Phối hợp các tín hiệu cảm biến để điều khiển robot di động

Hình 4.12 Mở rộng đối tương Hình 4.13 Xác định các điểm biên của chướng ngại vật Hình 4.14 Xác định các điểm mở rộng chướng ngại vật Hình 4.15 Kết quả giải thuật được sử dụng trong đề

ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP HỒ CHÍ MINH TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA

o0o

BÙI THANH LUÂN

PHỐI HỢP CÁC TÍN HIỆU CẢM BIẾN ĐỂ ĐIỀU

KHIỂN ROBOT DI ĐỘNG

CHUYÊN NGÀNH: CÔNG NGHỆ CHẾ TẠO MÁY

LUẬN VĂN THẠC SĨ

THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH, Tháng 12 năm 2008

CÔNG TRÌNH ĐƯỢC HOÀN THÀNH TẠI TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP HỒ CHÍ MINH

Cán bộ hướng dẫn khoa học : TS Nguyễn Văn Giáp

Cán bộ chấm nhận xét 1:

Cán bộ chấm nhận xét 2:

Luận văn Thạc Sĩ được bảo vệ tại:

HỘI ĐỒNG CHẤM BẢO VỆ LUẬN VĂN THẠC SĨ

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA, Ngày tháng 12 năm 2008

ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP.HCM CỘNG HÒA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NĂM TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA Độc Lập – Tự Do – Hạnh Phúc

Tp Hồ Chí Minh, ngày 28 tháng 11 năm 2008

NHIỆM VỤ LUẬN VĂN THẠC SĨ Họ và tên học viên : Bùi Thanh Luân Giới tính : Nam

Ngày, tháng, năm sinh: 08/06/1977 Nơi sinh : Quảng Ngãi Chuyên ngành : Công nghệ chế tạo máy MSHV : 00407217

I TÊN ĐỀ TÀI:

PHỐI HỢP CÁC TÍN HIỆU CẢM BIẾN ĐỂ ĐIỀU KHIỂN ROBOT DI ĐỘNG

II NHIỆM VỤ VÀ NỘI DUNG

1 NHIỆM VỤ

Tìm hiểu các cảm biến thông dụng, cách lấy dữ liệu điều khiển, phối hợp các tín hiệu cảm biến này lại để điều khiển Robot di động đi từ một điểm đến một điểm cho trước

2 NỘI DUNG

- Tìm hiểu cảm biến La bàn số, GPS, Camera, siêu âm, cảm biến hồng ngoại và cách lấy dữ liệu vào máy tính

- Tìm hiểu cách ứng dụng các cảm biến này trên robot

- Bố trí các cảm biến trên robot và phối hợp các tín hiệu cảm biến này để tìm đường đi cho robot di động

- Đưa ra các giải thuật điều khiển để phối hợp các tín hiệu cảm biến và điều khiển robot

- Viết chương trình ứng dụng các giải thuật ở trên để mô phỏng đường chạy của robot khi gặp vật cản

- Viết chương trình xử lý ảnh để robot nhận diện được ảnh đích và xác định khe hở giữa các vật cản

III NGÀY GIAO NHIỆM VỤ : 21/01/2008

IV NGÀY HOÀN THÀNH NHIỆM VỤ: 30/11/2008

V HỌ VÀ TÊN CÁN BỘ HƯỚNG DẪN: TS NGUYỄN VĂN GIÁP

CÁN BỘ HƯỚNG DẪN CN BỘ MÔN QL CHUYÊN NGÀNH

Nội dung đề cương luận văn thạc sĩ đã được hội đồng chuyên ngành thông qua Ngày tháng năm 2008

LỜI CẢM ƠN

Luận văn này được thực hiện tại Bộ môn Công Nghệ Chế Tạo Máy, Khoa Công Nghệ Cơ Khí, Trường Đại Học Bách Khoa Tp Hồ Chí Minh

Trước tiên em xin bày tỏ sự kính trọng và biết ơn đến TS Nguyễn Văn Giáp, trong thời gian qua đã bỏ ra nhiều thời gian, tận tâm giúp đỡ em vượt qua các khó khăn để hoàn thành luận văn này

Em xin bày tỏ sự cảm ơn chân thành đến Ban Giám Hiệu, Phòng Đào Tạo Sau Đại Học, Khoa Cơ Khí, Bộ môn Chế tạo máy, đã động viên và tạo mọi điều kiện cho em thực hiện và hoàn thành luận văn này

Con xin bày tỏ lòng biết ơn đến Cha, Mẹ đã có ơn sinh thành và dưỡng dục,

hy sinh, tạo mọi điều kiện cho con ăn học nên người

Em xin gửi lời cảm ơn đến Quý Thầy Cô đã trực tiếp giảng dạy và giúp đỡ

em trong quá trình học tập và thực hiện luận văn Cảm ơn sự giúp đỡ và chia sẻ của các đồng nghiệp trong thời gian học tập và thực hiện luận văn

Tp Hồ Chí Minh, ngày 29 tháng 11 năm 2008

BÙI THANH LUÂN

TÓM TẮT LUẬN VĂN

Ngày nay với xã hội ngày càng phát triển đời sống con người được nâng cao vì vậy ở những nơi làm việc nguy hiểm, độc hại, có nhiều ảnh hưởng đến sức khỏe con người đã được thay thế dần dần bằng robot Để các robot này thay thế được con người thì ta phải tạo cho các robot các cảm quang như những giác quan của con người Trên robot các giác quan này chính là các cảm biến, con người muốn hoạt động linh hoạt thì các giác quan phải đầy đủ và phối hợp hoạt động với nhau Trên robot cũng vậy, để robot hoạt động và làm việc được thì các cảm biến phải làm việc và có sự phối hợp với nhau bổ sung cho nhau

Qua quá trình tìm hiểu nghiên cứu, tham khảo các tài liệu luận án đã được triển khai Các tình huống gặp phải trong quá trình di chuyển của robot để di chuyển được đến đích được đặt ra, sau thời gian nghiên cứu đã đạt được các kết quả sau:

- Xây dựng được các giải thuật tìm đường đi của robot từ các tín hiệu nhận được để xử lý các tình huống huống xảy ra trong quá trình robot di chuyển

- Viết chương trình mô phỏng kiểm tra các giải thuật, cho robot di chuyển tránh qua các vật cản, đi về đích với đường đi ngắn nhất

- Viết chương trình xử lý ảnh, nhận dạng ảnh đích và tìm khe hở giữa các vật cản trong quá trình di chuyển

ABSTRACT

One of applications of robot is replacing people on the harmful and dangerous places Thanks to the senses, people can do their activities “The senses” of robot are the photosensors or sensors These sensors must be combined harmoniously and flexibly After studying the reference sources, the thesis and learning from the experiences about making the sensors for

robot, the writer has decided to do the thesis : “Combining the sensors for

mobile robot” and obtained the following achievements:

- Make the algorithms for finding the ways for robot from the received signals, in order to deal with the situations happening when the robots are moving

- Work out an imitate program of checking the algorithms, for the moving robot to dodge the barricades and to finish with the shortest way

- Work out the program of image processing, of finish image recognition and of barricade interstice finding in moving process

MỤC LỤC

Trang

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN 1

1.1 Tình hình nghiên cứu trong và ngoài nước 2

1.1.1 Tình hình nghiên cứu trong nước .2

1.1.2 Tình hình nghiên cứu trên thế giới .3

1.2 Các lĩnh vực ứng dụng 4

1.3 Mục tiêu của đề tài 5

CHƯƠNG 2:CÁC LOẠI CẢM BIẾN ỨNG DỤNG TRÊN ROBOT 7

2.1 La bàn số và vấn đề xác định hướng tuyệt đối cho ROBOT di động 8

2.2 Cảm biến siêu âm .8

2.3 Cảm biến GPS 9

2.4 Camera, cảm biến nhận dạng hình ảnh 10

2.5 Kết luận 11

CHƯƠNG 3: THIẾT KẾ ROBOT 12

3.1 Các phương án thiết kế .13

3.1.1 Phương án 1 13

3.1.2 Phương án 2 14

3.1.3 Phương án 3 .15

3.1.4 Phương án 4 .16

3.2 Thiết kế ROBOT .16

3.2.1 Cảm biến quang 17

3.2.2 Cảm biến siêu âm 17

3.2.3 Bố trí CAMERA 18

3.2.4 Bố trí La bàn số 18

3.2.5 Bố trí bộ cảm biến GPS 18

3.3 Thiết kế cơ khí 19

3.4 Kết luận 19

CHƯƠNG 4:PHỐI HỢP CÁC TÍN HIỆU CẢM BIẾN TRÊN ROBOT 20

4.1 Các trường hợp phải phối hợp các tín hiệu cảm biến để xác định

đường đi cho ROBOT 21

4.1.1 Trong vùng không gian không bị che phủ 21

4.1.2 Trong vùng không gian bị che phủ phía trên 22

4.2 Xác định chướng ngại vật sử dụng cảm biến siêu âm trên ROBOT di động.22 4.2.1 Xác định khoảng cách từ cảm biến siêu âm đến điểm dò tìm được trên chướng ngại vật 23

4.2.2 Xác định tọa độ tuyệt đối của điểm trên chướng ngại vật mà cảm biến siêu âm dò tìm được 26

4.2.3 Xác định các chướng ngại vật trong không gian thấy được trong một chu kỳ quét của cảm biến siêu âm đặt trên ROBOT 27

4.2.4 Xử lý chướng ngại vật .31

4.2.4.1 Thuật toán hình bao lồi 31

4.2.4.2 Thuật toán mở rộng chướng ngại vật (offset) 38

4.2.5 Xử lý chướng ngại vật được phát hiện bằng cảm biến siêu âm 41

4.2.5.1 Xác định các điểm biên của chướng ngại vật 41

4.2.5.2 Xác định các điểm mở rộng của chướng ngại vật 42

4.3 Sử lý ảnh trên ROBOT 43

4.3.1 Thu nhận ảnh 43

4.3.2 Xử lý ảnh và quá trình nhận dạng ảnh đích 58

4.4 Kết luận 64

CHƯƠNG 5:XÁC ĐỊNH ĐƯỜNG ĐI CHO ROBOT 65

5.1 Xác định đường đi dựa vào vùng không gian trống 66

5.2 Xác định đường đi dựa vào vùng không gian có chướng ngại vật 67

5.3 Xác định đường đi cho ROBOT dùng cảm biến siêu âm phát hiện chướng ngại vật 74

5.4 Kết luận thuật toán tìm đường cho ROBOT 76

5.5 Giải quyết sự xuất hiện đột ngột của chướng ngại vật 78

5.6 Sự phối hợp của các cảm biến cho trong quá trình di chuyển của ROBOT 81

5.6.1 Hổ trợ của cảm biến siêu âm cho cảm biến camera 81

5.6.2 Hổ trợ của cảm camera cho cảm biến siêu âm 83

5.6.3 Hổ trợ của camera và cảm biến siêu âm cho GPS 83

5.6.4 Sự hổ trợ của La bàn số và GPS 84

5.7 Kết luận 86

CHƯƠNG 6: KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN ĐỀ TÀI 87

6.1 Kết quả đạt được 88

6.1.1 Chương trình mô phỏng đường di chuyển của ROBOT 88

6.1.2 Chương trình xử lý ảnh, tìm biên, so sánh ảnh đích và tìm khoảng cách khe hở giữa 2 vật cản .89

6.2 Những hạn chế của đề tài 91

6.3 Hướng phát triển đề tài 92

TÀI LIỆU THAM KHẢO .93

PHỤ LỤC

DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ – ĐỒ THỊ – HÌNH ẢNH

Hình 1.1 ROBOT CARMEL do trường đại học Michigan nghiên cứu năm 1987 Hình 1.2 ROBOT CARMEL do trường đại học Michigan nghiên cứu năm 1992 Hình 1.3 ROBOT rà phá bom, mìn và ROBOT hỗ trợ người tàn tật

Hình 1.4 Một ROBOT dùng giám sát các trạm hạt nhân và ROBOT tự hành trên sao hỏa

Hình 2.1 La bàn số CMPS03 Magnetic Compass

Hình 2.2 Cảm biến siêu âm E4PA-LS200-M1 của OMRON

Hình 2.3 Thiết bị GPS được sử dụng trong luận văn

Hình 2.4 Camera SANPO được gắn trên mô hình

Hình 3.1 Hệ thống lái ở bánh trước

Hình 3.2 Hệ thống lái là hai bánh dẫn động

Hình 3.3 ROBOT dẫn động và dẫn hướng trên 3 bánh

Hình 3.4 Dẫn động và dẫn hướng trên 2 bánh

Hình 3.5 Cách bố trí các cảm biến quang

Hình 3.6 Cách bố trí cảm biến siêu âm

Hình 3.7 Cách bố trí Camera

Hình 3.8 Cách bố trí cảm biến La bàn số

Hình 3.9 Hình tổng thể nhìn từ phía sau

Hình 3.10 Hình tổng thể nhìn từ phương ngang

Hình 4.1 Góc quay của cảm biến siêu âm

Hình 4.2 Lưu đồ thuật toán xác định góc quay cảm biến siêu âm

Hình 4.3 Xác định tọa độ tuyệt đối của vật cản

Hình 4.4 Kích thước ô lưới

Hình 4.5 Minh họa thuật toán xác định chướng ngại vật

Hình 4.6 Thuật toán đường bao lồi

Hình 4.7 Thuật toán tìm đường bao lồi

Hình 4.8 Kết quả sử dụng thuật toán trong chương trình

Hình 4.9 Các điểm được bỏ qua khi áp dụng thuật toán đường bao lồi

Hình 4.10 Thuật toán đường bao lồi – khi các điểm không được sắp đặt

Hình 4.11 Mở rộng các đối tượng cho việc lập đường đồ thị các đỉnh

Hình 4.12 Mở rộng đối tương

Hình 4.13 Xác định các điểm biên của chướng ngại vật

Hình 4.14 Xác định các điểm mở rộng chướng ngại vật

Hình 4.15 Kết quả giải thuật được sử dụng trong đề tài

Hình 4.16 Chu trình làm việc của chuẩn WDM

Hình 4.17 Card Video Capture của hãng Aver và Khối nhận tính hiệu Camera Hình 4.18 Cấu trúc của Driver nhận ảnh từ Camera

Hình 4.19 Ảnh lấy được từ camera

Hình 4.20 Đồ thị thể hiện mối tương quan của ảnh trước và sau tăng cường độ tương phản

Hình 4.21 Ảnh nhận được và sau khi xử lý của chương trình

Hình 4.22a Khi độ tương phản không phù hợp sẽ sinh ra nhiễu

Hình 4.22b Nhờ giải thuật chống nhiễu nên các phần ảnh phía sau được xóa bỏ Hình 4.23 Sơ đồ tổng quát của một hệ nhận dạng

Hình 4.24 Ảnh đích nhận được bằng phương pháp quét màu

Hình 4.25 Hình nhận được và hình sau khi xử lý

Hình 4.26 Hình ảnh bị nhịe và bị nhiễu với giá trị tự điều chỉnh đúng

Hình 4.27 Với cùng một ảnh gốc sau khi xử lý hình bên trái với giá

trị 3 là 110 cho kết quả kích thước khe hở chính xác hơn

Hình 4.28 Hình ảnh robot di chuyển thẳng

Hình 4.29 Robot di chuyển qua trái

Hình 4.30 Robot di chuyển qua phải

Hình 4.31 Robot tiến thẳng qua khe hở

Hình 4.32 Robot rẽ sang phải

Hình 5.1 Đường đi được lập dựa vào vùng không gian trống

Hình 5.2 Các đường cho một ROBOT mặt cắt ngang tròn với đường kính bằng

chiều rộng ô lưới, việc lập sử dụng cấu trúc dữ liệu lưới

Hình 5.3 Đồ thị đường qua các đỉnh của tập các đối tượng mở rộng

Hình 5.4 Chướng ngại vật là hình tròn

Hình 5.5 Chướng ngại vật là hình đa giác

Hình 5.6 ROBOT đi qua những vật cản là hình tròn và đa giác theo đường ngắn nhất

Hình 5.7 Đường tối ưu cho ROBOT

Hình 5.8 Kích thước của khe hở giữa 2 vật cản được nhận biết

Hình 5.9 Trường hợp khe hở không thể xác định bằng giải thuật như hình trên Hình 5.10 Khe hở có vật cản phía sau

Hình 5.11 Ảnh đích được lưu lại dưới dạng ảnh màu để xử lý

Hình 5.12 Lưu đồ giải thuật tìm đường đi của ROBOT

Hình 6.1 Chương trình mô phỏng đường đi của ROBOT

Hình 6.2 Xử lý ảnh từ camera tìm biên, lưu ảnh đích và xác định khe hở của các vật cản

Hình 6.3 Giá trị khe hở được chương trình xác định

Hình 6.4 Lưu và so sánh ảnh đích

CHÖÔNG 1 TOÅNG QUAN

Hiện nay với xã hội ngày càng phát triển, chất lượng cuộc sống ngày càng được nâng cao và nhu cầu đời sống của con người cũng ngày càng tăng Xu hướng sử dụng ROBOT thay thế con người ở những nơi có môi trường làm việc độc hại, nguy hiểm, những nơi con người không đi tới được ngày càng trở nên phổ biến Ngay cả trong lĩnh vực giải trí và phục vụ cuộc sống hằng ngày cũng có sự tham gia của các ROBOT ngày càng đông

Một lĩnh vực được nhiều phòng thí nghiệm quan tâm là ROBOT di động Các công trình nghiên cứu tạo ra ROBOT di động theo hướng bắt chước chân người hoặc loài vật, nhưng các ROBOT này còn chưa có nhiều ứng dụng trong công nghiệp

Trong các cuộc động đất, rò rĩ phóng xạ hay sự cố sụp cầu như trong thời gian vừa qua, nếu có sự trợ gúp của ROBOT di động thì công cuộc tìm kiếm nạn nhân hay khảo sát khu vực nguy hiểm sẽ dễ dàng và nhanh chóng hơn Xuất phát từ nhu cầu trên, một hướng nghiên cứu được đặt ra là “phối hợp các loại cảm biến có chức năng như những giác quan của con người trên ROBOT di dộng” để tạo ra những ROBOT thông minh trợ giúp con người Đó là ý tưởng cho đề tài “ Phối hợp các tín hiệu cảm biến để điều khiển ROBOT di động” Trước khi tiến hành nghiên cứu ta tìm hiểu tình hình nghiên cứu của hướng nghiên cứu này để rút ra được những bài học để kết quả nghiên cứu mới hơn, hiệu quả hơn

1.1 Tình hình nghiên cứu trong và ngoài nước

1.1.1 Tình hình nghiên cứu trong nước

Hiện nay cũng có nhiều nơi nghiên cứu, trong đó có một số đề tài cấp thành phố và cấp nhà nước Nhưng tập trung chủ yếu ở hai trường đại học chính là Bách khoa TPHCM như: ROBOT di động di chuyển bám theo các mục tiêu di động, ROBOT leo cầu thang, ROBOT di động thăm dò dáy đại đại dương v.v… và Bách khoa Hà Nội như: ROBOT car RB, Roboca “chữ thập đỏ” v.v Ngoài ra cũng có một số trường khác nghiên cứu như Đại học sư phạm kỹ thuật TPHCM, Đại học Nông Lâm TPHCM, Đại học Bách khoa Đà Nẵng… Nhưng các đề tài này thường tập trung ứng dụng cụ thể trên từng ROBOT di động và vì vậy các cảm biến sử dụng trong các đề tài thường là một hoặc vài cảm biến đơn lẻ Vì vậy đề tài

nghiên cứu đưa ra một hướng phối hợp các cảm biến thông dụng trên thị trường hiện nay để điều khiển cho ROBOT có khả năng di chuyển linh hoạt nhất và có khả năng tự xoay sở trong quá trình di chuyển

1.1.2 Tình hình nghiên cứu trên thế giới

Đề tài về ROBOT di động hiện nay trên thế giới có rất nhiều nước nghiên cứu và ứng dụng trong các lĩnh vực như thám hiểm không gian (ROBOT tự hành trên sao hỏa của NaSA), an ninh, quốc phòng, chinh phục đại dương, giám sát các trạm hạt nhân, hỗ trợ cho người tàn tậtï và trong lĩnh vực giải trí như ASIMO của HONDA v.v Nhưng thường thì các ROBOT này được trang bị các cảm biến chuyên dụng và kết hợp một số các cảm biến khác với các mục đích phục vụ cho những công việc cụ thể Thường những đề tài này ít được công bố rộng rãi về kỹ thuật và cách làm

Hình 1.1 ROBOT CARMEL do trường đại học Michigan nghiên cứu năm 1987

Hình 1.2 ROBOT CARMEL do trường đại học Michigan nghiên cứu năm 1992

Hình 1.3 ROBOT rà phá bom, mìn và ROBOT hỗ trợ người tàn tật

1.2 Các lĩnh vực ứng dụng

Hiện nay nhu cầu sử dụng ROBOT di dộng như hướng đang nghiên cứu rất nhiều Dùng ROBOT để phục vụ trong việc tìm kiếm nạn nhân trong các tai nạn do động đất, hay trong các sự cố như sụp cầu, sụp hầm Hay khảo sát những khu vực nguy hiểm như miệng núi lửa, v v…

Hình 1.4 Một ROBOT dùng giám sát các trạm hạt nhân và ROBOT tự

hành trên sao hỏa

1.3 Mục tiêu của đề tài

Các ROBOT di động dù dùng trong lĩnh vực nào nó cũng phải có môi trường làm việc Trong môi trường đó có thể là không gian trống hoặc có các vật cản đứng yên hoặc các vật di chuyển mà ROBOT sẽ gặp phải trên đường đi Như vậy muốn ROBOT di chuyển được từ điểm đang đứng đến điểm mong muốn ROBOT phải tự tránh các vật cản và phải đi qua các điểm trung gian trong quá trình di chuyển

Để di chuyển từ điểm này đến điểm khác ROBOT phải luôn xác định được là nó đang ở đâu? Tiếp theo nó phải di chuyển tới đâu? và bằng cách nào để nó có thể đi đến điểm đó được? Vì vậy để giải quyết các câu hỏi này trên ROBOT người ta phải sử dụng các cảm biến Các cảm biến này giúp cho ROBOT có khả năng xác định được vị trí của nó đang đứng, hướng của nó so với hướng của điểm cần đến, giúp cho nó có thể nhìn thấy được vật cản đồng thời xác định được khoảng cách khe hở giữa các vật cản để giúp nó biết được nó có thể đi qua khe hở đó được hay không Ngoài ra các cảm biến còn giúp nó phát hiện được các vật cản di động để nó biết và tránh va chạm với các vật cản này

Mục tiêu của đề tài là tìm hiểu các loại cảm biến thông dụng như GPS, Camera, la bàn số, cảm biến siêu âm, cảm biến hồng ngoại, cách lấy dữ liệu từ các cảm biến, xây dựng giải thuật (luật điều khiển) phối hợp các cảm biến để điều khiển ROBOT đi từ một điểm bất kỳ đến một

điểm đích cho trước trên mặt đất Như vậy để điều khiển ROBOT đi từ điểm bắt đầu đến điểm đích ta có các trường hợp sau:

ROBOT di chuyển trong vùng không gian trống

ROBOT di chuyển trong vùng không gian bị che khuất (dưới bóng cây, trong nhà, trong đường hầm…)

ROBOT di chuyển trong khu vực không có vật cản

ROBOT di chuyển trong vùng có vật cản

Đề tài phải đưa ra được các giải thuật xử lý trong các trong các trường hợp trên để đưa ROBOT di chuyển được đến điểm đích mong muốn

Trong giới hạn thời gian và những thiết bị hiện có đề tài sẽ tập trung nghiên cứu sâu vào việc sử dụng cảm biến siêu âm và camera, phối hợp tín hiệu của 2 cảm biến này để phát hiện chướng ngại vật, tìm đường đi và nhận dạng đích

CHƯƠNG 2 CÁC LOẠI CẢM BIẾN SỬ DỤNG

TRÊN ROBOT

Sau đây là các cảm biến và ứng dụng của nó trên ROBOT

2.1 La bàn số

La bàn số là cảm biến dùng để xác định hướng của la bàn so với cực bắc nam của trái đất Sử dụng thiết bị này trên ROBOT nhằm mục đích xác định hướng tuyệt đối của ROBOT so với từ trường trái đất Với cảm biến này sẽ giúp cho ROBOT luôn xác định được góc lệch giữa phương di chuyển của ROBOT so với điểm đích La bàn số được sử dụng trong đề tài là CMPS03 Magnetic Compass của hãng Devantech Phần này sẽ được nói rõ hơn ở phần phụ lục

Hình 2.1 La bàn số CMPS03 Magnetic Compass

2.2 Cảm biến siêu âm

Cảm biến siêu âm được sử dụng rộng rãi trong việc đo khoảng cách và định vị vật thể Cảm biến này được sử dụng trên ROBOT giúp ROBOT xác định được các vật cản trên đường đi và khoảng cách từ ROBOT đến vật cản Cảm biến siêu âm sẽ được phối hợp với camera để xác định được khe hở giữa các vật cản, giúp cho ROBOT biết có thể di chuyển qua khe hở này được hay không Cảm biến sử dụng trong đề tài là Cảm biến siêu âm E4PA-LS200-M1 của OMRON Đặc tính của cảm biến này sẽ được nói rõ hơn ở phần phụ lục

Hình 2.2 Cảm biến siêu âm E4PA-LS200-M1 của OMRON

2.3 Cảm biến GPS

Cảm biến GPS là thiết bị cho ta biết được tọa độ tuyệt đối của ROBOT Với cảm biến này luôn cho ROBOT xác định được kinh độ, vĩ độ và cao độ của điểm ROBOT đang đứng Từ đó ROBOT xác định được tọa độ của nó trên mặt đất và tọa độ của của điểm đích cần đến Phần này cũng sẽ được nói rõ hơn ở phần phụ lục

Hình 2.3 Thiết bị GPS được sử dụng trong luận văn

2.4 Camera, cảm biến nhận dạng hình ảnh

Camera được sử dụng trên ROBOT giúp phát hiện được vật cản trong quá trình di chuyển và khe hở giữa các vật này, ngoài ra nó còn giúp cho ROBOT có khả năng nhận dạng được ảnh đích để xác định chính xác vị trí đích đã được dạy trước Phần này được nói rõ hơn ở phụ lục

Camera được sử dụng trong đề tài Camera SANPO

Hình 2.4 Camera SANPO được gắn trên mô hình

Ưu, nhược điểm của phương pháp sử dụng Camera so với Sensor thường

Ưu điểm:

• Có được biên dạng liên tục của toàn vật thể

• Có thể phân biệt được sự thay đổi nhỏ về màu sắc và biên dạng

• Có thể phân loại được các vật thể khác nhau dựa trên hình dáng và màu sắc

• Có thể phát hiện và phân tích các chuyển động (motion analysis and object tracking)

• Có tính tương tác tốt với con người như có thể nhận dạng và phân biệt được khuôn mặt con người (face recognition)

• Giải quyết được bài toán 3D

• Giải quyết được bài toán toàn cục và tối ưu theo một tiêu chí cụ thể (như bài toán phân biệt, nhận dạng và so sánh ảnh)

• Trên cùng một thiết bị, với chỉ một camera, ta có thể lập trình cho chúng với nhiều chức năng khác nhau như: phân loại theo màu sắc, kích thước, hình dạng; đếm Đồng thời, vẫn sử dụng được chức năng quan sát

Nhược điểm:

• Đòi hỏi máy tính phải có tốc độ cao

• Quá trình xây dựng thuật toán xử lý phức tạp, dễ phát sinh lỗi

• Môi trường ánh sáng đồng nhất và ổn định

2.5 Kết luận

Như vậy như ta thấy ở trên mỗi loại cảm biến có một thế mạnh của nó, và có một phạm vi ứng dụng khác nhau Với La bàn số thì giúp cho ROBOT luôn biết được phương của nó so với mục tiêu Cảm biến siêu âm thì dùng để phát hiện vật cản và tìm được khoảng các khoảng trống để ROBOT có thể đi qua được, nhưng cảm biến siêu âm thì không phát hiện được các hốc lõm và nơi đó khi ROBOT đi vào sẽ dễ bị di chuyển quay tròn ở trong đó mà không ra được Với Camera thì vấn đề này được giải quyết, Camera sẽ giúp ROBOT thấy được những vùng có khả năng đi vào sẽ bị kẹt trong đó và đồng thời khi Camera phối hợp với cảm biến siêu âm thì sẽ cho ROBOT nhận biết được chính xác khoảng cách giữa các khe hở

Nhưng như thế vẫn chưa đủ nếu chỉ giựa vào các cảm biến trên thì làm sao ROBOT nhận diện được vị trí đích khi đã đến, hay làm sao để biết được còn cách đích bao nhiêu xa Như vậy lúc này cảm biến GPS lại có tác dụng GPS giúp cho ROBOT biết đích của nó đang ở đâu, nó đang đi đến đâu rồi và còn cách đích bao xa Nhưng hệ thống GPS lại không nhận được tín hiệu nếu như ROBOT đi vào vùng không gian bị bao phủ ở trên như tán cây, trong nhà, dưới cầu thang, v.v…

CHƯƠNG 3

THIẾT KẾ ROBOT

3.1 Các phương án thiết kế

3.1.1 Phương án 1

ROBOT di chuyển trên 3 bánh xe, 2 bánh sau dẫn động, bánh trước dẫn hướng

- Với kết cấu này ROBOT không quay được những góc cua gấp

- Khi ROBOT rẽ trái hay rẽ phải gặp nhiều khó khăn do hai bánh sau chuyển động cùng vận tốc với nhau

3.1.2 Phương án 2

ROBOT di chuyển trên 4 bánh, 2 bánh dẫn động, 2 bánh bị động Hai bánh dẫn động bằng 2 động cơ khác nhau

Hình 3.2 Hệ thống lái là hai bánh dẫn động

Ưu điểm:

- Rất linh hoạt trong việc rẽ trái hay rẽ phải

- Có thể quay tại tâm của ROBOT một cách dễ dàng

Hình 3.3 ROBOT dẫn động và dẫn hướng trên 3 bánh

Hai bánh sau liên kết với 2 bánh trước bằng một trục vuơng gĩc

Hình 3.4 Dẫn động và dẫn hướng trên 2 bánh

Ư u điểm:

- Linh hoạt trong các phương án di chuyển

- Đảm bảo luơn tiếp xúc bốn bánh với bề mặt di chuyển khơng bằng phẳng

Với phương án này ta bố trí các cảm biến trên ROBOT như sau:

3.2.1 Cảm biến quang

Trên ROBOT được bố trí 9 cảm biến quang ở trước phía trước ROBOT, với 9 cảm biến quang này mục đích dùng để cho ROBOT tránh được các va chạm trên đường đi và tránh các vật cản di động Phạm vi làm việc của các cảm biến quang được điều chỉnh phụ hợp với thuật toán mở rộng chướng ngại vật (offset) được trình bày ở phần sau

Hình 3.5 Cách bố trí các cảm biến quang

3.2.2 Cảm biến siêu âm

Hình 3.6 Cách bố trí cảm biến siêu âm

1 Cảm biến siêu âm được bố trí trên ROBOT, như vậy để quét hết không gian phía trước của ROBOT cảm biến siêu âm được bố trí trên một đế quay, góc quay được tính toán ở giải thuật ở phần sau

3.2.3 Bố trí CAMERA

Camera được bố trí cố định ngay ở phía trên cảm biến siêu âm sao cho bề mặt của thấu kính ngang bằng với cảm biến siêu âm

Camera

Hình 3.7 Cách bố trí Camera 3.2.4 Bố trí La bàn số

La bàn số

Hình 3.8 Cách bố trí cảm biến La bàn số

La bàn số được bố trí ngay tại tâm xoay của ROBOT

3.2.5 Bố trí bộ cảm biến GPS

Bộ cảm biến GPS có 2 thành phần: bộ xử lý và ăng tên, vị trí của ăng tên là quan trọng còn board xử lý thì chúng ta có thể đặt ở đâu cũng được Ăng tên được đặt trên trục sau của bánh xe

3.3 Thiết kế cơ khí

CHƯƠNG 4 PHỐI HỢP CÁC TÍN HIỆU CẢM BIẾN

TRÊN ROBOT

4.1 Các trường hợp phải phối hợp các tín hiệu cảm biến để xác định đường

đi cho ROBOT

Từ bài toán được phát biểu của đề tài để ROBOT đi từ điểm bắt đầu đến điểm đích ROBOT sẽ gặp các trường hợp sau:

4.1.1 Trong vùng không gian không bị che phủ

Trong vùng không gian trống không bị bao phủ ở trên, ứng với trường hợp này ROBOT sẽ xử lý ở 2 trường hợp:

+ Trường hợp 1: ROBOT di chuyển trong vùng không có vật cản, như vậy ROBOT sẽ dựa vào tín hiệu của cảm biến La bàn số để xác định hướng đến đích và đồng thời dựa vào tín hiệu nhận được từ GPS để xác định được tọa độ của điểm đích và biết được ROBOT sẽ đến đích hay chưa Ở trường hợp đường di chuyển của ROBOT chủ yếu là đường thẳng và đường di chuyển sẽ được lập trình cho trường hợp này sẽ ngắn nhất

+ Trường hợp 2: (gọi là xử lý cục bộ) ROBOT di chuyển trong vùng có vật cản, các vật cản này có thể đứng yên hoặc di chuyển Ở trường hợp này ROBOT đầu tiên cũng sử dụng tín hiệu La bàn số để xác định được hướng đến mục tiêu và xoay ROBOT về hướng đó và tín hiệu từ GPS để xác định được vị trí cần di chuyển đến Sau đó ROBOT sử dụng các tín hiệu từ cảm biến siêu âm, các tín hệu từ cảm biến siêu âm sẽ xác định được các vật cản trên hướng di chuyển và khoảng cách từ vật cản đến ROBOT

• Các tín hiệu từ cảm biến siêu âm kết hợp với hình ảnh từ Camera sẽ cho ROBOT biết được phía trước hướng di chuyển giữa các vật cản có khe hở hay không? Sau đó nhờ phân tích từ Camera xác định được phía sau khe hở này có vật cản hay không? Nếu sau khe hở có vật cản thì khe hở này sẽ không được ưu tiên mà ROBOT tiếp tục quay qua hướng khác để xét tiếp Nếu khoảng cách giữa 2 khe hở không có vật cản phía sau thì ROBOT sẽ xét tiếp khoảng cách này có đủ lớn lớn để ROBOT di chuyển qua đó được hay không? Nếu như khe hở này đủ lớn để ROBOT đi qua thì ROBOT sẽ di chuyển theo hướng này

• Nếu như sau khi xoay đủ một vòng mà ROBOT vẫn chưa tìm được khe hở đủ lớn để đi qua thì ROBOT sẽ xét trở lại những khe hở lúc ban đầu phát hiện có vật cản phía sau và xét xem những khe hở này có đủ lớn để ROBOT có thể đi qua được không, nếu khe hở đủ lớn ROBOT sẽ tiến vào

Quá trình cứ tiếp tục được lặp lại cho đến khi ROBOT so sánh vị trí đích so với tín hiệu vị trí từ cảm biến GPS nếu như 2 vị trí này trùng nhau thì ROBOT dừng lại và báo đã đi đến điểm đích

4.1.2 Trong vùng không gian bị che phủ phía trên

Trong vùng không gian có bao phủ phía trên như dưới tán cây, trong nhà, dưới các tòa nhà, dưới cầu thang… thì tín hiệu GPS lúc này không nhận được Như vậy nếu dựa vào tín hiệu GPS thì ROBOT không xác định được tọa độ của điểm đích Ở trường hợp này về cách xử lý cũng giống như trong 2 trường hợp trên

+ Trường hợp 1: cũng giống như trường hợp 1 ở trên nhưng lúc này ROBOT không nhận được tín hiệu từ GPS nên điểm đích không xác định được lúc này ROBOT phải dựa vào tín hiệu từ Camera, như vậy ban đầu chúng ta phải cho ROBOT học trước điểm đích, với khả năng nhận biết được màu sắc và với giải thuật so sánh hình ảnh nhận được so với ảnh đích từ máy tính, ROBOT sẽ nhận biết được đích từ tín hiệu của Camera + Trường hợp 2: cũng giống như trên, tức là ở bài toán cục bộ ta phải luôn giải quyết bài toán này trong quá trình di chuyển ROBOT di chuyển Nhưng ở trường hợp này cũng không có sự trợ giúp của tín hiệu GPS nên ROBOT cũng không xác định được đích cần đến mà lúc này ROBOT phải kiểm tra đích bằng cách sau khi đến vị trí mới nó phải quay về hướng được dạy ở điểm đích và sử dụng hình ảnh từ Camera so sánh ảnh nhận được với ảnh đích

Sau khi phân tích các trường hợp trên ta nhận thấy bài toán cục bộ là bài toán luôn luôn được sử dụng dù trong trường hợp nào Mà bài toán cục bộ sử dụng 2 tín hiệu cảm biến siêu âm và xử lý ảnh từ camera là quan trọng nhất Vì vậy sau đây là những giải thuật sẽ đi sâu vào phần xử lý tín tín hiệu của 2 loại cảm biến này

4.2 Xác định chướng ngại vật sử dụng cảm biến siêu âm trên ROBOT di động

Xác định chướng ngại vật khi sử dụng cảm biến siêu âm trên ROBOT di động gồm 3 phần:

+Xác định khoảng cách từ cảm biến siêu âm đến điểm dò tìm được trên chướng ngại vật

+Xác định tọa độ tuyệt đối của điểm trên chướng ngại vật mà cảm biến siêu âm dò tìm được

+Xác định các chướng ngại vật trong không gian thấy được của ROBOT 4.2.1 Xác định khoảng cách từ cảm biến siêu âm đến điểm dò tìm được trên chướng ngại vật

Cảm biến siêu âm dùng cho nhiệm vụ dò tìm chướng ngại vật có vùng hoạt động trong khoảng từ 200mm tới 2000mm Các chướng ngại vật nằm ngoài khoảng hoạt động của cảm biến sẽ không dò tìm được hoặc bị sai lệch

Hoạt động của cảm biến siêu âm dò tìm như sau:

+Trước khi cho ROBOT hoạt động ta phải kiểm tra vị trí của cảm biến siêu âm Vị trí đầu tiên của cảm biến siêu âm nằm quay về phía phải của ROBOT, phương của cảm biến siêâu âm hợp với phương của ROBOT một góc bằng 54 độ Như vậy, chu kỳ quét đầu tiên của cảm biến siêu quét từ phải qua trái một góc 108 độ, chu kỳ quét thứ hai quét từ trái qua phải cũng một góc 108 độ Các chu kỳ quét tiếp theo lặp lại như trên

+Phát động cho động cơ bước của cảm biến siêu âm quét một góc 1080 Mỗi bước của động cơ bước quay cảm biến siêu âm một góc bằng 0,720 Vậy, số bước hay số xung cần phát động cho động cơ quay trong một chu kỳ là: (1080/0,720) = 150 (xung)

Khi phát xung cho động cơ bước quay ta gặp phải hai vấn đề: tần số phát xung cho động cơ và xác định dấu của góc hợp bởi phương cảm biến siêu âm và phương ROBOT

+Tần số phát xung:Nếu tần số phát xung cho động cơ qúa nhanh (vượt giới

hạn cho phép) thì sẽ xảy ra hiện tượng trượt xung, tức là động cơ không kịp đáp

ứng Mặt khác, nếu chu kỳ ngắn đến mức nhỏ hơn thời gian trì hoãn giới hạn để

cảm biến nhận tín hiệu siêu âm phản hồi thì cảm biếm biến siêu âm sẽ không

thu được khoảng cách tầm xa tới đối tượng Cả hai hiện tượng này đều dẫn đến

các số liệu sai lệch Để loại bỏ các trường hợp này tần số phát xung phải thỏa

mãn các điều kiện sau

Ta có: t1 > min t1 : thời gian tối thiểu để không xảy ra hiện tượng trượt xung

t2 > min t2 : thời gian tối thiếu để cảm biến siêu âm nhận tín hiêu phản hồi Suy ra: Chu kỳ ngắn nhất : min T > (min t1 + min t2 )

Tần số phát xung giới hạn : max f = (1/min T) +Dấu của góc hợp bởi phương cảm biến siêu âm và phương ROBOT:

Hình 4.1 Góc quay của cảm biến siêu âm

+24V 0V

θ - + θ

Vị trí ba

ét đaàu

C hu ky

ø chẵn qu ét

C

u

ø leû qùt

Thuật toán xác định dấu của góc θ

Hình 4.2 Lưu đồ thuật toán xác định góc quay cảm biến siêu âm

Đ

S

Đ

Kết thúc Tọa độ robot = điểm đích

= 0,72 x i

N là số chẵn

Nhập N = 0 : số chu kỳ quét Bắt đầu

N = N + 1

θ

i = 1 tới 75

θ = - 0,72 x i S

i = 0: số xung

i = i + 1

i = 150 S

S

4.2.2 Xác định tọa độ tuyệt đối của điểm trên chướng ngại vật mà cảm biến siêu âm dò tìm được

Như vậy, ta xác định được khoảng cách của các điểm mà siêu âm dò tìm được trên chướng ngại vật tới cảm biến siêu âm Nhưng để các điểm này là dữ liệu cho thuật toán tránh chướng ngại vật và tìm đường đi cho ROBOT ta phải xác định vị trí của các điểm này trong hệ trục tọa độ tuyệt đối

Dữ liệu về chướng ngại vật hiện nay là khoảng cách của các điểm trên chướng ngại vật tới cảm biến siêu âm Để xác định vị trí của các điểm siêu âm dò tìm được này ta cần kết hợp với các dữ liệu sau:

+ Tọa độ tuyệt đối của tâm quay siêu âm, cũng là tọa độ tuyệt đối của ROBOT Việc xác định tọa độ này ta đã trình bày ở phần trước

+ Góc quay của cảm biến siêu âm so với phương của xe Góc quay này được xác định bằng việc quản lý số xung phát ra cho động cơ bước Đó chính là góc quay của động cơ bước so với phương ngang của ROBOT

+ Góc giữa phương của ROBOT so với trục x của hệ trục tọa độ tuyệt đối (hướng của ROBOT)

Với: - (ycnv, xcnv) : tọa độ tuyệt đối của điểm siêu âm dò tìm trên chướng ngại vật (mm, mm),

- (yr, xr) : tọa độ tuyệt đối của ROBOT (mm, mm),

- r : khoảng cách xác định bằng cảm biến siêu âm từ chướng ngại

vật đến ROBOT (mm),

- α : góc hợp bởi phương của ROBOT với phương của trục x (độ)

- θ : góc quay của động cơ quay cảm biến siêu âm so với phương

của ROBOT (độ)