ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI
TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ
LÊ CHÍ CÔNG
NGHIÊN CỨU, THIẾT KẾ VÀ CHẾ TẠO MẠCH
ỨNG DỤNG CHO HỆ THỐNG CẢM BIẾN
CỦA ROBOT DI ĐỘNG

LUẬN VĂN THẠC SĨ CƠ HỌC KĨ THUẬT
Hà Nội - 2014

ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI
TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ


1.1.1. Tình hình phát triến của robot di động trên thế giới. 8
1.1.2. Robot dạng unicycle - like. 9
1.1.3. Những ứng dụng mới nhất của robot di động trên thế giới. 10
1.2.Tổng quan nghiên cứu về hệ cảm biến robot di động. 11
1.2.1.Khái niệm cảm biến (sensor) 11
1.2.2. Khái niệm hệ cảm biến (sensors system). 11
1.2.3. Phân loại các dạng cảm biến trong hệ 13
1.3. Nghiên cứu chức năng các dạng cảm biến được dùng cho robot 13
1.3.1.Cảm biến hồng ngoại 13
1.3.2. Cảm biến siêu âm. 16
1.3.3. Sensor vị trí kiểu chiết áp 18
1.3.4. Cảm biến la bàn 22
1.3.5. Cảm biến tín hiệu gần 19
1.3.6. Một số tiêu chí đánh giá cảm biến 23
1.3.7. Nhận xét 26
1.4. Lựa chọn các cảm biến 26
1.4.1.Cảm biến siêu âm SRF06] 26
1.4.2.Cảm biến hồng ngoại 0A41SK . 28
1.4.3. La bàn số CMPS 03 29
1.4.4. Cảm biến nhiệt độ TPA 81 31
1.4.5. Cảm biến va chạm 32
2
Chương II
Xây dựng, phân tích kiến trúc hệ cảm biến trong robot di động 34
2.1. Các thành phần cơ bản trong một robot di động 34
2.2.1. Các thành phần cơ bản trong cấu trúc của hệ cảm biến . 36
2.2.2. Nguyên lý hoạt động cấu trúc hệ cảm biến như sau 37

Tài liệu tham khảo 59
4 DANH MỤC HÌNH ẢNH
Hình 1.1. Biểu đồ sự phát triển robot trong các năm từ 2009 - 2014. 8
Hình 1.2. Dạng robot unicycle like. 10
Hình 1.3. Robot quân sự…………………………………………………… 16
Hình 1.4. Robot thám hiêm 10

Hình 1.32. Sơ đồ chân nối la bàn số CPMS03 30
Hình 1.33. Cảm biến nhiệt độ TPA81 31
Hình 1.34. Đồ thị vùng làm việc bước sóng của cảm biến 32
Hình 1.35. Sơ đồ kết nối chân cảm biến nhiệt TPA81 với vi điều khiển 32
Hình 1.36. Cảm biến va chạm 33
Hình 1.37. Sơ đồ nguyên lý cảm biến va chạm 33
Hình 2.1.Các thành phần cơ bản trong một robot di động 34
Hình 2.2. Sơ đồ cấu trúc hệ cảm biến. 36
Hình 2.3. Sơ đồ khối hệ cảm biến cho robot 37
Hình 3.1. Mô hình hệ thiết kế robot di động. 40
Hình 3.2. Mô hình thiết kế hệ cảm biến trên robot 41
Hình 4.1. Sơ đồ thuật toán cho hệ cảm biến 44
Hình 4.2. Thiết kế mạch điều khiển trung tâm 46
Hình 4.3. Sơ đồ chân vi điều khiển Pic18F4520. 47
Hình 4.4. Thiết kế chi tiết khối nguồn 49
Hình 4.5. Thiết kế mạch khối cảm biến SRF06 50
Hinh 4.6. Sơ đồ nguyên lý khối cảm biến va chạm 50
Hình 4.7. Sơ đồ nguyên lý khối cảm biến hồng ngoại 51
6 Hình 4.8. Mạch nguyên lý của la bàn số và cảm biến nhiệt độ 51
Hình 4.9. Thiết kế sơ đồ truyền thông với máy tính bằng RS232 52
Hình 4.10. Mạch dao động………………………………………………… 53
Hình 4.11. Mạch hiển thị LCD 52
Hình 4.12. Sơ đồ nguyên lý mạch hệ cảm biến 53
Hình 4.13. Sơ đồ đi dây trong phần mềm altium 10 54
Hình 4.14. Mạch cảm biến tích hợp 3D trên Altium 10 55
Hình 4.15. Hình ảnh khối nguồn được thiết kế trên altium 10 56
Hình 4.16. Sơ đồ khối của mạch nguồn 56

Hệ cảm biến bao gồm nhiều dạng cảm biến được coi như là một con mắt giúp
robot có thể cảm nhận được những thay đổi bên ngoài của môi trường và biến
đổi các tín hiệu để điều khiển các cơ cấu chấp hành.
2. Mục tiêu của đề tài.
Nghiên cứu, thiết kế, chế tạo, tích hợp điều khiển thành công cho một mô hình
mẫu về hệ cảm biến robot di động.
3. Nội dung nghiên cứu.
a)Nghiên cứu tổng quan về hệ cảm biến ứng dụng cho robot di động.
- Giới thiệu về robot di động dạng 3 bánh dang unicycle – like.
- Nghiên cứu về các hệ cảm biến (cấu trúc thành phần, chức năng).
- Nghiên cứu chức năng các cảm biến (siêu âm, hồng ngoại,va chạm).
- Lựa chọn các cảm biến.
b) Xây dựng, phân tích kiến trúc hệ cảm biến trong robot di động.
c) Thiết kế mô hình hệ cảm biến cho robot di động.
d) Thiết kế, chế tạo, tích hợp mạch điều khiển cho hệ cảm biến.
- Xây dựng sơ đồ thuật toán và thiết kế mạch cảm biến.
- Chế tạo một mạch cảm biến.
- Lập trình.

8
Chương I
Nghiên cứu tổng quan về hệ cảm biến ứng dụng cho
robot di động

1.1.Giới thiệu về robot di động dạng 3 bánh dạng unicycle - like.
1.1.1. Tình hình phát triến của robot di động trên thế giới.
Khả năng di động được phát triển cùng với khả năng tránh vật cản và tự định

Robot chỉ tập trung ở một số viện nghiên cứu và trường đại học, ví dụ như:
robot kiểm tra lòng cống ngầm, xe tự hành trong y tế, robot phục vụ giám sát an
ninh quốc phòng,
Bên cạnh đó, xu thế trên thế giới về ứng dụng Robot di động thông minh
trong sinh hoạt của con người như lau nhà, hút bụi, cắt cỏ, giám sát khu nhà,
ngày càng trở nên thiết thực giúp thay thế con người thực hiện những công việc
nhàm chán, đơn điệu, mệt nhọc tạo điều kiện cho con người tập trung vào các
công việc có giá trị cao hơn.
1.1.2. Robot dạng unicycle - like.
Mobile robot được định nghĩa là một loại xe robot có khả năng tự dịch
chuyển, tự vận động (có thể lập trình lại được) dưới sự điền khiển tự động để
thực hiện thành công những công việc được giao.
Theo lý thuyết, môi trường hoạt động của robot di động có thể là đất, nước,
không khí, không gian vũ trụ hay sự tổ hợp giữa chúng. Địa hình bề mặt mà
robot di chuyển trên đó có thể bằng phẳng hoặc thay đổi, lồi lõm.
Hình 1.2 là dạng robot dạng unicycle - like là dạng robot chuyển động bằng
bánh xe được sử dụng rộng rãi nhất trong công nghệ robot tự hành. Vấn đề cân
bằng thường không phải là vấn đề được chú ý nhiều trong robot di chuyển bằng
bánh. Ba bánh là kết cấu có khả năng duy trì cân bằng, tuy nhiên kết cấu 2 bánh
cũng có thể cân bằng được. Khi robot có số bánh nhiều hơn 3 thì thông thường
người ta phải thiết kế hệ thống treo để duy trì sự tiếp xúc của tất cả các bánh xe
với mặt đất. Có các loại bánh xe sau thường được sử dụng cho robot di động:
Bánh xe tiêu chuẩn: 2 bậc tự do, có thể quay quanh trục bánh xe và điểm tiếp
xúc.
Bánh lái: 2 bậc tự do, có thể quay xung quanh khớp lái.
Bánh Swedish: 3 bậc tự do, có thể quay đồng thời xung quanh trục bánh xe, trục
lăn và điểm tiếp xúc.

10


1.2.2. Khái niệm hệ cảm biến (sensors system).
Hệ cảm biến là tập hợp hai hay nhiều cảm biến cùng loại hoặc khác loại trên
một robot, các cảm biến này có thể hỗ trợ và bổ sung về tính năng cho robot di
động. Các bộ cảm biến đóng vai trò cực kỳ quan trọng trong lĩnh vực đo lường
và điều khiển. Chúng cảm nhận và đáp ứng theo các kích thích thường là các đại
lượng không điện, chuyển đổi các đại lượng này thành các đại lượng điện và
truyền các thông tin về hệ thống đo lường điều khiển, giúp ta nhận dạng, đánh
giá và điều khiển mọi biến trạng thái của đối tượng. Sự kết hợp giữa các bộ vi
xử lý hay vi điều khiển với các mạch vi điện tử và các cảm biến thông thường để
Cơ cấu chấp
hành
Quá trình các
biến trạng thái
Bộ cảm biến
Chương
Trình
Bộ Vi Xử Lý
12 thực hiện được các chức năng mới mà các cảm biến thông thường không thể
thực hiện được, chúng có thể thu thập số liệu từ nhiều đại lượng đo khác nhau,
gia công sơ bộ kết quả theo các thuật toán đã định trước. Mặt khác nhờ có các
mạch vi điện tử, module cảm biến có khả năng mã hóa tín hiệu đo, ghép nối với
các thiết bị ngoại vi, ghép nối với bộ nhớ để lưu giữ số liệu. Kết hợp với bộ vi
xử lý hay vi điều khiển chúng có khả năng thực hiện các phép tính đại số. Có thể
điều khiển quá trình đo.
Nhờ tính năng cao của vi xử lý và các phương pháp đo mà module cảm
biến đã nâng cao độ chính xác, tăng độ tác động nhanh, tính ổn định, độ tuyến
tính, hạn chế và loại bỏ các yếu tố ảnh hưởng đến chúng. Với sự kết hợp đó đã

Cảm biến khóa (interlock sensor): đây là những loại sensor dùng cho robot
trong những trường hợp khẩn cấp để bảo vệ robot.
1.3. Nghiên cứu chức năng các dạng cảm biến được dùng cho robot
1.3.1.Cảm biến hồng ngoại. [11]
Là loại cảm biến quang sử dụng thu phát ánh sáng gần vùng hồng ngoại.
Bước sóng ánh sáng sử dụng trong loại cảm biến này khoảng 880nm. Cảm biến
hồng ngoại có thể sử dụng để phát hiện màu đen/trắng hoặc phát hiện vật cản.
Khả năng thực hiện được tùy thuộc vào việc thiết kế mạch.
Cách đo khoảng cách: Cảm biến hồng ngoại sử dụng phương pháp TOF để
đo khoảng cách đến vật cản. Mạch cảm biến đóng vai trò như mắt của robot di
động, giúp nó có thể thể nhận biết môi trường xung quanh (vạch trắng chướng
ngại vật) để từ đó có biện pháp xử lý.
Trong mạch cảm biến, chúng ta có thể sử dụng các loại led thu phát hồng
ngoại hoặc quang trở.
14
Hình 1.12. Bộ thu phát hồng ngoại
Chú ý với hai chân nối với mạch điện của Led. Chân anode nối với cực
dương của nguồn điện, chân catode nối với cực âm của nguồn điện, qua hình ở
dưới ta có thể thấy chân cathode dài hơn chân anode. Lưu ý dòng qua led là từ 5
mAh đến 20mAh, khi tính toán thì chọn led =10mAh, điện áp rơi vào khoảng
1,7v đến 2,4v.
Cấu tạo led thu hồng ngoại (photodiode): là một loại bán dẫn đơn giản
nhưng có vỏ gắn với thấu kính để dẫn tia sáng chiếu đúng vào mắt tiếp giáp. Đặc
điểm: Photodiode là một loại diode làm việc theo chế độ phân cực nghịch, dòng
nghịch qua diode được điều khiển bởi cường độ ánh sáng chiếu vào khi ánh sáng
chiếu qua Diode tăng thì dòng nghịch qua nó cũng tăng theo.
Cơ chế hoạt động:

trong các điều kiện môi trường lý tưởng không can nhiễu.
16
Hình 1.15. Mạch đế phát hiện vật cản
Đây cũng là phương pháp đơn giản và ít tốn kém. Một robot di động có thể
lắp rất nhiều cảm biến hồng ngoại để hỗ trợ nhau.
Ưu điểm:
Đơn giản, dễ lắp và lập trình, chi phí thấp.
Khuyết điểm:
Tuy đơn giản và dễ sử dụng nhưng độ chính xác của cảm biến này không
cao. Trong môi trường như phòng kín hay trong nhà thì độ nhiễu cao do đó
không hoạt động chính xác được nữa.
1.3.2. Cảm biến siêu âm.
 Khái niệm cảm biến siêu âm. [11]
Cảm biến siêu âm và nguyên tắc TOF (time of flight).
Sóng siêu âm được truyền 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 truyền trong không gian. Quãng đường đi của
sóng sẽ bằng 2 lần khoảng cách từ cảm biến tới chướng ngại vật, theo hướng
phát sóng của siêu âm. Hay khoảng cách từ cảm biến đến chướng ngại vật
sẽ được tính theo nguyên lý TOF:

d =


t (1.1)


Xử lý nhanh, kết quả tương đối chính xác.
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.
Tín hiệu đáp ứng của cảm biến tiệm cận analog là tỉ lệ tuyến tính với khoảng
cách. Điều này đặc biệt lý tưởng cho các ứng dụng như theo dõi các mức vật
chất, mức độ chuyển động của đối tượng.
Khuyết điểm:
Cảm biến siêu âm chỉ nhận biết được vật cản khi mặt phẳng quét của cảm biến
cắt ngang vật cản, do đó nó sẽ không phát hiện ra những vật cản nhỏ, thấp và
nằm sát mặt đất.
Do sử dụng sóng siêu âm và sự phản xạ của nó để tính khoảng cách và phát hiện
vật cản nên giải thuật điều khiển khá phức tạp và phát sinh một số trường hợp
sai số khó khắc phục: sai số lặp, hiện tượng Forecasting, hiện tượng đọc chéo
(Crosstalk).

1.3.3. Sensor vị trí kiểu chiết áp. [12]
Nguyên lý hoạt động: đây là loại sensor vị trí kiểu điện trở thay đổi theo
nguyên lý chiết áp rất quen thuộc. Sơ đồ nguyên lý dạng cơ bản và dạng bố trí
mạch thực tế như hình vẽ.
Quan hệ gia giá trị điện áp đầu vào v và điện áp đầu ra V:

Vr
v
R

(1.2)
Ưu điểm: giá thành thấp, độ bền sử dụng tương đối cao, độ tuyến tính cao.
Nhược điểm: Làm việc tin cậy với tốc độ thấp, chất lợng chỗ tiếp xúc của bộ
phận trượt có thể gây nhiễu và giảm độ nhạy.

vật,
Phân loại: Sensor loại này gồm các nhóm sensor sau:
- Sensor từ cam: đây là loại sensor hoạt động theo nguyên tắc thay đổi độ
từ cam khi thay đổi cự li giữa các vật thể kim loại và sensor. Để nhận
20 được tín hiệu ra từ sensor loại này cần có sự chuyển động tương đối giữa
sensor và đối tượng.
- Sensor Hall: Cảm biến Hall hoạt động dựa trên nguyên tắc hiệu ứng Hall.
Hiệu ứng Hall liên hệ giữa điện thế giữa hai đầu dây dẫn với từ trường.
Nếu sử dụng cảm biến Hall này với một nam châm vĩnh cửu ta có thể
nhận biết được vị trí các vật nhiễm từ. Sơ đồ cấu tạo:

Hình 1.20. Sensor Hall
Chú thích :
1. Nam châm vĩnh cữu.
2. Đường lực từ.
3. Vật nhiễm từ.
Hoạt động trong điều kiện bình thường: Khi vật thể nhiễm từ đặt sát bên cạnh thì
từ lực chạy qua cảm biến hall sẽ giảm đi rõ rệt, khi đó cảm biến sẽ xác định
được vị trí của vật nhiễm từ.
Ưu điểm :
- Cấu tạo đơn giản dễ chế tạo.
- Giá thành rẻ.
- Hoạt động ổn định .
Nhược điểm :
- Kích thước lớn.
- Trong điều kiện làm việc nhiệt độ cao thì độ ổn định không cao.
21

Viết một chương trình thu thập dữ liệu trên VDK Pic. Mạch phần cứng có thể
thiết kế theo nguyên lý sau:

Hình 1.23. Cấu trúc mạch cảm biến
Như vậy ứng với mỗi vị trí của động cơ, ta sẽ đo được 1 điện áp xác định từ cảm
biến. Điện áp ra của cảm biến thường là 0 -10VDC tương ứng với góc quay từ
0-360 độ của trục động cơ. Do đó bài toán xác định vị trí đã đạt được.

1.3.4. Cảm biến la bàn. [12]
Để điều khiển robot hoạt động, di chuyển đến mục tiêu, người ta dùng la
bàn điện tử.
La bàn điện có khả năng phát hiện từ trường của trái đất, tính toán hướng ở
thành phần phương ngang của trường từ trái đất.
Dụng cụ mà đo từ trường được gọi là từ kế. Để áp dụng cho Robot di động
chuyển hướng, chỉ những đặc tính tốt của từ kế mà cảm nhận được từ trường của
23 trái đất được quan tâm. Địa từ cảm biến như vậy, ta có thể phân thành các loại
chung sau đây:
 La bàn từ tính Cơ.
 La bàn Fluxgate.
 La bàn Hall.
 La bàn từ điện.
 La bàn Magnetoelastic

Hình 1.24. La bàn số và cảm biến góc
Robot sử dụng là bàn thường dùng kèm theo encoder để xác định tọa độ của
nó. Muốn robot hoạt động, người ta phải lập bản đồ hoạt động, thí dụ đi từ điểm
A đến điểm B, giữa A và B có chướng ngại vật, robot cần tránh.