Chương 1. TÔNG QUAN DE TÀI .- 2-2 2+5£+E£+EE+EE+E2EE+EzErEerrerreee 13 I. Tổng quan về để tài. Mục tiêu và giới hạn của I0 13 1.
Mục tiêu đề tài. Giới hạn của đề tài. Phương pháp thực hiỆn. Tìm hiểu về lý thuyẾ.- -- + ©sSt+EE‡EEEEEEEEE 2E E111 1.
Vận dụng thực tẾ. Dữ liệu đầu VA0 wc ceccccscssecssessessssssecsecssesnecsecssessecsssssecseessssseeseeseeeseess 15 1. Quá trình xử lý. SG SH HH kg rn 15 1.
Dữ liệu đầu ra.----©2:27+c22k 2 EEEEEEEEEEEErrrrrerrkee l6 Chương2. CO SỞ LÝ THUYỀÊT.- 2-2 2 E+E+EE+EE+E£EEzEerrerreee 17 2. Tổng quan về ROS. Khái niệm về ROS_.
Chức năng của ROS.- - LH HH TH HH HH TH tr 18 2. Môi trường của ROS. Mô hình của ROS. Tang ROS Filesystem o.
Tầng ROS Computation graph. Tầng ROS community. Ưu điểm của ROS cocccccccscccssesssessessssssessessuessessessusssessesssessessussseeseeseeeseess 23 2. Laser Imaging, Detection And Ranging(LIDAR).
Simultaneous Localization And Mapping(SLAM). Expected Robot behavior. APT của Movebase.- HH HH HH kh 31 2.- --- G1 HH HH ng 31 2. ¿2-5-2 SESEEEEEEEEE XE 1EE15211121111111111 111.
Setup Frontier_eXpÏOTafIOII. Nividia Jetson Nano BT. RP Lidar AIMB oo. Mạch nƒn (BLK damp a1 088.
Mạch điều khiển động cơ. Động cơ DC Servo JGB37 - 52. Màn hình 7 inch HDMI LCTD.-- 5 5 S3 *+skseeeseserseeeere 43 Chương 3. | PHAN TÍCH VA THIET KE HỆ THÓNG.
Phân tích phần cứng, phần mềm dé xây dựng hệ thống. Phân tích phan cứng.--- ¿+ + + ©x+EE£EE#EE+EESEEEEEEEEEEEEErrkrrerrrrei 45 3. Thiết kế phần cứng.--- 2-2 + E+SE+EE+EE+EE£EE+EEEEESEEEEErrrrrerreee 45 3. Phân tích phần mềm.----- 2£ E+SE£EE£EE+EE£EEEEEEEEEEEzErrrrerrerei 46 3.
Phần mềm trên Jetson Nano. Phần mềm trên Esp32. Tính toán Odometry, Điều khiển PID. Điều khiến PID.
THỰC NGHIỆM VÀ ĐÁNH GIA. Cài đặt môi trường. Quy trình cải dat ooo ccecccssecsneesseeesseceseeesaecsseeeeeeceaeeeeeeseeeesneesaees 60 4. Cài đặt ROS.
Thiết lập môi trường ROS cho máy tính các nhân va Jetson Nano. Thứ tự chạy các lệnh Map và Navigation. Đánh giá mức độ vẽ Map. Đánh giá mức độ NavIgatIOI.
Trong môi trường không có vật cản. Trong môi trường CO Vat CảN. Đánh giá độ chính xác trong phép định vi của robot. KÉT LUẬN VÀ KIEN NGHỊ,.
Két quả đạt ẨƯỢC. - óc c1 ng ng nếp 67 5. Ưu điểm — Nhược điểm của khóa luận.--- 2s 2 s+s+zzzszx+zsss2 67 DANH MỤC HÌNH Hình 2.1: Robot Operating SVSf€T. - - - G1 119211191119 11 91119 1 1 ng vn ng 17 Hình 2.2: Mô hình robot SÏa1m.
--- 1121931911911 1 911v nh ng ngư 18 Hình 2.3: Mô hình ROS Filesystem. nh nhớ, 20 Hình 2.4: Tầng ROS community .----- 2 2£ 2 + ++E£+E++EE+E++E£EzEzErrerrerreee 20 Hình 2.5: Giao tiếp giữa các Nodes trong ROS .6: Cộng đồng ROS community.7: Hình ảnh minh họa LIdar.8: Mô hình SLUAM.- Gà HH TH TH TH TH ng ng 28 Hình 2.9: Mô hình GmappIng .-- - -- <5 + 31 13911191113 11 911 9v ng ng ng 29 Hình 2.10: Mô hình famework movea§e.- --- -- cv nnnHnghnHng nnrưy 29 Hình 2.11: Hành vi dự kiến của rObot.12: Map dựa vào gói Fronfier_€XpÏOTAfIOTI.13: Cau trúc của gói Frontier_exploration.----- 2-2 ssz+sz+sz+z+szzszee 32 Hình 2.14: Hai phiên ban Jetson Nano A02 va BOT.15: Pinout của Kit Esp32 NodeMCU-32S.- 5 si eeiee 36 Hình 2.- --- -- 2c 23112111 1121191111111 1 1 TT TH HH nà Hy 37 Hình 2.17: Hình dáng của UPS Module 3S.18: Động Cơ L298N DC Motor IDTIVeT.19: Động cơ JGB 37 Encoder .20: Chi tiết cấu tạo động CO veceescscsessesssesseessessesssessecsesssessesssessessesssessessesseeses 42 Hình 2.21: Mô hình IMU MPU6050.- -GG SQ S*SHHH HH HH ng Hy43 Hình 2.22: Màn hình 7inch HDMI LCD C,.- 5 5 + £+++kE+eeEseksserseeese 43 Hình 3.1: Hình ảnh bố trí trọng tâm TOOIV.- - --- s1 1v kg kg ke 45 Hình 3.3: Sơ đồ liên kết của các node trong hệ thống .4: Lưu đồ giải thuật của Esp32 .----2¿ 2+: 2+2++£x++zx+rxezrxrsrxrrrree 50 Hình 3.5: Qua một khoảng thời gian rất nhỏ, chuyên động robot có thé gần bằng THỘT CUNE fTỒN. Q2 2n ng SH SH n nh ni km nh cv 51 Hình 3.6: Hai đường cung tròn tạo bởi bánh trái và phải .7: Cấu trúc điều khiển của PID w.8: Công thức của bộ điều khiển PID.- 2-2 2 2 +2 ++££+E++Ez+Ezxzzxeez 55 Hình 3.10: Sai số xác lập.------¿- 2-2 SE+SESEE2EE9E1221221211211211211211211211211 21.11: Thời g1an xác lẬP.12: Phuong pháp Ziegler — Nichlos .- xi errrskrey 59 Hình 4.1: Các bước dé robot bắt đầu hoạt động .-------¿--2¿©++2cx+zxz+sse2 61 Hình 4.2: Bản độ hành lang thực Ế.3: Bản đồ hành lang robot vẽ đƯỢC .----- 2-2 2 2+++s++££+xzxzxzxezreee 62 DANH MỤC BANG Bảng 3.1: Cac packages tự tao ra trong quá trình xây dựng robot.2: Các packages được kế thừa lại dé hiện thực hệ thống "¬ 47 Bang 3.3: Chi tiết nội dung các packages trong hệ thống.1: Phần trăm sai số giữa khoảng cách thực tế và khoảng cách thu được từ 000 .2: Bang thông số thực nghiệm không có vật cản.3: Bảng thông số thực nghiệm có vật cản.---2--¿- 5¿©cs+2cx2zxeczse2 64 Bang 4.4: Bảng kết quả dit liệu lấy từ terminal khi chạy xong localization. 65 DANH MUC TU VIET TAT ROS Robot Operating System LIDAR Light Detection And Rangging Laser Light amplification by stimulated emission of radiation DWA Dynamic Window Approach SLAM Simultaneous Localization And Mapping TF Transform IMU Inertial Measurement Units TOF Time - Of - Flight TÓM TẮT KHÓA LUẬN Khóa luận “Ứng dụng công nghệ định vị đồng thời lập bản đồ trên Robot” ứng dụng Lidar và Jetson Nano dé thiết kế nên Robot có khả năng tự di chuyền và vẽ được bản đồ sau khi robot đã đi qua.
Ứng dụng các thuật toán tìm đường đi dé robot có thé di chuyên với các thao tác đơn giản nhat. Với hệ thống Lidar, robot sử dụng RP Lidar A1M8 được phát triển dé sử dụng vào các ứng dụng phát hiện vật cản, lập bản đồ bằng tia laser, hỗ trợ định vị xe hay robot tự hành,robot thông minh. Bên cạnh đó sử dụng Encoder để tính toán vận tốc và số vòng của bánh xe dé có thể biết được trạng thái của Robot. Từ đó áp dụng các thuật toán định vị và hoạch định đường di dé Robot có thé tự động di chuyển và vẽ bản đồ một cách chính xác và nhanh nhất có thé.
Dé Robot hoàn thiện và hoạt động tốt các hệ thống riêng lẽ phải được kết hop và đồng bộ trên một hệ điều hành quy nhất. Khi đó, ROS là một lựa chọn rất phù hợp với hệ thống. ROS là một hệ thống phần mềm giúp phát triển Robot với các thư viện và công cụ được hỗ trợ đề truyền dữ liệu giữa các chương trình, giữa Robot và máy tính nhờ vào kiến trúc các gói trên hệ thống của Robot. Hệ thống “Ứng dụng công nghệ định vi đồng thời lập bản đồ trên Robot” sẽ tập trung chủ yếu vào các gói dành cho Lidar và các gói phục vụ SLAM, định vi và hoạch định đường di cho Robot.
Cuối cùng, dé hoàn thiện hệ thống vẽ Map và Navigation. Robot sẽ được chia làm ba phần. Phần thứ nhất là Nvidia Jetson Nano Developer Kit, nơi thực thi các thuật toán định vi và hoạch định đường di. Phan thứ 2 chính là Lidar có nhiệm vụ như là trung tâm của robot tiếp nhận tín hiệu và truyền dữ liệu để nhận diện có tín hiệu vật cản hoặc tín hiệu không có vật cản.
Phan thứ ba cũng là tầng nền với Esp32 nhận dữ liệu từ các cảm biến IMU và Encoder và tính toán trạng thái của Robot, đồng thời điều khiển hai động co DC dé Robot có thé di chuyển. Ba phan chính sẽ được liên kết chặc chẻ với nhau trên một hệ thống là Robot Operating System (ROS). TONG QUAN DE TÀI 1. Tổng quan về đề tài Những năm gần đây tự động hóa va robotic phát triển rất nhanh và mạnh mẽ, con người dần hướng đến những công cụ tự động trong nhiều lĩnh vực như nông nghiệp, công nghiệp, dịch vụ, v.
Đặc biệt là Robot tự động được ứng dụng rộng rãi từ các công việc quy mô lớn như thám hiểm vũ trụ [1], đến các công việc trong kho chứa hàng, nhà xưỡng [2] hay trong căn hộ [3] v. Trong đó Robot tự động xác định đường di và vẽ bản đồ là một dạng robot rất quan trọng được ứng dụng rộng rãi. Hơn thế nữa với cộng đồng người dùng, nghiên cứu và pháp triển Robot trên ROS lớn mạnh như ngày nay, chúng ta đã dé dàng tiếp cận và xây dựng cho mình nhưng con Robot từ đơn giản đến phức tạp yêu cầu nhưng kiến thức chuyên sâu về kỹ thuật và động lực học. Trên thế giới các công trình nghiên cứu về Robot tự động đã được thực hiện và cải tiễn rất nhiều.
Tuy nhiên tình hình phát trién trong nước vẫn còn hạn chế va chưa 6n định. Nên chúng em chọn đề tài “Ung dụng công nghệ định vị đồng thời lập bản đồ trên Robot” với mong muốn có thể tạo ra robot di chuyên xây dựng bản đồ trong quá trình di chuyên dé làm cơ sở tương lai có thé tạo ra một số robot phục vụ cho đời sống sinh hoạt của con người Việt Nam như: robot vận hành vật liệu, robot hút bụi, robot hoạt động trong ngôi nhà thông minh v. Mục tiêu và giới hạn của đề tài 1. Mục tiêu của đề tài Xây dựng robot có khả năng tự động di chuyển và né vật cản trong môi trường trong nhà, đồng thời robot tự hoạch định đường di, tự xác định dé vẽ được hoàn chỉnh bản đồ của môi trường đó.
Robot sẽ được thực hiện việc xác định vị trí của nó trong môi trường, lập kế hoạch di chuyên và vẽ bản đồ bằng 13 các node điều khiến từ Jetson Nano. Thuật toán SLAM được thực thi để có thé vẽ được bản đồ của một khu vực, sau khi hoàn thành bản đồ sẽ được lưu lại trong máy tính để phục vụ cho công tác navigation là bước cải tiến sau này. Giới hạn của đề tài e Mức độ xử lí tính hiệu nhiễu còn một số hạn chế e Những góc nhỏ hẹp xe di chuyên khó khăn và còn mắc phải nhiều hạn chế © Có một số ngoại lực và động lực học ảnh hưởng đến quá trình di chuyên của robot e Phan cứng được thực hiện thu công nên độ chính xác còn chưa tuyệt đối. ¢ Robot chỉ sử dung lidar dé né vật cản do đó robot chỉ có khả năng di chuyền tốt mà không có lỗi trong những địa hình không quá phức tạp.
Phương pháp thực hiện Dé xây dựng một robot với chức năng navigation và gmapping, khóa luận sẽ xây dựng một robot bằng khung mô hình “foam” cùng 4 bánh gồm 2 động cơ tải bánh xe độc lập, 2 bánh tự do dé tạo nên phan cứng cho robot. Day là mô hình xe dé tính toán vận tốc, góc quay hỗ trợ cho việc định vị và hoạch định đường đi chính xác và vẽ map. Song song đó dé robot hoạt động, bộ nguồn sẽ được thiết kế với pin lipo 3 cell và pin UPS cho Jetson Nano và bộ hạ áp bằng LM2596 3A, giúp cũng cấp một nguồn điện phù hợp và ôn định cho toàn hệ thống. Tìm hiểu về lý thuyết Tìm hiểu các kiến thức về một hệ thống robot SLAM.