BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH CÔNG TRÌNH NGHIÊN CỨU KHOA HỌC CỦA SINH VIÊN ROBOT TỰ VẬN HÀNH Mà SỐ: SV2020-131 SKC 0 0 7 3 3 5 Tp. Hồ Chí Minh, tháng 10/2020 Bà GIÁO DĀC VÀ ĐÀO T¾O TR¯àNG ĐH S¯ PH¾M KỸ THUÀT TPHCM BÁO CÁO TàNG K¾T ĐÀ TÀI NGHIÊN CĄU KHOA HàC CĂA SINH VIÊN ROBOT TĀ VÀN HÀNH SV2020 - 131 Chă nhiám đÁ tài: Nguyßn Minh Huy MSSV: 17141082 TP Hß Chí Minh, 10/2020 Bà GIÁO DĀC VÀ ĐÀO T¾O TR¯àNG ĐH S¯ PH¾M KỸ THUÀT TPHCM BÁO CÁO TàNG K¾T ĐÀ TÀI NGHIÊN CĄU KHOA HàC CĂA SINH VIÊN ROBOT TĀ VÀN HÀNH SV2020 - 131 Thuác nhóm ngành khoa học: Kỹ thuÁt SV thāc hiện: Nguyễn Minh Huy Nam, Nÿ: Nam Dân tác: Kinh Lớp, khoa: 17141CLVT1A, Khoa Đào t¿o Chất lưÿng cao Năm thứ: 4 /Số năm đào t¿o: 4 Ngành học: Công nghệ kỹ thuÁt Điện tử - Viễn thông Ngưßi hướng d¿n: ThS. Thái Hoàng Linh TP Hß Chí Minh, 10/2020 LàI CÀM ¡N Lßi đầu tiên trân trọng gửi lßi cảm ơn chân thành đến Khoa Đào t¿o Chất lưÿng cao, Phòng Khoa học Công nghệ - Quan hệ quốc tế đã t¿o điều kiện hß trÿ nhóm hoàn thành đề tài nghiên cứu. Nhóm nghiên cứu xin chân thành gửi lßi cảm ơn đến ngưßi thầy đã đồng hành cùng nhóm, dưới sā hướng d¿n cũng như nhÿng điều kiện hß trÿ tốt nhất đưÿc nhÁn từ phía thầy Thái Hoàng Linh đã giúp nhóm thāc hiện hoàn thành tốt đề tài này.
Bên c¿nh đó, nhóm thāc hiện xin cảm ơn đến tÁp thể b¿n bè, quý anh chị đã tích cāc hß trÿ, đồng hành cùng nhóm trong suốt quá trình thāc hiện nghiên cứu. Thành quả thāc hiện của nhóm dù đã có kết quả khả quan tuy nhiên không tránh khỏi nhÿng thiếu sót về nhiều mặt, nhóm rất mong nhÁn đưÿc phản hồi, góp ý chỉnh sửa, nhÁn xét từ quý thầy cô để có thêm góc nhìn hoàn thiện dā án tốt nhất cũng như bổ trÿ kinh nghiệm, kiến thức cho tất cả thành viên tham gia nghiên cứu. Mát lần nÿa, nhóm thāc hiện xin chân thành cảm ơn. CH¯¡NG 1: TỔNG QUAN ĐỀ TÀI ---------------------------------------------------2 1.
Táng quan vÁ robot và sā phát triển căa robot trong cách m¿ng công nghiáp 4. Phương pháp và ph¿m vi nghiên cứu -------------------------------------------4 1. Giới h¿n của đề tài -----------------------------------------------------------------5 II. CH¯¡NG 2: C¡ SỞ LÝ THUYẾT------------------------------------------------------6 2.
Táng quan vÁ Robot dò line -------------------------------------------------------6 2. Robot dò đ°áng trên nÁn tÁng ROS2--------------------------------------------6 2. Giới thiệu ROS và ROS2 ---------------------------------------------------------6 2. Māc tiêu của ROS2 ----------------------------------------------------------------8 2.
Kiến trúc và tính năng của ROS2 ---------------------------------------------- 10 2. Giao tiếp trong ROS2 ----------------------------------------------------- 10 2. Mô hình giao tiếp DDS---------------------------------------------------- 11 2. So sánh giÿa ROS và ROS2 ---------------------------------------------------- 14 2.
Topic trong ROS2---------------------------------------------------------------- 16 2. ROS trong công nghiệp. Công nghá RFID ------------------------------------------------------------------- 20 2. CÁm bi¿n tốc độ - Encoder ------------------------------------------------------ 21 2.
Máy tính nhúng Raspberry Pi 4 ------------------------------------------------ 24 2. GiÁi thuÁt PID ---------------------------------------------------------------------- 25 2. CH¯¡NG 3: THIẾT KẾ VÀ THI CÔNG MÔ HÌNH ROBOT TỰ HÀNH ---- 28 3. Giải thích chức năng từng khối -------------------------------------------------- 28 3.
S¢ đß k¿t nối các module trong robot tā hành ------------------------------ 30 3. Các linh kiện điện tử sử dāng trong mô hình ---------------------------------- 30 3. Sơ đồ kết nối các module --------------------------------------------------------- 34 3. Giới thiệu phần mềm Solidworks ----------------------------------------------- 36 3.
Các bước thiết kế cơ khí cho khung robot ------------------------------------- 36 IV. CH¯¡NG 4: XÂY DỰNG THUẬT TOÁN CHO ROBOT TỰ HÀNH --------- 40 4. Các thi¿t lÁp ban đÁu trên Raspberry Pi 4 ----------------------------------- 40 4. Hệ điều hành Ubuntu Server --------------------------------------------------- 40 4.
Các lệnh thao tác cơ bản với terminal trên Ubuntu --------------------------- 45 4. Cài đặt môi trưßng Python 3. Cài đặt môi tr°áng ROS 2 Dashing trên Ubuntu --------------------------- 48 4. Xây dāng thuÁt toán cho robot dò line trong môi tr°áng Python 3.
Xây dāng thuÁt toán cho robot dò line trong môi tr°áng ROS 2 ------- 58 4. Các node trên robot --------------------------------------------------------------- 61 4. Topic, Publisher và Subscriber -------------------------------------------------- 62 4. Giao ti¿p giÿa robot và web ----------------------------------------------------- 62 4.
Thiết kế trang web ----------------------------------------------------------------- 62 4. Xây dāng server ------------------------------------------------------------------- 65 4. Trao đổi dÿ liệu giÿa robot và web --------------------------------------------- 66 V. Ch°¢ng 5: KẾT LUẬN ------------------------------------------------------------------ 71 5.
K¿t quÁ và đánh giá --------------------------------------------------------------- 71 5. K¿t quÁ đÁ tài và thÁo luÁn ------------------------------------------------------ 71 5. H°ßng phát triển ------------------------------------------------------------------ 72 TÀI LIỆU THAM KHẢO --------------------------------------------------------------------- 74 PHỤ LỤC ---------------------------------------------------------------------------------------- 76 Danh māc bÁng biểu Bảng 1: So sánh ROS và ROS2 --------------------------------------------------------------- 14 Bảng 2: Các mối quan hệ trong Topic ------------------------------------------------------- 16 Bảng 3: Linh kiện sử dāng trong mô hình --------------------------------------------------- 30 Bảng 4: Kết nối các chân GPIO từ Raspberry tới ngo¿i vi. ------------------------------- 35 Danh māc hình Ánh Hình 1: Sơ đồ khối ROS file --------------------------------------------------------------------7 Hình 2: Sā tương tác của các nodes, topics với nhau ----------------------------------------7 Hình 3: Hệ thống Robot tā đáng làm việc trong nhà kho -----------------------------------9 Hình 4: Robot tuần tra an ninh t¿i các bãi giÿ xe ------------------------------------------- 10 Hình 5: Mô hình giao tiếp DDS --------------------------------------------------------------- 12 Hình 6: Mối quan hệ One-to-one giÿa Raspberry PI và Motor (Robot) ----------------- 16 Hình 7: Mối quan hệ Many-to-one giÿa Encoders và Raspberry PI --------------------- 17 Hình 8: Mối quan hệ One-to-many giÿa Lines và Sensors -------------------------------- 17 Hình 9: Mối quan hệ Many-to-many giÿa nhiều Raspberry PI và Sensors ------------- 18 Hình 10: Robot giúp đỡ con ngưßi sắp xếp hàng hóa -------------------------------------- 19 Hình 11: Tàu Heron USV ---------------------------------------------------------------------- 20 Hình 12: Ho¿t đáng của RFID --------------------------------------------------------------- 21 Hình 13: Ho¿t đáng của encoder quang ----------------------------------------------------- 22 Hình 14: Hình d¿ng của mát đáng cơ DC -------------------------------------------------- 23 Hình 15: Sơ đồ nguyên lý của LED thu phát hồng ngo¿i --------------------------------- 24 Hình 16: Raspberry Pi 4------------------------------------------------------------------------ 25 Hình 17: Sơ đồ thuÁt toán PID ---------------------------------------------------------------- 26 Hình 18: Sơ đồ khối robot tā hành.
----------------------------------------------------------- 28 Hình 19: Cảm biến dò line 5 LED ------------------------------------------------------------ 30 Hình 20: RFID Reader RDM6300 ------------------------------------------------------------ 30 Hình 21: M¿ch điều khiển đáng cơ L298 ---------------------------------------------------- 31 Hình 22: M¿ch giảm áp LM2596 ------------------------------------------------------------- 31 Hình 23: Encoder v2 ---------------------------------------------------------------------------- 31 Hình 24: Pin 18650 ----------------------------------------------------------------------------- 32 Hình 25: Công tắc ------------------------------------------------------------------------------- 32 Hình 26: Máy tính nhúng Raspberry Pi 4 ---------------------------------------------------- 32 Hình 27: UPS HAT cấp nguồn cho Raspberry Pi ------------------------------------------ 33 Hình 28: Đáng cơ DC giảm tốc --------------------------------------------------------------- 33 Hình 29: Bánh xe-------------------------------------------------------------------------------- 33 Hình 30: Sơ đồ kết nối các module. ---------------------------------------------------------- 34 Hình 31: Số thứ tā các chân GPIO trên Raspberry Pi 4.----------------------------------- 34 Hình 32: Thiết kế khung ban đầu ------------------------------------------------------------- 36 Hình 33: Kích thước và vị trí của thanh cảm biến dò line --------------------------------- 37 Hình 34: Vị trí đặt và kích thước cho bánh xe ---------------------------------------------- 37 Hình 35: Vị trí đặt đáng cơ và giá đỡ cho đáng cơ kích thước --------------------------- 38 Hình 36: Kích thước giá đỡ và vị trí đặt 4 đáng cơ ---------------------------------------- 38 Hình 37: Vị trí đặt 4 cảm biến tốc đá -------------------------------------------------------- 38 Hình 38: Kích thước của mßi vị trí đặt cảm biến tốc đá ----------------------------------- 39 Hình 39: Khung hoàn chỉnh ------------------------------------------------------------------- 39 Hình 40: Giao diện Ubuntu Desktop 20.04 -------------------------------------------------- 40 Hình 41: Trang web tải file hệ điều hành Ubuntu Server dành cho Raspberry Pi. ----- 41 Hình 42: Phần mềm balenaEtcher ------------------------------------------------------------ 42 Hình 43: Giao diện Ubuntu console ---------------------------------------------------------- 42 Hình 44: Cấu hình truy cÁp wifi thông qua netplan --------------------------------------- 43 Hình 45: Giao diện desktop X-ubuntu ------------------------------------------------------- 44 Hình 46: Trang web tải ROS2 ----------------------------------------------------------------- 48 Hình 47: Sơ đồ chân trên Raspberry Pi 4 ---------------------------------------------------- 50 Hình 48: Lưu đồ giải thuÁt PID (a) ----------------------------------------------------------- 52 Hình 49: Lưu đồ giải thuÁt PID (b) ----------------------------------------------------------- 53 Hình 50: Lưu đồ giải thuÁt PID (c) ----------------------------------------------------------- 54 Hình 51: Lưu đồ giải thuÁt RFID (a) --------------------------------------------------------- 55 Hình 52: Lưu đồ giải thuÁt RFID (b) --------------------------------------------------------- 56 Hình 53: Sơ đồ khối hàm chính --------------------------------------------------------------- 57 Hình 54: Cây thư māc trong package ros2_robot. ------------------------------------------ 61 Hình 55: Sơ đồ giao tiếp thông qua Topic --------------------------------------------------- 62 Hình 56: Chọn ngôn ngÿ SCSS --------------------------------------------------------------- 63 Hình 57: Cây thư māc chương trình ---------------------------------------------------------- 64 Hình 58: Giao diện trang web ----------------------------------------------------------------- 65 Hình 59: Giá trị tọa đá đọc đưÿc-------------------------------------------------------------- 70 Danh māc vi¿t tắt STT Vi¿t tắt Vi¿t đÁy đă 1 CLI Command Line Interface - là mát công cā đưÿc phát triển đề ch¿y trên giao diện cửa sổ ứng dāng 2 CNC Computer Numerical Control - là mát d¿ng máy đưÿc điều khiển tā đáng dưới sā trÿ giúp của máy tính 3 DC Direct Current – dòng điện 1 chiều 4 DDS Data Distribution Service - dịch vā phân phối dÿ liệu 5 GPIO General purpose input/output - cổng giao tiếp vào ra của vi điều khiển 6 PID Proportional Integral Derivative - bá điều khiển vi tích phân tỷ lệ 7 QoS Quality of Service - Chất lưÿng dịch vā 8 RFID Radio Frequency Identification - nhÁn d¿ng qua sóng vô tuyến 9 ROS Robot Operating System - Hệ điều hành robot 10 RTOS Real Time Operating System - Hệ điều hành thßi gian thāc 11 SLAM Simultaneous localization and mapping - hệ thống sử dāng thông tin ảnh thu đưÿc từ cảm biến để tái t¿o môi trưßng bên ngoài bằng cách đưa thông tin môi trưßng vào mát map và định vị thiết bị.
Bà GIÁO DĀC VÀ ĐÀO T¾O TR¯àNG ĐH S¯ PH¾M KỸ THUÀT TPHCM THÔNG TIN K¾T QUÀ NGHIÊN CĄU CĂA ĐÀ TÀI 1. Thông tin chung: - Tên đề tài: ROBOT TĀ VÀN HÀNH - Chủ nhiệm đề tài: Nguyễn Minh Huy Mã số SV: 17141082 - Lớp: 17141CLVT1A Khoa: Đào t¿o Chất lưÿng cao - Thành viên đề tài: Stt Há và tên MSSV Lßp Khoa 1 Võ Quang Khương 17141093 17141CLVT1A ĐT CLC 2 Nguyễn Lê Nguyên 17110094 17110CLST1 ĐT CLC Anh 3 Lê Quốc Nguyên 17145253 17110CLST2 ĐT CLC Vương - Ngưßi hướng d¿n: Th.S Thái Hoàng Linh 2. Māc tiêu đÁ tài: - Đáp ứng tiêu chí hoàn thiện về thiết kế khung, thiết kế chi tiết hoàn chỉnh - Tính năng đ¿t chuẩn yêu cầu ho¿t đáng tính năng cơ bản ổn định - Xác định đưÿc phương hướng phát triển, nâng cấp hệ thống, tính năng sau nghiên cứu nền tảng 3. Tính mßi và sáng t¿o: Đề tài nghiên cứu Robot tā vÁn hành đưÿc mô phỏng ho¿t đáng trên nền tảng ROS 2 cho phép hiệu chỉnh tối ưu các tính năng giao tiếp khi phát triển về số lưÿng.
So với các giải pháp hiện có, đề tài đáp ứng đưÿc tính cÁp nhÁt giải pháp công nghệ tiên tiến cho phép ngưßi dùng sáng t¿o nhiều hướng phát triển hơn trong tương lai. K¿t quÁ nghiên cąu: - Hoàn tất thiết kế đáp ứng tiêu đề ra ban đầu của Robot - Các tính năng ho¿t đáng ổn định - Robot tā vÁn hành đưÿc trang bị cảm biến giao tiếp nhằm t¿o tiền đề cho việc phát triển giao tiếp khi gia tăng số lưÿng, làm tăng khả năng áp dāng thāc tế của đề tài.