Robot khử khuẩn bằng tia uv sử dụng cảm biến LIDAR và RASPBERRY

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ TP HỒ CHÍ MINH ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP ROBOT KHỬ KHUẨN BẰNG TIA UV SỬ DỤNG CẢM BIẾN LIDAR VÀ RASPBERRY NGÀNH KỸ THUẬT ĐIỀU KHIỂN VÀ TỰ ĐỘNG HÓA GIẢNG VIÊN HƯỚNG DẪN TS LÊ QUANG ĐỨC Sinh viên thực hiện MSSV Lớp Nguyễn Ngọc Trường An 1711020244 17DTDA2 Trần Bá Cường 1711040207 17DTDA2 Tp Hồ Chí Minh, tháng 9 2021 BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ TP HỒ CHÍ MINH ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP ROBOT KHỬ KHUẨN BẰNG TIA UV SỬ DỤNG CẢM BIẾN LIDAR VÀ RASPBERRY.

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ TP HỒ CHÍ MINH ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP ROBOT KHỬ KHUẨN BẰNG TIA UV SỬ DỤNG CẢM BIẾN LIDAR VÀ RASPBERRY NGÀNH: KỸ THUẬT ĐIỀU KHIỂN VÀ TỰ ĐỘNG HÓA GIẢNG VIÊN HƯỚNG DẪN: TS LÊ QUANG ĐỨC Sinh viên thực hiện: MSSV: Lớp: Nguyễn Ngọc Trường An 1711020244 17DTDA2 Trần Bá Cường 1711040207 17DTDA2 Tp Hồ Chí Minh, tháng / 2021 BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC CƠNG NGHỆ TP HỒ CHÍ MINH ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP ROBOT KHỬ KHUẨN BẰNG TIA UV SỬ DỤNG CẢM BIẾN LIDAR VÀ RASPBERRY NGÀNH: KỸ THUẬT ĐIỀU KHIỂN VÀ TỰ ĐỘNG HÓA GIẢNG VIÊN HƯỚNG DẪN: TS LÊ QUANG ĐỨC Sinh viên thực hiện: MSSV: Lớp: Nguyễn Ngọc Trường An 1711020244 17DTDA2 Trần Bá Cường 1711040207 17DTDA2 Tp Hồ Chí Minh, tháng / 2021 LỜI CẢM ƠN Trước tiên, chúng em xin gửi lời cảm ơn đến thầy, cô giáo Viện kỹ thuật, trường Đại học Cơng nghệ thành phố Hồ Chí Minh tận tình giảng dạy truyền đạt kiến thức, kinh nghiệm quý giá suốt trình học tập trình chúng em thực đề tài Chúng em xin gửi lời cảm ơn sâu sắc đến TS Lê Quang Đức tận tình hướng dẫn, bảo, cung cấp tài liệu cho chúng em suốt trình thực đề tài Một lần nữa, chúng em xin chân thành cảm ơn ii MỤC LỤC Phiếu đăng ký tên đề tài ĐATN Phiếu giao nhiệm vụ Lời cam đoan i Lời cảm ơn ii Mục lục iii Danh mục chữ viết tắt vi Danh mục bảng vii Danh mục hình ảnh viii Lời mở đầu Chương Giới thiệu đề tài 1.1 Đặt vấn đề 1.2 Mục tiêu đề tài Chương Tổng quan giải pháp 2.1 Giải pháp kỹ thuật điều khiển robot tự hành sử dụng cảm biến Lidar .4 2.1.1 Giới thiệu Lidar .4 2.1.2 Tổng quan giải pháp kỹ thuật điều khiển robot tự hành sử dụng cảm biến Lidar 2.2 Tìm hiểu loại robot diệt khuẩn có thị trường 2.2.1 Disinfectant robot 2.2.2 Giới thiệu UV robot nhóm nghiên cứu TRT thuộc trường Đại học Sư phạm kỹ thuật Đà Nẵng 13 2.2.3 Robot Decimater 15 iii 2.3 Tổng quan giải pháp sử dụng đề tài .16 Chương Phương pháp giải 17 3.1 Tạo lập đồ môi trường .17 3.2 Hệ thống định vị nhà cho robot 20 3.3 Tạo đường cho robot 21 3.4 Dẫn đường cho robot 23 3.5 Tự động tránh vật cản tĩnh .24 Chương Thiết kế sản phẩm, mơ hình 25 4.1 Thiết kế phần cứng 25 4.1.1 Bản vẽ thiết kế robot .25 4.1.2 Tổng quát thiết kế phần cứng robot 27 4.1.2.1 Sơ đồ khối robot .27 4.1.2.2 Sơ đồ thiết kế khối tổng thể hệ thống UV robot, thiết bị định vị hệ thống xử lý liệu trung tâm kết nối 28 4.1.3 Thiết bị sử dụng cho hệ thống định vị dẫn đường robot 28 4.1.3.1 Máy tính nhúng Raspberry Pi Module B+ 28 4.1.3.2 Cảm biến LIDAR RPLIDAR A1 360° Laser Range Scanner 30 4.1.3.3 Bộ thiết bị định vị nhà IPS Marvelmind 31 4.1.3.4 Chi tiết giá thành thiết bị 33 4.1.4 Các thiết bị khác 34 4.1.4.1 Arduino Uno R3 .34 4.1.4.2 Module động L298N 36 4.1.4.3 Động servo giảm tốc GA25 38 4.1.4.4 Relay 5V 39 iv 4.1.4.5 Mạch nguồn chỉnh áp DC 5A XL4015 có chỉnh dịng 41 4.1.4.6 Bộ máy sạc acquy tự động 12V5A 41 4.1.4.7 Module hiển thị mức pin acquy 42 4.1.4.8 Cảm biến điện áp DC .43 4.1.4.9 Bộ phần động điều khiển động 44 4.1.4.10 Khối đèn diệt khuẩn .47 4.2 Thiết kế phần mềm 50 4.2.1 Hệ điều hành robot (ROS) .50 4.2.2 Phần mềm mô Gazebo 52 4.2.3 Phần mềm tạo lập đồ Rviz 53 4.2.4 Phần mềm định vị nhà Dashboard 54 4.2.5 Phần mềm tạo đường cho robot 55 4.2.6 Giao tiếp Raspberry Arduino 56 4.3 Mô hoạt động robot .57 4.3.1 Mô robot môi trường phần mềm Gazebo 57 4.3.2 Mô trình tạo lập đồ robot 58 4.3.3 Mô điều khiển robot Rviz .60 Chương Thi cơng sản phẩm, mơ hình 64 5.1 Hệ thống tạo lập đồ đường cho robot .64 Chương Đánh giá kết quả, kết luận .65 Tài liệu tham khảo 67 Phụ lục 68 Chương trình điều khiển Arduino: 68 v DANH MỤC CÁC CHỮ VIẾT TẮT STT Ký hiệu chữ viết tắt Chữ viết đầy đủ IPS Indoor Positioning System ROS Robot Operating System LIDAR Light Detection And Ranging SLAM Simultaneous Localization And Mapping UV Ultraviolet vi DANH MỤC CÁC BẢNG BẢNG TRANG Bảng 2.1: Thông số Decimator robot .15 Bảng 4.1: Các thông số kỹ thuật cảm biến Lidar .31 Bảng 4.2: Giá thành thiết bị sử dụng đề tài 33 Bảng 4.3: So sánh với thiết bị khác 33 Bảng 4.4: Thông số kỹ thuật Arduino Uno R3 35 Bảng 4.5: Thông số cảm biến điện áp DC 43 Bảng 4.6: Thông số động giảm tốc GA25 44 Bảng 4.7: Thông số kỹ thuật module L298N 45 Bảng 4.8: Thơng số kỹ thuật bóng đèn UV .47 Bảng 4.9: Thông số kĩ thuật mạch inverter 12VDC 49 vii DANH MỤC CÁC HÌNH ẢNH HÌNH TRANG Hình 2.1: Giới thiệu LIDAR Hình 2.2: Bản đồ tạo lập Hình 2.3: Giải pháp kỹ thuật điều khiển robot sử dụng cảm biến Lidar Hình 2.4: Ví dụ robot sử dụng cảm biến Lidar Hình 2.5: Sơ đồ hệ thống robot Hình 2.6: Robot hút bụi sử dụng cảm biến Lidar .7 Hình 2.7: Robot hướng dẫn viên sử dụng cảm biến Lidar Hình 2.8: Robot sử dụng cảm biến Lidar cho mục đích học tập Hình 2.9: Disinfectant Robot Hình 2.10: Nhóm nghiên cứu TRT trao tặng UV robot cho bệnh viện Đà Nẵng 13 Hình 2.11: UV robot hoạt động phòng mổ .14 Hình 2.12: Robot Decimator 15 Hình 3.1: Bản đồ tạo lập 17 Hình 3.2: Lưu đồ thuật tốn SLAM robot sử dụng Partical Filter 18 Hình 3.3: Robot trình tạo đồ sử dụng lọc 19 Hình 3.4: Hệ thống định vị nhà để xác định tọa độ robot .20 Hình 3.5: Sơ đồ tổng quát hệ thống 23 Hình 4.1: Mặt trước robot 25 Hình 4.2: Mặt bên robot .26 Hình 4.3: Mặt sau robot .26 Hình 4.4: Sơ đồ khối robot 27 Hình 4.5: Mơ tả hệ thống phần cứng robot 28 Hình 4.6: Máy tính nhúng Raspberry .28 Hình 4.7: Cảm biến LIDAR RPLIDAR A1 .30 Hình 4.8: Thơng số động gắn cảm biến Lidar .31 Hình 4.9: Hệ thống định vị nhà IPS 32 viii Hình 4.10: Mạch Arduino Uno R3 34 Hình 4.11: Điện áp rơi L298N 37 Hình 4.12: Kỹ thuật PWM với chu kỳ nhiệm vụ khác điện áp trung bình 37 Hình 4.13: Sơ đồ chân module L298N 38 Hình 4.14: Động servo giảm tốc GA25 .38 Hình 4.15: Relay trạng thái mở .39 Hình 4.16: Relay trạng thái đóng 39 Hình 4.17: Sơ đồ chân relay 39 Hình 4.18: Trạng thái hoạt động relay .40 Hình 4.19: Mạch nguồn chỉnh áp DC 5A XL4015 có chỉnh dịng 41 Hình 4.20: Bộ máy sạc acquy tự động 12V5A .42 Hình 4.21: Module hiển thị mức pin acquy 42 Hình 4.22: Cảm biến điện áp DC .43 Hình 4.23: Động giảm tốc GA25 620RPM 44 Hình 4.24: Cầu H động giảm tốc GA25 620RPM .45 Hình 4.25: Sơ đồ mạch điều khiển động .46 Hình 4.26: Bóng đèn diệt khuẩn TUV T5 6W Philips .47 Hình 4.27: Tăng phơ cho bóng đèn 48 Hình 4.28: Mạch inverter 12VDC lên 220VAC 40W 49 Hình 4.29: Module relay 5V 49 Hình 4.30: Thông số kĩ thuật module relay 5V 50 Hình 4.31: Kiến trúc ROS 51 Hình 4.32: Phần mềm Gazebo 52 Hình 4.33: Giao diện RViz 53 Hình 4.34: Giao diện phần mềm Dashboard 54 Hình 4.35: Bản đồ hình thành Rviz .54 Hình 4.36: Bản đồ hiển thị RViz .55 Hình 4.37: Điều khiển robot RViz 56 ix Hệ thống định vị nhà – IPS xác định vị trí robot đồ xây dựng Hệ thống sử dụng beacon siêu âm cố định số vị trí phòng tạo thành mạng lưới liên lạc vô tuyến dải tần chưa đăng ký sử dụng với thiết bị khác Vị trí robot xác định dựa độ trễ tín hiệu beacon thu sóng gắn robot tới beacon siêu âm cố định Vị trí beacon hệ thống IPS đồ phòng truyền thống Bản đồ xây dựng đưa vào Dashboard (Hình 4.22), cơng cụ xử lý cấu hình cho IPS nhà, điều chỉnh vị trí cố định beacon Dashboard cho khớp với vị trí đặt thực tế ngồi mơi trường Hệ thống IPS đồng với đồ phòng sử dụng, kết trả tọa độ xác Beacon đặt robot phịng Vị trí thiết bị (beacon) di động lắp đặt robot tính tốn dựa độ trễ lan truyền tín hiệu siêu âm tới tập hợp thiết bị (beacon) siêu âm tĩnh 4.2.5 Phần mềm tạo đường cho robot Sau xây dựng đồ mơ trường, ta sử dụng đồ để thực thao tác dẫn đường cho robot RViz Với chức tích hợp sẵn Rviz, ta dễ dàng điều khiển robot đến vị trí mong muốn Hình 4.36: Bản đồ hiển thị RViz 55 Hình 4.37: Điều khiển robot RViz Ở hình trên, mũi tên vị trí cuối robot, đầu mũi tên hướng quay robot Đường robot tính toán vẽ đồ 4.2.6 Giao tiếp Raspberry Arduino Sự chuyển động robot dựa vào tham số hình bên Hình 4.38: Các tham số cần thiết cho điều khiển robot Trong đó: Vector Linear: vec-tơ mơ tả tịnh tiến robot hệ tọa độ Oxyz Vector Angular: vec-tơ mơ tả góc quay robot hệ tọa độ Oxyz Sau cảm biến Lidar quét đưa liệu về, Raspberry phân tích đưa giá trị cụ thể cho biến x,y,z Sau giá trị gửi Arduino để điều khiển động hoạt động 56 4.3 Mô hoạt động robot 4.3.1 Mô robot môi trường phần mềm Gazebo Hình 4.27 phịng mơ Gazebo Có thể thấy rằng, phần mềm có mức độ đồ họa cao, có template sẵn phục vụ tối đa cho việc mơ robot Ngồi ra, Gazebo cịn có chức mô thời tiết, ánh sáng mặt trời, gió thổi, Hình 4.39: Mơ Gazebo Một mơ hình robot thêm vào Hình 4.40: Robot môi trường mô 57 Hình 4.41: Mô hình robot mơ 4.3.2 Mơ q trình tạo lập đồ robot Tồn q trình tạo lập đồ hiển thị Rviz Ở hình 5.6, thấy phần phịng robot quét phần màu trắng phần chưa quét phần màu xanh Hình 4.42: Robot trình quét tạo lập đồ 58 Khi robot di chuyển vùng quét mở rộng dần Hình 4.43: Bản đồ dần đưc hình thành Sau robot di chuyển hết vị trí mơi trường, ta thu đồ hồn thiện mơi trường Hình 4.44: Bản đồ môi trường thu 59 Khi so sánh môi trường mô đồ tạo lập, ta thấy đồ thể chi tiết vật thể có phịng dạng 2D Hình 4.45: Môi trường mô 4.3.3 Mô điều khiển robot Rviz Sau đồ tạo lập, ta thực thao tác điều khiển robot Rviz Hình 4.46: Trình điều khiển robot RViz 60 Tuy nhiên lúc này, vị trí robot Rviz chưa với vị trí thực robot Hình 4.47: Vị trí thực robot Nhờ vào phần mềm định vị Dashboard, ta biết vị trí robot Khi đấy, ta tiến hành set-up vị trí robot Rviz nút mũi tên xanh “2D Pose Estimate” công cụ Hình 4.48: Set-up vị trí cho robot RViz 61 Sau đó, ta điều khiển robot đến vị trí đồ nút mũi tên đỏ “2D Nav Goal” công cụ Robot di chuyển đến vị trí mong muốn thơng qua qng đường ngắn nhất, quãng đường vẽ trình di chuyển Đuôi mũi tên đỏ vị trí robot, cịn hướng mũi tên hướng quay robot Hình 4.49: Điều khiển robot đến vị trí định Robot đường đến vị trí định Hình 4.50: Robot đường đến vị trí định 62 Robot đến đích quay theo hướng mũi tên Hình 4.51: Robot đến đích Có thể đối chiếu với robot Gazebo Hình 4.52: Robot môi trường mô đến vị trí định 63 CHƯƠNG THI CƠNG SẢN PHẨM, MƠ HÌNH 5.1 Hệ thống tạo lập đồ đường cho robot Hình 5.1: Hệ thống tạo lập đồ đường cho robot Có thể thấy hệ thống có cấu tạo kết nối đơn giản Ở hình dưới, ta thấy kết nối trực tiếp với Arduino để điều khiển động Hình 5.2: Kết nối với Arduino 64 CHƯƠNG ĐÁNH GIÁ KẾT QUẢ, KẾT LUẬN Robot mô phần mềm cho kết hoạt động tốt, ổn định, đáp ứng yêu cầu đặt ban đầu cho đề tài Tuy khơng có mơ hình đề tài hồn thành khối lượng cơng việc đề Riêng phần định vị IPS, lý dịch bệnh nên mua linh kiện để tiến hành lắp đặt mô Tuy nhiên, với việc mô thành cơng q trình tạo lập đồ tạo đường cho robot, đề tài đạt yêu cầu đặt ban đầu Hệ thống định vị dẫn đường tích hợp robot hệ thống mang tính ưu việt, ứng dụng vào nhiều lĩnh vực tùy vào chức robot Khi so sánh với robot hoạt động dựa nguyên tắc robot tự động tránh vật cản điều khiển thông qua mơ-đun điều khiển robot áp dụng hệ thống có điểm vượt trội sau: • Dễ dàng thao tác, điều khiển • Có thể điều khiển robot khơng nhìn thấy robot • Tạo lập đồ mơi trường • Có thể điều khiển robot đến vị trí đồ với qng đường ngắn • Có thể sử dụng cho nhiều loại robot với nhiều mục đích khác Tuy nhiên, xét mặt khách quan, đề tài cịn tồn đọng vài nhược điểm sau: • Chưa có mơ hình để kiểm nghiệm điều kiện thực tế • Trong mơi trường có nhiều vật cản chuyển động robot gặp khó khăn để định vị di chuyển Để khắc phục nhược điểm cải tiến thêm cho robot, nhóm đề hướng phát triển sau: • Tích hợp hệ thống camera AI nhắm xác định vật cản động 65 • Gắn thêm Encoder cho động để xác định vị trí, tọa độ robot cách xác • Sử dụng lọc Kalman nhận tính hiệu từ cảm biến để chống nhiễu Về mặt ứng dụng sống, robot khử khuẩn tia UV hồn tồn thay người trường hợp cần khử khuẩn cho môi trường nhiều mầm bệnh Hệ thống định vị dẫn đường tích hợp vào robot tự hành sử dụng nhiều lĩnh vực khác AVG robot vận chuyển hàng hóa, robot hướng dẫn viên, Đối với loại robot này, việc tích hợp thêm hệ thống định vị dẫn đường chiếm phần nhỏ chi phí lợi ích hiệu mà mang lại lớn thiết thực 66 TÀI LIỆU THAM KHẢO (1) http://wiki.ros.org/ (2) K Curran, E Furey, T Lunney, J Santos, D Woods, and A McCaughey, “An evaluation of indoor location determination technologies,” Journal of Location Based Services, vol 5, no pp 61– 78, Jun 2011, doi: 10.1080/17489725.2011.562927 (3) https://www.gislounge.com/robotic-mapping-simultaneouslocalization-and-mapping-slam/ (4) https://en.wikipedia.org/wiki/Robot_navigation (5) N D Richards, M Sharma, D G Ward A hybrid (2004), A*/automaton approach to on-line path planning with obstacle avoidance, In Proceedings of AIAA 1st Intelli- gent Systems Technical Conference, Chicago, Illinois, USA, pp 20-22 (6) Indoor Robot Positioning Using an Enhanced Trilateration Algorithm Pablo Cotera, Miguel Velazquez, David Cruz, Luis Medina, Manuel Bandala* (7) Ting-Kai Wang Quan Dang Pei-Yuan Pan (2010), Path Planning Approach in Unknown Environment, International Journal of Automation and Computing, 7(3), pp 310-316 (8) https://emanual.robotis.com/docs/en/platform/turtlebot3/overview/ (9) Báo điện tử tin tức công nghệ, UVC vơ hiệu hóa loại vi khuẩn, cơng thức cách tính lựa chọn cơng suất đèn UV-C, 2017 (10) Nhóm nghiên cứu TRT, “Robot diệt khuẩn tia cực tím (UV)- UV Robot”, Đề tài nghiên cứ, trường ĐHSPKT, Tp Đà Nẵng, 05/2020 (11) Arduino.vn, “Module Relay - Cách sử dụng rơ le ứng dụng hay nó”, 2020 (12) Vietmachine.com.vn, “Điều khiển động Arduino DC – L298N | PWM | Mạch Cầu H”, 09/01/2019 (13) Điện tử Minh Nguyên, “ Modul Điều Khiển Động Cơ L298”, 2020 67 PHỤ LỤC Chương trình điều khiển Arduino: //Khai báo chân tín hiệu motor A int enA = 8; int in1 = 7; int in2 = 6; //Khai báo chân tín hiệu cho motor B int in3 = 5; int in4 = 4; int enB = 3; int i; void setup() { pinMode(enA, OUTPUT); pinMode(in1, OUTPUT); pinMode(in2, OUTPUT); pinMode(enB, OUTPUT); pinMode(in3, OUTPUT); pinMode(in4, OUTPUT); } void chaymotor() { for (i = 0; i > Max for (i = 255; i >= 0; i ) { digitalWrite(in3, HIGH); digitalWrite(in1, HIGH); digitalWrite(in4, LOW); digitalWrite(in2, LOW); analogWrite(enB, i); analogWrite(enA, i); delay(10); }// Giảm tốc từ Max >> Min } void loop() { chaymotor(); delay(100); } 69 ... Sơ đồ hệ thống robot điều khiển động động Một vài hình ảnh ví dụ robot sử dụng cảm biến Lidar: Hình 2.6: Robot hút bụi sử dụng cảm biến Lidar Hình 2.8: Robot sử dụng cảm biến Lidar cho mục đích... Sơ đồ hệ thống robot Hình 2.6: Robot hút bụi sử dụng cảm biến Lidar .7 Hình 2.7: Robot hướng dẫn viên sử dụng cảm biến Lidar Hình 2.8: Robot sử dụng cảm biến Lidar cho mục đích... khiển động cơ, làm robot di chuyển Có thể lấy ví dụ robot sử dụng cảm biến Lidar hình bên dưới: Hình 2.4: Ví dụ robot sử dụng cảm biến Lidar Robot có thành phần cảm biến Lidar, CPU Nvidia Jetson