Đồ án robot tự hành vận chuyển hành lí

Xe tự hành vận chuyển hành lí đa tầng ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI TRƯỜNG CƠ KHÍ KHOA CƠ ĐIỆN TỬ BÁO CÁO THỰC TẬP TỐT NGHIỆP ĐỀ TÀI XE TỰ HÀNH VẬN CHUYỂN HÀNH LÍ ĐA TẦNG Giảng viên hướng dẫn TS Trương Côn[.]

ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI TRƯỜNG CƠ KHÍ KHOA CƠ ĐIỆN TỬ BÁO CÁO THỰC TẬP TỐT NGHIỆP ĐỀ TÀI: XE TỰ HÀNH VẬN CHUYỂN HÀNH LÍ ĐA TẦNG Giảng viên hướng dẫn: TS Trương Công Tuấn Sinh viên thực Trần Trí Phong Nguyễn Đức Thắng Lê Tăng Trường Đào Duy Tùng Lớp: Khóa: CK.CĐT.02 K62 MSSV: 20170855 MSSV: 20170905 MSSV: 20170961 MSSV: 20170985 Chữ ký GVHD: Hà Nội, 03/2022 BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO CỘNG HÒA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI Độc lập – Tự – Hạnh phúc NHIỆM VỤ THỰC TẬP TỐT NGHIỆP Sinh viên thực Trần Trí Phong Nguyễn Đức Thắng Lê Tăng Trường Đào Duy Tùng MSSV: 20170855 MSSV: 20170905 MSSV: 20170961 MSSV: 20170985 Lớp: CK.CĐT.02 Khóa: K62 I/ ĐỀ TÀI THIẾT KẾ “XE TỰ HÀNH VẬN CHUYỂN HÀNH LÍ ĐA TẦNG” II/ CÁC SỐ LIỆU BAN ĐẦU - Không gian hoạt động: Khách sạn - Vận tốc di chuyển: ~ 0.5m/s - Khối lượng hành lí: 10 kg - Có thể tự tạo đồ lập kế hoạch đường - Có thể thao tác qua giao diện giọng nói III/ NỘI DUNG THUYẾT MÌNH VÀ TÍNH TỐN - Gồm chương (130 trang): + Chương 1: Tổng quan đề tài + Chương 2: Thiết kế mơ hình xe + Chương 3: Thiết kế hệ thống điều khiển + Chương 4: Kiểm nghiệm thực tế + Chương 5: Kết luận IV/ CÁC BẢN VẼ VÀ THUẬT TOÁN - Bản vẽ khí xe, vẽ mạch điện, vẽ thuật tốn - Thuật toán sử dung: Lập đồ, điều hướng, phát bám đối tượng V/ CÁN BỘ HƯỚNG DẪN: TS Trương Công Tuấn VI/ NGÀY GIAO NHIỆM VỤ THIẾT KẾ: 25/09/2021 VII/ NGÀY HOÀN THÀNH ĐỒ ÁN: 03/03/2022 VIII/ ĐỊA ĐIỂM THỰC TẬP: Phịng thí nghiệm 809, thư viện Tạ Quang Bửu Hà Nội, Ngày Tháng Năm 2022 Giảng viên hướng dẫn ĐÁNH GIÁ CỦA GIẢNG VIÊN HƯỚNG DẪN …………………………………………………………………………………………… …………………………………………………………………………………………… …………………………………………………………………………………………… …………………………………………………………………………………………… …………………………………………………………………………………………… …………………………………………………………………………………………… …………………………………………………………………………………………… …………………………………………………………………………………………… …………………………………………………………………………………………… …………………………………………………………………………………………… …………………………………………………………………………………………… …………………………………………………………………………………………… …………………………………………………………………………………………… …………………………………………………………………………………………… …………………………………………………………………………………………… …………………………………………………………………………………………… …………………………………………………………………………………………… …………………………………………………………………………………………… …………………………………………………………………………………………… …………………………………………………………………………………………… …………………………………………………………………………………………… …………………………………………………………………………………………… …………………………………………………………………………………………… …………………………………………………………………………………………… …………………………………………………………………………………………… …………………………………………………………………………………………… …………………………………………………………………………………………… …………………………………………………………………………………………… KẾT QUẢ ĐÁNH GIÁ Họ tên Trần Trí Phong Nguyễn Đức Thắng Lê Tăng Trường Đào Duy Tùng Hà Nội, Ngày tháng năm 2022 Giảng viên hướng dẫn Điểm ĐÁNH GIÁ CỦA GIẢNG VIÊN PHẢN BIỆN …………………………………………………………………………………………… …………………………………………………………………………………………… …………………………………………………………………………………………… …………………………………………………………………………………………… …………………………………………………………………………………………… …………………………………………………………………………………………… …………………………………………………………………………………………… …………………………………………………………………………………………… …………………………………………………………………………………………… …………………………………………………………………………………………… …………………………………………………………………………………………… …………………………………………………………………………………………… …………………………………………………………………………………………… …………………………………………………………………………………………… …………………………………………………………………………………………… …………………………………………………………………………………………… …………………………………………………………………………………………… …………………………………………………………………………………………… …………………………………………………………………………………………… …………………………………………………………………………………………… …………………………………………………………………………………………… …………………………………………………………………………………………… …………………………………………………………………………………………… …………………………………………………………………………………………… …………………………………………………………………………………………… …………………………………………………………………………………………… …………………………………………………………………………………………… …………………………………………………………………………………………… …………………………………………………………………………………………… KẾT QUẢ ĐÁNH GIÁ Họ tên Trần Trí Phong Nguyễn Đức Thắng Lê Tăng Trường Đào Duy Tùng Hà Nội, Ngày tháng năm 2022 Giảng viên phản biện Điểm TTTN:Xe tự hành vận chuyển hành lí đa tầng MỤC LỤC CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN ĐỀ TÀI 15 1.1 Giới thiệu 15 1.2 Tổng quan Robot 15 1.2.1 Tổng quan Robot 15 1.2.2 Automated Guided Vehicle (AGV) 17 1.3 Đặt vấn đề 19 1.3.1 Đặt vấn đề 19 1.3.2 Thao khảo mẫu AGV bật 21 1.3.3 Kết luận 22 1.4 Đề xuất thiết kế mơ hình 22 1.4.1 Nhiệm vụ robot 22 1.4.2 Đề xuất thiết kế 23 1.5 Nguyên lí hoạt động robot 24 1.6 Tổng kết 25 CHƯƠNG 2: THIẾT KẾ MƠ HÌNH XE 26 2.1 Giới thiệu 26 2.2 Yêu cầu kỹ thuật với xe 26 2.2.1 Đặt vấn đề 26 2.2.2 Yêu cầu kĩ thuật 26 2.3 Phân tích thiết kế hệ thống dẫn hướng 27 2.3.1 Phân tích lựa chọn phương thức dẫn hướng 27 2.3.2 Phân tích lựa chọn hệ thống dẫn động 27 2.3.3 Kết luận 29 2.4 Tính tốn thiết kế lựa chọn hệ thống khí 29 2.4.1 Tính tốn lựa chọn động 29 2.4.2 Thiết kế khí 33 2.5 Tính tốn thiết kế lựa chọn mo đun cho hệ thống 41 2.5.1 Sơ đồ khối hệ thống xe tự hành 41 2.5.2 Phân tích lựa chọn thành phần hệ thống 42 GVHD: TS Trương Công Tuấn TTTN:Xe tự hành vận chuyển hành lí đa tầng 2.6 Tổng kết 62 CHƯƠNG 3: THIẾT KẾ HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN 63 3.1 Thiết kệ điều khiển cho động 63 3.1.1 Thiết kế điều khiển PID 63 3.1.2 Robot Operation System (ROS) 68 3.1.3 Giao tiếp Jetson Nano STM32 75 3.2 Các thuật toán áp dung 78 3.2.1 Thuật toán quét tạo dựng đồ (SLAM) 78 3.2.2 Định vị robot đồ 88 3.2.3 Tìm đường đến đích 94 3.2.4 Thuật toán bám đối tượng 106 3.2.5 Thuật tốn nhận dạng giọng nói 111 CHƯƠNG 4: KIỂM NGHIỆM THỰC TẾ 115 4.1 Tổng quan hệ thống 115 4.2 Tạo đồ ROS 117 4.3 Định vị robot đồ 118 4.4 Điều hướng xe 119 4.5 Bám đối tượng quét đồ 121 4.6 Quét mã QR code 122 4.7 Giao diện điều khiển hệ thống 123 4.8 Vận chuyển hành lí đa tầng 124 CHƯƠNG 5: KẾT LUẬN 129 GVHD: TS Trương Công Tuấn TTTN:Xe tự hành vận chuyển hành lí đa tầng DANH MỤC HÌNH ẢNH Hình 1.1: Robot Pepper 15 Hình 1.2: Robot lau nhà Xiaomi 16 Hình 1.3: Robot y tế Vibot 16 Hình 1.4: Robot cứu hộ NASA 17 Hình 1.5: Robot AGV sử dụng nhà máy 18 Hình 1.6: Nhu cầu sử dụng AGV toàn giới từ 2019 đến 2026 19 Hình 1.7: Robot vận chuyển hành lí khách sạn Shelton Los Angeles 20 Hình 1.8: Robot vận chuyển hành lí khách sạn Nhật Bản 20 Hình 1.9: Segway Delivery Robotic S2 21 Hình 1.10: Robot vận chuyển hành lí từ kho 23 Hình 1.11: Robot vận chuyển hành lí khách sạn Trung Quốc 23 Hình 1.12: Robot vận chuyển hành lí khách sạn Úc 24 Hình 1.13: Sơ đồ nguyên lí mạch điều khiển robot 24 Hình 2.1: Di chuyển theo kiểu Uni-directional AGC 27 Hình 2.2: Di chuyển theo kiểu Bidirectional AGC 28 Hình 2.3: Di chuyển theo kiểu Bidirectional – Rotational AGC 28 Hình 2.4: Di chuyển theo kiểu Omnidirectional AGC 29 Hình 2.5: Động Cơ DC Servo JGB37-545 12VDC 31 Hình 2.6: Kích thước bên động 32 Hình 2.7: Các chân đầu nối encoder 32 Hình 2.8: Mơ hình xe Solidworks 34 Hình 2.9: Khung xe 35 Hình 2.10: Phần vỏ bao quanh xe 36 Hình 2.11: Vật liệu Mica 37 Hình 2.12: Bánh xe chủ động 37 Hình 2.13: Bánh xe bị động 38 Hình 2.14: Mơ hình thực tế xe 39 Hình 2.15: Hình chiếu đứng 40 Hình 2.16: Hình chiếu 40 Hình 2.17: Hình chiếu cạnh 41 Hình 2.18: Sơ đồ khối hệ thống 41 Hình 2.19: Raspberry PI Jetson Nano 42 Hình 2.20: Jetson Nano Developer Kit 43 Hình 2.21: Kit STM32F407VET6 45 Hình 2.22: RP Lidar A2 46 Hình 2.23: Realsense Depth Camera 47 GVHD: TS Trương Công Tuấn TTTN:Xe tự hành vận chuyển hành lí đa tầng Hình 2.24: HR- SR04 50 Hình 2.25: Encoder từ trường 51 Hình 2.26: USB soundcard Waveshare 52 Hình 2.27: Cấu tạo USB Soundcard Waveshare 53 Hình 2.28: Cơng Tắc Hành Trình TIAIHUA 1A 125VAC 54 Hình 2.29: MPU 6050 55 Hình 2.30: Mạch L298 56 Hình 2.31: Module Relay Kích H/L 5VDC 57 Hình 2.32: Khóa từ LY-03 59 Hình 2.33: Kích thước khóa từ LY-03 60 Hình 2.34: Loa Ohm 5W 61 Hình 2.35: Ắc quy khơ Yamato 6-DZF-30 61 Hình 3.1: Động JGB37-545 63 Hình 3.2: Quan hệ đầu đầu vào 64 Hình 3.3: Hàm truyền nhận dạng chất lượng hàm truyền 65 Hình 3.4: Bộ điều khiển PID 66 Hình 3.5: Giải thuật PID chương trình 67 Hình 3.6: Hệ thống ROS –[2] 68 Hình 3.7: Sự tương tác node ROS –[2] 69 Hình 3.8: Các giá trị vận tốc robot 70 Hình 3.9: Cập nhật vị trí robot 72 Hình 3.10: Vector vị trí robot 73 Hình 3.11: Bản đồ mơi trường quản lí Map Server 73 Hình 3.12: Các hệ tọa độ trực quan hóa RVIZ 74 Hình 3.13: Chuẩn giao tiếp UART 75 Hình 3.14: Bộ UART kit STM32F407VE 76 Hình 3.15: Thiết lập CubeMX 76 Hình 3.16: Các chân cắm Jetson Nano 77 Hình 3.17: Xe AGV sử dụng cơng nghệ SLAM 78 Hình 3.18: Thuật toán vẽ đồ Hector SLAM 81 Hình 3.19: 360 điểm tương ứng với 360 độ quét 82 Hình 3.20: Quá trình tiền xử lí đưa đồ lưới 82 Hình 3.21: Quá trình Scan Matching 83 Hình 3.22: Bản đồ hồn chỉnh xây dựng 83 Hình 3.23: Một điểm lưới 2D 84 Hình 3.24: Bản đồ lướii chiếm dụng dẫn xuất không gian 85 Hình 3.25: Các đồ bị chồng lên trình xoay Lidar 85 GVHD: TS Trương Công Tuấn TTTN:Xe tự hành vận chuyển hành lí đa tầng Hình 3.26: Dữ liệu Laser không khớp với đồ 86 Hình 3.27: Dữ liệu Laser khớp với đồ 86 Hình 3.28: Tóm tắt q trình lập đồ Hector SLAM 88 Hình 3.29: Trạng thái robot theo mơ hình xác suất 89 Hình 3.30: Robot tự định vị với thuật tốn AMCL 92 Hình 3.31: Thuật tốn Dijkstra hệ thống tìm đường 94 Hình 3.32: Tóm tắt giải thuật Dijkstra 95 Hình 3.33: Graph mẫu 96 Hình 3.34: Node A node source 96 Hình 3.35: Xét node C source node 96 Hình 3.36: Xét node D source node 97 Hình 3.37: Node B source node 97 Hình 3.38: Node F source node 98 Hình 3.39: Node E source node 98 Hình 3.40: Quá trình tìm đường đồ lưới (grid map) 100 Hình 3.41: Tìm đường thực tế 101 Hình 3.42: Vận tốc cho phép Va DWA– [9] 103 Hình 3.43: Vận tốc cho phép Vd DWA – [9] 103 Hình 3.44: Ví dụ góc 𝜃 vị trí dự đốn robot [9] 104 Hình 3.45: Lưu đồ thuật tốn DWA 105 Hình 3.46: Cách phối màu mơ hình RGB 107 Hình 3.47: Mơ hình màu HSV 109 Hình 3.48: Thuật toán bám đối tượng 111 Hình 3.49: HMM trạng thái – [10] 112 Hình 3.50: Biến đổi tín hiệu âm sang tín hiệu số - [10] 113 Hình 3.51: a) Tín hiệu tương tự b) Tín hiệu số -[10] 113 Hình 3.52: Rút trích đặc trưng tiếng nói –[10] 113 Hình 3.53: Mơ hình nhận dạng giọng nói HMM – [10] 114 Hình 4.1: Sơ đồ tổng quan node ROS 116 Hình 4.2: Khơng gian thực 117 Hình 4.3: Khi khởi chạy Lidar quét 117 Hình 4.4: Bản đồ sau quét xong 118 Hình 4.5: Sử dụng lọc AMCL định vị robot 119 Hình 4.6: Cấu hình gói Navigation – [11] 119 Hình 4.7: Costmap 2D tích hợp đồ 120 Hình 4.8: Robot di chuyển 120 Hình 4.9: Robot tới đích 121 GVHD: TS Trương Công Tuấn TTTN:Xe tự hành vận chuyển hành lí đa tầng Hình 4.10: Xe nhận diện màu xanh vàng màu bám theo 121 Hình 4.11: Thơng tin giao diện gửi hệ thống 122 Hình 4.12: Qt mã xác 123 Hình 4.13: Giao diện điều khiển hệ thống 123 Hình 4.14: Tịa nhà mô 124 Hình 4.15: Thang máy mở cửa xe hàng đến 125 Hình 4.16: Xe di chuyển vào thang máy Rviz 125 Hình 4.17: Thang máy vận chuyển xe lên tầng 126 Hình 4.18: Thang máy mở cửa để xe di chuyên 126 Hình 4.19: Xe di chuyển đến phịng đặt tọa độ sẵn 127 Hình 4.20: Mơ qua Rviz tương ứng 127 Hình 4.21: Lưu đồ xe tự hành 128 GVHD: TS Trương Công Tuấn 10