Robot nhận biết màu và hình sử dụng phương pháp nhận dạng đường biên

Chương này trình bày một số lý thuyết về xử lý ảnh, vi điều khiển và trình bày về một số linh kiện sử dụng trong mạch.. Là 1 công nghệ ra đời từ những năm 1960, tuy nhiên thì vào thời đi

KHOA ĐIỆN - ĐIỆN TỬ

ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP NGÀNH CÔNG NGHỆ KỸ THUẬT ĐIỆN TỬ - TRUYỀN THÔNG

ROBOT NHẬN BIẾT MÀU VÀ HÌNH SỬ DỤNG

PHƯƠNG PHÁP NHẬN DẠNG ĐƯỜNG BIÊN

GVHD: TS NGUYỄN VĂN THÁI SVTH: ĐINH BÁ CAO

MSSV: 12141019 SVTH: ĐƯỜNG QUỐC QUYỀN MSSV: 12141186

S K L 0 0 4 4 1 9

KHOA ĐIỆN – ĐIỆN TỬ

BỘ MÔN ĐIỆN TỬ-CÔNG NGHIỆP -

KHOA ĐIỆN – ĐIỆN TỬ

BỘ MÔN ĐIỆN TỬ-CÔNG NGHIỆP

Đề tài này là do tôi tự thực hiện dựa vào một số tài liệu trước đó và không sao chép từ tài liệu hay công trình đã có trước đó

Người thực hiện đề tài

Trong suốt thời gian học tại Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật TP.HCM, nhờ sự giúp đỡ tận tình của quý thầy cô về mọi mặt nên đề tài tốt nghiệp của chúng em đã được hoàn thành

Chúng em xin gởi lòng biết ơn chân thành đến Bộ môn Điện tử công nghiệp cùng quý thầy cô trong khoa Điện-Điện Tử đã giảng dạy những kiến thức chuyên môn làm cơ

sở để nhóm sinh viên chúng em thực hiện tốt đề tài

Đặc biệt, chúng em xin gởi lời cảm ơn sâu sắc đến Thầy TS Nguyễn Văn Thái đã trực tiếp hướng dẫn và trong suốt quá trình làm đồ án thầy luôn quan tâm, tận tình giúp

đỡ tạo điều kiện để chúng em hoàn thành tốt đề tài

Em cũng gửi lời đồng cảm ơn đến các bạn lớp 12141DT1C đã chia sẻ, đóng góp ý kiến, trao đổi kiến thức cũng như những kinh nghiệm quý báu trong thời gian thực hiện

đề tài

Cảm ơn đến cha mẹ và người thân đã tận tình nhắc nhở chúng em, tạo cho chúng

em nguồn động lực to lớn để hoàn thành đề tài

Chúng em xin chân thành cảm ơn!

Trang bìa i

Nhiệm vụ đồ án ………ii

Lịch trình iii

Cam đoan iv

Lời cảm ơn v

Mục lục vi

Liệt kê hình vẽ ix

Liệt kê bảng vẽ xi

Tóm tắt xii

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN 1

1.1 ĐẶT VẤN ĐỀ 1

1.2 MỤC TIÊU 1

1.3 NỘI DUNG NGHIÊN CỨU 2

1.4 GIỚI HẠN 2

1.5 BỐ CỤC 3

CHƯƠNG 2 CƠ SỞ LÝ THUYẾT 4

2.1 GIỚI THIỆU VỀ XỬ LÝ ẢNH 4

2.1.1 Tổng quan về xử lý ảnh 4

2.1.2 Một số khái niệm cơ bản trong xử lý ảnh 5

2.1.2.1 Điểm ảnh 5

2.1.2.2 Phân loại ảnh 6

2.1.2.3 Độ phân giải 7

2.1.3 Không gian màu HSV 7

2.1.4 Thư viện EmguCV 8

2.2 KHỐI VI ĐIỀU KHIỂN 9

2.2.1 Sơ lược về cấu trúc của vi điều khiển 9

2.2.2 Vi điều khiẻn PIC 18F4550 10

2.2.3 Sơ đồ chân PIC18F4550 12

2.2.4.1 Cấu trúc khối điều chế độ rộng xung PWM 17

2.2.4.2 Tính chu kỳ xung PWM 17

2.2.4.3 Tính hệ số chu kỳ xung PWM 18

2.2.5 Ngắt của vi điều khiển PIC18F4550 18

2.2.6 Truyền/nhận dữ liệu UART 19

2.3 MỘT SỐ THIẾT BỊ NGOẠI VI KHÁC 20

2.3.1 Cảm biến ENCODER 20

2.3.2 PICKit 2 FULL Program/Debug 21

2.3.3 PL2303 HX Cable 22

2.3.4 Động cơ DC 22

2.3.5 Relay OEG-OMI-SS-124L 23

2.3.6 OPTO PC817 24

2.3.7 MOSFET IRF540N 25

2.3.8 Webcam Logitech C615 26

2.3.9 Cảm biến siêu âm SRF005 27

CHƯƠNG 3 : THIẾT KẾ VÀ TÍNH TOÁN 29

3.1 GIỚI THIỆU 29

3.2 TÍNH TOÁN VÀ THIẾT KẾ HỆ THỐNG 29

3.2.1 Sơ đồ khối hệ thống 29

3.2.1.1 Ứng dụng nhận dạng màu sắc 30

3.2.1.2 Lưu đồ điều khiển Robot 38

3.2.2 Tính toán thiết ké ứng dụng 39

3.2.3 Tính toán và thiết kế mạch 43

3.2.3.1 Mạch nguồn 43

3.2.3.2 Khối điều khiển động cơ: 44

3.2.4 Sơ đồ nguyên lí toàn mạch 50

CHƯƠNG 4 : THI CÔNG HỆ THỐNG 51

4.1 THI CÔNG ỨNG DỤNG 51

4.1.1 Phần mềm thiết kế 51

4.1.3 Thi công giao diện: 53

4.1.4 Thi công mẫu vật 57

4.2 THI CÔNG MẠCH 57

4.3 LẮP RÁP VÀ ĐÓNG GÓI MẠCH 61

4.4 QUY TRÌNH THAO TÁC SỬ DỤNG 67

CHƯƠNG 5 : KẾT QUẢ NHẬN XÉT VÀ ĐÁNH GIÁ 69

5.1 BOARD MẠCH IN 69

5.2 NGUỒN 69

5.3 ĐỘNG CƠ DC 69

5.4 CẢM BIẾN ENCODER: 69

5.5 KẾT QUẢ MÔ PHỎNG ỨNG DỤNG 70

5.6 KẾT QUẢ MÔ PHỎNG ROBOT 73

CHƯƠNG 6 : KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN 75

6.1 TÓM TẮT ĐỀ TÀI 75

6.2 KẾT LUẬN 75

6.3 HƯỚNG PHÁT TRIỂN 76

TÀI LIỆU THAM KHẢO : 77

MỘT SỐ TRANG WEB THAM KHẢO KHÁC : 78

PHỤ LỤC 79

Hình 2.1: Không gian màu HSV 7

Hình 2.2 : Vi điều khiển PIC16F4550 10

Hình 2.3 : Cấu hình PIC18F4550 12

Hình 2.4 : Sơ đồ chân PIC18F4550 13

Hình 2.5 : Điều chế độ rộng xung với các hệ số chu kì khác nhau 16

Hình 2.6 : Cấu trúc khối điều chế độ rộng xung PWM 17

Hình 2.7 : Encoder và bánh xe gắn cho encoder 20

Hình 2.8 : Hình mô phỏng cách đếm số xung từ encoder 20

Hình 2.9 : Xung từ hai kênh của encoder 21

Hình 2.10 :Mạch nạp cho vi điều khiển PIC 22

Hình 2.11 : Cáp PL2303 HX 22

Hình 2.12 : Điều khiển động cơ DC chạy thuận 23

Hình 2.13 : Điều khiển động cơ DC chạy ngược 23

Hình 2.14 : Relay loại 8 chân 24

Hình 2.15 : Opto PC817 24

Hình 2.16 : Hình dáng và ký hiệu của IRF540 25

Hình 2.17 : Webcam Logitech C615 26

Hình 2.18 : Cảm biến siêu âm SRF005 27

Hình 3.1 : Sơ đồ tổng quát 29

Hình 3.2 : Sơ đồ khối giao diện điều khiển 30

Hình 3.3 : Lưu đồ giải thuật tiền xử lý ảnh và nhận dạng màu sắc 31

Hình 3.4 : Lưu đồ giải thuật nhận dạng hình tam giác 33

Hình 3.5 : Lưu đồ giải thuật nhận dạng hình chữ nhật 35

Hình 3.6 : Lưu đồ giải thuật nhận dạng hình tròn 36

Hình 3.7 : Lưu đồ giải thuật truyền/nhận dữ liệu giữa ứng dụng và Robot 37

Hình 3.8 : lưu đồ điều khiển Robot 38

Hình 3.9 : Chọn chỉ số HSV để nhận dạng 40

Hình 3.10 : Khung ảnh giá trị màu H 40

Hình 3.11 : RadioButton chọn hình khối 41

Hình 3.13 : Nút nhấn trong ứng dụng 41

Hình 3.14 : Nút nhấn và Combobox để kết nối với cổng COM 42

Hình 3.15 : TextBox hiển thị dữ liệu truyền nhận 42

Hình 3.16 : TextBox hiển thị tọa độ tâm vật 42

Hinh 3.17 : mạch nguồn 43

Hình 3.18 : Điều khiển động cơ DC dùng cặp Relay đảo chiều 45

Hình 3.19 : Mạch điều xung (PWM) và mạch động lực đảo chiều động cơ 46

Hình 3.20 : Mạch đảo chiều động cơ 48

Hình 3.21 : Mạch điều khiển xung PWM 49

Hình 3.22 : Sơ đồ nguyên lý toàn mạch 50

Hình 4.1 : Giao diện khởi động của Visual Studio 2013 53

Hình 4.2 : Tạo một ứng dụng trong Visual Studio 2013 54

Hình 4.3 : Giao diện thiết kế ứng dụng 55

Hình 4.4 : Thêm control của EmguCV vào Toolbox 56

Hình 4.5 : Mẫu vật màu xanh và đỏ 57

Hình 4.6 : Lấy linh kiện trong ORCAD 59

Hình 4.7 : Cách tạo file Netlist 60

Hình 4.8 : Chỉnh lại độ phân giải màn hình trong ORCAD 61

Hình 4.9 : Khung xe và pin 62

Hình 4.10 : Động cơ và bánh xe trái 62

Hình 4.11 : Động cơ và bánh xe phải 63

Hình 4.12 : Bánh xe đa hướng trước 63

Hình 4.13 : Encoder trái và phải 64

Hình 4.14 : Thân sau của Robot 64

Hình 4.16 : Mặt trên mạch điều khiển Robot 65

Hình 4.17 : Mặt dưới mạch điều khiển Robot 66

Hình 4.18 : Robot hoàn chỉnh 66

Hình 4.19 : Kết nối ứng dụng với Robot 67

Hình 4.20 : các bước sử dụng ứng dụng 68

Hình 5.2 : Textbox hiển thị tọa độ vật 70

Hình 5.3 : Kết nối cổng COM 71

Hình 5.4 : Dữ liệu truyền nhận được 71

Hình 5.5 : Ảnh tiền xử lý 71

Hình 5.6 : Ảnh sau khi nhận dạng màu sắc 72

Hình 5.7 : ảnh sau khi nhận dạng hình khối 72

Hình 5.8 : Ứng dụng chạy thực tế 73

Bảng 2.1 : So sánh bốn loại pic 18F: 12

Bảng 2.2 Một thông số kỹ thuật của IRF540 (13) 25

Bảng 3.1 : Bảng màu HSV 32

Bảng 3.2 Dòng tiêu thụ của một số linh kiện trong mạch 44

Bảng 4.1 : Bảng danh sách các linh kiện sử dụng : 58

Bảng 5.1 : Thống kê Robot di chuyển tới vật: 73

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN

1.1 ĐẶT VẤN ĐỀ

Sau cuộc cách mạng khoa học kỹ thuật, các phát minh, sáng chế vĩ đại không ngừng được xuất hiển biến những điều không tưởng thành sự thật và đã đưa nhân loại bước sang một nền văn minh hoàn toàn mới Trong đó, các lĩnh vực như công nghệ thông tin, điện tử, tự động hóa, các hệ thống truyền thông sử dụng sóng vô tuyến… ngày càng

có những bước phát triển vượt bậc

Nền văn minh nhân loại không ngừng vận động và phát triển, và như một quy luật

tự nhiên thì khoa học – công nghệ cũng đang tiến những bước rất mạnh mẽ, sức mạnh mà chúng mang lại đáp ứng được gần như là toàn bộ các nhu cầu cuộc sống của con người Năng suất lao động được nâng lên một cách tối đa, lao động chân tay được giảm hẳn, các Robot và các thiết bị tự động hóa khác đảm nhận các công việc nặng nhọc trong các nhà máy, xí nghiệp

Một trong những lĩnh vực đã góp phần tạo nên các thành tựu to lớn đó chính là công nghệ xử lý ảnh 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, từ đó phục vụ xử lý các công việc chính xác hơn

Thế giới ngày càng phát triển thì lĩnh vực tự động hóa cần phải được mở rộng hơn Những Robot phục vụ sản xuất cũng như sinh hoạt của con người ngày càng nhiều Công nghệ chế tạo Robot cũng ngày càng hoàn thiện và tinh vi Đồng thời, việc ứng dụng xử lý ảnh đã mang lại nhiều thuận lợi cho con người, các công việc được xử lý chính xác hơn

Xuất phát từ những nguyên nhân trên và để góp phần cũng cố những kiến thức đã

được học, nhóm chọn đề tài: “ROBOT NHẬN BIẾT MÀU VÀ HÌNH SỬ DỤNG PHƯƠNG PHÁP NHẬN DẠNG ĐƯỜNG BIÊN” để nghiên cứu và thi công mô hình

sản phẩm

1.2 MỤC TIÊU

 Viết ứng dụng cho máy tính sử dụng công nghệ xử lý ảnh để xác định chính xác hình khối và màu sắc

vị trí hình khối và màu sắc theo yêu cầu

1.3 NỘI DUNG NGHIÊN CỨU

Visual Studio

1.4 GIỚI HẠN

Để phù hợp với mục đích nghiên cứu chuyên sâu về lập trình xử lý ảnh cũng như lập trình vi điều khiển điều khiển Robot, nhóm thực hiện đề tài chỉ chú trọng nghiên cứu những phần chính sau:

Visual Studio 2013

vị trí hình khối và màu sắc theo yêu cầu

Đề tài này không đi giải quyết vấn đề sau:

1.5 BỐ CỤC

 Chương 1: Tổng Quan

Chương này trình bày đặt vấn đề dẫn nhập lý do chọn đề tài, mục tiêu, nôi dung nghiên cứu, các giới hạn thông số và bố cục đồ án

 Chương 2: Cơ Sở Lý Thuyết

Chương này trình bày một số lý thuyết về xử lý ảnh, vi điều khiển và trình bày về một số linh kiện sử dụng trong mạch

 Chương 3: Thiết kế và tính toán

Nội dung chương là thiết kế sơ đồ hệ thống, sơ đồ từng khối Tính toán thiết kế mạch và ứng dụng trên máy tính

 Chương 4 : Thi công hệ thống

Nội dung chương là thi công mạch và thi công ứng dụng

Trình bày kết quả của cả quá trình nghiên cứu làm, nhận xét và đánh giá kết quả đạt được

 Chương 6: Kết luận và hướng phát triển

Trình bày những kết quả thu được so với dự kiến ban đầu, đề xuất hướng phát triển

đề tài

CHƯƠNG 2 CƠ SỞ LÝ THUYẾT

2.1 GIỚI THIỆU VỀ XỬ LÝ ẢNH

2.1.1 Tổng quan về xử lý ảnh

Là 1 công nghệ ra đời từ những năm 1960, tuy nhiên thì vào thời điểm đó cấu hình

của máy tính chưa đủ mạnh để hỗ trợ công nghệ xử lý ảnh đòi hỏi tốc độ phải cao và tốn

nhiều bộ nhớ lưu trữ Vào thời điểm đó thì đã có nhiều trường đại học lớn và các viện

nghiên cứu trên thế giới như MIT đã trang bị những chiếc máy tính khổng lồ để nghiên

cứu về công nghệ này Từ những năm 1970 trở đi, cấu hình máy tính đã mạnh mẽ hơn,

các ứng dụng như cải thiện và nâng cao chất lượng ảnh, lưu trữ và truyền ảnh bắt đầu

được phổ biến hơn Còn ngày nay thì xử lý ảnh đang là 1 công nghệ làm thay đổi cuộc

sống giúp máy móc thay thế cho thị giác của con người

Xử lý ảnh là quá trình thao tác trên ảnh đầu vào có thể là một hình ảnh, một khung

hình video , đầu ra là một hình ảnh đáp ứng nhu cầu người dùng hay tập hợp các thông số

liên quan đến hình ảnh

Xử lý ảnh có thể được chia ra làm 3 lĩnh vực:

cho chất lượng một hình ảnh đã cũ trở lên rõ, nét như khi nó được chụp cách đây

nhiều năm

ra đời nhằm làm giảm dung lượng lưu trữ và tăng tốc độ truyền nhận hình ảnh khi

băng thông có giới hạn Các nhà nghiên cứu đã cho ra đời các định dạng ảnh như

.jpg, png, bmp đã dần làm giảm đáng kể dung lượng của ảnh nhưng vẫn đảm

bảo chất lượng của hình ảnh

hay được sử dụng trong các dây truyền giám sát, đánh giá và kiểm tra chất lượng

sản phẩm trong công nghiệp Ví dụ như nhận diện biển số xe trong các bãi giữ

xe, kiểm tra nhãn chai đã được dán đúng tiêu chuẩn hay chưa, kiểm tra các linh

kiện điện tử đã được gắn đúng vị trí trên các bo mạch hay chưa, giúp Robot phát

hiện và chữa cháy kịp thời hay trong quân sự thì sử dụng công nghệ xử lý ảnh để

2.1.2 Một số khái niệm cơ bản trong xử lý ảnh

2.1.2.1 Điểm ảnh

Ảnh số : là một tập hợp của nhiều điểm ảnh, hay còn gọi là pixel Mỗi điểm ảnh

biểu diễn một màu sắc nhất định (hay độ sáng với ảnh đen trắng) tại một điểm ảnh duy

nhất, có thể xem một điểm ảnh giống như một chấm nhỏ trong một tấm ảnh màu Bằng

phương pháp đo lường và thống kê một lượng lớn các điểm ảnh, chúng ta hoàn toàn có

thể tái cấu trúc các điểm ảnh này thành một ảnh mới gần giống với ảnh gốc Có thể nói

các pixel gần giống như các phần tử có cấu trúc hạt trên một ảnh thông thường nhưng

được xếp theo từng hàng và cột và chứa các thông tin khác nhau

Ảnh được biểu diễn dưới một ma trận hai chiều với các pixel được xác định bởi cặp tọa

độ (x, y), trong đó, giá trị của pixel tại tọa độ nhất định biểu diễn độ sang (ảnh đen trắng)

hay màu nhất định (ảnh màu) Giá trị độ sáng được số hóa trong xử lý ảnh được gọi là ảnh

xám Với một ảnh sau khi lấy mẫu để cho ra một ảnh số với kích thước xác định gồm có

M hàng và N cột, ta nói rằng ảnh có kích thước M x N và được biểu diễn dưới dạng ma

trân như sau:

Đối với ảnh đen trắng, giá trị mức xám thường nằm trong khoảng 0 ≤ f(x,y) ≥ G -1

Trong đó G thường được biểu diễn theo lũy thừa của 2

2.1.2.2 Phân loại ảnh

Có hai dạng quan trọng trong ảnh số được dùng với nhiều mục đích khác nhau là

ảnh màu và ảnh đen trắng (hay còn gọi là ảnh xám) Trong đó, ảnh màu được cấu trúc từ

các pixel màu trong khi ảnh đen trắng đươc xây dựng từ các pixel có giá trị mức xám

khác nhau

Ảnh đen trắng : với một ảnh đen trắng được xây dựng từ nhiều pixel mà tại đó biểu

diễn một giá trị nhất định tương ứng với một mức xám Những mức xám này trải dài

trong một khoảng từ đen sang trắng với bước nhảy rất mịn, thông thường là 256 mức xám

khác nhau theo tiêu chuẩn Do mắt người chỉ có thể phân biệt một cách rõ ràng với

khoảng 200 mức xám khác nhau nên vì thế hoàn toàn có thể nhận xét sự thay đổi liên tục

các mức xám

Ảnh màu : thường được tạo thành từ nhiều pixel mà trong đó mỗi pixel được biểu

diễn bởi ba giá trị tương ứng với các mức trong các kênh màu đỏ (Red), xanh lá (Green)

và xanh dương (Blue) tại một vị trí cụ thể Các kênh màu Red, Green và Blue (trong

không gian màu RGB) là những màu cơ bản mà từ đó có thể tạo ra các màu khác nhau

nhau Từ đó có thể thấy rằng với một pixel chỉ cần một byte cho việc lưu trữ đối với ảnh

đen trắng và 3 byte đối với ảnh màu Vì thế với cùng một ảnh có kích thước nhất định,

dung lượng của ảnh màu lưu trên bộ nhớ luôn lớn hơn gấp 3 lần dung lượng dành cho ảnh

đen trắng trong trừng hợp không sử dụng các kỹ thuật nén ảnh

biểu diễn như sau :

Trong đó :

Cgs – dung lượng của ảnh xám (tính theo byte)

Crgb – dung lượng của ảnh màu (tính theo byte)

m – kích thước theo chiều ngang của ảnh

n – kích thước theo chiều dọc của ảnh

(m x n) – tổng số pixel của ảnh

Ảnh nhị phân : chỉ sử dụng duy nhất một bit để biểu diễn một pixel Do do một bit

chỉ có thể xác lập hai trạng thái là đóng và mở hay 1 và 0 tương ứng với hai màu đen và

trắng Do đặc trưng trên mà ảnh nhị phân ít khi được sử dụng trong thực tế

Ảnh chỉ số (indexed) : Một vài ảnh màu (hay đen trắng) được tạo thành từ một

bảng màu có sẵn bị giới hạn, điển hình thường dùng là tập 256 màu khác nhau Những

ảnh này được gọi là ảnh màu chỉ số hóa (indexed) do dữ liệu dành cho mỗi pixel bao gồm

2.1.2.3 Độ phân giải

Với cùng một ảnh, càng nhiều điểm được lấy mẫu thì ảnh chụp càng chi tiết Mật

độ điểm ảnh trong một ảnh được xem như độ phân giải trong chính nó Ảnh có độ phân

giải càng cao thì ảnh càng chứa nhiều thông tin Nói một các chính xác, khi giữ ảnh tại

cùng một kích thước vật lý thì ảnh trở nên sắc nét và chi tiết hơn nếu độ phân giải cao

hơn. (2)

2.1.3 Không gian màu HSV

HSV (hue saturation value) : Không gian màu này còn có tên khác là HSI

(intensity), HSL (lightness) Mô hình này do AR Smith tạo ra vào năm 1978 Nó dựa trên

các đặc tính màu trực quan như sắc (tint), bóng (shade) và và tông màu (tone); nói cách

khác là họ màu, độ thuần khiết, và độ sáng

Hình 2.1: Không gian màu HSV

Hệ tọa độ cho không gian màu này là hình trụ:

bao nhiêu màu trắng được thêm vào màu thuần khiết này Giá trị của S nằm trong

đoạn [0, 1], trong đó S = 1 là màu tinh khiết nhất, hoàn toàn không pha trắng Nói

cách khác, S càng lớn thì màu càng tinh khiết, nguyên chất

dao động trong đoạn [0, 1], trong đó V = 0 là hoàn toàn tối (đen), V = 1 là hoàn

toàn sáng Nói cách khác, V càng lớn thì màu càng sáng

Hệ thống màu HSV thích hợp với một số thiết kế đồ họa vì nó cung cấp sự điều

khiển trực tiếp đến ánh sáng và sắc động Hệ thống màu HSV cũng hỗ trợ tốt hơn những

thuật toán xử lý ảnh vì tiêu chuẩn hóa về ánh màu và tập trung vào hai hàm số về độ hội

tụ màu và cường độ màu Hệ thống màu HSV có sự phân chia rõ rệt giữa ánh sáng và

màu sắc do đó có khả năng rất lớn được áp dụng cho việc tính đặc trưng và so sánh sự

2.1.4 Thư viện EmguCV

Là một cross flatform NET, một thư viện xử lý hình ảnh mạnh dành riêng cho

ngôn ngữ C# Cho phép gọi được chức năng của OpenCV là từ NET

Tương thích ngôn ngữ như: C#, VB, VC ++, Iron Python

Wrapper có thể được biên dịch bởi Visual Studio, Xamarin Studio và Unity

Nó có thể chạy trên Windows, Linux, Mac OS X, iOS, Android và Windows

Phone

EmguCV được viết hoàn toàn bằng C# Có thể chạy trên bất kỳ nền tảng hỗ trợ bao

gồm iOS, Android, Windows Phone, Hệ điều hành Mac OS X và Linux

EmguCV có thể được sử dụng từ nhiều ngôn ngữ khác nhau, bao gồm C#,

VB.NET, C ++ và Iron Python

Nhận dạng ảnh : nhận dạng khuôn mặt, các vật thể …

Xử lý ảnh : khử nhiễu, điều chỉnh độ sáng …

2.2 KHỐI VI ĐIỀU KHIỂN

2.2.1 Sơ lược về cấu trúc của vi điều khiển

Năm 1971, bộ vi xử lý đầu tiên ra đời đã mở ra 1 thời đại mới trong công nghệ

điện tử và tin học Các hàng chế tạo bán dẫn đã tích hợp các mạch ngoại vi và bộ vi xử lý

lên một chip duy nhất( on chip) để tạo ra các bộ vi điều khiển, để nhằm hạn chế tối đa các

linh kiện mắc ngoài khi xây dựng hệ thống có sử dụng vi xử lý, vi điều khiển

Điều thúc đẩy việc nghiên cứu chế tạo vi điều khiển đó là tính đa dụng, dễ dàng sử dụng

và giá thành thấp Vi điều khiển tỏ ra rất hấp dẫn trong các ứng dụng điều khiển điện tử vì

có kích thước nhỏ, tuy nhỏ nhưng chức năng rất đa dạng, dễ dàng tích hợp vào trong hệ

thống để điều khiển toàn hệ thống

Các thành phần của vi điều khiển là: CPU, RAM, ROM, các bộ đếm, bộ định thời,

các cổng vào ra, giao diện truyền thông nối tiếp, các khối chuyển đổi tương tự số A/D và

ngược lại số tương tự D/A Khối xử lý trung tâm CPU thực hiện các chỉ thị được lưu

trong bộ nhớ chương trình ROM để điều khiển tất cả các thành phần còn lại Bộ nhớ truy

cập ngẫu nhiên RAM được dùng để lưu các thiết lập và các biến sử dụng trong chương

trình Chương trình và các số liệu cố định được lưu trong ROM Bộ nhớ ROM của vi điều

khiển trở thành thành phần FIRMWARE sau khi được nạp chương trình

Vi điều khiển được sử dụng rộng rãi trong các thiết bị điện tử: thiết bị viễn

thông, máy văn phòng, đồ điện tử gia dụng, đồ chơi trẻ em, thiết bị giải trí Nói chung là

các thiết bị cần một cơ cấu điều khiển thông minh, có khả năng tương tác với người sử

dụng

Chương trình cho vi điều khiển là một tập các mã lệnh đã được dịch thành mã máy

thường được nạp trực tiếp vào bộ nhớ ROM của vi điều khiển từ máy tính thông qua một

bộ nạp chương trình Các cổng vào ra số cho các dữ liệu nhị phân vào ra qua các chân của

vi điều khiển Các chân này được dùng để ghép nối vi điều khiển với các thiết bị vào ra số

hay ghép nối với các bộ vi điều khiển khác thực hiện các chức năng nào đó

Cổng truyền thông dữ liệu nối tiếp tạo khả năng giao tiếp của hệ thống với các hệ

thống khác qua: UART, I2C, SPI…

Các bộ đếm(Timer) dùng để tạo ra các nhịp thời gian chính xác hoặc để đếm xung

Khối chuyển đổi A/D cho phép vi điều khiển giao tiếp với các thiết bị điện tử

tương tự như cảm biến tương tự nhờ đó nó có thể đưa các dữ liệu vào để xử lý và lưu trữ

Khối A/D cho phép vi điều khiển điều khiển các thiết bị không tương thích điều khiển

số.(5)

2.2.2 Vi điều khiẻn PIC 18F4550

PIC18F4550 là một vi điều khiển đa chức năng và rẻ Nó là sản phẩm của họ vi xử

lý PIC thông dụng của công ty Microchip của Mỹ PIC 18F4550 là vi điều khiển 8bit có:

Hình 2.2 : Vi điều khiển PIC16F4550

256 Bytes, SRAM 2048 Bytes, FLASH 32 Kbytes

 Chạy: CPU chạy, thiết bị ngoại vi chạy

 Chờ: CPU tắt, thiết bị ngoại vi chạy

 Ngủ: CPU tắt, thiết bị ngoại vi tắt

 Thoát khỏi chế độ chờ trong 5.8 µs

 Thoát khỏi chế độ ngủ trong 0.1 µs

 4 module Timer ( Timer0 đến Timer3)

 Lên tới 2 Capture/Compare/PWM (CCP) module:

 Capture 16- bit, độ phân giải tối đa 5.2 ns

 Compare 16-bit, độ phân giải tối đa 83.3 ns

 Độ phân giải của PWM là 1 đến 10-bit

 Module Capture/Compare/PWM (ECCP) cải tiến:

 10- bit, lên tới 13 kênh ADC với khả năng lập trình thời gian nhận

 2 bộ so sánh Analog với ngõ vào đa hợp

Bảng 2.1 : So sánh bốn loại pic 18F:

Hình 2.3 : Cấu hình PIC18F4550

2.2.3 Sơ đồ chân PIC18F4550.

Để phù hợp với các yêu cầu của người dùng, PIC18F4550 có nhiều kiểu thiết kế

dạng như: 28-Pin PDIP; 40-Pin PDIP, 44-Pin TQFP, 44-Pin QFN Ở đây, chúng em lựa

chọn sử dụng loại 40-PIN PDIP vì dễ dàng mua được ở thị trường, giá cả rẻ và phù hợp

với mục đích của việc nghiên cứu

Hình 2.4 : Sơ đồ chân PIC18F4550

Chức năng một số chân chúng ta sử dụng của PIC18F4550:

Chân MCLR/Vpp/RE3:

 MCLR: ngõ vào reset tích cực mức thấp

 Vpp: ngõ vào nhận điện áp khi ghi dữ liệu vào bộ nhớ nội flash

 RE3: xuất/ nhập số - bit thứ 3 của PORT E

Chân RE0/AN5/CK1SPP:

 RE0: xuất/ nhập số - bit thứ 0 của PORT E

 AN5: Ngõ vào tương tự của kênh thứ 5

Chân VDD

Chân VSS

Chân OSC1/CLKI:

 OSC1: ngõ vào dao động thạch anh hoặc ngõ vào nguồn xung ở bên ngoài

Ngõ vào có mạch Schmitt Trigger nếu sử dụng dao động RC

 CLKI: ngõ vào nguồn xung bên ngoài

Chân OSC2/CLKO/RA6 :

 OSC2: ngõ ra dao động thạch anh Kết nối đến thạch anh hoặc bộ cộng

hưởng

 CLKO: ở chế độ RC, ngõ ra của OSC2, bằng ¼ tần số của OSC1 và chính

là tốc độ của chu kì lệnh

 RA6: xuất/nhập số - bit thứ 6 của PORT A

Chân RC1/T1OSI/CCP2/UOE

 RC1: xuất/nhập số - bit thứ 1 của PORT C

 T1OSI: ngõ vào của bộ dao động Timer1

 CCP2: ngõ vào Capture2, ngõ ra compare2, ngõ ra PWM2

Chân RC2/CCP1/P1A

 RC2: xuất/nhập số - bit thứ 2 của PORT C

 CCP1: ngõ vào Capture1, ngõ ra compare1, ngõ ra PWM1

Chân RD0/SPP0

 RD0: xuất/nhập số - bit thứ 0 của PORT D

 SPP0: dữ liệu port song song

Chân RD1/SPP1

 RD1: xuất/nhập số - bit thứ 1 của PORT D

 SPP1: dữ liệu port song song

Chân RD2/SPP2

 SPP2: dữ liệu port song song

Chân RC6/TX/CK:

 RC6: xuất/ nhập số - bit thứ 6 của PORT C

 TX: ngõ ra phát dữ liệu trong chế độ truyền bất đồng bộ UART

 CK: ngõ ra cấp xung clock trong chế độ truyền bất đồng bộ UART

Chân RC7/RX/DT/SDO:

 RC7: xuất/ nhập số - bit thứ 7 của PORT C

 RX: ngõ ra nhận dữ liệu trong chế độ truyền bất đồng bộ UART

 DT: ngõ phát và nhận dữ liệu ở chế độ truyền bất đồng bộ UART

 SDO: ngõ xuất dữ liệu trong truyền dữ liệu kiểu SPI

Chân RB3/AN9:

 RB3: xuất/ nhập số - bit thứ 3 của PORT B

 AN9: Ngõ vào tương tự của kênh thứ 9

2.2.4 Khối điều chế độ rộng xung PWM

Nguyên lý điều chế độ rộng xung là mạch tạo ra xung vuông có chu kỳ là hằng số

nhưng hệ số công tác (còn gọi là hệ số chu kỳ - duty cycle) có thể thay đổi được Sự thay

đổi của hệ số chu kỳ làm thay đổi điện áp trung bình hoặc dòng điện trung bình

Sự thay đổi điện áp hoặc dòng trung bình dùng để điều khiển các tải như động cơ

DC thì làm thay đổi tốc độ động cơ, điều khiển bóng đèn thì làm thay đổi cường độ sáng

của bóng đèn

Các dạng sóng điều chế độ rộng xung với các hệ số chu kì khác nhau như:

Hình 2.5 : Điều chế độ rộng xung với các hệ số chu kì khác nhau

Cho chu kỳ 10ms, ở cấp tốc độ 0 thì tín hiệu bằng 0 Điện áp hay dòng trung bình

sẽ bằng 0, nếu tín hiệu này điều khiển động cơ thì động cơ không quay

Ở cấp tốc độ 1 thì tín hiệu điều khiển ở mức 1 chỉ có 1ms, ở mức 0 là 9ms Giả sử

dòng tạo ra là 10mA khi ở mức 1 thì dòng trung bình là (10*1)/10 = 1mA Động cơ quay

chậm với dòng 1mA

Ở cấp tốc độ 5 thì tín hiệu điều khiển ở mức 1 chỉ có 5ms, ở mức 0 là 5ms Giả sử

dòng tạo ra là 10mA khi ở mức 1 thì dòng trung bình là (10*5)/10 = 5mA Động cơ quay

nhanh hơn với dòng 5mA

Ở cấp tốc độ 10 thì tín hiệu điều khiển ở mức 1 là 10ms, ở mức 0 là 0ms Giả sử

dòng tạo ra là 10mA khi ở mức 1 thì dòng trung bình là (10*10)/10 = 10mA Động cơ

quay nhanh nhất với dòng 10mA

Khi thay đổi hệ số chu kỳ thì chỉ thay đổi thời gian xung ở mức 1, còn chu kỳ thì

2.2.4.1 Cấu trúc khối điều chế độ rộng xung PWM

Hình 2.6 : Cấu trúc khối điều chế độ rộng xung PWM

Khối PWM gồm có 2 mạch so sánh: mạch so sánh 2 dữ liệu 8 bit nằm bên dưới và

mạch so sánh 2 dữ liệu 10 bit nằm bên trên

Ta xét RC2/CCP1 của PIC18F4550 Mạch so sánh 8bit sẽ so sánh giá trị đếm của

Timer2 với giá trị của thanh ghi PR2 (Period Register), giá trị trong Timer2 tăng từ giá trị

đặt trước cho đến khi bằng giá trị của PR2 thì mạch so sánh sẽ kích flipflop RS làm ngõ

ra RC2/CCP1 lên mức 1 Đồng thời nạp giá trị 10bit từ thanh ghi CCPR1L sang hanh ghi

Chu kỳ xung PWM của PIC 18F4550 được tính theo công thức:

PWM Period = [(PR2) + 1] *4 *TOSC *(TMR2 Prescale Value) (2.4)

Trong đó: TOSC là chu kỳ của tụ thạch anh dao động

TMR2 Prescale Value là giá trị chia trước của Timer2

Khi giá trị của Timer2 (TMR2) bằng giá trị của thanh ghi PR2 thì 3 sự kiện theo

sau sẽ xảy ra:

CCPx vẫn ở mức 0

2.2.4.3 Tính hệ số chu kỳ xung PWM

Hệ số chu kỳ được thiết lập bởi giá trị lưu trong thanh ghi 10 bit gồm thanh ghi 8

bit CCPRxL và 2 bit còn lại là bit thứ 4 và bit thứ 5 lưu ở trong thanh ghi CCPxCON -

kí hiệu là CCPxCON<5:4>

Giá trị của hệ số chu kỳ là 10 bit nên có thể thay đổi từ 0 tới đến 1023 tạo ra 1024

cấp giá trị điều khiển

Giá trị 10 bit thì 8 bit có trọng số lớn lưu trong thanh ghi CCPRxL và 2 bit còn lại

có trọng số thấp thì ở CCPxCON<5:4>

PWM Duty Cycle = (CCPRxL:CCPxCON<5:4>) *TOSC *(TMR2 Prescale Value) (6)

2.2.5 Ngắt của vi điều khiển PIC18F4550

Ngắt sử dụng trong vi xử lý hoặc vi điều khiển hoạt động như sau: vi xử lý hay vi

điều khiển luôn thực hiện một chương trình thường gọi là chương trình chính, khi có tác

động từ bên ngoài bằng phần cứng hay tác động từ bên trong làm cho vi xử lý ngừng thực

hiện chương trình chính để thực hiện một chương trình khác (còn gọi là chương trình

phục vụ ngắt ISR) và sau khi thực hiện xong vi xử lý trở lại thực hiện tiếp chương trình

2.2.6 Truyền/nhận dữ liệu UART

Truyền dữ liệu nối tiếp có nhiều tiện ích trong điều khiển nên hầu hết các vi điều

khiển đều kết hợp Có nhiều kiểu truyền dữ liệu phổ biến tích hợp trong các họ vi điều

Trong mô hình Robot, chúng ta lựa chọn truyền nối tiếp bất đồng bộ Ở kiểu

truyền nối tiếp bất đồng bộ thì có một đường phát dữ liệu và một đường nhận dữ liệu Để

truyền được dữ liệu thì cả bên phát và bên nhận phải có cùng tốc độ truyền dữ liệu(

baud), ví dụ: 2400 baud, 4800 baud, 9600 baud,… 2400 baud có nghĩa là truyền 2400

bit/giây

Vi điều khiển PIC 18F4550 có khối truyền dữ liệu đồng bộ, bất đồng bộ đa năng

cải tiến Khối truyền dữ liệu nối tiếp đa năng bao gồm bộ phát xung clock tạo tốc độ

truyền, các thanh ghi dịch và bộ đệm dữ liệu rất cần thiết để thực hiện truyền hoặc nhận

dữ liệu nối tiếp một cách độc lập

Để truyền dữ liệu từ Robot xuống máy tính theo chúng ta cần kết hợp với một thiết

bị chuyển đổi mức điện áp để tạo ra điện áp phù hợp giao tiếp giữa máy tính và chip Ở

máy tính, chuẩn RS232( hay COM) trên các máy tính cá nhân là sự kết hợp của chip

UART và chip chuyển đổi mức điện áp Tín hiệu từ chip UART thường theo mức TTL:

mức logic high là 5V, mức low là 0V Trong khi đó,tín hiệu theo chuẩn RS232 thường là

2.3 MỘT SỐ THIẾT BỊ NGOẠI VI KHÁC

2.3.1 Cảm biến ENCODER

Hình 2.7 : Encoder và bánh xe gắn cho encoder

Encoder mục đích dùng để quản lí vị trí góc của một đĩa quay, đĩa quay có thể là bánh xe,

trục động cơ, hoặc bất kì thiết bị quay nào cần xác định vị trí góc

Encoder được chia làm hai loại, absolute encoder và incremental encoder

Nguyên lý cơ bản của encoder, đó là một đĩa tròn xoay, quay quanh trục Trên đĩa có các

lỗ (rãnh) Khi đĩa quay, chỗ không có lỗ (rãnh), đèn led không chiếu xuyên qua được; chỗ

có lỗ (rãnh), đèn led sẽ chiếu xuyên qua Ở đây ta lựa chọn incremental encoder, nghĩa là

tín hiệu sẽ tăng lên một đơn vị khi một lần lên xuống của cạnh xung

Hình 2.8 : Hình mô phỏng cách đếm số xung từ encoder

Ngoài ra, encoder chúng ta có 2 dây tín hiệu sigA và sigB giúp chúng ta đọc được

số xung và chiều quay của encoder

Hình 2.9 : Xung từ hai kênh của encoder

Ta thấy rằng nếu như khi xung A đang từ mức cao xuống mức thấp, mà lúc đó B

đang ở mức thấp, thì ta sẽ xác định được chiều của encoder theo chiều ngược chiều mũi

tên Nếu A đang ở mức cao xuống mức thấp mà B đang ở mức cao, thì ta sẽ biết encoder

2.3.2 PICKit 2 FULL Program/Debug

PICKit 2 Programmer/ Debugger là một công cụ phát triển giá rẻ nhưng tính năng

và độ ổn định cao, dễ dàng để sử dụng để nạp và gỡ lỗi PIC Microcontrollers Flash

Ngoài ra còn có thể sử dụng như một thiết bị đầu cuối truyền dữ liệu với PC qua chức

năng UART Tool và Logic Tool Analyzer sử dụng software PICKit 2 hoặc MPLAB IDE

Có khả năng tự cập nhật Firmware khi có phiên bản mới Software và firmware sẵn có và

Hình 2.10 :Mạch nạp cho vi điều khiển PIC

2.3.3 PL2303 HX Cable

Như đã giới thiệu về truyền/nhận dữ liệu của PIC 18F4550 ta sử dụng PL2303

HX Cable để thực hiện chuyển đổi điện áp cho phù hợp:

Hình 2.11 : Cáp PL2303 HX

Cáp USB to TTL là thiết bị chuyển đổi rất lý tưởng sử dụng cho các máy tính

không có cổng COM Chỉ cần cắm qua cổng USB, ta sẽ có ngay cổng COM ảo (Virtual

COM port) và sử dụng giống như 1 cổng COM bình thường Để sử dụng chỉ cần

download driver PL2303, việc cuối cùng là cắm dây kết nối với thiết bị muốn truyền nhận

dữ liệu Trong đó: dây đỏ là 5V, dây đen là GND, dây trắng là RXD (nối với chân TXD

của vi điều khiển PIC 18F4550, chân PIN_C6) , dây xanh là TXD (nối với chân RXD của

vi điều khiển PIC 18F4550, chân PIN_C7)

Khi kết nối hãy chắc chắn rằng không để các dây RXD và TXD kết nối với các

2.3.4 Động cơ DC

Để cho một motor hoạt động, chúng ta cần đặt một điện áp 1 chiều vào nó, khi đó sẽ

có một dòng điện 1 chiều chạy qua nó và motor sẽ quay theo một chiều nào đó

Hình 2.12 : Điều khiển động cơ DC chạy thuận

Nếu chúng ta đổi chiều của điện áp 1 chiều này thì motor sẽ quay ngược lại

Hình 2.13 : Điều khiển động cơ DC chạy ngược

Chú ý : Điện áp V và dòng điện I không nên vượt quá giá trị định mức ghi trên

motor, nếu không motor sẽ bị hư Tuy nhiên nếu chúng ta đặt 1 điện áp thấp hơn điện áp

V và một dòng điện thấp hơn dòng điện I thì tốc độ và độ chịu tải của motor sẽ giảm theo

(10)

2.3.5 Relay OEG-OMI-SS-124L

Relay là loại khí cụ điện được điều khiển gián tiếp từ xa và thường có bộ bảo vệ

quá tải (overload) kèm theo, để tự động ngắt mạch tức thời, khi bị quá tải hoặc mạch tiêu

thụ bị chập mạch

Hình 2.14 : Relay loại 8 chân

Relay có 2 kênh có thể sử dụng để đảo chiều động cơ 1 cách dễ dàng, dòng ra và

2.3.6 OPTO PC817.

Opto hay còn gọi là cách ly quang là linh kiện tích hợp có cấu tạo gồm 1 led và 1

photo diot hay 1 photo transitor Được sử dụng để cách ly giữa các khối chênh lệch nhau

về điện hay công suất nhu khối có công suất nhỏ với khối điện áp lớn

Hình 2.15 : Opto PC817

250mW

Khi có dòng nhỏ di qua 2 đầu của led có trong opto làm cho led phát sáng Khi led

phát sáng làm thông 2 cực của photo diot, mở cho dòng điện chạy qua

Opto rất hay được sử dụng trong các hệ thống điện-điện tử công suất lớn dùng để

ngăn các xung điện áp cao hay các phần mạch điện công suất lớn có thể làm hư hỏng các

ngõ điều khiển công suất nhỏ trên một bo mạch Ngoài ra, Opto PC817 cũng dùng để

2.3.7 MOSFET IRF540N

Đây là 1 loại MOSFET công suất kênh N có tốc độ chuyển mạch nhanh (đến hàng

nano giây) nên có thể hoạt động ở chế độ đóng ngắt liên tục Ngoài ra, IRF540 còn tiện

dụng ở chỗ dễ ghép nối song song, các yêu cầu điều khiển đơn giản IRF540 thích hợp sử

dụng trong các ứng dụng: đóng mở thường xuyên, điều khiển động cơ DC bằng phương

pháp PWM, điều khiển relay

IRF540 có khả năng chịu dòng cao (Dòng ID liên tục có thể lên tới 28A), trong khi

công suất điều khiển cực cổng thấp IRF540 có tổng trở vào cao

Bảng 2.2 Một thông số kỹ thuật của IRF540 (13)

A

Kết nối : USB2.0, USB

2.3.9 Cảm biến siêu âm SRF005

Hình 2.18 : Cảm biến siêu âm SRF005

Sóng siêu âm (sonar) là một loại sóng cao tần mà con người không thể nghe thấy

được Tuy nhiên, ta có thể thấy được sự hiện diện của sóng siêu âm ở khắp mọi nơi trong

tự nhiên Ta có các loài động vật như dơi, cá heo dùng sóng siêu âm để liên lạc với

nhau, để săn mồi hay định vị trong không gian

Dựa trên việc quan sát hoạt động của chúng, ta thấy được nguyên tắc mà các loài

vật sử dụng sóng âm để định vị rất đơn giản, có thể tóm gọn trong 3 bước sau:

quanh được tính ra

Chức năng của các chân này như sau:

điện cao / thấp diễn ra

hiệu trả về, sau đó trở về 0V