Đồ án Nghiên cứu ,chế tạo robot hút bụi điều khiển qua bluetooth điện thoại (Phần 1)

Nội dung text: Đồ án Nghiên cứu ,chế tạo robot hút bụi điều khiển qua bluetooth điện thoại (Phần 1)

1. BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT TP.HCM KHOA CƠ KHÍ CHẾ TẠO MÁY ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP NGÀNH CÔNG NGHỆ KỸ THUẬT CƠ ĐIỆN TỬ NGHIÊN CỨU ,CHẾ TẠO ROBOT HÚT BỤI ĐIỀU KHIỂN QUA BLUETOOTH ĐIỆN THOẠI GVHD: PGS.TS NGUYỄN TRƯỜNG THỊNH SVTH: PHẠM NGỌC TÙNG MSSV: 10111093 S K L 0 0 4 2 7 7 Tp. Hồ Chí Minh, tháng 1/2016
2. TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT TP.HỒ CHÍ MINH KHOA CƠ KHÍ CHẾ TẠO MÁY BỘ MÔN CƠ ĐIỆN TỬ    LUẬN VĂN TỐT NGHIỆP NGHIÊN CỨU ,CHẾ TẠO ROBOT HÚT BỤI ĐIỀU KHIỂN QUA BLUETOOTH ĐIỆN THOẠI GVHD : PGS.TS NGUYỄN TRƯỜNG THỊNH SVTH : PHẠM NGỌC TÙNG MSSV : 10111093 Tp. Hồ Chí Minh, tháng 01 năm 2016
3. CỘNG HÒA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM Độc lập – Tự do – Hạnh phúc NHIỆM VỤ ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP Họ và tên sinh viên: PHẠM NGỌC TÙNG MSSV:10111093 Ngành: Cơ Điện Tử Lớp:101112 Giảng viên hƣớng dẫn: PGS.TS NGUYỄN TRƢỜNG THỊNH Ngày nhận đề tài: Ngày nộp đề tài: 1. Tên đề tài: “Nghiên cứu, chế tạo Robot hút bụi điều khiển qua Bluetooth điện thoại”. 2. Các số liệu, tài liệu ban đầu: Kế thừa thiết kế từ đề tài “ Nghiên cứu chế tạo Robot hút bụi tự động”. 3. Nội dung thực hiện đềtài: - Chế tạo Mobile Robot 3 bánh : 1 bánh dẫn , 2 bánh đẩy. - Nghiên cứu xây dựng thuật toán điều khiển Robot. - Điều khiển động cơ Dc Servo bằng Arduino Uno. -Giao tiếp giữa Arduino Uno và Bluetooth điện thoại. -Thiết lập giao diện điều khiển trên điện thoại android. 4. Sản phẩm:
4. CỘNG HÒA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM Độc lập – Tự do – Hạnh phúc PHIẾU NHẬN XÉT CỦA GIÁO VIÊN HƢỚNG DẪN Họ và tên Sinh viên: MSSV: Ngành: Tên đề tài: Họ và tên Giáo viên hƣớng dẫn: NHẬN XÉT 1. Về nội dung đề tài & khối lƣợng thực hiện: 2. Ƣu điểm: 3. Khuyết điểm: 4. Đề nghị cho bảo vệ hay không? 5. Đánh giá loại: 6. Điểm: .(Bằng chữ: ) TP. Hồ Chí Minh,ngày tháng năm 20 Giáo viên hƣớng dẫn (Ký & ghi rõ họ tên)
5. CỘNG HÒA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM Độc lập – Tự do – Hạnh phúc PHIẾU NHẬN XÉT CỦA GIÁO VIÊN PHẢN BIỆN Họ và tên Sinh viên: MSSV: Ngành: Tên đề tài: Họ và tên Giáo viên phản biện: NHẬN XÉT 1. Về nội dung đề tài & khối lƣợng thực hiện: 2. Ƣu điểm: 3. Khuyết điểm: 4. Đề nghị cho bảo vệ hay không? 5. Đánh giá loại: 6. Điểm: .(Bằng chữ: ) TP. Hồ Chí Minh, ngày tháng năm 20 Giáo viên phản biện (Ký & ghi rõ họ tên)
6. LỜI CẢM TẠ Trong quá trình học tập và rèn luyện tại trƣờng Đại Học Sƣ Phạm Kỹ Thuật Thành Phố Hồ Chí Minh, tôi đã đƣợc sự truyền đạt, chỉ bảo tận tình và tiếp thu đƣợc một lƣợng kiến thức đáng kể không chỉ về kiến thức chuyên ngành mà là những kiến thức về thế giới xung quanh thông qua chƣơng trình đào tạo của nhà trƣờng cùng với hoạt động giảng dạy, truyền đạt kiến thức của toàn thể giảng viên trong trƣờng. Với sự hỗ trợ đầy đủ về cơ sở vật chất cũng nhƣ môi trƣờng nghiên cứu đã tạo điều kiện cho tôi mở mang kiến thức và có cái nhìn mới về khoa học. Vì vậy lời cảm ơn đầu tiên tôi xin gởi đến trƣờng Đại Học Sƣ Phạm Kỹ Thuật Thành Phố Hồ Chí Minh và tất cả những Giảng viên giảng dạy. Đồ án này hoàn thành nhờ sự hỗ trợ từ giáo viên hƣớng dẫn. Nhờ sự hƣớng dẫn tận tình của thầy tôi đã từng bƣớc liên kết những kiến thức đã đƣợc học và thực hiện những công việc trong đồ án. Thầy cũng là ngƣời tạo điều kiện để tôi sáng tạo và dám thực hiện những ý tƣởng của mình một cách chủ động, đồng thời bằng kinh nghiệm của mình, thầy đã góp ý chân thành để tôi hoàn thiện những ý tƣởng đó. Tôi xin gửi đến thầy lời cảm ơn chân thành nhất. Tiếp theo xin gửi lời cảm ơn đến những ngƣời bạn, những ngƣời anh đi trƣớc đã giúp đỡ tôi trong suốt quá trình làm đồ án. Cuối cùng xin gửi lời cảm ơn đến gia đình, đặc biệt là cha mẹ, những ngƣời đã hy sinh âm thầm để yêu thƣơng tôi trong cuộc đời này. TP.HCM, ngày tháng năm 20 Ngƣời thực hiện
7. TÓM TẮT ĐỀ TÀI Trong điều kiện kinh tế xã hội và khoa học kỹ thuật phát triển mạnh nhƣ ngày nay khái niệm robot đã không còn xa lạ với chúng ta. Robot đƣợc sử dụng rộng rãi và phổ biến, không những xuất hiện trong sản xuất công nghiệp mà còn phục vụ trong gia đình, giải trí, gọi chung là robot dịch vụ. Bên cạnh đó nhịp sống ngày càng gấp rút và hối hả hơn, chính vì vậy xuất hiện các robot phục vụ tự động trong gia đình trở nên cấp thiết hơn. Sự xuất hiện của robot hút bụi tự động sẽ mang lại cho chúng ta cuộc sống thêm tiện nghi và hiện đại hơn. Robot hút bụi là sản phẩm kết hợp hệ thống hút bụi và lập trình di chuyển để tiến hành hút bụi đƣợc sử dụng ngày càng nhiều trong dân dụng. Nắm bắt đƣợc những nhu cầu trên, robot hút bụi đã đƣợc nghiên cứu, phát triển trên thế giới từ những năm 1995. Đến nay, robot hút bụi đã đƣợc sản xuất nhằm đáp ứng nhu cầu của con ngƣời với các hãng sản xuất nhƣ: Samsung, LG, Sanyo Nhiệm vụ của đề tài này là khảo sát tính năng của các robot hút bụi trên thị trƣờng, từ đó cải tiến và phát triển robot dựa trên vi điều khiển Arduino và bluetooth điện thoại android.
8. ABSTRACT In the socio-economic conditions and technological development as strong as today the concept robot was no stranger to us. Robots are widely used and popular, not only appear in industrial production, but also in domestic service, entertainment, collectively called service robots. Besides lifestyle increasingly more urgency and hustle, so service robots appear automatically in the family becomes more urgent. The advent of robotic vacuum cleaner automatically gives us more life and more modern amenities. Robot vacuum cleaners are products that combine vacuum system and programmed to move to conduct vacuum is used more and more in consumer products. Catching up with demand, the robot vacuum cleaner has been researching, developing world since 1995. To date, the robot vacuum cleaner has been produced to meet the needs of people with the manufacturer as : Samsung, LG, Sanyo The mission of this project is to examine the features of the robot vacuum cleaners on the market, thus improving and developing robots based on the Arduino microcontroller and Bluetooth phone android.
9. Mục Lục I.1 Đặt vấn đề 1 II. Giới thiệu một số loại Robot hút bụi hiện nay : 2 II.1 Robot Roomba 2 II.2.Robot LG Hombot 5 III. Kế thừa và hƣớng nghiên cứu 8 IV. Điểm mới của đề tài 10 V. Giới hạn đề tài 11 VI. Phƣơng pháp nghiên cứu 11 CHƢƠNG 2: THIẾT KẾ, TÍNH TOÁN ĐỘNG HỌC 12 I. Thiết kế cấu trúc của robot 12 I.1 Yêu cầu kĩ thuật của robot: 12 I.2 Phƣơng án thiết kế: 12 II.Bài toán quỹ đạo di chuyển của robot 23 III.Giải thuật điều khiển : 24 CHƢƠNG 3 : THIẾT KẾ MẠCH ĐIỆN VÀ BỘ ĐIỀU KHIỂN. 25 I.Các thiết bị và linh kiện của Robot : 25 I.1 Bộ điều khiển trung tâm: 25 I.2 Mạch công suất (mạch cầu H L298) điều khiển động cơ : 32 I.3 Động cơ và driver dùng cho 2 bánh xe : 33 I.4 Động cơ dùng cho 2 chổi quét và hệ thống hút bụi : 35 I.5 Module Bluetooth HC06 : 36 I.6 Mạch báo pin 38 I.7 Cảm biến Siêu âm SRF05 39 I.8 Nguồn cấp cho cả con Robot: 41 II. Sơ đồ mạch điện 42 CHƢƠNG 4: LẬP TRÌNH ĐIỀU KHIỂN CHO ROBOT BẰNG PHẦN MỀM APP MIT INVENTOR 49 CHƢƠNG 5 :THỰC NGHIỆM VÀ ĐÁNH GIÁ KẾT QUẢ 54
10. CHƢƠNG 6: KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 59 I. Kết luận: 59 II. Kiến nghị 60 TÀI LIỆU THAM KHẢO 84 Danh mục hình ảnh: Hình 1.1: Robot Hút Bụi Roomba 18 Hình 1.2: Kết cấu của Robot RoomBa 19 Hình 1.3: Quỹ đạo di chuyển của robot RoomBa 19 Hình 1.4: Hệ thống chổi của RoomBa 20 Hình 1.5: RoomBa tự động sạc pin 20 Hình 1.6 : Robot LG HomBot 21 Hình 1.7: Hình dáng và bố trí chổi quét góc tƣờng 22 Hình 1.8: Kết cấu và bố trí cảm biến của Robot .22 Hình 1.9 : HomeBot tiếp xúc vật cản .23 Hình 1.10: Bố trí nguồn nuôi và chổi của Robot .23 Hình 1.11: Robot di chuyển kiểu zigzag .24 Hình 1.12: Robot di chuyển phân ô .25 Hình 1.13: Robot di chuyển xoáy ốc 25 Hình 2.1: Tổng thể của Robot đƣợc thiết kế trên solidwork 29 Hình 2.2: Bản vẽ thiết kế mặt trên khung 30 Hình 2.3 : Bản vẽ thiết kế mặt dƣới khung 31 Hình 2.4: Bản vẽ thiết kế chổi quét 32 Hình 2.5: Nguyên lí hút bụi 33 Hình 2.6: Bản vẽ hộp đựng bụi 34 Hình 2.7: Bản vẽ hộp đựng rác 35 Hình 2.8: Bản vẽ quạt hút 36 Hình 2.9: Cấu trúc bên trong của robot trên solidword 37
11. Hình 2.10: Bánh tự lựa trên thị trƣờng 38 Hình 2.11: Bánh tự lựa đƣợc chọn 39 Hình 2.12: Sơ đồ thuật toán điều khiển robot 40 Hình 3.1 Mạch Arduino 44 Hình 3.2: Chu trình chạy phần mềm IDE 46 Hình 3.3: Giao diện Arduino IDE 47 Hình 3.4: Arduino Toolbar 47 Hình 3.5: IDE menu .48 Hình 3.6: File menu 48 Hình 3.7: Sketch menu 48 Hình 3.8: Tool menu 49 Hình 3.9: Hiển thị Board va Serial Port 49 Hình 3.10: Board Arduino sử dụng 49 Hình 3.11: Mạch cầu H 50 Hình 3.12: Sơ đồ nguyên lý mạch cầu H 50 Hình 3.13: Động cơ DC Servo JGA25-371 51 Hình 3.14: Bản vẽ chi tiết động cơ DC Servo JGA25-371 52 Hình 3.16: Động cơ DC gear motor 5V 53 Hình 3.17: Module bluetooth HC06 54 Hình 3.18: Mô hình Arduino kết nối với module bluetooth HC 06 56 Hình 3.19: Sơ đồ nguyên lý mạch báo pin yếu 56 Hình 3.20: Mạch báo pin yếu 57 Hình 3.21: Cảm biến siêu âm SRF05 57 Hình 3.22 : Pin Lipo và bộ sạc 59
12. Hình 3.23: Sơ đồ mạch điện 60 Hình 3.24: Sơ đồ nguyên lí mạch điều khiển 61 Hình 3.25: Đồ thị điều chế xung PWM 62 Hình 3.26: Sơ đồ nguyên lí PWM điều khiển động cơ 64 Hình 3.27: Cấu trúc chung của hệ thống vòng kín 64 Hình 4.1: Phần mềm MIT app inventor 67 Hình 4.2: Giao diện App Inventor 69 Hình 4.3: Giao diện điều khiển robot đƣợc thiết kế (Designer) trên MIT Inventor 70 Hình 4.4: Giao diện lập trình (Blocks) sau khi đã Designer 71 Hnh 5.1 : Mô hình thực tế của Robot 72 Hình 5.2: Giao diện trên Android ở chế độ AUTO 74 Hình 5.3 : Giao diện trên Android ở chế độ MANUAL 75 Danh mục bảng Bảng 3.28 : Tác động của mỗi bộ Kp,Ki,Kd. 66 Bảng 3.29 : Công thức tính toán độ lợi KP, KI, KD 66
13. CH ƯƠNG 1: T ỔNG QUAN I.1 Đặt v ấn đề Ngày nay, robot học không ch ỉ đạt được nh ững thành tựu to lớn trong nền sản xu ất công nghi ệp như : nh ững cánh tay robot có khả năng làm việc với tốc độ cao, chính xác và liên tục làm năng suất tăng hơn rất nhiều lần so với trước đây mà còn được ứng d ụng trong đời sống hàng ngày. Một trong những sản ph ẩm robot đầu tiên được ứng dụng trong đời sống đó là robot hút bụi tự động. Robot này sẽ giúp bạn tránh được việc ph ải đi cùng, tiếp xúc tr ực tiếp với bụi bặm, tiếng ồn - nh ững yếu tố gây tác động xấu lên sức kh ỏe. Với mục tiêu ho ạt động trong nhà, robot hút bụi được thi ết kế nh ỏ gọn để ho ạt động được ở những nơi con ng ười ít khi tiếp xúc lau dọn nh ư :gầm giường ,ghế ,sofa ,bàn nh ỏ Đồng thời, robot hút bụi cũng có khả n ăng phát hiện và tránh v ật cản, chống rơi để thích hợp ho ạt động trong nhà.Tuy nhiên, ph ải di chuyển khi hoạt động nên nguồn nuôi của robot là pin hoặc acquy nên thời gian hoạt động và công suất hút bụi của robot bị bạn chế. Để kh ắc ph ục b ất tiện do ngu ồn nuôi và tăng kh ả n ăng tương tác v ới ng ười dùng, hiện nay các sản phẩm robot hút bụi được nghiên cứu, ch ế tạo theo hướng thông minh nh ư: tự động s ạc nguồn điện khi yếu ngu ồn, ch ức năng h ẹn giờ, lưu bản đồ đường đi Hiện nay ,robot thút bụi đã được nhập kh ẩu và sử dụng ở Việt Nam.Tuy nhiên ,ch ưa có nghiên cứu trong nước nào th ực hi ện về đề tài này. Vì vậy, nghiên cứu về robot hút bụi là c ần thiết tạo ti ền đề chế tạo ra s ản ph ẩm phù h ợp phục v ụ nhu c ầu trong nước. Page 1
14. II. Giới thiệu một số loại Robot hút bụi hiện nay : II.1 Robot Roomba Robot Roomba của hãng iRobot là một robot hút bụi thông minh. Không giống nhƣ các loại máy hút bụi thông thƣờng. Roomba thực hiện công việc hút bụi một cách hoàn toàn tự động theo chƣơng trình đã đƣợc lập sẵn. Roomba thích hợp cho các gia đình và văn phòng có nền gỗ, thảm, đá hoa. Hình 1.1 Robot hút bụi Roomba Với kích thƣớc nhỏ gọn robot có thể di chuyển hết các phòng ,những nơi mà máy hút bụi thông thƣờng khó vào đƣợc nhƣ gầm bàn, giƣờng ,sofa, Page 2
15. Hình 1.2 Kết cấu của Robot RoomBa. Các chức năng nổi bật của Roomba là điều khiển từ xa bằng remote control tự cảm nhận tránh vật cản, tự động sạc khi hết nguồn pin. Roomba có khả năng di chuyển linh hoạt nhƣ di chuyển hình xoắn ốc,zigzag, Hình 1.3 Quỹ đạo di chuyển của robot RoomBa Roomba đƣợc trang bị 3 chổi quét, trong đó chổi thứ nhất đặt phía trƣớc có chức năng quét bụi ở góc tƣờng. Chổi thứ hai và chổi thứ ba có chiều quay ngƣợc nhau đƣa bụi cũng nhƣ rác vào hộp đựng bụi. Hộp này không những đựng bụi mà lọc cả không khí. Page 3
16. Hình 1.4 Hệ thống chổi của RoomBa Robot Roomba có khả năng báo hết pin và tự động tìm nơi sạc pin. Hình 1.5 RoomBa tự động sạc pin Với giá thành tầm khoảng gần 11 triệu vnd so với thị trƣờng tiêu thụ ở Việt Nam thì hơi cao. Page 4
17. II.2.Robot LG Hombot Hombot là một robot hút bụi thông minh thế hệ mới do hãng LG nghiên cứu chế tạo. Hình 1.6 Robot LG HomBot Không những vƣợt trội trong thiết kế mà đột phá về công nghệ trang bị cho robot. Hình dáng của robot là hình vuông đƣợc bo các góc tạo sự mƣợt mà cũng nhƣ tăng diện tích làm sạch trong các góc tƣờng. Page 5
18. Hình 1.7 Hình dáng và bố trí chổi quét góc tường Hombot đƣợc trang bị hai chổi quét, cảm biến siêu âm, camera, vì vậy nâng cao hiệu quả làm việc cho robot. Hình 1.8 Kết cấu trên và bố trí cảm biến của Robot Hệ thống cảm nhận vật cản của robot sử dụng cảm biến siêu âm, cảm này giúp cho robot phát hiện vật cản hiệu quả, đo khoảng cách chuẩn xác. Robot tiếp xúc với vật cản từ khoảng cách rất nhỏ với chỉ 5mm. Page 6
19. Hình 1.9 Hombot tiếp xúc vật cản Hình 1.10 Bố trí nguồn nuôi và chổi của Robot Không giống nhƣ các robot hút bụi khác, Hombot hoạt động hiệu quả nhờ các chế độ di chuyển hợp lý, nhƣ hình xoáy ốc, zigzag, phân ngăn, phân ô. Trang bị camera nhận biết không gian,từ đó đƣa ra lịnh trình làm việc hiệu quả cao.Ví dụ nhƣ : Page 7
20. những nơi mà robot đã đi qua sẽ không lập lại, ƣu tiên làm sạch ở những nơi bẩn hơn. Nhƣng với giá thành khoảng 16 triệu vnd thì nó càng khó hơn để ngƣời tiêu dùng tiếp cận đƣợc với nó. III. Kế thừa và hướng nghiên cứu Sau khi khảo sát một số loại Robot hút bụi trên thị trƣờng hiện nay, đa số các loại này đều có chung những ƣu điểm : di chuyển tự động linh hoạt nhƣ di chuyển hình xoắn ốc,zigzag, và sử dụng cảm biến siêu âm để tránh vật cản và điều khiển từ xa bằng remote control. Các kiểu di chuyển của robot: Hình 1.11 Robot di chuyển kiểu Zigzag Page 8
21. Hình 1.12 Robot di chuyển phân ô Hình 1.13 Robot di chuyển xoáy ốc Khi mà công nghệ ngày một phát triển thì chiếc smart phone ngày càng gần gũi hơn với con ngƣời,nó không chỉ đƣợc sử dụng với mục đích nghe ,gọi hay nhắn tin mà còn có nhiều tính năng khác, kế thừa những thành quả có sẵn và cùng với những ý tƣởng của mình, tôi đã quyết định phát triển robot hút bụi dùng bluetooth điện thoại android để điều khiển thay vì dùng remote control,vì khá phù hợp với trình Page 9