GVHD : PGS.TS NGUYỄN DUY ANH SVTH MSSV 1. HỒ VĂN ...

ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP.HCM

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA

KHOA CƠ KHÍ – BỘ MÔN CƠ ĐIỆN TỬ

GVHD : PGS.TS NGUYỄN DUY ANH

SVTH MSSV

1. HỒ VĂN NGUYÊN 21302617

2. NGUYỄN VĂN QÚI 21303243

3. TRẦN HOÀI VĨNH PHÚC 21303069

4. PHẠM TẤN TÀI 21303489

TPHCM 05/2017

Đồ án thiết kế hệ thống cơ điện tử GVHD:PGS.TS Nguyễn Duy Anh

Nhóm 2 Trang 2

Mục Lục

Mục tiêu đồ án môn học ......................................................................................................................... 4

CHƯƠNG I. TỔNG QUAN ................................................................................................................... 5

1. Sơ lượt về robot dò line: .............................................................................................................. 5

2. Một số mô hình robot phổ biến: .................................................................................................. 5

a. Robot có kết cấu 4 bánh: ......................................................................................................... 5

b. Robot có kết cấu 3 bánh: ...................................................................................................... 6

3. Về cảm biến: ................................................................................................................................ 7

a. Các loại sensor: ........................................................................................................................ 7

b. Phương pháp xữ lí tín hiệu cảm biến: .................................................................................. 8

4. Về cấu trúc điều khiển. ................................................................................................................ 8

5. Yêu cầu đề bài: ............................................................................................................................ 9

CHƯƠNG II. LỰA CHỌN PHƯƠNG ÁN .......................................................................................... 10

1. Lựa chọn cơ khí: ........................................................................................................................ 10

a. Chọn cấu hình xe: .................................................................................................................. 10

b. Chọn bánh xe: .................................................................................................................... 11

2. Phương án điện: ......................................................................................................................... 12

2.1. Lựa chọn động cơ:.............................................................................................................. 12

2.2. Lựa chọn Driver. ................................................................................................................. 13

2.3. Lựa chọn cảm biến: .............................................................................................................. 14

3. Phần điều khiển: ........................................................................................................................ 14

3.1. Cấu trúc mạch điều khiển: ................................................................................................. 14

3.2. Xử lý thông tin đọc tín hiệu cảm biến. ................................................................................ 15

CHƯƠNG III:THIẾT KẾ. .................................................................................................................... 16

1. Thiết kế cơ khí: .......................................................................................................................... 16

a. Chọn đường kính bánh xe: ..................................................................................................... 16

b. Chọn động cơ: ........................................................................................................................... 16

2. Mô hình hóa ............................................................................................................................... 20

2.1. Thiết lập phương trình động học cho robot........................................................................ 20

2.2. Mô phỏng matlab ............................................................................................................... 23

3. Thiết kế điện: ............................................................................................................................. 42

a. Drivers: ................................................................................................................................... 42

b. Tìm hàm truyền cho động cơ: ................................................................................................. 44

c. Thiết kế bộ điều khiển: .......................................................................................................... 44


Nhóm 2 Trang 3

4. Về cảm biến: .............................................................................................................................. 46

a. Đối với khoảng cách từ cảm biến đến mặt đường line: ......................................................... 47

b. Đối với khoảng cách từ tâm 2 cảm biến:. .......................................................................... 48

c. Đối với số lượng cảm biến: ................................................................................................... 49

d. Calip cảm biến: .................................................................................................................. 50

5. Mạch nguồn: .............................................................................................................................. 51

6. Sơ đồ mạch điện của hệ thống: .................................................................................................. 52

1. Chương trình điều khiển chính: ................................................................................................. 53

2. Chương trình con cho xe di chuyển: ......................................................................................... 54

CHƯƠNG V: MÔ HÌNH THỰC NGHIỆM. ....................................................................................... 56

∎ Tài Liệu Tham Khảo ........................................................................................................................ 58


Nhóm 2 Trang 4

Mục tiêu đồ án môn học

Thiết kế và chế tạo Robot do line theo sa bàn đã được cho trước với những đặc điểm:

Màu sắc line: Đen

Màu nền: Trắng

Bề rộng đường line: 26mm

Bề mặt dịa hình di chuyển là mặt phẳng.

Bán kính cong lớn nhất là 500mm

Yêu cầu hoạt động 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 → F → C → G → A → C → E (END).

.

Hình 1: Sa bàn.


Nhóm 2 Trang 5

CHƯƠNG I. TỔNG QUAN

1. Sơ lượt về robot dò line:

Robot do line là loại robot được thiết kế để bám theo đường line đã được định sẳn theo yêu

cuầ sử dụng. Một Robot do line gồm các yếu tố: sơ đồ nguyên lý, loại cảm biến,động cơ, cấu trúc

điều khiển.

Với tình hình công nghê phát triển hiện nay, robot là một công cụ hổ trợ đắt lực trong khoa

học và lao động: quân sự, y tế, giáo dục và các ngành giải trí...

Hiện nay, có rất nhiều kết cấu cơ khí được thiết kế để cải thiện khả năng di chuyển của robot

do line như đáp ứng tốc độ, độ chính xác bám line,... và các kết cấu hiện nay phổ biến là: cấu trúc

hai bánh, ba bánh, bốn bánh, bánh xích...

2. Một số mô hình robot phổ biến:

a. Robot có kết cấu 4 bánh:

Đối với bốn bánh chủ động, các bánh xe được dẫn động từ các động cơ riêng biệt như kết cấu

các xe: fireball (brookbots), Thunder, DF robot, DG012-ATV,.....

Hình 1.1: Sơ đồ nguyên lý và Robot dò line Fireball

Thông số kỹ thuật:

- Kích thước: 120mmx200mmx80mm

- Tốc độ: 1,5m/s

- Cảm biến: Infrared *5

- Động cơ: DC 12V – Giảm tốc

Ưu,nhược điểm của cấu bốn bánh chủ động: kết cấu cơ khí đơn gian, chạy với tốc độ thấp,

dễ xảy ra hiện tượng trượt khi chạy với tốc độ cao do bốn bánh được dẫn động bằng bốn động

cơ riêng biệt khi qua cua rất chậm vì tạo ra tâm quay tức thời rất khó. Để khắc phục thì cần bộ

điều khiển phức tạp.

Đối với xe hai bánh chủ động và bánh bị động được điều khiển hướng di chuyển bằng động

cơ servo, các xe tiêu biểu: Bkit MCR, Tumbler Robot,..


Nhóm 2 Trang 6

Hình 1.2: Sơ đồ nguyên lý và Robot dò line FRAGILE007RL



- Tốc độ: 4m/s

- Cảm biến: Infrared * 6 + Gyroscope

- Động cơ: DC 12V – Giảm tốc + động cơ Servo

Ưu nhược điểm của robot loại này: kết cấu cơ khí phức tạp, bám line với độ chính xác cao,

di chuyển với tốc độ chậm, quán tính khi ôm cua của robot lớn nên có thể làm robot lệch khỏi

line khi chạy với tốc độ cao, thuật điều khiển phức tạp.

Đối với xe sử dụng hai bánh chủ động gắn với hai động cơ độc lập, với kết cấu của các xe:

Silvestre line following robot, Lab 24 Line Tracking Robot, 3PI robot, Usaint Volt 2.0, Masler

robotics... những loại này thường dùng thêm bánh tự lựa để giữ thăng bằng trong quá trình di

chuyển và có cảm biến đặt phía trước.

Hình 1.3: Sơ đồ nguyên lý và Robot Silvestre



- Tốc độ: 3m/s

- Cảm biến: Infrared * 8

- Động cơ: DC 12V – Giảm tốc

b. Robot có kết cấu 3 bánh:

Đối với loại xe có cảm biến nằm giữa như HBFS-2, Chariot, Techbot1 cần một bánh tự

lựa để giữ cân bằng khi di chuyển có thể di chuyển ở tốc độ cao và sai số bám line nhỏ


Nhóm 2 Trang 7

Hình 1.4: Sơ đồ nguyên lý và Robot Chariot



- Tốc độ: 1,5m/s

- Cảm biến: Infrared * 7

- Động cơ: DC encoder 12V – Giảm tốc

Ưu, nhược điểm của robot hai bánh chủ động: dể dàng đổi hướng di chuyển bằng cách cho

một động cơ dừng hay tốc độ thấp và một động cơ quay tốc độ cao hoặc cho hai động cơ quay

cùng tốc độ nhưng ngược chiều nhau, khắc phục được hiện tượng trượt khi di chuyển nhanh. Dể

lật khi di chuyển và không đảm bảo được khoảng cách giữa cảm biến và mặt đường trên địa

hình dốc.

3. Về cảm biến:

Hiện nay các robot do line thường dùng hai loại: Camera và cảm biến quang

(photosensor).... Tùy vào chức năng hay yêu cầu ta sử dụng loại nào thích hợp.

a. Các loại sensor:

- Camera trả về vị trí và góc lệch của xe so với đường line trong một lần lấy mẫu. Có thể

nhận biết được các dạng đường line phức tạp, đứt đoạn thông qua các giải thuật xử lý ảnh.

Ưu điểm của camera có thể đạt được độ chính xác rất cao nếu sử dụng camera có độ phân

giải cao, tuy nhiên phương pháp này ít được dùng trong các cuộc thi đua xe line màu do

khối lượng xử lí nhiều, dẫn đến hạn chế tốc độ tối đa của xe, đồng thời camera có thể bị

nhiễu với môi trường có cường độ ánh sáng cao.

Cảm biến quang có hai loại gồm quang điện trở và phototransistor. Hai loại này có nguyên

lý hoạt động giống nhau. Bộ cảm biến này có hai bộ phận: gồm bộ phận phát và bộ phận

thu. Bộ phát tạo ra chùm sáng có tần số nằm trong vùng ánh sáng nhìn thấy hoặc ánh sáng


Nhóm 2 Trang 8

hồng ngoại. 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. Đối với quang điện trở thời gian đạt giá trị xác lập là 20-30

ms [1], đối với phototransistor thời gian đạt được giá trị xác lập rất ngắn 15ns [2], vì vậy độ

chính xác cao hơn quang điện trở. Cảm biến quang các loại giải thuật thường dùng là: so

sánh và nội suy.

b. Phương pháp xữ lí tín hiệu cảm biến:

Phương pháp so sánh [4] tín hiệu dựa vào trạng thái đóng ngắt của cảm biến rồi từ đó suy

ra vi trị của robot, tốc độ đáp ứng nhanh.

Tín hiệu trả về: một dãy số nhị phân (0 và 1)

Hình 1.5 Giá trị cảm biến đọc về digital

Phương pháp nội suy là các giá trị đọc về được thực hiện qua phép xấp xỉ để tìm ra vị trí của

đường line, tìm ra vị trí của robot với độ chính xác cao [4] [3]

Tín hiệu trả về: một con số, sau khi đã được xử lí thông qua công thức xấp xỉ ( có trọng số,

bậc 2)

Hình 1.6: Giá trị cảm biến đọc về xấp xỉ

4. Về cấu trúc điều khiển.

Robot do line có các phần chính: mạch cảm biến, mạch điều khiển và mạch điều khiển động

cơ. Cách để kết nối các mạch điện này với nhau bằng hai phương pháp điều khiển tập trung và

điều khiển phân cấp.

Phương pháp điều khiển tập trung: một vi điều khiển sẽ nhận và đồng thời xử lí các tính

hiệu từ sensor, tín hiệu từ encoder, thực hiện các chương trình chính đồng thời truyền dữ

liệu cho việc điều khiển hai động cơ. Đối với phương pháp này thì kết cấu mạch điều khiển

đơn giản, nhưng chỉ một vi điêu khiển làm việc quá nhiều, phải xử lí toàn bộ thông tin nhận

được trước đó rồi mới cập nhật thông tin tiếp theo làm thời gian đáp ứng chậm.


Nhóm 2 Trang 9

Phương pháp điều khiển phân cấp: gồm một master và ba Slave để điều khiển mạch sensor,

mạch lái động cơ. Vi điều khiển master được dùng để thực hiện các chương trình chính, các

phép toán cho chương trình điều khiển hai động cơ. Còn các Slave dùng với các nhiệm vụ

riêng biệt để thu nhận và xử lí tín hiệu từ cảm biến, tín hiệu từ encoder, tính toán vị trí tương

đối của robot so với line, tính toán tốc độ của động cơ và truyền về cho master. Phương

pháp này giúp giảm nhẹ khối lượng nhận và xử lí thông cho master tăng thời gian đáp ứng.

5. Yêu cầu đề bài:

Dựa vào kết quả tìm hiểu các robot bám line ta thấy, vận tốc xe đạt được nằm trong

khoảng 1.5m/s – 2.2 m/s. Với mực tiêu nhóm đặt ra là robot này sẽ bám line tốt nên nhóm

quyết định chọn vận tốc 0.9m/s.

Theo xa bàn thì bán kính cong nhỏ nhất của line là 500mm.

Sai số bám line trong suốt quá trình di chuyển, sai số trong quá trình xe di chuyển trên

đường thẳng hay cong sẽ phụ thuộc vào sai số xác định vị trí của xe do hệ thống sensor và sai

số do bộ điều khiển, theo kết quả thực nghiệm [3] với 7 cảm biến, ước tính thông qua phương

pháp nội suy bậc hai thì sai số bám line lớn nhất là 5.4mm.

Hình 2. Vị trí giao điểm xa bàn

Xét đoạn đường từ O đến D (Giả sữ sai số bám line tại vị trí O, e =0), với thời gian lấy

mẫu t = 0.01s, vận tốc lớn nhất v = 1.5m/s, quảng đường mà robot lấy mẫu 2 lần:

𝐷𝐶 = 𝑣𝑚𝑎𝑥. 𝑡 = 0,9.0,01 = 0,009𝑚 = 9𝑚𝑚 Từ thông số sa bàn có:

𝛼 = 130, 𝐷𝐵 = 13𝑚𝑚.𝑂𝐷 =𝐵𝐷

sin(13)= 57,8𝑚𝑚

𝐴𝐶 = (𝑂𝐷 − 𝐷𝐶). sin(13) = (57,8 − 9). sin(13) = 10,98𝑚𝑚 Nếu sai số khi robot rời khỏi vị trí giao O lớn hơn AC thì robot sẽ đi sai quỹ đạo đã quy định.

Vậy nhóm chọn sai số bám line lớn nhất là e = 12,5mm

Vậy yêu cầu đề bài là:

- Vận tốc lớn nhất: 𝑣𝑚𝑎𝑥 = 0,9𝑚/𝑠

- Vận tốc khi ôm cua là: v = 0,2m/s

- Bán kính cong nhỏ nhất của line là: 𝜌𝑚𝑖𝑛 = 500𝑚𝑚

- Sai số bám line lớn nhất: 𝑒𝑚𝑎𝑥 = 10,98𝑚𝑚


Nhóm 2 Trang 10

CHƯƠNG II. LỰA CHỌN PHƯƠNG ÁN

1. Lựa chọn cơ khí:

a. Chọn cấu hình xe:

Kết cấu cơ khí của robot cần đảm bảo ổn định cho robot chạy ở vận tốc tối đa là 0,9m/s và

có khả năng thực hiện chuyển hướng ở những vị trí chuyển hướng gấp, góc 900. Robot di

chuyển trên địa hình phẳng và có mang tải nên nhóm chọn 2 kết cấu robot:

Đối với kết cấu xe 2 bánh:

- Ưu điểm: Kết cấu đơn giản,di chuyển trên nhiều địa hình khác nhau,xoay chuyển một cách

linh hoạt

- Nhược điểm: Gặp khó khăn trong vấn đề bám line và giải quyết vấn đề tự cân bằng của

xứng của xe,khó phân bố đều tải trọng,robot di chuyển với tốc độ thấp.

Đối với kết cấu xe 3 bánh:(2 bánh chủ động và 1 bánh tự lựa)

- Ưu điểm: Di chuyển ổn định trên nhiểu địa hình,luôn đảm cảo các điểm tiếp xúc trên

đường,linh hoạt xoay chuyển kết cấu đơn giản.

- Nhược điểm: Độ ổn định kém do diện tích tiếp xúc mặt chân đế nhỏ.

Đối với kết cấu xe 4 bánh:

Đối với 4 bánh điều khiển riêng biệt:


Nhóm 2 Trang 11

- Ưu điểm:Kết cấu đơn giản,chịu tải trọng tốt.

- Nhược điểm: Điều khiển 4 động cơ phức tạp,qua cua khó khăn do không tạo được trọng

tâm tức thời bởi có 4 động cơ.

Đối với 4 bánh có 2 bánh chủ động và 2 bánh bị động:

- Ưu điểm: Kết cấu tăng độ độ cứng vững,phân bố tải trọng đều,giảm đi hiện tượng

trượt,bám line với độ ổn định cao do diện tích tiếp xúc mặt chân đế lớn.

- Nhược điểm: Vận tốc hạn chế,quán tính khi qua cua lớn.

Từ yêu cầu đề bài và các phân tích trên nhóm quyết định chọn thiết kế loại xe 4 bánh có 2

bánh chủ động và 2 bánh bị động(bánh mắt trâu).

b. Chọn bánh xe:

- Bánh chủ động: Đáp ứng yêu cầu nhẹ,bền, khả năng bám đường tốt, có sẳn trên thị trường.

Chọn loại bánh cho xe đua mô hình: khung nhựa, vỏ caosu.

- Bánh bị động: Yêu cầu chuyển hướng linh hoạt kích thước nhỏ, nhẹ, có sẳn trên thị

trường.

Để đáp ứng yêu cầu trên nhóm chọn bi cầu (gọi là bánh mắt trâu).

Sơ đồ nguyên lý:


Nhóm 2 Trang 12

Hình.2.1:Sơ đồ nguyên lý xe dò line nhóm 2.

2. Phương án điện:

Yêu cầu:

- Chọn động cơ đạt được tốc độ tối đa là 0,9m/s.

- Thiết kế và chế tạo mạch cảm biến.

- Chọn Driver.

2.1. Lựa chọn động cơ:

a. Động cơ Step:

- Ưu điểm:Kiểm soát vị trí chính xác hướng khi quay,dễ thiết lập và kiểm xoát.

- Nhược điểm:Động cơ dễ bị trượt bước gây sai lệch trong điều khiển.

b. Động cơ Servo:


Nhóm 2 Trang 13

- Ưu điểm:Tránh được hiện tương trượt bước như Step DC,hoạt động ở tốc độ cao,momen

xoắn cao,luân chuyển chính xác trong góc giới hạn,kiểm soát vị trí chính xác…

- Nhược điểm: Thiết lập bộ điều khiển phức tạp.

c. Động cơ Encoder:

- Ưu điểm:Dễ điều khiển,hoạt động ở tốc độ cao,momen xoắn cao,được dùng phổ biến

trong các xe đua đã tìm hiểu ở phần trước,kiểm soát vị trí chính xác.

- Nhược điểm:Dòng khởi động lớn,độ vọt lố cao nhưng có thể dễ khác phục được qua hệ bộ

điều khiển và mạch driver.

Từ yêu cầu và các phân tích trên,nhóm chọn động cơ có Encoder.

2.2. Lựa chọn Driver.

a. Driver TB6612:

- Nguồn áp vào: 12V.

- Nguồn dòng đầu ra lớn nhất: 1.2A

- Tuyến tính giữa xung PWM và tốc độ quay của động cơ đạt độ tuyến tính cao.

- Dòng đầu ra quá nhỏ,khi động cơ quá tải Driver có thể sẽ bị cháy.

b. Driver L298:

- Nguồn áp vào: 12V

- Nguồn dong ra của một cầu là:2A

- Đồ thị tuyến tính của xung PWM và tốc độ quay của động cơ đạt tuyến tính thấp.

- Dòng ra tương đối đáp ứng được nguồn dòng động cơ tiêu thụ khi quá tải và khả năng

tuyến tính vẫn có thể đáp ứng tốt cho động cơ hoạt động ổn định.

Với yêu cầu đề bài xe có chở thêm tải 2kg nên nhóm quyết định chọn Driver L298.


Nhóm 2 Trang 14

2.3. Lựa chọn cảm biến:

Yêu cầu:Cảm biến phải đáp ứng tốt nhận biết line và phản hồi về bộ điều khiển nhanh.

a. Camera CMU:

- Ưu điểm:Đạt được độ chính xác rất cao,có thể nhận biết được các dạng đường line phức

tạp,đứt đoạn thông qua giải thuật xử lý ảnh,thư viện hô trợ có sẵn.

- Nhược điểm:Phương pháp này ít được dùng trong các cuộc thi đua xe line màu do khối

lượng xử lý nhiều dẫn đến hạn chế tốc độ tối đa của xe,đồng thời camera có thể bị nhiễu

với môi trường có cường độ ánh sáng cao.

b. Cảm biến dò line TRCT5000:

- Ưu điểm:Phototransisto thời gian đạt được giá trị xác lập rất ngắn 15ns[2],giá thành rẻ,dễ

dàng thiết kế và chế tạo mạch với số lượng cảm biến đã chọn.

- Nhược điểm:Dễ bị ảnh hưởng bởi ánh sáng ngoài trời.

Qua đó nhóm chọn loại cảm biến TRCT5000.

3. Phần điều khiển:

Yêu cầu:

- Thuật điều khiển đơn giản,dễ lập trình.

- Cấu trúc mạch diều khiển dễ thiết kế,đáp ứng các thời gian phản hồi,xử lí và phát tín hiệu điều

khiển.

3.1. Cấu trúc mạch điều khiển:

a. Điều khiển phân cấp:

Ưu điểm: Giảm khối lượng xử lý tín hiệu của các vi điều khiển,mỗi vi điều khiển sẽ thực

hiện nhiệm vụ riêng của mình.

Nhược điểm:Phân bố,thiết kế mạch phúc tạp,thời gian đáp ứng chậm do dùng các chuẩn

truyền.


Nhóm 2 Trang 15

b. Điều khiển tập trung:

- Ưu điểm:Đơn giản trong phân bố,thiết kế mạch,thời gian đáp ứng xử lý tín hiệu

nhanh,không cần dùng các chuẩn truyền dữ liệu.

- Nhược điểm:Một vi điều khiển làm nhiều nhiệm vụ dẫn đến hiện tượng quá tải.

Qua đó nhóm chọn cấu trúc mạch điều khiển theo kiểu tập trung.

3.2. Xử lý thông tin đọc tín hiệu cảm biến.

a. Phương pháp ON/OFF(trả về một dãy số nhị phân)

- Ưu điểm:Dễ điều khiển,thuật điều khiển đơn giản,lâp trình dễ dàng.

- Nhược điểm:Không tìm được sai số bám line,robot dễ bị rung rắc mạnh do tín hiệu ở dạng

bạt tắt.

b. Phương pháp trung bình cộng có trọng số (trả về một con số)

- Ưu điểm:Robot di chuyển ổn định hơn,hạn chế được độ vọt lố của động cơ DC,xác định vị

trí robot,sai số bám line.

- Nhược điểm:Phức tạp khi lập trình,tăng khối lượng xử lý tín hiệu,giảm thời gian đáp ứng.

Với tiêu chí điều khiển đơn giản và dể lập trình nhóm chọn thuật điều khiển ON/OFF.


Nhóm 2 Trang 16

CHƯƠNG III:THIẾT KẾ.

1. Thiết kế cơ khí:

a. Chọn đường kính bánh xe:

Theo các tài liệu tham khảo như: Lap 24 line Tracking dùng loại bánh SPG30, đường kính

80mm, Fireball dùng bánh có đường kính 50mm và cuộc thi diễn ra trước đây các bánh dùng

có đường kính từ 40-80mm. Ngoài ra, trên thị trường có các loại bánh từ 40-80mm.

Với yêu cầu bánh xe chở tải và phải bám đường tốt nhóm chọn loại bánh đường kính

65mm V2 với khớp lục giác 12mm và bề rộng bánh là 27mm.

b. Chọn động cơ:

Xét các lực tác dụng lên các bánh xe chủ động:

Hình 3.1:Lực tác dụng lên động cơ.

Giả sử bánh xe là dạng tròn, đồng chất, có moment quán tính là:

𝐼 =1

2𝑘𝑟2

Phương trình cần bằng moment đối với trọng tâm xe:

𝑀 − 𝐹𝑚𝑠 = 𝑚𝑎 Với lực ma sát là:

𝐹𝑚𝑠 = 𝜇. 𝑁 = 𝜇.𝑚. 𝑔 Suy ra:

𝑀 = 𝑚(𝜇𝑔 + 𝑎)𝑟 + 𝐼𝜀 Trong đó:

k : là khối lượng bánh xe, k = 0,06kg.

M : momen tác dụng lên bánh xe. (Nmm)

µ: hệ số ma sát nghỉ là 0.7 theo tài liệu sổ tay thiết kế oto – tải.

v: vận tốc mong muốn (m/s), v = 0.9m/s

t: thời gian để xe đạt vận tốc cao nhất trên đoạn đường thẳng: t = 2(s)

a : gia tốc mong muốn (m/s2):

𝑎 =𝑑𝑣

𝑑𝑡=

1

2= 0,45(𝑚. 𝑠−2)

r: đường kính bánh xe (mm)

𝜀: gia tốc góc (rad/s2)

𝜀 = 𝑣2

𝑟

I : momen quán tính (kg.m2)

m: khối lượng xe và tải trọng (kg), m = 3kg.


Nhóm 2 Trang 17

Momen tác dụng lên xe là:

𝑀 = 3. (0,7.9,81 + 0,45). 0,0325 + 1,95. 10−3 = 0,72(𝑁𝑚) Momen cần thiết cho mỗi động cơ:

𝑇 =0,72

2= 0,36(𝑁𝑚)

Số vòng quay:

𝑛 =60000.0,9

𝜋. 65≈ 265 𝑣ò𝑛𝑔/𝑝ℎú𝑡

Vận tốc góc:

𝜔 = 27,75 𝑟𝑎𝑑/𝑠 Công suất động cơ:

𝑃 = 𝑇. 𝜔 = 9,99(𝑊)

Với các thông số tính được, nhóm chọn loại động cơ GA25 V1.

Công suất định mức 13.2W

Momen quá tải 7,96kgf.cm

Tốc độ 284rpm

Số xung khi qua hợp giảm tốc 374 xung

Điện áp 12V, 600mA

Tỉ số truyền qua hợp giảm tốc 1:34

Kích thước động cơ, theo tài liệu Hshop:

Hình 3.2:Thông số của động cơ.

Kích thước xe được ước lượng:

Nhóm chọn khoảng cách giữa 2 cảm biến là 12,5(mm) [9][20]. Chọn số cảm biến để đọc

tính hiệu về là 7

Chiều dài thanh cảm biến và 2 bánh mắt trâu:

𝐿 = 12,5.6 + 2(10 + 22 − 3,5 − 2.9) + ∆𝐿 = 132(𝑚𝑚)

Khoảng cách từ 2 mặt chuẩn của động cơ:

a=65.2 + 20 = 150(mm)

Khoảng cách từ mặt chuẩn đến tâm bánh xe:

b = 4 +13,5 = 17,5(mm)

Chiều dài tâm 2 bánh xe chủ động:

𝑅 = 𝑎 + 2𝑏 = 185(𝑚𝑚) Chiều dài thân xe từ tâm cảm biến đến tâm của 2 bánh chủ động:

𝐿 = 90 + 120 + 40 = 250(𝑚𝑚)


Nhóm 2 Trang 18

Chiều cao của trọng tâm xe:

Tại các đoạn đường chuyển hướng xe có khả năng bị lật nếu việc bố trí thiết bị trên

thân xe làm cho trọng tâm xe cao hơn một chiều dài nhất định. Giới hạn này có thể được tính

toán trên mô hình sau:

Hình 3.3 :Lực quán tính khi xe ôm cua.

Với:

T: là trọng tâm xe.

Fms:là lực ma sát.

C:là tâm quay khi xe lật.

Flt:là lực li tâm.

P:là trọng lực.

h: chiều cao trọng tâm xe.

Để tránh lật,momen sinh ra do trọng lực quay quanh tâm C gây ra phải lớn hơn lực li tâm:

𝐹𝑙𝑡. ℎ − 𝑃.𝑏

2≤ 0

↔𝑚𝑣2

𝑅. ℎ − 𝑚. 𝑔.

𝑏

2≤ 0

↔ ℎ ≤𝑔𝑏𝑅

2𝑣2

Với :

Gia tốc trọng trường g=9.81

Bề rông xe b=0.185 m

Bán kính cong của đường đua R=0,5m.

Vận tốc dài tối đa 𝑣 = 0,9 𝑚/𝑠

Ta tính được ℎ ≤ 560.1 𝑚𝑚

Bảng thống kê các thiết bị:

Tên thiết bị Số lượng

Kit PIC16F877A 4

Driver TB6612 2

Gá động cơ 2

Pin nguồn 4

Cảm biến hồng ngoại TCRT5000 7

Bánh chủ động 2

Bánh mắt trâu 2

Động cơ GA25 V1 2

Trục động cơ 2

Bulong + vít cấy các loại


Nhóm 2 Trang 19

Hình 3.4: Bố trí các linh kiện trên xe.

1. Vít ghép đồ gá với động cơ

2. Vít ghép nối trục với bánh xe

3. Khớp nối

4. Đồ gá

5. Đế

6. Mạch điều khiển

7. Vít ghép bánh mắt trâu

8. Cảm biến


Nhóm 2 Trang 20

2. Mô hình hóa

2.1. Thiết lập phương trình động học cho robot

Hình 3.5: Sơ đồ mô tả phương trình động học

Chọn hệ trục tọa độ tuyệt đối là 𝑂𝑋0𝑌0 và hệ trục tương đối 𝑂𝑋𝐴𝑌𝐴 gắn với tọa độ tâm vận tốc tức

thời I trên hệ trục 𝑋0𝑌0 :

𝑥𝐼 = 𝑥 − 𝐷𝑠𝑖𝑛θ

𝑦𝐼 = 𝑦 + 𝐷𝑠𝑖𝑛θ Với D là khoảng cách từ tâm vận tốc tức thời đến tâm hai bánh xe

𝐷 =𝐿(𝑣𝑅+𝑣𝐿)

2(𝑣𝑅−𝑣𝐿)

𝑣𝐿,𝑣𝑅 lần lượt là vận tốc của bánh trái và bánh phải của Mobile Platform theo phương trình 𝑋𝐴.

Ta có vận tốc của mobile platform :

{𝑣 =

1

2(𝑣𝑅 + 𝑣𝐿)

𝜔 =𝑣𝑅−𝑣𝐿

𝐿

Ta có phương trình động học của Mobile Platform trong hệ tọa độ O:

[�̇��̇�

�̇�

] = [𝑐𝑜𝑠𝜃 0𝑠𝑖𝑛𝜃 00 1

] [𝑣𝜔

]

Với v là vận tốc dài, 𝜔 là vận tốc góc.

Ta biểu diễn phương trình trên theo vận tốc của hai bánh xe


Nhóm 2 Trang 21

[�̇��̇�

�̇�

] =

[ 1

2𝑐𝑜𝑠𝜃

1

2𝑐𝑜𝑠𝜃

1

2𝑠𝑖𝑛𝜃

1

2𝑠𝑖𝑛𝜃

1

𝐿−

1

𝐿 ]

[𝑣𝑅

𝑣𝐿]

Với L là khoảng cách giữa hai bánh xe.

Tại điểm C(𝑥𝐶 , 𝑦𝐶) tọa độ tracking point, ta có:

{𝑥𝐶 = 𝑥 + 𝑎𝑐𝑜𝑠𝜃𝑦𝐶 = 𝑦 + 𝑎𝑠𝑖𝑛𝜃

Với a là khoảng cách từ tâm hai bánh xe đến điểm tracking point

Phương trình động học tại C:

{

𝑥�̇� = �̇� − 𝑎𝑠𝑖𝑛𝜃 ∗ �̇�

𝑦�̇� = �̇� − 𝑎𝑠𝑖𝑛𝜃 ∗ �̇�

𝜃�̇� = �̇�

Tại điểm P(𝑥𝑃, 𝑦𝑃) – điểm mong muốn của điểm C trên đường line, ta có :

{

𝑥�̇� = 𝑣𝑃𝑐𝑜𝑠𝜃𝑃

𝑦�̇� = 𝑣𝑃𝑠𝑖𝑛𝜃𝑃

𝜔𝑃 = 𝜃�̇�

Ta tìm được phương trình động học cho sự sai lệch giữa vị trí tâm xe và vị trí của điểm mong

muốn trên đường line:

Ta có :

[

𝑥𝑃 − 𝑥𝐶

𝑦𝑃 − 𝑦𝐶

𝜃𝑃 − 𝜃] = [

𝑐𝑜𝑠𝜃 −𝑠𝑖𝑛𝜃 0𝑠𝑖𝑛𝜃 𝑐𝑜𝑠𝜃 00 0 1

] [

𝑒1

𝑒2

𝑒3

]

Với 𝑒1, 𝑒2 , 𝑒3 lần lượt là sai số về vị trí theo tọa độ x, y và góc di chuyển trên hệ trục tọa độ

tương đối gắn với mobile platform của trọng tâm C với điểm mong muốn của nó trên đường line.

Suy ra :

[

𝑒1

𝑒2

𝑒3

] = [𝑐𝑜𝑠𝜃 −𝑠𝑖𝑛𝜃 0𝑠𝑖𝑛𝜃 𝑐𝑜𝑠𝜃 00 0 1

]

−1

∗ [



𝜃𝑃 − 𝜃] = [−

𝑐𝑜𝑠𝜃 𝑠𝑖𝑛𝜃 0𝑠𝑖𝑛𝜃 𝑐𝑜𝑠𝜃 00 0 1

] ∗ [



𝜃𝑃 − 𝜃]

Hay

{

𝑒1 = (𝑥𝑃 − 𝑥𝐶)𝑐𝑜𝑠𝜃 + (𝑦𝑃 − 𝑦𝐶)𝑠𝑖𝑛𝜃

𝑒2 = −(𝑥𝑃 − 𝑥𝐶)𝑠𝑖𝑛𝜃 + (𝑦𝑃 − 𝑦𝐶)𝑐𝑜𝑠𝜃𝑒3 = 𝜃𝑃 − 𝜃

{

𝑒1̇ = (𝑥𝑃 −̇ 𝑥�̇�)𝑐𝑜𝑠𝜃 − (𝑥𝑃 − 𝑥𝐶)𝑠𝑖𝑛𝜃 ∗ �̇� + (𝑦𝑃 −̇ 𝑦�̇�)𝑠𝑖𝑛𝜃 + (𝑦𝑃 − 𝑦𝐶)𝑐𝑜𝑠𝜃 ∗ �̇�

𝑒2̇ = −(𝑥𝑃 −̇ 𝑥�̇�)𝑠𝑖𝑛𝜃 − (𝑥𝑃 − 𝑥𝐶)𝑎𝑐𝑜𝑠𝜃 ∗ �̇� + (𝑦𝑃 −̇ 𝑦�̇�)𝑐𝑜𝑠𝜃 − (𝑦𝑃 − 𝑦𝐶)𝑠𝑖𝑛𝜃 ∗ �̇�

𝑒3̇ = 𝜃�̇� − �̇�

{

𝑒1̇ = 𝑣𝑃(𝑐𝑜𝑠𝜃𝑃𝑐𝑜𝑠𝜃 + 𝑠𝑖𝑛𝜃𝑃𝑠𝑖𝑛𝜃) − (𝑐𝑜𝑠2𝜃 + 𝑠𝑖𝑛2𝜃)𝑣 + (−(𝑥𝑃 − 𝑥𝐶)𝑠𝑖𝑛𝜃 + (𝑦𝑃 − 𝑦𝐶)𝑐𝑜𝑠𝜃)�̇�

𝑒2̇ = 𝑣𝑃(−𝑐𝑜𝑠𝜃𝑃𝑠𝑖𝑛𝜃 + 𝑠𝑖𝑛𝜃𝑃𝑐𝑜𝑠𝜃) − [𝑎𝑐𝑜𝑠2𝜃 + 𝑎𝑠𝑖𝑛2𝜃 + (𝑥𝑃 − 𝑥𝐶)𝑐𝑜𝑠𝜃 + (𝑦𝑃 − 𝑦𝐶)𝑠𝑖𝑛𝜃]�̇�

𝑒3̇ = 𝜃�̇� − �̇�

{𝑒1̇ = 𝑣𝑃𝑐𝑜𝑠(𝜃𝑃 − 𝜃) − 𝑣 + 𝑒2𝜔

𝑒2̇ = 𝑣𝑃𝑠𝑖𝑛(𝜃𝑃 − 𝜃) − (𝑎 + 𝑒1)𝑒3̇ = 𝜔𝑃 − 𝜔

𝜔


Nhóm 2 Trang 22

Vậy :

[𝑒1̇

𝑒2̇

𝑒3̇

] = [

𝑣𝑃𝑐𝑜𝑠𝑒3

𝑣𝑃𝑠𝑖𝑛𝑒3

𝜔𝑃

] + [−1 𝑒2

0 −(𝑎 + 𝑒1)0 −1

] [𝑣𝜔

]

Nhiệm vụ tiếp theo là xác định các sai số trong mô phỏng.

Hình 3.6:Mô hình xác định sai số trong việc mô phỏng

Để xe bám theo được line, công việc đầu tiên là xác định vị trí của xe so với line. Ta đặt hệ toạ độ

như hình vẽ, trong đó M là trung điểm giữa 2 bánh xe, C là trung điểm của dãy sensor. Từ đó ta có sai

số 𝑒 1 bị triệt tiêu nên không cần xét đến. Mục đích của giải thuật điều khiển là làm cho điểm C bám

theo điểm tham chiếu P. Để làm điều đó, ta cần xác định các sai số 𝑒2 và 𝑒3. Trên thực tế, sai số 𝑒2

được đo từ dãy sensor nên ta chỉ cần tính toán sai số 𝑒3 . Để tính sai số này, ta cho xe di chuyển theo

phương trước đó của xe một đoạn 𝑑𝑠 sao cho ds đủ nhỏ để khi nối 2 điểm R và R’ ta được phương

tiếp tuyến với đường cong.

Khi đó ta có công thức xác định 𝑒3:

𝑒3 = 𝑎𝑟𝑐𝑡𝑎𝑛 (𝑒2 − 𝑒2

′

𝑑𝑠)

Ta nhận ra rằng : tại một vị trí đường line, ta sẽ xác định được giá trị góc giữa đường tâm xe so

với trục ngang Ox. Từ mối quan hệ giữa tọa độ tâm hai bánh xe, tọa độ tâm cảm biến và góc giữa

đường tâm xe so với trục ngang ta sẽ xác định được phương trình đường thẳng đi qua các cảm biến –

được dùng trong mô phỏng để xác định sai số 𝑒2.

Dựa theo phần trình bày trên, ta sẽ tìm được các giá trị sai số đưa vào bộ điều khiển.


Nhóm 2 Trang 23

2.2.Mô phỏng matlab

a. Mô phỏng động học

Tiến hành mô phỏng trên Matlab về sự di chuyển của xe trên sa bàn line có sẵn (Hình 1 ) với

các thông số đầu vào của xe như sau:

Hình 3.7: Hình mô tả đường line

Đường kính bánh xe, 2r 65 mm

Khoảng cách 2 bánh xe, b 185 mm

Vận tốc xe, v 340mm/s

Khoảng cách từ tâm sensor đến tâm 2 bánh xe, d 97mm

Khoảng cách 2 sensor ngoài cùng, 𝑑𝑠 75mm

Sử dụng bộ điều khiển được sử dụng phổ biến trong các loại xe bám line

{𝑣 = 𝑣𝑟𝑐𝑜𝑠𝑒3 + 𝑘1𝑒1 𝜔 = 𝑘2𝑣𝑅𝑒2 + 𝜔𝑅 + 𝑘3𝑠𝑖𝑛𝑒3

Ta sử dụng tiêu chuẩn kiểm tra độ ổn định Lyapunov

𝑉 =1

2𝑒1

2 +1

2𝑒2

2 +1 − 𝑐𝑜𝑠𝑒3

𝑘2≥ 0

�̇� = 𝑒1(𝑣𝑅𝑐𝑜𝑠𝑒3 − 𝑣) +𝑠𝑖𝑛𝑒3

𝑘2

(𝑘2𝑣𝑅𝑒2 + 𝜔𝑅 − 𝜔)

Trong đó 𝑘1, 𝑘2, 𝑘3 mang giá trị dương.

Ta có đạo hàm của V luôn âm với dưới tác động của bộ điều khiển. Điều đó có nghĩa là hệ

thống ổn định với bộ điều khiển đã chọn theo tiêu chuẩn Lyapunov và các giá trị sai số 𝑒1, 𝑒2,𝑒3 sẽ

dần về 0 khi 𝑡 → ∞.


Nhóm 2 Trang 24

b. Xác định khoảng cách d phù hợp từ điểm tham chiếu đến cảm biến:

Bảng các thông số đầu vào trong việc xác định d

Đường kính bánh xe, r 65mm

Khoảng cách 2 bánh xe, b 185mm

Vận tốc xe, v 340mm/s

Khoảng cách 2 sensor ngoài cùng, 𝑑𝑠 75mm

Thông số bộ điều khiển K1=1;k2=300;k3=1

Thời gian lấy mẫu, t 0.02s

Thời gian dịch chuyển đoạn nhỏ, ∆𝑡 0.002s

Để thuận tiện cho việc bố trí cảm biến, ta bắt đầu mô phỏng từ khoảng cách 45 mm trở

lên, ứng với bộ điều khiển đã chọn ta chọn d có giá trị sai số max nhỏ nhất, đồng thời phải

không lớn hơn khoảng cách ds và vận tốc động cơ không vượt quá 140 v/ph, đảm bảo xe hoạt

động bám line tốt nhất.


Nhóm 2 Trang 25

Với d = 45mm:

Hình 3.7:Biểu đồ mối quan hệ giữa khoảng cách cảm biến và sai số e với d=45mm.


Nhóm 2 Trang 26

Với d = 50mm :



Nhóm 2 Trang 27

Với d =55mm:



Nhóm 2 Trang 28

Với d = 60mm trở lên:

Hình 3.10:Biểu đồ mối quan hệ giữa khoảng cách cảm biến và sai số e với d>=60 mm.

Theo kết quả mô phỏng có một số khoảng cách d phù hợp với yêu cầu đặt ra

ban đầu với sai số ổn định và xe hoạt động bám hết xa bàn. Từ đó nhóm chọn d = 45 mm.


Nhóm 2 Trang 29

c. Mô phỏng động học robot khi có bộ điều khiển:

Tiến hành mô phỏng trên Matlab về sự di chuyển của xe trên sa bàn line có sẵn

và nhận về sai số khi có bộ điều khiển.

Trên đoạn 1: AB với v = 325 mm/s:

Hình 3.11:Bám line trên đoạn 1

-1500 -1000 -500 0 500 1000 1500

-1000

-500

0

500

1000

0 0.5 1 1.5 2 2.5 3-30

-20

-10

0

10

Time (s)

e2 (

mm

)

0 0.5 1 1.5 2 2.5 3-50

0

50

100

Time (s)

e3 (

deg)


Nhóm 2 Trang 30

Hình 3.12: Vận tốc 2 bánh xe hoạt động trên đoạn 1

0 0.5 1 1.5 2 2.5 30

50

100

150

Time (s)

Wheel V

elo

city (

rpm

)


Nhóm 2 Trang 31

Trên đoạn 2: BCD với v = 340 mm/s:

Hình 3.12: Bám line trên đoạn 2

-1500 -1000 -500 0 500 1000 1500

-1000

-800

-600

-400

-200

0

200

400

600

800

1000

0 1 2 3 4 5 6 7-30

-20

-10

0

10

Time (s)

e2 (

mm

)

0 1 2 3 4 5 6 7-40

-20

0

20

40

Time (s)

e3 (

deg)


Nhóm 2 Trang 32

Hình 3.13:Vận tốc 2 bánh xe hoạt động trên đoạn

0 1 2 3 4 5 6 740

60

80

100

120

140

160

Time (s)

Wheel V

elo

city (

rpm

)


Nhóm 2 Trang 33

Trên đoạn 3: DE với v = 260 mm/s :


-1500 -1000 -500 0 500 1000 1500

-1000

-500

0

500

1000

0 0.5 1 1.5 2 2.5 3 3.5-10

0

10

20

Time (s)

e2 (

mm

)

0 0.5 1 1.5 2 2.5 3 3.5-100

-50

0

50

Time (s)

e3 (

deg)


Nhóm 2 Trang 34


0 0.5 1 1.5 2 2.5 3 3.50

20

40

60

80

100

120

140

Time (s)

Wheel V

elo

city (

rpm

)


Nhóm 2 Trang 35

Trên đoạn 4: EF với v = 260 mm/s:


-1500 -1000 -500 0 500 1000 1500

-1000

-500

0

500

1000

0 0.5 1 1.5 2 2.5 3 3.50

1

2

3

Time (s)

e2 (

mm

)

0 0.5 1 1.5 2 2.5 3 3.5-15

-10

-5

0

5

Time (s)

e3 (

deg)


Nhóm 2 Trang 36


0 0.5 1 1.5 2 2.5 3 3.555

60

65

70

75

80

85

90

95

100

Time (s)

Wheel V

elo

city (

rpm

)


Nhóm 2 Trang 37

Trên đoạn 5: FCG với v = 260 mm/s:


-1500 -1000 -500 0 500 1000 1500

-1000

-800

-600

-400

-200

0

200

400

600

800

1000

0 1 2 3 4 5 6 7 8 9-40

-20

0

20

40

Time (s)

e2 (

mm

)

0 1 2 3 4 5 6 7 8 9-50

0

50

100

Time (s)

e3 (

deg)


Nhóm 2 Trang 38

Hình 3.19:Vận tốc 2 bánh xe hoạt động trên đoạn 5

0 1 2 3 4 5 6 7 8 90

50

100

150

Time (s)

Wheel V

elo

city (

rpm

)


Nhóm 2 Trang 39

Trên đoạn 7: GA với v = 300 mm/s:


-1500 -1000 -500 0 500 1000 1500

-1000

-500

0

500

1000

0 0.5 1 1.5 2 2.5 3 3.5-30

-20

-10

0

Time (s)

e2 (

mm

)

0 0.5 1 1.5 2 2.5 3 3.5-100

-50

0

50

100

Time (s)

e3 (

deg)


Nhóm 2 Trang 40


0 0.5 1 1.5 2 2.5 3 3.5-20

0

20

40

60

80

100

120

140

Time (s)

Wheel V

elo

city (

rpm

)


Nhóm 2 Trang 41

Trên đoạn 8: ACE với v = 260 mm/s:


-1500 -1000 -500 0 500 1000 1500

-1000

-500

0

500

1000

0 2 4 6 8 10 12 14-40

-20

0

20

40

Time (s)

e2 (

mm

)

0 2 4 6 8 10 12 14-100

-50

0

50

100

Time (s)

e3 (

deg)


Nhóm 2 Trang 42

Hình 3.23: Vận tốc 2 bánh xe hoạt động trên đoạn

3. Thiết kế điện:

a. Drivers:

Yêu cầu:

- Điều khiển đúng vận tốc mong muốn.

- Đảm bảo cấp đủ dòng và đủ áp cho động cơ chạy đúng công suất.

- Đáp ứng đúng tần số xung PWM từ Slave.

- Điều khiển động cơ chạy với overshoot và setting time đúng theo mong mốn.

Nhóm lựa chọn drivers L298(số lượng 2)

Thông số drivers:

- Điện áp nuôi và cấp mức logic 2.7-5.5 V DC.

- Điện áp cấp cho motor tối đa:35V

- Dòng ngõ ra liên tục: <= 2A

Điều khiển động cơ: GA25V1

- Điện áp hoạt động: 3-12 V.

- Tốc độ không tải là 320(rpm) (0.08 A)

- Công suất động cơ: 13.2 W.

- Encoder tích sẳn trên động cơ 374 xung một vòng quay.

Mục tiêu: tìm ra quan hệ giữa tốc độ động cơ đâu ra và xung PWM đầu vào là tuyến tính nhất.

Kết quả thực nghiệm thu được với :

- Thời gian lấy mẫu: 0.02 s

- Số lượng mẫu mỗi xung: 200

0 2 4 6 8 10 12 14-20

0

20

40

60

80

100

120

140

160

Time (s)

Wheel V

elo

city (

rpm

)


Nhóm 2 Trang 43

Hình 3.24: Đồ thị đáp ứng tuyến tính của L298-DC1

Hình 3.25: Đồ thị đáp ứng tuyến tính của L298-DC2

0

20

40

60

80

100

120

140

0 50 100 150 200 250

RP

M

PWM

Quan hệ PWM-RPM

0

20

40

60

80

100

120

140

0 50 100 150 200 250

RP

M

PWM

Quan hệ RPM-PWM


Nhóm 2 Trang 44

b. Tìm hàm truyền cho động cơ:

Ta có thể ước tính hàm truyền(đầu vào là xung PWM đầu ra RPM) là khâu quán tính bậc 1:

𝑇𝐹 =𝐾

1 + 𝑇. 𝑠

Từ 2 mẫu dữ liệu thu thập được ( RPM, PWM và Ts=0.01 ). Sử dụng công cụ Identification System

Toolbox, để ước tính hàm truyền và chọn mẫu dữ liệu tốt nhất để thiết kế: DC1 DC2

PWM K T K T

45 2,594 0,49 2,882 0,376

50 2,792 0,366 2,967 0,348

60 2,768 0,270 2,896 0,257

70 2,673 0,212 2,782 0,230

80 2,549 0,197 2,616 0,194

90 2,424 0,169 2,479 0,185

100 2,282 0,152 2,331 0,159

110 2,166 0,134 2,201 0,143

120 2,050 0,134 2,064 0,125

130 1,946 0,120 1,963 0,131

140 1,841 0,104 1,858 0,105

150 1,741 0,106 1,762 0,102

160 1,663 0,092 1,677 0,098

165 1,618 0,085 1,633 0,089

Từ 2 mẫu dữ liệu trên của 2 động cơ nhóm chọn trung bình mẫu ta có:

Đối với DC1 – Drive L298 có Kp = 2,221 và T = 0,178, ta có hàm truyền:

G1(s) =2,221

1 + 0,178s

Đối với DC2 – Drive L298, nhóm chọn các thông số có Kp = 2,293 và T = 0,181, ta có hàm

truyền:

G2(s) =2,293

1 + 0,181s

c. Thiết kế bộ điều khiển:

Yêu cầu:

Thiết kế bộ điều khiển thỏa các yêu cầu:

- Độ vọt lố < 5%

- Thời gian đáp ứng < 0,03(s)

- Sai số xác lập < 2%

Chọn bộ điều khiển: do đầu vào của tín hiệu điều khiển là xung PWM ở dạng xung bước nên ta có

hàm truyền ở dạng Fisrt One Order, có overshoot nhỏ do sai số thực tế nên nhóm quyết định dùng bộ

điều khiển PI:

𝐺𝑃𝐼𝐷 = 𝐾𝑝 +𝐾𝐼

𝑠

Sử dụng simulate của Matlap để ước tính các thông số Kp, Ki, với sô đồ khối:


Nhóm 2 Trang 45

Hình 3.26: Sơ đồ sinmulink.

Đối với DC1 – Driver L298, ta ước tính được Kp, Ki, ứng với PWM = 100:

Với Kp = 5 và Ki = 60

Hình 3.26: Đồ thị đáp ứng vận tốc ứng với PWM=100 .DC#1.

Các thông số đặc tính của hệ:

{

Thời gian đáp ứng: 0,0295(s)Thời gian xác lập: 0,1705(s)

Độ vọt lố ∶ 4,95%


Nhóm 2 Trang 46

Đối với DC2 – Driver L298, ta ước tính được Kp, Ki, ứng với PWM = 100:

Với Kp = 5.2 và Ki = 52

Hình 3.27: Đồ thị đáp ứng vận tốc ứng với PWM=100 DC#2.

Các thông số đặc tính của hệ:

{

Thời gian đáp ứng: 0,029(s)Thời gian xác lập: 0,1562(s)

Độ vọt lố: 3,63%

4. Về cảm biến:

- Chọn loại cảm biến: Phototransitor TCRT5000

- Dòng hoạt động tối đa IC là 100mA, IF là 20mA

- Điện áp hoạt động: 5V

- Công suất tiêu thụ: 20mW

- Khoảng cách từ mặt line đến đỉnh led phát: 2,5mm

- Khoảng cách từ tâm của hai cảm biến: 0,2mm đến 15mm

- Thực hiện các thí nghiệm để tìm ra số lượng cảm biến, khoảng cách từ tâm hai cảm biến,

khoảng cách từ đỉnh cảm biến đến mặt phẳng line.


Nhóm 2 Trang 47

a. Đối với khoảng cách từ cảm biến đến mặt đường line:

Hình 3.28: Sơ đồ cảm biến

Theo datasheet, khoảng cách từ tâm của hai cảm biến từ 0,2mm đến 15mm

Điều kiện kiểm tra thực tế:

- Nền test: là nền trắng và line đen

- Điện áp test: Vcc = 5V

- Dòng IF = 10mA

Kết quả khảo sát thực tế:

Hình 3.29:Quan hệ điện áp-chiều cao cảm biến (line đen: đường đen,line trắng đường lưới).


Nhóm 2 Trang 48

Dựa vào kết quả đo được, ở khoảng cách từ 8 đến 13mm thì ánh sáng bị phản xạ lại nhiều nhất

(Vout nhỏ nhất) đối với nền trắng, nhưng đối line đen thì ánh sáng nằm trong khoảng 8 đến 13mm

điện áp ra đã đáp ứng ngưỡng so sánh.

Vậy chọn h = 10mm để đo các thông số tiếp theo.

b. Đối với khoảng cách từ tâm 2 cảm biến:.

Theo tài liệu [09], với kết quả thực nghiệm và kết luận thì ít nhất phải có 2 senor nằm trong bề

rộng line.

Yêu cầu: Có ít nhất 2 sensor nằm trong line và nhiều nhất là 3 sensor nằm trong line và khoảng

cách giữa 2 cảm biến không trùng lên nhau trong vùng hoạt động của chúng.

Theo tài liệu [20], thì góc chiếu của led phát hồng ngoại là 300 và góc thu của led thu hồng ngoại

là 200.

Điều kiện để hai cảm biến không trùng lên vùng làm việc của nhau là:

l ≥ 2. h. tan(30°) = 2.6. tan(30°) = 6,93mm Với điều kiện ít nhất 2 sensor nằm trong line và nhiều nhất 3 sensor nằm trong line nên 10mm < l

< 13mm. Để đảm bảo nằm hoàn toàn trong line và đủ xa để không ảnh hưởng đến nhau giữa 2 sensor,

nhóm chọn L = 12,5mm.

Thực hiện khảo sát thức tế với L = 12,5mm, xét 3 sensor với line đen có nền trắng, bề rộng line

26mm, với chiều cao h = 10mm.

Led1 Led2 Led3

24 24 25

24 23 27

24 24 42

24 24 72

24 24 101

24 24 122

24 23 146

24 24 161

24 24 173

24 24 186

24 25 196

24 25 202

24 26 207

24 27 210

24 36 213

24 67 216

24 96 219

24 119 220

24 137 221

24 151 220

25 163 217

25 174 209

25 185 195

26 194 173

27 199 141

29 202 106

52 202 69

80 202 37


Nhóm 2 Trang 49

107 200 27

127 197 25

142 192 25

153 184 24

160 174 24

168 162 24

179 147 24

190 126 24

197 99 24

200 70 24

202 39 23

201 28 24

200 26 24

c. Đối với số lượng cảm biến:

Với điều kiện 3 cảm biến nằm trong line, thì robot dò line ít nhất phải dùng 5 sensor và được đặt

dọc. Nhóm chọn 7 sensor.

Kết quả thực nghiệm với chiều cao h = 10mm, khoảng cách L = 12.5mm, số lượng sensor là 7,

với bề rộng line 26mm

Hình 3.30: Đồ thị mức áp trước khi calib


Nhóm 2 Trang 50

Mạch cảm biến:

Hình 3.31: Mạch cảm biến

Hình 3.32: Mạch in cảm biến

d. Calip cảm biến:

Vì giá trị analog trả về của các cảm biến là khác nhau cho dù trong cùng điều kiện, vì vậy cần

phải calip cảm biến theo công thức sau:

yji = ymin +ymax − ymin

xmaxi − xmini(xji − xmini)

Trong đó:

- xmaxi, xmini là giá trị lớn nhất và nhỏ nhất của cảm biến thứ i ứng với khi cảm biến nằm hoàn

toàn trên nền đen và trên nền trắng.

- ymax, ymin là giá trị lớn nhất và nhỏ nhất mà ta mong muốn giá trị cảm biến trả về nằm trong

khoảng đó.

- xij là giá trị thứ j của cảm biến thứ i.

- yji là giá trị thứ j của cảm biến thứ i sau khi đã calib.

Chọn ymax = 255, ymin = 0


Nhóm 2 Trang 51

Hình 3.33: Đồ thị mức áp sau calip

5. Mạch nguồn:

Gồm 1 bộ 4 pin sạc 4.1V,2600mA,có hai mạch ổn áp 12V cấp cho động cơ và driver,một

mạch ổn áp 3,3V cấp nguồn nuôi cho Encoder,nguồn cảm biến được cấp từ driver L298.

Thiết bị Số lượng Dòng Tổng cộng

Động cơ 2 0,6A 1,2A

Cảm biến 7 0,01A 0,07A

L298 2 2A 4A

Pic18F4550 1 0,025A 0,025A

Tổng 5,3A

Chọn 4 pin sạc 18650 Panasonic 3,7V 3700mA và hai mạch giảm áp DC LM2596 để ổn áp

12V và 5V

Thông só kỹ thuật:

- Điện áp đầu vào:3-40VDC

- Điện áp đầu ra:điểu chỉnh được

trong khoảng 1,5-35VDC.

- Dòng đáp ứng tối đa:3A.

- Hiệu suất:92%.

- Công suất:15W.

Hình 3.34:Mạch giảm áp DC LM2596 3A


Nhóm 2 Trang 52

6. Sơ đồ mạch điện của hệ thống:

Hình 3.35: Sơ đồ mạch nguồn của hệ thống.


Nhóm 2 Trang 53

CHƯƠNG IV: GIẢI THUẬT ĐIỀU KHIỂN.

1. Chương trình điều khiển chính:


Nhóm 2 Trang 54

2. Chương trình con cho xe di chuyển:


Nhóm 2 Trang 55

Qua quá trình thử nghiệm, chúng tôi có được bảng vận tốc 2 động cơ (tính theo

% duty cycle)

Trường hợp Giá trị đọc Động cơ trái Động cơ phải

1 1000000 86% 35%

2 1100000 87% 40%

3 1110000 85% 40%

4 0110000 81% 40%

5 0111000 85% 48%

6 0011000 85% 48%

7 0011100 97% 96%

8 0001100 55% 85%

9 0001110 53% 85%

10 0000110 42% 87%

11 0000111 39% 89%

12 0000011 38% 91%

13 0000001 36% 94%

14

1111000

0001111

0011110

0111100

98%

99%


Nhóm 2 Trang 56

CHƯƠNG V: MÔ HÌNH THỰC NGHIỆM.

Hình 5.1. Mô hình 3D

Hình 5.2. Mô hình thực tế


Nhóm 2 Trang 57

Hinh 5.3. Thực nghiệm xe chạy


Nhóm 2 Trang 58

∎ Tài Liệu Tham Khảo

[2]. Honeywell Infrared Sensors Line Guide

[3]. An Intelligent Line-Following Robot Project for Introductory Robot Courses

[4]. Mechatronics System Design through Project

[5]. Analysis of Line Sensor Configuration for the Advanced Line Follower Robot

[6]. http://thegioimoto.net/thu-thuat-ky-thuat-lai-va-om-cua-an-toan/

GVHD : PGS.TS NGUYỄN DUY ANH SVTH MSSV 1. HỒ VĂN ...

Documents

Transcript of GVHD : PGS.TS NGUYỄN DUY ANH SVTH MSSV 1. HỒ VĂN ...