ĐIỀU KHIỂN XE LĂN BẰNG CỬ CHỈ BÀN TAY

ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP.HỒ CHÍ MINH TRƢỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA KHOA ĐIỆN – ĐIỆN TỬ BỘ MÔN TỰ ĐỘNG - - LUẬN VĂN TỐT NGHIỆP ĐIỀU KHIỂN XE LĂN BẰNG CỬ CHỈ BÀN TAY GVHD: TS HUỲNH THÁI HOÀNG SVTH: NGUYỄN ANH DŨNG MSSV: 40800349 NGUYỄN VĂN DŨNG MSSV: 40800356 TP HỒ CHÍ MINH, THÁNG 12 NĂM 2012 i BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA CỘNG HÒA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM Độc Lập-Tự Do-Hạnh Phúc Thành phố Hồ Chí Minh Khoa Điện – Điện Tử Bộ Môn: ĐIỀU KHIỂN TỰ ĐỘNG NHIỆM VỤ LUẬN VĂN TỐT NGHIỆP HỌ VÀ TÊN: NGUYỄN ANH DŨNG NGUYỄN VĂN DŨNG NGÀNH: ĐIỀU KHIỂN TỰ ĐỘNG MSSV: 40800349 MSSV: 40800356 LỚP: DD08KSTD Đầu đề luận án: ĐIỀU KHIỂN XE LĂN BẰNG CỬ CHỈ BÀN TAY Nhiệm vụ(yêu cầu nội dung số liệu ban đầu): ……………………………………………………………………………………… ……………………………………………………………………………………… ……………………………………………………………………………………… ……………………………………………………………………………………… ……………………………………………………………………………………… ……………………………………………………………………………………… Ngày giao nhiệm vụ luận án:………………………………………………………… Ngày hoàn thành nhiệm vụ:………………………………………………………… Họ tên người hướng dẫn:…………………………………………………………… Nội dung yêu cầu LVTN thông qua môn Ngày…….tháng…….năm……… Chủ nhiệm môn Giáo viên hướng dẫn (ký ghi rõ họ tên) (ký ghi rõ họ tên) PHẦN DÀNH CHO KHOA BỘ MÔN Người duyệt(chấm sơ bộ):…………………………………… Đơn vị:……………………………………………………… Ngày bảo vệ:………………………………………………… Điểm tổng kết: ……………………………………………… Nơi lưu trữ luận án:………………………………………… ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP HỒ CHÍ MINH CỘNG HÒA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM TRƯỜNG ĐH BÁCH KHOA Độc Lập-Tự Do-Hạnh Phúc ***** Ngày……tháng……năm 2102 PHIẾU CHẤM BẢO VỆ LUẬN VĂN TỐT NGHIỆP (Dành cho người hướng dẫn) HỌ VÀ TÊN: NGUYỄN ANH DŨNG NGUYỄN VĂN DŨNG NGÀNH: ĐIỀU KHIỂN TỰ ĐỘNG MSSV: 40800349 MSSV: 40800356 LỚP: DD08KSTD Đầu đề luận án: ĐIỀU KHIỂN XE LĂN BẰNG CỬ CHỈ BÀN TAY Họ tên người hướng dẫn:…………………………………………………………… Tổng quát thuyết minh: Số trang: ………… Số chương: …………… Số bảng số liệu: ………… Số hình vẽ: …………… Số tài liệu tham khảo: ………… Phần mềm tính toán: …………… Hiện vật(sản phẩm): ………… Tổng quát vẽ: - Số vẽ: A1 A2 khổ khác - Số vẽ tay Số vẽ máy tính Những ưu điểm luận văn tốt nghiệp:…………………………………… ……………………………………………………………………………………… ……………………………………………………………………………………… ……………………………………………………………………………………… Những thiếu sót luận văn tốt nghiệp:…………………………………… ……………………………………………………………………………………… ……………………………………………………………………………………… ……………………………………………………………………………………… Đề nghị: Được bảo vệ Bổ sung thêm để bảo vệ Không bảo vệ Câu hỏi sinh viên trả lời trước hội đồng: a) …………………………………………………………………………………… …………………………………………………………………………………… b) …………………………………………………………………………………… …………………………………………………………………………………… c) …………………………………………………………………………………… …………………………………………………………………………………… 10 Đánh giá chung(bằng chữ giỏi, khá, TB): Điểm /10 Ký tên(ghi rõ họ tên) ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP HỒ CHÍ MINH TRƯỜNG ĐH BÁCH KHOA CỘNG HÒA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM Độc Lập-Tự Do-Hạnh Phúc ***** Ngày……tháng……năm 2102 PHIẾU CHẤM BẢO VỆ LUẬN VĂN TỐT NGHIỆP (Dành cho người phản biện) HỌ VÀ TÊN: NGUYỄN ANH DŨNG MSSV: 40800349 NGUYỄN VĂN DŨNG MSSV: 40800356 NGÀNH: ĐIỀU KHIỂN TỰ ĐỘNG LỚP: DD08KSTD Đầu đề luận án: ĐIỀU KHIỂN XE LĂN BẰNG CỬ CHỈ BÀN TAY Họ tên người phản biện:…………………………………………………………… Tổng quát thuyết minh: Số trang: ………… Số chương: …………… Số bảng số liệu: ………… Số hình vẽ: …………… Số tài liệu tham khảo: ………… Phần mềm tính toán: …………… Hiện vật(sản phẩm): ………… Tổng quát vẽ: - Số vẽ: A1 A2 khổ khác - Số vẽ tay Số vẽ máy tính Những ưu điểm luận văn tốt nghiệp:…………………………………… ……………………………………………………………………………………… ……………………………………………………………………………………… ……………………………………………………………………………………… Những thiếu sót luận văn tốt nghiệp:…………………………………… ……………………………………………………………………………………… ……………………………………………………………………………………… ……………………………………………………………………………………… Đề nghị: Được bảo vệ Bổ sung thêm để bảo vệ Không bảo vệ Câu hỏi sinh viên trả lời trước hội đồng: a) …………………………………………………………………………………… …………………………………………………………………………………… b) …………………………………………………………………………………… …………………………………………………………………………………… c) …………………………………………………………………………………… …………………………………………………………………………………… 10 Đánh giá chung(bằng chữ giỏi, khá, TB): Điểm /10 Ký tên(ghi rõ họ tên) Nhận xét giáo viên hƣớng dẫn: ……………………………………………………………………………………………… ……………………………………………………………………………………………… ……………………………………………………………………………………………… ……………………………………………………………………………………………… ……………………………………………………………………………………………… ……………………………………………………………………………………………… ……………………………………………………………………………………………… ……………………………………………………………………………………………… ……………………………………………………………………………………………… ……………………………………………………………………………………………… ……………………………………………………………………………………………… ……………………………………………………………………………………………… ……………………………………………………………………………………………… ……………………………………………………………………………………………… ……………………………………………………………………………………………… ……………………………………………………………………………………………… ……………………………………………………………………………………………… ……………………………………………………………………………………………… ……………………………………………………………………………………………… ……………………………………………………………………………………………… ……………………………………………………………………………………………… ……………………………………………………………………………………………… ……………………………………………………………………………………………… ……………………………………………………………………………………………… ……………………………………………………………………………………………… ……………………………………………………………………………………………… ……………………………………………………………………………………………… ……………………………………………………………………………………………… ……………………………………………………………………………………………… ……………………………………………………………………………………………… ……………………………………………………………………………………………… ……………………………………………………………………………………………… Nhận xét giáo viên phản biện: ……………………………………………………………………………………………… ……………………………………………………………………………………………… ……………………………………………………………………………………………… ……………………………………………………………………………………………… ……………………………………………………………………………………………… ……………………………………………………………………………………………… ……………………………………………………………………………………………… ……………………………………………………………………………………………… ……………………………………………………………………………………………… ……………………………………………………………………………………………… ……………………………………………………………………………………………… ……………………………………………………………………………………………… ……………………………………………………………………………………………… ……………………………………………………………………………………………… ……………………………………………………………………………………………… ……………………………………………………………………………………………… ……………………………………………………………………………………………… ……………………………………………………………………………………………… ……………………………………………………………………………………………… ……………………………………………………………………………………………… ……………………………………………………………………………………………… ……………………………………………………………………………………………… ……………………………………………………………………………………………… ……………………………………………………………………………………………… ……………………………………………………………………………………………… ……………………………………………………………………………………………… ……………………………………………………………………………………………… ……………………………………………………………………………………………… ……………………………………………………………………………………………… ……………………………………………………………………………………………… ……………………………………………………………………………………………… LỜI CẢM ƠN Trước hết chúng em xin gửi lời cảm ơn chân thành đến quý thầy cô trường Đại học Bách Khoa thành phố Hồ Chí Minh nói chung quý thầy cô khoa Điện- Điện tử môn Tự Động nói riêng tận tình truyền đạt kiến thức quý giá khoảng thời gian chúng em học đại học Chúng em xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc thầy Huỳnh Thái Hoàng, người tận tình dạy cho chúng em phương pháp nghiên cứu khoa học, cung cấp nhiều kiến thức chuyên sâu để thực đề tài Trong trình làm luận văn chúng em tiếp thu từ Thầy nhiều điều quý báu hành trang cho chúng em bước vào công việc sống sau Chúng em xin cảm ơn đến thầy phòng thí nghiệm điều khiển tự động 300B B1: thầy Quốc, thầy Hoàng, thầy Nam; anh chị cựu sinh viên giúp đỡ tạo điều kiện cho chúng em hoàn thành luận văn Chúng em xin gửi lời cảm ơn chân thành đến quý Thầy/Cô dành thời gian quý báu để nhận xét chấm Luận văn tốt nghiệp Đây đóng góp quý giá cho chúng em để hoàn thiện phát triển đề tài ngày tốt hơn, đưa vào ứng dụng thực tiễn sản xuất Chúng xin chân thành cảm ơn bạn lớp DD08KSTD giúp đỡ góp ý suốt trình làm luận văn Sau cùng, xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc tới Mẹ, Ba, Chị, Em người luôn động viên, bên lúc khó khăn nhất, động lực cho nỗ lực cố gắng suốt năm tháng học tập trường bước đường sống TPHCM, tháng 12 năm 2012 Sinh viện thực Nguyễn Anh Dũng Nguyễn Văn Dũng ii Tóm tắt đề tài Đề tài xuất phát từ mục tiêu phân tích thành phần cấu tạo điều khiển xe lăn điện Trên sở thiết kế thành công mô hình xe lăn dùng động BLDC với tổng công suất 700W, vi điều khiển trung tâm có độ ổn định cao Đề tài thực so sánh phương án MOSFET Driver khác so sánh phương pháp điều khiển động BLDC, từ rút kết luận, áp dụng phương pháp tối ưu vào điều khiển động BLDC cho xe lăn Đề tài tích hợp cho toàn phần nguồn hệ thống vi điều khiển phần mạch công suất từ nguồn Flyback converter Điều cho phép tiết kiệm lượng cho toàn hệ thống, tăng độ an toàn cho hệ thống nguồn cách ly hoàn toàn Đề tài kết hợp xử lý ảnh nhận dạng cử tay cho người dùng có nhiều lựa chọn điều khiển xe lăn việc điều khiển joystick Ngoài tích hợp thêm cảm biến nhằm tăng độ xác cho việc điều khiển bảo vệ người dùng tốt Vi điều khiển 32-bit LPC17xx hãng NXP Semiconductors chọn làm vi điều khiển chính, dùng thêm vi điều khiển 8bit PIC 16F887 cho driver điều khiển động Cách làm giúp phân cấp khối, dễ điều khiển có tính chuyên nghiệp cao iii MỤC LỤC Nội Dung Trang Chƣơng 1: GIỚI THIỆU 1.1 Giới thiệu xe lăn điện 1.2 Tổng quan nghiên cứu liên quan 1.2.1 Nhận dạng bàn tay dựa vào màu sắc hình dáng 1.2.2 Nhận dạng dựa đặc trƣng bàn tay 1.2.3 Optical Flow 1.2.4 Phƣơng pháp trừ 1.2.5 Mean Shift 1.3 Nhiệm vụ luận văn 1.4 Sơ lƣợc nội dung luận văn Chƣơng 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT 2.1 Giới thiệu hệ thống xử lý ảnh 2.2 Những vấn đề hệ thống xử lý ảnh 10 2.2.1 Điểm ảnh (Picture Element) 10 2.2.2 Độ phân giải ảnh 10 2.2.3 Mức xám ảnh 10 2.2.4 Định nghĩa ảnh số 11 2.2.5 Quan hệ điểm ảnh 11 2.3 Vấn đề cải thiện chất lƣợng ảnh 12 2.3.1 Khái niệm toán tử điểm 12 2.3.2 Cải thiện ảnh dùng toán tử không gian 13 2.4 Phân vùng ảnh 19 2.4.1 Phân vùng ảnh theo ngƣỡng biên độ 19 2.4.2 Phân vùng ảnh theo miền đồng 20 iv 2.5 Đặc trƣng Haar-like 21 2.5.1 Khái niệm Integral Image 24 2.6 Khái niệm Boosting 26 2.6.1 Thuật toán học AdaBoost 27 2.7 Cascade of Classifier 31 2.8 Vài nét động BLDC 32 2.8.1 Giới thiệu động ba pha không chổi than(BLDC): 32 2.8.2Cấu tạo động BLDC: 33 2.8.3 Nguyên tắc hoạt động động BLDC: 38 2.8.4 Mô hình toán động BLDC: 39 2.8.5 So sánh động BLDC với động DC có chổi than 40 Chƣơng 3:THIẾT KẾ VÀ THI CÔNG PHẦN CỨNG 42 3.1 Sơ đồ phần cứng module luận văn 42 3.2 Sơ đồ mạch module 43 3.2.1 Mạch master ARM LPC17xx điều khiển 43 3.2.2 Mạch điều khiển driver động BLDC dùng pic 16F887 48 3.2.3 Mạch điều khiển dùng MC33035 49 3.2.4 Mạch cách ly dùng OPTO TLP250: 51 3.2.5 Module mạch động lực 75N75 53 3.2.6 Module mạch nguồn xung phục vụ cách ly: 54 Chƣơng 4: XÂY DỰNG GIẢI THUẬT 58 4.1 Mô hình tổng quan 58 4.2 Lƣu đồ giải thuật 59 4.2.1 Giải thuật quét ảnh nhận dạng cử tay 60 4.2.2 Lƣu đồ PID điều khiển tốc độ hƣớng xe lăn: 70 4.2.3 Giải thuật đọc cảm biến 78 Chƣơng 5: KẾT QUẢ VÀ HƢỚNG PHÁT TRIỂN 82 v Chƣơng 4: XÂY DỰNG GIẢI THUẬT -Giá trị đặt góc đọc từ la bàn sau nhận đƣợc kí tự “f” “b” từ máy tính -Giá trị sai số đƣợc tính hiệu giữ giá trị góc đọc chu kì lấy mẫu giá trị đặt -Chu kì lấy mẫu đƣợc chọn T=100ms -Qua trình thử nghiệm hệ số, chọn Kp= 0.35, Kd=0.002 Umax=150, Umin=-150 -Các hệ số đƣợc tính theo công thức sau: T Kp  T T Kd a2   Kp  Ki *  T Kd a3  T a1  Kp  Ki * -Sai số đƣợc lọc lọc thông thấp Butterworth bậc 2, dƣới công thức lọc Butterworth bậc với tần số cắt 1: F ( s)  s  2s  Chọn c =2  , thực tế xe lăn dao động bị chuyển hƣớng với tần số cao khoảng 1Hz Các thành phần tần số cao 1Hz tín hiệu đo từ la bàn nhiễu cần phải đƣợc lọc bỏ Thay s Suy s c ta đƣợc lọc với tần số cắt c F (s)   s  s 1    c  c   s  s  1    2  2  Tần số lấy mẫu 100ms, dùng công thức c2d( F ( s) ,0.1) Matlab để tính F ( z ) 0.1452 z  0.1078 z  1.158 z  0.4115 E( z) 0.1452 z 1  0.1078 z 2  E _ pre( z )  1.158 z 1  0.4115 z 2 F ( z)  Suy Với E ( z ) tín hiệu sai số sau lọc E _ pre( z ) tín hiệu sai số trƣớc lọc Ek  1.158* Ek _1  0.4115*Ek _  0.1452*Ek _1_ pre  0.1078*Ek _ _ pre GVHD: HUỲNH THÁI HOÀNG Trang 76 Chƣơng 4: XÂY DỰNG GIẢI THUẬT PID vận tốc slave: Start Khởi tạo biến Làm mềm vận tốc Cập nhập Ek_1, Ek_2, Uk_1 Đọc vận tốc Tính sai số Ek Lọc sai số Ek Tính Uk theo giải thuật PID Uk=Uk_1+a1*Ek+a2*Ek_1+a3*Ek_2 Uk >= Umax Đúng Uk=Umax Sai Uk [...]... khiển di chuyển cánh tay xuống gần camera thì tốc độ tăng lên, và di chuyển ra xa thì tốc độ giảm dần Theo ngƣời đại diện Toyota cho biết, công nghệ này cũng có thể dùng để điều chỉnh âm lƣợng radio trong xe, giúp ngƣời lái vẫn tập trung nhìn đƣờng  Điều khiển máy tính từ xa bằng cử động tay đƣợc nhận dạng bằng thiết bị Kinect  Điều khiển slide từ xa bằng cử chỉ tay đƣợc nhận diện bằng OpenCV Trong... nhận dạng cử chỉ và hành động của con ngƣời đã đƣợc phát minh, trong số đó, hệ thống nhận dạng mắt và giọng nói đã và đang đƣợc ứng dụng một cách rộng rãi Với ý tƣởng ứng dụng công nghệ hiện đại vào đồ án nghiên cứu đồng thời nâng cao hiệu quả hoạt động của chiếc xe lăn điện, luận văn đã khai thác việc sử dụng hệ thống nhận dạng cử chỉ tay vào việc điều khiển xe lăn, kết hợp với việc điều khiển qua... xe lăn trong việc hỗ trợ ngƣời khuyết tật có thể di chuyển một cách dễ dàng hơn Thật vậy, chiếc xe lăn không chỉ góp phần tạo nên sự chủ động hơn trong cuộc sống cho bản thân ngƣời sử dụng chúng mà còn giảm bớt gánh nặng cũng nhƣ nỗi lo lắng của thân nhân ngƣời khuyết tật Hệ thống điều khiển bằng tay thông qua cần điều khiển đã đƣợc áp dụng khá lâu trong lĩnh vực khoa học kỹ thuật, đặc biệt đó xe lăn. .. thuật toán này theo dõi bàn tay Thuật toán CamShift có thể theo dõi rất nhanh dựa vào vào một vài đặc trƣng của ảnh nhƣ là đốm màu Tuy nhiên thuật toán này gặp khó khăn trong việc phân biệt giữa những bàn tay khác nhau nhƣng có cùng điểm trọng tâm khối Hình 1.4 Theo dõi bàn tay sử dụng thuật toán Camshift Có nhiều nghiên cứu về giải thuật nhận dạng bàn tay:  Nhận dạng bàn tay điều khiển robot di động-... nhƣ lƣớt tay sang trái, phải để chuyển giữa các trang web và hình ảnh trong thƣ viện hoặc đẩy tay xuống để dừng phát nhạc, slideshow, quay vòng tay để tăng, giảm âm lƣợng  Hãng Toyota vừa tung ra một chiếc ván trƣợt có gắn camera Kinect và máy tính bảng của Microsoft để mô tả một số công nghệ nhận diện cử chỉ tay Tốc độ của tấm ván đƣợc điều khiển bằng chuyển động của tay Khi ngƣời điều khiển di... ngƣời là rất lớn nên việc nhận dạng cử chỉ bàn tay trở nên một thách thức lớn Có nhiều nghiên cứu về nhận dạng cử chỉ với các giải thuật khác nhau nhƣ: nhận dạng dựa vào dáng vẻ, dựa vào màu sắc, hình dáng, các đặc trƣng của bàn tay, optical flow, mean shift… 1.2.1 Nhận dạng bàn tay dựa vào màu sắc và hình dáng Màu da là một đặc trƣng quan trọng để định vị và tracking bàn tay ngƣời Tuy nhiên thuật toán... negative cũng tƣơng đối nhiều Chi tiết hơn về thuật toán sẽ đƣợc trình bày trong chƣơng 2 1.3 Nhiệm vụ luận văn Thiết kế xe lăn điều khiển bằng cử chỉ bàn tay thông qua xử lý ảnh hoặc có thể điều khiển bằng joystick Sản phẩm phải đảm bảo tính ổn định cao, an toàn cho ngƣời dùng, điều khiển dễ dàng GVHD: HUỲNH THÁI HOÀNG Trang 5 Chƣơng 1: GIỚI THIỆU Tích hợp thêm các cảm biến đo góc, cảm biến phát hiện chƣớng... qua joystick bằng tay truyền thống nhằm tạo ra sản phẩm có thể giúp ngƣời sử dụng có thể dễ dàng điều khiển xe, từ đó chủ động hơn trong việc di chuyển hằng ngày Hình 1.1 Mô hình xe lăn điện GVHD: HUỲNH THÁI HOÀNG Trang 1 Chƣơng 1: GIỚI THIỆU 1.2 Tổng quan về các nghiên cứu liên quan Bàn tay con ngƣời có cấu trúc xƣơng phức tạp bao gồm rất nhiều khớp nối với nhau Vì số bậc tự do của bàn tay ngƣời là... xuất đặc trƣng trong một vùng ảnh nhất định nhƣ đầu ngón tay hoặc biên bàn tay, và sử dụng một vài phƣơng pháp suy luận để tìm ra hình dạng hoặc kết hợp những đặc trƣng cụ thể để tạo nên một cử chỉ bàn tay Đối với cách tiếp cận dựa trên đặc trƣng bàn tay, việc phân đoạn những ảnh không bị nhiễu là bƣớc cần thiết để phục hồi những đặc trƣng của bàn tay Đây không phải là nhiệm vụ dễ dàng khi gặp phải những... khớp bàn tay nhƣng dễ bị nhiễu môi trƣờng, nhất là ánh sáng  Công ty Nhật Bản Omron đã ứng dụng công nghệ nhận dạng cử chỉ tay trên máy tính, vô tuyến truyền hình, máy ảnh số, điện thoại di động hay cả trên máy tính bảng, những thiết bị nhỏ nhẹ, cấu hình không cao  Sony vừa cho ra laptop Vaio E Series 14P, sản phẩm này có hỗ trợ nhận diện cử chỉ Ngƣời dùng có thể sử dụng camera để ra lệnh bằng cử chỉ