ĐAMH: Điều khiển hệ thống Bộ môn: Cơ điện tử pg. 1
ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP.HCM
TRƯỜNG ĐH BÁCH KHOA
KHOA CƠ KHÍ
BỘ MÔN CƠ ĐIỆN TỬ
CỘNG HOÀ XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM
ĐỘC LẬP - TỰ DO – HẠNH PHÚC
NHIỆM VỤ ĐỒ ÁN MÔN HỌC
Tên đề tài: Điều khiển robot omni tránh vật cản
Giáo viên hướng dẫn: Nguyễn Thái Anh Tuấn
Sinh viên thực hiện: Bùi Quốc Vũ MSSV: 20503575
Lê Nhật Toàn MSSV: 20502985
Ngày nhận đồ án:
Ngày hoàn thành đồ án:
NHẬN XÉT CỦA GIÁO VIÊN HƯỚNG DẪN: ĐAMH: Điều khiển hệ thống Bộ môn: Cơ điện tử pg. 2
LỜI CẢM ƠN
Đồ án này được hoàn thành đánh dấu sự trưởng thành trong công việc học
tập tại trường Đại học Bách khoa. Vì đây là đồ án đầu tiên chúng em làm nên
không tránh khỏi sự bỡ ngỡ cũng như còn rất nhiều sai sót. Nhưng với sự giúp đỡ
tận tình của thầy cô, cùng sự đóng góp ý kiến của các bạn sinh viên, chúng em
đã có thể hoàn thành tốt đồ án này.
Chúng em xin gửi lời cảm ơn chân thành đến các thầy cô trong bộ môn Cơ
điện tử, đăc biệt là thầy Nguyễn Thái Anh Tuấn đã tận tình hướng dẫn chúng
em thực hiện đề tài này. Cảm ơn các bạn sinh viên lớp CK05LCD1 đã giúp đỡ
chúng em hết mình. Và sự ủng hộ về tinh thần và vật chất của gia đình đã là
một sự ủng hộ to lớn để chúng em hoàn thành đồ án này.
Nhóm sinh viên thực hiện
Bùi Quốc Vũ
Lê Nhật Toàn
ĐAMH: Điều khiển hệ thống Bộ môn: Cơ điện tử pg. 5 TỔNG QUAN
Đồ án điều khiển thống 1 là đồ án đầu tiên của chương trình học, giúp sinh viên làm
quen với mơi trường làm việc độc lập hay theo nhóm với sự hướng dẫn định kỳ của
giảng viên. Vận dụng những kiến thức đã học, sinh viên thực hành đi vào giải quyết một
vấn đề cụ thể.
Robot omni là một loại mobile robot di chuyển bằng những bánh xe đã được ứng dụng
điều rộng xung và có thể quay liên tục 360 độ. Đây là loại động cơ có các đặc
tính như: momen lớn, dòng khởi động nhỏ, có thể hoạt động ở tốc độ nhỏ và
qn tính thấp. Động cơ này có hằng số thời gian điện và cơ rất nhỏ.
Động cơ servo được thiết kế cho những hệ thống hồi tiếp vòng kín. Tín hiệu ra
của động cơ được nối với một mạch điều khiển. Khi động cơ quay, vận tốc và vị
trí sẽ được hồi tiếp về mạch điều khiển này. Nếu có bầt kỳ lý do nào ngăn cản
chuyển động quay của động cơ, cơ cấu hồi tiếp sẽ nhận thấy tín hiệu ra chưa
đạt được vị trí mong muốn. Mạch điều khiển tiếp tục chỉnh sai lệch cho động cơ
đạt được điểm chính xác.
Động cơ servo có nhiều kiểu dáng và kích thước, được sử dụng trong nhiếu máy
khácnhau, từ máy tiện điều khiển bằng máy tính cho đến các mơ hình máy bay
và xe hơi. Ứngdụng mới nhất của động cơ servo là trong các robot, cùng loại với
các động cơ dùng trong mơ hình máy bay và xe hơi.
2. Loại động cơ RC SERVO được sử dụng
ĐAMH: Điều khiển hệ thống Bộ môn: Cơ điện tử pg. 8
Ta sử dụng RC Servo của hãng Parallax, đây là sản phẩm lý tưởng để phục vụ
cho các đồ án robot đòi hỏi động cơ có thể quay 360 độ. Các thơng số kỹ thuật
của động cơ như sau:
• Nguồn cấp tối đa 6v DC
• Tốc độ trung bình 60 vòng phút/ phút
• Khối lượng 45.0 grams/ 1.59 oz
Nếu như ta cấp xung có thời gian mức tích cực cao it hơn 1,5ms ( Vd 1ms) thì động
cơ sẽ quay cùng chiều kim đồng hồ và nếu như thời gian tích cực cao lớn hơn
1,5ms ( VD 2ms) thì động cơ sẽ quay ngược chiều kim đồng hồ.
Giản đồ
xung
Sơ đồ ngun lý dùng 3 chân của Port 1 89C51 để cấp xung cho 3 động cơ
ĐAMH: Điều khiển hệ thống Bộ môn: Cơ điện tử pg. 10
CHƯƠNG 2: TÌM HIỂU VỀ HỌ VI ĐIỀU KHIỂN 8051 1. Giới thiệu về vi điều khiển và sơ đồ khối:
Vi điều khiển 8051 là một trong những vi điều khiển 8 bit thơng
dụng nhất hiện nay. Bắt đầu xuất hiện vào năm 1980, trải qua gần 30 năm, hiện
đã có tới hàng trăm biến thể (derrivatives) được sản xuất bởi hơn 20 hãng
khác nhau, trong đó phải kể đến các đại gia trong làng bán dẫn
(Semiconductor) như ATMEL, Texas Instrument, Philips, Analog Devices… Tại
Việt Nam, các biến thể của hãng ATMEL là AT89C51, AT89C52, AT89S51,
AT89S52… đã có thời gian xuất hiện trên thị trường khá lâu và có thể nói
lượng bộ nhớ chương trình nhất định và chiếm dải địa chỉ từ 0000h trở đi
trong khơng gian bộ nhớ chương trình. AT89C51/AT89S51 có 4K byte bộ nhớ
chương trình loại Flash tích hợp sẵn bên trong chip. Đây là bộ nhớ cho phép
ghi/xóa nhiều lần bằng điện, chính vì thế cho phép người sử dụng thay đổi
chương trình nhiều lần. Số lần ghi/xóa được thường lên tới hàng vạn lần.
AT89C52/AT89S52 có 8K byte bộ nhớ chương trình cùng loại. Bộ nhớ
chương trình của các chip họ 8051 có thể thuộc một trong các loại:
ROM, EPROM, Flash, hoặc khơng có bộ nhớ chương trình bên trong chip.
Tên của từng chip thể hiện chính loại bộ nhớ chương trình mà nó mang bên
trong, cụ thể là vài ví dụ sau:
ĐAMH: Điều khiển hệ thống Bộ môn: Cơ điện tử pg. 12 2. Ứng dụng vi điều khiển cho động cơ:
Sử dụng các Port Xuất nhập và một ngơn ngữ lập trình phù hợp với loại vi
điều khiển ta sẽ điều khiển được động cơ
Các thơng số cần quan tâm khi điều khiển động cơ:
- Điện áp sử dụng
- Cơng suất làm việc
- Dòng khơng tải, dòng làm việc
- Tốc độ của động cơ
Các phưong pháp điều khiển động cơ:
a- Điều khiển ON/OFF
b- Điều khiển tốc độ động cơ
- Mạch cầu H:
- Mạch sử dụng 1 FET + 1 Relay
pg. 15
Với sự giới thiệu về cảm biến GP2DXX của Sharp ,một phương pháp mới được
sử dụng phát hiện vật thể ở khoảng cách xa hơn, và khơng bị ảnh hưởng nhiều
của điều kiện ánh sáng xug quanh .
Cảm biến hồng ngoại sử dụng phương pháp trắc đạt tam giác (triangulation) và
một mảng CCD dài mỏng để tính tốn khoảng cách và sự hiện diện của vật thể
trong vùng quan sát .
Ý tưởng cơ bản là : một xung của đèn IR được phát ra bởi đèn phát (emitter) .
Tia sáng này sẽ đi trong trường quan sát và hoặc là đụng vật thể ,hoặc là khơng
đụng vật thể .Trong trường hợp khơng gặp vật thể ,tia sáng sẽ khơng bao giờ
phản hồi về và đọc là khơng có vật thể .Nếu tia sáng phản xạ lại ,có vật thể .
Cảm biến sẽ thu và tạo ra một phép trắc đạc tam giác giữa 3 điểm : điểm phản
xạ ,điểm phát và điểm thu .
3.Tín hiệu Output :
Tín hiệu Output khơng tuyến tính .Bởi vì một vài phép lượng giác của tam giác
trắc địa .
ĐAMH: Điều khiển hệ thống Bộ môn: Cơ điện tử pg. 16
Đường cong quan hệ giữa khoảng cách và mức volt của GP2D12
Ở đây có hai điều lưu ý trong đường cong quan hệ trên :
Đầu tiên ,tín hiệu output khoảng cách nằm giữa vùng từ 10 cm tới 80 cm thì
pg. 18 ĐAMH: Điều khiển hệ thống Bộ môn: Cơ điện tử pg. 19 Chương 4 : Phân tích động học và động lực học
Robot Omni
1. Phân tích động học Robot Omni 3 Bánh
Mơ hình hóa robot omni như hình vẽ trên.
3 bánh xe robot được bố trí tiếp tuyến với 1 đường tròn bán kính
o
R
và lệch nhau 1
góc 120 độ.
3 Cảm biến hồng ngoại được đặt tại 3 dây cung của đường tròn trên cũng được bố trí
lệch nhau 1 góc 120 độ.
ĐAMH: Điều khiển hệ thống Bộ môn: Cơ điện tử pg. 20
Các chuyển động của robot bao gồm Chuyển động tịnh tiến :
V
của
robot
ĐAMH: Điều khiển hệ thống Bộ môn: Cơ điện tử pg. 21
Quan hệ hình học cho ta được : °=== 30cos2cos2cos2
21
RVVV
WWtt
ωϕϕ (1) Chuyển động xoay : Khi cho 3
bánh xe chuyển động cùng chiều
nhau thì sẽ làm cho robot chuyển
động xoay
ĐAMH: Điều khiển hệ thống Bộ môn: Cơ điện tử pg. 22 2. Phân Tích Động lực học Robot Omni
chuyển động tiến về phía trước thì vận tốc của nó sẽ là vận tốc theo phương y, còn theo
phương x vận tốc của nó bằng 0.
Giả sử khối tâm của robot đặt tại tâm hình học của robot ta có gia tốc tịnh tiến a và gia
tốc góc
.
ω
là
12
1
( )
n
aFFF
M
=+++
.
12
( )
n
R
fff
I
ω=+++
Với: m là khối lượng robot
R là bán kính robot
ii
fF
=
I là momen qn tính
Dấu của
momen qn tính đối với một hình tròn đồng chất là:
2
.
IMR
=
.
Do đó đối với robot, ta xét momen qn là:
2
IMR
α=
Chúng ta có thể biểu diễn phương trình gia tốc dưới dạng ma trận như sau:
1
12
2
12
.
sinsin sin
1
.osos osxn
yn
n
f
a
f
accc
Với
2
IMR
α=
, ta được:
1
12
2
12
.
sinsin sin
1
.osos os
111
.
xn
yn
n
f
a
f
accc
M
R
f
θθθ
θθθ
ω
1
.osos os
111
n
n
ccc
M
θθθ
θθθ
ααα
−−−
3. ROBOT TRONG KHƠNG GIAN PHẲNG:
Chúng ta có thể tính được vận tốc cuối cùng của các bánh robot, và vận tốc của robot trên
mặt phẳng bằng cách mơ tả các phương trình chuyển động của robot theo thời gian. Khi
xét robot trong khơng gian phẳng, chúng ta có thể tính được quỹ đạo của robot và chúng
ta có thể đạt được điều này bằng cách phân tích vận tốc của các bánh xe robot.
ĐAMH: Điều khiển hệ thống Bộ môn: Cơ điện tử pg. 25
cos
i
θ
Sự quay của bánh lớn và bánh nhỏ trong khi robot chuyển động theo phương ngang với vận tốc là 1, lúc này
bánh lớn quay với vận tốc là
sin
i
θ
− , và bánh nhỏ quay với vận tốc là
cos
i
θ
Tính tốn tương tự khi robot chuyển động theo phương y và khơng quay, với vận tốc là
( )
0,1,0
T
. Lúc này bánh lớn quay với vận tốc là
cos
i
θ
và bánh nhỏ quay với vận tốc là
sin
−
=
−
M LLL