Đồ án tốt nghiệp Điều khiển và Tự động hóa Robot tránh vật cản

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÀ RỊA VŨNG TÀU
KHOA CÔNG NGHỆ KỸ THUẬT- NÔNG NGHIỆP CNC

BÁO CÁO
ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP
Đề tài:

ROBOT TRÁNH VẬT CẢN

Giáo viên hướng dẫn

: Th.S Châu Nguyễn Ngọc Lan

Sinh viên thực hiện

: Cao Việt Đức

Lớp

: DH16TD

Chuyên Ngành

: Điều Khiển và Tự Động Hóa

Bà Rịa-Vũng Tàu, tháng 3 năm 2020


Đồ án tốt nghiệp
NHẬN XÉT CỦA GIẢNG VIÊN HƯỚNG DẪN

.............................................................................................................................
.............................................................................................................................
.............................................................................................................................
.............................................................................................................................
.............................................................................................................................
.............................................................................................................................
.............................................................................................................................
.............................................................................................................................
.............................................................................................................................
.............................................................................................................................
.............................................................................................................................
.............................................................................................................................
.............................................................................................................................
Vũng Tàu, ngày…. tháng 5 năm 2020

Giảng viên hướng dẫn

Châu Nguyễn Ngọc Lan

Trang 2


Đồ án tốt nghiệp
NHẬN XÉT CỦA GIẢNG VIÊN PHẢN BIỆN

.............................................................................................................................
.............................................................................................................................
.............................................................................................................................
.............................................................................................................................

.............................................................................................................................
.............................................................................................................................
.............................................................................................................................
.............................................................................................................................
.............................................................................................................................
.............................................................................................................................
.............................................................................................................................
.............................................................................................................................
.............................................................................................................................
Vũng Tàu , ngày

tháng 5 năm 2020

Giảng viên phản biện

Phạm Văn Tâm

Trang 3


Đồ án tốt nghiệp

Lời cảm ơn
Trên thực tế khơng có sự thành công nào mà không gắn liền với sự hỗ trợ,
giúp đỡ dù ít hay nhiều, dù trực tiếp hay gián tiếp của mọi người xung
quanh.Trong quá trình làm đồ án tốt nghiệp em nhận được nhiều sự giúp đỡ ,
đóng góp ý kiến và chỉ bảo nhiệt tình của Thầy Cơ, gia đình và bạn bè.
Đầu tiên em xin gửi lời cảm ơn sâu sắc đến cô Th.S Châu Nguyễn Ngọc
Lan là cô hướng dẫn đề tài luận văn của em, cơ đã nhiệt tình hỗ trợ em về mọi
mặt trong thời gian em thực hiện đề tài này. Cô đã cung cấp cho em những kiến

thức quý báu, ln động viên em cố gắng hồn thành đề tài. Em thật sự biết ơn
cô!
Em cũng xin cảm ơn các thầy cô trong bộ môn điều khiển tự động đã dạy
bảo em,cung cấp cho em những bài học bổ ích cũng như những kinh nghiệm
quý báu không chỉ giúp em thực hiện luận văn mà còn làm hành trang cho sự
nghiệp của em.

Trang 4


Đồ án tốt nghiệp

MỤC LỤC

BÁO CÁO ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP...................................................................... 1
LỜI MỞ ĐÂÙ ....................................................................................................... 9
1.

Tính cấp thiết của đề tài ........................................................................ 9

2.

Mục đích của đề tài ............................................................................... 9

3.

Đối tượng và phạm vi nghiên cứu ........................................................ 9

4.

Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài ............................................ 10

5.

Ưu điểm và nhược điểm của đề tài ..................................................... 10

CHƯƠNG I: TỔNG QUAN VỀ ROBOT .......................................................... 11
Giới thiệu về robot sự hình thành và phát triển .................................. 11

1.
1.1

Định nghĩa về robot ............................................................................. 11

1.2

Tình hình phát triển ............................................................................. 11
Phân loại và ứng dụng của robot ........................................................ 13

2.
2.1

Phân loại robot .................................................................................... 13

2.2

Ứng dụng của robot ............................................................................. 14

CHƯƠNG II: GIỚI THIỆU VỀ ROBOT TỰ HÀNH TRÁNH VẬT CẢN ...... 15
1.

Giới thiệu về robot tự hành tránh vật cản ........................................... 15

2.

Tổng quan robot tự hành tránh vật cản ............................................... 15
2.1 Sự phát triển .......................................................................................... 16
2.2

Mơ hình hóa của robot ........................................................................ 16

2.3

Yêu cầu công nghệ và nhu cầu thực tế ................................................ 18

2.4

Ưu điểm, nhược điểm của robot tự hành tránh vật cản ....................... 19

CHƯƠNG III: CẤU TẠO PHẦN CỨNG VÀ SƠ ĐỒ KẾT NỐI ROBOT TỰ
HÀNH TRÁNH VẬT CẢN................................................................................ 22
1.

Thông số chi tiết của các linh kiện trong mạch .................................. 23
1.1

Khối điều khiển trung tâm Arduino UNO R3 ..................................... 23

1.2

Khối điều khiển động Module L298 .................................................. 26

1.3

Khối hệ thống cảm biến SR04 ............................................................ 27
Trang 5


Đồ án tốt nghiệp
1.4

Khối động cơ RC Servo ...................................................................... 29

1.5

Khối động cơ Motor DC ..................................................................... 31

1.6

Khối bánh xe ....................................................................................... 32
Sơ đồ mạch và sơ đồ đi dây ................................................................ 34

2.

2.1 Sơ đồ mạch ............................................................................................. 34
2.2 Sơ đồ nối dây .......................................................................................... 35
3. Danh sách chuẩn bị linh kiện thi công và sản phẩm hoàn thành ................. 36
3.1 Danh sách linh kiện ............................................................................... 36
3.2

Sản phẩm hồn thành .......................................................................... 38

3.3

Chương trình điều khiển ..................................................................... 39

CHƯƠNG IV: KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN ................................. 46
Tài liệu tham khảo............................................................................................... 47
DANH MỤC HÌNH ẢNH
Hình 1 Ứng dụng robot trong cơng nghiệp ......................................................... 12
Hình 2 Ứng dụng robot trong nghiên cứu khoa họ ............................................. 13
Hình 3 Mơ hình hóa của robot ............................................................................ 16
Hình 4 Mơ hình hóa của robot ............................................................................ 20
Hình 5 Ứng dụng của robot tự hành trong các siêu thị ...................................... 20
Hình 6 Sơ đồ mạch của hệ thống điều khiển xe tự hành tránh vật cản............... 22
Hình 7 Mạch Ảrduino UNO R3 .......................................................................... 24
Hình 8 Module L298 ........................................................................................... 26
Hình 9 Module L298 ........................................................................................... 27
Hình 10 Loại micro servo Tower Pro 9g phổ biến ............................................. 30
Hình 11 Bên trong một micro servo ................................................................... 30

Trang 6


Đồ án tốt nghiệp
Hình 12 Động cơ Motor DC ............................................................................... 31
Hình 13 Bánh xe V1............................................................................................ 32
Hình 14 Pin 18650 Ultrafire ............................................................................... 33
Hình 15 Sơ đồ mạch............................................................................................ 34
Hình 16 Sơ đồ nối dây ........................................................................................ 35

Hình 17 Linh kiện cần chuẩn bị .......................................................................... 37
Hình 18 Sản phẩm hồn thành ............................................................................ 38

Trang 7


Đồ án tốt nghiệp

Tóm tắt luận văn
 Ngày nay với sự phát triển của khoa học công nghệ, hàng loạt hệ thống tự
động ra đời với mục đích thay thế sức lao động của con người và tăng
năng suất lao động. Có thể kể đến ở đây là các robot đã được ứng dụng
khá nhiều trong cơng nghiệp, có khả năng hoạt động theo các chương
trình được lập trình sẵn với tốc độ và độ chính xác cao. Ngồi ra khoa
học đang phát triển thế hệ robot mới gọi là robot thơng minh có khả năng
tiếp nhận tri thức và tư duy giống như con người, có khả năng phán đốn
và ra quyết định mà khơng cần đến sự can thiệp của con người.

 Robot tự hành là một mảng quan trọng trong lĩnh vực robotic với rất
nhiều các công trình nghiên cứu trên thế giới. Bài tốn đặt ra cho một
robot tự hành rất đa dạng, trong đó phải kể đến bài toán điều khiển robot
bám mục tiêu và tránh vật cản. Với bài toán này, các yêu cầu được đặt ra
là thời gian đáp ứng của robot, độ tối ưu của thuật tốn và độ phức tạp
của mơi trường. Nhiệm vụ của luận văn là giải quyết các vấn đề này.Đề
tài luận văn được thực hiện bằng việc dùng Arduino Uno R3 làm khối
điều khiển trung tâm, áp dụng giải thuật để tránh vật cản với thông tin về
môi trường được lấy từ cảm biến siêu âm SR04

 Do còn hạn chế về kiến thức nên kết quả hoạt động của robot chưa được
tốt lắm, chưa thể đáp ứng với các mơi trường , địa hình chật hẹp và phức

tạp. Trong tương lai em hi vọng có thể cải thiện về giải thuật cũng như là
phần cứng để hoàn thiện robot này.

Trang 8


Đồ án tốt nghiệp

LỜI MỞ ĐÂÙ
1. Tính cấp thiết của đề tài
Hiện nay nền công nghiệp 4.0 đã và đang phát triển mạnh rộng rãi trong hầu
hết các ứng dụng của nền kinh tế trong mỗi quốc gia. Một trong những ứng
dụng được sử dụng gần đây nhất đó là ứng dụng công nghệ thông tin vào công
nghệ chế tạo và điều khiển robot thông minh.
Xu thế phát triển hiện nay trên thế giới khoa học và công nghệ luôn có những
thay đổi mạnh mẽ. Nền kinh tế tri thức cùng với cơng nghệ thơng tin và kỹ thuật
đã góp phần quan trọng vào việc nâng cao chất lượng cuộc sống của con người.
Trong nền kinh tế tri thức thực sự phát triển của xã hội không thể tách khỏi sự
phát triển của kỹ thuật và công nghệ thông tin và đặc biệt là sự phát triển của
tin học, ngành khoa học công nghệ mới tạo ra các sản phẩm robot và nghiên cứu
ứng dụng chính hình thành trong những thập kỷ gần đây được gọi là Robotics.
2. Mục đích của đề tài
Mục đính của đề tài là áp dụng công nghệ thông tin vào kỹ thuật “Xây
dựng 1 xe tự hành có khả năng tự tránh vật cản”.
3. Đối tượng và phạm vi nghiên cứu
 Đối tượng nguyên cứu đề tài
 Nghiên cứu nguyên lý đo khoảng cách của cảm biến siêu âm SR04
 Phương pháp điều khiển động cơ ( theo phương thức tự hành)
 Phạm vi nguyên cứu
 Không gian làm việc của xe là 1 mặt phẳng được giới hạn bởi các

bức tường, các vật cản được xem là vật cản 2 chiều tĩnh hoàn
tĩnh.

Trang 9


Đồ án tốt nghiệp
4. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài
 Ý nghĩa khoa học
Xây dựng được cơ sở khoa học về khả năng tự hành tránh vật cản của
robot sử dụng cảm biến siêu âm
 Ý nghĩa thực tiễn của đề tài
Tiềm năng ứng dụng của xe tự hành là lớn, có thể kể đến robot vận
hành vật liệu, hàng hóa trong các tịa nhà, nhà máy, cửa hàng, sân bay
hay thư viện…
5. Ưu điểm và nhược điểm của đề tài
 Ưu điểm
 Với thiết kế như trên mơ hình xe tránh vật cản hoạt động bình
thường và ổn định, phần cứng và phần mềm tương thích với
nhau và có thể kết hợp thêm các thiết bị khác để phát triển mơ
hình lớn hơn, dễ dàng hoạt động.
 Bên cạnh đó giá thành linh kiện ngồi thị trường lại rẻ dễ dàng
tìm kiếm
 Nhược điểm
 Do thiếu điều kiện nên làm mơ hình cịn to và cồng kềnh
 Những địa hình khó khăn, góc hẹp xe còn hoạt động hạn chế

Trang 10

Đồ án tốt nghiệp

CHƯƠNG I: TỔNG QUAN VỀ ROBOT
1. Giới thiệu về robot sự hình thành và phát triển
1.1 Định nghĩa về robot
Robot hay còn gọi là “Người máy" là một loại máy có thể thực hiện
những cơng việc một cách tự động bằng sự điều khiển của máy tính hoặc
các vi mạch điện tử được lập trình. Robot là một tác nhân cơ khí, nhân
tạo, ảo, thường là một hệ thống cơ khí-điện tử.
Từ ngữ "robot" thường được hiểu với hai nghĩa: robot cơ khí và phần
mềm tự hoạt động. Do sự đa dạng mức độ tự động của hệ thống cơ-điện
tử mà ranh giới phân chia robot với phần cịn lại khơng được rõ ràng, thể
hiện ở quan niệm về định nghĩa robot. Về lĩnh vực Robot, Mỹ và Nhật
Bản là những nước đi đầu thế giới về lĩnh vực này.
Hầu hết các robot đều sử dụng động cơ điện, chủ yếu là động cơ DC chổi
thay hoặc không chổi than được dùng trong các robot di động hoặc động
cơ AC dùng trong các robot cong nghiệp và các máy CNC. Chúng thích
hợp trong các hệ thống nhẹ tải, và dạng chuyển động chủ yếu là chuyển
động quay.

1.2 Tình hình phát triển
Robot tổng hợp trong nó có cả khoa học và công nghệ. Để thiết kế và chế
tạo được robot, ta cần có các tri thức của tốn học, cơ học, vật lý, điện tử,
lý thuyết điều khiển, khoa học tính tốn và nhiều tri thức khác. Để có thể
ứng dụng được rơ bốt, ta cần biết rõ về đối tượng ứng dụng. Robot là sản
phẩm tích hợp cả khoa học và công nghệ với độ phức tạp cao.
Robot đã có những tiến bộ đáng kể trong hơn nửa thế kỷ qua. Robot đầu
tiên được ứng dụng trong công nghiệp vào những năm 60 để thay thế con
Trang 11

Đồ án tốt nghiệp
người làm các công việc nặng nhọc, nguy hiểm trong môi trường độc hại.
Do nhu cầu cần sử dụng ngày càng nhiều trong các quá trình sản xuất
phức tạp nên robot cần có những khả năng thích ứng linh họat và thơng
minh hơn. Ngày nay, ngồi ứng dụng sơ khai ban đầu của rô bốt trong
chế tạo máy thì các ứng dụng khác như trong y tế, chăm sóc sức khỏe,
nơng nghiệp, đóng tàu, xây dựng, an ninh quốc phịng và gia đình đang
có nhu cầu gia tăng đang là động lực cho các robot địa hình và robot dịch
vụ phát triển.

Hình 1 Ứng dụng robot trong cơng nghiệp

Ứ
Ứng dụng robot trong cơng nghiệp
Có thể kể đến một số loại rô bốt được quan tâm nhiều trong thời gian qua
là: tay máy robot, robot di động, robot phỏng sinh học và robot cá nhân (.
Tay máy robot bao gồm các loại robot công nghiệp, robot y tế và robot
trợ giúp người tàn tật. Robot di động được nghiên cứu nhiều như xe tự
hành trên mặt đất AGV, robot tự hành dưới nước AUV, robot tự hành
trên không UAV và robot vũ trụ. Với robot phỏng sinh học, các nghiên
cứu thời gian qua tập trung vào 2 loại chính là robot đi và robot dáng
người.Bên cạnh đó, các loại robot phỏng sinh học dưới nước như robot

Trang 12


Đồ án tốt nghiệp
cá, các cấu trúc chuyển động phỏng theo sinh vật biển cũng được nhiều
nhóm nghiên cứu phát triển.

Ứng dụng robot trong nghiên cứu khoa học
Hình 2 Ứng dụng robot trong nghiên cứu khoa họ

2. Phân loại và ứng dụng của robot
2.1 Phân loại robot
Thế giới robot hiện nay đã rất phong phú và đa dạng, vì vậy phân loại
chúng khơng đơn giản. Có rất nhiều quan điểm phân loại khác nhau.
Mỗi quan điểm phục vụ một mục đích riêng. Tuy nhiên, có thể nêu ra
đây 3 cách phân loại cơ bản: theo kết cấu, theo điều khiển và theo
phạm vi ứng dụng của robot.
 Phân loại theo kết cấu
Theo kết cấu (hay theo hình học), người ta phân robot thành
các loại: đề các, trụ, cầu, SCARA, kiểu tay người và các dạng
khác
 Phân loại theo điều khiển
Trang 13


Đồ án tốt nghiệp
Có 2 kiểu điều khiển robot: điểu khiển hở và điều khiển kín.
Điều khiển hở, dùng truyền động bước (động cơ điện hoặc
động cơ thủy lực, khí tránhn,… ) mà quãng đường hoặc góc
dịch chuyển tỷ lệ với số xung điều khiển. Kiểu điều khiển này
đơn giản, nhưng đạt độ chính xác thấp.
Điều khiển kín (hay điều khiển servo), sử dụng tín hiệu phản
hồi vị trí để tãng độ chính xác điều khiển. Có 2 kiểu điều khiển
servo: điều khiển điểm – điểm và điều khiển theo đường
(contour).
Với kiểu điều khiển điểm – điểm, phần công tác dịch chuyển từ

điểm này đến điểm kia theo đường thẳng với tốc độ cao (khơng
làm việc). Nó chỉ làm việc tại các điểm dừng. Kiểu điều khiển
này được dùng trên các robot hàn điểm, vận chuyển, tán đinh,
bắn đinh,…
Điều khiển contour đảm bảo cho phần công tác dịch chuyển
theo quỹ đạo bất kỳ, với tốc độ có thể điều khiển được. Có thể
gặp kiểu điểu khiển này trên các robot hàn hồ quang, phun sơn.
 Phân loại theo ứng dụng
Cách phân loại này dựa vào ứng dụng của robot. Ví dụ, có
robot cơng nghiệp, robot dùng trong nghiên cứu khoa học,
robot dùng trong kỹ thuật vũ trụ, robot dùng trong quân sự,…
2.2 Ứng dụng của robot
Robot ra đời giúp các dây chuyền sản xuất được tổ chức lại, năng suất
và hiệu quả sản xuất được tăng lên rõ rệt.Trong ngành cơ khí chúng ta
thì Robot được sử dụng nhiều trong công nghệ Đúc , công nghệ hàn
cắt kim loại, sơn, phun phủ kim loại, tháo lắp vận chuyển phôi lắp ráp
sản phẩm. Ngay nay thì xuất hiện nhiều dây chuyền sản xuất tự động
gồm các máy CNC với Robot công nghiệp, các dây chuyền đó đạt
mức độ tự động hóa cao, hoạt động linh hoạt…
Trang 14


Đồ án tốt nghiệp

CHƯƠNG II: GIỚI THIỆU VỀ ROBOT TỰ HÀNH TRÁNH VẬT CẢN
1. Giới thiệu về robot tự hành tránh vật cản
Xe tự hành tránh vật cản hay xe di động được định nghĩa là 1 loại
xe có khả năng tự di chuyển, tự vận động (có thể lập trình lại được)
dưới sự điều khiển tự động để thực hiện thành công công việc được
giao.Theo lý thuyết môi trường hoạt động của xe tự hành có thể là

đất, nước, khơng khí, khơng gian vũ trụ hay sự tổ hợp giữa chúng. Địa
hình bề mặt của xe di chuyển trên đó có thể bằng phẳng hoặc thay đổi
lồi lõm.
Theo bộ phận thực hiện chuyển động ta có thể chia robot tự hành
thành 2 lớp: chuyển động bằng chân hoặc bằng bánh. Trong đề tài này
chúng ta sẽ nghiên cứu xe tự hành chuyển động bằng bánh, xe tự hành
chuyển động bằng bánh làm việc tốt trong hầu hết các địa hình do con
người tạo ra. Điều khiển di chuyển bằng bánh cũng đơn giản hơn
nhiều, gần như luôn đảm bảo tính ổn định. Lớp chuyển động bằng
bánh có thể chia ra làm 3 loại: loại chuyển động bằng bánh xe, loại
chuyển động bằng vịng xích và loại hỗn hợp bánh xe vịng xích.Tiềm
năng ứng dụng của xe tự hành là lớn, có thể kể đến robot vận hành vật
liệu, hàng hóa trong các tịa nhà, nhà máy, cửa hàng, sân bay hay thư
viện… robot xe lăn phục vụ người khuyết tật,…
Mặc dù nhu cầu ứng dụng cao, nhưng những hạn chế chưa giải quyết
được của robot tự hành như chi phí chế tạo cao đã khơng cho phép
chúng được ứng dụng rộng rãi. Ngồi ra cịn phải kể thêm nhược
điểm của robot tự hành là thiếu tính linh hoạt và thích ứng khi làm
việc ở những vị trí khác nhau.
2. Tổng quan robot tự hành tránh vật cản
Trang 15


Đồ án tốt nghiệp
2.1 Sự phát triển
Ngày nay, Robot học đã đạt được những thành tựu to lớn trong nền
sản xuất cơng nghiệp. Những cánh tay robot có khả năng làm việc với
tốc độ cao, chính xác và liên tục làm tăng năng suất lao động tăng
nhiều lần. Chúng có thể làm việc trong các môi trường độc hại như
hàn, phun sơn, các nhà máy hạt nhân, hay lắp ráp các linh kiện điện tử

tạo ra điện thoại, máy tính…một cơng việc địi hỏi sự tỉ mỉ, chính xác
cao. Tuy nhiên những robot này có hạn chế chung đó là hạn chế về
không gian làm việc. Không gian làm việc của chúng bị giới hạn bởi
các số bậc tự do tay máy và vị trí gắn chúng.Ngược lại, các Robot tự
hành laị có khả năng hoạt động một cách linh hoạt trong các mơi
trường khác nhau.
2.2 Mơ hình hóa của robot

Mơ hình hóa của robot
Hình 3 Mơ hình hóa của robot

Vấn đề của robot tự hành tránh vật cản là làm thế nào để robot tự
hành tránh vật cản có thể hoạt động, nhận biết môi trường và thực thi
các nhiệm vụ đề ra. Vấn đề đầu tiên là di chuyển, Robot tự hành tránh
Trang 16


Đồ án tốt nghiệp
vật cản nên di chuyển như thế nào và cơ cấu di chuyển nào là sự lựa
chọn tốt nhất. Điều hướng là vấn đề cơ bản trong nghiên cứu và chế
tạo Robot tự hành tránh vật cản. Trong hiệp hội nghiên cứu về Robot
tự hành tránh vật cản có 2 hướng nghiên cứu khác nhau:
 Hướng thứ nhất: là nghiên cứu về Robot tự hành tránh vật cản
có khả năng điều hướng ở tốc độ cao nhờ thông tin thu được từ
cảm biến, đây là loại robot có khả năng hoạt động ở mơi
trường trong phịng cũng như mơi trường bên ngồi. Loại robot
này u câù khả năng tính tốn đồ sộ và được trang bị cảm
biến có độ nhạy cao, dải đo lớn để có thể điều khiển robot di
chuyển ở tốc độ cao, trong những mơi trường có địa hình phức
tạp.

 Hướng thứ hai: nhằm giải quyết các vấn đề về các loại robot tự
hành tránh vật cản chỉ dùng để hoạt động trong môi trường
trong phòng. Loại robot tự hành tránh vật cản này có kết cấu
đơn giản hơn loại trên, thực hiện những nhiệm vụ đơn giản.
Bài toán dẫn hướng cho robot tự hành tránh vật cản được
chia làm 2 loại: bài toán tồn cục ( global) và bài tốn cục bộ
(local). Ở bài tồn cục, mơi trường làm việc của robot hồn
tồn xác định, đường đi và vật cản là hoàn toàn biết trước. Ở
bài tốn cục bộ, mơi trường hoạt động của robot là chưa biết
trước hoặc chỉ biết một phần. Các cảm biến và thiết bị định vị
cho phép robot xác định được vật cản, vị trí của nó trong mơi
trường giúp nó đi tới được mục tiêu.
Các vấn đề gặp phải khi điều hướng cho Robot tự hành tránh
vật cản thường giống như các loại robot khác. Để có thể điều
Trang 17


Đồ án tốt nghiệp
hướng cho Robot tránh vật cản, quyết định theo thời gian thực
phải dựa vào thông tin liên tục về môi trường thông qua các
cảm biến, hoặc ở mơi trường trong phịng hoặc ngồi trời, đây
là điểm khác biệt lớn nhất so với kỹ thuật lập kế hoạch ngoại
tuyến. Robot tự hành tránh vật cản phải có khả năng tự quyết
định về phương thức điều hướng, định hướng chuyển động để
có thể tới đích thực hiện nhiệm vụ nhất định.
Điều hướng cho robot tự hành tránh vật cản là cơng việc địi
hỏi phải thực hiện được một số khả năng khác nhau, bao gồm :
khả năng di chuyển ở mức cơ bản, ví dụ như hoạt động đi tới
vị trí cho trước, khả năng phản ứng các sự kiện theo thời gian
thực, ví dụ như khi có sự xuất hiện đột ngột của vật cản; khả

năng xây dựng, sử dụng và suy trì bản đồ mơi trường hoạt
động; khả năng xác định vị trí của robot trong bản đồ đó; khả
năng thiết lập kế hoạch để đi tới đích hoặc tránh các tình huống
khơng mong muốn và khả năng thích ghi với các thay đổi của
mơi trường hoạt động
2.3 Yêu cầu công nghệ và nhu cầu thực tế
Trong các nhà xưởng, người cơng nhân bị gị bó bởi năng suất lao
động, vì vậy robot tự hành tránh vật cản là một giải pháp nhằm cung
cấp nguyên liệu từ nhà kho đến tay người công nhân, giúp giảm nhân
công, tăng năng suất. Tùy theo loại nguyên liệu có đặc thù, khối
lưọng, kích thước khác nhau mà khi thiết kế người ta căn cứ vào đó
và đưa ra các yêu cầu về:
 Kích thước
 Khối lượng
 Cơng suất
Trang 18


Đồ án tốt nghiệp
 Tốc độ di chuyển
Trong đồ án này em chủ yếu tập trung nghiên cứu và thiết kế modul
chuyển động và điều khiển robot chở nguyên liệu trong dây chuyền sản xuất,
cùng với kích thước và các thông số đều nhỏ hơn thực tế:
Kết quả là một robot tự động có khả năng di chuyển tự do trong mơi
trường có vật cản.
Đề tài thiết kế và chế tạo robot tự hành tránh vật cản chủ yếu giúp
cho sinh viên làm quen với vi điều khiển, kỹ năng lập trình, phương pháp tự
thập dữ liệu từ các cảm biến sensor, điều khiển động cơ, các mạch phụ trợ

2.4 Ưu điểm, nhược điểm của robot tự hành tránh vật cản

 Ưu điểm
 Không gây ô nhiễm, sử dụng pin sạc, và có thể sac.
 Sử dụng khơng gian hiệu quả, đa năng trong các nhà máy
xí nghiệp
 Giá thành khơng đắt
 Nhược điểm
 Khơng thể leo bậc thang có chiều cao hạn chế
2.5 Ứng dụng của robot tự hành
 Robot có thể làm việc trong mơi trường độc hại

Trang 19


Đồ án tốt nghiệp

 Ứng dụng trong các nhà máy
Hình 4 Mơ hình hóa của robot

 Ứng dụng của robot tự hành trong các siêu thị
Hình 5

Ứng dụng của robot tự hành trong các siêu thị

Trang 20


Đồ án tốt nghiệp

 Ngoài ra Robot tự hành tránh vật cản có khả năng tự hoạt động,
thực thi nhiệm vụ mà không cần sự can thiệp của con người.

Với những cảm biến, chúng có khả năng nhận biết về môi
trường xung quanh. Robot tự hành tránh vật cản ngày càng có
nhiều ý nghĩa trong các ngành cơng nghiệp, thương mại, y tế,
các ứng dụng khoa học và phục vụ đời sống của con người. Với
sự phát triển của ngành Robot học, robot tự hành tránh vật cản
ngày càng có khả năng hoạt động trong các môi trường khác
nhau, tùy mỗi lĩnh vực áp dụng mà chúng có nhiều loại khác
nhau như robot sơn, robot hàn, robot cắt cỏ, robot thám hiểm
đại dương, robot làm việc ngoài vũ trụ. Cùng với sự phát triển
của yêu cầu trong thực tế , robot tự hành tránh vật cản tiếp tục
đưa ra những thách thức mới cho các nhà nghiên cứu.

Trang 21


Đồ án tốt nghiệp

CHƯƠNG III: CẤU TẠO PHẦN CỨNG VÀ SƠ ĐỒ KẾT NỐI
ROBOT TỰ HÀNH TRÁNH VẬT CẢN

Phân tích cấu tạo và chức năng của các khối trong sơ đồ mạch điều
khiển của xe tự hành tránh vật cản:

Sơ đồ mạch của hệ thống điều khiển xe tự hành tránh vật cản
Hình 6 Sơ đồ mạch của hệ thống điều khiển xe tự hành tránh vật cản

Trang 22


Đồ án tốt nghiệp

 Nguyên lý hoạt động của mạch:


Sensor cảm biến SR04 tiến hành đo khoảng cách theo 3 hướng bên
trái, bên phải, phía trước sau đó gửi kết quả đo đạc tới trung tâm
điều khiển ( UNO R3).

- Nguyên lý đo khoảng cách của cảm biến siêu âm SR04
 SR04 sử dụng nguyên lý phản xạ của sóng để đo khoảng cách
 Khi muốn đo khoảng cách SR04 sẽ phát ra 1 bộ 8 xung với tần số 40KHz
sau đó nó sẽ chờ đợi xung phản xạ về. Thời gian từ lúc xung đi cho tới
khi xung về có thể dễ dàng tính ra khoảng cách từ SR04 tới vật cản
 Khi phát ra xung và chờ xung phản xạ về, chân Echo của SR04 được kéo
lên mức cao(echo =1) khi có xung phản xạ về chân Echo sẽ được kéo
xuống thấp hoặc sau 30us nếu khơng có xung phản xạ về
 Trung tâm điều khiển căn cứ vào kết quả đo đạc của cảm biến SR04 tiến
hành xử lý và ra quyết định điều khiển động cơ 1 hay động cơ 2.
 Đo hoảng cách với SR04 chính là đo thời gian chân Echo ở mức cao
 Khi muốn đo khoảng cách ta sẽ kích hoạt chân Trigger, 1 xung tối thiểu
10ms sau đó đợi chân echo lên mức cao. Kích hoạt timer và đợi chân
Echo xuống mức thấp, khi chân Echo xuống mức thấp dừng timer và tính
tốn giá trị từ timer để suy ra khoảng cách
1. Thông số chi tiết của các linh kiện trong mạch
1.1 Khối điều khiển trung tâm Arduino UNO R3
a. Arduino là gì?
Arduino một nền tảng mã nguồn mở phần cứng và phần mềm.
Phần cứng Arduino (các board mạch vi xử lý) được sinh ra tại
thị trấn Ivrea ở Ý, nhằm xây dựng các ứng dụng tương tác với
nhau hoặc với môi trường được thuận lợi hơn. Phần cứng bao

gồm một board mạch nguồn mở được thiết kế trên nền tảng vi
Trang 23


Đồ án tốt nghiệp
xử lý AVR Atmel 8bit, hoặc ARM Atmel 32-bit. Những Model
hiện tại được trang bị gồm 1 cổng giao tiếp USB, 6 chân đầu
vào analog, 14 chân I/O kỹ thuật số tương thích với nhiều
board mở rộng khác nhau.

Mạch Ảrduino UNO R3
Hình 7 Mạch Ảrduino UNO R3

b. Thông số kỹ thuật
Vi điều khiển
Điện áp hoạt động
Tần số hoạt động
Dòng tiêu thụ
Điện áp vào khuyên dùng
Điện áp vào giới hạn
Số chân Digital I/O
Số chân Analog
Dòng tối đa trên mỗi chân I/O
Dòng ra tối đa (5V)
Dòng ra tối đa (3.3V)
Bộ nhớ flash
SRAM
EEPROM

ATmega328 họ 8bit

5V DC (chỉ được cấp qua cổng USB)
16 MHz
khoảng 30mA
7-12V DC
6-20V DC
14 (6 chân hardware PWM)
6 (độ phân giải 10bit)
30 mA
500 mA
50 mA
32 KB (ATmega328) với 0.5KB dùng bởi
bootloader
2 KB (ATmega328)
1KB (ATmega328)

Trang 24


Đồ án tốt nghiệp
c. Cấp nguồn và các chân nguồn
 Cấp nguồn
Arduino UNO có thể được cấp nguồn 5V thơng qua cổng
USB hoặc cấp nguồn ngoài với điện áp khuyên dùng là 7-12V
DC và giới hạn là 6-20V. Thường thì cấp nguồn bằng pin
vng 9V là hợp lí nhất nếu bạn khơng có sẵn nguồn từ cổng
USB. Nếu cấp nguồn vượt quá ngưỡng giới hạn trên, bạn sẽ
làm hỏng Arduino UNO.
 Các chân nguồn
 GND (Ground): cực âm của nguồn điện cấp cho
Arduino UNO. Khi bạn dùng các thiết bị sử dụng những

nguồn điện riêng biệt thì những chân này phải được nối
với nhau.
 5V: cấp điện áp 5V đầu ra. Dòng tối đa cho phép ở chân
này là 500mA.
 3.3V: cấp điện áp 3.3V đầu ra. Dòng tối đa cho phép ở
chân này là 50mA.
 Vin (Voltage Input): để cấp nguồn ngoài cho Arduino
UNO, bạn nối cực dương của nguồn với chân này và cực
âm của nguồn với chân GND.
 IOREF: điện áp hoạt động của vi điều khiển trên
Arduino UNO có thể được đo ở chân này. Và dĩ nhiên nó
ln là 5V. Mặc dù vậy bạn khơng được lấy nguồn 5V từ
chân này để sử dụng bởi chức năng của nó khơng phải là
cấp nguồn.
 RESET: việc nhấn nút Reset trên board để reset vi điều
khiển tương đương với việc chân RESET được nối với
GND qua 1 điện trở 10KΩ

Trang 25