6Chuong 2 mtzgoj2mte 20130307021308 4

Kho tài liệu miễn phí của diễn đàn Ketnooi.com

CHƯƠNG 2: LÝ THUYẾT CƠ SỞ
2.1 Giải bài tốn tìm đường cho robot

2.1.1.Đặt vấn đề
- Dò đường (navigation) là một khoa học dẫn hướng robot tự hành di
chuyển trong không gian làm việc của nó (đất, nước, khơng khí...). Trong
vấn đề dị đường, bài tốn được quan tâm nhiều nhất có lẽ là tìm đường
về đích mà khơng chạm vật cản trên đường đi. Có hai loại bài tốn tìm
đường cho robot: bài tốn cục bộ (local) và bài tốn tồn cục (global).
Trong bài tốn tồn cục, bản đồ mơi trường làm việc của robot hồn tồn
được biết trước, vấn đề chính phải giải quyết là tìm được đường đi cho
robot trước khi nó xuất phát. Ở bài tốn cục bộ, mơi trường làm việc của
robot hồn tồn khơng được biết trước hoặc chỉ biết được một phần, robot
hoàn toàn phải nhờ vào sự cảm nhận môi trường thông qua cảm biến gắn
trên nó để dị đường. Bài tốn tồn cục tỏ rõ lợi thế là ta đã biết trước có
đường đi (tối ưu) tới đích hay khơng trước khi cho robot khởi hành. Tuy
vậy nó có hạn chế là địi hỏi nhiều tính tốn và bộ nhớ, và đặc biệt tình
huống xấu có thể xảy ra nếu bản đồ mơi trường làm việc khơng được khai
báo chính xác, u cầu biết trước hồn tồn mơi trường hoạt động cũng là
một nhược điểm của nó. Trong khi đó, robot tìm đường cục bộ chỉ biết
được thông tin xung quanh qua sensor cảm nhận mơi trường gắn cùng. Vì
thế, robot tìm đường cục bộ có thể khơng hồn thành việc tới đích (mặc dù
thực tế có đường đi tới đích), khái niệm tối ưu khơng có ý nghĩa trong bài
tốn này. Tuy nhiên, u cầu tính tốn, dung lượng nhớ thấp cùng tính linh
hoạt cao (như tránh được vật cản ngay cả khi vật đó di động) khiến tìm
đường cục bộ trở thành một công cụ mạnh của robot tự hành. Hiện nay,
cách tiếp cận kếthợp giữa cục bộ và toàn cục đang ở ngày càng phổ biến,
giúp robot tự hành tăng tính linh hoạt và hiệu quả. Trong đây chỉ tập trung

4


Kho tài liệu miễn phí của diễn đàn Ketnooi.com

vào giải quyết cả hai bài toán nhưng ở mức độ đơn giản. Môi trường hoạt
động của robot là một mặt phẳng, được giới hạn bởi các bức tường. Các
vật cản được xem là vật cản hai chiều, tĩnh hoàn toàn. Trong bài toán cục
bộ, robot được trang bị 5 cảm biến hồng ngoại xác định khoảng cách vật
cản. Trong bài toán tồn cục, từ đầu vào là vị trí xuất phát, vị trí đích, kích
thước robot, bản đồ hoạt động, ta tìm ra đường đi để robot tự hành.Mục
đích cuối cùng là robot tự về được tới đích khơng chạm vật cản mà không
cần bất cứ sự trợ giúp nào từ bên ngồi.
2.1.2 Bài tốn tìm đường cục bộ
- Giải quyết hồn tồn bài tốn này khó khăn hơn nhiều so với giải quyết

bài tồn tồn cục. Một cách tìm đường cục bộ khá hoàn hảo là phương
pháp bản đồ nơron cực (PolarNeurol Map) của Michail G. Lagoudakis
(1998) dùng 16-32 cảm biến gắn trên con robot Normad (hình 1.1a, b) tạo
trường cảm biến bao phủ vùng xung quanh robot, thuật toán sử dụng là
thuật toán ánh xạ nơron tương đối phức tạp. Do giới hạn của bài luận,
phương pháp này không được đề cập đến. Phương pháp được đề cập
đến ở đây sử dụng 5 cảm biến dò đường xác định khoảng cách từ đầu xe
tới vật cản.Tùy vào khoảng cách tới vật cản ứng với từng cảm biến, ta xác
định được phương hướng di chuyển robot phù hợp. Ý tưởng của phương
pháp xuất phát từ một bài báo Cơ điện tử[1]. Tuy nhiên ở đâu đã có sự
điều chỉnh để phù hợp hơn với khải năng.

2.2 Các khối phần cứng cơ bản được sử dụng trong robot
2.2.1 Khối nguồn

Nguồn là nơi cung cấp năng lượng cho các mạch hoạt động.Yêu cầu của
một bộ nguồn là điên áp và dòng ra ổn định.Có nhiều phương pháp để
thực hiện yêu cầu đó như sử dụng các transitor để có một nguồn cơng
5


Kho tài liệu miễn phí của diễn đàn Ketnooi.com

suất lớn ( tương đối phức tạp ), sử dụng các IC ổn áp chuyên dụng như
78XX ( cho ra điện áp dương ổn định ) 79XX (cho ra điện áp âm ổn định )
và một số IC có thể điều chỉnh được điện áp ( LM 317,LM 309 ……) ngồi
ra cịn có các loại diode zener cũng cho ra một điện áp ổn định.Ở đây chỉ
giới thiệu về các loại IC ổn áp loại 78XX và diode zener

Hình 2.1 Mạch cơ bản sử dụng IC 78XX
Vout = Vout(ic), Vin > Vout(ic)

Hình 2.2 Mạch tăng điện áp sử dụng có diode zener

6


Kho tài liệu miễn phí của diễn đàn Ketnooi.com

Hình 2.3 Mạch tăng điện áp sử dụng bằng điện trở

Hình 2.4 Mạch điều chỉnh điện áp ra bằng biến trở

7

Kho tài liệu miễn phí của diễn đàn Ketnooi.com

Hình 2.5 Mạch kéo dòng
2.3 Hê thống cảm biến
2.3.1 Định nghĩa
Trong một con robot cơ bản . Một trong những phần quan trọng nhất
trong robot chính là hệ thống cảm biến. Vậy hệ thống cảm biến là gì ?
- Cảm biến được định nghĩa nôm na là hệ thống các giác quan của

robot, đúng vậy. Robot cần xác định trạng thái môi trường bên ngoài (như
là các vật cản, màu sắc của các vật ,...) để gửi trạng thái môi trường đến
bộ xử lý rồi đưa ra các phản ứng điều khiển robot để đối phó với các sự
kiện bên ngồi ấy. Để các bạn hiểu rõ hơn về cách làm việc của các bộ
cảm biến , xin đưa ra một số ví dụ :
- Ví dụ đơn giản nhất chính là con người của chúng ta. Ta ví con mắt
như là một bộ cảm biến. Khi chúng ta đang đi sắp đụng vào vách tường
thì con mắt sẽ như những cảm biến truyền dữ liệu về cho bộ não. Tương
tự như vậy, các cảm biến sẽ chuyền dữ liệu về cho bộ vi xử lí. Sau đó bộ
não sẽ gửi trả thông tin phản ứng như là đi hướng khác để tránh va đụng

8


Kho tài liệu miễn phí của diễn đàn Ketnooi.com

vào vách tường. Vi xử lí của robot cũng thế, nó sẽ gửi thông tin dể cho
robot đi đúng đường.
2.3.2 Các loại cảm biến :
Trong kĩ thuật robot thường sử dụng các loại cảm biến như:

1. Led hồng ngoại ( bộ thu phát hồng ngoại )
2. Quang điện trở (PHOTORESISTANCE ) : cds hoặc cdse
3. Tế bào quang điện
4. Camera số trong cơng nghệ sử lí ảnh
5. Cảm biến siêu âm
- Ở đây chỉ giới thiệu về cảm biến thơng dụng, đó là led hồng ngoại:
Phần này giới thiệu về mạch cảm biến trong robot.Mạch cảm biến đóng
vai trị như “mắt “ của robot giúp cho robot có khả năng nhận biết được
môi trường xung quanh (vạch trắng ,chướng ngại vật ) để từ đó có biện
pháp xử lý.
Trong mạch cảm biến ,các bạn có thể sử dụng các loại led thu phát hồng
ngoại hoặc quang trở .Led thu phát hồng ngoại có giá thành rẻ (2500
/cặp).

Hình 2.1: Hình ảnh của bộ thu phát hồng ngoại

9


Kho tài liệu miễn phí của diễn đàn Ketnooi.com

Đối với robot cơng nghiệp ,bạn có thể sử dụng những loại cảm biến công
nghiệp của các hãng Omron ,hay Siemens.Các loại cảm biến này có độ
nhạy cao và khả năng chống nhiễu tốt.Tuy nhiên giá thành rất đắt (hàng
trăm đơ)

Hình 2.2 Các loại cảm biến cơng nghiệp

Hình 2.2 : Kí hiệu bộ led phát , thu

10


Kho tài liệu miễn phí của diễn đàn Ketnooi.com

Hình 2.3 : led hơng ngoại

Hình 2.4 : led thu hồng ngoại

2.3.3 Phát hồng ngoai
Cần chú ý đến 2 chân nối với mạch điện của led.Chân anode (a – nốt) nối
với cực dương của nguồn điện, chân Cathode ( ca – thốt) được nối với
cực âm của nguồn điện ,qua hình 2.3 có thể thấy chân dài hơn là chân
anode, cịn chân ngắn hơn là chân cathode.Lưu y dòng qua led là từ 5mA
20mA, khi tính tốn thường chọn Iled = 10 mA , và điện áp rơi vào khoảng
1,7 V đến 2.4 V , khi tinh toán chọn Vled = 2 V
2.3.4 Led thu hồng ngoại ( photodiode):
* Cấu tạo:
Photodiode ( hình 2.4) là một loại bán dẫn đơn giản nhưng vỏ có gắn
thấu kính để dẫn tia sáng chiếu đúng vào mặt tiếp giáp.
* Đặc điểm :
Photodiode là loại diode làm việc theo chế độ phân cực nghịch, dòng
nghịch qua diode được điều khiển bởi cường độ ánh sáng chiếu vào.khi
ánh sáng chiếu qua diode tăng thì dịng nghịch qua nó cũng tăng theo.
2.3.5 Cơ chế hoạt động

11


Kho tài liệu miễn phí của diễn đàn Ketnooi.com

Hình 2.5 : cơ chế hoạt động
- Từ hình 2.5 có thể thấy khi led hồng ngoai chiếu ánh sáng hồng ngoại
tới gặp vật cản thì các tia hồng ngoại sẽ bị dội ngược trở lại,và khi đó đầu
thu detector sẽ nhận được một lượng ánh sáng hồng ngoại bi hắt ngược
trở về, và truyền tín hiệu về mạch xử lí, thơng qua bộ khếch đại so sánh.
- Chú ý : đầu thu phát hồng ngoại cần được che chắn tốt để tránh bị
nhiễu ánh sáng bên ngoài ( ánh sáng tự nhiên, ánh sáng của các loại đèn
cao áp,...) và nên đặt hai đầu thu phát cạnh nhau ( cách nhau khoảng từ
2mm đến 5mm)

2.3.6.Sơ đồ mạch cảm biến

12


Kho tài liệu miễn phí của diễn đàn Ketnooi.com

Hình 2.6 : Sơ đồ nguyên lý

- Nguyên lý hoạt động
Khi photodiode chưa thu được ánh sáng từ led, thì điện trở của
photodiode lớn ( Rt ), áp rơi trên V1- = ( Vcc * Rt ) / ( Rt + R1 ). Điều chỉnh
biến trở VR sao cho V+ < V1- ,điện áp ra Vo = 0 V
Khi photodiode thu được ánh sáng từ led, thì điện trở của photodiode giảm
( Rs ), áp rơi trên V2- = ( Vcc * Rs ) / ( Rs + R1 ). Điều chỉnh biến trở VR
sao cho V+ > V2- ,điện áp ra Vo = Vcc
2.4 Động cơ DC
- Động cơ một chiều (động cơ DC,DC motor) có cấu tạo từ 2 bộ phận : bộ
phận đứng yên được cấu tạo từ nam châm vĩnh cửu gọi là stato và bộ phận

13


Kho tài liệu miễn phí của diễn đàn Ketnooi.com

quay được cấu tạo là một nam châm điện cấu tạo từ 1 cuộn dây đồng có lõi
là 1 thanh kim loại được gọi là roto:

Hình 3.7 Động cơ 1 chiều
Việc lựa chọn động cơ căn cứ vào các tiêu chí sau:
-Tốc độ
-Khả năng chịu tải
-Độ hãm
-Dòng ,áp
- Xét hoạt động của DC motor:

14


Kho tài liệu miễn phí của diễn đàn Ketnooi.com

Hình 4.1
- Xét hình 4.1 trên ta thấy rằng khi cho dịng điện 1 chiều (tuyệt đối không
dùng điện xoay chiều) đi qua motor sẽ làm motor quay như hình 4.1
:

Hình 4.2

- Nhưng nếu ta đổi chiều dịng điện thì động cơ quay theo chiều ngược lại

(Hình 4.1 ) so với hình trên ( Hinh 4.2).Qua đó ta có thể kết luận như sau:
- Động cơ DC motor có thể điều chỉnh được chiều quay của động cơ.Đặc
tính kĩ thuật của động cơ DC là tốc độ quay cao,và momen ngẫu lực
thấp.Nhưng trong robot không cần tốc độ cao nhưng momen ngẫu lực phải
15


Kho tài liệu miễn phí của diễn đàn Ketnooi.com

cao,do đó có thể mắc một hộp số vào động cơ DC nhằm giảm tốc độ của
động cơ và tăng momen ngẫu lực.
- Để đảo chiều quay của động cơ DC chỉ cần đảo chiều cực tính của nguồn
điện.Sử dụng cầu H
2.5 Mạch điều khiển động cơ DC
2.5.1 Mạch cầu H
- Mạch được gọi là cầu H là vì mạch có 4 transitor mắc theo sơ đồ giống
hình chữ H,để điều khiển chiều quay của động cơ.Ngồi cịn kết hợp với
thành phần bên ngoài để điều khiển tốc độ ( phương pháp điều xung )

16


Kho tài liệu miễn phí của diễn đàn Ketnooi.com

Hình 4.3 : sơ đồ nguyên lý động cơ quay theo chiều thuận
*Nguyên lý hoạt động : khi A ở mức cao B ở mức thấp , Transitor Q2 và
Q4 dẫn bão hịa Q1 và Q3 khơng dẫn .Động cơ quay theo chiều
thuận.Chiều của mũi tên trên hình 4.3 chỉ chiều của dịng điện.Dịng điện
đi từ nguồn Vcc

Q2

Motor DC

Q4

Mass

Hình 4.4 :Sơ đồ nguyên ly động cơ DC quay theo chiều nghịch

17


Kho tài liệu miễn phí của diễn đàn Ketnooi.com

*Nguyên lý hoạt động : khi B ở mức cao A ở mức thấp , Transitor Q1 và
Q3 dẫn Q2 và Q4 không dẫn .Động cơ quay theo chiều nghịch.Chiều của
mũi tên trên hình 4.4 chỉ chiều của dịng điện.Dịng điện đi từ nguồn Vcc
→Q2 →

Motor → DC →

Q4 →

Mass.

2.5.2 Mạch điều khiển động cơ dùng IC L293B
- Ứng dụng của IC L293B được vẽ ở hình 4.9 ,Vs là điện áp đặt vào motor
và có thể lên đến 36V.Dịng lớn nhất của IC L293B có thể lên tới 1A.Có
thể điểu khiển cho 2 động cơ.Chân 2 và 7 dùng để điều khiển motor 1,

chân 10 và 15 dùng để điều khiển motor 2. L293B là IC thơng dụng có thể
mua ở các cửa hàng điện tử ( giá khoảng 20 nghàn đồng )

18


Kho tài liệu miễn phí của diễn đàn Ketnooi.com

Hình 4.8 Cấu tạo của IC L298

19


Kho tài liệu miễn phí của diễn đàn Ketnooi.com

Hình 4.9 : Sơ đồ nguyên lý sử dụng IC L293B
- Nguồn nuôi động cơ được cấp vào chân 8, điện áp thực tế phụ thuộc vào
thông số thực tế của động cơ DC. Trong trường hợp hình 4.9 dùng cho
động cơ DC 12V.Chân số 16 có thể nối chung nguồn với mạch điều
khiển.Chân 1 là ngõ vào cho phép tác động mức cao để khiều khiển motor
1, Chân 9 là ngõ vào cho phép tác động mức cao để khiều khiển motor
2.Trên hình 4.9 hai chân 1 và 9 được nối chung để điều khiển 2 motor
cùng lúc
2.5.3 Mạch điều khiển động cơ dùng IC L298
- Cũng tương tự như IC L 293B nhưng nó cho phép dịng qua nó lớn hơn
khoảng hơn 2A ( Giá khoảng 40 nghàn )
Mạch ứng dụng như hình 4.12.Nguồn cấp cho động cơ được nối với chân
4 (Vs) nguồn cấp tùy thuộc vào thông số của động cơ.Chân 9 (Vss) có thể
được nối chung với nguồn của mạch điều khiển (+5V),chân 6 là ngõ vào
cho phép điều khiển M1 , chân 11 là ngõ vào cho phép điều khiển M2 và

20


Kho tài liệu miễn phí của diễn đàn Ketnooi.com

đều tác động ở mức cao,hình 4.12 chân 6 và 11 được nối chung để điều
khiển 2 motor cùng lúc.Chân 1 và 15
được nối với Rs về mass, chức năng của Rs là để điều chỉnh dịng qua M1
và M2

Hình.10:Bảng trạng thái

21


Kho tài liệu miễn phí của diễn đàn Ketnooi.com

Hình 4.11: Sơ đồ chân và cấu tạo của IC L298

22


Kho tài liệu miễn phí của diễn đàn Ketnooi.com

Hình 4.12: Sơ đồ nguyên lý sử dụng IC L298

23