Tài liệu Xây dựng 1 xe tự hành có khả năng tự tránh vật cản, đồng thời có chế độ hoạt động dưới sự điều khiển từ xa

  • Số trang: 64 |
  • Loại file: DOC |
  • Lượt xem: 4818 |
  • Lượt tải: 13
tailieuonline

Tham gia: 31/07/2015

Hệ thống đang quá tải...vui lòng truy cập lại sau.

Mô tả:

BỘ GIAO THÔNG VẬN TẢI – BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC HÀNG HẢI VIỆT NAM KHỔNG THỊ PHƯƠNG THẢO ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP XE TỰ HÀNH TRÁNH VẬT CẢN SỬ DỤNG CẢM BIẾN SIÊU ÂM SRF05 VÀ CÓ ĐIỀU KHIỂN TỪ XA HẢI PHÒNG – 2014 BỘ GIAO THÔNG VẬN TẢI - BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC HÀNG HẢI VIỆT NAM KHỔNG THỊ PHƯƠNG THẢO ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP XE TỰ HÀNH TRÁNH VẬT CẢN SỬ DỤNG CẢM BIẾN SIÊU ÂM SRF05 VÀ CÓ ĐIỀU KHIỂN TỪ XA NGÀNH: CÔNG NGHỆ THÔNG TIN CHUYÊN NGÀNH: CÔNG NGHỆ THÔNG TIN Người hướng dẫn khoa học: Ths. Phạm Trung Minh ; MÃ SỐ: D114 HẢI PHÒNG - 2014 LỜI CẢM ƠN Trên thực tế không có sự thành công nào mà không gắn liền với những sự hỗ trợ, giúp đỡ dù ít hay nhiều, dù trực tiếp hay gián tiếp của mọi người xung quanh. Trong quá trình làm đồ án tốt nghiệp, em đã nhận được nhiều sự giúp đỡ, đóng góp ý kiến và chỉ bảo nhiệt tình của Thầy Cô, gia đình và bạn bè. Với lòng biết ơn sâu sắc nhất, em xin gửi đến quý Thầy Cô trong khoa Công Nghệ Thông Tin – Trường Đại Học Hàng Hải đã cùng với tri thức và tâm huyết của mình truyền đạt vốn kiến thức quý báu cho em trong suốt thời gian học tập tại trường. Và em cũng xin gửi lời cảm ơn chân thành tới Thầy giáo Th.s Phạm Trung Minh, người đã tận tình hướng dẫn, chỉ bảo, cung cấp cho em những kiến thức và tài liệu về Robotics cần thiết để em hoàn thành khóa luận này. Cuối cùng em xin chân thành cảm ơn gia đình, bạn bè, đã luôn tạo điều kiện quan tâm, giúp đỡ, động viên em trong suốt quá trình học tập và hoàn thành khóa luận tốt nghiệp. Hải Phòng, ngày tháng năm 2014 Sinh viên thực hiện Khổng Thị Phương Thảo 4 MỤC LỤC Trang LỜI MỞ ĐẦU...................................................................................................5 CHƯƠNG 1 – TỔNG QUAN VỀ ĐỀ TÀI.......................................................7 1.1. Giới thiệu bài toán..................................................................................7 1.2. Mục đích của đề tài................................................................................8 1.3. Yêu cầu cần thực hiện............................................................................8 1.4. Các chức năng cần có trong bài toán......................................................8 1.5. Các khối chức năng cần có.....................................................................9 CHƯƠNG 2 – GIẢI BÀI TOÁN TÌM ĐƯỜNG TRÁNH VẬT CẢN CỦA XE TỰ HÀNH.......................................................................................................10 2.1. Giới thiệu về xe tự hành tránh vật cản.................................................10 2.2. Mô hình hóa và động học robot...........................................................11 2.3. Giải bài toán tìm đường cho robot tự hành..........................................13 2.3.1. Bài toán tìm đường cục bộ............................................................14 2.3.2. Thuật toán xử lý kết quả đo khoảng cách để xuất lệnh.................20 CHƯƠNG 3 – CẤU TẠO PHẦN CỨNG VÀ CÁC PHƯƠNG PHÁP ĐIỀU KHIỂN TRONG ROBOT TỰ HÀNH TRÁNH VẬT CẢN...........................22 3.1. Khối nguồn...........................................................................................25 3.1.1. Thông số chính của mạch..............................................................25 3.1.2. Linh kiện cần có trong mạch.........................................................25 3.1.3. Nguyên tắc hoạt động của mạch...................................................26 3.2. Khối điều khiển trung tâm....................................................................28 3.2.1. Khối reset......................................................................................29 3.2.2. Khối tạo xung dao động................................................................30 3.2.3. Khối vi điều khiển........................................................................31 3.3. Khối điều khiển động cơ......................................................................32 3.3.1. Sử dụng IC L298...........................................................................32 5 3.3.2. Điều khiển 2 động cơ bằng phương pháp điều xung PWM..........33 3.3.3. Mạch cầu H...................................................................................38 3.3.4. Đối tượng điều khiển: Động cơ DC..............................................40 3.4. Hệ thống cảm biến................................................................................41 3.4.1. Cảm biến siêu âm SRF05..............................................................41 3.5. Khối hiển thị.........................................................................................43 3.6. Sơ đồ thuật toán điều khiển xe tự hành tránh vật cản..........................44 3.7. Sơ đồ nguyên lý mạch..........................................................................45 3.8. Chuẩn bị linh kiện thi công..................................................................47 3.9. Sản phẩm..............................................................................................47 CHƯƠNG 4 – PHƯƠNG PHÁP ĐIỀU KHIỂN TỪ XA BẰNG SÓNG RF. 48 4.1. Điều khiển từ xa bằng sóng vô tuyến RF.............................................48 4.1.1. Hoạt động......................................................................................48 4.1.2. Ưu điểm.........................................................................................48 4.1.3. Nhược điểm...................................................................................49 4.2. Tìm hiểu về 2 IC trong điều khiển từ xa PT 2262 và PT2272.............49 4.2.1. IC PT2262.....................................................................................49 4.2.2. IC PT2272(Giải mã)......................................................................51 4.3. Thiết kế mạch.......................................................................................52 4.3.1. Khối nguồn....................................................................................53 4.3.2.Khối điều khiển..............................................................................53 4.3.3. Khối phát.......................................................................................54 4.3.4. Khối thu.........................................................................................54 4.3.5. Nguyên lý hoạt động của mạch.....................................................55 KẾT LUẬN.....................................................................................................56 TÀI LIỆU THAM KHẢO...............................................................................57 6 DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ Số hình Tên hình Trang PHẦN MỞ ĐẦU 1. Tính cấp thiết của đề tài Hiện nay tin học đã và đang được ứng dụng rộng rãi trong hầu hết các ứng dụng của nền kinh tế trong mỗi quốc gia. Một trong những ứng dụng được sử dụng gần đây nhất đó là ứng dụng công nghệ thông tin vào công nghệ chế tạo và điều khiển robot thông minh. 7 Xu thế phát triển hiện nay trên thế giới khoa học và công nghệ luôn có những thay đổi mạnh mẽ. Nền kinh tế tri thức cùng với công nghệ thông tin đã góp phần quan trọng vào việc nâng cao chất lượng cuộc sống của con người. Trong nền kinh tế tri thức sự phát triển của xã hội không thể tách khỏi sự phát triển của công nghệ thông tin và đặc biệt là sự phát triển của tin học, ngành khoa học công nghệ mới tạo ra các sản phẩm robot và nghiên cứu ứng dụng chính hình thành trong những thập kỷ gần đây được gọi là Robotics. 2. Mục đích của đề tài Mục đính của đề tài là áp dụng công nghệ thông tin vào công việc “Xây dựng 1 xe tự hành có khả năng tự tránh vật cản, đồng thời có chế độ hoạt động dưới sự điều khiển từ xa”. 3. Đối tượng và phạm vi nghiên cứu Đối tượng nghiên cứu của đề tài: - Nghiên cứu nguyên lý đo khoảng cách của cảm biến siêu âm SRF05 - Phương pháp điều khiển động cơ (theo phương thức tự hành) - Phương pháp điều khiển từ xa bằng sóng vô tuyến RF Phạm vi nghiên cứu: Không gian làm việc của xe là 1 mặt phẳng được giới hạn bởi các bức tường, các vật cản được xem là vật cản 2 chiều tĩnh hoàn toàn 4. Phương pháp nghiên cứu khoa học Sử dụng kết hợp các phương pháp như: - Phương pháp điều xung PWM - Phương pháp đảo chiều động cơ( mạch cầu H) - Phương pháp điều khiển bằng sóng vô tuyến RF 5. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài 8 a) Ý nghĩa khoa học Xây dựng được cơ sở khoa học về khả năng tự hành tránh vật cản của robot sử dụng cảm biến siêu âm cũng như khả năng nhận sự điều khiển từ xa thông qua sóng vô tuyến RF b) Ý nghĩa thực tiễn của đề tài Tiềm năng ứng dụng của xe tự hành là lớn, có thể kể đến robot vận hành vật liệu, hàng hóa trong các tòa nhà, nhà máy, cửa hàng, sân bay hay thư viện… robot xe lăn phục vụ người khuyết tật,… CHƯƠNG 1 – TỔNG QUAN VỀ ĐỀ TÀI 1.1. Giới thiệu bài toán - Tên đề tài: Xây dựng xe tự hành tránh vật cản sử dụng cảm biến siêu âm SRF05 để đo khoảng cách và có điều khiển từ xa. - Giáo viên hướng dẫn: Ths Phạm Trung Minh 9 Robot tự hành sử dụng cảm biến siêu âm SRF05 để đo khoảng cách Môi trường làm việc của robot là 1 mặt phẳng, được giới hạn bởi các bức tường, các vật cản được xem là vật cản 2 chiều tĩnh hoàn toàn. Trong bài toán robot được trang bị 3 sensor cảm biến siêu âm SRF05, các cảm biến này được đặt lệch nhau 1 góc α ( chọn α=25°) để đo khoảng cách từ bánh xe tùy động tới vật cản B1: 3 sensor cảm biến SRF05 tiến hành đo khoảng cách theo 3 hướng bên trái, bên phải, ở giữa. Sau đó gửi kết quả đo đạc về vi điều khiển - Nguyên lý đo khoảng cách của cảm biến siêu âm SRF05  SRF05 sử dụng nguyên lý phản xạ của sóng để đo khoảng cách  Khi muốn đo khoảng cách SRF05 sẽ phát ra 1 bộ 8 xung với tần số 40KHz sau đó nó sẽ chờ đợi xung phản xạ về. Thời gian từ lúc xung đi cho tới khi xung về có thể dễ dàng tính ra khoảng cách từ SRF05 tới vật cản  Khi phát ra xung và chờ xung phản xạ về, chân Echo của SRF05 được kéo lên mức cao(echo =1) khi có xung phản xạ về chân Echo sẽ được kéo xuống thấp hoặc sau 30us nếu không có xung phản xạ về B2: Vi điều khiển căn cứ vào kết quả đo đạc của cảm biến SRF05 tiến hành xử lý (căn cứ vào 7 tình huống có thể xảy ra khi sensor phát hiện ra vật cản, mỗi tình huống cần có cách ứng xử riêng) và ra quyết định điều khiển động cơ 1 hay động cơ 2 - Giao tiếp giữa PIC 16F877A với SRF05  Đo hoảng cách với SRF05 chính là đo thời gian chân Echo ở mức cao  Để đo thời gian chân Echo ở mức cao ta sử dụng Timer1 và ngắt ngoài của PIC  Khi muốn đo khoảng cách ta sẽ kích hoạt chân Trigger, 1 xung tối thiểu 10ms sau đó đợi chân echo lên mức cao. Kích hoạt timer1 và đợi chân Echo xuống mức thấp, khi chân Echo xuống mức thấp dừng timer và tính toán giá trị từ timer để suy ra khoảng cách 10 Robot hoạt động theo phương pháp điều khiển từ xa bằng sóng RF Robot được điều khiển bằng tần số vô tuyến(RF) sử dụng nguyên lý tương tự như điều khiển bằng tia hồng ngoại nhưng thay vì gửi đi các tín hiệu ánh sáng, nó lại truyền sóng vô tuyến tương ứng với các lệnh nhị phân. Bộ phận thu sóng vô tuyến trên thiết bị được điều khiển nhận tín hiệu và giải mã nó 1.2. Mục đích của đề tài  Mục đính của đề tài là áp dụng công nghệ thông tin vào công việc “Xây dựng 1 xe tự hành có khả năng tự tránh vật cản, đồng thời có chế độ hoạt động dưới sự điều khiển từ xa”. 1.3. Yêu cầu cần thực hiện  Hoàn chỉnh thiết kế và thi công xe tự hành có cảm biến tự tránh vật cản, có bộ thu RF để nhận sự điều khiển từ người dùng.  Xây dựng thiết bị có bộ phát RF, điều khiển sự hoạt động của xe. 1.4. Các chức năng cần có trong bài toán  Robot có khả năng tự tránh vật cản dựa vào 3 sensor cảm biến siêu âm SRF05, cảm nhận môi trường xung quanh robot  Robot có khả năng hoạt động dưới sự điều khiển từ xa của người dùng thông qua sóng vô tuyến RF 1.5. Các khối chức năng cần có Từ việc xác định các chức năng cần phải có trong bài toán ta xác định được bài toán cần các khối chức năng sau  Khối nguồn: chức năng cấp nguồn điện đầu vào +5V cho hệ thống 11  Khối điều khiển trung tâm: gồm 3 khối nhỏ ( khối reset, khối tạo xung dao động và khối vi điều khiển) - Khối reset: chức năng reset hệ thống trở về trạng thái ban đầu - Khối tạo xung dao động: chức năng tạo xung nhịp với tần số thạch anh 20MHz - Khối vi điều khiển( PIC 16F877A) : chức năng điều khiển hệ thống hoạt động, xử lý các thông tin từ các sensor báo về sau đó điều khiển hoạt động của động cơ  Khối điều khiển 2 động cơ ( IC L298): chức năng điều khiển tốc độ và chiều thuận, nghịch của 2 động cơ  Khối cảm biến (SRF05): chức năng giúp xác định trạng thái môi trường bên ngoài (xác định vật cản) sau đó gửi trạng thái môi trường tới bộ xử lý rồi đưa ra các phản ứng điều khiển robot để đối phó với các sự kiện bên ngoài  Khối hiển thị LCD: chức năng hiển thị kết quả đo đạc của sensor cảm biến SRF05  Bộ thu- phát RF: chức năng thu và nhận tín hiệu sóng vô tuyến RF điều khiển hoạt động của robot Nguyên lý hoạt động của bộ thu phát RF + Modul phát: khi cấp mức logic 0 hoặc 1 vào chân data tương ứng thì modul RF sẽ không phát hoặc phát sóng điện từ + Modul thu: bên thu sẽ thu sóng điện từ và khi nhận được sóng chân data sẽ xuất ra mức logic 1, không thu được sẽ xuất ra mức logic 0 CHƯƠNG 2 – GIẢI BÀI TOÁN TÌM ĐƯỜNG TRÁNH VẬT CẢN CỦA XE TỰ HÀNH 2.1. Giới thiệu về xe tự hành tránh vật cản 12 Xe tự hành tránh vật cản hay xe di động được định nghĩa là 1 loại xe có khả năng tự di chuyển, tự vận động (có thể lập trình lại được) dưới sự điều khiển tự động để thực hiện thành công công việc được giao. Theo lý thuyết môi trường hoạt động của xe tự hành có thể là đất, nước, không khí, không gian vũ trụ hay sự tổ hợp giữa chúng. Địa hình bề mặt của xe di chuyển trên đó có thể bằng phẳng hoặc thay đổi lồi lõm. Theo bộ phận thực hiện chuyển động ta có thể chia robot tự hành thành 2 lớp: chuyển động bằng chân hoặc bằng bánh. Trong đề tài này chúng ta sẽ nghiên cứu xe tự hành chuyển động bằng bánh, xe tự hành chuyển động bằng bánh làm việc tốt trong hầu hết các địa hình do con người tạo ra. Điều khiển di chuyển bằng bánh cũng đơn giản hơn nhiều, gần như luôn đảm bảo tính ổn định. Lớp chuyển động bằng bánh có thể chia ra làm 3 loại: loại chuyển động bằng bánh xe, loại chuyển động bằng vòng xích và loại hỗn hợp bánh xe vòng xích. Tiềm năng ứng dụng của xe tự hành là lớn, có thể kể đến robot vận hành vật liệu, hàng hóa trong các tòa nhà, nhà máy, cửa hàng, sân bay hay thư viện… robot xe lăn phục vụ người khuyết tật,… Mặc dù nhu cầu ứng dụng cao, nhưng những hạn chế chưa giải quyết được của robot tự hành như chi phí chế tạo cao đã không cho phép chúng được ứng dụng rộng rãi. Ngoài ra còn phải kể thêm nhược điểm của robot tự hành là thiếu tính linh hoạt và thích ứng khi làm việc ở những vị trí khác nhau. 2.2. Mô hình hóa và động học robot Kết cấu robot lựa chọn gồm 3 bánh trong đó 2 bánh chủ động (phía trước) và 1 bánh tùy động (phía sau) có khả năng tùy ý. 13 Với kết cấu cơ khí này robot có khả năng di chuyển rất linh hoạt, lùi và quay 1 góc bất kỳ. Hình 2.1: Mô hình và động học robot Gọi s1, s2 là đoạn dịch chuyển từ bánh xe tùy động tới 2 bánh chủ động Ta có: = 14 = Với 1, 2, r lần lượt là lượng dịch chuyển quay và bán kính của 2 bánh chủ động. T là khoảnh cách giữa 2 bánh, và là bán kính và góc dịch chuyển của robot trong mặt phẳng nằm ngang. Khi đó = ( ) = Ta xét 2 trường hợp sau của chuyển động: TH1: robot đi theo quỹ đạo là đường thẳng (tiến hoặc lùi) Khi TH2: robot quay qua trái, qua phải Khi Lượng dịch chuyển theo 2 phương của hệ tọa độ gắn với robot 15 . Vị trí của robot được xác định bởi tọa độ gốc của D ( ), góc định hướng tọa độ tại thời điểm thứ (i) được xác định như sau: 2.3. Giải bài toán tìm đường cho robot tự hành Dò đường là 1 khoa học dẫn hướng robot tự hành di chuyển trong không gian làm việc của nó (đất, nước, không khí...). Trong vấn đề dò đường, bài toán được quan tâm nhiều nhất là tìm đường về đích mà không chạm vật cản trên đường đi. Có 2 loại bài toán tìm đường trên đường đi cho robot: bài toán cục bộ, và bài toán toàn cục.  Trong bài toán cục bộ, môi trường làm việc của robot hoàn toàn không được biết trước hoặc nếu có chỉ là 1 phần, robot hoàn toàn phải nhờ vào sự cảm nhận môi trường thông qua cảm biến gán trên nó để dò đường.  Lợi thế: yêu cầu tính toán, dung lượng nhớ thấp, tính linh hoạt cao (tránh được vật cản ngay cả khi vật đó di chuyển).  Hạn chế: do robot tìm đường cục bộ chỉ biết được thông tin xung quanh thông qua sensor cảm nhận môi trường gắn cùng nên robot tìm đường cục bộ có thể không hoàn thành việc tới đích.  Trong bài toán toàn cục, bản đồ môi trường làm việc của robot hoàn toàn được biết trước, vấn đề cần giải quyết là tìm đường đi cho robot trước khi nó xuất phát. 16  Lợi thế: ta đã biết trước có đường đi tối ưu tới đích hay không trước khi robot khởi hành.  Hạn chế: đòi hỏi nhiều lệnh tính toán và bộ nhớ, tình huống xấu có thể xảy ra là nếu bản đồ môi trường làm việc không được khai báo chính xác, yêu cầu biết trước hoàn toàn môi trường hoạt động cũng là 1 nhược điểm. Trong tiểu luận em tập trung vào việc giải quyết bài toán tìm đường cục bộ nhưng ở mức độ đơn giản. Môi trường làm việc của robot là 1 mặt phẳng, được giới hạn bởi các bức tường, các vật cản được xem là vật cản 2 chiều , tĩnh hoàn toàn. Ở bài toán cục bộ robot được trang bị sensor xác định khoảng cách từ bánh xe tùy động tới vật cản. 2.3.1. Bài toán tìm đường cục bộ Một cách tìm đường cục bộ khá hoàn hảo là phương pháp bản đồ noron cực của Michail G. Lagoudakis (1998) dùng 16-32 cảm biến gán trên con robot Normad tạo trường cảm biến bao phủ xung quanh con robot, thuật toán sử dụng là thuật toán ánh xạ noron tương đối phức tạp. Do giới hạn của tiểu luận phương pháp này không đề cập đến. Phương pháp được đề cập đến ở đây sử dụng 3 cảm biến dò đường xác định khoảng cách từ bánh xe tùy động tới vật cản. tùy vào khoảng cách tới vật cản ứng với từng cảm biến, ta xác định được phương hướng di chuyển robot phù hợp. 17 Hình 2.2: Cách đặt ba cảm biến của robot Các cảm biến được đặt lệch 1 góc α ( chọn α=25°) khoảng cách lớn nhất tính từ D mà các cảm biến có thể nhận diện được vật cản là dmax, dmax và α phải đảm bảo sao cho cảm biến có vùng kiểm tra đủ rộng để khi tiến thẳng robot có thể nhận diện được vật cản. Hình 2.3: Không gian làm việc của robot trong mặt phẳng 2 chiều Gọi: Các ứng xử của robot khi sensor phát hiện vật cản. Có 7 tình huống khác nhau khi sensor phát hiện vật cản, mỗi tình huống cần có cách ứng xử riêng. 18  Tình huống 1: cả 3 cảm biến đều phát hiện vật cản - Nếu dl>dr thì robot quay sang trái: =( - Nếu dl<= dr thì robot quay sang phải Ox) =( Ox)  Tình huống 2: chỉ có cảm biến bên trái không phát hiện ra vật cản Robot quay sang trái =( Ox)  Tình huống 3: chỉ có cảm biến bên phải không phát hiện ra vật cản 19 Robot quay sang phải =( Ox)  Tình huống 4: chỉ có cảm biến giữa không phát hiện ra vật cản Robot quay sang phải 1 góc 90 (gán = - 90 ), sau đó hiệu chỉnh .  Tình huống 5: chỉ có cảm biến bên trái phát hiện ra vật cản 20
- Xem thêm -