Đồ án tốt nghiệp Nghiên cứu, thiết kế robot hút bụi ứng dụng thuật toán SLAM ( Tốt nghiệp loại giỏi)

CHƯƠNG 1 GIỚI THIỆU TỔNG QUAN VỀ ĐỀ TÀI .............................................. 151.1 Giới thiệu chương .........................................................................................151.2 Tổng quan về Robot hút bụi .........................................................................151.3 Đề xuất thiết kế mô hình Robot lau nhà thông minh....................................211.4 Nguyên lý hoạt động của Robot. ..................................................................211.5 Giới thiệu ROS .............................................................................................221.5.1 Robot Operating System........................................................................221.5.2 Tính năng của ROS................................................................................221.5.3 Phương pháp hoạt động của ROS..........................................................22CHƯƠNG 2 GIỚI THIỆU VỀ CÁC MODULE.......................................................... 252.1 Giới thiệu chương .........................................................................................252.2 Arduino Mega 2560 ......................................................................................252.2.1 Giới thiệu chung ....................................................................................252.2.2 Đặc điểm chính ......................................................................................262.2.3 Đánh giá hoạt động ................................................................................262.2.4 Kết luận..................................................................................................262.3 Raspberry Pi 3B+..........................................................................................272.3.1 Giới thiệu chung ....................................................................................272.3.2 Đặc điểm chính ......................................................................................282.3.3 Đánh giá hoạt động ................................................................................282.3.4 Kết luận..................................................................................................282.4 Cảm biến 9 trục MPU 9250 ..........................................................................29ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP92.4.1 Giới thiệu chung ....................................................................................292.4.2 Đặc điểm ................................................................................................292.4.3 Đánh giá hoạt động ................................................................................302.4.4 Kết luận..................................................................................................302.5 Lidar Delta 2A ..............................................................................................312.5.1 Giới thiệu chung ....................................................................................312.5.2 Đặc điểm chính ......................................................................................322.5.3 Đánh giá hoạt động ................................................................................322.5.4 Kết luận..................................................................................................322.6 Mạch cầu H L298 .........................................................................................332.6.1 Giới thiệu chung ....................................................................................332.6.2 Nguyên lý hoạt động..............................................................................342.6.3 Đánh giá hoạt động ................................................................................352.6.4 Kết luận..................................................................................................352.7 Encoder .........................................................................................................362.7.1 Giới thiệu chung ....................................................................................362.7.2 Nguyên lý hoạt động..............................................................................362.7.3 Đánh giá hoạt động ................................................................................372.7.4 Kết luận..................................................................................................372.8 Cảm biến hồng ngoại ....................................................................................382.8.1 Giới thiệu chung ....................................................................................382.8.2 Đặc điểm chính ......................................................................................382.8.3 Đánh giá hoạt động ................................................................................382.8.4 Kết luận..................................................................................................382.9 Cảm biến siêu âm..........................................................................................39ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP102.9.1 Giới thiệu chung ....................................................................................392.9.2 Nguyên lý hoạt động..............................................................................402.9.3 Đánh giá hoạt động ................................................................................412.9.4 Kết luận..................................................................................................412.10 Pin Panasonic NCR18650...........................................................................422.10.1 Giới thiệu chung ..................................................................................422.10.2 Nguyên lý hoạt động............................................................................422.10.3 Đánh giá hoạt động ..............................................................................432.10.4 Kết luận................................................................................................432.11 Sơ đồ ghép nối các module.........................................................................44CHƯƠNG 3 THIẾT KẾ MÔ HÌNH ROBOT.............................................................. 453.1 Giới thiệu chương .........................................................................................453.2 Yêu cầu kỹ thuật với robot vệ sinh nhà ........................................................453.2.1 Đặt vấn đề ..............................................................................................453.2.2 Yêu cầu robot lau nhà phải thực hiện ....................................................463.2.3 Yêu cầu lập trình cho robot lau nhà.......................................................463.3 Phân tích lựa chọn phương án.......................................................................463.3.1 Lựa chọn phương pháp di chuyển..........................................................463.3.2 Lựa chọn phương pháp hút bụi ..............................................................483.4 Tính toán cơ cấu chấp hành ..........................................................................523.4.1 Tính toán động cơ hút bụi......................................................................523.4.2 Tính toán động cơ 2 bánh dẫn động ......................................................533.5 Thiết kế cơ khí ..............................................................................................573.5.1 Chọn vật liệu khung xe ..........................................................................573.5.2 Thiết kế khung xe ..................................................................................57ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP113.5.3 Bánh xe ..................................................................................................583.5.4 Mô hình robot ........................................................................................59CHƯƠNG 4 ĐIỀU KHIỂN ĐỘNG CƠ....................................................................... 614.1 Giơi thiệu chương .........................................................................................614.2 Mạch điều khiển động cơ..............................................................................614.2.1 Nguyên lý hoạt động..............................................................................614.2.2 Thiết kế mạch công suất điều khiển động cơ.........................................644.3 Thuật toán PID..............................................................................................744.3.1 Giới thiệu thuật toán ..............................................................................744.3.2 Khảo sát động cơ ...................................................................................764.3.3 Đánh giá sai số khi robot di chuyển.......................................................85CHƯƠNG 5 THUẬT TOÁN ĐIỀU HƯỚNG, LẬP BẢN ĐỒ ................................... 935.1 Giới thiệu chương .........................................................................................935.2 Một số thuật ngữ cơ bản ...............................................................................935.3 Mô hình định vị robot ...................................................................................945.4 Mô hình lập bản đồ .......................................................................................975.4.1 Giới thiệu bài toán lập bản đồ................................................................975.4.2 Mô hình lập bản đồ ................................................................................985.5 Bộ lọc Kalman ..............................................................................................995.5.1 Xây dựng bộ lọc đơn giản......................................................................995.5.2 Phát triển bộ lọc Kalman cho robot chuyển động................................1025.5.3 Phát triển bộ lọc Kalman cho môi trường thực tế SLAM ...................1035.5.4 Bộ lọc Kalman mở rộng (Extended Kalman Filter) ............................1055.6 Xây dựng thuật toán thăm dò môi trường chưa xác định ...........................1075.6.1 Đặt vấn đề ............................................................................................107ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP125.6.2 Cơ sở lý thuyết.....................................................................................1075.6.3 Kết quả thực nghiệm của thuật toán ....................................................1115.7 Định vị robot trong môi trường thực tế ......................................................1115.7.1 Đặt vấn đề ............................................................................................1115.7.2 Cơ sở lý thuyết.....................................................................................1125.7.3 Kết quả thực nghiệm............................................................................1165.8 Xây dựng phương án di chuyển bao phủ ....................................................1175.8.1 Lập kế hoạch dẫn đường......................................................................1175.8.2 Xây dựng thuật toán.............................................................................1185.8.3 Kết quả thực nghiệm............................................................................122CHƯƠNG 6 ỨNG DỤNG THUẬT TOÁN...............................................................1236.1 Giới thiệu chương .......................................................................................1236.2 Thiết lập thông số cơ bản............................................................................1236.2.1 Phép biến đổi tọa độ.............................................................................1236.2.2 Dữ liệu cảm biến..................................................................................1246.2.3 Dữ liệu Odometry ................................................................................1246.2.4 Điều khiển vận tốc ...............................................................................1246.3 Thiết lập thông số điều hướng ....................................................................1256.3.1 Phương án điều hướng toàn cục...........................................................1256.3.2 Phương án điều hướng cục bộ .............................................................1276.3.3 Thông số bản đồ nhị phân....................................................................1306.4 Bộ định vị thích nghi Monte Carlo .............................................................1336.4.1 Thông số chung....................................................................................1336.4.2 Thông số mô hình đo lường.................................................................1346.4.3 Thông số mô hình chuyển động...........................................................134ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP136.5 Bộ phục hồi khả năng di chuyển.................................................................1356.6 Ứng dụng thuật toán thăm dò .....................................................................1366.7 Ứng dụng thuật toán di chuyển...................................................................138CHƯƠNG 7 KẾT LUẬN...........................................................................................1417.1 Kết luận.......................................................................................................1417.2 Phương hướng phát triển đề tài...................................................................142TÀI LIỆU THAM KHẢO ..........................................................................................143

ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP LỜI MỞ ĐẦU Trong xã hội đại ngày nay, khoa học kỹ thuật phát triển mạnh mẽ với phát triển sản phẩm ứng dụng vào thực tế nhiều lĩnh vực như: y tế, giáo dục, nơng nghiệp, sản phẩm dân dụng… Do đó, với mong muốn áp dụng kiến thức mà học bốn năm học giảng đường đại học, nhóm em định làm sản phẩm mang tính ứng dụng vào đời sống thực tiễn Sản phẩm robot lau nhà thông minh Robot hút bụi thông minh thiết kế để hút bụi gia đình cấu hút bụi ly tâm kết hợp với hai chổi quét, robot di chuyển theo hình ziczac, xoắn ốc điều hướng la bàn điện tử, kết hợp thuật toán điều khiển PID nhằm ổn định hướng cho robot Đảm bảo robot lau tồn khu vực ngơi nhà tránh vật cản thông thường nhà cảm biến siêu âm, cảm biến Lidar module khác gắn robot Với việc sử dụng công nghệ hoàn toàn khác sử dụng cảm biến giá rẻ hiệu cao, sản phẩm hy vọng có đủ sức cạnh tranh mặt giá lẫn chất lượng so với sản phẩm robot hãng khác thị trường Em xin chân thành cảm ơn hướng dẫn thầy Nguyễn Thành Hùng cô Mạc Thị Thoa trực tiếp hướng dẫn em hoàn thành đồ án Sự dạy thầy, cô giúp em tiếp cận, giải trình bày vấn đề cách khoa học, rõ ràng Đó thực kinh nghiệm quý báu cho em sau Dù cố gắng khối lượng tính tốn lớn đồng thời kiến thức cịn hạn chế nên khơng tránh khỏi thiếu sót, em mong nhận đóng góp ý kiến từ thầy cô ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP MỤC LỤC LỜI MỞ ĐẦU DANH SÁCH HÌNH ẢNH 13 Hình 1.1 Robot hút bụi SAMSUNG Robot lau nhà iRobot 17 14 Hình 1.2 Robot sử dụng công nghệ xử lý ảnh để tạo đồ cho Robot 18 14 Hình 1.3 Hình ảnh Robot LTM-T290 18 14 Hình 1.4 So sánh tính hiệu phương pháp di chuyển Robot 19 14 Hình 1.5 Sơ đồ khối mạch điều khiển robot 20 14 Hình 1.6 Hệ thống hoạt động ROS 22 14 Hình 1.7 Sự tương tác node ROS 23 14 Hình 2.1 Arduino Mega 2560 24 14 Hình 2.2 Raspberry pi 3B+ 26 14 Hình 2.3 Module cảm biến trục MPU 9250 28 14 Hình 2.4 Định hướng trục độ nhạy gia tốc kế quay hồi chuyển 29 14 Hình 2.5 Định hướng trục độ nhạy từ trướng kế 29 14 Hình 2.6 Delta Lidar 2A 30 14 Hình 2.7 Module mạch cầu H L298 điều khiển động 32 14 Hình 2.8 Sơ đồ nguyên lý module mạch cầu H L298 33 14 Hình 2.9 Sơ đồ nguyên lý IC L298 34 14 Hình 2.10 Encoder quang học 35 14 Hình 2.11 Sơ đồ mạch nguyên lý encoder 35 14 Hình 2.12 Hai kênh A B lệch pha 90º encoder 36 14 Hình 2.13 Cảm biến hồng ngoại 37 14 Hình 2.14 Cảm biến siêu âm HC-SR04 38 14 ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP Hình 2.15 Bảng thơng số cảm biến siêu âm SRF 39 14 Hình 2.16 Hình mơ tả thời gian truyền nhận sóng 39 14 Hình 2.17 Giản đồ hoạt động SRF04 40 14 Hình 2.18 Pin Panasonic NCR18650 41 14 Hình 2.19 Sơ đồ ghép nối 43 15 Hình 3.1 Cơ cấu di chuyển bánh xe 45 15 Hình 3.2 Cơ cấu di chuyển bánh xe 46 15 Hình 3.3 Cơ cấu di chuyển bánh xe 46 15 Hình 3.4 Buồng lắng bụi 48 15 Hình 3.5 Buồng lắng bụi dùng lưới lọc 48 15 Hình 3.6 Bồn lọc kiểu ly tâm 49 15 Hình 3.7 Bồn lọc kiểu qn tính 49 15 Hình 3.8 Bồn lọc kiểu sủi bọt 50 15 Hình 3.9 Lọc bụi điện 50 15 Hình 3.10 Mơ hình cấu hút bụi 51 15 Hình 3.11 Động giảm tốc có encoder JGA 25 370 54 15 Hình 3.12 Kích thước động 54 15 Hình 3.13 Khung xe 56 15 Hình 3.14 Bánh xe chủ động có khớp nối 57 15 Hình 3.15 Bánh xe bị động 57 15 Hình 3.16 Mơ hình robot 58 15 Hình 3.17 Mặt robot 58 15 Hình 3.18 Hình chiếu đứng 59 15 Hình 3.19 Hình chiếu 59 15 Hình 3.20 Hình chiếu cạnh 59 15 ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP Hình 4.1 Cấu tạo động điện chiều 60 15 Hình 4.2 Mạch điện tương đương động 61 15 Hình 4.3 Đồ thị quan hệ đại lượng 62 15 Hình 4.4 Động quay chiều 62 15 Hình 4.5 Động quay ngược chiều 63 16 Hình 4.6 Tín hiệu điều chế rộng xung 64 16 Hình 4.7 Quan hệ xung điện tốc độ 65 16 Hình 4.8 Xung PWM với duty cycle khác 65 16 Hình 4.9 Mạch dóng ngắt dịng qua động dùng MOSFET 66 16 Hình 4.10 Giản đồ nguyên lý tạo xung PWM 67 16 Hình 4.11 Nguyên lý mạch tạo xung PWM 67 16 Hình 4.12 Tín hiệu điều khiển dịng qua động 68 16 Hình 4.13 Đồ thị quan hệ điện áp cực cửa MOSFET 69 16 Hình 4.14 Nguyên lý đảo chiều động DC dùng relay 70 16 Hình 4.15 Sơ đồ nguyên lý mạch đảo chiều kết hợp phần kích PWM 71 16 Hình 4.16 Sơ đồ nguyên lý mạch cầu H 71 16 Hình 4.17 Mạch cầu H đóng dịng qua động thuận 72 16 Hình 4.18 Mạch cầu H mở dòng cho động quay nghịch 72 16 Hình 4.19 Mạch cầu H hãm động 73 16 Hình 4.20 Giải thuật tính tốn PID 74 16 Hình 4.21 Sơ đồ khối 75 16 Hình 4.22 Sơ đồ vận tốc quay theo thời gian 76 16 Hình 4.23 Quỹ đạo nghiệm số động 77 16 Hình 4.24 Sơ đồ khối với điều khiển PI 78 16 Hình 4.25 Biểu đồ vận tốc quay 79 16 ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP Hình 4.26 Biểu đồ sai số 79 16 Hình 4.27 Biểu đồ vận tốc quay 80 16 Hình 4.28 Biểu đồ sai số 80 16 Hình 4.29 Biểu đồ vận tốc quay 81 16 Hình 4.30 Biểu đồ vận tốc quay 82 17 Hình 4.31 Biểu đồ sai số 82 17 Hình 4.32 Biểu đồ vận tốc quay 83 17 Hình 4.33 Biểu đồ sai số 83 17 Hình 4.34 Quỹ đạo hình vng 84 17 Hình 4.35 Biểu đồ vị trí robot theo quỹ đạo hình vng 84 17 Hình 4.36 Biểu đồ sai số vị trí theo quỹ đạo hình vng 85 17 Hình 4.37 Biểu đồ góc quay theo quỹ đạo hình vng 85 17 Hình 4.38 Biểu đồ sai số góc quay theo quỹ đạo hình vng 86 17 Hình 4.39 Quỹ đạo zig-zac 86 17 Hình 4.40 Biểu đồ vị trí theo quỹ đạo zig-zac 87 17 Hình 4.41 Biểu đồ sai số vị trí theo quỹ đạo zig-zac 87 17 Hình 4.42 Biểu đồ góc quay theo quỹ đạo hình zig-zac 88 17 Hình 4.43 Biểu đồ sai số góc quay theo quỹ đạo hình zig-zac 88 17 Hình 4.44 Quỹ đạo hình xoắn ốc 89 17 Hình 4.45 Biểu đồ vị trí theo quỹ đạo hình xoắn ốc 89 17 Hình 4.46 Biểu đồ sai số vị trí theo quỹ đạo hình xoắn ốc 90 17 Hình 4.47 Biểu đồ góc quay theo quỹ đạo hình xoắn ốc 90 17 Hình 4.48 Biểu đồ sai số góc quay theo quỹ đạo hình xoắn ốc 91 17 Hình 5.1 Mơ hình động học robot 93 17 Hình 5.2 Thuật tốn Madgwick 96 17 ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP Hình 5.3 Mơ hình định vị 96 17 Hình 5.4 Mơ hình lập đồ 97 17 Hình 5.5 Mơ hình đơn giản hóa 98 17 Hình 5.6 Phân bố mật độ xác suất 98 17 Hình 5.7 Phân bố mật độ xác suất kết hợp 99 18 Hình 5.8 Ảnh hưởng chuyển động đến ước lượng trạng thái 101 18 Hình 5.9 Tóm tắt thuật tốn thăm dị 107 18 Hình 5.10 Lựa chọn phương án di chuyển 109 18 Hình 5.11 Phương án di chuyển Robot 110 18 Hình 5.12 Cập nhật đồ lựa chọn phương án di chuyển 110 18 Hình 5.13 Giải thuật định vị robot 111 18 Hình 5.14 Xấp xỉ vị trí robot phương pháp lẫy mẫu 112 18 Hình 5.15 Mơi trường định vị 113 18 Hình 5.16 Xấp xỉ vị trí 113 18 Hình 5.17 Định vị thành cơng 113 18 Hình 5.18 Xấp xỉ vị trí robot mơi trường 115 18 Hình 5.19 Định vị thành công 115 18 Hình 5.20 Di chuyển xoắn ốc bên ngồi từ trung tâm 116 18 Hình 5.21 Phương pháp di chuyển zig-zag 117 18 Hình 5.22 Di chuyển xoắn ốc từ bên vào trung tâm 117 18 Hình 5.23 Chỉ số đại diện vị trí ô đồ 118 18 Hình 5.24 Thuật tốn di chuyển bao phủ 118 18 Hình 5.25 Quỹ đạo di chuyển 119 18 Hình 5.26 Quỹ đạo di chuyển ngăn 120 18 Hình 5.27 Quỹ đạo di chuyển với phép biến đổi khoảng cách 120 18 ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP Hình 5.28 Quỹ đạo di chuyển với phép biến đổi quỹ đạo 121 18 Hình 5.29 Quỹ đạo bao phủ mơi trường thực tế 121 18 Hình 6.1 Sơ đồ tổng quan node ROS 122 18 Hình 6.2 Vị trí hệ tọa độ 123 18 Hình 6.3 Vị trí vật cản 123 19 Hình 6.4 Các dạng quỹ đạo di chuyển 125 19 Hình 6.5 Ảnh hưởng cost_factor đến hình dạng quỹ đạo 125 19 Hình 6.6 Ảnh hưởng neutral_factor đến hình dạng quỹ đạo 126 19 Hình 6.7 Ảnh hưởng sim_time 127 19 Hình 6.8 Đường cong khuếch đại chướng ngại vật 130 19 Hình 6.9 Đường cong khuếch đại có độ dốc lớn 130 19 Hình 6.10 Đường cong khuếch đại có độ dốc nhỏ 131 19 Hình 6.11 Vị trí khơng xác định đồ 132 19 Hình 6.12 Thơng số trước sau điều chỉnh 133 19 Hình 6.13 Giải thuật phục hồi khả di chuyển 134 19 Hình 6.14 Cấu trúc làm việc thuật toán 135 19 Hình 6.15 Kết làm việc thuật tốn thăm dị 136 19 Hình 6.16 Kết làm việc thuật tốn di chuyển bao phủ đồ 138 19 DANH SÁCH BẢNG BIỂU 20 Bảng 1.1 So sánh máy hút bụi robot hút bụi thông minh 17 20 Bảng 2.1 Thông số kỹ thuật Arduino Mega 2560 25 20 Bảng 2.2 Thông số kỹ thuật cảm biến trục MPU 9250 28 20 Bảng 2.3 Thông số kỹ thuật Lidar Delta 2A 31 20 Bảng 2.4 Thông số kỹ thuật cảm biến hồng ngoại 37 20 Bảng 3.1 Thông số kỹ thuật robot 53 20 ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP Bảng 3.2 Thông số kỹ thuật động 55 20 Bảng 4.1 Giá trị sai số quỹ đạo 91 20 Bảng 5.2 Cấu hình robot hút bụi 95 20 CHƯƠNG GIỚI THIỆU TỔNG QUAN VỀ ĐỀ TÀI 15 1.1 Giới thiệu chương 15 1.2 Tổng quan Robot hút bụi 15 1.3 Đề xuất thiết kế mơ hình Robot lau nhà thơng minh 21 1.4 Nguyên lý hoạt động Robot 21 1.5 Giới thiệu ROS 22 1.5.1 Robot Operating System 22 1.5.2 Tính ROS 22 1.5.3 Phương pháp hoạt động ROS 22 CHƯƠNG GIỚI THIỆU VỀ CÁC MODULE 25 2.1 Giới thiệu chương 25 2.2 Arduino Mega 2560 25 2.2.1 Giới thiệu chung 25 2.2.2 Đặc điểm 26 2.2.3 Đánh giá hoạt động 26 2.2.4 Kết luận 26 2.3 Raspberry Pi 3B+ 27 2.3.1 Giới thiệu chung 27 2.3.2 Đặc điểm 28 2.3.3 Đánh giá hoạt động 28 2.3.4 Kết luận 28 2.4 Cảm biến trục MPU 9250 29 ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP 2.4.1 Giới thiệu chung 29 2.4.2 Đặc điểm 29 2.4.3 Đánh giá hoạt động 30 2.4.4 Kết luận 30 2.5 Lidar Delta 2A 31 2.5.1 Giới thiệu chung 31 2.5.2 Đặc điểm 32 2.5.3 Đánh giá hoạt động 32 2.5.4 Kết luận 32 2.6 Mạch cầu H L298 33 2.6.1 Giới thiệu chung 33 2.6.2 Nguyên lý hoạt động 34 2.6.3 Đánh giá hoạt động 35 2.6.4 Kết luận 35 2.7 Encoder 36 2.7.1 Giới thiệu chung 36 2.7.2 Nguyên lý hoạt động 36 2.7.3 Đánh giá hoạt động 37 2.7.4 Kết luận 37 2.8 Cảm biến hồng ngoại 38 2.8.1 Giới thiệu chung 38 2.8.2 Đặc điểm 38 2.8.3 Đánh giá hoạt động 38 2.8.4 Kết luận 38 2.9 Cảm biến siêu âm 39 ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP 2.9.1 Giới thiệu chung 39 2.9.2 Nguyên lý hoạt động 40 2.9.3 Đánh giá hoạt động 41 2.9.4 Kết luận 41 2.10 Pin Panasonic NCR18650 42 2.10.1 Giới thiệu chung 42 2.10.2 Nguyên lý hoạt động 42 2.10.3 Đánh giá hoạt động 43 2.10.4 Kết luận 43 2.11 Sơ đồ ghép nối module 44 CHƯƠNG THIẾT KẾ MƠ HÌNH ROBOT 45 3.1 Giới thiệu chương 45 3.2 Yêu cầu kỹ thuật với robot vệ sinh nhà 45 3.2.1 Đặt vấn đề 45 3.2.2 Yêu cầu robot lau nhà phải thực 46 3.2.3 Yêu cầu lập trình cho robot lau nhà 46 3.3 Phân tích lựa chọn phương án 46 3.3.1 Lựa chọn phương pháp di chuyển 46 3.3.2 Lựa chọn phương pháp hút bụi 48 3.4 Tính tốn cấu chấp hành 52 3.4.1 Tính tốn động hút bụi 52 3.4.2 Tính tốn động bánh dẫn động 53 3.5 Thiết kế khí 57 3.5.1 Chọn vật liệu khung xe 57 3.5.2 Thiết kế khung xe 57 10 ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP khoảng cách đến vật cản vận tốc di chuyển Nhị phân hàm mục tiêu tính sau: Cost = path_distance_bias*(khoảng cách (m) từ đường dẫn đến điểm cuối quỹ đạo) + goal_distance_bias * (khoảng cách (m) từ vị trí mục tiêu cục đến điểm cuối quỹ đạo) + occdist_scale * (nhị phân quỹ đạo dọc theo chướng ngại vật)  path_distance_bias hệ số cho biết phương án di chuyển cục có trùng với quỹ đạo tồn cục khơng, giá trị lớn trùng hợp tăng  goal_distance_bias hệ số thể cố gắng robot để đạt vị trí mục tiêu  occdist_scale hệ số thể mức độ phản ứng robot vật cản Với đề tài này, qua thực nghiệm đặt path_distance_bias = 32, goal_distance_bias = 20, occdist_scale = 0.02 cho kết hợp lý 6.3.2.4 Các thông số khác Dung sai khoảng cách bao gồm:  yaw_goal_tolerance: Dung sai thực phép quay quanh trục robot (đơn vị radian)  xy_goal_tolerance: Dung sai di chuyển theo phương x, y (đơn vị m) 129 ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP 6.3.3 Thông số đồ nhị phân Bản đồ nhị phân cấu trúc liệu đại diện nơi an tồn robot tập hợp lưới Thông thường, giá trị đồ nhị phân giá trị nhị phân, đại diện cho không gian trống nơi robot va chạm với vật cản Điều chỉnh thông số đồ nhị phân cần thiết cho việc khởi tạo phương án di chuyển cục Trong ROS, đồ nhị phân bao gồm lớp đồ tĩnh trực tiếp diễn giải đồ SLAM xác định trước, lớp đồ chướng ngại vật lớp khuếch đại nơi chướng ngại vật khuếch tính nhị phân chỗ ô lưới đồ 2D Bên cạnh ROS cung cấp đồ nhị phân tồn cục (global costmap) đồ nhị phân cục (local costmap) Bản đồ nhị phân cục tạo cách khuếch đại chướng ngại vật phát cảm biến 6.3.3.1 Biên dạng robot Biên dạng robot đại diện mảng hai chiều có dạng [[𝑥0, 𝑦0 ], [𝑥1, 𝑦1 ], [𝑥2, 𝑦2 ], … ] Thơng thường, để robot làm việc an tồn biên dạng robot thường đặt lớn biên dạng thực Trong đề tài này, biên dạng robot đặt [[-0.20, -0.20], [-0.20, 0.20], [0.20, 0.20], [0.20, -0.20]] Do đó, biên dạng robot có dạng hình vng kích thước 0.4 x 0.4 m 6.3.3.2 Khuếch đại chướng ngại vật Lớp khuếch đại bao gồm lưới có nhị phân dao động từ đến 255 Mỗi ô có khơng có vật cản, khơng xác định Hình thể tính tốn đường cong khuếch đại chướng ngại vật 130 ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP Hình 6.8 Đường cong khuếch đại chướng ngại vật Inflation_radius cost_scaling_factor thông số xác định độ khuếch đại inflation_radius bán kính khuếch đại lưới có nhị phân (ơ lưới xác định vật cản) Cost_scaling_factor tỷ lệ nghịch với nhị phân ô lưới, giá trị cao, đường cong khuếch đại dốc Ảnh hưởng hai thơng số thể hình sau: Hình 6.9 Đường cong khuếch đại có độ dốc lớn Trong hình 6.9, inflation_radius = 0.55, cost_scaling_factor = 5, đường cong nội suy có độ dốc lớn, robot có xu hướng di chuyển gần chướng ngại vật 131 ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP Hình 6.10 Đường cong khuếch đại có độ dốc nhỏ Với hình 6.10, inflation_radius = 1.75, cost_scaling_factor = 2.58, đường cong nội suy có độ dốc nhỏ, robot có xu hướng di chuyển xa chướng ngại vật Dựa biểu đồ đường cong nội suy, nhóm em lựa chọn thông số inflation_radius = 0.55, cost_scaling_factor = 5, để robot hút bụi di chuyển gần chướng ngại vật, tăng hiệu hút bụi 6.3.3.3 Độ phân giải đồ nhị phân Thông số thể mức độ chia nhỏ đồ nhị phân cục toàn cục, ảnh hưởng đến khối lượng tính tốn phướng án xây dựng quỹ đạo cho robot Với độ phân giải thấp (≥ 0.5) nối hẹp đường cong khuếch đại trùng robot khơng thể tìm thấy đường di chuyển Với đồ nhị phân toàn cục, độ phân giải giống với độ phân giải đồ tĩnh đủ để robot điều hướng Trong việc khởi tạo đồ, độ phân giải cảm biến laser thấp độ phân giải mong muốn đồ khởi tạo, có vài điểm khơng rõ ràng đồ đánh dấu chấm hình đây: 132 ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP Hình 6.11 Vị trí khơng xác định đồ Delta Lidar 2A có độ phân giải 0.02 mm, resolution = 0.03 độ phân giải thích hợp đồ để robot hoạt động hiệu 6.3.3.4 Lớp chướng ngại vật Một số thông số lớp chướng ngại vật như:  Max_obstacle_height: Chiều cao tối đa chướng ngại vật tình mét, tham số thường đặt cao so với chiều cao robot  Obstacle_range: Khoảng cách tối đa tính từ robot mà vật cản thêm vào đồ nhị phân  Raytrace_range: Phạm vị theo dõi chướng ngại vật từ đồ tính mét 6.4 Bộ định vị thích nghi Monte Carlo 6.4.1 Thơng số chung Bao gồm:  Min_practicle: số lượng mẫu nhỏ  Max_practicle: số lượng mẫu lớn  Kdl_err: sai số tối đa phân phối thực phân phối ước lượng  Resample_interval: số lượng lọc cần thiết cần cập nhật trước lấy mẫu lại 133 ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP 6.4.2 Thơng số mơ hình đo lường Tham số cho mơ hình đo lường với giá trị mặc định: Laser_z_hit: 0.5 Laser_sigma_hit: 0.2 Laser_z_rand: 0.5 Laser_likelihood_max_dist: Để nâng cao khả định vị robot, ta tăng giá trị laser_z_hit laser_likelihood_max_dist lên 0.9 4.0 Kết nhận hình Hình 6.12 Thơng số trước sau điều chỉnh 6.4.3 Thơng số mơ hình chuyển động Mơ hình bao gồm thơng số:  Odom_alpha1, odom_alpha2: Xác định sai số dự kiến thực chuyển động quay robot  Odom_alpha3, odom_alpha4: Xác định sai số dự kiến thực chuyển động tịnh tiến robot 134 ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP 6.5 Bộ phục hồi khả di chuyển Một khó khan robot di chuyển đồ robot bị kẹt vật cản Để khắc phục điều này, ROS cung cấp số công cụ để robot hồi phục khả di chuyển, bao gồm clear_costmap_recovery rotate_recovery Clear_costmap_recovery đơn giản điều chỉnh đồ nhị phân cục khớp với đồ nhị phân toàn cục, rotate_recovery thực phép quay 360 độ quanh trục robot để tìm kiếm đường hợp lý Hình 6.13 Giải thuật phục hồi khả di chuyển Các tham số cho việc phục hồi cho việc phục hồi di chuyển đặt mặc định, nhiên, với cơng cụ clear_costmap_recovery tăng thông số sim_time để tăng hiệu suất mô phỏng, cần xét đến khả tính tốn điều khiển để không bị tải trình làm việc 135 ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP 6.6 Ứng dụng thuật tốn thăm dị Thuật tốn thăm dị mơi trường làm việc sử dụng node move_base để điều khiển robot di chuyển, thuật toán đăng ký đến massage nav_msgs/OccupancyGrid map_msgs/OccupancyGridUpdate để tìm kiếm biên giới đồ Hình 6.14 Cấu trúc làm việc thuật tốn Tùy thuộc vào mơi trường làm việc sử dụng thuật toán với đồ tĩnh tạo gmapping đồ nhị phân Ưu điểm việc sử dụng đồ nhị phân khả khuếch đại chướng ngại vật giúp robot khám phá biên giới nhỏ Thông số cài đặt:  Planner_frequency: tần số tìm kiếm biên giới xem sét lại biên giới tạo Với Raspberry giá trị thông số 3(Hz)  Min_frontier_size: độ rộng bé cho phép biên giới  Transform_tolenrance: dung sai ước lượng vị trí hướng robot Kết làm việc thuật toán thể hình Trong lần chạy thử nghiệm, robot hoàn thành nhiệm vụ thăm dị mơi trường thời gian ngắn, thuật tốn khơng có nhiều u cầu khắt khe tham số điều khiển PID, khối lượng tính tốn khơng nhiều… Điều kiện đảm bảo hiệu làm việc thuật toán cảm biến lidar, la bàn số, encoder làm việc xác 136 ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP Hình 6.15 Kết làm việc thuật tốn thăm dò 137 ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP 6.7 Ứng dụng thuật tốn di chuyển Với đề tài này, nhóm em đặt vị trí điểm đích lân cận vị trí điểm đầu, để robot tự động quay lại vị trí bắt đầu sau hoàn thành nhiệm vụ di chuyển Tương tự thuật tốn thăm dị, thuật tốn di chuyển ROS sử dụng node move_base để điều khiển tốc độ động trái, phải Các thông số đặt:  Size_of_cell: Kích thước lưới chia nhỏ đồ Cơng thức tính diện tích %C  S  Si size _ of_cell*resolution  100% S l fan (6.2) Trong đó:  S: diện tích thực sàn nhà  Si: diện tích đường cong khuếch đại chướng ngại vật Diện tích Si với điểm ảnh thơng thường Si    inflation_radius*resolution   Resolution: độ phân giải ô lưới đồ tĩnh  : khoảng cách chổi quét bụi Thời gian di chuyển t size _ of _ cell  resolution  number _ of _ cell v (6.3) Với v vận tốc trung bình 138 ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP Hình 6.16 Kết làm việc thuật tốn di chuyển bao phủ đồ Kết luận: Trong lần thử nghiệm, với đồ lập trước, thuật tốn ln ln tính tốn quỹ đạo bao phủ robot, hình dạng quỹ đạo lần thử nghiệm khác nhau, phụ thuộc vào vị trí đầu robot môi trường làm việc Với giá trị thông số size_of_cell = 2, number_of_cell = 324, S = 20 139 ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP m2, Si = 3.12 m2, resolution = 0.05, inflation_radius = 0.55, lfan = 0.10 m Theo (6.2) (6.3), ta có Tỉ lệ làm sạch: %C  9.5  2.12 0.10  100%  76.8% 9.5  0.05 Thời gian làm việc lý thuyết: t  0.05  324  129.6( s) 0.365 Tuy nhiên, thời gian làm việc đo lớn nhiều, lên tới tthực = 720 (s) Nguyên nhân dẫn đến kết do:  Thuật toán di chuyển chưa tối ưu, robot di chuyển nhỏ giọt từ ô lưới sang ô lưới bên cạnh  Robot liên tục tự điều chỉnh lại vị trí hướng làm tăng thời gian làm việc  Thông số điều khiển PID chưa tối ưu  Kết cấu khí chưa ổn định, khớp nối bánh xe với động bị lỏng vít nối động với thân xe không chắn… Đề khắc phục vấn đề cần:  Tăng dung sai chuyển động tịnh tiến chuyển động quay  Điều chỉnh lại thông số PID  Cải thiện thuật toán di chuyển, tăng độ linh hoạt di chuyển cách di chuyển liên tục ô lưới thẳng hàng Tăng tần số lệnh điều khiển di chuyển  Tăng cường độ chắn kết cấu khí 140 ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP CHƯƠNG KẾT LUẬN 7.1 Kết luận Với đề tài “Nghiên cứu, thiết kế robot hút bụi ứng dụng thuật tốn SLAM”, nhóm em thiết kế robot với ưu điểm sau:  Thiết kế mơ hình robot đạt độ thẩm mỹ định, độ vững đảm bảo trình hoạt động  Thiết kế cấu hút bụi làm việc hiệu  Phối ghép linh kiện điện tử hoạt động ổn định  Tính tốn thơng số điều khiển PI phù hợp với động  Robot có khả lập đồ tồn mơi trường làm việc nhờ thuật tốn thăm dị  Tối ưu diện tích hút bụi với thuật toán di chuyển bao phủ Tuy nhiên robot tồn số nhược điểm:  Vận tốc di chuyển chậm  Trong trình làm việc, robot hoạt động không yên tĩnh, thời gian làm việc ngắn  Giao diện điều khiển không thân thiện với người dùng  Các thuật toán chưa tối ưu khả tính tốn thiết bị phần cứng, dẫn đến độ trễ trình xử lý liệu Trong trình tìm hiểu thực đồ án, chúng em đạt kết sau:  Tìm hiểu sử dụng tốt Solidworks việc thiết kế tạo vẽ  Tìm hiểu động cơ, có khả sử dụng điều khiển PI để nâng cao độ xác động trình làm việc  Nâng cao kỹ sử dụng phầm mềm lập trình như: Arduino, Proteus, ROS, C C++, Matlab…  Nâng cao kỹ viết báo cáo slide thuyết trình  Nâng cao khẳ đọc tìm hiểu tài liệu nước ngồi qua báo 141 ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP 7.2 Phương hướng phát triển đề tài  Mơ hình robot khơng có phận bảo vệ cho cảm biến Lidar  Xây dựng ứng dụng di động để điều khiển robot  Thiết kế tự sạc  Cải thiện kết cấu khí, giảm độ ồn q trình làm việc  Kết hợp điều khiển mờ điều khiển PID để tăng độ xác động 142 ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] Roland SIEGWART, Illah R NOURBAKHSH Introduction to Autonomous Mobile Robots A Bradford Book the MIT Press Cambridge, Massachusetts London, England [2] Sterven M La Valle Rapidly-Exploring Random Trees: A New Tool for Path Planning Iowa State University Ames, IA 50011 USA [3] Sebastian O.H Madgwick, Andrew J.L Harrison, Ravi Vaidyanathan, “Estimation of IMU and MARG orientation using a gradient descent algorithm”, 2011 IEEE International Conference on Rehabilitation Robotics, pp.179-185, 2011 [4] Lê Việt Nam, “Robot vẽ đồ địa hình”, Trường Đại học Công Nghệ, Đại học Quốc gia Hà Nội, 2015 [5] Brian Yamauchi, “A Frontier-Based Approach for Autonomous Exploration”, Naval Reasearch Laboratory Washington, 1997 [6] Dieter Fox, Wolfram Burgard, Sebastian Thrun, “The dynamic window approach to collision avoidance”, IEEE Robotics and Automation Magzine, Volume 4, 1997 [7] Dieter Fox, Wolfram Burgard, Sebastian Thrun, Frank Dellaert, “Monte Carlo Localization: Efficient Position Estimation for Mobile Robots”, Proceedings of the Sixteenth National Conference on Artificial Intelligence, 1999 [8] A Zelinsky, R.A Jarvis, J C Byrne, S Yuta, “Planning Paths of Complete Coverage of an Unstructured Environment by a Mobile Robot”, Proceedings of the Sixteenth National Conference on Artificial Intelligence, pp.533 – 538, 1993 [9] http://wiki.ros.org/ [10] http://github.com/ 143 ... Kết làm việc thuật tốn thăm dị 137 Hình 6.16 Kết làm việc thuật toán di chuyển bao phủ đồ 139 19 ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP DANH SÁCH BẢNG BIỂU Bảng 1.1 So sánh máy hút bụi robot hút bụi thông minh... SÁCH HÌNH ẢNH 13 ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP Hình 1.1 Robot hút bụi SAMSUNG Robot lau nhà iRobot 18 Hình 1.2 Robot sử dụng công nghệ xử lý ảnh để tạo đồ cho Robot 19 Hình 1.3 Hình ảnh Robot LTM-T290... 12 ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP 6.5 Bộ phục hồi khả di chuyển 135 6.6 Ứng dụng thuật tốn thăm dị 136 6.7 Ứng dụng thuật toán di chuyển 138 CHƯƠNG KẾT LUẬN 141 7.1 Kết