Thiết kế chế tạo robot dạng người hỗ trợ điều khiển giao thông và cảnh báo ở công trường xây dựng

Đại Học Quốc Gia Tp Hồ Chí Minh TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA …………………………… TƯỞNG PHƯỚC THỌ THIẾT KẾ CHẾ TẠO ROBOT DẠNG NGƯỜI HỖ TRỢ ĐIỀU KHIỂN GIAO THÔNG VÀ CẢNH BÁO Ở CÔNG TRƯỜNG XÂY DỰNG Chuyên ngành: CÔNG NGHỆ CHẾ TẠO MÁY LUẬN VĂN THẠC SĨ TP HỒ CHÍ MINH, tháng năm 2010 CƠNG TRÌNH ĐƯỢC HOÀN THÀNH TẠI TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA ĐẠI HỌC QUỐC GIA THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH CƠNG TRÌNH ĐƯỢC HOÀN THÀNH TẠI TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA ĐẠI HỌC QUỐC GIA THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH Cán hướng dẫn khoa học :……………………………………………….……… ……………………………………………………………………………………… ……………………………………………………………………………………… ……………………………………………………………………………………… Cán chấm nhận xét 1:…………………………………………………………… ……………………………………………………………………………………… ……………………………………………………………………………………… ……………………………………………………………………………………… Cán chấm nhận xét :…………………………………………………………… ……………………………………………………………………………………… ……………………………………………………………………………………… ……………………………………………………………………………………… Luận văn thạc sĩ bảo vệ Trường Đại học Bách Khoa, ĐHQG Tp HCM ngày……tháng……năm…… Thành phần Hội đồng đánh giá luận văn thạc sĩ gồm: Chủ tịch hội đồng :……………………………………………… Thư ký :………………………………………………………… Ủy viên :………………………………………………………… Ủy viên :………………………………………………………… Ủy viên :………………………………………………………… Xác nhận Chủ tịch Hội đồng đánh giá LV Bộ môn quản lý chuyên ngành sau luận văn sửa chữa (nếu có) Chủ tịch Hội đồng đánh giá LV Bộ môn quản lý chuyên ngành TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA CỘNG HÒA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM PHÒNG ĐÀO TẠO SĐH Độc lập – Tự – Hạnh phúc Tp HCM, ngày tháng năm 2010 NHIỆM VỤ LUẬN VĂN THẠC SĨ Họ tên học viên: Tưởng Phước Thọ Phái: Nam Ngày, tháng, năm sinh: 02/07/1982 Nơi sinh: Bến Tre Chuyên ngành: Cơng nghệ chế tạo máy Khóa: 2008 I-TÊN ĐỀ TÀI: THIẾT KẾ CHẾ TẠO ROBOT DẠNG NGƯỜI HỖ TRỢ ĐIỀU KHIỂN GIAO THÔNG VÀ CẢNH BÁO Ở CÔNG TRƯỜNG XÂY DỰNG II-NHIỆM VỤ VÀ NỘI DUNG: ¾ Thiết kế chế tạo phần khí ¾ Phân tích động học động lực học robot ¾ Tạo quỹ đạo điều khiển chuyển động cánh tay robot ¾ Thiết kế thi công hệ thống cảm biến, camera robot ¾ Thiết kế thi cơng hệ thống điện robot ¾ Xây dựng lưu đồ giải thuật thuật toán xác định động tác robot điều khiển III-NGÀY GIAO NHIỆM VỤ:…………………………………………………… IV-NGÀY HOÀN THÀNH NHIỆM VỤ:………………………………………… V-CÁN BỘ HƯỚNG DẪN: TS Nguyễn Ngọc Phương Nội dung đề cương luận văn thạc sĩ Hội Đồng Chuyên Ngành thông qua CÁN BỘ HƯỚNG DẪN CN BỘ MÔN QL CHUYÊN NGÀNH TS Nguyễn Ngọc Phương LỜI CÁM ƠN Qua thời gian nghiên cứu làm việc nghiêm túc, Luận văn hoàn thành thời hạn Để có thành đó, ngồi nỗ lực tìm tịi, nghiên cứu học viên thực đề tài, cịn giúp đỡ tận tình q thầy cô, anh chị trước, bạn lớp gia đình Học viên thực đề tài xin gửi lời tri ân đến: Thầy Nguyễn Ngọc Phương, giáo viên hướng dẫn, tận tình hướng dẫn, bảo suốt thời gian thực đề tài Thầy Nguyễn Trường Thịnh, Khoa Cơ Khí trường Đại học Sư Phạm Kỹ Thuật TP Hồ Chí Minh, giúp đỡ, góp ý tận tình thực đề tài Học viên thực đề tài xin chân thành cảm ơn q thầy Khoa Cơ Khí trường Đại học Bách Khoa Thành phố Hồ Chí Minh đóng góp ý kiến quý báu cho luận văn hoàn tất thời hạn Qua đây, học viên thực đề tài xin gởi lời tri ân đến gia đình, quý thầy giảng dạy suốt khóa học cao học chuyên ngành Công nghệ chế tạo máy, anh chị phòng đào tạo sau đại học, bạn lớp bạn bè xa gần quan tâm, chia sẻ động viên Cuối cùng, trình thực đề tài, học viên có tham khảo, sử dụng tài liệu quý thầy cô trường Đại học Bách khoa Tp Hồ Chí Minh, truờng Đại học Sư phạm Kỹ thuật Tp Hồ Chí Minh, tác giả khác, qua học viên thực đề tài xin gửi lời tri ân sâu sắc Thành phố Hồ Chí Minh, ngày…….tháng……năm 2010 Học viên Tưởng Phước Thọ TĨM TẮT Nội dung luận văn nghiên cứu, thiết kế chế tạo Robot cử động thực động tác linh hoạt tương tự người Robot có khả thu nhận hình ảnh Camera, xử lý, xuất tín hiệu điều khiển để hỗ trợ điều khiển giao thông hay cảnh báo giao thông, phù hợp với kiện giao thông thực với ứng dụng thành tựu công nghệ Xử lý ảnh Luận văn bao gồm : Chương 1: Trình bày tổng quan robot dạng người tình hình giao thơng Việt Nam, giải pháp cải thiện vấn đề giao thơng Chương 2: Trình bày thiết kế chế tạo phần khí robot Chương 3: Trình bày thuật tốn tạo quỹ đạo cánh tay robot Chương 4: Trình bày phần cảm biến phần mềm xử lý tính hiệu từ camera Chương 5: Trình bày phần mạch điện điều khiển giải thuật điều khiển robot Chương 6: Ứng dụng logic mờ để xác định động tác robot Chương 7: Trình bày phần kết đạt được, mặc hạn chế hướng phát triển đề tài MỤC LỤC Chương I TỔNG QUAN 1.1 Tổng quan Robot dạng người tình hình giao thơng Việt Nam 1.1.1 Tình hình giao thơng thành phố Hồ chí Minh 1.1.2 Các giải pháp cải thiện tình hình giao thơng 1.1.3 Tổng quan robot robot dạng người 1.1.4 Tình hình nghiên cứu ngồi nước 1.1.5 Tình hình nghiên cứu nước Chương II THIẾT KẾ VÀ CHẾ TẠO PHẦN CƠ KHÍ CỦA ROBOT 10 2.1 Thiết kế sơ mơ hình hóa robot 10 2.2 Thiết kế khí 12 2.2.1 Yêu cầu phần khí Robot 12 2.2.2 Lựa chọn cấu truyền động 13 2.2.3 Các phận Robot 15 2.2.3.1 Cánh tay 15 2.2.3.2 Thân robot 17 2.2.3.3 Chân robot 17 2.2.3.4 Hộp đế 18 2.3 Tính tốn thiết kế cấu truyền động 19 2.3.1 Tính toán truyền bánh cho robot 19 2.3.2 Chọn công suất động cho khâu 20 2.3.3 Mô Động học Động lực học 21 2.4 Phân tích động học vị trí robot 23 2.4.1 Bài tốn động học vị trí Robot 24 2.4.2 Bài toán động học thuận Robot 26 2.4.3 Bài toán động học nghịch Robot 27 2.5 Bài toán động học vận tốc Robot 28 2.6 Động lực học – Phân tích lực cánh tay robot 30 Chương III TẠO QUỸ ĐẠO VÀ ĐIỀU KHIỂN CHUYỂN ĐỘNG CÁNH TAY ROBOT 33 3.1 Lập đường thông qua quỹ đạo 33 3.2 Các phương pháp tạo quỹ đạo chuyển động cánh tay robot 34 3.3 Lập quỹ đạo không gian khớp 37 3.3.1 Lập quỹ đạo đa thức bậc 37 3.3.2 Lập quỹ đạo đa thức bậc 38 3.3.3 Các đoạn thẳng với đoạn cong dạng Parabol 38 Chương IV HỆ THỐNG CẢM BIẾN 41 4.1 Hệ thống cảm biến 41 4.1.1 Khái quát Camera 41 4.1.2 Yêu cầu đặc tính Camera 42 4.1.3 Card thu hình 43 4.2 Xử lý ảnh với phần mềm Matlab 44 4.2.1 Giới thiệu hệ thống xứ lý ảnh 44 4.2.2 Cơng cụ thu thập hình ảnh (Image Acquisition Toolbox) 44 4.2.3 Image Processing Toolbox 45 4.2.4 Phân tích giải thuật 45 4.2.4.1 Tổng quan 45 4.2.4.2 Phân tích giải thuật 46 4.2.4.3 Lắp đặt hệ thống camera đèn giao thông 51 4.2.4.4 Giao diện Matlab 54 4.2.4.5 Kết 55 4.3 Encoder số 56 Chương V: HỆ THỐNG ĐIỆN CỦA ROBOT 57 5.1 Các khái niệm 57 5.1.1 Sơ lược họ vi điều khiển PIC 57 5.1.2 Chuẩn RS232 58 5.1.3 Chuẩn I2C 58 5.1.4 Thuật điều khiển PID việc rời rạc hóa 59 5.1.5 Giải thuật lập trình 61 5.2 Cách điều chỉnh hệ số 62 5.2.1 Động điện chiều DC 63 5.2.2 Điều biến độ rộng xung – Pulse Width Modulation - PWM 64 5.2.3 Động servo động servo R/C (radio controlled) 65 5.3 Cấu trúc hệ thống điều khiển 66 5.4 Cấu trúc điều khiển chuyển động khớp 67 5.5 Thiết kế hệ thống điều khiển cho robot 67 5.5.1 Bộ điều khiển 67 5.5.2 Drive điều khiển động 68 5.5.3 Mạch điều khiển động RC_SERVO 69 5.5.4 Nguồn cung cấp lượng 69 5.6 Lập trình điều khiển 70 5.6.1 Ngôn ngữ lập trình CCS 70 5.6.2 Giải thuật điều khiển 70 5.6.3 Giải thuật giao diện gười dùng 72 Chương VI: BỘ ĐIỀU KHIỂN MỜ XÁC ĐỊNH ĐỘNG TÁC ROBOT VÀ LẬP TRÌNH ĐIỀU KHIỂN 73 6.1 Khái niệm logic mờ 73 6.2 Ứng dụng logic mờ việc xác định động tác robot 73 6.2.1 Mờ hoá giá trị vào (input) 74 6.2.2 Mờ hoá giá trị (output) 75 6.2.3 Quy luật điều khiển mờ 75 6.2.4 Lập trình mờ phần mềm Matlab 79 6.2.5 Kết sử dụng điều khiển mờ xác định động tác 79 Chương VII KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN 81 7.1 Kết đạt 81 7.2 Kết thực nghiệm 81 7.2.1 Phát hiện, đếm đối tượng tham gia giao thơng xuất tín hiểu điều khiển robot sử dụng phần mềm Matlab 81 7.2.2 Thiết kế robot phần khí 81 7.2.3 Thiết kế phần điện robot 82 7.3 Nhận xét – Phân tích 83 7.3.1 Về chương trình Matlab 83 7.3.2 Về phần khí robot 83 7.3.3 Về phần điện robot 84 7.4 Kết luận 86 7.5 Hướng phát triển nghiên cứu 86 Tài liệu tham khảo 87 PHỤ LỤC 89 I Phục lục Hiệu lệnh điều khiển giao thông 89 II Phục lục phiếu điều tra xã hội 90 2.1 Phiếu Thăm Dị Ý Kiến Người Tham Gia Giao Thơng 90 2.2 Phiếu Thăm Dị Ý Kiến Cơng Ty Xây Dựng Cơng Trình Giao Thơng 91 2.3 Phiếu Thăm Dị Ý Kiến Cơng Nhân Làm Nhiệm Vụ Gác Đường 92 2.4 Phiếu Thăm Dò Ý Cảnh Sát Giao Thông 93 2.5 Phiếu thăm dò ý kiến Người Đại Diện Sở Giao Thông 93 III Phụ lục sơ đồ mạch in mạch điều khiển 94 LÝ LỊCH TRÍCH NGANG Họ tên: Ngày sinh: Địa liên lạc: Điện thoại: Email: TƯỞNG PHƯỚC THỌ Phái: Nam 02/7/1982 Nơi sinh: Bến Tre 31/1, Đường 18, P Long Thạnh Mỹ, Q.9, TP HCM 0909160264 tuongphuoctho@gmail.com QUÁ TRÌNH ĐÀO TẠO 2001-2006: Sinh viên khoa khí chế tạo máy trường Đại học Sư Phạm Kỹ Thuật thành phố Hồ Chí Minh 2008-2010: Học viên cao học chuyên ngành Công Nghệ Chế Tạo Máy trường Đại học Bách Khoa thành phố Hồ Chí Minh Q TRÌNH CƠNG TÁC 2006-2007: Công tác Công ty TNHH Mạnh Đức 2007-đến nay: Công tác trường Đại học Sư Phạm Kỹ Thuật thành phố Hồ Chí Minh ... Cơng nghệ chế tạo máy Khóa: 2008 I-TÊN ĐỀ TÀI: THIẾT KẾ CHẾ TẠO ROBOT DẠNG NGƯỜI HỖ TRỢ ĐIỀU KHIỂN GIAO THÔNG VÀ CẢNH BÁO Ở CÔNG TRƯỜNG XÂY DỰNG II-NHIỆM VỤ VÀ NỘI DUNG: ¾ Thiết kế chế tạo phần... hình dạng giống người thay hay hỗ trợ cảnh sát giao thông, lực lượng dân quân để điều phối giao thông, thúc đẩy đời đề tài: ? ?Thiết kế chế tạo Robot dạng người hỗ trợ điều khiển giao thông cảnh báo. .. dạng người THIẾT KẾ CHẾ TẠO ROBOT DẠNG NGƯỜI HỖ TRỢ ĐIỀU KHIỂN GIAO THÔNG VÀ CẢNH BÁO Ở CÔNG TRƯỜNG XÂY DỰNG Chương I: TỔNG QUAN ] ^ 1.1 Tổng quan Robot dạng người tình hình giao thơng Việt Nam: