ĐK Robot tự hành Giảng viên TS Bùi Đình Bá TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI VIỆN CƠ KHÍ Bộ môn Cơ điện tử Báo cáo môn học ĐIỀU KHIỂN ROBOT TỰ HÀNH Đề tài ROBOT TỰ HÀNH BÁM THEO MÀU (có code sẵn cho python và arduino)
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI VIỆN CƠ KHÍ Bộ môn Cơ điện tử *************** Báo cáo môn học ĐIỀU KHIỂN ROBOT TỰ HÀNH Đề tài : ROBOT TỰ HÀNH BÁM THEO MÀU Giảng viên hướng dẫn : TS Bùi Đình Bá Sinh viên thực hiện: Hà Họ tên Nguyễn Trọng Đức Nguyễn Đình Toản Lê Thị Thanh Huyền Lay Ratanak MSSV 20170708 20170944 20170781 20170280 Nội, tháng năm 2021 Lớp CK.CĐT.01 – K62 CK.CĐT.01 – K62 CK.CĐT.01 – K62 CK.CĐT.01 – K62 ĐK Robot tự hành Giảng viên: TS Bùi Đình Bá BẢN NHẬN XÉT CỦA GIÁO VIÊN HƯỚNG DẪN Giáo viên hướng dẫn: TS Bùi Đình Bá Sinh viên thực hiện: Nguyễn Trọng Đức Nguyễn Đình Toản Lê Thị Thanh Huyền Lay Ratanak Lớp: CK-CĐT01-K62 Nội dung …………………………………………………………………………………… …………………………………………………………………………………… …………………………………………………………………………………… …………………………………………………………………………………… …………………………………………………………………………………… …………………………………………………………………………………… …………………………………………………………………………………… Nhận xét giáo viên hướng dẫn …………………………………………………………………………………… …………………………………………………………………………………… …………………………………………………………………………………… …………………………………………………………………………………… …………………………………………………………………………………… …………………………………………………………………………………… …………………………………………………………………………………… Hà Nội, ngày……….tháng………năm Giáo viên hướng dẫn ký tên ĐK Robot tự hành Giảng viên: TS Bùi Đình Bá MỤC LỤC LỜI MỞ ĐẦU Cùng với phát triển người, ngành khoa học kỹ thuật khơng ngừng tìm kiếm công nghệ mới, đặc biệt robot dần thay công việc người Để robot hoạt động được, ta khơng cần có phần cấu chấp hành hồn hảo mà cịn cần điều khiển để đáp ứng nhu cầu điều khiển robot Tuy nhiên, có não hồn hảo, robot hoạt động cách xác Chính q trình điều khiển robot, cần sử dụng thuật toán điều khiển, hàm điều khiển để làm cho hệ thống ổn định, ảnh hưởng với nhiễu Các điều khiển ngày đáp ứng nhiều yêu cầu điều khiển phức tạp Do đó, điều khiển thơng minh robot ngày trọng ứng dụng rộng rãi ngàng công nghiệp, thay cho hoạt động người môi trường độ hại, nguy hiểm Và robot tự hành loại robot ứng dụng rộng rãi Robot bám màu loại robot đa hướng ứng dụng phổ biến Chúng có khả di chuyển theo hướng mà khơng cần phải thay đổi vị trí tư Với cấu trúc bánh đặc biệt khả di chuyển đó, robot bám màu ngày ứng dụng rộng rãi Các vấn đề ĐK Robot tự hành Giảng viên: TS Bùi Đình Bá kiểm sốt quỹ đạo, hạn chế sai lệch điều khiển robot đa hướng nội dung quan tâm điều khiển robot bám theo màu Vì đặc tính đa hướng nên robot dễ bị lệch với điều khiển hở Đã có nhiều nghiên cứu thuật tốn để điều khiển robot nói chung PID, Fuzzy, điều khiển tuyến tính, điều khiển trượt, … Trong thuật tốn PID áp dụng rộng rãi công nghiệp, điều khiển sử dụng nhiều điều khiển phản hồi Đối với thiết bị khơng có mơ hình tốn học hệ thống điều khiển PID điều khiển tốt tính ổn định (khi chọn hệ số phù hợp) Vì vậy, khuôn khổ môn học Điều khiển Robot tự hành, chúng em lựa chọn đề tài “Robot bám màu sử dụng xử lý ảnh” để tiến hành nghiên cứu điều khiển robot Chúng em xin chân thành cảm ơn thầy Bùi Đình Bá nhiệt tình hướng dẫn cho chúng em môn học Điều khiển Robot tự hành Trong q trình thực đề tài khơng thể tránh khỏi thiếu sót, kính mong thầy bạn góp ý để chúng em hoàn thiện đề tài Chúng em xin chân thành cảm ơn! ĐK Robot tự hành Giảng viên: TS Bùi Đình Bá PHÂN CHIA CƠNG VIỆC STT Họ tên MSSV Nhiệm vụ Nguyễn Trọng Đức 20170708 Xử lý Python truyền thông qua cho Arduino Nguyễn Đình Toản 20170944 Xử lý Python truyền thơng qua cho Arduino Lê Thị Thanh Huyền 20170781 Điều khiển tốc độ động cơ, làm báo cáo, slide LAY RATANAK 20170280 Xử lý ảnh: Nhận diện vật thể mà xe bám theo, làm báo cáo, slide ĐK Robot tự hành Giảng viên: TS Bùi Đình Bá Chương 1: Giới thiệu đề tài Robot bám màu đối tượng loại mobile robot, di động tự hành, tự định hướng, di chuyển theo màu đối tượng định sẵn cách kết hợp hướng chuyển động xoay tịnh tiến theo quỹ đạo định trước đảm bảo camera hướng màu đối tượng Robot bám theo màu đối tượng loại robot tự hành sử dụng bánh xe Mecanum với thiết kế đặc biệt giúp robot di chuyển đa hướng Robot bám đối tượng sử dụng xử lý ảnh có tiềm lớn để phát triển tương lai như: Robot vận chuyển kho hàng, Robot tuần tra thực nhắc nhở người dân giữ khoảng cách đại dịch COVID – 19, hành lý tự động di chuyển theo hành khách, … Hình 1 Ứng dụng robot tự hành ĐK Robot tự hành Giảng viên: TS Bùi Đình Bá Chương 2: Nguyên lý hoạt động 2.1 Các thiết bị sử dụng - Arduino Uno R3 Hình Arduino Uno R3 Vi điều khiển bít não điều khiển động truyền nhận tín hiệu - Nguồn ni robot: Pin Lithium 3.8 V Hình 2 Pin Lithium - Camera điện thoại Hình Camera điện thoại ĐK Robot tự hành - Giảng viên: TS Bùi Đình Bá Động bánh đa hướng Hình Động bánh đa hướng Bánh đa hướng cung cấp cho robot khả di chuyển đặc biệt ngang mà khơng cần quay trục robot - Driver L293 Hình Driver L293 Driver L293 dùng để điều khiển cấp xung cho động robot - Bluetooth HC 05 Hình Bluetooth HC05 Module thu phát Bluetooth HC-05 dùng để thiết lập kết nối Serial thiết bị sóng bluetooth ĐK Robot tự hành Giảng viên: TS Bùi Đình Bá 2.2 Sơ đồ điều khiển 2.2.1 Sơ đồ truyền liệu Hình Sơ đồ truyền liệu 2.2.2 Sơ đồ kết nối Hình Sơ đồ kết nối ĐK Robot tự hành Giảng viên: TS Bùi Đình Bá 2.3 Cơ sở động học Robot sử dụng bánh đá hướng Mecanum 60mm Hình Bánh đa hướng Mecanum 60mm Cặp bánh xe Mecanum L+R nhựa đường 60mm có khả di chuyển linh hoạt theo nhiều hướng, bánh làm nhựa kết hợp với bánh nhỏ cao su cho độ ma sát cao chống trơn trượt Mỗi chứa hai bánh xe mecanum bên trái hai bánh xe bên phải Bốn bánh xe Mecanum kết nối với động riêng biệt với điều khiển độc lập Tùy thuộc vào hướng tốc độ bánh xe riêng biệt, tảng di động di chuyển phía trước, phía sau, sang bên hướng quay mong muốn khác Hai mô-đun điều khiển từ xa - mô-đun BLE mơ-đun RF - thêm vào phép điều khiển từ xa Hình 10 Bánh đa hướng 10 ĐK Robot tự hành Giảng viên: TS Bùi Đình Bá Các lăn ngoại vi có góc chuyển phần lực theo hướng quay bánh xe thành lực pháp tuyến hướng bánh xe Tùy thuộc vào hướng tốc độ bánh xe riêng biệt, kết hợp tất lực tạo vectơ lực tổng theo hướng mong muốn Gọi bán kính bánh xe R, vận tốc góc bốn bánh ω1, ω2, ω3, ω4, tốc độ lăn bánh _ν_g1, _ν_g2, _ν_g3 _ν_g4, tốc độ bệ tính x -chuyển hướng, hướng y vận tốc góc _ν_x, _ν_y ω0 Các gốc tọa độ toàn cục О, trung tâm tảng hệ tọa độ cục bánh xe có gốc tọa độ O1, O2, O3 O4 Khoảng cách từ bệ đến bánh xe L1, L2 khoảng cách bệ đến trục lăn bánh xe α góc lăn: 45º trường hợp Hình 11 Tọa độ bánh đa hướng Công thức hàm truyền vận tốc Trong tọa độ tổng thể, tốc độ tâm bánh xe 1,01 , (1) (2) 11 ĐK Robot tự hành Giảng viên: TS Bùi Đình Bá Khi tọa độ địa phương bánh xe , tốc độ 01 (3) (4) Kết hợp phương trình (1) (4), ta có (5) (6) Giải (5) (6) vận tốc góc bánh (7) Tương tự, vận tốc bánh xe khác tính (8) Phương trình (8) thể mối quan hệ tốc độ quay bánh xe chuyển động bệ Về mặt lý thuyết, tảng di chuyển theo hướng kết hợp thích hợp vận tốc hình tam giác bốn bánh xe Trên thực tế, Đối với tảng này, chuyển động sử dụng phổ biến hạn chế Dữ liệu hình ảnh thu thập từ camera điện thoại thông qua kết nối wifi xử lý theo chương trình Python Từ đó, lọc bỏ nhiễu xác định vị trí tương quan điểm đích vùng đạt yêu cầu khung hình Hình 12 Vị trí tương quan điểm đích vùng đạt yêu cầu 12 ĐK Robot tự hành Giảng viên: TS Bùi Đình Bá Chương 3: Kết thực nghiệm 3.1 Sản phẩm thu Hình Robot tự hành bám theo màu 13 ĐK Robot tự hành Giảng viên: TS Bùi Đình Bá 3.2 Code lọc màu 3.3 Code truyền liệu 14 ĐK Robot tự hành Giảng viên: TS Bùi Đình Bá 3.4 Code điều khiển xe 15 ĐK Robot tự hành Giảng viên: TS Bùi Đình Bá 16 ĐK Robot tự hành Giảng viên: TS Bùi Đình Bá 17 ĐK Robot tự hành Giảng viên: TS Bùi Đình Bá Chương 4: Kết đề tài 4.1 Kết đạt được: - Học ngơn ngữ lập trình Python - Hiểu biết cách ứng dụng xử lý ảnh để điều khiển robot - Xe chạy bám theo mục tiêu đề tài đề - Các linh kiện hoạt động mong muốn 4.2 Hướng phát triển: - Xây dựng thuật tốn bám vật xác khơng phụ thuộc vào màu sắc vật - Tích hợp thêm chức để điều khiển vận tốc cho xe - Cải thiện khả nhận diện xác 18 ĐK Robot tự hành Giảng viên: TS Bùi Đình Bá Chương 5: Kết luận Sau q trình thực đề tài, nhóm chúng em làm robot có khả nhận diện màu vật thể chưa có encoder kiểm soát tốc độ bánh nên chưa kiểm sốt độ xác robot Ngồi ra, chúng em cịn có thêm kinh nghiệm việc thiết kế phần cứng, cải thiện khả lập trình xử lý vấn đề xảy ra.Từ chúng em nhận cách phát triển khả cách phát triển đề tài cách hoàn chỉnh tương lai 19 ĐK Robot tự hành Giảng viên: TS Bùi Đình Bá TÀI LIỆU THAM KHẢO https://wiki.seeedstudio.com/4WD_Mecanum_Wheel_Robot_Kit_Series/ ?hcb=1 Mạc Thị Thoa, Vũ Văn Thích, Trần Đức Trung - ỨNG DỤNG ĐIỀU KHIỂN MỜ TRONG BÀI TỐN ROBOT BÁM QUỸ ĐẠO, Tạp chí Khoa học Công nghệ 53 (2) (2015) 244-253, DOI: 10 15625/0866708X/53/2/4149 Rafael C Gonzalez, Richard E Woods – Digital Image Processing, 2018 Roland Siegwart and Illah R Nourbakhsh - Introduction to Autonomous Mobile Robots, 2004 20 ĐK Robot tự hành Giảng viên: TS Bùi Đình Bá PHỤ LỤC HÌNH ẢNH 21 ... 20170280 Xử lý ảnh: Nhận diện vật thể mà xe bám theo, làm báo cáo, slide ĐK Robot tự hành Giảng viên: TS Bùi Đình Bá Chương 1: Giới thiệu đề tài Robot bám màu đối tượng loại mobile robot, di... phù hợp) Vì vậy, khn khổ mơn học Điều khiển Robot tự hành, chúng em lựa chọn đề tài ? ?Robot bám màu sử dụng xử lý ảnh? ?? để tiến hành nghiên cứu điều khiển robot Chúng em xin chân thành cảm ơn thầy... Mecanum với thiết kế đặc biệt giúp robot di chuyển đa hướng Robot bám đối tượng sử dụng xử lý ảnh có tiềm lớn để phát triển tương lai như: Robot vận chuyển kho hàng, Robot tuần tra thực nhắc nhở người