Thiết kế, chế tạo và điều khiển robot dò line (line following robot)

ĐẠI H ỌC QUỐC GIA THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA
KHOA CƠ KHÍ
BỘ MƠN CƠ ĐIỆN TỬ

BÁO CÁO ĐỒ ÁN
THIẾT KẾ HỆ THỐNG CƠ ĐIỆN TỬ

GVHD: TS. Phùng Trí Cơng.
Sinh viên thực hiện:

MSSV

Hà Nguyễn Thuận Tâm

1413409

Nguyễn Phong Hậu

1411138

Lê Ngọc Ân

1410163

Võ Công Nguyên

1412579

TpHCM, ngày 21 tháng 10 năm 2017

ĐỒ ÁN THIẾT KẾ HỆ THỐNG CƠ ĐIỆN TỬ

GVHD: TS. PHÙNG TRÍ CƠNG

MỤC LỤC
MỤC LỤC........................................................................................................................... i
DANH SÁCH HÌNH ẢNH............................................................................................... iii
DANH SÁCH BẢNG BIỂU............................................................................................... v
MỤC TIÊU ĐỒ ÁN............................................................................................................ 1
CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN............................................................................................. 2
CHƯƠNG 2: ĐỀ XUẤT VÀ LỰA CHỌN PHƯƠNG ÁN............................................... 7
2.1

Đề xuất sơ đồ nguyên lý........................................................................................ 7

2.2

Đề xuất cảm biến................................................................................................... 7

2.3

Đề xuất cấu trúc điều khiển................................................................................... 8

2.4

Đề xuất giải thuật điều khiển................................................................................. 9

2.5

Phương án thiết kế................................................................................................. 9

CHƯƠNG 3: MECHANICAL SYSTEMS...................................................................... 10
3.1

Lựa chọn bánh xe................................................................................................ 10

3.2

Lựa chọn động cơ................................................................................................ 10

3.3

Kích thước thân xe.............................................................................................. 12

3.4

Thiết kế đồ gá cho động cơ.................................................................................. 13

CHƯƠNG 4: INFORMATION SYSTEMS..................................................................... 16
4.1

Mơ hình động học của robot................................................................................ 16

4.2

Cách xác định vị trí của robot.............................................................................. 17

4.3

Bộ điều khiển tracking, tìm khoảng cách d và mơ phỏng bám sa bàn.................19

CHƯƠNG 5: ELECTRICAL SYSTEMS........................................................................ 25
5.1

Hệ thống cảm biến............................................................................................... 25

5.1.1 Xác định yêu cầu cảm biến........................................................................... 25
5.1.2 Thực nghiệm cảm biến.................................................................................. 25
5.2

Hệ thống điều khiển động cơ............................................................................... 29

5.2.1 Lựa chọn driver............................................................................................. 29
5.2.2 Mơ hình hóa hệ driver-động cơ..................................................................... 29
5.2.3 Bộ điều khiển PID......................................................................................... 33
1


ĐỒ ÁN THIẾT KẾ HỆ THỐNG CƠ ĐIỆN TỬ
5.3

GVHD: TS. PHÙNG TRÍ CƠNG

Lựa chọn pin........................................................................................................ 36

CHƯƠNG 6: COMPUTER SYSTEMS.......................................................................... 37
6.1

Lựa chọn vi điều khiển........................................................................................ 37

6.1.1 Sơ đồ khối của bộ điều khiển........................................................................ 37
6.1.2 Xác định yêu cầu và lựa chọn vi điều khiển.................................................. 37
6.1.3 Lựa chọn vi điều khiển................................................................................. 38
6.2

Tính toán thời gian truyền nhận dữ liệu............................................................... 38

6.3

Giải thuật điều khiển........................................................................................... 39

CHƯƠNG 7: KẾT QUẢ THỰC NGHIỆM..................................................................... 40
PHỤ LỤC A: KIT THÍ NGHIỆM SENSOR..................................................................... 42
PHỤ LỤC B: TÀI LIỆU THAM KHẢO.......................................................................... 44

2


DANH SÁCH HÌNH ẢNH
Hình 0.1. Sa bàn di chuyển của robot................................................................................. 1
Hình 1.1 Sơ đồ nguyên lý RC racing cars........................................................................... 2
Hình 1.2 Sơ đồ nguyên lý hai cặp chủ động vi sai (a) Loại 2 bánh; (b) Loại 4 bánh..........3
Hình 1.3 Giải thuật xử lí tín hiệu bằng phương pháp so sánh............................................. 4
[18]
Hình 1.4 Giải thuật xử lý tín hiệu cảm biến bằng phương pháp xấp xỉ
........................ 5
Hình 2.1 Phương án sơ đồ nguyên lý.................................................................................. 7
Hình 2.2 Phương án cấu trúc điều khiển............................................................................. 8
Hình 3.1 Mơ hình tốn của một bánh xe........................................................................... 10

Hình 3.2 Mơ hình tốn khi xe chuyển hướng.................................................................... 12
Hình 3.3 Sơ đồ sắp xếp linh kiện trên thân xe................................................................... 14
Hình 4.1 Mơ hình động học của mobile platform............................................................. 16
Hình 4.2 Mơ hình động học được sử dụng cho robot dị line............................................ 18
Hình 4.3 Cách xác định e3................................................................................................ 18
Hình 4.4 Sai số trung bình ứng với mỗi giá trị khoảng cách d.......................................... 19
Hình 4.5 Kết quả bám line ở đoạn A-B-C-D.................................................................... 21
Hình 4.6 Kết quả bám line ở đoạn D-E-F-C-G................................................................ 22
Hình 4.7 Kết quả bám line ở đoạn G-A-C-E.................................................................... 23
Hình 4.8 Robot phát hiện và tự động thực hiện đổi hướng ở đoạn vng góc..................24
Hình 4.9 Robot phát hiện đoạn giao cắt............................................................................ 24
Hình 5.1 Sơ đồ khối của hệ thống điện............................................................................. 25
Hình 5.2 Sơ đồ mạch điện cảm biến TCRT5000 cho thí nghiệm......................................26
Hình 5.3 Phạm vi hoạt động của cảm biến dựa theo góc chiếu......................................... 27
Hình 5.4 Đồ thị kết quả thí nghiệm đo giá trị điện áp trả về từ cảm biến..........................27
Hình 5.5 Mơ hình vùng giao thoa của cực phát và cực thu............................................... 28
Hình 5.6 Đường đặc tuyến giữa giá trị đọc về từ cảm biến và giá trị lý tưởng..................29
Hình 5.7 Đồ thị giữa PWM(%) và vận tốc quay của động cơ 1........................................ 30
Hình 5.8 Đồ thị đáp ứng theo thời gian khối driver-động cơ 1......................................... 31
Hình 5.9 Đồ thị giữa PWM(%) và vận tốc quay của động cơ 2........................................ 32


Hình 5.10 Đồ thị đáp ứng theo thời gian khối driver-động cơ 1........................................ 33


Hình 5.11 Mơ phỏng đáp ứng khối driver-động cơ 1 sau khi thêm bộ PID.......................34
Hình 5.12 Đồ thị đáp ứng theo thời gian khối driver-động cơ 1 sau khi thêm bộ PID......34
Hình 5.13 Mơ phỏng đáp ứng khối driver-động cơ 2 sau khi thêm bộ PID.......................35
Hình 5.14 Đồ thị đáp ứng theo thời gian khối driver-động cơ 2 sau khi thêm bộ PID......35
Hình 6.1 Sơ đồ khối của bộ điều khiển............................................................................. 37

Hình 6.2 Chu kỳ truyền nhận dữ liệu của hệ thống........................................................... 38
Hình 6.3 Lưu đồ giải thuật của hệ thống........................................................................... 39
Hình 7.1 Kết quả chạy mơ phỏng...................................................................................... 40
Hình 7.2 Kết quả chạy thực tế........................................................................................... 41
Hình A.1 Mơ hình bộ thí nghiệm dùng cho thí nghiệm 2..................................................42
Hình A.2 Bộ mơ hình dùng cho thí nghiệm 3....................................................................43


DANH SÁCH BẢNG BIỂU
Bảng 3.1 Thông số đầu vào của xe................................................................................... 11
Bảng 3.2 Thông số yêu cầu của động cơ........................................................................... 12
Bảng 3.3 Các thiết bị trên thân xe..................................................................................... 13
Bảng 4.1 Thông số đầu vào mô phỏng.............................................................................. 19
Bảng 4.2 Thông số đầu vào mô phỏng.............................................................................. 20
Bảng 5.1 Số liệu thử nghiệm TB6612 với động cơ 1........................................................ 30
Bảng 5.2 Số liệu thử nghiệm TB6612 với động cơ 2........................................................ 32
Bảng 5.3 Dòng điện tiêu thụ các linh kiện trong mạch..................................................... 36



MỤC TIÊU ĐỒ ÁN
.Thiết kế và chế tạo xe dò line di chuyển tốc độ cao trên sa bàn có các đặc điểm :
-

Màu sắc đường line: Đen.

-

Màu nền: Trắng.

-

Bề rộng đường line: 26mm.

-

Bề mặt địa hình di chuyển: Mặt phẳng.

-

Bán kính cong lớn nhất: 500mm.

-

Sa bàn được thể hiện trên Hình 0.1.
F

END

B
A START

R500
C

E
R500

1500
D

G
3000

Hình 0.1. Sa bàn di chuyển của robot
-

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

-

Tốc độ di chuyển tối thiểu của robot là 0.2 m/s.

-

Mỗi robot mang trên mình vật nặng có trọng lượng 2 kg với kích thước tối đa của
tải trọng (dài x rộng x cao): 200mm x 100mm x 300mm.

1


CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN
1. Sơ lược về Robot dò line:
Robot dò line (Line Following Robot) là một dạng robot di động (mobile robot) di
chuyển bằng bánh xe. Robot sẽ di chuyển bám theo các đường line được làm sẵn trên mặt
đất. Quỹ đạo của robot phụ thuộc vào sa bàn của hệ thống các đường line có sẵn.
Trong đồ án này sẽ thiết kế và điều khiển xe đua bám đường theo quỹ đạo cho trước.
Mục đích là xe đua sẽ di chuyển trong quãng đường này với thời gian ngắn nhất, đảm bảo

theo yêu cầu bám line đặt ra.
2. Sơ đồ nguyên lý:
Rất nhiều sơ đồ nguyên lý có thể được ứng dụng cho việc chế tạo robot dò line. Để
đạt được tốc độ và khả năng bám đường, sơ đồ nguyên lý của các loại xe đua điều
khiển từ xa (RC racing cars) có thể được sử dụng. Có hai loại sơ đồ nguyên lý chung
cho các loại xe đua chuyên chạy trên mặt đường phẳng:
-

Loại 1(Hình 1.1a) sử dụng trục truyền động cho trục trước và sau xe (Khung xe
của hãng Awesomatrix, TAMIYA TT01, Overdose Divall…).
Loại 2(Hình 1.1b) sử dụng đai răng truyền động cho trục trước và sau xe (Khung
xe của hãng Sakura D3 CS, Serpent VETEQ 02, TA04 EPRO…).

Những sơ đồ nguyên lý này có đặc điểm hạn chế được hiện tượng trượt giữa các
bánh khi xe thực hiện đổi hướng, tuy nhiên thiết kế cơ khí phức tạp và bán kính cong nhỏ
nhất của xe sẽ bị giới hạn bởi kết cấu của xe.

XX

XX

XX

(a)

(b)
Hình 1.1 Sơ đồ nguyên lý RC racing cars
(a) loại truyền động trục; (b) loại truyền động đai

Một sơ đồ nguyên lý hiện nay của rất nhiều xe đua dò line như HBFS-2 (Robot
RobotChallenge 2015) và Sylvestre (COSMOBOT 2012, CRJET International Robotics
Competition 2010), Johnny-5 (IGVC), Thunderbolt (Robot Challenge 2014)… sử dụng
hai bánh chủ động được điều khiển độc lập kết hợp với bánh đa hướng (Hình 1.2a). Sơ đồ
ngun lý này có đặc điểm kết cấu, mơ hình động học đơn giản, dễ hiệu chỉnh sai số hệ
[5]
thống và cho phép xe di chuyển được theo bán kính rất nhỏ, kể cả việc quay tại chỗ ,
tuy nhiên xe lại rất dễ bị trượt theo phương pháp tuyến khi thực hiện việc bám theo các
đoạn đường bán kính nhỏ ở tốc độ cao.
Ngồi ra, một dạng khác của sơ đồ nguyên lý này cũng được các xe đua như
CartisX04 (All Japan Micromouse 2015), Mouse (RobotChallenge 2014)… sử dụng
(Hình 1.2b). Ở sơ đồ này, mỗi bánh xe vi sai chủ động được thay bằng một cặp bánh, giúp
xe dễ cân bằng hơn, tuy nhiên kết cấu cơ khí phức tạp hơn và luôn xuất hiện hiện tượng
trượt bánh khi xe đổi hướng.

(a)

(b)

Hình 1.2 Sơ đồ nguyên lý hai cặp chủ động vi sai
(a) Loại 2 bánh; (b) Loại 4 bánh


3. Một số xe đua dò line:
 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 lượng bánh xe: 3 bánh, 2 bánh sau gắn dẫn động, bánh trước tự lựa.

- Tốc độ đạt được: 1,5 m/s.
- Sai số: 20 mm.

Ưu, nhược điểm của robot này:
 Ưu điểm: Sơ đồ ngun lý có đặc điểm kết cấu, mơ hình động học đơn giản, dễ
điều chỉnh tốc độ riêng biệt cho 2 bánh chủ động khi vào đoạn đường cua (có thể
chỉnh tốc độ khác nhau hoặc cùng tốc độ nhưng ngược chiều) và cho phép xe di
chuyển được theo bán kính rất nhỏ.
 Nhược điểm: Dể lật khi di chuyển ( dễ bị trượt theo phương pháp tuyến khi thực
hiện việc bám theo các đoạn đường cong ở tốc độ cao) và không đảm bảo được
khoảng cách giữa cảm biến và mặt đường trên địa hình dốc-độ ổn định kém.


 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 lượng bánh xe: 4 bánh, 2 bánh sau gắn dẫn động, 2 bánh trước tự lựa.

- Tốc độ đạt được: 1,6 m/s.
- Sai số: 15 mm.
Ưu, nhược điểm của robot này:
 Ưu điểm: Dễ di chuyển bám theo đoạn đường cong với độ chính xác cao.
 Nhược điểm: Tốc độ trung bình, cần phải chọn bánh và thiết kế hợp lý để đảm
bảo cân bằng, đồng phẳng. 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.
 Xe #include<stdio.h> - Võ Hữu Tài - Giải nhất cuộc thi 2014
- Cảm biến sử dụng: Led hồng ngoại 7 cặp, đọc tín hiệu digital, quét led nối tiếp.
- Số lượng bánh xe: 4 bánh chủ động, cả 4 bánh đều được lắp động cơ.



- Tốc độ đạt được: 1,8 m/s.
- Sai số: 20 mm.
Ưu, nhược điểm của robot này:

 Ưu điểm: Kết cấu cơ khí đơn giản.
 Nhược điểm: 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 ơm cua rất chậm
vì tạo ra tâm quay tức thời rất khó. Để khắc phục thì cần bộ điều khiển phức tạp.
 Nhận xét:
- Xe ba bánh (2 bánh chủ động, 1 bánh bị động): Ba bánh xe đồng phẳng, độ linh hoạt
cao.
- Xe bốn bánh (2 bánh chủ động, 2 bánh bị động): Khó tinh chỉnh đồng phẳng dẫn đến
mất mát công suất. Hai bánh tự lựa dễ bị trượt khi cua với tốc độ cao.
 Từ yêu cầu đề bài và các phân tích trên nhóm quyết định chọn thiết kế loại xe 3 bánh:
2 bánh chủ động, 1 bánh bị động.
4. Về Cảm biến:
Về cảm biến, phần lớn các robot dò line hiện nay sử dụng các loại cảm biến quang
để nhận biết vị trí tương đối của đường line so với xe, từ đó xử lí để đưa ra tín hiệu điều
khiển. Có hai phương pháp thường được sử dụng cho robot dò line là phương pháp sử
dụng camera và các loại cảm biến quang dẫn:
-

Ở phương pháp camera: chụp hình ảnh line đưa về bộ phận xử lý rồi ra quyết định
điều khiển. Phương pháp này có độ chính xác cao nhưng với line màu phân biệt rõ
nét thì khơng cần thiết, sẽ tốn nhiều thời gian xử lý và ra quyết định dẫn đến tốc độ
di chuyển của xe chậm.

-

Phương pháp thứ hai được ứng dụng phổ biến cho hầu hết các loại trong các cuộc
thi robot dò line hiện nay. Một số loại cảm biến có thể được sử dụng như quang
[12]
điện trở
(robot ALF trong cuộc thi ROBOCON Malaysia 2006) hoặc photo[10][11][13]

transistor
kết hợp với LED. Hai loại cảm biến này có nguyên tắc hoạt
động giống nhau, 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. Mặc dù vậy, photo-transistor
được ứng dụng nhiều hơn bởi nó cho thời gian đáp ứng nhanh hơn quang điện trở.


Đối với các loại cảm biến quang, tín hiệu tương tự từ cảm biến sẽ được hiệu
[19]
[18]
chuẩn và xử lí bàng các giải thuật so sánh
hoặc xấp xỉ
để tìm ra vị trí tương
đối của robot dị line với tâm đường line.
-

Phương pháp thứ nhất dùng bộ so sánh để xác định trạng thái đóng/ngắt của các
[12][19]
sensor, sau đó suy ra vị trí xe theo một bảng trạng thái đã được định sẵn
[21][27]
(Hình 1.3.). Với phương 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.
Phương pháp này có đặc điểm phụ thuộc chủ yếu vào mức ngưỡng so sánh của
các sensor, do đó tốc độ xử lý rất nhanh.
00011000
Line nằm giữa

Line nằm lệch bên phải

00000110

01100000

Line nằm lệch bên trái

Tín hiệu mức thấp tại vị trí khơng
có line
Tín hiệu mức cao tại vị trí
có line
Hình 1.3 Giải thuật xử lí tín hiệu bằng phương pháp so sánh
-

Phương pháp thứ hai xấp xỉ ra vị trí của xe so với tâm đường line từ các tín hiệu
[18]
tương tự từ cảm biến
. Có 3 giải thuật xấp xỉ được giới thiệu đó là xấp xỉ theo
bậc 2, tuyến tính và theo trọng số (Hình 1.4.) với sai số dò line lần lượt là 5.4mm,
[18]
2.8mm và 2.6mm trong thí nghiệm được thưc hiện ở
. Đặc điểm của phương
pháp này là phụ thuộc chủ yếu vào thời gian đọc ADC tất cả các sensor của vi
điều khiển, do đó thời gian xử lý sẽ lâu hơn phương pháp 1. Tuy nhiên độ phân
giải cao hơn đáng kể so với phương án đầu.


Hình
1.4

Giải thuật xử lý tín hiệu cảm biến bằng phương pháp xấp xỉ

[18]

(a) Xấp xỉ bậc 2; (b) Xấp xỉ theo trọng số
5. Về loại động cơ:
Các xe đua dò line như 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 thước, momen, chủng loại driver; dễ dàng lắp đặt và điều khiển chính xác do
có thể kết hợp thêm encoder và được ứng dụng thêm bộ điều khiển PID để có thể điều
chỉnh tốc độ hoặc vị trí chính xác theo u cầu.
6. Về 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 phương pháp chính để kết nối các module đó
với nhau là phương pháp điều khiển tập trung và 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 quá 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.
_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 toán tốc


độ của động cơ và truyền về cho master. Phương pháp này giúp giảm
nhẹ khối lượng nhận và xử lí thông cho master tăng thời gian đáp ứng.

7. Về giải thuật điều khiển:
Giải thuật điều khiển được dùng phổ biến cho các xe đua dò line là bộ điều khiển
[24]
PD, PID, FIC
cho hệ thống lái của xe kết hợp với PID cho từng động cơ như xe Bolt,
Pika, Major (Robocomp 2014), Thunderstorm…
Ngoài ra, một bộ điều khiển phổ biến khác thường được ứng dụng cho mobile robot
[25][26][28]
[28]
là bộ điều khiển tracking
. Thực nghiệm từ
cho thấy bộ điều khiển này có
thể giúp sai số bám line của robot trên đoạn đường thẳng và cong; đạt sai số tối đa 150mm
0
khi gặp các đoạn line gấp khúc và tối đa 250mm khi robot thực hiện đổi hướng 90 .
Bên cạnh đó, một số xe có áp dụng thêm khả năng ghi nhớ đường đi nhằm thay đổi
các thông số điều khiển ứng với từng cung đường, giúp tăng khả năng đáp ứng của xe sau
mỗi lần chạy như xe Silvestre và CartisX04; một giải thuật tự học đường là Q-Learning đã
[22]
được mô tả trong
. Tuy nhiên để áp dụng các giải thuật này, robot cần sử dụng thêm
cảm biến gyro để nắm được trạng thái gia tốc của xe trong suốt quá trình chuyển động.
8. Yêu cầu đề bài:
Dựa vào kết quả tìm hiểu các robot bám line, ta thấy vận tốc xe đạt được nằm trong
khoảng 1,5-3 (m/s). Với mục tiêu bám line tốt nên nhóm quyết định chọn vân tốc:
0,95 m/s.
Về khả năng đổi hướng, ngoài việc robot có thể bám được bán kính cong 500mm
(đoạn G →B, D→F Hình 0.1.) trên sa bàn, robot cịn phải có khả năng bám theo đường

0
line tại các vị trí line bị cắt đột ngột (điểm B, D, F, G Hình 0.1.) và vị trí góc 90 (điểm A
Hình 0.1.)
Về sai số tối đa của robot trong suốt quá trình, 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
[18]
sensor (tối đa 5.4mm
) và sai số do bộ điều khiển. Đối với sai số khi xe bám theo các
vị trí đổi hướng đột ngột, sai số phụ thuộc phần lớn vào giải thuật điều khiển (tối đa
250mm)


Hình 8.1 Vị trí giao điểm sa bàn.
Xét đoạn đường từ O-> D ( giả sử sai số bám line tại O: e=0), với thời gian lấy mẫu
t=0,01s, với vận tốc lớn nhất vmax=0,95 m/s. quảng đường mà robot sẽ lấy mẫu lần 2:

DC  vmax .t  0,9.0, 01  0, 009  9mm
Từ thông số sa bàn, ta có:

  130 , DB  13mm � OD 

DB
 57,8mm
sin(13)

AC  OC.sin(13)  (OD  DC ).sin(13)  (57,8  9).sin(13)  10, 97 mm
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 trên đoạn đường thẳng và cong là:
11mm.
Tóm lại, các thơng số đầu vào cho bài toán thiết kế:

-

Tốc độ tối đa: vmax = 0,9 m/s
Bán kính cong tối thiểu: Rmin = 500mm
Sai số dị line tại các vị trí line đổi hướng đột ngột: emax = 250mm
Sai số dò line trên đoạn đường thẳng và cong: emax = ±11mm


CHƯƠNG 2: ĐỀ XUẤT VÀ LỰA CHỌN PHƯƠNG ÁN
Chương này bao gồm việc đề xuất và lựa chọn phương án cho nguyên lý hoạt động của
xe, loại cảm biến, cấu trúc điều khiển và thuật toán điều khiển.
2.1 Đề xuất sơ đồ nguyên lý:
Do robot chỉ cần bám theo đường cong bán kính lớn (R = 500mm) ,có khả năng thực
hiện được việc đổi hướng tại các vị trí line bị gãy khúc và tính đơn giản trong kết cấu, mơ
hình động học, sơ đồ ngun lý hai bánh chủ động vi sai kết hợp bánh đa hướng bị động
(Hình 2.1) được lựa chọn.

2.2 Đề xuất cảm biến:

Hình
2.1

Phương án sơ đồ nguyên lý

Để thỏa mãn yêu cầu về việc đáp ứng được với các đường gãy khúc đột ngột của sa
bàn, phương án cảm biến phải có độ nhạy thích hợp. Dựa trên đặc tính độ nhạy cao của
phototransistor so với các loại cảm biến quang khác hai phương án sử dụng loại sensor
này được đề xuất:
-

Phototransistor kết hợp với LED thường
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 đường đua mà màu line với màu của
nền có độ tương phản cao (ví dụ như line đen nền trắng như sa bàn mục tiêu), LED hồng
ngoại cho độ nhạy cao hơn nhưng cần phải che chắn để chống nhiễu. Đối với đường đua
mà màu line với màu của nền có độ tương phản thấp, sử dụng LED thường sẽ hiệu quả
hơn.


Hôm trước đã nghiên cứu tới đây!


Về giải thuật xử lí tín hiệu:
Với sai số yêu cầu ±16mm như đầu bài, các phương pháp có độ phân cao nên được
lựa chọn. Có hai giải thuật xử lý được đề xuất:
-

So sánh
Xấp xỉ

Với phương pháp so sánh, vị trí của robot so với đường line chỉ có thể thuộc vào
một số trường hợp đã được quy định sẵn. Số trường hợp này phụ thuộc số lượng cảm
biến, sai số ảnh hưởng bởi khoảng cách tối thiểu giữa các cảm biến. Khoảng cách giữa
các cảm biến này phụ thuộc nhiều vào góc chiếu của LED, góc thu của sensor và độ cao
so với mặt đất.
Với phương pháp xấp xỉ, sai số phụ thuộc vào số lượng cảm biến và cách chọn độ
cao của chúng so với mặt đất. Tuy nhiên, độ phân giải của phương pháp này cao hơn đáng
kể so với phương pháp so sánh, giúp cho hệ thống sensor có thể đạt được sai số tốt hơn.

Tuy nhiên, thời gian đáp ứng của phương pháp này sẽ lâu hơn phương án trên do vi điều
khiển cần thực hiện chuyển đổi ADC cho tất cả các cảm biến.
2.3 Đề xuất cấu trúc điều khiển:
Để xe có thể đáp ứng kịp thời những đoạn đường đổi hướng đột ngột trên sa bàn, xe
cần có khả năng thực hiện tác vụ xác định vị trí xe, tính tốn vận tốc bánh cần đạt và đáp
ứng vận tốc trước khi xe vượt ra khỏi đoạn gãy khúc. Có một phương án được đề xuất: bộ
điều khiển phân cấp với một MCU slave đọc giá trị hệ thống sensor và hai MCU slave
điều khiển động cơ.
Sensor

Master

Driver

Lef
Right
Motor Controller Motor Controller

Driver

Motor

Motor

Encoder

Encoder

Hình 2.2 Phương án cấu trúc điều khiển
Phương án này tận dụng được đặc điểm định vị trí và tính tốn vận tốc mới đồng thời nhờ

sử dụng các MCU độc lập giúp hệ thống có khả năng đáp ứng nhanh. Về việc điều khiển


động cơ, để tránh xung đột ngắt sinh ra từ tín hiệu các encoder, hai MCU nên được sử
dụng để điều khiển độc lập tốc độ hai động cơ. Ngoài việc có khả năng thực hiện nhiều
tác vụ cùng lúc, phương án này cịn có đặc điểm giúp giảm nhẹ việc tính tốn, xử lý của
từng MCU. Tuy nhiên, khó khăn gặp phải là việc xác định thời gian lấy mẫu và truyền
nhận dữ liệu của từng MCU. Sơ đồ cấu trúc điều khiển được thể hiện trên Hình 2.2.
2.4 Đề xuất giải thuật điều khiển:
Dựa vào yêu cầu robot phải bám được trên các đoạn đường thẳng, cong và sai số vị
trí line bị gấp khúc (250mm), hai phương án cho bộ điều khiển được đề xuất:
-

Bộ điều khiển PD kết hợp ghi nhớ đường đi
Bộ điều khiển tracking

Phương án 1 có đặc điểm giúp robot có khả năng cải thiện được khả năng bám
đường line sau mỗi lần chạy. Tuy nhiên giải thuật tự học phức tạp và cần phải kết hợp
thêm cảm biến gyro để bộ điều khiển có thể nhớ được trạng thái gia tốc của robot trong
suốt đường đua.
Phương án 2 là một bộ điều khiển thông dụng trong các nghiên cứu về khả năng
bám theo quỹ đạo cho trước của mobile robot. Lý thuyết và thực nghiệm đã chứng minh
bộ điều khiển có khả năng di chuyển robot tới các tọa độ
cho trước với vận tốc mong
[28]
muốn. Ngồi ra, bộ thơng số của bộ điều khiển Kx, Ky, Kθ có thể được tùy chỉnh nhằm
tăng khả năng bám line của robot cho các đoạn đường khác nhau.
2.5 Phương án thiết kế:
Vậy, phương án thiết kế robot được lựa chọn:
-

Sơ đồ nguyên lý: robot 2 bánh chủ động vi sai có bánh đa hướng bị động (Hình
2.1.)
Cảm biến: bộ LED hơng ngoại-Phototransistor và sử dụng giải thuật xấp xỉ để tìm
ra vị trí của robot so với đường line
Động cơ: động cơ DC có gắn encoder
Cấu trúc điều khiển: bộ điều khiển phân cấp (Hình 2.2.)
[28]
Giải thuật điều khiển: bộ điều khiển tracking


CHƯƠNG 3: MECHANICAL SYSTEMS
Chương này bao gồm lựa chọn bánh xe, tính tốn lựa chọn động cơ, kích thước thân xe và
thiết kế đồ gá cho động cơ.
3.1 Lựa chọn bánh
xe: Bánh chủ
động:
Ở Chương 1, giá trị vận tốc lớn nhất (1.3m/s) đặt ra ở đầu bài được tham khảo từ
robot HBFS-2 (vơ địch cuộc thi RobotChallenge 2015). Ngồi ra, bán kinh cong nhỏ nhất
của sa bàn tại cuộc thi RobotChallenge 2015 (410mm) gần với bán kính cong nhỏ nhất
của sa bàn mục tiêu. Do đó, đường kính bánh xe của robot có thể được chọn theo kích
thước bánh xe của HBFS-2, tương đương 65mm.
Bánh bị động:
Hai loại bánh bị động thường được sử dụng cho mobile robot là bánh mắt trâu và
[5]
bánh caster . Tuy nhiên đặc điểm của bánh caster là khoảng cách giữa trục quay và trục
bánh gây ra hiện tượng shopping-cart làm ảnh hưởng đến phương trình động học của
[5]
xe . Để tránh hiện tượng này và tận dụng được đặc điểm của sơ đồ nguyên lý, bánh mắt
trâu được lựa chọn làm bánh bị động.

3.2 Lựa chọn động cơ:
Để xe chuyển động, động cơ có vai trị cung cấp moment cho các bánh. Q trình
chuyển động này chịu ảnh hưởng đáng kể của khối lượng xe và ma sát giữa bánh xe và
mặt đường. Mô hình tốn cho một bánh xe được thể hiện ở Hình 3.1.

τ

R
P

v

N
Fms
Hình 3.1 Mơ hình tốn của một bánh xe
Moment qn tính của bánh xe có thể tính gần đúng :
1
2
� = ��
2
sau :
17