GIÁM SÁT, ĐIỀU KHIỂN, THU THẬP DỮ LIỆU KHÔNG DÂY CHO MOBILE ROBOT

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƢỜNG ĐẠI HỌC NÔNG LÂM THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH

KHÓA LUẬN TỐT NGHIỆP

GIÁM SÁT, ĐIỀU KHIỂN, THU THẬP DỮ LIỆU
KHÔNG DÂY CHO MOBILE ROBOT

Họ và tên sinh viên: UNG MINH HOAN
Ngành: CƠ ĐIỆN TỬ
Niên khóa: 2011-2015

Tháng 06 năm 2015


GIÁM SÁT, ĐIỀU KHIỂN, THU THẬP DỮ LIỆU KHÔNG DÂY
CHO MOBILE ROBOT

TÁC GIẢ

UNG MINH HOAN

Khóa luận tốt nghiệp đƣợc đề trình đáp ứng yêu cầu
cấp bằng kỹ sƣ ngành Cơ Điện Tử

Giáo viên hƣớng dẫn:
Th.S Nguyễn Tấn Phúc

Tháng 06 năm 2015
i

LỜI CẢM ƠN
Em xin trân trọng cảm ơn tất cả quý thầy cô ở trƣờng Đại học Nông Lâm TP.Hồ Chí
Minh và quý Thầy Cô trong khoa Cơ Khí - Công Nghệ đã trang bị cho em những kiến
thức quý báu cũng nhƣ đã giúp đỡ em trong suốt quá trình học tập tại trƣờng.
Em xin chân thành cảm ơn các thầy cô trong bộ môn Cơ Điện Tử đã giúp đỡ chúng em
nhiệt tình trong thời gian thực hiện đề tài.
Em cũng xin bày tỏ sự biết ơn chân thành đến thầy Nguyễn Tấn Phúc đã tận tình
hƣớng dẫn em trong suốt quá trình làm Luận văn tốt nghiệp.
Đặc biệt, em xin cảm ơn quý thầy cô trong hội đồng đã dành thời gian nhận xét và góp
ý để luận văn của em hoàn thiện hơn.
Cuối cùng, em xin gửi lời cảm ơn đến những ngƣời thân cũng nhƣ bạn bè đã động
viên, ủng hộ và luôn tạo mọi điều kiện thuận lợi cho em trong suốt quá trình hoàn
thành luận văn.
TPHCM, tháng 06 năm 2015
Sinh viên thực hiện

UNG MINH HOAN

ii


TÓM TẮT
Đề tài nghiên cứu “Giám sát, điều khiển, thu thập dữ liệu không dây cho mobile
robot” đƣợc thực hiện tại trƣờng Đại Học Nông Lâm Thành Phố Hồ Chí Minh, thời
gian từ tháng 3 đến tháng 6 năm 2015.
Đề tài đã thực hiện thành công và đạt đƣợc kết quả khả quan nhƣ xây dựng
đƣợc một mô hình mobile robot hoàn chỉnh với các mạch điện tử đƣợc làm thủ công.
Với code chƣơng trình đƣợc lập trình bằng ngôn ngữ C trên phần mềm arduino, cùng
với giao diện điều khiển, hiển thị nhiệt độ và độ ẩm môi trƣờng đƣợc viết trên phần

mềm matlab.
Xây dựng đƣợc một báo cáo hoàn chỉnh về các bƣớc để thiết kế phần cứng lẫn
phần mềm của một mobile robot giám sát, thu thập dữ liệu, điều khiển từ xa. Để làm
tiền đề cho các khóa sau tìm hiểu phát triển để ứng dụng vào các cuộc thi robocon.
Nội dung báo cáo đƣợc trình bày theo bố cục sau:
Chƣơng 1: Tổng quan
Chƣơng 2: Cơ sở lý thuyết
Chƣơng 3: Mô hình hóa và mô phỏng
Chƣơng 4: Kết quả và khảo nghiệm
Chƣơng 5: Kết luận
Do thời gian thực hiện còn hạn chế, trình độ và kinh nghiệm có giới hạn nên đề
tài còn nhiều thiếu sót. Em rất mong nhận đƣợc sự đóng góp ý kiến của quý thầy cô và
bạn bè để đề tài của em càng đƣợc hoàn thiện hơn.

iii


MỤC LỤC
Trang
LỜI CẢM ƠN ..................................................................................................................ii
TÓM TẮT...................................................................................................................... iii
MỤC LỤC ...................................................................................................................... iv
DANH SÁCH CÁC BẢNG ..........................................................................................vii
DANH SÁCH CÁC HÌNH .......................................................................................... viii
Chƣơng 1 TỔNG QUAN ................................................................................................. 1
1.1 Lý do chọn đề tài ....................................................................................................... 1
1.2 Mục tiêu đề tài ........................................................................................................... 1
1.3 Phƣơng pháp nghiên cứu đề tài ................................................................................. 2
1.4 Vật liệu nghiên cứu.................................................................................................... 3
1.4.1 Phần cứng ............................................................................................................... 3

1.4.2 Phần mềm ............................................................................................................... 3
1.5 Tổng quan về mobile robot........................................................................................ 3
1.5.1 Lịch sử ra đời Robot ............................................................................................... 3
1.5.2 Sơ lƣợc về mobile robot ......................................................................................... 4
1.5.3. Phân loại mobile robot........................................................................................... 5
1.5.4 Ứng dụng ................................................................................................................ 5
1.6 Nội dung thực hiện .................................................................................................... 6
Chƣơng 2 CƠ SỞ LÝ THUYẾT ..................................................................................... 7
2.1 Vi điều khiển ATmega328P ...................................................................................... 7
2.1.1 Giới thiệu họ vi điều khiển AVR............................................................................ 7
2.1.2 Giới thiệu vi điều khiển ATmega328P ................................................................... 7
2.1.3 Cấu trúc bộ nhớ ...................................................................................................... 8
2.2 Cảm biến siêu âm SRF05 ........................................................................................ 10
2.2.1 Giới thiệu .............................................................................................................. 10
2.2.1.1 Cảm biến siêu âm và nguyên tắc TOF ( Time Of Flight )................................. 11
2.2.1.2 Tầm quét của cảm biến siêu âm ....................................................................... 11
2.2.1.3 Thông số một số loại cảm biến siêu âm SRF ................................................... 12
iv


2.2.1.4 Cảm biến siêu âm SRF05 và đặc tính kỹ thuật................................................. 13
2.2.2 Các chế độ của SRF05 ......................................................................................... 14
2.2.2.1 Chế độ 1: tƣơng ứng SRF04 – tách biệt kích hoạt và phản hồi........................ 14
2.2.2.2 Chế độ 2: Dùng một chân cho cả kích hoạt và phản hồi .................................. 15
2.3 Module bluetooth HC05 .......................................................................................... 19
2.4 Giới thiệu DHT22 ................................................................................................... 20
2.4.1 Giới thiệu .............................................................................................................. 20
4 chân, khoảng cách chân 0.1''. 2.4.2 Nguyên lý hoạt động - Sơ đồ kết nối vi xử lý: 21
2.5 Động cơ DC ............................................................................................................. 23
2.5.1 Cấu tạo .................................................................................................................. 23

2.5.2 Nguyên tắc hoạt động ........................................................................................... 24
2.6 Động cơ RC Servo 9G ............................................................................................. 26
2.7 IC L293D ................................................................................................................. 27
2.8 Giới thiệu phần mềm lập trình cho ATmega328P................................................... 28
2.9 Giới thiệu phần mềm Matlab ................................................................................... 29
Chƣơng 3 PHƢƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU ................................................................ 31
3.1 Thiết kế phần cứng .................................................................................................. 31
3.1.1. Kết cấu khung của robot ...................................................................................... 31
3.1.2 Mạch nguyên lí phần cứng của robot. .................................................................. 32
3.1.2.1 Khối nguồn ........................................................................................................ 33
3.1.2.2 Khối vi xử lí ....................................................................................................... 34
3.1.2.3 Khối công suất động cơ ..................................................................................... 35
3.1.2.4 Khối giao tiếp máy tính từ xa ............................................................................ 36
3.1.2.5 Khối cảm biến .................................................................................................... 37
3.1.2.5.1 Cảm biến độ ẩm DHT22................................................................................. 37
3.1.2.6 Động cơ RC Servo 9G ....................................................................................... 38
3.2 Thiết kế phần mềm .................................................................................................. 39
3.2.1 Giới thiệu ngôn ngữ C .......................................................................................... 39
3.2.2 Phần mềm biên dịch ............................................................................................. 39
3.2.3 Phần mềm thiết kế giao diện điều khiển............................................................... 39
3.3 Lƣu đồ giải thuật...................................................................................................... 40
v


3.3.1 Sơ đồ giải thuật chƣơng trình chính ..................................................................... 40
Chƣơng 4 KẾT QUẢ THẢO LUẬN ............................................................................. 42
4.1 Phần cứng ................................................................................................................ 42
4.1.1 Main chính ............................................................................................................ 42
4.1.2 Mạch cầu H ........................................................................................................... 43
4.1.3 Mạch nguồn .......................................................................................................... 43

4.1.4 Mô hình hệ thống sau khi hoàn thiện ................................................................... 44
4.1.5 Cấu tạo và nguyên tắc hoạt động .......................................................................... 44
4.2 Giao diện điều khiển ................................................................................................ 45
4.3 Khảo nghiệm........................................................................................................... 46
4.3.1 Thiết bị khảo nghiệm ............................................................................................ 46
4.3.2 Chạy khảo nghiệm mobile robot .......................................................................... 47
4.3.2.1 Khảo nghiệm cảm biến nhiệt ẩm DHT22 .......................................................... 47
4.3.2.2 Khảo nghiệm SRF05 ......................................................................................... 49
4.3.2.3 Khảo nghiệm chế độ điều khiển từ xa của mobile robot ................................... 52
4.3.2.4 Khảo nghiệm chế độ tự hành né vật cản của mobile robot ............................... 52
4.3.2.5 Khảo nghiệm chế độ tự dừng của mobile robot khi ở chế độ điều khiển từ xa 55
Chƣơng 5 KẾT LUẬN VÀ ĐỀ NGHỊ .......................................................................... 57
5.1 Kết luận................................................................................................................... 57
5.2 Đề nghị ................................................................................................................... 57
TÀI LIỆU THAM KHẢO ............................................................................................. 59
PHỤ LỤC ...................................................................................................................... 60

vi


DANH SÁCH CÁC BẢNG
Trang
Bảng 4.1: Kết quả khảo nghiêm DHT22...........................................................................
Bảng 4.2: Kết quả đo của SRF05 ở khảo nghiệm 1 ....................................................................
Bảng 4.3: Kết quả đo của SRF05 ở khảo nghiệm 2 ...................................................... 51
Bảng 4.4: Kết quả khảo nghiệm chế độ điều khiển của mobile robot .......................... 52
Bảng 4.5: Kết quả khảo nghiệm chế độ né vật cản của mobile robot lần 1.................. 53
Bảng 4.6: Kết quả khảo nghiệm chế độ né vật cản của mobile robot lần 2.................. 54
Bảng 4.7: Kết quả khảo nghiệm chế độ né vật cản của mobile robot lần 3 .................. 55
Bảng 4.8: Kết quả khảo nghiệm chế độ tự dừng chờ lệnh điều khiển khi có vật cản

phía trƣớc dƣới 20cm .................................................................................................... 56

vii

50


DANH SÁCH CÁC HÌNH
Trang

Hình 1.1: Sơ đồ tổng quát điều khiển Robot .................................................................. 4
Hình 2.1: Sơ đồ chân ATmega328P ............................................................................... 7
Hình 2.2: Sơ đồ khối cấu trúc ATmega328P .................................................................. 8
Hình 2.3: Bộ nhớ chƣơng trình có và không có sử dụng boot loader............................. 9
Hình 2.4: Sơ đồ bộ nhớ dữ liệu .................................................................................... 10
Hình 2.5: Cảm biến siêu âm.......................................................................................... 10
Hình 2.6: Nguyên tắc TOF ........................................................................................... 11
Hình 2.7: Tầm quét của cảm biến siêu âm.................................................................... 12
Hình 2.8: Thông số của một số cảm biến siêu âm SRF ................................................ 12
Hình 2.9: Hình ảnh thực tế cảm biến siêu âm SRF05................................................... 13
Hình 2.10: Chế độ 1 của SRF05 ................................................................................... 14
Hình 2.11: Giản đồ định thời SRF05 ở chế độ 1 .......................................................... 15
Hình 2.13: Giản đồ định thời SRF05 ở chế độ 2 .......................................................... 16
Hình 2.14: Chùm tia của cảm biến SRF05 ................................................................... 17
Hình 2.15: Sơ đồ hoạt động của cảm biến siêu âm....................................................... 17
Hình 2.16: Mức độ hồi tiếp sóng âm ............................................................................ 18
Hình 2.17: Vùng phát hiện của SRF05 ......................................................................... 18
Hình 2.18: Vùng phát hiện của 2 cảm biến SRF05 ...................................................... 19
Hình 2.19: Ảnh thực tế Module Bluetooth HC05 ........................................................ 19
Hình 2.20: Sơ đồ chân của DHT22 .............................................................................. 20

Hình 2.21: Sơ đồ kết nối DHT22 với MCU ................................................................. 21
Hình 2.22: Một số động cơ DC đƣợc sử dụng trong robot. .......................................... 23
Hình 2.23: Nguyên lí hoạt động của động cơ DC ........................................................ 26
Hình 2.24 : Ảnh thực tế động cơ RC Servo 9G ............................................................ 26
Hình 2.25: Sơ đồ chân IC L293 .................................................................................... 27
Hình 2.26: Giao diện phần mềm Arduino1.5.8 ............................................................ 28
viii


Hình 2.27: Giao diện phần mềm Matlab....................................................................... 29
Hình 3.1: Hình ảnh thực tế khung mobile robot ........................................................... 31
Hình 3.2: Sơ đồ khối tổng quát mobile robot ............................................................... 32
Hình 3.3: Mạch nguồn ổn áp 5V và 8V DC ................................................................. 33
Hình 3.4: Mạch điều khiển trung tâm ........................................................................... 34
Hình 3.5: Sơ đồ nguyên lý L293 ................................................................................... 35
Hình 3.6: Sơ đồ kết nối Module Bluetooth HC05 ........................................................ 36
Hình 3.7: Sơ đồ nguyên lý DHT22 ............................................................................... 37
Hình 3.8: Sơ đồ nguyên lý SRF05 ................................................................................ 37
Hình 3.9: Sơ đồ nguyên lý RC Servo 9G...................................................................... 38
Hình 3.10: Sơ đồ giải thuật cho toàn hệ thống ............................................................. 41
Hình 3.11: Sơ đồ giải thuật cho chƣơng trình tự động ................................................. 41
Hình 4.1: Main chính .................................................................................................... 42
Hình 4.2: Mạch cầu H L293 ......................................................................................... 43
Hình 4.3: Mạch nguồn 5V, 8V ..................................................................................... 43
Hình 4.4: Mô hình Mobile robot hoàn thiện ................................................................. 44
Hình 4.5: Giao diện điều khiển và hiển thị trên PC ...................................................... 45
Hình 4.6: Hình ảnh thực tế nhiệt ẩm kế Anymetre TH108 .......................................... 47
Hình 4.7: Mô hình bố trí khảo nghiệm cảm biến nhiệt độ DHT22 .............................. 48
Hình 4.8: Giao diện đọc kết quả khảo nghiêm cảm biến nhiệt độ DHT22 .................. 48
Hình 4.9: Mô hình bố trí khảo nghiệm cảm biến SRF05 lần 1 ..................................... 50

Hình 4.10: Giao diện đọc kết quả cảm biến SRF05 lần 1............................................. 50
Hình 4.11: Mô hình bố trí khảo nghiệm cảm biến SRF05 lần 2 ................................... 51
Hình 4.12: Giao diện đọc kết quả cảm biến SRF05 lần 2............................................. 51
Hình 4.13: Mô hình bố trí khảo nghiệm khả năng né vật cản lần 1.............................. 53
Hình 4.14: Mô hình bố trí khảo nghiệm khả năng né vật cản lần 2.............................. 54
Hình 4.15: Mô hình bố trí khảo nghiệm khả năng né vật cản lần 3.............................. 55
Hình 4.16: Mô hình bố trí khảo nghiệm khả năng tự động dừng chờ lệnh điều khiển. 56

ix


Chƣơng 1
TỔNG QUAN
1.1 Lý do chọn đề tài
Trong giai đoạn công nghiệp hóa và hiện đại hóa đất nƣớc hiện nay, khái niệm
về robot đã không còn xa lạ với chúng ta. Robot đƣợc sử dụng rộng rãi và phổ biến,
không những trong sản xuất công nghiệp, nông nghiệp mà còn phục vụ trong gia đình,
giải trí….
Đồng hành với sự phát triển của công nghệ điện tử, kỹ thuật số, vi xử lý, các hệ
thống tự động hóa…Đã làm cho công nghệ robot trở nên thông minh hơn, nhỏ gọn và
nhanh nhẹn hơn và càng nhiều chức năng đa dạng, phong phú nhằm phục vụ tối ƣu
cho cuộc sống của con ngƣời.
Trong quá trình sản xuất ở các nhà máy, xí nghiệp, trong công nghệ thám hiểm
vũ trụ, trong công nghệ môi trƣờng… robot đóng một vai trò vô cùng thiết yếu. Nhằm
thực hiện các công việc nguy hiểm, nặng nhọc trong môi trƣờng khắc nghiệt, ô nhiễm,
các công việc đòi hỏi tính chính xác cao.
Bởi những lí do trên em đã chọn thực hiện đề tài: “ Giám sát, Điều khiển, Thu
thập dữ liệu không dây cho mobile robot ” với các tính năng tự hành né vật cản, điều
khiển từ xa bằng sóng Bluetooth, thu nhận nhiệt độ và độ ẩm môi trƣờng xung quanh,
hiển thị qua giao diện matlab.

1.2 Mục tiêu đề tài
Mục tiêu trƣớc hết là hoàn thành đề tài tốt nghiệp.
Áp dụng những lý thuyết đã học vào thực tế, phát huy những thành quả của vi
điều khiển vào thực tế tạo những sản phẩm, những thiết bị tiên tiến hơn nhằm đạt hiệu
quả cao trong sản xuất cũng nhƣ phục vụ nhu cầu trong sinh hoạt hằng ngày.
Ôn lại, tìm hiểu rộng thêm các kiến thức đã đƣợc học.
Cuối cùng là hoàn thiện đƣợc mô hình mobile robot với những chức năng sau:

1


- Chức năng điều khiển từ xa bằng giao diện matlab thông sóng Bluetooth với
các tính năng: tới, lùi, rẽ phải, rẽ trái, dừng.
- Chức năng tự hành: robot tự động di chuyển, kết hợp với cảm biến siêu âm và
động cơ servo có khả năng phát hiện vật cản, khi gặp chƣớng ngại vật trong khoảng 30
cm robot tự động dừng, tự động tìm hƣớng né vật cản và di chuyển tiếp.
- Chức năng ghi nhận nhiệt độ và độ ẩm của môi trƣờng thông qua cảm biến
nhiệt ẩm DHT22 và gửi tín hiệu qua sóng Bluetooth hiển thị trên giao diện matlab
Ngoài ra, em mong muốn đề tài là nền tảng để các khóa sau nghiên cứu, phát triển
hoàn thiện hệ thống hơn để ứng dụng vào các cuộc thi robocon, ứng dụng trong cuộc
sống sinh hoạt hằng ngày.
1.3 Phƣơng pháp nghiên cứu đề tài
- Mô hình robot mobile là sự kết hợp của nhiều linh kiện điện tử lại với nhau,
đƣợc tính hợp trong robot. Do đó để hoàn thiện đƣợc đồ án cần phải hiểu rõ cấu tạo,
nguyên lý hoạt động của các linh kiện cần thiết trong mạch. Do kiến thức còn hạn chế
nên để am hiểu hết kiến thức về các linh kiện không phải là việc dễ dàng, cho nên
trƣớc hết phải tìm thêm tài liệu liên quan đến đồ án trên các diễn đàn. Sau đó thống kê
các cảm biến, linh kiện sử dụng và các đồ dùng cần thiết trong quá trính làm đồ án.
- Khi đã thống kê đầy đủ các vật dụng thì chúng ta bắt đầu vào phần thiết kế
phần cứng cho mô hình, có thể mô phỏng và vẽ mạch nguyên lý, mạch in bằng phần

mềm chuyên dùng nhƣ Proteus, Eagle, Orcad,…Điều cần lƣu ý trong phần này là việc
sắp xếp các linh kiện phải hợp lý, để làm đƣợc điều này các bạn phải nắm vững kỹ
năng vẽ mạch, sắp xếp linh kiện trong phần mềm một cách logic.
- Sau khi có mạch in, chúng ta bắt đầu thực hiện việc lắp linh kiện vào bo mạch,
hàn, kiểm tra, chỉnh sửa bo mạch trƣớc khi thử nghiệm. Kế tiếp ta tiến hành lắp ráp
khung robot có sẵn, tiến hành hoàn thiện phần cứng mobile robot. Sau khi đã hoàn
thành phần cứng robot, ta tiến hành viết chƣơng trình điều khiển cho vi điều khiển
AVR để có thể đọc dữ liệu từ các cảm biến, xử lý dữ liệu và thực hiện các chức năng
của robot, hiển thị dữ liệu từ cảm biến lên matlab của máy tính. Ngôn ngữ lập trình
cho AVR ở đây tôi dùng ngôn ngữ C để lập trình, dùng phần mềm arduino để viết và
dịch ra file hex cho AVR. Cuối cùng ta tiến hành viết giao diện matlab để kết nối robot
với máy tính, nhằm điều khiển robot và hiển thị dữ liệu từ cảm biến của mobile robot.
2


1.4 Vật liệu nghiên cứu
1.4.1 Phần cứng
- Khung mobile robot có sẵn gồm:
+ Khung robot
+ Bánh xe
+ Động cơ
- Vi điều khiển dùng chip AVR ATmega328P(A)
- Các cảm biến đƣợc sử dụng trong đề tài:
+ Cảm biến nhiệt ẩm DHT22
+ Cảm biển siêu âm SRF05
- Module Bluetooth HC05
- Mạch cầu H dùng IC L293
- Các linh kiện điện tử thông dụng khác nhƣ: IC7805, 7808, trở, tụ điện, thạch anh,
led, transistor…
- Các vật dụng để làm mạch nhƣ: mỏ hàn, chì hàn, đồng hồ VOM…

1.4.2 Phần mềm
- Để có đƣợc một mobile robot với nhiều chức năng, thì phải kết hợp một cách
logic giữa phần cứng và phần mềm. Phần mềm là các chƣơng trình hỗ trợ cho chúng ta
trong quá trình thiết kế, lập trình cho vi điều khiển, thiết kế giao diện cho robot.Trong
đồ án, tôi sử dụng các phần mềm và chƣơng trình sau:
- Phần mềm hỗ trợ thiết kế và thi công mạch: Dùng Proteus 7 Professional,
Eagle
- Phần mềm hỗ trợ lập trình cho AVR: dùng chƣơng trình Arduino
- Thiết kế giao diện kết nối máy tính và robot: dùng phần mềm matlab
1.5 Tổng quan về mobile robot
1.5.1 Lịch sử ra đời Robot
Năm 1921, trên sân khấu kịch nói ở Tiệp Khắc, trong tác phẩm nhan đề
„„ R.U.R‟‟ hay „„ Rossuum‟s Uniiversal Robot‟s‟‟ của Karel Capek, xuất hiện nhân vật
„„ Robotnik‟‟ có nghĩa là công nhân. Nhân vật trong vở diễn mô tả một khối cơ khí rập
khuôn hình dáng con ngƣời. Sau đó những cỗ máy này đƣợc dùng trong chiến tranh và
cuối cùng đã quay lại chống loài ngƣời đã sáng tạo ra chúng.
3


Tuy nhiên trƣớc đó ngƣời Hy Lạp đã chế tạo những tƣợng đá có thể chuyển
động đƣợc, đó chính là sự bắt đầu của những gì chúng ta gọi là Robot. Trong phần lớn
trƣờng hợp danh từ Robot hiện nay hàm ý những cỗ máy nhân tạo có thể thực hiện
những công việc hay những hành động khác thƣờng, đƣợc thực hiện bởi con ngƣời.
Đa số các Robot ngày nay đƣợc sử dụng trong các nhà máy để chế tạo những
sản phẩm nhƣ xe hơi và điện tử, máy móc công nghiệp. Những loại khác đƣợc dùng
trong các công việc nghiên cứu, thám hiểm mặt đất, đại dƣơng và trên các hành tinh
khác. Và cả phục vụ cho sinh hoạt hằng ngày của con ngƣời.
1.5.2 Sơ lƣợc về mobile robot
Khái niệm: mobile robot là các robot mà trong đó nhiệm vụ chủ yếu của nó là di
chuyển, định vị, tìm đƣờng đi tối ƣu và vẽ lại bản vẽ.

Thành phần chính đƣợc chia làm 3 phần chính:
+ Bộ não( Brain): Là main chính dùng để điều khiển hoạt động của toàn bộ hệ
thống robot.
+ Cảm biến( Sensor): các loại cảm biến âm thanh, nhiệt độ, chuyển động, ánh
sáng, khoảng cách… Nhờ vào phần này mà robot có thể biết các yếu tố môi trƣờng
xung quanh.
+ Các bộ phận cơ khí và cấp hành( Actuator): động cơ, piston, cơ cấu kẹp,
bánh răng, bánh xe.
Ngoài ra còn đƣợc lắp các thiết bị phụ trợ nhƣ camera, máy ghi âm...hoặc cả
vũ khí để thực hiện những nhiệm vụ riêng tùy vào mục đích.
-

Sơ đồ tổng quát điều khiển Robot:
NGƢỜI
ĐIỀU
KHIỂN

BỘ ĐIỀU
KHIỂN TỪ
XA

MOBILE
ROBOT

KHỐI CẢM
BIẾN

Hình 1.1: Sơ đồ tổng quát điều khiển Robot
4

- Mobile robot là một lĩnh vực có nhiều tiềm năng, đƣợc dùng trong nhiều mục đích
khác nhau nhƣ: giải trí trong gia đình, phục vụ trong các công sở, trong các mục đích
quân sự, và dùng nhiều trong thám hiểm hành tinh. Tiêu biểu trong họ robot này có thể
kể đến nhƣ: chó robot Aibo, xe tự hành Sojourner thám hiểm sao hỏa và các loại robot
dò mìn, tìm đƣờng,…
1.5.3. Phân loại mobile robot
Có một số cách phân loại mobile robot sau:
- Phân loại theo môi trƣờng mà chúng di chuyển:
+ Robot Ngoài trời và robot trong nhà. Thông thƣờng, chúng đƣợc lắp bánh
xe, nhƣng có loại robot có chân (gồm 2 hoặc nhiều chân) robot hình ngƣời, robot hình
dạng động vật hoặc côn trùng.
+ Robot trên không thƣờng dùng cho các phƣơng tiện trên không, phƣơng tiện
không ngƣời lái.
+ Robot dƣới nƣớc dùng cho các phƣơng tiện hoạt động dƣới nƣớc, chúng
hoạt động độc lập.
- Phân loại theo phƣơng pháp di chuyển:
+ Robot có chân, chân giống ngƣời hay chân giống động vật.
+ Robot có bánh xe.
+ Robot di chuyển bằng bánh xích.
1.5.4 Ứng dụng
Ngày nay, mobile robot đƣợc ứng dụng rộng rãi hầu hết trong mọi lĩnh vực.
- Lĩnh vực đƣợc ứng dụng nhiều nhất là trong công nghiệp, mobile robot đƣợc sử
dụng chủ yếu để di chuyển các thiết bị, mang vác nguyên liệu và phụ kiện cần thiết,
nơi có môi trƣờng làm việc ô nhiễm độc hại. Robot đƣợc dẫn hƣớng bởi các đƣờng
dây điện đặt ở dƣới sàn, hay các robot này đƣợc lập trình theo một đƣờng đi và công
việc nhất định.
- Phục vụ công việc hằng ngày và giải trí của con ngƣời. Ví dụ nhƣ robot lau nhà,
nhảy theo điệu nhạc, robot điều tiết giao thông….
- Trong an ninh quốc phòng cũng đƣợc đầu tƣ nghiên cứu phát triển rất nhiều.

- Ngoài ra, còn đƣợc ứng dụng trong thám hiểm vũ trụ và nhiều lĩnh vực khác. Ví
dụ nhƣ Robot Sojourner đƣợc sử dụng trong nhiệm vụ tìm kiếm sự sống trên sao Hỏa
5


năm 1997. Robot hầu nhƣ hoàn toàn đƣợc điều khiển từ xa trái đất. Tuy nhiên, robot
có một số sensor đƣợc trang bị trên nó giúp nó có thể di chuyển một cách khá độc lập.
1.6 Nội dung thực hiện
- Mobile robot là sảm phẩm tổng hợp của nhiều ngành kỹ thuật nhƣ điện tử,
máy tính, cơ khí…Cấu trúc của robot gồm hai phần: phần cứng và phần mềm. Phần
cứng của robot gồm phần cơ khí nhƣ khung robot và phần điện tử nhƣ các linh kiện
điện tử, vi điều khiển. Nhƣng để khai thác hết các chức năng của robot này, thì cần
phải có phần mềm là các chƣơng trình điều khiển giao tiếp với bộ vi xử lý thông qua
các phần tử ngoại vi nhƣ cảm biến. Phần cứng và phần mềm có quan hệ chặt chẽ với
nhau để tạo nên một mobile robot có chất lƣợng và hiệu quả.
- Mobile robot đƣợc xây dựng theo từng khối riêng biệt, mỗi khối sẽ đảm nhận
những chức năng khác nhau, và nhận tín hiệu điều khiển từ vi xử lý. Robot bao gồm
các module cơ bản sau:
- Khối cơ khí khung mobile robot
- Khối điều khiển trung tâm
- Khối đo và phát hiện vật thể sử dụng cảm biến siêu âm
- Khối đo nhiệt độ và độ ẩm môi trƣờng
- Thành phần chính trong robot là module xử lý trung tâm dùng vi xử lý
ATmega 328P(A). Bộ xử lý trung tâm đƣợc kết nối với các module cảm biến, module
Bluetooth, mạch cầu H thông qua dây bus. Tích hợp các chức năng robot đƣợc điều
khiển thông qua giao diện máy tính matlab.

6

Chƣơng 2
CƠ SỞ LÝ THUYẾT
2.1 Vi điều khiển ATmega328P
2.1.1 Giới thiệu họ vi điều khiển AVR
Vi điều khiển AVR do hãng Ateml (Hoa Kì) sản xuất giới thiệu lần đầu năm
1996. AVR có rất nhiều dòng khác nhau bao gồm dòng Tiny AVR ( nhƣ AT tiny 13,
AT tiny 22…) có kích thƣớc bộ nhớ nhỏ, ít bộ phận ngoại vi, rồi đến dòng AVR ( nhƣ
AT90S8535, AT90S8515,…) có kích thƣớc bộ nhớ vào loại trung bình và mạnh hơn là
dòng Mega ( nhƣ ATmega32, ATmega128, ATmega328…) với bộ nhớ có kích thƣớc
vài Kbyte đến vài trăm Kbyte cùng với các bộ ngoại vi đa dạng đƣợc tích hợp trong
chip, cũng có dòng tích hợp cả bộ LCD trên chip ( dòng LCD AVR ). Tốc độ của dòng
Mega cũng cao hơn so với các dòng khác.
2.1.2 Giới thiệu vi điều khiển ATmega328P

Hình 2.1: Sơ đồ chân ATmega328P

7


2.1.3 Cấu trúc bộ nhớ

Hình 2.2: Sơ đồ khối cấu trúc ATmega328P
Bộ nhớ vi điều khiển AVR có cấu trúc Harvard là cấu trúc có đƣờng Bus riêng
cho bộ nhớ chƣơng trình và bộ nhớ dữ liệu. Bộ nhớ AVR đƣợc chia làm 2 thành phần
chính: Bộ nhớ chƣơng trình ( program memory ) và bộ nhớ dữ liệu ( data memory ).
Bộ nhớ chƣơng trình: Bộ nhớ chƣơng trình của ATmega328P là bộ nhớ Flash
có dung lƣợng 32 Kbyte. Bộ nhớ chƣơng trình có độ rộng bus là 16 bit. Vi điều khiển
ATmega328P bộ nhớ chƣơng trình còn có thể đƣợc chia làm 2 phần: phần boot loader
( Boot loader program section ) và phần ứng dụng ( Application program section ).
8

Phần boot loader chứa chƣơng trình boot loader: Chƣơng trình boot loader là
một phần mềm nhỏ nạp trong vi điều khiển và đƣợc chạy lúc khởi động. Mỗi khi reset
vi điều khiển CPU sẽ nhảy tới thực thi chƣơng trình boot loader trƣớc, chƣơng trình
boot loader sẽ dò xem có chƣơng trình nào cần nạp vào vi điều khiển hay không, nếu
có chƣơng trình cần nạp, boot loader sẽ nạp chƣơng trình này vào vùng nhớ ứng dụng
( Application program section ), rồi thực thi chƣơng trình này. Ngƣợc lại, boot loader
sẽ chuyển tới chƣơng trình ứng dụng có sẵn trong vùng nhớ ứng dụng để thực thi
chƣơng trình này. Ở vi điều khiển ATmega328 vùng bộ nhớ boot loader chiếm 0,5
Kbyte trên tổng bộ nhớ Flash.
Phần ứng dụng ( Application program section ): là vùng nhớ chứa chƣơng trình
ứng dụng của ngƣời dùng. Cấu trúc bộ nhớ chƣơng trình có sử dụng và không sử dụng
boot loader, khi sử dụng phần boot loader ta thấy 4 word đầu tiên thay vì chỉ thị cho
CPU chuyển tới chƣơng trình ứng dụng của ngƣời dùng ( là chƣơng trình có nhãn start
) thì chỉ thị CPU nhảy tới phần chƣơng trình boot loader để thực hiện trƣớc, rồi mới
quay trở lại thực hiện chƣơng trình ứng dụng.

Hình 2.3: Bộ nhớ chƣơng trình có và không có sử dụng boot loader
- Bộ nhớ dữ liệu: Bộ nhớ dữ liệu của ATmega328 chia làm 2 phần chính là bộ
nhớ SRAM và bộ nhớ EEPROM. Tuy cùng là bộ nhớ dữ liệu nhƣng hai bộ nhớ này lại
tách biệt nhau và đƣợc đánh địa chỉ riêng.
- Bộ nhớ SRAM là vùng không gian cho chứa các biến (tạm thời hoặc toàn cục)
trong lúc thực thi chƣơng trình, vùng này tƣơng tự các thanh RAM trong máy tính
9


nhƣng có dung lƣợng khá nhỏ, với vi điều khiển ATmega328 bộ nhớ SRAM có kích
thƣớc 2 KBytes.
- Bộ nhớ EEPROM đây là bộ nhớ dữ liệu có thể ghi xóa ngay lúc vi điều khiển

đang hoạt động và không bị mất dữ liệu khi nguồn điện cung cấp bị cắt. Bộ nhớ
EEPROM giống nhƣ là ổ cứng của máy tính. Với vi điều khiển ATmega328, bộ nhớ
EEPROM có kích thƣớc là 1 Kbytes. EEPROM đƣợc xem nhƣ là một bộ nhớ vào ra
đƣợc đánh địa chỉ độc lập với SRAM, điều này có nghĩa là ta cần sử dụng các lệnh in,
out…khi muốn truy xuất tới EEPROM.

Hình 2.4: Sơ đồ bộ nhớ dữ liệu
2.2 Cảm biến siêu âm SRF05
2.2.1 Giới thiệu

Hình 2.5: Cảm biến siêu âm
Cảm biến siêu âm có nhiều loại, tùy thuộc vào công dụng nhƣ để nhận biết vật
trong khoảng cách gần hay xa, nhận biết các vật có tính chất khác nhau và trong những

10


điều kiện hoạt động khác nhau mà ngƣời ta chế tạo các loại cảm biến siêu âm cũng
khác nhau.
2.2.1.1 Cảm biến siêu âm và nguyên tắc TOF ( Time Of Flight )
Sóng siêu âm đƣợc truyền đi trong không khí với vận tốc khoảng 343m/s. Nếu
một cảm biến phát ra sóng siêu âm và thu về sóng phản xạ đồng thời, đo đƣợc khoảng
thời gian từ lúc đi tới lúc thu về, thì máy tính có thể xác định đƣợc quãng đƣờng mà
sóng đã di chuyển trong không gian. Quãng đƣờng di chuyển của sóng sẽ bằng 2 lần
khoảng cách từ cảm biến tới chƣớng ngại vật sẽ đƣợc tính theo nguyên lý TOF: d =
v* t/2

Hình 2.6: Nguyên tắc TOF
2.2.1.2 Tầm quét của cảm biến siêu âm
Cảm biến siêu âm có thể đƣợc mô hình hóa thành một hình quạt, trong đó các

điểm ở giữa dƣờng nhƣ không có chƣớng ngại vật, còn các điểm trên biên thì dƣờng
nhƣ có chƣớng ngài vật nằm ở đâu đó.

11


Hình 2.7: Tầm quét của cảm biến siêu âm
2.2.1.3 Thông số một số loại cảm biến siêu âm SRF

Hình 2.8: Thông số của một số cảm biến siêu âm SRF
*: Ước tính góc của hình nón cảm biến ở ½ cảm biến
**: Số vọng ghi lại bởi cảm biến. Đây là những tiếng vọng ghi từ đọc gần đây nhất, và
được ghi đè mới bằng mỗi lần khác nhau.
A: Những cảm biến nhỏ hơn điển hình ( SRF05/04) kích thước.
B: Phạm vi thời gian có thể được điều chỉnh xuống bằng cách điều chỉnh được.
12


C: Cảm biến này cũng bao gồm một photocell ở mặt trước để phát hiện ánh sáng.
D: Hoạt động ở một tần số 235kHz cao hơn.
2.2.1.4 Cảm biến siêu âm SRF05 và đặc tính kỹ thuật

Hình 2.9: Hình ảnh thực tế cảm biến siêu âm SRF05
Module cảm biến siêu âm SRF05 dùng để đo khoảng cách đến vật chắn bằng
sóng siêu âm. Module có 2 đầu thu và phát sóng, khoảng cách đƣợc xác định bằng
cách đo khoảng thời gian mà sóng siêu âm đƣợc phát ra từ module truyền đến vật chắn
rồi phản hồi về.
Sử dụng bằng cách truyền 1 xung vào chân trigger của module, sau đó chờ 1
xung trả về trên chân echo, độ dài của xung phản hồi tƣơng ứng với thời gian của sóng
siêu âm truyền trong không khí, từ đó tính ra đƣợc khoảng cách đến vật thể chắn.

Module SRF05 đƣợc nâng cấp thêm từ SRF04: khoảng cách xa hơn 1m, thêm 1 chế độ
hoạt động. Khi giữ chân Mode trên module xuống mass, SRF05 sẽ sử dụng chung 1
chân cho cả trigger và echo để có thể tiết kiệm chân cho vi điều khiển, đồng thời thêm
vào 1 khoảng delay nhỏ để hỗ trợ cho những vi điều khiển cũ. Khi chân Mode không
nối thì SRF05 sẽ hoạt động giống nhƣ SRF04, với 2 chân riêng biệt cho trigger và
echo.
Thông số ký thuật:
Điện áp hoạt động: 5V
13


Dòng cấp: 30mA, 50mA Max.
Tần số: 40KHz
Khoảng cách đo đƣợc xa nhất: 3 m
Phát hiện vật cản trong khoảng: 3cm đến 3m
Kích thƣớc nhỏ gọn: 43mm x 20mm x 17mm
2.2.2 Các chế độ của SRF05
2.2.2.1 Chế độ 1: tƣơng ứng SRF04 – tách biệt kích hoạt và phản hồi
Chế độ này sử dụng riêng biệt chân kích hoạt và chân phản hồi, là chế độ đơn
giản nhất để sử dụng. Tất cả các chƣơng trình điển hình cho SRF04 sẽ làm việc cho
SRF05 ở chế độ này.

Hình 2.10: Chế độ 1 của SRF05

14


Hình 2.11: Giản đồ định thời SRF05 ở chế độ 1
2.2.2.2 Chế độ 2: Dùng một chân cho cả kích hoạt và phản hồi
Chế độ này sử dụng một chân duy nhất cho cả tín hiệu kích hoạt và hồi tiếp,

đƣợc thiết kế để lƣu các giá trị trên chân lên bộ điều khiển nhúng. Để sử dụng chế độ
này, chân chế độ kết nối vào chân mass. Tín hiệu hồi tiếp sẽ xuất hiện trên cùng một
chân với tín hiệu kích hoạt. SRF05 sẽ không tăng dòng phản hồi cho đến 700uS sau
khi kết thúc các tín hiệu kích hoạt.

Hình 2.12: Chế độ 2 của SRF05

15