Báo cáo Đồ án Thiết kế hệ thống cơ điện tử: Thiết kế, chế tạo và điều khiển robot dò line (line following robot)

Chia sẻ: Nguyễn Thanh Sang | Ngày: | Loại File: PDF | Số trang:81

Thêm vào BST

Báo xấu

1.110
lượt xem 141
download

Download Vui lòng tải xuống để xem tài liệu đầy đủ

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,… Mời các bạn cùng tìm hiểu rõ hơn về vấn đề này qua tiểu luận sau.

Chủ đề:

Bình luận(0) Đăng nhập để gửi bình luận!

Lưu

Nội dung Text: Báo cáo Đồ án Thiết kế hệ thống cơ điện tử: 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