Điều hướng cho robot tự hành là công việc đòi hỏi phải thực hiện được một số khả năng khác nhau, bao gồm : khả năng di chuyển ở mức cơ bản, ví dụ như hoạt động đi tới vị trí cho trước;[r]
(1)BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƢỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ TP HCM
-
PHẠM DỰ
NGHIÊN CỨU, THIẾT KẾ ROBOT DỊ ĐƢỜNG ĐI BẰNG SĨNG SIÊU ÂM
LUẬN VĂN THẠC SĨ
Chuyên ngành: Kỹ thuật Cơ điện tử Mã số ngành: 60520114
(2)BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƢỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ TP HCM
-
PHẠM DỰ
NGHIÊN CỨU, THIẾT KẾ ROBOT DỊ ĐƢỜNG ĐI BẰNG SĨNG 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
(3)CƠNG TRÌNH ĐƯỢC HỒN THÀNH TẠI
TRƢỜNG ĐẠI HỌC CƠNG 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:
TT Họ tên Chức danh Hội đồng
1 PGS TS Lê Hữu Sơn Chủ tịch
2 TS Nguyễn Thanh Phương Phản biện
3 TS Võ Hồng Duy Phản biện
4 PGS TS Ngơ Cao Cường Ủy viên
5 TS Nguyễn Hùng Ủy viên, Thư ký
Xác nhận Chủ tịch Hội đồng đánh giá Luận sau Luận văn sửa chữa
(4)TRƯỜNG ĐH CƠNG NGHỆ TP HCM
PHỊNG QLKH – ĐTSĐH
CỘNG HÒA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM 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 DỊ ĐƯỜNG ĐI BẰNG SĨNG SIÊU ÂM
II- Nhiệm vụ nội dung:
Nhiệm vụ: Điều khiển mobile robot dị đường mê cung tìm đường
ngắn
Nội dung:
˗ Nghiên cứu thuật tốn 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: ngày11 tháng năm 2015
V- Cán hƣớng dẫn:TS.NGUYỄN DUY ANH
CÁN BỘ HƢỚNG DẪN KHOA QUẢN LÝ CHUYÊN NGÀNH
(5)
LỜI CAM ĐOAN
Tôi xin cam đoan cơng trình nghiên cứu riêng tơi Các số liệu, kết nêu Luận văn trung thực chưa công bố cơng trình khác
Tơi xin cam đoan giúp đỡ cho việc thực Luận văn cảm ơn thơng tin trích dẫn Luận văn rõ nguồn gốc
Học viên thực Luận văn
Phạm Dự
(6)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 chun mơn 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
(7)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 Mơ 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 ngồi 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 thơng 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 tốn tìm đường ngắn Robot dị tồn mê cung Đường hiển thị lên giao diện Matlab GUI
Toàn kết việc dị đường, tìm đường ngắn nhất, thơng tin mê cung lưu máy tính qua file text Matlab Kết sử dụng cho lần di chuyển
Việc tính tốn ước lượng thơng 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
(8)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
(9)MỤC LỤC
Chương 1: TỔNG QUAN
Giới thiệu chung
1.1 Phân loại robot tự hành
1.2 1.2.1 Robot tự hành di chuyển chân (Legged Robot)
1.2.2 Robot tự hành di chuyển bánh (Wheel Robot)
Phương pháp điều hướng cho robot tự hành
1.3 1.3.1 Phương pháp điều hướng có tính tốn
1.3.2 Phương pháp điều hướng robot theo phản ứng
1.3.3 Phương pháp điều hướng lai ghép 11
Tính cấp thiết đề tài 11
1.4 Mục tiêu nội dung nghiên cứu 11
1.5 1.5.1 Mục tiêu đề tài 11
1.5.2 Nội dung nghiên cứu 12
Tổng quan lĩnh vực nghiên cứu 12
1.6 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
Lựa chọn cách bố trí bánh xe 18
1.7 Chương 2: MÊ CUNG VÀ GIẢI THUẬT TÌM ĐƯỜNG TRONG MÊ CUNG 21 Robot vẽ đồ 21
2.1 2.1.1 Vấn đề định vị Robot tự hành 21
2.1.2 Sóng siêu âm 22
(10)2.1.4 Lựa chọn phương án định vị nhận diện vật cản 24
Mê cung thuật tốn tìm đường mê cung 24
2.2 Thuật tốn tìm đường ngẫu nhiên 25
2.3 Thuật toán bám theo tường 25
2.4 Thuật toán Pledge 26
2.5 Thuật tốn Trémaux 27
2.6 Thuật tốn lấp kín đường cụt 28
2.7 Thuật tốn tìm đường ngắn (floodfill) 29
2.8 Chương 3: THIẾT KẾ MƠ HÌNH XE DỊ MÊ CUNG 34
Cơ sở lý thuyết 34
3.1 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
Thiết kế khí 37
3.2 3.2.1 Thiết kế xe dị mê cung 37
3.2.2 Thiết kế mê cung thực nghiệm 40
Hệ thống điện 41
3.3 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
Đặt vấn đề 53
4.1 Nguyên tắc xây dựng giải thuật điều khiển cho xe 53
4.2 Mảng liệu lưu trữ 53
(11)4.3.2 Mảng liệu lưu trữ cố định 55
Lưu đồ giải thuật 56
4.4 4.4.1 Giải thuật điều khiển vi điều khiển 56
4.4.2 Giải thuật quản lí liệu vẽ mê cung 59
Thiết kế giao diện mê cung phần mềm matlab GUI 61
4.5 Chương 5: THỰC NGHIỆM ĐIỀU KHIỂN VÀ KẾT LUẬN 63
Đánh giá 63
5.1 5.1.1 Khả di chuyển robot 63
5.1.2 Khả nhận dạng vật cản cảm biến siêu âm: 63
5.1.3 Khả di chuyển mê cung theo thuật toán: 63
Thực nghiệm 64
5.2 5.2.1 Mê cung thực nghiệm 64
5.2.2 Kết thực nghiệm 64
KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN CỦA ĐỀ TÀI 69
1 Những vấn đề làm được: 69
2 Những vấn đề chưa làm được: 69
(12)DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT RF: Radio Frequency
DANH MỤC CÁC BẢNG
Bảng 1: Sơ đồ bánh xe Robot tự hành
Bảng 2: Sơ đồ chân Module MB3A 46
Bảng 3: Sơ đồ chân Module RF Transceiver CC1101 49
Bảng 4: Tổng hợp chân vi điều khiển nối với chân module 50
(13)DANH MỤC CÁC HÌNH
Hình 1.1 Robot SDR-4X, chết tạo năm 2003 hãng Sony
Hình 1.2 Robot chân
Hình 1.3 Mơ hình robot chân
Hình 1.4. Các loại bánh xe dùng Robot tự hành
Hình 1.5 Robot tự hành Rover thám hiểm Hoả
Hình 1.6 Robot cắt cỏ
Hình 1.7 Robot hút bụi Trilobite
Hình 1.8 Sơ đồ cấu trúc phương pháp điều khiển có tính tốn
Hình 1.9 Sơ đồ tìm đường giải thuật 14
Hình 1.10. Giao diện mơ mê cung 14
Hình 1.11. Giao diện (GUI) mơ mê cung 15
Hình 1.12. Tọa độ ảo mê cung 15
Hình 1.13. Robot cỡ nhỏ sử dụng báo 16
Hình 1.14. Mê cung thiết kế mê cung thực tế 16
Hình 1.15. Robot thí nghiệm 17
Hình 1.16. Kết thí nghiệm 17
Hình 1.17. Sơ đồ khối Mobile Robot 18
Hình 1.18. Robot chạy mê cung 18
Hình 1.19. Hai bánh chuyển động vi sai 19
Hình 1.20. Hai bánh truyền động phía sau 19
Hình 1.21. Hai bánh truyền động có điểm thứ ba tiếp xúc 20
Hình 2.1. Mê cung đơn kết nối 24
Hình 2.2. Mê cung đa kết nối 25
Hình 2.3. Thuật tốn bám theo tường 26
Hình 2.4. Thuật tốn Pledge 27
Hình 2.5. Thuật tốn Tremaux 28
Hình 2.6.Bước giải thuật lấp đường cụt 29
Hình 2.7.Bước giải thuật lấp đường cụt 29
Hình 2.8. Bước giải thuật floodfill 30
(14)Hình 2.10. Bước giải thuật Floodfill 31
Hình 2.11 Mảng val sau hồn thành giải thuật 32
Hình 2.12. Đường ngắn tìm từ giải thuật Floodfill 32
Hình 3.1. Cấu tạo động DC 34
Hình 3.2.Động DC 34
Hình 3.3.Động DC Servo 35
Hình 3.4. Cấu tạo động bước 35
Hình 3.5. Mơ hình Mobile Robot 36
Hình 3.6. Họ đặc tính động điện chiều 37
Hình 3.7. Động DC Servo NF5475E 38
Hình 3.8. Bánh xe chủ động Robot 38
Hình 3.9. Bánh trước Robot 38
Hình 3.10. Hình chiếu Robot 39
Hình 3.11. Hình chiếu cạnh Robot 39
Hình 3.12. Hình thực tế Robot 40
Hình 3.13. Các foam làm tường mê cung 40
Hình 3.14. Sơ đồ khối Robot dò đường 41
Hình 3.15. Mơ lan truyền sóng siêu âm 41
Hình 3.16. Phạm vi góc hoạt động tốt Module 42
Hình 3.17. Module cảm biến siêu âm HC-SR04 sơ đồ đấu dây 42
Hình 3.18 Biểu đồ thời gian 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 sóng siêu âm 45
Hình 3.22. Hiện tượng Forescasting 45
Hình 3.23.Mạch cầu H 46
Hình 3.24. Sơ đồ kết nối Module MB3A 47
Hình 3.25. Cấu tạo ngoại vi vi điều khiển STM32F407VGT6 49
Hình 3.26. Sơ đồ đấu dây Module RF Transceiver CC1101 50
Hình 3.27. Sơ đồ khối mạch nguồn cho Robot 52
(15)Hình 4.2. Giải thuật thẳng theo tường mê cung 57
Hình 4.3. Giải thuật rẽ hướng xe 58
Hình 4.4. Giải thuật xác định tọa độ xe 59
Hình 4.5. Chương trình matlab 60
Hình 4.6. Giải thuật vẽ mê cung 61
Hình 4.7 Giao diện hiển thị mê cung 62
Hình 5.1. Robot góc mê cung 64
Hình 5.2. Mê cung chưa biết trước kích thước 8x8 64
Hình 5.3. Bản đồ mê cung sau chạy lần 66
Hình 5.4. Bản đồ mê cung sau chạy lần 66
Hình 5.5. Bản đồ mê cung sau chạy lần 67
Hình 5.6. Kết đồ mê cung Matlab GUI 67
(16)Chƣơng 1:TỔNG QUAN Giới thiệu chung
1.1.
Ngày nay, Robot học đạt thành tựu to lớn sản xuất công nghiệp Những cánh tay robot có khả làm việc với tốc độ cao, xác liên tục làm suất lao động tăng nhiều lần Chúng làm việc môi trường độc hại hàn, phun sơn, nhà máy hạt nhân, hay lắp ráp linh kiện điện tử tạo điện thoại, máy tính…một cơng việc địi hỏi tỉ mỉ, xác cao Tuy nhiên robot có hạn chế chung hạn chế khơng gian làm việc Khơng gian làm việc chúng bị giới hạn số bậc tự tay máy vị trí gắn chúng Ngược lại, Robot tự hành lại có khả hoạt động cách linh hoạt môi trường khác
Robot tự hành loại Mobile robot có khả tự hoạt động, thực thi nhiệm vụ mà không cần can thiệp người Với cảm biến, chúng có khả nhận biết mơi trường xung quanh Robot tự hành ngày có nhiều ý nghĩa ngành công nghiệp, thương mại, y tế, ứng dụng khoa học phục vụ đời sống người Với phát triển ngành Robot học, robot tự hành ngày có khả hoạt động môi trường khác nhau, tùy lĩnh vực áp dụng mà chúng có nhiều loại khác robot sơn, robot hàn, robot cắt cỏ, robot thám hiểm đại dương, robot làm việc vũ trụ Cùng với phát triển yêu cầu thực tế, robot tự hành tiếp tục đưa thách thức cho nhà nghiên cứu
Vấn đề robot tự hành làm để robot tự hành hoạt động, nhận biết mơi trường thực thi nhiệm vụ đề Vấn đề di chuyển, Robot tự hành nên di chuyển cấu di chuyển lựa chọn tốt Điều hướng vấn đề nghiên cứu chế tạo Robot tự hành Trong hiệp hội nghiên cứu Robot tự hành có hướng nghiên cứu khác nhau:
Hướng thứ nghiên cứu Robot tự hành có khả điều hướng tốc độ cao nhờ thông tin thu từ cảm biến, loại robot có khả hoạt động mối trường phịng mơi trường bên ngồi Loại robot u cầu khả tính tốn đồ sộ trang bị cảm biến có độ nhạy cao, dải đo lớn để điều khiển robot di chuyển tốc độ cao, mơi trường có địa hình phức tạp
(17)Bài toán dẫn hướng cho robot tự hành chia làm loại: tốn tồn cục (global) tốn cục (local) Ở tồn cục, mơi trường làm việc robot hoàn toàn xác định,đường vật cản hoàn tồn biết trước Ở tốn cục bộ, mơi trường hoạt động robot chưa biết trước biết phần Các cảm biến thiết bị định vị cho phép robot xác định vật cản, vị trí mơi trường giúp tới mục tiêu
Các vấn đề gặp phải điều hướng cho Robot tự hành thường không giống loại robot khác Để điều hướng cho Robot tự hành, định theo thời gian thực phải dựa vào thông tin liên tục môi trường thông qua cảm biến, môi trường phịng ngồi trời, điểm khác biệt lớn so với kỹ thuật lập kế hoạch ngoại tuyến.Robot tự hành phải có khả tự định phương thức điều hướng, định hướng chuyển động để tới đích thực nhiệm vụ định
Điều hướng cho robot tự hành cơng việc địi hỏi phải thực số khả khác nhau, bao gồm : khả di chuyển mức bản, ví dụ hoạt động tới vị trí cho trước; khả phản ứng kiện theo thời gian thực, ví dụ có xuất đột ngột vật cản; khả xây dựng, sử dụng trì đồ mơi trường hoạt động; khả xác định vị trí robot đồ đó; khả thiết lập kế hoạch để tới đích tránh tình khơng mong muốn khả thích nghi với thay đổi môi trường hoạt động
Phân loại robot tự hành 1.2.
Robot tự hành chia làm loại loại robot tự hành chuyển động chân robot tự hành chuyển động bánh.Ngoài số loại robot hoạt động môi trường đặc biệt nước hay khơng trung chúng trang bị cấu di chuyển đặc trưng
1.2.1.Robot tự hành di chuyển chân (Legged Robot)
Ưu điểm lớn loại robot thích nghi di chuyển địa hình gồ ghề Hơn chúng cịn qua vật cản hố, vết nứt sâu
(18)Robot tự hành di chuyển chân mơ theo lồi động vật mà chúng có loại chân, loại 2,4,6 chân nhiều Dưới số loại robot điển hình chuyển động chân
Hình 1.1 Robot SDR-4X, chết tạo năm 2003 hãng Sony
(19)Hình 1.3 Mơ hình robot chân
1.2.2.Robot tự hành di chuyển bánh (Wheel Robot)
Bánh xe cấu chuyển động sử dụng rộng rãi công nghệ Robot tự hành Vấn đề cân thường vấn đề ý nhiều robot di chuyển bánh Ba bánh kết cấu có khả trì cân nhất, nhiên kết cấu bánh cân Khi robot có số bánh nhiều thơng thường người ta phải thiết kế hệ thống treo để trì tiếp xúc tất bánh xe với mặt đất Vấn đề robot loại lực kéo, độ ổn định khả điều khiển chuyển động.v.v Hình 1.2 giới thiệu loại bánh xe sử dụng Robot tự hành:
a/ Bánh xe tiêu chuẩn: bậc tự do, quay quanh trục bánh xe điểm tiếp xúc
b/ Bánh lái: bậc tự do, quay xung quanh khớp lái
(20)Hình 1.4. Các loại bánh xe dùng Robot tự hành
Sơ đồ bánh xe robot tự hành bánh, bánh, bánh bánh liệt kê bảng đây:
Bảng 1: Sơ đồ bánh xe Robot tự hành
S ố bánh
Sắp xếp Miêu tả
2
Một bánh lái phía trước, bánh phía sau
Hai bánh truyền động với trọng tâm bên trục bánh xe
3
Hai bánh truyền động có điểm thứ tiếp xúc
Hai bánh truyền động độc lập phía sau bánh lái phía trước