Bài tập: Luyện tập: Robot cơ bản

Bài tập: Luyện tập: Robot cơ bản

Giới thiệu

Trong chương 2, chúng ta đã tìm hiểu về khái niệm robot cơ bản, các bộ phận chính của robot, cảm biến, cơ cấu chấp hành và cách lập trình điều khiển robot. Bài luyện tập hôm nay sẽ giúp các em củng cố kiến thức thông qua các bài tập thực hành và trắc nghiệm. Các em sẽ vận dụng những gì đã học để phân tích, thiết kế và mô phỏng hoạt động của robot trong những tình huống cụ thể. Hãy chuẩn bị tinh thần để giải quyết các bài tập có hướng dẫn chi tiết nhé!

Lý thuyết cần nhớ

Trước khi làm bài tập, các em hãy ôn lại một số khái niệm quan trọng sau:

• Robot cơ bản: Là hệ thống cơ khí - điện tử tự động có thể thực hiện các nhiệm vụ theo chương trình đã định sẵn hoặc dưới sự điều khiển của con người.
• Các bộ phận chính: Bộ điều khiển (mạch vi xử lý), cảm biến (nhận tín hiệu từ môi trường), cơ cấu chấp hành (động cơ, servo), nguồn năng lượng và thân vỏ robot.
• Cảm biến thường gặp: Cảm biến ánh sáng, cảm biến siêu âm (đo khoảng cách), cảm biến hồng ngoại (dò vạch, tránh vật cản), cảm biến chạm.
• Cơ cấu chấp hành: Động cơ DC (quay đều), servo (quay đúng góc), động cơ bước (quay chính xác từng bước).
• Lập trình robot: Viết các dòng lệnh (dạng sơ đồ khối hoặc mã) để điều khiển robot di chuyển, rẽ, dừng hoặc phản ứng với cảm biến.

Ví dụ minh họa

Ví dụ 1: Một robot tự hành có gắn cảm biến siêu âm ở phía trước. Robot luôn di chuyển thẳng với tốc độ 5 cm/s. Khi cảm biến phát hiện vật cản cách robot nhỏ hơn 10 cm, robot sẽ dừng lại và rẽ trái 90 độ, rồi tiếp tục di chuyển thẳng.

Hướng dẫn giải:

1. Xác định bộ phận: Robot gồm bộ điều khiển (vi mạch), cảm biến siêu âm, hai động cơ DC (bánh xe trái, phải), nguồn pin.
2. Nguyên lý hoạt động: Bộ điều khiển liên tục đọc giá trị từ cảm biến siêu âm. Nếu khoảng cách > 10 cm, lệnh cho động cơ chạy tiến. Nếu khoảng cách ≤ 10 cm, lệnh dừng động cơ, sau đó quay motor trái (hoặc phải) để rẽ trái 90 độ.
3. Giả lập: Khi robot phát hiện vật cản ở 15 cm, robot vẫn đi thẳng. Khi vật cản ở 8 cm, robot dừng lại, quay một góc 90 độ sang trái (thời gian quay được tính toán dựa trên tốc độ động cơ), rồi đi thẳng hướng mới.

Ví dụ 2: Cho robot dò line sử dụng hai cảm biến hồng ngoại đặt ở hai bên vạch đen. Robot cần đi theo vạch đen rộng 2 cm. Mô tả thuật toán điều khiển để robot không bị lệch vạch.

Hướng dẫn giải:

1. Nguyên lý: Cảm biến hồng ngoại trả về giá trị 1 (nếu ở trên vạch đen) và 0 (nếu ở nền trắng).
2. Bảng quy tắc:
   • Nếu cảm biến trái = 0 và cảm biến phải = 0: Đi thẳng (cả hai bánh quay đều nhau).
   • Nếu cảm biến trái = 1 và cảm biến phải = 0: Rẽ phải (bánh trái quay nhanh hơn, bánh phải quay chậm lại).
   • Nếu cảm biến trái = 0 và cảm biến phải = 1: Rẽ trái (bánh phải quay nhanh, bánh trái quay chậm).
   • Nếu cả hai cảm biến đều = 1: Dừng hoặc đi lùi (do robot đã chệch hoàn toàn khỏi vạch).
3. Kết quả: Robot tự động điều chỉnh hướng di chuyển dựa trên tín hiệu cảm biến, giữ cho robot luôn bám theo vạch đen.

Ghi nhớ

Khi giải bài tập về robot, các em cần tuân thủ các bước sau:

1. Xác định yêu cầu: Nhiệm vụ robot phải làm gì (di chuyển, tránh vật cản, dò line,...).
2. Xác định cảm biến và cơ cấu chấp hành: Chọn đúng loại cảm biến (khoảng cách, ánh sáng, chạm,...) và bộ phận thực hiện (động cơ, servo).
3. Xây dựng thuật toán: Mô tả các lệnh điều khiển bằng ngôn ngữ tự nhiên hoặc sơ đồ khối.
4. Kiểm tra, mô phỏng: Dự đoán hoạt động của robot với một vài tình huống điển hình.

Bài tập gợi ý

Các em hãy thử sức với những bài tập sau đây:

Bài tập 1: Một robot được trang bị cảm biến chạm ở phía trước và động cơ servo ở tay gắp. Robot di chuyển tới khi chạm vào tường, lúc đó tay gắp sẽ nâng vật lên cao 5 cm. Hãy vẽ sơ đồ khối mô tả thuật toán điều khiển robot này.

Gợi ý giải: Bắt đầu → Di chuyển thẳng → Đọc cảm biến chạm → Nếu chạm (cảm biến = 1) thì dừng di chuyển, điều khiển servo nâng tay gắp lên 5 cm, kết thúc. Nếu chưa chạm, tiếp tục di chuyển.

Bài tập 2: Cho robot có 2 bánh xe chủ động, mỗi bánh gắn một động cơ DC riêng. Em hãy lập trình (mô tả ngắn gọn) để robot đi theo một đường tròn bán kính 30 cm với tốc độ 10 cm/s. Biết rằng khoảng cách giữa hai bánh xe là 20 cm.

Gợi ý giải: Để robot đi theo đường tròn, vận tốc bánh trong và bánh ngoài khác nhau. Công thức: Vận tốc bánh ngoài = (R + d/2) * ω, vận tốc bánh trong = (R - d/2) * ω, với ω = vận tốc dài / R. Tính toán: ω = 10/30 ≈ 0.33 rad/s. Khi đó vận tốc bánh ngoài = (30+10)*0.33 ≈ 13.2 cm/s, vận tốc bánh trong = (30-10)*0.33 ≈ 6.6 cm/s. Robot rẽ trái (bánh trái đi chậm, bánh phải đi nhanh) hoặc rẽ phải tùy hướng.

Bài tập 3: Một robot tự động có nhiệm vụ đi từ điểm A đến điểm B. Trên đường đi có một chướng ngại vật hình hộp cao 5 cm. Cảm biến siêu âm được gắn ở độ cao 2 cm so với mặt đất. Hỏi cảm biến có phát hiện được chướng ngại vật không? Vì sao? Nếu không, em có thể thay đổi vị trí hoặc loại cảm biến nào khác?

Gợi ý giải: Cảm biến siêu âm đặt ở độ cao 2 cm, trong khi chướng ngại vật cao 5 cm, vậy sóng siêu âm hoàn toàn bị chắn bởi hộp (nếu hộp đặt sát mặt đất). Robot sẽ phát hiện được vật cản. Nhưng nếu hộp nằm thấp hơn hoặc cảm biến đặt quá cao, sóng siêu âm có thể đi qua phía trên vật cản. Do đó, nên đặt cảm biến ở độ cao phù hợp hoặc dùng thêm cảm biến hồng ngoại để phát hiện vật cản thấp.

Bài tập 4: Viết chương trình đơn giản (bằng ngôn ngữ tự nhiên) cho robot thông minh: Khi không có vật cản, robot đi thẳng; nếu gặp vật cản, robot dừng 2 giây, bật đèn LED, sau đó tắt đèn và lùi lại 10 cm, rồi rẽ phải 90 độ và tiếp tục đi thẳng.

Gợi ý giải: Lặp lại: Đọc cảm biến siêu âm. Nếu khoảng cách > 20 cm thì đi thẳng. Nếu khoảng cách ≤ 20 cm thì dừng, chờ 2 giây, bật đèn LED, chờ 1 giây, tắt đèn, lùi 10 cm, rẽ phải 90 độ, tiếp tục vòng lặp.

Các em hãy chăm chỉ thực hành để nắm vững kiến thức về robot cơ bản nhé!