BÁO CÁO THỰC TẬP TRUNG TÂM ROBOTICA –ĐẠI HỌC DUY TÂN

MỤC LỤC


2

LỜI MỞ ĐẦU
Ngày nay, khoa học công nghệ đang phát triển một cách nhanh chóng và
công nghiệp tự động đang được quan tâm rất lớn. Ứng dụng robot vào phục vụ
đời sống ngày càng nhiều và đã trợ giúp đắc lực trong các lĩnh vực khác nhau.
Robot dần thay thế cho con người để giảm thiếu sức lao động cũng như tăng
chất lượng của công việc.Trong đó chế tạo robot hay được gọi là Robocon là
một phong trào đang được các bạn sinh viên và ngay cả các bạn học sinh rất
yêu thích. Đến với chế tạo robot sẽ giúp cho chúng ta có thể biến những ý
tưởng thành hiện thực. Khơi dậy niềm đam mê sáng tạo, và từ đó có thể thiết
kế được những chú Robot phục vụ cho đời sống con người. Công nghệ chế
tạo robot không những áp dụng vào các cuộc thi sáng tao Robocon mà còn có
nhiều ứng dụng thực tế. Tuy nhiên, các tài liệu về Robot còn ít và chưa phổ
biến, trong chương trình học không có môn nào học chuyên sâu về robot. Bởi
vì chế tạo robot là công việc bao gồm nhiều lĩnh vực như lập trình, điện, cơ
khí. Sự kết hợp các lĩnh vực này lại với nhau mới có thể chế tạo được những
chú Robot phục vụ cho các công việc, các yêu cầu đặt ra.
Trong thời gian thực tập tại Trung tâm Robotica em đã hiểu thêm nhiều
điều về công việc chế tạo các Robot mà điển hình là mô hình Robocon để dự
thi cuộc thi sáng tạo Robocon 2014. Chính vì thế trong báo cáo thực tập này
em xin trình bày về một số kiến thức cũng như thiết kế lập trình một robot tự
động đơn giản.


3

CHƯƠNG 1: GIỚI THIỆU VỀ TRUNG TÂM ROBOTICA –ĐẠI HỌC

DUY TÂN
1.1

Chức năng

-

Tham mưu cho Ban Giám hiệu và Hội đồng quản trị về những công việc liên

-

quan đến lĩnh vực robotics trong Trường.
Nghiên cứu phát triển, sản xuất các sản phẩm và dịch vụ phục vụ nhiệm vụ đẩy
mạnh ứng dụng khoa học công nghệ trong hoạt động quản lý và đào tạo theo

-

từng giai đoạn phát triển của nhà Trường.
Là nơi để sinh viên các khoa Công nghệ thông tin, Điện tử viễn thông, Đào tạo
quốc tế thực hành các công việc liên quan đến việc chế tạo robot, hoạt động
đào tạo theo CDIO. Là nơi để cán bộ, chuyên viên học tập, nghiên cứu các thiết
bị, công nghệ mới.
1.2 Nội dung nghiên cứu
1.2.1 Phần cứng

-

Thiết kế cơ khí (Mục tiêu xây dựng các phòng workshop như file đính kèm).
Thiết kế mạch điện.
1.2.2 Phần mềm

Kỹ thuật định vị cho Robot
- Sử dụng bộ lọc Extended Kamal Filter.
Kỹ thuật định hướng và điều khiển Robot
- Bộ điều khiển PID.
- Bộ điều khiển dựa trên trường nhân tạo (Artificial Potential Field Navigation).
- Bộ điều khiển dựa trên tọa độ hoặc bản đồ (map).

Kỹ thuật xử lý ảnh
-

Nhận dạng đối tượng (Object Recognition).
Edge Detection.
Camera Calibration.
Target Tracking using vision (camera).

Kỹ thuật thuật tích hợp cảm biến
- Tích hợp phần mềm dựa trên ROS, C++.


4

1.2.3 Cơ cấu tổ chức
-

Trung tâm Robotica gồm có:
Giám đốc trung tâm.
Nhóm lập trình VĐK và hệ thống nhúng (gồm có 4 thành viên).
Nhóm cơ khí (gồm có 2 thành viên).
Quản lý xưởng + văn thư (gồm có 1 thành viên).

Nhóm cộng tác viên (gồm có 5 thành viên).


5

CHƯƠNG 2: LÝ THUYẾT CƠ BẢN VỀ
ROBOT
2.1. Hệ thống cảm biến
2.1.1 Định nghĩa
Trong một con robot cơ bản. Một trong những phần quan trọng nhất trong
robot chính là hệ thống cảm biến.
- Cảm biến được định nghĩa như cá hệ thống các giác quan của robot. Robot
cần xác định trạng thái mội trường bên ngoài (như là các vạch trắng, màu sắc của
các vật ghi điểm, nơi ghi điểm....) để gửi trạng thái môi trường đến bộ xử lí rồi đưa
ra các phản ứng điều khiển robot để đối phó với các sự kiện bên ngoài ấy.
- Ví dụ đơn giản nhất chính là con nguời của chúng ta. Ta ví con mắt như là 1 bộ
cảm biến. Khi chúng ta đang đi sắp đụng vào vách tường thì mắt sẽ như những cảm
biến truyền dữ liệu về cho bộ bộ não. Tương tự như vậy, các cảm biến sẽ chuyền dữ
liệu về cho bộ vi xử lí. Sau đó bộ não sẽ gửi trả thông thông phản ứng như là đi
hướng khác để tránh va đụng vào vách tường. Vi xử lí của robot cũng thế, nó sẽ gửi
thông tin để cho robot đi đúng đường.
2.1.2 Các loại cảm biến
Trong kĩ thuật robocon người ta sử dụng nhiều loại cảm biến như là:
-

Led hồng ngoại (bộ phát thu hồng ngoại).

-

Quang điện trở (PHOTORESISTANCE): cds hoặc cdse.

-

Tế bào quang điện.

-

Cảm biến công nghiệp.

-

Camera số trong công nghệ xử lí ảnh.


6

Hình 2.1: Cảm biến quang và cảm biến vật thể

Các đặc tính của IR sensor
Trong con robot mẫu tự động này, chúng tôi sử dụng 2 linh kiện hồng ngoại (IR):
Một linh kiện phát hồng ngoại (IR emitter) và một linh kiện nhận (IR receiver) tạo
thành 1 cặp cảm biến sensor. Linh kiện phát sẽ tạo tia hồng ngoại và sau khi phản xạ sẽ
truyền tới linh kiện nhận.

Hình 2.2: IR Sensor.

Dòng điện đi qua linh kiện nhận sẽ tỉ lệ với cường độ năng lượng của tia hồng
ngoại mà nó nhận được.

Hình 2.3: Tỉ lệ dòng điện và cường độ năng lượng.

Trong robot mẫu, linh kiện phát và nhận được nối mạch theo sơ đồ hình 2.3. Khi
TX ở trạng thái thấp, dòng sẽ đi qua linh kiện phát và nó sẽ phát ra tia hồng
ngoại. Nếu có 1 vật phản xạ mầu trắng thì năng lượng hồng ngoại sẽ phản hồi lại
và tạo một dòng cao hơn đi qua linh kiện nhận, do đó điện áp trên IRS0 sẽ hạ
xuống. Nếu vật phản xạ có mầu đen, hoặc mầu sẫm hơn thì điện áp trên IRS0 sẽ


7

nâng lên.

Hình 2.4: Sơ đồ nguyên lý mạch phân biệt vạch dẫn đường.

IR Sensor điều biến
Độ chính xác của sensor hồng ngoại được miêu tả trên phần trước bị ảnh hưởng
rất nhiều bởi ánh sáng môi trường. Mức điện áp trên đầu ra của sensor IR không chỉ
phụ thuộc vào cường độ ánh sáng phản xạ mà còn bị thay đổi bởi điều kiện ánh sáng
môi trường.
Để giảm bớt sự ảnh hưởng của ánh sáng môi trường, ta dùng 1 sensor hồng
ngoại điều biến thay vì sensor IR thông thường.
Trong hệ thống sensor IR điều biến, linh kiện phát được bật và tắt bởi 1 đồng
hồ. Tín hiệu nhận được sau đó đi qua 1 mạch khuếch đại một chiều DC như trên hình
vẽ dưới đây. Tụ C2 trong mạch sẽ chặn dòng DC ra khỏi tín hiệu đi qua bộ khuếch đại
này. Chỉ có phần xoay chiều của tín hiệu thay đổi tương ứng với tia hồng ngoại phản
xạ phát ra từ bộ phát là được khuếch đại và tích hợp vào mức 1 chiều ở đầu ra của
mạch. Như vậy mức ra của mạch chỉ phụ thuộc vào tia hồng ngoại mà không phụ
thuộc vào ánh sáng môi trường.

8

Hình 2.5: Sơ đồ nguyên lý mạch điều biến.

2.2 Hệ thống truyền động
2.2.1 Định nghĩa
Hệ thống truyền động được ví như là chân, tay của robot vậy. Robot di chuyển,
cầm, nắm,...... đuợc là do có hệ thống truyền động. Hệ thống truyền động các bánh xe,
động cơ bao gồm động cơ bước (Stepper Motor) động cơ 1 chiều (DC Motor) động cơ
trợ động (Servo Motor)… ; dây truyền động: dây cuaroa, dây xích (xên nhông dĩa),
dây kéo, ròng rọc và các vật dụng cơ khí khác.
2.2.2 Các loại động cơ
Có 3 loại động cơ chính :
-

Động cơ 1 chiều (DC Motor).

-

Động cơ bước (Stepper Motor).

-

Động cơ trợ động (Servo Motor).

 Động cơ 1 chiều (DC Motor)

Hình 2.6: Động cơ Planet

Động cơ một chiều có cấu tạo từ hai bộ phận: Bộ phận đứng yên cấu tạo từ

nam châm vĩnh viễn đuợc gọi là Stato và bộ phận quay được cấu tạo từ một nam châm
nhận tạo có cấu tạo từ một cuộn dây đồng có lõi là một thanh kim loại đuợc gọi là
Roto. Động cơ có thể xoay theo chiều thuận hoặc chiều nghịch của kim đồng hồ. Có
gắn thêm Encoder để đếm số vong xoay của động cơ.


9

Hình 2.7: Động cơ quay theo chiều kim đồng hồ.

Xét hoạt động của DC motor:
•

Như hình trên ta thấy rằng khi cho dòng diện một chiều (tuyệt đối ko dùng
điện xoay chiều) đi qua motor sẽ khiến cho motor quay như trên hình.

Hình 2.8: Động cơ quay theo chiều ngược kim đồng hồ.

Khi ta đảo hai cực của dòng điện thì ta sẽ sẽ đuợc hiện tượng như hình trên, đó là động
cơ sẽ quay theo chiều hoàn toàn ngược lại so với hình truớc đó. Qua đó ta có thể rút
đuợc kết luận như sau:
- Động cơ DC cho dòng diện một chiều chạy qua và làm quay phần Roto dẫn đến
motor quay, nếu ta đổi chiều dòng điện thì motor sẽ quay theo chiều ngược lại. Do đó
ta có thể điều chỉnh được hướng quay của DC Motor. Đặc tính kĩ thuật của hầu hết
động cơ DC là tốc độ quay (vòng/phút) cao và moment ngẫu lực thấp. Nhưng mà hầu
hết robot cần tốc độ quay chậm và moment ngẩu lực cao. Do đó một hộp số có thể
được lắp vào DC Motor nhằm giảm tốc độ quay và tăng moment ngẫu lực. Trên hộp số
thường ghi rõ thì số truyền động giữa trước và sau hộp số, ví dụ tốc độ quay của một
DC Motor là 1000 vòng/phút đuợc gắn vào 1 hộp số 1000:1. Có nghĩa là tốc độ quay

10

của đầu ra hộp số đuợc 1/1000 của tốc độ DC Motor khi chưa gắn hộp số. Vận tốc hộp
số = Vận tốc DC Motor/1000 = 8000/1000 = 8 vòng/phút.
Chú ý: Điện áp V và dòng I không nên vượt quá giá trị được ghi trên motor, nếu
không motor sẽ bị hỏng. Tuy nhiên nếu ta đặt một điện áp thấp hơn V hoặc một dòng
điện thấp hơn I, thì tốc độ và độ chịu tải của motor sẽ giảm theo.
- Điều khiển chiều quay của DC Motor:
Trong phần này ta xét 2 cách điều khiển phổ biến nhất đa số đuợc các đội
Robocon sử dụng.
•

Điều khiển chiều DC Motor bằng mạch cầu H: Mạch cầu H rất được nhiều đội
thi Robocon sử dụng bởi tỉnh đơn giản của nó, sở dĩ nó có tên mạch cầu H vì sơ
đồ của nó có hình chữ H:

Hình 2.9: Mạch cầu H.

Trước hết ta xét trường hợp xoay thuận của DC Motor, ta lấy một ví dụ: Trong
đoạn mạch dưới đây, tưởng tượng rằng đoạn mạch là một chiếc cầu và hãy xem những
transistor Q1, Q2, Q3, Q4 là những khúc cầu bị gãy, người ta bắt đầu đi từ nguồn điện
đến mass, một chiếc cầu nếu bị gãy thì người ta sẽ không thể qua đựơc do đó người ta
sẽ không thể đi qua các điển Q1, Q2, Q3, Q4. Khi mà nhà nước nghe tin cầu gẫy thì sẽ
cho kĩ sư sữa cầu đến sữa cầu bằng đường “thuận” và theo đường “thuận” chỉ sữa được
những điểm Q1, Q4.Sau khi sữa xong thì cầu đã liền lại các điểm Q1,Q4 do đó người


11

ta có thể đi từ nguồn điện đến Mass bằng đường nguồn điện DC Motor Q1 Q4 Mass .
Bây giờ trở lại thực tế.Ta thay thế người điqua cầu bằng dòng điện, những đoạn cầu
gãy Q1, Q2, Q3, Q4 là những transistor và những kĩ sư sữa cầu là dòng điện 3V được
truyền đến theo đường dây “thuận”, đường thuận là đuờng dây màu đen, như đã mô
phỏng như trên thì dòng điện sau khi đựơc khai thông sẽ chay qua motor làm motor
quay:
Bây giờ, ta xét trường hợp xoay nghịch của DC Motor, cũng trong đoạn mạch
trên, tưởng tượng rằng đoạn mạch là một chiếc cầu và hãy xem những transistor Q1,
Q2, Q3, Q4 là những khúc cầu bị gãy, người ta bắt đầu đi từ nguồn điện đến mass, một
chiếc cầu nếu bị gãy thì người ta sẽ không thể qua đựơc do đó người ta sẽ không thể đi
qua các điểm Q1, Q2, Q3, Q4. Khi mà nhà nước nghe tin cầu gãy thì sẽ cho kĩ sư sữa
cầu đến sữa cầu bằng đường “nghịch” và theo đường “nghịch” chỉ sữa được những
điểm Q2,Q3. Sau khi sữa xong thì cầu đã liền lại các điểm Q2, Q3 do đó người ta có
thể đi từ nguuồn điện đến Mass bằng đường nguồn điện DC Motor Q2 Q3 Mass. Bây
giờ trở lại thực tế. Ta thay thế người đi qua cầu bằng dòng điện, những đoạn cầu gãy
Q1, Q2, Q3, Q4 là những transistor và những kĩ sư sữa cầu là dòng điện 3V được
truyền đến theo đường dây “nghịch”, đường dây nghịch là những đường màu đỏ, như
đã mô phỏng như trên thì dòng điện sau khi đựơc khai thông sẽ chay qua motor làm
motor quay. Đó là cách mà mạch cầu H – Brigh hoạt động.
•

Điều khiển DC Motor bằng Role (Relay):

Role (Relay) là một IC đựơc cấu tạo bởi 1 mạch điện có 1 đoạn mạch nối với 1 cái bản
lề đuợc mở hoặc đóng nhờ 1 một cuộn dây nam châm.

Hình 2.10: Rơ le và sơ đồ nguyên lý.

Nguyên lí hoạt động là cuộn dây khi có dòng diện sẽ hút các thanh (mình nghĩ là sắt
nên nó mới hút đựơc) kim loại về phía cuộn dây lập tức 2 thanh kim loại này sẽ rời bỏ

12

2 đầu dây cũ và tiếp xùi 2 đầu dây khác:
- Ta xét hình thứ 1:

Hình 2.11: Cuộn nam châm chưa có dòng điện đi qua.

Lúc này khi chưa có dòng điện đi qua cuộn dây nam châm (2 cực đều là x ), các thanh
kim loại (thanh màu đen ấy ) đều nối đầu 1 đến đầu a , đầu 2 đến đầu c, do vậy dòng
điện chỉ đi từ đầu 1 đến đầu a và đầu 2 đến đầu c.
- Ta xét hình thứ 2:

Hình 2.12: Cuộn nam châm có dòng điện đi qua.

Lúc này đã có dòng điện đi qua cuộn dây nam châm và cuộn dây sẽ hút các thanh kim
loại về phía cuộn dây, do đó các thanh kim loại lúc này sẽ nối từ đầu 1 đến dầu b và
đầu 2 đến đầu c, do vậy dòng điện chỉ đi từ đầu 1 đến đầu b và đầu 2 đến đầu c.
Qua nhưng gì bạn đã thấy ở trên thì chúng ta kết luận rằng: nguyên lý hoạt động của
Role là biến đổi dòng điện thành từ trường thông qua quộn dây, từ trường lại tạo thành
lực cơ học thông qua lực hút để thực hiện một động tác về cơ khí như đóng mở công
tắc, đóng mở các hành trình của một thiết bị tự động.
Ứng dụng Role vào mạch điều khiển chiều quay cho DC Motor:


13

Hình 2.13: Sơ đồ nguyên lý.

Ta xem đoạn mạch trên có 2 đoạn dây cần nối với nhau là dây ROLE1 nối với
dây ROLE1 và dây PWM1 nối với dây PWM1.dây role là dây điều khiển tín hiệu
chiều của động cơ.Nếu dây ROLE1 chuyền đến tín hiệu 12V thì động cơ quay chiều
thuận.Nếu ROLE1 chuyền đến tín hiệu < 11 V thì Motor quay theo chiều nghịch,Dây
PWM1 là chuyện tínhiệu xung để điều khiển vận tốc của động cơ, cái này thì mình sẽ
nói sau. Ngoài ra trên mạch còncó IRF540 con FET này dùng để bảo vệ cho Role mổi
khi xoay chiều (con này bắt buộc phải có). - Như vậy chúng ta đã được biết 2 cách
phổ biến nhất đến điều khiển chiều quay của động cơ rồi.
 Động cơ bước (Stepper Motor)

Các hệ truyền động rời rạc thường được thực hiện nhờ động cơ chấp hành đặc biệt
gọi là động cơ bước. Động cơ bước là một loại động cơ điện có nguyên lý và ứng dụng
khác biệt với đa số các loại động cơ điện thông thường. Chúng thực chất là một động
cơ đồng bộ dùng để biến đổi các tín hiệu điều khiển dưới dạng các xung điện rời rạc kế
tiếp nhau thành các chuyển động góc quay hoặc các chuyển động của Rotor và có khả
năng cố định Rotor vào những vị trí cần thiết.
Như hình 2.14 minh họa: Bên trong động cơ bước có 4 cuộn dây Stator được sắp xếp
theo cặp đối xứng qua tâm. Rotor là nam châm vĩnh cửu có nhiều răng. Động cơ bước
hoạt động trên cơ sở lý thuyết điện - từ trường: Các cực cùng dấu đẩy nhau và các cực
khác dấu hút nhau. Chiều quay được xác định bởi từ trường của Stator, mà từ trường
này là do dòng điện chạy qua lõi cuộn dây gây nên. Khi hướng của dòng thay đổi thì
cực từ trường cũng thay đổi theo, gây nên chuyển động ngược lại của động cơ (đảo
chiều).


14

Hình 2.14: Bên trong động cơ bước.

Động cơ bước làm việc được là nhờ các bộ chuyển mạch điện tử đưa các tín hiệu điều

khiển vào Stator theo một thứ tự nhất định và một tần số nhất định. Tổng số góc quay
của Rotor tương ứng với số lần chuyển mạch, cũng như chiều quay và tốc độ quay của
Rotor phụ thuộc vào thứ tự chuyển đổi và tần số chuyển đổi.
Nếu xét trên phương diện dòng điện, khi một xung điện áp đặt vào cuộn dây
Stator (phần ứng) của động cơ bước, thì Rotor (phần cảm) của động cơ sẽ quay đi một
góc nhất định, góc ấy là một bước quay của động cơ. Ở đây ta có thể định nghĩa về góc
bước (Step Angle) là độ quay nhỏ nhất của một bước do nhà sản xuất quy định.
Khi các xung điện áp đặt vào các cuộn dây phần ứng thay đổi liên tục thì Rotor
sẽ quay liên tục (thực chất chuyển động đó vẫn theo các bước rời rạc).

Hình 2.16: Cấu tạo của động cơ bước.


15

Theo một phương diện khác, có thể coi động cơ bước là linh kiện hay thiết bị số
(Digital Device) mà ở đó các thông tin được số hoá đã thiết lập sẽ được chuyển thành
chuyển động quay theo từng bước. Động cơ bước sẽ thực hiện trung thành các lệnh đã
số hóa mà máy tính yêu cầu.
.

Hình 2.16: Một xung tương ứng với một bước của rôto (1 xung – 1 bước).

Hình 2.17: Mô tả tương quan giữa quá trình điện và quá trình cơ của động cơ bước.

Nguyên lý làm việc chung của động cơ bước
Khác với động cơ đồng bộ thông thường, Rotor của động cơ bước không có cuộn
dây khởi động mà nó được khởi động bằng phương pháp tần số, Rotor của động cơ
bước có thể được kích thích (Rotor tích cực) hoặc không được kích thích (Rotor thụ
động).

Xung điện áp cấp cho cuộn dây Stator có thể là xung 1 cực hoặc 2 cực:


16

Hình 2.18: Xung điện áp cấp cho cuộn dây Stator.

Chuyển mạch điện tử có thể cung cấp điện áp điều khiển cho các cuộn dây Stator
theo từng cuộn riêng lẻ, hoặc theo từng nhóm các cuộn dây. Trị số cũng như chiều của
lực điện từ tổng F phụ thuộc vào vị trí của các lực điện từ thành phần. Do đó vị trí
Rotor của động cơ bước trong không gian, hoàn toàn phụ thuộc vào phương pháp cung
cấp điện cho các cuộn dây:

Hình 2.19: Sơ đồ nguyên lý động cơ bước m pha với Roto 2 cực và các lực điện từ
khi điều khiển bằng xung 1 cực.


17

Hình 2.19 vẽ sơ đồ nguyên lý động cơ bước m pha với Rotor có 2 cực (2p=2) và
không được kích thích. Nếu các cuộn dây của động cơ bước được cấp điện cho từng
cuộn dây riêng lẻ theo thứ tự 1, 2, 3,… m, bởi xung 1 cực, thì Rotor của động cơ bước
có m vị trí ổn định trùng với trục của các cuộn dây (hình 2.19a).
Để tăng cường lực điện từ tổng của Stator do đó tăng từ thông và moment đồng
bộ, ta cấp điện đồng thời cho hai, ba hoặc nhiều cuộn dây. Lúc đó Rotor của động cơ
bước sẽ có vị trí cân bằng (ổn định) trùng với vector lực điện từ tổng F. Đồng thời lực
điện từ tổng F cũng có giá trị lớn hơn lực điện từ thành phần của các cuộn dây Stator
(hình 2.19b, 2.19c). Hình 2.19b vẽ lực điện từ tổng F khi cung cấp điện đồng thời cho
một số chẵn cuộn dây (2 cuộn dây). Lực điện từ tổng F có trị số lớn hơn và nằm ở vị
trí chính giữa hai trục của hai cuộn dây. Hình 2.19c vẽ lực điện từ tổng F khi cung cấp

điện đồng thời cho một số lẻ cuộn dây (3 cuộn dây). Lực điện từ tổng F nằm trùng với
trục của một cuộn dây và cũng có trị số lớn hơn.
Tóm lại, trong cả hai trường hợp cấp điện cho một số chẵn cuộn dây và cấp điện cho
một số lẻ cuộn dây, Rotor của động cơ bước sẽ có m vị trí cân bằng. Góc xê dịch giữa
hai vị trí liên tiếp của Rotor bằng 2π/m.
Nếu cấp điện theo thứ tự một số chẵn cuộn dây, rồi một số lẻ cuộn dây (ví dụ, kết
hợp giữa hình 2.19b, 2.19c), hay nghĩa là số lượng cuộn dây được điều khiển luôn luôn
thay đổi từ chẵn sang lẻ và ngược lại, thì số vị trí cân bằng của Rotor sẽ tăng lên gấp
đôi là 2m, độ lớn của một bước sẽ giảm đi một nửa bằng 2π/m . Trường hợp này được
gọi là điều khiển không đối xứng, hay điều khiển nửa bước (half step).
Nếu số lượng cuộn dây được điều khiển luôn luôn không đổi (một số chẵn cuộn
dây hoặc một số lẻ cuộn dây, ví dụ hình 2.19b hoặc hình 2.19c) thì Rotor có m vị trí
cân bằng và được gọi là điều khiển đối xứng, hay điều khiển cả bước (full step).
 Động cơ trợ động (Servo Motor)

Động cơ servo được sử dụng để kiểm soát chuyển động trong một loạt các ngành
công nghiệp cơ điện, từ robot để sản xuất CNC công nghệ hàng không vũ trụ. Động cơ
servo là một phần của một hệ thống khép kín, được gọi là “một hệ thống động cơ
servo”, mà không sử dụng một động cơ bước. Hệ thống động cơ servo được bao gồm
một số bộ phận cụ thể là một mạch điều khiển, động cơ servo, trục, chiết áp, ổ bánh


18

răng (tùy thuộc vào loại động cơ servo), bộ khuếch đại và cả một endocer. Động cơ
servo phải có khả năng:
•

Hoạt động ở một loạt các tốc độ không quá nóng;

•

Hoạt động ở tốc độ số trong khi vẫn giữ đủ mô-men xoắn giữ một tải ở vị trí; và

•

Vận hành một tốc độ rất thấp trong thời gian dài với mức ra quá nóng.

Ba loại cơ bản của động cơ servo được sử dụng trong các hệ thống động cơ servo là:
•

Động cơ servo AC (dựa trên thiết kế động cơ cảm ứng).

•

Động cơ DC servo (dựa trên thiết kế động cơ một chiều).

•

Động cơ servo không chổi than (dựa trên thiết kế động cơ đồng bộ).

Như là một phần trong chuyển động liên tục, servo motor thường bị phá vỡ và cần
phải sửa chữa. Trong ngành công nghiệp sản xuất, một động cơ servo bị bắn rơi có thể
phá vỡ sản xuất và lập kế hoạch thỏa hiệp. Trong nền kinh tế ngày nay, bạn không thể
đủ khả năng để được phía sau đúng tiến độ hoặc bỏ lỡ thời hạn.
Điều Xung PWM, điều chỉnh vận tốc cho động cơ
Điều xung PWM (Pulse With Moduration) là một khâu quan trọng trong thiết kế
Robocon. Qua đó bạn có thể điều khiển tốc độ linh hoạt cho DC Motor từ đó có thể
dùng các hàm vận tốc để cho robot có thể bám theo vạch trắng mà đi. Điều xung nói
chung là cách bật tắt nguồn điện của Motor liên tục làm Motor lúc nhận đựơc điện lúc

mất điện. Khi tần số đủ cao Motor sẽ quay ổn định ở 1 tốc độ nhờ moment quay của
bánh xe.
Xung vuông là một đồ thị biểu trạng thái của nguồn điện. Nguồn được mở thì
Motor hoạt động, lúc này xung vuông đang ở trạng thái cao và nguồn tắt thì Motor
dừng lúc này xung vuông ở trạng thái thấp. Tốc độ của motor phụ thuộc vào dộ dài của
xungvuông các bạn xem hình biểu thị một xung vuông dứơi đây gồm: Xung 20%,
xung 50% và xung 80% xem khác biệt của nó.

Hình 2.20: Xung vuông PWM.


19

Ta xem các xung trên, mỗi xung dù là 20% 50% hay 80% đều có 2 trạng thái là
12V và 0V, 12V đựơc gọi là trạng thái cao ở trạng thái này Motor sẽ quay, còn 0V là
trạng thái thấp ở trạng thái này Motor sẽ có có điện áp dừng. Trong một biểu đồ xung,
tổng % của trang thái cao và trạng thái thấp là 100% và con số xung 20%, 50% và 80%
là xung cao. Cho nên % xung thấp = 100% - Xung cao. Nếu xung cao càng dài thì tốc
độ Motor càng cao, do đó ta có Motor đạt đựơc tốc độ cao nhất khi motor được gửi đến
xung 100% và Motor dừng có khi có xung 0% đựơc gửi tới.
Biện pháp điều xung cho một motor:
Chúng ta chỉ có thể điều xung cho 1 Motor khi dùng 1 con vi điều khiển có hỗ trợ
kênh điều xung mà thôi. Các con vi điều khiển có kênh điều xung có rất nhiều như là
Pic16F877A hoặc là P89C51RD của Philip....
2.3 Bánh xe đa hướng

Hình 2.21: Bánh xe Omi và Mecanum

Hình 2.22: Robot đa hướng dùng Mecanum

20

- Bánh số 1 và 2 các con lăn sẽ được bố trí về 1 phía giống nhau, số 3 và 4 giống nhau
và con lăn quay về phía ngược lại so với bánh số 1 và 2 (hình).
- Khi bố trí bánh mecanum tất cả các con lăn của bánh xe sẽ hướng vào trong theo
chiều mũi tên (hình)
Khi di chuyển và lập trình:
+ Đi thẳng: Bánh 1, 2, 3, 4 quay thuận chiều kim đồng hồ (hình) đế sẽ đi thẳng về phía
trước
+ Đi lùi: Bánh 1, 2, 3, 4 quay ngược chiều kim đồng hồ (hình) đế sẽ đi lùi về phía sau.
+ Sang ngang qua trái: Bánh 1, 2 quay ngược chiều kim đồng hồ (hình), bánh 3, 4
quay thuận chiều kim đồng hồ (hình)
+ Sang ngang qua phải: Bánh 1, 2 quay thuận chiều kim đồng hồ (hình), bánh 3, 4
quay ngịch chiều kim đồng hồ (hình)
+ Sàngchéo theo hướng mũi tên bánh số 1: Bánh 3, 4 ghì (dừng), bánh 1, 2 quay
nghịch chiều kim đồng hồ (hình)
+ Sang chéo theo hướng mũi tên bánh số 2: Bánh 3, 4 ghì (dừng), bánh 1, 2 quay thuận
chiều kim đồng hồ (hình)
+ Sang chéo theo hướng mũi tên bánh số 3: Bánh 1, 2 ghì (dừng), bánh 3, 4 quay thuận
chiều kim đồng hồ (hình).
+ Sang chéo theo hướng mũi tên bánh số 4: Bánh 1, 2 ghì (dừng), bánh 3, 4 quay
nghịch chiều kim đồng hồ (hình).
+ Bẻ lái sang phải: Bánh 1, 3 quay thuận chiều kim đồng hồ, bánh 2, 4 quay nghịch
chiều kim đồng hồ.
+ Bẻ lái sang trái: Bánh 1, 3 quay nghịch chiều kim đồng hồ, bánh 2, 4 quay thuận
chiều kim đồng hồ. Trong hình bánh mecanum dùng kỹ thuật đồng trục (động cơ và
bánh xe quay trên cùng 1 trục).
+ Ưu điểm: Ko bị chênh lệnh tốc độ quay động cơ và các bánh xe...
+ Nhược điểm: phải có board driver tốt, nếu ko di chuyển lâu FET sẽ cháy, giảm tuổi

thọ FET,...Ngoài ra, bánh mecanum dùng kỹ thuật truyền sin (1 buli trung gian hoặc 2
buli trung gian).
+ Ưu điểm: Khi di chuyển động cơ sẽ quay nhiều vòng hơn bánh xe... (giống nguyên
lý xích xe đạp), do trục động cơ truyền gián tiếp qua dây sin và buli nên khi chạy bánh
xe sẽ không tác động lực trực tiếp vào động cơ => Ít hại FET hơn so với chuyển động
đồng trục.


21

+ Nhược điểm: Khi thiết kế khoảng cách giữa buli trung gian và trục động cơ, trục
bánh xe có thể bị chênh lệch, ko chính xác tuyệt đội giữa các bánh xe, khi chạy các
bánh xe sẽ ko đều nhau.
2.4 Encoder cho bánh xe
Enconder là 1 hệ thống gồm 1 cặp thu, phát hồng ngoại và một đĩa tròn có rãnh.
Encoder dùng để quản lí và xác định vị trí góc quay của 1 vật chuyển động tròn như là
bánh xe, trục động cơ mà ứng dụng của encoder trong kĩ thuật robocon là đếm số vòng
quay của bánh xe.

Hình 2.23: Một đĩa tròn encoder 2 vòng lỗ.

Vì trong robot ứng dụng chính của encoder là đếm vòng quay của động cơ nên ở đây
mình chỉ đề cập đến encoder đếm lên (Incremental encoder).
Trong Encoder độ phân giải chính là số lỗ trên 1 vòng, ví dụ như đĩa encoder trên thì
nó có 2 lỗ/vòng. Cách thức hoạt động của nó cũng không có gì là phức tạp. Encoder sử
dụng 1 cặp led phát, thu hồng ngoại. Các led hồng ngoại đựơc đặt đối diện nhau, giữa
2 led ta đặt cái đĩa encoder vào.

Hình 2.24: Encoder được đặt giữa hai led hồng ngoại.

Như hình trên bạn thấy, khi bánh xe chuyển động thì đĩa quay cũng chuyển động


22

còn đĩa đứng chỉ sử dụng để thu nhỏ tia sáng thôi, chúng ta không nên chú ý đến đĩa
đứng làm gì. Trên đĩa quay có các rãnh (lỗ) khi quay đến nếu led chiếu vào các rãnh thì
các tia hồng ngoại sẽ đuợc chiếu xuyên qua các rãnh rồi đến led thu, còn khi led chiếu
vào chỗ không có rãnh trên đĩa thì ánh sáng không thể đi qua đĩa được. Cho nên khi
nhận đươc tín hiệu thì chúng ta biết rằng led đã điqua được 1 rãnh.
Vậy làm sao để biết được đĩa đã quay 1 vòng? Rất đơn giản, chúng ta giả sử như
chúng ta có 1 đĩa encoder có 1 vòng lỗ và và vòng lõ đó chỉ có 1 lỗ. Khi bắt đầu ta để
cho led chiếu qua vòng lỗ đó và cho encoder quay. Khi nào nó quay đủ 1 vòng thì nó
sẽ quay lại cái lỗ đó và led chiếu vào lỗ thì sẽ truyền tín hiệu là đã quay hoàn tất 1
vòng, như vậy 1 lỗ sẽ gửi về 1 tín hiệu xung vuông.
- Encoder có vòng càng nhiều lỗ thì có độ phân giải càng cao (xung/vòng) và khi đó
bộ xử lí của bạn phải có tộc độ thật cao để nhận biết kịp thời các xung vì tốc độ của
động cơ rất cao.do đó với các ứng dụng bình thường thì ta chỉ nên dùng vòng encoder
ít lộ để đếm thôi. Ví dụ như chúng ta có 1 đĩa encoder 16 lỗ trên 1 vòng. Chúng ta sẽ
lập trình bộ đếm (Counter) ngoài để đếm số lỗ, khi đếm lên đến 16 lỗ thì chúng ta sử
dụng ngắt để báo rằng đông cơ đã hoàn tất 1 vòng quay.
- Trong trường hợp có một tác động nào đó khiến cho encoder đếm sai 1 lỗ, đếm sai 1
lỗ tuy không phải là con số lớn. Nhưng trong trường hợp ta muốn động cơ quay nhiều
vong thì sai 1 lỗ đó sẽ càng tích luỹ và sẽ là 1 con số lớn. Cho nên chúng ta sẽ tạo theo
1 lỗ định vị ngay bên trong võng lỗ đếm nữa:

Hình 2.25: Tạo một lỗ trong vòng lỗ đếm.

Khi led của lỗ định vị báo rằng motor đã hoàn tất 1vòng quay mà vong ngoài chưa có
tín hiệu hoàn tất một vòng quay thì chúng ta cho rằng đó là do lỗi của bộ đếm và chấp

nhận đó là một vòng quay.
- Làm thế nào để biết chiều quay của một đông cơ? Ta sử dụng thêm một cặp led phát


23

thu cặp này đặt lệch so với cặp thứ 1, ví dụ cặp thứ nhất chiếu vào 1 rãnh thì cặp này
không chiếu vào rãnh. Do đó khi rãnh quay chúng ta sẽ có sơ đồ xung như hình sau:

Hình 2.26: Sơ đồ xung các rãnh quay.

Các bạn thấy rằng nếu như khi xung A đang từ mức cao xuống mức thấp, mà lúc đó B
đang ở mức thấp, thì chúng ta sẽ xác định được chiều chuyển động của encoder theo
chiều mũi tên màu cam.
Nếu A đang từ mức cao xuống mức thấp, mà B đang ở mức cao, thì chúng ta sẽ biết
encoder đang quay theo chiều màu đen.


24

CHƯƠNG 3: LẬP TRÌNH MỘT ROBOT
TỰ ĐỘNG
3.1 Yêu cầu
Lập trình một robot tự động với yêu cầu có:

1.
2.

Khả năng lần theo vạch trắng.
Khả năng nhận biết và đếm các điểm giao nhau khi nó đi qua.

3.2 Lần theo vạch trắng

Trong con robot tự động mẫu của chúng tôi, chúng tôi đặt 2 cặp sensor IR: Bên
trái (Left) và bên phải (Right) ở phần đầu của robot. Khi sensor trái cắt đường trắng,
giá trị của sensor sẽ hạ xuống dưới mức điện áp ngưỡng đặt trước và chúng ta buộc
phải để cho robot chạy sang trái một vài bước để điều chỉnh hướng đi của nó. Hoặc khi
sensor phải cắt vào vạch trắng, giá trị của sensor phải sẽ thấp hơn giá trị ngưỡng đặt
sẵn, chúng ta phải cho robot chạy sang phải một vài bước để điều chính hướng chạy
chính xác. Nếu cả hai sensor đều không cắt vạch trắng thì chúng ta giả định là đã đi
đúng hướng và để nó chạy thẳng.


25

Hình 3.1: Thuật toán lần theo vạch trắng.

3.3 Dò và đếm những đường cắt
Để dò được những điểm giao nhau của các vach khi robot chạy qua, chúng tôi
kiểm tra cả sensor trái và phải. Nếu cả hai sensor đều cắt vạch trắng cùng lúc thì chúng
ta có thể cho rằng robot đã đi qua 1 điểm giao nhau. Trong trường hợp này, chúng ta
phải để cho robot đi tiếp vài bước để tránh đếm 2 lần điểm giao nhau này.

Hình 3.2: Thuật toán nhận biết và đếm điểm giao nhau.

3.4 Chương trình
Hàm C dưới đây là ví dụ cho 1 robot lần theo đường trắng và đếm vạch giao nhau khi
nó đi qua:
……
void move_robot(unsigned char step) {
int cnt;

cnt=0;
while(cntif (read_sensor(1)>ALIGN_THRESHOLD &&
read_sensor(2)>ALIGN_THRESHOLD) movet(FORWARD,1,0);