Robotic - Cảm Biến & Thuật Toán Điều Khiển (PID)

Robotics Module 02 // ADVANCED CONTROL SYSTEMS

Tiến độ bài học:

25%

CẢM BIẾN & THUẬT TOÁN PID

Khám phá nguyên lý cảm biến dò đường (IR Array) và làm chủ Thuật toán điều khiển PID – trái tim giúp Robot tự hành giữ thăng bằng, di chuyển mượt mà và chính xác tuyệt đối.

Nguyên Lý Cảm Biến Dò Đường (IR Sensor Line Array)

Optical Infrared Reflectance Principles

Cảm biến dò đường sử dụng cặp **đèn LED phát tia hồng ngoại (IR)** và **Mắt thu IR (Phototransistor)**. Khi gặp bề mặt màu trắng, tia hồng ngoại bị phản xạ mạnh về mắt thu (mức Logic LOW/HIGH tùy mạch). Khi đè lên vạch màu đen, ánh sáng bị hấp thụ hoàn toàn, mắt thu không nhận được tín hiệu.

Mô phỏng trực quan 5 Mắt Cảm Biến Hồng Ngoại Click vào mắt cảm biến để thử nghiệm

Vạch Đen (Line)

S1

0

S2

0

S3

1

S4

0

S5

0

Mã Nhị Phân (Binary): 00100

Độ Lệch Vạch (Error): 0 (Đúng tâm đường)

Trạng Thái Robot: Chạy thẳng cân bằng

P

Tỷ Lệ (Proportional - Kp)

Phản ứng trực tiếp với độ lệch hiện tại ($Error$). Độ lệch càng lớn, lực bẻ lái càng mạnh.

Lực điều khiển P = Kp * Error

I

Tích Phân (Integral - Ki)

Cộng dồn tất cả các sai số trong quá khứ ($Integral$). Tăng lực bẻ lái nếu sai số bị duy trì liên tục kéo dài.

Lực điều khiển I = Ki * ∫Error dt

D

Đạo Hàm (Derivative - Kd)

Dự đoán xu hướng sai số tương lai dựa trên tốc độ thay đổi sai số ($Derivative$). Giúp giảm hiện tượng giật rung lắc.

Lực điều khiển D = Kd * (dError / dt)

Mô Phỏng Thuật Toán PID Line Follower

Điều chỉnh các tham số Kp, Ki, Kd bên dưới để xem sự thay đổi mượt mà hoặc rung lắc của Robot khi vào khúc cua!

Sai số (Error): 0.00

Tín hiệu PID Output: 0.00

Động Cơ Trái / Phải: 100 / 100

Trạng thái: Đang chạy...

Bảng Tinh Chỉnh Tham Số PID

Kp (Proportional): 1.2

Quá cao gây rung lắc; Quá thấp rẽ không kịp.

Ki (Integral): 0.00

Loại bỏ sai số tĩnh tích lũy.

Kd (Derivative): 0.8

Dập tắt dao động, giúp xe ôm cua mượt.

Tốc Độ Cơ Bản (Base Speed): 3.0

Cấu hình mẫu gợi ý:

Thử Thách & Giả Lập Lập Trình PID (C++ / Arduino)

Xem cấu trúc chương trình thực tế và thử nghiệm trình biên dịch giả lập.

LineFollower_PID.ino C++ / Arduino IDE

// Khai báo hằng số PID
float Kp = 1.2;
float Ki = 0.00;
float Kd = 0.8;

float error = 0, lastError = 0, integral = 0;
int baseSpeed = 120;

void loop() {
  // 1. Đọc giá trị từ cảm biến & tính độ lệch (Error)
  error = readSensorArray(); 

  // 2. Tính toán các thành phần PID
  float P = error;
  integral += error;
  float I = integral;
  float D = error - lastError;

  float motorCorrection = (Kp * P) + (Ki * I) + (Kd * D);

  // 3. Điều khiển tốc độ 2 động cơ trái/phải
  int leftMotorSpeed  = baseSpeed + motorCorrection;
  int rightMotorSpeed = baseSpeed - motorCorrection;

  setMotors(leftMotorSpeed, rightMotorSpeed);
  lastError = error; // Lưu lại sai số
}

Serial Monitor Console 9600 baud

// Nhấn "BẮT ĐẦU CHẠY THỬ CODE" để mô phỏng dữ liệu Serial Monitor...

Tóm tắt công thức:

Tín hiệu điều khiển = $Kp \cdot E + Ki \cdot \int E + Kd \cdot \frac{dE}{dt}$

Thử Thách Kiểm Tra Kiến Thức

Đánh giá mức độ hiểu biết về Cảm biến & Thuật toán PID

Tổng Điểm 0 / 0

Câu 1 / 4

© STEM Robotics Series - Module 2: Sensors & Control Algorithms