Đồ án thiết kế hệ thống cơ điện tử .PGS.TS Nguyễn Duy Anh

ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP.HCM
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA
KHOA CƠ KHÍ – BỘ MƠN CƠ ĐIỆN TỬ

GVHD

: PGS.TS NGUYỄN DUY ANH

1.
2.
3.
4.

SVTH
HỒ VĂN NGUYÊN
NGUYỄN VĂN QÚI
TRẦN HOÀI VĨNH PHÚC
PHẠM TẤN TÀI

TPHCM 05/2017

MSSV
21302617
21303243
21303069
21303489


Đồ án thiết kế hệ thống cơ điện tử

GVHD:PGS.TS Nguyễn Duy Anh

Mục Lục

Mục tiêu đồ án môn học ......................................................................................................................... 4
CHƯƠNG I. TỔNG QUAN ................................................................................................................... 5
1. Sơ lượt về robot dò line: .............................................................................................................. 5
2. Một số mơ hình robot phổ biến: .................................................................................................. 5
a. Robot có kết cấu 4 bánh: ......................................................................................................... 5
b.

Robot có kết cấu 3 bánh: ...................................................................................................... 6

3. Về cảm biến: ................................................................................................................................ 7
a. Các loại sensor: ........................................................................................................................ 7
b.

Phương pháp xữ lí tín hiệu cảm biến: .................................................................................. 8

4. Về cấu trúc điều khiển. ................................................................................................................ 8
5. Yêu cầu đề bài: ............................................................................................................................ 9
CHƯƠNG II. LỰA CHỌN PHƯƠNG ÁN.......................................................................................... 10
1. Lựa chọn cơ khí: ........................................................................................................................ 10
a. Chọn cấu hình xe: .................................................................................................................. 10
b.

Chọn bánh xe: .................................................................................................................... 11

2. Phương án điện: ......................................................................................................................... 12
2.1.

Lựa chọn động cơ:.............................................................................................................. 12

2.2. Lựa chọn Driver. ................................................................................................................. 13
2.3. Lựa chọn cảm biến: .............................................................................................................. 14
3. Phần điều khiển: ........................................................................................................................ 14
3.1.

Cấu trúc mạch điều khiển: ................................................................................................. 14

3.2. Xử lý thơng tin đọc tín hiệu cảm biến. ................................................................................ 15
CHƯƠNG III:THIẾT KẾ. .................................................................................................................... 16
1. Thiết kế cơ khí: .......................................................................................................................... 16
a. Chọn đường kính bánh xe:..................................................................................................... 16
b. Chọn động cơ: ........................................................................................................................... 16
2. Mơ hình hóa............................................................................................................................... 20
2.1.

Thiết lập phương trình động học cho robot........................................................................ 20

2.2.

Mơ phỏng matlab ............................................................................................................... 23

3. Thiết kế điện: ............................................................................................................................. 42
a. Drivers: ................................................................................................................................... 42
b. Tìm hàm truyền cho động cơ: ................................................................................................. 44
c. Thiết kế bộ điều khiển: .......................................................................................................... 44

Nhóm 2

Trang 2


Đồ án thiết kế hệ thống cơ điện tử

GVHD:PGS.TS Nguyễn Duy Anh

4. Về cảm biến: .............................................................................................................................. 46
a. Đối với khoảng cách từ cảm biến đến mặt đường line: ......................................................... 47
b.

Đối với khoảng cách từ tâm 2 cảm biến:. .......................................................................... 48

c. Đối với số lượng cảm biến: ................................................................................................... 49
d.

Calip cảm biến: .................................................................................................................. 50

5. Mạch nguồn: .............................................................................................................................. 51
6. Sơ đồ mạch điện của hệ thống:.................................................................................................. 52
1. Chương trình điều khiển chính: ................................................................................................. 53
2. Chương trình con cho xe di chuyển: ......................................................................................... 54
CHƯƠNG V: MƠ HÌNH THỰC NGHIỆM. ....................................................................................... 56
∎ Tài Liệu Tham Khảo ........................................................................................................................ 58

Nhóm 2

Trang 3

Đồ án thiết kế hệ thống cơ điện tử

GVHD:PGS.TS Nguyễn Duy Anh

Mục tiêu đồ án môn học
Thiết kế và chế tạo Robot do line theo sa bàn đã được cho trước với những đặc điểm:
 Màu sắc line: Đen
 Màu nền: Trắng
 Bề rộng đường line: 26mm
 Bề mặt dịa hình di chuyển là mặt phẳng.
 Bán kính cong lớn nhất là 500mm
 Yêu cầu hoạt động 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 → F → C → G → A → C → E (END).

.
Hình 1: Sa bàn.

Nhóm 2

Trang 4


Đồ án thiết kế hệ thống cơ điện tử

GVHD:PGS.TS Nguyễn Duy Anh

CHƯƠNG I. TỔNG QUAN
1. Sơ lượt về robot dò line:
Robot do line là loại robot được thiết kế để bám theo đường line đã được định sẳn theo yêu

cuầ sử dụng. Một Robot do line gồm các yếu tố: sơ đồ nguyên lý, loại cảm biến,động cơ, cấu trúc
điều khiển.
Với tình hình cơng nghê phát triển hiện nay, robot là một công cụ hổ trợ đắt lực trong khoa
học và lao động: quân sự, y tế, giáo dục và các ngành giải trí...
Hiện nay, có rất nhiều kết cấu cơ khí được thiết kế để cải thiện khả năng di chuyển của robot
do line như đáp ứng tốc độ, độ chính xác bám line,... và các kết cấu hiện nay phổ biến là: cấu trúc
hai bánh, ba bánh, bốn bánh, bánh xích...
2. Một số mơ hình robot phổ biến:
a. Robot có kết cấu 4 bánh:
Đối với bốn bánh chủ động, các bánh xe được dẫn động từ các động cơ riêng biệt như kết cấu
các xe: fireball (brookbots), Thunder, DF robot, DG012-ATV,.....

Hình 1.1: Sơ đồ nguyên lý và Robot dị line Fireball
Thơng số kỹ thuật:
- Kích thước: 120mmx200mmx80mm
- Tốc độ: 1,5m/s
- Cảm biến: Infrared *5
- Động cơ: DC 12V – Giảm tốc
Ưu,nhược điểm của cấu bốn bánh chủ động: kết cấu cơ khí đơn gian, chạy với tốc độ thấp,
dễ xảy ra hiện tượng trượt khi chạy với tốc độ cao do bốn bánh được dẫn động bằng bốn động
cơ riêng biệt khi qua cua rất chậm vì tạo ra tâm quay tức thời rất khó. Để khắc phục thì cần bộ
điều khiển phức tạp.
Đối với xe hai bánh chủ động và bánh bị động được điều khiển hướng di chuyển bằng động
cơ servo, các xe tiêu biểu: Bkit MCR, Tumbler Robot,..

Nhóm 2

Trang 5

Đồ án thiết kế hệ thống cơ điện tử

GVHD:PGS.TS Nguyễn Duy Anh

Hình 1.2: Sơ đồ ngun lý và Robot dị line FRAGILE007RL
Thơng số kỹ thuật:
- Kích thước: 180mmx440mmx202mm
- Tốc độ: 4m/s
- Cảm biến: Infrared * 6 + Gyroscope
- Động cơ: DC 12V – Giảm tốc + động cơ Servo
Ưu nhược điểm của robot loại này: kết cấu cơ khí phức tạp, bám line với độ chính xác cao,
di chuyển với tốc độ chậm, qn tính khi ơm cua của robot lớn nên có thể làm robot lệch khỏi
line khi chạy với tốc độ cao, thuật điều khiển phức tạp.
Đối với xe sử dụng hai bánh chủ động gắn với hai động cơ độc lập, với kết cấu của các xe:
Silvestre line following robot, Lab 24 Line Tracking Robot, 3PI robot, Usaint Volt 2.0, Masler
robotics... những loại này thường dùng thêm bánh tự lựa để giữ thăng bằng trong quá trình di
chuyển và có cảm biến đặt phía trước.

-

Hình 1.3: Sơ đồ ngun lý và Robot Silvestre
Thơng số kỹ thuật:
Kích thước: 180mmx200mmx60mm
Tốc độ: 3m/s
Cảm biến: Infrared * 8
Động cơ: DC 12V – Giảm tốc

b. Robot có kết cấu 3 bánh:
Đối với loại xe có cảm biến nằm giữa như HBFS-2, Chariot, Techbot1 cần một bánh tự
lựa để giữ cân bằng khi di chuyển có thể di chuyển ở tốc độ cao và sai số bám line nhỏ

Nhóm 2

Trang 6


Đồ án thiết kế hệ thống cơ điện tử

GVHD:PGS.TS Nguyễn Duy Anh

Hình 1.4: Sơ đồ ngun lý và Robot Chariot

Thơng số kỹ thuật:
Kích thước: 180mmx220mmx150mm
Tốc độ: 1,5m/s
Cảm biến: Infrared * 7
Động cơ: DC encoder 12V – Giảm tốc
Ưu, nhược điểm của robot hai bánh chủ động: dể dàng đổi hướng di chuyển bằng cách cho
một động cơ dừng hay tốc độ thấp và một động cơ quay tốc độ cao hoặc cho hai động cơ quay
cùng tốc độ nhưng ngược chiều nhau, khắc phục được hiện tượng trượt khi di chuyển nhanh. Dể
lật khi di chuyển và không đảm bảo được khoảng cách giữa cảm biến và mặt đường trên địa
hình dốc.
-

3. Về cảm biến:
Hiện nay các robot do line thường dùng hai loại: Camera và cảm biến quang
(photosensor).... Tùy vào chức năng hay yêu cầu ta sử dụng loại nào thích hợp.
a. Các loại sensor:
-

-

Nhóm 2

Camera trả về vị trí và góc lệch của xe so với đường line trong một lần lấy mẫu. Có thể
nhận biết được các dạng đường line phức tạp, đứt đoạn thông qua các giải thuật xử lý ảnh.
Ưu điểm của camera có thể đạt được độ chính xác rất cao nếu sử dụng camera có độ phân
giải cao, tuy nhiên phương pháp này ít được dùng trong các cuộc thi đua xe line màu do
khối lượng xử lí nhiều, dẫn đến hạn chế tốc độ tối đa của xe, đồng thời camera có thể bị
nhiễu với mơi trường có cường độ ánh sáng cao.
Cảm biến quang có hai loại gồm quang điện trở và phototransistor. Hai loại này có nguyên
lý hoạt động giống nhau. Bộ cảm biến này có hai bộ phận: gồm bộ phận phát và bộ phận
thu. Bộ phát tạo ra chùm sáng có tần số nằm trong vùng ánh sáng nhìn thấy hoặc ánh sáng

Trang 7


Đồ án thiết kế hệ thống cơ điện tử

GVHD:PGS.TS Nguyễn Duy Anh

hồng ngoại. Bộ thu sẽ thu tín hiệu ánh sáng phản xạ từ bộ phát xuống mặt đất, từ đó xử lí để
xác định vị trí của đường line. Đối với quang điện trở thời gian đạt giá trị xác lập là 20-30
ms [1], đối với phototransistor thời gian đạt được giá trị xác lập rất ngắn 15ns [2], vì vậy độ
chính xác cao hơn quang điện trở. Cảm biến quang các loại giải thuật thường dùng là: so
sánh và nội suy.
b. Phương pháp xữ lí tín hiệu cảm biến:
Phương pháp so sánh [4] tín hiệu dựa vào trạng thái đóng ngắt của cảm biến rồi từ đó suy
ra vi trị của robot, tốc độ đáp ứng nhanh.
Tín hiệu trả về: một dãy số nhị phân (0 và 1)

Hình 1.5 Giá trị cảm biến đọc về digital
Phương pháp nội suy là các giá trị đọc về được thực hiện qua phép xấp xỉ để tìm ra vị trí của
đường line, tìm ra vị trí của robot với độ chính xác cao [4] [3]
Tín hiệu trả về: một con số, sau khi đã được xử lí thơng qua cơng thức xấp xỉ ( có trọng số,
bậc 2)

Hình 1.6: Giá trị cảm biến đọc về xấp xỉ
4. Về cấu trúc điều khiển.
Robot do line có các phần chính: mạch cảm biến, mạch điều khiển và mạch điều khiển động
cơ. Cách để kết nối các mạch điện này với nhau bằng hai phương pháp điều khiển tập trung và
điều khiển phân cấp.
- Phương pháp điều khiển tập trung: một vi điều khiển sẽ nhận và đồng thời xử lí các tính
hiệu từ sensor, tín hiệu từ encoder, thực hiện các chương trình chính đồng thời truyền dữ
liệu cho việc điều khiển hai động cơ. Đối với phương pháp này thì kết cấu mạch điều khiển
đơn giản, nhưng chỉ một vi điêu khiển làm việc q nhiều, phải xử lí tồn bộ thơng tin nhận
được trước đó rồi mới cập nhật thơng tin tiếp theo làm thời gian đáp ứng chậm.

Nhóm 2

Trang 8


Đồ án thiết kế hệ thống cơ điện tử

GVHD:PGS.TS Nguyễn Duy Anh

Phương pháp điều khiển phân cấp: gồm một master và ba Slave để điều khiển mạch sensor,
mạch lái động cơ. Vi điều khiển master được dùng để thực hiện các chương trình chính, các
phép tốn cho chương trình điều khiển hai động cơ. Còn các Slave dùng với các nhiệm vụ

riêng biệt để thu nhận và xử lí tín hiệu từ cảm biến, tín hiệu từ encoder, tính tốn vị trí tương
đối của robot so với line, tính tốn tốc độ của động cơ và truyền về cho master. Phương
pháp này giúp giảm nhẹ khối lượng nhận và xử lí thơng cho master tăng thời gian đáp ứng.

-

5. u cầu đề bài:
Dựa vào kết quả tìm hiểu các robot bám line ta thấy, vận tốc xe đạt được nằm trong
khoảng 1.5m/s – 2.2 m/s. Với mực tiêu nhóm đặt ra là robot này sẽ bám line tốt nên nhóm
quyết định chọn vận tốc 0.9m/s.
Theo xa bàn thì bán kính cong nhỏ nhất của line là 500mm.
Sai số bám line trong suốt quá trình di chuyển, sai số trong quá trình xe di chuyển trên
đường thẳng hay cong sẽ phụ thuộc vào sai số xác định vị trí của xe do hệ thống sensor và sai
số do bộ điều khiển, theo kết quả thực nghiệm [3] với 7 cảm biến, ước tính thơng qua phương
pháp nội suy bậc hai thì sai số bám line lớn nhất là 5.4mm.

Hình 2. Vị trí giao điểm xa bàn
Xét đoạn đường từ O đến D (Giả sữ sai số bám line tại vị trí O, e =0), với thời gian lấy
mẫu t = 0.01s, vận tốc lớn nhất v = 1.5m/s, quảng đường mà robot lấy mẫu 2 lần:
𝐷𝐶 = 𝑣𝑚𝑎𝑥 . 𝑡 = 0,9.0,01 = 0,009𝑚 = 9𝑚𝑚
Từ thơng số sa bàn có:
𝐵𝐷
𝛼 = 130 , 𝐷𝐵 = 13𝑚𝑚.𝑂𝐷 = sin(13) = 57,8𝑚𝑚
𝐴𝐶 = (𝑂𝐷 − 𝐷𝐶). sin(13) = (57,8 − 9). sin(13) = 10,98𝑚𝑚
Nếu sai số khi robot rời khỏi vị trí giao O lớn hơn AC thì robot sẽ đi sai quỹ đạo đã quy định.
Vậy nhóm chọn sai số bám line lớn nhất là e = 12,5mm
Vậy yêu cầu đề bài là:
- Vận tốc lớn nhất: 𝑣𝑚𝑎𝑥 = 0,9𝑚/𝑠
- Vận tốc khi ơm cua là: v = 0,2m/s
- Bán kính cong nhỏ nhất của line là: 𝜌𝑚𝑖𝑛 = 500𝑚𝑚

- Sai số bám line lớn nhất: 𝑒𝑚𝑎𝑥 = 10,98𝑚𝑚

Nhóm 2

Trang 9


Đồ án thiết kế hệ thống cơ điện tử

GVHD:PGS.TS Nguyễn Duy Anh

CHƯƠNG II. LỰA CHỌN PHƯƠNG ÁN
1. Lựa chọn cơ khí:
a. Chọn cấu hình xe:
Kết cấu cơ khí của robot cần đảm bảo ổn định cho robot chạy ở vận tốc tối đa là 0,9m/s và
có khả năng thực hiện chuyển hướng ở những vị trí chuyển hướng gấp, góc 900. Robot di
chuyển trên địa hình phẳng và có mang tải nên nhóm chọn 2 kết cấu robot:
Đối với kết cấu xe 2 bánh:

-

Ưu điểm: Kết cấu đơn giản,di chuyển trên nhiều địa hình khác nhau,xoay chuyển một cách
linh hoạt
Nhược điểm: Gặp khó khăn trong vấn đề bám line và giải quyết vấn đề tự cân bằng của
xứng của xe,khó phân bố đều tải trọng,robot di chuyển với tốc độ thấp.

Đối với kết cấu xe 3 bánh:(2 bánh chủ động và 1 bánh tự lựa)

Ưu điểm: Di chuyển ổn định trên nhiểu địa hình,ln đảm cảo các điểm tiếp xúc trên
đường,linh hoạt xoay chuyển kết cấu đơn giản.

- Nhược điểm: Độ ổn định kém do diện tích tiếp xúc mặt chân đế nhỏ.
Đối với kết cấu xe 4 bánh:
 Đối với 4 bánh điều khiển riêng biệt:
-

Nhóm 2

Trang 10


Đồ án thiết kế hệ thống cơ điện tử



GVHD:PGS.TS Nguyễn Duy Anh

Ưu điểm:Kết cấu đơn giản,chịu tải trọng tốt.
Nhược điểm: Điều khiển 4 động cơ phức tạp,qua cua khó khăn do khơng tạo được trọng
tâm tức thời bởi có 4 động cơ.
Đối với 4 bánh có 2 bánh chủ động và 2 bánh bị động:

Ưu điểm: Kết cấu tăng độ độ cứng vững,phân bố tải trọng đều,giảm đi hiện tượng
trượt,bám line với độ ổn định cao do diện tích tiếp xúc mặt chân đế lớn.
- Nhược điểm: Vận tốc hạn chế,quán tính khi qua cua lớn.
Từ yêu cầu đề bài và các phân tích trên nhóm quyết định chọn thiết kế loại xe 4 bánh có 2
bánh chủ động và 2 bánh bị động(bánh mắt trâu).
-

b. Chọn bánh xe:
Bánh chủ động: Đáp ứng yêu cầu nhẹ,bền, khả năng bám đường tốt, có sẳn trên thị trường.

Chọn loại bánh cho xe đua mơ hình: khung nhựa, vỏ caosu.
- Bánh bị động: Yêu cầu chuyển hướng linh hoạt kích thước nhỏ, nhẹ, có sẳn trên thị
trường.
Để đáp ứng yêu cầu trên nhóm chọn bi cầu (gọi là bánh mắt trâu).
Sơ đồ nguyên lý:
-

Nhóm 2

Trang 11


Đồ án thiết kế hệ thống cơ điện tử

GVHD:PGS.TS Nguyễn Duy Anh

Hình.2.1:Sơ đồ ngun lý xe dị line nhóm 2.
2. Phương án điện:
Yêu cầu:
- Chọn động cơ đạt được tốc độ tối đa là 0,9m/s.
- Thiết kế và chế tạo mạch cảm biến.
- Chọn Driver.
2.1. Lựa chọn động cơ:
a. Động cơ Step:

-

Ưu điểm:Kiểm sốt vị trí chính xác hướng khi quay,dễ thiết lập và kiểm xoát.
Nhược điểm:Động cơ dễ bị trượt bước gây sai lệch trong điều khiển.

b. Động cơ Servo:

Nhóm 2

Trang 12


Đồ án thiết kế hệ thống cơ điện tử
-

GVHD:PGS.TS Nguyễn Duy Anh

Ưu điểm:Tránh được hiện tương trượt bước như Step DC,hoạt động ở tốc độ cao,momen
xoắn cao,luân chuyển chính xác trong góc giới hạn,kiểm sốt vị trí chính xác…
Nhược điểm: Thiết lập bộ điều khiển phức tạp.

c. Động cơ Encoder:

Ưu điểm:Dễ điều khiển,hoạt động ở tốc độ cao,momen xoắn cao,được dùng phổ biến
trong các xe đua đã tìm hiểu ở phần trước,kiểm sốt vị trí chính xác.
- Nhược điểm:Dịng khởi động lớn,độ vọt lố cao nhưng có thể dễ khác phục được qua hệ bộ
điều khiển và mạch driver.
Từ yêu cầu và các phân tích trên,nhóm chọn động cơ có Encoder.
-

2.2. Lựa chọn Driver.
a. Driver TB6612:

-

Nguồn áp vào: 12V.
Nguồn dòng đầu ra lớn nhất: 1.2A
Tuyến tính giữa xung PWM và tốc độ quay của động cơ đạt độ tuyến tính cao.
Dòng đầu ra quá nhỏ,khi động cơ quá tải Driver có thể sẽ bị cháy.

b. Driver L298:

Nguồn áp vào: 12V
Nguồn dong ra của một cầu là:2A
Đồ thị tuyến tính của xung PWM và tốc độ quay của động cơ đạt tuyến tính thấp.
Dịng ra tương đối đáp ứng được nguồn dòng động cơ tiêu thụ khi quá tải và khả năng
tuyến tính vẫn có thể đáp ứng tốt cho động cơ hoạt động ổn định.
Với yêu cầu đề bài xe có chở thêm tải 2kg nên nhóm quyết định chọn Driver L298.
-

Nhóm 2

Trang 13


Đồ án thiết kế hệ thống cơ điện tử

GVHD:PGS.TS Nguyễn Duy Anh

2.3. Lựa chọn cảm biến:
Yêu cầu:Cảm biến phải đáp ứng tốt nhận biết line và phản hồi về bộ điều khiển nhanh.
a. Camera CMU:

-

Ưu điểm:Đạt được độ chính xác rất cao,có thể nhận biết được các dạng đường line phức
tạp,đứt đoạn thông qua giải thuật xử lý ảnh,thư viện hơ trợ có sẵn.
Nhược điểm:Phương pháp này ít được dùng trong các cuộc thi đua xe line màu do khối
lượng xử lý nhiều dẫn đến hạn chế tốc độ tối đa của xe,đồng thời camera có thể bị nhiễu
với mơi trường có cường độ ánh sáng cao.

b. Cảm biến dị line TRCT5000:

Ưu điểm:Phototransisto thời gian đạt được giá trị xác lập rất ngắn 15ns[2],giá thành rẻ,dễ
dàng thiết kế và chế tạo mạch với số lượng cảm biến đã chọn.
- Nhược điểm:Dễ bị ảnh hưởng bởi ánh sáng ngồi trời.
Qua đó nhóm chọn loại cảm biến TRCT5000.
-

3. Phần điều khiển:
Yêu cầu:
- Thuật điều khiển đơn giản,dễ lập trình.
- Cấu trúc mạch diều khiển dễ thiết kế,đáp ứng các thời gian phản hồi,xử lí và phát tín hiệu điều
khiển.
3.1. Cấu trúc mạch điều khiển:
a. Điều khiển phân cấp:
-

Nhóm 2

Ưu điểm: Giảm khối lượng xử lý tín hiệu của các vi điều khiển,mỗi vi điều khiển sẽ thực
hiện nhiệm vụ riêng của mình.
Nhược điểm:Phân bố,thiết kế mạch phúc tạp,thời gian đáp ứng chậm do dùng các chuẩn
truyền.

Trang 14


Đồ án thiết kế hệ thống cơ điện tử

GVHD:PGS.TS Nguyễn Duy Anh

b. Điều khiển tập trung:
-

Ưu điểm:Đơn giản trong phân bố,thiết kế mạch,thời gian đáp ứng xử lý tín hiệu
nhanh,khơng cần dùng các chuẩn truyền dữ liệu.
Nhược điểm:Một vi điều khiển làm nhiều nhiệm vụ dẫn đến hiện tượng quá tải.

Qua đó nhóm chọn cấu trúc mạch điều khiển theo kiểu tập trung.

3.2. Xử lý thơng tin đọc tín hiệu cảm biến.
a. Phương pháp ON/OFF(trả về một dãy số nhị phân)
-

Ưu điểm:Dễ điều khiển,thuật điều khiển đơn giản,lâp trình dễ dàng.
Nhược điểm:Khơng tìm được sai số bám line,robot dễ bị rung rắc mạnh do tín hiệu ở dạng
bạt tắt.

b. Phương pháp trung bình cộng có trọng số (trả về một con số)
Ưu điểm:Robot di chuyển ổn định hơn,hạn chế được độ vọt lố của động cơ DC,xác định vị
trí robot,sai số bám line.
- Nhược điểm:Phức tạp khi lập trình,tăng khối lượng xử lý tín hiệu,giảm thời gian đáp ứng.
Với tiêu chí điều khiển đơn giản và dể lập trình nhóm chọn thuật điều khiển ON/OFF.
-

Nhóm 2

Trang 15


Đồ án thiết kế hệ thống cơ điện tử

GVHD:PGS.TS Nguyễn Duy Anh

CHƯƠNG III:THIẾT KẾ.
1. Thiết kế cơ khí:
a. Chọn đường kính bánh xe:
Theo các tài liệu tham khảo như: Lap 24 line Tracking dùng loại bánh SPG30, đường kính
80mm, Fireball dùng bánh có đường kính 50mm và cuộc thi diễn ra trước đây các bánh dùng
có đường kính từ 40-80mm. Ngồi ra, trên thị trường có các loại bánh từ 40-80mm.
Với yêu cầu bánh xe chở tải và phải bám đường tốt nhóm chọn loại bánh đường kính
65mm V2 với khớp lục giác 12mm và bề rộng bánh là 27mm.
b. Chọn động cơ:
Xét các lực tác dụng lên các bánh xe chủ động:

Hình 3.1:Lực tác dụng lên động cơ.
Giả sử bánh xe là dạng trịn, đồng chất, có moment qn tính là:
1
𝐼 = 𝑘𝑟 2
2
Phương trình cần bằng moment đối với trọng tâm xe:
𝑀 − 𝐹𝑚𝑠 = 𝑚𝑎
Với lực ma sát là:
𝐹𝑚𝑠 = 𝜇. 𝑁 = 𝜇. 𝑚. 𝑔

Suy ra:
𝑀 = 𝑚(𝜇𝑔 + 𝑎)𝑟 + 𝐼𝜀
Trong đó:
k : là khối lượng bánh xe, k = 0,06kg.
M : momen tác dụng lên bánh xe. (Nmm)
µ: hệ số ma sát nghỉ là 0.7 theo tài liệu sổ tay thiết kế oto – tải.
v: vận tốc mong muốn (m/s), v = 0.9m/s
t: thời gian để xe đạt vận tốc cao nhất trên đoạn đường thẳng: t = 2(s)
a : gia tốc mong muốn (m/s2):
𝑑𝑣 1
𝑎=
= = 0,45(𝑚. 𝑠 −2 )
𝑑𝑡 2
r: đường kính bánh xe (mm)
𝜀: gia tốc góc (rad/s2)
𝑣2
𝜀=
𝑟
I : momen quán tính (kg.m2)
m: khối lượng xe và tải trọng (kg), m = 3kg.

Nhóm 2

Trang 16


Đồ án thiết kế hệ thống cơ điện tử

GVHD:PGS.TS Nguyễn Duy Anh

Momen tác dụng lên xe là:
𝑀 = 3. (0,7.9,81 + 0,45). 0,0325 + 1,95. 10−3 = 0,72(𝑁𝑚)
Momen cần thiết cho mỗi động cơ:
0,72
𝑇=
= 0,36(𝑁𝑚)
2
Số vòng quay:
60000.0,9
𝑛=
≈ 265 𝑣ò𝑛𝑔/𝑝ℎú𝑡
𝜋. 65
Vận tốc góc:
𝜔 = 27,75 𝑟𝑎𝑑/𝑠
Cơng suất động cơ:
𝑃 = 𝑇. 𝜔 = 9,99(𝑊)

Với các thơng số tính được, nhóm chọn loại động cơ GA25 V1.
Công suất định mức
13.2W
Momen quá tải
7,96kgf.cm
Tốc độ
284rpm
Số xung khi qua hợp giảm tốc
374 xung
Điện áp
12V, 600mA
Tỉ số truyền qua hợp giảm tốc
1:34

Kích thước động cơ, theo tài liệu Hshop:

Hình 3.2:Thơng số của động cơ.
Kích thước xe được ước lượng:
Nhóm chọn khoảng cách giữa 2 cảm biến là 12,5(mm) [9][20]. Chọn số cảm biến để đọc
tính hiệu về là 7
Chiều dài thanh cảm biến và 2 bánh mắt trâu:
𝐿 = 12,5.6 + 2(10 + 22 − 3,5 − 2.9) + ∆𝐿 = 132(𝑚𝑚)
Khoảng cách từ 2 mặt chuẩn của động cơ:
a=65.2 + 20 = 150(mm)
Khoảng cách từ mặt chuẩn đến tâm bánh xe:
b = 4 +13,5 = 17,5(mm)
Chiều dài tâm 2 bánh xe chủ động:
𝑅 = 𝑎 + 2𝑏 = 185(𝑚𝑚)
Chiều dài thân xe từ tâm cảm biến đến tâm của 2 bánh chủ động:
𝐿 = 90 + 120 + 40 = 250(𝑚𝑚)

Nhóm 2

Trang 17


Đồ án thiết kế hệ thống cơ điện tử

GVHD:PGS.TS Nguyễn Duy Anh

Chiều cao của trọng tâm xe:
Tại các đoạn đường chuyển hướng xe có khả năng bị lật nếu việc bố trí thiết bị trên
thân xe làm cho trọng tâm xe cao hơn một chiều dài nhất định. Giới hạn này có thể được tính
tốn trên mơ hình sau:

Hình 3.3 :Lực qn tính khi xe ơm cua.
Với:
T: là trọng tâm xe.
Fms:là lực ma sát.
C:là tâm quay khi xe lật.
Flt:là lực li tâm.
P:là trọng lực.
h: chiều cao trọng tâm xe.
Để tránh lật,momen sinh ra do trọng lực quay quanh tâm C gây ra phải lớn hơn lực li tâm:
𝑏
𝐹𝑙𝑡 . ℎ − 𝑃. ≤ 0
2
𝑚𝑣 2
𝑏
↔
. ℎ − 𝑚. 𝑔. ≤ 0
𝑅
2
𝑔𝑏𝑅
↔ℎ≤
2𝑣 2
Với :
Gia tốc trọng trường g=9.81
Bề rông xe b=0.185 m
Bán kính cong của đường đua R=0,5m.
Vận tốc dài tối đa 𝑣 = 0,9 𝑚/𝑠
Ta tính được ℎ ≤ 560.1 𝑚𝑚
Bảng thống kê các thiết bị:
Tên thiết bị

Kit PIC16F877A
Driver TB6612
Gá động cơ
Pin nguồn
Cảm biến hồng ngoại TCRT5000
Bánh chủ động
Bánh mắt trâu
Động cơ GA25 V1
Trục động cơ
Bulong + vít cấy các loại

Nhóm 2

Số lượng
4
2
2
4
7
2
2
2
2

Trang 18


Đồ án thiết kế hệ thống cơ điện tử

1.

2.
3.
4.
5.
6.
7.
8.

Nhóm 2

GVHD:PGS.TS Nguyễn Duy Anh

Hình 3.4: Bố trí các linh kiện trên xe.
Vít ghép đồ gá với động cơ
Vít ghép nối trục với bánh xe
Khớp nối
Đồ gá
Đế
Mạch điều khiển
Vít ghép bánh mắt trâu
Cảm biến

Trang 19


Đồ án thiết kế hệ thống cơ điện tử

GVHD:PGS.TS Nguyễn Duy Anh

2. Mơ hình hóa

2.1. Thiết lập phương trình động học cho robot

Hình 3.5: Sơ đồ mơ tả phương trình động học
Chọn hệ trục tọa độ tuyệt đối là 𝑂𝑋0 𝑌0 và hệ trục tương đối 𝑂𝑋𝐴 𝑌𝐴 gắn với tọa độ tâm vận tốc tức
thời I trên hệ trục 𝑋0 𝑌0 :
𝑥𝐼 = 𝑥 − 𝐷𝑠𝑖𝑛θ
𝑦𝐼 = 𝑦 + 𝐷𝑠𝑖𝑛θ
Với D là khoảng cách từ tâm vận tốc tức thời đến tâm hai bánh xe
𝐿(𝑣 +𝑣 )

𝐷 = 2(𝑣𝑅−𝑣𝐿)
𝑅

𝐿

𝑣𝐿 ,𝑣𝑅 lần lượt là vận tốc của bánh trái và bánh phải của Mobile Platform theo phương trình 𝑋𝐴 .
Ta có vận tốc của mobile platform :
1
𝑣 = 2 (𝑣𝑅 + 𝑣𝐿 )
{
𝑣 −𝑣
𝜔 = 𝑅𝐿 𝐿
Ta có phương trình động học của Mobile Platform trong hệ tọa độ O:
𝑥̇
𝑐𝑜𝑠𝜃 0 𝑣
[𝑦̇ ] = [ 𝑠𝑖𝑛𝜃 0] [ ]
𝜔
0
1
𝜃̇

Với v là vận tốc dài, 𝜔 là vận tốc góc.
Ta biểu diễn phương trình trên theo vận tốc của hai bánh xe

Nhóm 2

Trang 20


Đồ án thiết kế hệ thống cơ điện tử
1

𝑥̇
[𝑦̇ ] =
𝜃̇

2
1

GVHD:PGS.TS Nguyễn Duy Anh
𝑐𝑜𝑠𝜃

𝑠𝑖𝑛𝜃
2
1

1
2
1

𝑐𝑜𝑠𝜃

𝑣𝑅
𝑠𝑖𝑛𝜃
[
𝑣𝐿 ]
2
1
−𝐿 ]

[ 𝐿
Với L là khoảng cách giữa hai bánh xe.
Tại điểm C(𝑥𝐶 , 𝑦𝐶 ) tọa độ tracking point, ta có:
𝑥 = 𝑥 + 𝑎𝑐𝑜𝑠𝜃
{ 𝐶
𝑦𝐶 = 𝑦 + 𝑎𝑠𝑖𝑛𝜃
Với a là khoảng cách từ tâm hai bánh xe đến điểm tracking point
Phương trình động học tại C:
𝑥𝐶̇ = 𝑥̇ − 𝑎𝑠𝑖𝑛𝜃 ∗ 𝜃̇
{𝑦𝐶̇ = 𝑦̇ − 𝑎𝑠𝑖𝑛𝜃 ∗ 𝜃̇
𝜃𝐶̇ = 𝜃̇
Tại điểm P(𝑥𝑃 , 𝑦𝑃 ) – điểm mong muốn của điểm C trên đường line, ta có :
𝑥𝑃̇ = 𝑣𝑃 𝑐𝑜𝑠𝜃𝑃
{ 𝑦𝑃̇ = 𝑣𝑃 𝑠𝑖𝑛𝜃𝑃
𝜔𝑃 = 𝜃𝑃̇
Ta tìm được phương trình động học cho sự sai lệch giữa vị trí tâm xe và vị trí của điểm mong
muốn trên đường line:
Ta có :
𝑥𝑃 − 𝑥𝐶
𝑐𝑜𝑠𝜃 −𝑠𝑖𝑛𝜃 0 𝑒1
𝑦

−
𝑦
[ 𝑃
𝐶 ] = [ 𝑠𝑖𝑛𝜃
𝑐𝑜𝑠𝜃 0] [𝑒2 ]
𝜃𝑃 − 𝜃
0
0
1 𝑒3
Với 𝑒1 , 𝑒2 , 𝑒3 lần lượt là sai số về vị trí theo tọa độ x, y và góc di chuyển trên hệ trục tọa độ
tương đối gắn với mobile platform của trọng tâm C với điểm mong muốn của nó trên đường line.
Suy ra :
𝑥𝑃 − 𝑥𝐶
𝑒1
𝑐𝑜𝑠𝜃 −𝑠𝑖𝑛𝜃 0 −1 𝑥𝑃 − 𝑥𝐶
𝑐𝑜𝑠𝜃 𝑠𝑖𝑛𝜃 0
[𝑒2 ] = [ 𝑠𝑖𝑛𝜃 𝑐𝑜𝑠𝜃 0] ∗ [𝑦𝑃 − 𝑦𝐶 ] = [− 𝑠𝑖𝑛𝜃 𝑐𝑜𝑠𝜃 0] ∗ [𝑦𝑃 − 𝑦𝐶 ]
𝑒3
𝜃𝑃 − 𝜃
𝜃𝑃 − 𝜃
0
0
1
0
0
1
Hay
𝑒1 = (𝑥𝑃 − 𝑥𝐶 )𝑐𝑜𝑠𝜃 + (𝑦𝑃 − 𝑦𝐶 )𝑠𝑖𝑛𝜃
{ 𝑒2 = −(𝑥𝑃 − 𝑥𝐶 )𝑠𝑖𝑛𝜃 + (𝑦𝑃 − 𝑦𝐶 )𝑐𝑜𝑠𝜃
𝑒3 = 𝜃𝑃 − 𝜃

𝑒1̇ = (𝑥𝑃 ̇ − 𝑥𝐶̇ )𝑐𝑜𝑠𝜃 − (𝑥𝑃 − 𝑥𝐶 )𝑠𝑖𝑛𝜃 ∗ 𝜃̇ + (𝑦𝑃 ̇ − 𝑦𝐶̇ )𝑠𝑖𝑛𝜃 + (𝑦𝑃 − 𝑦𝐶 )𝑐𝑜𝑠𝜃 ∗ 𝜃̇
{ 𝑒2̇ = −(𝑥𝑃 ̇ − 𝑥𝐶̇ )𝑠𝑖𝑛𝜃 − (𝑥𝑃 − 𝑥𝐶 )𝑎𝑐𝑜𝑠𝜃 ∗ 𝜃̇ + (𝑦𝑃 ̇ − 𝑦𝐶̇ )𝑐𝑜𝑠𝜃 − (𝑦𝑃 − 𝑦𝐶 )𝑠𝑖𝑛𝜃 ∗ 𝜃̇
𝑒3̇ = 𝜃𝑃̇ − 𝜃̇
𝑒1̇ = 𝑣𝑃 (𝑐𝑜𝑠𝜃𝑃 𝑐𝑜𝑠𝜃 + 𝑠𝑖𝑛𝜃𝑃 𝑠𝑖𝑛𝜃) − (𝑐𝑜𝑠 2 𝜃 + 𝑠𝑖𝑛2 𝜃)𝑣 + (−(𝑥𝑃 − 𝑥𝐶 )𝑠𝑖𝑛𝜃 + (𝑦𝑃 − 𝑦𝐶 )𝑐𝑜𝑠𝜃)𝜃̇
{ 𝑒2̇ = 𝑣𝑃 (−𝑐𝑜𝑠𝜃𝑃 𝑠𝑖𝑛𝜃 + 𝑠𝑖𝑛𝜃𝑃 𝑐𝑜𝑠𝜃) − [𝑎𝑐𝑜𝑠 2 𝜃 + 𝑎𝑠𝑖𝑛2 𝜃 + (𝑥𝑃 − 𝑥𝐶 )𝑐𝑜𝑠𝜃 + (𝑦𝑃 − 𝑦𝐶 )𝑠𝑖𝑛𝜃]𝜃̇
𝑒3̇ = 𝜃𝑃̇ − 𝜃̇
𝑒1̇ = 𝑣𝑃 𝑐𝑜𝑠(𝜃𝑃 − 𝜃) − 𝑣 + 𝑒2 𝜔
{𝑒2̇ = 𝑣𝑃 𝑠𝑖𝑛(𝜃𝑃 − 𝜃) − (𝑎 + 𝑒1 )𝜔
𝑒3̇ = 𝜔𝑃 − 𝜔

Nhóm 2

Trang 21


Đồ án thiết kế hệ thống cơ điện tử
Vậy :

GVHD:PGS.TS Nguyễn Duy Anh

𝑣𝑃 𝑐𝑜𝑠𝑒3
𝑒1̇
−1
𝑒2
𝑣
[𝑒2̇ ] = [ 𝑣𝑃 𝑠𝑖𝑛𝑒3 ] + [ 0 −(𝑎 + 𝑒1 )] [ ]
𝜔
𝜔𝑃
𝑒3̇
0

−1

Nhiệm vụ tiếp theo là xác định các sai số trong mô phỏng.

Hình 3.6:Mơ hình xác định sai số trong việc mơ phỏng
Để xe bám theo được line, công việc đầu tiên là xác định vị trí của xe so với line. Ta đặt hệ toạ độ
như hình vẽ, trong đó M là trung điểm giữa 2 bánh xe, C là trung điểm của dãy sensor. Từ đó ta có sai
số 𝑒 1 bị triệt tiêu nên không cần xét đến. Mục đích của giải thuật điều khiển là làm cho điểm C bám
theo điểm tham chiếu P. Để làm điều đó, ta cần xác định các sai số 𝑒2 và 𝑒3 . Trên thực tế, sai số 𝑒2
được đo từ dãy sensor nên ta chỉ cần tính tốn sai số 𝑒3 . Để tính sai số này, ta cho xe di chuyển theo
phương trước đó của xe một đoạn 𝑑𝑠 sao cho ds đủ nhỏ để khi nối 2 điểm R và R’ ta được phương
tiếp tuyến với đường cong.
Khi đó ta có cơng thức xác định 𝑒3 :
𝑒2 − 𝑒2′
𝑒3 = 𝑎𝑟𝑐𝑡𝑎𝑛 (
)
𝑑𝑠
Ta nhận ra rằng : tại một vị trí đường line, ta sẽ xác định được giá trị góc giữa đường tâm xe so
với trục ngang Ox. Từ mối quan hệ giữa tọa độ tâm hai bánh xe, tọa độ tâm cảm biến và góc giữa
đường tâm xe so với trục ngang ta sẽ xác định được phương trình đường thẳng đi qua các cảm biến –
được dùng trong mô phỏng để xác định sai số 𝑒2 .
Dựa theo phần trình bày trên, ta sẽ tìm được các giá trị sai số đưa vào bộ điều khiển.

Nhóm 2

Trang 22


Đồ án thiết kế hệ thống cơ điện tử

GVHD:PGS.TS Nguyễn Duy Anh

2.2.Mô phỏng matlab
a. Mô phỏng động học
Tiến hành mô phỏng trên Matlab về sự di chuyển của xe trên sa bàn line có sẵn (Hình 1 ) với
các thơng số đầu vào của xe như sau:

Hình 3.7: Hình mơ tả đường line
Đường kính bánh xe, 2r
Khoảng cách 2 bánh xe, b
Vận tốc xe, v
Khoảng cách từ tâm sensor đến tâm 2 bánh xe, d
Khoảng cách 2 sensor ngoài cùng, 𝑑𝑠

65 mm
185 mm
340mm/s
97mm
75mm

Sử dụng bộ điều khiển được sử dụng phổ biến trong các loại xe bám line
𝑣 = 𝑣𝑟 𝑐𝑜𝑠𝑒3 + 𝑘1 𝑒1
{
𝜔 = 𝑘2 𝑣𝑅 𝑒2 + 𝜔𝑅 + 𝑘3 𝑠𝑖𝑛𝑒3
Ta sử dụng tiêu chuẩn kiểm tra độ ổn định Lyapunov
1
1
1 − 𝑐𝑜𝑠𝑒3
𝑉 = 𝑒12 + 𝑒22 +
≥ 0

2
2
𝑘2
𝑠𝑖𝑛𝑒3
(𝑘2 𝑣𝑅 𝑒2 + 𝜔𝑅 − 𝜔)
𝑉̇ = 𝑒1 (𝑣𝑅 𝑐𝑜𝑠𝑒3 − 𝑣) +
𝑘2
Trong đó 𝑘1 , 𝑘2 , 𝑘3 mang giá trị dương.
Ta có đạo hàm của V ln âm với dưới tác động của bộ điều khiển. Điều đó có nghĩa là hệ
thống ổn định với bộ điều khiển đã chọn theo tiêu chuẩn Lyapunov và các giá trị sai số 𝑒1 , 𝑒2, 𝑒3 sẽ
dần về 0 khi 𝑡 → ∞.

Nhóm 2

Trang 23


Đồ án thiết kế hệ thống cơ điện tử

GVHD:PGS.TS Nguyễn Duy Anh

b. Xác định khoảng cách d phù hợp từ điểm tham chiếu đến cảm biến:
Bảng các thông số đầu vào trong việc xác định d
Đường kính bánh xe, r
65mm
Khoảng cách 2 bánh xe, b
185mm
Vận tốc xe, v
340mm/s
75mm

Khoảng cách 2 sensor ngồi cùng, 𝑑𝑠
Thơng số bộ điều khiển
K1=1;k2=300;k3=1
Thời gian lấy mẫu, t
0.02s
0.002s
Thời gian dịch chuyển đoạn nhỏ, ∆𝑡
Để thuận tiện cho việc bố trí cảm biến, ta bắt đầu mơ phỏng từ khoảng cách 45 mm trở
lên, ứng với bộ điều khiển đã chọn ta chọn d có giá trị sai số max nhỏ nhất, đồng thời phải
không lớn hơn khoảng cách ds và vận tốc động cơ không vượt quá 140 v/ph, đảm bảo xe hoạt
động bám line tốt nhất.

Nhóm 2

Trang 24


Đồ án thiết kế hệ thống cơ điện tử


GVHD:PGS.TS Nguyễn Duy Anh

Với d = 45mm:

Hình 3.7:Biểu đồ mối quan hệ giữa khoảng cách cảm biến và sai số e với d=45mm.

Nhóm 2

Trang 25