Kim Ngọc Bách - Đại Học Công Nghệ - ĐHQGHN
Lời cảm ơn
Trước hết em xin gửi lời cảm ơn chân thành và sâu sắc tới PSG.TS Trần Quang
Vinh người đã trực tiếp hướng dẫn, chỉ bảo tận tình và tạo mọi điều kiện tốt nhất
để em hoàn thành luận văn này.
Thứ hai em muốn gửi lời cảm ơn đến các thầy cô giáo đã giảng dạy em trong 4
năm học vưa qua.
Thứ ba em cảm ơn gia đình đã nuôi dưỡng và tạo điều kiện học tập tốt nhất cho
em.
Và cuối cùng em cảm ơn giúp đỡ và ủng hộ của các bạn trong suốt quá trình
học tập.
Sinh viên
Kim Ngọc Bách
1
Kim Ngọc Bách - Đại Học Công Nghệ - ĐHQGHN
Tóm tắt nội dung luận văn
Nội dung của bài luận văn này là về vấn đề tìm hiểu nguyên tắc hoạt động và cấu
tạo của robot CleanMate 365 của hãng Metapo,USA. Từ đó thiết kế, xây dựng một
robot có chức năng giống CleanMate 365. Sau đó hoàn thiện phát triển thêm các
chức năng mới cho robot này
Luận văn bao gồm 6 chương. Chương 1 đặt vấn đề và giới thiệu về Robot
Cleanmate 365. Chương 2 là cơ sở lý thuyết về robot di động thông minh. Các
chương 3,4,5 là thiết kế chi tiết của robot về cơ khí, điện tử, phần mềm điều khiển.
Chương 6 báo cáo về kết quả quá trình xây dựng, hoàn thiện Robot, và đề ra hướng
phát triển cho robot.
Phần phụ lục giới thiệu các công cụ sử dụng trong quá trình xây dựng robot và mã
nguồn tham khảo của chương trình điều khiển robot.
2
Kim Ngọc Bách - Đại Học Công Nghệ - ĐHQGHN
Mục Lục
robot:..............................................................................................................................26
4.3 Khối quản lý nguồn :....................................................................................................28
4.3.1 Khối chuyển đổi nguồn nuôi:...............................................................................28
4.3.2 Khối ổn áp:............................................................................................................29
4.3.3 Khối nạp Pin:........................................................................................................32
4.4 Hệ thống cảm nhận vật cản:.........................................................................................33
4.5 Hệ thống sensor gầm cảm nhận độ cao:......................................................................34
4.6 Cảm nhận sáng tối:.......................................................................................................35
4.7 Khối giao tiếp điều khiển từ xa hồng ngoại:...............................................................35
4.7.1 Nguyên lý hoạt động:............................................................................................36
4.7.2 Bộ Phát :................................................................................................................37
4.7.3 Phần thu:................................................................................................................38
4.8 Bàn phím:.....................................................................................................................39
4.9 Hiển thị LED 7 đoạn và Loa:.......................................................................................41
4.9.1 Hiển thị LED 7 đoạn :...........................................................................................41
3
Kim Ngọc Bách - Đại Học Công Nghệ - ĐHQGHN
4.9.2 Loa :.......................................................................................................................41
4.10 Mạch điều khiển động cơ :........................................................................................41
4.10.1 Giới thiệu về mạch cầu H:..................................................................................41
4.10.2 Điều khiển motor với IC L298:..........................................................................43
4.10.3 Điều khiển Motor chổi quét:...............................................................................44
4.11 Thiết kế PCB:.............................................................................................................46
4.11.1 Phần mềm thiết kế mạch in PCB DXP Altium Designer:.................................46
4.11.2 Thiết kế mạch điện trong môi trường Altium Designer:...................................46
4.11.3 Kết quả và nhận xét:...........................................................................................47
Chương 5: Phần mềm điều khiển Robot................................................................................47
5.1 Lập trình cho hệ thống thời gian thực:........................................................................47
5.2 Bài toán di chuyển của robot:......................................................................................49
5.3 Tránh vật cả và độ cao:................................................................................................50
Hình 17:Sơ đồ đầu đưa điện áp vào.......................................................................................28
Hình 18:Sơ đồ hệ rơle chọn nguồn........................................................................................29
Hình 19:sơ đồ ổn áp...............................................................................................................30
4
Kim Ngọc Bách - Đại Học Công Nghệ - ĐHQGHN
Hình 20:Cấu tạo bên trong của LM2576...............................................................................31
Hình 21:Sơ đồ mạch nguồn cho motor..................................................................................32
Hình 22:Sơ đồ khối nạp Pin...................................................................................................33
Hình 23:Cách ly quang...........................................................................................................33
Hình 24:sơ đồ bộ phận cảm nhận vật cản..............................................................................34
Hình 25:Sơ đồ điều chế tín hiệu phát....................................................................................35
Hình 26:sơ đồ ghép nối quang trở.........................................................................................35
Hình 27:Dạng Xung mã hoá Manchester..............................................................................36
Hình 28:Khung dữ liệu RC5 khi nhận...................................................................................37
Hình 29:Cấu trúc 1 bộ phát hồng ngoại.................................................................................37
Hình 30:Sơ đồ bộ phát...........................................................................................................38
Hình 31:Sơ đồ cấu tạo bên trong của GP1U52X...................................................................39
Hình 32:Hình ảnh cảm biến GP1U52X.................................................................................39
Hình 33:Sơ đồ ghép nối phím bấm với Vi điều khiến..........................................................40
Hình 34:Sơ đồ hiển thị LED 7 đoạn......................................................................................41
Hình 35:Sơ đồ ghép nối loa...................................................................................................41
Hình 36:Sơ đồ nguyên lý và nguyên tắc hoạt động của mạch cầu H...................................42
Hình 37:Mạch cầu H được thiết kế với transistor trường MOSFET....................................43
Hình 38:Sơ đồ chân IC L298.................................................................................................43
Hình 39:Sơ đồ ghép nối với vi điều khiển.............................................................................44
Hình 40:mô tả IRF540............................................................................................................45
Hình 41:sơ đồ mạch điều khiển motor quét...........................................................................45
Hình 42:ví dụ về đáp ứng của hệ thống thời gian thực.........................................................48
Hình 43:Lưu đồ thuật toán chương trình chính.....................................................................52
Hình 44:Sơ đồ trạng thái Robot.............................................................................................53
Các bộ vi điều khiển, vi xử lý xuất hiện trên thị trường rất đa dạng, tốc độ xử lý
ngày một cao, tính năng hỗ trợ ngày càng mạnh mẽ. Có thể đưa ra đây những cái
tên tiêu biểu như các vi điều khiển họ AVR của Atmel, vi điều khiển họ PIC của
Microchip, Psoc của Cypress, ARM, và các loại FPGA… Đó là điều khiện thuận lợi
để phát triển các hệ thống nhúng đa dạng hơn, thông minh hơn.
Trong xu thế cạnh tranh, các hãng phát triển vi mạch cố gắng tăng mật độ tích hợp
trên vi mạch ngày càng cao, và hạ giá thành đến mức thấp. Người sử dụng có thể dễ
dàng sở hữu một bộ vi xử lý tốc độ cao giá rẻ, các công cụ phát triển, tài liệu liên
quan có thể dễ dàng tìm được. Vì vậy giá thành cho sản phẩm cuốI cùng cũng được
giảm.
6
Kim Ngọc Bách - Đại Học Công Nghệ - ĐHQGHN
Nhiệm vụ bài khoá luận này là khảo sát tính năng của robot Cleanmate365, từ đó
hoàn thiện và phát triển 1 robot có tính năng tương tự như robot Cleamate365, dựa
trên vi điều khiển PIC.
1.2 Giới thiệu về Robot Cleamate:
Cleanmate365 là một robot hút bụi thông minh được chế tạo bởi hãng
Metapo, Hoa Kỳ. Không giống như các loại máy hút bụi thông thường,
Cleanmate365 thực hiện công việc hút bụi một cách hoàn toàn tự động theo
chương trình đã được lập sẵn. Cleanmate thích hợp cho các gia đình và văn
phòng có nền nhà gỗ , thảm, đá hoa. Với kích thước nhỏ gọn cleanmate365
có thể di chuyển hết cả phòng, những nơi mà máy hút bụi thông thường
không với vào được như gầm giường, gầm ghế…
Được mệnh danh là máy hút bụi thông minh, CleanMate 365 có thiết kế nhỏ gọn
với đường kính 36 cm và nặng 2,7kg, bao gồm một cổng hút dài và hệ thống chổi
quét lô tròn và chổi quét cạnh, khi di chuyển máy sẽ xới bụi và cổng hút sẽ hút hết
bụi bẩn. Chính vì vậy mà động cơ hút bụi không cần có công suất lớn như máy hút
bụi thông thường.
Các chức năng nổi bật của Cleanmate365: Điều khiển được từ xa bằng remote
control, tự cảm nhận tránh vật cản, làm việc trên bậc cầu thang mà không bị rơi, di
Sau đây là một số định nghĩa về robot :
• Tiêu chuẩn quốc tế ISO 8373 định nghĩa robot như sau: “Đó là một loại máy
móc được điều khiển tự động, được lập trình sẵn, sử dụng vào nhiều mục
đích khác nhau, có khả năng vận động theo nhiều hơn 3 trục, có thể cố định
hoặc di động tùy theo những ứng dụng của nó trong công nghiệp tự động.”
• Joseph Engelberger, một người tiên phong trong lĩnh vực robot công nghiệp
nhận xét rằng: “Tôi không thể định nghĩa robot, nhưng tôi biết loại máy móc
nào là robot khi tôi nhìn thấy nó!!”.
• Từ điển Cambridge trực tuyến định nghĩa robot rằng rằng: “Đó là một loại
máy có thể thực hiện những công việc một cách tự động bằng sự điều khiển
của máy tính”.
• Người máy hay Robot là công cụ cơ điện tử, thủy lực, nhân tạo, ảo,... thay
thế con người trong công nghiệp hay môi trường nguy hiểm. Robot còn là
công cụ để giúp con người giải trí, tìm hiểu khoa học.
Ta có thể thấy định nghĩa về robot là 1 định nghĩa “mở”, nghành công nghiệp robot
ngày càng phát triển, con người sẽ được chứng kiến sự ra của nhiều loại robot hơn
nữa.
2.2 Phân Loại Robot :
Có rất nhiều định nghĩa cũng như cách phận loại robot. Sau đây là một số cách
phân loại robot.
Theo Viện Robotics Hoa Kỳ(Robotics Institute of America - RIA) thì có 4 loại
robot như sau:
9
Kim Ngọc Bách - Đại Học Công Nghệ - ĐHQGHN
• Robot vân hành với sự điều khiển của con người.
• Tự vận hành với chu trình được định trước.
• Robot khả trình, điều khiển được với quỹ đạo liên tục
• Robot có khả năng tự thu nhận thông tin từ môi trường để đưa ra chuyển
động thông minh
Theo Hiệp Hội Robot Nhật Bản :
Hình 4:Mô hình tuần tự
Ở mô hình này, thông tin của môi trường được cảm nhận. Thông tin này được
truyền tới bộ phận điều khiển, bộ phận điều khiển sẽ phân tích và từ đó đưa ra
thông tin điều khiển tới bộ phận chấp hành. Mô hình này có tốc độ đáp ứng
chậm.
PC
Robot
11
Cảm Nhận Chấp Hành
Cảm nhận Lên kế hoạch Chấp hành
Môi
Trường
Cảm
nhận
Chấp
hành
Điều
khiển
(gồm vi
xử lý và
bộ nhớ)
Kim Ngọc Bách - Đại Học Công Nghệ - ĐHQGHN
2.4.3 Mô hình kiểu lai :
Hình 5:Mô hình lai
Mô hình này là mô hình kết hợp giữa 2 kiểu mô hình trên.
Mô hình lai bao gồm nhiều cặp “cảm nhận – châp hành” hoạt động như mô hình
phản xạ, tốc độ đáp ứng khá nhanh. Bên cạnh đó có 1 khối điều khiển lập kế hoạch
cho toàn bộ tác vụ của robot.
Chương 3: Thiết kế Robot cleanmate – Phần cơ khí
Robot bao gồm :
thụ động
Sensor dò
độ cao
38cm
Kim Ngọc Bách - Đại Học Công Nghệ - ĐHQGHN
Chương 4: Thiết kế mạch điện tử
4.1 Tổng quan về mạch điện tử :
Mạch điện tử bao gồm các khối lớn sau:
• Khối nguồn:
o Nguồn lấy từ ăcquy (khi robot hoạt động), điện lưới thông qua
adapter (khi robot sạc pin).
o Khối nạp ăcquy.
o Khối nguồn cho các động cơ.
o Khối nguồn cho vi điều khiển, sensor.
• Khối giao tiếp:
o Bàn phím.
o Đèn hiển thị, LED 7 đoạn.
o Loa.
o Mắt đọc hồng ngoại.
• Khối cảm biến:
o Cảm biến cảm nhận độ cao.
o Cảm biến dò vật cản phía trước.
• Mạch công suất: Mạch điều khiển động cơ.
• Khối điều khiển trung tâm: Sử dụng vi điều khiển PIC16F877A của hãng
Microchip.
4.2 Khối điều khiển và giới thiệu PIC16F877A:
14
Kim Ngọc Bách - Đại Học Công Nghệ - ĐHQGHN
Vi điều khiển được sử dụng trong robot là PIC16F877A do hãng Microchip sản
xuất. Các vi điều khiển thuộc dòng PIC tỏ ra rất ổn định, các khối chức năng được
o
Bảng 1:Cấu hình Cổng A
• Cổng B:
o Vào ra số có độ rộng 8bit, có định hướng. Khai báo định hướng vào
ra ở thanh ghi TRISB. Nếu bit TRISBx=1 thì chân RBx sẽ được đinh
nghĩa là lối vào và ngược lại.
o Thanh ghi lưu trạng thái các chân của cổng B là thanh ghi PORTB
o 3 chân của cổng B là : RB3,RB6,RB7 còn được sử dụng làm chân lập
trình PGM, PGC,PGD.
o 4 chân từ RB7:RB4 có ngắt on-change.
Bảng 2:Cấu hình Cổng B
17
Kim Ngọc Bách - Đại Học Công Nghệ - ĐHQGHN
• Cổng C :
o Vào ra số có độ rộng 8bit, có định hướng. Khai báo định hướng vào
ra ở thanh ghi TRISC. Nếu bit TRISCx=1 thì chân RCx sẽ được đinh
nghĩa là lối vào và ngược lại.
o Thanh ghi lưu trạng thái các chân của cổng C là thanh ghi PORTC.
o Các chân của cổng C đều có bộ đệm triger smitt.
o Cổng C còn được sử dụng cho 1 số khối chức năng khác.
Bảng 3:Cấu hình Cổng C
• Cổng D :
o Vào ra số có độ rộng 8bit, có định hướng. Khai báo định hướng vào
ra ở thanh ghi TRISD. Nếu bit TRISDx=1 thì chân RDx sẽ được đinh
nghĩa là lối vào và ngược lại.
o Thanh ghi lưu trạng thái các chân của cổng D là thanh ghi PORTD.
Bảng 4:Cấu hình Cổng D
• Cổng E :
o Cổng E chỉ có 3 chân vào ra, có bộ đệm triger smitt.
18
Hình 12:Sơ đồ khối Timer1
o Là bộ đếm 16 bit, có thể ghi đọc. Giá trị timer được lưu trong 2 thanh
ghi là TMR1L và TMR1H.
o Khác với timer0, timer1 có bit bật và tắt timer.
o Timer1 có thể được dùng để đinh thờI cho khối CPP.
o Khi Timer 1 được bật, timer sẽ đếm từ giá trị được ghi trong 2 thanh
ghi TMR1L và TMR1H tới 0xFFFF, khi đó cờ tràn TMR1IF được
bật.
o Time = (FOSC/4) x Prescale x ( 0xFFFF – (( TMR1H x 0xFFFF ) +
TMR1L)).
o Bit T1OSCEN: Chọn nguồn dao động
=1: sử dụng dao động ngoài.
=0: sử dụng nguồn dao động hệ thống.
o Bit TMR1CS=1 timer1 hoạt động như bộ đếm, xung vào từ chân
RC1.
o Bit TMR1ON: bật tắt timer1.
21
Kim Ngọc Bách - Đại Học Công Nghệ - ĐHQGHN
=1 Bật.
=0 Tắt.
o Bit T1CKPS1: T1CKPS0 : Chọn số chia cho prescale.
0:0 chia 1
0:1 chia 2
1:0 chia 4
1:1 chia 8
• Timer2:
Hình 13:sơ đồ khối timer 2
o Là bộ đếm 16 bit, có thể ghi đọc. Giá trị timer được lưu trong 2 thanh
ghi là TMR1L và TMR1H.
o Timer2 có bit bật và tắt timer.
tham chiếu ngoài được đưa và từ chân RA2 và RA3.
Khi việc biến đổi A/D hoàn tất cờ ADIF sẽ được bật.
Khối biến đổi A/D có 4 thanh ghi là :
• Kết quả biến đổi Byte cao: ADRESH
• Kết quả biến đổi Byte thấp: ADRESL
• Hai thanh ghi điều khiển: ADCON0 và ADCON1.
24
Kim Ngọc Bách - Đại Học Công Nghệ - ĐHQGHN
Hình 16:Sơ đồ khối ADC
• Thanh ghi ADCON0:
o Chọn nhịp xung đồng hồ cho ADC.
Bảng 8:Cấu hình xung nhịp cho ADC
o Các bit CHS2:CHS1:CHS0 : chọn kênh cho ADC
000 : kênh 0 ( AN0 )
001: kênh 1 ( AN1 )
010: kênh 2 ( AN2 )
25
Copyright: Tài liệu đại học ©