Báo cáo tìm hiểu Robot 3 bánh 10 4 2020 [PDF]

Zitiervorschau

BÁO CÁO TÌM HIỂU ROBOT OMNI 3 BÁNH NGÀY 10/4/2020 Báo cáo lần này của chúng em gồm các phần :  Thiết kế cơ khí, chọn linh kiện  Tìm hiểu về đo tốc độ động cơ và điều khiển động cơ bằng PWM  Xây dựng hàm truyền và hệ thống điều khiển tốc độ động cơ I) THIẾT KẾ CƠ KHÍ VÀ CHỌN LINH KIỆN 1) Bánh xe và khớp nối a) Bánh xe Trên cơ sở làm xe 3 bánh omni và để phù hợp với kích thước xe đã lựa chọn , chúng em chọn loại bánh Omni 58mm nhựa.

Hình 1 :Hình ảnh bánh xe thực Một số thông số của bánh : 

Đường kính bánh xe: 58mm



Đường kính trục: 13mm



Chất liệu: Nhựa ABS + Cao su



Trọng tải: 3Kg



Trọng lượng: 60g



Bánh đôi với mỗi nửa có 5 con lăn

Hình 2 : Các kích thước của bánh

b) Khớp nối

Hình 3 : Bộ khớp nối đi kèm với bánh xe và ghép nối với động cơ

Một vài thông số của khớp nối : 

Tương thích: bánh xe Omni wheel đường kính trục 13mm.



Chất liệu: Nhôm.



Tương thích động cơ đường kính trục 4-6mm

2) Chọn động cơ a) Tính toán trọng tải và momen lực của động cơ : Khối lượng của robot ( ước lượng ) : m ≈3 kg Bán kính của bánh xe : r = 2,9 cm Các hệ số ma sát: -Hệ số ma sát nghỉ lớn nhất ( bánh xe cao xu với bề mặt gạch hoa ) : ut = 1 -Hệ số ma sát lăn lớn nhất ( bánh xe cao xu với bề mặt gạch hoa ) : ul = 0,002 * Trường hợp xe chạy với vận tốc không đổi trên mặt phẳng : Momen cản trên 1 bánh là : T c= m.g.ul .r/3 = 0,058 Ncm

* Trường hợp xe khởi động trên mặt phẳng : Momen cản trên 1 bánh là : T c= m.g.ut .r/3 = 29Ncm = 2,9kgcm

*Trường hợp xe leo dốc với vận tốc không đổi trên mặt phẳng nghiêng tạo với mặt phẳng ngang góc α Momen cản trên 1 bánh: Tc =r.(mg.sin α + ul.mg.cos α)/3 Trong đó: r=2,9cm, mg=30N, ul = 0,002 - α = 20o => Tc = 10Ncm=1kgcm - α = 30o => Tc = 14,6Ncm=1,46kgcm - α = 45 o => Tc = 21Ncm=2,1kgcm *Trường hợp xe khởi động (theo chiều leo dốc) trên mặt phẳng nghiêng tạo với mặt phẳng ngang góc α

Momen cản trên 1 bánh: Tc =r.(mg.sin α + ut .mg.cos α)/3 Trong đó: r = 2,9cm, mg=30N, ut = 1 - α = 20o => Tc = 37Ncm=3,7kgcm - α = 30o => Tc = 39,6Ncm=3,96kgcm - α = 45 o => Tc = 41Ncm=4,1kgcm **Xét riêng trường hợp khởi động xe với gia tốc góc γ Giả sử bánh xe đạt được tốc độ ω = 21(rad/s) sau 1s thì γ = 21(rad/s2) (Khối lượng bánh xe không đáng kể so với khối lượng thân xe mà bánh tải là m/3 = 1kg) m 2 Momen quán tính tâm bánh I = 3 . r

Momen lực của bánh trong chuyển động quay quanh trục cố định : M =I . γ M =1.0,0292 .21=0,0177 ( N . m) =0,177( kg . cm)

*Trong chuyển động trên mặt phẳng Vậy Momen lực lớn nhất trên 1 bánh là : τ =Tc + M =2,9+ 0,177=3,077 (kg . cm)

*Trong chuyển động trên mặt nghiêng Momen lực lớn nhất trên 1 bánh là (tại mặt nghiêng 45 o) τ =Tc + M =4,1+ 0,177=4,277(kg . cm)

b) Tính toán tốc độ quay của động cơ: Tốc độ mong muốn của xe : 0,6m/s , coi đó cũng là tốc độ lớn nhất của một bánh omni. Với r = 2,9cm , v = 0,6m/s ta tính được tốc độ quay là 198 vòng/phút. Vậy ta chọn động cơ có tốc độ với tải định mức ở điện áp 12V ≥ 198 RPM (tốc độ không tải sẽ lớn hơn). c) Công suất động cơ : P=τ .ω=0,4277.

0.6 =8,87 W 0.029

Vậy ta cần động cơ có công suất ≥ 8,87 W. Từ những yêu cầu đó về động cơ chúng em có đề xuất một vài động cơ sau :

Động cơ Điện áp hoạt động (V) Điện áp định mức (V) Tốc độ không tải (RPM) Tốc độ tải định mức(RPM) Dòng không tải (mA) Dòng tải định mức (mA) Dòng quá tải (A) Momen định mức (kg.cm) Momen tối đa (kg.cm) Công suất tối đa (W) Bộ giảm tốc Encoder (xung/vòng trục đc) Giá (khoảng VNĐ)

JGB37-3530 333RPM 6-15 12 333 266 120 400 1,2 1,14 4,5

JGA25-370 188RPM 6-18 12 188 130 50 330 1,2 1,43 5

GA37V1

GA25V1

12 303 204 35

12 320 284 80 600 2,29 1,88 7,96

1:30

1:45

230.000

230.000

1:33 11 250.000

3

1:34 11 220.000

Trên cở sở đó, chúng em quyết định chọn động cơ GA25 V1 với các thông số đủ an toàn và được gắn sẵn Encoder tiện cho việc đo tốc độ động cơ. 3) Chọn Driver điều khiển động cơ Yêu cầu Driver - Điều khiển được động cơ theo 2 chiều - Dòng ra của driver phải lớn hơn (hoặc tương đương) dòng tải cực đại của động cơ - Kích thước nhỏ gọn, giá thành hợp lí Chúng em quyết định chọn Module L298N đáp ứng được cacs yêu cầu trên , cũng là module phổ biến thường được sử dụng trong các mô hình nhỏ gọn này.

Hình 4 : Mạch Driver L298N Một vài thông số của L298N :      

Điện áp hoạt động : 5-46V Điện áp điều khiển mức Logic (Vss) : 5-7V Dòng tối đa cho mỗi động cơ DC : 2A Công suất tối đa mỗi động cơ DC : 25W Mức Logic : Low (0,3-1,5V) , High (2,3-Vss) Kích thước : 43x43x27mm

Hoạt động điều khiển của L298N :

Hình 5 : Sơ đồ chân của L298N Các chân: - Chân 12V Power/Power GND: Chân cấp nguồn cho Driver L298. - Chân 5V Power: chân cấp nguồn hoặc lấy nguồn 5V đầu ra biến đổi từ chân 12V. - A Enable/B Ennable: dung để điều khiển mạch cầu H trong L298. Nếu ở mức - Logic “1” (nối với nguồn 5V) cho phép mạch cầu H hoạt động, nếu ở mức - - Logic “0” thì mạch cầu H không hoạt động. - Khi ENA=0: Động cơ không quay với mọi đầu vào - Khi ENA=1: INT1=1; INT2=0: Động cơ quay thuận. INT1=0; INT2=1: Động cơ quay nghịch. - Với ENB tương tự với ENA với chân INT 3 và INT4.

Ta có thể điều chỉnh tốc đô ̣ đô ̣ng cơ thông qua cấp xung PWM vào 2 chân ENA và ENB. Chúng ta sử dụng bô ̣ timer 16 bit của VDK để tạo xung có tỷ số đô ̣ rô ̣ng như mong muốn Vì xe có 3 động cơ nên chúng em sẽ dùng 2 module L298N để điều khiển. 4) Mô hình xe - Khung xe: 2 tấm mica đă ̣t cách nhau 5cm, khoảng trống ở giữa là nơi đă ̣t cảm biến, đô ̣ng cơ, vi điều khiển - Đường kính lưng xe : 24cm

Hình 6 : Vị trí đặt cảm biến tránh vật cản trên khung xe

II) ĐỌC TỐC ĐỘ ĐỘNG CƠ VÀ ĐIỀU KHIỂN BẰNG TÍN HIỆU PWM 1) Điều khiển động cơ 1. Điều khiển hướng quay : dùng mạch cầu H

2. Điều khiển tốc đô ̣ quay : thông qua PWM để điều khiển điê ̣n áp đầu vào

T on T V =V Điê ̣n áp trung bình đầu ra: pwm cc . D

Chu kỳ xung Duty cycle D: D =

Kết hợp 2 phương pháp trên có thể kiểm soát hoàn toàn đô ̣ng cơ DC, Ở driver L298N có đầy đủ 2 tính năng này. 2) Đọc encoder đo tốc độ động cơ Đô ̣ng cơ được tích hợp encoder với hai kênh A- B Đĩa Encoder 11 xung Tỷ số truyền khi qua hộp giảm tốc:  1:34

Số xung khi qua hộp giảm tốc: 374 xung.

- Nguyên lí hoạt đô ̣ng:

Hình bên thể hiê ̣n sự bố trí của 2 cảm biến kênh A, B lê ̣ch pha nhau. Khi cảm biến A bắt đầu bị che thì cảm biến B hoàn toàn nhâ ̣n được hồng ngoại xuyên qua và ngược lại. Hình bên dưới là dạng xung ngõ ra của hai kênh

- Cơ sở lý thuyết đo tốc đô ̣ đô ̣ng cơ Tần số xung được phát ra từ encoder được tính theo công thức: n = Na / (Ne*Ts) Trong đó:

n ( vòng/giây) là tốc đô ̣ đô ̣ng cơ Na : số xung đếm được trong mô ̣t chu kì trích mẫu Ne: đô ̣ phân giải, ở đây là 374 Ts: chu kì trích mẫu Nếu lựa chọn Ts nhỏ sẽ dẫn đến sai số lớn, còn Ts quá lớn sẽ dẫn đến viê ̣c không câ ̣p nhâ ̣t liên tục được sự thay đổi tốc đô ̣. -

Thuâ ̣t toán: Ta sử dụng bô ̣ timer/counter để tạo chu kỳ trích mẫu cũng như đến số xung đầu ra encoder

Start

Khởi động timer/Counter

Timer tràn?

Ngắt timer

Na= gái trị thanh ghi bộ đếm counter

Reset counter

n = Na /(Ne*Ts)

III) XÂY DỰNG HÀM TRUYỀN VÀ THIẾT KẾ HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN 1. Phương trình hàm truyền động cơ DC

Hình 1. Mô hình động cơ DC Servo Trong đó: Rs : Trở kháng của cuộn stator động cơ (ohm) Ls : Cảm kháng của cuộn stator của động cơ (H) i: Dòng điện (A) Kb: Hệ số suất điện động cảm ứng (V/rad/s) Kt: Hệ số momen (N/m/Amn) J: Momen của động cơ (Nm) ω: Tốc độ góc của roto (rad/s)

J: Momen quán tính của roto và tải (kgm2/rad) B: Hệ số ma sát (Nm/rad/s) Momen của động cơ tỉ lệ thuận với điện áp phần ứng bởi hằng số Kt không đổi. M = Kt.i Sức điện động cảm ứng tỉ lệ thuận với vận tốc góc của động cơ với hệ số Kb không đổi. E=K b .ω

Dựa vào định luật II Newton và định luật kirchoff ta có: J ω+ ˙ B ω=K t . i=M L

di + R . i=U −K b . ω dt

Tính toán hàm truyền liên tục vận tốc động cơ DC – Servo

Biến đổi phương laplace : ( J . s+ B) . ω(s)=K t I (s)

( Ls+ R ) I (s )=U (s)−K b . ω(s)

Hàm truyền vòng hở động cơ. Vận tốc góc ω(s )của động cơ được coi là đầu ra của động cơ và điện áp phần ứng của động cơ được coi là đầu vào V (s) G(s)

Từ phương trình (2) ta có: ω(s )=

K t I (s) Js + B

Hàm truyền vòng hở của động cơ: G(s)=

ω(s ) Kt = đây là hàm quán tính bậc 2 V (s) ( Js +B )( Ls+ R )+ Kt . Kb

[

]

Do chưa có số liệu cụ thể về thông số động cơ nên em chưa xác định được chính xác hàm truyền. Có thể sẽ tìm hàm truyền dựa trên đo hàm quá độ bằng thực nghiệm.  Khi động cơ có tải thì chịu momen tải là M t .

Có nghĩa là : J.ω˙ + B.ω = K t . i - M t Cũng biến đổi Laplace ta có : ω(s ) (Js+B) = K t . I (s )- M t (s)

( Ls+ R ) I (s )=U ( s)−K b . ω (s )

Sơ đồ khối : U (s) _

Kt Ls+ R

M t (s)

Kb

_

1 Js +B

ω (s ) 𝜔(

2. Tính toán dòng khởi động và dòng hoạt động Ở trạng thái xác lập ( bỏ qua điện cảm L) thì dòng điện được biểu diễn : I=

U−E R

Khi dòng khởi động E = 0 nên I=

U R

3. Tính toán bộ điều khiển động cơ

Bộ điều khiển PID có dạng : 1

R(s) = k p( 1 + s . T +T D s) I

Hàm truyền động cơ ở chế độ không tải : G (s)=

k (T 1 s+1)(T 2 s+1)

Hình 2: Hàm quá độ của khâu dạo động bậc 2 . Ta sẽ xác định được : x

b = T 1. x x−1 x

a = b. x 1−x .

T2 xlnx+ x 2−x với x = T1 x−1

Từ đó thiết kế bộ điều khiển PID theo phương pháp Chien-Hrones-Reswick theo yêu cầu tối ưa tín hiệu đặt trước và hệ kín không có độ quá điều chỉnh ∆ h : k p=

3b 5 ak

T I =b a T D= 2

Khi làm thực tế có thể sử dụng thêm giải thuật di truyền (GA) để tìm bộ số PID tối ưa hơn và mô phỏng để kiểm tra. 4) Thiết kế hệ thống điều khiển ba động cơ : Mối liên hệ giữa tốc độ xe và tốc độ ba động cơ : 0 ωm 3 1 √ ωm = 2 r −√ 3 ωm 2

[] 1

2

3

−1 R 1 R v 2 vn 1 ω R 2

[ ]( ) ωm

v

ωm

1

_

vn

0 ωm 3 1 √ ωm = 2 r −√ 3 ωm 2

[] 1

2

3

−1 R 1 R v 2 vn 1 ω R 2

[ ]( )

ωm

R(s)

G(s)

R(s)

G(s)

ωm

2

_

2

1

ω

ωm

3

_

R(s)

G(s)

ωm

3

IV. CHỌN CẢM BIẾN KHOẢNG CÁCH VÀ THIẾT KẾ MẠCH ĐỌC CẢM BIẾN 1) Chọn cảm biến khoảng cách  Yêu cầu chọn cảm biến: - Kích thước cảm biến: kích thước nhỏ gọn, có khả năng kết nối dễ dàng với MCU ( đường kính khung xe dự tính là 24cm) - Khoảng cách cần đo: mong muốn xác định chính xác vật cản trong bán kính 2-3m - Góc đo: mong muốn xác định được vật cản ở những nơi có phạm vi nhỏ hẹp (khi robot đi gần tường, khe nhỏ) → góc đo càng nhỏ càng tốt (khoảng 15° - 30° ) - Vùng mù của cảm biến: càng nhỏ càng tốt - Nhiệt độ/áp suất môi trường đo: hoạt động tốt trong điều kiện môi trường bình thường → Từ những yêu cầu trên, chúng em đề xuất chọn cảm biến siêu âm, vì kích thước nhỏ gọn phù hợp

với khung xe robot, có dải đo khoảng vài mét (trong khi cảm biến hồng ngoại thích hợp với khoảng cách đo < 1m)  Khảo sát thông số một số cảm biến siêu âm: STT

Tên cảm biến

Điện áp hoạt động/ dòng tiêu thụ

Tín hiệu đầu ra

Chuẩn TTL Chuẩn TTL Chuẩn TTL Chuẩn TTL Chuẩn TTL Chuẩn TTL

1

SRF 02

+5VDC

2

SRF 04

3

SRF05

4

SRF 08

+5VDC/ < 2mA +5VDC/ < 2mA +5VDC

5

SRF 10

+5VDC

6

SRF 235

+5VDC

Góc quét

Khoảng cách đo

Độ chính xác

Giá thành

Tối thiểu

Tối đa

45°

15cm

6m

45°

3cm

3m

±3mm

30.000đ

45°

3cm

4m

±2mm

50.000đ

45°

3cm

6m

60°

3cm

6m

15°

10cm

1,2m

70.000đ

→ Trên cơ sở đó, chúng em quyết định chọn cảm biến đo khoảng cách SRF 05 với các thông số kĩ

thuật có thể chấp nhận được (trừ góc quét) và kích thước nhỏ gọn, giá thành hợp lí.

2) Thiết kế mạch đọc cảm biến Sơ đồ nguyên lí mô phỏng trên Proteus:

Cấu tạo: -

Khối xử lí trung tâm (dùng vi điều khiển AT 89S52) Khối cảm biến (SRF 05) Khối hiển thị (LCD 16x02)

Nguyên lí hoạt động: Cảm biến siêu âm SRF 05 có chức năng phát ra sóng siêu âm và nhận sóng siêu âm phản hồi ngược lại khi có vật cản. Bằng việc đo thời gian từ lúc sóng phát ra đến lúc nhận về sóng phản hồi, có thể tính toán được khoảng cách từ cảm biến đến vật cản. Tính toán khoảng cách: Gọi thời gian độ rộng xung đo được là t (us) Thời gian đo độ rộng xung là thời gian từ lúc sóng truyền đi, gặp vật cản và phản hồi lại. → Thời gian từ cảm biến đến vật cản là:

Vận tốc sóng âm: v ≈ 343,2

t (us) 2

cm =0,03432(cm/ us) ( ms )= 343,2.100 ( us ) 10

t t → Khoảng cách: S = v . ≈ (cm) 2 58

6

Vị trí đặt cảm biến:

Hạn chế khi dùng cảm biến siêu âm:

Vật cản

Cảm biến

Vật cản

Cảm biến

V. XÂY DỰNG FRAME TRUYỀN DỮ LIỆU TỪ MCU VỀ PC QUA CỔNG NỐI TIẾP 1) Phần cứng