Nhóm đồ án chúng em xin được đề xuất sơ đồ khối của hệ thống xe tự hành:
Hình 2.18: Sơ đồ khối hệ thống
Các thành phần trong khối đầu vào là các cảm biến, camera và encoder có nhiệm vụ thu thập dữ liệu từ môi trường và gửi về cho khối điều khiển trung tầm để xử lí và đưa ra quyết định điều khiển tới khối đầu ra. Trước đó thì dữ liệu điều khiển có thể phải đi qua khối phụ trợ. Tất cả các khối nay cần được cấp điện bởi nguồn điện cấp.
GVHD: TS. Trương Công Tuấn 42
Nano. Qua so sánh nhóm em nhận thấy Jetson Nano có ưu điểm hơn so với Raspberry Pi là Jetson Nano bao gồm GPU (bộ xử lý đồ họa) có hiệu năng cao hơn, trong khi Raspberry Pi4 có bộ xử lý đa phương tiện VideoCore công suất thấp. Do đó Jetson nano mạnh mẽ hơn, thích hợp hơn với yêu cầu đồ án đặt ra.
Hình 2.19: Raspberry PI và Jetson Nano
b) Thông số kĩ thuật
Jetson Nano Deverloper Kit (hình 2.20) là kit mang lại hiệu suất máy tính để chạy khối lượng công việc AI hiện đại với kích thước, công suất và chi phí chưa từng có. Các nhà phát triển, người dùng và nhà sản xuất hiện có thể chạy các mô hình và khuôn khổ AI cho các ứng dụng như phân loại hình ảnh, phát hiện đối tượng, phân đoạn và xử lý giọng nói.
GVHD: TS. Trương Công Tuấn 43
Hình 2.20: Jetson Nano Developer Kit
Jetson Nano được hỗ trợ bởi NVIDIA JetPack, bao gồm gói hỗ trợ bo mạch (BSP), Jetson Nano hỗ trợ hệ điều hành Linux, thư viện phần mềm NVIDIA CUDA, cuDNN và TensorRT để học sâu, thị giác máy tính, tính toán GPU, xử lý đa phương tiện và nhiều ứng dụng khác. Phần mềm thậm chí có thể được cài đặt sẵn bằng cách sử dụng thẻ SD flash, giúp người dùng bắt đầu nhanh chóng và dễ dàng.
Jetson Nano cũng cấp 472 GFLOPS để chạy các thuật toán AI hiện đại một cách nhanh chóng, với một CPU quad-core 64-bit ARM, một NVIDIA GPU 128-core được tích hợp trên board mạch, cũng như bộ nhớ 4GB LPDDR4. Có thể chạy song song nhiều mạng neural và xử lý đồng thời một số cảm biến có độ phân giải cao.
Dưới đây là thông số kĩ thuật của Jetson Nano:
GPU 128-core Maxwell
CPU CPU: Quad-core ARM A57 @ 1.43 GHz
RAM 4 GB 64 Bit LPDDR4 | 25.6 GB/s Bộ nhớ 64GB SD card Video Encode 4Kp30 | 4x 1080p30 | 8x 720p30 (H.264/H.265) Video Decoder 4Kp60 | 2x 4Kp30 | 8x 1080p30 | 16x 720p30 | (H.264/H.265)
Camera 1x MIPI CSI-2 DPHY lanes
Connectivity Gigabit Ethernet, M.2 Key E
Display HDMI 2.0 and eDP 1.4
GVHD: TS. Trương Công Tuấn 44
2.5.2.1.2. Vi điều khiển
a) Phân tích và lựa chọn
Một trong những thành phần quan trọng nhất của xe là vi điều khiển. Nếu coi thành phần truyền động là các chi của robot, thì bên cạnh máy tính nhúng, vi điều khiển đóng vai trò như bộ não, nơi thực hiện các chức năng xử lý và điều khiển hoạt động của robot.
Vi điều khiển là một thiết bị tính toán có khả năng thực thi một chương trình (tức là một chuỗi các hướng dẫn) và thường được gọi là “bộ não” hoặc “trung tâm điều khiển” trong một xe vì nó là thường chịu trách nhiệm cho tất cả các tính toán, ra quyết định, và thông tin liên lạc trong/ngoài robot.
Hiện nay có vô vàn loại vi điều khiển khác nhau chia thành các họ vi điều khiển chính như AVR, ARM, 8051 và PIC. Trong khi đó ngoài thị trường lại phổ biến 2 board vi điều khiển chính là STM32F04VE và Arduino Uno. STM32F04VE có giá thành cao hơn, phức tạp hơn trong việc lập trình. Tuy nhiên việc sử dụng Arduino hoặc bất kỳ nền tảng nào tương tự chỉ cách ly người dùng khỏi phần cứng và không có hiệu quả về mặt học thuật. Ưu điểm của STM32F04VE là có thể lập trình với nhiều IDE khác nhau, có nhiều tính năng hơn hẳn và thích hợp với một loạt các thao tác nâng cao. Ngoài ra còn giúp người dùng đi sâu hơn về cách hoạt động của vi điều khiển để có thể nâng cao trình độ. Do vậy nhóm em lựa chọn STM32F04VE là vi điều khiển trong đồ án này
b) Thông số kĩ thuật
Kit phát triển STM32F407VET6 ARM Cortex-M4 sử dụng Vi điều khiển STM32F407 là loại được sử dụng ở rất nhiều trường đại học hiện nay trong giảng dạy vi điều khiển ARM, kit có thiết kế ra chân đầy đủ với các ngoại vi cơ bản: USB, MicroSD, Flash, Pin RTC...và cổng nạp chuẩn Jtag tích hợp, kit có giả thành phải chăng, là sự lựa chọn hợp lý cho các bạn mới bắt đầu tìm hiểu về dòng STM32F4 đầy mạnh mẽ.
GVHD: TS. Trương Công Tuấn 45
Hình 2.21: Kit STM32F407VET6
Thông số kỹ thuật của Kit STM32F407VE được trình bày ở bảng 2.4 dưới đây:
Vi điều khiển STM32F407
Điện áp hoạt động 1.8V – 3.6 V
Điện áp đầu vào 5VDC từ cổng Mini USB hoặc chân GPIO.
Số đầu I/O 82
Tần số hoạt động 168MHz
Lõi Cortex-M4 32-bit RISC
Bộ nhớ FLASH 512 KB
Bộ nhớ SRAM 192 KB
Kích thước 85*73mm
Bảng 2.4: Thông sỗ kĩ thuật STM32F407VET6
Trong đồ án này, STM32F04VE được sử dụng để truyền nhận thông tin từ các cảm biến như IMU, encoder, cảm biến siêu âm, sau đó truyền các thông tin này tới Jetson Nano thông qua chuẩn giao tiếp UART. Đồng thời nhận dữ liệu điều khiển từ Jetson Nano điều khiển động cơ.
2.5.2.2. Khối đầu vào 2.5.2.2.1. Lidar
a) Phân tích và lựa chọn
Lidar (cũng viết là LIDAR, LiDAR, và LADAR) là một phương pháp khảo sát đo khoảng cách tới mục tiêu bằng cách chiếu sáng mục tiêu đó bằng một tia laze xung quanh và đo các xung phản xạ bằng một cảm biến. Sự khác biệt về thời gian và bước sóng laser sau đó có thể được sử dụng để tạo mô hình số 3 chiều (3D) của đối tượng. Tên gọi lidar, nay được coi là một từ viết tắt của Light Detection and Ranging.
GVHD: TS. Trương Công Tuấn 46
b) Thông số kĩ thuật
RPLIDAR A2 là máy quét laser 360D 2 độ (LIDAR) thế hệ mới nhất giá rẻ được phát triển bởi SLAMTEC. Rplidar A2 được trang bị công nghệ OPTMAG được cấp bằng sáng chế SLAMTEC, nó vượt qua giới hạn tuổi thọ của hệ thống LIDAR truyền thống để hoạt động ổn định trong thời gian dài.
Hình 2.22: RP Lidar A2
Bảng dưới đây là thông số kĩ thuật của RPLidar A2:
Loại cảm biến Laser
Góc quét 0 – 360 độ Độ phân dải góc 0.45 – 1.35 độ (10Hz) Phạm vi đo lường 0,15 – 12m Phạm vi độ phân giải < 0.5mm Tần số đo 2000-8000 Hz Tần số quét 5-15Hz Trọng lượng 190g Kích thước 41 x 76 x 72.5 mm
GVHD: TS. Trương Công Tuấn 47
RP Lidar A2 là cảm biến laser hoạt động rất bền bỉ, nhóm chung em đã duy trì hoạt động khoảng 2-3 ngày và vẫn thấy lidar hoạt động tốt và đưa ra dữ liệu ổn định, ít khi nhiễu. Trong ROS có khá nhiều package hỗ trợ cho việc xây dựng bản đồ và điều hướng bằng cách sử dụng Lidar.
2.5.2.2.2. Camera
a) Phân tích và lựa chọn
Camera trong đồ án này được sử dụng để xung cấp hình ảnh thời gian thực cho xe, đưa dữ liệu về bộ điều khiển để xử lí, cụ thể hơn là có ứng dụng về mặt bám đối tượng và là máy quét QR cho xe tự hành.
Camera nhóm em lựa chọn trong đồ án này là camera RealSense Depth Camera bởi đây là một camera khá dễ dùng, có nhiều packages kèm theo để phục vụ xây dựng thuật toán.
b) Thông số kĩ thuật
Realsense Depth Camera được xem như một cảm biến thị giác 3D, trong đề tài này nó được ứng dụng cho việc điều hướng đi của robot, lọc màu bám vật và ứng dụng quét QR code để thao tác với robot. Robot sẽ nhận được hình ảnh 2D của môi trường xung quanh, phát hiện màu sắc và đánh dấu để đi theo màu đó.
Các module cơ bản của Realsense bao gồm 2 cảm biến hình ảnh trái và phải, IR projector và module cảm biến hình ảnh RGB
Hình 2.23: Realsense Depth Camera
Bảng dưới đây là thông số kĩ thuật của camera:
GVHD: TS. Trương Công Tuấn 48
Trường ảnh ngang 91.2o
Trường ảnh dọc 65.5o
Trường ảnh chéo 100.6o
Độ biến dạng ≤ 1.5%
Module Infrared Projector
Projector Infrared
Pattern Type Tĩnh
Trường chiếu ngang 100.4o
Trường chiếu dọc 69o
Trường chiếu chéo 110.4o
Thành phần chiếu sáng Laser phát quang bề mặt khoang dọc
Module RGB Camera
Imager Sensor OV2740
ISP Rời rạc Độ phân giải 1920×1080 Tỷ lệ khung hình cảm biến 16:9 Định dạng 10 – bit RAW RGB Khẩu độ f/2.0 Tiêu cự 1.93 mm Tiêu điểm Cố định Trường ảnh ngang 69.4o Trường ảnh dọc 42.5o Trường ảnh chéo 77o Độ méo ≤ 1.5%
GVHD: TS. Trương Công Tuấn 49
2.5.2.2.3. Cảm biến siêu âm
a) Phân tích và lựa chọn
Siêu Âm là thuật ngữ nói về một dạng âm thanh có tần số cao hơn nhiều so với tầng số mà tai người có thể nghe được bởi tai người có thể nghe được ngưỡng 20000 Hz. Tần số thấp hơn tần số mà tai người nghe được thường được gọi là hạ âm, thông thường hạ âm rơi vào khoảng 20Hz.
Cảm biến siêu âm trong đồ án này được sử dụng để đo khoảng cách, phát hiện vật cản theo nguyên lí siêu âm. Nói về các loại cảm biến siêu âm dạng module thì có một số tên tiêu biểu như: cảm biến siêu âm SRF04, cảm biến siêu âm SRF05, cảm biến siêu âm HC- SR04, cảm biến siêu âm HC-SR05, … Các loại cảm biến này chuyên dùng để nghiên cứu, học tập và làm những mô hình phát hiện khoảng cách trong phạm vi nhỏ, có độ chính xác cao, nhưng không tuyệt đối do vẫn có nhiễu. Các loại cảm biến này khá dễ dàng để kết nối với các bộ kit MCU như: DSP, AVR, ARM, PIC, Arduino…
Đặc điểm chung của các loại cảm biến này là có giá rất rẻ, chỉ vài chục ngàn đến hơn trăm ngàn đồng. Rất thích hợp cho các bạn sinh viên ngành cơ điện tử nghiên cứu vọc vạch với các bộ code và thư viện có sẵn đồ sộ trên các cộng đồng.
Trong đồ án này nhóm em lực chọn cảm biến siêu âm HC-SR04 bởi đây là một cảm biến có giá thành rất phải chăng và độ chính xác cũng được đánh giá khá cao, phù hợp với yêu cầu bài toán.
b) Thông số kĩ thuật
Module cảm biến siêu âm (hình 2.24) dùng để đo khoảng cách đến vật cản bằng sóng siêu âm. Module có 2 đầu thu và phát sóng, khoảng cách được xác định bằng cách đo khoảng thời gian mà sóng siêu âm được phát ra đến vật chắn rồi phản hồi về. Sử dụng bằng cách truyền 1 xung vào chân trigger của module, sau đó chờ 1 xung trả về trên chân echo, đo khoảng thời gian từ lúc truyền cho đến lúc nhận, chia đôi rồi nhân với vận tốc cho ta khoảng cách đến vật cản cần đo.
GVHD: TS. Trương Công Tuấn 50 Dòng làm việc 15mA Tần số làm việc 40Hz Phạm vi tối đa 4m Phạm vi tối thiểu 2cm Góc hoạt động 15o Độ chính xác 0.3cm
Tín hiệu chân Trigger 10µS xung TTL
Tín hiệu chân Echo Phụ thuộc vào xung đầu vào TTL
Dimension 45×20×15mm
Bảng 2.7: Thông số kĩ thuật HR-SR04
Cảm biến hoạt động tương đối chính xác ở khoảng cách 2cm- 400cm. Tuy nhiên, góc mở tối đa của cảm biến là 1m chiều rộng từ bên này sang bên kia nên cảm biến rất nhạy với các vật cản không mong muốn. Vì vậy để tránh điều này thì việc lập trình sẽ trở nên khó khăn, tuy nhiên có thể khắc phục được điều này nếu đưa ra thuật toán lập trình tốt.
Trong đồ án này, ta kiểm tra vật cản chỉ ở khoảng cách gần nên việc sử dụng cảm biến SRF04 là hoàn toàn phù hợp vì ở khoảng cách này góc mở của cảm biến nhỏ, giá thành của cảm biến cũng tương đối rẻ so với cảm biến có chức năng tương tự.
2.5.2.2.4. Encoder
a) Phân tích và lựa chọn
Encoder hay còn gọi là bộ mã hóa, là một bộ cảm biến chuyển động cơ học tạo ra tín hiệu kỹ thuật số đáp ứng với chuyển động. Là một thiết bị cơ điện có khả năng làm biến đổi chuyển động thành tín hiệu số hoặc xung.
Có thể phân loại theo công nghệ của Encoder:
GVHD: TS. Trương Công Tuấn 51
+ Encoder loại cơ khí còn được gọi là Encoder Mechanical
+ Encoder loại điện trở thường được biết đến với cái tên Encoder Resistive + Encoder loại quang có tên tiếng Anh là Encoder Optical
Nhóm đồ án đề xuất sử dụng Encoder từ trường bởi tính chính xác cũng như hiệu suất tuyệt vời của nó. Cụ thể hơn là Encoder từ trường bánh răng
b) Thông số kĩ thuật
Encoder từ tính là một loại bộ mã hóa quay sử dụng cảm biến để xác định những thay đổi trong từ trường từ một bánh xe hoặc vòng từ hóa quay.
Có 3 thành phần chính trong encoder từ tính: Mạch cảm biến
Một bánh xe hoặc vòng quay
Một loạt các cực từ xung quanh chu vi của bánh xe hoặc vòng
Khi bánh xe hoặc vòng quay quay qua cảm biến từ, các cực gây ra phản ứng có thể dự đoán được trong cảm biến dựa trên cường độ của từ trường. Đáp ứng từ tính được đưa qua mạch điện điều hòa tín hiệu và xuất ra dưới dạng tín hiệu kỹ thuật số tới thiết bị điều khiển. Số lượng cặp cực từ hóa trên cực bánh xe, số lượng cảm biến và loại mạch điện cùng hoạt động để xác định độ phân giải của bộ mã hóa từ trường. Ưu điểm của từ tính làm yếu tố để tạo ra tín hiệu là nó không bị ảnh hưởng bởi các môi trường rất khắt khe - bao gồm bụi, độ ẩm, nhiệt độ khắc nghiệt.
GVHD: TS. Trương Công Tuấn 52
Micro là một thiết bị hoạt động có tính năng hỗ trợ thu âm thanh hay vốn được mọi người gọi là mic. Micro là vị trí chính giữa của nguồn âm và máy tính. Micro có thể nói là một loại cảm biến để chuyển đổi âm thanh sang chế độ tín hiệu điện để từ đó đưa dữ liệu vào trong máy tính để xử lí.
Trong đồ án này micro được sử dụng đề đưa mệnh lệnh vào trong máy tính để đưa tín hiệu ra xe thực thi. Đặc biệt hơn vì ta sử dụng máy tính nhúng là Jetson Nano nên để có thể thao tác về mặt âm thanh với bộ điều khiển thì ta cần có một bộ phận được gọi là sound card. Hiểu được điều đó, nhà sản xuất WaveShare đã sản xuất một chiếc sound card tích hợp với microphone dành cho Jetson Nano.
Hình 2.26: USB soundcard Waveshare
b) Thông số kĩ thuật
USB sound card có đèn báo nguồn tích hợp để kiểm tra trạng thái làm việc. Micrô và loa tích hợp, hỗ trợ đầu vào / đầu ra âm thanh. Không cần trình điều khiển, plug and play.
GVHD: TS. Trương Công Tuấn 53
Tương thích với Windows, Mac OS, Linux và Android. Cổng USB 2.0 tiêu chuẩn, kích thước di động.
Hình 2.27: Cấu tạo USB Soundcard Waveshare
USB sound card có thông số kĩ thuật: Điện áp nguồn ： 5V
Bộ mã hóa / Giải mã Audio: SSS1629A5 Cổng điều khiển ： USB
Cổng âm thanh ： PH2.0
Trình điều khiển Speaker: 2,6W mỗi kênh (4Ω BTL)
2.5.2.2.6. Công tắc hành trình
a) Phân tích và lựa chọn
Công tắc hành trình hay còn gọi công tắc giới hạn hành trình là dạng công tắc dùng để giới hạn hành trình của các bộ phận chuyển động. Nó có cấu tạo như công tắc điện bình thường nhưng có thêm cần tác động để cho các bộ phận chuyển động tác động vào làm thay đổi trạng thái của tiếp điểm bên trong nó. Công tắc hành trình là loại không duy trì trạng thái, khi không còn tác động sẽ trở về vị trí ban đầu. Công tắc hành trình dùng để đóng cắt mạch dùng ở lưới điện hạ áp Nó có tác dụng giống như nút ấn động tác ấn bằng