(Đồ án tốt nghiệp) Thiết kế và chế tạo thiết bị tự động thu gom bóng Tennis

TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM VÀ KĨ THẬT THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH
KHOA ĐÀO TẠO CHẤT LƯỢNG CAO

ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP

THIẾT KẾ VÀ CHẾ TẠO
THIẾT BỊ TỰ ĐỘNG THU GOM BÓNG TENNIS
SVTH

MSSV

1. HÀ TUẤN ANH
2. TRẦN BẢO ANH
3. LÊ PHÁT ĐẠT

17146079
17110097
17146100

KHĨA

: 2017

NGÀNH

: CƠNG NGHỆ KĨ THUẬT CƠ ĐIỆN TỬ

GVHH

: PGS.TS NGUYỄN NGỌC PHƯƠNG

Tp. Hồ Chí Minh, tháng 8 2021


LỜI CẢM ƠN
Lời đầu tiên, nhóm xin gửi lời cảm ơn sâu sắc đến thầy Nguyễn Ngọc Phương,
người đã tận tâm chỉ dẫn cho nhóm để nhóm có thể hồn thành tốt đồ án tốt nghiệp,
đồng thời đã cho nhóm những lời góp ý và những lời khun bổ ích. Bên cạnh đó, nhóm
rất biết ơn các thầy cơ tại trường Đại học sư phạm Kỹ thuật TP.HCM, đặc biệt là bộ
môn Cơ điện tử đã giảng dạy chúng em bằng cả tấm lịng và ln hỗ trợ nhóm nhiệt tình
trong khoảng thời gian học tập tại trường và hồn thành đồ án.
Tiếp theo, nhóm xin gửi lời cảm ơn chân thành đến các thầy trong hội đồng bảo
vệ dù trong thời gian bệnh dịch khó khăn nhưng các thầy cũng cố gắng tổ chức buổi bảo
vệ tốt nghiệp và bỏ ra thời gian quý báu của mình để lắng nghe và đưa ra những lời
khuyên, lời nhận xét rất bổ ích cho nhóm.
Sau đó, nhóm xin gửi lời cảm ơn chân thành đến gia đình, người thân và bạn bè
đã luôn bên cạnh quan tâm, tạo động lực và giúp đỡ trong việc học tập và hoàn thành đồ
án suốt thời gian vừa qua.
Và cuối cùng, dù đã cố gắng hoàn thiện đồ án tốt nghiệp nhưng với thời gian và
kinh nghiệm cịn hạn chế nên nhóm vẫn mắc phải những sai lầm trong q trình hồn
thành đồ án. Nhóm mong nhận được sự góp ý và lời nhận xét q giá từ các thầy cơ để
nhóm có thể hoàn thiện và nâng cao kiến thức hơn nữa.
Xin chân thành cảm ơn!

Sinh viên thực hiện
Hà Tuấn Anh
Trần Bảo Anh
Lê Phát Đạt

i

TĨM TẮT
Quần vợt là một trị chơi thể thao năng động yêu cầu người chơi đánh bóng sang
sân của đối phương để ghi điểm. Một cuộc khảo sát đã được thực hiện trên một số người
chơi quần vợt ngồi trên xe lăn. Họ thường cảm thấy khó khăn khi tiến hành luyện tập
một mình. Nhiều người trong số họ cảm thấy thật lãng phí sức lực khi di chuyển quanh
sân tennis để nhặt bóng trong các buổi tập. Việc người chơi tennis ngồi xe lăn nhặt bóng
cũng rất khó khăn. Vì thế nhóm đã nghiên cứu và chế tạo robot có chức năng như một
trợ lý thu thập các quả bóng tennis cho người chơi quần vợt khi cần thiết.
Mục tiêu của dự án này là thiết kế và phát triển một hệ thống nhận dạng quả
bóng tennis. Bên cạnh đó, có thể xác định được hình dạng bóng và vị trí của chúng một
cách chính xác và nhanh chóng. Trong hệ thống nhận dạng bóng, nhóm đã đề xuất một
kỹ thuật nhận dạng màu sắc để tách các quả bóng tennis ra khỏi nền. Ngồi ra, các thuộc
tính vùng như diện tích, độ lệch tâm và thuộc tính giới hạn của quả bóng quần vợt được
phát hiện để phân biệt quả bóng quần vợt với nền và các vật thể tương tự khác. Vị trí
của quả bóng tennis được phát hiện bằng cách xác định tâm và từ tỷ lệ pixel hình ảnh
với khoảng cách thực tế. Phương pháp này đã được thực hiện thành công để nhận biết
sự hiện diện và vị trí của các quả bóng quần vợt đối với robot. Hệ thống này được tích
hợp cùng với hệ thống thu thập bóng tennis gồm hệ thống máy phóng bóng và hệ thống
điều hướng robot để hồn thành các nhiệm vụ cuối cùng của nó.
Kết quả là nhóm đã nghiên cứu và chế tạo thành cơng robot hỗ trợ thu thập bóng
tennis thơng qua 3 chức năng: nhận dạng được quả bóng bằng camera, điều khiển robot
đến quả bóng và thu gom quả bóng bằng hệ thống phóng bóng.
Bài báo cáo được xây dựng với 5 chương chính. Cụ thể:
Chương 1: GIỚI THIỆU
Chương 2: TÀI LIỆU TỔNG QUAN
Chương 3: THIẾT KẾ VÀ THI CÔNG
Chương 4: KẾT QUẢ VÀ THỰC NGHIỆM
Chương 5: KẾT LUẬN

ii


ABSTRACT
Tennis is a dynamic sports game that requires players to hit the ball across the
opponent's court to score points. A survey was conducted on a number of tennis players
in wheelchairs. They find it difficult to train alone. Many of them feel it is a waste of
energy to move around the tennis court to pick up the ball after practice sessions. Tennis
players in wheelchairs are also very inconvenient to pick up balls. So, the team
researched and built a robot as an assistant to collect tennis balls for the user when
prompted.
The goal of this project is to design and develop a tennis ball recognition system.
Besides, it is possible to identify tennis balls and their positions accurately and quickly.
In the ball recognition system, the team proposed a color recognition technique to
separate tennis balls from the background. In addition, zone attributes such as area,
eccentricity, and bonding properties of the ball are detected to distinguish the tennis ball
from the background and other similar objects. The position of the tennis ball is
detected by determining the center and from the ratio of image pixels to actual distance.
This method recognizes the presence and position of the tennis so that the robot is very
successful and advantageous. This system is integrated with a tennis ball collection
system that includes a ball catapult system and a robotic navigation system to complete
its ultimate missions.
As a result, the team has successfully researched and built a robot that helps
collect tennis balls through 3 functions: recognizing the ball by the camera, controlling
the robot to the ball, and collecting the ball by the ball launch system.
The report is built with 5 main chapters. Specifically:
Chapter 1: INTRODUCTION
Chapter 2: OVERVIEW DOCUMENTS
Chapter 3: DESIGN AND IMPLEMENTATION
Chapter 4: RESULTS AND EXPERIMENTAL

Chapter 5: CONCLUSION

iii


MỤC LỤC
NHIỆM VỤ ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP
BẢNG NHẬN XÉT CỦA GIÁO VIÊN HƯỚNG DẪN
BẢNG NHẬN XÉT CỦA GIÁO VIÊN PHẢN BIỆN
LỜI CẢM ƠN …..……………………………………………………………………....i
TÓM TẮT …..………………………………………………………………………….ii
ABSTRACT …..……………………………………………………………………….iii
MỤC LỤC …..…………………………………………………………………………iv
DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT………………………………...………………..viii
DANH MỤC BẢNG …………………………………………………………………..ix
DANH MỤC HÌNH ẢNH ..…………………………………………………………....x
CHƯƠNG 1: GIỚI THIỆU..............................................................................................1
1.1. Động lực nghiên cứu................................................................................................ 1
1.2. Yêu cầu đối với thiết bị............................................................................................ 2
1.2.1. Yêu cầu đầu vào................................................................................................. 2
1.2.2. Yêu cầu đầu ra....................................................................................................2
1.3. Cách làm việc trước đây........................................................................................... 2
CHƯƠNG 2: TÀI LIỆU TỔNG QUAN......................................................................... 7
2.1. Phân tích cơ học........................................................................................................8
2.1.1. Cơ chế nhặt bóng................................................................................................8
2.1.1.1. Phương pháp mái chèo...............................................................................8
2.1.1.2. Phương pháp Velcro.................................................................................. 9
2.1.1.3. Bánh xe thu thập bóng............................................................................... 9
2.1.1.4. Tomohopper.............................................................................................10
2.1.1.5. Chọn cơ chế............................................................................................. 10

2.1.2. Mô tả cơ chế..................................................................................................... 11
2.2. Phân tích phần mềm............................................................................................... 11
2.2.1. Hoạt động của robot phóng và thu gom bóng tennis tự động......................... 11
iv


2.2.2. Sơ đồ khối hệ thống......................................................................................... 12
2.2.3. Lựa chọn thuộc tính và thơng số......................................................................13
2.2.4. Kĩ thuật xử lý hình ảnh.....................................................................................13
2.2.4.1. Bộ lọc hình ảnh........................................................................................ 13
2.2.4.2. Phát hiện cạnh.......................................................................................... 13
2.2.5. Nhận dạng đối tượng........................................................................................14
2.2.6. Định vị vị trí đối tượng.................................................................................... 15
2.2.7. Hệ thống thu nhận hình ảnh............................................................................. 15
2.2.8. Đặt ngưỡng hình ảnh........................................................................................15
2.2.9. Tìm thuộc tính vùng của đối tượng..................................................................15
2.2.10. Tổng quan về chương trình............................................................................ 15
2.3. Mơ tả thành phần.................................................................................................... 16
2.3.1. Vỏ..................................................................................................................... 16
2.3.2. Động cơ DC Servo........................................................................................... 17
2.3.3. Máy ảnh Raspberry Pi......................................................................................18
2.3.4. Ắc quy axit-chì................................................................................................. 19
2.3.5. Arduino Mega.................................................................................................. 18
2.3.6. Raspberry Pi 3.................................................................................................. 19
2.3.7. Mạch điều khiển động cơ Servo 200W........................................................... 20
2.3.8. Mạch giảm áp DC – DC Buck 5V 3A Dual Charge Module..........................21
2.3.9. Động cơ phóng bóng........................................................................................ 24
2.3.10. Mạch điều khiển động cơ...............................................................................25
2.3.11. Bánh xe đa hướng.......................................................................................... 24
CHƯƠNG 3: THIẾT KẾ VÀ THI CÔNG................................................................... 26

3.1. Sơ đồ khối............................................................................................................... 26
3.1.1. Danh sách khối................................................................................................. 26
3.1.2. Sơ đồ khối.........................................................................................................28
3.2. Mô tả vận hành....................................................................................................... 28
3.3. Thiết kế phần cứng................................................................................................. 29
v


3.3.1. Tính tốn và lựa chọn.......................................................................................29
3.3.1.1. Lực và cơng suất...................................................................................... 29
3.3.1.2. Tính tốn và lựa chọn động cơ DC Servo............................................... 30
3.3.1.3. Tính tốn và lựa chọn động cơ phóng bóng............................................31
3.3.2. Bản vẽ nháp...................................................................................................... 32
3.3.3. Bản vẽ CAD..................................................................................................... 33
3.3.3.1. Thiết kế hệ thống truyền động.................................................................34
3.3.3.2. Thiết kế định hướng và thu gom bóng tennis.......................................... 35
3.3.4. Danh sách bộ phận........................................................................................... 36
3.3.5. Thi công............................................................................................................39
3.4. Thiết kế hệ thống điện............................................................................................ 45
3.4.1. Sơ đồ khối ........................................................................................................45
3.4.2. Bản vẽ điện.......................................................................................................46
3.5. Thiết kế điều khiển................................................................................................. 47
3.5.1. Lưu đồ.............................................................................................................. 47
3.5.2. Giải thích lưu đồ...............................................................................................47
3.5.3. Mơ hình động học của hệ thống.......................................................................48
3.5.4. Xử lý hình ảnh..................................................................................................50
CHƯƠNG 4: KẾT QUẢ VÀ THỰC NGHIỆM.......................................................... 52
4.1. Kiểm nghiệm thiết kế............................................................................................. 52
4.1.1. Khảo sát nhu cầu.............................................................................................. 52
4.1.2. Số liệu...............................................................................................................53

4.1.3. Mối liên hệ giữa nhu cầu và số liệu................................................................. 54
4.1.4. Thông số kĩ thuật của máy............................................................................... 56
4.1.5. Kiểm nghiệm độ bền........................................................................................ 56
4.1.5.1. Kiểm nghiệm độ bền trục động cơ Servo................................................56
4.1.5.2. Kiểm nghiệm độ bền trục động cơ phóng bóng...................................... 57
4.1.6. Phương pháp thực nghiệm............................................................................... 58
4.2. Thực nghiệm........................................................................................................... 59
vi


4.2.1. Kiểm tra tĩnh.....................................................................................................60
4.2.1.1. Thiết kế cơ khí......................................................................................... 60
4.2.1.2. Thiết kế điện............................................................................................ 60
4.2.2. Kiểm tra động:..................................................................................................61
4.2.2.1. Kiểm tra toàn khối................................................................................... 61
4.2.2.2. Kiểm tra chức năng..................................................................................67
4.2.2.3. Kiểm tra lúc không tải............................................................................. 73
4.2.2.4. Kiểm tra tồn bộ tải................................................................................. 74
4.3. Phân tích..................................................................................................................75
CHƯƠNG 5: KẾT LUẬN.............................................................................................. 77
5.1. Kết quả đạt được.....................................................................................................77
5.2. Các vấn đề cần quan tâm........................................................................................ 78
5.3. Các lĩnh vực nghiên cứu thêm................................................................................78
TÀI LIỆU THAM KHẢO.............................................................................................. 79

vii


DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT
AC

:

Alternating current

DC

:

Direct current

CNC

:

Computer Numerical Control

UART

:

Universal asynchronous receiver-transmitter

IC

:

Integrated circuit

GPIO

:

General purpose input output

PID

:

Proportional integral derivative

PWM

:

Pulse width modulation

viii


DANH MỤC BẢNG
Bảng 1.1: Bảng đánh giá các phương pháp........................................................................ 6
Bảng 2.1: Thông số kĩ thuật của động cơ DC Servo........................................................ 16
Bảng 2.2: Thông số kĩ thuật của ắc quy axit-chì.............................................................. 19
Bảng 2.3: Thơng số kĩ thuật của Arduino Mega 2560..................................................... 20
Bảng 2.4: Thông số kĩ thuật của động cơ phóng bóng.....................................................24
Bảng 2.5: Thơng số kĩ thuật của L298..............................................................................23
Bảng 3.1: Danh sách bộ phận........................................................................................... 36
Bảng 4.1: Nhu cầu.............................................................................................................53
Bảng 4.2: Số liệu............................................................................................................... 54

Bảng 4.3: Mối liên hệ giữa nhu cầu và số liệu................................................................. 54
Bảng 4.4: Thông số kĩ thuật của robot..............................................................................56
Bảng 4.5: Phương pháp thực nghiệm............................................................................... 58
Bảng 4.6: Số liệu kiểm tra tĩnh......................................................................................... 60
Bảng 4.7: Số liệu kiểm tra động cơ...................................................................................61
Bảng 4.8: Số liệu thử nghiệm thanh định hướng bóng.....................................................62
Bảng 4.9: Số liệu kiểm tra việc thu gom bóng................................................................. 63
Bảng 4.10: Số liệu kiểm tra sự di chuyển của robot tới bóng.......................................... 64
Bảng 4.11: Số liệu kiểm tra sự di chuyển của robot trên sân...........................................65
Bảng 4.12: Số liệu kiểm tra độ ổn định của hộp đựng bóng............................................ 66
Bảng 4.13: Kết quả của hệ thống nhận dạng bóng........................................................... 73
Bảng 4.14: Kết quả kiểm tra tải tự do...............................................................................74
Bảng 4.15: Kiểm tra toàn bộ tải........................................................................................ 75

ix


DANH MỤC HÌNH ẢNH
Hình 1.1: Thu gom bóng bằng tay do con người điều khiển..............................................4
Hình 1.2: Sân quần vợt tăng cường.................................................................................... 5
Hình 2.1: Phương pháp mái chèo........................................................................................8
Hình 2.2: Phương pháp Velcro........................................................................................... 9
Hình 2.3: Bánh xe thu thập bóng........................................................................................ 9
Hình 2.4: Tomohopper......................................................................................................10
Hình 2.5: Lưu đồ phân đoạn hình ảnh.............................................................................. 12
Hình 2.6: Nhơm định hình................................................................................................ 17
Hình 2.7: Động cơ DC Servo............................................................................................18
Hình 2.8: Raspberry Pi Camera........................................................................................ 17
Hình 2.9: Ắc quy axit-chì 12V..........................................................................................19
Hình 2.10: Arduino Mega 2560........................................................................................ 20

Hình 2.11: Raspberry Pi 3.................................................................................................21
Hình 2.12: Mạch điều khiển động cơ Servo 200W.......................................................... 23
Hình 2.13: Mạch giảm áp DC – DC Buck 5V 3A Dual Charge Module........................ 23
Hình 2.14: Động cơ phóng bóng.......................................................................................24
Hình 2.15: L298................................................................................................................ 25
Hình 2.16: Bánh xe đa hướng........................................................................................... 25
Hình 3.1: Sơ đồ khối......................................................................................................... 28
Hình 3.2: Phân tích động lực của robot............................................................................ 29
Hình 3.3: Động cơ DC servo............................................................................................ 30
Hình 3.4: Phân tích lực và tốc độ bắn của bóng............................................................... 30
Hình 3.5: Động cơ phóng bóng.........................................................................................31
Hình 3.6: Bản vẽ nháp ...................................................................................................32
Hình 3.7: Bản vẽ CAD......................................................................................................33
Hình 3.8: Bản vẽ tháo rời..................................................................................................33
Hình 3.9: Cơ cấu truyền động chính.................................................................................34
Hình 3.10: Cơ cấu truyền động thứ cấp............................................................................34
Hình 3.11: Cơ chế định hướng bóng.................................................................................35
Hình 3.12: Cơ chế thu gom bóng......................................................................................35
Hình 3.13: Khớp chìm.......................................................................................................39
Hình 3.14: Khớp nổi..........................................................................................................40
Hình 3.15: Bánh xe đa hướng lớn.....................................................................................40
Hình 3.16: Mặt sau của robot............................................................................................41
x


Hình 3.17: Lắp ráp động cơ DC Servo............................................................................. 41
Hình 3.18: Lắp ráp cơ chế nhặt bóng................................................................................42
Hình 3.19: Hồn thành phần đầu của robot...................................................................... 42
Hình 3.20: Lắp ráp thanh định hướng bóng......................................................................43
Hình 3.21: Hộp chứa bóng tennis..................................................................................... 43

Hình 3.22: Hồn thiện robot............................................................................................. 44
Hình 3.23: Sơ đồ khối....................................................................................................... 45
Hình 3.24: Bản vẽ điện..................................................................................................... 46
Hình 3.25: Lưu đồ............................................................................................................. 47
Hình 3.26: Biểu diễn bộ vi sai hai bánh dẫn động robot theo thông số động học........... 49
Hình 3.27: Vị trí góc của quả bóng...................................................................................51
Hình 4.1: Phân tích ứng suất uốn của trục động cơ Servo............................................... 57
Hình 4.2: Phân tích ứng suất uốn của trục động cơ phóng bóng..................................... 58
Hình 4.3: Kết quả của phát hiện cạnh Prewitt và phát hiện cạnh Canny.........................67
Hình 4.4: Kết quả của phép biến đổi Hough.................................................................... 68
Hình 4.5: Mặt phẳng màu được trích xuất từ hình ảnh gốc............................................. 69
Hình 4.6: Kết quả hình ảnh mặt phẳng màu vàng với giá trị ngưỡng khác nhau............ 70
Hình 4.7: Một nhược điểm khác của phân đoạn màu.......................................................71
Hình 4.8: Kết quả của hoạt động vùng giới hạn...............................................................72
Hình 4.9: Kết quả của hoạt động độ lệch tâm.................................................................. 73
Hình 4.10: Dụng cụ nhặt bóng chạm đất.......................................................................... 75
Hình 4.11: Kết quả của bóng được phát hiện................................................................... 76
Hình 4.12: Khu vực bóng..................................................................................................76

xi


CHƯƠNG 1: GIỚI THIỆU
NỘI DUNG:

+ 1.1. Động lực nghiên cứu
+ 1.2. Yêu cầu đối với thiết bị
 1.2.1. Yêu cầu đầu vào
 1.2.2. Yêu cầu đầu ra
+ 1.3. Cách làm việc trước đây

1.1. Động lực nghiên cứu
Các trận đấu quần vợt chuyên nghiệp có thể kéo dài tới 3 giờ, thường có ít hơn
10 phút nghỉ giữa các hiệp. Nhu cầu tập luyện cho những trận đấu sức bền như vậy trở
nên khó khăn nếu khơng có bạn tập có đủ kỹ năng. Trong nhiều thập kỷ qua, những
người chơi quần vợt đã sử dụng máy phóng bóng tennis tự động để tập luyện mà không
cần bạn cùng tập.
Thử nghiệm đã kết luận rằng: một máy đánh bóng tự động chứa 100 quả bóng
tennis sẽ tung ra với tốc độ trung bình 10 quả bóng cứ sau 29 giây. Do đó, tổng thời
gian mà một máy đánh bóng tennis trung bình có thể tồn tại mà khơng cần nạp lại là
290 giây.
Do đó, thời gian tối đa mà một vận động viên quần vợt có thể chơi với máy
đánh bóng tự động là 4 phút 50 giây. Sau đó, người chơi phải dừng tất cả các cuộc chơi
và thu thập tất cả các quả bóng xung quanh sân quần vợt bằng cách sử dụng một rổ xếp
hàng dưới, như quy trình tiêu chuẩn trong quần vợt. Đây là một cơng việc rất phí về thể
chất, thường bị những người chơi quần vợt đam mê xem thường. Có thể xác định rằng
người chơi sẽ mất hơn hai phút để nhặt hết số bóng sau khi sử dụng hết cơng suất của
máy đánh bóng tennis.
Do đó, người ta xác định rằng sử dụng công nghệ hiện tại, một người chơi sẽ
dành ~ 35% tổng thời gian để thu thập các quả bóng tennis chứ không phải tập luyện.

1


Đây là một tỷ lệ lớn về thời gian và cần được giảm bớt để thực sự mô phỏng một trận
đấu quần vợt.
1.2. Yêu cầu đối với thiết bị
1.2.1. Yêu cầu đầu vào
Giải pháp này sẽ đóng vai trị như một công cụ để cải thiện trải nghiệm luyện
tập một mình bằng cách thu thập những quả bóng lạc trong môi trường luyện tập thông

thường và trả lại cho người dùng hoặc một vị trí mong muốn hơn. Hệ thống này cũng
phải tương đối di động và giải quyết nhu cầu u cầu thu thập thủ cơng các quả bóng
lạc sau mỗi buổi tập.
Các ràng buộc sau đây thể hiện các yêu cầu nghiêm ngặt mà bất kỳ giải pháp
tiềm năng nào cũng phải đạt được:
- Giải pháp phải giảm thời gian chết trong huấn luyện quần vợt một mình.
- Giải pháp phải có thể chạy bằng nguồn bên trong (pin trên bo mạch).
- Giải pháp phải có khả năng đưa bóng quần vợt đứng yên trở lại thiết bị phóng.
- Giải pháp khơng bị phá hủy khi bị đánh trả lại bởi các quả bóng tennis.
1.2.2. Yêu cầu đầu ra
Các mục tiêu sau đây được điều chỉnh từ mục tiêu của đề tài. Các mục tiêu này
đại diện cho các mục tiêu mà thiết kế cuối cùng sẽ đạt được một cách tốt nhất:
- Giảm 75% thời gian chết của thiết bị.
- Giải pháp sẽ có tính di động phù hợp.
- 1 giờ mà không cần nguồn điện bên ngồi.
- Tỷ lệ thu hồi bóng > 80%.
- Độ bền - Có thể bị đánh bởi một quả bóng tennis.
1.3. Cách làm việc trước đây
Năm giải pháp tiềm năng đã được xem xét để nghiên cứu:
 Thu gom bóng bằng tay do người điều khiển

2


Loại giải pháp này yêu cầu người sử dụng dừng buổi tập của mình để vừa thu thập
bóng vừa đưa chúng trở lại thiết bị phóng. Giải pháp này sẽ đạt điểm cao trong các lĩnh
vực chi phí và tính di động, nhưng rõ ràng sẽ xếp hạng rất thấp về tốc độ.

3

Hình 1.1: Thu gom bóng bằng tay do con người điều khiển

4


 Sân quần vợt tăng cường
Sân quần vợt tăng cường hoạt động bằng cách điều chỉnh độ cao của sân sao cho
các quả bóng tập trung vào một điểm chung duy nhất. Điều này có thể thấy trong hình
1.2. Từ điểm thu gom, các quả bóng được tự động vận chuyển trở lại thiết bị phóng,
thơng thường bằng hệ thống băng tải. Giải pháp này sẽ đạt điểm cao về tốc độ khi các
quả bóng được đưa về bệ phóng đều đặn. Nó sẽ hoạt động kém trong các lĩnh vực tính
di động và khả năng tương thích của khu vực vì nó phải được tích hợp sẵn trong khu
vực và rõ ràng là không thể chuyển giao ngay cho các khu vực khác.

Hình 1.2: Sân quần vợt tăng cường
 Hệ thống hút chân không và băng tải
Hệ thống chân khơng và băng tải có thể được coi là một phiên bản di động hơn của
sân quần vợt tăng cường. Quạt được sử dụng để thổi tất cả các quả bóng trên sân về
một góc duy nhất. Khi ở trong góc, chúng lăn lên một băng tải ngắn để vận chuyển
chúng trở lại thiết bị phóng.
 Robot tự động điều khiển đường đi
Robot tự động điều khiển đường đi là một cỗ máy được mã hóa cứng để quét khu
vực sân bóng theo một mơ hình định sẵn. Vào cuối chu kỳ quét, robot sẽ đổ các quả
bóng vào phễu của thiết bị phóng và lặp lại q trình qt. Giải pháp này sẽ đạt điểm
cao về tính di động và khả năng tương thích với khu vực.

Thu bóng

Sân quần

5

Hệ thống

Robot tự


bằng tay do
con người
điều khiển
x

vợt tăng
cường

hút chân
không và
băng tải
x
x
x

Thời gian làm việc
x
Tốc độ
x
Độ tin cậy
x
x
Tính di động

x
Độ tương thích
x
Độ tương thích với
x
chương trình hoạt động
Giá cả
x
Bảng 1.1:Bảng đánh giá các phương pháp

động điều
khiển đường
đi
x
x
x
x
x

Giải pháp tối ưu, được xác định bởi bảng đánh giá là Robot tự tìm bóng. Giải pháp
này có nhiều khả năng tn thủ các tiêu chí và đạt được các mục tiêu đã xác định ở trên.
Robot tìm kiếm bóng tự động sử dụng cơ chế lấy bóng để đưa bóng từ sàn sân
tennis vào khu vực lưu trữ. Bảng đánh giá so sánh các cơ chế có thể nhặt bóng nằm
trong phần phụ lục của báo cáo. Mô tả về cơ chế đã chọn nằm trong chương 2.
Robot nhận biết vị trí. Nó sử dụng một hệ thống định vị để xác định vị trí của nó so
với các đối tượng trên sân bóng. Những vật thể này bao gồm tường, bóng, lưới và trạm
đổ bóng. Các phương tiện vận chuyển bóng từ sân đến phễu của thiết bị phóng bóng
khơng thuộc phạm vi của báo cáo này. Robot có một cơ chế đổ bóng cho phép nó dỡ
các quả bóng được lưu trữ của nó vào trạm đổ.

6


CHƯƠNG 2: TÀI LIỆU TỔNG QUAN
NỘI DUNG

+ 2.1. Phân tích cơ học
 2.1.1. Cơ chế nhặt bóng
2.1.1.1. Phương pháp mái chèo
2.1.1.2. Phương pháp Velcro
2.1.1.3. Bánh xe thu thập bóng
2.1.1.4. Tomohopper
2.1.1.3. Chọn cơ chế
 2.1.2. Mô tả cơ chế
+ 2.2. Phân tích phần mềm
 2.2.1. Hoạt động của robot phóng và thu gom bóng tennis tự động
 2.2.2. Sơ đồ khối hệ thống
 2.2.3. Lựa chọn thuộc tính và thơng số
 2.2.4. Kĩ thuật xử lý hình ảnh
2.2.4.1. Bộ lọc hình ảnh
2.2.4.2. Phát hiện cạnh
 2.2.5. Nhận dạng đối tượng
 2.2.6. Định vị vị trí đối tượng
 2.2.7. Hệ thống thu nhận hình ảnh
 2.2.8. Đặt ngưỡng hình ảnh
 2.2.9. Tìm thuộc tính vùng của đối tượng
 2.2.10. Tổng quan về chương trình
+ 2.3. Mơ tả thành phần








2.3.1. Vỏ
2.3.2. Động cơ DC Servo
2.3.3. Máy ảnh Raspberry Pi
2.3.4. Ắc quy axit-chì
2.3.5. Arduino Mega
2.3.6. Raspberry Pi 3
7








2.3.7. Mạch điều khiển động cơ Servo 200W
2.3.8. Mạch giảm áp DC – DC Buck 5V 3A Dual Charge Module
2.3.9. Động cơ phóng bóng
2.3.10. Mạch điều khiển động cơ
2.3.11. Bánh xe đa hướng

2.1 Phân tích cơ học
2.1.1. Cơ chế nhặt bóng
2.1.1.1. Phương pháp mái chèo
Bánh xe mái chèo là một dạng bánh xe nước hoặc bánh cơng tác, trong đó có

một số cánh khuấy được đặt xung quanh ngoại vi của bánh xe. Nó có một số cơng dụng
như:
- Bơm nước ở độ cao rất thấp, chẳng hạn như làm ngập ruộng lúa ở độ cao
không quá 0,5 m so với nguồn nước.
- Di chuyển và trộn tảo trong ao mương dùng để nuôi thả.
- Lực đẩy của tàu nước (như một bánh guồng).
- Thủy điện thấp (như một guồng nước).
- Cảm biến lưu lượng.
- Máy sục khí.

Hình 2.1: Phương pháp mái chèo

8


2.1.1.2. Phương pháp Velcro
Bánh xe Velcro là gồm 2 dải băng: hai dải vải thẳng hàng (hoặc, cách khác,
"chấm" tròn hoặc hình vng) được gắn vào (được khâu hoặc dán theo nhiều cách khác)
vào các bề mặt đối diện cần gắn chặt. Thành phần đầu tiên có các móc nhỏ, thành phần
thứ hai có các vịng nhỏ hơn. Khi cả hai được ép vào nhau, các móc sẽ bắt vào các
vòng và hai mảnh được gắn chặt hoặc buộc tạm thời. Khi được tách ra, bằng cách kéo
hoặc tách hai bề mặt ra, các dải tạo ra âm thanh "tách" đặc biệt. Sử dụng bánh xe
Velcro rất hữu ích trong việc nhặt những thứ trên mặt đất bằng cơ chế lăn.

Hình 2.2: Phương pháp Velcro
2.1.1.3. Bánh xe thu thập bóng
Bánh xe gom bóng có thiết kế như một thùng chứa sẽ có nhiều khơng gian cho
cho việc chứa bóng đã nhặt. Khi chúng ta lăn cái này trên mặt đất, quả bóng tennis sẽ
được gom lại và vào bên trong rổ. Có thể dễ dàng mở giỏ và lấy bóng tennis ra bên
ngồi.

Hình 2.3: Bánh xe thu thập bóng

9


2.1.1.4. Tomohopper
Máy Tomohopper gắp 90 quả bóng một cách nhanh chóng, trơn tru, khơng ồn
ào và dễ dàng. Khi gắp bóng xong, giỏ treo trên tay cầm để có thể dễ dàng cầm và sẵn
sàng về nhà, tất cả sẽ được gấp lại với nhau thành một khối nhỏ gọn vừa với ghế sau xe
ô tô. Nếu bạn là một vân động viên chuyên nghiệp hay đơn giản là một người nào đó
muốn trở nên tốt hơn và dành nhiều thời gian để tự luyện tập tennis - thì Tomohopper
là một thiết kế thông minh và dễ sử dụng:
-

Thu thập lên đến 90 quả bóng trong vài phút.
Cánh tay thu gom dang rộng 42 inch để thu thập hiệu quả tại lưới và hàng rào.
Cánh tay có thể khóa và tháo rời dễ dàng để sử dụng nhanh chóng và bảo quản
dễ dàng.
Tay cầm bóng tăng gấp đơi như một giá đỡ bóng.
Bánh xe khơng vạch dấu cho tất cả các bề mặt sân, tay địn có thể tháo rời.

Hình 2.4: Tomohopper
2.1.1.5. Chọn cơ chế
Ưu điểm của robot so với những loại khác:
- Tiết kiệm năng lượng của con người vì khơng nhặt bóng quần vợt sau trận đấu
của họ. Robot sẽ tự động chọn từng bóng một cho đến khi khơng có gì trên sân tennis
hoặc rổ được lấp đầy.
- Khơng phụ thuộc vào kích thước của rổ đựng bóng tennis. Nhóm có thể dễ
dàng thay đổi kích thước của rổ miễn là có thể chứa được quả bóng tennis bên trong.

10


- Robot làm tốt hơn con người vì nó có thể nhặt tới 60 quả bóng tennis cùng một
lúc. Vì vậy, robot này tiết kiệm được nhiều thời gian cho chúng ta và chúng ta có thể
làm bất cứ việc gì khác trong khi chờ robot nhặt quả bóng tennis.
2.1.2. Mô tả cơ chế
Đầu tiên, khi robot phát hiện ra quả bóng, nó sẽ tiếp tục chạy cho đến khi quả
bóng lọt vào vịng tay rộng của robot.
Khi đó, quả bóng quần vợt gặp hai động cơ đang quay theo hai hướng khác
nhau để tạo thành một lực đẩy quả bóng quần vợt lên rổ.
Cuối cùng, khi hộp bóng tennis đạt đến giới hạn, động cơ sẽ ngừng quay và
robot sẽ gửi tín hiệu để thơng báo cho người dùng.
2.2. Phân tích phần mềm
2.2.1. Hoạt động của robot phóng và thu gom bóng tennis tự động
Nhìn chung, robot thu và phóng bóng tennis được lập trình từ một vài hệ thống
con. Mỗi hệ thống con đó sẽ được kích hoạt riêng biệt hoặc đồng thời tùy thuộc vào
lệnh nhận được từ người dùng và chế độ hoạt động của robot. Hệ thống điều hướng và
kiểm soát chuyển động của robot. Khi hệ thống thu thập bóng được kích hoạt, hệ thống
nhận dạng đối tượng sẽ được kích hoạt để quét tìm vị trí của các đối tượng mục tiêu và
xuất dữ liệu sang hệ thống điều hướng robot trước khi bắt đầu di chuyển tới mục tiêu.
Thị giác máy tính được tích hợp với hệ thống thu thập bóng quần vợt tạo thành
một hệ thống robot thông minh mang lại độ chính xác và tối ưu hóa trong nhiệm vụ thu
thập bóng. Vì tốc độ thu thập là mối quan tâm của hầu hết người dùng, việc triển khai
hệ thống nhận dạng bóng cung cấp tầm nhìn cho robot trong việc xác định vị trí của đối
tượng. Hệ thống này giúp đưa ra quyết định về đường đi của robot. Hơn nữa, nó giúp
giảm mức sử dụng năng lượng bằng cách chỉ kích hoạt hệ thống thu thập bóng khi các
quả bóng gần đủ. Do đó, nó có thể giúp tăng tiết kiệm năng lượng và giảm thiểu lãng
phí năng lượng.

11


2.2.2. Sơ đồ khối hệ thống

Hình 2.5: Lưu đồ phân đoạn hình ảnh
Khi hệ thống được bật, chế độ phân đoạn hình ảnh được chọn. Nếu chế độ thu
thập bóng được chọn, hệ thống nhận diện bóng sẽ khởi tạo và chụp ảnh để xử lý. Sau
khi hệ thống xác định được sự hiện diện của các quả bóng, nó sẽ gửi một mảng dữ liệu
bao gồm vị trí và khoảng cách của quả bóng tới hệ thống điều hướng Robot. Hệ thống
điều hướng robot sẽ hướng dẫn robot đến mục tiêu và kích hoạt hệ thống thu thập bóng.
Nếu hệ thống nhận dạng bóng khơng tìm thấy bóng, nó sẽ gửi tín hiệu quay tồn bộ

12


robot trong 45 độ và bắt đầu lại quá trình. Nếu khơng tìm thấy bóng nào liên tiếp 5 lần,
hệ thống sẽ tắt.
2.2.3. Lựa chọn thuộc tính và thơng số
Ảnh nhị phân là ảnh chỉ có hai giá trị là 0 và 1. Ảnh nhị phân yêu cầu bộ nhớ
nhỏ hơn so với ảnh màu. Nói cách khác, yêu cầu bộ nhớ nhỏ cho phép thời gian thực
thi nhanh hơn và ít tốn kém hơn về mặt tính tốn. Do đó, hình ảnh nhị phân thường
được sử dụng trong các ứng dụng cơng nghiệp lớn như ứng dụng hình ảnh y tế và máy
quay video an ninh. Tuy nhiên, những hạn chế của ảnh nhị phân đã hạn chế ứng dụng
của chúng trong một số lĩnh vực nhất định.
2.2.4. Kĩ thuật xử lý ảnh
Xử lý trước ảnh là một bước quan trọng trong quá trình xử lý ảnh. Trong bước
này, các điểm ảnh có liên quan trong hình ảnh được giữ lại và các điểm khác không
liên quan được lọc ra. Các kỹ thuật xử lý hình ảnh được sử dụng trong các dự án này là

bộ lọc Gaussian và phát hiện cạnh Canny.
2.2.4.1. Bộ lọc hình ảnh
Bộ lọc Trung vị (Median filter) có thể loại bỏ nhiễu hạt rất hiệu quả, đồng thời
giữ lại các cạnh sắc nét của hình ảnh nền. Bộ lọc Gaussian đặc biệt tốt trong việc loại
bỏ nhiễu của Gaussian. Nhiễu Gaussian áp đặt các biến thể cường độ lớn cho một hình
ảnh. Vì nó khơng có nhược điểm động so với ảnh đích, nên kỹ thuật lọc Gaussian sẽ
được xem xét trong ứng dụng này.
Bộ lọc Trung bình (Mean filter) khơng phù hợp trong ứng dụng của dự án này vì
nó loại bỏ tất cả các cạnh sắc nét bằng cách phân phối đồng nhất các giá trị cường độ
của hình ảnh. Nó gây ra hình ảnh mờ và nó khơng lý tưởng để phát hiện cạnh ở giai
đoạn sau. Bộ lọc Gaussian đã được chọn.
2.2.4.2. Phát hiện cạnh
Kỹ thuật phát hiện cạnh là một phương pháp để phát hiện các cạnh trong một
hình ảnh. Các cạnh thường mang thông tin ranh giới của một hình ảnh. Chúng rất quan
trọng vì chúng đại diện cho các phân đoạn và vùng trong một hình ảnh. Trước khi cơng
nghệ nhận dạng đối tượng có thể được áp dụng cho hình ảnh, cần phải phát hiện cạnh
để tìm các cạnh đáng kể trong hình ảnh.

13