Luận văn thạc sĩ: Nghiên cứu thiết kế robot dò đường đi bằng sóng siêu âm

Luận văn thạc sĩ kỹ thuật cơ điện tử nghiên cứu thiết kế robot dò đường bằng sóng siêu âm, ứng dụng trong tự động hóa và công nghệ hiện đại.

• Tác giả: Phạm Dự
• Người hướng dẫn: TS. Nguyễn Duy Anh
• Trường học: Trường Đại Học Công Nghệ TP. HCM
• Chuyên ngành: Kỹ Thuật Cơ Điện Tử
• Đề tài: Nghiên Cứu, Thiết Kế Robot Dò Đường Đi Bằng Sóng Siêu Âm
• Loại tài liệu: luận văn thạc sĩ
• Năm xuất bản: 2015
• Địa điểm: TP. Hồ Chí Minh

Tóm tắt

I. Tổng quan về nghiên cứu thiết kế robot dò đường bằng sóng siêu âm

Nghiên cứu thiết kế robot dò đường bằng sóng siêu âm đang trở thành một lĩnh vực quan trọng trong công nghệ tự động hóa. Robot tự hành có khả năng di chuyển và thực hiện nhiệm vụ mà không cần sự can thiệp của con người. Việc sử dụng cảm biến siêu âm giúp robot nhận biết môi trường xung quanh, từ đó đưa ra quyết định di chuyển chính xác. Mục tiêu của nghiên cứu này là phát triển một hệ thống robot có khả năng dò đường trong các mê cung phức tạp.

1.1. Ứng dụng của robot dò đường trong thực tiễn

Robot dò đường có thể được ứng dụng trong nhiều lĩnh vực như công nghiệp, y tế và dịch vụ. Chúng giúp giảm thiểu rủi ro cho con người trong các môi trường nguy hiểm và tăng hiệu quả công việc.

1.2. Lịch sử phát triển robot tự hành

Lịch sử phát triển robot tự hành bắt đầu từ những năm 1950, với những nghiên cứu đầu tiên về robot di động. Qua thời gian, công nghệ đã phát triển mạnh mẽ, từ các robot đơn giản đến những hệ thống phức tạp ngày nay.

II. Thách thức trong việc thiết kế robot dò đường bằng sóng siêu âm

Mặc dù có nhiều tiến bộ, việc thiết kế robot dò đường vẫn gặp phải nhiều thách thức. Một trong những vấn đề lớn nhất là khả năng nhận diện và xử lý thông tin từ môi trường. Sóng siêu âm có thể bị ảnh hưởng bởi các yếu tố như độ ẩm, nhiệt độ và vật cản. Điều này đòi hỏi các thuật toán xử lý tín hiệu phải được tối ưu hóa để đảm bảo độ chính xác cao.

2.1. Vấn đề về độ chính xác của cảm biến siêu âm

Độ chính xác của cảm biến siêu âm phụ thuộc vào nhiều yếu tố như khoảng cách và góc phát sóng. Việc cải thiện độ chính xác này là một thách thức lớn trong thiết kế robot.

2.2. Khó khăn trong việc lập trình thuật toán dò đường

Lập trình các thuật toán như thuật toán dò đường và thuật toán tìm đường ngắn nhất là một nhiệm vụ phức tạp. Các thuật toán này cần phải được tối ưu hóa để robot có thể hoạt động hiệu quả trong các môi trường khác nhau.

III. Phương pháp thiết kế robot dò đường bằng sóng siêu âm

Để thiết kế một robot dò đường, cần áp dụng các phương pháp khoa học và công nghệ hiện đại. Việc sử dụng cảm biến siêu âm kết hợp với vi điều khiển giúp robot có khả năng nhận diện và xử lý thông tin môi trường. Các thuật toán như Tremaux và Floodfill được sử dụng để tìm đường đi ngắn nhất trong mê cung.

3.1. Thiết kế hệ thống cảm biến siêu âm

Hệ thống cảm biến siêu âm bao gồm nhiều cảm biến được bố trí xung quanh robot. Chúng giúp robot phát hiện các vật cản và xác định khoảng cách đến các bức tường trong mê cung.

3.2. Lập trình thuật toán điều khiển robot

Lập trình thuật toán điều khiển cho robot là bước quan trọng. Các thuật toán này cần phải được tối ưu hóa để robot có thể di chuyển một cách linh hoạt và hiệu quả trong môi trường phức tạp.

IV. Ứng dụng thực tiễn của robot dò đường bằng sóng siêu âm

Robot dò đường bằng sóng siêu âm có nhiều ứng dụng thực tiễn trong đời sống. Chúng có thể được sử dụng trong các lĩnh vực như cứu hộ, thám hiểm và nghiên cứu khoa học. Việc sử dụng robot trong các tình huống nguy hiểm giúp bảo vệ con người và tăng hiệu quả công việc.

4.1. Ứng dụng trong lĩnh vực cứu hộ

Robot dò đường có thể được sử dụng trong các tình huống cứu hộ, giúp tìm kiếm người bị nạn trong các khu vực nguy hiểm hoặc khó tiếp cận.

4.2. Ứng dụng trong nghiên cứu khoa học

Trong nghiên cứu khoa học, robot dò đường có thể được sử dụng để thu thập dữ liệu trong các môi trường khắc nghiệt, như dưới nước hoặc trong không gian.

V. Kết luận và tương lai của robot dò đường bằng sóng siêu âm

Nghiên cứu và thiết kế robot dò đường bằng sóng siêu âm đang mở ra nhiều cơ hội mới trong công nghệ tự động hóa. Với sự phát triển không ngừng của công nghệ, robot sẽ ngày càng trở nên thông minh và hiệu quả hơn. Tương lai của robot tự hành hứa hẹn sẽ mang lại nhiều giá trị cho xã hội.

5.1. Triển vọng phát triển công nghệ robot

Công nghệ robot đang phát triển nhanh chóng, với nhiều ứng dụng mới được nghiên cứu và phát triển. Điều này mở ra nhiều cơ hội cho các nhà nghiên cứu và doanh nghiệp.

5.2. Tương lai của robot trong đời sống hàng ngày

Robot sẽ ngày càng trở nên phổ biến trong đời sống hàng ngày, từ việc hỗ trợ trong công việc đến việc phục vụ nhu cầu giải trí và chăm sóc sức khỏe.

Trích đoạn nội dung tài liệu

Chương 1: TỔNG QUAN. Giới thiệu chung. Phân loại robot tự hành. Robot tự hành di chuyển bằng chân (Legged Robot).

Robot tự hành di chuyển bằng bánh (Wheel Robot). Phương pháp điều hướng cho robot tự hành. Phương pháp điều hướng có tính toán. Phương pháp điều hướng robot theo phản ứng.

Phương pháp điều hướng lai ghép. Tính cấp thiết của đề tài. Mục tiêu và nội dung nghiên cứu. Mục tiêu của đề tài.

Nội dung nghiên cứu. Tổng quan về lĩnh vực nghiên cứu. Giới thiệu tổng quan chung về lĩnh vực nghiên cứu. Tình hình nghiên cứu trên thế giới.

Tình hình nghiên cứu trong nước. Lựa chọn và cách bố trí bánh xe .18 Chương 2: MÊ CUNG VÀ GIẢI THUẬT TÌM ĐƯỜNG TRONG MÊ CUNG. Robot vẽ bản đồ. Vấn đề định vị của Robot tự hành.

Sóng siêu âm. Camera xử lí hình ảnh. Lựa chọn phương án định vị và nhận diện vật cản. Mê cung và các thuật toán tìm đường trong mê cung.

Thuật toán tìm đường ngẫu nhiên. Thuật toán bám theo tường. Thuật toán Pledge. Thuật toán Trémaux.

Thuật toán lấp kín đường cụt. Thuật toán tìm đường đi ngắn nhất (floodfill) .29 Chương 3: THIẾT KẾ MÔ HÌNH XE DÒ MÊ CUNG. Sơ lược các loại động cơ phổ biến. Động cơ DC thường.

Các phương pháp điều khiển động cơ DC cho Robot tự hành. Thiết kế cơ khí. Thiết kế xe dò mê cung. Thiết kế mê cung thực nghiệm.

Hệ thống điện. Sơ đồ khối robot dò đường. Các thành phần của hệ thống điều khiển. Tổng thể kết nối giữa các module trong hệ thống .50 Chương 4: GIẢI THUẬT ĐIỀU KHIỂN.

Nguyên tắc xây dựng giải thuật điều khiển cho xe. Mảng dữ liệu lưu trữ. Mảng dữ liệu lưu trữ tức thời. Mảng dữ liệu lưu trữ cố định.

Giải thuật điều khiển trên vi điều khiển. Giải thuật quản lí dữ liệu và vẽ mê cung. Thiết kế giao diện mê cung bằng phần mềm matlab GUI .61 Chương 5: THỰC NGHIỆM ĐIỀU KHIỂN VÀ KẾT LUẬN. Khả năng di chuyển của robot.

Khả năng nhận dạng vật cản của bộ 3 cảm biến siêu âm:. Khả năng di chuyển trong mê cung theo thuật toán:. Mê cung thực nghiệm. Kết quả thực nghiệm .64 KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN CỦA ĐỀ TÀI.

Những vấn đề đã làm được:. Những vấn đề chưa làm được:. Hướng phát triển đề tài: .69 viii DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT RF: Radio Frequency. DANH MỤC CÁC BẢNG Bảng 1: Sơ đồ bánh xe của Robot tự hành .5 Bảng 2: Sơ đồ chân của Module MB3A .46 Bảng 3: Sơ đồ chân của Module RF Transceiver CC1101 .49 Bảng 4: Tổng hợp các chân trên của vi điều khiển nối với các chân trên các module .50 Bảng 5 Bảng quy ước bit tường trong mảng .56 ix DANH MỤC CÁC HÌNH Hình 1.

Robot SDR-4X, chết tạo năm 2003 của hãng Sony. Mô hình robot 4 chân. Các loại bánh xe dùng trong Robot tự hành. Robot tự hành Rover thám hiểm sao Hoả.

Robot cắt cỏ. Robot hút bụi Trilobite. Sơ đồ cấu trúc phương pháp điều khiển có tính toán. Sơ đồ tìm đường đi của giải thuật.

Giao diện mô phỏng mê cung. Giao diện (GUI) mô phỏng mê cung. Tọa độ ảo của mê cung. Robot cỡ nhỏ sử dụng trong bài báo.

Mê cung thiết kế và mê cung thực tế. Robot thí nghiệm. Kết quả thí nghiệm. Sơ đồ khối Mobile Robot.

Robot chạy trong mê cung. Hai bánh chuyển động vi sai. Hai bánh truyền động phía sau. Hai bánh truyền động ở giữa có điểm thứ ba tiếp xúc.

Mê cung đơn kết nối. Mê cung đa kết nối. Thuật toán bám theo tường. Thuật toán Pledge.

Thuật toán Tremaux. Bước 1 giải thuật lấp đường cụt. Bước 2 giải thuật lấp đường cụt. Bước 1 của giải thuật floodfill.

Bước 2 của giải thuật Floodfill. Bước 3 của giải thuật Floodfill. Mảng val sau khi hoàn thành giải thuật. Đường đi ngắn nhất tìm được từ giải thuật Floodfill.

Cấu tạo động cơ DC. Động cơ DC Servo. Cấu tạo động cơ bước. Mô hình Mobile Robot.

Họ đặc tính cơ của động cơ điện một chiều. Động cơ DC Servo NF5475E. Bánh xe chủ động của Robot. Bánh trước của Robot.

Hình chiếu bằng của Robot. Hình chiếu cạnh của Robot. Hình thực tế của Robot. Các tấm foam làm tường mê cung.

Sơ đồ khối Robot dò đường. Mô phỏng lan truyền sóng siêu âm. Phạm vi góc hoạt động tốt nhất của Module. Module cảm biến siêu âm HC-SR04 và sơ đồ đấu dây.

Biểu đồ thời gian của cảm biến siêu âm SRF-04. Hiện tượng đọc chéo. Sự phản xạ của sóng siêu âm. Hiện tượng Forescasting.

Sơ đồ kết nối của Module MB3A. Cấu tạo và ngoại vi của vi điều khiển STM32F407VGT6. Sơ đồ đấu dây của Module RF Transceiver CC1101. Sơ đồ khối mạch nguồn cho Robot.

Sơ đồ điều khiển chương trình chính. Giải thuật đi thẳng theo tường mê cung. Giải thuật rẽ hướng của xe. Giải thuật xác định tọa độ của xe.

Chương trình chính trên matlab. Giải thuật vẽ mê cung. Giao diện hiển thị mê cung. Robot và 1 góc của mê cung.

Mê cung chưa biết trước kích thước 8x8. Bản đồ mê cung sau khi chạy lần 1. Bản đồ mê cung sau khi chạy lần 2. Bản đồ mê cung sau khi chạy lần 3.

Kết quả bản đồ mê cung trên Matlab GUI. Kết quả thuật toán Floodfill .68 1 Chƣơng 1: TỔNG QUAN 1. Giới thiệu chung Ngày nay, Robot học đã đạt được những thành tựu to lớn trong nền sản xuất công nghiệp. Những cánh tay robot có khả năng làm việc với tốc độ cao, chính xác và liên tục làm năng suất lao động tăng nhiều lần.

Chúng có thể làm việc trong các môi trường độc hại như hàn, phun sơn, các nhà máy hạt nhân, hay lắp ráp các linh kiện điện tử tạo ra điện thoại, máy tính…một công việc đòi hỏi sự tỉ mỉ, chính xác cao. Tuy nhiên những robot này có một hạn chế chung đó là hạn chế về không gian làm việc. Không gian làm việc của chúng bị giới hạn bởi số bậc tự do tay máy và vị trí gắn chúng. Ngược lại, các Robot tự hành lại có khả năng hoạt động một cách linh hoạt trong các môi trường khác nhau.

Robot tự hành là loại Mobile robot có khả năng tự hoạt động, thực thi nhiệm vụ mà không cần sự can thiệp của con người. Với những cảm biến, chúng có khả năng nhận biết về môi trường xung quanh. Robot tự hành ngày càng có nhiều ý nghĩa trong các ngành công nghiệp, thương mại, y tế, các ứng dụng khoa học và phục vụ đời sống của con người. Với sự phát triển của ngành Robot học, robot tự hành ngày càng có khả năng hoạt động trong các môi trường khác nhau, tùy mỗi lĩnh vực áp dụng mà chúng có nhiều loại khác nhau như robot sơn, robot hàn, robot cắt cỏ, robot thám hiểm đại dương, robot làm việc ngoài vũ trụ.

Cùng với sự phát triển của yêu cầu trong thực tế, robot tự hành tiếp tục đưa ra những thách thức mới cho các nhà nghiên cứu. Vấn đề của robot tự hành là làm thế nào để robot tự hành có thể hoạt động, nhận biết môi trường và thực thi các nhiệm vụ đề ra. Vấn đề đầu tiên là di chuyển, Robot tự hành nên di chuyển như thế nào và cơ cấu di chuyển nào là sự lựa chọn tốt nhất. Điều hướng là vấn đề cơ bản trong nghiên cứu và chế tạo Robot tự hành.

Trong hiệp hội nghiên cứu về Robot tự hành có 2 hướng nghiên cứu khác nhau: Hướng thứ nhất là nghiên cứu về Robot tự hành có khả năng điều hướng ở tốc độ cao nhờ thông tin thu được từ cảm biến, đây là loại robot có khả năng hoạt động ở mối trường trong phòng cũng như môi trường bên ngoài. Loại robot này yêu cầu khả năng tính toán đồ sộ và được trang bị cảm biến có độ nhạy cao, dải đo lớn để có thể điều khiển robot di chuyển ở tốc độ cao, trong những môi trường có địa hình phức tạp. Hướng thứ hai nhằm giải quyết các vấn đề về các loại robot tự hành chỉ dùng để hoạt động trong môi trường trong phòng. Loại robot tự hành này có kết cấu đơn giản hơn loại trên, thực hiện những nhiệm vụ đơn giản.

2 Bài toán dẫn hướng cho robot tự hành được chia làm 2 loại: bài toán toàn cục (global) và bài toán cục bộ (local). Ở bài toàn cục, môi trường làm việc của robot hoàn toàn xác định,đường đi và vật cản là hoàn toàn biết trước. Ở bài toán cục bộ, môi trường hoạt động của robot là chưa biết trước hoặc chỉ biết một phần. Các cảm biến và thiết bị định vị cho phép robot xác định được vật cản, vị trí của nó trong môi trường giúp nó đi tới được mục tiêu.

Các vấn đề gặp phải khi điều hướng cho Robot tự hành thường không giống như các loại robot khác. Để có thể điều hướng cho Robot tự hành, quyết định theo thời gian thực phải dựa vào thông tin liên tục về môi trường thông qua các cảm biến, hoặc ở môi trường trong phòng hoặc ngoài trời, đây là điểm khác biệt lớn nhất so với kỹ thuật lập kế hoạch ngoại tuyến.Robot tự hành phải có khả năng tự quyết định về phương thức điều hướng, định hướng chuyển động để có thể tới đích thực hiện nhiệm vụ nhất định. Điều hướng cho robot tự hành là công việc đòi hỏi phải thực hiện được một số khả năng khác nhau, bao gồm : khả năng di chuyển ở mức cơ bản, ví dụ như hoạt động đi tới vị trí cho trước; khả năng phản ứng các sự kiện theo thời gian thực, ví dụ như khi có sự xuất hiện đột ngột của vật cản; khả năng xây dựng, sử dụng và duy trì bản đồ môi trường hoạt động; khả năng xác định vị trí của robot trong bản đồ đó; khả năng thiết lập kế hoạch để đi tới đích hoặc tránh các tình huống không mong muốn và khả năng thích nghi với các thay đổi của môi trường hoạt động. Phân loại robot tự hành Robot tự hành được chia làm 2 loại chính đó là loại robot tự hành chuyển động bằng chân và robot tự hành chuyển động bằng bánh.