Thuật toán, thiết kế và chế tạo robot

phần đế robot phải được tiến hành đầu tiên và quan trọng nhất. Robot có hoạt động tốt được hay không phụ thuộc rất nhiều vào việc chế tạo phần đế của robot. Đế robot là bộ phận chịu cả tải trọng của robot và dùng để lắp những cơ cấu khác của robot. Chính vì vậy nhóm đã chế tạo robot theo ý tưởng đã được đưa ra tối ưu nhất. Hình 3.7. Đế thiết kế trên phần mềm Inventor 3.2.1.1. Vật liệu sử dụng làm đế. Hình 3.8: Hình dạng nhôm. Loại nhôm được sử dụng làm đế robot là loại nhôm ống hình chữ nhật ( loại sử dụng làm cửa nhôm) có kích thước 25mm×50mm. Loại nhôm này có bán rất nhiều trên thị trường, vì vậy rất tiện lợi khi cần thay thế hay sửa chữa bộ phận nào đó của robot. Khi sử dụng loại nhôm này để chế tạo robot thì chúng em nhận thấy khi dựng đứng nhôm để lắp ghép thì sẽ tạo ra độ cứng vững cho đế robot khi phải chịu tải trọng từ phía trên xuống. Để tạo độ cứng vững cho phần đế chúng em sử dụng các tấm phíp nhựa và các thanh nhôm hình chữ V để ghép nối chúng với nhau.Việc ghép nối này đảm bảo độ chắc chắn và có trọng lượng nhẹ hơn so với việc sử dụng gỗ nhét vào trong ống nhôm. Hình 3.9: Kích thước của nhôm được sử dụng làm đế. * Ưu điểm: - Nhôm nhẹ hơn so với cái vật liệu khác như sắt, thép làm giảm tải trọng cho robot. - Dễ chế tạo. - Dễ tìm . - Dễ tháo lắp khi vận chuyển. - Ít tốn kém. - Chịu lực tốt. - Không bị han gỉ * Nhược điểm : - Tuổi thọ không cao. - Độ cứng thấp. 3.2.1.2. Kích thước phần đế. Theo kinh nghiệm của những năm trước đế robot được thiết kế theo hình chữ I có thông số kỹ thuật như sau : - Chiều dài của đế : 550 mm. - Chiều rộng của đế phía trước : 320 mm. - Chiều rộng của đế phía sau : 480 mm. Kích thước tổng thể của đế robot: Hình 3.10: Kích thước của đế. - Đối với kích thước tổng thể được cho như trên sẽ giúp cho robot có độ vững chắc cao ,và có thể di chuyển một cách linh hoạt cho dù nó mang trên mình nhiều khối quà. Đế robot được thiết kế theo hình chữ I với 4 bánh được bố trí tại 4 góc của phần đế tạo lên sự vững chắc cho robot. Ngoài ra thì đế robot được làm bằng nhôm hộp lên có khối lượng nhẹ mà vẫn bảo đảm sự vững chắc. 3.2.1.3. Bánh xe. - Bánh trước Chọn bánh Omni : Đây là loại bánh được sản xuất bên Mỹ,có kích thước lớn hơn loại bánh 4 khía của Việt Nam sản xuất, khả năng chịu tải của nó lớn . * Ưu điểm :Có khả năng di chuyển được theo hai hướng vuông góc của bánh dẫn hướng Omni, bánh Omni có thể giúp robot thực hiện những chuyển động phức tạp khác nhau hoặc không thể đối với các loại robot di động sử dụng các bánh lái độc lập. Điểm đặc biệt của Omni là kết hợp hướng di chuyển và chuyển động quay tròn. Trong thiết kế robot ,để phù hợp với yêu cầu của đề thi, mang tính thẩm mỹ mà vẫn đảm bảo được độ cứng vững ,dễ di chuyển bám đường tốt... Do đó ta chọn bánh xe Omni cho bánh trước của robot . Bánh xe Omni giúp di chuyển một cách ổn định hơn, linh hoạt hơn, mặc dù bánh Omni sẽ làm cho cả phần khung robot bị rung động do kết cấu đặc biệt của bánh nhưng điều này không tác động đáng kể đến quá trình hoạt động của robot. a. b. c. Hình 3.11:Các loại bánh omni. Trong trường hợp này chúng ta sẽ sử dụng bánh omni như hình vẽ dưới đây. Đây là loại bánh có bán sẵn trên thị trường, được rất nhiều đội robocon trong và ngoài nước sử dụng mang lại hiểu quả rất tốt. Hình 3.12:Bánh Omni dùng trong robot. Bánh Omni có đặc điểm khác biệt với các loại bánh khác là khi đứng yên hoặc khi chuyển động theo các hướng khác nhau bánh chỉ luôn tiếp xúc điểm với mặt sàn. Nếu robot đi lên phía trước hoặc lùi lại thì bánh sẽ quay quanh trục quay chính của bánh, khí robot thực hiện rẽ sang ngang thì bánh sẽ thực hiện đồng thời 2 chuyển động: Chuyển động 1 là bánh sẽ quay quanh trục quay lớn; chuyển động 2 là các bánh hành tinh sẽ tự quay quanh trục riêng của mình. Điều này tạo tạo cho robot có chuyển động mau lẹ, linh hoạt, dễ thực hiện các chuyển động phức tạp có độ cua ngoặt cao. Lựa chọn bánh trước hợp lý sẽ giảm bớt những vấn đề liên quan đến các yếu tố vật lý. Bánh sau. Hình 3.13: Bánh xe nhôm đúc. Ở đây em lựa chọn sử dụng bánh hợp kim nhôm đúc. Đặc điểm nổi bật của bánh là trọng lượng nhẹ, lớp vỏ bánh được làm bằng silicon nên bám đường rất tốt. Mặt khác trên thân bánh được chế tạo sẵn 2 rãnh dành cho loại đai truyền động từ động có bán sẵn với đường kính đai là 5. Trong cụm bánh có sẵn 2 ổ bi được lắp chặt với thân bánh khá thuận tiện cho việc thiết kế và lắp đặt. 3.2.1.5. Chọn động cơ và lắp ráp bánh - Lắp bánh chủ động phía sau Việc sử dụng động cơ phụ thuộc vào nhiều yếu tố, nhưng động cơ được chọn trong cuộc thi robot thường có những yêu cầu chung sau : Tốc độ cao. - Khả năng chịu tải tốt. - Khả năng hãm tốt, thường sử dụng loại động cơ có hộp giảm tốc. - Dòng , áp. - Đối với động cơ dùng cơ cấu chuyển động yêu cầu đặt ra có tốc độ nhanh và có độ hãm tốt. Động cơ sử dụng để di chuyển là động cơ cá ngựa ( động cơ trục vít bánh răng) có tốc độ từ 250-300 (vòng / phút). Ưu điểm của loại động cơ này là chịu lực khỏe, tốc độ nhanh. Hình 3.14: Động cơ trục vít bánh răng. Bánh chủ động của robot được gắn trực tiếp vào trục truyền động chính của động cơ và được bố trí phía sau của phần đế. Để tạo thêm sự vững chắc cho bánh động cơ thì tại vị trí của phần nhôm bắt bánh ta cho thêm gỗ vào. Động cơ được bắt chặt vào phần đế nhờ miếng phíp. Hình 3.15. Tấm phíp dùng để bắt động cơ Hình 3.16. Động cơ bắt vào phíp - Lắp bánh Omni Bánh Omni (hay bánh đa hướng) được sử dụng rất nhiều trong các cuộc thi robocon. Ưu điểm của loại bánh này là khả năng di chuyển linh hoạt theo các hướng khác nhau. Điều này giúp cho robot có thể di chuyển một cách mềm mại và linh hoạt. Khi hoạt động robot có thể chuyển hướng một cách chính xác khi đang di chuyển. Để đảm bảo cho robot hoạt động ổn định khi mang những khối cấu kiện tương đối lớn thì giải pháp bắt bánh chúng em đưa ra đó là: bắt trực tiếp bánh đa hướng trực tiếp lên đế của robot. Do đề thi năm nay không đòi hỏi robot phải di chuyển nhiều thì việc bắt bánh cứng có ưu điểm hơn so với cách bắt bánh theo kiểu tự lựa. Trong quá trình di chuyển sẽ tạo lên độ vững chắc hơn khi mang nhiều khối cấu kiện một lúc,ngoài ra khi robot dừng thì khả năng hãm của robot tốt hơn. 3.2.2. Thân 3.2.2.1. Vật liệu sử dụng làm thân. Do yêu cầu của đề thi năm nay thì kích thước và khối lượng của các khối quà là không lớn và không quá nặng nhưng phải đưa lên cao chính vì vậy chiều cao của robot là tương đối cao ( chiều cao tối đa là 1,4m). Chiều cao cột lưu trữ qùa là 900 mm. Chiều cao thân robot là 1150 mm. Và robot phải nâng khối quà lên cao cũng như hạ xuống nên phần thân của robot đòi hỏi phải vững chắc cũng như khi di chuyển không bị lắc. Việc sử dụng vật liệu là nhôm hộp có xẻ rãnh ở giữa.có kích thước là 64 ×32 sẽ tạo cho robot có kết cấu nhẹ mà vẫn đảm bảo yêu cầu kỹ thuật. Hình 3.17: Nhôm làm trụ. Tuy nhiên để phần thân được vững chắc thì cần gia công chắc chắn phần tiếp xúc giữa phần thân với đế cần phải gia công chắc chắn phần tiếp xúc giữa thân và đế để khi di chuyển robot không bị lắc. + Chọn động cơ nâng hạ: Sử dụng động cơ trục vít để chống chiều quay ngược lại của trục động cơ khi có tải trọng đặt lên. Hình 3.18 : Động cơ nâng hạ trục vít bánh vít Để robot nâng hạ dễ dàng, êm,chịu tải tốt ta dùng cơ cấu nâng hạ bằng xích, trên thân là 4 con lăn (puli) di chuyển trên thân con lăn. Hình 3.19: Puli Hình 3.20: Cơ cấu nâng hạ bằng xích sử dụng puli. 3.2.3. Cánh tay lấy hoa 3.2.3.1. Vật liệu sử dụng làm cánh tay. - Nhôm ống tròn. Ưu điểm : + Dễ uốn để phù hợp với hình dạng của hoa Krathong. + Khối lượng nhẹ. + Dễ tìm. + Giá thành rẻ. 3.2.3.2. Kích thước. - Chiều dài cánh tay 90 mm. - Hai cánh tay xúc lần lượt có kích thước vòng ôm quà là 280 mm và 400 mm. Hình 3.21:Tay xúc đường kính 280 mm Hình 3.22: Tay xúc đường kính 400 mm - Chế tạo hộp di chuyển tay ra để xúc quà gồm động cơ 1 chiều 24V, nhông, xích và 4 puli. Hình 3.23: Hộp trượt tay Chiều dài cánh tay đưa ra là 500mm. Hình 3.24: Cánh tay hoàn thiện 3.2.3. Cánh tay gắp ngọn lửa đèn. Ngọn lửa đèn là chi tiết hình trụ có đường kính là 72mm .Chúng em sử dụng cơ cấu kìm kẹp để lấy ngọn lửa đèn. Hình 3.25: Cơ cấu gắp lửa Cơ cấu gắp ngọn lửa đèn ta sử dụng khí nén để điều khiển. Vận dụng truyền động bằng áp suất khí nén giúp kẹp chặt ngọn lửa đèn một cách chính xác. - Chọn van khí nén 5/2: Hình 3.26: Van 5/2 - Chọn xilanh tác động kép hành trình ra là 5cm, đường kính pittong là 10 mm. Hình 3.27: Xinh lanh tác động kép - Sơ đồ thiết kế khí nén: Hình 3.28: Sơ đồ thiết kế điện khí nén 3.3. Thiết kế và chế tạo mạch điện NGUỒN CẢM BIẾN HÀNH TRÌNH VI ĐIỀU KHIỂN ENCORDER CẢM BIẾN NẠP CHƯƠNG TRÌNH HIỂN THỊ TẠO DAO ĐỘNG CÔNG SUẤT LỰA CHỌN CHƯƠNG TRÌNH Hình 3.29: Sơ đồ chung Hình 3.30 : Sơ mạch nguyên lý robot tự động vùng Krathong 3.3.1. Khối nguồn Khối nguồn là khối quan trọng nhất trong tất cả các khối của Robot, khối nguồn quyết định sự hoạt động tốt hay kém của các khối khác. Ví dụ: nếu nguồn nuôi khỏe thì khi robot chạy chíp thường không bị reset, cảm biến bắt vạch tốt, chíp hoạt động tốt, xuất và nhận tín hiệu chuẩn, phần công suất đáp ứng yêu cầu. Nếu nguồn nuôi yếu thì ngược lại. Hình 3.31: Sơ đồ nguyên lý khối nguồn. Trên mạch ta dùng 1 diode 5A để tránh cắm nhầm cực. Do phải cấp nguồn cho nhiều khối trong mạch nên 1 IC 7805 thì không đủ dòng cấp nên ta cần đến 3 IC 7805, ngoài ra để tăng thêm dòng thì mắc thêm transistor công suất 2955 (hình bên). Trong đó: + Nguồn Vcc= +5V để nuôi cho VĐK + Nguồn Vcc= +5V để nuôi cho khối nạp chương trình và khối hiển thị. + Nguồn Vcc= +5V nuôi cho khối cảm biến, khối lựa chọn chương trình, Encoder. Hình 3.32 : Cấu tạo của IC 7805 • Tính toán các đại lượng dùng trong khối nguồn: Điện áp vào: UV =16V Điện áp ra: Ur=5V Ta chọn dòng cho Led là 10 mA RLed=vcc/10=5/10=0.2KΩ=>RLed=220Ω chọn tụ lọc đầu ra có giá trị điện dung C=0.1µF.Điện áp max là:250V Từ công thức:CL=1/md.W.Kdm.Rt Md=2 Kdm=0.1 W=2Πf UR=UNguon-UDiot ~15v Imax=1A ,UR=15V=>Z=15Ω=RT Do nguồn một chiều từ đó ta tính được:CL=(1/2.Π.100.15.0.1)=1000µF Thông số của diot: I=1A UNguon=16V Điện áp ngược đặt lên doit là:UN=KU.√2UNguon=1.8.√2.16=40.6V ID=Ki.I/2=10.1/2=5A KU,Ki :hệ số áp , dòng. Thông số đặc trưng Kí hiệu Đánh giá Đơn vị Điện áp colector-base Vcbo -120 V Điện áp colector-emitor Vceo -120 V Điện áp emitor-base Vebo -5 V Dòng colector Ic -10 A Dòng base Ib -1 A Công suất của Colector(T=250C) Pc 80 W Nhiệt độ hoạt động Pj 150 0C Phạm vi nhiệt độ để hoạt động Tstg -55-150 0C Bảng1.2: Bảng thông số của B688 3.3.2.Khối vi điều khiển. Hình 3.33 : Sơ đồ nguyên lý hoạt động của khối Vi điều khiển Để Vi điều khiển có thể hoạt động được ta chỉ cần các khối trên là đủ, tuy nhiên mạch Robot không chỉ có vậy nó còn các đầu vào, đầu ra… Để thay đổi chương trình cho Vi điều khiển thực hiện một công việc nào đấy thì ta cần viết chương trình cho chip, và nạp chương trình cho chip thông qua 2 chân giao tiếp nối tiếp P3.0(RXD) và P3.1(TXD). Tính toán điện trở kéo lên các port của vi điều khiển: VOL=0,45V, I0L=1.6mA ,IIL=0,05mA =>RPmin=(5-0,45/1,6-0,05)=2,9k VOH=2,4V, I0H=0,8mA ,IIH=0,65mA =>RPmax=(5-2,4/0,8-0,65)=17k Ta chọn điện trở kéo là:RPmin≤RP ≤RPmax Mạch reset Tính toán các thông số của mạch : Ta có:VRST=(VCC+.R2)/R1+R2 =>R1=VCC.R2-VRST.R2/VRST Chọn R2=8,2K , VRST=4,93 =>R1=0,1K Để reset cho hệ thống cần ít nhất 2 chu kì máy ở mức cao và sau đó trả về mức thấp.Ở đây mỗi chu kì máy mất 1µs. RST ở mức cao trên 2µs cần R2.C≥2µs=>C≥0.24nf. Ta chọn C=10µF Hình 3.34 : Mạch RESET 3.3.3 Khối tạo dao động: T=12/12.106=10-6S=1µs. Nhà sản xuất chip khuyên chúng ta nên chọn tụ co trị số 33 pF để đảm bảo tần số dao động của chip. Nên ta dùng tụ C1=C2=33 pF. Hình 3.35 : Mạch dao động 3.3.4. Khối nạp chương trình Hình 3.36: Sơ đồ nguyên lý của mạch nạp giao tiếp Max232 MAX 232 đóng vai trò trung gian giao tiếp giữa cổng COM và chip 89v51rd2 Tín hiệu từ chân 3 cổng COM được đưa tới đầu vào thu R1 IN của MAX232 đầu ra của bộ thu R1OUT của MAX232 được đưa tới p3.0 cổng P3.1 đưa tới đầu vào T1 IN của MAX232 nguồn nuôi V+= 5V tụ có C=1uf chọn Led báo nạp có i=5mA =>RLed=5/5=1k BẢNG CHÂN LÍ: T1IN T1OUT 0 1 1 0 R1IN R1OUT 0 1 1 0 Hình 3.37 : Sơ đồ board và chân linh kiện của mạch nạp giao tiếp Max232 3.3.5. Khối lựa chọn chương trình. Nguyên lý lựa chọn chương trình: IC 74151 là bộ dồn kênh 8 - 1, có 3 bit A, B, C điều khiển để đưa tín hiệu đầu vào thành tín hiệu đầu ra. 3 bit tương ứng với 8 trạng thái, ví dụ: đầu ra Y sẽ nối với D0 khi 3 bit ABC = 000, đầu ra Y sẽ nối với D1 khi 3 bit ABC = 001 ….. đầu ra Y sẽ nối với D7 khi 3 bit ABC = 111. Nếu nút được nhấn thì đẩu ra Y sẽ là mức 0 ngược lại nếu nút không được nhấn thì đầu ra Y là mức 1 vì đầu vào D0..D7 được treo điện trở 4.7k lên +5V. Hình 3.38 : Sơ đồ các chân vànguyên lý của 74151 Như đó thấy ở trên IC sẽ bao gồm các chân chức năng sau: + I0(4), I1(3),……I7(12) là các chân dữ liệu ngõ vào. + S( chân 7 ) : chân Enable, tích cực mức thấp. + Y( 5 ), W( 6 ) : ngõ ra, Y = Dx ; W = /Dx ( với Dx là ngõ vào được chọn nối với ngõ ra ). + A( 11 ), B( 10 ), C( 9 ) : Các chân chọn Dx nối với Y,W. Với bảng chân trị sau: Inputs outputs Select S(7) Y W=(/Y) C B A X L L L L H H H H X L L H H L L H H X L H L H L H L H H L L L L L L L L L I0 I1 I2 I3 I4 I5 I6 I7 H /I0 /I1 /I2 /I3 /I4 /I5 /I6 /I7 Bảng 1.3: Bảng chân lý của IC 74151 Hình 3.39: Sơ đồ nguyên lý của khối lựa chọn chương trình. 3.3.6. Khối cảm biến. 3.3.6.1. Công tắc hành trình. Công tắc hành trình trước tiên là cái công tắc tức là làm chức năng đóng mở mạch điện, và nó được đặt trên đường hoạt động của một cơ cấu nào đó sao cho khi cơ cấu đến 1 vị trí nào đó sẽ tác động lên công tắc. Hành trình có thể là tịnh tiếnhoặcquayKhi công tắc hành trình được tác động thì nó sẽ làm đóng hoặc ngắt một mạch điện do đó có thể ngắt hoặc khởi động cho một thiết bị khác. Người ta có thể dùng công tắc hành trình vào các mục đích như: Giới hạn hành trình ( khi cơ cấu đến vị trí dới hạn tác động vào công tắc sẽ làm ngắt nguồn cung cấp cho cơ cấu làm cho nó không thể vượt qua vị trí giới hạn)  Hành trình tự động: Kết hợp với các role, PLC hay VDK để khi cơ cấu đến vị trí định trước sẽ tác động cho các cơ cấu khác hoạt động (hoặc chính cơ cấu đó). Công tắc hành trình được dùng nhiều trong các dây chuyền tự động. Các công tắc hành trình có thể là các nhút nhấn (button) thường đóng, thường mở, công tắc 2 tiếp điểm, và cả công tắc quang. Sơ đồ nguyên lý của cảm biến hành trình: Hình 3.40: Sơ đồ kết nối cảm biến hành trình với VĐK. Một số loại công tắc hành trình. Hình 3.41 : Các loại công tắc hành trình 3.3.6.2.khối cảm biến dò đường. Dựa trên nguyên lý thu phát hồng ngoại. Led Blue siêu sáng có thể phát ra ánh sáng hồng ngoại, ánh sáng phát ra gặp mặt màu sáng sẽ bị phản xạ trở lại, gặp mặt tối màu sẽ bị hấp thụ. Led thu hồng ngoại nhận được ánh sáng hồng ngoại phản xạ đó và làm thay đổi giá trị điện trở trên nó. Hình 3.42 : Cách bố trí Led thu – phát a)Tính toán công suất cho khối cảm biến. - IC tạo xung NE555. NE555 do hãng CMOS sản xuất, đây là một loại linh kiện khá là phổ biến bây giờ với việc dễ dàng tạo được xung vuông và có thể thay đổi tần số tùy thích, với sơ đồ mạch đơn giản, điều chế được độ rộng xung. Nó được ứng dụng hầu hết vào các mạch tạo xung đóng cắt hay là những mạch dao động khác. Thông số của NE555 như sau: + Điện áp đầu vào : 2V - 18V ( Tùy từng loại của 555 : LM555, NE555, NE7555..). + Dòng điện cung cấp : 6mA - 15mA. + Điện áp logic ở mức cao : 0.5V - 15V. + Điện áp logic ở mức thấp : 0.03V - 0.06V. + Công suất lớn nhất là : 600mW. Trong mạch NE555 được cung cấp điện áp 5V, dòng cung cấp lúc này là 6mA. Vậy công suất tiêu thụ của NE555 trong mạch là: P = U.I = 5.6 = 30( mW). Chu kỳ của điện áp vào là: T= 0,02s=20ms Ta lại có: t=VR.C Thường thì thời gian nạp của tụ bằng với chu kỳ của điện áp vào ( T= ). Nên ta có: VR = 200000Ω=200kΩ Chọn VR=250kΩ. Chu kì và tần số của mạch: T=1.4RC f=0.7/RC Ta chọn dòng cho Led là 10 mA RLed=vcc/10=5/10=0.2KΩ=>RLed=220Ω - IC LM324 LM324 là loại IC khuếch đại thuật toán dùng để so sánh tín hiệu của cảm biến đưa về đặt ở chân âm với một điện áp chuẩn đặt ở chân dương. Tín hiệu đầu ra được đưa về chân của vi điều khiển. Thông số của LM324 như sau: + Điện áp làm việc nhỏ nhất: 3V. + Điện áp đầu vào cực đại: 32V. + Dòng điện đầu vào (làm việc) cực đại: 100nA. + Công suất tiêu thụ của IC này ở 25°C là 1310 mW. Trong mạch LM324 được cung cấp điện áp 5V, dòng cung cấp lúc này là 50nA Vậy công suất tiêu thụ của LM324 trong mạch là: P = U.I = 5.50 = 250( nW). - IC ULN2003AN ULN 2003AN là IC đệm dòng có tác dụng nâng biên độ của tín hiệu ra, để đảm bảo tín hiệu ra không bị đảo, ta lấy phản hồi từ đầu ra của ULN2003 đưa ngược lại vào đầu vào khác. Lúc này tín hiệu ra từ chân số 15 của ULN2003AN là 12V. Thông số của ULN2003Annhuw sau: + Điện áp làm việc: 5V. + Điện áp ra cực đại: 50V. + Điện áp đầu vào cực đại: 30V. + Dòng điện đầu vào cực đại: 25mA. + Dòng điện đầu ra cực đại: 500mA. + Công suất tiêu thụ cực đại: 1W. Trong mạch ULN2003 được cung cấp điện áp 5V, dòng cung cấp lúc này là 25mA. Vậy công suất tiêu thụ của ULN2003 trong mạch là: P = U.I = 5.25 = 125( mW). - Led thu phát hồng ngoại. Trong cặp thu phát hồng ngoại (IR): một linh kiện phát hồng ngoại (IR emitter (IRE)) và một linh kiện nhận (IR receiver (IRS)) tạo thành 1 cặp cảm biến sensor. Led thu là loại phản quang, nghĩa là chỉ nhận được ánh sáng hồng ngoại của Led phát khi ánh sáng đó được phản xạ bởi một vật chắn sáng. Linh kiện phát sẽ tạo tia hồng ngoại và sau khi phản xạ sẽ truyền tới linh kiện nhận. Thông số của Led thu phát như sau: +Điện áp làm việc: 5V. +Dòng điện đầu vào: 25mA. Trong mạch Led thu pháp hồng ngoại được cung cấp điện áp 5V, dòng cung cấp lúc này là 25mA. Vậy công suất tiêu thụ của 8 cặp Led thu phát trong mạch là: P = 2.8U.I = 2.8.5.25 = 2000( mW)=2W. Như vậy, để đảm bảo việc cung cấp đủ công suất cho khối cảm biến chúng em đã sử dụng 2 nguồn riêng biệt: Một nguồn 12V cung cấp cho cảm biến dò đường Led thu phát hồng ngoại, và một nguồn 5V cung cấp cho các khối sử lý tín hiệu khác. b) Sơ đồ nguyên lý cảm biến dò đường. Tạo dao động cho Led phát: Hình 3.43 : Mạch tạo dao động tần số cao cho Led phát. Với mỗi nguồn sáng khác nhau đều có thể phát ra ánh sáng hồng ngoại với tần số phát khác nhau, để tránh bi ảnh hưởng do nhiễu gây ra bởi các nguồn sáng bên ngoài tác động vào Led thu thì ta tạo ra cho Led phát một tần số nhất định, và mạch thu hồng ngoại cũng lọc đúng tần số đó thì mới nhận. Nguyên lý hoạt động của cảm biến dò đường. Hình 3.44 : Sơ đồ nguyên lý hoạt động của 1 bộ thu phát. Led siêu sáng Blue phát ra tia hồng ngoại Led thu nhận được sẽ giảm điện trở trên nó làm giảm điện áp đặt trên nó. Do tia hồng ngoại được phát với tần số cao nên Led nhận cũng bị dao động cùng với tần số đó. Tần số này lớn nên có thể đi qua tụ không phân cực, tụ điện có vai trò lọc tần số để không nhầm lẫn với các tần số ánh sáng khác mà Led thu nhận được. Do có điện áp đặt vào chân B của Transistor(T) 2N2222A là T có thể làm việc với tần số cao, nên T sẽ đóng cắt theo tần số của Led thu, do có tụ 10µf nắn phẳng nên điện áp đặt vào bộ khuyếch đại thuật toán. Điện áp này có thể điều chỉnh trong khoảng từ 0,2 đến 0.3v bằng cách điều chỉnh tinh chỉnh R 104 trước Led thu (khi thay đổi VR104 làm cho điện áp đặt vào chân B của T thay đổi làm cho độ dẫn của T thay đổi theo nên Uc cũng thay đổi). Cách so sánh để đưa ra tín hiệu vào VĐK: U(+) > U(-) → U(r) mức cao. U(+) < U(-) → U(r) mức thấp. U(+) = U(-) → U(r) = 0. Chỉnh U(+) = 1V, U(-) = 0,3V (Khi Led thu nhận ánh sáng hồng ngoại từ Led Blue do phản xa bởi vạch trắng) Khi đó U(+) > U(-) → U(r) mức cao, không phận cực thuận được cho Led hiển thị không phát sáng, đó là dấu hiệu nhận biết là cảm biến đã bắt được vạch trắng. Khi Led thu không nhận được ánh sáng hồng ngoại từ Led phát, thì Led thu có điện trở cao nên điện áp trên Led thu là lớn, tuy nhiện điện áp này không thể đi qua tụ điện không phân cực vì điện áp này tần số bằng 0. Nên T không dẫn điện áp Uc = 5V nên: U(+) < U(-) → U(r) mức thấp, Led hiển được phân cực thuận nên phát sáng đó là dấu hiệu báo không có vạch trắng. Khi phát hiện được vạch trắng thì tín hiệu đặt vào VĐK là mức cao, khi không phát hiện vạch trắng thì tín hiệu đặt vào VĐK là mức thấp. Ta sử dụng 8 cảm biến tương tự như trên, các tín hiện cảm biến được đưa vào cổng P0.0 đến P0.7 Hình 3.45 : Sơ đồ board khối cảm biến 3.3.6.3. Cảm biến quang - Những nhược điểm khi sử dụng quang trở là: + Quá trình hồi đáp phụ thuộc không tuyến tính vào thông lượng . + Thời gian hồi đáp lớn . + Các đặc trưng không ổn định ( già hóa ). + Độ nhạy phụ thuộc vào nhiệt độ . + Một số loại đòi hỏi phải làm nguội . Do đó người ta không dùng quang trở để xác định chính xác giá trị thông lượng mà được sử dụng để phân biệt mức ánh sáng : trạng thái sáng - tối hoặc xung ánh sáng. Việc xác định giá trị điện trở của quang trở hoặc xác định sự thay đổi cần phải có mạch đo phù hợp , nghĩa là phải được cấp dòng không đổi và ghép theo sơ đồ đo điện thế hoặc sơ đồ cầu Wheatstone, mạch khuếch đại thuật toán. Trong thực tế thường được ứng dụng 2 trường hợp là điều khiển reley và thu tín hiệu quang . 1/ Diode Cảm Quang ( photo diode ) a/ Nguyên tắc : Khi cho 2 chất bán dẫn P và N tiếp xúc với nhau sẽ tạo nên vùng nghèo hạt dẫn tại tiếp xúc , tại đó xuất hiện 1 điện trường gọi là ETX và hình thành 1 hàng rào điện thế VTX . Khi không có điện thế ngoài thì dòng qua tiếp giáp có giá trị I=0 . Thực tế dòng I lúc đó chính là dòng tổng của 2 dòng ngược chiều nhau và có cùng độ lớn : - Dòng khuếch tán của các hạt dẫn cơ bản khi tiếp xúc 2 chất bán dẫn. - Dòng hạt dẫn không cơ bản nhờ tác dụng của điện trường trong vùng nghèo . Khi đặt 1 điện áp lên vùng nghèo , chiều cao của hàng rào điện thế sẽ thay đổi kéo theo sự thay đổi của dòng hạt dẫn cơ bản và bề rộng vùng nghèo . Điện áp đặt lên vùng nghèo sẽ xác định giá trị dòng điện I Khi điện áp ngược đủ lớn , chiều cao của hàng rào điện thế lớn đến mức dòng khuếch tán của các hạt dẫn ( dòng cơ bản ) có thể bỏ qua và chỉ còn lại dòng không cơ bản , nghĩa là I = IO , đây chính là dòng ngược của diode. Khi chiếu sáng diode bằng bức xạ có bước sóng nhỏ hơn bước song ngưỡng ( l < lS ) sẽ hình thành thêm các cặp điện tử và lỗ trống . Để các hạt dẫn này tham gia làm tăng độ dẫn , từ đó làm tăng dòng I. Điều quan trọng là ánh sáng phải được chiếu đến vùng nghèo , sau khi đi qua 1 bề dày đáng kể của chất bán dẫn và tiêu hao năng lượng ( càng đi vào sâu thì thông lượng f càng giảm ) Trong thực tế các vật liệu thường được dùng để chế tạo photodiode là Si, Ge, ( dùng để thu ánh sánh nhìn thấy được và hồng ngoại gần ) GaAs, InAs, InSb, HgCdTe ( dung để thu hồng ngoại ) b/ Độ nhạy : Đối với 1 bức xạ có phổ xác định , dòng quang điện I tuyến tính với thông lượng trong 1 khoảng tương đối rộng . Độ nhạy được xác định : ứng với l ≤ lS h hiệu suất lượng tử R hệ sồ phản xạ a hệ số hấp thụ h hằng số Planck h = 6,6256.10-34Js c vận tốc truyền trong chân không c/ Chế độ sử dụng photodiode : Có 2 chế độ sử dụng : chế độ quang dẫn và chế độ quang thế . +/ Chế độ quang dẫn Chế độ quang dẫn được đặc trưng bởi độ tuyến tính cao , thời gian hồi đáp ngắn và dãi thông lớn . Có 2 dạng sơ đồ Dạng sơ đồ cơ sở : Trong sơ đồ ta có : Nếu tăng giá trị Rm sẽ làm giảm nhiễu . Tổng trở ngã vào phải lớn để giảm ảnh hưởng của nội trở diode. Dạng sơ đồ tác động nhanh Khi đó ta có : Điện trở tải của diode nhỏ và gần bằng , trong đó K là hệ số khuếch đại ở tần số làm việc. Tụ C2 có nhiệm vụ bù trừ ảnh hưởng của tụ kí sinh C1 với điều kiện . Bộ khuếch đại sử dụng dòng vào rất nhỏ và suy giảm do nhiệt không đáng kể . +/ Chế độ quang thế Trong chế độ này mạch có thể làm việc ở chế độ tuyến tính hoặc logarit tuỳ thuộc vào tải , ít nhiễu , thời gian hồi đáp lớn và dải thông nhỏ , đặc biệt nhạy cảm với nhiệt độ khi làm việc ở chế độ logarit. Trong sơ đồ tuyến tính ta có : Trong sơ đồ logarit : 2/ Transistor Quang ( photo transistor ) a/ Cấu tạo và nguyên tắc : -Transistor quang được cấu tạo bằng cbd loại Si , được chế tạo theo loại transistor NPN sao cho có vùng cực B có khả năng cảm nhận ánh sáng từ bên ngoài . -Khi transistor quang làm việc thì được phân cực cho cực C và E nên điện áp phân cực tập trung toàn bộ vào vùng chuyển tiếp B-C ( phân cực ngịch). Khi chuyển tiếp B-C được chiếu sáng ( cực B nhận ánh sáng ) thì transistor quang hoạt động giống với diode quang ở chế độ quang dẫn với dòng ngược . b/ Sơ đồ dùng transistor quang : -Transistor quang có thể dung làm bộ chuyển mạch hoặc làm phần tử tuyến tính . Ở chế độ chuyển mạch có thể cho phép dòng đi qua tương đối lớn , còn ở chế độ tuyến tính thì ít được sử dụng vì độ tuyến tính kém nên thường người ta dùng diode quang . Transistor quang ở chế độ chuyển mạch : Trong trường hợp này sử dụng thông tin dưới dạng nhị phân : Có hay không có tín hiệu quang (không có bức xạ hoặc có bức xạ). Ánh sáng nhận được nhỏ hơn hay lớn hơn ánh sáng ngưỡng ban đầu Transistor làm việc ở chế độ D : dẫn bão hoà hoặc ngưng dẫn . Hoạt động như 1 reley ,hoặc cổng logic . Tốc độ chuyển mạch của transistor quang bị giới hạn đáng kể bởi nội trở của nó . Tốc độ náy có thể cải thiện bằng cách ghép thêm vào mạch 1 bộ khuếch đại hoặc ghép thêm transistor dưới dạng darlingtone (với điều kiện mạh phải có trở kháng vào nhỏ). Transistor quang làm việc ở chế độ tuyến tính: - Có 2 trường hợp ứng dụng : + Đo ánh sáng không đổi . + Hoạt động giống như luxmetter. Thông số kĩ thuật của một số loại cảm biến quang thông dụng. E3F3    • Dạng hình trụ cỡ M18. • Điều chỉnh độ nhạy cho loại phản xạ khuếch tán (-D32, -D12) Ðầu ra : NPN hoặc PNP 30VDC, 100mA Khoảng cách phát hiện : * Phản xạ khuyếch tán :  10cm (NPN: E3F3-D11; PNP : E3F3-D31), 30cm (NPN: E3F3-D12; PNP: E3F3-D32) * Phản xạ gương : 2m (NPN: E3F3-R61; PNP : E3F3-R81) * Thu phát : 5m. (NPN: E3F3-T61; PNP : E3F3-T81) Nguồn cấp: 10-30 VDC E3JM • Kích thước: 65x25x65 (mm)  • Ðầu nối dây dùng vít. • Có kiểu đặt thời gian trễ  • Chống va đập tốt, chịu nước. Ðầu ra : 1 bộ tiếp điểm rơle 3A, 250 VAC Khoảng cách phát hiện :  * Phản xạ khuyếch tán : 70cm (E3JM-DS70M4(T)) * Thu phát : 10m (E3JM-10M4(T))  * Phản xạ gương :  4m (phân cực) (E3JM-R4M4(T)) Nguồn cấp : 12-240 VDC± 10%; 24-240 VAC ±10% Chú ý : Loại có timer thêm "T" vào cuối mã 3.3.7. ENCODER – Hiển thị. 3.3.7.1 ENCODER. Cấu tạo. Hình 3.46 : Mô phỏng cấu tạo của ENCODER Hình 3.47: Sơ đồ nguyên lý mạch xử lý tín hiệu ENCODER. Encoder sử dụng ở đây là loại Encoder 100 xung 2 tín hiệu Sign A và Sign B, hai tín hiệu này lệch pha nhau 900. Để VĐK không nhận liền lúc cả hai tín hiệu SIGN A và SIGN B ta sử dụng mạch đọc Encoder trên với mục đích là khi Encoder quay thuận (Sign A có tín hiệu trước) thì qua mạch đọc Encoder này chỉ đưa ra đầu ra là Sign A đầu ra Sign B có tin hiệu và đưa vào VĐK luôn luôn là mức 0, còn tín hiệu Sign A đưa vào VĐK chính là xung Sign A của Encoder tạo ra. Và ngược lại là khi Encoder quay theo chiều ngược( Sign B có tín hiệu trước) thì qua mạch đọc Encoder này chỉ đưa ra đầu ra là Sign B đầu ra Sign A có tin hiệu và đưa vào VĐK luôn luôn là mức 0 còn tín hiệu Sign A đưa vào VĐK chính là xung Sign A của Encoder tạo ra. Hình 3.48: Sơ đồ Board mạch đọc ENCODER -Hiển thị: Hình 3.49 Sơ đồ nguyên lý mạch hiển thị. Hình 3.50 Sơ đồ broad mạch hiển thị. Mạch hiển thị dùng để đếm tốc độ quay của ENCODER, để tiết kiểm cổng vào/ra của VĐK nên đã dùng truyền thông giao tiếp nối tiếp để thực hiện việc truyền thông tin từ VĐK xang mạch hiển thị. Nguyên lý mạch: Nối chân P3.0 vào chân xung Clock của IC ghi dịch 74164, chân P3.1 nối chung với 2 chân A và B để lấy tín hiệu vào cho IC 74164. 4 đầu ra của nửa byte cao được lấy làm tín hiệu vào cho IC mã BCD thành mã 7 thanh 74247. 3 bit QB, QC, QD (74164) được nối với 3 bit A, B, C của IC 74138. IC 74138 có tác dụng kích mở cho transistor dẫn làm cho led hiển thị. Tính toán thông số: Để đơn giản hơn ta xem LED 7 đoạn gồm 7 LED đơn sử dụng dòng 5 mA Vậy dòng cần cung cấp cho LED là : ILed=7.5=35mA chọn BJT là 2SC828 với βmin=70 IC=0,15mA dòng IBmin=IC/βmin=150/70=2,14mA IB=(2÷3)IBmin=(2÷3).2,14=2,5.2,14=5,35mA Để T1 dẫn thì ngõ ra của 74138 ở mức thấp tức là V01=0,45V,điện áp rơi trên T là 0,6V nên ta chọn các điện trở có giá trị là: R=(VCC-V01-0,6)/IB=(5-0,45-0,6)/5,35=0,72K.Ta chọn R=1K 3.3.8 Công suất. Phần công suất là bộ phận quan trọng nhất của mạch điện, phần này tạo nên sự hoạt động của ROBOT, những phần đã trình bày ở trên đều nhằm mục đích phục vụ cho sự hoạt động tốt của khối công suất. Cụ thể là khối cảm biến dò đường đưa tín hiệu vào VĐK để VĐK lại điều khiển khối công suất đi cho đúng đường đúng vạch, đúng tốc độ. Tín hiệu của ENCODER đo khoảng cách dịch chuyển báo cho VĐK rồi VĐK lệnh cho mạch công suất dừng lại hay tiếp tục đi hay bẻ lái chuyển hướng…… Vì công suất là khối tạo nên hoạt động của ROBOT nên nó phải thật chính xác, phải thật ổn định, phải được cách ly hoàn toàn với khối điều khiển để tránh sự tác động trở lại của mạch công suất tới mạch điều khiển. Với yêu cầu của đề thi năm nay thì ta chọn các loại động cơ có tốc độ không cần quá cao nhưng cần có thể chịu được tải lớn, tuy nhiên động cơ tốc độ cao và khỏe thì cang tốt. Trong quá trình làm việc thì thấy động cơ tốc độ 70 – 80 vòng/phút là hợp lý nhất, vì động cơ được lắp trực tiêp bộ truyền tỷ số cao nên tốc tộ không cao nhưng lực thì rất lơn, đáp ứng tốt với yêu cầu đề thi. 3.3.8.1.Nguyên lý hoạt động. Hình 3.51 Mạch công suất Hình 3.52 Bộ cách li quang và bộ khuếch đại dòng ULN2803 Trên sơ đồ nguyên lý thấy mỗi động cơ sẽ được điều khiển bởi hai cổng của VĐK được cách ly qua hai bộ cách ly quang. Mỗi chân của VĐK sẽ điều khiển đóng cắt Rơle để tiến hành đảo hay không đảo chiều của động cơ, chân còn lại sẽ có tác dụng tiến hành điều xung để thay thế tốc độ động cơ. Khi có tín hiệu đầu ra từ chân 14 của UNL.2803 (ton) ở mức cao (12V) thì Transistor ngược T1 được phân cực thuận, Transistor thuận T2 khóa, cực điều khiển IRF được đặt điện áp 12VDC. IRF dẫn, cấp điện mass cho động cơ. Khi tín hiệu đầu ra từ chân 14 của UNL.2803 (ton) ở mức thấp (0V) UNL.2803 Transistor thuận T1 khi này khóa, Transistor ngược T2 dẫn, làm cho điện áp đặt vào cực điều khiển của IRF lú này bằng 0, IRF khóa, ngắt mass của động cơ. Quá trình này được lặp lại sau mỗi chu kỳ của xung. Trong một chu kỳ xung sẽ có khoảng thời gian động cơ được cấp xung (ton) và khoảng thời gian mà động cơ không được cấp xung (toff). Việc thay đổi khoảng thời gian ton trong toàn bộ chu kỳ sẽ thay đổi giá trị điện áp trung bình đặt lên động cơ dẫn đến làm thay đổi tốc độ của động cơ. Để đảo chiều của động cơ ta dùng 1 Rơle, bình thường thì cuộn hút của Rơle không được cấp điện do đầu ra của UNL.2803AN ở mức cao, động cơ quay theo chiều thuận. Khi cuộn hút của Rơle có điện, hai cực của động cơ được đảo do tiếp điểm của Rơle bị đảo và động cơ quay theo chiều ngược lại. Như vậy thay vì phải dùng mạch cầu H ta chỉ cần dùng 1 van bán dẫn và 1 Rơle để có thể thực hiện việc thay đổi tốc độ và đảo chiều động cơ. Điều kiện để động cơ quay là phải có xung điều khiển ( giá trị xung khác 0) cho van bán dẫn. Điều kiện để động cơ có thể đảo chiều là có xung điều khiển cho van và cuộn hút Rơle có điện (Rơle tác động). Cách ly giữa mạch điều khiển và mạch động lực là PC817 ( cách ly quang). PC817 có tầm quan trọng rất lớn vừa ngăn chặn những xung đột bên mạch đọng lực vừa có thể nâng mức tín hiệu của đầu ra mạch điều khiển. Cực điều khiển của IRF 540N được cấp bởi bộ lọc RC. Nhờ có bộ lọc này mà giảm được các nhiễu và điện áp phân cực cho cực là là xung vuông chuẩn. 3.3.8.2. Lựa chọn và tính toán công suất cho mạch động lực. * Động cơ sử dụng trong Robot. Tổng số động cơ được sử dụng là 5 động cơ có công suất tối đa là 24W, điện áp làm việc tối đa 24V, dòng điện làm việc định mức lớn nhất là 1A. Ta sẽ tiến hành chọn van bán dẫn cho động cơ: + Dòng điện làm việc của động cơ Ilv = 1A. + Dòng điện lúc khởi động Ikđ= 2 Ilv = 2.1 = 2A. + Chọn hệ số an toàn cho mạch là k=1,5. + Do đó dòng điện làm việc mà van phải chịu là Ilv van= k. Ikđ=1,5.2= 3A. + Ta sẽ chọn van có dòng làm việc đỉnh Ilvđ van ≥ 5.Ilv van = 5.3 = 15A. * Van bán dẫn IRF 540N. IRF540N là một loại MOSFET công suất. Các thông số cơ bản của IRF540N: + Dòng điện làm việc lớn nhất: - Ở 25°C: 33A - Ở 100°C: 23A + Điện áp làm việc lên tới 100V. + Công suất tối đa: 120W ở 25°C. + Công suất sẽ giảm 0,8W/°C tính từ nhiệt độ 25°C. + Dải nhiệt độ làm việc từ -55 đến 175°C. + Tần số đóng cắt lên tới 1 MHZ. Trong mạch IRF540N phải được cung cấp điện áp 12V. Hình 3.53 : Hình dạng, sơ đồ chân, kí hiệu trên mạch điện của IRF540N * Transistor NPN D468 và PNP B562. Transistor ngược D468 và Transistor thuận B562 kết hợp với nhau tạo thành một khóa đóng cắt để điều khiển IRF540 có tá dụng điều khiển xung cho động cơ. Thông số của Transistor ngược D468 như sau: + Điện áp cực đại đặt trên collector và base: VCBO = 25V. + Điện áp cực đại đặt trên collector và emitter: VCEO = 20V. + Điện áp cực đại đặt trên emitter to base: VEBO = 5V. + Dòng điện cực đại đặt trên collector : I = 1,5A. + Công suất tiêu thụ cực đại: 0,9W. Trong mạch D468 được cung cấp điện áp 12V, dòng tiêu thụ lúc này là I = 1mA. Vậy công suất tiêu thụ của D468 trong mạch là : P = U.I = 12.(1mA) = 12 (mW). Thông số của Transistor ngược B562 như sau: + Điện áp cực đại đặt trên collector và base: VCBO = -25V. + Điện áp cực đại đặt trên collector và emitter: VCEO = -20V. + Điện áp cực đại đặt trên emitter to base: VEBO = -5V. + Dòng điện cực đại đặt trên collector : I = -1,5A. + Công suất tiêu thụ cực đại: 0,9W Trong mạch B562 được cung cấp với điện áp ngược -12V, dòng điện tiêu thụ lúc này là I= -1mA. Vậy công suất tiêu thụ của B562 trong mạch là : P = U.I = -12.(-1mA) = 12(mW). * Opto PC817 Opto PC817 giúp cách ly quang giữa mạch công suất với mạch điều khiển. Vì đôi khi động cơ chạy quá dòng thì dòng trả về lớn chết một số linh kiện trong mạch công suất, nếu không có cách ly thì dòng lớn sẽ theo đường mạch làm vi điều khiển và toàn bộ những linh kiện khác trong mạch bị ảnh hưởng. Trong mạch PC817 được cung cấp với điện áp 12V, dòng tiêu thụ là I = 5mA. Vậy công suất tiêu thụ của PC817 trong mạch là : P = U.I = 12.(5mA) = 60(mW). Như vậy, với những tính toán công suất như trên thì để đảm bảo cho việc cung cấp đủ công suất hoạt động cho khối: cách ly quang, đảo chiều và thay đổi tốc độ động cơ thì chúng em đã thiết kế riêng nguồn 12V để cung cấp cho các khối này CHƯƠNG IV: LƯU ĐỒ THUẬT TOÁN ĐIỀU KHIỂN ROBOT 4.1. Giải thuật dò đường. Sử dụng cảm biến thu phát để dò đường gồm 8 cảm biến bố trí trên một đường thẳng và cách đều nhau 2.3cm. Sơ đồ bố trí cảm biến như sau: Với 8 cảm biến bố trí như trên ta có thể chia làm 17 vùng như sau: Vùng trung tâm : cảm biến 4 + cảm bien 5 Vùng phải 1:cảm biến 5 +/cảm biến 4 +/cảm biến 6 Vùng phải 2:cảm biến 5 + cảm biến 6 Vùng phải 3:cảm biến 6 +/cảm biến 5 +/cảm biến 7 Vùng phải 4:cảm biến 6 + cảm biến 7 Hình 4.1 : Cách bố trí led-dò đường. Vùng phải 5:cảm biến 7 +/cảm biến 6 +/cảm biến 8 Vùng phải 6:cảm biến 7 + cảm biến 8 Vùng phải 7:cảm biến 8 +/cảm biến 7 Vùng phải 8:bit nhớ phải + /cảm biến 8 Vùng trái 1:cảm biến 4 +/cảm biến 3 +/cảm biến 5 Vùng trái 2:cảm biến 3 + cảm biến 4 Vùng trái 3:cảm biến 3 +/cảm biến 2 +/cảm biến 4 Vùng trái 4:cảm biến 2 + cảm biến 3 Vùng trái 5:cảm biến 2 +/cảm biến 1 +/cảm biến 3 Vùng trái 6:cảm biến 1 + cảm biến 2 Vung trái 7:cảm biến 1 +/cảm biến 2 Vùng trái 8:bit nhớ trái +/cảm biến 1 Lưu ý: cảm biến n :cảm biến n tích cực /cảm biến n: cảm biến n không tích cực Bit nhớ = 1 khi tât cả cảm biến lệch ra khỏi đường line theo hướng trái (bít nhớ phải) và theo hướng phải (bit nhớ trái).Ví dụ: bit nhớ trái được SET khi “cảm biến 1 +/cảm biến 2” và bị CLR khi “cảm biến 3 + cảm biến 4” Đối với mỗi vùng trên ta xây dựng một hàm vận tốc sao cho robot có thể hiệu chỉnh về đúng vùng trung tâm khi bị lệch. Ví dụ: Vùng trung tâm: MOV BANH_TRAI,#200 MOV BANH_PHAI,#200 Vùng phải 1: MOV BANH_TRAI,#200 MOV BANH_PHAI,#180 Trong đó các biến BANH_TRAI và BANH_PHAI là các biến điều xung (nhận giá trị từ 0 255). Lưu đồ thuật toán: Hình 4.2 : Giải thuật dò đường. Cứ tiếp tục xử lý hết 16 vùng. Nếu lệch vào vùng nào thì xử lý hàm tốc độ cho Bánh trái và Bánh phải hợp lý sao cho khi robot bị lệch sẽ tự động hiệu chỉnh về vị trí giữa vạch trắng. 4.2. Giải thuật đếm vạch ngang Giải thuật đếm vạch thực chất là kiểm tra các cảm biến và đếm số cảm biến nhận vạch trắng vào một thời điểm nào đó, tuỳ thuộc vào yêu cầu mà ta có thể xét 4 hay 5 cảm biến tích cực tại một thời điểm nào đó là thời điểm robot đi qua vạch trắng ngang. 4.3. Lưu đồ thuật toán Dec toi vach Mov_tongcb,#0 Hình 4.3 : Giải thuật đếm vạch ngang. Cb1 =1 Inc tong_cb Inc tong_cb Inc tong_cb Cb1 =1 Cb1 =1 Cb1 =1 Cb1 =1 Cb1 =1 Cb1 =1 Cb1 =1 Tổng cb>=5 Inc tong_cb Inc tong_cb Inc tong_cb Inc tong_cb Inc tong_cb start Inc tong_cb end 4.3.Thuật toán dò đường dùng cảm biến: Với sự kết hợp đầy tài tình của các thuật toán nhỏ khác, thuật toán dò đường dùng cảm biến chính là sự kết hợp của các yếu tố : dò đường hiệu quả, đếm vạch chính xác. 4.4.Thuật toán kiểm tra vùng cảm biến : Với 1 dàn gồm 8 bộ cảm biến led phía trước, Robot có chức năng dò đường thông minh theo vạch (hay còn gọi là chạy bám vạch) , thì để Robot có thể đi đúng đường , không bị lệch, không ra ngoài vạch trắng, chúng em đã dựa vào tần số quét cao của vi điều khiển, thuật toán lập trình sẽ tập trung vào việc chúng ta phân vùng cho cảm biến và kiểm tra xem vùng nào của cảm biến được nhận sau đó ghi lại địa chỉ vùng cảm biến đó. Đây chính là thuật toán kiểm tra vùng cảm biến. 4.5.Thuật toán điều khiển vùng: Với các địa chỉ mà phần kiểm tra vùng đã xác định trên, việc tiếp theo chính là điều khiển theo các vùng địa chỉ sao cho phù hợp. Công việc chính là điều khiển các động cơ theo các cấp độ xung khác nhau, khi Robot lệch sang phải lập tức bánh trái sẽ phải giảm xung và Robot tự động về vạch trung tâm. Công việc là ngược lại khi Robot đang lệch sang bên trái, và không có gì tốt hơn là Robot đang ở vùng trung tâm, Robot sẽ đạt được tộc độ cao nhất. Tất cả những điều này được thể hiện rất rõ trong lưu đồ điều khiển vùng sau đây. 4.6. Giải thuật encoder Ta dùng encoder để xác định quãng đường robot đi được bằng cách đo đạc các thông số như chu vi bánh encoder, số xung encoder trên một vòng quay (thường ta sử dụng encoder loại 100 xung), từ đó dựa vào số xung encoder có thể tính ra được độ dài quãng đường robot đã đi và ngược lại. Để xác định được số xung của encoder ta có thể sử dụng chế độ counter của bộ timer hoặc dùng ngắt ngoài. Ở đây ta sử dụng ngắt để xác định số xung đưa về vi điều khiển, cách thức lập trình như sau: trước tiên ta xác định quãng đường robot cần đi được sau đó đưa ra số xung encoder tương ứng với quãng đường đó, chuyển giá trị encoder đó vào một thanh ghi (ví dụ T0) tiếp theo ta sẽ xét cho ngắt (SETB EX0) . Trong chương trình ngắt ta kiểm tra các giá trị encoder đã về 0 chưa nếu chưa về ta thực hiện trừ giá trị đó tương ứng mỗi xung encoder ta trừ đi 1 đơn vị. Thuật toán + Thực hiện hàm ngắt ngoài 0: 4.7. Giải thuật cua trái, cua phải Điều khiển robot cua trái hay cua phải ta điều khiển cho một trong hai bánh quay bánh còn lại sẽ đứng yên cho đến khi cảm biến vùng trung tâm hoặc vùng kế cận nhận được vạch trắng lúc đó ta dừng điều khiển cua và kết thúc quá trình cua. Như vậy quá trình cua được thực hiện qua các bước sau: Điều khiển một trong hai bánh (Trái hoặc phải) quay bánh còn lại dừng Cứ tiếp tục điều khiển cho đến khi lần lượt các cảm biến từ cảm biến ngoài cùng theo phía cua đến cảm biến vùng trung tâm nhận được vạch thì thoát chương trình quay. Lưu đồ thuật toán: Lưu đồ chương trình: CHƯƠNG V: PHƯƠNG ÁN XỬ LÝ NHIỄU 5.1. Các nguyên nhân cơ bản gây ra nhiễu 5.1.1. Nguyên nhân cơ khí Nhiễu do cơ khí gây ra chủ yếu do sự thiếu chính xác và độ cứng vững của Robot kém mà dẫn đến rung động trong quá trình chuyển động dẫn đến sự sai lệch của cảm biến dò đường tạo nhiễu loạn khi Robot bắt vạch, ngoài ra khi sự sai lệch về trọng tâm Robot lớn sẽ dẫn đến tải trọng đặt vào hai động cơ động lực khác nhau làm Robot hoạt động khó khăn hơn trong việc đi lại và cắt góc. 5.1.2. Nguyên nhân do điện - Lỗi do bo mạch Trong quá trình bo mạch thường đi dây không ngắn gọn sẽ dẫn đến sự từ hóa trong mạch gây nên sự nhiễu loạn cho mạch vi điều khiển. Ngoài ra cách chọn đường mạch quá nhỏ sẽ dẫn đến yếu dòng cũng là nguyên nhân gây nhiễu. Mặt khác trong quá trình bo khi hai đường mạch nóng và lạnh gần nhau cũng tạo ra nhiễu bởi sự dò điện gây nên sụt áp. Mặt khác cách chọn linh kiện và sự tính toán cũng rất quan trọng. thường phần lớn nhiễu gây ra do sự sụt áp bởi sai số lớn trong quá trình tính toán. - Lỗi do dùng linh kiện sai mục đích Khi linh kiện dùng sai về mục đích cũng gây ra ảnh hưởng về đường đi. Chẳng hạn khi ta dùng tụ lắp vào động cơ để tăng sự lệch pha làm động cơ chạy nhanh và khỏe hơn đồng thời chống nhiễu dội ngược dòng của điện áp, nhưng khi Robot đang chuyển động mà dừng lại hoặc cắt góc thì tụ sẽ tích điện làm động cơ vẫn quay khi dừng chuyển động gây nên sự thiếu chính xác khi dừng hoặc khi cắt góc. -Lỗi do môi trường Khi Robot chuyển động, nếu mặt đường đi của Robot nhấp nho gây nên cảm biến đưa tín hiệu về khác nhau sẽ dẫn đến sai lệch, ngoài ra trên mặt sân lớp sơn có màu sắc khác nhau cũng tạo ra điện áp đưa về khác nhau. Khi ánh sang chiếu vào Robot có cường độ lớn, cường độ cao sẽ tạo ra điện áp cảm biến đưa về Robot thay đổi cũng tạo ra nhiễu. -Lỗi do động cơ Tính chất của động cơ là vật vừa tiêu thụ điện vừa tạo ra điện, khi ta khởi động thì động cơ là vật tiêu thụ điện hút điện áp lớn gấp 1,5 – 2 lần điện áp bình thường. Điều này tùy thuộc vào tải. Nhưng khi ta dừng cấp điện cho động cơ thì quán tính của động cơ vẫn còn duy trì và tạo ra điện áp ngược tại ngõ vào, nếu đảo chiều trong thời gian quá ngắn sẽ dẫn đến : Điện áp tiêu thụ = Điện áp khởi động + Điện áp tải + Điện áp ngược. Điều này dẫn đến sự sụt áp trong thời gian t rất nhỏ, nhưng đấy cũng đủ để tạo ra nhiều cho vi điều khiển dẫn đến tình trạng Reset nguồn. Khi động cơ hút lượng điện áp lớn đặc biệt với động cơ điện một chiều điện áp thấp nên sử dụng dòng lớn từ 2 – 3 A nhưng khi khởi động cộng với tải nặng sẽ phải dùng đến 6A. Điều này tạo nên sự sụt áp lớn trong mạch động lực nếu chọn đường mạch quá nhỏ điều đó kéo theo sự sụt áp do mạch vi điều khiển làm nhiễu loạn. Trong động cơ có hộp số là tạo ra tỷ số truyền khác nhau, nếu momen lớn thì tốc độ chậm và nếu tốc độ nhanh thì momen yếu. Nếu động cơ dùng cần momen lớn mà ta dùng động cơ nhanh với dòng áp nhỏ sẽ dẫn đến quá tải và gây ra đoản mạch làm điện áp ngõ vào bằng 0 và dẫn đến sụt áp. -Lỗi do đi dây Khi chế tạo Robot và hoàn thiện, nếu đi dây không đúng sẽ dẫn đến nhiễu loạn. Chẳng hạn khi để dây điện áp động cơ gần dây cảm biến hoặc công tắc hành trình sẽ tạo ra nhiễu bởi khi động cơ chạy lượng dòng tiêu thụ rất lớn gây ra từ trường xung quanh lớn, bởi vậy gây nhiễu loanj tín hiệu 1 của tín hiệu công tắc hành trình đưa về. -Lỗi do lập trình Người lập trình không hẳn là chỉ viết chương trình cho Robot chạy mà quan trọng nhất trong lập trình là hoàn thiện những gì mà cơ khí và điện chưa làm được. Đó là vấn đề xử lý nhiễu. Khi ta lập trình nếu sừ dụng đảo chiều hoặc vòng lặp không đúng sẽ dẫn đến treo vi điều khiển và reset nguồn. Chẳng hạn trong quá trình làm việc hay khởi động ta cần chạy n động cơ. Nhưng nếu ta khởi động cùng một thời điểm thì dòng khởi động của n động cơ sẽ quá lớn gây nên sụt áp. Thông thường ta khởi động các động cơ cho chênh nhau một khoảng thời gian t nào đó ( t = 50 – 100ms ). 5.2 Các phương án xử lý nhiễu. 5.2.1. Xử lý cơ khí + Để xử lý nhiễu do cơ khí cần phải tính toán và trợ lực cho Robot để đảm bảo sự cứng vững. Mở rộng các góc tác dụng lực để tăng ứng lực. + Xử lý các khâu chuyển động và khớp cho trơn chu. Tra dầu mỡ và kiểm tra độ chính xác các khâu lien kết và sử lý. + Lựa chọn bánh xe đúng kích thước để giảm rung động khi chuyển động. 5.2.2. Xử lý về điện + Bo mạch cần mở rộng các đường mạch, thông thường là từ 0.016 inc – 0.02inc. Đối với động lực thường mở rộng đường mạch lớn hơn 0.2inc, mở rộng đường mạch chung càng lớn càng tốt. + Đi dây trên mạch cần ngắn gọn và tối thiểu về đường đi sao cho càng ngắn gọn càng tốt. + Bố trí linh kiện theo khối và đúng vị trí ( vd : thạch anh cần phải để sát 2 chân dao động của vdk để tăng tần số dao động ). + Dùng linh kiện điện tử xử lý phải hợp lý. Chẳng hạn dùng diode công suất để chống ngược dung cho động cơ. 5.2.3. Xử lý do môi trường + Cần che chắn cảm biến dò đường sao cho thật tốt. + dùng nguồn nuôi cho các cảm biến chuyên dụng lớn hơn khoảng 12v để nâng cao độ nhạy, đồng thời không nên dung chuyển nguồn cảm biến với VĐK. -Xử lý động cơ : + Dùng ferit từ để chống từ nhiễu và dòng ngược. + Dùng tụ để tăng tốc độ và độ khỏe của động cơ đồng thời tụ cũng có chức năng chống dòng ngược tốt bởi tính năng phóng nạp của tụ. + Dùng diode công suất cũng là biện phap để chống dòng ngược. 5.2.4. Xử lý lập trình Khi lập trình đầu tiên cần làm là xử lý nhiễu trong chương trình bám vạch. Xử lý các nhiễu do xung điện và xử lý nhiễu do môi trường và do cơ khí thiếu chính xác. Để xử lý nhiễu do mặt sân thi đấu ta nên lựa chọn chương trình xử lý theo bít để kiểm tra các bít trong vòng lặp lien tục. Kiển tra từ giữa ra ngoài theo từng bít một điều này chánh trường hợp cảm biến ngoài gây nhiễu khi chưa xét đến nếu Robot chưa lệch đến cảm biến đó. + Tạo trễ để kiểm tra các bít : thông thường nhiễu chỉ xảy ra trong khoảng thời gian rất ngắn cỡ vài trục micro s. Chính vì thế ta tạo chế độ trễ, chính sự phân biệt này nên ta sẽ loại được tối đa các vấn đề nhiễu do môi trường cũng như rung động. + Tạo trễ khi đảo chiều động cơ : khi động cơ đảo chiều trong 1us thì điện áp ngược do quán tính của động cơ sẽ không giải phóng hết điều này dẫn đến khi ta đảo chiều quá nhanh trong 1us sẽ dẫn đến đoản mạch tại đầu và gây sụt áp. Vì vậy khi lập trình cần tạo trễ để giải phóng phần điện áp ngược rồi mới cấp điện thì sẽ giảm thiểu vấn đề sụt áp. Đồng thời khi đảo chiều Rơ le sinh ra tia lửa điện do dòng lớn, vì thế tạo trễ cũng là biện pháp tránh nhiễu do tia lửa điện. + Tạo trễ xử lý cảm biến và nhảy chương trình điều khiển: Khi cảm biến dừng lại và nằm trong vòng lặp đợi tín hiệu từ cảm biến. Nếu khi cảm biến có tín hiệu mà nhảy luôn đến chương trình điều khiển sẽ gây ra nghẽn tín hiệu xử lý từ Ram. Bởi do Robot đang ở chế độ chờ Vi điều khiển đang hoạt động nếu ngủ chờ chương trình sẽ dẫn đến không xử lý và Reset vi điều khiển. + Khi nhiễu đã xử lý mà Robot vẫn có nhiễu xảy ra nhưng với số lần ít ta cần phải có biện pháp loại bỏ rủi ro do nhiễu gây ra. Đó là cần tạo vòng lặp xen vào vùng khởi tạo ( vùng nút chiến thuật ) , trước hết ta phải xem tín hiệu để nhảy tới chương trình mà gây nhiễu là gì. Thường là tín hiệu cảm biến hoặc Encoder hoặc có thể là giá trị đếm trong ô nhớ Ram, điều này tùy thuộc vào người viết chương trình. Khi ta xác định được thì ta dùng câu lệnh này trong mục chọn chiến thuật. vì vậy khi bị reset nguồn thì VĐK khởi động lại và lúc này các tín hiệu đang ở vị trí tác động và trong vòng lặp chiến thuật câu lệnh sẽ giúp nhảy đến nhãn để thực hiện tiếp công việc đó. CHƯƠNG VI: KẾT LUẬN Robot là sự mô phỏng những suy nghĩ và hành động cử con người. những hoạt động của con người. Một robot được cấu thành gồm 3 phần như cơ thể con người: + Phần cơ khí đóng vai trò như phần khung xương. + Phần điện đóng vai trò như mạch máu. + Phần lập trình đóng vai trò là linh hồn. Cả ba phần trên đều rất quan trọng đối với việc chế tạo robot, nếu thiếu 1 trong 3 phần đều không thể hình thành lên robot. Tuy nhiên trong số đó phần thực hiện ý tưởng cơ khí và thực hiện cơ khí là rất khó khăn nó bao gồm tư duy và sự khéo léo và sự bền bỉ. Phần điện đóng vai trò như mạch máu nó là sự kết nối giữa các khâu và các khớp góp phần tạo ra chuyển động. là năng lượng để nuôi sống cho robot. Phần lập trình là phần nhẹ nhàng nhất nhưng đòi hỏi tư duy cao và sự khéo léo về cách giải quyết các bài toán mà về cơ khí và điện tử không là được hoặc là làm chưa tốt. Nó là cơ sở để tạo ra bộ não cho robot, một robot thông minh và hoạt động khéo léo hay không phụ thuộc hoàn toàn vào phần lập trình. Tuy nhiên nếu sự đáp ứng về cơ khí và điện không tốt thì dẫu robot có thong minh cũng không thể tạo ra sự chuyển động nhịp nhàng và chơn chu được. điều này phụ thuộc vào sự tương thích trong các khâu. Vì lẽ đó khi chế tạo robot cần phân bổ các nhóm một cách hợp lý. Tất nhiên để làm làm nên những con robot này chúng em cũng không thể thiếu một phần đóng góp của các thầy cô trong bộ môn cơ điện tử. Chúng em xin trân thành cám ơn và xin kết thúc bản thuyết minh đề tài tốt nghiệp robocon 2011. TÀI LIỆU THAM KHẢO [1]. Tống Văn On & Hoàng Đức Hải (2001). Họ Vi điều khiển 80C51. Nhà xuất bản Lao động xã hội. [2]. Phạm Minh Hà (2002). Kỹ thuật mạch điện tử. Nhà xuất bản Khoa học và kỹ thuật. [3]. PGS. TS. Trịnh Chất & TS. Lê Văn Uyển (2007). 7. Tính toán thiết kế hệ thống dẫn động cơ khí. Nhà xuất bản giáo dục. [4]. GV. Bạch Hưng Trường. Giáo trình kỹ thuật Vi Điều Khiển. Trường ĐHSPKT Hưng Yên. [5]. Nguyễn Bính (1995). Điện tử công suất. Nhà xuất bản khoa học và kĩ thuật. [6]. TS. Phạm đăng phước. Robot công nghiệp. [7]. Các bài viết trên và một số forum của các trường kỹ thuật. [8]. [9]. [10]. [11]. [12]. [13]. [14 ]. Datasheet P89V51RD2. PHỤ LỤC Chương trình robot tự động. Bản vẽ chi tiết.