Thiết kế và chế tạo ROBOT lau nhà thông minh

Cộng hòa xã hội chủ nghĩa Việt Nam
Độc lập – Tự do – Hạnh phúc
===========================
LỜI CAM ĐOAN

Kính gởi:

- Trường Đại học Bách Khoa Đà Nẵng
-

Khoa Điện Tử – Viễn Thông

Nhóm chúng tôi gồm 2 thành viên:
Trần Văn Líc
Hiện là sinh viên lớp 09DT1, khoa Điện Tử – Viễn Thông, trường Đại học Bách
Khoa Đà Nẵng.
Nguyễn Bá Tuệ
Hiện là sinh viên lớp 09DT3, khoa Điện Tử – Viễn Thông, trường Đại học Bách
Khoa Đà Nẵng.
Chúng tôi xin cam đoan đồ án này là kết quả do chúng tôi tự tính toán, thiết kế
và nghiên cứu, không sao chép của ai, được thực hiện dưới sự hướng dẫn của
PGS.TS Phạm Văn Tuấn. Nếu có bất kì sự vi phạm nào, nhóm xin chịu hoàn toàn
trách nhiệm và chịu mọi sự kỉ luật của khoa và nhà trường.
Xin chân thành cảm ơn.
Đà Nẵng, tháng 06 năm 2014
Sinh viên

Page 1


LỜI CẢM ƠN

Đầu tiên tôi xin chân thành cảm ơn quý thầy, cô trong khoa Điện tử Viễn thông,
Đại học Bách Khoa Đà Nẵng đã tận tình truyền đạt kiến thức trong suốt thời gian
học tập tại trường. Với vốn kiến thức quý báu được tiếp thu, tôi đã có nền tảng vững
chắc để thực hiện tốt đồ án.Và đặc biệt tôi xin gửi lời biết ơn sâu sắc đến PGS.TS
Phạm Văn Tuấn đã tận tình hướng dẫn, đồng thời động viên trong thời gian tôi
nghiên cứu và hoàn thành đồ án này.
Tôi cũng thầm biết ơn sự ủng hộ của gia đình, bạn bè – những người thân yêu
luôn là chỗ dựa vững chắc cho tôi.
Trong thời gian thực hiện đồ án, mặc dù có nhiều cố gắng nhưng chắc chắn đồ
án sẽ không tránh khỏi những thiếu sót. Kính mong các thầy tận tình chỉ bảo và góp
ý kiến để đồ án được hoàn thiện hơn.
Cuối cùng, tôi xin kính chúc quý Thầy, Cô và gia đình dồi dào sức khỏe,
luôn thành công trong sự nghiệp cao quý của mình.
Tôi xin chân thành cảm ơn!

Page 2


PHÂN CÔNG NHIỆM VỤ
Nhóm thực hiện:
Trần Văn Líc
Nguyễn Bá Tuệ
Trần Văn Líc
- Tìm hiểu và lập trình cho cảm biến từ trường GY-273 HMC5883L.
- Lập trình cho module encoder để phát hiện chuyển động của robot
- Lập trình PID điều khiển động cơ để ổn định hướng đi cho robot
- Phát triển các thuật toán di chuyển thông minh, thuật toán tránh vật cản cho
Robot
Nguyễn Bá Tuệ
- Thiết kế và thi công phần cơ khí và mạch điều khiển cho Robot

- Tìm hiểu và lập trình cho cảm biến siêu âm SRF-04, công tắc hành trình để
phát hiện vật cản cho Robot
- Lập trình PWM để điều khiển tốc độ động cơ dùng module mạch cầu H L298
- Phát triển các thuật toán di chuyển thông minh, thuật toán tránh vật cản cho
Robot

MỤC LỤC
Page 3


CÁC TỪ VIẾT TẮT
DIR
PWM
VĐK
DC
ADC
MCU
UART
I2C
SPI
RAM
RISC
IC
PID
GPS

DIRECT
PULSE WIDTH MODULATION

ĐIỀU HƯỚNG

ĐIỀU CHẾ ĐỘ RỘNG XUNG
VI ĐIỀU KHIỂN
DIRECT CURRENT
DÒNG ĐIỆN MỘT CHIỀU
ANALOG TO DIGITAL
BỘ CHUYỂN ĐỔI TƯƠNG TỰ
CONVERTER
SANG SỐ
MICROCONTROLLER UNIT
BỘ VI ĐIỀU KHIỂN
UNIVERSAL ASYNCHRONOUS
BỘ TRUYỀN NHẬN KHÔNG
RECEIVER/TRANSMITTER
ĐỒNG BỘ
INTER-INTEGRATED CIRCUIT MỘT LOẠI GIAO TIẾP TRUYỀN
THÔNG NỐI TIẾP ĐỒNG BỘ
SERIAL PERIPHERAL
GIAO DIỆN NGOẠI VI NỐI
INTERFACE
TIẾP
RANDOM ACCESS MEMORY
BỘ NHỚ TRUY CẬP NGẤU
NHIÊN
REDUCED INSTRUCTIONS SET
MÁY TÍNH VỚI TẬP LỆNH
COMPUTER
ĐƠN GIẢN HÓA
INTEGRATED CIRCUIT
MẠCH TÍCH HỢP
PROPORTIONAL INTEGRAL

BỘ ĐIỀU KHIỂN THEO CƠ CHẾ
DERIVATIVE
PHẢN HỒI VÒNG
GLOBAL POSITIONING
HỆ THỐNG ĐỊNH VỊ TOÀN
SYSTEM
CẦU

LỜI MỞ ĐẦU

Trong xã hội hiện đại ngày nay, khoa học kỹ thuật đang phát triển rất mạnh mẻ
và đi cùng với đó là sự phát triển các sản phẩm ứng dụng của nó vào thực tế trong
nhiều lĩnh vực như: y tế , giáo dục, nông nghiệp, sản phẩm dân dụng… Do đó, với
Page 4


mong muốn áp dụng kiến thức mà mình đã học được trong hơn bốn năm học ở
giảng đường đại học , nhóm chúng tôi đã quyết định làm một sản phẩm mang tính
ứng dụng vào đời sống thực tiễn của mỗi chúng ta. Sản phẩm đó là một chú robot
lau nhà thông minh.
Robot lau nhà thông minh được thiết kế để có thể lau sàn nhà trong gia đình
bằng khăn lau nhà microfiber cao cấp sử dụng sợi hình vòng khép kín độc đáo
nhanh chóng lấy sạch mọi bụi bẩn trên sàn nhà, robot di chuyển theo hình ziczac
thông minh dưới sự điều hướng của la bàn điện tử, kết hợp thuật toán điều khiển
PID nhằm ổn định hướng đi cho robot. Đảm bảo robot có thể lau sạch toàn bộ khu
vực trong ngôi nhà và tránh được các vật cản thông thường trong nhà bằng các cảm
biến siêu âm và công tắc hành trình được gắn trên robot. Với việc sử dụng công
nghệ hoàn toàn khác là sử dụng các cảm biến giá rẻ nhưng vẫn hiệu quả cao, sản
phẩm hy vọng sẽ có đủ sức cạnh tranh cả về mặt giá lẫn chất lượng so với các sản
phẩm robot của các hãng khác trên thị trường.

Đồ án được chia thành 4 chương :
• Chương 1 GIỚI THIỆU TỔNG QUAN VỀ ĐỀ TÀI
• Chương 2 GIỚI THIỆU CÁC MODULE SỬ DỤNG TRONG ROBOT
• Chương 3 LẬP TRÌNH CHO ROBOT
• Chương 4 KẾT QUẢ VÀ ĐÁNH GIÁ HOẠT ĐỘNG CỦA ROBOT

Page 5


CHƯƠNG 1 GIỚI THIỆU TỔNG QUAN VỀ ĐỀ TÀI

CHƯƠNG 1
GIỚI THIỆU TỔNG QUAN VỀ ĐỀ TÀI
1.1 Giới thiệu chương
Trong chương này, tôi giới thiệu sơ bộ về robot lau nhà thông minh, trong đó
nội dung chính trình bày bao gồm: mô hình, sơ đồ khối và nguyên lý hoạt động của
robot.
1.2 Tổng quan về Robot lau nhà
Robot làm sạch cho môi trường công cộng cũng như các hộ gia đình cá nhân
dường như mang lại các bước đột phá mà các nhà thiết kế hệ thống robot phi công
nghiệp đã mong đợi từ lâu. Khảo sát trong bài báo A Short History of Cleaning
Robots [1] chọn ra 30 robot làm sạch khác nhau với sản phẩm phát triển trong vòng
15 năm trở lại đây và một vài trường hợp ngoại lệ. Khảo sát tập trung vào việc làm
sạch sàn, đặc biệt là làm sạch sàn nhà. Khảo sát mô tả một loạt các loại robot lau và
hút bụi được phát triển cho nhiệm vụ này. Kết quả là hầu như 30 sản phẩm robot
nêu trên vẫn đạt đến trạng thái của sản phẩm thương mại, số lượng của chúng chắc
chắn phản ánh kỳ vọng về giá trị kinh tế liên quan đến việc tự động hóa các nhiệm
vụ làm sạch [1]. Ở châu Âu dự toán cho thị trường dịch vụ làm sạch lên tới 100 tỷ
USD mỗi năm [1]. Do đó, không ngạc nhiên khi các ngành công nghiệp làm sạch và
các nhà sản xuất thiết bị vệ sinh tích cực đầu tư vào sản phẩm này.

Có 2 sản phẩm làm sạch sàn nhà trên thị trường hiện nay đó là sản phẩm Robot
lau nhà và Robot hút bụi. Hình 1.1 minh họa về 2 loại sản phẩm làm sạch sàn nhà
trên thị trường.

Page 6


CHƯƠNG 1 GIỚI THIỆU TỔNG QUAN VỀ ĐỀ TÀI

Hình 1.2.1.1.1.1 Robot hút bụi của SAMSUNG và Robot lau nhà của iRobot
So với loại Robot hút bụi, Robot lau nhà có đặc điểm là lau nhà được sạch hơn
do mọi bụi bẩn đều bám vào khăn lau, trong khi Robot hút bụi không được sạch hơn
do bụi có thể bị khuếch tán xung quanh, ngoài ra Robot hút bụi khó có thể hút được
bụi dính vào sàn nhà do lực hút bị hạn chế và gây ra tiếng ồn lớn do động cơ hút
gây nên tạo cảm giác khó chịu cho người sử dụng [3].
Các loại Robot lau nhà hiện nay có những kỹ thuật dẫn đường cho Robot khác
nhau. Có 2 hướng chính là sử dụng cảm biến và xử lý ảnh. Hướng xử lý ảnh lần đầu
tiên được cấp cho nhà sáng chế Eric Richard Bartsch năm 2002 [5], ông sử dụng
camera để quét trên trần nhà xử lý ảnh để tạo bản đồ di chuyển cho Robot. Hình 1.2
minh họa phương pháp trên được trích từ tài liệu tham khảo[5].

Hình 1.2.1.1.1.2 Robot sử dụng công nghệ xử lý ảnh để tạo bản đồ cho Robot
Tuy nhiên Robot sử dụng công nghệ xử lý ảnh như trên có nhược điểm là không
thể hoạt động trong điều kiện thiếu ánh sáng nên dần dấn được các công ty chuyển
Page 7


CHƯƠNG 1 GIỚI THIỆU TỔNG QUAN VỀ ĐỀ TÀI

sang sử dụng cảm biến để tạo bản đồ di chuyển cho Robot. Sản phẩm của iRobot sử

dụng bản quyền công nghệ NorthStar® Navigation tạo lập bản đồ cho Robot [3].
Công nghệ này dựa trên hệ thống định vị GPS kết hợp cảm biến gyroscopes để dẫn
đường cho Robot [6]. Và đơn giản hơn là sản phẩm Robot LTM-T290 của hãng
XRobot chỉ di chuyển theo phương pháp ngẫu nhiên

Hình 1.2.1.1.1.3 Hình ảnh iRobot và Robot LTM-T290
Trên thị trường hiện nay có rất nhiều sản phẩm của các hãng lơn như LG,
SAMSUNG, PHILIPS,...Tuy nhiên lại hướng đến sản phẩm Robot hút bụi. Theo
trang 10TopTenREVIEWS so sánh và xếp hạng sản phẩm tốt nhất năm 2014, sản
phẩm của hãng iRobot là sản phẩm duy nhất trên thị trường hiện nay phát triển theo
hướng Robot lau nhà và đã được xếp hạng thứ 2 (Rankings #2) với các sản phẩm
khác [2]. iRobot sử dụng bản quyền công nghệ NorthStar® Navigation tạo lập bản
đồ để di chuyển [3], có một phương pháp nữa là di chuyển ngẫu nhiên thì hiệu quả
không cao do bị trùng lặp đường đi và bỏ sót nhiều phần chưa được lau. Phương
pháp này chỉ áp dụng cho các sản phẩm giá rẻ trên thị trương hiện nay. Hình 1.4 thể
hiện sự đánh giá của giữa 2 phương pháp tạo bản đồ và di chuyển ngẫu nhiên [7].

Page 8


CHƯƠNG 1 GIỚI THIỆU TỔNG QUAN VỀ ĐỀ TÀI

Hình 1.2.1.1.1.4 So sánh tính hiệu quả phương pháp di chuyển của Robot [7]
Về kỹ thuật tránh vật cản, các Robot đều hoạt động theo nguyên tắc chung là sử
dụng cảm biến siêu âm hoặc cảm biến hồng ngoại để đo khoảng cách từ Robot tới
vật cản, qua đó tính toán xử lý và đưa ra thuật toán né tránh thích hợp.
Qua quá trình khảo sát và đánh giá các loại Robot có trên thị trường như trên,
Chúng tôi thấy rằng, tuy có những tính năng nổi bật như vậy, nhưng Robot lau nhà
của iRobot hay những hãng khác vẫn chưa được sử dụng phổ biến do giá thành của
nó có thể nói là quá đắt (tầm 910 triệu VND), đặc biệt là nước có thu nhập thấp

như Việt Nam. Vì vậy với mong muốn đưa sản phẩm Robot lau nhà phổ biến đến
mọi gia đình, phù hợp với túi tiền người dân Việt Nam. Chúng tôi đã sử dụng
những cảm biến giá rẻ kết hợp với thuật toán lập trình thông minh cho Robot để có
được nhưng tính năng tương đương với sản phẩm của iRobot và thêm một vài cải
tiến nhỏ khác, điều đó được thể hiện qua Bảng 1.1
Các tính năng
Điều hướng cho Robot

Sản phẩm iRobot
Sử dụng bản quyền công
nghệ sử dụng GPS
NorthStar® Navigation
( Giá 1.000.000 VND)
Page 9

Sản phẩm Robot của đề tài
Sử dụng Cảm biến từ trường
GY-273 HMC5883L
( Giá 120.000 VND)


CHƯƠNG 1 GIỚI THIỆU TỔNG QUAN VỀ ĐỀ TÀI

Tránh vật cản + phát Sử dụng cảm biến hồng Cảm biến siêu âm ( SRF-04)
hiện bậc thang
ngoại
( Giá 65.000 VND)
( Giá 290.000 VND)
Chống kẹt Robot
Không có

Sử dụng encoder để phát
hiện Robot bị kẹt
( Giá 35.000 VND)
Bảng 1.1 So sánh công nghệ sử dụng giữa 2 sản phẩm Robot lau nhà
Có thể thấy răng một đặc điểm quan trọng của đề tài nhằm giảm giá thành cao
cho Robot là chúng tối sử dụng cảm biến từ trường GY-273 HMC5883L để xác
định hướng đi, lập bản đồ cho Robot thay vì sử dụng công nghệ NorthStar®
Navigation, hay xử lý ảnh đắt tiền.
1.3 Đề xuất thiết kế mô hình Robot lau nhà thông minh
Robot lau nhà thông minh được chúng tôi thiết kế với những tính năng chính sau
• Robot có thể làm sạch sàn nhà (lau khô) & lau ướt.
• Robot có cảm biến nên không ngã cầu thang, các bậc lên xuống hoặc gặp
chướng ngại vật biết quay đầu lại, tránh được hầu hết vật cản trong nhà bằng
các thuật toán thông minh.
• Robot lau theo hình ziczac đảm bảo lau tối đa diện tích sàn nhà.
Với các tính năng như trên, ta có thể thấy robot hoàn toàn có thể đảm bảo được
yêu cầu tối thiểu để lau sạch một ngôi nhà mà không thua kém bất cứ một robot nào
hiện có mặt trên thị trường. Do vậy, tính khả thi của đề tài này sẽ rất là cao, chúng
tôi mong muốn sản phẩm sẽ dần hoàn thiện hơn và sớm đi vào thực tế để góp phần
vào việc hổ trợ con người tiết kiệm thời gian và công sức trong cuộc sống hiện đại.

1.3.1 Mô hình robot

Page 10


CHƯƠNG 1 GIỚI THIỆU TỔNG QUAN VỀ ĐỀ TÀI

Version 1

Hình 1.3.1.1.1.1 Ảnh chụp cấu tao bên trong của robot phiên bản 1.

Chú thích :
1.
2.
3.
4.
5.
6.
7.

Cảm biến 3 trục từ trường GY-273 HMC5883L.
Cảm biến siêu âm SRF-04.
2 Động cơ.
Text LCD.
Mạch điều khiển động cơ.
Khăn lau nhà Microfiber
Acquy 12V

Qua ba phiên bản phát triển, robot cũng dần hoàn thiện và hoạt động ổn định
hơn. Dưới đây là hai phiên bản phát triển sau của robot.

Page 11


CHƯƠNG 1 GIỚI THIỆU TỔNG QUAN VỀ ĐỀ TÀI

Version 2

Version 3

Hình 1.3.1.1.1.2 Phiên bản 2 và phiên bản 3 của robot
1.3.2 Sơ đồ khối của mạch điều khiển Robot

Hình 1.3.2.1.1.1 Sơ đồ khối của mạch điều khiển Robot

1.4 Nguyên lý hoạt động của Robot
Robot hoạt động dựa trên các cảm biến chính là cảm biến từ trường, cảm biến
siêu âm, công tắc hành trình và encoder . Cảm biến từ trường dùng để định hướng
cho robot, xác định hướng đi chính xác và thông minh nhất. Kết hợp cảm biến siêu
âm, công tắc hành trình để phát hiện vật cản và những nơi chênh lệch độ cao .
Encoder dùng để phát hiện robot dừng do bị trượt bánh hoặc bị mắc do các vật cản.
Tất cả các cảm biến này sẽ gửi tín hiệu về hai chip vi xử lý chính MSP430G2553 để
xử lý và đưa ra các thuật toán thích hợp. Một chip nhận tín hiệu từ cảm biến siêu
âm để xử lý đưa ra mức logic (0 hoặc 1), một chip nhận tín hiệu từ các cảm biến
Page 12


CHƯƠNG 1 GIỚI THIỆU TỔNG QUAN VỀ ĐỀ TÀI

còn lại đồng thời nhận tín hiệu của chíp thứ nhất, từ đó đưa ra các thuật toán điều
khiển robot di chuyển và né tránh vật cản một cách thông minh nhất.
1.5 Kết luận chương
Như vậy, trong chương này tôi đã giới thiệu một cách tổng quan về robot. Qua
đó ta có thể hiểu một cách sơ bộ nhất về cấu tạo cũng như nguyên lý hoạt động của
robot. Trong chương tiếp theo tôi sẽ tiếp tục giới thiệu rõ hơn về phần lý thuyết của
từng modul cũng như nguyên lý hoạt động của chúng .

Page 13

CHƯƠNG 2 GIỚI THIỆU VỀ CÁC MODULE SỬ DỤNG TRONG ROBOT

CHƯƠNG 2
GIỚI THIỆU VỀ CÁC MODULE SỬ DỤNG TRONG ROBOT
2.1 Giới thiệu chương
Chương này sẽ giới thiệu về cấu tạo, nguyên lý hoạt động của các module được
sử dụng trong robot. Các module được giới thiệu bao gồm: KIT launchpad
Msp430G2553, cảm biến từ trường GY-273 HMC5883L, cảm biến siêu âm SRF04,
mạch cầu H L298 điều khiển động cơ, encoder 32 xung, công tắc hành trình.
2.2 Giới thiệu KIT launchpad MSP430G2553
2.2.1 Giới thiệu chung
Đây là KIT phát triển về vi điều khiển của hãng Texas Instruments. Kit MSP430
LaunchPad phiên bản ver 1.5 sử dụng MCU MSP430G2553 (16MHz, 16Kb Flash,
512B SRAM, 2 Timer 16-bit, 8 kênh ADC 10-bit, giao tiếp (UART, I2C & SPI).
Đây là MCU thuộc dòng Value Line của TI, tiết kiệm năng lượng, đầy đủ chức
năng, giá rẻ, rất phù hợp với việc phát triển các ứng dụng trên KIT. Trên KIT có sẵn
mạch Program/Debug nên tiện lợi cho việc nạp code vào chip.

Hình 2.2.1.1.1.1 KIT launchpad MSP430G2553

Page 14


CHƯƠNG 2 GIỚI THIỆU VỀ CÁC MODULE SỬ DỤNG TRONG ROBOT

2.2.2 Đặc điểm chính của KIT lanchpad MSP430
KIT launchpad MSP430G2553 gồm 2 khối chính là khối mạch nạp và khối sử
dụng cho ứng dụng của chip MSP430G2553 với các header nối từ các chân của
chip MSP430G2553.

MSP430G2553 là vi điều khiển do Texas Instruments sản xuất có kiến trúc kiểu
RISC 16 bit, có một số đặc điểm sau:
•
•
•
•
•
•
•

Điện thế nguồn từ 1.8V – 3.6V
Có 5 chế độ tiết kiệm năng lượng
Có 2 bộ Timer_A 16bit với 3 chế độ Capture/Compare Register
Tần số dao động lên đến 16MHz
Có 1 bộ biến đổi ADC 10bit
Tích hợp sẵn bộ so sánh
Bộ nhớ: 16K flash, 512 Byte RAM

Hình 2.2.2.1.1.1 Sơ đồ chân của chip MSP430G2553
2.2.3 Đánh giá hoạt động
KIT launchpad MSP430G2553 hoạt động rất ổn định và chắc chắn. Đảm bảo
được hoàn toàn các chức năng yêu cầu sử dụng cho Robot.

2.2.4 Kết luận

Page 15


CHƯƠNG 2 GIỚI THIỆU VỀ CÁC MODULE SỬ DỤNG TRONG ROBOT

Việc sử dụng KIT launchpad MSP430G2553 vào đề tài giúp cho việc phát triển
robot được dễ dàng hơn. Nhờ có các header nối từ chân chip MSP430G2553 ra nên
có thể linh động thay đổi dễ dàng giữa các phương án. Vì vậy rất thích hợp để phát
triển sản phẩm.
2.3 Cảm biến từ trường GY-273 HMC5883L
2.3.1 Giới thiệu chung

Hình 2.3.1.1.1.1 Module cảm biến từ trường GY-273 HMC5883L
HMC5883L là module được thiết kế để cảm biến từ trường thấp (low-field
magnetic sensing) tự động khử từ, loại bỏ offset, sử dụng chuyển đổi ADC 12-bit
cho phép độ chính xác cao với giao tiếp I2C thông dụng. HMCL5883L thường
được ứng dụng trong Mobile Phone, Hệ thống tự động dẫn đường, thiết bị chỉ dẫn
đường cá nhân.
2.3.2 Nguyên lý hoạt động
HMC5883L xuất ra dữ liệu 16 bit 3 trục X,Y,Z để tính độ lớn càm ứng từ của
3 trục, tính theo đơn vị Gauss. Dữ liệu được vi điều khiển đọc về qua giao tiếp I2C
và được xử lý, xác định hướng đi thích hợp cho robot.

Page 16


CHƯƠNG 2 GIỚI THIỆU VỀ CÁC MODULE SỬ DỤNG TRONG ROBOT

Hình 2.3.2.1.1.1 Mô tả 3 trục X, Y, Z của cảm biến từ trường

2.3.3 Đánh giá hoạt động
HMC5883L hoạt động ổn định trong môi trường ít nhiễu từ, thích hợp để sử
dụng cho robot lau nhà ứng dụng trong gia đình. Tuy vẫn có lỗi khi gặp những vật
dụng gây nhiễu từ tính như sắt, nam châm… nhưng đã có thể xử lý bằng thuật toán
chống nhiễu.

2.3.4 Kết luận
Việc lựa chọn cảm biến từ trường để điều hướng cho robot ở những năm gần
đây là một hướng mới với nhiều ưu điểm vượt trội so với các phương pháp thông
thường như dò vạch, con quay hồi chuyển, xử lý ảnh… vì ít chịu sự ảnh hưởng bởi
nhiễu từ bên ngoài. Áp dụng phương pháp này là lựa chọn khá hay, hoàn toàn phù
hợp với đề tài.
2.4 Module cảm biến siêu âm SRF-04
2.4.1 Giới thiệu chung

Hình 2.4.1.1.1.1 Module SRF04

Module cảm biến siêu âm dùng để đo khoảng cách đến vật cản bằng sóng siêu
âm. Module có 2 đầu thu và phát sóng, khoảng cách được xác định bằng cách đo
khoảng thời gian mà sóng siêu âm được phát ra đến vật chắn rồi phản hồi về.

Page 17


CHƯƠNG 2 GIỚI THIỆU VỀ CÁC MODULE SỬ DỤNG TRONG ROBOT

Sử dụng bằng cách truyền 1 xung vào chân trigger của module, sau đó chờ 1
xung trả về trên chân echo, đo khoảng thời gian từ lúc truyền cho đến lúc nhận, chia
đôi rồi nhân với quãng đường cho ta khoảng cách đến vật cản cần đo.
•

Nguồn: 5 VDC

•

Dòng tiêu thụ tối đa: 2mA

•

Góc đo hiệu quả: <15°

•

Khoảng cách tối đa: 2cm – 300 cm

•

Độ chính xác: 0.3 cm

Thông số một số loại cảm biến siêu âm SRF

Hình 2.4.1.1.1.2 Bảng thông số của cảm biến siêu âm SRF
*: Ước tính góc của hình nón cảm biến ở ½ cảm biến
**: Số vọng ghi lại bởi cảm biến. Đây là những tiếng vọng ghi từ đọc gần đây
nhất, và được ghi đè mới bằng mỗi lần khác nhau.
A: Những cảm biến nhỏ hơn điển hình ( SRF05/04) kích thước.
B: Phạm vi thời gian có thể được điều chỉnh xuống bằng cách điều chỉnh được.
C: Cảm biến này cũng bao gồm một photocell ở mặt trước để phát hiện ánh
sáng.
D: Hoạt động ở một tần số 235kHz cao hơn.
Page 18


CHƯƠNG 2 GIỚI THIỆU VỀ CÁC MODULE SỬ DỤNG TRONG ROBOT

2.4.2 Nguyên lý hoạt động

Cảm biến siêu âm và nguyên tắc TOF ( Time Of Flight ): Sóng siêu âm được
truyền đi trong không khí với vận tốc khoảng 343m/s. Nếu một cảm biến phát ra
sóng siêu âm và thu về sóng phản xạ đồng thời, đo được khoảng thời gian từ lúc đi
tới lúc thu về, thì máy tính có thể xác định được quãng đường mà sóng đã di chuyển
trong không gian. Quãng đường di chuyển của sóng sẽ bằng 2 lần khoảng cách từ
cảm biến tới chướng ngại vật sẽ được tính theo nguyên lý TOF: d = v* t/2.

Hình 2.4.2.1.1.1 Hình mô tả thời gian truyền và nhận sóng.
Chế độ hoạt động: Cảm biến sử dụng riêng chân kích hoạt và chân cảm biến.
Giản đồ định thời SRF04 thể hiện rõ cho chế độ trên. Chỉ cần cung cấp một đoạn
xung ngắn 10uS kích hoạt đầu vào để bắt đầu đo khoảng cách. Các SRF04 sẽ cho ra
môt chu kỳ 8 burst của siêu âm ở 40kHz và tăng cao dòng phản hồi của nó. Sau đó
chờ phản hồi, và ngay sau khi phát hiện nó giảm các dòng phản hồi lại. Dòng phản
hồi là một xung có chiều rộng tỷ lệ với khoảng đến đối tượng. Bằng cách đo xung,
ta hoàn toàn có thể để tính toán khoảng cách theo inch/cm hoặc đơn vị đo khác. Nếu
không phát hiện gì thì SRF04 giảm thấp hơn dòng phản hồi của nó sau khoảng
30mS.
SRF04 có thể được kích hoạt nhanh chóng với mỗi 50mS, hoặc 20 lần mỗi giây.
Nên chờ 50ms trước khi kích hoạt kế tiếp, ngay cả khi SRF04 phát hiện một đối
tượng gần và xung phản hồi ngắn hơn.

Page 19


CHƯƠNG 2 GIỚI THIỆU VỀ CÁC MODULE SỬ DỤNG TRONG ROBOT

Hình 2.4.2.1.1.2 Giản đồ hoạt động của SRF04

2.4.3 Đánh giá hoạt động
Cảm biến hoạt động tương đối chính xác ở khoảng cách 2cm- 300cm. Tuy

nhiên, góc mở tối đa của cảm biến là 1m chiều rộng từ bên này sang bên kia nên
cảm biến rất nhạy với các vật cản ta không mong muốn. Vì vậy để tránh điều này
thì việc lập trình sẽ trở nên khó khăn, tuy nhiên ta hoàn toàn có thể khắc phục được
điều này nếu đưa ra thuật toán lập trình tốt.
2.4.4 Kết luận
Trong đồ án này, ta kiểm tra vật cản chỉ ở khoảng cách gần nên việc sử dụng
cảm biến SRF04 là hoàn toàn phù hợp vì ở khoảng cách này góc mở của cảm biến
nhỏ, giá thành của cảm biến cũng tương đối rẻ so với cảm biến có chức năng tương
tự.
2.5 Module mạch cầu H L298 điều khiển động cơ
2.5.1 Giới thiệu chung
Module điều khiển động cơ bước/ động cơ DC – L298 có hai ngõ ra điều khiển
được tốc độ nhờ điều xung PWM và chiều quay của hai động cơ bước / DC

Page 20


CHƯƠNG 2 GIỚI THIỆU VỀ CÁC MODULE SỬ DỤNG TRONG ROBOT

Hình 2.5.1.1.1.1 Module mạch cầu H L298
Tham số sản phẩm:
•
•
•
•
•

Sử dụng L298N gồm 2 cầu H điều khiển động cơ DC.
Điện áp cung cấp: +5 V đến +35 V.
Dòng điện tối đa: 2A

Dòng tiêu thụ : 0 ~ 36mA
Tín hiệu điều khiển điện áp đầu vào khoảng:
Mức độ thấp:-0.3V ≤ Vin ≤ 1.5V
Cao: 2.3V ≤ Vin ≤ VSS

• Cho phép phạm vi tín hiệu điện áp đầu vào:
Mức độ thấp: - 0,3 ≤ Vin ≤ 1,5 V (tín hiệu điều khiển là không hợp lệ)
Cao: 2.3V ≤ Vin ≤ VSS (tín hiệu điều khiển)
•
•
•
•

Điện năng tiêu thụ tối đa: 20W (nhiệt độ T = 75 ° C)
Nhiệt độ hoạt động: -25 ℃ ~ 130 ℃
Kích thước: 55mm * 49mm * 33mm
Trọng lượng: 33g
2.5.2 Nguyên lý hoạt động
Mạch hoạt động nhờ IC điều khiển chính là ICL298, ICL298 cấu tạo gồm hai
mạch cầu H điều khiển cho hai động cơ. Tín hiệu từ VĐK gửi đến để điều khiển

Page 21


CHƯƠNG 2 GIỚI THIỆU VỀ CÁC MODULE SỬ DỤNG TRONG ROBOT

cho một mạch cầu H gồm Direct để điều khiển chiều động cơ và PWM để điều
khiển tốc độ động cơ.

Hình 2.5.2.1.1.1 Sơ đồ nguyên lý module mạch cầu H L298.

Phân tích sơ đồ mạch:
• U1 là IC L298
Các cặp chân In1, In2 và In3, In4 lần lượt điều khiển 4 BJT thuộc nhóm A và B
thông qua các cặp cổng AND 1,2 và 3,4. Các chân EnA và EnB được nối nối với
mức cao 5V. Các ngõ Out1, Out2 được gắn với động cơ thứ nhất; Out3, Out4 được
gắn với động cơ thứ hai. Như vậy, hai chân được In1, In2 nối với vi điều khiển,
trong đó một chân sẽ nhận xung điều chế PWM từ vi điều khiển thay đổi tốc độ
động cơ , chân còn lại khi ta thay đổi mức logic thì sẽ đảo chiều động cơ. Tương tự
cho hai chân In3, In4.

Page 22


CHƯƠNG 2 GIỚI THIỆU VỀ CÁC MODULE SỬ DỤNG TRONG ROBOT

Hình 2.5.2.1.1.2 Sơ đồ nguyên lý IC L298.
• Các Diode D1 D2 D3 D4 D9 D10 D11 D12 dùng để chống dòng xả ngược từ do
động cơ sinh ra về nguồn, gây ảnh hưởng xấu đến nguồn.
• Led D5 D6 D7 D8 dùng để báo chiều quay của động cơ.
• R1 R2 hạn dòng cho các Led.
• Lm 7805 cung cấp nguồn 5V cho IC L298.
2.5.3 Đánh giá hoạt động
Mạch hoạt động trong phạm vi công suất nhỏ (<70W), ít xảy ra sự cố . Tuy
nhiên nút bấm swich dễ hỏng.
2.5.4 Kết luận
Động cơ ta chọn là động cơ DC 12W nên việc chọn modul này để điều khiển là
hoàn toàn phù hợp. Hơn nữa mạch thiết kế nhỏ gọn, bền nên thuận tiện cho việc lắp
ráp với robot và modul có khả năng chịu đựng được sốc khi robot di chuyển.
2.6 Module encoder 32 xung

2.6.1 Giới thiệu chung
Thông số kỹ thuật của encoder
Page 23


CHƯƠNG 2 GIỚI THIỆU VỀ CÁC MODULE SỬ DỤNG TRONG ROBOT

• 32 Xung, 2 kênh A,B lệch pha góc 90º
• Điện áp 5V
• Dòng 20mA

Hình 2.6.1.1.1.1 Module encoder 32 xung
Module encoder thương được sử dụng để ổn định tốc độ động cơ, xác định số
vòng quay của bánh xe…Trong sản phầm của đề tài, encoder được sử dụng để xác
đinh tình trạng chuyển động của robot.
2.6.2 Nguyên lý hoạt động
Encoder sử dụng một nguồn phát quang là tia hồng ngoại – infrared, 2 transistor
quang cho 2 kênh như sơ đồ mạch ở Hình 2.12. Khi đĩa encoder ở khoảng trống thì
lúc này tia hồng ngoại được chiếu vào transistor quang làm cho transistor dẫn bão
hòa, lúc này ở kênh A hay kênh B. Hai transistor quang Q1, Q2 được đặt ở vị trí để
2 kênh A, B lệch pha nhau 1 góc 90º.

Page 24


CHƯƠNG 2 GIỚI THIỆU VỀ CÁC MODULE SỬ DỤNG TRONG ROBOT

Hình 2.6.2.1.1.1 Sơ đồ mạch nguyên lý của encoder
Hình 2.14 thể hiện sự bộ trí của 2 cảm biến kênh A và B lệch pha nhau. Khi
cảm biến A bắt đầu bị che thì cảm biến B hoàn toàn nhận được hồng ngoại xuyên

qua, và ngược lại hình dưới của Hình 2.14 là dạng xung ngõ ra trên 2 kênh. Xét
trường hợp trục quay cùng chiều kim đồng hồ, tín hiệu “đi” từ trái sang phải. Bạn
hãy quan sát lúc tín hiệu A chuyển từ mức cao xuống thấp (cạnh xuống) thì kênh B
đang ở mức thấp. Ngược lại, nếu động cơ quay ngược chiều kim đồng hồ, tín hiệu
“đi” từ phải qua trái. Lúc này, tại cạnh xuống của kênh A thì kênh B đang ở mức
cao. Như vậy, bằng cách phối hợp 2 kênh A và B chúng ta biêt được chiều quay của
động cơ (thông qua mức của kênh B ở cạnh xuống của kênh A).

Hình 2.6.2.1.1.2 Hai kênh A và B lệch pha 90º trong encoder

Vì ứng dụng trong sản phẩm của đề tài chỉ để phát hiện có chuyển động hay
không nên ta chỉ sử dụng 1 trong 2 kênh A, B để phát hiện có hay không chuyển
động của Robot.
2.6.3 Đánh giá hoạt động
Encoder hoạt động với 32 xung như vậy để xác định chuyển động qua thử
nghiệm chúng tôi thấy rằng nó dễ gây ra hoạt động không chính xác khi robot dừng
lại nhưng bị rung, để phát hiện được chuyển động hay không chúng tôi đã giảm số
xung của cảm biến từ 32 xung thành 2 xung bằng cách dán màu đen các khe hở của
Page 25