Nghiên Cứu, Thiết Kế Và Chế Tạo Robot Bám Line Ứng Dụng Công Nghệ Xử Lý Ảnh của sinh viên HAUI ( đầy đủ code ở phần phụ lục tham khảo)
Phương pháp nghiên cứu
1.4 Giới hạn, phạm vi nghiên cứu
Chương 2: Cơ sở lý thuyết về robot bám line ứng dụng công nghệ xử lý ảnh Phạm Duy Khánh
2.1 Công nghệ xử lý ảnh và ứng dụng
2.3 Hệ thống điện, điện tử
Chương 3: Tính toán, thiết kế robot bám line ứng dụng công nghệ xử lý ảnh
3.1 Thiết kế hệ thống cơ khí Phạm Duy Khánh
3.2 Thiết kế hệ thống điện, điều khiển
3.3 Xây dựng chương trình điều khiển
Chương 4: Chế tạo mô hình và đánh giá robot bám line ứng dụng công nghệ xử lý ảnh
4.1 Chế tạo mô hình hệ thống cơ khí
Phạm Duy Khánh Nguyễn Văn Minh 4.2 Chế tạo hệ thống điện, điều khiển
4.3 Thử nghiệm và đánh giá hệ thống
TT Tên bản vẽ Khổ giấy
Số lượng SV thực hiện
1 Bản vẽ lắp hệ thống cơ khí A3 1 Phạm Duy Khánh
2 Bản vẽ hệ thống điều khiển A3 1 Nguyễn Văn Minh
3 Lưu đồ thuật toán điều khiển A3 1 Lê Anh Phương
3 Mô hình/ sản phẩm (nếu có)
Trình bày ngắn gọn thông số kỹ thuật cơ bản của mô hình/ sản phẩm.
Nội dung công việc SV thực hiện
1 Chế tạo, lắp ráp các cơ cấu chuyển động cơ khí, khung giá đỡ trong mô hình hệ thống Phạm Duy Khánh
2 Lắp ráp mạch điều khiển, mạch động lực Nguyễn Văn Minh
3 Lập chương trình và thử nghiệm Lê Anh Phương
NHẬN XÉT CỦA GIÁO VIÊN HƯỚNG DẪN
Hà Nội, ngày … tháng … năm 2023 Giáo viên hướng dẫn
ThS Nhữ Quý Thơ ĐÁNH GIÁ, NHẬN XÉT CỦA GIÁO VIÊN PHẢN BIỆN
Hà Nội, ngày … tháng … năm 2023 Giáo viên phản biện
CHƯƠNG 1 Giới thiệu chung về robot bám line ứng dụng công nghệ xử lý ảnh 1
1.2 Các vấn đề đặt ra 2
1.4 Giới hạn và phạm vi nghiên cứu 4
1.5 Ý NghĩaThực tiễn của đề tài 5
CHƯƠNG 2 Cơ sở lý thuyết về robot bám line ứng dụng công nghệ xử lý ảnh 6
2.1 Công nghệ xử lý ảnh và ứng dụng 6
2.1.1 Phương pháp thu nhận ảnh 6
2.1.3 Phương pháp lọc, tách màu 8
2.1.4 Phương pháp phân ngưỡng màu sắc 9
2.1.5 Ứng dụng robot bám line 10
2.3 Hệ thống điện, điện tử 16
2.3.1 Module điều khiển động cơ LH298 16
CHƯƠNG 3 Tính toán, thiết kế robot bám line ứng dụng công nghệ xử lý ảnh 29
3.1 Thiết kế hệ thống cơ khí 29
3.1.1 Sơ đồ kết cấu robot bám line và chức năng 29
3.1.2 Tính toán lựa chọn động cơ 33
3.1.3 An toàn của robot bám line ứng dụng công nghệ xử lý ảnh 36
3.2 Thiết kế hệ thống điện, điều khiển 37
3.2.1 Sơ đồ khối hệ thống 37
3.2.2 Sơ đồ nguyên lý hoạt động hệ thống 38
3.2.3 Hệ thống điện điều khiển bộ điều hướng 41
3.2.4 Hệ thống nhận diện line 43
3.3 Thiết kế chương trình điều khiển 45
3.3.1 Thuật toán điều khiển robot bám line 45
3.3.2 Thuật toán nhận diện line 46
3.3.3 Các bước xây dựng chương trình điều khiển 50
CHƯƠNG 4 Chế tạo mô hình và đánh giá robot bám line ứng dụng công nghệ xử lý ảnh 53
4.1 Chế tạo mô hình hệ thống cơ khí 53
4.2 Chế tạo hệ thống điện, điều khiển 53
4.3 Thử nghiệm và đánh giá hệ thống 55 Kết luận
Hình 2.1 Hình ảnh đọc từ camera sử dụng opencv 6
Hình 2.2 Ảnh khi áp dụng bộ lọc Gaussian 8
Hình 2.3 Không gian màu RGB 8
Hình 2.4 Không gian màu HSV 9
Hình 2.5 Hình chuyển đổi ảnh sang không gi HSV 9
Hình 2.6 Hình phân ngưỡng màu sắc 10
Hình 2.7 Robot phục vụ di chuyển trên đường line 11
Hình 2.8 Áp dụng xử lý ảnh nhận line 11
Hình 2.9 Giao diện phầm mềm VNC 12
Hình 2.10 Giao diện phầm mềm python 13
Hình 2.11 Giao diện phầm mềm arduino IDE 13
Hình 2.12 Động cơ điện một chiều 15
Hình 2.13 Laptop sử dụng để hiển thị thông tin từ camera 16
Hình 2.14 Modul điều khiển LH298 17
Hình 2.18 Bảng trạng thái Module hạ áp LM2596 21
Hình 2.19 Cấu hình phần cứng của Raspberry Pi 3 Module B+ 24
Hình 2.21 Sơ đồ chân Arduino Uno R3 27
Hình 3.1 Kết cấu khối 3D robot bám line 29
Hình 3.3 Bánh chủ động 31
Hình 3.4 Bánh bị động 31
Hình 3.7 Sơ đồ đặt lực 33
Hình 3.8 Sơ đồ khối hệ thống 37
Hình 3.9 Sơ đồ nguyên lý 38
Hình 3.10 Sơ đồ mạch điện hệ thống robot bám line 39
Hình 3.11 Lưu đồ thuật toán hệ thống 40
Hình 3.12 Sơ đồ mạch hệ thống điều khiển bộ điều hướng 41
Hình 3.13 Thuật toán điều khiển của vi điều khiển 42
Hình 3.14 Sơ đồ mạch điện hệ thống nhận diện line 43
Hình 3.15 Lưu đồ thuật toán nhận diện line 44
Hình 3.17 Điều chỉnh không gian màu HSV 46
Hình 3.18 Cung cấp phạm vi giá trị cần sử dụng để tìm line 47
Hình 3.19 Xác định đường biên trên ảnh 47
Hình 3.20 Xác định trọng tâm line và trọng tâm khung hình 48
Hình 3.21 Giá trị nhị phân của line cong 48
Hình 3.22 Ba trường hợp mà phương pháp này nhận diện 49
Hình 3.23 Kết nối qua mạng wifi 50
Hình 3.24 Set up hệ điều hành 50
Hình 3.25 Ghi hệ điều hành vào thẻ nhớ 51
Hình 3.26 Kết nối với Pi thông qua ssh 51
Hình 3.30 Kết nối máy tính với Pi 52
Hình 3.31 Ảnh nhận diện vật 52
Hình 4.1 Chế tạo mô hình cơ khí 53
Hình 4.2 Thiết kế hệ thống điện 54
Hình 4.3 Hệ thống điều khiển 54
Hình 4.4 Robot di chuyển với line thẳng 55
Hình 4.5 Robot di chuyển góc 90 độ 56
Hình 4.6 Robot di chuyển với line cong 57
Hình 4.7 Robot di chuyển khi không nhận diện được line 57
Hình 4.8 Robot di chuyển khi khi có vật che line 58
Bảng 2.2 Thông số kĩ thuật Camera A870C 18
Bảng 2.4 Thông số kỹ thuật Module hạ áp LM2596 21
Bảng 2.5 Thông số kĩ thuật bộ điều khiển Rasberry Pi 23
Bảng 2.6 Thông số kỹ thuật Arduino Uno R3 26
Bảng 3.1 Kết cấu khối 3D robot bám line 30
Bảng 3.2 Thông số kỹ thuật động cơ JGB37-3530 35
Ngày nay, cùng với sự phát triển vô cùng nhanh chóng của khoa học kĩ thuật, con người chúng ta ngày càng đạt được nhiều thành tựu ở hầu khắp các lĩnh vực như sản xuất, y học, công nghệ thông tin, kĩ thuật quân sự…
Robot đã được ra đời và trở thành một công cụ đắc lực và hiệu quả giúp đỡ con người thực hiện rất nhiều công việc từ đơn giản đến phức tạp nhằm giảm thiểu sức lao động chân tay cũng như để giải quyết những công việc mà khả năng con người không thể thực hiện được Đặc biệt là sau đại dịch COVID-19 thì các xí nghiệp lại có nhu cầu lớn về sử dụng Robot trong sản xuất được chú ý hơn nhằm đảm bảo an toàn cho nhân công cũng nhưng nâng cao hiệu xuất sản xuất, tăng độ chính xác trong các dây chuyền sản xuất.
Với nhu cầu tiết kiệm vật liệu và chi phí trong quá trình thiết kế và chế tạo nhưng vẫn đảm bảo được các khả năng làm việc của robot Với tính ưu việt cao, các robot dò line ứng dụng công nghệ xử lý ảnh ngày càng thu hút được nhiều nhà khoa học nghiên cứu và ứng dụng rộng rãi trong nhiều lĩnh vực.
Vì những vấn đề nêu ở trên nhóm đã quyết định lựu chọn đề tài của đồ án tốt nghiệp là
“ Nghiên cứu, thiết kế và chế tạo robot bám line ứng dụng công nghệ xử lý ảnh ” Do khả năng và tầm nhận thức còn hạn chế, kinh nghiệm thực tế chưa nhiều, với khối lượng công việc đòi hỏi có sự tổng hợp cao nên thiết kế của chúng em không tránh khỏi những thiếu sót Mong thầy sẽ đưa ra những góp ý khoa học để chúng em cải thiện trong tương lai.
Chúng em xin chân thành cảm ơn!
CHƯƠNG 1 GIỚI THIỆU CHUNG VỀ ROBOT BÁM LINE ỨNG DỤNG CÔNG NGHỆ XỬ LÝ ẢNH
Robot bám line sử dụng xử lý ảnh là một lĩnh vực nghiên cứu đang phát triển mạnh mẽ Dưới đây là một số cột mốc quan trọng trong lịch sử nghiên cứu của robot bám line sử dụng xử lý ảnh:
Năm 1985: Đại học Carnegie Mellon phát triển robot bám line đầu tiên có khả năng sử dụng máy tính để nhận diện hình ảnh.
Năm 1995: Các nhà khoa học tại Đại học Stanford và Đại học Tokyo phát triển các thuật toán xử lý ảnh để giúp robot bám line điều khiển di chuyển trên một đường cong.
Năm 2001: Các nhà khoa học tại Đại học Tokyo phát triển robot bám line đầu tiên sử dụng camera để nhận diện đường viền.
Năm 2005: Các nhà khoa học tại Đại học Carnegie Mellon phát triển robot bám line đầu tiên có khả năng định vị chính xác hơn bằng cách sử dụng một hệ thống định vị toàn cầu (GPS).
Năm 2010: Các nhà khoa học tại Đại học Michigan phát triển robot bám line đầu tiên có khả năng xử lý ảnh nhanh hơn bằng cách sử dụng một bộ xử lý đồ họa GPU (Graphics Processing Unit).
Hiện nay: Robot bám line sử dụng xử lý ảnh đang được nghiên cứu và phát triển để cải thiện độ chính xác, độ ổn định và tốc độ của robot Nghiên cứu tập trung vào việc sử dụng các thuật toán xử lý ảnh mới, cải tiến các cảm biến, tăng tốc độ xử lý và tối ưu hóa hiệu suất của robot.
Nhiệm vụ của đề tài “Nghiên cứu, thiết kế và chế tạo robot bám line ứng dụng công nghệ xử lý ảnh” là nghiên cứu, thiết kế thành công robot tự hành bám theo đường line với hệ thống xử lý nhận diện đường line dựa trên công nghệ xử lý ảnh Robot được thiết kế hoàn thiện về phần cơ khí, phần mềm điều khiển Robot sau khi hoàn thiện có khả năng hoạt động ổn định và bám đúng đường line Đồng thời đề tài cung cấp được đầy đủ cơ sở lý thuyết, các bản vẽ cơ khí, bản vẽ hệ thống điện
1.2 Các vấn đề đặt ra
Ngày nay với sự phát triển của khoa học, công nghệ Các nhà khoa học đã không ngừng phát triển xe tự lái nhằm phục vụ con người trong nhiều lĩnh vực như trong robot tự động vận chuyển hàng hóa, xe điện tự lái, robot phục vụ…nhằm đáp ứng những mong muốn của con người Nhưng việc xử lý thông tin giɑo thông môi trường xung quanh mà một chiếc xe tự động thực sự làm chủ tɑy lái một cách an toàn mà không cần sự cɑn thiệp của con người là việc vô cùng khó khắn Chính vì thế để robot thuận tiện trong việc giao tiếp với môi trường một cách dễ dàng việc áp dụng công nghệ xử lý ảnh là vô cùng cần thiết, để mô phỏng được môi trường di chuyển của robot. Để thực hiện nghiên cứu thành công đề tài, nhóm có một số vấn đề cần giải quyết như sau:
Hệ thống cơ khí và phần cứng:
- Mô hình phải có cấu tạo cân đối, đảm bảo vứng chắc để có thể di chuyển một cách ổn định theo đường line đã kẻ sẵn
- Phải mô phỏng được hình dáng robot tự lái nhỏ gọn, thuận tiện cho việc tháo lắp.
- Các thiết bị đảm bảo dễ dàng sử dụng, thay thế và bảo dưỡng.
Hệ thống cảm biến và điều khiển:
- Hệ thống cảm biến phát hiện đường line thông qua camera 2D từ môi trường sau đó gửi tín hiệu về trung tâm điều khiển xử lý, phát tín hiệu và trích xuất vị trí line cho robot di chuyển
- Đảm bảo hoạt động trong môi trường có nhiễu loạn và điều kiện kém.
- Cùng với tín hiệu hình ảnh từ camera, trung tâm điều khiển phải xử lý nhanh để tạo ra sự di chuyển ổn định cho robot.
- Robot di chuyển tự động trên line bằng việc điều khiển trên laptop.
Hệ thống điện, điện tử:
- Đảm bảo hệ thống hoạt động ổn định.
- Đảm bảo an toàn cho người sử dụng và các thiết bị Có hệ thống bảo vệ mạch. điện tránh va đập gây chập cháy.
Chương trình và phần mền điều khiển:
- Đảm bảo tính ổn định và chính xác, dễ sử dụng với giao diện điều khiển trên thiết bị laptop sử dụng internet.
- Hiển thị hình ảnh 2D ổn định, rõ nét trên màn hình hiển thị.
Nhóm đã vận dụng nhiều phương pháp nghiên cứu để đạt được kết quả tốt nhất:
Phương pháp nghiên cứu lý thuyết: Tìm hiểu, thu tập các tài liệu liên quan đến các thành phần modun cần thiết cần có, về phần mềm, phần cứng, cấu trúc hoạt động, hệ thống điều khiển của robot do line xử dụng công nghệ xử lý ảnh.
- Tìm hiểu về cấu tạo, chức năng, cách thức sử dụng của hệ thống chấp hành, hệ thống cảm biến, bộ điều khiển điển hình trong điều khiển hệ thống robot do line xử dụng công nghệ xử lý ảnh.
- Tìm hiểu về cách thức giao tiếp của camera với bộ điều khiển trong hệ thống robot dò line ứng dụng xử lý ảnh.
Giới hạn và phạm vi nghiên cứu
Phạm vi nghiên cứu
1 Bố cục thuyết minh đề tài:
Nội dung nghiên cứu SV thực hiện
Chương 1: Giới thiệu chung về robot bám line ứng dụng công nghệ xử lý ảnh
Phạm Duy Khánh Nguyễn Văn Minh
1.2 Các vấn đề đặt ra
1.4 Giới hạn, phạm vi nghiên cứu
Cơ sở lý thuyết về robot bám line ứng dụng công nghệ xử lý ảnh
Tính toán, thiết kế robot bám line ứng dụng công nghệ xử lý ảnh
Thiết kế hệ thống cơ khí
Thiết kế hệ thống điện, điều khiển
3.3 Xây dựng chương trình điều khiển
Chương 4: Chế tạo mô hình và đánh giá robot bám line ứng dụng công nghệ xử lý ảnh
4.1 Chế tạo mô hình hệ thống cơ khí
Phạm Duy Khánh Nguyễn Văn Minh 4.2 Chế tạo hệ thống điện, điều khiển
4.3 Thử nghiệm và đánh giá hệ thống
TT Tên bản vẽ Khổ giấy
Số lượng SV thực hiện
1 Bản vẽ lắp hệ thống cơ khí A3 1 Phạm Duy Khánh
2 Bản vẽ hệ thống điều khiển A3 1 Nguyễn Văn Minh
3 Lưu đồ thuật toán điều khiển A3 1 Lê Anh Phương
3 Mô hình/ sản phẩm (nếu có)
Trình bày ngắn gọn thông số kỹ thuật cơ bản của mô hình/ sản phẩm.
Nội dung công việc SV thực hiện
1 Chế tạo, lắp ráp các cơ cấu chuyển động cơ khí, khung giá đỡ trong mô hình hệ thống Phạm Duy Khánh
2 Lắp ráp mạch điều khiển, mạch động lực Nguyễn Văn Minh
3 Lập chương trình và thử nghiệm Lê Anh Phương
NHẬN XÉT CỦA GIÁO VIÊN HƯỚNG DẪN
Hà Nội, ngày … tháng … năm 2023 Giáo viên hướng dẫn
ThS Nhữ Quý Thơ ĐÁNH GIÁ, NHẬN XÉT CỦA GIÁO VIÊN PHẢN BIỆN
Hà Nội, ngày … tháng … năm 2023 Giáo viên phản biện
CHƯƠNG 1 Giới thiệu chung về robot bám line ứng dụng công nghệ xử lý ảnh 1
1.2 Các vấn đề đặt ra 2
1.4 Giới hạn và phạm vi nghiên cứu 4
1.5 Ý NghĩaThực tiễn của đề tài 5
CHƯƠNG 2 Cơ sở lý thuyết về robot bám line ứng dụng công nghệ xử lý ảnh 6
2.1 Công nghệ xử lý ảnh và ứng dụng 6
2.1.1 Phương pháp thu nhận ảnh 6
2.1.3 Phương pháp lọc, tách màu 8
2.1.4 Phương pháp phân ngưỡng màu sắc 9
2.1.5 Ứng dụng robot bám line 10
2.3 Hệ thống điện, điện tử 16
2.3.1 Module điều khiển động cơ LH298 16
CHƯƠNG 3 Tính toán, thiết kế robot bám line ứng dụng công nghệ xử lý ảnh 29
3.1 Thiết kế hệ thống cơ khí 29
3.1.1 Sơ đồ kết cấu robot bám line và chức năng 29
3.1.2 Tính toán lựa chọn động cơ 33
3.1.3 An toàn của robot bám line ứng dụng công nghệ xử lý ảnh 36
3.2 Thiết kế hệ thống điện, điều khiển 37
3.2.1 Sơ đồ khối hệ thống 37
3.2.2 Sơ đồ nguyên lý hoạt động hệ thống 38
3.2.3 Hệ thống điện điều khiển bộ điều hướng 41
3.2.4 Hệ thống nhận diện line 43
3.3 Thiết kế chương trình điều khiển 45
3.3.1 Thuật toán điều khiển robot bám line 45
3.3.2 Thuật toán nhận diện line 46
3.3.3 Các bước xây dựng chương trình điều khiển 50
CHƯƠNG 4 Chế tạo mô hình và đánh giá robot bám line ứng dụng công nghệ xử lý ảnh 53
4.1 Chế tạo mô hình hệ thống cơ khí 53
4.2 Chế tạo hệ thống điện, điều khiển 53
4.3 Thử nghiệm và đánh giá hệ thống 55 Kết luận
Hình 2.1 Hình ảnh đọc từ camera sử dụng opencv 6
Hình 2.2 Ảnh khi áp dụng bộ lọc Gaussian 8
Hình 2.3 Không gian màu RGB 8
Hình 2.4 Không gian màu HSV 9
Hình 2.5 Hình chuyển đổi ảnh sang không gi HSV 9
Hình 2.6 Hình phân ngưỡng màu sắc 10
Hình 2.7 Robot phục vụ di chuyển trên đường line 11
Hình 2.8 Áp dụng xử lý ảnh nhận line 11
Hình 2.9 Giao diện phầm mềm VNC 12
Hình 2.10 Giao diện phầm mềm python 13
Hình 2.11 Giao diện phầm mềm arduino IDE 13
Hình 2.12 Động cơ điện một chiều 15
Hình 2.13 Laptop sử dụng để hiển thị thông tin từ camera 16
Hình 2.14 Modul điều khiển LH298 17
Hình 2.18 Bảng trạng thái Module hạ áp LM2596 21
Hình 2.19 Cấu hình phần cứng của Raspberry Pi 3 Module B+ 24
Hình 2.21 Sơ đồ chân Arduino Uno R3 27
Hình 3.1 Kết cấu khối 3D robot bám line 29
Hình 3.3 Bánh chủ động 31
Hình 3.4 Bánh bị động 31
Hình 3.7 Sơ đồ đặt lực 33
Hình 3.8 Sơ đồ khối hệ thống 37
Hình 3.9 Sơ đồ nguyên lý 38
Hình 3.10 Sơ đồ mạch điện hệ thống robot bám line 39
Hình 3.11 Lưu đồ thuật toán hệ thống 40
Hình 3.12 Sơ đồ mạch hệ thống điều khiển bộ điều hướng 41
Hình 3.13 Thuật toán điều khiển của vi điều khiển 42
Hình 3.14 Sơ đồ mạch điện hệ thống nhận diện line 43
Hình 3.15 Lưu đồ thuật toán nhận diện line 44
Hình 3.17 Điều chỉnh không gian màu HSV 46
Hình 3.18 Cung cấp phạm vi giá trị cần sử dụng để tìm line 47
Hình 3.19 Xác định đường biên trên ảnh 47
Hình 3.20 Xác định trọng tâm line và trọng tâm khung hình 48
Hình 3.21 Giá trị nhị phân của line cong 48
Hình 3.22 Ba trường hợp mà phương pháp này nhận diện 49
Hình 3.23 Kết nối qua mạng wifi 50
Hình 3.24 Set up hệ điều hành 50
Hình 3.25 Ghi hệ điều hành vào thẻ nhớ 51
Hình 3.26 Kết nối với Pi thông qua ssh 51
Hình 3.30 Kết nối máy tính với Pi 52
Hình 3.31 Ảnh nhận diện vật 52
Hình 4.1 Chế tạo mô hình cơ khí 53
Hình 4.2 Thiết kế hệ thống điện 54
Hình 4.3 Hệ thống điều khiển 54
Hình 4.4 Robot di chuyển với line thẳng 55
Hình 4.5 Robot di chuyển góc 90 độ 56
Hình 4.6 Robot di chuyển với line cong 57
Hình 4.7 Robot di chuyển khi không nhận diện được line 57
Hình 4.8 Robot di chuyển khi khi có vật che line 58
Bảng 2.2 Thông số kĩ thuật Camera A870C 18
Bảng 2.4 Thông số kỹ thuật Module hạ áp LM2596 21
Bảng 2.5 Thông số kĩ thuật bộ điều khiển Rasberry Pi 23
Bảng 2.6 Thông số kỹ thuật Arduino Uno R3 26
Bảng 3.1 Kết cấu khối 3D robot bám line 30
Bảng 3.2 Thông số kỹ thuật động cơ JGB37-3530 35
Ngày nay, cùng với sự phát triển vô cùng nhanh chóng của khoa học kĩ thuật, con người chúng ta ngày càng đạt được nhiều thành tựu ở hầu khắp các lĩnh vực như sản xuất, y học, công nghệ thông tin, kĩ thuật quân sự…
Robot đã được ra đời và trở thành một công cụ đắc lực và hiệu quả giúp đỡ con người thực hiện rất nhiều công việc từ đơn giản đến phức tạp nhằm giảm thiểu sức lao động chân tay cũng như để giải quyết những công việc mà khả năng con người không thể thực hiện được Đặc biệt là sau đại dịch COVID-19 thì các xí nghiệp lại có nhu cầu lớn về sử dụng Robot trong sản xuất được chú ý hơn nhằm đảm bảo an toàn cho nhân công cũng nhưng nâng cao hiệu xuất sản xuất, tăng độ chính xác trong các dây chuyền sản xuất.
Với nhu cầu tiết kiệm vật liệu và chi phí trong quá trình thiết kế và chế tạo nhưng vẫn đảm bảo được các khả năng làm việc của robot Với tính ưu việt cao, các robot dò line ứng dụng công nghệ xử lý ảnh ngày càng thu hút được nhiều nhà khoa học nghiên cứu và ứng dụng rộng rãi trong nhiều lĩnh vực.
Vì những vấn đề nêu ở trên nhóm đã quyết định lựu chọn đề tài của đồ án tốt nghiệp là
“ Nghiên cứu, thiết kế và chế tạo robot bám line ứng dụng công nghệ xử lý ảnh ” Do khả năng và tầm nhận thức còn hạn chế, kinh nghiệm thực tế chưa nhiều, với khối lượng công việc đòi hỏi có sự tổng hợp cao nên thiết kế của chúng em không tránh khỏi những thiếu sót Mong thầy sẽ đưa ra những góp ý khoa học để chúng em cải thiện trong tương lai.
Chúng em xin chân thành cảm ơn!
CHƯƠNG 1 GIỚI THIỆU CHUNG VỀ ROBOT BÁM LINE ỨNG DỤNG CÔNG NGHỆ XỬ LÝ ẢNH
Robot bám line sử dụng xử lý ảnh là một lĩnh vực nghiên cứu đang phát triển mạnh mẽ Dưới đây là một số cột mốc quan trọng trong lịch sử nghiên cứu của robot bám line sử dụng xử lý ảnh:
Năm 1985: Đại học Carnegie Mellon phát triển robot bám line đầu tiên có khả năng sử dụng máy tính để nhận diện hình ảnh.
Năm 1995: Các nhà khoa học tại Đại học Stanford và Đại học Tokyo phát triển các thuật toán xử lý ảnh để giúp robot bám line điều khiển di chuyển trên một đường cong.
Năm 2001: Các nhà khoa học tại Đại học Tokyo phát triển robot bám line đầu tiên sử dụng camera để nhận diện đường viền.
Năm 2005: Các nhà khoa học tại Đại học Carnegie Mellon phát triển robot bám line đầu tiên có khả năng định vị chính xác hơn bằng cách sử dụng một hệ thống định vị toàn cầu (GPS).
Năm 2010: Các nhà khoa học tại Đại học Michigan phát triển robot bám line đầu tiên có khả năng xử lý ảnh nhanh hơn bằng cách sử dụng một bộ xử lý đồ họa GPU (Graphics Processing Unit).
Hiện nay: Robot bám line sử dụng xử lý ảnh đang được nghiên cứu và phát triển để cải thiện độ chính xác, độ ổn định và tốc độ của robot Nghiên cứu tập trung vào việc sử dụng các thuật toán xử lý ảnh mới, cải tiến các cảm biến, tăng tốc độ xử lý và tối ưu hóa hiệu suất của robot.
Nhiệm vụ của đề tài “Nghiên cứu, thiết kế và chế tạo robot bám line ứng dụng công nghệ xử lý ảnh” là nghiên cứu, thiết kế thành công robot tự hành bám theo đường line với hệ thống xử lý nhận diện đường line dựa trên công nghệ xử lý ảnh Robot được thiết kế hoàn thiện về phần cơ khí, phần mềm điều khiển Robot sau khi hoàn thiện có khả năng hoạt động ổn định và bám đúng đường line Đồng thời đề tài cung cấp được đầy đủ cơ sở lý thuyết, các bản vẽ cơ khí, bản vẽ hệ thống điện
1.2 Các vấn đề đặt ra
Ngày nay với sự phát triển của khoa học, công nghệ Các nhà khoa học đã không ngừng phát triển xe tự lái nhằm phục vụ con người trong nhiều lĩnh vực như trong robot tự động vận chuyển hàng hóa, xe điện tự lái, robot phục vụ…nhằm đáp ứng những mong muốn của con người Nhưng việc xử lý thông tin giɑo thông môi trường xung quanh mà một chiếc xe tự động thực sự làm chủ tɑy lái một cách an toàn mà không cần sự cɑn thiệp của con người là việc vô cùng khó khắn Chính vì thế để robot thuận tiện trong việc giao tiếp với môi trường một cách dễ dàng việc áp dụng công nghệ xử lý ảnh là vô cùng cần thiết, để mô phỏng được môi trường di chuyển của robot. Để thực hiện nghiên cứu thành công đề tài, nhóm có một số vấn đề cần giải quyết như sau:
Hệ thống cơ khí và phần cứng:
- Mô hình phải có cấu tạo cân đối, đảm bảo vứng chắc để có thể di chuyển một cách ổn định theo đường line đã kẻ sẵn
- Phải mô phỏng được hình dáng robot tự lái nhỏ gọn, thuận tiện cho việc tháo lắp.
- Các thiết bị đảm bảo dễ dàng sử dụng, thay thế và bảo dưỡng.
Hệ thống cảm biến và điều khiển:
- Hệ thống cảm biến phát hiện đường line thông qua camera 2D từ môi trường sau đó gửi tín hiệu về trung tâm điều khiển xử lý, phát tín hiệu và trích xuất vị trí line cho robot di chuyển
- Đảm bảo hoạt động trong môi trường có nhiễu loạn và điều kiện kém.
- Cùng với tín hiệu hình ảnh từ camera, trung tâm điều khiển phải xử lý nhanh để tạo ra sự di chuyển ổn định cho robot.
- Robot di chuyển tự động trên line bằng việc điều khiển trên laptop.
Hệ thống điện, điện tử:
- Đảm bảo hệ thống hoạt động ổn định.
- Đảm bảo an toàn cho người sử dụng và các thiết bị Có hệ thống bảo vệ mạch. điện tránh va đập gây chập cháy.
Chương trình và phần mền điều khiển:
- Đảm bảo tính ổn định và chính xác, dễ sử dụng với giao diện điều khiển trên thiết bị laptop sử dụng internet.
- Hiển thị hình ảnh 2D ổn định, rõ nét trên màn hình hiển thị.
Nhóm đã vận dụng nhiều phương pháp nghiên cứu để đạt được kết quả tốt nhất:
Phương pháp nghiên cứu lý thuyết: Tìm hiểu, thu tập các tài liệu liên quan đến các thành phần modun cần thiết cần có, về phần mềm, phần cứng, cấu trúc hoạt động, hệ thống điều khiển của robot do line xử dụng công nghệ xử lý ảnh.
- Tìm hiểu về cấu tạo, chức năng, cách thức sử dụng của hệ thống chấp hành, hệ thống cảm biến, bộ điều khiển điển hình trong điều khiển hệ thống robot do line xử dụng công nghệ xử lý ảnh.
- Tìm hiểu về cách thức giao tiếp của camera với bộ điều khiển trong hệ thống robot dò line ứng dụng xử lý ảnh.
- Cơ sở tính toán, lựa chọn các linh kiện, cảm biến, các thiết bị phù hợp với đề tài.
Phương pháp nghiên cứu thực nghiệm: Thử nghiệm dựa trên việc quan sát, đo lường và đánh giá hoạt động thực tế của mô hình robot dò line ứng dụng xử lý ảnh để kịp thời đưa ra biện pháp giải quyết phù hợp
- Mô phỏng, đánh giá hoạt động của robot qua các phần mềm mô phỏng trên máy tính.
Chế tạo mô hình và đánh giá robot bám line ứng dụng công nghệ xử lý ảnh
Thử nghiệm và đánh giá hệ thống 55 Kết luận
TT Tên bản vẽ Khổ giấy
Số lượng SV thực hiện
1 Bản vẽ lắp hệ thống cơ khí A3 1 Phạm Duy Khánh
2 Bản vẽ hệ thống điều khiển A3 1 Nguyễn Văn Minh
3 Lưu đồ thuật toán điều khiển A3 1 Lê Anh Phương
3 Mô hình/ sản phẩm (nếu có)
Trình bày ngắn gọn thông số kỹ thuật cơ bản của mô hình/ sản phẩm.
Nội dung công việc SV thực hiện
1 Chế tạo, lắp ráp các cơ cấu chuyển động cơ khí, khung giá đỡ trong mô hình hệ thống Phạm Duy Khánh
2 Lắp ráp mạch điều khiển, mạch động lực Nguyễn Văn Minh
3 Lập chương trình và thử nghiệm Lê Anh Phương
NHẬN XÉT CỦA GIÁO VIÊN HƯỚNG DẪN
Hà Nội, ngày … tháng … năm 2023 Giáo viên hướng dẫn
ThS Nhữ Quý Thơ ĐÁNH GIÁ, NHẬN XÉT CỦA GIÁO VIÊN PHẢN BIỆN
Hà Nội, ngày … tháng … năm 2023 Giáo viên phản biện
CHƯƠNG 1 Giới thiệu chung về robot bám line ứng dụng công nghệ xử lý ảnh 1
1.2 Các vấn đề đặt ra 2
1.4 Giới hạn và phạm vi nghiên cứu 4
1.5 Ý NghĩaThực tiễn của đề tài 5
CHƯƠNG 2 Cơ sở lý thuyết về robot bám line ứng dụng công nghệ xử lý ảnh 6
2.1 Công nghệ xử lý ảnh và ứng dụng 6
2.1.1 Phương pháp thu nhận ảnh 6
2.1.3 Phương pháp lọc, tách màu 8
2.1.4 Phương pháp phân ngưỡng màu sắc 9
2.1.5 Ứng dụng robot bám line 10
2.3 Hệ thống điện, điện tử 16
2.3.1 Module điều khiển động cơ LH298 16
CHƯƠNG 3 Tính toán, thiết kế robot bám line ứng dụng công nghệ xử lý ảnh 29
3.1 Thiết kế hệ thống cơ khí 29
3.1.1 Sơ đồ kết cấu robot bám line và chức năng 29
3.1.2 Tính toán lựa chọn động cơ 33
3.1.3 An toàn của robot bám line ứng dụng công nghệ xử lý ảnh 36
3.2 Thiết kế hệ thống điện, điều khiển 37
3.2.1 Sơ đồ khối hệ thống 37
3.2.2 Sơ đồ nguyên lý hoạt động hệ thống 38
3.2.3 Hệ thống điện điều khiển bộ điều hướng 41
3.2.4 Hệ thống nhận diện line 43
3.3 Thiết kế chương trình điều khiển 45
3.3.1 Thuật toán điều khiển robot bám line 45
3.3.2 Thuật toán nhận diện line 46
3.3.3 Các bước xây dựng chương trình điều khiển 50
CHƯƠNG 4 Chế tạo mô hình và đánh giá robot bám line ứng dụng công nghệ xử lý ảnh 53
4.1 Chế tạo mô hình hệ thống cơ khí 53
4.2 Chế tạo hệ thống điện, điều khiển 53
4.3 Thử nghiệm và đánh giá hệ thống 55 Kết luận
Hình 2.1 Hình ảnh đọc từ camera sử dụng opencv 6
Hình 2.2 Ảnh khi áp dụng bộ lọc Gaussian 8
Hình 2.3 Không gian màu RGB 8
Hình 2.4 Không gian màu HSV 9
Hình 2.5 Hình chuyển đổi ảnh sang không gi HSV 9
Hình 2.6 Hình phân ngưỡng màu sắc 10
Hình 2.7 Robot phục vụ di chuyển trên đường line 11
Hình 2.8 Áp dụng xử lý ảnh nhận line 11
Hình 2.9 Giao diện phầm mềm VNC 12
Hình 2.10 Giao diện phầm mềm python 13
Hình 2.11 Giao diện phầm mềm arduino IDE 13
Hình 2.12 Động cơ điện một chiều 15
Hình 2.13 Laptop sử dụng để hiển thị thông tin từ camera 16
Hình 2.14 Modul điều khiển LH298 17
Hình 2.18 Bảng trạng thái Module hạ áp LM2596 21
Hình 2.19 Cấu hình phần cứng của Raspberry Pi 3 Module B+ 24
Hình 2.21 Sơ đồ chân Arduino Uno R3 27
Hình 3.1 Kết cấu khối 3D robot bám line 29
Hình 3.3 Bánh chủ động 31
Hình 3.4 Bánh bị động 31
Hình 3.7 Sơ đồ đặt lực 33
Hình 3.8 Sơ đồ khối hệ thống 37
Hình 3.9 Sơ đồ nguyên lý 38
Hình 3.10 Sơ đồ mạch điện hệ thống robot bám line 39
Hình 3.11 Lưu đồ thuật toán hệ thống 40
Hình 3.12 Sơ đồ mạch hệ thống điều khiển bộ điều hướng 41
Hình 3.13 Thuật toán điều khiển của vi điều khiển 42
Hình 3.14 Sơ đồ mạch điện hệ thống nhận diện line 43
Hình 3.15 Lưu đồ thuật toán nhận diện line 44
Hình 3.17 Điều chỉnh không gian màu HSV 46
Hình 3.18 Cung cấp phạm vi giá trị cần sử dụng để tìm line 47
Hình 3.19 Xác định đường biên trên ảnh 47
Hình 3.20 Xác định trọng tâm line và trọng tâm khung hình 48
Hình 3.21 Giá trị nhị phân của line cong 48
Hình 3.22 Ba trường hợp mà phương pháp này nhận diện 49
Hình 3.23 Kết nối qua mạng wifi 50
Hình 3.24 Set up hệ điều hành 50
Hình 3.25 Ghi hệ điều hành vào thẻ nhớ 51
Hình 3.26 Kết nối với Pi thông qua ssh 51
Hình 3.30 Kết nối máy tính với Pi 52
Hình 3.31 Ảnh nhận diện vật 52
Hình 4.1 Chế tạo mô hình cơ khí 53
Hình 4.2 Thiết kế hệ thống điện 54
Hình 4.3 Hệ thống điều khiển 54
Hình 4.4 Robot di chuyển với line thẳng 55
Hình 4.5 Robot di chuyển góc 90 độ 56
Hình 4.6 Robot di chuyển với line cong 57
Hình 4.7 Robot di chuyển khi không nhận diện được line 57
Hình 4.8 Robot di chuyển khi khi có vật che line 58
Bảng 2.2 Thông số kĩ thuật Camera A870C 18
Bảng 2.4 Thông số kỹ thuật Module hạ áp LM2596 21
Bảng 2.5 Thông số kĩ thuật bộ điều khiển Rasberry Pi 23
Bảng 2.6 Thông số kỹ thuật Arduino Uno R3 26
Bảng 3.1 Kết cấu khối 3D robot bám line 30
Bảng 3.2 Thông số kỹ thuật động cơ JGB37-3530 35
Ngày nay, cùng với sự phát triển vô cùng nhanh chóng của khoa học kĩ thuật, con người chúng ta ngày càng đạt được nhiều thành tựu ở hầu khắp các lĩnh vực như sản xuất, y học, công nghệ thông tin, kĩ thuật quân sự…
Robot đã được ra đời và trở thành một công cụ đắc lực và hiệu quả giúp đỡ con người thực hiện rất nhiều công việc từ đơn giản đến phức tạp nhằm giảm thiểu sức lao động chân tay cũng như để giải quyết những công việc mà khả năng con người không thể thực hiện được Đặc biệt là sau đại dịch COVID-19 thì các xí nghiệp lại có nhu cầu lớn về sử dụng Robot trong sản xuất được chú ý hơn nhằm đảm bảo an toàn cho nhân công cũng nhưng nâng cao hiệu xuất sản xuất, tăng độ chính xác trong các dây chuyền sản xuất.
Với nhu cầu tiết kiệm vật liệu và chi phí trong quá trình thiết kế và chế tạo nhưng vẫn đảm bảo được các khả năng làm việc của robot Với tính ưu việt cao, các robot dò line ứng dụng công nghệ xử lý ảnh ngày càng thu hút được nhiều nhà khoa học nghiên cứu và ứng dụng rộng rãi trong nhiều lĩnh vực.
Vì những vấn đề nêu ở trên nhóm đã quyết định lựu chọn đề tài của đồ án tốt nghiệp là
“ Nghiên cứu, thiết kế và chế tạo robot bám line ứng dụng công nghệ xử lý ảnh ” Do khả năng và tầm nhận thức còn hạn chế, kinh nghiệm thực tế chưa nhiều, với khối lượng công việc đòi hỏi có sự tổng hợp cao nên thiết kế của chúng em không tránh khỏi những thiếu sót Mong thầy sẽ đưa ra những góp ý khoa học để chúng em cải thiện trong tương lai.
Chúng em xin chân thành cảm ơn!
CHƯƠNG 1 GIỚI THIỆU CHUNG VỀ ROBOT BÁM LINE ỨNG DỤNG CÔNG NGHỆ XỬ LÝ ẢNH
Robot bám line sử dụng xử lý ảnh là một lĩnh vực nghiên cứu đang phát triển mạnh mẽ Dưới đây là một số cột mốc quan trọng trong lịch sử nghiên cứu của robot bám line sử dụng xử lý ảnh:
Năm 1985: Đại học Carnegie Mellon phát triển robot bám line đầu tiên có khả năng sử dụng máy tính để nhận diện hình ảnh.
Năm 1995: Các nhà khoa học tại Đại học Stanford và Đại học Tokyo phát triển các thuật toán xử lý ảnh để giúp robot bám line điều khiển di chuyển trên một đường cong.
Năm 2001: Các nhà khoa học tại Đại học Tokyo phát triển robot bám line đầu tiên sử dụng camera để nhận diện đường viền.
Năm 2005: Các nhà khoa học tại Đại học Carnegie Mellon phát triển robot bám line đầu tiên có khả năng định vị chính xác hơn bằng cách sử dụng một hệ thống định vị toàn cầu (GPS).
Năm 2010: Các nhà khoa học tại Đại học Michigan phát triển robot bám line đầu tiên có khả năng xử lý ảnh nhanh hơn bằng cách sử dụng một bộ xử lý đồ họa GPU (Graphics Processing Unit).
Hiện nay: Robot bám line sử dụng xử lý ảnh đang được nghiên cứu và phát triển để cải thiện độ chính xác, độ ổn định và tốc độ của robot Nghiên cứu tập trung vào việc sử dụng các thuật toán xử lý ảnh mới, cải tiến các cảm biến, tăng tốc độ xử lý và tối ưu hóa hiệu suất của robot.
Nhiệm vụ của đề tài “Nghiên cứu, thiết kế và chế tạo robot bám line ứng dụng công nghệ xử lý ảnh” là nghiên cứu, thiết kế thành công robot tự hành bám theo đường line với hệ thống xử lý nhận diện đường line dựa trên công nghệ xử lý ảnh Robot được thiết kế hoàn thiện về phần cơ khí, phần mềm điều khiển Robot sau khi hoàn thiện có khả năng hoạt động ổn định và bám đúng đường line Đồng thời đề tài cung cấp được đầy đủ cơ sở lý thuyết, các bản vẽ cơ khí, bản vẽ hệ thống điện
1.2 Các vấn đề đặt ra
Ngày nay với sự phát triển của khoa học, công nghệ Các nhà khoa học đã không ngừng phát triển xe tự lái nhằm phục vụ con người trong nhiều lĩnh vực như trong robot tự động vận chuyển hàng hóa, xe điện tự lái, robot phục vụ…nhằm đáp ứng những mong muốn của con người Nhưng việc xử lý thông tin giɑo thông môi trường xung quanh mà một chiếc xe tự động thực sự làm chủ tɑy lái một cách an toàn mà không cần sự cɑn thiệp của con người là việc vô cùng khó khắn Chính vì thế để robot thuận tiện trong việc giao tiếp với môi trường một cách dễ dàng việc áp dụng công nghệ xử lý ảnh là vô cùng cần thiết, để mô phỏng được môi trường di chuyển của robot. Để thực hiện nghiên cứu thành công đề tài, nhóm có một số vấn đề cần giải quyết như sau:
Hệ thống cơ khí và phần cứng:
- Mô hình phải có cấu tạo cân đối, đảm bảo vứng chắc để có thể di chuyển một cách ổn định theo đường line đã kẻ sẵn
- Phải mô phỏng được hình dáng robot tự lái nhỏ gọn, thuận tiện cho việc tháo lắp.
- Các thiết bị đảm bảo dễ dàng sử dụng, thay thế và bảo dưỡng.
Hệ thống cảm biến và điều khiển:
- Hệ thống cảm biến phát hiện đường line thông qua camera 2D từ môi trường sau đó gửi tín hiệu về trung tâm điều khiển xử lý, phát tín hiệu và trích xuất vị trí line cho robot di chuyển
- Đảm bảo hoạt động trong môi trường có nhiễu loạn và điều kiện kém.
- Cùng với tín hiệu hình ảnh từ camera, trung tâm điều khiển phải xử lý nhanh để tạo ra sự di chuyển ổn định cho robot.
- Robot di chuyển tự động trên line bằng việc điều khiển trên laptop.
Hệ thống điện, điện tử:
- Đảm bảo hệ thống hoạt động ổn định.
- Đảm bảo an toàn cho người sử dụng và các thiết bị Có hệ thống bảo vệ mạch. điện tránh va đập gây chập cháy.
Chương trình và phần mền điều khiển:
- Đảm bảo tính ổn định và chính xác, dễ sử dụng với giao diện điều khiển trên thiết bị laptop sử dụng internet.
- Hiển thị hình ảnh 2D ổn định, rõ nét trên màn hình hiển thị.
Nhóm đã vận dụng nhiều phương pháp nghiên cứu để đạt được kết quả tốt nhất:
Phương pháp nghiên cứu lý thuyết: Tìm hiểu, thu tập các tài liệu liên quan đến các thành phần modun cần thiết cần có, về phần mềm, phần cứng, cấu trúc hoạt động, hệ thống điều khiển của robot do line xử dụng công nghệ xử lý ảnh.
- Tìm hiểu về cấu tạo, chức năng, cách thức sử dụng của hệ thống chấp hành, hệ thống cảm biến, bộ điều khiển điển hình trong điều khiển hệ thống robot do line xử dụng công nghệ xử lý ảnh.
- Tìm hiểu về cách thức giao tiếp của camera với bộ điều khiển trong hệ thống robot dò line ứng dụng xử lý ảnh.
- Cơ sở tính toán, lựa chọn các linh kiện, cảm biến, các thiết bị phù hợp với đề tài.
Phương pháp nghiên cứu thực nghiệm: Thử nghiệm dựa trên việc quan sát, đo lường và đánh giá hoạt động thực tế của mô hình robot dò line ứng dụng xử lý ảnh để kịp thời đưa ra biện pháp giải quyết phù hợp
- Mô phỏng, đánh giá hoạt động của robot qua các phần mềm mô phỏng trên máy tính.