Hcmute nghiên cứu chế tạo xe robot phần thuật toán và lập trình

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH CƠNG TRÌNH NGHIÊN CỨU KHOA HỌC CẤP TRƯỜNG NGHIÊN CỨU CHẾ TẠO XE ROBOT PHẦN THUẬT TỐN VÀ LẬP TRÌNH S K C 0 9 S KC 0 Tp Hồ Chí Minh, 11/2012 Luan van BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT TP HCM KHOA CƠ KHÍ ĐỘNG LỰC - - NGHIÊN CỨU KHOA HỌC ĐỀ TÀI: NGHIÊN CỨU CHẾ TẠO XE ROBOT PHẦN THUẬT TỐN VÀ LẬP TRÌNH GVHD : TS NGUYỄN BÁ HẢI SVTH : PHẠM VĂN LONG – 06105068 TP.HCM 11/2012 Luan van LỜI CẢM ƠN Lời đầu tiên, xin chân thành cảm ơn tồn thể thầy trường Đại học Sư Phạm Kỹ Thuật Thành phố Hồ Chí Minh Đặc biệt khoa khí động lực thầy tận tình dạy dỗ, giúp đỡ tơi suốt khoảng thời gian qua Tôi xin gửi lời biết ơn sâu sắc đến Tiến sĩ Nguyễn Bá Hải dành nhiều thời gian, tâm huyết tình cảm để giúp đỡ thực tốt đề tài Mặc dù có nhiều cố gắng nổ lực để hoàn thành đề tài tất nhiệt tình lực tơi, nhiên khơng thể tránh khỏi thiếu sót, mong nhận đóng góp q báu q thầy bạn Tôi xin chân thành cám ơn Luan van Trường Đại Học SPKT TP.HCM MỤC LỤC Tựa mục Trang Mục lục i PHẦN 1: ĐẶT VẤN ĐỀ CHƯƠNG I: MỞ ĐẦU 1.1 Lý chọn đề tài 1.2 Tình hình nghiên cứu 1.2.1 Nước 1.2.2 Trong nước 1.3 Điểm đề tài PHẦN 2: GIẢI QUYẾT VẤN ĐỀ CHƯƠNG II:CƠ SỞ LÝ THUYẾT 2.1 Sơ lược robot 2.1.1 Lịch sử robot 2.1.2 Phân loại robot 2.1.3 Tổng quan robot phục vụ 2.2 Nhiệm vụ mục đích nghiên cứu 2.3 Đối tượng nghiên cứu 2.4 Phương pháp nghiên cứu 12 2.5 Phạm vi nghiên cứu 12 CHƯƠNG III:NỘI DUNG NGHIÊN CỨU 3.1 Giới thiệu ngơn ngữ lập trình LabVIEW 3.2 Các phần mềm xử lý ảnh cần thiết 3.3 Giới thiệu xử lý ảnh 14 3.3.1 Giới thiệu xử lý ảnh 14 _ GVHD: TS Nguyễn Bá Hải Trang i Luan van Trường Đại Học SPKT TP.HCM 3.3.2 Cài đặt driver kiểm tra camera 15 3.4 Các thao tác xử lý ảnh với LabVIEW 16 3.4.1 Thu ảnh (Vision Acquision) 16 3.4.2 Xử lý ảnh (Vision Assistant) 20 3.4.3 Giới thiệu thuật toán Vision Assistant 21 3.5 Một số ứng dụng ví dụ xử lý ảnh 29 3.5.1 Kiểm tra thân xe 29 3.5.2 Kiểm tra bugi 30 3.5.3 Kiểm tra đồng hồ hiển thị ô tô 31 3.5.4 Phân loại bút chì màu 31 3.5.5 Robot Waiter (Robot phục vụ thông minh) 31 3.5.6 Xác định ngón tay với xử lý ảnh LabVIEW 32 3.5.7 Xác định ký tự với xử lý ảnh LabVIEW 37 CHƯƠNG IV: KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU 41 4.1 Tổng quan robot hoàn thiện 41 4.2 Sơ đồ mạch điện robot 43 4.3 Chương trình xử lý ảnh với LabVIEW điều khiển robot 44 PHẦN 3: KẾT LUẬN & KIẾN NGHỊ CHƯƠNG V: KẾT LUẬN & GIẢI PHÁP 46 5.1 Kết đạt 46 5.2 Hạn chế đề tài 46 5.3 Giải pháp 46 5.4 Hướng nghiên cứu 46 TÀI LIỆU THAM KHẢO 47 _ GVHD: TS Nguyễn Bá Hải Trang i Luan van Trường ĐH sư phạm kỹ thuật Tp.HCM CHƯƠNG I MỞ ĐẦU 1.1 Lý chọn đề tài Ở nước phát triển có robot với đủ kích thước, hình dạng chế tạo nhằm mục đích khác Chúng thực thay cho người nhiều công việc công nghiệp lẫn đời sống hàng ngày Hiện nước giới có nhiều đề tài nghiên cứu chế tạo thành công xe robot Tiềm ngành công nghệ robot vô hạn Ở nước hàng năm có phát động thi sáng tạo robot dành cho sinh viên, kỹ sư Nhưng công nghệ cịn nghiên cứu ứng dụng, đặc biệt công nghệ xử lý ảnh nước phát triển ứng dụng nhiều cho robot Đó lí tơi chọn đề tài nghiên cứu phần thuật tốn lập trình ứng dụng cơng nghệ xử lý ảnh cho xe robot di chuyển văn phòng với hướng dẫn tiến sĩ Nguyễn Bá Hải 1.2 Tình hình nghiên cứu 1.2.1 Nước ngồi Ở nước phát triển Nhật, Mỹ, Pháp, Trung Quốc, v.v… có robot phục vụ người nhà, văn phịng làm việc, nhà hàng, siêu thị, v.v Ví dụ:  Robot phục vụ bàn cửa hàng mỳ Cáp Nhĩ Tân, Trung Quốc Hình 1.1: Robot phục vụ nhà hàng Trung Quốc Sau thực khách gọi món, robot nhà bếp bắt đầu chế biến ăn đến lúc ăn hồn tất, robot phục vụ di chuyển dọc theo đường ray sàn nhà để đưa thức ăn từ bếp đến bàn ăn thực khách Món ăn đặt cố định băng chuyền đưa đến “địa chỉ” Trong lúc thưởng thức ăn, người nghe robot hát để tạo khơng khí sơi động làm vui lòng thực khách  Robot làm việc nhà thay người Nhật GVHD: TS Nguyễn Bá Hải Page Luan van Trường ĐH sư phạm kỹ thuật Tp.HCM Hình 2.2: SmartPal V hút bụi làm sàn nhà Chú robot có tên SmartPal V, trơng "đứa trẻ" cao 1,325m, ngang 0,555m, dày 0,613m, nặng 127 kg, riêng ắc quy nặng 23 kg có thời gian hoạt động 30 phút Cánh tay SmartPal V nhấc vật nặng kg, có khớp hoạt động mềm mại Nó thu dọn rác, đặt đồ đạc, lau nhà Các robot hữu ích dùng số loại cảm biến âm thanh, ánh sáng, đặc biệt camera Vì vậy, phần lập trình robot khơng thể thiếu cơng nghệ xử lý ảnh Điều cho thấy, sức mạnh to lớn công nghệ xử lý ảnh ngành công nghệ chế tạo robot Ở nước có khoa học kỹ thuật phát triển, họ ứng dụng thành công công nghệ xử lý ảnh vào nhiều lĩnh vực như: công nghiệp tự động, y học, dân dụng, thám hiểm,… 1.2.2 Trong nước Hàng năm nước ta tổ chức thi chế tạo robot, tiêu biểu thi robocon dành cho sinh viên nước Đã có thành tựu định nước khu vực Thành tích cao robocon Việt Nam đấu trường châu Á – Thái Bình Dương hai lần lọt vào trận chung kết giành giải nhì vào năm 2010 2012 Trong thi Robocon hàng năm, robot tự động dùng cảm biến dò line gặp trục trặc, chạy không vạch lúc chạy thử khơng có vấn đề Tại robocon năm 2007, trường Học viện kỹ thuật quân mang đến đội hình robot dùng cơng nghệ xử lý ảnh Tuy kết chưa khả quan đủ làm mãn nhãn người xem Đây xem kiện mở hướng nghiên cứu công nghệ - công nghệ xử lý ảnh trường đại học kỹ thuật Việt Nam Đầu năm nay, nhà khoa học thuộc khoa điện - điện tử trường đại học giao thông vận tải thiết kế chế tạo thành công hệ thống giám sát giao thông ứng dụng công nghệ xử lý ảnh Hệ thống bao gồm camera giám sát, camera chụp hình, mạng truyền thơng, phần mềm xử lý ảnh sở liệu tự động ghi nhận tình phạm luật Kết thử nghiệm ghi nhận điều kiện ánh sáng ban ngày lưu lượng giao thơng bình thường, hệ thống cho kết tốt Về chức phát xe chuyển trái phép, kết tính tốn máy so với quan sát mắt thường cho thấy độ xác phần mềm 97% Kết phát xe chạy tốc độ so với súng bắn tốc độ theo nguyên lý rađa, sai số phần mềm 5% GVHD: TS Nguyễn Bá Hải Page Luan van Trường ĐH sư phạm kỹ thuật Tp.HCM Mới kiện mRobo, DiscoRobo SketRobo công ty Robot Tosy gây ấn tượng mạnh triễn lãm robot Nhật Hình 1.3: mRobo gây ấn tượng mạnh triễn lãm robot Nhật DiscoRobo mRobo nhún nhảy mềm mại theo nhạc biểu lộ cảm xúc khuôn mặt SketRobo vẽ tranh với đường nét điêu luyện, xác Hiện nay, FPT software sử dụng cơng nghệ xử lý ảnh 3D – hình thức cơng nghệ dùng để chẩn đốn hình ảnh kết hợp y học hạt nhân Công nghệ chẩn đốn hình ảnh kết hợp y học hạt nhân giúp bác sĩ công cụ khác để nhìn sâu vào bên thể chẩn đốn bệnh Việc sử dụng công nghệ có tác dụng lớn khơng người bệnh mà với xã hội Công nghệ ứng dụng thành công thiết bị CT tạo khả quét nhanh tốc độ nhịp tim thu nhận hình ảnh tim vừa chi tiết vừa đầy đủ, đồng giảm 50% liều tia cho bệnh nhân so với thiết bị chụp cắt lớp CT truyền thống 1.3 Điểm đề tài Điểm đề tài ứng dụng công nghệ xử lý ảnh với LabVIEW Đây lĩnh vực mẻ Việt Nam, chưa nghiên cứu ứng dụng vào thực tế nhiều, trường đại học nước ta GVHD: TS Nguyễn Bá Hải Page Luan van Trường ĐH sư phạm kỹ thuật Tp.HCM CHƯƠNG II CƠ SỞ LÝ THUYẾT 2.1 Sơ lược robot 2.1.1 Lịch sử robot Dưới vài mốc quan trọng lịch sử đời robot: - Người Babilon phát minh đồng hồ đo thời gian sử dụng dòng chảy nước Đây coi cỗ máy “robot” giới - Năm 1495, lần robot có hình dạng giống người tạo Leona da vince - Năm 1956, Engelberger - cha đẻ robot học cho đời robot công nghiệp mang tên Unimate - Năm 1970, phịng thí nghiệm Stanford cho đời xe robot tự theo vạch đen trắng Đây cột mốc đánh dấu thành tựu cho xe tự định vị - Những thập kỷ sau, ngành công nghiệp chế tạo robot phát triển vượt bậc với công nghệ tiến tiến khí, mạch điện phần mềm Hình 2.1: Lịch sử phát triển robot Asimo Nhật Bản 2.1.2 Phân loại robot  Theo tính năng: - Mobile robot: robot có nhiệm vụ chủ yếu di chuyển, định vị, tìm đường tối ưu, vẽ lại đồ - Manipulator (tay máy): robot hoạt động cánh tay người, chúng cầm nắm, xếp, di chuyển tương tác với đồ vật - Robot haptics: robot điều khiển từ xa ứng dụng cơng nghệ haptic  Theo mục đích sử dụng: GVHD: TS Nguyễn Bá Hải Page Luan van Trường ĐH sư phạm kỹ thuật Tp.HCM Robot phục vụ: phục vụ người đời sống hàng ngày dọn dẹp, trông nhà, chơi đùa với trẻ,… hay robot phục vụ lĩnh vực y tế như: robot phẫu thuật, robot chăm sóc bệnh nhân - Robot cơng nghiệp: robot làm cơng đoạn sản xuất, lắp ráp thay cho người nhằm hạn chế nguy hiểm nâng cao độ xác hiệu suất cơng nghiệp Ví dụ: robot dị mìn, robot thám hiểm ngồi vũ trụ, v.v… Ngồi cịn có nhiều tiêu chí phân loại robot khác tùy theo hệ, mức độ thông minh, kết cấu, hình dạng, cảm biến sử dụng robot - 2.1.3 Tổng quan robot phục vụ  Robot phục vụ thường có đặc điểm sau: - Kích thước nhỏ gọn, thẩm mỹ cao - Có khả di chuyển linh hoạt - Hoạt động chủ yếu nhà, văn phòng, nhà hàng - Sử dụng cấu chấp hành động DC, van từ,… - Sử dụng cảm biến như: camera, nhiệt độ, biến trở, encoder, lực, ánh sáng,…  Robot phục vụ thường sử dụng vào mục đích như: giám sát, trơng nhà, làm việc nhà, trơng trẻ, giải trí,…  Một số cấu trúc học robot: - Robot bánh xe: loại robot có chân làm bánh xe, bánh xe nối trực tiếp với trục động thông qua cấu truyền lực bánh răng, dây đai Thông thường, robot bánh xe hoạt động khu vực phẳng, ghồ ghề Hình 2.2: robot bánh xe GVHD: TS Nguyễn Bá Hải Page Luan van Trường ĐH sư phạm kỹ thuật Tp.HCM Hình 3.25 : Bước xử lý màu ban đầu Hình 3.26: Bước xử lý màu hoàn tất GVHD: TS Nguyễn Bá Hải Page 32 Luan van Trường ĐH sư phạm kỹ thuật Tp.HCM Hình 3.27: Hồn thành bước Threshold Kế tiếp ta click vào Processing Functions: Binary thực bước từ hình 3.28 đến hình 3.31 trạng thái hoạt động nhận dạng chương trình Hình 3.28: Remove hạt nhỏ Hình 3.29: Convex hull Processing Functions: Binary >> chọn particle analysis >> chọn Number of Particle GVHD: TS Nguyễn Bá Hải Page 33 Luan van Trường ĐH sư phạm kỹ thuật Tp.HCM Hình 3.30: Bước Particle Analysis Hình 3.31: Bước chọn Number of particle Kết ta có: GVHD: TS Nguyễn Bá Hải Page 34 Luan van Trường ĐH sư phạm kỹ thuật Tp.HCM Hình 3.32: Nhận dạng ngón tay Hình 3.33: Nhận dạng ngón tay 3.5.7 Ứng dụng xử lý ảnh LabVIEW để xác định ký tự  Bước 1: Thu ảnh Ở bước tương tự bước thực hướng dẫn thu ảnh (Vision Acquisition) Sau ta chọn cách thu ảnh liên tục xong, ta thực bước tiến hành xử lý ảnh với thuật toán Vision assistant  Bước 2: Các bước xử lý ảnh GVHD: TS Nguyễn Bá Hải Page 35 Luan van Trường ĐH sư phạm kỹ thuật Tp.HCM Hình 3.34: Các bước xử lý ảnh  Original image: ảnh gốc ảnh ban đầu chụp vào để xử lý  Brightness: bước nhằm mục đích cân chỉnh ánh sáng độ tương phản vị trí với ánh sáng khác  Color Plane Extraction: chuyển ảnh sang 32bit, 16bit, bit tùy theo ảnh mà chuyển sang có độ phân giải phù hợp để xử lý  Filters 1: lọc ảnh, có chức làm mịn ảnh, xác định góc v.v  Gray Morphology 1: Hình dạng ảnh xám, có nhiều dạng ảnh xám ta lựa chọn phù hợp để xử lý  OCR/OCV1: (optical character recognition) nhận dạng chữ quang học  Image mask 1: Chọn vùng xử lý Hình 3.35: Sơ đồ Front panel GVHD: TS Nguyễn Bá Hải Page 36 Luan van Trường ĐH sư phạm kỹ thuật Tp.HCM Hình 3.36: Sơ đồ Block Diagram GVHD: TS Nguyễn Bá Hải Page 37 Luan van Trường ĐH sư phạm kỹ thuật Tp.HCM GVHD: TS Nguyễn Bá Hải Page 38 Luan van Trường ĐH sư phạm kỹ thuật Tp.HCM CHƯƠNG IV KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU 4.1 Tổng quan xe robot hoàn thiện Dưới hình ảnh robot hồn thiện Hình 4.1: Xe robot hoàn thiện GVHD: TS Nguyễn Bá Hải Page 39 Luan van Trường ĐH sư phạm kỹ thuật Tp.HCM Hình 4.2: Sơ đồ khối tổng thể xe robot GVHD: TS Nguyễn Bá Hải Page 40 Luan van Trường ĐH sư phạm kỹ thuật Tp.HCM 4.2 Sơ đồ mạch điện robot Hình trình bày sơ đồ khối phần mạch điện robot: Hình 4.3: Sơ đồ khối mạch điện robot GVHD: TS Nguyễn Bá Hải Page 41 Luan van Trường ĐH sư phạm kỹ thuật Tp.HCM 4.3 Chương trình xử lý ảnh với LabVIEW điều khiển robot Những hình trình bày giao diện hoạt động thuật tốn chương trình xử lý ảnh với LabVIEW cho robot: Hình 4.4: Giao diện Front Panel GVHD: TS Nguyễn Bá Hải Page 42 Luan van Trường ĐH sư phạm kỹ thuật Tp.HCM Hình 4.5: Sơ đồ Block Diagram GVHD: TS Nguyễn Bá Hải Page 43 Luan van Trường ĐH sư phạm kỹ thuật Tp.HCM CHƯƠNG V KẾT LUẬN VÀ GIẢI PHÁP 5.1 Kết đạt Qua thời gian nghiên cứu thực đề tài, tác giả đạt kết sau: Đã nghiên cứu thiết lập thuật tốn lập trình xử lý ảnh thành cơng cho xe robot chạy văn phòng - Đã chế tạo thử nghiệm thành công xe robot xử lý ảnh văn phòng 5.2 Hạn chế đề tài - Do thời gian nghiên cứu thực có hạn nên đề tài hạn chế sau: - Tuy hồn thành mơ hình vẫn chưa đạt độ thẩm mỹ cao - Sản phẩm ban đầu mang tính nghiên cứu, áp dụng văn phịng chưa đạt độ xác cao - Chưa có giải pháp chống nhiễu ánh sáng cho camera - Robot chưa có thao tác xử lý thơng minh 5.3 Giải pháp - Trang bị cảm ứng ánh sáng hệ thống đèn led siêu sáng để ổn định ánh sáng cho camera nhằm giải vấn đề nhiễu ánh sáng - Nghiên cứu thêm công cụ xử lý nhiễu modul xử lý ảnh hàm tinh chỉnh ánh sáng ảnh thu - Trang bị camera có độ phân giải cao cảm biến laser, hồng ngoại,… để robot hoạt động xác 5.4 Hướng nghiên cứu Nếu có thêm thời gian kinh phí nghiên cứu, tác giả tập trung nghiên cứu nhằm khắc phục hạn chế đề tài Đó là: - Tìm giải pháp xử lý nhiễu ánh sáng lắp thêm cảm biến ánh sáng hệ thống đèn led siêu sáng cho camera Nghiên cứu phát triển để robot hoạt động ngồi trời Nghiên cứu ứng dụng thơng minh cho robot, ví dụ như: robot biết chọn hướng di chuyển tối ưu, cầm nắm vật nhỏ phát âm thanh,… Nâng cao độ thẩm mỹ xác cho robot GVHD: TS Nguyễn Bá Hải Page 44 Luan van Trường ĐH sư phạm kỹ thuật Tp.HCM TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] TS Nguyễn Bá Hải, Lập trình LabVIEW, trình độ bản, Nhà xuất Đại học quốc gia TP.HCM [2] Giới thiệu xử lý ảnh, ứng dụng xử lý ảnh, tác giả Nguyễn Hồ Nam, Hocdelam group [3] Internet http://www.google.com.vn/ http://thuvienso.hcmutrans.edu.vn/xem-tai-lieu/ly-thuyet-dieu-khien-tu-dong.62939.html http://voer.vn/content/m17099/latest/ http://www.tin247.com/robot_giup_viec_nha-12-42860.html http://songmoi.vn/the-gioi-bon-phuong/robot-phuc-vu-ban-tai-cua-hang-my http://www.thanhnien.com.vn/pages/20121006/robot-viet-gay-an-tuong-manh-tai-nhatban.aspx http://www.tudongbk.info/showthread.php?20-L%26%237883%3Bch-s%26%237917%3Bc%26%237911%3Ba-robot http://world.honda.com/ASIMO/history/ WWW.ni.com/pdf/manual/372228a.pdf http://sine.ni.com/cs/app/doc/p/id/cs-13901 http://zone.ni.com/reference/enXX/help/372916H01/nivisionconcepts/edge_detection_concepts/ http://zone.ni.com/devzone/cda/epd/p/id/5591 http://my.safaribooksonline.com/book/instrumentation/0130474150/image analysis/ch05lev1sec6 http://iris.elf.stuba.sk/jeeec/data/pdf/5_106-3.pdf http://www.youtube.com/watch?v=q1tpK_Rky7w GVHD: TS Nguyễn Bá Hải Page 45 Luan van S K L 0 Luan van ...BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT TP HCM KHOA CƠ KHÍ ĐỘNG LỰC - - NGHIÊN CỨU KHOA HỌC ĐỀ TÀI: NGHIÊN CỨU CHẾ TẠO XE ROBOT PHẦN THUẬT TOÁN VÀ LẬP TRÌNH GVHD : TS... ngơn ngữ lập trình LabVIEW - Nghiên cứu cơng nghệ xử lý ảnh ứng dụng thực tế - Nghiên cứu thuật toán điều khiển cho xe robot - Lập trình xử lý ảnh với LabVIEW - Kết hợp với phần cứng xe robot để... Đã nghiên cứu thiết lập thuật tốn lập trình xử lý ảnh thành cơng cho xe robot chạy văn phịng - Đã chế tạo thử nghiệm thành công xe robot xử lý ảnh văn phòng 5.2 Hạn chế đề tài - Do thời gian nghiên