Khóa luận tốt nghiệp

ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI
TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ

Bạch Hoàng Giang XÂY DỰNG ROBOT DI ĐỘNG TRÁNH VẬT CẢN
DỰA TRÊN CÁC SENSOR SIÊU ÂM VÀ
SENSOR ĐỊA BÀN

KHOÁ LUẬN TỐT NGHIỆP ĐẠI HỌC HỆ CHÍNH QUY
Ngành: Điện tử - Viễn thông
Cán bộ hướng dẫn: TS. Trần Quang Vinh
Đồng hướng dẫn: CN. Phạm Duy Hưng


BẠCH HOÀNG GIANG K46ĐC
2


Khóa luận tốt nghiệp

TÓM TẮT NỘI DUNG

Khóa luận này tập trung nghiên cứu các vấn đề liên quan đến xây dựng
một robot di động tránh vật cản dựa trên các sensor siêu âm và sensor địa
bàn.Trên cơ sở đó thực hiện nhiệm vụ chính là xây dựng một robot di động giải
quyết 3 bài toán điều khiển cơ bản. Robot được xây dựng trong khóa luận này
sử dụng vi điều khiển Basic Stamp 2sx, với một hệ sensor bao gồm: Sensor
siêu âm và sensor địa bàn. Robot sử dụng motor một chiều được điều khiển
thông qua mạch công suất.

cách thời gian truyền song………………………………………………8
2.2.2. Sensor phát hiện vật thể gần…………………………….10
2.2.2.1. Sensor siêu âm……………………………………… 10
Chương 3: Cơ cấu chuyển động trong robot di động………………12
3.1. Phân loại motor điện………………………………………12
3.1.1. Motor một chiều……………………………………… 12
3.1.2. Motor bước…………………………………………… 12
3.2. Các đặc tính của motor……………………………………13
3.2.1. Điện áp sử dụng và dòng tiêu thụ của motor………… 13
3.2.2. Tốc độ cực đạ
i của motor…………………… ………13

BẠCH HOÀNG GIANG K46ĐC
4


Khóa luận tốt nghiệp
3.2.3. Lực xoắn củamotor……………………………………13
3.3. Điều khiển chuyển động của motor …………………….14
3.3.1. Điều khiển motor DC………………………………….14
3.3.2. Điều khiển motor bước…………………………………15
Chương 4: Khảo sát một số loại sensor sử dụng trong robot di
động………………………………………………………………… 16
4.1. Sensor hồng ngoại……………………………………… 16
4.1.1. Sensor hồng ngoại sử dụng phát hiện màu đen trắng… 16
4.1.2. Nghiên cứu các sensor hồng ngoại có mặt trên thị trường
tích hợp cả bộ thu và phát trên cùng một vỏ………………………… 17
4.2. Sensor siêu âm……………………………………………18
4.2.1. Sensor siêu âm MUST01d…………………………… 18
4.2.2. Sensor siêu âm Devantech SRF04…… ………………20
BẠCH HOÀNG GIANG K46ĐC
6


Khóa luận tốt nghiệp

GIỚI THIỆU

Ngành khoa học công nghệ mới, tạo ra các sản phẩm robot và nghiên
cứu ứng dụng chính hình thành trong những thập kỷ gần đây được gọi là

BẠCH HOÀNG GIANG K46ĐC
7


Khóa luận tốt nghiệp PHẦN MỘT

TỔNG QUAN MỘT SỐ VẤN ĐỂ
LIÊN QUAN ĐẾN
XÂY DỰNGMỘT ROBOT DI ĐỘNG
TỰ ĐỘNG TRÁNH VẬT
hiện các cánh tay thuỷ lực và điện từ. Cũng trong những năm này, George
C.Devol đã thiết kế một thiết bị có tên là thiết bị vận chuyền có khớp nối được
lập trình (programmed artculated transfer device). Đây là một cánh tay máy mà
hoạt động của nó có thể được lậ
p trình thực hiện một chuỗi các bước chuyển
động được xác định trong các câu lệnh trong chương trình. Phát triển xa hơn ý
tưởng trên, Devol và Joseph F.Engelberger đã dẫn đường cho các robot công
nghiệp đầu tiên được giới thiệu năm 1959 ở công ty Unimation. Thiết bị này sử
dụng máy tính liên kết với tay máy nhằm dạy cho nó thực hiện các công việc
khác nhau một cách tự động .

Khi robot được lập trình đã tạo một sự kỳ lạ và tạo ra sứ
c mạnh trong
sản xuất, vào năm 1960 như một sự tất yếu, sự linh hoạt của hệ thống robot
được nâng cao đáng kể thông qua hệ thống phản hồi từ các sensor. Tiếp đó
BẠCH HOÀNG GIANG K46ĐC
9


Khóa luận tốt nghiệp
H.A.Ernst đã công bố sự ra đời và phát triển của bàn tay cơ khí được điều khiển
bằng máy tính sử dụng các sensor xúc giác. Đây là sự xuất hiện đầu tiên về
robot có khả năng thích ứng với môi trường.
Vào cuối những năm 1960, Mc Carthy cùng bạn đồng nghiệp đã công bố
sự phát triển của máy tính cùng với camera vô tuyến và microphone. Năm 1968
Pieper đã nghiên cứu những vấn đề động học trong điề
u khiền robot bằng máy
tính, trong khi đó năm 1971 Kanh và Roth đã phân tích về động lực học và giới
hạn điều khiển tay máy.
Trong suốt những năm 1970, một số lượng lớn các công trình nghiên


Khóa luận tốt nghiệp
- Chương trình có thể thay đổi được thông qua các panel điều khiển
hoặc thông qua máy tính.
Các robot thế hệ này sử dụng cơ cấu điều khiển servo vòng hở (open-
loop nonservo controlled system ). Đây là hệ thống không sử dụng thông tin
phản hồi từ môi trường về để điều khiển robot.
Thế hệ thứ hai: Robot được trang bị các sensor cho phép robot giao tiếp
với môi trường bên ngoài. Các thiết bị này thực chất là các bộ biến đổi n
ăng
lượng. Nó chuyển các đại lượng không điện thành đại lượng điện mà qua đó bộ
điều khiển robot có thể biết được trạng thái của môi trường xung quanh nó.
Nhờ các sensor này robot có thể chọn các phương án khác nhau một cách linh
hoạt nhằm thích nghi với môi trường bên ngoài. Dạng robot với trình độ điều
khiển này còn được gọi là robot điều khiển thích nghi cấp thấp. Đây gọi là cơ
cấu
điều khiển servo vòng kín (closed-loop servo controller system).
Thế hệ thứ ba: các bộ điều khiển logic khả trình PLC (Programmable
Logic Controller) được sử dụng trong robot với nhiều chức năng chuyên biệt .
Thế hệ thứ bốn: Khác với PLC bị giới hạn trong chương trình của chúng,
thế hệ robot này sử dụng các máy tính được trang bị các ngôn ngữ lập trình đặc
biệt hoặc ngôn ngữ chuẩn như Basic, C, C++ , để tạo ra nhiều ứng dụ
ng
CAD/CAM và CIM hoặc chương trình không trực tuyến.
Thế hệ thứ năm: Các bộ điều khiển của robot sử dụng trí tuệ nhân tạo
(artificial intelligence). Robot được trang bị các kỹ thuật như nhận dạng tiếng
nói, hình ảnh, xác định khoảng cách, cảm nhận đối tượng tiếp xúc (da nhân tạo)
để xử lý, ra những quyết định hợp lý. Ngoài ra robot được trang bị mạng
Neuron giúp nó có khả năng tự học, tự
xây dựng kiến thức .


BẠCH HOÀNG GIANG K46ĐC
12


Khóa luận tốt nghiệp
CHƯƠNG 2
HỆ SENSOR TRONG ROBOT
Khi được trang bị một hệ thống sensor robot sẽ có khả năng thích ứng
với sự thay đổi của môt trường xung quanh. Đây cũng là một chỉ tiêu quan
trọng để đánh giá một robot có thông minh hay không. Các sensor đều là bộ
biến đổi năng lượng, nó biến năng lượng từ dạng này sang dạng khác, thường
là biến đổi tín hiệu từ các đại lượng không điện thành các đại lượ
ng điện. Tín
hiệu này được phản hồi về bộ điều khiển, thông qua nó bộ điều khiển có các

Khóa luận tốt nghiệp
2.2.1 Sensor xác định khoảng cách (Range sensor)
Đây là loại sensor được sử dụng giúp robot có thể ước lượng khoảng
cách từ vị trí đặt sensor (nằm trên robot ) tới đối tượng. Có nhiều cách xác định
khoảng cách tới đối tượng. Sau đây trình bày hai cách xác định thông dụng
nhất đó là:
2.2.1.1 Phương pháp xác định khoảng cách bằng lượng giác
Phương pháp này sử dụng một nguồn phát sáng phát ra một chùm tia
hẹp tới đập vào bề mặt vật thể. Do ph
ản xạ, tia sáng chuyển hướng tới bộ thu
được đặt cách bộ phát một khoảng B, góc phát tia sáng so với phương ngang là
α
( hình 2.1).
Đối
tượng
D
N
guồn phát
α
N
guồn
thu
B

Hình 2.1 Sensor đo khoảng cách sử dụng phương pháp lượng giác.
Nếu D là khoảng cách từ đối tượng tới detector thì khoảng cách này
được tính như sau:
D = B. tg
α


D’ = 2D + L
Gương bán mạ
L
Laser
bộ đo pha

vật
D

Hình 2.2 Đo khoảng cách bằng đo pha
Nếu đối tượng ở gần (D = 0) khi đó pha của hai tia sáng như nhau. Khi
D tăng thì độ lệch pha tăng dần độ dịch pha giữa hai tia trong trường hợp này
sẽ là:
D’= L +
λ
θ
. /3600
do đó D =
λ
θ
. / (2. 3600 ).

BẠCH HOÀNG GIANG K46ĐC
15


Khóa luận tốt nghiệp
Cũng cần lưu ý: khi
θ
= 360

n này được để trong một vỏ. Một dạng sóng điển
hình được trình bày trong hình 2.4 mô tả hoạt động của sensor siêu âm. Dạng
sóng A là tín hiệu điều khiển tín hiệu truyền. Dạng sóng B là tín hiệu lối ra khi
có cả tín hiệu tiếng vọng (echo) trong đó B1 là tín hiệu phát ra còn B2 là tín
hiệu phản xạ lại. Các xung C tách biệt tín hiệu truyền và tín hiệu nhận. Để phân
biệt sự khác nhau giữa các xung tương ứng với tín hiệu mang và tín hiệu phả
n
xạ lại ta xem xét tín hiệu D. Trong đó t1 là khoảng thời gian phát hiện nhỏ
nhất và
∆ t
1
+
∆
t
2
là khoảng thời gian phát hiện lớn nhất. Các khoảng thời
gian này tương ứng với khoảng thời gian truyền sóng trong môi trường khi
nhận được tín hiệu phản xạ lại (lúc đó tín hiệu D có giá trị lớn nhất) sẽ hình
thành tín hiệu E, nó sẽ bằng 0 khi kết thúc xung tín hiệu A. Cuối cùng tín hiệu
F được hình thành khi xuất hiện xung tín hiệu E và sẽ là tín hiệu ra của sensor
siêu âm hoạt động theo chế độ nhị phân .

BẠCH HOÀNG GIANG K46ĐC
16


Khóa luận tốt nghiệp

Vỏ bọc bên ngoài
của sensor

CHƯƠNG 3
CƠ CẤU CHUYỂN ĐỘNG TRONG ROBOT DI ĐỘNG
Khác với cánh tay máy tại các robot tĩnh, robot di động có cơ cấu
chuyển động nhằm đưa bệ máy của toàn hệ thống robot tới một vị trí mong
muốn trong không gian hoạt động. Cơ cấu này có thể là các máy thuỷ lực, khí
nén, motor điện nhưng trong đề tài này chỉ sử dụng loại motor điện. Vì vậy
chương này cũng chỉ trình bày tóm tắt các tìm hiể
u về motor điện và hệ thống
liên quan đến điều khiển motor.
3.1.Phân loại motor điện
Motor điện thường là loại máy chuyển đổi năng lượng điện thành năng
lượng cơ, thường là chuyển động tròn. Motor được cấu trúc từ hai phần chính:
Rotor và Stator. Rotor là phần chuyển động nằm ở lõi motor bao gồm cuộn dây
được cuốn quanh một lõi thép. Lõi này được gắn vào trục của motor. Stator là
phần không chuy
ển động, nó được cấu tạo từ nam châm vĩnh cửu. Khi có dòng
điện đi qua motor sẽ sinh ra một từ trường chống lại từ trường của nam châm
vĩnh cửu làm cho motor quay.
Có hai loại motor thường được sử dụng trong các robot di động là:
- Motor một chiều (DC motor)
- Motor bước (Step motor)
3.1.1. Motor một chiều
Motor một chiều được cấu tạo từ một cuộn dây và hệ thống nam châm
vĩnh cửu. Loại motor này có thể dùng tr
ực tiếp nguồn một chiều hoặc có thể
điều khiển thông qua độ rộng xung. Tốc độ motor sẽ được quy định bởi điện áp
một chiều hay độ rộng xung đặt vào. Một nhược điểm khi sử dụng motor một
chiều là kém về độ chính xác trong chuyển động. Điều này được khắc phục khi
sử dụng motor bước.
3.1.2. Motor bước

3.2.2 Tốc độ cực đại của motor
Tốc độ cực đại của motor được quan tâm khi có tải và không tải. Vi
ệc
đo tốc độ cực đại có thể thực hiện bằng cách đếm xung thu được từ một sensor.
Tốc độ cực đại khi cấp điện áp cho phép cực đại vào motor hoặc khi độ rộng
xung cấp tới motor là cực đại. Tốc độ này là một hàm phụ thuộc vào tải của
motor. Nó quyết định tới độ linh động của robot di động và là một thông số
quan trọng cần tính đế
n khi lập trình điều khiển motor vì liên quan đến quán
tính trong quá trình hãm hoặc dừng motor.
3.2.3 Lực xoắn của motor
Lực xoắn của motor là thông số dùng để đánh giá khả năng chịu tải của
motor. Motor có lực xoắn càng lớn thì càng khoẻ. Lực xoắn được đo bằng tỉ số
giữa trọng lượng lực đặt lên motor mà motor vẫn kéo được vật làm cho dây
treo vật vuông góc với bán kính đi qua tâm motor chia cho bán kính khoảng
cách từ tâm trục motor tớ
i dây treo như hình 3.1. Lực xoắn sẽ giảm khi tăng tốc
độ của motor. Điều này chứng tỏ khi motor chạy với tốc độ cao thi tải dùng cho

BẠCH HOÀNG GIANG K46ĐC
19


Khóa luận tốt nghiệp
motor se bị giảm xuống. Để tăng lực xoắn cho motor người ta thường dùng cho
motor qua các cơ chế giảm tốc. Đây thực chất chỉ là các cơ cấu bánh răng. Tỉ
số độ giảm tốc càng lớn thi lực xoắn motor sẽ càng lớn tuy nhiên tốc độ motor
sẽ bị hạn chế.
bán kính
Trục motor