Tài liệu Đề tài: Tìm hiểu nguyên tắc hoạt động và cấu tạo của robot CleanMate 365 của hãng

Bài luận

Đề tài:

Tìm hiểu nguyên tác hoạt động và

cấu tạo của robot Cleanmate365 của

hãng Metapo USA

1

Lời cảm ơn

Trước hết em xin gửi lời cảm ơn chân thành và sâu sắc tới PSG.TS Trần

Quang Vinh người đã trực tiếp hướng dẫn, chỉ bảo tận tình và tạo mọi điều kiện

tốt nhất để em hoàn thành luận văn này.

Thứ hai em muốn gửi lời cảm ơn đến các thầy cô giáo đã giảng dạy em trong 4

năm học vưa qua.

Thứ ba em cảm ơn gia đình đã nuôi dưỡng và tạo điều kiện học tập tốt nhất

cho em.

Và cuối cùng em cảm ơn giúp đỡ và ủng hộ của các bạn trong suốt quá trình

học tập.

Sinh viên

Kim Ngọc Bách

2

Tóm tắt nội dung luận văn

Nội dung của bài luận văn này là về vấn đề tìm hiểu nguyên tắc hoạt động và cấu

tạo của robot CleanMate 365 của hãng Metapo,USA. Từ đó thiết kế, xây dựng một

robot có chức năng giống CleanMate 365. Sau đó hoàn thiện phát triển thêm các

chức năng mới cho robot này

Luận văn bao gồm 6 chương. Chương 1 đặt vấn đề và giới thiệu về Robot

Cleanmate 365. Chương 2 là cơ sở lý thuyết về robot di động thông minh. Các

chương 3,4,5 là thiết kế chi tiết của robot về cơ khí, điện tử, phần mềm điều khiển.

Chương 6 báo cáo về kết quả quá trình xây dựng, hoàn thiện Robot, và đề ra

hướng phát triển cho robot.

Phần phụ lục giới thiệu các công cụ sử dụng trong quá trình xây dựng robot và

mã nguồn tham khảo của chương trình điều khiển robot.

Mục Lục

3

Mục Lục...............................................................................................................................3

Danh Mục Hình Vẽ..............................................................................................................5

Danh Mục Bảng Biểu...........................................................................................................6

Chương 1: Tổng quan..........................................................................................................7

1.1 Đặt vấn đề:.................................................................................................................7

1.2 Giới thiệu về Robot Cleamate:...................................................................................8

Cleanmate365 là một robot hút bụi thông minh được chế tạo bởi hãng Metapo, Hoa

Kỳ. Không giống như các loại máy hút bụi thông thường, Cleanmate365 thực hiện

công việc hút bụi một cách hoàn toàn tự động theo chương trình đã được lập sẵn.

Cleanmate thích hợp cho các gia đình và văn phòng có nền nhà gỗ , thảm, đá hoa. Với

kích thước nhỏ gọn cleanmate365 có thể di chuyển hết cả phòng, những nơi mà máy

hút bụi thông thường không với vào được như gầm giường, gầm ghế…........................8

Chương 2: Cơ sở lý thuyết về hệ thống robot thông minh..................................................9

2.1 Khái Niệm Về Robot :...............................................................................................9

2.2 Phân Loại Robot :....................................................................................................10

2.3 Các bộ phận của robot di động thông minh :...........................................................11

2.4 Các mô hình điều khiển robot:.................................................................................12

2.4.1 Mô hình kiểu phản xạ :.....................................................................................12

2.4.2 Mô hình “sens – plan – act “ :...........................................................................13

2.4.3 Mô hình kiểu lai :..............................................................................................13

Chương 3: Thiết kế Robot cleanmate – Phần cơ khí.........................................................13

Chương 4: Thiết kế mạch điện tử .....................................................................................15

4.2 Khối điều khiển và giới thiệu PIC16F877A:...........................................................16

4.2.1 Hight-performance RISC CPU.........................................................................17

4.2.2 Các cổng vào ra :...............................................................................................18

4.2.3 Các Khối Timer:...............................................................................................21

4.2.4 Khối PWM:.......................................................................................................25

4.2.5 Khối ADC:........................................................................................................26

4.2.6 Khối truyền thông nối tiếp UART:...................................................................28

4.2.7 Các tài nguyên của PIC được sử dụng trong việc xây dựng khối điều khiển cho

robot:..........................................................................................................................28

4.3 Khối quản lý nguồn :................................................................................................30

4.3.1 Khối chuyển đổi nguồn nuôi:............................................................................30

4.3.2 Khối ổn áp:........................................................................................................31

4.3.3 Khối nạp Pin:....................................................................................................34

4.4 Hệ thống cảm nhận vật cản:.....................................................................................35

4.5 Hệ thống sensor gầm cảm nhận độ cao:...................................................................36

4.6 Cảm nhận sáng tối:...................................................................................................37

4.7 Khối giao tiếp điều khiển từ xa hồng ngoại:............................................................37

4.7.1 Nguyên lý hoạt động:........................................................................................38

4.7.2 Bộ Phát :............................................................................................................39

4.7.3 Phần thu:...........................................................................................................40

4.8 Bàn phím:.................................................................................................................42

4.9 Hiển thị LED 7 đoạn và Loa:...................................................................................43

4.9.1 Hiển thị LED 7 đoạn :.......................................................................................43

4.9.2 Loa :..................................................................................................................44

4.10 Mạch điều khiển động cơ :.....................................................................................44

4.10.1 Giới thiệu về mạch cầu H:..............................................................................44

4

4.10.2 Điều khiển motor với IC L298:.......................................................................46

4.10.3 Điều khiển Motor chổi quét:...........................................................................47

4.11 Thiết kế PCB:.........................................................................................................49

4.11.1 Phần mềm thiết kế mạch in PCB DXP Altium Designer:..............................49

4.11.2 Thiết kế mạch điện trong môi trường Altium Designer:................................49

4.11.3 Kết quả và nhận xét:.......................................................................................50

Chương 5: Phần mềm điều khiển Robot............................................................................50

5.1 Lập trình cho hệ thống thời gian thực:.....................................................................50

5.2 Bài toán di chuyển của robot:..................................................................................53

5.3 Tránh vật cả và độ cao:............................................................................................53

5.4 Tìm chỗ sáng:...........................................................................................................54

5.5 Chương trình điều khiển robot:................................................................................54

5.5.1 Chương trình điều khiển robot:.........................................................................54

Chương trình điều khiển robot có thể diên tả bằng lưu đồ sau, trong đó. Cleaner là

hàm hoạt động của robot, charger là hàm nạp pin.....................................................54

5.5.2 Sơ đồ trạng thái của robot trong quá trình hoạt động:......................................55

Chương 6: Kết quả thực nghiệm và hướng phát triển của đề tài.......................................56

6.1 Kết quả thực nghiệm:...............................................................................................56

6.2 Hướng phát triển của đề tài:.....................................................................................57

6.2.1 Tìm trạm sạc:....................................................................................................57

6.2.2 Tạo tiếng nói cho robot: ...................................................................................59

6.2.3 Lập trình thời gian biểu:....................................................................................59

Phụ Lục..............................................................................................................................60

Danh Mục Hình Vẽ

Hình 1:Robot Cleaner 365 do Hãng Metapo chế tạo...........................................................9

Hình 2:Hình Ba bộ phận của robot....................................................................................12

Hình 3:Mô hình kiểu phản xạ............................................................................................12

Hình 4:Mô hình tuần tự......................................................................................................13

Hình 5:Mô hình lai.............................................................................................................13

Hình 6:Đế Robot nhìn từ trên xuống.................................................................................14

Hình 7:Đế robot nhìn từ dưới............................................................................................15

Hình 8:Motor và bánh xe phát động..................................................................................15

Hình 9:Sơ đồ chân của PIC16F877A.................................................................................16

Hình 10:Sơ Đồ KhốI PIC16F877A....................................................................................18

Hình 11:Sơ đồ khối Timer0...............................................................................................22

Hình 12:Sơ đồ khối Timer1...............................................................................................23

Hình 13:sơ đồ khối timer 2................................................................................................24

Hình 14:sơ đồ khối PWM..................................................................................................25

Hình 15:xung ra từ PWM..................................................................................................25

Hình 16:Sơ đồ khối ADC..................................................................................................27

Hình 17:Sơ đồ đầu đưa điện áp vào...................................................................................30

Hình 18:Sơ đồ hệ rơle chọn nguồn....................................................................................31

Hình 19:sơ đồ ổn áp...........................................................................................................32

Hình 20:Cấu tạo bên trong của LM2576...........................................................................33

Hình 21:Sơ đồ mạch nguồn cho motor..............................................................................34

Hình 22:Sơ đồ khối nạp Pin...............................................................................................35

5

Hình 23:Cách ly quang......................................................................................................35

Hình 24:sơ đồ bộ phận cảm nhận vật cản..........................................................................36

Hình 25:Sơ đồ điều chế tín hiệu phát.................................................................................37

Hình 26:sơ đồ ghép nối quang trở.....................................................................................37

Hình 27:Dạng Xung mã hoá Manchester...........................................................................38

Hình 28:Khung dữ liệu RC5 khi nhận...............................................................................39

Hình 29:Cấu trúc 1 bộ phát hồng ngoại.............................................................................39

Hình 30:Sơ đồ bộ phát.......................................................................................................40

Hình 31:Sơ đồ cấu tạo bên trong của GP1U52X...............................................................41

Hình 32:Hình ảnh cảm biến GP1U52X.............................................................................41

Hình 33:Sơ đồ ghép nối phím bấm với Vi điều khiến.......................................................42

Hình 34:Sơ đồ hiển thị LED 7 đoạn..................................................................................44

Hình 35:Sơ đồ ghép nối loa...............................................................................................44

Hình 36:Sơ đồ nguyên lý và nguyên tắc hoạt động của mạch cầu H................................45

Hình 37:Mạch cầu H được thiết kế với transistor trường MOSFET.................................46

Hình 38:Sơ đồ chân IC L298.............................................................................................46

Hình 39:Sơ đồ ghép nối với vi điều khiển.........................................................................47

Hình 40:mô tả IRF540.......................................................................................................48

Hình 41:sơ đồ mạch điều khiển motor quét.......................................................................48

Hình 42:ví dụ về đáp ứng của hệ thống thời gian thực......................................................51

Hình 43:Lưu đồ thuật toán chương trình chính.................................................................55

Hình 44:Sơ đồ trạng thái Robot.........................................................................................56

Danh Mục Bảng Biểu

Bảng 1:Cấu hình Cổng A...................................................................................................19

Bảng 2:Cấu hình Cổng B...................................................................................................19

Bảng 3:Cấu hình Cổng C...................................................................................................20

Bảng 4:Cấu hình Cổng D...................................................................................................20

Bảng 5:Cấu hình Cổng E...................................................................................................21

Bảng 6:Cấu hình Presacle Timer0.....................................................................................22

Bảng 7:Cấu hình khối CCP................................................................................................26

Bảng 8:Cấu hình xung nhịp cho ADC...............................................................................27

Bảng 9:Mô tả các tài nguyên được sử dụng.......................................................................30

Bảng 10:Giá trị ADC khi đọc phím bấm...........................................................................43

Bảng 11:Trạng thái motor..................................................................................................45

Bảng 12:Mô tả IC L298.....................................................................................................47

6