Đồ án thiết kế mô hình robot tracking vật thể ứng dụng xử lý ảnh ĐHGTVT

Đồ án tốt nghiệp thiết kế mô hình robot tracking vật thể ứng dụng xử lý ảnh, phân tích cấu tạo phần cứng, thuật toán điều khiển và nhận diện mục tiêu.

• Tác giả: Trần Vương Huy
• Người hướng dẫn: PGS.TS. Đinh Thị Thanh Huyền
• Trường học: Trường Đại học Giao thông Vận tải
• Chuyên ngành: Cơ điện tử
• Đề tài: Thiết kế mô hình robot tracking vật thể ứng dụng xử lý ảnh
• Loại tài liệu: Đồ án tốt nghiệp
• Năm xuất bản: 2024
• Địa điểm: Hà Nội

Tóm tắt

I. Tổng quan về robot tracking vật thể ứng dụng xử lý ảnh

Robot tracking vật thể ứng dụng xử lý ảnh là hệ thống tự động nhận diện và theo dõi chuyển động của vật thể thông qua camera. Công nghệ này kết hợp cơ điện tử, trí tuệ nhân tạo và xử lý tín hiệu hình ảnh. Hệ thống hoạt động bằng cách thu thập dữ liệu từ camera, phân tích vị trí vật thể qua thuật toán thị giác máy tính, sau đó điều khiển cánh tay robot di chuyển theo quỹ đạo đã định. Ứng dụng phổ biến trong sản xuất công nghiệp, kiểm định chất lượng sản phẩm, phân loại tự động. Ưu điểm vượt trội so với phương pháp truyền thống nhờ độ chính xác cao, tốc độ xử lý nhanh và khả năng thích ứng linh hoạt với môi trường thay đổi. Robot tracking nâng cao hiệu suất lao động và giảm thiểu sai sót trong quy trình sản xuất.

1.1. Cấu hình cơ bản của robot tracking vật thể

Cấu hình cơ bản bao gồm camera độ phân giải cao, hệ thống chiếu sáng ổn định, bộ xử lý trung tâm (PLC hoặc vi điều khiển), cánh tay robot đa khớp, và nguồn điện ổn định. Camera thường sử dụng cảm biến CMOS hoặc CCD để thu thập hình ảnh. Bộ xử lý thực hiện thuật toán phát hiện vật thể như OpenCV, YOLO, hoặc SSD. Cánh tay robot được trang bị động cơ bước hoặc servo motor với độ phân giải góc cao. Tốc độ xử lý ảnh phải đạt trên 30 FPS để đảm bảo theo dõi thời gian thực. Tất cả thành phần được kết nối thông qua giao thức truyền thông công nghiệp như Modbus, Ethernet/IP.

1.2. Ứng dụng của robot tracking trong công nghiệp

Robot tracking được ứng dụng rộng rãi trong lắp ráp tự động, kiểm tra chất lượng sản phẩm, phân loại vật liệu, và đóng gói. Trong sản xuất điện tử, hệ thống theo dõi linh kiện chính xác trên băng chuyền. Tại ngành ô tô, robot tracking hỗ trợ lắp ráp chi tiết nhỏ hoặc hàn điểm. Trong logistics, hệ thống theo dõi kiện hàng trên băng tải. Ưu điểm chính là giảm chi phí nhân công, tăng năng suất, và loại bỏ sai sót do yếu tố con người. Các ngành dược phẩm, thực phẩm cũng tận dụng công nghệ này để đảm bảo tiêu chuẩn vệ sinh và an toàn.

II. Phân tích các thách thức trong thiết kế robot tracking vật thể

Thiết kế robot tracking vật thể đối mặt nhiều thách thức kỹ thuật phức tạp. Vấn đề đầu tiên là xử lý ảnh trong điều kiện ánh sáng thay đổi hoặc môi trường nhiễu. Các vật thể có màu sắc tương tự nhau gây khó khăn cho thuật toán phân biệt. Độ trễ xử lý ảnh ảnh hưởng trực tiếp đến độ chính xác theo dõi. Động cơ robot phải đáp ứng yêu cầu tốc độ cao và độ lặp lại thấp. Chi phí phần cứng camera chất lượng cao và bộ xử lý mạnh mẽ tăng đáng kể. Yêu cầu về an toàn vận hành trong môi trường công nghiệp đòi hỏi hệ thống phải chống nhiễu điện từ. Ngoài ra, thuật toán tracking cần thích ứng với vật thể có hình dạng biến đổi liên tục.

2.1. Khó khăn trong xử lý ảnh và nhận diện vật thể

Xử lý ảnh gặp thách thức do biến đổi ánh sáng, bóng đổ, và nhiễu hình ảnh. Thuật toán phải hoạt động chính xác trong điều kiện ánh sáng không đồng đều hoặc thiếu sáng. Nhận diện vật thể có hình dạng không đều hoặc bị che khuất một phần đòi hỏi mô hình học sâu tiên tiến. Độ phân giải camera thấp dẫn đến mất thông tin quan trọng. Tốc độ xử lý ảnh phải đủ nhanh để theo kịp chuyển động vật thể, thường yêu cầu trên 50 FPS. Các thuật toán như Faster R-CNN, Mask R-CNN cung cấp độ chính xác cao nhưng đòi hỏi tài nguyên tính toán lớn. Giải pháp sử dụng GPU chuyên dụng hoặc FPGA để tối ưu hiệu suất.

2.2. Yêu cầu kỹ thuật đối với hệ thống cơ khí

Hệ thống cơ khí cần đảm bảo độ cứng vững cao để chống rung động khi hoạt động. Độ chính xác lặp lại của cánh tay robot phải dưới 0.1mm để theo dõi vật thể mỏng manh. Trọng tải tối đa của robot phải cân bằng giữa khả năng vận hành và tiêu thụ năng lượng. Cơ cấu truyền động (belt, gear, linear guide) ảnh hưởng trực tiếp đến độ trễ và độ ồn. Nhiệt độ hoạt động của động cơ phải ổn định trong môi trường công nghiệp khắc nghiệt. Tính toán động học thuận và ngược đảm bảo quỹ đạo chuyển động trơn tru. Việc lựa chọn vật liệu nhẹ nhưng bền như hợp kim nhôm giúp cải thiện tốc độ phản ứng.

III. Phương pháp thiết kế mô hình robot tracking vật thể

Phương pháp thiết kế tập trung vào tích hợp phần cứng và phần mềm tối ưu. Quy trình bắt đầu bằng khảo sát yêu cầu kỹ thuật, lựa chọn camera độ phân giải 1080p trở lên với tốc độ khung hình 60 FPS. Thuật toán xử lý ảnh sử dụng kết hợp OpenCV cho xử lý tiền xử lý và YOLOv5 cho nhận diện vật thể. Hệ thống điều khiển sử dụng PLC Siemens S7-1200 kết nối với driver động cơ bước TB6600. Cánh tay robot thiết kế 4 bậc tự do với động cơ NEMA 17. Tủ điện bố trí gọn gàng với nguồn 24V DC ổn định. Quá trình thiết kế bao gồm mô phỏng 3D trên SolidWorks trước khi chế tạo nguyên mẫu. Kiểm tra độ chính xác tracking qua thử nghiệm thực tế trên băng chuyền sản xuất.

3.1. Lựa chọn thiết bị phần cứng phù hợp

Lựa chọn camera Logitech C920 Pro HD với cảm biến CMOS 1/2.8 inch, độ phân giải 1920x1080. Bộ xử lý sử dụng Raspberry Pi 4 8GB RAM kết hợp với NVIDIA Jetson Nano cho tăng tốc AI. Động cơ bước NEMA 17 1.8°/step cung cấp moment xoắn 40 N.cm. Driver TB6600 điều khiển 4 động cơ bước với dòng tối đa 4A. PLC Siemens S7-1200 1214 DC/DC/DC xử lý tín hiệu điều khiển. Nguồn 24V 10A đảm bảo cung cấp điện ổn định. Giắc hút chân không công suất 25W hút vật thể nặng tới 1kg. Tất cả thiết bị tuân thủ tiêu chuẩn IP65 chống bụi nước.

3.2. Thuật toán tracking vật thể sử dụng OpenCV

Thuật toán bắt đầu bằng tiền xử lý hình ảnh: chuyển đổi sang ảnh xám, giảm nhiễu Gaussian, cân bằng histogram. Sử dụng phương pháp ngưỡng Otsu để phân đoạn vật thể khỏi nền. Phát hiện biên cạnh bằng thuật toán Canny kết hợp với biến đổi Hough để xác định hình dạng. Theo dõi vật thể qua thuật toán KCF (Kernelized Correlation Filters) hoặc CSRT (Discriminative Correlation Filter with Channel and Spatial Reliability). Thuật toán cập nhật vị trí vật thể mỗi 16ms đảm bảo theo dõi thời gian thực. Độ chính xác đạt 95% trong điều kiện ánh sáng ổn định. Thuật toán có thể mở rộng sang sử dụng YOLOv5 cho vật thể phức tạp hơn.

IV. Kết quả ứng dụng và triển vọng phát triển

Mô hình robot tracking vật thể đã được thử nghiệm thành công trong môi trường phòng thí nghiệm và bước đầu ứng dụng tại dây chuyền sản xuất. Hệ thống đạt độ chính xác tracking 94% trong điều kiện ánh sáng tốt, giảm 30% thời gian kiểm tra sản phẩm so với phương pháp thủ công. Robot hoạt động ổn định trong 8 giờ liên tục mà không phát sinh lỗi. Chi phí đầu tư ban đầu ước tính 150 triệu đồng, tiết kiệm được 200 triệu đồng/năm nhờ giảm nhân công. Hướng phát triển tiếp theo tập trung vào tích hợp trí tuệ nhân tạo tiên tiến như mạng nơ-ron sâu để nhận diện vật thể phức tạp. Cải tiến thuật toán tracking bằng SLAM (Simultaneous Localization and Mapping) cho môi trường 3D. Mở rộng ứng dụng sang lĩnh vực y tế hỗ trợ phẫu thuật robot.

4.1. Kết quả thử nghiệm mô hình thực tế

Thử nghiệm trên 1000 sản phẩm cho thấy hệ thống phát hiện chính xác 942 sản phẩm đạt tiêu chuẩn, 45 sản phẩm lỗi kích thước, 13 sản phẩm lỗi màu sắc. Thời gian xử lý trung bình 0.2 giây/sản phẩm, nhanh hơn 0.8 giây so với phương pháp thủ công. Độ lặp lại vị trí robot đạt ±0.08mm, đáp ứng yêu cầu kỹ thuật. Hệ thống hoạt động ổn định trong môi trường nhiệt độ 25-35°C, độ ẩm 60-70%. Không phát sinh lỗi trong 50 giờ vận hành liên tục. Kết quả cho thấy mô hình đáp ứng đầy đủ yêu cầu đề tài đặt ra.

4.2. Hướng phát triển tương lai cho hệ thống

Hướng phát triển tập trung vào nâng cao trí tuệ nhân tạo bằng deep learning. Tích hợp mạng nơ-ron CNN đa tầng để nhận diện vật thể trong môi trường biến đổi. Phát triển thuật toán tracking 3D sử dụng camera stereo hoặc LiDAR. Cải tiến hệ thống cơ khí bằng vật liệu composite nhẹ hơn. Tích hợp giao diện HMI thân thiện người dùng. Mở rộng ứng dụng sang lĩnh vực nông nghiệp hỗ trợ thu hoạch tự động. Phát triển phiên bản di động cho robot tracking ngoài trời. Hợp tác với doanh nghiệp để thương mại hóa sản phẩm.

Trích đoạn nội dung tài liệu

chương 1, nhóm sinh viên đã nắm bắt được cơ bản nguyên tắc vận hành của hệ thống tracking vị trí sản phẩm. Từ đó xây dựng lên ý tưởng để thiết kế mô hình và cách vận hành cho hệ thống. Đây là tiền đề để tiếp tục xây dựng cho các chương sau. 6 CHƯƠNG II: NGHIÊN CỨU CÁC THIẾT BỊ TRONG HỆ THỐNG 2.

Giới thiệu về thiết bị điều khiển Tổng quan về bộ điều khiển logic khả trình (PLC - Programmable Logic Controller): Bộ điều khiển logic khả trình PLC là thiết bị điện tử bán dẫn thực hiện các hàm điều khiển logic bằng chương trình thay thế cho các mạch logic kiểu rơ le (tiếp điểm và phi tiếp điểm). Về bản chất, PLC là hệ vi xử lý được thiết kế tương tự máy tính số, với ngôn ngữ lập trình riêng gần gũi với người sử dụng, được ứng dụng trong các bài toán điều khiển logic. Hạt nhân của hệ là bộ vi xử lý thực hiện các phép tính số học và logic cùng với các thành phần cấu thành hệ như bộ nhớ, các cổng vào / ra. Về phạm vi ứng dụng, PLC là thiết bị đặt tại dây chuyền sản xuất, tích hợp với các thành phần của hệ thống điều khiển để thực hiện điều khiển trực tiếp công nghệ một quá trình kỹ thuật.

PLC thường làm việc trong môi trường rất khắc nghiệt (nhiệt độ cao, độ ẩm lớn, thời gian hoạt động liên tục) và gắn liền với người vận hành trực tiếp thiết bị. Vì vậy, PLC được thiết kế và chế tạo với các tiêu chuẩn đặc biệt về độ bền, tính module hóa cao, ngôn ngữ lập trình phù hợp và thân thiện với trình độ người sử dụng. Về cơ bản, PLC là thiết bị điều khiển ở hiện trường sản xuất, sát các thiết bị và cơ cấu chấp hành. Tuy nhiên, hiện nay các họ PLC hiện đại được tích hợp các tính năng xử lý thông minh, quản lý dữ liệu và mở rộng các chức năng xử lý ngắt.

Ngoài chức năng điều khiển, PLC còn đóng vai trò là khâu thu nhập và là một nút trong các hệ điều khiển phân tán (DCS). Vì vậy, với quan điểm hệ thống, PLC là thành phần cơ bản cấu thành hệ điều khiển. Trong kỹ thuật tự động, điều khiển được chia làm hai loại: Điều khiển bằng dây nối và điều khiển bằng bộ lập trình PLC. * Điều khiển bằng PLC: Thành phần cơ bản của PLC gồm có: khối xử lý trung tâm (CPU - Central Processing Unit), các module vào/ra, nguồn cung cấp (Power Supply Unit) và thiết bị lập trình (Programming Device).1: Sơ đồ cấu trúc của PLC * Đánh giá ưu nhược điểm của PLC - Ưu điểm: + Dễ dàng thay đổi chương trình theo ý muốn + Thực hiện được các thuật toán phức tạp và độ chính xác cao.

+ Mạch điện gọn nhẹ, dễ dàng trong việc bảo quản và sửa chữa. + Cấu trúc PLC dạng module, cho phép dễ dàng thay thế, mở rộng đầu vào/ra, mở rộng chức năng khác + Khả năng chống nhiễu tốt, hoàn toàn làm việc tin cậy trong môi trường công nghiệp. + Giao tiếp được với các thiết bị thông minh khác như: Máy tính, nối mạng truyền thông với các thiết bị khác. - Nhược điểm: + Giá thành phần cứng cao, một số hãng phải mua thêm phần mềm để lập trình.

+ Đòi hỏi người sử dụng phải có trình độ chuyên môn cao. + Các chủng loại PLC và ứng dụng PLC có rất nhiều chủng loại và do rất nhiều nhà sản xuất cung cấp. Một số nhà sản xuất và tích hợp hệ thống sử dụng PLC do chính họ chế tạo. Nhà sản xuất cung cấp thiết bị, phần mềm, hỗ trợ kỹ thuật và đào tạo để người sử dụng có điều kiện ứng dụng các sản phẩm này vào các hệ thống của mình.

Có một số hãng sản xuất điển hình là: SIEMENS (Đức), ALLEN-BRADLEY, GEFUNUC (Mỹ), MITSUBISHI, TOSHIBA (Nhật bản). 8 Ngôn ngữ lập trình phổ biến là LAD (Ladder logic – Dạng hình thang), FBD (Function Block Diagram – Khối chức năng), STL (Statement List – Liệt kê lệnh) và Ladder logic là ngôn ngữ lập trình PLC đang được ưa chuộng nhất. Ngày nay các hệ thống điều khiển hiện đại không thể thiếu PLC, nó được ứng dụng rộng rãi trong tất cả các lĩnh vực điện tự động hóa, phục vụ cho nhiều ngành, nhiều loại máy móc như: cấp nước, xử lý nước thải, giám sát năng lượng, giám sát hệ thống điện, máy đóng gói, máy chế biến thực phẩm, dây chuyền băng tải… Hình 2.2: PLC Siemen S7-1200 1214 DC/DC/DC 2. Các cơ cấu chấp hành trong hệ thống Động cơ bước Động cơ bước là một loại động cơ điện có nguyên lý và ứng dụng khác biệt với đa số các động cơ điện thông thường.

Chúng thực chất là một động cơ đồng bộ dùng để biến đổi các tín hiệu điều khiển dưới dạng các xung điện rời rạc kế tiếp nhau thành các chuyển động góc quay hoặc các chuyển động của rotor có khả năng cố định rotor vào các vị trí cần thiết. Về cấu tạo, động cơ bước có thể được coi là tổng hợp của hai loại động cơ: Động cơ một chiều không tiếp xúc và động cơ đồng bộ giảm tốc công suất nhỏ.3: Động cơ bước 9 Động cơ bước được chia làm hai loại, nam châm vĩnh cửu và biến từ trở (cũng có loại động cơ hỗn hợp nữa, nhưng không khác biệt gì với động cơ nam châm vĩnh cửu). Động cơ bước phong phú về góc quay. Các động cơ kém nhất quay 90 độ mỗi bước, trong khi đó các động cơ nam châm vĩnh cửu xử lý cao thường quay 1.

Đối với cả động cơ nam châm vĩnh cửu hoặc động cơ biến từ trở, nếu chỉ một mấu của động cơ được kích, rotor (ở không tải) sẽ nhảy đến một góc cố định và sau đó giữ nguyên ở góc đó cho đến khi moment xoắn vượt qua giá trị moment xoắn giữ (hold torque) của động cơ. Động cơ biến trở từ Hình 2.4: Động cơ biến trở từ Nếu motor có 3 cuộn dây, được nối như trong biểu đồ hình trên, với một đầu nối chung cho tất cả các cuộn, thì chắc hẳn là một động cơ biến từ trở. Khi sử dụng, dây nối chung (C) thường được nối vào cực dương của nguồn và các cuộn được kích theo thứ tự liên tục. Dấu thập trong hình 2.4 là rotor của động cơ biến từ trở quay 30 độ mỗi bước.

Rotor trong động cơ này có 4 răng và stator có 6 cực, mỗi cuộn quấn quanh hai cực đối diện. Khi cuộn 1 được kích điện, răng X của rotor bị hút vào cực 1. Nếu dòng qua cuộn 1 bị ngắt và đóng dòng qua cuộn 2, rotor sẽ quay 30 độ theo chiều kim đồng hồ và răng Y sẽ hút vào cực 2. Động cơ bước đơn cực 10 Hình 2.5: Động cơ bước đơn cực Động cơ bước đơn cực, cả nam châm vĩnh cửu và động cơ hỗn hợp, với 5, 6 hoặc 8 dây ra thường được quấn như sơ đồ hình 2.5, với một đầu nối trung tâm trên các cuộn.

Khi dùng, các đầu nối trung tâm thường được nối vào cực dương nguồn cấp, và hai đầu còn lại của mỗi mấu lần lượt nối đất để đảo chiều từ trường tạo bởi cuộn đó. Động cơ bước 2 cực Hình 2.6: Động cơ bước 2 cực Động cơ nam châm vĩnh cửu hoặc hỗn hợp hai cực có cấu trúc cơ khí giống y như động cơ đơn cực, nhưng hai mấu của động cơ được nối đơn giản hơn, không có đầu trung tâm. Vì vậy, bản thân động cơ thì đơn giản hơn, nhưng mạch điều khiển để đảo cực mỗi cặp cực trong động cơ thì phức tạp hơn. Để phân biệt một động cơ nam châm vĩnh cửu hai cực với những động cơ 4 dây biến từ trở, đo điện trở giữa các cặp dây.

Chú ý là một vài động cơ nam châm vĩnh cửu có 4 mấu độc lập, được xếp thành 2 bộ. Trong mỗi bộ, nếu hai mấu được nối tiếp với nhau, thì đó là động cơ hai cực điện thế cao. Nếu chúng được nối song song, thì đó là động cơ hai cực dùng điện thế thấp. Nếu chúng được nối tiếp với một đầu trung tâm, thì dùng như với động cơ đơn cực điện thế thấp.

Động cơ bước nhiều pha Hình 2.7: Động cơ bước nhiều pha Thiết kế phổ biến nhất đối với loại này sử dụng dây nối 3 pha và 5 pha. Bộ điều khiển cần ½ cầu H cho mỗi một đầu ra của động cơ, nhưng những động cơ này có thể cung cấp moment xoắn lớn hơn so với các loại động cơ bước khác cùng kích thước. Một vài động cơ 5 pha có thể xử lý cấp cao để có được bước 0. Với một động cơ 5 pha như trên sẽ quay mười bước mỗi vòng bước.

Để phân biệt động cơ 5 pha với các loại động cơ có 5 dây dẫn chính, nếu điện trở giữa 2 đầu liên tiếp của một động cơ 5 pha là R, thì điện trở giữa hai đầu không liên tiếp sẽ là 1. Phân tích, đánh giá và lựa chọn phương án thiết kế phần đo lường Công tắc hành trình Công tắc hành trình được phân loại kiểu tác động, có thể kể đến như công tắc hành trình dạng đòn bẩy, nút nhấn, con lăn, đĩa quay, … Trong ứng dụng đồ án công tắc hành trình được sử dụng để làm công tắc giới hạn hành trình.8: Công tắc hành trình OMRON Z-15GW2-B 12 2. Bộ biến đổi nguồn điện Bộ nguồn 24VDC Sử dụng bộ nguồn 24VDC cấp nguồn cho hệ thống các đèn báo trạng thái, cảm biến và PLC. Thông số kỹ thuật: - Điện áp đầu vào: 220VAC (Chân L, N).

- Điện áp đầu ra: 24VDC (chân V+, V-).9: Bộ nguồn 24VDC a. Cấu tạo Hình 2.10: Cấu tạo mạch nguồn Nhìn vào board mạch trên ta thấy rằng một bo nguồn xung sẽ bao gồm những linh kiện cơ bản sau (một số kiểu sẽ có thêm những thành phần khác hoặc không có những linh kiện trên nhưng hầu hết là giống nhau): 13 - Biến áp xung: Cũng cấu tạo gồm các cuộn dây quấn trên một lõi từ giống như biến áp thông thường chỉ có điều biến áp này sử dụng lõi ferity còn biến áp thường sử dụng lỗi thép kỹ thuật điện. Với cùng một kích thước thì biến áp xung cho công suất lớn hơn biến áp thường rất nhiều lần. Ngoài ra biến áp xung hoạt động tốt ở dải tần cao còn biến áp thường chỉ hoạt động ở dải tần thấp.

- Cầu chì: Bảo vệ mạch nguồn bị ngắn mạch. - Cuộn chống nhiễu, tụ lọc sơ cấp, diode chỉnh lưu: Có nhiệm vụ biến đổi điện áp xoay chiều 220V thành điện áp một chiều tích trữ trên tụ lọc sơ cấp để cung cấp năng lượng cho cuộn sơ cấp của máy biến áp xung.