CHƯƠNG 1 GIỚI THIỆU TỔNG QUAN VỀ ĐỀ TÀI .............................................. 151.1 Giới thiệu chương .........................................................................................151.2 Tổng quan về Robot hút bụi .........................................................................151.3 Đề xuất thiết kế mô hình Robot lau nhà thông minh....................................211.4 Nguyên lý hoạt động của Robot. ..................................................................211.5 Giới thiệu ROS .............................................................................................221.5.1 Robot Operating System........................................................................221.5.2 Tính năng của ROS................................................................................221.5.3 Phương pháp hoạt động của ROS..........................................................22CHƯƠNG 2 GIỚI THIỆU VỀ CÁC MODULE.......................................................... 252.1 Giới thiệu chương .........................................................................................252.2 Arduino Mega 2560 ......................................................................................252.2.1 Giới thiệu chung ....................................................................................252.2.2 Đặc điểm chính ......................................................................................262.2.3 Đánh giá hoạt động ................................................................................262.2.4 Kết luận..................................................................................................262.3 Raspberry Pi 3B+..........................................................................................272.3.1 Giới thiệu chung ....................................................................................272.3.2 Đặc điểm chính ......................................................................................282.3.3 Đánh giá hoạt động ................................................................................282.3.4 Kết luận..................................................................................................282.4 Cảm biến 9 trục MPU 9250 ..........................................................................29ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP92.4.1 Giới thiệu chung ....................................................................................292.4.2 Đặc điểm ................................................................................................292.4.3 Đánh giá hoạt động ................................................................................302.4.4 Kết luận..................................................................................................302.5 Lidar Delta 2A ..............................................................................................312.5.1 Giới thiệu chung ....................................................................................312.5.2 Đặc điểm chính ......................................................................................322.5.3 Đánh giá hoạt động ................................................................................322.5.4 Kết luận..................................................................................................322.6 Mạch cầu H L298 .........................................................................................332.6.1 Giới thiệu chung ....................................................................................332.6.2 Nguyên lý hoạt động..............................................................................342.6.3 Đánh giá hoạt động ................................................................................352.6.4 Kết luận..................................................................................................352.7 Encoder .........................................................................................................362.7.1 Giới thiệu chung ....................................................................................362.7.2 Nguyên lý hoạt động..............................................................................362.7.3 Đánh giá hoạt động ................................................................................372.7.4 Kết luận..................................................................................................372.8 Cảm biến hồng ngoại ....................................................................................382.8.1 Giới thiệu chung ....................................................................................382.8.2 Đặc điểm chính ......................................................................................382.8.3 Đánh giá hoạt động ................................................................................382.8.4 Kết luận..................................................................................................382.9 Cảm biến siêu âm..........................................................................................39ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP102.9.1 Giới thiệu chung ....................................................................................392.9.2 Nguyên lý hoạt động..............................................................................402.9.3 Đánh giá hoạt động ................................................................................412.9.4 Kết luận..................................................................................................412.10 Pin Panasonic NCR18650...........................................................................422.10.1 Giới thiệu chung ..................................................................................422.10.2 Nguyên lý hoạt động............................................................................422.10.3 Đánh giá hoạt động ..............................................................................432.10.4 Kết luận................................................................................................432.11 Sơ đồ ghép nối các module.........................................................................44CHƯƠNG 3 THIẾT KẾ MÔ HÌNH ROBOT.............................................................. 453.1 Giới thiệu chương .........................................................................................453.2 Yêu cầu kỹ thuật với robot vệ sinh nhà ........................................................453.2.1 Đặt vấn đề ..............................................................................................453.2.2 Yêu cầu robot lau nhà phải thực hiện ....................................................463.2.3 Yêu cầu lập trình cho robot lau nhà.......................................................463.3 Phân tích lựa chọn phương án.......................................................................463.3.1 Lựa chọn phương pháp di chuyển..........................................................463.3.2 Lựa chọn phương pháp hút bụi ..............................................................483.4 Tính toán cơ cấu chấp hành ..........................................................................523.4.1 Tính toán động cơ hút bụi......................................................................523.4.2 Tính toán động cơ 2 bánh dẫn động ......................................................533.5 Thiết kế cơ khí ..............................................................................................573.5.1 Chọn vật liệu khung xe ..........................................................................573.5.2 Thiết kế khung xe ..................................................................................57ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP113.5.3 Bánh xe ..................................................................................................583.5.4 Mô hình robot ........................................................................................59CHƯƠNG 4 ĐIỀU KHIỂN ĐỘNG CƠ....................................................................... 614.1 Giơi thiệu chương .........................................................................................614.2 Mạch điều khiển động cơ..............................................................................614.2.1 Nguyên lý hoạt động..............................................................................614.2.2 Thiết kế mạch công suất điều khiển động cơ.........................................644.3 Thuật toán PID..............................................................................................744.3.1 Giới thiệu thuật toán ..............................................................................744.3.2 Khảo sát động cơ ...................................................................................764.3.3 Đánh giá sai số khi robot di chuyển.......................................................85CHƯƠNG 5 THUẬT TOÁN ĐIỀU HƯỚNG, LẬP BẢN ĐỒ ................................... 935.1 Giới thiệu chương .........................................................................................935.2 Một số thuật ngữ cơ bản ...............................................................................935.3 Mô hình định vị robot ...................................................................................945.4 Mô hình lập bản đồ .......................................................................................975.4.1 Giới thiệu bài toán lập bản đồ................................................................975.4.2 Mô hình lập bản đồ ................................................................................985.5 Bộ lọc Kalman ..............................................................................................995.5.1 Xây dựng bộ lọc đơn giản......................................................................995.5.2 Phát triển bộ lọc Kalman cho robot chuyển động................................1025.5.3 Phát triển bộ lọc Kalman cho môi trường thực tế SLAM ...................1035.5.4 Bộ lọc Kalman mở rộng (Extended Kalman Filter) ............................1055.6 Xây dựng thuật toán thăm dò môi trường chưa xác định ...........................1075.6.1 Đặt vấn đề ............................................................................................107ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP125.6.2 Cơ sở lý thuyết.....................................................................................1075.6.3 Kết quả thực nghiệm của thuật toán ....................................................1115.7 Định vị robot trong môi trường thực tế ......................................................1115.7.1 Đặt vấn đề ............................................................................................1115.7.2 Cơ sở lý thuyết.....................................................................................1125.7.3 Kết quả thực nghiệm............................................................................1165.8 Xây dựng phương án di chuyển bao phủ ....................................................1175.8.1 Lập kế hoạch dẫn đường......................................................................1175.8.2 Xây dựng thuật toán.............................................................................1185.8.3 Kết quả thực nghiệm............................................................................122CHƯƠNG 6 ỨNG DỤNG THUẬT TOÁN...............................................................1236.1 Giới thiệu chương .......................................................................................1236.2 Thiết lập thông số cơ bản............................................................................1236.2.1 Phép biến đổi tọa độ.............................................................................1236.2.2 Dữ liệu cảm biến..................................................................................1246.2.3 Dữ liệu Odometry ................................................................................1246.2.4 Điều khiển vận tốc ...............................................................................1246.3 Thiết lập thông số điều hướng ....................................................................1256.3.1 Phương án điều hướng toàn cục...........................................................1256.3.2 Phương án điều hướng cục bộ .............................................................1276.3.3 Thông số bản đồ nhị phân....................................................................1306.4 Bộ định vị thích nghi Monte Carlo .............................................................1336.4.1 Thông số chung....................................................................................1336.4.2 Thông số mô hình đo lường.................................................................1346.4.3 Thông số mô hình chuyển động...........................................................134ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP136.5 Bộ phục hồi khả năng di chuyển.................................................................1356.6 Ứng dụng thuật toán thăm dò .....................................................................1366.7 Ứng dụng thuật toán di chuyển...................................................................138CHƯƠNG 7 KẾT LUẬN...........................................................................................1417.1 Kết luận.......................................................................................................1417.2 Phương hướng phát triển đề tài...................................................................142TÀI LIỆU THAM KHẢO ..........................................................................................143
GIỚI THIỆU TỔNG QUAN VỀ ĐỀ TÀI
Giới thiệu chương
Trong chương này, tôi giới thiệu tổng quan về robot lau nhà thông minh, tập trung vào mô hình, sơ đồ khối và nguyên lý hoạt động của thiết bị Robot lau nhà thông minh là giải pháp tự động giúp làm sạch hiệu quả, tiết kiệm thời gian và công sức cho người dùng Mô hình của robot gồm các thành phần chính như cảm biến, động cơ và bộ điều khiển, giúp robot hoạt động chính xác và linh hoạt Sơ đồ khối mô tả các phần tử kết nối và phối hợp hoạt động của robot để thực hiện quá trình lau nhà tự động Nguyên lý hoạt động của robot dựa trên việc cảm nhận môi trường, lập trình trước để di chuyển quỹ đạo, và sử dụng các cảm biến để tránh vật cản, đảm bảo vệ sinh sạch sẽ.
Tổng quan về Robot hút bụi
Robot làm sạch cho môi trường công cộng và hộ gia đình mang lại những bước đột phá trong lĩnh vực tự động hóa vệ sinh, với sự phát triển của hàng loạt robot lau và hút bụi trong 15 năm qua Khảo sát trong bài báo "A Short History of Cleaning Robots" đã xác định 30 loại robot làm sạch khác nhau, chủ yếu tập trung vào làm sạch sàn nhà, phản ánh nhu cầu và kỳ vọng về giá trị kinh tế của thị trường này Tại châu Âu, thị trường dịch vụ làm sạch có giá trị lên tới 100 tỷ USD mỗi năm, thúc đẩy các ngành công nghiệp làm sạch và nhà sản xuất thiết bị vệ sinh đầu tư mạnh vào công nghệ robot Một so sánh giữa robot hút bụi và máy hút bụi truyền thống cho thấy rõ các ưu điểm và nhược điểm của từng loại dựa trên nhiều tiêu chí khác nhau, giúp người tiêu dùng và doanh nghiệp lựa chọn giải pháp phù hợp để nâng cao hiệu quả công việc làm sạch.
Tiêu chí Máy hút bụi Robot hút bụi thông minh
-Chỉ hoạt động khi được cắm vào nguồn điện
- Người dùng trực tiếp điều khiển máy trong suốt quá trình hút và làm sạch bụi bẩn
- Máy tự động đi hút sạch bụi bẩn trên sàn nhà và các ngóc ngách mà máy có thể di chuyển đến khi hết pin
- Người dùng chỉ cần thiết lập chế độ cho máy 1 lần trong quá trình sử dụng
Thiết kế - Có ống hút dài khoảng 1m2, nhiều đầu hút tháo rời
- Dây điện dài tầm 6 - 8 m được tích hợp trong máy
- Thiết kế hình tròn nhỏ gọn, có đường kính từ 35 - 40 cm, cao từ 8 - 12 cm
- Dây điện tháo rời, có chân đế sạc điện tự động
Tiện ích - Có đèn báo khoang chứa đầy bụi
- Chức năng thổi bụi tiện dụng khi làm sạch lá cây, tóc
- Cảm biến phát hiện bụi dễ dàng phát hiện và làm sạch bụi
- Đầu hút có thể tháo rời, thay thế, xoay linh hoạt tiếp cận các khu vực cần làm sạch theo nhu cầu
- Tiện tùy chỉnh chức năng với điều khiển trên tay cầm
- Tự động hút bụi, lau nhà (tuỳ model)
- Phát thông báo khi hộp chứa bụi đầy
- Có cảm biến phát hiện bụi giúp làm sạch bụi triệt để hơn
- Dễ dàng điều chỉnh chức năng hút bụi với ứng dụng trên điện thoại thông minh, điều khiển từ xa (một số model)
- Tự động quay về đế sạc khi hết năng lượng
- Hẹn giờ hút bụi, tự động lên lịch làm việc
- Hút bụi tốt trên nhiều loại sàn khác nhau, làm sạch với nhiều chế độ như zigzag, lau nhà, vệ sinh mép tường
- Cảm biến tường ảo giới va chạm, chống rơi ngã máy
- Chổi quét bên hông tiếp cận tường sát đến 10 mm
- Cảm biến và chip xử lý giúp tính toán đường đi và kiểm soát hướng di chuyển của máy Độ ồn - Khoảng 65 - 80 dB - Khoảng 40 – 50 dB
Loại bộ lọc - Bộ lọc HEPA Có khoảng 8 loại bộ lọc: EPA 10 - 12, HEPA 13 - 14, ULPA 15 - 17
- Nano Titanium, kháng khuẩn khử mùi giúp diệt khuẩn, chống các tác nhân gây dị ứng
Năng lượng sử dụng Điện, pin sạc điện (Máy cầm tay) -Pin sạc điện có dung lượng
2.500 - 5.200 mAh dùng lâu đến 2 – 3 tiếng
Có thể hút bụi bẩn đến mọi vị trí mà người dùng muốn
- Chỉ hút sạch bụi bẩn ở sàn nhà, thảm, gầm giường, gầm bàn ghế
- Công nghệ hút xoáy Cyclonic, Cyclone xử lý và nén bụi hiệu quả
- Công nghệ hút mạnh mẽ Cyclone làm sạch bụi nhanh
- Theo dõi và kiểm soát máy hút bụi bằng điện thoại thông minh
- Công nghệ giọng nói (Tiếng Hoa, tiếng Anh)
Dung tích hộp chúa bụi
Sự đa dạng về loại sản phẩm
- Phân chia theo hình dáng có 3 loại là máy hút bụi đứng, máy hút bụi hộp, máy hút bụi cầm tay
- Phân chia theo khoang chứa bụi: máy hút bụi có túi và máy hút bụi hộp
Giá cả - Dao động từ 700.000đ –
Bảng 1.1 So sánh máy hút bụi và robot hút bụi thông minh
Dựa trên bảng so sánh, chúng ta có thể thấy rằng hai loại hình sản phẩm này tương tự nhau về tính năng và giá cả Tuy nhiên, ưu điểm vượt trội của robot hút bụi chính là khả năng hoạt động độc lập mà không cần sự can thiệp của người dùng.
Hình 1.1 Robot hút bụi của SAMSUNG và Robot lau nhà của iRobot
Các loại robot hút bụi hiện nay có kỹ thuật dẫn đường đa dạng, chủ yếu gồm cảm biến và xử lý ảnh Phương pháp xử lý ảnh lần đầu tiên được phát triển bởi nhà sáng chế Eric Richard Bartsch vào năm 2002, ông đã sử dụng camera để quét trần nhà, từ đó tạo bản đồ di chuyển giúp robot hoạt động hiệu quả hơn.
Hình 1.2 Robot sử dụng công nghệ xử lý ảnh để tạo bản đồ cho Robot
Robot sử dụng công nghệ xử lý ảnh có nhược điểm là không hoạt động được trong điều kiện thiếu sáng, dẫn đến các công ty chuyển sang sử dụng cảm biến để tạo bản đồ di chuyển cho robot Sản phẩm của iRobot nổi bật với công nghệ NorthStar® Navigation, dựa trên hệ thống định vị GPS kết hợp cảm biến gyroscopes giúp Robot tự lập bản đồ chính xác Trong khi đó, robot LTM-T290 của hãng XRobot chỉ di chuyển theo phương pháp ngẫu nhiên, phù hợp với các nhiệm vụ đơn giản hơn.
Hình 1.3 Hình ảnh Robot LTM-T290
Hiện nay, trên thị trường có nhiều sản phẩm của các hãng lớn như LG, Samsung, Philips, nhưng tập trung chủ yếu vào robot hút bụi Theo trang 10TopTenREVIEWS năm 2014, sản phẩm của iRobot là duy nhất phát triển theo hướng robot lau nhà và xếp hạng thứ hai trong các sản phẩm cạnh tranh iRobot sử dụng công nghệ bản quyền NorthStar® Navigation để lập bản đồ và điều hướng chính xác, trong khi phương pháp di chuyển ngẫu nhiên thường kém hiệu quả do dễ bị lặp lại quỹ đạo và bỏ sót khu vực cần lau Hình 1.4 thể hiện rõ sự khác biệt giữa hai phương pháp tạo bản đồ và di chuyển ngẫu nhiên, nhấn mạnh ưu điểm của công nghệ lập bản đồ trong robot lau nhà.
Hình 1.4 So sánh tính hiệu quả phương pháp di chuyển của Robot
Các Robot sử dụng cảm biến siêu âm hoặc cảm biến hồng ngoại để đo khoảng cách từ Robot đến vật cản, giúp xác định vị trí của vật thể đúng cách Dựa trên dữ liệu cảm biến, Robot sẽ tính toán và đưa ra thuật toán né tránh phù hợp để tránh va chạm Đây là nguyên tắc chung trong kỹ thuật tránh vật cản của các Robot hiện đại, đảm bảo hoạt động an toàn và hiệu quả trong môi trường xung quanh.
Qua quá trình khảo sát và đánh giá các loại robot trên thị trường, chúng tôi nhận thấy dù Robot lau nhà của iRobot và các hãng khác có nhiều tính năng nổi bật, nhưng giá thành lên tới 9-10 triệu VND vẫn còn quá cao đối với người tiêu dùng Việt Nam có thu nhập trung bình, khiến sản phẩm chưa phổ biến rộng rãi Với mong muốn phổ biến robot lau nhà phù hợp túi tiền của người dân, nhóm đã nghiên cứu sử dụng cảm biến giá rẻ kết hợp với thuật toán lập trình thông minh để tạo ra robot có tính năng tương đương các sản phẩm cao cấp mà mức giá phải chăng hơn, dễ tiếp cận với đa số gia đình Việt.
Đề xuất thiết kế mô hình Robot lau nhà thông minh
Robot lau nhà thông minh được nhóm em thiết kế với những tính năng chính sau
Robot có thể làm sạch sàn nhà, hút bụi
Robot được trang bị cảm biến giúp tránh ngã cầu thang và xử lý các chướng ngại vật hiệu quả Nhờ các thuật toán thông minh, robot có thể quay đầu lại, điều chỉnh hành trình để tránh va chạm với các vật thể trong nhà, đảm bảo hoạt động an toàn và linh hoạt hơn.
Robot di chuyển đảm bảo dọn sạch tối đa diện tích sàn nhà
Robot này sở hữu các tính năng nổi bật, đảm bảo đáp ứng yêu cầu tối thiểu để làm sạch ngôi nhà mà không thua kém các dòng robot hiện có trên thị trường Tính khả thi của đề tài cao, nhóm kỳ vọng sản phẩm ngày càng hoàn thiện hơn và sớm đi vào thực tế Mục tiêu của chúng tôi là phát triển robot để hỗ trợ con người tiết kiệm thời gian và công sức trong cuộc sống hiện đại.
Nguyên lý hoạt động của Robot
Hình 1.5 Sơ đồ khối của mạch điều khiển robot
Robot hoạt động dựa trên các cảm biến chính như cảm biến từ trường, camera, lidar, cảm biến hồng ngoại và encoder để đảm bảo khả năng định hướng chính xác và nhận diện môi trường Cảm biến từ trường giúp robot xác định hướng đi thông minh, trong khi camera, lidar và cảm biến hồng ngoại phát hiện vật cản cũng như các chênh lệch độ cao Encoder đo số vòng quay của động cơ, phối hợp với bài toán động học ngược để xác định vị trí và hướng của robot trong không gian làm việc Tất cả các tín hiệu từ cảm biến này đều được gửi về vi máy tính Raspberry Pi 3+ để xử lý và điều hướng hiệu quả Các tín hiệu điều khiển sau đó được truyền đến khối chấp hành gồm hai động cơ DC giảm tốc, dưới sự trung gian của Arduino giúp giao tiếp giữa Raspberry Pi và các cảm biến, động cơ, đảm bảo hoạt động mượt mà và chính xác.
Giới thiệu ROS
ROS (Hệ điều hành cho robot) cung cấp các thư viện và công cụ giúp các nhà phát triển phần mềm tạo ra ứng dụng cho robot một cách dễ dàng Nó không chỉ cung cấp dịch vụ hệ điều hành tiêu chuẩn như trừu tượng hóa phần cứng, quản lý tranh chấp và quản lý quy trình mà còn hỗ trợ các chức năng cấp cao như quản lý cơ sở dữ liệu tập trung và hệ thống cấu hình robot Điều này giúp tối ưu hóa quá trình phát triển và vận hành robot hiệu quả hơn.
ROS là gói công cụ được cài đặt trên Ubuntu
1.5.2 Tính năng của ROS ROS cung cấp các gói công cụ được tiêu chuẩn hóa giúp:
Quản lý phần cứng bằng cách viết trình điều khiển
Quản lý bộ nhớ và các quy trình
Quản lý đồng thời, song song và hợp nhất dữ liệu
Cung cấp các thuật toán lý luận trừu tượng, sử dụng trí tuệ nhân tạo
1.5.3 Phương pháp hoạt động của ROS
Trong hệ thống ROS, các tập tin được tổ chức theo thứ tự quan trọng từ trên xuống dưới gồm có Metapackages, Packages, Manifest của Packages, thư mục Misc, Messages, Services và Codes, tạo thành cấu trúc rõ ràng giúp quản lý và phát triển dự án hiệu quả.
Hình 1.6 Hệ thống hoạt động của ROS
Gói tổng (Metapackages) là nhóm các gói liên quan đến nhau giúp tích hợp các thành phần cần thiết trong hệ thống robot Ví dụ, trong ROS, gói Navigation là gói tổng chứa đựng tất cả các gói liên quan đến việc di chuyển của robot, bao gồm điều khiển thân, bánh xe và các thuật toán như Kalman filter, Particle filter Khi cài đặt gói tổng, toàn bộ các gói con trong đó sẽ tự động được cài đặt, giúp đơn giản hóa quá trình cài đặt và cấu hình hệ thống robot.
Gói (Packages) trong ROS là các nguyên tử cơ bản tạo nên hệ thống, gồm các thành phần như ROS node, datasets, tệp cấu hình, và tệp nguồn Tuy nhiên, để làm việc hiệu quả, chúng ta chỉ cần chú trọng vào hai phần chính trong gói: thư mục src chứa mã nguồn của dự án và tệp CMakeLists.txt, nơi khai báo các thư viện cần thiết để biên dịch mã Hiểu rõ về cấu trúc gói giúp tối ưu hóa quá trình phát triển và vận hành hệ thống ROS.
Trong hệ thống ROS, node Master đóng vai trò trung tâm kết nối tất cả các node còn lại, giúp các node giao tiếp với nhau một cách hiệu quả Các node khác muốn trao đổi dữ liệu hoặc phối hợp hoạt động cần qua trung gian của node Master, đảm bảo sự phối hợp và quản lý hệ thống một cách đồng bộ Hình 1.7 minh họa rõ ràng sự tương tác giữa các node trong ROS, trong đó Master là điểm trung tâm kết nối toàn bộ các node, tạo nên mạng lưới liên kết chặt chẽ và linh hoạt.
ROS nodes là các quá trình sử dụng API của ROS để giao tiếp và phối hợp với nhau Một robot thường có nhiều nodes để đảm bảo quá trình truyền thông và hoạt động diễn ra hiệu quả, tối ưu hóa khả năng vận hành của hệ thống robot.
ROS Master đóng vai trò là trung tâm điều phối, kết nối các node trong hệ thống ROS Nó quản lý thông tin về tất cả các node đang hoạt động và chịu trách nhiệm thiết lập kết nối giữa chúng Khi đã trao đổi dữ liệu, các node sẽ bắt đầu giao tiếp trực tiếp với nhau để thực hiện các nhiệm vụ trong hệ thống ROS.
Các nút ROS giao tiếp với nhau thông qua việc gửi và nhận dữ liệu dưới dạng ROS message, một cấu trúc dữ liệu được thiết kế để trao đổi thông tin giữa các nút ROS ROS message hoạt động như một giao thức định dạng dữ liệu tiêu chuẩn, cho phép các node truyền tải dữ liệu một cách hiệu quả và thống nhất Các loại dữ liệu phổ biến trong ROS message bao gồm string, float, int, giúp các phần mềm và thiết bị kết nối, tương tác một cách dễ dàng, đảm bảo hoạt động của hệ thống robot hiệu quả hơn.
ROS Topic là một phương pháp hiệu quả để giao tiếp và trao đổi tin nhắn giữa hai node trong hệ thống ROS Đây là một kênh truyền tải dữ liệu, giúp các node dễ dàng chia sẻ thông tin qua việc sử dụng ROS message ROS Topic đóng vai trò quan trọng trong việc xây dựng hệ thống robot modular, giúp các thành phần hoạt động phối hợp mượt mà và hiệu quả hơn.
Dịch vụ (Service) là phương pháp giao tiếp khác với Topic, sử dụng mô hình tương tác publish/subscribe hoặc request-response Trong quá trình hoạt động, Service thường hoạt động theo kiểu yêu cầu (request) và phản hồi (response), giúp đảm bảo luồng dữ liệu linh hoạt và hiệu quả hơn trong hệ thống.
GIỚI THIỆU VỀ CÁC MODULE
Giới thiệu chương
Chương này giới thiệu về cấu tạo và nguyên lý hoạt động của các module chính trong robot, giúp hiểu rõ cách các linh kiện phối hợp để thực hiện nhiệm vụ Các module bao gồm Raspberry Pi 3B+ – bộ vi xử lý mạnh mẽ điều khiển toàn bộ hệ thống, cảm biến 9 bậc MPU 9250 đo lường vị trí và chuyển động 3D, cảm biến Delta Lidar 2A giúp định vị và quét môi trường chính xác, mạch cầu H L298 điều khiển động cơ, encoder đo tốc độ chân của động cơ để điều chỉnh chính xác, cảm biến hồng ngoại và cảm biến siêu âm giúp robot phát hiện vật thể và tránh va chạm hiệu quả.
Arduino Mega 2560
Arduino Mega 2560 là board mạch vi điều khiển, xây dựng dựa trên Atmega
Bảng mạch này có 54 chân I/O, trong đó 15 chân có thể sử dụng làm chân xuất với chức năng PWM, giúp điều chỉnh tốc độ và độ sáng của các thiết bị kết nối Nó còn trang bị 16 chân đầu vào Analog để thu thập dữ liệu analog từ các cảm biến, cùng với 4 cổng UART để giao tiếp serial hiệu quả Ngoài ra, thiết bị được tích hợp thạch anh 16MHz để duy trì tần số ổn định, cổng USB để kết nối máy tính và các thiết bị ngoại vi, jack nguồn để cấp điện dễ dàng, header gắn linh kiện và nút reset để khởi động lại nhanh chóng khi cần thiết.
Thông số kỹ thuật của vi điều khiển:
Vi điều khiển Atmega2560 Điện áp hoạt động 5V Điện áp đầu vào (đề nghị) 7-12V Điện áp đầu vào (giới hạn) 6-20V
Số lượng chân Digital I/O 54 chân, với 15 chân PWM
Dòng điện mỗi chân I/O 20mA
Dòng điện chân nguồn 3.3V 50mA
Bảng 2.1 Thông số kỹ thuật Arduino Mega 2560
Arduino có thiết kế board mạch nhỏ gọn, tích hợp nhiều tính năng phổ biến, mang lại lợi thế vượt trội cho người dùng Tuy nhiên, sức mạnh thực sự của Arduino nằm ở phần mềm, nhờ môi trường lập trình đơn giản, dễ sử dụng cùng ngôn ngữ lập trình dựa trên nền tảng C/C++ quen thuộc với kỹ thuật viên Thêm vào đó, cộng đồng nguồn mở đã phát triển và chia sẻ hàng ngàn thư viện mã code sẵn có, giúp người dùng dễ dàng mở rộng và tùy chỉnh các dự án một cách hiệu quả.
Việc tích hợp Arduino vào đề tài giúp phát triển robot trở nên dễ dàng hơn nhờ vào bộ thư viện mở rộng phong phú Đặc biệt, Arduino hỗ trợ giao tiếp với ROS, cho phép gửi và nhận tín hiệu với máy tính nhanh chóng và hiệu quả Do đó, vi xử lý Arduino Mega 2560 là lựa chọn lý tưởng để phát triển các sản phẩm robot hiện đại, đáp ứng yêu cầu về tốc độ xử lý cao và khả năng mở rộng linh hoạt.
Raspberry Pi 3B+
Với thế hệ Raspberry Pi 3 mới nhất và mạnh nhất hiện nay trong dòng
Raspberry Pi, bản nâng cấp vừa ra mắt hôm nay chủ yếu mang đến tốc độ nhanh hơn về mọi mặt
Raspberry Pi 3 Model B+ chính được nâng cấp về vi xử lý và khả năng kết nối mạng Mẫu này sử dụng vi xử lý Broadcom BCM2837B0 4 nhân với tốc độ 1.4GHz, cao hơn đáng kể so với vi xử lý BCM2837 1.2GHz của Raspberry Pi 3 Model B, giúp cải thiện hiệu suất và xử lý nhanh hơn cho các dự án của người dùng.
Pi 3 Model B+ đáp ứng tốt các công việc yêu cầu tốc độ mạng cao nhờ kết nối Wi-Fi hai băng tần 2.4GHz và 5GHz, giúp tăng phạm vi và hiệu suất mạng Thiết bị còn tích hợp Ethernet gigabit qua cổng USB 2.0 với tốc độ lên đến 300Mbps, gấp 3 lần so với Pi 3 Model B, phù hợp cho các hoạt động cần truyền tải dữ liệu lớn Ngoài ra, Pi 3 Model B+ hỗ trợ Bluetooth 4.2 và Bluetooth LE, giúp kết nối mượt mà hơn với các thiết bị thông minh khác trong hệ sinh thái IoT.
Model B+ hỗ trợ Power over Ethernet (PoE), cho phép cung cấp nguồn điện cho thiết bị thông qua cáp Ethernet, giúp giảm thiểu số lượng dây cáp cần thiết Tuy nhiên, để sử dụng tính năng PoE trên Model B+, người dùng cần phải trang bị một HAT mở rộng hỗ trợ PoE, đảm bảo tích hợp và hoạt động hiệu quả Tính năng này mang lại sự tiện lợi và linh hoạt trong việc lắp đặt và vận hành các dự án liên quan đến IoT.
Cấu hình chi tiết Raspberry Pi 3 Model B+:
SoC: Broadcom BCM2837B0, Cortex-A53 (ARMv8) 64-bit SoC @ 1,4 GHz
Gigabit Ethernet over USB 2.0 (maximum throughput 300 Mbps)
Khe cắm thẻ Micro SD
Hỗ trợ Power-over-Ethernet (PoE)
Cải thiện PXE network và USB mass-storage booting
Tản nhiệt tốt hơn Model B
Raspberry Pi 3B+ hoạt động ổn định và chắc chắn, đảm bảo đáp ứng đầy đủ các chức năng cần thiết cho Robot Với khả năng xử lý nhiều node ROS cùng lúc, Raspberry Pi 3B+ tận dụng tối đa các tính năng của ROS để nâng cao hiệu suất và khả năng vận hành của hệ thống robot.
Việc sử dụng Raspberry Pi 3B+ trong dự án giúp quá trình phát triển robot trở nên dễ dàng và linh hoạt hơn Nhờ các header kết nối từ vi xử lý Broadcom BCM2837B0, người dùng có thể dễ dàng điều chỉnh và thay đổi các phương án phát triển một cách thuận tiện Điều này tạo điều kiện tối ưu cho việc tối ưu hóa hiệu suất và mở rộng khả năng của robot trong các dự án công nghệ cao.
Hình 2.3 Module cảm biến 9 trục MPU 9250
MPU-9250 là một thiết bị 9 trục đoạn chuyển động kết hợp 3 trục con quay hồi chuyển, 3 trục gia tốc, 3 trục của từ trường, được nâng cấp từ MPU-6515
Vi xử lý MPU 9250 Điện áp hoạt động 3-5V
Con quay hồi chuyển ±250, ± 500, ± 1000 và 2000 °/sec
Bảng 2.2 Thông số kỹ thuật cảm biến 9 trục MPU 9250 Định hướng trục:
Hình 2.4 Định hướng trục độ nhạy của gia tốc kế và con quay hồi chuyển
Hình 2.5 Định hướng trục độ nhạy của từ trướng kế
MPU 9250 hoạt động ổn định trong môi trường ít nhiễu từ, tối ưu cho các ứng dụng robot lau nhà trong gia đình Trong điều kiện gặp vật dụng gây nhiễu từ tính như sắt hoặc nam châm, thiết bị có thể gặp lỗi, nhưng đã được xử lý hiệu quả nhờ thuật toán chống nhiễu Đây là giải pháp tin cậy, giúp đảm bảo hiệu suất ổn định cho các thiết bị điều khiển tự động trong môi trường gia đình.
Việc lựa chọn cảm biến từ trường để điều hướng cho robot gần đây trở thành một hướng mới với nhiều ưu điểm vượt trội so với các phương pháp truyền thống như dò vạch, con quay hồi chuyển và xử lý ảnh Cảm biến từ trường ít bị ảnh hưởng bởi nhiễu từ bên ngoài, giúp hệ thống điều hướng chính xác và đáng tin cậy hơn Áp dụng phương pháp này là một lựa chọn phù hợp và sáng tạo cho các dự án robot hiện đại.
Lidar Delta 2A
Lidar, viết tắt của Light Detection And Ranging, là phương pháp đo khoảng cách chính xác bằng cách sử dụng chùm tia laser để xác định vị trí các đối tượng Công nghệ này hoạt động dựa trên việc phát xung laser và đo thời gian phản xạ của ánh sáng để tính toán khoảng cách Sử dụng cảm biến để thu nhận các xung phản xạ giúp xác định vị trí và hình dạng của các vật thể môi trường một cách chính xác.
Lidar hiện đang được ứng dụng rộng rãi trong nhiều lĩnh vực, bao gồm xây dựng bản đồ trong ngành địa chất, khảo cổ học và hệ thống dẫn đường bằng laser Trong đó, một trong những ứng dụng nổi bật nhất của Lidar là phục vụ cho xe tự hành và robot tự hành, giúp nâng cao khả năng phát hiện môi trường và định vị chính xác.
Với đề tài này, để xây dựng bản đồ của môi trường, nhóm em sử dụng model
Lidar Delta 2A của hãng 3irobotics có khả năng quét các vật cản 360° trong bán kính 8 mét, mang lại hiệu quả quét toàn diện cho các hệ thống tự động Sản phẩm hoạt động với tốc độ lấy mẫu từ 2-5 lần mỗi giây và tần số quét 6.2Hz, giúp nhận diện chính xác các vật thể trong môi trường xung quanh Với độ lệch chỉ trong khoảng 1%, Lidar Delta 2A đảm bảo độ chính xác cao, phù hợp cho các ứng dụng robot tự hành và hệ thống an ninh thông minh.
Tốc độ lấy mẫu 2-5k/s Dòng điện khi khởi động 600mA
Tần số quết 6.2Hz Dòng điện khi hoạt động 400mA Độ phân giải góc 1 Kích thước 107x75x50mm
Sai lệch 1% Nhiệt độ khi hoạt động 0-45°C
Giao tiếp UART(TTL) Nhiệt độ bảo quản -20,60°C
Baud Rate 115200bps Ánh sáng môi trường