BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT TP.HCM KHOA CƠ KHÍ CHẾ TẠO MÁY ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP NGÀNH CÔNG NGHỆ KỸ THUẬT CƠ ĐIỆN TỬ THIẾT KẾ CHẾ TẠO MOBILE ROBOT LAU SÀN TRÁNH VẬT BẰNG CÔNG NGHỆ XỬ LÝ ẢNH GVHD: Th.S LÊ THANH TÙNG SVTH: TÔ TIẾN KIỆT MSSV: 10111029 SKL 0 0 4 2 0 9 Tp. Hồ Chí Minh, tháng 1/2016 do an TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT TP. HỒ CHÍ MINH KHOA CƠ KHÍ CHẾ TẠO MÁY --------------------------------- ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP THIẾT KẾ CHẾ TẠO MOBILE ROBOT LAU SÀN TRÁNH VẬT BẰNG CÔNG NGHỆ XỬ LÝ ẢNH GVHD : Th.S LÊ THANH TÙNG SVTH : TÔ TIẾN KIỆT- 10111029 Tp. Hồ Chí Minh , tháng 1 năm 2016 do an LỜI CẢM ƠN Trong quá trình thực hiện không tránh khỏi những lúc gặp khó khăn trong quá trình nghiên cứu, em xin chân thành cảm ơn đến GVHD Thầy Lê Thanh Tùngđã luôn giúp đỡ và chỉ dẫn chúng em nhiệt tình để chúng em có thể vượt qua và đạt được kết quả như hôm nay.
Lời cảm ơn chân thành nhất xin được gửi đến các thầy cô trong khoa Cơ Khí Chế Tạo Máy, những người đã giảng dạy và đào tạo cho chúng em trong những tháng ngày qua. Xin gửi lời cảm ơn đến các bạn sinh viên lớp 101111 đã chia sẽ các kiến thức, hỗ trợ kĩ thuật,… để chúng em có thể hoàn thành tốt đồ án này một cách đúng thời hạn. Em xin chân thành cảm ơn! i do an TÓM TẮT ĐỒ ÁN Đề tài “Thiết kế mobile robot lau sàn” được ứng dụng trên nền của mobile robot. Mobile robot được ứng dụng ngày càng cao vào trong đời sống sinh hoạt, sản xuất, nhằm tiết kiệm thời gian nhân công, linh hoạt, tiện lợi, gọn nhẹ… Trên thế giới hiện nay có rất nhiều loại hình robot mang tính năng phục vụ như robot hút bụi, robot lau sàn nhà…Ở nước ta do còn nhiều mới mẻ, sự đầu tư yếu kém nên phong trào chế tạo và sử dụng robot phục vụ, đưa chúng vào cuộc sống còn gặp nhiều khó khăn.
Đề tài giúp mở ra một hướng đi mới trong việc sử dụng robot lau sàn ở các văn phòng, công sở…Robot sẽ đem lại cho khách hàng một cảm giác mới lạ và thú vị, giúp cho quá trình robot dần thay thế con người trong các lĩnh vực hoạt động còn ngày càng nhanh hơn, giúp cuộc sống còn ngày còn trở nên tiện nghi hơn. Đề tài áp dụng các kiến thức về điều khiển động cơ DC servo, các lý thuyết về truyền nhận không dây qua sóng Bluetooth, giao tiếp UART, cảm biến…Đặc biệt đề tài ứng dụng xử lý ảnh để điều khiển robot một cách chính xác nhất. ii do an ABSTRACTS The project "Design mobile robot floor cleaner" is based applications of mobile robots. Mobile robots are increasingly applied in daily life, production, to save time workers, flexible, comfortable, lightweight.
In the world today there are many types of robots featuring served as vacuuming robot, robot mop the floor. In our country so much new, weak investment should movements manufactured and used robots for services, bringing them to life was difficult. Thread help open up a new direction in the use of robotic floor cleaner in the office, offices. Robot will give customers a sense of novelty and fun, allowing the robot replacing human in the fields of activity are growing faster, longer days help life becomes more comfortable.
Topics apply knowledge of the DC servo motor controller, the theory of wave transmission through wireless Bluetooth, UART communication,sensor. Special theme image processing applications to control a robot accurately. iii do an MỤC LỤC NỘI DUNG TRANG Lời cảm ơn. iii Mục lục.
iv Danh mục các bảng biểu. vi Danh mục các hình ảnh, biểu đồ. vii Chƣơng 1 TỔNG QUAN .1 Giới thiệu đề tài .1 Lý do chọn đề tài .2 Yêu cầu và giới hạn đề tài .3Đối tượng nghiên cứu .4 Mục tiêu và nhiệm vụ nghiên .5 Phương pháp nghiên cứu.2 Các công trình nghiên cứu có liên quan .1 Các công trình nghiên cứu liên quan ở nước ngoài .2 Các công trình nghiên cứu trong nước .3Tổng quan về Mobile Robot lau sàn sử dụng xử lý ảnh .1 Mobile robot và các phương pháp điều khiển .2 Mobile robot lau sàn sử dụng xử lý ảnh. 9 Chƣơng 2 CƠ SỞ LÝ THUYẾT .1 Vi điều khiển PIC 16F887 .1 Đặc trưng của vi điều khiển PIC 16F887 .2 Các thành phần của PIC 16F887 .2 Thị giác máy tính (Computer Vision) .1 Các lĩnh vực thị giác máy tính .2 Chức năng của hệ thống thị giác máy tính .3 Các hệ thống thị giác máy tính.4 Ứng dụng của thì giác máy tính .3 Tổng quan về hệ thống xử lý ảnh .4 Lý thuyết về ảnh số và xử lý ảnh .1 Khái niệm về ảnh và phần tử ảnh (Pixel).
18 iv do an 2.2 Cấu trúc một file ảnh .4 Không gian màu (Color Space) .5 Tính toán biểu đồ phân bố xác xuất (Histogram) .6 Chuyển đổi không gian màu .7 Giải thuật CAMSHIFT (Continuously Adaptive Mean Shift) .8 Một số hàm dùng trong xử lý ảnh .9 Kỹ thuật lọc số-làm trơn nhiễu. 34 Chƣơng 3 THIẾT KẾ PHẦN CỨNG VÀ PHẦN MỀM .1 Tổng quan mô hình phần cứng .5 Cảm biến siêu âm SRF05 .7Mạch điện điều khiển .9 Động cơ RC Servo MG996R .11 Cơ cấu lau sàn .2 Thiết kế phần mềm .1 Tổng quan quá trình nhận dạng và điều khiển trên máy tính.2 Cấu trúc và lưu đồ giải thuật của chương trình .3 Các phương pháp tìm đường đi của robot.4 Thuật toán xử lý ảnh .5 Thuật toán xử lý tín hiệu cảm biến. 70 Chƣơng 4 KẾT QUẢTHI CÔNG PHẦN CỨNG VÀ PHẦN MỀM .1 Kết quả thi công mobile robot .2 Kết quả thi công phần mềm .3 Kết quả thực nghiệm .1 Trường hợp không có vật cản .2 Trường hợp có vật cản. 78 Chƣơng 5 KẾT LUẬN VÀ HƢỚNG PHÁT TRIỂN .3 Hướng phát triển đề tài.1 Giới thiệu về PIC 16F887 .1 Cấu trúc bộ nhớ PIC16F887 .2Các chức năng được sử dụng trong đồ án .2 Chương trình viết code cho vi điều khiển PIC 16F887 .3 Chương trình code cho xử lý ảnh.
94 TÀI LIỆU THAM KHẢO. 98 vi do an DANH MỤC CÁC BẢNG BIỂU Bảng 2.1 : Các thành phần của PIC16 Bảng 4.1 : Kết quả thực nghiệm không vật cản Bảng 4.2 : Kết quả di chuyển trung bình của robot.3 : Kết quả thực nghiệm có vật cản nằm ở trong mặt sàn Bảng 4.4: Kết quả di chuyển trung bình của robot.5 : Kết quả thực nghiệm có vật cản nằm ở rìa mặt sàn Bảng 4.6 : Kết quả di chuyển trung bình của robot.1: Thanh ghi Port A Bảng 6.2: Thanh ghi Tris A Bảng 6.3: Quá trình hoạt động của một timer vii do an DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ Hình 1.1 : Chạy thử nghiệm mobile robot Hình 1.2 : Robot đang lau sàn nhà Hình 1.3 : Hình ảnh bên trong và bên ngoài robot Hình 1.4 : Hình ảnh thực tế robot lau hồ bơi Hình 1.5 : Mobile robot Kinect Hình 1.6: Robot CVRL với camera Hình 1.7: Mô phỏng quỹ đạo di chuyển Hình 1.8 : Mobile Robot bám đối tượng di động SRV1 Hình 1.9 : Một dạng robot tay máy Hình 1.10: Điều khiển robot bằng remote Hình 1.11 : Tổng quan hệ thống Robot lau sàn Hình 2.1 : Các lĩnh vực liên quan đến Computer Vision Hình 2.2 : Robot ARV của quân đội Hình 2.3 : Các bước cơ bản trong xử lý ảnh Hình 2.4 : Ảnh tương tự và ảnh số Hình 2.5 : Biểu diễn ảnh số trong không gian 2D Hình 2.6 : Phần tử ảnh Hình 2.7 : Biểu diễn ảnh với độ phân giải khác nhau Hình 2.8 : Mảng hai chiều của một file ảnh Hình 2.9 : Các kiểu không gian màu Hình 2.10 : Không gian màu RGB Hình 2.11 : Không gian màu HSV Hình 2.12 : Biểu đồ Histogram biểu thị ánh sáng tăng dần từ trái qua phải Hình 2.13 : Histogram của ảnh sáng Hình 2.14 : Histogram của ảnh tối Hình 2.15 : Bốn biểu đồ ánh sáng Hình 2.16 : Ảnh gốc sau khi Histogram Hình 2.17 : (a) Ảnh màu RGB ; (b) Ảnh màu HSV ; (c) Không gian HSV Hình 2.18 : (a) Ảnh xám ; (b), (c) Ảnh nhị phân Hình 2.19 : Kết quả tìm kiếm với giải thuật CAMSHIFT Hình 2.20 : Tìm pixel trung vị trong cửa sổ lọc Hình 3.1: Tổ ng quan mô hình phầ n cứng mobile robot tránh vâ ̣t cản Hình 3.2: Mô hiǹ h Hình 3.3: Hình chiếu đứng Hình 3.4: Hình chiếu bằng viii do an Hình 3.5: Hình chiếu đứng Hình 3.6: Webcam Jeway JW-5330 Hình 3.8 : Sơ đồ chân HC05 Hình 3.9 : Module HC05 đã ra chân Hình 3.10 Cảm biến siêu âm SRF05 Hình 3.11 : Mạch cầu H L298 Hình 3.12: Mô phỏng hoạt động bằng Proteus Hình 3.13 : Động cơ DC Motor Hình 3.14 : Sơ đồ kích xung PWM Hình 3.15 : RC Servo MG996R Hình 3.16 : Pin Lipo Battery Hình 3.17 : Cơ cấu Robot lau nhà Scooba 380 Hình 3.18 : Mofa Morpher Hình 3.19 : Robot Mopbot Hình 3.20 : Cơ cấu lau sàn mô phỏng Hình 3.21 : Phân tích lực Hình 3.22 : Sơ đồ khối các bước xử lý của chương trình Hình 3.23: Phương pháp offset trường hơ ̣p 1 Hình 3.24 : Phương pháp offset trường hơ ̣p 2 Hình 3.25 : Phương pháp offset trường hơ ̣p 3 Hình 3.26 : Phương pháp offset trường hơ ̣p 4 Hình 3.27 : Phương pháp offset trường hơ ̣p 5 Hình 3.28 : Phương pháp offset trường hơ ̣p 5 Hình 3.29: Phương pháp xoắn ốc trường hợp 1 Hình 3.30 : Phương pháp xoắn ốc trường hợp 1 Hình 3.31 : Phương pháp xoắn ốc trường hợp 2 Hình 3.32 : Phương pháp xoắn ốc trường hợp 3 Hình 3.33 : Phương pháp xoắn ốc trường hợp 4 Hình 3.34 : Phương pháp xoắn ốc trường hợp 5 Hình 3.35 :Sơ đồ khối nguyên lýcủa chương trình xử lý ảnh và điều khiển Robot tránh vật cản.36 : Sơ đồ giải thuật phương pháp xác định vị trí Robot.37 : Sơ đồ giải thuật phương pháp xác định vị trí Vật cản.38 : Sơ đồ giải thuật phương pháp tìm đường tránh vật.39 : Không gian màu RGB Hình 3.40 : Không gian màu HSV Hình 3.41: Xử lý không gian màu và tách ngưỡng ix do an Hình 3.42 : Tính góc lệch Hình 3.43 : Sơ đồ khối giải thuật kết nối và điều khiển Robot đi chuyển.44 : Sơ đồ khối giải thuật điều khiển robot kết hợp cảm biến.1: Hình ảnh mobile robot hoàn chỉnh Hình 4.2 : Mạch điện tử Hình 4.3 : Mobile robot với pin và ma ̣ch điê ̣n Hình 4. Cơ cấu lau sàn Hình 4.5: Giao diện chính Hình 4.6: Giao diê ̣n chiń h và khung ảnh RGB Hình 4.7: Track Red Hình 4.8: Track Green Hình 4.9: Track Offset Hình 4.10 : Track Car Hình 4.11 : Robot đi không có vật cản Hình 4.