1

ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI
TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ

LÂM VŨ

NGHIÊN CỨU, THIẾT KẾ MẠCH ĐIỀU KHIỂN ĐỘNG
CƠ ỨNG DỤNG CHO ROBOT RHEX

LUẬN VĂN THẠC SĨ
CÔNG NGHỆ KỸ THUẬT ĐIỆN TỬ, TRUYỀN THÔNG

HÀ NỘI – Năm 2018


2

ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI
LỜI CAM ĐOAN TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ
Trong quá trình làm luận văn, tôi đã đọc và tham khảo nhiều tài liệu từ giáo
trình, sách chuyên môn cho đến rất nhiều các bài báo được đăng tải trong và
ngoài
LÂM VŨ

NGHIÊN CỨU, THIẾT KẾ MẠCH ĐIỀU KHIỂN ĐỘNG
CƠ ỨNG DỤNG CHO ROBOT RHEX

Ngành: Công nghệ kỹ thuật điện tử, truyền thông
Chuyên ngành: Kỹ thuật điện tử
Mã số: 8510302.01

ii

LỜI CẢM ƠN
Trong thời gian nghiên cứu và hoàn thiện luận văn tôi đã nhận được sự
giúp đỡ chu đáo của các Thầy, Cô giáo trong khoa Điện tử - Viễn thông, Trường
Đại Học Công Nghệ, Đại Học Quốc Gia Hà Nội.
Đề tài:” Nghiên cứu, thiết kế mạch điều khiển động cơ ứng dụng cho
Robot Rhex” đã được triển khai thực hiện và hoàn thành với một số kết quả thu
được và được ứng dụng trong điều kiện thực tiễn hiện nay.
Tôi xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc đến thầy Trần Đức Tân, thầy Vũ Văn
Tâm đã trực tiếp hướng dẫn tôi trong quá trình nghiên cứu và thực hiện đề tài
với tất cả lòng nhiệt tình chu đáo, ân cần cùng với thái độ nghiên cứu khoa học
nghiêm túc và thẳng thắn của những nhà khoa học uy tín, mẫu mực. Tôi xin
chân thành cảm ơn các thầy cô giáo, các anh chị và các bạn đã có những đóng
góp ý kịp thời và bổ ích, giúp đỡ trong suốt quá trình nghiên cứu và hoàn thiện
khóa luận này.
Mặc dù đã có nhiều cố gắng hoàn thiện luận văn bằng tất cả sự nhiệt
tình và nỗ lực của mình, tuy nhiên không thể tránh khỏi những thiếu sót, rất
mong nhận được những ý kiến đóng góp quý báu của quý Thầy Cô và các bạn.


iii

MỤC LỤC
LỜI CAM ĐOAN .......................................................................................................................... i
LỜI CẢM ƠN............................................................................................................................... ii
DANH MỤC HÌNH VẼ................................................................................................................. v
DANH MỤC BẢNG BIỂU...........................................................................................................vii
MỞ ĐẦU...................................................................................................................................... 1
1. Tính cấp thiết của đề tài.......................................................................................................... 1

2.3. Phương pháp điều khiển động cơ....................................................................................... 19
2.3.1. Arduino phát PWM điều chỉnh vận tốc động cơ ............................................................ 19
2.3.2. Giải thuật điều khiển vi tích phân tỉ lệ (PID) ................................................................. 20
2.4. Lựa chọn thiết bị điều khiển trung tâm................................................................................ 25
2.4.1. Tổng quan về Arduino ................................................................................................... 25
2.4.14. Các linh kiện khác trên board Arduino ATMega 2560 ................................................. 27
2.4.2. Thông số kỹ thuật Arduino ATMega 2560 .................................................................... 27
2.4.3. Lập trình cho Arduino ................................................................................................. 31
2.5. Lựa chọn mạch Driver ....................................................................................................... 33
2.6. Lựa chọn động cơ DC........................................................................................................ 36
Chương 3.................................................................................................................................... 43
KẾT QUẢ VÀ THỬ NGHIỆM.................................................................................................... 43
3.1. Kết quả............................................................................................................................. 43
3.2. Thử nghiệm ...................................................................................................................... 44
3.2.1. Thử nghiệm các thao tác vòng trái, vòng phải với các góc độ khác nhau ......................... 45
3.2.2. Thử nghiệm Robot di chuyển tại địa hình bằng phẳng ................................................... 47
3.2.3. Thử nghiệm Robot lên, xuống bậc cao.......................................................................... 48
KẾT LUẬN ................................................................................................................................ 50
1. Kết quả nghiên cứu của đề tài ............................................................................................... 50
2. Hướng phát triển của đề tài: .................................................................................................. 50
TÀI LIỆU THAM KHẢO............................................................................................................ 52
PHỤ LỤC................................................................................................................................... 52


v

DANH MỤC HÌNH VẼ
Hình 1.1. Robot Rhex. .................................................................................... 3
Hình 1.2. Điều chỉnh điện áp phần ứng bằng bộ chỉnh lưu có điều khiển............8
Hình 1.3. Biểu đồ thời gian điện áp và dòng điện. ............................................ 9

Hình 2.17. Cảm biến la bàn số QMC5883L .......................................................40
Hình 2.19. Cảm biến la bàn số QMC5883L. .................................................. 41
Hình 3.1. Bản vẽ mạch in hai lớp........................................................................43
Hình 3.2. Mạch điện thực tế .......................................................................... 43
Hình 3.3. Lắp ráp các bo mạch vào robot Rhex .............................................. 44
Hình 3.4. Đồ thị hiển thị góc quay ................................................................. 46
Hình 3.5. Thử nghiệm cho Robot tại chỗ vòng trái, vòng phải ........................ 46
Hình 3.6. Đồ thị hiển thị tín hiệu di chuyển trên đường bằng phẳng. .............. 47
Hình 3.7. Thử nghiệm Robot di chuyển trên đường bằng phẳng...................... 47
Hình 3.8. Đồ thị hiển thị tín hiệu lên xuống bậc cao ....................................... 48
Hình 3.9. Thử nghiệm Robot lên xuống bậc cao............................................ 49


vii

DANH MỤC BẢNG BIỂU
Bảng 2.1. Luật điều khiển PID............................................................................21
Bảng 2.2. Bốn cổng nối tiếp giao tiếp với phần cứng.........................................29


1

MỞ ĐẦU
1. Tính cấp thiết của đề tài
Trên thế giới, có rất nhiều loại robot được chế tạo, đưa vào sử dụng nhằm
mục đích phục vụ, thay thế, giải phóng sức lao động của con người. Có nhiều
lĩnh vực khoa học, kĩ thuật và đời sống bắt buộc phải có robot vào làm việc.
Ở Việt Nam trong những năm gần đây, với sự phát triển không ngừng của
khoa học, kỹ thuật và công nghệ, robot đã xâm nhập vào trong đời sống của
chúng ta, nó thực sự là một trợ thủ đắc lực giúp con người giải quyết, xử lý

kĩ thuật điều khiển tối ưu cho từng điều kiện cụ thể.
5. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài
- Robot Rhex đã được nghiên cứu và sử dụng tại một số nước trên thế giới
do tính ưu việt của nó. Trong khi nhu cầu nội địa hóa và chế tạo robot thực hiện
chức năng chuyên biệt trong nước đang cần thì việc tập trung nghiên cứu chế tạo
ra một mạch điện tử điều khiển động cơ robot Rhex sẽ góp phần lớn vào việc
giải quyết vấn đề di chuyển của robot.
6. Kết cấu của luận văn
Luận văn gồm các phần chính sau đây:
Chương 1: Tổng quan về Robot Rhex
Chương 2: Thiết kế mạch điều khiển động cơ cho Robot Rhex
Chương 3: Kết quả và thử nghiệm


3

Chương 1
TỔNG QUAN VỀ ROBOT RHEX
1.1. Giới thiệu chung về robot Rhex
Rhex là một Robot có 6 chân với khả năng di chuyển linh hoạt và dễ dàng
vượt qua được nhiều chướng ngại vật đa dạng như đường bằng, đường dốc, leo
cầu thang, lội nước. Robot có khả năng tiếp cận vào các khu vực có địa hình
phức tạp như hầm ngầm, gầm cầu, gầm cống; khu vực bị ô nhiễm, khu vực có
tính rủi ro cao như: nơi có cháy nổ, nguy cơ sập, sạt nở…Đặc biệt là các địa
hình có nhiều loại vật cản mà chúng ta không biết trước được.

Hình 1.1. Robot Rhex
Robot Rhex có camera đèn led phía trước cho phép điều khiển từ xa bằng
sóng radio, thân của nó được đóng kín chuẩn kháng nước. Robot Rhex đã được
một số quốc gia chế tạo nhằm phục vụ những công việc chuyên biệt.



5

Tiếp đến là robot Aqua được phát triển dựa trên nền tảng Rugged Rhex.
Đây là dự án được nghiên cứu tại đại học McGill và trường Đại học York với sự
tài trợ của IRIS/ PRECARN và NSERC. Mục tiêu của dự án là phát triển một
robot có khả năng hoạt động dưới nước. Robot Aqua có thể lặn sâu được 10m,
hệ thống quan sát có khả năng tạo ra các bản đồ ba chiều của các rạn san hô
dưới biển. Aqua là một thiết kế đặc thù để lặn dưới nước. Việc thay thế các chân
thành các mái chèo giúp Aqua di chuyển tốt dưới nước. Tuy nhiên, việc chế tạo
robot Aqua là khó khăn vì các chi tiết yêu cầu độ chính xác cao và thấm nước.
Ngoài ra, việc hoạt động trong môi trường nước yêu cầu vật liệu phải bền vững
và không bị ăn mòn bởi muối. Do vậy, việc chọn lựa vật liệu cũng gặp nhiều
khó khăn.
Robot Edu được phát triển dựa trên robot Rhex Platform được nghiên cứu
bởi IEEE năm 2013. Robot edu được phát triển theo hướng nghiên cứu sự ảnh
hưởng của độ cứng chân so với khả năng di chuyển của robot trên các dạng địa
hình khác nhau. Sự khác biệt này tạo ra một tiền đề cho sự phát triển một dòng
robot Rhex có thể thay đổi độ cứng vững của chân thích ứng với từng dạng địa
hình khác nhau. Tuy nhiên, Edu vẫn tồn tại một số nhược điểm như chưa giải
quyết được mâu thuẫn nội lực nội bộ dẫn đến sự tổn hao về năng lượng. Ngoài
ra, việc chế tạo robot edu cũng khá phức tạp.
Robot Xjus được nghiên cứu bởi nhóm sinh viên Đại học Princeton năm
2013. Nó là robot 6 chân dạng Rhex đầu tiên được thiết kế với mô hình có thể
điều chỉnh độ cứng cột sống thụ động của thân nhằm lưu trữ năng lượng cơ thể
và giảm hao tổn năng lượng. [6]
Như vậy, trong suốt chiều dài của quá trình nghiên cứu, các nhà khoa học
đã phát triển robot Rhex theo nhiều hướng khác nhau. Tuy nhiên việc nghiên
cứu chủ yếu dựa vào thế hệ công nghệ cũ, chưa áp dụng những công nghệ mới.

7

1.3.2. Cấu tạo động cơ điện một chiều
Cấu tạo của động cơ điện một chiều gồm stator, rotor và hệ thống chổi
than, vành khuyên, cổ góp. Stator bao gồm vỏ máy, cực từ chính, cực từ phụ,
dây quấn phần cảm (dây quấn kích thích) gồm các bối dây đặt trong rãnh của lõi
sắt. Số lượng cực từ chính phụ thuộc tốc độ quay. Đối với động cơ công suất
nhỏ có thể kích từ bằng nam châm vĩnh cửu. Rôtor (còn gọi là phần ứng) gồm
các lá thép kỹ thuật điện ghép lại có rãnh để đặt các phần tử của dây quấn phần
ứng. Điện áp một chiều được đặt vào phần ứng qua hệ thống chổi than – cổ góp.
Kết cấu của giá đỡ chổi than có khả năng điều chỉnh áp lực tiếp xúc và tự động
duy trì áp lực tuỳ theo độ mòn của chổi than. Chức năng của chổi than - vành
góp là để đặt điện áp một chiều vào cuộn dây phần ứng và đổi chiều dòng điện
trong cuộn dây phần ứng. Số lượng chổi than bằng số lượng cực từ (một nửa có
cực tính dương và một nửa có cực tính âm).
1.3.3. Nguyên lý làm việc của động cơ điện một chiều
Khi đặt lên dây quấn kích từ một điện áp kích từ Uk nào đó thì trong dây
quấn kích từ sẽ xuất hiện dòng kích từ ik và do đó mạch từ của máy sẽ có từ
thông ø. Tiếp đó đặt một giá trị điện áp U lên mạch phần ứng thì trong dây quấn
phần ứng sẽ có một dòng điện i chạy qua. Tương tác giữa dòng điện phần ứng
và từ thông kích thích tạo thành mômen điện từ. Giá trị của mômen điện từ được
tính như sau:
𝑚=

𝑝.𝑛
2.𝜋.𝑎

∅𝐼 = 𝑘∅𝐼

Trong đó:

Bộ điều
chỉnh
điện áp

Chỉnh lưu
đi ốt

Chỉnh lưu
đi ốt

Hình 1.2. Điều chỉnh điện áp phần ứng bằng bộ chỉnh lưu có điều khiển.


9

1.3.6. Điều chỉnh tốc độ động cơ khi sử dụng thiết bị điều chỉnh xung áp
Phương pháp điều chỉnh này là đóng ngắt động cơ vào nguồn cung cấp
một cách có chu kỳ. Khi đóng động cơ vào nguồn cung cấp, năng lượng được
đưa từ nguồn vào động cơ. Năng lượng này phần chủ yếu được truyền qua trục
của động cơ, phần còn lại được tích ở dạng động năng và năng lượng điện từ.
Khi ngắt động cơ ra khỏi nguồn thì hệ truyền động vẫn tiếp tục làm việc nhờ
năng lượng tích luỹ.
Sơ đồ điều chỉnh xung áp của động cơ một chiều kích từ độc lập.

Hình 1.3: Sơ đồ nguyên lý và sơ đồ tương đương của bộ điều chỉnh xung áp.

Hình 1.4. Biểu đồ thời gian điện áp và dòng điện.


10



11

Hình 1.5. Sơ đồ nguyên lý mạch điều khiển tốc độ động cơ một chiều có đảo
chiều quay
Ở chế độ quay ngược: khi cả 4 Transistor đều khoá, để động cơ quay ngược
lại người ta đưa xung điều khiển Udk2 vào cực bazơ của T2 và T3 dẫn đến cả hai
Transistor T 2 và T3 đều mở, dòng điện đi từ dương nguồn qua T2 đến phần ứng
động cơ rồi qua T3 về âm nguồn. Động cơ quay theo chiều ngược lại.

Hình 1.6. Sơ đồ nguyên lý mạch đảo chiều động cơ dùng Transistor và khuếch
đại thuật toán


12

• Tầng 1 là tầng khuếch đại điện áp đầu vào sử dụng bộ khuếch đại thuật
toán 741.
• Tầng 2 là tầng khuếch đại công suất dùng T1, T2, T3, T4 ghép kiểu
Darlington. Điện áp cung cấp cho tầng khuếch đại công suất là 12 ± V. Mạch
phản hồi âm được báo từ đầu ra cuối cùng của khuếch đại thuật toán. D1, D2 là 2
điôt ổn định điện áp cho khuếch đại thuật toán. Tụ C1 và C2 cùng với R10 có tác
dụng lọc thành phần xoay chiều do động cơ làm việc ở chế độ máy phát phát ra
khi ta đổi chiều quay. R7 là điện trở mạch phản hồi.
Nguyên lý hoạt động:
Khi Udk có cực tính dương thì ở chân 6 của bộ khuếch đại thuật toán có
điện áp âm đặt vào bazơ của T1 và T2 do T1 là loại NPN và T2 là loại PNP do đó
T1 khoá còn T 2 dẫn. Khi T2 dẫn thì âm nguồn (-12V) qua R5, qua T2 (lúc này
dẫn) đặt vào bazơ của T3 và T4. Cũng do T 3 là loại NPN, T4 là loại PNP do đó T3

1.3.8. Phương án dùng vi điều khiển
1.3.8.1. Sử dụng vi điều khiển 8051
Để điều khiển tốc độ động cơ DC người ta có thể dùng nhiều phương pháp
khác nhau trong đó có một phương pháp hết sức quan trọng và thông dụng là
phương pháp điều chế độ rộng xung kích (PWM), có nghĩa là thay đổi độ rộng
xung kích để điều khiển đóng ngắt (SCR hay transistor), từ đó điều khiển tốc độ


14

động cơ. Bộ PWM được chế tạo ra từ các linh kiện điện tử. Với yêu cầu dùng vi
điều khiển 8051 để điều khiển động cơ quay thuận – nghịch và thay đổi tốc độ,
ta sử dụng chương trình để tạo xung PWM bên trong vi điều khiển AT89S52 tại
chân P2.6. Tại chân này khi hoạt động sẽ xuất chuỗi xung vuông, độ rộng được
điều chỉnh dễ dàng. Xung ra này dùng để tạo tín hiệu đóng ngắt Transistor trong
mạch động lực, với độ rộng xác định sẽ tạo ra một điện áp trung bình xác định.
Thay đổi độ rộng xung sẽ thay đổi điện áp trung bình và do đó thay đổi được tốc
độ động cơ.
1.3.8.2. Sử dụng vi điều khiển PIC
- Sử dụng 6 động cơ một chiều để robot chạy. Mỗi một động cơ sẽ được
PIC slave điều khiển bởi 2 chân, chân PWMn, DVn ( với n = 1,2,…,6) của robot
có sơ đồ nguyên lý tương tự hình 1.8

Hình 1.8. Sơ đồ mạch điều khiển động cơ 1 cho chân số 1 của Robot [1]
Các IC PC817, 6N137 dùng để ghép tín hiệu DRV1, PWM1 vào mạch điều
khiển động cơ, IC 4001 có tác dụng chống trùng dẫn (bảo vệ mạch); 2 IC IR
2184 làm nhiệm vụ đóng mở các mosfet; 4 IC IRF 3205 tạo thành cầu H để
đóng/ mở nguồn cho động cơ 1. DRV11, PWM11 là các tín hiệu DRV1, PWM1 đã



20W có encoder 7 xung 2 kênh AB.
1.4. Kết luận
Từ các phương pháp trên ta thấy rõ ràng Arduino là một bo mạch vi xử lý,
được dùng để lập trình tương tác với các thiết bị phần cứng như cảm biến, động
cơ, đèn, hoặc các thiết bị khác. Đặc điểm nổi bật của Arduino là môi trường phát
triển ứng dụng cực kì dễ sử dụng, với ngôn ngữ lập trình có thể học một cách
nhanh chóng ngay cả những kĩ thuật viên không chuyên, mức giá thấp và tính
chất mã nguồn mở từ phần cứng tới phần mềm. Từ đó, đề tài tập trung vào việc
lập trình, ứng dụng vi mạch tích hợp Arduino để điều khiển chân robot.


16

Chương 2
XÂY DỰNG HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN ĐỘNG CƠ
2.1. Yêu cầu xây dựng hệ thống điều khiển động cơ
Robot Rhex có 6 chân, cho nên cần 6 động cơ để điều khiển. Chíp điều
khiển phải đảm bảo điều khiển đồng thời, độc lập 6 động cơ tương ứng với 6
chân của robot và phải đáp ứng được tính ổn định trong quá trình di chuyển của
robot. Driver điều khiển động cơ phải đảm bảo việc các chân hoạt động ổn định
và xử lý được tín hiệu đàn hồi về từ động cơ để điều chỉnh tốc độ khi di chuyển.
Rhex là robot nhỏ gọn và yêu cầu điều khiển chính xác. Vì vậy, động cơ
trên các chân phải nhỏ gọn, có encoder để điều chỉnh tốc độ và vị trí các chân.
2.2. Sơ đồ điều khiển động cơ
2.2.1. Sơ đồ khối

RF thu

Khối vi
điều