NGHIÊN CỨU THUẬT TOÁN ĐIỀU KHIỂN MÔ HÌNH ROBOT OMNI 4 BÁNH BÁM QUỸ đạo CHO TRƯỚC

HỌC VIỆN KỸ THUẬT QUÂN SỰ KHOA HÀNG KHÔNG VŨ TRỤ BỘ MÔN ROBOT ĐẶC BIỆT VÀ CƠ ĐIỆN TỬ KHÓA 15 HỆ ĐÀO TẠO KỸ SƯ DÂN SỰ ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP CHUYÊN NGÀNH CƠ ĐIỆN TỬ NGHIÊN CỨU THUẬT TỐN ĐIỀU KHIỂN MƠ HÌNH ROBOT OMNI BÁNH BÁM QUỸ ĐẠO CHO TRƯỚC NGUYỄN VĂN TIẾN TRẦN ĐÌNH HIẾU HÀ NỘI 2021 HỌC VIỆN KỸ THUẬT QUÂN SỰ KHOA HÀNG KHÔNG VŨ TRỤ BỘ MÔN ROBOT ĐẶC BIỆT VÀ CƠ ĐIỆN TỬ KHÓA 15 HỆ ĐÀO TẠO KỸ SƯ DÂN SỰ ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP CHUYÊN NGÀNH CƠ ĐIỆN TỬ NGHIÊN CỨU THUẬT TỐN ĐIỀU KHIỂN MƠ HÌNH ROBOT OMNI BÁNH BÁM QUỸ ĐẠO CHO TRƯỚC NGUYỄN VĂN TIẾN TRẦN ĐÌNH HIẾU Cán hướng dẫn: Trung tá, TS Nguyễn Anh Văn Trung tá, TS Vũ Thế Trung Giáp LỜI CẢM ƠN Trong trình hồn thành đồ án tốt nghiệp này, chúng em nhận giúp đỡ, định hướng, tận tình dẫn, góp ý, động viên chúng em Thầy hướng dẫn: Trung tá, TS Nguyễn Anh Văn Trung tá, TS Vũ Thế Trung Giáp Chúng em xin bày tỏ lịng biết ơn sâu sắc kính trọng tới hai Thầy Chúng em xin gửi lời cảm ơn trân trọng tới quý thầy cô giáo khác môn Robot đặc biệt Cơ điện tử - Khoa Hàng không vũ trụ, Ban Lãnh đạo Học Viện Kỹ Thuật Quân Sự, quan tâm tạo điều kiện thuận lợi để trang bị cho chúng em kiến thức trình học tập, nhiệt tình giúp đỡ chúng em suốt khóa học vừa qua Do thời gian thực mức độ rộng lớn đề tài, nên dù cố gắng thực nghiêm túc phương án giải toán chúng em chắn tránh khỏi thiếu sót Chúng em xin cảm ơn thầy hội đồng dành thời gian nhận xét, góp ý để đồ án chúng em hoàn thiện Xin chân thành cảm ơn! Hà Nội, Ngày 20 Tháng Năm 2021 Sinh viên thực Nguyễn Văn Tiến Trần Đình Hiếu MỤC LỤC LỜI CẢM ƠN MỞ ĐẦU A Đặt vấn đề B Mục đích nghiên cứu C Ý nghĩa nghiên cứu D Nội dung nghiên cứu 10 E Phạm vi nghiên cứu 10 CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN 12 1.1 Tổng quan robot tự hành 12 1.1.1 Giới thiệu sơ lược 12 1.1.2 Lịch sử phát triển 13 1.1.3 Các thành phần robot tự hành 17 1.1.4 Phân loại robot tự hành 18 1.1.4.1 Robot tự hành di chuyển chân (Legged Robot) 18 1.1.4.2 Robot tự hành di chuyển bánh 21 1.1.4.3 Robot bánh xích 27 1.1.4.4 Robot di chuyển nước 28 1.1.5 Ứng dụng robot tự hành 29 1.1.6 Nhiệm vụ robot tự hành 29 1.1.7 Cấu trúc mobile robot 29 1.1.8 Dạng chuyển động robot tự hành 30 1.2 Tổng quan mạch nhúng Arduino 30 1.2.1 Tìm hiểu chung Arduino 30 1.2.2 Phần mềm lập trình Arduino IDE 30 1.2.3 Mạch Arduino Mega 2560 R3 36 1.3 Tổng quan phần mềm LabVIEW 38 1.3.1 Tổng quan phần mềm LabVIEW 38 1.3.2 Khả phần mềm LabVIEW 40 1.4 Tìm hiểu tổng quan xử lý ảnh phầm mềm LabVIEW 43 1.4.1.Giới thiệu hệ thống xử lý ảnh 43 1.4.2 Những vấn đề hệ thống xử lý ảnh 45 1.4.3.Thu nhận ảnh 47 1.4.4.Biểu diễn ảnh 48 1.4.5.Không gian màu 48 1.5 Tổng quan giải pháp dẫn đường định vị cho robot 49 1.5.1 Giới thiệu chung 49 1.5.2 Một số giải pháp dẫn đường cho robot di động 52 1.6 Phân tích đặt yêu cầu toán 55 CHƯƠNG 2: THIẾT KẾ MƠ HÌNH ROBOT 57 2.1 Phân tích yêu cầu thiết kế 57 2.1.1 Đặc điểm thiết kế robot omni 57 2.1.2 Lựa chọn vật liệu cho thân xe 57 2.1.3 Lựa chọn bánh omni 59 2.1.4 Lựa chọn loại động cho bánh xe dẫn động 60 2.1.5 Lựa chọn mạch điều khiển, driver động 61 2.1.6 Lựa chọn nguồn 66 2.2 Tính tốn lựa chọn mơ hình động học 68 2.3 Tính chọn cấu chấp hành 72 2.4 Thiết kế khí 77 2.4.1 Phần khung robot 77 2.4.2 Mơ hình hồn thiện 81 CHƯƠNG 3: XÂY DỰNG GIẢI PHÁP BÁM ĐƯỜNG CHO ROBOT 82 3.1 Xây dựng quỹ đạo di chuyển robot theo vạch đường 82 3.2 Xây dựng giải pháp định vị cho robot 83 3.2.1 Thuật toán nhận dạng đối tượng 83 3.2.1.1 Giai đoạn 1: Biến đổi ảnh đầu vào 83 3.2.1.2 Giai đoạn 2: Tách biên 84 3.2.1.3 Xác định đường sử dụng số kĩ thuật xử lý ảnh biên 88 3.2.2.Phương án thực với LabView 88 3.2.2.1.Giới thiệu Toolkit LabVIEW Vision and Motion 88 3.2.2.1.Xây dựng chương trình với LabView 96 3.2.3 Lưu đồ thuật toán định vị cho robot 99 CHƯƠNG 4: TỔNG HỢP BỘ ĐIỀU KHIỂN 103 4.1 Tổng quan điều khiển PID 103 4.2 Cấu trúc điều khiển 103 4.2.1 Cấu trúc điều khiển 103 4.2.2 Các phương pháp dị thơng số 104 4.3 Thiết kế điều khiển 105 4.3.1 Mơ hình hóa hệ động 105 4.3.2 Mơ hình tốn mobile robot 109 4.3.3 Mơ hình hàm truyền hệ thống 110 4.4 Tổng hợp điều khiển PID mô phần mềm MATLAB 111 4.5 Thiết kế chương trình điều khiển mobile robot 114 4.5.1 Toolkit LabVIEW MarkerHub LINX 114 4.5.2 Toolkit LabVIEW Interface For Arduino 118 4.5.3 Chương trình điều khiển hệ thống 124 CHƯƠNG 5: CHẾ TẠO VÀ THỰC NGHIỆM ROBOT TỰ HÀNH 128 5.1 Lắp ráp chế tạo robot tự hành 128 5.1.1 Gia công, chế tạo chi tiết khí 128 5.1.2 Kết nối mạch điện tử 130 5.2 Thực nghiệm khả bám đường mơ hình 133 KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN 134 TÀI LIỆU THAM KHẢO 136 MỞ ĐẦU A Đặt vấn đề Robot hệ thống điện tử, bao gồm phận: cảm biến, điều khiển chấp hành Robot di động có chương trình điều khiển nạp sẵn lưu trữ nhớ để khởi động hoạt động độc lập Vấn đề mobile robot tốn định hướng Bài toán chung dẫn đường robot việc trả lời câu hỏi: “robot đâu?”, “robot tới đâu?”, “robot tới nào?” Robot phải có sẵn xây dựng nhớ mơ hình mơi trường, phải nhận biết phân tích, tự xác định vị trí để lập trình điều khiển đến đích Hiện tại, robot di động định hướng công nghệ xử lý ảnh, đường dẫn, la bàn điện tử, GPS, bluetooth, web server Đồ án “Nghiên cứu thuật tốn điều khiển mơ hình robot omni bánh bám quỹ đạo cho trước” trình bày ứng dụng xử lý ảnh web server điều khiển robot di động - Ứng dụng xử lý ảnh, nhận dạng line quỹ đạo cho trước để điều khiển robot tự hành bám quỹ đạo tính tốn sai số thực tế - Ứng dụng web server điều khiển robot tự hành tay thông qua điện thoại thông minh di chuyển theo hướng B Mục đích nghiên cứu Đồ án tập trung vào nghiên cứu lý thuyết thực nghiệm, tiến hành phương pháp sử dụng xử lý ảnh để nhận diện quỹ đạo điều khiển robot tự hành bám quỹ đạo Nắm yêu cầu thiết kế điều khiển robot tự hành sử dụng phương pháp xử lý ảnh, kiểm nghiệm thuật tốn, phân tích sai số C Ý nghĩa nghiên cứu Ý nghĩa khoa học đồ án xây dựng phương pháp điều khiển cho robot tự hành ứng dụng xử lý ảnh để nhận dạng line quỹ đạo cho trước Ý nghĩa thực tiễn triển khai ứng dụng cho mobile robot nhà kho để làm việc vận chuyển, xếp, hay ứng dụng cho xe tự hành khu vực sản xuất khác D Nội dung nghiên cứu + Tìm hiểu robot tự hành, mạch nhúng Arduino, phần mềm LabVIEW xử lý ảnh phần mềm LabVIEW Lựa chọn phương án thiết kế robot tự hành Thiết kế, tính tốn, tính chọn cấu chấp hành, điều khiển động LabVIEW Arduino + Tìm hiểu giải toán nhận dạng bám quỹ đạo Xây dựng thuật toán điều khiển sử dụng điều khiển PID, thiết kế điều khiển, thiết kế giao diện điều khiển, chương trình điều khiển robot + Tìm hiểu giải tốn điều khiển tay robot tự hành theo hướng ứng dụng web server điện thoại thông minh + Chế tạo thực nghiệm mơ hình, thực nghiệm thuật tốn điều khiển mơ hình thiết kế để robot vận hành ngồi thực tế Giải tốn truyền thông, giao tiếp phần robot di động (sensor, máy tính, arduino, động cơ) E Phạm vi nghiên cứu + Dạng robot tự hành nghiên cứu dạng bánh omni + Đề tài giới hạn việc thao tác với dạng đường line đơn giản Địa hình di chuyển mặt phẳng, khơng gồ ghề Đồ án chia làm chương với nội dung sau: Chương 1: Giới thiệu tổng quan robot Omni robot, nghiên cứu tiến hành ngồi nước Omni robot, mục đích để thực đồ án Chương 2: Tính tốn động học động lực học cho Omni robot để từ xây dựng chuyển động cho robot phần 10 h Khối Sensors: Bao gồm khối VI sensor thường dùng như: Cảm biến nhiệt độ, cảm biến ánh sáng, LCD, led thanh, led nhiều màu Hình 4.35: Khối Sensors Kết nối Arduino với LabVIEW: Để kết nối làm việc với Arduino, LabVIEW cần có VIs Arduino Thơng qua VIs, LabVIEW lấy liệu từ chân Arduino xử lý, điều khiển hiển thị kết hình máy tính Do phổ biến chuẩn hóa Arduino nên VIs phổ biến rộng rãi khơng cần người sử dụng phải tự lập trình Bước 1: Cài đặt VI Package Manager (VIPM) - phần mềm quản lý giúp download gói - Toolkit VI LabVIEW Hình 4.36: Cửa sổ VI Package Manager 122 Bước 2: Sau cài đặt xong ta vào VIPM tìm giao diện Arduino cho LabVIEW với từ khóa “LabVIEW Interface for Arduino” Sau cài đặt LabVIEW Interface for Arduino cho LabVIEW, lưu ý phải phiên LabVIEW Hình 4.37: Setup Toolkit LIFA Bước 3: Kết nối Arduino với máy tính qua cổng USB Bước 4: Nạp mã nguồn cho Arduino để giao tiếp với LabVIEW Tìm đến nơi chứa thư mục LabVIEW sau cài đặt Chọn vi.lib\LabView interface for Arduino\firmware, kích đúp chọn LIFA_Base trình dịch IDE xuất Hình 4.38: LIFA Base 123 Hình 4.39: Cửa sổ file LIFA Arduino IDE Chọn Board Serial Port sau kích vào Upload để nạp vào Arduino Khi có thơng báo Done uploading nạp thành cơng làm việc với Arduino Labview 4.5.3 Chương trình điều khiển hệ thống Hình 4.40: Chương trình điều khiển động DC 124 Hình 4.41: Code chương trình nhận dạng điều khiển robot Hình 4.42: Giao diện chương trình điều khiển 125 Bảng 4.43: Front Panel Toolbar Bấm phím để chạy chương trình Báo hiệu chương trình chạy Báo hiệu chương trình chạy Sub VI Chương trình hồn thiện, chưa thể chạy Run liên tục, chương trình dừng bấm Stop Pause Dừng chạy chương trình Tạm dừng chương trình chạy Cài đặt font chữ, màu sắc, cỡ chữ, kiểu chữ Align Objects pull-down menu: xếp đối tượng trục, theo chiều dọc, cạnh trên, bên trái Distribute Objects pull-down menu: xếp đối tượng không gian Resize Objects pull-down menu: làm cho đối tượng Front panel có kích thước Khi đối tượng chồng chéo lên cần xác định chúng nằm mặt trước hay mặt sau đối tượng khác Chọn Positioning tool, sau chọn Move Forward, Move Backward, Move To Front, and Move To Back Show Context Help Window: Hiển thị hướng dẫn 126 Bảng 4.44: Block Diagram Toolbar Highlight Execution button: Quan sát dịng chảy liệu chạy chương trình Block Diagram Step Into button: Chạy đến node Step Over button: Bỏ qua node Step Out button: Chạy bước Warning button: Xuất chương trình có cảnh báo đánh dấu Show Warnings checkbox in the Error Ngơn ngữ lập trình LabVIEW hỗ trợ cho tất dạng liệu gồm kiểu liệu như: Boolean, bytes, string, array, file, text, cluster dạng số Các kiểu liệu chuyển đổi cách dễ dàng sang dạng cấu trúc Bảng 4.45: Kiểu liệu KẾT LUẬN CHƯƠNG 4: Trong chương tiến hành xây dựng thuật toán thiết kế điều khiển, chương trình điều khiển Trên sở với nội dung xây dựng chương 3, tiến hành chế tạo chi tiết, lắp ráp thử nghiệm robot 127 CHƯƠNG 5: CHẾ TẠO VÀ THỰC NGHIỆM ROBOT TỰ HÀNH 5.1 Lắp ráp chế tạo robot tự hành Robot tự hành đề tài minirobot gồm chi tiết khí điện tử cấu tạo nên Tuy vậy, chi tiết điện tử phần lớn chi tiết tiêu chuẩn hóa chương đề cập đến việc chọn lựa đấu nối chi tiết kiểu Còn chi tiết khí, chi tiết tiêu chuẩn hóa ta tiến hành chọn lựa cịn phi tiêu chuẩn đề cập tới vấn đề chế tạo cho 5.1.1 Gia cơng, chế tạo chi tiết khí a Các chi tiết khí phi tiêu chuẩn Phần khung robot Phần khung robot cấu thành từ chi tiết là: đế trên, đế dưới, cột chống Các đặc điểm chế tạo chi tiết cấu thành nên khung robot sau:  Khung đế: - Thiết kế yêu cầu kỹ thuật: Tham khảo phụ lục mục 2.3.1 - Vật liệu chế tạo: Khung nhơm định hình - Phương pháp gia công: Cắt  Đế trên: - Thiết kế: Tham khảo phụ lục mục 2.3.1 - Vật liệu chế tạo: Mica suốt (Poly Methyl MethAcrylate) - Phương pháp gia công: Cắt laser  Cột chống: - Vật liệu chế tạo: Khung nhơm định hình - Phương pháp gia công: Cắt Các chi tiết gá  Gá động cơ: - Chi tiết dùng để cố định động với với đế - Thiết kế yêu cầu kỹ thuật: Tham khảo phụ lục mục 2.3.2 - Vật liệu chế tạo: Nhôm 128 - Phương pháp gia công: Tiện  Gá camera Gá camera chi tiết dùng để gắn cố định camera Logitec - Thiết kế yêu cầu kỹ thuật: Tham khảo phụ lục mục 2.3.1 - Vật liệu chế tạo: Nhựa Polylactic acid (PLA) - Phương pháp gia công: in 3D kiểu nung chảy lắng đọng FMD Hình 5.1: Thanh nhơm định hình để tạo khung robot Hình 5.2: Ke góc vng nhơm định hình 129 Hình 5.3: Tấm nhựa Mica sử dụng làm đế b Các chi tiết khí tiêu chuẩn  Cụm động - Cụm động bao gồm bánh xe, chốt cố định trục với bánh động - Cách chọn động tham khảo mục 2.2 - Bánh dẫn chọn bánh Omni với đường kính 106[mm] - Để cố định bánh với trục ta dùng puly ϕ6  Các loại bu lơng, đai ốc - Các chi tiết có ren dùng để ghép nối chi tiết robot cố định chúng - Thông số nêu bảng kê vẽ lắp 5.1.2 Kết nối mạch điện tử Do nhóm đề tài lựa chọn module thiết kế sẵn ngồi thị trường nên khơng sâu vào trình thiết kế mạch điện tử mà đưa cách lắp đặt kết nối mạch với Q trình lắp đặt module mơ tả hình 5.6 130 Hình 5.4: Quá trình lắp đặt module Các mạch sử dụng trình lắp đặt module Hình 5.5: Board mạch Arduino Mega 2560 Hình 5.6: Mạch điều khiển động L298 131 Hình 5.7: Mơ hình robot thực tế 132 5.2 Thực nghiệm khả bám đường mơ hình a Cơng tác chuẩn bị Để thực khả bám đường robot, nhóm đề tài xây dựng sa hình mơ đường thực tế với thơng số kỹ thuật sau - Vạch kẻ đường: nét liền, độ rộng 15 mm - Góc cua tối đa: bán kính R > m b Tiến hành thực nghiệm - Đặt robot lên trụ đỡ, kiểm tra khả nhận diện quỹ đạo đường cho trước robot - Di chuyển gá để kiểm tra thay đổi vận tốc bánh tới góc cua - Đặt robot xuống sa hình để kiểm tra khả thực tế c Kết luận Từ trình thực nghiệm nhóm rút đánh giá sau đây: Robot có khả bám đường tốt, khơng có tượng lắc Độ linh hoạt đạt mức Trung bình robot hoạt động tốt với điều kiện góc cua khơng q gấp (R>1m) Tốc độ robot chưa cao, tốc độ tối đa đạt 0.28 m/s Do chưa đủ nguồn cấp tối đa cho động 133 KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN Trong thời gian thực đề tài, với giúp đỡ thầy hướng dẫn thầy Nguyễn Anh Văn thầy môn, với đề tài “Nghiên cứu, phát triển mẫu robot tự hành có khả bám mục tiêu biết trước ứng dụng công nghệ xử lý ảnh” hoàn thành giải vấn đề sau: - Khảo sát tổng quan yêu cầu, chức năng, nhiệm vụ, kết cấu khí, hệ thống điều khiển, chương trình điều khiển robot - Giải tốn động học - Tính tốn, thiết kế hệ thống điều khiển, viết chương trình điều khiển Robot sử dụng LabView - Chế tạo thử nghiệm thành công robot tự hành sử dụng công nghệ xử lý ảnh Bên cạnh vấn đề giải quyết, nhóm đồ án tồn số vấn đề chưa giải nói phần chương cịn vấn đề sau: - Khả linh hoạt di chuyển robot hạn chế mặt phẳng - Hệ thống mạch điện chưa tự thiết kế nên chọn module mạch có sẵn thị trường để lắp ráp - Chương trình điều khiển gặp lỗi, treo hệ thống dẫn đến robot kiểm soát Do kiến thức thời gian có hạn nên q trình nghiên cứu phát triển robot tự hành nhóm đề tài dừng lại bước xây dựng ban đầu Vậy nên nhóm đề tài xin đưa số đề xuất nghiên cứu phát triển thêm: - Với hướng nghiên cứu ứng dụng cho xe tơ tự hành di chuyển đường phố cần thử nghiệm xe thật phát triển thêm toán nhận dạng đối tượng biển báo, tín hiệu giao thơng số vật cản Sử dụng thêm nhiều loại cảm biến khác với độ xác cao LIDAR, laser, kết hợp thêm GPS dẫn đường cho xe tự hành 134 - Đối với ứng dụng nhỏ robot vận chuyển hàng tự động cơng nghiệp, thuật tốn đáp ứng tốt Chúng ta cần phát triển thêm khí, tính tốn với tải trọng lớn, xây dựng hệ thống điện cho robot hoạt động ổn định lâu dài Tuy cố gắng khơng thể tránh khỏi sai sót q trình làm đồ án, kính mong thầy thơng cảm góp ý cho nhóm đồ án chúng em hồn thiện tốt cơng việc Một lần nữa, xin chân thành cảm ơn giúp đỡ thầy khoa hàng không vũ trụ thầy giáo hướng dẫn Nguyễn Anh Văn 135 TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] Nguyễn Trọng Hiệp, Chi tiết máy, tái lần 11, Nhà xuất Giáo dục Việt Nam (2010) [2] Christopher G.Relf, (2014), Image Acquisition and Processing with LabVIEW [3] Jonathan Oxer, Hugh Blemings, (2009), Practical Arduino: Cool Projects for Open Source Hardware (Technology in Action) [4] R Bitter, T Mohiuddin, LabVIEW Adcanced Programming Techniques, second ed., CRC Press, New York, (2007) [5] R C Gonzalez, R E Woods, (2008), Digital Image Processing 3rd edition, Prentice-Hall [6] Raul G Longoria, (2010), Basic Vision LabVIEW, The University of Texas at Austin 136 ... 40 1 .4 Tìm hiểu tổng quan xử lý ảnh phầm mềm LabVIEW 43 1 .4. 1.Giới thiệu hệ thống xử lý ảnh 43 1 .4. 2 Những vấn đề hệ thống xử lý ảnh 45 1 .4. 3.Thu nhận ảnh 47 1 .4. 4.Biểu... tự hành 18 1.1 .4. 1 Robot tự hành di chuyển chân (Legged Robot) 18 1.1 .4. 2 Robot tự hành di chuyển bánh 21 1.1 .4. 3 Robot bánh xích 27 1.1 .4. 4 Robot di chuyển nước ... thiệu tổng quan robot Omni robot, nghiên cứu tiến hành nước Omni robot, mục đích để thực đồ án Chương 2: Tính tốn động học động lực học cho Omni robot để từ xây dựng chuyển động cho robot phần 10