View and download: https://uploading.vn/pgx9itrpoya6

1. TRƯỜNG ĐẠI HỌC CẦN THƠ
KHOA CÔNG NGHỆ
BỘ MÔN TỰ ĐỘNG HÓA
LUẬN VĂN TỐT NGHIỆP ĐẠI HỌC
THIẾT KẾ ROBOT THAM DỰ
CUỘC THI ROBOCON 2010
Sinh viên thực hiện: Cán bộ hướng dẫn:
Vũ Quốc Công 1063850 ThS. Nguyễn Hoàng Dũng
Huỳnh Nhật Gia 1063862
Thái Trường Giang 1063864
Lê Trí Nguyện 1063888
Châu Ngọc Tân 1063903
Ôn Chí Tường 1063932
Cần Thơ, 2010

2. TRƯỜNG ĐẠI HỌC CẦN THƠ
KHOA CÔNG NGHỆ
BỘ MÔN TỰ ĐỘNG HÓA
LUẬN VĂN TỐT NGHIỆP ĐẠI HỌC
THIẾT KẾ ROBOT THAM DỰ
CUỘC THI ROBOCON 2010
Sinh viên thực hiện: Cán bộ hướng dẫn:
Vũ Quốc Công 1063850 ThS. Nguyễn Hoàng Dũng
Huỳnh Nhật Gia 1063862
Thái Trường Giang 1063864
Lê Trí Nguyện 1063888
Châu Ngọc Tân 1063903
Ôn Chí Tường 1063932
Luận văn được bảo vệ tại: Hôi đồng chấm luận văn tốt nghiệp Bộ môn Tự động
hóa, Khoa Công nghệ, Trường Đại học Cần thơ vào ngày 08 tháng 05 năm 2010
Có thể tìm hiểu luận văn tại:
 Thư viện Khoa Công nghệ
 Website: http://www.ctu.edu.vn/colleges/tech/

3. Trang 1
LỜI CẢM ƠN
Sau bốn năm học tập và rèn luyện dưới mái trường Đại Học Cần Thơ, chúng em
đã nhận được sự dạy dỗ và chỉ dẫn tận tình của quý thầy cô tại Khoa Công Nghệ, đặc
biệt là thầy cô ở Bộ môn Tự Động Hóa. Công lao đó không có gì có thể so sánh được.
Nhóm thực hiện luận văn xin chân thành cảm ơn Thầy Nguyễn Hoàng Dũng đã
hết lòng hướng dẫn và giúp đỡ tận tình để chúng em có thể hoàn thành đề tài này. Các
thầy trong Bộ môn Tự Động Hóa – Khoa Công Nghệ đã tạo nhiều điều kiện thuận lợi
cho chúng em tham gia cuộc thi Robocon 2010. Bên cạnh đó nhóm không thể quên
được sự nhiệt tình hỗ trợ từ Xưởng Cơ khí và những thầy cô phụ trách tại Xưởng.
Những đóng góp quý báo đó vừa là nền tảng về vật chất vừa là động lực tinh thần để
chúng em có thể đạt được kết quả của đề tài Luận văn tốt nghiệp hôm nay.
Đội LAJ đồng cảm ơn các bạn lớp Cơ điện Tử K32 đã hỗ trợ chân tình để đội
thực hiện và hoàn thành tốt đề tài.
Cần thơ, ngày 7 tháng 5 năm 2010
Nhóm sinh viên thực hiện
Châu Ngọc Tân
Huỳnh Nhật Gia
Lê Trí Nguyện
Ôn Chí Tường
Thái Trường Giang
Vũ Quốc Công

4. Trang 2
NHẬN XÉT CỦA CÁN BỘ HƯỚNG DẪN
...........................................................................................................................
...........................................................................................................................
...........................................................................................................................
...........................................................................................................................
...........................................................................................................................
...........................................................................................................................
...........................................................................................................................
...........................................................................................................................
...........................................................................................................................
...........................................................................................................................
...........................................................................................................................
...........................................................................................................................
...........................................................................................................................
...........................................................................................................................
...........................................................................................................................
Cần Thơ, ngày tháng năm 2010
Cán bộ hướng dẫn

5. Trang 3
NHẬN XÉT CỦA CÁN BỘ PHẢN BIỆN
...........................................................................................................................
...........................................................................................................................
...........................................................................................................................
...........................................................................................................................
...........................................................................................................................
...........................................................................................................................
...........................................................................................................................
...........................................................................................................................
...........................................................................................................................
...........................................................................................................................
...........................................................................................................................
...........................................................................................................................
...........................................................................................................................
...........................................................................................................................
...........................................................................................................................
...........................................................................................................................
...........................................................................................................................
Cần Thơ, ngày tháng năm 2010
Cán bộ phản biện

6. Trang 4
MỤC LỤC
TỔNG QUAN ............................................................................................................11
CHƯƠNG 1: PHẦN CƠ KHÍ.................................................................................12
1.1. Ý TƯỞNG THIẾT KẾ....................................................................................12
1.2. LỰA CHỌN CƠ CẤU THÍCH HỢP...............................................................12
1.2.1. Truyền động.............................................................................................12
1.2.2. Hộp giảm tốc............................................................................................15
1.2.3. Động cơ 1 chiều .......................................................................................16
1.2.4. Lựa chọn bánh xe.....................................................................................20
1.2.5. Lựa chọn vật liệu thi công........................................................................21
1.3. CẤU TẠO CÁC ROBOT................................................................................21
1.3.1. Robot Auto#1 Khafra...............................................................................21
1.3.1.1. Nhiệm vụ...........................................................................................21
1.3.1.2. Ý tưởng thiết kế.................................................................................21
1.3.1.3. Thiết kế chi tiết..................................................................................22
1.3.2. Robot Auto#2 Khafra...............................................................................27
1.3.2.1. Nhiệm vụ...........................................................................................27
1.3.2.2. Thiết kế .............................................................................................27
1.3.3. Robot Auto#3 Mankaurra.........................................................................30
1.3.3.1 Nhiệm vụ............................................................................................30
1.3.3.2. Thiết kế .............................................................................................30
1.3.4. Robot bằng tay .........................................................................................33
1.3.4.1. Nhiệm vụ...........................................................................................33
1.3.4.2. Thiết kế .............................................................................................33
CHƯƠNG 2: PHẦN ĐIỆN TỬ ..............................................................................36
2.1. THIẾT KẾ MÔ HÌNH ĐIỀU KHIỂN .............................................................36
2.2. CÁC MẠCH CÔNG SUẤT ĐIỀU KHIỂN ĐỘNG CƠ ..................................37
2.2.1. Mạch MosFet và Relay.............................................................................37
2.2.2. Mạch cầu H..............................................................................................39
2.3. THIẾT KẾ MẠCH ĐIỀU KHIỂN MASTER..................................................42
2.4. THIẾT KẾ MẠCH ĐIỀU KHIỂN SLAVE .....................................................43

7. Trang 5
CHƯƠNG 3: PHẦN LẬP TRÌNH..........................................................................44
3.1. GIỚI THIỆU VI ĐIỀU KHIỂN HỌ PIC .........................................................44
3.1.1. Tổng quan ................................................................................................44
3.1.2. Vi điều khiển dsPI30F4011 ......................................................................45
3.1.3. Vi điều khiển dsPIC30F2010....................................................................46
3.2. GIAO TIẾP MẠNG VI ĐIỀU KHIỂN............................................................46
3.2.1. Giới thiệu chuẩn giao tiếp SPI..................................................................46
3.2.2. Giao tiếp SPI dùng trong họ vi điều khiển dsPIC30F................................47
3.2.2.1. Các thanh ghi cơ bản của module SPI................................................47
3.2.2.2. Hoạt động truyền nhận ......................................................................47
3.2.2.3. Quan hệ giữa chip Master và Slave....................................................48
3.2.3. Lưu đồ giải thuật và code mẫu..................................................................50
3.3. GIAO TIẾP VI ĐIỀU KHIỂN VÀ GAMEPAD SONY ..................................51
3.3.1. Các chân tín hiệu của tay điều khiển.........................................................52
3.3.2. Truyền nhận dữ liệu với tay điều khiển.....................................................53
3.4. BỘ ĐIỀU KHIỂN PID....................................................................................54
3.4.1. Giới thiệu thuật toán PID..........................................................................54
3.4.2. Thuật toán cho vi điều khiển ....................................................................55
3.4.2.1. Định nghĩa biến và hằng....................................................................55
3.4.2.2. PID vị trí ...........................................................................................55
3.4.2.3. PID vận tốc........................................................................................56
3.4.2.4. Giải thích các hệ số trong bộ điều khiển PID .....................................56
KẾT LUẬN...............................................................................................................61
Phụ lục 1.....................................................................................................................62
Phụ lục 2.....................................................................................................................63
Phụ lục 3.....................................................................................................................65
Phụ lục 4.....................................................................................................................66
Phụ lục 5.....................................................................................................................69
Phụ lục 6.....................................................................................................................70
TÀI LIỆU THAM KHẢO...........................................................................................71

8. Trang 6
DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ
Hình 1.1: Bộ truyền động đai.....................................................................................12
Hình 1.2: Đai sử dụng trong thực tế...........................................................................13
Hình 1.3: Các thông số đai răng.................................................................................13
Hình 1.4: Chọn đai theo công suất và tốc độ của bộ truyền ........................................15
Hình 1.5: Hộp giảm tốc..............................................................................................15
Hình 1.6: Cấu tạo động cơ 1 chiều.............................................................................16
Hình 1.7: DC Servo HITACHI ..................................................................................17
Hình 1.8: DC Servo FUTASHIBA.............................................................................17
Hình 1.9: Động cơ có hộp giảm tốc tròn ....................................................................18
Hình 1.10: Động cơ có hộp giảm tốc vuông...............................................................19
Hình 1.11: Động cơ giảm tốc trục vít bánh vít ...........................................................19
Hình 1.12: Bánh xe chủ động.....................................................................................20
Hình 1.13: Bánh cầu đa hướng...................................................................................21
Hình 1.14: Thiết kế 4 bánh với cầu cân bằng nối giữa................................................22
Hình 1.15: Thiết kế bốn bánh với cầu cân bằng nối hai bánh chủ động......................23
Hình 1.16: Bản vẻ khung sườn Robot Khafra.............................................................24
Hình 1.17: Khung chứa khối cấu kiện Auto#1 ...........................................................25
Hình 1.18: Bản thiết kế Robot Khafra........................................................................25
Hình 1.19: Sản phẩm Auto#1 hoàn thành...................................................................26
Hình 1.20: Tay đẩy cấu kiện Auto#2..........................................................................28
Hình 1.21: Khung sườn và một số chi tiết Auto#2 .....................................................29
Hình 1.22: Bảng vẽ hoàn chỉnh Auto#2 .....................................................................29
Hình 1.23: Sản phẩm Auto#2 hoàn chỉnh..................................................................30
Hình 1.24: Bản vẽ khung sườn Auto#3......................................................................32
Hình 1.25: Bản vẽ hoàn chỉnh Auto#3 .......................................................................32
Hình 1.26: Auto#3 hoàn thành ...................................................................................33
Hình 1.27: Phần đế Robot Manual .............................................................................34
Hình 1.28: Chi tiết trượt trong cơ cấu nâng hạ Robot Manual....................................34
Hình 1.29: Robot Manual hoàn chỉnh ........................................................................35
Hình 2.1: Mô hình tổng thể cho hệ thống điều khiển..................................................36
Hình 2.2: Sơ đồ nguyên lý mạch Fet Relay................................................................38

9. Trang 7
Hình 2.3: Mạch cầu H cơ bản ....................................................................................39
Hình 2.4: Hoạt động mạch cầu H...............................................................................40
Hình 2.5: Sơ đồ nguyên lý mạch cầu H......................................................................41
Hình 3.1: Các vi điều khiển họ PIC............................................................................44
Hình 3.2: Bảng tóm tắt phần cứng dsPIC30F4011 .....................................................45
Hình 3.3: Bảng tóm tắt phần cứng dsPIC30F2010 .....................................................46
Hình 3.4: Sơ đồ khối module SPI...............................................................................47
Hình 3.5: Sơ đồ kết nối trong mạng SPI.....................................................................48
Hình 3.6: Các chế độ hoạt động module SPI..............................................................49
Hình 3.7: Tay điều khiển của hãng Sony....................................................................51
Hình 3.8: Các dây tín hiệu của tay điều khiển ............................................................52
Hình 3.9: Truyền 1 byte dữ liệu .................................................................................53
Hình 3.10: Truyền nhận khởi tạo giữa PSX và Controllet ở chế độ digital .................54
Hình 3.11: 2 byte chứa dữ liệu Cntroller gửi tới PSX.................................................54
Hình 3.12: Mô tả thuật toán PID................................................................................55
Hình 3.13: Mô tả đáp ứng step của bộ điều khiển vòng hở.........................................56
Hình 3.14: Miêu tả đáp ứng của bộ điều khiển P với giá trị đặt là 1 ...........................57
Hình 3.15: Mô tả đáp ứng của bộ điều khiển PD với giá trị đặt là 1 ...........................58
Hình 3.16: Mô tả bộ điều khiển PID với giá trị đặt là 1..............................................60

10. Trang 8
TÓM TẮT
Mục tiêu của đề tài là nghiên cứu và chế tạo Robot tham dự cuộc thi Robocon
2010. Để tham dư cuộc thi, mỗi đội phải hoàn thành bốn Robot theo quy định của cuộc
thi.
Các Robot này là một hệ thống Cơ điện tử bao gồm các cơ cấu cơ khí, thiết bị
chấp hành, thiết bị điều khiển và bộ xử lý trung tâm. Trung tâm xử lý thông tin là vi
điều khiển dsPIC30F4011 kết hợp cùng bộ điều khiển PID do dsPIC30F2010 đảm
nhiệm. Các mạch công suất làm nhiệm vụ điều khiển trực tiếp cơ cấu chấp hành.
Yêu cầu chung cho hệ thống là tính khả thi và tối ưu nhằm thực hiện đề bài của
cuộc thi.

11. Trang 9
ABSTRACT
The objective of this project is researching and manufacturing robots contest
Robocon 2010. To participate in the competition, teams must complete four prescribed
by Robot contest.
The robot is a Mechatronics system includes the mechanical structure, equipment
executive, devices and control center processor. Information Center handled a
dsPIC30F4011 microcontroller combined with a PID controller in charge by the
dsPIC30F2010. The circuit power control tasks directly observe the structure.
General requirements for the system is feasible and optimal to implement all of
the competition.

12. Trang 10
LỜI MỞ ĐẦU
Cuộc thi sáng tạo Robot là một sân chơi bổ ích cho các sinh viên chuyên ngành
kỹ thuật. Với đề bài mỗi năm mỗi khác, cuộc thi không ngừng mang tới những thử
thách mới mẻ đầy thú vị cho những sinh viên đam mê nghiên cứu và có tính sáng tạo.
Đối với chúng tôi, cuộc thi sáng tạo Robot – Robocon 2010 không những là nơi
để kiểm tra vốn kiến thức đã tích lũy trên ghế giảng đường mà còn là một cơ hội học
tập mở mang kiến thức. Do đó, chúng tôi quyết định chọn đề tài: “Nghiên cứu và chế
tạo Robot tham gia cuộc thì Robocon 2010” để làm luận văn tốt nghiệp.

13. Trang 11
TỔNG QUAN
MỤC TIÊU
Mục tiêu của đề tài là chế tạo Robot tham gia cuộc thi sáng tạo Robot 2010. Do
đó cần có đầy đủ kỹ năng về hệ thống cơ điện tử để có thể thiết kế Robot. Theo đề tài
đưa ra đội cần thiết kế và hoàn thiện một Robot bằng tay và ba Robot tự động để có
thể tham gia cuộc thi.
LỊCH SỬ GIẢI QUYẾT VẤN ĐỀ
Luật thi đấu mỗi năm đều mới. Tuy nhiên, tồn tại những yếu tố chung để có thể
giải quyết vấn đề. Nhất thiết phải nắm vững kiến thức về điều khiển đồng thời cần có
tinh thần sáng tạo trong giải pháp để đạt được yêu cầu một cách tối ưu nhất.
CÁCH THỨC NGHIÊN CỨU
Tìm hiểu và bổ sung kiến thức qua sách vở, giảng viên và bạn bè.
Kiểm nghiệm kiến thức bằng thực hành.
Tư duy, sáng tạo phát triển vấn đề từ kết quả kiểm chứng.

14. Trang 12
CHƯƠNG 1: PHẦN CƠ KHÍ
1.1. Ý TƯỞNG THIẾT KẾ
Với đề thi đưa ra năm nay khá phức tạp so với các năm trước do đó đòi hỏi sức
sáng tạo,thiết kế phù hợp,việc tính toán phải chính xác và khả năng thực tế phải đáp
ứng cao khi thiết kế các robot. Các robot để hoàn thành nhiệm vụ trong thời gian 3
phút thì phải được thiết kế với những cơ cấu đơn giản, khả năng linh hoạt cao, khi hoạt
động cần phải có độ ổn định cần thiết.
1.2. LỰA CHỌN CƠ CẤU THÍCH HỢP
1.2.1. Truyền động
Với nhiều ưu điểm và đáp ứng được yêu cầu của đề thi năm nay đặt ra nên đội
LAJ đã quyết định sử dụng đai cho việc truyền động. Loại đai nhóm LAJ sử dụng là
loại đai S2M.
Hình 1.1: Bộ truyền động đai
Tương tự như xích, curoa cho 1 hiệu suất truyền động khá cao vì moment không
bị đổi phương. Với cấu tạo răng trên dây đai cao su, bộ truyền này xem ra rất êm ái khi
vận hành và cũng không đòi hỏi bôi trơn gì nhiều nên quá trình bảo trì bảo dưỡng chỉ
cần làm sạch và căng đúng lực cần thiết. Bù lại, việc gia tốc quá lớn có thể ảnh hưởng
nhiều tới tuổi thọ của dây đai vì bản thân nó không phải bằng kim loại. Hơn nữa, các
tạp chất trên đường như cát, đá, sỏi có thể trở thành các sát nhân giấu mặt với sợi đai
này.

15. Trang 13
Cấu tạo của đai răng bao gồm các sợi thép bện chịu tải, nền và răng bằng chất
dẽo hoặc bằng cao su.
Hình 1.2: Đai sử dụng trong thực tế
Tính toán chi tiết:
Hình 1.3: Các thông số đai răng
Thông số cơ bản của đai răng là modun m.
p
m


Modun được tiêu chuẩn hóa, giá trị tiêu chuẩn của m là:1; 1,5; 2; 3; 4; 5; 7;10
mm

16. Trang 14
Tỉ số truyền :
1
2
n
u
n

n1: số vòng quay trên trục dẫn (vòng/phút)
n2: số vòng quay trên trục bị dẫn (vòng/phút)
Tính góc ôm:
0
1 180
 
 
0
2 180
 
 
0 2 1
57 .
d d
a



1
 : góc ôm dây đai trên bánh dẫn
2
 : góc ôm dây đai trên bánh bị dẫn
 : góc giữa hai nhánh dây đai
1
d : đường kính bánh dẫn
2
d : đường kính bánh bị dẫn
a : khoảng cách trục
Tính khoảng cách trục:
   
 
2
2
2 1 2 1
2 1
1
2
4 2 2
d d d d
a L L d d
 
 
 
 
 
     
 
 
 
 
 
L: chiều dài dây đai
1
d : đường kính bánh dẫn
2
d : đường kính bánh bị dẫn
Tính chiều dài dây đai:
   2
2 1 2 1
2
2 4
d d d d
L a
a
 
 
  

17. Trang 15
Dựa vào công suất và tốc độ bộ truyền để chọn loại đai:
Hình 1.4: Chọn đai theo công suất và tốc độ của bộ truyền
Ưu điểm Nhược điểm
Độ chính xác cao
Không bị trượt
Chạy không gây tiếng ồn, không cần bôi trơn.
Giá thành cao
Khó gia công các Pully
Tuổi thọ thấp
1.2.2. Hộp giảm tốc
Là một hệ thống các bộ truyền bánh răng trong hộp kín dùng để giảm tốc độ và
truyền công suất (tăng moment xoắn) từ động cơ đến bộ phận công tác. Thông thường
hộp giảm tốc được chế tạo sẵn nên khi sử dụng ta có thể chọn theo tỉ số truyền và công
suất mà không cần chế tạo.
Hình 1.5: Hộp giảm tốc

18. Trang 16
Ưu điểm Nhược điểm
Hiệu suất cao
Độ tin cậy và tuổi thọ cao
Thuận tiện đơn giản khi sử dụng.
Khả năng chịu tải cấp nhanh chưa
dùng hết
Kết cấu ổ phức tạp do có ổ đỡ bên
trong võ hộp và khó bôi trơn bên
trong
1.2.3. Động cơ 1 chiều
Hình 1.6: Cấu tạo động cơ 1 chiều
Động cơ một chiều có cấu tạo từ 2 bộ phận: được cấu tạo từ 1 nam châm nhân
tạo có cấu tạo từ 1 cuộn dây đồng có lõi là 1 thanh kim loại được bộ phận đứng yên
cấu tạo từ nam châm vĩnh viễn được gọi là stato và bộ phận quay gọi là roto.
Động cơ một chiều cho dòng điện chạy qua và làm quay phần roto sẽ làm cho
motor quay và Khi đảo 2 cực của dòng điện thì motor sẽ quay ngược lại như hình trên.
Do đó có thể điều chỉnh được hướng quay cho động cơ DC. Đặc tính kỹ thuật của
động cơ DC là tốc độ quay(vòng/phút) cao và moment ngẫu lực thấp. Nhưng các robot
thì cần di chuyển với tốc độ thấp và moment ngẩu lực lớn do đó ta thường gắn hộp
giảm tốc cho động cơ DC nhằm tăng moment và giảm tốc độ quay của động cơ.

19. Trang 17
Động cơ DC Servo HITACHI
Tốc độ : 3700 rpm
Điện áp : 38 VDC
Công suất : 53 W
Encoder : 240 ppr
Hình 1.7: DC Servo HITACHI
Ưu điểm Nhược điểm
Hoạt động ở tốc độ cao
Có sẵn encoder
Moment xoắn lớn
Hoạt động êm
Có khối lượng nặng
Không có bộ giảm tốc
Cồng kềnh, chiếm vị trí khi thiết kế
DC Servo FUTASHIBA
Tốc độ : 2100 rpm
Điện áp : 24 VDC
Công suất : 21 W
Encoder : 100 ppr
Hình 1.8: DC Servo FUTASHIBA

20. Trang 18
Ưu điểm Nhược điểm
Nhỏ gọn, hoạt động êm dịu.
Có tốc độ lớn
Có sẵn encoder
Khả năng chịu tải kém
Không có bộ giảm tốc
Động cơ có hộp giảm tốc loại tròn
Tốc độ : 120 rpm
Điện áp : 24 VDC
Công suất : 15 W
Hình 1.9: Động cơ có hộp giảm tốc tròn
Ưu điểm Nhược điểm
Nhỏ gọn về kích thước và khối lượng
Có bộ giảm tốc
Có khả năng tự giữ
Khả năng chịu moment lớn
Do có giảm tốc nên tốc độ hoạt động
chậm không đáp ứng được với những cơ
cấu cần có tốc độ cao
Động cơ có hộp giảm tốc loại vuông
Tốc độ : 60 rpm
Điện áp : 24 VDC
Công suất : 15 W

21. Trang 19
Hình 1.10: Động cơ có hộp giảm tốc vuông
Ưu điểm Nhược điểm
Có giảm tốc
Lực kéo lớn
Có khả năng tự giữ
Có thiết kế với kích thước và khối lượng
khá lớn
Không đáp ứng được những cơ cấu có
tốc độ hoạt động cao
Động cơ có hộp giảm tốc trục vít bánh vít
Tốc độ : 160 rpm
Nguồn : 12 VDC
Công suất : 35 W
Hình 1.11: Động cơ giảm tốc trục vít bánh vít
Ưu điểm Nhược điểm
Khả năng chịu moment rất lớn
Có khả năng tự giữ
Kích thước lớn
Khối lượng khá nặng

22. Trang 20
1.2.4. Lựa chọn bánh xe
Để thích hợp cho việc truyền động băng đai thì bánh xe được chọn là bánh xe mũ
được tiện lại với kích thước phù hợp.Để tăng độ bám đường và không bị trượt ta sử
dụng đai bao quanh bánh xe.
Hình 1.12: Bánh xe chủ động
Lựa chọn bánh trước: Trên thị trường thì có nhiều loại bánh có thể chỉnh hướng
được như: bánh Omni, bánh cầu đa hướng (bánh mắt trâu) và bánh tự do
Bánh omni: bánh di chuyển đa hướng có thể giúp robot di chuyển dễ dàng, ít bị
trượt nhưng giá thành cao.
Bánh cầu đa hướng (bánh mắt trâu): bánh có kết cấu chắc chắn, di chuyển dễ
dàng,di chuyển mịn trên mặt phẳng.
Bánh tự do: di chuyển tự do nhưng bánh xe ở phía trước khi chịu tải lớn sẽ khó
khăn trong việc di chuyển và khó giữ được thăng bằng cho robot
Qua thực nghiệm và kinh nghiệm của các đội thi robocon những năm trước để
lại thì đội LAJ quyết định chọn bánh cầu đa hướng làm các bánh trước cho các robot
do khả năng linh hoạt và khả năng chịu lực của bánh đáp ứng với đề thi năm nay.

23. Trang 21
Hình 1.13: Bánh cầu đa hướng
1.2.5. Lựa chọn vật liệu thi công
Do yêu cầu gọn nhẹ và có đủ độ cứng vững nên vật liệu được chọn cho việc sử
dụng để thiết kế các robot là Nhôm.
1.3. CẤU TẠO CÁC ROBOT
Do đề thi năm nay đưa ra khá phức tạp và nhiệm vụ của các robot được phân chia
rõ ràng nên đội chúng tôi đã quyết định sử dụng số robot tối đa cho phép là 4 robot để
thực hiện từng công việc cụ thể. Gồm có 1 robot điều khiển bằng tay và 3 robot tự
động.
1.3.1. Robot Auto#1 Khafra
1.3.1.1. Nhiệm vụ
Trong khoảng thời gian 60 giây robot từ vị trí xuất phát phải đi đến đúng vị trí và
phải đặt đúng vị trí của 7 main Block và 1 Top Block vào kim tự tháp Khafra.
1.3.1.2. Ý tưởng thiết kế
Với nhiệm vụ đặt ra như trên để tiết kiệm thời gian và quảng đường di chuyển
của robot và cũng để đảm bảo được thời gian và đặt đúng các Block vào đúng vị trí
của kim tự tháp Khafra nên đội LAJ đã thống nhất ý kiến và đưa ra thiết kế Robot auto
1 có khả năng mang theo 7 Block cấu kiện và việc đưa các khối cấu kiện vào các vị trí
của kim tự tháp được thực hiện tuần tự từ tầng thứ nhất rồi đến tầng thứ 2 và cuối cùng
là tầng thứ 3.

24. Trang 22
1.3.1.3. Thiết kế chi tiết
Mặt đế đóng vai trò vô cùng quan trọng làm tăng khả năng hoạt động ổn định của
robot, nhất là đối với các robot thi robocon. Yêu cầu cơ bản đối với phần đế của robot
là độ cứng vững và độ đồng phẳng khi di chuyển trên sân thi đấu.
Độ cứng vững: tùy thuộc vào thiết kế và khả năng thi công cơ khí của người gia
công chi tiết.
Độ đồng phẳng: đây dường như là vấn đề quan trọng nhất khi lắp ráp một khung
đế robot. Nếu khi thết kế xe 3 bánh thì độ đồng phẳng không cần quan tâm vì 3 bánh
luôn lúc nào cũng nằm trên một mặt phẳng . Còn khi thiết kế robot với 4 bánh thì vấn
đề đồng phẳng trở nên rất khó khăn vì khi robot chạy trên những địa hình khác nhau
thì độ đồng phẳng lại thay đổi.
Do việc mang nhiều Block trên mình nên robot cần phải có khung sườn vững
chắc để đảm bảo khi thực hiện nhiệm vụ không có sự cố xãy ra.Và phải đảm bảo được
tọa độ trọng tâm để robot không bị lật ngã.
Để giải quyết bài toán đồng phẳng cho robot ta có thể sử dụng phương pháp thiết
kế cầu cân bằng.
Hình 1.14: Thiết kế 4 bánh với cầu cân bằng nối giữa

25. Trang 23
Hình 1.15: Thiết kế bốn bánh với cầu cân bằng nối hai bánh chủ động
Tính tỷ số truyền động cơ
Tỷ số truyền từ động cơ qua bánh của Robot Auto#1 Khafra:
22 2
121 11
u  
Số vòng quay của bánh bị dẫn:
2
3700 627,7( òng)
11
n v
  
Vận tốc tối đa
3,14 95 672,7
3,3( / )
60
d
d n
v m s
t
    
  
Trong đó:
d : đường kính bánh xe
n : số vòng quay bánh xe

26. Trang 24
Hình 1.16: Bản vẻ khung sườn Robot Khafra
Khung chứa khối cấu kiện: để tránh phạm quy về kích thước và đáp ứng nhu cầu
chứa được 7 cấu kiện trong khi thi đấu thì việc thiết kế phải chính xác và đáp ứng
được nhu cầu đặt ra của robot auto1 Khafraa.

27. Trang 25
Hình 1.17: Khung chứa khối cấu kiện Auto#1
Hình 1.18: Bản thiết kế Robot Khafra

28. Trang 26
Hình 1.19: Sản phẩm Auto#1 hoàn thành

29. Trang 27
1.3.2. Robot Auto#2 Khafra
1.3.2.1. Nhiệm vụ
Trợ giúp Robot Auto#1 trong việc chỉnh sửa các khối cấu kiện cho đúng vị trí để
không vi phạm kích thước. Ngoài ra Robot Auto#2 còn có nhiệm vụ mang Top Block
và đặt Top Block vào đúng vị trí trên kim tự tháp sau khi Robot Auto#1 hoàn thành
các tầng cấu kiện ở bên dưới.
1.3.2.2. Thiết kế
Thiết kế tay đẩy cho auto2 khafra yêu cầu phải có kích thước chính xác để đảm
bảo khi robot thực hiện nhiệm vụ của mình thì các khối cấu kiện phải đảm bảo được
kích thước sai lệch cho phép. Các tay đẩy phải nhỏ gọn nhưng lực tác dụng phải thích
hợp để đẩy các khối cấu kiện vào đúng vị trí.
Tỷ số truyền từ động cơ qua bánh của Robot Auto2 Khafra:
22 2
121 11
u  
Số vòng quay của bánh bị dẫn:
2
3700 627,7( òng)
11
n v
  
Vận tốc tối đa:
3,14 95 672,7
3,3( / )
60
d
d n
v m s
t
    
  
Trong đó:
d : đường kính bánh xe
n : số vòng quay bánh xe
Để đảm bảo kích thước khi vươn ra của tay đẩy có thể thực hiện nhiệm vụ của
mình mà không bị phạm quy thì phải thiết kế 1 ray trượt nhôm rãnh để khi robot không
hoạt động thì nó nằm trong phạm vi kích thước cho phép là 1 m x 1 m.
Khung sườn của Auto#2 Khafra cũng phải tính toán sao cho phù hợp và đảm bảo
các thông số an toàn khi robot hoạt động và nằm trong giới hạn kích thước cho phép.

30. Trang 28
Hình 1.20: Tay đẩy cấu kiện Auto#2

31. Trang 29
Hình 1.21: Khung sườn và một số chi tiết Auto#2
Hình 1.22: Bảng vẽ hoàn chỉnh Auto#2

32. Trang 30
Hình 1.23: Sản phẩm Auto#2 hoàn chỉnh
1.3.3. Robot Auto#3 Mankaurra
1.3.3.1 Nhiệm vụ
Trong thời gian 45 giây robot auto3 Mankaura phải di chuyển lần đầu tiên đến
kim tự tháp Mankaura với 1 khối cấu kiện đã được sắp sẵn trong thân của robot. Sau
khi đưa vào đúng vị trí cần thiết của khối main Block thì robot auto3 quay trở lại lấy
khối Top Block ở vị trí sắp các khối cấu kiện và di chuyển đến kim tự tháp đặt khối
Top Block vào đúng vị trí.
1.3.3.2. Thiết kế
Với khung sườn được thiết kế với kích thước (420x450) giúp cho robot di chuyển
linh hoạt trên sân thi đấu và quảng đường di chuyển của robot là tối ưu nhất. Với
khung sườn được thiết kế như trên có thể đảm bảo được tải trọng khi robot di chuyển
và tiết kiệm được khối lượng cho robot cũng là một vấn đề nan giải trong đề thi robot
năm nay.

33. Trang 31
Cơ cấu giữ khối cấu kiện: cơ cấu giữ Block được thiết kế dựa trên thiết kế chuẩn
của khối cấu kiện thi đấu. Lợi dụng lỗ tròn đường kính 60mm và các mặt bên của khối
cấu kiện để đảm bảo khối cấu kiện không bị rơi ra trong quá trình di chuyển của robot.
Tỷ số truyền từ động cơ qua bánh của Robot Auto#3 Mankaurra:
19 2
0,157
121 11
u   
Số vòng quay của bánh bị dẫn:
19
2100 329,7( òng)
121
n v
  
Vận tốc tối đa
3,14 95 329,7
1,64( / )
60
d
d n
v m s
t
    
  
Trong đó:
d : đường kính bánh xe
n : số vòng quay bánh xe

34. Trang 32
Hình 1.24: Bản vẽ khung sườn Auto#3
Hình 1.25: Bản vẽ hoàn chỉnh Auto#3

35. Trang 33
Hình 1.26: Auto#3 hoàn thành
1.3.4. Robot bằng tay
1.3.4.1. Nhiệm vụ
Trong 90 giây Robot bằng tay phải đưa được 7 khối Main Block và Top Block
vào đúng vị trí của kim tự tháp và thứ tự lần lượt là: tầng 1 gồm 3 khối cấu kiện tầng 2
có 3 khối và 1 Top Block.
1.3.4.2. Thiết kế
Sử dụng phần mềm Sketchup phác thảo, tính toán sơ lược cho Manual Robot. Do
tính chất của sân nên ý tưởng của nhóm là điều khiển robot chạy thẳng mang các khối
Block đẩy ngang thân xe vào vị trí kim tự tháp Khufu.
Phác thảo sơ lược phần khung đế của robot: Với các kích thước lớn nhất (650
mm x 800 mm) phù hợp với yêu cầu của đề thi đảm bảo độ cứng vững khi di chuyển
không tải cũng như khi có tải trọng là 3 khối Block một cách dễ dàng.

36. Trang 34
Hình 1.27: Phần đế Robot Manual
Cơ cấu nâng các Block: Sử dụng AutoCad thiết kế chi tiết chính xác. Sử dụng
bánh matex trượt trong các khung nhôm để làm cơ cấu trượt lên xuống khi nâng hạ các
khối cấu kiện.
Hình 1.28: Chi tiết trượt trong cơ cấu nâng hạ Robot Manual

37. Trang 35
Cơ cấu đẩy Block: Thiết kế đơn giản với 2 thanh nhôm 25x38 thẳng dài một
thanh dài 450 mm, một thanh dài 900 mm, dùng để đưa vào lỗ tròn có đường kính 60
của các khối cấu kiện.
Hình 1.29: Robot Manual hoàn chỉnh
Hình 2.4.6.3 Robot Manual hoàn thành

38. Trang 36
CHƯƠNG 2: PHẦN ĐIỆN TỬ
2.1. THIẾT KẾ MÔ HÌNH ĐIỀU KHIỂN
Thiết kế một hệ thông tinh giản hợp lý, đầy đủ các khối điều khiển nhằm đáp ứng
số lượng cơ cấu chấp hành có trên robot, đồng thời sử dụng chung cho tất cả các robot.
Dựa trên chiến thuật và thiết kế cơ khí ta có các yêu cầu như sau:
 Có ít nhất 6 bộ điều khiển cơ cấu chấp hành, điều khiển tốc độ và chiều
chuyển động.
 2 bộ điều khiển PID điều khiển 2 bánh xe chủ động.
 1 vi điểu khiển chủ chỉ đạo 2 vi điều khiển chấp hành di chuyển đúng
quỹ đạo.
Hình 2.1: Mô hình tổng thể cho hệ thống điều khiển
Khối điều khiển cơ cấu chấp hành: Do yêu cầu về đáp ứng không cao và thiết kế
đơn giản nên nhóm chọn kiểu thiết kế lái và đảo chiều cơ cấu chấp hành bằng MosFet
kết hợp với Relay.

39. Trang 37
Khối điều khiển DC servo: sử dụng mạch cầu H có khả năng hãm và đảo chiều
nhanh.
Bố trí linh kiện: nhằm đạt sự linh hoạt và gọn nhẹ, nhóm quyết định thiết kế 2
mạch loại bảng mạch khác nhau:
 Bảng mạch Master gồm: khối điều khiển cơ cấu chấp hành và vi điều
khiển chính.
 Bảng mạch Slave gồm: khối điều khiển DC Servo và vi điều khiển thi
hành PID.
Như vậy, mỗi Robot sẽ gồm 3 bảng mạch: 1 bảng mạch master và 2 bản mạch
slave. Master và slave sẽ kết nối với nhau thông qua dây cáp SPI.
Mạch được vẽ bằng phần mềm Eagle - Easily Applicable Graphical Layout
Editor sau đó xuất ra Gerber files và gửi gia công tại công ty gia công mạch in Kha
Thành TP. Hồ Chí Minh (website: www.pcb24h.com).
2.2. CÁC MẠCH CÔNG SUẤT ĐIỀU KHIỂN ĐỘNG CƠ
2.2.1. Mạch MosFet và Relay
Sử dụng MosFet làm chuyển mạch điện tử thực hiện chế độ biến điệu độ rộng
xung thay đổi tốc độ của cơ cấu chấp hành.
Sử dụng Relay hai chuyển mạch để đảo chiều cho cơ cấu chấp hành.
Thông số linh kiện:
MosFet IRF 540 kênh N: (theo datasheet IRF540)
 Dẫn bảo hòa VGS = 4 – 20 V
 Điện trở kích đóng RDS(on) = 0,055 Ω
 Dòng điện tối đa ID = 22 A
 Điện áp tối đa VDS = 100 V
 Thời gian dẫn ton = 60 ns
 Thời gian lên tr = 45 ns
 Thời gian ngưng toff = 50 ns
 Thời gian xuống tf = 20 ns

40. Trang 38
Relay Good Sky: (theo datasheet GoodSky)
 Dòng điện cho phép I = 10 A
 Điện thế kích V = 12 VDC
 Thời gian đóng tiếp điểm toperate = 15 ms
 Thời gian mở tiếp điểm trelease = 8 ms
Sơ đồ nguyên lý:
Hình 2.2: Sơ đồ nguyên lý mạch Fet Relay
Hoạt động của mạch:
MosFet IRF540 hoạt động như chuyển mạch điện tử nhận tín hiệu điều khiển từ
ngõ PWM- IN và phát xung PWM điều khiển tốc độ cơ cấu chấp hành. Để đảm bảo
kích đóng và ngắt MosFet tốt, mạch thiết kế thêm bộ đẩy kéo gồm hai BJT C945 và
A733 làm nhiệm vụ nạp và xả cho cực G MosFet.
Cuộn dây của Relay dùng điện áp 12 V để tạo lực từ đóng, mở các công tắc
chuyển mạch. Do đó, cần có BJT C945 điều khiển.
Hệ thống bốn tiếp điểm hoạt động như khóa chéo làm thay đổi chiều dòng điện
qua tải khi có tín hiệu điều khiển vào ngõ DIR-IN.
Các Opto có nhiệm vụ cách ly tính hiệu điều khiển.
Chú ý: mạch này không có chế đọ hãm động cơ.

41. Trang 39
Bảng sau tóm tắt trạng thái điều khiển của mạch:
DIR-IN PWM-IN Kết quả
0 1 Động cơ quay thuận
1 1 Động cơ quay nghịch
X 0 Động cơ ngừng
2.2.2. Mạch cầu H
Tìm hiểu mạch cầu H: Mạch cầu H rất thường xuyên được sử dụng trong chế tạo
robot hay các ứng dụng yêu cầu động cơ DC chạy thuận và nghịch. Mạch này cho
phép điện áp đổi chiều trên tải. Cầu H được xây dựng từ 4 thiết bị chuyển mạch. Khi
hoạt động công tắc S1 và S4 cùng đóng đồng thời S2 và S3 cùng hở làm cho điện áp
dương đặt lên động cơ. Bằng cách mở S1 và S4 đồng thời đóng S2 và S3, điện áp sẽ
đảo chiều làm cho động cơ có thể quay ngược lại.
Hình 2.3: Mạch cầu H cơ bản
Hoạt động mạch cầu H: Mạch cầu H ngoài khả năng đảo chiều ra còn có thể hãm
động cơ. Nếu như động cơ đang hoạt động, việc ngưng cấp điện áp bằng cách mở tất
cả các công tắc sẽ cho phép động cơ chạy tự do theo quán tính sau đó mới dừng lại do
ma sát. Trong khi đó, nếu chập hai đầu dây động cơ lại thì sẽ làm cho động cơ dừng lại
nhanh hơn. Bảng sau mô tả trạng thái hoạt động của mạch.

42. Trang 40
S1 S2 S3 S4 Kết quả
1 0 0 1 Động cơ quay thuận
0 1 1 0 Động cơ quay nghịch
0 0 0 0 Động cơ quay tự do
0 1 0 1 Động cơ bị hãm
1 0 1 0 Động cơ bị hãm
Hình 2.4: Hoạt động mạch cầu H
Điều đáng lưu ý là tránh trường hợp cả hai công tắc ở cùng một bên (S1 và S2
hay S3 và S4) cùng đóng. Trường hợp này sẽ làm nối tắt cực dương với cực âm của
nguồn điện và hậu quả là nguồn cung cấp năng lượng sẽ cạn đi nhanh chóng hay tệ
hơn nữa các chuyển mạch sẽ bị hủy hoại.
Thiết kế mạch cầu H: Để đạt hiệu quả mong muốn: Mạch sử dụng 4 MosFet IRF
540 làm 4 chuyển mạch cho thời gian đóng ngắt nhanh và tiêu tán năng lượng trên
chuyển mạch nhỏ. Mỗi nữa cầu được lái IC lái MosFet chuyên dụng IR2101. Thiết kế
này dễ dàng điều khiển đóng mở MosFet hoàn toàn và tránh được hiện tượng trùng
dẫn.
Vài thông số đặc trưng của linh kiện:
MosFet IRF 540 kênh N: (theo datasheet IRF540)
 Dẫn bảo hòa VGS = 4 – 20 V
 Điện trở kích đóng RDS(on) = 0,055 Ω
 Dòng điện tối đa ID = 22 A
 Điện áp tối đa VDS = 100 V
 Thời gian dẫn ton = 60 ns

43. Trang 41
 Thời gian lên tr = 45 ns
 Thời gian ngưng toff = 50 ns
 Thời gian xuống tf = 20 ns
IC lái MosFet IR 2101: (theo datasheet IR2101)
 Điện thế logic 3,3V – 5V – 15V
 Tạo trễ chuyển mạch tDM = 50 ns
 Thời gian dẫn t0n = 160 ns
 Thời gian ngưng toff = 160 ns
Sơ đồ nguyên lý:(theo Recommended Design tại datasheet của IR2101)
Hình 2.5: Sơ đồ nguyên lý mạch cầu H
Hoạt động của mạch:
Mỗi nữa cầu đều có hai ngõ vào điều khiển: L_in và H_in. Hai ngõ này được
cách ly thông qua Opto va đi vào ngõ điều khiển của IC IR 2101. Thông qua IC này
các MosFet ở trên và dưới của nữa cầu sẽ được điều khiển tương ứng.

44. Trang 42
Theo hoạt động trên để điều khiển được động cơ hoạt động thì cần có 4 tín hiệu
điều khiển. Mỗi tín hiệu điều khiển 1 MosFet. Tín hiệu điều khiển có thể là PWM hay
logic trạng thái đóng mở đơn thuần.
Chú ý: các Diode D4 và D5 là Diode phục hồi nhanh
Có thể cấu hình vi điều khiển hoạt động ở các chế độ sau:
Chế độ Q1 Q2 Q3 Q4 Kết quả
PWM 0 0 1 Động cơ quay thuận
Đơn
0 1 PWM 0 Động cơ quay nghịch
PWMH PWML 0 1 Động cơ quay thuận
Bổ phụ
0 1 PWMH PWML Động cơ quay nghịch
2.3. THIẾT KẾ MẠCH ĐIỀU KHIỂN MASTER
Mạch gồm:
 6 module điều khiển cơ cấu chấp hành theo thiết kế Fet Relay có dèn
Led hiển thị tín hiệu PWM và DIR
 8 cổng ngắt ngoài (tích cực mức thấp)
 1 nút Reset (có cổng nối dài)
 1 bộ đọc Encoder (có thể tùy biến thành 2 cổng ngắt)
 6 ngõ ra tùy biến thành ngõ đọc cảm biến dò đường
 3 cổng kết nối SPI kết nối cùng lúc được với 3 thiết bị khác nhau.
Sơ đồ mạch điện: (xem phụ lục 1)
Sơ đồ Layout: (xem phụ lục 2)
Mạch hoàn chỉnh: (xem phụ lục 3)

45. Trang 43
2.4. THIẾT KẾ MẠCH ĐIỀU KHIỂN SLAVE
Mạch gồm:
 Cổng nạp ICSP
 Ngõ đọc Encoder tương đối của động cơ DC Servo (3 pha A, B, Z) và
trạng thái các linh kiện Hall của động cơ không chổi (pha A, B, C).
 2 Switch chọn mode bằng phần cứng.
 1 ngõ giao tiếp theo chuẩn SPI.
 1 ngõ giao tiếp với máy tính qua chuẩn RS232.
 3 nữa cầu H độc lập có thể hoạt động với động cơ DC 1 pha hay động cơ
DC 3 pha.
 Mạch bảo vệ quá dòng hiệu chỉnh bằng biến trở.
 2 ngõ ngắt tùy biến.
Sơ đồ mạch điện: (xem phụ lục 4)
Sơ đồ Layout: (xem phụ lục 5)
Mạch hoàn chỉnh: (xem phụ lục 6)

46. Trang 44
CHƯƠNG 3: PHẦN LẬP TRÌNH
3.1. GIỚI THIỆU VI ĐIỀU KHIỂN HỌ PIC
Hình 3.1: Các vi điều khiển họ PIC
3.1.1. Tổng quan
Họ vi điều khiển 16 bit dsPic do công ty công nghệ Microchip Technology Inc.
sản xuất, được phát triển trên nền họ vi điều khiển 8 bit Pic.
Vi điều khiển dsPic là một chip xử lý mạnh với bộ xử lý 16 bit (có khả năng xử
lý dữ liệu có độ dài 16 bit). Với tốc độ tính toán cao dựa trên kiến trúc RISC, kết hợp
các chức năng điều khiển tiện ích của một bộ vi điều khiển hiệu năng cao 16-bit (high-
performance 16-bit microcontroller), có thể thực hiện chức năng của một bộ xử lý tín
hiệu số (DSP) nên dsPIC còn có thể được xem là một bộ điều khiển tín hiệu số (Digital
Signal Controller – DSC) để tạo ra một loại chip lai (hybrid chip)mới.
Họ vi điều khiển dsPic có thể đạt tới tốc độ xử lý 40 MIPS (Mega Instruction Per
Second - triệu lệnh trên một giây). Ngoài ra dsPic còn được trang bị bộ nhớ Flash, bộ
nhớ dữ liệu EEROM và các ngoại vi hiệu năng cao và rất đa dạng các thư viện phần
mềm cho phép thực hiện các giải thuật nhúng với hiệu suất cao một cách dễ dàng trong

47. Trang 45
một khoảng thời gian ngắn. Chính vì vậy dsPic được ứng dụng rất rộng rãi trong các
ứng dụng xử lý tín hiệu số, đo lường và điều khiển tự động v.v…
Họ vi điều khiển dsPic được chia ra làm ba loại tùy theo mục đích của người sử
dụng :
- Bộ điều khiển số cho điều khiển motor và biến đổi nguồn (DSC Motor Control
& Power Conversion Family DSC Motor Control & Power Conversion Family)
- Bộ điều khiển số cho sensor (DSC Sensor Family)
- Bộ điều khiển số đa mục đích (DSC General Purpose Family)
3.1.2. Vi điều khiển dsPI30F4011
Vi điều khiển dsPIC30F4011: là 1 trong những thành viên của họ vi điều
khiển dsPIC30F và thuộc nhóm DSC Motor Control & Power Conversion Family.
Đặc điểm kĩ thuật của vi điều khiển dsPic30F4011:
Bảng tóm tắt phần cứng :
Hình 3.2: Bảng tóm tắt phần cứng dsPIC30F4011

48. Trang 46
3.1.3. Vi điều khiển dsPIC30F2010
Sơ đồ chân vi điều khiển dsPIC30f2010:
Bảng tóm tắt phần cứng:
Hình 3.3: Bảng tóm tắt phần cứng dsPIC30F2010
3.2. GIAO TIẾP MẠNG VI ĐIỀU KHIỂN
3.2.1. Giới thiệu chuẩn giao tiếp SPI
SPI – Serial Peripheral Interface là môt chuẩn giao tiếp nối tiếp đồng bộ, được sử
dụng phổ biến trong việc truyền tin với các thiết bị ngoại vi khác như EEPROM, thanh
ghi dịch, bộ chuyển đổi A/D và giữa các vi điều khiển với nhau. Chuẩn giao tiếp SPI là
chuẩn giao tiếp đơn giản, dễ hiểu, hoàn toàn không có sự kiểm tra lỗi truyền, tốc độ
truyền tương đối cao. Với module SPI hổ trợ bởi phần cứng dsPIC tốc độ có thể đạt tới
10 Mb/s.

49. Trang 47
3.2.2. Giao tiếp SPI dùng trong họ vi điều khiển dsPIC30F
3.2.2.1. Các thanh ghi cơ bản của module SPI
 SPIxBUF: thanh ghi chứa dữ liệu để truyền và nhận về. Địa chỉ thanh ghi
này được chia sẻ bởi 2 thanh ghi SPIxTXB (bộ đệm truyền) và SPIxRXB
(bộ đệm nhận).
 SPIxCON: là thanh ghi cấu hình chế độ hoạt động của module SPI.
 SPIxSTAT: là thanh ghi chứa các bit báo trạng thái.
Hình 3.4: Sơ đồ khối module SPI
3.2.2.2. Hoạt động truyền nhận
Khi ghi dữ liệu vào thanh ghi SPIxBUF, bên trong module dữ liệu sẽ được nạp
vào thanh ghi SPIxTXB. Tương tự khi muốn đọc dữ liệu nhận về, việc đọc thanh ghi
SPIxBUF sẽ báo cho phần cứng biết nạp giá trị từ thanh ghi SPIxRXB vào SPIxBUF.

50. Trang 48
Các ngõ I/O cơ bản của module SPI: 4 chân cơ bản
 SDIx: ngõ vào dữ liệu nối tiếp.
 SDOx: ngõ ra dữ liệu nối tiếp.
 SCKx: ngõ vào hoặc ra xung đồng hồ - tùy vào cấu hình là master hay
slave.
 SSx: chân cho phép chọn slave – tích cực mức thấp.
Module SPI của dsPIC30f cho phép cấu hình truyền 16 bit hay 8 bit thông qua
bit MODE16 (SPIxCON<10>)
Hình 3.5: Sơ đồ kết nối trong mạng SPI
3.2.2.3. Quan hệ giữa chip Master và Slave
Trên đường dây bus, mọi hoạt động truyền nhận hoàn toàn được điều khiển bởi
chip Master, khi muốn truyền dữ liệu Master sẽ ghi dữ liệu và bộ đệm truyền của mình
và phát xung clock (Master nắm vai trò phát xung clock còn Slave nhận xung clock).
Khi có xung clock dữ liệu trong bộ đệm truyền của Master sẽ được dịch ra chân

51. Trang 49
SDOx, còn trên chân SDIx của Master sẽ nhận dữ liệu vào từ bộ đệm truyền của Slave.
Điều này có nghĩa là khi truyền đi 1 byte dữ liệu thì Master cũng sẽ nhận về một 1
byte dữ liệu. Trường hợp một Master điều khiển nhiều Slave thì ta sẽ dùng thêm các
chân khác để điều khiển ngõ vào SSx của các Slave. Do đó, khi cần truyền dữ liệu cho
các Slave nào thì Master kéo chân nối với chân SSx của các Slave đó xuống thấp, kéo
chân nối với chân SSx của các Slave còn lại lên cao trước khi ghi dữ liệu vào bộ đệm
SPI (tức truyền dữ liệu).
Khi Slave muốn truyền dữ liệu đến Master, Slave cần ghi dữ kiệu vào bộ đệm
SPIxBUF, nhưng dữ liệu chỉ đến được Master khi Master chọn và gửi một dữ liệu bất
kỳ đến Slave.
Hình 3.6: Các chế độ hoạt động module SPI
Ta có thể chọn chế độ hoạt động SPI thông qua 3 bit SKE, SKP và SMP

52. Trang 50
Thiết lập tốc độ giao tiếp SPI:
Trong đó:
Fcy: tần số thực hiện lệnh.
Primary Prescaler: bộ chia tỷ lệ ban đầu.
Secondary Prescaler: bộ chia tỷ lệ thứ hai.
Fsck: tần số xung clock của module SPI.
3.2.3. Lưu đồ giải thuật và code mẫu

53. Trang 51
Mỗi khung dữ liệu do Master truyền đi gồm 4 words, sau khi truyền xong Master
sẽ đợi 2 Slaves gửi tín hiệu hoàn thành nhiệm vụ sao đó mới được gửi dữ liệu mới.
Code khởi tạo giao tiếp SPI như sau:
void Init_SPI( char Master, char Mode16, char SPI_prescaler_P, char
SPI_prescaler_S )
{
SPI1CONbits.MSTEN = Master; // master = 1 ; slave = 0
SPI1CONbits.MODE16 = Mode16; // MODE16 = 1 truyền Word , 0 – truyền Byte
SPI1CONbits.FRMEN=0; // 0 - Disable Frame SPI / 1 - Enable Frame SPI
SPI1CONbits.SPIFSD=0; // 0 - Frame sync
3.3. GIAO TIẾP VI ĐIỀU KHIỂN VÀ GAMEPAD SONY
Một ứng dụng thực tế của chuẩn giao tiếp SPI là kết nối giữa tay điều khiển với
máy chủ Console trong hệ game PlayStation của hãng Sony. Khi đó, ta sử dụng giao
tiếp này để lấy trạng thái các nút bấm và cần điều khiển của Game Pad để điều khiển
Robot.
Hình 3.7: Tay điều khiển của hãng Sony

54. Trang 52
3.3.1. Các chân tín hiệu của tay điều khiển
1. DATA – màu nâu.
2. COMMAND – màu cam.
3. N/C – cung cấp năng lượng cho động cơ rung 7.2V - 9V.
4. GND – màu đen.
5. VCC – 3.3v màu đỏ.
6. ATT – màu vàng.
7. CLOCK – màu xanh dương.
8. N/C – màu trắng.
9. ACK – màu xanh lá.
Hình 3.8: Các dây tín hiệu của tay điều khiển

55. Trang 53
Gồm 5 tín hiệu chính:
DATA: tín hiệu từ Controller tới PSX. Tín hiệu là chuỗi dữ liệu đồng bộ 8 bit với
xung cạnh xuống của xung clock (đối với cả tín hiệu vào và ra khi xung clock thay đổi
từ cao xuống thấp. Việc đọc dữ liệu được thực hiện ở xung cạnh lên để đảm bảo thời
gian ổn định).
COMMAND: tín hiệu từ PSX đến Controller. Là chuỗi dữ liệu đồng bộ 8 bit với
xung cạnh xuống của xung clock.
ATT: được dùng để báo cho Controller biết PSX cần truyền lệnh xuống
Controller. Tín hiệu sẽ được duy trì mức thấp trong suốt thời gian truyền dữ liệu. Chân
ATT có chức năng tương tự như chân chọn chip Slave (SS) .
CLOCK: xung clock PSX cung cấp cho Controller để đồng bộ hoạt động.
ACK: tín hiệu từ Controller tới PSX. Tín hiệu này nên duy trì mức thấp ít nhất
trong một chu kỳ xung clock mỗi 8 bit được gửi đi và ATT vẫn giữ mức thấp. Nếu
không PSX sẻ cho rằng Controller không có mặt.
3.3.2. Truyền nhận dữ liệu với tay điều khiển
Việc truyền nhận dữ liệu điều bắt đầu với LSB. Tất cả thời gian trên PSX
controller bus được đồng bộ với xung cạnh xuống của xung clock.
Hình 3.9: Truyền 1 byte dữ liệu
Khi PSX muốn đọc dữ liệu từ Controller, PSX sẽ kéo chân ATT = 0, và bắt đầu
gửi byte đầu tiên 0x01.
Sau khi gửi byte thứ 2 0x42– Controller sẽ gửi lại ID của nó (1 trong 4) :
 0x41=Digital.
 0x23=NegCon.
 0x73=Analogue Red LED.

56. Trang 54
 0x53=Analogue Green LED.
Theo sau đó, dây COMMAND vào trạng thái nghỉ và controller gửi 0x5A tới
PSX để báo rằng “ dữ liệu đến”.
Hình 3.10: Truyền nhận khởi tạo giữa PSX và Controllet ở chế độ digital
Sau khi tiến trình khởi tạo kết thúc, Controller bắt đầu gửi dữ liệu tới PSX. Sau
lần gửi cuối cùng, ATT được đưa lên mức 1 nên không cần tín hiệu ACK.
Hình 3.11: 2 byte chứa dữ liệu Cntroller gửi tới PSX
Khi sử dụng cho Robot ta có thể coi PSX là vi điều khiển : hoạt động truyền –
nhận để lấy dữ liệu tương tự như trên.
3.4. BỘ ĐIỀU KHIỂN PID
3.4.1. Giới thiệu thuật toán PID
PID là cách viết tắc của các từ Propotional (tỉ lệ), Integral (tích phân) và
Derivative (đạo hàm). Tuy xuất hiện rất lâu nhưng đến nay PID vẫn là giải thuật điều
khiển được dùng nhiều nhất trong các ứng dụng điều khiển tự động.

57. Trang 55
Hình 3.12: Mô tả thuật toán PID
3.4.2. Thuật toán cho vi điều khiển
3.4.2.1. Định nghĩa biến và hằng
ErrP: sai số vị trí
ErrV: sai số tốc độ
Kp, Ki, Kd: là các hệ số của các khâu điều khiển.
AccErr: Tích lũy sai số.
DeltaErr: Độ lệch sai số.
Vset: Vận tốc đặt.
Pset: vị trí đặt.
Vcur: vận tốc hiện tại.
Pcur: vị trí hiện tại.
3.4.2.2. PID vị trí
ErrP[n] = Pset – Pcur
AccErrP = AccErrP + ErrP[n]
DeltaErrP = ErrP[n] – ErrP[n-1]
Vout = Kp*ErrP + Ki*AccErrP + Kd*DeltaErrP

58. Trang 56
ErrP[n-1] = ErrP[n]
3.4.2.3. PID vận tốc
ErrV[n] = Vset – Vcur
AccErrV = AccErrV + ErrV[n]
DeltaErrV = ErrV[n] – ErrV[n-1]
PWMOut = Kp*ErrV + Ki*AccErrV + Kd*DeltaErrV
ErrV[n-1] = ErrV[n]
Pcur và Vcur điều được suy ra từ việc hồi tiếp encorder.
Trong thuật toán trên các hệ số Kp, Ki và Kd ở mỗi bộ điều khiển được cân chỉnh
khác nhau.
3.4.2.4. Giải thích các hệ số trong bộ điều khiển PID
Đối với bộ điều khiển PID vận tốc :
Để thấy rõ tác động của từng hệ số trong thuật toán ta bắt đầu xét từ bộ điều
khiển cơ bản nhất là bộ điều khiển vòng hở:
Hình 3.13: Mô tả đáp ứng step của bộ điều khiển vòng hở
Nhận xét: thời gian đáp ứng chậm đạt đến trạng thái xác lập, đối với tải khác
nhau thì trạng thái xác lập khác nhau.
Bộ điều khiển vòng kín đơn giản nhất là bộ điều khiển tỷ lệ:

59. Trang 57
Mô hình toán bộ điều khiển tỷ lệ: PWMOut = Kp*ErrV
Khi Kp là một hằng số dương nào đó mà chúng ta gọi là hệ số P (Propotional
gain), ErrV sai số giữa vận tốc mong muốn và vận tốc hiện tại. Mục tiêu điều khiển là
đưa ErrV tiến về 0 càng nhanh càng tốt. Rõ ràng nếu Kp lớn thì PWMOut cũng sẽ lớn
dẫn đến điện áp cấp cho động cơ lớn. Lúc đầu vận tốc bằng 0 thì gia tốc của động cơ là
lớn nhất do ErrV lớn nhất => gia tốc lớn => động cơ nhanh chóng đạt được vận tốc ta
mong muốn.
Khi đạt đến giá trị vận tốc mong muốn => ErrV = 0 => PWMOut = 0. Tuy nhiên
do lực quán tính tốc độ động cơ tiếp tục vượt qua giá trị đặt – lúc này sai số ErrV lại
trở nên khác 0 - giá trị lúc này gọi là “overshoot” (vượt quá) là giá trị âm, lúc này
PWMOut cũng khác 0 và làm đổi chiều động cơ quay ngược lại – vận tốc động cơ
giảm nhanh và giảm xuống nhỏ hơn giá trị đặt do lực quán tính - ErrV dương trở lại –
động cơ đổi chiều lần nữa. Cứ như vậy tốc độ thực của động cơ sẽ dao động liên tục
xung quanh tốc độ đặt trước và có thể không bao giờ ổn định.
Hình 3.14: Miêu tả đáp ứng của bộ điều khiển P với giá trị đặt là 1
Nhận xét: Bộ điều khiển P làm giảm thời gian xác lập nhưng làm tăng overshoot
và không làm giảm sai số xác lập.
Bộ điều khiển PD: ( vi phân - tỷ lệ )
Một đề xuất nhằm giảm "overshoot”của xe là xử dụng một thành phần “hãm”
trong bộ điều khiển. Chúng ta điều biết khi một vật dao động quanh 1 điểm thì vật đó
có vận tốc cao nhất ở tâm dao động (điểm O).

60. Trang 58
Nói một cách khác, khi gần đạt đến tốc độ đặt sai số Err của động cơ thay đổi
nhanh nhất (cần phân biệt: e thay đổi nhanh nhất không phải e lớn nhất). Mặc khác,
tốc độ thay đổi của Err có thể tính bằng đạo hàm của biến này theo thời gian.
Như vậy, khi tốc độ động cơ từ 0 tiến dần đến giá trị đặt thì sai số ErrV là giảm
dần và càng về sau thì giảm càng nhanh - trái ngược với vận tốc động cơ là tăng dần.
Do đó đạo hàm của ErrV đã được sử dụng làm thành phần “hãm” trong bộ điều khiển
PID và được nhân với hệ số Kd dương, Kd càng lớn thì lực thắng càng lớn =< càng
làm giảm overshoot.
Khi thêm thành phần vi phân vào thì bộ điều khiển tỷ lệ trở thành bộ điều khiển
PD (vi phân – tỷ lệ). Mô hình toán như sau:
PWMOut = Kp*ErrV + Kd* (de/dt)
Với thời gian lấy mẫu Δt rất nhỏ (ms) ta có thể viết lại như sau:
PWMOut = Kp*ErrV + Kd* DeltaErrV
Mà: DeltaErrV = ErrV[n] – ErrV[n-1]
Sự hiện diện của thành phần D làm giảm overshot, khi động cơ gần đặt đến giá
trị đặt, lực F gồm 2 thành phần Kp*ErrV > =0 (P) và Kd*DeltaErr <=0 (D).
Trong một số trường hợp thành phần D có giá trị lớn hơn thành phần P và lực F
đổi chiều, “thắng” xe lại, vận tốc của xe vì thế giảm mạnh ở gần giá trị đặt.
Hình 3.15: Mô tả đáp ứng của bộ điều khiển PD với giá trị đặt là 1

61. Trang 59
Nhận xét: Sau khi đã giải quyết đáng kể tình trạng overshoot. Một vấn đề nảy
sinh là nếu thành phần D quá lớn so với thành phần P hoặc bản thân thành phần P nhỏ
thì khi xe tiến gần giá trị đặt (chưa thật sự đạt giá trị đặt), do lúc này sai số ErrV nhỏ,
nhưng DeltaErr lớn => tác dụng thành phần P quá nhỏ so với thành phần D (lực cản >
lực đẩy đến giá trị đặt) nên tốc động cơ chậm đạt đến giá trị đặt hoặc có thể không đạt
được giá trị đặt. Sai số lúc này gọi là sai số xác lập (steady state error) tức là tốc độ
động cơ ổn định ở một giá trị nhỏ hơn giá trị đặt.
Bộ điều khiển PID:
Để tránh steady state error, người ta thêm vào bộ điều khiển một thành phần có
chức năng “cộng dồn” sai số. Khi steady state error xảy ra, 2 thành phần P và D mất
tác dụng, thành phần điều khiển mới sẽ “cộng dồn” sai số theo thời gian và làm tăng
thành phần lực đẩy đến giá trị đặt theo thời gian (tăng PWMOut) – đó là thành phần I
(Integral - tích phân).
Đến một lúc nào đó thành phần I và P (lực đẩy đến giá trị đặt) đủ sức thắng thành
phần D ( lực cản trở ) thì tốc độ động cơ sẽ đặt được giá trị đặt.
Vì chúng ta điều biết, tích phân một đại lượng theo thời gian chính là tổng của
đại lượng đó theo thời gian. Bộ điều khiển đến thời điểm này đã đầy đủ là PID:
F=Kp*e + Kd*DeltaErr + Ki*Σedt
Với thời gian lấy mẫu Δt rất nhỏ ( ms ) ta có thể viết lại như sau:
PWMOut = Kp*ErrV + Kd* DeltaErrV + Ki*AccErrV
Mà : AccErrV = AccErrV + ErrV

62. Trang 60
Hình 3.16: Mô tả bộ điều khiển PID với giá trị đặt là 1
Nhận xét: bộ điều khiển PID cho đáp ứng tốt hơn ba bộ điều khiển trên. Không
còn overshoot và sai số xác lập nhỏ.
Đối với bộ điều khiển PID vị trí:
Ảnh hưởng của các hệ số Kp, Ki, Kd đối với bộ điều khiển PID vị trí cũng tương
tự như đối với bộ điều khiển PID tốc độ.
Nguyên tắc hoạt động của bộ điều khiển PID vị trí là: Khi bắt đầu ở vị trí 0 thì
Vout lớn nhất ( tăng tốc ) do thành phần P. Khi đến gần vị trí đặt Vout giảm đáng kể
(giảm tốc) do thành phần D. Để đạt vị trí đặt nhờ vào thành phần I tăng lên theo thời
gian.
Sau khi đã hiểu rõ các tác động của các thành phần P, I, D ta có thể dễ dàng hơn
trong việc điều chỉnh hệ số Kp, Ki, Kd.
Phương pháp cơ bản để điều chỉnh hệ số PID:
Chọn Kp trước: thử bộ điều khiển P với đối tượng thật (hoặc mô phỏng), điều
chỉnh Kp sao cho thời gian đáp ứng đủ nhanh, chấp nhận overshot nhỏ.
Thêm thành phần D để loại overshot, tăng Kd từ từ, thử nghiệm và chọn giá trị
thích hợp. Steady state error có thể sẽ xuất hiện.
Thêm thành phần I để giảm steady state error. Nên tăng Ki từ bé đến lớn để giảm
steady state error đồng thời không để cho overshot xuất hiện trở lại.

63. Trang 61
KẾT LUẬN
Sau thời gian học hỏi tìm tòi nghiên cứu đề tài luận văn trên nhóm chúng em đã
rút ra được rất nhiều kinh nghiệm về mặt tích cực cũng như những hạn chế trong quá
trình sáng tạo robot tham gia cuộc thi robocon 2010.
Thành quả đạt được:
o Bước đầu làm quen sáng tạo các cơ cấu đơn giản hiệu quả trong việc
thiết kế cơ khí.
o Thực hiện khá thành công việc sử dụng các phần mềm thiết kế mô
phỏng như SolidWork, SketchUp, AutoCad,…
o Sáng tạo trong việc vẽ thiết kế mạch in 2 lớp sử dụng phần mềm
Eagle 5.
o Vận dụng tốt các kiến thức về điều khiển hệ thống, hiệu chỉnh tối ưu
hệ thống thông qua phương pháp điều khiển PID.
o Thủ thuật lập trình có hệ thống, bước đầu làm quen với kỹ thuật lập
trình chuyên nghiệp.
Hạn chế cần khắc phục:
o Do ít kinh nghiệm trong cuộc thi robocon 2010 năm nay nên đội LAJ
chúng em đã mắc phải một số sai lầm như chưa phân bố thời gian
làm việc một cách hiệu quả nhất.
o Việc lựa chọn các vật liệu, vật tư chưa hoàn toàn chính xác do bị hạn
chế về mặt kinh phí.
o Tham gia cuộc thi robocon 2010 không thành công như mong muốn
do đội hơi chủ quan không dự đoán trước được các sự cố có thể sảy
ra trong khi thi đấu.

64. Trang 62
PHỤ LỤC

65. Trang 63

66. Trang 64

67. Trang 65

68. Trang 66

69. Trang 67

70. Trang 68

71. Trang 69

72. Trang 70

73. Trang 71
TÀI LIỆU THAM KHẢO
SÁCH VÀ GIÁO TRÌNH
1) Trương Văn Tám, Giáo trình Linh Kiện Và Mạch Điện Tử, Đại Học Cần Thơ.
2) Nguyễn Văn Nhờ, Điện Tử Công Suất 1, NXB Đại Học Quốc Gia TPHCM,
2008.
3) Nguyễn Văn Yên, Giáo Trình Chi Tiết Máy, NXB Giao Thông Vận Tải.
4) Nguyễn Anh Cường, Tài Liệu Học Tập Phần Mềm Thiết Kế Tự Động 3D
Solidworks, Học Viện Phòng Không – Không Quân.
5) Nguyễn Hữu Lộc, Cơ Sở Thiết Kế Máy, Trường Đại Học Quốc Gia Hồ Chí
Minh.
6) Nguyễn Trọng Hiệp- Nguyễn Văn Lẫm, Thiết kế Chi Tiết Máy, NXB Giáo
Dục.
CÁC TRANG WEB
7) www.dientuvietnam.net
8) www.dieukhientudong.net
9) www.ebook.com.vn