Thiết kế hệ thống cảm biến quang cho robot tự động

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠOTRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH CÔNG TRÌNH NGHIÊN CỨU KHOA HỌC CẤP TRƯỜNG THIẾT KẾ HỆ THỐNG CẢM BIẾN QUANG CHO ROBOT TỰ ÐỘNG MÃ SỐ: SV2012-1

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO

TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT

THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH

CÔNG TRÌNH NGHIÊN CỨU KHOA HỌC CẤP TRƯỜNG

THIẾT KẾ HỆ THỐNG CẢM BIẾN QUANG CHO ROBOT

TỰ ÐỘNG

MÃ SỐ: SV2012-147

S 0 9

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT TPHCM



ĐỀ TÀI NCKH SINH VIÊN

THIẾT KẾ HỆ THỐNG CẢM BIẾN QUANG CHO ROBOT

TỰ ĐỘNG

MÃ SỐ: SV2012 - 147

THUỘC NHÓM NGÀNH: KHOA HỌC KỸ THUẬT

NGƯỜI CHỦ TRÌ : Lê Bá Hoàng MSSV: 11110050

ĐƠN VỊ : Khoa Công Nghệ Thông Tin

MỤC LỤC

MỤC LỤC

PHẦN 1: ĐẶT VẤN ĐỀ

I ĐỐI TƯỢNG NGHIÊN CỨU

II TÌNH HÌNH NGHIÊN CỨU TRONG VÀ NGOÀI NƯỚC

III NHỮN VẤN ĐỀ CÒN TỒN TẠI

PHẦN 2: GIẢI QUYẾT VẤN ĐỀ

I MỤC ĐÍCH ĐỀ TÀI

II PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU

III NỘI DUNG

1 Mạch nguyên lý

2 Nguyên lý hoạt động từng khối

3 Lưu đồ giải thuật nhận dạng và xử lý ảnh

IV KẾT QUẢ ĐẠT ĐƯỢC

1 Tính khoa học

2 Ứng dụng thực tế

3 Hiệu quả kinh tế xã hội PHẦN 3: KẾT LUẬN

I KẾT LUẬN

II ĐỀ NGHỊ

Phụ lục

TÀI LIỆU THAM KHẢO

PHẦN 1: ĐẶT VẤN ĐỀ

I ĐỐI TƯỢNG NGHIÊN CỨU:

ROBOCON, viết ghép của tiếng Anh ROBOT CONTEST (Cuộc thi Robot), là tên

cuộc thi chế tạo robot dành cho sinh viên các trường đại học và cao đẳng khối kĩ thuật của các nước trong khu vực châu Á Thái Bình Dương do Hiệp hội Phát thanh Truyền hình

châu Á -Thái Bình Dương (Asia-Pacific Broadcasting Union, viết tắt là ABU) tổ chức

hằng năm

II TÌNH HÌNH NGHIÊN CỨU TRONG VÀ NGOÀI NƯỚC

Việt Nam tham gia cuộc thi ROBOCON từ năm 2002, năm đầu tiên ROBOCON trở thành cuộc thi quốc tế, và giành ngôi vô địch ngay năm đó Đây là một kết quả ít người dự đoán được trước giải, bởi Việt Nam vốn được đánh giá là một quốc gia có trình độ khoa học - công nghệ tương đối thấp cũng như chỉ được vào vòng loại trực tiếp nhờ vé vớt Đài truyền hình Nhật Bản NHK thậm chí còn dự định làm một thước phim nói về sự thất bại của đội Việt Nam (Telematic) từ trước khi giải đấu diễn ra

Ở các mùa giải sau, các đại diện của Việt Nam tiếp tục chứng tỏ sức mạnh với 2 chức

vô địch nữa (đều từ trường Đại học Bách khoa Thành phố Hồ Chí Minh) cùng 2 giải ba vào năm 2003 và 2009 Hầu như có tiền lệ sau chức vô địch thứ ba cũng như các đội của trường Đại học Bách khoa Thành phố Hồ Chí Minh không được cử tham gia (các đội được lựa chọn khác đến từ Đại học Bách khoa Hà Nội, Đại học Công nghiệp Hà Nội, Đại học Bách khoa Đà Nẵng, Đại học Sư phạm kỹ thuật Thành phố Hồ Chí Minh ,Đại học Lạc Hồng) thì các đội tuyển của Việt Nam không thể vô địch Robocon

III NHỮNG VẤN ĐỀ CÒN TỒN TẠI:

- Việc triển khai còn gặp nhiều khó khăn về mặt cơ sở hạ tầng

- Máy móc thiết bị dùng cho việc chế tạo robot còn nhiều khó khăn hạn chế

PHẦN 2: GIẢI QUYẾT VẤN ĐỀ

I MỤC ĐÍCH ĐỀ TÀI:

Nghiên cứu chế tạo robot bằng tay tham gia cuộc thi robocon Việt Nam 2012

II PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU:

 Phân tích yêu cầu

 Thiết kế

 Thi công chế tạo

 Dưa robot đi vào hoạt động

III NỘI DUNG:

1 Mạch nguyên lý

Hình 3.1 trình bày sơ đồ nguyên lý tổng quan và nguyên tắc hoạt động của hệ thống Mạch phần cứng được chia làm 3 khối:

- Khối điều khiển trung tâm sử dụng PIC16F877A

- Khối nguồn

- Khối truyền thông RS232

Sơ đồ mạch nguyên lý tổng quan của hệ thống

2 Nguyên lý hoạt động từng khối

i Khối nguồn

Hình 3.2 trình bày sơ đồ mạch nguyên lý khối nguồn Khối nguồn có chức năng lấy điện

áp 15V từ biến áp đưa qua IC ổn áp 7805 chuyển đổi thành điện áp 5V cung cấp cho khối điều khiển trung tâm và khối giao tiếp RS232

0

C9 100uF 0

0

U5 LM7805

1 3

IN OUT

R2

330

0

VCC

0

U4

POWER

1

2

1

2

C8 1000uF

U3

5V

1

2 1

2

+

-~

~

D1

5A

1

4

V-+

-0 D3

Sơ đồ mạch nguyên lý khối nguồn

ii Khối điều khiển trung tâm

Khối điều khiển trung tâm là khối chức năng chính trong mạch phần cứng

PIC16F877A được lựa chọn sử dụng trong đồ án đảm nhận chức năng khối điều khiển này Hình 3.2 trình bày sơ đồ mạch nguyên lý khối điều khiển trung tâm

RA1

J4 PORTC

1 2 3 4 5 6 7 8

C3 1uF

RB5

RC2

RD6

R1 10K 20MHz

RD2 RC3

RB4 RB6 RB7

VCC

RC5 RB1

RC7

RD5

RC6

RC0 RA2

RD1

RC1

J5

PORTE

1 2 3

RB2

SW1

RD0

J3

PORTA

1 2 3 4 5 6

RB3

J6 PORTD

1 2 3 4 5 6 7 8 RA0

0

RA4 RA5

VCC

0

GND

J2 PORTB

1 2 3 4 5 6 7 8

RD4 RC4

PIC16F877A

8 9 10

12

14

15 16 17 18

19 20 21 22

23 24 25 26

27 28 29 30 31

1

13

2 3 4 5 6 7

33 34 35 36 37 38 39 40

11 32

RE0/RD/AN5 RE1/WR/AN6 RE2/CS/AN7

GND

OSC2/CLKOUT

RC0/T1OSO/T1CKI RC1/T1OSI/CCP2 RC2/CCP1 RC3/SCK/SCL

RD0/PSP0 RD1/PSP1 RD2/PSP2 RD3/PSP3

RC4/SDI/SDA RC5/SDO RC6/TX/CK RC7/RX/DT

RD4/PSP4 RD5/PSP5 RD6/PSP6 RD7/PSP7 GND

MCLR/VPP

OSC1/CLKIN

RA0/AN0 RA1/AN1 RA2/AN2 RA3/AN3/VREF RA4/TOCKI RA5/AN4/SS

RBO/INT RB1 RB2 RB3 RB4 RB5 RB6 RB7

VDD VDD

RB0

33pF

0

RA3

Sơ đồ mạch nguyên lý khối điều khiển trung tâm

iii Khối giao tiếp RS232

Khối giao tiếp RS232 đam nhận chức năng truyền nhận dữ liệu giữa PC và mạch vi điều khiển Hình 3.4 trình bày sơ đò mạch nguyên lý khối giao tiếp RS232 chuẩn DB9

Khối giao tiếp sủ dụng IC Max232 chuyên dụng tích hợp 2 kênh truyền nhận cho giao tiếp RS232 với thiết bị ngoại vi

P1

P2

P1

CONNECTOR DB9

5 9 4 8 3 7 2 6 1

VCC

RC6

0

P1

0

VCC

C5 10UF

C7 10UF

RC7

U2

MAX232

13 8 11

10

1 3 4 5

2

6

12 9

14 7 16

R1IN R2IN T1IN

T2IN

C1+

C1-C2+

C2-V+

V-R1OUT R2OUT

T1OUT T2OUT

VCC

C4

10UF

P2

0

C6

10UF

Sơ đồ mạch nguyên lý khối giao tiếp RS232

3 Lưu đồ giải thuật nhận dạng và xử lý ảnh

i Tổng quan

Đề tài tập trung nghiên cứu nhận dạng xử lý ảnh mã vạch xuất ra ký tự thông tin mã vạch Hình 4.1 trình bày lưu đồ giải thuật thuật toán nhận dạng mã vạch

Nguyên tắc hoạt động: Chương trình thu nhận ảnh mã vạch từ Webcam hoặc từ thư viện ảnh Ảnh mã vạch ban đầu sẽ qua bước tiền xử lý để nâng cao chất lượng ảnh trước khi được nhận dạng và xử lý Sau khi qua bước nhận dạng xử lý, ta thu được ma trận độ rộng và mã màu của từng vạch trong mã vạch Sau đó chúng được so sánh với ma trận

độ rộng và mã màu của từng mã vạch theo nguyên tắc cấu trúc của mã vạch dạng

EAN-13 và CODE 39

Kết quả ảnh mã vạch sau khi xử lý và nhận dạng sẽ xuất ra chuỗi ký tự mã vạch và được đem xử lý xác định thông tin mã vạch và truyền dữ liệu mã vạch hiển thị LCD thông qua chuẩn giao tiếp RS232

Lưu đồ giải thuật tổng quan thuật toán nhận dạng mã vạch

ii Khâu tiền xử lý

Trước hết ảnh mã vạch được thu thập sẽ được biến đổi sang ảnh gray để tiến hành điều chỉnh độ tương phản nâng cao chất lượng ảnh cũng như để xác định phân ngưỡng trước khi qua bộ lọc trung vị để giảm thiểu nhiễu, bộ lọc trung vị sử dụng hiệu quả trong trường hợp này bởi vì các giá trị pixel trong ảnh mã vạch phân biệt khá rõ ràng (tức là các giá trị pixel lớn hơn hoặc nhỏ hơn hẳn các giá trị lân cận)

Sau khi giảm thiểu nhiễu biến đổi ảnh nhị phân có giá trị pixel 0 hoặc 1 để làm cơ sở khi nhận dạng ta sẽ có chuỗi nhị phân phân biệt được mã vạch và khoảng trắng

Một vấn đề xuất hiện khi nhận dạng mã vạch là ảnh mã vạch thu thập bị khuyết hoặc bị lem, vấn đề này được MATLAB giải quyết với công cụ rất mạnh đó là việc kết hợp hàm giãn nở và xói mòn theo quy tắc padding nhằm khôi phục ảnh mã vạch trước khi đưa vào nhận dạng

Lưu đồ giải thuật quá trình tiền xử lý ảnh

iii Khâu nhận dạng & xử lý ảnh

Hình 4.3 trình bày lưu đồ giải thuật quá trình nhận dạng và xử lý ảnh mã vạch sau khi qua khâu tiền xử lý

Nguyên tắc hoạt động của khâu nhận dạng xử lý ảnh là ảnh sau khi qua khâu tiền xử lý

nhiễu thu được ma trận độ rộng và mã màu thực tế của từng vạch Chúng được đưa vào hàm kiểm tra mã vạch EAN-13 và CODE 39

Lưu đồ giải thuật quá trình nhận dạng xử lý ảnh mã vạch

b Lưu đồ giải thuật thiết kế hệ thống cơ sở dữ liệu

Sau khi nhận dạng mã vạch yêu cầu xuất thông tin sinh viên ứng với mã vạch dạng CODE

39 hoặc thông tin sản phẩm với mã vạch dạng EAN-13 Hình 4.4 trình bày lưu đồ giải

Lưu đồ giải thuật quá trình thiết kế hệ thống cơ sở dữ liệu

IV KẾT QUẢ ĐẠT ĐƯỢC:

1 Tính khoa học:

- Tư duy thiết kế và giải quyết vấn đề mới mẻ

- Robot có thể hoàn thành nhiệm vụ yêu cầu đặt ra

2 Khả năng triển khai ứng dụng vào thực tế:

- Tham gia vòng cuộc thi sang tạo robocon Việt Nam 2012 năm 2012

3 Hiệu quả kinh tế - xã hội:

- Giảm chi phí chế tạo

- Những nghiên cứu trong quá trình thiết kế, chế tạo có thể ứng dụng vào thực tế trong các lĩnh vực: khoa học kỹ thuật, công nghệ thông tin, cơ khí chế tạo máy, điện điện tử

PHẦN 3: KẾT LUẬN

I KẾT LUẬN

- Đề tài đã đáp ứng được mục tiêu là nghiên cứu và chế tạo thành công robot bằng tay, phục vụ cuộc thi Robocon 2012

II ĐỀ NGHỊ

- Tuy nhiên,mặc dù thời gian hoàn thành các nhiệm vụ trên sân của robot vẫn đảm bảo trong thời gian cho phép nhưng để có thể cạnh tranh với đối thủ trong khi thi thì tốc độ robot cần cải tiến hơn và khi đó vấn đề sự ổn định của robot cũng cần được quan tâm hơn

TÀI LIỆU THAM KHẢO

1 http://robocon.vtv.gov.vn

2 http://bkit4u.com/forum/robocon/