Đồ Án Tốt Nghiệp: Thiết Kế Bộ Điều Khiển Dự Báo Chuyển Động Cho Robot Di Động Tránh Vật Cản

• Tác giả: Phạm Quốc Anh Huy
• Người hướng dẫn: TS. Trần Đức Thiện
• Trường học: Trường Đại Học Sư Phạm Kỹ Thuật TP. HCM
• Chuyên ngành: Công Nghệ Kỹ Thuật Điều Khiển Và Tự Động Hóa
• Đề tài: Thiết Kế Bộ Điều Khiển Dự Báo Chuyển Động Cho Robot Di Động Tránh Vật Cản
• Loại tài liệu: Đồ Án Tốt Nghiệp
• Năm xuất bản: 2024
• Địa điểm: Thành Phố Hồ Chí Minh

• NHIỆM VỤ ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP
• LỊCH TRÌNH THỰC HIỆN ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP
• PHIẾU NHẬN XÉT CỦA GIẢNG VIÊN HƯỚNG DẪN
• PHIẾU NHẬN XÉT PHẢN BIỆN ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP
• LỜI CAM ĐOAN
• LỜI CẢM ƠN
• MỤC LỤC
• DANH MỤC BẢNG
• DANH MỤC HÌNH ẢNH
• DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT
• 1. CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN
• 1.1. Tình hình nghiên cứu ngoài nước
• 1.2. Tình hình nghiên cứu trong nước
• 1.3. Tính cấp thiết đề tài
• 1.4. Mục tiêu đề tài
• 1.5. Giới hạn đề tài
• 1.6. Phương pháp nghiên cứu
• 1.7. Nội dung đề tài
• 2. CHƯƠNG 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT
• 2.1. Tổng quan robot di động
• 2.1.1. Khái niệm robot di động
• 2.1.2. Phân loại robot di động
• 2.2. Cấu trúc robot di động vi sai
• 2.3. Động học robot di động
• 2.3.1. Lý thuyết động học robot di động
• 2.3.2. Động học robot di động vi sai
• 2.4. Tổng quan về nền tảng ROS
• 2.4.1. Khái niệm về ROS
• 2.4.2. Ưu điểm của ROS
• 2.4.3. Nhược điểm của ROS
• 2.4.4. Cấu trúc của ROS
• 2.5. Tổng quan về Navigation Stack
• 2.6. Tổng quan về SLAM
• 2.6.1. Khái niệm về SLAM
• 2.7. Lý thuyết thuật toán EKF
• 2.8. Heuristic và hàm Heuristic
• 2.9. Giới thiệu thuật toán A*
• 2.10. Lý thuyết cảm biến Lidar
• 2.11. Lý thuyết cảm biến IMU
• 2.12. Lý thuyết cảm biến Encoder
• 2.13. Lý thuyết bộ điều khiển PID
• 2.14. Lý thuyết giao thức UART
• 2.14.1. Khái niệm về giao thức UART
• 2.14.2. Cách thức hoạt động
• 2.15. Lý thuyết giao thức I2C
• 2.15.1. Khái niệm về giao thức I2C
• 2.15.2. Cách thức hoạt động
• 2.16. Phần mềm hỗ trợ
• 2.16.1. Công cụ IPOPT
• 2.16.2. Phần mềm mô phỏng Gazebo
• 2.16.3. Phần mềm Rviz
• 2.16.4. Phần mềm Qt Designer
• 2.16.5. Phần mềnm SolidWorks
• 3. CHƯƠNG 3: THIẾT KẾ VÀ THI CÔNG HỆ THỐNG
• 3.1. Tổng quan hệ thống
• 3.2. Lựa chọn thiết bị cho mô hình robot
• 3.2.1. Yêu cầu thiết kế
• 3.2.2. Tính toán lựa chọn động cơ
• 3.2.3. Driver điều khiển động cơ
• 3.2.4. Cảm biến Lidar
• 3.2.5. Máy tính nhúng Raspberry Pi4
• 3.2.6. Nút nhấn, công tắc và đèn
• 3.3. Thiết kế mô hình robot
• 3.3.1. Chi tiết khung
• 3.3.2. Giá đỡ Lidar và IMU
• 3.3.3. Chi tiết hộp điều khiển
• 3.3.4. Chi tiết bộ bánh phụ của robot
• 3.3.5. Chi tiết phần vỏ đầu robot phía bên trái và phải
• 3.3.6. Chi tiết vỏ robot
• 3.4. Thi công mô hình robot
• 3.4.1. Chi tiết giá đỡ động cơ
• 3.4.2. Chi tiết giá đỡ Lidar và IMU
• 3.4.3. Chi tiết hộp điều khiển
• 3.4.4. Chi tiết phần vỏ đầu robot phía bên trái và phải
• 3.4.5. Chi tiết vỏ robot
• 3.4.6. Lắp ráp hoàn thiện robot
• 3.5. Sơ đồ nối dây hệ thống
• 3.6. Thiết kế và thi công mạch PCB
• 3.7. Thiết kế vật cản động
• 3.7.1. Yêu cầu thiết kế
• 3.7.2. Lựa chọn thiết bị và thi công
• 3.8. Chương trình điều khiển
• 3.8.1. Lưu đồ chương trình robot
• 3.8.2. Lưu đồ chương trình robot vật cản
• 3.9. Thiết kế giao diện người dùng giám sát hệ thống
• 3.9.1. Trang điều khiển và quan sát
• 4. CHƯƠNG 4: THIẾT KẾ VÀ MÔ PHỎNG GIẢI THUẬT
• 4.1. Tổng quan chương trình điều hướng cho robot
• 4.2. Thiết kế bộ điều khiển Model Predict Control
• 4.2.1. Thiết kế bộ điều khiển Model Predict Control
• 4.2.2. Ràng buộc tránh vật cản
• 4.3. Thiết lập mô phỏng
• 4.3.1. Tổng quan các bước thực hiện mô phỏng
• 4.3.2. Thông số robot
• 4.3.3. Thông số cảm biến lidar
• 4.3.4. Thông số cảm biến IMU
• 4.3.5. Thiết lập môi trường Gazebo
• 4.4. Mô phỏng EKF
• 4.5. Mô phỏng robot xây dựng bản đồ
• 4.6. Mô phỏng điều hướng MPC
• 4.6.1. Trường hợp 1 bản đồ không có vật cản
• 4.6.2. Trường hợp 2 bản đồ có vật cản tĩnh
• 4.6.3. Trường hợp 3 bản đồ có vật cản động di chuyển cùng chiều với robot
• 4.6.4. Trường hợp 4 bản đồ có vật cản động di chuyển ngược chiều với robot
• 4.6.5. Trường hợp 5 bản đồ có vật cản động di chuyển ngang so với robot
• 5. CHƯƠNG 5: THỰC NGHIỆM VÀ ĐÁNH GIÁ KẾT QUẢ
• 5.1. Xây dựng bản đồ thực tế
• 5.2. Cấu hình mạng
• 5.3. Thực nghiệm EKF
• 5.4. Thực nghiệm robot xây dụng bản đồ
• 5.5. Thực nghiệm điều hướng robot
• 5.5.1. Trường hợp 1 bản đồ không có vật cản
• 5.5.2. Trường hợp 2 bản đồ có vật cản tĩnh
• 5.5.3. Trường hợp 3 bản đồ có vật cản động di chuyển cùng chiều với robot
• 5.5.4. Trường hợp 4 bản đồ có vật cản động di chuyển ngược chiều với robot
• 5.5.5. Trường hợp 5 bản đồ có vật cản động di chuyển ngang với robot
• 5.6. Nhận xét và đánh giá kết quả
• 6. CHƯƠNG 6: KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN
• 6.1. Hướng phát triển
• TÀI LIỆU THAM KHẢO

I. Tổng quan về thiết kế bộ điều khiển dự báo chuyển động cho robot di động

Thiết kế bộ điều khiển dự báo chuyển động cho robot di động là một lĩnh vực nghiên cứu quan trọng trong công nghệ robot hiện đại. Bộ điều khiển này giúp robot có khả năng tự động di chuyển và tránh các vật cản trong môi trường. Việc áp dụng các thuật toán tiên tiến như Mô hình Dự đoán Điều khiển (MPC) và Kalman Filter đã mở ra nhiều cơ hội mới cho việc phát triển robot thông minh.

1.1. Ứng dụng của robot di động trong thực tiễn

Robot di động hiện nay được ứng dụng rộng rãi trong nhiều lĩnh vực như logistics, y tế và dịch vụ. Chúng có khả năng tự động hóa quy trình làm việc, giảm thiểu rủi ro cho con người và nâng cao hiệu quả công việc.

1.2. Các thành phần chính của bộ điều khiển robot

Bộ điều khiển robot bao gồm các cảm biến, bộ xử lý và các thuật toán điều khiển. Các cảm biến như Lidar và IMU giúp robot nhận diện môi trường xung quanh, trong khi bộ xử lý thực hiện các thuật toán điều khiển để đưa ra quyết định di chuyển.

II. Vấn đề và thách thức trong thiết kế bộ điều khiển robot di động

Mặc dù công nghệ robot di động đã phát triển mạnh mẽ, nhưng vẫn còn nhiều thách thức trong việc thiết kế bộ điều khiển hiệu quả. Các vấn đề như độ chính xác trong việc nhận diện vật cản và khả năng xử lý dữ liệu thời gian thực là những yếu tố quan trọng cần được giải quyết.

2.1. Độ chính xác trong nhận diện vật cản

Độ chính xác của cảm biến ảnh hưởng trực tiếp đến khả năng tránh vật cản của robot. Việc cải thiện độ chính xác này là một trong những thách thức lớn nhất trong thiết kế bộ điều khiển.

2.2. Xử lý dữ liệu thời gian thực

Robot cần phải xử lý dữ liệu từ cảm biến một cách nhanh chóng và hiệu quả để đưa ra quyết định kịp thời. Điều này đòi hỏi các thuật toán phải được tối ưu hóa để hoạt động trong thời gian thực.

III. Phương pháp thiết kế bộ điều khiển dự báo chuyển động cho robot

Để thiết kế bộ điều khiển dự báo chuyển động cho robot di động, các phương pháp như MPC và Kalman Filter được áp dụng. Những phương pháp này giúp robot dự đoán chuyển động và điều chỉnh hành vi của mình một cách linh hoạt.

3.1. Mô hình Dự đoán Điều khiển MPC

MPC là một phương pháp điều khiển tối ưu, cho phép robot dự đoán hành vi trong tương lai và điều chỉnh hành động của mình để đạt được mục tiêu. Phương pháp này giúp cải thiện hiệu suất di chuyển của robot.

3.2. Thuật toán Kalman Filter

Kalman Filter là một thuật toán mạnh mẽ trong việc ước lượng trạng thái của hệ thống. Nó giúp robot cải thiện độ chính xác trong việc xác định vị trí và hướng di chuyển, từ đó nâng cao khả năng tránh vật cản.

IV. Ứng dụng thực tiễn của bộ điều khiển robot di động

Bộ điều khiển dự báo chuyển động cho robot di động đã được áp dụng trong nhiều lĩnh vực khác nhau. Từ việc giao hàng tự động đến các ứng dụng trong y tế, robot ngày càng trở nên phổ biến và hữu ích trong cuộc sống hàng ngày.

4.1. Robot trong logistics

Robot di động được sử dụng để tự động hóa quy trình giao hàng, giúp tiết kiệm thời gian và chi phí. Chúng có khả năng di chuyển trong kho bãi và tránh các vật cản một cách hiệu quả.

4.2. Robot trong y tế

Trong lĩnh vực y tế, robot di động hỗ trợ trong việc vận chuyển thuốc và thiết bị y tế, giúp giảm thiểu rủi ro cho nhân viên y tế và nâng cao hiệu quả công việc.

V. Kết luận và tương lai của bộ điều khiển robot di động

Bộ điều khiển dự báo chuyển động cho robot di động đang mở ra nhiều cơ hội mới cho sự phát triển của công nghệ robot. Với sự tiến bộ của các thuật toán và cảm biến, tương lai của robot di động hứa hẹn sẽ còn nhiều điều thú vị.

5.1. Xu hướng phát triển công nghệ robot

Công nghệ robot đang phát triển nhanh chóng với sự xuất hiện của các cảm biến mới và thuật toán thông minh. Điều này sẽ giúp robot ngày càng thông minh và tự động hơn.

5.2. Thách thức trong tương lai

Mặc dù có nhiều tiến bộ, nhưng vẫn còn nhiều thách thức cần phải vượt qua, như việc cải thiện độ chính xác và khả năng tương tác của robot với con người và môi trường.