ĐỒ ÁN THIẾT KẾ HỆ THỐNG CƠ ĐIỆN TỬ THIẾT KẾ VÀ CHẾ TẠO ROBOT DÒ LINE

ĐẠI HỌC BÁCH KHOA TPHCM
KHOA CƠ KHÍ
----------𝜟----------

ĐỒ ÁN THIẾT KẾ HỆ THỐNG CƠ ĐIỆN TỬ
THIẾT KẾ VÀ CHẾ TẠO ROBOT DỊ LINE

Nhóm 2
Nguyễn Nhật Cảnh
Phạm Phú Hưng
Nguyễn Việt Cường

1510260
1511404
1510379

Hướng dẫn: Tiến sĩ Lê Đức Hạnh
TPHCM, 10/12/2018


MỤC LỤC

MỤC LỤC
DANH SÁCH HÌNH ẢNH ........................................................................................................... iv
DANH SÁCH BẢNG BIỂU ....................................................................................................... viii
MỤC TIÊU THIẾT KẾ ............................................................................................................... ix
PHÂN CÔNG CÔNG VIỆC ........................................................................................................ xi
CHƯƠNG 1 : TỔNG QUAN ........................................................................................................ 1
1.1

Kết cấu cơ khí ................................................................................................................... 1

1.1.1

Sơ đồ nguyên lý ......................................................................................................... 1

1.1.2

Bánh xe chủ động ...................................................................................................... 6

1.1.3

Bánh xe tự lựa............................................................................................................ 7

1.2

Cảm biến ........................................................................................................................... 8

1.3

Bộ điều khiển .................................................................................................................. 10

CHƯƠNG 2 : PHƯƠNG ÁN THIẾT KẾ ................................................................................. 12
2.1

Kết cấu cơ khí ................................................................................................................. 12

2.2

Cảm biến ......................................................................................................................... 12

2.2.1

Về loại cảm biến: ..................................................................................................... 12

2.2.2

Về giải thuật xử lí tín hiệu: ...................................................................................... 13

2.3

Bộ điều khiển .................................................................................................................. 13

CHƯƠNG 3 : THIẾT KẾ CƠ KHÍ ........................................................................................... 14
3.1

Chọn bánh xe .................................................................................................................. 14

3.1.1

Bánh chủ động ......................................................................................................... 14

3.1.2

Bánh tự lựa .............................................................................................................. 14

3.2

NHĨM 2

Tính tốn chọn động cơ .................................................................................................. 15

I


MỤC LỤC

3.3

Tính tốn sơ bộ kích thước xe......................................................................................... 16

3.3.1

Khoảng cách giữa 2 bánh chủ động......................................................................... 16

3.3.2

Chiều cao trọng tâm xe ............................................................................................ 17

3.3.3

Khoảng cách giữa trọng tâm xe và tâm 2 bánh chủ động........................................ 18

3.4

Thiết kế đồ gá động cơ.................................................................................................... 19

3.4.1

Thiết kế đồ gá động cơ ............................................................................................ 19

3.4.2

Tính tốn dung sai đồng trục của 2 động cơ............................................................ 19

3.4.2.1

Dung sai theo phương ngang ............................................................................... 20

3.4.2.2

Dung sai theo phương dọc ................................................................................... 21

3.4.2.3

Dung sai lỗ định vị đồ gá ..................................................................................... 22

3.5

Kết cấu xe - Mô phỏng kiểm bền các chi tiết nguy hiểm ............................................... 23

3.5.1

Kiểm nghiệm chi tiết TC1 – Đế xe .......................................................................... 24

3.5.2

Kiểm nghiệm chi tiết TC4 – Gá động cơ................................................................. 26

3.5.3

So sánh trọng tâm xe khi đặt và không đặt tải ......................................................... 28

3.5.4

Nhận xét kết quả mô phỏng ..................................................................................... 28

CHƯƠNG 4 : CẢM BIẾN .......................................................................................................... 29
4.1

Cảm biến ......................................................................................................................... 29

4.1.1

Nguyên lý hoạt động: .............................................................................................. 29

4.1.2

Thơng số kỹ thuật .................................................................................................... 29

4.1.3

Tính tốn điện trở .................................................................................................... 29

4.1.4

Chọn khoảng cách giữa cảm biến và sàn ................................................................. 31

4.1.5

Xác định khoảng cách phù hợp giữa hai cảm biến .................................................. 33

4.1.6

Xác định sự ảnh hưởng của đường line đến khoảng cách giữa hai cảm biến.......... 34

NHÓM
NHÓM2 2

II

II


MỤC LỤC

4.1.7

Calibration ............................................................................................................... 35

4.1.8

Xác định vị trí tâm đường line và sai số .................................................................. 37

CHƯƠNG 5 : THIẾT KẾ ĐIỆN ................................................................................................ 40
5.1

Sơ đồ điện ....................................................................................................................... 40

5.2

Công suất nguồn ............................................................................................................. 40

5.3

Mạch nguồn .................................................................................................................... 41

5.4

Thiết kế mạch cảm biến .................................................................................................. 42

5.5

Thiết kế mạch tổng ......................................................................................................... 43

CHƯƠNG 6 : BỘ ĐIỀU KHIỂN ............................................................................................... 45
6.1

Bộ điều khiển PID cho động cơ ...................................................................................... 45

6.1.1

Khảo sát sự tuyến tính giữa thơng số duty cycle của xung PWM với vận tốc động

cơ khi dùng driver TB6612 .................................................................................................. 45
6.1.2

Khảo sát đáp ứng động cơ khi không dùng bộ điều khiển PID và không tải .......... 45

6.1.3

Xác định hàm truyền của cả hệ bao gồm vi điều khiển, driver, động cơ. ............... 46

6.1.4

Thiết kế bộ điều khiển PID ...................................................................................... 47

6.1.5

Thiết lập State space modeling cho hàm truyền động cơ dùng cho mô phỏng ....... 53

6.1.6

So sánh đáp ứng động cơ khi mơ phỏng và chạy thực ............................................ 54

6.2

Mơ hình hóa xe dị line ................................................................................................... 56

6.2.1

Mơ hình động học hệ thống ..................................................................................... 56

6.2.2

Thiết kế bộ điều khiển xe dò line ............................................................................ 59

6.2.3

So sánh giữa thực nghiệm và mô phỏng.................................................................. 62

CHƯƠNG 7 : KẾT LUẬN VÀ NHẬN XÉT ............................................................................. 65
CHƯƠNG 8 : TÀI LIỆU THAM KHẢO .................................................................................. 66

NHÓM
NHÓM2 2

III

III


DANH SÁCH HÌNH ẢNH

DANH SÁCH HÌNH ẢNH
Hình 0.1 Sa bàn di chuyển của robot .............................................................................................. x
Hình 1.1: Sơ đồ nguyên lý của loại 3 bánh với 2 bánh chủ động đặt sau........................................ 1
Hình 1.2: Pika Robot ....................................................................................................................... 2
Hình 1.3: Cenkk............................................................................................................................... 2
Hình 1.4: Sơ đồ nguyên lý của loại 3 bánh với 2 bánh chủ động đặt sau........................................ 3
Hình 1.5: Pinto................................................................................................................................. 3
Hình 1.6: Loại 3 bánh chủ động sử dụng bánh omni ...................................................................... 4
Hình 1.7: Xe robot 3 bánh omni ...................................................................................................... 4
Hình 1.8: Sơ đồ nguyên lý của loại 4 bánh với 2 bánh chủ động đặt sau........................................ 4
Hình 1.9: Suckbot ........................................................................................................................... 5
Hình 1.10: Sơ đồ nguyên lý của loại 4 bánh chủ động .................................................................... 5
Hình 1.11: Fireball........................................................................................................................... 5
Hình 1.12: Sơ đồ nguyên lý của loại 4 bánh sử dụng cơ cấu lái skid drive .................................... 6
Hình 1.13: CratixX04 ...................................................................................................................... 6
Hình 1.14: Bánh lốp trơn ................................................................................................................. 7
Hình 1.15: Bánh lốp có rãnh............................................................................................................ 7

Hình 1.16: Bánh xe có gai ............................................................................................................... 7
Hình 1.17: Bánh xích ....................................................................................................................... 7
Hình 1.18: Bánh omni ..................................................................................................................... 7
Hình 1.19: Bánh bi cầu .................................................................................................................... 7
Hình 1.20: Bánh caster .................................................................................................................... 7
Hình 1.21 Cấu trúc điều khiển tập trung ....................................................................................... 10
NHÓM 2

IV


DANH SÁCH HÌNH ẢNH

Hình 1.22 Cấu trúc điều khiển phân cấp ....................................................................................... 11
Hình 3.1 Bánh xe chủ động ........................................................................................................... 14
Hình 3.2: Nối trục lục giácBánh tự lựa ......................................................................................... 14
Hình 3.3: Bánh tự lựa .................................................................................................................... 15
Hình 3.4: Các lực tác dụng lên bánh xe ......................................................................................... 15
Hình 3.5:Động cơ GA25 V1.......................................................................................................... 16
Hình 3.6: Mơ hình tốn khi xe chuyển hướng ............................................................................... 17
Hình 3.7 Mơ hình tốn khi xe tăng tốc .......................................................................................... 18
Hình 3.8: Mơ hình tính tốn khi xe giảm tốc................................................................................. 19
Hình 3.9: Dung sai theo phương ngang ......................................................................................... 20
Hình 3.10: Dung sai theo phương dọc ........................................................................................... 21
Hình 3.11: Dung sai lỗ định vị đồ gá............................................................................................. 22
Hình 3.12: Kết cấu xe .................................................................................................................... 23
Hình 3.13: Đặt lực và momen vào chi tiết TC1 để kiểm nghiệm ứng suất và biến dạng .............. 24
Hình 3.14: Kết quả mô phỏng ứng suất của TC1 .......................................................................... 25
Hình 3.15: Kết quả mơ phỏng biến dạng của TC1 ........................................................................ 25
Hình 3.16: Chuyển vị của tâm cảm biến ....................................................................................... 26

Hình 3.17: Các lực tác dụng lên TC4 ............................................................................................ 26
Hình 3.18: Kết quả mơ phỏng trên Soidworks .............................................................................. 27
Hình 3.19: Trọng tâm xe khi đặt và không đặt tải ......................................................................... 28
Hình 4.1 Sơ đồ nguyên lý cảm biến đơn ....................................................................................... 30
Hình 4.2 Đồ thị quan hệ IF và I¬C ................................................................................................ 30
Hình 4.3 Đồ thị quan hệ VCE và IC ............................................................................................... 31

NHÓM
NHÓM2 2

V

V


DANH SÁCH HÌNH ẢNH

Hình 4.4 Sự thay đổi giá trị ADC trong khoảng 0-15mm ............................................................. 32
Hình 4.5 Đồ thị quan ảnh hưởng line đến khoảng cách hai cảm biến ........................................... 34
Hình 4.6 Giá trị cảm biến trước khi calib ...................................................................................... 36
Hình 4.7 Giá trị cảm biến sau khi calib ......................................................................................... 36
Hình 4.8 Đồ thị quan hệ giữa giá trị thực và giá trị đo từ cảm biến .............................................. 37
Hình 4.9 Đồ thị quan hệ giữa sai số và vị trí thực tâm line ........................................................... 38
Hình 4.10 Đồ thị quan hệ giữa giá trị thực và giá trị đo từ cảm biến sau khi calib lại .................. 38
Hình 4.11 Đồ thị quan hệ giữa sai số và giá trị thực tâm line sau khi calib lại ............................. 39
Hình 5.1 Sơ đồ điện ....................................................................................................................... 40
Hình 5.2 Module LM2596 ............................................................................................................. 41
Hình 5.3 IC LM1117 ..................................................................................................................... 42
Hình 5.4 Sơ đồ nguyên lý mạch cảm biến ..................................................................................... 42
Hình 5.5 Bảng vẽ mạch in của mạch cảm biến ............................................................................. 42

Hình 5.6 Mơ hình 3D mạch cảm biến ........................................................................................... 43
Hình 5.7 Sơ đồ nguyên lý mạch tổng ............................................................................................ 43
Hình 5.8 Bảng vẽ mạch in của mạch tổng ..................................................................................... 44
Hình 5.9 Mơ hình 3D của mạch tổng ............................................................................................ 44
Hình 6.1 Mối quan hệ giữa dutycycle và xung pwm của động cơ 1 ............................................. 45
Hình 6.2 Mối quan hệ giữa dutycycle và xung pwm của động cơ 2 ............................................. 45
Hình 6.3 Đáp ứng động cơ khi chạy khơng bộ điều khiển PID, khơng tải.................................... 46
Hình 6.4 Dutycyle của xung PWM theo thời gian khi lấy mẫu tìm hàm truyền động cơ ............. 46
Hình 6.5 Mơ hình bộ điều khiển PID và động cơ.......................................................................... 47
Hình 6.6 Import plant động cơ A .................................................................................................. 49

NHÓM
NHÓM2 2

VI

VI


DANH SÁCH HÌNH ẢNH

Hình 6.7 PID tuner cho động cơ A ................................................................................................ 50
Hình 6.8 Phần mềm nhận dữ liệu từ Serial Device ....................................................................... 50
Hình 6.9 Đáp ứng động cơ A với bộ hệ số PID do PID Tuner...................................................... 51
Hình 6.10 Đáp ứng động cơ A với bộ hệ số PID sau tinh chỉnh ................................................... 51
Hình 6.11 PID tuner cho động cơ B .............................................................................................. 52
Hình 6.12 Đáp ứng động cơ A với bộ hệ số PID do PID Tuner.................................................... 52
Hình 6.13 Đáp ứng động cơ B với bộ hệ số PID sau tinh chỉnh ................................................... 53
Hình 6.14 Đồ thị so sánh đáp ứng động cơ khi mô phỏng và chạy thực (khơng PID và khơng tải)
....................................................................................................................................................... 54

Hình 6.15 So sánh đáp ứng giữa thông số mô phỏng và chạy thực trên động cơ B có dùng PID 55
Hình 6.16 So sánh đáp ứng giữa thông số mô phỏng và chạy thực trên động cơ A có dùng PID 55
Hình 6.17 Mơ hình hóa xe dị line ................................................................................................. 56
Hình 6.18 Đồ thị liên hệ giữa d và e2 ............................................................................................ 60
Hình 6.19 Kết quả bám line mơ phỏng.......................................................................................... 60
Hình 6.20 Đồ thị thể hiện sai số bám line e2 mơ phỏng................................................................ 61
Hình 6.21 Vận tóc góc hai động cơ sau mơ phỏng........................................................................ 61
Hình 6.22 Đồ thị thể hiện sai số e2 khi mô phỏng và chạy thực ................................................... 62
Hình 6.23 Đồ thị thể hiện tốc độ góc bánh phải khi mơ phỏng và chạy thực ............................... 63
Hình 6.24 Đồ thị thể hiện tốc độ góc bánh trái khi mơ phỏng và chạy thực ................................. 63
Hình 6.25 Vận tốc góc bánh trái và phải khi chạy thực ................................................................ 64

NHÓM
NHÓM2 2

VII

VII


DANH SÁCH BẢNG BIỂU

DANH SÁCH BẢNG BIỂU
Bảng 1.1: Các thông số của Pika Robot .......................................................................................... 2
Bảng 1.2: Các thông số của Cenkk .................................................................................................. 2
Bảng 1.3: Các thông số của Pinto .................................................................................................... 3
Bảng 1.4: Các thông số của xe robot 3 bánh omni .......................................................................... 4
Bảng 1.5: Các thông số của Suckbot ............................................................................................... 5
Bảng 1.6: Các thông số của Fireball ................................................................................................ 5
Bảng 1.7: Các thông số của CratixX04 ........................................................................................... 6

Bảng 3.1 Các thông số ban đầu ..................................................................................................... 15
Bảng 3.2: Thông số cần thiết của mỗi động cơ ............................................................................. 16
Bảng 3.3: Thông số của động cơ GA25 V1 .................................................................................. 16
Bảng 3.4 Khối lượng các chi tiết tác dụng lực lên TC1 ................................................................ 24
Bảng 5.1 Tính tốn năng lượng cho các thiết bị ............................................................................ 40
Bảng 5.2 Thông số về mức ổn áp của LM2596............................................................................. 41

NHÓM 2

VIII


MỤC TIÊU THIẾT KẾ

MỤC TIÊU THIẾT KẾ
YÊU CẦU KỸ THUẬT ROBOT
 Tốc độ di chuyển của robot: tối thiểu 0.2𝑚/𝑠, vận tốc trung bình 1 𝑚/𝑠, sai số bám line
±30 𝑚𝑚
 Mỗi robot mang trên người một vật năng hình hộp chữ nhật có trọng lượng 2kg với kích thước
tối đa của tải trọng (dài × rộng × cao): 200𝑚𝑚 × 100 × 300𝑚𝑚. Nhóm sinh viên tự chế tạo
tải trong để đạt cố định trên thân robot.
 Số lượng bánh xe của robot (bao gồm bánh dẫn động và bánh bị động) được chọn tùy thuộc
vào thết kế của nhóm.
 Trên robot được trang bị hệ thống cảm biến để giúp robot nhận biết đường line trên bề mặt và
di chuyển theo đường line đó. Nhóm sinh viên tự chọn loại cảm biến phù hợp
ĐIỀU KIỆN RÀNG BUỘC
 Đường kính các bánh xe 𝑑 ≤ 200𝑚𝑚
 Số lượng bánh xe (chủ động + bị động): tùy chọn
 Kích thước tối đ các chiều của robot (dài × rộng × cao): 300𝑚𝑚 × 220𝑚𝑚 × 300𝑚𝑚
 Màu sắc đường line: đen

 Màu nền: trắng
 Bề rông đường line: 26mm
 Bề mặt địa hình di chuyển: phẳng

NHĨM 2

IX


MỤC TIÊU THIẾT KẾ

Hình 0.1 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 qui định lần lượt:
(START) A → B → C → D → E → F → C → G → A → C → E (END)

NHÓM
NHÓM2 2

X

X


PHÂN CƠNG CƠNG VIỆC

PHÂN CƠNG CƠNG VIỆC
Cơng việc

Tuần

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15

TỔNG QUAN
Tìm hiểu các mơ hình xe dị line
Lựa chọn phương án cơ khí
Lựa chọn cảm biến
Lựa chọn phương pháp điều khiển
Hiệu chỉnh tổng quan
THIẾT KẾ CƠ KHÍ
Lựa chọn bánh xe
Tính tốn lựa chọn động cơ
Thiết kế thân xe, đồ gá
Thiết kế mơ hình 3D
Vẽ bản vẽ lắp, bản vẽ chi tiết
Tính tốn dung sai chế tạo
Hiệu chỉnh bản vẽ - kết cấu
THIẾT KẾ ĐIỆN
Chọn và thiết kế cảm biến
Test cảm biến
Calib cảm biến
Thiết kế mạch chính
MƠ HÌNH HĨA
Mơ hình hóa sa bàn
Mơ hình hóa cảm biến
Tìm hàm truyền driver – động cơ
Mơ hình hóa driver – động cơ
Xây dựng bộ điều khiển PID

NHÓM 2

XI


PHÂN CƠNG CƠNG VIỆC

Hiệu chỉnh
CHẾ TẠO MƠ HÌNH
Làm mạch cảm biến
Lập trình điều khiển cảm biến
Lập trình điều khiển động cơ
Chế tạo thân xe, đồ gá
Làm mạch chính
Lắp ráp, hiệu chỉnh
Chạy thử, hiệu chỉnh
VIẾT THUYẾT MINH
BÁO CÁO
Ghi chú
Phú Hưng
Việt Cường
Nhật Cảnh
Cả nhóm

NHĨM
NHĨM2 2

XII

XII

CHƯƠNG 1 : TỔNG QUAN

CHƯƠNG 1 : TỔNG QUAN
Robot dò line là robot di chuyển theo một quỹ đạo định sẵn (line từ, line màu).
Hiện nay, robot dò line được ứng dụng rộng rãi trong đời sống và sản xuất cơng nghiệp như AVGs
để vận chuyển, sắp xếp hang hóa, ô tô tự hành có thể vận chuyển hành khách tự động.
Robot dò line còn là đề tài nghiên cứu kỹ thuật nhận diện và điều khiển, cũng như là đề tài ở các
cuộc thi, sân chơi kỹ thuật trên thế giới (Robot Challenge, MCU Car Rally, Cosmobot 2012, …).
Để thiết kế, các vấn đề kỹ thuật cần được quan tâm là kết cấu cơ khí, cảm biến, động cơ, cấu trúc
và giải thuật điều khiển.
Kết cấu cơ khí

1.1

Kết cấu cơ khí của một robot dị line bao gồm: sơ đồ nguyên lý, loại bánh chủ động và bánh tự lựa
cũng như số lượng bánh xe được sử dụng.
1.1.1
-

Sơ đồ nguyên lý
Loại 3 bánh với 2 bánh chủ động đặt sau:

Hình 1.1: Sơ đồ nguyên lý của loại 3 bánh với 2 bánh chủ động đặt sau

NHÓM 2

1


CHƯƠNG 1 : TỔNG QUAN



Pika Robot ở cuộc thi Roboxy 2015 [5
Bảng 1.1: Các thơng số của Pika Robot
Dài × rộng × cao
Vận tốc lớn nhất vmax

2.7m/s

Vận tốc lớn nhất 𝑣𝑡𝑏

1.9 𝑚/𝑠

Khối lượng m
bánh chủ động
Hình 1.2: Pika Robot



Kích thước bánh tự lựa

Cenkk, giải nhất tại The 3rd National Robot Contest (6/3/2009) [6]
Bảng 1.2: Các thơng số của Cenkk
Dài × rộng × cao
Vận tốc lớn nhất vmax
Vận tốc lớn nhất 𝑣𝑡𝑏

1.6 𝑚/𝑠

Khối lượng m
Kích thước bánh chủ động
Hình 1.3: Cenkk

Kích thước bánh tự lựa

42 × 19𝑚𝑚
3/8′′

 Ưu điểm:
Kết cấu truyền động đơn giản
Xe luôn đồng phẳng
Cơ cấu lái vi sai cho phép xe di chuyển ở những bán kính cong rất nhỏ, thâm chí có
thể quay tại chỗ
 Nhược điểm:
Xe dễ bị lật khi vào khúc cua hay khi tăng tốc với gia tốc lớn

NHÓM 2

2


CHƯƠNG 1 : TỔNG QUAN

 Loại 3 bánh với 2 bánh chủ động đặt trước

Hình 1.4: Sơ đồ nguyên lý của loại 3 bánh với 2 bánh chủ động đặt sau


Pinto[7]

Bảng 1.3: Các thơng số của Pinto
Dài × rộng × cao

210 × 130 × 120

Vận tốc lớn nhất vmax
Vận t tốc trung bình 𝑣𝑡𝑏

0.8 𝑚/𝑠

Khối lượng m
Kích thước bánh chủ động
Hình 1.5: Pinto



60𝑚𝑚

Kích thước bánh tự lựa

Ưu điểm:
Có các ưu điểm như xe 3 bánh với bánh chủ động đặt sau
Ổn định hơn loại 3 bánh với bánh chủ động đặt sau khi chạy vào các khúc cua



Nhược điểm:
Chiều dài xe thường lớn hơn so với loại có bánh chủ động đặt sau
Khơng có lợi về mặt khí động học

NHĨM 2

3


CHƯƠNG 1 : TỔNG QUAN

 Loại 3 bánh chủ động sử dụng bánh omni

Hình 1.6: Loại 3 bánh chủ động sử dụng bánh omni
 Xe robot 3 bánh omni
Bảng 1.4: Các thơng số của xe robot 3 bánh omni
Dài × rộng × cao

180 × 180 × 105

Vận tốc lớn nhất vmax
Vận tốc trung bình 𝑣𝑡𝑏

0.6 m/s

Khối lượng m

5000 𝑔

Kích thước bánh chủ động

100 𝑚𝑚

Kích thước bánh tự lựa
Hình 1.7: Xe robot 3 bánh omni
 Ưu điểm:
Kết cấu truyền động đơn giản.
Có thể xoay tại chỗ
Có khả năng chuyển hướng nhanh mà không làm thay đổi hướng của xe


Nhược diểm: cần điều khiển đồng bộ 3 động cơ để tạo ra vận tốc và hướng phù hợp

 Loại 4 bánh với 2 bánh chủ động đặt sau

Hình 1.8: Sơ đồ nguyên lý của loại 4 bánh với 2 bánh chủ động đặt sau
NHÓM 2

4


CHƯƠNG 1 : TỔNG QUAN

 Suckbot [8]:
Bảng 1.5: Các thông số của Suckbot
Dài × rộng × cao

210 × 130 × 120

Vận tốc lớn nhất vmax

2.7m/s

Vận tốc trung bình 𝑣𝑡𝑏

0.93 m/s

Khối lượng m
Kích thước bánh chủ động
Hình 1.9: Suckbot

300g
70𝑚𝑚

Kích thước bánh tự lựa

 Ưu điểm: Có độ cứng vững cao hơn và khắc phục được sự mất cân bằng khi vào đoạn
có bán kính cong so với mơ hình ở hình 1.1.
 Nhược diểm: cần đảm bảo xe được đồng phẳng
 Loại 4 bánh chủ động

Hình 1.10: Sơ đồ nguyên lý của loại 4 bánh chủ động
 Fireball tại cuộc thi Bot Brawl
Bảng 1.6: Các thơng số của Fireball
Dài × rộng × cao

100 × 100 × 40

Vận tốc lớn nhất vmax
Vận tốc trung bình 𝑣𝑡𝑏
Khối lượng m

1.5 m/s

200g

Kích thước bánh chủ động
Hình 1.11: Fireball
NHĨM 2

Kích thước bánh tự lựa

5


CHƯƠNG 1 : TỔNG QUAN

 Ưu điểm:
Kết cấu truyền động đơn giản.
Có độ cứng vững cao hơn.
 Nhược diểm: điều khiển đồng bộ 4 động cơ phức tạp, khó đảm bảo tồn tại duy nhất 1
tậm vận tốc tức thời nên gây ra hiện tượng trượt
 Loại 4 bánh sử dụng cơ cấu lái skid drive

Hình 1.12: Sơ đồ nguyên lý của loại 4 bánh sử dụng cơ cấu lái skid drive
 CartixX04 tại cuộc thi All Japan Micromouse
Bảng 1.7: Các thơng số của CratixX04
Dài × rộng × cao

173 × 153 × 40

Vận tốc lớn nhất vmax

4 𝑚/𝑠

Vận tốc trung bình 𝑣𝑡𝑏

2.5 𝑚/𝑠

Khối lượng m

98𝑔

Kích thước bánh chủ động
Kích thước bánh tự lựa
Hình 1.13: CratixX04
 Ưu điểm: Ngồi các ưu điểm của mơ hình 1.1 cịn tăng được khả năng bám đường giúp
việc dị line được chính xác hơn
 Nhược diểm: cơ cấu truyền động phức tạp
1.1.2

Bánh xe chủ động

Các loại bánh xe thường được sử dụng làm bánh xe chủ động cho xe dị line bao gồm

NHĨM 2

6


CHƯƠNG 1 : TỔNG QUAN

 Bánh lốp cao su trơn: ma sát với mặt đường nhỏ, do đó có khả năng bị trượt trên đường.
 Bánh lốp cao su có rãnh: tăng ma sát so với bánh lốp cao su trơn, cho khả năng bám đường

tốt hơn.
 Bánh có gai: thiết kế đặt biệt dành cho xe chạy trên các bề mặt khơng bằng phẳng, có sỏi
đá, do các điểm tiếp xúc liên tục thay đổi nên xe không ổn định…
 Bánh xích: di chuyển trên địa hình khơng bằng phẳng, gồ ghề; cần moment lớn hơn so với
các loại bánh trên do khối lượng xích lớn; cho khả năng bám đường tốt do ma sát lớn
 Bánh omni: cơ cấu 3 chủ động dùng bánh xe omni như đã trình bày ở mục 1.1.1 cho phép
xe có khả năng chuyển hướng nhanh mà không làm thay đổi hướng xe. Có giá thành cao
so với bánh lốp cùng đường kính.

Hình 1.14: Bánh lốp trơn

Hình 1.15: Bánh lốp có rãnh

Hình 1.17: Bánh xích
1.1.3

Hình 1.16: Bánh xe có gai

Hình 1.18: Bánh omni

Bánh xe tự lựa

 Đa số các xe dò line đã đề cập ở mục 1.1.1 sử dụng bánh bi cầu (bánh mắt trâu) làm bánh
tự lựa vì có kết cấu nhỏ gọn, phù hợp với mơ hình xe dị line trong các cuộc đua
 Ngoài ra bánh caster cũng được sử dụng.

Hình 1.19: Bánh bi cầu
NHĨM 2

Hình 1.20: Bánh caster

7


CHƯƠNG 1 : TỔNG QUAN

1.2

Cảm biến

1. - Phương pháp sử dụng camera. Hình ảnh đường đua được lấy từ camera, thơng qua xử lí và
đưa ra tín hiệu điều khiển.

Hình 1.21: OV9655

Hình 1.22: CMUcam5

Hình 1.23: RPI cam

Ưu điểm: Độ chính xác cao, ít bị nhiễu.
Nhược điểm: Yêu cầu xử lí nhiều, do đó địi hỏi tốc độ xử lí phải nhanh, nếu không sẽ làm
giảm tốc độ của xe.
- Phương pháp xử dụng cảm biến quang được sử dụng trong hầu hết các loại xe đua hiện
nay. Một số loại cảm biến có thể được sử dụng như quang điện trở (robot ALF trong cuộc thi
ROBOCON Malaysia 2006) hoặc Photo-transistor kết hợp với LED. Hai loại cảm biến này có
nguyên lí hoạt động như nhau (Hình 1.24). Hai led phát và thu phải bố trí khoảng cách với mặt
đường sao cho vùng hoạt động của chúng giao thoa với nhau và không trùng với vùng giao thoa
của bộ liền kề (Hình 1.25).

Hình 1.24 Ngun lý của cảm biến quang

NHĨM 2

8


CHƯƠNG 1 : TỔNG QUAN

Hình 1.25: Vùng giao thoa của cực phát và cực thu
Đối với các loại cảm biến quang, tín hiệu tương tự từ cảm biến sẽ được hiệu chuẩn và xử lí
bằng các giải thuật so sánh hoặc xấp xỉ để tìm ra vị trí tương đối của robot dò line với tâm đường
line.
- Phương pháp thứ nhất: 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 định sẵn (Hình 1.26). Với phương pháp này, sai
số dò line sẽ phụ thuộc vào thông số của sensor được sử dụng, 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.
- Phương pháp thứ hai: xấp xỉ ra vị trí của xe so với tâm đường line từ các tín hiệu 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 1.27). 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.

NHÓM 2

9


CHƯƠNG 1 : TỔNG QUAN

00011000

Line nằm giữa

00000110
Line nằm lệch bên phải

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 1.26: Giải thuật xử lí tín hiệu bằng phương pháp so sánh

a) Xấp xỉ bậc 2;

(b) Xấp xỉ theo trọng số

Hình 1.27: Giải thuật xử lý tín hiệu cảm biến bằng phương pháp xấp xỉ
Bộ điều khiển

1.3

1. Về cấu trúc điều khiển thì có bộ điều khiển tập trung và bộ điều khiển phân cấp
Sensor

Driver

Left Wheel
Motor

Encoder

Micro
Controller

Driver

Left Wheel
Motor

Right Wheel
Motor

2.
Hình 1.21 Cấu trúc điều khiển tập trung
NHÓM 2

10


CHƯƠNG 1 : TỔNG QUAN

3. Đối với dạng tập trung, một MCU điều khiển cả hệ xe dò line. Ưu điểm là dễ viết coce và thiết
kế điện, Tuy nhiên một MCU phải đảm nhiệm nhiều nhiệm vụ, nếu tốc độ MCU không đủ
nhanh sẽ làm giảm thời gian lấy mẫu hệ thống.
Sensor

Slave 3

Slave 2

Master

Slave 3

Driver

Left Wheel
Motor

Driver

Encoder

Left Wheel
Motor

Right Wheel
Motor

4.
Hình 1.22 Cấu trúc điều khiển phân cấp
5. Đối với dạng phân cấp, cần dùng 02-03 vi điều khiển. Với dạng này, ưu điểm là thực thi song
song các tác vụ và có thể giảm thời gian lấy mẫu của hệ thống. Tuy nhiên cần cần động bộ và
giao tiếp tốt giữa các MCU.
6. Giải thuật điều khiển có hai phương án:
7. - Phương án 1: Bộ điều khiển PD kết hợp ghi nhớ đường đi
8. - Phương án 2: Bộ điều khiển tracking
9. Phương án 1 giúp robot cải thiện được khả năng bám đường. Nhưng giải thuật tự học phức tạp
và cần dùng thêm cảm biến accelometer và gyrometer để bộ điều khiển nhớ được trạng thái,

thông số gia tốc và góc của robot trong tồn bộ qng đường.
10. Phương án 2 là sử dụng một bộ điều khiển thông dụng trong các nghiên cứu dùng dể mobile
robot có khả năng theo quỹ đạo cho trước. Lý thuyết và thực nghiệm đã chứng minh bộ điều
khiển có năng di chuyển robot tới các tọa độ cho trước với vận tốc mong muốn.

NHÓM 2

11


CHƯƠNG 2 : PHƯƠNG ÁN THIẾT KẾ

CHƯƠNG 2 : PHƯƠNG ÁN THIẾT KẾ
Kết cấu cơ khí

2.1
-

Loại xe 3 bánh với 2 bánh chủ động đặt sau (hình 1.1) được chọn vì có cơ cấu truyền động
đơn giản, dễ đồng phẳng

-

Bánh xe chủ động: từ yêu cầu đồ án, xe dò line chạy trên bề mặt phẳng, khơng có sỏi đá
nên bánh lốp cao su có rãnh (hình 1.11) được chọn làm bánh xe chủ động

-

Bánh tự lựa: với 2 loại bánh thường được sử dụng là bánh mắt trâu và bánh bánh caster,
bánh mắt trâu được chọn vì có kích thước nhỏ gọn phù hợp với kích thước xe tối đa theo

yêu cầu là 300 × 220 × 300 𝑚𝑚.

-

Xe sẽ được thiết kế với kết cấu 2 tầng nhằm tăng không gian chứa các bô phận như hộp
pin, mạch điện và tải trọng; đồng thời nhóm định hướng tập trung tải trọng vào giữa 2 bánh
xe và hạ thấp trọng tâm xe để xe được ổn định.

2.2

Cảm biến
Từ yêu cầu đề bài về sai số bám line tối đa của robot (±15 mm) và khả năng giúp xe có thể

bám line ở các đoạn đường gấp khúc đột ngột, các phương án sau về loại cảm biến và giải thuật xử
lý sẽ được cân nhắc.
2.2.1

Về loại cảm biến:
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
Đối với đường line màu có độ tương phản cao vì thế 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.

NHÓM 2

12