Báo cáo đồ án thiết kế hệ thống cơ điện tử thiết kế, chế tạo và điều khiển robot dò line (line following robot)

ĐẠI HỌC QUỐC GIA THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA
KHOA CƠ KHÍ
BỘ MÔN CƠ ĐIỆN TỬ

BÁO CÁO
ĐỒ ÁN THIẾT KẾ HỆ THỐNG CƠ ĐIỆN TỬ
Đề tài:
THIẾT KẾ, CHẾ TẠO VÀ ĐIỀU KHIỂN
ROBOT DÒ LINE (LINE FOLLOWING ROBOT)

GVHD: TS. Ngô Hà Quang Thịnh

Sinh viên thực hiện:
Phan Hữu Thanh Tú

21304661

Lê Tấn Sang

21303338

Huỳnh Văn Ngọc Sơn

21303402

Nguyễn Trọng Trân

21304292

Thành phố Hồ Chí Minh, tháng 5 năm 2017

ĐỒ ÁN THIẾT KẾ HỆ THỐNG CƠ ĐIỆN TỬ

GVHD: TS. Ngô Hà Quang Thịnh

MỤC LỤC
Nội dung

Trang

MỤC LỤC ................................................................................................................................. ii
DANH SÁCH HÌNH ẢNH ...................................................................................................... iv
DANH MỤC BẢNG BIỂU ..................................................................................................... vi
MỤC TIÊU THIẾT KẾ ........................................................................................................... 1
CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN .................................................................................................... 2
1.1 Sơ đồ nguyên lý ................................................................................................................ 2
1.2 Cảm biến ........................................................................................................................... 5
1.3 Động Cơ ............................................................................................................................ 7
1.4 Cấu trúc điều khiển ........................................................................................................... 7
1.5 Giải thuật điều khiển ......................................................................................................... 8
CHƯƠNG 2: PHƯƠNG ÁN THIẾT KẾ ............................................................................... 9
2.1 Đề xuất sơ đồ nguyên lý ................................................................................................... 9
2.2 Đề xuất cảm biến .............................................................................................................. 9
2.3 Đề xuất cấu trúc điều khiển ............................................................................................ 10
2.4 Đề xuất giải thuật điều khiển .......................................................................................... 10
2.5 Phương án thiết kế .......................................................................................................... 11
CHƯƠNG 3: CƠ KHÍ ............................................................................................................ 12
3.1 Lựa chọn bánh xe ............................................................................................................ 12
3.1.1 Lựa chọn bánh chủ động .......................................................................................... 12

3.1.2 Lựa chọn bánh bị động ............................................................................................. 12
3.2 Tính toán lựa chọn động cơ ............................................................................................ 12
3.3 Kích thước thân xe .......................................................................................................... 14
3.3.1 Chiều cao trọng tâm xe ............................................................................................ 14
3.3.2 Các kích thước cơ sở của xe ..................................................................................... 15
3.4 Hình ảnh mô hình 3D xe ................................................................................................. 17
3.5 Tính toán dung sai độ đồng trục hai động cơ.................................................................. 17
3.5.1 Tính chuỗi kích thước .............................................................................................. 17
3.5.2 Sơ đồ và phương pháp kiểm tra độ đồng trục của 2 động cơ ................................... 21
3.6 Bản vẽ robot xe dò line ................................................................................................... 22
CHƯƠNG 4: MÔ HÌNH HÓA .............................................................................................. 23
4.1 Mô hình động học ........................................................................................................... 23
4.2 Cách xác định vị trí của robot ......................................................................................... 24
ii


ĐỒ ÁN THIẾT KẾ HỆ THỐNG CƠ ĐIỆN TỬ

GVHD: TS. Ngô Hà Quang Thịnh

4.3 Bộ điều khiển tracking, tìm khoảng cách d .................................................................... 25
4.4 Mô phỏng sa bàn ............................................................................................................. 26
CHƯƠNG 5: CẢM BIẾN VÀ LẬP TRÌNH ........................................................................ 33
5.1 Thiết kế cảm biến ............................................................................................................ 33
5.1.1 Chọn cảm biến.......................................................................................................... 33
5.1.2 Tính toán giá trị điện trờ .......................................................................................... 33
5.2 Lựa chọn vi điều khiển ................................................................................................... 34
5.3 Cách bộ trí cảm biến ....................................................................................................... 35
5.4 Chọn khoảng cách hợp lý giữa cảm biến với sàn ........................................................... 36
5.5 Kiểm tra khoảng cách thực tế ......................................................................................... 37

5.6 Tính toán khoảng cách giữa 2 led ................................................................................... 37
5.7 Tính toán số lượng cảm biến........................................................................................... 39
5.8 Ca-líp cảm biến ............................................................................................................... 39
5.9 Xác định vị trí tâm đường line ........................................................................................ 40
5.10 Mô hình thí nghiệm....................................................................................................... 41
5.11 Giải thuật điều khiển xe ................................................................................................ 42
5.11.1 Sơ đồ khối của bộ điều khiển ................................................................................. 42
5.11.2 Giải thuật điều khiển .............................................................................................. 42
5.12 Lập trình chương trình .................................................................................................. 47
CHƯƠNG 6: ĐIỆN – MẠCH ĐIỆN ..................................................................................... 62
6.1 Sơ đồ khối hệ thống điện ................................................................................................ 62
6.2 Nguồn điện ...................................................................................................................... 62
6.3 Mạch nguồn .................................................................................................................... 63
6.4 Mạch driver động cơ ....................................................................................................... 64
6.5 Thiết kế board mạch tổng kết nối các thiết bị ................................................................. 67
6.6 Thiết kế mạch cảm biến .................................................................................................. 67
6.7 Giải thuật PID để nâng cao đáp ứng của bộ driver và motor .......................................... 68
6.8 Kết quả thực hiện phần điện cho xe dò line .................................................................... 71
CHƯƠNG 7: THỰC NGHIỆM VÀ ĐÁNH GIÁ ................................................................ 72
TÀI LIỆU THAM KHẢO...................................................................................................... 74

iii


ĐỒ ÁN THIẾT KẾ HỆ THỐNG CƠ ĐIỆN TỬ

GVHD: TS. Ngô Hà Quang Thịnh

DANH SÁCH HÌNH ẢNH
Hình

Trang

Hình 0.1 Sa bàn di chuyển của robot ......................................................................................... 1
Hình 1.1 Sơ đồ nguyên lý RC cars sử dụng trục truyền động ................................................... 2
Hình 1.2 Sơ đồ nguyên lý RC racing cars sử dụng trục truyền động ........................................ 3
Hình 1.3 Sơ đồ nguyên lý hai cặp chủ động vi sai loại 2 bánh ................................................. 4
Hình 1.4 Sơ đồ nguyên lý hai cặp chủ động vi sai loại 4 bánh ................................................. 4
Hình 1.5 Nguyên lý của cảm biến quang.................................................................................... 5
Hình 1.6 Vùng giao thoa của cực phát và cực thu ...................................................................... 5
Hình 1.7 Giải thuật xử lí tín hiệu bằng phương pháp so sánh .................................................... 6
Hình 1.8 Giải thuật xử lý tín hiệu cảm biến bằng phương pháp xấp xỉ...................................... 6
Hình 1.9 Cấu trúc điều khiển thường dùng ................................................................................ 7
Hình 2.1 Phương án sơ đồ nguyên lý ......................................................................................... 9
Hình 2.2 Phương án cấu trúc điều khiển .................................................................................. 10
Hình 3.1 Bánh dẫn động ........................................................................................................... 12
Hình 3.2 Mô hình toán của bánh xe ......................................................................................... 12
Hình 3.3 Mô hình toán khi xe chuyển hướng ........................................................................... 14
Hình 3.4 Sơ đồ tính khoảng cách giữa hai tâm bánh xe dẫn động .......................................... 15
Hình 3.5 Sơ đồ phân bố linh kiện cho xe ................................................................................. 16
Hình 3.6 Mô hình 3D robot xe dò line ..................................................................................... 17
Hình 3.7 Sai lệch tâm trục 2 động cơ ....................................................................................... 17
Hình 3.8 Các khâu hình thành chuỗi kích thước ...................................................................... 18
Hình 3.9 Các khâu hình thành chuỗi kích thước ...................................................................... 20
Hình 3.10 Sơ đồ kiểm tra độ đồng trục của 2 động cơ ............................................................. 21
Hình 4.1 Mô hình động học của mobile platform .................................................................... 23
Hình 4.2 Mô hình động học được sử dụng cho robot dò line ................................................... 24
Hình 4.3 Cách xác định e3 ........................................................................................................ 25
Hình 4.4 Quan hệ giữa khoảng cách d và sai số lớn nhất ......................................................... 26
Hình 4.5 Mô phỏng chuyển động robot trong đoạn ABC ........................................................ 27

Hình 4.6 Mô phỏng chuyển động robot trong đoạn CDE ........................................................ 28
Hình 4.7 Mô phỏng chuyển động robot trong đoạn EFC ......................................................... 29
Hình 4.8 Mô phỏng chuyển động robot trong đoạn CGA ........................................................ 30
Hình 4.9 Mô phỏng chuyển động robot trong đoạn GAE ........................................................ 31
Hình 4.10 Mô phỏng chuyển động robot trong sa bàn ............................................................. 32
Hình 5.1 Sơ đồ nguyên lý của 1 cặp LED trong mạch cảm biến ............................................. 33
Hình 5.2 Đồ thị thể hiện giữa dòng và áp qua LED ................................................................. 34
iv


ĐỒ ÁN THIẾT KẾ HỆ THỐNG CƠ ĐIỆN TỬ

GVHD: TS. Ngô Hà Quang Thịnh

Hình 5.3 Kit Tiva C chip Tm4c123gh6pm ............................................................................... 34
Hình 5.4 Ảnh hưởng của cách đặt cảm biến đến switching distance Xd .................................. 36
Hình 5.5 Vùng hoạt động của cảm biến ................................................................................... 36
Hình 5.6 Tính toán giá trị h ...................................................................................................... 36
Hình 5.7 Test độ cao và đáp ứng của LED ............................................................................... 37
Hình 5.8 Phạm vi quét của led thu và led phát ở 2 cảm biến đặt liền kề nhau ......................... 38
Hình 5.9. Vùng bất định của cảm biến ..................................................................................... 38
Hình 5.10 sơ đồ bố trí sử dụng 5 cảm biến ............................................................................... 39
Hình 5.11 Sơ đồ bố trí sử dụng 7 cảm biến .............................................................................. 39
Hình 5.12 Giải thuật xấp xỉ bậc 2 ............................................................................................. 40
Hình 5.13 Giải thuật xấp xỉ bậc 2 ............................................................................................. 41
Hình 5.14 Đồ thị quan hệ giá trị tính toán và giá trị thực tâm đường line ............................... 41
Hình 5.15 Sơ đồ cấu trúc tập trung ........................................................................................... 42
Hình 5.16 Sơ đồ giải thuật điểu khiển xe ................................................................................. 46
Hình 6.1 Sơ đồ khối hệ thống điện ........................................................................................... 62
Hình 6.2 Module LM2596 ........................................................................................................ 63

Hình 6.3 Mạch in lắp nguồn ..................................................................................................... 64
Hình 6.4 Mạch driver TB6612 ................................................................................................. 64
Hình 6.5 Đồ thị giữa PWM và vận tốc motor (không tải) ........................................................ 65
Hình 6.6 Đồ thị đáp ứng với PWM = 40% ............................................................................... 66
Hình 6.7 Đồ thị đáp ứng với PWM = 70% ............................................................................... 66
Hình 6.8 Sơ đồ nguyên lý và sơ đồ mạch in board tổng........................................................... 67
Hình 6.9 Mô hình hóa 3D board tổng....................................................................................... 67
Hình 6.10 Sơ đồ nguyên lý mạch cảm biến .............................................................................. 67
Hình 6.11 Bảng vẽ mạch in mạch cảm biến ............................................................................. 68
Hình 6.12 Mô hình hóa 3D mạch cảm biến.............................................................................. 68
Hình 6.13 Đồ thị giữa PWM và vận tốc motor (có tải) ............................................................ 68
Hình 6.14 Mô hình tuyến tính động cơ trái .............................................................................. 69
Hình 6.15 Mô hình tuyến tính động cơ phải............................................................................. 69
Hình 6.16 Đồ thị đáp của động cơ trái tại PWM = 55% (có tải) .............................................. 69
Hình 6.17 Đồ thị đường cong đáp của hệ bậc nhất .................................................................. 70
Hình 6.18 PID Tuner Matlab .................................................................................................... 70
Hình 6.19 Bản vẽ sơ đồ điện .................................................................................................... 71
Hình 7.1 Mô hình thực tế xe dò line ......................................................................................... 72
Hình 7.2 Kết quả chạy trên sa bàn trích từ video ..................................................................... 72

v


ĐỒ ÁN THIẾT KẾ HỆ THỐNG CƠ ĐIỆN TỬ

GVHD: TS. Ngô Hà Quang Thịnh

DANH MỤC BẢNG BIỂU
Bảng

Trang

Bảng 3.1 Các thông số đầu vào của xe ..................................................................................... 13
Bảng 3.2 Các thông số yêu cầu của động cơ ............................................................................ 14
Bảng 3.3 Các thiết bị trên xe .................................................................................................... 17
Bảng 4.1 Thông số đầu vào mô phỏng ..................................................................................... 25
Bảng 5.1 Bảng trạng thái và số xung cần ................................................................................. 45
Bảng 6.1 Công suất điện cần cung cấp cho các thiết bị............................................................ 62
Bảng 6.3 Các ngõ ra/vào module TB6612 ............................................................................... 64

vi


ĐỒ ÁN THIẾT KẾ HỆ THỐNG CƠ ĐIỆN TỬ

GVHD: TS. Ngô Hà Quang Thịnh

MỤC TIÊU THIẾT KẾ
Thiết kế và chế tạo xe dò line di chuyển tốc độ cao trên sa bàn có các đặc điểm :
-

Màu sắc đường line: đen.

-

Màu nền: trắng.

-

Bề rộng đường line: 26mm.

-

Bề mặt địa hình di chuyển: phẳng.

-

Sa bàn được thể hiện trên Hình 0.1.

-

Mỗi robot mang trên người một vật nặng hình hộp chữ nhật có trọng lượng 2 Kg.
F

B

R500
END

E

C

A START
R500

D

G

1500
3000

Hình 0.1 Sa bàn di chuyển của robot
- Khi bắt đầu, robot được đặt tại vị trí START (điểm A), sau đó robot chạy theo thứ tự
đi qua các điểm nút quy định lần lượt :
(START) A → B → C → D → E → F → C → G → A → C → E (END)

Trang 1


ĐỒ ÁN THIẾT KẾ HỆ THỐNG CƠ ĐIỆN TỬ

GVHD: TS. Ngô Hà Quang Thịnh

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN
Robot dò line là một trường hợp đặc biệt của mobile robot, trong đó robot sẽ nhận biết vị
trí tương đối của robot và bám theo đường line (line từ, line màu) đã có. Hiện nay robot dò line
được ứng dụng rộng rãi trong các quá trình chế tạo trong công nghiệp, mang vác vật đến các
địa điểm đặc biệt,…
Để thiết kế và vận hành một robot dò line, tất cả các yếu tố kỹ thuật cấu thành của robot
đều cần được quan tâm: sơ đồ nguyên lý, loại cảm biến, động cơ, cấu trúc điều khiển và giải
thuật điều khiển được sử dụng.
1.1 Sơ đồ nguyên lý
Rất nhiều sơ đồ nguyên lý có thể được ứng dụng cho việc chế tạo robot dò line. Để đạt
được tốc độ và khả năng bám đường, sơ đồ nguyên lý của các loại xe đua điều khiển từ xa (RC
racing cars) có thể được sử dụng. Có hai loại sơ đồ nguyên lý chung cho các loại xe đua chuyên
chạy trên mặt đường phẳng:
- Loại 1(Hình 1.1) sử dụng trục truyền động cho trục trước và sau xe. (Khung xe của
hãng Awesomatrix, TAMIYA TT01, Overdose Divall…).

- Loại 2(Hình 1.2) sử dụng đai răng truyền động cho trục trước và sau xe. (Khung xe
của hãng Sakura D3 CS, Serpent VETEQ 02, TA04 EPRO…).

a) Khung xe hãng Overdose Divall

b) Sơ đồ nguyên lý sử dụng trục truyền động

Hình 1.1 Sơ đồ nguyên lý RC cars sử dụng trục truyền động

Trang 2


ĐỒ ÁN THIẾT KẾ HỆ THỐNG CƠ ĐIỆN TỬ

GVHD: TS. Ngô Hà Quang Thịnh

X

X

X

a) Khung xe hãng TA04 EPRO

b) Sơ đồ nguyên lý sử dụng đai răng truyền động

Hình 1.2 Sơ đồ nguyên lý RC racing cars sử dụng trục truyền động
Những sơ đồ nguyên lý này có chung các ưu điểm và nhược điểm sau:
Ưu điểm: Hạn chế được hiện tượng trượt giữa các bánh khi xe thực hiện đổi hướng.
Nhược điểm:

- Thiết kế cơ khí phức tạp và bán kính cong nhỏ nhất của xe sẽ bị giới hạn bởi kết
cấu của xe.
- Giá thành cao đối với nhu cầu của sinh viên.
- Thích hợp cho việc đua trên mặt đường phẳng.
Bên cạnh các sơ đồ nguyên lý mà các xe RC car sử dụng, hiện nay rất nhiều xe đua dò
line như đội HBFS (Robot RobotChallenge) và Sylvestre (COSMOBOT 2012), Flash Robot
RobotChallenge 2016), Johnny-5 (IGVC),Thunderbolt (Robot Challenge 2014)… sử dụng hai
bánh chủ động được điều khiển độc lập kết hợp với bánh đa hướng (Hình 1.3).
Ưu – nhược điểm chung của sơ đồ nguyên lý này:
Ưu điểm: Bám đường tốt do tiếp xúc 3 điểm mới mặt đường, mô hình động học đơn giản,
dễ hiệu chỉnh sai số hệ thống và cho phép xe di chuyển được theo bán kính rất nhỏ, kể cả việc
quay tại chỗ.Giá thành chế tạo phù hợp với sinh viên.
Nhược điểm: Dễ bị trượt theo phương pháp tuyến khi thực hiện việc bám theo các đoạn
đường bán kính nhỏ ở tốc độ cao.

Trang 3


ĐỒ ÁN THIẾT KẾ HỆ THỐNG CƠ ĐIỆN TỬ

(a) Mẫu xe đội Sylvestre

GVHD: TS. Ngô Hà Quang Thịnh

(b) Sơ đồ nguyên lý loại 2 bánh

Hình 1.3 Sơ đồ nguyên lý hai cặp chủ động vi sai loại 2 bánh

a) Mẫu xe đội CartisX04

(b) Sơ đồ nguyên lý loại 4 bánh

Hình 1.4 Sơ đồ nguyên lý hai cặp chủ động vi sai loại 4 bánh
Ngoài ra, một dạng khác của sơ đồ nguyên lý này cũng được các xe đua như CartisX04
(All Japan Micromouse 2015), Mouse (RobotChallenge 2014)… sử dụng (Hình 1.4). Ở sơ đồ
này, mỗi bánh xe vi sai chủ động được thay bằng một cặp bánh. Điều này tạo ra các ưu – nhược
điểm chung của sơ đồ nguyên lý này:
Ưu điểm: Dễ cân bằng, ưu thế chạy trên đường bằng phẳng
Nhược điểm: Kết cấu cơ khí phức tạp hơn, xuất hiện hiện tượng trượt bánh khi xe đổi
hướng.

Trang 4


ĐỒ ÁN THIẾT KẾ HỆ THỐNG CƠ ĐIỆN TỬ

GVHD: TS. Ngô Hà Quang Thịnh

1.2 Cảm biến
Về cảm biến, phần lớn các robot dò line hiện nay sử dụng các loại cảm biến quang để
nhận biết vị trí tương đối của đường line so với xe, từ đó xử lí để đưa ra tín hiệu điều khiển. Có
hai phương pháp thường được sử dụng cho robot dò line là phương pháp sử dụng camera và
các loại cảm biến quang dẫn:
- Phương pháp sử dụng camera. Hình ảnh đường đua được lấy từ camera, thông qua
xử lí và đưa ra tín hiệu điều khiển.
Ưu điểm: Độ chính xác cao, ít bị nhiễu.
Nhược điểm: Yêu cầu xử lí nhiều, do đó đòi hỏi tốc độ xử lí phải nhanh, nếu không sẽ
làm giảm tốc độ của xe.
- Phương pháp xử dụng cảm biến quang được sử dụng trong hầu hết các loại xe đua
hiện nay. Một số loại cảm biến có thể được sử dụng như quang điện trở (robot ALF trong cuộc

thi ROBOCON Malaysia 2006) hoặc Photo-transistor kết hợp với LED. Hai loại cảm biến này
có nguyên lí hoạt động như nhau (Hình 1.5). Hai led phát và thu phải bố trí khoảng cách với
mặt đường sao cho vùng hoạt động của chúng giao thoa với nhau và không trùng với vùng giao
thoa của bộ liền kề (Hình 1.6).

Hình 1.5 Nguyên lý của cảm biến quang

Hình 1.6 Vùng giao thoa của cực phát và cực thu
Trang 5


ĐỒ ÁN THIẾT KẾ HỆ THỐNG CƠ ĐIỆN TỬ

GVHD: TS. Ngô Hà Quang Thịnh

Đối với các loại cảm biến quang, tín hiệu tương tự từ cảm biến sẽ được hiệu chuẩn và xử
lí bằng các giải thuật so sánh hoặc xấp xỉ để tìm ra vị trí tương đối của robot dò line với tâm
đường line.
- Phương pháp thứ nhất: dùng bộ so sánh để xác định trạng thái đóng/ngắt của các
sensor, sau đó suy ra vị trí xe theo một bảng trạng thái đã định sẵn (Hình 1.7). Với phương pháp
này, sai số dò line sẽ phụ thuộc vào thông số của sensor được sử dụng, hay khoảng cách giữa
các sensor. Phương pháp này có đặc điểm phụ thuộc chủ yếu vào mức ngưỡng so sánh của các
sensor, do đó tốc độ xử lý rất nhanh.
- Phương pháp thứ hai: xấp xỉ ra vị trí của xe so với tâm đường line từ các tín hiệu tương
tự từ cảm biến. Có 3 giải thuật xấp xỉ được giới thiệu đó là xấp xỉ theo bậc 2, tuyến tính và theo
trọng số (Hình 1.8) với sai số dò line lần lượt là 5.4mm, 2.8mm và 2.6mm trong thí nghiệm
được thực hiện . Đặc điểm của phương pháp này là phụ thuộc chủ yếu vào thời gian đọc ADC
tất cả các sensor của vi điều khiển, do đó thời gian xử lý sẽ lâu hơn phương pháp 1. Tuy nhiên
độ phân giải cao hơn đáng kể so với phương án đầu.
00011000

Line nằm giữa

00000110
Line nằm lệch bên phải

01100000
Line nằm lệch bên trái

Tín hiệu mức thấp tại vị trí không có line
Tín hiệu mức cao tại vị trí có line

Hình 1.7 Giải thuật xử lí tín hiệu bằng phương pháp so sánh

a) Xấp xỉ bậc 2;

(b) Xấp xỉ theo trọng số

Hình 1.8 Giải thuật xử lý tín hiệu cảm biến bằng phương pháp xấp xỉ

Trang 6


ĐỒ ÁN THIẾT KẾ HỆ THỐNG CƠ ĐIỆN TỬ

GVHD: TS. Ngô Hà Quang Thịnh

1.3 Động Cơ
Về động cơ, các xe đua dò line như Pika, HFBS-2, CartisX04, Thunderstorm, Impact…
đều sử dụng động cơ DC có gắn encoder làm cơ cấu chấp hành. Đặc điểm của động cơ DC đa
dạng về kích thước, momen, chủng loại driver, dễ dàng lắp đặt và điều khiển chính xác do có

thể kết hợp thêm encoder và được ứng dụng thêm bộ điều khiển PID để có thể điều chỉnh tốc
độ hoặc vị trí chính xác theo yêu cầu.
1.4 Cấu trúc điều khiển
Về cấu trúc điều khiển, robot dò line có các module chính bao gồm module sensor, module
điều khiển và module điều khiển động cơ. Trong đó có hai phương pháp chủ yếu để kết nối các
module đó với nhau là phương pháp điều khiển tập trung và phân cấp:
- Trong phương pháp điều khiển tâp trung (Hình 1.9a), một MCU nhận tín hiệu từ cảm
biến, xử lí dữ liệu rồi truyền tín hiệu điều khiển cho cơ cấu tác động.Đây là cấu trúc được sử
dụng khá nhiều trong các xe đua dò line thực tế như xe CartisX04, Le’Mua (Robot Challenge
2015), Pika. Cấu trúc điều khiển tập trung có đặc điểm phần cứng đơn giản, tuy nhiên MCU
phải xử lý tất cả thông tin trước khi cập nhật thông tin mới.

Hình 1.9 Cấu trúc điều khiển thường dùng

Trang 7


ĐỒ ÁN THIẾT KẾ HỆ THỐNG CƠ ĐIỆN TỬ

GVHD: TS. Ngô Hà Quang Thịnh

- Trong phương pháp điều khiển phân cấp (Hình 1.9b) nhiều hơn một MCU sẽ được sử
dụng trong hệ thống. Bên cạnh MCU master đảm nhiệm việc tính toán tổng thể, một số robot
còn có thêm 1 Slave MCU chuyên xử lí tín hiệu encoder hoặc 1 slave MCU để xử lí tín hiệu từ
sensor (RobotALF). Ngoài ra, các robot dò line dùng camera thường có một MCU slave chuyên
xử lí hình ảnh, rồi chuyển dữ liệu về MCU master. Cấu trúc này giúp giảm nhẹ khối lượng tính
toán cho master và cho phép robot thực hiện nhiều tác vụ cùng lúc. Cấu trúc điều khiển phân
cấp có đặc điểm phần cứng phức tạp hơn, phải quan tâm đến vấn đề giao tiếp giữa các MCU,
tuy nhiên có khả năng xử lý nhiều tác vụ cùng lúc, giúp cho thời gian lấy mẫu của hệ thống
nhanh hơn khi sử dụng cấu trúc tập trung.

1.5 Giải thuật điều khiển
Giải thuật điều khiển được dùng phổ biến cho các xe đua dò line là bộ điều khiển PD,
PID, FIC cho hệ thống lái của xe kết hợp với PID cho từng động cơ như xe Bolt, Pika, Major
(Robocomp 2014), Thunderstorm… Ngoài ra, một bộ điều khiển phổ biến khác thường được
ứng dụng cho mobile robot là bộ điều khiển tracking. Thực nghiệm từ cho thấy bộ điều khiển
này có thể giúp sai số bám line của robot trên đoạn đường thẳng và cong; đạt sai số tối đa
150mm khi gặp các đoạn line gấp khúc và tối đa 250mm khi robot thực hiện đổi hướng 900.
Về vận tốc tối đa, vận tốc cực đại trung bình của của các robot như Pika, HBFS-2,
Sylvestre, Thunderbolt, Thunderstorm, Impact… tại các cuộc thi đều đạt từ 1-3m/s.
Về sai số tối đa của robot trong suốt quá trình, sai số trong quá trình xe di chuyển trên
đường thẳng hay cong sẽ phụ thuộc vào sai số xác định vị trí của xe do hệ thống sensor (tối đa
5.4mm) và sai số do bộ điều khiển. Đối với sai số khi xe bám theo các vị trí đổi hướng đột ngột,
sai số phụ thuộc phần lớn vào giải thuật điều khiển.
Từ các thông số của các xe đã thực hiện và yêu cầu của đề bài mỗi robot mang vật nặng
2 Kg, lựa chọn các thông số:
-

Tốc độ tối đa: vmax = 1 m/s

-

Bán kính cong tối thiểu: Rmin = 500mm
Dựa trên kết quả mô phỏng và thực nghiệm của các đồ án đi trước lựa chọn sai số dò

line trên đoạn đường thẳng và cong: emax = ±15 mm.

Trang 8


ĐỒ ÁN THIẾT KẾ HỆ THỐNG CƠ ĐIỆN TỬ

GVHD: TS. Ngô Hà Quang Thịnh

CHƯƠNG 2: PHƯƠNG ÁN THIẾT KẾ
Chương này, ta đưa ra đề xuất và lựa chọn phương án thiết kế phù hợp với mục tiêu thiết
kế đã đặt ra.Đề xuất gồm có: sơ đồ nguyên lý, cảm biến, cấu trúc điều khiển, giãi thuật điều
khiển.
2.1 Đề xuất sơ đồ nguyên lý
Do robot chỉ cần bám theo đường cong bán kính lớn (R = 500mm), khả năng đổi hướng
độ ngột tại các vị trí line gãy khúc đồng thời kết cấu xe phải đơn giản, giá thành chế tạo phù
hợp. Vì thế sơ đồ nguyên lý loại 2 bánh sử dụng bánh đa hướng được đề xuất (Hình 2.1).

Hình 2.1 Phương án sơ đồ nguyên lý
2.2 Đề xuất cảm biến
Từ yêu cầu đề bài về sai số bám line tối đa của robot (±15 mm) và khả năng giúp xe có
thể bám line ở các đoạn đường gấp khúc đột ngột, các phương án sau về loại cảm biến và giải
thuật xử lý sẽ được cân nhắc.
Về loại cảm biến:
Để thỏa mãn yêu cầu về việc đáp ứng được với các đường gãy khúc đột ngột của sa bàn,
phương án cảm biến phải có độ nhạy thích hợp. Dựa trên đặc tính độ nhạy cao của
phototransistor so với các loại cảm biến quang khác hai phương án sử dụng loại sensor này
được đề xuất:
- Phototransistor kết hợp với LED thường
- Phototransistor kết hợp với LED hồng ngoại
Đối với đường line màu có độ tương phản cao vì thế LED hồng ngoại cho độ nhạy cao
hơn nhưng cần phải che chắn để chống nhiễu. Đối với đường đua mà màu line với màu của nền
có độ tương phản thấp, sử dụng LED thường sẽ hiệu quả hơn.
Về giải thuật xử lí tín hiệu:

Trang 9

ĐỒ ÁN THIẾT KẾ HỆ THỐNG CƠ ĐIỆN TỬ

GVHD: TS. Ngô Hà Quang Thịnh

Với sai số yêu cầu ±15mm như đầu bài, các phương pháp có độ phân cao nên được lựa
chọn. Có hai giải thuật xử lý được đề xuất:
-

So sánh

-

Xấp xỉ
Với phương pháp so sánh, vị trí của robot so với đường line chỉ có thể thuộc vào một số

trường hợp đã được quy định sẵn. Số trường hợp này phụ thuộc số lượng cảm biến, sai số ảnh
hưởng bởi khoảng cách tối thiểu giữa các cảm biến. Khoảng cách giữa các cảm biến này phụ
thuộc nhiều vào góc chiếu của LED, góc thu của sensor và độ cao so với mặt đất.
Với phương pháp xấp xỉ, sai số phụ thuộc vào số lượng cảm biến và cách chọn độ cao
của chúng so với mặt đất. Tuy nhiên, độ phân giải của phương pháp này cao hơn đáng kể so
với phương pháp so sánh, giúp cho hệ thống sensor có thể đạt được sai số tốt hơn. Tuy nhiên,
thời gian đáp ứng của phương pháp này sẽ lâu hơn phương án trên do vi điều khiển cần thực
hiện chuyển đổi ADC cho tất cả các cảm biến.
2.3 Đề xuất cấu trúc điều khiển
Để tránh tình trạng bị nhiễu hoặc rớt dữ liệu trong quá trình truyền dữ liệu phương án cấu
trúc điều khiển tập trung (Hình 2.2).

Hình 2.2 Phương án cấu trúc điều khiển

Phương án này sử dụng một MCU cho các hoạt động của robot do đó MCU phải thực
hiện nhiều tác vụ hơn, do đó việc tính toán thời gian để đảm bảo các tác vụ diên ra được thống
nhất và không bị trùng lặp là vấn đề quan trọng, cần tính toán kỹ.
2.4 Đề xuất giải thuật điều khiển
Dựa vào yêu cầu robot phải bám được trên các đoạn đường thẳng, cong và sai số vị trí
line bị gấp khúc (2mm), hai phương án cho bộ điều khiển được đề xuất:
- Phương án 1: Bộ điều khiển PD kết hợp ghi nhớ đường đi
- Phương án 2: Bộ điều khiển tracking

Trang 10


ĐỒ ÁN THIẾT KẾ HỆ THỐNG CƠ ĐIỆN TỬ

GVHD: TS. Ngô Hà Quang Thịnh

Phương án 1 có đặc điểm giúp robot có khả năng cải thiện được khả năng bám đường line
sau mỗi lần chạy. Tuy nhiên giải thuật tự học phức tạp và cần phải kết hợp thêm cảm biến
accelometer và gyrometer để bộ điều khiển có thể nhớ được trạng thái gia tốc và gốc của robot
trong suốt đường đua.
Phương án 2 là một bộ điều khiển thông dụng trong các nghiên cứu về khả năng bám theo
quỹ đạo cho trước của mobile robot. Lý thuyết và thực nghiệm đã chứng minh bộ điều khiển
có khả năng di chuyển robot tới các tọa độ cho trước với vận tốc mong muốn.
2.5 Phương án thiết kế
Từ các đề xuất trên, ta tiến hành lựa chọn phương án phù hợp:
- Sơ đồ nguyên lý: robot 2 bánh chủ động vi sai có bánh đa hướng bị động (Hình 2.1)
- Cảm biến: bộ LED hồng ngoại-Phototransistor và sử dụng giải thuật xấp xỉ để tìm ra
vị trí của robot so với đường line.
- Động cơ: động cơ DC servo.
- Cấu trúc điều khiển: bộ điều khiển tập trung (Hình 2.2)

- Giải thuật điều khiển: bộ điều khiển tracking.

Trang 11


ĐỒ ÁN THIẾT KẾ HỆ THỐNG CƠ ĐIỆN TỬ

GVHD: TS. Ngô Hà Quang Thịnh

CHƯƠNG 3: CƠ KHÍ
3.1 Lựa chọn bánh xe
3.1.1

Lựa chọn bánh chủ động

Từ giá trị vận tốc lớn nhất ở đầu bài là 1 (m/s), cũng như tham khảo những thiết kế của
các đội thi các cuộc thi mobile robot trên thế giới thì ta chọn đường kính bánh xe dẫn động là
80 mm.
Bánh xe được chọn để làm mô hình là V2 80mm khớp lục giác 12mm.

Hình 3.1 Bánh dẫn động
3.1.2 Lựa chọn bánh bị động
Hai loại bánh bị động thường được sử dụng cho mobile robot là bánh mắt trâu và bánh
caster. Tuy nhiên đặc điểm của bánh caster là khoảng cách giữa trục quay và trục bánh gây ra
hiện tượng shopping-cart làm ảnh hưởng đến phương trình động học của xe. Để tránh hiện
tượng này và tận dụng được đặc điểm của sơ đồ nguyên lý, bánh mắt trâu được lựa chọn làm
bánh bị động.
3.2 Tính toán lựa chọn động cơ
Để xe chuyển động, động cơ có vai trò cung cấp moment cho các bánh. Quá trình chuyển
động này chịu ảnh hưởng đáng kể của khối lượng xe và ma sát giữa bánh xe và mặt đường. Mô

hình toán cho một bánh xe được thể hiện ở Hình 3.2

Hình 3.2 Mô hình toán của bánh xe

Trang 12


ĐỒ ÁN THIẾT KẾ HỆ THỐNG CƠ ĐIỆN TỬ

GVHD: TS. Ngô Hà Quang Thịnh

Moment bánh xe có thể tính gần đúng:
1
𝐼 = 𝑚𝑅2
2

(3.1)

Cân bằng moment quanh tâm bánh xe, ta có:
𝜏 − 𝐹𝑚𝑠 𝑅 = 𝐼𝛾

(3.2)

 𝜏 = 𝐼𝛾 + 𝐹𝑚𝑠 𝑅

Điều kiện để bánh xe không bị trượt khi động cơ quay, monent 𝜏 phải thỏa điều kiện sau :
1
𝜏 ≤ 𝐼𝛾 + 𝜇 ( 𝑀 + 𝑚) 𝑔𝑅
2
1

1
𝜏 ≤ 𝑚𝑅2 𝛾 + 𝜇 ( 𝑀 + 𝑚) 𝑔𝑅
2
2
Phương trình định luật 2 Newton theo phương ngang :
2𝐹𝑚𝑠 = (2𝑚 + 𝑀)𝑎
 𝐹𝑚𝑠 =

(3.3)

(2𝑚 + 𝑀)𝑎
2

Thay 𝐹𝑚𝑠 vào phương trình moment ở trên ta được:
𝜏=

(2𝑚 + 𝑀)𝑎𝑅
𝑚𝑅2
𝛾+
2
2

Công suất mỗi động cơ cần cung cấp:
𝑃 = 𝜏𝜔

(3.4)

Trong đó:
(kg.m2): moment quán tính của bánh xe.

(N.m): moment.

(kg): khối lượng của bánh xe.

(m/s2): gia tốc dài mong muốn.

(kg): khối lượng thân xe.

(m/s2): gia tốc trọng trường.

(m): bán kính bánh xe.

(W): công suất mỗi động cơ.

𝐹𝑚𝑠 (N): lực ma sát.

(rad/s): vận tốc góc.

(rad/s2): gia tốc góc.
Ta dựa vào các thông số đầu vào có sẵn cũng như ước lượng, để có thể tính toán được các
thông số cần thiết của động cơ để thỏa mãn được các yêu cầu đặt ra.
Bảng 3.1 Các thông số đầu vào của xe
Vận tốc lớn nhất của xe

1 (m/s)

Thời gian tăng tốc mong muốn

1 (s)

Bán kính bánh xe

40 (mm)

Khối lượng bánh xe

0,025 (kg)

Khối lượng tải ước lượng

2,5 (kg)

Trang 13


ĐỒ ÁN THIẾT KẾ HỆ THỐNG CƠ ĐIỆN TỬ

GVHD: TS. Ngô Hà Quang Thịnh

Hệ số ma sát

0,8

Hệ số an toàn

2

Bảng 3.2 Các thông số yêu cầu của động cơ
Vận tốc lớn nhất

238,73 vg/ph

Moment cần thiết để xe chuyển động

41,02 Nmm

Moment trượt

321,79 Nmm

Công suất mỗi động cơ

2,05 (w)

Với thông số động cơ đã được tính như trên, động cơ GA25 V1 (𝜔 = 320 vòng/phút, 𝑃
= 13,2W) được lựa chọn.
Tính toán lại vận tốc:
V = (320/60).0,08.π = 1,34 (m/s)
Với động cơ lựa chọn vẫn thỏa mãn vận tốc đề bài đặt ra.
3.3 Kích thước thân xe
3.3.1 Chiều cao trọng tâm xe

Hình 3.3 Mô hình toán khi xe chuyển hướng
Trong đó:
𝑇: trọng tâm xe.

𝐹𝑙𝑡: lực li tâm.

𝐹𝑚𝑠 : lực ma sát.

𝑃: trọng lực.

𝐶: tâm quay khi xe lật.

ℎ: chiều cao trọng tâm xe.

Để tránh lật, moment sinh ra do trọng lực quanh tâm quay C phải lớn hơn moment của lực
li tâm:
𝐹𝑙𝑡 ℎ − 𝑃

𝑏
≤0
2

(3.5)

Trang 14


ĐỒ ÁN THIẾT KẾ HỆ THỐNG CƠ ĐIỆN TỬ

GVHD: TS. Ngô Hà Quang Thịnh

𝑚𝑣 2
𝑏
ℎ − 𝑚𝑔 ≤ 0
𝑅
2
ℎ≤

𝑔𝑏𝑅
2𝑣 2

Trong đó:
Gia tốc trọng trường 𝑔 = 9,81m/s2
Bề rộng xe 𝑏 = 0,17𝑚
Bán kính cong của đường đua 𝑅 = 0,5𝑚
Vận tốc dài tối đa 𝑣 = 1𝑚/𝑠
Do đó:

ℎ ≤ 41,69𝑐𝑚

3.3.2 Các kích thước cơ sở của xe
Kích thước bao của xe phụ thuộc vào kích thước và việc sắp xếp các linh kiện điện, điện
tử, khoảng cách được mô phỏng giữa sensor và các bánh chủ động. Ngoài ra tỉ lệ kích thước
dài-rộng của xe nên được chọn theo tỉ số √5 nhằm giảm thiểu tối đa ảnh hưởng của các yếu tố
động lực học lên xe.
Ta tính toán khoảng cách giữa 2 bánh chủ động: Đặt bài toán xe đang chạy qua khúc
cong có bán kính R = 500mm, với vận tốc 1 m/s. Tìm khoảng cách nhỏ nhất giữa 2 bánh xe chủ
động để xe không bị lật.

Z
Y

⃗⃗⃗⃗
𝐹𝑙𝑡
X

𝑃⃗
R=500mm

Hình 3.4 Sơ đồ tính khoảng cách giữa hai tâm bánh xe dẫn động
Từ việc ước lượng được các kích thước của các thành phần trên xe, Ước lượng được chiều
cao xe là 80 mm. Ước lượng điểm G (trọng tâm xe) nằm ở vị trí cách mặt đất h = 30 mm.
b: là khoảng các giữa tâm 2 bánh xe dẫn động.

Trang 15


ĐỒ ÁN THIẾT KẾ HỆ THỐNG CƠ ĐIỆN TỬ

GVHD: TS. Ngô Hà Quang Thịnh

⃗⃗⃗⃗
𝐹𝑙𝑡 là lực ly tâm khi xe qua khúc cong.
Ta có:
𝐹𝑙𝑡 =

𝑚𝑣 2 2,5. 12
=
= 5(𝑁)
𝑅
0,5

Để xe không lật thì
𝐹𝑙𝑡 . ℎ ≤ 𝑃.
↔𝑏≥

𝑏
2

(3.6)

2. 𝐹𝑙𝑡 . ℎ
= 30𝑚𝑚
𝑃

Kết hợp với các kích thước phân bố linh kiện ta chọn b = 170 mm và chiều dài cơ sở của
xe là 190 mm.
Sơ đồ phân bố các phần tử trên xe

Hình 3.5 Sơ đồ phân bố linh kiện cho xe

Trang 16


ĐỒ ÁN THIẾT KẾ HỆ THỐNG CƠ ĐIỆN TỬ

GVHD: TS. Ngô Hà Quang Thịnh

Bảng 3.3 Các thiết bị trên xe
STT
Tên thiết bị
1
Bánh xe dẫn động
2
Động cơ escap
3
Board mạch tích hợp
4

Mạch 7 cảm biến
5
Hộp pin
6
Bánh đa hướng
3.4 Hình ảnh mô hình 3D xe

Số lượng
2
2
1
1
1
1

Hình 3.6 Mô hình 3D robot xe dò line
3.5 Tính toán dung sai độ đồng trục hai động cơ
3.5.1 Tính chuỗi kích thước
Dung sai độ đồng tâm của trục 2 động cơ: 𝑒 ≤ 0,5𝑚𝑚

Hình 3.7 Sai lệch tâm trục 2 động cơ
Trang 17


ĐỒ ÁN THIẾT KẾ HỆ THỐNG CƠ ĐIỆN TỬ

GVHD: TS. Ngô Hà Quang Thịnh

Do đó:
𝑒 2 = Δ𝑥 2 + Δ𝑦 2 ≤ 0,025

Giả sử Δ𝑥 = Δ𝑦 ⇒ Δ𝑥 = Δ𝑦 ≤ 0,112𝑚𝑚

A1

A2

A3

Xét trên mặt phẳng chứa Δ𝑦 và song song với mặt phẳng cắt dọc trục động cơ, ta có:

a)

A

A1
A2

b)
Hình 3.8 Các khâu hình thành chuỗi kích thước
Chuỗi trên Hình 3.8a với khâu khép kín 𝐴Σ = 𝐴3 . Từ đó ta có được chuỗi kích thước
Hình 3.8b
Với:
 𝐴1 : là khâu thành phần giảm
 𝐴2 : là khâu thành phần tăng
 𝐴Σ : là khâu khép kín
Theo điều kiện khép kín, ta có quan hệ kích thước:
𝐴2 − 𝐴1 = 𝐴Σ
Vì Δ𝑦 ≤ 0,112 và 2 chi tiết đồ gá có thể đổi lẫn cho nhau nên dung sai khau khép kín 𝐴Σ
từ −0,056 đến +0,056. Từ đó ta cần phải xác định lại dung sai của các khâu thành phần 𝐴𝑖
Giả sử các khâu thành phần có cùng một cấp chính xác, ta có:

𝑎𝑚 =

𝐴Σ
𝑚+𝑛
∑𝑖=1 𝑖𝑖

Dựa vào bảng 9.1[27] ta tìm được 𝑖𝑖 = 1,08

Trang 18


ĐỒ ÁN THIẾT KẾ HỆ THỐNG CƠ ĐIỆN TỬ
⇒ 𝑎𝑚 =

GVHD: TS. Ngô Hà Quang Thịnh

112
≈ 51
2 × 1,08

Dựa vào bảng 4.1[27] ta chọn cấp chính xác 9 làm cấp chính xác chung cho các khâu
thành phần
Sai lệch giới hạn và dung sai khâu 𝐴2
𝐴2 = 14𝐻9 = 14+0,043
Tính khâu 𝐴1 (khâu giảm):
Khâu tăng:
𝐴2 = 14𝐻9 = 14+0,043
𝐸𝑆 = +0,043
𝐸𝐼 = 0
Khâu để tính:

𝐴1 = 𝐴𝑘
𝑇1 = 𝑇Σ − 𝑇2 = 112 − 43 = 69(𝑚𝑚)
𝑚

𝑛−1

𝑒𝑚1 = ∑ 𝐸𝑚𝑖 − ∑ 𝑒𝑚𝑗 − 𝐸𝑚Σ
𝑖=1

𝑗=1

43
=
− 0 − 0 = 21.5(𝑚𝑚)
2
𝑒𝑠1 = 𝑒𝑚1 +
𝑒𝑖1 = 𝑒𝑚1 −

𝑇1
69
= 21,5 +
= 56(𝑚𝑚)
2
2

𝑇1
69
= 21,5 −
= −13(𝑚𝑚)
2

2

Do đó
+0,043
𝐴1 = 14+0,056
(𝑚𝑚)
+0,013 (𝑚𝑚) và 𝐴2 = 14

Ta thấy miền dung sai của khâu 𝐴2 và 𝐴1 sai khác không quá lớn và 2 chi tiết gá động cơ
có thể thay thế lẫn nhau. Do đó ta chọn dung sai của 2 khâu 𝐴1 và 𝐴2 là 14+0,04
Xét trên mặt phẳng chứa Δ𝑥 và vuông góc với mặt cắt dọc trục động cơ, ta có:

Trang 19