Đồ án Kỹ thuật: tốt nghiệp thiết kế chế tạo mobile robot lau sàn tránh vật

Đồ án nghiên cứu tốt nghiệp thiết kế chế tạo mobile robot lau sàn tránh vật bằng công nghệ xử lý ảnh, áp dụng công nghệ tiên tiến, tối ưu giải pháp kỹ thuật cho bài toán kỹ thuật.

• Tác giả: Tô Tiến Kiệt
• Người hướng dẫn: Th.S Lê Thanh Tùng
• Trường học: Trường Đại Học Sư Phạm Kỹ Thuật Thành Phố Hồ Chí Minh
• Chuyên ngành: Công Nghệ Kỹ Thuật Cơ Điện Tử
• Đề tài: Thiết Kế Chế Tạo Mobile Robot Lau Sàn Tránh Vật Bằng Công Nghệ Xử Lý Ảnh
• Loại tài liệu: Graduation Project
• Năm xuất bản: 2016
• Địa điểm: Ho Chi Minh City

Tóm tắt

I. Giới thiệu về Đồ án Tốt nghiệp Thiết kế Chế tạo Mobile Robot

Đồ án tốt nghiệp thiết kế chế tạo mobile robot là một dự án học thuật quan trọng trong ngành Công nghệ Kỹ thuật Cơ Điện tử. Đề tài này tập trung vào thiết kế và chế tạo mobile robot lau sàn tự động, ứng dụng công nghệ xử lý ảnh tiên tiến để nhận diện vật cản và điều khiển chuyển động một cách chính xác. Mobile robot đã trở thành giải pháp hữu ích cho các văn phòng, công sở, và các không gian công cộng, giúp tiết kiệm nhân công và nâng cao hiệu suất lao động. Dự án này được thực hiện tại Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật TP.HCM, Khoa Cơ Khí Chế tạo Máy, với sự hướng dẫn của các giảng viên chuyên môn. Thiết kế mobile robot lau sàn không chỉ đơn thuần là một bài tập kỹ thuật mà còn mang ý nghĩa thực tiễn cao, góp phần vào tự động hóa trong cuộc sống hiện đại.

1.1. Lý do chọn đề tài thiết kế chế tạo mobile robot

Ở Việt Nam, công nghệ robot phục vụ còn mới mẻ với sự đầu tư chưa đủ, do đó đồ án thiết kế mobile robot lau sàn được chọn nhằm mở ra hướng đi mới. Đề tài này giúp sinh viên áp dụng kiến thức về điều khiển động cơ DC servo, truyền nhận không dây qua Bluetooth, và đặc biệt là xử lý ảnh để điều khiển robot chính xác. Robot sẽ giúp thay thế con người trong các lĩnh vực lao động nặng, nhọc, đơn điệu, nâng cao chất lượng cuộc sống.

1.2. Mục tiêu và yêu cầu của đề tài

Mục tiêu chính của thiết kế chế tạo mobile robot là xây dựng một hệ thống tự động hoàn chỉnh có khả năng lau sàn và tránh vật cản. Yêu cầu bắt buộc bao gồm: thiết kế cấu trúc robot bền vững, lắp đặt hệ thống xử lý ảnh cho nhận diện vật cản, phát triển phần mềm điều khiển thông minh, và thực hiện các bài kiểm tra hiệu năng. Robot phải hoạt động an toàn, hiệu quả, và có tính khả dụng cao trong các môi trường thực tế.

II. Cơ sở lý thuyết và công nghệ chính

Thiết kế chế tạo mobile robot lau sàn dựa trên những cơ sở lý thuyết vững chắc bao gồm vi điều khiển PIC 16F887, thị giác máy tính, và xử lý ảnh số. Vi điều khiển PIC 16F887 đóng vai trò trung tâm xử lý, quản lý các cảm biến và điều khiển động cơ. Thị giác máy tính cung cấp khả năng "nhìn thấy" và phân tích môi trường xung quanh robot. Hệ thống xử lý ảnh sử dụng giải thuật CAMSHIFT để theo dõi vật thể, giúp robot điều hướng tự động. Các thành phần chính gồm cảm biến siêu âm SRF05 để phát hiện vật cản, động cơ RC Servo MG996R để điều khiển chuyển động, và mạch điện điều khiển để tích hợp các thành phần. Công nghệ truyền thông Bluetooth UART cho phép giao tiếp không dây giữa robot và máy tính điều khiển.

2.1. Vi điều khiển PIC 16F887 trong thiết kế mobile robot

Vi điều khiển PIC 16F887 là "bộ não" của mobile robot lau sàn, với tốc độ xử lý cao và tiêu thụ năng lượng thấp. Nó có khả năng giao tiếp UART, điều khiển PWM, và xử lý nhiều ngõ vào/ra. Các đặc trưng chính bao gồm bộ nhớ FLASH 8KB, RAM 368 byte, và tích hợp bộ A/D converter 10-bit. Vi điều khiển này phù hợp với yêu cầu của thiết kế chế tạo mobile robot vì khả năng tính toán nhanh và giá thành kinh tế.

2.2. Xử lý ảnh và thị giác máy tính cho robot

Xử lý ảnh là công nghệ then chốt giúp mobile robot nhận diện môi trường và tránh vật cản. Giải thuật CAMSHIFT (Continuously Adaptive Mean Shift) được ứng dụng để theo dõi các đối tượng trong video thời gian thực. Hệ thống thị giác máy tính phân tích không gian màu RGB, tính toán biểu đồ phân bố xác suất, và xử lý tín hiệu lọc số để nâng cao độ chính xác nhận diện vật cản trên sàn.

III. Thiết kế phần cứng và phần mềm robot

Thiết kế chế tạo mobile robot lau sàn bao gồm hai phần chính: phần cứng (hardware) và phần mềm (software). Phần cứng gồm khung robot, cơ cấu lau sàn, hệ thống cảm biến, động cơ, và mạch điều khiển điện. Cảm biến siêu âm SRF05 được sử dụng để phát hiện khoảng cách đến vật cản. Động cơ RC Servo MG996R điều khiển chuyển hướng robot với độ chính xác cao. Cơ cấu lau sàn được thiết kế tối ưu để quét sạch hiệu quả. Phần mềm được lập trình trên nền vi điều khiển PIC 16F887, xử lý tín hiệu cảm biến, điều khiển động cơ DC servo, và giao tiếp với máy tính qua Bluetooth UART. Hệ thống xử lý ảnh trên máy tính sẽ phân tích video thực thi, gửi lệnh điều khiển về robot thông qua mạch giao tiếp không dây.

3.1. Kiến trúc phần cứng mobile robot

Phần cứng thiết kế chế tạo mobile robot được xây dựng dựa trên kiến trúc mô-đun. Khung robot được chế tạo từ nhôm nhẹ, bền vững. Cảm biến siêu âm SRF05 được lắp ở phía trước để phát hiện chướng ngại vật. Động cơ RC Servo MG996R điều khiển bánh xe hoặc cơ cấu lái hướng. Mạch điều khiển tích hợp vi điều khiển PIC 16F887, mạch sạc pin, và bộ khuếch đại tín hiệu. Cảm biến được nối trực tiếp với các chân đầu vào analog/digital của vi điều khiển.

3.2. Thuật toán xử lý ảnh và điều khiển phần mềm

Phần mềm điều khiển mobile robot sử dụng giải thuật xử lý ảnh CAMSHIFT để theo dõi vật cản và môi trường. Lưu đồ chương trình bao gồm: khởi tạo hệ thống, nhận ảnh từ camera, phân tích không gian màu, tính toán vị trí vật cản, và gửi lệnh điều khiển động cơ. Thuật toán tìm đường đi robot sử dụng phương pháp tránh vật cản phản xạ, kết hợp với xử lý tín hiệu từ cảm biến siêu âm để đảm bảo an toàn.

IV. Kết quả thực nghiệm và ứng dụng thực tế

Đồ án thiết kế chế tạo mobile robot lau sàn đã hoàn thành thành công với các kết quả thực nghiệm đáng khích lệ. Mobile robot đã được lắp ráp đầy đủ, thử nghiệm các chức năng chính bao gồm: phát hiện vật cản, điều khiển chuyển động, lau sàn, và tránh va chạm. Kết quả thực nghiệm cho thấy robot hoạt động ổn định, xử lý ảnh đạt độ chính xác cao trong việc nhận diện vật cản, và thời gian phản ứng chấp nhận được. Thiết kế chế tạo mobile robot này có thể được ứng dụng trong các không gian công cộng như văn phòng, bệnh viện, trường học, hay các cơ sở dịch vụ. Dự án chứng minh tính khả thi của công nghệ robot phục vụ ở Việt Nam, mở ra tiềm năng phát triển các loại robot tương tự trong tương lai, góp phần vào tự động hóa và nâng cao chất lượng cuộc sống.

4.1. Kết quả thực nghiệm phần cứng và phần mềm

Kết quả kiểm tra cho thấy thiết kế chế tạo mobile robot hoạt động đúng theo thiết kế. Cảm biến siêu âm phát hiện vật cản chính xác ở khoảng cách 20-300cm. Động cơ Servo đáp ứng tốc độ, điều khiển góc quay chính xác. Phần mềm xử lý ảnh chạy ổn định, nhận diện vật cản với độ chính xác trên 90%. Giao tiếp Bluetooth UART truyền dữ liệu không lỗi với tốc độ 9600 baud.

4.2. Ứng dụng thực tế và hướng phát triển

Mobile robot lau sàn có thể triển khai tại các văn phòng, trung tâm thương mại, bệnh viện, khách sạn. Hướng phát triển tiếp theo bao gồm tích hợp AI/Machine Learning nâng cao, sử dụng SLAM để tự động lập bản đồ, tăng thời gian hoạt động pin, và chuẩn hóa sản xuất. Thiết kế chế tạo mobile robot này là bước đầu cho các dự án robot phục vụ phức tạp hơn trong tương lai.

Trích đoạn nội dung tài liệu

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT TP.HCM KHOA CƠ KHÍ CHẾ TẠO MÁY ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP NGÀNH CÔNG NGHỆ KỸ THUẬT CƠ ĐIỆN TỬ THIẾT KẾ CHẾ TẠO MOBILE ROBOT LAU SÀN TRÁNH VẬT BẰNG CÔNG NGHỆ XỬ LÝ ẢNH GVHD: Th.S LÊ THANH TÙNG SVTH: TÔ TIẾN KIỆT MSSV: 10111029 SKL004209 Tp. Hồ Chí Minh, tháng 1/2016 TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT TP. HỒ CHÍ MINH KHOA CƠ KHÍ CHẾ TẠO MÁY --------------------------------- ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP THIẾT KẾ CHẾ TẠO MOBILE ROBOT LAU SÀN TRÁNH VẬT BẰNG CÔNG NGHỆ XỬ LÝ ẢNH GVHD : Th.S LÊ THANH TÙNG SVTH : TÔ TIẾN KIỆT- 10111029 Tp. Hồ Chí Minh , tháng 1 năm 2016 LỜI CẢM ƠN Trong quá trình thực hiện không tránh khỏi những lúc gặp khó khăn trong quá trình nghiên cứu, em xin chân thành cảm ơn đến GVHD Thầy Lê Thanh Tùngđã luôn giúp đỡ và chỉ dẫn chúng em nhiệt tình để chúng em có thể vượt qua và đạt được kết quả như hôm nay.

Lời cảm ơn chân thành nhất xin được gửi đến các thầy cô trong khoa Cơ Khí Chế Tạo Máy, những người đã giảng dạy và đào tạo cho chúng em trong những tháng ngày qua. Xin gửi lời cảm ơn đến các bạn sinh viên lớp 101111 đã chia sẽ các kiến thức, hỗ trợ kĩ thuật,… để chúng em có thể hoàn thành tốt đồ án này một cách đúng thời hạn. Em xin chân thành cảm ơn! i TÓM TẮT ĐỒ ÁN Đề tài “Thiết kế mobile robot lau sàn” được ứng dụng trên nền của mobile robot. Mobile robot được ứng dụng ngày càng cao vào trong đời sống sinh hoạt, sản xuất, nhằm tiết kiệm thời gian nhân công, linh hoạt, tiện lợi, gọn nhẹ… Trên thế giới hiện nay có rất nhiều loại hình robot mang tính năng phục vụ như robot hút bụi, robot lau sàn nhà…Ở nước ta do còn nhiều mới mẻ, sự đầu tư yếu kém nên phong trào chế tạo và sử dụng robot phục vụ, đưa chúng vào cuộc sống còn gặp nhiều khó khăn.

Đề tài giúp mở ra một hướng đi mới trong việc sử dụng robot lau sàn ở các văn phòng, công sở…Robot sẽ đem lại cho khách hàng một cảm giác mới lạ và thú vị, giúp cho quá trình robot dần thay thế con người trong các lĩnh vực hoạt động còn ngày càng nhanh hơn, giúp cuộc sống còn ngày còn trở nên tiện nghi hơn. Đề tài áp dụng các kiến thức về điều khiển động cơ DC servo, các lý thuyết về truyền nhận không dây qua sóng Bluetooth, giao tiếp UART, cảm biến…Đặc biệt đề tài ứng dụng xử lý ảnh để điều khiển robot một cách chính xác nhất. ii ABSTRACTS The project "Design mobile robot floor cleaner" is based applications of mobile robots. Mobile robots are increasingly applied in daily life, production, to save time workers, flexible, comfortable, lightweight.

In the world today there are many types of robots featuring served as vacuuming robot, robot mop the floor. In our country so much new, weak investment should movements manufactured and used robots for services, bringing them to life was difficult. Thread help open up a new direction in the use of robotic floor cleaner in the office, offices. Robot will give customers a sense of novelty and fun, allowing the robot replacing human in the fields of activity are growing faster, longer days help life becomes more comfortable.

Topics apply knowledge of the DC servo motor controller, the theory of wave transmission through wireless Bluetooth, UART communication,sensor. Special theme image processing applications to control a robot accurately. iii MỤC LỤC NỘI DUNG TRANG Lời cảm ơn. iii Mục lục.

iv Danh mục các bảng biểu.vi Danh mục các hình ảnh, biểu đồ. vii Chƣơng 1 TỔNG QUAN.1 Giới thiệu đề tài.1 Lý do chọn đề tài.2 Yêu cầu và giới hạn đề tài.3Đối tượng nghiên cứu.4 Mục tiêu và nhiệm vụ nghiên.5 Phương pháp nghiên cứu.2 Các công trình nghiên cứu có liên quan.1 Các công trình nghiên cứu liên quan ở nước ngoài.2 Các công trình nghiên cứu trong nước.3Tổng quan về Mobile Robot lau sàn sử dụng xử lý ảnh.1 Mobile robot và các phương pháp điều khiển.2 Mobile robot lau sàn sử dụng xử lý ảnh. 9 Chƣơng 2 CƠ SỞ LÝ THUYẾT.1 Vi điều khiển PIC 16F887.1 Đặc trưng của vi điều khiển PIC 16F887.2 Các thành phần của PIC 16F887.2 Thị giác máy tính (Computer Vision).1 Các lĩnh vực thị giác máy tính.2 Chức năng của hệ thống thị giác máy tính.3 Các hệ thống thị giác máy tính.4 Ứng dụng của thì giác máy tính.3 Tổng quan về hệ thống xử lý ảnh.4 Lý thuyết về ảnh số và xử lý ảnh.1 Khái niệm về ảnh và phần tử ảnh (Pixel).2 Cấu trúc một file ảnh.4 Không gian màu (Color Space).5 Tính toán biểu đồ phân bố xác xuất (Histogram).6 Chuyển đổi không gian màu.7 Giải thuật CAMSHIFT (Continuously Adaptive Mean Shift).8 Một số hàm dùng trong xử lý ảnh.9 Kỹ thuật lọc số-làm trơn nhiễu. 34 Chƣơng 3 THIẾT KẾ PHẦN CỨNG VÀ PHẦN MỀM.1 Tổng quan mô hình phần cứng.5 Cảm biến siêu âm SRF05.7Mạch điện điều khiển.9 Động cơ RC Servo MG996R.11 Cơ cấu lau sàn.2 Thiết kế phần mềm.1 Tổng quan quá trình nhận dạng và điều khiển trên máy tính.2 Cấu trúc và lưu đồ giải thuật của chương trình.3 Các phương pháp tìm đường đi của robot.4 Thuật toán xử lý ảnh.5 Thuật toán xử lý tín hiệu cảm biến.

70 Chƣơng 4 KẾT QUẢTHI CÔNG PHẦN CỨNG VÀ PHẦN MỀM.1 Kết quả thi công mobile robot.2 Kết quả thi công phần mềm.3 Kết quả thực nghiệm.1 Trường hợp không có vật cản.2 Trường hợp có vật cản. 78 Chƣơng 5 KẾT LUẬN VÀ HƢỚNG PHÁT TRIỂN.3 Hướng phát triển đề tài.1 Giới thiệu về PIC 16F887.1 Cấu trúc bộ nhớ PIC16F887.2Các chức năng được sử dụng trong đồ án.2 Chương trình viết code cho vi điều khiển PIC 16F887.3 Chương trình code cho xử lý ảnh. 94 TÀI LIỆU THAM KHẢO. 98 vi DANH MỤC CÁC BẢNG BIỂU Bảng 2.1 : Các thành phần của PIC16 Bảng 4.1 : Kết quả thực nghiệm không vật cản Bảng 4.2 : Kết quả di chuyển trung bình của robot.3 : Kết quả thực nghiệm có vật cản nằm ở trong mặt sàn Bảng 4.4: Kết quả di chuyển trung bình của robot.5 : Kết quả thực nghiệm có vật cản nằm ở rìa mặt sàn Bảng 4.6 : Kết quả di chuyển trung bình của robot.1: Thanh ghi Port A Bảng 6.2: Thanh ghi Tris A Bảng 6.3: Quá trình hoạt động của một timer vii DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ Hình 1.1 : Chạy thử nghiệm mobile robot Hình 1.2 : Robot đang lau sàn nhà Hình 1.3 : Hình ảnh bên trong và bên ngoài robot Hình 1.4 : Hình ảnh thực tế robot lau hồ bơi Hình 1.5 : Mobile robot Kinect Hình 1.6: Robot CVRL với camera Hình 1.7: Mô phỏng quỹ đạo di chuyển Hình 1.8 : Mobile Robot bám đối tượng di động SRV1 Hình 1.9 : Một dạng robot tay máy Hình 1.10: Điều khiển robot bằng remote Hình 1.11 : Tổng quan hệ thống Robot lau sàn Hình 2.1 : Các lĩnh vực liên quan đến Computer Vision Hình 2.2 : Robot ARV của quân đội Hình 2.3 : Các bước cơ bản trong xử lý ảnh Hình 2.4 : Ảnh tương tự và ảnh số Hình 2.5 : Biểu diễn ảnh số trong không gian 2D Hình 2.6 : Phần tử ảnh Hình 2.7 : Biểu diễn ảnh với độ phân giải khác nhau Hình 2.8 : Mảng hai chiều của một file ảnh Hình 2.9 : Các kiểu không gian màu Hình 2.10 : Không gian màu RGB Hình 2.11 : Không gian màu HSV Hình 2.12 : Biểu đồ Histogram biểu thị ánh sáng tăng dần từ trái qua phải Hình 2.13 : Histogram của ảnh sáng Hình 2.14 : Histogram của ảnh tối Hình 2.15 : Bốn biểu đồ ánh sáng Hình 2.16 : Ảnh gốc sau khi Histogram Hình 2.17 : (a) Ảnh màu RGB ; (b) Ảnh màu HSV ; (c) Không gian HSV Hình 2.18 : (a) Ảnh xám ; (b), (c) Ảnh nhị phân Hình 2.19 : Kết quả tìm kiếm với giải thuật CAMSHIFT Hình 2.20 : Tìm pixel trung vị trong cửa sổ lọc Hình 3.1: Tổng quan mô hinh̀Œ phần cứng mobile robot tránh vâṭcản Hình 3.2: Mô hinh̀Œ Hình 3.3: Hình chiếu đứng Hình 3.4: Hình chiếu bằng viii Hình 3.5: Hình chiếu đứng Hình 3.6: Webcam Jeway JW-5330 Hình 3.8 : Sơ đồ chân HC05 Hình 3.9 : Module HC05 đã ra chân Hình 3.10 Cảm biến siêu âm SRF05 Hình 3.11 : Mạch cầu H L298 Hình 3.12: Mô phỏng hoạt động bằng Proteus Hình 3.13 : Động cơ DC Motor Hình 3.14 : Sơ đồ kích xung PWM Hình 3.15 : RC Servo MG996R Hình 3.16 : Pin Lipo Battery Hình 3.17 : Cơ cấu Robot lau nhà Scooba 380 Hình 3.18 : Mofa Morpher Hình 3.19 : Robot Mopbot Hình 3.20 : Cơ cấu lau sàn mô phỏng Hình 3.21 : Phân tích lực Hình 3.22 : Sơ đồ khối các bước xử lý của chương trình Hình 3.23: Phương pháp offset trường hơp̣ 1 Hình 3.24 : Phương pháp offset trường hơp̣ 2 Hình 3.25 : Phương pháp offset trường hơp̣ 3 Hình 3.26 : Phương pháp offset trường hơp̣ 4 Hình 3.27 : Phương pháp offset trường hơp̣ 5 Hình 3.28 : Phương pháp offset trường hơp̣ 5 Hình 3.29: Phương pháp xoắn ốc trường hợp 1 Hình 3.30 : Phương pháp xoắn ốc trường hợp 1 Hình 3.31 : Phương pháp xoắn ốc trường hợp 2 Hình 3.32 : Phương pháp xoắn ốc trường hợp 3 Hình 3.33 : Phương pháp xoắn ốc trường hợp 4 Hình 3.34 : Phương pháp xoắn ốc trường hợp 5 Hình 3.35 :Sơ đồ khối nguyên lýcủa chương trình xử lý ảnh và điều khiển Robot tránh vật cản.36 : Sơ đồ giải thuật phương pháp xác định vị trí Robot.37 : Sơ đồ giải thuật phương pháp xác định vị trí Vật cản.38 : Sơ đồ giải thuật phương pháp tìm đường tránh vật.39 : Không gian màu RGB Hình 3.40 : Không gian màu HSV Hình 3.41: Xử lý không gian màu và tách ngưỡng ix Hình 3.42 : Tính góc lệch Hình 3.43 : Sơ đồ khối giải thuật kết nối và điều khiển Robot đi chuyển.44 : Sơ đồ khối giải thuật điều khiển robot kết hợp cảm biến.1: Hình ảnh mobile robot hoàn chỉnh Hình 4.2 : Mạch điện tử Hình 4.3 : Mobile robot với pin vàmacḥ điêṇ Hình 4.

Cơ cấu lau sàn Hình 4.5: Giao diện chính Hình 4.6: Giao diêṇ chinh́“ vàkhung ảnh RGB Hình 4.7: Track Red Hình 4.8: Track Green Hình 4.9: Track Offset Hình 4.10 : Track Car Hình 4.11 : Robot đi không có vật cản Hình 4.12 : Robot đi theo các tọa độ điểm Hình 4.13 : Robot đi theo các tọa độ điểm Hình 4.14 : Robot đi có vật cản Hình 4.15 : Robot đi theo các tọa độ điểm khi có vật cản Hình 4.16 : Robot đi theo các tọa độ điểm khi có vật cản Hình 5.1 : Bộ nhớ của Pic 16F887 Hình 5.2 : Sơ đồ khối của TIMER 0 Hình 5.3 : Sơ đồ khối TIMER 1 Hình 5.4 : Sơ đồ khối TIMER 2 Hình 5.5 : Sơ đồ điều chế PWM Hình 5.