Thiết kế, chế tạo và điều khiển Robot dò line (LINE FOLLOWING ROBOT)

LỜI CẢM ƠN
Việc nắm vững những nguyên tắc cơ bản, cũng như từng bước thực hiện một tập tài
liệu trong “Đồ án thiết kế hệ thống cơ điện tử” và những gì mình đã thực hiện là một yếu
tố cực kỳ quan trọng và cần thiết đối với mỗi kỹ sư, đặc biệt là kỹ sư cơ điện tử. Những u
cầu về việc hồn thành đồ án mơn học đã được thầy Phùng Trí Cơng truyền đạt và hướng
dẫn rất tận tâm trong những tiết báo cáo. Ngoài những kiến thức quan trọng, chúng em còn
cảm nhận được sự tận tâm và lo lắng của thầy dành cho các nhóm đồ án nói riêng cũng như
tồn thể sinh viên cơ điện tử nói chung. Chúng em muốn gửi lời cảm ơn sâu sắc đến thầy
cũng như sự hướng dẫn tận tâm và bổ ích của thầy. Điểm số có thể quan trọng nhưng điều
quan trọng nhất là việc thầy đã cho chúng em cảm nhận được sự quan tâm của thầy đến với
chúng em và mong cho chúng em đạt được kết quả cao nhất.
Bài báo cáo này với đề bài là: “Thiết kế, chế tạo và điều khiển Robot dị line (LINE
FOLLOWING ROBOT”. Qua q tình thực hiện đồ án, chúng em đã thu nhận được thêm
rất nhiều kiến thức và thơng tin bổ ích liên quan đến lĩnh vực mình dang học và cách để
thực hiện một dự án theo hướng của “Thiết kế hệ thống Cơ điện tử”. Chúng em xin chân
thành cảm ơn bộ môn Cơ điện tử - trường Đại học Bách Khoa TPHCM, đã tạo điều kiện
cho chúng em thực hiện đồ án môn học.
Chúng em cũng xin cảm ơn các thầy/cô ở các xưởng gia công ở C1 đã tạo điều kiện
cho chúng em sử dụng máy để gia công các chi tiết cần thiết.
Mặc dù trong q trình tìm hiểu, nhóm đã tham khảo qua rất nhiều tài liệu để hoàn
thành được bài báo cáo này, song có thể khơng tránh khỏi một vài thiết sót và hạn chế. Rất
mong nhận được những lời góp ý và nhận xét từ các thầy.
Nhóm chúng em xin chân thành cảm ơn.
Nhóm thực hiện

i


MỤC LỤC
CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN .............................................................................................. 1
1.1.

Giới thiệu đồ án và nghiên cứu các mơ hình trong và ngồi nước ................... 1

1.1.1.

Phân tích Usain Volt 2.0 Robot ...................................................................... 3

1.1.2.

Phân tích TABAR Robot ................................................................................. 4

1.1.3.

Phân tích Sunfounder PiCar – S .................................................................... 5

1.1.4.

Phân tích Pinto Robot ..................................................................................... 6

1.1.5.

Phân tích Chariot Robot ................................................................................. 7

1.1.6.

Phân tích Pika Robot ...................................................................................... 8

1.2.

Nhận xét, ưu điểm và nhược điểm của các mơ hình Robot được trích dẫn .... 9

1.2.1.

Về cơ khí .......................................................................................................... 9

1.2.2.

Về điện ........................................................................................................... 14

1.2.3.

Về điều khiển ................................................................................................. 18

1.3.

Đặt đề bài ............................................................................................................. 18

CHƯƠNG 2: LỰA CHỌN PHƯƠNG ÁN ..................................................................... 20
2.1.

Lựa chọn phương án cơ khí ............................................................................... 20

2.2.

Lựa chọn phương án điện .................................................................................. 21

2.2.1.

Lựa chọn cảm biến ........................................................................................ 22

2.2.2.

Lựa chọn động cơ.......................................................................................... 25

2.2.3.

Lựa chọn vi điều khiển ................................................................................. 25

2.3.

Lựa chọn cấu trúc điều khiển ............................................................................ 26

2.4.

Phương án thiết kế bộ điều khiển ...................................................................... 27

2.5.

Tổng hợp lựa chọn phương án ........................................................................... 27

2.5.1.

Phương án thiết kế chung............................................................................. 27

2.5.2.

Phương án thiết kế cơ khí ............................................................................. 27

2.5.3.

Phương án thiết kế điện ................................................................................ 28

2.5.4.

Phương án điều khiển ................................................................................... 28

CHƯƠNG 3: TÍNH TỐN THIẾT KẾ CƠ KHÍ ......................................................... 29
3.1.

Tính tốn kích thước xe ...................................................................................... 29

3.2.

Tính tốn lựa chọn cơng suất động cơ dẫn động ............................................. 34

3.3.

Tính tốn lựa chọn cơng suất động cơ dẫn hướng ........................................... 36
ii


CHƯƠNG 4: MƠ HÌNH HĨA HỆ THỐNG ................................................................. 41
4.1.

Phân tích lựa chọn mơ hình tính tốn ............................................................... 41

4.2.

Xây dựng phương trình động học của Robot ................................................... 41

4.2.1.

Mơ hình bài tốn động học ........................................................................... 42

4.2.2.

Mơ hình tốn xác định sai số........................................................................ 44

4.3.

Xây dựng hàm truyền động cơ .......................................................................... 46

CHƯƠNG 5: THIẾT KẾ BỘ ĐIỀU KHIỂN ................................................................. 48
5.1.

Tiêu chí lựa chọn bộ điều khiển và thiết kế bộ điều khiển .............................. 48

5.2.

Xây dựng bộ điều khiển mơ hình tốn .............................................................. 49

5.2.1.

Bài tốn bám line .......................................................................................... 49

5.2.2.

Động cơ .......................................................................................................... 53

CHƯƠNG 6: THIẾT KẾ HỆ THỐNG ĐIỆN CHO ROBOT ...................................... 55

6.1.

Tính tốn thiết kế cảm biến................................................................................ 55

6.1.1.

Thông số kỹ thuật cảm biến TCRT5000 ....................................................... 55

6.1.2.

Tính tốn điện trở cho cảm biến .................................................................. 56

6.1.3.

Xác định cách gá đặt cảm biến ..................................................................... 57

6.1.4.

Xác định chiều cao đặt cảm biến .................................................................. 58

6.1.5.

Khoảng cách giữa các cảm biến ................................................................... 60

6.1.7.

Phương pháp trung bình trọng số ................................................................ 65

6.1.8.

Thực hiện xây dựng mạch cảm biến ............................................................ 70

6.2.

Lựa chọn các linh kiện và thiết bị điện phù hợp .............................................. 71

6.2.1.

Lựa chọn driver động cơ dẫn động .............................................................. 71

6.2.2.

Tính tốn số pin............................................................................................. 72

6.3.

Sơ đầu nguyên lý hệ thống điện và các module chức năng ............................. 75

6.4.

Lưu đồ giải thuật điều khiển .............................................................................. 82

6.4.1.

Lưu đồ giải thuật điều khiển khối master .................................................... 82
Lưu đồ giải thuật điều khiển khối slave 1 ....................................................... 83

6.4.2.
6.4.3.

Lưu đồ giải thuật điều khiển khối slave 2 .................................................... 84

CHƯƠNG 7: MÔ PHỎNG CHUYỂN ĐỘNG CỦA ROBOT ..................................... 88
7.1.

Kết quả mô phỏng chuyển động của Robot ...................................................... 88

7.1.1.

Kết quả mô phỏng chuyển động của Robot chưa kèm nhiễu ..................... 88
iii


7.1.2.
7.2.

Kết quả mô phỏng chuyển động của Robot kèm nhiễu ............................... 90

Nhận xét kết quả mô phỏng ............................................................................... 93

CHƯƠNG 8: KẾT LUẬN ................................................................................................ 94
8.1.

Kết quả thực nghiệm .......................................................................................... 94

8.2.

Nhận xét giữa kết quả mô phỏng và kết quả thực nghiệm ............................. 94

8.3.

Kết luận và định hướng phát triển đề tài ......................................................... 94

TÀI LIỆU THAM KHẢO................................................................................................ 95

iv


DANH SÁCH CÁC HÌNH VẼ
CHƯƠNG 1
Hình 1.1. Sa bàn di chuyển của Robot ................................................................................. 2
Hình 1.2. Usain Volt 2.0 ...................................................................................................... 3
Hình 1.3. Sơ đồ nguyên lý Robot Usain Volt ...................................................................... 3
Hình 1.4. Robot dị line TABAR ......................................................................................... 4
Hình 1.5. Sơ đồ ngun lý Robot TABAR .......................................................................... 5
Hình 1.6. Bố trí cảm biến cho Robot TABAR .................................................................... 5
Hình 1.7. Sunfounder Picar - S ............................................................................................ 5
Hình 1.8. Sơ đồ nguyên lý của Robot SunFounder Picar - S .............................................. 6
Hình 1.9. Robot Pinto .......................................................................................................... 6
Hình 1.10. Sơ đồ nguyên lý của Robot Pinto ...................................................................... 7
Hình 1.11. Bên trong Robot Pinto ....................................................................................... 7
Hình 1.12. Robot Chariot ..................................................................................................... 8
Hình 1.13. Sơ đồ nguyên lý Robot Chariot ......................................................................... 8
Hình 1.14. Sơ đồ nguyên lý Robot Pika .............................................................................. 9
CHƯƠNG 2
Hình 2.1. Sơ đồ nguyên lý các loại Robot 3 bánh ............................................................. 20
Hình 2.2. Sơ đồ nguyên lý các loại xe 4 bánh ................................................................... 21
Hình 2.3. Sơ đồ ngun lý cơ khí được chọn .................................................................... 28
CHƯƠNG 3
Hình 3.1. Mơ hình động lực học của xe ở trạng thái tĩnh .................................................. 29

Hình 3.2. Mơ hình động học của xe khi vào cua ............................................................... 31
v


Hình 3.3. Mơ hình động lực học cua xe khi vào cua (nhìn từ trước) ................................ 31
Hình 3.4. Mơ hình để tính tốn cân bằng moment khi vào cua ......................................... 32
Hình 3.5. Mơ hình phân tích động lực học bánh xe .......................................................... 34
Hình 3.6. Mơ hình xe khi bẻ lái ......................................................................................... 37
Hình 3.7. Các thành phần gia tốc tác dụng lên hai xe trước .............................................. 38
Hình 3.8. Lực ma sát tác dụng lên 2 bánh xe trước ........................................................... 38
Hình 3.9. Các thành phần gia tốc tác đụng lên 2 bánh trước sao cho  đạt giá trị lớn nhất
............................................................................................................................................ 40
CHƯƠNG 4
Hình 4.1. Mơ hình tốn của robot dị line .......................................................................... 41
Hình 4.2. Sa bàn được cung cấp ........................................................................................ 44
CHƯƠNG 5
Hình 5.1. Chuỗi điều khiển của hệ thống .......................................................................... 49
Hình 5.2. Sơ đồ điều khiển bám line ................................................................................. 51
Hình 5.3. Đáp ứng động cơ với các hệ số PI đã tìm được ................................................. 54
CHƯƠNG 6
Hình 6.1. Kích thước cảm biến TCRT5000 ....................................................................... 55
Hình 6.2. Sơ đồ mạch cảm biến TCRT5000...................................................................... 56
Hình 6.3. Đặc tuyến VCE , I F , I C ...................................................................................... 56
Hình 6.4. Hai cách bố trí cảm biến và so sánh khoảng cách X d của chúng .................... 57
Hình 6.5. Mơ hình biểu diễn vùng thu phát của TCRT5000 ............................................. 58
Hình 6.6. Phân tích vùng thu phát của cảm biến TCRT5000 ............................................ 58

vi

Hình 6.7. Giá trị ADC của cảm biến tương ứng với nền trắng và nền đen với các khoảng
cách so với mặt sa bàn ........................................................................................................ 59
Hình 6.8. Giá trị ADC của cám biến khi đi ngang qua đường line ứng với các độ cao từ

9 − 12,5 ( mm ) ...................................................................................................................... 60
Hình 6.9. Sơ đồ hình học biểu diễn vùng phát và vùng thu tại chiều cao h của cảm biến
TCRT5000 .......................................................................................................................... 61
Hình 6.10. Khoảng cách tối thiểu giữa 2 cảm biến nằm cạnh nhau .................................. 61
Hình 6.11. Mơ hình biểu diễn trường hợp 2 cảm biến có vùng phát hiện trong line ........ 62
Hình 6.12. Mơ hình biểu diễn trường hợp 3 cảm biến có vùng phát hiện nằm trong line 63
Hình 6.13. Biểu đồ quan hệ giữa giá trị khoảng cách thực tế so với đường tâm line và giá
trị trung bình trọng số tại độ cao h = 13 ( mm ) ................................................................... 69
Hình 6.14. Mơ hình bố trí cảm biến dùng cho Robot (chính diện).................................... 70
Hình 6.15. Mơ hình bố trí cảm biến dùng cho Robot (từ trên xuống) ............................... 70
Hình 6.16. Sơ đồ đấu dây mạch diện cảm biến ................................................................. 71
Hình 6.17. Mạch điện được xây dụng Altium ................................................................... 71
Hình 6.18. Mạch Altium của mạch cách ly 2 kênh ........................................................... 77
Hình 6.19. Mạch nguyên lý mạch cách ly 2 kênh ............................................................. 78
Hình 6.20. Kết quả thực nghiệm lựa chọn điện trở R2 cho mạch cách ly......................... 78
Hình 6.21. Khối nguồn của mạch điện hệ thống ............................................................... 78
Hình 6.22. Khối cảm biến của mạch điện hệ thống ........................................................... 79
Hình 6.23. Khối vi điều khiển Master của mạch điện hệ thống ........................................ 79
Hình 6.24. Khối vi điều khiển Slave 1 của mạch điện hệ thống dùng đọc và xử lý tín hiệu
từ cảm biến ......................................................................................................................... 80

vii


Hình 6.25. Khối vi điều khiển Slave 2 của mạch điện hệ thống dùng điều khiển động cơ
............................................................................................................................................ 80

Hình 6.26. Khối Driver của mạch điện hệ thống ............................................................... 81
Hình 6.27. Khối động cơ của mạch điện hệ thống ............................................................ 81
Hình 6.28. Khối mạch cách ly nguồn của mạch điện hệ thống ......................................... 82
Hình 6.29. Lưu đồ giải thuật khối Master.......................................................................... 85
Hình 6.30. Lưu đồ giải thuật khối Slave 1 ......................................................................... 86
Hình 6.31. Lưu đồ giải thuật khối Slave 2 ......................................................................... 87
CHƯƠNG 7
Hình 7.1. Kết quả mơ hình hóa Robot dị line theo sa bàn chưa kèm nhiễu ..................... 88
Hình 7.2. Sai số của tâm cảm biến so với đường tâm line chưa kèm nhiễu ...................... 89
Hình 7.3. Đáp ứng vận tốc góc của động cơ RC lái bánh trước chưa kèm nhiễu ............. 89
Hình 7.4. Đáp ứng vận tốc của động cơ DC dẫn động bánh sau chưa kèm nhiễu ............ 90
Hình 7.5. Kết quả mơ hình hóa Robot dị line theo sa bàn kèm nhiễu .............................. 91
Hình 7.6. Sai số của tâm cảm biến so với đường tâm line kèm nhiễu ............................... 91
Hình 7.7. Đáp ứng vận tốc của động cơ RC lái bánh trước kèm nhiễu ............................. 92
Hình 7.8. Đáp ứng vận tốc của động cơ DC dẫn động bánh sau kèm nhiễu ..................... 92
CHƯƠNG 8
Hình 8.1. Kết quả Robot dò line theo sa bàn thực tế ......................................................... 94

viii


DANH SÁCH CÁC BẢNG BIỂU
CHƯƠNG 1
Bảng 1.1. Bảng phân công công việc thực hiện đồ án ......................................................... 2
Bảng 1.2. So sánh ưu và nhược điểm của các mơ hình Robot được trích dẫn .................... 9
Bảng 1.3. Bảng so sánh ưu và nhược điểm của một số dạng sơ đồ nguyên lý khác ......... 11
Bảng 1.4. So sánh ưu và nhược điểm của dạng Robot xe dò line 3 và 4 bánh .................. 13
Bảng 1.5. Bảng so sánh các đặc tính của các dòng vi điều khiển thường dùng cho Robot
xe dị line ............................................................................................................................ 14
Bảng 1.6. So sánh các đặc tính của các dòng cảm biến thường dùng cho Robot xe dị line

............................................................................................................................................ 15
Bảng 1.7. So sánh các đặc tính của các loại động cơ dẫn động thường dùng cho Robot xe
dị line ................................................................................................................................. 16
Bảng 1.8. Bảng so sánh đặc tính của các động cơ dẫn hướng thường dùng cho Robot xe
dò line ................................................................................................................................. 17
CHƯƠNG 2
Bảng 2.1. Lựa chọn phương án cảm biến .......................................................................... 22
CHƯƠNG 3
Bảng 3.1. Thông số động cơ dẫn động GA25 đã chọn ...................................................... 36
CHƯƠNG 6
Bảng 6.1. Thông số kỹ thuật của cảm biến TCRT5000 ..................................................... 55
Bảng 6.2. Giá trị cảm biến độc về ứng với khoảng cách 13 ( mm ) so với bề mặt............. 64
Bảng 6.3. Giá trị cảm biến đọc về ứng với khoảng cách 13 ( mm ) so với mặt sa bàn ...... 65

ix


Bảng 6.4. Khoảng cách so với đường tâm line khi áp dụng phương pháp trung bình trọng
số ......................................................................................................................................... 65
Bảng 6.5. Thông số kỹ thuật Driver TB6612..................................................................... 72
Bảng 6.6. Thông số kỹ thuật pin 18650 ............................................................................. 72
Bảng 6.7. Thông số kỹ thuật yêu cầu cho các thiết bị dùng nguồn điều khiển.................. 73
Bảng 6.8. Thông số kỹ thuật yêu cầu cho các thiết bị sử dụng nguồn động lực................ 74
Bảng 6.9. So sánh giá trị cảm biến để xác định giao lộ ..................................................... 82

x


DANH SÁCH TỪ VIẾT TẮT

xi


CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN
1.1.

Giới thiệu đồ án và nghiên cứu các mơ hình trong và ngồi nước
Khái niệm:
Robot dò line (Line following Robot) là một dạng robot di động (mobile Robot)
di chuyển bằng các bánh xe. Robot sẽ di chuyển bám theo các đường line được
kẻ/vẽ/dãn trên bề mặt sa bàn. Quỹ đạo di chuyển của Robot phụ thuộc vào sa bàn của
hệ thông các đường line được kẻ/vẽ/dán sẵn.
Yêu cầu kỹ thuật Robot:
-

Tốc độ di chuyển của Robot: Tối thiểu 0, 2 ( m / s ) .

-

Số lượng bánh xe của Robot (bao gồm bánh xe dẫn động và bánh xe bị động)
được chọn tùy thuộc vào thiết kế của các nhóm.

-

Trên Robot được trang bị hệ thống cảm biến để giúp robot nhận biết đường
line trên bề mặt sàn/mặt đất và di chuyển bám theo đường line đó. Tự chọn
loại cảm biến phù hợp.

Các điều kiện ràng buộc:
-

Đường kính các bánh xe: d  200 ( mm ) .

-

Số lượng bánh xe(chủ động và bị động): Tùy chọn.

-

Kích thước tối đa các chiều của robot (dài x rộng x cao):

350 ( mm )  250 ( mm )  350 ( mm ) .
-

Màu sắc đường line: Đen.

-

Màu nền: Trắng.

-

Bề rộng đường line: 26 ( mm ) .

-

Bề mặt địa hình di chuyển: Bề mặt phẳng.

Hệ thống sa bàn hệ thông line:

1


CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN

Hình 1.1. Sa bàn di chuyển của Robot
Khi bắt đầu, Robot được đặt tại vị trí START (điểm A), sau đó Robot chạy theo
thứ tự đi qua các điểm nút quy định lần lượt như sau:
(START) A → B → C → D → E → B → F → A → G → B → D (END)
Kế hoạch, phân công nhiệm vụ thực hiện:
Thời gian thực hiện trong vịng 15 tuần
Bảng 1.1. Bảng phân cơng cơng việc thực hiện đồ án
STT
1

Tên thành viên
Phan Gia Huy

Nhiệm vụ

Ghi chú

Thiết kế điện (mạch điện điều
khiển, mạch cảm biến), thực
hiện test cảm biến và calib cảm
biến, hoàn thành bản vẽ điện.

2

Phạm Thị Phương Loan

Thiết kế cơ khi, thực hiện gia
công lắp đặt các thiết bị, hồn
thành bản vẽ cơ khí, hoàn thành
bản vẽ lựa chọn phương án.

3

Khưu Nguyễn Hữu Lộc

Thiết kế mơ hình tốn, phân tích Nhóm trưởng
động học/động lực học, thiết kế

2


CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN

bộ điều khiển bám line, bộ điều
khiển động cơ, hồn thành bản
vẽ cơ khí, hồn thành bản vẽ lựa
chọn phương án.
4

Võ Đại Mau

Tìm hàm truyền động cơ, lập
trình điều khiển Robot, hồn

thành bản vẽ lưu đồ giải thuật.

1.1.1.

Phân tích Usain Volt 2.0 Robot

Robot Usain Volt 2.0 được chế tạo để tham gia cuộc thi LVBots Line Following
Contest.

Hình 1.2. Usain Volt 2.0
Vận tốc tối đa: 1,1( m / s )
Kết cấu cơ khí:

Hình 1.3. Sơ đồ ngun lý Robot Usain Volt
3


CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN

-

Động cơ: Sử dụng 2 động cơ DC servo.

-

Số bánh: 4 bánh, 2 bánh sau chủ động dẫn động và dẫn hướng, 2 bánh
trước bị động.

Hệ thống điện:
-

Cảm biến: Sử dụng cảm biến hồng ngoại QTR – 3RC.

-

Khoảng cách giữa các cảm biến: 0,375 ( inch ) .

-

Vi điều khiển: Điều khiển tập trung, dùng vi điều khiển ATmega32U4
AVR.

1.1.2.

Driver động cơ: Sử dụng 2 driver DRV8838 cho 2 động cơ dẫn động.

Phân tích TABAR Robot

TABAR là robot dò line được thiết kế và thử nghiệm nhằm tham gia cuộc thi
Robot dị line tại Tabrize.

Hình 1.4. Robot dị line TABAR
Vận tốc tối đa: 0, 4 ( m / s ) .
Kết cấu cơ khí:

4


CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN

Hình 1.5. Sơ đồ nguyên lý Robot TABAR
-

Động cơ: Sử dụng 2 động cơ DC kèm hộp số.

-

Số bánh: 3 bánh, 2 bánh sau chủ động dẫn hướng và dẫn động, 1 bánh
trước bị động.

-

Hệ thống lái: Sử dụng hệ thống lái Differential

Hệ thống điện:
-

Cảm biến: Sử dụng cảm biến hồng ngoại TCRT5000.

-

Khoảng cách giữa 2 cảm biến: 5 ( cm ) .

Hình 1.6. Bố trí cảm biến cho Robot TABAR

1.1.3.

-

Vi điều khiển: Điều khiển tập trung, dùng vi điều khiển ATmega16.

-

Driver động cơ: Sử dụng 1 driver L298 cho cả 2 động cơ.

Phân tích Sunfounder PiCar – S

Robot được thiết kế cho việc giáo dục STEM.

Hình 1.7. Sunfounder Picar - S
5


CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN

Kết cấu cơ khí:

Vi sai

Hình 1.8. Sơ đồ nguyên lý của Robot SunFounder Picar - S
-

Động cơ dẫn động: 2 động cơ DC servo có hộp số.

-

Động cơ dẫn hướng: 1 động cơ RC servo.

-

Bánh xe: 4 bánh, 2 bánh sau chủ động dẫn động, 2 bánh trước bị động
dẫn hướng.

Hệ thống điện:
-

Cảm biến: Sử dụng cảm biến hồng ngoại TCRT5000.

-

Vi điều khiển: Sử dụng Raspberry kèm board điều khiển động cơ Robot
HATs.

1.1.4.

Driver động cơ: Sử dụng 2 driver động cơ TB6612.

Phân tích Pinto Robot

Pinto Robot là Robot của đội đua Grant tham gia cuộc thi Robot dị line LVBots
Line Following năm 2015.

Hình 1.9. Robot Pinto
6


CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN

Vận tốc tối đa: 0,8 ( m / s ) .
Kết cấu cơ khí:

Hình 1.10. Sơ đồ nguyên lý của Robot Pinto
-

Động cơ dẫn động: Sử dụng 2 động cơ DC servo.

-

Dẫn động qua bánh đai.

Hình 1.11. Bên trong Robot Pinto
-

Bánh xe: 3 bánh, 2 bánh trước dẫn động vừa dẫn hướng, bánh sau bị
động.

Hệ thống điện:
1.1.5.

Cảm biến: Sử dụng cảm biến hồng ngoại.

Phân tích Chariot Robot

Robot Chariot là robot tham gia cuộc thi LVBots Line Following.

7


CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN

Hình 1.12. Robot Chariot
Vận tốc tối đa: 1, 2 ( m / s ) .
Kết cấu cơ khí:

Hình 1.13. Sơ đồ ngun lý Robot Chariot
-

Động cơ: Sử dụng 2 động cơ DC servo.

-

Bánh xe: 3 bánh, 2 bánh sau chủ động dẫn động, dẫn hướng, 1 bánh
trước bị động.

Hệ thống điện:
-

Cảm biến: Sử dụng cảm biến hồng ngoại. Bố trí 6 cảm biến trên thanh
đỡ có che phủ để chống nhiễu.

-

Vi điều khiển: Điều khiển tập trung, dùng vi điều khiển A – Star 32U4
Mini LV.

1.1.6.

Phân tích Pika Robot
8

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN

Là Robot của đội Mechatron vô địch cuộc thi Cyberbot Line Following năm
2015.
Vận tốc tối đa: 2,7 ( m / s ) .
Kết cấu cơ khí:

Hình 1.14. Sơ đồ nguyên lý Robot Pika
-

Động cơ: Sử dụng 2 động cơ DC servo.

-

Số bánh: 4 bánh, 2 bánh sau chủ động dẫn động, dẫn hướng, 2 bánh
trước bị động.

Hệ thống điện:
1.2.

Cảm biến: Sử dụng cảm biến hồng ngoại.

Nhận xét, ưu điểm và nhược điểm của các mơ hình Robot được trích dẫn
1.2.1.

Về cơ khí

a. Nguyên lý cơ khí
Bảng 1.2. So sánh ưu và nhược điểm của các mơ hình Robot được trích dẫn

Sơ đồ
nguyên lý

Vi sai

9


CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN

Robot
Ưu điểm

Usain Volt.

TABAR,

SunFounder

Chariot.

PiCar – S.

Pinto.

- Có khả năng - Mơ hình tốn - Có khả năng - Mơ hình tốn
bám đường tốt đơn giản, dễ điều bám đường tốt.
hơn kết cấu dạng khiển.

đơn giản, dễ điều

- Có khả năng vào khiển.

3 bánh cùng kết - Kết cấu cơ khí cua tốt.
cấu

(bánh

bị đơn giản.

động caster cầu)

- Kết cấu cơ khí

- Chủ động hơn đơn giản.

- Mơ hình tốn trong việc điều - Mơ hình tốn

- Kết cấu cơ khí đơn giản, dễ điều hướng, giảm bớt đơn giản, dễ điều
đơn giản

áp lực ở bánh sau. khiển.

khiển.

Khả

năng

- Mơ hình toán

-

đơn giản, dễ điều

chuyển hướng xe

khiển.

tốt.
- Bộ vi sai đã giải
quyết

vấn

đề

đồng trục và cùng
tốc độ của 2 bánh
xe.
Nhược

- 2 bánh trước bị - Có khả năng - Kết cấu cơ khí - Có khả năng

điểm

động, nên hạn bám đường kém, rất phức tạp. Khó bám đường kém,
chế khả năng vào khi vào cua dễ bị khăn trong việc khi vào cua dễ bị
cua.

thiết kế cơ cấu lật.

lật.

chuyển hướng.
10


CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN

- Phải đảm bảo - 2 bánh sau vừa - Phải đảm bảo - 2 bánh sau vừa
đồng phẳng cho dẫn hướng, vừa đồng phẳng cho 4 dẫn hướng, vừa
dẫn động, do đó, bánh xe.

4 bánh xe.

dẫn động, do đó,

- 2 bánh sau vừa tạo áp lực lên - Mơ hình tốn và tạo áp lực lên
dẫn hướng, vừa bánh sau.

điều

khiển

rất bánh sau.

dẫn động, do đó - Phải đảm bảo phức tạp.

- Phải đảm bảo

tạo áp lực lên đồng trục 2 động - Sử dụng vi sai, đồng trục 2 động
cơ và quay cùng do đó tỉ số truyền cơ và quay cùng

bánh sau

- Phải đảm bảo tốc độ khi chạy của vi sai sẽ ảnh tốc độ khi chạy
đồng trục 2 động trên

đường hướng rất nhiều trên

cơ và quay cùng thẳng.

trong

việc

đường

lựa thẳng.

tốc độ khi chạy - Nếu phần sau chọn các thiết bị.
trên

đường xe nặng thì xe dễ - Phải giải quyết
bị bốc đầu.

thẳng.

vấn đề đồng trục

bánh trước.

Một số dạng sơ đồ nguyên lý khác:
Bảng 1.3. Bảng so sánh ưu và nhược điểm của một số dạng sơ đồ nguyên lý khác
Sơ đồ nguyên
lý

Vi sai

Vi sai
Vi sai

Ưu điểm

- Có khả năng bám - Cải thiện được độ - Có khả năng bám đường
đường tốt.

bám đường do bánh tốt.
- Có khả năng vào cua tốt.
11


CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN

- Có khả năng vào trước chủ động dẫn - Chủ động hơn trong
hướng.

cua tốt.

việc điều hướng, giảm

- Chủ động hơn - Chủ động hơn trong bớt áp lực ở bánh sau.
trong

điều việc

việc

điều

hướng, - Khả năng chuyển hướng

hướng, giảm bớt áp giảm bớt áp lực ở xe tốt.
lực ở bánh sau.

bánh sau.

- Bộ vi sai đã giải quyết

- Khả năng chuyển - Khả năng chuyển được vấn đề đồng trục và
hướng xe tốt.

hướng xe tốt.

cùng tốc độ của 2 bánh

- Bộ vi sai đã giải - Bộ vi sai đã giải xe.
quyết vấn đề đồng quyết vấn đề đồng - Giải quyết vấn đề trượt
trục và cùng tốc độ trục và cùng tốc độ bánh khi vào cua, vì 2
của 2 bánh xe.

của 2 bánh xe.

bánh nằm ở 2 trục khác
nhau.

Nhược điểm

- Kết cấu cơ khí rất - Kết cấu cơ khí - Kết cấu cơ khí rất phức
phức tạp. Khó khăn tương đối phức tạp.

tạp. Khó khăn trong việc

trong việc thiết kế - Mơ hình tốn và thiết kế cơ cấu chuyển
cơ

cấu

chuyển điều khiển rất phức hưởng.

hướng.

tạp.

- Phải đảm bảo đồng

- Phải đảm bảo - Sử dụng vi sai, do phẳng cho 4 bánh xe.
đồng phẳng cho 4 đó tỉ số truyền của vi - Mơ hình tốn và điều
sai sẽ ảnh hướng rất khiển rất phức tạp.

bánh xe.

- Mơ hình tốn và nhiều trong việc lựa - Phải giải quyết bài toán
điều khiển rất phức chọn các thiết bị.

đồng trục của 2 bánh

tạp.

trước.

- Vì đây là cơ cấu

- Sử dụng vi sai, do đó tỉ

hình bình hành, do

số truyền của vi sai sẽ ảnh

đó

chuyển

hưởng rất nhiều trong

hướng thì tốc độ 2

việc lựa chọn các thiết bị.

khi

12


CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN

bánh

trước

như

nhau, do đó bánh xe
bị trượt.
- Phải giải quyết
vấn đề đồng trục
bánh trước.
- Sử dụng vi sai, do
đó tỉ số truyền của
vi sai ảnh hưởng rất
nhiều trong việc lựa
chọn các thiết bị.

b. Số bánh
Bảng 1.4. So sánh ưu và nhược điểm của dạng Robot xe dò line 3 và 4 bánh
Số bánh
Ưu điểm

3 bánh

4 bánh

- Vấn đề đồng phẳng 3 bánh - Có khả năng bám đường tốt.
tương đối đơn giản.

- Dễ vào cua.

- Khi vào cua dễ bị lật.

- Thường sẽ sử dụng vi sai, do đó

- Mơ hình tốn tương đối đơn vấn đề đồng trục bánh sau có thể bỏ
giản, do đó dễ trong việc điều qua.
khiển.
- Kết cấu cơ khí đơn giản.
Nhược điểm

- Có khả năng bám đường khơng - Phải đảm bảo đồng phẳng cả 4
tốt.

bánh.

- Khi không sử dụng bộ vi sai thì - Phức tạp trong việc điều khiển và
phải giải quyết vấn đề đồng trục.

thiết kế cơ khí.
- Phải đảm bảo đồng trục bánh
trước.

13

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN

1.2.2.

Về điện

a. Vi điều khiền
Bảng 1.5. Bảng so sánh các đặc tính của các dịng vi điều khiển thường dùng cho
Robot xe dò line
Loại vi điều

STM

MicroChip PIC

Arduino

khiển
Điện áp hoạt

2V – 3,6V

4V – 5,5V

Khuyến khích là 5V

Có

Có

động
Đầu ra Digital Có
Đọc Analog

Có các cổng vào đọc Có các cổng vào đọc Có các cổng vào đọc
Analog

Giao tiếp

Analog

Hổ trợ các chuẩn giao Hổ trợ các chuẩn giao Hổ trợ các chuẩn
tiếp

I2C,

SPI, tiếp

UART…
Ngắt

Ưu điểm

Analog

I2C,

SPI, giao tiếp I2C, SPI,

UART…

UART…

Hổ trợ các module - Hổ trợ các module - Hổ trợ các module
ngắt ngoài, timer…

ngắt ngoài, timer…

- Tốc độ xử lý nhanh.

- Nhỏ gọn, dễ bố trí - Tốc độ xử lý nhanh.

Nhỏ gọn, dễ bố trí lắp lắp đặt.
đặt.

- Giá thành rẻ, dễ sử

- Giá thành rẻ.

dụng.

- Mạch nạp cũng như - Mạch nạp cũng như
IDE đa dạng và dễ sử IDE dễ sử dụng.
dụng.

- Thích hợp cho điều
khiển phân cấp.

14

ngắt ngồi, timer…

IDE dễ sử dụng.