Đồ Án Tốt Nghiệp: Nghiên Cứu Thiết Kế Và Chế Tạo Xe AGV Ứng Dụng Xử Lý Ảnh

Đồ án tốt nghiệp nghiên cứu thiết kế và chế tạo xe AGV ứng dụng xử lý ảnh, tập trung vào công nghệ tự động hóa và giải pháp thông minh trong vận chuyển.

Chuyên ngành

Cơ điện tử

Người đăng

Ẩn danh

Thể loại

đồ án tốt nghiệp

2023

103
2
0

Phí lưu trữ

35 Point

Mục lục chi tiết

LỜI CẢM ƠN

TÓM TẮT ĐỒ ÁN NGHIÊN CỨU, THIẾT KẾ VÀ CHẾ TẠO XE AGV ỨNG DỤNG XỬ LÍ ẢNH

ABSTRACT RESEARCH, DESIGN AND FABRICATION OF AGV WITH IMAGE PROCESSING APPLICATION

MỤC LỤC

1. CHƯƠNG 1: GIỚI THIỆU

1.1. Tính cấp thiết của đề tài

1.2. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài

1.3. Mục tiêu nghiên cứu của đề tài

1.4. Đối tượng và phạm vi nghiên cứu

1.5. Phương pháp nghiên cứu

1.6. Kết cấu của ĐATN

2. CHƯƠNG 2: TỔNG QUAN NGHIÊN CỨU ĐỀ TÀI

2.1. Xu thế phát triển robot hiện nay

2.2. Giới thiệu về robot dịch vụ

2.3. Xe đẩy siêu thị thông minh

2.4. Các nghiên cứu liên quan đến đề tài

2.5. Các nghiên cứu ngoài nước

2.6. Các nghiên cứu trong nước

3. CHƯƠNG 3: CƠ SỞ LÝ THUYẾT

3.1. Các cơ cấu hoạt động phổ biến trong robot AGV

3.2. Xử lí dữ liệu – Xử lí ảnh (2D, 3D)

3.3. Giới thiệu về thị giác máy, ảnh 2D

3.4. Thuật toán nhận diện đối tượng – bài toán Object detection

3.5. Model SSD (Single Shot Detector) trong Object Detection

3.6. Bộ điều khiển PID

3.7. Lợi ích của ros cho robot

3.8. Các khái niệm cơ bản trong ROS

4. CHƯƠNG 4: CÁC GIẢI PHÁP THỰC HIỆN ĐỀ TÀI VÀ TÍNH TOÁN THIẾT KẾ HỆ THỐNG CƠ KHÍ

4.1. Thông số thiết kế

4.2. Phương hướng và giải pháp thực hiện

4.3. Lựa chọn phương án

4.4. Trình tự công việc tiến hành

4.5. Tính toán lựa chọn động cơ

4.6. Tính toán thiết kế bộ truyền đai

4.7. Thiết kế hình dạng robot

4.8. Thiết kế mặt đế, nắp đế, đế kê giỏ hàng và tấm đặt thiết bị cho robot

4.9. Thiết kế khung robot

4.10. Lựa chọn bánh xe cho robot

4.11. Lựa chọn vật liệu cho trục bánh xe

4.12. Thiết kế 3D hệ thống cơ khí

4.13. Tính toán ứng suất, đường kính và dung sai cho trục bánh xe

4.14. Tính toán ứng suất

4.15. Tính toán dung sai cho trục bánh xe và ổ lăn

4.16. Tính toán động học

5. CHƯƠNG 5: TÍNH TOÁN THIẾT KẾ HỆ THỐNG ĐIỆN VÀ THIẾT KẾ BỘ PI CHO ĐỘNG CƠ

5.1. Xây dựng hệ thống điện điều khiển

5.2. Sơ đồ khối hệ thống điều khiển

5.3. Khối cảm biến (camera Kinect v2). Khối điều khiển

5.4. Cơ cấu chấp hành (Động cơ DC Servo)

5.5. Khối xử lý dữ liệu chính

5.6. Thiết lập bộ điều khiển PI cho động cơ

6. CHƯƠNG 6: XÂY DỰNG THUẬT TOÁN XỬ LÝ ẢNH

6.1. Nhiệm vụ thuật toán

6.2. Thuật toán phát hiện người

6.3. Thiết lập node xử lý nhận diện người

6.4. Xử lý dữ liệu từ camera và tìm distance giữa người và robot

6.5. Xử lý dữ liệu để nhận dạng người và phân loại

6.6. Dùng dữ liệu đã được xác định để tìm alpha giữa robot và người

6.7. Thiết lập node “data_processing”. Giải thuật dẫn hướng cho robot

7. CHƯƠNG 7: THỰC NGHIỆM VÀ ĐÁNH GIÁ

7.1. Kết quả gia công cơ khí

7.2. Kết quả thực nghiệm bộ điều khiển PI điều khiển tốc độ động cơ

7.3. Kết quả việc thực nghiệm xử lý ảnh

KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN

TÀI LIỆU THAM KHẢO

Tóm tắt

I. Thiết kế và chế tạo xe AGV

Thiết kếchế tạo xe AGV là trọng tâm của đồ án tốt nghiệp này. Nhóm nghiên cứu đã tập trung vào việc phát triển một hệ thống cơ khí vững chắc, sử dụng vật liệu chất lượng cao như thép SS400 và thanh nhôm định hình. Động cơ hành tinh với công suất tối đa 30W được lựa chọn để đảm bảo sự ổn định và mạnh mẽ trong quá trình di chuyển. Xe AGV được trang bị camera Kinect v2 để nhận dạng và đo khoảng cách giữa người và robot, sử dụng công nghệ xử lý ảnhtrí tuệ nhân tạo (AI) để theo dõi người một cách chính xác.

1.1. Hệ thống cơ khí

Hệ thống cơ khí của xe AGV bao gồm đế và khung xe được thiết kế để chịu tải trọng lớn. Vật liệu sử dụng là thép SS400 và thanh nhôm định hình, đảm bảo độ bền và ổn định. Động cơ hành tinh với công suất 30W được tích hợp để đảm bảo khả năng di chuyển linh hoạt trong môi trường siêu thị.

1.2. Hệ thống điều khiển

Hệ thống điều khiển của xe AGV được xây dựng trên vi xử lý STM32 và Jetson Nano, cho phép xử lý dữ liệu hình ảnh và cảm biến hiệu quả. ROS (Robot Operating System) được sử dụng để quản lý các luồng dữ liệu phức tạp, giúp robot hoạt động ổn định và chính xác.

II. Ứng dụng xử lý ảnh trong xe AGV

Xử lý ảnh là công nghệ cốt lõi giúp xe AGV nhận diện và theo dõi người mua hàng trong siêu thị. Camera Kinect v2 được sử dụng để thu thập dữ liệu hình ảnh, kết hợp với các thuật toán xử lý ảnh như SSD (Single Shot Detector) để phát hiện và phân loại đối tượng. Hệ thống này cho phép robot bám theo người một cách chính xác, đặc biệt hữu ích cho người lớn tuổi hoặc người khuyết tật.

2.1. Thuật toán nhận diện đối tượng

Thuật toán SSD được áp dụng để nhận diện đối tượng trong thời gian thực. Đây là một trong những thuật toán xử lý ảnh hiệu quả, giúp robot phát hiện người và vật cản một cách nhanh chóng và chính xác.

2.2. Xử lý dữ liệu hình ảnh

Dữ liệu hình ảnh từ camera được xử lý thông qua vi xử lý Jetson Nano, kết hợp với AI để phân tích và đưa ra quyết định di chuyển. Hệ thống này đảm bảo robot có thể theo dõi người mua hàng một cách liên tục và ổn định.

III. Nghiên cứu và thực nghiệm

Nhóm nghiên cứu đã tiến hành nhiều thử nghiệm để đánh giá hiệu quả của xe AGV. Các thử nghiệm bao gồm kiểm tra khả năng di chuyển, nhận diện đối tượng và xử lý tình huống đặc biệt như mất dấu người. Kết quả cho thấy robot có thể hoạt động ổn định trong môi trường siêu thị, tuy nhiên vẫn cần cải thiện để xử lý các tình huống phức tạp hơn.

3.1. Thử nghiệm di chuyển

Robot được thử nghiệm trong môi trường giả lập siêu thị, với các điều kiện ánh sáng và địa hình khác nhau. Kết quả cho thấy robot có thể di chuyển linh hoạt và ổn định trên nền gạch phẳng.

3.2. Thử nghiệm nhận diện

Khả năng nhận diện người của robot được đánh giá thông qua các tình huống thực tế. Robot có thể phát hiện và theo dõi người mua hàng một cách chính xác, tuy nhiên vẫn gặp khó khăn khi người dùng di chuyển nhanh hoặc thay đổi hướng đột ngột.

IV. Đánh giá và hướng phát triển

Đồ án đã thành công trong việc thiết kếchế tạo một xe AGV ứng dụng xử lý ảnh để hỗ trợ mua sắm trong siêu thị. Tuy nhiên, để nâng cao hiệu quả, nhóm đề xuất tích hợp thêm cảm biến Lidar để cải thiện khả năng nhận diện và tự động tránh vật cản. Ngoài ra, việc nâng cấp phần cứng và phần mềm sẽ giúp robot hoạt động ổn định hơn trong các tình huống phức tạp.

4.1. Cải thiện phần cứng

Nhóm đề xuất tích hợp cảm biến Lidar để tăng cường khả năng nhận diện và tránh vật cản. Điều này sẽ giúp robot hoạt động hiệu quả hơn trong môi trường đông đúc và phức tạp.

4.2. Nâng cấp phần mềm

Việc cải thiện các thuật toán xử lý ảnh và tích hợp thêm tính năng tự động sạc pin sẽ giúp robot hoạt động liên tục và ổn định hơn trong thời gian dài.

12/02/2025

Trích đoạn nội dung tài liệu

CHƯƠNG 1 - Chương 7: Thực nghiệm và đánh giá 5 CHƯƠNG 2 CHƯƠNG 2: TỔNG QUAN NGHIÊN CỨU ĐỀ TÀI 2. Xu thế phát triển robot hiện nay. Xu thế phát triển robot hiện nay đang đi theo hướng đa dạng hóa và tiến bộ. Các robot ngày càng trở nên thông minh hơn, có khả năng học hỏi và tương tác với con người một cách tự nhiên.

Trí tuệ nhân tạo đang được tích hợp để tạo ra robot có khả năng nhận biết, phân tích thông tin và ra quyết định. Robot cũng đang phát triển để làm việc cùng con người, tạo ra sự hợp tác và tương tác an toàn. Robot không chỉ xuất hiện trong các hoạt động sản xuất, nhà máy, dây chuyền lắp ráp mà ngày càng gần gũi với con người; đặc biệt là các dạng robot dịch vụ như robot hút bụi, robot phục vụ trong nhà hàng, khách sạn, robot tư vấn, chỉ dẫn ở bệnh viện,. Điều này tạo ra một môi trường sống và làm việc tiện nghi, hiệu quả và tạo ra những trải nghiệm mới cho con người.

Từ việc di chuyển linh hoạt đến tương tác xã hội, robot ngày càng trở thành một phần không thể thiếu trong cuộc sống hiện đại và mở ra nhiều triển vọng trong tương lai. Các loại robot đang là xu thế phát triển hiện nay:  Trí tuệ nhân tạo (Artificial Intelligence - AI).  Robot hợp tác với con người (Human-Robot Collaboration).  Robot dịch vụ (Service Robotics).

 Robot di động và đa năng (Mobile and Versatile Robots).  Robot trong công nghiệp (Industrial Robotics). Giới thiệu về robot dịch vụ Robot dịch vụ (Service Robotics): Sự gia tăng của robot dịch vụ đang mở ra nhiều tiềm năng ứng dụng trong các lĩnh vực như y tế, giáo dục, du lịch, khách sạn, v. Robot dịch vụ có thể đáp ứng nhu cầu của con người trong các tác vụ như hỗ trợ và chăm sóc, giao tiếp và hướng dẫn, vận chuyển và phục vụ, mang lại sự tiện lợi và tăng cường trải nghiệm người dùng.

4 CHƯƠNG 2 Hình 2.1 WiiGo Retail – Robot dịch vụ trong siêu thị của công ty Follow Inspiration ở Bồ Đào Nha [12] Được thiết kế bởi Follow Inspiration, một công ty khởi nghiệp của Bồ Đào Nha được thành lập vào năm 2012, wiiGo là một giỏ hàng tự điều khiển, giúp khách hàng bị suy giảm khả năng di chuyển mua sắm tại các siêu thị lớn. Vào cuối năm 2016, wiiGo đã có buổi giới thiệu đầu tiên tại Pháp với chuỗi siêu thị Les Mousquetaires, tại các cửa hàng Intermarket và Bricomarket ở Auxonnes, gần Dijon và tại các siêu thị lớn Auchan.2 Hình ảnh minh họa Robot phục vụ thức ăn mèo Bella [19] Robot mèo BellaBot không phải là thiết bị PuduTech duy nhất như vậy. Năm ngoái, các kỹ sư Trung Quốc đã phá triển robot phục vụ PuduBot với ít biểu cảm hơn. Thiết bị nặng 5 CHƯƠNG 2 30kg, tương tự thiết kế của BellaBot, chứa từ 3 – 5 khay với khả năng chuyên chở 10kg mỗi khay.

Nó tích hợp pin kéo dài tới 24h khi hoạt động liên tục, và được sạc đầy trong 4h. Robot chỉ mất 120 phút để lập bản đồ căn phòng.3 Robot giao hàng starship [13] Robot giao hàng Starship là một hệ thống giao hàng tự động của công ty Starship Technologies. Với hình dáng nhỏ gọn và khả năng tự điều hướng, nó có thể di chuyển an toàn trên đường phố và vỉa hè. Robot này được sử dụng để giao hàng trong các khu vực đô thị và trường đại học, mang lại sự tiện lợi và tốc độ cho quá trình giao hàng.

 Lợi ích của robot dịch vụ: Tăng hiệu suất và năng suất làm việc: Robot dịch vụ có thể làm việc liên tục mà không mệt mỏi hay giảm hiệu suất. Điều này giúp tăng năng suất công việc và giảm thời gian hoàn thành. Giảm chi phí nhân công: Sử dụng robot dịch vụ giảm sự phụ thuộc vào lao động con người, giúp tiết kiệm chi phí nhân công và tăng tính cạnh tranh. Cải thiện chất lượng dịch vụ: Robot dịch vụ thực hiện các tác vụ một cách chính xác và nhất quán, giúp cải thiện chất lượng dịch vụ và đáp ứng yêu cầu của khách hàng.

Tăng tính an toàn: Robot dịch vụ có thể thực hiện các tác vụ nguy hiểm hoặc căng thẳng mà không đặt con người vào nguy cơ. Điều này giúp tăng tính an toàn và giảm nguy cơ tai nạn lao động. 6 CHƯƠNG 2 Trải nghiệm khách hàng tốt hơn: Robot dịch vụ cung cấp trải nghiệm tiện lợi và tốt hơn cho khách hàng. Chúng có thể phục vụ 24/7, không gặp các ràng buộc thời gian và mang lại sự tiện lợi và linh hoạt cho khách hàng.

 Một số hạn chế: Hạn chế trong tương tác con người: Robot dịch vụ chưa thể tương tác và giao tiếp một cách tự nhiên và linh hoạt như con người, dẫn đến khó khăn trong việc hiểu và đáp ứng đúng yêu cầu của người dùng. Hạn chế về đa nhiệm: Một số robot dịch vụ chỉ có thể thực hiện một nhiệm vụ cụ thể và không linh hoạt trong việc thay đổi và thích ứng với các tình huống mới. Hạn chế về linh hoạt: Một số robot dịch vụ gặp khó khăn trong việc di chuyển trên các mặt địa hình phức tạp hoặc vượt qua các chướng ngại vật, giới hạn sự ứng dụng của chúng trong các môi trường đa dạng. Hạn chế về hiệu suất và độ tin cậy: Robot dịch vụ có thể gặp khó khăn trong việc xử lý các tình huống phức tạp và đưa ra quyết định chính xác, và đôi khi có thể gây ra lỗi hoặc hỏng hóc.

Xe đẩy siêu thị thông minh Xe đẩy siêu thị thông minh là một dạng robot dịch vụ trong siêu thị. Robot có chức năng chính là bám theo người để chứa hàng hoá được mua trong các siêu thị lớn, trung tâm thương mại. Với tính năng bám theo người, robot này có khả năng tự động di chuyển theo người dùng. Với khả năng tự động di chuyển và chứa hàng hoá, nhóm mong muốn có thể giúp người lớn tuổi tiết kiệm sức lực và tránh gánh nặng vận chuyển hàng hóa, đem lại sự tiện lợi và giúp người lớn tuổi có trải nghiệm mua sắm dễ dàng hơn, giúp giảm bớt khó khăn và mệt mỏi trong quá trình đi lại và vận chuyển hàng hóa.

Các nghiên cứu liên quan đến đề tài 2. Các nghiên cứu ngoài nước Trên thế giới, có nhiều nghiên cứu và phát triển về xe đẩy hàng trong siêu thị nhằm tăng cường hiệu suất và tiện ích cho quá trình mua sắm. Dưới đây là một số nghiên cứu đáng chú ý: 7 CHƯƠNG 2 Hình 2.4 Robotic Shopping Cart [5] "Robotic Shopping Cart" của hãng Five Elements Robotics: Hãng Five Elements Robotics đã nghiên cứu và phát triển một loại xe đẩy tự động có khả năng di chuyển theo người dùng và chứa hàng hoá trong siêu thị. Xe đẩy này cũng có khả năng tương tác giọng nói và thực hiện các tác vụ đơn giản.5 Robot di động ELI [22] Robot di động ELI hoạt động như một giỏ mua hàng thông minh: nó có thể đi theo Khách hàng xung quanh cửa hàng trong khi người này đang chọn sản phẩm, nó có thể hướng dẫn 8 CHƯƠNG 2 Khách hàng vị trí của sản phẩm và cũng cho phép thanh toán tự động, trong số các chức năng khác.

ELI tích hợp các cảm biến nhận dạng giọng nói của con người và các cảm biến khác cho phép tránh chướng ngại vật. Theo cách đó, nó có thể đi theo người tiêu dùng và điều hướng một cách tự động. Bằng màn hình tích hợp của nó, người tiêu dùng có thể chọn các sản phẩm quan tâm và robot sẽ hướng dẫn họ đến với chúng. Các tính năng khác bao gồm, tìm vị trí của ô tô trong bãi đậu xe và xác minh thông tin mua hàng, chẳng hạn như phiếu giảm giá hoặc thời hạn mua hàng.

Các nghiên cứu trong nước Hiện nay robot dịch vụ trong siêu thị ở Việt Nam chưa được nghiên cứu, chế tạo nhiều. Dưới đây là sản phầm của nhóm sinh viên Khoa cơ khí chế tạo máy, trường Đại Học Sư Phạm Kỹ Thuật Tp.HCM nghiên cứu và chế tạo.6 Hình ảnh follobot [15] Robot có tên là followbot, ứng dụng AI,thuật toán xử lí ảnh, xử lý 3D, giúp robot nhận diện được người, vùng nền và thuật toán điều khiển quỹ đạo chuyển động của robot. Robot hoàn thiện với kích thước nhỏ gọn 506 x 466 x 680mm (dài x rộng x cao), khối lượng 18.5Kg, tốc độ hoạt động tối đa 0.7 m/s, tải trọng tối đa 15Kg, đặc biệt rất dễ sử dụng chỉ với thao tác một nút nhấn. Robot cơ bản có thể bám theo người để chứa hàng hoá cho họ, nó chưa phân biệt được nhiều người 9 CHƯƠNG 3 CHƯƠNG 3: CƠ SỞ LÝ THUYẾT 3.

Các cơ cấu hoạt động phổ biến trong robot AGV Robot dịch vụ với cơ cấu di động thường có cấu hình của robot di động trên bánh xe (cơ cấu hai bánh vi sai) do thuận lợi trong việc điều khiển. Với cơ cấu này, robot dễ dàng di chuyển trên nền gạch phẳng trong nhà như nhà hàng, khách sạn, siêu thị.1 Nguyên lý hoạt động của cơ cấu vi sai [20] Kiểm soát tốc độ vi sai là phương pháp lái AGV phổ biến nhất. Nó sử dụng hai bánh dẫn động độc lập, mỗi bánh được dẫn động ở cùng tốc độ để đi thẳng hoặc ở các tốc độ khác nhau để rẽ.2 Cơ cấu điều khiển vô lăng [20] Điều khiển vô lăng là một phương pháp phổ biến khác được sử dụng chủ yếu trong các phương tiện ba bánh như xe nâng hàng. Trong cơ cấu này, bánh xe truyền động cũng là bánh xe quay.

Một tổ hợp động cơ và bộ mã hóa gia tăng được sử dụng cho chuyển động tiến và lùi, trong khi tổ hợp động cơ thứ hai và bộ mã hóa gia tăng được sử dụng để lái. Cách tiếp cận này cung cấp đường dẫn tốt hơn và cung cấp chuyển hướng rất trơn tru. Ngoài ra, không giống như AGV điều khiển vi sai, phương tiện điều khiển vô lăng cũng có thể được sử dụng để kéo. 10 CHƯƠNG 3 Hình 3.3 Cơ cấu điều khiển kết hợp [20] Loại AGV thứ ba kết hợp các phương pháp điều khiển vi sai và lái.

Hai động cơ lái/truyền động độc lập với bộ mã hóa gia tăng phù hợp được đặt ở các góc chéo của AGV. Bánh xe xoay được đặt ở các góc đối diện. Điều này cho phép xe rẽ theo hình vòng cung. Nó cũng có thể di chuyển ngang hoặc theo bất kỳ hướng nào và nó có thể lái ở chế độ vi sai theo bất kỳ hướng nào.

Nội dung được bảo vệ bản quyền — Tải xuống đầy đủ

Nghiên cứu thiết kế và chế tạo xe AGV ứng dụng xử lý ảnh trong đồ án tốt nghiệp là một tài liệu chuyên sâu về việc phát triển xe tự hành AGV (Automated Guided Vehicle) tích hợp công nghệ xử lý ảnh. Tài liệu này tập trung vào quy trình thiết kế, chế tạo và ứng dụng thực tế của AGV trong các hệ thống tự động hóa, đặc biệt là việc sử dụng xử lý ảnh để nâng cao khả năng định vị và điều hướng. Đây là nguồn tham khảo hữu ích cho sinh viên, kỹ sư và nhà nghiên cứu quan tâm đến lĩnh vực robot di động và công nghệ thị giác máy tính.

Để mở rộng kiến thức về các công nghệ liên quan, bạn có thể tham khảo Luận văn thạc sĩ kỹ thuật cơ điện tử điều khiển robot leo bên ngoài ống xúc tác lò reformer, nghiên cứu về ứng dụng robot trong môi trường công nghiệp phức tạp. Ngoài ra, Luận văn thạc sĩ nghiên cứu công nghệ IoT và ứng dụng trong hệ thống giám sát chất lượng không khí Hà Nội cung cấp góc nhìn về tích hợp công nghệ hiện đại vào hệ thống giám sát. Cuối cùng, Luận văn thạc sĩ kỹ thuật điện nghiên cứu giải thuật điều khiển phân tán cho bộ đa bậc kiểu module sẽ giúp bạn hiểu sâu hơn về các thuật toán điều khiển tiên tiến.

Mỗi liên kết là cơ hội để bạn khám phá thêm những ứng dụng và nghiên cứu liên quan, từ đó mở rộng hiểu biết trong lĩnh vực công nghệ và kỹ thuật.