Robot tự hành (Sản phẩm tham gia cuộc thi thiết kế robot trên truyền hình - Robocon 2005)

i: Phạm Minh Tân Các thành viên: Đỗ Thanh Cao Võ Văn Dễ Nguyễn Anh Minh Huỳnh Cao Thế Cường Long Xuyên, tháng 12 năm 2005 Robocon 2005 Trung tâm Tin học Trang 3 LỜI CẢM ƠN Robocon là cuộc thi thiết kế robot trên truyền hình hằng năm của các nước thuộc khu vực Châu Á – Thái Bình Dương. Ở Việt Nam, đài truyền hình Việt Nam VTV là đơn vị chịu trách nhiệm tổ chức tuyển chọn thành viên xuất sắc nhất để đi thi đấu với các nước bạn trong khu vực. Đây là lần đầu tiên trường Đại học An Giang tham gia cuộc thi này mà chúng tôi là những người đại diện thực hiện. Các thành viên trong đội đã cố gắng rất nhiều để hoàn thành một khối lượng lớn công việc trong một khoảng thời gian rất hạn hẹp. Xin chân thành cảm ơn các bạn cộng sự đã phối hợp rất nhiệt tình và có tinh thần trách nhiệm cao: 1. Đỗ Thanh Cao - Kỹ sư Tin học, giảng viên Khoa KT-CN-MT 2. Võ Văn Dễ - Sinh viên ngành Vật Lý 3. Nguyễn Anh Minh - Sinh viên ngành Tin Học 4. Huỳnh Cao Thế Cường - Sinh viên ngành Tin Học 5. Trần Hồng Hải - Sinh viên ngành Tin Học 6. Chế Lan Viên - Sinh viên ngành Tin Học Cùng những người thân, bạn bè, đồng nghiệp đã ủng hộ rất nhiệt tình về vật chất lẫn tinh thần cho chúng tôi. Chúng tôi cũng rất cảm ơn Ban Giám Hiệu nhà trường và các đơn vị trực thuộc (Khoa KT-CN-MT, Khoa NN-TNTN, Phòng KHTV, Phòng QTTB, Phòng HCTH, Phòng CTSV) đã quan tâm, khích lệ và tạo mọi điều kiện thuận lợi để chúng tôi tham gia cuộc thi này. Robocon 2005 Trung tâm Tin học Trang 4 LỜI MỞ ĐẦU Thiết kế robot là lĩnh vực hấp dẫn, thu hút nhiều đối tượng tham gia. Robocon là viết tắt của Robot Contest, chỉ những loại robot chuyên làm một số công việc nhất định như đá bóng, leo trèo, gắp đồ vật… Mỗi năm có một chủ đề khác nhau, vì vậy robot ở từng năm cũng khác nhau, có thiết kế và chức năng khác nhau tùy theo chủ đề. Để thiết kế được một con robot, ta cần rất nhiều kiến thức về vật lý, hóa học, điện, điện tử và cả mỹ thuật, hội họa… Vì vậy, robocon thực sự là một cuộc chơi của trí tuệ tổng hợp, có khả năng kích thích ý tưởng sáng tạo của những người tham gia. Chủ đề của cuộc thi lần này là “Lửa thiêng rực sáng Trường Thành”. Luật chơi yêu cầu người chơi thiết kế 2 loại robot: loại robot tự động và robot điều khiển bởi con người (gọi là robot “bằng tay”). Trên sân chơi có bố trí các cột tháp cao 1,2m tới 1,5m và các đài lửa cao 10cm, đường kính 60cm. Các robot tự động phải tìm cách đi từ nơi xuất phát đến các cột tháp và bỏ các quả bóng nhiên liệu (được chứa sẵn trên mình) vào các ngọn tháp. Các robot bằng tay thì phải tự đi lấy bóng và thả vào các đài lửa qua một đường dốc. Hai đội sẽ thi đấu với nhau trên cùng một sân đấu trong thời gian 3 phút, đội nào ghi nhiều điểm hơn sẽ chiến thắng. (Chi tiết về luật chơi xin tham khảo ở: Rất nhiều những ý tưởng sáng tạo đã phát sinh và được ứng dụng trong quá trình chế tạo robot, nhưng do khuôn khổ hạn hẹp của bài báo cáo này nên không được nói hết ở đây. Bạn đọc có thể tham khảo thêm ở địa chỉ web site: trong phân phục “Nghiên cứu khoa học”. Robocon 2005 Trung tâm Tin học Trang 5 TÓM TẮT NỘI DUNG CHÍNH CỦA ĐỀ TÀI Đề tài này nghiên cứu, thiết kế 2 loại robot theo yêu cầu thiết kế của cuộc thi “Thiết kế Robot – Robocon 2005” do đài truyền hình Việt Nam phát động. Việc nghiên cứu, thiết kế và thi công được trình bày trong ba phần sau: Phần A mô tả cách thiết kế robot tự động (không có sự điều khiển trực tiếp của con người từ bên ngoài). Các công đoạn thiết kế bao gồm: thiết kế phần cơ khí, phần điện – điện tử, lập trình điều khiển và trang trí. Phần B mô tả cách thiết kế robot “bằng tay” (cần có sự điều khiển của con người, hoạt động theo sự điều khiển của con người). Các công đoạn thiết kế cũng bao gồm: thiết kế phần cơ khí, phần điện – điện tử, lập trình điều khiển và trang trí robot. Phần C trình bày kết quả thực hiện đề tài: chúng tôi đã thiết kế được 3 con robot: 2 con “tự động” và 1 con “bằng tay”. Đội robocon đã bước lên sàn đấu Robocon khu vực phía Nam với hơn 80 đội đến từ các trường Đại học, Cao đẳng và Trung học chuyên nghiệp khác. Phần D trình bày những khả năng ứng dụng từ những ý tưởng và thiết kế có được của đề tài. Robocon 2005 Trung tâm Tin học Trang 6 MỤC LỤC Trang LỜI CẢM ƠN.........................................................................................................................................3 LỜI MỞ ĐẦU.........................................................................................................................................4 TÓM TẮT NỘI DUNG CHÍNH CỦA ĐỀ TÀI ...................................................................................5 MỤC LỤC...............................................................................................................................................6 DANH MỤC HÌNH ẢNH......................................................................................................................7 DANH MỤC CHÚ THÍCH ...................................................................................................................7 DANH MỤC BẢNG BIỂU ....................................................................................................................7 PHẦN A THIẾT KẾ ROBOT TỰ ĐỘNG...........................................................................................8 I. MÔ TẢ TỔNG QUÁT .................................................................................................................8 II. THIẾT KẾ PHẦN CƠ KHÍ .........................................................................................................9 1. Phần khung sàn .............................................................................................................9 2. Cơ cấu cánh tay.............................................................................................................9 3. Cột chứa bóng và cơ cấu đẩy bóng .............................................................................11 III. THIẾT KẾ PHẦN ĐIỆN, ĐIỆN TỬ ..........................................................................................12 1. Bộ nguồn ổn áp có bảo vệ quá tải ...............................................................................12 2. Module công suất điều khiển động cơ ........................................................................12 3. Nhận diện vạch dẫn đường .........................................................................................14 4. Board mạch chủ ..........................................................................................................15 IV. THIẾT KẾ PHẦN MỀM ĐIỀU KHIỂN ....................................................................................17 1. Lưu đồ giải thuật tổng quát .........................................................................................17 2. Phương pháp điều biến độ rộng xung .........................................................................18 3. Bộ thông dịch cho phép thay đổi chiến thuật nhanh chóng, dễ dàng..........................19 4. Chương trình điều khiển .............................................................................................20 PHẦN B THIẾT KẾ ROBOT ĐIỀU KHIỂN BẰNG TAY..............................................................21 V. MÔ TẢ TỔNG QUÁT ...............................................................................................................21 VI. THIẾT KẾ PHẦN CƠ KHÍ .......................................................................................................22 1. Phần khung sàn ...........................................................................................................22 2. Cơ cấu lấy bóng vào và đẩy bóng ra ...........................................................................23 VII. THIẾT KẾ PHẦN ĐIỆN, ĐIỆN TỬ ..........................................................................................23 1. Bộ nguồn ổn áp có bảo vệ quá tải ...............................................................................23 2. Module công suất điều khiển động cơ ........................................................................24 3. Module giao tiếp với GamePad ..................................................................................25 4. Board mạch chủ ..........................................................................................................26 VIII. THIẾT KẾ PHẦN MỀM ĐIỀU KHIỂN ....................................................................................27 1. Lưu đồ giải thuật tổng quát .........................................................................................27 2. Chương trình điều khiển .............................................................................................28 PHẦN C KẾT QUẢ THỰC HIỆN ĐỀ TÀI.......................................................................................29 PHẦN D NHỮNG KHẢ NĂNG ỨNG DỤNG CỦA ĐỀ TÀI ..........................................................30 PHỤ LỤC 1 DATASHEET CỦA MỘT SỐ LINH KIỆN CHỦ YẾU .............................................31 PHỤ LỤC 2 SƠ ĐỒ MẠCH THIẾT KẾ............................................................................................43 TÀI LIỆU THAM KHẢO ...................................................................................................................48 Robocon 2005 Trung tâm Tin học Trang 7 DANH MỤC HÌNH ẢNH Trang Hình 1: Cấu tạo khung sàn robot.........................................................................................................9 Hình 2: Cánh tay ở trạng thái thu gọn.................................................................................................9 Hình 3: Cánh tay ở trạng thái vươn tối đa. .........................................................................................9 Hình 4: Chi tiết kết cấu cánh tay. ......................................................................................................10 Hình 5: Chi tiết cơ cấu rút bóng (nhìn từ trên xuống). ......................................................................10 Hình 6: Cột chứa bóng và cơ cấu đẩy bóng. .....................................................................................11 Hình 7: Cơ cấu đẩy bóng và cơ chế hoạt động của nó. .....................................................................11 Hình 8: Bộ nguồn ổn áp có bảo vệ quá tải. .......................................................................................12 Hình 9: Module công suất điều khiển động cơ (Minh họa trường hợp cặp 1-4 đóng, 2-3 tắt)..........13 Hình 10: Minh họa cách thức robot kiểm tra hướng đi. ......................................................................14 Hình 11: Thêm cảm biến phía sau giúp phát hiện hướng lệch nhanh chóng hơn. ..............................15 Hình 12: Sơ đồ khối bo mạch chủ và mối liên hệ với các module khác...............................................15 Hình 13: Sơ đồ nguyên lý bo mạch chủ. ..............................................................................................16 Hình 14: Lưu đồ máy trạng thái điều khiển robot tự động. .................................................................17 Hình 15: Minh họa phương pháp điều biến độ rộng xung...................................................................18 Hình 16: Minh họa giải thuật điều khiển động cơ theo phương pháp điều biến độ rộng xung. ..........18 Hình 17: Cấu tạo khung sàn và cơ cấu lấy bóng của robot bằng tay..................................................22 Hình 18: Minh họa hoạt động lấy bóng vào ........................................................................................23 Hình 19: Minh họa hoạt động đẩy bóng ra .........................................................................................23 Hình 20: Bộ nguồn cung cấp cho robot điều khiển bằng tay...............................................................23 Hình 21: Module công suất điều khiển động cơ (Minh họa trường hợp cặp 2-3 đóng, 1-4 tắt)..........24 Hình 22: Sơ đồ bố trí chân của đầu nối Gamepad. .............................................................................25 Hình 23: Hình dạng của Gamepad. .....................................................................................................25 Hình 24: Giản đồ xung truyền 1 byte dữ liệu giữa module giao tiếp và Gamepad. ............................25 Hình 25: Module giao tiếp với Gamepad. ...........................................................................................26 Hình 26: Board mạch chủ robot điều khiển bằng tay..........................................................................26 Hình 27: Sơ đồ nguyên lý board mạch chủ robot điều khiển bằng tay................................................27 Hình 28: Lưu đồ máy trạng thái điều khiển robot bằng tay. ...............................................................28 DANH MỤC CHÚ THÍCH Trang Chú thích 1: Khung sàn robot tự động .....................................................................................9 Chú thích 2: Cơ cấu cánh tay .................................................................................................10 Chú thích 3: Cơ cấu rút bóng .................................................................................................10 Chú thích 4: Cột chứa bóng....................................................................................................11 Chú thích 5: Khung sàn robot điều khiển bằng tay ................................................................22 DANH MỤC BẢNG BIỂU Trang Bảng 1: Bảng liên hệ giữa tín hiệu điều khiển và chiều quay của động cơ ...........................13 Bảng 2: Bảng liên hệ giữa hướng lệch của robot với tín hiệu của các cảm biến vạch..........14 Bảng 3: Bảng mô tả các chỉ thị của bộ thông dịch ................................................................19 Bảng 4: Bảng mô tả chức năng các chân của Gamepad .......................................................25 Robocon 2005 Trung tâm Tin học Trang 8 PHẦN A THIẾT KẾ ROBOT TỰ ĐỘNG I. MÔ TẢ TỔNG QUÁT Robot tự động là loại tự động hoàn toàn, không có sự điều khiển từ bên ngoài. Robot tự động ở trạng thái tĩnh có kích thước tối đa cho phép là 1m x 1m x 1,5m. Khi hoạt động có thể vươn cao tới 1,8m. Robot tự động được phép chất tối đa là 16 quả bóng nhiên liệu lên mình. Nhiệm vụ của robot là phải tự dò đường đi theo các vạch màu trắng trên sân để tìm đến các ngọn đuốc, rồi dùng cơ cấu gắp bóng hoặc đẩy bóng kết hợp với khả năng nhận diện màu sắc để đặt các quả bóng vào đúng ngăn có màu được chỉ định trên ngọn đuốc. Chúng tôi đã đề ra tư tưởng chủ đạo trong thiết kế robot tự động là: robot phải vững chắc (chống va chạm), thiết kế phải có hình dáng đặc trưng. Đây là lần đầu tiên trường Đại học An Giang “ra quân”, nên chúng tôi đã chọn dáng thiết kế theo hình con rồng (đặc trưng cho vùng đồng bằng sông Cửu Long của mình). Robocon 2005 Trung tâm Tin học Trang 9 II. THIẾT KẾ PHẦN CƠ KHÍ 1. Phần khung sàn Phần khung sàn được thiết kế đơn giản, kết cấu lắp ráp bằng vật liệu sắt V lổ. Hai bánh trước quay độc lập, trục cố định. Mỗi bánh được điều khiển bằng một động cơ riêng, có giảm tốc. Truyền động bằng bánh xích. Hai bánh sau dùng loại bánh xe quay tự do, quay được quanh trục đứng. Với thiết kế này, robot có thể đổi hướng rất linh hoạt nhờ sự thay đổi tốc độ và hướng quay của 2 bánh trước. 2. Cơ cấu cánh tay Ứng dụng nguyên lý đòn bẫy. Truyền động bằng hệ thống ròng rọc động. Cánh tay được thiết kế liên hoàn, chỉ cần 1 điểm tác dụng lực để nâng cánh tay. Nguyên lý nâng cánh tay như sau (xem hình 4): motor (1) quay kéo dây (2) gây ra lực kéo (3), qua hệ thống ròng rọc động (4) kéo cánh giữa (5) quay lên quanh khớp động (6). Cánh giữa (5) chuyển động lên sẽ làm điểm trượt (8) chuyển động Chú thích 1: Khung sàn robot tự động 1. Khung sườn robot bằng sắt V-lổ. 2. Bánh trước (φ=12mm). 3. Bánh sau (loại bánh xe quay quanh trục đứng). 4. Động cơ DC có giảm tốc. 5. Hệ truyền động bằng dây xích, bánh xích. Hình 1: Cấu tạo khung sàn robot. Hình 2: Cánh tay ở trạng thái thu gọn. Hình 3: Cánh tay ở trạng thái vươn tối đa. Khớp cứng Khớp động Ròng rọc Khớp động Dây không giãn, độ dài cố định Motor xoắn 1 3 2 4 5 Nhìn mặt bên N hìn từ trên xuống Robocon 2005 Trung tâm Tin học Trang 10 theo. Do dây (7) không giãn, có độ dài cố định và trượt được trên điểm trượt (8) nên nó sẽ kéo điểm (9) xuống. Theo nguyên lý đòn bẫy, cánh trên (10) sẽ quay quanh khớp động (11). Như vậy, chỉ với lực kéo của motor xoắn, toàn bộ cánh tay sẽ được nâng lên và vươn dài tới mục tiêu cần thiết (như hình 3). Khi cần hạ cánh tay xuống, motor xoắn quay theo chiều ngược lại, nhờ trọng lực, cánh tay sẽ trở về vị trí ban đầu (như hình 2). Đoạn trên hết của cánh tay có gắn cơ cấu rút bóng để bắn quả bóng vào mục tiêu. Rổ đỡ bóng (1) là kết cấu khung uốn cong để giữ qủa bóng nhiên liệu, được gắn trên một ổ trượt (2). Rổ đỡ bóng được giữ thăng bằng nhờ một thanh ngang (4) tiếp xúc trượt với 2 thanh cố định hai bên. Lực rút được điều khiển bằng một motor nhỏ gắn ở đầu trên của cánh (6). Ở đây cũng dùng một hệ thống ròng rọc động để giảm tải cho motor kéo ổ trượt. Hoạt động của cơ cấu rút bóng như sau: ở vị trí hạ thấp, sau khi bóng nhiên liệu được đổ vào rổ đỡ bóng, cánh tay vươn cao tới vị trí cần thiết, motor kéo sẽ quay rút dây làm ổ trượt được kéo lên, kéo theo quả bóng nhiên liệu. Đến vị trí trên cùng, cơ cấu rút bóng dừng lại đột ngột, bóng sẽ văng ra ngoài do gia tốc. Sau khi rút bóng, motor kéo quay ngược lại, thả lỏng dây kéo, cơ cấu rút bóng sẽ trượt về vị trí cũ nhờ tác dụng của trọng lực. Chú thích 2: Cơ cấu cánh tay 1. Motor xoắn. 2. Dây kéo không giãn. 3. Hướng lực kéo. 4. Hệ ròng rọc động. 5. Đoạn giữa của cánh tay. 6. Khớp động. 7. Dây không giãn, độ dài cố định. 8. Điểm trượt (ròng rọc cố định). 9. Điểm nối dây (7) vào cánh trên (10). 10. Đoạn trên của cánh tay. 11. Khớp động. Hình 4: Chi tiết kết cấu cánh tay. Chú thích 3: Cơ cấu rút bóng 1. Rổ đỡ bóng (không cho bóng rớt ngược lại phía sau). Phía dưới đáy rổ có gắn một công tắc chạm (hình chữ x). 2. Ổ trượt. 3. Thanh trục đỡ ổ trượt. 4. Thanh ngang tiếp xúc với 2 cạnh bên, giữ cho rổ đỡ bóng không bị xoay. 5. Dây kéo ổ trượt. 6. Motor kéo ổ trượt. Hình 5: Chi tiết cơ cấu rút bóng (nhìn từ trên xuống). 1 2 3 4 5 6 1 2 3 4 5 6 8 7 9 10 11 Robocon 2005 Trung tâm Tin học Trang 11 Phía dưới rổ đỡ bóng có gắn một công tắc chạm dùng để nhận biết có bóng trong rổ hay chưa. Tín hiệu này sẽ giúp bộ điều khiển trung tâm làm dừng việc đẩy bóng trong cột chứa bóng lên và bắt đầu nâng cánh tay. 3. Cột chứa bóng và cơ cấu đẩy bóng Mỗi robot tự động được phép chứa tối đa 16 quả bóng. Quả bóng có đường kính 15cm, bằng chất liệu cao su. Theo tư tưởng chủ đạo đã đề ra, chúng tôi đã thiết kế cột chứa bóng đứng (hình 6). Cột chứa bóng (1) là kết cấu ống khung (frame), cố định vào sàn, đầu trên uốn cong sao cho khi bóng rơi ra ngoài sẽ đổ vào rổ đỡ bóng của cơ cấu cánh tay. Để giải quyết vấn đề ma sát giữa bóng cao su và thành cột (bằng nhôm), chúng tôi đã dùng các hạt cườm để chuyển ma sát trượt thành ma sát lăn. Do bị giới hạn về độ cao, cột chứa bóng này chỉ chứa được tối đa 6 quả bóng. Cơ cấu đẩy bóng gồm thanh đỡ (2) và motor kéo (3). Thanh đỡ là cơ cấu 2 ống lồng nhau. Một đầu cố định vào cánh tay, đầu kia áp sát trục đứng của cột chứa bóng và di chuyển dọc theo trục này. Nhờ cơ cấu ống lồng nhau, thanh đỡ có thể thay đổi chiều dài tùy theo khoảng cách giữa 2 đầu mút. Chú thích 4: Cột chứa bóng 1. Thân cột chứa bóng. 2. Cơ cấu ống lồng nhau, làm thanh đở, dùng để đẩy bóng ra khỏi cột chứa. 3. Motor kéo cơ cấu đẩy bóng. Hình 6: Cột chứa bóng và cơ cấu đẩy bóng. Hình 7: Cơ cấu đẩy bóng và cơ chế hoạt động của nó. 1 2 3 Ròng rọc cố định Ròng rọc cố định Dây kéo Khớp xoay Thanh đỡ (2 ống lồng nhau) Motor kéo dây Trục đứng cố định Công tắc chạm K2 Robocon 2005 Trung tâm Tin học Trang 12 Đầu mút động được kéo bằng một động cơ, qua hệ truyền động dây kéo đổi hướng nhờ các ròng rọc. Phía trên cột chứa bóng có gắn một công tắc chạm (K2) đánh dấu điểm dừng cho cơ cấu rút bóng. III. THIẾT KẾ PHẦN ĐIỆN, ĐIỆN TỬ 1. Bộ nguồn ổn áp có bảo vệ quá tải Trong bất kỳ hệ thống điện tử nào, nguồn điện đều có vai trò rất quan trọng, ảnh hưởng rất lớn tới tính ổn định của hệ thống. Trong ứng dụng đặc thù này, nguồn cung cấp cần đáp ứng các yêu cầu sau: - Có điện áp ra ổn định ở mức 5V để cung cấp cho các vi mạch số. - Nguồn công suất 14V, dòng cao, ổn định cung cấp cho các động cơ để giữ moment của động cơ không bị ảnh hưởng khi acquy giảm điện thế. Mạch thiết kế như sau: Phân tích: - IC ổn áp U1 và các tụ lọc nguồn C2, C3, C4, C5 tạo thành mạch ổn áp đầu ra 5V cung cấp cho các vi mạch TTL. - Mạch ổn áp công suất Z1, R2, T1 (Transistor loại Darlington) tạo điện áp ra ổn định 14V cung cấp cho các động cơ. Cặp R1, T2 tạo thành mạch bảo vệ quá tải bảo vệ T1 khi có ngắn mạch ngõ ra. 2. Module công suất điều khiển động cơ Module điều khiển động cơ được thiết kế theo dạng cầu đảo chiều để điều khiển động cơ quay theo 2 chiều khác nhau. Mỗi module điều khiển một động cơ. Mạch sử dụng các transistor công suất darlington tần số cao như sau: Hình 8: Bộ nguồn ổn áp có bảo vệ quá tải. T1 R1 T2 Z1 C1 C3 C2 C5 C4 +5V U1 7805 IN OUT GND 1 3 2 R2 +14V 6V 12V + + C2383 TIP122 15V6104 1K 0.1/5W 4700uF 104 1000uF 104 Robocon 2005 Trung tâm Tin học Trang 13 Phân tích: - 2 cặp transistor darlington công suất T1-T4 và T2-T3 ghép thành mạch cầu có thể cung cấp dòng theo 2 chiều cho motor M tùy theo các tín hiệu điều khiển thích hợp ở các chân A,B,C,D. Cặp T1,T3 dùng loại TIP125, cặp T2,T4 dùng loại TIP122 (chi tiết về cấu trúc bên trong các transistor này xin xem phần phụ lục). - Các opto Op1, Op2, Op3, Op4 (dùng loại P521) tạo thành mạch đóng, ngắt cách ly. - Mối liên quan giữa các tín hiệu điều khiển A,B,C,D (dạng TTL) và chiều quay của động cơ M được cho trong bảng sau: A B C D Chiều quay của động cơ M 0 0 0 0 Ngừng 1 0 0 1 Quay theo chiều thuận 0 1 1 0 Quay theo chiều nghịch 1 0 1 0 Dừng cưỡng bức 0 1 0 1 Dừng cưỡng bức 1 1 x x x x 1 1 Trạng thái cấm (x: logic 0 hoặc 1) Hình 9: Module công suất điều khiển động cơ (Minh họa trường hợp cặp 1-4 đóng, 2-3 tắt) Bảng 1: Bảng liên hệ giữa tín hiệu điều khiển và chiều quay của động cơ +14V R1 A 220 R2 1K R4 1K +14V OP1 R3 B 220 R5 C 220 R6 1K R7 1K +14V OP3 R8 D 220 OP2 OP4 M T1 T3 T2 T4 Robocon 2005 Trung tâm Tin học Trang 14 3. Nhận diện vạch dẫn đường Mặt sân màu xanh lá cây xậm có kẻ vạch dẫn đường màu trắng. Đặc điểm này cho phép dùng các cảm biến vạch sử dụng tia laser đỏ để nhận biết vì màu trắng phản xạ rất tốt ánh sáng đỏ, còn màu xanh lá hấp thụ gần như hoàn toàn ánh sáng đỏ. Trong thiết kế này ta sử dụng cảm biến vạch BF3-RX của Hàn Quốc (thông số kỹ thuật xin xem phần phụ lục). Loại cảm biến này có độ ổn định rất cao và khả năng chống nhiễu ánh sáng rất tốt. Đây là loại cảm biến được sử dụng rộng rãi trong các dây chuyền điều khiển tự động. Để nhận biết chính xác hướng lệch của robot, ta dùng 3 cảm biến vạch cho đầu trước. Với cách thiết kế này, thông tin về hướng đi được nhận biết bằng 3 bit theo thứ tự Trái-Giữa-Phải (L-C-R) như sau (quy ước thấy vạch là mức 1): Giá trị L-C-R Thông tin 0-1-0 Đang đi thẳng 1-1-0 Hơi lệch phải 1-0-0 Quá lệch phải 0-1-1 Hơi lệch trái 0-0-1 Quá lệch trái 0-0-0 Ra khỏi vạch 1-1-1 Đi đến điểm giao hoặc vạch ngang 1-0-1 Đi đến điểm giao từ góc Hình 10: Minh họa cách thức robot kiểm tra hướng đi. Bảng 2: Bảng liên hệ giữa hướng lệch của robot với tín hiệu của các cảm biến vạch Hướng tới Î Lệch phải Robot Cảm biến Vạch trắng Î Lệch trái Î Chạy thẳng Robocon 2005 Trung tâm Tin học Trang 15 Tính chính xác của việc nhận biết hướng đi sẽ càng tăng nếu ta dùng càng nhiều bộ cảm biến (cảm biến BF3-RX là loại rất đắc tiền, dùng càng nhiều cảm biến thì robot sẽ di chuyển càng chính xác như giá thành của robot sẽ tăng đáng kể). Để phát hiện xu hướng lệch kịp thời, ta gắn thêm phía đầu sau của robot 1 cảm biến vạch nữa. Khi robot có xu hướng lệch, cảm biến phía sau sẽ lệch khỏi vạch trước 3 cảm biến đầu, như vậy xu hướng lệch sẽ được phát hiện và điều chỉnh kịp thời hơn. 4. Board mạch chủ Bo mạch chủ chứa bộ điều khiển trung tâm và các bộ đệm vào-ra. Robot sẽ cảm nhận các tác động bên ngoài thông qua các cảm biến, các công tắc chạm và sẽ có những ứng xử phù hợp với từng tình huống cụ thể theo chương trình định trước. Bộ điều khiển trung tâm sử dụng vi điều khiển P89V51RD2 thuộc họ 8051 của hãng Philip (có datasheet kèm theo phần phụ lục). Các bộ đệm vào-ra sử dụng IC 74HC573. Bo mạch chủ nối với các module khác qua các bus dây. Sơ đồ nguyên lý thiết kế bo mạch chủ như sau: Hình 11: Thêm cảm biến phía sau giúp phát hiện hướng lệch nhanh chóng hơn. Hình 12: Sơ đồ khối bo mạch chủ và mối liên hệ với các module khác. Cảm biến phía sau MCU (vi điều khiển) Các bộ đệm vào Các bộ đệm ra Tín hiệu từ các công tắc chạm Tín hiệu từ các cảm biến vạch Nguồn cung cấp Các module công suất điều khiển động cơ Robocon 2005 Trung tâm Tin học Trang 16 Phân tích: - IC1: chip vi điều khiển trung tâm P89V51RD2, điều khiển mọi hoạt động của robot. - IC2, IC3, IC4, IC5: bộ đệm ra, nối tới các module công suất điều khiển các động cơ. Với 4 bộ đệm 8 bit, mạch này có thể điều khiển 8 động cơ khác nhau. - IC6, IC7, IC8, IC9: các bộ đệm vào, dùng để nhận các tín hiệu từ các công tắc chạm và các cảm biến vạch. - IC10, IC11: giải mã địa chỉ. - IC12: bộ đệm đảo. Hình 13: Sơ đồ nguyên lý bo mạch chủ. Y0 15 Y1 14 Y2 13 Y3 12 Y4 11 Y5 10 Y6 9 Y7 7 1 A 2 B 3 C G1 4 G2A 5 G2B RD0\ IC10 74138 6 RD1\ RD2\ RD3\ RD4\ RD5\ RD6\ RD7\ RD\ A15 A14 A13 A12 Y0 15 Y1 14 Y2 13 Y3 12 Y4 11 Y5 10 Y6 9 Y7 7 1 A 2 B 3 C G1 4 G2A 5 G2B WR0\ IC11 74138 6 WR1\ WR2\ WR3\ WR4\ WR5\ WR6\ WR7\ WR\ A15 A14 A13 A12 P00 39 P01 38 P02 37 P03 36 P04 35 P05 34 P06 33 P07 32 P20 21 P21 22 P22 23 P23 24 P24 25 P25 26 P26 27 P27 28 ALE 30 PSEN 29 P37-RD 17 P36-WR 16 1 P10 2 P11 3 P12 4 P13 5 P14 6 P15 7 P16 8 P17 P30 11 P31 12 P32 13 P33 14 P34 15 P35 9 RESET 20 GND 31 EA 40 VCC 18 X2 19 X1 10 P8 9V 51 R D 2 Vcc RD\ WR\ A14 A13 A12 A15 C3 + 10uF R1 10K C1 C2 IC1 12 M H z Q0 19 Q1 18 Q2 17 Q3 16 Q4 15 Q5 14 Q6 13 Q7 12 M ot or 1 M ot or 2 2 D0 3 D1 4 D2 5 D3 6 D4 7 D5 8 D6 9 D7 11 C WR0 IC2 74573 OC\ 1 Q0 19 Q1 18 Q2 17 Q3 16 Q4 15 Q5 14 Q6 13 Q7 12 M ot or 3 M ot or 4 2 D0 3 D1 4 D2 5 D3 6 D4 7 D5 8 D6 9 D7 11 C WR1 IC3 74573 OC\ 1 Q0 19 Q1 18 Q2 17 Q3 16 Q4 15 Q5 14 Q6 13 Q7 12 M ot or 5 M ot or 6 2 D0 3 D1 4 D2 5 D3 6 D4 7 D5 8 D6 9 D7 11 C WR2 IC4 74573 OC\ 1 Q0 19 Q1 18 Q2 17 Q3 16 Q4 15 Q5 14 Q6 13 Q7 12 M ot or 7 M ot or 8 2 D0 3 D1 4 D2 5 D3 6 D4 7 D5 8 D6 9 D7 11 C WR3 IC5 74573 OC\ 12 Q0 19 Q1 18 Q2 17 Q3 16 Q4 15 Q5 14 Q6 13 Q7 12 In pu t[0 ..7 ] 2 D0 3 D1 4 D2 5 D3 6 D4 7 D5 8 D6 9 D7 1 OC\ RD0\ IC6 74573 C 11 Vcc Q0 19 Q1 18 Q2 17 Q3 16 Q4 15 Q5 14 Q6 13 Q7 12 In pu t[8 ..1 5] 2 D0 3 D1 4 D2 5 D3 6 D4 7 D5 8 D6 9 D7 1 OC\ RD1\ IC7 74573 C 11 Vcc Q0 19 Q1 18 Q2 17 Q3 16 Q4 15 Q5 14 Q6 13 Q7 12 In pu t[1 6. .2 3] 2 D0 3 D1 4 D2 5 D3 6 D4 7 D5 8 D6 9 D7 1 OC\ RD2\ IC8 74573 C 11 Vcc Q0 19 Q1 18 Q2 17 Q3 16 Q4 15 Q5 14 Q6 13 Q7 12 In pu t[2 4. .3 1] 2 D0 3 D1 4 D2 5 D3 6 D4 7 D5 8 D6 9 D7 1 OC\ RD3\ IC9 74573 C 11 Vcc Y0 18 Y1 16 Y2 14 Y3 12 Y4 9 Y5 7 Y6 5 Y7 3 2 A0 4 A1 6 A2 A5 15 A6 17 A7 WR0 IC12 74244 13 WR1 WR2 WR3 WR4 WR5 WR6 WR7 A4 11 A3 8 1 G0\ 19 G1\ WR0\ WR1\ WR2\ WR3\ WR4\ WR5\ WR6\ WR7\ Robocon 2005 Trung tâm Tin học Trang 17 IV. THIẾT KẾ PHẦN MỀM ĐIỀU KHIỂN 1. Lưu đồ giải thuật tổng quát Để điều khiển robot tự động, ta dùng phương pháp lập trình máy trạng thái. Điều kiện chuyển trạng thái có thể từ chương trình điều khiển chính hoặc từ các cảm biến vạch và các công tắc chạm chỉ vị trí cánh tay. Lưu đồ máy trạng thái tổng quát cho robot tự động như sau: Hình 14: Lưu đồ máy trạng thái điều khiển robot tự động. Sẵn sàng ở vị trí khởi động Di chuyển theo hướng hiện tại Điều chỉnh lệch hướng trái Điều chỉnh lệch hướng phải Bánh trái quay lui, bánh phải quay tới Bánh phải quay lui, bánh trái quay tới Đẩy bóng Dừng Nâng cánh tay Rút bóng Hạ rổ đỡ Hạ cánh tay bắt đầu, đi theo chương trình lệch phải lệch trái rẽ phải rẽ trái hết lệch hết lệch đã rẽ phảiđã rẽ trái có lệnh bắn bóng hết bóng bóng vào vị trí cánh tay tới vị trí trên bóng văng ra ngoài rỗ về vị trí cánh tay ._.