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.
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
4.3. Giớ
i thiệu về sensor địa bàn CMPS03… ..……………….22
Phần 2: Thực nghiệm thiết kế, xây dựng một robot di động tự động
tránh vật……………………………………………………...25
Chương 5: Khảo sát thiết kế bộ điều khiển robot…………………..26
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
Robotics. Trong Robotics có hầu hết các vấn để của “cơ-điện tử”. Thuật ngữ
“cơ - điện tử “( mechatronics) thể hiện sự kết hợp giữa cơ học máy và điều
khiển điện tử
. Đồng thời sự phát triển của mechatronics cũng được phản ánh
trong khoa học công nghệ robot.
Một trong những tiêu chí đặc trưng cho robot là khả năng “lập trình
được “(programable). Muốn có khả năng đó robot phải dùng đến máy tính hoặc
PHẦN MỘT
TỔNG QUAN MỘT SỐ VẤN ĐỂ
LIÊN QUAN ĐẾN
XÂY DỰNGMỘT ROBOT DI ĐỘNG
TỰ ĐỘNG TRÁNH VẬT
BẠCH HOÀNG GIANG K46ĐC
8
Khóa luận tốt nghiệp
CHƯƠNG 1
SƠ LƯỢC VỀ LỊCH SỬ RA ĐỜI VÀ XU HƯỚNG
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
cứu đã tập trung vào việc sử dụng các sensor ngoại để tăng sự tiện lợi và linh
hoạt cho robot. Vào thời gian này công ty máy tính IBM đã chế tạo ra loại
robot có các sensor xúc giác và sensor lực để lắp ráp các máy in gồm 20 cụm
chi tiết .
Một l
ĩnh vực được nhiều phòng thí nghiệm quan tâm là robot tự hành,
robot di động. Nhiều công trình nghiên cứu đã thiết kế, xây dựng tạo ra các
robot tự hành bắt chước chân người hoặc súc vật.
Trong những thập kỷ 80 - 90 do sự phát triển mạnh mẽ của khoa học kỹ
thuật, đặc biệt trong lĩnh vực kỹ thuật vi xử lý và công nghệ thông tin, số lượng
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 .
1.3 Những xu hướng phát triển của robot hiện đại
Các robot hiện đại sẽ có xu hướng tăng trong tương lai giúp con người
có thể tạo ra các sản phẩm mới, bảo vệ cơ sở hạ tầng của thế giới, chăm sóc nhà
cửa, mua bán.
Một xu hướng quan trọng trong nghiên cứu và phát triển robot là phát
triển các hệ thống máy vi cơ điện tử (MEMS) có kích thước nhỏ từ vài cm tới
mm thậm chí nhỏ hơn
µ
m. Các robot rất nhỏ này có thể di chuyển vào trong
mạch máu để phân phối thuốc hoặc làm vệ sinh mạch máu; chúng có thể di
chuyển trong một máy tính lớn để chuẩn đoán các vấn đề xảy ra với máy tính. 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
quyết định cho phù hợp.
2.1. Phân loại sensor
Các sensor sử dụng trong robot được chia thành 3 loại: Sensor nội
(internal sensor), sensor ngoại (external sensor), sensor khoá (interlock sensor).
2.1.1. Sensor nội
Được đặt trong bản thân robot, nó sử dụng các thiết bị về cơ khí, điện,
điện tử hoặc thuỷ lực để nhận các thông tin phản hồ
i về vị trí của các bộ phận
trên robot. Sensor nội có thể đơn giản là các công tắc giới hạn nhưng cũng có
thể phức tạp như đĩa lập mã quang dùng để điều khiển motor.
2.1.1 Sensor ngoại
Sensor ngoại là loại sensor giúp robot giao tiếp với môi trường bên
ngoài như sensor thị giác giúp robot quan sát, sensor xác định khoảng cách
tượng
D
Nguồn phát
α
Nguồn
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
2.2.1.2. Phương pháp xác định khoảng cách bằng đo khoảng thời gian
truyền sóng
Trong phương pháp này sử dụng nguồn phát lazer xung để phát ra xung
sáng, sau đó thu lại ánh sáng phản xạ của nó với điều kiện chùm sáng đi và
chùm sáng về phải đồng trục. Khi đó khoảng cách từ sensor tới đối tượng sẽ
được tính như sau:
D = C . T/2
Trong đó: D là khoảng cách từ sensor tới đối tượng .
BẠCH HOÀNG GIANG K46ĐC
14
Khóa luận tốt nghiệp
C là vận tốc truyền ánh sáng
T là thời gian kể từ khi phát xung sáng cho tới khi
nhận được xung sáng.
do đó D =
λθ
.
/ (2. 3600 ).
BẠCH HOÀNG GIANG K46ĐC
15
Khóa luận tốt nghiệp
Cũng cần lưu ý: khi
θ
= 360
0
bộ đo pha sẽ không phân biệt được D’ = L
+ n (với n là số nguyên ) hay D’ = L. Như vậy cách này chỉ đo với các giá trị
lệch pha
θ
< 360
0
hay với khoảng cách 2D <
λ
.
Bên cạnh việc sử dụng đo khoảng cách bằng nguồn phát lazer, trên thực
tế người ta còn sử dụng nguồn thu phát siêu âm. Chùm xung siêu âm phát ra
đập tới bề mặt phản xạ của đối tượng, xung phản xạ được thu ở đầu thu siêu âm
có thời gian kéo dài xung tỉ lệ với khoảng cách từ sensor tới vật. Nếu đo được
khoảng thời gian kéo dài xung phản xạ ta hoàn toàn có thể đo được khoảng
cách t
ới vật.
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
Vỏ bọc
kim loại Hình 2.3 : Các thành phần cấu tạo sensor siêu âm
- 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
Khác với motor một chi
ều, motor bước được cấu tạo từ nhiều cuộn dây.
Mỗi cặp cuộn dây tương ứng với một pha trong chuyển động. Việc điều khiển
motor bước được thực hiện qua các xung có độ lệch pha so với nhau lần lượt đi
qua các cặp cuộn dây. Chính nhờ việc cho các tín hiệu lần lượt chạy qua các
BẠCH HOÀNG GIANG K46ĐC
18
Khóa luận tốt nghiệp
cặp cuộn dây đã tạo ra các bước trong chuyển động. Tuỳ thuộc mỗi loại motor
bước mà tương ứng với nó là các góc của bước. Góc của bước càng nhỏ thì độ
chính xác của motor càng lớn. Đây là điều khác hẳn với motor một chiều. Việc
điều khiển bước của motor sẽ giúp thực hiện các chuyển động một cách chính
xác tới các vị trí yêu cầu.
3.2. Các đặc tính của motor đi
ện
Một motor khi sử dụng cần quan tâm đến các thông số sau:
- Điện áp sử dụng, dòng điện tiêu thụ.
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
Trọng lượng đặt
lên trục motor
Lực xoắn = trọng lực /bán kính
Hình 3.1: Mô tả cách đo lực xoắn của motor
3.3 Điề
u khiển chuyển động của motor
Việc thiết kế mạch điều khiển motor phải căn cứ vào công suất tiêu thụ
của motor và loại motor để có thiết kế hợp lý. Trong báo cáo này trình bày 2
loại mạch điều khiển motor áp dụng cho 2 loại motor thường gặp đó là motor
DC và motor bước.
3.3.1 Điều khiển motor DC
Thông thường, có thể điều khiển tốc độ của motor một chiều bằ
ng thay
đổi mức điện áp đặt vào motor. Nhưng việc này gặp phải khó khăn khi mức
điện áp trở nên quá thấp làm việc điều chỉnh tốc độ thấp không chính xác. Còn
một cách khác là sử dụng các xung điện có biên độ bằng mức điện áp cực đại
nhưng có độ rộng xung khác nhau để điều khiển tốc độ motor. Độ rộng xung
càng lớn, năng lượng trung bình c
ấp cho motor càng lớn và tốc độ quay của
motor ứng với một tải nhất định càng cao. Việc này được thực hiện bằng các
BẠCH HOÀNG GIANG K46ĐC
21
Khóa luận tốt nghiệp
CHƯƠNG 4
KHẢO SÁT MỘT SỐ LOẠI SENSOR SỬ DỤNG
TRONG ROBOT DI ĐỘNG
Như đã được nhắc đến, sensor là yếu tố giúp robot thích nghi kịp thời
với môi trường xung quanh. Trong phần này sẽ đưa ra một số loại sensor có thể
sử dụng để dẫn đường cũng như phát hiện vật cản, đo khoảng cách của robot
tới vật để tránh vật.
4.1. Sensor hồng ngoại
Đây là lo
ại sensor quang sử dụng thu phát ánh sáng gần vùng hồng
ngoại. Bước sóng ánh sáng sử dụng trong các sensor này cỡ 880nm. Loại
sensor này có thể sử dụng để phát hiện màu đen/trắng hoặc phát hiện vật cản.
Khả năng thực hiện được tuỳ thuộc vào việc thiết kế mạch.
4.1.1. Sensor hồng ngoại sử dụng phát hiện màu đen trắng
Mạch điện thu phát hồng ngoại dùng để phát hiện vạch
đen trắng được
giới thiệu trong hình 4.1 Hình 4.1 Sơ đồ mạch thu phát hồng ngoại phát hiện đen /trắng
Trong sơ đồ này sử dụng một diode phát hồng ngoại phát ra ánh sáng
gần vùng hồng ngoại. Diode này được mắc nối tiếp với một điện trở nhằm hạn
chế dòng. Đầu thu sử dụng ở đây là một phototransistor với điện áp cực base
thay đổi theo lượng ánh sáng hồng ngoại thu nhận được. Tín hiệu từ
Hình 4.2 Photo sensor E3S-DS30E4
Các đặc tính của sensor có thể kể ra như sau:
- Sensor hồng ngoại sử dụng ánh sáng có bước sóng 880nm.
- Ánh sáng hồng ngoại được điều chế.
- Sử dụng để phát hiện vật cản trong cự ly 70cm, có khả năng phân biệt
được vạch trắng/đen.
BẠCH HOÀNG GIANG K46ĐC
23
Khóa luận tốt nghiệp
- Độ nhạy của sensor có thể hiệu chỉnh được thông qua một biến trở.
- Trên sensor có bố trí hai đèn chỉ thị: đèn chỉ thị nguồn và đèn chỉ thị
trạng thái tín hiệu ra.
4.2 Sensor siêu âm
Trên thị trường hiện nay phổ biến hai loại sensor siêu âm trong đó loại
thứ nhất bộ thu phát siêu âm được tích hợp với nhau trên cùng một đế. Loại thứ
hai bộ thu phát được chế tạo độc lập (có m
ột đầu thu và một đầu phát ). Trong
khoá luận này nghiên cứu khảo sát cả hai loại sensor kể trên thông qua hai loại
mang kí hiệu MUST01a và Devantech SRF04. Sensor siêu âm có thể sử dụng
để đo khoảng cách thông qua đo thời gian tín hiệu phản xạ hoặc phát hiện vật
cản.
4.2.1 Sensor siêu âm MUST01d
Đây là loại sensor có bộ thu phát được tích hợp trên cùng một đế
( không phân biệt đầu thu và đầu phát ). Đặc tính của nó có thể kể ra như sau:
- Sử dụng nguồn nuôi một chiều 8-16V, dòng c
ực đại cho phép là 30mA.
- Sensor cho tín hiệu lối ra tương tự từ 0-5 V tuy nhiên giá trị cực đại
dụng để phát hiện vật cản. Điều này có nghĩa là với khoảng cách vượt giới hạn
thì lối ra có mức điện áp tương xứng với mức logic cao, trong trường hợp nằm
trong giới hạn cho phép tín hiệu lối ra có giá trị logic thấp.
Sensor siêu âm MUST01d hoàn toàn có thể sử dụng để đo khoảng cách
tới vật ph
ản xạ. Việc đo khoảng cách được thực hiện thông qua tín hiệu số từ
lối ra của sensor. Giá trị thu được tỉ lệ với khoảng cách từ sensor tới vật.
Tuỳ thuộc khoảng cách từ sensor tới vật là bao nhiêu mà xung đó có độ
rộng khác nhau. Xác định được độ rộng xung này ta sẽ xác định được khoảng
cách từ vật tới robot.
BẠCH HOÀNG GIANG K46ĐC
25
Copyright: Tài liệu đại học ©