ỨNG DỤNG xử lý ẢNH bám QUỸ đạo CHO TRƯỚC CHO MOBILE ROBOTt

Trong luận văn này trình bày ứng dụng kỹ thuật xử lý ảnh trong việc điều khiển robot bám theo đường đi cho trước.. Sau khi xử lý các tín hiệu được truyền xuống cũng như xác định vị trí t

TÓM TẮT LUẬN VĂN

Robot tự hành là một loại xe robot có khả năng tự dịch chuyển, tự vận động dưới

sự điều khiển tự động, có khả năng hoàn thành công việc được giao Cùng với sự phát triển mạnh mẽ của các hệ thống cơ điện tử, robot tự hành ngày một hoàn thiện và đa năng hơn Một vấn đề rất được quan tâm khi thiết kế robot là điều khiển làm sao cho robot có thể bám theo một đường đi cho trước Trong luận văn này trình bày ứng dụng

kỹ thuật xử lý ảnh trong việc điều khiển robot bám theo đường đi cho trước Một camera được bố trí trong môi trường hoạt động của robot để quan sát Tọa độ các điểm nằm trên đường đi cho trước sẽ được xác định nhờ thông tin của ảnh thu được từ camera Vị trí của robot trong quá trình chuyển động sẽ được cập nhật liên tục dựa vào sự quan sát của camera Tọa độ đọc về của robot được tính toán và chuyển đổi, sau đó truyền xuống vi điều khiển thông qua giao tiếp máy tính Sau khi xử lý các tín hiệu được truyền xuống cũng như xác định vị trí tương đối của robot với đường đi thực, vi điều khiển sẽ điều khiển robot chạy bám theo đường đi đã cho trước

Nội dung luận văn gồm có năm chương:

Chương 1: Tổng quan

Chương 2: Tính toán và thiết kế cơ khí

Chương 3: Xây dựng hệ thống điện

Chương 4: Xây dựng giải thuật điều khiển

Chương 5: Kết luận

MỤC LỤC LỜI CẢM ƠN Error! Bookmark not defined

TÓM TẮT LUẬN VĂN i

MỤC LỤC ii

DANH MỤC HÌNH ẢNH v

DANH SÁCH BẢNG ix

DANH SÁCH CÁC TỪ VIẾT TẮT x

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN 1

1.1 Tổng quan về mobile robot 1

1.1.1 Giới thiệu chung 1

1.1.2 Các loại chuyển động của mobile robot 2

1.2 Tổng quan về hệ thống xử lý ảnh 4

1.2.1 Sơ lược về hệ thống xử lý ảnh 5

1.2.2 Các khái niệm cơ bản trong xử lý ảnh 5

1.3 Giới thiệu mobile robot bám theo đường đi cho trước 8

1.3.1 Sử dụng khối cảm biến hồng ngoại 8

1.3.2 Sử dụng camera gắn trên mobile robot 9

1.3.3 Sử dụng camera theo dõi mobile robot 10

1.4 Mục tiêu, nhiệm vụ và phạm vi đề tài 10

1.4.1 Mục tiêu đề tài 10

1.4.2 Nhiệm vụ đề tài 11

1.4.3 Phạm vi đề tài 11

CHƯƠNG 2: TÍNH TOÁN VÀ THIẾT KẾ CƠ KHÍ 12

2.1 Lựa chọn kết cấu và mô hình hóa robot 12

2.1.1 Lựa chọn kết cấu mobile robot 12

2.1.2 Mô hình hóa moblie robot 13

2.2 Tính toán, thiết kế và lựa chọn các thiết bị cơ khí 15

2.2.1 Bánh xe 16

2.2.2 Tính toán công suất và lựa chọn động cơ 19

2.2.3 Thiết kế khung xe và các thiết bị khác 21

CHƯƠNG 3: XÂY DỰNG HỆ THỐNG ĐIỆN 28

3.1 Khối điều khiển trung tâm 28

3.1.1 Vi điều khiển Arduino Mega 2560 28

3.1.2 Sơ đồ khối điều khiển trung tâm 29

3.2 Khối điều khiển động cơ 30

3.2.1 Giới thiệu về chip mạch cầu L298N 30

3.2.2 Sơ đồ khối điều khiển động cơ 32

3.3 Khối nguồn 33

3.3.1 Nguồn cấp cho diver và vi điều khiển 33

3.3.2 Nguồn cấp cho động cơ 34

3.4 Giao tiếp giữa máy tính và vi điều khiển 34

3.4.1 Giới thiệu bluetooth HC-05 35

3.4.2 Sơ đồ kết nối chân với vi điều khiển 37

CHƯƠNG 4: XÂY DỰNG GIẢI THUẬT ĐIỀU KHIỂN 38

4.1 Ứng dụng xử lý ảnh 38

4.1.1 Cấu trúc hệ thống xử lý ảnh dùng trong đề tài 38

4.1.2 Calibration Camera 40

4.1.3 Tìm tọa độ của đường đi cho trước 46

4.1.4 Theo dõi vị trí của mobile robot 52

4.2 Truyền nhận dữ liệu giữa máy tính và vi điều khiển 53

4.3 Xây dựng giải thuật điều khiển 55

4.3.1 Điều khiển tốc độ động cơ 55

4.3.2 Bám theo đường đi dựa theo giải thuật PID 56

4.3.3 Giải thuật điều khiển 59

4.4 Thực nghiệm và đánh giá kết quả 65

4.4.1 Di chuyển theo đường thẳng 65

4.4.2 Di chuyển thẳng và chuyển hướng 68

CHƯƠNG 5: KẾT LUẬN 70

5.1 Kết quả đạt được 70

5.2 Kết quả chưa đạt được 70

5.3 Hướng phát triển tương lai 70

TÀI LIỆU THAM KHẢO 71

DANH MỤC HÌNH ẢNH

Hình 1.1: Robot tự hành Sojourner thám hiểm sau hỏa 2

Hình 1.2: Robot Pinoneer 2

Hình 1.3: Robot hai chân BRAT 3

Hình 1.4: Robot di chuyển bằng bánh xe 3

Hình 1.5: Robot di chuyển bằng bánh xích 4

Hình 1.6: Quá trình xử lý ảnh 5

Hình 1.7: Sơ đồ tổng quát của hệ thống xử lý ảnh 5

Hình 1.8: Không gian màu RGB 8

Hình 1.9: Xe bám đường đi sử dụng cảm biến 8

Hình 1.10: Sử dụng camera gắn trên xe 9

Hình 1.11: Robot sử dụng camera gắn cố định 10

Hình 2.1: Mobile robot ba bánh 12

Hình 2.2: Mobile robot bốn bánh 13

Hình 2.3: Mô hình kết cấu của mobile robot 13

Hình 2.4: Mô hình động học của mobile robot 14

Hình 2.5a: Bánh xe thông thường 16

Hình 2.5b: Bánh xe đa hướng 16

Hình 2.6: Bánh xe V3 80mm 17

Hình 2.7a: Bánh dẫn hướng thông thường 18

Hình 2.7b: Bánh mắt trâu 18

Hình 2.8: Bánh xe V1 18

Hình 2.9: Lực tác động lên mỗi bánh xe 20

Hình 2.10: Động cơ DC Servo DSE38BE27-001 21

Hình 2.11: Kết cấu khung xe 22

Hình 2.12: Kích thước gá động cơ 22

Hình 2.13: Mô hình 3D lắp ghép của gá động cơ 23

Hình 2.14: Kích thước tấm đỡ động cơ 23

Hình 2.15: Mô hình 3D tấm đỡ động cơ 24

Hình 2.16: Kích thước tầng dưới 24

Hình 2.17: Mô hình 3D tầng dưới 25

Hình 2.18: Kích thước tầng trên 25

Hình 2.19: Mô hình 3D tầng trên 26

Hình 2.20: Nối trục động cơ 26

Hình 2.21: Thanh ren 4mm 26

Hình 2.22: Mô hình thiết kế 3D trên solidworks 27

Hình 2.23: Mô hình robot thực tế 27

Hình 3.1: Vi điều khiển Arduino 2560 28

Hình 3.2: Sơ đồ khối điều khiển trung tâm 30

Hình 3.3: Driver L298N 30

Hình 3.4: Sơ đồ nguyên lý đảo chiều động cơ 31

Hình 3.5: Sơ đồ nguyên lý L298N 31

Hình 3.6: Sơ đồ mạch điều khiển động cơ 1 32

Hình 3.7: Sơ đồ mạch điều khiển động cơ 2 33

Hình 3.8: Mạch giảm áp DC LM 2596 33

Hình 3.9: Nguồn tổ ong 24V – 10A 34

Hình 3.10: Module bluetooth HC-05 36

Hình 3.11: Khung truyền theo UART 36

Hình 3.12: Sơ đồ kết nối bluetooth với vi điều khiển 37

Hình 4.1: Cấu trúc hệ thống robot bám đường đi sử dụng camera 38

Hình 4.2: Logitech HD Webcam C615 39

Hình 4.3: Mô hình Pinhold 40

Hình 4.4: Chuyển đổi tọa độ pixel về tọa độ thực 42

Hình 4.5: Giao diện chương trình camera calibration trong Matlab 43

Hình 4.6: Bàn cờ sử dụng trong quá trình tinh chỉnh camera 43

Hình 4.7: Ảnh lấy thông số nội 44

Hình 4.8: Ảnh lấy thông số ngoại 44

Hình 4.9: Thông số có được sau khi thực hiện calibrate với matlab 45

Hình 4.10: Ảnh lấy thông số ngoại 45

Hình 4.11: Quá trình tìm tọa độ xương của ảnh 46

Hình 4.12: Ảnh sử dụng cho quá trình xử lý 47

Hình 4.13: Chuyển từ ảnh màu sang ảnh xám 48

Hình 4.14: Chuyển từ ảnh xám sang ảnh nhị phân 49

Hình 4.15: Ví dụ về phép toán dãn nở 50

Hình 4.16: Ví dụ về phép toán co 50

Hình 4.17: Phép biến đổi tìm xương của đối tượng với ảnh nhị phân 51

Hình 4.18: Xương của quỹ đạo 51

Hình 4.19: Đọc tọa độ xương sử dụng contour 52

Hình 4.20: Theo dõi tọa độ của vật 53

Hình 4.21: Quá trình truyền nhận dữ liệu giữa máy tính và robot 53

Hình 4.22: Thời gian truyền nhận 54

Hình 4.23: Sơ đồ khối tổng quát của robot 55

Hình 4.24: Phương pháp điều chỉnh độ rộng xung 56

Hình 4.25: Sơ đồ hệ thống điều khiển dùng PID 56

Hình 4.26: Hai bộ điều khiển PID sử dụng cho việc điều khiển robot 58

Hình 4.27: Lưu đồ giải thuật chương trình chính 59

Hình 4.28: Lưu đồ giải thuật chương trình điều khiển robot 60

Hình 4.29: Lưu đồ giải thuật chương trình “Di chuyển theo X” 61

Hình 4.30: Hàm điều khiển “Dieukhien_1” 62

Hình 4.31: Lưu đồ giải thuật chương trình “Di chuyển theo Y” 63

Hình 4.32: Hàm điều khiển “Dieukhien_2” 64

Hình 4.33: Robot di chuyển từ A đến B 65

Hình 4.34: Quá trình robot di chuyển từ A đến B 66

Hình 4.35: Đồ thị đáp ứng khi di chuyển theo X 66

Hình 4.36: Đồ thị sai số giữa robot và đường đi theo trục Y 66

Hình 4.37: Robot di chuyển từ A đến C 67

Hình 4.38: Quá trình robot di chuyển từ A đến C 67

Hình 4.39: Đồ thị đáp ứng khi di chuyển theo trục Y 67

Hình 4.40: Đồ thị sai số giữa robot và đường đi theo trục X 68

Hình 4.41: Robot di chuyển thẳng và chuyển hướng 90o 68

Hình 4.42: Quá trình robot di chuyển thẳng từ A đến C và chuyển hướng 90o 69

Hình 4.43: Đồ thị đáp ứng khi robot di chuyển thẳng và chuyển hướng 90o 69

DANH SÁCH BẢNG

Bảng 1.1: Các không gian màu trong xử lý ảnh 7

Bảng 2.1: Bảng so sánh động cơ bước và động cơ servo 19

Bảng 3.1: Thông số kỹ thuật Arduino Mega 2560 29

Bảng 4.1: So sánh khoảng cách tính được và khoảng cách thực 46

DANH SÁCH CÁC TỪ VIẾT TẮT

Transmitter

Read-Only Memory

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN

1.1 Tổng quan về mobile robot

1.1.1 Giới thiệu chung

Thuật ngữ robot được sinh ra từ trên sân khấu, không phải trong phân xưởng sản xuất Những robot xuất hiện lần đầu tiên ở NewYork vào ngày 09/10/1992 trong vở

“Rossum’s Universal Robot” của nhà soạn kịch người Tiệp Karen Kapek viết năm 1921,

còn từ robot là cách gọi tắt của từ robota – theo tiếng Tiệp có nghĩa là công việc lao dịch Khi đó, Karen Kapek cho rằng robot là những người máy có khả năng làm việc nhưng không có khả năng suy nghĩ

Robot hay người máy là một loại máy có thể thực hiện những công việc một cách

tự động bằng sự điều khiển của máy tính Robot là một tác nhân cơ khí, nhân tạo, thường

là một hệ thống cơ khí – điện tử

Với sự xuất hiện và chuyển động của mình, robot gây cho người ta cảm giác rằng

nó có giác quan giống như con người Từ robot (người máy) thường được hiểu với hai nghĩa: robot cơ khí và phần mềm tự hoạt động Về lĩnh vực người máy, Nhật Bản là nước đi đầu thế giới về lĩnh vực này

Ngày nay robot đang là tâm điểm của một cuộc cách mạng lớn sau Internet Robot ngày càng được sử dụng rộng rãi trong lĩnh vực công nghiệp, y tế, giáo dục đào tạo, giải trí, an ninh quốc phòng, thám hiểm không gian Robot là sản phẩm công nghệ có độ phức tạp cao, chứa hàm lượng tri thức vô cùng phong phú về tất cả các lĩnh vực khoa học và công nghệ

Ngày nay, người ta vẫn còn đang tranh cãi vấn đề “ Một loại máy như thế nào thì

đủ tiêu chuẩn để được gọi là một robot ?” Một cách gần chính xác, robot phải có một số các đặc điểm sau đây:

 Không phải là tự nhiên, tức là do con người sáng tạo ra

 Có khả năng nhận biết môi trường xung quanh

 Có thể tương tác với những vật thể trong môi trường

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN

 Có sự thông minh, có khả năng đưa ra các lựa chọn dựa trên môi trường và được điều khiển một cách tự động theo những trình tự đã được lập trình trước

 Có khả năng điều khiển được bằng các lệnh để có thể thay đổi tùy theo yêu cầu của người sử dụng

 Có thể di chuyển quay hoặc tịnh tiến theo một hay nhiều chiều

 Có sự khéo léo trong vận động

Hình 1.1: Robot tự hành Sojourner thám hiểm sau hỏa

di chuyển dễ dàng Tùy thuộc vào số chân mà người ta chia thành các loại : Robot một

Hình 1.4: Robot di chuyển bằng bánh xe

 Ưu điểm:

 Chi phí thấp, đơn giản trong thiết kế và chế tạo

 Dễ điều khiển, ổn định và chuyển động nhanh

 Dễ dàng mở rộng, lựa chọn phong phú

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN

 Nhược điểm:

 Có khả năng kéo yếu

 Chỉ phù hợp với địa hình nhẵn và cứng, với bề mặt mềm rất dễ bị sa lầy

 Diện tích tiếp xúc nhỏ

c ) Chuyển động bằng bánh xích

Mobile robot dùng bánh xích chuyển động bằng các bánh có lắp xích như xe tăng, rất phù hợp khi di chuyển trên các địa hình phức tạp Để đổi hướng di chuyển, cần thay đổi tốc độ quay của hai bánh xích chủ động Tuy nhiên do chuyển động bằng xích khi đổi hướng sẽ gây ra hiện tượng trượt dẫn tới việc khó điều khiển chính xác

Hình 1.5: Robot di chuyển bằng bánh xích

 Ưu điểm:

 Tiếp xúc với bề mặt lớn, giảm khả năng trượt

 Phân bố trọng lượng đều, có thể hoạt động linh hoạt trên nhiều loại bề mặt khác nhau

 Tăng đáng kể không gian sử dụng của robot, không cần kết hợp với các bánh xe có ổ đĩa lớn

 Nhược điểm:

 Gây tổn hại bề mặt khi di chuyển

 Ổ đĩa xích hạn chế đáng kể số lượng động cơ có thể sử dụng được

 Tính phức tạp cơ khí tăng (số liên kết, khớp nối, cơ cấu trục )

1.2 Tổng quan về hệ thống xử lý ảnh

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN

1.2.1 Sơ lược về hệ thống xử lý ảnh

Con người thu nhận thông tin qua các giác quan, trong đó thị giác đóng vai trò quan trọng nhất Những năm trở lại gần đây với sự phát triển của phần cứng máy tính,

xử lý ảnh và đồ họa phát triển một cách mạnh mẽ và có nhiều ứng dụng trong cuộc sống

Xử lý ảnh và đồ họa đóng vai trò vai trọng trong tương tác người máy

Quá trình xử lý ảnh được xem như là quá trình thao tác ảnh đầu vào nhằm cho ra kết quả mong muốn Kết quả đầu ra của một quá trình xử lý ảnh có thể là một ảnh “ tốt hơn” hoặc một kết luận

Hình 1.6: Quá trình xử lý ảnh Ảnh có thể xem là tập hợp các điểm và mỗi điểm ảnh được xem như là đặc trưng cường độ sáng hay một dấu hiệu nào đó tại một vị trí nào đó của đối tượng trong không gian và nó có thể xem như một hàm n biến P(c1,c2,….,cn) Do đó, ảnh trong xử lý ảnh

có thể xem như ảnh n chiều

Sơ đồ tổng quát của một hệ thống xử lý ảnh:

Hình 1.7: Sơ đồ tổng quát của hệ thống xử lý ảnh

1.2.2 Các khái niệm cơ bản trong xử lý ảnh

a ) Điểm ảnh (Pixel)

Điểm ảnh (Pixel) là một phần tử của ảnh số tại tọa độ (x,y) với độ xám hoặc màu nhất định Kích thước và khoảng cách giữa các điểm ảnh được chọn thích hợp sao cho mắt người cảm nhận sự liên tục về không gian và mức xám (hoặc màu) của ảnh số gần như ảnh thật Mỗi phần tử trong ma trận được gọi là một phần tử ảnh

b ) Độ phân giải

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN

Độ phân giải (Resolution) của ảnh là mật độ điểm ảnh được ấn định trên một ảnh

số được hiển thị Theo định nghĩa, khoảng cách giữa các điểm ảnh phải được chọn sao cho mắt người vẫn thấy được sự liên tục của ảnh Việc lựa chọn khoảng cách thích hợp tạo nên một mật độ phân bố, đó chính là độ phân giải và được phân bố theo trục x và y trong không gian hai chiều

c ) Mức xám

Một điểm ảnh (pixel) có hai đặc trưng cơ bản là vị trí (x,y) của điểm ảnh và độ xám của nó Dưới đây là một số khái niệm và thuật ngữ sử dụng trong xử lý ảnh :

 Mức xám là cường độ sáng của nó được gắn bằng giá trị số tại điểm đó

 Các thang giá trị mức xám thông thường : 16, 32, 64, 128, 256 (Mức 256 là mức phổ dụng vì từ kỹ thuật máy tính dùng 1 byte (8 bit) để biểu diễn mức xám: Mức xám dùng 1 byte biểu diễn: 28 = 256 mức , tức là từ 0 đến 255)

 Ảnh đen trắng là ảnh có hai màu đen, trắng (không chứa màu khác) với mức xám ở các điểm ảnh có thể khác nhau

 Ảnh nhị phân là ảnh chỉ có 2 mức đen trắng phân biệt tức là dùng 1 bit mô

tả 21 mức khác nhau Nói cách khác: mỗi điểm ảnh của nhị phân chỉ có thể

là 0 hoặc 1

 Ảnh màu trong khuôn khổ lý thuyết ba màu (Red, Blue, Green) để tạo nên thế giới màu, người ta thường dùng 3 byte để mô tả mức màu, khi đó các giá trị màu 224 16,7 triệu màu

 Ảnh số là tập hợp các điểm ảnh với mức xám phù hợp dùng để mô tả ảnh gần với ảnh thật

d ) Không gian màu:

Không gian màu là mô hình toán học dùng để mô tả màu sắc trong thực tế được biểu diễn dưới dạng số học Trên thực tế có rất nhiều không gian màu khác nhau được

sử dụng trong nhiều mục đích khác nhau

Trong việc xử lý, có 5 mô hình màu thường được sử dụng, mỗi mô hình màu có các ưu nhược điểm riêng biệt, nên tùy vào mục đích sử dụng mà người ta có thể chọn các loại mô hình màu khác nhau

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN

Bảng 1.1: Các không gian màu trong xử lý ảnh

CIE - Người dùng dễ tương tác với màu, các thành phần màu ứng

dụng trên các thiết bị

- Không thể in hết mọi màu hiển thị trên màn hình

CMY - Biểu diễn được mọi màu trong phổ nhìn thấy - Phức tạp vì tồn tại mối quan hệ giữa hai

Trong đề tài này, ta sử dụng không gian màu RGB:

RGB là không gian màu rất phổ biến được dùng trong đồ họa máy tính và nhiều thiết bị kỹ thuật số khác Ý tưởng chính của không gian màu này là sự kết hợp của ba màu sắc cơ bản: màu đỏ (R,Red), xanh lục (G,Green) và xanh lơ (B,Blue) để mô tả tất

cả các màu sắc khác

Nếu như một ảnh số được mã hóa bằng 24 bit, nghĩa là 8 bit cho kênh R, 8 bit cho kênh G, 8 bit cho kênh B, thì mỗi kênh này sẽ nhận giá trị từ 0 – 255 Với mỗi giá trị khác nhau của các kênh màu kết hợp với nhau sẽ được một màu khác nhau, như vậy ta

sẽ có tổng cộng 255 x 255 x 255 = 16,7 triệu màu sắc Ví dụ: màu đen là sự kết hợp của các kênh màu (R, G, B) với giá trị tương ứng (0,0,0) màu trắng có giá trị (255,255,255), màu vàng có giá trị (255,255,0), màu tím đậm có giá trị (64,0,128) Nếu ta dùng 16 bit

để mã hóa một kênh màu (48 bit cho toàn bộ 3 kênh) thì dãi màu sẽ trãi rộng lên một con số rất lớn

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN

Hình 1.8: Không gian màu RGB

1.3 Giới thiệu mobile robot bám theo đường đi cho trước

Theo môi trường hoạt động của robot, bài toán dẫn hướng cho robot có hai loại: bài toán toàn cục (global) và bài toán cục bộ (local) Ở bài toán toàn cục, môi trường hoạt động của robot được biết trước và đường đi được xác định trước lúc chuyển động Trong bài toán cục bộ, môi trường hoạt động chưa biết trước hoặc đã biết một phần, trong quá trình chuyển động, các cảm biến trên robot sẽ phát hiện vật cản và đưa tín hiệu

về để điều khiển robot Luận văn này sẽ tập trung vào bài toán toàn cục

Hiện nay có nhiều phương pháp để mobile robot bám theo đường đi cho trước như:

 Sử dụng khối cảm biến hồng ngoại

 Sử dụng camera gắn trên mobilerobot

 Sử dụng camera theo dõi mobile robot

1.3.1 Sử dụng khối cảm biến hồng ngoại

Để điều khiển robot bám theo quỹ đạo, người thiết kế lập trình xác định độ lệch tương đối giữa quỹ đạo của robot và quỹ đạo mong muốn, sau đó so sánh độ lệch đó thành các mức và điều khiển robot quay về quỹ đạo mong muốn

Hình 1.9: Xe bám đường đi sử dụng cảm biến

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN

 Ưu điểm:

 Ít tốn kém khi lắp đặt hệ thống dẫn đường

 Dễ dàng loại bỏ và thay đổi đường dẫn khi cần

 Linh hoạt trong việc mở rộng diện tích làm việc

 Nhược điểm:

 Chạy không ổn định, lúc nhanh, lúc chậm

 Tính ổn định phụ thuộc vào động cơ và kết cấu cơ khí

 Hoạt động kém tại khu vực bụi bẩn và bị nhiễu bởi ánh sáng mặt trời và các thiết bị phát ra hồng ngoại

1.3.2 Sử dụng camera gắn trên mobile robot

Một camera được gắn trên xe, giống như thị giác của con người, sẽ luôn theo dõi quỹ đạo và gửi thông tin về máy tính để tiến hành xử lý Sau đó, sẽ gửi thông tin cho bộ phận điều khiển để điều khiển xe bám đường đi đã cho trước

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN

1.3.3 Sử dụng camera theo dõi mobile robot

Một camera được gắn cố định so với hệ tọa độ thực, thu thập ảnh của mục tiêu và môi trường làm việc Mục tiêu của hệ này là xác định sai lệch giữa tọa độ robot và tọa

độ đường đi cho trước, tiến hành xử lý trên máy tính và gửi thông tin xuống vi điều khiển để thực hiện việc điều khiển robot bám theo đường đi cho trước

Hình 1.11: Robot sử dụng camera gắn cố định

 Ưu điểm :

 Xác định tọa độ của xe và của quỹ đạo khá chính xác

 Cấu tạo xe đơn giản, vì camera đã lắp cố định

 Nhược điểm:

 Giá thành camera tương đối cao

 Độ chính xác phụ thuộc vào độ phân giải camera, tốc độ chụp ảnh camera

 Chỉ dùng cho những robot hoạt động trong môi trường cố định nên hạn chế tầm hoạt động và phạm vi ứng dụng

Trong đề tài thực hiện lần này, camera được gắn cố định so với hệ tọa độ thực

1.4 Mục tiêu, nhiệm vụ và phạm vi đề tài

1.4.1 Mục tiêu đề tài

a ) Nắm được những yêu cầu cơ bản khi thiết kế mobile robot bám theo đường đi cho trước ứng dụng xử lý ảnh

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN

b ) Xây dựng mô hình mobile robot bám theo đường đi cho trước để kiểm nghiệm thuật toán

1.4.2 Nhiệm vụ đề tài

Để thực hiện được những mục tiêu trên, cần giải quyết các nhiệm vụ sau:

a ) Tìm hiểu tổng quan và nguyên lý hoạt động của mobile robot bám đường đi sử dụng camera

b ) Thiết kế mobile robot

c ) Xây dựng hệ thống mạch điều khiển và chương trình điều khiển

d ) Tiến hành thực nghiệm và nhận xét kết quả

1.4.3 Phạm vi đề tài

Phạm vi đề tài được giới hạn với các thông số đầu vào như sau:

 Robot hoạt động trên địa hình phẳng, với đường đi được xác định thông qua quá trình xử lý ảnh Vùng hoạt động giới hạn là hình vuông cạnh 1200 (mm)

 Camera đặt tương đối so với mặt phẳng làm việc, đường đi xác định bởi đường line hoặc qua hoạch định của người điều khiển

 Môi trường hoạt động có sự thay đổi ít về hình thể, giúp đảm bảo điều khiển

ổn định trong quá trình mobile robot bám theo đường đi

CHƯƠNG 2: TÍNH TOÁN VÀ THIẾT KẾ CƠ KHÍ

CHƯƠNG 2: TÍNH TOÁN VÀ THIẾT KẾ CƠ KHÍ

2.1 Lựa chọn kết cấu và mô hình hóa robot

2.1.1 Lựa chọn kết cấu mobile robot

Có rất nhiều mô hình hệ thống bánh xe có thể dùng trong mobile robot, những kết cấu này tạo nên phần khung cho robot cũng như sự linh hoạt của robot khi di chuyển Sau đây là một số mô hình hệ thống bánh xe thông dụng trong mobile robot

a ) Mobile robot ba bánh

 Mobile robot ba bánh có đặc điểm:

 Kết cấu gọn gàng, thuận tiện trong việc tháo lắp

 Khả năng tải không cao do cấu trúc bánh xe

 Sử dụng hai động cơ truyền động, linh hoạt di chuyển, bán kính quay nhỏ, tốc độ thay đổi liên tục

 Khả năng cân bằng tốt do ba bánh nằm trên một mặt phẳng

Hình 2.1: Mobile robot ba bánh

b ) Mobile robot bốn bánh

 Mobile robot bốn bánh có đặc điểm:

 Kết cấu gọn gàng trong phạm vi kích thước xe

 Khả năng tải tốt vì lúc nào cũng có 3 trong 4 bánh tiếp xúc với bề mặt

di chuyển

 Số lượng động cơ sử dụng nhiều hơn

 Không thuận tiện trong việc điều khiển chuyển động xoay

CHƯƠNG 2: TÍNH TOÁN VÀ THIẾT KẾ CƠ KHÍ

Hình 2.2: Mobile robot bốn bánh Mục đích của việc thiết kế và chế tạo mô hình là để kiểm nghiệm giải thuật điều khiển nên cần cấu trúc đơn giản, dễ chế tạo và chi phí thấp Do đó, đề tài chọn sử dụng kết cấu robot ba bánh, trong đó có hai bánh chủ động (điều khiển bởi hai động cơ hoạt động độc lập) và một bánh dẫn hướng (tự lựa)

Hình 2.3: Mô hình kết cấu của mobile robot

2.1.2 Mô hình hóa moblie robot

Mô hình bánh xe được lý tưởng hóa: bánh xe tròn, lăn không trượt Mục tiêu thiết

kế động học là xác định mối quan hệ giữa [x1 y1 θ]T và vận tốc cấp vào cho hai bánh( hay là số vòng quay của hai bánh)

CHƯƠNG 2: TÍNH TOÁN VÀ THIẾT KẾ CƠ KHÍ

Hình 2.4: Mô hình động học của mobile robot

 Ký hiệu quy ước :

 (Oxy) là hệ tọa độ toàn cục, (Cxmym) là hệ tọa độ cục bộ gắn với robot

 C là tâm dịch chuyển dùng để xác định vị trí của robot, được thể hiện qua ba thông số [x1 y1 θ]T với  là góc lệch giữa (Oxy) và (Cxmym)

 v v v, ,l r là vận tốc dài tại tâm C, bánh trái và bánh phải [m/s]

 w w w, ,l r là vận tốc góc tại tâm C, bánh trái và bánh phải [rad/s]

 r là bán kính của mỗi bánh xe [m]

 L là khoảng cách giữa hai bánh xe [m]

 I là tâm vận tốc tức thời

 R là khoảng cách từ tâm C của robot tới tâm vận tốc tức thời I [m]

Giả sử đã có vận tốc dài v và góc lệch θ của robot Chiếu lên hai phương x và y ta

được như sau:

.cos.sin

x y

v x v

v y v w

CHƯƠNG 2: TÍNH TOÁN VÀ THIẾT KẾ CƠ KHÍ

.

sin 0 cos 0

x

u y

w y

2.2 Tính toán, thiết kế và lựa chọn các thiết bị cơ khí

Dựa vào kết cấu robot ở trên, ta xác định trước các thông số đầu vào như sau:

CHƯƠNG 2: TÍNH TOÁN VÀ THIẾT KẾ CƠ KHÍ

 Yêu cầu kỹ thuật:

 Kích thước robot giới hạn: 350 x 325 x 125 (mm) (Dài – Rộng – Cao)

Hiện nay, có hai loại bánh xe phổ biến được lựa chọn trong mô hình mobile robot

sử dụng bánh xe, đó là bánh xe thông thường và bánh xe đa hướng

a) Bánh xe thông thường b) Bánh xe đa hướng

Hình 2.5: Hai loại bánh xe thường dùng

CHƯƠNG 2: TÍNH TOÁN VÀ THIẾT KẾ CƠ KHÍ

 Có cấu tạo gồm khung và các bánh hành tinh Các bánh hành tinh nằm

so với trục chính của bánh lớn một góc  45 ; 90o o, thường được làm bằng cao su hoặc nhôm

 Thích hợp di chuyển trong các địa hình bằng phẳng, có sự thay đổi bất chợt về hướng, dễ xảy ra hiện tượng trượt

 Linh hoạt trong hướng di chuyển nhưng điều khiển phức tạp Giá thành tương cao hơn so với bánh thông thường

Với những yêu cầu đã xác định trước thì ta chọn loại bánh xe thông thường là phù hợp.Ta chọn sơ bộ tốc độ của động cơ n = 10(v/p), từ đó tính ra đường kính sơ bộ của bánh xe:

CHƯƠNG 2: TÍNH TOÁN VÀ THIẾT KẾ CƠ KHÍ

a) Bánh dẫn hướng thông thường b) Bánh mắt trâu

Hình 2.7: Hai loại bánh dẫn hướng

 Bánh mắt trâu:

 Có cấu tạo bi cầu, chế tạo hơi phức tạp và cầu kỳ, kích thước của bánh

bị giới hạn do để tạo bi cầu với kích thước lớn sẽ gây nhiều khó khăn

 Khả năng di chuyển linh hoạt hơn

 Sử dụng cho các mô hình nhỏ và yêu cầu không cao về địa hình

 Bánh xe dẫn hướng thông thường:

 Chế tạo đơn giản, có nhiều kích thước lựa chọn

 Khả năng di chuyển không linh hoạt bằng bánh mắt trâu do sự kết hợp giữa chuyển động xoay của khớp và hướng di chuyển của xe không đồng đều

 Khả năng đáp ứng địa hình cao hơn

Từ việc phân tích ưu và nhược điểm trên, ta chọn bánh xe dẫn hướng như sau:

CHƯƠNG 2: TÍNH TOÁN VÀ THIẾT KẾ CƠ KHÍ

2.2.2 Tính toán công suất và lựa chọn động cơ

Thông thường, ta sử dụng hai loại động cơ là động cơ bước và động cơ servo Dưới đây là đặc điểm so sánh hai loại động cơ được thể hiện ở bảng 2.2

Bảng 2.1: Bảng so sánh động cơ bước và động cơ servo

Ưu điểm

- Nhỏ gọn, dễ điều khiển

- Moment lớn

- Giá thành thấp

- Điểu khiển chính xác góc quay

- Cấu tạo có encoder trong điều khiển vòng kín

- Một số có hộp giảm tốc giúp tăng moment kéo tải

- Giá thành tương đối cao

Từ những so sánh giữa hai loại động cơ, ta chọn động cơ servo vì nó có khả năng đáp ứng được việc điều khiển chính xác vận tốc và vị trí, nhất là điều khiển vòng kín

 Thông số tính toán cho động cơ

 Vận tốc tối thiểu: v 20 (mm s/ ).

 Khối lượng xe ước tính: m 10 (kg).

 Đường kính bánh xe: d  80 (mm).

 Hệ số ma sát trượt giữa bánh xe và mặt di chuyển:  0,7[9]

 Hiệu suất của khớp nối trục:  0.95

 Hệ số an toàn trục: s 1,8

Hai bánh xe được dẫn động bởi hai động cơ độc lập với nhau Bánh xe và trục động cơ được gắn với nhau bằng nối trục

CHƯƠNG 2: TÍNH TOÁN VÀ THIẾT KẾ CƠ KHÍ

0,7.98,1 68,67 ( )

ms

F N   N (2.12) Công suất tối thiểu cần thiết của động cơ (kéo toàn bộ của robot)

3

68,67.25.10 1,8

2.66 ( )0,95

ms ct

CHƯƠNG 2: TÍNH TOÁN VÀ THIẾT KẾ CƠ KHÍ

Hình 2.10: Động cơ DC Servo DSE38BE27-001

 Thông số động cơ:

 Điện áp hoạt động : 24 (VDC), dòng khi không có tải: 2 (A)

 Công suất: 19 (W)

 Tốc độ: 4400 (vòng/phút)

 Đường kính trục ra : 5 (mm), chiều dài trục : 25 (mm)

 Encoder: 2 kênh A và B, độ phân giải 108 (xung/vòng), điện áp hoạt động 5 (V)

2.2.3 Thiết kế khung xe và các thiết bị khác

Mục tiêu của việc chế tạo mô hình là để kiểm nghiệm giải thuật điều khiển, nên ta thiết kế khung robot và lựa chọn các thiết bị phụ trợ dựa trên các tiêu chí sau:

 Chọn vật liệu của khung robot là mica, đồng thời bỏ qua việc tính bền, tính lực tác động lên khung

 Tăng độ chính xác có thể của khung như: sai số hình dạng, độ đồng tâm ở phần gá động cơ,…

 Không gian đủ để gắn thêm các thiết bị ngoại vi khác (vi điều khiển, mạch công suất,…)

Khung xe robot được định hình như sau:

CHƯƠNG 2: TÍNH TOÁN VÀ THIẾT KẾ CƠ KHÍ

Hình 2.11: Kết cấu khung xe

1 – Tầng trên 2 – Tầng dưới

3 – Gá động cơ 4 – Tấm đỡ động cơ

a ) Gá động cơ

Mục đích là để cố định trục động cơ song song với mặt phẳng làm việc và đảm bảo

độ cứng vững khi robot hoạt động

Hình 2.12: Kích thước gá động cơ

CHƯƠNG 2: TÍNH TOÁN VÀ THIẾT KẾ CƠ KHÍ

Hình 2.13: Mô hình 3D lắp ghép của gá động cơ

b ) Tấm đỡ động cơ

Việc thiết kế tấm đỡ động cơ giúp giữ cho hai động cơ đảm bảo cùng nằm trên một mặt phẳng, tăng khả năng cố định động cơ, hạn chế việc động cơ bị cong hay bị lệch tâm trong quá trình xe di chuyển

Hình 2.14: Kích thước tấm đỡ động cơ

CHƯƠNG 2: TÍNH TOÁN VÀ THIẾT KẾ CƠ KHÍ

CHƯƠNG 2: TÍNH TOÁN VÀ THIẾT KẾ CƠ KHÍ

CHƯƠNG 2: TÍNH TOÁN VÀ THIẾT KẾ CƠ KHÍ

CHƯƠNG 2: TÍNH TOÁN VÀ THIẾT KẾ CƠ KHÍ

f ) Mô hình hoàn chỉnh:

Hình 2.22: Mô hình thiết kế 3D trên solidworks

Hình 2.23: Mô hình robot thực tế

CHƯƠNG 3: XÂY DỰNG HỆ THỐNG ĐIỆN

CHƯƠNG 3: XÂY DỰNG HỆ THỐNG ĐIỆN

3.1 Khối điều khiển trung tâm

3.1.1 Vi điều khiển Arduino Mega 2560

Hình 3.1: Vi điều khiển Arduino 2560 Arduino Mega 2560 là một vi điều khiển bằng cách sử dụng Atmega2560

 Ưu điểm

 Nổi bật là khả năng tính toán, tốc độ xử lý nhanh, dễ dàng thay đổi chương trình một cách linh hoạt tuỳ theo mục đích người sử dụng

 Dễ kiểm soát, hiệu quả sử dụng cao đối với các bài toán và hệ thống lớn

 Kết nối dễ dàng với máy tính và thiết bị ngoại vi khác

 Có thể điều khiển từ xa thông qua hồng ngoại, sóng vô tuyến, internet hoặc mạng di động

 Kích thước nhỏ gọn bởi vì bản thân vi điều khiển đã là một hệ máy tính hoàn chỉnh thu nhỏ bao gồm CPU, bộ nhớ RAM, ROM, các bộ định thời, mạch điều khiển đóng ngắt,…

 Tập lệnh mạnh, hỗ trợ nhiều ngôn ngữ lập trình

 Giá thành rẻ, dễ dàng thay thế trong truờng hợp hư hỏng

 Nhược điểm

 Không ổn dịnh, dễ bị nhiễu với các tác nhân như ẩm ướt, tia lửa diện,…

Do đó cần thiết kế hệ thống lọc nhiễu, tăng tính phức tạp bộ điều khiển

 Không phù hợp với các thiết bị công nghiệp trong một số trường hợp

CHƯƠNG 3: XÂY DỰNG HỆ THỐNG ĐIỆN

Bảng 3.1: Thông số kỹ thuật Arduino Mega 2560

Arduino Board Mega 2560

Số chân ngõ vào Analog 16

- Nguồn 3,3V: 50 (mA)

Giao tiếp SPI 1 bộ (chân 50 – 53) dùng với thư viện

SPI của Arduino

3.1.2 Sơ đồ khối điều khiển trung tâm

Khối điều khiển trung tâm là khối có chức năng điều khiển chính trong phần cứng bao gồm điều khiển động cơ và giao tiếp bluetooth

CHƯƠNG 3: XÂY DỰNG HỆ THỐNG ĐIỆN

Hình 3.2: Sơ đồ khối điều khiển trung tâm

3.2 Khối điều khiển động cơ

3.2.1 Giới thiệu về chip mạch cầu L298N

Driver L298N không những là mạch tích hợp đơn chíp có vỏ công suất 15 chân (Multi watt 15) mà còn là mạch cầu đôi có khả năng hoạt động ở điện áp cao, dòng cao

Nó có 2 chân enable có chức năng cho phép hoặc không cho phép chíp hoạt động, độc lập với chân tín hiệu vào

Thông số driver L298N:

Hình 3.3: Driver L298N

 Điện áp: 5V – 46 V

 Dòng tối đa 2A

 Công suất tối đa: 25W

 Nhiệt độ làm việc: - 25 ÷ 130°C

 Diode bảo vệ dòng ngược