Đề tài Thiết kế và thi công mạch đo khoảng cách dùng hệ thống cảm biến siêu âm cho robot di động (Phần 1)

Nội dung text: Đề tài Thiết kế và thi công mạch đo khoảng cách dùng hệ thống cảm biến siêu âm cho robot di động (Phần 1)

1. BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH BÁO CÁO NGHIÊN CỨU KHOA HỌC CẤP SINH VIÊN THIẾT KẾ VÀ THI CÔNG MẠCH ĐO KHOẢNG CÁCH DÙNG HỆ THỐNG CẢM BIẾN SIÊU ÂM CHO ROBOT DI ĐỘNG GVHD: T.S NGÔ VĂN THUYÊN SVTH: NGUYỄN HẢI QUANG 07118030 TRẦN VĂN LUÂN 07118025 S K C 0 0 3 1 7 5 THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH, THÁNG 05/2011
2. BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT TP HỒ CHÍ MINH KHOA ĐIỆN-ĐIỆN TỬ BỘ MÔN TỰ ĐỘNG ĐIỀU KHIỂN BÁO CÁO NGHIÊN CỨU KHOA HỌC CẤP SINH VIÊN ĐỀ TÀI: THIẾT KẾ VÀ THI CÔNG MẠCH ĐO KHOẢNG CÁCH DÙNG HỆ THỐNG CẢM BIẾN SIÊU ÂM CHO ROBOT DI ĐỘNG. GVHD: T.S NGÔ VĂN THUYÊN SVTH: NGUYỄN HẢI QUANG 07118030 TRẦN VĂN LUÂN 07118025 TP HỒ CHÍ MINH – 5/2011
3. Mục lục Nội dung Trang Phần I: Đặt vấn đề 4 Phần 2: Giải quyết vấn đề 5 I Mục đích đề tài 5 II. Phương pháp nghiên cứu 5 III. Nội dụng 6 Chương 1: Robot di động sử dụng cảm biến siêu âm 6 1.1. Khái niệm chung Robot di động 6 1.2. Các thành phần cấu tạo chính của Robot 7 1.3. Mô tả hoạt động 7 Chương 2: Giới thiệu về cảm biến siêu âm SRF05 8 2.1 Tổng quan về cảm biến siêu âm SRF05 8 2.2 Các đặc tính chính của cảm biến siêu âm SRF05 8 2.2.1 Các chế độ hoạt động 2.2.2 Tính toán khoảng cách 2.2.3 Góc quét của cảm biến 2.2.4 Một số đặc tính khác Chương 3: Giới thiệu về Vi điều khiển H8 15 3.1 Tổng quan về Vi điều khiển H8 15 3.2 Những chức năng chính của Vi điều khiển H8 16 Chương 4: Mạch công suất điều khiển động cơ và xử lí tín hiệu điều khiển 23 4.1 Mạch công suất điều khiển động cơ 23 4.2 Mạch xử lí tín hiệu điều khiển 25 Chương 5: Giải bài toán tránh vật cản cho robot 26 5.1 Cách tính đọc dữ liệu trả về từ cảm biến 26 2
4. 5.2 Giải thuật robot di chuyển tránh vật cản 26 IV. Kết quả đạt được 30 Phần 3: Kết luận 30 I. Kết luận 30 II. Đề nghị 30 3
5. Phần 1: Đặt vấn đề Ngày nay với sự phát triển như vũ bão của khoa học công nghệ thì vấn đề sử dụng Robot thay con người làm việc là một yêu cầu tất yếu của nhu cầu nâng cao chất lượng cuộc sống con người. Do nhu cầu của con người ngày càng đòi hỏi ứng dụng rộng rãi các phương tiện tự động hoá. Xu hướng tạo ra những thiết bị tự động có tính linh hoạt cao đang hình thành. Các thiết bị này đang thay thế dần các máy tự động cứng chỉ đáp ứng một việc nhất định. Điều này dẫn đến nhu cầu ứng dụng robot để tạo ra các hệ thống tự động linh hoạt. Việc Robot thay thế con người làm việc trong các môi trường khắc nghiệt như trong hầm mỏ, đáy đại dương sâu hàng Km, hay các Robot tự hành có khả năng xác định đường đi và thu thập dữ liệu để gởi về các trung tâm điều khiển, đang trở thành phổ biến ở các nước phát triển và đang trở thành xu hướng của các nước đang phát triển trong đó có Việt Nam chúng ta. Đứng trước nhu cầu khát khao nghiên cứu khoa học, tìm tòi những cái mới nhóm nghiên cứu đã nghiên cứu, chế tạo Robot di động sữ dụng cảm biến siêu âm để tránh vật cản. 4
6. Phần 2: Giải quyết vấn đề I- Mục tiêu đề tài Mục tiêu của đề tài nhằm xây dựng mô hình Robot tự hành, đặt nền móng cho sự phát triển mạnh mẽ hơn nữa trong nghiên cứu khoa học về lĩnh vực Robot. II- Phương pháp nghiên cứu. Phương pháp nghiên cứu của đề tài là tham khảo tài liệu, thiết kế thử nghiệm. Cụ thể:  Tham khảo tài liệu: đọc datasheet của Vi điều khiển H8, cảm biến siêu âm SRF05, nghiên cứu phương pháp điều khiển Vi điều khiển H8 và cảm biến siêu âm SRF05.  Tham khảo những kinh nghiệm trong thiết kế và thi công phần cứng Robot. III- Nội dung. Nội dung của đề tài gồm các chương sau: Chương1: Robot di động sử dụng cảm biến siêu âm Chương này trình bày mô hình robot di động tránh vật cản dùng cảm biến siêu âm. Chương 2: Giới thiệu về cảm biến siêu âm SRF05 Chương này trình bày về nguyên tắc hoạt động của cảm biến siêu âm và các chế độ hoạt động của SRF05. Chương 3: Giới thiệu về Vi điều khiển H8 5
7. Chương này trình bày những phần chính của vi điều khiển H8 sử dụng trong đề tài này. Chương 4: Mạch công suất điều khiển động cơ và xử lí tín hiệu điều khiển Chương này trình bày về sơ đồ nguyên lí và xử lí tín hiệu được sử dụng trong đề tài này. Chương 5: Giải bài toán tránh vật cản cho robot Chương này trình bày giải thuật tính toán và điều khiển cho robot di động tránh vật cản.  Chương1: Robot di động sử dụng cảm biến siêu âm 1.1- Khái niệm chung Robot di động Robot di động là loại thiết bị có thể chuyển động, được lập trình điều khiển tự động nhằm thực hiện những mục đích mà con người đặt ra. 1.2- Các thành phần cấu tạo của Robot di động a) Đế: Phần đế của Robot di động đóng một vai trò hết sức quan trọng, nó đảm bảo cho Robot hoạt động một cách ổn định, thiết kế phần đế phải đảm bảo những yêu cầu: độ cứng vững, độ đồng phẳng. b) Thân: Phần này chủ yếu là nơi gắn các cơ cấu nhằm giúp Robot thực hiện mục tiêu của mình. 6
8. c) Board mạch: Phần này thể hiện sự thông minh của Robot, bao gồm có main board, board mạch công suất điều khiển động cơ và board xử lí tín hiệu từ cảm biến siêu âm đưa về. d) Cảm biến siêu âm: Phần này giống như “con mắt” của Robot, nó sẽ đưa tín hiệu có vật hay không có vật về main board để xử lí. 1.3- Mô tả hoạt động: Robot chuyển động được là nhờ hệ thống bánh xe bên dưới đế Robot, khi chuyển động thì đồng thời cảm biến siêu âm sẽ quét một góc nhất định phía mặt trước của Robot: Khi không có vật tức cảm biến siêu âm sẽ không đưa tín hiệu “không có vật” về board xử lí và Robot tiếp tục đi thẳng. Khi vật xuất hiện trong vùng quét của cảm biến thì cảm biến sẽ đưa một tín hiệu “có vật” về board xử lí, lúc này vi điều khiển sẽ đưa ra quyết định bẻ lái sáng trái hoặc sang phải để tránh vật. 7
9. Chương 2: Giới thiệu về cảm biến siêu âm SRF05 2.1- Tổng quan về cảm biến siêu âm SRF05 Giới thiệu: Cảm biến siêu âm hoạt động dựa trên sự phát và thu sóng siêu âm. SRF05(Hình 1) là một bước phát triển từ SRF04, được thiết kế để làm tăng tính linh hoạt, tăng phạm vi, ngoài ra còn giảm bớt chi phí. SRF05 là hoàn toàn tương thích với SRF04. Khoảng cách được tăng từ 3 mét đến 4 mét. SRF05 cho phép sử dụng một chân duy nhất cho cả kích hoạt và phản hồi, do đó tiết kiệm giá trị trên Hình 1: Hình ảnh về cảm biến SRF05 chân điều khiển. Khi chân chế độ không kết nối, thì SRF05 hoạt động riêng biệt chân kích hoạt và chân hồi tiếp, như SRF04. 2.2- Các đặc tính chính của cảm biến siêu âm SRF05 2.2.1- Các chế độ hoạt động 2.2.1.1- Chế độ một Tương ứng SRF04 – tách biệt kích hoạt và phản hồi Chế độ này sử dụng riêng biệt chân kích hoạt và chân phản hồi, và là chế độ đơn giản nhất để sử dụng. Tất cả các chương trình điển hình cho SRF04 sẽ làm việc cho SRF05 ở chế độ này. Để sử dụng chế độ này, chỉ cần chân chế độ không kết nối(Hình 2 và 3). 8
10. Hình 2: Kết nối SRF05 hoạt động ở mode 1 Hình 3: Hoạt động SRF05 ở chế độ 1 2.2.1.2- Chế độ hai Dùng một chân cho cả kích hoạt và phản hồi Chế độ này sử dụng một chân duy nhất cho cả tín hiệu kích hoạt và hồi tiếp, và được thiết kế để lưu các giá trị trên chân lên bộ điều khiển nhúng. Để sử dụng chế 9
11. độ này, chân chế độ kết nối vào chân mass. Tín hiệu hồi tiếp sẽ xuất hiện trên cùng một chân với tín hiệu kích hoạt. SRF05 sẽ không tăng dòng phản hồi cho đến 700uS sau khi kết thúc các tín hiệu kích hoạt(Hình 4 và 5). Hình 5: Kết nối SRF05 ở mode 2 Hình 6: Hoạt động của SRF05 ở mode 2 10
12. 2.2.2- Tính toán khoảng cách Sóng siêu âm được truyền trong không khí với vận tốc khoảng 343m/s. Nếu một cảm biến phát ra sóng siêu âm và thu về các sóng phản xạ đồng thời, đo được khoảng thời gian từ lúc phát đi tới lúc thu về thì ta có thể xác định được quãng đường mà sóng đã truyền đi trong không gian. Quãng đường mà sóng truyền đi và truyền về bằng hai lần khoảng cách từ cảm biến tới vật. Hay theo nguyên lí TOF(Hình 7) thì: D=V*T/2 Trong đó: D: khoảng cách từ cảm biến tới vật. V: vận tốc truyền sóng trong không khí 343m/s T: thời gian mà sóng đi từ cảm biến tới vật. Hình 7: Nguyên lí TOF 2.2.3- Góc quét và chùm tia của cảm biến  Góc quét của cảm biến: có dạng hình quạt(Hình 8) 11
13. Hình 8: Góc quét của SRF05  Chùm tia của cảm biến Chùm tia của SRF05 có dạng hình nón với độ rộng của chùm là một hàm của diện tích mặt của các cảm biến và là cố định. Chùm tia của cảm biến được sử dụng trên SRF05 được biểu diễn bên dưới: Hình 9: Chùm tia SRF05 12