Luận văn: Nghiên cứu, thiết kế & chế tạo robot tự hành vượt địa hình phức tạp

Luận văn trình bày quá trình nghiên cứu, thiết kế, chế tạo robot tự hành vượt địa hình phức tạp, từ tính toán động học đến xử lý ảnh và thực nghiệm.

• Tác giả: Ngô Anh Tú
• Người hướng dẫn: PGS.TS Phan Văn Đặng
• Trường học: Trường Đại Học Bách Khoa Hà Nội
• Chuyên ngành: Cơ Điện Tử
• Đề tài: Nghiên Cứu, Thiết Kế, Chế Tạo Robot Tự Hành Vượt Địa Hình Phức Tạp
• Loại tài liệu: Luận văn thạc sĩ
• Năm xuất bản: 2014
• Địa điểm: Hà Nội

Tóm tắt

I. Tổng quan về robot tự hành vượt địa hình phức tạp

Robot tự hành vượt địa hình phức tạp là một lĩnh vực nghiên cứu quan trọng trong cơ điện tử hiện đại. Luận văn này tập trung vào nghiên cứu, thiết kế và chế tạo robot có khả năng di chuyển trên các địa hình đa dạng như mặt phẳng ngang, mặt phẳng nghiêng và mặt phẳng lệch. Công nghệ robot tự hành được ứng dụng rộng rãi trong các lĩnh vực như thăm dò không gian, cứu hộ thảm họa và vận chuyển hàng hóa. Việc phát triển robot vượt địa hình đòi hỏi sự kết hợp giữa cơ học, điện tử và xử lý hình ảnh. Luận văn thạc sĩ này của tác giả Ngô Anh Tú từ Đại học Bách Khoa Hà Nội đã đạt được những kết quả đáng kể trong lĩnh vực này.

1.1. Lịch sử phát triển của robot di động

Robot di động đã trải qua nhiều giai đoạn phát triển từ Stanford Cart, Shakey, cho đến các dòng robot hiện đại như Pioneer, PackBot và Curiosity. Mỗi thế hệ robot tự hành đem lại những cải tiến về cấu trúc, khả năng vận động và trí tuệ nhân tạo. Các robot thăm hiểm đã được NASA phát triển để khám phá sao Hỏa, chứng minh tiềm năng to lớn của công nghệ này.

1.2. Ứng dụng thực tiễn của robot vượt địa hình

Robot tự hành vượt địa hình có ứng dụng rộng rãi trong thực tế. Chúng được sử dụng để thăm dò vùng nguy hiểm, cứu hộ thảm họa, vận chuyển hàng hóa nặng và khám phá không gian. Công nghệ robot vượt địa hình giúp giảm thiểu rủi ro cho con người khi làm việc trong môi trường hostile hoặc khó tiếp cận.

II. Thiết kế và tính toán kỹ thuật robot tự hành

Thiết kế robot tự hành vượt địa hình là một quy trình phức tạp đòi hỏi kiến thức sâu về động học và động lực học. Luận văn này trình bày chi tiết về mô hình động học robot, phân tích lực tác dụng và tính toán kích thước các thành phần. Việc tính toán khả năng vượt địa hình bao gồm phân tích hành vi robot trên các loại mặt phẳng khác nhau. Thiết kế cơ cấu robot cần xem xét đến khối lượng, momen xoắn của động cơ và khả năng cân bằng. Các phương án thiết kế được lựa chọn dựa trên yêu cầu chứng năng và điều kiện hoạt động thực tế của robot.

2.1. Mô hình động học và động lực học

Mô hình động học robot mô tả mối quan hệ giữa chuyển động của các khớp và chuyển động toàn bộ robot. Mô hình động lực học phân tích các lực tác dụng lên cấu trúc robot, bao gồm phân bố lực trên cảng trước và lực tác dụng lên trục phụ. Việc hiểu rõ những mô hình này là cơ sở để thiết kế robot có hiệu suất cao.

2.2. Tính toán kích thước và chọn lựa cấu trúc

Tính toán kích thước robot được thực hiện cho các trường hợp khác nhau: chuyển động trên mặt phẳng ngang, chuyển động trên mặt phẳng nghiêng và chuyển động trên mặt phẳng lệch. Lựa chọn kết cấu dựa trên yêu cầu chứng năng và khả năng vượt địa hình. Mô hình robot thực nghiệm được chế tạo để kiểm tra khả năng vượt địa hình trong các điều kiện thực tế.

III. Xử lý ảnh và nhận dạng trong điều khiển robot

Xử lý ảnh là công nghệ quan trọng giúp robot tự hành có khả năng nhận thức môi trường xung quanh. Quá trình xử lý ảnh bao gồm chụp ảnh, tiền xử lý dữ liệu, phân tích hình ảnh và nhận dạng đối tượng. Luận văn sử dụng thư viện OpenCV, một công cụ mạnh mẽ để xử lý hình ảnh máy tính. Các phương pháp dò biên ảnh như Sobel, Canny và Contour được áp dụng để nhận dạng đường tròn và nhận dạng đường thẳng. Xử lý ảnh cho phép robot có khả năng định hướng tự động và tránh chướng ngại vật trong quá trình di chuyển.

3.1. Quá trình xử lý ảnh và các bước tiền xử lý

Xử lý ảnh bắt đầu từ chụp ảnh qua cảm biến, sau đó tiền xử lý dữ liệu để loại bỏ nhiễu. Các kỹ thuật làm trơn ảnh, rã và ấn mòn được sử dụng để chuẩn bị dữ liệu. Trích chọn đặc trưng là bước quan trọng để tìm ra các thông tin cần thiết từ ảnh gốc cho nhận dạng đối tượng.

3.2. Ứng dụng thư viện OpenCV trong nhận dạng

Thư viện OpenCV cung cấp các hàm mạnh mẽ cho xử lý hình ảnh máy tính. Cấu tạo OpenCV bao gồm nhiều module khác nhau, mỗi module chuyên xử lý một loại công việc cụ thể. Các chức năng OpenCV hỗ trợ dò biên ảnh, nhận dạng hình dạng và phân tích không gian. Các cấu trúc dữ liệu và thao tác xử lí ảnh cơ bản được thiết kế để tối ưu hóa hiệu suất.

IV. Hệ thống điều khiển và mạch điện robot

Hệ thống điều khiển robot bao gồm mạch điều khiển chính, mạch nguồn thiết kế và module giao tiếp với người vận hành. Vi điều khiển được thiết kế trên phần mềm Orcad để đảm bảo tính chính xác và độ tin cậy. Mạch công suất được xây dựng để cung cấp năng lượng cho các động cơ robot. Mạch kết nối cổng COM cho phép giao tiếp truyền thông giữa robot và máy tính điều khiển. Thiết kế hệ thống điều khiển phải đảm bảo robot có khả năng di chuyển chính xác trên các loại địa hình khác nhau. Việc tích hợp cảm biến và actuator cần được tính toán cẩn thận để tối ưu hiệu suất hoạt động.

4.1. Sơ đồ khối và cấu trúc mạch điều khiển

Sơ đồ khối mạch điều khiển mô tả các thành phần chính và mối liên kết giữa chúng. Sơ đồ khối mạch Main là phần trung tâm điều khiển toàn bộ hệ thống robot. Sơ đồ mạch nguồn được thiết kế để cung cấp điện áp ổn định cho tất cả các thành phần. Cấu trúc mạch điều khiển phải đảm bảo độ ổn định và khả năng chống nhiễu.

4.2. Thiết kế vi điều khiển và mạch công suất

Vi điều khiển thiết kế trên phần mềm Orcad cho phép mô phỏng trước khi triển khai thực tế. Mạch công suất cung cấp dòng điện cao cho động cơ robot, được điều khiển bởi tín hiệu PWM từ vi điều khiển. Mạch kết nối cổng COM hỗ trợ giao tiếp không dây và truyền lệnh điều khiển từ máy tính đến robot.

Trích đoạn nội dung tài liệu

BỘ GIÁO DỤC VẢ DÀO TẠO ` TRƯỜNG ĐẠI HỘC BÁCH KHOA HÀ NỘI QL TINY OON KS. Ngé Anh Ta AL NIT 03D NGHIEN CUU, THIET KE, CHE TAO ROBOT TU HANH VƯỢT ĐỊA HÌNH PHÚC TẠP LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC CƠ ĐIỆN TỪ fe10cI HàNội 2014 BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRUONG BAI HOC BACH KHOA HA NOL K§. Ngũ Anh Tú NGIIÊN CỨU, THIẾT KÉ, CHẺ TẠO ROBOT TỰ HÀNTI VƯỢT ĐỊA HÏNIIPHƯC TAP Chuyên ngành: Cơ Diện Tử LUẬN VĂN THẠC SĨ KHÓA HỌC CÔNG NGHỆ CƠ ĐIỆN TỪ NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HOC 1. Nguyễn Hông Thái Hà Nội —2014 LOI CAM DOAN Tên tôi là Ngô Anh Tủ, hợc viên cao học khóa 2012B.CĐT,KH chuyên ngành Cơ Diện Lử.

Sau gan 2 năm học tập, nghiên cửu tại trường Dại Hạc lách Khoa La Nội, được sự giúp đố của các thày cô giáo, đặc biệt la PGS.TS Phan Văn Đẳng và 'T8. Nguyễn Hồng Thái, tôi đã hoàn thành xong luận văn tốt nghiệp thạc sĩ. Với đề tải luận văn là: "Nghiên cứn, thiết kế, chế tạa ruhot ur hành vượt địa hình phức tạp", tối xin cam doan dây là công trình nghiên cứu cúa cả nhân tôi dưới dự hướng dẫn của PGS.TS Phan Văn Déng va TS. Nguyễn lồng Thái và chỉ than.

khảo các tải liệu được liệt kê. Tôi không sao chép công trinh của cá nhân khác dưới tất kỷ hình thức nào. Nếu có, tôi xin hoàn thành chịu trách nhiệm Hã Nội, ngày 10 tháng 9 nấm 2014 Người cam đoan Ngô Anh Tú Tình 3.21 Phân bố hc trên cảng trước Tinh 2.21 Hiểu đồ nội lực lrên Irục phụ 1Hình 3.22 Lực đọc tác dụng lên trục phụ Tình 3.ực phân bổ lrên cảng sau.34 Mô hình robot sau khi chế tạo thực nghiệm.25 Kiểm tra khả năng vượt địa hinh của robot 40 Hình 3.1 Sơ đỗ khổi mô tả quá trình xử lý ảnh 41 Hình 3.2 Ảnh được xứ H lam tron.3 Ảnh qua xử lí phần rã và ấn mòn.4 Ảnh được trích chọn 48 inh 3.5 Lam nỗi biên ảnh với phương pháp SobeL 49 Hình 3.6 Dỏ biến theo phương pháp Canny: đường biên nối lén rat x6 rang 30 Hình 3.7 Bức ảnh được đứng để nhận dạng đường tròn 'Hình 3.8 Bức ảnh để nhận dạng đường thing Tình 3.9 Các biển doi không gian.14 Dò biển với phương pháp Contour Tình 3.11 Dò biên với phương pháp Contour Tình 4.1 Sơ đồ khôi mạch điều khiển 1Hình 4.2 Sơ để khổi mạch Main.3 Sơ để khối mạch nguận thiết kế trên Orcad Tinh 4.4 Vi điền khiển thiết kế trên phần mềm Orcadi Hinh 4.5 Modul giao tiếp người điều khiển và robot S? Hình 4.6 Mạch kết nổi cổng Com.7 So đỗ khổi mạch công suất $8 MỤC LỤC TỎI CAM BOAN - - ii LỎI CẢM ƠN. HH H HH gi.

'MỤC LỤC - - iv DANH MỤC CÁC KÝ TIỂU VA TU VIET TAT vi DANH MUC CAC BANG. DANH MỤC CÁC HÌNH VỆ VÀ ĐÓ THỊ. i Mo BAU Hung HH. HH H HH Hư Hoà, Chương TONG QUẦN VŨ MOBILI ROBOT,.2 Lịch sử phát triển của mobile robot [8] 1.4 Ủng dụng cúa mobile robot.

se THHmHhe re 1.5 Kết hiện và định hướng nghiên cửu mobile robot Chương2 - TÍNH TOÁN THIET KE ROBOT.1 Đặt vẫn để a) Mô hình động họe robot b) Mô hình động học mebile robot 3.3 Phân tích và lựa chọn kết cầu. 3) Yêu cản chưng, b) Phương án thiết ké _ e) Khả năng hoạt động của robot.4 Tỉnh toán kích thước robet. “ sa) Khi robot chuyển động trên vặt phẳng ngang, ) Khi rebot chuyên động trên mặt phẳng nghiêng đều 9 Khi robot chuyển dộng trên ruất phẩng lệch. Mã hình robot sau khí chế tno thục nghiệm.

Chương 3 CƠ SỞ LÍ THUYẾT VỆ XỬ LÝ Â 3.1 Khải niệm và quá trình xử lí ảnh a) Chup anh. “ 9) Quá trình tiên xú l dữ liệu ảnh. - ©) Phân tích hình ảnh (xác định. đường góc, cạnh khôi, -) đ) Nhận dạng, phân mãnh e) Xử lì mức cao 3.3 Thư viện OpenCV, a) Cau lạo cửa thư viện OpenCV.

- - -43- b) Các chức năng của OpenCV. co ininneirorrorrrrie evento 3.3 Các cu trúc dữ liệu cơ bản của OpchúCV.4 Thao tác xử li anh co ban voi that vién OpenCV -46- iw DANH MUC CAC BANG Nội dung.1 So dé banh xe mobile robot 26 Băng 2.2 Ký hiệu các loại bênh xe sử đựng trong các mồ hình: 28 DANH MỤC CÁC HỈÌNH VỀ VÀ ĐÔ THỊ Nội dung Trang Hinh 1.1 Robot The Stanford Cart line follower [9] Hinh 1.2 Robot Shakey |1!| Hinh 1.3 Robot RB5X [L0] Hình 1.4 Robot Dante II ]10| Hinh 1.5 Robot Pioneer |9[ Hinh 1.6 Robot The Rover va Sojourner [9] THình 1.7 Robot Abio [10] Hinh 1.8 Robot PackBot [10| Tình 1.9 Robot Roomtba [11] VWinh 1.10 Robot 2 chan, 4 chan , 6 chan [11] Hinh 1.11 Robot 2 nhánh xích, 4 nhanh xich [11] inh 1.12 Mobile robot Curiosity cia NASA [9] Hinh 1.13 Robot tham hiém sao Héa Opportunity va Spizit ola NASA. do Canada sân xuất có khả năng hoạt động dưới tiên Hình 1.15 Robot chuyển gỗ Plusisch [10| vũ LỜI CĂM ƠN Trong suốt. quá trình thục hiện để tài "Nghiên cúu, thiết kế, chế tạo rahot tụ hành vượt địa hình phức tạp”, em đã đạt được một số kết quá nhất định: 'Tìm hiểu.

được vẻ cân bằng robot, tính toán động học robot, các phương thúc lập trình, điều khiển hoạt động roboL, cũng như liểu thêm về cách thức trình bay ban vẽ, các kỹ thuật liên quan về việc thiết kẻ mạch và công nghé xit ly anh. Lim xin tran trong cảm. ơn sự giúp đỡ của PG8S.18 Phan Văn Dồng, TS Nguyễn Hồng Thai va cde thay trong bộ môn Cơ sở thiết kế máy và Robot, Viện Cơ khí đã tạo điếu kiện dé em "hoàn thành để tái nảy. Tuy nhiên, với kinh nghiệm thực tế còn hạn chẻ nên luận văn.

không thể tránh được những thiết sót và chưa thể hoàn thiện một cách hoàn hão nha rong đợi. Khi mong quý thấy cô đồng góp những ý kiến để đề tài được hoàn thành tốt hạn Hà Nội, ngày 10 tháng 9 năm 2014 HVTH Ngô Anh Tủ ii Chương 4. -54- THIET KE HE THONG: DIEU KHIỂN 'NHẬN DANG THEO VET ĐỐI TƯỢNG - S4- 4 L Tinh joan thiết kế mạch điện tử điều khiến. Modul của mạch điều khiển.

e) _ Kết quả thiết kế, chế tạo mạch điều khiển.2 Chương trình diệu khiến Mobile Robot a) — Lập trmhC cho vi điêu khiến Atmegal2§ b) Xây dựng chương trình điều khiến cho Mobile Robol - -64- 4.3 Thiết bị phẩn cứng và các công cụ lập trình. - - - 68- ouThiếtbị phan cứng, a. TAI LIBU THAM KHAO. - - - -S91- PHUTUC -93- PHỤ LỰC A: Chương trình xử lý ảnh bằng OpenCV - - -93- PHỤ LỤC B: Chương trình diễu khiển Mobile Robot.ỰC €: Bản thiệt kế sơ bộ mobile robot - ¬.— DANH MỤC CAC KY HIEU VA TU’ VIET TAT Ký hiệu ý nghĩa 'Nội dung, Oxy Hệ tọa đỏ quy chiếu cô định Ty Hệ tọa độ quy chiêu gắn tại trọng tâm robot v.(f) Vận tốc đài của bảnh bên phải vw(t) 'Vận tốc dải của bánh bên trái # (f) 'Vận tốc góc của bánh bên phải @,(t) ‘Van toc góc của bánh bên trái Icc “Tâm vận tốc tức thời của robot R Khoảng cách từ trọng tâm P.

dén ICC 2» Khoảng cách 2 bánh R Ban kinh banh xe 9.9, Góc quay của động cơ trải, phải M, Momen tồn trên trục xe oe Ứng suất sinh ra trên trục xe Ty Lực mã sát của bánh xe với mặt đường k Hệ số ma sát giữa bánh xe với mặt đường Chương 4. -54- THIET KE HE THONG: DIEU KHIỂN 'NHẬN DANG THEO VET ĐỐI TƯỢNG - S4- 4 L Tinh joan thiết kế mạch điện tử điều khiến. Modul của mạch điều khiển. e) _ Kết quả thiết kế, chế tạo mạch điều khiển.2 Chương trình diệu khiến Mobile Robot a) — Lập trmhC cho vi điêu khiến Atmegal2§ b) Xây dựng chương trình điều khiến cho Mobile Robol - -64- 4.3 Thiết bị phẩn cứng và các công cụ lập trình.

- - - 68- ouThiếtbị phan cứng, a. TAI LIBU THAM KHAO. - - - -S91- PHUTUC -93- PHỤ LỰC A: Chương trình xử lý ảnh bằng OpenCV - - -93- PHỤ LỤC B: Chương trình diễu khiển Mobile Robot.ỰC €: Bản thiệt kế sơ bộ mobile robot - ¬.21 Phân bố hc trên cảng trước Tinh 2.21 Hiểu đồ nội lực lrên Irục phụ 1Hình 3.22 Lực đọc tác dụng lên trục phụ Tình 3.ực phân bổ lrên cảng sau.34 Mô hình robot sau khi chế tạo thực nghiệm.25 Kiểm tra khả năng vượt địa hinh của robot 40 Hình 3.1 Sơ đỗ khổi mô tả quá trình xử lý ảnh 41 Hình 3.2 Ảnh được xứ H lam tron.3 Ảnh qua xử lí phần rã và ấn mòn.4 Ảnh được trích chọn 48 inh 3.5 Lam nỗi biên ảnh với phương pháp SobeL 49 Hình 3.6 Dỏ biến theo phương pháp Canny: đường biên nối lén rat x6 rang 30 Hình 3.7 Bức ảnh được đứng để nhận dạng đường tròn 'Hình 3.8 Bức ảnh để nhận dạng đường thing Tình 3.9 Các biển doi không gian.14 Dò biển với phương pháp Contour Tình 3.11 Dò biên với phương pháp Contour Tình 4.1 Sơ đồ khôi mạch điều khiển 1Hình 4.2 Sơ để khổi mạch Main.3 Sơ để khối mạch nguận thiết kế trên Orcad Tinh 4.4 Vi điền khiển thiết kế trên phần mềm Orcadi Hinh 4.5 Modul giao tiếp người điều khiển và robot S? Hình 4.6 Mạch kết nổi cổng Com.7 So đỗ khổi mạch công suất $8 Tình 3.21 Phân bố hc trên cảng trước Tinh 2.21 Hiểu đồ nội lực lrên Irục phụ 1Hình 3.22 Lực đọc tác dụng lên trục phụ Tình 3.ực phân bổ lrên cảng sau.34 Mô hình robot sau khi chế tạo thực nghiệm.25 Kiểm tra khả năng vượt địa hinh của robot 40 Hình 3.1 Sơ đỗ khổi mô tả quá trình xử lý ảnh 41 Hình 3.2 Ảnh được xứ H lam tron.3 Ảnh qua xử lí phần rã và ấn mòn.4 Ảnh được trích chọn 48 inh 3.5 Lam nỗi biên ảnh với phương pháp SobeL 49 Hình 3.6 Dỏ biến theo phương pháp Canny: đường biên nối lén rat x6 rang 30 Hình 3.7 Bức ảnh được đứng để nhận dạng đường tròn 'Hình 3.8 Bức ảnh để nhận dạng đường thing Tình 3.9 Các biển doi không gian.14 Dò biển với phương pháp Contour Tình 3.11 Dò biên với phương pháp Contour Tình 4.1 Sơ đồ khôi mạch điều khiển 1Hình 4.2 Sơ để khổi mạch Main.3 Sơ để khối mạch nguận thiết kế trên Orcad Tinh 4.4 Vi điền khiển thiết kế trên phần mềm Orcadi Hinh 4.5 Modul giao tiếp người điều khiển và robot S? Hình 4.6 Mạch kết nổi cổng Com.7 So đỗ khổi mạch công suất $8 Tình 3.21 Phân bố hc trên cảng trước Tinh 2.21 Hiểu đồ nội lực lrên Irục phụ 1Hình 3.22 Lực đọc tác dụng lên trục phụ Tình 3.ực phân bổ lrên cảng sau.34 Mô hình robot sau khi chế tạo thực nghiệm.25 Kiểm tra khả năng vượt địa hinh của robot 40 Hình 3.