đồ án kỹ thuật điện cơ Điều khiển robot omni tránh vật cản

ĐAMH: Điều khiển hệ thống Bộ môn: Cơ điện tử


pg. 1

ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP.HCM
TRƯỜNG ĐH BÁCH KHOA

KHOA CƠ KHÍ
BỘ MÔN CƠ ĐIỆN TỬ
CỘNG HOÀ XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM
ĐỘC LẬP - TỰ DO – HẠNH PHÚC

NHIỆM VỤ ĐỒ ÁN MÔN HỌC
Tên đề tài: Điều khiển robot omni tránh vật cản
Giáo viên hướng dẫn: Nguyễn Thái Anh Tuấn
Sinh viên thực hiện: Bùi Quốc Vũ MSSV: 20503575

Lê Nhật Toàn MSSV: 20502985
Ngày nhận đồ án:
Ngày hoàn thành đồ án:
NHẬN XÉT CỦA GIÁO VIÊN HƯỚNG DẪN:





ĐAMH: Điều khiển hệ thống Bộ môn: Cơ điện tử


pg. 2

Giáo viên hướng dẫn
ĐAMH: Điều khiển hệ thống Bộ môn: Cơ điện tử


pg. 3


NHẬN XÉT CỦA GIÁO VIÊN DUYỆT












Giáo viên duyệt

ĐAMH: Điều khiển hệ thống Bộ môn: Cơ điện tử


pg. 4

LỜI CẢM ƠN
Đồ án này được hoàn thành đánh dấu sự trưởng thành trong công việc học
tập tại trường Đại học Bách khoa. Vì đây là đồ án đầu tiên chúng em làm nên
không tránh khỏi sự bỡ ngỡ cũng như còn rất nhiều sai sót. Nhưng với sự giúp đỡ
tận tình của thầy cô, cùng sự đóng góp ý kiến của các bạn sinh viên, chúng em
đã có thể hoàn thành tốt đồ án này.
Chúng em xin gửi lời cảm ơn chân thành đến các thầy cô trong bộ môn Cơ
điện tử, đăc biệt là thầy Nguyễn Thái Anh Tuấn đã tận tình hướng dẫn chúng
em thực hiện đề tài này. Cảm ơn các bạn sinh viên lớp CK05LCD1 đã giúp đỡ
chúng em hết mình. Và sự ủng hộ về tinh thần và vật chất của gia đình đã là
một sự ủng hộ to lớn để chúng em hoàn thành đồ án này.

Nhóm sinh viên thực hiện
Bùi Quốc Vũ
Lê Nhật Toàn
ĐAMH: Điều khiển hệ thống Bộ môn: Cơ điện tử


pg. 5


TỔNG QUAN
Đồ án điều khiển thống 1 là đồ án đầu tiên của chương trình học, giúp sinh viên làm
quen với mơi trường làm việc độc lập hay theo nhóm với sự hướng dẫn định kỳ của
giảng viên. Vận dụng những kiến thức đã học, sinh viên thực hành đi vào giải quyết một
vấn đề cụ thể.
Robot omni là một loại mobile robot di chuyển bằng những bánh xe đã được ứng dụng

nhiều trong thực tế do quỹ đạo chuyển động của nó rất đa dạng. Đặc biệt trong đó,
omni với 3 bánh xe có kết cấu lạ, nhưng chính vì thế sự phối hợp chuyển động của 3
bánh xe lại có thể cho ta điều khiển tốt quỹ đạo của robot.
Trong đồ án này, ta sẽ điều khiển phối hợp 3 động cơ rc servo và 3 cảm biến hồng
ngoại cho robot đi theo những quỹ đạo đơn giản và tránh chướng ngại vật. Mục tiêu
của đồ án giúp sinh viên làm quen với việc giải quyết một vấn đề nhỏ trong điều khiển
cũng như làm quen với các thiết bị trong thực tế. Từ đó, ta sẽ có kinh nghiệm giải quyết
những vấn đề rộng và sâu hơn trong thực tế sau này….

ĐAMH: Điều khiển hệ thống Bộ môn: Cơ điện tử


pg. 6


Sơ đồ phần cứng tổng quan của Robot omni


ĐAMH: Điều khiển hệ thống Bộ môn: Cơ điện tử


pg. 7



CHƯƠNG 1: TÌM HIỂU ĐỘNG CƠ RC SERVO

1. Động cơ RC SERVO là gì?

RC SERVO là chữ viết tắt của continous rotation servo, hoạt động nhờ chế độ

điều rộng xung và có thể quay liên tục 360 độ. Đây là loại động cơ có các đặc
tính như: momen lớn, dòng khởi động nhỏ, có thể hoạt động ở tốc độ nhỏ và
qn tính thấp. Động cơ này có hằng số thời gian điện và cơ rất nhỏ.
Động cơ servo được thiết kế cho những hệ thống hồi tiếp vòng kín. Tín hiệu ra
của động cơ được nối với một mạch điều khiển. Khi động cơ quay, vận tốc và vị
trí sẽ được hồi tiếp về mạch điều khiển này. Nếu có bầt kỳ lý do nào ngăn cản
chuyển động quay của động cơ, cơ cấu hồi tiếp sẽ nhận thấy tín hiệu ra chưa
đạt được vị trí mong muốn. Mạch điều khiển tiếp tục chỉnh sai lệch cho động cơ
đạt được điểm chính xác.

Động cơ servo có nhiều kiểu dáng và kích thước, được sử dụng trong nhiếu máy
khácnhau, từ máy tiện điều khiển bằng máy tính cho đến các mơ hình máy bay
và xe hơi. Ứngdụng mới nhất của động cơ servo là trong các robot, cùng loại với
các động cơ dùng trong mơ hình máy bay và xe hơi.



2. Loại động cơ RC SERVO được sử dụng

ĐAMH: Điều khiển hệ thống Bộ môn: Cơ điện tử


pg. 8

Ta sử dụng RC Servo của hãng Parallax, đây là sản phẩm lý tưởng để phục vụ
cho các đồ án robot đòi hỏi động cơ có thể quay 360 độ. Các thơng số kỹ thuật
của động cơ như sau:
• Nguồn cấp tối đa 6v DC
• Tốc độ trung bình 60 vòng phút/ phút
• Khối lượng 45.0 grams/ 1.59 oz

• Momen 3.40 kg-cm/47oz-vào
• Kích thước mm (L x W x H) 40.5x20.0x38.0
• Kích thước in (L x W x H) 1.60x.79x1.50
• Điều chỉnh port bằng tay


Động cơ được điều khiển bởi xung vào dây tín hiệu.

3. Điều khiển RC servo
Khơng giống động cơ DC ta chỉ cần lắp pin vào là chạy, động cơ servo đòi hỏi một
mạch điện tử chính xác để quay trục ra của nó. Có thể một mạch điện tử sẽ làm việc
sử dụng servo phức tạp hơn ở một mức độ nào đó nhưng thực ra mạch điện tử này
rất đơn giản. Nếu ta muốn điều khiển servo bằng máy tính hay bằng bộ vi xử lý thì
chỉ cần một vài dòng lệnh là đủ.

Một động cơ DC điển hình cần các transistor cơng suất, MOSFET hay relay nếu
muốn kết nối với máy tính. Còn servo có thể gắn trực tiếp với máy tính hay bộ vi xử
lý mà khơng cần một linh kiện điện tử nào cả. Tất cà yếu tố cần thiết để điều khiển
cơng suất đều được quản lý bởi mạch điều khiển để tránh rắc rối. Đây là lợi ích chủ
yếu khi sử dụng servo cho các robot điều khiển bằng máy tính hay vi điều khiển

Ở đây chúng ta sử dụng Vi điều khiển 8051 để tạo xung cho servo.
Đối với loại RC servo trên thì ta cần cấp xung với tần số là f=50hz.
Điểm trung hòa của Servo trên ( servo quay được 180 độ) đạt được khi ta cấp xung
tích cực cao trong thời gian 1,5ms trên tồn bộ chu kỳ ( T= 20ms).
ĐAMH: Điều khiển hệ thống Bộ môn: Cơ điện tử


pg. 9

Nếu như ta cấp xung có thời gian mức tích cực cao it hơn 1,5ms ( Vd 1ms) thì động
cơ sẽ quay cùng chiều kim đồng hồ và nếu như thời gian tích cực cao lớn hơn
1,5ms ( VD 2ms) thì động cơ sẽ quay ngược chiều kim đồng hồ.



Giản đồ
xung




Sơ đồ ngun lý dùng 3 chân của Port 1 89C51 để cấp xung cho 3 động cơ
ĐAMH: Điều khiển hệ thống Bộ môn: Cơ điện tử


pg. 10

CHƯƠNG 2: TÌM HIỂU VỀ HỌ VI ĐIỀU KHIỂN 8051


1. Giới thiệu về vi điều khiển và sơ đồ khối:

Vi điều khiển 8051 là một trong những vi điều khiển 8 bit thơng
dụng nhất hiện nay. Bắt đầu xuất hiện vào năm 1980, trải qua gần 30 năm, hiện
đã có tới hàng trăm biến thể (derrivatives) được sản xuất bởi hơn 20 hãng
khác nhau, trong đó phải kể đến các đại gia trong làng bán dẫn
(Semiconductor) như ATMEL, Texas Instrument, Philips, Analog Devices… Tại
Việt Nam, các biến thể của hãng ATMEL là AT89C51, AT89C52, AT89S51,
AT89S52… đã có thời gian xuất hiện trên thị trường khá lâu và có thể nói

là được sử dụng rộng rãi nhất trong các loại vi điều khiển 8 bit. Chương này sẽ
tập trung mơ tả tương đối chi tiết cấu trúc bên trong của các biến thể nói trên
(tạm gọi chung là AT89) của hãng ATMEL.

Cấu trúc của AT89 ở dạng sơ đồ khối tổng qt



ĐAMH: Điều khiển hệ thống Bộ môn: Cơ điện tử


pg. 11


Cấu trúc bus
Bus địa chỉ của họ vi điều khiển 8051 gồm 16 đường tín hiệu (thường gọi
là bus địa chỉ 16 bit). Với số lượng bit địa chỉ như trên, khơng gian nhớ của chip
được mở rộng tối đa là = 65536 địa chỉ, tương đương 64K.
Bus dữ liệu của họ vi điều khiển 8051 gồm 8 đường tín hiệu (thường gọi là bus
dữ liệu 8 bit), đó là lý do tại sao nói 8051 là họ vi điều khiển 8 bit. Với độ rộng
của bus dữ liệu như vậy, các chip họ 8051 có thể xử lý các tốn hạng 8 bit trong
một chu kỳ lệnh.
CPU (Central Processing Unit)
CPU là đơn vị xử lý trung tâm, đó là bộ não của tồn bộ hệ thống vi điện
tử được tích hợp trên chip vi điều khiển. CPU có cấu tạo chính gồm một đơn vị
xử lý số học và lơgic ALU (Arithmethic Logic Unit) - nơi thực hiện tất cả các phép
tốn số học và phép lơgic cho q trình xử lý.
Bộ nhớ chương trình (Program Memory)
Khơng gian bộ nhớ chương trình của AT89 là 64K byte, tuy nhiên hầu
hết các vi điều khiển AT89 trên thị trường chỉ tích hợp sẵn trên chip một

lượng bộ nhớ chương trình nhất định và chiếm dải địa chỉ từ 0000h trở đi
trong khơng gian bộ nhớ chương trình. AT89C51/AT89S51 có 4K byte bộ nhớ
chương trình loại Flash tích hợp sẵn bên trong chip. Đây là bộ nhớ cho phép
ghi/xóa nhiều lần bằng điện, chính vì thế cho phép người sử dụng thay đổi
chương trình nhiều lần. Số lần ghi/xóa được thường lên tới hàng vạn lần.
AT89C52/AT89S52 có 8K byte bộ nhớ chương trình cùng loại. Bộ nhớ
chương trình của các chip họ 8051 có thể thuộc một trong các loại:
ROM, EPROM, Flash, hoặc khơng có bộ nhớ chương trình bên trong chip.
Tên của từng chip thể hiện chính loại bộ nhớ chương trình mà nó mang bên
trong, cụ thể là vài ví dụ sau:

ĐAMH: Điều khiển hệ thống Bộ môn: Cơ điện tử


pg. 12


2. Ứng dụng vi điều khiển cho động cơ:
Sử dụng các Port Xuất nhập và một ngơn ngữ lập trình phù hợp với loại vi
điều khiển ta sẽ điều khiển được động cơ
Các thơng số cần quan tâm khi điều khiển động cơ:
- Điện áp sử dụng
- Cơng suất làm việc
- Dòng khơng tải, dòng làm việc
- Tốc độ của động cơ
Các phưong pháp điều khiển động cơ:
a- Điều khiển ON/OFF
b- Điều khiển tốc độ động cơ
- Mạch cầu H:
- Mạch sử dụng 1 FET + 1 Relay

Ở đây, ta quan tâm đến các thơng số kỹ thuật của RC Servo sử dụng được nêu
ở phần trước. Dùng TIMER để điều rộng xung, điều khiển động cơ quay như
mong muốn.

ĐAMH: Điều khiển hệ thống Bộ môn: Cơ điện tử


pg. 13


CHƯƠNG 3 : TÌM HIỂU VỀ CẢM BIẾN HỒNG NGOẠI
1 Giới thiệu:
Cách đây vài năm ,nhiều loại cảm biến hồng ngoại đo khoảng cách đã được
Sharp giới thiệu .Các cảm biến này được đóng góp nhỏ gọn ,tiêu thụ dòng rất ít,
và nhiều sự lựa chọn cho tín hiệu output .

ĐAMH: Điều khiển hệ thống Bộ môn: Cơ điện tử


pg. 14






2.Ngun lý hoạt động
ĐAMH: Điều khiển hệ thống Bộ môn: Cơ điện tử

pg. 15

Với sự giới thiệu về cảm biến GP2DXX của Sharp ,một phương pháp mới được
sử dụng phát hiện vật thể ở khoảng cách xa hơn, và khơng bị ảnh hưởng nhiều
của điều kiện ánh sáng xug quanh .
Cảm biến hồng ngoại sử dụng phương pháp trắc đạt tam giác (triangulation) và
một mảng CCD dài mỏng để tính tốn khoảng cách và sự hiện diện của vật thể
trong vùng quan sát .
Ý tưởng cơ bản là : một xung của đèn IR được phát ra bởi đèn phát (emitter) .
Tia sáng này sẽ đi trong trường quan sát và hoặc là đụng vật thể ,hoặc là khơng
đụng vật thể .Trong trường hợp khơng gặp vật thể ,tia sáng sẽ khơng bao giờ
phản hồi về và đọc là khơng có vật thể .Nếu tia sáng phản xạ lại ,có vật thể .
Cảm biến sẽ thu và tạo ra một phép trắc đạc tam giác giữa 3 điểm : điểm phản
xạ ,điểm phát và điểm thu .

3.Tín hiệu Output :
Tín hiệu Output khơng tuyến tính .Bởi vì một vài phép lượng giác của tam giác
trắc địa .

ĐAMH: Điều khiển hệ thống Bộ môn: Cơ điện tử


pg. 16



Đường cong quan hệ giữa khoảng cách và mức volt của GP2D12

Ở đây có hai điều lưu ý trong đường cong quan hệ trên :
Đầu tiên ,tín hiệu output khoảng cách nằm giữa vùng từ 10 cm tới 80 cm thì

khơng tuyến tính .
Thứ hai là trên đường cong có thể chia thành hai vùng ,một vùng nhỏ hơn 10
cm và vùng từ 10 cm tới 80 cm .Hai vùng này đường đặc tuyến khác nhau . Nó
có thể gây ảnh hưởng đến robot của bạn nếu robot của bạn di chuyển chậm
hoặc khi robot của bạn tiến lại gần vật thể . Để tránh điều này cảm biến trên
robot bạn có thể bố trí như hình dưới .

ĐAMH: Điều khiển hệ thống Bộ môn: Cơ điện tử


pg. 17

Góc của chùm tia hơi nhỏ ,vì khoảng cách giữa con phát và thu nhỏ chỉ có 16
cm. Nếu bạn muốn tăng góc mở , bạn có thể sử dụng kết hợp 2 cảm biến hồng
ngoại như ví dụ ở hình dưới .




Việc sử dụng GP2D12 được liên kết nối tới 3 dây .Những kết nối này là :
Ground , Vcc và Output . Cảm biến sẽ đo khoảng cách và xuất ra output dưới
dạng mức volt analog . Bởi vì việc thu ánh sáng xảy ra liên tục , khơng cần xung
clock . Nên tốn nhiều năng lượng ,và có thể ảnh hưởng đến các ngoại vi khác,
và bộ xử lý nếu trên robot có nhiều cảm biến này .
Tín hiệu Output có những xung gai nhỏ nên cần có thêm tụ lọc giữa Output và
Ground . Thường lấy tụ 4,7μF

ĐAMH: Điều khiển hệ thống Bộ môn: Cơ điện tử

pg. 18


ĐAMH: Điều khiển hệ thống Bộ môn: Cơ điện tử


pg. 19


Chương 4 : Phân tích động học và động lực học
Robot Omni
1. Phân tích động học Robot Omni 3 Bánh

Mơ hình hóa robot omni như hình vẽ trên.
3 bánh xe robot được bố trí tiếp tuyến với 1 đường tròn bán kính
o
R
và lệch nhau 1
góc 120 độ.
3 Cảm biến hồng ngoại được đặt tại 3 dây cung của đường tròn trên cũng được bố trí
lệch nhau 1 góc 120 độ.
ĐAMH: Điều khiển hệ thống Bộ môn: Cơ điện tử


pg. 20

Các chuyển động của robot bao gồm


Chuyển động tịnh tiến :

Khi cho 2 bánh xe
bất kỳ quay cùng lúc với
nhau theo 1 phương nào
đó ( 2 bánh quay ngược
chiều nhau )thì sẽ làm cho
robot chuyển động tịnh
tiến .









Ví dụ : cho 2 bánh xe W1 và W2 cùng quay theo phương như hình vẽ thì
robot sẽ chuyển động tịnh tiến như trên . Với R là bán kính của bánh xe
Omni.
Giả sử 2 bánh xe cùng quay với vận tốc góc là ω ( 2 bánh quay cùng
phương ở đây nghĩa là 2 bánh phải quay ngược chiều nhau ) có vecto vận
tốc dài
2W
V
và
1W
V
như hình vẽ.
Tổng hợp 2 chuyển động trên ta có vecto chuyển động tịnh tiến
tt

V
của
robot
ĐAMH: Điều khiển hệ thống Bộ môn: Cơ điện tử


pg. 21

Quan hệ hình học cho ta được : °=== 30cos2cos2cos2
21
RVVV
WWtt
ωϕϕ (1)


Chuyển động xoay : Khi cho 3
bánh xe chuyển động cùng chiều
nhau thì sẽ làm cho robot chuyển
động xoay

ĐAMH: Điều khiển hệ thống Bộ môn: Cơ điện tử


pg. 22


2. Phân Tích Động lực học Robot Omni

ĐAMH: Điều khiển hệ thống Bộ môn: Cơ điện tử


pg. 23


Gọi số đo góc của mỗi trục motor so với trục x trong hệ tọa độ của robot như hình vẽ lần
lươt là
12
,, ,
n
θθθ
,lúc này hướng chuyển động của bánh thứ i là
2/3
+
i
θπ
.
Khi n motor cùng hoạt động sẽ tạo ra n lực kéo
12
,, ,
n
FFF
tác động lực và momen lên
robot.
Ma trân lực tác dụng:
Chúng ta nghiên cứu về sự chuyển động của robot dọc theo một phương trong mặt
phẳng,ví dụ theo phương x và phương y. Để đạt được điều này chúng ta sẽ phân tích vận
tốc và gia tốc tức thời của robot theo phương chuyển động của nó. Ví dụ: một robot

chuyển động tiến về phía trước thì vận tốc của nó sẽ là vận tốc theo phương y, còn theo
phương x vận tốc của nó bằng 0.
Giả sử khối tâm của robot đặt tại tâm hình học của robot ta có gia tốc tịnh tiến a và gia
tốc góc
.
ω
là
12
1
( )
n
aFFF
M
=+++
.
12
( )
n
R
fff
I
ω=+++
Với: m là khối lượng robot
R là bán kính robot

ii
fF
=
I là momen qn tính
Dấu của

12
,, ,
n
fff
có thể là âm hoặc dương phụ thuộc vào chiều quay của motor
Phân tích gia tốc của robot trên hai trục Ox và Oy, ta được:
1122
sin.sin sin
xnn
Mafff
θθθ
=−−−−
ĐAMH: Điều khiển hệ thống Bộ môn: Cơ điện tử


pg. 24

1122
os.os os
ynn
Mafcfcfc
θθθ
=+++
Chúng ta biết rằng momen qn tính đối với một khối trụ đồng chất là:
2
1

2
IMR
= ,

momen qn tính đối với một hình tròn đồng chất là:
2
.
IMR
=
.
Do đó đối với robot, ta xét momen qn là:
2

IMR
α=

Chúng ta có thể biểu diễn phương trình gia tốc dưới dạng ma trận như sau:
1
12
2
12
.
sinsin sin
1
.osos os


xn
yn
n
f
a
f
accc

M
MRMRMR
f
III
θθθ
θθθ
ω




−−−





=










M

Với
2

IMR
α=
, ta được:
1
12
2
12
.
sinsin sin
1
.osos os
111
.

xn
yn
n
f
a
f
accc
M
R
f
θθθ
θθθ
ω

ααα




−−−





=










M

Ta gọi ma trận 3.n trên là ma trận C
α
=
12
12
sinsin sin

1
.osos os
111

n
n
ccc
M
θθθ
θθθ
ααα


−−−






3. ROBOT TRONG KHƠNG GIAN PHẲNG:
Chúng ta có thể tính được vận tốc cuối cùng của các bánh robot, và vận tốc của robot trên
mặt phẳng bằng cách mơ tả các phương trình chuyển động của robot theo thời gian. Khi
xét robot trong khơng gian phẳng, chúng ta có thể tính được quỹ đạo của robot và chúng
ta có thể đạt được điều này bằng cách phân tích vận tốc của các bánh xe robot.
ĐAMH: Điều khiển hệ thống Bộ môn: Cơ điện tử


pg. 25

Chúng ta xét vận tốc của các bánh xe dưới dạng vector
( )
12
,, ,
T
n
vvv
, vận tốc trong
khơng gian phẳng và vận tốc góc của robot là
(
)
,,.
T
xy
vvR
ω
.
Xét robot chuyển động với vận tốc
( )
1,0,0
T
, điều này có nghĩa là robot đang chuyển
động theo phương ngang mà khơng quay trong mặt phẳng. Khi robot đang chuyển động
theo phương ngang với vận tốc là 1, thì bánh xe thứ i quay với vận tốc là
sin
i
θ
− và vận
tốc của các bánh nhỏ gắn trên bánh lớn có phương trực giao với vận tốc bánh lớn và có
độ lớn là

cos
i
θ







Sự quay của bánh lớn và bánh nhỏ trong khi robot chuyển động theo phương ngang với vận tốc là 1, lúc này
bánh lớn quay với vận tốc là
sin
i
θ
− , và bánh nhỏ quay với vận tốc là
cos
i
θ

Tính tốn tương tự khi robot chuyển động theo phương y và khơng quay, với vận tốc là
( )
0,1,0
T
. Lúc này bánh lớn quay với vận tốc là
cos
i
θ
và bánh nhỏ quay với vận tốc là
sin

i
θ
.
Từ đây chúng ta có thể tính được ma trận vécto vận tốc của từng bánh theo ma trận vecto
vận tốc của robot như sau:
1 11
2 11
11
sinos1
sinos1
R.
sinos1
x
y
n
v c
v
v
c
v
v c
θθ
θθ
ω
θθ
−





−


=





−

M LLL