CÔNG NGHỆ Tập san SINH VIÊN NGHIÊN CỨU KHOA HỌC ● Số 13.2023
268
KHOA H
ỌC
NGHIÊN CỨU MÔ PHỎNG VÀ CHẾ TẠO MÔ HÌNH XE ĐIỀU KHIỂN BẰNG BLUETOOTH SỬ DỤNG CHIP ARDUINO
RESEARCH, SIMULATE AND MANUFACTURE BLUETOOTH-CONTROLLED CAR MODELS USING ARDUINO CHIPS Triệu Minh Vũ1,*, Phan Thanh Tài1, Đặng Anh Quân2, Lê Hữu Chúc3 TÓM TẮT
Trong những năm gần đây với sự tiến bộ vượt bậc của khoa học kĩ thuật việc
mở rộng và phát triển những loại xe điều khiển từ xa đã và đang được mở rộng
nghiên cứu. Trên thực tế việc nghiên cứu xe điều khiển rất đa dạng, chúng được
ứng dụng trong các lĩnh v
ực như cứu hộ, khảo sát địa chất, do thám trong quân
sự,... Tuy nhiên tại Việt Nam, các phương tiện trên chưa được ứng dụng rộng rãi do
rào cản về mặt công nghệ, chi phí phát triển, sự chấp nhận của công chúng và
những lo ngại về an toàn và ảnh hưởng của c
ác phương tiện trên tới đời sống. Vì
vậy, cần thiết đưa vào nghiên cứu loại xe điều khiển chi phí thấp, dễ dàng tiếp cận,
tính cơ động và đa năng cao và dễ dàng sử dụng với tất cả mọi người chỉ với thiết
bị di động cầm tay. Từ khóa: Xe điều khiển, lợi ích, ảnh hưởng xe điều khiển. ABSTRACT
In recent years, with the great progress of science and technology, the
expansion and development of remote-
controlled vehicles has been expanded. In
fact, the research of
control vehicles is very diverse, they are applied in elds such
as rescue, geological survey, military reconnaissance,... However, in Vietnam,
these vehicles have not been widely applied due to technological barriers,
development costs, public acceptance
and concerns about safety and impacts of
these vehicles on life. Therefore, it is necessary to put into research a low-
cost,
easily accessible, highly portable and versatile control vehicle, in addition to it can
be easily used by everyone with just a handheld mobile device. Keywords: Car control, benets, effects car controller. 1Lớp Kỹ thuật Ô tô 02 - K14, Trường Cơ khí - Ô tô, Trường Đại học Công nghiệp Hà Nội
2Lớp Kỹ thuật Ô tô 02 - K16, Trường Cơ khí - Ô tô, Trường Đại học Công nghiệp Hà Nội
3Trường Cơ khí - Ô tô, Trường Đại học Công nghiệp Hà Nội *Email: trieuvu0311@gmail.com 1. GIỚI THIỆU Trong những năm gần đây, các hệ thống điều khiển (HTĐK) càng có vai trò quan trọng trong việc phát triển và sự tiến bộ của kỹ thuật công nghệ và văn minh hiện đại. Thực tế mỗi khía cạnh của hoạt động hằng ngày đều bị chi phối bởi một vài loại hệ thống điều khiển. Dễ dàng tìm thấy hệ thống điều khiển máy công cụ, kỹ thuật không gian và hệ thống vũ khí, điều khiển máy tính, các hệ thống giao thông, hệ thống năng lượng, robot,... Khái niệm xe điều khiển được hiểu là phương tiện hoặc thiết bị có thể được vận hành bởi người không ngồi bên trong nó mà thông qua các loại tín hiệu như sóng vô tuyến, bluetooth hoặc tín hiệu điện điều khiển qua đó điều khiện các phương tiện [1]. Việc ứng dụng công nghệ bluetooth trong điều khiển xe thật sự cẩn thiết bởi vì nhưng yêu điểm của công nghệ trên mang lại như giá thảnh rẻ, phổ biến, dễ dàng sử dụng và khả năng hoạt động tương đối tốt. Trong nghiên cứu của Mordechai Ben-Ari và Francesco Mondada [2], trong cuốn sách “Robots and Their Applications” đã chỉ ra khái niệm về một robot được bao gồm bởi hai yếu tố quyết định đó là: "Tự động thực hiện hành động". Đây là một yếu tố quan trọng trong robot, nhưng cũng trong nhiều máy móc đơn giản khác được gọi là automata. Sự khác biệt giữa robot và máy tự động đơn giản như máy rửa chén nằm ở định nghĩa “chuỗi hành động phức tạp”. Yếu tố thứ hai đó là "Có thể lập trình bởi máy tính" là một yếu tố quan trọng khác của robot, bởi vì một số automata được lập trình bằng cơ học và khả năng hoạt động không linh hoạt. Việc đưa ra khái niệm trên là tiền đề cho việc nghiên cứu, bởi lẽ xe điều khiển bằng bluetooth có thể được coi như một robot và chúng khác biệt với automata. Hiện nay đã có nhiều nghiên cứu về vấn đề trên nhưng chỉ tập trung vào việc chế tạo, vì vậy điểm mới của nghiên cứu này sẽ đi vào việc nghiên phương thức truyền dẫn dữ liệu và ứng dụng chúng vào mô hình mô phỏng và chế tạo. Trong bài báo này, nội dung sẽ đi vào nghiên cứu việc xây dựng cơ sở truyền dẫn dữ liệu, qua đó xây dựng lưu đồ thuật toán cho quá trình mô phỏng, cuối cùng là các kết quả thu nhận được từ việc chế tạo mô hình. 2. XÂY DỰNG CƠ SỞ TRUYỀN DẪN DỮ LIỆU 2.1. Hệ thống điều khiển vòng lặp mở Về định nghĩa, hệ thống vòng lặp mở còn gọi là hệ không hồi tiếp (Nonfeedback System), là một hệ thống trong đó sự kiểm soát không tuỳ thuộc vào output [3]. Những thành phần của hệ điều khiển vòng hở thường có thể chia làm hai bộ phận: bộ điều khiển (controller) và thiết bị xử lý như hình 1.
SCIENCE - TECHNOLOGY Số 13.2023 ● Tập san SINH VIÊN NGHIÊN CỨU KHOA HỌC 269
Hình 1. Hệ thống điều khiển vòng lặp mở Trong hệ thống này, nó bao gồm hai khối như bộ điều khiển và thiết bị điều khiển. Một tín hiệu vào, hay lệnh điều khiển hay tín hiệu tham khảo (Reference) “r” đưa vào controller. Tín hiệu ra của nó là tín hiệu tác động “u”, sẽ kiểm soát tiến trình xử lý sao cho biến “c” sẽ hoàn tất được vài tiêu chuẩn đặt trước ở ngõ vào. Trong những trường hợp đơn giản, controller có thể là một mạch khuếch đại, những cơ phận nối tiếp hoặc những thứ khác, tuỳ thuộc vào loại hệ thống. Trong các bộ điều khiển điện tử, bộ phận điều khiển có thể là một bộ vi xử lý. Trong hệ thống điều khiển vòng lặp mở, không có đường dẫn phản hồi [4]. Vì vậy, đây là lý do đầu vào trong hệ thống điều khiển vòng hở độc lập với đầu ra. Điều đáng chú ý ở đây là điều này thường tạo ra lỗi trong hệ thống vì không có cơ hội thay đổi đầu vào khi đầu ra minh họa sự khác biệt so với giá trị ước tính. Hàm truyền của hệ thống điều khiển có thể được suy ra bằng cách sử dụng phương trình sau: G (S) = Đầu ra / Đầu vào [5] Khi hàm truyền ở trên được xem xét riêng biệt cho mọi khối thì nó được đưa ra như sau: Đối với khối đầu tiên G1 (S), hàm truyền là: G1 (S) = Y1 / Yi Đối với G2 (S) = Y2 / Y1 Đối với G3 (S) = Y0 / Y2 Vì vậy, tổng hàm truyền có thể được tính như [6]: G1xG2xG3 = Y1/Yi*Y2/Y1*Y0/Y2 (1) Vì vậy, lợi ích của vòng lặp mở có thể được tính như: G = Yo / Yi (2) Vì vậy, việc sử dụng hệ thống điều khiển vòng mở quy định rằng người vận hành hệ thống phải sẵn sàng để xem xét sự khác biệt nhỏ nhất trong đầu ra so với giá trị ước tính. 2.2. Xây dựng hàm truyền vòng lặp mở cho động cơ Hình 2. Động cơ DC điều khiển phần ứng a) Cuộn dây kích từ (dòng kích từ if), cuộn dây phần ứng (dòng phần ứng ia); b) Ký hiệu động cơ DC Hệ thống điều khiển tập trung vào việc phân tích tốc độ DC của động cơ. Động cơ DC điều khiển phần ứng là một hệ thống cơ điện cung cấp chuyển động quay từ việc cấp điện áp đầu vào vào phần ứng, trong đó mạch trường không đổi. Mạch cơ điện của động cơ DC điều khiển phần ứng được minh họa trong hình 2. Đối với trường hợp điều khiển tốc độ động cơ, giả định rằng đầu vào hệ thống là nguồn V áp dụng cho mạch phần ứng động cơ, trong khi đầu ra là vận tốc góc trên trục động cơ là công thức dθ/dt =ω. Rôto và trục được giả định là các vật cứng và sự tồn tại của ma sát b tỷ lệ thuận với vận tốc góc của trục được giả định. Bảng 1 mô tả các biến được xem xét để có được mô hình tính toán của hệ thống. Bảng 1. Các biến sử dụng để tính toán Biến điện Biến cơ học R Điện trở (ohm) J Mô men quán tính của động cơ L Hệ số tự cảm (Henri) b Hệ số ma sát trượt trên động cơ v Điện áp đầu vào (v) 8 Vị trí góc của trục động cơ e Lực điện động (v) µ Vận tốc góc của trục động cơ (d8/dt; rad/s). Ke Lực điện động không đổi (v/rad/s) Kt Mô-men xoắn không đổi (Nm/Amp) i Đòng điện trong mạch T Momen xoắn (N) Nói chung, mô-men xoắn T do động cơ DC tạo ra tỷ lệ thuận với dòng điện phần ứng và cường độ từ của mạch trường. Trong trường hợp này, giả định rằng mạch trường là không đổi và do đó, mô-men xoắn chỉ tỷ lệ thuận với dòng điện phần ứng bởi một hệ số không đổi Kt như đã thấy trong công thức [7]: = (3) Lực điện động e tỷ lệ thuận với vận tốc góc của trục động cơ và bằng một hằng số Ke. = (4) Hằng số mô-men xoắn T và lực phản điện động e là tương đương nhau, tức là công thức Kt = Ke = K, trong đó K đại diện cho hằng số cơ điện của động cơ. Từ đó có thể rút ra các phương trình chi phối hệ thống dựa trên định luật thứ hai của Newton và định luật Kirchhoff cho điện áp như sau [9]: () + () = .() (5) Ldi/dt + bθ(t) = Ki(t) (6) Áp dụng biến đổi Laplace từ (5) và (6) ta có [10]: ( + )() = () (7) ( + )() = () - () (8) Từ (7) và (8) hàm truyền của hệ thống vòng hở được suy ra [11] : (9) Trong đó vận tốc góc được coi là đầu ra của hệ thống so với đầu vào điện áp trong phần ứng.
CÔNG NGHỆ Tập san SINH VIÊN NGHIÊN CỨU KHOA HỌC ● Số 13.2023
270
KHOA H
ỌC
Xây dựng hàm truyền vòng lặp mở Hình 3. Hệ thống vòng lặp mở được triển khai để điều khiển tốc độ Để tìm hàm chuyển, ban đầu thu được giá trị của độ lợi tĩnh K của hệ thống [12]. Theo cách tương tự, độ trễ vận chuyển của hệ thống L = 0,005s và thời gian đáp ứng của hệ thống có thể được đo bằng cách kiểm tra đường cong phản ứng bằng cách đo khoảng thời gian cho đến khi nó đạt 63% cường độ tốc độ tối đa ở đầu ra tương ứng với 945 vòng phút trong thời gian T = 0,28s. Do đó, hàm truyền bằng cách xác định đường cong phản ứng là: (10) 2.3. Xây dựng lưu đồ thuật toán Hình 4. Lưu đồ thuật toán hệ thống điều khiển Về phương thức hoạt động, sau khi hệ thống thực hiện xong quá trình khởi tạo sẽ có thể nhận và xử lý các dữ liệu truyền dẫn qua khối thực thi thông việc. Khi nhận được dữ liệu truyền dẫn, thì sẽ tiến hành xử lý và truyền tới khối nhập xuất dữ liệu. Tại khối này dữ liệu sẽ được mã hóa và truyền dẫn tới khối quyết định lựa chọn và từ khối này các dữ liệu rẽ trái, rẽ phải, tiến, lùi, và dừng sẽ được thực thi qua việc truyền dữ liệu tới driver động cơ từ đó sẽ điều khiển các motor. 2.4. Sơ đồ khối của hệ thống Hình 5. Sơ đồ khối của hệ thống 2.5. Xây dựng mô hình mô phỏng Hình 6. Sơ đồ mạch điện mô phỏng 3. KẾT QUẢ MÔ PHỎNG VÀ MÔ HÌNH 3.1. Kết quả mô phỏng - Mô phỏng xe chạy ở trạng thái tiến lên phía trước: Hình 7. Mô phỏng xe ở trạng thái tiến lên phía trước
SCIENCE - TECHNOLOGY Số 13.2023 ● Tập san SINH VIÊN NGHIÊN CỨU KHOA HỌC 271
- Mô phỏng xe ở trạng thái lùi lại phía sau: Hình 8. Mô phỏng xe ở trạng thái lùi lại phía sau - Mô phỏng xe ở trạng thái sang trái: Hình 9. Mô phỏng xe ở trạng thái sang trái - Mô phỏng xe ở trạng thái sang phải: Hình 10. Mô phỏng xe ở trạng thái sang phải 3.2. Kết quả mô hình Nhóm nghiên cứu đã xây dựng, chế tạo thành công mô hình thực tế. Trong các nghiên cứu tiếp theo, nhóm nghiên cứu sẽ đánh giá mô hình chế tạo được. Hình 11. Mô hình thực tế TÀI LIỆU THAM KHẢO [1]. L. Đ. Hạnh, 2018. Điều khiển tự động trong cơ điện tử. NXB Đại học quốc gia TP. Hồ Chí Minh. [2]. Mordechai Ben-Ari, F. Mondada, 2017. Robots and Their Applications. Springer. [3]. K. D. Manic, 2009. Multi-Robot, Multi-Target Particle Swarm Optimization Search in Noisy Wireless Environments. Idaho National Laboratory, no. INL/CON-09-15308. [4]. P. Ramesh, 2017. Design and Implementation of Portable Pick and Place Robotic ARM. International Journal and magazine of Engineering, Technology, Management and Research, pp. 435-439. [5]. M. B.O. Omijeh, R.Uhunmwangho, 2014. Design Analysis of a Remote Controlled “Pick and Place” Robotic Vehicle. International Journal of Engineering Research and Development, pp. 57-68. [6]. N. Mohammed, 2015. Wireless Control of Pick and Place Robotic Arm Using an Android Application. International Journal of Advanced Research in Electrical, Electronics and Instrumentation Engineering, pp. 2410-2416. [7]. P. Shen, 2009. Research of Internet of Things and related technology. Journal of Nanjing University of Posts and Telecommunications (Natural Science), pp. 1-11. [8]. A. Mora, 2017. Speed Digital Control for scale car via Bluetooth and Android. IEEE, pp. 129-135. [9]. P. UjjwalKumar, 2016. Acknowledgement, Cell phone-Based Device Control with Voice. International Journal of Engineering Trends and Technology, pp. 2231-5381. [10]. F. Carusi, M. Casini, D. Prattichizzo, A. Vicino, 2004. Distance learning in robotics and automation by remote control of lego mobile robots, Robotics and Automation. IEEE International Conference on Robotics and Automation, 2004. Proceedings. ICRA '04. 2004, p. 1820–1825. [11]. G. Lin, 2012. Research on Complex Event of Supply Chain Decision Support Based on Internet of Things. [12]. A. Mora, 2009. Control Digital de Velocidad para un carro a escala utilizando Bluetooth y Android. IEEE, pp. 129-134.
