Robot có thể được sử dụng để thu thập dữ liệu môi trường, như nhiệt độ, mức độ ô nhiễm, chất lượng không khí, và nhiều thông số khác từ các vùng khó tiếp cận hoặc nguy hiểm[3].. GIỚI THI
Mục Tiêu Và Đối Tượng Nghiên Cứu
− Mục tiêu và nhiệm vụ nghiên cứu
Mục tiêu của nghiên cứu là thiết kế một xe tự hành có khả năng thu thập dữ liệu về nhiệt độ môi trường, sử dụng camera và cảm biến nhiệt độ, độ ẩm để quan sát và đo lường các chỉ số này Xe tự hành sẽ giúp cải thiện việc theo dõi và phân tích điều kiện môi trường một cách hiệu quả và chính xác.
+ Nhiệm vụ nghiên cứu: Hoàn thành sản phẩm xe tự hành thu thập nhiệt độ, độ ẩm và hình ảnh về môi trường
− Đối tượng và phạm vi nghiên cứu
• Tìm hiểu công nghệ truyền hình ảnh, đo nhiệt độ và truyền dữ liệu qua internet
• Tìm hiểu mô hình xe tự hành và các thành phần, hệ thống điều khiển của xe + Phạm vi nghiên cứu:
• Nghiên cứu cách thức hoạt động của cảm biến nhiệt độ, độ ẩm DHT11
• Nghiên cứu giao thức truyền dữ liệu qua internet
• Nghiên cứu lý thuyết về ESP32 camera và cách giao tiếp giữa ESP32 camera với máy tính và websever
• Nghiên cứu lý thuyết về cảm biến siêu âm SRF-04.
Ưu, Nhược Điểm Của Đề Tài
− Ưu điểm của đề tài:
Mô hình xe được thiết kế với khả năng đo lường và quan sát môi trường xung quanh một cách chính xác và đáng tin cậy, giúp con người đưa ra các phương án hợp lý.
Mô hình xe có khả năng di chuyển linh hoạt và tự động, giúp theo dõi và giám sát các khu vực quan trọng, đặc biệt là những nơi khó tiếp cận hoặc nguy hiểm cho con người.
+ Tự động hóa: Giảm thiểu sự can thiệp của con người và đảm bảo tính liên tục và đồng nhất trong việc thu thập dữ liệu môi trường
Việc kết hợp thêm các thiết bị khác để phát triển mô hình lớn hơn trở nên dễ dàng và thuận tiện Hơn nữa, giá thành của các linh kiện trên thị trường rất rẻ và dễ dàng tìm kiếm.
− Nhược điểm của đề tài
Khi di chuyển vào những khu vực có sóng Wi-Fi yếu hoặc bị can thiệp, tốc độ truyền hình ảnh và dữ liệu có thể bị ảnh hưởng nghiêm trọng.
+ Quãng dường di chuyển hạn chế do sóng wifi có phạm vi tín hiệu dao động trong khoảng từ 100m đến 200m
+ Nguồn năng lượng bị giới hạn do kết nối Wi-Fi liên tục và truyền dữ liệu video sẽ tiêu tốn nhiều năng lượng
+ Mô hình xe robot được thiết kế chạy trên địa hình bằng phẳng, không thể chạy trên địa hình đầm lầy và dưới nước.
Ý Nghĩa Khoa Học Và Ý Nghĩa Thực Tiễn Của Đề Tài
+ Nâng cao kiến thức và hiểu biết sâu hơn về việc sử dụng các cảm biến và module camera
Đóng góp vào sự phát triển công nghệ xe tự hành và ứng dụng thực tiễn của chúng, nghiên cứu này xây dựng cơ sở khoa học vững chắc về khả năng tự hành thông qua việc sử dụng cảm biến siêu âm và xử lý dữ liệu nhiệt độ.
+ Góp phần nâng cao chất lượng cuộc sống và bảo vệ môi trường
+ Theo dõi biến đổi khí hậu một cách hiệu quả và chính xác hơn, từ đó đưa ra các biện pháp phòng ngừa và thích ứng phù hợp
Giới Thiệu Về Xe Tự Hành Có Camera Quan Sát Môi Trường
Lịch Sử Phát Triển
Robot đầu tiên xuất hiện tại Hoa Kỳ là loại tay máy chép hình trong phòng thí nghiệm vật liệu phóng xạ Vào những năm 50, bên cạnh tay máy chép hình cơ khí, tay máy chép hình thủy lực điện tử cũng được phát triển Tuy nhiên, các tay máy thương mại thường gặp phải nhược điểm là thiếu tính di động, hoạt động bị giới hạn trong một khu vực nhất định Ngược lại, robot di động (mobile robot) có khả năng di chuyển độc lập hoặc điều khiển từ xa, mang lại không gian hoạt động rộng rãi hơn.
Từ năm 1939 đến 1945, trong Thế chiến II, những con robot di động đầu tiên đã xuất hiện, đánh dấu bước tiến trong công nghệ nhờ vào các nghiên cứu trong lĩnh vực khoa học máy tính và điều khiển học Chủ yếu, chúng là các quả bom bay, như V1 và V2, được thiết kế để chỉ nổ trong những dãy mục tiêu nhất định thông qua hệ thống hướng dẫn và radar điều khiển Những thiết bị này có "phi công tự động" và hệ thống phát nổ, chính là tiền thân của các đầu đạn hạt nhân tự điều khiển hiện đại.
Từ năm 1948, W.Gray Walter đã tạo ra hai robot mang tên Elmer và Elsie, được gọi là Machina Speculatrix, vì chúng hoạt động giống như những chú chim đồi mồi Được trang bị cảm biến ánh sáng, Elmer và Elsie có khả năng di chuyển về phía nguồn sáng và tránh các chướng ngại vật trên đường đi Những robot này minh chứng rằng những cử chỉ phức tạp có thể phát sinh từ thiết kế đơn giản, với cấu trúc tương đương chỉ hai tế bào thần kinh.
Từ năm 1961 đến 1963, Trường đại học Johns Hopkins đã phát triển robot "Beast", sử dụng hệ thống định vị để di chuyển Khi pin yếu, Beast tự động tìm ổ cắm điện và cắm vào để sạc.
Năm 1969, Mowbot ra đời như robot đầu tiên có khả năng cắt cỏ tự động Đồng thời, Stanford Cart, một robot di động, có thể di chuyển bằng cách nhận diện đường kẻ trắng thông qua camera Robot này sử dụng một "kênh truyền thanh" kết nối với hệ thống máy tính lớn để thực hiện các tính toán cần thiết.
Vào năm 1970, trong giai đoạn 1969-1972, viện nghiên cứu Stanford đã phát triển và nghiên cứu robot Shakey, một trong những robot đầu tiên có khả năng lý giải chuyển động của mình Shakey được trang bị một camera, một dãy kính gắm, bộ cảm biến và bộ truyền thanh, cho phép nó nhận diện và thực hiện nhiều mệnh lệnh chung Robot này có khả năng tính toán các bước cần thiết để hoàn thành nhiệm vụ được giao, đánh dấu một bước tiến quan trọng trong lĩnh vực robot tự động.
Năm 1976: Trong chương trình Vikiry, tổ chức NASA đã phóng hai tàu vũ trụ không người lái lên sao hỏa
Năm 1977, bộ phim "Chiến tranh giữa các vì sao" phần I, A New Hope, đã giới thiệu R2D2, một robot di động hoạt động độc lập, và C3P0, một robot hình người, từ đó làm nổi bật hình ảnh robot trong văn hóa đại chúng.
Vào năm 1980, thị hiếu người tiêu dùng đối với robot gia tăng, dẫn đến việc robot được bày bán và sử dụng trong gia đình, trong đó có RB5X và nhiều mẫu robot HERO vẫn còn phổ biến hiện nay Đồng thời, robot Stanford Cart đã có những bước phát triển vượt bậc, cho phép nó điều khiển tàu biển vượt qua các chướng ngại vật và tạo ra bản đồ cho những khu vực mà nó đã di chuyển qua.
Năm 1989: Mark Tinden phát minh ra BEAM robotics
Năm 1990, Joseph Engelberger, người sáng lập nền công nghiệp robot, cùng các đồng nghiệp đã phát minh ra những robot tự động phục vụ trong ngành y tế, được thương mại hóa bởi Helpmate Đồng thời, Sở An ninh Mỹ đã tài trợ cho dự án MDARS-I, sử dụng robot bảo vệ từ Cybermotion.
Năm 1993-1994: Dante-I và Dante-II được phát triển bởi trường đại học Carnegie Mellon, cả hai con robot dung để thám hiểm núi lửa đang hoạt động
Năm 1995, robot di động lập trình Pioneer được bán với giá hợp lý, thúc đẩy nghiên cứu robot tại nhiều trường đại học Kể từ đó, robot di động đã trở thành một phần quan trọng trong chương trình giảng dạy Đến năm 1996-1997, NASA phóng tàu Mars Pathfinder cùng với hai Robot Rover và Sojourner lên sao Hỏa Rover đã thám hiểm bề mặt sao Hỏa dưới sự điều khiển từ xa, trong khi Sojourner được trang bị hệ thống tránh rủi ro cao, cho phép nó tự tìm đường trên địa hình khắc nghiệt của hành tinh đỏ.
Năm 1999, Sony đã ra mắt Aibo, một robot có khả năng di chuyển, quan sát và tương tác với môi trường xung quanh Cùng năm, robot điều khiển từ xa PackBot cũng được giới thiệu, phục vụ cho mục đích quân sự.
Vào năm 2001, dự án Swaim-Bots được khởi động, tạo ra những bầy robot giống như côn trùng Những robot này bao gồm một số lượng lớn các đơn vị độc lập, có khả năng tương tác và phối hợp để thực hiện các nhiệm vụ phức tạp một cách hiệu quả.
Năm 2002, Roomaba, một robot di động phục vụ cho gia đình, đã ra mắt và thực hiện công việc lau nhà Kể từ đó, nhiều loại robot khác đã được phát triển, ngày càng trở nên thân thiện và hữu ích hơn cho con người.
Năm 2004, Robosapien, một robot đồ chơi được thiết kế bởi Mark Tilden, đã được bán ra thị trường Trong dự án “The Centibots Project”, 100 robot đã hợp tác để tạo ra một bản đồ cho một khu vực chưa xác định và phát hiện các vật thể trong môi trường đó Đồng thời, trong cuộc thi DARPA Grand Challenge đầu tiên, các robot tự động đã cạnh tranh với nhau trên sa mạc.
Năm 2006, Sony ngừng sản xuất Aibo và Helpmate, trong khi PatrolBot trở nên phổ biến khi các robot di động tiếp tục cạnh tranh để chiếm lĩnh thị trường Sở an ninh Mỹ đã hủy bỏ dự án MDARS-I nhưng đã tài trợ cho dự án MDARS-E, một loại robot an ninh tự động mới Đồng thời, TALON-Sword, một robot tự động với khả năng trang bị vũ khí đa dạng, đã ra mắt Asimo của Honda cũng đã phát triển khả năng chạy và leo cầu thang bằng hai chân giống như con người.
Phân Loại
Robot tự hành được phân loại thành hai loại chính: robot di chuyển bằng chân và robot di chuyển bằng bánh Bên cạnh đó, một số robot hoạt động trong môi trường đặc biệt như dưới nước hoặc trên không cũng được trang bị các cơ cấu di chuyển đặc trưng để phù hợp với điều kiện hoạt động của chúng.
1.2.1 Robot tự hành di chuyển bằng chân ( Legged Robot )
Robot tự hành di chuyển bằng chân được thiết kế dựa trên các loài động vật, với số lượng chân đa dạng từ 1 đến 6 hoặc nhiều hơn Ưu điểm nổi bật của loại robot này là khả năng thích nghi và di chuyển linh hoạt trên các địa hình gồ ghề, đồng thời có thể vượt qua những vật cản như hố và vết nứt sâu.
Robot loại này gặp nhược điểm lớn do quá trình chế tạo phức tạp, với chân robot có nhiều bậc tự do, dẫn đến trọng lượng tăng và tốc độ di chuyển giảm Các kỹ năng như cầm, nắm và nâng tải cũng làm giảm độ cứng vững của robot Hơn nữa, độ linh hoạt cao của robot càng làm gia tăng chi phí chế tạo.
Hình 1.2 Hình ảnh Robot tự hành di chuyển bằng chân
1.2.2 Robot tự hành di chuyển bằng bánh ( Wheel Robots ) Ưu điểm của robot tự hành di chuyển bằng bánh xe là tính ổn định, chuyển động nhanh, linh hoạt trên bề mặt cứng bằng phẳng
Nhược điểm chỉ phù hợp với bề mặt nhẵn và cứng, bề mặt mềm robot dễ bị xa lầy
Robot tự hành di chuyển bằng bánh được nghiên cứu chủ yếu do khả năng di chuyển linh hoạt trên bề mặt phẳng và cấu tạo đơn giản, phù hợp với nhu cầu của sinh viên.
Hình 1.3 Hình ảnh Robot tự hành di chuyển bằng bánh
1.2.3 Robot tự hành di chuyển bằng bánh xích
Robot này sử dụng bánh lắp xích giống như xe tăng, giúp nó di chuyển dễ dàng trên các địa hình phức tạp Với khả năng này, robot có thể hoạt động hiệu quả trên những bề mặt gồ ghề và khó khăn.
Việc di chuyển chậm có nhược điểm là dễ xảy ra hiện tượng trượt khi đổi hướng, làm cho việc điều khiển trở nên khó khăn Hơn nữa, quá trình di chuyển còn để lại vết trên mặt đường, đặc biệt là trong các tình huống chuyển hướng.
Hình 1.4 Robot tự hành của Bộ quốc phòng Việt Nam.
Ứng Dụng
Robot tự hành, với khả năng hoạt động độc lập, đang ngày càng được ứng dụng rộng rãi, tạo ra những thay đổi lớn trong cuộc sống con người Một số ứng dụng tiêu biểu của robot tự hành bao gồm: hỗ trợ trong sản xuất, giao hàng tự động, và chăm sóc sức khỏe, mang lại hiệu quả và tiện lợi cho nhiều lĩnh vực.
Robot tự hành có khả năng giao hàng tự động trong các khu vực đô thị, di chuyển an toàn trên đường phố và tránh được các vật cản như người đi bộ, xe đạp và ô tô.
Hình 1.5 Robot giao hàng ALPHA ASIMOV
Robot tự hành tránh vật cản đang được ứng dụng trong ngành dịch vụ khách hàng, đặc biệt là tại nhà hàng và khách sạn Chúng có khả năng di chuyển linh hoạt trong không gian hẹp, tự động mang thức ăn và các vật phẩm đến từng bàn hoặc phòng mà không cần sự can thiệp của nhân viên.
Hình 1.6 Robot SERVI phục vụ trong nhà hàng tại Mỹ
Robot tự hành tránh vật cản là giải pháp hiệu quả cho việc dọn dẹp và vệ sinh các khu vực công cộng như sân bay, bệnh viện và trung tâm mua sắm Chúng có khả năng thu gom rác và lau chùi sàn nhà, giúp duy trì vệ sinh một cách tự động và tiết kiệm thời gian cho con người.
Hình 1.7 Robot lau dọn tại sân bay Singapore
Robot tự hành tránh vật cản có khả năng thăm dò môi trường, đóng vai trò quan trọng trong nghiên cứu và cứu hộ Chúng có thể tiếp cận các khu vực nguy hiểm hoặc khó khăn, giúp thu thập thông tin hoặc tìm kiếm người mất tích một cách an toàn và hiệu quả.
Hình 1.8 Robot Spot kiểm tra lượng phóng xạ ở nhà máy Chernobyl
Robot tự hành tránh vật cản đang trở thành một phần quan trọng trong dịch vụ chăm sóc sức khỏe, đặc biệt tại các bệnh viện và nhà dưỡng lão Chúng có khả năng di chuyển các vật dụng y tế, phân phối thuốc và hỗ trợ giám sát cũng như chăm sóc bệnh nhân, góp phần nâng cao hiệu quả và an toàn trong quá trình điều trị.
Hình 1.9 Robot Strobo phân phối thức ăn cho bệnh nhân Covid-19
Robot tự hành tránh vật cản đóng vai trò quan trọng trong sản xuất và nhà máy tự động, giúp di chuyển linh hoạt qua các dây chuyền sản xuất Chúng thực hiện nhiều nhiệm vụ như vận chuyển vật liệu, kiểm tra chất lượng và sửa chữa thiết bị một cách tự động, nâng cao hiệu quả và năng suất trong quy trình sản xuất.
Hình 1.10 Robot AMR Lite Core sử dụng trong các nhà kho.
Cơ Sở Lý Thuyết Và Tổng Quan Các Thiết Bị Sử Dụng Trong Hệ Thống
Bài Toán Tìm Đường
Tìm đường là một lĩnh vực khoa học quan trọng trong việc hướng dẫn robot tự hành di chuyển hiệu quả trong không gian làm việc của nó Bài toán tìm đường về đích mà không va chạm với vật cản là một trong những vấn đề được nghiên cứu và quan tâm hàng đầu trong lĩnh vực này.
Có 2 loại bài toán tìm đường cho robot:
Bài toán cục bộ trong robot đề cập đến môi trường làm việc mà robot không biết trước hoặc chỉ có thông tin hạn chế Trong quá trình di chuyển, robot hoàn toàn phụ thuộc vào cảm nhận môi trường thông qua các cảm biến được gắn trên nó để xác định hướng đi.
Bài toán toàn cục trong robot học liên quan đến việc xác định đường đi cho robot trong một môi trường làm việc đã được biết trước Ưu điểm của bài toán này là khả năng lựa chọn lộ trình tối ưu trước khi robot bắt đầu di chuyển, đảm bảo rằng nó có thể đến đích Tuy nhiên, nhược điểm là cần nhiều tài nguyên tính toán và yêu cầu độ chính xác cao cho bản đồ môi trường Sự thay đổi trong môi trường, chẳng hạn như sự xuất hiện của vật cản, có thể làm cho robot không hoạt động đúng như mong đợi.
Bài toán cục bộ cho thấy ưu thế vượt trội với tính linh hoạt cao, cho phép robot tránh vật cản khi di chuyển và yêu cầu tài nguyên tính toán thấp Tuy nhiên, nhược điểm của phương pháp này là robot chỉ cảm nhận môi trường thông qua cảm biến gắn kèm, dẫn đến khả năng không hoàn thành nhiệm vụ đến đích, mặc dù có lộ trình, và không thể xác định được đường đi tối ưu.
Trong đồ án này, chúng tôi tập trung giải quyết bài toán cục bộ cho robot sử dụng cảm biến siêu âm SRF-04 Robot hoạt động trong môi trường có mặt phẳng giới hạn bởi các bức tường và vật cản ngẫu nhiên Mục tiêu là thiết kế robot tự động tìm đường đến đích mà không va chạm với các vật cản.
Các Công Nghệ Kết Nối Không Dây Hiện Nay
Công nghệ IrDA là một phương thức giao tiếp dữ liệu hồng ngoại, thường được áp dụng trong các thiết bị điều khiển từ xa như vô tuyến và điều hòa nhiệt độ, cũng như trong máy tính và máy in Công nghệ này nổi bật với khả năng hoạt động hiệu quả trong khoảng cách ngắn và chi phí thấp.
Công nghệ Bluetooth là một giải pháp mạng không dây cho phép các thiết bị điện tử giao tiếp với nhau qua sóng vô tuyến trong khoảng cách ngắn, sử dụng băng tần ISM từ 2.40 đến 2.48 GHz Được thiết kế để thay thế dây cáp giữa máy tính và các thiết bị truyền thông cá nhân, Bluetooth giúp kết nối các thiết bị điện tử một cách thuận lợi Khi được kích hoạt, công nghệ này có khả năng tự động phát hiện và kết nối với các thiết bị khác trong vùng lân cận có hỗ trợ Bluetooth.
Công nghệ Wifi là hệ thống mạng không dây sử dụng sóng vô tuyến tương tự như điện thoại di động, truyền hình và radio, cho phép truy cập internet mà không cần cáp nối Các sóng vô tuyến này gần giống với sóng của các thiết bị cầm tay và điện thoại di động Wifi có khả năng chuyển và nhận sóng vô tuyến, đồng thời chuyển đổi mã nhị phân thành sóng vô tuyến và ngược lại.
Trong đồ án, công nghệ kết nối WiFi được sử dụng để khảo sát nhờ vào tính phổ biến và độ phủ sóng rộng rãi Xe cần có khả năng truy cập internet để truyền tải dữ liệu lớn lên máy chủ.
Web Sever
Web server là một máy chủ mạnh mẽ với dung lượng lớn và tốc độ cao, chuyên lưu trữ thông tin giống như một ngân hàng dữ liệu Nó chứa các website đã được thiết kế cùng với các thông tin liên quan như mã Script, chương trình và file Multimedia.
Web server có khả năng truyền tải các trang web đến máy khách qua internet thông qua giao thức HTTP Giao thức này được thiết kế đặc biệt để gửi các tệp tin đến trình duyệt web và các giao thức khác.
Tất cả các web server đều có địa chỉ IP hoặc tên miền Khi người dùng nhập http://www.abc.com vào thanh địa chỉ và nhấn enter, một yêu cầu sẽ được gửi đến server có tên miền www.abc.com Server này sẽ tìm trang web có tên index.htm và gửi nó đến trình duyệt của người dùng.
Bất kỳ máy tính nào cũng có thể trở thành web server bằng cách cài đặt phần mềm server và kết nối internet Khi người dùng gửi yêu cầu truy cập thông tin từ một trang web, phần mềm web server sẽ nhận và phản hồi với thông tin mong muốn.
2.3.2 Nguyên lí hoạt động của web server
Khi bạn nhập địa chỉ trang web http://www.abc.com vào trình duyệt và nhấn Enter, trang web sẽ ngay lập tức xuất hiện trên màn hình Trình duyệt sẽ kết nối với máy chủ web để yêu cầu và nhận lại trang Quá trình này bao gồm việc trình duyệt phân tích địa chỉ website thành ba phần cơ bản.
Máy chủ tên miền: (www.abc.com)
Trình duyệt kết nối với máy chủ tên miền để chuyển đổi tên miền "www.abc.com" thành địa chỉ IP Sau đó, nó gửi yêu cầu đến máy chủ qua cổng 80 Máy chủ phản hồi bằng cách gửi đoạn mã HTML về trình duyệt, cho phép trình duyệt đọc và định dạng trang web để hiển thị trên màn hình.
2.3.3 Các giao thức sử dụng của web server a Giao thức HTTP
HTTP là giao thức cơ bản của World Wide Web, quy định cách định dạng và truyền tải thông điệp Nó xác định các hành động mà web server và trình duyệt web phải thực hiện để đáp ứng các lệnh đa dạng Khi người dùng nhập địa chỉ URL vào trình duyệt, một lệnh HTTP sẽ được gửi đến web server để yêu cầu và hướng dẫn quá trình truy cập.
HTTP là giao thức truyền tải file từ máy chủ web đến trình duyệt, cho phép người dùng xem trang web trên internet Đây là một phần của bộ giao thức TCP/IP, giúp kết nối và truyền tải dữ liệu hiệu quả.
Một tiêu chuẩn quan trọng điều khiển hoạt động của World Wide Web là HTML, chịu trách nhiệm quản lý định dạng và hiển thị các trang web HTTP được xem là một giao thức phi trạng thái, vì mỗi lệnh được thực thi độc lập mà không biết về các lệnh trước đó, gây khó khăn trong việc phát triển các trang web có khả năng phản ứng thông minh Tuy nhiên, hạn chế này đang được khắc phục thông qua các công nghệ mới như ActiveX, Java, JavaScript và cookies.
Trong đồ án, giao thức HTTP được sử dụng để đọc và ghi dữ liệu từ các cảm biến, nhờ vào khả năng truyền tải hình ảnh và thực hiện các lệnh điều khiển một cách độc lập Giao thức này không chỉ dễ sử dụng mà còn là nền tảng của World Wide Web.
FTP là giao thức cho phép tải lên và tải xuống các file giữa máy tính cá nhân và máy chủ FTP, giúp truyền tải file một cách đơn giản trên internet Hiện nay, FTP được sử dụng rộng rãi để upload website từ nhà thiết kế lên máy chủ, cũng như để trao đổi dữ liệu và tải chương trình từ các máy chủ khác về máy tính Bằng cách sử dụng FTP, người dùng có thể cập nhật file trên máy chủ và thực hiện các tác vụ xử lý file tương tự như trên ứng dụng quản lý file.
Ngôn Ngữ Lập Trình Và Phần Mềm Lập Trình Sử Dụng Trong Đề Tài
2.4.1 Ngôn ngữ lập trình HTML a Khái niệm
HTML là ngôn ngữ đánh dấu siêu văn bản cơ bản dùng để tạo ra các trang web, với mỗi trang chứa thông tin được trình bày trên World Wide Web Đây là ngôn ngữ đơn giản nhất, là nền tảng cho mọi trang web và được hỗ trợ hiển thị bởi tất cả các trình duyệt web HTML là một tiêu chuẩn ngôn ngữ internet được phát triển bởi tổ chức World Wide Web Consortium.
Một tập tin HTML bao gồm các đoạn văn bản HTML được tạo lên bởi các thẻ HTML
Có 2 loại thẻ cơ bản là thẻ có khai báo mở rồi kết thúc bằng cách đóng thẻ và loại thẻ không cần khai báo mở và đóng b Cấu trúc cơ bản
Cấu trúc HTML được tổ chức theo bố cục từ trên xuống dưới và từ trái qua phải, bao gồm hai phần chính là head và body Tất cả các trang HTML đều phải khai báo doctype ngay từ dòng đầu tiên để định nghĩa chuẩn văn bản.
Thẻ cho trình duyệt biết mở đầu và kết thúc của trang HTML
Thẻ chứa tiêu đề và các thông tin khai báo, các thông tin ẩn khác
Thẻ sẽ hiển thị nội dung của trang web
Mọi kí tự nằm giữa dấu sẽ được xem là thẻ comment và sẽ bị trình duyệt bỏ qua, không xử lý và không hiển thị [6]
Đây là thẻ đánh dấu tiêu đề trang web
< body> Nội dung trang web mà người dùng sẽ thấy
2.4.2 Phần mềm Arduino IDE a Giới thiệu phần mềm Arduino IDE
Arduino IDE là phần mềm mã nguồn mở, chủ yếu dùng để viết và biên dịch mã cho module Arduino Nó tích hợp cả phần cứng và phần mềm, với phần cứng bao gồm khoảng 300,000 board mạch thiết kế sẵn cùng các cảm biến và linh kiện Phần mềm hỗ trợ người dùng linh hoạt trong việc sử dụng các cảm biến và linh kiện của Arduino, đáp ứng nhu cầu sử dụng đa dạng.
Arduino IDE là phần mềm mã nguồn mở cho phép người dùng viết mã, biên dịch và tạo file Hex mà Arduino hiểu được để gửi đến bo mạch qua cáp USB Mỗi bo Arduino tích hợp một bộ vi điều khiển, nhận file Hex và thực thi mã Phần mềm này cho phép người dùng tự do sửa đổi và nâng cấp mà không cần xin phép, điều mà phần mềm nguồn đóng không cho phép Mặc dù là mã nguồn mở, Arduino IDE vẫn đảm bảo bảo mật thông tin tốt, với khả năng vá lỗi và cập nhật nhanh chóng để bảo vệ dữ liệu người dùng Ngoài ra, phần mềm sử dụng ngôn ngữ lập trình C/C++ và tích hợp nhiều thư viện hỗ trợ, giúp lập trình viên dễ dàng thiết kế chương trình cho các bo mạch Arduino.
Hình 2.1 Giao diện phần mềm Arduino IDE
Giao diện của phần mềm Arduino IDE bao gồm nhiều phần quan trọng, trong đó cần chú ý đến các chức năng chính như được minh họa trong hình Mỗi phần trong giao diện đều có vai trò cụ thể, giúp người dùng dễ dàng thao tác và lập trình.
Nút kiểm tra chương trình trong Arduino IDE giúp người dùng xác định xem mã nguồn có lỗi hay không Khi phát hiện lỗi, phần mềm sẽ hiển thị thông tin chi tiết về lỗi trong khu vực thông báo, giúp người dùng dễ dàng sửa chữa.
Nút nạp chương trình trên bo Arduino được sử dụng để nạp mã lập trình vào mạch Arduino Trong quá trình này, chương trình sẽ được kiểm tra lỗi trước khi thực hiện việc nạp, đảm bảo rằng mã được tải xuống mạch một cách chính xác.
Khi nhấp vào biểu tượng kính lúp, giao diện giao tiếp với máy tính sẽ mở ra, cho phép người dùng hiển thị các thông số mong muốn Để đưa thông số lên màn hình, cần sử dụng lệnh Serial.print().
− Vùng lập trình: Vùng này để người lập trình thực hiện việc lập trình cho chương trình của mình
Vùng thông báo thông tin trong Arduino IDE có nhiệm vụ hiển thị các thông tin lỗi và vấn đề liên quan đến chương trình đang được lập Cấu trúc của một chương trình trong Arduino IDE bao gồm các phần quan trọng giúp lập trình viên dễ dàng theo dõi và xử lý các sự cố.
Cấu trúc của một chương trình Arduino IDE bao gồm 3 phần chính:
Ví dụ : #define led 13 Định nghĩa, gán một chân, một ngõ ra nào đó với 1 cái tên
Khai báo một chân nào đó bằng kiểu số nguyên
Ví dụ : bool led= true;
Khai báo kiểu boolean chỉ trả về hai giá trị true hoặc false
Lấy một thư viện có sẵn mà không cần sao chép chúng vào chương trình hiện tại
Bảng 2.1 Một số kiểu khai báo biến thường dùng
Cấu trúc thường bắt đầu với: void setup() { ……… } Mục đích của phần này là thiết lập tốc độ truyền dữ liệu và xác định kiểu chân, bao gồm chân ra và chân vào.
Một số lệnh thường được dùng trong phần thiết lập được thể hiện ở bảng 2.2:
1 Serial.begin( ) Dùng để truyền dữ liệu từ board Arduino lên máy tính
2 pinMode(bien, kiểu vào hoặc ra);
Ví dụ: pinMode(led, OUTPUT); hoặc pinMode(buuton,INPUT);
Dùng để xác định kiểu chân là vào hay ra
Bảng 2.2 Cấu trúc thường dùng trong phần thiết lập
Các lệnh trong chương trình Arduino được sử dụng để thực hiện các nhiệm vụ mong muốn và sẽ lặp lại liên tục cho đến khi nguồn của board Arduino bị ngắt Các lệnh này thường bắt đầu bằng cú pháp: void loop() {……… } Một số lệnh phổ biến trong phần vòng lặp được liệt kê trong bảng 2.3.
STT Cấu trúc Chức năng
1 // Giải thích nội dung nằm trên 1 dòng
2 /* */ Giải thích 1 đoạn chương trình
3 digitalWrite(chân trạng thái) Tắt mở 1 chân digital
4 digitalRead(chân trạng thái) Đọc giá trị digital
6 analogWrite(chân trạng thái) Dùng băm xung PWM
7 analogRead(chân trạng thái) Đọc giá trị analog
Dùng để duy trì trạng thái đang thực hiện chờ một thời gian Thời gian ở đây được tính bằng mili giây
9 If(){câu lệnh} else {câu lệnh} Câu lệnh nếu thì dùng để so sánh
10 Serial.print() In ra màn hình (không xuống dòng)
11 Serial.println() In ra màn hình (có xuống dòng)
Bảng 2.3 Một số câu lệnh, cấu trúc thường gặp trong vòng lặp
Các Module Sử Dụng Trong Hệ Thống
Trong đồ án, chúng tôi sử dụng bốn khối pin Lithium 18650 nối tiếp để cung cấp điện cho hệ thống Loại pin này nổi bật nhờ thiết kế nhỏ gọn, thời gian sử dụng lâu dài và khả năng ghép thành điện áp cao Quan trọng hơn, pin Lithium 18650 đảm bảo an toàn cho người dùng và có thể sạc lại khi hết điện.
− Kích thước: 18mm dài 65mm
Hệ thống sử dụng module ESP 32 CAM nhờ vào kích thước nhỏ gọn và tính phổ biến của nó Module này rất phù hợp cho các dự án yêu cầu kết nối WiFi và tích hợp camera.
ESP32-CAM là một thiết bị ngoại vi mạnh mẽ, tích hợp Wi-Fi và Bluetooth, cho phép kết nối với các camera như OV2640 hoặc OV7670 IC ESP32 hỗ trợ nhiều giao thức như ADC, SPI, I2C và UART với độ phân giải cao, giúp giao tiếp dữ liệu hiệu quả Bên cạnh đó, module còn được trang bị cảm biến Hall, cảm biến nhiệt độ, cảm biến cảm ứng và bộ hẹn giờ watchdog, mang đến khả năng hoạt động đa dạng và linh hoạt.
Hình 2.4 Cấu trúc cơ bản của ESP 32 CAM
Chip ESP32-S là một module tích hợp hai CPU LX6 32-bit hiệu suất cao, được thiết kế với kiến trúc vi mạch đường dẫn 7 lớp, phục vụ cho tất cả các quá trình xử lý.
− Đầu ra khối IPEX: IPEX được kết nối với ăng-ten GSM để truyền tín hiệu
Tụ tantal là loại tụ điện thường được sử dụng trong các module kích thước nhỏ, nổi bật với độ bền cao và khả năng lọc nguồn điện hiệu quả, giúp tạo ra tín hiệu ổn định.
− Nút reset: Khi được nhấn, nút reset sẽ khởi động lại code được thực thi trên module
Chip điều chỉnh điện áp trên module có chức năng duy trì ổn định điện áp đầu ra, bất chấp sự thay đổi của nguồn cung cấp đầu vào Chip này điều chỉnh điện áp ở mức 3,3V, đảm bảo hiệu suất hoạt động ổn định cho các thiết bị điện tử.
PSRAM là bộ nhớ truy cập ngẫu nhiên “giả” với dung lượng 4MB, tích hợp trong module giúp tăng tốc độ xử lý, mang lại hiệu suất mượt mà cho máy ảnh.
Dòng ESP32 được trang bị cổng nhận thẻ micro-SD, cho phép lưu trữ dữ liệu hiệu quả Tất cả quá trình truyền dữ liệu diễn ra qua giao tiếp ngoại vi nối tiếp, đảm bảo sự kết nối ổn định và nhanh chóng.
Đầu nối FPC trên module ESP32 cho phép kết nối với máy ảnh, với chiều cao đầu nối ảnh hưởng đến độ tin cậy của tín hiệu.
Đèn flash trên ESP32 CAM hoạt động bằng cách tạo ra các xung điện, giúp chụp được hình ảnh rõ nét như đèn flash của máy ảnh Sơ đồ chân của ESP32 CAM cung cấp thông tin quan trọng về cách kết nối và sử dụng các tính năng của thiết bị.
Hình 2.5 Sơ đồ chân của ESP 32 CAM
− POW : Là chân cung cấp điện 5V hoặc 3,3V cho module
− GND : Là chân nối đất
− GPIO2: Chân Data0 (hỗ trợ RTC & ADC)
− GPIO12: Chân Data2 (hỗ trợ RTC & ADC)
− GPIO13: Chân Data3 (hỗ trợ RTC & ADC)
− GPIO14: CLK (hỗ trợ RTC & ADC)
− GPIO15: CMD (hỗ trợ RTC & ADC)
− GPIO1/U0TXD: Chân truyền dữ liệu UART
− GPIO3/UORXD: Chân nhận dữ liệu UART
− Hỗ trợ cấu hình thông minh AirKiss và có các chân điện dung GPIO
− 18 bộ chuyển đổi tín hiệu analog sang tín hiệu digital với độ phân giải cao
− 2 bộ chuyển đổi tín hiệu digital sang tín hiệu analog với độ phân giải 8-bit
− Tiêu thụ công suất lên đến 600 DMIPS ở tần số xung nhịp 160 MHz
− Module có WiFi tốc độ cao 2,4 GHz
− Module ESP32 có 2 I2C, 3 SPI và 3 UART để truyền dữ liệu nối tiếp nhanh chóng
− Nó có 16 kênh PWM để xuất tín hiệu điều chế độ rộng xung
− Nó có một cổng TF và hỗ trợ tải hình ảnh từ WiFi
− ESP32 hỗ trợ 4 chế độ hoạt động khác nhau là STA / AP / STA + AP
− Lập trình nhúng Lwip và FreeRTOS
− RTC hỗ trợ khởi động module từ sleep-mode
− Một đèn flash tích hợp được cung cấp cho module để tạo ánh sáng chụp ảnh sáng rõ
− Một vi mạch công nghệ CMOS có bộ khuếch đại công suất đầu ra có thể điều chỉnh
− ESP32 có chu kỳ hoạt động thấp để giảm tiêu thụ điện năng, giúp nó hoạt động hiệu quả
Arduino được sử dụng trong hệ thống để điều khiển các chân động cơ và cảm biến, sau đó gửi giá trị về ESP, giúp xác định các hành động tiếp theo của hệ thống.
Hình 2.6 Arduino Nano a Giới thiệu Arduino Nano
Arduino Nano là phiên bản nhỏ gọn của Arduino UNO R3, sử dụng chip Atmega328-AU với hai chân Analog A6 và A7 bổ sung Board mạch này còn tích hợp Opamp tự động chuyển nguồn khi có điện áp cao hơn vào board.
Hình 2.7 Sơ đồ chân của Arduino Nano
− Chân Digital: Từ D2 đến D13 có chức năng đọc tín hiệu digital Trong đó các chân từ D10 đến D13 có thể sử dụng với PWM
− Chân Analog: Từ A0 đến A7 có chức năng đọc tín hiêu analog Trong đó chân A4 (SDA) và A5( SCL) có thể được dùng để truyền tín hiệu theo phương thức I2C
− TX, RX: Truyền tín hiệu theo phương thức UART
− VIN: Cung cấp điện áp đầu vào cho Arduino (thường từ 5V đến 12V)
− 5V; 3,3V: Cung cấp điện áp 5V hoặc 3,3V cho các thiết bị ngoài được kết nối với Arduino
28 c Tính năng của Arduino Nano
− Điện áp giới hạn đầu vào: 6V
− Dòng điện hoạt động tối đa mỗi chân I/O: 40mA
− Dòng điện tiêu thụ tối đa: 500mA
− Số chân I/O kỹ thuật số: 14 (có thể sử dụng với PWM)
2.5.4 Cảm biến siêu âm Ultrasonic HC-SR04
Cảm biến siêu âm Ultrasonic HC-SR04 được sử dụng rộng rãi nhờ thời gian phản hồi nhanh và độ chính xác cao, rất phù hợp cho các ứng dụng phát hiện vật cản và đo khoảng cách bằng sóng siêu âm.
Hình 2.8 Cảm biến siêu âm HC- SR04 a Nguyên lý hoạt động của cảm biến
Cảm biến SR04 phát ra xung siêu âm ngắn khoảng 10 micro giây với tần suất 40 kHz Sau khi xung siêu âm phản xạ từ vật thể, cảm biến đo thời gian phản hồi và tính toán khoảng cách đến vật thể bằng cách nhân đôi thời gian này với tốc độ âm thanh trong không khí khoảng 340 m/s.
Hình 2.9 Nguyên lý làm việc của cảm biến siêu âm b Thông số kĩ thuật
− Dòng điện tiêu thụ: 4mA
− Tần số hoạt động: 40 kHz
− Phạm vi đo: 2 cm đến 4 mét
− Kích thước: 43 mm x 25 mm x 17 mm
2.5.5 Cảm biến nhiệt độ, độ ẩm
Cảm biến DHT11 được chọn cho đồ án vì nó là thiết bị điện tử nhỏ gọn, giá thành hợp lý và dễ dàng sử dụng để đo độ ẩm và nhiệt độ của môi trường.
Hình 2.10 Cảm biến nhiệt độ, độ ẩm DHT11 a Cấu tạo và nguyên lý hoạt động của cảm biến
Tính Toán Thiết Kế Hệ Thống
Sơ Đồ Khối Hệ Thống
Hình 3.1 Sơ đồ khối toàn hệ thống
− Khối nguồn: Cung cấp nguồn điện áp 5V cho toàn xe: khối cảm biến, khối xử lý, khối thực thi
− Khối web server: Nhận dữ liệu hình ảnh, cảm biến hiển thị web server thông qua ESP
− Khối cảm biến: Thu tín hiệu và xử lý thông tin môi trường để gửi dữ liệu về khối xử lý trung tâm chính
Khối xử lý trung tâm chính sử dụng ESP 32 CAM để điều khiển các khối xử lý phụ, camera và cảm biến, đồng thời giao tiếp với web server qua internet.
− Khối xử lý trung tâm phụ: Sử dụng Arduino Nano nhận tín hiệu từ khối xử lý trung tâm chính và truyền tín hiệu đến khối thực thi
− Khối thực thi: Nhận tín hiệu từ khối xử lý trung tâm phụ và thực hiện điều khiển các đối tượng (điều khiển động cơ, servo)
Trong chế độ tự động, cảm biến siêu âm sẽ xác định khoảng cách và phát hiện vật cản phía trước, sau đó gửi tín hiệu về khối xử lý để quyết định hành động như đi thẳng, rẽ hay dừng lại Đồng thời, cảm biến nhiệt độ và camera sẽ truyền dữ liệu về nhiệt độ, độ ẩm và hình ảnh lên webserver, sau đó chuyển tiếp đến ứng dụng qua ESP 32 CAM.
Trong chế độ điều khiển bằng tay, ứng dụng sẽ đọc hình ảnh từ camera và gửi tín hiệu điều khiển đến khối xử lý trung tâm Khối xử lý trung tâm tiếp nhận tín hiệu để xác định trạng thái, từ đó hướng dẫn xe di chuyển theo đúng hướng.
Thiết Kế Phần Cơ Khí Cho Hệ Thống
3.2.1 Tuyến hình xe tự hành có camera quan sát mỗi trường
Hình 3.2 Tuyến hình xe tự hành có Camera quan sát môi trường
Thông số cơ bản của hệ thống:
Kích thước (dài x rộng x cao): 302 x 180 x 195 (mm)
Chiều dài cơ sở ( Lcs): 135 (mm)
Chiều dài đuôi xe: 58 (mm)
Khoảng cách giữa tâm ngoài cùng hai bánh sau (T): 155 (mm)
Hệ thống được hình thành từ các tấm panel (sàn, trước, sau, nóc) được in 3D, được lắp ráp với nhau bằng keo và bulong M5x1 Tấm sàn được kết nối với hai tấm trước và sau bằng keo 502, đồng thời liên kết với tấm nóc thông qua bulong M5x1 tại bốn vị trí cọc định vị.
Hình 3.3 Động học của hệ thống
Gọi ∆𝑠 1 , ∆𝑠 2 là đoạn dịch chuyển của 2 bánh chủ động Ta có:
− ∆𝜑 1 và ∆𝜑 2 , r lần lượt là lượng dịch chuyển quay và bán kính của 2 bánh chủ động
− T là khoảng cách giữa 2 bánh
− 𝑅 𝐷 , ∆𝜓 là bán kính quay và góc dịch chuyển của hệ thống trong mặt phẳng xOy Khi đó:
Trong đồ án chỉ xét 2 trường hợp đặc biệt của chuyển động:
− Khi ∆s 2 = ∆s 1 ; R D = ∞; ∆ψ = 0 thì xe di chuyển theo đường thẳng
− Khi ∆s 2 = −∆s 1 ; R D = 0; ∆ψ = 2∆s 2 thì xe quay quanh điểm giữa 2 bánh xe
∆x; ∆y: lượng dịch chuyển theo 2 phương của hệ tọa độ gắn với robot:
∆X; ∆Y: lượng dịch chuyển theo 2 phương của hệ tọa độ gắn với hệ tọa độ gốc:
Vị trí của xe được xác định bởi gốc tọa độ của D(X D và Y D ) + góc định hướng ψ D , tọa độ tại thời điểm thứ (i) được xác định như sau:
3.2.3 Giải bài toán tìm đường bằng cảm biến siêu âm
Hệ thống sử dụng ba cảm biến siêu âm để đo khoảng cách từ trung điểm giữa hai bánh xe đến vật cản Dựa vào khoảng cách đo được từ từng cảm biến, có thể xác định phương hướng di chuyển tối ưu cho robot.
Hình 3.4 Không gian làm việc của xe trong mặt phẳng 2 chiều
− 𝜃(𝑡): góc chỉ hướng của robot ở thời điểm t
− 𝜑(𝑡): góc hướng về đích tính từ tâm robot (điểm D)
− 𝜃 𝑎 (𝑡): góc dẫn hướng cho robot tránh vật cản
− 𝜃 ∗ (𝑡): góc dẫn hướng điều khiển chuyển động cho robot
Khi sensor không phát hiện vật cản thì 𝜃 ∗ (𝑡) = 𝜑(𝑡) , ngược lại thì 𝜃 ∗ (𝑡) = 𝜃 𝑎 (𝑡)
Từ đó ta có các cách ứng xử của hệ thống khi sensor phát hiện vật cản :
Hình 3.5 Các tình huống phát hiện vật cản
− TH1 ( Hình 4.5a): Cả 3 cảm biến đều phát hiện vật cản
+ Nếu 𝑑𝑙 > 𝑑𝑟 thì hệ thống quay sang phải: 𝜃 𝑎 = (𝐵𝐴⃗⃗⃗⃗⃗ , 𝑂𝑥)
+ Nếu 𝑑𝑙 ≤ 𝑑𝑟 thì hệ thống quay sang phải: 𝜃 𝑎 = (𝐵𝐶⃗⃗⃗⃗⃗ , 𝑂𝑥)
− TH2 (Hình 4.5b): Chỉ có cảm biến bên trái không phát hiện vật cản
− TH3 (Hình 4.5c): Chỉ có cảm biến bên phải không phát hiện vật cản
− TH4 (Hình 4.5d): Chỉ có cảm biến ở giữa không phát hiện vật cản
+ Xe quay sang phải 1 góc 90 0 ( gán 𝜃 𝑎 = 𝜃 𝑎 − 90 0 , sau đó hiệu chỉnh 𝜃 𝑎 [0, 360 0 ])
− TH5 (Hình 4.5e): Chỉ có cảm biến bên trái phát hiện vật cản
+ Xe quay sang phải 1 góc 25 0 ( gán 𝜃 𝑎 = 𝜃 𝑎 − 25 0 , sau đó hiệu chỉnh 𝜃 𝑎 [0, 360 0 ])
− TH6 (Hình 4.5e): Chỉ có cảm biến bên phải phát hiện vật cản
+ Xe quay sang trái 1 góc 25 0 ( gán 𝜃 𝑎 = 𝜃 𝑎 − 25 0 , sau đó hiệu chỉnh 𝜃 𝑎 [0, 360 0 ])
Thiết Kế Phần Điện Cho Hệ Thống
Hình 3.6 Sơ đồ khối mạch điện của hệ thống
Hình 3.7 Sơ đồ nguyên lý mạch điện của xe
STT Tên linh kiện Chân kết nối
IN1 – A0 IN2 – A1 IN3 – A2 IN4 – A3 5V – VIN GND – GND
8 L298N ĐỘNG CƠ DC ĐỘNG CƠ 1 : VCC-OUT1; GND-OUT2; ĐỘNG CƠ 2 : VCC-OUT3; GND-OUT4;
Bảng 3.1 Bảng danh sách các chân kết nối của hệ thống
Lưu Đồ Thuật Toán
3.4.1 Lưu đồ thuật toán chế độ tự động
Hình 3.8 Lưu đồ thuật toán chế độ tự động 3.4.2 Lưu đồ thuật toán chế độ thủ công
Hình 3.9 Lưu đồ thuật toán chế độ thủ công
3.4.3 Lưu đồ thuật toán quay camera
Hình 3.10 Lưu đồ thuật toán quay camera
Tổng Thành Các Chi Tiết
STT TÊN CHI TIẾT SỐ LƯỢNG NGUỒN GỐC
Bảng 3.2 Bảng tổng thành các chi tiết