Thiết kế hệ thống định vị cho robot trong nhà

LỜIMỞĐẦU..............................................................................................................1 PHẦNMỞĐẤU.........................................................................................................2 1. Tính cấp thiết của đềtài:.......................................................................................2 2. Mục tiêu nghiên cứu:............................................................................................2 3. Đối tượng phạm vi, phương pháp nghiên cứu:......................................................2 CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀĐỀTÀI....................................................................4 1.1. Giới thiệu chung vềhệthống định vịcho robot trong nhà:.................................4 1.2.1 Phương pháp deadreckoning:......................................................................5 1.2.2 Hệthống dẫn đường cột mốc chủđộng:........................................................5 1.2.3 Phương pháp định vịsửdụng bản đồ:.................................................6 1.3. Ưu nhược điểm của các hệthống hiện nay:........................................................7 1.3.1. Ưu điểm:.....................................................................................................7 1.3.2. Nhược điểm:................................................................................................7 1.4. Vấn đềtồn tại liên quan đến hệthống hiện nay:.................................................7 1.4.1. Phân tích vềyếu tốkĩ thuật của các hệthống:..............................................7 1.4.2 Phân tích vềđiều kiện triển khai:..................................................................8 CHƯƠNG 2: THIẾT KẾHỆTHỐNG ĐỊNH VỊCHO ROBOT TRONG NHÀ........10 2.1 Thiết kếhệthống:.............................................................................................10 2.1.1 Sơ đồkhối của hệthống:............................................................................10 2.1.2 Phân tích chức năng các khối:.....................................................................10 2.1.3. Nguyên lí hoạt động của hệthống:.............................................................11 2.2. Thiết kếphần cứng ( xây dựng mô hình robot dò đường ):...............................12 2.2.1 Cấu trúc cơ khí của robot:...........................................................................12 2.2.2. Tính toán lựa chọn linh kiện:.....................................................................14 2.3. Thiết kếphần mềm:.........................................................................................30 2.3.1 Lưu đồthuật toán của hệthống:..................................................................30 2.3.2 Mô tảthuật toán:........................................................................................31 2.3.3 Mô tảngôn ngữlập trình:...........................................................................35 CHƯƠNG 3: THỬNGHIỆM VÀ THẢO LUẬN......................................................36 3.1 Mô tảmôi trường thửnghiệm:..........................................................................36 3.2. Các kịch bản thửnghiệm:.............................................................................36 3.3. Mô tảcác thông sốđo:.....................................................................................36 3.4. Kết quảthửnghiệm và thảo luận:...................................................................37 KẾT LUẬN VÀ THẢO LUẬN HƯỚNG PHÁT TRIỂN..........................................47 TÀI LIỆU THAM KHẢO..........................................................................................48 PHỤLỤC..............49

TRƯỜNG ĐẠI HỌC DUY TÂN KHOA ĐIỆN- ĐIỆN TỬ Đặng Hoàng Long THIẾT KẾ HỆ THỐNG ĐỊNH VỊ CHO ROBOT TRONG NHÀ ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP ĐIỆN TỰ ĐỘNG ĐÀ NẴNG, 2022 TRƯỜNG ĐẠI HỌC DUY TÂN KHOA ĐIỆN- ĐIỆN TỬ ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP THIẾT KẾ HỆ THỐNG ĐỊNH VỊ CHO ROBOT TRONG NHÀ Chuyên ngành: Điện tự động GVHD: PGS.TS HÀ ĐẮC BÌNH SVTH: ĐẶNG HỒNG LONG LỚP: K24 EDT2 MSSV: 24211702455 ĐÀ NẴNG, 2022 MỤC LỤC LỜI MỞ ĐẦU PHẦN MỞ ĐẤU Tính cấp thiết đề tài: 2 Mục tiêu nghiên cứu: Đối tượng phạm vi, phương pháp nghiên cứu: CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ ĐỀ TÀI 1.1 Giới thiệu chung hệ thống định vị cho robot nhà: 1.2.1 Phương pháp dead-reckoning: 1.2.2 Hệ thống dẫn đường cột mốc chủ động: 1.2.3 Phương pháp định vị sử dụng đồ: 1.3 Ưu nhược điểm hệ thống nay: 1.3.1 Ưu điểm: 1.3.2 Nhược điểm: 1.4 Vấn đề tồn liên quan đến hệ thống nay: 1.4.1 Phân tích yếu tố kĩ thuật hệ thống: 1.4.2 Phân tích điều kiện triển khai: CHƯƠNG 2: THIẾT KẾ HỆ THỐNG ĐỊNH VỊ CHO ROBOT TRONG NHÀ 10 2.1 Thiết kế hệ thống: 10 2.1.1 Sơ đồ khối hệ thống: 10 2.1.2 Phân tích chức khối: 10 2.1.3 Nguyên lí hoạt động hệ thống: 11 2.2 Thiết kế phần cứng ( xây dựng mô hình robot dị đường ): 12 2.2.1 Cấu trúc khí robot: 12 2.2.2 Tính toán lựa chọn linh kiện: 14 2.3 Thiết kế phần mềm: 30 2.3.1 Lưu đồ thuật toán hệ thống: 30 2.3.2 Mơ tả thuật tốn: 31 2.3.3 Mô tả ngơn ngữ lập trình: 35 CHƯƠNG 3: THỬ NGHIỆM VÀ THẢO LUẬN 36 3.1 Mô tả môi trường thử nghiệm: 36 3.2 Các kịch thử nghiệm: 36 3.3 Mô tả thông số đo: 36 3.4 Kết thử nghiệm thảo luận: 37 KẾT LUẬN VÀ THẢO LUẬN HƯỚNG PHÁT TRIỂN 47 TÀI LIỆU THAM KHẢO 48 PHỤ LỤC 49 LỜI MỞ ĐẦU Ngày đời sống có nhiều cơng việc tính chất cơng việc nặng nhọc, mơi trường làm việc khó khăn độc hại nguy hiểm tác hại trực tiếp người Một số nơi địa hình q khó khăn để di chuyển (vùng rừng núi, sa mạc, vùng có lở núi, động đất, vùng bị cháy rừng, vùng nhiễm phóng xạ, khu vực bị khủng bố…) Ở nơi người cần tới hỗ trợ robot Với mơ hình robot đa có tuỳ biến cao, dễ lắp đặt vận chuyển, thiết kế lập trình từ máy tính cá nhân, robot làm việc độc lập theo chu trình cài đặt sẵn theo điều khiển từ xa qua vô tuyến từ người điều khiển, tính chất cơng việc cụ thể thay đổi dễ dàng, khả kết nối với thiết bị chun dụng linh hoạt Robot có kích thước tương đối làm việc nhiều môi trường khắc nghiệt thời tiết, khí hậu độc hại nguy hiểm người Ngoài robot thiết kế cho phù hợp với cơng việc mang tính chất tự động hố cao, ứng dụng vào dây chuyền sản xuất tự động nhà máy, xí nghiệp, khu cơng nghiệp, khu chế xuất… Sau thời gian năm học tập nghiên cứu Trường Đại Học Duy Tân em giao đề tài đồ án tốt nghiệp với nội dung: “Thiết kế hệ thống định vị cho robot nhà ” Với giúp đỡ ủng hộ thầy cô giáo, bạn bè, gia đình nỗ lực thân đến em hoàn thành đồ án với đầy đủ nội dung đề tài Cuối em xin gửi lời cảm ơn tới thầy cô giáo, cán giảng dạy thuộc Trường đại học Duy Tân, đặc biệt em xin bày tỏ lòng biết ơn cảm ơn sâu sắc tới thầy giáo hướng dẫn khoa học PGS.TS.Hà Đắc Bình trang bị kiến thức, bảo động viên em suốt thời gian qua PHẦN MỞ ĐẤU Tính cấp thiết đề tài: Hiện hầu hết thiết bị robot dây chuyền tự động hoá sử dụng ngành công nghiệp sản xuất chế biến nhập từ nước đắt tiền Trong nhu cầu nước ta cao nước có khả chế tạo sản xuất để phù hợp với điều kiện làm việc Việt Nam Lĩnh vực thiết kế, chế tạo robot thiết bị điều khiển tự động mẻ có tiềm rộng lớn khơng nước mà cịn giới Việc thâm nhập, nghiên cứu chế tạo số mơ hình điều khiển tự động robot thơng minh, robot thăm dị, robot sản xuất hướng cần thiết nhằm rút ngắn khoảng cách khoa học công nghệ nước giới lĩnh vực Có số khác biệt quan trọng yêu cầu việc lắp đặt robot cố định truyền thống với yêu cầu hệ thống robot di động Một mối quan tâm hàng đầu trước môi trường vận hành robot di động Đối với hệ thống robot cố định, người ta thường xây dựng (thiết kế) không gian làm việc nhỏ để thực công việc robot cố định thường thực công việc lặp lặp lại môi trường xác định trước Đối với hệ thống robot di động, việc nhận biết môi trường làm việc yếu tố định tới “hành động” robot, nhận biết đầy đủ thơng tin mơi trường xung quanh robot di động thích ứng mơi trường làm việc khác Theo khái niệm, robot di động phải có số phận chuyển động Chuyển động dạng bánh xe, chân, cánh số cấu khác Việc lựa chọn cấu chuyển động dựa vào chức robot công việc robot cần phải thực Trong nhiều môi trường làm việc công nghiệp, bánh xe dạng chuyển động thích hợp Đối với hệ thống nghiên cứu ứng dụng khác, chân cánh giúp cho robot di động chuyển động địa hình mà robot khơng có khả qua Vì đề tài “ Thiết kế hệ thống định vị cho robot nhà ” mang tính cấp thiết có ý nghĩa quan trọng điều kiện tình hình kinh tế - xã hội Việt Nam Mục tiêu nghiên cứu:  Xây dựng hệ thống giúp robot định vị di chuyển tòa nhà  Thử nghiệm đánh giá kết robot dị đường ( mơ phần mềm matlab)  Mơ hình mang tính thực tế Đối tượng phạm vi, phương pháp nghiên cứu: 3.1 Đối tượng nghiên cứu: Hệ thống định vị cho robot nhà 3.2 Phạm vi nghiên cứu: Hệ thống định vị nghiên cứu nhằm mục đích: Nghiên cứu hệ thống định vị cho robot nhà 3.3 Phương pháp nghiên cứu: Để giải vấn đề đề tài đặt ra, sử dụng phương pháp nghiên cứu sau đây:  Tìm hiểu nghiên lý hoạt động robot di chuyển nhà  Tìm hiểu phương pháp định vị cho robot nhà  Thiết kế lắp đặt mạch điện tử cho khung robot dị đường  Lập trình điều khiển giải thuật tìm đường cho robot  Tính tốn đo đạc thơng số nghiên cứu thơng số thực tế  Đánh giá hiệu giải thuật Kế hoạch thực hiện: Từ ngày 20/08/2022 đến ngày 30/11/2022  Bước 1: Tìm hiểu phương pháp định vị cho robot nhà  Bước 2: Thu thập liệu liên quan  Bước 3: Tìm hiểu nguyên lí làm việc  Bước 4: Lên ý tưởng thiết kế mạch điều khiển cho robot  Bước 5: Thi công lắp đặt mạch điện tử  Bước 6: Vận hành, thử nghiệm đánh giá giải thuật thực tế  Bước 7: Thu thập liệu thực tế  Bước 8: Chỉnh sửa hoàn thành hệ thống định vị Nội dung thực hiện: Đồ án chia làm chương với nội dung sau:  Chương 1: Tổng quan đề tài: trình bày tổng quan khái niệm phương pháp tổng phương pháp định vị robot môi trường nhà  Chương 2: Thiết kế hệ thống định vị: trình bày trình thiết kế hệ thống chế tạo robot dò đường  Chương 3: Thử nghiệm thảo luận hệ thống định vị cho robot nhà: Thử nghiệm cho robot hoạt động, đo đạc thông số kĩ thuật hệ thống so với thực tế đưa kết luận CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ ĐỀ TÀI 1.1 Giới thiệu chung hệ thống định vị cho robot nhà: Trong năm gần đây, robot di động nghiên cứu ứng dụng vào nhiều lĩnh vực đa dạng khác như: vận chuyển hàng hóa, cứu hộ, thám hiểm Sự phát triển lĩnh vực robot không dựa phát triển giải pháp phần cứng mà phụ thuộc vào khả tương thích phần mềm Ngày nay, với phát triển hệ thống thông minh, việc ứng dụng mã nguồn mở để phát triển hệ thống có ý nghĩa quan trọng, phát huy sức mạnh cộng đồng khoa học nhờ đặc tính kế thừa cần cầu tái sử dụng lại thơng tin tạo trước Do đó, hệ điều hành dành cho robot phát triển ứng dụng rộng rãi năm gần Hệ điều hành ROS hay hệ điều hành dành cho robot, giải pháp dành cho robot bao gồm thư viện cơng cụ để điều khiển, có quy định chung việc thiết lập hay giao tiếp chương trình lần ROS hệ điều hành mã nguồn mở phát triển cập nhật nhiều năm qua, nhằm mục đích phát triển cơng đồng robot, giúp người dùng khai thác mã nguồn chia sẻ để phát triển thuật tốn hay tích hợp xây dựng robot Ngơn ngữ lập trình sử dụng ngôn ngữ phổ biến C Python Trong ROS, hệ thống tổ chức gồm nhiều node hoạt động có chế giao tiếp quy định để truyền nhận liệu Bên cạnh đó, node lập trình với ngơn ngữ khác nhau, cho phép người dùng sử dụng đa ngôn ngữ phù hợp với hệ thống thiết kế Các toán định vị cho robot xác định vị trí hướng robot so với mơi trường làm việc, thơng tin vị trí phải đủ tin cậy để robot hoạt động xác ổn định Do định vị cho robot đóng vai trị làm tiền đề thực nhiệm vụ Các phương pháp định vị cho robot chia làm hai nhóm chính: định vị tương đối định vị tuyệt đối Định vị tương đối xác định vị trí robot so với vị trí ban đầu tính tốn Phương pháp phổ biến thường sử dụng định vị tương đối odometry, phương pháp sử encoder đo số vòng quay di chuyển bánh xe, kết hợp phương trình động học robot để tính tốn vị trí so với vị trí ban đầu Phương pháp cho phép việc tính toán định vị nhanh, nhiên dao động lớn vị trí hoạt động thời gian dài tích lũy lỗi theo thời gian (do độ trượt bánh xe, chu vi bánh) Định vị tuyệt đối việc xác định vị trí robot so với với hệ trục tọa độ môi trường làm việc Một phương pháp định vị tuyệt đối sử dụng hoa tiêu gương phản xạ hay Barcode gắn cố định tường Trong nghiên cứu Pierlot đề xuất việc sử dụng góc tương ứng hoa tiêu, sau thiết lập ba đường trịn để tìm giao điểm vị trí robot 1.2 Giới thiệu số hệ thống định vị cho robot nhà 1.2.1 Phương pháp dead-reckoning: Dead-reckoning phương pháp dẫn đường sử dụng rộng rãi robot di động Phương pháp cho độ xác thời gian ngắn, giá thành thấp tốc độ lấy mẫu cao Tuy nhiên nguyên tắc phương pháp deadreckoning tích luỹ thơng tin gia tốc chuyển động theo thời gian dẫn tới tích luỹ sai số Sự tích luỹ sai số theo hướng dẫn đến sai số vị trí lớn tăng tỉ lệ với khoảng cách chuyển động robot Tuy nhiên hầu hết nhà nghiên cứu đồng ý dead-reakoning phần quan trọng hệ thống dẫn đường robot, lệnh dẫn đường đơn giản hố độ xác phương pháp dead-reckoning cải thiện Phương pháp dead-reakoning dựa phương trình đơn giản thực cách dễ dàng, sử dụng liệu từ mã hố số vịng quay bánh xe Dead-reckoning dựa nguyên tắc chuyển đổi số vòng quay bánh xe thành độ dịch tuyến tính tương ứng robot Nguyên tắc với giá trị giới hạn Có vài lý dẫn đến khơng xác việc chuyển từ số gia vòng quay bánh xe sang chuyển động tuyến tính Tất nguồn sai số chia thành nhóm: sai số hệ thống sai số không hệ thống Để giảm sai số dead-reckoning cần phải tăng độ xác động học kích thước tới hạn Hình 1.1 Định vị cho robot sử dụng lập mã quang, cảm biến gia tốc, vận tốc góc cảm biến từ 1.2.2 Hệ thống dẫn đường cột mốc chủ động: Hệ thống dẫn đường cột mốc chủ động hệ thống dẫn đường sử dụng phổ biến tàu biển máy bay Hệ thống cung cấp thông tin vị trí xác với q trình xử lý tối thiểu Hệ thống cho phép tốc độ lấy mẫu độ tin cậy cao kèm với giá thành cao việc thiết lập trì Cột mốc đặt vị trí xác cho phép xác định toạ độ xác vật thể Có phương pháp đo dùng hệ thống cột mốc chủ động, phép đo cạnh tam giác phép đo góc tam giác Phép đo cạnh tam giác Phép đo cạnh tam giác xác định vị trí vật thể dựa khoảng cách đo tới cột mốc biết trước Trong hệ thống dẫn đường sử dụng phép đo thơng thường có trạm phát đặt vị trí biết trước ngồi mơi trường trạm nhận đặt robot Hoặc ngược lại có trạm phát đặt robot trạm nhận đặt ngồi mơi trường Sử dụng thơng tin thời gian truyền chùm tia hệ thống tính toán khoảng cách trạm phát cố định trạm nhận đặt robot GPS (Global Positionings Systems) - hệ thống định vị toàn cầu hệ thống cột mốc sử dụng cảm biến siêu âm ví dụ sử dụng phép đo cạnh tam giác Phép đo góc tam giác Hình 1.2 Định vị sử dụng vật mốc 1.2.3 Phương pháp định vị sử dụng đồ: Robot sử dụng cảm biến trang bị để tạo đồ cục mơi trường xung quanh Bản đồ sau so sánh với đồ toàn cục lưu trữ sẵn nhớ Nếu tương ứng, robot tính tốn vị trí góc hướng thực tế mơi trường Hình 1.3 Định vị dẫn đường cho robot chuyển động sử dụng đồ