Ung dung xu ly anh vao mobile robot

Sử dụng camera để thu nhận hình ảnh, sau đó xử lý để có được đường đi thích hợp cho Mobile robot nhằm tránh vật cản và về tới đích. Trong suốt quá trình robot làm việc, người sử dụng có thể giám sát Mobile robot thông qua giao diện trên máy tính, cũng như lưu lại dữ liệu hoạt động nhằm phục vụ những mục đích khác.

ĐẠI HỌC QUỐC GIA THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA KHOA CƠ KHÍ – BỘ MÔN CƠ ĐIỆN TỬ LUẬN VĂN TỐT NGHIỆP ĐẠI HỌC ỨNG DỤNG XỬ LÝ ẢNH ĐỂ TÌM ĐƯỜNG ĐI VÀ TRÁNH VẬT CẢN CHO MOBILE ROBOT SVTH: Nguyễn Quốc Luật MSSV: 21202066 GVHD: TS.Lê Đức Hạnh TP.HCM, 2016 I LỜI CẢM ƠN Trước tiên, em muốn gửi lời cảm ơn sâu chân thành sâu sắc tới thầy cô giáo trường Đại học Bách Khoa Tp.HCM nói chung thầy cô khoa Cơ khí nói riêng tận tình giảng dạy, truyền đạt cho em kiến thức, kinh nghiệm, quý báu suốt thời gian bốn năm học tập, rèn luyện trường Những kiến thức mà em nhận giảng đường đại học hành trang giúp em vững bước tương lai Đặc biệt, em xin gửi lời cảm ơn đến Thầy Lê Đức Hạnh, Thầy tận tình giúp đỡ, trực tiếp bảo, hướng dẫn em suốt trình thực luận văn tốt nghiệp Trong thời gian làm việc với Thầy, em học tinh thần làm việc hiệu quả, nghiêm túc giờ, điều cần thiết cho em sau Cuối cùng, em muốn gửi lời cảm ơn sâu sắc đến tất bạn bè, đặc biệt cha mẹ chị, người kịp thời động viên giúp đỡ em vượt qua khó khăn sống Do kiến thức hạn hẹp nên không tránh khỏi thiếu sót cách hiểu, lỗi trình bày Em mong nhận đóng góp ý kiến quý Thầy, Cô để đề tài đạt kết tốt Em xin chân thành cảm ơn! Tp.HCM, ngày 22 tháng 12 năm 2016 NGUYỄN QUỐC LUẬT I TÓM TẮT LUẬN VĂN Thiết kế mô hình Mobile robot hoạt động không gian định chứa vật cản Sử dụng camera để thu nhận hình ảnh, sau xử lý để có đường thích hợp cho Mobile robot nhằm tránh vật cản tới đích Trong suốt trình robot làm việc, người sử dụng giám sát Mobile robot thông qua giao diện máy tính, lưu lại liệu hoạt động nhằm phục vụ mục đích khác II MỤC LỤC Lời cảm ơn …………………………………………………………………………… I Tóm tắt ……………………………………………………………………………… II Mục lục ……………………………………………………………………………….III Danh sách hình vẽ ………………………………………………………………… IV Bảng biểu …………………………………………………………………………… V Chương 1: Tổng quan ……………………………………………………………… 1.1 Giới thiệu mobile robot ……………………………………………… …………1 1.2 Mobile robot bám đường tránh vật cản ………………………………………….4 1.3 Nguyên lý hoạt động Mobile robot bám đường tránh vật cản ………………6 1.4 Mục tiêu, nhiệm vụ phạm vi đề tài………………………………………….7 1.4.1 Mục tiêu đề tài …………………………………………………………7 1.4.2 Nhiệm vụ đề tài ……………………………………………………… 1.4.3 Phạm vi đề tài ………………………………………………………….7 1.5 Tổ chức luận văn ………………………………………………………………… Chương 2: Phương án lựa chọn thiết kế ………………………………………….9 2.1 Phương án khí ………………………………………………………………… 2.1.1 Điều kiện thiết kế mô hình khí cho Mobile robot ………………………9 2.1.2 Kết cấu Mobile robot ……………………………………………………….9 2.1.3 Chọn vật liệu cho thân xe ………………………………………………….11 2.1.4 Bánh xe ……………………………………………………………………13 2.2 Phương án điện ……………………………………………………………………16 2.2.1 Động ………………………………………………………………… 16 III 2.2.2 Driver động ……………………………………………………………18 2.2.3 Thiết bị kết nối RS232 ……………………………………………………20 2.2.4 Camera ……………………………………………………………………21 2.2.5 Nguồn …………………………………………………………………… 23 2.3 Phương án điều khiển …………………………………………………………… 25 2.3.1 ĐK tập trung ………………………………………………………………25 2.3.2 ĐK phân cấp ………………………………………………………………25 2.3.3 Sơ đồ điều khiển mobile robot ……………………………………… 26 2.3.4 Arduino Mega 2560 ……………………………………………………….26 Chương 3: Tìm hiểu xử lý ảnh thiết kế hệ thống điều khiển ……….……… 29 3.1 Giới thiệu xử lý ảnh …………………………………………………………….29 3.2 Các vấn đề xử lý ảnh thư viện Aforge.NET …………………… 30 3.2.1 Một số khái niệm ………………………………………………… 30 3.2.2 Không gian màu RGB ảnh đa mức xám ……………………………… 31 3.2.3 Thư viện xử lý ảnh Aforge.NET ………………………………………… 33 3.3 Xây dựng hệ thống điều khiển …………………………………………………….33 3.3.1 Cấu trúc hệ thống xử lý ảnh dùng đề tài …………………………….33 3.3.2 Nhận dạng Mobile robot, vật cản theo dõi vị trí Mobile robot .34 3.3.3 Xác định đường cho Mobile robot …………………………………… 37 3.3.4 Giao tiếp máy tính robot ………………………………………… 38 3.3.5 Điều khiển động ……………………………………………………… 39 3.3.6 Giải thuật PID …………………………………………………………… 40 3.3.7 Giải thuật điều khiển ………………………………………………………43 III Chương 4: Thực nghiệm đánh giá kết ……………………… ……………48 4.1 Ý nghĩa trình thực nghiệm ……………………………………………….48 4.2 Mô hình xe ……………………………………………………………………… 48 4.3 Kết thực nghiệm ………………………………………………………………49 4.3.1 Tìm đường vị trí khác nhau…………………………………… 49 4.3.2 Di chuyển theo X …………………………………………………………50 4.3.3 Di chuyển theo y ………………………………………………………….51 4.3.4 Chuyển hướng …………………………………………………………….53 4.4 Đánh giá kết giải pháp khắc phục ……………………………………… 54 Chương 5: Tổng kết …………………………………………………… …… 55 5.1 Kết đạt ………………………………………………………………….55 5.2 Kết chưa hoàn thiện ………………………………………………………….55 5.3 Hướng phát triển đề tài ………………………………………………………55 PHỤ LỤC A ………………………………………………………………………….56 TÀI LIỆU THAM KHẢO ………………………………………………………… 57 III DANH SÁCH HÌNH VẼ Hình 1.1: Một số loại Mobile robot …………………………………………………….3 Hình 1.2: Cấu trúc chung Mobile robot …………………………………………….3 Hình 1.3: Robot Locus …………………………………………………………………5 Hình 1.4: Hình ảnh mô ba hướng tiếp cận path-planning ………………….6 Hình 2.1: Phương án chọn hình dạng tổng thể Mobile robot ………………………….11 Hình 2.2: Đế Mobile robot ………………………………………………….12 Hình 2.3: Đế Mobile robot ………………………………………………… 13 Hình 2.4: Bánh xe thường Mobile robot ………………………………………….14 Hình 2.5: Bánh mắt trâu Mobile robot ……………………………………………15 Hình 2.6: Động DC GA25 V1 …………………………………………………… 17 Hình 2.7: Kích thước động GA25 V1 …………………………………………… 17 Hình 2.8: Gá động GA25 V1 …………………………………………………… 18 Hình 2.9: IC logic 74HC595 ………………………………………………………….19 Hình 2.10: Module Bluetooth HC05 ………………………………………………….21 Hình 2.11: Tính toán ống kính Camera ……………………………………………….22 Hình 2.12: FA – CAM 202 ………………………………………………………… 23 Hình 2.13: Kích thước FA – CAM 202 ……………………………………………….23 Hình 2.14: Sơ đồ điều khiển Mobile robot ……………………………………….26 Hình 2.15: Vi điều khiển Arduino Mega 2560 ……………………………………… 27 Hình 2.16: Pinout Arduino mega 2560 sử dụng ……………………………28 Hình 3.1: Quá trình xử lý ảnh ……………………………………………………… 29 Hình 3.2: Không gian màu RGB …………………………………………………… 32 IV Hình 3.3: Cấu trúc hệ thống robot bám đường tránh vật cản ………………………34 Hình 3.4: Lưu đồ giải thuật xác định đối tượng ………………………………… 36 Hình 3.5: Xác định tọa độ vật …………………………………………………….37 Hình 3.6: Minh họa giải thuật BFS ……………………………………………………38 Hình 3.7: Phương pháp điều chỉnh độ rộng xung …………………………………… 40 Hình 3.8: Sơ đồ hệ thống điều khiển dùng PID ………………………………………41 Hình 3.9: Lưu đồ giải thuật chương trình ………………………………………44 Hình 3.10: Lưu đồ giải thuật chương trình điều khiển robot …………………………45 Hình 3.11: Lưu đồ giải thuật chương trình di chuyển theo X …………………………46 Hình 3.12: Lưu đồ giải thuật chương trình di chuyển theo Y …………………………47 Hình 4.1: Mô hình xe thực tế …………………………………………………………48 Hình 4.2: Giao diện chương trình …………………………………………………… 49 Hình 4.3: Vị trí ………………………………………………………………………49 Hình 4.4: Vị trí ………………………………………………………………………50 Hình 4.5: Vị trí …………………………………………………………………… 50 Hình 4.6: Vị trí …………………………………………………………………… 50 Hình 4.7 Kết robot di chuyển vị trí 1……………………………………………51 Hình 4.8: Đồ thị robot đáp ứng di chuyển theo X …………………………………51 Hình 4.9: Kết robot di chuyển vị trí ………………………………… 52 Hình 4.10: Đồ thị robot đáp ứng di chuyển theo Y …………………………… 52 Hình 4.11: Kết robot di chuyển vị trí ………………………………… 53 Hình 4.12: Đồ thị đáp ứng robot di chuyển vị trí …………………………… 53 IV DANH MỤC BẢNG BIỂU Bảng 2.1: Phương án lựa chọn kết cấu Mobile robot …………………………….9 Bảng 2.2: So sánh vật liệu làm thân xe ………………………………………………11 Bảng 2.3: So sánh hai loại bánh xe tự lựa ………………………………………… 14 Bảng 2.4: Phương án động Mobile robot ……………………………………… 16 Bảng 2.5: So sánh driver động DC ……………………………………………… 18 Bảng 2.6: So sánh Classic Bluetooth Bluetooth Low Energy (BLE) ………………20 Bảng 2.7: So sánh Pin nguồn cố định ……………………………………….24 V Chương 1: Tổng quan Chương 1: TỔNG QUAN 1.1 Giới thiệu Mobile robot Mobile robot (robot tự hành) loại xe robot có khả tự dịch chuyển, tự vận động (có thể lập trình được) điều khiển tự động để thực thành công công việc giao Mobile robot phân loại dựa môi trường mà chúng hoạt động phương pháp di chuyển Phân loại theo môi trường hoạt động: - Robot nhà robot trời - Robot không - Robot nước - Robot không gian vũ trụ Phân loại theo phương pháp di chuyển: - Robot di chuyển bánh xe: Ưu điểm:  Di chuyển linh hoạt, thiết kế đơn giản  Chi phí thấp chế tạo, thiết bị phong phú, dễ dàng mở rộng Nhược điểm:  Khả chịu tải yếu  Tiếp xúc điểm so với mặt di chuyển nhỏ - Robot di chuyển bánh xích: Ưu điểm:  Tiếp xúc tốt với bề mặt di chuyển, giảm khả trượt  Có thể hoạt động nhiều dạng địa hình Nhược điểm: Chương 3: Tìm hiểu xử lý ảnh thiết kế hệ thống điều khiển Tùy vào mục đích đối tượng điều khiển mà điều khiển PID lược bớt để trở thành điều khiển P, PI PD Thiết kế điều khiển PID chọn hệ số Kp, KD, KI cho phù hợp để hệ thống hoạt động tốt Bộ điều khiển PID đề tài có nhiệm vụ lấy giá trị sai lệch vị trí tọa độ robot tọa độ mong muốn Trong trình thực nghiệm, đề tài chọn điều khiển PID Cách để tìm hệ số làm thực nghiệm, cụ thể: - Chọn Kp trước: thử điều khiển P với xe, điều chỉnh Kp cho thời gian đáp ứng đủ nhanh, chấp nhận overshot nhỏ - Thêm thành phần D để loại overshoot, tăng Kd từ từ, thử nghiệm chọn giá trị thích hợp Steady State Error xuất - Thêm I để giảm Steady State Error, tăng KI từ bé đến lớn để giảm dần đồng thời không overshot xuất trở lại 3.3.7 Giải thuật điều khiển a Chương trình 43 Chương 3: Tìm hiểu xử lý ảnh thiết kế hệ thống điều khiển Hình 3.9: Lưu đồ giải thuật chương trình Quy trình hoạt động chương trình chính: Bước 1: Khởi tạo biến, chân điều khiển, thiết lập giao tiếp Bluetooth giao diện kiểm soát robot Bước 2: Nhận hình ảnh từ camera (vùng hoạt động, robot, vật cản, đích) Bước 3: Xử lí ảnh đưa liệu cần thiết 44 Chương 3: Tìm hiểu xử lý ảnh thiết kế hệ thống điều khiển Bước 4: Thiết lập lệnh điều khiển truyền cho robot thông qua Bluetooth Bước 5: Robot hoạt động điều khiển Arduino 2560 kiếm soát máy tính Bước 6: Kết thúc chương trình robot tới đích b Chương trình điều khiển robot Hình 3.10: Lưu đồ giải thuật chương trình điều khiển robot Quy trình hoạt động chương trình: Bước 1: Chương trình “Giao tiếp với máy tính” gọi để nhận liệu tọa độ robot, tọa độ đường Bước 2: Xét điều kiện di chuyển theo X 45 Chương 3: Tìm hiểu xử lý ảnh thiết kế hệ thống điều khiển Nếu nhận tín hiệu thực chương trình di chuyển theo X Sau lặp lại bước Nếu nhận tín hiệu sai thực chương trình di chuyển theo Y Kết thúc chương trình trở chương trình c Chương trình di chuyển theo X Hình 3.11: Lưu đồ giải thuật chương trình di chuyển theo X Quy trình hoạt động chương trình: Bước 1: Kiểm tra sai số robot so với đích (e ≠ 0, robot chưa đến vị trí đích) Nếu sang bước 2, sai set điều kiện để robot sang chương trình di chuyển theo Y, kết thúc chương trình di chuyển theo X trở chương trình điều khiển robot Bước 2: Thiết lập PID để trả giá trị xung cần cấp cho động 46 Chương 3: Tìm hiểu xử lý ảnh thiết kế hệ thống điều khiển Vị trí robot máy tính truyền tọa độ thực, từ vi điều khiển tính toán khoảng cách vị trí vị trí tiếp theo, từ đổi số xung tương ứng để cấp cho động Cứ 10ms vi điều khiển lấy mẫu lần để xác định robot tới vị trí mong muốn chưa lặp lại bước d Chương trình di chuyển theo Y Hình 3.12: Lưu đồ giải thuật chương trình di chuyển theo Y Bước 1: Kiểm tra sai số robot so với đích (e ≠ 0, robot chưa đến vị trí đích) Nếu sang bước 2, sai set điều kiện để robot sang chương trình di chuyển theo X, kết thúc chương trình di chuyển theo Y trở chương trình điều khiển robot Bước 2: Thiết lập PID để trả giá trị xung cần cấp cho động Tương tự chương trình di chuyển theo X 47 Chương 4: Thực nghiệm đánh giá kết Chương 4: THỰC NGHIỆM VÀ ĐÁNH GIÁ KẾT QUẢ 4.1 Ý nghĩa - Kiểm nghiệm giải thuật đưa - Kiểm tra trình hoạt động tính ổn định robot - Kiểm tra hoạt động giao diện điều khiển - Tìm nguyên nhân gây sai số (nếu có) trình hoạt động đưa giải pháp khắc phục hợp lý 4.2 Mô hình xe giao diện chương trình Hình 4.1: Mô hình xe thực tế 48 Chương 4: Thực nghiệm đánh giá kết Hình 4.2: Giao diện chương trình 4.3 Kết chạy thực nghiệm 4.3.1 Tìm đường vị trí khác Thực nghiệm tìm quỹ đạo đường cho mobile robot vị trí tương đối khác robot, vật cản đích Hình 4.3: Vị trí 49 Chương 4: Thực nghiệm đánh giá kết Hình 4.4: Vị trí Hình 4.5: Vị trí Hình 4.6: Vị trí Nhận xét: Chương trình tìm đường cho robot vị trí khác 4.3.2 Di chuyển theo X Xét vị trí Ta điều khiển robot đến đích ghi nhận kết 50 Chương 4: Thực nghiệm đánh giá kết Hình 4.7 Kết robot di chuyển vị trí Hình 4.8: Đồ thị robot đáp ứng di chuyển theo X Nhận xét: - Robot hoạt động di chuyển theo trục X - Chương trình giám sát tọa độ robot không ổn định, 1.6s vẽ đồ thị - Thời gian từ bắt đầu di chuyển tới kết thúc 5.3s - Không xảy tượng vọt lố 4.3.3 Di chuyển theo Y 51 Chương 4: Thực nghiệm đánh giá kết Để thực nghiệm robot di chuyển theo Y, ta xét vị trí 2, lưu ý trình di chuyển theo trục Y Hình 4.9: Kết robot di chuyển vị trí Hình 4.10: Đồ thị robot đáp ứng di chuyển theo Y Nhận xét: - Robot hoạt động di chuyển theo trục Y - Chương trình giám sát tọa độ robot không ổn định, 3.8s vẽ đồ thị - Thời gian từ bắt đầu đến kết thúc 1.6s (từ 3.9s đến 5.5s) 52 Chương 4: Thực nghiệm đánh giá kết - Xảy tượng vọt lố 4.3.4 Chuyển hướng Xét vị trí Điều khiển robot di chuyển đến đích ghi nhận lại kết Lưu ý trình chuyển hướng Hình 4.11: Kết robot di chuyển vị trí Hình 4.12: Đồ thị đáp ứng robot di chuyển vị trí Nhận xét: - Chương trình giám sát tọa độ robot không ổn định, 1s vẽ đồ thị 53 Chương 4: Thực nghiệm đánh giá kết - Xảy tượng vọt lố trục Y - Thời gian di chuyển đến đích 21s gồm đoạn rẻ vuông góc - Tại vị trí góc cua, tọa độ trả sai lệch nhiều 4.4 Đánh giá kết giải pháp khắc phục 4.4.1 Đánh giá kết - Chương trình điều khiển hoạt động, tìm đường cho mobile robot vị trí khác - Robot chạy bám theo đường định trước để đích mà không va chạm với vật cản - Chương trình điều khiển thiếu độ xác theo dõi robot hoạt động vẽ đồ thị - Xảy tượng sai số lớn di chuyển đến vị trí mong muốn 4.4.2 Giải pháp khắc phục - Cố định lại camera - Giảm tốc độ robot - Chọn lại thông số PID 54 Chương 5: Tổng kết Chương 5: TỔNG KẾT Chương trình bày kết đạt chưa hoàn thiện hướng phát triển đề tài 5.1 Kết đạt - Tìm hiểu tổng quan loại Mobile robot bám theo đường cho trước - Thiết kế mô hình 3D, xây dựng vẽ làm thực tế xe, lập trình cho xe giúp tăng khả sử dụng phần mềm Inventor, Arduino IDE, Visual Studio 2013 (cũng thư viện Aforge.NET) - Tiếp cận nhiều giải thuật xử lý ảnh cách thức tư điều khiển tham khảo thuật toán - Học cách so sánh lý thuyết thực nghiệm, đánh giá, cải thiện rút kết 5.2 Kết chưa hoàn thiện - Quá trình gá đặt camera gây nhiều sai số, ảnh hưởng đến giá trị tọa độ xe đọc - Môi trường thực nghiệm chịu ảnh hưởng tác động bên ngoài, mà đặc biệt ánh sáng không ổn định, làm có lúc tọa độ xe - Thông số lựa chọn chưa hợp lý, có lúc xe chạy không yêu cầu - Chỉ phát đối tượng có ngưỡng màu nằm khoảng xác định - Chưa thực nghiệm với nhiều vật cản 5.3 Hướng phát triển đề tài - Thêm cấu chấp hành để thực công việc cụ thể vận chuyển hàng hóa, xếp… - Thêm vật cản để đề tài gần với thực tế, áp dụng vào ứng dụng môi trường có nhiều vật cản (nhà, xưởng công nghiệp…) - Thay đổi giải thuật để tìm đường ngắn - Thiết kế điều khiển thông nhằm đáp ứng tốt 55 Phụ lục PHỤ LỤC A: Pinout ATmega 2560 56 Tài liệu tham khảo TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] Tài liệu tham khảo từ trang http://forum.arduino.cc/ [2] Thư viện lập trình xử lý ảnh từ trang www.github.com [3] Tài liệu tham khảo trang http://www.me.umn.edu/ [4] Jang Getal, (2003) Color Landmark Based Self-Localization for Indoor Mobile Robots Yale University Press [5] Lê Khánh Điền, (2014) Vẽ kỹ thuật khí Nhà Xuất Bản Đại Học Quốc Gia Tp.HCM [6] Đ.V.Hoạt & Đ.V.Long, (2012) Robot tự hành tránh vật cản ứng dụng Tạp Chí Khoa Học Và Công Nghệ, 106, – 12 [7] Paul Deitel, (1994) C++ How To Program Pearson Education Limited [8] Nguyễn Ngọc Bích Phương & Thái Thanh Phong, (2006) Các Giải Pháp Lập Trình C# Nhà Xuất Bản Giao Thông Vận Tải 57 ... Curiosity – Robot thám hiểm hỏa Chương 1: Tổng quan c Robot Fish Đại học Essex – Anh d Robot phá bom, mìn Pinscher Hình 1.1: Một số loại Mobile robot ( Internet ) Nhìn chung, Mobile robot có cấu... Giới thiệu Mobile robot Mobile robot (robot tự hành) loại xe robot có khả tự dịch chuyển, tự vận động (có thể lập trình được) điều khiển tự động để thực thành công công việc giao Mobile robot phân... hình dạng tổng thể Mobile robot ………………………….11 Hình 2.2: Đế Mobile robot ………………………………………………….12 Hình 2.3: Đế Mobile robot ………………………………………………… 13 Hình 2.4: Bánh xe thường Mobile robot ………………………………………….14