MỤC LỤC

LỜI NÓI ĐẦU……………………………………………………………….........................…...-1-

CHƯƠNG  I. TỔNG QUÁT VỀ HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN VÔ LĂNG QUA INTERNET....- 2 -

1.1. Khái niệm  của hệ thống lái.........................................................................................- 2 -

1.1.1. Khái niệm.................................................................................................................- 2 -

1.1.2. Yêu cầu....................................................................................................................- 2 -

1.1.3. Điều khiển hệ thống lái qua internet........................................................................- 3 -

1.1.4.. Ưu nhược điểm của hệ thống................................................................................- 3 -

1.1.5. Phạm vi ứng dụng ...................................................................................................- 4 -

CHƯƠNG II. PHÂN TÍCH KẾT CẤU HỆ THỐNG LÁI .....................................................- 8 -

2.1 Chọn hệ thống lại thủy lực...........................................................................................- 8 -

2.2.1. Hệ thống lái trợ lực thủy lực là gì? ..........................................................................- 8 -

2.1.2. Cấu tạo của hệ thống lái trợ lực thủy lực.................................................................- 9 -

2.1.3. Chức năng của hệ thống lái trợ lực thủy lực..........................................................- 11 -

2.1.4. Nguyên lý hoạt động của hệ thống lái trợ lực thủy lực..........................................- 12 -

2.1.5. Ưu điểm và hạn chế của hệ thống lái trợ lực thủy lực...........................................- 13 -

2.1.6. Hư hỏng thường gặp ở hệ thống lái trợ lực thủy lực ............................................- 15 -

CHƯƠNG III. THIẾT KẾ THỐNG LÁI QUA INTERNET..................................................- 16 -

3.1. Mục đích và yêu cầu của mô hình.............................................................................- 16 -

3.1.1 Mục đích..................................................................................................................- 16 -

3.1.2 Yêu cầu...................................................................................................................- 17 -

3.2. Thiết kế hệ thống .....................................................................................................- 17 -

3.3 Các linh kiện khác .....................................................................................................- 24 -

3.4. Các phần mền...........................................................................................................- 29 -

3.5. Xây dựng cấu trúc hệ thống .....................................................................................- 32 -

3.5.1 Sơ đồ khối...............................................................................................................- 32 -

3.5.2 Sơ đồ nguyên lý mạch điều khiển_.........................................................................- 34 -

3.6. Xây dựng chương trình điều khiển...........................................................................- 38 -

3.6.1 Lưu đồ thuật toán...................................................................................................- 38 -

3.7. Chương trình điều khiển..........................................................................................- 40 -

CHƯƠNG IV. LẮP RÁP VÀ KHẢO NGHIỆM.................................................................- 69 -

4.1. Phần cơ khí..............................................................................................................- 69 -

4.2. Phần điện.................................................................................................................- 73 -

4.3. Khảo nghiệm thực tế và kết quả thu được...............................................................- 81 -

4.3.1. Khảo nghiệm thực tế.............................................................................................- 81 -

4.3.2. Kết quả..................................................................................................................- 82 -

KẾT LUẬN......................................................................................................................- 84 -

TÀI LIỆU THAM KHẢO..................................................................................................- 84 -

LỜI MỞ ĐẦU

`Trước tiên nhóm em xin gửi lời cảm ơn chân thành tới tập thể các các thầy cô giáo trong Khoa Cơ Khí, đã giúp đỡ tận tình và chu đáo để nhóm em có môi trường tốt học tập và nghiên cứu.

Đặc biệt em xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc tới Thầy: TS……………. người trực tiếp đã hướng dẫn, chỉ bảo nhóm em tận tình trong suốt quá trình nghiên cứu và hoàn thiện đồ án

Một lần nữa em xin được gửi lời cảm ơn đến tất cả các thầy cô giáo, bạn bè và gia đình đã giúp đỡ nhóm em trong thời gian vừa qua. Nhóm em xin kính chúc các thầy cô giáo, các anh chị và các bạn mạnh khỏe và hạnh phúc.

Em xin chân thành cảm ơn!

                                                                                                          Hà Nội, ngày … tháng … năm 20…

                                                                                                       Sinh viên thực hiện

                                                                                                       ………………….

CHƯƠNG  I.  TỔNG QUÁT VỀ HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN VÔ LĂNG QUA INTERNET

1.1. Khái niệm cảu hệ thống lái

1.1.1. Khái niệm

Hệ thống lái của ô tô được dùng để thay đổi phương hướng chuyển động của ô tô nhờ quay các bánh xe dẫn hướng , hoặc cho ô tô chuyển động theo một hướng  xác định nào đó . Để ô tô có thể quay vòng được cần phải có mô men quay vòng, mô men này sinh nhờ có các phản lực bên khi quay các bánh xe dẫn hướng .

Ngày nay, sự phát triển nhanh chóng của công nghệ thông tin và internet đã tạo ra những tiềm năng mới trong ngành ô tô. Một trong những xu hướng đột phá là điều khiển hệ thống lái qua internet, cho phép người dùng từ xa tương tác và điều khiển các chức năng của xe ô tô thông qua mạng internet

1.1.2 Yêu cầu

Hệ thống lái của ô tô phải đảm bảo thoả mãn những yêu cầu cơ bản sau đây:

- Đảm bảo tính năng vận  hành cuả ô tô, có nghĩa là khả năng quay vòng của ô tô thật nhanh và ngoặt trên một diện tích giới hạn ;

- Động học quay vòng đúng, nghĩa là khi quay  vòng tất cả các bánh xe ở các cầu dẫn hướng phải lăn theo những đường tròn đồng tâm mà không bị trượt ;

- Các bánh xe dẫn hướng có khả năng quay trở về vị trí ban đầu và giữ được hướng cuyển động thẳng, ổn định ;

1.1.4. Ưu nhược điểm của hệ thống

* Ưu điểm :

- Giảm được sự mệt mỏi cho người điều khiển phương tiện do các rung động của động cơ tác động lên cơ thể người điều khiển vì người điều khiển không phải trực tiếp ngồi trên phương tiện để điều khiển

- Giảm được các tác động từ bên ngoài đảm bảo an toàn cho người điều khiển như khi xe gặp phải những tai nạn sẽ không ảnh hưởng đến tính mạng sức khỏe của người lái

- Điều khiển từ xa thông qua ứng dụng di động: Đa số các hãng xe đã phát triển các ứng dụng di động riêng, cho phép người dùng dễ dàng kiểm soát xe của mình từ bất kỳ đâu trên thế giới chỉ cần có kết nối với internet

* Nhược điểm :

- Việc điều khiển hệ thống lái qua ỉternet đặt ra những rủi ro bảo mật cao có thể bị tin tặc xâm nhập và bị chiếm quyền kiểm soát xe .vậy bảo mật và mã hóa dữ liệu là yếu tố quan trọng cần được chú trọng.

- Điều khiển có thể bị ảnh hưởng do tốc độ đường truyền

- Khi điều khiển mà có lỗi về cơ khí và phần mền thì khó có thể xử lý vì được điều khiển từ xa

1.1.5. Phạm vi ứng dụng

Hệ thống điều khiển từ xa có rất nhiều ứng dụng hữu ích trong cuộc sống như  có thể ứng dụng để giúp thực hiện các công việc có tính đặc thù điều khiển các loại máy móc vào những điều kiện khắc nghiệt ,môi trường độc hại mà con người tiếp xúc vào có thể gây ảnh hưởng đến sức khỏe con người

Trong lĩnh vực khai thác mỏ khoáng sản :giúp  công nhân an toàn tránh gặp sự cố đáng tiếc khi làm việc (sụt mỏ) ,thay thế con người bằng máy móc được điều khiển từ xa

Những mối nguy hiểm chính:

- Hệ thống cơ khí: có thể là lắp ráp không chính xác hệ thống phanh dẫn đến phanh không nhạy,…

- Hệ thống điện: có thể mối nối bị lỏng dẫn đến đèn báo không hiển thị,…

- Thiết bị phần cứng: chip máy tính điều khiển xe tự hành bị hỏng,…

- Chương trình phần mềm: có lỗi trong phần mềm/chương trình,…

- Cảm biến: dữ liệu cảm biến không chính xác, bị nhiễu,…

- Hành vi: đưa ra quyết định không chính xác hoặc chậm trễ,…

CHƯƠNG II: PHÂN TÍCH KẾT CẤU HỆ THỐNG LÁI

2.1. Chọn hệ thống lại thủy lực

2.2.1. Hệ thống lái trợ lực thủy lực là gì?

Hệ thống lái trợ lực thuỷ lực là một hệ thống vòng kín sử dụng áp suất dầu để hỗ trợ việc đánh lái, từ đó giúp việc điều khiển tay lái nhẹ nhàng, đơn giản hơn. Đây là hệ thống hiện đại, được trang bị ở hầu hết các dòng xe có mặt trên thị trường hiện nay.

2.1.2. Cấu tạo của hệ thống lái trợ lực thủy lực

Mỗi hệ thống sẽ có cấu tạo từ nhiều bộ phận khác nhau, hệ thống lái trợ lực thủy lực cũng không ngoại lệ. Những chi tiết cấu thành hệ thống này bao gồm:

* Bình chứa:

Đây là bộ phận được lắp trực tiếp vào thân bơm hoặc không trực tiếp mà được nối với bơm bằng 2 ống mềm. Chúng là nơi cung cấp dầu trợ lực lái cho toàn bộ hệ thống.

Thường thì nắp bình sẽ có chứa một thước đo để kiểm tra mức dầu. Trong trường hợp khi mức dầu trong bình chứa không đủ mức chuẩn thì bơm sẽ hút không khí vào và khiến quá trình vận hành phát sinh lỗi.

* Bơm trợ lực lái:

Đây cũng là một trong những bộ phận khá quan trọng của hệ thống lái trợ lực thủy lực. Theo đó, khi dây đai dẫn động và puli trục khuỷu động cơ sẽ dẫn động cho bơm để đưa dầu bị nén vào trong hộp cơ cấu lái bánh răng thanh răng.

* Van điều khiển

Bộ phận này đóng vai trò quan trọng, không thể thiếu trong hệ thống lái trợ lực thủy lực. Chúng đảm nhận nhiệm vụ chuyển hướng dầu quay về bình chứa hoặc đi tới xilanh.

2.1.3. Chức năng của hệ thống lái trợ lực thủy lực

Mỗi hệ thống đều có vai trò, chức năng nhất định đối với toàn bộ quá trình hoạt động của xe. Vậy hệ thống lái trợ lực thủy lực có chức năng gì? Đây cũng là câu hỏi khiến nhiều người băn khoăn.

2.1.4. Nguyên lý hoạt động của hệ thống lái trợ lực thủy lực

Hệ thống trên hoạt động như thế nào cũng là băn khoăn của nhiều người. Theo đó, hệ thống trên hoạt động dựa theo nguyên lý sau:

- Các bộ phận trong hệ thống phối hợp đồng bộ với nhau.

- Đầu tiên, khi dầu được bơm trợ lực từ bình chứa đến van sẽ chuyển hướng. Lúc này, tùy thuộc vào vị trí đánh vô lăng mà dầu sẽ được dẫn đến bên phải hoặc bên trái của servo xylanh thước lái.

2.1.5. Ưu điểm và hạn chế của hệ thống lái trợ lực thủy lực

Mỗi hệ thống trên xe ô tô đều có những ưu điểm và hạn chế nhất định. Dưới đây là một số ưu điểm, nhược điểm của hệ thống lái trợ thuỷ lực.

* Ưu điểm:

Một số ưu điểm nổi trội phải kể đến như sau:

Tạo cảm giác lái chân thực: Đây là ưu điểm hàng đầu của hệ thống này. Nhờ nguyên lý hoạt động dựa trên áp suất của dầu và tạo phản ứng với mặt đường sẽ giúp lái xe cảm nhận rõ nét được lực đẩy lên vô lăng. 

Cấu tạo đơn giản, dễ dàng sửa chữa và bảo dưỡng.

Tính ổn định và tuổi thọ tương đối cao.

Các lỗi khá đơn giản, không gây hậu quả nghiêm trọng nên ít chi phí sửa chữa, bảo dưỡng khá thấp.

* Hạn chế:

Bên cạnh những ưu điểm kể trên thì hệ thống lái trợ lực thuỷ lực cũng có những nhược điểm nhất định, cụ thể:

Hệ thống trên chiếm nhiều diện tích trong không gian nội thất của xe.

Dễ khiến người lái cảm thấy khó chịu khi có cảm giác nặng ở tốc độ thấp và nhẹ ở tốc độ cao.

CHƯƠNG III: THIẾT KẾ THỐNG LÁI QUA INTERNET

3.1. Mục đích và yêu cầu của mô hình

3.1.1. Mục đích

- Phục vụ thiết thực cho việc nghiên cứu, học tập, cập nhật các kiến thức mới về công nghệ trên xe ô tô, đặc biệt là lĩnh vực xe tự lái.

- Có thể tiến hành thực hiện một số thực nghiệm trên mô hình, từ đó có những nhận xét, đánh giá và giải thích giúp củng cố các kiến thức lý thuyết cơ bản.

3.1.2. Yêu cầu

- Mô hình phải hoạt động tốt , làm việc có tính ổn định cao.

- Mô hình phải mang tính khoa học, sáng tạo và thẩm mĩ, phù hợp với mục đích nghiên cứu và học tập.

3.2. Thiết kế hệ thống

Các cảm biến chính:

Cảm biến là thiết bị điện tử cảm nhận những trạng thái, quá trình vật lý hay hóa học ở môi trường cần khảo sát và biến đổi thành tín hiệu điện để thu thập thông tin về trạng thái hay quá trình đó.

* Camera:

- Ưu điểm:

+ Thể hiện được độ chi tiết của vật và cảnh như: màu sắc, vị trí tương quan, kích thước,…

+ Rẻ hơn so với Lidar và Radar.

+  Xử lý thông tin về cảnh vật giống như cách con người quan sát. Do đó, dễ dàng xử lý thông tin theo như bộ não xử lý.

- Nhược điểm:

+ Không hoạt động tốt trong các điều kiện thời tiết hoặc ánh sáng kém.

+ Một vài loại, như Stereo camera, có khả năng nhận biết được chiều sâu của ảnh nhưng chỉ đáng tin cậy trong phạm vị gần.

* Radar:

Radar ô tô là công nghệ cảm biến hàng đầu hiện nay giúp tăng độ an toàn khi lái xe trong mọi điều kiện môi trường. Đến nay, radar ô tô đang được ứng dụng trên nhiều mẫu xe hơi cao cấp để kích hoạt các tính năng an toàn và tiện nghi trên xe, nhằm điều chỉnh tốc độ di chuyển tự động mà không cần sự tham gia của người lái.

Trong tương lai không xa, cảm biến radar trên ô tô sẽ trở thành trợ thủ đắc lực của người điều khiển khi tham gia giao thông để giảm thiểu tối đa va chạm. Đồng thời, đây cũng là công nghệ quan trọng để hướng đến ngành công nghiệp ô tô không người lái.

- Ưu điểm:

+ Ưu điểm lớn nhất của cảm biến radar là không bị ảnh hưởng bởi điều kiện thời tiết, ánh sáng, âm thanh, do sử dụng sóng radio.

+ Các tín hiệu đo từ cảm biến rada luôn được ổn định ngay cả trong điều kiện bất lợi của môi trường.

- Nhược điểm:

Dữ liệu không thể hiện được nhiều chi tiết về vật: Các sóng radio có độ chính xác cao trong việc phát hiện các đối tượng. Tuy nhiên, so với máy ảnh, Radar tương đối yếu trong việc xác định hình dạng của vật thể. Do đó, hệ thống có thể không xác định được chính xác đối tượng là gì. 

3.3 Các linh kiện khác

a. Động cơ servo:

Encoder được gắn sau đuôi động cơ để phản hồi chính xác tốc độ và vị trí của động cơ về bộ điều khiển.

Bộ mã hóa có nhiệm vụ cảm biến gần đúng để xác định tốc độ quay và vị trí quay của động cơ.

Động cơ Servo như đã giới thiệu ở phần cấu tạo thì nó được tạo nên từ hệ thống vòng khép kín. Tín hiệu đầu ra của Servo sẽ được nối với mạch điều khiển. Khi động cơ quay liên tục, vận tốc và vị trí sẽ hồi tiếp, truyền đến mạch này.

b. Module điều khiển động cơ BTS7960

BTS7960 là một mô-dun điều khiển động cơ DC, cầu H dòng cao tích hợp đầy đủ cho các ứng dụng truyền động động cơ cần sử dụng dòng cao.

c. Mạch WiFi ESP8266 CP2102 NodeMCU

ESP8266 là một mạch vi điều khiển có thể giúp chúng ta điều khiển các thiết bị điện tử. Thêm vào đó nó được tích hợp wi-fi 2.4GHz có thể dùng cho lập trình.

Board còn tích hợp IC CP2102, giúp dễ dàng giao tiếp với máy tính thông qua Micro USB để thao tác với board.

Board có sẳn nút nhấn, led để tiện cho quá trình học, nghiên cứu.

e. Quạt tản nhiệt

Được sử dụng để làm mát cho mô-đun điều khiển động cơ BTS7960.

h. Xe điện 3 bánh dành cho người già

Xe điện 3 bánh là loại xe điện có 3 bánh gồm 1 bánh trước và 2 bánh sau giúp hỗ trợ cân bằng khi lái xe. Xe điện 3 bánh có cấu tạo gồm các phần chính: Hệ thống động cơ, hệ thống điều khiển, ắc quy, một số bộ phận khác.

3.4. Các phần mền

a. Arduino IDE

* Giới thiệu về Arduino IDE:

Arduino IDE là một phần mềm mã nguồn mở, được thiết kế bởi Arduino.cc và chủ yếu được sử dụng để viết, biên dịch và tải lên mã cho hầu hết tất cả các Mô-đun Arduino như: Arduino Uno, Arduino Mega, Arduino Nano và nhiều loại mô – đun khác.

b. Visual Studio Code:

* Khái niệm:

Visual Studio Code là một trình soạn thảo, biên tập code hoàn toàn miễn phí dành được Microsoft phát triển cho các lập trình viên và có mặt trên hầu hết các hệ điều hành phổ biến như: Windows, Linux và macOS..

* Các tính năng nổi bật của Visual Studio Code:

- Hỗ trợ nhiều ngôn ngữ lập trình:

Visual Studio Code được hỗ trợ khá nhiều ngôn ngữ lập trình: C/C++, C#, F#, Visual Basic, HTML, CSS, JavaScript,...

- Hỗ trợ đa nền tảng:

Visual Studio Code có thể hỗ trợ đa nền tảng như: Windows, Linux và macOS.

3.5. Xây dựng cấu trúc hệ thống

3.5.1. Sơ đồ khối

* Arduino Nano:

- Đọc dữ liệu của Lidar thông qua nền tảng ROS (chạy trên máy tính) và gửi trở lại ROS trạng thái hiện tại của xe (giá trị các biến điều khiển).

- Đọc dữ liệu của cảm biến Ultrasonic và gửi tín hiệu TRIG để kích hoạt cảm biến hoạt động.

- Gửi tín hiệu có thể đi (không có vật cản) hay phải dừng lại (do gặp vật cản xác định bởi Lidar và Ultrasonic) xuống ESP8266.

* ESP8266 NodeMCU:

- Đọc tín hiệu gửi từ Arduino Nano. Có 2 loại tín hiệu: có thể đi (cảm biến xác nhận không có vật cản) và dừng lại (cảm biến nhận thấy vật cản).

- Khi nhận được tín hiệu có thể đi, ESP8266 thực hiện nhả phanh từ của động cơ chính và sẵn sàng điều khiển động cơ chính quay thông qua Module BTS7960. Ngược lại, khi nhận được tín hiệu dừng, ESP8266 thực hiện hãm phanh từ, đồng thời xuất mức 0 ở hai đầu chân điều khiển của Module BTS7960 để động cơ chính dừng lại.

3.5.2. Sơ đồ nguyên lý mạch điều khiển

Sơ đồ liên kết các phần cứng thể hiện như hình 3.22.

Trong sơ đồ nguyên lý, gồm các khối:

* Khối MCU:

Hai  board Arduino Nano và NodeMCU ESP8266 đóng vai trò quan trọng nhất, là bộ não chỉ huy các tác vụ hệ thống. Cụ thể:

* Board Arduino Nano:

- Đọc dữ liệu từ cảm biến Lidar thông qua giao diện Serial (UART) bằng giao thức (protocol) Rosserial. Cảm biến Lidar và Arduino sẽ được kết nối với máy tính bằng cổng USB.

- Kích hoạt cảm biến Ultrasonic thông qua chân TRIG và đọc dữ liệu từ nó trên chân ECHO.

* Board NodeMCU ESP8266:

- Như đã trình bày ở trên, các chân KHOA_TU, TRAI_AR, PHAI_AR, DC1, DC2

- Chân KHOA_TU cấp tín hiệu số điều khiển phanh điện từ trong động cơ chính. Cấp mức 0 phanh sẽ khóa, cấp mức 1 phanh sẽ nhả.

- Chân TRAI_AR và PHAI_AR kết nối vào cổng NO của Relay, COM của Relay sẽ gắn với GND. Như đã trình bày ở trên, 2 chân này sẽ nối chung với cả Arduino, như vậy khi Relay đóng thì 1 trong 2 chân này sẽ nhận mức logic 0, Arduino căn cứ vào mức logic này để điều khiển động cơ lái quay trái hoặc quay phải.

* Khối MODULE ĐIỀU KHIỂN ĐỘNG CƠ BTS7960:

Gồm 2 Module dùng cho động cơ lái và động cơ chính. Các chân IN1, IN2, DC1, DC2 được kết nối tương ứng từng Module. Chân cấp nguồn và Enable cho Module hoạt động được chỉ rõ trên sơ đồ. Đầu ra cần được kết nối với động cơ cần điều khiển và nguồn cho nó.

* Khối BIẾN TRỞ LÁI:

Biến trở có 3 chân, 2 chân cấp nguồn và chân còn lại nối với chân BT của Arduino để đọc điện áp. Giá trị của biến trở sẽ thay đổi tùy theo góc của bánh xe dẫn hướng.

3.7. Chương trình điều khiển

a. Chương trình xử lý dữ liệu từ Lidar

* reading_laser.py

Thể hiện như bảng dưới.

* process_distance.py:

Thể hiện như bảng dưới.

b. Chương trình điều khiển cho Arduino

Thể hiện như bảng dưới.

c. Chương trình điều khiển cho ESP8266

Thể hiện như bảng dưới.

d. Xây dựng giao diện trên ứng dụng Blynk

Sau khi tải ứng dụng Blynk về điện thoại, tiến hành đăng ký và tạo dự án mới với tên “Đồ án”, thiết bị là “ESP8266”. Sau đó, sẽ có 1 mã AUTH TOKEN được gửi qua email đăng ký, sao chép mã này và thêm vào chương trình điều khiển cho ESP8266 để xác định điện thoại có thể điều khiển phần cứng.

Khi đã thêm được các nút nhấn (Button) và thanh trượt (Slider), ấn vào từng đơn vị để tiến hành cài đặt. Lần lượt có các mục:

- OUTPUT: xác định biến và giá trị của biến đầu ra. Ở đây, sử dụng biến ảo (Virtual) làm biến trung gian giữa ứng dụng và thiết bị phần cứng. Mỗi nút bấm và thanh trượt chọn Vx (x thay bằng số) khác nhau để không bị trùng chức năng. Vì nút bấm chỉ có 2 trạng thái là nhấn (mức 1), nhả ( mức 0) nên sẽ nhập 0 ở ô bên trái (mức logic thấp), 1 ở ô bên phải (mức logic cao). Riêng đối với thanh trượt, chức năng để thay đổi tốc độ của xe nên cần sử dụng kỹ thuật PWM (Pulse width modulation – Điều chế độ rộng xung), do đó, giá trị của biến thanh trượt sẽ thay đổi từ 0 đến 255 (số càng cao thì thời gian xung ở mức cao càng lâu trong một chu kỳ cố định), tức là thay đổi được tốc độ từ 0 đến lớn nhất.

- MODE: chọn kiểu nút nhấn. Với nút ON/OFF và TIEN/LUI phải chọn kiểu SWITCH để có thể giữ nguyên trạng thái sau khi thả tay, còn nút TRAI và PHAI thì chọn kiểu PUSH để khi nhấn thì mới tác động làm điều hướng xe, nhả thì không.

- WRITE INTERVAL: Xác định khoảng thời gian giá trị của biến được gửi đi. Do cần thay đổi tốc độ xe khi kéo thanh trượt nên ở mục SEND ON RELEASE chọn OFF, mục WRITE INTERVAL chọn 100ms.

e. Thiết lập chương trình đọc Lidar và liên kết với Arduino trong ROS

Để có thể giảm bớt khó khăn, phức tạp khi phải xử lý dữ liệu thô từ Lidar, có thể nghĩ đến việc sử dụng ROS (Robot Operating System). ROS cung cấp bộ công cụ giúp phát triển các ứng dụng robot một cách dễ dang và nhanh chóng. Hiện tại ROS chỉ có thể chạy trên nền tảng hệ điều hành thuộc Unix, với Windows đang được thử nghiệm nhưng chưa ổn định.

Việc cài đặt ROS, cài các gói (packages) cần thiết (rplidar – package cho Lidar), thiết lập cấu hình môi trường, tạo thư mục làm việc (workspace) và tạo package/project cá nhân trong workspace cần tuân theo hướng dẫn trên trang chủ wiki.ros.org để không gây ra lỗi.

Mỗi ô ứng với mỗi câu lệnh chạy lần lượt theo thứ tự từ 1 đến 5. Cụ thể:

- Ô số 1: roscore

Đây là câu lệnh quan trọng cần phải chạy đầu tiên. Nó là tiến trình chính quản lý tất cả hệ thống ROS. Luôn luôn cần chạy roscore khi làm việc với ROS.

- Ô số 2: rosrun rosserial_python serial_node.py /dev/ttyUSB1

Câu lệnh này sẽ chạy 1 node (chương trình) serial_node.py trong package rosserial_python. Node này chính là cầu nối kết nối giữa ROS và Arduino, sử dụng giao thức rosserial để giao tiếp với các Node khác trong ROS. /dev/ttyUSB1 là tên cổng vật lý trên máy tính mà kết nối với Arduino.

- Ô số 3: rosrun rplidar_ros rplidarNode /dev/ttyUSB0

Câu lệnh này sẽ chạy Node rplidarNode trong package rplidar_ros để kết nối và đọc dữ liệu từ Lidar. Tương tự, /dev/ttyUSB0 là cổng vật lý trên máy tính kết nối với Lidar.

CHƯƠNG IV: LẮP RÁP VÀ KHẢO NGHIỆM

4.1. Phần cơ khí

* Ở phía trước xe:

Sử dụng 2 bánh răng ăn khớp ngoài để điều hướng bánh: Bánh răng thứ nhất là bánh răng bị động, gắn vào trục lái, bánh răng thứ 2 là bánh răng chủ động, được hàn cố định vào động cơ giảm tốc. Sử dụng biến trở 100K được sử dụng để đọc vị trí góc lái. Phần núm xoay được gắn cố định vào trục lái, phần thân được bắt cố định với khung xe. Do đó, khi bánh xe phía trước quay sẽ làm xoay biến trở, thay đổi giá trị của nó.

Ngoài ra ở phía trước khung xe còn bố trí cảm biến siêu âm HC – SR04 để đo khoảng cách vật phía trước.

* Ở phần thân xe:

Bố trí các tấm gỗ để đặt mạch và các linh kiện

Thiết kế giá đỡ Lidar bằng cách bố trí 4 ống thép dài khoảng 60cm được gắn chặt vào thân xe, dùng các tấm gỗ và xốp xếp vào giữa các ống thép để tăng độ cứng cáp.

* Ở phần đuôi xe:

Bố trí các tấm gỗ được cố định bằng khung thép làm vị trí để đặt máy tính.

4.2 Phần điện

* Thiết kế mạch với Altium.

Thiết kế mạch PCB như hình 4.5.

Hoàn thành xong mạch PCB trên phầm mềm thì sẽ xuất ra file Gerber hoặc file PDF.như sơ đồ 4.7.

Sau khi là xong, thực hiện công đoạn ngâm mạch vào dung dịch bột sắt và đợi hết quá trình ăn mòn thì các đường mạch sẽ lộ ra. Cuối cùng, đem mạch đi khoan lỗ cắm chân linh kiện và hàn linh kiện vào mạch là hoàn thành quá trình làm mạch in thủ công.

* Mô hình được lắp ráp dựa theo sơ đồ nguyên lý:

- Bước 1: Kết nối Module BTS7960 với Acquy và động cơ lái.

- Bước 2: Sau khi hoàn thành bước 1, kết nối Module BTS7960 thứ nhất và biến trở với mạch Arduino/ESP8266

- Bước 5: Sau khi hoàn thành bước 4, kết nối Module BTS7960 thứ 2 với mạch Arduino/ESP8266.

- Bước 6: Chạy thử và kiểm tra hoạt động.

- Bước 7: Kết nối mạch Arduino/ESP8266 với 2 module relay 5V 4 kênh. Sau đó kết nối lần lượt mỗi module relay 5V 4 kênh với mỗi module BTS7960.

- Bước 9: Kết nối Lidar với máy tính và mạch Arduino/ESP8266.

- Bước 11: Kết nối cảm biến siêu âm HC - SR04 với mạch Arduino/ESP8266.

- Bước 12: Chạy thử và kiểm tra hoạt động.

- Bước 13: Kết nối mạch Arduino/ESP8266 với module DC giảm áp và hoàn thiện mô hình.

* Mô hình hoàn thiện.

Mô hình hoàn thiện được thể hiện như hình dưới.

4.3. Khảo nghiệm thực tế và kết quả thu được

4.3.1. Khảo nghiệm thực tế

Khi cài đặt, kết nối thành công ESP8266 với App Blynk thì sẽ cài đặt các phím ảo trên App tương ứng với các chức năng hoạt động của mô hình.

* Khi nhấn ON:

- Trường hợp xe ở vị trí đứng yên:

+ Không có vật nằm trong vùng nguy hiểm: Động cơ được cấp điện và phanh từ mở  mô hình sẵn sàng cho quá trình di chuyển.

+ Có vật nằm trong vùng nguy hiểm: Động cơ ngắt điện, phanh từ đóng  mô hình không sẵn sàng cho quá trình di chuyển.

- Trường hợp xe đang di chuyển:

+ Khi đi thẳng:

Không có vật nằm trong vùng nguy hiểm: Động cơ chính được cấp điện, phanh từ mở, kéo tăng dần thanh tốc độ  xe di chuyển đi thẳng tương ứng với tốc độ từ Min  Max.

+ Khi quay trái/phải:

Tương tự như đi thẳng, khi nhấn giữ phím trái/phải:

Không có vật nằm trong vùng nguy hiểm: Động cơ chính được cấp điện, phanh từ mở, kéo tăng dần thanh tốc độ  xe di chuyển tương ứng với tốc độ từ Min  Max đồng thời quay bánh xe sang trái/phải.

* Khi nhấn OFF  dừng hoàn toàn mô hình.

4.3.2. Kết quả

- Hệ thống  lái có thể điều khiển từ xa (không khoảng cách )

- Ứng dụng các mạch điện như adruino, mạch esp8266,modun BTS7960 phần mềm hỗ trợ blynk

- Hệ thống lái có thể chạy được  theo quỹ đạo mong muốn và được điều khiển bằng điện thoại

* Hạn chế:

Do thiếu kinh phí và tận dụng đồ có sẵn nên mô hình chưa đạt được tính thẩm mỹ cao.

KẾT LUẬN

Sau một thời gian nghiên cứu tài liệu, bằng sự nỗ lực và cố gắng của cả nhóm, cộng với sự tận tình hướng dẫn của thầy : TS……………….. khí đến nay em đã hoàn thành đồ án tốt nghiệp

Trong quá trình thực hiện đồ án em đã nghiên cứu tìm hiểu nắm rõ về hệ thống lái tự động ,xe tự lái và các linh kiện điện tử ,modun, các phần mền như blynk,visual studio code, Arduino ide.

Nắm được cách vẽ ,mô phỏng sơ đồ mạch điện của điều khiển lái từ xa qua chíp 8226 và phần mền blynk

Xây dựng mạch và từ đó lắp lên mô hình xe thực tế  cho ra thành quả  là mô hình xe  có thể điều khiển không khoảng cách mà xe chuyển động được ,quay vòng được như mong muốn ,kết quả này phù hợp với lý thuyết và mong muốn mà nhóm đã tính toán .

Qua đề tài nghiên cứu này giúp ta làm chủ công nghệ và hệ thống lái không dây qua internet và kết hợp làm mô hình cho việc học tập và nghiên cứu .

Dự án này có thể đầu tư thêm để phục vụ thương mại hóa

TÀI LIỆU THAM KHẢO

I. Trang web:

[1]. http://wiki.ros.org/ROS/Tutorials

[2]. https://app.theconstructsim.com/

[3]. https://www.arduino.cc/

[4]. https://www.slamtec.com/en/Lidar/A1

[5]. https://www.researchgate.net/figure/Typical-structure-of-autonomous-vehicle_fig1_341309402s

[6]. https://www.emerald.com/insight/content/doi/10.1108/IJIUS-08-2017-0008/full/html#sec004

II. Sách tham khảo/giáo trình:

[1]. “ROS Robot Programming”, YoonSeok Pyo, HanCheol Cho, RyuWoon Jung, TaeHoon Lim, ROBOTIS Co.,Ltd.

[2]. “Giáo trình Hệ điều hành Unix-Linux”, Hà Quang Thụy, Nguyễn Trí Thành, Nhà xuất bản giáo dục Việt Nam

"TẢI VỀ ĐỂ XEM ĐẦY ĐỦ ĐỒ ÁN"