(Đồ án tốt nghiệp) Thiết kế và chế tạo thiết bị tự động thu gom bóng Tennis

(Đồ án tốt nghiệp) Thiết kế và chế tạo thiết bị tự động thu gom bóng Tennis(Đồ án tốt nghiệp) Thiết kế và chế tạo thiết bị tự động thu gom bóng Tennis(Đồ án tốt nghiệp) Thiết kế và chế tạo thiết bị tự động thu gom bóng Tennis(Đồ án tốt nghiệp) Thiết kế và chế tạo thiết bị tự động thu gom bóng Tennis(Đồ án tốt nghiệp) Thiết kế và chế tạo thiết bị tự động thu gom bóng Tennis(Đồ án tốt nghiệp) Thiết kế và chế tạo thiết bị tự động thu gom bóng Tennis(Đồ án tốt nghiệp) Thiết kế và chế tạo thiết bị tự động thu gom bóng Tennis(Đồ án tốt nghiệp) Thiết kế và chế tạo thiết bị tự động thu gom bóng Tennis(Đồ án tốt nghiệp) Thiết kế và chế tạo thiết bị tự động thu gom bóng Tennis(Đồ án tốt nghiệp) Thiết kế và chế tạo thiết bị tự động thu gom bóng Tennis(Đồ án tốt nghiệp) Thiết kế và chế tạo thiết bị tự động thu gom bóng Tennis(Đồ án tốt nghiệp) Thiết kế và chế tạo thiết bị tự động thu gom bóng Tennis(Đồ án tốt nghiệp) Thiết kế và chế tạo thiết bị tự động thu gom bóng Tennis(Đồ án tốt nghiệp) Thiết kế và chế tạo thiết bị tự động thu gom bóng Tennis(Đồ án tốt nghiệp) Thiết kế và chế tạo thiết bị tự động thu gom bóng Tennis(Đồ án tốt nghiệp) Thiết kế và chế tạo thiết bị tự động thu gom bóng Tennis(Đồ án tốt nghiệp) Thiết kế và chế tạo thiết bị tự động thu gom bóng Tennis

TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM VÀ KĨ THẬT THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH KHOA ĐÀO TẠO CHẤT LƯỢNG CAO ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP THIẾT KẾ VÀ CHẾ TẠO THIẾT BỊ TỰ ĐỘNG THU GOM BÓNG TENNIS SVTH MSSV HÀ TUẤN ANH TRẦN BẢO ANH LÊ PHÁT ĐẠT 17146079 17110097 17146100 KHĨA : 2017 NGÀNH : CƠNG NGHỆ KĨ THUẬT CƠ ĐIỆN TỬ GVHH : PGS.TS NGUYỄN NGỌC PHƯƠNG Tp Hồ Chí Minh, tháng 2021 LỜI CẢM ƠN Lời đầu tiên, nhóm xin gửi lời cảm ơn sâu sắc đến thầy Nguyễn Ngọc Phương, người tận tâm dẫn cho nhóm để nhóm hồn thành tốt đồ án tốt nghiệp, đồng thời cho nhóm lời góp ý lời khuyên bổ ích Bên cạnh đó, nhóm biết ơn thầy cô trường Đại học sư phạm Kỹ thuật TP.HCM, đặc biệt môn Cơ điện tử giảng dạy chúng em lịng ln hỗ trợ nhóm nhiệt tình khoảng thời gian học tập trường hồn thành đồ án Tiếp theo, nhóm xin gửi lời cảm ơn chân thành đến thầy hội đồng bảo vệ dù thời gian bệnh dịch khó khăn thầy cố gắng tổ chức buổi bảo vệ tốt nghiệp bỏ thời gian quý báu để lắng nghe đưa lời khuyên, lời nhận xét bổ ích cho nhóm Sau đó, nhóm xin gửi lời cảm ơn chân thành đến gia đình, người thân bạn bè bên cạnh quan tâm, tạo động lực giúp đỡ việc học tập hoàn thành đồ án suốt thời gian vừa qua Và cuối cùng, dù cố gắng hoàn thiện đồ án tốt nghiệp với thời gian kinh nghiệm hạn chế nên nhóm mắc phải sai lầm q trình hồn thành đồ án Nhóm mong nhận góp ý lời nhận xét quý giá từ thầy để nhóm hồn thiện nâng cao kiến thức Xin chân thành cảm ơn! Sinh viên thực Hà Tuấn Anh Trần Bảo Anh Lê Phát Đạt i TĨM TẮT Quần vợt trị chơi thể thao động yêu cầu người chơi đánh bóng sang sân đối phương để ghi điểm Một khảo sát thực số người chơi quần vợt ngồi xe lăn Họ thường cảm thấy khó khăn tiến hành luyện tập Nhiều người số họ cảm thấy thật lãng phí sức lực di chuyển quanh sân tennis để nhặt bóng buổi tập Việc người chơi tennis ngồi xe lăn nhặt bóng khó khăn Vì nhóm nghiên cứu chế tạo robot có chức trợ lý thu thập bóng tennis cho người chơi quần vợt cần thiết Mục tiêu dự án thiết kế phát triển hệ thống nhận dạng bóng tennis Bên cạnh đó, xác định hình dạng bóng vị trí chúng cách xác nhanh chóng Trong hệ thống nhận dạng bóng, nhóm đề xuất kỹ thuật nhận dạng màu sắc để tách bóng tennis khỏi Ngồi ra, thuộc tính vùng diện tích, độ lệch tâm thuộc tính giới hạn bóng quần vợt phát để phân biệt bóng quần vợt với vật thể tương tự khác Vị trí bóng tennis phát cách xác định tâm từ tỷ lệ pixel hình ảnh với khoảng cách thực tế Phương pháp thực thành công để nhận biết diện vị trí bóng quần vợt robot Hệ thống tích hợp với hệ thống thu thập bóng tennis gồm hệ thống máy phóng bóng hệ thống điều hướng robot để hồn thành nhiệm vụ cuối Kết nhóm nghiên cứu chế tạo thành cơng robot hỗ trợ thu thập bóng tennis thơng qua chức năng: nhận dạng bóng camera, điều khiển robot đến bóng thu gom bóng hệ thống phóng bóng Bài báo cáo xây dựng với chương Cụ thể: Chương 1: GIỚI THIỆU Chương 2: TÀI LIỆU TỔNG QUAN Chương 3: THIẾT KẾ VÀ THI CÔNG Chương 4: KẾT QUẢ VÀ THỰC NGHIỆM Chương 5: KẾT LUẬN ii ABSTRACT Tennis is a dynamic sports game that requires players to hit the ball across the opponent's court to score points A survey was conducted on a number of tennis players in wheelchairs They find it difficult to train alone Many of them feel it is a waste of energy to move around the tennis court to pick up the ball after practice sessions Tennis players in wheelchairs are also very inconvenient to pick up balls So, the team researched and built a robot as an assistant to collect tennis balls for the user when prompted The goal of this project is to design and develop a tennis ball recognition system Besides, it is possible to identify tennis balls and their positions accurately and quickly In the ball recognition system, the team proposed a color recognition technique to separate tennis balls from the background In addition, zone attributes such as area, eccentricity, and bonding properties of the ball are detected to distinguish the tennis ball from the background and other similar objects The position of the tennis ball is detected by determining the center and from the ratio of image pixels to actual distance This method recognizes the presence and position of the tennis so that the robot is very successful and advantageous This system is integrated with a tennis ball collection system that includes a ball catapult system and a robotic navigation system to complete its ultimate missions As a result, the team has successfully researched and built a robot that helps collect tennis balls through functions: recognizing the ball by the camera, controlling the robot to the ball, and collecting the ball by the ball launch system The report is built with main chapters Specifically: Chapter 1: INTRODUCTION Chapter 2: OVERVIEW DOCUMENTS Chapter 3: DESIGN AND IMPLEMENTATION Chapter 4: RESULTS AND EXPERIMENTAL Chapter 5: CONCLUSION iii 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 toán 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: Thông 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 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 q trình chọn 100% Khơng có lỗi Khung sau robot ổn định q trình chọn 100% Khơng có lỗi Khung sau robot ổn định q trình chọn 100% Khơng có lỗi Khung sau robot ổn định q trình chọn 100% Khơng có lỗi NGUYÊN 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 toàn 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 u 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 Mô thực với kết từ phát cạnh Canny hình quan sát thấy phép biến đổi Hough không 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 vịng 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 sáng khơng coi đường viền/cạnh q 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 tròn 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 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