BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP NGÀNH HỆ THỐNG NHÚNG VÀ IOT ĐIỀU KHIỂN VÀ LẬP BẢN ĐỒ CHO ROBOT DI ĐỘNG HAI BÁNH GVHD: TS. PHAN HỌC SVTH: HỒ THANH CÔNG NGUYỄN ĐỨC DŨNG SKL013303 Tp. Hồ Chí Minh, tháng 6 năm 2024 TR¯äNG Đ¾I HâC S¯ PH¾M KĀ THUÀT TP. Hâ CHÍ MINH KHOA ĐIÈN ĐIÈN TĀ Bà MÔN ĐIÈN TĀ VIÆN THÔNG Đâ ÁN TàT NGHIÈP ĐIÀU KHIÂN VÀ LÀP BÀN Đà CHO ROBOT DI ĐÞNG HAI BÁNH NGÀNH HÈ THàNG NHÚNG VÀ IOT GiÁng viên h°ãng d¿n: TS.
PHAN HàC Sinh viên thāc hiÉn: Hà THANH CÔNG MSSV: 20139065 NGUYÄN ĐĄC DŨNG MSSV: 20139067 TP. Hâ CHÍ MINH, tháng 6 năm 2024 TR¯äNG Đ¾I HâC S¯ PH¾M KĀ THUÀT TP. Hâ CHÍ MINH KHOA ĐIÈN ĐIÈN TĀ Bà MÔN ĐIÈN TĀ VIÆN THÔNG Đâ ÁN TàT NGHIÈP ĐIÀU KHIÂN VÀ LÀP BÀN Đà CHO ROBOT DI ĐÞNG HAI BÁNH NGÀNH HÈ THàNG NHÚNG VÀ IOT GiÁng viên h°ãng d¿n: TS. PHAN HàC Sinh viên thāc hiÉn: Hà THANH CÔNG MSSV: 20139065 NGUYÄN ĐĄC DŨNG MSSV: 20139067 TP.
Hâ CHÍ MINH, tháng 6 năm 2024 TRANG THÔNG TIN Đà ÁN TÞT NGHIÞP 1. Thông tin sinh viên: Hã và tên sinh viên: Hâ THANH CÔNG MSSV: 20139065 Email: 20139065@student.vn ĐiÉn tho¿i: 036 9967973 Hã và tên sinh viên: NGUYÆN ĐĆC DiNG MSSV: 20139067 Email: 20139067@student.vn ĐiÉn tho¿i: 098 5306902 2. Thông tin đÁ tài: - Tên đà tài: ĐIÂU KHIÄN VÀ LÀP BÀN Đâ CHO ROBOT DI ĐàNG HAI BÁNH - Đ¢n vá quÁn lý: Bá môn Kā thuÁt Máy tính – ViÇn thông, Khoa ĐiÉn – ĐiÉn tā, Tr°ång Đ¿i hãc S° ph¿m Kā ThuÁt TP. - Thåi gian thāc hiÉn đà tài: tÿ ngày 08/01/2024 đÁn ngày /06/2024.
- Thåi gian bÁo vÉ: 24/06/2024. Lãi cam đoan căa sinh viên: Nhóm thāc hiÉn chúng tôi xin cam đoan rằng đã án tát nghiÉp vãi đà tài <ĐiÃu khiÅn và lÁp bÁn đã cho robot di đáng hai bánh= là thành quÁ nghiên cću cąa nhóm thāc hiÉn d°ãi sā h°ãng d¿n cąa TS. Chúng tôi có xem xét, nghiên cću và tham khÁo các nguãn tài liÉu có liên quan và ghi rõ nguãn trong phÁn tài liÉu tham khÁo ç cuái báo cáo. Chúng tôi cam đoan không sao chép, đ¿o nhái b¿t kỳ phÁn nào cąa công trình nghiên cću khác mà không đ°āc sā cho phép cąa tác giÁ.
Các sá liÉu, nái dung nghiên cću, hình Ánh cjng nh° kÁt quÁ đ°āc trình bày trong báo cáo này là hoàn toàn trung thāc, không sao chép kÁt quÁ cąa công trình khác.HCM, ngày & tháng & năm 2024 Nhóm thāc hiÉn Xác nhÁn cąa Bá môn Tp.HCM, ngày & tháng & năm 2024 Giáo viên h°ãng d¿n (Ký, ghi rõ họ tên và học hàm – học vị) LâI CÀM ¡N Nhóm sinh viên thāc hiÉn khóa luÁn thành tâm muán gāi låi cÁm ¢n chân thành và biÁt ¢n sâu sắc đÁn thÁy – TS. Phan Hãc đã luôn luôn lắng nghe và tÁn tình h°ãng d¿n cjng nh° giÁi đáp các thắc mắc cąa nhóm trong suát quá trình nghiên cću và thāc hiÉn đà tài. Nhÿng phÁn hãi cąa thÁy đã giúp nhóm khắc phăc đ°āc nhÿng khó khăn và sai sót, tÿ đó ngày càng hoàn thiÉn h¢n sÁn phẩm cąa mình. Nhå vÁy, nhóm thāc hiÉn cÁm th¿y yên tâm và tā tin h¢n khi náp khóa luÁn.
Chúng tôi cjng muán bày tß sā biÁt ¢n, tri ân đÁn t¿t cÁ các thÁy cô cąa khoa ĐiÉn – ĐiÉn tā đã giÁng d¿y, cung c¿p nhiÃu kiÁn thćc bå ích, quý báu, góp phÁn làm nÃn tÁng cho nhóm thāc hiÉn đà tài luÁn án. Nhÿng kiÁn thćc đó đãng thåi cjng giúp nhóm mç ráng tÁm nhìn và trau dãi thêm nhÿng kinh nghiÉm, là hành trang cho công cuác hãc tÁp và phát triÅn sā nghiÉp trong t°¢ng lai. Và låi cuái cùng, chúng tôi r¿t cÁm kích và biÁt ¢n đÁn gia đình, ng°åi thân, b¿n bè và đãng nghiÉp đã giúp đÿ, cjng nh° hß trā nhóm và nhiÃu mặt. Trong quá trình nghiên cću và thāc hiÉn đà tài khóa luÁn, không thÅ tránh khßi nhÿng khó khăn, mãi ng°åi là nguãn đáng lāc và điÅm tāa to lãn giúp nhóm v°āt qua đ°āc khoÁng thåi gian khó khăn ¿y.
Trân trọng, Nhóm sinh viên thực hiện. iv TÓM TÂT Trong thåi đ¿i hiÉn nay, sā tiÁn bá v°āt bÁc cąa khoa hãc và công nghÉ đã m¿nh m¿ thúc đẩy sā phát triÅn cąa nhiÃu lĩnh vāc, đặc biÉt là lĩnh vāc tā đáng hóa. Sā tiÁn bá này không chß t¿o ra mát đáng lāc m¿nh m¿ đÅ thúc đẩy sā phát triÅn cąa các ngành công nghiÉp khác mà còn đáp ćng đ°āc nhu cÁu ngày càng tăng cao cąa con ng°åi trong cuác sáng hàng ngày. Trong bái cÁnh này, viÉc t¿o ra các robot tā hành đÅ thāc hiÉn các công viÉc khó khăn, nặng nhãc đã trç thành mát ph°¢ng tiÉn hiÉu quÁ đÅ giÁi phóng sćc lao đáng cąa con ng°åi.
Nhå vào sā tiÁt kiÉm thåi gian, tài nguyên và năng l°āng, robot này không chß giúp con ng°åi hoàn thành công viÉc mát cách hiÉu quÁ mà còn mç ra nhÿng tiÃm năng mãi cho sā phát triÅn cąa xã hái. Dāa trên nhu cÁu thāc tiÇn đó, đã án đã đặt măc tiêu phát triÅn mát lo¿i robot có khÁ năng đánh vá vá trí, thiÁt lÁp bÁn đã và d¿n đ°ång trong môi tr°ång trong nhà. Robot này không chß giúp xác đánh vá trí trong nhà vãi đá chính xác cao mà còn giÁm thiÅu tái đa Ánh h°çng cąa yÁu tá môi tr°ång. Bằng cách t¿o ra các bÁn đã chi tiÁt cąa môi tr°ång bên trong, robot này mç ra nhÿng khÁ năng mãi cho viÉc phân tích và sā dăng thông tin mát cách hiÉu quÁ.
HÉ tháng đánh vá và d¿n đ°ång đã đ°āc phát triÅn vãi sā mô-đun hóa, cho phép mç ráng và áp dăng cho nhiÃu lo¿i robot và nhiÃu bái cÁnh ćng dăng khác nhau, tÿ công nghiÉp đÁn dách vă và ng°åi tiêu dùng. ĐiÃu này hća hẹn mç ra mát t°¢ng lai hća hẹn vãi sā hāp tác chặt ch¿ giÿa con ng°åi và công nghÉ, t¿o ra nhÿng giÁi pháp tiên tiÁn đÅ giÁi quyÁt các thách thćc cąa thÁ giãi hiÉn đ¿i. VIII DANH MĀC BÀNG. XI CH¯¡NG 1 GIàI THIÞU .1 GIâI THIÈU CÔNG NGHÈ ROBOT TĀ HÀNH.2 TÌNH HÌNH NGHIÊN CĆU TRONG VÀ NGOÀI N¯âC .3 NHIÈM VĂ VÀ MĂC ĐÍCH CĄA Đâ ÁN .4 PH¾M VI VÀ ĐàI T¯ĀNG NGHIÊN CĆU .1 Phạm vi nghiên cāu .2 Đối tượng nghiên cāu .5 PH¯¡NG PHÁP NGHIÊN CĆU.6 CH¯¡NG 2 C¡ Sä LÝ THUY¾T .1 TäNG QUAN V ROS .1 Giới thiệu về ROS.2 Cấu trúc mô hình ROS .2 XÁC ĐàNH Và TRÍ VÀ LÀP BÀN Đâ ĐâNG THäI (SLAM) .1 Tổng quan về SLAM .2 SLAM dựa trên tín hiệu cảm biến LiDAR .4 TRUYÂN THÔNG UART .6 Bà ĐIÂU KHIÄN PID .1 Tổng quan về bộ điều khiển PID .2 Lý thuyết giải thuật PID .8 PH¯¡NG TRÌNH ĐàNG HâC CĄA ROBOT HAI BÁNH LÁI VI SAI .1 Động học thuận hệ robot di động hai bánh lái vi sai .2 Động lực nghịch hệ robot di động hai bánh lái vi sai .1 Giới thiệu về Encoder .2 Phân loại Encoder.3 Nguyên lý hoạt động và Āng dụng cÿa Encoder .31 CH¯¡NG 3 NÞI DUNG THĀC HIÞN .1 PHÀN CĆNG HÈ THàNG .1 Sơ đồ khối mô tả hệ thống .2 Thiết kế khung cÿa robot di động .3 Linh kiện điện tử cÿa hệ thống .2 THIÀT KÀ PHÀN MÂM .1 Tổng quan hệ thống .2 Giao tiếp và điều khiển tốc độ động cơ giữa Raspberry và Arduino.3 Lập bản đồ sử dụng HectorSLAM .55 CH¯¡NG 4 THĀC NGHIÞM VÀ ĐÁNH GIÁ .1 KÀT QUÀ MÔ HÌNH ROBOT DI ĐàNG .2 THĀC NGHIÈM VÀ ĐÁNH GIÁ .2 Tính toán hệ trục Odometry .3 Quá trình tạo bản đồ cÿa robot .4 So sánh độ chính xác giữa bản đồ thực tế và bản đồ robot lập nên .73 CH¯¡NG 5 K¾T LUÀN VÀ H¯àNG PHÁT TRIÂN .2 H¯âNG PHÁT TRIÄN .78 TÀI LIÞU THAM KHÀO.80 vii DANH MĀC HÌNH Hình 1.1: Mát sá sÁn phẩm robot MIR .2: Robot đ°āc triÅn khai sā dăng trong các khu cách ly cąa ViÉn PRATI .1: Mô hình ROS Filesystem .2: Mô hình giao tiÁp c¢ bÁn trong ROS .3: Giao tiÁp giÿa các node .4: Giao tiÁp kiÅu Topic .5: Hình Ánh thā nghiÉm cąa SLAM .6: Mô tÁ truyÃn thông UART .7: Tích hāp ROS Serial cho hÉ tháng robot .8: S¢ đã khái c¢ bÁn thuÁt toán PID .9: Mô tÁ hÉ robot di dáng hai bánh lái vi sai .13: Nguyên lý ho¿t đáng cąa Encoder .1: S¢ đã kÁt nái phÁn cćng tång quát .2: BÁng v¿ chi tiÁt cho phÁn khung xe robot .3: S¢ đã chân kÁt nái cąa board Arduino Mega 2560 .4: S¢ đã mô hình Raspberry Pi 4 .5: CÁm biÁn quét ph¿m vi laser RPLiDAR C1 .6: HÉ tháng điÃu phái quét dÿ liÉu cąa RPLiDAR C1 .7: Đáng c¢ DC Servo JGA25-370 .9: Bánh xe V2 65mm .10: Bánh đa h°ãng kim lo¿i CY15A .11: Pin Li-ion 18650 Panasonic NCR18650GA .12: S¢ đã tång quát phÁn mÃm .13: S¢ đã khái giao tiÁp giÿa vi điÃu khiÅn và máy tính .14: Mô tÁ chuyÅn đåi đ¿i l°āng vÁn tác .15: Khçi ch¿y các node đã tính toán .16: L°u đã giÁi thuÁt cho quá trình lÁp bÁn đã sā dăng HectorMapping .17: S¢ đã khái các b°ãc thāc hiÉn lÁp bÁn đã sā dăng HectorMapping .18: Mô tÁ Occupancy Grid Map .19: T° thÁ ban đÁu cąa robot và bÁn đã cho lÁn quét laser đÁu tiên .20: Scan Matching cho lÁn thć hai cÁp nhÁt t° thÁ cąa robot .21: Mô tÁ t° thÁ cąa robot vãi ph°¢ng pháp Scan Matching .22: Mô tÁ sā thay đåi t° thÁ cąa robot vãi ph°¢ng pháp Scan Matching .1: Tång quan mô hình robot di đáng hai bánh .2: TÁng 1 cąa robot chća các linh kiÉn chính .3: CÁm biÁn LiDAR đ°āc đặt ç tÁng 2 .4: KÁt quÁ cąa LiDAR khi quét .5: Vá trí ban đÁu cąa robot và biÅu diÇn trên hÉ trăc Odometry .6: Robot tiÁn thẳng mát đo¿n 40cm so vãi vá trí ban đÁu .7: Robot di chuyÅn lùi mát đo¿n 40cm so vãi ban đÁu .9: Đang trong quá trình t¿o bÁn đã .10: BÁn đã sau khi hoàn thành .11: Kích th°ãc bÁn đã thāc tÁ .12: Kích th°ãc chiÃu ngang bÁn đã đo tÿ Rviz .13: Kích th°ãc chiÃu dãc bÁn đã đo tÿ Rviz .14: Kích th°ãc tÿ vÁt cÁn đÁn t°ång đo tÿ Rviz .77 ix DANH MĀC BÀNG BÁng 2.1: Thông sá chi tiÁt cho truyÃn thông UART .1: Thông sá kā thuÁt cąa board Arduino Mega 2560 .2: Thông sá kā thuÁt cąa Raspberry Pi 4 Model B .3: Thông sá kā thuÁt cąa RPLiDAR C1 .4: Thông sá kā thuÁt đáng c¢ DC Servo JGA25-370 12VDC 130RPM .5: Thông sá kā thuÁt module L298N .6: Thông sá kā thuÁt bánh xe V2 65mm .7: Thông sá kā thuÁt Pin Li-ion 18650 Panasonic NCR18650GA .8: So sánh xây d°ng bÁn đã giÿa HectorMapping và Gmapping .9: Mát sá thuÁt toán phå biÁn cąa ph°¢ng pháp Scan Matching .