Nghiên cứu, thiết kế và chế tạo Robot dò đường

NHẬN XÉT CỦA GIÁO VIÊN HƯỚNG DẪN
.....................................................................................................................................
.....................................................................................................................................
.....................................................................................................................................
.....................................................................................................................................
.....................................................................................................................................
.....................................................................................................................................
.....................................................................................................................................
.....................................................................................................................................
.....................................................................................................................................
.....................................................................................................................................
.....................................................................................................................................
.....................................................................................................................................
.....................................................................................................................................
.....................................................................................................................................
.....................................................................................................................................
.....................................................................................................................................
.....................................................................................................................................
.....................................................................................................................................
.....................................................................................................................................
Hà Nội, ngày...tháng...năm 2012

1


LỜI MỞ ĐẦU
Trong thời đại công nghiệp ngày nay, Robot ngày càng được sử dụng phổ biến
trong sản xuất cũng như trong cuộc sống của con người.Robot đã có vị trí quan
trọng khó có thể thay thế được, nó giúp và thay thế con người làm việc trong các
môi trường nguy hiểm, khó khăn, khắc nghiệt. Ngoài ra, Robot còn được sử dụng
vào các lĩnh vực thám hiểm không gian, quân sự, giải trí.... Từ tình hình thực tế đó

việc xây dựng các chương trình hoạt động cho các Robot là điều thiết yếu đặc biệt
đối với các Robot di động. Bài toán robot dò đường là một trong những bài toán
thường gặp của Robot.
Đối với một sinh viên sắp ra trường, bước vào cuộc sống thì đồ án cơ điện tử là
một bước nhảy quan trọng. Qua đó chúng em có thể học được rất nhiều điều, được
tiếp xúc với thực tế sản xuất, được tự mình nghiên cứu và chế tạo những thứ mà
mình muốn, biết được tương quan giữa công nghệ trong nước và nước ngoài. Đồ
án cơ điện tử không chỉ mang lại kinh nghiệm thực tế về chuyên môn mà còn bổ
sung kỹ năng cuộc sống như giao tiếp , khả năng làm việc theo nhóm , làm việc
độc lập...
Với đề tài “ Nghiên cứu, thiết kế và chế tạo Robot dò đường ”nhóm đã tìm hiểu,
nắm được nguyên lý điều khiển, một số loại cảm biến quang. Đặc biệt đề tài đã
mang lại khả năng tư duy tổng quan hệ thống và kinh nghiệm thực tế cho sinh viên
chuyên ngành cơ điện tử để làm hành trang vững bước vào đời.
Để hoàn thành tốt đề tài này,chúng em xin chân thành cảm ơn các thầy cô trong bộ
môn Cơ Điện Tử, cũng như các thầy cô trong khoa cơ khí và đặc biệt là thầy
Khổng Minhđã giúp đỡ chúng em rất nhiều trong thời gian làm đề tài.
Do thời gian có hạn nên cũng không thể tránh được những sai sót trong quá trình
làm đề tài. Nhóm mong được những ý kiến đóng góp của các thầy cô và các bạn để
có thể hoàn thiện hơn đề tài này.
Xin chân thành cảm ơn!

2


MỤC LỤC
1.Giới thiệu chung về đề tài.........................................................................................................................7
2.Các vấn đề đặt ra......................................................................................................................................7
3.Phương pháp nghiên cứu.........................................................................................................................7
4.Phạm vi giới hạn nghiên cứu....................................................................................................................8

Chương II TỔNG QUAN VỀ ROBOT DÒ ĐƯỜNG...........................................................................................9
2.1 Lịch sử phát triển của robot...................................................................................................................9
2.2. Cấu tạo robot dò đường.....................................................................................................................10
2.2.1 Hệ thống cơ khí.................................................................................................................................10
2.2.2.Động cơ DC 1 chiều...........................................................................................................................11
2.2.3.Nguyên tắc hoạt động.......................................................................................................................12
2.2.4 Cơ chế sinh lực quay của động cơ.....................................................................................................13
2.3.Điều khiển tốc độ động cơ bằng phương pháp điều khiển độ rộng xung PWM..................................13
2.3.1.Hệ thống cảm biến............................................................................................................................14
2.3.2.Dòng E3Z...........................................................................................................................................15
2.3.3.E3Z dùng công nghệ laze...................................................................................................................16
2.3.4.Dòng E3F2.........................................................................................................................................16
2.3.5.Dòng E3JK.........................................................................................................................................18
2.3.6.Dòng E3JM........................................................................................................................................18
2.3.7.Dòng E3X..........................................................................................................................................19
2.4.Hệ thống điều khiển............................................................................................................................20
2.5.Lý thuyết điều khiển chung..................................................................................................................21
Chương III : XÂY DỰNG MÔ HÌNH HÓA HỆ THỐNG VÀ THIẾT KẾ...............................................................22
3.1. Mô hình cơ khí....................................................................................................................................22
3.2. Mô hình điều khiển.............................................................................................................................23
3.3. Thiết kế hệ thống cơ khí......................................................................................................................23
3.4. Thiết kế mạch trung tâm.....................................................................................................................23

3


3.4.1.Khối nguồn : sử dụng Pic 18F4520....................................................................................................25
3.4.2.Khối nguồn:......................................................................................................................................25
3.4.3.Một số tính năng chính của LM2576................................................................................................26
3.4.4.Khối dao động:..................................................................................................................................29

3.4.5.Khối RESET........................................................................................................................................30
3.4.6.Khối cảm biến...................................................................................................................................31
3.4.7. Khối điều khiển động cơ..................................................................................................................33
3.4.8.Cấu tạo và ký hiệu.............................................................................................................................33
3.4.9. IC đệm dòng UL2083........................................................................................................................37
3.5.Nguyên lý hoạt động............................................................................................................................39
3.6. Xây dựng thuật toán điều khiển..........................................................................................................39
3.7.Lưu đồ thuật toán điều khiển..............................................................................................................41
3.8 Chương trình dò đường.......................................................................................................................42
CHƯƠNG IV KẾT QUẢ VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN..........................................................................................44
4.1 Kết quả.................................................................................................................................................44
4.2 Hướng phát triển.................................................................................................................................44

4


DANH MỤC HÌNH ẢNH

1.Giới thiệu chung về đề tài.........................................................................................................................7
2.Các vấn đề đặt ra......................................................................................................................................7
3.Phương pháp nghiên cứu.........................................................................................................................7
4.Phạm vi giới hạn nghiên cứu....................................................................................................................8
Chương II TỔNG QUAN VỀ ROBOT DÒ ĐƯỜNG...........................................................................................9
2.1 Lịch sử phát triển của robot...................................................................................................................9
2.2. Cấu tạo robot dò đường.....................................................................................................................10
2.2.1 Hệ thống cơ khí.................................................................................................................................10
2.2.2.Động cơ DC 1 chiều...........................................................................................................................11
2.2.3.Nguyên tắc hoạt động.......................................................................................................................12
2.2.4 Cơ chế sinh lực quay của động cơ.....................................................................................................13
2.3.Điều khiển tốc độ động cơ bằng phương pháp điều khiển độ rộng xung PWM..................................13

2.3.1.Hệ thống cảm biến............................................................................................................................14
2.3.2.Dòng E3Z...........................................................................................................................................15
2.3.3.E3Z dùng công nghệ laze...................................................................................................................16
2.3.4.Dòng E3F2.........................................................................................................................................16
2.3.5.Dòng E3JK.........................................................................................................................................18
2.3.6.Dòng E3JM........................................................................................................................................18
2.3.7.Dòng E3X..........................................................................................................................................19
2.4.Hệ thống điều khiển............................................................................................................................20
2.5.Lý thuyết điều khiển chung..................................................................................................................21
Chương III : XÂY DỰNG MÔ HÌNH HÓA HỆ THỐNG VÀ THIẾT KẾ...............................................................22
3.1. Mô hình cơ khí....................................................................................................................................22
3.2. Mô hình điều khiển.............................................................................................................................23
5


3.3. Thiết kế hệ thống cơ khí......................................................................................................................23
3.4. Thiết kế mạch trung tâm.....................................................................................................................23
3.4.1.Khối nguồn : sử dụng Pic 18F4520....................................................................................................25
3.4.2.Khối nguồn:......................................................................................................................................25
3.4.3.Một số tính năng chính của LM2576................................................................................................26
3.4.4.Khối dao động:..................................................................................................................................29
3.4.5.Khối RESET........................................................................................................................................30
3.4.6.Khối cảm biến...................................................................................................................................31
3.4.7. Khối điều khiển động cơ..................................................................................................................33
3.4.8.Cấu tạo và ký hiệu.............................................................................................................................33
3.4.9. IC đệm dòng UL2083........................................................................................................................37
3.5.Nguyên lý hoạt động............................................................................................................................39
3.6. Xây dựng thuật toán điều khiển..........................................................................................................39
3.7.Lưu đồ thuật toán điều khiển..............................................................................................................41
3.8 Chương trình dò đường.......................................................................................................................42

CHƯƠNG IV KẾT QUẢ VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN..........................................................................................44
4.1 Kết quả.................................................................................................................................................44
4.2 Hướng phát triển.................................................................................................................................44

6


CHƯƠNG I : GIỚI THIỆU CHUNG
1.Giới thiệu chung về đề tài
Cơ điện tử là tổng hợp của nhiều lĩnh vực như cơ khí, điện và điều khiển. Các lĩnh
vực này kết hợp lại với nhau tạo thành các hệ thống cơ điện tử và cao hơn nữa là tự
động hóa toàn bộquá trình sản xuất. Ngành công nghiệp cơ điện tử ngày càng có
vai trò quan trọng và hết sức cần thiết để đáp ứng các mục tiêu phát triển kinh tế,
nhất là trong tiến trình công nghiệp hóa - hiện đại hóa nhanh như hiện nay. Nó đòi
hỏi một nguồn nhân lực có trình độ cao để vận hành.
Trên thế giới hiện nay có rất nhiều loại robot:
Quy mô lớn như: Những cánh tay máy trong các dây chuyền sản xuất, những
hệthống sản xuất tự động.
Nhỏ hơn là những robot có khả năng di chuyển, làm những công việc nguy hiểm
thay thế con người, robot giúp người già, robot bán hàng…v.v.
Trong đồ án lần này em thực hiện làm robot dò line, so với những robot trên thì nó
chỉ là 1 robot nhỏ, đơn giản.Robot dò đường được sử dụng nhiều trong cuộc thi
robocon.
2.Các vấn đề đặt ra
Robot dò đường là 1 hệ thống cơ điện tử nên phải có sự phối hợp hài hòa và hợp lý
giữa 3 phần: cơ khí, điện và điều khiển.
Tìm hiểu nguyên lý dò đường.
Xây dựng mô hình hóa hệ thống.
Đánh giá chất lượng của mô hình.
3.Phương pháp nghiên cứu

Robot dò đường là một sản phẩm đã được nghiên cứu trên thế giới và được ứng
dụng nhiều trong các cuộc thi robocon và là một sản phẩm cơ điện tử, nên trong
quá trình làm đồ án, nhóm đã áp dụng phương pháp nghiên cứu sau :
Nghiên cứu mô hình của các robto dò đường có sẵn trên thế giới và trong các cuộc
thi robocon, tham khảo lý thuyết chuyển động của robot dò đường. Từ đó áp dụng
để thiết kế trong giới hạn đề tài.

7


Tính toán thiết kế mô hình hóa và mô phỏng đánh giá chất lượng hệ thống và loại
trừ các lỗi thiết kế.
4.Phạm vi giới hạn nghiên cứu
Do điều kiện làm việc trong thời gian ngắn và khả năng kiến thức có hạn nên đề tài
được giới hạn trong điều kiện như sau :
Nghiên cứu loại robot dò đường sử dụng 2 động cơ công suất nhỏ.
Sử dụng các cảm biến quang và encoder.
Cho phép hoạt động trong phòng thí nghiệm.
Mục tiêu của đề tài là tập trung bài toán nguyên lý dò đường và có thể điểu khiển
dịch chuyển quay trái, phải 1 góc 90 và bắt ngã tư thông qua các đường line trên
sân.

8


Chương II TỔNG QUAN VỀ ROBOT DÒ ĐƯỜNG
2.1 Lịch sử phát triển của robot
Những robot xuất hiện lần đầu tiên ở New York vào ngày 09/10/1922 trong vở
kịch “ Rossum’s Universal Robot ” của nhà soạn kịch người Tiệp Khắc là Karen
Chapek, còn từ Robot là một cách gọi khác của từ Robota ( theo tiếng Tiệp Khắc

có nghĩa là công việc của lao dịch ). Khi đó, Karen Chapek cho rằng Robot là
những người máy có khả năng suy nghĩ.

Hình 2.1

Con robot đầu tiên

Trước những năm 1970, người ta chỉ tập trung vào việc phát triển những robot tay
máy hoạt động trong các nhà máy công nghiệp. Sau đó mới xuất hiện những khái
niệm về robot thông minh và các nghiên cứu bắt đầu tập trung vào robot di động.
Một trong những chuyên gia đầu nghành về robot di động là Hans P.Moravec ( bắt
đầu nghiên cứu từ năm 1964 ) và hiện nay chuyên nghiên cứu về robot di động là
Sebastien Thruns.
Các robot di động có người điều khiển đã được dùng cho các mục đích quân sự,
các nhiệm vụ nguy hiểm như phá mìn, thăm dò đáy đại dương, hầm mỏ, kiểm tra
các đường ống ngầm, hay thăm dò sao Hỏa, Mặt Trăng.....

Hình 2.2

Robot thăm dò sao hỏa
9


Sản phẩm robot di động được sản xuất đại trà và đưa vào thị trường lần đầu tiên là
robot hút bụi Roomba và Trilobite của hãng Electrolux năm 2003.

Hình 2.3

robot quân sự của Việt Nam

2.2. Cấu tạo robot dò đường
Các bộ thành phần cơ bản của robot dò đường là :
Hệ thống cơ khí và truyền động.
Hệ thống cảm biến
Hệ thống điều khiển.
2.2.1 Hệ thống cơ khí
Hệ thống cơ khí đóng vai trò như bộ khung xương của robot, nơi đỡ mọi hệ thống
và bộ phận khác của robot, nó tạo nên hình dáng bên ngoài của robot. Vật liệu để
tạo nên hệ thống cơ khí rất đa dạng: gỗ, nhôm, sắt, plastic,…Nhưng để đảm bảo độ
bền cũng như dễ thao tác trong quá trình vận hành, Nhôm thường được lựa chọn
nhiều nhất.
Hiện nay trên thế giới có rất nhiều loại động cơ khác nhau từ kích thước cho
đến nguyên lý hoạt động. Có những loại động cơ to như một căn nhà, có những
động cơ phải đo đạc ở kích thước micro mét, đa số các động cơ thông dụng biến
đổi điện năng thành cơ năng thông qua lực từ trường, nhưng có những động cơ lại
dùng nhiệt năng, sức gió, phản ứng hoá học, hoặc phản ứng ở kích thước nguyên
10


tử. Tất nhiên điểm chung duy nhất của động cơ là biến đổi tất cả các dạng năng
lượng khác thành cơ năng. Dưới đây là một số loại động cơ có ở thị trường Việt
Nam:

Động cơ bước

Hình 2.4

Động cơ bước

Động cơ bước ứng dụng nhiều trong điều khiển chính xác vị trí do có khả năng

điều khiển góc vị trí tới 0,9o, và còn nhỏ hơn nữa nếu điều khiển vi bước, mô mem
của động cơ lớn. Chấp hành chính xác tín hiệu điều khiển dạng digital và có khả
năng hãm tốt. Mạch điều khiển của động cơ bước khá phức tạp và tốc độ làm việc
không cao do đó không được sử dụng trong phạm vi đề tài.
2.2.2.Động cơ DC 1 chiều
Động cơ điện một chiều là động cơ điện hoạt động với dòng điện một chiều.

Hình 2.5 Động cơ DC

11


2.2.3.Nguyên tắc hoạt động.
Stato của động cơ điện 1 chiều thường là 1 hay nhiều cặp nam châm vĩnh cửu, hay
nam châm điện, roto có các cuộn dây quấn và được nối với nguồn điện một chiều,
1 phần quan trọng khác của động cơ điện 1 chiều là bộ phận chỉnh lưu, nó có
nhiệm vụ là đổi chiều dòng điện trong khi chuyển động quay của rotor là liên tục.
Thông thường bộ phận này gồm có một bộ cổ góp và một bộ chổi than tiếp xúc với
cổ góp.

Hình 2.6 : Pha 1: Từ trường của roto cùng cực với stato, sẽ đẩy nhau tạo ra chuyển
động quay của roto

Hình 2.7: Pha 2: Rotor tiếp tục quay

Hình 2.8: Pha 3 Bộ phận chỉnh điện sẽ đổi cực sao cho từ trường giữa stato và
rotorcùng dấu, trở lại pha 1

Nếu trục của một động cơ điện một chiều được kéo bằng 1 lực ngoài, động cơ
sẽ hoạt động như một máy phát điện một chiều, và tạo ra một sức điện động cảm

ứng Electromotive force (EMF). Khi vận hành bình thường, rotor khi quay sẽ phát
ra một điện áp gọi là sức phản điện động counter-EMF (CEMF) hoặc sức điện

12


độngđối kháng, vì nó đối kháng lại điện áp bên ngoài đặt vào động cơ.Sức điện
động này tương tự như sức điện động phát ra khi động cơ được sử dụng như một
máy phát điện (như lúc ta nối một điện trở tải vào đầu ra của động cơ, và kéo trục
động cơ bằng một ngẫu lực bên ngoài). Như vậy điện áp đặt trên động cơ bao gồm
2 thành phần: sức phản điện động, và điện áp giáng tạo ra do điện trở nội của các
cuộn dây phần ứng. Dòng điện chạy qua động cơ được tính theo biều thức sau:

Công suất cơ mà động cơ đưa ra được, được tính bằng:

2.2.4 Cơ chế sinh lực quay của động cơ.
Khi có một dòng điện chạy qua cuộn dây quấn xung quanh một lõi sắt non, cạnh
phía bên cực dương sẽ bị tác động bởi một lực hướng lên, trong khi cạnh đối diện
lại bị tác động bằng một lực hướng xuống theo nguyên lý bàn tay trái của Fleming.
Các lực này gây tác động quay lên cuộn dây, và làm cho rotor quay. Để làm cho rô
to quay liên tục và đúng chiều, một bộ cổ góp điện sẽ làm chuyển mạch dòng điện
sau mỗi vị trí ứng với 1/2 chu kỳ. Chỉ có vấn đề là khi mặt của cuộn dây song song
với các đường sức từ trường. Nghĩa là lực quay của động cơ bằng 0 khi cuộn dây
lệch 90o so với phương ban đầu của nó, khi đó Rô to sẽ quay theo quán tính.

2.3.Điều khiển tốc độ động cơ bằng phương pháp điều khiển độ rộng xung
PWM.
Thông thường, tốc độ quay của một động cơ điện một chiều tỷ lệ với điện áp đặt
vào nó, và ngẫu lực quay tỷ lệ với dòng điện. Điều khiển tốc độ của động cơ có thể
bằng cách điều khiển các điểm chia điện áp của bình ắc quy, điều khiển bộ cấp

nguồn thay đổi được, dùng điện trở hoặc mạch điện tử... Chiều quay của động cơ
có thể thay đổi được bằng cách thay đồi chiều nối dây của phần kích từ, hoặc phần
ứng, nhưng không thể được nếu thay đổi cả hai.Thông thường sẽ được thực hiện
bằng các bộ công tắc tơ đặc biệt (Công tắc tơ đổi chiều).Việc điều khiển tần số
đóng cắt của các công tắc này sẽ tạo ra điện áp trung bình đặt lên 2 cực của động
cơ.Điện áp này tỉ lệ thuận với tốc độ động cơ.
13


Phương pháp thay đổi độ rộng xung có tên tiếng anh Pulse Width
Modulation (PWM) là phương pháp điều chỉnh điện áp ra hay nói cách khác là
phương pháp điều chế sự thay đổi độ rỗng chuỗi xung vuông dẫn tới sự thay đổi
điện áp ra.

Hình 2.9: Đồ thị điều chế PWM
Gọi t0 là thời gian điện áp ở mức cao nhất
T là chu kỳ điều khiển khi đó điện áp ra:
Ura=Umax.(t1/T)
Hệ thống truyền động đóng vai trò như đôi chân của robot, bao gồm những kết cấu
cơ khí dùng để truyền lực phát động tới bánh xe giúp robot có thể di chuyển được.
Nó bao gồm bánh hệ thống bánh xe, bộ phận đỡ bánh xe, đỡ động cơ, các loại đai
(thang, tròng, răng) hoặc xích, động cơ.

2.3.1.Hệ thống cảm biến
Đóng vai trò như các giác quan của robot, là nơi tiếp nhận những tín hiệu từ bên
ngoài đưa vào như: trạng thái của robot đang có, các điểm dừng, vật cản,… Hệ
thống càng hiện đại thì robot càng thông minh.
Omron là một trong các nhà sản xuất hàng đầu thế giới về cảm biến quang, cung
cấp nhiều dòng sản phẩm đáp ứng mọi nhu cầu ứng dụng.

14


Hình 2.10

Một số loại cảm biến

2.3.2.Dòng E3Z
E3Z là dòng dòng cảm biến thông dụng kích thước nhỏ thuộc loại phổ biến nhất
toàn cầu. Mỗi năm có khoảng 1 triệu bộ E3Z được bán ra. E3Z có đủ các model
với chế độ hoạt động khác nhau, cũng như có nhiều nhánh sản phẩm con và model
đặc biệt.
E3Z có độ tin cậy rất cao:
Khả năng chống nhiễu do ánh sáng môi trường rất cao.

Hình 2.11

Cảm biến E3Z

Khả năng chống nhiễu điện từ trường cao:
Độ kín nước cao IP67+IP69K (có thể xịt nước rửa trực tiếp) nhờ cấu trúc khuôn
đặc biệt
Trục quang học có độ lệch nhỏ (= > dễ lắp đặt, chỉnh định)

15


E3ZM thuộc họ E3Z. Nhờ có cấu tạo vỏ thép không gỉ SUS316L nên rất thích hợp
cho công nghiệp thực phẩm, đồ uống, dược phẩm, chịu được nước, dung dịch xịt
rửa với áp suất cao.

Tính năng chính:
Độ kín nước cao nhất IP69K
Vỏ thép không gỉ SUS 316L bền và chịu được môi trường hóa chất ăn mòn
Dây tín hiệu ra dùng giắc cắm
2.3.3.E3Z dùng công nghệ laze
Loại E3Z-Laser có tia sáng phát rất nhỏ, cho phép định vị và phát hiện chính xác
vật có kích thước rất nhỏ. Tia sáng có thể thấy rõ bằng mắt thường nên lắp đặt và
chỉnh định rất thuận tiện.
Tính năng chính:

Hình 2.12

E3Z dùng công nghệ laze

Tỉ lệ lỗi trắng / đen rất nhỏ, chống nhiễu nền BGS rất tốt
Sử dụng tia laze chuẩn Class 1 (ít nguy cơ gây hại cho mắt)
2.3.4.Dòng E3F2
E3F2 dòng lớn thứ hai trong các loại cảm biến quang Omron. E3F2 và E3Z đều có
độ tin cậy rất cao và dải khoảng cách phát hiện rộng do sử dụng chung khối cảm
biến trong. Dòng này có đủ các model với mọi chế độ hoạt động: Thu phát, phản
xạ gương, phản xạ khuếch tán và BGS (khoảng cách cố định).
Nhiều khách hàng ưa sử dụng E3F2 do loại này dạng trụ cỡ M18 dễ lắp đặt.
16


Hình 2.13

Cảm biến dòng E3F2

OMRON mới bổ sung thêm họ

E3FZ hình trụ M18 loại ngắn và có miếng gá giúp lắp đặt nhanh.
E3T là loại cảm biến quang mini cho ứng dụng bị hạn chế không gian lắp đặt. Độ
lệch trục quang học rất nhỏ nhờ có công nghệ quang đặc biệt.
Có 2 loại chính phân biệt theo hình dạng: dẹt và vuông

Hình 2.14

Cảm biến dòng E3FZ

Tính năng chính:
E3T-FL[...]: model BGS dẹt, chỉ dày 3,5mm với tỉ lệ lỗi trắng / đen nhỏ.
E3T-SR4[...]: phản xạ gương đồng trục, khả năng định vị chính xác và không bị
vùng chết khi phát hiện băng keo phản xạ.

17


2.3.5.Dòng E3JK
E3JK có sẵn nguồn, sử dụng điện áp 24-240 VAC và đầu ra rơle. Kích thước
50x50mm của dòng này rất phổ biến trên thị trường và có nhiều nhà sản xuất áp
dụng cỡ này.
Tính năng E3JK:

Hình 2.15

Cảm biến dòng E3JK

Có các loại thu phát, phản xạ gương, phản xạ khuếch tán
Cáp nối có sẵn
Điểm mạnh:

Giá thành hợp lý
Được nâng cấp năm 2009, sử dụng IC cảm biến mới nhất của Omron cho độ tin
cậy cao
2.3.6.Dòng E3JM
E3JM có sẵn nguồn, dùng điện áp 24-240VAC hoặc 12-240VDC, đầu ra rơle.
E3JM sử dụng khối đầu nối dây (cỡ PG 13,5), có model với đầu ra thời gian và
khoảng cách phát hiện xa hơn loại E3JK.

Hình 2.16

Cảm biến dòng E3JM

Tính năng E3JM:

18


Có các loại Thu phát, phản xạ gương, phản xạ khuếch tán.
Đầu ra rơle hoặc bán dẫn
Điểm mạnh:
Khối đấu dây giúp lắp đặt thuận tiện (như trường hợp lắp trong các tòa nhà)
Tiếp điểm ra có thể đặt độ trễ thời gian từ 0,1 đến 5s
2.3.7.Dòng E3X
Đây là dòng cảm biến sợi quang. Bộ điều khiển có thể nối với nhiều đầu sợi quang
với hình dạng, độ dài khác nhau, cho phép lắp đặt ở những vị trí không gian rất
hẹp. Đây là ưu thế đặc thù mà các loại cảm biến khác không có được.

Hình 2.17

Cảm biến dòng E3X

Dòng này có các loại model:
Thu phát, phản xạ gương, phản xạ khuếch tán
Bộ điều khiển (khuếch đại) với 1 hoặc 2 sợi quang
Lắp đặt thanh DIN rail
Tín năng đặc biệt tùy model:
Chức năng thời gian bật trễ, tắt trễ và 1 xung ra.
Tốc độ đáp ứng cao
Khả năng phát hiện màu
Hiện thị tín hiệu dạng đồ thị thanh
19


2.4.Hệ thống điều khiển
Đóng vai trò như bộ não của robot.Đây là nơi tiếp nhận các tín hiệu từ môi trường
bên ngoài được đưa về bằng cảm biến cũng như sử lý, đưa ra “mệnh” lệnh điều
khiển robot.Yêu cầu đặt ra của hệ thống là phải đáp ứng nhanh cũng như phải đủ
mạnh Vi điều khiển PIC do hãng Microchip phát triển và sản xuất với sản phẩm
đầu tiên là CP1600. Vi điều khiển này sau đó được nghiên cứu và phát triển thêm
từ đó hình thành nên dòng PIC hiện nay.
Tổ chức phần cứng của PIC được thiết kế theo kiến trúc Havard. Điểm khác biệt
giữa kiến trúc Havard và kiến trúc Von - Neuman là cấu trúc bộ nhớ dữ liệu và bộ
nhớ chương trình.
Đối với kiến trúc Von - Neuman, bộ nhớ dữ liệu và bộ nhớ chương trình nằm
chung trong một bộ nhớ, do đó ta có thể tổ chức, cân đối một cách linh hoạt bộ nhớ
chương trình và bộ nhớ dữ liệu. Tuy nhiên điều này chỉ có ý nghĩa khi tốc độ xử lý
của CPU phải rất cao, vì với cấu trúc đó, trong cùng một thời điểm CPU chỉ có thể
tương tác với bộ nhớ dữ liệu hoặc bộ nhớ chương trình. Như vậy có thể nói kiến
trúc Von-Neuman không thích hợp với cấu trúc của một vi điều khiển.
Đối với kiến trúc Havard, bộ nhớ dữ liệu và bộ nhớ chương trình tách ra thành hai

bộ nhớ riêng biệt. Do đó trong cùng một thời điểm CPU có thể tương tác với cả hai
bộ nhớ, như vậy tốc độ xử lý của vi điều khiển được cải thiện đáng kể.
Một điểm cần chú ý nữa là tập lệnh trong kiến trúcHavard có thể tối ưu tùy theo
yêu cầu kiến trúc của vi điều khiển mà không phụ thuộc vào cấu trúc dữ liệuVí dụ
đối với vi điều khiển dòng 16F, độ dài lệnh luôn là 14 bit ( trong khi dữ liệu được
tổ chức thành từng byte ), còn đối với kiến trúc Von-Neuman, độ dài lệnh luôn là
bội số của 1 byte (do dữ liệu được tổ chức thành từng byte) .
Một chu kỳ lệnh của vi điều khiển PIC sẽ bao gồm 4 xung clock. Ví dụ ta sử dụng
thạch anh có tần số 4MHz, thì xung lệnh sẽ có tấn số 1MHz (chu kỳ lệnh sẽ là 1
us). Thông thường, để thực thi một lệnh, ta cần một chu kỳ lệnh để gọi lệnh đó, và
một chu kỳ xung clock nữa để giải mã và thực th lệnh. Với cơ chếp ipelining, mỗi
lệnh xem như chỉ được thực thi trong một chu kỳ lệnh. Đối với các lệnh mà quá
trình thực thi nó làm thay đổi giá trị thanh ghi PC (Program Counter) cần 2 chu kỳ
lệnh đểt hực thi vì phải thực hiện việc gọi lệnh ở địa chỉ thanh ghi PC chỉ tới. Sau
khi đã xác định đúng vị trí lệnh trong thanh ghi PC, mỗi lệnh chỉ cần một chu kỳ
lệnh để thực thi xong.

20


Các họ PIC
ƒ Họ 8 bit:
+ PIC10
+ PIC12
+ PIC16
+ PIC18
ƒ Họ 16 bit:
+ PIC24F
+ PIC24H
+ dsPIC30

+ dsPIC3
để hoạt động ổn định trong mọi môi trường.
2.5.Lý thuyết điều khiển chung
Điều khiển robot dò đường thực chất là điều khiển robot dữ một trạng thái
nào đó trong suốt quá trình vận hành. Trong thực tế do nhiều nguyên nhân mà
robot không thể duy trì trạng thái ổn định vì vậy bằng việc điều khiển tốc độ động
cơ để lấy lại trạng thái ban đầu cho robot. Việc nhận biết trạng thái của robot sẽ do
khối cảm biến phụ trách. Tùy vài từng trạng thái mà ta sẽ cho tốc độ động cơ khác
nhau.

Hình 2.18

Dò đường theo vạch
21


Chương III :

XÂY DỰNG MÔ HÌNH HÓA HỆ THỐNG VÀ
THIẾT KẾ

3.1. Mô hình cơ khí
Mô hình thiết kế bằng phần mềm solidwork:

Hình 3.1 Mô hình trên solidwork
Phần quan trọng nhất khi thiết kế, chế tạo cơ khí là phần khung giữa động cơ và
bánh. Đây là phần chịu lực chủ yếu của robot nên yêu cầu được tính toán và thiết
kế tốt, đảm bảo tính thẩm mỹ của sản phẩm mà vẫn chạy tốt và ổn định.
Robot có kết cấu hình vuông sử dụng 2 bánh truyền độc lập và 2 bánh đa
hướng được bố trí cân đối giúp robot có thể chuyển động theo vòng tròn và xoay

tròn quanh tâm.
Yêu cầu chung của thiết bị là phải đảm bảo chịu lực, dễ gia công và giá thành
hợp lý, nên chúng em chọn vật liệu của khung robot là vật liệu nhôm định hình.

22


3.2. Mô hình điều khiển

Hình 3.2

Mô hình điều khiển

3.3. Thiết kế hệ thống cơ khí
Ở đề tài này chúng em sử dụng động cơ DC một chiều

Loại động cơ này có nhiều đặc tình phù hợp với robot dò đường, và đặc biệt
phù hợp với yêu cầu đưa ra trong mô hình này.

3.4. Thiết kế mạch trung tâm
Sơ đồ nguyên lý:

23


6
5
4
3
2

1
JP1

VCC

RN1
XTAL1

R1
10k

C1
GND

X1
4Mhz

RESET
4
2

XTAL2
C2
10uF

10K

C3

INT0

INT1

3
1

33
34
35
36
37
38

GND
PGC
PGD

VCC
R2

VCC

270
LED1

39
40

RD0/PSP0
RD1/PSP1
RD2/PSP2

RD3/PSP3
RD4/PSP4
RD5/PSP5
RD6/PSP6
RD7/PSP7
RB0/INT0
RB1/INT1
RB2/INT2
RB3/CCP2
RB4
RB5

DROLE1
PWM2
PWM1
DROLE2

12VDL

R4

PWM2
O1

R6

RB6
RB7

O2

2
3
4
5
6

RA0/AN0
RA1/AN1
RA2/AN2/VREFRA3/AN3/VREF+
RA4/T0CKI

DO1

IC2A
1

SENSOR1

2
4

VR2 10K
GND

8

3

GND
VCC

GND
VCC
5

DO2

IC2B
7

1
3
5
7
9
11
13
15
17
19

DO1
DO2
DO3
DO4
DO5
DO6
DO7
DO8

SENSOR2

6

R8

O3
VCC

R10

SENSOR1
SENSOR2
SENSOR3
SENSOR4
SENSOR5
SENSOR6
SENSOR7
SENSOR8

GND
VCC

DO1
DO2
DO3
DO4
DO5
DO6
DO7

DO8

8

IC3A
1

SENSOR3

2

2
1
HD11
D33

5

IC3B
7

12VDL
SENSOR4

8

3

IC4A
1

RB9/1

IC1
I1
I2
I3
I4
I5
I6
I7
I8

1
2
3
O1
O2
O3
O4
O5
O6
O7
O8

GNDCOM

18
17
16

15
14
13
12
11
10

UROLE1

2
1
HD7

24VDL

8

PWMU2
UROLE2
PWMU1
UROLE1

4
5
6
12VDL

R40 PWMU1

D 2

RL9R39

G
1

12VDL

Q1
IRF840

S 3

HD12 24VDL
1
2
3

4

12VDL

IC4B
7

GND

UROLE2

7

8

4
5
6

SENSOR6
+12
2
1
HD13

VCC
8

3

IC5A
1

SENSOR7

2

U2
1

D35

5

C5
1000uF/50V

3

VIN
ON/OFF

OUT
FB

2

D34
1N5822
L1 100uH

4

VCC
12VDL
R37

GND
LM2576T-5.0

LD2

4

VR8 10K

C4
1000uF/50V

VR7 10K

GND
VCC
5

IC5B
7

2
1
HD8

24VDL

6

GND

D21

7

12VDL

SENSOR5

GND
5

DO8

a1

24VDL

VCC

GND

a2

2

VR6 10K

DO7

R14
270
R15
270

LD1

VCC

DO6

a3

2
1

VR5 10K

GND

9

1N4007

6

GND

DO5

10k R38

GND
VCC

DO4

1
2
3
4
PWMO2 5
OPROLE2 6
PWMO1 7
OPROLE1 8

12VDL

4

GND

VCC

R13
270

24VDL

LDD1

VCC

VR4 10K

1
2

3
4
5
6
7
8

a4

Header 10X2

GND

DO3

VCC

16
15
14
13
12
11
10
9

R12
270

OPROLE1

Res1
10K R11
Res1
10K

Optoisolator1
O4

2
4
6
8
10
12
14
16
18
20

R9
Res1
10K

OP4

a4

DROLE1

1
2
3
4
5
6
7
8
9

PWMO1

Res1
10K

Optoisolator1

11
VDD
32
VDD

VR3 10K
3

OP3

a3

OPROLE2

Res1
10K R7
Res1
10K

PWM1

Rop1
VCC

OP2

a2

Optoisolator1

P1

VR1 10K

PWMO2
Res1
10K R5
Res1
10K

Optoisolator1

GND

GND

OP1

a1

DROLE2

31
VSS
12
VSS
PIC18F4520

GND

15
16
17
18
23
24
25
26
8
7
9
10

RC0/T1OSO/T1CKI
RC1/T1OSI/CCP2
RC2/CCP1
RC3/SCK/SCL
RC4/SDI/SDA
RC5/SDO
RC6/TX/CK
RC7/RX/DT
RE0/RD/AN5
RA5/AN4/SS/LVDIN
RE1/WR/AN6
RE2/CS/AN7

RESET 1
MCLR/VPP
XTAL2 14
OSC2/CLKO/RA6
XTAL1 13
OSC1/CLKI

3
2
1
JP2

INT0

19
20
21

22
27
28
29
30

OUT7

SW1

U1
SENSOR1
SENSOR2
SENSOR3
SENSOR4
SENSOR5
SENSOR6
SENSOR7
SENSOR8

OUT8

RESET

VCC

OUT5

GND
VCC

OUT6

PGC
PGD

GND

SENSOR8

6

Hình 3.3

Sơ đồ nguyên lý

24

R42

PWMU2

R41
RL10

D 2
G
1
S 3

Q2
IRF840

D23


3.4.1.Khối nguồn : sử dụng Pic 18F4520
U1
SENSOR1
SENSOR2
SENSOR3
SENSOR4
SENSOR5
SENSOR6
SENSOR7
SENSOR8
INT0
INT1

PGC
PGD

19
20
21
22
27
28
29
30

33
34
35
36
37
38
39
40

RESET
XTAL2
XTAL1

1
14
13
31
12

RD0/PSP0
RD1/PSP1
RD2/PSP2
RD3/PSP3
RD4/PSP4
RD5/PSP5
RD6/PSP6
RD7/PSP7

RC0/T1OSO/T1CKI
RC1/T1OSI/CCP2

RC2/CCP1
RC3/SCK/SCL
RC4/SDI/SDA
RC5/SDO
RC6/TX/CK
RC7/RX/DT
RE0/RD/AN5
RA5/AN4/SS/LVDIN
RE1/WR/AN6
RE2/CS/AN7

RB0/INT0
RB1/INT1
RB2/INT2
RB3/CCP2
RB4
RB5
RB6
RB7

RA0/AN0
RA1/AN1
RA2/AN2/VREFRA3/AN3/VREF+
RA4/T0CKI

MCLR/VPP
OSC2/CLKO/RA6
OSC1/CLKI
VSS
VSS

PIC18F4520

VDD
VDD

15
16
17
18
23
24
25
26
8
7
9
10

DROLE1
PWM2
PWM1
DROLE2

2
3
4
5
6
11
32

VCC

GND

Hình 3.4

Sơ đồ nguyên lý Pic 18F4520

3.4.2.Khối nguồn:
GND

+12

1

D35

5
C5
1000uF/50V

3

U2
VIN
ON/OFF

OUT
FB

2
4

GND
LM2576T-5.0

D34
1N5822

C4
L1 100uH

1000uF/50V

2
1
HD13

VCC
R37

LD2

GND

Hình 3.5

Sơ đồ nguyên lý khối nguồn

Đúng nguyên tắc điều khiển, hệ thống sẽ có 2 nguồn riêng biệt gọi là NGUỒN
ĐIỀU KHIỂN và NGUỒN CÔNG SUẤT. Nguồn điều khiển là nguồn cấp điện
cho bộ điều khiển, khối dò line thông thường có mức điện áp khoảng 5V. Trong
khi đó nguồn công suất là nguồn cấp cho Driver, các động cơ, điện áp của nguồn
25