ĐỒ ÁN XÂY DỰNG HỆ THỐNG QUÉT VÀ XÂY DỰNG MÔ HÌNH 2D VẬT THỂ SỬ DỤNG LIDAR Hệ thống có khả năng: Quét vật thể xây dựng lại hình ảnh vật thể trên bản đồ 2D trong bán kính tối đa 12m. Hiển thị liên tục hình ảnh 2D của vật thể theo thời gian thực trên màn hình máy tính. Có chức năng thay đổi tần số quét và phạm vi quét phù hợp với nhu cầu sử dụng. Có khả năng đo góc và khoảng cách giữa hệ thống và vật thể trong phạm vi đo. LiDAR viết tắt của “Light Detection And Ranging”. LiDAR tương tự như tạo ảnh radar cả hai loại cảm biến đều được thiết kế truyền tải dần số hẹp và sau đó nhận năng lượng tán xạ trở lại để tạo ảnh bề mặt trái đất. Hai họ cảm biến được sử dụng đều là loại chủ động (active), có trang bị nguồn của chính nó, tức là nó độc lập với chiếu xạ của mặt trời. LiDAR đã được phát triển từ những năm 1960 và nó đã được dùng trong việc nghiên cứu khí quyển, khí tượng, địa chất bởi Hiệp hội khí tượng thủy văn Mỹ (NOAA) cũng như Tổ chức khảo sát địa lý Hoa Kỳ. Năm 1994, NASA cũng đã dùng các hệ thống LiDAR bay theo quỹ đạo nhằm giúp giới khoa học hiểu rõ hơn về sự thay đổi của khí hậu cũng như để vẽ bản đồ địa hình của các hành tình. Gần đây nhất, thành phố New York sử dụng LiDAR để tạo bản đồ 3D của khu Manhattan để phục vụ cho việc cải tiến kế hoạch chống ngập. LiDAR cho phép các nhà khoa học nghiên cứu cả môi trường tự nhiên lẫn môi trường nhân tạo với độ chính xác và độ linh hoạt cao. Cơ quan khí tượng thủy văn Mỹ còn dùng LiDAR để vẽ bản đồ đường bờ biển, cung cấp dữ liệu cho các hệ thống thông tin địa lý, trợ giúp cho những chiến dịch phản ứng nhanh... Quan trọng hơn nữa là nó có thể so sánh các tính chất của năng lượng truyền đi và trờ lại – ví dụ như định thời xung, bước sóng, góc, …. Do đó, việc đánh giá không chỉ dựa vào độ sáng của năng lượng tán xạ trở lại mà còn bao gồm vị trí góc, thay đổi tần số, thời gian xung trở lại. Hiểu biết các tính chất này của LiDAR, giống như dữ liệu thu thập được từ các cảm biến vi ba chủ động, tạo khả năng phân tích để trích xuất các thông tin mô tả cấu trúc của đất và đặc điểm thực vật không được truyền tải bởi các cảm biến quang thông thường. LiDAR dựa trên một số ứng dụng của Laser, có dạng “coherent light”, nghĩa là ánh sáng với dải rất hẹp của bước sóng hay ánh sáng màu tinh khiết.
Trang 1Hà Nội -2021
Trang 2PHIẾU HỌC TẬP CÁ NHÂN/NHÓM
I Thông tin chung
1 Tên lớp : Đồ án Đo lường và điều khiển Khóa: 14
2 Tên nhóm : Nhóm 1
Họ và tên thành viên: Trần Đức Anh
II Nội dung học tập
1 Tên chủ đề: Xây dựng hệ thống quét vật cản và xây dựng mô hình 2D của vật thể sử
dụng cảm biến Lidar
2 Hoạt động của sinh viên
- Nội dung 1: Tổng quan về hệ thống (L1.1)
- Nội dung 2: Xây dựng mô hình hệ thống (L1.1; L1.2)
- Nội dung 3: Chế tạo và thử nghiệm hệ thống (L2.1)
- Nội dung 4: Viết báo cáo
3 Sản phẩm nghiên cứu: Mô hình sản phẩm và báo cáo thu hoạch.
III Nhiệm vụ học tập
1 Hoàn thành đồ án theo đúng thời gian quy định (từ ngày 13/09/2021 đến ngày 02/12/2021)
2 Báo cáo nội dung nghiên cứu theo chủ đề được giao trước hội đồng đánh giá
IV Học liệu thực hiện tiểu luận, bài tập lớn, đồ án/dự án
1 Tài liệu học tập: Giáo trình môn học Cảm biến và hệ thống đo, vi điều khiển
2 Phương tiện, nguyên liệu thực hiện tiểu luận, bài tập lớn, đồ án/dự án (nếu có): Máy tính, linh kiện và dụng cụ điện tử theo nhu cầu sử dụng
Trang 3MÔ TẢ KỸ THUẬT
1 Mô tả nhiệm vụ công nghệ
Hệ thống có khả năng:
- Quét vật thể xây dựng lại hình ảnh vật thể trên bản đồ 2D trong bán kính tối đa 12m
- Hiển thị liên tục hình ảnh 2D của vật thể theo thời gian thực trên màn hình máy tính
- Có chức năng thay đổi tần số quét và phạm vi quét phù hợp với nhu cầu sử dụng
- Có khả năng đo góc và khoảng cách giữa hệ thống và vật thể trong phạm vi đo
2 Cấu trúc thiết bị
Thiết bị Loại sử dụng
Mạch chuyển đổi xử lí tín hiệu ADC ngoài hoặc trong chíp
4 Nội dung báo cáo
Trang 4Chương 1 Tổng quan về hệ thống
1.1 Giới thiệu chung
1.2 Các yêu cầu cơ bản
1.3 Phương pháp, phạm vi và giới hạn nghiên cứu 1.4 Ý nghĩa thực tiễn
Chương 2 Xây dựng mô hình hệ thống
2.1 Thiết kế sơ đồ khối hệ thống
2.2 Phân tích và lựa chọn cảm biến
2.3 Phân tích và lựa chọn bộ điều khiển
2.4 Thiết kế mạch đo và xử lý tín hiệu
2.5 Mô hình hóa và mô phỏng hệ thống (Nếu có)
Chương 3: Chế tạo và thử nghiệm hệ thống
3.1 Chế tạo các bộ phận cơ khí
3.2 Chế tạo các bộ phận điện - điện tử
3.3 Xây dựng chương trình điều khiển
3.4 Thử nghiệm và đánh giá hệ thống
Kết Luận.
Trang 5MỤC LỤC
DANH MỤC HÌNH ẢNH 7
DANH MỤC BẢNG BIỂU 8
CHƯƠNG I: TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG 9
1.1 Giới thiệu chung 9
1.2 Các yêu cầu cơ bản 12
1.3 Phương pháp nghiên cứu 12
1.3.1 Phương pháp nghiên cứu lý thuyết 12
1.3.2 Phương pháp nghiên cứu thực nghiệm 12
1.4 Phạm vi giới hạn nghiên cứu 13
1.5 Ý nghĩa thực tiễn 13
CHƯƠNG II XÂY DỰNG CHƯƠNG TRÌNH HỆ THỐNG 13
2.1 Thiết kế sơ đồ khối 13
2.2 Phân tích và lựa chọn cảm biến 13
2.2.1 Ưu điểm 15
2.2.2 Nhược điểm 16
2.2.3 Cấu tạo cảm biến RPLIDAR A1M8 R5 16
2.2.4 Nguyên lý hoạt động của cảm biến 18
2.2.5 Thông số kỹ thuật của cảm biến 19
2.3 Phân tích và lựa chọn bộ điều khiển 20
2.4 Thiết kế mạch 24
CHƯƠNG III: MÔ HÌNH HÓA VÀ MÔ PHỎNG HỆ THỐNG 25
3.1 Thiết kế hệ thống các chi tiết 25
3.1.1 Robot di động 25
3.2 Chế tạo các bộ phận điện tử 27
3.2.1 Các thành phần chính 28
3.2.2 Lắp ráp các thiết bị 31
3.2.3 Chạy chương trình điều khiển 32
3.3 Xây dựng chương trình điều khiển 33
3.3.1 Lưu đồ thuật toán 33
3.3.2 Thiết kế mạch 34
3.4 Mô phỏng hệ thống 34
Trang 63.4.1 Mô phỏng không gian làm việc trên HĐH Ubutu 34
PHỤ LỤC 36
Trang 7DANH MỤC HÌNH ẢNH
Hình 1.1 1: Mô tả quá trình thu dữ liệu của LiDAR 10
Hình 1.1 2 Công trình trong quần thể di tích Caracol được dựng lại bằng công nghệ LiDAR 12
Hình 2.1 1: Sơ đồ khối 13
Hình 2.2 1: Các loại cảm biến LIDAR trên thị trường 14
Hình 2.2 2 Sản phẩm cảm biến RPLIDARA1M8 R5 15
Hình 2.2 3 Mô hình cảm biến RPLIDAR A1M8 R5 trên phần mềm Solidworks 16
Hình 2.2 4 Cấu tạo bên ngoài cảm biến 16
Hình 2.2 5 Các chân cảm biến 17
Hình 2.2 6 Nguyên lý hoạt động của cảm biến 18
Hình 2.2 7 Kết quả khi LiDAR quét và được hiển thị trên phần mềm của hãng 19
Hình 2.2 8 Mối quan hệ giữa khoảng cách và sự thay đổi của độ phân giải 20
Hình 2.3 1 Bộ điều khiển OpenCR1,0 21
Hình 2.3 2 Vi điều khiển của OpenCR 22
Hình 2.3 3 Các cổng vào ra của OpenCR 23
Hình 2.4 1 Thiết kế mạch 24
Hình 3.2 1 Lidar Sensor 28
Hình 3.2 2 Bản vẽ hình chiếu của Lidar Sensor 28
Hình 3.2 3 Raspberry pi3 29
Hình 3.2 4 Bản vẽ hình chiếu Raspberry pi3 29
Hình 3.2 5 OpenCR 30
Hình 3.2 6 Bản vẽ hình chiếu OpenCR 30
Hình 3.2 7 Miếng thân robot trên solidworks 31
Hình 3.2 8 Bản vẽ hình chiếu của miếng thân robot 31
Hình 3.2 9 Lắp ráp robot turtlebot3 32
Hình 3.3 1 Lưu đồ thuật toán 33
Hình 3.3 2 Thiết kế mạch 34
Hình 3.4 1 Bản đồ mô phỏng 34
Hình 3.4 2 Quá trình mobile robot quét bản đồ mô phỏng 35
Hình 3.4 3 Kết quả thu được khi mobile robot quét xong map mô phỏng 35
Trang 8
DANH MỤC BẢNG BIỂU
Bảng 2.1 1 Bảng phân biệt các loại chính của cảm biến Lidar 13
Bảng 2.2 1 Bảng thông số và chức năng các chân 18
Bảng 2.2 2 Thông số kỹ thuật của cảm biến 20
Bảng 2.3 1 Bảng thông số kỹ thuật của OpenCR 22
Bảng 3.1 1 Bảng danh sách các thiết bị 27
Trang 9CHƯƠNG I: TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG
1.1 Giới thiệu chung
- LiDAR viết tắt của “Light Detection And Ranging” LiDAR tương tự như tạo ảnh
radar - cả hai loại cảm biến đều được thiết kế truyền tải dần số hẹp và sau đó nhận năng lượng tán xạ trở lại để tạo ảnh bề mặt trái đất Hai họ cảm biến được sử dụng đều là loại chủ động (active), có trang bị nguồn của chính nó, tức là nó độc lập với chiếu xạ của mặt trời
- LiDAR đã được phát triển từ những năm 1960 và nó đã được dùng trong việc nghiên cứu khí quyển, khí tượng, địa chất bởi Hiệp hội khí tượng thủy văn Mỹ (NOAA) cũng như Tổ chức khảo sát địa lý Hoa Kỳ Năm 1994, NASA cũng đã dùng các hệ thống LiDAR bay theo quỹ đạo nhằm giúp giới khoa học hiểu rõ hơn về sự thay đổi của khí hậu cũng như để vẽ bản
đồ địa hình của các hành tình Gần đây nhất, thành phố New York sử dụng LiDAR để tạo bản
đồ 3D của khu Manhattan để phục vụ cho việc cải tiến kế hoạch chống ngập LiDAR cho phép các nhà khoa học nghiên cứu cả môi trường tự nhiên lẫn môi trường nhân tạo với độ chính xác
và độ linh hoạt cao Cơ quan khí tượng thủy văn Mỹ còn dùng LiDAR để vẽ bản đồ đường bờ biển, cung cấp dữ liệu cho các hệ thống thông tin địa lý, trợ giúp cho những chiến dịch
Trang 10Hình 1.1 1: Mô tả quá trình thu dữ liệu của LiDAR
− Một số ứng dụng của công nghệ LiDAR trong cuộc sống:
o Khảo sát địa hình và lập bản đồ
Với sản phẩm sơ cấp cơ bản là các mô hình số địa hình (DEM – Digital Elevation Model)
và mô hình số bề mặt (DSM – Digital Surface Model) với độ phân giải và độ chính xác rất cao, LiDAR có thể được ứng dụng trong rất nhiều lĩnh vực, đặc biệt các ứng dụng cần thành lập bản đồ tỷ lệ lớn, các ứng dụng liên quan tới phát triển hoặc quản lý duy trì hạ tầng cơ sở
o Lâm nghiệp
Chủ yếu ứng dụng LiDAR để đánh giá và thống kê sản lượng gỗ, phân tích điều kiện sống hoang dã, tương quan của các yếu tố như tán, độ dày tán, dạng lá… tới sản lượng gỗ rừng, ước tính sinh khối, trữ lượng gỗ và các tham số lâm nghiệp khác
o Lập bản đồ ngập úng
Dữ liệu LiDAR với độ chính xác và độ phân giải cao được sử dụng rất hiệu quả trong xây dựng các mô hình ngập úng, nâng cao độ chính xác của mô hình, xác định ranh giới ngập úng chính xác, cung cấp thêm nhiều thông tin về các đối tượng/địa hình chịu ảnh hưởng, thành lập bản đồ nguy cơ ngập úng, vùng ưu tiên sơ tán, hoặc tiếp tục phân tích để thành các bản đồ suy dẫn như bản đồ lũ lụt,.…
o Các ứng dụng cho đới duyên hải
Với các công cụ thành lập bản đồ phù hợp, dữ liệu LiDAR với độ chính xác cao, mật độ điểm dữ liệu dày đặc, thời gian thu thập dữ liệu ngắn… rất phù hợp cho các ứng dụng để quản
lý và dự báo xói mòn bờ biển, đánh giá và dự báo bồi lắng, quan trắc và dự báo ngập lụt ven biển
Trang 11o Địa hình đáy biển
Công nghệ LiDAR có thể giúp lập bản đồ địa hình đáy biển tới độ sâu 70m, hữu ích trong các dự án xác định luồng lạch tàu vào, thiết kế quy hoạch cảng và các kênh giao thông thủy
o Trượt lở
LiDAR có thể được sử dụng để quan trắc và dự báo trượt lở, đặc biệt với các sườn dốc, nhờ đặc điểm thu thập dữ liệu nhanh chóng với độ chính xác cao và mật độ dữ liệu dày đặc Công nghệ này cũng có thể được sử dụng để đánh giá nhanh thiệt hại và thiết lập bản đồ thể hiện tình trạng hậu trượt lở nhanh chóng chính xác
o Các tuyến truyền tải
Áp dụng công nghệ LiDAR nhanh chóng lập bản đồ các tuyến truyền tải trải dài, thể hiện chính xác vị trí các tháp truyền tải (cột điện), địa hình của hành lang truyền tải và các loại đối tượng tồn tại trong hành lang (cây xanh…) phục vụ điều chỉnh, sửa chữa duy tu và thiết kế nâng cấp tuyến
o Lập bản đồ giao thông
Đặc điểm mật độ dữ liệu dày đặc và chính xác của công nghệ LiDAR rất phù hợp với yêu cầu của các ứng dụng trong ngành giao thông vận tải, do đó nó thương được sử dụng để: quan trắc, giám sát, duy tu bảo dưỡng và quản lý các đối tượng như đường sắt, đường bộ, hệ thống tín hiệu biển báo, các điểm trạm đỗ dừng, nhà ga bến cảng, sự xuống cấp mặt đường, điểm tai nạn, mật độ giao thông, bùng binh… mà không cần làm gián đoạn các dịch vụ liên quan
o Mạng điện thoại di động
Quy hoạch và quản lý các mạng điện thoại di động yêu cầu phải có thông tin chi tiết về bề mặt địa hình, lớp phủ thực vật, các tòa nhà và công trình Để đảm bảo tầm nhìn và xác định các khu vực phát triển mạng, các cơ sở dữ liệu chính xác và chi tiết chứa các thông tin về các chướng ngại vật tự nhiên và nhân tạo là cực kỳ quan trọng Công nghệ LiDAR đã được chứng minh là rất phù hợ cho các mục đích này và ngày càng có nhiều công ty viễn thông khai thác
sử dụng công nghệ này trong hoạt động của họ
o Lập mô hình đô thị và mô phỏng đô thị
Các ứng dụng trong lĩnh vực này thường nhằm tạo ra một mô hình thành phố ảo với nền địa lý và các công trình xây dựng, kiến trúc như đô thị thực Mô hình có thể được khai thác phục vụ rất nhiều đối tượng từ quy hoạch kiến trúc, xây dựng, giao thông tới game online (VD: the second life) Cách phổ bến chia sẻ mô hình này cũng rất linh động, từ ứng dụng trên máy bàn tới qua web, sử dụng các chuẩn mở, dễ trao đổi và dễ cấu hình phù hợp từng đối tượng sử dụng
o Khảo cổ học
Ứng dụng lidar vào ngành khảo cổ học chỉ mới bắt đầu được chú ý từ năm 2010 khi cặp
vợ chồng khảo cổ Arlen/Diane Chase (đến từ Đại học Trung tâm Florida) sử dụng nó để nghiên
Trang 12cứu tàn tích của Caracol, một hành phố cổ của người Maya Nhờ có lidar mà trong vòng 10 tiếng đồng hồ, ông bà Chase đã thu được nhiều dữ liệu địa hình hơn so với việc khám phá khu rừng trong vòng 3 thập kỉ Từ năm 1983 đến năm 2000, các nhà khảo cỗ vẽ được bản đồ của khoảng 2 nghìn hecta đất
Trong khi đó, với sự giúp đỡ của Lidar, Chase đã vẽ xong bản đồ của 20 nghìn hecta
1.2 Các yêu cầu cơ bản
Hệ thống có khả năng:
o Quét vật thể xây dựng lại hình ảnh vật thể trên bản đồ 2D trong bán kính tối đa 12m
o Hiển thị liên tục hình ảnh 2D của vật thể theo thời gian thực trên màn hình máy tính
o Có chức năng thay đổi tần số quét và phạm vi quét phù hợp với nhu cầu sử dụng
o Có khả năng đo góc và khoảng cách giữa hệ thống và vật thể trong phạm vi đo
1.3 Phương pháp nghiên cứu
1.3.1 Phương pháp nghiên cứu lý thuyết
o Dựa vào kiến thức đã được học trong các môn học như: Cơ sở hệ thống tự động, Cảm biến và hệ thống đo, tìm hiểu qua Internet, sách vở,
o Áp dụng những phương pháp thiết kế, tính toán, phân tích, xử lý số liệu xây dựng ô hình phù hợp với đề tài
o Sử dụng các phần mềm hỗ trợ như: AutoCad, Solidworks, Arduino IDE,…
1.3.2 Phương pháp nghiên cứu thực nghiệm
o Hiểu được nguyên tắc hoạt động của LIDAR, từ đó xây dựng hệ thống
Hình 1.1 2 Công trình trong quần thể di tích Caracol được dựng lại bằng công nghệ
LiDAR
Trang 13o Kiểm tra tính đúng đắn của chương trình điều khiển bằng phần mềm mô phỏng
o Tính toán, thiết kế và nghiên cứu độ chính xác của hệ thống
o Kiểm tra thử nghiệm trên mô hình thực nghiệm
1.4 Phạm vi giới hạn nghiên cứu
o Nghiên cứu lựa chọn mô hình thực tế phù hợp với yêu cầu cảm biến của đề tài Quét vật thể trong bán kính tối đa 12m
o Nhận biết được vật trong khoảng cách quét và hiển thị khoảng cách và góc ra LCD
o Cảnh báo bằng đèn LED trên mỗi góc phần tư
o Lập bản đồ chính xác nhanh chóng tạo điều kiện cho con người làm việc
o Cảnh báo cho con người để tránh vật cản khi vật cản nằm trong vùng nguy
hiểm
CHƯƠNG II XÂY DỰNG CHƯƠNG TRÌNH HỆ THỐNG
2.1 Thiết kế sơ đồ khối
2.2 Phân tích và lựa chọn cảm biến
Trên thế giới ngày nay có rất nhiều loại cảm biến Laser nói chung và cảm biến LiDAR nói riêng Trong thực tế người ta chia LiDAR làm hai loại chính: LiDAR trên không (Airborne)
và LiDAR trên cạn (Terrestrial)
Bảng 2.1 1 Bảng phân biệt các loại chính của cảm biến Lidar
-LiDAR trên không: Với lidar trên không, hệ
thống được lắp đặt trên máy bay
cánh cố định hoặc máy bay trực thăng Ánh
sáng laser hồng ngoại được phát ra
về phía mặt đất và quay trở lại cảm biến lidar
chuyển động trong không khí Có
hai loại cảm biến trong không khí: địa hình và
đo độ sâu
oLidar địa hình: có thể được sử dụng để lấy
-Lidar trên cạn: Có 2 loại lidar trên cạn chính: di động và tĩnh Trong trường hợp thu nhận di động, hệ thống lidar được lắp trên xe đang di chuyển Trong trường hợp thu được tĩnh, hệ thống lidar thường được gắn trên giá ba chân hoặc thiết bị tĩnh
Cả hai cảm biến lidar đều bao gồm các tia laser an toàn cho mắt
oLidar di động là tập hợp các đám mây
Hình 2.1 1: Sơ đồ khối
Trang 14các mô hình bề mặt để sử dụng
trong nhiều ứng dụng, chẳng hạn như lâm
nghiệp, thủy văn, địa hình, quy hoạch
đô thị, sinh thái cảnh quan, công trình ven
biển, đánh giá khảo sát và tính toán
thể tích
oLidar độ sâu là một loại thu nhận trong
không khí mà nước xâm nhập Hầu hết
các hệ thống lidar đo độ sâu thu thập đồng
thời độ cao và độ sâu của nước, điều
này cung cấp một khảo sát lidar trong không
khí về giao diện đất-nước
điểm lidar từ một nền tảng chuyển động
Hệ thống lidar di động có thể bao gồm bất
kỳ số lượng cảm biến lidar nào được gắn trên xe đang di chuyển Các hệ thống này có thể được gắn trên xe cộ, tàu hỏa,
và thậm chí cả tàu thuyền Hệ thống di động thường bao gồm cảm biến lidar, máy
ảnh, GPS (hệ thống định vị toàn cầu) và INS (hệ thống dẫn đường quán tính), giống như với hệ thống lidar trên không
oLidar tĩnh là tập hợp các đám mây điểm lidar từ một vị trí tĩnh Thông thường, cảm biến lidar được gắn trên giá ba chân và
là một hệ thống hình ảnh và phạm vi
di động hoàn toàn dựa trên Laser Các hệ thống này có thể thu thập các đám mây điểm lidar bên trong các tòa nhà cũng như bên ngoài Các ứng dụng phổ biến cho loại lidar này là kỹ thuật, khai thác mỏ, khảo sát và khảo cổ học
Hình 2.2 1: Các loại cảm biến LIDAR trên thị trường
Trang 15Theo yêu cầu của bộ môn và hoàn cảnh thực tế chúng em – nhóm 1, đã lựa chọn cảm biến RPLIDAR A1M8 R5, của hãng SLAMTEC Đây là một loại cảm biến Lidar di động thuộc nhóm Lidar trên cạn
o Dễ dàng lắp đặt và kết nối với các bộ xử lý như: OpenCR, STM32,
o Sử dụng chuẩn giao tiếp UART nên dễ dàng giao tiếp với các phần mềm bổ trợ như: Frammer, Robo Studio, …
o Phạm vi đo rộng với góc quét tối đa là 3600 với bán kính quét rộng tối đa là 12m
Hình 2.2 2 Sản phẩm cảm biến RPLIDARA1M8 R5
Trang 16o Làm việc tốt với môi trường trong nhà và môi trường ngoài trời không có ánh sáng mặt trời
2.2.2 Nhược điểm
o Đối với thị trường Việt Nam khó tìm được cảm biến do ít người dùng
o Không có khả năng “nhìn thấy” bất cứ thứ gì khác ngoài những vật thể có hình dạng, có thể sẽ cần sự hỗ trợ của camera để phân biệt được chính xác các vật cản
2.2.3 Cấu tạo cảm biến RPLIDAR A1M8 R5
Cấu tạo cảm biến rplidar gồm 4 thành phần chính
- Tia Laser được phân loại theo bước sóng của chúng, với các tia có bước sóng
Hình 2.2 3 Mô hình cảm biến RPLIDAR A1M8 R5 trên phần mềm Solidworks
Hình 2.2 4 Cấu tạo bên ngoài cảm biến
Trang 17- từ 600 đến 1000nm sử dụng với mục đích phi khoa học sẽ gây hại cho mắt người,
- với lidar bước sóng laser được dùng là 1550nm “an toàn đối với mắt người” thậm
- chí nó không thể bị phát hiện với kính nhìn đêm, phù hợp với ứng dụng khoa học
- và quân sự
- *Máy Quét
- Tốc độ kết xuất hình ảnh và độ phân giải của hình ảnh phụ thuộc rất lớn vào
- tốc độ của hệ thống quét Tốc độ quét của LiDAR được điều chỉnh bằng tốc độ của
- động cơ được gắn trên bộ cảm biến
- *Bộ tách sóng thiết bị thu xử lý và truyền tín hiệu
- Đọc, nhận và truyền tín hiệu thu đc vào hệ thống
- *Hệ thống định vị và dẫn đường
RPLIDAR AI sử dụng cổng nối tiếp 33V-TTL (UART) làm giao diện truyền thông Intertace giao tiếp khác như USB có thể được tùy chỉnh theo yêu cầu của khách hàng Bảng dưới đây mô tả đặc điểm kỹ thuật cho giao diện cổng nối tiếp Vui lòng liên hệ
với SLAMTEC nếu bạn muốn có giao thức truyền thông chi tiết và SDK
Trang 18Motorctl: Điều khiển bật tín hiệu cho motor
2.2.4 Nguyên lý hoạt động của cảm biến
RPLIDAR dựa trên nguyên tắc phân bố laser và sử dụng phần cứng có khả năng thu nhận và xử
lý tín hiệu với tốc độ cao do SLAMTEC phát triển Hệ thống nhận và phân tích dữ liệu khoảng cách trong hơn 8000 lần mỗi giây và với đầu ra có sai số thấp (<1% khoảng cách)
RPLIDAR phát ra tín hiệu laser hồng ngoại sau đó tín hiệu được thu lại bằng một cổng thu laser phản lại từ đối tượng cần phát hiện, nguyên lý hoạt động tương tự như võng mạc con người Tín hiệu trở lại được thu bằng mắt thu trong RPLIDAR A1 và DSP (Digital Signal Processing - bộ
xử lý tín hiệu số) được tích hợp trong RPLIDAR A1 để xử lý dữ liệu trả về và giá trị khoảng cách
và giá trị góc giữa đối
tượng và RPLIDAR A1 thông qua cổng kết nối
Hình 2.2 6 Nguyên lý hoạt động của cảm biến Bảng 2.2 1 Bảng thông số và chức năng các chân
Trang 19Hệ thống máy quét tốc độ cao được gắn trên một động cơ quay có tích hợp hệ
thống mã hóa góc Trong khi xoay, quét 360 độ môi trường hiện tại sẽ được mô
phỏng
Hệ thống máy quét tốc độ cao được gắn trên một động cơ quay có tích hợp hệ thống mã hóa góc Trong khi xoay, quét 360 độ môi trường hiện tại sẽ được mô phỏng
2.2.5 Thông số kỹ thuật của cảm biến
Một số thông số kĩ thuật của cảm biến RPLIDAR A1M8 R5 (datasheet):
Phạm vi đo
Vật thể màu trắng
Trang 20Tần số quét Hz 1 5.5 10
Bảng 2.2 2 Thông số kỹ thuật của cảm biến
Mối quan hệ giữa khoảng cách và sự thay đổi của độ phân giải
2.3 Phân tích và lựa chọn bộ điều khiển
Hiện nay trên thị trường có rất nhiều các bộ điều khiển có thể kết nối tốt với cảm biến RPLIDAR A1M8 R5 như: PLC, OpenCR1,0; STM32F0x, … Dựa vào điều kiện thực tế và khả năng của bản thân nhóm đã lựa chọn OpenCR để hoàn thành đồ án bởi OpenCR1,0 có những ưu nhược điểm sau:
- Ưu điểm:
o Dễ dàng sử dụng, có thể sử dụng ngay vì OpenCR1,0 là 1 bộ hoàn chỉnh bộ nguồn, một
ổ ghi, một bộ dao động, một vi điều khiển, truyền thông nối tiếp, LED và các giắc cắm
o Nhiều thư viện mẫu có sẵn
o Dễ dàng lập trình và thay đổi code nạp vào OpenCR1,0
Hình 2.2 8 Mối quan hệ giữa khoảng cách và sự thay đổi của độ phân giải
Trang 21o Cộng đồng sử dụng lớn, có thể dễ dàng tìm kiếm thông tin về OpenCR1,0
- Nhược điểm
o Cấu trúc: kích thước của OpenCR1,0 lớn không phù hợp với việc xây dựng 1 dự án nhỏ
o Giá thành tương đối cao
OpenCR1,0 là một nền tảng mã nguồn mở được sử dụng để xây dựng các dự án điện tử OpenCR1,0 bao gồm cả bảng mạch lập trình (thường được gọi là vi điều khiển)
Một số thông số kỹ thuật (từ datasheet):
Cường độ dòng điện trên mỗi I/O pin 20 mA
Cường độ dòng điện trên mỗi 3.3V pin 50 mA
0.5 KB được sử dụng bởi bootloader
Hình 2.3 1 Bộ điều khiển OpenCR1,0
Trang 22Bảng 2.3 1 Bảng thông số kỹ thuật của OpenCR
- Vi điều khiển trong OpenCR
- Nguồn
OpenCR1,0 sử dụng nguồn 5V thông qua cổng USB hoặc cấp nguồn với điện áp khuyên dung là 7-12V DC và giới hạn nguồn vào là 6-20V Nếu cấp nguồn vượt quá ngưỡng giới hạn trên, sẽ làm hỏng OpenCR
- Các chân năng lượng
GND (Ground): cực âm của nguồn điện cấp cho OpenCR1,0 Khi dùng
các thiết bị sử dụng những nguồn điện riêng chuyên biệt thì những chân này phải được nối với nhau
5V: chân cấp điện áp 5V đầu ra Dòng tối đa cho phép ở chân này là
500mA
3.3V: chân cấp điện áp đầu ra là 3.3V Dòng tối đa cho phép ở chân
này là 50mA
Vin (Voltage Output): để cấp nguồn ngoài cho OpenCR1,0
IOREF: điện áp hoạt động của vi điều khiển trên OpenCR có thể được
đo ở chân này Không được lấy nguồn 5V từ chân này để sử dụng bởi chức năng của nó không phải cấp nguồn
Hình 2.3 2 Vi điều khiển của OpenCR
Trang 23 RESET: việc nhấn nút Reset trên board để đặt lại vi điều khiển tương
đương với việc chân RESET được nối với GND qua 1 điện trở 10KΩ
- Một số chân digital có chức năng đặc biệt
2 chân Serial: 0 (RX) và 1 (TX) dùng để nhận và gửi dữ liệu TTL Serial OpenCR1,0 có thể
giao tiếp với các thiết bị khác thông qua 2 chân này Kết nối Bluetooth chính là kết nối Serial không dây Nếu không cần giao tiếp Serial thì không nên sử dụng 2 chân này nếu không cần thiết
Chân PWM (~): 3,5,6,9,10 và 11: cho phép bạn xuất ra xung PWM với độ phân giải 8bit
(giá trị từ 0→ 28-1 tương đương với 0V→5V) Nói đơn giản, các chân này có thể điều chỉnh được điện áp từ 0V → 5V thay vì chỉ cố định ở 0V hoặc 5V như các chân digital khác
Chân giao tiếp SPI: 10 (SS), 11 (MOSI), 12 (MISO), 13 (SCK) Ngoài các chức năng thông
thường, 4 chân này còn dùng để truyền phát dữ liệu bằng giao thức SPI với các thiết bị khác
LED 13: trên OpenCRcó 1 đèn led (kí hiệu chữ L) Khi bấm nút RESET, sẽ thấy đèn này nhấp
nháy để báo hiệu Nó được nói với chân số 13 Khi chân này được sử dụng LED sẽ sáng
Hình 2.3 3 Các cổng vào ra của OpenCR
Trang 242.4 Thiết kế mạch
Hình 2.4 1 Thiết kế mạch