Hiện nay với sự phát triển nhanh chóng của công nghệ điều khiển thông minh và tự động hóa. Robot đã dần được đưa vào thay thế con người trong nhiều công việc với các sứ mệnh khác nhau, như là vận chuyển, làm công việc trong môi trường độc hại, công việc lặp đi lặp lại, khám phá không gian… Những sự chuyển đổi này đã góp phần rất lớn vào giảm chi phí nhân công cho doanh nghiệp, hạn chế các công việc độc hại ảnh hưởng đến sức khỏe con người. Là một sinh viên chuyên ngành Cơ Điện Tử với sự yêu thích và tò mò với những lĩnh vực công nghệ mới. Nhóm quyết định chọn đề tài cho Đồ Án Nghiên Cứu của mình là thiết kế, chế tạo xe tự hành thông minh sử dụng cơ cấu lái Ackermann. Mục tiêu đồ án: + Thiết kế xe tự di chuyển trên một môi trường xác định trước. + Xe có khả năng điều hướng tránh vật cản trên quãng đường di chuyển để tới được đích mong muốn. + Điều khiển được robot bằng giọng nói từ xa. + Dùng camera giám sát từ xa đồng thời có thể nhận diện được người quen và phát ra câu chào người đó. Phương pháp thực hiện: Lập trình robot trên máy tính nhúng cài hệ điều hành ROS (Robot Operating System) để thực hiện các bài toán lập bản đồ, điều hướng đi linh hoạt trong không gian, dùng kỹ thuật xử lý ảnh để thu được những dữ liệu quan tâm cho chủ robot qua những người tiếp xúc với robot. Dùng công cụ trợ lý ảo để điều khiển robot bằng âm thanh khi cần. Giao tiếp kết nối từ xa qua Wifi.
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI ĐỒ ÁN NGHIÊN CỨU CỬ NHÂN Xe tự hành giám sát đối tượng NGUYỄN ĐỨC THÀNH thanh.nd170909@sis.hust.edu.vn NGUYỄN CÔNG HUY huy.nc170776@sis.hust.edu.vn Ngành Cơ Điện Tử Giảng viên hướng dẫn: TS Trương Công Tuấn Cơ Điện Tử Bộ mơn: Viện: Cơ Khí HÀ NỘI, 7/2021 Chữ ký GVHD PHIẾU GIAO ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP Thơng tin nhóm sinh viên STT Họ tên MSSV Lớp Nguyễn Đức Thành 20170909 CTTN CĐT K62 Nguyễn Công Huy 20170776 CTTN CĐT K62 Đồ án nghiên cứu cử nhân thực tại: Viện Cơ Khí – Đại học Bách Khoa Hà Nội Thời gian làm đồ án: 1/3/2021 đến ngày 13/7/2021 Đề tài nghiên cứu Đồ án: Thiết kế xe tự hành có khả tự di chuyển, với chức giám sát khu vực, Các nhiệm vụ cụ thể đồ án Vì mục tiêu học tập nên thành viên nhóm thực tất cơng việc, nhiên chia nhiệm vụ sau: Sinh viên Nguyễn Đức Thành: - Thiết kế hệ thống khí cho robot - Xây dựng đồ cho robot thuật toán SLAM - Điều hướng cho robot có khả di chuyển tự động mơi trường Sinh viên Nguyễn Công Huy: - Thu thập ảnh người vật trình giám sát từ xa - Xử lý ảnh nhận diện khuôn mặt người lạ xâm nhập - Xử lý âm tương tác với người, đồng thời đưa cảnh báo cần thiết Lời cam đoan sinh viên Nhóm nghiên cứu đề tài “Thiết kế xe tự hành có chức giám sát khu vực, kiếm soát người lạ xâm nhập trái phép” cơng trình nghiên cứu nhóm hướng dẫn TS Trương Công Tuấn Các kết nêu đồ án trung thực, không chép, đạo văn cơng trình khác Các tài liệu tham khảo dùng đồ án được thích đầy đủ Nhóm sinh viên thực đồ án Nguyễn Đức Thành Nguyễn Công Huy Xác nhận giảng viên hướng dẫn Giảng viên hướng dẫn NHẬN XÉT CỦA GIÁO VIÊN HƯỚNG DẪN Điểm hướng dẫn: Hà Nội, ngày….tháng…năm 2021 Giảng viên hướng dẫn Nguyễn Đức Thành Nguyễn Công Huy TS Trương Công Tuấn NHẬN XÉT CỦA GIÁO VIÊN PHẢN BIỆN Hà Nội, ngày….tháng…năm 2021 Giảng viên phản biện Lời cảm ơn Trước tiên em xin gửi lời cảm ơn đến thầy, cô, cán Trường đại học Bách Khoa Hà Nội tạo điều kiện cho chúng em học tập, giao lưu học hỏi kiến thức thuận lợi Thứ hai, em xin bày tỏ lòng biết ơn đến thầy cô giáo, cán bộ, bạn bè Viện Cơ khí ln tận tình bảo, giúp đỡ em nhiều trình học tập Viện Để hoàn thành đồ án nghiên cứu này, chúng em xin chân thành cảm ơn TS Trương Công Tuấn tạo điều kiện giúp đỡ, tham gia ý kiến cho chúng em lời khuyên vô quý báu Nếu khơng có bảo thầy, chắn chúng em khó lịng hồn thành đồ án quan trọng Dù cố gắng nhiều lực, kiến thức thời gian có hạn nên đồ án khơng tránh khỏi cịn nhiều thiếu sót Nhóm sinh viên thực hiên mong có ý kiến thầy cơ, bạn bè phản biện để nhóm hồn thiện đồ án Qua tạo sản phẩm có ý nghĩa để phục vụ vào đời sống thực tiễn Nhóm sinh viên thực xin chân thành cảm ơn! Tóm tắt nội dung đồ án Hiện với phát triển nhanh chóng cơng nghệ điều khiển thơng minh tự động hóa Robot dần đưa vào thay người nhiều công việc với sứ mệnh khác nhau, vận chuyển, làm công việc môi trường độc hại, công việc lặp lặp lại, khám phá khơng gian… Những chuyển đổi góp phần lớn vào giảm chi phí nhân cơng cho doanh nghiệp, hạn chế công việc độc hại ảnh hưởng đến sức khỏe người Là sinh viên chuyên ngành Cơ Điện Tử với u thích tị mị với lĩnh vực cơng nghệ Nhóm định chọn đề tài cho Đồ Án Nghiên Cứu thiết kế, chế tạo xe tự hành thơng minh sử dụng cấu lái Ackermann Mục tiêu đồ án: + Thiết kế xe tự di chuyển mơi trường xác định trước + Xe có khả điều hướng tránh vật cản quãng đường di chuyển để tới đích mong muốn + Điều khiển robot giọng nói từ xa + Dùng camera giám sát từ xa đồng thời nhận diện người quen phát câu chào người Phương pháp thực hiện: Lập trình robot máy tính nhúng cài hệ điều hành ROS (Robot Operating System) để thực toán lập đồ, điều hướng linh hoạt không gian, dùng kỹ thuật xử lý ảnh để thu liệu quan tâm cho chủ robot qua người tiếp xúc với robot Dùng công cụ trợ lý ảo để điều khiển robot âm cần Giao tiếp kết nối từ xa qua Wifi Sinh viên thực Ký ghi rõ họ tên MỤC LỤC CHƯƠNG TỔNG QUAN ĐỀ TÀI 1.1 Định hướng đề tài 1.2 Mục tiêu đề tài 1.3 Quy trình thực 1.4 Nội dung nghiên cứu .2 CHƯƠNG THIẾT KẾ PHẦN CỨNG ĐIỀU KHIỂN 2.1 Định hướng thiết kế 2.2 Tính tốn sơ đồ động học thuận Car-like robot .5 2.3 Ý tưởng thiết kế 2.4 Tính tốn khí 2.4.1 Chọn động dẫn động chính: 2.4.2 Chọn động rẽ hướng: 2.5 Thiết kế khí 10 2.6 Thiết kế hệ thống điều khiển 13 2.6.1 Yêu cầu với hệ thống điều khiển 13 2.6.2 Phân tích lựa chọn phần tử hệ thống điều khiển 14 CHƯƠNG MÔI TRƯỜNG THỰC HIỆN ROS .24 3.1 Giới thiệu ROS Operating System 24 3.1.1 Tổng quan hệ điều hành Robot – ROS .24 3.1.2 Cấu trúc hệ điều hành ROS 25 CHƯƠNG THUẬT TOÁN LẬP BẢN ĐỒ VÀ ĐIỀU HƯỚNG 30 4.1 Các khái niệm 30 4.2 Thuật tốn xác định khơng gian làm việc 31 4.2.1 Grid-based searh .31 4.2.2 Interval-based search 31 4.3 Giới thiệu thuật toán SLAM .32 4.3.1 Định vị tư robot 32 4.3.2 Định vị cục 33 4.3.3 Định vị toàn cục .33 4.3.4 Tái tạo đồ 35 4.4 Giới thiệu 2D Navigation stack 37 4.5 Lập đồ .39 4.5.1 Thiết lập serial node giao tiếp với ngăn xếp điều hướng 39 4.5.2 Xây dựng đồ 39 4.5.3 Lưu đồ .41 4.6 Điều hướng đồ dựng 42 4.6.1 Cosmap 2D .42 4.6.2 Ước lượng vị trí robot dùng AMCL 44 4.6.3 Thuật toán Dijkstra cho global planner 45 4.6.4 Thuật toán Time Elastic Bands cho local planner 48 4.6.5 Thiết lập thơng số cấu hình 50 4.6.6 Kết thực nghiệm .53 4.6.7 Điều khiển robot giọng nói 54 4.6.8 Thuật tốn phát giọng nói sau nhận diện khuôn mặt 55 4.7 Phương pháp xử lý hạn chế mơ hình 56 4.7.1 Nhận diện vật cản camera 56 4.7.2 Xác định vị trí thơng qua liệu odom ảo .58 CHƯƠNG XỬ LÝ ẢNH NHẬN DIỆN NGƯỜI QUEN 59 5.1 Giới thiệu thư viện OpenCV .59 5.2 Thuật tốn nhận diện khn mặt 60 5.2.1 Chuẩn bị 60 5.2.2 Q trình nhận dạng khn mặt 61 CHƯƠNG KẾT LUẬN 71 6.1 Kết luận 71 6.2 Phương hướng phát triển đề tài .71 DANH MỤC HÌNH ẢNH Hình 2.1 Mơ hình cấu bánh lái vi sai hai bánh độc lập Hình 2.2 Kết cấu bánh xe omni dịch chuyển đa hướng Hình 2.3 Kết cấu bánh xe truyền vi sai truyền lực cầu sau Hình 2.4 Hình vẽ mơ tả cấu lái Ackermann Hình 2.5 Mơ hình xe gắn hệ trục tọa độ Hình 2.6 Động DC GA25 370 280rpm Hình 2.7 Động servo 10 Hình 2.8 Khung xe mặt cắt khung xe 10 Hình 2.9 Bánh xe 11 Hình 2.10 Trục đăng 11 Hình 2.11 Bộ truyền vi sai liền trục 12 Hình 2.12 Cơ cấu truyền động xe .12 Hình 2.13 Thiết kế 3D mơ hình 12 Hình 2.14 Bản vẽ lắp ráp hệ thống 13 Hình 2.15 Sơ đồ khối mạch điều khiển .14 Hình 2.16 Ảnh Raspberry PI 4B .15 Hình 2.17 Arduino Mega 2560 17 Hình 2.18 RpLIDAR 18 Hình 2.19 USB camera .19 Hình 2.20 Mạch cầu H 20 Hình 2.21 Sơ đồ nguyên lý mạch cầu H 21 Hình 2.22 Pin AA 14x500mm 1200mAh 3.7V 22 Hình 2.23 Module TDA2030A 22 Hình 2.24 Module loa 10W 23 Hình 3.1 Thiết bị robot tự hành 24 Hình 3.2 Bản đồ nước phát triển nghiên cứu robot ROS 25 Hình 3.3 Mơ tả đơn vị để tổ chức phần mềm ROS .26 Hình 3.4 Stack ROS 26 Hình 3.5 Cấu trúc liệu Service ROS .27 Hình 3.6 Một số phiên ROS qua giai đoạn 29 Hình 4.1 Path hợp lệ (trái) path khơng hợp lệ (phải) 30 Hình 4.2 Mơ tả thuật tốn tìm kiếm dựa lưới .31 Hình 4.3 Cách khoanh vùng khơng gian thuật toán Interval-based search 32 Hình 4.4 Xấp xỉ vị trí robot phương pháp lấy mẫu 34 Hình 4.5 Thuật tốn AMCL 35 Hình 4.6 Minh họa trình SLAM 36 Hình 4.7 Cấu trúc thuật tốn SLAM 36 Hình 4.8 Sơ đồ node Navigation Stack .38 Hình 4.9 Qui trình xây dựng đồ 40 Hình 4.10 Ví dụ đồ lưới 41 Hình 4.11 Bản đồ phòng sinh viên 42 Hình 4.12 Cosmap 2D 43 Hình 4.13 Mối quan hệ khoảng cách đến chướng ngại vật giá trị đồ chi phí 44 Hình 4.14 Sơ đồ nút trọng số cạnh đồ thị G 46 Hình 4.15 Ví dụ giải thuật Dijkstra 47 Hình 4.16 TEB local planner path 48 Hình 4.17 Đặc điểm việc tính tốn quỹ đạo .49 Hình 4.18 Giải pháp cho thuật tốn tìm quỹ đạo 49 Hình 4.19 Foot print model - line .50 Hình 4.20 Hình ảnh robot trước sau định vị 53 Hình 4.21 Quy trình nhận dạng giọng nói .54 Hình 4.22 Calip camera điểm ảnh 56 Hình 4.23 Biểu đồ quan hệ khoảng cách vị trí điểm ảnh 57 Hình 4.24 Nhận diện object real-time .57 Hình 5.1 Các file folder dùng nhận diện khuôn mặt 60 Hình 5.2 Các bước thực nhận diện khn mặt 61 Hình 5.3 Phát mặt người có ảnh (camera) .62 Hình 5.4 Chuyển ảnh màu thành ảnh Gray để dùng nhận diện khuôn mặt 62 Hình 5.5 Một vài lọc dùng phát đặc trưng Haar 63 Hình 5.6 Bộ lọc cửa sổ trượt 63 Hình 5.7 Quy trình lọc đặc trưng Haar để phát mặt người 64 ... 13/7/2021 Đề tài nghiên cứu Đồ án: Thiết kế xe tự hành có khả tự di chuyển, với chức giám sát khu vực, Các nhiệm vụ cụ thể đồ án Vì mục tiêu học tập nên thành viên nhóm thực tất công việc, nhiên... hiệu bảng 2.2 Bảng 2.2 Các ký hiệu khoảng cách đặt Ký hiệu Đơn vị Chú thích b m Khoảng cách bánh xe trái phải l m r1 m Bán kính bánh xe sau r2 m Bán kính bánh xe trước Khoảng cách trục bánh trước... bản, áp dụng thuật toán vào phần mềm điều khiển xe tự hành có khả hoạt động hoàn thiện 2.2 Mục tiêu đề tài Hiểu thuật toán việc điều khiển xe tự hành xây dựng đồ không gian thực tế Thiết kế