Download luận văn đồ án tốt nghiệp ngành điên tử với đề tài: Thiết kế, chế tạo và điều khiển robot xe đua dò line, cho các bạn tham khảo

1. TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA
KHOA CƠ KHÍ
BỘ MÔN CƠ-ĐIỆN TỬ

ĐỒ ÁN MÔN HỌC
THIẾT KẾ HỆ THỐNG CƠ-ĐIỆN TỬ
HỌC KÌ II, NĂM HỌC 2016-2017

ĐỀ TÀI: THIẾT KẾ, CHẾ TẠO VÀ ĐIỀU KHIỂN
ROBOT XE ĐUA DÒ LINE
 GVHD: PGS.TS. NGUYỄN TẤN TIẾN
 SVTH: NHÓM 1
1. HỒ LÊ TẤN BẢO 21300222
2. LÊ MINH ĐỨC 21300912
3. NGUYỄN HOÀNG HUY 21301476
4. NGUYỄN HỮU HUY 21301478
TP. HỒ CHÍ MINH, NGÀY 13 THÁNG 05 NĂM 2017

2. MỤC LỤC
YÊU CẦU ..................................................................................................................................1
MỤC TIÊU.................................................................................................................................1
CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN......................................................................................................2
Về Cơ Khí.....................................................................................................................2
1. Mô hình xe đua dò line trong nước ..............................................................................2
2. Mô hình xe đua dò line ngoài nước..............................................................................3
3. So sánh ưu, nhược điểm ...............................................................................................5
Về Điện.........................................................................................................................6
1. Về cảm biến..................................................................................................................6
2. Về động cơ ...................................................................................................................8
Về Cấu Trúc Điều Khiển..............................................................................................8
Về Bộ Điều Khiển......................................................................................................10
ĐẶT ĐỀ BÀI..............................................................................................................10
CHƯƠNG 2: LỰA CHỌN PHƯƠNG ÁN ..............................................................................12
Về Cơ Khí...................................................................................................................12
1. Phương án khả thi.......................................................................................................12
2. Lựa chọn phương án...................................................................................................12
Về Điện.......................................................................................................................12
1. Lựa chọn động cơ.......................................................................................................12
2. Lựa chọn cảm biến .....................................................................................................13
Về Cấu Trúc Điều Khiển............................................................................................13
Về Bộ Điều Khiển......................................................................................................13
CHƯƠNG 3: THIẾT KẾ..........................................................................................................14
Thiết Kế Cơ Khí.........................................................................................................14
1. Tính toán kích thước xe..............................................................................................14
2. Tính toán công suất động cơ ......................................................................................17
3. Tính toán moment xoắn động cơ................................................................................18
4. Dung sai......................................................................................................................19
Thiết Kế Điện.............................................................................................................25
1. Thiết kế cảm biến .......................................................................................................25
2. Lựa chọn nguồn..........................................................................................................30
3. Khối động cơ-driver ...................................................................................................31
Thiết Kế Phần Lập Trình............................................................................................36
1. Sơ đồ khối hệ thống điều khiển..................................................................................36
2. Chọn vi điều khiển .....................................................................................................36
3. Lưu đồ giải thuật ........................................................................................................37
Mô Hình Hóa..............................................................................................................39
1. Mô hình hóa động học................................................................................................39
2. Thiết kế bộ điều khiển................................................................................................40
3. Mô hình hóa cảm biến................................................................................................40
4. Cách tìm sai số ...........................................................................................................40
5. Mô hình hóa động cơ..................................................................................................41
6. Kết quả mô phỏng ......................................................................................................42
7. Nhận xét .....................................................................................................................45
CHƯƠNG 4: KẾT QUẢ THỰC NGHIỆM .............................................................................46
Kết Quả Thực Nghiệm ...............................................................................................46
Phân Tích Thực Nghiệm ............................................................................................48
Đề Xuất Hiệu Chỉnh Thiết Kế....................................................................................48
CHƯƠNG 5: BIỂU ĐỒ GANLT.............................................................................................49
TÀI LIỆU THAM KHẢO........................................................................................................51

3. Đồ án TKHT Cơ-Điện Tử Xe Đua Dò Line
Nhóm 1 1
YÊU CẦU
Đồ án môn học (ĐAMH) Thiết Kế Hệ Thống Cơ-Điện Tử yêu cầu nhóm sinh viên
thực hiện hoàn chỉnh các quá trình thiết kế, chế tạo và điều khiển Robot Xe Đua Dò Line (Line
Following Robot). Robot sau khi hoàn thành phải di chuyển bám theo sa bàn line phẳng cho
trước (hình H.1), theo thứ tự (START) A → B → C → D → E → F → C → G → A → C →
E (END), với vận tốc không nhỏ hơn 0.2𝑚/𝑠.
H.1 Sa bàn di chuyển của robot
MỤC TIÊU
Do yêu cầu của ĐAMH là thiết kế, chế tạo và điều khiển robot xe đua dò line nên
mục tiêu quan trọng nhất của cả quá trình là xe đua dò line chạy nhanh nhất có thể.
1500
A
B
G
C
START
F
D
E
END
𝑅500
𝑅500
3000

4. Đồ án TKHT Cơ-Điện Tử Xe Đua Dò Line
Nhóm 1 2
CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN
Về Cơ Khí
1. Mô hình xe đua dò line trong nước
a. Robot Không Độ của đội Không Độ vô địch BCR 2013
 Sơ đồ nguyên lí
(a) (b)
H.𝟐 (a) Robot Không Độ; (b) Sơ đồ kết cấu Robot Không Độ
 Kích thước: 𝐿 × 𝑊 × 𝐻 = 270 × 140 × 140 (𝑚𝑚).
 Số bánh xe: Xe có 4 bánh, trong đó 2 bánh cao su dẫn động (𝐷 = 50 (𝑚𝑚))
đường kính lớn đặt ở phía sau, 2 bánh cao su có đường kính nhỏ hơn đặt ở phía
trước thực hiện chức năng rẽ hướng, phần bộ phận cảm biến tiếp xúc trực tiếp với
đường line không có bi lăn hoặc bánh mắt trâu ở giữa.
 Vận tốc xe: Vận tốc cực đại 𝑣 𝑚𝑎𝑥 = 0.6 (𝑚/𝑠), vận tốc trung bình 𝑣 𝑎𝑣𝑔 =
0.4 (𝑚/𝑠).
b. Robot TDC1 của đội TDC1 vô địch MCR 2014
 Sơ đồ nguyên lí
(a) (b)
H.𝟑 (a) Robot TDC1; (b) Sơ đồ kết cấu Robot TDC1
 Kích thước: 𝐿 × 𝑊 × 𝐻 = 24 × 160 × 80 (𝑚𝑚).
 Số bánh xe: Xe có 4 bánh, trong đó 2 bánh cao su (𝐷 = 40 (𝑚𝑚)) dẫn động đặt
ở phía sau, 2 bánh cao su có đường kính nhỏ hơn (𝐷 = 20 (𝑚𝑚)) đặt ở phía trước
thực hiện chức năng như rẽ hướng, phần bộ phận cảm biến tiếp xúc trực tiếp với
đường line không có bi lăn hoặc bánh mắt trâu ở giữa.
 Vận tốc xe: Vận tốc cực đại 𝑣 𝑚𝑎𝑥 = 0.7 (𝑚/𝑠), vận tốc trung bình 𝑣 𝑎𝑣𝑔 =
0.4 (𝑚/𝑠).
c. Robot BKC]
của đội BKC vô địch BCR 2015

5. Đồ án TKHT Cơ-Điện Tử Xe Đua Dò Line
Nhóm 1 3
 Sơ đồ nguyên lí
(a) (b)
H.𝟒 (a) Robot BKC; (b) Sơ đồ kết cấu Robot BKC
 Kích thước: 𝐿 × 𝑊 × 𝐻 = 300 × 150 × 100 (𝑚𝑚).
 Số bánh xe: Xe có 4 bánh, trong đó 2 bánh cao su (𝐷 = 40 (𝑚𝑚)) dẫn động đặt
ở phía sau, 2 bánh cao su tự lựa có đường kính lớn hơn (𝐷 = 50 (𝑚𝑚)) đặt ở
phía trước thực hiện chức năng như 2 bánh castor, phần bộ phận cảm biến tiếp xúc
trực tiếp với đường line không có bi lăn hoặc bánh mắt trâu ở giữa.
 Vận tốc xe: Vận tốc cực đại 𝑣 𝑚𝑎𝑥 = 0.7 (𝑚/𝑠), vận tốc trung bình 𝑣 𝑎𝑣𝑔 =
0.5 (𝑚/𝑠).
2. Mô hình xe đua dò line ngoài nước
a. Robot Pika của đội Mechatron vô địch Cyberbot 2015, Poznan
 Sơ đồ nguyên lí
(a) (b)
H.𝟓 (a) Robot Pika; (b) Sơ đồ kết cấu Robot Pika
 Kích thước: 𝐿 × 𝑊 × 𝐻 = 280 × 180 × 50 (𝑚𝑚).
 Số bánh xe: Xe 𝑐ó 4 bánh, trong đó 2 bánh cao su dẫn động (𝐷 = 34 (𝑚𝑚)) đặt
ở khung chính, 2 bánh mắt trâu đặt ở dãy cảm biến thực hiện chức năng như 2
bánh castor.
 Vận tốc xe: Vận tốc cực đại 𝑣 𝑚𝑎𝑥 = 2.7 (𝑚/𝑠), vận tốc trung bình 𝑣 𝑎𝑣𝑔 =
1.9 (𝑚/𝑠).
b. Robot Green Gaint V4.1 tại cuộc thi Micromouse 2013-2014
 Sơ đồ nguyên lí

6. Đồ án TKHT Cơ-Điện Tử Xe Đua Dò Line
Nhóm 1 4
(a) (b)
H. 𝟔 (a) Robot Green Gaint V4.1; (b) Sơ đồ kết cấu Green Gaint V4.1
 Kích thước: 𝐿 × 𝑊 × 𝐻 = 190 × 110 × 40 (𝑚𝑚).
 Số bánh xe: Xe có 4 bánh, trong đó 2 bánh cao su phía trước dẫn động (𝐷 =
40 (𝑚𝑚)), 2 bánh cao su phía sau là 2 bánh castor.
 Vận tốc xe: Vận tốc cực đại 𝑣 𝑚𝑎𝑥 = 3.5 (𝑚/𝑠), vận tốc trung bình 𝑣 𝑎𝑣𝑔 =
2 (𝑚/𝑠).
c. Robot RR của Khoa Điện - Điện tử của trường Đại học Manchester
 Sơ đồ nguyên lí
(a) (b)
H.𝟕 (a) Robot RR; (b) Sơ đồ kết cấu Robot RR
 Kích thước: 𝐿 × 𝑊 × 𝐻 = 160 × 100 × 80 (𝑚𝑚).
 Số bánh xe: Xe có 3 bánh, trong đó 2 bánh cao su phía sau dẫn động (𝐷 =
54(𝑚𝑚)), bánh cao su phía trước có chức năng rẽ hướng.
 Vận tốc xe: Vận tốc cực đại 𝑣 𝑚𝑎𝑥 = 1 (𝑚/𝑠), vận tốc trung bình 𝑣 𝑎𝑣𝑔 =
0.5 (𝑚/𝑠).
d. Robot Dave của đội đua Bruce tại cuộc thi LVBots Line Following, 4/2015
 Sơ đồ nguyên lí
(a)
VS
(b)
H.𝟖 (a) Robot Dave; (b) Sơ đồ kết cấu Robot Dave

7. Đồ án TKHT Cơ-Điện Tử Xe Đua Dò Line
Nhóm 1 5
 Kích thước: 𝐿 × 𝑊 × 𝐻 = 200 × 90 × 60 (𝑚𝑚).
 Số bánh xe: Xe có 4 bánh, trong đó 2 bánh cao su phía sau (𝐷 = 60 (𝑚𝑚)) được
truyền chuyển động từ bộ vi sai, 2 bánh mắt trâu phía trước có chức năng rẽ hướng.
 Vận tốc xe: Vận tốc cực đại 𝑣 𝑚𝑎𝑥 = 1.2 (𝑚/𝑠), vận tốc trung bình 𝑣 𝑎𝑣𝑔 =
0.7 (𝑚/𝑠).
e. Robot Pinto của đội đua Grant tại cuộc thi LVBots Line Following, 4/2015
 Sơ đồ nguyên lí
(a) (b)
H. 𝟗 (a) Robot Pinto; (b) Sơ đồ kết cấu Robot Pinto
 Kích thước: 𝐿 × 𝑊 × 𝐻 = 210 × 130 × 120 (𝑚𝑚).
 Số bánh xe: Xe có 3 bánh, trong đó 2 bánh cao su phía trước (𝐷 = 60 (𝑚𝑚)) vừa
dẫn động vừa rẽ hướng, bánh cao su phía sau là bánh castor.
 Vận tốc xe: Vận tốc cực đại 𝑣 𝑚𝑎𝑥 = 0.8 (𝑚/𝑠), vận tốc trung bình 𝑣 𝑎𝑣𝑔 =
0.5 (𝑚/𝑠).
Từ những thông tin thu thập được ở trên, để lựa chọn được mô hình kết cấu phù
hợp chúng ta cần phải thực hiện các quá trình phân tích, so sánh về các ưu, nhược điểm
của những phần quan trọng trong kết cấu xe.
3. So sánh ưu, nhược điểm
a. Về kết cấu
 Xe 4 bánh
Mô hình
1. Bám đường Tốt: Có kết cấu khớp bản lề Không tốt Không tốt
2. Vào cua Khó: Do hiện tượng trượt Khó Dễ: Kết cấu bánh tự lựa
3. Điều khiển
Không phức tạp: Lái và
chuyển động tách biệt
Không phức
tạp
Phức tạp: Lái và chuyển
động kết hợp
4. Kết cấu Phức tạp Đơn giản Đơn giản
Mô hình
VS

8. Đồ án TKHT Cơ-Điện Tử Xe Đua Dò Line
Nhóm 1 6
1. Bám đường Không tốt Không tốt Tốt: Có kết cấu khớp cầu
2. Vào cua Dễ Trung bình Khó
3. Điều khiển Phức tạp Phức tạp Không phức tạp
4. Kết cấu Đơn giản Đơn giản Phức tạp
 Xe 3 bánh
Mô hình
1. Bám đường Tốt Tốt
2. Vào cua Khó Dễ
3. Điều khiển Không phức tạp Phức tạp
4. Kết cấu Đơn giản Đơn giản
b. Về số lượng bánh xe
Số bánh 𝟒 bánh 𝟑 bánh
1. Đồng phẳng Khó đảm bảo đồng phẳng Luôn đồng phẳng
2. Độ ổn định khi có vật cản Vẫn giữ được độ ổn định Khó giữ được độ ổn định
3. Lật khi vào cua Khó Dễ
4. Ma sát Nhiều Ít
Về Điện
1. Về cảm biến
Phần lớn các robot dò line hiện nay sử dụng các loại cảm biến quang để nhận biết
vị trí tương đối của đường line so với xe, từ đó xử lí để đưa ra tín hiệu điều khiển. Có hai
phương pháp thường được sử dụng cho robot dò line là phương pháp sử dụng camera và
các loại cảm biến quang dẫn:
 Trường hợp sử dụng camera để phát hiện vị trí line thì người ta sử dụng hình ảnh thu
được tử đường line thực tế [5]
, sau đó xử lý và dùng các giải thuật xử lý ảnh để xác
định vị trí và góc lệch của xe so với đường line. Các xe sử dụng camera như Smart
Car trong cuộc thi The Freescale 2012 hay Raspberry Pi Line Following Robot trong
cuộc thi Robocup Junior Competition Flanders 2014…
 Trường hợp sử dụng cảm biến quang dẫn được sử dụng phổ biến trong các cuộc thi
robot dò 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 thu
tín hiệu ánh sáng phản xạ từ bộ phát xuống mặt đất, từ đó xử lí để xác định vị trí của
đường line. Các xe sử dụng phototransistor cho bộ phận dò line như Usain Volt 2.0,
Thunderbolt…

9. Đồ án TKHT Cơ-Điện Tử Xe Đua Dò Line
Nhóm 1 7
Bảng so sánh giữa các loại cảm biến
Cảm biến Camera Quang điện trở Phototransistor
1. Thời gian xử lý 6 − 10 (frame/𝑠) 20 − 30 (𝑚𝑠) 15 (𝜇𝑠)
2. Giá thành Cao Thấp Thấp
3. Lắp đặt Phức tạp Đơn giản Đơn giản
Có 2 cách đọc giá trị áp của bộ phận thu cảm biến trả về:
 Cách thứ nhất là đọc theo dạng analog với sơ đồ điện của một cảm biến như hình
H.𝟏𝟎. Tín hiệu analog đọc được từ cảm biến qua phép xấp xỉ để tìm ra vị của xe so
với tâm đường line [6]
. Các giải thuật xấp xỉ theo bậc 2, theo trọng số (hình H.𝟏𝟏)
cho sai số dò line khác nhau.
H.𝟏𝟎 Sơ đồ điện đọc giá trí analog của cảm biến hồng ngoại
(a) (b)
H.𝟏𝟏 (a) Xấp xỉ bậc 2; (b) Xấp xỉ theo trọng số
 Cách thứ hai là đọc digital. Tín hiệu đầu ra của cảm biến vẫn là anlog nhưng sau đó
thông qua mạch lấy ngưỡng, hoặc lấy ngưỡng bằng lập trình để cho ra 2 giá trị logic
0 hoặc 1 ứng với vị trí của cảm biến trên đường line hoặc ngoài đường line. Sơ đồ
mạch đọc giá trị cảm biến của phương pháp này như hình H.𝟏𝟐.
H.𝟏𝟐 Sơ đồ điện của 1 cảm biến để đọc giá trị digital

10. Đồ án TKHT Cơ-Điện Tử Xe Đua Dò Line
Nhóm 1 8
Để điều khiển robot theo quỹ đạo, người thiết kế lập trình xác định độ lệch tương
đối giữa quỹ đạo của robot và quỹ đạo mong muốn, sau đó so sánh độ lệch đó thành
các mức và điều khiển lái robot quay về quỹ đạo như hình H.𝟏𝟑 [7]
.
`
7 6 5 4 3 2 1 0
Trạng thái cảm biến
Giữa vạch
Lệch trái mức 1
Lệch trái mức 2
Lệch phải mức 1
Lệch phải mức 2
H.𝟏𝟑 Quy định mức lệnh giữa quy đạo của robot và quỹ đạo mong muốn
Bảng so sánh giữa các phương pháp đọc cảm biến
Đọc tín hiệu analog Đọc tín hiệu digital
1. Độ chính xác Cao Thấp
2. Thời gian đọc tín hiệu Tốn nhiều thời gian Tốn ít thời gian
3. Giải thuật xử lý Phức tạp Đơn giản
2. Về động cơ
Hầu hết các xe dò line trong thực tế đều dùng động cơ dc có gắn encoder, vì có bộ
Encoder hồi tiếp nên đảm bảo được độ ổn định và chính xác cho hệ thống. Đối với các xe
việc chuyển hướng không dùng bánh đa hướng thì có thể dùng Rc Servo để điều khiển
hướng di chuyển. Các xe như Usain Volt 2.0 sử dụng động cơ 50:1 HP gearmotors ,
Silvestre-line sử dụng động cơ Maxon DC motor .
Bảng so sánh động cơ servo và DC
DC có gắn encoder DC
1. Điều khiển
Có hồi tiếp nên độ chính
xác cao
Không hồi tiếp nên độ
chính xác thấp
2. Giá thành Cao Thấp
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.
 Trong điều khiển tâp 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. Cấu trúc này được sử dụng nhiều trong
thực tế trong hầu hết các mô hình xe: HBFS, Pika,…

11. DOWNLOAD ĐỂ XEM ĐẦY ĐỦ NỘI DUNG
MÃ TÀI LIỆU: 50338
DOWNLOAD: + Link tải: Xem bình luận
Hoặc : + ZALO: 0932091562