Ứng dụng thị giác máy tính cho mobile robot phục vụ tổng quan phân loại mobile robot

Loại robot này có thể di chuyển rất tốt trên các định hình lồi lõm phức tạp.― Robot di chuyển bằng bánh: loại này thực tế hơn, chúng làm việc tốt trên hầu hết các địa hình do con người t

Ứng dụng thị giác máy tính cho Mobile robot phục vụTổng quan

The use of mobile robots is growing very rapidly in numerous applications such as planetary exploration, police operations, military operations, hazardous site exploration

Mục tiêu: nghiên cứu, thử nghiệm giải thuật; xây dựng mô hình mobile robot ứng dụng thị giác máy tính

có thể:

- Phát hiện người (đối tượng chính), vật cản (để không bị va chạm)

- Xác định chiều cao người

- Tự động xoay vật phẩm về chiều người nhận

- Nhận biết người đã lấy đủ vật phẩm cần thiết và rời đi

Phạm vi đề tài, phương hướng thực nghiệm

Sử dụng 2 hàng cảm biến dò line để có thể lấy được góc lệch giữa line và robot

Tổng quan

Phân loại mobile robot

chúng được phân loại theo môi trường làm việc và phương thức di chuyển

Có nhiều loại robot di động khác nhau, chúng được phân loại theo môi trường làm việc và phương thức

di chuyển Dựa vào môi trường mà làm việc, có thể phân loại robot di động thành [1]:

Robot mặt đất hoặc robot gia dụng: chúng có nhiều bánh xe, nhưng cũng bao gồm robot chân với hai hoặc nhiều chân hơn (giống người, động vật hoặc côn trùng như hình 1.1)

― Robot trên không: thường được mệnh danh là phi thuyền không gian không người điều khiển (UAVs)

― Robot dưới nước: thường được gọi là phi thuyền dưới nước tự điều khiển Dựa vào cách di chuyển (đây loại chủ yếu), robot di động có thể được phân loại thành:

― Robot di chuyển bằng chân: chuyển động nhờ các chân cơ khí bắt chước chuyển động giống như chânngười hoậc chân động vật Loại robot này có thể di chuyển rất tốt trên các định hình lồi lõm phức tạp

― Robot di chuyển bằng bánh: loại này thực tế hơn, chúng làm việc tốt trên hầu hết các địa hình do con người tạo

Các nghiên cứu, sản phẩm đã có

Robot vận chuyển T6

Thông qua sự điều phối thông minh của hệ thống giao tiếp do Nhà sản xuất KEENON tự phát triển, Robot T6 có thể thực hiện việc thiết lập lịch trình phân tán dựa trên công nghệ Trí Thông minh Nhân tạo (AI), đảm bảo sự hợp tác của nhiều Robot cùng lúc với nhau và liên tục tối ưu hóa năng suất chuyên chở, do đó cải thiện hiệu quả phân phối tổng thể giữa các Robot.

Thời lượng pin: 12h

Hướng di chuyển: 1 chiều

Thời lượng pin: 8h

Hướng di chuyển: 1 chiều

Khả năng xoay: 360 độ

Restaurant Serving Robot with Double Line Sensors Following Approach

Hướng di chuyển: 1 chiều

Lựa chọn phương án

Tiêu chí lựa chọn vi điều khiển:

- Đáp ứng yêu cầu về PWM, UART, INT, TIMER

- Hỗ trợ thư viện ROS

Tiêu chí lựa chọn driver động cơ GA25

- Đảm bảo quan hệ giữa xung PWM và tốc độ động cơ sắp xỉ tuyến tính

- Điện áp đầu ra phải lớn hơn điện áp và dòng điện của động cơ (12V)

L298N

L298N là một package tích hợp đa công suất 15W có khả năng cấp điện áp cao cho động

cơ DC Là IC điều khiển full-bridge kép có dòng điện cao được thiết kế để nhận tín hiệu chuẩn logic TTL Có thể điều khiển tải cảm, ví dụ như rơ le, van điện từ, động cơ (DC và động cơ bước)

Điện áp của tín hiệu +5V ~ 7V

TB6612

Driver hỗ trợ 2 cầu H có thể dùng cho hai động cơ DC hoặc một động cơ bước

Bánh xe

Yêu c u a ra là l a ch n bánh xe có kh n ng ch u t i t t do ó nhóm ch n bánh xe ầ đư ự ọ ả ă ị ả ố đ ọ V2.

TRÁNH VẬT CẢN CHO ROBOT DI ĐỘNG BẰNG PHƯƠNG PHÁP TRƯỜNG THẾ NĂNG

giải thuật Bug, phương pháp cửa sổ động

Mô phỏng robot hoạt động trong môi trường có vật cản trên Player/ Stage chạy trên nền Linux

Thuật toán Bug

Khi gặp vật cản robot sẽ đi theo đường bao của vật cản và xem robot như một điểm hoạt động trong mặt phẳng, di chuyển từ s (Điểm xuất phát) đến g (Đích đến) Với Bug 1 khi robot tìm thấy được vật cản

Oi thì robot làm một đường bao kín quanh nó, bắt đầu tại một điểm va chạm Hi Đường bao này nhằm

để ước lượng điểm có khoảng cách Li ngắn nhất tới mục tiêu Sau đó robot tiếp tục di chuyển theo đường bao cho đến khi nó tìm thấy điểm đó lần nữa kể từ lúc nó rời khỏi dọc theo đường đi thẳng đến đích Li được gọi là điểm rời khỏi Quá trình được lặp lại khi phát hiện vật cản mới

Hình dưới mô tả đường đi của robot để tránh vật cản theo thuật tóan Bug 1 với hai vật cản O1 và O2 ; slà điểm xuất phát; g là đích đến; H1 và H2 là điểm va chạm; L1 và L2 là điểm rời khỏi

Bug 2 có thời gian di chuyển ngắn hơn và hiệu quả hơn Bug 1

Tuy nhiên có những tình huống làm nó trở nên không tối ưu Phương pháp này có hạn chế là chuyển động của robot tại một thời điểm chỉ phụ thuộc vào giá trị đọc của cảm biến gần nhất Vì vậy, có thể dẫn đến những vấn đề không mong muốn và những vấn đề chưa dự phòng khi những cảm biến không cung cấp đủ thông tin, khi đó phương pháp này không cho kết quả tốt

Phương pháp cửa sổ động

Trong phương pháp này, các ràng buộc về động học của robot được xét đến bằng cách xác định vận tốc cho robot một không gian tốc độ (v, ω) Không gian tốc độ này là tập hợp tất cả các giá trị (v, ω) mà robot có thể đạt được trong lúc di chuyển

Với vận tốc tức thời của robot, ta có một cửa sổ động của tất cả các vận tốc mà robot có thể thực hiện ở chu kỳ điều khiển kế tiếp Sau đó, kích thước của cửa sổ động được giảm xuống bằng cách loại bỏ các giátrị vận tốc mà robot có thể chạm vật cản, các giá trị vận tốc còn lại được gọi vận tốc cho phép

Nhược điểm: Chi phí tính toán cao.

Phương pháp trường thế năng

Trong phương pháp này, vật cản tác dụng một lực đẩy vào robot, trong khi đó đích sẽ tạo ra một lực hút đến robot.

Nếu vật cản mới xuất hiện trong suốt quá trình chuyển động của robot thì trường thế năng có thể cập nhật để tổng hợp những thông tin mới này Tổng của tất cả các lực này tạo ra một lực tổng hợp Lực tổng hợp này quyết định đến hướng và tốc độ của robot (tìm vị trí mới cho robot)

Trong trường hợp đơn giản nhất, chúng ta giả định rằng robot là một điểm, vì vậy định hướng θ của robot được bỏ qua và kết quả trường thế năng chỉ còn 2 D (x , y) Nếu chúng ta giả định hàm trường thế năng U (q) khả vi thì chúng ta có thể tìm thấy lực nhân tạo F(q) tác động tại vị trí của robot q (x , y)

U(q)=U h(q)+U đ(q)Trong đó:

U h (q): Trường thế năng hút; U đ (q ): Trường thế năng đẩy

Tương tự lực cũng được tách ra thành lực hút và lực đẩy: U(q)=F h(q)+F đ(q)=−∇ U h(q)−∇U đ (q )

ρ goal: Khoảng cách euclid từ vị trí tức thời (vị trí q) của robot đến đích (vị trí q goal)

Hàm Uh(q) có thể dương hoặc âm và đạt nhỏ nhất tại vị trí đích: U h(q goal)=0

Lực hút được suy ra từ giá trị U h (q)

F h(q)=−k h (q−q goal)Hàm thế năng bậc 2 cho đặc tính ổn định tốt Nó tạo ra lực hút F h (q) hội tụ tuyến tính về 0 khi robot gần mục tiêu Mặt khác, F h (q) tăng khi khoảng cách đến mục tiêu tăng và cuối cùng tiến đến vô cùng khi ρ goal (q )→ ∞

ρ0: Khoảng cách ảnh hưởng của vật cản (Hằng số dương).

Hàm thế đẩy là hàm dương hoặc bằng 0 và tiến đến vô cùng khi q -> đối tượng

Nếu đường bao của đối tượng là lồi và vi phân từng phần được, ρ (q) vi phân được tại mọi điểm trong không gian cấu hình tự do Công thức để tính lực đẩy gây ra bởi một vật cản:

ρ obstacle(q): Khoảng cách đến vật cản tại thời điểm tức thời

Mỗi vật cản được phát hiện bởi cảm biến sẽ gây ra một lực đẩy, vì vậy kết quả lực đẩy ảo cuối cùng là tổng của trường thế đẩy được tạo ra bởi mỗi cảm biến độc lập

Ưu điểm: Nhanh chóng, kết quả chấp nhận được, đơn giản, hiệu quả

Nhược điểm:

Vị trí bẫy hay cực trị địa phương: khi robot di chuyển vào điểm chết (điểm cụt) tạo ra từ hình dạng của vật cản (Ví dụ vật cản hình chữ U)

-Không có lối đi giữa những vật cản gần nhau.

Thiết kế cơ khí

Kết cấu cơ khí

Packbot

Chaos

Giả sử tổng khối lượng của robot và thực phẩm được chất lên bốn bánh của robot Tính toán công suất được tạo ra bởi mô-men xoắn do lực ma sát gây ra:

Thiết kế mạch

STM32 (1): điều khiển 2 động cơ, di chuyển robot

STM32 (2): nhận diện chiều cao người

Nguồn điện: pin 12V-12A được điều chỉnh thành 12V-5A sử dụng chip LM2596 và 5V-2A sử dụng chip LM2576

Module RF để điều khiển robot về vị trí chờ

Lợi ích:

Ros cung cấp môi trường mô phỏng thử nghiệm trước khi áp dụng vào robot Giúp giảm thiểu rủi ro

và chi phí cho việc phát triển robot

cung cấp một loạt các gói phần mềm được xây dựng sẵn để hỗ trợ việc lập trình robot, bao gồm các gói liên quan đến điều khiển chuyển động, cảm biến và truyền thông

ROS có những đặc tính thiết yếu của một hệ điều hành như khả năng thực hiện các tác vụ (task) song song, giao tiếp, trao đổi dữ liệu với nhau giữa các tác vụ, quản lý dữ liệu

Lợi ích so với bộ điều khiển khác:

Tính mở rộng: Việc tích hợp các phần mềm vào Ros dễ dàng dẫn đến việc dễ phát triển ứng dụng điều

khiển robot về sau

Độ chính xác cao: ROS được thiết kế để đảm bảo tính chính xác cao trong việc điều khiển robot.

ROS là một lựa chọn tốt cho việc điều khiển robot, đặc biệt là khi bạn muốn mở rộng và phát triển ứng dụng robot của mình

Cấu trúc mô hình ROS

Filesystem

Computing graph

Community

Bộ điều khiển PID

Thuật toán PID được sử dụng rộng rãi trong các hệ thống điều khiển tự động Thuật toán này cố gắng sửa các lỗi giữa giá trị đo thực tế và giá trị mong muốn bằng cách tính toán và xuất các giá trị hiệu chỉnh

mà hệ điều hành được hiệu chỉnh từ đó

Việc sử dụng thuật toán PID giúp bộ điều khiển đạt được hiệu quả mong muốn với thời gian đáp ứng nhanh và độ ổn định cao

Bộ điều khiển On-off

Khi robot lệch phải đường line thì động cơ bên trái sẽ tắt trong khi động cơ phải vẫn hoạt động bình thường để đưa robot về vị trí line.

Ưu điểm:

đơn giản

Nhược điểm:

Robot di chuyển không được mượt mà, ổn định

Tốn nhiều năng lượng

Hàm truyền tốc độ góc của động cơ robot theo lượng điện áp đầu vào và mômen quán tính của robot như sau

G=¿

Tài liệu tham khảo

1/ Tránh Vật Cản Cho Robot Di Động Bằng Phương Pháp Trường Thế Năng