thiết kế và thi công mạch đo khoảng cách dùng hệ thống cảm biến siêu âm cho robot di động

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT
THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH

BÁO CÁO NGHIÊN CỨU KHOA HỌC CẤP SINH VIÊN

THIẾT KẾ VÀ THI CÔNG MẠCH ĐO
KHOẢNG CÁCH DÙNG HỆ THỐNG CẢM BIẾN
SIÊU ÂM CHO ROBOT DI ĐỘNG
S

K

C

0

0

3

9

5

9

S KC 0 0 3 0 7 5

Tp. Hồ Chí Minh, tháng 5/2011

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT TP HỒ CHÍ MINH
KHOA ĐIỆN-ĐIỆN TỬ
BỘ MÔN TỰ ĐỘNG ĐIỀU KHIỂN
-------------------------------------BÁO CÁO NGHIÊN CỨU
KHOA HỌC CẤP SINH VIÊN

ĐỀ TÀI:
THIẾT KẾ VÀ THI CÔNG MẠCH ĐO KHOẢNG CÁCH DÙNG HỆ
THỐNG CẢM BIẾN SIÊU ÂM CHO ROBOT DI ĐỘNG.

GVHD: T.S NGÔ VĂN THUYÊN
SVTH: NGUYỄN HẢI QUANG
TRẦN VĂN LUÂN

TP HỒ CHÍ MINH – 5/2011

07118030
07118025


Mục lục
Nội dung

Trang

Phần I:

Đặt vấn đề ......................................................................................4

Phần 2:

Giải quyết vấn đề............................................................................5

I..

Mục đích đề tài...........................................................................................5

II.

Phương pháp nghiên cứu............................................................................5

III.

Nội dụng.....................................................................................................6

Chương 1: Robot di động sử dụng cảm biến siêu âm...........................................6
1.1.

Khái niệm chung Robot di động................................................................6

1.2.

Các thành phần cấu tạo chính của Robot...................................................7

1.3.

Mô tả hoạt động.........................................................................................7

Chương 2: Giới thiệu về cảm biến siêu âm SRF05..............................................8
2.1

Tổng quan về cảm biến siêu âm SRF05....................................................8

2.2

Các đặc tính chính của cảm biến siêu âm SRF05.....................................8
2.2.1 Các chế độ hoạt động
2.2.2 Tính toán khoảng cách
2.2.3 Góc quét của cảm biến
2.2.4 Một số đặc tính khác

Chương 3: Giới thiệu về Vi điều khiển H8.........................................................15
3.1

Tổng quan về Vi điều khiển H8..............................................................15

3.2

Những chức năng chính của Vi điều khiển H8 ………………….........16

Chương 4: Mạch công suất điều khiển động cơ và xử lí tín hiệu điều khiển.....23
4.1

Mạch công suất điều khiển động cơ…....................................................23

4.2

Mạch xử lí tín hiệu điều khiển................................................................25

Chương 5: Giải bài toán tránh vật cản cho robot.............................................26
5.1

Cách tính đọc dữ liệu trả về từ cảm biến................................................26

2


5.2 Giải thuật robot di chuyển tránh vật cản...................................................26
IV.

Kết quả đạt được.....................................................................................30

Phần 3:

Kết luận.......................................................................................30

I.

Kết luận...................................................................................................30

II.

Đề nghị....................................................................................................30

3


Phần 1: Đặt vấn đề

Ngày nay với sự phát triển như vũ bão của khoa học công nghệ thì vấn đề sử
dụng Robot thay con người làm việc là một yêu cầu tất yếu của nhu cầu nâng cao
chất lượng cuộc sống con người.
Do nhu cầu của con người ngày càng đòi hỏi ứng dụng rộng rãi các phương
tiện tự động hoá. Xu hướng tạo ra những thiết bị tự động có tính linh hoạt cao
đang hình thành. Các thiết bị này đang thay thế dần các máy tự động cứng chỉ đáp
ứng một việc nhất định. Điều này dẫn đến nhu cầu ứng dụng robot để tạo ra các hệ
thống tự động linh hoạt.
Việc Robot thay thế con người làm việc trong các môi trường khắc nghiệt như
trong hầm mỏ, đáy đại dương sâu hàng Km, hay các Robot tự hành có khả năng
xác định đường đi và thu thập dữ liệu để gởi về các trung tâm điều khiển,… đang
trở thành phổ biến ở các nước phát triển và đang trở thành xu hướng của các nước
đang phát triển trong đó có Việt Nam chúng ta.
Đứng trước nhu cầu khát khao nghiên cứu khoa học, tìm tòi những cái mới
nhóm nghiên cứu đã nghiên cứu, chế tạo Robot di động sữ dụng cảm biến siêu âm
để tránh vật cản.

4


Phần 2: Giải quyết vấn đề

I- Mục tiêu đề tài
Mục tiêu của đề tài nhằm xây dựng mô hình Robot tự hành, đặt nền móng cho
sự phát triển mạnh mẽ hơn nữa trong nghiên cứu khoa học về lĩnh vực Robot.

II- Phương pháp nghiên cứu.
Phương pháp nghiên cứu của đề tài là tham khảo tài liệu, thiết kế thử nghiệm.
Cụ thể:
 Tham khảo tài liệu: đọc datasheet của Vi điều khiển H8, cảm biến siêu âm

SRF05, nghiên cứu phương pháp điều khiển Vi điều khiển H8 và cảm biến
siêu âm SRF05.
 Tham khảo những kinh nghiệm trong thiết kế và thi công phần cứng Robot.

III- Nội dung.
Nội dung của đề tài gồm các chương sau:

Chương1: Robot di động sử dụng cảm biến siêu âm
Chương này trình bày mô hình robot di động tránh vật cản dùng cảm biến siêu
âm.

Chương 2: Giới thiệu về cảm biến siêu âm SRF05
Chương này trình bày về nguyên tắc hoạt động của cảm biến siêu âm và các
chế độ hoạt động của SRF05.

Chương 3: Giới thiệu về Vi điều khiển H8

5


Chương này trình bày những phần chính của vi điều khiển H8 sử dụng trong đề
tài này.

Chương 4: Mạch công suất điều khiển động cơ và xử lí tín hiệu
điều khiển
Chương này trình bày về sơ đồ nguyên lí và xử lí tín hiệu được sử dụng trong
đề tài này.

Chương 5: Giải bài toán tránh vật cản cho robot
Chương này trình bày giải thuật tính toán và điều khiển cho robot di động tránh

vật cản.



Chương1: Robot di động sử dụng cảm biến siêu âm
1.1- Khái niệm chung Robot di động
Robot di động là loại thiết bị có thể chuyển động, được lập trình điều khiển tự
động nhằm thực hiện những mục đích mà con người đặt ra.

1.2- Các thành phần cấu tạo của Robot di động
a) Đế:
Phần đế của Robot di động đóng một vai trò hết sức quan trọng, nó đảm bảo
cho Robot hoạt động một cách ổn định, thiết kế phần đế phải đảm bảo những yêu
cầu: độ cứng vững, độ đồng phẳng.
b) Thân:
Phần này chủ yếu là nơi gắn các cơ cấu nhằm giúp Robot thực hiện mục tiêu
của mình.

6


c) Board mạch:
Phần này thể hiện sự thông minh của Robot, bao gồm có main board, board
mạch công suất điều khiển động cơ và board xử lí tín hiệu từ cảm biến siêu âm
đưa về.
d) Cảm biến siêu âm:
Phần này giống như “con mắt” của Robot, nó sẽ đưa tín hiệu có vật hay không
có vật về main board để xử lí.

1.3- Mô tả hoạt động:

Robot chuyển động được là nhờ hệ thống bánh xe bên dưới đế Robot, khi
chuyển động thì đồng thời cảm biến siêu âm sẽ quét một góc nhất định phía mặt
trước của Robot:
 Khi không có vật tức cảm biến siêu âm sẽ không đưa tín hiệu “không có
vật” về board xử lí và Robot tiếp tục đi thẳng.
 Khi vật xuất hiện trong vùng quét của cảm biến thì cảm biến sẽ đưa một tín
hiệu “có vật” về board xử lí, lúc này vi điều khiển sẽ đưa ra quyết định bẻ
lái sáng trái hoặc sang phải để tránh vật.

7


Chương 2: Giới thiệu về cảm biến siêu âm SRF05

2.1- Tổng quan về cảm biến siêu âm SRF05
Giới thiệu:
Cảm biến siêu âm hoạt động dựa trên sự phát và thu sóng siêu âm.
SRF05(Hình 1) là một bước
phát triển từ SRF04, được thiết kế
để làm tăng tính linh hoạt, tăng
phạm vi, ngoài ra còn giảm bớt chi
phí. SRF05 là hoàn toàn tương
thích với SRF04. Khoảng cách
được tăng từ 3 mét đến 4 mét.
SRF05 cho phép sử dụng một
chân duy nhất cho cả kích hoạt và
phản hồi, do đó tiết kiệm giá trị trên
Hình 1: Hình ảnh về cảm biến SRF05
chân điều khiển. Khi chân chế độ không kết nối, thì SRF05 hoạt động riêng biệt
chân kích hoạt và chân hồi tiếp, như SRF04.

2.2- Các đặc tính chính của cảm biến siêu âm SRF05
2.2.1- Các chế độ hoạt động
2.2.1.1- Chế độ một
Tương ứng SRF04 – tách biệt kích hoạt và phản hồi
Chế độ này sử dụng riêng biệt chân kích hoạt và chân phản hồi, và là chế độ
đơn giản nhất để sử dụng. Tất cả các chương trình điển hình cho SRF04 sẽ làm
việc cho SRF05 ở chế độ này. Để sử dụng chế độ này, chỉ cần chân chế độ không
kết nối(Hình 2 và 3).

8


Hình 2: Kết nối SRF05 hoạt động ở mode 1

Hình 3: Hoạt động SRF05 ở chế độ 1

2.2.1.2- Chế độ hai
Dùng một chân cho cả kích hoạt và phản hồi
Chế độ này sử dụng một chân duy nhất cho cả tín hiệu kích hoạt và hồi tiếp, và
được thiết kế để lưu các giá trị trên chân lên bộ điều khiển nhúng. Để sử dụng chế

9


độ này, chân chế độ kết nối vào chân mass. Tín hiệu hồi tiếp sẽ xuất hiện trên
cùng một chân với tín hiệu kích hoạt. SRF05 sẽ không tăng dòng phản hồi cho đến
700uS sau khi kết thúc các tín hiệu kích hoạt(Hình 4 và 5).

Hình 5: Kết nối SRF05 ở mode 2

Hình 6: Hoạt động của SRF05 ở mode 2

10


2.2.2- Tính toán khoảng cách
Sóng siêu âm được truyền trong không khí với vận tốc khoảng 343m/s. Nếu
một cảm biến phát ra sóng siêu âm và thu về các sóng phản xạ đồng thời, đo được
khoảng thời gian từ lúc phát đi tới lúc thu về thì ta có thể xác định được quãng
đường mà sóng đã truyền đi trong không gian. Quãng đường mà sóng truyền đi và
truyền về bằng hai lần khoảng cách từ cảm biến tới vật. Hay theo nguyên lí
TOF(Hình 7) thì:
D=V*T/2
Trong đó:

D: khoảng cách từ cảm biến tới vật.
V: vận tốc truyền sóng trong không khí 343m/s
T: thời gian mà sóng đi từ cảm biến tới vật.

Hình 7: Nguyên lí TOF

2.2.3- Góc quét và chùm tia của cảm biến
 Góc quét của cảm biến: có dạng hình quạt(Hình 8)

11


Hình 8: Góc quét của SRF05
 Chùm tia của cảm biến

Chùm tia của SRF05 có dạng hình nón với độ rộng của chùm là một hàm của
diện tích mặt của các cảm biến và là cố định. Chùm tia của cảm biến được sử dụng
trên SRF05 được biểu diễn bên dưới:

Hình 9: Chùm tia SRF05

12


2.2.4- Các đặc tính khác
 Mức độ của sóng âm hồi tiếp phụ thuộc vào cấu tạo của đối tượng và góc
phản xạ của nó(Hình 10).

Hình 10: Phản xạ sóng siêu âm của SRF05
 Vùng phát hiện của SRF05
Nếu ngưỡng để phát hiện đối tượng được đặt quá gần với cảm biến, các đối
tượng trên một đường có thể bị va chạm tại một điểm mù. Nếu ngưỡng này được
đặt ở một khoảng cách quá lớn từ các cảm biến thì các đối tượng sẽ được phát hiện
mà không phải là trên một đường va chạm.

13


Hình 11: Vùng phát hiện của SRF05
Một kỹ thuật phổ biến để làm giảm các điểm mù và đạt được phát hiện chiều
rộng lớn hơn ở cự ly gần là thêm một cải tiến bằng cách thêm một đơn vị SRF05
bổ sung và gắn kết của hai đơn vị hướng về phía trước. Thiết lập như vậy thì có
một khu vực mà hai khu vực phát hiện chồng chéo lên nhau.

Hình 12: Vùng phát hiện khi gắn hai cảm biến SRF05

14


Chương 3: Giới thiệu về Vi điều khiển H8
3.1- Tổng quan về Vi điều khiển H8
Với sự phát triển nhanh chóng công nghệ điện tử ngày nay thì có rất nhiều loại
vi điều khiển của nhiều hãng khác nhau. Trong đó, Renesas nổi lên như là một nhà
cung cấp hàng đầu thế giới về vi điều khiển. Với họ vi điều khiển hiệu năng cao
H8, Renesas đang cho thấy năng lực thật sự về lĩnh vực vi điều khiển của mình.
Những ai từng sử dụng vi điều khiển cho các ứng dụng của mình, thì có lẽ các
bạn đã khá quen thuộc với các dòng 8051, AVR, PIC. Còn đối với họ Vi điều
khiển H8 của Renesas thì sao, đây là một họ Vi điều khiển khá mạnh của Renesas
và rất thông dụng tại Nhật Bản, nhưng ở Việt Nam thì họ Vi điều khiển này khá ít
người biết và chưa phổ biến trên thị trường Việt Nam.
H8 được sản xuất bởi Renesas Technology, một tập đoàn được hình thành do
sự hợp tác bởi hai tập đoàn sản xuất bán dẫn lớn nhất nước Nhật là Hitachi Ltd
(55% vốn) và Mitsubishi Corporation (45% vốn), bao gồm các dòng vi điều khiển
8-bit, 16-bit và 32-bit. Có cấu trúc tương tự như PDP-11 của DEC (Digital
Equipment Corp), bao gồm các dòng nổi bật sau:





Dòng H8/300: H8/3048, H8/330, H8/3297, H8/3001, …
Dòng H8/500: H8/500B, H8/500POAAC, H8/500XBAA, …
Dòng H8S: H8S/2000, H8S/2124, H8S/2128,…
Dòng H8SX: H8SX/1525, H8SX/1650, H8SX/1582,

Hình 12 : vi điều khiển H8-3048.

15


 Một số đặc tính của vi điều khiển H8:
 CPU H8SX 32-bit tốc độ cao.
 16 thanh ghi đa dụng 16 bit.
 87 câu lệnh căn bản.
 Các chức năng ngoại vi mở rộng
 DMA và DMA Controller (DMAC).
 Bộ điều khiển chuyển dữ liệu (DTC).
 Bộ điều khiển đơn vị xung bộ đếm 16 bit (TPU).
 Bộ lập trình tạo xung (PRG).
 Bộ đếm giám sát (WDT).
 Giao tiếp tuần tự (SCI) có thể được sử dụng trong chế độ đồng bộ xung
clock và bất đồng bộ.
 Đơn vị giao tiếp tuần tự đồng bộ.
 Trình chuyển đổi A/D 10-bit.
 Bộ tạo xung clock.
 Bộ điều xung (PWM).
 Bộ nhớ: ROM 256 KB, RAM 12KB
 Cổng xuất/nhập
 65 port xuất/nhập.
 17 port nhập.
 Hỗ trợ các chế độ ngắt điện (power-down modes).
 Kích thước nhỏ: kích thước chân 14.0 x 14.0 mm, độ rộng chân 0.40 mm.

3.2- Các tính năng chính của vi điều khiển H8



Sự phát triển tương thích của CPU H8/300, H8/300H và H8S: có thể thực
thi các chương trình đối tượng của H8/300, H8/300H và H8S/2000.
16 thanh ghi đa dụng 16 bit.
87 câu lệnh căn bản.
11 chế độ đánh địa chỉ.
Hai thanh ghi nền.



Không gian địa chỉ 4 GB






16





Chương trình 4 GB.
Dữ liệu 4 GB.
 Xử lý nhanh: tất cả các câu lệnh thường xuyên sử dụng đều được thực
thi chỉ trong 1 hay 2 trạng thái.
 Có 4 chế độ hoạt động.
 Các chế độ ngắt điện.

 Sự chuyển tiếp được thực hiện khi thực thi một câu lệnh SLEEP.
 Sự lựa chọn các chế động hoạt động của xung clock.
Chú ý:
1. Chỉ chế độ hoạt động nâng cao (advanced mode) là được sử dụng trong
CPU H8SX/1582. Còn lại các chế độ bình thường, trung gian và tối đa không
được hỗ trợ
2. Các bộ nhân và bộ chia được hỗ trợ bởi H8SX/1582
3. Trong H8SX/1582, một câu lệnh được đọc lệnh ở chế độ 32 bit

3.3- Các chế độ hoạt động
CPU H8SX có 4 chế độ hoạt động: bình thường, trung bình, nâng cao và tối đa:

17


Hình 13: Các chế độ hoạt động của CPU H8SX
Trong H8SX/1582 chỉ hỗ trợ chế độ hoạt động nâng cao (Advanced mode):
 Vùng dữ liệu được mở rộng đến 4 GB
 Không gian địa chỉ lớn nhất 4 GB có thể được truy xuất một cách tuyến
tính. Đối với các vùng riêng lẻ, vùng chương trình lên đến 16MB và vùng
dữ liệu lên đến 4GB có thể được cấp phát
 Các thanh ghi mở rộng: các thanh ghi mở rộng E (E0 đến E7) có thể được
sử dụng như là các thanh ghi 16-bit, hay 16 bit cao của các thanh ghi 32-bit
hay các thanh ghi địa chỉ
 Tập lệnh: tất cả các tập lệnh và chế độ đánh địa chỉ đều có thể được sử
dụng
 Đọc lệnh
Trong CPU H8SX/1582, một lệnh được đọc trong chế độ 32 bit.
 Các thanh ghi

CPU H8SX có 2 loại thanh ghi: các thanh ghi đa dụng và các thanh ghi
điều khiển.

18


Hình 14: Các thanh ghi của CPU

19


 Các thanh ghi đa dụng
H8SX có 8 thanh ghi đa dụng 32-bit. Các thanh ghi đa dụng có chức năng
như nhau và có thể được sử dụng làm các thanh ghi địa chỉ lẫn thanh ghi dữ
liệu. Khi một thanh ghi đa dụng được sử dụng làm các thanh ghi dữ liệu, nó có
thể được truy xuất như các thanh ghi 32-bit, 16-bit, hay 8-bit
Cách sử dụng các thanh ghi đa dụng trình bày theo bảng sau:

Hình 15: Cách sử dụng các thanh ghi đa dụng
 Các thanh ghi điều khiển
 Thanh ghi bộ đếm chương trình (PC)
PC là một thanh ghi bộ đếm chương trình 32-bit dùng để chỉ địa chỉ của câu
lệnh sẽ được thực thi kế tiếp. Chiều dài của tất cả các câu lệnh của CPU là 16 bit
(một word) hay là một bộ số của 16 bit. Vì vậy, bit có trọng số nhỏ nhất sẽ được
bỏ qua (Khi mã lệnh được đọc, bit này được gán là 0)
 Thanh ghi mã điều kiện (CCR)
Thanh ghi CCR là một thanh ghi 8-bit mà chứa thông thi về trạng thái của
CPU, bao gồm cờ cho phép ngắt (interrupt mask) (I), các bit người dùng (userUI,U), cờ nhớ nửa (H), cờ dấu (N), cờ zero (Z), cờ tràn (V) và cờ nhớ (C)

20

 Thanh ghi điều khiển mở rộng (EXR)
EXR là một thanh ghi 8-bit mà chứa bit theo dõi T (trace bit) và 3 bít cho
phép ngắt quãng (I2 đến I0). Ta có thể thao tác lên các bit của thanh ghi EXR bằng
các lệnh LDC, STC, ANDC, ORC, và XORC
 Thanh ghi nền vector (VBR)
VBR là một thanh ghi 32-bit trong đó 20 bit cao là hợp lệ, 12 bit thấp của
thanh ghi này có giá trị là 0. Thanh ghi này là một địa chỉ nền của bảng vector
ngoại lệ ngoại trừ reset và ngoại lệ tạo bởi CPU (gián tiếp bộ nhớ mở rộng cũng
nằm ngoài mục tiêu). Giá trị khởi đầu là H’0000 0000. Các nội dung của VBR bị
thay đổi với câu lệnh LDC và STC
 Thanh ghi nền địa chỉ ngắn (SBR)
SBR là một thanh ghi 32-bit mà trong đó 24 bit cao là hợp lệ. 8 bit thấp
được đọc là các bit 0. Trong chế độ đánh địa chỉ tuyệt đối 8-bit, thanh ghi này
được sử dụng với vai trò là địa chỉ cao. Giá trị khởi tạo là H’FFFF FF00. Nội dung
của SBR sẽ bị thay đổi với câu lệnh LDC và STC
 Thanh ghi tích luỹ nhân (MAC)
MAC là một thanh ghi 64-bit. Nó lưu trữ các kết quả của các phép toán
nhân và tích lũy (multiply-and-accumulate). Nó bao gồm 2 thanh ghi 32-bit là
MACH và MACL. 10 bit thấp của MACH là hợp lệ, các bit cao còn lại được mở
rộng dấu (sign extended). Nội dung của MAC sẽ bị thay đổi với các câu lệnh
MAC, CLRMAC, LDMAC, STMAC.
 Giá trị khởi tạo cho các thanh ghi:
Xử lý ngoại lệ reset sẽ tải địa chỉ bắt đầu từ bảng vector vào thanh ghi PC,
xóa bit T trong thanh ghi EXR xuống 0, và thiết lập bit I trong thanh ghi CCR và
EXR lên 1. Các thanh ghi đa dụng, MAC, và các bit khác trong thanh ghi CCR
không được khởi tạo. Cụ thể là, giá trị khởi đầu của con trỏ chồng stack pointer
(ER7) là không xác định. Chính vì vậy mà thanh ghi SP sẽ được khởi đầu bằng
một lệnh MOV.L sau khi khởi động lại

21




Tập lệnh
CPU H8SX có 87 loại câu lệnh, bao gồm:
 Các câu lệnh luận lý và số học 8/16/32 bit
 Các câu lệnh nhân và chia
 Các câu lệnh truyền dữ liệu
 Các câu lệnh mạnh để xử lý bit
 Các câu lệnh rẽ nhánh bit
 Các câu lệnh nhân và tích luỹ

Phép toán số học, phép toán luận lý, dịch, và các câu lệnh thao tác trên bit,
trong tài liệu này được gọi là câu lệnh phép toán (operation instruction).

3.2- Những chức năng chính của Vi điều khiển H8 sử dụng
trong đề tài.
 Cổng xuất, nhập.
 Bộ điều xung (PWM).
 Timer.

22


Chương 4: Mạch công suất điều khiển động cơ và
xử lí tín hiệu điều khiển.

4.1

Nguyên lý mạch công suất điều khiển động cơ.

 Động cơ trái.

Hình 16: Sơ đồ nguyên lí điều khiển động cơ trái Robot

 Động cơ phải.

23


Hình 17: Sơ đồ nguyên lí điều khiển động cơ phải Robot

5.2- Mạch xử lí tín hiệu điều khiển.
 Tín hiệu xung từ cảm biến đưa về được kết nối trực tiếp với vi điều khiển
H83048 để xử lý.
 Chân cấp xung trigger được nối chân PA7.
 Chân xung trả về được nối chân PA4.

24