BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT
THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH

BÁO CÁO NGHIÊN CỨU KHOA HỌC CẤP SINH VIÊN

THIẾT KẾ VÀ THI CÔNG MẠCH ĐO
KHOẢNG CÁCH DÙNG HỆ THỐNG CẢM BIẾN
SIÊU ÂM CHO ROBOT DI ĐỘNG
S

K

C

0

0

3

9

5

9

S KC 0 0 3 0 7 5

Tp. Hồ Chí Minh, tháng 5/2011



Phần 2:

Giải quyết vấn đề............................................................................5

I..

Mục đích đề tài...........................................................................................5

II.

Phương pháp nghiên cứu............................................................................5

III.

Nội dụng.....................................................................................................6

Chương 1: Robot di động sử dụng cảm biến siêu âm...........................................6
1.1.

Khái niệm chung Robot di động................................................................6

1.2.

Các thành phần cấu tạo chính của Robot...................................................7

1.3.

Mô tả hoạt động.........................................................................................7



Chương 5: Giải bài toán tránh vật cản cho robot.............................................26
5.1

Cách tính đọc dữ liệu trả về từ cảm biến................................................26

2


5.2 Giải thuật robot di chuyển tránh vật cản...................................................26
IV.

Kết quả đạt được.....................................................................................30

Phần 3:

Kết luận.......................................................................................30

I.

Kết luận...................................................................................................30

II.

Đề nghị....................................................................................................30

3


Phần 1: Đặt vấn đề

SRF05, nghiên cứu phương pháp điều khiển Vi điều khiển H8 và cảm biến
siêu âm SRF05.
 Tham khảo những kinh nghiệm trong thiết kế và thi công phần cứng Robot.

III- Nội dung.
Nội dung của đề tài gồm các chương sau:

Chương1: Robot di động sử dụng cảm biến siêu âm
Chương này trình bày mô hình robot di động tránh vật cản dùng cảm biến siêu
âm.

Chương 2: Giới thiệu về cảm biến siêu âm SRF05
Chương này trình bày về nguyên tắc hoạt động của cảm biến siêu âm và các
chế độ hoạt động của SRF05.

Chương 3: Giới thiệu về Vi điều khiển H8

5


Chương này trình bày những phần chính của vi điều khiển H8 sử dụng trong đề
tài này.

Chương 4: Mạch công suất điều khiển động cơ và xử lí tín hiệu
điều khiển
Chương này trình bày về sơ đồ nguyên lí và xử lí tín hiệu được sử dụng trong
đề tài này.

Chương 5: Giải bài toán tránh vật cản cho robot
Chương này trình bày giải thuật tính toán và điều khiển cho robot di động tránh

Robot chuyển động được là nhờ hệ thống bánh xe bên dưới đế Robot, khi
chuyển động thì đồng thời cảm biến siêu âm sẽ quét một góc nhất định phía mặt
trước của Robot:
 Khi không có vật tức cảm biến siêu âm sẽ không đưa tín hiệu “không có
vật” về board xử lí và Robot tiếp tục đi thẳng.
 Khi vật xuất hiện trong vùng quét của cảm biến thì cảm biến sẽ đưa một tín
hiệu “có vật” về board xử lí, lúc này vi điều khiển sẽ đưa ra quyết định bẻ
lái sáng trái hoặc sang phải để tránh vật.

7


Chương 2: Giới thiệu về cảm biến siêu âm SRF05

2.1- Tổng quan về cảm biến siêu âm SRF05
Giới thiệu:
Cảm biến siêu âm hoạt động dựa trên sự phát và thu sóng siêu âm.
SRF05(Hình 1) là một bước
phát triển từ SRF04, được thiết kế
để làm tăng tính linh hoạt, tăng
phạm vi, ngoài ra còn giảm bớt chi
phí. SRF05 là hoàn toàn tương
thích với SRF04. Khoảng cách
được tăng từ 3 mét đến 4 mét.
SRF05 cho phép sử dụng một
chân duy nhất cho cả kích hoạt và
phản hồi, do đó tiết kiệm giá trị trên
Hình 1: Hình ảnh về cảm biến SRF05
chân điều khiển. Khi chân chế độ không kết nối, thì SRF05 hoạt động riêng biệt
chân kích hoạt và chân hồi tiếp, như SRF04.


Hình 6: Hoạt động của SRF05 ở mode 2

10


2.2.2- Tính toán khoảng cách
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 ta có thể xác định được quãng
đường mà sóng đã truyền đi trong không gian. Quãng đường mà sóng truyền đi và
truyền về bằng hai lần khoảng cách từ cảm biến tới vật. Hay theo nguyên lí
TOF(Hình 7) thì:
D=V*T/2
Trong đó:

D: khoảng cách từ cảm biến tới vật.
V: vận tốc truyền sóng trong không khí 343m/s
T: thời gian mà sóng đi từ cảm biến tới vật.

Hình 7: Nguyên lí TOF

2.2.3- Góc quét và chùm tia của cảm biến
 Góc quét của cảm biến: có dạng hình quạt(Hình 8)

11


Hình 8: Góc quét của SRF05
 Chùm tia của cảm biến


14


Chương 3: Giới thiệu về Vi điều khiển H8
3.1- Tổng quan về Vi điều khiển H8
Với sự phát triển nhanh chóng công nghệ điện tử ngày nay thì có rất nhiều loại
vi điều khiển của nhiều hãng khác nhau. Trong đó, Renesas nổi lên như là một nhà
cung cấp hàng đầu thế giới về vi điều khiển. Với họ vi điều khiển hiệu năng cao
H8, Renesas đang cho thấy năng lực thật sự về lĩnh vực vi điều khiển của mình.
Những ai từng sử dụng vi điều khiển cho các ứng dụng của mình, thì có lẽ các
bạn đã khá quen thuộc với các dòng 8051, AVR, PIC. Còn đối với họ Vi điều
khiển H8 của Renesas thì sao, đây là một họ Vi điều khiển khá mạnh của Renesas
và rất thông dụng tại Nhật Bản, nhưng ở Việt Nam thì họ Vi điều khiển này khá ít
người biết và chưa phổ biến trên thị trường Việt Nam.
H8 được sản xuất bởi Renesas Technology, một tập đoàn được hình thành do
sự hợp tác bởi hai tập đoàn sản xuất bán dẫn lớn nhất nước Nhật là Hitachi Ltd
(55% vốn) và Mitsubishi Corporation (45% vốn), bao gồm các dòng vi điều khiển
8-bit, 16-bit và 32-bit. Có cấu trúc tương tự như PDP-11 của DEC (Digital
Equipment Corp), bao gồm các dòng nổi bật sau:





Dòng H8/300: H8/3048, H8/330, H8/3297, H8/3001, …
Dòng H8/500: H8/500B, H8/500POAAC, H8/500XBAA, …
Dòng H8S: H8S/2000, H8S/2124, H8S/2128,…
Dòng H8SX: H8SX/1525, H8SX/1650, H8SX/1582,




Sự phát triển tương thích của CPU H8/300, H8/300H và H8S: có thể thực
thi các chương trình đối tượng của H8/300, H8/300H và H8S/2000.
16 thanh ghi đa dụng 16 bit.
87 câu lệnh căn bản.
11 chế độ đánh địa chỉ.
Hai thanh ghi nền.



Không gian địa chỉ 4 GB






16





Chương trình 4 GB.
Dữ liệu 4 GB.
 Xử lý nhanh: tất cả các câu lệnh thường xuyên sử dụng đều được thực
thi chỉ trong 1 hay 2 trạng thái.
 Có 4 chế độ hoạt động.
 Các chế độ ngắt điện.

CPU H8SX có 2 loại thanh ghi: các thanh ghi đa dụng và các thanh ghi
điều khiển.

18


Hình 14: Các thanh ghi của CPU

19


 Các thanh ghi đa dụng
H8SX có 8 thanh ghi đa dụng 32-bit. Các thanh ghi đa dụng có chức năng
như nhau và có thể được sử dụng làm các thanh ghi địa chỉ lẫn thanh ghi dữ
liệu. Khi một thanh ghi đa dụng được sử dụng làm các thanh ghi dữ liệu, nó có
thể được truy xuất như các thanh ghi 32-bit, 16-bit, hay 8-bit
Cách sử dụng các thanh ghi đa dụng trình bày theo bảng sau:

Hình 15: Cách sử dụng các thanh ghi đa dụng
 Các thanh ghi điều khiển
 Thanh ghi bộ đếm chương trình (PC)
PC là một thanh ghi bộ đếm chương trình 32-bit dùng để chỉ địa chỉ của câu
lệnh sẽ được thực thi kế tiếp. Chiều dài của tất cả các câu lệnh của CPU là 16 bit
(một word) hay là một bộ số của 16 bit. Vì vậy, bit có trọng số nhỏ nhất sẽ được
bỏ qua (Khi mã lệnh được đọc, bit này được gán là 0)
 Thanh ghi mã điều kiện (CCR)
Thanh ghi CCR là một thanh ghi 8-bit mà chứa thông thi về trạng thái của
CPU, bao gồm cờ cho phép ngắt (interrupt mask) (I), các bit người dùng (userUI,U), cờ nhớ nửa (H), cờ dấu (N), cờ zero (Z), cờ tràn (V) và cờ nhớ (C)

20


21




Tập lệnh
CPU H8SX có 87 loại câu lệnh, bao gồm:
 Các câu lệnh luận lý và số học 8/16/32 bit
 Các câu lệnh nhân và chia
 Các câu lệnh truyền dữ liệu
 Các câu lệnh mạnh để xử lý bit
 Các câu lệnh rẽ nhánh bit
 Các câu lệnh nhân và tích luỹ

Phép toán số học, phép toán luận lý, dịch, và các câu lệnh thao tác trên bit,
trong tài liệu này được gọi là câu lệnh phép toán (operation instruction).

3.2- Những chức năng chính của Vi điều khiển H8 sử dụng
trong đề tài.
 Cổng xuất, nhập.
 Bộ điều xung (PWM).
 Timer.

22


Chương 4: Mạch công suất điều khiển động cơ và
xử lí tín hiệu điều khiển.