Đang tải... (xem toàn văn)
Thiết kế mô hình ô tô chạy bám đường (vạch)
TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ THÔNG TIN VÀ TRUYỀN THÔNG THÁI NGUYÊN KHOA CÔNG NGHỆ ĐIỆN TỬ VÀ TRUYỀN THÔNG BÁO CÁO BÀI TẬP LỚN Đề tài: Thiết kế mô hình ô tô chạy bám đường (vạch) GIÁO VIÊN HƯỚNG DẪN : NGUYỄN THỊ PHƯƠNG THANH Thái nguyên ngày 27 tháng 10 năm 2013 1 MỤC LỤC 2 LỜI NÓI ĐẦU Ngày nay điều khiển tự động đã trở thành một nhu cầu không thể thiếu được của con người. Dưới sự xuất hiện của các học thuyết và các ứng dụng cụ thể trong đời sống hàng ngày, có thể nói điều khiển tự động đang chi phối dần cuộc sống của chúng ta. Con người đang cố gắng sáng tạo ra các con robot có khả năng làm việc thay cho con người. Chúng ta thường bắt gặp các con robot trong các dây chuyền công nghiệp sản xuất tự động hay robot giúp việc trong gia đình. Để tìm ra các ý tưởng sáng tạo hay hàng năm đề diễn ra cuộc thi robocon châu á Thái Bình Dương đó là tiền đề để tạo ra những con robot có khả năng áp dụng vào thực tế. Cũng chính vì mục đích đó mà nhóm em thực hiện bài tập lớn thiết kế xe dò đường. Nó là bước khởi đầu trong lập trình robot để robot có thể thực hiên các công việc tiếp theo. Đây chỉ là một công việc nhỏ của của việc thiết kế điều khiển robot nhưng quá trình thiết kế và thi công đề tài nhóm em rút ra được rất nhiều kinh nghiệm thực tiễn quý báu. Mục đích của đề tài hướng đến là tạo ra bước đầu cho sinh viên thử nghiệm những ứng dụng của vi điều khiển trong thực tiễn để rồi từ đó tìm tòi, phát triển nhiều ứng dụng khác trong đời sống hàng ngày cần đến. Mặc dù đã cố gắng hết sức mình để hoàn thành xong bài tập lớn môn học bằng các kiến thức đã học, một số sách tham khảo và một số nguồn tài liệu khác nhưng cũng không tránh khỏi những thiếu sót. Do vậy, chúng em rất mong được sự góp ý quý báu của thầy cô và các bạn để đề tài có thể hoàn thiện ở mức cao nhất. Chúng em xin chân thành cảm ơn ! 3 Chương 1 TÌM HIỂU CÔNG NGHỆ 1.1. Khái quát chung Ngày nay với sự phát triển mạng mẽ của khoa học - kỹ thuật thì tự động hóa trong sản xuất cũng như trong đời sống hằng ngày càng được phát triển và hoàn thiện. Trong đó robot đã có một vị trí quan trọng không thể thay thế được, nó giúp con người làm việc trong những điều kiện nguy hiểm khó khăn, từ những công việc đơn giản đến những việc đòi hỏi sự chính xác cao. Tầm quan trọng của robot đối với cuộc sống của loài người và khả năng chinh phục thiên nhiên đã dẫn tới sự phát triển vượt bậc của ngành công nghệ này. Đặc biệt lĩnh vực robot di động đang ngày càng được sự quan tâm của các nhà nghiên cứu và xã hội. Robot dò đường là vấn đề thiết yếu của robot di động. Chính bởi những ứng dụng rộng rãi đó và sự phát triển đồng thời để tiếp cận với những kiến thức ban đầu về robot nên nhóm đã lựa chọn đề tài “ Thiết kế ô tô dò đường bám theo vạch đen trên nền trắng”. Đề tài của nhóm đặt ra là thiết kế và chế tạo một robot tự động có khả năng di chuyển theo một đường đã định sẵn. Cụ thể ở đây là chiếc xe dò đường tự động. 1.2. Yêu cầu công nghệ Thiết kế xe dò đường bám theo vạch đen trên nền trắng (Bề rộng vạch 2 cm, các góc cua lớn hơn 90 độ). Những yêu cầu được đặt ra ở đây là hệ thống điều khiển trước hết phải có khả năng giao tiếp với người điều khiển. Tức là phải cho phép thiết lập và thay đổi hệ thống và hiển thị trạng thái của hệ thống. Hệ thống phải có bộ nguồn ổn định để cung cấp năng lượng hoạt động cho hệ thống trong một khoảng thời gian nhất định nào đó. Khi tiến hành thay thế nguồn mới hoặc nạp năng lượng phải dễ dàng và tiện lợi. Hệ thống có khả năng nhận được tín hiệu báo nhận đường đi. Hệ thống có khả năng điều khiển được tốc độ của bánh xe robot một cách linh hoạt để từ đó có thể mở rộng thêm chức năng điều khiển tốc độ của robot về sau này. 4 5 1.3. Sơ đồ khối hệ thống Hình 1: ơ đồ khối chức năng. Nguyên lý hoạt động chung của sơ đồ khối: Từ ý tưởng thiết kế và một sơ đồ khối như trên, ta có thể hiểu một cách vắn tắt và ngắn gọn về quá trình hoạt động của mạch. Khi cấp nguồn cho toàn mạch, cảm biến được kích thích bởi ánh sáng . Nó thực hiện biến đổi tín hiệu ánh sáng thành tín hiệu điện áp và đưa tới bộ điều khiển động cơ. Bộ điều khiển động cơ nhận tín hiệu từ bộ cảm biến và xử lý. Tín hiệu ra được đưa tới điều khiển 2 động cơ 1, 2 làm cho các động cơ này quay và xe chạy. Kết luận: Sau quá trình nghiên cứu, tìm hiểu của cả nhóm về các ứng dụng cũng như sơ đồ cấu tạo của robot, nhóm em thấy chúng có rất nhiều ứng dụng phổ biến trong đời sống hàng ngày cũng như trong công nghiệp nên nhóm em đã đưa ra quyết định, đó là thực hiện thiết kế “Robot dò đường tự động”. 6 Chương 2 LỰA CHỌN PHƯƠNG ÁN THIẾT KẾ Trên thực tế, với một đề tài nghiên cứu thì chúng ta phải đưa ra được các phương án thiết kế và trong quá trình phân tích, tính toán chúng ta phải đưa ra được các ưu, nhược điểm của các phương án từ đó có thể chọn ra một phương án tối ưu nhất. Qua việc tìm hiểu trong các tài liệu nhóm đã phân tích được sơ lược về các ưu, nhược điểm của những phương án trên và đưa ra lựa chọn phù hợp cho bài thiết kế của mình. 2.1. Khối cảm biến dùng hồng ngoại 2.1.1. Giới thiệu về tia hồng ngoại Như chúng ta đã biết, ánh sáng hồng ngoại (tia hồng ngoại) là ánh sáng không thể nhìn thấy được bằng mắt thường, có bước sóng trong khoảng từ 0,86 µm đến 0,98 µm. Tia hồng ngoại có tốc độ truyền bằng với tốc độ ánh sáng. Tia hồng ngoại có thể truyền đi trên nhiều kênh tín hiệu, lượng thông tin truyền có thể đạt 3Mb/s, lớn hơn rất nhiều so với sử dụng sóng điện từ và được ứng dụng rộng rãi trong công nghiệp. 2.1.2. Nguyên lý hoạt động Bộ phát hồng ngoại nhận nhiệm vụ phát tia hồng ngoại, tia hồng ngoại khi gặp khoảng trắng sẽ phản xạ, bộ thu hồng ngoại thu được tia phản xạ sẽ thực hiện chuyển đổi cho tín hiệu đầu ra đi tới khối xử lý. Khi bộ phát hồng ngoại gặp khoảng tối, tia hồng ngoại không được phản xạ dẫn tới bộ thu hồng ngoại sẽ không thu được tia hồng ngoại, từ đó không có tín hiệu đầu ra đi tới khối xử lý. 2.1.3. Ưu điểm • Khả năng hoạt động tương đối ổn định. • Tốc độ truyền nhận thông tin nhanh. • Ít bị nhiễu. 2.1.4. Nhược điểm • Tia hồng ngoại dễ bị hấp thụ. 7 • Linh kiện để thiết kế mạch tương đối nhiều, dẫn đến giá thành để thiết kế hoàn chỉnh một mạch đếm bằng bộ thu phát hồng ngoại là tương đối cao. • Mạch nguyên lý tương đối phức tạp, khiến cho việc thiết kế sẽ gặp khó khăn. 2.2. Khối cảm biến dùng quang trở 2.2.1. Giới thiệu về Quang trở Quang trở là thiết bị có giá trị điện trở thay đổi phụ thuộc vào cường độ ánh sáng chiếu vào. Hình 2: Hình dáng và cấu tạo quang trở. 2.2.2. Nguyên lý hoạt động Trước tiên chúng ta cần 1 led siêu sáng làm nhiệm vụ phát ánh sáng vào quang trở. Khi gặp khoảng trắng, led siêu sáng sẽ phản xạ ánh sáng, quang trở gặp tia phản xạ dẫn tới giá trị điện trở giảm mạnh từ đó cho dòng đi qua, tín hiệu tại đầu ra của quang trở được đưa tới khối xử lý. Khi gặp vùng tối, ánh sáng từ led không được phản xạ do đó quang trở không nhận được ánh sáng chiếu vào, điện trở của quang trở rất lớn khiến dòng không đi qua quang trở dẫn tới không có tín hiệu đầu ra đưa tới khối xử lý. 2.2.3. Ưu điểm • Giá thành rẻ, phổ biến. 8 • Mạch nguyên lý tương đối đơn giản, dễ dàng cho quá trình thiết kế. 2.2.4. Nhược điểm • Do giá trị điện trở không ổn định nên việc tính toán thông số đôi khi gặp khó khăn. • Nhạy cảm với ánh sáng nên tín hiệu dễ bị nhiễu. Kết luận: Trên đây là 2 phương án thiết kế bộ cảm biến được sử dụng tương đối phổ biến. Sau quá trình phân tích ưu - nhược điểm nhóm em đã chọn phương án 2, đó là “sử dụng quang trở làm bộ cảm biến”, vì: • Những nhược điểm của nó có thể tự khắc phục được để mạch hoạt động được ổn định, hiệu quả. • Việc thiết kế phù hợp với những kiến thức đã học trong giáo trình. Giá thành thiết kế mạch không cao. • Độ bền cao, có khả năng ứng dụng trong thực tiễn cao. • Mạch đơn giản, dễ thực hiện. • Linh kiện dễ tìm kiếm. 9 2.3. Khối điều khiển động cơ dùng LM358 LM358 là một IC gồm 2 vi mạch thuật toán nằm trong cùng một vỏ. Vi mạch thuật toán tiêu chuẩn là loại vi mạch đợn khối tích hợp lớn được chế tạo theo công nghệ màng mỏng. Nhờ khả năng tích hợp lớn nên vi mạch này được ứng dụng rộng rãi trong thực tế. Hình 3 Sơ đồ chân IC LM358. 2.3.1. Ưu điểm • Giá thành rẻ, phổ biến. • Việc thiết kế phù hợp với những kiến thức đã học trong giáo trình • Làm việc tốt ở mức điện áp đến 5VDC. • Không cần bù tần số, tăng độ ổn định ở chế độ làm việc tuyến tính. 10 [...]... thì ô tô sẽ rẽ sang trái Tương tự như vậy khi cảm biến bên phải nhận vạch đen (ô tô lệch sang trái) Giải thích tương tự như trên ta sẽ có motor phải ngừng quay trong khi motor trái quay thì ô tô sẽ rẽ phải Cứ như vậy, ô tô của nhóm em sẽ bám theo vạch đen trên nền trắng để di chuyển 21 Chương 4 KẾT QUẢ VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN 4.1 Kết quả Sau một thời gian cùng nhau tìm hiểu, nghiên cứu lý thuyết và mô phỏng... án thiết kế dùng động cơ 5V vì: Nó phù hợp với kích thước mạch nhỏ gọn, phù hợp công suất sử dụng của mạch • Hình 4 Hình dạng động cơ 5V 11 2.5 Khối nguồn Để cung cấp nguồn một chiều cho các khối trong mạch hoạt động nhóm em sử dụng nguồn 6V được tạo ra bởi 4 quả pin tiểu mỗi quả có giá trị 1.5V Hình 5: Pin 6V 12 Chương 3 TÍNH TOÁN VÀ THIẾT KẾ 3.1 Bộ phận cảm biến 3.1.1 Quang trở Hình ảnh thực tế Hình. .. quá tải • Không bị khóa nếu tín hiệu đưa vào không thích hợp • Mạch nguyên lý tương đối đơn giản, dễ dàng cho quá trình thiết kế • Linh kiện dễ tìm kiếm, mạch đơn giản có khả năng ứng dụng cao trong thực tế 2.3.2 Nhược điểm • Không có nhiều phát triển cho việc thiết kế mở rộng nhiều chức năng hơn • Hệ số nén dòng pha lớn • Công suất nhỏ 2.4 Khối động cơ Với khối này chúng ta có thể thiết kế dùng động... và theo yêu cầu của đề tài là thiết kế xe dò đường bám theo vạch đen trên nền trắng (bề rộng vạch 2cm, các góc cua lớn hơn 90 ) Chính vì vậy để điều khiển xe bám theo vạch đen trên nền trắng ta cần điều khiền hai động cơ cho hai bánh riêng biệt Do đó, ta phải thiết kế khung xe sao cho khoảng cách giữa hai động cơ bố trí một cách hợp lý, không bị ảnh hưởng lẫn nhau và không ảnh hưởng đến việc đấu nối... phỏng bằng các phần mềm chuyên dụng cũng như thiết kế mạch thực tế thì cả nhóm em đã thu được một kết quả như mong muốn 4.1.1 Mạch in Hình 14: Mạch in khối điều khiển 22 Hình 15: Mạch in phần cảm biến 23 4.1.2 Mạch thực tế Từ các kết quả trên nhóm em đã hoàn thành xong sản phẩm đúng như các yêu cầu đã đặt ra và dưới đây là một số hình ảnh về mạch thực tế 24 Hình 16: Sản phẩm thu được 4.2 Một số ưu, nhược... chiều đó Hình 11: Động cơ DC quay phải Nếu chúng ta đổi chiều điện áp 1 chiều này thì motor sẽ quay ngược lại Hình 12: Động cơ DC quay trái 18 • • Ở đây, động cơ có lắp thêm bộ phận giảm tốc Nó có tác dụng: Quang trở có phản ứng chậm, nếu dùng động cơ có tốc độ quay cao robot sẽ không phản ứng kịp để điều chỉnh hướng đi Dòng cấp bởi transistor không lớn, nếu động cơ không có bộ giảm tốc có thể sẽ không... tại các đoạn đường thẳng Sau khi tính toán được các yêu cầu cần thiết cho khung xe Nhóm em đã quyết định sử dụng lại các xe đồ chơi đã hỏng và tiến hành tháo rỡ, cắt gọt các chi tiết không cần thiết cho khung xe Phần bánh được điều khiển cần được tách nhau ra hai trục riêng với mỗi trục gắn với một động cơ và một bộ điều 19 tốc (điều khiển hai bánh sau) và bánh xe phía trước được thiết kế sao cho có... cơ, làm cho xe chạy chính xác hơn 3.4.2 Nguyên tắc hoạt động Giả sử khi cảm biến bên trái gặp đường đen, cảm biến bên phải vẫn ở khoảng trắng, động cơ bên trái bị chậm lại do không có tín hiệu đầu ra từ bộ cảm biến bên trái Động cơ bên phải nhanh hơn do có tín hiệu từ bộ cảm biến bên phải gửi tới, vì vậy robot sẽ hướng từ phải qua trái và ngược lại Khi cảm biến gặp đường vẽ đen thẳng không có khúc cua... định, chính xác - Tiết kiệm năng lượng 4.2.2 Nhược điểm - Quang trở dễ bị nhiễu bởi ánh sáng ban ngày - Nếu đường cua hẹp quá thì cả 2 cảm biến đều nằm trên vạch đen, robot sẽ không chạy 4.3 Hướng phát triển Đối với Việt Nam, trong giai đoạn đầu của thời kỳ công nghiệp hóa, hiện đại hóa đất nước, công nghệ sản xuất, chế tạo robot tự động là lĩnh vực tương đối mới mẻ Robot tự động nhằm tạo ra sự tự động... cầu đề ra 3.6 Một số các linh kiện khác sử dụng trong mạch - LED siêu sáng (màu trắng) - Điện trở loại 10kΩ - Một số đồ phụ gia khác, chủ yếu là led để trang trí mạch, giắc cắm, công tắc 3.7 Thiết kế Sơ đồ nguyên lý của mạch: Hình 13: Sơ đồ nguyên lý mạch Điệp áp được phân áp thành 2.5V đến gần 3V cho opam hoạt động Khi 2 cảm biến đều nhận nền màu trắng thì điện trở của 2 quang trở đều giảm, điện áp . TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ THÔNG TIN VÀ TRUYỀN THÔNG THÁI NGUYÊN KHOA CÔNG NGHỆ ĐIỆN TỬ VÀ TRUYỀN THÔNG BÁO CÁO BÀI TẬP LỚN Đề tài: Thiết kế mô hình ô tô chạy bám đường (vạch) GIÁO VIÊN. đã lựa chọn đề tài “ Thiết kế ô tô dò đường bám theo vạch đen trên nền trắng”. Đề tài của nhóm đặt ra là thiết kế và chế tạo một robot tự động có khả năng di chuyển theo một đường đã định sẵn hiện bài tập lớn thiết kế xe dò đường. Nó là bước khởi đầu trong lập trình robot để robot có thể thực hiên các công việc tiếp theo. Đây chỉ là một công việc nhỏ của của việc thiết kế điều khiển robot