ĐỀ tài THIẾT kế, CHẾ tạo và điều KHIỂN ROBOT dò LINE

ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP.HCM
TRƢỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA
KHOA CƠ KHÍ

BÁO CÁO ĐỒ ÁN
THIẾT KẾ HỆ THỐNG CƠ ĐIỆN TỬ
ĐỀ TÀI:
THIẾT KẾ, CHẾ TẠO VÀ ĐIỀU KHIỂN
ROBOT DÒ LINE
GVHD: TS. Trần Việt Hồng

Nhóm SVTH – Nhóm 3:
Nguyễn Thành Đạt

21300795

Bùi Tấn Phát

21202665

Vƣơng Đình Tiến
Bùi Nguyên Văn

21304131
21304749

Nguyễn Thành Việt

21304820

TPHCM, ngày 18 tháng 5 năm 2017

ĐỒ ÁN THIẾT KẾ HỆ THỐNG CƠ ĐIỆN TỬ

GVHD: TS. Trần Việt Hồng

ĐỒ ÁN MÔN HỌC THIẾT KẾ HỆ THỐNG CƠ ĐIỆN TỬ
ĐỀ TÀI: THIẾT KẾ, CHẾ TẠO VÀ ĐIỀU KHIỂN
ROBOT DÒ LINE

Sinh viên thực hiện: 1. Nguyễn Thành Đạt

Mssv:

21300795

2. Bùi Tấn Phát

21202665

3. Vƣơng Đình Tiến

21304131

4. Bùi Nguyên Văn

21304749

5. Nguyễn Thành Việt

21304820

Ngƣời hƣớng dẫn: TS. Trần Việt Hồng
Ngày bắt đầu: 09/01/2017

NHÓM SVTH – NHÓM 3

Ký tên:

Ngày kết thúc: 17/05/2017

Ngày bảo vệ: 18/05/2017

1


ĐỒ ÁN THIẾT KẾ HỆ THỐNG CƠ ĐIỆN TỬ

GVHD: TS. Trần Việt Hồng

NHIỆM VỤ CỦA CÁC THÀNH VIÊN TRONG NHÓM

TUẦN
1

2,3

NỘI DUNG
Thiết lập các công việc và
nhiệm vụ

Tổng quan
Đề xuất, lựa chọn các
phƣơng án thiết kế + Mục
tiêu đồ án

Cả nhóm
Vƣơng Đình Tiến
Bùi Tấn Phát

Cảm biến

Nguyễn Thành Đạt

Động cơ

Bùi Nguyên Văn
Bùi Nguyên Văn
Nguyễn Thành Đạt
Nguyễn Thành Việt

Lập trình Điều khiển
Chế tạo, mua vật liệu, lắp
ráp

Bản vẽ

Hồn chỉnh thuyết minh

NHĨM SVTH – NHĨM 3

Cả nhóm

Phần cơ khí

Mơ hình hóa
4,5,6,7,8,9,10,11,12,
13,14,15

Ngƣời thực hiện

Cả nhóm
Bùi Tấn Phát
Vƣơng Đình Tiến
Nguyễn Thành Đạt
Nguyễn Thành Việt
Bùi Nguyên Văn

2


ĐỒ ÁN THIẾT KẾ HỆ THỐNG CƠ ĐIỆN TỬ

GVHD: TS. Trần Việt Hồng

PHỤ LỤC
NHIỆM VỤ CỦA CÁC THÀNH VIÊN TRONG NHÓM ................................................... 2
LỜI NÓI ĐẦU ....................................................................................................................... 5
CHƢƠNG 1: TỔNG QUAN ................................................................................................. 6
1.1. NHU CẦU ................................................................................................................... 6
1.2. XÁC ĐỊNH MỤC TIÊU THIẾT KẾ ......................................................................... 6

1.3. TÍNH KHẢ THI .......................................................................................................... 7
1.3.1. MỘT SỐ XE ĐUA BÁM ĐƢỜNG TRONG NƢỚC .......................................... 7
1.3.2. TÌM HIỂU VỀ CÁC XE ĐUA TRÊN THẾ GIỚI ............................................... 9
1.4. CÁC PHƢƠNG ÁN THIẾT KẾ .............................................................................. 13
1.4.1. Sơ đồ nguyên lý................................................................................................... 13
1.4.2. Loại cảm biến ....................................................................................................... 15
1.4.3. Về động cơ ......................................................................................................... 17
1.4.4. Cấu trúc điều khiển ............................................................................................. 18
1.4.5. Giải bộ điều khiển ............................................................................................... 19
1.5. MỤC TIÊU ĐỒ ÁN ................................................................................................... 21
CHƢƠNG 2: LỰA CHỌN PHƢƠNG ÁN.......................................................................... 22
2.1. PHƢƠNG ÁN CƠ KHÍ ............................................................................................. 22
2.1.1. Lựa chọn kết cấu ................................................................................................. 22
2.1.2. Lựa chọn bánh xe ................................................................................................ 22
2.2. PHƢƠNG ÁN ĐIỆN ................................................................................................. 23
2.2.1. Lựa chọn động cơ ................................................................................................ 23
2.2.2. Lựa chọn cảm biến .............................................................................................. 24
2.2.3. Lựa chọn phƣơng án điều khiển và giải thuật điều khiển ................................... 24
2.2.4. Lựa chọn vật liệu làm khung ............................................................................... 25
CHƢƠNG 3: THIẾT KẾ CƠ KHÍ ...................................................................................... 29
3.1. Bánh xe ...................................................................................................................... 29
3.1.1.Bánh chủ động...................................................................................................... 29
3.1.2. Bánh tự lựa .......................................................................................................... 29
3.2 .Chọn và tính tốn động cơ ......................................................................................... 30
3.3. Kích thƣớc sơ bộ khung xe ........................................................................................ 32
3.3.1. Độ cao trọng tâm xe ............................................................................................ 32
NHÓM SVTH – NHÓM 3

3

ĐỒ ÁN THIẾT KẾ HỆ THỐNG CƠ ĐIỆN TỬ

GVHD: TS. Trần Việt Hồng

3.3.2. Kích thƣớc sơ bộ khung xe ................................................................................. 33
3.3.3. Dung sai ............................................................................................................. 34
CHƢƠNG 4: THIẾT KẾ PHẦN ĐIỆN ............................................................................... 35
4.1. Hệ thống cảm biến ..................................................................................................... 35
4.1.1. Yêu cầu cảm biến ................................................................................................ 35
4.1.2. Lựa chọn cảm biến .............................................................................................. 36
4.1.3. Xác định chiều cao đặt cảm biến ........................................................................ 37
4.1.4. Xác định khoảng cách 2 cảm biến ..................................................................... 41
4.1.5. Tuyến tính hóa cảm biến ..................................................................................... 43
4.2. Driver cho động cơ .................................................................................................... 49
4.2.1. Lựa chon driver ................................................................................................... 49
4.2.2. Mơ hình hóa hệ driver-động cơ ........................................................................... 49
4.3. Mạch nguồn ............................................................................................................... 58
CHƢƠNG 5: MÔ HÌNH HĨA ............................................................................................ 59
5.1. Mơ hình động học của robot………………………………………………………..59
5.2. Cách xác định vị trí của robot.................................................................................... 60
5.3. Bộ điều khiển tracking, tìm khoảng cách d và mơ phỏng bám sa bàn ...................... 62
CHƢƠNG 6: COMPUTERS SYSTEMS ............................................................................ 72
6.1. Lựa chọn vi điều khiển .............................................................................................. 72
6.1.1. Sơ đồ khối của bộ điều khiển .............................................................................. 72
6.1.2. Xác định yêu cầu và lựa chọn vi điều khiển ....................................................... 72
6.2. Giải thuật điều khiển ................................................................................................ 73
CHƢƠNG 7: THỰC NGHIỆM ........................................................................................... 74
7.1. Đánh giá kết quả thực nghiệm ................................................................................... 74
7.2. Nhận xét kết quả thực nghiệm ................................................................................... 78

PHỤ LỤC MẠCH THÍ NGHIỆM CẢM BIẾN .................................................................. 79
TÀI LIỆU THAM KHẢO ................................................................................................... 80

NHÓM SVTH – NHÓM 3

4


ĐỒ ÁN THIẾT KẾ HỆ THỐNG CƠ ĐIỆN TỬ

GVHD: TS. Trần Việt Hồng

LỜI NÓI ĐẦU
Ngày nay điều khiển tự động đã trở thành một nhu cầu không thể thiếu đƣợc của con
ngƣời, dƣới sự xuất hiện của các học thuyết và các ứng dụng cụ thể trong đời sống hằng
ngày, có thể nói điều khiển tự động đang chi phối dần cuộc sống của chúng ta. Con ngƣời
đang cố gắng sáng tạo ra các robot có khả năng làm việc thay cho con ngƣời, chúng ta
thƣờng gặp các robot trong các dây chuyền công nghiệp sản xuất tự động hay giúp việc
trong gia đình. Để tìm ra các ý tƣởng sáng tạo, hàng năm diễn ra cuộc thi Robocon Châu Á
Thái Bình Dƣơng đó là tiền đề để tạo ra những robot có khả năng áp dụng vào thực tế.
Cũng chính vì mục đích đó mà chúng em thực hiện đồ án điều khiển robot dị đƣờng, đó
là bƣớc khởi đầu trong lập trình robot để có thể thực hiện các công việc tiếp theo. Tuy đây
là công việc nhỏ của lập trình điều khiển robot nhƣng qua quá trình thiết kế và thi công đề
tài chúng em đã rút ra đƣợc rất nhiều kinh nghiệm thực tiễn quý báu. Mục đích của đề tài
hƣớng đến là tạo ra bƣớc đầu cho sinh viên thử nghiệm những ứng dụng của vi điều khiển
trong thực tiễn để rồi từ đó tìm tòi, phát triển nhiều ứng dụng khác trong đời sống hàng
ngày cần đến.
Dù đã cố gắng để hoàn thành bằng các kiến thức đã học, nhiều nguồn tài liệu tham khảo
đáng tin cậy nhƣng trong q trình thực hiện khơng tránh khỏi sai sót. Rất mong sự đóng
góp báu của quý thầy cô và độc giả để đề tài đƣợc hoàn thiện hơn.

Xin chân thành cảm ơn thầy Trần Việt Hồng, các thầy cô bộ môn và các bạn trong khoa
Cơ khí đã tận tình giúp đỡ trong q trình thực hiện.

NHÓM SVTH – NHÓM 3

5


ĐỒ ÁN THIẾT KẾ HỆ THỐNG CƠ ĐIỆN TỬ

GVHD: TS. Trần Việt Hồng

CHƢƠNG 1: TỔNG QUAN

1.1. NHU CẦU
Robot xuất hiện trong cuộc sống của chúng ta từ lâu và ngày càng trở thành một phần
không thể thiếu trong cuộc sống hiện đại. Chúng đã góp phần vào cơng cuộc lao động,
phục vụ đắc lực cho nhiều ngành khoa học nhƣ: khoa học quân sự, khoa học giáo dục, các
ngành dịch vụ, giải trí,…
Một trong những thiết bị tự động đó chính là xe bám đƣờng. Đó là một thiết bị có khả
năng bám theo một quỹ đạo nhất định do con ngƣời tạo ra nhằm thỏa mãn nhu cầu của con
ngƣời. Nó có thể là xe vận chuyển hàng hóa trong kho hay là một chiếc xe đua bám
đƣờng…
Xe đua bám đƣờng là một loại phƣơng tiện vừa có khả năng di chuyển với vận tốc cao
vừa có khả năng đi đúng quỹ đạo mà ta mong muốn với sai số cho phép.
Nếu nhìn với góc độ hẹp thì việc thiết kế những chiếc xe đua bám đƣờng chỉ nhằm mục
đích tham gia các cuộc thi hay biểu diễn. Tuy nhiên ứng dụng của robot dị đƣờng là vơ
cùng to lớn, nó đƣợc ứng dụng vào cơng nghệ dị đƣờng nhƣ di chuyển tự động trong vận
chuyển hàng hóa. Tuy còn sơ khai về nguyên tắc điều khiển nhƣng robot dị đƣờng đã tạo
một bƣớc ngoặt quan trọng trong cơng nghệ thiết kế và chế tạo robot, mở ra một kỉ nguyên

mới về ngành công nghệ kỹ thuật tự động và đƣa tự động hóa vào sản xuất.
Vì vậy đề tài này sẽ thiết kế và điều khiển xe đua bám đƣờng theo một quỹ đạo đƣờng đi
nhất định. Mục đích đề tài là xe đua sẽ di chuyển trong quãng đƣờng định sẵn với thời gian
ngắn nhất và đảm bảo bám line theo yêu cầu đặt ra.

1.2. XÁC ĐỊNH MỤC TIÊU THIẾT KẾ
Thiết kế xe bám đƣờng đua cho trƣớc, chạy với vận tốc tối thiểu 0.2m/s và mang tải 2 kg.

NHÓM SVTH – NHÓM 3

6


ĐỒ ÁN THIẾT KẾ HỆ THỐNG CƠ ĐIỆN TỬ

GVHD: TS. Trần Việt Hồng

(START) A → B → C → D → E → F → C → G → A → C → E (END)

F

B

R 500

END

C

E

A

START

R 500

D

G

1500
3000

Hình 1.1. Sa bàn di chuyển của robot
Thỏa các điều kiện ràng buộc:
Đƣờng kính các bánh xe: d ≤ 200mm.
Kích thƣớc tối đa các chiều của robot (dài x rộng x cao): 300mm x 220mm x 300mm.
Đặc điểm đƣờng line: line đen, nền trắng, rộng 26mm.
Bề mặt địa hình hình di chuyển: phẳng.
1.3. TÍNH KHẢ THI
1.3.1. MỘT SỐ XE ĐUA BÁM ĐƢỜNG TRONG NƢỚC
Xe UIT-Mon - Nguyễn Tiến Đình - Giải nhất cuộc thi năm 2013
Cảm biến sử dụng: Led hồng ngoại 7 cặp, đọc tín hiệu digital, quét led song song.
Số lƣợng bánh xe: 3 bánh, 2 bánh sau gắn dẫn động, bánh trƣớc tự lựa.

NHÓM SVTH – NHÓM 3

7

ĐỒ ÁN THIẾT KẾ HỆ THỐNG CƠ ĐIỆN TỬ

GVHD: TS. Trần Việt Hồng

Hình 1.2. Sơ đồ nguyên lý
Tốc độ đạt đƣợc: 1.5 m/s.
Sai số: 20 mm

Xe Mr.zero - Trịnh Nguyễn Trọng Hữu – Giành giải nhì trong cuộc thi 2015
Cảm biến sử dụng: Led hồng ngoại 5 cặp, đọc tín hiệu analog, quét led nối tiếp.
Số lƣợng bánh xe: 4 bánh, 2 bánh sau gắn dẫn động, 2 bánh trƣớc tự lựa.

Hình 1.3. Sơ đồ nguyên lý
Tốc độ đạt đƣợc: 1.6 m/s.
Sai số: 15 mm
NHÓM SVTH – NHÓM 3

8


ĐỒ ÁN THIẾT KẾ HỆ THỐNG CƠ ĐIỆN TỬ

GVHD: TS. Trần Việt Hồng

1.3.2. TÌM HIỂU VỀ CÁC CÁC XE ĐUA TRÊN THẾ GIỚI
Silvestre-line following robot
Đạt hạng 5 trong một cuộc thi ở Tây Ban Nha
Thông số kĩ thuật:
- Cảm biến : 8 bộ cảm biến hồng ngoại

- Động cơ: 2 bánh chủ động - 2 động cơ DC, 1 bánh tự lựa – bánh mắt trâu
- Vận tốc : 2.24 m/s

Hình 1.4. Silvestre-line following robot

Sơ đồ ngun lý:

NHĨM SVTH – NHÓM 3

9


ĐỒ ÁN THIẾT KẾ HỆ THỐNG CƠ ĐIỆN TỬ

GVHD: TS. Trần Việt Hồng

Hình 1.5. Sơ đồ nguyên lý
Fireball-line following robot
Đạt giải nhất tại cuộc thi Chibots ở Mỹ
Thông số kỹ thuật:
-

Cảm biến: 8 bộ cảm biến hồng ngoại
4 bánh chủ động - 4 động cơ DC
Vận tốc : 1.5 m/s

Hình 1.6. Fireball-line following robot

NHÓM SVTH – NHÓM 3

10


ĐỒ ÁN THIẾT KẾ HỆ THỐNG CƠ ĐIỆN TỬ

GVHD: TS. Trần Việt Hồng

Sơ đồ nguyên lý:

Hình 1.7. Sơ đồ nguyên lý

Taquion
Đạt giải tại cuộc thi UN-Robot tại Colombia
Thông số kỹ thuật:
-

Cảm biến: 7 bộ cảm biến hồng ngoại
2 bánh chủ động - 2 động cơ DC, 2 bánh tự lựa – Bánh mắt trâu
Vận tốc : 2 m/s

Hình 1.8. Taquion - line following robot
NHÓM SVTH – NHÓM 3

11


ĐỒ ÁN THIẾT KẾ HỆ THỐNG CƠ ĐIỆN TỬ

GVHD: TS. Trần Việt Hồng

Sơ đồ nguyên lý:

Hình 1.9. Sơ đồ nguyên lý
Thunder
Vô địch cuộc thi đua xe tại Mexico
Thông số kỹ thuật:
-

16 bộ cảm biến hồng ngoại xếp hình vịng cung
4 bánh chủ động - 4 động cơ DC
Vận tốc : 3 m/s

Hình 1.10. Thunder - line following robot
NHĨM SVTH – NHÓM 3

12


ĐỒ ÁN THIẾT KẾ HỆ THỐNG CƠ ĐIỆN TỬ

GVHD: TS. Trần Việt Hồng

1.4. CÁC PHƢƠNG ÁN THIẾT KẾ
1.4.1. Sơ đồ ngun lý
Có thể có nhiều cấu hình khác nhau cho bài toán mobile robot nhƣ: xe một bánh, hai
bánh, xe ba bánh, xe bốn bánh, nhiều bánh, bánh xích, bánh omni,…
Tuy nhiên, để có cấu hình đơn giản phù hợp với điều kiện đƣờng đua trơn phẳng, thì
chỉ có cấu hình xe ba hoặc bốn bánh là khả thi.
Phân tích các phƣơng án:
Xe ba bánh có hai bánh chủ động độc lập phía sau và một bánh tự lựa phía trƣớc:

Hình 1.11. Sơ đồ nguyên lý
+ Ƣu điểm: Vì xe có 3 bánh nên ln đồng phẳng, có thể bẻ cua tƣơng đối dể dàng qua
các điểm chuyển hƣớng đột ngột và các bán kính cong nhỏ. So với xe bốn bánh ( 2 bánh
chủ động phía sau và 2 bánh tự lựa phía trƣớc ) thì nó chuyển hƣớng dễ dàng hơn khi qua
đoạn cua có bán kính nhỏ vì xe có 2 bánh tự lựa phía trƣớc khi qua khúc cua thì đồng thời
2 bánh đều xuất hiện ngẫu lực làm cho xe khó đi theo một hƣớng xác định hơn so với xe 3
bánh.
+ Nhƣợc điểm: trọng tâm sẽ được dịch về phía sau nên khoảng cách từ trọng tâm
đến đầu cảm biến lớn, việc bố trí cảm biến yêu cầu độ cân bằng tốt; đồng thời khi qua
các góc lượn xe dễ bị mất cân bằng.
→ Phƣơng án này thƣờng sử dụng trong trƣờng hợp xe di chuyển trên mặt phẳng, xe chở
thêm tải đƣợc đặt cân bằng .

NHÓM SVTH – NHÓM 3

13


ĐỒ ÁN THIẾT KẾ HỆ THỐNG CƠ ĐIỆN TỬ

GVHD: TS. Trần Việt Hồng

Xe ba bánh có hai bánh chủ động độc lập phía trƣớc và một bánh tự lựa phía sau:

Hình 1.12. Sơ đồ nguyên lý
+ Ƣu điểm: Nhƣ xe có hai bánh chủ động độc lập phía sau, moment quán tính giảm do
trọng tâm được đặt dịch về phía trước, khoảng cách từ trọng tâm đến cảm biến ngắn
và khá cân đối, hạn chế gây ra hiện tượng trượt khi đi qua các góc lượn.
+ Nhƣợc điểm: Nhƣ xe có hai bánh chủ động độc lập phía sau, nhƣng cần có đối trọng

phía sau để xe khơng bị lộn nhào khi thay đổi vận tốc đột ngột.
→ Phƣơng án này đƣợc sử dụng khi xe di chuyển trên mặt phẳng, đƣờng line có các điểm
chuyển hƣớng đột ngột và các bán kính nhỏ, tải lúc này có thể thay thế cho đối trọng.
Xe bốn bánh có hai bánh chủ động phía sau và hai bánh tự lựa phía trƣớc:

Hình 1.13. Sơ đồ nguyên lý
NHÓM SVTH – NHÓM 3

14


ĐỒ ÁN THIẾT KẾ HỆ THỐNG CƠ ĐIỆN TỬ

GVHD: TS. Trần Việt Hồng

+ Ƣu điểm: Có nguyên lý tƣơng tự nhƣ xe ba bánh có một bánh tự lựa phía trƣớc nhƣng
cứng vững hơn, hạn chết lật khi chuyển hƣớng gấp, khi xe di chuyển qua các đoạn cua thì
đảm bảo khoảng cách giữa các sensor và mặt đƣờng tốt hơn xe ba bánh.
+ Nhƣợc điểm: khó đảm bảo sự tiếp xúc của cả 4 bánh xe với mặt đƣờng  cần có hệ
thống treo, tuy nghiên đối với đƣờng đƣa phẳng thì điều này đƣợc loại bỏ.
→ Phƣơng án này đƣợc sử dụng khi xe cần độ cứng vững cao, khó lật khi chuyển hƣớng
gấp.
Xe 4 bánh chủ động:

Hình 1.14. Sơ đồ nguyên lý
+ Ƣu điểm: Xe di chuyển linh hoạt, gia tốc và hãm nhanh, khoảng cách giửa các cảm biến
và mặt đƣờng đƣợc đảm bảo.
+ Nhƣợc điểm: xe đƣợc dẫn động bởi 4 động cơ riêng biệt nên sẽ rất phức tạp để đồng bộ
các động cơ này điều khiển phúc tạp.
→ Phƣơng án này đƣợc sử dụng khi xe cần độ cứng vững cao, khó lật khi chuyển hƣớng

gấp.

1.4.2. Loại cảm biến
Phần lớn các robot dò line hiện nay sử dụng các loại cảm biến quang để nhận biết vị trí
tƣơng đối của xe so với đƣờng line, từ đó xử lý để đƣa ra tín hiệu điều khiển. Các loại cảm
biến sử dụng tùy vào mục đích, có thể kể ra nhƣ:

NHĨM SVTH – NHĨM 3

15


ĐỒ ÁN THIẾT KẾ HỆ THỐNG CƠ ĐIỆN TỬ

GVHD: TS. Trần Việt Hồng

- Camera lấy hình ảnh từ thực tế, sau đó xử lý để cho ra kết quả là vị trí góc lệch của xe so
với đƣờng tâm line. Phƣơng pháp này có độ chính xác cao, nhƣng nhƣợc điểm là tốc độ
lấy mẫu chậm không ứng dụng trong trƣờng hợp đòi hỏi tốc độ cao.
- Cảm biến quang đƣợc sử dụng rất phổ biến trong các cuộc thi robot dị line. Điển hình
nhƣ: quang điện trở hay phototransistor kết hợp với LED. Hai loại cảm biến này hoạt động
với nguyên lý cơ bản giống nhau, bộ thu sẽ thu tín hiệu phản xạ từ bộ phát xuống mặt đất.
Từ đó xử lý kết quả để xác định vị trí của xe so với đƣờng line.
Dựa trên đặc tính độ nhạy cao của phototransistor so với các loại cảm biến quang khác
hai phƣơng án sử dụng loại sensor này đƣợc đề xuất:
- Phototransistor kết hợp với LED thƣờng
- Phototransistor kết hợp với LED hồng ngoại
Nguyên tắc hoạt động của phototransistor dựa vào tín hiệu ánh sáng phản xạ từ
nguồn phát để tạo ra tín hiệu dạng điện áp. Đối với đƣờng đua mà màu line với màu của
nền có độ tƣơng phản cao (ví dụ nhƣ line đen nền trắng nhƣ sa bàn mục tiêu), LED hồng

ngoại cho độ nhạy cao hơn nhƣng cần phải che chắn để chống nhiễu. Đối với đƣờng đua
mà màu line với màu của nền có độ tƣơng phản thấp, sử dụng LED thƣờng sẽ hiệu quả
hơn.
Giải thuật xử lý tín hiệu
Có hai giải thuật xử lý đƣợc đề xuất:
- So sánh
- Xấp xỉ
Với phương pháp so sánh:
Dùng bộ so sánh để xác định trạng thái đóng/ngắt của các sensor, sau đó suy ra vị trí xe
theo một bảng trạng thái đã đƣợc định sẵn (Hình 1.15.). Với phƣơng pháp này, sai số dị
line sẽ phụ thuộc vào số khả năng phân biệt các trạng thái của hệ thống, hay khoảng cách
giữa các sensor và cho tốc độ xử lý nhanh.

NHÓM SVTH – NHÓM 3

16


ĐỒ ÁN THIẾT KẾ HỆ THỐNG CƠ ĐIỆN TỬ

GVHD: TS. Trần Việt Hồng

Hình 1.15. Giải thuật xử lý tín hiệu bằng phƣơng pháp so sánh
Với phương pháp xấp xỉ:
Vị trí của xe đƣợc suy ra từ giá trị analog đọc về từ cảm biến. Thời gian xử lý phụ thuộc
vào thời gian đọc ADC tất cả các sensor của vi điều khiển, do đó sẽ lâu hơn phƣơng pháp
thứ nhất, tuy nhiên độ chính xác cao hơn nhiều.

Hình 1.16. Giải thuật xử lý tín hiệu cảm biến bằng phƣơng pháp xấp xỉ
a) Xấp xỉ bậc 2; b) Xấp xỉ theo trọng số

1.4.3. Về động cơ
Các xe đua dò line nhƣ Pika, HFBS-2, CartisX04, Thunderstorm, Impact… đều sử dụng
động cơ DC có gắn encoder làm cơ cấu chấp hành. Đặc điểm của động cơ DC đa dạng về
kích thƣớc, momen, chủng loại driver; dễ dàng lắp đặt và điều khiển chính xác do có thể
kết hợp thêm encoder và đƣợc ứng dụng thêm bộ điều khiển PID để có thể điều chỉnh tốc
độ hoặc vị trí chính xác theo u cầu.

NHĨM SVTH – NHÓM 3

17


ĐỒ ÁN THIẾT KẾ HỆ THỐNG CƠ ĐIỆN TỬ

GVHD: TS. Trần Việt Hồng

1.4.4. Cấu trúc điều khiển
Robot dị line có các module chính bao gồm module sensor, module điều khiển và
module điều khiển động cơ. Trong đó có hai phƣơng pháp chính để kết nối các module đó
với nhau là phƣơng pháp điều khiển tập trung và phân cấp:
Điều khiển tập trung
Cảm biến

ĐK trung tâm

Driver

ĐC trái

Driver

Encoder ĐC phải

Encoder

Hình 1.17. Cấu trúc hệ điều khiển tập trung
Trong phƣơng pháp điều khiển tâp trung, một MCU nhận tín hiệu từ cảm biến, xử lí dữ
liệu rồi truyền tín hiệu điều khiển cho cơ cấu tác động. Ƣu điểm của cấu trúc này là cấu
trúc phần cứng đơn giản, nhƣng nhƣợc điểm là địi hỏi MCU có cấu hình mạnh, tốc độ xử
lý nhanh,đồng thời khơng có sự chun biệt hóa nên khó cho việc kiểm tra lỗi và update
code điều khiển khi phát triển sản phẩm.
Điều khiển phân cấp
Cảm biến

Slave 1

Slave 2

Master

Slave 3

Driver

ĐC trái

Encoder

Driver

Encoder

ĐC phải

Hình 1.18. Cấu trúc hệ điều khiển phân cấp
NHÓM SVTH – NHÓM 3

18


ĐỒ ÁN THIẾT KẾ HỆ THỐNG CƠ ĐIỆN TỬ

GVHD: TS. Trần Việt Hồng

Trong phƣơng pháp điều khiển phân cấp, một MCU (Master) đảm nhận vai trị xử lý
thơng tin nhận đƣợc từ một MCU (Slave) đọc tín hiệu từ cảm biến, và hai MCU (Slave)
khác chịu trách nhiệm điều khiển động cơ. Ƣu điểm chính của cấu trúc hệ điều khiển phân
cấp là chƣơng trình điều khiển xử lý tín hiệu riêng biệt, dễ dàng cho tác vụ thiết kế nhóm,
dễ dàng sửa lỗi và update code điều khiển khi phát triển sản phẩm; có khả năng xử lý
nhiều tác vụ cùng lúc, giúp giảm thiểu thời gian lấy mẫu. Nhƣợc điểm chính là tốn nhiều
tài nguyên (4 MCU so với 1 MCU), phải quan tâm đến vấn đề giao tiếp giữa các MCU.

1.4.5. Giải thuật bộ điều khiển
Nhiều bộ điều khiển có thể đƣợc sử dụng cho bài tốn xe đua bám line nhƣ: PID, fuzzy,
Following tracking, …
Ngoài ra, một số xe có áp dụng thêm khả năng ghi nhớ đƣờng đi nhằm thay đổi các
thông số điều khiển ứng với từng cung đƣờng, giúp tăng khả năng đáp ứng của xe sau mỗi
lần chạy nhƣ: xe Silvestre và CartisX04. Tuy nhiên để áp dụng các giải thuật này, robot
cần sử dụng thêm cảm biến gyro để nắm đƣợc trạng thái gia tốc của xe trong suốt quá trình

chuyển động.
Bộ điều khiển PID
Tín hiệu đặt

Hàm truyền

PID
+
-

Bộ điều
khiển

Đáp ứng

Đối tượng
điều khiển

Hình 1.19. Bộ điều khiển PID
Đặc điểm của bộ điều khiển: Bộ điều khiển PID hoạt động theo cơ chế phản hồi vịng
điều khiển, tính tốn giá trị “sai số” là hiệu số giữa giá trị đo tín hiệu biến đổi và giá trị đặt
mong muốn. Bộ điều khiển sẽ thực hiện giảm tối đa sai số bằng cách điều chỉnh giá trị
điều khiển đầu vào ( KP, KI, KD)
()

NHÓM SVTH – NHÓM 3

()

∫ () ()

()

19


ĐỒ ÁN THIẾT KẾ HỆ THỐNG CƠ ĐIỆN TỬ

GVHD: TS. Trần Việt Hồng

Bộ điều khiển Fuzzy ( bộ điều khiển mờ)
Khâu mờ hóa

X

Luật Hợp Thành

Khâu giải mờ

R1 If … Then …

O

H1
If … Then …

Hn

Hình 1.20. Bộ điều khiển Fuzzy
Đặc điểm của bộ điều khiển: Bộ điều khiển Fuzzy hoạt động dựa trên logic mờ, ứng dụng

cho đối tƣợng phức tạp mà chƣa biết rõ hàm truyền, logic mờ có thể giải quyết các vấn đề
mà điều khiển kinh điển không làm đƣợc mà phụ thuộc vào kinh nghiệm ngƣời vận hành.
Cấu trúc của bộ điều khiển Fuzzy:
- Khâu mờ hóa: Chuyển các điều kiện có giá trị cụ thể thành những khoảng phù hợp theo
kinh nghiệm và sự hiểu biết hệ thống của ngƣời lập trình ứng kết quả mong muốn tƣơng
ứng.
- Thực hiện luật hợp thành: Hình thành luật mờ theo dạng IF … THEN.
- Khâu giải mờ: từ luật hợp thành tính tốn ra giá trị kết quả trong những trƣờng hợp cụ
thể. Sử dụng phƣơng pháp cực đại, phƣơng pháp trọng tâm…
Bộ điều khiển Following tracking
Bộ điều khiển Following tracking đƣợc phát triển cho các mơ hình robot bám line hiện
nay, bộ điều khiển này vận hành dựa trên 3 sai số giữa xe và đƣờng line theo phƣơng tiếp
tuyến , theo phƣơng pháp tuyến , và theo góc lệch giữa xe với line , dựa vào các sai
số này để điều khiển xe thông qua các biến điều khiển là vận tốc góc và vận tốc dài
theo phƣơng trình sau:
{
Trong đó:

là các hệ số của bộ điều khiển

NHÓM SVTH – NHÓM 3

20


ĐỒ ÁN THIẾT KẾ HỆ THỐNG CƠ ĐIỆN TỬ

GVHD: TS. Trần Việt Hồng

1.5. MỤC TIÊU ĐỒ ÁN

Với những yêu cầu và phần tìm hiểu trên, ta có thể đƣa ra mục tiêu đồ án. Cùng với việc
lựa chọn sai số bám line (khoảng lệnh tối đa giữa điểm bám line và đƣờng tâm line mà khi
đó ta bắt đầu quá trình điều khiển) phụ thuộc nhiều vào việc ta lựa chọn cảm biến, tốc độ
đáp ứng và sai số của cảm biến.
Các thông số cần đƣợc quan tâm: vận tốc tối đa của robot trên sa bàn, khả năng đổi
hƣớng của robot, sai số tối đa của robot trong quá trình bám theo đƣờng line. Về vận tốc
tối đa, vận tốc cực đại trung bình của của các robot nhƣ Pika, HBFS-2, Sylvestre,
Thunderbolt, Thunderstorm, Impact, … tại các cuộc thi đều đạt 1.5 ÷ 3m/s. Về khả năng
đổi hƣớng đảm bảo robot có thể bám đƣợc bán kính cong 500mm (đoạn G B và D F),
bám line tại các vị trí line bị cắt đột ngột (điểm B, D, F, G) và vị trí góc 90o (điểm A). Về
sai số tối đa của robot trong suốt quá trình, sai số trong quá trình xe di chuyển trên đƣờng
thẳng hay cong sẽ phụ thuộc vào sai số xác định vị trí của xe do hệ thống cảm biến và sai
số do bộ điều khiển. Đối với sai số khi xe bám theo các vị trí đổi hƣớng đột ngột, sai số
phụ thuộc phần lớn vào giải thuật điều khiển.
Từ đó ta có các thơng số đầu vào đặt ra cho xe dò line nhƣ sau:
(

- Vận tốc tối thiểu:
- Vận tốc tối đa:

(

- Sai số bám line lớn nhất: emax =
- Bán kính cong nhỏ nhất:

NHĨM SVTH – NHĨM 3

)
)
30 (mm)

= 500 (mm)

21


ĐỒ ÁN THIẾT KẾ HỆ THỐNG CƠ ĐIỆN TỬ

GVHD: TS. Trần Việt Hồng

CHƢƠNG 2: LỰA CHỌN PHƢƠNG ÁN
2.1. PHƢƠNG ÁN CƠ KHÍ
2.1.1. Lựa chọn kết cấu
Kết cấu cơ khí của robot cần đảm bảo ổn định cho robot chạy ở vận tốc tối đa là 1m/s và
có khả năng thực hiện chuyển hƣớng ở những vị trí chuyển hƣớng gấp, góc 900.
Do robot chỉ cần bám theo đƣờng cong bán kính lớn (R = 500mm), có khả năng thực
hiện đƣợc việc đổi hƣớng tại các vị trí line bị gãy khúc và tính đơn giản trong kết cấu, mơ
hình động học; đồng thời giảm moment quán tính giúp hạn chế sự trƣợt bánh khi cua nên
nhóm đã chọn sơ đồ nguyên lý hai bánh chủ động phía trƣớc kết hợp bánh tự lựa - bánh
mắt trâu bị động phía sau.

Hình 2.1. Phƣơng án lựa chọn
2.1.2. Lựa chọn bánh xe
- Bánh chủ động:
Yêu cầu: Đƣờng kính các bánh xe: d ≤ 200mm, di chuyển trên địa hình bằng phẳng
khơng trơn trƣợt, bám đƣờng tốt.
Chọn bánh xe: Loại bánh xe cao su thơng thƣờng có bể rộng lớn và khơng có gai vì xe di
chuyển trên địa hình phẳng với tốc độ cao.

NHÓM SVTH – NHÓM 3

22


ĐỒ ÁN THIẾT KẾ HỆ THỐNG CƠ ĐIỆN TỬ

GVHD: TS. Trần Việt Hồng

Hình 2.2. Bánh xe chủ động đƣợc lựa chọn

- Bánh bị động:
Yêu cầu: bánh có khả năng thay đổi hƣớng dễ dàng, ma sát nhỏ.
Chọn bánh xe: Chọn bánh mắt trâu (3 bậc tự do), có thể di chuyển đa hƣớng, khi đổi
hƣớng không bị trƣợt không thay đổi trọng tâm xe lúc di chuyển.

Hình 2.3. Bánh xe bị động đƣợc lựa chọn

2.2. PHƢƠNG ÁN ĐIỆN
2.2.1. Lựa chọn động cơ
Yêu cầu đối với động cơ:
- Động cơ phải có moment và tốc độ đủ lớn để thỏa yêu cầu đề bài.
- Dể dàng kiểm soát sai số để xe có thể bám line tốt.
Hai phƣơng án khả thi là dùng động cơ bƣớc và động cơ DC servo.

NHÓM SVTH – NHÓM 3

23


ĐỒ ÁN THIẾT KẾ HỆ THỐNG CƠ ĐIỆN TỬ

GVHD: TS. Trần Việt Hồng

Bảng 2.1. Đặc điểm của động cơ bƣớc và DC servo
Động cơ bƣớc
Mạch Driver
Nhiễu và rung
động
Tốc độ
Moment
Hiện tƣợng trƣợt
Phƣơng pháp
điều khiển
Giá thành (động
cơ+driver)
Độ phân giải

Đơn giản, ngƣời dùng có thể
tự chế tạo

Động cơ DC servo
Mạch phức tạp, thơng thƣờng ngƣời
dùng phải mua mạch driver từ các
nhà sản xuất

Đáng kể

Rất ít

Chậm (tối đa 1000-2000rpm)

Khơng phụ thuộc vào tải
Xảy ra nếu tải quá lớn

Nhanh hơn (tối đa 3000-5000rpm)
Tải tăng thì moment tăng
Khó xảy ra

Vịng hở (khơng encoder)

Vịng kín (có encoder)

Rẻ

Đắt hơn

2 pha PM: 7.5o
2 pha HB: 1.8o hoặc 0.9o
5 pha HB: 0.72o hoặc 0.36o

Phụ thuộc vào độ phân giải encoder
thông thƣờng 0.36o đến 0.036o

Do động cơ bƣớc đƣợc điều khiển theo dạng vịng hở (khơng encoder) khơng có sai số
trả về nên không phù hợp với mục tiêu điều khiển. Động cơ DC servo thƣờng đƣợc dùng
trong một số trƣờng hợp cần có khả năng đáp ứng nhanh, chính xác và ổn định
Kết luận: Chọn động cơ DC Servo.
2.2.2. Lựa chọn cảm biến
Theo phần tìm hiểu tổng quan thì có thể dùng cảm biến hồng ngoại, quang điện
trở hoặc phototransistor. Để đảm bảo sai số bám line nhỏ thì sai số do cảm biến gây ra
phải nhỏ. Vì vậy nhóm sẽ đọc tín hiệu analog từ cảm biến và thực hiện phép xấp xỉ

gần đúng có trọng số. Ba loại cảm biến trên có có sự khác biệt về mặt sai số,
nhiễu. Mặc khác, theo việc thử cảm biến trƣớc của nhóm thì sử dụng modun cảm biến
phototransistor TCRT5000 sẽ dễ dàng hơn cho việc thiết kế mạch, calip. Nên nhóm
chọn loại cảm biến TCRT500.
2.2.3. Lựa chọn phƣơng án điều khiển và giải thuật điều khiển
Nhóm lựa chọn phƣơng án điều khiển tập trung để đảm bảo cấu trúc phần cứng đơn
giản và tiết kiệm chi phí.

NHĨM SVTH – NHĨM 3

24