Báo cáo đồ án cđt xe dò line nhóm 1

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: TS. Nguyễn Tấn Tiến
Sinh viên thực hiện:

MSSV

Nguyễn Hữu Lê Quang Tín

21203870

Đinh Hoàng Bảo Thịnh

21203610

Nguyễn Mạnh Hùng

21201455

Nguyễn Xuân Thiệu

21203601

Đặng Duy Khánh

21201614

TpHCM, ngày 7 tháng 5 năm 2016


ĐỒ ÁN THIẾT KẾ HỆ THỐNG CƠ ĐIỆN TỬ

GVHD: TS. Nguyễn Tấn Tiến

MỤC LỤC
MỤC LỤC ............................................................................................................................. i
DANH SÁCH HÌNH ẢNH ................................................................................................ iii
DANH SÁCH BẢNG BIỂU ................................................................................................ v
MỤC TIÊU ĐỒ ÁN ............................................................................................................. 1
CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN ............................................................................................... 2
CHƯƠNG 2: ĐỀ XUẤT VÀ LỰA CHỌN PHƯƠNG ÁN ................................................ 7
2.1

Đề xuất sơ đồ nguyên lý ......................................................................................... 7

2.2

Đề xuất cảm biến .................................................................................................... 7

2.3

Đề xuất cấu trúc điều khiển .................................................................................... 8

2.4

Đề xuất giải thuật điều khiển .................................................................................. 9

2.5

Phương án thiết kế .................................................................................................. 9

CHƯƠNG 3: MECHANICAL SYSTEMS ....................................................................... 10
3.1

Lựa chọn bánh xe .................................................................................................. 10

3.2

Lựa chọn động cơ.................................................................................................. 10

3.3

Kích thước thân xe ................................................................................................ 12

3.4

Thiết kế đồ gá cho động cơ ................................................................................... 13

CHƯƠNG 4: INFORMATION SYSTEMS ..................................................................... 16
4.1

Mô hình động học của robot ................................................................................. 16

4.2

Cách xác định vị trí của robot ............................................................................... 17

4.3

Bộ điều khiển tracking, tìm khoảng cách d và mô phỏng bám sa bàn ................. 19

CHƯƠNG 5: ELECTRICAL SYSTEMS ......................................................................... 25
5.1

Hệ thống cảm biến ................................................................................................ 25

5.1.1 Xác định yêu cầu cảm biến ............................................................................ 25
5.1.2 Thực nghiệm cảm biến ................................................................................... 25
5.2

Hệ thống điều khiển động cơ ................................................................................ 29

5.2.1 Lựa chọn driver .............................................................................................. 29
5.2.2 Mơ hình hóa hệ driver-động cơ ...................................................................... 29
5.2.3 Bộ điều khiển PID .......................................................................................... 33
5.3

Lựa chọn pin ......................................................................................................... 36
i


ĐỒ ÁN THIẾT KẾ HỆ THỐNG CƠ ĐIỆN TỬ

GVHD: TS. Nguyễn Tấn Tiến

CHƯƠNG 6: COMPUTER SYSTEMS............................................................................ 37

6.1

Lựa chọn vi điều khiển.......................................................................................... 37

6.1.1 Sơ đồ khối của bộ điều khiển ......................................................................... 37
6.1.2 Xác định yêu cầu và lựa chọn vi điều khiển .................................................. 37
6.1.3 Lựa chọn vi điều khiển ................................................................................... 38
6.2

Tính toán thời gian truyền nhận dữ liệu ................................................................ 38

6.3

Giải thuật điều khiển ............................................................................................. 39

CHƯƠNG 7: KẾT QUẢ THỰC NGHIỆM ...................................................................... 40
PHỤ LỤC A: KIT THÍ NGHIỆM SENSOR ..................................................................... 42
PHỤ LỤC B: TÀI LIỆU THAM KHẢO ........................................................................... 44

ii


ĐỒ ÁN THIẾT KẾ HỆ THỐNG CƠ ĐIỆN TỬ

GVHD: TS. Nguyễn Tấn Tiến

DANH SÁCH HÌNH ẢNH
Hình 0.1. Sa bàn di chuyển của robot ................................................................................... 1
Hình 1.1 Sơ đồ nguyên lý RC racing cars ............................................................................ 2
Hình 1.2 Sơ đồ nguyên lý hai cặp chủ động vi sai (a) Loại 2 bánh; (b) Loại 4 bánh .......... 3

Hình 1.3 Giải thuật xử lí tín hiệu bằng phương pháp so sánh .............................................. 4
Hình 1.4 Giải thuật xử lý tín hiệu cảm biến bằng phương pháp xấp xỉ[18] ........................... 5
Hình 2.1 Phương án sơ đồ nguyên lý ................................................................................... 7
Hình 2.2 Phương án cấu trúc điều khiển .............................................................................. 8
Hình 3.1 Mơ hình tốn của một bánh xe ............................................................................ 10
Hình 3.2 Mơ hình tốn khi xe chuyển hướng ..................................................................... 12
Hình 3.3 Sơ đồ sắp xếp linh kiện trên thân xe .................................................................... 14
Hình 4.1 Mơ hình động học của mobile platform .............................................................. 16
Hình 4.2 Mơ hình động học được sử dụng cho robot dị line............................................. 18
Hình 4.3 Cách xác định e3 .................................................................................................. 18
Hình 4.4 Sai số trung bình ứng với mỗi giá trị khoảng cách d........................................... 19
Hình 4.5 Kết quả bám line ở đoạn A-B-C-D ..................................................................... 21
Hình 4.6 Kết quả bám line ở đoạn D-E-F-C-G ................................................................. 22
Hình 4.7 Kết quả bám line ở đoạn G-A-C-E ..................................................................... 23
Hình 4.8 Robot phát hiện và tự động thực hiện đổi hướng ở đoạn vng góc .................. 24
Hình 4.9 Robot phát hiện đoạn giao cắt ............................................................................. 24
Hình 5.1 Sơ đồ khối của hệ thống điện .............................................................................. 25
Hình 5.2 Sơ đồ mạch điện cảm biến TCRT5000 cho thí nghiệm ...................................... 26
Hình 5.3 Phạm vi hoạt động của cảm biến dựa theo góc chiếu ......................................... 27
Hình 5.4 Đồ thị kết quả thí nghiệm đo giá trị điện áp trả về từ cảm biến .......................... 27
Hình 5.5 Mơ hình vùng giao thoa của cực phát và cực thu ................................................ 28
Hình 5.6 Đường đặc tuyến giữa giá trị đọc về từ cảm biến và giá trị lý tưởng .................. 29
Hình 5.7 Đồ thị giữa PWM(%) và vận tốc quay của động cơ 1......................................... 30
Hình 5.8 Đồ thị đáp ứng theo thời gian khối driver-động cơ 1 .......................................... 31
Hình 5.9 Đồ thị giữa PWM(%) và vận tốc quay của động cơ 2......................................... 32
Hình 5.10 Đồ thị đáp ứng theo thời gian khối driver-động cơ 1 ........................................ 33
iii


ĐỒ ÁN THIẾT KẾ HỆ THỐNG CƠ ĐIỆN TỬ

GVHD: TS. Nguyễn Tấn Tiến

Hình 5.11 Mơ phỏng đáp ứng khối driver-động cơ 1 sau khi thêm bộ PID ....................... 34
Hình 5.12 Đồ thị đáp ứng theo thời gian khối driver-động cơ 1 sau khi thêm bộ PID ...... 34
Hình 5.13 Mơ phỏng đáp ứng khối driver-động cơ 2 sau khi thêm bộ PID ....................... 35
Hình 5.14 Đồ thị đáp ứng theo thời gian khối driver-động cơ 2 sau khi thêm bộ PID ...... 35
Hình 6.1 Sơ đồ khối của bộ điều khiển .............................................................................. 37
Hình 6.2 Chu kỳ truyền nhận dữ liệu của hệ thống ............................................................ 38
Hình 6.3 Lưu đồ giải thuật của hệ thống. ........................................................................... 39

Hình 7.1 Kết quả chạy mơ phỏng ....................................................................................... 40
Hình 7.2 Kết quả chạy thực tế ............................................................................................ 41
Hình A.1 Mơ hình bộ thí nghiệm dùng cho thí nghiệm 2 ................................................... 42
Hình A.2 Bộ mơ hình dùng cho thí nghiệm 3 ..................................................................... 43

iv


ĐỒ ÁN THIẾT KẾ HỆ THỐNG CƠ ĐIỆN TỬ

GVHD: TS. Nguyễn Tấn Tiến

DANH SÁCH BẢNG BIỂU
Bảng 3.1 Thông số đầu vào của xe ..................................................................................... 11
Bảng 3.2 Thông số yêu cầu của động cơ ............................................................................ 12
Bảng 3.3 Các thiết bị trên thân xe ...................................................................................... 13
Bảng 4.1 Thông số đầu vào mô phỏng ............................................................................... 19
Bảng 4.2 Thông số đầu vào mô phỏng ............................................................................... 20
Bảng 5.1 Số liệu thử nghiệm TB6612 với động cơ 1 ......................................................... 30

Bảng 5.2 Số liệu thử nghiệm TB6612 với động cơ 2 ......................................................... 32
Bảng 5.3 Dòng điện tiêu thụ các linh kiện trong mạch ...................................................... 36

v


ĐỒ ÁN THIẾT KẾ HỆ THỐNG CƠ ĐIỆN TỬ

GVHD: TS. Nguyễn Tấn Tiến

vi


ĐỒ ÁN THIẾT KẾ HỆ THỐNG CƠ ĐIỆN TỬ

GVHD: TS. Nguyễn Tấn Tiến

MỤC TIÊU ĐỒ ÁN
.Thiết kế và chế tạo xe dò line di chuyển tốc độ cao trên sa bàn có các đặc điểm :
-

Màu sắc đường line: đen.

-

Màu nền: trắng.

-

Bề rộng đường line: 26mm.

-

Bề mặt địa hình di chuyển: phẳng.

-

Sa bàn được thể hiện trên Hình 0.1.
F

B

R500
END

E

C

A START
R500

D

G

1500
3000

Hình 0.1. Sa bàn di chuyển của robot

-

Khi bắt đầu, robot được đặt tại vị trí START (điểm A), sau đó robot chạy theo thứ
tự đi qua các điểm nút quy định lần lượt :
(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. Nguyễn Tấn Tiến

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN
Robot dò line là một trường hợp đặc biệt của mobile robot, trong đó robot sẽ nhận
biết vị trí tương đối của robot và bám theo đường line (line từ, line màu) đã có. Hiện nay
robot dị line được ứng dụng rộng rãi trong mơi trường kho bãi, nhà xưởng, cảng[1]… để
vận chuyển hàng hóa, dùng làm nền tảng cho nhiều nghiên cứu về kỹ thuật nhận
diện[6][8][18] và thiết kế bộ điều khiển[16][25][26][28] cũng như đề tài cho nhiều cuộc thi về kỹ
thuật. Để thiết kế và vận hành một robot dò line, tất cả các yếu tố kỹ thuật cấu thành của
robot đều cần được quan tâm: sơ đồ nguyên lý, loại cảm biến, động cơ, cấu trúc điều
khiển và giải thuật điều khiển được sử dụng.
Rất nhiều sơ đồ nguyên lý có thể được ứng dụng cho việc chế tạo robot dò line. Để
đạt được tốc độ và khả năng bám đường, sơ đồ nguyên lý của các loại xe đua điều khiển
từ xa (RC racing cars) có thể được sử dụng. Có hai loại sơ đồ nguyên lý chung cho các
loại xe đua chuyên chạy trên mặt đường phẳng:
-

Loại 1(Hình 1.1a) sử dụng trục truyền động cho trục trước và sau xe (Khung xe
của hãng Awesomatrix, TAMIYA TT01, Overdose Divall…).

Loại 2(Hình 1.1b) sử dụng đai răng truyền động cho trục trước và sau xe (Khung
xe của hãng Sakura D3 CS, Serpent VETEQ 02, TA04 EPRO…).

Những sơ đồ nguyên lý này có đặc điểm hạn chế được hiện tượng trượt giữa các
bánh khi xe thực hiện đổi hướng, tuy nhiên thiết kế cơ khí phức tạp và bán kính cong nhỏ
nhất của xe sẽ bị giới hạn bởi kết cấu của xe.

X

X

X

(a)

(b)
Hình 1.1 Sơ đồ nguyên lý RC racing cars
(a) loại truyền động trục; (b) loại truyền động đai

2


ĐỒ ÁN THIẾT KẾ HỆ THỐNG CƠ ĐIỆN TỬ

GVHD: TS. Nguyễn Tấn Tiến

Một sơ đồ nguyên lý hiện nay của rất nhiều xe đua dò line như HBFS-2 (Robot
RobotChallenge 2015) và Sylvestre (COSMOBOT 2012, CRJET International Robotics
Competition 2010), Johnny-5 (IGVC), Thunderbolt (Robot Challenge 2014)… sử dụng
hai bánh chủ động được điều khiển độc lập kết hợp với bánh đa hướng (Hình 1.2a). Sơ đồ

ngun lý này có đặc điểm kết cấu, mơ hình động học đơn giản, dễ hiệu chỉnh sai số hệ
thống và cho phép xe di chuyển được theo bán kính rất nhỏ, kể cả việc quay tại chỗ[5], tuy
nhiên xe lại rất dễ bị trượt theo phương pháp tuyến khi thực hiện việc bám theo các đoạn
đường bán kính nhỏ ở tốc độ cao.
Ngồi ra, một dạng khác của sơ đồ nguyên lý này cũng được các xe đua như
CartisX04 (All Japan Micromouse 2015), Mouse (RobotChallenge 2014)… sử dụng
(Hình 1.2b). Ở sơ đồ này, mỗi bánh xe vi sai chủ động được thay bằng một cặp bánh, giúp
xe dễ cân bằng hơn, tuy nhiên kết cấu cơ khí phức tạp hơn và ln xuất hiện hiện tượng
trượt bánh khi xe đổi hướng.

(a)

(b)

Hình 1.2 Sơ đồ nguyên lý hai cặp chủ động vi sai
(a) Loại 2 bánh; (b) Loại 4 bánh
Về cảm biến, phần lớn các robot dò line hiện nay sử dụng các loại cảm biến quang
để nhận biết vị trí tương đối của đường line so với xe, từ đó xử lí để đưa ra tín hiệu điều
khiển. Có hai phương pháp thường được sử dụng cho robot dò line là phương pháp sử
dụng camera và các loại cảm biến quang dẫn:
-

-

Ở phương pháp camera, thiết bị thu hình ảnh từ đường line thực tế[3][6][7][8] (robot
Johny-5 trong cuộc thi IGVC), sau đó xử lí và đưa ra tín hiệu điều khiển. Đặc
điểm của phương pháp này là có thể đạt được độ chính xác rất cao, tuy nhiên
phương pháp này ít được dùng trong các cuộc thi đua xe line màu do khối lượng
xử lí nhiều, dẫn đến hạn chế tốc độ tối đa của xe.
Phương pháp thứ hai được ứng dụng phổ biến cho hầu hết các loại trong các cuộc

thi robot dò line hiện nay. Một số loại cảm biến có thể được sử dụng như quang
điện trở[12] (robot ALF trong cuộc thi ROBOCON Malaysia 2006) hoặc phototransistor[10][11][13] kết hợp với LED. Hai loại cảm biến này có nguyên tắc hoạt
động giống nhau, bộ thu sẽ thu tín hiệu ánh sáng phản xạ từ bộ phát xuống mặt
3


ĐỒ ÁN THIẾT KẾ HỆ THỐNG CƠ ĐIỆN TỬ

GVHD: TS. Nguyễn Tấn Tiến

đất, từ đó xử lí để xác định vị trí của đường line. Mặc dù vậy, photo-transistor
được ứng dụng nhiều hơn bởi nó cho thời gian đáp ứng nhanh hơn quang điện trở.
Nhiều đội đua như Pika (ROBOXY 2015, ROBO ~ Motion 2015…), Silvestre,
Bolt (Konkursie robotów SEP Gdańsk 2015), Thunderbolt… đều đã sử dụng
photo-transistor cho bộ phận dò line.
Đối với các loại cảm biến quang, tín hiệu tương tự từ cảm biến sẽ được hiệu chuẩn
và xử lí bàng các giải thuật so sánh[19] hoặc xấp xỉ[18] để tìm ra vị trí tương đối của robot
dị line với tâm đường line.
-

Phương pháp thứ nhất dùng bộ so sánh để xác định trạng thái đóng/ngắt của các
sensor, sau đó suy ra vị trí xe theo một bảng trạng thái đã được định sẵn[12][19][21][27]
(Hình 1.3.). Với phương pháp này, sai số dò line sẽ phụ thuộc vào số khả năng
phân biệt các trạng thái của hệ thống, hay khoảng cách giữa các sensor. Phương
pháp này có đặc điểm phụ thuộc chủ yếu vào mức ngưỡng so sánh của các sensor,
do đó tốc độ xử lý rất nhanh.
00011000
Line nằm giữa

00000110

Line nằm lệch bên phải

01100000
Line nằm lệch bên trái

Tín hiệu mức thấp tại vị trí khơng có line
Tín hiệu mức cao tại vị trí có line

-

Hình 1.3 Giải thuật xử lí tín hiệu bằng phương pháp so sánh
Phương pháp thứ hai xấp xỉ ra vị trí của xe so với tâm đường line từ các tín hiệu
tương tự từ cảm biến[18]. Có 3 giải thuật xấp xỉ được giới thiệu đó là xấp xỉ theo
bậc 2, tuyến tính và theo trọng số (Hình 1.4.) với sai số dị line lần lượt là 5.4mm,
2.8mm và 2.6mm trong thí nghiệm được thưc hiện ở [18]. Đặc điểm của phương
pháp này là phụ thuộc chủ yếu vào thời gian đọc ADC tất cả các sensor của vi
điều khiển, do đó thời gian xử lý sẽ lâu hơn phương pháp 1. Tuy nhiên độ phân
giải cao hơn đáng kể so với phương án đầu.

4


ĐỒ ÁN THIẾT KẾ HỆ THỐNG CƠ ĐIỆN TỬ

GVHD: TS. Nguyễn Tấn Tiến

Hình 1.4 Giải thuật xử lý tín hiệu cảm biến bằng phương pháp xấp xỉ[18]
(a) Xấp xỉ bậc 2; (b) Xấp xỉ theo trọng số
Về loại động cơ, các xe đua dò line như Pika, HFBS-2, CartisX04, Thunderstorm,
Impact… đều sử dụng động cơ DC có gắn encoder làm cơ cấu chấp hành. Đặc điểm của

động cơ DC đa dạng về kích thước, momen, chủng loại driver; dễ dàng lắp đặt và điều
khiển chính xác do có thể kết hợp thêm encoder và được ứng dụng thêm bộ điều khiển
PID để có thể điều chỉnh tốc độ hoặc vị trí chính xác theo yêu cầu.
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 chính 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, 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 thông
tin mới.
Trong phương pháp điều khiển phân cấp, 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 chun xử lí tín hiệu encoder[18] hoặc 1 slave
MCU để xử lí tín hiệu từ sensor[19] (Robot ALF). Ngồi ra, các robot dị line dùng
camera thường có một MCU slave chun xử lí hình ảnh, rồi chuyển dữ liệu về
MCU master[20]. Cấu trúc này giúp giảm nhẹ khối lượng tính tốn cho master và
cho phép robot thực hiện nhiều tác vụ cùng lúc[19][20]. 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.

Giải thuật điều khiển được dùng phổ biến cho các xe đua dò line là bộ điều khiển
PD, PID, FIC[24] 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[25][26][28]. Thực
nghiệm từ [28] cho thấy bộ điều khiển này có thể giúp sai số bám line của robot trên đoạn
5


ĐỒ ÁN THIẾT KẾ HỆ THỐNG CƠ ĐIỆN TỬ

GVHD: TS. Nguyễn Tấn Tiến

đường thẳng và cong; đạt sai số tối đa 150mm khi gặp các đoạn line gấp khúc và tối đa
250mm khi robot thực hiện đổi hướng 900. Bên cạnh đó, một số xe có áp dụng thêm khả
năng ghi nhớ đường đi nhằm thay đổi các thông số điều khiển ứng với từng cung đường,
giúp tăng khả năng đáp ứng của xe sau mỗi lần chạy như xe Silvestre và CartisX04; một
giải thuật tự học đường là Q-Learning đã được mô tả trong [22]. Tuy nhiên để áp dụng các
giải thuật này, robot cần sử dụng thêm cảm biến gyro để nắm được trạng thái gia tốc của
xe trong suốt quá trình chuyển động.
Với mục tiêu thiết kế và chế tạo robot bám được sa bàn với tốc độ cao, đầu bài cho
bài toán thiết kế cần được đặt ra cho vận tốc tối đa của robot trên sa bàn, khả năng đổi
hướng của robot và sai số tối đa của robot trong quá trình bám theo đường line.
Về vận tốc tối đa, vận tốc cực đại trung bình của của các robot như Pika, HBFS-2,
Sylvestre, Thunderbolt, Thunderstorm, Impact… tại các cuộc thi đều đạt từ 1.5-3m/s.
Về khả năng đổi hướng, ngồi việc robot có thể bám được bán kính cong 500mm
(đoạn G →B, D→F Hình 0.1.) trên sa bàn, robot cịn phải có khả năng bám theo đường
line tại các vị trí line bị cắt đột ngột (điểm B, D, F, G Hình 0.1.) và vị trí góc 900 (điểm A
Hình 0.1.)
Về sai số tối đa của robot trong suốt quá trình, sai số trong quá trình xe di chuyển
trên đường thẳng hay cong sẽ phụ thuộc vào sai số xác định vị trí của xe do hệ thống
sensor (tối đa 5.4mm [18]) và sai số do bộ điều khiển. Đối với sai số khi xe bám theo các vị
trí đổi hướng đột ngột, sai số phụ thuộc phần lớn vào giải thuật điều khiển (tối đa 250mm
[28]

).
Tóm lại, các thơng số đầu vào cho bài tốn thiết kế:
-

Tốc độ tối đa: vmax = 1.3m/s
Bán kính cong tối thiểu: Rmin = 500mm
Sai số dò line tại các vị trí line đổi hướng đột ngột: emax = 250mm
Sai số dò line trên đoạn đường thẳng và cong: emax = ±16mm

6


ĐỒ ÁN THIẾT KẾ HỆ THỐNG CƠ ĐIỆN TỬ

GVHD: TS. Nguyễn Tấn Tiến

CHƯƠNG 2: ĐỀ XUẤT VÀ LỰA CHỌN PHƯƠNG ÁN
Chương này bao gồm việc đề xuất và lựa chọn phương án cho nguyên lý hoạt động của
xe, loại cảm biến, cấu trúc điều khiển và thuật toán điều khiển.
2.1 Đề xuất sơ đồ nguyên lý:
Do robot chỉ cần bám theo đường cong bán kính lớn (R = 500mm) ,có khả năng thực
hiện được việc đổi hướng tại các vị trí line bị gãy khúc và tính đơn giản trong kết cấu, mơ
hình động học, sơ đồ ngun lý hai bánh chủ động vi sai kết hợp bánh đa hướng bị động
(Hình 2.1) được lựa chọn.

Hình 2.1 Phương án sơ đồ nguyên lý
2.2 Đề xuất cảm biến:
Từ yêu cầu đề bài về sai số bám line tối đa của robot (±5mm) 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:
Để thỏa mãn yêu cầu về việc đáp ứng được với các đường gãy khúc đột ngột của sa
bàn, phương án cảm biến phải có độ nhạy thích hợp. Dựa trên đặc tính độ nhạy cao của
phototransistor so với các loại cảm biến quang khác hai phương án sử dụng loại sensor
này được đề xuất:
-

Phototransistor kết hợp với LED thường
Phototransistor kết hợp với LED hồng ngoại

Nguyên tắc hoạt động của phototransistor dựa vào tín hiệu ánh sáng phản xạ từ
nguồn phát để tạo ra tín hiệu dạng điện áp. Đối với đường đua mà màu line với màu của
nền có độ tương phản cao (ví dụ như line đen nền trắng như sa bàn mục tiêu), LED hồng
ngoại cho độ nhạy cao hơn nhưng cần phải che chắn để chống nhiễu. Đối với đường đua
mà màu line với màu của nền có độ tương phản thấp, sử dụng LED thường sẽ hiệu quả
hơn.
7


ĐỒ ÁN THIẾT KẾ HỆ THỐNG CƠ ĐIỆN TỬ

GVHD: TS. Nguyễn Tấn Tiến

Về giải thuật xử lí tín hiệu:
Với sai số yêu cầu ±16mm như đầu bài, các phương pháp có độ phân cao nên được
lựa chọn. Có hai giải thuật xử lý được đề xuất:
-

So sánh
Xấp xỉ

Với phương pháp so sánh, vị trí của robot so với đường line chỉ có thể thuộc vào
một số trường hợp đã được quy định sẵn. Số trường hợp này phụ thuộc số lượng cảm
biến, sai số ảnh hưởng bởi khoảng cách tối thiểu giữa các cảm biến. Khoảng cách giữa
các cảm biến này phụ thuộc nhiều vào góc chiếu của LED, góc thu của sensor và độ cao
so với mặt đất.
Với phương pháp xấp xỉ, sai số phụ thuộc vào số lượng cảm biến và cách chọn độ
cao của chúng so với mặt đất. Tuy nhiên, độ phân giải của phương pháp này cao hơn đáng
kể so với phương pháp so sánh, giúp cho hệ thống sensor có thể đạt được sai số tốt hơn.
Tuy nhiên, thời gian đáp ứng của phương pháp này sẽ lâu hơn phương án trên do vi điều
khiển cần thực hiện chuyển đổi ADC cho tất cả các cảm biến.
2.3 Đề xuất cấu trúc điều khiển:
Để xe có thể đáp ứng kịp thời những đoạn đường đổi hướng đột ngột trên sa bàn, xe
cần có khả năng thực hiện tác vụ xác định vị trí xe, tính toán vận tốc bánh cần đạt và đáp
ứng vận tốc trước khi xe vượt ra khỏi đoạn gãy khúc. Có một phương án được đề xuất: bộ
điều khiển phân cấp với một MCU slave đọc giá trị hệ thống sensor và hai MCU slave
điều khiển động cơ.
Sensor

Master

Driver

Left
Motor
Controller

Right
Motor
Controller

Driver

Motor

Motor

Encoder

Encoder

Hình 2.2 Phương án cấu trúc điều khiển
Phương án này tận dụng được đặc điểm định vị trí và tính tốn vận tốc mới đồng thời nhờ
sử dụng các MCU độc lập giúp hệ thống có khả năng đáp ứng nhanh. Về việc điều khiển
8


ĐỒ ÁN THIẾT KẾ HỆ THỐNG CƠ ĐIỆN TỬ

GVHD: TS. Nguyễn Tấn Tiến

động cơ, để tránh xung đột ngắt sinh ra từ tín hiệu các encoder, hai MCU nên được sử
dụng để điều khiển độc lập tốc độ hai động cơ. Ngồi việc có khả năng thực hiện nhiều
tác vụ cùng lúc, phương án này cịn có đặc điểm giúp giảm nhẹ việc tính tốn, xử lý của
từng MCU. Tuy nhiên, khó khăn gặp phải là việc xác định thời gian lấy mẫu và truyền
nhận dữ liệu của từng MCU. Sơ đồ cấu trúc điều khiển được thể hiện trên Hình 2.2.
2.4 Đề xuất giải thuật điều khiển:
Dựa vào yêu cầu robot phải bám được trên các đoạn đường thẳng, cong và sai số vị
trí line bị gấp khúc (250mm), hai phương án cho bộ điều khiển được đề xuất:
-

Bộ điều khiển PD kết hợp ghi nhớ đường đi
Bộ điều khiển tracking

Phương án 1 có đặc điểm giúp robot có khả năng cải thiện được khả năng bám
đường line sau mỗi lần chạy. Tuy nhiên giải thuật tự học phức tạp và cần phải kết hợp
thêm cảm biến gyro để bộ điều khiển có thể nhớ được trạng thái gia tốc của robot trong
suốt đường đua.
Phương án 2 là một bộ điều khiển thông dụng trong các nghiên cứu về khả năng
bám theo quỹ đạo cho trước của mobile robot. Lý thuyết và thực nghiệm đã chứng minh
bộ điều khiển có khả năng di chuyển robot tới các tọa độ cho trước với vận tốc mong
muốn. Ngồi ra, bộ thơng số của bộ điều khiển Kx, Ky, Kθ[28] có thể được tùy chỉnh nhằm
tăng khả năng bám line của robot cho các đoạn đường khác nhau.
2.5 Phương án thiết kế:
Vậy, phương án thiết kế robot được lựa chọn:
-

Sơ đồ nguyên lý: robot 2 bánh chủ động vi sai có bánh đa hướng bị động (Hình
2.1.)
Cảm biến: bộ LED hơng ngoại-Phototransistor và sử dụng giải thuật xấp xỉ để tìm
ra vị trí của robot so với đường line
Động cơ: động cơ DC có gắn encoder
Cấu trúc điều khiển: bộ điều khiển phân cấp (Hình 2.2.)
Giải thuật điều khiển: bộ điều khiển tracking[28]

9


ĐỒ ÁN THIẾT KẾ HỆ THỐNG CƠ ĐIỆN TỬ

GVHD: TS. Nguyễn Tấn Tiến

CHƯƠNG 3: MECHANICAL SYSTEMS
Chương này bao gồm lựa chọn bánh xe, tính tốn lựa chọn động cơ, kích thước thân xe và
thiết kế đồ gá cho động cơ.
3.1 Lựa chọn bánh xe:
Bánh chủ động:
Ở Chương 1, giá trị vận tốc lớn nhất (1.3m/s) đặt ra ở đầu bài được tham khảo từ
robot HBFS-2 (vô địch cuộc thi RobotChallenge 2015). Ngoài ra, bán kinh cong nhỏ nhất
của sa bàn tại cuộc thi RobotChallenge 2015 (410mm) gần với bán kính cong nhỏ nhất
của sa bàn mục tiêu. Do đó, đường kính bánh xe của robot có thể được chọn theo kích
thước bánh xe của HBFS-2, tương đương 65mm.
Bánh bị động:
Hai loại bánh bị động thường được sử dụng cho mobile robot là bánh mắt trâu và
bánh caster[5]. Tuy nhiên đặc điểm của bánh caster là khoảng cách giữa trục quay và trục
bánh gây ra hiện tượng shopping-cart làm ảnh hưởng đến phương trình động học của
xe[5]. Để tránh hiện tượng này và tận dụng được đặc điểm của sơ đồ nguyên lý, bánh mắt
trâu được lựa chọn làm bánh bị động.
3.2 Lựa chọn động cơ:
Để xe chuyển động, động cơ có vai trị cung cấp moment cho các bánh. Q trình
chuyển động này chịu ảnh hưởng đáng kể của khối lượng xe và ma sát giữa bánh xe và
mặt đường. Mơ hình tốn cho một bánh xe được thể hiện ở Hình 3.1.

τ

R

v

P

N

Fms

Hình 3.1 Mơ hình tốn của một bánh xe
Moment qn tính của bánh xe có thể tính gần đúng :
1
𝐼 = 𝑚𝑅2
2
Cân bằng moment quanh tâm bánh xe :
𝜏 − 𝐹𝑚𝑠 𝑅 = 𝐼𝛾
⇒ 𝜏 = 𝐼𝛾 + 𝐹𝑚𝑠 𝑅
(1)
Điều kiện để bánh xe không bị trượt khi động cơ quay, monent 𝑇 phải thỏa điều kiện
sau :

10


ĐỒ ÁN THIẾT KẾ HỆ THỐNG CƠ ĐIỆN TỬ

GVHD: TS. Nguyễn Tấn Tiến

1
𝜏 ≤ 𝐼𝛾 + 𝜇( 𝑀 + 𝑚)𝑔𝑅
2
1
1
𝜏 ≤ 𝑚𝑅2 𝛾 + 𝜇( 𝑀 + 𝑚)𝑔𝑅
2

2
Phương trình định luật 2 Newton theo phương ngang :
2𝐹𝑚𝑠 = (2𝑚 + 𝑀)𝑎
⇒ 𝐹𝑚𝑠
Thay 𝐹𝑚𝑠 ở (2) vào (1),
𝜏 =

=

(2𝑚 + 𝑀)𝑎
2

(2)

𝑚𝑅2
(2𝑚 + 𝑀)𝑎𝑅
𝛾 +
2
2

Công suất mỗi động cơ cần cung cấp
𝑃 = 𝜏𝜔
Với,
𝐼(kg.m2 ): moment quán tính của bánh xe.

𝜏(N.m): moment.

𝑚(kg): khối lượng của bánh xe.

𝑎(m/s2 ): gia tốc dài mong muốn.

𝑀(kg): khối lượng thân xe.

𝑔(m/s2 ): gia tốc trọng trường.

𝑅(m): bán kính bánh xe.

𝑃(W): cơng suất mỗi động cơ.

𝐹𝑚𝑠 (N): lực ma sát.

𝜔(rad/s): vận tốc góc.

𝛾(rad/s2 ): gia tốc góc.
Dựa vào các công thức và thông số đầu vào của xe, các thơng số cần thiết của động
cơ có thể được tính tốn
Bảng 3.1 Thơng số đầu vào của xe

Vận tốc lớn nhất của xe
Thời gian tăng tốc mong muốn
Bán kính bánh xe
Khối lượng bánh xe
Khối lượng tải ước lượng
Hệ số ma sát[30]
Hệ số an toàn[31]

1,3m/s
1s
33mm
0,025kg

0,8kg
0,85
3

11


ĐỒ ÁN THIẾT KẾ HỆ THỐNG CƠ ĐIỆN TỬ

GVHD: TS. Nguyễn Tấn Tiến

Bảng 3.2 Thông số yêu cầu của động cơ

Vận tốc góc lớn nhất
376vịng/phút
Moment cần thiết để xe chuyển động
19N.mm
Moment trượt
117N.mm
Công suất mỗi động cơ
2,2 W
Với thông số động cơ đã được tính như trên, động cơ DC ESCAP 16G88214EMR19[32] (𝜔 = 540 vòng/phút, 𝑃 = 4,5W) được lựa chọn.
3.3 Kích thước thân xe:
Chiều cao trọng tâm xe:
Tại các đoạn đường chuyển hướng, xe có khả năng bị lật nếu việc bố trí thiết bị trên
thân xe làm cho trọng tâm xe cao hơn một giới hạn nhất định. Giới hạn này có thể được
tính tốn dựa trên mơ hình tốn sau trên Hình 3.2.
T

Flt

h

P

Fms

b/2

Fms

C

Hình 3.2 Mơ hình tốn khi xe chuyển hướng
Với,
𝑇: trọng tâm xe.
𝐹𝑙𝑡 : lực li tâm.
𝐹𝑚𝑠 : lực ma sát.
𝑃: trọng lực.
𝐶: tâm quay khi xe lật.
ℎ: chiều cao trọng tâm xe.
Để tránh lật, moment sinh ra do trọng lực quanh tâm quay C phải lớn hơn moment
của lực li tâm:
𝑏
𝐹𝑙𝑡 ℎ − 𝑃 ≤ 0
2
𝑚𝑣 2
𝑏
⟺
ℎ − 𝑚𝑔 ≤ 0

𝑅
2
𝑔𝑏𝑅
⟺ℎ≤
2𝑣 2
Với:
Gia tốc trọng trường 𝑔 = 9,81𝑚/𝑠 2
Bề rộng xe 𝑏 = 0,15𝑚
Bán kính cong của đường đua 𝑅 = 0,5𝑚
Vận tốc dài tối đa 𝑣 = 1,3𝑚/𝑠
Ta có,
ℎ ≤ 21,8𝑐𝑚
12


ĐỒ ÁN THIẾT KẾ HỆ THỐNG CƠ ĐIỆN TỬ

GVHD: TS. Nguyễn Tấn Tiến

Kích thước bao:
Kích thước bao của xe phụ thuộc vào kích thước và việc sắp xếp các linh kiện điện,
điện tử, khoảng cách được mô phỏng giữa sensor và các bánh chủ động. Ngồi ra tỉ lệ
kích thước dài-rộng của xe nên được chọn theo tỉ số √5 nhằm giảm thiểu tối đa ảnh
hưởng của các yếu tố động lực học lên xe[33]. Các thiết bị được đặt trên thân xe được thể
hiện trong Bảng 3.3. và Hình 3.3.
Bảng 3.3 Các thiết bị trên thân xe

Số lượng
2
2

2
3
1
7
1
1
1
1
4
1

Số thứ tự
Thiết bị
1
Bánh xe
2
Động cơ
3
Header cắm dây động cơ
4
Arduino nano
5
Mạch ổn áp 5VDC
6
Cảm biến
7
Bánh mắt trâu
8
Header cắm dây sensor
9

PIC16F877
10
Mạch ổn áp 12VDC
11
Pin Lion MM1250
12
Driver TB6612
3.4 Thiết kế đồ gá cho động cơ:

Kích thước chi tiết gá được lựa chọn theo kích thước mặt bích của động cơ [32] và
phải đảm bảo yêu cầu về chiều cao trọng tâm xe. Để đảm bảo độ cứng vững và dung sai
đề ra, nhôm được lựa chọn làm vật liệu cho đồ gá. Dựa vào [34], cấp chính xác được lựa
chọn là IT10.
Mối ghép giữa đồ gá với mặt bích động cơ là mối ghép cố định, cần đảm bảo định
tâm, đồng thời chi tiết ghép có khối lượng nhỏ nên ta chọn kiểu lắp giữa mặt bích với đồ
𝐽 10
gá là kiểu lắp trung gian: ∅7 𝑠 [35]. Với kích thước danh nghĩa của trục động cơ thuộc
ℎ8
khoảng trên 6mm đến 10mm, ta có:
Miền dung sai kích thước lỗ: ∅7𝐽𝑠 10
Sai lệch cơ bản: ±5𝜇𝑚[36]
Sai lệch giới hạn của kích thước:{

+29𝜇𝑚
−29𝜇𝑚

Miền dung sai kích thước trục: ∅7ℎ8
Sai lệch cơ bản: 0𝜇𝑚

13

ĐỒ ÁN THIẾT KẾ HỆ THỐNG CƠ ĐIỆN TỬ

Sai lệch giới hạn của kích thước:{

GVHD: TS. Nguyễn Tấn Tiến

0𝜇𝑚
−22𝜇𝑚

Để đảm bảo độ đồng tâm trục của hai hai động cơ và ghép chặt trên thân xe, nhóm
dùng Stepped Screws[37]. Mối ghép giữa bề mặt trụ trơn của Stepped Screws với thân xe
và đồ gá là mối ghép cần độ định tâm, mối ghép cố định, cùng với khối lượng chi tiết lắp
𝐽 10
ghép nhỏ nên ta chọn kiểu lắp cho mối ghép này là kiểu lắp trung gian: ∅6 𝑠 [35]. Với
ℎ7
kích thước danh nghĩa của thân Stepped Screws thuộc khoảng trên 3mm đến 6mm, ta có:
7
8

6

9

5

10
11

4

3
180

12

2

45

1

150

Hình 3.3 Sơ đồ sắp xếp linh kiện trên thân xe
Miền dung sai kích thước lỗ: ∅6𝐽𝑠 10
14


ĐỒ ÁN THIẾT KẾ HỆ THỐNG CƠ ĐIỆN TỬ

GVHD: TS. Nguyễn Tấn Tiến

Sai lệch cơ bản: ±5𝜇𝑚[36]
Sai lệch giới hạn của kích thước:{

+29𝜇𝑚
−29𝜇𝑚

Miền dung sai kích thước trục: ∅6ℎ7
Sai lệch cơ bản: 0𝜇𝑚
Sai lệch giới hạn của kích thước:{

0𝜇𝑚
−12𝜇𝑚

Mối ghép giữa trục động cơ và nối trục là mối ghép cần độ chính xác đồng tâm và
𝐻10
có chi tiết kẹp phụ, ta chọn kiểu lắp cho mối ghép này là kiểu lắp lỏng ∅3 [35]
𝑓6

Miền dung sai kích thước trục: ∅3𝑓6

[37]

Sai lệch cơ bản: −6𝜇𝑚[36]
Sai lệch giới hạn của kích thước:{

−6𝜇𝑚
−12𝜇𝑚

Miền dung sai kích thước lỗ: ∅3𝐻10[37]
Sai lệch cơ bản: 0𝜇𝑚[36]
Sai lệch giới hạn của kích thước:{

+40𝜇𝑚
0𝜇𝑚

15

ĐỒ ÁN THIẾT KẾ HỆ THỐNG CƠ ĐIỆN TỬ

GVHD: TS. Nguyễn Tấn Tiến

CHƯƠNG 4: INFORMATION SYSTEMS
Chương này bao gồm việc giới thiệu mơ hình động học của robot, cách xác định vị trí
robot so với line, bộ điều khiển tracking sử dụng cho robot và mô phỏng bám sa bàn cho
robot.
4.1 Mơ hình động học của robot:
Mơ hình động học của mobile platform đã được giới thiệu nhiều trong các nghiên
cứu
. Mơ hình này bao gồm các điểm quan trọng: Điểm R: điểm tham chiếu cho
robot; Điểm M: trung điểm của hai bánh chủ động; Điểm C: Điểm tracking của robot. Mơ
hình này được thể hiện trên Hình 4.1.
[7][26][27][28]

e3
yR

R

yC
yM

e1

e2
C

M

xR xM xC
Hình 4.1 Mơ hình động học của mobile platform
Phương trình động học tại điểm M

Trong đó v và  là vận tốc dài và vận tốc góc của xe.
Phương trình động học tại điểm C

16


ĐỒ ÁN THIẾT KẾ HỆ THỐNG CƠ ĐIỆN TỬ

GVHD: TS. Nguyễn Tấn Tiến

Với d là khoảng cách từ M đến C.
Phương trình động học tại R

Trong đó vR là vận tốc mong muốn của xe đua tại điểm tham chiếu.
4.2 Cách xác định vị trí của robot:
Sai số của xe so với điểm tham chiếu được xác định như sau:

é e ù é
ùé x - x
ê 1 ú ê cosj sinj 0 ú ê R C
ê e2 ú = ê - sin j cosj 0 ú ê y R - yC
ê
ú ê
ê

0
0
1 úû ê j R - j C
êë e3 úû ë
ë

ù
ú
ú
ú
úû

Do hệ thống phototransistor chỉ xác định được sai số theo phương pháp tuyến với
phương chuyển động của xe, mơ hình động học của xe cần được giới thiệu lại với điểm C
là tâm của dãy sensor, M là trung điểm hai bánh chủ động và là điểm tracking của xe. Khi
đó, ta có e1 = d. Mơ hình này được thể hiện trên Hình 4.2. Như vậy, để xác định được đầy
đủ thơng tin về vị trí của điểm tracking so với tham chiếu, sai số e2 và e3 cần được xác
định.
Trên thực tế, e2 được xác định trực tiếp từ hệ thống sensor. Đối với e3, phương án
xác định được đề xuất là cho robot di chuyển theo phương trước đó một đoạn ds đủ nhỏ để
khi nối 2 điểm RR’ tạo thành tiếp tuyến của đường cong (Hình 4.3). Khi đó, sai số e3
được xác định theo công thức.
𝑒3 = arctan(

𝑒2 − 𝑒2 ′
)
𝑑𝑠

17

ĐỒ ÁN THIẾT KẾ HỆ THỐNG CƠ ĐIỆN TỬ

GVHD: TS. Nguyễn Tấn Tiến

e2

R
yC

C
d

yM

M

xs
xM

xC

Hình 4.2 Mơ hình động học được sử dụng cho robot dị line

e3

R

R’

e2

e’2
ds

Hình 4.3 Cách xác định e3

18