Thiết kế và chế tạo thiết bị tự động thu gom bóng tennis đồ án tốt nghiệp khoa đào tạo chất lượng cao ngành công nghệ kỹ thuật cơ điện tử

MỤC LỤC NHIỆM VỤ ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP BẢNG NHẬN XÉT CỦA GIÁO VIÊN HƯỚNG DẪN BẢNG NHẬN XÉT CỦA GIÁO VIÊN PHẢN BIỆN LỜI CẢM ƠN … …………………………………………………………………… i TÓM TẮT … ………………………………………………………………………….ii ABSTRACT … ……………………………………………………………………….iii MỤC LỤC … …………………………………………………………………………iv DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT……………………………… ……………… viii DANH MỤC BẢNG ………………………………………………………………… ix DANH MỤC HÌNH ẢNH ………………………………………………………… x CHƯƠNG 1: GIỚI THIỆU 1.1 Động lực nghiên cứu 1.2 Yêu cầu thiết bị 1.2.1 Yêu cầu đầu vào 1.2.2 Yêu cầu đầu 1.3 Cách làm việc trước CHƯƠNG 2: TÀI LIỆU TỔNG QUAN 2.1 Phân tích học 2.1.1 Cơ chế nhặt bóng 2.1.1.1 Phương pháp mái chèo .8 2.1.1.2 Phương pháp Velcro 2.1.1.3 Bánh xe thu thập bóng 2.1.1.4 Tomohopper 10 2.1.1.5 Chọn chế 10 2.1.2 Mô tả chế 11 2.2 Phân tích phần mềm 11 2.2.1 Hoạt động robot phóng thu gom bóng tennis tự động 11 iv 2.2.2 Sơ đồ khối hệ thống 12 2.2.3 Lựa chọn thuộc tính thơng số 13 2.2.4 Kĩ thuật xử lý hình ảnh 13 2.2.4.1 Bộ lọc hình ảnh 13 2.2.4.2 Phát cạnh 13 2.2.5 Nhận dạng đối tượng 14 2.2.6 Định vị vị trí đối tượng 15 2.2.7 Hệ thống thu nhận hình ảnh 15 2.2.8 Đặt ngưỡng hình ảnh 15 2.2.9 Tìm thuộc tính vùng đối tượng 15 2.2.10 Tổng quan chương trình 15 2.3 Mô tả thành phần 16 2.3.1 Vỏ 16 2.3.2 Động DC Servo 17 2.3.3 Máy ảnh Raspberry Pi 18 2.3.4 Ắc quy axit-chì 19 2.3.5 Arduino Mega 18 2.3.6 Raspberry Pi 19 2.3.7 Mạch điều khiển động Servo 200W 20 2.3.8 Mạch giảm áp DC – DC Buck 5V 3A Dual Charge Module 21 2.3.9 Động phóng bóng 24 2.3.10 Mạch điều khiển động .25 2.3.11 Bánh xe đa hướng 24 CHƯƠNG 3: THIẾT KẾ VÀ THI CÔNG 26 3.1 Sơ đồ khối 26 3.1.1 Danh sách khối 26 3.1.2 Sơ đồ khối .28 3.2 Mô tả vận hành 28 3.3 Thiết kế phần cứng 29 v 3.3.1 Tính tốn lựa chọn .29 3.3.1.1 Lực công suất 29 3.3.1.2 Tính tốn lựa chọn động DC Servo 30 3.3.1.3 Tính tốn lựa chọn động phóng bóng 31 3.3.2 Bản vẽ nháp 32 3.3.3 Bản vẽ CAD 33 3.3.3.1 Thiết kế hệ thống truyền động .34 3.3.3.2 Thiết kế định hướng thu gom bóng tennis 35 3.3.4 Danh sách phận 36 3.3.5 Thi công 39 3.4 Thiết kế hệ thống điện 45 3.4.1 Sơ đồ khối 45 3.4.2 Bản vẽ điện .46 3.5 Thiết kế điều khiển 47 3.5.1 Lưu đồ 47 3.5.2 Giải thích lưu đồ .47 3.5.3 Mơ hình động học hệ thống .48 3.5.4 Xử lý hình ảnh 50 CHƯƠNG 4: KẾT QUẢ VÀ THỰC NGHIỆM 52 4.1 Kiểm nghiệm thiết kế 52 4.1.1 Khảo sát nhu cầu 52 4.1.2 Số liệu .53 4.1.3 Mối liên hệ nhu cầu số liệu 54 4.1.4 Thông số kĩ thuật máy 56 4.1.5 Kiểm nghiệm độ bền 56 4.1.5.1 Kiểm nghiệm độ bền trục động Servo 56 4.1.5.2 Kiểm nghiệm độ bền trục động phóng bóng 57 4.1.6 Phương pháp thực nghiệm 58 4.2 Thực nghiệm 59 vi 4.2.1 Kiểm tra tĩnh 60 4.2.1.1 Thiết kế khí 60 4.2.1.2 Thiết kế điện 60 4.2.2 Kiểm tra động: 61 4.2.2.1 Kiểm tra toàn khối 61 4.2.2.2 Kiểm tra chức 67 4.2.2.3 Kiểm tra lúc không tải 73 4.2.2.4 Kiểm tra toàn tải 74 4.3 Phân tích 75 CHƯƠNG 5: KẾT LUẬN 77 5.1 Kết đạt 77 5.2 Các vấn đề cần quan tâm 78 5.3 Các lĩnh vực nghiên cứu thêm 78 TÀI LIỆU THAM KHẢO 79 vii DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT AC : Alternating current DC : Direct current CNC : Computer Numerical Control UART : Universal asynchronous receiver-transmitter IC : Integrated circuit GPIO : General purpose input output PID : Proportional integral derivative PWM : Pulse width modulation viii DANH MỤC BẢNG Bảng 1.1: Bảng đánh giá phương pháp Bảng 2.1: Thông số kĩ thuật động DC Servo 16 Bảng 2.2: Thơng số kĩ thuật ắc quy axit-chì 19 Bảng 2.3: Thông số kĩ thuật Arduino Mega 2560 20 Bảng 2.4: Thông số kĩ thuật động phóng bóng 24 Bảng 2.5: Thông số kĩ thuật L298 23 Bảng 3.1: Danh sách phận 36 Bảng 4.1: Nhu cầu 53 Bảng 4.2: Số liệu 54 Bảng 4.3: Mối liên hệ nhu cầu số liệu 54 Bảng 4.4: Thông số kĩ thuật robot 56 Bảng 4.5: Phương pháp thực nghiệm 58 Bảng 4.6: Số liệu kiểm tra tĩnh 60 Bảng 4.7: Số liệu kiểm tra động 61 Bảng 4.8: Số liệu thử nghiệm định hướng bóng 62 Bảng 4.9: Số liệu kiểm tra việc thu gom bóng 63 Bảng 4.10: Số liệu kiểm tra di chuyển robot tới bóng 64 Bảng 4.11: Số liệu kiểm tra di chuyển robot sân 65 Bảng 4.12: Số liệu kiểm tra độ ổn định hộp đựng bóng 66 Bảng 4.13: Kết hệ thống nhận dạng bóng 73 Bảng 4.14: Kết kiểm tra tải tự .74 Bảng 4.15: Kiểm tra toàn tải 75 ix DANH MỤC HÌNH ẢNH Hình 1.1: Thu gom bóng tay người điều khiển Hình 1.2: Sân quần vợt tăng cường Hình 2.1: Phương pháp mái chèo Hình 2.2: Phương pháp Velcro Hình 2.3: Bánh xe thu thập bóng Hình 2.4: Tomohopper 10 Hình 2.5: Lưu đồ phân đoạn hình ảnh 12 Hình 2.6: Nhơm định hình 17 Hình 2.7: Động DC Servo 18 Hình 2.8: Raspberry Pi Camera 17 Hình 2.9: Ắc quy axit-chì 12V 19 Hình 2.10: Arduino Mega 2560 20 Hình 2.11: Raspberry Pi .21 Hình 2.12: Mạch điều khiển động Servo 200W 23 Hình 2.13: Mạch giảm áp DC – DC Buck 5V 3A Dual Charge Module 23 Hình 2.14: Động phóng bóng .24 Hình 2.15: L298 25 Hình 2.16: Bánh xe đa hướng 25 Hình 3.1: Sơ đồ khối 28 Hình 3.2: Phân tích động lực robot 29 Hình 3.3: Động DC servo 30 Hình 3.4: Phân tích lực tốc độ bắn bóng 30 Hình 3.5: Động phóng bóng .31 Hình 3.6: Bản vẽ nháp  32 Hình 3.7: Bản vẽ CAD 33 Hình 3.8: Bản vẽ tháo rời 33 Hình 3.9: Cơ cấu truyền động .34 Hình 3.10: Cơ cấu truyền động thứ cấp 34 Hình 3.11: Cơ chế định hướng bóng .35 Hình 3.12: Cơ chế thu gom bóng 35 Hình 3.13: Khớp chìm .39 Hình 3.14: Khớp 40 Hình 3.15: Bánh xe đa hướng lớn 40 Hình 3.16: Mặt sau robot 41 x Hình 3.17: Lắp ráp động DC Servo 41 Hình 3.18: Lắp ráp chế nhặt bóng 42 Hình 3.19: Hoàn thành phần đầu robot 42 Hình 3.20: Lắp ráp định hướng bóng 43 Hình 3.21: Hộp chứa bóng tennis 43 Hình 3.22: Hồn thiện robot 44 Hình 3.23: Sơ đồ khối 45 Hình 3.24: Bản vẽ điện 46 Hình 3.25: Lưu đồ 47 Hình 3.26: Biểu diễn vi sai hai bánh dẫn động robot theo thông số động học 49 Hình 3.27: Vị trí góc bóng 51 Hình 4.1: Phân tích ứng suất uốn trục động Servo 57 Hình 4.2: Phân tích ứng suất uốn trục động phóng bóng 58 Hình 4.3: Kết phát cạnh Prewitt phát cạnh Canny .67 Hình 4.4: Kết phép biến đổi Hough 68 Hình 4.5: Mặt phẳng màu trích xuất từ hình ảnh gốc 69 Hình 4.6: Kết hình ảnh mặt phẳng màu vàng với giá trị ngưỡng khác 70 Hình 4.7: Một nhược điểm khác phân đoạn màu .71 Hình 4.8: Kết hoạt động vùng giới hạn .72 Hình 4.9: Kết hoạt động độ lệch tâm 73 Hình 4.10: Dụng cụ nhặt bóng chạm đất 75 Hình 4.11: Kết bóng phát 76 Hình 4.12: Khu vực bóng 76 xi CHƯƠNG 1: GIỚI THIỆU NỘI DUNG: + 1.1 Động lực nghiên cứu + 1.2 Yêu cầu thiết bị  1.2.1 Yêu cầu đầu vào  1.2.2 Yêu cầu đầu + 1.3 Cách làm việc trước 1.1 Động lực nghiên cứu Các trận đấu quần vợt chuyên nghiệp kéo dài tới giờ, thường có 10 phút nghỉ hiệp Nhu cầu tập luyện cho trận đấu sức bền trở nên khó khăn khơng có bạn tập có đủ kỹ Trong nhiều thập kỷ qua, người chơi quần vợt sử dụng máy phóng bóng tennis tự động để tập luyện mà không cần bạn tập Thử nghiệm kết luận rằng: máy đánh bóng tự động chứa 100 bóng tennis tung với tốc độ trung bình 10 bóng sau 29 giây Do đó, tổng thời gian mà máy đánh bóng tennis trung bình tồn mà khơng cần nạp lại 290 giây Do đó, thời gian tối đa mà vận động viên quần vợt chơi với máy đánh bóng tự động phút 50 giây Sau đó, người chơi phải dừng tất chơi thu thập tất bóng xung quanh sân quần vợt cách sử dụng rổ xếp hàng dưới, quy trình tiêu chuẩn quần vợt Đây cơng việc phí thể chất, thường bị người chơi quần vợt đam mê xem thường Có thể xác định người chơi hai phút để nhặt hết số bóng sau sử dụng hết cơng suất máy đánh bóng tennis Do đó, người ta xác định sử dụng cơng nghệ tại, người chơi dành ~ 35% tổng thời gian để thu thập bóng tennis tập luyện Đây tỷ lệ lớn thời gian cần giảm bớt để thực mô trận đấu quần vợt 1.2 Yêu cầu thiết bị 1.2.1 Yêu cầu đầu vào Giải pháp đóng vai trị công cụ để cải thiện trải nghiệm luyện tập cách thu thập bóng lạc môi trường luyện tập thông thường trả lại cho người dùng vị trí mong muốn Hệ thống phải tương đối di động giải nhu cầu yêu cầu thu thập thủ công bóng lạc sau buổi tập Các ràng buộc sau thể yêu cầu nghiêm ngặt mà giải pháp tiềm phải đạt được: - Giải pháp phải giảm thời gian chết huấn luyện quần vợt - Giải pháp phải chạy nguồn bên (pin bo mạch) - Giải pháp phải có khả đưa bóng quần vợt đứng yên trở lại thiết bị phóng - Giải pháp không bị phá hủy bị đánh trả lại bóng tennis 1.2.2 Yêu cầu đầu Các mục tiêu sau điều chỉnh từ mục tiêu đề tài Các mục tiêu đại diện cho mục tiêu mà thiết kế cuối đạt cách tốt nhất: - Giảm 75% thời gian chết thiết bị - Giải pháp có tính di động phù hợp - mà khơng cần nguồn điện bên ngồi - Tỷ lệ thu hồi bóng > 80% - Độ bền - Có thể bị đánh bóng tennis 1.3 Cách làm việc trước Năm giải pháp tiềm xem xét để nghiên cứu:  Thu gom bóng tay người điều khiển CÔNG Robot di chuyển nhẹ nhàng không bám vào sân góc 75% Khơng có lỗi Robot di chuyển nhẹ nhàng khơng bám vào sân góc 75% Khơng có lỗi Robot di chuyển nhẹ nhàng khơng bám vào sân góc 75% Khơng có lỗi Robot di chuyển nhẹ nhàng khơng bám vào sân góc 75% Khơng có lỗi Robot di chuyển nhẹ nhàng không bám vào sân góc 75% Khơng có lỗi Bảng 4.11: Số liệu kiểm tra di chuyển Robot sân  Khối chứa Khối chứa phần sau robot, cần phải làm phẳng, thử độ cứng mặt sau nhằm kiểm tra tỷ lệ nhặt bóng hộp Nhóm thực kiểm tra lần, kiểm tra 30 bóng tennis 66 LẦN THỬ NGHIỆM KẾT QUẢ TỈ LỆ THÀNH CÔNG LỖI Khung sau robot ổn định q trình chọn 100% Khơng có lỗi Khung sau robot ổn định trình chọn 100% Khơng có lỗi Khung sau robot ổn định q trình chọn 100% Khơng có lỗi Khung sau robot ổn định trình chọn 100% Khơng có lỗi Khung sau robot ổn định q trình chọn 100% Khơng có lỗi NGUN NHÂN Bảng 4.12: Số liệu kiểm tra độ ổn định hộp đựng bóng Sau hồn thành kiểm tra khối, Nhóm chuyển sang kiểm tra chức để kiểm tra tồn hoạt động robot khơng chứa bóng (khơng tải trọng) áp dụng điều kiện vào robot để kiểm tra độ bền độ tin cậy robot khối liệt kê hoạt động Việc kiểm tra cho biết liệu máy tạo kết mong đợi hay không, chất lượng sản phẩm, điện tiêu thụ hoạt động hệ thống điều khiển 67 4.2.2.2 Kiểm tra chức  Phép biến đổi Phương pháp biến đổi Hough phân đoạn màu thử nghiệm với vài hình ảnh mẫu lấy từ sân quần vợt cách máy ảnh xem hình ảnh thời gian thực Quá trình xử lý trước phép biến đổi Hough yêu cầu phần rìa hình ảnh phải trích xuất So sánh số hình ảnh mẫu thể hình 4.3, 4.4 4.5 Các mẫu xử lý với thơng số dị cạnh khơng đổi, ngưỡng 42 ngưỡng xác 36 để hiển thị kết xử lý trước tình khác Các thông số thiết lập dựa thử nghiệm sai sót Ảnh gốc Ảnh xám Xử lý ảnh (Prewitt) Xử lý ảnh (Canny) Hình 4.3: Kết phát cạnh Prewitt phát cạnh Canny 68 Phát cạnh Canny phát cạnh chi tiết phát cạnh Prewitt Cạnh bóng tennis trích xuất thành cơng cách sử dụng hai máy dò cạnh Kết cho thấy hai máy dị cạnh khơng có khả lọc bỏ nhiễu khu vực cạnh có màu tương tự Từ ảnh thang độ xám, thấy phần cỏ hàng rào chồng lên có góc cạnh yếu  Kết phép biến đổi Hough Hình 4.4: Kết phép biến đổi Hough Mơ thực với kết từ phát cạnh Canny hình quan sát thấy phép biến đổi Hough khơng phát bóng tennis nhầm vật thể khác hình trịn Một lý đường viền hình ảnh khơng đủ tốt để tách bóng tennis thành hình trịn đầy đủ Phép biến đổi Hough khơng thể phát vòng kết nối tính phát cạnh Prewitt Từ mơ thảo luận, khẳng định phép biến đổi Hough phương pháp muốn sử dụng để đáp ứng mục tiêu Đường viền hình ảnh khơng rõ ràng thay đổi tùy thuộc vào thời tiết Khi mặt trời sáng, số phần hình ảnh màu trở nên q sáng khơng coi đường viền/cạnh trình phát cạnh Cuối cùng, hình dạng trịn khó phát  Phân đoạn màu sắc Một phương pháp khác sử dụng để thực chức tương tự để trích xuất hình trịn từ ảnh phương pháp phân đoạn màu Giống biến đổi Hough, phân đoạn màu xử lý hình ảnh định dạng thang độ xám Sự khác biệt 69 mặt phẳng màu cụ thể sử dụng để thực phân đoạn khơng phải hình ảnh màu gốc Các mặt phẳng màu xác định lại tốn học đó, giúp phân đoạn mặt phẳng màu hiệu Ví dụ: màu đỏ thuần, xanh xanh lam phân đoạn từ hình ảnh đủ màu cách sử dụng kỹ thuật phân đoạn màu Phần hiển thị kết việc phân đoạn màu vấn đề tìm bóng quần vợt hình ảnh Sau hình ảnh màu trích xuất sang mặt phẳng màu chúng, đỏ, lục lam, phương trình tốn học đưa để xác định thêm mặt phẳng màu cho màu vàng Mặt phẳng màu vàng mặt phẳng mà cường độ màu vàng chiết xuất từ ảnh Do đó, bóng tennis vật thể màu vàng khác xuất dạng pixel màu trắng mặt phẳng màu vàng Hình 4.5: Mặt phẳng màu trích xuất từ hình ảnh gốc Hình 4.5 cho thấy sơ đồ mặt phẳng bốn màu thảo luận trước Độ sáng điểm ảnh thể cường độ màu mặt phẳng màu Ví dụ, nhóm pixel màu trắng biểu đồ màu vàng đại diện cho đối tượng màu vàng Nó cho thấy phương trình khả thi đối tượng màu vàng 70 trích xuất khỏi hình ảnh Điều giúp ích nhiều việc lọc bỏ Các kỹ thuật phát vòng tròn giúp tìm thấy bóng tennis  Giá trị ngưỡng Như nói chương 3, ngưỡng phương pháp nhị phân chuyển đổi ảnh thang độ xám thành ảnh nhị phân, mà phân loại bit nhị phân xác định giá trị ngưỡng Trong tình bình thường, đối tượng thể pixel sáng hình ảnh thang độ xám pixel (màu trắng) hình ảnh nhị phân Giá trị ngưỡng:150 Giá trị ngưỡng:100 Giá trị ngưỡng:215 Giá trị ngưỡng:200 Hình 4.6: Kết hình ảnh mặt phẳng màu vàng với giá trị ngưỡng khác Trong ngưỡng nhị phân, giá trị ngưỡng 100 có nghĩa pixel có giá trị cường độ 100 coi đối tượng (pixel trắng), v.v Hình 4.6 cho thấy 71 giá trị ngưỡng cao việc trì pixel cường độ màu vàng xác Giá trị ngưỡng:150 Giá trị ngưỡng:100 Giá trị ngưỡng:200 Giá trị ngưỡng:254 Hình 4.7: Một nhược điểm khác phân đoạn màu Bảng nhược điểm khác việc phân chia màu sắc Nếu đối tượng chồng lên nhau, hệ thống nhận chúng đối tượng riêng lẻ Mặt khác, phép biến đổi Hough có ưu điểm nhận đối tượng chồng chéo Từ hoạt động phân đoạn màu phân ngưỡng, cho thấy hệ thống nhận dạng bóng khơng thể dựa vào phân đoạn màu phương pháp đơn lẻ Do đó, đặc tính khác bóng quần vợt phải xem xét liên hệ chúng thỏa mãn để xác định vật thể bóng quần vợt Sự cải tiến hệ thống nhận dạng bóng sử dụng thuộc tính vùng thảo luận phần  Đo lường thuộc tính vùng 72 Phép đo thuộc tính vùng hữu ích việc tìm kiếm mục tiêu dựa thuộc tính phần ma trận Các thuộc tính khu vực thực dự án vùng, vùng giới hạn, độ lệch tâm tâm  Khu vực Vùng số pixel thực tế khu vực Sử dụng thuộc tính này, diện tích bóng tennis nằm khoảng 1600 pixel 13000 pixel Vì ngưỡng có nhiều pixel mức bình thường, nên việc sử dụng 10% cho giá trị hợp lý Phạm vi đặt 1500 pixel 14500 pixel  Vùng giới hạn Vùng giới hạn định nghĩa hình chữ nhật nhỏ chứa đối tượng, góc bên trái đối tượng Chức vùng giới hạn cung cấp thơng tin tốn học trục x y vectơ ba chiều Hình 4.8: Kết hoạt động vùng giới hạn  Độ lệch tâm Độ lệch tâm tỷ số trục trục nhỏ Nó chủ yếu sử dụng để tìm tỷ lệ hình elip Hình trịn coi loại hình elip đặc biệt Giá trị độ lệch tâm nằm khoảng từ đến Nó coi thước đo mức độ lệch phần hình nón so với hình trịn 73 Hình 4.9: Kết hoạt động độ lệch tâm  Kết Thông số hệ thống Giá trị Ngưỡng nhị phân 230 Phạm vi vùng 1500-14500 px Độ lệch tâm