ĐIỀU KHIỂN XE ROBOT

BÁO CÁO ĐỒ ÁN MÔN HỌC 2

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA TP.HCM
KHOA ĐIỆN – ĐIỆN TỬ
******

BÁO CÁO ĐỒ ÁN MÔN HỌC 2
NGÀNH TỰ ĐỘNG HÓA

Lớp: DD10TD02
Đề tài: ĐIỀU KHIỂN XE ROBOT

Giáo viên hướng dẫn: Lương Văn Lăng
Sinh viên:

Thái Xuân Thiện

41003180
Hồ Chí Minh 6/2014
1


BÁO CÁO ĐỒ ÁN MÔN HỌC 2

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

……………………………………………………………………………………………………………………………
……………………………………………………………………………………………………………………………
……………………………………………………………………………………………………………………………
……………………………………………………………………………………………………………………………
……………………………………………………………………………………………………………………………
……………………………………………………………………………………………………………………………
……………………………………………………………………………………………………………………………
……………………………………………………………………………………………………………………………
……………………………………………………………………………………………………………………………
……………………………………………………………………………………………………………………………
……………………………………………………………………………………………………………………………
……………………………………………………………………………………………………………………………
……………………………………………………………………………………………………………………………
……………………………………………………………………………………………………………………………
……………………………………………………………………………………………………………………………
……………………………………………………………………………………………………………………………
……………………………………………………………………………………………………………………………
Tp Hồ Chí Minh ,ngày …….. tháng ……….. năm 2014

Giáo viên hướng dẫn

Tiến sĩ. Lương Văn Lăng

2


BÁO CÁO ĐỒ ÁN MÔN HỌC 2

LỜI CẢM ƠN
Em xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc đến Tiến sĩ Lương Văn Lăng, dù rất bận rộn nhưng

thầy luôn quan tâm và tận tình hướng dẫn cho chúng em trong suốt quá trình thực
hiện đồ án này, thầy đã gợi mở cho em đến với đề tài này.
Em cũng xin chân thành cảm ơn các quý thầy cô trong khoa Điện-Điện tử đã tận tình
giảng dạy, trang bị cho em những kiến thức quý báu trong suốt quá trình học tập và
thực hiện đề tài này.

Tp Hồ Chí Minh ,ngày 1 tháng 6 năm 2014

3


BÁO CÁO ĐỒ ÁN MÔN HỌC 2

MỤC LỤC

Lời cảm ơn .......................................................................................................................... 3
Mục lục ................................................................................................................................................... 4
Phần I: MỞ ĐẦU ................................................................................................................................ 6
I.1 Giới thiệu đề tài ............................................................................................................................ 6
I.2 Mục đích chọn đề tài .................................................................................................................... 6
I.3 Sơ lược các bước thực hiện ...................................................................................................... 6
Phần II: GIỚI THIỆU VI XỬ LÍ VÀ THÀNH PHẦN CỦA MẠCH…………………………7
II.1 Sơ lược về STM32F4xx………………………………………………………………………………7
II.1.1 Đặc trưng của STM32F4xx……………………………………………………………8
II.1.2 Memory map……………………………………………………………………………….10
II.1.3 Pinouts……………………………………………………………………………………….12
II.1.4 Power control……………………………………………………………………………. 13
II.1.5 Reset and clock control……………………………………………………………… 14
II.1.6 General purpose IOs (GPIO)……………………………………………………….. 15
II.2 Những modul của STM32F4xx được sử dụng trong bài toán ……………………. 16

II.2.1 TIM2, TIM3, TIM4, TIM5……………………………………………………………… 16
II.2.2 ADC……………………………………………………………………………………………. 17
II.3 Những modul điều khiển…………………………………………………………………………. 18
II.3.1 Mạch cầu H dùng L298………………………………………………………………... 18
II.3.2 Mạch ổn áp 5V và 3,3V………………………………………………………………… 21
II.3.3 Mạch chốt tín hiệu để giao tiếp với vi điều khiển STM32F4xx………… 22
II.3.4 Mạch xác định line dùng photodiode…………………………………………….. 24
4


BÁO CÁO ĐỒ ÁN MÔN HỌC 2

II.3.5 Module cảm biến siêu âm đo khoảng cách HC-SR04:……………………… 25
II.3.5 Tích hợp các module trên lên chung một mạch để có thể gắn trực
tiếp kit STM32F4:………………………………………………………………………… 27
Phần III: GIẢI THUẬT VÀ CHƯƠNG TRÌNH ĐIỀU KHIỂN……………………………… 28
III.1 Giải thuật………………………………………………………………………………………………… 28
III.1.1 Giải thuật tính góc và hướng rẽ…………………………………………………… 28
III.1.2 Giải thuật PID điều khiển tốc độ 2 động cơ xe……………………………… 29
III.1.3 Giải thuật điều khiển xe tránh vật cản:………………………………………… 35
III.2 Chương trình điều khiển………………………………………………………………………… 36
Phần IV: KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN……………………………………………… 41
Phần V: TÀI LIỆU THAM KHẢO……………………………………………………………………. 42

5


BÁO CÁO ĐỒ ÁN MÔN HỌC 2

Phần I:

Mở đầu

I.1 Giới thiệu đề tài:
Ngày nay, robotic đã đạt được những thành tựu to lớn trong sản xuất công
nghiệp cũng như trong đời sống. Sản xuất robot là nghành công nghiệp trị giá hàng tỉ
USD và ngày càng phát triển mạnh, trong các họ robot chúng ta không thể không
nhắc tới mobile robot với những đặc thù riêng mà các loại robot khác không có.
Mobile robot có thể di chuyển một cách rất linh hoạt, do đó tạo nên không gian hoạt
động lớn và cho đến nay nó đã dần khẳng định vai trò quan trọng không thể thiếu
trong nhiều lĩnh vực, thu hút được rất nhiều sự đầu tư và nghiên cứu. Mobile robot
cũng được chia ra làm nhiều loại: robot học đường đi, robot dò đường line, robot
tránh vật cản, robot tìm đường cho mê cung,…trong số đó robot dò đường line, tránh
vật cản dễ dàng ứng dụng nhiều trong cuộc sống. Việc phát triển loại robot này sẽ
phục vụ rất đắc lực cho con người.

I.2 Mục đích chọn đề tài:
Robot dò line và tránh vật cản vừa có nhiều ứng dụng trong thực tế vừa dễ
dàng để sinh viên vận dụng những kiến thức tiếp thu được trên giảng đường vào nó.
Với những kết cấu cơ khí đơn giản nhưng lại có thể kết hợp được với khá nhiều
thành phần điện tử (encoder, sensor xác định đường line, sensor đo khoảng cách…)
nên những Robot này rất phù hợp để sinh viên học tập và nghiên cứu thêm về ngành
Tự động hóa một cách cụ thể.

I.3 Sơ lược các bước thực hiện:
Trước tiên ta phải chế tạo được khung xe của robot. Khung xe phải đảm bảo
bền chắc và đạt độ chính xác nhất định về việc bố trí các bánh xe và động cơ.
Sau khi đã có xong mô hình thì việc tiếp theo là chọn vi xử lí, khối óc của mobile
robot, cũng như các mạch điện tử cần thiết cho việc điều khiển xe. Và cuối cùng là
công đoạn lập trình dựa trên những kiến thức đã học được.

6


BÁO CÁO ĐỒ ÁN MÔN HỌC 2

Phần II: GIỚI THIỆU VI XỬ LÍ VÀ THÀNH PHẦN CỦA
MẠCH
II.1 Sơ lược về STM32F4xx:
STM32 là chip của ST, dựa trên nền lõi ARM Cortex-M. Dòng ARM Cortex™-M
là thế hệ mới, thiết lập các tiêu chuẩn mới về hiệu suất, chi phí, ứng dụng cho
các thiết bị cần tiêu thụ năng lượng thấp, và đáp ứng yêu cầu thời gian thực
khắc khe.

 Ưu điểm STM32F4xx :
- Tiêu thụ điện năng thấp so với các vi điều khiển khác
- Hiệu suất khá cao
- Dễ dàng tiếp cận và xử lý
- Mức giá phù hợp cho sinh viên ( kit STM32F4 discovery tầm 15$)

7


BÁO CÁO ĐỒ ÁN MÔN HỌC 2

II.1.1 Đặc trưng của STM32F4xx:
-

1MB Flash, 192KB SRAM
ARM 32-bit Cortex™-M4F CPU với FPU, tần số đến 168 MHz

Hỗ trợ USB 2.0 tốc độ cao
Ethernet LAN 10/100Mb
3 x ADC 12-bit, ho trơ tơi 24 channel ADC
2 x DAC 12-bit
DMA : ho trơ 16 kenh DMA vơi FIFOs
Ho trơ tơi 15 chuan giao tiep






3 bo I2C (SM US PM US)
4 USART
3 SPIS (37.5 Mbit/S)
2 CAN interfaces
SDIO interface

8


BÁO CÁO ĐỒ ÁN MÔN HỌC 2

Sơ đồ phần cứng:

9


BÁO CÁO ĐỒ ÁN MÔN HỌC 2

II.1.2 Memory map:
Memory map:

10


BÁO CÁO ĐỒ ÁN MÔN HỌC 2

Multi-AHB Matrix:

 S0: I-bus: được sử dụng bởi các nhân để lấy hướng dẫn.
 S1: D-bus được sử dụng bởi các nhân cho tải và truy cập gỡ lỗi.
 S2: S-bus được sử dụng để truy cập dữ liệu nằm trong một thiết bị ngoại vi
hoặc trong SRAM. Hướng dẫn cũng có thể được lấy trên bus này (ít hiệu quả
hơn ICODE).
 S3, S4: bus DMA bộ nhớ được sử dụng bởi DMA để thực hiện chuyển giao bộ
nhớ.
 S5: DMA bus ngoại vi được sử dụng bởi DMA để truy cập vào thiết bị ngoại vi
AHB hoặc để thực hiện bộ nhớ đến bộ nhớ chuyển.
 S6: bus Ethernet DMA được sử dụng bởi DMA Ethernet để tải lưu trữ dữ
liệu
 S7: bus US OTG HS DMA được sử dụng bởi OTG DMA US để tải lưu trữ dữ
liệu

11


BÁO CÁO ĐỒ ÁN MÔN HỌC 2

 AHB / APB cầu (APB): 2 cầu AHB / APB, APB1 và APB2, cung cấp các kết nối

đồng bộ đầy đủ giữa AHB và hai bus APB, cho phép lựa chọn linh hoạt của tần
số thiết bị ngoại vi.
II.1.3 Pinouts:

12


BÁO CÁO ĐỒ ÁN MÔN HỌC 2

II.1.4 Power Control:

 Thiết bị này đòi hỏi một nguồn cung cấp điện áp hoạt động 1,8 đến 3,6 V
(VDD). Một điều chỉnh điện áp tuyến tính nhúng được sử dụng để cung cấp
1,2 V điện kỹ thuật số nội bộ.
 Các đồng hồ thời gian (RTC), sao lưu sổ đăng ký RTC, và SRAM sao lưu ( KP
SRAM) có thể được cung cấp từ điện áp VBAT khi nguồn cung cấp VDD chính
đang tắt.

13


BÁO CÁO ĐỒ ÁN MÔN HỌC 2

II.1.5 Reset and clock control:

14


BÁO CÁO ĐỒ ÁN MÔN HỌC 2

II.1.6 General purpose IOs (GPIO):




IO port control registers: GPIOx_MODER,
GPIOx_OTYPER, GPIOx_OSPEEDR, GPIOx_PUPDR
(x = A-F)
I/O port data registers: GPIOx_IDR, GPIOx_ODR

15


BÁO CÁO ĐỒ ÁN MÔN HỌC 2

II.2 Những modul của STM32F4xx được sử dụng trong đồ án:
II.2.1 TIM2, TIM3, TIM4, TIM5, TIM9:
a. Giới thiệu sơ lược:
- Các timer này bao gồm các bộ đếm 16 hoặc 32 bit.
- Chúng có thể dùng để đo độ dài xung của tín hiệu vào (input capture) hoặc dùng để
phát sóng ra.
- Độ rộng của xung và chu kì sóng có thể từ vài μs đến vài ms.
- Các timer có thể hoạt động độc lập với nhau và chúng cũng có thể đồng bộ với
nhau.
b. Các đặc trưng chính:
- 16 bit(TIM3, TIM4 và TIM9) hoặc 32 bit (TIM2 và TIM5) có thể đếm
lên,xuống,lên/xuống và đếm lại được.
- Có 4 chế độ độc lập với nhau:
+ Input capture
+ Output compare

+ PWM generation (Edge-and Center-aligned modes)
+ One-pulse mode output
-Mạch đồng bộ để kiểm soát bộ đếm thời gian với tín hiệu bên ngoài và để kết nối
một vài lần
- Phát/ngắt DMA theo sự kiện xảy ra
- Có hỗ trợ đọc encoder và nhiều loại cảm biến khác phục vụ cho nhiều mục đích
khác nhau.
c. Mục đích của từng timer:
 TIM2 sẽ dùng 2 channel để đếm giá trị của Encoder trái tại 2 chân PA15(CH1)
và PB3(CH2).
 TIM3 sẽ dùng 2 channel để đếm giá trị của Encoder phải tại 2 chân PB4(CH1)
và PB5(CH2).
16


BÁO CÁO ĐỒ ÁN MÔN HỌC 2

 TIM4 sẽ dùng 4 channel để tạo 4 xung PWM điều khiển 2 động cơ, tín hiệu ra
tại PB6(CH1), PB7(CH2), PB8(CH3) và PB9(CH4).
 TIM5 sẽ qui định số lần lấy mẫu (đọc ADC, Encoder và đo khoảng cách) và xử
lí (tính toán PID và tạo xung PWM).
 TIM9 sẽ dùng để đo độ rộng xung Echo của sensor đo khoảng cách, từ đó tính
được khoảng cách giữa xe và vật cản.
II.2.2 ADC:
a. Giới thiệu sơ lược:
ADC là một bộ chuyển đổi tín hiệu analog sang tín hiệu số. Nó có đến 19 kênh
đa năng cho phép đo tín hiệu từ 16 nguồn bên ngoài, hai nguồn nội bộ và VBAT.
Chuyển đổi của kênh có thể được thực hiện trong chế độ đơn, liên tục, quét hoặc
không liên tục. Kết quả của ADC được lưu trữ vào thanh ghi dữ liệu 16 bit.
b. Các đặc trưng chính:

 Có độ phân giải 12-bit, 10-bit, 8-bit hoặc 6-bit.
 Có thể tạo ngắt ở cuối của chuyển đổi và trong trường hợp analog watchdog
hoặc các sự kiện tràn.
 Chế độ chuyển đổi đơn và liên tục.
 Chế độ quét tự động chuyển đổi cho kênh 0 đến kênh 'n'.
 Liên kết dữ liệu với dữ liệu trong xây dựng sư kết nối.
 Lập trình thời gian lấy mẫu Channel-wise.
 Tùy chọn xung trigger bên ngoài với cấu hình cực cho cả hai dạng thường và
chuyển đổi.
 Chế độ gián đoạn.
 Chế độ Dual/Triple (trên các thiết bị với 2 ADCs hoặc nhiều hơn).
 Cấu hình DMA lưu trữ dữ liệu trong chế độ Dual/Triple.
 Thời gian trễ giữa chuyển đổi trong chế độ Dual/Triple xen kẽ.
 Loại chuyển đổi ADC (tham khảo các datasheets).
 Yêu cầu cung cấp ADC: 2,4 V đến 3,6 V ở tốc độ cao và xuống đến 1,8 V tại tốc
độ chậm.
 Áp tín hiệu đầu vào ADC: VREF- ≤ VIN ≤ VREF+.
c. Mục đích của ADC:
ADC sẽ dùng 3 chân PC0, PC1 và PC2 để đọc giá trị từ 3 photodiode, từ đó xác
định được line, góc lệch và hướng rẽ.
17


BÁO CÁO ĐỒ ÁN MÔN HỌC 2

II.3 Những module điều khiển:
II.3.1 Mạch cầu H sử dụng L298:
 Để lái động cơ DC ta sử dụng L298. IC L298 là mạch tích hợp đơn chip có kiểu
vỏ công suất 15 chân (multiwatt 15) hoặc PowerSO20 (linh kiện dán công
suất). Là IC mạch cầu đôi (dual full-bridge) có khả năng hoạt động ở điện thế

cao, dòng cao. Nó được thiết kế tương thích chuẩn TTL và lái tải cảm kháng
như relay, cuộn solenoid, động cơ DC và động cơ bước. Nó có 2 chân enable để
cho phép/không cho phép IC hoạt động, độc lập với các chân tín hiệu vào. Cực
phát (emitter) của transistor dưới của mỗi mạch cầu được nối với nhau và nối
ra chân ngoài để nối với điện trở cảm ứng dòng khi cần.

 Tần công suất ngõ ra: IC L298 tích hợp 2 tầng công suất (A, B). Tần công suất
chính là mạch cầu và ngõ ra của nó có thể lái các loại tải cảm thông dụng ở
nhiều chế độ hoạt động khác nhau (tùy thuộc vào sự điều khiển ở ngõ vào)
Dòng điện từ chân ngõ ra chảy qua tải đến chân cảm ứng dòng: điện trở ngoài
RSA, RSB cho phép việc cảm ứng cường độ dòng điện này.
 Tần ngõ vào: Mỗi cầu được điều khiển bởi 3 cổng ngõ vào In1, In2, EnA (và
In3, In4, EnB cho cầu còn lại). Các chân In có tác dụng khi chân En ở mức cao,
khi chân En ở mức thấp, các chân ngõ vào In ở trạng thái cấm. Tất cả các chân
đều tương thích với chuẩn TTL.
18


BÁO CÁO ĐỒ ÁN MÔN HỌC 2

 Chức năng của các chân:

19


BÁO CÁO ĐỒ ÁN MÔN HỌC 2

 Chế độ hoạt động:
En
In1

In2
0
x
x
1
0
0
1
0
1
1
1
0
1
1
1

Chế độ hoạt động
Không hoạt động
Phanh
Động cơ quay trái (phải)
Động cơ quay phải (trái)
Phanh

 Sơ đồ nguyên lí:

 IC 74HC00 là những cổng NOT nhằm đảm bảo 2 cặp chân In1, In 2 và In3, In4
luôn có giá trị trái ngược nhau. Như vậy sẽ không sử dụng được chế độ phanh.
 Xung PWM sẽ được cấp vào qua chân En

20


BÁO CÁO ĐỒ ÁN MÔN HỌC 2

 Layout:

II.3.2 Mạch ổn áp 5V và 3,3V:
Các modules hoạt động với các nguồn khác nhau :




Vi xử lý, mạch cảm biến được hoạt động với áp 3.3V
Động cơ hoạt động với áp 7.4V
Mạch cầu H và sensor đo khoảng cách hoạt động với áp 5V

Do đó sử dụng nguồn từ nguồn 7.4V, qua mạch ổn áp xuất ra các điện áp 5V, 3.3V.
IC ổn áp 5V là LM7805, ổn áp 3.3V là LM1117:

21


BÁO CÁO ĐỒ ÁN MÔN HỌC 2
 Sơ đồ nguyên lý mạch ổn áp như sau:

Những header 5x2 để có nhiều chân nguồn 5V hoặc 3.3V được lấy ra hơn.
 Layout:

II.3.3 Mạch chốt tín hiệu để giao tiếp với vi điều khiển STM32F4xx:

Do STM32F4xx sử dụng điện áp 3.3V nên khi xuất/nhận tín hiệu
với linh kiện dùng áp 5V ta phải sử dụng mạch chốt 74HC245 để
giao tiếp:



OE
0
0
1

Là IC xuất nhập 2 chiều.
Ngỏ ra 3 trạng thái, thời gian trễ tín hiệu 8ns, dòng ngỏ ra
24 mA(low), 14 mA(high)
Dir
0
1
x

Chế độ hoạt động
Dữ liệu được chốt từ B về A
Dữ liệu được chốt từ A qua B
Các chân của A và đề ở trạng thái hi-Z
22


BÁO CÁO ĐỒ ÁN MÔN HỌC 2

 Sơ đồ nguyên lí:

4 chân A0, A1, A2, A3 được kéo xuống mass nên dùng khi xuất 4 chân PWM ra mạch
cầu H.
Ở đây, chân dir được nối với mức cao nên dữ liệu sẽ chốt từ A qua B.
 Layout:

23


BÁO CÁO ĐỒ ÁN MÔN HỌC 2

II.3.4 Mạch xác định line dùng photodiode:

 Sơ đồ nguyên lí:

24


BÁO CÁO ĐỒ ÁN MÔN HỌC 2

Các tín hiệu IN1→IN5 sẽ kích cho những con led IRE phát xung hồng ngoại.
Khi các led IRD nhận được tia hồng ngoại từ những led IRE(nền trắng) nó sẽ dẫn làm
cho tín hiệu tại các chân OUT sẽ về mức 0, còn khi không nhận(nền đen) được thì nó
sẽ ngắt, tín hiệu tại các chân OUT sẽ khác 0.
 Layout:

II.3.5 Module cảm biến siêu âm đo khoảng cách HC-SR04:
Specifications:
Power supply :5V DC
Quiescent current : <2mA
Effectual angle: <15°

Ranging distance : 2cm – 500 cm
Resolution : 0.3 cm

25