ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP. HỒ CHÍ MINH
TRƢỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA
KHOA ĐIỆN – ĐIỆN TỬ Giáo viên hướng dẫn : Nguyễn Thiện Thành
Sinh viên thực hiện :
Nguyễn Phước Lộc 40901457

TP.HCM 12/2012

PHỤ LỤC
Tóm tắt đề tài 3
CHƢƠNG 1: TỔNG QUAN VÀ ĐẶT VẤN ĐỀ 4
1. Giới thiệu chung về robot: 4
2. Tổng quan về các bài toán của robot di động 7

quan trọng khó có thể thay thế được, nó giúp con người để làm việc trong các điều kiện
nguy hiểm, khó khăn. Ngoài ra, Robot còn được dùng vào các lĩnh vực thám
hiểm không gian, quân sự, giải trí…
Lĩnh vực Robot di động đang ngày càng chiếm được sự quan tâm của các
nhà nghiên cứu và xã hội. Từ tình hình thực tế đó, việc xây dựng các chương
trình hoạt động cho các Robot là điều thiết yếu đặc biệt đối với các Robot di
động. Bài toán Robot di động bám tường (wall-following problem) là một trong các
bài toán thường gặp của Robot kiểu phản xạ (reactive paradigm), nó đã được giải
bằng nhiều cách khác nhau.
Trong phạm vi đề tài này em sẽ tìm hiểu thuật toán và thi công Robot di chuyển
theo mép tường (Wall Following Robot) dựa vào cảm biến siêu âm.
Đồ án điều khiển tự động 1 Chương 1: Tổng quan và đặt vấn đề
GVHD: Nguyễn Thiện Thành Page 4
CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VÀ ĐẶT VẤN ĐỀ

1. Giới thiệu chung về robot:
Robot hay người máy là một loại máy có thể thực hiện những công việc một
cách tự động bằng sự điều khiển của máy tính hoặc các vi mạch điện tử được lập trình.
Robot là một tác nhân cơ khí, nhân tạo, ảo, thường là một hệ thống cơ khí-điện tử.
Với sự xuất hiện và chuyển động của mình, robot gây cho người ta cảm giác rằng nó giác
quan giống như con người. Từ "robot" (người máy) thường được hiểu với hai nghĩa:
robot cơ khí và phần mềm tự hoạt động. Về lĩnh vực người máy Nhật Bản là nước đi đầu
thế giới về lĩnh vực này.
Khái niệm Robot xuất hiện lần đầu tiên ở NewYork vào ngày 9/10/1922 trong vở
kịch “Rossum’s Universal Robot” của nhà soạn kịch người Tiệp Khắc là Karen Chapek,
còn từ Robot là một cách gọi khác của từ Robota-theo tiếng Tiệp có nghĩa là công việc
lao dịch. Khi đó, Karen Chapek cho rằng Robot là những người máy có khả năng làm
việc nhưng không có khả năng suy nghĩ.

Gần một thế kỷ tiếp theo, khái niệm robot đã liên tục được phát triển, đóng góp

Robot hút bụi Trilobite
Đồ án điều khiển tự động 1 Chương 1: Tổng quan và đặt vấn đề
GVHD: Nguyễn Thiện Thành Page 7
2. Tổng quan về các bài toán của robot di động

Ngày nay, Robot học đã đạt được những thành tựu to lớn trong nền sản xuất công
nghiệp. Những cánh tay robot có khả năng làm việc với tốc độ cao, chính xác và liên
tục làm năng suất lao động tăng nhiều lần. Chúng có thể làm việc trong các môi
trường độc hại như hàn, phun sơn, các nhà máy hạt nhân, hay lắp ráp các linh kiện điện
tử tạo ra điện thoại, máy tính…một công việc đòi hỏi sự tỉ mỉ, chính xác cao. Tuy nhiên
những robot này có một hạn chế chung đó là hạn chế về không gian làm việc. Không
gian làm việc của chúng bị giới hạn bởi số bậc tự do tay máy và vị trí gắn chúng. Ngược
lại, các Robot tự hành lại có khả năng hoạt động một cách linh hoạt trong các môi trường
khác nhau.

Robot tự hành là loại mobile robot có khả năng tự hoạt động, thực thi nhiệm vụ mà
không cần sự can thiệp của con người. Với những cảm biến, chúng có khả năng nhận biết
về môi trường xung quanh. Robot tự hành ngày càng có nhiều ý nghĩa trong các ngành
công nghiệp, thương mại, y tế, các ứng dụng khoa học và phục vụ đời sống của con
người. Với sự phát triển của ngành Robot học, robot tự hành ngày càng có khả năng
hoạt động trong các môi trường khác nhau, tùy mỗi lĩnh vực áp dụng mà chúng có nhiều
loại khác nhau như robot sơn, robot hàn, robot cắt cỏ, robot thám hiểm đại dương, robot
làm việc ngoài vũ trụ. Cùng với sự phát triển của yêu cầu trong thực tế, robot tự hành tiếp
tục đưa ra những thách thức mới cho các nhà nghiên cứu. Vấn đề của robot tự hành là
làm thế nào để robot tự hành có thể hoạt động, nhận biết môi trường và thực thi các
nhiệm vụ đề ra.

Vấn đề đầu tiên là "navigation" (tạm dịch là "di chuyển"), Robot tự hành nên di
chuyển như thế nào và cơ cấu di chuyển nào là sự lựa chọn tốt nhất. Điều hướng là vấn
đề cơ bản trong nghiên cứu và chế tạo Robot tự hành. Trong hiệp hội nghiên cứu về

trước.
Để thực hiện mục tiêu trên, trong đồ án này em tập trung vào các vấn đề sau:
- Nghiên cứu các bộ điều khiển cho robot bám tường.
- Thiết kế và chế tạo một Mobile Robot (mobile platform).
- Thiết kế và thực hiện các mạch điều khiển cho robot.
- Lập trình cho robot để hiện thực các bộ điều khiển.
- Nhận xét kết quả và kết luận.
3.1 Giới thiệu bài toán

Thiết kế và thực hiện bộ điều khiển dùng để điều khiển Mobile Robot di chuyển dọc
theo tường với vận tốc và khoảng cách từ Robot đến tường cho trước.

Giả thiết của bài toán:
- Đo được khoảng cách d từ tường đến Robot.
- Đo được góc lệch giữa Robot và tường.
- Tường là đường cong trơn bất kỳ có bán kính cong không nhỏ hơn khoảng cách
d.

Đồ án điều khiển tự động 1 Chương 1: Tổng quan và đặt vấn đề
GVHD: Nguyễn Thiện Thành Page 9
3.2 Mô hình toán học
Mô hình robot di động bám tường được cho như hình

Mô hình toán học của Robot
Mô hình bánh xe được lý tưởng hóa: bánh xe hình tròn, lăn không trượt. Bánh xe
quay quanh trục của nó (trục Y) và chuyển động theo phương X (trục X). Ta xây dựng
phương trình động học của robot, bao gồm mối quan hệ giữa thông số điều khiển và
thông số trạng thái của hệ thống trong không gian.
Các trục x, y xác định tọa độ của điểm bất kỳ trong hệ tọa độ xOy. Điểm P coi là
tâm dịch chuyển, dùng để xác định vị trí robot. Hệ tọa độ

Đồ án điều khiển tự động 1 Chương 1: Tổng quan và đặt vấn đề
GVHD: Nguyễn Thiện Thành Page 10
R-L/2: bán kính mô tả chuyển động cong của bánh trái.
R+L/2: bán kính mô tả chuyển động cong của bánh phải.
Vận tốc góc của robot:

()
()
/2
r
vt
t
RL




()
()
/2
l
vt
t
RL




( ) ( )
()






Tích phân hai vế:
0
0
0
( ) ( )cos ( )
( ) ( )sin ( )
( ) ( )
t
t
t
x t v t t
y t v t t
tt










Phương trình trên có thể viết dưới dạng ma trận:
( ) cos 0 ( )cos





  
  
     


     



     



     
     
  

  
  
  
  






siêu âm SRF05 để thu khoảng cách và tránh vật cản, mạch điều khiển được sử dụng ở đây
là MSP430 G2553, mạch nguồn acquy 12V. Đồ án điều khiển tự động 1 Chương 2: Giới thiệu về các phần tử trong mạch
GVHD: Nguyễn Thiện Thành Page 12
CHƯƠNG 2: GIỚI THIỆU VỀ CÁC PHẦN TỬ TRONG MẠCH

1. Động cơ DC
DC động cơ là động cơ điện hoạt động với
dòng một chiều. Động cơ DC sử dụng rộng rãi
trong các ứng dụng dân cư cũng như các ngành
công nghiệp. Thông thường động cơ DC chỉ chạy ở
một tốc độ khi kết nối với nguồn điện, nhưng
chúng tôi vẫn có thể kiểm soát tốc độ và hướng của
động cơ với sự hỗ trợ của các mạch điện tử với
phương pháp PWM.
Động cơ DC trong các hình thức của động cơ dân sự thường hoạt động với điện áp
thấp, được sử dụng với tải trọng nhỏ. Trong công nghiệp, động cơ DC được sử dụng
trong các lĩnh vực đòi hỏi phải có mô-men xoắn lớn hơn trên máy tính hoặc yêu cầu thay
đổi trong phạm vi tốc độ.
2. Điều chế độ rộng xung
Điều khiển động cơ PWM phương pháp dựa trên nguyên tắc hoạt động cho động
cơ chạy bằng chuỗi xung nhanh chóng mở và đóng. Điện DC được chuyển đổi thành tín
hiệu sóng vuông (chỉ có hai cấp độ và khoảng 0 điện áp hoạt động volt). Tín hiệu sóng
vuông này cho động cơ.
Nếu tần số chuyển đổi là đủ lớn động cơ sẽ chạy ở tốc độ ổn định phụ thuộc vào
trục mô-men xoắn.
Với phương pháp PWM, điều chỉnh tốc độ động cơ thông qua điều chế độ rộng
xung, tức là thời gian "xung đầy đủ" ("on") của chuỗi xung vuông cho động cơ. Điều

Bảng dưới đây tóm tắt hoạt động, với S1-S4 tương ứng với sơ đồ ở trên:

High Side
Left
High
Side
Right
Lower
Left
Lower
Right
Quadrant Description
On
Off
Off
On
Motor goes Clockwise
Off
On
On
Off
Motor goes Counter-
clockwise
On
On
Off
Off
Motor "brakes" and
decelerates
Off


Cảm biến siêu âm Omron E4PA-LS600-M1-N

Cảm biến siêu âm tiệm cận loại thu-phát

Đồ án điều khiển tự động 1 Chương 2: Giới thiệu về các phần tử trong mạch

GVHD: Nguyễn Thiện Thành Page 16

4.2 Cảm biến siêu âm và nguyên tắc TOF:
Sóng siêu âm được truyền đi trong không khí với vận tốc khoảng 343m/s. Nếu một
cảm biến phát ra sóng siêu âm và thu về các sóng phản xạ đồng thời, đo được khoảng
thời gian từ lúc phát đi tới lúc thu về, thì máy tính có thể xác định được quãng đường mà
sóng đã di chuyển trong không gian. Quãng đường di chuyển của sóng sẽ bằng 2 lần
khoảng cách từ cảm biến tới chướng ngoại vật, theo hướng phát của sóng siêu âm. Hay
khoảng cách từ cảm biến tới chướng ngại vật sẽ được tính theo nguyên lý TOF:
Trong đó:
d là khoảng cách cần đo,
v là vận tốc sóng siêu âm trong môi trường truyền sóng,
t là thời gian từ lúc sóng được phát đi đến lúc sóng được ghi nhận lại.
Ưu điểm và nhược điểm của cảm biến siêu âm:
Ưu điểm:
 Khoảng cách mà cảm biến có thể phát hiện lên tới 15m.
 Sóng phản hồi của cảm biến không phụ thuộc vào màu sắc của bề mặt đối
tượng hay tính chất phản xạ ánh sáng của đối tượng.
Ví dụ:bề mặt kính trong suốt ,bề mặt gốm màu nâu,bề mặt plastic
màu trắng hay bề mặt chất liệu nhôm sáng trắng là như nhau.

về xung echo để cho những bộ điều khiển có tốc độ xử lý chậm có thời gian để thực hiện
các lệnh.
Mode 1 - Nhƣ SRF04 - Hai chân Trigger và Echo riêng
Ở mode này, SRF05 sử dụng hai chân riêng biệt: chân trigger và chân echo, là mode đơn
giản nhất. Tất cả hoàn toàn giống như SRF04, chỉ cần không nối chân mode ( như hình
vẽ).
Đồ án điều khiển tự động 1 Chương 2: Giới thiệu về các phần tử trong mạch

GVHD: Nguyễn Thiện Thành Page 18 Mode 2 – Một chân cho cả Trigger và Echo

Mode này sử dụng một chân duy nhất cho cả hai tín hiệu trigger và echo, được thiết kế để
tiết kiệm chân sử dụng cho các bộ điều khiển nhúng. Để sử dụng chế độ này, ta kết nối
chân Mode với mass. Khi đó sau khi gửi tín hiệu trigger, thì tín hiệu echo sẽ xuất hiện
trên chân trigger trả về bộ điều khiển. SRF05 sẽ không lập tức phản hồi tín hiệu echo
ngay sau khi nhận được tín hiệu trigger mà sau thời gian 700uS kể từ kết thúc tín hiệu
trigger mới gửi tín hiệu echo. Trong thời gian đó có thể kích hoạt lại chân sử dụng từ
output sang input để nhận tín hiệu phản hồi.
Đồ án điều khiển tự động 1 Chương 2: Giới thiệu về các phần tử trong mạch

GVHD: Nguyễn Thiện Thành Page 19 Tính toán khoảng cách:
Theo sơ đồ thời gian của SRF05 như trên, ta chỉ cần cung cấp một xung ngắn tối
thiểu 10uS làm tín hiệu trigger. Sau đó cảm biến sẽ gửi một khối 8 chu kỳ sóng siêu âm
tại 40kHz và xuất xung echo. Sau đó SRF05 đợi sóng siêu âm phản hồi sau khi gặp vật
cản, khi nhận được sóng phản hồi thì xung echo bị ngắt. Như vậy, xung echo có chiều
Đồ án điều khiển tự động 1 Chương 2: Giới thiệu về các phần tử trong mạch

GVHD: Nguyễn Thiện Thành Page 21
5. Vi điều khiển MSP430
5.1 Giới thiệu sơ lƣợc
MSP 430 là họ vi điều khiển cấu trúc RISC 16-bit được sản xuất bởi công ty
Texas Instruments.
MSP là chữ viết tắt của “MIXED SIGNAL MICROCONTROLLER”. Là dòng vi
điều khiển siêu tiết kiệm năng lượng, sử dụng nguồn thấp, khoảng điện áp nguồn cấp từ
1.8V – 3.6V.
MSP 430 kết hợp các đặc tính của một CPU hiện đại và tích hợp sẵn các module
ngoại vi. Đặc biệt Chíp MSP 430 là giải pháp thích hợp cho những ứng dụng yêu cầu trộn
tín hiệu.

Những đặc tính của dòng MSP 430 bao gồm:
 Điện áp nguồn: 1.8V – 3.6 V.
 Mức tiêu thụ năng lượng cực thấp:
- Chế độ hoạt động: 270 μA tại 1MHz, 2,2 V.
- Chế độ chờ: 0.7 μA.
- Chế độ tắt (RAM vẫn được duy trì): 0.1 μA.
 Thời gian đánh thức từ chế độ Standby nhỏ hơn 1μs.
 Cấu trúc RISC-16 bit, Thời gian một chu kỳ lệnh là 62.5 ns
 Cấu hình các module Clock cơ bản:
- Tần số nội lên tới 16 MHz với 4 hiệu chỉnh tần số +- 1%.
- Thạch anh 32 KHz.
- Tần số làm việc lên tới 16 MHz.
- Bộ cộng hưởng.
- Nguồn tạo xung nhịp bên ngoài.

1Mhz, 2.2v; với chế độ standby thì dòng tiêu thụ là 0.7uA. Và chế độ tắt chỉ duy trì bộ
nhớ Ram thì dòng tiêu thụ rất nhỏ 0.1uA.
MSP430 có ưu thế về chế độ nguồn nuôi. Thời gian chuyển chế độ từ chế độ
standby sang chế độ tích cực rất nhỏ (< 6us). Và có tích hợp 96 kiểu hình cho hiển thị
LCD. 16 bit thanh ghi, 16 bit RISC CPU.
Có một đặc điểm của họ nhà MSP là khi MCU không có tín hiệu dao động ngoại,
thì MSP sẽ tự động chuyển sang hoạt động ở chế độ dao động nội.
5.2 MSP430 G2553

Vi điều khiển được sử dụng để thực hiện điều khiển robot là MSP430 G2553.
Sơ đồ chân của chip MSP430 G2553: Đồ án điều khiển tự động 1 Chương 2: Giới thiệu về các phần tử trong mạch

GVHD: Nguyễn Thiện Thành Page 23
Sơ đồ khối của MSP430 G2553: Cấu trúc xuất nhập:
Chíp MSP 430G2553 có 2 port xuất nhập là port 1 và port 2. Port1 có 8 chân và
port 2 có 6 chân. Mỗi chân đều có những chức năng đặc biệt có thể định hướng làm đầu
vào hoặc đầu ra, có thể đọc truy suất hoặc điều khiển.
Ports P1 và P2 có khả năng ngắt. Mỗi ngắt được cấu hình riêng theo cạnh lên hoặc
cạnh xuống của sườn xung hoặc theo tín hiệu vào tương ứng với các vector ngắt.
Đặc tính xuất nhập bao gồm:
+ Chức năng đặc biệt của các chân không phụ thuộc vào việc lập trình.
+ Có thể lựa chọn làm OUTPUT hoặc INPUT.
+ P1 và P2 được cấu hình riêng cho tín hiệu ngắt.
+ Không phụ thuộc thanh ghi output hay input.

Chức năng xuất nhập
0
1
Module đầu tiên được lựa chọn
1
0
Đăng ký trước
1
1
Module ngoại vi thứ 2 được lựa chọn

Chú ý: Khi PxSEL =1 các ngắt của P1, P2 bị cấm. Khi bất kỳ bit nào của thanh ghi
P1SELx hoặc P2SELx được set, các ngắt tương ứng với các chân này sẽ bị cấm.

Đồ án điều khiển tự động 1 Chương 2: Giới thiệu về các phần tử trong mạch

GVHD: Nguyễn Thiện Thành Page 25
Các ngắt P1 và P2:
Mỗi chân của port P1 và P2 đều có khả năng ngắt. Các ngắt được cấu hình bởi các
thanh ghi PxIFG, PxIE và PxIES. Tất cả các chân của port P1 một nguyên nhân tương
ứng với một vector ngắt. Tất cả các chân của port 2 có nhiều hơn một nguyên nhân khác
nhau tương ứng với 1 vector. Có thể sử dụng thanh ghi PxIFG để xác định nguyên nhân
các ngắt port P1 và P2.

a) Thanh ghi cờ ngắt P1IFG và P2IFG:
- Mỗi bit của thanh ghi PxIFGx là một cờ ngắt tương ứng với chân xuất/ nhập và
khi có cạnh xung tín hiệu tại các chân. Tất cả các cờ ngắt của thanh ghi PxIFGx đòi hỏi
một ngắt tương ứng với các bit PxIE và GIE được set. Mỗi cờ ngắt đòi hỏi phải reset
bằng phần mềm. Phần mềm cũng có thể set cờ ngắt:
+ Bit =0 Không có ngắt nào đang chờ.