Luận án TN thiết kế và thi công robot tự dò đường

Đồ án tốt nghiệp

GVHD: Nguyễn Ngọc Tùng

NHẬN XÉT CỦA GIÁO VIÊN HƯỚNG DẪN
……. 000 ……

Giáo viên hướng dẫn

Ngày 17 tháng 7 năm 2009

Nguyễn Ngọc Tùng
SVTH : Nguyễn Trung Danh _ Nguyễn Tuấn Hải

2


Đồ án tốt nghiệp

GVHD: Nguyễn Ngọc Tùng

NHẬN XÉT CỦA GIÁO VIÊN PHẢN BIỆN
……. 000 ……

Giáo viên phản biện

Ngày 17 tháng 7 năm 2009

Lê Đình Kha
SVTH : Nguyễn Trung Danh _ Nguyễn Tuấn Hải

3


Đồ án tốt nghiệp

GVHD: Nguyễn Ngọc Tùng

Chương dẫn nhập
I./Đặt vấn đề
-Ngành công nghệ thông tin liên lạc đã phát triển nhanh chóng cùng với các
ngành công nghệ khác, nhằm đáp ứng nhu cầu ngày càng cao của xã hội. Công nghệ
thông tin đóng vai trò cốt lõi trong việc cập nhật thông tin cho mọi người.
-Với những nhu cầu về khoa học kỹ thuật và nhu cầu của con người ngày càng
cao nên nhiều nhà khoa học đã bắt đầu nghiên cứu và chế tạo robot nhằm mục đích
phục vụ con người : tự động dò đường , tự vân hành theo yêu cầu của con người….

II./Mục đích yêu cầu của đề tài
-Nhằm phục vụ cho nhu cầu của con người trong nhiều lĩnh vực như :công
nghiệp , nông nghiệp , các công ty xí nghiệp, và nhiều nơi khác nữa …
Từ mục đích trên robot phải đảm bảo các yêu cầu:
+Sử dụng tiện lợi và chính xác , phạm vi ứng dụng cao.
+Có thể sử dụng trong các điều kiện khắc nghiệt ( nơi con người không thực
hiện được)
+Có thể thực hiện được chức năng khác nhau.

III./ Giới hạn của đề tài
-Robot nói chung thuộc phạm vi chuyên môn tự động, cho nên đòi hỏi phải có
một khoảng thời gian dài tìm hiểu. Có rất nhiều khó khăn trong lúc thực hiện đề tài.
Với thời gian có hạn nhưng lại có nhiều vấn đề cần giải quyết, hơn nữa kiến thức
người tìm hiểu đề tài có hạn, sinh viên thực hiện đề tài chỉ tập trung giải quyết vấn đề

sau:
+Tự động dò đường đi được định sẵn.
+Robot có thể đi theo hướng khác khi gặp chướng ngại vật.

IV./Chọn phương án thực hiện đề tài
-Với những yêu cầu đặt ra ở trên, em đã xem xét và đưa ra 3 phương án như
sau: Sử dụng kỹ thuật số, sử dụng kỹ thuật vi xử lí, sử dụng kỹ thuật vi điều khiển
-Với những đòi hỏi trên, ta có thể đơn giản những hoạt động bằng kỹ thuật số.
Nhưng lại tốn kém linh kiện và kích thước cồng kềnh, hơn nữa khó thay đổi phần mềm
và không có khả năng mở rộng cho các hoạt động khác. Với kỹ thuật vi xử lí, có thể
SVTH : Nguyễn Trung Danh _ Nguyễn Tuấn Hải

4


Đồ án tốt nghiệp

GVHD: Nguyễn Ngọc Tùng

khắc phục những yếu điểm của mạch số nhưng lại phức tạp trong việc thiết kế phần
cứng. Nếu sử dụng kỹ thuật vi điều khiển, có thể khắc phục những yếu điểm của kỹ
thuật số và vi xử lí vì bộ nhớ có thể được mở rộng và phần mềm linh hoạt hơn. Hơn
nữa lại rất phổ biến trên thị trường hiện nay, giá cả chấp nhận được, thiết kế phần cứng
đơn giản cộng với tốc độ xử lí cao. Có rất nhiều họ vi điều khiển, nhưng để đáp ứng
được tính chất lượng của hệ thống, chúng em quyết định chọn vi mạch vi điều khiển
89C51 của hãng Atmel và các IC chuyên dùng để thực hiện nhằm đáp ứng đầy đủ các
yêu cầu của đề tài đặt ra.

SVTH : Nguyễn Trung Danh _ Nguyễn Tuấn Hải

5


Đồ án tốt nghiệp

GVHD: Nguyễn Ngọc Tùng

Lời cảm ơn
-Trước tiên tôi xin chân thành cám ơn Thầy giáo Nguyễn Ngọc Tùng ,
cùng các thầy cô thuộc Khoa Điện Tử-Viễn Thông đã tận tình hướng dẫn chúng em
tìm hiểu và nghiên cứu khóa luận này.
-Chúng em cũng tỏ lòng biết ơn tới các Thầy, cô giáo trong Trường Cao Đằng
Kỹ Thuật Cao Thắng đã dày công đào tạo, quan tâm, giúp đỡ chúng em trong suốt quá
trình học tập và hoàn thành khóa luận này. Đồng thời chúng em cũng chân cảm ơn các
cán bộ ở Trung tâm dạy nghề Phú Nhuận đã tạo mọi điều kiện cho chúng em làm tốt
phần thực nghiệm của mình.
-Cuối cùng, chúng em muốn cám ơn tới tất cả bạn bè, gia đình và người thân đã
động viên và giúp đỡ chúng em trong quá trình học tập và hoàn thành khóa luận này.
Tp Hồ Chí Minh ,ngày 17 tháng 7 năm 2009
Sinh viên đồng thực hiện
Nguyễn Trung Danh – Nguyễn Tuấn Hải

SVTH : Nguyễn Trung Danh _ Nguyễn Tuấn Hải

6


Đồ án tốt nghiệp

GVHD: Nguyễn Ngọc Tùng

TÓM TẮT NỘI DUNG

Khóa luận này tập trung nghiên cứu các vấn đề liên quan đến xây dựng một
robot di động tránh vật cản dựa trên các sensor hồng ngoại và công tắc hành trình
.Trên cơ sở đó thực hiện nhiệm vụ chính là xây dựng một robot di động giải quyết 3
bài toán điều khiển cơ bản. Robot được xây dựng trong khóa luận này sử dụng vi điều
khiển Atmel 89C51, với một hệ sensor bao gồm: Sensor hồng ngoại và công tắc hành
trình. Robot sử dụng motor một chiều được điều khiển thông qua mạch công suất.

SVTH : Nguyễn Trung Danh _ Nguyễn Tuấn Hải

7


Đồ án tốt nghiệp

GVHD: Nguyễn Ngọc Tùng

Mục lục
Giới thiệu ………………………………………………………………11
Chương I: Sơ lược về lịch sử ra đời và phát triển của robot……….
1.1. Lịch sử ra đời và phát triển…………………………………13
1.2. Các thế hệ robot…………………………………………….15
1.3. Xu hướng phát triển của robot hiện đại ……………………16
Chương II: Hệ sensor trong robot……………………………………..17
2.1. Phân loại sensor…………………………………………….17
2.1.1. Sensor nội ………………………………………………..17
2.1.2. Sensor ngoại ……………………………………………..17
2.1.3. Sensor khoá ………………………………………………17

2.2. Một số loại sensor thường gặp……………………………...17
2.2.1. Sensor xác định khoảng cách …………………………….18
2.2.1.1. Phương pháp xác định khoảng cách bằng lượng giác….18
2.2.1.2. Phương pháp xác định khoảng cách bằng đo khoảng cách thời gian truyền
sóng………………………………………………18
2.2.2. Sensor phát hiện vật thể gần…………………………….19
2.2.2.1. Sensor siêu âm………………………………………...19
Chương III: Cơ cấu chuyển động trong robot di động………………21
3.1. Phân loại motor điện………………………………………21
3.1.1. Motor một chiều………………………………………...21
3.1.2. Motor bước……………………………………………...21
3.2. Các đặc tính của motor……………………………………22
3.2.1. Điện áp sử dụng và dòng tiêu thụ của motor…………...22
3.2.2. Tốc độ cực đại của motor……………………....………22

SVTH : Nguyễn Trung Danh _ Nguyễn Tuấn Hải

8


Đồ án tốt nghiệp

GVHD: Nguyễn Ngọc Tùng

3.2.3. Lực xoắn củamotor……………………………………22
3.3. Điều khiển chuyển động của motor …………………….23
3.3.1. Điều khiển motor DC………………………………….23
3.3.2. Điều khiển motor bước…………………………………23
Chương IV: Khảo sát một số loại sensor sử dụng trong robot di
động………………………………………………………………….. 25

4.1. Sensor hồng ngoại………………………………………..25
4.1.1. Sensor hồng ngoại sử dụng phát hiện màu đen trắng…..25
4.1.2. Nghiên cứu các sensor hồng ngoại có mặt trên thị trường
tích hợp cả bộ thu và phát trên cùng một vỏ…………………………...26
4.2. Sensor siêu âm……………………………………………27
4.2.1. Sensor siêu âm MUST01d……………………………...27
4.2.2. Sensor siêu âm Devantech SRF04……...………………28
Chương V: Cảm biến dò đường sử dụng trong ROBOT…………31
6.1. Cảm biến dò đường……………………...31
6.2. Một số cách bố trí cảm biến…………………31
Chương VI: Họ vi điều khiển 8051 …………………………….34
6.1. Chíp vi điều Atmel 89C51……………………...34
6.2 Hoạt động truyền nhận dữ liệu nối tiếp………….45
6.3 Hoạt động ngắt …………………………………..48
6.4. Giới thiệu về ngôn ngữ Assembly…………………54
6.5 Một số câu lệnh chính trong Assembly ………………54
Chương VII: Các IC có trong mạch …………………………….61
7.2 IC 2003…………………………………………………………..61
7.3 Opto 4N35……………………………………………………….62
7.4 IC ổn áp 7805……………………………………………………63
SVTH : Nguyễn Trung Danh _ Nguyễn Tuấn Hải

9


Đồ án tốt nghiệp

GVHD: Nguyễn Ngọc Tùng

7.5 IC LM 342…………………………………………………………65

7.6 Transitor công suất D718………………………………………….66
Chương VIII: Sơ đồ và nguyên tắc hoạt động của các mạch……....68
8.1 Mạch nguồn cung cấp cho vi điều khiển………………………..69
8.2 Sơ đồ mạch điều khiển công suất động cơ………………………70
8.3 Tính chọn linh kiện cho mạch điều khiển động cơ………………71
8.4 Bảng điều kiện hoạt động của động cơ………………………….72
8.5 Modul điều khiển ROBO đi đúng vạch…………………………..73
8.6 Bảng trạng thái di chuyển của ROBOT…………………………..74
8.7 Cách bố trí cảm biến dò đường……………………………………75
8.8 Lưu đồ giải thuật…………………………………………………...77
Chương IX: Phụ lục……......................................................................87
9.1 Chương trình vi xử ly điều khiển robot……………………………88
9.2 Tài liệu tham khảo…………………………………………………94
9.3 Một số hình ảnh về ROBOT………………………………………94

SVTH : Nguyễn Trung Danh _ Nguyễn Tuấn Hải

10


Đồ án tốt nghiệp

GVHD: Nguyễn Ngọc Tùng

Giới thiệu
Ngành khoa học công nghệ mới, tạo ra các sản phẩm robot và nghiên cứuứng
dụng chính hình thành trong những thập kỷ gần đây được gọi là Robotics. Trong
Robotics có hầu hết các vấn để của “cơ-điện tử”. Thuật ngữ“cơ -điện tử
“( mechatronics) thể hiện sự kết hợp giữa cơ học máy và điều khiển điện tử. Đồng
thời sự phát triển của mechatronics cũng được phản ánhtrong khoa học công nghệ

robot.
Một trong những tiêu chí đặc trưng cho robot là khả năng “lập trình
được “(programable). Muốn có khả năng đó robot phải dùng đến máy tính hoặc
các thiết bị khác có chức năng tương tự. Máy tính có vai trò như bộ não của
robot.
Ngày nay sự cải thiện của tốc độ máy tính đã tạo ra những bước trưởng
thành đáng kể cho robot trong từng giai đoạn phát triển và đang mở ra những
triển vọng trở thành những robot thông minh nhờ khả năng xử lý rất nhanh của
bộ điều khiển dùng máy tính.Tuy nhiên khả năng hiện thực của robot này
không chỉ phụ thuộc vào bộ điều khiển mà còn ở khả năng nhận biết của các
“cơ cấu cảm nhận” và khả năng phản ứng kịp thời của cơ cấu “chân tay” chấp
hành.
Robot ngày càng đóng vai trò quan trọng trong công nghiệp và cuộc
sống hàng ngày. Chúng sẽ thực hiện những công việc rất nhàm chán hoặc nguy
hiểm, những công việc mà tốc độ và độ chính xác vượt quá khả năng của con
người.

SVTH : Nguyễn Trung Danh _ Nguyễn Tuấn Hải

11


Đồ án tốt nghiệp

GVHD: Nguyễn Ngọc Tùng

PHẦN I
TỔNG QUAN MỘT SỐ VẤN ĐỂ
LIÊN QUAN ĐẾN
XÂY DỰNGMỘT ROBOT DI ĐỘNG

TỰ ĐỘNG TRÁNH VẬT

SVTH : Nguyễn Trung Danh _ Nguyễn Tuấn Hải

12


Đồ án tốt nghiệp

GVHD: Nguyễn Ngọc Tùng

CHƯƠNG I
SƠ LƯỢC VỀ LỊCH SỬ RA ĐỜI VÀ XU HƯỚNG
PHÁT TRIỂN CỦA ROBOT

Robot là loại máy có thể lập trình điều khiển tự động bằng máy tính
(máy tính ở đây có thể được hiểu là một bộ vi điều khiển hoặc một máy tính
PC) để thực hiện các di chuyển, cầm nắm các vật, hoàn thành các công việc
dưới tác động của môi trường. Thường robot được sử dụng để thực hiện các
công việc lặp đi lặp lại, các công việc dễ gây nhàm chán, nó cho các kết quả
chính xác, nhanh hơn, rẻ hơn nếu được thực hiện bởi con người.
1.1 Lịch sử ra đời và phát triển
Thuật ngữ Robot lần đầu tiên xuất hiện năm 1921 ở Tiệp Khắc trong tác
phẩm R.U.R (Rossum’s Universal Robot) của nhà soạn kịch Karel Capek mang
ý nghĩa người làm tạp dịch. Kể từ đó thuật ngữ này được sử dụng rộng rãi.
Khái niệm máy tự động xuất hiện từ lâu với những viễn tưởng về người
máy trong cuộc sống. Ngay sau chiến tranh thế giới lần thứ hai, nhiều công
trình được bắt đầu tại các phòng thí nghiệm OakRidge và Argome để phát triển
các máy cơ khí được điều khiển từ xa nhằm phục vụ trong các phòng thí
nghiệm về vật liệu phóng xạ. Các cánh tay này được thiết kết mô phỏng một

cách chính xác sự chuyển động của bàn tay và cánh tay con người.
Trong giữa những năm 1950, bên cạnh các cánh tay cơ khí đó đã xuất
hiện các cánh tay thuỷ lực và điện từ. Cũng trong những năm này, George
C.Devol đã thiết kế một thiết bị có tên là thiết bị vận chuyền có khớp nối được
SVTH : Nguyễn Trung Danh _ Nguyễn Tuấn Hải

13


Đồ án tốt nghiệp

GVHD: Nguyễn Ngọc Tùng

lập trình (programmed artculated transfer device). Đây là một cánh tay máy mà
hoạt động của nó có thể được lập trình thực hiện một chuỗi các bước chuyển
động được xác định trong các câu lệnh trong chương trình. Phát triển xa hơn ý
tưởng trên, Devol và Joseph F.Engelberger đã dẫn đường cho các robot công
nghiệp đầu tiên được giới thiệu năm 1959 ở công ty Unimation. Thiết bị này sử
dụng máy tính liên kết với tay máy nhằm dạy cho nó thực hiện các công việc
khác nhau một cách tự động .
Khi robot được lập trình đã tạo một sự kỳ lạ và tạo ra sức mạnh trong
sản xuất, vào năm 1960 như một sự tất yếu, sự linh hoạt của hệ thống robot
được nâng cao đáng kể thông qua hệ thống phản hồi từ các sensor. Tiếp đó H.A.Ernst
đã công bố sự ra đời và phát triển của bàn tay cơ khí được điều khiển bằng máy tính sử
dụng các sensor xúc giác. Đây là sự xuất hiện đầu tiên về robot có khả năng thích ứng
với môi trường.
Vào cuối những năm 1960, Mc Carthy cùng bạn đồng nghiệp đã công bố
sự phát triển của máy tính cùng với camera vô tuyến và microphone. Năm 1968
Pieper đã nghiên cứu những vấn đề động học trong điều khiền robot bằng máy
tính, trong khi đó năm 1971 Kanh và Roth đã phân tích về động lực học và giới

hạn điều khiển tay máy.
Trong suốt những năm 1970, một số lượng lớn các công trình nghiên
cứu đã tập trung vào việc sử dụng các sensor ngoại để tăng sự tiện lợi và linh
hoạt cho robot. Vào thời gian này công ty máy tính IBM đã chế tạo ra loại
robot có các sensor xúc giác và sensor lực để lắp ráp các máy in gồm 20 cụm
chi tiết .
Một lĩnh vực được nhiều phòng thí nghiệm quan tâm là robot tự hành,
robot di động. Nhiều công trình nghiên cứu đã thiết kế, xây dựng tạo ra các
robot tự hành bắt chước chân người hoặc súc vật.
Trong những thập kỷ 80 - 90 do sự phát triển mạnh mẽ của khoa học kỹ
thuật, đặc biệt trong lĩnh vực kỹ thuật vi xử lý và công nghệ thông tin, số lượng
robot đã gia tăng, giá thành giảm đi rõ rệt, tính năng có nhiều bước tiến vượt
bậc.
Ngày nay, chuyên ngành khoa học robot (robotics) đã trở thành một lĩnh
vực rộng trong khoa học, bao gồm việc giải quyết các vấn đề về cấu trúc cơ cấu
động học, động lực học, lập trình quỹ đạo, cảm biến tín hiệu, điều khiển chuyển
động.v.v.
SVTH : Nguyễn Trung Danh _ Nguyễn Tuấn Hải

14


Đồ án tốt nghiệp

GVHD: Nguyễn Ngọc Tùng

1.2 Các thế hệ robot.
Kể từ khi khái niệm robot ra đời, việc thiết kế và chế tạo robot đã trải
qua nhiều giai đoạn với nhiều thế hệ khác nhau. Có 5 thế hệ robot ra đời kể từ
năm 1960 .

Thế hệ thứ nhất: Bao gồm các loại robot hoạt động lặp lại theo một chu
trình không thay đổi. Chương trình điều khiển có hai dạng:
Chương trình “cứng”, nghĩa là không thay đổi hoặc không sửa được
trừ khi thay đổi phần cứng.
Chương trình có thể thay đổi được thông qua các panel điều khiển hoặc thông
qua máy tính.
Các robot thế hệ này sử dụng cơ cấu điều khiển servo vòng hở (open-loop
nonservo controlled system ). Đây là hệ thống không sử dụng thông tin phản hồi từ môi
trường về để điều khiển robot.
Thế hệ thứ hai: Robot được trang bị các sensor cho phép robot giao tiếp
với môi trường bên ngoài. Các thiết bị này thực chất là các bộ biến đổi năng
lượng. Nó chuyển các đại lượng không điện thành đại lượng điện mà qua đó bộ
điều khiển robot có thể biết được trạng thái của môi trường xung quanh nó.
Nhờ các sensor này robot có thể chọn các phương án khác nhau một cách linh
hoạt nhằm thích nghi với môi trường bên ngoài. Dạng robot với trình độ điều
khiển này còn được gọi là robot điều khiển thích nghi cấp thấp. Đây gọi là cơ
cấu điều khiển servo vòng kín (closed-loop servo controller system).
Thế hệ thứ ba: các bộ điều khiển logic khả trình PLC (Programmable Logic
Controller) được sử dụng trong robot với nhiều chức năng chuyên biệt .
Thế hệ thứ tư: Khác với PLC bị giới hạn trong chương trình của chúng,
thế hệ robot này sử dụng các máy tính được trang bị các ngôn ngữ lập trình đặc
biệt hoặc ngôn ngữ chuẩn như Basic, C, C++...., để tạo ra nhiều ứng dụng
CAD/CAM và CIM hoặc chương trình không trực tuyến.
Thế hệ thứ năm: Các bộ điều khiển của robot sử dụng trí tuệ nhân tạo
(artificial intelligence). Robot được trang bị các kỹ thuật như nhận dạng tiếng
nói, hình ảnh, xác định khoảng cách, cảm nhận đối tượng tiếp xúc (da nhân tạo)
để xử lý, ra những quyết định hợp lý. Ngoài ra robot được trang bị mạng
SVTH : Nguyễn Trung Danh _ Nguyễn Tuấn Hải

15

Đồ án tốt nghiệp

GVHD: Nguyễn Ngọc Tùng

Neuron giúp nó có khả năng tự học, tự xây dựng kiến thức .
1.3 Những xu hướng phát triển của robot hiện đại
Các robot hiện đại sẽ có xu hướng tăng trong tương lai giúp con người
có thể tạo ra các sản phẩm mới, bảo vệ cơ sở hạ tầng của thế giới, chăm sóc nhà
cửa, mua bán.
Một xu hướng quan trọng trong nghiên cứu và phát triển robot là phát
triển các hệ thống máy vi cơ điện tử (MEMS) có kích thước nhỏ từ vài cm tới
mm thậm chí nhỏ hơn µ m. Các robot rất nhỏ này có thể di chuyển vào trong
mạch máu để phân phối thuốc hoặc làm vệ sinh mạch máu; chúng có thể di
chuyển trong một máy tính lớn để chuẩn đoán các vấn đề xảy ra với máy tính.
Một xu hướng phát triển hiện nay là việc nghiên cứu phát triển trí tuệ
nhân tạo, mạng neuron vào trong robot nhằm tạo ra các robot thông minh, có
khả năng thích nghi với môi trường xung quanh như con người.

SVTH : Nguyễn Trung Danh _ Nguyễn Tuấn Hải

16


Đồ án tốt nghiệp

GVHD: Nguyễn Ngọc Tùng

CHƯƠNG II

HỆ THỐNG SENSOR TRONG ROBOT
Khi được trang bị một hệ thống sensor robot sẽ có khả năng thích ứng
với sự thay đổi của môt trường xung quanh.Đây cũng là một chỉ tiêu quan
trọng để đánh giá một robot có thông minh hay không. Các sensor đều là bộ
biến đổi năng lượng, nó biến năng lượng từ dạng này sang dạng khác, thường
là biến đổi tín hiệu từ các đại lượng không điện thành các đại lượng điện. Tín
hiệu này được phản hồi về bộ điều khiển, thông qua nó bộ điều khiển có các
quyết định cho phù hợp.
2.1. Phân loại sensor
Các sensor sử dụng trong robot được chia thành 3 loại: Sensor nội (internal
sensor), sensor ngoại (external sensor), sensor khoá (interlock sensor).
2.1.1. Sensor nội
Được đặt trong bản thân robot, nó sử dụng các thiết bị về cơ khí, điện,
điện tử hoặc thuỷ lực để nhận các thông tin phản hồi về vị trí của các bộ phận
trên robot. Sensor nội có thể đơn giản là các công tắc giới hạn nhưng cũng có
thể phức tạp như đĩa lập mã quang dùng để điều khiển motor.
2.1.1 Sensor ngoại
Sensor ngoại là loại sensor giúp robot giao tiếp với môi trường bên
ngoài như sensor thị giác giúp robot quan sát, sensor xác định khoảng cách
giúp robot ước lượng được khoảng cách tới đối tượng, sensor xúc giác giúp
robot có cảm giác khi cầm nắm các vật. Các sensor này sẽ phản ánh các thông
tin môi trường xung quanh tới robot.
2.1.3 Sensor khoá
Đây là loại sensor được dùng trong các tình huống khẩn cấp để bảo vệ
robot .
Sau đây xin được đề cập đến một số loại sensor thường được sử dụng .
2.2. Một số sensor thường gặp
Trong thực tế nghiên cứu robot, có rất nhiều loại sensor được sử dụng
cho các mục đích khác nhau. Sau đây, xin giới thiệu một số sensor thường được
SVTH : Nguyễn Trung Danh _ Nguyễn Tuấn Hải

17


Đồ án tốt nghiệp

GVHD: Nguyễn Ngọc Tùng

sử dụng trong kĩ thuật robot.
2.2.1 Sensor xác định khoảng cách (Range sensor)
Đây là loại sensor được sử dụng giúp robot có thể ước lượng khoảng
cách từ vị trí đặt sensor (nằm trên robot ) tới đối tượng. Có nhiều cách xác định
khoảng cách tới đối tượng. Sau đây trình bày hai cách xác định thông dụng nhất đó là:
2.2.1.1 Phương pháp xác định khoảng cách bằng lượng giác
Phương pháp này sử dụng một nguồn phát sáng phát ra một chùm tia hẹp tới
đập vào bề mặt vật thể. Do phản xạ, tia sáng chuyển hướng tới bộ thu được đặt cách bộ
phát một khoảng B, góc phát tia sáng so với phương ngang là α
2.2.1.2. Phương pháp xác định khoảng cách bằng đo khoảng thời gian
truyền sóng
Trong phương pháp này sử dụng nguồn phát lazer xung để phát ra xung
sáng, sau đó thu lại ánh sáng phản xạ của nó với điều kiện chùm sang i và chùm sáng
về phải đồng trục. Khi đó khoảng cách từ sensor tới đối tượng sẽ được tính như sau:
D = C . T/2
Trong đó:

D là khoảng cách từ sensor tới đối tượng .
C là vận tốc truyền ánh sang
T là thời gian kể từ khi phát xung sáng cho tới khi

nhận được xung sáng.

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

18


Đồ án tốt nghiệp

GVHD: Nguyễn Ngọc Tùng

Nếu đối tượng ở gần (D = 0) khi đó pha của hai tia sáng như nhau. Khi
D tăng thì độ lệch pha tăng dần độ dịch pha giữa hai tia trong trường hợp này
sẽ là:
D’= L + θ .λ /3600
do đó D = θ .λ / (2. 3600 ).
Cũng cần lưu ý: khi θ = 360 bộ đo pha sẽ không phân biệt được D’ = L+ n
0

(với n là số nguyên ) hay D’ = L. Như vậy cách này chỉ đo với các giá trị lệch pha θ <

360 hay với khoảng cách 2D <λ .
0

Bên cạnh việc sử dụng đo khoảng cách bằng nguồn phát lazer, trên thực
tế người ta còn sử dụng nguồn thu phát siêu âm. Chùm xung siêu âm phát ra
đập tới bề mặt phản xạ của đối tượng, xung phản xạ được thu ở đầu thu siêu âm
có thời gian kéo dài xung tỉ lệ với khoảng cách từ sensor tới vật. Nếu đo được
khoảng thời gian kéo dài xung phản xạ ta hoàn toàn có thể đo được khoảng
cách tới vật.
2.2.2 Sensor phát hiện vật thể gần (Proximity sensor)
Đây là loại sensor được sử dụng để xác định xem có hay không có vật
thể nằm trong vùng hoạt động của sensor. Các loại sensor phát hiện vật thể gần
thường cho lối ra tín hiệu số.
2.2.2.1 Sensor siêu âm
Loại sensor này phát ra xung siêu âm. Nếu tồn tại vật thể trong vùng làm
việc của sensor sẽ xuất hiện sóng phản xạ về đầu thu. Cấu trúc một sensor siêu
âm thường gồm những phần được miêu tả trong hình 2.3. Phần tử cơ bản của
sensor này là bộ biến âm thường là gốm áp điện được bảo vệ bằng một chất
nhựa tổng hợp nhằm chống lại sự ẩm ướt, bụi bẩn và các nhân tố khác của môi
trường. Bộ thu âm thanh sẽ hứng âm đưa tới bộ biến đổi âm thanh thành tín
hiệu điện. Tất cả các thành phần này được để trong một vỏ. Một dạng sóng điển
hình được trình bày trong hình 2.4 mô tả hoạt động của sensor siêu âm. Dạng
sóng A là tín hiệu điều khiển tín hiệu truyền. Dạng sóng B là tín hiệu lối ra khi
có cả tín hiệu tiếng vọng (echo) trong đó B1 là tín hiệu phát ra còn B2 là tín
hiệu phản xạ lại. Các xung C tách biệt tín hiệu truyền và tín hiệu nhận. Để phân
biệt sự khác nhau giữa các xung tương ứng với tín hiệu mang và tín hiệu phản
SVTH : Nguyễn Trung Danh _ Nguyễn Tuấn Hải

19

Đồ án tốt nghiệp

GVHD: Nguyễn Ngọc Tùng

xạ lại ta xem xét tín hiệu D. Trong đó t1 là khoảng thời gian phát hiện nhỏ
nhất và ∆ t + ∆ t là khoảng thời gian phát hiện lớn nhất. Các khoảng thời
gian này tương ứng với khoảng thời gian truyền sóng trong môi trường khi
nhận được tín hiệu phản xạ lại (lúc đó tín hiệu D có giá trị lớn nhất) sẽ hình
1

2

thành tín hiệu E, nó sẽ bằng 0 khi kết thúc xung tín hiệu A. Cuối cùng tín hiệu
F được hình thành khi xuất hiện xung tín hiệu E và sẽ là tín hiệu ra của sensor
siêu âm hoạt động theo chế độ nhị phân .

SVTH : Nguyễn Trung Danh _ Nguyễn Tuấn Hải

20


Đồ án tốt nghiệp

GVHD: Nguyễn Ngọc Tùng

CHƯƠNG III
CƠ CẤU CHUYỂN ĐỘNG TRONG ROBOT DI ĐỘNG
Khác với cánh tay máy tại các robot tĩnh, robot di động có cơ cấu chuyển động
nhằm đưa bệ máy của toàn hệ thống robot tới một vị trí mong muốn trong không gian

hoạt động. Cơ cấu này có thể là các máy thuỷ lực, khí nén, motor điện nhưng trong đề
tài này chỉ sử dụng loại motor điện. Vì vậy chương này cũng chỉ trình bày tóm tắt các
tìm hiểu về motor điện và hệ thống liên quan đến điều khiển motor.
3.1.Phân loại motor điện
Motor điện thường là loại máy chuyển đổi năng lượng điện thành năng
lượng cơ, thường là chuyển động tròn. Motor được cấu trúc từ hai phần chính:
Rotor và Stator. Rotor là phần chuyển động nằm ở lõi motor bao gồm cuộn dây
được cuốn quanh một lõi thép. Lõi này được gắn vào trục của motor. Stator là
phần không chuyển động, nó được cấu tạo từ nam châm vĩnh cửu. Khi có dòng
điện đi qua motor sẽ sinh ra một từ trường chống lại từ trường của nam châm
vĩnh cửu làm cho motor quay.
Có hai loại motor thường được sử dụng trong các robot di động là:
- Motor một chiều (DC motor)
- Motor bước (Step motor)
3.1.1. Motor một chiều
Motor một chiều được cấu tạo từ một cuộn dây và hệ thống nam châm
vĩnh cửu. Loại motor này có thể dùng trực tiếp nguồn một chiều hoặc có thể
điều khiển thông qua độ rộng xung. Tốc độ motor sẽ được quy định bởi điện áp
một chiều hay độ rộng xung đặt vào. Một nhược điểm khi sử dụng motor một
chiều là kém về độ chính xác trong chuyển động. Điều này được khắc phục khi
sử dụng motor bước.
3.1.2. Motor bước
Khác với motor một chiều, motor bước được cấu tạo từ nhiều cuộn dây.
Mỗi cặp cuộn dây tương ứng với một pha trong chuyển động. Việc điều khiển
motor bước được thực hiện qua các xung có độ lệch pha so với nhau lần lượt đi
qua các cặp cuộn dây. Chính nhờ việc cho các tín hiệu lần lượt chạy qua các
SVTH : Nguyễn Trung Danh _ Nguyễn Tuấn Hải

21

Đồ án tốt nghiệp

GVHD: Nguyễn Ngọc Tùng

cặp cuộn dây đã tạo ra các bước trong chuyển động. Tuỳ thuộc mỗi loại motor
bước mà tương ứng với nó là các góc của bước. Góc của bước càng nhỏ thì độ
chính xác của motor càng lớn. Đây là điều khác hẳn với motor một chiều. Việc
điều khiển bước của motor sẽ giúp thực hiện các chuyển động một cách chính
xác tới các vị trí yêu cầu.
3.2. Các đặc tính của motor điện
Một motor khi sử dụng cần quan tâm đến các thông số sau:
- Điện áp sử dụng, dòng điện tiêu thụ.
- Tốc độ tối đa có thể đạt được.
- Lực xoắn của motor.
Sau đây sẽ đề cập đến từng phần .
3.2.1 Điện áp sử dụng và dòng tiêu thụ của motor
Trên vỏ mỗi motor thường ghi các thông số về giới hạn điện áp sử dụng
và dòng điện tiêu thụ cực đại khi motor hoạt động. Thông số này rất quan trọng
đối với người sử dụng. Nó quyết định việc thiết kế các mạch công suất để điều
khiển motor. Việc thiết kế này hoàn toàn khác nhau khi sử dụng các motor có
dòng tiêu thụ cực đại khác nhau.
3.2.2 Tốc độ cực đại của motor
Tốc độ cực đại của motor được quan tâm khi có tải và không tải. Việc
đo tốc độ cực đại có thể thực hiện bằng cách đếm xung thu được từ một sensor.
Tốc độ cực đại khi cấp điện áp cho phép cực đại vào motor hoặc khi độ rộng
xung cấp tới motor là cực đại. Tốc độ này là một hàm phụ thuộc vào tải của
motor. Nó quyết định tới độ linh động của robot di động và là một thông số
quan trọng cần tính đến khi lập trình điều khiển motor vì liên quan đến quán
tính trong quá trình hãm hoặc dừng motor.

3.2.3 Lực xoắn của motor
Lực xoắn của motor là thông số dùng để đánh giá khả năng chịu tải của
motor. Motor có lực xoắn càng lớn thì càng khoẻ. Lực xoắn được đo bằng tỉ số
giữa trọng lượng lực đặt lên motor mà motor vẫn kéo được vật làm cho dây
treo vật vuông góc với bán kính đi qua tâm motor chia cho bán kính khoảng
cách từ tâm trục motor tới dây treo như hình 3.1. Lực xoắn sẽ giảm khi tăng tốc
SVTH : Nguyễn Trung Danh _ Nguyễn Tuấn Hải

22


Đồ án tốt nghiệp

GVHD: Nguyễn Ngọc Tùng

độ của motor. Điều này chứng tỏ khi motor chạy với tốc độ cao thi tải dùng cho
motor se bị giảm xuống. Để tăng lực xoắn cho motor người ta thường dùng cho
motor qua các cơ chế giảm tốc. Đây thực chất chỉ là các cơ cấu bánh răng. Tỉ
số độ giảm tốc càng lớn thi lực xoắn motor sẽ càng lớn tuy nhiên tốc độ motor
sẽ bị hạn chế.
3.3 Điều khiển chuyển động của motor
Việc thiết kế mạch điều khiển motor phải căn cứ vào công suất tiêu thụ
của motor và loại motor để có thiết kế hợp lý. Trong báo cáo này trình bày 2
loại mạch điều khiển motor áp dụng cho 2 loại motor thường gặp đó là motor
DC và motor bước.
3.3.1 Điều khiển motor DC
Thông thường, có thể điều khiển tốc độ của motor một chiều bằng thay
đổi mức điện áp đặt vào motor. Nhưng việc này gặp phải khó khăn khi mức
điện áp trở nên quá thấp làm việc điều chỉnh tốc độ thấp không chính xác. Còn
một cách khác là sử dụng các xung điện có biên độ bằng mức điện áp cực đại

nhưng có độ rộng xung khác nhau để điều khiển tốc độ motor. Độ rộng xung
càng lớn, năng lượng trung bình cấp cho motor càng lớn và tốc độ quay của
motor ứng với một tải nhất định càng cao. Việc này được thực hiện bằng các
chuyển mạch điện tử công suất lắp trên các tranzitor có sẵn hiện nay là khá
thuận lợi.
3.3.2 Điều khiển motor bước
Khác với motor DC chỉ có hai đường điều khiển, motor bước có nhiều
pha khác nhau. Ứng với số pha sẽ tương ứng với số đường tín hiệu điều khiển.
Sơ đồ hình 3.2 là thí dụ trình bày mạch điều khiển motor bước 4 pha. Mạch cầu
tới 4 đường điều khiển. Với yêu cầu dòng điều khiển có giá trị cực đại phải lớn,
trong sơ đồ này, mỗi đường tín hiệu điều khiển từ vi xử lý được khuyếch đại
qua một tầng Darlingtơn để tăng dòng cho tín hiệu điều khiển.

SVTH : Nguyễn Trung Danh _ Nguyễn Tuấn Hải

23


Đồ án tốt nghiệp

GVHD: Nguyễn Ngọc Tùng

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

SVTH : Nguyễn Trung Danh _ Nguyễn Tuấn Hải

24

Đồ án tốt nghiệp

GVHD: Nguyễn Ngọc Tùng

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

Hình 4.1 Sơ đồ mạch thu phát hồng ngoại phát hiện đen /trắng
Trong sơ đồ này sử dụng một diode phát hồng ngoại phát ra ánh sáng
gần vùng hồng ngoại. Diode này được mắc nối tiếp với một điện trở nhằm hạn
SVTH : Nguyễn Trung Danh _ Nguyễn Tuấn Hải

25

Đồ án tốt nghiệp

GVHD: Nguyễn Ngọc Tùng

chế dòng. Đầu thu sử dụng ở đây là một phototransistor với điện áp cực base
thay đổi theo lượng ánh sáng hồng ngoại thu nhận được. Tín hiệu từ collector
của phototransistor được đưa tới đầu đảo của bộ so sánh với đầu vào cộng đặt
ngưỡng. Lối ra của bộ so sánh dùng vi mạch khuyếch đại thuật toán LM324 sẽ

có hai mức hoặc cao, hoặc thấp tuỳ thuộc vào điện áp đầu vàođảo so với
ngưỡng. Đèn LED được mắc ở đầu ra bộ so sánh sẽ chỉ thị như sau. Khi gặp
vạch trắng cực base của phototransistor thu được nhiều ánh sáng phản xạ nhất
làm cho tín hiệu ở collector thấp, khi đó lối vào đảo này sẽ có mức điện áp nhỏ
hơn ngưỡng làm cho lối ra có mức cao làm LED chỉ thị tối. Ngược lại khi gặp
vạch đen, phototransistor nhận yếu làm co lối vào đảo có mức điện áp cao hơn
lối vào đặt ngưỡng dẫn tới lối ra có giá trị cao làm đèn LED chỉ thị sáng. Mạch
thiết kế như hình trên sử dụng thu phát hồng ngoại một chiều. Trong thực tế
gặp phải vấn đề khó khăn là nhiễu của các nguồn ánh sáng có tiềm ẩn nguồn
hồng ngoại tác động. Cự li sử dụng để phát hiện vạch đen trắng khoảng 3 cm.
Loại mạch này chỉ nên sử dụng trong các điều kiện môi trường lý tưởng không
can nhiễu.
4.1.2. Nghiên cứu các sensor hồng ngoại có mặt trên thị trường đã được
tích hợp cả bộ thu và phát trong một vỏ.
Hiện nay, trên thị trường có bán các sensor hồng ngoại đã được tích hợp
sẵn các đầu thu phát trên cùng một vỏ. Loại sensor này thường chỉ có 3 dây nối
trong đó hai dây nguồn nuôi và một dây tín hiệu. Tín hiệu lối ra thường có mức
logic 0 hoặc 1. Sau đây xin giới thiệu một photo sensor mang kí hiệu E3SDS30E4 của hãng OMRON.

Hình 4.2 Photo sensor E3S-DS30E4
SVTH : Nguyễn Trung Danh _ Nguyễn Tuấn Hải

26