- 1 - PHẦN MỞ ĐẦU - Lý do chọn đề tài: Nắm bắt từ thực tế hiện nay nhiều nước trên thế giới đã ứng dụng Robot để phục vụ trong nhiều lĩnh vực như: công nghiệp, nông nghiệp trong quân sự và trong cuộc sống sinh hoạt hằng ngày. Trong tương lai Robot sẽ là một công cụ hỗ trợ đắc lực cho con người và giúp con người vươn đến những tầm cao m ới. Nhận thức được xu hướng và tầm quan trọng của Robot trong tương lai, nhằm góp phần xây dựng và phát triển công nghệ Robot ở Việt Nam, nhóm sinh viên đã quyết định chọn thực hiện đề tài “THIẾT KẾ VÀ THI CÔNG ROBOT GIÁM SÁT VƯỢT ĐỊA HÌNH” với mong muốn đề tài có thể ứng dụng tốt trong cuộc sống thực tiễn. - Tổng quan lịch sử nghiên cứu của đề tài: Hiện nay Việ t Nam và nhiều nước trên thế giới đã và đang tập trung nghiên cứu nhiều trong lĩnh vực Robot. Hình 1.1: Robot quân sự Vietbot1 do Việt Nam chế tạo. [6] Vietbot1: có hình dáng tương tự một chiếc xe bọc thép, kích thước dài 1,5m, rộng 0,8m, cao 2m, khối lượng 300 kg, di chuyển trên 6 bánh hơi. Điểm nổi bật ở Vietbot1 là sử dụng cánh tay công gắp RP có khả năng quay 360 độ, có thể tháo lắp và thay thế bằng một module, tùy theo yêu cầu nhiệm vụ. Cánh tay máy có tầm - 2 - vươn xa 2 m, gồm 5 bậc tự do được vận hành bằng động cơ điện có thể gắp và giữ vật nặng tới 20kg. [10] Hình 1.2: Robot leo cầu thang. [10] Robot leo cầu thang: Chuyển động bằng sáu bánh xe Robot leo cầu thang do trường Đại Học Lạc Hồng chế tạo có thể vượt được những địa hình phức tạp và leo bậc thang. Hình 1.3: Robot quân sự TALON của quân đội Mỹ. [8] Người máy mặt đất TALON: Có thể tháo ngòi nổ của bom và nhìn qua các vật cản để phát hiện đối phương. [8] - 3 - - Mục tiêu nghiên cứu: Đối với nhóm sinh viên, đề tài là bước đầu tìm hiểu, thi công sản phẩm Robot ứng dụng trong thực tế, đồng thời cũng là bước triển khai những kiến thức đã được học. Thông qua việc nghiên cứu và làm việc nghiêm túc để rèn luyện tác phong, tinh thần khoa học, cũng như hoàn thiện phương pháp, tư duy nghiên cứu, giải quyết một vấn đề thực tiễn. Quan trọng hơn, đề tài còn là bước “tổng kết và hoàn thiện” những kỹ năng còn thiếu sót trước khi thực sự trở thành người kỹ sư. Về mặt ứng dụng thực tiễn, đề tài có thể sử dụng hỗ trợ trong giám sát từ xa, trinh sát tìm kiếm người và vật trong những nơi chật hẹp nguy hiểm. - Đối tượng nghiên cứu và phạm vi nghiên cứu: + Nghiên cứu các cơ cấu truyền động, bánh xe v ượt địa hình. + Thiết kế bản vẽ, chế tạo mô hình theo kích thước thực. + Nghiên cứu vi điều khiển AVR. + Thiết kế mạch điều khiển trung tâm, mạch công suất điều khiển động cơ. + Tìm hiểu và sử dụng bộ thu phát sóng RF wireless để điều khiển từ xa Robot. + Xây dựng, phát triển thuật toán điều khiển và hệ thống điều khiển. + Tìm hiể u các loại camera không dây, camera IP. + Lập trình, điều khiển Robot . + Nâng cao khả năng vượt địa hình của Robot, đảm bảo độ bền vững cho Robot từ thực nghiệm. - Phương pháp nghiên cứu: Xuất phát từ thực tế và mục đích nghiên cứu nêu trên, phương pháp nghiên cứu đề tài được chọn lựa phù hợp nhất. + Thu thập tài liệu trong và ngoài nước để tìm hiểu cơ sở lý thuyết. + Nghiên cứu ứng dụ ng các linh kiện hiện có để thực hiện mô hình. + Thi công Robot bằng máy CNC, máy tiện, thủ công và thực nghiệm. - 4 - - Những đóng góp mới của đề tài và những vấn đề mà đề tài chưa thực hiện được: đề tài có ý nghĩa như những bước đầu chập chững tiến lên ngành công nghiệp nghiên cứu Robot đang còn yếu của nước ta, góp phần làm “điểm tựa” cho các thế hệ sau tiến lên những nấc thang cao hơn của nghiên cứu chế tạo Robot. Robot giám sát vượt địa hình có thiết kế nhỏ gọn ho ạt động tốt với kết cấu vững chắc và nguồn hoạt động lâu có thể giúp cho con người dễ dàng vận chuyển và triển khai trong phạm vi ứng dụng một cách linh hoạt. Tuy nhiên do thời gian nghiên cứu không nhiều nên đề tài còn nhiều mặt hạn chế chưa áp dụng được nhiều công nghệ như GPS, các cảm biến công nghệ giúp Robot trở nên thông minh hơn và có ứng dụng thực tiễn nhiều hơn nữa. - 5 - CHƯƠNG 1 CƠ SỞ LÝ THUYẾT CỦA ĐỀ TÀI 1.1 Vi điều khiển Atmega8: [4] AVR là họ vi điều khiển chuẩn CMOS 8bit tiêu thụ ít năng lượng, được chế tạo dựa trên cấu trúc AVR RISC (Reduced Instruct Set Computers), đây là cấu trúc có tốc độ xử lý cao hơn nhiều so với các vi điều khiển được chế tạo dựa trên cấu trúc CISC (Complex Instruct Set Computers). Bởi vì tần số hoạt động của AVR bằng với t ần số của thạch anh, trong khi với vi điều khiển họ 8051 thì tần số hoạt động bằng tần số của thạch anh chia cho 12. 1.1.1 Đặc trưng của Atmega8: - Được phát triển trên nền cấu trúc RISC, tập lệnh được tối ưu với 130 lệnh, hầu hết là lệnh 1 chu kỳ máy. - Có thể đạt tốc độ 16 triệu lệnh/s nếu kết hợp thạch anh ngoài 16MHz. - 32x8 thanh ghi làm việc (R0 ÷ R31). - 8K byte bộ nhớ flash dạng ISP. - 512 byte EEPROM. - 1K byte RAM nội. - Cho phép lập trình cấm truy cập nội dung Flash ROM va EEPROM. - Lập trình “on-chip” thông qua chuẩn SPI. - Hỗ trợ tốc độ BAUD cao. - IC đóng gói 32 chân, trong đó có 23 chân I/O. - Điện áp hoạt động: 4.5-5.5V. - Tần số hoạt động : 0-16MHz. - 6 - 1.1.2 Những đặc trưng về giao tiếp ngoại vi: - Hai bộ timer/counter 8 bit với bộ đếm dồn riêng biệt, và một chế độ so sánh. - Một bộ timer/counter 16 bit với bộ đếm dồn riệng biệt, một chế độ so sánh, và chế độ thu nhận giá trị tức thời. - Hỗ trợ đầy đủ các nguồn ngắt trong và ngoài. - Bộ đếm thời gian thực có thể chạ y từ bộ dao động riệng biệt. - Hỗ trợ ba kênh PWM. - Hỗ trợ 8 kênh ADC 10 bit. - Hỗ trợ giao tiếp theo chuẩn two-wire. - Hỗ trợ giao tiếp USART. - Hỗ trợ giao tiếp SPI. - Watchdog timer với bộ dao động riêng biệt on-chip, có thể lập trình được. 1.1.3 Những tính năng đặc biệt: - Được tích hợp bộ dao động RC nội điều chỉnh được giúp hoạ t động không cần thạch anh ngoài. - Có 5 chế độ ngủ (tiết kiệm năng lượng): nghỉ, giảm nhiễu ADC, tiết kiệm năng lượng, nguồn thấp và nghỉ chờ. 1.1.4 Sơ đồ chân Atmega8: Atmega8 hỗ trợ 3 kiểu chân: PDIP , TQFP, MLFP. Trong đồ án này sử dụng IC có kiểu chân dán TQFP Hình 1.4: Sơ đồ chân của Atmega8. [4] - 7 - 1.1.5 Mô tả các chân: - V CC : chân cấp điện áp 5V. - GND: chân nối đất. - PortB (PB7 PB0): Là port xuất nhập 8 bit hai chiều có điện trở kéo lên bên trong (có thể chọn cho từng bit). Ngoài ra các chân portB còn có chức năng đặc biệt: Chân port Chức năng khác PB5 SCK ( một bus của chuẩn SPI) PB4 MISO (bus của chuẩn SPI: Master input/Slave output) PB3 MOSI (bus của chuẩn SPI: Master output/Slave intput) PB2 SS (bus master: Slave select) - PortC (PC6 PC0): Là port xuất nhập 7 bit hai chiều có điện trở kéo lên bên trong (có thể chọn cho từng bit). Ngoài ra các chân portC còn có chức năng đặc biệt: Chân port Chức năng khác PC6 Ngõ vào reset PC5 ADC5- ngõ vào kênh ADC5 SCL- bus xung đồng bộ của chuẩn truyền nối tiếp I2C PC4 ADC4- ngõ vào kênh ADC4 SDA- bus data input/output của chuẩn truyền nối tiếp I2C PC3 ADC3- ngõ vào kênh ADC3 PC2 ADC2- ngõ vào kênh ADC2 PC1 ADC1- ngõ vào kênh ADC1 PC0 ADC0- ngõ vào kênh ADC0 - 8 - - PortD (PD7 PD0): Là port xuất nhập 8 bit hai chiều có điện trở kéo lên bên trong (có thể chọn cho từng bit). Ngoài ra các chân portD còn có chức năng đặc biệt: Chân port Chức năng khác PD7 AIN1- ngõ vào so sánh đảo của bộ so sánh Analog PD6 AIN0- ngõ vào so sánh không đảo của bộ so sánh Analog PD5 T1- ngõ vào đếm sự kiện ngoài của counter1 PD4 T0- ngõ vào đếm sự kiện ngoài của counter0 XCK- ngõ vào/ra xung clock ngoài USART PD3 INT1- ngõ vào ngắt ngoài 1 PD2 INT0- ngõ vào ngắt ngoài 0 PD1 TXD- ngõ ra dữ liệu USART PD0 RXD- ngõ vào dữ liệu USART - RESET : ngõ vào Reset, khi chân này xuống mức thấp trong thời gian dài hơn độ dài xung nhỏ nhất (tra bảng) thì vi điều khiển bị reset ngay cả khi không có xung clock chạy. - AV CC : chân cấp nguồn cho bộ A/D, nên nối với V CC qua một bộ lọc thông thấp. Nếu không sử dụng bộ A/D thì nên nối chân này vào nguồn V CC. - AREF : chân tham chiếu tín hiệu analog của bộ A/D. - ADC7 6 (chỉ có ở kiểu chân TQFP và MLFP): là hai ngõ vào thứ 6 và 7 của bộ A/D. - 9 - 1.1.6 Cấu trúc của Atmega8: Hình 1.5: Cấu trúc của Atmega. [4] - Họ AVR cũng mang kiến trúc Harvard: tách rời vùng nhớ, có các bus cho chương trình và dữ liệu. Tập thanh ghi truy xuất nhanh của nó bao gồm 32 x 8 bit thanh ghi với thời gian truy xuất bằng một xung clock. Điều này có nghĩa là trong thời gian một xung clock, đơn vị số học ALU (Arithmetic Logic Unit) sẽ thực thi một lệnh, kết quả được lưu ngược lại vào các thanh ghi. ALU hỗ trợ các phép tính số học và logic giữa các thanh ghi hay giữa một hằ ng số với một thanh ghi. Các lệnh - 10 - trên một thanh ghi đơn cũng có thể được thực thi trong ALU. Sáu trong số 32 thanh ghi đó được dùng như là 3 thanh ghi con trỏ địa chỉ 16-bit, điều này sẽ được nói rõ hơn ở phần sau. - Bộ nhớ chương trình flash được chia làm 2 phần là bộ phận khởi động hệ thống và bộ phận chương trình ứng dụng. Cả hai đều có các bit khoá dành riêng để bảo mật. - Trong quá trình thực hiện các ngắt hay các chương trình con, địa chỉ tr ở về (PC) được lưu trong ngăn xếp (Stack). Ngăn xếp là một vùng của SRAM và truy xuất theo nguyên tắc “lưu trước lấy sau”. Khi lập trình cần chú ý khởi tạo địa chỉ SP trong chương trình reset,điều này đặc biệt quan trọng khi sử dụng ngắt hay chương trình con. - Các module ngắt mềm đều có các thanh ghi điều khiển của nó kết hợp với bit cho phép ngắt toàn cục. Tất cả các ngắt đều có vector ngắt t ương ứng cho trong bảng sau: . sinh viên đã quyết định chọn thực hiện đề tài THI T KẾ VÀ THI CÔNG ROBOT GIÁM SÁT VƯỢT ĐỊA HÌNH” với mong muốn đề tài có thể ứng dụng tốt trong cuộc sống. thực hiện mô hình. + Thi công Robot bằng máy CNC, máy tiện, thủ công và thực nghiệm. - 4 - - Những đóng góp mới của đề tài và những vấn đề mà đề tài chưa