1. Xác định cách robot hoạt động
Trong mô hình này, khối gỗ đi trên băng chuyền, dừng dưới cảm biến TCS34725 để đo màu, rồi tiếp tục đến cửa gạt. Cửa gạt được đặt trước vào vị trí tương ứng để đưa khối vào khay màu đỏ, màu xanh dương hoặc khay «chưa xác định». Bắt đầu với hai màu giúp việc hiệu chuẩn và quan sát lỗi dễ hơn.
Thiết kế cho từng khối đi qua một lượt, có khoảng cách giữa các khối. Nếu thả nhiều khối sát nhau, robot có thể đọc màu của khối này nhưng gạt khối khác.
2. Chuẩn bị linh kiện và bố trí cơ khí
Cần có băng chuyền mini với động cơ DC, mạch điều khiển động cơ phù hợp, bộ điều khiển có giao tiếp I²C như ESP32, mô-đun TCS34725, servo, nguồn phù hợp cho từng phần, dây nối và các khay nhận khối. Chuẩn bị thêm những khối gỗ có kích thước gần nhau, sơn màu đỏ và xanh dương với bề mặt tương tự.
Gắn cảm biến hướng xuống mặt trên của khối gỗ, tại một vị trí cố định trên băng chuyền. Che bớt ánh sáng từ hai bên và giữ chiều cao các khối ổn định để điều kiện đo ít thay đổi. Lắp cửa gạt ở phía sau cảm biến theo chiều chạy của băng; kiểm tra bằng tay rằng cửa có thể hướng khối vào từng khay mà không cọ vào băng.
Đánh dấu vị trí đo và vị trí cửa gạt. Khoảng cách giữa hai vị trí cần đủ để bộ điều khiển đặt cửa gạt xong trước khi khối tới nơi.
3. Đấu nối điện an toàn
Nối TCS34725 với bộ điều khiển qua các chân SDA và SCL của giao tiếp I²C. Kiểm tra tài liệu của đúng mô-đun đang dùng trước khi cấp nguồn: chip TCS34725 và các bo mạch tích hợp có thể có yêu cầu điện áp khác nhau. Nếu dùng bộ điều khiển logic 5 V với mô-đun chỉ hỗ trợ logic 3,3 V, cần chuyển mức tín hiệu I²C phù hợp.
Nối động cơ DC qua mạch điều khiển động cơ, không nối trực tiếp vào chân bộ điều khiển. Cấp nguồn cho servo theo thông số của servo, thay vì lấy dòng cấp động cơ hoặc servo từ chân tín hiệu. Các mạch điều khiển và nguồn của servo, động cơ cần có điểm GND chung để tín hiệu điều khiển có cùng mốc điện áp.
Ngắt nguồn khi sửa dây hoặc chỉnh cơ cấu gạt. Cố định dây tránh puli và mặt băng, đồng thời để tay xa các bộ phận đang chuyển động.
4. Đọc màu và tạo ngưỡng phân loại
TCS34725 cung cấp các giá trị kênh đỏ (R), lục (G), lam (B) và kênh ánh sáng tổng (C). Với mỗi khối, dừng băng khi khối nằm dưới cảm biến, chờ khối đứng yên rồi đọc vài mẫu và lấy giá trị trung bình. Giữ nguyên đèn chiếu, thời gian tích hợp và độ khuếch đại của cảm biến trong lúc lấy mẫu hiệu chuẩn lẫn lúc vận hành.
Để giảm ảnh hưởng của độ sáng tổng thể, có thể tính r = R/(R+G+B), g = G/(R+G+B) và b = B/(R+G+B), với điều kiện tổng khác 0. Ghi các giá trị này cho nhiều lần đo của từng màu, sau đó chọn ngưỡng dựa trên các khoảng giá trị quan sát được. Chẳng hạn, chỉ nhận «đỏ» khi r vượt ngưỡng đã chọn và lớn hơn b một khoảng đủ rõ; làm tương tự với «xanh dương».
Nếu các khoảng đo chồng lấn, kênh C quá thấp, hoặc không màu nào đạt điều kiện, hãy chọn «chưa xác định» thay vì đoán. Thử thay đổi khoảng cách cảm biến, che sáng và đo lại trước khi điều chỉnh ngưỡng.
5. Lập trình trình tự băng chuyền và cửa gạt
Chia chương trình thành các trạng thái: chờ khối, dừng để đo, xác định màu, đặt cửa gạt, chuyển khối vào khay và đưa cửa gạt về vị trí chờ. Một cảm biến chắn tia hoặc cảm biến phát hiện vật tại vị trí đo sẽ giúp nhận biết khối đã đến; nếu chưa có, hãy cấp từng khối bằng tay và dùng nút bấm để yêu cầu đo.
Sau khi phân loại, đặt servo vào vị trí khay tương ứng trước khi chạy băng trở lại. Cho băng chạy đến khi khối đã qua cửa gạt rồi mới đưa servo về vị trí chờ. Có thể xác định thời điểm này bằng cảm biến phát hiện vật ở gần cửa gạt; nếu dùng thời gian chạy cố định, cần đo và hiệu chỉnh lại khi thay tốc độ băng hoặc kích thước khối.
Trong chương trình, thêm thời hạn chờ cho từng bước. Nếu không phát hiện khối hoặc cơ cấu không hoàn tất trong thời hạn đó, dừng băng và báo lỗi để người học kiểm tra, thay vì cho hệ thống chạy liên tục.
6. Hiệu chỉnh và tìm nguyên nhân phân loại sai
Trước tiên, chạy thử băng và servo khi chưa có khối. Kiểm tra ba vị trí cửa gạt bằng tay, rồi cho từng khối đi qua để xác nhận khối dừng đúng dưới cảm biến và được chuyển vào đúng khay. Cuối cùng, thử xen kẽ các màu với khoảng cách giữa các khối như dự định sử dụng.
Nếu cùng một khối lúc được nhận là đỏ, lúc là xanh dương, hãy xem khối có dừng đúng vị trí không, ánh sáng có thay đổi không và mặt sơn có đồng đều không. Nếu màu được nhận đúng nhưng khối vào sai khay, hãy kiểm tra vị trí cửa gạt, thời điểm servo hoàn tất chuyển động và thời điểm khối đi tới cửa.
7. Mở rộng thành hoạt động STEM
Lập bảng ghi màu thật, các giá trị r, g, b, màu robot dự đoán và khay nhận được. Từ đó, học sinh có thể so sánh số lần phân loại đúng trước và sau khi thay đổi một yếu tố, chẳng hạn chiều cao cảm biến hoặc tấm che sáng.
Khi mô hình hai màu hoạt động ổn định, có thể thêm màu thứ ba. Hãy đo mẫu mới, xây dựng lại các ngưỡng và bổ sung một lối ra cơ khí phù hợp; không chỉ thêm điều kiện trong chương trình khi cửa gạt chưa có đường đưa khối tới khay mới.
