Hcmute thiết kế hệ thống cảm biến quang cho robot tự động

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 THIẾT KẾ HỆ THỐNG CẢM BIẾN QUANG CHO ROBOT TỰ ÐỘNG S K C 0 9 MÃ SỐ: SV2012-147 S KC 0 Tp Hồ Chí Minh, 6/2012 Luan van BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT TPHCM  ĐỀ TÀI NCKH SINH VIÊN THIẾT KẾ HỆ THỐNG CẢM BIẾN QUANG CHO ROBOT TỰ ĐỘNG MÃ SỐ: SV2012 - 147 THUỘC NHĨM NGÀNH: KHOA HỌC KỸ THUẬT NGƯỜI CHỦ TRÌ : Lê Bá Hồng GVHD : Trần Cơng Tú ĐƠN VỊ : Khoa Công Nghệ Thông Tin MSSV: 11110050 TP HỒ CHÍ MINH – Tháng 6/2012 Luan van MỤC LỤC MỤC LỤC PHẦN 1: ĐẶT VẤN ĐỀ I ĐỐI TƯỢNG NGHIÊN CỨU II TÌNH HÌNH NGHIÊN CỨU TRONG VÀ NGỒI NƯỚC III NHỮN VẤN ĐỀ CÒN TỒN TẠI PHẦN 2: GIẢI QUYẾT VẤN ĐỀ I MỤC ĐÍCH ĐỀ TÀI II PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU III NỘI DUNG Mạch nguyên lý Nguyên lý hoạt động khối Lưu đồ giải thuật nhận dạng xử lý ảnh IV KẾT QUẢ ĐẠT ĐƯỢC Tính khoa học Ứng dụng thực tế Hiệu kinh tế xã hội PHẦN 3: KẾT LUẬN I KẾT LUẬN II ĐỀ NGHỊ Phụ lục TÀI LIỆU THAM KHẢO THIẾT KẾ HỆ THỐNGCẢM BIẾN QUANG CHO ROBOT TỰ ĐỘNG Luan van PHẦN 1: ĐẶT VẤN ĐỀ I ĐỐI TƯỢNG NGHIÊN CỨU: ROBOCON, viết ghép tiếng Anh ROBOT CONTEST (Cuộc thi Robot), tên thi chế tạo robot dành cho sinh viên trường đại học cao đẳng khối kĩ thuật nước khu vực châu Á Thái Bình Dương Hiệp hội Phát Truyền hình châu Á -Thái Bình Dương (Asia-Pacific Broadcasting Union, viết tắt ABU) tổ chức năm II TÌNH HÌNH NGHIÊN CỨU TRONG VÀ NGOÀI NƯỚC Việt Nam tham gia thi ROBOCON từ năm 2002, năm ROBOCON trở thành thi quốc tế, giành vô địch năm Đây kết người dự đoán trước giải, Việt Nam vốn đánh giá quốc gia có trình độ khoa học - công nghệ tương đối thấp vào vòng loại trực tiếp nhờ vé vớt Đài truyền hình Nhật Bản NHK chí cịn dự định làm thước phim nói thất bại đội Việt Nam (Telematic) từ trước giải đấu diễn Ở mùa giải sau, đại diện Việt Nam tiếp tục chứng tỏ sức mạnh với chức vô địch (đều từ trường Đại học Bách khoa Thành phố Hồ Chí Minh) giải ba vào năm 2003 2009 Hầu có tiền lệ sau chức vô địch thứ ba đội trường Đại học Bách khoa Thành phố Hồ Chí Minh không cử tham gia (các đội lựa chọn khác đến từ Đại học Bách khoa Hà Nội, Đại học Công nghiệp Hà Nội, Đại học Bách khoa Đà Nẵng, Đại học Sư phạm kỹ thuật Thành phố Hồ Chí Minh ,Đại học Lạc Hồng) đội tuyển Việt Nam vô địch Robocon III NHỮNG VẤN ĐỀ CÒN TỒN TẠI: - Việc triển khai cịn gặp nhiều khó khăn mặt sở hạ tầng - Máy móc thiết bị dùng cho việc chế tạo robot cịn nhiều khó khăn hạn chế THIẾT KẾ HỆ THỐNGCẢM BIẾN QUANG CHO ROBOT TỰ ĐỘNG Luan van PHẦN 2: GIẢI QUYẾT VẤN ĐỀ I MỤC ĐÍCH ĐỀ TÀI: Nghiên cứu chế tạo robot tay tham gia thi robocon Việt Nam 2012 II PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU:     Phân tích yêu cầu Thiết kế Thi công chế tạo Dưa robot vào hoạt động III NỘI DUNG: Mạch nguyên lý Hình 3.1 trình bày sơ đồ nguyên lý tổng quan nguyên tắc hoạt động hệ thống Mạch phần cứng chia làm khối: - Khối điều khiển trung tâm sử dụng PIC16F877A - Khối nguồn - Khối truyền thông RS232 THIẾT KẾ HỆ THỐNGCẢM BIẾN QUANG CHO ROBOT TỰ ĐỘNG Luan van Sơ đồ mạch nguyên lý tổng quan hệ thống Nguyên lý hoạt động khối i Khối nguồn Hình 3.2 trình bày sơ đồ mạch nguyên lý khối nguồn Khối nguồn có chức lấy điện áp 15V từ biến áp đưa qua IC ổn áp 7805 chuyển đổi thành điện áp 5V cung cấp cho khối điều khiển trung tâm khối giao tiếp RS232 VCC U3 2 - U5 LM7805 + + 5A ~ IN C8 1000uF OUT 5V R2 330 D3 C9 100uF POWER GND ACV+ D1 ACV- ~ U4 0 0 Sơ đồ mạch nguyên lý khối nguồn ii Khối điều khiển trung tâm Khối điều khiển trung tâm khối chức mạch phần cứng PIC16F877A lựa chọn sử dụng đồ án đảm nhận chức khối điều khiển Hình 3.2 trình bày sơ đồ mạch nguyên lý khối điều khiển trung tâm THIẾT KẾ HỆ THỐNGCẢM BIẾN QUANG CHO ROBOT TỰ ĐỘNG Luan van 33pF 20MHz PIC16F877A 13 14 33pF OSC1/CLKIN OSC2/CLKOUT RBO/INT RB1 RB2 RB3 RB4 RB5 RB6 RB7 J3 RA0 RA1 RA2 RA3 RA4 RA5 6 J5 PORTA1 RA0/AN0 RA1/AN1 RA2/AN2 RA3/AN3/VREF RA4/TOCKI RA5/AN4/SS RC0/T1OSO/T1CKI RC1/T1OSI/CCP2 RE0/RD/AN5 RC2/CCP1 RE1/WR/AN6 RC3/SCK/SCL RE2/CS/AN7 RC4/SDI/SDA RC5/SDO RC6/TX/CK VDD RC7/RX/DT VDD 10 VCC PORTE VCC 11 32 R1 10K MCLR/VPP SW1 C3 1uF 12 31 GND RD0/PSP0 RD1/PSP1 RD2/PSP2 RD3/PSP3 RD4/PSP4 RD5/PSP5 RD6/PSP6 RD7/PSP7 GND GND 33 34 35 36 37 38 39 40 RB0 RB1 RB2 RB3 RB4 RB5 RB6 RB7 15 16 17 18 23 24 25 26 RC0 RC1 RC2 RC3 RC4 RC5 RC6 RC7 19 20 21 22 27 28 29 30 RD0 RD1 RD2 RD4 RD5 RD6 RD7 J2 PORTB J4 PORTC J6 PORTD Sơ đồ mạch nguyên lý khối điều khiển trung tâm iii Khối giao tiếp RS232 Khối giao tiếp RS232 đam nhận chức truyền nhận liệu PC mạch vi điều khiển Hình 3.4 trình bày sơ đị mạch ngun lý khối giao tiếp RS232 chuẩn DB9 Khối giao tiếp sủ dụng IC Max232 chuyên dụng tích hợp kênh truyền nhận cho giao tiếp RS232 với thiết bị ngoại vi P1 U2 C4 10UF C6 10UF R1IN R2IN T1OUT T2OUT C1+ VCC C1C2+ V+ C2MAX232 GND T2IN T1IN R1OUT R2OUT V- 13 14 P2 P1 P2 16 VCC C5 10UF C7 VCC P1 15 RC6 RC7 10 11 12 CONNECTOR DB9 10UF Sơ đồ mạch nguyên lý khối giao tiếp RS232 THIẾT KẾ HỆ THỐNGCẢM BIẾN QUANG CHO ROBOT TỰ ĐỘNG Luan van Lưu đồ giải thuật nhận dạng xử lý ảnh i Tổng quan Đề tài tập trung nghiên cứu nhận dạng xử lý ảnh mã vạch xuất ký tự thông tin mã vạch Hình 4.1 trình bày lưu đồ giải thuật thuật tốn nhận dạng mã vạch Nguyên tắc hoạt động: Chương trình thu nhận ảnh mã vạch từ Webcam từ thư viện ảnh Ảnh mã vạch ban đầu qua bước tiền xử lý để nâng cao chất lượng ảnh trước nhận dạng xử lý Sau qua bước nhận dạng xử lý, ta thu ma trận độ rộng mã màu vạch mã vạch Sau chúng so sánh với ma trận độ rộng mã màu mã vạch theo nguyên tắc cấu trúc mã vạch dạng EAN13 CODE 39 Kết ảnh mã vạch sau xử lý nhận dạng xuất chuỗi ký tự mã vạch đem xử lý xác định thông tin mã vạch truyền liệu mã vạch hiển thị LCD thông qua chuẩn giao tiếp RS232 Lưu đồ giải thuật tổng quan thuật toán nhận dạng mã vạch ii Khâu tiền xử lý Khâu tiền xử lý ảnh khâu quan trọng chương trình xử lý ảnh nào, định trực tiếp đến kết xử lý Trong đề tài tập trung nhận dạng mã vạch quan tâm đến định dạng ảnh nhị phân Hình 4.2 trình bày lưu đồ giải thuật trình tiền xử lý ảnh mã vạch THIẾT KẾ HỆ THỐNGCẢM BIẾN QUANG CHO ROBOT TỰ ĐỘNG Luan van Trước hết ảnh mã vạch thu thập biến đổi sang ảnh gray để tiến hành điều chỉnh độ tương phản nâng cao chất lượng ảnh để xác định phân ngưỡng trước qua lọc trung vị để giảm thiểu nhiễu, lọc trung vị sử dụng hiệu trường hợp giá trị pixel ảnh mã vạch phân biệt rõ ràng (tức giá trị pixel lớn nhỏ hẳn giá trị lân cận) Sau giảm thiểu nhiễu biến đổi ảnh nhị phân có giá trị pixel để làm sở nhận dạng ta có chuỗi nhị phân phân biệt mã vạch khoảng trắng Một vấn đề xuất nhận dạng mã vạch ảnh mã vạch thu thập bị khuyết bị lem, vấn đề MATLAB giải với cơng cụ mạnh việc kết hợp hàm giãn nở xói mịn theo quy tắc padding nhằm khôi phục ảnh mã vạch trước đưa vào nhận dạng Lưu đồ giải thuật trình tiền xử lý ảnh iii Khâu nhận dạng & xử lý ảnh Hình 4.3 trình bày lưu đồ giải thuật trình nhận dạng xử lý ảnh mã vạch sau qua khâu tiền xử lý Nguyên tắc hoạt động khâu nhận dạng xử lý ảnh ảnh sau qua khâu tiền xử lý quét theo phương ngang, dọc, chéo tương ứng với trường hợp ảnh mã vạch chụp theo chiều ngang, dọc chéo 45o Ta thu ma trận mã bit, mã bit tính tốn số lần thay đổi, độ rộng vạch tương ứng sau qua bước khử THIẾT KẾ HỆ THỐNGCẢM BIẾN QUANG CHO ROBOT TỰ ĐỘNG Luan van nhiễu thu ma trận độ rộng mã màu thực tế vạch Chúng đưa vào hàm kiểm tra mã vạch EAN-13 CODE 39 Lưu đồ giải thuật trình nhận dạng xử lý ảnh mã vạch b Lưu đồ giải thuật thiết kế hệ thống sở liệu Sau nhận dạng mã vạch yêu cầu xuất thông tin sinh viên ứng với mã vạch dạng CODE 39 thông tin sản phẩm với mã vạch dạng EAN-13 Hình 4.4 trình bày lưu đồ giải thuật trình thiết kế hệ thống sở liệu Cơng cụ Database Toolbox gói phần mềm MATLAB cung cấp khả thiết kế sở liệu ODBC nhằn thiết lập sở liệu thông tin sinh viên thơng tin sản phẩm tính cập nhật truy xuất liệu THIẾT KẾ HỆ THỐNGCẢM BIẾN QUANG CHO ROBOT TỰ ĐỘNG Luan van Lưu đồ giải thuật trình thiết kế hệ thống sở liệu IV KẾT QUẢ ĐẠT ĐƯỢC: Tính khoa học: - Tư thiết kế giải vấn đề mẻ Robot hồn thành nhiệm vụ yêu cầu đặt Khả triển khai ứng dụng vào thực tế: - Tham gia vòng thi sang tạo robocon Việt Nam 2012 năm 2012 Hiệu kinh tế - xã hội: - Giảm chi phí chế tạo Những nghiên cứu trình thiết kế, chế tạo ứng dụng vào thực tế lĩnh vực: khoa học kỹ thuật, công nghệ thông tin, khí chế tạo máy, điện điện tử THIẾT KẾ HỆ THỐNGCẢM BIẾN QUANG CHO ROBOT TỰ ĐỘNG Luan van 10 PHẦN 3: KẾT LUẬN I KẾT LUẬN - Đề tài đáp ứng mục tiêu nghiên cứu chế tạo thành công robot tay, phục vụ thi Robocon 2012 II ĐỀ NGHỊ - Tuy nhiên,mặc dù thời gian hoàn thành nhiệm vụ sân robot đảm bảo thời gian cho phép để cạnh tranh với đối thủ thi tốc độ robot cần cải tiến vấn đề ổn định robot cần quan tâm TÀI LIỆU THAM KHẢO http://robocon.vtv.gov.vn http://bkit4u.com/forum/robocon/ THIẾT KẾ HỆ THỐNGCẢM BIẾN QUANG CHO ROBOT TỰ ĐỘNG Luan van 11 S K L 0 Luan van ... xuất liệu THIẾT KẾ HỆ THỐNGCẢM BIẾN QUANG CHO ROBOT TỰ ĐỘNG Luan van Lưu đồ giải thuật trình thiết kế hệ thống sở liệu IV KẾT QUẢ ĐẠT ĐƯỢC: Tính khoa học: - Tư thiết kế giải vấn đề mẻ Robot hồn... móc thiết bị dùng cho việc chế tạo robot nhiều khó khăn hạn chế THIẾT KẾ HỆ THỐNGCẢM BIẾN QUANG CHO ROBOT TỰ ĐỘNG Luan van PHẦN 2: GIẢI QUYẾT VẤN ĐỀ I MỤC ĐÍCH ĐỀ TÀI: Nghiên cứu chế tạo robot. .. trình thiết kế, chế tạo ứng dụng vào thực tế lĩnh vực: khoa học kỹ thuật, cơng nghệ thơng tin, khí chế tạo máy, điện điện tử THIẾT KẾ HỆ THỐNGCẢM BIẾN QUANG CHO ROBOT TỰ ĐỘNG Luan van 10 PHẦN 3: KẾT