Thiết Kế Và Chế Tạo ROBOT Lau Nhà Thông Minh - 123doc

1Giới thiệu tổng quan về đề tài1.1Giới thiệu về robot lau nhà thông minhRobot lau nhà thông minh được chúng tôi thiết kế với những tính năng chính sau•Robot có thể làm sạch sàn nhà (lau khô) lau ướt.•Robot có cảm biến nên không ngã cầu thang, các bậc lên xuống hoặc gặp chướng ngại vật biết quay đầu lại, tránh được hầu hết vật cản trong nhà bằng các thuật toán thông minh.•Robot lau theo hình ziczac đảm bảo lau tối đa diện tích sàn nhà.Với các tính năng như trên, ta có thể thấy robot hoàn toàn có thể đảm bảo được yêu cầu tối thiểu để lau sạch một ngôi nhà mà không thua kém bất cứ một robot nào hiện có mặt trên thị trường. Do vậy, tính khả thi của đề tài này sẽ rất là cao, chúng tôi mong muốn sản phẩm sẽ dần hoàn thiện hơn và sớm đi vào thực tế để góp phần vào việc hổ trợ con người tiết kiệm thời gian và công sức trong cuộc sống hiện đại.1.2Thiết kế cơ khíDo đây mới chỉ là phiên bản thử nghiệm nên chúng tôi đã quyết định chọn ván ép để làm phần cơ khí chính cho Robot, các phần được gắn kết với nhau bằng ốc vít. Robot có hai bánh xe sau điều hướng và một bánh đa hướng ở giữa, với thiết kế này robot có thể di chuyển linh hoạt trên sàn nhà gạch men. Mạch điều khiển hoạt động của Robot sử dụng 2 chip vi điều khiển MSP430G2553 cùng xử lý song song, một chip nhận tín hiệu từ các cảm biến đưa về sau đó tính toán và xử lý đưa về chip điều khiển chính để chip vi điều khiển này điều khiển các hoạt động của Robot qua 2 động cơ DC thông qua mạch điều khiển động cơ.Nguyên lý hoạt động : Robot hoạt động dựa trên các cảm biến chính là cảm biến từ trường, cảm biến siêu âm, công tắc hành trình và encoder . Cảm biến từ trường dùng để định hướng cho robot, xác định hướng đi chính xác và thông minh nhất. Kết hợp cảm biến siêu âm, công tắc hành trình để phát hiện vật cản và những nơi chênh lệch độ cao . Encoder dùng để phát hiện robot dừng do bị trượt bánh hoặc bị mắc do các vật cản. Tất cả các cảm biến này sẽ gửi tín hiệu về hai chip vi xử lý chính MSP430G2553 để xử lý và đưa ra các thuật toán thích hợp. Một chip nhận tín hiệu từ cảm biến siêu âm để xử lý đưa ra mức logic (0 hoặc 1), một chip nhận tín hiệu từ các cảm biến còn lại đồng thời nhận tín hiệu của chíp thứ nhất, từ đó đưa ra các thuật toán điều khiển robot di chuyển và né tránh vật cản một cách thông minh nhất.

Trang 1

Cộng hòa xã hội chủ nghĩa Việt NamĐộc lập – Tự do – Hạnh phúc

===========================

LỜI CAM ĐOAN

Kính gởi: - Trường Đại học Bách Khoa Đà Nẵng

- Khoa Điện Tử – Viễn Thông Nhóm chúng tôi gồm 2 thành viên:

Trần Văn Líc

Hiện là sinh viên lớp 09DT1, khoa Điện Tử – Viễn Thông, trường Đại học BáchKhoa Đà Nẵng

Nguyễn Bá Tuệ

Hiện là sinh viên lớp 09DT3, khoa Điện Tử – Viễn Thông, trường Đại học BáchKhoa Đà Nẵng

Chúng tôi xin cam đoan đồ án này là kết quả do chúng tôi tự tính toán, thiết kếvà nghiên cứu, không sao chép của ai, được thực hiện dưới sự hướng dẫn củaPGS.TS Phạm Văn Tuấn Nếu có bất kì sự vi phạm nào, nhóm xin chịu hoàn toàntrách nhiệm và chịu mọi sự kỉ luật của khoa và nhà trường

Xin chân thành cảm ơn

Đà Nẵng, tháng 06 năm 2014 Sinh viên

Trang 2

LỜI CẢM ƠN

Đầu tiên tôi xin chân thành cảm ơn quý thầy, cô trong khoa Điện tử Viễn thông,Đại học Bách Khoa Đà Nẵng đã tận tình truyền đạt kiến thức trong suốt thời gianhọc tập tại trường Với vốn kiến thức quý báu được tiếp thu, tôi đã có nền tảng vữngchắc để thực hiện tốt đồ án.Và đặc biệt tôi xin gửi lời biết ơn sâu sắc đến PGS.TSPhạm Văn Tuấn đã tận tình hướng dẫn, đồng thời động viên trong thời gian tôinghiên cứu và hoàn thành đồ án này

Tôi cũng thầm biết ơn sự ủng hộ của gia đình, bạn bè – những người thân yêuluôn là chỗ dựa vững chắc cho tôi

Trong thời gian thực hiện đồ án, mặc dù có nhiều cố gắng nhưng chắc chắn đồán sẽ không tránh khỏi những thiếu sót Kính mong các thầy tận tình chỉ bảo và góp

ý kiến để đồ án được hoàn thiện hơn

Cuối cùng, tôi xin kính chúc quý Thầy, Cô và gia đình dồi dào sức khỏe,luôn thành công trong sự nghiệp cao quý của mình

Tôi xin chân thành cảm ơn!

Trang 3

PHÂN CÔNG NHIỆM VỤ Nhóm thực hiện:

Trần Văn Líc

Nguyễn Bá Tuệ

Trần Văn Líc

- Tìm hiểu và lập trình cho cảm biến từ trường GY-273 HMC5883L

- Lập trình cho module encoder để phát hiện chuyển động của robot

- Lập trình PID điều khiển động cơ để ổn định hướng đi cho robot

- Phát triển các thuật toán di chuyển thông minh, thuật toán tránh vật cản choRobot

Nguyễn Bá Tuệ

- Thiết kế và thi công phần cơ khí và mạch điều khiển cho Robot

- Tìm hiểu và lập trình cho cảm biến siêu âm SRF-04, công tắc hành trình đểphát hiện vật cản cho Robot

- Lập trình PWM để điều khiển tốc độ động cơ dùng module mạch cầu H L298

- Phát triển các thuật toán di chuyển thông minh, thuật toán tránh vật cản choRobot

Trang 4

LỜI CAM ĐOAN 1

LỜI CẢM ƠN 2

PHÂN CÔNG NHIỆM VỤ 3

MỤC LỤC 4

CÁC TỪ VIẾT TẮT 8

CHƯƠNG 1 10

GIỚI THIỆU TỔNG QUAN VỀ ĐỀ TÀI 10

1.1 Giới thiệu chương 10

1.2 Tổng quan về Robot lau nhà 10

1.3 Đề xuất thiết kế mô hình Robot lau nhà thông minh 14

1.3.1 Mô hình robot 15

1.3.2 Sơ đồ khối của mạch điều khiển Robot 16

1.4 Nguyên lý hoạt động của Robot 17

1.5 Kết luận chương 17

CHƯƠNG 2 18

GIỚI THIỆU VỀ CÁC MODULE SỬ DỤNG TRONG ROBOT 18

2.1 Giới thiệu chương 18

2.2 Giới thiệu KIT launchpad MSP430G2553 18

2.2.1 Giới thiệu chung 18

2.2.2 Đặc điểm chính của KIT lanchpad MSP430 19

2.3 Cảm biến từ trường GY-273 HMC5883L 20

2.3.1 Giới thiệu chung 20

2.3.2 Nguyên lý hoạt động 20

2.3.3 Đánh giá hoạt động 21

Trang 5

2.3.4 Kết luận 21

2.4 Module cảm biến siêu âm SRF-04 21

2.4.1 Giới thiệu chung 21

2.4.2 Nguyên lý hoạt động 23

2.4.3 Đánh giá hoạt động 24

2.4.4 Kết luận 24

2.5 Module mạch cầu H L298 điều khiển động cơ 24

2.5.1 Giới thiệu chung 24

2.5.2 Nguyên lý hoạt động 26

2.5.3 Đánh giá hoạt động 27

2.5.4 Kết luận 27

2.6 Module encoder 32 xung 28

2.6.1 Giới thiệu chung 28

2.6.2 Nguyên lý hoạt động 28

2.6.3 Đánh giá hoạt động 30

2.6.4 Kết luận 30

2.7 Công tắc hành trình 30

2.7.1 Giới thiệu chung 30

2.7.2 Nguyên lý hoạt động 31

2.7.3 Đánh giá hoạt động 31

2.7.4 Kết luận 31

2.8 Sơ đồ ghép nối các khối module 31

Trang 6

LẬP TRÌNH CHO ROBOT 33

3.1 Giới thiệu chương 33

3.2 Phương pháp điều chế xung PWM 33

3.2.1 Giới thiệu về phương pháp 33

3.2.2 Ứng dụng phương pháp trong điều khiển tốc độ động cơ robot 34

3.2.3 Kết luận 34

3.3 Thuật toán PID 34

3.3.1 Giới thiệu về thuật toán 34

3.3.2 Áp dụng thuật toán PID để ổn định hướng đi cho robot 36

3.3.3 Sơ đồ thuật toán 37

3.3.4 Đánh giá thuật toán 37

3.3.5 Kết luận 38

3.4 Thuật toán di chuyển 38

3.4.1 Giới thiệu về thuật toán 38

3.4.2 Sơ đồ thuật toán 39

3.4.3 Đánh giá thuật toán 40

3.4.4 Kết luận 40

3.5 Thuật toán tránh vật cản 40

3.5.1 Giới thiệu về thuật toán 40

3.5.2 Sơ đồ thuật toán 40

3.5.3 Đánh giá thuật toán 44

3.5.4 Kết luận 44

3.6 Kết luận chương 44

CHƯƠNG 4 45

Trang 7

KẾT QUẢ VÀ ĐÁNH GIÁ HOẠT ĐỘNG CỦA ROBOT 45

4.1 Giới thiệu chương 45

4.2 Kết quả đạt được và khảo sát 45

4.2.1 Phần cơ khí và mạch điều khiển 45

4.2.2 Phần lập trình 46

4.3 Nhận xét và đánh giá kết quả đạt được 47

4.3.1 Đánh giá về nguồn điện áp và dung lượng acquy 47

4.3.2 Tính hiệu quả 47

4.3.3 Giá thành của Robot 48

4.4 Kết luận chương 49

KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN CỦA ĐỀ TÀI 50

PHỤ LỤC 53

Trang 8

CÁC TỪ VIẾT TẮT

CONVERTER

BỘ CHUYỂN ĐỔI TƯƠNG TỰ

SANG SỐ

RECEIVER/TRANSMITTER

BỘ TRUYỀN NHẬN KHÔNG

ĐỒNG BỘI2C INTER-INTEGRATED CIRCUIT MỘT LOẠI GIAO TIẾP TRUYỀN

THÔNG NỐI TIẾP ĐỒNG BỘ

COMPUTER MÁY TÍNH VỚI TẬP LỆNHĐƠN GIẢN HÓA

Trang 9

ứng dụng vào đời sống thực tiễn của mỗi chúng ta Sản phẩm đó là một chú robotlau nhà thông minh.

Robot lau nhà thông minh được thiết kế để có thể lau sàn nhà trong gia đìnhbằng khăn lau nhà microfiber cao cấp sử dụng sợi hình vòng khép kín độc đáonhanh chóng lấy sạch mọi bụi bẩn trên sàn nhà, robot di chuyển theo hình ziczacthông minh dưới sự điều hướng của la bàn điện tử, kết hợp thuật toán điều khiểnPID nhằm ổn định hướng đi cho robot Đảm bảo robot có thể lau sạch toàn bộ khuvực trong ngôi nhà và tránh được các vật cản thông thường trong nhà bằng các cảmbiến siêu âm và công tắc hành trình được gắn trên robot Với việc sử dụng côngnghệ hoàn toàn khác là sử dụng các cảm biến giá rẻ nhưng vẫn hiệu quả cao, sảnphẩm hy vọng sẽ có đủ sức cạnh tranh cả về mặt giá lẫn chất lượng so với các sảnphẩm robot của các hãng khác trên thị trường

Đồ án được chia thành 4 chương :

 Chương 1 GIỚI THIỆU TỔNG QUAN VỀ ĐỀ TÀI

 Chương 2 GIỚI THIỆU CÁC MODULE SỬ DỤNG TRONG ROBOT

 Chương 3 LẬP TRÌNH CHO ROBOT

 Chương 4 KẾT QUẢ VÀ ĐÁNH GIÁ HOẠT ĐỘNG CỦA ROBOT

Trang 10

CHƯƠNG 1 GIỚI THIỆU TỔNG QUAN VỀ ĐỀ TÀI

CHƯƠNG 1 GIỚI THIỆU TỔNG QUAN VỀ ĐỀ TÀI 1.1 Giới thiệu chương

Trong chương này, tôi giới thiệu sơ bộ về robot lau nhà thông minh, trong đónội dung chính trình bày bao gồm: mô hình, sơ đồ khối và nguyên lý hoạt động củarobot

1.2 Tổng quan về Robot lau nhà

Robot làm sạch cho môi trường công cộng cũng như các hộ gia đình cá nhândường như mang lại các bước đột phá mà các nhà thiết kế hệ thống robot phi côngnghiệp đã mong đợi từ lâu Khảo sát trong bài báo A Short History of CleaningRobots [1] chọn ra 30 robot làm sạch khác nhau với sản phẩm phát triển trong vòng

15 năm trở lại đây và một vài trường hợp ngoại lệ Khảo sát tập trung vào việc làmsạch sàn, đặc biệt là làm sạch sàn nhà Khảo sát mô tả một loạt các loại robot lau vàhút bụi được phát triển cho nhiệm vụ này Kết quả là hầu như 30 sản phẩm robotnêu trên vẫn đạt đến trạng thái của sản phẩm thương mại, số lượng của chúng chắcchắn phản ánh kỳ vọng về giá trị kinh tế liên quan đến việc tự động hóa các nhiệm

vụ làm sạch [1] Ở châu Âu dự toán cho thị trường dịch vụ làm sạch lên tới 100 tỷUSD mỗi năm [1] Do đó, không ngạc nhiên khi các ngành công nghiệp làm sạch vàcác nhà sản xuất thiết bị vệ sinh tích cực đầu tư vào sản phẩm này

Có 2 sản phẩm làm sạch sàn nhà trên thị trường hiện nay đó là sản phẩm Robotlau nhà và Robot hút bụi Hình 1.1 minh họa về 2 loại sản phẩm làm sạch sàn nhàtrên thị trường

Trang 11

CHƯƠNG 1 GIỚI THIỆU TỔNG QUAN VỀ ĐỀ TÀI

Hình 1.2.1.1.1.1 Robot hút bụi của SAMSUNG và Robot lau nhà của iRobot

So với loại Robot hút bụi, Robot lau nhà có đặc điểm là lau nhà được sạch hơn

do mọi bụi bẩn đều bám vào khăn lau, trong khi Robot hút bụi không được sạch hơn

do bụi có thể bị khuếch tán xung quanh, ngoài ra Robot hút bụi khó có thể hút đượcbụi dính vào sàn nhà do lực hút bị hạn chế và gây ra tiếng ồn lớn do động cơ hútgây nên tạo cảm giác khó chịu cho người sử dụng [3]

Các loại Robot lau nhà hiện nay có những kỹ thuật dẫn đường cho Robot khácnhau Có 2 hướng chính là sử dụng cảm biến và xử lý ảnh Hướng xử lý ảnh lần đầutiên được cấp cho nhà sáng chế Eric Richard Bartsch năm 2002 [5], ông sử dụngcamera để quét trên trần nhà xử lý ảnh để tạo bản đồ di chuyển cho Robot Hình 1.2minh họa phương pháp trên được trích từ tài liệu tham khảo[5]

Trang 12

CHƯƠNG 1 GIỚI THIỆU TỔNG QUAN VỀ ĐỀ TÀI

sang sử dụng cảm biến để tạo bản đồ di chuyển cho Robot Sản phẩm của iRobot sửdụng bản quyền công nghệ NorthStar® Navigation tạo lập bản đồ cho Robot [3].Công nghệ này dựa trên hệ thống định vị GPS kết hợp cảm biến gyroscopes để dẫnđường cho Robot [6] Và đơn giản hơn là sản phẩm Robot LTM-T290 của hãngXRobot chỉ di chuyển theo phương pháp ngẫu nhiên

Hình 1.2.1.1.1.3 Hình ảnh iRobot và Robot LTM-T290

Trên thị trường hiện nay có rất nhiều sản phẩm của các hãng lơn như LG,SAMSUNG, PHILIPS, Tuy nhiên lại hướng đến sản phẩm Robot hút bụi Theotrang 10TopTenREVIEWS so sánh và xếp hạng sản phẩm tốt nhất năm 2014, sảnphẩm của hãng iRobot là sản phẩm duy nhất trên thị trường hiện nay phát triển theohướng Robot lau nhà và đã được xếp hạng thứ 2 (Rankings #2) với các sản phẩmkhác [2] iRobot sử dụng bản quyền công nghệ NorthStar® Navigation tạo lập bảnđồ để di chuyển [3], có một phương pháp nữa là di chuyển ngẫu nhiên thì hiệu quảkhông cao do bị trùng lặp đường đi và bỏ sót nhiều phần chưa được lau Phươngpháp này chỉ áp dụng cho các sản phẩm giá rẻ trên thị trương hiện nay Hình 1.4 thểhiện sự đánh giá của giữa 2 phương pháp tạo bản đồ và di chuyển ngẫu nhiên [7]

Trang 13

CHƯƠNG 1 GIỚI THIỆU TỔNG QUAN VỀ ĐỀ TÀI

Hình 1.2.1.1.1.4 So sánh tính hiệu quả phương pháp di chuyển của Robot [7]

Về kỹ thuật tránh vật cản, các Robot đều hoạt động theo nguyên tắc chung là sửdụng cảm biến siêu âm hoặc cảm biến hồng ngoại để đo khoảng cách từ Robot tớivật cản, qua đó tính toán xử lý và đưa ra thuật toán né tránh thích hợp

Qua quá trình khảo sát và đánh giá các loại Robot có trên thị trường như trên,Chúng tôi thấy rằng, tuy có những tính năng nổi bật như vậy, nhưng Robot lau nhàcủa iRobot hay những hãng khác vẫn chưa được sử dụng phổ biến do giá thành củanó có thể nói là quá đắt (tầm 910 triệu VND), đặc biệt là nước có thu nhập thấpnhư Việt Nam Vì vậy với mong muốn đưa sản phẩm Robot lau nhà phổ biến đếnmọi gia đình, phù hợp với túi tiền người dân Việt Nam Chúng tôi đã sử dụng nhữngcảm biến giá rẻ kết hợp với thuật toán lập trình thông minh cho Robot để có đượcnhưng tính năng tương đương với sản phẩm của iRobot và thêm một vài cải tiếnnhỏ khác, điều đó được thể hiện qua Bảng 1.1

Các tính năng Sản phẩm iRobot Sản phẩm Robot của đề tài Điều hướng cho Robot Sử dụng bản quyền công Sử dụng Cảm biến từ trường

Trang 14

CHƯƠNG 1 GIỚI THIỆU TỔNG QUAN VỀ ĐỀ TÀI

Tránh vật cản + phát

hiện bậc thang

Sử dụng cảm biến hồngngoại

( Giá 290.000 VND)

Cảm biến siêu âm ( SRF-04)( Giá 65.000 VND)

Chống kẹt Robot Không có Sử dụng encoder để phát

hiện Robot bị kẹt( Giá 35.000 VND)Bảng 1.1 So sánh công nghệ sử dụng giữa 2 sản phẩm Robot lau nhà

Có thể thấy răng một đặc điểm quan trọng của đề tài nhằm giảm giá thành caocho Robot là chúng tối sử dụng cảm biến từ trường GY-273 HMC5883L để xácđịnh hướng đi, lập bản đồ cho Robot thay vì sử dụng công nghệ NorthStar®Navigation, hay xử lý ảnh đắt tiền

1.3 Đề xuất thiết kế mô hình Robot lau nhà thông minh

Robot lau nhà thông minh được chúng tôi thiết kế với những tính năng chính sau

 Robot có thể làm sạch sàn nhà (lau khô) & lau ướt

 Robot có cảm biến nên không ngã cầu thang, các bậc lên xuống hoặc gặpchướng ngại vật biết quay đầu lại, tránh được hầu hết vật cản trong nhà bằngcác thuật toán thông minh

 Robot lau theo hình ziczac đảm bảo lau tối đa diện tích sàn nhà

Với các tính năng như trên, ta có thể thấy robot hoàn toàn có thể đảm bảo đượcyêu cầu tối thiểu để lau sạch một ngôi nhà mà không thua kém bất cứ một robot nàohiện có mặt trên thị trường Do vậy, tính khả thi của đề tài này sẽ rất là cao, chúngtôi mong muốn sản phẩm sẽ dần hoàn thiện hơn và sớm đi vào thực tế để góp phầnvào việc hổ trợ con người tiết kiệm thời gian và công sức trong cuộc sống hiện đại

1.3.1 Mô hình robot

Trang 15

CHƯƠNG 1 GIỚI THIỆU TỔNG QUAN VỀ ĐỀ TÀI

Hình 1.3.1.1.1.1 Ảnh chụp cấu tao bên trong của robot phiên bản 1

Chú thích :

1 Cảm biến 3 trục từ trường GY-273 HMC5883L

2 Cảm biến siêu âm SRF-04

3 2 Động cơ

4 Text LCD

5 Mạch điều khiển động cơ

6 Khăn lau nhà Microfiber

7 Acquy 12V

Qua ba phiên bản phát triển, robot cũng dần hoàn thiện và hoạt động ổn địnhhơn Dưới đây là hai phiên bản phát triển sau của robot

Version 1

Trang 16

CHƯƠNG 1 GIỚI THIỆU TỔNG QUAN VỀ ĐỀ TÀI

Hình 1.3.1.1.1.2 Phiên bản 2 và phiên bản 3 của robot

1.3.2 Sơ đồ khối của mạch điều khiển Robot

Hình 1.3.2.1.1.1 Sơ đồ khối của mạch điều khiển Robot

1.4 Nguyên lý hoạt động của Robot

Robot hoạt động dựa trên các cảm biến chính là cảm biến từ trường, cảm biếnsiêu âm, công tắc hành trình và encoder Cảm biến từ trường dùng để định hướngcho robot, xác định hướng đi chính xác và thông minh nhất Kết hợp cảm biến siêu

âm, công tắc hành trình để phát hiện vật cản và những nơi chênh lệch độ cao Encoder dùng để phát hiện robot dừng do bị trượt bánh hoặc bị mắc do các vật cản

Trang 17

CHƯƠNG 1 GIỚI THIỆU TỔNG QUAN VỀ ĐỀ TÀI

Tất cả các cảm biến này sẽ gửi tín hiệu về hai chip vi xử lý chính MSP430G2553 đểxử lý và đưa ra các thuật toán thích hợp Một chip nhận tín hiệu từ cảm biến siêu

âm để xử lý đưa ra mức logic (0 hoặc 1), một chip nhận tín hiệu từ các cảm biến cònlại đồng thời nhận tín hiệu của chíp thứ nhất, từ đó đưa ra các thuật toán điều khiểnrobot di chuyển và né tránh vật cản một cách thông minh nhất

1.5 Kết luận chương

Như vậy, trong chương này tôi đã giới thiệu một cách tổng quan về robot Quađó ta có thể hiểu một cách sơ bộ nhất về cấu tạo cũng như nguyên lý hoạt động củarobot Trong chương tiếp theo tôi sẽ tiếp tục giới thiệu rõ hơn về phần lý thuyết củatừng modul cũng như nguyên lý hoạt động của chúng

Trang 18

CHƯƠNG 2 GIỚI THIỆU VỀ CÁC MODULE SỬ DỤNG TRONG ROBOT

CHƯƠNG 2 GIỚI THIỆU VỀ CÁC MODULE SỬ DỤNG TRONG ROBOT 2.1 Giới thiệu chương

Chương này sẽ giới thiệu về cấu tạo, nguyên lý hoạt động của các module đượcsử dụng trong robot Các module được giới thiệu bao gồm: KIT launchpadMsp430G2553, cảm biến từ trường GY-273 HMC5883L, cảm biến siêu âm SRF04,mạch cầu H L298 điều khiển động cơ, encoder 32 xung, công tắc hành trình

2.2 Giới thiệu KIT launchpad MSP430G2553

2.2.1 Giới thiệu chung

Đây là KIT phát triển về vi điều khiển của hãng Texas Instruments Kit MSP430LaunchPad phiên bản ver 1.5 sử dụng MCU MSP430G2553 (16MHz, 16Kb Flash,512B SRAM, 2 Timer 16-bit, 8 kênh ADC 10-bit, giao tiếp (UART, I2C & SPI).Đây là MCU thuộc dòng Value Line của TI, tiết kiệm năng lượng, đầy đủ chứcnăng, giá rẻ, rất phù hợp với việc phát triển các ứng dụng trên KIT Trên KIT có sẵnmạch Program/Debug nên tiện lợi cho việc nạp code vào chip

Hình 2.2.1.1.1.1 KIT launchpad MSP430G2553

Trang 19

CHƯƠNG 2 GIỚI THIỆU VỀ CÁC MODULE SỬ DỤNG TRONG ROBOT

2.2.2 Đặc điểm chính của KIT lanchpad MSP430

KIT launchpad MSP430G2553 gồm 2 khối chính là khối mạch nạp và khối sửdụng cho ứng dụng của chip MSP430G2553 với các header nối từ các chân của chipMSP430G2553

MSP430G2553 là vi điều khiển do Texas Instruments sản xuất có kiến trúc kiểuRISC 16 bit, có một số đặc điểm sau:

 Điện thế nguồn từ 1.8V – 3.6V

 Có 5 chế độ tiết kiệm năng lượng

 Có 2 bộ Timer_A 16bit với 3 chế độ Capture/Compare Register

 Tần số dao động lên đến 16MHz

 Có 1 bộ biến đổi ADC 10bit

 Tích hợp sẵn bộ so sánh

 Bộ nhớ: 16K flash, 512 Byte RAM

Hình 2.2.2.1.1.1 Sơ đồ chân của chip MSP430G2553

2.2.3 Đánh giá hoạt động

KIT launchpad MSP430G2553 hoạt động rất ổn định và chắc chắn Đảm bảođược hoàn toàn các chức năng yêu cầu sử dụng cho Robot

Trang 20

CHƯƠNG 2 GIỚI THIỆU VỀ CÁC MODULE SỬ DỤNG TRONG ROBOT

2.2.4 Kết luận

Việc sử dụng KIT launchpad MSP430G2553 vào đề tài giúp cho việc phát triểnrobot được dễ dàng hơn Nhờ có các header nối từ chân chip MSP430G2553 ra nêncó thể linh động thay đổi dễ dàng giữa các phương án Vì vậy rất thích hợp để pháttriển sản phẩm

2.3 Cảm biến từ trường GY-273 HMC5883L

2.3.1 Giới thiệu chung

Hình 2.3.1.1.1.1 Module cảm biến từ trường GY-273 HMC5883L

HMC5883L là module được thiết kế để cảm biến từ trường thấp (low-fieldmagnetic sensing) tự động khử từ, loại bỏ offset, sử dụng chuyển đổi ADC 12-bitcho phép độ chính xác cao với giao tiếp I2C thông dụng HMCL5883L thườngđược ứng dụng trong Mobile Phone, Hệ thống tự động dẫn đường, thiết bị chỉ dẫnđường cá nhân

2.3.2 Nguyên lý hoạt động

HMC5883L xuất ra dữ liệu 16 bit 3 trục X,Y,Z để tính độ lớn càm ứng từ của

3 trục, tính theo đơn vị Gauss Dữ liệu được vi điều khiển đọc về qua giao tiếp I2Cvà được xử lý, xác định hướng đi thích hợp cho robot

Trang 21

CHƯƠNG 2 GIỚI THIỆU VỀ CÁC MODULE SỬ DỤNG TRONG ROBOT

Hình 2.3.2.1.1.1 Mô tả 3 trục X, Y, Z của cảm biến từ trường

2.3.3 Đánh giá hoạt động

HMC5883L hoạt động ổn định trong môi trường ít nhiễu từ, thích hợp để sửdụng cho robot lau nhà ứng dụng trong gia đình Tuy vẫn có lỗi khi gặp những vậtdụng gây nhiễu từ tính như sắt, nam châm… nhưng đã có thể xử lý bằng thuật toánchống nhiễu

2.3.4 Kết luận

Việc lựa chọn cảm biến từ trường để điều hướng cho robot ở những năm gầnđây là một hướng mới với nhiều ưu điểm vượt trội so với các phương pháp thôngthường như dò vạch, con quay hồi chuyển, xử lý ảnh… vì ít chịu sự ảnh hưởng bởinhiễu từ bên ngoài Áp dụng phương pháp này là lựa chọn khá hay, hoàn toàn phùhợp với đề tài

2.4 Module cảm biến siêu âm SRF-04

2.4.1 Giới thiệu chung

Trang 22

CHƯƠNG 2 GIỚI THIỆU VỀ CÁC MODULE SỬ DỤNG TRONG ROBOT

Module cảm biến siêu âm dùng để đo khoảng cách đến vật cản bằng sóng siêu

âm Module có 2 đầu thu và phát sóng, khoảng cách được xác định bằng cách đokhoảng thời gian mà sóng siêu âm được phát ra đến vật chắn rồi phản hồi về

Sử dụng bằng cách truyền 1 xung vào chân trigger của module, sau đó chờ 1xung trả về trên chân echo, đo khoảng thời gian từ lúc truyền cho đến lúc nhận, chiađôi rồi nhân với quãng đường cho ta khoảng cách đến vật cản cần đo

• Nguồn: 5 VDC

• Dòng tiêu thụ tối đa: 2mA

• Góc đo hiệu quả: <15°

• Khoảng cách tối đa: 2cm – 300 cm

• Độ chính xác: 0.3 cm

Thông số một số loại cảm biến siêu âm SRF

Hình 2.4.1.1.1.2 Bảng thông số của cảm biến siêu âm SRF

*: Ước tính góc của hình nón cảm biến ở ½ cảm biến

**: Số vọng ghi lại bởi cảm biến Đây là những tiếng vọng ghi từ đọc gần đâynhất, và được ghi đè mới bằng mỗi lần khác nhau

A: Những cảm biến nhỏ hơn điển hình ( SRF05/04) kích thước

Trang 23

CHƯƠNG 2 GIỚI THIỆU VỀ CÁC MODULE SỬ DỤNG TRONG ROBOT

C: Cảm biến này cũng bao gồm một photocell ở mặt trước để phát hiện ánhsáng

D: Hoạt động ở một tần số 235kHz cao hơn

2.4.2 Nguyên lý hoạt động

Cảm biến siêu âm và nguyên tắc TOF ( Time Of Flight ): Sóng siêu âm đượctruyền đi trong không khí với vận tốc khoảng 343m/s Nếu một cảm biến phát rasóng siêu âm và thu về sóng phản xạ đồng thời, đo được khoảng thời gian từ lúc đitới lúc thu về, thì máy tính có thể xác định được quãng đường mà sóng đã di chuyểntrong không gian Quãng đường di chuyển của sóng sẽ bằng 2 lần khoảng cách từcảm biến tới chướng ngại vật sẽ được tính theo nguyên lý TOF: d = v* t/2

Hình 2.4.2.1.1.1 Hình mô tả thời gian truyền và nhận sóng

Chế độ hoạt động: Cảm biến sử dụng riêng chân kích hoạt và chân cảm biến.Giản đồ định thời SRF04 thể hiện rõ cho chế độ trên Chỉ cần cung cấp một đoạnxung ngắn 10uS kích hoạt đầu vào để bắt đầu đo khoảng cách Các SRF04 sẽ cho ramôt chu kỳ 8 burst của siêu âm ở 40kHz và tăng cao dòng phản hồi của nó Sau đóchờ phản hồi, và ngay sau khi phát hiện nó giảm các dòng phản hồi lại Dòng phảnhồi là một xung có chiều rộng tỷ lệ với khoảng đến đối tượng Bằng cách đo xung,

ta hoàn toàn có thể để tính toán khoảng cách theo inch/cm hoặc đơn vị đo khác Nếukhông phát hiện gì thì SRF04 giảm thấp hơn dòng phản hồi của nó sau khoảng30mS

SRF04 có thể được kích hoạt nhanh chóng với mỗi 50mS, hoặc 20 lần mỗi giây

Trang 24

CHƯƠNG 2 GIỚI THIỆU VỀ CÁC MODULE SỬ DỤNG TRONG ROBOT

Hình 2.4.2.1.1.2 Giản đồ hoạt động của SRF04

2.4.3 Đánh giá hoạt động

Cảm biến hoạt động tương đối chính xác ở khoảng cách 2cm- 300cm Tuynhiên, góc mở tối đa của cảm biến là 1m chiều rộng từ bên này sang bên kia nêncảm biến rất nhạy với các vật cản ta không mong muốn Vì vậy để tránh điều nàythì việc lập trình sẽ trở nên khó khăn, tuy nhiên ta hoàn toàn có thể khắc phục đượcđiều này nếu đưa ra thuật toán lập trình tốt

2.4.4 Kết luận

Trong đồ án này, ta kiểm tra vật cản chỉ ở khoảng cách gần nên việc sử dụngcảm biến SRF04 là hoàn toàn phù hợp vì ở khoảng cách này góc mở của cảm biếnnhỏ, giá thành của cảm biến cũng tương đối rẻ so với cảm biến có chức năng tươngtự

2.5 Module mạch cầu H L298 điều khiển động cơ

2.5.1 Giới thiệu chung

Module điều khiển động cơ bước/ động cơ DC – L298 có hai ngõ ra điều khiểnđược tốc độ nhờ điều xung PWM và chiều quay của hai động cơ bước / DC

Trang 25

CHƯƠNG 2 GIỚI THIỆU VỀ CÁC MODULE SỬ DỤNG TRONG ROBOT

Hình 2.5.1.1.1.1 Module mạch cầu H L298

Tham số sản phẩm:

 Sử dụng L298N gồm 2 cầu H điều khiển động cơ DC

 Điện áp cung cấp: +5 V đến +35 V

 Dòng điện tối đa: 2A

 Dòng tiêu thụ : 0 ~ 36mA

 Tín hiệu điều khiển điện áp đầu vào khoảng:

Mức độ thấp:-0.3V ≤ Vin ≤ 1.5V

Cao: 2.3V ≤ Vin ≤ VSS

 Cho phép phạm vi tín hiệu điện áp đầu vào:

Mức độ thấp: - 0,3 ≤ Vin ≤ 1,5 V (tín hiệu điều khiển là không hợp lệ) Cao: 2.3V ≤ Vin ≤ VSS (tín hiệu điều khiển)

 Điện năng tiêu thụ tối đa: 20W (nhiệt độ T = 75 ° C)

 Nhiệt độ hoạt động: -25 ℃ ~ 130 ℃

 Kích thước: 55mm * 49mm * 33mm

 Trọng lượng: 33g

Trang 26

CHƯƠNG 2 GIỚI THIỆU VỀ CÁC MODULE SỬ DỤNG TRONG ROBOT

2.5.2 Nguyên lý hoạt động

Mạch hoạt động nhờ IC điều khiển chính là ICL298, ICL298 cấu tạo gồm haimạch cầu H điều khiển cho hai động cơ Tín hiệu từ VĐK gửi đến để điều khiển chomột mạch cầu H gồm Direct để điều khiển chiều động cơ và PWM để điều khiểntốc độ động cơ

Hình 2.5.2.1.1.1 Sơ đồ nguyên lý module mạch cầu H L298

Phân tích sơ đồ mạch:

 U1 là IC L298

Các cặp chân In1, In2 và In3, In4 lần lượt điều khiển 4 BJT thuộc nhóm A và Bthông qua các cặp cổng AND 1,2 và 3,4 Các chân EnA và EnB được nối nối vớimức cao 5V Các ngõ Out1, Out2 được gắn với động cơ thứ nhất; Out3, Out4 đượcgắn với động cơ thứ hai Như vậy, hai chân được In1, In2 nối với vi điều khiển,trong đó một chân sẽ nhận xung điều chế PWM từ vi điều khiển thay đổi tốc độđộng cơ , chân còn lại khi ta thay đổi mức logic thì sẽ đảo chiều động cơ Tương tựcho hai chân In3, In4

Trang 27

CHƯƠNG 2 GIỚI THIỆU VỀ CÁC MODULE SỬ DỤNG TRONG ROBOT

Hình 2.5.2.1.1.2 Sơ đồ nguyên lý IC L298

 Các Diode D1 D2 D3 D4 D9 D10 D11 D12 dùng để chống dòng xả ngược từ

do động cơ sinh ra về nguồn, gây ảnh hưởng xấu đến nguồn

 Led D5 D6 D7 D8 dùng để báo chiều quay của động cơ

 R1 R2 hạn dòng cho các Led

 Lm 7805 cung cấp nguồn 5V cho IC L298

2.5.3 Đánh giá hoạt động

Mạch hoạt động trong phạm vi công suất nhỏ (<70W), ít xảy ra sự cố Tuynhiên nút bấm swich dễ hỏng

2.5.4 Kết luận

Động cơ ta chọn là động cơ DC 12W nên việc chọn modul này để điều khiển làhoàn toàn phù hợp Hơn nữa mạch thiết kế nhỏ gọn, bền nên thuận tiện cho việc lắpráp với robot và modul có khả năng chịu đựng được sốc khi robot di chuyển

Trang 28

CHƯƠNG 2 GIỚI THIỆU VỀ CÁC MODULE SỬ DỤNG TRONG ROBOT

2.6 Module encoder 32 xung

2.6.1 Giới thiệu chung

Thông số kỹ thuật của encoder

 32 Xung, 2 kênh A,B lệch pha góc 90º

 Điện áp 5V

 Dòng 20mA

Hình 2.6.1.1.1.1 Module encoder 32 xungModule encoder thương được sử dụng để ổn định tốc độ động cơ, xác định sốvòng quay của bánh xe…Trong sản phầm của đề tài, encoder được sử dụng để xácđinh tình trạng chuyển động của robot

2.6.2 Nguyên lý hoạt động

Encoder sử dụng một nguồn phát quang là tia hồng ngoại – infrared, 2 transistorquang cho 2 kênh như sơ đồ mạch ở Hình 2.12 Khi đĩa encoder ở khoảng trống thìlúc này tia hồng ngoại được chiếu vào transistor quang làm cho transistor dẫn bãohòa, lúc này ở kênh A hay kênh B Hai transistor quang Q1, Q2 được đặt ở vị trí để

2 kênh A, B lệch pha nhau 1 góc 90º

Trang 29

CHƯƠNG 2 GIỚI THIỆU VỀ CÁC MODULE SỬ DỤNG TRONG ROBOT

Hình 2.6.2.1.1.1 Sơ đồ mạch nguyên lý của encoder

Hình 2.14 thể hiện sự bộ trí của 2 cảm biến kênh A và B lệch pha nhau Khicảm biến A bắt đầu bị che thì cảm biến B hoàn toàn nhận được hồng ngoại xuyênqua, và ngược lại hình dưới của Hình 2.14 là dạng xung ngõ ra trên 2 kênh Xéttrường hợp trục quay cùng chiều kim đồng hồ, tín hiệu “đi” từ trái sang phải Bạnhãy quan sát lúc tín hiệu A chuyển từ mức cao xuống thấp (cạnh xuống) thì kênh Bđang ở mức thấp Ngược lại, nếu động cơ quay ngược chiều kim đồng hồ, tín hiệu

“đi” từ phải qua trái Lúc này, tại cạnh xuống của kênh A thì kênh B đang ở mứccao Như vậy, bằng cách phối hợp 2 kênh A và B chúng ta biêt được chiều quay củađộng cơ (thông qua mức của kênh B ở cạnh xuống của kênh A)

Trang 30

CHƯƠNG 2 GIỚI THIỆU VỀ CÁC MODULE SỬ DỤNG TRONG ROBOT

Vì ứng dụng trong sản phẩm của đề tài chỉ để phát hiện có chuyển động haykhông nên ta chỉ sử dụng 1 trong 2 kênh A, B để phát hiện có hay không chuyểnđộng của Robot

2.6.3 Đánh giá hoạt động

Encoder hoạt động với 32 xung như vậy để xác định chuyển động qua thửnghiệm chúng tôi thấy rằng nó dễ gây ra hoạt động không chính xác khi robot dừnglại nhưng bị rung, để phát hiện được chuyển động hay không chúng tôi đã giảm sốxung của cảm biến từ 32 xung thành 2 xung bằng cách dán màu đen các khe hở củađĩa encoder lại và chỉ để lại 2 khe hở tương ứng với 2 xung Vì như vậy sẽ giúp việcphát hiện chuyển động chính xác hơn rất nhiều so với việc sử dụng 32 xung như banđầu

2.7.1 Giới thiệu chung

Hình 2.7.1.1.1.1 Công tắc hành trìnhCông tắt hành trình có chức năng đóng mở mạch điện, và nó được đặt trênđường hoạt động của một cơ cấu nào đó sao cho khi cơ cấu đến 1 vị trí nào đó sẽ tácđộng lên công tắc Hành trình có thể là tịnh tiến hoặc quay

Trang 31

CHƯƠNG 2 GIỚI THIỆU VỀ CÁC MODULE SỬ DỤNG TRONG ROBOT

2.7.2 Nguyên lý hoạt động

Khi công tắc hành trình được tác động thì nó sẽ làm đóng hoặc ngắt một mạchđiện do đó có thể ngắt hoặc khởi động cho một thiết bị khác Người ta có thể dùngcông 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 làmngắt nguồn cung cấp cho cơ cấu -> nó không thể vượt qua vị trí giới hạn)

Hành trình tự động: Kết hợp với các role, PLC hay VĐK để khi cơ cấu đến vị tríđịnh trước sẽ tác động cho các cơ cấu khác hoạt động (hoặc chính cơ cấu đó)

2.7.3 Đánh giá hoạt động

Chịu đựng tốt các va chạm, bền, hoạt động chính xác, đơn giản và hiệu quả.2.7.4 Kết luận

Dựa vào các đặc điểm thuận lợi, nhóm đã quyết định sử dụng công tắc hànhtrình để phát hiện vật cản khi đặt nó trước mũi robot Công tắc hoạt động hiệu quảvà có độ chính xác cao

2.8 Sơ đồ ghép nối các khối module

Các module cảm biến từ các vị trí của Robot được nối về 2 chip VĐK để xử lýthông qua các bus nối được mô tả ở Hình 2.16

Từ khóa » Cách Chế Tạo Máy Lau Nhà