Nghiên cứu một số phương pháp phát hiện biên và ứng dụng vào bài toán robot di chuyển dọc theo hành lang luận văn thạc sĩ

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƢỜNG ĐẠI HỌC LẠC HỒNG *** TRẦN THANH PHƢƠNG NGHIÊN CỨU MỘT SỐ PHƢƠNG PHÁP PHÁT HIỆN BIÊN VÀ ỨNG DỤNG VÀO BÀI TOÁN ROBOT DI CHUYỂN DỌC THEO HÀNH LANG LUẬN VĂN THẠC SĨ CÔNG NGHỆ THÔNG TIN Đồng Nai, Năm 2011 BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƢỜNG ĐẠI HỌC LẠC HỒNG *** TRẦN THANH PHƢƠNG NGHIÊN CỨU MỘT SỐ PHƢƠNG PHÁP PHÁT HIỆN BIÊN VÀ ỨNG DỤNG VÀO BÀI TOÁN ROBOT DI CHUYỂN DỌC THEO HÀNH LANG Chuyên ngành : CÔNG NGHỆ THÔNG TIN Mã số : 60.48.05 LUẬN VĂN THẠC SĨ CÔNG NGHỆ THÔNG TIN NGƢỜI HƢỚNG DẪN KHOA HỌC TS TRẦN HÀNH Đồng Nai, Năm 2011 LỜI CAM ĐOAN Tơi xin cam đoan cơng trình nghiên cứu thân Các số liệu, kết trình bày luận văn trung thực Những tƣ liệu đƣợc sử dụng luận văn có nguồn gốc trích dẫn rõ ràng, đầy đủ Học viên Trần Thanh Phƣơng LỜI CẢM ƠN Trước hết xin cảm ơn đến tồn thể q Thầy, Cơ Trường Đại học Lạc Hồng tồn thể q Thầy, Cơ cộng tác giảng dạy khóa cao học Trường Đặc biệt tơi xin gửi lời cảm ơn sâu sắc đến Thầy giáo hướng dẫn TS.Trần Hành dẫn khoa học tận tình hướng dẫn cho tơi suốt q trình tơi làm luận văn Nếu khơng có giúp đỡ Thầy tơi khó hồn thành luận văn Cũng qua đây, xin chân thành cảm ơn lãnh đạo Trung tâm Thông tin Tư liệu Trường Đại học Lạc Hồng, nơi công tác, tạo điều kiện thuận lợi cho thời gian tơi hồn thành mơn học khóa học cao học suốt q trình tơi làm luận văn Cuối cùng, xin cảm ơn gia đình, bạn bè đồng nghiệp ln ủng hộ, động viên để tơi vượt qua khó khăn hồn thành luận văn MỤC LỤC LỜI CAM ĐOAN i LỜI CẢM ƠN ii MỤC LỤC iii DANH MỤC HÌNH iv MỞ ĐẦU CHƢƠNG TỔNG QUAN VỀ ROBOT VÀ ĐƢỜNG ĐI 1.1 Sơ lƣợc trình phát triển 1.2 Những ứng dụng điển hình robot 1.3 Một số định nghĩa 13 1.4 Phân loại robot 16 1.4.1 Phân loại theo dạng hình học không gian hoạt động 16 1.4.2 Phân loại theo hệ 19 1.4.3 Phân loại theo điều khiển 23 1.4.4 Phân loại robot theo nguồn dẫn động 24 1.5 Các kỹ thuật xác định đƣờng cho robot 24 CHƢƠNG 26 CÁC KỸ THUẬT TÌM ĐƢỜNG ĐI CỦA ROBOT 26 2.1 Giới thiệu robot tự hành 26 2.2 Kỹ thuật tìm đƣờng robot 26 2.2.1 Kỹ thuật điều khiển thiết bị cầm tay 26 2.2.2 Kỹ thuật dùng thiết bị cảm ứng 27 2.2.3 Kỹ thuật dùng xử lý ảnh 27 2.2.3.1 Kỹ thuật dò biên 27 2.2.3.2 Các phƣơng pháp phát biên trực tiếp 29 2.2.3.3 Phƣơng pháp phát biên gián tiếp 44 2.3.3.4 Một số nhận xét đánh giá phƣơng pháp phát biên (phƣơng pháp Gadient, phƣơng pháp Laplace, phƣơng pháp Canny) 50 2.2.3.5 Biến đổi Hough 52 2.3 Một số nhận xét kỹ thuật tìm đƣờng cho robot 55 2.3.1 Kỹ thuật điều khiển tay 55 2.3.2 Kỹ thuật dò line thiết bị cảm ứng 55 2.3.3 Kỹ thuật tìm đƣờng phƣơng pháp xử lý ảnh 56 CHƢƠNG 57 CÀI ĐẶT THỬ NGHIỆM 57 3.1 Giới thiệu 57 3.2 Cài đặt thuật toán xác định đƣờng cho Robot 57 3.2.1 Thuật tốn xác định vị trí cho robot 60 3.2.2 Thuật toán xác định tọa độ trái phải gần 63 3.2.3 Kết thử nghiệm thuật toán Canny Hough 66 Kết luận chƣơng 69 KẾT LUẬN 70 TÀI LIỆU THAM KHẢO DANH MỤC HÌNH Hình 1.1 Robot chân hãng R.S Mosher hãng General Electric Hình 1.2 Xe tự hành thám hiểm mặt trăng Lunokohod Hình 1.3 Tay robot tàu thám hiểm Viking Hình 1.4 Robot lập trình đƣợc George Dovol thiết kế Hình 1.5 Robot hàm điểm nhà máy sản xuất xe Hình 1.6 Hệ thống robot hàn đƣờng hãn FANUC Hình 1.7 Đầu hàn có trang bị cảm biến dị tìm đƣờng laser 10 theo không gian ba chiều 10 Hình 1.8 Robot lắp ráp mạch in có hệ thống camera 11 quan sát đƣợc dùng để xác định vị trí chân mạch in 11 Hình 1.9 Robot đƣợc sử dụng máy ép nhựa 12 để lấy thành phẩm 12 Hình 1.10 Ngun lý hoạt động, khơng gian làm việc 17 sơ đồ động học robot toạ độ vng góc 17 Hình 1.11 Nguyên lý hoạt động, không gian làm việc 17 sơ đồ động học robot toạ độ trụ 17 Hình 1.12 Ngun lý hoạt động, khơng gian làm việc 18 sơ đồ động học robot toạ độ cầu 18 Hình 1.13 Nguyên lý hoạt động, không gian làm việc 18 sơ đồ động học robot liên kết lề 18 Hình 1.14 Ngun lý hoạt động, khơng gian làm việc 18 sơ đồ động học robot dạng SCARA 18 Hình 1.15 Một dạng robot gắp đặt 23 Hình 1.16 Một loại robot sơn 23 thực đƣờng dẫn liên tục 23 Hình 2.1: Biên ảnh với kỹ thuật Laplace 35 Hình 2.2: Đạo hàm hàm Gauss theo hai hƣớng (x, y) 40 Hình 2.3: Mơ hình điểm biên lân cận 41 Hình 2.4: Biên ảnh theo phƣơng pháp Canny 43 Hình 2.5 Ma trận 8-láng giềng kề 44 Hình 2.6 Ví dụ chu tuyến đối tƣợng ảnh 45 Hình 2.7 Chu tuyến trong, chu tuyến ngồi 46 Hình 2.8 Đƣờng th ng Hough tọa độ cực 54 Hình 3.1 Lƣu đồ tìm đƣờng cho robot 59 Hình 3.2 Cách xác định điểm cho robot 61 Hình 3.3 Lƣu đồ xác định điểm di chuyển cho robot 62 Hình 3.4 Các xác định điểm trái phải gần 63 Hình 3.5 Lƣu đồ xác định điểm bên trái bên phải gần 64 Hình 3.6 Ảnh hành lang gốc 66 Hình 3.7 Ảnh biên a 67 Hình 3.8 Ảnh Hough a 67 Hình 3.9 Ảnh biên b 67 Hình 3.10 Ảnh Hough b 67 Hình 3.11 Ảnh biên c 67 Hình 3.12 Ảnh Hough c 67 Hình 3.13 Ảnh biên d 68 Hình 3.14 Ảnh Hough d 68 Hình 3.15 Ảnh biên e 68 Hình 3.16 Ảnh Hough e 68 MỞ ĐẦU Lý chọn đề tài Trong thời đại ngày robot giúp ta làm công việc nặng nhọc, nguy hiểm cho sức khỏe ch ng hạn nhƣ nhà máy hóa chất, nơi có nhiều chất phóng xạ Những dây chuyền cần tự động hóa khơng thể thiếu robot, đặc biệt robot làm việc liên tục thời gian dài với độ xác cao Xu hƣớng nghiên cứu phát triển robot giới đƣợc quan tâm nhiều thời gian qua : tay máy robot (Robot Manipulators), Robot di động (Mobile Robots), Robot sinh học (Bio Inspired Robots) Robot cá nhân (Personal Robots) Với Robot sinh học, nghiên cứu thời gian qua tập trung vào loại Robot (Walking robots) Robot dáng ngƣời (Humanoid Robots) Robot di động đƣợc nghiên cứu nhiều nhƣ Xe tự hành mặt đất AGV (Autonomous Guided Vehicles), Robot tự hành dƣới nƣớc AUV (Autonomous Underwater Vehicles), Máy bay không ngƣời lái UAV (Unmanned Arial Vehicles) [11] Vừa qua, Công ty Cybertein Robots Limited Anh chế tạo thành cơng Robot Titan có khả nói chuyện, ca hát, nhảy theo nhạc, cử hành động nhanh nhẹn linh hoạt giống ngƣời đặc biệt robot di chuyển thông minh [12] [13] Ở Việt Nam, doanh nghiệp thiết kế chế tạo có nhiều sản phẩm ấn tƣợng thị trƣờng quốc tế, phải nói đến Cơng ty Cổ phần Robot TOSY TOSY gây thƣơng hiệu Robot đánh bóng bàn TOPIO Ping Pong đƣợc trình diễn Hội chợ quốc tế Robot IREX 2009 Nhật Bản năm 2009 [11] ...BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƢỜNG ĐẠI HỌC LẠC HỒNG *** TRẦN THANH PHƢƠNG NGHIÊN CỨU MỘT SỐ PHƢƠNG PHÁP PHÁT HIỆN BIÊN VÀ ỨNG DỤNG VÀO BÀI TOÁN ROBOT DI CHUYỂN DỌC THEO HÀNH LANG Chuyên ngành... dò biên 27 2.2.3.2 Các phƣơng pháp phát biên trực tiếp 29 2.2.3.3 Phƣơng pháp phát biên gián tiếp 44 2.3.3.4 Một số nhận xét đánh giá phƣơng pháp phát biên (phƣơng pháp Gadient,... 1921, từ robot cách gọi tắt từ robota theo tiếng Tiệp có nghĩa cơng việc lao dịch Những robot thực có ích đƣợc nghiên cứu để đƣa vào ứng dụng cơng nghiệp tay máy Vào năm 1948, nhà nghiên cứu Goertz