luận văn nghiên cứu, thiết kế và chế tạo mạch ứng dụng cho hệ thống cảm biến của robot di động

ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI
TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ



LÊ CHÍ CÔNG



NGHIÊN CỨU, THIẾT KẾ VÀ CHẾ TẠO MẠCH
ỨNG DỤNG CHO HỆ THỐNG CẢM BIẾN
CỦA ROBOT DI ĐỘNG




LUẬN VĂN THẠC SĨ CƠ HỌC KĨ THUẬT



Hà Nội - 2014




ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI
TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ

LÊ CHÍ CÔNG


NGHIÊN CỨU, THIẾT KẾ VÀ CHẾ TẠO MẠCH
ỨNG DỤNG CHO HỆ THỐNG CẢM BIẾN
CA ROBOT DI ĐỘNG

Ngành: Cơ học kỹ thuật
Chuyên ngành: Cơ học kỹ thuật
Mã số: 60520101

LUẬN VĂN THẠC SĨ CƠ HỌC KỸ THUẬT


NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC: PGS.TS PHẠM MẠNH THẮNG



Hà Nội - 2014
1



MỤC LỤC Trang
MỞ ĐẦU 7
Chương I. Nghiên cứu tổng quan về hệ cảm biến ứng dụng cho robot di
động…… 8
1.1.Giới thiệu về robot di động dạng 3 bánh dạng unicycle - like. 8

1.1.1. Tình hình phát triến của robot di động trên thế giới. 8
1.1.2. Robot dạng unicycle - like. 9
1.1.3. Những ứng dụng mới nhất của robot di động trên thế giới. 10
1.2.Tổng quan nghiên cứu về hệ cảm biến robot di động. 11
1.2.1.Khái niệm cảm biến (sensor) 11
1.2.2. Khái niệm hệ cảm biến (sensors system). 11
1.2.3. Phân loại các dạng cảm biến trong hệ 13
1.3. Nghiên cứu chức năng các dạng cảm biến được dùng cho robot 13
1.3.1.Cảm biến hồng ngoại 13
1.3.2. Cảm biến siêu âm. 16
1.3.3. Sensor vị trí kiểu chiết áp 18
1.3.4. Cảm biến la bàn 22
1.3.5. Cảm biến tín hiệu gần 19
1.3.6. Một số tiêu chí đánh giá cảm biến 23
1.3.7. Nhận xét 26
1.4. Lựa chọn các cảm biến 26
1.4.1.Cảm biến siêu âm SRF06] 26
1.4.2.Cảm biến hồng ngoại 0A41SK . 28
1.4.3. La bàn số CMPS 03 29
1.4.4. Cảm biến nhiệt độ TPA 81 31
1.4.5. Cảm biến va chạm 32
2



Chương II
Xây dựng, phân tích kiến trúc hệ cảm biến trong robot di động 34
2.1. Các thành phần cơ bản trong một robot di động 34
2.2.1. Các thành phần cơ bản trong cấu trúc của hệ cảm biến . 36
2.2.2. Nguyên lý hoạt động cấu trúc hệ cảm biến như sau 37

Chương III.
Thiết kế mô hình hệ cảm biến trên robot di động 39
3.1. Thiết kế mô hình hệ cảm biến cho robot di động trên Solid Work 2008 39
3.1.1. Yêu cầu chung thiết kế cơ khí của robot di động 39
3.1.2. Mô hình cấu trúc của robot 39
3.1.3. Lựa chọn vật liệu 39
3.2. Phân tích cấu trúc hệ cảm biến trên mô hình robot di động. 41
Chương IV
Thiết kế, chế tạo tích hợp mạch điều khiển chohệ cảm biến 43
4.1. Xây dựng sơ đồ thuật toán và thiết kế mạch cảm biến cho robot di động. 43
4.2. Thiết kế mạch điều khiển cho hệ cảm biến của robot di động 45
4.2.1. Giới thiệu về mạch điều khiển hệ cảm biến 45
4.2.2. Xây dựng phần cứng 45
4.2.3. Thiết kế chi tiết khối điều khiển trung tâm 46
4.2.4. Giới thiệu về vi điều khiển PIC18F4520 47
4.2.5. Thiết kế chi tiết khối cung cấp nguồn. 49
4.2.6.Thiết kế chi tiết khối cảm biến siêu âm SRF06 50
4.2.7.Thiết kế chi tiết khối cảm biến va chạm: 50
4.2.8. Thiết kế khối cảm biến hồng ngoại gồm: 50
4.2.9. Thiết kế cảm biến nhiệt độ và la bàn số: 51
3


4.2.10. Mạch dao động và LCD: 52
4.2.11. Lập trình cho mạch điều khiển hệ cảm biến 54
4.3. Tích hợp mạch điều khiển hệ cảm biến. 54
4.3.1.Thiết kế mạch đi dây và tích hợp cho hệ cảm biến trong robot di động. 54
4.3.2.Tích hợp hệ cảm biến cho robot di động qua mô hình 3D trong altium10 54
4.3.3. Hình ảnh mạch hệ cảm biến trên robot di động trên thực tế 57
4.4. Chạy thử nghiệm 58

Tài liệu tham khảo 59





















4


DANH MỤC HÌNH ẢNH
Hình 1.1. Biểu đồ sự phát triển robot trong các năm từ 2009 - 2014. 8
Hình 1.2. Dạng robot unicycle like. 10
Hình 1.3. Robot quân sự…………………………………………………… 16
Hình 1.4. Robot thám hiêm 10

Hình 1.5. Robot gia đình 10
Hình 1.6. Mô hình hoạt động của khối cảm biến. 11
Hình 1.7. Hệ thống tự động điều khiển quá trình. 11
Hình 1.8. Module Blutooth……………………………………………… 17
Hình 1.9. Module Hồng Ngoại 12
Hình 1.10. Module thu phát RF ………………………………………………………………………………….19
Hình 1.11. Module Wifi…………. 13
Hình 1.12. Bộ thu phát hồng ngoại 14
Hình 1.13. Quá trình thu phát của cặp led hồng ngoại 14
Hình 1.14. Mạch nguyên lý cảm biến hồng ngoại 15
Hình 1.15. Mạch đế phát hiện vật cản 16
Hình 1.16. Thu phát sóng siêu âm 17
Hình 1.17. Tầm quét của cảm biến. 17
Hình 1.18. Sensor vị trí kiểu triết áp 18
Hình 1.19. Sensor điện quang 19
Hình 1.20. Sensor Hall 20
Hình 1.21. Sensor Hall 21
Hình 1.22.Đặc tuyến của Sensor Hall 22
Hình 1.23. Cấu trúc mạch cảm biến 22
Hình 1.24. La bàn số và cảm biến góc 23
5


Hình 1.25. Phương pháp xác định khoảng cách 25
Hình 1.26. Đo khoảng cách bằng đo pha 26
Hình 1.27. Cảm biến siêu âm SRF06 26
Hình 1.28. Sơ đồ nối chân của cảm biến siêu âm SFR06 27
Hinh1.29.Sơ đồ khối chân của cảm biến hồng ngoại 28
Hình 1.30. Đồ thị biểu diễn mối liên hệ điên áp đầu ra và dải đo khoảng cách 29
Hình 1.31. La bàn số CMPS03 29

Hình 1.32. Sơ đồ chân nối la bàn số CPMS03 30
Hình 1.33. Cảm biến nhiệt độ TPA81 31
Hình 1.34. Đồ thị vùng làm việc bước sóng của cảm biến 32
Hình 1.35. Sơ đồ kết nối chân cảm biến nhiệt TPA81 với vi điều khiển 32
Hình 1.36. Cảm biến va chạm 33
Hình 1.37. Sơ đồ nguyên lý cảm biến va chạm 33
Hình 2.1.Các thành phần cơ bản trong một robot di động 34
Hình 2.2. Sơ đồ cấu trúc hệ cảm biến. 36
Hình 2.3. Sơ đồ khối hệ cảm biến cho robot 37
Hình 3.1. Mô hình hệ thiết kế robot di động. 40
Hình 3.2. Mô hình thiết kế hệ cảm biến trên robot 41
Hình 4.1. Sơ đồ thuật toán cho hệ cảm biến 44
Hình 4.2. Thiết kế mạch điều khiển trung tâm 46
Hình 4.3. Sơ đồ chân vi điều khiển Pic18F4520. 47
Hình 4.4. Thiết kế chi tiết khối nguồn 49
Hình 4.5. Thiết kế mạch khối cảm biến SRF06 50
Hinh 4.6. Sơ đồ nguyên lý khối cảm biến va chạm 50
Hình 4.7. Sơ đồ nguyên lý khối cảm biến hồng ngoại 51
6


Hình 4.8. Mạch nguyên lý của la bàn số và cảm biến nhiệt độ 51
Hình 4.9. Thiết kế sơ đồ truyền thông với máy tính bằng RS232 52
Hình 4.10. Mạch dao động………………………………………………… 53
Hình 4.11. Mạch hiển thị LCD 52
Hình 4.12. Sơ đồ nguyên lý mạch hệ cảm biến 53
Hình 4.13. Sơ đồ đi dây trong phần mềm altium 10 54
Hình 4.14. Mạch cảm biến tích hợp 3D trên Altium 10 55
Hình 4.15. Hình ảnh khối nguồn được thiết kế trên altium 10 56
Hình 4.16. Sơ đồ khối của mạch nguồn 56

Hình 4.17. Hình ảnh thực tế của mạch hệ cảm biến 57
Hình 4.18. Mạch hệ cảm biến gắn trên Robot. 57

DANH MỤC BẢNG
Bảng 1. Thông số cơ bản của cảm biến SRF 06 27
Bảng 2. Thông số cơ bản cơ bản của cảm biến hồng ngoại 28
Bảng 3. Thanh ghi CMPS 03 30
Bảng 4. Thông số cảm biến nhiệt độ. 31
Bảng 5. Thông số của cảm biến va chạm. 33
Bảng 6.Bảng kê tín hiệu được dùng trong Pic 18F4520 . 48
Bảng 7. Sơ đồ chân của cổng ghép nối với máy tính. 52



7



MỞ ĐẦU
1. Xuất xứ của đề tài.
Robot di động ngày càng được ứng dụng nhiều trên thế giới và tại Việt
Nam cũng đang từng bước nghiên cứu và chế tạo. Nó có thể hoạt động trong các
môi trường có điều kiện khắc nghiệt, độc hại như nhiệt độ cao, từ trường mạnh,
phóng xạ hay chỉ đơn thuần là tiết kiệm sức lao động của con người. Có thể kể
đến vài ứng dụng như vận chuyển hàng trong quá trình sản xuất, trong đời sống
gia đình, trong quân sự, địa chất, năng lượng.
Vấn đề robot chuyển động trên một quí đạo ổn định, hay cảm nhận được
môi trường xung quanh cần phụ thuộc rất nhiều những yếu tố. Nhưng yếu tố
quan trọng nhất để robot di động có thể cảm nhận được vị trí của mình so với
môi trường bên ngoài phụ thuộc vào các cảm biến được gắn xung quanh robot.

Hệ cảm biến bao gồm nhiều dạng cảm biến được coi như là một con mắt giúp
robot có thể cảm nhận được những thay đổi bên ngoài của môi trường và biến
đổi các tín hiệu để điều khiển các cơ cấu chấp hành.
2. Mục tiêu của đề tài.
Nghiên cứu, thiết kế, chế tạo, tích hợp điều khiển thành công cho một mô hình
mẫu về hệ cảm biến robot di động.
3. Nội dung nghiên cứu.
a)Nghiên cứu tổng quan về hệ cảm biến ứng dụng cho robot di động.
- Giới thiệu về robot di động dạng 3 bánh dang unicycle – like.
- Nghiên cứu về các hệ cảm biến (cấu trúc thành phần, chức năng).
- Nghiên cứu chức năng các cảm biến (siêu âm, hồng ngoại,va chạm).
- Lựa chọn các cảm biến.
b) Xây dựng, phân tích kiến trúc hệ cảm biến trong robot di động.
c) Thiết kế mô hình hệ cảm biến cho robot di động.
d) Thiết kế, chế tạo, tích hợp mạch điều khiển cho hệ cảm biến.
- Xây dựng sơ đồ thuật toán và thiết kế mạch cảm biến.
- Chế tạo một mạch cảm biến.
- Lập trình.

8



Chương I
Nghiên cứu tổng quan về hệ cảm biến ứng dụng cho
robot di động

1.1.Giới thiệu về robot di động dạng 3 bánh dạng unicycle - like.
1.1.1. Tình hình phát triến của robot di động trên thế giới.
Khả năng di động được phát triển cùng với khả năng tránh vật cản và tự định

hướng tìm đường trong không gian làm việc rất rộng (về nguyên lý là không có
giới hạn) trên mọi địa hình và nhiều khả năng thông minh khác khiến cho Robot
di động có tiềm năng ứng dụng rất lớn cùng với sự phát triển của nhân loại vượt
xa các Robot truyền thống về cả số lượng và chủng loại ứng dụng. Hình 1.1 thể
hiện sự phát triển “dân số” của Robot dịch vụ (có khả năng di động) theo thời
gian 2009 và 2014.

Hình 1.1. Biểu đồ sự phát triển robot trong các năm từ 2009 - 2014.
Với lợi thế về khả năng di động trên mọi địa hình, Robot di động có tiềm
năng được ứng dụng rộng rãi và phổ biến hơn trong nhiều lĩnh vực như:
Trong địa hình xác định (ứng dụng trong nhà):
 phục vụ cho công nghiệp và vận chuyển,
 thiết bị hỗ trợ khách tham quan trong bảo tàng, cửa hàng,
 thực hiện hút bụi, vệ sinh, thiết bị thông minh giám sát trong các tòa nhà,
 ứng dụng trong giải trí, đồ chơi,
Trong địa hình không xác định (ứng dụng ngoài trời):
 ứng dụng trong không gian vũ trụ,
 ứng dụng trong khai thác mỏ, trong khai thác và bảo vệ rừng,
 ứng dụng trong khảo sát hệ thống cống,
 ứng dụng trong nông nghiệp,
9


 ứng dụng trong xây dựng,
 ứng dụng là thiết bị bay trên không,
 ứng dụng là tàu lặn dưới nước,
 ứng dụng trong phòng cháy chữa cháy,
 ứng dụng trong quân sự,
Tại Việt Nam việc ứng dụng và phát triển Robot di động thông minh đã và
đang được quan tâm tuy nhiên còn rất hạn chế. Hoạt động nghiên cứu, chế tạo

Robot chỉ tập trung ở một số viện nghiên cứu và trường đại học, ví dụ như:
robot kiểm tra lòng cống ngầm, xe tự hành trong y tế, robot phục vụ giám sát an
ninh quốc phòng,
Bên cạnh đó, xu thế trên thế giới về ứng dụng Robot di động thông minh
trong sinh hoạt của con người như lau nhà, hút bụi, cắt cỏ, giám sát khu nhà,
ngày càng trở nên thiết thực giúp thay thế con người thực hiện những công việc
nhàm chán, đơn điệu, mệt nhọc tạo điều kiện cho con người tập trung vào các
công việc có giá trị cao hơn.
1.1.2. Robot dạng unicycle - like.
Mobile robot được định nghĩa là một loại xe robot có khả năng tự dịch
chuyển, tự vận động (có thể lập trình lại được) dưới sự điền khiển tự động để
thực hiện thành công những công việc được giao.
Theo lý thuyết, môi trường hoạt động của robot di động có thể là đất, nước,
không khí, không gian vũ trụ hay sự tổ hợp giữa chúng. Địa hình bề mặt mà
robot di chuyển trên đó có thể bằng phẳng hoặc thay đổi, lồi lõm.
Hình 1.2 là dạng robot dạng unicycle - like là dạng robot chuyển động bằng
bánh xe được sử dụng rộng rãi nhất trong công nghệ robot tự hành. Vấn đề cân
bằng thường không phải là vấn đề được chú ý nhiều trong robot di chuyển bằng
bánh. Ba bánh là kết cấu có khả năng duy trì cân bằng, tuy nhiên kết cấu 2 bánh
cũng có thể cân bằng được. Khi robot có số bánh nhiều hơn 3 thì thông thường
người ta phải thiết kế hệ thống treo để duy trì sự tiếp xúc của tất cả các bánh xe
với mặt đất. Có các loại bánh xe sau thường được sử dụng cho robot di động:
Bánh xe tiêu chuẩn: 2 bậc tự do, có thể quay quanh trục bánh xe và điểm tiếp
xúc.
Bánh lái: 2 bậc tự do, có thể quay xung quanh khớp lái.
Bánh Swedish: 3 bậc tự do, có thể quay đồng thời xung quanh trục bánh xe, trục
lăn và điểm tiếp xúc.

10

Hình 1.2. Dạng robot unicycle like.

1.1.3. Những ứng dụng mới nhất của robot di động trên thế giới.

Hình 1.3. Robot quân sự Hình 1.4. Robot thám hiểm

Hình 1.5. Robot gia đình
11


1.2.Tổng quan nghiên cứu về hệ cảm biến robot di động.
1.2.1.Khái niệm cảm biến (sensor).
Cảm biến thường được định nghĩa theo nghĩa rộng là thiết bị cảm nhận và
đáp ứng lại với những kích thích và các tín hiệu. Đây là thiết bị điện tử đóng vai
trò quan trọng để robot có thể nhận biết được môi trường bên ngoài.Qua hai sơ
đồ sau ta có thể hình dung sơ lược về bộ cảm biến.

Hình 1.6. Mô hình hoạt động của khối cảm biến.









Hình1.7.Hệ thống tự động điều khiển quá trình.

1.2.2. Khái niệm hệ cảm biến (sensors system).
Hệ cảm biến là tập hợp hai hay nhiều cảm biến cùng loại hoặc khác loại trên
một robot, các cảm biến này có thể hỗ trợ và bổ sung về tính năng cho robot di
động. Các bộ cảm biến đóng vai trò cực kỳ quan trọng trong lĩnh vực đo lường
và điều khiển. Chúng cảm nhận và đáp ứng theo các kích thích thường là các đại
lượng không điện, chuyển đổi các đại lượng này thành các đại lượng điện và
truyền các thông tin về hệ thống đo lường điều khiển, giúp ta nhận dạng, đánh
giá và điều khiển mọi biến trạng thái của đối tượng. Sự kết hợp giữa các bộ vi
xử lý hay vi điều khiển với các mạch vi điện tử và các cảm biến thông thường để
Cơ cấu chấp
hành
Quá trình các
biến trạng thái
Bộ cảm biến
Chương
Trình
Bộ Vi Xử Lý
12


thực hiện được các chức năng mới mà các cảm biến thông thường không thể
thực hiện được, chúng có thể thu thập số liệu từ nhiều đại lượng đo khác nhau,
gia công sơ bộ kết quả theo các thuật toán đã định trước. Mặt khác nhờ có các
mạch vi điện tử, module cảm biến có khả năng mã hóa tín hiệu đo, ghép nối với
các thiết bị ngoại vi, ghép nối với bộ nhớ để lưu giữ số liệu. Kết hợp với bộ vi
xử lý hay vi điều khiển chúng có khả năng thực hiện các phép tính đại số. Có thể
điều khiển quá trình đo.
Nhờ tính năng cao của vi xử lý và các phương pháp đo mà module cảm
biến đã nâng cao độ chính xác, tăng độ tác động nhanh, tính ổn định, độ tuyến
tính, hạn chế và loại bỏ các yếu tố ảnh hưởng đến chúng. Với sự kết hợp đó đã

tạo lên một module cảm biến thông minh hơn, nhiều chức năng hơn.
Ngày nay do việc sử dụng vi xử lý hay vi điều khiển kết hợp với các cảm biến
thông thường, các thiết bị đo, hệ thống thông tin đo lường và các hệ điều khiển
tự động đã có những tiến bộ vượt bậc như tự động chọn thang đo, tự động xử lý
thông tin và có khả năng đo nhiều đại lượng với khoảng cách khác nhau theo
một chương trình đã định sẵn giúp cho quá trình đo và điều khiển thuận lợi hơn
và đạt độ chính xác cao.
Qua đó thấy rằng module cảm biến có tính năng kỹ thuật tốt hơn hẳn các
cảm biến thông thường và sẽ ngày càng phát triển và hoàn thiện.



Hình 1.8. Module Blutooth Hình 1.9. Module Hồng Ngoại
13



Hình 1.10. Module thu phát RF Hình 1.11. Module Wifi

1.2.3. Phân loại các dạng cảm biến trong hệ. [4]
Cảm biến sử dụng trong Robot di động được phân theo từng loại:
Cảm biến nội (internal sensor): Được đặt trong bản thân của robot, nó sử
dụng các thiết bị về cơ khí, điện, điện tử hoặc thủy lực để nhận các thông tin
phản hồi về vị trí của các bộ phận robot. Sensor nội đơn giản hiểu có thế là
những công tắc giới hạn.
Cảm biến ngoại (external sensor): là loại sensor giúp robot giao tiếp với môi
trường bên ngoài như sensor thị giác giúp robot có thể quan sát được, sensor xác
định khoảng cách giúp robot có thể ước lượng được khoảng cách tới đối tượng,
sensor xúc giác giúp robot có thể cảm giác được khi nắm các vật. Các sensor
này sẽ phản ánh các thông tin môi trường xung quanh tới robot.

Cảm biến khóa (interlock sensor): đây là những loại sensor dùng cho robot
trong những trường hợp khẩn cấp để bảo vệ robot.
1.3. Nghiên cứu chức năng các dạng cảm biến được dùng cho robot
1.3.1.Cảm biến hồng ngoại. [11]
Là loại cảm biến quang sử dụng thu phát ánh sáng gần vùng hồng ngoại.
Bước sóng ánh sáng sử dụng trong loại cảm biến này khoảng 880nm. Cảm biến
hồng ngoại có thể sử dụng để phát hiện màu đen/trắng hoặc phát hiện vật cản.
Khả năng thực hiện được tùy thuộc vào việc thiết kế mạch.
Cách đo khoảng cách: Cảm biến hồng ngoại sử dụng phương pháp TOF để
đo khoảng cách đến vật cản. Mạch cảm biến đóng vai trò như mắt của robot di
động, giúp nó có thể thể nhận biết môi trường xung quanh (vạch trắng chướng
ngại vật) để từ đó có biện pháp xử lý.
Trong mạch cảm biến, chúng ta có thể sử dụng các loại led thu phát hồng
ngoại hoặc quang trở.
14



Hình 1.12. Bộ thu phát hồng ngoại
Chú ý với hai chân nối với mạch điện của Led. Chân anode nối với cực
dương của nguồn điện, chân catode nối với cực âm của nguồn điện, qua hình ở
dưới ta có thể thấy chân cathode dài hơn chân anode. Lưu ý dòng qua led là từ 5
mAh đến 20mAh, khi tính toán thì chọn led =10mAh, điện áp rơi vào khoảng
1,7v đến 2,4v.
Cấu tạo led thu hồng ngoại (photodiode): là một loại bán dẫn đơn giản
nhưng có vỏ gắn với thấu kính để dẫn tia sáng chiếu đúng vào mắt tiếp giáp. Đặc
điểm: Photodiode là một 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 dòng nghịch qua nó cũng tăng theo.
Cơ chế hoạt động:

Hình 1.13. Quá trình thu phát của cặp led hồng ngoại
Từ hình 1.13 ta có thể thấy khi led hồng ngoại chiếu ánh sáng hồng ngoại tới
gặp vật cản thì các tia hồng ngoại sẽ dội ngược trở lại, và khi đó đầu thu detetor
sẽ nhận những lượng ánh sáng hồng ngoại bị hắt lại trở về và truyền tín hiệu về
mạch xử lý, thông qua bộ khếch đại so sánh. Chú ý: đầu thu phát hồng ngoại cần
15


được che chắn tốt để tránh bị nhiễu sáng bên ngoài (ánh sáng tự nhiên, ánh sáng
các loại đền cao áp ) và nên đặt hai đầu thu phát cạnh nhau (khoảng cách là từ
2mm đến 5 mm ).

Hình 1.14. Mạch nguyên lý cảm biến hồng ngoại
Trong sơ đồ này sử dụng một diode phát hồng ngoại phát ra ánh sáng gần
vùng hồng ngoại. Diode này được mắc nối tiếp với một điện trở nhằm hạn chế
dòng. Đầu thu sử dụng ở đây là một phototransistor với điện áp cực base thay
đổi theo lượng ánh sáng hồng ngoại thu nhận được.Tín hiệu từ collector của
phototransistor được đưa tới đầu đảo của bộ so sánh với đầu vào cộng đặt
ngưỡng. Lối ra của bộ so sánh dùng vi mạch khuyếch đại thuật toán LM324 sẽ
có hai mức hoặc cao, hoặc thấp tuỳ thuộc vào điện áp đầu vào đảo so với
ngưỡng. Đèn LED được mắc ở đầu ra bộ so sánh sẽ chỉ thị như sau. Khi gặp
vạch trắng cực base của phototransistor thu được nhiều ánh sáng phản xạ nhất
làm cho tín hiệu ở collector thấp, khi đó lối vào đảo này sẽ có mức điện áp nhỏ
hơn ngưỡng làm cho lối ra có mức cao làm LED chỉ thị tối. Ngược lại khi gặp
vạch đen, phototransistor nhận yếu làm co lối vào đảo có mức điện áp cao hơn
lối vào đặt ngưỡng dẫn tới lối ra có giá trị cao làm đèn LED chỉ thị sáng, trên sử
dụng thu phát hồng ngoại một chiều. Trong thực tế gặp phải vấn đề khó khăn là
nhiễu của các nguồn ánh sáng có tiềm ẩn nguồn hồng ngoại tác động. Cự li sử
dụng để phát hiện vạch đen trắng khoảng 3 cm. Loại mạch này chỉ nên sử dụng

trong các điều kiện môi trường lý tưởng không can nhiễu.
16



Hình 1.15. Mạch đế phát hiện vật cản
Đây cũng là phương pháp đơn giản và ít tốn kém. Một robot di động có thể
lắp rất nhiều cảm biến hồng ngoại để hỗ trợ nhau.
Ưu điểm:
Đơn giản, dễ lắp và lập trình, chi phí thấp.
Khuyết điểm:
Tuy đơn giản và dễ sử dụng nhưng độ chính xác của cảm biến này không
cao. Trong môi trường như phòng kín hay trong nhà thì độ nhiễu cao do đó
không hoạt động chính xác được nữa.
1.3.2. Cảm biến siêu âm.
 Khái niệm cảm biến siêu âm. [11]
Cảm biến siêu âm và nguyên tắc TOF (time of flight).
Sóng siêu âm được truyền trong không khí với vận tốc khoảng 343m/s. Nếu
một cảm biến phát ra sóng siêu âm và thu về các sóng phản xạ, đồng thời đo
được khoảng thời gian từ lúc phát đi tới lúc thu về, thì máy tính có thể xác định
được quãng đường mà sóng đã di truyền trong không gian. Quãng đường đi của
sóng sẽ bằng 2 lần khoảng cách từ cảm biến tới chướng ngại vật, theo hướng
phát sóng của siêu âm. Hay khoảng cách từ cảm biến đến chướng ngại vật
sẽ được tính theo nguyên lý TOF:

d =


t (1.1)

17



Hình 1.16. Thu phát sóng siêu âm
Khi sóng siêu âm phát ra và thu về, cảm biến siêu âm, một cách gián tiếp
cho ta biết vị trí các chướng ngại vật theo hướng quét của cảm biến. Khi đó,
dường như trên quãng đường đi từ cảm biến đến chướng ngại vật, sóng siêu âm
không gặp bất cứ vật cản nào, và đâu đó xung quanh vị trí mà thông số cảm biến
ghi nhận được, có một chướng ngại vật. Vì thế, cảm biến siêu âm có thể được
mô hình hóa thành một hình quạt, trong đó các điểm ở giữa dường như không có
chướng ngại vật, còn các điểm trên biên thì dường như có chướng ngại vật nằm
ở đâu đó.

Hình 1.17. Tầm quét của cảm biến.
Hình trên chỉ ra rằng nếu có vật cản nằm trong tầm quét của cảm biến siêu
âm, thì vùng quét của siêu âm có thể được phân ra làm 3 vùng. Vùng 1 là vùng
phía ngoài hình quạt, là vùng dường như có vật cản nào đó. Vùng 2 là vùng gần
tâm quạt, dường như không có vật cản nào. Và vùng 3 là vùng còn lại sau vật
cản, cho đến vị trí xa nhất trong tầm quét của siêu âm, đây là vùng chưa biết, vì
siêu âm không thể “nhìn” xuyên qua vật cản, chúng ta không xét tới vùng này.
Để việc thu phát làm việc hiệu quả, bộ phát tạm ngừng phát sóng trong
khoảng thời gian siêu âm được truyền sau đó đợi tín hiệu phản xạ. Xung ở đầu
ra của cảm biến được đưa tới bộ xử lý. Việc xác định thời gian kéo dài xung sẽ
giúp cho robot xác định được khoảng cách.
18


Cảm biến siêu âm
Ưu điểm:

Xử lý nhanh, kết quả tương đối chính xác.
Khoảng cách mà cảm biến có thể phát hiện lên tới 15m
Sóng phản hồi của cảm biến không phụ thuộc vào màu sắc của bề mặt đối tượng
hay tính chất phản xạ ánh sáng của đối tượng.
Tín hiệu đáp ứng của cảm biến tiệm cận analog là tỉ lệ tuyến tính với khoảng
cách. Điều này đặc biệt lý tưởng cho các ứng dụng như theo dõi các mức vật
chất, mức độ chuyển động của đối tượng.
Khuyết điểm:
Cảm biến siêu âm chỉ nhận biết được vật cản khi mặt phẳng quét của cảm biến
cắt ngang vật cản, do đó nó sẽ không phát hiện ra những vật cản nhỏ, thấp và
nằm sát mặt đất.
Do sử dụng sóng siêu âm và sự phản xạ của nó để tính khoảng cách và phát hiện
vật cản nên giải thuật điều khiển khá phức tạp và phát sinh một số trường hợp
sai số khó khắc phục: sai số lặp, hiện tượng Forecasting, hiện tượng đọc chéo
(Crosstalk).

1.3.3. Sensor vị trí kiểu chiết áp. [12]
Nguyên lý hoạt động: đây là loại sensor vị trí kiểu điện trở thay đổi theo
nguyên lý chiết áp rất quen thuộc. Sơ đồ nguyên lý dạng cơ bản và dạng bố trí
mạch thực tế như hình vẽ.
Quan hệ gia giá trị điện áp đầu vào v và điện áp đầu ra V:

Vr
v
R

(1.2)
Ưu điểm: giá thành thấp, độ bền sử dụng tương đối cao, độ tuyến tính cao.
Nhược điểm: Làm việc tin cậy với tốc độ thấp, chất lợng chỗ tiếp xúc của bộ
phận trượt có thể gây nhiễu và giảm độ nhạy.

Hình 1.18. Sensor vị trí kiểu triết áp
19


Ứng dụng: Loại sensor này được ứng dụng rất rộng rãi trong xác định độ dịch
chuyển góc của các trục quay của robot, từ đó vi phân bậc nhất đại lượng dịch
chuyển ta được vận tốc góc, vi phân bậc hai đại lượng dịch chuyển ta được gia
tốc góc.
1.3.4. Sensor điện quang. [12]
Nguyên lý làm việc: gồm các đĩa (với trường hợp quay) hoặc các thước (với
các trường hợp tịnh tiến) có vạch tối sáng đều nhau. Một bên đặt nguồn sáng 1,
một bên đặt các quang trở 2. Do thay đổi vị trí tương đối của các phần tử cố định
nên tần số và lượng ánh sáng lọt vào quang trở cũng thay đổi. Tín hiệu qua bộ
khuyếch đại 3 và tạo các xung, từ đó suy ra độ dịch chuyển hoặc vận tốc.
Phân hai loại chính:
- Sensor mã hoá giá trị tuyệt đối (absolute encoders)
- Sensor mã hoá giá trị số gia (incremental encoders)
Loại thứ hai được dùng phổ biến hơn vì giá thành của nó rẻ hơn.

Hình 1.19. Sensor điện quang
Tín hiệu đầu ra của các loại sensor này là tín hiệu số nên rất thuận tiện cho
việc ghép nối với máy tính để xử lý tín hiệu mà không cần bộ chuyển đổi A/D
nào đi kèm.
ứng dụng: được dùng nhiều trong cơ cấu đo vận tốc, gia tốc, hay dò đường của
các loại Mobile Robot.

1.3.5. Cảm biến tín hiệu gần. [12]
Công dụng: Dùng để xác định sự có mặt của đối tượng trong phạm vi không
gian ngay sát bên chỗ thao tác để kẹp vật hoặc di chuyển vòng qua chướng ngại

vật,
Phân loại: Sensor loại này gồm các nhóm sensor sau:
- Sensor từ cam: đây là loại sensor hoạt động theo nguyên tắc thay đổi độ
từ cam khi thay đổi cự li giữa các vật thể kim loại và sensor. Để nhận
20


được tín hiệu ra từ sensor loại này cần có sự chuyển động tương đối giữa
sensor và đối tượng.
- Sensor Hall: Cảm biến Hall hoạt động dựa trên nguyên tắc hiệu ứng Hall.
Hiệu ứng Hall liên hệ giữa điện thế giữa hai đầu dây dẫn với từ trường.
Nếu sử dụng cảm biến Hall này với một nam châm vĩnh cửu ta có thể
nhận biết được vị trí các vật nhiễm từ. Sơ đồ cấu tạo:

Hình 1.20. Sensor Hall
Chú thích :
1. Nam châm vĩnh cữu.
2. Đường lực từ.
3. Vật nhiễm từ.
Hoạt động trong điều kiện bình thường: Khi vật thể nhiễm từ đặt sát bên cạnh thì
từ lực chạy qua cảm biến hall sẽ giảm đi rõ rệt, khi đó cảm biến sẽ xác định
được vị trí của vật nhiễm từ.
Ưu điểm :
- Cấu tạo đơn giản dễ chế tạo.
- Giá thành rẻ.
- Hoạt động ổn định .
Nhược điểm :
- Kích thước lớn.
- Trong điều kiện làm việc nhiệt độ cao thì độ ổn định không cao.
21

Biện pháp khắc phục: Sử dụng các vật bán dẫn (silic) thì có thể giảm kích thước,
tăng độ chính xác, tăng độ ổn định và có thể cấy trực tiếp trên cảm biến một
mạch khuyếch đại.
Ứng dụng:
- Dùng trong phân loại sản phẩm.
- Dùng để xác định vị trí di chuyển.
- Được sử dụng nhiều trong robot.
Sử dụng Hall Effect Sensor để đo vị trí:
Tạo mô hình thực nghiệm như hình vẽ dưới, gồm có 1 động cơ (loại nào
cũng được), 1 nam châm hình đĩa tròn (Ring Magnet) như trong hình vẽ 1.20, 1
cảm biến Hall Effect loại tín hiệu ra tương tự (nếu dùng Hall Effect tín hiệu ra
số thì phải làm mô hình dạng khác).

Hình 1.21. Sensor Hall
Khi động cơ quay, đĩa nam châm gắn với trục động cơ quay theo, từ trường
biến thiên. Cảm biến Hall Effect cảm nhận được sự biến thiên này và tạo tín
hiệu điện áp đầu ra tương ứng. Thực tế, quan hệ giữa từ trường (input) và điện
áp (output) có dạng như hình 1.21, đó là khâu khuếch đại bão hòa. Vì vậy, đặc
tính phi tuyến này cần được tuyến tính hóa. Các nhà sản xuất Hall Effect sẽ giúp
bạn việc này.
22


Trên hình 1.22, có ba đường đặc tuyến sau khi được tuyến hóa trong vùng từ
trường -640 < B (Gauss) < 640. Hình dáng của đường tuyến tính hóa phụ thuộc
vào điện áp cấp (Vs) cho cảm biến.

Hình 1.22. Đặc tuyến của Sensor Hall

Viết một chương trình thu thập dữ liệu trên VDK Pic. Mạch phần cứng có thể
thiết kế theo nguyên lý sau:

Hình 1.23. Cấu trúc mạch cảm biến
Như vậy ứng với mỗi vị trí của động cơ, ta sẽ đo được 1 điện áp xác định từ cảm
biến. Điện áp ra của cảm biến thường là 0 -10VDC tương ứng với góc quay từ
0-360 độ của trục động cơ. Do đó bài toán xác định vị trí đã đạt được.

1.3.4. Cảm biến la bàn. [12]
Để điều khiển robot hoạt động, di chuyển đến mục tiêu, người ta dùng la
bàn điện tử.
La bàn điện có khả năng phát hiện từ trường của trái đất, tính toán hướng ở
thành phần phương ngang của trường từ trái đất.
Dụng cụ mà đo từ trường được gọi là từ kế. Để áp dụng cho Robot di động
chuyển hướng, chỉ những đặc tính tốt của từ kế mà cảm nhận được từ trường của
23


trái đất được quan tâm. Địa từ cảm biến như vậy, ta có thể phân thành các loại
chung sau đây:
 La bàn từ tính Cơ.
 La bàn Fluxgate.
 La bàn Hall.
 La bàn từ điện.
 La bàn Magnetoelastic

Hình 1.24. La bàn số và cảm biến góc
Robot sử dụng là bàn thường dùng kèm theo encoder để xác định tọa độ của
nó. Muốn robot hoạt động, người ta phải lập bản đồ hoạt động, thí dụ đi từ điểm
A đến điểm B, giữa A và B có chướng ngại vật, robot cần tránh.

Trước tiên phải vẽ bản đồ hoạt động từ điểm A đến điểm B có hướng thí dụ
là 330 độ Nam, từ A đến chướng ngại vật là 1m, bề dài chướng ngại vật là 1m,
từ chướng ngại vật đến B là 2m. Bánh xe robot có chu kì là 0,1m.
Như vậy, robot sẽ bắt đầu hoạt động từ điểm A đi về hướng 330 độ Nam,
encoder gắn trên trục bánh xe đếm được 10 vòng là phải tránh chướng ngại vật.
Robot quẹo phải tức là ở hướng: 330 + 90 = 420 - 360 = 60 độ Bắc. Cứ thế robot
sẽ tiếp tục thẳng 10 encoder rồi mỗi lần thay đổi hướng đi robot sẽ lưu hướng
vào bộ nhớ để sử dụng.
1.3.5. Một số tiêu chí đánh giá cảm biến. [4]
Sai số
- Sai số do mắt trễ.
- Sai số về độ phân giải.
- Sai số do tuyến tính hóa.
Phạm vi cảm nhận
Là giới hạn cảm nhận của cảm biến đối với đại lượng vật lý cần đo.Ví dụ:
Cảm biến nhiệt có tín hiệu ra bằng điện tỉ lệ với nhiệt độ cần đo. Do đó trong