đồ án môn học thiết kế hệ thống cơ điện tử đề tài thiết kế robot mê cung

Bạn đang xem bản rút gọn của tài liệu. Xem và tải ngay bản đầy đủ của tài liệu tại đây (4 MB, 22 trang )

<span class="text_page_counter">Trang 1</span><div class="page_container" data-page="1">

TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHIỆP THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINHKHOA CƠNG NGHỆ CƠ KHÍ

BỘ MƠN THIẾT KẾ MÁY-- --<sub></sub>

Thành phố Hồ Chí Minh, tháng 12 năm 2023

</div><span class="text_page_counter">Trang 3</span><div class="page_container" data-page="3">

</div><span class="text_page_counter">Trang 4</span><div class="page_container" data-page="4">

Báo cáo cuối kỳ Nhóm 5

MỤC LỤC

<b>CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN...7</b>

1.1 Đặt vấn đề...7

1.2 Mục tiêu đề tài...7

1.3 Nội dung nghiên cứu...7

<b>CHƯƠNG 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT...8</b>

2.1 Tổng quan về trí tuệ nhân tạo...8

3.3 Thực hiện giao tiếp giữa stm 32 với động cơ DC (sử dụng modul : L298N)...12

3.4 Mạch điều khiển (sử dụng Kit STM32F103C8T6)...13

<b>CHƯƠNG 4: THUẬT TỐN ĐIỀU KHIỂN...14</b>

4.1 Thuật tốn tìm đường đi cho Robot...14

<b>CHƯƠNG 5: KẾT QUẢ THỰC NGHIỆM...16</b>

5.1 Robot đã được thực hiện...16

5.2 Đọc giá trị Analog và hiện thị trên LCD...17

5.3 Sơ đồ khối của bộ ADC trong STM32F103...17

5.4 Tiến hành đo và đọc giá trị Analog của 4 cảm biến...19

5.5 Sơ đồ thuật toán và code...20

<b>CHƯƠNG 6: KẾT LUẬN...21</b>

<b>your phone? Save</b>

to read later onyour computer

Save to a Studylist

</div><span class="text_page_counter">Trang 5</span><div class="page_container" data-page="5">

<b>LỜI NÓI ĐẦU</b>

Đất nước ta đang từng bước phát triển, vì vậy nền khoa học kỹ thuật đóng vai trị quantrọng trong cơng cuộc cơng nghiệp hóa, hiện đại hóa đất nước. Thế nên việc thiết kế và pháttriển những hệ thống truyền động là vấn đề cốt lõi trong cơ khí, mặt khác một nền côngnghiệp phát triển không thể thiếu một nền cơ khí hiện đại. Hiểu biết nắm vững và vận dụngtốt lý thuyết vào thiết kế các hệ thống truyền động là những yêu cầu rất cần thiết đối với sinhviên.

Trong cuộc sống xung quanh chúng ta có thể bắt gặp robot ở khắp nơi có thể nói nóđóng một vai trị quan trọng trong cuộc sống. Đồ án mơn học thiết kế hệ thống cơ điện tửgiúp ta tìm hiểu và thiết kế thực hiện công việc một cách tự động bằng sự điều khiển của máytính hoặc các vi mạch điện tử được lập trình. Thêm vào đó, trong q trình thực hiện sinhviên có thể hồn thiện bổ sung kỹ năng lập trình điều khiển vi điện tử, điều rất cần thiết vớisinh viên. Từ đây cộng với những kiến thức chuyên nghành nhóm sẽ tiếp cận được với hệthống thực tế, có cái nhìn tổng quan hơn để chuẩn bị cho đồ án tiếp theo và đồ án tốt nghiệp.

Trong quá trình thực hiện đề tài của nhóm được giao là thiết kế robot mê cung. Với vốnkiến thức cịn hạn hẹp, nhóm em xin chân thành cảm ơn các thầy Nguyễn Viễn Quốc bộmôn, đặc biệt là thầy đã trực tiếp hướng dẫn, chỉ chỉ ra những lỗi sai của nhóm khi làm đề tàigiúp nhóm chúng em hồn thành đồ án.

Kính chúc q thầy cô sức khỏe và hạnh phúc.

</div><span class="text_page_counter">Trang 6</span><div class="page_container" data-page="6">

<b>NỘI DUNG</b>

<b>CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN1.1 Đặt vấn đề</b>

Trong thời đại hiện nay, máy tính có thể giải được rất nhiều bài tốn khó mà trước kiachưa giải quyết được. Mặc dù vậy cịn một số lớn các bài tốn rất thú vị cần một thuật tốnthích hợp để giải chúng. Trong đó, các bài tốn sử dụng trí tuệ nhân tạo là các bài toánthường gặp trong các ứng dụng thực tiễn. Ví dụ: ứng dụng phương pháp mơ phỏng luyệnthép để tìm đường đi ngắn nhất cho xe cứu hỏa, hay robot tự hành…

Robot tự hành (Mobile Robot) là một thành phần có vai trị quan trọng trong ngànhRobot học, một ngành không thể thiếu trong lĩnh vực tự động hóa. Cùng với sự phát triểnmạnh mẽ của các hệ thống tự động hóa, robot tự hành ngày một được hồn thiện và càng chothấy lợi ích của nó trong công nghiệp và sinh hoạt. Một vấn đề rất được quan tâm khi nghiêncứu về robot tự hành là làm thế nào để robot biết được vị trí nó đang đứng và có thể dichuyển tới một vị trí xác định, đồng thời có thể tự động tránh được các chướng ngại vật trênđường đi. Vì vậy, việc chế tạo thành công đề tài này sẽ mở ra một hướng tiếp cận mới và gópphần thúc đẩy việc ứng dụng của robot ngày càng nhiều vào trong đời sống hằng ngày vàtrong nghiên cứu chế tạo.

Mục tiêu của đề tài là thiết kế, thực hiện, điều khiển robot tự hành. Robot tự hành có thểhoạt động ổn định, tự tìm đường đi đến vị trí đích đã xác định sẵn trong mê cung, có thể họcnhanh chóng cách tìm đường đi khi thay đổi hình dạng mê cung, sử dụng thuật tốn tìm kiếmtheo chiều sâu trong trí tuệ nhân tạo.

<b>1.3 Nội dung nghiên cứu</b>

Dựa vào nguyên lý hoạt động của robot tự hành nhóm đã thiết kế mơ hình bằng cácphương pháp cụ thể như sau:

- Khảo sát phân tích tổng hợp: phân tích cách thức hoạt động của robot tự hành để thiết kếbộ phận dị tìm có độ chính xác cao nhất, bộ phận xử lí tín hiệu có tốc độ cao nhất đồng thờicó giá thành thấp và tuổi thọ cao…

- Khảo sát tính khả thi của từng thuật tốn nhỏ trong trí tuệ nhân tạo.

</div><span class="text_page_counter">Trang 7</span><div class="page_container" data-page="7">

- Thực nghiệm: dùng phương pháp thực nghiệm để kiểm tra tính khả thi của từng thuậttốn, đồng thời mơ phỏng hoạt động của robot trên Matlab.

- Đánh giá kết quả dựa trên quá trình thực nghiệm.

<b>CHƯƠNG 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT2.1 Tổng quan về trí tuệ nhân tạo</b>

Trí tuệ nhân tạo (Artificial Intelligence - AI) là một lĩnh vực trong khoa học máy tính,nghiên cứu về việc tạo ra các máy móc có khả năng thực hiện các tác vụ địi hỏi trí thơngminh như của con người. Trong khoa học máy tính, thuật ngữ “trí tuệ nhân tạo” thường đượcsử dụng để mô tả các máy chủ (hoặc máy tính) có khả năng bắt chước các chức năng “nhậnthức” mà con người thường phải liên kết với tâm trí, như “học tập” và “giải quyết vấn đề”.Trí tuệ nhân tạo có thể được phân thành ba loại hệ thống khác nhau: trí tuệ nhân tạo phântích, lấy cảm hứng từ con người và nhân tạo.

Xe tự hành hay robot di động được định nghĩa là một loại xe có khả năng tự dịchchuyển , tự vận động để thực hiện thành công công việc được giao. Theo lý thuyết, môitrường hoạt động của robot tự hành có thể là đất, nước, khơng khí, khơng gian vũ trụ hay sựtổ hợp giữa chúng. Địa hình bề mặt mà robot di chuyển trên đó có thể bằng phẳng, hoặc thayđổi lồi lõm,..

<b>2.3 Bài toán tránh vật cản</b>

Tìm đường là một khoa học dẫn hướng robot tự di chuyển trog khơng gian làm việc củanó( mê cung). Trong vấn đề tìm đường, bài tốn lớn nhất đặt ra là tìm được hướng về đíchđúng và nhanh nhất mà không chạm vào các vật cản trên đường( không để robot va chạm vàotường).

Có 2 loại bài tốn tìm đường cho robot:

- Bài tốn cục bộ: Mơi trường làm việc của robot hồn tồn khơng biết trước hoặc chỉbiết một phần. Robot hoàn toàn nhờ vào các cảm biến để dị và tìm hướng đi. Ở đâyrobot phải tính tốn thử và sai nhiều lần để có hướng đi đúng.

- Bài tốn tồn cục: Robot đã biết trước được địa hình của mê cung, vì vậy bài tốn ở đâychỉ cần lập trình để chỉ dẫn robot đến đích như mong muốn.

</div><span class="text_page_counter">Trang 8</span><div class="page_container" data-page="8">

Theo như luật của ban tổ chức cơng bố, địa hình mê cung sẽ được biết trước nên nhómtập trung vào giải quyết bài tốn tồn cục với 5 cảm biến hồng ngoại( 1 cảm biến đằng trước,2 cảm biến bên trái và 2 cảm biến bên phải). Môi trường hoạt động của robot là mặt phẳnggiới hạn bởi các bức tường.

</div><span class="text_page_counter">Trang 9</span><div class="page_container" data-page="9">

<b>CHƯƠNG 3: THIẾT KẾ VÀ THI CƠNG MƠ HÌNH ROBOT TỰ HÀNH3.1 Tổng quan về phần cứng Robot tự hành</b>

Robot tự hành là một hệ thống tự động hoá được thiết kế để thực hiện các nhiệm vụ màtrước đây cần phải có sự can thiệp của con người. Được trang bị với nhiều loại cảm biến vàhệ thống thơng tin, chúng có khả năng tự định vị, xác định môi trường xung quanh và thựchiện các nhiệm vụ phức tạp như di chuyển, thu thập dữ liệu, vận chuyển hàng hóa và nhiềutác vụ khác.

<b>3.2 Lựa chọn thiết bị4.1 Lựa chọn động cơ</b>

</div><span class="text_page_counter">Trang 10</span><div class="page_container" data-page="10">

Thông số kỹ thuật:

 Momen xoắn : 800gf cm/phút Tốc độ không tải : 1:48 (mức 3V) Điện áp hoạt động : 3~12V Dòng tải : 70mA

Mô tả: Cảm biến vật cản hồng ngoại có khả năng phản ứng mạnh ánh sáng xung quanh,có cặp truyền và nhận tia hồng ngoại. Khoảng cách phát hiện có thể được điều chỉnh bằngbiến trở ,cố định dễ dàng và sử dụng thuận tiện. Khi bật nguồn, đèn báo nguồn màu đỏ.

Ứng dụng: sử dụng rộng rãi trong nhiều ứng dụng như tránh chướng ngại vật robot, xeđẩy tránh chướng ngại vật, đếm đường và vạch đen trắng.

Thông số kỹ thuật :

 Bộ so sánh sử dụng LM393 Điện áp hoạt động là 3,3V- 5V Các lỗ vít 3mm dễ dàng cố định Kích thước : 32x14mm

<b>3.3 Thực hiện giao tiếp giữa stm 32 với động cơ DC (sử dụng modul : L298N)</b>

</div><span class="text_page_counter">Trang 12</span><div class="page_container" data-page="12">

<b>3.4 Mạch điều khiển (sử dụng Kit STM32F103C8T6)</b>

Thông số kỹ thuật STM32F103C8T6 : Điện áp hoạt dộng : 5VDC

 Có chân ra GPIO và giao tiếp CAN, I2C,SPI,UART,USB... Kích thước :53x15mm

</div><span class="text_page_counter">Trang 13</span><div class="page_container" data-page="13">

<b>CHƯƠNG 4: THUẬT TOÁN ĐIỀU KHIỂN4.1 Thuật tốn tìm đường đi cho Robot</b>

U: Đi thẳngR: Rẻ phải

<b>4.1.2 Hướng giải quyết cho Robot</b>

Đặt Robot vào vị trí xuất phát (ưu tiên canh cho Robot ở vị trí cân bằng), nhấn nútSTART Robot bắt đầu đi chuyển. Hệ thống so sánh các cảm biến hồng ngoại cạnh bên đểđiều chỉnh xung PWM của động cơ giúp Robot đi đúng quỹ đạo cân bằng (nếu Robot đang dichuyển bị lệch). Khi CB1 nhận biết tín hiệu ngã rẻ (CB1 = 0), Robot di chuyển thêm mộtđoạn đến khi CB4 = 7,5cm (giá trị Analog = ) thì Robot rẻ phải.

<b>4.1.3 Thuật toán</b>

Start U so sánh điều khiện rẻ R<sub></sub> <sub></sub> <sub></sub>

<b>4.1.4 Lưu đồ giải thuật</b>

</div><span class="text_page_counter">Trang 15</span><div class="page_container" data-page="15">

<b>CHƯƠNG 5: KẾT QUẢ THỰC NGHIỆM5.1 Robot đã được thực hiện</b>

- Thực hiện khảo sát tính định hồng ngoại: Để dễ dàng lập trình robot đi giữa mê cung- Bảng khảo sát thực nghiệm:

15Biểu đồ 1:Biểu đồ khảo sát hồng ngoại

</div><span class="text_page_counter">Trang 16</span><div class="page_container" data-page="16">

<b>5.2 Đọc giá trị Analog và hiện thị trên LCD</b>

1. Một số tính năng chính được liệt kê như sau:

<small> </small>Độ phân giải 12 bit tương ứng với giá trị maximum là 4095.

<small> </small>Có các ngắt hỗ trợ như End conversion, End of Injected Conversion and AnalogWatchdog Event.

<small> </small>Single mode hay Continuous mode.

<small> </small>Tự động calib và có thể điều khiển hoạt động ADC bằng xung Trigger.<small> </small>Thời gian chuyển đổi nhanh : 1us tại tần số 65Mhz.

<small> </small>Điện áp cung cấp cho bộ ADC là 2.4V -> 3.6V. Nên điện áp Input của thiết bị có ADC2.4V ≤ VIN ≤ 3.6V.

<small> </small>Có bộ DMA giúp tăng tốc độ xử lí.

<b>5.3 Sơ đồ khối của bộ ADC trong STM32F103</b>

– Multichannel (scan), single conversion – Chế độ chuyển đổi nhiều kênh, chuyển đổi 1lần: Ở chế độ này, bộ ADC sẽ lần lượt chuyển đổi một chuỗi các kênh đầu vào đã được cấuhình từ trước, tối đa có thể chuyển đổi được 16 kênh. kết quả chuyển đổi của kênh cuối cùng

Giá trị thay đổi điện áp theo khoảng cách(Khảo sát cảm biến hồng ngoại)

</div><span class="text_page_counter">Trang 17</span><div class="page_container" data-page="17">

sẽ được lưu vào thanh ghi ADC_DR, cờ báo kết thúc quá trình chuyển được được bật lên,yêu cầu ngắt sẽ được sinh ra nếu người dùng cấu hình cho phép ngắt. Chế độ này cần đượckết hợp với tính năng <b>DMA</b> để có thể nhận đầy đủ kết quả chuyển đổi của các kênh. Thứ tự chuyển đổi của các kênh có thể được người dùng sắp xếp và thời gian lấy mẫu củacác kênh có thể được cấu hình độc lập.

- Tính năng DMA (Direct Memory Access) hỗ trợ ngoại vi có thể chuyển dữ liệu trựctiếp đến bộ nhớ mà không cần sự can thiệp của CPU.

- Single-channel continuous conversion mode – Chế độ chuyển đổi đơn kênh, chuyểnđổi liên tục: Ở chế độ này kênh được chọn sẽ được chuyển đổi liên tục mà không cần sự canthiệp của CPU trong mỗi lần chuyển đổi. Chức năng DMA với mode circular nên được sửdụng trong chế độ này để giảm tải cho CPU.

- Multichannel (scan) continuous conversion mode – Chế đội chuyển đổi nhiều kênh,chuyển đổi liên tục: Ở chế độ này các kênh được chọn sẽ được chuyển đổi liên tục mà khôngcần sự can thiệp của CPU trong mỗi lần chuyển đổi. Chức năng DMA với mode circular kếthợp với việc tăng bộ nhớ tự động nên được sử dụng trong chế độ này để giảm tải cho CPU.

</div><span class="text_page_counter">Trang 18</span><div class="page_container" data-page="18">

<b>5.4 Tiến hành đo và đọc giá trị Analog của 4 cảm biến</b>

I. Chuẩn bị

Chọn nguồn cung cấp cho STM32

Debug trên keilC

</div><span class="text_page_counter">Trang 19</span><div class="page_container" data-page="19">

Thiết lặp chân ADC in và đọc ở chế độ Multichannel (scan) continuousconversion mode.

<b>5.5 Sơ đồ thuật toán và code</b>

</div><span class="text_page_counter">Trang 20</span><div class="page_container" data-page="20">

<b>CHƯƠNG 6: KẾT LUẬN</b>

Đề tài đã thiết kế thành cơng phần điện, phần cơ khí, chương trình phần mềm cho robottự hành. Xét về những mục tiêu và giới hạn của đề tài đã được đặt ra ngay từ đầu thì nhữngđiều mà đề tài đã thực hiện được và chưa thực hiện được như sau:

- Thiết kế phần cơ khí cho robot tự hành dị đường trong mê cung với những chi tiết cókích thước nhỏ và phức tạp, đạt được tính kỹ thuật

- Thiết kế thành công phần điện cho robot. Mạch điện gồm có: điều khiển động cơ bằngPWM, mạch cầu H sử dụng IC L298n, cảm biến hồng ngoại đọc tín hiệu Analog xác địnhkhoảng cách,

- Thiết kế thành công phần mềm cho robot áp dụng thuật tốn tìm kiếm theo chiều sâutrong trí tuệ nhân tạo, tuy nhiên chưa thích ứng được hồn tồn với các hình dạng mê cungkhác nhau. Ví dụ: khi ta rút ngắn khoảng cách các đường trong mê cung thì robot sẽ hoạtđộng khơng cịn ổn định.

- Chưa thể chạy ổn định đường của mê cung dùng công nghệ xử lý.

</div><span class="text_page_counter">Trang 21</span><div class="page_container" data-page="21">