Tài liệu: Đề tài nckh thiết kế và thi công mô hình xe thám hiểm

Tài liệu nghiên cứu Đề tài nckh thiết kế và thi công mô hình xe thám hiểm, tổng hợp lý thuyết và thực hành, cung cấp kiến thức chuyên sâu về .

• Tác giả: Hoàng Ngọc Thanh
• Người hướng dẫn: Nguyễn Thanh Nghĩa
• Trường học: Trường Đại Học Sư Phạm Kỹ Thuật Thành Phố Hồ Chí Minh
• Chuyên ngành: Electrical Electronic Engineering
• Đề tài: Thiết Kế Và Thi Công Mô Hình Xe Thám Hiểm
• Loại tài liệu: Báo Cáo Đề Tài Nghiên Cứu Khoa Học Của Sinh Viên
• Năm xuất bản: 2021
• Địa điểm: Thành Phố Hồ Chí Minh

Tóm tắt

I. Tổng quan về đề tài NCKH thiết kế và thi công mô hình xe thám hiểm

Đề tài nghiên cứu khoa học thiết kế và thi công mô hình xe thám hiểm là một dự án tiên tiến được thực hiện tại Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật TPHCM. Dự án này thuộc nhóm ngành Kỹ thuật với mục tiêu chính là sử dụng công nghệ Raspberry Pi để điều khiển một chiếc xe tự động có khả năng thăm dò và giám sát môi trường từ xa. Mô hình xe được thiết kế để vận chuyển mẫu thí nghiệm mà không cần sự tham gia trực tiếp của con người, đồng thời có thể kiểm soát hoàn toàn thông qua mạng Internet. Dự án này mang lại nhiều giá trị trong lĩnh vực giáo dục, đào tạo kỹ thuật và ứng dụng thực tiễn, giúp sinh viên hiểu rõ hơn về vi điều khiển và giao tiếp thiết bị ngoại vi.

1.1. Mục tiêu và ý nghĩa của dự án

Mục tiêu chính của đề tài NCKH là phát triển một hệ thống điều khiển tự động toàn diện. Sử dụng Raspberry Pi 3 làm bộ xử lý trung tâm, dự án cho phép người dùng giám sát và điều hướng xe thám hiểm từ xa. Ý nghĩa của dự án bao gồm: phục vụ nghiên cứu khoa học, hỗ trợ giáo dục kỹ thuật điện-điện tử, và ứng dụng trong các lĩnh vực cần thăm dò môi trường nguy hiểm hoặc khó tiếp cận.

1.2. Đối tượng và phạm vi nghiên cứu

Dự án thiết kế mô hình xe thám hiểm tập trung vào sinh viên ngành Kỹ thuật Điện - Điện tử. Phạm vi nghiên cứu bao gồm phần cứng (Kit Raspberry Pi, động cơ giảm tốc, camera), phần mềm lập trình Python, và hệ thống truyền thông không dây. Nhóm thực hiện gồm 4 sinh viên dưới sự hướng dẫn của thầy Nguyễn Thanh Nghĩa.

II. Công nghệ và thành phần kỹ thuật trong dự án

Dự án thiết kế và thi công mô hình xe sử dụng các công nghệ tiên tiến và linh kiện chất lượng cao. Thành phần chính bao gồm Raspberry Pi 3 Model B với GPU mạnh mẽ, Camera Raspberry Pi Rev 1 để thu hình ảnh trực tiếp, động cơ giảm tốc V1.5 để điều khiển chuyển động, và module L298N để điều khiển dòng điện qua động cơ. Hệ thống sạc sử dụng pin 18650 2600mAh kết hợp sạc dự phòng Polymer giúp xe hoạt động liên tục. Các chuẩn truyền thông không dây được tích hợp để cho phép kiểm soát từ xa qua Internet. Toàn bộ thiết kế được tối ưu hóa để đảm bảo tính ổn định, độ tin cậy cao, và khả năng mở rộng cho các ứng dụng tương lai.

2.1. Các linh kiện và module chính

Kit Raspberry Pi 3 là trái tim của dự án với khả năng xử lý đa nhiệm. Camera Raspberry Pi ghi lại video trực tiếp và truyền qua mạng. Module L298N là trình điều khiển động cơ DC giúp điều chỉnh tốc độ và hướng chuyển động. Pin 18650 cung cấp năng lượng bền bỉ. Các bánh xe Robot V1 đặc biệt được thiết kế để tối ưu khả năng di chuyển trên nhiều loại địa hình.

2.2. Hệ thống điều khiển và lập trình

Ngôn ngữ lập trình Python được lựa chọn vì tính đơn giản và linh hoạt. Hệ điều hành Raspbian chạy trên Raspberry Pi cung cấp môi trường lập trình ổn định. Giao thức điều khiển cho phép người dùng nhập lệnh (r-tiến, a-trái, d-phải, b-lùi) để điều khiển mô hình xe thám hiểm từ xa. Hệ thống VNC và SSH hỗ trợ kết nối và giám sát từ xa.

III. Quá trình thiết kế và thi công mô hình

Quá trình thiết kế và thi công mô hình xe thám hiểm được thực hiện theo từng bước có hệ thống. Đầu tiên, nhóm tiến hành tính toán và thiết kế hệ thống bao gồm vẽ sơ đồ khối toàn hệ thống và thiết kế phần cứng chi tiết. Sử dụng phần mềm AutoCAD, các thành viên vẽ khung xe 3D với các mặt đáy, mặt bên, mặt trước được thiết kế tỉ mỉ. Tiếp theo là giai đoạn thi công hệ thống bao gồm chuẩn bị linh kiện, lắp ráp, nối dây, và lập trình trên Raspberry Pi 3. Vật liệu Mica được sử dụng cho khung xe đảm bảo độ bền và trọng lượng nhẹ. Sau khi hoàn thành thi công phần cứng, nhóm kiểm tra hiệu suất mô hình thông qua các bài test chức năng.

3.1. Giai đoạn thiết kế CAD và lập kế hoạch

Thiết kế mô hình bắt đầu từ phân tích nhu cầu và lựa chọn linh kiện phù hợp. Nhóm sử dụng AutoCAD để vẽ các bản vẽ 2D/3D chi tiết của khung xe. Sơ đồ khối hệ thống được thiết kế hiển thị kết nối giữa Raspberry Pi, camera, động cơ, và các module điều khiển. Việc lập kế hoạch kỹ lưỡng đảm bảo quá trình thi công diễn ra suôn sẻ.

3.2. Giai đoạn lắp ráp và cấu hình hệ thống

Lắp ráp mô hình xe bao gồm ghép các bộ phận khung xe, lắp động cơ, bánh xe, camera, và các linh kiện điện tử. Các dây nối được cắt và hàn theo sơ đồ chân Raspberry Pi 3 để đảm bảo kết nối chính xác. Cấu hình hệ thống bao gồm ghi hệ điều hành Raspbian vào thẻ nhớ, kích hoạt VNC, kiểm tra kết nối WiFi, và thiết lập IP tĩnh cho Raspberry Pi.

IV. Kết quả đánh giá và hướng phát triển

Dự án thiết kế và thi công mô hình xe thám hiểm đã hoàn thành thành công với các kết quả ấn tượng. Mô hình hoàn chỉnh có khả năng di chuyển linh hoạt theo các lệnh điều khiển (tiến, lùi, rẽ trái, rẽ phải) và truyền hình ảnh trực tiếp từ camera Raspberry Pi qua giao diện VLC Media Player. Các bài kiểm tra chức năng cho thấy hiệu suất hoạt động ổn định và độ tin cậy cao. Nhóm nhận được đánh giá tích cực về khía cạnh kỹ thuật, sáng tạo, và ứng dụng thực tiễn. Hướng phát triển trong tương lai bao gồm: tích hợp cảm biến vật cảm (cảm biến khoảng cách, nhiệt độ), nâng cấp khả năng tự động định hướng bằng AI, mở rộng phạm vi kiểm soát từ xa, và thiết kế các phiên bản xe chuyên dụng cho các môi trường khác nhau.

4.1. Kết quả đạt được và hiệu suất hoạt động

Mô hình xe thám hiểm hoàn thành đã thể hiện tất cả các tính năng thiết kế ban đầu. Hiệu suất bao gồm: tốc độ di chuyển ổn định, khả năng xoay linh hoạt, thu hình ảnh rõ nét từ camera. Điều khiển từ xa qua mạng Internet hoạt động mượt mà. Mô hình có kích thước nhỏ gọn, dễ di chuyển, và tiêu thụ năng lượng hợp lý với tuổi thọ pin đáp ứng yêu cầu.

4.2. Nhận xét và hướng phát triển tương lai

Đánh giá tổng quan cho thấy dự án đạt chất lượng cao về kỹ thuật và sáng tạo. Hướng phát triển gồm: tích hợp cảm biến ultrasonic để phát hiện vật cản tự động, lập trình thuật toán tránh chướng ngại vật, kết nối GPIO thêm cho các cảm biến bổ sung, nâng cấp tốc độ xử lý bằng Raspberry Pi 4/5, và phát triển ứng dụng mobile app để điều khiển thân thiện hơn.

Trích đoạn nội dung tài liệu

Chương 1: Tổng quan. Trong chương này, đồ án được trình bày tổng quan về xe robot cũng như robot thám hiểm, vượt địa hình và một số ứng dụng xe robot vào thực tế. Từ đó, đi đến làm rõ mục tiêu, giới hạn và bố cục đề tài. Chương 2: Cơ sở lý thuyết.

Trong chương này đề cập đến một số khái niệm về phân loại xe robot, một số dạng điều khiển xe robot, các loại chuyển động của xe robot. Bên cạnh đó tổng quan về web server, các chuẩn giao tiếp truyền thông không dây và ngôn ngữ lập trình HTML. Chương 3: Tính toán và thiết kế. Trong chương này mô hình xe robot thám hiểm được nêu rõ các yêu cầu chi tiết về kỹ thuật.

Từ đó người thực hiện sơ đồ khối hóa hệ thống, chọn lựa thiết kế và chọn lựa phần cứng phù hợp cũng như thiết kế phần mềm. Chương 4: Kết quả thi công mô hình xe robot. Chương này trình bày về kết quả mô hình robot thám hiểm sau khi thực hiện, các thử nghiệm xe robot theo các mục tiêu đã đặt ra. Chương 5: Kết quả - nhận xét - đánh giá Chương này sẽ nêu lên kết quả cuối cùng sau khi hoàn thành và khả năng áp dụng vào thực tiễn.

Từ đó có những đánh giá và nhận xét về mô hình. Chương 6: Kết luận và hướng phát triển đề tài. Chương này đưa ra những kết luận về quá trình nghiên cứu và khả năng phát triển cho xe robot trong tương lai.1 CÁC LOẠI CHUẨN TRUYỀN THÔNG KHÔNG DÂY 2.1 Một số công nghệ kết nối trong truyền thông không dây Việc kết nối mạng không dây có thể được thực hiện bằng cách sử dụng một số chuẩn kết nối sau:  Công nghệ IrDA Đây là công nghệ truyền dữ liệu bằng tia hồng ngoại IR được sử dụng rộng rãi trong điều khiển từ xa bộ đàm, điều hòa, máy tính, máy in với khoản cách ngắn và giá thành rẻ.  Công nghệ Bluetooth Bluetooth là công nghệ mạng không dây cho phép các thiết bị điện, điện tử giao tiếp với nhau trong khoảng cách ngắn bằng sóng vô tuyến qua băng tần chung ISM trong dãy tần 2.

Công nghệ này được thiết kế nhằm mục đích thay thế dây cáp giữa máy tính và các thiết bị truyền thông cá nhân, kết nối các thiết bị điện tử lại với nhau một các thuận lợi. Khi được kích hoạt bluetooth có thế tự động định vị các thiết bị khác có chung công nghệ trong vùng xung quanh và bắt đầu kết nối với chúng.  Công nghệ Wi-Fi Đây là hệ thống mạng không dây sử dụng sóng vô tuyến giống như điện thoại di động, truyền hình và radio. Hệ thống cho phép truy cập internet tại những khu vực có sóng của hệ thống mà không cần đến cáp nối.

Các sóng vô tuyến sử dụng cho wifi gần giống các sóng vô tuyến sử dụng cho thiết bị cầm tay, điện thoại di động và các thiết bị khác. Wifi có thể chuyển và nhận sóng vô tuyến, chuyển đổi các mã nhị phân sang sóng vô tuyến và ngược lại.  Công nghệ WiMAX Wimax là công nghệ cho phép các dịch vụ truy nhập không dây mọi lúc mọi nơi. Công nghệ này cung cấp việc truyền dẫn không dây ở khoẳng cách lớn bằng nhiều cách khác nhau từ kiểu kết nối điểm điểm cho đến kiểu truy nhập tế bào.

Wimax cho phép sử dụng trình duyệt internet trên laptop mà không cần kết nối vật lý bằng cổng Ethernet tới router hay switch.16 là hệ thống tiêu chuẩn truy nhập không dây băng rộng cung cấp đặc tả chính thức cho mạng MAN không dây băng rộng. Chuẩn này cho phép kết nối bang rộng vô tuyến cố định, mang xách được, di động mà không cần ở trong tầm nhìn thẳng trực tiếp tới một trạm gốc.16 có các họ sau:  IEEE 208.16-2001 Chuẩn này xác định giao diện vô tuyến gồm lớp MAC và PHY của hệ thống truy nhập vô tuyến cố định điểm điểm, đa điểm với mục đích cho phép triển khai nhanh chóng, rộng rãi các hệ thống truy nhập vô tuyến bang rộng. Đảm bảo khả năng tương thích giữa các thiết bị truy nhập vô tuyến băng rộng.16a-2003 Chuẩn này quy định các giao diện không cố định điểm tới đa điểm truy cập không dây băng thông rộng hệ thống cung cấp nhiều dịch vụ. Các lớp kiểm soát truy cập trung bình có khả năng hỗ trợ nhiều lớp vật chất kỹ thuật tối ưu hóa cho các dải tần số của ứng dụng.16c-2002 Đây là bản sửa lỗi chuẩn của bản 802.16-11, có thêm định nghĩa các hồ sơ mới cho dải băng tần từ 10-66 GHz với mục đích cải tiến thao tác giữa các phần.16-200 Chuẩn này sử dụng bang tần 2-11GHz, đây là băng tần thu hút nhiều sự chú ý nhất vì tín hiệu truyền đi có thể vượt qua các chướng ngại vật trên đường truyền.2 ROBOT THÁM HIỂM Việc sử dụng rô-bốt vào việc thám hiểm có những lợi ích đáng kể so với các phương pháp kiểm tra hiện có, bằng việc có khả năng hỗ trợ các thanh tra viên suốt 24 giờ một ngày và có thể hoạt động cả tuần trong các tình huống nguy hiểm, khắc nghiệt và bẩn thỉu.

Do đó, việc sử dụng rô-bốt trong việc kiểm tra và bảo trì ngày càng phổ biến.1 Phân loại rô-bốt  Robot có thể di chuyển dựa trên phân loại thám hiểm:  Có 2 loại robot: ngoài trời và trong nhà. Robot có chân chẳng hạn như 17 robot hình người, động vật hoặc côn trung, thường được trang bị bánh xe.  Robot trên không thường dùng cho các phương tiện trên không, phương tiện không người lái.  Robot dưới nước dùng cho các phương tiện hoặc động dưới nước, chúng hoạt động độc lập.

 Phân loại robot theo phương pháp di chuyển:  Robot có chân  Robot có bánh xe  Robot di chuyển bằng bánh xích 2.2 Một số dạng điều khiển robot  Điều khiển bằng tay Robot điều khiển từ xa bằng tay với các bộ phận có cần điều khiển hoặc những thiết bị điều khiển khác. Thiết bị điều khiển có thể được gắn trực tiếp vào robot như: một cần gạt không dây, một phụ kiện của máy tính không dây. Robot điều khiển từ xa giúp con người tránh khỏi những nguy hiểm.  Robots theo lộ trình Một vài robot tự động đầu tiên là những robot theo lộ trình hay những đường được sơn khắc trên sàn, trần nhà hay một dây điện trên sàn.

Đa số robot này hoạt động dựa vào một thuật toán đơn giản là luôn giữ lộ trình trong bộ cảm biến trung tâm, không thể đi vòng qua các chướng ngại vật và chỉ dừng lại khi có vật nào đó cản đường chúng.  Robot ngẫu nhiên hoạt động độc lập Robot hoạt động độc lập với những chuyển động ngẫu nhiên, về cơ bản đó là những chuyển động như nhẩy bật lên tường, những bức tường này được cảm nhận do sự cản trở về mặt vật lí.3 Các loại chuyển động của robot Có nhiều loại chuyển động nhưng tập trung chủ yếu vào 3 loại chuyển động chính:  Chuyển động bằng chân Robot di chuyển bằng chân là những loại robot có chuyển động phức tạp bằng cách rời rạc hóa việc tiếp xúc với mặt đất theo các điểm, việc chuyển động như thế 18 làm cho loại robot này có ưu thế trên các địa hình phức tạp, ghồ ghề và không liên tục. Đồng thời bằng cáh thay đổi chiều dài hiệu dụng của các chân cho phù hợp với môi trường nên robot di chuyển rất êm. Tùy thuộc vào số chân mà phân thành các loại robot một chân, hai chân, bốn chân, sáu chân hoặc nhiều hơn.

Tuy có ưu điểm trên nhưng loại robot này khó điều khiển và khó chế tạo.1 Robot hai chân BRAT Trên đây là hình ảnh robot 2 chân BRAT đời đầu còn khá thô sơ về mặt bề ngoài, kết cấu khá phức tạp để robot có thể di chuyển dễ dàng bằng 2 chân. Cách hoạt động, di chuyển khá linh hoạt do các khớp chân có thể chuyển động được. Đã có những sự Hình 3.2 Robot MANOI AT01 và MANOI PF01 phát triển vượt bậc về robot di chuyển bằng chân như sự xuất hiện của thế hệ robot MANOI, robot với bề ngoài đẹp đẽ hơn những thế hệ cũ, cách hoạt động di chuyển cũng dễ dàng, linh động hơn legs can be moved. There have been great developments in foot-moving robots such as the appearance of the MANOI robot generation, the 19 robot with a more beautiful appearance than the old generations, the way of movement is also easier and more flexible.

 Chuyển động bằng xích Loại robot này chuyển động bằng các bánh có lắp xích như xe tăng, rất phù hợp khi di chuyển trên các địa hình phức tạp. Để đổi hướng nó thay đổi tốc độ quay của hai bánh xích chủ động. Tuy nhiên do chuyển động bằng xích khi đổi hướng sẽ xảy ra hiện tượng trượt do đó khó điều khiển chính xác. Một vấn đề nữa là loại robot này rất dễ làm hỏng bề mặt của nền, đặc biệt là khi chuyển hướng.3 Robotic robot chuyển động bằng xích Hình ảnh trên là hai loại robot di chuyển bằng bánh xích, với ưu điểm khá nhỏ gọn nhưng lại có khả năng di chuyển trên bề mặt không bằng phẳng.

Bên cạnh ưu điểm thì robot này lại di chuyển khá chậm so với di chuyển bằng bánh xe hay bằng chân.  Di chuyển bằng bánh xe Robot trên được NASA dùng để thám hiểm sao hỏa với tên gọi Curiosity, robot này được lập trình chế độ tự hành có khả năng di chuyển linh hoạt trên địa hình bằng phẳng và di chuyển khá nhanh.4 Robot NASA chuyển động bánh xe Loại robot này dùng bánh xe để di chuyển do bánh xe dễ điều khiển, ổn định và chuyển động nhanh so với bánh xích hay là chân. Nhưng nhược điểm chỉ phù hợp với bề mặt nhẵn và cứng, bề mặt mềm robot dễ bị xa lầy.3 NGÔN NGỮ LẬP TRÌNH PYTHON 2.1 Giới thiệu Python là một ngôn ngữ lập trình được sử dụng phổ biến ngày nay từ trong môi trường học đường cho tới các dự án lớn. Ngôn ngữ phát triển nhiều loại ứng dụng, phần mềm khác nhau như các chương trình chạy trên desktop, server, lập trình các ứng dụng web.

Ngoài ra Python cũng là ngôn ngữ ưa thích trong xây dựng các chương trình trí tuệ nhân tạo trong đó bao gồm machine learning. Ban đầu, Python được phát triển để chạy trên nền Unix, nhưng sau này, nó đã chạy trên mọi hệ điều hành từ MS-DOS đến Mac OS, OS/2, Windows, Linux và các hệ điều hành khác thuộc họ Unix. Python do Guido van Rossum tạo ra năm 1989. Python được phát triển trong một dự án mã nguồn mở, do tổ chức phi lợi nhuận Python Software Foundation quản lý.