(Đồ án hcmute) nghiên cứu, thiết kế và chế tạo robot nhặt bóng tenis ứng dụng xử lý ảnh

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP NGÀNH KỸ THUẬT CƠ ĐIỆN TỬ NGHIÊN CỨU, THIẾT KẾ VÀ CHẾ TẠO ROBOT NHẶT BÓNG TENNIS ỨNG DỤNG XỬ LÝ ẢNH GVHD: LÊ THANH TÙNG SVTH: VÕ VIỆT ÂN MSSV: 15146006 SVTH: PHẠM DUY THÁI MSSV: 15146096 SVTH: NGUYỄN VĂN CHƯƠNG MSSV: 15146014 SKL 0 5 Tp Hồ Chí Minh, tháng 07/2018 an TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH KHOA ĐÀO TẠO CHẤT LƯỢNG CAO ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP NGHIÊN CỨU, THIẾT KẾ VÀ CHẾ TẠO ROBOT NHẶT BÓNG TENNIS ỨNG DỤNG XỬ LÝ ẢNH SVTH: VÕ VIỆT ÂN MSSV: 15146006 PHẠM DUY THÁI MSSV: 15146096 NGUYỄN VĂN CHƯƠNG MSSV: 15146014 Khóa: 2015-2019 Ngành: CƠNG NGHỆ KỸ THUẬT CƠ ĐIỆN TỬ GVHD: ThS LÊ THANH TÙNG TP.Hồ Chí Minh, tháng năm 2019 an LỜI CẢM ƠN Đã bốn năm kể từ bước chân vào giảng đường Đại Học Sư Phạm Kỹ Thuật Thành Phố Hồ Chí Minh, khoảng thời gian học tiếp thu lượng kiến thức đáng kể không kiến thức chuyên ngành mà kiến thức giới xung quanh Tất nhiên chúng tơi khơng có điều khơng có hỗ trợ trường với chương trình học tuyệt vời, kiến thức truyền đạt từ giảng viên mơn Cơ Điện Tử Vì lời cảm ơn xin gửi đến trường Đại Học Sư Phạm Kỹ Thuật Thành Phố Hồ Chí Minh Bộ Môn Cơ Điện Tử Đồ án hồn thành với hỗ trợ to lớn từ người giảng viên hướng dẫn – thầy Lê Thanh Tùng Dưới hướng dẫn chân thành nhiệt tình, thực bước trở thành người nghiên cứu độc lập lĩnh vực học làm để tạo ý tưởng hoàn thành nhiệm vụ đề đồ án Thầy hỗ trợ nhiều việc tiếp cận vấn đề mới, xin gửi đến thầy lời cảm ơn chân thành Chúng xin chân thành cảm ơn thầy cô Trường ĐH Sư Phạm Kỹ Thuật TP.HCM nói chung, thầy mơn Cơ Điện Tử nói riêng dạy dỗ cho kiến thức môn đại cương mơn chun ngành, giúp tơi có sở lý thuyết vững vàng tạo điều kiện giúp đỡ chúng tơi suốt q trình học tập Mặc dù cố gắng xây dựng mơ hình tương đối hồn chỉnh chúng tơi khơng tránh khỏi thiếu sót mong q thầy bỏ qua nhắc nhỡ chúng tơi để hồn thành tốt Cuối cùng, chúng tơi xin chân thành cảm ơn gia đình bạn bè, tạo điều kiện, quan tâm, giúp đỡ, động viên chúng tơi suốt q trình học tập hoàn thành đồ án i an LỜI MỞ ĐẦU Ngày nay, khoa học kỹ thuật ngày tiên tiến, phát triển Cơng nghệ đóng vai trò quan trọng sống Những việc từ nhỏ đến lớn có góp mặt máy móc cơng nghệ Chúng thay người làm cơng việc khó khăn, nguy hiểm, tăng suất cơng việc, tăng độ xác, giảm thời gian lao động từ giảm bớt nhân cơng quy trình sản xuất hướng dần đến tự động hóa Máy móc cịn hỗ trợ người công việc nội trợ (dọn dẹp, nấu ăn, …), phục vụ nhà hàng, hỗ trợ hoạt động thể thao, … Tennis môn thể thao phổ biến giới nói chung Việt Nam nói riêng Chơi tennis giúp rèn luyện sức khỏe, tăng chiều cao giải trí sau nhiều học tập, làm việc căng thẳng Thế tennis môn thể thao đối kháng người thật may mắn biết thị trường có máy phát bóng tennis tự động giúp người chơi tập luyện có Đi kèm với cịn khía cạnh mà người ý đến việc thu nhặt bóng tennis sau trình chơi tiêu tốn nhiều thời gian người chơi Như người nói : “Định nghĩa máy móc cơng cụ tiết kiệm thời gian nhân loại” Chính lẽ nhóm tơi tìm hiểu thực hiệu đề tài “Nghiên cứu,thiết kế chế tạo robot nhặt bóng tennis ứng dụng xử lí ảnh” Với robot người chơi tennis tiết kiệm công sức tận dụng thời gian, từ tăng phần hứng thú luyện tập tennis nhiều Nhắm đến mục đích cuối phát triển sức khỏe cho người sử dụng Robot phát triển để điều khiển ứng dụng điện thoại tiện lợi kết hợp với máy phát bóng tạo thành cơng cụ khơng thể thiếu dành cho người tập chơi tennis Nội dung thực bố cục đồ án xin trình bày chương: Chương 1: Tổng quan ý tưởng Chương 2: Cở sở lý thuyết Chương 3: Thiết kế khí Chương 4: Mạch điện chương trình điều khiển Chương 5: Kết phân tích thực nghiệm Chương 6: Kết luận hướng phát triển ii an MỤC LỤC LỜI CẢM ƠN i LỜI MỞ ĐẦU ii DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT v DANH MỤC CÁC BẢNG BIỂU vi DANH MỤC BIỂU ĐỒ VÀ HÌNH ẢNH vii Chương 1: TỔNG QUAN Ý TƯỞNG 1.1 Lý chọn đề tài 1.2 Mục tiêu đề tài 1.3 Nội dung đề tài Chương 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT 2.1 Tổng quan Robot tự hành 2.1.1 Khái niệm Robot tự hành 2.1.2 Phương pháp di chuyển Robot tự hành 2.2 Tổng quan Robot nhặt bóng tennis 2.3 Các nghiên cứu có liên quan 10 2.3.1 Bóng tennis 10 2.3.2 Sân tennis phương án di chuyển 11 2.3.3 Giới thiệu xử lý ảnh 12 2.3.4 Giới thiệu Web server 17 Chương 3: THIẾT KẾ CƠ KHÍ 19 3.1 Thông số kỹ thuật robot sơ đồ khối thành phần robot 19 3.1.1 Dữ liệu đầu vào 19 3.1.2 Sơ đồ tổng quan 19 3.2 Các phương án thiết kế 23 3.2.1 Cơ cấu nhặt bóng tennis 23 3.2.2 Cơ cấu bóng 25 iii an 3.2.3 Cơ cấu khung robot 28 3.2.4 Cơ cấu di chuyển 30 3.3 Tính tốn thiết kế robot 31 3.3.1 Công suất động di chuyển 31 3.3.2 Cơng suất động cuộn bóng 34 3.4 Xác định thiết bị cấu thành Robot 35 3.4.1 Đế robot 35 3.4.2 Bánh xe 35 3.4.3 Chọn động 36 3.4.4 Chọn nguồn điện cung cấp 39 3.4.6 Rulo 41 Chương 4: MẠCH ĐIỆN VÀ CHƯƠNG TRÌNH ĐIỀU KHIỂN 44 4.1 Sơ đồ thiết bị 44 4.2 Sơ đồ nguyên lý 46 4.2.1 Mạch công suất điều khiển động 46 4.2.2 Mạch điều khiển Arduino Mega 47 4.2.3 Module công suất L298 48 4.3 Thuật toán điều khiển di chuyển 49 4.4 Thuật toán xử lý ảnh 55 4.5 Thuật toán truyền-nhận xử lý liệu 59 4.3 Thiết kế ứng dụng điều khiển Smartphone 60 Chương 5: KẾT QUẢ PHÂN TÍCH THỰC NGHIỆM 63 5.1 Thông số kỹ thuật 63 5.2 Hình ảnh thực tế 63 5.3 Thực nghiệm 67 Chương 6: KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN 71 TÀI LIỆU THAM KHẢO 72 iv an DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT CES: Consumer Electronics Show DC: Direct Current Motors PWM: Pulse-Width Modulation PE: Poly Etylen PID: Proportional-Integral-Derivative v an DANH MỤC CÁC BẢNG BIỂU Bảng 1.1 so sánh cơng cụ nhặt bóng Bảng 2.1 kí hiệu cách xếp bánh xe Bảng 3.1 Dữ liệu đầu vào 19 Bảng 3.2 Thông số dự kiến robot 22 Bảng 3.3 Bảng thơng số tính tốn thực tế chi tiết 42 Bảng 5.1 Bảng thông số kỹ thuật 63 Bảng 5.2 Kết mô hình tĩnh bóng thẳng 67 Bảng 5.3 Kết mơ hình tĩnh bóng nghiêng 450 phải 68 Bảng 5.4 Kết mơ hình tĩnh bóng nghiêng 450 trái 69 Bảng 5.5 Kết mơ hình chạy thẳng bóng zigzag 70 vi an DANH MỤC BIỂU ĐỒ VÀ HÌNH ẢNH Hình 1.1 Playmate ball mower Hình 1.2 Ball hopper Hình 1.3 Ball tube Hình 1.4 Các đánh giá Tennibot Hình 2.1 Legged robot Hình 2.2 Wheel robot with balanced system Hình 2.3 Wheel robot Hình 2.4 Tennibot Hình 2.5 Một số robot sinh viên nghiên cứu việt nam Hình 2.6 Thơng số kỹ thuật bóng tennis 10 Hình 2.7 Kích thước sân tennis chuẩn phương án di chuyển 11 Hình 2.8 Khơng gian màu RGB 12 Hình 2.9 Không gian màu HSV 13 Hình 2.10 Hình ảnh từ camera 14 Hình 2.11 Khơng gian màu HSV 14 Hình 2.12 Ảnh mức xám 15 Hình 2.13 Ảnh xác định vị trí vật thể 16 Hình 2.14 Mơ tả hoạt động Web server 17 Hình 3.1 Sơ đồ khối toàn máy 19 Hình 3.2 Sơ đồ khối thiết kế 20 Hình 3.3 Mơ hình phân rả chi tiết 21 Hình 3.4 Tên phận 21 Hình 3.5 Các thơng số dự kiến robot Sơ đồ khối toàn máy 22 vii an Hình 3.6 Robot ATBAC 23 Hình 3.7 Cơ cấu kẹp đứng 23 Hình 3.8 Cơ cấu kẹp ngang 23 Hình 3.9 Tennibot 24 Hình 3.10 Mơ tả chế bóng 25 Hình 3.11 Bản vẽ chi tiết khối Rulo động 26 Hình 3.12 hình 3D 26 Hình 3.13 Hình thực tế 26 Hình 3.14 Bản vẽ chi tiết khối Rulo dẫn 27 Hình 3.15 hình 3D 27 Hình 3.16 Hình thực tế 27 Hình 3.17 Khung robot 28 Hình 3.18 Bản vẽ chi tiết mặt đế robot 29 Hình 3.19 Cơ cấu di chuyển robot 30 Hình 3.20 Sơ đồ lực 31 Hình 3.21 Sơ đồ lực lên bánh xe 32 Hình 3.22 Cơ cấu cuộn bóng 34 Hình 3.23 Động DC giảm tốc 36 Hình 3.24 Thơng số kỹ thuật động 37 Hình 3.25 Động DC Servo 37 Hình 3.26 Thơng số kỹ thuật động 38 Hình 3.27 Pin Lipo 39 Hình 3.28 Dây thun 40 Hình 3.29 Nhựa PE 41 Hình 4.1 Sơ đồ thiết bị 44 Hình 4.2 Mạch nguyên lý điều khiển động 46 viii an 4.5 Thuật tốn truyền-nhận xử lý liệu Hình 4.15 Lưu đồ truyền-nhận xử lý liệu Mô tả: Các thơng số dung lượng pin, số lượng bóng thu thập lưu trữ vào sở liệu từ thị lên website giám sát Mặt khác, người dùng thông qua giao diện website giám sát điều chỉnh thơng số cho chương trình xử lý ảnh lưu trữ vào sở liệu Hình ảnh thơng qua camera truyền đến Raspberry thực chương trình xử lý ảnh dựa thông số từ sở liệu Sau thuật tốn xử lý ảnh, chương trình đưa tọa độ bóng Arduino dựa vào thơng số tọa độ bóng kết hợp với thuật toán tránh va chạm để định phương án di chuyển Ngồi ra, người dùng cịn điều khiển robot tay thông qua ứng dụng smartphone 59 an 4.3 Thiết kế ứng dụng điều khiển Smartphone MIT App Inventor dành cho Android ứng dụng web nguồn mở ban đầu cung cấp Google trì Viện Công nghệ Massachusetts (MIT) Nền tảng cho phép nhà lập trình tạo ứng dụng phần mềm cho hệ điều hành Android (OS) Bằng cách sử dụng giao diện đồ họa, tảng cho phép người dùng kéo thả khối mã (blocks) để tạo ứng dụng chạy thiết bị Android Đến thời điểm , phiên iOS tảng bắt đầu đưa vào thử nghiệm Thunkable, nhà cung cấp ứng dụng web cho ngôn ngữ Mục tiêu cốt lõi MIT App Inventor giúp đỡ người chưa có kiến thức ngơn ngữ lập trình từ trước tạo ứng dụng có ích hệ điều hành Android Phiên MIT App Inventor  Giao diện thiết kế (Design) Hình 4.16 Giao diện thiết kế  Giao diện lập trình (Blocks) Hình 4.17 Giao diện lập trình 60 an  Giao diện hồn thiện chương trình điều khiển Smartphone Hình 4.18 Giao diện Mơ tả:      Các bước sử dụng ứng dụng để điều khiển robot: Người dùng chọn bluetooth cần kết nối cách nhấn nút “Chọn Bluetooth” Chọn chế độ hoạt động cho robot (Auto/Manual) Khởi động băng nút “thuận” “nghịch” Đối với chế độ Manual:  Người dùng điều khiển di chuyển robot thông qua nút di chuyển hình Ngồi cịn có nút chức như:  “E stop”: Dừng toàn hoạt động robot  “Gạt bóng”: Lấy bóng cịn kẹt lại băng  “Ngắt kết nối”: Ngắt kết nối bluetooth 61 an Hình 4.19 Giao diện thiết lập chế độ nhặt bóng tự động  Đối với chế độ Auto  Người dùng nhấn nút “Auto mode setting” để vào trang thiết lập thông số cho chế độ Auto trước sử dụng  Trong trang này, người dùng chọn chế độ hoạt động robot: - Với chế độ nhặt bóng theo lộ trình đặt sẵn: người dùng cần nhập kích thước sân bóng - Với chế độ nhặt bóng sử dụng camera: người dùng cần nhập số bóng cần thu thập sân  Sau nhập xong, nhấn “Apply” để lưu lại thơng số sau nhấn “Back” để trở giao diện 62 an Chương 5: KẾT QUẢ PHÂN TÍCH THỰC NGHIỆM 5.1 Thơng số kỹ thuật Thông số Giá trị Chiều dài máy Chiều rộng máy Chiều cao Trọng lượng không tải Tải trọng tối đa Vận tốc 700mm 490mm 210mm 10 Kg 20 Kg 0.3m/s Thơng số Giá trị Số bóng thu thập Tổng số bóng chứa tối đa Phạm vi bóng tối đa Thời gian hoạt động tối đa bóng/1 lần 22 bóng 40cm 2h Bảng 5.1 Bảng thơng số kỹ thuật 5.2 Hình ảnh thực tế  Cơ cấu khí Hình 5.1 Hình ảnh thực tế (top) 63 an Hình 5.2 Hình ảnh thực tế (side) Hình 5.3 Hình ảnh thực tế (front) 64 an  Giao diện điều khiển Hình 5.4 Giao diện xử lý ảnh App điều khiển Hình 5.5 Giao diện Web giám sát 65 an  Quy trình nhặt bóng sử dụng xử lý ảnh thơng qua camera Hình 5.6 Quy trình nhặt bóng sử dụng camera Mơ tả: Camera nhận hình thực tế, sau chuyển sang hệ màu HSV, tiến hành tách hình mức xám Sau Lọc nhiễu làm rõ ta xác định truyền liệu tọa độ bóng cho xử lý trung tâm Tiếp theo robot di chuyển thực thao tác nhặt bóng Cuối cập nhật hình ảnh thực tế lặp lại quy trình 66 an 5.3 Thực nghiệm Hình 5.7 Mơ hình tĩnh bóng thẳng Bảng 5.2 Kết mơ hình tĩnh bóng thẳng 67 an Hình 5.8 Mơ hình tĩnh bóng nghiêng 450 phải Bảng 5.3 Kết mơ hình tĩnh bóng nghiêng 450 phải 68 an Hình 5.9 Mơ hình tĩnh bóng nghiêng 450 trái Bảng 5.4 Kết mơ hình tĩnh bóng nghiêng 450 trái 69 an Hình 5.10 Mơ hình chạy thẳng bóng zigzag Bảng 5.5 Kết mơ hình chạy thẳng bóng zigzag Kết luận: Thử nghiệm mơ hình tĩnh bóng lần bóng: - Bóng thẳng vng góc với máy đạt : 90% - Bóng nghiêng 450 phải so với máy đạt : 85% - Bóng nghiêng 45 trái so với máy đạt : 90% Thử nghiệm mơ hình chạy thẳng lần bóng đặt zigzag: - Đạt tỉ lệ thành công : 82.5% Thời gian pin dùng liên tục khoảng tiếng 70 an Chương 6: KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN Qua tháng thực đồ án, thời gian tương đối ngắn nhóm chúng tơi cố gắng để thu thập thông tin thực đồ án theo bước: nghiên cứu – thiết kế vẽ – lập trình – xây dựng mơ hình thực tế cuối hoàn thành thời gian quy định Cũng qua đồ án học hỏi thêm nhiều kiến thức kinh nghiệm quý báu nghề nghiệp tương lai Hiểu rõ khó khăn cần phải giải bắt tay vào thực đồ án tốt nghiệp, nên nhóm bố trí thời gian phân công hợp lý, khoa học để hoàn thành đồ án tiến độ Tuy nhiên lượng kiến thức kinh nghiệm hạn chế nên khơng tránh khỏi thiếu sót nhờ giúp đỡ thầy Lê Thanh Tùng giúp chúng tơi hồn thành đồ án • • • • • • Những kết đạt được: Qua trình thực đề tài nhóm hồn thành bảng thuyết minh, vẽ mơ hình thực tế Kết cấu chắn, hoạt động ổn định mơi trường ngồi trời Các phận lắp ráp riêng lẻ dễ dàng sửa chữa, thay với giá hợp lý Giao diện điều khiển thân thiện dễ dạng nắm bắt cho người sử dụng Hoạt động thơng minh tự tìm đường, tránh vật cản nhặt bóng linh hoạt Điều khiển từ xa Smartphone giám sát trạng thái robot thơng qua trình duyệt web kết nối với sở liệu Những hạn chế đề tài: Do khả kinh nghiệm hạn chế nên việc thực đồ án cịn có hạn chế sau: • Quỹ đạo di chuyển chưa xác tuyệt đối • Do sai lệch gia cơng khí nên robot bị rung nhẹ phát tiếng ồn • Kích thước robot cịn lớn, cồng kềnh • Chưa tối ưu hóa phương thức di chuyển • • • • • Hướng phát triển đề tài: Cải thiện độ xác xử lý cấu khí Tối ưu hóa kích thước mơ hình Giảm thiểu tiếng ồn phát hoạt động Phát triển hệ thống định vị tọa độ Robot sân Có thể giám sát thơng qua internet tồn cầu Một lần chúng tơi chân thành cảm ơn q Thầy, Cô môn Cơ Điện Tử thầy Lê Thanh Tùng nhiệt tình hướng dẫn, giúp chúng tơi hồn thành đồ án 71 an TÀI LIỆU THAM KHẢO Tài Liệu Internet Tiếng Anh [1] Tennibot, "kickstarter," 24 2018 [Online] Available: https://www.kickstarter.com/projects/770435035/tennibot-the-worlds-firstrobotic-tennis-ball-coll/description [Accessed 15 2018] Tài Liệu Internet Tiếng Việt [2] V Teo, "TaiLieu," 01 10 2010 [Online] Available: https://tailieu.vn/doc/thiet-ke-phuong-phap-dieu-khien-robot-tu-hanh-duatren-co-so-logic-mo-chuong-1-328370.html [Accessed 15 06 2018] [3] H.L., "vnexpress," 19 07 2006 [Online] Available: https://thethao.vnexpress.net/tin-tuc/bong-da-quoc-te-giai-ngoai-hanganh/nhung-bi-mat-ve-bong-tennis-1092262.html [Accessed 15 2018] [4] T Truong, "thethaothientruong," 26 02 2016 [Online] Available: https://www.thethaothientruong.vn/tin-tuc/kich-thuoc-san-tennis-tieuchuan.html [Accessed 15 06 2018] Tài Liệu Sách Tham Khảo [5] T Q Hùng, "Giáo trình dung sai - kỹ thuật đo", Nhà xuất ĐHQG TP.HỒ CHÍ MINH [6] N H Lộc, "Cơ sở thiết kế máy", Nhà xuất ĐHQG TP HỒ CHÍ MINH, 2004 [7] N T Hải, "Giáo trình xử lý ảnh", Nhà xuất ĐHQG TP.HỒ CHÍ MINH, 2014 [8] T Chất L V Uyển, "Tính tốn thiết kế hệ dẫn động khí, Tập II", Nhà xuất giáo dục , 2000 [9] T Chất L V Uyển, "Tính tốn thiết kế hệ dẫn động khí, Tập I", Nhà xuất giáo dục, 1997 [10] P M Hà, "Kỹ thuật mạch điện tử", Nhà xuất khoa học kỹ thuật, 2002 72 an an ... PHẠM KỸ THUẬT THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH KHOA ĐÀO TẠO CHẤT LƯỢNG CAO ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP NGHIÊN CỨU, THIẾT KẾ VÀ CHẾ TẠO ROBOT NHẶT BÓNG TENNIS ỨNG DỤNG XỬ LÝ ẢNH SVTH: VÕ VIỆT ÂN MSSV: 15146006 PHẠM DUY... hiểu thực hiệu đề tài ? ?Nghiên cứu ,thiết kế chế tạo robot nhặt bóng tennis ứng dụng xử lí ảnh? ?? Với robot người chơi tennis tiết kiệm công sức tận dụng thời gian, từ tăng phần hứng thú luyện tập tennis... toán điều khiển di chuyển 49 4.4 Thuật toán xử lý ảnh 55 4.5 Thuật toán truyền-nhận xử lý liệu 59 4.3 Thiết kế ứng dụng điều khiển Smartphone 60 Chương 5: KẾT