Giáo trình Robocon [3] Mạch cảm biến dò đường
Nội dung:
Bài này giới thiệu về mạch cảm biến trong robocon. Mạch cảm biến đóng vai trò như “mắt “ của robot giúp cho robot có khả năng nhận biết được môi trường xung quanh (vạch trắng, chướng ngại vật ) để từ đó có biện pháp xử lý.
Loạt bài chia sẻ thiết kế mạch robot bằng tay – Trích từ giáo trình Robocon của DKS GROUP.
Trong mạch cảm biến, các bạn có thể sử dụng các loại led thu phát hồng ngoại hoặc quang trở. Led thu phát hồng ngoại có giá thành rẻ (2500 /cặp).
Hình 2.1.Sensor hồng ngoại.
Đối với robot công nghiệp ,bạn có thể sử dụng những loại cảm biến công nghiệp của các hãng Omron ,hay Siemens.Các loại cảm biến này có độ nhạy cao và khả năng chống nhiễu tốt.Tuy nhiên giá thành rất đắt (hàng trăm đô),cho nên sử dụng chúng trong robocon thì không phù hợp .Bạn hoàn toàn có thể tự chế tạo mạch sensor cho mình.
Hình 2.2.Một số sensor dùng trong công nghiệp
3.1.Mạch sensor phát thẳng.
3.1.2. Sơ đồ mạch in
3.1.3. Nguyên lý hoạt động.
Trong sơ đồ nguyên lý trên ,cặp led thu phát được đặt sát nhau ,một chân của led thu được đưa và LM324 .LM324 là IC khuếch đại so sánh ,mục đích khuyếch đại tín hiệu từ sensor .Tín hiệu ra từ LM324 được đưa và IC 7414 (Triger inverter) để đảo mức tín hiệu ,tín hiệu ra được đưa vào chân của vi điều khiển.Chiết áp đóng vai trò chỉnh độ nhạy của sensor ,đèn led có tác dụng báo hiệu khi sensor gặp vạch trắng.
Khi hoạt động ,led phát chiếu tia hồng ngoại xuống sân thi đấu ,khi chùm tia hồng ngoại chiếu xuống nền đen , led phát không nhận được chùm phản xạ nên không dẫn ,điện trở bằng vô cùng ,tín hiệu ra LM324 là mức 1 ,qua 7414 bị đảo mức tín hiệu về 0 (led báo sang ,tín hiệu vào vi điều khiển là mức 0).Tương tự ,khi robot gặp nền trắng ,mức tín hiệu ngược lại ,led báo
tắt ,tín hiệu vào vi điều khiển mức 1.
3.1.4.Ưu nhược điểm
Mạch sensor phát thẳng có ưu điểm là đơn giản ,dễ chế tạo ,tiết kiệm chi phí .Tuy nhiên ,nhược điểm của mạch sensor phát thẳng là khả năng chống nhiễu kém .Khi trên sân thi đấu ,ánh sáng đèn cao áp sẽ ảnh hưởng đến khả năng hoạt động của sensor .Do đó ,sensor phải được che chắn kĩ lưỡng để khỏi ảnh hưởng đến khả năng hoạt động của sensor (đặt trong hộp kín ,hoặc bọc băng dính đen các sensor).
3.2.Mạch sensor phát xung
Đặc điểm của mạch sensor phát xung đó là khả năng chống nhiễu tốt
,không bị ảnh hưởng bởi các điều kiện bên ngoài như ánh sáng.Tuy nhiên
,mạch phát xung có nhược điểm là phức tạp ,không tiện lợiTrên thực tế ,trong các cuộc thi robocon đa số các đội sử dụng mạch sensor phát thẳng .Bởi vì mạch sensor phát thẳng tương đối đơn giản ,dễ sử dụng
3.3.Bố trí sensor
Trên robot ,về nguyên tắc ,sử dụng nhiều sensor thì khả năng bám đường
càng tốt .Tuy nhiên ,trên thực tế bạn chỉ cần sử dụng 6 đến 8 sensor là
đủ.Cách bố trí sensor sẽ tuỳ thuộc vào ý tưởng và chất lượng các loại động cơ bạn sử dụng trong robot.
Xin giới thiệu 2 phương pháp bố trí sensor trên robot
a) Sử dụng 6 sensor xếp thành hàng ngang.
| |
| | Vạch trắng
| | | | | ||
| O | O |O | O| O | O (sensor) |
| 1 | 2 3 | 4 5 | 6 |
Cách này thích hợp đối với việc sử dụng các loại động cơ có độ hãm tốt ,quay ngã tư quay bằng 1 bánh (bánh quay ,bánh dừng). Trong cách bố trí này ,sensor 2,3,4,5 được sử dụng để bám đường ,hai sensor ngoài cùng 1 và 6 được dùng để đếm ngã tư và quay phải ,quay trái. Phương pháp bố trí sensor này đã được FXR sử dụng năm 2004 và đã đoạt chức vô địch.
a) Sử dụng 8 sensor
| |
| | Vạch trắng
| |
| O | O |O | O| O | O | (sensor) |
| 2 3 | 4 5 | |||
| | | | | |||
| | | | | |||
| O | O |
Cách này thường được áp dụng với các loại động cơ có độ hãm kém ,quay ngã tư bằng 2 bánh.( 2 bánh quay ngược chiều nhau).Ở sơ đồ trên ,2 sensor được lắp ở phía dưới đế của robot để bắt ngã tư ,còn 6 sensor phía trên dùng để bám đường.Đây là cách mà BK-FIRE sử dụng trong cuộc thi robocon năm 2005.
3.4.Công tắc hành trình
Công tắc hành trình được sử dụng khá nhiều trong robocon .Công tắc hành trình thường được lắp đặt ở các cơ cấu phía trên ,như cơ cấu truyền động ,gắp quà ,bỏ bóng.
Hình 3.3.Công tắc hành trình
Công tắc hành trình có 3 chân : Ở dạng thường đóng ,thường mở. Một chân tín hiệu được nối đất hoặc VCC , một chân được nối với vi điều khiển.
Trong robocon ,việc bố trí công tắc hành trình cần phải linh hoạt ,khéo léo để phát huy tối đa khả năng nhận biết của robot.
3.5.Encoder
Một công nghệ mới đã được một số đội robot áp dụng trong những năm gần đây là sử dụng các bộ encoder .
Cơ sở của phương pháp này là sử dụng đặc tính độ dài quãng đường đi được và sai số chuyển động giữa hai bánh của động cơ nhờ khai thác tính chất của bộ mã hoá xung vòng quay (Rotary encoder).
Bộ encoder thực chất là một đĩa có đục lỗ có gắn cặp sensor thu phát ở 2 bên
.Bộ encoder được gắn trên bánh xe hoặc trên động cơ của robot
Nguyên tắc hoạt động của encoder
Gồm một bộ thu phát hông ngoại và một đĩa cho chia lỗ được đặt giữa hệ thống thu phát này. Đĩa được gắn trên trục của động cơ hoặc trục chuyển động. Quá trình đĩa chuyển động làm cho phần photo sensor thay đổi trạng thái và tạo ra một chuỗi các xung vuông trên đầu ra. Đây là thông số kĩ thuật quan trọng của một encoder. Tuỳ theo số lỗ trên đĩa mà số xung tạo ra trong một vòng quay của đĩa khác nhau. Số lượng xung càng lớn nghĩa là số lỗ càng nhiều trên một vòng tròn 360. Nghĩa là ta càng có thể điều khiển chính xác. Và dĩ nhiên bộ encoder càng đắt tiền. Chúng ta có thể thấy có nhiều loại encoder dùng từ trường hoặc trên đĩa có nhiều vòng lỗ nhưng tôi giới thiệu loại phổ dụng và đơn giản nhất là sử dụng ánh sáng như trên. Trong thực tế chúng ta có thể thấy các bộ encoder trên các động cơ DC chứ không chỉ là các thành phần độc lập. Việc lựa chọn và sử dụng hai loại encoder này đều có những ưu và nhược điểm riêng mà tôi không đề cập ở đây. Hình dạng các encoder :
Khi robot muốn dịch chuyển theo một quỹ đạo xác định cần căn cứ vào hai trạng thái cơ bản đó là quãng đường đã đi được của hai bánh (tham chiếu với chương trình, và hướng chuyển động), Sai số quãng đường giữa hai động cơ.
Phương pháp này thể hiện đặc tính rất mềm dẻo khi phải chuyển hướng vì có thể xoay robot một góc bất kì ra khỏi quỹ đạo chính.
Encoder thường có 6 dây (hoặc 4 dây tùy loại ) bao gồm 2 dây nguồn ,2 dây tín hiệu A và B và dây pha Z.2 dây tín hiệu A và B cho phép bạn xác định số vòng quay của động cơ ,vận tốc và chiều quay của động cơ.Để lập trình xử l tín hiệu encoder ,bạn có thể nối 2 dây tín hiệu A và B vào 2 chân timer hoặc ngắt ngoài của vi điều khiển,thiết lập vi điều khiển ở chế độ counter ,vi điều khiển sẽ đếm xung từ vi điều khiển.
Bạn có thể tham khảo code dưới đây
void ngat0(void) interrupt 1 // ngat bo dinh thoi 0
{
if (kt0==0) // bit nay set de dung trong luc quay va di lap ma
{
P1_2=1;
P1_3=1;
P1_0=1;
P1_1=1;
}
if (kt0==1) // bit nay xoa de bam xung dinh thoi new
{
TR0=0;
if (dem_trai==tocdo_trai)
{ P1_2=~P1_2;tocdo_trai=10-tocdo_trai;dem_trai=0;} dem_trai++;
TR0=1;
}
if (kt0==2) // dung cho bamxung quay
{
TR0=0; TH0=0xFF; TL0=0x47; d2++; TR0=1;
}
}
// quay dung bo lap ma
void quayphai(unsigned char bytecao,unsigned char bytethap)
{
TMOD=0x55;// dem su kien P1_2=1;
P1_3=0;
P1_0=0;
P1_1=1; delay(500); P1_0=1;
kt0=0;// bit nay set de chuong trinh ngat kiem tra lua chon TH0=bytecao;
TL0=bytethap; // 230 XUNG
TR0=1; while(1)
{
if (P1_3==1) break;
}
}
void ngat1(void) interrupt 3 // ngat bo dinh thoi 1
{
if (kt1==0) // dung de di lap ma
{
P1_0=1;
P1_1=1;
P1_2=1;
P1_3=1;
}
if (kt1==1) // bam xung dinh thoi kieu moi
{
TR1=0;
if (dem_phai==tocdo_phai)
{ P1_0=~P1_0;tocdo_phai=10-tocdo_phai;dem_phai=0;} dem_phai++;
TR1=1;
}
}
// quay dung bo lap ma
void quaytrai(unsigned char bytecao,unsigned char bytethap)
{
TMOD=0x55; //khoi dong bo dinh thoi dem su kien kt1=0;
P1_0=1;
P1_1=0;
P1_2=0;
P1_3=1; delay(500); P1_2=1; TH1=bytecao; TL1=bytethap; TR1=1; while(1)
{
if (P1_1==1) break;
}
}
void quay(unsigned char status ,unsigned char bytecao ,unsigned char bytethap)
{
if (status==turn_right) quayphai(bytecao,bytethap);
if (status==turn_left) quaytrai(bytecao,bytethap);
}
void delay (unsigned long time)
{
unsigned long i;
for (i=0;i<time ;i++)
{}
}
// bam xung bang bo dinh thoi
void quayphaingatu()
{
motor(backward); delay(3500); motor(stop); delay(10000); motor(left_go); delay(4500);
bamxung_quay(5,motor_left);
motor(stop);
}
void quaytraingatu()
{
motor(backward); delay(3500); motor(stop); delay(10000); motor(right_go); delay(4500);
bamxung_quay(5,motor_right); motor(stop);
}