Đồ án Thiết kế robot tự hành tránh vật cản

CHƯƠNG 2: LÝ THUYẾT CƠ SỞ 2.1 Giải bài toán tìm đường cho robot 2.1.1.Đặt vấn đề - Dò đường (navigation) là một khoa học dẫn hướng robot tự hành di chuyển trong không gian làm việc của nó (đất, nước, không khí...). Trong vấn đề dò đường, bài toán được quan tâm nhiều nhất có lẽ là tìm đường về đích mà không chạm vật cản trên đường đi. Có hai loại bài toán tìm đường cho robot: bài toán cục bộ (local) và bài toán toàn cục (global). Trong bài toán toàn cục, bản đồ môi trường làm việc của robot hoàn toàn được biết trước, vấn đề chính phải giải quyết là tìm được đường đi cho robot trước khi nó xuất phát. Ở bài toán cục bộ, môi trường làm việc của robot hoàn toàn không được biết trước hoặc chỉ biết được một phần, robot hoàn toàn phải nhờ vào sự cảm nhận môi trường thông qua cảm biến gắn trên nó để dò đường. Bài toán toàn cục tỏ rõ lợi thế là ta đã biết trước có đường đi (tối ưu) tới đích hay không trước khi cho robot khởi hành. Tuy vậy nó có hạn chế là đòi hỏi nhiều tính toán và bộ nhớ, và đặc biệt tình huống xấu có thể xảy ra nếu bản đồ môi trường làm việc không được khai báo chính xác, yêu cầu biết trước hoàn toàn môi trường hoạt động cũng là một nhược điểm của nó. Trong khi đó, robot tìm đường cục bộ chỉ biết được thông tin xung quanh qua sensor cảm nhận môi trường gắn cùng. Vì thế, robot tìm đường cục bộ có thể không hoàn thành việc tới đích (mặc dù thực tế có đường đi tới đích), khái niệm tối ưu không có ý nghĩa trong bài toán này. Tuy nhiên, yêu cầu tính toán, dung lượng nhớ thấp cùng tính linh hoạt cao (như tránh được vật cản ngay cả khi vật đó di động) khiến tìm đường cục bộ trở thành một công cụ mạnh của robot tự hành. Hiện nay, cách tiếp cận kếthợp giữa cục bộ và toàn cục đang ở ngày càng phổ biến, giúp robot tự hành tăng tính linh hoạt và hiệu quả. Trong đây chỉ tập trung vào giải quyết cả hai bài toán nhưng ở mức độ đơn giản. Môi trường hoạt động của robot là một mặt phẳng, được giới hạn bởi các bức tường. Các vật cản được xem là vật cản hai chiều, tĩnh hoàn toàn. Trong bài toán cục bộ, robot được trang bị 5 cảm biến hồng ngoại xác định khoảng cách vật cản. Trong bài toán toàn cục, từ đầu vào là vị trí xuất phát, vị trí đích, kích thước robot, bản đồ hoạt động, ta tìm ra đường đi để robot tự hành.Mục đích cuối cùng là robot tự về được tới đích không chạm vật cản mà không cần bất cứ sự trợ giúp nào từ bên ngoài. 2.1.2 Bài toán tìm đường cục bộ - Giải quyết hoàn toàn bài toán này khó khăn hơn nhiều so với giải quyết bài toàn toàn cục. Một cách tìm đường cục bộ khá hoàn hảo là phương pháp bản đồ nơron cực (PolarNeurol Map) của Michail G. Lagoudakis (1998) dùng 16-32 cảm biến gắn trên con robot Normad (hình 1.1a, b) tạo trường cảm biến bao phủ vùng xung quanh robot, thuật toán sử dụng là thuật toán ánh xạ nơron tương đối phức tạp. Do giới hạn của bài luận, phương pháp này không được đề cập đến. Phương pháp được đề cập đến ở đây sử dụng 5 cảm biến dò đường xác định khoảng cách từ đầu xe tới vật cản.Tùy vào khoảng cách tới vật cản ứng với từng cảm biến, ta xác định được phương hướng di chuyển robot phù hợp. Ý tưởng của phương pháp xuất phát từ một bài báo Cơ điện tử[1]. Tuy nhiên ở đâu đã có sự điều chỉnh để phù hợp hơn với khải năng. 2.2 Các khối phần cứng cơ bản được sử dụng trong robot 2.2.1 Khối nguồn Nguồn là nơi cung cấp năng lượng cho các mạch hoạt động.Yêu cầu của một bộ nguồn là điên áp và dòng ra ổn định.Có nhiều phương pháp để thực hiện yêu cầu đó như sử dụng các transitor để có một nguồn công suất lớn ( tương đối phức tạp ), sử dụng các IC ổn áp chuyên dụng như 78XX ( cho ra điện áp dương ổn định ) 79XX (cho ra điện áp âm ổn định ) và một số IC có thể điều chỉnh được điện áp ( LM 317,LM 309 ……) ngoài ra còn có các loại diode zener cũng cho ra một điện áp ổn định.Ở đây chỉ giới thiệu về các loại IC ổn áp loại 78XX và diode zener Hình 2.1 Mạch cơ bản sử dụng IC 78XX Vout = Vout(ic), Vin > Vout(ic) Hình 2.2 Mạch tăng điện áp sử dụng có diode zener Hình 2.3 Mạch tăng điện áp sử dụng bằng điện trở Hình 2.4 Mạch điều chỉnh điện áp ra bằng biến trở Hình 2.5 Mạch kéo dòng 2.3 Hê thống cảm biến 2.3.1 Định nghĩa Trong một con robot cơ bản . Một trong những phần quan trọng nhất trong robot chính là hệ thống cảm biến. Vậy hệ thống cảm biến là gì ? - Cảm biến được định nghĩa nôm na là hệ thống các giác quan của robot, đúng vậy. Robot cần xác định trạng thái môi trường bên ngoài (như là các vật cản, màu sắc của các vật ,...) để gửi trạng thái môi trường đến bộ xử lý rồi đưa ra các phản ứng điều khiển robot để đối phó với các sự kiện bên ngoài ấy. Để các bạn hiểu rõ hơn về cách làm việc của các bộ cảm biến , xin đưa ra một số ví dụ : - Ví dụ đơn giản nhất chính là con người của chúng ta. Ta ví con mắt như là một bộ cảm biến. Khi chúng ta đang đi sắp đụng vào vách tường thì con mắt sẽ như những cảm biến truyền dữ liệu về cho bộ não. Tương tự như vậy, các cảm biến sẽ chuyền dữ liệu về cho bộ vi xử lí. Sau đó bộ não sẽ gửi trả thông tin phản ứng như là đi hướng khác để tránh va đụng vào vách tường. Vi xử lí của robot cũng thế, nó sẽ gửi thông tin dể cho robot đi đúng đường. 2.3.2 Các loại cảm biến : Trong kĩ thuật robot thường sử dụng các loại cảm biến như: 1. Led hồng ngoại ( bộ thu phát hồng ngoại ) 2. Quang điện trở (PHOTORESISTANCE ) : cds hoặc cdse 3. Tế bào quang điện 4. Camera số trong công nghệ sử lí ảnh 5. Cảm biến siêu âm - Ở đây chỉ giới thiệu về cảm biến thông dụng, đó là led hồng ngoại: Phần này giới thiệu về mạch cảm biến trong robot.Mạch cảm biến đóng vai trò như “mắt “ của robot giúp cho robot có khả năng nhận biết được môi trường xung quanh (vạch trắng ,chướng ngại vật ) để từ đó có biện pháp xử lý. Trong mạch cảm biến ,các bạn có thể sử dụng các loại led thu phát hồng ngoại hoặc quang trở .Led thu phát hồng ngoại có giá thành rẻ (2500 /cặp). Hình 2.1: Hình ảnh của bộ thu phát hồng ngoại Đối với robot công nghiệp ,bạn có thể sử dụng những loại cảm biến công nghiệp của các hãng Omron ,hay Siemens.Các loại cảm biến này có độ nhạy cao và khả năng chống nhiễu tốt.Tuy nhiên giá thành rất đắt (hàng trăm đô) Hình 2.2 Các loại cảm biến công nghiệp Hình 2.2 : Kí hiệu bộ led phát , thu Hình 2.3 : led hông ngoại Hình 2.4 : led thu hồng ngoại 2.3.3 Phát hồng ngoai Cần chú ý đến 2 chân nối với mạch điện của led.Chân anode (a – nốt) nối với cực dương của nguồn điện, chân Cathode ( ca – thốt) được nối với cực âm của nguồn điện ,qua hình 2.3 có thể thấy chân dài hơn là chân anode, còn chân ngắn hơn là chân cathode.Lưu y dòng qua led là từ 5mA 20mA, khi tính toán thường chọn Iled = 10 mA , và điện áp rơi vào khoảng 1,7 V đến 2.4 V , khi tinh toán chọn Vled = 2 V 2.3.4 Led thu hồng ngoại ( photodiode): * Cấu tạo: Photodiode ( hình 2.4) là một loại bán dẫn đơn giản nhưng vỏ có gắn thấu kính để dẫn tia sáng chiếu đúng vào mặt tiếp giáp. * Đặc điểm : Photodiode là loại diode làm việc theo chế độ phân cực nghịch, dòng nghịch qua diode được điều khiển bởi cường độ ánh sáng chiếu vào.khi ánh sáng chiếu qua diode tăng thì dòng nghịch qua nó cũng tăng theo. 2.3.5 Cơ chế hoạt động Hình 2.5 : cơ chế hoạt động - Từ hình 2.5 có thể thấy khi led hồng ngoai chiếu ánh sáng hồng ngoại tới gặp vật cản thì các tia hồng ngoại sẽ bị dội ngược trở lại,và khi đó đầu thu detector sẽ nhận được một lượng ánh sáng hồng ngoại bi hắt ngược trở về, và truyền tín hiệu về mạch xử lí, thông qua bộ khếch đại so sánh. - Chú ý : đầu thu phát hồng ngoại cần được che chắn tốt để tránh bị nhiễu ánh sáng bên ngoài ( ánh sáng tự nhiên, ánh sáng của các loại đèn cao áp,...) và nên đặt hai đầu thu phát cạnh nhau ( cách nhau khoảng từ 2mm đến 5mm) 2.3.6.Sơ đồ mạch cảm biến Hình 2.6 : Sơ đồ nguyên lý - Nguyên lý hoạt động Khi photodiode chưa thu được ánh sáng từ led, thì điện trở của photodiode lớn ( Rt ), áp rơi trên V1- = ( Vcc * Rt ) / ( Rt + R1 ). Điều chỉnh biến trở VR sao cho V+ < V1- ,điện áp ra Vo = 0 V Khi photodiode thu được ánh sáng từ led, thì điện trở của photodiode giảm ( Rs ), áp rơi trên V2- = ( Vcc * Rs ) / ( Rs + R1 ). Điều chỉnh biến trở VR sao cho V+ > V2- ,điện áp ra Vo = Vcc 2.4 Động cơ DC - Động cơ một chiều (động cơ DC,DC motor) có cấu tạo từ 2 bộ phận : bộ phận đứng yên được cấu tạo từ nam châm vĩnh cửu gọi là stato và bộ phận quay được cấu tạo là một nam châm điện cấu tạo từ 1 cuộn dây đồng có lõi là 1 thanh kim loại được gọi là roto: Hình 3.7 Động cơ 1 chiều Việc lựa chọn động cơ căn cứ vào các tiêu chí sau: -Tốc độ -Khả năng chịu tải -Độ hãm -Dòng ,áp - Xét hoạt động của DC motor: Hình 4.1 - Xét hình 4.1 trên ta thấy rằng khi cho dòng điện 1 chiều (tuyệt đối không dùng điện xoay chiều) đi qua motor sẽ làm motor quay như hình 4.1 : Hình 4.2 - Nhưng nếu ta đổi chiều dòng điện thì động cơ quay theo chiều ngược lại (Hình 4.1 ) so với hình trên ( Hinh 4.2).Qua đó ta có thể kết luận như sau: - Động cơ DC motor có thể điều chỉnh được chiều quay của động cơ.Đặc tính kĩ thuật của động cơ DC là tốc độ quay cao,và momen ngẫu lực thấp.Nhưng trong robot không cần tốc độ cao nhưng momen ngẫu lực phải cao,do đó có thể mắc một hộp số vào động cơ DC nhằm giảm tốc độ của động cơ và tăng momen ngẫu lực. - Để đảo chiều quay của động cơ DC chỉ cần đảo chiều cực tính của nguồn điện.Sử dụng cầu H 2.5 Mạch điều khiển động cơ DC 2.5.1 Mạch cầu H - Mạch được gọi là cầu H là vì mạch có 4 transitor mắc theo sơ đồ giống hình chữ H,để điều khiển chiều quay của động cơ.Ngoài còn kết hợp với thành phần bên ngoài để điều khiển tốc độ ( phương pháp điều xung ) Hình 4.3 : sơ đồ nguyên lý động cơ quay theo chiều thuận *Nguyên lý hoạt động : khi A ở mức cao B ở mức thấp , Transitor Q2 và Q4 dẫn bão hòa Q1 và Q3 không dẫn .Động cơ quay theo chiều thuận.Chiều của mũi tên trên hình 4.3 chỉ chiều của dòng điện.Dòng điện đi từ nguồn Vcc Q2 Motor DC Q4 Mass Hình 4.4 :Sơ đồ nguyên ly động cơ DC quay theo chiều nghịch *Nguyên lý hoạt động : khi B ở mức cao A ở mức thấp , Transitor Q1 và Q3 dẫn Q2 và Q4 không dẫn .Động cơ quay theo chiều nghịch.Chiều của mũi tên trên hình 4.4 chỉ chiều của dòng điện.Dòng điện đi từ nguồn Vcc →Q2 → Motor → DC → Q4 → Mass. 2.5.2 Mạch điều khiển động cơ dùng IC L293B - Ứng dụng của IC L293B được vẽ ở hình 4.9 ,Vs là điện áp đặt vào motor và có thể lên đến 36V.Dòng lớn nhất của IC L293B có thể lên tới 1A.Có thể điểu khiển cho 2 động cơ.Chân 2 và 7 dùng để điều khiển motor 1, chân 10 và 15 dùng để điều khiển motor 2. L293B là IC thông dụng có thể mua ở các cửa hàng điện tử ( giá khoảng 20 nghàn đồng ) Hình 4.8 Cấu tạo của IC L298 Hình 4.9 : Sơ đồ nguyên lý sử dụng IC L293B - Nguồn nuôi động cơ được cấp vào chân 8, điện áp thực tế phụ thuộc vào thông số thực tế của động cơ DC. Trong trường hợp hình 4.9 dùng cho động cơ DC 12V.Chân số 16 có thể nối chung nguồn với mạch điều khiển.Chân 1 là ngõ vào cho phép tác động mức cao để khiều khiển motor 1, Chân 9 là ngõ vào cho phép tác động mức cao để khiều khiển motor 2.Trên hình 4.9 hai chân 1 và 9 được nối chung để điều khiển 2 motor cùng lúc 2.5.3 Mạch điều khiển động cơ dùng IC L298 - Cũng tương tự như IC L 293B nhưng nó cho phép dòng qua nó lớn hơn khoảng hơn 2A ( Giá khoảng 40 nghàn ) Mạch ứng dụng như hình 4.12.Nguồn cấp cho động cơ được nối với chân 4 (Vs) nguồn cấp tùy thuộc vào thông số của động cơ.Chân 9 (Vss) có thể được nối chung với nguồn của mạch điều khiển (+5V),chân 6 là ngõ vào cho phép điều khiển M1 , chân 11 là ngõ vào cho phép điều khiển M2 và đều tác động ở mức cao,hình 4.12 chân 6 và 11 được nối chung để điều khiển 2 motor cùng lúc.Chân 1 và 15 được nối với Rs về mass, chức năng của Rs là để điều chỉnh dòng qua M1 và M2 Hình.10:Bảng trạng thái Hình 4.11: Sơ đồ chân và cấu tạo của IC L298 Hình 4.12: Sơ đồ nguyên lý sử dụng IC L298 2.6 Đặc tính của các loại IC họ TTL Các IC số họ TTL được sản xuất lần đầu tiên vào năm 1964 bởi hãng Texas Instrument Corporation của Mỹ, lấy số hiệu là 74XXXX và 54XXXX.Sự khác biệt giữa 2 họ 74XXXX và 54XXXX chỉ ở hai điểm : 74 : Vcc = 5V +/- 0.5V và khoảng nhiệt độ hoạt động từ 0độ C đến 70độ C 54 : Vcc = 5 V +/- 0.25V và khoảng nhiệt độ hoạt động từ -55 độ C đến 125 độ C Các tính chất khác hoàn toàn giống nhau nếu chúng có cùng số. Trước số 74 thường có them kí hiệu để chỉ nhà sản xuất. Thí dụ SN của hãng Texas, DM của National Semiconductor, S của Signeticus Ngoài ra trong quá trình phát triển, các thong số kỹ thuật ( nhất là tích số công suất vận tốc) luôn được cải tiến và các loạt khác nhau: 74 chuẩn, 74L ( Low power), 74H ( High speed), 74S (Schottky), 74LS (Low power Schottky), 74AS ( Advance Schottky), 74ALS (Advance Low power Schottky), 74F (Fast, Fair Child). Bảng 3.1 cho thấy một số tính chất của các loạt trên: Thông số kỹ thuật 74 74L 74H 74S 74LS 74AS 74ALS 74F Thời trễ truyền (ns) 9 33 6 3 9,5 1,7 4 2 Công suất tiêu tán (mW) 10 1 23 20 2 8 1,2 6 Tích số công suất vận tốc (pJ) 90 33 138 60 19 13,6 4,8 18 Tần số xung Ck max (MHZ) 35 3 50 125 45 200 70 100 Fan Out (cùng loạt) 10 20 10 20 20 40 20 33 Điện thế Voh (min) 2,4 2,4 2,4 2,7 2,7 2,5 2,5 2,5 Vol (max) 0,4 0,4 0,4 0,5 0,5 0,5 0,4 0,5 Vih (min) 2,0 2,0 2,0 2,0 2,0 2,0 2,0 2,0 Vil (max) 0,8 0,8 0,8 0,8 0,8 0,8 0,8 0,8 Bàng 3.1 Loạt 74S: Các transistor trong mạch được mắc thêm một Doid Schottky giữa hai cực CB với mục đích giảm thời gian chuyển trạng thái của transistor do đó làm giảm thời trễ truyền. Loạt 74AS va 74ALS là cải tiến của 74S để làm giảm hơn nửa giá trị tích số Công suất vận tốc. Loạt 74F: Dùng kỹ thuật đặc biệt làm giảm điện dung ký sinh do đó cải thiện thời trễ truyền của cổng