Nghiên cứu, thiết kế robot dò đường đi bằng sóng siêu âm

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƢỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ TP HCM - PHẠM DỰ NGHIÊN CỨU, THIẾT KẾ ROBOT DÒ ĐƢỜNG ĐI BẰNG SÓNG SIÊU ÂM LUẬN VĂN THẠC SĨ Chuyên ngành: Kỹ thuật Cơ điện tử Mã số ngành: 60520114 TP HỒ CHÍ MINH, tháng năm 2015 BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƢỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ TP HCM - PHẠM DỰ NGHIÊN CỨU, THIẾT KẾ ROBOT DÒ ĐƢỜNG ĐI BẰNG SÓNG SIÊU ÂM LUẬN VĂN THẠC SĨ Chuyên ngành: Kỹ thuật Cơ điện tử Mã số ngành: 60520114 CÁN BỘ HƢỚNG DẪN KHOA HỌC: TS NGUYỄN DUY ANH TP HỒ CHÍ MINH, tháng năm 2015 CÔNG TRÌNH ĐƯỢC HOÀN THÀNH TẠI TRƢỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ TP HCM Cán hướng dẫn khoa học: TS Nguyễn Duy Anh Luận văn Thạc sĩ bảo vệ Trường Đại học Công nghệ TP HCM ngày 16 tháng năm 2015 Thành phần Hội đồng đánh giá Luận văn Thạc sĩ gồm: Chức danh Hội đồng TT Họ tên PGS TS Lê Hữu Sơn TS Nguyễn Thanh Phương Phản biện TS Võ Hoàng Duy Phản biện PGS TS Ngô Cao Cường TS Nguyễn Hùng Chủ tịch Ủy viên Ủy viên, Thư ký Xác nhận Chủ tịch Hội đồng đánh giá Luận sau Luận văn sửa chữa Chủ tịch Hội đồng đánh giá luận văn TRƯỜNG ĐH CÔNG NGHỆ TP HCM CỘNG HÒA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM PHÒNG QLKH – ĐTSĐH Độc lập – Tự – Hạnh phúc NHIỆM VỤ LUẬN VĂN THẠC SĨ Họ tên học viên : PHẠM DỰ Giới tính: Nam Ngày, tháng, năm sinh: 15/10/1986 Nơi sinh: Gia Lai Chuyên ngành: Kỹ Thuật Cơ Điện Tử MSHV: 1341840005 I- Tên đề tài: NGHIÊN CỨU, THIẾT KẾ ROBOT DÒ ĐƯỜNG ĐI BẰNG SÓNG SIÊU ÂM II- Nhiệm vụ nội dung: Nhiệm vụ: Điều khiển mobile robot dò đường mê cung tìm đường ngắn Nội dung: ˗ Nghiên cứu thuật toán tìm đường mê cung ˗ Giao tiếp module cảm biến siêu âm với vi điều khiển ˗ Điều khiển mobile robot dò đường mê cung III- Ngày giao nhiệm vụ: ngày 18 tháng năm 2014 IV- Ngày hoàn thành nhiệm vụ: ngày 11 tháng năm 2015 V- Cán hƣớng dẫn: TS.NGUYỄN DUY ANH CÁN BỘ HƢỚNG DẪN KHOA QUẢN LÝ CHUYÊN NGÀNH i LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan công trình nghiên cứu riêng Các số liệu, kết nêu Luận văn trung thực chưa công bố công trình khác Tôi xin cam đoan giúp đỡ cho việc thực Luận văn cảm ơn thông tin trích dẫn Luận văn rõ nguồn gốc Học viên thực Luận văn Phạm Dự ii LỜI CẢM ƠN Lời em xin gửi lời cảm ơn chân thành sâu sắc đến quý thầy giảng viên Trường Đại học Công Nghệ Tp.HCM nhiệt tình giảng dạy, truyền đạt kiến thức kinh nghiệm quý báu cho chúng em trình giảng dạy khóa cao học trường Đại học Công Nghệ Tp HCM Em xin gửi lời cám ơn chân thành đến Thầy TS Nguyễn Duy Anh tận tình hướng dẫn em chuyên môn kinh nghiệm để giúp em thực luận văn tốt nghiệp Em xin gửi lời cám ơn đến anh/chị, bạn học viên giúp đỡ, trau dồi kiến thức suốt trình học tập làm luận văn tốt nghiệp Phạm Dự iii TÓM TẮT NỘI DUNG LUẬN VĂN Luận văn đề xuất phương pháp để điều khiển robot di động dò đường với mê cung Mục đích luận văn điều khiển, thi công robot di động, xây dựng liệu mê cung từ tìm đường ngắn Robot có hai chức năng: dò đường mê cung truyền liệu đồ mê cung tìm lên máy tính Mô hình Robot di động sử dụng có hai bánh xe chủ động bánh xe tự lựa Robot di chuyển độc lập mê cung mà can thiệp từ bên Robot có ba cảm biến siêu âm sử dụng để dò đường phát thông tin tường mê cung Robot sau có liệu tường mê cung truyền liệu lên máy tính thông qua module RF UART Đồng thời liệu lưu lại nhớ robot để robot sử dụng để dò tường mê cung Kết hợp với giao diện Matlab GUI người dùng theo dõi xác vị trí đứng Robot mê cung Thuật toán Tremaux đề xuất để giải bái toán tìm đường ngắn Robot dò toàn mê cung Đường hiển thị lên giao diện Matlab GUI Toàn kết việc dò đường, tìm đường ngắn nhất, thông tin mê cung lưu máy tính qua file text Matlab Kết sử dụng cho lần di chuyển Việc tính toán ước lượng thông số robot: loại sai số, vận tốc góc, vận tốc dài, khoảng cách….cũng thực dựa thông số mô hình, linh kiện hệ thống thực tế Phần cứng thi công bao gồm khối chính: module cảm biến siêu âm, module RF UART module mạch động lực cho robot Mạch điều khiển cho robot sử dụng vi điều khiển ARM iv ABSTRACT The thesis proposes a method to control a mobile robot which finds a way with any maze The aim is controlling, operating the robot, constructing a maze data to find the nearest way to destination Robot has two main functions: finding the way to the maze, transmitting the map data of the maze to Laptop The model of Robot is used two wheels with two motors and one wheel controlled Robot can move in maze by itself There are ultrasonic sensors which are used to detect the way and discover a signal that is caused from the wall in the maze After receiving the data from the walls in the maze, Robot transmits it to Laptop by RF UART module At the time, Robot saves the data in its memory to detect different walls in the maze According to Matlab graphic interface, user can know exactly Robot‟s location in the maze Flood fill algorithm solves the problem how to find the nearest way in the maze, as well as Robot scan all about maze This way will be showed in Matlab graphic interface All results about finding, detecting the nearest way, the maze data will be saved in computer by Matlab‟s file text These results will be used for the next steps The calculating of the parameters of Robot such as: errors, angular velocity, velocity, distance…etc is performed basing on the parameters of the model, the components of the actual system The main blocks of Robot platform: the ultrasonic sensor module, RF UART module and power circuits The robot controller is ARM microcontroller v MỤC LỤC Chương 1: TỔNG QUAN .1 1.1 Giới thiệu chung 1.2 Phân loại robot tự hành 1.2.1 Robot tự hành di chuyển chân (Legged Robot) 1.2.2 Robot tự hành di chuyển bánh (Wheel Robot) 1.3 Phương pháp điều hướng cho robot tự hành 1.3.1 Phương pháp điều hướng có tính toán 1.3.2 Phương pháp điều hướng robot theo phản ứng 1.3.3 Phương pháp điều hướng lai ghép 11 1.4 Tính cấp thiết đề tài .11 1.5 Mục tiêu nội dung nghiên cứu 11 1.5.1 Mục tiêu đề tài 11 1.5.2 Nội dung nghiên cứu 12 1.6 Tổng quan lĩnh vực nghiên cứu 12 1.6.1 Giới thiệu tổng quan chung lĩnh vực nghiên cứu 12 1.6.2 Tình hình nghiên cứu giới .13 1.6.3 Tình hình nghiên cứu nước .17 1.7 Lựa chọn cách bố trí bánh xe 18 Chương 2: MÊ CUNG VÀ GIẢI THUẬT TÌM ĐƯỜNG TRONG MÊ CUNG 21 2.1 Robot vẽ đồ 21 2.1.1 Vấn đề định vị Robot tự hành 21 2.1.2 Sóng siêu âm .22 2.1.3 Camera xử lí hình ảnh .23 vi 2.1.4 Lựa chọn phương án định vị nhận diện vật cản .24 2.2 Mê cung thuật toán tìm đường mê cung .24 2.3 Thuật toán tìm đường ngẫu nhiên 25 2.4 Thuật toán bám theo tường 25 2.5 Thuật toán Pledge 26 2.6 Thuật toán Trémaux 27 2.7 Thuật toán lấp kín đường cụt .28 2.8 Thuật toán tìm đường ngắn (floodfill) 29 Chương 3: THIẾT KẾ MÔ HÌNH XE DÒ MÊ CUNG .34 3.1 Cơ sở lý thuyết 34 3.1.1 Sơ lược loại động phổ biến 34 3.1.2 Động DC thường 34 3.1.3 Các phương pháp điều khiển động DC cho Robot tự hành 36 3.2 Thiết kế khí 37 3.2.1 Thiết kế xe dò mê cung .37 3.2.2 Thiết kế mê cung thực nghiệm 40 3.3 Hệ thống điện .41 3.3.1 Sơ đồ khối robot dò đường 41 3.3.2 Các thành phần hệ thống điều khiển 41 3.3.3 Tổng thể kết nối module hệ thống 50 Chương 4: GIẢI THUẬT ĐIỀU KHIỂN .53 4.1 Đặt vấn đề 53 4.2 Nguyên tắc xây dựng giải thuật điều khiển cho xe 53 4.3 Mảng liệu lưu trữ 53 4.3.1 Mảng liệu lưu trữ tức thời 53 56 Thông tin tường ô (i, j) mảng đặt theo thứ tự sau: Bảng Bảng quy ước bit tường mảng Ô (i, j) Cột thứ 4j – Cột thứ 4j – Cột thứ 4j - Cột thứ 4j Hàng thứ i -bitBac bitDong bitNam bitTay Vậy cách truy xuất phần tử mảng infoWall, tác giả số hóa, thay đổi, sử dụng liệu tường mê cung Ví dụ: Phần tử Ô (2,8) bit Tay ô(2,2) 4.4 Lƣu đồ giải thuật 4.4.1 Giải thuật điều khiển vi điều khiển 4.4.1.1 Chƣơng trình Cập nhật trạng thái cảm biến Lựa chọn hướng di chuyển Xoay trái Di thẳng Xoay phải Gửi liệu lên máy tính Hình 4.1 Sơ đồ điều khiển chương trình Chương trình trình bày vẽ Lưu đồ giải thuật Chương trình có nhiệm vụ điều khiển xe di chuyển mê cung, đồng thời gửi liệu lên máy tính để vẽ lại mê cung xe dò Cấu trúc chương trình sau:  Bước 1: Cập nhật trạng thái cảm biến siêu âm (trái, giữa, phải) 57  Bước 2: Lựa chọn hướng di chuyển (xoay trái, thẳng, xoay phải)  Bước 3: Gọi hàm Turn left, Turn right, Run Straight theo hướng lựa chọn  Bước 4: Cập nhật tọa độ vị trí theo hàm toadoketiep(Huong‟) thẳng hướng di chuyển rẽ hướng  Bước 5: Gửi liệu hướng, tọa độ, cảm biến lên máy tính để vẽ đồ mê cung lưu trữ thông tin,  Bước 6: lặp lại bước 4.4.1.2 Giải thuật bám tƣờng để robot di chuyển ô mê cung Run Straight Encoder=0 Dùng xe N Cambien_giua>20 or encoder[...]... nghiệm cho Mobile Robot dò đường bằng sóng siêu âm - Viết giao diện dò đường cho Mobile Robot theo thời gian thực qua phần mềm Matlab GUI - Từ dữ liệu mê cung do Mobile Robot tìm được, áp dụng thuật toán tìm đường đi ngắn nhất trong mê cung cho Mobile Robot 1.5.2 Nội dung nghiên cứu 1.5.2.1 Đối tƣợng nghiên cứu - Giải thuật tìm đường đi cho Mobile Robot - Giải thuật tìm đường đi ngắn nhất - Module RF... biến siêu âm thông qua module thu phát không dây truyền nhận dữ liệu với máy tính từ đó tìm ra được đường đi ngắn nhất thoát khỏi mê cung Đó là lý do tác giả chọn đề tài Nghiên cứu, thiết kế robot dò đƣờng đi bằng sóng siêu âm Việc nghiên cứu thành công đề tài này sẽ mở ra một hướng tiếp cận mới và góp phần thúc đẩy việc ứng dụng của robot ngày càng nhiều vào trong đời sống hằng ngày và trong nghiên. .. biến siêu âm - Vi đi u khiển ARM 1.5.2.2 Phạm vi nghiên cứu - Đề tài chỉ nghiên cứu về Mobile Robot có hai bánh chủ động - Do Robot di chuyển bên trong nhà xưởng, bỏ qua các lực tác động bên ngoài ảnh hưởng đến hoạt động của Robot Vì vậy luận văn chỉ xây dựng mô hình động học cho Robot - Thiết kế giải thuật tìm đường đi cho Mobile Robot - Lựa chọn giải thuật tìm đường đi ngắn nhất cho Mobile Robot. .. các bước thực hiện một robot dùng để tìm đường trong mê cung dựa trên thuật toán Floodfill Phát hiện các bức tường trong mê cung bằng cách sử dụng cảm biến siêu âm Hiệu chỉnh đường thẳng bằng bộ đi u khiển PI (D) Các robot có thể học được mê cung, tìm tất cả các tuyến đường và tìm đường đi ngắn nhất 16 Tác giả sử dụng mô hình robot cỡ nhỏ để tìm hiểu làm thế nào đi u hướng robot trong môi trường chưa... phỏng Robot di động trong môi trường ảo, tính toán sau đó đi u khiển Robot qua truyền thông không dây Tác giả đã thiết kế giao diện (GUI) của mê cung ảo và hệ thống tọa độ ảo của mê cung Robot sử dụng thuật toán bám tường cải tiến để tìm đường đi thông qua các mê cung ảo được thiết kế sẵn Trong bài báo này, hai thuật toán tìm đường đã được sử dụng để tìm đường và một thuật toán để tối ưu hóa đường đi. .. tường chắn, hành lang, đi m đích, v.v là các đối tượng có vị trí không thay đổi trong bản đồ toàn cục) Trong phương pháp đi u hướng có tính toán, khâu lập kế hoạch đường đi cho robot là cực kì quan trọng Việc lập kế hoạch đường đi cho mobile robot thường có hai giai đoạn đó là lập kế hoạch toàn cục và lập kế hoạch cục bộ Lập kế hoạch toàn cục có thể được hiểu như là cách di chuyển robot qua một môi trường... Sơ đồ khối Robot dò đường .41 Hình 3.15 Mô phỏng lan truyền sóng siêu âm 41 Hình 3.16 Phạm vi góc hoạt động tốt nhất của Module 42 Hình 3.17 Module cảm biến siêu âm HC-SR04 và sơ đồ đấu dây .42 Hình 3.18 Biểu đồ thời gian của cảm biến siêu âm SRF-04 43 Hình 3.19 Nguyên lý TOF 44 Hình 3.20 Hiện tượng đọc chéo 44 Hình 3.21 Sự phản xạ của sóng siêu âm .45... hành di chuyển bằng bánh (Wheel Robot) Bánh xe là cơ cấu chuyển động được sử dụng rộng rãi nhất trong công nghệ Robot tự hành Vấn đề cân bằng thường không phải là vấn đề được chú ý nhiều trong robot di chuyển bằng bánh Ba bánh là kết cấu có khả năng duy trì cân bằng nhất, tuy nhiên kết cấu 2 bánh cũng có thể cân bằng được Khi robot có số bánh nhiều hơn 3 thì thông thường người ta phải thiết kế hệ thống... chọn cảm biến siêu âm vì giá thành thấp và sử dụng phổ biến Bộ quan sát của Busawon được sử dụng để ước lượng khoảng cách giữa Robot và một bức tường với khoảng cách cho trước Hình 1.15 Robot thí nghiệm Hình 1.16 Kết quả thí nghiệm 18 Bài báo Thiết kế Robot Mini tự hành dò đƣờng trong mê cung” Bài báo đã chỉ ra được vấn đề rất được quan tâm khi nghiên cứu về robot tự hành là làm thế nào để robot biết... ở 4 góc Một số loại robot chuyển động bằng bánh: Hình 1.5 Robot tự hành Rover thám hiểm sao Hoả Hình 1.6 Robot cắt cỏ 8 Hình 1.7 Robot hút bụi Trilobite 1.3 Phƣơng pháp đi u hƣớng cho robot tự hành Kỹ thuật đi u hướng sử dụng trí thông minh nhân tạo trong robot tự hành có thể được chia thành 2 loại chính, đó là đi u hướng có tính toán và đi u hướng theo phản ứng Đúng như tên gọi, đi u hướng có tính ... Thuật Cơ Đi n Tử MSHV: 1341840005 I- Tên đề tài: NGHIÊN CỨU, THIẾT KẾ ROBOT DÒ ĐƯỜNG ĐI BẰNG SÓNG SIÊU ÂM II- Nhiệm vụ nội dung: Nhiệm vụ: Đi u khiển mobile robot dò đường mê cung tìm đường ngắn... Tại thời đi m, xác định vị trí robot cần lấy thông tin môi trường xung quanh, thông thường robot sử dụng cảm biến siêu âm camera xử lí hình ảnh 2.1.2 Sóng siêu âm Sóng siêu âm sóng âm có tần... chọn đề tài Nghiên cứu, thiết kế robot dò đƣờng sóng siêu âm Việc nghiên cứu thành công đề tài mở hướng tiếp cận góp phần thúc đẩy việc ứng dụng robot ngày nhiều vào đời sống ngày nghiên cứu