Thiết kế chế tạo mô hình robot dọn rác ứng dụng bánh đa hướng swerve wheel khoa đào tạo chất lượng cao ngành công nghệ kỹ thuật cơ điện tử

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP NGÀNH CÔNG NGHỆ KĨ THUẬT CƠ ĐIỆN TỬ THIẾT KẾ CHẾ TẠO MƠ HÌNH ROBOT DỌN RÁC ỨNG DỤNG BÁNH ĐA HƯỚNG SWERVE WHEEL GVHD: TS VŨ QUANG HUY SVTH: NGUYỄN MINH PHÚC TRẦN THÀNH CHUNG NGUYỄN HUY HOÀNG S K L0 Tp Hồ Chí Minh, tháng 06/2021 BỘ GIÁO DỤC & ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT TP HCM KHOA ĐÀO TẠO CHẤT LƯỢNG CAO - - ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP ĐỀ TÀI: THIẾT KẾ CHẾ TẠO MƠ HÌNH ROBOT DỌN RÁC ỨNG DỤNG BÁNH ĐA HƯỚNG SWERVE WHEEL GVHD: TS Vũ Quang Huy SVTH: Nguyễn Minh Phúc 17146175 Trần Thành Chung 17146089 Nguyễn Huy Hoàng 17146111 TP HỒ CHÍ MINH – 6/2021 TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT TP HCM KHOA CƠ KHÍ CHẾ TẠO MÁY CỘNG HOÀ XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM Độc lập - Tự – Hạnh phúc Bộ môn: Cơ Điện Tử PHIẾU NHẬN XÉT ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP (Dành cho giảng viên hướng dẫn) Họ tên sinh viên: Nguyễn Minh Phúc MSSV:17146175 Hội đồng:………… Họ tên sinh viên: Nguyễn Huy Hoàng MSSV:17146111 Hội đồng:………… Họ tên sinh viên: Trần Thành Chung Hội đồng:………… MSSV:17146089 Tên đề tài: Thiết Kế Chế Tạo Mơ Hình Robot Dọn Rác Ứng Dụng Bánh Đa Hướng Swerve Wheel Ngành đào tạo: Công nghệ kĩ thuật Cơ Điện Tử Họ tên GV hướng dẫn: TS Vũ Quang Huy Ý KIẾN NHẬN XÉT Nhận xét tinh thần, thái độ làm việc sinh viên Nhận xét kết thực ĐATN 2.1.Kết cấu, cách thức trình bày ĐATN: 2.2 Nội dung đồ án: (Cơ sở lý luận, tính thực tiễn khả ứng dụng đồ án, hướng nghiên cứu tiếp tục phát triển) ii 2.3.Kết đạt được: 2.4 Những tồn (nếu có): Đánh giá: Mục đánh giá TT Hình thức kết cấu ĐATN Điểm tối đa 30 Đúng format với đầy đủ hình thức nội dung mục 10 Mục tiêu, nhiệm vụ, tổng quan đề tài 10 Tính cấp thiết đề tài 10 Nội dung ĐATN Khả ứng dụng kiến thức toán học, khoa học kỹ thuật, khoa học xã hội… 50 Khả thực hiện/phân tích/tổng hợp/đánh giá 10 Khả thiết kế chế tạo hệ thống, thành phần, quy trình đáp ứng yêu cầu đưa với ràng buộc thực tế 15 Khả cải tiến phát triển 15 Khả sử dụng công cụ kỹ thuật, phần mềm chuyên ngành… Điểm đạt iii Đánh giá khả ứng dụng đề tài 10 Sản phẩm cụ thể ĐATN 10 Tổng điểm 100 Kết luận:  Được phép bảo vệ  Không phép bảo vệ TP.HCM, ngày tháng năm 2021 Giảng viên hướng dẫn ((Ký, ghi rõ họ tên) iv TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT TP HCM KHOA CƠ KHÍ CHẾ TẠO MÁY CỘNG HOÀ XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM Độc lập - Tự – Hạnh phúc Bộ môn: Cơ Điện Tử PHIẾU NHẬN XÉT ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP (Dành cho giảng viên phản biện) Họ tên sinh viên: Nguyễn Minh Phúc MSSV:17146175 Hội đồng:………… Họ tên sinh viên: Nguyễn Huy Hoàng MSSV:17146111 Hội đồng:………… Họ tên sinh viên: Trần Thành Chung Hội đồng:………… MSSV:17146089 Tên đề tài: Thiết Kế Chế Tạo Mơ Hình Robot Dọn Rác Ứng Dụng Bánh Đa Hướng Swerve Wheel Ngành đào tạo: Công nghệ kĩ thuật Cơ Điện Tử Họ tên GV phản biện: (Mã GV) Ý KIẾN NHẬN XÉT Kết cấu, cách thức trình bày ĐATN: Nội dung đồ án: (Cơ sở lý luận, tính thực tiễn khả ứng dụng đồ án, hướng nghiên cứu tiếp tục phát triển) Kết đạt được: v Những thiếu sót tồn ĐATN: Câu hỏi: Đánh giá: Mục đánh giá TT Hình thức kết cấu ĐATN Điểm tối đa 30 Đúng format với đầy đủ hình thức nội dung mục 10 Mục tiêu, nhiệm vụ, tổng quan đề tài 10 Tính cấp thiết đề tài 10 Nội dung ĐATN Khả ứng dụng kiến thức toán học, khoa học kỹ thuật, khoa học xã hội… Khả thực hiện/phân tích/tổng hợp/đánh giá Điểm đạt 50 10 vi Khả thiết kế, chế tạo hệ thống, thành phần, quy trình đáp ứng yêu cầu đưa với ràng buộc thực tế 15 Khả cải tiến phát triển 15 Khả sử dụng công cụ kỹ thuật, phần mềm chuyên ngành… Đánh giá khả ứng dụng đề tài 10 Sản phẩm cụ thể ĐATN 10 Tổng điểm 100 Kết luận:  Được phép bảo vệ  Không phép bảo vệ TP.HCM, ngày tháng năm 2021 Giảng viên phản biện ((Ký, ghi rõ họ tên) vii LỜI CẢM ƠN Trong thời gian làm đồ án tốt nghiệp, nhóm em nhận nhiều giúp đỡ, đóng góp ý kiến bảo nhiệt tình thầy bạn bè Chúng em xin gửi lời cám ơn chân thành đến TS Vũ Quang Huy người tận tình hướng dẫn bảo nhóm em suốt q trình làm đề tài Chúng em xin chân thành cảm ơn quý Thầy Cô môn Cơ Điện Tử khoa chất lượng cao, Trường Đại Học Sư Phạm Kỹ Thuật TP.HCM thời gian vừa qua giảng dạy tận tình, truyền đạt cho em kiến thức bổ ích em có vốn kiến thức quan trọng cho chuyên ngành em sau Em xin chân thành cảm ơn ban giám hiệu nhà trường quý thầy cô tận tâm giảng dạy cho em để giúp em hồn thành tốt khóa học Vì kiến thức nhóm cịn hạn chế nên q trình thực tập hồn thiện đồ án chúng em khơng tránh khỏi sai sót, kính mong nhận ý kiến đóng góp từ q Thầy/Cơ để nhóm hồn thiện tốt Và sau cùng, nhóm em xin kính chúc q Thầy Cơ mơn Cơ Điện Tử, đặt biệt Thầy Vũ Quang Huy dồi sức khỏe, đạt nhiều thành công tốt đẹp công tác giảng dạy sống Nhóm em xin chân thành cảm ơn! Nhóm sinh viên thực Nguyễn Minh Phúc Nguyễn Huy Hoàng Trần Thành Chung viii MỤC LỤC ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP i PHIẾU NHẬN XÉT ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP ii (Dành cho giảng viên hướng dẫn) ii PHIẾU NHẬN XÉT ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP v (Dành cho giảng viên phản biện) v LỜI CẢM ƠN viii MỤC LỤC .ix DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT xi DANH SÁCH CÁC BẢNG xii DANH SÁCH CÁC HÌNH ẢNH, BIỂU ĐỒ xiii NHIỆM VỤ ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP xvii CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN 1.1 Tổng quan 1.2 Đặt vấn đề 1.3 Nghiên cứu tổng quan nước nước 1.4 Giới hạn đề tài CHƯƠNG 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT 2.1 Cơ sở lý thuyết công nghệ 2.2 Cơ sở lý thuyết khí 10 2.2.1 Lựa chọn cấu lái 10 2.2.2 Lựa chọn truyền 15 2.3 Cơ sở lý thuyết điện điện tử 17 2.3.1 Khái quát chung điều khiển 17 2.4 Cơ sở lý thuyết tin học 24 2.4.1 Xử lý ảnh 24 2.4.1.1 Định nghĩa xử lý ảnh 24 2.4.1.2 Các bước trình xử lý ảnh 25 ix Hình 24 Thơng số tọa độ Khu vực B mà Robot cần làm việc +Bước 2: Sau xử lý xong QR code, hệ thống Webserver Raspberry tiến hành nhận liệu tọa độ vừa quét xong lưu vào table database MySQL Hình 25 Database lưu giữ liệu QR code sau xử lý ảnh 71 Để đảm bảo khối lượng công việc nhiệm vụ giao nhóm định sử dụng phương pháp Manual Webserver để điều khiển tay cách nhập giá trị liệu Web để điều khiển Robot di chuyển trường hợp Robot gặp vấn đề xử lý tín hiệu QR code trường hợp bất khả kháng nhóm thành viên khơng thể tập trung thực thực nghiệm tự động hóa cho Robot kết khả thi hiệu +Bước 3: Giao diện Web nhóm tiến hành nhập liệu vào Manual để xem di chuyển Robot, thông số nhập từ Web hệ thống Webserver Raspberry nhận lưu giữ lại Database MySQL Hình 26 Giao diện chính Web -TEAMMATE: Thông tin thành viên nhóm (Họ tên, MSSV) Hình 27 Giao diện Teammate 72 -MANUAL: Giao diện nhập tọa độ tay Web để điều khiển Robot Hình 28 Giao diện Manual với Options khác -Chọn ENTER COODINATES để truy cập vào giao diện nhập tọa độ vị trí Hình 29 Giao diện Manual với thông số cần nhập 73 -Nhập tọa độ vị trí khu vực B C với thơng số tính tốn trước Hình 30 Thơng số khu vực B (hình trái), thơng số khu vực C (hình phải) -Dữ liệu nhập giao diện Web gửi vào Database để lưu trữ Hình 31 Database lưu giữ liệu Manual 74 Phần 2: Sự di chuyển Robot không gian nhỏ + Bước 1: Sau nhận tọa độ từ Webserver, Raspberry gửi tọa độ xuống vi điều khiển STM32F407VET thơng qua giao thức UART Hình 32 Robot khởi động Bước 2: Các thuật toán tính tốn để xác định quảng đường di chuyển góc di chuyển Robot, với vận tốc gia tốc cho hợp lý dựa tọa độ nhận phép toán lượng giác Sau qua phương trình động học, góc mà cụm chuyển động đồng thời gửi xuống Thông qua board PID xuất xung cho động Hình 33 Robot quay theo góc set up 75 + Bước 3: Các động tịnh tiến đồng thời chuyển động với vận tốc tính tốn Robot di chuyển đến vị trí nhận từ Raspberry Hình 34 Robot chuyển động theo quỹ đạo + Bước 4: Sau đến vị trí xác định, Robot bắt đầu khởi động động hút chổi để bắt đầu dọn dẹp khu vực + Bước 5: Sau làm việc xong khoảng thời gian định, Robot tiếp tục di chuyển đến vị trí dọn dẹp Robot tiếp tục quỹ đạo chuyển động đến tọa độ cuối Sau hoàn thành quỹ đạo, Robot trở vị trí ban đầu Hình 35 Robot trở vị trí đầu 76 - Nhóm tiến hành thực nghiệm Robot di chuyển liên tục 10 lần với tọa độ, tọa độ kết tọa độ sau quỹ đạo chuyển động Tọa độ X Tọa độ Tọa độ Y Tọa độ 150 Tọa độ 150 150 Tọa độ 0 - Góc hướng(độ) Từ tọa độ theo hệ trục Oxy, ta tính khoảng cách gốc tọa độ (điểm ban đầu) so với tọa độ cần đến Robot dựa vào công thức: S=√(𝑋 + 𝑌 ) Trong đó: S: khoảng cách từ gốc tọa độ đến tọa độ đến(cm) X: Tọa độ Robot trục Ox (cm) Y: Tọa độ Robot trục Oy (cm) Sai số quãng đường tính tốn dựa vào sai lệch khoảng cách S mong muốn so với khoảng cách S thực tế Sai số quãng đường cho phép: ±1.5(cm) • Kết thử nghiệm với tọa độ 2: X = 0, Y=150 - Tọa độ X Tọa độ Y Góc hướng Mong muốn Lần Lần 1.153 2.356 150 150.048 150.253 0.6 2.5 Sai số quãng đường 0.052 0.271 Lần 4.341 149.152 -1.5 -0.785 Lần 5.157 149.245 -2.9 -0.666 Lần 5.186 149.152 -4.1 -0.758 Lần 7.928 149.173 -6.0 -0.616 Lần 9.178 149.153 -7.3 -0.565 Lần 15.486 148.326 -10.2 -0.868 Lần 18.235 148.483 -10.8 -0.401 Lần 10 20.682 148.985 -12.1 -0.414 77 • Kết thử nghiệm với tọa độ 3: X = 150, Y=150 Tọa độ X Tọa độ Y Góc hướng Mong muốn Lần Lần 150 150.057 149.943 150 150.238 150.125 0.4 1.2 Sai số quãng đường 0.209 -0.048 Lần 149.168 150.539 -1.5 -0.205 Lần 150.368 149.482 -1.9 -0.105 Lần 149.159 149.831 -2.1 -0.714 Lần 148.953 150.178 -2.7 -0.613 Lần 150.853 149.189 -4.2 -0.033 Lần 150.170 150.364 -4.8 0.378 Lần 148.487 150.183 -6.6 -0.937 Lần 10 150.493 149.589 -8.3 -0.059 Tọa độ Y Góc hướng • Kết thử nghiệm với tọa độ 4: X = 0, Y=0 Tọa độ X Mong muốn Lần Lần 0.118 0.258 0.583 1.183 0.5 -1.3 Sai số quãng đường 0.595 1.210 Lần 1.164 0.853 -1.4 1.443 Lần 1.248 0.589 -1.9 1.380 Lần 0.673 0.869 -2.2 1.099 Lần 1.189 0.248 -2.7 1.215 Lần 1.279 0.138 -3.9 1.286 Lần 0.189 0.893 -4.2 0.918 Lần 1.238 0.498 -5.3 1.334 Lần 10 0.259 1.455 -6.7 1.478 78 • Biểu đồ thể biến thiên sai số tọa độ Hình 36 Biểu đồ thể thay đổi tọa độ thứ thực nghiệm Hình 37 Biểu đồ thể thay đổi tọa độ thứ thực nghiệm 79 Hình 38 Biểu đồ thể thay đổi tọa độ thứ thực nghiệm - • Nhận xét từ kết thực nghiệm: Dựa vào kết thực nghiệm, ta nhận thấy sai số quãng đường thỏa điều kiện nhiên sai số tọa độ tương đối lớn Độ chênh lệch tọa độ X so với tọa độ Y lớn sai số tọa độ lớn khó kiểm sốt Sai lệch góc hướng Robot tương đối lớn 4.2.3 Nhận xét của thực nghiệm lập trình Ưu điểm: - Các phương pháp nhóm đề sử dụng cách luân phiên để điều khiển Robot (Automatic Manual) - Robot di chuyển theo quỹ đạo mong muốn - Robot hút rác bụi bẩn yêu cầu Khuyết điểm: 80 - Robot chưa có khả chạy tự động hóa bước lập trình chưa liên kết với để tiến hành thực nghiệm tự động hóa so với dự kiến ban đầu - Chưa xuất liệu lên Webserver để quản lý trực tiếp hệ thống Web - Mơi trường làm việc thực nghiệm cịn hạn chế diện tích làm việc nhỏ nên chưa phát triển hết khả hoạt động làm việc Robot - Vị trí Robot cịn có sai số nhiên không lớn - Tiếng ồn động hút tạo lớn - Robot chuyển động chưa linh hoạt thiết kế khí chưa tối ưu tính chắn - Chưa thể hồn thành mơ thiết kế ban đầu hạn chế lại mùa dịch 81 CHƯƠNG 5: KẾT LUẬN 5.1 Tổng kết Đề tài nhóm em hồn thành cơng việc sau: − Phân tích mơ hình động học, tìm mối qua hệ vận tốc bánh xe góc lệch mơ hình Robot − Thiết kế khí cho mơ hình Robot tự hành gom rác − Thiết kế đế sử dụng bánh xe kiểu Swerve − Thiết kế cấu hút rác, thùng chứa rác − Xây dựng hệ thống điện, cảm biến, điều khiển hồn thiện kết nối mơ đun điện − Chạy tịnh tiến, xoay góc theo u cầu muốn − Sử dụng cơng nghệ xử lý ảnh để tìm khu vực làm việc Robot để xử lý tự động cách nhanh chóng − Thiết kế Web server để quản lý tọa độ xử lý ảnh QR code vận hành Robot trực tiếp phương thức Manual giao diện Web 5.2 Các hạn chế giải pháp đề xuất ❖ Hạn chế: − Robot trình thực di chuyển chưa thực sử ổn định − Thiết kế mơ hình khí Robot cịn hạn chế tình hình dịch COVID-19 − Xử lý ảnh hạn chế, chưa tối ưu hết tất tính Robot − Web server chưa thể xuất liệu lên giao diện Web ❖ Giải pháp đề xuất: − Camera độ phân giải thấp cần nâng cấp camera để nhận dạng tốt − Thay đổi thiết kế khí cho thêm cứng cáp − Cải thiện phần lập trình xử lý ảnh để nhận dạng vật thể rác tốt − Sẽ đưa Robot môi trường làm việc với dự kiến đề để Robot hoạt động hết xuất sau dịch COVID-19 kết thúc 82 − Kết hợp qui trình lập trình với qui trình thực nghiệm tự động hóa ổn định để xem tối ưu hóa so sánh ưu điểm hạn chế Manual Automatic − Phát triển Webserver vừa nhập liệu vào Database vừa xuất liệu từ Database lên Webserver để dễ dàng quản lý trực tiếp từ giao diện hình Web − Tối ưu thuật toán cho Robot từ liệu đầu vào − Cải thiện mặt khí, thiết kế phần bên giống cho Robot thân thiện với người 83 TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] Nguyễn Ngọc Đào, Hồ Viết Bình, Phan Thanh Thanh, Giáo trình Cơ sở cơng nghệ chế tạo máy – ĐH Sư phạm kỹ thuật Tp.HCM, năm 2004 [2] PTS Nguyễn Văn Hịa, Giáo trình Cơ sở lý thuyết Điều khiển tự động – Nhà xuất Khoa học Kỹ thuật Hà Nội, năm 2006 [3] Trịnh Chất – Lê Văn Uyển, Giáo trình Tính tốn thiết kế hệ dẫn động khí, tập – Nhà xuất giáo dục, năm 2003 [4] PGS Trần Hữu Quế, Giáo trình Vẽ kỹ thuật khí, tập – Nhà xuất giáo dục, năm 2006 [5] Rafael C Gonzalez, Richard E Woods, Digital Image Processing [6] TS Nguyễn Vũ Quỳnh, KS Phạm Quang Huy, Giáo trình Vi Điều Khiển ARM Hướng dẫn sử dụng STM32 [7] Jonathan Richard Nister, Optinum Path Tracking of An Independently Steered Four Wheeled Mobile Robot, March 2012 [8] Borium, Curt Design and Implementation of Novel Hemispherical Omnidirectional Gimbaled Wheel (HOG Wheel) for Mobile Robotics Bradley University, 2012 [9] Rodid, Aleksandar D "Modeling and Assessing of Omnidirectional Robots with Three and Four Wheels." Contemporary Robotics, Challenges and Solutions Vukovar: In-Teh, 2009 N pag Print [10] PGS.TS Nguyễn Quang Hoan, Giáo trình Xử Lý Ảnh – Hà Nội, năm 2006 84 ... DỤC & ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT TP HCM KHOA ĐÀO TẠO CHẤT LƯỢNG CAO - - ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP ĐỀ TÀI: THIẾT KẾ CHẾ TẠO MƠ HÌNH ROBOT DỌN RÁC ỨNG DỤNG BÁNH ĐA HƯỚNG SWERVE WHEEL. .. đồng:………… MSSV:17146089 Tên đề tài: Thiết Kế Chế Tạo Mơ Hình Robot Dọn Rác Ứng Dụng Bánh Đa Hướng Swerve Wheel Ngành đào tạo: Công nghệ kĩ thuật Cơ Điện Tử Họ tên GV hướng dẫn: TS Vũ Quang Huy Ý KIẾN... đề tài: Thiết Kế Chế Tạo Mơ Hình Robot Dọn Rác Ứng Dụng Bánh Đa Hướng Swerve Wheel Ngành đào tạo: Công nghệ kĩ thuật Cơ Điện Tử Họ tên GV phản biện: (Mã GV) Ý KIẾN NHẬN XÉT Kết cấu,