Luận văn nghiên cứu, thiết kế robot dò đường đi bằng sóng siêu âm

TRƯỜNG ĐH CƠNG NGHỆ TP HCM CỘNG HỊA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM PHÒNG QLKH – ĐTSĐH Độc lập – Tự – Hạnh phúc NHIỆM VỤ LUẬN VĂN THẠC SĨ Họ tên học viên : PHẠM DỰ Giới tính: Nam Ngày, tháng, năm sinh: 15/10/1986 Nơi sinh: Gia Lai Chuyên ngành: Kỹ Thuật Cơ Điện Tử MSHV: 1341840005 I- Tên đề tài: NGHIÊN CỨU, THIẾT KẾ ROBOT DÒ ĐƯỜNG ĐI BẰNG SÓNG SIÊU ÂM II- Nhiệm vụ nội dung: Nhiệm vụ: Điều khiển mobile robot dò đường mê cung tìm đường ngắn Nội dung: ˗ Nghiên cứu thuật tốn tìm đường mê cung ˗ Giao tiếp module cảm biến siêu âm với vi điều khiển ˗ Điều khiển mobile robot dò đường mê cung III- Ngày giao nhiệm vụ: ngày 18 tháng năm 2014 IV- Ngày hoàn thành nhiệm vụ: ngày 11 tháng năm 2015 V- Cán hƣớng dẫn: TS.NGUYỄN DUY ANH CÁN BỘ HƢỚNG DẪN KHOA QUẢN LÝ CHUYÊN NGÀNH i LỜI CAM ĐOAN Tơi xin cam đoan cơng trình nghiên cứu riêng Các số liệu, kết nêu Luận văn trung thực chưa cơng bố cơng trình khác Tôi xin cam đoan giúp đỡ cho việc thực Luận văn cảm ơn thơng tin trích dẫn Luận văn rõ nguồn gốc Học viên thực Luận văn Phạm Dự ii LỜI CẢM ƠN Lời em xin gửi lời cảm ơn chân thành sâu sắc đến quý thầy giảng viên Trường Đại học Công Nghệ Tp.HCM nhiệt tình giảng dạy, truyền đạt kiến thức kinh nghiệm quý báu cho chúng em q trình giảng dạy khóa cao học trường Đại học Công Nghệ Tp HCM Em xin gửi lời cám ơn chân thành đến Thầy TS Nguyễn Duy Anh tận tình hướng dẫn em chun mơn kinh nghiệm để giúp em thực luận văn tốt nghiệp Em xin gửi lời cám ơn đến anh/chị, bạn học viên giúp đỡ, trau dồi kiến thức suốt trình học tập làm luận văn tốt nghiệp Phạm Dự iii TÓM TẮT NỘI DUNG LUẬN VĂN Luận văn đề xuất phương pháp để điều khiển robot di động dò đường với mê cung Mục đích luận văn điều khiển, thi công robot di động, xây dựng liệu mê cung từ tìm đường ngắn Robot có hai chức năng: dị đường mê cung truyền liệu đồ mê cung tìm lên máy tính Mơ hình Robot di động sử dụng có hai bánh xe chủ động bánh xe tự lựa Robot di chuyển độc lập mê cung mà khơng có can thiệp từ bên ngồi Robot có ba cảm biến siêu âm sử dụng để dị đường phát thơng tin tường mê cung Robot sau có liệu tường mê cung truyền liệu lên máy tính thơng qua module RF UART Đồng thời liệu lưu lại nhớ robot để robot sử dụng để dò tường mê cung Kết hợp với giao diện Matlab GUI người dùng theo dõi xác vị trí đứng Robot mê cung Thuật toán Tremaux đề xuất để giải bái tốn tìm đường ngắn Robot dị tồn mê cung Đường hiển thị lên giao diện Matlab GUI Tồn kết việc dị đường, tìm đường ngắn nhất, thơng tin mê cung lưu máy tính qua file text Matlab Kết sử dụng cho lần di chuyển Việc tính tốn ước lượng thông số robot: loại sai số, vận tốc góc, vận tốc dài, khoảng cách….cũng thực dựa thơng số mơ hình, linh kiện hệ thống thực tế Phần cứng thi công bao gồm khối chính: module cảm biến siêu âm, module RF UART module mạch động lực cho robot Mạch điều khiển cho robot sử dụng vi điều khiển ARM iv ABSTRACT The thesis proposes a method to control a mobile robot which finds a way with any maze The aim is controlling, operating the robot, constructing a maze data to find the nearest way to destination Robot has two main functions: finding the way to the maze, transmitting the map data of the maze to Laptop The model of Robot is used two wheels with two motors and one wheel controlled Robot can move in maze by itself There are ultrasonic sensors which are used to detect the way and discover a signal that is caused from the wall in the maze After receiving the data from the walls in the maze, Robot transmits it to Laptop by RF UART module At the time, Robot saves the data in its memory to detect different walls in the maze According to Matlab graphic interface, user can know exactly Robot‟s location in the maze Flood fill algorithm solves the problem how to find the nearest way in the maze, as well as Robot scan all about maze This way will be showed in Matlab graphic interface All results about finding, detecting the nearest way, the maze data will be saved in computer by Matlab‟s file text These results will be used for the next steps The calculating of the parameters of Robot such as: errors, angular velocity, velocity, distance…etc is performed basing on the parameters of the model, the components of the actual system The main blocks of Robot platform: the ultrasonic sensor module, RF UART module and power circuits The robot controller is ARM microcontroller v MỤC LỤC Chương 1: TỔNG QUAN .1 1.1 Giới thiệu chung 1.2 Phân loại robot tự hành 1.2.1 Robot tự hành di chuyển chân (Legged Robot) 1.2.2 Robot tự hành di chuyển bánh (Wheel Robot) 1.3 Phương pháp điều hướng cho robot tự hành 1.3.1 Phương pháp điều hướng có tính tốn 1.3.2 Phương pháp điều hướng robot theo phản ứng 1.3.3 Phương pháp điều hướng lai ghép 11 1.4 Tính cấp thiết đề tài .11 1.5 Mục tiêu nội dung nghiên cứu 11 1.5.1 Mục tiêu đề tài 11 1.5.2 Nội dung nghiên cứu 12 1.6 Tổng quan lĩnh vực nghiên cứu 12 1.6.1 Giới thiệu tổng quan chung lĩnh vực nghiên cứu 12 1.6.2 Tình hình nghiên cứu giới .13 1.6.3 Tình hình nghiên cứu nước .17 1.7 Lựa chọn cách bố trí bánh xe 18 Chương 2: MÊ CUNG VÀ GIẢI THUẬT TÌM ĐƯỜNG TRONG MÊ CUNG 21 2.1 Robot vẽ đồ 21 2.1.1 Vấn đề định vị Robot tự hành 21 2.1.2 Sóng siêu âm .22 2.1.3 Camera xử lí hình ảnh .23 vi 2.1.4 Lựa chọn phương án định vị nhận diện vật cản .24 2.2 Mê cung thuật tốn tìm đường mê cung .24 2.3 Thuật tốn tìm đường ngẫu nhiên 25 2.4 Thuật toán bám theo tường 25 2.5 Thuật toán Pledge 26 2.6 Thuật toán Trémaux 27 2.7 Thuật toán lấp kín đường cụt .28 2.8 Thuật tốn tìm đường ngắn (floodfill) 29 Chương 3: THIẾT KẾ MƠ HÌNH XE DỊ MÊ CUNG .34 3.1 Cơ sở lý thuyết 34 3.1.1 Sơ lược loại động phổ biến 34 3.1.2 Động DC thường 34 3.1.3 Các phương pháp điều khiển động DC cho Robot tự hành 36 3.2 Thiết kế khí 37 3.2.1 Thiết kế xe dò mê cung .37 3.2.2 Thiết kế mê cung thực nghiệm 40 3.3 Hệ thống điện .41 3.3.1 Sơ đồ khối robot dò đường 41 3.3.2 Các thành phần hệ thống điều khiển 41 3.3.3 Tổng thể kết nối module hệ thống 50 Chương 4: GIẢI THUẬT ĐIỀU KHIỂN .53 4.1 Đặt vấn đề 53 4.2 Nguyên tắc xây dựng giải thuật điều khiển cho xe 53 4.3 Mảng liệu lưu trữ 53 4.3.1 Mảng liệu lưu trữ tức thời 53 vii 4.3.2 Mảng liệu lưu trữ cố định 55 4.4 Lưu đồ giải thuật 56 4.4.1 Giải thuật điều khiển vi điều khiển .56 4.4.2 Giải thuật quản lí liệu vẽ mê cung 59 4.5 Thiết kế giao diện mê cung phần mềm matlab GUI 61 Chương 5: THỰC NGHIỆM ĐIỀU KHIỂN VÀ KẾT LUẬN 63 5.1 Đánh giá .63 5.1.1 Khả di chuyển robot 63 5.1.2 Khả nhận dạng vật cản cảm biến siêu âm: 63 5.1.3 Khả di chuyển mê cung theo thuật toán: 63 5.2 Thực nghiệm 64 5.2.1 Mê cung thực nghiệm 64 5.2.2 Kết thực nghiệm 64 KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN CỦA ĐỀ TÀI 69 Những vấn đề làm được: 69 Những vấn đề chưa làm được: 69 Hướng phát triển đề tài: 69 viii DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT RF: Radio Frequency DANH MỤC CÁC BẢNG Bảng 1: Sơ đồ bánh xe Robot tự hành .5 Bảng 2: Sơ đồ chân Module MB3A 46 Bảng 3: Sơ đồ chân Module RF Transceiver CC1101 49 Bảng 4: Tổng hợp chân vi điều khiển nối với chân module 50 Bảng Bảng quy ước bit tường mảng 56 ix DANH MỤC CÁC HÌNH Hình 1.1 Robot SDR-4X, chết tạo năm 2003 hãng Sony .3 Hình 1.2 Robot chân Hình 1.3 Mơ hình robot chân .4 Hình 1.4 Các loại bánh xe dùng Robot tự hành Hình 1.5 Robot tự hành Rover thám hiểm Hoả Hình 1.6 Robot cắt cỏ Hình 1.7 Robot hút bụi Trilobite Hình 1.8 Sơ đồ cấu trúc phương pháp điều khiển có tính tốn .8 Hình 1.9 Sơ đồ tìm đường giải thuật 14 Hình 1.10 Giao diện mơ mê cung 14 Hình 1.11 Giao diện (GUI) mô mê cung 15 Hình 1.12 Tọa độ ảo mê cung 15 Hình 1.13 Robot cỡ nhỏ sử dụng báo 16 Hình 1.14 Mê cung thiết kế mê cung thực tế 16 Hình 1.15 Robot thí nghiệm 17 Hình 1.16 Kết thí nghiệm .17 Hình 1.17 Sơ đồ khối Mobile Robot 18 Hình 1.18 Robot chạy mê cung 18 Hình 1.19 Hai bánh chuyển động vi sai 19 Hình 1.20 Hai bánh truyền động phía sau 19 Hình 1.21 Hai bánh truyền động có điểm thứ ba tiếp xúc .20 Hình 2.1 Mê cung đơn kết nối 24 Hình 2.2 Mê cung đa kết nối .25 Hình 2.3 Thuật tốn bám theo tường 26 Hình 2.4 Thuật toán Pledge 27 Hình 2.5 Thuật tốn Tremaux .28 Hình 2.6 Bước giải thuật lấp đường cụt 29 Hình 2.7 Bước giải thuật lấp đường cụt 29 Hình 2.8 Bước giải thuật floodfill .30 Hình 2.9 Bước giải thuật Floodfill 31 56 Thông tin tường ô (i, j) mảng đặt theo thứ tự sau: Bảng Bảng quy ước bit tường mảng Ô (i, j) Cột thứ 4j – Cột thứ 4j – Cột thứ 4j - Cột thứ 4j Hàng thứ i -bitBac bitDong bitNam bitTay Vậy cách truy xuất phần tử mảng infoWall, tác giả số hóa, thay đổi, sử dụng liệu tường mê cung Ví dụ: Phần tử Ơ (2,8) bit Tay ô(2,2) 4.4 Lƣu đồ giải thuật 4.4.1 Giải thuật điều khiển vi điều khiển 4.4.1.1 Chƣơng trình Cập nhật trạng thái cảm biến Lựa chọn hướng di chuyển Xoay trái Di thẳng Xoay phải Gửi liệu lên máy tính Hình 4.1 Sơ đồ điều khiển chương trình Chương trình trình bày vẽ Lưu đồ giải thuật Chương trình có nhiệm vụ điều khiển xe di chuyển mê cung, đồng thời gửi liệu lên máy tính để vẽ lại mê cung xe dò Cấu trúc chương trình sau:  Bước 1: Cập nhật trạng thái cảm biến siêu âm (trái, giữa, phải) 57  Bước 2: Lựa chọn hướng di chuyển (xoay trái, thẳng, xoay phải)  Bước 3: Gọi hàm Turn left, Turn right, Run Straight theo hướng lựa chọn  Bước 4: Cập nhật tọa độ vị trí theo hàm toadoketiep(Huong‟) thẳng hướng di chuyển rẽ hướng  Bước 5: Gửi liệu hướng, tọa độ, cảm biến lên máy tính để vẽ đồ mê cung lưu trữ thông tin,  Bước 6: lặp lại bước 4.4.1.2 Giải thuật bám tƣờng để robot di chuyển ô mê cung Run Straight Encoder=0 Dùng xe N Cambien_giua>20 or encoder