ĐỒ án môn học THIẾT kế hệ THỐNG cơ – điện tử 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:

TP. HỒ CHÍ MINH, THÁNG 12, NĂM 2020


DANH MỤC HÌNH ẢNH ..............................................................................................
DANH MỤC BẢNG BIỂU ............................................................................................
CHƯƠNG 1.

1.1 Giới thiệu ...........................................................

1.2 Yêu cầu đặt ra đồ án ...........................................
1.2.1.Mục tiêu đồ án .........................................................................................
1.2.2.Yêu cầu kỹ thuật ......................................................................................

1.3 Các tiêu chí đánh giá ..........................................

1.4 Tình hình nghiên cứu ngồi nước ......................
1.4.1.Robot – Line Follower .............................................................................
1.4.2.Brandon’s line following robot: The Chariot ..........................................
1.4.3.
1.4.4.CartisX04 của Hirai Masataka .................................................................

1.5 Tình hình nghiên cứu trong nước ......................
1.5.1.Xe đua dị line của trường Đại học Cơng nghệ Thơng tin .......................
1.5.2.Xe dị line – Đồ án mơn học của nhóm sinh viên lớp CK16KSCD Đại
học Bách Khoa TPHCM ..........................................................................................
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 ...................................................................

1.6 Đặt bài toán .......................................................
CHƯƠNG 2.LỰA CHỌN PHƯƠNG ÁN...............................................................

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

2.2 Phương án điện .................................................
2.2.1.Lựa chọn cảm biến .................................................................................
2.2.2.Lựa chọn loại động cơ ...........................................................................


2.3 Phương án điều khiển .......................................
2.3.1.Về cấu trúc điều khiển ...........................................................................
2.3.2.Về bộ điều khiển ....................................................................................

2.4 Kế hoạch thực hiện ...........................................
CHƯƠNG 3.THIẾT KẾ CƠ KHÍ ...........................................................................

3.1 Chọn bánh xe ....................................................
3.1.1.

Bánh c

3.1.2.

Bánh b

3.2 Tính tốn chọn động cơ ....................................

3.3 Kích thước khung xe: ........................................
CHƯƠNG 4.MƠ HÌNH HĨA HỆ THỐNG............................................................

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

4.2 Hàm truyền động cơ – Driver ...........................
4.2.1.

Định n

4.2.2.Tìm quan hệ vào – ra .............................................................................
4.2.3.

Tìm hà

CHƯƠNG 5.THIẾT KẾ ĐIỆN ................................................................................

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

5.2 Thiết kế cảm biến ..............................................
5.2.1.Thông số kỹ thuật của cảm biến ............................................................
5.2.2.Tính tốn giá trị các điện trở ..................................................................
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 ...................................................................
5.2.5.Tính tốn khoảng cách giữa hai cảm biến .............................................
5.2.6.Lựa chọn số cảm biến ............................................................................
5.2.7.Hiệu chỉnh cảm biến (Calibration) ........................................................
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 dò 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 quét 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 2.....................................................................................................................................................................................................................................................................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 dị 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].

 Số lượng cảm biến nhiều khiến thuật toán 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 thông 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.

 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.

 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.

 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.

 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:
Động cơ:

7 x TCRT5000
DC servo GA25

−
Hệ thống điều khiển:
Môi trường làm việc:
Vận tốc:

Bám line bằng giải thuật Fuzzy

Phẳng
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.

 Động cơ đáp ứng chậm.
 Độ cân bằng kết cấu khơng tốt.
 Bánh đa hướng dễ bị kẹt bi, khó di chuyển khi bánh đụng vật cản, thích hợp

cho mơi trường bằng phẳng.
 Cấu trúc điều khiển tập trung đòi 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 yêu cầu của đề bài, nhóm đặt ra bài toán cần thực hiện như sau:
 Vận tốc tối đa của xe = 0,4 / .
 Gia tốc = 1 / .
 Bán kính cong nhỏ nhất= 500
 Sai số

.

= ±13 .

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



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
gây

tố
nên

những sai số phát sinh khơng mong

M

muốn), tăng tính khả thi cho quá

ặc

trình thiết kế, chế tạo về sau.

dù

Sa bàn bao gồm nhiều chướng

khả

ngại vật (mối ghép), thế nên việc xe

năn

có hoạt động ổn định được sau khi

g

vượt qua chúng hay không là điều

ổn

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. Ngoài ra,
cảm biến cũng cần phải luôn giữ

địn
h
của
cấu
trúc
này
khô
ng
đượ
c
đán
h

được khoảng cách mong muốn so

giá

với sa bàn để đảm bảo cho xe đáp

cao

ứng được sai số của hệ thống khi di

như

chuyển với tốc độ cao.

ng

Kết luận: Từ những phân tích

vẫn

trên, nhóm chọn cấu trúc xe 3 bánh

đáp

với hai bánh chủ động phía sau và

ứng

một bánh mắt trâu phía trước.

đượ
c
mụ
c
tiêu
đề

ra.

Hình 2.1 Phương án cơ khí, kết cấu xe

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
Cảm biến
Thời gian xử lý
Giá thành
Lắp đặt
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 (15 ), 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