ĐỒ ÁN XÂY DỰNG HỆ THỐNG QUÉT VÀ XÂY DỰNG MÔ HÌNH 2D VẬT THỂ SỬ DỤNG LIDAR

BỘ CÔNG THƯƠNG

TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHIỆP HÀ NỘI
KHOA CƠ KHÍ

ĐỒ ÁN ĐO LƯỜNG VÀ ĐIỀU KHIỂN
TÊN ĐỀ TÀI:
XÂY DỰNG HỆ THỐNG QT VÀ XÂY
DỰNG MƠ HÌNH 2D CỦA VẬT THỂ SỬ DỤNG
LIDAR

Giáo viên hướng dẫn: Ts.Nguyễn Văn Trường
Nhóm sinh viên thực hiện: Trần Đức Anh
Trần Tuấn Anh
Trương Quốc Hoàng Anh

Hà Nội -2021


PHIẾU HỌC TẬP CÁ NHÂN/NHĨM
I. Thơng tin chung
1. Tên lớp

: Đồ án Đo lường và điều khiển

Khóa: 14

2. Tên nhóm : Nhóm 1
Họ và tên thành viên:

Trần Đức Anh

Trần Tuấn Anh
Trương Quốc Hoàng Anh

II. Nội dung học tập
1. Tên chủ đề: Xây dựng hệ thống quét vật cản và xây dựng mơ hình 2D của vật thể sử
dụng cảm biến Lidar.
2. Hoạt động của sinh viên
- Nội dung 1: Tổng quan về hệ thống (L1.1)
- Nội dung 2: Xây dựng mơ hình hệ thống (L1.1; L1.2)
- Nội dung 3: Chế tạo và thử nghiệm hệ thống (L2.1)
- Nội dung 4: Viết báo cáo
3. Sản phẩm nghiên cứu: Mơ hình sản phẩm và báo cáo thu hoạch.
III. Nhiệm vụ học tập
1. Hoàn thành đồ án theo đúng thời gian quy định (từ ngày 13/09/2021 đến ngày
02/12/2021).
2. Báo cáo nội dung nghiên cứu theo chủ đề được giao trước hội đồng đánh giá.
IV. Học liệu thực hiện tiểu luận, bài tập lớn, đồ án/dự án
1. Tài liệu học tập: Giáo trình mơn học Cảm biến và hệ thống đo, vi điều khiển.
2. Phương tiện, nguyên liệu thực hiện tiểu luận, bài tập lớn, đồ án/dự án (nếu có): Máy
tính, linh kiện và dụng cụ điện tử theo nhu cầu sử dụng.
KHOA/TRUNG TÂM

GIÁO VIÊN HƯỚNG DẪN

T.S Nguyễn Anh Tú

T.S Nguyễn Văn Trường


MƠ TẢ KỸ THUẬT

1. Mơ tả nhiệm vụ cơng nghệ
Hệ thống có khả năng:
- Quét vật thể xây dựng lại hình ảnh vật thể trên bản đồ 2D trong bán kính tối đa 12m.
- Hiển thị liên tục hình ảnh 2D của vật thể theo thời gian thực trên màn hình máy tính.
- Có chức năng thay đổi tần số quét và phạm vi quét phù hợp với nhu cầu sử dụng.
- Có khả năng đo góc và khoảng cách giữa hệ thống và vật thể trong phạm vi đo.
2. Cấu trúc thiết bị
Thiết bị

Loại sử dụng

Cảm biến laser

Cảm biến lidar

Mạch chuyển đổi xử lí tín hiệu

ADC ngồi hoặc trong chíp

Bộ điều khiển

Vi điều khiển/ PLC/PC

Tín hiệu cảnh báo

Trên LCD/ Đèn/Cịi

3. Đặc tính kỹ thuật
Thơng số

Giá trị

Giới hạn qt

Tối đa 12m

Tần số quét

10Hz

Điện áp sử dụng

5V DC

Góc quay

360°

Khả năng lấy mẫu

8000 samples per time

Chuẩn giao tiếp

UART

4. Nội dung báo cáo
- Bản vẽ
TT

Tên bản vẽ

Khổ giấy

Số lượng

1

Bản vẽ sơ đồ hệ thống

A3

2

2

Lưu đồ thuật toán điều khiển hệ thống

A3

1

- Báo cáo


Chương 1 Tổng quan về hệ thống
1.1. Giới thiệu chung
1.2. Các yêu cầu cơ bản
1.3. Phương pháp, phạm vi và giới hạn nghiên cứu
1.4 Ý nghĩa thực tiễn

Chương 2 Xây dựng mơ hình hệ thống
2.1 Thiết kế sơ đồ khối hệ thống
2.2 Phân tích và lựa chọn cảm biến
2.3 Phân tích và lựa chọn bộ điều khiển
2.4 Thiết kế mạch đo và xử lý tín hiệu
2.5. Mơ hình hóa và mơ phỏng hệ thống (Nếu có)
Chương 3: Chế tạo và thử nghiệm hệ thống
3.1 Chế tạo các bộ phận cơ khí
3.2 Chế tạo các bộ phận điện - điện tử
3.3 Xây dựng chương trình điều khiển
3.4 Thử nghiệm và đánh giá hệ thống
Kết Luận.


MỤC LỤC
DANH MỤC HÌNH ẢNH .................................................................................................................... 7
DANH MỤC BẢNG BIỂU .................................................................................................................. 8
CHƯƠNG I: TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG ..................................................................................... 9
1.1

Giới thiệu chung .................................................................................................................... 9

1.2

Các yêu cầu cơ bản.............................................................................................................. 12

1.3

Phương pháp nghiên cứu.................................................................................................... 12

1.3.1

Phương pháp nghiên cứu lý thuyết ............................................................................. 12

1.3.2

Phương pháp nghiên cứu thực nghiệm ...................................................................... 12

1.4

Phạm vi giới hạn nghiên cứu .............................................................................................. 13

1.5

Ý nghĩa thực tiễn ................................................................................................................. 13

CHƯƠNG II. XÂY DỰNG CHƯƠNG TRÌNH HỆ THỐNG ........................................................... 13
2.1 Thiết kế sơ đồ khối ................................................................................................................... 13
2.2 Phân tích và lựa chọn cảm biến ................................................................................................ 13
2.2.1. Ưu điểm ........................................................................................................................... 15
2.2.2 Nhược điểm ...................................................................................................................... 16
2.2.3 Cấu tạo cảm biến RPLIDAR A1M8 R5 ........................................................................ 16
2.2.4 Nguyên lý hoạt động của cảm biến ................................................................................ 18
2.2.5 Thơng số kỹ thuật của cảm biến ..................................................................................... 19
2.3

Phân tích và lựa chọn bộ điều khiển ................................................................................. 20

2.4

Thiết kế mạch ...................................................................................................................... 24

CHƯƠNG III: MƠ HÌNH HĨA VÀ MƠ PHỎNG HỆ THỐNG ................................................ 25
3.1 Thiết kế hệ thống các chi tiết .................................................................................................... 25
3.1.1 Robot di động ................................................................................................................... 25
3.2 Chế tạo các bộ phận điện tử ...................................................................................................... 27
3.2.1 Các thành phần chính ..................................................................................................... 28
3.2.2 Lắp ráp các thiết bị .......................................................................................................... 31
3.2.3. Chạy chương trình điều khiển ....................................................................................... 32
3.3 Xây dựng chương trình điều khiển ........................................................................................... 33
3.3.1 Lưu đồ thuật toán ............................................................................................................ 33
3.3.2 Thiết kế mạch ................................................................................................................... 34
3.4 Mô phỏng hệ thống ................................................................................................................... 34


3.4.1 Mô phỏng không gian làm việc trên HĐH Ubutu ...................................................... 34
PHỤ LỤC ........................................................................................................................................... 36


DANH MỤC HÌNH ẢNH
Hình 1.1. 1: Mơ tả q trình thu dữ liệu của LiDAR ......................................................................... 10
Hình 1.1. 2 Cơng trình trong quần thể di tích Caracol được dựng lại bằng cơngnghệ LiDAR ......... 12
Hình 2.1. 1: Sơ đồ khối ....................................................................................................................... 13
Hình 2.2. 1: Các loại cảm biến LIDAR trên thị trường ...................................................................... 14
Hình 2.2. 2 Sản phẩm cảm biến RPLIDARA1M8 R5 ....................................................................... 15
Hình 2.2. 3 Mơ hình cảm biến RPLIDAR A1M8 R5 trên phần mềm Solidworks............................. 16
Hình 2.2. 4 Cấu tạo bên ngồi cảm biến ............................................................................................. 16
Hình 2.2. 5 Các chân cảm biến ........................................................................................................... 17
Hình 2.2. 6 Nguyên lý hoạt động của cảm biến ................................................................................. 18
Hình 2.2. 7 Kết quả khi LiDAR quét và được hiển thị trên phần mềm của hãng .............................. 19

Hình 2.2. 8 Mối quan hệ giữa khoảng cách và sự thay đổi của độ phân giải ..................................... 20
Hình 2.3. 1 Bộ điều khiển OpenCR1,0 ............................................................................................... 21
Hình 2.3. 2 Vi điều khiển của OpenCR .............................................................................................. 22
Hình 2.3. 3 Các cổng vào ra của OpenCR .......................................................................................... 23
Hình 2.4. 1 Thiết kế mạch .................................................................................................................. 24
Hình 3.2. 1 Lidar Sensor ..................................................................................................................... 28
Hình 3.2. 2 Bản vẽ hình chiếu của Lidar Sensor ................................................................................ 28
Hình 3.2. 3 Raspberry pi3 ................................................................................................................... 29
Hình 3.2. 4 Bản vẽ hình chiếu Raspberry pi3 ..................................................................................... 29
Hình 3.2. 5 OpenCR ........................................................................................................................... 30
Hình 3.2. 6 Bản vẽ hình chiếu OpenCR ............................................................................................. 30
Hình 3.2. 7 Miếng thân robot trên solidworks .................................................................................... 31
Hình 3.2. 8 Bản vẽ hình chiếu của miếng thân robot ......................................................................... 31
Hình 3.2. 9 Lắp ráp robot turtlebot3 ................................................................................................... 32
Hình 3.3. 1 Lưu đồ thuật tốn ............................................................................................................. 33
Hình 3.3. 2 Thiết kế mạch .................................................................................................................. 34
Hình 3.4. 1 Bản đồ mơ phỏng ............................................................................................................. 34
Hình 3.4. 2 Q trình mobile robot qt bản đồ mơ phỏng................................................................ 35
Hình 3.4. 3 Kết quả thu được khi mobile robot quét xong map mô phỏng ........................................ 35


DANH MỤC BẢNG BIỂU
Bảng 2.1. 1 Bảng phân biệt các loại chính của cảm biến Lidar ......................................................... 13
Bảng 2.2. 1 Bảng thông số và chức năng các chân ............................................................................ 18
Bảng 2.2. 2 Thông số kỹ thuật của cảm biến ...................................................................................... 20
Bảng 2.3. 1 Bảng thông số kỹ thuật của OpenCR .............................................................................. 22
Bảng 3.1. 1 Bảng danh sách các thiết bị ............................................................................................. 27


CHƯƠNG I: TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG

1.1 Giới thiệu chung

- LiDAR viết tắt của “Light Detection And Ranging”. LiDAR tương tự như tạo ảnh
radar - cả hai loại cảm biến đều được thiết kế truyền tải dần số hẹp và sau đó nhận năng lượng
tán xạ trở lại để tạo ảnh bề mặt trái đất. Hai họ cảm biến được sử dụng đều là loại chủ động
(active), có trang bị nguồn của chính nó, tức là nó độc lập với chiếu xạ của mặt trời.
- LiDAR đã được phát triển từ những năm 1960 và nó đã được dùng trong việc nghiên
cứu khí quyển, khí tượng, địa chất bởi Hiệp hội khí tượng thủy văn Mỹ (NOAA) cũng như Tổ
chức khảo sát địa lý Hoa Kỳ. Năm 1994, NASA cũng đã dùng các hệ thống LiDAR bay theo
quỹ đạo nhằm giúp giới khoa học hiểu rõ hơn về sự thay đổi của khí hậu cũng như để vẽ bản
đồ địa hình của các hành tình. Gần đây nhất, thành phố New York sử dụng LiDAR để tạo bản
đồ 3D của khu Manhattan để phục vụ cho việc cải tiến kế hoạch chống ngập. LiDAR cho phép
các nhà khoa học nghiên cứu cả môi trường tự nhiên lẫn môi trường nhân tạo với độ chính xác
và độ linh hoạt cao. Cơ quan khí tượng thủy văn Mỹ cịn dùng LiDAR để vẽ bản đồ đường bờ
biển, cung cấp dữ liệu cho các hệ thống thông tin địa lý, trợ giúp cho những chiến dịch
phản ứng nhanh...
- Quan trọng hơn nữa là nó có thể so sánh các tính chất của năng lượng truyền đi và
trờ lại – ví dụ như định thời xung, bước sóng, góc, …. Do đó, việc đánh giá không chỉ dựa vào
độ sáng của năng lượng tán xạ trở lại mà cịn bao gồm vị trí góc, thay đổi tần số, thời gian
xung trở lại. Hiểu biết các tính chất này của LiDAR, giống như dữ liệu thu thập được từ các
cảm biến vi ba chủ động, tạo khả năng phân tích để trích xuất các thơng tin mô tả cấu trúc của
đất và đặc điểm thực vật không được truyền tải bởi các cảm biến quang thông thường. LiDAR
dựa trên một số ứng dụng của Laser, có dạng “coherent light”, nghĩa là ánh sáng với dải rất
hẹp của bước sóng hay ánh sáng màu tinh khiết.


Hình 1.1. 1: Mơ tả q trình thu dữ liệu của LiDAR

− Một số ứng dụng của công nghệ LiDAR trong cuộc sống:
o Khảo sát địa hình và lập bản đồ

Với sản phẩm sơ cấp cơ bản là các mô hình số địa hình (DEM – Digital Elevation Model)
và mơ hình số bề mặt (DSM – Digital Surface Model) với độ phân giải và độ chính xác rất
cao, LiDAR có thể được ứng dụng trong rất nhiều lĩnh vực, đặc biệt các ứng dụng cần thành
lập bản đồ tỷ lệ lớn, các ứng dụng liên quan tới phát triển hoặc quản lý duy trì hạ tầng cơ sở.
o Lâm nghiệp
Chủ yếu ứng dụng LiDAR để đánh giá và thống kê sản lượng gỗ, phân tích điều kiện sống
hoang dã, tương quan của các yếu tố như tán, độ dày tán, dạng lá… tới sản lượng gỗ rừng, ước
tính sinh khối, trữ lượng gỗ và các tham số lâm nghiệp khác.
o Lập bản đồ ngập úng
Dữ liệu LiDAR với độ chính xác và độ phân giải cao được sử dụng rất hiệu quả trong xây
dựng các mơ hình ngập úng, nâng cao độ chính xác của mơ hình, xác định ranh giới ngập úng
chính xác, cung cấp thêm nhiều thơng tin về các đối tượng/địa hình chịu ảnh hưởng, thành lập
bản đồ nguy cơ ngập úng, vùng ưu tiên sơ tán, hoặc tiếp tục phân tích để thành các bản đồ suy
dẫn như bản đồ lũ lụt,.…
o Các ứng dụng cho đới duyên hải
Với các công cụ thành lập bản đồ phù hợp, dữ liệu LiDAR với độ chính xác cao, mật độ
điểm dữ liệu dày đặc, thời gian thu thập dữ liệu ngắn… rất phù hợp cho các ứng dụng để quản
lý và dự báo xói mịn bờ biển, đánh giá và dự báo bồi lắng, quan trắc và dự báo ngập lụt ven
biển.


o Địa hình đáy biển
Cơng nghệ LiDAR có thể giúp lập bản đồ địa hình đáy biển tới độ sâu 70m, hữu ích trong
các dự án xác định luồng lạch tàu vào, thiết kế quy hoạch cảng và các kênh giao thơng thủy.
o Trượt lở
LiDAR có thể được sử dụng để quan trắc và dự báo trượt lở, đặc biệt với các sườn dốc,
nhờ đặc điểm thu thập dữ liệu nhanh chóng với độ chính xác cao và mật độ dữ liệu dày đặc.
Cơng nghệ này cũng có thể được sử dụng để đánh giá nhanh thiệt hại và thiết lập bản đồ thể
hiện tình trạng hậu trượt lở nhanh chóng chính xác.
o Các tuyến truyền tải

Áp dụng cơng nghệ LiDAR nhanh chóng lập bản đồ các tuyến truyền tải trải dài, thể hiện
chính xác vị trí các tháp truyền tải (cột điện), địa hình của hành lang truyền tải và các loại đối
tượng tồn tại trong hành lang (cây xanh…) phục vụ điều chỉnh, sửa chữa duy tu và thiết kế
nâng cấp tuyến.
o Lập bản đồ giao thông
Đặc điểm mật độ dữ liệu dày đặc và chính xác của công nghệ LiDAR rất phù hợp với yêu
cầu của các ứng dụng trong ngành giao thơng vận tải, do đó nó thương được sử dụng để: quan
trắc, giám sát, duy tu bảo dưỡng và quản lý các đối tượng như đường sắt, đường bộ, hệ thống
tín hiệu biển báo, các điểm trạm đỗ dừng, nhà ga bến cảng, sự xuống cấp mặt đường, điểm tai
nạn, mật độ giao thông, bùng binh… mà không cần làm gián đoạn các dịch vụ liên quan.
o Mạng điện thoại di động
Quy hoạch và quản lý các mạng điện thoại di động yêu cầu phải có thơng tin chi tiết về bề
mặt địa hình, lớp phủ thực vật, các tịa nhà và cơng trình. Để đảm bảo tầm nhìn và xác định
các khu vực phát triển mạng, các cơ sở dữ liệu chính xác và chi tiết chứa các thông tin về các
chướng ngại vật tự nhiên và nhân tạo là cực kỳ quan trọng. Công nghệ LiDAR đã được chứng
minh là rất phù hợ cho các mục đích này và ngày càng có nhiều công ty viễn thông khai thác
sử dụng công nghệ này trong hoạt động của họ.
o Lập mơ hình đơ thị và mô phỏng đô thị
Các ứng dụng trong lĩnh vực này thường nhằm tạo ra một mơ hình thành phố ảo với nền
địa lý và các cơng trình xây dựng, kiến trúc như đơ thị thực. Mơ hình có thể được khai thác
phục vụ rất nhiều đối tượng từ quy hoạch kiến trúc, xây dựng, giao thông tới game online (VD:
the second life). Cách phổ bến chia sẻ mơ hình này cũng rất linh động, từ ứng dụng trên máy
bàn tới qua web, sử dụng các chuẩn mở, dễ trao đổi và dễ cấu hình phù hợp từng đối tượng sử
dụng.
o Khảo cổ học
Ứng dụng lidar vào ngành khảo cổ học chỉ mới bắt đầu được chú ý từ năm 2010 khi cặp
vợ chồng khảo cổ Arlen/Diane Chase (đến từ Đại học Trung tâm Florida) sử dụng nó để nghiên


cứu tàn tích của Caracol, một hành phố cổ của người Maya. Nhờ có lidar mà trong vịng 10

tiếng đồng hồ, ông bà Chase đã thu được nhiều dữ liệu địa hình hơn so với việc khám phá khu
rừng trong vòng 3 thập kỉ. Từ năm 1983 đến năm 2000, các nhà khảo cỗ vẽ được bản đồ của
khoảng 2 nghìn hecta đất.
Trong khi đó, với sự giúp đỡ của Lidar, Chase đã vẽ xong bản đồ của 20 nghìn hecta.

Hình 1.1. 2 Cơng trình trong quần thể di tích Caracol được dựng lại bằng côngnghệ
LiDAR

1.2 Các yêu cầu cơ bản
Hệ thống có khả năng:
o Quét vật thể xây dựng lại hình ảnh vật thể trên bản đồ 2D trong bán kính tối đa 12m.
o Hiển thị liên tục hình ảnh 2D của vật thể theo thời gian thực trên màn hình máy tính.
o Có chức năng thay đổi tần số quét và phạm vi quét phù hợp với nhu cầu sử dụng.
o Có khả năng đo góc và khoảng cách giữa hệ thống và vật thể trong phạm vi đo.
1.3 Phương pháp nghiên cứu
1.3.1 Phương pháp nghiên cứu lý thuyết
o Dựa vào kiến thức đã được học trong các môn học như: Cơ sở hệ thống tự động, Cảm
biến và hệ thống đo, tìm hiểu qua Internet, sách vở,..
o Áp dụng những phương pháp thiết kế, tính tốn, phân tích, xử lý số liệu xây dựng ơ hình
phù hợp với đề tài.
o Sử dụng các phần mềm hỗ trợ như: AutoCad, Solidworks, Arduino IDE,….
1.3.2 Phương pháp nghiên cứu thực nghiệm
o Hiểu được nguyên tắc hoạt động của LIDAR, từ đó xây dựng hệ thống.


o Kiểm tra tính đúng đắn của chương trình điều khiển bằng phần mềm mơ phỏng.
o Tính tốn, thiết kế và nghiên cứu độ chính xác của hệ thống.
o Kiểm tra thử nghiệm trên mơ hình thực nghiệm.
1.4 Phạm vi giới hạn nghiên cứu
o Nghiên cứu lựa chọn mơ hình thực tế phù hợp với yêu cầu cảm biến của đề tài. Quét vật

thể trong bán kính tối đa 12m.
o Nhận biết được vật trong khoảng cách quét và hiển thị khoảng cách và góc ra LCD.
o Cảnh báo bằng đèn LED trên mỗi góc phần tư.
1.5 Ý nghĩa thực tiễn
o Qua đề tài nghiên cứu giúp chúng ta hiểu thêm về kĩ thuật LiDAR, những ứng dụng cụ
thể và ưu nhược điểm của LiDAR.
o Lập bản đồ ở những nơi con người không thể đặt chân đến được, chưa được khai phá
tiềm tàng nhiều nguy hiểm.
o Lập bản đồ chính xác nhanh chóng tạo điều kiện cho con người làm việc.
o Cảnh báo cho con người để tránh vật cản khi vật cản nằm trong vùng nguy
hiểm

CHƯƠNG II. XÂY DỰNG CHƯƠNG TRÌNH HỆ THỐNG
2.1 Thiết kế sơ đồ khối

Hình 2.1. 1: Sơ đồ khối

2.2 Phân tích và lựa chọn cảm biến
Trên thế giới ngày nay có rất nhiều loại cảm biến Laser nói chung và cảm biến LiDAR
nói riêng. Trong thực tế người ta chia LiDAR làm hai loại chính: LiDAR trên khơng (Airborne)
và LiDAR trên cạn (Terrestrial).
Bảng 2.1. 1 Bảng phân biệt các loại chính của cảm biến Lidar
- LiDAR trên không: Với lidar trên không, hệ
thống được lắp đặt trên máy bay
cánh cố định hoặc máy bay trực thăng. Ánh
sáng laser hồng ngoại được phát ra
về phía mặt đất và quay trở lại cảm biến lidar
chuyển động trong khơng khí. Có
hai loại cảm biến trong khơng khí: địa hình và
đo độ sâu.

o Lidar địa hình: có thể được sử dụng để lấy

- Lidar trên cạn: Có 2 loại lidar trên cạn
chính: di động và tĩnh. Trong trường
hợp thu nhận di động, hệ thống lidar được
lắp trên xe đang di chuyển. Trong trường
hợp thu được tĩnh, hệ thống lidar thường
được gắn trên giá ba chân hoặc thiết bị tĩnh.
Cả hai cảm biến lidar đều bao gồm các tia
laser an toàn cho mắt.
o Lidar di động là tập hợp các đám mây


các mơ hình bề mặt để sử dụng
trong nhiều ứng dụng, chẳng hạn như lâm
nghiệp, thủy văn, địa hình, quy hoạch
đơ thị, sinh thái cảnh quan, cơng trình ven
biển, đánh giá khảo sát và tính tốn
thể tích.
o Lidar độ sâu là một loại thu nhận trong
khơng khí mà nước xâm nhập. Hầu hết
các hệ thống lidar đo độ sâu thu thập đồng
thời độ cao và độ sâu của nước, điều
này cung cấp một khảo sát lidar trong khơng
khí về giao diện đất-nước.

điểm lidar từ một nền tảng chuyển động.
Hệ thống lidar di động có thể bao gồm bất
kỳ số lượng cảm biến lidar nào được gắn
trên xe đang di chuyển. Các hệ thống này có

thể được gắn trên xe cộ, tàu hỏa,
và thậm chí cả tàu thuyền. Hệ thống di động
thường bao gồm cảm biến lidar, máy
ảnh, GPS (hệ thống định vị toàn cầu) và
INS (hệ thống dẫn đường quán tính),
giống như với hệ thống lidar trên khơng.
o Lidar tĩnh là tập hợp các đám mây điểm
lidar từ một vị trí tĩnh. Thơng thường,
cảm biến lidar được gắn trên giá ba chân và
là một hệ thống hình ảnh và phạm vi
di động hoàn toàn dựa trên Laser. Các hệ
thống này có thể thu thập các đám mây
điểm lidar bên trong các tịa nhà cũng như
bên ngồi. Các ứng dụng phổ biến cho
loại lidar này là kỹ thuật, khai thác mỏ, khảo
sát và khảo cổ học.

Hình 2.2. 1: Các loại cảm biến LIDAR trên thị trường


Theo u cầu của bộ mơn và hồn cảnh thực tế chúng em – nhóm 1, đã lựa chọn cảm
biến RPLIDAR A1M8 R5, của hãng SLAMTEC. Đây là một loại cảm biến Lidar di động thuộc
nhóm Lidar trên cạn.

Hình 2.2. 2 Sản phẩm cảm biến RPLIDARA1M8 R5

2.2.1. Ưu điểm
o

Nhỏ gọn, trọng lượng nhẹ.

o

Giá thành rẻ.

o

Tia Laser phát ra trong một khung thời gian rất ngắn có thể đảm bảo an tồn cho con

người, vật ni đạt tiêu chuẩn an tồn Laser loại I.
o

Đo với độ chính xác cao sai số thấp, sai số giữa giá trị thực tế và giá trị cảm biến quét

được là nhỏ hơn 1% với khoảng cách lơn hơn 1.5m; với khoảng cách nhỏ hơn 1.5m sai số là
0.5mm.
o

Dễ dàng lắp đặt và kết nối với các bộ xử lý như: OpenCR, STM32, ...

o

Sử dụng chuẩn giao tiếp UART nên dễ dàng giao tiếp với các phần mềm bổ trợ như:

Frammer, Robo Studio, …
o

Phạm vi đo rộng với góc quét tối đa là 3600 với bán kính quét rộng tối đa là 12m.

o

Làm việc tốt với môi trường trong nhà và môi trường ngồi trời khơng có ánh sáng mặt

trời.

Hình 2.2. 3 Mơ hình cảm biến RPLIDAR A1M8 R5 trên phần mềm Solidworks

2.2.2 Nhược điểm
o

Đối với thị trường Việt Nam khó tìm được cảm biến do ít người dùng.

o

Khơng có khả năng “nhìn thấy” bất cứ thứ gì khác ngồi những vật thể có hình dạng, có

thể sẽ cần sự hỗ trợ của camera để phân biệt được chính xác các vật cản.

2.2.3 Cấu tạo cảm biến RPLIDAR A1M8 R5
Cấu tạo cảm biến rplidar gồm 4 thành phần chính
-

Hệ thống định vị và dẫn đường
Laser
Máy quét
Bộ tách sóng, thiết bị thu xử lý và truyền tín hiệu

Hình 2.2. 4 Cấu tạo bên ngoài cảm biến

- *Laser
- Tia Laser được phân loại theo bước sóng của chúng, với các tia có bước sóng


-

từ 600 đến 1000nm sử dụng với mục đích phi khoa học sẽ gây hại cho mắt người,
với lidar bước sóng laser được dùng là 1550nm “an tồn đối với mắt người” thậm
chí nó khơng thể bị phát hiện với kính nhìn đêm, phù hợp với ứng dụng khoa học
và quân sự.
*Máy Quét
Tốc độ kết xuất hình ảnh và độ phân giải của hình ảnh phụ thuộc rất lớn vào
tốc độ của hệ thống quét. Tốc độ quét của LiDAR được điều chỉnh bằng tốc độ của
động cơ được gắn trên bộ cảm biến.
*Bộ tách sóng thiết bị thu xử lý và truyền tín hiệu
Đọc, nhận và truyền tín hiệu thu đc vào hệ thống.
*Hệ thống định vị và dẫn đường

Hình 2.2. 5 Các chân cảm biến

RPLIDAR AI sử dụng cổng nối tiếp 33V-TTL (UART) làm giao diện truyền thông.
Intertace giao tiếp khác như USB có thể được tùy chỉnh theo yêu cầu của khách hàng.
Bảng dưới đây mô tả đặc điểm kỹ thuật cho giao diện cổng nối tiếp. Vui lịng liên hệ
với SLAMTEC nếu bạn muốn có giao thức truyền thông chi tiết và SDK.
Tx:phát dữ liệu
Rx: thu dữ liệu
Vcc: Cấp nguồn 5v cho cảm biến
GND: Nối đất
Vmotor: cấp nguồn nuôi motor

Motorctl: Điều khiển bật tín hiệu cho motor

Bảng 2.2. 1 Bảng thông số và chức năng các chân

2.2.4 Nguyên lý hoạt động của cảm biến
RPLIDAR dựa trên nguyên tắc phân bố laser và sử dụng phần cứng có khả năng thu nhận và xử
lý tín hiệu với tốc độ cao do SLAMTEC phát triển. Hệ thống nhận và phân tích dữ liệu khoảng
cách trong hơn 8000 lần mỗi giây và với đầu ra có sai số thấp (<1% khoảng cách).
RPLIDAR phát ra tín hiệu laser hồng ngoại sau đó tín hiệu được thu lại bằng một cổng thu
laser phản lại từ đối tượng cần phát hiện, nguyên lý hoạt động tương tự như võng mạc con người.
Tín hiệu trở lại được thu bằng mắt thu trong RPLIDAR A1 và DSP (Digital Signal Processing - bộ
xử lý tín hiệu số) được tích hợp trong RPLIDAR A1 để xử lý dữ liệu trả về và giá trị khoảng cách
và giá trị góc giữa đối
tượng và RPLIDAR A1 thơng qua cổng kết nối.

Hình 2.2. 6 Nguyên lý hoạt động của cảm biến


Hệ thống máy quét tốc độ cao được gắn trên một động cơ quay có tích hợp hệ
thống mã hóa góc. Trong khi xoay, qt 360 độ mơi trường hiện tại sẽ được mơ
phỏng.

Hình 2.2. 7 Kết quả khi LiDAR quét và được hiển thị trên phần mềm của hãng

Hệ thống máy quét tốc độ cao được gắn trên một động cơ quay có tích hợp hệ thống mã hóa
góc. Trong khi xoay, quét 360 độ môi trường hiện tại sẽ được mô phỏng.

2.2.5 Thông số kỹ thuật của cảm biến
Một số thông số kĩ thuật của cảm biến RPLIDAR A1M8 R5 (datasheet):

Mục
Phạm vi đo
khoảng cách
Pham vi đo góc

Đơn vị

Min

m

TBD

Độ

n/a

Độ chính xác
của khoảng

khi đo góc
Tần số mẫu

0.15-12
0-360

Max
TBD

Vật thể
màu trắng

<1.5m

mm

n/a

Độ

n/a

≤1O

n/a

Hz

n/a

≥8000

8010

< 1% khoảng cách

Ghi chú

n/a

<0.5

cách
Độ chính xác

Đặc trưng

n/a

>1,5m
Tốc độ
quét 5.5Hz


Tần số quét

Hz

1

5.5

10

Bảng 2.2. 2 Thông số kỹ thuật của cảm biến

Mối quan hệ giữa khoảng cách và sự thay đổi của độ phân giải

Hình 2.2. 8 Mối quan hệ giữa khoảng cách và sự thay đổi của độ phân giải

2.3

Phân tích và lựa chọn bộ điều khiển
Hiện nay trên thị trường có rất nhiều các bộ điều khiển có thể kết nối tốt với cảm
biến RPLIDAR A1M8 R5 như: PLC, OpenCR1,0; STM32F0x, … Dựa vào điều kiện
thực tế và khả năng của bản thân nhóm đã lựa chọn OpenCR để hồn thành đồ án bởi
OpenCR1,0 có những ưu nhược điểm sau:

-

Ưu điểm:
o Dễ dàng sử dụng, có thể sử dụng ngay vì OpenCR1,0 là 1 bộ hồn chỉnh bộ nguồn, một
ổ ghi, một bộ dao động, một vi điều khiển, truyền thông nối tiếp, LED và các giắc cắm.
o Nhiều thư viện mẫu có sẵn.
o Dễ dàng lập trình và thay đổi code nạp vào OpenCR1,0


o Cộng đồng sử dụng lớn, có thể dễ dàng tìm kiếm thơng tin về OpenCR1,0
-

Nhược điểm
o Cấu trúc: kích thước của OpenCR1,0 lớn không phù hợp với việc xây dựng 1 dự án nhỏ.
o Giá thành tương đối cao.

Hình 2.3. 1 Bộ điều khiển OpenCR1,0

OpenCR1,0 là một nền tảng mã nguồn mở được sử dụng để xây dựng các dự án điện tử.
OpenCR1,0 bao gồm cả bảng mạch lập trình (thường được gọi là vi điều khiển)
Một số thơng số kỹ thuật (từ datasheet):

Vi điều khiển

ATmega328P

Điện áp hoạt động

5V

Điện áp vào khuyên dùng

7-12V

Điện áp vào giới hạn

6-20V

Chân vào ra Digital

14 (6 chân có khả năng băm xung)

Chân băm xung

6

Chân đầu vào Analog

6

Cường độ dòng điện trên mỗi I/O pin

20 mA

Cường độ dòng điện trên mỗi 3.3V pin

50 mA

Bộ nhớ Flash

32 KB (ATmega328P)
0.5 KB được sử dụng bởi bootloader


SRAM

2 KB (ATmega328P)

EEPROM

1 KB (ATmega328P)

Tốc độ

16 MHz

Chiều dài

68.6 mm

Chiều rộng

53.4 mm

Trọng lượng

25
Bảng 2.3. 1 Bảng thông số kỹ thuật của OpenCR

-

Vi điều khiển trong OpenCR

Hình 2.3. 2 Vi điều khiển của OpenCR

-

-

Nguồn
OpenCR1,0 sử dụng nguồn 5V thông qua cổng USB hoặc cấp nguồn với điện áp khuyên
dung là 7-12V DC và giới hạn nguồn vào là 6-20V. Nếu cấp nguồn vượt quá ngưỡng giới hạn
trên, sẽ làm hỏng OpenCR.
Các chân năng lượng
 GND (Ground): cực âm của nguồn điện cấp cho OpenCR1,0. Khi dùng
các thiết bị sử dụng những nguồn điện riêng chuyên biệt thì những chân
này phải được nối với nhau.
 5V: chân cấp điện áp 5V đầu ra. Dòng tối đa cho phép ở chân này là
500mA.
 3.3V: chân cấp điện áp đầu ra là 3.3V. Dòng tối đa cho phép ở chân
này là 50mA.
 Vin (Voltage Output): để cấp nguồn ngoài cho OpenCR1,0

 IOREF: điện áp hoạt động của vi điều khiển trên OpenCR có thể được
đo ở chân này. Không được lấy nguồn 5V từ chân này để sử dụng bởi
chức năng của nó khơng phải cấp nguồn.


 RESET: việc nhấn nút Reset trên board để đặt lại vi điều khiển tương
đương với việc chân RESET được nối với GND qua 1 điện trở 10KΩ.
-

Các cổng vào ra

Hình 2.3. 3 Các cổng vào ra của OpenCR

OpenCR có 14 chân digital dùng để đọc hoặc xuất tín hiệu. Chúng chỉ có 2 mức điện áp là 0V
hoặc 5V với dòng điện vào ra tối đa trên mỗi chân là 40mA. Ở mỗi chân đều có các điện trở Pull-Up
từ được cài đặt ngay trong vi điều khiển ATmega328 (mặc định thì các điện trở này khơng được kết
nối).
-

Một số chân digital có chức năng đặc biệt

2 chân Serial: 0 (RX) và 1 (TX) dùng để nhận và gửi dữ liệu TTL Serial. OpenCR1,0 có thể
giao tiếp với các thiết bị khác thông qua 2 chân này. Kết nối Bluetooth chính là kết nối Serial
khơng dây. Nếu khơng cần giao tiếp Serial thì khơng nên sử dụng 2 chân này nếu không cần thiết.
Chân PWM (~): 3,5,6,9,10 và 11: cho phép bạn xuất ra xung PWM với độ phân giải 8bit
(giá trị từ 0→ 28-1 tương đương với 0V→5V). Nói đơn giản, các chân này có thể điều
chỉnh được điện áp từ 0V → 5V thay vì chỉ cố định ở 0V hoặc 5V như các chân digital
khác.
Chân giao tiếp SPI: 10 (SS), 11 (MOSI), 12 (MISO), 13 (SCK). Ngồi các chức năng thơng
thường, 4 chân này cịn dùng để truyền phát dữ liệu bằng giao thức SPI với các thiết bị khác.

LED 13: trên OpenCRcó 1 đèn led (kí hiệu chữ L). Khi bấm nút RESET, sẽ thấy đèn này nhấp
nháy để báo hiệu. Nó được nói với chân số 13. Khi chân này được sử dụng LED sẽ sáng.


2.4

Thiết kế mạch

Hình 2.4. 1 Thiết kế mạch


CHƯƠNG III: MƠ HÌNH HĨA VÀ MƠ PHỎNG HỆ THỐNG
3.1 Thiết kế hệ thống các chi tiết
3.1.1 Robot di động
Bộ cảm biến dung 1 mắt laser nên chỉ quét trên một mặt phẳng . Cần đặt bộ cảm biến
ở độ cao sao và di chuyển sao cho mắt laser có thể quét được các điểm trên vật thể. Vậy nên
nhóm đã chế tạo ra 1 xe di động để nâng cẳm biến đến 1 độ cao tương đối và có thể di

Hình 3.1. 1: Hệ thống mobile robot turtlebot3 3D

chuyển cảm biến, đồng thời cố định các thiết bị điện tử khác tạo tính đồng bộ cho mơ hình.
Nhóm đã lựa chọn bộ mơ hình lắp ráp bằng nhựa để chế tạo bộ khung. Giá đỡ chỉ có
chức năng nâng bộ cảm biến và cố định các thiết bị điện tử, khơng có cơ cấu
chuyển động nên được thiết kế đơn giản khơng tính tốn phức tạp. Giá đỡ được tạo
thành từ những thanh nhựa có sẵn lỗ được lắp ghép với nhau và cố định bằng bulong, đai ốc
M4.