Thiết kế robot mini tự hành dò đường trong mê cung

Tuyển tập Báo cáo Hội nghị Sinh viên Nghiên cứu Khoa học lần thứ 7 Đại học Đà Nẵng năm 2010 72 THIẾT KẾ ROBOT MINI TỰ HÀNH DÒ ĐƯỜNG TRONG MÊ CUNG DESIGN MINI SELF-PROPELLED ROBOT MEASURED IN THE MAZE Nhóm SVTH: Phan Trọng Đạt, Phạm Đức Linh, Nguyễn Văn Lượm, Nguyễn Thái Sơn, Phan Lương Tín, Lê Đăng Trọng Lớp 07CLC, Khoa Kỹ sư Chất Lượng Cao, Trường Đại học Bách khoa GVHD: ThS. Trần Thái Anh Âu Khoa Điện, Trường Đại học Bách khoa TÓM TẮT Robot tự hành hay robot di động (mobile robot hay được viết tắt là mobot) được định nghĩa là một loại xe robot có khả năng tự dịch chuyển, tự vận động (có thể lập trình lại được) dưới sự điều khiển tự động có khả năng hoàn thành công việc được giao. Theo lý thuyết, môi trường hoạt động của robot tự hành có thể là đất, nước, không khí, không gian vũ trụ hay tổ hợp giữa chúng. Địa hình bề mặt mà robot di chuyển trên đó có thể bằng phẳng hoặc thay đổi, lồi lõm. Đề tài nghiên cứu này đi sâu nghiên cứu robot tự hành dò đường trong mê cung. ABSTRACT Self-propelled robot or mobile robot (abbreviated mobot), defined as a robotic vehicle capability of self-moving, self-movement (programmable) under automatic control is able to complete assigned work. In theory, the operating environment of the self-propelled robot may be ground, water, air, space or combination between them. The surface of terrain on which the robot can move is flat or changeable, convex and concave. This project has been studied deeply self- propelled robot in the maze. 1. Đặt vấn đề Robot tự hành (Mobile Robot) là một thành phần có vai trò quan trọng trong ngành Robot học. Cùng với sự phát triển mạnh mẽ của các hệ thống tự động hóa, robot tự hành ngày một được hoàn thiện và càng cho thấy lợi ích của nó trong công nghiệp và sinh hoạt. Một vấn đề rất được quan tâm khi nghiên cứu về robot tự hành là làm thế nào để robot biết được vị trí nó đang đứng và có thể di chuyển tới một vị trí xác định, đồng thời có thể tự động tránh được các chướng ngại vật trên đường đi. Vì vậy, việc chế tạo thành công đề tài này sẽ mở ra một hướng tiếp cận mới và góp phần thúc đẩy việc ứng dụng của robot ngày càng nhiều vào trong đời sống hằng ngày và trong nghiên cứu chế tạo. 2. Cấu tạo và nguyên lý hoạt động của robot 2.1. Sơ đồ khối Hình 1. Sơ đồ khối của toàn bộ robot Tuyển tập Báo cáo Hội nghị Sinh viên Nghiên cứu Khoa học lần thứ 7 Đại học Đà Nẵng năm 2010 73 2.2. Cảm biến 2.2.1. Sơ đồ mạch nguyên lý 2.2.2. Nguyên lý làm việc Led phát D2 được mạch tạo xung IC555 phát tín hiệu truyền đến. Biến trở R2 cho phép chỉnh xung của IC555 cho phù hợp. Ánh sáng phản xạ vào tường bật lại, được quang trở D3 thu, điện trở của quang trở D3 giảm xuống, tiếp đó sẽ qua so sánh LM324 để đưa ra bộ vi điều khiển. Biến trở R10 cho phép chỉnh mức nhảy của so sánh cho phù hợp cảm biến với môi trường. 2.3. Động cơ 2.3.1. Giới thiệu động cơ Động cơ bước là một loại động cơ điện có nguyên lý và ứng dụng khác biệt với đa số các động cơ điện thông thường. Chúng thực chất là một động cơ đồng bộ dùng để biến đổi các tín hiệu điều khiển dưới dạng các xung điện rời rạc kế tiếp nhau thành các chuyển động góc quay hoặc các chuyển động của rôto có khả năng cố định rôto vào các vị trí cần thiết. 2.3.2. Nguyên tắc hoạt động Động cơ bước không quay theo cơ chế thông thường, chúng quay theo từng bước nên có độ chính xác rất cao về mặt điều khiển học. Chúng làm việc nhờ các bộ chuyển mạch điện tử đưa các tín hiệu điều khiển vào stato theo thứ tự và một tần số nhất định. Tổng số góc quay của rôto tương ứng với số lần chuyển mạch, cũng như chiều quay và tốc độ quay của rôto phụ thuộc vào thứ tự chuyển đổi và tần số chuyển đổi. Đề tài này sử dụng động cơ bước đơn cực, 6 dây. 2.4. Vi điều khiển (PIC16F877A) PIC 16F877A là dòng PIC phổ biến nhất hiện nay (đủ mạnh về tính năng, 40 chân, bộ nhớ đủ cho hầu hết các ứng dụng thông thường). 2.4.1. Chức năng của PIC16F877A sử dụng trong đề tài Nhận các tín hiệu từ cảm biến phản xạ về. Chứa các thông tin và xử lý mọi hoạt động của robot. Tính toán đường đi ngắn nhất đến đích. Hình 2. Sơ đồ nguyên lý mạch cảm biến Tuyển tập Báo cáo Hội nghị Sinh viên Nghiên cứu Khoa học lần thứ 7 Đại học Đà Nẵng năm 2010 74 Điều khiển động cơ thông qua IC ULN2803. 2.4.2. Sự kết nối của PIC trong đề tài PORT B : nối với cảm biến. PORT D: Nối với ULN2803 để điều khiển động cơ. Thạch anh : 20Mhz. 2.5. Mạch điều khiển động cơ Mạch sử dụng IC ULN2803 và nguồn sử dụng là 5v. ULN2803 là một IC đệm dòng với các chức năng của các chân tương ứng vào, ra như sau: IN1  OUT1 IN5  OUT5 Chân GND là chân nối đất. IN2  OUT2 IN6  OUT6 Chân 10 là chân Common, nối nguồn +Vcc IN3  OUT3 IN7  OUT7 Nếu đầu vào là 0  đầu ra thả nổi IN4  OUT4 IN8  OUT8 Nếu đầu vào là 1  đầu ra là 0 2.6. Khung máy Hình 4 là sơ đồ cấu trúc của robot:  DC1, DC2 : là 2 động cơ bước sử dụng trong mô hình.  B1, B2 : 2 bánh xe có đường kính 6cm.  B3: Mảnh nhựa ma sát nhỏ.  PIN: Khối pin.  CB: Khối mạch cảm biến đặt phía trước của robot.  PIC: Khối điều khiển trung tâm đặt trên mặt. Hình 3. Sơ đồ nguyên lý mạch điều khiển động cơ Hình 4. Sơ đồ cấu trúc của robot Tuyển tập Báo cáo Hội nghị Sinh viên Nghiên cứu Khoa học lần thứ 7 Đại học Đà Nẵng năm 2010 75 2.7. Nguồn Sử dụng nguồn máy tính với các đầu GND, +5V, +12V. Lý do: Giải pháp dùng các nguồn khác không phù hợp. 2.8. Mê cung Tường mê cung (hình 7): Cao 10 cm Dày 1,2 cm Đặc điểm : Bọc 1 lớp giấy trắng trên tường để phản xạ ánh sáng. 3. Thuật toán tìm đường flooding Thuật toán flooding là thuật toán để phân phối vật liệu cho mỗi phần tử của một mạng kết nối. Thuật toán flooding có nguyên lý như sau:  Mỗi nút hoạt động như một bộ truyền và nhận.  Mỗi nút cố gắng để chuyển tiếp tất cả mỗi tin nhắn đến mỗi hoặc một trong những nút có ở cạnh nó, trừ nút nguồn.  Kết quả là tin nhắn được truyền từ nguồn đến đích. Thuật toán flooding phù hợp giải quyết rất nhiều trong vấn đề toán học, trong đó có giải quyết vấn đề di chuyển trong mê cung và lý thuyết đồ thị. Hình 7. Robot chạy trong mê cung Hình 6. Robot hoàn thành Hình 5. Sơ đồ thuật toán flooding Tuyển tập Báo cáo Hội nghị Sinh viên Nghiên cứu Khoa học lần thứ 7 Đại học Đà Nẵng năm 2010 76 4. Kết luận 4.1. Tính năng của robot Robot có thể di chuyển trong mê cung. Robot tránh được tường và tìm được đường về đích. Robot chạy được với mê cung khác nhau. 4.2. Công việc thực hiện được  Nghiên cứu cấu trúc và nguyên lý hoạt động của robot.  Thiết kế và chế tạo mô hình robot cũng như mê cung.  Xây dựng thuật toán và lập trình điều khiển robot. 4.3. Những tồn tại của đề tài  Bộ phận cảm biến chưa được hiệu quả khi thay đổi các môi trường ánh sáng khác nhau.  Phần cơ khí chưa đạt độ chính xác yêu cầu.  Chưa sử dụng được nguồn di động, mà phải hỗ trợ ở nguồn ngoài. 4.4. Hướng phát triển  Hoàn thành ổn định cảm biến.  Nghiên cứu nguồn di động phù hợp với robot.  Gia công chính xác phần bánh xe để di chuyển ổn định, thẳng và đều.  Lập trình để robot có khả năng tính toán đường đi và di chuyển nhanh nhất.  Tăng độ lớn của mê cung.  TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] Trần Thế San (2005), Cơ sở Nghiên Cứu & Sáng tạo robot, NXB Thống Kê. [2] Picvietnam, [3] Dientuvietnam, [4] Micromouse trường Đại học Công Nghệ,