Xây dựng robot di động tránh vật cản dựa trên các sensor siêu âm và sensor địa bàn

Khóa luận tốt nghiệp

ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI
TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ




Bạch Hoàng Giang


XÂY DỰNG ROBOT DI ĐỘNG TRÁNH VẬT CẢN
DỰA TRÊN CÁC SENSOR SIÊU ÂM VÀ
SENSOR ĐỊA BÀN




KHOÁ LUẬN TỐT NGHIỆP ĐẠI HỌC HỆ CHÍNH QUY
Ngành: Điện tử - Viễn thông



Cán bộ hướng dẫn: TS. Trần Quang Vinh
Đồng hướng dẫn: CN. Phạm Duy Hưng

HÀ NỘI – 2005


BẠCH HOÀNG GIANG K46ĐC
1

Khóa luận tốt nghiệp
Lời cảm ơn

Trước tiên tôi xin chân thành cám ơn Thầy giáo TS.Trần Quang Vinh,
cùng Người đồng hướng dẫn cử nhân Phạm Duy Hưng thuộc Khoa Điện Tử-
Viễn Thông đã tận tình hướng dẫn tôi tìm hiểu và nghiên cứu khóa luận này.
Tôi cũng tỏ lòng biết ơn tới các Thầy, cô giáo trong Trường Đại Học
Công Nghệ - Đại Học Quốc Gia Hà Nội đã có công đào tạo, quan tâm, giúp đỡ
tôi trong suốt quá trình học tập và hoàn thành khóa luận này. Đồng thời tôi
cũng chân cảm ơn các cán bộ trong phòng Robot đã tạo mọi điều kiện cho tôi
làm tốt phần thực nghiệm của mình.
Cuối cùng, tôi muốn cám ơn tới tất cả bạn bè, gia đình và người thân đã
đông viên và giúp đỡ tôi trong quá trình học tập và hoàn thành khóa luận này.
Hà nội,ngày 1 tháng 6 năm 2005
Sinh viên

BẠCH HOÀNG GIANG K46ĐC
2

Khóa luận tốt nghiệp




TÓM TẮT NỘI DUNG




Khóa luận này tập trung nghiên cứu các vấn đề liên quan đến xây dựng
một robot di động tránh vật cản dựa trên các sensor siêu âm và sensor địa
bàn.Trên cơ sở đó thực hiện nhiệm vụ chính là xây dựng một robot di động giải
quyết 3 bài toán điều khiển cơ bản. Robot được xây dựng trong khóa luận này
sử dụng vi điều khiển Basic Stamp 2sx, với một hệ sensor bao gồm: Sensor
siêu âm và sensor địa bàn. Robot sử dụng motor một chiều được điều khiển
thông qua mạch công suất.

BẠCH HOÀNG GIANG K46ĐC
3

Khóa luận tốt nghiệp

Mục lục
Giới thiệu ………………………………………………………………1
Phần 1: Tổng quan về một số vấn đề liên quan đến xây dựng một
robot di động thông minh tự động tránh vật………………………...2
Chương 1: Sơ lược về lịch sử ra đời và phát triển của robot……….3
1.1. Lịch sử ra đời và phát triển…………………………………3
1.2. Các thế hệ robot…………………………………………….4
1.3. Xu hướng phát triển của robot hiện đại ……………………5
Chương 2: Hệ sensor trong robot……………………………………..7
2.1. Phân loại sensor…………………………………………….7
2.1.1. Sensor nội ………………………………………………..7
2.1.2. Sensor ngoại ……………………………………………..7
2.1.3. Sensor khoá ………………………………………………7
2.2. Một số loại sensor thườ
ng gặp……………………………...7
2.2.1. Sensor xác định khoảng cách …………………………….8
2.2.1.1. Phương pháp xác định khoảng cách bằng lượng giác….8
2.2.1.2. Phương pháp xác định khoảng cách bằng đo khoảng
cách thời gian truyền song………………………………………………8
2.2.2. Sensor phát hiện vật thể gần…………………………….10
2.2.2.1. Sensor siêu âm………………………………………...10
Chương 3: Cơ cấu chuyển động trong robot di động………………12

3.1. Phân loại motor điện………………………………………12
3.1.1. Motor một chiều………………………………………...12
3.1.2. Motor bước……………………………………………...12
3.2. Các đặc tính của motor……………………………………13
3.2.1. Điện áp sử dụng và dòng tiêu thụ của motor…………...13
3.2.2. Tốc độ cực đạ
i của motor……………………....………13

BẠCH HOÀNG GIANG K46ĐC
4

Khóa luận tốt nghiệp
3.2.3. Lực xoắn củamotor……………………………………13
3.3. Điều khiển chuyển động của motor …………………….14
3.3.1. Điều khiển motor DC………………………………….14
3.3.2. Điều khiển motor bước…………………………………15
Chương 4: Khảo sát một số loại sensor sử dụng trong robot di
động………………………………………………………………….. 16
4.1. Sensor hồng ngoại………………………………………..16
4.1.1. Sensor hồng ngoại sử dụng phát hiện màu đen trắng…..16
4.1.2. Nghiên cứu các sensor hồng ngoại có mặt trên thị trường
tích hợp cả bộ thu và phát trên cùng một vỏ…………………………...17
4.2. Sensor siêu âm……………………………………………18
4.2.1. Sensor siêu âm MUST01d……………………………...18
4.2.2. Sensor siêu âm Devantech SRF04……...………………20
4.3. Giớ
i thiệu về sensor địa bàn CMPS03… ..……………….22
Phần 2: Thực nghiệm thiết kế, xây dựng một robot di động tự động
tránh vật……………………………………………………...25
Chương 5: Khảo sát thiết kế bộ điều khiển robot…………………..26

5.1. Chíp vi điều khiển Basic Stamp 2sx……………………...26
5.2. Giới thiệu về ngôn ngữ BASIC STAMP…………………28
5.2.1 Một số câu lệnh chính trong Basic Stamp………………30
5.3. Mạch điều khiển công suất động cơ……………………...34
5.4. Kết cấu cơ khí của robot…………………………………36
5.4.1. Sơ đồ thiết kế…………………………………………...36
5.4.2 Các thành phần khác của Robot…………………………37
Chương 6: Robot di động tránh vật cản…………………………….38
6.1. Bài toán điều khiển robot tránh vật cản………………….38
6.2. Các trường hợp của vật cản trên đường đi của robot……38

BẠCH HOÀNG GIANG K46ĐC
5

Khóa luận tốt nghiệp
6.2.1 Có một vật cản nằm trên đường đi của robot……………38
6.2.2. Trường hợp đặt 2 vật so le nhau………………………..40
6.2.3. Trường hợp robot lách giữa 2 vật cản………………….41

BẠCH HOÀNG GIANG K46ĐC
6

Khóa luận tốt nghiệp

GIỚI THIỆU

Ngành khoa học công nghệ mới, tạo ra các sản phẩm robot và nghiên
cứu ứng dụng chính hình thành trong những thập kỷ gần đây được gọi là
Robotics. Trong Robotics có hầu hết các vấn để của “cơ-điện tử”. Thuật ngữ
“cơ - điện tử “( mechatronics) thể hiện sự kết hợp giữa cơ học máy và điều
khiển điện tử
. Đồng thời sự phát triển của mechatronics cũng được phản ánh
trong khoa học công nghệ robot.
Một trong những tiêu chí đặc trưng cho robot là khả năng “lập trình
được “(programable). Muốn có khả năng đó robot phải dùng đến máy tính hoặc

các thiết bị khác có chức năng tương tự. Máy tính có vai trò như bộ não của
robot.
Ngày nay sự cải thiện của tốc độ máy tính đã tạo ra những bước trưởng
thành đáng kể cho robot trong t
ừng giai đoạn phát triển và đang mở ra những
triển vọng trở thành những robot thông minh nhờ khả năng xử lý rất nhanh của
bộ điều khiển dùng máy tính.Tuy nhiên khả năng hiện thực của robot này
không chỉ phụ thuộc vào bộ điều khiển mà còn ở khả năng nhận biết của các
“cơ cấu cảm nhận” và khả năng phản ứng kịp thờ
i của cơ cấu “chân tay” chấp
hành.
Robot ngày càng đóng vai trò quan trọng trong công nghiệp và cuộc
sống hàng ngày. Chúng sẽ thực hiện những công việc rất nhàm chán hoặc nguy
hiểm, những công việc mà tốc độ và độ chính xác vượt quá khả năng của con
người.
Bản khoá luận này đề cập đến vấn đề xây dựng một robot di động tránh
vật cản dựa trên các sensor siêu âm và sensor địa bàn.






BẠCH HOÀNG GIANG K46ĐC
7

Khóa luận tốt nghiệp

PHẦN MỘT




TỔNG QUAN MỘT SỐ VẤN ĐỂ
LIÊN QUAN ĐẾN
XÂY DỰNGMỘT ROBOT DI ĐỘNG
TỰ ĐỘNG TRÁNH VẬT












BẠCH HOÀNG GIANG K46ĐC
8

Khóa luận tốt nghiệp

CHƯƠNG 1
SƠ LƯỢC VỀ LỊCH SỬ RA ĐỜI VÀ XU HƯỚNG

PHÁT TRIỂN CỦA ROBOT
Robot là loại máy có thể lập trình điều khiển tự động bằng máy tính
(máy tính ở đây có thể được hiểu là một bộ vi điều khiển hoặc một máy tính
PC) để thực hiện các di chuyển, cầm nắm các vật, hoàn thành các công việc
dưới tác động của môi trường. Thường robot được sử dụ
ng để thực hiện các
công việc lặp đi lặp lại, các công việc dễ gây nhàm chán, nó cho các kết quả
chính xác, nhanh hơn, rẻ hơn nếu được thực hiện bởi con người.
1.1 Lịch sử ra đời và phát triển
Thuật ngữ Robot lần đầu tiên xuất hiện năm 1921 ở Tiệp Khắc trong tác
phẩm R.U.R (Rossum’s Universal Robot) của nhà soạn kịch Karel Capek mang
ý nghĩa người làm tạp dịch. Kể từ đó thuậ
t ngữ này được sử dụng rộng rãi.
Khái niệm máy tự động xuất hiện từ lâu với những viễn tưởng về người
máy trong cuộc sống. Ngay sau chiến tranh thế giới lần thứ hai, nhiều công
trình được bắt đầu tại các phòng thí nghiệm OakRidge và Argome để phát triển
các máy cơ khí được điều khiển từ xa nhằm phục vụ trong các phòng thí
nghiệm về vật liệu phóng xạ. Các cánh tay này được thiế
t kết mô phỏng một
cách chính xác sự chuyển động của bàn tay và cánh tay con người.
Trong giữa những năm 1950, bên cạnh các cánh tay cơ khí đó đã xuất
hiện các cánh tay thuỷ lực và điện từ. Cũng trong những năm này, George
C.Devol đã thiết kế một thiết bị có tên là thiết bị vận chuyền có khớp nối được
lập trình (programmed artculated transfer device). Đây là một cánh tay máy mà
hoạt động của nó có thể được lậ
p trình thực hiện một chuỗi các bước chuyển
động được xác định trong các câu lệnh trong chương trình. Phát triển xa hơn ý
tưởng trên, Devol và Joseph F.Engelberger đã dẫn đường cho các robot công
nghiệp đầu tiên được giới thiệu năm 1959 ở công ty Unimation. Thiết bị này sử
dụng máy tính liên kết với tay máy nhằm dạy cho nó thực hiện các công việc

khác nhau một cách tự động .

Khi robot được lập trình đã tạo một sự kỳ lạ và tạo ra sứ
c mạnh trong
sản xuất, vào năm 1960 như một sự tất yếu, sự linh hoạt của hệ thống robot
được nâng cao đáng kể thông qua hệ thống phản hồi từ các sensor. Tiếp đó
BẠCH HOÀNG GIANG K46ĐC
9

Khóa luận tốt nghiệp
H.A.Ernst đã công bố sự ra đời và phát triển của bàn tay cơ khí được điều khiển
bằng máy tính sử dụng các sensor xúc giác. Đây là sự xuất hiện đầu tiên về
robot có khả năng thích ứng với môi trường.
Vào cuối những năm 1960, Mc Carthy cùng bạn đồng nghiệp đã công bố
sự phát triển của máy tính cùng với camera vô tuyến và microphone. Năm 1968
Pieper đã nghiên cứu những vấn đề động học trong điề
u khiền robot bằng máy
tính, trong khi đó năm 1971 Kanh và Roth đã phân tích về động lực học và giới
hạn điều khiển tay máy.
Trong suốt những năm 1970, một số lượng lớn các công trình nghiên
cứu đã tập trung vào việc sử dụng các sensor ngoại để tăng sự tiện lợi và linh
hoạt cho robot. Vào thời gian này công ty máy tính IBM đã chế tạo ra loại
robot có các sensor xúc giác và sensor lực để lắp ráp các máy in gồm 20 cụm
chi tiết .
Một l
ĩnh vực được nhiều phòng thí nghiệm quan tâm là robot tự hành,
robot di động. Nhiều công trình nghiên cứu đã thiết kế, xây dựng tạo ra các
robot tự hành bắt chước chân người hoặc súc vật.
Trong những thập kỷ 80 - 90 do sự phát triển mạnh mẽ của khoa học kỹ
thuật, đặc biệt trong lĩnh vực kỹ thuật vi xử lý và công nghệ thông tin, số lượng

robot đã gia tăng, giá thành giảm đi rõ rệt, tính năng có nhiều b
ước tiến vượt
bậc.
Ngày nay, chuyên ngành khoa học robot (robotics) đã trở thành một lĩnh
vực rộng trong khoa học, bao gồm việc giải quyết các vấn đề về cấu trúc cơ cấu
động học, động lực học, lập trình quỹ đạo, cảm biến tín hiệu, điều khiển chuyển
động.v.v.
1.2 Các thế hệ robot.
Kể từ khi khái niệm robot ra đời, việc thiết kế và chế
tạo robot đã trải
qua nhiều giai đoạn với nhiều thế hệ khác nhau. Có 5 thế hệ robot ra đời kể từ
năm 1960 .
Thế hệ thứ nhất: Bao gồm các loại robot hoạt động lặp lại theo một chu
trình không thay đổi. Chương trình điều khiển có hai dạng:
- Chương trình “cứng”, nghĩa là không thay đổi hoặc không sửa được
trừ khi thay đổi phần cứng.

BẠCH HOÀNG GIANG K46ĐC
10

Khóa luận tốt nghiệp
- Chương trình có thể thay đổi được thông qua các panel điều khiển
hoặc thông qua máy tính.
Các robot thế hệ này sử dụng cơ cấu điều khiển servo vòng hở (open-
loop nonservo controlled system ). Đây là hệ thống không sử dụng thông tin
phản hồi từ môi trường về để điều khiển robot.
Thế hệ thứ hai: Robot được trang bị các sensor cho phép robot giao tiếp
với môi trường bên ngoài. Các thiết bị này thực chất là các bộ biến đổi n
ăng
lượng. Nó chuyển các đại lượng không điện thành đại lượng điện mà qua đó bộ

điều khiển robot có thể biết được trạng thái của môi trường xung quanh nó.
Nhờ các sensor này robot có thể chọn các phương án khác nhau một cách linh
hoạt nhằm thích nghi với môi trường bên ngoài. Dạng robot với trình độ điều
khiển này còn được gọi là robot điều khiển thích nghi cấp thấp. Đây gọi là cơ
cấu
điều khiển servo vòng kín (closed-loop servo controller system).
Thế hệ thứ ba: các bộ điều khiển logic khả trình PLC (Programmable
Logic Controller) được sử dụng trong robot với nhiều chức năng chuyên biệt .
Thế hệ thứ bốn: Khác với PLC bị giới hạn trong chương trình của chúng,
thế hệ robot này sử dụng các máy tính được trang bị các ngôn ngữ lập trình đặc
biệt hoặc ngôn ngữ chuẩn như Basic, C, C++...., để tạo ra nhiều ứng dụ
ng
CAD/CAM và CIM hoặc chương trình không trực tuyến.
Thế hệ thứ năm: Các bộ điều khiển của robot sử dụng trí tuệ nhân tạo
(artificial intelligence). Robot được trang bị các kỹ thuật như nhận dạng tiếng
nói, hình ảnh, xác định khoảng cách, cảm nhận đối tượng tiếp xúc (da nhân tạo)
để xử lý, ra những quyết định hợp lý. Ngoài ra robot được trang bị mạng
Neuron giúp nó có khả năng tự học, tự
xây dựng kiến thức .
1.3 Những xu hướng phát triển của robot hiện đại
Các robot hiện đại sẽ có xu hướng tăng trong tương lai giúp con người
có thể tạo ra các sản phẩm mới, bảo vệ cơ sở hạ tầng của thế giới, chăm sóc nhà
cửa, mua bán.
Một xu hướng quan trọng trong nghiên cứu và phát triển robot là phát
triển các hệ thống máy vi cơ điện tử (MEMS) có kích thước nhỏ từ vài cm tới
mm thậm chí nhỏ hơn
µ
m. Các robot rất nhỏ này có thể di chuyển vào trong
mạch máu để phân phối thuốc hoặc làm vệ sinh mạch máu; chúng có thể di
chuyển trong một máy tính lớn để chuẩn đoán các vấn đề xảy ra với máy tính.

BẠCH HOÀNG GIANG K46ĐC
11

Khóa luận tốt nghiệp
Một xu hướng phát triển hiện nay là việc nghiên cứu phát triển trí tuệ
nhân tạo, mạng neuron vào trong robot nhằm tạo ra các robot thông minh, có
khả năng thích nghi với môi trường xung quanh như con người.

BẠCH HOÀNG GIANG K46ĐC
12

Khóa luận tốt nghiệp
CHƯƠNG 2
HỆ SENSOR TRONG ROBOT
Khi được trang bị một hệ thống sensor robot sẽ có khả năng thích ứng
với sự thay đổi của môt trường xung quanh. Đây cũng là một chỉ tiêu quan
trọng để đánh giá một robot có thông minh hay không. Các sensor đều là bộ
biến đổi năng lượng, nó biến năng lượng từ dạng này sang dạng khác, thường
là biến đổi tín hiệu từ các đại lượng không điện thành các đại lượ
ng điện. Tín
hiệu này được phản hồi về bộ điều khiển, thông qua nó bộ điều khiển có các
quyết định cho phù hợp.
2.1. Phân loại sensor
Các sensor sử dụng trong robot được chia thành 3 loại: Sensor nội
(internal sensor), sensor ngoại (external sensor), sensor khoá (interlock sensor).
2.1.1. Sensor nội
Được đặt trong bản thân robot, nó sử dụng các thiết bị về cơ khí, điện,
điện tử hoặc thuỷ lực để nhận các thông tin phản hồ
i về vị trí của các bộ phận
trên robot. Sensor nội có thể đơn giản là các công tắc giới hạn nhưng cũng có
thể phức tạp như đĩa lập mã quang dùng để điều khiển motor.
2.1.1 Sensor ngoại
Sensor ngoại là loại sensor giúp robot giao tiếp với môi trường bên
ngoài như sensor thị giác giúp robot quan sát, sensor xác định khoảng cách

giúp robot ước lượng được khoảng cách tới đối tượng, sensor xúc giác giúp
robot có cảm giác khi cầm nắm các vật. Các sensor này sẽ ph
ản ánh các thông
tin môi trường xung quanh tới robot.
2.1.3 Sensor khoá
Đây là loại sensor được dùng trong các tình huống khẩn cấp để bảo vệ
robot .
Sau đây xin được đề cập đến một số loại sensor thường được sử dụng .
2.2. Một số sensor thường gặp
Trong thực tế nghiên cứu robot, có rất nhiều loại sensor được sử dụng
cho các mục đích khác nhau. Sau đây, xin giới thiệu một số sensor thường được
sử dụng trong kĩ thuật robot.

BẠCH HOÀNG GIANG K46ĐC
13

Khóa luận tốt nghiệp
2.2.1 Sensor xác định khoảng cách (Range sensor)
Đây là loại sensor được sử dụng giúp robot có thể ước lượng khoảng
cách từ vị trí đặt sensor (nằm trên robot ) tới đối tượng. Có nhiều cách xác định
khoảng cách tới đối tượng. Sau đây trình bày hai cách xác định thông dụng
nhất đó là:
2.2.1.1 Phương pháp xác định khoảng cách bằng lượng giác
Phương pháp này sử dụng một nguồn phát sáng phát ra một chùm tia
hẹp tới đập vào bề mặt vật thể. Do ph
ản xạ, tia sáng chuyển hướng tới bộ thu
được đặt cách bộ phát một khoảng B, góc phát tia sáng so với phương ngang là
α
( hình 2.1).
Đối

tượng
D
Nguồn phát
α
Nguồn
thu
B

Hình 2.1 Sensor đo khoảng cách sử dụng phương pháp lượng giác.
Nếu D là khoảng cách từ đối tượng tới detector thì khoảng cách này
được tính như sau:
D = B. tg
α

2.2.1.2. Phương pháp xác định khoảng cách bằng đo khoảng thời gian
truyền sóng
Trong phương pháp này sử dụng nguồn phát lazer xung để phát ra xung
sáng, sau đó thu lại ánh sáng phản xạ của nó với điều kiện chùm sáng đi và
chùm sáng về phải đồng trục. Khi đó khoảng cách từ sensor tới đối tượng sẽ
được tính như sau:
D = C . T/2
Trong đó: D là khoảng cách từ sensor tới đối tượng .

BẠCH HOÀNG GIANG K46ĐC
14

Khóa luận tốt nghiệp
C là vận tốc truyền ánh sáng
T là thời gian kể từ khi phát xung sáng cho tới khi
nhận được xung sáng.

Với công thức này, để đo khoảng cách D sẽ gặp phải khó khăn đó là
khoảng thời gian T thường rất nhỏ cỡ picrogiây. Thực tế, người ta thường sử
dụng đo thời gian trễ giữa sóng phát ra và sóng phản xạ. Trong cách này, một
nguồn laser sẽ phát liên tục, bộ đo sẽ thực hiện đo pha gi
ữa hai sóng tới và sóng
phản xạ. Sơ đồ thực hiện có thể được chỉ ra trên hình 2.2.
Trong sơ đồ, chùm laser phát được tới một gương bán mạ, gương này sẽ
chia chùm laser thành hai chùm sáng như nhau. Một truyền tới đối tượng, một
truyền tới bộ đo pha. Chùm laser truyền tới đối tượng sẽ phản xạ và đi tới bộ đo
pha. Bộ đo pha ở đây đóng vai trò là một detector. G
ọi L là khoảng cách từ tia
chuẩn tới Detector, D là khoảng cách từ đối tượng tới gương bán mạ. Khi đó
tổng quãng đường đi của laser tới vật thể và quay trở về Detector là :
D’ = 2D + L
Gương bán mạ
L
Laser
bộ đo pha

vật
D

Hình 2.2 Đo khoảng cách bằng đo pha
Nếu đối tượng ở gần (D = 0) khi đó pha của hai tia sáng như nhau. Khi
D tăng thì độ lệch pha tăng dần độ dịch pha giữa hai tia trong trường hợp này
sẽ là:
D’= L +
λθ
.
/3600

do đó D =
λθ
.
/ (2. 3600 ).

BẠCH HOÀNG GIANG K46ĐC
15

Khóa luận tốt nghiệp
Cũng cần lưu ý: khi
θ
= 360
0
bộ đo pha sẽ không phân biệt được D’ = L
+ n (với n là số nguyên ) hay D’ = L. Như vậy cách này chỉ đo với các giá trị
lệch pha
θ
< 360
0
hay với khoảng cách 2D <
λ
.

Bên cạnh việc sử dụng đo khoảng cách bằng nguồn phát lazer, trên thực
tế người ta còn sử dụng nguồn thu phát siêu âm. Chùm xung siêu âm phát ra
đập tới bề mặt phản xạ của đối tượng, xung phản xạ được thu ở đầu thu siêu âm
có thời gian kéo dài xung tỉ lệ với khoảng cách từ sensor tới vật. Nếu đo được
khoảng thời gian kéo dài xung phản xạ ta hoàn toàn có thể đo được khoảng
cách t
ới vật.

2.2.2 Sensor phát hiện vật thể gần (Proximity sensor)
Đây là loại sensor được sử dụng để xác định xem có hay không có vật
thể nằm trong vùng hoạt động của sensor. Các loại sensor phát hiện vật thể gần
thường cho lối ra tín hiệu số.
2.2.2.1 Sensor siêu âm
Loại sensor này phát ra xung siêu âm. Nếu tồn tại vật thể trong vùng làm
việc của sensor sẽ xuất hiện sóng phản xạ về đầu thu. Cấu trúc một sensor siêu
âm thường gồm nh
ững phần được miêu tả trong hình 2.3. Phần tử cơ bản của
sensor này là bộ biến âm thường là gốm áp điện được bảo vệ bằng một chất
nhựa tổng hợp nhằm chống lại sự ẩm ướt, bụi bẩn và các nhân tố khác của môi
trường. Bộ thu âm thanh sẽ hứng âm đưa tới bộ biến đổi âm thanh thành tín
hiệu điện. Tất cả các thành phầ
n này được để trong một vỏ. Một dạng sóng điển
hình được trình bày trong hình 2.4 mô tả hoạt động của sensor siêu âm. Dạng
sóng A là tín hiệu điều khiển tín hiệu truyền. Dạng sóng B là tín hiệu lối ra khi
có cả tín hiệu tiếng vọng (echo) trong đó B1 là tín hiệu phát ra còn B2 là tín
hiệu phản xạ lại. Các xung C tách biệt tín hiệu truyền và tín hiệu nhận. Để phân
biệt sự khác nhau giữa các xung tương ứng với tín hiệu mang và tín hiệu phả
n
xạ lại ta xem xét tín hiệu D. Trong đó t1 là khoảng thời gian phát hiện nhỏ
nhất và
∆
t
1
+
∆
t
2
là khoảng thời gian phát hiện lớn nhất. Các khoảng thời

gian này tương ứng với khoảng thời gian truyền sóng trong môi trường khi
nhận được tín hiệu phản xạ lại (lúc đó tín hiệu D có giá trị lớn nhất) sẽ hình
thành tín hiệu E, nó sẽ bằng 0 khi kết thúc xung tín hiệu A. Cuối cùng tín hiệu
F được hình thành khi xuất hiện xung tín hiệu E và sẽ là tín hiệu ra của sensor
siêu âm hoạt động theo chế độ nhị phân .

BẠCH HOÀNG GIANG K46ĐC
16

Khóa luận tốt nghiệp

Vỏ bọc bên ngoài
của sensor
Vỏ bọc
kim loại


Hình 2.3 : Các thành phần cấu tạo sensor siêu âm

Nhựa
Cáp điện
Phần tử
áp điện
BẠCH HOÀNG GIANG K46ĐC
17

Khóa luận tốt nghiệp

CHƯƠNG 3
CƠ CẤU CHUYỂN ĐỘNG TRONG ROBOT DI ĐỘNG
Khác với cánh tay máy tại các robot tĩnh, robot di động có cơ cấu
chuyển động nhằm đưa bệ máy của toàn hệ thống robot tới một vị trí mong
muốn trong không gian hoạt động. Cơ cấu này có thể là các máy thuỷ lực, khí
nén, motor điện nhưng trong đề tài này chỉ sử dụng loại motor điện. Vì vậy
chương này cũng chỉ trình bày tóm tắt các tìm hiể
u về motor điện và hệ thống
liên quan đến điều khiển motor.
3.1.Phân loại motor điện
Motor điện thường là loại máy chuyển đổi năng lượng điện thành năng
lượng cơ, thường là chuyển động tròn. Motor được cấu trúc từ hai phần chính:
Rotor và Stator. Rotor là phần chuyển động nằm ở lõi motor bao gồm cuộn dây
được cuốn quanh một lõi thép. Lõi này được gắn vào trục của motor. Stator là
phần không chuy
ển động, nó được cấu tạo từ nam châm vĩnh cửu. Khi có dòng
điện đi qua motor sẽ sinh ra một từ trường chống lại từ trường của nam châm
vĩnh cửu làm cho motor quay.
Có hai loại motor thường được sử dụng trong các robot di động là:

- Motor một chiều (DC motor)
- Motor bước (Step motor)
3.1.1. Motor một chiều
Motor một chiều được cấu tạo từ một cuộn dây và hệ thống nam châm
vĩnh cửu. Loại motor này có thể dùng tr
ực tiếp nguồn một chiều hoặc có thể
điều khiển thông qua độ rộng xung. Tốc độ motor sẽ được quy định bởi điện áp
một chiều hay độ rộng xung đặt vào. Một nhược điểm khi sử dụng motor một
chiều là kém về độ chính xác trong chuyển động. Điều này được khắc phục khi
sử dụng motor bước.
3.1.2. Motor bước
Khác với motor một chi
ều, motor bước được cấu tạo từ nhiều cuộn dây.
Mỗi cặp cuộn dây tương ứng với một pha trong chuyển động. Việc điều khiển
motor bước được thực hiện qua các xung có độ lệch pha so với nhau lần lượt đi
qua các cặp cuộn dây. Chính nhờ việc cho các tín hiệu lần lượt chạy qua các

BẠCH HOÀNG GIANG K46ĐC
18

Khóa luận tốt nghiệp
cặp cuộn dây đã tạo ra các bước trong chuyển động. Tuỳ thuộc mỗi loại motor
bước mà tương ứng với nó là các góc của bước. Góc của bước càng nhỏ thì độ
chính xác của motor càng lớn. Đây là điều khác hẳn với motor một chiều. Việc
điều khiển bước của motor sẽ giúp thực hiện các chuyển động một cách chính
xác tới các vị trí yêu cầu.
3.2. Các đặc tính của motor đi
ện
Một motor khi sử dụng cần quan tâm đến các thông số sau:
- Điện áp sử dụng, dòng điện tiêu thụ.

- Tốc độ tối đa có thể đạt được.
- Lực xoắn của motor.
Sau đây sẽ đề cập đến từng phần .
3.2.1 Điện áp sử dụng và dòng tiêu thụ của motor
Trên vỏ mỗi motor thường ghi các thông số về giới hạn điện áp sử d
ụng
và dòng điện tiêu thụ cực đại khi motor hoạt động. Thông số này rất quan trọng
đối với người sử dụng. Nó quyết định việc thiết kế các mạch công suất để điều
khiển motor. Việc thiết kế này hoàn toàn khác nhau khi sử dụng các motor có
dòng tiêu thụ cực đại khác nhau.
3.2.2 Tốc độ cực đại của motor
Tốc độ cực đại của motor được quan tâm khi có tải và không tải. Vi
ệc
đo tốc độ cực đại có thể thực hiện bằng cách đếm xung thu được từ một sensor.
Tốc độ cực đại khi cấp điện áp cho phép cực đại vào motor hoặc khi độ rộng
xung cấp tới motor là cực đại. Tốc độ này là một hàm phụ thuộc vào tải của
motor. Nó quyết định tới độ linh động của robot di động và là một thông số
quan trọng cần tính đế
n khi lập trình điều khiển motor vì liên quan đến quán
tính trong quá trình hãm hoặc dừng motor.
3.2.3 Lực xoắn của motor
Lực xoắn của motor là thông số dùng để đánh giá khả năng chịu tải của
motor. Motor có lực xoắn càng lớn thì càng khoẻ. Lực xoắn được đo bằng tỉ số
giữa trọng lượng lực đặt lên motor mà motor vẫn kéo được vật làm cho dây
treo vật vuông góc với bán kính đi qua tâm motor chia cho bán kính khoảng
cách từ tâm trục motor tớ
i dây treo như hình 3.1. Lực xoắn sẽ giảm khi tăng tốc
độ của motor. Điều này chứng tỏ khi motor chạy với tốc độ cao thi tải dùng cho

BẠCH HOÀNG GIANG K46ĐC

19

Khóa luận tốt nghiệp
motor se bị giảm xuống. Để tăng lực xoắn cho motor người ta thường dùng cho
motor qua các cơ chế giảm tốc. Đây thực chất chỉ là các cơ cấu bánh răng. Tỉ
số độ giảm tốc càng lớn thi lực xoắn motor sẽ càng lớn tuy nhiên tốc độ motor
sẽ bị hạn chế.
bán kính
Trục motor
Trọng lượng đặt
lên trục motor

Lực xoắn = trọng lực /bán kính
Hình 3.1: Mô tả cách đo lực xoắn của motor
3.3 Điề
u khiển chuyển động của motor
Việc thiết kế mạch điều khiển motor phải căn cứ vào công suất tiêu thụ
của motor và loại motor để có thiết kế hợp lý. Trong báo cáo này trình bày 2
loại mạch điều khiển motor áp dụng cho 2 loại motor thường gặp đó là motor
DC và motor bước.
3.3.1 Điều khiển motor DC
Thông thường, có thể điều khiển tốc độ của motor một chiều bằ
ng thay
đổi mức điện áp đặt vào motor. Nhưng việc này gặp phải khó khăn khi mức
điện áp trở nên quá thấp làm việc điều chỉnh tốc độ thấp không chính xác. Còn
một cách khác là sử dụng các xung điện có biên độ bằng mức điện áp cực đại
nhưng có độ rộng xung khác nhau để điều khiển tốc độ motor. Độ rộng xung
càng lớn, năng lượng trung bình c
ấp cho motor càng lớn và tốc độ quay của
motor ứng với một tải nhất định càng cao. Việc này được thực hiện bằng các

chuyển mạch điện tử công suất lắp trên các tranzitor có sẵn hiện nay là khá
thuận lợi.



BẠCH HOÀNG GIANG K46ĐC
20

Khóa luận tốt nghiệp
3.3.2 Điều khiển motor bước
Khác với motor DC chỉ có hai đường điều khiển, motor bước có nhiều
pha khác nhau. Ứng với số pha sẽ tương ứng với số đường tín hiệu điều khiển.
Sơ đồ hình 3.2 là thí dụ trình bày mạch điều khiển motor bước 4 pha. Mạch cầu
tới 4 đường điều khiển. Với yêu cầu dòng điều khiển có giá trị cực đại ph
ải lớn,
trong sơ đồ này, mỗi đường tín hiệu điều khiển từ vi xử lý được khuyếch đại
qua một tầng Darlingtơn để tăng dòng cho tín hiệu điều khiển.


Hình 3.2 : Sơ đồ khuyếch đại tín hiệu điều khiển motor bước
Ta thấy rằng 4 cuộn dây của motor bước được sắp xếp thành từng cặp
(cuộn 1 với cuộn 2), (cuộn 3 với cuộn 4). Sơ đồ mạch tạo ra hai cặp tín hiệu
điều khiển (bít 1 và bit 2), (bít 3 và bít 4).

BẠCH HOÀNG GIANG K46ĐC
21

Khóa luận tốt nghiệp

CHƯƠNG 4
KHẢO SÁT MỘT SỐ LOẠI SENSOR SỬ DỤNG
TRONG ROBOT DI ĐỘNG
Như đã được nhắc đến, sensor là yếu tố giúp robot thích nghi kịp thời
với môi trường xung quanh. Trong phần này sẽ đưa ra một số loại sensor có thể
sử dụng để dẫn đường cũng như phát hiện vật cản, đo khoảng cách của robot
tới vật để tránh vật.
4.1. Sensor hồng ngoại
Đây là lo
ại sensor quang sử dụng thu phát ánh sáng gần vùng hồng
ngoại. Bước sóng ánh sáng sử dụng trong các sensor này cỡ 880nm. Loại
sensor này có thể sử dụng để phát hiện màu đen/trắng hoặc phát hiện vật cản.
Khả năng thực hiện được tuỳ thuộc vào việc thiết kế mạch.
4.1.1. Sensor hồng ngoại sử dụng phát hiện màu đen trắng
Mạch điện thu phát hồng ngoại dùng để phát hiện vạch
đen trắng được
giới thiệu trong hình 4.1


Hình 4.1 Sơ đồ mạch thu phát hồng ngoại phát hiện đen /trắng
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

BẠCH HOÀNG GIANG K46ĐC
22

Khóa luận tốt nghiệp
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 th
ị 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. Mạch
thiết kế như hình 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
h
ồng 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.
4.1.2. Nghiên cứu các sensor hồng ngoại có mặt trên thị trường đã được
tích hợp cả bộ thu và phát trong một vỏ.
Hiện nay, trên thị trường có bán các sensor hồng ngoại đã được tích hợp
sẵn các đầu thu phát trên cùng một vỏ
. Loại sensor này thường chỉ có 3 dây nối
trong đó hai dây nguồn nuôi và một dây tín hiệu. Tín hiệu lối ra thường có mức
logic 0 hoặc 1. Sau đây xin giới thiệu một photo sensor mang kí hiệu E3S-
DS30E4 của hãng OMRON.

Hình 4.2 Photo sensor E3S-DS30E4
Các đặc tính của sensor có thể kể ra như sau:
- Sensor hồng ngoại sử dụng ánh sáng có bước sóng 880nm.
- Ánh sáng hồng ngoại được điều chế.
- Sử dụng để phát hiện vật cản trong cự ly 70cm, có khả năng phân biệt
được vạch trắng/đen.

BẠCH HOÀNG GIANG K46ĐC
23

Khóa luận tốt nghiệp
- Độ nhạy của sensor có thể hiệu chỉnh được thông qua một biến trở.
- Trên sensor có bố trí hai đèn chỉ thị: đèn chỉ thị nguồn và đèn chỉ thị
trạng thái tín hiệu ra.
4.2 Sensor siêu âm
Trên thị trường hiện nay phổ biến hai loại sensor siêu âm trong đó loại
thứ nhất bộ thu phát siêu âm được tích hợp với nhau trên cùng một đế. Loại thứ
hai bộ thu phát được chế tạo độc lập (có m
ột đầu thu và một đầu phát ). Trong
khoá luận này nghiên cứu khảo sát cả hai loại sensor kể trên thông qua hai loại
mang kí hiệu MUST01a và Devantech SRF04. Sensor siêu âm có thể sử dụng
để đo khoảng cách thông qua đo thời gian tín hiệu phản xạ hoặc phát hiện vật
cản.
4.2.1 Sensor siêu âm MUST01d
Đây là loại sensor có bộ thu phát được tích hợp trên cùng một đế
( không phân biệt đầu thu và đầu phát ). Đặc tính của nó có thể kể ra như sau:
- Sử dụng nguồn nuôi một chiều 8-16V, dòng c
ực đại cho phép là 30mA.
- Sensor cho tín hiệu lối ra tương tự từ 0-5 V tuy nhiên giá trị cực đại

trong thực tế chỉ đạt được 4,096V
- Khoảng cách sensor phát hiện được vật từ 1cm-3m với sai số 2%
- Góc mở chùm siêu âm phát ra là 15
0

Cấu trúc của sensor và các chân được mô tả trong hình 4.1.
Khi có xung kích, siêu âm phát ra sẽ đập vào vật và phản xạ trở lại, tín
hiệu điện thu được ở lối ra của sensor có mức điện áp tỉ lệ với khoảng cách. Cụ
thể, nếu không có sóng phản xạ điện áp lối ra ở mức cao. Ngược lại, có tín hiệu
phản xạ tuỳ thuộc vào sóng phản xạ mạnh hay yếu (vật ở
gần hay xa) mà điện
áp giảm lối ra sẽ giảm dần.

BẠCH HOÀNG GIANG K46ĐC
24

Khóa luận tốt nghiệp
Hình 4.1 Sơ đồ mô tả sensor siêu âm MUST01d

Bảng 4.1 Cấu trúc chân của sensor siêu âm MUST01d như sau
Chân Chức năng
1 Nguồn nuôi được ổn áp 8-16V(30mA)
2 Đất
3 Xung kích ngoài mức TTL (không sử dụng)
4 Cho phép xung kích (không sử dụng)
5 Xung đồng hồ lối ra mức TTL(Không sử dụng)
6 LốI ra tương tự tỉ lệ với khoảng cách 0-5VDC
7 Không sử dụng

Với một giới hạn nhất định (ngưỡng) sensor này hoàn toàn có thể sử

dụng để phát hiện vật cản. Điều này có nghĩa là với khoảng cách vượt giới hạn
thì lối ra có mức điện áp tương xứng với mức logic cao, trong trường hợp nằm
trong giới hạn cho phép tín hiệu lối ra có giá trị logic thấp.
Sensor siêu âm MUST01d hoàn toàn có thể sử dụng để đo khoảng cách
tới vật ph
ản xạ. Việc đo khoảng cách được thực hiện thông qua tín hiệu số từ
lối ra của sensor. Giá trị thu được tỉ lệ với khoảng cách từ sensor tới vật.
Tuỳ thuộc khoảng cách từ sensor tới vật là bao nhiêu mà xung đó có độ
rộng khác nhau. Xác định được độ rộng xung này ta sẽ xác định được khoảng
cách từ vật tới robot.

BẠCH HOÀNG GIANG K46ĐC
25