Đồ án TKHTCĐT - Xe 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

THIẾT KẾ MOBILE PLATFORM BÁM LINE
CHO TRƯỚC

Nhóm sinh viên thực hiện:
STT
1
2
3
4
5

Họ và tên
Nguyễn Văn Hoàng
Lê Văn Quang
Tạ Thành Quấn
Phạm Hoàng Sơn
Lê Minh Tâm

TP Hồ Chí Minh, 2016

MSSV
21201229
21202928
21202991

21203181
21203255


ĐỒ ÁN MÔN HỌC THIẾT KẾ HỆ THỐNG CƠ ĐIỆN TỬ
1. Nguyễn văn Hoàng

Sinh viên thực hiện:

Người hướng dẫn:
Ngày bắt đầu:

MSSV:

21201229

2. Lê Văn Quang

21202928

3. Tạ Thành Quấn

21202991

4. Phạm Hoàng Sơn

21203181

5. Lê Minh Tâm

21203255

Nguyễn Tấn Tiến

12/01/2016

Ký Tên:

Ngày kết thúc:

03/05/2016

Ngày bảo vệ:

Đề Tài
THIẾT KẾ MOBILE PLATFORM BÁM LINE CHO TRƯỚC
Phương án số: 03
Thiết kế mobile platform di chuyển bám line cho trước với các yêu cầu sau:
(1) Vận tốc lớn nhất cho phép
(2) Bán kính cong nhỏ nhất của line
(3) Sai số cho phép

9,7 mm


MỤC LỤC
Mục Lục.................................................................................................................i
Chương 1: tổng quan ............................................................................................ 1
1.1. Mục tiêu đồ án mơn học ............................................................................1
1.2. Tìm hiểu về kết cấu cơ khí của xe đua ......................................................1

1.3. Đặt đề bài ...................................................................................................8
Chương 2: lựa chọn phương án ............................................................................9
2.1. Phương án cơ khí .......................................................................................9
2.1.1. Lựa chọn kết cấu ................................................................................9
2.1.2. Lựa chọn bánh xe ...............................................................................9
2.2. Phương án điện .......................................................................................... 9
2.2.1. Lựa chọn động cơ ...............................................................................9
2.2.2. Lựa chọn nguồn và cảm biến ............................................................. 9
2.3. Phương án điều khiển ..............................................................................10
Chương 3: thiết kế .............................................................................................. 12
3.1. Phần cơ khí .............................................................................................. 12
3.1.1. Chọn bánh xe chủ động ....................................................................12
3.1.2. Tính tốn chọn động cơ ....................................................................12
3.1.3. Thiết kế khung robot ........................................................................14
3.2. Phần điện .................................................................................................15
3.2.1. Lựa chọn Driver ...............................................................................15
3.2.2. Thiết kế bộ điều khiển PID cho động cơ ..........................................17
3.2.3. Lựa chọn cảm biến ...........................................................................19
3.2.4. Lựa chọn nguồn ................................................................................23
3.2.5. Sơ đồ khối chung của hệ thống điện ................................................24
3.3. Phần máy tính .......................................................................................... 25
3.3.1. Lựa chọn vi điều khiển .....................................................................25
3.3.2. Chọn bộ điều khiển...........................................................................25
3.3.3. Sơ đồ giải thuật .................................................................................26
3.4. Phần công nghệ thông tin ........................................................................27
3.4.1. Thiết lập phương trình động học cho robot ......................................27
3.4.2. Mô phỏng trên Matlab ......................................................................30
3.4.3. Nhận xét kết quả mô phỏng .............................................................. 36
3.5. Kết quả thực nghiệm ...............................................................................37
tài liệu tham khảo ............................................................................................... 39

i


ĐỒ ÁN THIẾT KẾ HỆ TỐNG CƠ ĐIỆN TỬ

GVHD: TS. Nguyễn Tấn Tiến

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN
1.1. Mục tiêu đồ án môn học
Thiết kế và chế tạo mobile platform thực hiện nhiệm vụ đua theo sa bàn cho
trước (Hình 1.1) và có những đặc tính sau:
- Màu sắc đường line: đen.
- Màu nền: trắng.
- Bề rộng đường line: 26mm.
- Bề mặt địa hình di chuyển: phẳng.
F

B

E

C

A

END

START

D

G
1500

3000

Hình 1.1: 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 như sau:
(START) A → B → C → D → E → F → C → G → A → C → E (END).
1.2. Tìm hiểu về kết cấu cơ khí của xe đua
Hiện nay, xe đua mơ hình được điều khiển từ xa thường có sơ đồ ngun lý như
Hình 1.2. Những sản phẩm làm theo kết cấu này gồm: Traxxas Rally TQi2, ECX Amp
DB, WL Toys Wave Runner Super Sport, HPI Racing Trophy Flux, Carrera Electric
Blue Scorpion,…
Với kết cấu cơ khí trên, 4 bánh đều là bánh chủ động được truyền động bởi 01
động cơ qua 02 bộ vi sai. Đồng thời xe bánh nối với thân xe bằng cơ cấu 4 khâu bản lề
và được gắn thêm bộ phận giảm chấn. Những yếu tố trên giúp xe bám địa hình tốt hơn
và có thể qua những đoạn đường cong với tốc độ nhanh.

1


ĐỒ ÁN THIẾT KẾ HỆ TỐNG CƠ ĐIỆN TỬ

GVHD: TS. Nguyễn Tấn Tiến

w1

Hình 1.2: Sơ đồ nguyên lý của xe đua mơ hình
Chính vì những đặc điểm đã nêu nên những xe trên có kết cấu phức tạp. ta xem
xét tới những kết cấu đơn giản hơn.
Cũng với 4 bánh chủ động, nhưng được dẫn động bởi 4 động cơ riêng biệt như
kết cấu của fireball, DG012 – ATV, DF robot với sơ đồ nguyên lý như hình bên dưới
(Hình 1.3).

w1

w2

w3

w4

a)

b)

Hình 1.3 Robot sử dụng 4 bánh chủ động
a) Sơ đồ nguyên lý. b) robot DG012 – ATV.
Ta thấy kết cấu này rất đơn giản nhưng nếu chỉ xét riêng phần cơ khí thì loại xe
này chỉ phù hợp với những ứng dụng có vận tốc di chuyển chậm, vì với 4 bánh được
dẫn động bởi 4 động cơ riêng biệt thì việc tạo ra tâm quay tức thời là rất khó, do đó sẽ

2


ĐỒ ÁN THIẾT KẾ HỆ TỐNG CƠ ĐIỆN TỬ

GVHD: TS. Nguyễn Tấn Tiến

dẫn đến hiện tượng trượt khi đua với tốc độ cao. Để khắc phục nhược điểm này thì cần
có bộ điều khiển phức tạp.
Khắc phục hiện tượng trượt đi đua với vận tốc cao thì có thể sử dụng 2 bánh
chủ động gắn trên 2 động cơ độc lập để thực hiện đồng thời 2 nhiệm vụ là tạo mơ men
chính cho xe, vừa thực hiện việc thay đổi hướng chuyển động cho xe. Với những loại
xe có tỉ lệ kích thước chiều dài/rộng lớn và việc bố trí cảm biến ở phía trước như
Silvestre line following robot, Lab 24 Line Tracking Robot thì cần tới 2 bánh tự lựa
đặt phía trước cùng với cảm biến để đảm bảo cân bằng cho xe trong quá trình đua, kết
cấu được thể hiện ở Hình 1.4a.

w2

w1

a)

b)

Hình 1.4 Robot có 2 bánh chủ động và 2 bánh tự lựa.
a) Sơ đồ ngun lý. b) robot Silvestre.
Cịn với những xe có tỉ lệ kích thước theo chiều dài/chiều rộng nhỏ và
cảm biến được đặt ở giữa như TechBot1 thì chỉ cần 1 bánh bị tự lựa đặt ở trước cảm
biến là có thể để đảm bảo cân bằng cho xe khi đua với tốc độ cao, kết cấu được thể
hiện ở Hình 1.5a.

w2

w1

a)

b)

Hình 1.5 Robot với 2 bánh chủ động và 1 bánh tự lựa.
a) Sơ đồ nguyên lý. b) TechBot1 line following robot.

Hệ thống line của line following robot có thể là hệ thống line vật lý (line trắng
trên nền đen hoặc line đen trên nền trắng), có thể là hệ thống line từ, laser [1,2]. Với hệ

3


ĐỒ ÁN THIẾT KẾ HỆ TỐNG CƠ ĐIỆN TỬ

GVHD: TS. Nguyễn Tấn Tiến

thống line vật lý thường có 2 loại: loại thứ nhất được ghép lại từ những ơ có hình dạng
line cố định (Hình 1.6 b), loại cịn lại được vẽ trước trên nền (Hình 1.6 a) [3].

a)

b)

Hình 1.6 Tập các ơ có hình dạng cố định
a) line được ghép từ những ơ có sẵn. b) line được thiết kế cố định trên sàn
Trong trường hợp muốn tăng độ khó cho việc phát hiện line của robot thì những
hệ thống line có bề rộng line thay đổi bất thường; có sự thay đổi qua lại đột ngột giữa
màu line và màu nền (Hình 1.7); hay hệ thống line có những đoạn đứt khúc, cung trịn

hay giao nhau [4,5].

Hình 1.7 Line có những thay đổi bất thường.
Việc trang bị bộ phận cảm biến phát hiện line cho robot cũng quan trọng. Trong
trường hợp sử dụng hệ thống line vật lý thì có thể dùng camera [6,7,8], cảm biến hồng
ngoại [9], cảm biến quang điện trở [1,10,11], hoặc phototransistor [12,13,14,15].
Trường hợp dùng camera để xác định vị trí của line cũng như góc và khoảng
cách lệch nhỏ nhất từ robot đến line thì người ta sử dụng 2 khung hình được camera
bắt được ở 2 thời điểm khác nhau [8].
Đối với các loại cảm biến như hồng ngoại, cảm biến quang điện trở, hoặc
phototransistor thì có ngun lý hoạt động giống nhau. Bộ cảm biến gồm có 2 bộ phận
phần phát tạo ra chùm sóng điện từ có bước sóng có tần số nằm trong vùng tần số ánh
sáng hình thấy hoặc nằm trong vùng tần số của ánh sáng hồng ngoại, sau khi chùm
sóng này gặp mặt sàn sẽ phản xạ lại và được bộ phận thu nhận, bộ phận này có nhiệm
vụ chuyển tín hiệu nhận được sang tín hiệu điện áp (Hình 1.8). Tùy vào cường độ của
chùm sóng nhận được mà tìn hiệu điện áp đọc về khác nhau. Mặc khác, cường độ
chùm sóng phản xạ về bộ phận nhận phụ thuộc vào bề mặt của mặt sàn, do đó có thể
phát hiện được line.

4


ĐỒ ÁN THIẾT KẾ HỆ TỐNG CƠ ĐIỆN TỬ

GVHD: TS. Nguyễn Tấn Tiến

Bộ phận phát

Bộ phận thu

Chùm sóng phản xạ

Chùm sóng phát ra

Mặt sàn

Hình 1.8: Ngun lý hoạt động của cảm biến hồng ngoại, quang điện trở…
Mặc dù nguyên lý hoạt động giống nhau, nhưng cảm biến hồng ngoại và
phototransistor dẫn thường được dùng nhiều hơn quang điện trở bởi vì thời gian đáp
ứng của phototransistor và cảm biến hồng ngoại nhanh hơn quang điện trở. với cảm
biến là phototransistor và quang điện trở thì nguồn phát thường là LED siêu sáng
(thường dùng màu đỏ-vì có cường độ quang phổ mạnh) hoặc có thể dùng LED hồng
ngoại.
Có 2 cách đọc giá trị áp của bộ phận thu cảm biến trả về. Cách đầu tiên là đọc
theo dạng analog với sơ đồ điện của một cảm biến như (Hình 1.9).
VDD

Vout

Hình 1.9: Sơ đồ điện của một cảm biến để đọc giá trị analog
Các giá trị đọc về qua phép xấp xỉ để tìm ra vị trí của đường line như
(Hình 1.10). Phương pháp này cho ra sai số phát hiện line nhỏ 2.6mm [13].

Hình 1.10: Tìm vị trí đường line thơng qua phương pháp xấp xỉ tín hiệu analog

5


ĐỒ ÁN THIẾT KẾ HỆ TỐNG CƠ ĐIỆN TỬ

GVHD: TS. Nguyễn Tấn Tiến

Ngồi ra cịn có cách đọc digital. Tín hiệu đầu ra của cảm biến vẫn là anlog
nhưng sau đó thơng qua mạch lấy ngưỡng, hoặc lấy ngưỡng bằng lập trình để cho ra 2
giá trị logic 0 hoặc 1 ứng với vị trí của cảm biến trên đường line hoặc ngoài đường
line. Sơ đồ mạch cảm biến của phương pháp này như (Hình 1.11)

VDD
+

out

Vout

Out

-

Hình 1.11: Sơ đồ điện của 1 cảm biến để đọc giá trị digital
Khi đó giá trị của dãy cảm biến trả về sẽ là chuỗi bit 0,1. Giả xử bộ phận cảm
biến gồm có 8 cảm biến, và khi cảm biến nằm trên line thì trả về giá trị 1 (chấm trịn
được tơ đen), nằm ngồi đường line thì trả về giá trị 0 (chấm trịn trống), và tại thời
điểm có 2 cảm biến nằm trên line. Vậy giá trị của dãy cảm biến trả về khi line di
chuyển từ trái qua phải sẽ như (Hình 1.12). Căn cứ vào chuỗi giá trị này robot có thể
xác định được robot lệch với đường line nhiều hay ít.

Hình 1.12: Giá trị digital đọc về của dãy cảm biến
Do kích thước vật lý của cảm biến lớn nên ảnh hưởng tới khoảng cách giữa 2
cảm biến điều này ảnh hưởng trực tiếp đến sai số phát hiện line của dãy cảm biến, vậy
nên phương pháp này tạo ra sai số lớn hơn phương pháp đầu tiên.

Tùy vào hệ thống đua mà cách bố trí cảm biến cũng khác nhau. Đơn giản và
thường dùng nhất là xếp theo đường thẳng [12,13,1,10,14]. Ngoài ra để cải thiện khả
năng phát hiện line thì các cảm biến có thể xếp theo ma trận (Hình 1.13a), hoặc là
đường thẳng nhưng khoảng cách giữa các cảm biến khác nhau [1] hoặc hình chữ V
như hình bên dưới (Hình 1.13b) khi đó khả năng phát hiện các góc cua phức tạp nhanh
hơn [3].

6


ĐỒ ÁN THIẾT KẾ HỆ TỐNG CƠ ĐIỆN TỬ

GVHD: TS. Nguyễn Tấn Tiến

b)

a)

Hình 1.13: Bố trí cảm biến
a) bố trí theo dạng ma trận. b) bố trí theo hình chữ V.
Vị trí của cụm cảm biến cũng có thể đặt phía trước, giữa hoặc sau robot [1].
Chẳng hạn như trong tài liệu [1] nếu như đặt dãy cảm biến cách 2 bánh chủ động phía
sau 1 khoảng bằng l/2 với l là khoảng cách giữa 2 bánh, thì khi đó khi qua góc cua 900
thí bánh sẽ đứng n làm tâm quay, bánh còn lại chuyển động để đổi hướng robot. Còn
khi dãy cảm biến đặt trên đường thẳng của 2 bánh thì 2 bánh sẽ quay cùng tốc độ
nhưng ngược chiều để chuyển hướng 900.
Về phần điều khiển, robot bán line có thể được điều khiển bằng bộ điều khiển
on-off [11]. Với bộ điều khiển này chỉ cần dùng 2 cảm biến đặt cách nhau 1 khoảng
lớn hơn chiều rộng của đường line, khi một cảm biến nằm trên line thì động cơ tương
ứng bên đó sẽ đứng n, và ngược lại, và cả 2 động cơ sẽ cùng quay khi khơng có cảm

biến nào nằm trên đường line. Phương pháp điều khiển này không thể áp dụng cho
robot thực hiện tác vụ đua đồng thời cũng không thể điều khiển robot bám line với sai
số nhỏ.
Dùng bộ điều khiển PID [13,6,7,16,14], với thí nghiệm trong tài liệu [6] robot
dùng là robot 2 bánh tự cân bằng với camera là cảm biến phát hiện line và hệ thống
vừa thực hiện nhiệm vụ tự cân bằng, vừa thực hiện nhiệm vụ bám line, và sai số bám
line được thực nghiệm trong tài liệu [6] lớn với
. Cũng là bộ điều khiển
PID nhưng tín hiệu đọc về là tín hiệu analog từ cảm biến quang qua phương pháp xấp
xỉ trung bình có trọng số (weighted average method) [13,16], kết quả thu được từ thực
nghiệm được trình bày trong tài liệu [13] là robot bám được line với vận tốc trung bình
, hay có thể đạt vận tốc
[16], hoặc với bộ PID của robot đề
cập trong tài liệu [17] thì robot có thể đạt
.
Hoặc với bộ điều khiển fuzzy [10] thì hầu hết đều sử dụng dữ liệu mà cảm biến
trả về như (Hình 1.12), từ đó robot sẽ biết được nó lệch đường line nhiều hay ít và từ
đó đưa ra giá trị vận tốc của các động cơ tương ứng để bám đường line.
Ngồi ra cịn có bộ điều khiển được phát triển cho mơ hình robot bám line đó là
bộ điều khiển Following tracking [7]. Bộ điều khiển này xem xét 3 sai số của robot và
line theo phương tiếp tuyến e1, theo phương pháp tuyến e2, và theo góc lệch giữa robot
với line e3 để điều khiển robot thơng q các biến điều khiển là vận tốc góc và vận
tốc dài theo phương trình:
e
e
{
e
in e
Trong đó k1, k2, k3 là các hệ số của bộ điều khiển.

7


ĐỒ ÁN THIẾT KẾ HỆ TỐNG CƠ ĐIỆN TỬ

GVHD: TS. Nguyễn Tấn Tiến

1.3. Đặt đề bài
Dựa vào kết quả tìm hiểu các xe loại xe đua bám line ta thấy, vận tốc xe đạt
được nằm trong khoảng 1.5m/s – 2.2 m/s. vì mục tiêu là để đua nên ta chọn vận tốc sơ
bộ cho xe là 1.5 m/s.
Theo sa bàn hệ thống line thì bán kính cong nhỏ nhất của line là: 500 mm.
Để đảm bảo thời gian đua ngắn nhất thì tốc độ tại những đoạn line thẳng phải
đạt tốc độ cao nhất mà phải đảm bảo robot đi đúng đường line và tại vị trí giao nhau ở
giữ sa bàn (Hình 1.14) thì robot dễ bị sai lệch đường line nhất, do đó sai số bám line
sẽ tính tại vị trí này.

D
C
α
B

A

O

Hình 1.14 Mơ hình tình sai số bám line.
Giả sử tại vị trí giao nhau O thì sai số bám line
và sau đó bắt đầu
có sai số, mặt khác tại vị trí này robot phải chạy thẳng do đó sai số sẽ tăng lên. Nếu xe

chạy theo quỹ đạo nằm phía trên đường OD thì robot sẽ bị lệch sang line trên và đi sai
quỹ đạo đã được yêu cầu, nói cách khác, sai số của lần lấy mẫu trước khi xe rời khỏi vị
trí giao O lớn hơn AC thì robot sẽ đi sai quỹ đạo đã quy định. Xét thời gian lấy mẫu
lớn nhất
, vận tốc lớn nhất
, suy ra quảng đường mà robot
đi được giữa 2 lần lấy mẫu:
Từ thông số của sa bàn ta tính được
(
)
(
Suy ra:
Hay
Vậy yêu cầu đề bài là:
Vận tốc lớn nhất:
Bán kính cong nhỏ nhất của line:
Sai số bán line lớn nhất:

8

)


ĐỒ ÁN THIẾT KẾ HỆ TỐNG CƠ ĐIỆN TỬ

GVHD: TS. Nguyễn Tấn Tiến

CHƯƠNG 2: LỰA CHỌN PHƯƠNG ÁN
2.1. Phương án cơ khí
2.1.1. Lựa chọn kết cấu

Kết cấu cơ khí của robot cần đảm bảo ổn định cho robot chạy ở vận tốc tối đa là
1,5m/s và có khả năng thực hiện chuyển hướng ở những vị trí chuyển hướng gấp, góc
900. Với u cầu đó thì kết cấu như xe đua mơ hình (Hình 1.2) là tốt nhất, tuy nhiên
do mơ hình này phức tạp và do hạn chế về khả năng chế tạo của nhóm sinh viên. Nên
nhóm khơng chọn kết cấu này. Đồng thời cần dễ điều khiển để nhầm giảm thời gian xử
lý của bộ điều khiển để đảm bảo được mục tiêu đua. Mặt khác, robot khơng mang tải
nên sử dụng mơ hình robot gồm 02 bánh chủ động được điều khiển độc lập bởi 02
động cơ và 01 bánh tự lựa như sơ đồ nguyên lý (Hình 1.5a) là hợp lý.
2.1.2. Lựa chọn bánh xe
a) Bánh chủ động
Bánh xe chủ động phải đáp ứng được yêu cầu: nhẹ, bền, khả năng bám đường
tốt, có sẵn trên thị trường.
Vì vậy, bánh chủ động được chọn là các loại bánh cho xe đua mơ hình chun
dụng, vỏ bằng cao su và khung bằng nhựa.
b) Bánh xe bị động
Bánh xe bị động phải đáp ứng yêu cầu chuyển hướng linh hoạt, kích thước nhỏ
gọn, khối lượng nhẹ và có sẵn trên thị trường. Có 03 loại bánh dẫn hướng thường
dùng: bi cầu (hay còn gọi là bánh mắt trâu), bánh OMNI, bánh caster. So sánh về kích
thước vật lý thì bi cầu có kích thước nhỏ hơn đồng thời khơng làm thay đổi tính chất
động học của robot khi robot chuyển hướng gấp. Do đó việc chọn bi cầu làm bánh tự
lựa là hợp lý.
2.2. Phương án điện
2.2.1. Lựa chọn động cơ
Động cơ phải có khả năng đáp ứng được mô mem và vận tốc 1,5 m/s mà robot
yêu cầu.
Có 02 loại động cơ thường dùng cho bánh chủ động:
- DC servo: thường dùng trong một số trường hợp đặt biệt, cần khả năng
đáp ứng nhanh, chính xác và ổn định.
- DC thường có gắng encoder: được sử dụng phổ biến.
2.2.2. Lựa chọn nguồn và cảm biến

a) Nguồn điện
Yêu cầu của bộ nguồn. Nguồn phải có khả năng cấp 2 mức điện áp cho hệ
thống, 12V cho động cơ DC và 5V cho cảm biến và vi điều khiển. Đồng thời phải cấp
đủ cơng suất và có dung lượng đủ cho khả xe hoạt động liên tục trong thời gian 5-10
phút. Theo tính tốn sơ bộ thì bộ nguồn được chọn như sau: Chọn 4 viên pin sạc 18650
Panasonic 3.7V, 3700mAh thông qua mạch giảm áp để giảm áp xuống 12V và 5V.
b) Cảm biến
Theo phần tìm hiểu tổng quan thì có thể dùng cảm biến hồng ngoại, quang điện
trở hoặc phototransistor. Để đảm bảo sai số nhỏ 9,7 mm thì sai số do cảm biến gây ra
phải nhỏ. Vì vậy nhóm sẽ đọc tín hiệu analog từ cảm biến và thực hiện phép xấp xỉ
gần đúng có trọng số [13]. Ba loại cảm biến trên có có sự khác biệt về mặt sai số,
nhiễu. Mặc khác, theo việc thử cảm biến trước của nhóm thì sử dụng modun cảm biến

9


ĐỒ ÁN THIẾT KẾ HỆ TỐNG CƠ ĐIỆN TỬ

GVHD: TS. Nguyễn Tấn Tiến

phototransistor TCRT5000 sẽ dễ dàng hơn cho việc thiết kế mạch, calip. Nên nhóm
chọn loại cảm biến TCRT500.
Để phục vụ cho việc dò line, theo như tài liệu tham khảo [13] thì ta sẽ dùng 7
bộ cảm biến xếp thành hàng ngang làm cụm cảm biến chính để đọc tín hiệu analog, và
2 cảm biến phụ đặc ngồi cùng của dãy để phát hiện những điểm chuyển hướng 900
trên sa bàn. Theo như việc thử cảm biến trước của nhóm thì khoảng cách giữa 2 cảm
biến là 15mm và cách mặt sàn 10mm, sự bố trí này sẽ cho ra sai số phát hiện line là
1.5mm nhỏ hơn với sai số yêu cầu là 8.5mm, theo (Hình 2.1).
15

10

Hình 2.1: Sơ đồ bố trí cảm biến được chọn
2.3. Phương án điều khiển
Bộ điều khiển phải giải quyết được yêu cầu sai số bám line của robot là 9.7mm,
đồng thời phải đảm bảo vi xử lý có thể xử lý nhanh để đáp ứng được tốc độ tối đa
1,5m/s của robot. Các bộ điều khiển fuzzy, on-off tuy đáp ứng được yêu cầu về tốc độ
xử lý của vi điều khiển nhưng bất lợi trong việc đảm bảo sai số bám line. Và giả pháp
là sử dụng bộ điều khiển Following tracking có thể đáp ứng được 2 yêu cầu trên.
Hệ thống điều khiển có nhiệm vụ đọc tín hiệu từ cảm biến dị line, sau đó xử lý
và đưa ra tín hiệu điều khiển các động cơ, đồng thời cũng có nhiệm vụ đọc các tín hiệu
phản hồi encoder từ các động cơ để phục vụ quá trình điều khiển vịng kín.
Có 2 phương án điều khiển:
- Điều khiển tập trung (Centralized control): dùng 1 vi điều khiển thực hiện 2
nhiệm vụ trên.
- Điều khiển phân cấp (Distributed control): dùng 1 vi điều khiển đọc tín hiệu
cảm biến dị line và truyền tín hiệu điều khiển xuống 2 vi điều khiển khác để
điều khiển 2 động cơ.
Ta thấy cả 2 phương án đều đáp ứng được nhiệm vụ bài tốn. Nhưng để có thể
thực hiện việc xây dựng và phát triển các modul cảm biến, động cơ một cách dễ dàng
là linh hoạt thì phương pháp điều khiển phân cấp là hợp lý (Hình 2.2).
Để điều khiển chính xác việc bám line của robot ta sử dụng bộ điểu khiển PID
với sơ đồ như. Trong đó Tín hiệu sensor được đọc về, thông qua giải thuật bám line ta
xác định được sai số bám line, sai số này được đưa vào bộ điều khiển PID, tính tốn
đưa ra điều chỉnh vận tốc của hai động cơ giúp xe bám theo line.

10


ĐỒ ÁN THIẾT KẾ HỆ TỐNG CƠ ĐIỆN TỬ

GVHD: TS. Nguyễn Tấn Tiến

Dãy sensor

Slave
PIC16F887

Slave
Arduino
Uno R3

Slave
Arduino
Uno R3

Master
Arduino
Nano

DC MOTOR 1

DC MOTOR 2

DRIVER TB6612
encoder

encoder

Hình 2.2 Sơ đồ điều khiển phân cấp.

11


ĐỒ ÁN THIẾT KẾ HỆ TỐNG CƠ ĐIỆN TỬ

GVHD: TS. Nguyễn Tấn Tiến

CHƯƠNG 3: THIẾT KẾ
3.1. Phần cơ khí
3.1.1. Chọn bánh xe chủ động
Tiến hành chọn bánh xe chủ động dựa trên việc ham khảo bánh chủ động của
các robot như sau: Lab 24 Line Tracking sử dụng bánh chủ động loại SPG30, đường
kính 80 mm; Robot Jet sử dụng bánh chủ động Lego đường kính 33,4 mm; Fireball
line follower robot sử dụng bánh chủ động loại Aluminum –Silicone Wheel Set đường
kính 50 mm. Ngồi ra, trên thị trường hiện nay thường sử dụng các loại bánh xe V1,
V2, V3 với đường kính từ 40 – 80 mm.
Từ những thơng tin trên ta chọn sơ bộ bánh xe có đường kính 65 mm cho line
follower robot của nhóm.
3.1.2. Tính tốn chọn động cơ
Xét các lực tác dụng lên một bánh xe chủ động, giả sử toàn bộ khối lượng xe
phân bố lên hai bánh xe, có mơ hình tính tốn như sau:

M
P
N

Fms

Hình 3.1: Sơ đồ tính tốn.

 Coi bánh xe có dạng trịn, đặc đồng chất, momen qn tính của bánh xe:
I= m
 Phương trình cân bằng momen đối với tâm bánh xe:
=I
=
+I
 Phương trình định luật II Newton theo phương ngang:
=(
)
=(
) + m
 Để bánh xe lăn không trượt, momen M phải thỏa mãn điều kiện:
M
m
+ (
)
Trong đó:
I : momen quán tính bánh xe (kg.m2)
M : momen tác dụng lên bánh xe (N.m)
r : bán kính bánh xe (m)
Fms : lực ma sát tĩnh (N)
: gia tốc góc (rad/s2)
a : gia tốc dài (m/s2)
K : khối lượng thân xe ( kg)

12


ĐỒ ÁN THIẾT KẾ HỆ TỐNG CƠ ĐIỆN TỬ

GVHD: TS. Nguyễn Tấn Tiến

M : khối lượng bánh xe ( kg)
Các đại lượng đã biết:
- Khối lượng bánh xe: 0,025 kg
- Khối lượng thân xe ước lượng: 0,8 kg
- Đường kính bánh xe: 65 mm
- Hệ số ma sát: = 1
- Tốc độ yêu cầu: 1,8 m/s
- Gia tốc yêu cầu: 1,5 m/s2
Từ các thơng số trên, ta tính được:
 Momen cần thiết của động cơ:
M = 21,33 Nmm
 Momen giới hạn lăn không trượt:
= 136,11 Nmm
 Chu vi bánh xe:
= 0,065. = 0,2042 m
 Tốc độ vòng/phút của bánh xe:
= ( ⁄ ).60= (2/0,2042).60 = 528 vịng/phút
 Cơng suất u cầu của động cơ :
= T. = 1,3 W
Với hệ số dự trữ 2, công suất cần thiết của 1 động cơ là : 1,3.2 = 2,6 W.
Từ những thông tin trên và các loại động cơ hiện có trên thị trường ta chọn
động cơ giảm tốc ESCAP – 16G 214E MR19 có các thơng số như sau:
Bảng 3.1: Thơng số của động cơ ESCAP – 16G 214E MR19
Công suất đầu ra
Điện áp định mức
Tốc độ
Dịng định mức
Mơ men đầu ra

Khối lượng
Động cơ
Hộp giảm tốc
Encoder
Trục

3,6 W
12 V
540 vòng/phút
300 mA
143 Nmm
150 g
Đường kính
Chiều dài
Đường kính
Chiều dài
Đường kính
Chiều dài
Số lượng dây
Đường kính
Chiều dài

 Ta tính lại vận tốc tối đa với động cơ vừa chọn:
v = (540/60).0,065.  = 1,838 m/s

13

16mm
27 mm
16 mm

17 mm
16 mm
8 mm
4 mm
3 mm
8 mm


ĐỒ ÁN THIẾT KẾ HỆ TỐNG CƠ ĐIỆN TỬ

GVHD: TS. Nguyễn Tấn Tiến

3.1.3. Thiết kế khung robot
Danh sách khung các linh kiện trong robot được liệt kê trong bảng Bảng 3.1
Bản vẽ thiết kế khung, các chi tiết liên quan cũng như bản vẽ lắp của robot
được trình bày riêng trên bản vẽ được đính kèm theo file thuyết minh
Bảng 3.2: Bảng danh sách các linh kiện của robot.
Số lượng

Tên linh kiện
Kit PIC16F887
Driver TB6612
Gá động cơ
Pin nguồn
Cảm biến hồng ngoại TCRT 5000
Mạch chuyển áp LM2596
Bánh chủ động
Arduino UNO
Arduino NANO
Trục động cơ

Bánh mắt trâu
Vít cấy Step crew + vịng đệm
Lục giác chìm
Bu lơng M3
Đai ốc M3
Vít M2
Vít M4
Trụ đồng 30mm

01
01
02
01
09
01
02
02
01
02
01
02
02
30
28
04
02
04

14

ĐỒ ÁN THIẾT KẾ HỆ TỐNG CƠ ĐIỆN TỬ

GVHD: TS. Nguyễn Tấn Tiến

3.2. Phần điện
3.2.1. Lựa chọn Driver
- Driver kết hợp với động cơ phải có đặc tính tuyến tính giữa áp đầu vào driver
và vận tốc đầu ra của động cơ.
- Driver phải có khả năng cung cấp 12V DC và dịng 600mA cho động cơ đã tính
tốn ở phần cơ khí.
Xuất phát từ 2 yêu cầu trên ta chọn mạch driver TB6612 để điều khiển cho hai
động cơ. Với các thơng số kỹ thuật:
- Driver TB6612 có tích hợp hai mạch cầu H điều khiển hai động cơ.
- Điện áp cung cấp cho: thấp hơn 15V DC
- Dòng ra trung bình ở mỗi mạch cầu H: 1.2A (mắc song song lên đến 2.4V)
- Điện áp của tín hiệu điều khiển: từ +2.7V đến +5.5V
- Dịng của tín hiệu ngõ ra của mỗi mạch cầu: 1A
Để đảm bảo driver đã chọn đáp ứng được yêu cầu đăt ra ta phải tiến hành thí
nghiệm kiểm tra quan hệ tuyến tính giữa áp đầu vào và vận tốc đầu ra của 2 động cơ.
Kết quả thể hiện trong hình bên dưới (Hình 3.2).

Hình 3.2: Đồ thị biểu thị mối liên hệ giữa xung cấp và vận tốc của hai động cơ
Tiếp theo ta tuyến tính hóa đường quan hệ này của 2 động cơ. Kết quả của q
trình tuyến tính hóa thể hiện qua 2 hình bên dưới (Hình 3.3) và (Hình 3.4). Phương
trình thể hiện mối quan hệ giữa áp đầu vào Driver (thể hiện qua giá trị duty cycle của
tần số PWM) và vận tốc đầu ra của động cơ bên trái và bên phải lần lượt là:
.
.
.

.
Trong đó:
YL, YR : lần lượt là vận tốc đầu ra (vòng/phút) của động cơ trái, phải
XL, XL: lần lượt là giá trị duty cycle (%) của PWM cấp vào 2 động cơ trái, phải

15


ĐỒ ÁN THIẾT KẾ HỆ TỐNG CƠ ĐIỆN TỬ

GVHD: TS. Nguyễn Tấn Tiến

Hình 3.3: Tuyến tính hóa vận tốc động cơ bên phải

Hình 3.4: Tuyến tính hóa vận tốc động cơ bên Trái
Kết luận:
- Khi cấp xung PWM trong khoảng 0% đến 100% thì vận tốc ra của cả hai động
cơ gần như tuyến tính với xung cấp.
- Khi cấp 100% xung PWM thì vận tốc tối đa mà động cơ trái đạt được là 520
(vòng/phút) và động cơ đạt được là 572(vòng/phút).
- Driver đã chọn phù hợp với yêu cầu đặt ra.

16


ĐỒ ÁN THIẾT KẾ HỆ TỐNG CƠ ĐIỆN TỬ

GVHD: TS. Nguyễn Tấn Tiến

3.2.2. Thiết kế bộ điều khiển PID cho động cơ

Trước hết ta xác định gần đúng hàm truyền của động cơ thông qua việc xác
định thời gian đáp ứng. Việc xác định này được tiến hành theo các bước sau:
- Cấp cho động cơ một mức điện áp cố định, ở thí nghiệm này chọn mức
điện áp là 6V ứng với giá trị duty cycle của PWM là 50%.
- Ghi lại giá trị vận tốc của động cơ theo thời gian. Thời gian lấy mẫu
được chọn càng nhỏ càng tốt. ở thí nghiệm này chọn là 1μs.
Kết quả của thí nghiệm được thể hiện qua Hình 3.5:

Hình 3.5: Thời gian đáp ứng của hai động cơ tại giá trị duty cycle của PWM là 50%
Dựa vào đồ thị hình 3, khi cấp xung cho động cơ ta thấy khơng có độ vọt lố, từ
đó suy ra hệ thống có dạng bậc nhất ( )

)
)

, với Km (rpm/pwm) là hằng số

độ lợi của động cơ và cũng là hệ số góc của phương trình tuyến tính đã tìm ở phần trên
và T(sec) là hằng số thời gian đáp ứng thể hiện qua Hình 3.6:

Hình 3.6: Đồ thị đường cong đáp của hệ bậc nhất

17


ĐỒ ÁN THIẾT KẾ HỆ TỐNG CƠ ĐIỆN TỬ

GVHD: TS. Nguyễn Tấn Tiến

Từ đó ta có được hàm truyền của hai động cơ:

-

Động cơ bên trái:
Động cơ bên phải:

()
()

.
.

S
.
.

S

Để đảm bảo được sai số cho phép của bám line là 9.7mm, và thời gian lấy mẫu
của cả hệ thống là 0.01s thì ta chọn các yêu cầu đáp ứng của động cơ như sau:
- Settling time thấp hơn 0.04 giây.
- Overshoot thấp hơn 4%.
- Steady-state error thấp hơn 1%.
Tiếp theo ta xác định các hệ số Kp, Kd, Ki cho bộ điều khiển PID. Bằng công
cụ PIDtool của Matlab ta có thể xác định được các hệ số của bộ PID cho từng động cơ:
- Động cơ bên trái: Kp = 0.0080; Ki = 2.4047; Kd = 0.0000.
- Động cơ bên phải: Kp = 0.0047; Ki = 0.8240; Kd = 0.0000.
Với những thông số ban đầu của bộ điều khiển PID đã chọn như trên, thông qua
việc điều khiển thực tế ta chọn lại các thông số trên thông qua các bước sau:
- Chọn Kp trước: thử bộ điều khiển P, điều chỉnh Kp sao cho thời gian đáp
ứng đủ nhanh, chấp nhận overshot nhỏ.

- Thêm thành phần D để loại overshot, tăng Kd từ từ, thử nghiệm và chọn
giá trị thích hợp. Steady state error có thể sẽ xuất hiện.
- Thêm thành phần I để giảm steady state error. Nên tăng Ki từ bé đến lớn
để giảm steady state error đồng thời không để cho overshot xuất hiện trở
lại.
Kết quả của bộ PID cho 2 động cơ:
- Động cơ trái: Kp = 0.3; Kd = 0.004; Ki = 0.1
- Động cơ Phải: Kp = 0.35; Kd = 0.005; Ki = 0.2
Với 2 bộ PID tìm được ta có được đồ thị đáp ứng của 2 động cơ như hình bên
dưới (Hình 3.7) và (Hình 3.8):

Hình 3.7: Đáp ứng của động cơ bên trái khi có bộ PID.

18


ĐỒ ÁN THIẾT KẾ HỆ TỐNG CƠ ĐIỆN TỬ

-

GVHD: TS. Nguyễn Tấn Tiến

Nhận xét đáp ứng động cơ bên trái:
o Settling time :0.0175 giây
o Overshoot: 0%
o Steady-state error: 0.33%

Hình 3.8: Đáp ứng của động cơ bên phải khi có bộ PID.
Nhận xét đáp ứng động cơ bên phải:
o Settling time: 0.02 giây

o Overshoot: 0%
o Steady-state error: 5.33%
Theo kết quả thí nghiệm của nhóm thì kết quả trên là tốt nhất nhưng vẫn thấy
rằng sai số xác lập của động cơ bên phải không đáp ứng được yêu cầu đặt ra, cịn các
thơng số cịn lại của 2 động cơ đều thỏa mãn yêu cầu đặt ra. Nguyên nhân được đề
xuất là do cấu tạo của động cơ làm cho động cơ không ổn định dẫn đến giá trị xác lập
của động cơ không ổn định.
3.2.3. Lựa chọn cảm biến
Cảm biến: Phototransistor TCRT5000
- Dòng hoạt động IC tối đa là 100mA, IF là 20mA
- Điện áp hoạt động: 5V
- Công suất tiêu thụ: 200mW
- Khoảng cách hoạt động tốt nhất: 2.5mm
- Kích thước: L 10.2 x W 5.8 x H 7 mm
Thực hiện các thí nghiệm để xác định số lượng, khoảng cách giữa các cảm biến,
cũng như khoảng cách từ cảm biến tới mặt sàn
a) Thí nghiệm 1
Mục tiêu: Để chọn khoảng cách hợp lý giữa cảm biến với sàn
Sơ đồ mạch đo:
-

19


ĐỒ ÁN THIẾT KẾ HỆ TỐNG CƠ ĐIỆN TỬ

GVHD: TS. Nguyễn Tấn Tiến

5V

Ic
1k

If
10k

Vout

Điều kiện test:
o Test trên nền giấy A4.
o Vcc = 5 V
o Ic = 10 mmA

Hình 3.9: kết quả thí nghiệm xác định độ cao của cảm biến
Dựa vào kết quả đo được, ở khoảng cách từ 4 đến 5mm thì ánh sáng bị
phản xạ lại nhiều nhất (Vout nhỏ nhất). Vậy chọn h = 6mm để đo các thơng số
tiếp theo.
b) Thí nghiệm 2
Mục tiêu: xác định khoảng cách giữa 2 cảm biến
Tính tốn sơ bộ khoảng cách giữa 2 cảm biến để vùng hoạt động của chúng
khơng trùng lên nhau. Sử dụng mơ hình tính như Hình 3.10:

20


ĐỒ ÁN THIẾT KẾ HỆ TỐNG CƠ ĐIỆN TỬ

GVHD: TS. Nguyễn Tấn Tiến

Emitter

Detector

d

h

α

β

d1

Xd
d2

Hình 3.10: Mơ hình tính tốn xác định khoảng cách 2 cảm biến
Theo tài liệu [1], góc chiếu của emitter là α = 16 và góc chiếu của detector là
β = 30 . Theo tài liệu [2], khoảng cách giữa 2 cảm biến là d = 3.5 mm. Từ đó ta tính
được:

Như vậy để khơng bị nhiễu tín hiệu giữa 2 con cảm biến liên tiếp, ta
chọn khoảng cách giữa 2 con cảm biến liên tiếp là l > 6.94 mm
Chọn khoảng cách tối thiểu giữa 2 con cảm biến là l = 8 mm, sau đó kiểm tra
lại để xác định cảm biến có bị nhiễu hay khơng.
- Phương án đo như Hình 3.11:
o Dùng một con cảm biến, ta di chuyển con cảm biến này dần đến
đường line. Ghi lại các giá trị trả về ở các khoảng cách tương ứng.
o Sau đó, ta dùng 2 con cảm biến, đặt cách nhau 8 mm. Ta di
chuyển 2 con cảm biến này gần đến đường line. Ghi lại giá trị trả

về ở các khoảng cách tương ứng.
x
8m
m

x

Detector
Detector

Emitter
Emitter

Direction

Direction

Line
Line
Hình 3.11: Phương pháp để kiểm tra nhiễu giữa 2 cảm biến

Vì giá trị đọc về của bộ 1 cảm biến và bộ 2 cảm biến có giá trị tương tự nhau.
Nên ta có thể kết luận. Ở khoảng cách tối thiểu 8mm giữa 2 con. Thì giá trị đọc về của
cảm biến không bị nhiễu.

21


ĐỒ ÁN THIẾT KẾ HỆ TỐNG CƠ ĐIỆN TỬ

GVHD: TS. Nguyễn Tấn Tiến

c) Thí nghiệm 3
Mục tiêu: Xác định phương trình đâu vào, đầu ra và tính sai số.
Phương pháp thực hiện: Dùng 7 cảm biến, bố trí thành hàng ngang. Ghi lại các
giá trị đọc được từ các cảm biến. Dùng phương pháp trung bình của tài liệu [3] để tính
vị trí của tâm các cảm biến so với đường line. Từ đó tính ra sai số.
Cách bố trí:
- Chiều cao test của cảm biến là 9mm.
- Theo tài liệu [3], ta chọn khoảng cách giữa các con cảm biến sao cho
khi di chuyển cảm biến từ tâm đường line ra tại vị trí mà cảm biến đọc
về cịn lại 50% giá trị của nó. Từ thực nghiệm, ta chọn khoảng cách 2
con là 15mm.
- Số lượng cảm biến:7
Hướng di chuyển

x
15

9

x0
-3

x1

x2

x3

x4

x5

x6

-2

-1

0

1

2

3

Hình 3.12: Mơ hình test cảm biến
Calip cảm biến
- Dùng công thức calip của tài liệu [3]
(
-

-

)

Cảm biến đọc được giá trị trong khoảng 0.55÷4.38 (V). Ta mong muốn
giá trị cảm biến từ 0÷5(V). Vậy cơng thức calip là:

(
)
Cơng thức tính giá trị trung bình:
∑
∑

Hình 3.13: xác định đường line bằng phương pháp xấp xỉ

22