạch đường đen được kẻ/ dán/ vẽ trên nền trắng hoặc không thấy được
như một đường từ trường. Nguyên lý cơ bản ở đây là việc sử dụng hệ cảm biến quang
gắn trước mũi xe để phát hiện sự sai lệch khỏi vạch đường. Tín hiệu sau đó sẽ được gửi

1


Chương 1: Tổng quan

về vi điều khiển, từ đó hai bánh xe dẫn động của robot được điều khiển và chuyển động
thơng qua chương trình định sẵn nhằm đưa xe trở lại đúng vạch kẻ đường.
Robot dò line đã được nghiên cứu và ứng dụng rộng rãi trong mọi lĩnh vực cuộc
sống từ dân sự, quân sự cho đến trong cơng nghiệp. Có thể kể tên đến một vài ứng dụng
phổ biến như di chuyển tự động trong vận chuyển – sắp xếp hàng hóa, robot dẫn đường

cho người khiếm thị, robot phục vụ thức ăn trong nhà hàng,... Robot dò line còn được
ứng dụng cả trong lĩnh vực y khoa khi mà nó có thể cấp thuốc đến tận giường bệnh bất
cứ khi nào bệnh nhân cần. Qua đó, có thể thấy rằng robot dị line là một cơ sở quan trọng
đối với thiết kế và chế tạo robot thuộc các lĩnh vực khác nhau. Bên cạnh đó, với tổng
chi phí thấp từ giá thành linh kiện cho đến phí gia cơng, nó tạo điều kiện để sinh viên
học tập và tiếp cận với một hệ thống điều khiển tự động thực tế.

Hình 1.2 Ứng dụng robot dị line trong phịng bệnh nhân [7]
1.2

Tình hình nghiên cứu
Do tính hữu ích và tiềm năng ứng dụng rộng rãi trong công nghiệp mà nhiều nghiên

cứu về robot dò line đã được thực hiện để ngày càng nâng cao năng suất và tính hiệu
quả của chúng. Trong số các nghiên cứu về Robot dị line, nhóm chọn tham khảo và
phân tích một số bài báo nghiên cứu sau:

2


Chương 1: Tổng quan

1.2.1 An intelligent line-following robot [1]
Một quy trình hiệu chuẩn tự động cho các cảm biến quang phản xạ sử dụng các kỹ
thuật điều chế độ rộng xung được đề xuất và xác minh. Các toán khác nhau về phát hiện
dịng như bình qn gia quyền và nội suy bậc hai cũng được mô tả và thử nghiệm so
sánh bằng cách sử dụng nền tảng tuyến tính theo quy trình hiệu chuẩn. Bài báo cho thấy
rằng rằng thuật tốn tìm đường dẫn bằng bình qn gia quyền là tốt nhất
Ưu điểm:
-

Áp dụng tốt kĩ thuật calibration cho cảm biến quang dò line. Calibration là tinh
chỉnh khoảng cách giữa cảm biến quang và mặt đường, đồng thời củng điều
chỉnh khoảng trống giữa 2 cảm biến quang.

-

Giá thành rẻ.

-

Vận tốc trung bình của robot khá nhanh: 1.3 m/s.

Hình 1.3 Giá trị trả về của cảm biến trước (trái) và sau (phải) sau khi
calibration[1]
1.2.1 Path planning of line follower robot [2]
Sử dụng vi điều khiển LM3S811 làm bộ điều khiển để phản ứng đối với dữ liệu
nhận được từ cảm biến đường hồng ngoại để mang lại chuyển động nhanh, trơn tru,

3


Chương 1: Tổng quan

chính xác và an tồn trong mơi trường có cấu trúc một phần. Một thuật tốn điều khiển
PID động đã được đề xuất để cải thiện độ tin cậy điều hướng của rơ-bốt di động có bánh
xe sử dụng hệ thống điều khiển ổ đĩa vi sai.
Ưu điểm:
-

Kết quả thử nghiệm cho thấy thuật toán đề xuất có thể đạt được mục tiêu thành
cơng sau trong các kịch bản khác nhau, bao gồm đường thẳng và chuyển động
tròn, chuyển động rẽ ngoặt và theo dõi đường chữ S.

Nhược điểm:
-

Chạy theo đường chậm, mức tiêu thụ năng lượng nhiều.

1.2.2 Điều khiển robot dò đường sử dụng bộ điều khiển PID kết hợp phương pháp
PWM [3]
Bài báo này giới thiệu phương pháp điều khiển robot dò đường bằng sự kết hợp
giữa giải thuật điều khiển vi tích phân tỉ lệ với phương pháp điều chế độ rộng xung
sử dụng vi điều khiển P89V51RD2 [3]. Tốc độ động cơ được thay đổi bằng cách giữ
nguyên điện áp nhưng thay đổi thời gian đặt điện áp vào động cơ kết hợp với giải thuật
điều khiển PID.
000000000000000000000

Hình 1.4 Sơ đồ khối ứng dụng giải thuật PID vào robot dò đường [3]
Ưu điểm:

4


Chương 1: Tổng quan



Robot di chuyển bám vạch tốt hơn và vận tốc nhanh hơn các phương pháp
điều khiển điều khiển ON-OFF và PWM.

Nhược điểm:


Việc tìm các hệ số của bộ điều khiển PID bằng thực nghiệm mất nhiều thời
gian và khó đạt đến trị số tối ưu.

1.2.3 Line Follower Robot Using A Sophisticated Sensor Approach [4].
Đa số các mô hình robot dị line trong các nghiên cứu trước đây đều gặp phải vấn
đề về tốc độ trong khâu dò tìm vạch đường và thực hiện lệnh. Trong bài báo này, tác giả
đã đề xuất một mơ hình mới của robot dị line. Mơ hình này tốt hơn tất cả mơ hình khác
ở điểm đưa vào sử dụng cảm biến màu phức tạp đồng thời với cảm biến quang, đem lại
khả năng dị tìm vạch đường trong khoảng thời gian tối ưu nhất, đạt đến vài nano giây.

e
Hình 1.5 Sơ đồ khối của mơ hình robot dị line đề xuất [4]
1.2.4 Design and implementation of RGB color line following robot [5]
Mục đích là ứng dụng track các loại màu khác nhau trong kho hang bằng sử dụng
cảm biến Light Dependent Resistor (LDR) và 3 đèn led đỏ, xanh dương và xanh lá.
Cảm biến LDR nhận biết sự phản ánh màu dưới nền để di chuyển. Hạn chế của mơ
hình này là khả năng xử lí ánh sáng cịn khó khăn, tốc độ di chuyển thấp 0.082 m/s.

5


Chương 1: Tổng quan

1.2.5 Robot - line follower [8]
Xe sử dụng 2 bánh truyền động đồng trục và một bánh tự lựa phía trước. Xe dị
line bằng 9 cảm biến hồng ngoại được sắp xếp như hình.

Hình 1.6 Mặt dưới của xe dò line [8]
Ưu điểm:


Sử dụng nhiều cảm biến, hiệu quả dò theo đường dẫn cao



Sử dụng chỉ 2 bánh xe truyền động, giúp làm việc điều khiển động cơ đơn
giản hơn

Nhược điểm:


Số lượng cảm biến nhiều khiến thuật tốn nhận diện tìn hiệu trở nên phức tạp

1.2.6 ZUMO
Zumo là xe dò line được thiết kế dạng xe tăng. Nó được trang bị 2 động cơ DC
và 2 cảm biến dò line 2 bên.
Ưu điểm:


Di chuyển ổn định trên địa hình gồ ghề. Tốc độ tương đối.

Nhược điểm:


Khó nhận dạng vạch đường dẫn đến rẽ sai. Dẫn động phức tạp.

6


Chương 1: Tổng quan

Hình 1.7 ZUMO [9]
1.2.7 Expressway
Expressway là chiếc xe dò line giành giải 3 trong cuộc thi NEIRG năm 2005. Kết
cấu xe đơn giản gồm 2 bánh dẫn động và 1 bánh bị động, 6 cảm biến đặt như hình 1.8.
Ưu điểm:


Nó có khả năng hồn thành cuộc thi với các góc quẹo 450, 900, 1350 hoặc hơn
nữa. Xe chạy ổn định với các cua quẹo.

Nhược điểm:


Tốc độ trung bình chỉ khoảng 0.5 m/s

a)

b)
Hình 1.8 Xe dị line Expressway [10]

7


Chương 1: Tổng quan

1.2.8 3pi
3pi được biết đến khi thắng giải đấu Tech Fest 2009. Xe được điều khiển bởi 2
động cơ giảm tốc và 1 bánh tự lựa.
Ưu điểm:


Tích hợp khả năng nhớ đường và kết cấu xe nhỏ gọn như hình 1.9 giúp xe dễ
quay đầu trong các cuộc thi dị đường mê cung.



Dị đường chính xác và tốc độ xe tương đối cao có thể đạt được 0.9 m/s.

Hình 1.9 Xe 3pi [11]
1.2.9 FireBall
Fireball từng thắng giải Bot Bowl 2010 ở Pioria và ChiBot’s Fall 2010. Xe gồm
4 bánh dẫn động được điều khiển bởi 4 động cơ Maxon.
Ưu điểm:


Tốc độ cải thiện đáng kể khoảng 1.4 m/s và có thuật tốn giảm tốc tại cua
quẹo giúp dị đường chính xác.

Nhược điểm:


Bộ điều khiển khá phức tạp để có thể điều khiển 4 động cơ cùng lúc tránh
hiện tượng trượt.



Khả năng cân bằng phẳng
8


Chương 1: Tổng quan

Hình 1.10 FireBall [12]
1.2.10 Cuộc thi IT Car Racing 2017

Hình 1.11 Xe dị đường [13]
Xe được thiết kế với bộ cảm biến đặt xa phía trước. 2 bánh dẫn động cùng tốc độ
phía sau, 2 bánh bẻ hướng được điều khiển bằng động cơ servo phía trước như hình
1.11.
Ưu điểm:


Bộ cảm biến đặt xa giúp dị line quẹo chính xác, tốc độ cao.

Nhược điểm:


Khó khăn trong việc cân bằng phẳng, thuật tốn điều khiển servo chính xác,
khó ôm cua.
9


Chương 1: Tổng quan

1.2.11 Tổng hợp

Sau khi tìm hiểu về tình hình nghiên cứu trong và ngồi nước như trên, nhóm có
một số nhận xét sau:

1.3



Sử dụng 2 bánh chủ động và 1 bánh bị động dễ điều khiển.



Dãy cảm biến đặt khơng q gần xe để có thời gian tính tốn xử lý.



Cảm biến có thể dùng cảm biến hồng ngoại hoặc quang.



Dùng thuật tốn PID xuất tín hiệu PWM để điều khiển.



Vật liệu làm khung xe là mica đảm bảo độ chắc và nhẹ.

Giới hạn đề tài
Dựa vào yêu cầu kỹ thuật của đồ án, kết quả phân tích ở trên và do kiến thức cịn

hạn chế nên nhóm xin đặt ra phạm vi đề tài như sau:
 Chạy trên sa bàn cho trước như hình 1.13 và khơng có khả năng nhớ đường.

Hình 1.12 Sa bàn thi đấu
Chiều di chuyển:
(START) A  B  C  D  E  F  C  G  A  C  E (END)
 Nền trắng và đường line đen.
 Bề rộng line: 26 mm.
 Địa hình chạy: bằng phẳng (mặt sàn nhà, mặt đất,..)

10


Chương 1: Tổng quan

 Tốc độ trung bình: 0.7 m/s
 Đường kính bánh xe: d ≤ 200 mm
 Kích thước tối đa của Robot (dài x rộng x cao): 300mm x 220mm x 300mm
 Tải trọng: tối thiểu 2kg, có kích thước tối đa 200mm x 100mm x 300mm.
 Sai số: Dãy cảm biển và xe khơng lệch hồn tồn ra khỏi line.
 Thời gian hoàn thành tối đa: 20s

11


Chương 2: Lựa chọn phương án

CHƯƠNG 2: LỰA CHỌN PHƯƠNG ÁN
Trong chương này, nhóm nghiên cứu và trình bày về các phương án và cách lựa chọn
phương án thiết kế. Thông thường ta cần quan tâm đến một số vấn đề sau khi thiết kế xe dị
line:


Phần cơ khí: kết cấu xe, loại bánh xe.



Phần điện: động cơ, cảm biến.



Phần điều khiển: Cơ cấu điều khiển.

2.1

Lựa chọn phương án cơ khí

2.1.1 Lựa chọn kết cấu xe
Bảng 2.1 Phương án kết cấu xe
Phương án

Ưu điểm

Nhược điểm

Phương án 1: 2 bánh chủ - Luôn đồng phẳng

- Bánh tự lựa dễ bị lệch

động phía sau có động cơ - Kết cấu đơn giản

khỏi đường dẫn khi chịu

riêng và 1 bánh tự lựa phía - Rẽ hướng đơn giản hơn 4 lực
trước

bánh

- Dễ lật khi cua khi mang
tải nặng
-

Không đảm bảo

khoảng cách từ cảm biến
tới bề mặt

12


Chương 2: Lựa chọn phương án

Phương án 2: 2 bánh chủ - Đảm bảo khoảng cách của - Kết cấu phức tạp hơn 3
động phía sau có động cơ cảm biến tới bề mặt đường bánh
riêng và 2 bánh tự lựa phía tốt hơn chỉ 1 bánh tự lựa
trước

- Khó đồng phẳng 4 bánh

- Khắc phục hiện tượng xe
trượt

Phương án 3: 4 bánh chủ - Đảm bảo khoảng cách của - Bộ điều khiển phức tạp
động có động cơ riêng, 2 cảm biến tới bề mặt đường

- Khó đồng phẳng 4 bánh

bánh phía trên và 2 phía - Điều khiển chính xác, sử
dưới

dụng được với những góc
cua nhỏ

Phương án 4: 4 bánh, 2 - Giúp xe giữ cân bằng, -Kết cấu cơ khí phức tạp
bánh chủ động nối với cơ bám đường tốt.

(cần bộ vi sai phía sau và

cấu vi sai, 2 bánh tự lựa

cơ cấu bẻ lái phía trước).

- Bẻ lái dễ dàng, giảm

được nối bằng cơ cấu trượt của bánh xe.
truyền động (có cơ cấu bẻ
lái)

13


Chương 2: Lựa chọn phương án

Dựa vào các phân tích ưu nhược điểm trên và yêu cầu đề bài, nhóm chọn kết cấu xe
2 bánh dẫn động sau và một bánh bị động trước. Hệ thống đơn giản dễ điều khiển, chế tạo
nhưng vẫn đáp ứng tốt tiêu chí đề ra.
2.1.2 Lựa chọn bánh bị động
Có 2 loại bánh tự do thông dụng hiện nay là: bánh tự lựa và bánh cầu
 Bánh tự lựa
Bánh tự lựa được chia làm 2 loại là: Standard Wheels và Castor Wheels.


Standard Wheels là loại bánh có trục xoay đi qua trục quay của bánh xe nên khi
chuyển hướng bánh không gây lệch so với vị trí cần chuyển. Tuy nhiên, có những
trường hợp, với góc xoay nhất định, chuyển động của 2 bánh đặt sau sẽ không đủ
tạo moment làm chuyển hướng của bánh.



Loại Castor Wheels có trục xoay cách một khoảng xác định so với trục bánh xe.
Khi chuyển hướng, điểm tiếp xúc của bánh xe với đất vơ tình đã trở thành tâm
xoay tức thời làm khung xe xoay quay trục đi qua tâm xoay và sẽ làm lệch hướng
cần chuyển.

14


Chương 2: Lựa chọn phương án

Hình 2.1 Bánh tự lựa
 Bánh cầu
Khắc phục sự hạn chế về số bậc tự do của bánh tự lưa, việc sử dụng cầu làm tăng tính

linh hoạt của xe khi chuyển hướng mà khơng phải chịu một tác dụng phụ nào ảnh hưởng
đến chất lượng của việc chuyển hướng. Tuy nhược điểm của bánh cầu là dễ bị kẹt bởi bụi
cát, nhưng do địa hình di chuyển tương đối sạch và phẳng nên yếu tố này có thể bỏ qua.

Hình 2.2 Hình minh họa bánh mắt trâu
Kết luận: Dựa vào phân tích trên nhóm chọn bánh cầu.
Lựa chọn phương án điện

2.2

2.2.1 Lựa chọn cảm biến
Các yêu cầu lựa chọn cảm biến:
-

Khả năng đáp ứng nhanh sự thay đổi màu sắc giữa trắng và đen.

-

Có khả năng nhận biết những đoạn line gấp khúc đột ngột.

-

Ít bị ảnh hưởng bởi nhiễu.

15


Chương 2: Lựa chọn phương án

-

Dễ tìm trên thị trường, giá cả hợp lí.

Đối với cảm biến dị line, thường dùng 2 loại cảm biến để dò line là:
-

Camera.

-

Phototransitor kết hợp led thường.

-

Phototransitor kết hợp led hồng ngoại.
Bảng 2.2 So sánh cảm biến
Ưu điểm

Cảm biến

Camera

- Đạt độ chính xác cao, xử
lí đường line phức tạp

Nhược điểm
- Khối lượng xử lí
nhiều
- Hạn chế tốc độ xe
- Giá thành cao

- Không cần che chắn,
Phototransitor kết hợp
thích hợp line có độ tương
LED thường
phản thấp

- Độ nhạy thấp

- Độ nhạy cao
Phototransitor kết hợp - Phù hợp với line có độ
tương phản cao
LED hồng ngoại
- Giá thành rẻ

- Cần che chắn để
chống nhiễu
- Dễ bị ảnh hưởng bởi
ánh sáng ngồi trời

a)

b)

c)

Hình 2.3 Các loại cảm biến dò line: a) camera; b) Cảm biến hồng ngoại; c) Cảm biến
quang trở

16

Chương 2: Lựa chọn phương án

Đối với đường line chạy trong đồ án này có độ tương phản cao (line màu đen, nền
trắng) nên chọn Phototransitor kết hợp LED hồng ngoại.
2.2.2 Lựa chọn động cơ
Robot dò line thường sử dụng 2 loại động cơ là DC servo và Động cơ bước.


Động cơ DC Servo
Ưu điểm:
-

Giá thành rẻ.

-

Điều khiển vị trí khá chính xác

-

Tốc độ cao

Nhược điểm:


Khó điều khiển

Động cơ bước:

Ưu điểm:
-

Dễ điều khiển vì khơng cần hồi tiếp để phản hồi vị trí.

-

Độ chính xác rất cao.

-

Có khả năng tự hãm.

Nhược điểm:
-

Tốc độ thường chậm, nếu hoạt động với tốc độ cao dễ xảy ra trượt bước.

-

Không phù hợp với các ứng dụng có tải thay đổi và các ứng dụng cần tốc độ cao.

 Dựa vào những đặc tính, ưu điểm và nhược điểm của từng động cơ kết hợp với yêu
cầu của đồ án ta sử dụng 2 động cơ DC Servo. Hai động cơ DC Servo được sử dụng cho
hai bánh xe chủ động ở phía sau.

17


Chương 2: Lựa chọn phương án

Lựa chọn phương án điều khiển

2.3

Có 2 loại điều khiển thơng dụng hiện nay là điều khiển tập trung và điều khiển phân
tán.
 Điều khiển tập trung:

Hình 2.4 Sơ đồ điều khiển tập trung

Ưu điểm:
-

Chỉ cần dùng 1 VĐK sử dụng cho toàn bộ hệ thống.

-

Mạch điện nhỏ gọn và tiết kiệm chi phí.

-

Lập trình không cần giao tiếp với vi điều khiển khác.

Nhược điểm:
-

Yêu cầu tốc độ xử lí vi điều khiển cao.

-

Khó lập trình và sửa lỗi đối với hệ thống lớn.

18