Nghiên cứu, thiết kế mô hình xe nhặt bóng tennis ứng dụng xử lý ảnh trên raspberry pi

Nguyễn Ngọc HóaNGHIÊN CỨU, THIẾT KẾ MƠ HÌNH XE NHẶT BÓNG TENNIS ỨNG DỤNG XỬ LÝ ẢNH TRÊN RASPBERRY PI ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG 2023 TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT KHOA ĐIỆN – ĐIỆN TỬ - - ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP ĐẠI HỌC NGÀNH: CÔNG NGHỆ KỸ THUẬT ĐIỆN TỬ - VIỄN THÔNG CHUYÊN NGÀNH: ĐIỆN TỬ - MÁY TÍNH ĐỀ TÀI: NGHIÊN CỨU, THIẾT KẾ MƠ HÌNH XE NHẶT BĨNG TENNIS ỨNG DỤNG XỬ LÝ ẢNH TRÊN RASPBERRY PI Người hướng dẫn : Ths Phạm Thị Thảo Khương Sinh viên thực : Nguyễn Ngọc Hóa Trần Mạnh Hoàng Mã sinh viên : 1911505410119 1911505410121 Lớp : 19DT1 Đà Nẵng, 12/2023 Mạnh Hoàng ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT KHOA ĐIỆN – ĐIỆN TỬ - - ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP ĐẠI HỌC NGÀNH: CÔNG NGHỆ KỸ THUẬT ĐIỆN TỬ - VIỄN THÔNG CHUYÊN NGÀNH: ĐIỆN TỬ - MÁY TÍNH ĐỀ TÀI: NGHIÊN CỨU, THIẾT KẾ MƠ HÌNH XE NHẶT BÓNG TENNIS ỨNG DỤNG XỬ LÝ ẢNH TRÊN RASPBERRY PI Người hướng dẫn : Ths Phạm Thị Thảo Khương Sinh viên thực : Nguyễn Ngọc Hóa Trần Mạnh Hoàng Mã sinh viên : 1911505410119 1911505410121 Lớp : 19DT1 Đà Nẵng, tháng 12 năm 2023 LỜI NÓI ĐẦU Trong thời đại ngày nay, tiến nhanh chóng cơng nghệ mở hội không ngừng thách thức người với ý tưởng độc đáo sáng tạo Trong bối cảnh này, việc ứng dụng công nghệ vào thể thao không xu hướng mà hội để nâng cao trải nghiệm hiệu suất lĩnh vực Một thách thức lớn mà người chơi tennis thường gặp phải việc phải nhặt bóng tennis sau buổi tập hay trận đấu Đây công việc đơn giản tốn thời gian sức lực Để giải vấn đề này, kết hợp công nghệ thể thao đưa giải pháp hiệu – thiết kế xe nhặt bóng tennis Qua việc kết hợp tính ứng dụng sáng tạo lĩnh vực robot hóa, tạo người đồng đội tự động cho người chơi tennis, giúp họ tiết kiệm thời gian lượng, đồng thời tăng cường trải nghiệm tập luyện thi đấu Trong viết này, khám phá sâu hướng lựa chọn đề tài thiết kế xe nhặt bóng tennis, với hy vọng mở cánh cửa kết hợp công nghệ thể thao, đem lại lợi ích khơng ngờ cho người chơi người hâm mộ tennis Qua báo cáo này, với lịng kính trọng biết ơn sâu sắc chúng em xin gửi lời cảm ơn chân thành tới: Ban lãnh đạo nhà trường, Khoa Điện – Điện tử, quý Thầy, Cô Trường Đại học Sư phạm kỹ thuật – Đại học Đà Nẵng tận tình hướng dẫn, giảng dạy suốt trình chúng em học tập, nghiên cứu rèn luyện trường Chúng em xin chân thành cảm ơn cô Thạc sĩ Phạm Thị Thảo Khương tận tình chu đáo giúp đỡ, hướng dẫn chúng em thực đồ án Do kiến thức hạn chế chúng em, báo cáo khơng thể tránh khỏi thiếu sót Chúng em mong thầy giáo nhận xét góp ý để chúng em hoàn thiện tốt đề tài Trân trọng cảm ơn! CAM ĐOAN Chúng em xin cam đoan đề tài cơng trình nghiên cứu với tồn nội dung kết sản phẩm mà chúng em nỗ lực nghiên cứu trình thực đồ án hướng dẫn Ths Phạm Thị Thảo Khương Các kết công bố đồ án tốt nghiệp trung thực không chép từ cơng trình khác Đã thực chỉnh sửa, bổ sung theo yêu cầu GV phản biện Hội đồng chấm Nhóm sinh viên thực Nguyễn Ngọc Hóa – Trần Mạnh Hồng MỤC LỤC LỜI NÓI ĐẦU i CAM ĐOAN ii MỤC LỤC iii DANH MỤC HÌNH ẢNH .v DANH SÁCH CÁC CHỮ VIẾT TẮT vii MỞ ĐẦU CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ ROBOT TỰ HÀNH VÀ XE NHẶT BÓNG TENNIS 1.1 Tổng quan robot tự hành .4 1.2 Tổng quan xe nhặt bóng tennis 1.3 Sân tennis phương án di chuyển CHƯƠNG 2: CƠ SƠ LÝ THUYẾT 10 2.1 Giới thiệu xử lý ảnh .10 2.2 Giới thiệu thư viện OpenCV 13 2.3 Giới thiệu raspberry pi 14 2.4 Tổng quan phần mềm Arduino IDE 18 2.5 Cấu trúc chương trình Arduino 23 2.6 Tổng quan phần mềm python 24 2.7 Tổng quan giao thức UART .24 CHƯƠNG 3: THIẾT KẾ VÀ XÂY DỰNG HỆ THỐNG 30 3.1 Sơ đồ khối hệ thống 30 3.2 Các phương án thiết kế .30 3.3 Lựa chọn thiết bị sử dụng 32 3.3.1 Pin cell 18650 2000mAh 32 3.3.2 Mạch tăng áp DC XL6009 32 3.3.3 Động giảm tốc vàng kèm bánh xe 33 3.3.4 Mạch Điều Khiển Động Cơ DC L298N .34 3.3.5 Động Cơ RC Servo MG996R 34 3.3.6 Arduino Mega 2560 ADK 35 3.3.7 Cảm biến hồng ngoại 36 3.3.8 Webcam .39 3.4 Lưu đồ giải thuật 42 3.5 Sơ đồ kết nối thiết bị 44 3.6 Cài đặt để cấu hình raspberry pi 45 3.7 Quá trình xử lý ảnh bóng tennis .49 KẾT LUẬN 54 TÀI LIỆU THAM KHẢO 55 PHỤ LỤC 56 DANH MỤC HÌNH ẢNH Hình 1.1: Robot tự hành AGV Intech .4 Hình 1.2: Xe nhặt bóng tennis tự động Hình 1.3: Sân bóng tennis .8 Hình 2.1: Xử lý ảnh .10 Hình 2.2: Sơ đồ trình xử lý ảnh .11 Hình 2.3: Ví dụ dùng OpenCV để nhận diện khuôn mặt 14 Hình 2.4: Sơ đồ cấu tạo Raspberry Pi 15 Hình 2.5: Sơ đồ chân Raspberry Pi 16 Hình 2.6: Arduino IDE - Phần mềm lập trình mã nguồn mở 19 Hình 2.7: Code C/C++ 19 Hình 2.8: Tương thích với bo mạch Arduino 20 Hình 2.9: Giao diện đơn giản, dễ sử dụng .20 Hình 2.10: Nút kiểm tra lỗi (Verify) 21 Hình 2.11: Nút tải code vào bo mạch (Upload) .21 Hình 2.12: Vùng lập trình 21 Hình 2.13: Thanh Menu 22 Hình 2.14: Hỗ trợ nhiều tảng khác 22 Hình 2.15: Cấu trúc chương trình Arduino 23 Hình 2.16: Giao diện phần mềm IDE 23 Hình 2.17: Phần mềm PYTHON 24 Hình 2.18: UART 25 Hình 2.19: Giao tiếp song song .25 Hình 2.20: Sơ đồ khối UART 26 Hình 2.21: Truyền thơng UART 27 Hình 2.22: Giao diện UART 28 Hình 3.1: Sơ đồ khối .30 Hình 3.2: Pin 18650 .32 Hình 3.3: Mạch tăng áp DC XL6009 .33 Hình 3.4: Động giảm tốc vàng 33 Hình 3.5: Mạch L298N 34 Hình 3.6: Động servo MG996R 35 Hình 3.7: Arduino mega 36 Hình 3.8: Led hồng ngoại 37 Hình 3.9: Nguyên lý hoạt động mắt thu phát hồng ngoại 37 Hình 3.10: Sơ đồ nguyên lý cảm biến hồng ngoại 38 Hình 3.11: Webcam .40 Hình 3.12: Chương trình tổng 42 Hình 3.13: Chương trình xử lý ảnh 43 Hình 3.14: Sơ đồ kết nối thiết bị hệ thống .44 Hình 3.15: Mơ hình .45 Hình 3.16: Giao diện phần mềm Raspberry Pi 46 Hình 3.18: Kiểm tra IP mạng Laptop .47 Hình 3.19: Tìm IP 47 Hình 3.20: Câu lệnh liên kết với VNC 48 Hình 3.21: Giao diện hiển thị raspberry pi hệ điều hành raspbian 49 Hình 3.22: Chuyển đổi không gian màu từ RGB sang HSV 49 Hình 3.23: Lọc màu .50 Hình 3.24: Biến đổi hình thái học 51 Hình 3.25: Lọc nhiễu .51 Hình 3.26: Chuyển đổi hough 52 Hình 3.27: Tính tốn hướng cho xe 53 DANH SÁCH CÁC CHỮ VIẾT TẮT TỪ VIẾT TẮT DIỄN GIẢI DỊCH NGHĨA OpenCV Open Source Computer Vision GPIO Thư viện thị giác máy tính UART Library mã nguồn mở SPI General Purpose Input Output MISO Chân đầu ra\đầu vào MOSI Universal Asynchronous CE Receiver / Transmitter Bộ tiếp nhận không đồng PWM Serial Peripheral Interface / đồng chuyển giao TX Chuẩn giao tiếp nối tiếp RX Master In Slave Out GND ngoại vi Master Out Slave In Chân liệu thiết bị Chip Enable chủ Pulse Width Modulation Chân liệu vào thiết Transmit bị chủ Chân kích hoạt thiết bị Receive Chân điểu chế độ rộng Ground xung Chân truyền liệu khỏi thiết bị Chân nhận liệu từ thiết bị khác Chân nối đất Nghiên cứu, thiết kế mơ hình xe nhặt bóng tennis ứng dụng xử lý ảnh raspberry pi MỞ ĐẦU Lý chọn đề tài Trong lựa chọn đề tài thiết kế xe nhặt bóng tennis, khơng đối mặt với việc giải vấn đề thực tế thể thao mà đứng trước hội tạo nên đổi tiện ích tối đa lĩnh vực Việc ứng dụng công nghệ để tạo người đồng đội tự động cho người chơi tennis không giải pháp hiệu cho vấn đề nhặt bóng mà cịn mang lại nhiều lợi ích to lớn Đầu tiên, từ góc độ cá nhân người chơi, xe nhặt bóng tự động khơng đơn giản cơng cụ hỗ trợ, mà cịn làm thay đổi toàn diện cách họ tiếp cận tiến triển tập luyện Việc tự động hóa nhặt bóng giúp họ tập trung tối đa vào việc hồn thiện kỹ thuật chiến thuật, mà lo lắng công việc nhỏ đuổi theo bóng Sự xác đồng robot đồng thời tạo môi trường huấn luyện hiệu quả, thúc đẩy phát triển tăng cường khả thi đấu Ngoài ra, đề tài mang đến chiều sâu xã hội, làm thay đổi cách nhìn nhận tham gia vào giới thể thao Sự tích hợp cơng nghệ không giúp giải vấn đề nhỏ sống cá nhân mà tạo nên đại hóa quản lý sân tennis trung tâm huấn luyện Việc giảm bớt công việc thủ công không giúp tăng cường chất lượng dịch vụ mà mở cánh cửa cho sáng tạo hứng thú cộng đồng, từ góp phần vào phát triển toàn diện thể thao xã hội Điều không đề tài, mà bước nhảy vọt phát triển giới thể thao tương lai Mục tiêu đề tài Tạo xe nhặt bóng tennis thơng minh có khả tương tác xác, giúp người chơi tập trung vào việc cải thiện kỹ thuật chiến thuật, đồng thời cung cấp trải nghiệm huấn luyện chất lượng hiệu Phát triển xe với tính an tồn cao, tránh tình đụng độ nguy hiểm đồng thời mang lại tiện ích tối đa cho người chơi người quản lý sân tennis SVTH: Nguyễn Ngọc Hóa GVHD: Ths Phạm Thị Thảo Khương Trần Mạnh Hồng