Nghiên cứu thiết kế hệ thống phát hiện chướng ngại vật cho robot tự hành

Luận văn thạc sĩ kỹ thuật MỤC LỤC HỆ THỐNG DANH MỤC HÌNH ẢNH .3 HỆ THỐNG KÝ HIỆU, CHỮ VIẾT TẮT HỆ THỐNG DANH MỤC BẢNG BIỂU LỜI CAM ĐOAN .7 GIỚI THIỆU TỔNG QUAN VỀ ĐỀ TÀI Lý chọn đề tài Mục đích đề tài .8 Nội dung đề tài: Ý nghĩa thực tiễn đề tài: .9 CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ ROBOT TỰ HÀNH VÀ HỆ THỐNG PHÁT HIỆN CHƯỚNG NGẠI VẬT DÙNG TRONG ROBOT TỰ HÀNH 10 1.1.Tổng quan robot tự hành 10 1.2.Hệ thống phát chướng ngại vật robot tự hành 20 1.3.Kết luận .40 CHƯƠNG : GIẢI BÀI TOÁN TRÁNH VẬT CẢN CHO ROBOT TỰ HÀNH .41 2.1 Phân tích mơ hình động học robot 41 2.2 Giải tốn tìm đường tránh vật cản 42 2.3 Thuật toán cho robot 52 2.4 Giải toán giao tiếp từ xa cho robot 59 2.5 Kết luận 68 CHƯƠNG 3: ÁP DỤNG MƠ HÌNH THỰC TẾ 69 3.1 Nguyên lý hoạt động robot 69 3.2 Phân tích khối chức robot 70 3.3 Tính quãng đường di chuyển robot .71 3.4 Mơ hình thực tế .72 3.5 Các linh kiện sử dụng mơ hình 75 3.6 Thiết kế mạch 84 3.7 Lập trình 87 Luận văn thạc sĩ kỹ thuật 3.8 Kết luận 88 KẾT LUẬN .89 PHỤ LỤC 90 TÀI LIỆU THAM KHẢO .100 Luận văn thạc sĩ kỹ thuật HỆ THỐNG DANH MỤC HÌNH ẢNH Hình 1.1 Robot tự hành SmatROD 10 Hình 1.2 Mantis Robot 11 Hình 1.3 Robot thám hiểm trung tâm vũ trụ NASA 11 Hình 1.4.robot tự hành bánh Lunokhod 12 Hình 1.5 Robot Lauron II từ đại học Karlsruhe 12 Hình 1.6 Caterpillar robot ROBHAZ_DT3 Viện Khoa học Công Nghệ Hàn Quốc ( KIST ) 13 Hình 1.7 Robot tự hành Shrimp III công ty Bluebotics 13 Hình 1.8 Robot người P2 hãng Honda (Nhật Bản) 14 Hình 1.9 Robot Dog Aibo hãng Sony (Nhật Bản) 14 Hình 1.10 Một số loại robot di chuyển chân điển hình 16 Hình 1.11 Nguyên lý incremental encoder 21 Hình 1.12 (a) Mã hóa tín hiệu từ incremental encoder băng mã gray 22 Hình 1.13 Một số loại cảm biến gia tốc 23 Hình 1.14 Nguyên lý Mechanical Gyroscope 24 Hình1.15 Nguyên lý Optical Gyroscope 25 Hình 1.16 Nguyên lý đo khoảng cách sử dụng cảm biến hồng ngoại 26 Hình 1.17: Ngun lý tính khoảng cách cảm biến siêu âm 27 Hình 1.18: Tầm quét cảm biến siêu âm 27 Hình 1.19: Cảm biến siêu âm SRF05 29 Hình 1.20 Giản đồ định thời SRF05, chế độ 30 Hình 1.21.Giản đồ định thời SRF05 chế độ 32 Hình 1.22 Biểu đồ độ rộng chùm tia SRF05 33 Hình 1.23 Nguyên lý ban thu phát sóng âm 34 Hình 1.24 Sự phụ thuộc sóng âm hồi tiếp vào góc phản xạ 34 Hình 1.25 Vùng phát vật thể cảm biến SRF05 35 Hình 1.26.Vùng phát kết hợp cảm biến 35 Hình 1.27 Thị trường robot với optical flow 36 Hình 1.28 Ảnh gốc ảnh sau tách biên 37 Hình 1.29 Phương pháp dò 38 Luận văn thạc sĩ kỹ thuật Hình 1.30 Phương pháp sử dụng camera 39 Hình 2.1 Mơ hình kết cấu robot 41 Hình 2.2 Phân tích động học cho mơ hình 41 Hình 2.3 Mơ hình bố trí cảm biến cho robot 44 Hình 2.4 Chuyển động robot hệ tọa độ XY 45 Hình 2.5 Robot gặp vật cản phía trước 46 Hình 2.6 Ứng xử robot gặp vật cản phía trước 47 Hình 2.7.Robot gặp vật cản phía trước bên phải 48 Hình 2.8 Ứng xử robot gặp vật cản phía trước bên phải 48 Hình 2.9.Robot gặp vật cản phía trước phía bên trái 49 Hình 2.10.Ứng xử robot gặp vật cản phía trước bên trái 49 Hình 2.11.Robot gặp chướng ngại vật phía trước bên 50 Hình 2.12.Ứng xử robot gặp vật cản trước mặt bên 51 Hình 2.14.Điều biên cho sóng 62 Hình 2.15 Điều tần cho sóng 62 Hình 2.16 Điều pha cho sóng 63 Hình 2.17 Sóng phát theo nguyên tắc ASK 64 Hình 2.18 Sóng phát theo nguyên tắc OOK 64 Hình 2.16 Sơ đồ giải mã 67 Hình 3.1 Cách xác định điểm đến cho robot 69 Hình 3.2 Mơ hình robot 69 Hình 3.3 Sơ đồ khối chức dùng robot 70 Hình 3.4 Cơ cấu truyền động robot 71 Hình 3.5 Mơ hình robot 72 Hình 3.13 Kết nối RF Vi điều khiển 76 Hình 3.15 Sơ đồ chân IC PT2272 78 Hình 3.16 Màn hình LCD 79 Hình 3.18 Mạch giao tiếp RS232 84 Hình 3.19 LCD thu phát RF 84 Hình 3.20 Khối nguồn 85 Hình 3.23 Mạch cảm biến Siêu âm 86 Luận văn thạc sĩ kỹ thuật HỆ THỐNG KÝ HIỆU, CHỮ VIẾT TẮT LCD: Màn hình tinh thể lỏng Vss: Nguồn cung cấp Vdd: Nguồn cung cấp (+3V~+5V) GND: Nối đất RF: Bộ thu phát sóng radio Luận văn thạc sĩ kỹ thuật HỆ THỐNG DANH MỤC BẢNG BIỂU Bảng 1: Sơ đồ bánh xe robot tự hành Bảng 2: Thông số số loại cảm biến siêu âm SRF Bảng 3.1 Thông số kỹ thuật module RF 315 MHz Bảng 3.2 Các chân LCD Luận văn thạc sĩ kỹ thuật LỜI CAM ĐOAN Tơi tên Hồng Văn Tiến học viên cao học lớp 13BCĐT.KT khóa 2013B Chuyên ngành: Cơ Điện Tử Đề tài: Nghiên cứu thiết kế hệ thống phát chướng ngại vật cho robot tự hành Giáo viên hướng dẫn: GVCC.TS Nguyễn Trọng Doanh Tôi xin cam đoan nghiên cứu, thực nghiệm luận văn tác giả thực Luận văn thạc sĩ kỹ thuật GIỚI THIỆU TỔNG QUAN VỀ ĐỀ TÀI Lý chọn đề tài Tác giả chọn đề tài:” Nghiên cứu, thiết kế hệ thống phát chướng ngại vật cho robot tự hành.” với lý sau: Ngày nay, robot ứng dụng không vũ trụ, công nghiệp, quân mà sống hàng ngày.Với phát triển cảm biến giúp cho robot ngày linh hoạt mức độ tự động hóa cao hơn.Việc nghiên cứu thiết kế hệ thống phát chướng ngại vật góp phần làm cho robot nâng cao mức độ tự động hóa ngày thông minh Với sức hấp dẫn lĩnh vực tác giả chọn đề tài:” Nghiên cứu, thiết kế hệ thống phát chướng ngại vật cho robot tự hành.” Mục đích đề tài Đề tài nghiên cứu với mục đích chính: - Nghiên cứu hệ thống phát chướng ngại vật - Ứng dụng vào mơ hình robot tự hành cụ thể Nội dung đề tài: Nội dung đề tài gồm ba chương: CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ ROBOT TỰ HÀNH VÀ HỆ THỐNG PHÁT HIỆN CHƯỚNG NGẠI VẬT DÙNG TRONG ROBOT TỰ HÀNH CHƯƠNG 2: GIẢI BÀI TOÁN TRÁNH VẬT CẢN CHO ROBOT TỰ HÀNH 2.1 Phân tích mơ hình động học cho robot 2.2 Giải tồn tìm đường tránh vật cản 2.3.Thuật toán cho robot 2.4 Giải toán giao tiếp từ xa CHƯƠNG 3: ÁP DỤNG VÀO MƠ HÌNH THỰC TẾ Luận văn thạc sĩ kỹ thuật Ý nghĩa thực tiễn đề tài: Trong trình nghiên cứu tác giả mong muốn có nhìn tổng quan robot tự hành hệ thống phát chướng ngại vật cho robot.Xây dựng mơ hình robot có khả tránh chướng ngại vật có khả giao tiếp từ xa với máy tính Luận văn thạc sĩ kỹ thuật CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ ROBOT TỰ HÀNH VÀ HỆ THỐNG PHÁT HIỆN CHƯỚNG NGẠI VẬT DÙNG TRONG ROBOT TỰ HÀNH 1.1 Tổng quan robot tự hành 1.1.1 Một số mẫu robot tự hành Ngày nay, phát triển công nghiệp phát triển vượt bậc khoa học kỹ thuật người giảm thiểu tối đa phải tiếp xúc công việc nguy hiểm nặng nhọc Để đảm nhiệm thay người cơng việc địi hỏi thiết bị phải có khả thay cong người phương diện trí tuệ lẫn độ linh hoạt Vì robot tự hành giải pháp tối ưu cho cơng việc Hình 1.1 Robot tự hành SmatROD Đặc tính mang trọng tải di chuyển tụ động phẳng Về kết cấu mẫu robot tự hành tương tự hệ thống nâng chuyển điều khiển hoàn toàn tự động[9] 10 Luận văn thạc sĩ kỹ thuật Hình 3.23 Mạch cảm biến Siêu âm Hình 3.24 Thu phát RF La bàn Hình 3.25 Điều khiển động cơ, nút bấm khối nguồn 86 Luận văn thạc sĩ kỹ thuật 3.7 Lập trình 3.7.1 Lập trình cho robot[5],[6],[7],[8] Để lập trình cho mạch robot ta sử dụng ngôn ngữ C++ Với phần mềm hỗ trợ Codevision AVR Đây phần mềm lập trình cho vi điều khiển AVR sử dụng mạch thiết kế Phần mềm tích hợp phần lựa chọn thiết lâp (khởi tao) ban đầu cho vi điều khiển: chọn vi điều khiển,chon định thời,……giúp công việc lập trình trở lên đơn giản Chương trình robot phải đáp ứng yêu cầu robot từ điểm A đến B tránh vật cản Tọa độ điểm đích xác định góc qng đường, truyền tới robot thu phát RF Chương trình robot cần phải có chức giải mã thơng tin nhận từ thu sóng RF mã hóa thơng tin để gửi lên phát sóng RF (Code chương trình robot vui lịng xem phụ lục) 3.7.2 Lập trình cho mạch kết nối máy tính Để lập trình cho mạch kết nối máy tính ta dùng ngơn ngữ C++ phần mềm hỗ trợ Codevision AVR Chương trình mạch kết nối với máy tính yêu cầu phải truyền nhận liệu với máy tính, phải mã hóa liệu từ máy tính để đưa phát RF Phải giải mã liệu nhận từ thu RF truyền máy tính.(Code chương trình cho mạch kế nối vui lịng xem phụ lục) 3.7.3 Lập trình giao diện Hình 3.26 Giao diện nhập liệu cho robot máy tính 87 Luận văn thạc sĩ kỹ thuật Trên giao diện ta xác định điểm đến robot cách nhập góc quãng đường Ta có chế độ điều khiển phím chế độ tự động Ngồi robot di chuyển vị trí robot cập nhật qua quãng đường góc quay Để lập trình giao diện cho robot ta sử dụng ngôn ngữ visual basic 3.8 Kết luận Chương tác giả trình bày trình thiết kế hệ thống phát tránh chướng ngại vật cho robot tự hành Robot có khả truyền nhận liệu với máy tính thơng qua hệ thống thu phát sóng RF Với kết kiểm chứng mơ hình thực tế 88 Luận văn thạc sĩ kỹ thuật KẾT LUẬN Trong trình nghiên cứu, luận văn giải toán tìm đường, tránh chướng ngại vật cho robot Đưa trường hợp mà robot tự hành gặp phải tới đích từ đưa thuật tốn chương trình cho trường hợp cụ thể Tuy nhiên, thuật tốn cịn sơ khai chưa đáp ứng linh hoạt hình dạng sản phẩm có nhiều góc cạnh cung trịn Tác giả chế tạo mơ hình thực tế với tính robot tự hành : Tránh vật cản đường tới đích Ngồi ra, mơ hình robot cịn có khả giao tiếp với máy tính thơng qua module thu phát RF Tuy nhiên, mơ hình cịn có nhiều nhược điểm cần khắc phục : không phát chướng ngại vật tầm thấp, không phát chướng ngại vật lùi, với chướng ngại vật có hình dáng phức tạp dễ làm cho robot lệch quỹ đạo ban đầu Để khắc phục nhược điểm ta bố trí thêm nhiều cảm biến xung quanh phía sau robot, bố trí thêm cảm biến tầm cao tầm thấp để xác định chiều cao vật cản tránh va chạm với robot Hoàn thiện thuật tốn cho đối tượng vật cản có hình dáng phức tạp 89 Luận văn thạc sĩ kỹ thuật - PHỤ LỤC Code chương trình mạch điều khiển robot { #include #include "include\lcd.c" #include "include\laban.c" #include "include\encoder.c" #include "include\motor.c" #include "include\move.c" #include "include\srf05.c" #define RF_P_B0 #define RF_P_B1 #define RF_P_B2 #define RF_P_B3 #define RF_T_B0 #define RF_T_B1 #define RF_T_B2 #define RF_T_B3 #define RF_VT PORTA.0 PORTA.1 PORTA.2 PORTA.3 PINA.7 PINA.6 PINA.5 PINA.4 PINC.7 #define RF_CMD_UP 13 #define RF_CMD_DOWN 12 #define RF_CMD_LEFT 11 #define RF_CMD_RIGHT 10 #define RF_CMD_STOP #define RF_CMD_RUN unsigned char RF_data[15],RF_cmd; unsigned char chieu,vtt,vtp,vantoc,vantoc_90,vantoc_80,va ntoc_70,vantoc_60,vantoc_50; unsigned char f_tien=0; int goc_ht,goc_cmd; eeprom unsigned char speed=35; eeprom unsigned int goc=90,quangduong=123; void RF_SEND_BIT(unsigned char number) // Truyen chuoi bit { unsigned char m[4],temp,i; RF_P_B0=0; RF_P_B1=0; RF_P_B2=0; RF_P_B3=0; delay_ms(250); temp=number; for(i=0;i>1; } RF_P_B0=m[0]; RF_P_B1=m[1]; RF_P_B2=m[2]; RF_P_B3=m[3]; delay_ms(250); } void RF_SEND_DATA() // Ham truyen du lieu sang robot { // Truyen theo thu tu: SPEED GOC QUANG DUONG unsigned char m[5],i,qd_count; unsigned int temp; RF_SEND_BIT(15); // Truyen ma 1111, bao hieu chuan bi nhan du lieu delay_ms(2000); temp=speed; // Truyen van toc SPEED, chu so m[0]=temp%10; m[1]=temp/10; RF_SEND_BIT(m[1]+1); RF_SEND_BIT(m[0]+1); temp=goc; // Truyen goc quay GOC, chu so for(i=0;i