Thiết kế và thi công mô hình xe thám hiểm

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH CƠNG TRÌNH NGHIÊN CỨU KHOA HỌC CỦA SINH VIÊN THIẾT KẾ VÀ THI CƠNG MƠ HÌNH XE THÁM HIỂM S K C 0 9 MÃ SỐ: SV2021 - 105 CHỦ NHIỆM ĐỀ TÀI: HOÀNG NGỌC THANH S KC 0 Tp Hồ Chí Minh, tháng 10/2021 BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐH SƯ PHẠM KỸ THUẬT TPHCM BÁO CÁO TỔNG KẾT ĐỀ TÀI NGHIÊN CỨU KHOA HỌC CỦA SINH VIÊN THIẾT KẾ VÀ THI CƠNG MƠ HÌNH XE THÁM HIỂM SV2021- 105 Thuộc nhóm ngành khoa học: Kĩ thuật SV thực : Hoàng Ngọc Thanh Nam, Nữ: Nam Dân tộc: Kinh Lớp, khoa: Lớp 17142CLA, Điện- Điện tử Ngành học: Electrical Electronic Engineering Năm thứ: /Số năm đào tạo: NỘI DUNG CHƯƠNG TỔNG QUAN .12 1.1 ĐẶT VẤN ĐỀ .12 1.2 MỤC TIÊU 14 1.3 NỘI DUNG NGHIÊN CỨU .14 1.4 GIỚI HẠN 15 1.5 BỐ CỤC 15 CHƯƠNG CƠ SỞ LÝ THUYẾT 16 2.1 CÁC LOẠI CHUẨN TRUYỀN THÔNG KHÔNG DÂY 16 2.1.1 Một số công nghệ kết nối truyền thông không dây 16 2.1.2 IEEE 208.16 Standard 17 2.2 ROBOT THÁM HIỂM 17 2.2.1 Phân loại rô-bốt 17 2.2.2 Một số dạng điều khiển robot .18 2.2.3 Các loại chuyển động robot 18 2.3 NGƠN NGỮ LẬP TRÌNH PYTHON 21 2.3.1 Giới thiệu 21 2.3.2 Đặc điểm .21 2.4 GIỚI THIỆU PHẦN CỨNG .22 2.4.1 RASPBERRY PI .22 2.4.2 MODULE L298N 23 2.4.3 Module Raspberry Pi Camera 24 2.4.4 Động giảm tốc V1 24 2.4.5 Bánh xe Robot V1 25 CHƯƠNG TÍNH TỐN VÀ THIẾT KẾ 26 3.1 GIỚI THIỆU 26 3.2 TÍNH TỐN VÀ THIẾT KẾ HỆ THỐNG 26 3.2.1 Thiết kế sơ đồ khối .26 3.2.2 Thiết kế phần cứng .27 CHƯƠNG THI CÔNG HỆ THỐNG .35 4.1 CHUẨN BỊ LINH KIỆN- MODULE 35 4.2 LẮP RÁP- NỐI DÂY 35 4.2.1 Sơ đồ nối dây 35 4.2.2 Vẽ khung robot .37 4.3 LẬP TRÌNH HỆ THỐNG 42 4.3.1 Lập trình Raspberry Pi .42 4.3.2 Lưu đồ giải thuật 51 CHƯƠNG KẾT QUẢ - NHẬN XÉT - ĐÁNH GIÁ .53 5.1 KẾT QUẢ 53 5.1.1 Kết thi công phần cứng 53 5.1.2 Hiệu suất mơ hình 54 5.2 ĐÁNH GIÁ VÀ NHẬN XÉT .58 CHƯƠNG KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN 60 6.1 KẾT LUẬN 60 6.2 HƯỚNG PHÁT TRIỂN 60 DANH MỤC HÌNH ẢNH Hình 1.1 iRobot 210 negotiator 12 Hình 1.2 iRobot 710 Warrior 13 Hình 1.3 iRobot 510 Packbot 14 Hình 3.1 Robot hai chân BRAT 19 Hình 3.2 Robot MANOI AT01 MANOI PF01 .19 Hình 3.3 Robotic robot chuyển động xích 20 Hình 3.4 Robot NASA chuyển động bánh xe .21 Hình 3.5 Raspberry pi 22 Hình 3.6 Module L298N .23 Hình 3.7 Raspberry Pi Camera Rev 1.3 24 Hình 3.8 Động giảm tốc V1 .25 Hình 3.9 Bánh xe Robot V1 25 Hình 4.1 Sơ đồ khối tồn hệ thống .26 Hình 4.2 Ngoại vi Raspberry Pi model B 28 Hình 4.3 Sơ đồ chân Raspberry Pi model B .28 Hình 4.4 Raspberry Pi Camera Rev 1.3 29 Hình 4.5 Động giảm tốc V1 .30 Hình 4.6 Motor Driver L298N 31 Hình 4.7 Nguyên lý hoạt động cầu H .31 Hình 4.8 Sơ đồ nguyên lý Module L298N 32 Hình 4.9 Sạc dự phịng Polymer PJ- JP106S 33 Hình 4.10 Cổng kết nối pin dự phòng 33 Hình 4.11 Pin cell 18650 2600mAh 3.7V 34 Hình 5.1: Sơ đồ nối dây 36 Hình 5.2: Phần mềm AutoCAD 37 Hình 5.3: Vật liệu Mica 38 Hình 5.4: Mặt đáy khung xe 39 Hình 5.5: Mặt đáy khung xe 39 Hình 5.6: Mặt bên khung khung xe 40 Hình 5.7: Mặt trước khung xe 40 Hình 5.8: Mơ hình xe nhìn từ mặt bên 41 Hình 5.9: Mơ hình xe nhìn từ mặt bên 41 Hình 5.10: Mơ hình xe nhìn từ mặt trước .42 Hình 5.11: Trang web tải hệ điều hành Raspbian 42 Hình 5.12: Định dạng thẻ nhớ phần mềm SD Card Formatter 43 Hình 5.13: Ghi hệ điều hành Raspbian vào thẻ nhớ phần mềm NetBSD Disk Image Tool .43 Hình 5.14: Kích hoạt chức VNC Raspberry Pi 44 Hình 5.15: Kích hoạt chức VNC Raspberry Pi 45 Hình 5.16: Kiểm tra kết nối wifi 45 Hình 5.17: Kiểm tra IP Raspberry Pi 46 Hình 5.18: Kiểm tra IP Raspberry Pi 46 Hình 5.19: Nhập IP Raspberry Pi 47 Hình 5.20: Nhập IP Raspberry Pi 47 Hình 5.21: Đăng nhập vào Raspberry Pi 48 Hình 5.22: Giao diện Raspberry 48 Hình 5.23: Giao diện hệ điều hành Raspberry Pi 49 Hình 5.24: Giao diện phần mềm Python .49 Hình 5.25: Giao diện phần mềm VLC Media Player 50 Hình 5.26: Install VLC media player into Raspberry Pi 50 Hình 5.27: Kết nối với camera Raspberry 51 Hình 5.28: Lưu đồ giải thuật 52 Hình 6.1: Mơ hình hồn chỉnh 53 Hình 6.2: Mơ hình hồn chỉnh 54 Hình 6.3: Kết quan sát VLC media player .54 Hình 6.4: Kết quan sát VLC media player .55 Hình 6.5: Khởi động chương trình 55 Hình 6.6: Nhập “r”, mơ hình di chuyển phía trước 56 Hình 6.7: Mơ hình di chuyển phía vật thể .56 Hình 6.8: Nhập “a”, mơ hình rẽ trái 57 Hình 6.9: Nhập “d”, mơ hình rẽ phải 57 Hình 6.10: Nhập “b”, mơ hình lùi phía sau 58 Hình 6.11: Hình ảnh thu từ camera Pi 58 Hình 6.12: Kích thước mơ hình 59 DANH MỤC BẢNG Bảng 3.1 Thông số kỹ thuật Kit Raspberry Pi 22 Bảng 4.1 Thông số Camera Raspberry Pi .29 Bảng 4.2 Thông số động giảm tốc V1 Error! Bookmark not defined Bảng 4.3 Thông số module điều khiển động L298N Error! Bookmark not defined Bảng 4.4 Thơng số Pin dự phịng Polymer PJ- JP106S 33 Bảng 4.5 Thông số Pin cell 18650 2600mAh 3.7V 34 Bảng 5.1: Các linh kiện, mô đun sử dụng 35 DANH MỤC TỪ VIẾT TẮT DC Direct current IC Integrated circuit GPU Graphics processing unit GPIO General Purpose Input Output HDMI High-Definition Multimedia Interface HTML Hypertext Markup Language SD Standard Definition CSI Camera Serial Interface IO Input/ output SOC System on chip USB Universal serial bus BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐH SƯ PHẠM KỸ THUẬT TPHCM THÔNG TIN KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU CỦA ĐỀ TÀI Thông tin chung: - Tên đề tài: Thiết kế thi cơng mơ hình xe thám hiểm - Chủ nhiệm đề tài: Hoàng Ngọc Thanh Mã số SV: 17142047 - Lớp: 17142CLA Khoa: Điện- Điện tử - Thành viên đề tài: Stt Họ tên MSSV Lớp Khoa Vũ Đức Thắng 17140249 17142CLA Điện- Điện tử Huỳnh Kiến Trung 17141031 17141CLA Điện- Điện tử Hồ Nguyễn Thành Long 18142036 18142CLA Điện- Điện tử Lê Quốc Tuấn 18142071 18142CLA Điện- Điện tử - Người hướng dẫn: Nguyễn Thanh Nghĩa Mục tiêu đề tài: Sử dụng Raspberry Pi, điều khiển trực tiếp vận hành xe để thăm dị mơi trường, vận chuyển mẫu thí nghiệm mà khơng cần yếu tố người trực tiếp tham gia, giám sát điều khiển từ xa thơng qua mạng Internet Tính sáng tạo: - Thu video trực tiếp từ camera Raspberry Pi Kết nghiên cứu: - Kit Rapsberry Pi - Điều khiển mơ hình thơng qua module L298N - Phát trực tiếp hình ảnh thu từ camera Raspberry Pi Đóng góp mặt giáo dục đào tạo, kinh tế - xã hội, an ninh, quốc phòng khả áp dụng đề tài: - Phục vụ cho việc học lập trình, giao tiếp vi điều khiển với thiết bị ngoại vi Công bố khoa học SV từ kết nghiên cứu đề tài (ghi rõ tên tạp chí có) nhận xét, đánh giá sở áp dụng kết nghiên cứu (nếu có): Ngày tháng năm SV chịu trách nhiệm thực đề tài (kí, họ tên) 10 Chày dịng lệnh sau terminal: raspivid –o –t 0-n | cvlc –vvv stream:///dev/stdin- sout’#rtp {sdp = rtsp: //: 8554/}’: demix = h264 Bước 3: Kết nối VLC media player với Raspberry, click play để phát trực tiếp Hình 5.27: Kết nối với camera Raspberry 4.3.2 Lưu đồ giải thuật 51 Hình 5.28: Lưu đồ giải thuật 52 CHƯƠNG KẾT QUẢ - NHẬN XÉT - ĐÁNH GIÁ 5.1 KẾT QUẢ Sau thời gian nghiên cứu đề tài, nhóm tiếp thu nhiều kiến thức, bao gồm:  Có kiến thức kết nối Raspberry, địa IP hệ điều hành Raspberry Pi  Giao tiếp Raspberry Pi thiết bị ngoại vi  Cách giao tiếp vi điều khiển module driver motor L298N  Sử dụng camera Pi, thu hình ảnh, video phát trực tiếp qua phần mềm VLC media player 5.1.1 Kết thi cơng phần cứng Hình 6.1: Mơ hình hồn chỉnh 53 Hình 6.2: Mơ hình hồn chỉnh 5.1.2 Hiệu suất mơ hình Mơ hình di chuyển theo ba hướng: thẳng, trái phải Đồng thời camera Pi ghi hiển thị hình ảnh trực tiếp phần mềm VLC media player để người dùng theo dõi Hình 6.3: Kết quan sát VLC media player 54 Hình 6.4: Kết quan sát VLC media player Nhóm nghiên cứu thử nghiệm mơ hình cách quan sát hình ảnh thu từ camera Pi vật thể Mơ hình di chuyển theo lệnh người dùng nhập vào bàn phím: Hình 6.5: Khởi động chương trình 55 Lệnh: nhập r-Run, mơ hình khởi động động di chuyển tới đối tượng Camera Pi ghi lại trình di chuyển gửi phần mềm VLC media player để người dùng quan sát Hình 6.6: Nhập “r”, mơ hình di chuyển phía trước Hình 6.7: Mơ hình di chuyển phía vật thể 56 Lệnh: a- Turn left, mơ hình rẽ trái Hình 6.8: Nhập “a”, mơ hình rẽ trái Lệnh: d- Turn right, mơ hình rẽ phải Hình 6.9: Nhập “d”, mơ hình rẽ phải 57 Lệnh: b- backward, mơ hình di chuyển lùi phía sau Hình 6.10: Nhập “b”, mơ hình lùi phía sau Hình ảnh thu camera Pi để ghi lại hình laptop tốt, màu sắc tươi tắn, người xem dễ quan sát Hình 6.11: Hình ảnh thu từ camera Pi 5.2 ĐÁNH GIÁ VÀ NHẬN XÉT Mơ hình di chuyển tiến, lùi, sang trái, sang phải, dừng lại Được điều khiển thông qua Raspberry Pi kết nối với wifi Ở địa hình phẳng, xe ổn định 58 Hình 6.12: Kích thước mơ hình So với thực tế, hình ảnh camera Pi thu rõ ràng nhìn thấy mắt thường Tuy nhiên, có độ trễ hình ảnh thu camera Pi hình ảnh truyền trực tiếp đến phần mềm VLC media player Do q trình phát trực tiếp video hình ảnh thường bị trễ mờ Chất lượng tín hiệu wifi / 3G / 4G ảnh hưởng đến phương tiện điều khiển 59 CHƯƠNG KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN 6.1 KẾT LUẬN Sau tổng hợp kết đạt so sánh với yêu cầu, mục tiêu đề tài cho thấy hệ thống đáp ứng tương đối đầy đủ, xác với kết sau: - Điều khiển mơ hình di chuyển ổn định bề mặt phẳng - Thiết kế điểu khiển mơ hình giao diện Raspberry Pi - Mơ hình thu nhập hình ảnh, phát trực tiếp thông qua camera Pi phát phần mềm VLC media player cho người dùng quan sát Tuy nhiên, số cải tiến để đáp ứng nhu cầu thực tế đề tài: - Camera phát trực tuyến hình ảnh lên web để quan sát điều khiển, khơng có chức lưu giữ hình ảnh - Ứng dụng robot tương đối đơn giản, phụ thuộc nhiều vào điều kiện sở hạ tầng, đường truyền tốc độ wifi, nên robot khó áp dụng vào môi trường thực tế 6.2 HƯỚNG PHÁT TRIỂN Từ mặt hạn chế, nhóm đề hướng phát triển để hoàn thiện đề tài: - Tạo web sever để quản lý giám sát chuyển động mơ hình - Theo dõi tuyến đường, vẽ lại tuyến đường mà mơ hình di chuyển - Hình ảnh phát trực tuyến lưu trữ để quan sát lại 60 TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] Trần Ngân Hạnh – Nguyễn Thành Đạt, “Thiết kế thi cơng mơ hình xe robot thám hiểm”, Đồ án tốt nghiệp, Khoa Điện – Điện tử (2018) [2] Nguyễn Kim Sáng cộng sự, Công nghệ mạng không dây chuẩn cho mạng không dây Đại học điện lực – khoa công nghệ thông tin, 12/2015 [3] Robot vận chuyển mẫu xét nghiệm bệnh viện, Đồ án tố nghiệp, Khoa ĐiệnĐiện tử (2019) [4] Hướng dẫn cài hệ điều hành cho Raspberry Pi, https://raspberrypi.vn/huong-dancai-dieu-hanh-cho-raspberry-pi-2457.pi [5] Control DC and Stepper Motors with L298N Dual Motor Controller Modules and Arduino, https://www.instrucBảngs.com/Control-DC-and-stepper-motors-with- L298N-Dual-Moto/ [6] Installing the Camera, https://www.dexterindustries.com/howto/installing-theraspberry-pi-camera/ [7] VLC media player software, https://www.totolink.vn/article/620-vlc-mediaplayer-la-gi-huong-dan-cat-video-bang-vlc.html [8] How To Stream Live Video From Your Raspberry Pi Camera, How To Stream Live Video From Your Raspberry Pi Camera | Tom's Hardware (tomshardware.com) [9] VNC: Remote access a Raspberry Pi, https://magpi.raspberrypi.org/articles/vncraspberry-pi 61 PHỤ LỤC - Code điều khiển mơ hình: import RPi.GPIO as GPIO from time import sleep in1 = 24 in2 = 23 en = 25 temp1=1 GPIO.setmode(GPIO.BCM) GPIO.setup(in1,GPIO.OUT) GPIO.setup(in2,GPIO.OUT) GPIO.setup(en,GPIO.OUT) GPIO.output(in1,GPIO.LOW) GPIO.output(in2,GPIO.LOW) p=GPIO.PWM(en,1000) in3 = 17 in4 = 27 en2 = GPIO.setup(in3,GPIO.OUT) GPIO.setup(in4,GPIO.OUT) GPIO.setup(en2,GPIO.OUT) GPIO.output(in3,GPIO.LOW) GPIO.output(in4,GPIO.LOW) p.start(25) print("\n") print('=======CONTROLING=======') print("r-Run s-Stop b- Backward e-exit a- TurnLeft d- TurnRight") print("\n") 62 while(1): x=input() if x == 'r': print('Run Forward') if(temp1==1): GPIO.output(in1,GPIO.HIGH) GPIO.output(in2,GPIO.LOW) GPIO.output(in3,GPIO.HIGH) GPIO.output(in4,GPIO.LOW) else: GPIO.output(in1,GPIO.LOW) GPIO.output(in2,GPIO.HIGH) GPIO.output(in3,GPIO.LOW) GPIO.output(in4,GPIO.HIGH) print("Backward") elif x=='s': print("Stop") GPIO.output(in1,GPIO.LOW) GPIO.output(in2,GPIO.LOW) GPIO.output(in3,GPIO.LOW) GPIO.output(in4,GPIO.LOW) elif x=='b': print("Backward") GPIO.output(in1,GPIO.LOW) GPIO.output(in2,GPIO.HIGH) GPIO.output(in3,GPIO.LOW) GPIO.output(in4,GPIO.HIGH) temp1=0 elif CTT == 'a': 63 print('Turn Left') GPIO.output(in1,GPIO.LOW) GPIO.output(in2,GPIO.LOW) GPIO.output(in3,GPIO.HIGH) GPIO.output(in4,GPIO.LOW) elif CTT =='d': print('Turn Right') GPIO.output(in1,GPIO.HIGH) GPIO.output(in2,GPIO.LOW) GPIO.output(in3,GPIO.LOW) GPIO.output(in4,GPIO.LOW) elif CTT == 'e': print('Exit') GPIO.cleanup() break else: print('Error') print('Enter again: ') 64 S K L 0 ... Nguy hiểm người Nhận thấy việc nghiên cứu xe robot thám hiểm vấn đề cần thi? ??t cho thực tế, nhóm thực chọn đề tài ? ?Thi? ??t kế thi cơng mơ hình xe thám hiểm? ?? 1.2 MỤC TIÊU Đề tài ? ?Thi? ??t kế thi công. .. số truyền động cơ: 1:48 25 CHƯƠNG TÍNH TỐN VÀ THI? ??T KẾ 3.1 GIỚI THI? ??U Đề tài ? ?Thi? ??t kế thi cơng mơ hình xe thám hiểm? ?? bao gồm việc thi? ??t kế thi cơng mơ hình robot có khả di chuyển theo di chuyển... quy trình xe robot  NỘI DUNG 2: Các giải pháp thi? ??t kế hệ thống, mơ hình xe robot  NỘI DUNG 3: Thi? ??t kế hệ thống điều khiển xe 14  NỘI DUNG 4: Thi? ??t kế mơ hình  NỘI DUNG 5: Đánh giá kết thực