Thiết kế và chế tạo robot dò đường tự động sử dụng cảm biến thu phát hồng ngoại

Tổng quan về đề tài. Khái quát chung về robot và lý do chọn đề tài. Ngày nay, với sự phát triển mạnh mẽ của khoa học và công nghệ, thì robot đã trở thành một trong những ứng dụng quan trọng trong cuộc sống. Robot đã dần dần thay thế con người làm những công việc từ đơn giản đến những việc đòi hỏi sự chính xác cao. Tầm quan trọng của robot đối với cuộc sống của loài người và khả năng chinh phục thiên nhiên đã dẫn tới sự phát triển vượt bậc của ngành công nghệ này. Chính bởi những ứng dụng rộng rãi đó và sự phát triển đồng thời để tiếp cận với những kiến thức ban đầu về robot nên nhóm đã lựa chọn đề tài là “ thiết kế và chế tạo robot dò đường tự động sử dụng led cảm biến thu phát hồng ngoại “. Giới thiệu đề tài. Đề tài của nhóm đặt ra là “thiết kế và chế tạo robot dò đường tự động sử dụng cảm biến thu phát hồng ngoại”. Kết quả đạt được của nhóm là một robot tự động có khả năng di chuyển theo một đường đã định sẵn. Việc di chuyển của robot sẽ được lập trình sẵn dựa trên vi điều khiển. Vi điều khiển sử dụng trong đề tài là vi điều khiển AVR ATmega8, về các đặc tính của loại vi điều khiển này sẽ được trình bày ở phần phía sau. Đề tài thiết kế và chế tạo robot dò đường tự động chủ yếu giúp cho sinh viên làm quen với việc sử dụng vi điều khiển, kĩ năng lập trình, phương pháp thu thập dữ liệu từ các cảm biến sensor, điều khiển động cơ, hiển thị trạng thái hoạt động của hệ thống và các mạch phụ trợ khác. Dưới đây là hình ảnh robot mà nhóm đã thiết kế và triển khai. Hình : Hình ảnh robot Hình: Sân chạy của robot II. Mô tả chi tiết về thiết kế và chế tạo robot dò đường tự động. 1 Các yêu cầu về công nghệ: Yêu cầu về chức năng: Hệ thống điều khiển trước hết phải có khả năng giao tiếp với người sử dụng, tức là cho phép thay đổi về thiết lập hệ thống và hiển thị trạng thái của hệ thống. Chức năng này phải được thiết kế để có khả năng thân thiện với người sử dụng. Hệ thống phải có khối nguồn được cung cấp ổn định để có thể hoạt động trong một khoảng thời gian cho phép tối đa là 2h đồng hồ. Khi phải thay nguồn mới hoạc nạp năng lượng cho robot phải được thay thế nhanh chóng và dễ dàng. Hệ thống có khả năng nhận được tín hiệu báo nhận đường đi. Hệ thống có khả năng điều khiển được tốc độ của bánh xe robot một cách linh hoạt để từ đó có thể mở rộng thêm chức năng điều khiển tốc độ của robot về sau này. Hệ thống robot có khả năng lựa chọn nhiều chế độ hoạt động khác nhau. Lựa chọn đường đi theo sự mong muốn của người sử dụng. Và phương án tiếp cận kế tiếp là tự động lựa chọn đường đi tối ưu để tới địch Và yêu cầu quan trọng đối với hệ thống robot là có đơn vị xử lý trung tâm để có thể phối hợp các hoạt động đồng thời và ổn định trong toàn bộ quá trình hoạt động. Đặc biệt là robot có khả năng phát triển mở, tức là có khả năng thêm chức năng để trở thành một robot thông mình về sau. ● Yêu cầu về mặt kĩ thuật: Về mặt kĩ thuật cần phải đạt được một số các yêu cầu sau - Mềm dẻo trong việc thay đổi cấu trúc và tham số của hệ thống tự động. - Độ chính xác cao. - Có khả năng chống nhiễu tốt. - Dễ dàng tự động hoá.. ● Thời gian hoàn thành: Hoàn thành đề tài trước khi bảo vệ một tuần để có thời gian kiểm duyệt lần cuối trước khi bảo vệ đồ án môn học project II. 2 Sơ đồ khối chức năng. Với những chỉ tiêu về công nghệ và thống nhất các chức năng chính của robot nhóm đã tiến hành thiết kế và đưa ra sơ đồ khối chức năng và cấu tạo, hoạt động chi tiết của từng khối như mô tả dưới đây: Hình 1: Sơ đồ khối chức năng của hệ thống robot dò đường tự động Khối nguồn: - Có nhiệm vụ cấp nguồn cho động cơ và toàn bộ mạch điện trên xe - Do đó tiêu chí của khối nguồn là phải tạo được công suất đủ lớn và có độ ổn định cao. - Nguồn được lấy từ ắc quy 12V hoặc 5V sau đó đưa qua IC ổn áp 7805 để lấy nguồn nuôi cấp cho vi điều khiển. Trong giới hạn của đề tài, động cơ có công suất nhỏ do đó nhóm đã lựa chọn nguồn 9V cấp cho động cơ, sử dụng nguồn 5V nuôi mạch.Cụ thể ở đây nhóm sử dụng loại PIN 9V. Với những đặc tính đó nhóm đã lựa chọn sơ đồ khối nguồn như dưới đây: Hình 2: Sơ đồ mô tả chi tiết khối nguồn Trong sơ đồ mạch nguồn này ta dùng nguồn đất chung cho toàn bộ hệ thống , sử dụng IC ổn áp LM7805, một số tụ lọc để giảm độ gợn của điện áp. Trên mạch nguồn nhóm cũng lắp đặt thêm diot led ở đầu ra và đầu vào đề báo hiệu khi có nguồn cấp. Khối điều khiển: Khối điều khiển trung tâm có nhiệm vụ lấy dữ liệu từ khối sensor để có được trạng thái hiện tại của hệ thống và xử lý dữ liệu thu được từ đó đưa ra các tín hiệu điều khiển cho khối động cơ, đồng thời đưa tín hiệu thông báo ra khối hiển thị cho người quan sát thấy trạng thái đang hoạt động của hệ thống. Việc hệ thống hoạt động có nhịp nhàng hay không, tốt hay không phụ thuộc rất nhiều vào khối điều khiển này. Việc xây dựng khối điều khiển cho hệ thống, nhóm đưa ra là lựa chọn vi điều khiển . Có rất nhiều phương án lựa chọn vi điều khiển cho bài toán. Đối với họ vi điều khiển 8051 về cơ bản là dễ tiếp cận và thao tác dễ dàng hơn. Tuy nhiên khi sử dụng vi điều khiển để điểu khiển động cơ chúng ta cần đến tín hiệu điều chế độ rộng xung PWM để thay đổi tốc độ động cơ. Về mặt này, nếu ta sử dụng vi điều khiển họ 8051, do không hỗ trợ bộ phận phát tín hiệu PWM nên ta phải thiết kế mạch điêu chế độ rộng xung bên ngoài. Phần này làm tăng độ phức tạp của mạch cũng như kém sự nhỏ gọn. Ngoài ra khó đảm bảo độ chính xác. Do yêu cầu bài toán đặt ra là càng nhỏ gọn càng tốt, nhóm đã quyết định lựa chọn họ vi điều khiển AVR. Với AVR mặc dù khó tiếp cận hơn, tuy nhiên đây cũng là cơ hội để các thành viên tiếp cận và tìm hiểu kĩ hơn về AVR, do ứng dụng của AVR tương đối lớn và có tốc độ xử lý cáo hơn. AVR có nhiều loại như ATmega8, 8L, 16, 16L, 32, 128…Tùy vào từng yêu cầu của bài toán đặt ra mà ta cần sử dụng loại nào sao cho phù hợp. Đối với đề tài này, do yêu cầu về bộ nhớ và số chân, số kênh PWM là không cao. Do đó nhóm đã sử dụng ATmega8 vừa đảm bảo tiết kiệm chi phí mà vẫn đáp ứng các yêu cầu bài toán đặt ra. Vi điều khiển này sẽ giao tiếp với các khối khác thông qua các cổng vào ra cơ bản. Do khối vi điều khiển trung tâm phải trao đổi dữ liệu với nhiều khối khác nhau, trong khi các cổng xuất dữ liệu của nó là hạn chế, chính vì vậy mà nhóm đã chọn phương án là chỉ dùng một port0 làm cổng xuất nhập dữ liệu từ các khối khác nhau thông qua khối giao tiếp vào ra, khối giao tiếp vào ra bao gồm nhiều IC chốt dữ liệu hoạt động ở các chế độ khác nhau phù hợp với chế độ vào hay chế độ ra. Hình 3: Ảnh của ATMEGA8 Vi điều khiển ATMEGA8 là loại vi điều khiển có 28 pin (cho đầu vào và đầu ra), 8-Kbyte self- Chương trình lập trình bộ nhớ Flash, 1-Kbyte SRAM, 512-Byte EEPROM, 6 hoặc 8 kênh 10 bits chuyển đổi A/D-Conveter. Có hai loại điện thể được hoạt động đối với ATMEGA8 đó là : - 2.7V-5.5V đối với ATmega8L - 4.5V-5.5V đối với ATmega8 Đặc điểm của ATmega8 : 512 byte EEPROM 1kbyte SRAM, 23 chân vào ra, 3 kênh PWM, 2 bộ timer/counter, 32 thanh ghi, …và nhiều chức năng khác. Dưới đây là sơ đồ chân của ATmega8 : Hình 4 : Sơ đồ chân của ATmega8 và lắp đặt trong mạch Trong sơ đồ trên khối vi điều khiển ATmega 8 được nối với hệ thống Led báo hiệu thông qua các chân PD0 – PD3. Các chân từ PD4 – PD7 được nối với các đầu ra của IC so sánh LM393. Các chân từ PC0 – PC3 được nối với các Led phát để điều khiển các Led phát tại mỗi thời điểm. Các chân PB0, PB3, PB4, PB5 được nối vào các chân đầu vào của IC điểu khiển động cơ L293d. Riêng đối với chân PB1, PB2 là hai chân OC1A và OC1B dùng để phát ra tín hiệu điều chế độ rộng xung PWM. Tín hiệu này sẽ được tạo ra trong quá trình lập trình bằng việc thiết lập các thông số cho con ATmega 8. Khối sensor: - Để giải quyết bài toán của nhóm, có nhiều phương pháp dò đường nhưng nhóm đã lựa chọn sử dụng các cặp Led thu phát hồng ngoại. Hình 5 : Led thu phát hồng ngoại Chúng ta sẽ sử dụng một cặp Led thu phát, trong đó gồm một Led phát và một Led thu, lượng tìn hiệu thu được phụ thuộc rất nhiều vào độ bóng, màu sắc của bề mặt phản xạ. Độ bóng càng lớn, màu càng sang thì độ phản xạ càng nhiều, tín hiệu thu được càng lớn và ngược lại. Tín hiệu thu được ở đầu ra cảm biến thu được chỉ là tín hiệu tương tự, để VDK có thể xử lý được tín hiệu này, thì tín hiệu thu được cần qua một mạch so sánh mức. Ở đây nhóm đã sử dụng một mạch khuyếch đại thuật toán, được tích hợp trong IC LM393, với điện áp cung cấp là 5V, khi đó đầu ra của mạch khuyếch đại thuật toán sẽ là mức 0V hoặc 5V tương thích với tín hiệu đầu vào. Để thay đổi mức điện áp so sánh ta di chuyển con chạy trên biến trở phân áp. Dưới đây là sơ đồ chân của IC so sánh LM393 và các mắc mạch với Led thu phát. Hình 6: Sơ đồ nguyên lý IC LM393 PIN 1 : Chân ra so sánh 1 PIN 2 : Đầu vào đảo 1 PIN 3 : Đầu vào không đảo 1 PIN 5 : Đầu vào không đảo 2 PIN 6 : Đầu vào đảo 2 PIN 7 : Chân ra so sánh 2 PIN 8 : VCC Dưới đây là sơ đồ ghép nối cặp Led thu phát với IC so sánh LM393 Hình 7 : Sơ đồ nối Sensor và LM393 Vấn đề đặt ra là quét các Led. Có hai phương pháp chính là quét song song và quét tuần tự : Quét song song : Quét đồng thời tất cả các Led và so sánh mức tín hiệu thu được. Phương pháp này có ưu điểm là tốc độ nhanh tuy nhiên do quét các Led đồng thời nên khả năng xuất hiện nhiễu cao dẫn đến xe chạy không chính xác Quét tuần tự : Quét lần lượt từng Led. Quét tuần tự tuy tốc độ chậm nhưng đảm bảo được nhiễu ít Do yêu cấu trúc động cơ không đòi hỏi tốc độ không quá cao đồng thời yêu cầu hệ thống là sự chính xác nên nhóm đã chọn phương pháp quét tuần tự. Nguyên lý quét sẽ trình bày phần sau. Khối điều khiển động cơ: Khối điều khiển động cơ là một IC L293d. IC này có khả năng điều khiển, thay đổi tốc độ cũng như chiều quay của động cơ. Tuy nhiên để cho động cơ có thể hoạt động theo ý muốn thì vẫn cần phải có sự điều khiển của khối điều khiển chính từ ATmega 8. Về nguyên lý điều khiển của IC L293d là sử dụng mạch cầu H. Mạch này đã được tích hợp sẵn trong IC L293d. Hình 8 : Mạch cầu H Sơ đồ chân L293D: Hình 9 : Sơ đồ chân L293d Chúng ta cần điều chỉnh tốc độ hai bánh xe để cho xe di chuyển một cách linh hoạt, vì vậy chúng ta sử dụng công nghệ điều chỉnh tốc độ motor theo tín hiệu điều chế độ rộng xung PWM. Tín hiệu điều chế PWM được đưa vào hai đầu EN của IC L293d, cụ thể là chân số 1 và 9. Quan hệ giữa đầu vào EN và đầu vào A của IC L293d Hình 10 : quan hệ giữa các mức đầu vào Các tín hiệu điều khiển: EN, 1A, 2A ta có bảng điều khiển động cơ như sau : EN 1A 2A Chức năng H L H Quay phải H H L Quay trái H L L Dừng H H H Dừng L X X Dừng H: Mức cao L: Mức thấp Hình 11 : Trạng thái của động cơ X: Tùy ý Về cách mắc động cơ, chúng ta có thể mắc theo sơ đò dưới đây : Hình 12 : Sơ đồ nối ghép động cơ DC với L293d Khối hiển thị: Khối hiển thị có chức năng thông báo cho người quan sát từ mọi hướng có thể biết được trạng thái của hệ thống hiện thời. Nguyên lý hoạt động của khối như sau: Các Led đươc nối trực tiếp vào VDK. Mỗi khi hệ thống nhận được tín hiệu từ IC so sánh LM393 nó sẽ biết được xe đang đi thẳng hay rẽ, từ đó VDK sẽ xuất ra chân tương ứng một bit để điều khiển Led sáng Khối bao gồm 4 led được nối thẳng hàng. Vị trí các led phát sáng cho ta biết được trạng thái của xe như sau: 2 Led chính giữa sáng: xe đi thẳng 1 Led phải sáng: xe rẽ phải cấp 1 2 Led phải sáng: xe rẽ phải cấp 2 1 Led trái sáng: xe rẽ trái cấp 1 2 Led trái sáng: xe rẽ trái cấp 2 3 Mô tả quá trình hoạt động của hệ thống. Đầu tiên ta tiến hành quét Led. Vi điều khiển sẽ xuất lần lượt các bit tín hiệu ra các từng chân từ PC0 – PC3 để cấp nguồn cho Led phát, khi đó Led phát sẽ sáng và có hiện tượng phản xạ về phía Led thu. Ở đây chúng ta thực hiện quá trình quét bằng phương pháp quét tuần tự, tức là mỗi thời điểm ta chỉ quét một Led. Khi có phản xa nền đen sẽ cho ra tín hiệu logic 1. Tín hiệu này sẽ được đưa về vi điều khiển và được gán cho một biến toàn cục mà ta đã đặt trước. Cứ như thế, tất cả các trạng thái đều được ta lưu lại sau mỗi lần đọc hết 4 led. Mỗi khi quá trình đọc dữ liệu kết thúc biến mà ta lưu trạng thái này sẽ được đem so sánh với các giá trị điều khiển. Các giá trị thích hợp mà ta thu được sẽ cho phép ta điều khiển động cơ. Đồng thời vi điều khiển sẽ đưa ra thông báo cho người quan sát thấy được trạng thái của xe đang hoạt động. Quá trình điều khiển động cơ ngoài việc đưa ra tín hiệu tiến lùi, ta còn thiết lập các thông số tương ứng trong vi điều khiển ATmega 8 để tạo ra các xung PWM. Các xung này được cho vào các chân EN của IC L293d để cho phép đóng mở, hay thay đổi tốc độ động cơ mong muốn. Dưới đây là biểu đồ thời gian cho phép tạo ra các xung PWM. Phương pháp mà ta sử dụng ở đây là chế độ Phase and Frequency Correct PWM mode. Hình 13 : Biểu đồ thời gian phương pháp điều chế độ rộng xung PWM Phân công công việc trong nhóm Trong quá trình làm việc, nhóm đã phối hợp chặt chẽ, phân công công việc phù hợp với từng khả năng của các thành viên trong nhóm. Cụ thể công việc của các thành viên như sau: Phần lập trình : Nguyễn Văn Hợp Lê Trường Giang Trần Ngọc Bảo Phần thiết kế mạch : Nguyễn Tiến Đạt Nguyễn Thành Công Thiết kế phần cơ khí : Đàm Văn Đức III Kết Luận Kết thúc bộ môn Project nhóm đã hoàn thành các tiến độ và đạt được các chỉ tiêu đề ra. Nhóm đã trau dồi thêm kinh nghiệm về thiết kế, làm mạch và tạo cho mình kĩ năng lập trình, đặc biệt là lập trình C cho vi điều khiển. Các thành viên trong nhóm đã thể hiện được tinh thần làm việc nhóm, hoàn thành các công việc được giao. Mỗi thành viên đều nắm được cơ bản về hệ vi điều khiển, nguyên lý của việc điều khiển động cơ, phương pháp thu thập dữ liệu bằng cảm biến sensor. Trong suốt quá trình làm việc không thể thiếu được được các ý kiến hướng dẫn của thầy TS.Nguyễn Văn Khang. Chúng em xin chân thành cảm ơn sự giúp đỡ nhiệt tình của thầy trong suốt quá trình môn học. Mặc dù đã cố gẳng hết sức tuy nhiên kiến thức là mênh mông, chúng em rất mong được thầy đóng góp bổ xung ý kiến để hiểu biết về sau của chúng em được tốt hơn. Chúng em xinh chân thành cảm ơn thầy!