THIẾT KẾ, CHẾ TẠO VÀ ĐIỀU KHIỂN ROBOT DÒ LINE (LINE FOLLOWING ROBOT

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

ĐỒ ÁN MÔN HỌC
THIẾT KẾ HỆ THỐNG CƠ – ĐIỆN TỬ

THIẾT KẾ, CHẾ TẠO VÀ ĐIỀU KHIỂN
ROBOT DÒ LINE (LINE FOLLOWING ROBOT)

GVHD:
SVTH:

PGS. TS VÕ TƯỜNG QN
NHĨM
TRƯƠNG CƠNG TÂY
NGUYỄN VĂN TRIỆU VỸ
ĐÀO NGUYÊN THIÊN VŨ

1710283
1714065
1714007

TP. HỒ CHÍ MINH, THÁNG 12, NĂM 2020


MỤC LỤC

DANH MỤC HÌNH ẢNH ..............................................................................................iv

DANH MỤC BẢNG BIỂU ............................................................................................vi
CHƯƠNG 1.

TỔNG QUAN ......................................................................................1

1.1

Giới thiệu ...........................................................................................................1

1.2

Yêu cầu đặt ra đồ án...........................................................................................1

1.2.1.

Mục tiêu đồ án .........................................................................................1

1.2.2.

Yêu cầu kỹ thuật ......................................................................................1

1.3

Các tiêu chí đánh giá ..........................................................................................2

1.4

Tình hình nghiên cứu ngồi nước ......................................................................2

1.4.1.

Robot – Line Follower .............................................................................2

1.4.2.

Brandon’s line following robot: The Chariot ..........................................4

1.4.3.

Robot Fireball ..........................................................................................5

1.4.4.

CartisX04 của Hirai Masataka .................................................................6

1.5

Tình hình nghiên cứu trong nước ......................................................................7

1.5.1.

Xe đua dị line của trường Đại học Cơng nghệ Thơng tin .......................7

1.5.2.

Xe dị line – Đồ án mơn học của nhóm sinh viên lớp CK16KSCD Đại

học Bách Khoa TPHCM ..........................................................................................8
1.5.3.

Xe dị line – Đồ án mơn học của nhóm sinh viên khóa 16 Ngành Cơ điện

Trường Đại Học Bách Khoa TPCHM ...................................................................10
1.6

Đặt bài toán ......................................................................................................11

CHƯƠNG 2.

LỰA CHỌN PHƯƠNG ÁN............................................................... 12

2.1

Phương án cơ khí, kết cấu xe ...........................................................................12

2.2

Phương án điện ................................................................................................ 14

2.2.1.

Lựa chọn cảm biến .................................................................................14

2.2.2.

Lựa chọn loại động cơ ...........................................................................14
i


2.3

Phương án điều khiển ......................................................................................15

2.3.1.

Về cấu trúc điều khiển ...........................................................................15

2.3.2.

Về bộ điều khiển ....................................................................................16

2.4

Kế hoạch thực hiện .......................................................................................... 17

CHƯƠNG 3.
3.1

THIẾT KẾ CƠ KHÍ ...........................................................................19

Chọn bánh xe ...................................................................................................19

3.1.1.

Bánh chủ động .......................................................................................19

3.1.2.

Bánh bị động .......................................................................................... 20

3.2

Tính tốn chọn động cơ ...................................................................................20

3.3

Kích thước khung xe: .......................................................................................24

CHƯƠNG 4.

MƠ HÌNH HĨA HỆ THỐNG............................................................ 26

4.1

Mơ hình hóa động học của robot .....................................................................26

4.2

Hàm truyền động cơ – Driver ..........................................................................27

4.2.1.

Định nghĩa.............................................................................................. 27

4.2.2.

Tìm quan hệ vào – ra .............................................................................28

4.2.3.

Tìm hàm truyền ......................................................................................30

CHƯƠNG 5.

THIẾT KẾ ĐIỆN................................................................................34

5.1

Xây dựng sơ đồ khối nguyên lý hệ thống điện ................................................34

5.2

Thiết kế cảm biến ............................................................................................. 34

5.2.1.

Thơng số kỹ thuật của cảm biến ............................................................ 35

5.2.2.

Tính tốn giá trị các điện trở ..................................................................35

5.2.3.

Tính tốn thực nghiệm lựa chọn khoảng cách từ cảm biến đến sa bàn: 36

5.2.4.

Xác định cách đặt cảm biến ...................................................................38

5.2.5.

Tính tốn khoảng cách giữa hai cảm biến .............................................39

5.2.6.

Lựa chọn số cảm biến ............................................................................40

5.2.7.

Hiệu chỉnh cảm biến (Calibration) ........................................................41
ii


5.3

Lựa chọn driver ................................................................................................ 43

5.4

Lựa chọn vi điều khiển.....................................................................................43

5.5

Chọn nguồn pin và mạch hạ áp ........................................................................45

5.5.1.

Chọn nguồn pin ......................................................................................45

5.5.2.

Chọn mạch hạ áp....................................................................................45

5.6

Sơ đồ nối dây ...................................................................................................45

CHƯƠNG 6.

THIẾT KẾ BỘ ĐIỀU KHIỂN............................................................ 49

6.1

Thành lập luật điều khiển .................................................................................49

6.2

Sơ đồ giải thuật ................................................................................................ 51

6.3

Mơ phỏng .........................................................................................................54

CHƯƠNG 7.

THỰC NGHIỆM VÀ KẾT LUẬN ....................................................57

7.1

Tóm tắt các nội dung đã thực hiện ...................................................................57

7.2

Hình ảnh xe thực tế .......................................................................................... 57

7.3

Kết quả thực nghiệm bám line .........................................................................57

7.4

Nhận xét ...........................................................................................................58

7.5

Định hướng phát triển đề tài ............................................................................58

TÀI LIỆU THAM KHẢO ............................................................................................. 59

iii


DANH MỤC HÌNH ẢNH
Hình 1.1 Sa bàn di chuyển của robot. ..............................................................................1
Hình 1.2 Mặt dưới Robot – Line Follower [1] ................................................................ 2
Hình 1.3 Brandon's line following robot: The Chariot [3] ..............................................4
Hình 1.4 Robot Fireball [4] ............................................................................................. 5
Hình 1.5 CartisX04 [5] ....................................................................................................6
Hình 1.6 Xe đua dị line trong cuộc thi IT Car Racing 2017 ..........................................7

Hình 1.7 Xe dị line nhóm sinh viên lớp CK16KSCD [6]...............................................8
Hình 1.8 Xe dị linne của nhóm sinh viên cơ điện tử khóa 16 [7].................................10
Hình 2.1 Phương án cơ khí, kết cấu xe..........................................................................13
Hình 2.2 Sơ đồ cấu trúc điều khiển tập trung [9] .......................................................... 15
Hình 2.3 Sơ đồ cấu trúc tập trung [9] ............................................................................16
Hình 3.1 Sơ đồ nguyên lý cơ cấu xe được chọn ............................................................ 19
Hình 3.2 Bánh xe V2-65mm. ........................................................................................19
Hình 3.3 Bánh mắt trâu kim loại lớn .............................................................................20
Hình 3.4 Phân tích lực bánh xe chủ động ......................................................................21
Hình 3.5 Ngoại lực tác dụng lên xe và chiều dài cánh tay địn .....................................21
Hình 3.6 Động cơ GA25................................................................................................ 24
Hình 3.7 Mơ hình tính tốn khi xe chuyển hướng.........................................................25
Hình 4.1 Mơ hình động học của robot ...........................................................................26
Hình 4.2 Đồ thị tốc độ RPM theo độ rộng xung PWM của động cơ A ........................29
Hình 4.3 Đồ thị tốc độ RPM theo độ rộng xung PWM của động cơ B.........................29
Hình 4.4 Đồ thị tín hiệu PWM(%) cấp cho động cơ để xác định hàm truyền. .............31
Hình 4.5 Đồ thị đáp ứng của động cơ A ........................................................................32
Hình 4.6 Đồ thị đáp ứng của động cơ B ........................................................................32
Hình 4.7 Tính chính xác của hàm truyền tìm được của động cơ A............................... 33
Hình 4.8 Tính chính xác của hàm truyền tìm được của động cơ B. .............................. 33
Hình 5.1 Sơ đồ khối hệ thống điện. ...............................................................................34
iv


Hình 5.2 Sơ đồ nguyên lý mạch nhận giá trị analog từ cảm biến .................................35
Hình 5.3 Mối quan hệ giữa dịng điện và điện áp .........................................................36
Hình 5.4 Thơng số và góc qt của cảm biến TCRT5000 ............................................36
Hình 5.5 Biểu đồ thể hiện sự thay đổi của giá trị đọc từ cảm biến. .............................. 38
Hình 5.6 Cách đặt vùng làm việc của cảm biến ............................................................ 39
Hình 5.7 Mối quan hệ giữa khoảng cách cảm biến đến tâm đường line theo hai cách. 39

Hình 5.8 Vùng cảm biến chồng nhau. ...........................................................................40
Hình 5.9 Phương pháp tính giá trị trung bình xấp xỉ theo trọng số. .............................. 42
Hình 5.10 Đồ thị quan hệ giữa vị trí thực của line theo tính tốn và thực tế đo được. .42
Hình 5.11 Sơ đồ nối dây khối nguồn. ............................................................................46
Hình 5.12 Sơ đồ nối dây khối động cơ và Encoder. ......................................................46
Hình 5.13 Sơ đồ nối dây khối mạch cảm biến. ............................................................. 46
Hình 5.14 Sơ đồ nối dây khối xử lý trung tâm. ............................................................. 47
Hình 5.15 Sơ đồ nối dây khối điều khiển động cơ. .......................................................47
Hình 5.16 Sơ đồ nối dây khối xử lý cảm biến. .............................................................. 48
Hình 6.1 Sai số 𝑒2 .........................................................................................................49
Hình 6.2 Sơ đồ giải thuật chương trình chính. .............................................................. 51
Hình 6.3 Sơ đồ giải thuật chương trình phụ - Khối thời gian rẽ. ..................................52
Hình 6.4 Sơ đồ giải thuật chương trình phụ - Khối PID động cơ trái. .......................... 53
Hình 6.5 Sơ đồ giải thuật chương trình phụ - Khối PID động cơ phải. ........................53
Hình 6.6 Sơ đồ giải thuật chương trình phụ - Khối PD bám line. .................................53
Hình 6.7 Mơ phỏng bám line sa bàn..............................................................................54
Hình 6.8 Độ rộng xung điều khiển hai động cơ. ........................................................... 55
Hình 6.9 Vận tốc đáp ứng hai động cơ ..........................................................................55
Hình 6.10 Giá trị sai số e2. ............................................................................................. 56
Hình 7.1 Hình ảnh xe dò line thực tế.............................................................................57

v


DANH MỤC BẢNG BIỂU
Bảng 2.1 So sánh các phương án kết cấu cơ khí ........................................................... 12
Bảng 2.2 So sánh các loại cảm biến ..............................................................................14
Bảng 2.3 Biểu đồ Ganlt kế hoạch thực hiện công việc .................................................17
Bảng 3.1 Thông số động cơ DC servo GA25V1 ........................................................... 23
Bảng 4.1 Tốc độ động cơ theo % PWM của động cơ A (trái). .....................................28

Bảng 4.2 Tốc độ động cơ theo % PWM của động cơ B (phải). ....................................28
Bảng 5.1 Thông số Data analog từ cảm biến gửi về slave. ...........................................37
Bảng 5.2 Phương trình hiệu chỉnh các cảm biến. .......................................................... 41
Bảng 5.3 Bảng so sánh một số loại vi điều khiển thông dụng. .....................................44
Bảng 5.4 Đánh giá các loại vi điều khiển. .....................................................................44
Bảng 6.1 Thông số đầu vào mô phỏng. .........................................................................54

vi


CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN
1.1 Giới thiệu
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 kẻ/vẽ/dán trên
mặt đất. Quỹ đạo di chuyển của robot phụ thuộc vào sa bàn của hệ thống các đường line
được kẻ/vẽ/dán.
1.2 Yêu cầu đặt ra đồ án
1.2.1.

Mục tiêu đồ án

Thiết kế và chế tạo xe dò line di chuyển trên sa bàn có điểm điểm như hình:

Hình 1.1 Sa bàn di chuyển của robot.
 Khi bắt đầu, robot được đặt tại vị trí START (điểm A), sau đó robot chạy theo
thứ tự đi qua các điểm nút quy định lần lượt như sau:
(START)A → B → C → D → E → B → F → A → G → B → D (END)
 Màu sắc đường line: đen.
 Màu nền: trắng.
 Bề rộng đường line: 26 mm.

 Bề mặt địa hình hình di chuyển: phẳng.
1.2.2.

Yêu cầu kỹ thuật

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

1


 Số lượng bánh xe của robot (bao gồm bánh xe dẫn động và bánh xe bị động)
được chọn tùy thuộc vào thiết kế của các nhóm
 Trên robot được trang bị hệ thống cảm biến để giúp robot nhận biết đường line
trên bề mặt sàn/mặt đất và di chuyển bám theo đường line đó. Nhóm sinh viên
tự chọn loại cảm biến phù hợp.
Điều kiện ràng buộc:
 Đường kính các bánh xe: d ≤ 200 mm.
 Số lượng bánh xe (chủ động + bị động): tùy chọn
 Kích thước tối đa các chiều của robot (dài x rộng x cao): 350 mm x 250 mm x
350 mm.
1.3 Các tiêu chí đánh giá
(1)

Kết cấu cơ khí (sơ đồ nguyên lý, kích thước tổng, số bánh xe)

(2)

Cảm biến

(3)

Động cơ

(4)

Hệ thống điều khiển

(5)

Môi trường làm việc

(6)

Vận tốc

1.4 Tình hình nghiên cứu ngồi nước
1.4.1.

Robot – Line Follower

Hình 1.2 Mặt dưới Robot – Line Follower [1]
Kết cấu cơ khí:

Xe 3 bánh:

2


2 bánh dẫn động phía sau, D = 50 mm
1 bi cầu,

Sơ đồ nguyên lý:

Cảm biến:

9 cặp IR transmitter and Receiver

Động cơ:

DC

Hệ thống điều khiển:

PID

Mơi trường làm việc:

Phẳng

Vận tốc:

Khơng có thơng số

Dựa vào các thơng số của xe nhóm có một số đánh về ưu nhược điểm của xe như sau:
Về ưu điểm:
 Sử dụng nhiều cảm biến hồng ngoại cho hiệu quả dò line cao.
 Kết cấu truyền động, mơ hình động học đơn giản, đảm bảo các bánh xe luôn
đồng phẳng và cho phép xe di chuyển ở những bán kính cong nhỏ, thậm chí là
quay lại chỗ [2].
Về nhược điểm:
 Số lượng cảm biến nhiều khiến thuật tốn nhận diện tín hiệu trở nên phức tạp.

 Xe có thể bị trượt theo phương pháp tuyến khi vào các đoạn line có bán kính
nhỏ với tốc độ cao. Để dảm bảo chính xác khi xe di chuyển trên các đoạn đường
thẳng, dòi hỏi điều khiển đồng bộ hai động cơ độc lập sao cho hai bánh xe quay
cùng tốc độ.

3


1.4.2.

Brandon’s line following robot: The Chariot

Hình 1.3 Brandon's line following robot: The Chariot [3]
Kết cấu cơ khí:

Xe 3 bánh:
2 bánh dẫn động phía sau, D = 70 mm
1 bi cầu (ball castor)
Sơ đồ nguyên lý:

Cảm biến:

Cảm biến dò line QTR-6RC

Động cơ:

DC

Hệ thống điều khiển:

Bám line sử dụng PID

Môi trường làm việc:

Phẳng

Vận tốc:

Vtb = 1,17 m/s

Dựa vào các thông số của xe nhóm có một số đánh về ưu nhược điểm của xe như sau:
Về ưu điểm:
 Kết cấu truyền động, mơ hình động học đơn giản, ddamrboar các bánh xe luôn
đồng phẳng và cho phép xe di chuyển ở những bán kính cong nhỏ, thậm chí là
quay lại chỗ [2].
4


Về nhược điểm:
 Xe có thể bị trượt theo phương pháp tuyến khi vào các đoạn line có bán kính
nhỏ với tốc độ cao. Để dảm bảo chính xác khi xe di chuyển trên các đoạn đường
thẳng, dòi hỏi điều khiển đồng bộ hai động cơ độc lập sao cho hai bánh xe quay
cùng tốc độ.
1.4.3.

Robot Fireball

Hình 1.4 Robot Fireball [4]
Kết cấu cơ khí:

Xe 4 bánh dẫn động độc lập
Sơ đồ nguyên lý:

Cảm biến:

Cảm biến dò line QTR-8RC

Động cơ:

DC

Hệ thống điều khiển:

Bám line sử dụng PID

Môi trường làm việc:

Phẳng

Vận tốc:

Vtb = 1,5 m/s

Dựa vào các thơng số của xe nhóm có một số đánh về ưu nhược điểm của xe như sau:
5


Về ưu điểm:
 Kết cấu truyền động đơn giản, độ cứng vững cao, bán kính cong nhỏ.
Về nhược điểm:

 Mơ hình động học phức tạp, cần điều khiển đồng bộ 4 động cơ (đặc biệt trên
các đoạn đường thằng), dễ bị trượt trong quá trình chuyển động, yêu cầu bộ điều
khiển phức tạp.
1.4.4.

CartisX04 của Hirai Masataka

Hình 1.5 CartisX04 [5]
Kết cấu cơ khí:

Xe 4 bánh dẫn động theo cơ cấu lái skid-steering
Sơ đồ nguyên lý:

Cảm biến:

3 x SHARP GP2S700, phototransitor

Động cơ:

DC

Hệ thống điều khiển:

Bám line sử dụng PID

Môi trường làm việc:

Phẳng

Vận tốc:

Vtb = 2,5 m/s

6


Ưu điểm:
 Kết cấu xe đồng phẳng nên khả năng bám đường tốt, tạo điều kiện cho việc dị
line chính xác.
 Bán kính cong nhỏ, có thể quay tại chỗ.
 Cảm biến dị line đặt xa phía trước tăng tính linh cho xe.
Nhược điểm:
 Kết cấu truyền động phức tạp, dễ trượt khi vào cua
1.5 Tình hình nghiên cứu trong nước
1.5.1.

Xe đua dị line của trường Đại học Cơng nghệ Thơng tin

Hình 1.6 Xe đua dị line trong cuộc thi IT Car Racing 2017
Kết cấu cơ khí:

Xe 4 bánh: 2 bánh dẫn động đồng trục và 2 bánh dẫn
hướng được điều khiển bằng động cơ servo
Sơ đồ nguyên lý:

7


Cảm biến:

7 x TCRT5000

Động cơ:

DC, DC servo

Hệ thống điều khiển:

PID

Môi trường làm việc:

Phẳng

Vận tốc:

Vtb = 1,5 m/s

Dựa vào các thông số của xe nhóm có một số đánh về ưu nhược điểm của xe như sau:
Ưu điểm:
 Hệ thống cảm biến đặt xa giúp dị line chuyển hướng chính xác với tốc độ cao.
 Kết cấu xe cân bằng, hai bánh dẫn động đồng trục.
Nhược điểm:
 Khó khăn trong việc cân bằng phẳng, thật toán điều khiển động cơ servo phức
tạp, khó ơm cua.
 Bán kính cong lớn.
 Chỉ đáp ứng được trong môi trường bằng phẳng do cần gá cảm biến khá dài.
1.5.2.

Xe dị line – Đồ án mơn học của nhóm sinh viên lớp CK16KSCD Đại học

Bách Khoa TPHCM

Hình 1.7 Xe dị line nhóm sinh viên lớp CK16KSCD [6]
Kết cấu cơ khí:

Xe 3 bánh: 2 bánh dẫn động và 1 bánh đa hướng (bi cầu)
Sơ đồ nguyên lý:

8


Cảm biến:

6 x TCRT5000

Động cơ:

DC servo GA25

Hệ thống điều khiển:

Bám line theo tiêu chuẩn Lyapunov

Môi trường làm việc:

Phẳng

Vận tốc:

0.35 m/s

Dựa vào các thơng số của xe nhóm có một số đánh về ưu nhược điểm của xe như sau:
Ưu điểm:
 Cấu trúc điều khiển phân cấp dẫn đến tốc độ xử lý nhanh.
 Kết cấu cơ khí linh hoạt với bán kính cong nhỏ, đơn giản chỉ sử dụng hai động
cơ.
 Động cơ có tích hợp sẵn encoder dễ điều khiển.
 Chi phí thấp.
Nhược điểm:
 Hệ thống cảm biến dễ bị nhiễu.
 Chỉ sử dụng một dãy cảm biến nên không thể đo được sai số e3 (sai số hướng
của xe).
 Sai số lớn trong các đoạn đường cong.
 Cách định vị, kẹp chặt giữa các chi tiết chưa tốt và thiết kế khơng được cân bằng
khi có tải trọng cục bộ đặt tại phía sau.
 Độ cân bằng kết cấu khơng tốt.
 Cần phải xác định vị trí chính giữa cho vị trí bánh đa hướng.
 Bánh đa hướng dễ bị kẹt bi, khó di chuyển khi bánh đụng vật cản, chỉ thích hợp
cho mơi trường bằng phẳng.
 Với kết cấu cơ khí, bộ điều khiển Lyapunov được đơn giản giống như bộ điều
khiển tỉ lệ nên cho đáp ứng chậm.
9


1.5.3.

Xe dị line – Đồ án mơn học của nhóm sinh viên khóa 16 Ngành Cơ điện
Trường Đại Học Bách Khoa TPCHM

Hình 1.8 Xe dị linne của nhóm sinh viên cơ điện tử khóa 16 [7]

Kết cấu cơ khí:

Xe 3 bánh: 2 bánh dẫn động và 1 bánh đa hướng (bi cầu)
Sơ đồ nguyên lý:

Cảm biến:

7 x TCRT5000

Động cơ:

DC servo GA25


Hệ thống điều khiển:

Bám line bằng giải thuật Fuzzy

Môi trường làm việc:

Phẳng

Vận tốc:

Vmax = 0.65 m/s

Dựa vào các thông số của xe nhóm có một số đánh về ưu nhược điểm của xe như sau:
Ưu điểm:

10

 Kết cấu cơ khí linh hoạt với bán kính cong nhỏ, đơn giản chỉ sử dụng hai động
cơ. Vị trí đặt các chi tiết và bánh dẫn động thuận lợi cho cân bằng khi có tải
 Chi phí thấp.
 Động cơ dễ điều khiển có tích hợp sẵn encoder.
Nhược điểm:
 Động cơ đáp ứng chậm.
 Độ cân bằng kết cấu không tốt.
 Bánh đa hướng dễ bị kẹt bi, khó di chuyển khi bánh đụng vật cản, thích hợp cho
môi trường bằng phẳng.
 Cấu trúc điều khiển tập trung địi hỏi vi điều khiển có tốc độ xử lý mạnh.
 Cảm biến dễ bị nhiễu bởi ánh sáng và nhiệt độ.
 Chỉ sử dụng một dãy cảm biến nên không thể đo được sai số e3 (sai số hướng
của xe).
1.6 Đặt bài tốn
Dựa vào kết quả tìm hiểu và phân tích các loại xe đua dị line trong và ngồi nước
và u cầu của đề bài, nhóm đặt ra bài toán cần thực hiện như sau:
 Vận tốc tối đa của xe 𝑣 = 0,4 𝑚/𝑠.
 Gia tốc 𝑎 = 1 𝑚/𝑠.
 Bán kính cong nhỏ nhất 𝜌𝑚𝑖𝑛 = 500 𝑚𝑚.
 Sai số 𝑒𝑚𝑎𝑥 = ±13 𝑚𝑚.

11


CHƯƠNG 2. LỰA CHỌN PHƯƠNG ÁN
2.1 Phương án cơ khí, kết cấu xe
Có nhiều loại kết cấu dành cho xe dò line được so sánh trong bảng sau:
Bảng 2.1 So sánh các phương án kết cấu cơ khí

Mơ hình

Bám đường

Vào cua

Điều khiển

Kết cấu

Tốt, có kết
hợp cơ cấu
bản lề

Khó, do hiện
tượng trượt

Khơng phức
tạp, lái và
chuyển động
tách biệt

Phức tạp

Khơng tốt

Khó

Khơng phức
tạp

Đơn giản

Khơng tốt

Dễ

Phức tạp

Đơn giản

Khơng tốt

Trung bình

Phức tạp

Đơn giản

Tốt, có kết
cấu khớp cầu

Khó

Khơng phức
tạp

Phức tạp

Tốt

Khó

Khơng phức
tạp

Đơn giản

12


Tốt

Dễ

Phức tạp

Đơn giản

u cầu: Do tính chất của xe dị line được làm ra nhằm phục vụ cho mục tiêu về
đích trong thời gian ngắn nhất. Vì vậy, cần phải lựa chọn những mơ hình có khả năng
bám đường tốt, vào cua dễ, kết cấu đơn giản để giảm trọng lượng xe (yếu tố gây nên
những sai số phát sinh khơng mong muốn), tăng tính khả thi cho q trình thiết kế, chế
tạo về sau.
Sa bàn bao gồm nhiều chướng ngại vật (mối ghép), thế nên việc xe có hoạt động
ổn định được sau khi vượt qua chúng hay không là điều đặc biệt cần quan tâm. Mà yếu
tố đó thì những cấu trúc xe 4 bánh ln ln đáp ứng tốt hơn so với xe 3 bánh.
Mặt khác, xét về phương diện dị line thì yếu tố dị line là quan trọng nhất hay nói
cách khác là xe cần phải có vị trí đặt cảm biến dùng dị line chắc chắn để tránh sai số do
kết cấu bị chênh vênh. Ngồi ra, cảm biến cũng cần phải ln giữ được khoảng cách

mong muốn so với sa bàn để đảm bảo cho xe đáp ứng được sai số của hệ thống khi di
chuyển với tốc độ cao.
Kết luận: Từ những phân tích trên, nhóm chọn cấu trúc xe 3 bánh với hai bánh
chủ động phía sau và một bánh mắt trâu phía trước.

Hình 2.1 Phương án cơ khí, kết cấu xe
Mặc dù khả năng ổn định của cấu trúc này không được đánh giá cao nhưng vẫn
đáp ứng được mục tiêu đề ra.

13


2.2 Phương án điện
2.2.1.

Lựa chọn cảm biến

Các robot dò line thường sử dụng các loại cảm biến quang để nhận biết vị trí của
đường line so với xe, xử lý và đưa ra tín hiệu điều khiển. Có hai phương pháp thường
được sử dụng cho robot dò line là sử dụng camera và các loại cảm biến quang dẫn:
 Sử dụng camera: là cách nhận biết đường line thông qua hình ảnh thu được qua
các giải thuật xử lý ảnh để xác định vị trí và góc lệch của xe so với đường line
[8, pp. 1, 2].
 Sử dụng cảm biến quang dẫn: được dùng phổ biến trong các cuộc thi robot dị
line hiện nay. Điển hình như quang điện trở hoặc phototransistor kết hợp với
LED. Hai loại cảm biến này có nguyên tắc hoạt động giống nhau, bộ thu sẽ nhận
tín hiệu ánh sáng phản xạ từ bộ phát xuống mặt đất, từ đó xử lý để xác định vị
trí của đường line.
Bảng 2.2 So sánh các loại cảm biến
Quang điện trở

Cảm biến

Camera

Phototransistor

Thời gian xử lý

6 – 10 frame/s

20 – 30 ms

15 𝜇𝑠

Giá thành

Cao

Thấp

Thấp

Lắp đặt

Phức tạp

Đơn giản

Đơn giản

Yêu cầu: thời gian đáp ứng nhanh để có thể nhận biết trắng đen và bám theo line
ở các khúc cua (gấp khúc), giá thành thấp và việc lắp đặt đơn giản nhằm mục đích tối
giản kết cấu xe. Ngồi ra, các yếu tố về nhiễu cũng cần đảm bảo.
Kết luận: sử dụng loại cảm biến có phototransistor kết hợp với led hồng ngoại.
Loại cảm biến này có thời gian đáp ứng nhanh (15𝜇𝑠), phù hợp với line có độ
tương phản màu cao, giá thành rẻ. Nhưng cần che chắn để chống nhiễu bởi loại này dễ
bị ảnh hưởng bởi ánh sáng ngồi mơi trường.
2.2.2.

Lựa chọn loại động cơ

u cầu: Phổ biến và có sẵn trên thị trường, dễ sử dụng và điều khiển tốc độ.
Kết luận: Động cơ DC kết hợp với encoder.

14


2.3 Phương án điều khiển
2.3.1.

Về cấu trúc điều khiển

Mạch xe dò line gồm các thành phần cơ bản gồm mạch cảm biến (sensor); mạch
điều khiển (micro controller); mạch lái động cơ (driver). Có hai phương pháp chính để
kết nối phần cứng với nhau là điều khiển tập trung và điều khiển phân cấp.
a. Điều khiển tập trung
Trong điều khiển tập trung, một MCU duy nhất đồng thời: nhận và xử lý tín hiệu
từ cảm biến, nhận và xử lý tín hiệu từ hai encoder, thực hiện chương trình chính, tính
giá trị điều khiển và truyền cho hai động cơ.

Hình 2.2 Sơ đồ cấu trúc điều khiển tập trung [9]
Ưu và nhược điểm:
Ưu điểm: Hệ cơ sở dữ liệu quá trình thống nhất, tập trung, do vậy có thể thực hiện
các thuật tốn điều khiển q trình cơng nghệ một cách tập trung và thống nhất.
Nhược điểm: Khi đối tượng điều khiển nhiều, phức tạp có thể dẫn tới khối lượng
tính tốn lớn và các hệ xử lý khơng đáp ứng được u cầu tính tốn của hệ thống. Ngồi
ra một nhược điểm nữa là trong phương án điều khiển tập trung các giá trị đo lường phải
tập trung về máy tính điều khiển dẫn đến khối lượng dây dẫn lớn làm tăng chi phí, khó
khăn cho cơng tác bảo trì sửa chữa.

15


b. Điều khiển phân cấp
Trong điều khiển phân cấp, nhiều MCU sẽ được sử dụng, trong đó 1 MCU đóng
vai trị là master dùng tính tốn cho chương trình điều khiển chính. Các MCU cịn lại
đóng vai trị là slave, thực hiện các tác vụ riêng biệt như: thu nhận và xử lý tín hiệu từ
cảm biến, tính tốn vị trí tương đối của xe so với line và truyền về cho master, thu nhận
tín hiệu từ encoder, tính tốn luật điều khiển cho động cơ, …

Hình 2.3 Sơ đồ cấu trúc tập trung [9]
Ưu và nhược điểm:
Ưu điểm: Chương trình điều khiển xử lý tín hiệu riêng biệt, dễ dàng cho tác vụ
thiết kế nhóm, dễ dàng sửa đổi và update code điều khiển khi phát triển sản phẩm; có
khả năng xử lý nhiều tác vụ cùng lúc.
Nhược điểm: Tốn nhiều tài nguyên phần cứng.
Yêu cầu: Dễ kiểm tra lỗi và phân chia module.
Kết luận: Lựa chọn phương án điều khiển phân cấp.
2.3.2.

Về bộ điều khiển

Robot bán line có thể được điều khiển bằng bộ điều khiển on-off [10], [11]. Với
bộ điều khiển này chỉ cần dùng 2 cảm biến đặt cách nhau 1 khoảng lớn hơn chiều rộng
của đường line, khi một cảm biến nằm trên line thì động cơ tương ứng bên đó sẽ đứng
yên, và ngược lại, và 𝑐ả 2 động cơ sẽ cùng quay khi khơng có cảm biến nào nằm trên

16


đường line. Phương pháp điều khiển này không thể áp dụng cho robot thực hiện tác vụ
đua đồng thời cũng không thể điều khiển robot bám line với sai số nhỏ.
Bộ điều khiển PID [12] được xem như một giải pháp đa năng cho các ứng dụng
điều khiển tương tự hay điều khiển số. Hơn 90% các bộ điều khiển trong công nghiệp
được sử dụng là bộ điều khiển PID. Nếu được thiết kế tốt, bộ điều khiển PID có khả
năng điều khiển hệ thống đáp ứng tốt các chỉ tiêu chất lượng như đáp ứng nhanh, thời
gian quá độ ngắn, độ quá điều chỉnh thấp, triệt tiêu được sai lệch tĩnh. Tuy nhiên, bộ
điều khiển PID có nhược điểm là chỉ đạt kết quả tốt trong hệ tuyến tính, xảy ra nhiễu ở
khâu vi phân dẫn đến sai lệch lớn ở đầu ra.
Với bộ điều khiển fuzzy [13], thực hiện gồm 3 bước: mờ hóa, thực hiện luật hợp
thành và giải mờ. Sai số đầu ra của bộ điều khiển phụ thuộc hoàn toàn vào luật mờ. Đưa
ra luật mờ tốt sẽ được sai số đầu ra nhỏ và ngược lại.
Bộ điều khiển self-tuning fuzzy PI [14], đây là bộ điều khiển kết hợp giữa PI và
fuzzy, hai thông số 𝐾𝑃 và 𝐾𝐼 được chỉnh định bởi bộ điều khiển fuzzy. Bộ điều khiển
này được ứng dụng trong các hệ phi tuyến MIMO, điều khiển robot theo các quỹ đạo
phức tạp và ổn định đối với tác động của nhiễu. Tuy nhiên bộ điều khiển này phải thiết
kế phức tạp hơn bộ điều khiển PID hoặc fuzzy.
Bộ điều khiển Following tracking [15], bộ điều khiển này xem xét 3 sai số của
robot và line theo phương tiếp tuyến 𝑒1, theo phương pháp tiếp tuyến 𝑒2, và theo góc

lệch giữa robot với line 𝑒3 để điều khiển robot thông quá các biến điều khiển là vận tốc
góc và vận tốc dài. Bộ điều khiển này cho kết quả bám line tốt, với sai số nhỏ. Tuy nhiên
để có được bộ 3 sai số trên, ta phải sử dụng camera thay vì sử dụng cảm biến.
Có thể kết hợp bộ điều khiển và giải thuật tự học đường Q – learning [16] để thêm
khả năng ghi nhớ đường đi nhằm thay đổi thông số phù hợp với từng chặn đường, giúp
tăng khả năng đáp ứng của xe sau mỗi lần chạy, như xe Silvestre và CartisX04.
2.4 Kế hoạch thực hiện
Bảng 2.3 Biểu đồ Ganlt kế hoạch thực hiện công việc
Công việc

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

TỔNG QUAN
Tìm hiểu tình hình chung
17


Tìm hiểu các mơ hình xe đua
Đặt đề bài, lựa chọn phương án
Hiệu chỉnh tổng quan
THIẾT KẾ CƠ KHÍ
Tính tốn chọn lựa chọn động cơ
Thiết kế thân xe, đồ giá động cơ
Vẽ mơ hình 3D và hiệu chỉnh
Vẽ bản vẽ 2D
Hiệu chỉnh thông số
THIẾT KẾ ĐIỆN
Xây dựng sơ đồ khối hệ thống điện
Chọn và test cảm biến

Thiết kế cách bố trí cảm biến
Calib cảm biến
Hiệu chỉnh thơng số
MƠ HÌNH HĨA
Mơ hình hóa robot dị line
Mơ hình đáp ứng bám line
Chọn, mơ hình hóa driver - động cơ
Thiết kế bộ điều khiển PID động cơ
Hiệu chỉnh mơ hình hóa
CHẾ TẠO MƠ HÌNH
Làm phần cứng mạch điện
Lập trình điều khiển xe
Chế tạo và gá đặt
Lắp ráp xe và hiệu chỉnh
Chạy thử và hiệu chỉnh
HỒN CHỈNH BẢN VẼ
VÀ THUYẾT MINH
BÁO CÁO

Ghi chú
Cả nhóm
Trương Công Tây
Nguyễn Văn Triệu Vỹ
Đào Nguyên Thiên Vũ

18