ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP.HCM
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA
KHOA ĐIỆN – ĐIỆN TỬ
BỘ MÔN KỸ THUẬT ĐIỆN
oOo

LUẬN VĂN TỐT NGHIỆP ĐẠI HỌC THIẾT KẾ ROBOT TỰ HÀNH
VỚI HỆ ĐIỀU HÀNH NHÚNG LINUX
GVHD : TS. TRỊNH HOÀNG HƠN
SVTH : PHẠM MINH TUẤN
LỚP : DD05KTD04
MSSV : 40503344 TP. HỒ CHÍ MINH, THÁNG 01/2011
BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO

3) _______________________________ _________________________

Nội dung và yêu cầu luận án tốt nghiệp đã được thông qua bộ môn
Ngày ____ tháng ____ năm ______
CHỦ NHIỆM BỘ MÔN NGƯỜI HƯỚNG DẪN CHÍNH
(Ký và ghi rõ họ tên) (Ký và ghi rõ họ tên)
PHẦN DÀNH CHO KHOA BỘ MÔN
Người duyệt (chấm sơ bộ): ___________________________
Đơn vị: __________________________________________
Ngày bảo vệ: ______________________________________
Điểm tổng kết: ____________________________________
Nơi lưu trữ luận án: ________________________________
TRƯỜNG ĐH BÁCH KHOA
KHOA ĐIỆN – ĐIỆN TỬ CỘNG HÒA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM
Độc lập – Tự do – Hạnh phúc

Ngày ____ tháng ____ năm _____

PHIẾU CHẤM BẢO VỆ LVTN
(Dành cho người hướng dẫn)

1. Họ và tên SV: ___________________________________________________
MSSV: _______________ Chuyên ngành: _____________________________
2. Đề tài: _________________________________________________________


TRƯỜNG ĐH BÁCH KHOA
KHOA ĐIỆN – ĐIỆN TỬ CỘNG HÒA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM
Độc lập – Tự do – Hạnh phúc

Ngày ____ tháng ____ năm _____

PHIẾU CHẤM BẢO VỆ LVTN
(Dành cho người phản biện)

11. Họ và tên SV: ___________________________________________________
MSSV: _______________ Chuyên ngành: _____________________________
12. Đề tài: _________________________________________________________
13. Họ tên người hướng dẫn: ___________________________________________
14. Tổng quát về bảng thuyết minh: _____________________________________
Số trang: ________ Số chương: ________
Số bảng số liệu: ________ Số hình vẽ: ________
Số tài liệu tham khảo:________ Phần mềm tính toán:________
Hiện vật (sản phẩm): ________________
15. Tổng quát về các bản vẽ:
 Số bản vẽ: Bản A1: ____ Bản A2: ____ Khổ khác: __________
 Số bản vẽ tay: ______ Số bản vẽ trên máy tính: ______
16. Những ưu điểm chính của LVTN:
_________________________________________________________________
_________________________________________________________________
_________________________________________________________________
_______________________________________________________________

đại học.
Tôi xin cảm ơn tất cả bạn bè đã là nguồn động viên, góp ý, giúp đỡ tôi rất
nhiều trong quá trình học tập và thực hiện luận văn.
Tôi xin cảm ơn tất cả. TP. Hồ Chí Minh, tháng 1 năm 2011
Phạm Minh Tuấn.

TÓM TẮT LUẬN VĂN Nhiệm vụ của đề tài là thiết kế một robot tự hành với bộ điều khiển dựa
trên hệ điều hành Linux nhúng.

Đề tài được thực hiện như sau:
 Tìm hiểu các thành phần của một robot tự hành, bao gồm cả về phần cứng
và phần mềm. Phân tích giải pháp sử dụng hệ thống nhúng với hệ điều hành
Embedded Linux vào điều khiển Robot.
 Tìm hiểu và lựa chọn để thi công một mô hình cơ khí robot tự hành: mô
hình Robot tự hành với 3 bánh xe Omni-Directional.
 Tìm hiểu mạch Micro2440, bao gồm tìm hiểu phần cứng mạch, hệ điều
hành Linux nhúng và phần mềm chạy trên mạch. Viết ứng dụng điều khiển mô
hình robot tự hành đã thiết kế, ứng dụng xử lý ảnh - thị giác máy tính.
 Tìm giải pháp thay thế mạch Micro2440 dùng các họ vi xử lý:
o Tìm hiểu và lựa chọn vi xử lý thích hợp: AT91SAM9260.
o Thiết kế phần cứng mạch.

1.3.1 Nhiệm vụ được giao ………………………………………………… 5
1.3.2 Xác định nhiệm vụ cụ thể ……………………… …………………. 5
CHƯƠNG 2: Sơ đồ khối Robot tự hành …… ………………………………… 7
2.1. Phân tích sơ đồ khối một robot tự hành …………………………………… 7
2.2. Thiết kế mô hình robot tự hành …………………………………………… 8
CHƯƠNG 3: Xây dựng mô hình cơ khí robot ………………………………… 9
3.1 Sơ lược về các phương pháp di chuyển của robot tự hành ………………… 9
3.2 Mô hình robot với 3 bánh xe Omni ……………………………………… 10
3.3 Phân tích chuyển động của robot ………………………………………… 11
3.4 Thực hiện mô hình cơ khí robot …………………………………………… 13
CHƯƠNG 4: Mạch công suất động cơ ………………………………………… 16
4.1 Nhiệm vụ và yêu cầu của mạch công suất động cơ ……………………… 16
4.2 Tiếp cận lý thuyết ………………………………………………………… 16
4.2.1 Phương pháp điều chế độ rộng xung PWM …………………………. 16
4.2.2 Mạch cầu H ………………………………………………………… 17
4.2.3 IC công suất L298 …………………………………………………… 18
4.3 Thực hiện mạch công suất động cơ ……………………………………… 19
4.3.1 Sơ đồ nguyên lý …………………………………………………… 19
4.3.2 Giải thích hoạt động …………………………………………………. 20
4.3.3 Một số hình ảnh thực tế mạch công suất động cơ …………………… 20
CHƯƠNG 5: Mạch Micro2440 ………………………………………………… 23
5.1 Tổng quan về mạch nhúng Micro2440 ………………………………… 23
5.2 Kiến trúc phần cứng mạch Micro2440 …………………………………… 24
5.2.1 Vi xử lý S3C2550A …………………………….…………………… 20
5.2.2 Core board ………………………………………………………… 26
5.2.3 SDK board ………………………………………………………… 28
5.3 Hệ điều hành Embedded Linux trên Micro2440 ………………………… 29

7.4 Thi công thực tế ……………………………………………………………. 61
CHƯƠNG 8: Embedded Linux trên AT91SAM9260-SMISY …………………. 64
8.1 Quá trình boot Linux trên board AT91SAM9260-SMISY ……………… 64
8.1.1 Quá trình khởi động của vi xử lý AT91SAM9260 ………………… 64
8.1.2 Quá trình boot Linux trên board AT91SAM9260-SMISY …………. 66
8.2 Thực hiện port Linux trên board AT91SAM9260-SMISY ……………… 68
8.2.1 Các công cụ cần thiết …………………………………… ………… 68
8.2.2 AT91BootStrap ……………………………………………………… 69
8.2.3 U-boot ……………………………………………………………… 71
8.2.4 Linux Kernel Image …………………………………………………. 72
8.2.5 Root File System …………………………………………………… 73
8.2.6 Port Linux lên board AT91SAM9260-SMISY ……………………… 73
8.2.7 Thiết lập tham số khởi động Linux trên AT91SAM9260-SMISY … 74
8.3 Chương trình ứng dụng điều khiển Robot ……………… ……………… 75
CHƯƠNG 9: Các kết quả đạt được - hạn chế - hướng phát triển đề tài ……… 76
9.1 Các kết quả đạt được và hạn chế ……… ……………… ……………… 76
9.2 Hướng khắc phục các hạn chế và phát triển đề tài ………………………… 79

CHƯƠNG 10: Tài liệu tham khảo ………………………… ………………… 80
Luận án tốt nghiệp Chương 1: Tổng quan về đề tài
SV: PHẠM MINH TUẤN – ĐH BÁCH KHOA TP.HCM 1
CHƯƠNG 1
Tổng quan về đề tài

1.1 Đặt vấn đề:
Cùng với công cuộc công nghiệp hóa – hiện đại hóa đất nước, lĩnh vực tự động
hóa có những bước tiến vượt bậc và trở thành yếu tố quan trọng không thể thiếu của
nền công nghiệp hiện đại. Khi nói đến tự động hóa là nói đến sự thay thế dần dần đến
hoàn toàn các hoạt động chân tay bằng máy móc, trong đó Robot tự hành là một phần
quan trọng không thể thiếu. Ngày nay Robot tự hành ngày càng được hoàn thiện và

robot tự hành, như chi phí chế tạo cao, đã không cho phép chúng được sử dụng rộng
rãi. Một nhược điểm khác của robot tự hành phải kể đến là còn thiếu tính linh hoạt và
thích ứng khi làm việc ở những vị trí khác nhau. Bài toán điều khiển dẫn đường cho
robot tự hành cũng không phải là bài toán đơn giản.
Luận án tốt nghiệp Chương 1: Tổng quan về đề tài
SV: PHẠM MINH TUẤN – ĐH BÁCH KHOA TP.HCM 2
Trong luận án tốt nghiệp này, giải pháp điều khiển dẫn đường cho robot tự hành
sẽ được giải quyết ở mức độ không quá phức tạp.

a) b)

c) d)

e) f)
Hình 1.1 – Một số hình ảnh về robot tự hành.
a) Robot Spirit của NASA thám hiểm sao Hỏa – b) Robot AQUA hoạt động dưới nước
c) Robot SRR và FIDO của NASA - d) Spiderbot di chuyển bằng chân trên sao Hỏa
e) Robot nghiên cứu vùng cực Bắc – f) iRobot Roomba hút bụi
Luận án tốt nghiệp Chương 1: Tổng quan về đề tài
SV: PHẠM MINH TUẤN – ĐH BÁCH KHOA TP.HCM 3
1.2.2 Hệ thống nhúng:
Hệ thống nhúng (Embedded system) là một thuật ngữ để chỉ một hệ thống có khả
năng tự trị được nhúng vào trong một môi trường hay một hệ thống mẹ. Đó là các hệ
thống tích hợp cả phần cứng và phần mềm phục vụ các bài toán chuyên dụng trong
nhiều lĩnh vực công nghiệp, tự động hoá điều khiển, quan trắc và truyền tin. Đặc điểm
của các hệ thống nhúng là hoạt động ổn định và có tính năng tự động hoá cao.
Hệ thống nhúng thường được thiết kế để thực hiện một chức năng chuyên biệt
nào đó. Khác với các máy tính đa chức năng, chẳng hạn như máy tính cá nhân, một hệ
thống nhúng chỉ thực hiện một hoặc một vài chức năng nhất định, thường đi kèm với
những yêu cầu cụ thể và bao gồm một số thiết bị máy móc và phần cứng chuyên dụng

hạn chế.
• Khả năng làm việc ổn định và bền bỉ.
Ứng dụng hệ thống nhúng vào điều khiển robot tự hành có những ưu điểm hơn
hẳn so với dùng máy tính đa chức năng:
Luận án tốt nghiệp Chương 1: Tổng quan về đề tài
SV: PHẠM MINH TUẤN – ĐH BÁCH KHOA TP.HCM 4
• Khả năng tùy biến phần cứng để đáp ứng đầy đủ các tính năng cần thiết.
• Giảm kích thước cả về phần cứng và phần mềm, giảm tiêu tốn năng lượng.
• Giảm chi phí vì có thể tối ưu và đơn giản hóa các phần không cần thiết.
• Làm việc ổn định và bền bỉ.

1.2.3 Hệ điều hành nhúng:
Hệ điều hành là một chương trình chạy trên máy tính, dùng để quản lý các thiết
bị phần cứng và các tài nguyên phần mềm trên máy tính. Hệ điều hành đóng vai trò
trung gian giữa người sử dụng và phần cứng máy tính, cung cấp các môi trường cho
phép người sử dụng phát triển và thực hiện các ứng dụng của họ một cách dễ dàng.
Các hệ điều hành chạy trên hệ thống nhúng gọi là Hệ điều hành nhúng. Hệ điều
hành nhúng cũng khá tương tự với hệ điều hành chạy trên các máy tính đa chức năng,
nhưng thường giảm bớt các chức năng về giao diện đồ họa.
Xu hướng phát triển của các hệ thống nhúng trên thế giới hiện nay là phần mềm
ngày càng chiếm tỷ trọng cao và đã trở thành một thành phần quan trọng cấu tạo nên
hệ thống. Các hệ thống nhúng ngày càng có nhiều chức năng tiện dụng và thông minh
hơn. Các chức năng này phần lớn do các phần mềm nhúng tạo nên. Phần mềm nhúng
hiện đang là một lĩnh vực công nghệ then chốt cho sự phát triển kinh tế của nhiều quốc
gia trên thế giới như Mỹ, Nhật Bản, Hàn Quốc, Phần Lan, Trung Quốc… Những quốc
gia này đều đã thành lập nhiều viện nghiên cứu và trung tâm phát triển các hệ thống
nhúng.
Ngày nay, khi mà những phần mềm nhúng đang trở nên phức tạp hơn thì việc
phát triển các sản phẩm phần mềm nhúng đơn lẻ đã không còn phù hợp. Để hiện thực
được những ứng dụng nhúng phức tạp phải cần đến các hệ điều hành nhúng nhỏ gọn


1.3 Nhiệm vụ cụ thể và mục tiêu của luận văn:
1.3.1 Nhiệm vụ được giao:
Tên của đề tài: “THIẾT KẾ ROBOT TỰ HÀNH VỚI HỆ ĐIỀU HÀNH
NHÚNG LINUX”.
Nhiệm vụ được giao:
1. Phân tích tìm hiểu và chọn mô hình kết cấu cơ khí của robot tự hành (15%)
2. Tìm hiểu mạch Micro2440 (30%)
3. Vài ứng dụng demo bao gồm tự hành và điều khiển bằng tay (15%)
4. Tìm hiểu giải pháp thay thế mạch Micro-2440 bằng các họ vi xử lý (40%)
a) Tìm hiểu họ vi xử lý thích hợp (10%)
b) Thiết kế phần cứng tương thích (20%)
c) Minh họa vài demo điều khiển (10%)
1.3.2 Xác định nhiệm vụ cụ thể:
Nhiệm vụ cụ thể của đề tài được xác định như sau:
o Tìm hiều sơ đồ khối của robot tự hành.
o Tìm hiều, lựa chọn và thi công mô hình cơ khí.
o Tìm hiểu mạch Micro2440 và hệ điều hành nhúng Linux trên mạch.
o Viết chương trình ứng dụng làm nổi bật ý nghĩa của một hệ thống nhúng
với một hệ điều hành nhúng.
o Tìm giải pháp thay thế cho mạch Micro-2440:
• Tìm hiểu họ vi xử lý thích hợp.
• Thiết kề phần cứng tương thích.
• Viết chương trình điều khiển.
Mục tiêu của đề tài:
o Làm rõ các khái niệm về hệ thống nhúng, máy tính nhúng, hệ điều hành
nhúng, và ý nghĩa của chúng.
o Làm rõ nguyên lý của một máy tính nhúng, tiến đến xây dựng một máy
tính nhúng vào các mục đích điều khiển robot hiện đại.
Luận án tốt nghiệp Chương 1: Tổng quan về đề tài

mình, thường là acquy hay pin năng lượng mặt trời.
Tất cả các khối trên được đặt trên một khung sườn cơ khí. Kết cấu cơ khí cũng
làm lớp vỏ bảo vệ các khối bên trong. Đồng thời, kết cấu cơ khí cũng bao gồm các chi
tiết vận động cho robot (bánh, xích, chân để di chuyển; cánh tay thao tác…)

Cảm
biến
Mạch
cảm biến
CPU
Phần mềm
điều khiển
Khối
công
suất
Các
cơ
cấu
chấp
hành

Nguồn cung cấp
K
ế
t c
ấ
u cơ khí

Luận án tốt nghiệp Chương 2: Sơ đồ khối Robot tự hành
SV: PHẠM MINH TUẤN – ĐH BÁCH KHOA TP.HCM 8

nDriver
board
Các
động
cơ
DC
Acquy
K
ế
t c
ấ
u cơ khí

Luận án tốt nghiệp Chương 3: Xây dựng mô hình cơ khí Robot
SV: PHẠM MINH TUẤN – ĐH BÁCH KHOA TP.HCM 9
CHƯƠNG 3
Xây dựng mô hình cơ khí robot

3.1 Sơ lược về các phương pháp di chuyển của robot tự hành:
Theo phương pháp chuyển động trên mặt đất, ta chia Robot tự hành thành 2 lớp:
chuyển động bằng chân (legged) và bằng bánh (wheeled).
Trong lớp đầu tiên, chuyển động có được nhờ các chân cơ khí bắt chước chuyển
động của con người và động vật. Robot loại này có thể di chuyển rất tốt trên các định
hình lồi lõm, phức tạp. Tuy nhiên, cách phối hợp các chân cũng như vấn đề giữ thăng
bằng là công việc cực kỳ khó khăn.

a) b)

Hình 3.3 – Bánh xe omni.
- Mô hình robot với 3 bánh xe omni:
Robot tự hành với bánh xe omni có ưu điểm hơn hẳn so với robot sử dụng bánh
xe thông thường. Nhờ khả năng di chuyển được trên cả 2 phương vuông góc của bánh
xe omni, robot có thể di chuyển linh hoạt theo nhiều hướng, quay tại chỗ, vừa di
chuyển vừa quay… dễ dàng di chuyển ở những nơi chật hẹp.
3 bánh xe omni được bố trí trên trục lệch nhau góc 120
o
, mỗi bánh xe được dẫn
động bằng một động cơ độc lập. Bằng việc điều khiển vận tốc và chiều quay độc lập
cho 3 bánh xe, ta có thể điều khiển robot quay và di chuyển theo bất cứ phương nào
trong mặt phẳng.

Hình 3.4 – Robot với 3 bánh omni.
Vì sao sử dụng 3 bánh? Vì 3 bánh là tối thiểu để robot thăng bằng trên mặt phẳng
một cách dễ dàng. 3 bánh, với 3 điểm tiếp xúc cũng xác định một mặt phẳng, việc thi
công cơ khí với 3 bánh xe sẽ dễ dàng hơn so với nhiều bánh xe.

Luận án tốt nghiệp Chương 3: Xây dựng mô hình cơ khí Robot
SV: PHẠM MINH TUẤN – ĐH BÁCH KHOA TP.HCM 11
Di chuyển của robot là sự tổng hợp chiều quay và vận tốc quay của 3 bánh omni:

a) b) c) d)
Hình 3.5 – Sự di chuyển của robot.
a) đi thẳng – b) xoay tại chỗ - c) đi chéo – d) đi theo cung tròn
Hình trên mô tả 4 trường hợp di chuyển của robot, trong đó:
o Vector vận tốc lăn của bánh xe omni: màu xanh lá.
o Vector vận tốc di chuyển của robot (tổng hợp của 3 vector xanh lá): màu trắng.
o Vector vận tốc trượt ngang (lăn trên bánh vệ tinh) của bánh xe omni: màu vàng.
o Vector vận tốc di chuyển của bánh xe omni (tổng hợp của chuyển động quay và

Luận án tốt nghiệp Chương 3: Xây dựng mô hình cơ khí Robot
SV: PHẠM MINH TUẤN – ĐH BÁCH KHOA TP.HCM 12

Hình 3.6 – Chuyển động tịnh tiến.
Để đạt vận tốc
t
F

mong muốn, ta cần tìm
; ;
tB
tA tC
F F F
  
.
; ;
tB
tA tC
F F F
  
chính là hình chiếu của
t
F

trên phương lăn (phương vuông góc với
trục trong mặt phẳng chuyển động) của bánh xe omni (xem hình 2.3-4).
o
. os(150 );
tA t
F F c

q
/3 lên 3 động cơ.
- Tổng hợp chuyển động:
Chuyển động của robot là sự tổng hợp của F
t
và F
q
.
Để đạt chuyển động này, ta tính F
tA
, F
tB
, F
tC
, F
qA
, F
qB
, F
qC
như trên. Sau đó, vận
tốc cần đặt lên 3 động cơ A, B, C:
F
A
= F
tA
+ F
qA
; F
B

Các hình trên là các hình thiết kế sơ bộ trên phần mềm thiết kế cơ khí Solidworks
2009. Sau đây là một số hình ảnh thực tế kết cấu cơ khí mô hình robot tự hành đã thi
công:

a)
Luận án tốt nghiệp Chương 3: Xây dựng mô hình cơ khí Robot
SV: PHẠM MINH TUẤN – ĐH BÁCH KHOA TP.HCM 15

b)

c)
Hình 3.12 – Hình ảnh thực tế kết cấu cơ khí mô hình robot tự hành
a) Nhìn từ phía trên – b) Nhìn từ mặt dưới – c) Nhìn nghiêng
Luận án tốt nghiệp Chương 4: Mạch công suất động cơ
SV: PHẠM MINH TUẤN – ĐH BÁCH KHOA TP.HCM 16
CHƯƠNG 4
Mạch công suất động cơ
4.1 Nhiệm vụ và yêu cầu của mạch công suất động cơ:
- Nhiệm vụ:
Mạch điều khiển có nhiệm vụ tính toán và đưa ra tín hiệu điều khiển 3 động cơ
để điều khiển robot di chuyển theo ý muốn. Nhưng tín hiệu từ mạch điều khiển không
đủ công suất để điều khiển trực tiếp động cơ. Vì vậy cần có mạch công suất với nhiệm
vụ nhận tín hiệu điều khiển từ mạch điều khiển và cấp công suất cần thiết để lái động
cơ chạy theo tín hiệu điều khiển đó.
- Yêu cầu :
Trong đề tài này, robot vận hành với 3 động cơ DC 12V – 10W. Vì vậy mạch
công suất động cơ cần đáp ứng các yêu cầu:
o Điện áp hoạt động: 12V.
o Điều khiển vận tốc và đảo chiều cho 3 động cơ DC độc lập.
o Công suất mỗi kênh điều khiển: 10W.