Đồ án tốt nghiệp Nghiên cứu, thiết kế robot hút bụi ứng dụng thuật toán SLAM ( Tốt nghiệp loại giỏi)

ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP

LỜI MỞ ĐẦU
Trong xã hội hiện đại ngày nay, khoa học kỹ thuật đang phát triển rất mạnh mẽ và
đi cùng với đó là sự phát triển các sản phẩm ứng dụng của nó vào thực tế trong nhiều
lĩnh vực như: y tế, giáo dục, nông nghiệp, sản phẩm dân dụng… Do đó, với mong
muốn áp dụng kiến thức mà mình đã học được trong hơn bốn năm học ở giảng đường
đại học, nhóm em đã quyết định làm một sản phẩm mang tính ứng dụng vào đời sống
thực tiễn của mỗi chúng ta. Sản phẩm đó là một chú robot lau nhà thông minh.
Robot hút bụi thơng minh được thiết kế để có thể hút bụi trong gia đình bằng cơ
cấu hút bụi ly tâm kết hợp với hai chổi quét, robot di chuyển theo hình ziczac, xoắn ốc
dưới sự điều hướng của la bàn điện tử, kết hợp thuật toán điều khiển PID nhằm ổn
định hướng đi cho robot. Đảm bảo robot có thể lau sạch tồn bộ khu vực trong ngơi
nhà và tránh được các vật cản thông thường trong nhà bằng cảm biến siêu âm, cảm
biến Lidar và các module khác được gắn trên robot. Với việc sử dụng cơng nghệ hồn
tồn khác là sử dụng các cảm biến giá rẻ nhưng vẫn hiệu quả cao, sản phẩm hy vọng
sẽ có đủ sức cạnh tranh cả về mặt giá lẫn chất lượng so với các sản phẩm robot của
các hãng khác trên thị trường.
Em xin chân thành cảm ơn sự hướng dẫn của thầy Nguyễn Thành Hùng và cô
Mạc Thị Thoa đã trực tiếp hướng dẫn em hoàn thành đồ án này. Sự chỉ dạy của thầy,
cô giúp em tiếp cận, giải quyết và trình bày vấn đề một cách khoa học, rõ ràng. Đó
thực sự là những kinh nghiệm quý báu cho em sau này.
Dù đã cố gắng nhưng do khối lượng tính tốn khá lớn đồng thời kiến thức cịn
hạn chế nên khơng tránh khỏi thiếu sót, em rất mong nhận được sự đóng góp ý kiến từ
các thầy cơ

1


ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP

MỤC LỤC
LỜI MỞ ĐẦU ................................................................................................................ 1
DANH SÁCH HÌNH ẢNH .......................................................................................... 13
Hình 1.1 Robot hút bụi của SAMSUNG và Robot lau nhà của iRobot 17 ...... 14
Hình 1.2 Robot sử dụng công nghệ xử lý ảnh để tạo bản đồ cho Robot 18 ..... 14
Hình 1.3 Hình ảnh Robot LTM-T290 18 ......................................................... 14
Hình 1.4 So sánh tính hiệu quả phương pháp di chuyển của Robot 19 ........... 14
Hình 1.5 Sơ đồ khối của mạch điều khiển robot 20 ......................................... 14
Hình 1.6 Hệ thống hoạt động của ROS 22 ....................................................... 14
Hình 1.7 Sự tương tác giữa các node trong ROS 23 ........................................ 14
Hình 2.1 Arduino Mega 2560 24...................................................................... 14
Hình 2.2 Raspberry pi 3B+ 26.......................................................................... 14
Hình 2.3 Module cảm biến 9 trục MPU 9250. 28 ............................................ 14
Hình 2.4 Định hướng trục độ nhạy của gia tốc kế và con quay hồi chuyển. 29
14
Hình 2.5 Định hướng trục độ nhạy của từ trướng kế. 29 ................................. 14
Hình 2.6 Delta Lidar 2A 30 .............................................................................. 14
Hình 2.7 Module mạch cầu H L298 điều khiển động cơ 32 ............................ 14
Hình 2.8 Sơ đồ nguyên lý module mạch cầu H L298. 33 ................................ 14
Hình 2.9 Sơ đồ nguyên lý IC L298. 34 ............................................................ 14
Hình 2.10 Encoder quang học 35 ..................................................................... 14
Hình 2.11 Sơ đồ mạch nguyên lý của encoder 35 ............................................ 14
Hình 2.12 Hai kênh A và B lệch pha 90º trong encoder 36 ............................. 14
Hình 2.13 Cảm biến hồng ngoại 37 .................................................................. 14
Hình 2.14 Cảm biến siêu âm HC-SR04 38 ...................................................... 14

2


ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP

Hình 2.15 Bảng thơng số của cảm biến siêu âm SRF 39 ................................. 14
Hình 2.16 Hình mơ tả thời gian truyền và nhận sóng. 39 ................................ 14
Hình 2.17 Giản đồ hoạt động của SRF04 40 .................................................... 14
Hình 2.18 Pin Panasonic NCR18650 41 .......................................................... 14
Hình 2.19 Sơ đồ ghép nối 43 ............................................................................ 15
Hình 3.1 Cơ cấu di chuyển 2 bánh xe 45 ......................................................... 15
Hình 3.2 Cơ cấu di chuyển 3 bánh xe 46 ......................................................... 15
Hình 3.3 Cơ cấu di chuyển 4 bánh xe 46 ......................................................... 15
Hình 3.4 Buồng lắng bụi 48 ............................................................................. 15
Hình 3.5 Buồng lắng bụi dùng lưới lọc 48 ....................................................... 15
Hình 3.6 Bồn lọc kiểu ly tâm 49 ...................................................................... 15
Hình 3.7 Bồn lọc kiểu qn tính 49.................................................................. 15
Hình 3.8 Bồn lọc kiểu sủi bọt 50 ...................................................................... 15
Hình 3.9 Lọc bụi bằng điện 50 ......................................................................... 15
Hình 3.10 Mơ hình cơ cấu hút bụi 51 ............................................................... 15
Hình 3.11 Động cơ giảm tốc có encoder JGA 25 370 54................................. 15
Hình 3.12 Kích thước động cơ 54 .................................................................... 15
Hình 3.13 Khung xe 56 .................................................................................... 15
Hình 3.14 Bánh xe chủ động có khớp nối 57 ................................................... 15
Hình 3.15 Bánh xe bị động 57 .......................................................................... 15
Hình 3.16 Mơ hình robot 58 ............................................................................. 15
Hình 3.17 Mặt dưới của robot 58 ..................................................................... 15
Hình 3.18 Hình chiếu đứng 59 ......................................................................... 15
Hình 3.19 Hình chiếu bằng 59.......................................................................... 15
Hình 3.20 Hình chiếu cạnh 59 .......................................................................... 15

3


ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP

Hình 4.1 Cấu tạo động cơ điện 1 chiều 60 ....................................................... 15
Hình 4.2 Mạch điện tương đương của động cơ 61 ........................................... 15
Hình 4.3 Đồ thị quan hệ giữa các đại lượng 62 ................................................ 15
Hình 4.4 Động cơ quay cùng chiều 62 ............................................................. 15
Hình 4.5 Động cơ quay ngược chiều 63 ........................................................... 16
Hình 4.6 Tín hiệu điều chế rộng xung 64 ......................................................... 16
Hình 4.7 Quan hệ giữa xung điện và tốc độ 65 ................................................ 16
Hình 4.8 Xung PWM với các duty cycle khác nhau 65 ................................... 16
Hình 4.9 Mạch dóng ngắt dịng qua động cơ dùng MOSFET 66 .................... 16
Hình 4.10 Giản đồ nguyên lý tạo xung PWM 67 ............................................. 16
Hình 4.11 Nguyên lý mạch tạo xung PWM 67 ................................................ 16
Hình 4.12 Tín hiệu điều khiển dịng qua động cơ 68 ....................................... 16
Hình 4.13 Đồ thị quan hệ điện áp cực cửa MOSFET 69 ................................. 16
Hình 4.14 Nguyên lý đảo chiều động cơ DC dùng relay 70 ............................ 16
Hình 4.15 Sơ đồ nguyên lý mạch đảo chiều kết hợp phần kích PWM 71 ....... 16
Hình 4.16 Sơ đồ nguyên lý mạch cầu H 71 ...................................................... 16
Hình 4.17 Mạch cầu H đóng dịng qua động cơ thuận 72 ................................ 16
Hình 4.18 Mạch cầu H mở dịng cho động cơ quay nghịch 72 ........................ 16
Hình 4.19 Mạch cầu H hãm động cơ 73 ........................................................... 16
Hình 4.20 Giải thuật tính tốn PID 74.............................................................. 16
Hình 4.21 Sơ đồ khối 75................................................................................... 16
Hình 4.22 Sơ đồ vận tốc quay theo thời gian 76 .............................................. 16
Hình 4.23 Quỹ đạo nghiệm số của động cơ 77 ................................................ 16
Hình 4.24 Sơ đồ khối với bộ điều khiển PI 78 ................................................. 16
Hình 4.25 Biểu đồ vận tốc quay 79 .................................................................. 16

4


ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP

Hình 4.26 Biểu đồ sai số 79.............................................................................. 16
Hình 4.27 Biểu đồ vận tốc quay 80 .................................................................. 16
Hình 4.28 Biểu đồ sai số 80.............................................................................. 16
Hình 4.29 Biểu đồ vận tốc quay 81 .................................................................. 16
Hình 4.30 Biểu đồ vận tốc quay 82 .................................................................. 17
Hình 4.31 Biểu đồ sai số 82.............................................................................. 17
Hình 4.32 Biểu đồ vận tốc quay 83 .................................................................. 17
Hình 4.33 Biểu đồ sai số 83.............................................................................. 17
Hình 4.34 Quỹ đạo hình vng 84 ................................................................... 17
Hình 4.35 Biểu đồ vị trí của robot theo quỹ đạo hình vng 84 ...................... 17
Hình 4.36 Biểu đồ sai số vị trí theo quỹ đạo hình vng 85 ............................ 17
Hình 4.37 Biểu đồ góc quay theo quỹ đạo hình vng 85 ............................... 17
Hình 4.38 Biểu đồ sai số góc quay theo quỹ đạo hình vng 86 ..................... 17
Hình 4.39 Quỹ đạo zig-zac 86 .......................................................................... 17
Hình 4.40 Biểu đồ vị trí theo quỹ đạo zig-zac 87............................................. 17
Hình 4.41 Biểu đồ sai số vị trí theo quỹ đạo zig-zac 87................................... 17
Hình 4.42 Biểu đồ góc quay theo quỹ đạo hình zig-zac 88 ............................. 17
Hình 4.43 Biểu đồ sai số góc quay theo quỹ đạo hình zig-zac 88 ................... 17
Hình 4.44 Quỹ đạo hình xoắn ốc 89 ................................................................. 17
Hình 4.45 Biểu đồ vị trí theo quỹ đạo hình xoắn ốc 89 ................................... 17
Hình 4.46 Biểu đồ sai số vị trí theo quỹ đạo hình xoắn ốc 90 ......................... 17
Hình 4.47 Biểu đồ góc quay theo quỹ đạo hình xoắn ốc 90 ............................ 17
Hình 4.48 Biểu đồ sai số góc quay theo quỹ đạo hình xoắn ốc 91 .................. 17
Hình 5.1 Mơ hình động học của robot 93......................................................... 17
Hình 5.2 Thuật tốn Madgwick 96 ................................................................... 17

5


ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP

Hình 5.3 Mơ hình định vị 96 ............................................................................ 17
Hình 5.4 Mơ hình lập bản đồ 97 ....................................................................... 17
Hình 5.5 Mơ hình đơn giản hóa 98................................................................... 17
Hình 5.6 Phân bố mật độ xác suất 98 ............................................................... 17
Hình 5.7 Phân bố mật độ xác suất kết hợp 99 .................................................. 18
Hình 5.8 Ảnh hưởng của chuyển động đến ước lượng trạng thái. 101 ............ 18
Hình 5.9 Tóm tắt thuật tốn thăm dị 107......................................................... 18
Hình 5.10 Lựa chọn phương án di chuyển 109 ................................................ 18
Hình 5.11 Phương án di chuyển của Robot 110 ............................................... 18
Hình 5.12 Cập nhật bản đồ và lựa chọn phương án di chuyển 110 ................. 18
Hình 5.13 Giải thuật định vị robot 111 ............................................................ 18
Hình 5.14 Xấp xỉ vị trí robot bằng phương pháp lẫy mẫu 112 ........................ 18
Hình 5.15 Mơi trường định vị 113 ................................................................... 18
Hình 5.16 Xấp xỉ vị trí 113............................................................................... 18
Hình 5.17 Định vị thành cơng 113 ................................................................... 18
Hình 5.18 Xấp xỉ vị trí của robot trong mơi trường 115 .................................. 18
Hình 5.19 Định vị thành cơng 115 ................................................................... 18
Hình 5.20 Di chuyển xoắn ốc ra bên ngồi từ trung tâm 116 .......................... 18
Hình 5.21 Phương pháp di chuyển zig-zag 117 ............................................... 18
Hình 5.22 Di chuyển xoắn ốc từ bên ngoài vào trung tâm 117 ........................ 18
Hình 5.23 Chỉ số đại diện vị trí các ơ trong bản đồ 118................................... 18
Hình 5.24 Thuật tốn di chuyển bao phủ 118 .................................................. 18
Hình 5.25 Quỹ đạo di chuyển 119 .................................................................... 18
Hình 5.26 Quỹ đạo di chuyển ngăn nhất 120 ................................................... 18
Hình 5.27 Quỹ đạo di chuyển với phép biến đổi khoảng cách 120 ................. 18

6


ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP

Hình 5.28 Quỹ đạo di chuyển với phép biến đổi quỹ đạo 121 ......................... 18
Hình 5.29 Quỹ đạo bao phủ trong môi trường thực tế 121 .............................. 18
Hình 6.1 Sơ đồ tổng quan các node trong ROS 122 ........................................ 18
Hình 6.2 Vị trí các hệ tọa độ 123 ..................................................................... 18
Hình 6.3 Vị trí vật cản 123 ............................................................................... 19
Hình 6.4 Các dạng quỹ đạo di chuyển 125....................................................... 19
Hình 6.5 Ảnh hưởng của cost_factor đến hình dạng quỹ đạo 125 ................... 19
Hình 6.6 Ảnh hưởng của neutral_factor đến hình dạng quỹ đạo 126 .............. 19
Hình 6.7 Ảnh hưởng của sim_time 127 ........................................................... 19
Hình 6.8 Đường cong khuếch đại chướng ngại vật 130 ................................... 19
Hình 6.9 Đường cong khuếch đại có độ dốc lớn 130 ....................................... 19
Hình 6.10 Đường cong khuếch đại có độ dốc nhỏ 131 .................................... 19
Hình 6.11 Vị trí khơng xác định trong bản đồ 132........................................... 19
Hình 6.12 Thông số trước và sau khi điều chỉnh 133 ...................................... 19
Hình 6.13 Giải thuật phục hồi khả năng di chuyển 134 ................................... 19
Hình 6.14 Cấu trúc làm việc của thuật tốn 135 .............................................. 19
Hình 6.15 Kết quả làm việc của thuật tốn thăm dị 136 ................................. 19
Hình 6.16 Kết quả làm việc của thuật toán di chuyển bao phủ bản đồ 138 ..... 19
DANH SÁCH BẢNG BIỂU ........................................................................................ 20
Bảng 1.1 So sánh máy hút bụi và robot hút bụi thông minh 17 ....................... 20
Bảng 2.1 Thông số kỹ thuật Arduino Mega 2560 25 ....................................... 20
Bảng 2.2 Thông số kỹ thuật cảm biến 9 trục MPU 9250 28 ............................ 20
Bảng 2.3 Thông số kỹ thuật Lidar Delta 2A 31 ............................................... 20
Bảng 2.4 Thông số kỹ thuật cảm biến hồng ngoại 37 ...................................... 20
Bảng 3.1 Thông số kỹ thuật của robot 53......................................................... 20

7


ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP

Bảng 3.2 Thông số kỹ thuật của động cơ 55 .................................................... 20
Bảng 4.1 Giá trị sai số trên các quỹ đạo 91 ...................................................... 20
Bảng 5.2 Cấu hình của robot hút bụi 95 ........................................................... 20
CHƯƠNG 1 GIỚI THIỆU TỔNG QUAN VỀ ĐỀ TÀI .............................................. 15
1.1 Giới thiệu chương ......................................................................................... 15
1.2 Tổng quan về Robot hút bụi ......................................................................... 15
1.3 Đề xuất thiết kế mơ hình Robot lau nhà thơng minh .................................... 21
1.4 Nguyên lý hoạt động của Robot. .................................................................. 21
1.5 Giới thiệu ROS ............................................................................................. 22
1.5.1 Robot Operating System ........................................................................ 22
1.5.2 Tính năng của ROS ................................................................................ 22
1.5.3 Phương pháp hoạt động của ROS .......................................................... 22
CHƯƠNG 2 GIỚI THIỆU VỀ CÁC MODULE .......................................................... 25
2.1 Giới thiệu chương ......................................................................................... 25
2.2 Arduino Mega 2560 ...................................................................................... 25
2.2.1 Giới thiệu chung .................................................................................... 25
2.2.2 Đặc điểm chính ...................................................................................... 26
2.2.3 Đánh giá hoạt động ................................................................................ 26
2.2.4 Kết luận .................................................................................................. 26
2.3 Raspberry Pi 3B+ .......................................................................................... 27
2.3.1 Giới thiệu chung .................................................................................... 27
2.3.2 Đặc điểm chính ...................................................................................... 28
2.3.3 Đánh giá hoạt động ................................................................................ 28
2.3.4 Kết luận .................................................................................................. 28
2.4 Cảm biến 9 trục MPU 9250 .......................................................................... 29

8


ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP

2.4.1 Giới thiệu chung .................................................................................... 29
2.4.2 Đặc điểm ................................................................................................ 29
2.4.3 Đánh giá hoạt động ................................................................................ 30
2.4.4 Kết luận .................................................................................................. 30
2.5 Lidar Delta 2A .............................................................................................. 31
2.5.1 Giới thiệu chung .................................................................................... 31
2.5.2 Đặc điểm chính ...................................................................................... 32
2.5.3 Đánh giá hoạt động ................................................................................ 32
2.5.4 Kết luận .................................................................................................. 32
2.6 Mạch cầu H L298 ......................................................................................... 33
2.6.1 Giới thiệu chung .................................................................................... 33
2.6.2 Nguyên lý hoạt động .............................................................................. 34
2.6.3 Đánh giá hoạt động ................................................................................ 35
2.6.4 Kết luận .................................................................................................. 35
2.7 Encoder ......................................................................................................... 36
2.7.1 Giới thiệu chung .................................................................................... 36
2.7.2 Nguyên lý hoạt động .............................................................................. 36
2.7.3 Đánh giá hoạt động ................................................................................ 37
2.7.4 Kết luận .................................................................................................. 37
2.8 Cảm biến hồng ngoại .................................................................................... 38
2.8.1 Giới thiệu chung .................................................................................... 38
2.8.2 Đặc điểm chính ...................................................................................... 38
2.8.3 Đánh giá hoạt động ................................................................................ 38
2.8.4 Kết luận .................................................................................................. 38
2.9 Cảm biến siêu âm .......................................................................................... 39

9


ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP

2.9.1 Giới thiệu chung .................................................................................... 39
2.9.2 Nguyên lý hoạt động .............................................................................. 40
2.9.3 Đánh giá hoạt động ................................................................................ 41
2.9.4 Kết luận .................................................................................................. 41
2.10 Pin Panasonic NCR18650 ........................................................................... 42
2.10.1 Giới thiệu chung .................................................................................. 42
2.10.2 Nguyên lý hoạt động ............................................................................ 42
2.10.3 Đánh giá hoạt động .............................................................................. 43
2.10.4 Kết luận ................................................................................................ 43
2.11 Sơ đồ ghép nối các module ......................................................................... 44
CHƯƠNG 3 THIẾT KẾ MƠ HÌNH ROBOT .............................................................. 45
3.1 Giới thiệu chương ......................................................................................... 45
3.2 Yêu cầu kỹ thuật với robot vệ sinh nhà ........................................................ 45
3.2.1 Đặt vấn đề .............................................................................................. 45
3.2.2 Yêu cầu robot lau nhà phải thực hiện .................................................... 46
3.2.3 Yêu cầu lập trình cho robot lau nhà ....................................................... 46
3.3 Phân tích lựa chọn phương án....................................................................... 46
3.3.1 Lựa chọn phương pháp di chuyển.......................................................... 46
3.3.2 Lựa chọn phương pháp hút bụi .............................................................. 48
3.4 Tính tốn cơ cấu chấp hành .......................................................................... 52
3.4.1 Tính tốn động cơ hút bụi ...................................................................... 52
3.4.2 Tính tốn động cơ 2 bánh dẫn động ...................................................... 53
3.5 Thiết kế cơ khí .............................................................................................. 57
3.5.1 Chọn vật liệu khung xe .......................................................................... 57
3.5.2 Thiết kế khung xe .................................................................................. 57

10


ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP

3.5.3 Bánh xe .................................................................................................. 58
3.5.4 Mơ hình robot ........................................................................................ 59
CHƯƠNG 4 ĐIỀU KHIỂN ĐỘNG CƠ ....................................................................... 61
4.1 Giơi thiệu chương ......................................................................................... 61
4.2 Mạch điều khiển động cơ .............................................................................. 61
4.2.1 Nguyên lý hoạt động .............................................................................. 61
4.2.2 Thiết kế mạch cơng suất điều khiển động cơ......................................... 64
4.3 Thuật tốn PID .............................................................................................. 74
4.3.1 Giới thiệu thuật toán .............................................................................. 74
4.3.2 Khảo sát động cơ ................................................................................... 76
4.3.3 Đánh giá sai số khi robot di chuyển. ...................................................... 85
CHƯƠNG 5 THUẬT TOÁN ĐIỀU HƯỚNG, LẬP BẢN ĐỒ ................................... 93
5.1 Giới thiệu chương ......................................................................................... 93
5.2 Một số thuật ngữ cơ bản ............................................................................... 93
5.3 Mơ hình định vị robot ................................................................................... 94
5.4 Mơ hình lập bản đồ ....................................................................................... 97
5.4.1 Giới thiệu bài toán lập bản đồ ................................................................ 97
5.4.2 Mơ hình lập bản đồ ................................................................................ 98
5.5 Bộ lọc Kalman .............................................................................................. 99
5.5.1 Xây dựng bộ lọc đơn giản ...................................................................... 99
5.5.2 Phát triển bộ lọc Kalman cho robot chuyển động................................ 102
5.5.3 Phát triển bộ lọc Kalman cho môi trường thực tế SLAM ................... 103
5.5.4 Bộ lọc Kalman mở rộng (Extended Kalman Filter) ............................ 105
5.6 Xây dựng thuật tốn thăm dị môi trường chưa xác định ........................... 107
5.6.1 Đặt vấn đề ............................................................................................ 107

11


ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP

5.6.2 Cơ sở lý thuyết ..................................................................................... 107
5.6.3 Kết quả thực nghiệm của thuật toán .................................................... 111
5.7 Định vị robot trong môi trường thực tế ...................................................... 111
5.7.1 Đặt vấn đề ............................................................................................ 111
5.7.2 Cơ sở lý thuyết ..................................................................................... 112
5.7.3 Kết quả thực nghiệm ............................................................................ 116
5.8 Xây dựng phương án di chuyển bao phủ .................................................... 117
5.8.1 Lập kế hoạch dẫn đường ...................................................................... 117
5.8.2 Xây dựng thuật toán ............................................................................. 118
5.8.3 Kết quả thực nghiệm ............................................................................ 122
CHƯƠNG 6 ỨNG DỤNG THUẬT TOÁN ............................................................... 123
6.1 Giới thiệu chương ....................................................................................... 123
6.2 Thiết lập thông số cơ bản ............................................................................ 123
6.2.1 Phép biến đổi tọa độ............................................................................. 123
6.2.2 Dữ liệu cảm biến .................................................................................. 124
6.2.3 Dữ liệu Odometry ................................................................................ 124
6.2.4 Điều khiển vận tốc ............................................................................... 124
6.3 Thiết lập thông số điều hướng .................................................................... 125
6.3.1 Phương án điều hướng toàn cục........................................................... 125
6.3.2 Phương án điều hướng cục bộ ............................................................. 127
6.3.3 Thông số bản đồ nhị phân .................................................................... 130
6.4 Bộ định vị thích nghi Monte Carlo ............................................................. 133
6.4.1 Thơng số chung .................................................................................... 133
6.4.2 Thơng số mơ hình đo lường ................................................................. 134
6.4.3 Thơng số mơ hình chuyển động ........................................................... 134

12


ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP

6.5 Bộ phục hồi khả năng di chuyển ................................................................. 135
6.6 Ứng dụng thuật tốn thăm dị ..................................................................... 136
6.7 Ứng dụng thuật toán di chuyển ................................................................... 138
CHƯƠNG 7 KẾT LUẬN ........................................................................................... 141
7.1 Kết luận ....................................................................................................... 141
7.2 Phương hướng phát triển đề tài ................................................................... 142
TÀI LIỆU THAM KHẢO .......................................................................................... 143

DANH SÁCH HÌNH ẢNH

13


ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP
Hình 1.1 Robot hút bụi của SAMSUNG và Robot lau nhà của iRobot ....................... 18
Hình 1.2 Robot sử dụng công nghệ xử lý ảnh để tạo bản đồ cho Robot ...................... 19
Hình 1.3 Hình ảnh Robot LTM-T290 .......................................................................... 19
Hình 1.4 So sánh tính hiệu quả phương pháp di chuyển của Robot ............................ 20
Hình 1.5 Sơ đồ khối của mạch điều khiển robot .......................................................... 21
Hình 1.6 Hệ thống hoạt động của ROS ........................................................................ 23
Hình 1.7 Sự tương tác giữa các node trong ROS ......................................................... 23
Hình 2.1 Arduino Mega 2560 ....................................................................................... 25
Hình 2.2 Raspberry pi 3B+ ........................................................................................... 27
Hình 2.3 Module cảm biến 9 trục MPU 9250. ............................................................. 29
Hình 2.4 Định hướng trục độ nhạy của gia tốc kế và con quay hồi chuyển................. 30
Hình 2.5 Định hướng trục độ nhạy của từ trướng kế. .................................................. 30
Hình 2.6 Delta Lidar 2A ............................................................................................... 31
Hình 2.7 Module mạch cầu H L298 điều khiển động cơ ............................................. 33
Hình 2.8 Sơ đồ nguyên lý module mạch cầu H L298. ................................................. 34
Hình 2.9 Sơ đồ nguyên lý IC L298. ............................................................................. 35

Hình 2.10 Encoder quang học ...................................................................................... 36
Hình 2.11 Sơ đồ mạch nguyên lý của encoder ............................................................. 36
Hình 2.12 Hai kênh A và B lệch pha 90º trong encoder .............................................. 37
Hình 2.13 Cảm biến hồng ngoại ................................................................................... 38
Hình 2.14 Cảm biến siêu âm HC-SR04........................................................................ 39
Hình 2.15 Bảng thông số của cảm biến siêu âm SRF .................................................. 40
Hình 2.16 Hình mơ tả thời gian truyền và nhận sóng. ................................................. 40
Hình 2.17 Giản đồ hoạt động của SRF04 ..................................................................... 41
Hình 2.18 Pin Panasonic NCR18650 ........................................................................... 42

14


ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP
Hình 2.19 Sơ đồ ghép nối ............................................................................................. 44
Hình 3.1 Cơ cấu di chuyển 2 bánh xe........................................................................... 46
Hình 3.2 Cơ cấu di chuyển 3 bánh xe........................................................................... 47
Hình 3.3 Cơ cấu di chuyển 4 bánh xe........................................................................... 47
Hình 3.4 Buồng lắng bụi............................................................................................... 49
Hình 3.5 Buồng lắng bụi dùng lưới lọc ........................................................................ 49
Hình 3.6 Bồn lọc kiểu ly tâm ........................................................................................ 50
Hình 3.7 Bồn lọc kiểu qn tính ................................................................................... 50
Hình 3.8 Bồn lọc kiểu sủi bọt ....................................................................................... 51
Hình 3.9 Lọc bụi bằng điện .......................................................................................... 51
Hình 3.10 Mơ hình cơ cấu hút bụi ................................................................................ 52
Hình 3.11 Động cơ giảm tốc có encoder JGA 25 370 .................................................. 55
Hình 3.12 Kích thước động cơ ..................................................................................... 55
Hình 3.13 Khung xe...................................................................................................... 57
Hình 3.14 Bánh xe chủ động có khớp nối .................................................................... 58
Hình 3.15 Bánh xe bị động ........................................................................................... 58

Hình 3.16 Mơ hình robot .............................................................................................. 59
Hình 3.17 Mặt dưới của robot ...................................................................................... 59
Hình 3.18 Hình chiếu đứng .......................................................................................... 60
Hình 3.19 Hình chiếu bằng ........................................................................................... 60
Hình 3.20 Hình chiếu cạnh ........................................................................................... 60
Hình 4.1 Cấu tạo động cơ điện 1 chiều ........................................................................ 61
Hình 4.2 Mạch điện tương đương của động cơ ............................................................ 62
Hình 4.3 Đồ thị quan hệ giữa các đại lượng ................................................................. 63
Hình 4.4 Động cơ quay cùng chiều .............................................................................. 64

15


ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP
Hình 4.5 Động cơ quay ngược chiều ............................................................................ 64
Hình 4.6 Tín hiệu điều chế rộng xung .......................................................................... 66
Hình 4.7 Quan hệ giữa xung điện và tốc độ ................................................................. 66
Hình 4.8 Xung PWM với các duty cycle khác nhau .................................................... 67
Hình 4.9 Mạch dóng ngắt dịng qua động cơ dùng MOSFET...................................... 67
Hình 4.10 Giản đồ nguyên lý tạo xung PWM .............................................................. 68
Hình 4.11 Nguyên lý mạch tạo xung PWM ................................................................. 68
Hình 4.12 Tín hiệu điều khiển dịng qua động cơ ........................................................ 69
Hình 4.13 Đồ thị quan hệ điện áp cực cửa MOSFET .................................................. 71
Hình 4.14 Nguyên lý đảo chiều động cơ DC dùng relay ............................................. 71
Hình 4.15 Sơ đồ nguyên lý mạch đảo chiều kết hợp phần kích PWM ........................ 72
Hình 4.16 Sơ đồ nguyên lý mạch cầu H ....................................................................... 72
Hình 4.17 Mạch cầu H đóng dịng qua động cơ thuận ................................................. 73
Hình 4.18 Mạch cầu H mở dịng cho động cơ quay nghịch ......................................... 73
Hình 4.19 Mạch cầu H hãm động cơ ............................................................................ 74
Hình 4.20 Giải thuật tính tốn PID ............................................................................... 75

Hình 4.21 Sơ đồ khối .................................................................................................... 76
Hình 4.22 Sơ đồ vận tốc quay theo thời gian ............................................................... 77
Hình 4.23 Quỹ đạo nghiệm số của động cơ ................................................................. 78
Hình 4.24 Sơ đồ khối với bộ điều khiển PI .................................................................. 79
Hình 4.25 Biểu đồ vận tốc quay ................................................................................... 80
Hình 4.26 Biểu đồ sai số............................................................................................... 80
Hình 4.27 Biểu đồ vận tốc quay ................................................................................... 81
Hình 4.28 Biểu đồ sai số............................................................................................... 81
Hình 4.29 Biểu đồ vận tốc quay ................................................................................... 82

16


ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP
Hình 4.30 Biểu đồ vận tốc quay ................................................................................... 83
Hình 4.31 Biểu đồ sai số............................................................................................... 83
Hình 4.32 Biểu đồ vận tốc quay ................................................................................... 84
Hình 4.33 Biểu đồ sai số............................................................................................... 84
Hình 4.34 Quỹ đạo hình vng .................................................................................... 85
Hình 4.35 Biểu đồ vị trí của robot theo quỹ đạo hình vng ....................................... 85
Hình 4.36 Biểu đồ sai số vị trí theo quỹ đạo hình vng ............................................. 86
Hình 4.37 Biểu đồ góc quay theo quỹ đạo hình vng ................................................ 86
Hình 4.38 Biểu đồ sai số góc quay theo quỹ đạo hình vng ...................................... 87
Hình 4.39 Quỹ đạo zig-zac ........................................................................................... 87
Hình 4.40 Biểu đồ vị trí theo quỹ đạo zig-zac .............................................................. 88
Hình 4.41 Biểu đồ sai số vị trí theo quỹ đạo zig-zac.................................................... 88
Hình 4.42 Biểu đồ góc quay theo quỹ đạo hình zig-zac............................................... 89
Hình 4.43 Biểu đồ sai số góc quay theo quỹ đạo hình zig-zac..................................... 89
Hình 4.44 Quỹ đạo hình xoắn ốc .................................................................................. 90
Hình 4.45 Biểu đồ vị trí theo quỹ đạo hình xoắn ốc .................................................... 90

Hình 4.46 Biểu đồ sai số vị trí theo quỹ đạo hình xoắn ốc .......................................... 91
Hình 4.47 Biểu đồ góc quay theo quỹ đạo hình xoắn ốc.............................................. 91
Hình 4.48 Biểu đồ sai số góc quay theo quỹ đạo hình xoắn ốc.................................... 92
Hình 5.1 Mơ hình động học của robot .......................................................................... 94
Hình 5.2 Thuật tốn Madgwick .................................................................................... 97
Hình 5.3 Mơ hình định vị ............................................................................................. 97
Hình 5.4 Mơ hình lập bản đồ ........................................................................................ 98
Hình 5.5 Mơ hình đơn giản hóa .................................................................................... 99
Hình 5.6 Phân bố mật độ xác suất ................................................................................ 99

17


ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP
Hình 5.7 Phân bố mật độ xác suất kết hợp ................................................................. 100
Hình 5.8 Ảnh hưởng của chuyển động đến ước lượng trạng thái. ............................. 102
Hình 5.9 Tóm tắt thuật tốn thăm dị .......................................................................... 108
Hình 5.10 Lựa chọn phương án di chuyển ................................................................. 110
Hình 5.11 Phương án di chuyển của Robot ................................................................ 111
Hình 5.12 Cập nhật bản đồ và lựa chọn phương án di chuyển................................... 111
Hình 5.13 Giải thuật định vị robot.............................................................................. 112
Hình 5.14 Xấp xỉ vị trí robot bằng phương pháp lẫy mẫu.......................................... 113
Hình 5.15 Mơi trường định vị..................................................................................... 114
Hình 5.16 Xấp xỉ vị trí ................................................................................................ 114
Hình 5.17 Định vị thành cơng .................................................................................... 114
Hình 5.18 Xấp xỉ vị trí của robot trong mơi trường ................................................... 116
Hình 5.19 Định vị thành cơng .................................................................................... 116
Hình 5.20 Di chuyển xoắn ốc ra bên ngồi từ trung tâm ........................................... 117
Hình 5.21 Phương pháp di chuyển zig-zag ................................................................ 118
Hình 5.22 Di chuyển xoắn ốc từ bên ngồi vào trung tâm ......................................... 118

Hình 5.23 Chỉ số đại diện vị trí các ơ trong bản đồ .................................................... 119
Hình 5.24 Thuật tốn di chuyển bao phủ ................................................................... 119
Hình 5.25 Quỹ đạo di chuyển ..................................................................................... 120
Hình 5.26 Quỹ đạo di chuyển ngăn nhất .................................................................... 121
Hình 5.27 Quỹ đạo di chuyển với phép biến đổi khoảng cách................................... 121
Hình 5.28 Quỹ đạo di chuyển với phép biến đổi quỹ đạo .......................................... 122
Hình 5.29 Quỹ đạo bao phủ trong mơi trường thực tế ............................................... 122
Hình 6.1 Sơ đồ tổng quan các node trong ROS.......................................................... 123
Hình 6.2 Vị trí các hệ tọa độ....................................................................................... 124

18


ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP
Hình 6.3 Vị trí vật cản ................................................................................................ 124
Hình 6.4 Các dạng quỹ đạo di chuyển ........................................................................ 126
Hình 6.5 Ảnh hưởng của cost_factor đến hình dạng quỹ đạo .................................... 126
Hình 6.6 Ảnh hưởng của neutral_factor đến hình dạng quỹ đạo ............................... 127
Hình 6.7 Ảnh hưởng của sim_time ............................................................................ 128
Hình 6.8 Đường cong khuếch đại chướng ngại vật .................................................... 131
Hình 6.9 Đường cong khuếch đại có độ dốc lớn ........................................................ 131
Hình 6.10 Đường cong khuếch đại có độ dốc nhỏ ..................................................... 132
Hình 6.11 Vị trí khơng xác định trong bản đồ ............................................................ 133
Hình 6.12 Thơng số trước và sau khi điều chỉnh........................................................ 134
Hình 6.13 Giải thuật phục hồi khả năng di chuyển .................................................... 135
Hình 6.14 Cấu trúc làm việc của thuật tốn ............................................................... 136
Hình 6.15 Kết quả làm việc của thuật tốn thăm dị .................................................. 137
Hình 6.16 Kết quả làm việc của thuật toán di chuyển bao phủ bản đồ ...................... 139

19

ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP
DANH SÁCH BẢNG BIỂU
Bảng 1.1 So sánh máy hút bụi và robot hút bụi thông minh ........................................ 18
Bảng 2.1 Thông số kỹ thuật Arduino Mega 2560 ........................................................ 26
Bảng 2.2 Thông số kỹ thuật cảm biến 9 trục MPU 9250 ............................................. 29
Bảng 2.3 Thông số kỹ thuật Lidar Delta 2A ................................................................ 32
Bảng 2.4 Thông số kỹ thuật cảm biến hồng ngoại ....................................................... 38
Bảng 3.1 Thông số kỹ thuật của robot .......................................................................... 54
Bảng 3.2 Thông số kỹ thuật của động cơ ..................................................................... 56
Bảng 4.1 Giá trị sai số trên các quỹ đạo ....................................................................... 92
Bảng 5.2 Cấu hình của robot hút bụi ............................................................................ 96

20


ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP

CHƯƠNG 1 GIỚI THIỆU TỔNG QUAN VỀ ĐỀ TÀI
1.1 Giới thiệu chương
Trong chương này, em giới thiệu sơ bộ về robot lau nhà thơng minh, trong đó
nội dung chính trình bày bao gồm: mơ hình, sơ đồ khối và nguyên lý hoạt động
của robot.
1.2 Tổng quan về Robot hút bụi
Robot làm sạch cho môi trường công cộng cũng như các hộ gia đình cá nhân
dường như mang lại các bước đột phá mà các nhà thiết kế hệ thống robot phi
công nghiệp đã mong đợi từ lâu. Khảo sát trong bài báo A Short History of
Cleaning Robots chọn ra 30 robot làm sạch khác nhau với sản phẩm phát triển
trong vòng 15 năm trở lại đây và một vài trường hợp ngoại lệ. Khảo sát tập trung

vào việc làm sạch sàn, đặc biệt là làm sạch sàn nhà. Khảo sát mô tả một loạt các
loại robot lau và hút bụi được phát triển cho nhiệm vụ này. Kết quả là hầu như 30
sản phẩm robot nêu trên vẫn đạt đến trạng thái của sản phẩm thương mại, số
lượng của chúng chắc chắn phản ánh kỳ vọng về giá trị kinh tế liên quan đến việc
tự động hóa các nhiệm vụ làm sạch. Ở châu Âu, dự toán cho thị trường dịch vụ
làm sạch lên tới 100 tỷ USD mỗi năm. Do đó, khơng ngạc nhiên khi các ngành
công nghiệp làm sạch và các nhà sản xuất thiết bị vệ sinh tích cực đầu tư vào sản
phẩm này.
Để thấy rõ hơn ưu, nhược điểm của robot hút bụi so với máy hút bụi truyền
thống, ta so sánh hai loại sản phẩm làm sạch này trên các tiêu chí sau:
Tiêu chí

Máy hút bụi

Nguyên lý

-Chỉ hoạt động khi được cắm vào

hoạt động

nguồn điện.
- Người dùng trực tiếp điều khiển
máy trong suốt quá trình hút và làm
sạch bụi bẩn.

Robot hút bụi thông minh
- Máy tự động đi hút sạch
bụi bẩn trên sàn nhà và các
ngóc ngách mà máy có thể di
chuyển đến khi hết pin.

- Người dùng chỉ cần thiết
lập chế độ cho máy 1 lần

15


ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP
trong q trình sử dụng.
Thiết kế

- Có ống hút dài khoảng 1m2, nhiều
đầu hút tháo rời.
- Dây điện dài tầm 6 - 8 m được
tích hợp trong máy.

- Thiết kế hình trịn nhỏ
gọn, có đường kính từ 35 - 40
cm, cao từ 8 - 12 cm.
- Dây điện tháo rời, có chân
đế sạc điện tự động.

Tiện ích

- Có đèn báo khoang chứa đầy bụi.
- Chức năng thổi bụi tiện dụng khi
làm sạch lá cây, tóc.
- Cảm biến phát hiện bụi dễ dàng
phát hiện và làm sạch bụi.
- Đầu hút có thể tháo rời, thay thế,
xoay linh hoạt tiếp cận các khu vực

cần làm sạch theo nhu cầu.

- Tự động hút bụi, lau nhà
(tuỳ model).
- Phát thông báo khi hộp
chứa bụi đầy.
- Có cảm biến phát hiện bụi
giúp làm sạch bụi triệt để
hơn.
- Dễ dàng điều chỉnh chức

- Tiện tùy chỉnh chức năng với điều năng hút bụi với ứng dụng
trên điện thoại thông minh,
khiển trên tay cầm.
điều khiển từ xa (một số
model).
- Tự động quay về đế sạc
khi hết năng lượng.
- Hẹn giờ hút bụi, tự động
lên lịch làm việc.
- Hút bụi tốt trên nhiều loại
sàn khác nhau, làm sạch với
nhiều chế độ như zigzag, lau
nhà, vệ sinh mép tường...
- Cảm biến tường ảo giới
hạn khu vực làm sạch, chống

16

ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP
va chạm, chống rơi ngã máy.
- Chổi quét bên hông tiếp
cận tường sát đến 10 mm.
- Cảm biến và chip xử lý
giúp tính tốn đường đi và
kiểm soát hướng di chuyển
của máy.
Độ ồn

- Khoảng 65 - 80 dB.

- Khoảng 40 – 50 dB.

Loại bộ lọc

- Bộ lọc HEPA. Có khoảng 8 loại

- Bộ lọc HEPA

bộ lọc: EPA 10 - 12, HEPA 13 - 14,

- Đèn UV kháng khuẩn

ULPA 15 - 17.
- Nano Titanium, kháng khuẩn khử
mùi giúp diệt khuẩn, chống các tác
nhân gây dị ứng.
Năng lượng

Điện, pin sạc điện (Máy cầm tay).

-Pin sạc điện có dung lượng
2.500 - 5.200 mAh dùng lâu

sử dụng

đến 2 – 3 tiếng.
Phạm

vi

hoạt động

Có thể hút bụi bẩn đến mọi vị trí
mà người dùng muốn.

- Chỉ hút sạch bụi bẩn ở sàn
nhà, thảm, gầm giường, gầm
bàn ghế...

Cơng nghệ
ứng dụng

- Cơng nghệ hút xốy Cyclonic,
Cyclone xử lý và nén bụi hiệu quả.

- Công nghệ hút mạnh mẽ
Cyclone làm sạch bụi nhanh.
- Theo dõi và kiểm sốt máy

hút bụi bằng điện thoại thơng
minh.
- Cơng nghệ giọng nói
(Tiếng Hoa, tiếng Anh)

17


ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP
Dung
hộp

0.25 – 16 lít

tích

0.3 – 1 lít

chúa

bụi
Sự đa dạng

- Phân chia theo hình dáng có 3 loại

về loại sản là máy hút bụi đứng, máy hút bụi
phẩm

Không

hộp, máy hút bụi cầm tay.
- Phân chia theo khoang chứa bụi:
máy hút bụi có túi và máy hút bụi
hộp.

Giá cả

- Dao động từ 700.000đ –
13.000.000đ

- Dao động từ 1.200.000đ –
25.000.000đ

Bảng 1.1 So sánh máy hút bụi và robot hút bụi thông minh
Qua bảng so sánh trên, chúng ta dễ dàng nhận thấy hai loại hình sản phẩm
này tương tự về cả tính năng cũng như giá cả. Tuy nhiên, ưu điểm lớn nhất của
Robot hút bụi chính là khả năng tự làm việc độc lập.

Hình 1.1 Robot hút bụi của SAMSUNG và Robot lau nhà của iRobot
Các loại Robot hút bụi hiện nay có những kỹ thuật dẫn đường cho Robot khác
nhau. Có 2 hướng chính là sử dụng cảm biến và xử lý ảnh. Hướng xử lý ảnh lần
đầu tiên được cấp cho nhà sáng chế Eric Richard Bartsch năm 2002, ông sử dụng
camera để quét trên trần nhà xử lý ảnh để tạo bản đồ di chuyển cho Robot. Hình
1.2 minh họa phương pháp trên được trích từ tài liệu tham khảo.

18


ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP

Hình 1.2 Robot sử dụng cơng nghệ xử lý ảnh để tạo bản đồ cho Robot
Tuy nhiên Robot sử dụng công nghệ xử lý ảnh như trên có nhược điểm là
khơng thể hoạt động trong điều kiện thiếu ánh sáng nên dần dấn được các công ty
chuyển sang sử dụng cảm biến để tạo bản đồ di chuyển cho Robot. Sản phẩm của
iRobot sử dụng bản quyền cơng nghệ NorthStar® Navigation tạo lập bản đồ cho
Robot . Công nghệ này dựa trên hệ thống định vị GPS kết hợp cảm biến
gyroscopes để dẫn đường cho Robot. Và đơn giản hơn là sản phẩm Robot LTMT290 của hãng XRobot chỉ di chuyển theo phương pháp ngẫu nhiên

Hình 1.3 Hình ảnh Robot LTM-T290

Trên thị trường hiện nay có rất nhiều sản phẩm của các hãng lơn như LG,
SAMSUNG, PHILIPS,…Tuy nhiên lại hướng đến sản phẩm Robot hút bụi. Theo
trang 10TopTenREVIEWS so sánh và xếp hạng sản phẩm tốt nhất năm 2014, sản
phẩm của hãng iRobot là sản phẩm duy nhất trên thị trường hiện nay phát triển
theo hướng Robot lau nhà và đã được xếp hạng thứ 2 với các sản phẩm khác.

19