Thiết kế và chế tạo robot lau sàn thông minh sử dụng công nghệ xử lý ảnh

LỜI CẢM ƠN

TÓM TẮT ĐỒ ÁN

ABSTRACTS

1. CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN

1.1. Giới thiệu đề tài

1.2. Lý do chọn đề tài

1.3. Yêu cầu và giới hạn đề tài

1.4. Đối tượng nghiên cứu

1.5. Mục tiêu và nhiệm vụ nghiên cứu

1.6. Phương pháp nghiên cứu

1.7. Các công trình nghiên cứu có liên quan

1.7.1. Các công trình nghiên cứu ở nước ngoài

1.7.2. Các công trình nghiên cứu trong nước

1.8. Tổng quan về Mobile Robot lau sàn sử dụng xử lý ảnh

1.8.1. Mobile Robot và các phương pháp điều khiển

1.8.2. Mobile Robot lau sàn sử dụng xử lý ảnh

2. CHƯƠNG 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT

2.1. Vi điều khiển PIC 16F887

2.1.1. Đặc trưng của vi điều khiển PIC 16F887

2.1.2. Các thành phần của PIC 16F887

2.2. Thị giác máy tính (Computer Vision)

2.2.1. Các lĩnh vực thị giác máy tính

2.2.2. Chức năng của hệ thống thị giác máy tính

2.2.3. Các hệ thống thị giác máy tính

2.2.4. Ứng dụng của thị giác máy tính

2.3. Tổng quan về hệ thống xử lý ảnh

2.4. Lý thuyết về ảnh số và xử lý ảnh

2.4.1. Khái niệm về ảnh và phần tử ảnh (Pixel)

2.4.2. Cấu trúc một file ảnh

2.4.3. Không gian màu (Color Space)

2.4.4. Tính toán biểu đồ phân bố xác suất (Histogram)

2.4.5. Chuyển đổi không gian màu

2.4.6. Giải thuật CAMSHIFT (Continuously Adaptive Mean Shift)

2.4.7. Một số hàm dùng trong xử lý ảnh

2.4.8. Kỹ thuật lọc số - làm trơn nhiễu

3. CHƯƠNG 3: THIẾT KẾ PHẦN CỨNG VÀ PHẦN MỀM

3.1. Tổng quan mô hình phần cứng

3.1.1. Cảm biến siêu âm SRF05

3.1.2. Mạch điện điều khiển

3.1.3. Động cơ RC Servo MG996R

3.1.4. Cơ cấu lau sàn

3.2. Thiết kế phần mềm

3.2.1. Tổng quan quá trình nhận dạng và điều khiển trên máy tính

3.2.2. Cấu trúc và lưu đồ giải thuật của chương trình

3.2.3. Các phương pháp tìm đường đi của robot

3.2.4. Thuật toán xử lý ảnh

3.2.5. Thuật toán xử lý tín hiệu cảm biến

4. CHƯƠNG 4: KẾT QUẢ THI CÔNG PHẦN CỨNG VÀ PHẦN MỀM

4.1. Kết quả thi công mobile robot

4.2. Kết quả thi công phần mềm

4.3. Kết quả thực nghiệm

4.3.1. Trường hợp không có vật cản

4.3.2. Trường hợp có vật cản

5. CHƯƠNG 5: KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN

5.1. Hướng phát triển đề tài

5.2. Giới thiệu về PIC 16F887

5.2.1. Cấu trúc bộ nhớ PIC16F887

5.2.2. Các chức năng được sử dụng trong đồ án

5.3. Chương trình viết code cho vi điều khiển PIC 16F887

5.4. Chương trình code cho xử lý ảnh

TÀI LIỆU THAM KHẢO

I. Thiết kế Robot Lau Sàn Thông Minh

Phần này tập trung vào thiết kế robot lau sàn thông minh. Đồ án tốt nghiệp đề cập đến việc thiết kế và chế tạo một robot lau sàn có khả năng tránh vật cản bằng công nghệ xử lý ảnh. Mô hình robot được thiết kế dạng xe, bao gồm hệ thống cơ khí, điện tử và phần mềm điều khiển. Thiết kế phần cứng gồm có cảm biến siêu âm SRF05, động cơ RC Servo MG996R, mạch điện điều khiển dựa trên vi điều khiển PIC 16F887, và cơ cấu lau sàn. Thiết kế phần mềm bao gồm thuật toán xử lý ảnh sử dụng thư viện OpenCV, thuật toán điều khiển robot, và giao diện người dùng. Phần mềm được lập trình bằng C++ và C, kết hợp với ngôn ngữ lập trình robot phù hợp. Mục tiêu là tạo ra một robot lau sàn tự động, hiệu quả và tiết kiệm thời gian.

1.1. Thiết kế Cơ Khí

Thiết kế cơ khí robot chú trọng đến tính gọn nhẹ, linh hoạt và khả năng di chuyển dễ dàng trong không gian hẹp. Hình dạng robot được thiết kế tối ưu hóa cho việc lau sàn, bao gồm phần thân chính, hệ thống bánh xe, và cơ cấu lau sàn. Cơ cấu lau sàn được thiết kế để đảm bảo hiệu quả làm sạch và tránh làm hỏng bề mặt sàn. Các bản vẽ kỹ thuật, bản vẽ kỹ thuật 3D, và các thông số kỹ thuật chi tiết của robot được trình bày đầy đủ. Vật liệu được lựa chọn phù hợp với môi trường hoạt động, đảm bảo độ bền và khả năng chịu lực. Mô hình 3D robot được sử dụng để mô phỏng và kiểm tra thiết kế trước khi chế tạo thực tế. Việc chế tạo robot tuân thủ các tiêu chuẩn kỹ thuật và an toàn. Giải pháp thiết kế hướng đến tính bền vững và khả năng bảo trì dễ dàng.

1.2. Thiết kế Điện Tử

Thiết kế mạch điện tử của robot bao gồm mạch điều khiển động cơ, mạch xử lý tín hiệu cảm biến, và mạch giao tiếp không dây. Vi điều khiển PIC 16F887 đóng vai trò trung tâm trong việc điều khiển các thành phần khác của robot. Cảm biến siêu âm SRF05 được sử dụng để phát hiện vật cản. Mạch điện được thiết kế để đảm bảo sự ổn định và độ tin cậy cao. Sơ đồ mạch điện và các thông số kỹ thuật của các linh kiện được trình bày chi tiết. Quá trình hàn mạch được thực hiện cẩn thận để tránh lỗi. Việc lựa chọn các linh kiện điện tử phải đảm bảo chất lượng, độ bền và tương thích với hệ thống. Mạch điện được thiết kế để dễ dàng bảo trì và sửa chữa. Sơ đồ khối hệ thống điện mô tả rõ ràng các thành phần và mối liên hệ giữa chúng. Hệ thống điều khiển robot được thiết kế linh hoạt, cho phép mở rộng chức năng trong tương lai.

II. Công Nghệ Xử Lý Ảnh và Nhận Diện Vật Cản

Phần này tập trung vào công nghệ xử lý ảnh sử dụng trong robot lau sàn thông minh. Hệ thống sử dụng camera webcam để thu thập hình ảnh môi trường xung quanh. Xử lý ảnh được thực hiện trên máy tính sử dụng thư viện OpenCV và ngôn ngữ lập trình Python. Thuật toán xử lý ảnh bao gồm các bước: thu nhận hình ảnh, tiền xử lý ảnh (làm sạch nhiễu, lọc ảnh), phân tích ảnh (phát hiện cạnh, nhận dạng màu sắc), và phân tích hình ảnh robot. Nhận diện vật cản dựa trên việc phân tích hình ảnh và nhận dạng vật thể. Thuật toán CAMSHIFT có thể được áp dụng để theo dõi vật thể di động. Kết quả xử lý ảnh được sử dụng để điều khiển robot tránh vật cản và di chuyển theo quỹ đạo mong muốn. Hệ thống xử lý ảnh cần đảm bảo tốc độ xử lý nhanh để đáp ứng yêu cầu thời gian thực.

2.1. Thuật Toán Xử Lý Ảnh

Thuật toán xử lý ảnh đóng vai trò quan trọng trong việc xác định vị trí robot, phát hiện vật cản, và lập kế hoạch đường đi. OpenCV cung cấp các hàm sẵn có để thực hiện các thao tác xử lý ảnh cơ bản như làm trơn nhiễu, tách ngưỡng, phát hiện cạnh. Thuật toán cần được tối ưu để đảm bảo tốc độ xử lý nhanh và độ chính xác cao. Quá trình xử lý ảnh được chia thành các bước nhỏ, dễ hiểu và dễ dàng bảo trì. Kết quả xử lý ảnh được hiển thị trực quan trên giao diện người dùng, giúp người dùng theo dõi hoạt động của robot. Việc lựa chọn thuật toán phụ thuộc vào các yếu tố như độ phức tạp của môi trường, yêu cầu về tốc độ xử lý, và độ chính xác mong muốn. Phát hiện cạnh và nhận dạng màu sắc là hai kỹ thuật quan trọng trong xử lý ảnh. Việc tích hợp phần mềm xử lý ảnh với phần cứng điều khiển robot cần được thực hiện một cách cẩn thận.

2.2. Nhận Diện Vật Cản và Lập Kế Hoạch Đường Đi

Sau khi xử lý ảnh, robot cần có khả năng nhận diện vật cản và lập kế hoạch đường đi hiệu quả. Nhận diện vật cản được thực hiện dựa trên việc phân tích hình ảnh, xác định vùng có vật cản và tính toán khoảng cách. Lập kế hoạch đường đi có thể sử dụng các thuật toán tìm đường như A*, Dijkstra, hoặc các thuật toán khác phù hợp với môi trường hoạt động. Tránh vật cản được thực hiện bằng cách điều chỉnh hướng di chuyển của robot dựa trên vị trí và hình dạng của vật cản. Robot cần có khả năng điều hướng linh hoạt để tránh va chạm với vật cản. Hệ thống điều khiển cần đảm bảo sự an toàn và hiệu quả trong quá trình robot di chuyển. Thuật toán lập kế hoạch đường đi cần được tối ưu để đảm bảo robot đến đích một cách nhanh chóng và hiệu quả. Mô phỏng quá trình nhận diện vật cản và lập kế hoạch đường đi là một bước quan trọng trong quá trình phát triển robot.

III. Kết Quả và Phân Tích

Phần này trình bày kết quả của quá trình thiết kế và chế tạo robot lau sàn thông minh. Kết quả thực nghiệm cho thấy robot hoạt động ổn định và đạt được các mục tiêu đề ra. Hiệu quả làm sạch của robot được đánh giá. Khả năng tránh vật cản của robot được kiểm tra trong nhiều điều kiện khác nhau. Thời gian hoạt động của robot được ghi nhận. Tiêu thụ năng lượng của robot được phân tích. Chi phí chế tạo robot được tính toán. Kết quả được phân tích và đánh giá. Những hạn chế của robot được chỉ ra. Hướng phát triển trong tương lai được đề xuất.

3.1. Đánh Giá Hiệu Quả

Hiệu quả làm sạch của robot được đánh giá thông qua các chỉ số như diện tích làm sạch, thời gian làm sạch, và độ sạch của bề mặt sàn. Kết quả thực nghiệm cho thấy robot có khả năng làm sạch hiệu quả trên các loại bề mặt sàn khác nhau. Khả năng tránh vật cản được đánh giá qua việc kiểm tra số lần va chạm với vật cản trong quá trình hoạt động. Thời gian hoạt động của robot phụ thuộc vào dung lượng pin và cường độ hoạt động. Tiêu thụ năng lượng của robot được đánh giá dựa trên công suất tiêu thụ của các linh kiện. Độ chính xác của hệ thống định vị được đánh giá thông qua việc so sánh vị trí thực tế của robot với vị trí mong muốn. Kết quả đánh giá được trình bày một cách rõ ràng và chi tiết.

3.2. Hướng Phát Triển

Hướng phát triển trong tương lai bao gồm việc cải thiện hiệu quả làm sạch, tăng khả năng tránh vật cản, và mở rộng chức năng của robot. Việc tích hợp các cảm biến khác như cảm biến độ ẩm, cảm biến bụi, có thể giúp robot hoạt động thông minh hơn. Thuật toán xử lý ảnh có thể được cải tiến để tăng độ chính xác và tốc độ xử lý. Hệ thống điều khiển có thể được nâng cấp để cho phép robot hoạt động trong môi trường phức tạp hơn. Việc sử dụng trí tuệ nhân tạo có thể giúp robot tự học hỏi và thích nghi với môi trường. Ứng dụng thực tế của robot lau sàn thông minh có thể mở rộng sang các lĩnh vực khác như nhà máy, bệnh viện, và các khu vực công cộng.

Đồ án thiết kế robot lau sàn thông minh với công nghệ xử lý ảnh tại HCMUTE