Đề tài Thiết kế, chế tạo và điều khiển robot dò line (line following robot)

 ĐẠI HỌC QUỐC GIA THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH 
 TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA 
 KHOA CƠ KHÍ 
 BỘ MÔN CƠ ĐIỆN TỬ 
 BÁO CÁO 
 ĐỒ ÁN THIẾT KẾ HỆ THỐNG CƠ ĐIỆN TỬ 
 Đề tài: 
 THIẾT KẾ, CHẾ TẠO VÀ ĐIỀU KHIỂN 
 ROBOT DÒ LINE (LINE FOLLOWING ROBOT) 
 GVHD: TS. Ngô Hà Quang Thịnh 
Sinh viên thực hiện: 
 Phan Hữu Thanh Tú 21304661 
 Lê Tấn Sang 21303338 
 Huỳnh Văn Ngọc Sơn 21303402 
 Nguyễn Trọng Trân 21304292 
 Thành phố Hồ Chí Minh, tháng 5 năm 2017
 ĐỒ ÁN THIẾT KẾ HỆ THỐNG CƠ ĐIỆN TỬ GVHD: TS. Ngô Hà Quang Thịnh 
 MỤC LỤC 
Nội dung Trang 
MỤC LỤC ................................................................................................................................. ii 
DANH SÁCH HÌNH ẢNH ...................................................................................................... iv 
DANH MỤC BẢNG BIỂU ..................................................................................................... vi 
MỤC TIÊU THIẾT KẾ ........................................................................................................... 1 
CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN .................................................................................................... 2 
 1.1 Sơ đồ nguyên lý ................................................................................................................ 2 
 1.2 Cảm biến ........................................................................................................................... 5 
 1.3 Động Cơ ............................................................................................................................ 7 
 1.4 Cấu trúc điều khiển ........................................................................................................... 7 
 1.5 Giải thuật điều khiển ......................................................................................................... 8 
CHƯƠNG 2: PHƯƠNG ÁN THIẾT KẾ ............................................................................... 9 
 2.1 Đề xuất sơ đồ nguyên lý ................................................................................................... 9 
 2.2 Đề xuất cảm biến .............................................................................................................. 9 
 2.3 Đề xuất cấu trúc điều khiển ............................................................................................ 10 
 2.4 Đề xuất giải thuật điều khiển .......................................................................................... 10 
 2.5 Phương án thiết kế .......................................................................................................... 11 
CHƯƠNG 3: CƠ KHÍ ............................................................................................................ 12 
 3.1 Lựa chọn bánh xe ............................................................................................................ 12 
 3.1.1 Lựa chọn bánh chủ động .......................................................................................... 12 
 3.1.2 Lựa chọn bánh bị động ............................................................................................. 12 
 3.2 Tính toán lựa chọn động cơ ............................................................................................ 12 
 3.3 Kích thước thân xe .......................................................................................................... 14 
 3.3.1 Chiều cao trọng tâm xe ............................................................................................ 14 
 3.3.2 Các kích thước cơ sở của xe ..................................................................................... 15 
 3.4 Hình ảnh mô hình 3D xe ................................................................................................. 17 
 3.5 Tính toán dung sai độ đồng trục hai động cơ .................................................................. 17 
 3.5.1 Tính chuỗi kích thước .............................................................................................. 17 
 3.5.2 Sơ đồ và phương pháp kiểm tra độ đồng trục của 2 động cơ ................................... 21 
 3.6 Bản vẽ robot xe dò line ................................................................................................... 22 
CHƯƠNG 4: MÔ HÌNH HÓA .............................................................................................. 23 
 4.1 Mô hình động học ........................................................................................................... 23 
 4.2 Cách xác định vị trí của robot ......................................................................................... 24 
 ii 
 ĐỒ ÁN THIẾT KẾ HỆ THỐNG CƠ ĐIỆN TỬ GVHD: TS. Ngô Hà Quang Thịnh 
 4.3 Bộ điều khiển tracking, tìm khoảng cách d .................................................................... 25 
 4.4 Mô phỏng sa bàn ............................................................................................................. 26 
CHƯƠNG 5: CẢM BIẾN VÀ LẬP TRÌNH ........................................................................ 33 
 5.1 Thiết kế cảm biến ............................................................................................................ 33 
 5.1.1 Chọn cảm biến .......................................................................................................... 33 
 5.1.2 Tính toán giá trị điện trờ .......................................................................................... 33 
 5.2 Lựa chọn vi điều khiển ................................................................................................... 34 
 5.3 Cách bộ trí cảm biến ....................................................................................................... 35 
 5.4 Chọn khoảng cách hợp lý giữa cảm biến với sàn ........................................................... 36 
 5.5 Kiểm tra khoảng cách thực tế ......................................................................................... 37 
 5.6 Tính toán khoảng cách giữa 2 led ................................................................................... 37 
 5.7 Tính toán số lượng cảm biến ........................................................................................... 39 
 5.8 Ca-líp cảm biến ............................................................................................................... 39 
 5.9 Xác định vị trí tâm đường line ........................................................................................ 40 
 5.10 Mô hình thí nghiệm ....................................................................................................... 41 
 5.11 Giải thuật điều khiển xe ................................................................................................ 42 
 5.11.1 Sơ đồ khối của bộ điều khiển ................................................................................. 42 
 5.11.2 Giải thuật điều khiển .............................................................................................. 42 
 5.12 Lập trình chương trình .................................................................................................. 47 
CHƯƠNG 6: ĐIỆN – MẠCH ĐIỆN ..................................................................................... 62 
 6.1 Sơ đồ khối hệ thống điện ................................................................................................ 62 
 6.2 Nguồn điện ...................................................................................................................... 62 
 6.3 Mạch nguồn .................................................................................................................... 63 
 6.4 Mạch driver động cơ ....................................................................................................... 64 
 6.5 Thiết kế board mạch tổng kết nối các thiết bị ................................................................. 67 
 6.6 Thiết kế mạch cảm biến .................................................................................................. 67 
 6.7 Giải thuật PID để nâng cao đáp ứng của bộ driver và motor .......................................... 68 
 6.8 Kết quả thực hiện phần điện cho xe dò line .................................................................... 71 
CHƯƠNG 7: THỰC NGHIỆM VÀ ĐÁNH GIÁ ................................................................ 72 
TÀI LIỆU THAM KHẢO ...................................................................................................... 74 
 iii 
 ĐỒ ÁN THIẾT KẾ HỆ THỐNG CƠ ĐIỆN TỬ GVHD: TS. Ngô Hà Quang Thịnh 
 DANH SÁCH HÌNH ẢNH 
Hình Trang 
Hình 0.1 Sa bàn di chuyển của robot ......................................................................................... 1 
Hình 1.1 Sơ đồ nguyên lý RC cars sử dụng trục truyền động ................................................... 2 
Hình 1.2 Sơ đồ nguyên lý RC racing cars sử dụng trục truyền động ........................................ 3 
Hình 1.3 Sơ đồ nguyên lý hai cặp chủ động vi sai loại 2 bánh ................................................. 4 
Hình 1.4 Sơ đồ nguyên lý hai cặp chủ động vi sai loại 4 bánh ................................................. 4 
Hình 1.5 Nguyên lý của cảm biến quang.................................................................................... 5 
Hình 1.6 Vùng giao thoa của cực phát và cực thu ...................................................................... 5 
Hình 1.7 Giải thuật xử lí tín hiệu bằng phương pháp so sánh .................................................... 6 
Hình 1.8 Giải thuật xử lý tín hiệu cảm biến bằng phương pháp xấp xỉ ...................................... 6 
Hình 1.9 Cấu trúc điều khiển thường dùng ................................................................................ 7 
Hình 2.1 Phương án sơ đồ nguyên lý ......................................................................................... 9 
Hình 2.2 Phương án cấu trúc điều khiển .................................................................................. 10 
Hình 3.1 Bánh dẫn động ........................................................................................................... 12 
Hình 3.2 Mô hình toán của bánh xe ......................................................................................... 12 
Hình 3.3 Mô hình toán khi xe chuyển hướng ........................................................................... 14 
Hình 3.4 Sơ đồ tính khoảng cách giữa hai tâm bánh xe dẫn động .......................................... 15 
Hình 3.5 Sơ đồ phân bố linh kiện cho xe ................................................................................. 16 
Hình 3.6 Mô hình 3D robot xe dò line ..................................................................................... 17 
Hình 3.7 Sai lệch tâm trục 2 động cơ ....................................................................................... 17 
Hình 3.8 Các khâu hình thành chuỗi kích thước ...................................................................... 18 
Hình 3.9 Các khâu hình thành chuỗi kích thước ...................................................................... 20 
Hình 3.10 Sơ đồ kiểm tra độ đồng trục của 2 động cơ ............................................................. 21 
Hình 4.1 Mô hình động học của mobile platform .................................................................... 23 
Hình 4.2 Mô hình động học được sử dụng cho robot dò line ................................................... 24 
Hình 4.3 Cách xác định e3 ........................................................................................................ 25 
Hình 4.4 Quan hệ giữa khoảng cách d và sai số lớn nhất ......................................................... 26 
Hình 4.5 Mô phỏng chuyển động robot trong đoạn ABC ........................................................ 27 
Hình 4.6 Mô phỏng chuyển động robot trong đoạn CDE ........................................................ 28 
Hình 4.7 Mô phỏng chuyển động robot trong đoạn EFC ......................................................... 29 
Hình 4.8 Mô phỏng chuyển động robot trong đoạn CGA ........................................................ 30 
Hình 4.9 Mô phỏng chuyển động robot trong đoạn GAE ........................................................ 31 
Hình 4.10 Mô phỏng chuyển động robot trong sa bàn ............................................................. 32 
Hình 5.1 Sơ đồ nguyên lý của 1 cặp LED trong mạch cảm biến ............................................. 33 
Hình 5.2 Đồ thị thể hiện giữa dòng và áp qua LED ................................................................. 34 
 iv 
 ĐỒ ÁN THIẾT KẾ HỆ THỐNG CƠ ĐIỆN TỬ GVHD: TS. Ngô Hà Quang Thịnh 
Hình 5.3 Kit Tiva C chip Tm4c123gh6pm ............................................................................... 34 
Hình 5.4 Ảnh hưởng của cách đặt cảm biến đến switching distance Xd .................................. 36 
Hình 5.5 Vùng hoạt động của cảm biến ................................................................................... 36 
Hình 5.6 Tính toán giá trị h ...................................................................................................... 36 
Hình 5.7 Test độ cao và đáp ứng của LED ............................................................................... 37 
Hình 5.8 Phạm vi quét của led thu và led phát ở 2 cảm biến đặt liền kề nhau ......................... 38 
Hình 5.9. Vùng bất định của cảm biến ..................................................................................... 38 
Hình 5.10 sơ đồ bố trí sử dụng 5 cảm biến ............................................................................... 39 
Hình 5.11 Sơ đồ bố trí sử dụng 7 cảm biến .............................................................................. 39 
Hình 5.12 Giải thuật xấp xỉ bậc 2 ............................................................................................. 40 
Hình 5.13 Giải thuật xấp xỉ bậc 2 ............................................................................................. 41 
Hình 5.14 Đồ thị quan hệ giá trị tính toán và giá trị thực tâm đường line ............................... 41 
Hình 5.15 Sơ đồ cấu trúc tập trung ........................................................................................... 42 
Hình 5.16 Sơ đồ giải thuật điểu khiển xe ................................................................................. 46 
Hình 6.1 Sơ đồ khối hệ thống điện ........................................................................................... 62 
Hình 6.2 Module LM2596 ........................................................................................................ 63 
Hình 6.3 Mạch in lắp nguồn ..................................................................................................... 64 
Hình 6.4 Mạch driver TB6612 ................................................................................................. 64 
Hình 6.5 Đồ thị giữa PWM và vận tốc motor (không tải) ........................................................ 65 
Hình 6.6 Đồ thị đáp ứng với PWM = 40% ............................................................................... 66 
Hình 6.7 Đồ thị đáp ứng với PWM = 70% ............................................................................... 66 
Hình 6.8 Sơ đồ nguyên lý và sơ đồ mạch in board tổng........................................................... 67 
Hình 6.9 Mô hình hóa 3D board tổng ....................................................................................... 67 
Hình 6.10 Sơ đồ nguyên lý mạch cảm biến .............................................................................. 67 
Hình 6.11 Bảng vẽ mạch in mạch cảm biến ............................................................................. 68 
Hình 6.12 Mô hình hóa 3D mạch cảm biến .............................................................................. 68 
Hình 6.13 Đồ thị giữa PWM và vận tốc motor (có tải) ............................................................ 68 
Hình 6.14 Mô hình tuyến tính động cơ trái .............................................................................. 69 
Hình 6.15 Mô hình tuyến tính động cơ phải ............................................................................. 69 
Hình 6.16 Đồ thị đáp của động cơ trái tại PWM = 55% (có tải) .............................................. 69 
Hình 6.17 Đồ thị đường cong đáp của hệ bậc nhất .................................................................. 70 
Hình 6.18 PID Tuner Matlab .................................................................................................... 70 
Hình 6.19 Bản vẽ sơ đồ điện .................................................................................................... 71 
Hình 7.1 Mô hình thực tế xe dò line ......................................................................................... 72 
Hình 7.2 Kết quả chạy trên sa bàn trích từ video ..................................................................... 72 
 v 
 ĐỒ ÁN THIẾT KẾ HỆ THỐNG CƠ ĐIỆN TỬ GVHD: TS. Ngô Hà Quang Thịnh 
 DANH MỤC BẢNG BIỂU 
Bảng Trang 
Bảng 3.1 Các thông số đầu vào của xe ..................................................................................... 13 
Bảng 3.2 Các thông số yêu cầu của động cơ ............................................................................ 14 
Bảng 3.3 Các thiết bị trên xe .................................................................................................... 17 
Bảng 4.1 Thông số đầu vào mô phỏng ..................................................................................... 25 
Bảng 5.1 Bảng trạng thái và số xung cần ................................................................................. 45 
Bảng 6.1 Công suất điện cần cung cấp cho các thiết bị............................................................ 62 
Bảng 6.3 Các ngõ ra/vào module TB6612 ............................................................................... 64 
 vi 
 ĐỒ ÁN THIẾT KẾ HỆ THỐNG CƠ ĐIỆN TỬ GVHD: TS. Ngô Hà Quang Thịnh 
 MỤC TIÊU THIẾT KẾ 
Thiết kế và chế tạo xe dò line di chuyển tốc độ cao trên sa bàn có các đặc điểm : 
 - Màu sắc đường line: đen. 
 - Màu nền: trắng. 
 - Bề rộng đường line: 26mm. 
 - Bề mặt địa hình di chuyển: phẳng. 
 - Sa bàn được thể hiện trên Hình 0.1. 
 - Mỗi robot mang trên người một vật nặng hình hộp chữ nhật có trọng lượng 2 Kg. 
 F B
 R500
 E C A
 END START
 R500
 D
 1500 G
 3000
 Hình 0.1 Sa bàn di chuyển của robot 
 - Khi bắt đầu, robot được đặt tại vị trí START (điểm A), sau đó robot chạy theo thứ tự 
đi qua các điểm nút quy định lần lượt : 
 (START) A → B → C → D → E → F → C → G → A → C → E (END)
 Trang 1 
 ĐỒ ÁN THIẾT KẾ HỆ THỐNG CƠ ĐIỆN TỬ GVHD: TS. Ngô Hà Quang Thịnh 
 CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN 
 Robot dò line là một trường hợp đặc biệt của mobile robot, trong đó robot sẽ nhận biết vị 
trí tương đối của robot và bám theo đường line (line từ, line màu) đã có. Hiện nay robot dò line 
được ứng dụng rộng rãi trong các quá trình chế tạo trong công nghiệp, mang vác vật đến các 
địa điểm đặc biệt, 
 Để thiết kế và vận hành một robot dò line, tất cả các yếu tố kỹ thuật cấu thành của robot 
đều cần được quan tâm: sơ đồ nguyên lý, loại cảm biến, động cơ, cấu trúc điều khiển và giải 
thuật điều khiển được sử dụng. 
1.1 Sơ đồ nguyên lý 
 Rất nhiều sơ đồ nguyên lý có thể được ứng dụng cho việc chế tạo robot dò line. Để đạt 
được tốc độ và khả năng bám đường, sơ đồ nguyên lý của các loại xe đua điều khiển từ xa (RC 
racing cars) có thể được sử dụng. Có hai loại sơ đồ nguyên lý chung cho các loại xe đua chuyên 
chạy trên mặt đường phẳng: 
 - Loại 1(Hình 1.1) sử dụng trục truyền động cho trục trước và sau xe. (Khung xe của 
 hãng Awesomatrix, TAMIYA TT01, Overdose Divall ). 
 - Loại 2(Hình 1.2) sử dụng đai răng truyền động cho trục trước và sau xe. (Khung xe 
 của hãng Sakura D3 CS, Serpent VETEQ 02, TA04 EPRO ). 
a) Khung xe hãng Overdose Divall b) Sơ đồ nguyên lý sử dụng trục truyền động 
 Hình 1.1 Sơ đồ nguyên lý RC cars sử dụng trục truyền động 
 Trang 2 
 ĐỒ ÁN THIẾT KẾ HỆ THỐNG CƠ ĐIỆN TỬ GVHD: TS. Ngô Hà Quang Thịnh 
 X
 X
 X
a) Khung xe hãng TA04 EPRO b) Sơ đồ nguyên lý sử dụng đai răng truyền động 
 Hình 1.2 Sơ đồ nguyên lý RC racing cars sử dụng trục truyền động 
 Những sơ đồ nguyên lý này có chung các ưu điểm và nhược điểm sau: 
 Ưu điểm: Hạn chế được hiện tượng trượt giữa các bánh khi xe thực hiện đổi hướng. 
 Nhược điểm: 
 - Thiết kế cơ khí phức tạp và bán kính cong nhỏ nhất của xe sẽ bị giới hạn bởi kết 
 cấu của xe. 
 - Giá thành cao đối với nhu cầu của sinh viên. 
 - Thích hợp cho việc đua trên mặt đường phẳng. 
 Bên cạnh các sơ đồ nguyên lý mà các xe RC car sử dụng, hiện nay rất nhiều xe đua dò 
line như đội HBFS (Robot RobotChallenge) và Sylvestre (COSMOBOT 2012), Flash Robot 
RobotChallenge 2016), Johnny-5 (IGVC),Thunderbolt (Robot Challenge 2014) sử dụng hai 
bánh chủ động được điều khiển độc lập kết hợp với bánh đa hướng (Hình 1.3). 
 Ưu – nhược điểm chung của sơ đồ nguyên lý này: 
 Ưu điểm: Bám đường tốt do tiếp xúc 3 điểm mới mặt đường, mô hình động học đơn giản, 
dễ hiệu chỉnh sai số hệ thống và cho phép xe di chuyển được theo bán kính rất nhỏ, kể cả việc 
quay tại chỗ.Giá thành chế tạo phù hợp với sinh viên. 
 Nhược điểm: Dễ bị trượt theo phương pháp tuyến khi thực hiện việc bám theo các đoạn 
đường bán kính nhỏ ở tốc độ cao. 
 Trang 3 
 ĐỒ ÁN THIẾT KẾ HỆ THỐNG CƠ ĐIỆN TỬ GVHD: TS. Ngô Hà Quang Thịnh 
 (a) Mẫu xe đội Sylvestre (b) Sơ đồ nguyên lý loại 2 bánh 
 Hình 1.3 Sơ đồ nguyên lý hai cặp chủ động vi sai loại 2 bánh 
 a) Mẫu xe đội CartisX04 (b) Sơ đồ nguyên lý loại 4 bánh 
 Hình 1.4 Sơ đồ nguyên lý hai cặp chủ động vi sai loại 4 bánh 
 Ngoài ra, một dạng khác của sơ đồ nguyên lý này cũng được các xe đua như CartisX04 
(All Japan Micromouse 2015), Mouse (RobotChallenge 2014) sử dụng (Hình 1.4). Ở sơ đồ 
này, mỗi bánh xe vi sai chủ động được thay bằng một cặp bánh. Điều này tạo ra các ưu – nhược 
điểm chung của sơ đồ nguyên lý này: 
 Ưu điểm: Dễ cân bằng, ưu thế chạy trên đường bằng phẳng 
 Nhược điểm: Kết cấu cơ khí phức tạp hơn, xuất hiện hiện tượng trượt bánh khi xe đổi 
hướng. 
 Trang 4