Báo Đ Án Ii Work

 

TRƯỜNG ĐẠI HỌC VINH VIỆN KỸ THUẬT VÀ CÔNG NGHỆ

ĐỒ ÁN II THIẾT KẾ ROBOT DÒ LINE SỬ DỤNG PID

 

Giảng viên hướng dẫn: TS. Mai Thế Anh

 

Sinh viên thực hiện:  

Nguyễn Văn Nhật

   

Trần Văn Quyết Dương Đình Nghĩa

Lớp:

58K – KTĐK & TĐH

 Nghệ An, năm 2021

 

MỤC LỤC LỜI NÓI ĐẦU......................................................................................................................................3 CHƯƠNG I: TỔNG QUAN................................................................................................................4 1.1. Đặt vấn đề....................................................................................................................................4 1.2. Giới thiệu về Robot.....................................................................................................................4 1.3. Arduino.......................................................................................................................................6 1.4. Cảm biến.....................................................................................................................................8 1.5. Mô hình từ các cuộc thi...............................................................................................................9 1.6. Cấu trúc điều khiển ....................................................................................................................11 CHƯƠNG II: THIẾT KẾ ROBOT...................................................................................................13 2.1. Sơ đồ khối.................................................................................................................................13 2.2. Giới thiệu arduino Uno R3 ........................................................................................................13 2.3. Mạch ARDUINO UNO R3.......................................................................................................15 2.4. Module L298N..........................................................................................................................17 .............. .............. .................................18 ..........................18 2.5. Module thu phát hồng ngoại TCRT5000L 5 mắt, bánh mắt trâu .......

2.5. Sơ đồ nối các linh kiện..............................................................................................................19 2.7. Giải thuật điều khiển PID ..........................................................................................................20 KẾT QUẢ THỰC NGHIỆM VÀ KẾT LUẬN .................................................................................23 TÀI LIỆU THAM KHẢO ........................... ....................................................... .......................................................... .......................................................... .............................. 24

1

 

DANH MỤC HÌNH ẢNH

Hình 1.1.Arduino 1.1.Arduino  mega

7

Hình 1.2. 1.2. Arduino uno 7 Hình 1.3.  1.3. Arduino nano 7 Hình 1.4.  1.4. Mức so sánh của cảm biến ứng với các vị trí line khi xe di chuyển Hình 1.5.  1.5. Tìm vị trí tâm đường line bằng giải thuật xấp 9 Hình 1.6. Hình 1.6. Hình ảnh thực thực tế và sơ đồ nguyên nguyên lý của CartisX04 CartisX04 10 Hình 1.7.  1.7. Hình ảnh thực tế và sơ đồ nguyên lý Robot Silvestre 10 Hình 1.8.  1.8. Hình ảnh thực tế và sơ đồ nguyên lý của Robot Fileball 11 Hình 1.9.  1.9. Cấu trúc điều khiển phân cấp 12 Hình 1.10. Cấu 1.10. Cấu trúc điều khiển tập trung 12 Hình 1.11.  1.11. Cấu trúc điều khiển tập trung của xe Hình 1.12. ARDUINO 1.12. ARDUINO UNO R3  R3  14 Hình 1.13.  1.13. Vi điều khiển 15

11

Hình 1.14. Mạ 1.14. Mạch ch ardu arduin inoo uuno no r3 15 Hình 1.15.  1.15. L298N 17 Hình 1.16.  1.16. Mạch cầu H

18

Hình 1.17.  1.17. TCRT5000L 5 mắt

18

Hình 1.18.  1.18. Bánh mắt trâu 19 Hình 1.19.  1.19. Sơ đồ nối các linh kiện Hình 1.20.  1.20. Sơ đồ khối giải thuật PID

19 20

Hình 1.21. Sơ 1.21. Sơ đồ khối khối ứng ứng dụn dụngg ggiả iảii tthu huật ật PID PID vào vào robo robott ddòò lin linee Hình 1.22.  1.22. Mô hình khi thiết kế 23 Hình 1.23.  1.23. Mô hình xe khi hoàn thiện

23

2

21

9

 

LỜI NÓI ĐẦU Kỹ thuật điều khiển và tự động hóa là ngành học nghiên cứu, thiết kế, vận hành các hệ thống tự động, dây chuyền sản xuất tự động tại các nhà máy như thép, xi măng, chế tạo robot, quản lý các sản phẩm trong và ngoài. Ngành này gắn với quá trình sản xuất trong công nghiệp, nơi mà máy móc dần thay thế sức lao động con người, giúp tăng năng suất lao động, giảm thiểu nhân công, nhân lực và chi phí. Chúng em xin gửi lời cảm ơn đến các thầy trong bộ môn kỹ thuật điều khiển và tự động hóa đã tạo điều kiện để chúng em thực hiện đồ án này. Để hoàn thành đồ án này, chúng em xin gửi lời cảm ơn đến TS. Mai Thế Anh đã tận tình hướng dẫn, giảng dạy chúng em trong suốt quá trình học tập, nghiên cứu và rèn luyện để có thể thực hiện tốt đồ án này. Chúng em xin cảm ơn những thành viên trong nhóm đã cùng nhau thảo luận, thu thập tài liệu và giúp đỡ tôi giải quyết trong các vấn đề nảy sinh trong quá trình thực hiện Đồ án này. Mặc dù đã rất cố gắng đển thực hiện bài tập lớn một cách tốt nhất, song do sự hạn chế về kiến thức chuyên môn cũng như kinh nghiệm thực tế nên không tránh khỏi những thiếu sót. Vì vậy, chúng em rất mong được sự góp ý của quý thầy cô và các bạn để đề tài được hoàn chỉnh hơn. Chúng em xin chân thành cảm ơn!

3

 

CHƯƠNG I: TỔNG QUAN 1.1. Đặt vấn đề Tự động hóa là tổng hợp của nhiều lĩnh vực như cơ khí, điều khiển, công nghệ thông tin và cơ điện tử. Tự động hóa là một loạt các công nghệ làm giảm sự can thiệp của con người vào các quy trình, sự can thiệp của con người được giảm thiểu bằng cách xác quyết định, mốiđóquan củamóc. quy Các trìnhlĩnh phụvực và các hành độngđịnh liêntrước quancác thể tiêu hiệnchí những xác địnhcác trước của hệ máy này kết hợp lại với nhau tạo thành các hệ thống tự động hóa và cao hơn là tự động cả quá trình sản xuất. Ngành công nghiệp tự động hóa ngày càng có vai trò quan trọng và hết sức cần thiết để đáp ứng mục tiêu phát triển kinh tế, nhất là trong quá trình công nghiệp hóa-hiện đại hóa như hiện nay. Nó đòi hỏi một nguồn nhân lực có trình độ cao để vận hành. Robot đã và đang xuất hiện trong cuộc sống của chúng ta và ngày càng trở  thành một phần không thể thiếu trong cuộc sống hiện đại. Robot là một loại máy có thể thực hiện những công việc một cách tự động bằng sự điều khiển của máy tính hoặc các vi mạch điện tử được lập trình sẵn, Robot là một tác nhân cơ khí nhân tạo thường là một hệ thống cơ khí điện tử. Chúng đã góp phần của mình vào công cuộc lao động, chính Robot đã làm nên một cuộc cách mạng khoa học, kỹ thuật và đang phục cụ đắc lực cho các ngành khoa học như: khoa học quân sự, khoa học giáo dục, các ngành dich vụ, giải trí… Trên thế giới hiện nay có rất nhiều loại Robot quy mô lớn như: những cánh tay máy trong các dây chuyền sản xuất, những hệ thống sản xuất tự động, Robot hàn công nghiệp trên dây chuyền sản xuất cơ khí, Robot gắp sản phẩm trên dây chuyền bốc dỡ  hàng hóa, Robot sơn ứng dụng tự động…. Nhỏ hơn là những Robot có khả năng di chuyển, làm những công việc nguy hiểm thay thế con người, Robot giúp người già, Robot dọn dẹp nhà cửa, Robot thu gom vật liệu theo định hướng được lập trình sẵn… Trong đồ án lần này em thực hiện thiết kế Robot dò line (xe dò dò line), đđối ối với những Robot tiên tiến thì đây chỉ là một phần nhỏ phục vụ cho Robot trong công tác dò tìm đường tự động, nhưng đồ án này sẽ tạo cho em nền tảng để làm những cái lớn hơn, có ích hơn trong quá trình học tập và làm việc sau này. 1.2. Giới thiệu về Robot Robot là một ngành kỹ thuật bao gồm thiết kế, chế tạo, vân hành và ứng dụng cũng như các hệ thống máy tính điều khiển, phản hồi tín hiệu cảm biến và xử lý thông tin của chúng. Những công nghệ này liên hệ với các máy móc tự động dùng để thay 4

 

thế con người trong những môi trường độc hại hay trong các quá trình sản xuất hoặc  bắt chước con người người về hình thức, hành vi. Với sự phát triển của công nghệ khiến Robot trong các ngành công nghiệp được ứng dụng, do vậy các loại Robot trở nên đa dạng và phong phú.  Robot theo không gian làm việc: để dịch chuyển khâu tác động cuối cùng của Robot đếnchuyển vị trí của đối dời tượng tác được khôngđược gian làm có ba bậc động haythao chuyển độngcho địnhtrước vị. Robot phânviệc loạicần theophải sự  phối hợp giữa ba trục chuyển động cơ bản rồi sau đó được bổ sung để mở rộng thêm  bậc chuyển động nhằm tăng thêm độ linh hoạt. Phân loại theo không gian làm việc có thể phân loại theo các loại Robot sau:  Robot tọa độ vuông góc;  Robot tọa độ trụ;  Robot tọa độ cần;  Robot khớp bản lề.

Robot phân loại theo thế hệ có thể chia thành các mức như sau theo quá trình  phát triển của Robot Robot::  Robot thế hệ thứ nhất: gồm các dạng robot hoạt động lặp lại theo một

chu trình không thay đổi theo chương trình định trước;  Robot thế hệ thứ hai: được trang bị các bộ cảm biến cho phép cung cấp tín hiệu phản hồi hỗ trợ lại hệ thống điều khiển về trạng thái, vị trí không gian của robot cũng như những thông tin về môi trường bên ngoài giúp  bộ điều khiển khiển có th thểể lựa chọn thuật toán thích hợ hợp; p;  Robot thế hệ thứ ba: được trang bị những thuật toán xử lý các phản xạ logic thích nghi theo những thông tin và tác động của môi trường lên chúnh;  Robot thế hệ thứ tư: các robot xử dụng thuật toán và cơ chế điều khiển thích nghi được trang bị bước đầu khả năng lựa chọn các đáp ứng tuân theo một mô hình tính toán xác định trước nhằm tạo ra những ứng xử  phù hợp với với điều kiện kiện của môi ttrường rường thao thao tác;  Robot thế hệ thứ năm: là tập hợp các robot được trang bị các trí tuệ nhân tạo. Robot được phân loại theo bộ điều khiển:  Robot gắp đặt: thường nhỏ và sử dụng nguồn dẫn động khí nén, dùng bộ

điều khiển PLC để thực hiện điều khiển; 5

 

 Robot đường dẫn liên tục: sử dụng bộ điều khiển servo thực hiện điều

khiển vòng kín, robot được lập trình theo một đường xác định. Robot được phân loại theo nguồn dẫn động:  Robot dùng nguồn cấp điện: nguồn cấp cho robot thường là DC để điều

khiển động cơ DC, hệ thống nguồn AC cũng được chuyển đổi sang nguồn DC;

 Robot dùng nguồn khí nén: được trang bị máy nén, bình chứa khí và

động cơ kéo máy nén được sử dụng trong các ứng dụng có tải trọng nhỏ  Robot dùng nguồn thủy lực: sử dụng lưu chất không nén được là dầu ép, hệ thống được trang bị bơm để tạo áp lực dầu. Phân theo tính năng robot:  Robot di động: nhiệm vụ chủ yếu của nó là di chuyển định vị, tìm đường

đi tối ưu và vẽ lại bản đồ;  Tay máy: hoạt động như cánh tay con người để cầm nắm, sắp, di chuyển;  Điều khiển từ xa: có thể hiểu đó là khi con người tương tác với các vật

thông qua một hệ thống trung gian.

 Như vậy, ta thấy robot có rất nhiều và đa dạng theo các cách khác nhau chúng đều được sản xuất ra với mục đích giúp ích cho con người trong công việc nghiên cứu, làm việc, ứng dụng trong cuộc sống, từ đó thấy được tầm quan trọng của nó trong cuộc sống công nghệ ngày nay. 1.3. Arduino Arduino là là một nền tảng mã nguồn mở phần cứng và phần mềm. Phần cứng arduino ( các board mạch vi xử lý) nhằm xây dựng các ứng dụng tương tác với nhau hay với môi trường được thuận lợi hơn. Phần cứng bao gồm một board mạch nguồn mở được thiết kế trên nền tảng vi xử lý AVR Atmel 8 bit hoặc AVR Atmel 32 bit.  Những module hiện tại được trang bị một cổng giao tiếp USB, 6 chân đầu vào analog, 14 chân I/O kỹ thuật số tương thích với nhiều board mở rộng khác nhau. Một mạch arduino bao gồm một vi điều khiển AVR với nhiều linh kiện bổ sung giúp dễ dàng lập trình và có thể mở rộng với các mạch khác, một khía cạnh quan trọng của arduino là kết nối tiêu chuẩn của nó cho phép người dùng kết nối với CPU của board với các module thêm vào có thể dễ dàng chuyển đổi được gọi là shield.

6

 

Các board arduino phổ biến hiện nay   Arduino mega

Hình 1.1. Arduino 1.1. Arduino mega   Arduino uno

Hình 1.2. Arduino uno  Arduino nano

Hình 1.3. Arduino nano Ứng dụng của arduino: được ứng dụng trong các thiết bị về robot như điều khiển motor, nhận biết và xử lý thông tin qua cảm biến... máy CNC mini dùng cho điêu khắc sử dụng laser hoặc spindle tốc độ cao, máy in 3D sử dụng in chi tiết sản  phẩm 3D, máy bay kh không ông người lái, điều khiển thiết thiết bị thông thông qua int internet, ernet, nhận nhận biết và xử lý cảnh báo các vấn đề nguy hiểm như báo cháy, khi gas thông qua cảm biến, điều khiển thiết bị bật tắt đơn giản, cảm biến âm thanh... 7

 

1.4. Cảm biến Cảm biến là thiết bị điện tử cảm nhận những trạng thái hay quá trình vật lý, hóa học hay sinh học của môi trường cần khảo sát và biến đổi thành tín hiệu điện để thu thập thông tin về trạng thái hay quá trình đó. Thông tin được sử lý để rút ra tham số định tính hay định lượng của môi trường, phục vụ các nhu cầu nghiên cứu khoa học kỹ thuật hay dân sinh và gọi ngắn gọn là đo đạc, phục vụ trong truyền và xử lý thông tin hay trong điều khiển các quá trình khác. Cảm biến thường được đặt trong các vỏ bảo vệ tạo thành đầu thu hay đầu dò, có thể co kèm theo các mạch điện hỗ trợ và nhiều khi trọn bộ đó lại dược gọi luôn là cảm  biến. Có nhiều cảm biến khác nhau và có thể chia ra thành hai nhóm chính:  Cảm biến vật lý: sóng điện từ, ánh sáng, tử ngoại, hồng ngoại, tia x, tia

gamma, hạt bức xạ, nhiệt độ, áp xuất, âm thanh, khoảng cách;  Cảm biến hóa học: độ ẩm, độ PH, các ion, hợp chất;  Cảm biến sinh học: đường glucozo, protein, vi khuẩn. Một cảm biến được sử dụng khi đáp ứng các tiêu chí kỹ thuật xác định:  Độ nhạy: gia số nhỏ nhất có thể phát hiện;  Mức tuyến tính: khoảng giá trị được biến đổi có hệ số biến đổi cố định;  Dải biến đổi: khoảng giá trị biến đổi sử dụng được;  Ảnh hưởng ngược: khả năng gây thay đổi môi trường;  Mức nhiễu ổn: tiếng ồn riêng và ảnh hưởng của tác nhân khác liên kết     

quả; Sai số xác định: phụ thuộc độ nhạy và mức nhiễu; Độ trôi: sự thay đổi tham số theo thời gian phục vụ hay thời gian tồn tại; Độ trễ: mức độ đáp ứng với thay đổi của quá trình; Độ tin cậy: khả năng làm việc ổn định, chịu những biến động lớn của môi trường; Điều kiện môi trường: dải nhiệt độ, độ ẩm.

Cảm biến có vai trò quan trọng trong các bài toán điều khiển quá trình nói riêng và trong các hệ thống điều khiển tự động nói chung, là thiết bị có khả năng cảm nhận 8

 

các tín hiệu điều khiển vào ra, có vai trò đo đạc giá trị giới hạn cảm nhận với đại lượng vật lý cần đo. a, Tìm hiểu về các cách xử lý tín hiệu cảm biến  Sử dụng giải thuật so sánh  Dùng mạch lấy ngưỡng hay giải thuật lọc ngưỡng bằng lập trình để

chuyển tín hiệu điện áp đọc từ cảm biến về thành mức cao hay mức thấp, suy ra vị trí của xe so với đường line.

Hình 1.4. Mức 1.4. Mức so sánh của cảm biến ứng với các vị trí line khi xe di chuyển  b, Sử dụng dụng giải thuật thuật xấp xỉ  Các giá trị đọc về qua phép xấp xỉ để tìm ra vị trí của đường line,

 phương pháp pháp này cho ra sai số phát phát hiện line line nhỏ, ccóó thể tới 2.6 mm.

Hình 1.5. Tìm 1.5. Tìm vị trí tâm đường line bằng giải thuật xấp 1.5. Mô hình từ các cuộc thi Trên thế giới có rất nhiều cuộc thi dành cho robot về sự áp dụng kiến thức và công nghệ vào thực tiễn, nên có rất nhiều người tham gia với sự sáng tạo trong nghiên cứu họ đã cho ra rất nhiều mẫu xe di chuyển trên địa hình phức tạp cũng như cần thiết cho cuộc đua, họ mang đến những luồng gió mới trong nghiên cứu khoa học mang lại lợi ích kiến thức cho thế hệ sau này và dưới đây là một số cuộc thi hấp dẫn trên thế giới: 9

 

a, Japan Robotrace Contest 2014 - đội chiến thắng: CartisX04

  Hình 1.6. Hình 1.6. Hình ảnh thực tế và sơ đồ nguyên lý của CartisX04 Thông số của xe:  Cảm biến: 6 bộ cảm biến hồng ngoại, 2 cảm biến gyrn;  Bánh sau: 4 bánh chủ động – 2 động cơ DC;  Bánh trước: 1 bánh lái có động cơ chỉ đạo;  Tốc độ tối đa: V max = 4,2 (m/s);  Kết cấu giúp xe dễ cân bằng hơn nhưng phức tạp, xảy ra hiện tượng

trượt khi.  b, Cuộc thi thi ở Tây B Ban an Nha – đđội ội chiến tthắng: hắng: Silv Silvestre estre

Hình 1.7. Hình 1.7. Hình ảnh thực tế và sơ đồ nguyên lý Robot Silvestre Thông số cuả xe: 10

 

 Cảm biến: 8 bộ cảm biến hồng ngoại;  Bánh sau: 2 bánh chủ động – 2 động cơ DC;  Bánh trước: 1 bánh tự lụa – bánh mắt trâu;  Tốc độ tối đa: V max = 2,24 (m/s);  Kết cấu này khá đơn giản, độ đồng phẳng cao, xe rẽ được các bán kính

cong nhỏ nhưng khó cân bằng. c, Cuộc thi Chibots ở Mỹ - đội chiến thắng: Fireball

Hình 1.8. Hình 1.8. Hình ảnh thực tế và sơ đồ nguyên lý của Robot Fileball Thông số của xe:  Cảm biến: 16 bộ cảm biến hồng ngoại;  4 bánh chủ động – 4 động cơ DC;  Vận tốc: 3 (m/s);  Kết cấu phức tạp, độ đồng phẳng thấp, khó điều

1.6. Cấu trúc điều khiển Có rất nhiều cách điều khiển một hệ thống hay các mô hình, điều khiển như là một phần không thể thiếu được cho quá trình để sản phẩm có thể vận hành được, sau đây là hai cấu trúc điều khiển hay được dùng nhất: a, Cấu trúc điều khiển phân cấp Mạch điều khiển phân cấp sử dụng nhiều vi điều khiển, mỗi vi điều khiển đảm nhận một chức năng riêng.  Nhờ đó có sự chuyên biệt hóa, mỗi vi điều khiển chỉ đảm nhận một công việc giúp việc kiểm tra lỗi chương trình dễ dàng. 11

 

Các chức năng được thực hiện đồng thời không cần phải đợi hay bỏ qua các tác vụ ngắt.

Hình 1.9. Cấu 1.9. Cấu trúc điều khiển phân cấp  b, Cấu trúc trúc điều khi khiển ển tập trung trung Mạch chỉ sử dụng một vi điều khiển đảm nhận tất cả các chức năng nhờ vào đó mà phần cứng đơn giản. Tuy nhiên, không có sự chuyên biệt hóa nên khó cho việc kiểm tra lỗi chương trình, các chức năng không được thực hiện đồng thời khi chức năng này đang thực hiện thì chức năng khác phải đợi.

Hình 1.10. Cấu 1.10. Cấu trúc điều khiển tập trung

12

 

CHƯƠNG II: THIẾT KẾ ROBOT Sau quá trình tìm hiểu về robot dò line, ta hãy lựa chọn linh kiện cũng như phần cấu trúc phù hợp cho xe nên nhóm đồ án xin lựa chọn theo cấu trúc điều khiển tập trung để phù hợp với mô hình xe và từ đó có thể chọn được linh kiện phù hợp với kết cấu của xe cũng như hoàn thiện về xe. 2.1. Sơ đồ khối Sensor TCRT5000L

ARDUINO  UNO R3

Driver L298

Driver L298

Động cơ phải

Động cơ trái

Hình 1.11. Cấu trúc điều khiển tập trung của xe Thiết kế xe ba bánh, 2 bánh chủ động ở phía sau điều khiển bằng hai động cơ  DC độc lập, bánh trước là bánh mắt trâu. Sử dụng cảm biến led để đọc và dùng giải thuật xấp xỉ vị trí tâm line và dùng bộ điều khiển tập trung (dùng 1 vi điều khiển). Theo như sơ đồ cấu trúc ta sẽ chọn bộ điều khiển trung tâm là ARDUINO UNO R3, cảm biến sensor TCRT5000L, module L298 và động cơ DC. 2.2. Giới thiệu arduino Uno R3  Nhắc tới dòng dòng mạch Ard Arduino uino dùng để để lập trình, cái đầu tiên mà người người ta thườ thường ng nói tới chính là dòng Arduino UNO. Hiện dòng mạch này đã phát triển tới thế hệ thứ 3 (R3).

13

 

Hình 1.12. ARDUINO 1.12. ARDUINO UNO R3 Một số thông số về arduino uno R3 có như trong bảng: Vi điều khiển Điện áp hoạt động Tần số hoạt động Dòng tiêu thụ Điện áp vào khuyên dùng

ATmega328 họ 8 bit 5V DC ( chỉ được cấp qua cổng USB) 16 MHZ Khoảng 30 mA 7 – 12V DC

ĐSiệốncáhpânvàdoigditưaớl iI/hOạn Số chân Analog Dòng tối đa trên mỗi chân I/O Dòng ra tối đa (5V) Dòng ra tối đa (3.3V) Bộ nhớ flash

14 (6 ch6ân– h2a0rV dwDaC re PWM) 6 ( độ phân giải 10 bit) 30 mA 500 mA 50 mA 32 KB ( Atmega328) với 0.5KB dùng  bởi bootloader  bootloader  2 KB (Atmega328) 1 KB (Atmega328)

SRAM EEPROM

Vi điều khiển: Arduino UNO có thể sử dụng 3 vi điều khiển họ 8bit AVR là ATmega8, ATmega168, ATmega328. Bộ não này có thể xử lí những tác vụ đơn giản như điều khiển đèn LED nhấp nháy, xử lí tín hiệu cho xe điều khiển từ xa, làm một trạm đo nhiệt độ - độ ẩm và hiển thị lên màn hình LCD,…

Hình 1.13. Vi 1.13. Vi điều khiển 14

 

2.3. Mạch ARDUINO UNO R3

Hình 1.14. Mạch arduino uno r3 Các thông số cơ bản của ARDUINO UNO R3:  Vi điều khiển: Atmega328P;  Điện áp hoạt động: 5V;  Điện áp đầu vào khuyên dùng: 7 – 12V;  Điện áp đầu vào giới hạn: 6 – 20V;  Chân Digital I/O: 14 (với 6 chân PWM output);  Chân PWM Digital I/O: 6;  Chân đầu vào Analog: 6;  Dòng sử dụng I/O Pin: 20mA;  Dòng sử dụng 3.3V Pin: 50mA;  Bộ nhớ Flash: 32 KB;  SRAM: 2 KB;  EEPROM: 1 KB;  Clock Speed: 16 MHz;  LED_BUILTIN: 13;  Chiều dài: 68.6 mm;  Chiều rộng: 53.4 mm;  Trọng lượng 25 g.

Mạch Mạ ch Ar Ardu duin inoo Uno Uno R3 với th thiế iếtt kế ti tiêu êu chu chuẩn sử dụng dụng vi điều điều kh khiiển Atmega328, tuy nhiên nếu các yêu cầu phần cứng của bạn không quá cao hay túi tiền

15

 

không cho phép thì nên dùng vi điều khiển khác có chức năng tương đương với giá thành rẻ hơn như ATmega8 hay ATmega168.

 Nguồn sử dụng có thể được cấp nguồn 5V thông qua cổng USB hay cấp nguồn ngoài với điện áp khuyên dùng là 7-12V, thường thì cấp nguồn bằng 9V là hợp lý nhất nếu sẵnArduino. nguồn từ cổng USB. Nếu cấp nguồn vượt quá ngưỡng giới hạn trên bạn bạn không sẽ làm có hỏng Các chân năng lượng:  GND: cực âm của nguồn điện cấp cho Arduino uno khi bạn dùng các

thiết bị sử dụng những nguồn điện riêng biệt thì những chân này phải được nối với nhau;  5V: cấp điện áp 5V đầu ra, dòng tối đa cho phép ở chân này là 500mA;  3.3V: cấp điện áp 3.3V đầu ra, dòng tối đa cho phép ở chân này là 50mA;  VIN: để cấp nguồn ngoài cho Arduino, bạn nối cực dương của nguồn với

chân này và cực âm của nguồn với chân GND;  IOREF: điện áp hoạt động của vi điều khiển trên arduino uno được đo ở  chân này;  RESET: reset vi điều khiển tương đương với việc chân reset được nối với GND qua 1 điện trở 10 K Ω . Các cổng vào/ra trên board Arduino: có 14 chân digital dùng để đọc hoặc xuất tín hiệu. Chúng chỉ có hai mức điện áp là 0V và 5V với dòng vào/ra tối đa trên mỗi chân là 40mA. Ở mỗi chân đều có các điện trở pull-up từ ngay trong vi điều khiển. Một số chân digital có chức năng đặc biệt như sau:  2 chân Serial: 0 (RX) và 1(TX) dùng để gửi và nhận dữ liệu TTL Serial.

Arduino Uno có thể giao tiếp với thiết bị khác thông qua 2 chân này;  Chân PWM: 3, 5, 6, 9, 10, 11 cho phép bạn xuất ra xung PWM với độ  phân giải 8 bit bằng bằng hàm analogWrite(); analogWrite();  Chân giao tiếp SPI: 10 (SS), 11 (MOSI), 12 (MISO), 13 (SCK). Ngoài chức năng thông thường 4 chân này còn dùng để truyền phát dữ liệu  bằng giao thức SPI với với các thiết bị khác;  LED 13: trên arduino có một led màu cam, nó được nối với chân 13 khi dùng sẽ sáng; 16

 

 ARDUINO UNO R3: có 6 chân analog(A0 – A5) cung cấp độ phân giải

tín hiệu 10 bit để đọc giá trị điện áp trong khoảng 0V – 5V. Đặc biệt Arduino UNO có 2 chân A4 (SDA) và A5 (SCL) hỗ trợ giao tiếp I2C/TWI với các thiết bị khác.

2.4. Module L298N

Hình 1.15. L298N 1.15. L298N Thông số kỹ thuật:  Điện áp điều khiển: +5V ~ +12V;  Driver : L298N tích hợp hai mạch cầu H;  Dòng tối đa cho mỗi cầu H là: 2A ( 2A cho mỗi motor);  Điện áp của tín hiệu điều khiển: +5V ~ +7V;  Dòng của tín hiệu điều khiển: 0 ~ 36mA; 

Công suất hao phí: 20W. L298N gồm các chân:  12V power, 5V power. Đây là 2 chân cấp nguồn đến động cơ;  Power GND chân này là GND của nguồn cấp cho động cơ;  2 jump A enable và B enable;  Gồm 4 chân Input: IN1, IN2, IN3, IN4;  Output A: nối với động cơ A.

 Nguyên lý điều khiển của mạch cầu H: để điều khiển hướng quay chúng ta chỉ cần đảota ngược dòng điện qua động cơ và phương pháp phổ biến nhất là chúng sử dụnghướng mạch của cầu H. 17

 

Một mạch cầu H chứa 4 chân chuyển mạch, điện trở hoặc MOSFET, bằng cách kích hoạt hai công tắc cùng một lúc chúng ta có thể thay đổi hướng của dòng điện dẫn đến thay đổi hướng của động cơ nên chúng ta có thể hoàn toàn kiểm soát được tốc độ của động cơ DC.

Hình 1.16. Mạch 1.16. Mạch cầu H 2.5. Module thu phát hồng ngoại TCRT5000L 5 mắt, bánh mắt trâu

Hình 1.17. TCRT5000L 1.17. TCRT5000L 5 mắt Cảm biến dò line TCRT5000L 5 mắt:  Sử dụng chíp: 74HC14D;  Điện áp: 3.3V – 5V;  Kiểu đầu ra: Digital Signal;  Khoảng cách đo: 1CM – 1.5CM;  Tín hiệu nhận biết: gặp màu trắng: đầu ra mức cao, gặp màu đen hay

ngoài dải nhận biết: tín hiệu mức thấp;  LED status: Detect black line LED off, detect white line LED on; gồm 7 chân tí tínn hiệu của cảm biến dạng dạng số và 2 ngõ vào cấ cấpp   Ngõ ra gồm nguồn cho thiết bị.

18

 

Bánh mắt trâu có vỏ ngoài được làm bằng sắt hay thép nên rất bền, bên trong có ổ bi nên di chuyển rất trơn tru, chịu tải trọng khoảng 50 Kg chịu ảnh hưởng bởi điều kiện đường đua, kết cấu nhỏ gọn.

Hình 1.18. Bánh 1.18. Bánh mắt trâu

2.5. Sơ đồ nối các linh kiện

Hình 1.19. Sơ 1.19. Sơ đồ nối các linh kiện Cách thức nối linh kiện như sau: 

 Nối nguồn nguồn hai động động cơ vào L L298; 298;

  Nối chân dương củ củaa nguồn vào vào chân 12V DC, nối ch chân ân âm của

nguồn vào chân GND của L298;   Nối các chân chân ENA, IN1, IN1, IN2, IN IN3, 3, IN4, ENB ENB của L298 L298 vào chân số 10, 6, 7, 8, 9, 11 trên board Arduino uno R3;   Nối các chân chân 5V, GND, GND, A0, A1 A1,, A2, A3, A3, A4 của arduino arduino uno r3 vào các chân cảm biến VCC, GND, SS1, SS2, SS3, SS4.

2.7. Giải thuật điều khiển PID Giải thuật điều khiển vi tích phân tỉ lệ hiệu chỉnh sai số giữa giá trị biến đo được và giá nhanh trị mong muốn ra một độngkhiển điều chỉnh" chóng đểđạt giữđến chobằng lỗi ởcách mứctính nhỏ toán nhất và có xuất thể được [5]."hành Bộ điều

19

 

này bao gồm 3 thống số: Proportional (P), Integral (I) và Derivative (D), được thể hiện qua sơ đồ khối và phương trình tổng quát như  như  hình:

Giá trị mong muốn

 P= K  P e ( t  ) U đk ( t )

e(t)

V ● set 

  I= K  i

t 

∑

e ( t ) dt 

U(t) ● Hàm xử

d

D= K d dt  e (t ) Giá trị hồi tiếp V mo ( t )

Hình 1.20. Sơ 1.20. Sơ đồ khối giải thuật PID Phương trình PID tổng quát: t 

U  (  ( t )= K  P e ( t ) + K i

d

∫ e ( t ) dt + K 

d

0

  e ( t ) dt 

(1)

Hàm lỗi e(t) tại thời điểm t: độ lệch giữa giá trị mong muốn và giá trị đo được. e (t ) =V set −V mo ( t )

 

(2)

Trong đó: V set : giá trị điện áp mong muốn V mo (t): giá trị điện áp đo được tại thời điểm t.

   

Proportional P(t) (hàm tỉ lệ): điều khiển tỉ lệ và giá trị lỗi hiện tại.  P ( t ) = K  P e ( t )

Trong đó:

 

(3)

 K  P: là hằng số tỉ lệ, tham số dùng để tinh chỉnh

Integral I(t) (hàm tích phân): điều khiển tương ứng với mức lỗi được tích luỹ theo thời gian. t 

 I  ( t ) = K i

∫ e ( t ) dt 

 

(4)

0

Trong đó:  K 

 

i

: là hằng số điều chỉnh hàm tích phân.

20

 

Derivative D(t) (hàm vi phân): điều khiển tương ứng với tốc độ thay đổi của lỗi, hay độ dốc lỗi theo thời gian.  D ( t ) = K d

d

  e ( t ) dt 

 

(5)

Trong đó:  K d : là hằng số điều chỉnh hàm vi phân. Giải thuật PID được tích hợp vào trong giải thuật điều khiển robot dò đường để tính toán và xuất ra các giá trị PWM điều khiển 2 động cơ gắn với 2 bánh sau của robot dựa vào độ sai lệch giữa giá trị đo đạc ngõ vào và giá trị mong muốn. Độ sai lệch, hay còn gọi là giá trị lỗi, được tính toán trong giải thuật PID là độ lệch giữa trạng thái hiện tại của robot so với đường đi. Có nghĩa là, độ sai lệch giữa giá trị hiện tại của  bộ cảm biến so với giá trị của cảm biến trong trường hợp robot chạy thẳng về phía trước. Việc áp dụng giải thuật PID trên robot dò line được trình bày như sơ đồ khối sau:

Mạch cảm biến

Giá trị Sai lệch

E●

Động cơ  Line trái

P I

PWM ∑

D

Mạch điều khiển động cơ

Động cơ   phải

Hình 1.21. Sơ 1.21. Sơ đồ khối ứng dụng giải thuật PID vào robot dò line Trước khi đề cập ứng dụng giải thuật PID cho robot dò đường, tác giả đưa ra các định nghĩa của các thuật toán liên quan:  Vị trí mục tiêu V set : trung tâm của đường đi, vị trí mà ta muốn robot

hướng đến;  Vị trí thực tại V mo (t): vị trí thực của robot, có thể lệch bên trái hoặc lệch bên phải so với đường đi của robot; e(t): độ sai lệch giữa vị trí mục tiêu và vị trí thực của robot, có  Lỗi thể là giá trị âm, dương hoặc bằng 0, được tính bằng công thức (2); 21

 

 Hệ số  K  P , K i , K d  là các hằng số tương ứng được sử dụng để điều

chỉnh ảnh hưởng của các khâu tỉ lệ, khâu tích phân và khâu vi phân.

Giải thuật PID là một chuổi các phép toán để xác định các giá trị của khâu điều khiển tỉ lệ, khâu điều khiển tích phân và khâu điều khiển vi phân. Sau đó, kết hợp các giá trị lại với nhau và xuất ra giá trị điều độ rộng xung PWM để điều khiển hai động cơ bánh xe của robot. Khâu điều khiển tỉ lệ tính toán độ lệch của robot, xác định được robot đang lệch  phải hay lệch trái đường và xuất ra các giá trị PWM để điều khiển hai động cơ giúp robot quay về vị trí mục tiêu (áp dụng công thức (2), (3)).  

Độ lệch: e(n) = V mo (n) - V set 

(6)

Đáp ứng khâu tỉ lệ: P(n) =  K  P. e(n)

(7)

trong đó:  n là số lần lấy mẫu; 

 K  P

Hằng sốlại  K  P càng điềuứng chỉnh  càng lớn nhỏ thì thì sự sẽ đáp điềucàng chỉnhlớn nhỏkhi so lỗi vớicàng lỗi. lớn.  Ngược

Khâu điều khiển tích phân tính toán dựa trên sai số tích luỹ theo thời gian. Robot càng lệch xa đường thì sai số tích luỹ càng lớn. Khâu này thể hiện rằng trong quá khứ robot có đi bám đường tốt hay không (áp dụng công thức (4)). e (n ) Sai số tích luỹ:  E ( n ) =∑ n≥ 1

Đáp ứng khâu tích phân:  I ( n )= K  . E ( n ) i

 

(8)

 

(9)

Trong đó:  n là số lần lấy mẫu.

Khâu vi phân tính toán dựa trên sai số hiện tại. Khâu này cho biết tốc độ robot dao động qua lại của đường đi (áp dụng công thức (5)). Tốc độ dao động: ∆ e ( n )= e ( n ) −e ( n−1 )

 

(10)

Đáp ứng khâu vi phân:  D ( n )= K 

 

(11)

d

. ∆ e( n)

Cuối cùng, giá trị băm xung PWM xuất ra để điều khiển cho các động cơ điều khiển hoạt động của robot sẽ là (áp dụng (1), (6-11)): PWM = P(n) + I(n) + D(n) =  K  P P.e(n) +  K i .I(n) +  K  .D(n) d

22

 

⇒

[

 ]+ K  . ∑ e ( n ) + K  . [ e ( n )−e ( n−1 ) ] 

 PWM = K  P . V  mo ( n ) −V set 

i

d

n≥ 1

KẾT QUẢ THỰC NGHIỆM VÀ KẾT LUẬN a. Kết quả thực nghiệm

Hình 1.22. Mô hình khi thiết kế

Hình 1.23. Mô hình xe khi hoàn thiện  b. Kết quả quả  Yêu cầu đặt ra: chạy đúng đường line định sẵn, thiết kế cơ khí đảm

 bảo xe vững vững chắc;  Hạn chế: cảm biến dễ bị nhiễu, tốc độ xe chạy còn chậm, tại các điểm rẽ xe chưa ổn định lắm;  Dựa vào hoạt động của robot dò line chúng ta có thể phát triển rộng hơn tạocách ra các robot khácnhàng phục hơn. vụ mọi lĩnh vực trong cuộc sốngđể một đơnloại giản và nhẹ 23

 

TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] Bài giảng hệ thống điều khiển nhúng – Nguyễn Vĩnh Hảo. [2] Giáo trình Lý thuyết thuyết điều khiển tự động – Nguyễn Nguyễn Thị Phương Phương Hà(chủ biên), biên), Huỳnh Thái Hoàng. [3] https://advancecad.edu.vn/tai-lieu-huong-dan-arduino-free/ [4] http https:// s://phol pholinhk inhkien. ien.com/ com/baiv baivietiet-tong tong-hop -hop-toa -toan-bo n-bo-tai -tai-lie -lieu-ar u-arduin duino-ti o-tiengeng-viet viet-va-vatieng-anh.html. [5]https://www.academia.edu/42155044/Line_follower_robot_design_Thi%E1%BA %BFt_k%E1%BA%BF_robot_d%C3%B2_line

24