Nghiên cứu và thiết kế Mobile robot tự hành trong nhà sử dụng Lidar: Đồ tốt nghiệp Khoa Chất lượng cao ngành Công nghệ kỹ thuật điều khiển và tự động hóa

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP NGÀNH CNKT ĐIỀU KHIỂN VÀ TỰ ĐỘNG HÓA NGHIÊN CỨU VÀ THIẾT KẾ MOBILE ROBOT TỰ HÀNH TRONG NHÀ SỬ DỤNG LIDAR GVHD: TS VŨ VĂN PHONG SVTH: NGUYỄN HUỲNH THANH TÚ TRẦN ĐÌNH VƯƠNG SKL009281 Tp.Hồ Chí Minh, tháng 8/2022 TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT TP HCM KHOA ĐÀO TẠO CHẤT LƯỢNG CAO  ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP NGHIÊN CỨU VÀ THIẾT KẾ MOBILE ROBOT TỰ HÀNH TRONG NHÀ SỬ DỤNG LIDAR SVTH : Nguyễn Huỳnh Thanh Tú MSSV : 18151145 SVTH : Trần Đình Vương MSSV : 18151152 Khóa : 2018 Ngành: Cơng nghệ kỹ thuật điều khiển tự động hoá GVHD: TS Vũ Văn Phong Tp Hồ Chí Minh, tháng năm 2022 TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT TP HCM KHOA ĐÀO TẠO CHẤT LƯỢNG CAO  ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP NGHIÊN CỨU VÀ THIẾT KẾ MOBILE ROBOT TỰ HÀNH TRONG NHÀ SỬ DỤNG LIDAR SVTH : Nguyễn Huỳnh Thanh Tú MSSV : 18151145 SVTH : Trần Đình Vương MSSV : 18151152 Khóa : 2018 Ngành: Cơng nghệ kỹ thuật điều khiển tự động hoá GVHD: TS Vũ Văn Phong Tp Hồ Chí Minh, tháng năm 2022 CỘNG HOÀ XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM ĐỘC LẬP – TỰ DO – HẠNH PHÚC o0o Tp Hồ Chí Minh, ngày… tháng năm 2022 NHIỆM VỤ ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP Họ tên sinh viên: Nguyễn Huỳnh Thanh Tú MSSV: 18151145 Họ tên sinh viên: Trần Đình Vương MSSV:18151152 Tên đề tài: NGHIÊN CỨU VÀ THIẾT KẾ MOBILE ROBOT TỰ HÀNH TRONG NHÀ SỬ DỤNG LIDAR Các số liệu ban đầu: Raspberry Pi Model B, mạch vi xử lý Arduino, mạch điều khiển động L298, cảm biến góc nghiên IMU 6050, cảm biến lidar Nội dung thực hiện: - Tìm hiểu động học mobile robot - Tìm hiểu hệ điều hàn robot ROS - Tìm hiểu, nghiên cứu sử dụng pakage hệ điều hành ROS cho việc xây dựng đồ từ cảm biến lidar - Tìm hiểu nghiên cứu giao tiếp Raspberry mạch vi xử lý Arduino - Thiết kế phần cứng cho mobile robot lập trình để điều khiển tốc độ động góc quay robot - Chạy thử nghiệm hiệu chỉnh mơ hình - Đánh giá kết thực viết luận văn Ngày giao nhiệm vụ: 22/2 Ngày hoàn thành nhiệm vụ: 1/8 TRƯỞNG NGÀNH GIẢNG VIÊN HƯỚNG DẪN CỘNG HOÀ XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM ĐỘC LẬP – TỰ DO – HẠNH PHÚC o0o PHIẾU NHẬN XÉT CỦA GIÁO VIÊN HƯỚNG DẪN Họ tên sinh viên: Nguyễn Huỳnh Thanh Tú MSSV: 18151145 Họ tên sinh viên: Trần Đình Vương MSSV: 18151152 Ngành: Cơng Nghệ Kỹ Thuật Điều Khiển Và Tự Động Hoá Tên đề tài: NGHIÊN CỨU VÀ THIẾT KẾ MOBILE ROBOT TỰ HÀNH TRONG NHÀ SỬ DỤNG LIDAR Họ tên Giáo viên hướng dẫn: TS Vũ Văn Phong NHẬN XÉT Về nội dung đề tài & khối lượng thực hiện: ……………………………………………………………………………………… ……………………………………………………………………………………… Ưu điểm: ……………………………………………………………………………………… ……………………………………………………………………………………… Khuyết điểm: ……………………………………………………………………………………… Đề nghị cho bảo vệ hay không? ……………………………………………………………………………………… Đánh giá loại: …………………………………………………………………………… Ý kiến khác: ……………… ………………………………………………………… Tp Hồ Chí Minh, ngày tháng năm 2022 LỜI CẢM ƠN Lời chúng em xin chân thành cảm ơn quý thầy cô trường Đại Học Sư Phạm Kỹ Thuật Tp HCM nói chung, thầy khoa ĐT Chất Lượng Cao suốt năm vừa qua tận tình truyền đạt kiến thức q báu khơng chun mơn mà cịn kinh nghiệm kỹ cần thiết để chúng em tự tin bước tiếp tương lai sau Đặc biệt, chúng em xin gửi lời cảm ơn chân thành đế thầy Vũ Văn Phong, người tận tình giúp đỡ, động viên dành thời gian theo sát chúng em suốt trình thực đề tài Chúng em gửi lời cảm ơn đến thầy cô phản biện thầy cô hội đồng bảo vệ luận văn dành thời gian để nhận xét giúp đỡ chúng em trình bảo luận văn Sau em xin gửi lời cảm ơn đến gia đình, bạn bè bạn lớp 18151CL2B, người bạn thân thiết giúp đỡ lẫn suốt năm học vừa qua Cuối lời, em xin gửi lời đến bạn sinh viên, cán nhân viên trường Đại Học Sư Phạm Kỹ Thuật TP HCM lời chúc sức khoẻ, kính chúc nhà trường đạt nhiều thành tựu to lớn ngày phát triển Một lần xin chân thành cảm ơn Sinh viên thực đề tài Nguyễn Huỳnh Thanh Tú Trần Đình Vương MỤC LỤC DANH MỤC HÌNH ẢNH i DANH MỤC BẢNG iv DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT v TÓM TẮT vi ABSTRACT vii CHƯƠNG TỔNG QUAN 1.1 Giới thiệu chung 1.2 Vấn đề đặt 1.3 Phương pháp nghiên cứu 1.4 Nội dung thực đề tài CHƯƠNG CƠ SỞ LÝ THUYẾT 2.1 Động lực học Mobile robot 2.1.1 Động học thuận robot: 2.1.2 Tính tốn động lực học robot .6 2.2 Giới thiệu hệ thống ROS .10 2.2.1 Giới thiệu ROS (Hệ điều hành Robot): 10 2.2.2 Cấu trúc ROS 10 2.3 SLAM: .13 2.3.1 Giới thiệu SLAM (Simultaneous localization and mapping): .13 2.3.2 Lidar SLAM 13 2.4 2D Navigation Stack 14 2.4.1 Costmap 2D .15 2.4.2 Cách cấu hình costmap .15 2.5 Thuật toán cho global planner local planner .16 2.5.1 Thuật toán A* cho global planner .16 2.5.2 Thuật toán Dynamic Window Approach để tránh vật cản cho local planner .18 2.5.3 Khơng gian tìm kiếm 18 2.5.4 Tối ưu 20 2.6 Giao thức 22 2.6.1 UART 22 2.6.2 Giao tiếp – ROS 24 2.7 Điều khiển động sử dụng thuật toán PID 25 2.7.1 Giới thiệu điều khiển PID 25 2.7.2 Thiết kế tham số PID 26 CHƯƠNG THIẾT KẾ PHẦN CỨNG 28 3.1 Tổng quan phần cứng robot .28 3.1.1 Sơ đồ tổng quát hệ thống 28 3.1.2 Sơ đồ khối 29 3.2 Thiết kế khung xe robot 31 3.2.1 Base main 31 3.2.2 Base mid 31 3.2.3 Base top .32 3.2.4 Gá động trụ đồng .33 3.2.5 Tổng hợp chi tiết cho phần cứng 33 3.3 Lựa chọn thiết bị cho robot 35 3.3.1 Raspberry Pi Model B 35 3.3.2 Lựa chọn động 36 3.3.3 Lựa chọn mạch cầu điều khiển 41 3.3.4 Cảm biến IMU 42 3.3.5 Vi điều khiển Arduino Uno .43 3.3.6 RPLidar A1 .44 3.4 Mơ hình robot thực tế .46 CHƯƠNG THIẾT KẾ CHƯƠNG TRÌNH ĐIỀU KHIỂN 47 4.1 Chương trình điều khiển robot 47 4.1.1 Chương trình điều khiển robot ROS 47 4.1.2 Xử lý tín hiệu từ cảm biến IMU Encoder 49 4.1.3 Chương trình điều khiển PID 51 4.2 Tích hợp hệ thống ROS 52 4.2.1 Lập đồ môi trường 52 4.2.2 Điều hướng đồ (Navigation): 56 4.2.3 Link Joints robot 61 4.3 Thiết kế giao diện điều khiển qua mạng wifi 62 CHƯƠNG KẾT QUẢ THỰC NGHIỆM 65 5.1 Khảo sát điều khiển PID .65 5.2 Tạo lập đồ môi trường .67 5.3 Tự động di chuyển đến điểm đích tránh vật cản 69 5.3.1 Di chuyển thắng đến toạ độ (1.5,0) giữ nguyên góc 0o 69 5.3.2 Di chuyển thẳng đến toạ độ (1,0) xoay góc -900 70 5.3.3 Di chuyển thẳng đến toạ độ (1.5,0) tránh vật cản 70 5.3.4 Di chuyển thẳng đến toạ độ (2.5,3) tránh vật cản 72 5.4 Nhận xét kết luận .73 CHƯƠNG KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN 74 6.1 Kết luận 74 6.2 Hướng phát triển 74 TÀI LIỆU THAM KHẢO 76