Đồ án tốt nghiệp nghiên cứu, thiết kế và chế tạo xe agv ứng dụng xử lí ảnh
Bạn đang xem bản rút gọn của tài liệu. Xem và tải ngay bản đầy đủ của tài liệu tại đây (3.04 MB, 103 trang )
BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KĨ THUẬT THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH
KHOA ĐÀO TẠO CHẤT LƯỢNG CAO
ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP
Đề tài: Nghiên cứu, thiết kế và chế tạo xe agv
ứng dụng xử lí ảnh
Giảng viên hướng dẫn
:
ThS. LÊ THANH TÙNG
Sinh viên thực hiện
:
BÙI CHÍ KIÊN
MSSV
:
19146202
Sinh viên thực hiện
:
BÙI GIA BẢO
MSSV
:
19146154
Sinh viên thực hiện
:
TRỊNH TUẤN VŨ
MSSV
:
19146014
Lớp
:
19146CL5B
Khóa
:
2019-2023
TP. Hồ Chí Minh
BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KĨ THUẬT THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH
BỘ MƠN CƠ ĐIỆN TỬ
ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP
Đề tài: Nghiên cứu, thiết kế và chế tạo xe agv
ứng dụng xử lí ảnh
Giảng viên hướng dẫn
:
ThS. LÊ THANH TÙNG
Sinh viên thực hiện
:
BÙI CHÍ KIÊN
MSSV
:
19146202
Sinh viên thực hiện
:
BÙI GIA BẢO
MSSV
:
19146154
Sinh viên thực hiện
:
TRỊNH TUẤN VŨ
MSSV
:
19146014
Lớp
:
19146CL5B
Khóa
:
2019-2023
TP. Hồ Chí Minh
LỜI CẢM ƠN
Trước hết, chúng tôi xin gửi lời cảm ơn chân thành nhất tới ThS. Lê Thanh Tùng,
người đã hướng dẫn chúng tơi trong q trình thực hiện đồ án tốt nghiệp và đồ án cơ điện tử.
Qua thời gian làm việc và tiếp xúc với thầy, chúng tôi nhận thấy thầy là một giảng viên tận
tâm, luôn mong muốn điều tốt đẹp nhất cho sinh viên. Chúng tôi xin chúc thầy ln thành
cơng trong cơng việc, và có đủ sức khoẻ, niềm vui và hạnh phúc trong cuộc sống.
Chúng tôi cũng xin gửi lời cảm ơn đặc biệt đến thầy Vũ Quang Huy, người đã hướng
dẫn chúng tôi trong đồ án truyền động cơ khí. Đồng thời chúng tôi cũng xin cảm ơn Trường
Đại học Sư phạm Kỹ thuật TP.HCM và tất cả các thầy cô đã dạy bảo và giúp đỡ chúng tôi
trong suốt bốn năm học đại học, với những khó khăn và trở ngại. Đã cung cấp cho chúng tôi
những kiến thức vô cùng quý báu trong suốt 4 năm học đại học, làm cơ sở cho chúng tơi hồn
thành đồ án tốt nghiệp.
Cuối cùng, chúng tôi xin gửi lời tri ân sâu sắc đến gia đình, đặc biệt là cha mẹ. Gia
đình là nguồn động lực lớn nhất để chúng tơi vượt qua khó khăn và hồn thành đồ án này. Sự
tin tưởng, ni dưỡng và hỗ trợ của cha mẹ đã giúp chúng tôi đến được ngày hôm nay. Một
lần nữa, chúng tôi xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc và chúc mừng tất cả mọi người có sức khoẻ
và hạnh phúc.
Đại diện nhóm
Bùi Chí Kiên
i
TÓM TẮT ĐỒ ÁN
NGHIÊN CỨU, THIẾT KẾ VÀ CHẾ TẠO XE AGV ỨNG DỤNG XỬ LÍ ẢNH
Trên thị trường hiện nay, việc phát triển xe tự hành AGV (Automated Guided Vehicle) đã
mở ra một loạt các ứng dụng tiềm năng trong nhiều lĩnh vực khác nhau. Một trong những ứng
dụng đáng chú ý là sử dụng AGV để hỗ trợ mua sắm trong siêu thị thông qua việc thiết kế
robot chở hàng đi theo người. Robot chở hàng đi theo người trong siêu thị là một giải pháp
tiên tiến trong lĩnh vực dịch vụ và tự động hóa. Robot được thiết kế với cơ cấu di động trên
hai bánh vi sai, cho phép di chuyển linh hoạt và nhanh chóng trong khơng gian siêu thị. Chức
năng chính của robot là theo dõi và chở hàng hoá được mua trong siêu thị. Điều này đặc biệt
hữu ích đối với những người có khả năng vận động giới hạn như người lớn tuổi, người khuyết
tật hoặc những người không muốn vất vả mang giỏ hoặc đẩy xe siêu thị truyền thống.
Để đạt được mục tiêu này, nhóm nghiên cứu đã tiến hành một loạt các công việc. Đầu tiên,
họ đã tiến hành khảo sát không gian trong siêu thị để hiểu rõ u cầu kỹ thuật và mơi trường
hoạt động. Sau đó, họ đã thiết kế và xây dựng hệ thống cơ khí cho robot, bao gồm đế và khung
xe vững chắc, sử dụng vật liệu chất lượng cao như thép ss400 và thanh nhơm định hình. Động
cơ hành tinh planet có công suất tối đa 30W được sử dụng để đảm bảo sự mạnh mẽ và ổn định
trong quá trình di chuyển.
Robot cũng được trang bị camera kinect v2 để nhận dạng và đo khoảng cách giữa người
và robot. Sử dụng cơng nghệ trí tuệ nhân tạo (AI) và xử lý ảnh, robot có khả năng nhận diện
và theo dõi người một cách chính xác và liên tục. Hệ thống điều khiển của robot được xây
dựng trên vi xử lý STM32 và Jetson Nano, cho phép xử lý dữ liệu hình ảnh và cảm biến một
cách hiệu quả. ROS (Robot Operation System) cũng được áp dụng để quản lý và điều phối
các luồng dữ liệu phức tạp, cũng như lập trình trên nhiều ngơn ngữ.
Kết quả của dự án là nhóm đã chế tạo thành công một robot dịch vụ siêu thị có khả năng
bám theo người mua hàng. Robot có thể nhận diện và theo dõi người một cách chính xác và
ổn định. Tuy nhiên, để phát triển tiếp, nhóm đề xuất nâng cấp phần cứng để tích hợp thuật
tốn theo dõi người, đồng thời xử lý những tình huống đặc biệt khi mất dấu người, phát hiện
và tự động tránh vật cản. Nâng cấp tích hợp cảm biến lidar vào robot, giúp nó có khả năng tự
động tìm đường về vị trí ban đầu để sạc pin sau khi người dùng sử dụng xong. Để tăng tính
thẩm mỹ, linh hoạt và thân thiện với người dùng, phần cơ khí cũng cần được cải thiện.
Sinh viên thực hiện
Trịnh Tuấn Vũ
ii
ABSTRACT
RESEARCH, DESIGN AND FABRICATION OF AGV WITH IMAGE
PROCESSING APPLICATION
The smart shopping cart robot is an advanced solution in the field of service and
automation within supermarkets. It is designed with a differential drive mechanism on two
wheels, allowing for flexible and fast movement within the supermarket space. The main
function of the robot is to track and carry purchased items within the supermarket. This is
particularly useful for individuals with limited mobility such as the elderly, disabled
individuals, or those who prefer not to carry or push traditional shopping carts.
To achieve this goal, the research team has undertaken a series of tasks. Firstly, they
conducted a survey of the supermarket space to understand the technical requirements and
operating environment. Subsequently, they designed and built a robust mechanical system for
the robot, including a sturdy base and frame made of high-quality materials such as SS400
steel and extruded aluminum. A 30W maximum power planetary gear motor is used to ensure
strength and stability during the movement process.
The robot is equipped with a Kinect v2 camera for person recognition and distance
measurement between the person and the robot. Utilizing artificial intelligence (AI) and image
processing technology, the robot has the capability to accurately and continuously identify
and track individuals. The control system of the robot is built on STM32 and Jetson Nano
processors, enabling efficient processing of image and sensor data. The Robot Operating
System (ROS) is also employed to manage and coordinate complex data streams and facilitate
programming in multiple languages.
The outcome of the project is the successful development of a supermarket service robot
that can effectively track and follow shoppers. The robot demonstrates accurate and stable
person recognition and tracking capabilities. However, for further development, the team
proposes hardware upgrades to integrate person tracking algorithms and handle special
situations such as lost persons. Additionally, the robot can be enhanced by integrating lidar
sensors to autonomously navigate back to its initial position for recharging after user
interactions. Improvements in mechanical design are also suggested to enhance aesthetics,
flexibility, and user-friendliness.
iii
MỤC LỤC
NHIỆM VỤ ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP ................................................ Error! Bookmark not defined.
LỜI CAM KẾT ............................................................................... Error! Bookmark not defined.
LỜI CẢM ƠN ................................................................................................................................. i
TÓM TẮT ĐỒ ÁN ......................................................................................................................... ii
ABSTRACT .................................................................................................................................. iii
MỤC LỤC .....................................................................................................................................iv
DANH MỤC TỪ VIẾT TẮT..........................................................................................................xi
CHƯƠNG 1: GIỚI THIỆU .............................................................................................................. 1
1.1. Tính cấp thiết của đề tài ........................................................................................................ 1
1.2. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài ............................................................................... 1
1.3. Mục tiêu nghiên cứu của đề tài ............................................................................................. 2
1.4. Đối tượng và phạm vi nghiên cứu ......................................................................................... 2
1.4.1. Đối tượng nghiên cứu .................................................................................................... 2
1.4.2. Phạm vi nghiên cứu ....................................................................................................... 2
1.5. Phương pháp nghiên cứu ...................................................................................................... 3
1.5.1. Cơ sở phương pháp luận ................................................................................................ 3
1.5.2. Các phương pháp nghiên cứu cụ thể .............................................................................. 3
1.6. Kết cấu của ĐATN ............................................................................................................... 3
CHƯƠNG 2: TỔNG QUAN NGHIÊN CỨU ĐỀ TÀI ..................................................................... 4
2.1. Giới thiệu ............................................................................................................................. 4
2.1.1. Xu thế phát triển robot hiện nay. .................................................................................... 4
2.1.2. Giới thiệu về robot dịch vụ ............................................................................................ 4
2.1.3. Xe đẩy siêu thị thông minh ............................................................................................ 7
2.2. Các nghiên cứu liên quan đến đề tài ...................................................................................... 7
2.2.1. Các nghiên cứu ngoài nước............................................................................................ 7
2.2.2. Các nghiên cứu trong nước ............................................................................................ 9
CHƯƠNG 3: CƠ SỞ LÝ THUYẾT............................................................................................... 10
3.1. Các cơ cấu hoạt động phổ biến trong robot AGV ................................................................ 10
iv
3.2. Xử lí dữ liệu – Xử lí ảnh (2D, 3D) ..................................................................................... 11
3.2.1. Giới thiệu về thị giác máy, ảnh 2D............................................................................... 11
3.2.2. Thuật toán nhận diện đối tượng – bài toán Object detection ......................................... 12
3.2.3. Model SSD (Single Shot Detector) trong Object Detection ......................................... 14
3.3. Thị giác máy 3D ................................................................................................................. 18
3.3.1. Camera số ................................................................................................................... 18
3.3.2. Ảnh 3D........................................................................................................................ 19
3.4. Bộ điều khiển PID .............................................................................................................. 20
3.5. ROS (Robot Operation System) .......................................................................................... 21
3.5.1. ROS là gì ..................................................................................................................... 21
3.5.2. Lợi ích của ros cho robot: ............................................................................................ 22
3.5.3. Các khái niệm cơ bản trong ROS ................................................................................. 22
CHƯƠNG 4: CÁC GIẢI PHÁP THỰC HIỆN ĐỀ TÀI VÀ TÍNH TỐN THIẾT KẾ HỆ THỐNG
CƠ KHÍ ......................................................................................................................................... 24
4.1. Thông số thiết kế ................................................................................................................ 24
4.2. Phương hướng và giải pháp thực hiện ................................................................................. 25
4.2.1. Phương án 1 ................................................................................................................ 25
4.2.2. Phương án 2 ................................................................................................................ 26
4.3. Lựa chọn phương án ........................................................................................................... 27
4.4. Trình tự cơng việc tiến hành ............................................................................................... 28
4.5. Tính tốn lựa chọn động cơ ................................................................................................ 29
4.6. Tính tốn thiết kế bộ truyền đai .......................................................................................... 32
4.7. Thiết kế hình dạng robot .................................................................................................... 36
4.7.1. Thiết kế mặt đế, nắp đế, đế kê giỏ hàng và tấm đặt thiết bị cho robot ........................... 36
4.7.2. Thiết kế khung robot ................................................................................................... 38
4.7.3. Lựa chọn bánh xe cho robot ......................................................................................... 38
4.7.4. Lựa chọn vật liệu cho trục bánh xe .............................................................................. 40
4.7.5. Thiết kế 3D hệ thống cơ khí......................................................................................... 40
4.8. Tính tốn ứng suất, đường kính và dung sai cho trục bánh xe ............................................. 41
4.8.1. Tính tốn ứng suất ....................................................................................................... 41
4.8.2. Tính tốn dung sai cho trục bánh xe và ổ lăn ............................................................... 44
4.9. Tính tốn động học ............................................................................................................. 44
v
CHƯƠNG 5: TÍNH TỐN THIẾT KẾ HỆ THỐNG ĐIỆN VÀ THIẾT KẾ BỘ PI CHO ĐỘNG CƠ
...................................................................................................................................................... 49
5.1. Xây dựng hệ thống điện điều khiển ..................................................................................... 49
5.1.1. Sơ đồ khối hệ thống điều khiển .................................................................................... 49
5.1.2. Khối Nguồn ................................................................................................................. 50
5.1.3. Khối cảm biến (camera Kinect v2)............................................................................... 52
5.1.4. Khối điều khiển ........................................................................................................... 53
5.1.5. Cơ cấu chấp hành (Động cơ DC Servo) ....................................................................... 56
5.1.6. Khối xử lý dữ liệu chính .............................................................................................. 59
5.2. Thiết lập bộ điều khiển PI cho động cơ ............................................................................... 61
CHƯƠNG 6: XÂY DỰNG THUẬT TOÁN XỬ LÝ ẢNH ............................................................ 67
6.1. Nhiệm vụ thuật toán: .......................................................................................................... 67
6.2. Thuật toán phát hiện người: ................................................................................................ 68
6.3. Thiết lập node xử lý nhận diện người .................................................................................. 68
6.3.1. Xử lý dữ liệu từ camera và tìm distance giữa người và robot ....................................... 70
6.3.2. Xử lý dữ liệu để nhận dạng người và phân loại ............................................................ 72
6.3.3. Dùng dữ liệu đã được xác định để tìm alpha giữa robot và người ................................. 74
6.4. Thiết lập node “data_processing”........................................................................................ 75
6.5. Giải thuật dẫn hướng cho robot ........................................................................................... 75
CHƯƠNG 7: THỰC NGHIỆM VÀ ĐÁNH GIÁ ........................................................................... 78
7.1. Kết quả gia cơng cơ khí ...................................................................................................... 78
7.2. Kết quả thực nghiệm bộ điều khiển PI điều khiển tốc độ động cơ ....................................... 80
7.3. Kết quả việc thực nghiệm xử lý ảnh .................................................................................... 81
KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN PHÁT TRIỂN............................................................... 84
TÀI LIỆU THAM KHẢO ............................................................................................................. 85
PHỤ LỤC 1..................................................................................................................................... I
vi
DANH MỤC BẢNG BIỂU
Bảng 4.1 Hệ số ma sát lăn tham khảo ........................................................................................... 30
Bảng 4.2 Bảng thơng số tính tốn lựa chọn động cơ....................................................................... 31
Bảng 4.3 Bảng thơng số tính tốn đai sơ bộ ................................................................................... 35
Bảng 4.4 Bảng thơng số đai thực tế................................................................................................ 35
Bảng 4.5 Thông số các chi tiết gia cơng ......................................................................................... 36
Bảng 4.6 Bảng kí hiệu các thơng số tính tốn động học được sử dụng ........................................... 44
Bảng 7.1 Thông số của xe.............................................................................................................. 79
vii
DANH MỤC SƠ ĐỒ, HÌNH ẢNH
Sơ đồ 3.1 Sơ đồ các mối liên hệ giữa các tác vụ trong computer vision .........................................................14
Sơ đồ 3.2 Sơ đồ kiến trúc của mạng SSD ........................................................................................................16
Sơ đồ 3.3 Sơ đồ khối của một hệ kín có bộ PID ..............................................................................................20
Sơ đồ 5.1 Sơ đồ hệ thống điện..........................................................................................................................49
Sơ đồ 5.2 Sơ đồ khối điều khiển từ STM32 .....................................................................................................53
Sơ đồ 5.3 Sơ đồ khối xử lí dữ liệu chính ..........................................................................................................59
Sơ đồ 5.4 Sơ đồ hệ thống các node ..................................................................................................................60
Sơ đồ 5.5 Sơ đồ bộ điều khiển PI tốc độ động cơ ............................................................................................61
Sơ đồ 5.6 Sơ đồ khối bộ điều khiển PI tốc độ động cơ phải ............................................................................65
Sơ đồ 5.7 Sơ đồ khối bộ điều khiển PI tốc độ động cơ trái ..............................................................................65
Sơ đồ 6.1 Input và output của module xử lý ảnh ..............................................................................................67
Sơ đồ 6.2 Input và output của node “process_img” .........................................................................................69
Sơ đồ 6.3 Sơ đồ khối của Node “process_img” ...............................................................................................69
Sơ đồ 6.4 Sơ đồ khối của khối “Classifier” ......................................................................................................73
Sơ đồ 6.5 Input và output của node “data_processing” ....................................................................................75
Sơ đồ 6.6 Sơ đồ khối cho node “data_processing” ..........................................................................................76
Hình 2.1 WiiGo Retail – Robot dịch vụ trong siêu thị của công ty Follow Inspiration ở Bồ Đào Nha ............ 5
Hình 2.2 Hình ảnh minh họa Robot phục vụ thức ăn mèo Bella ....................................................................... 5
Hình 2.3 Robot giao hàng starship .................................................................................................................... 6
Hình 2.4 Robotic Shopping Cart ........................................................................................................................ 8
Hình 2.5 Robot di động ELI .............................................................................................................................. 8
Hình 2.6 Hình ảnh follobot ................................................................................................................................ 9
Hình 3.1 Nguyên lý hoạt động của cơ cấu vi sai ............................................................................................10
Hình 3.2 Cơ cấu điều khiển vơ lăng ................................................................................................................10
Hình 3.3 Cơ cấu điều khiển kết hợp ................................................................................................................11
Hình 3.4 Hình Thêm đỏ vào xanh lá cây tạo ra vàng; thêm vàng vào xanh lam ..............................................12
Hình 3.5 Phân loại chó mèo .............................................................................................................................13
Hình 3.6 Đồ thị so sánh hiệu suất của các mơ hình classification thơng dụng ................................................17
Hình 3.7 Zed 2 stereo camera ..........................................................................................................................18
Hình 3.8 Camera kinect v2 ..............................................................................................................................18
Hình 3.9 Camera kinect v1 ..............................................................................................................................19
Hình 3.10 Ví dụ về ảnh point cloud .................................................................................................................20
Hình 4.1 Hình ảnh lối đi trong siêu thị ............................................................................................................24
Hình 4.2 Hiệu suất của Jetson Nano khi chạy các mạng Machine Learning ...................................................26
viii
Hình 4.3 Hình phân tích lực tác động lên robot khi di chuyển.........................................................................29
Hình 4.4 Động cơ Planet 12-24VDC 30W .......................................................................................................31
Hình 4.5 Kích thước động cơ ..........................................................................................................................32
Hình 4.6 Đế và nắp đế .....................................................................................................................................37
Hình 4.7 Hình tấm kê giỏ hàng và tấm để thiết bị ............................................................................................37
Hình 4.8 Hình khung nhơm định hình ..............................................................................................................38
Hình 4.9 Hình bánh xe đa hướng .....................................................................................................................39
Hình 4.10 Hình bánh xe chủ động ....................................................................................................................39
Hình 4.11: Hình trục inox 304 trịn đặc ............................................................................................................40
Hình 4.12 Hình dáng và kích thước của robot..................................................................................................40
Hình 4.13 Biểu đồ tính tốn nội lực của trục ...................................................................................................42
Hình 4.14 Robot chuyển động thẳng ................................................................................................................45
Hình 4.15 Mơ tả chuyển động robot khi rẽ một cung ......................................................................................46
Hình 5.1 Ắc Quy Eagle Thái Lan YTS5s(GEL) 12V 5Ah ...............................................................................50
Hình 5.2 Sạc dự phịng 15000mah ...................................................................................................................51
Hình 5.3 Mơ đun hạ áp DC-DC 24V/12V To 5V 5A ......................................................................................51
Hình 5.4 Camera Kinect V2 .............................................................................................................................52
Hình 5.5 Cấu hình các chân được sử dụng .......................................................................................................54
Hình 5.6 Cấu tạo đơn giản cầu H ....................................................................................................................55
Hình 5.7 Các ký hiệu của mạch .......................................................................................................................55
Hình 5.8 Động cơ Planet DC Servo .................................................................................................................56
Hình 5.9 Điều chế độ rộng xung PWM ............................................................................................................57
Hình 5.10 Mơ tả cấu tạo cơ bản encoder tương đối .........................................................................................58
Hình 5.11 Máy tính nhúng Jetson Nano Developer Kit ..................................................................................61
Hình 5.12 Dữ liệu thu thập được về sự thay đổi tốc độ động cơ phải ..............................................................62
Hình 5.13 Giao diện System Identification Tool..............................................................................................63
Hình 5.14 Dữ liệu đã được nhập vào System Identification Tool ....................................................................63
Hình 5.15 Đồ thì biểu diễn sự thay đổi tốc độ động cơ (RPM) ứng với điện áp 24.3VDC theo thời gian (s) .64
Hình 5.16 Các thơng số hàm truyền tương đối động cơ phải tìm được............................................................64
Hình 5.17 Các thơng số hàm truyền tương đối động cơ phải tìm được............................................................65
Hình 6.1 Hệ trục tọa độ của camera .................................................................................................................70
Hình 6.2 Vị trí camera trên robot .....................................................................................................................70
Hình 6.3 Mơ tả hình học phép chiếu 3D ..........................................................................................................71
Hình 6.4 Mơ tả hình học phép chiếu 3D ..........................................................................................................74
Hình 6.5 Vị trí người so với robot ....................................................................................................................76
Hình 7.1 Hình tấm đế giỏ hàng và tấm nắp vỏ .................................................................................................78
Hình 7.2 Hình tấm đế .......................................................................................................................................78
ix
Hình 7.3 Hình tổng quát của xe ........................................................................................................................78
Hình 7.4 Xe khi hoạt động ...............................................................................................................................79
Hình 7.5 Kết quả thực nghiệm bộ PI khơng tải từng động cơ ..........................................................................80
Hình 7.6 Kết quả thực nghiệm bộ PI có tải từng động cơ ................................................................................81
Hình 7.7 Hình chỉ nhận diện người ..................................................................................................................81
Hình 7.8 Xử lý nhận diện áo màu.....................................................................................................................82
Hình 7.9 Trình xử lý nhận diện người mặc áo và có người khác .....................................................................82
Hình 7.10 Xử lý khi người cúi xuống lấy đồ ....................................................................................................83
Hình 7.11 Thực nghiệm xe chạy thực tế ..........................................................................................................83
x
DANH MỤC TỪ VIẾT TẮT
2D
2 Dimensions
3D
3 Dimensions
AGV
Automated Guided Vehicle
AI
Artificial Intelligence
CPU
Central Processing Unit
ĐATN
Đồ Án Tốt Nghiệp
GPU
Graphic Processing Unit
RGB
Red Green Blue
ROS
Revolution Per Minute
SSD
Single Shot Detector
xi
CHƯƠNG 1
CHƯƠNG 1: GIỚI THIỆU
1.1.
Tính cấp thiết của đề tài
Xe AGV (Automated Guided Vehicle) ngày càng phát triển và đa dạng ứng dụng trong
nhiều lĩnh vực khác nhau. Trong số đó, một trong những lĩnh vực nhóm đáng chú ý đã lựa
chọn xe AGV là lĩnh vực siêu thị, đặc biệt là xe AGV bám theo người trong siêu thị. Số người
lớn tuổi đang gia tăng trên toàn cầu, đặc biệt là trong các nền kinh tế phát triển. Với sự gia
tăng này, nhu cầu hỗ trợ và giúp đỡ người lớn tuổi trong các hoạt động hàng ngày, bao gồm
việc mua sắm, trở nên càng quan trọng hơn. Xe chở hàng đi theo người trong siêu thị là một
giải pháp hữu ích để đáp ứng nhu cầu di chuyển hàng hóa của của mọi người đặc biệt là người
lớn tuổi, người gặp khó khăn trong việc vận chuyển hàng hoá trong siêu thị.
Khả năng về đáp ứng nhu cầu mua sắm của người lớn tuổi: Người lớn tuổi thường gặp
khó khăn trong việc di chuyển và mang hàng hóa trong quá trình mua sắm. Xe chở hàng đi
theo người giúp giảm bớt gánh nặng vật lý và mệt mỏi cho người lớn tuổi, tạo điều kiện thuận
lợi hơn để họ tiến hành mua sắm.
Tiềm năng thị trường và lợi ích kinh tế: Với số lượng người lớn tuổi ngày càng tăng, việc
nghiên cứu và phát triển xe chở hàng đi theo người đáp ứng nhu cầu của nhóm khách hàng
này sẽ mở ra tiềm năng thị trường lớn. Siêu thị và các doanh nghiệp bán lẻ có thể tận dụng cơ
hội này để thu hút và duy trì khách hàng người lớn tuổi.
Với những lợi ích trên, đề tài có tính cấp thiết và đáng được quan tâm. Nó khơng chỉ giúp
giải quyết vấn đề vận chuyển hàng hóa cho người lớn tuổi nói riêng và khách hàng nói chung
một cách hiệu quả, mà còn đem lại trải nghiệm mới lạ, thú vị cái mà rất quan trọng trong xã
hội hiện đại.
1.2.
Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài
Ý nghĩa khoa học:
Nghiên cứu này đòi hỏi việc tiếp cận đa ngành, bao gồm cơ khí, điện tử, lập trình, xử lí
ảnh. Sự kết hợp của các lĩnh vực này giúp đẩy mạnh sự đổi mới và phát triển công nghệ trong
việc thiết kế và chế tạo xe chở hàng đi theo người, đáp ứng nhu cầu đặc biệt của người lớn
tuổi cũng như nhu cầu trải nghiệm của mọi người. Hiểu rõ yêu cầu, thực tế và hạn chế của
người lớn tuổi trong việc mua sắm, nhằm đưa ra các giải pháp tối ưu cho việc vận chuyển
hàng hóa. Điều này địi hỏi phân tích sâu về tư duy thiết kế, tính tốn trọng lượng, cân bằng
và an toàn để đảm bảo sự thuận tiện và an toàn cho người sử dụng.
1
CHƯƠNG 1
Ý nghĩa thực tiễn:
Đề tài mang lại giá trị thực tế bằng cách đáp ứng nhu cầu của người lớn tuổi và trải nghiệm
mới lạ cho khách hàng trong việc mua sắm. Xe chở hàng đi theo người giúp giảm bớt khó
khăn và trở ngại cho người lớn tuổi khi đi mua sắm, tăng cường sự độc lập và tự chủ cho họ
cũng như đem lại nhiều trải nghiệm mới lạ cho mọi người.
Sự tiện lợi và linh hoạt của xe chở hàng đi theo người cũng có thể tăng doanh số bán hàng
và đóng góp vào lợi ích kinh tế của các doanh nghiệp.
Sản phẩm và công nghệ được phát triển từ đề tài có thể áp dụng rộng rãi trong các siêu thị
và các khu mua sắm với điều kiện ánh sáng đủ tốt, tạo ra môi trường thuận lợi cho việc mua
sắm và tăng cường trải nghiệm của khách hàng, đặc biệt là người lớn tuổi.
1.3.
Mục tiêu nghiên cứu của đề tài
Nghiên cứu và hiểu rõ hơn về nhu cầu, yêu cầu đặc biệt của người gặp khó khăn trong
việc di chuyển hàng hố trong siêu thị và nhu cầu về sự tiện lợi cho người mua khi mua sắm.
Xây dụng hệ thống cơ khí của robot, hệ thống điện điều khiển, xử lí dữ liệu từ camera,
giúp robot nhận biết người. Tạo ra một giải pháp thơng minh, an tồn và tiện lợi cho việc vận
chuyển hàng hóa trong siêu thị.
Thực nghiệm và đưa ra kết quả, định hướng phát triển cho đề tài.
1.4.
Đối tượng và phạm vi nghiên cứu
1.4.1. Đối tượng nghiên cứu
Đối tượng nghiên cứu của đề tài là nhóm người có nhu cầu mua sắm, đặc biệt là những
người lớn tuổi và hạn chế trong khả năng vận chuyển khi mua sắm trong siêu thị. Nhóm tập
trung vào việc hiểu và đáp ứng tốt nhất các nhu cầu của đối tượng này để phát triển robot tự
động di chuyển trong siêu thị, giúp họ trải nghiệm mua sắm một cách thuận tiện và dễ dàng
hơn.
1.4.2. Phạm vi nghiên cứu
Nhóm sẽ nghiên cứu tạo ra một hệ thống xe chở hàng linh hoạt hoạt động chủ yếu trên
nền gạch phẳng, môi trường có ánh sáng tốt và dễ sử dụng. Robot được chế tạo để bám theo
người mặc áo chuyên dụng của nhóm. Có thể chở được hàng hóa trong siêu thị lớn.
Nhóm tập trung vào việc phát hiện vật cản và tạo ra cảnh báo hoặc dừng để tránh va chạm.
Robot sẽ không thực hiện chức năng tự động né vật cản.
2
CHƯƠNG 1
Khơng tích hợp tính năng quay về vị trí cũ và sạc pin tự động. Nhóm tập trung vào các
tính năng cơ bản.
Nghiên cứu và thử nghiệm của đề tài sẽ tập trung vào môi trường giống một phần của siêu
thị, với các điều kiện và địa hình đơn giản để đảm bảo tính thực tế và khả thi.
1.5.
Phương pháp nghiên cứu
1.5.1. Cơ sở phương pháp luận
-
Nghiên cứu tài liệu.
Khảo sát.
-
Thiết kế và mô phỏng.
Thử nghiệm và đánh giá.
1.5.2. Các phương pháp nghiên cứu cụ thể
Nghiên cứu và phân tích các tài liệu liên quan, bao gồm các nghiên cứu trước đây, sách,
bài báo, báo cáo và thông tin trực tuyến để hiểu rõ hơn về lĩnh vực nghiên cứu, các vấn đề
liên quan và các giải pháp đã được đề xuất.
Tiến hành các cuộc khảo sát hoặc điều tra để thu thập dữ liệu về thông số và tiêu chuẩn
kỹ thuật, yêu cầu và mong muốn của người lớn tuổi trong việc mua sắm và vận chuyển hàng
hóa.
Sử dụng các công cụ thiết kế và mô phỏng để tạo ra các mơ hình ảo và thiết kế các giải
pháp xe chở hàng đi theo người. Các phần mềm thiết kế 2D và 3D có thể được sử dụng để
tính tốn và mơ phỏng.
Tiến hành thử nghiệm thực tế hoặc mô phỏng các giải pháp được thiết kế, và sau đó đánh
giá hiệu quả, tính khả thi và sự thích hợp của chúng dựa trên tiêu chí đã được xác định trước
đó.
1.6.
Kết cấu của ĐATN
Nội dung nghiên cứu ĐATN của nhóm bao gồm 7 chương, trong đó:
-
Chương 1: Giới thiệu
-
Chương 2: Tổng quan nghiên cứu đề tài.
Chương 3: Cơ sở lý thuyết
Chương 4: Phương hướng các giải pháp thực hiện đề tài và tính tốn thiết kế hệ thống
-
cơ khí.
Chương 5: Tính tốn thiết kế hệ thống điện và bộ điều khiển PI cho động cơ
Chương 6: Xây dựng thuật tốn xử lí ảnh
3
CHƯƠNG 1
-
Chương 7: Thực nghiệm và đánh giá
5
CHƯƠNG 2
CHƯƠNG 2: TỔNG QUAN NGHIÊN CỨU ĐỀ TÀI
2.1.
Giới thiệu
2.1.1. Xu thế phát triển robot hiện nay.
Xu thế phát triển robot hiện nay đang đi theo hướng đa dạng hóa và tiến bộ. Các robot
ngày càng trở nên thông minh hơn, có khả năng học hỏi và tương tác với con người một cách
tự nhiên. Trí tuệ nhân tạo đang được tích hợp để tạo ra robot có khả năng nhận biết, phân tích
thơng tin và ra quyết định. Robot cũng đang phát triển để làm việc cùng con người, tạo ra sự
hợp tác và tương tác an tồn.
Robot khơng chỉ xuất hiện trong các hoạt động sản xuất, nhà máy, dây chuyền lắp ráp mà
ngày càng gần gũi với con người; đặc biệt là các dạng robot dịch vụ như robot hút bụi, robot
phục vụ trong nhà hàng, khách sạn, robot tư vấn, chỉ dẫn ở bệnh viện,... Điều này tạo ra một
môi trường sống và làm việc tiện nghi, hiệu quả và tạo ra những trải nghiệm mới cho con
người. Từ việc di chuyển linh hoạt đến tương tác xã hội, robot ngày càng trở thành một phần
không thể thiếu trong cuộc sống hiện đại và mở ra nhiều triển vọng trong tương lai.
Các loại robot đang là xu thế phát triển hiện nay:
Trí tuệ nhân tạo (Artificial Intelligence - AI).
Robot hợp tác với con người (Human-Robot Collaboration).
Robot dịch vụ (Service Robotics).
Robot di động và đa năng (Mobile and Versatile Robots).
Robot trong công nghiệp (Industrial Robotics).
2.1.2. Giới thiệu về robot dịch vụ
Robot dịch vụ (Service Robotics): Sự gia tăng của robot dịch vụ đang mở ra nhiều tiềm
năng ứng dụng trong các lĩnh vực như y tế, giáo dục, du lịch, khách sạn, v.v. Robot dịch vụ
có thể đáp ứng nhu cầu của con người trong các tác vụ như hỗ trợ và chăm sóc, giao tiếp và
hướng dẫn, vận chuyển và phục vụ, mang lại sự tiện lợi và tăng cường trải nghiệm người
dùng.
4
CHƯƠNG 2
Hình 2.1 WiiGo Retail – Robot dịch vụ trong siêu thị của công ty Follow
Inspiration ở Bồ Đào Nha [12]
Được thiết kế bởi Follow Inspiration, một công ty khởi nghiệp của Bồ Đào Nha được
thành lập vào năm 2012, wiiGo là một giỏ hàng tự điều khiển, giúp khách hàng bị suy giảm
khả năng di chuyển mua sắm tại các siêu thị lớn. Vào cuối năm 2016, wiiGo đã có buổi giới
thiệu đầu tiên tại Pháp với chuỗi siêu thị Les Mousquetaires, tại các cửa hàng Intermarket và
Bricomarket ở Auxonnes, gần Dijon và tại các siêu thị lớn Auchan.
Hình 2.2 Hình ảnh minh họa Robot phục vụ thức ăn mèo Bella [19]
Robot mèo BellaBot không phải là thiết bị PuduTech duy nhất như vậy. Năm ngoái, các
kỹ sư Trung Quốc đã phá triển robot phục vụ PuduBot với ít biểu cảm hơn. Thiết bị nặng
5
CHƯƠNG 2
30kg, tương tự thiết kế của BellaBot, chứa từ 3 – 5 khay với khả năng chuyên chở 10kg mỗi
khay. Nó tích hợp pin kéo dài tới 24h khi hoạt động liên tục, và được sạc đầy trong 4h. Robot
chỉ mất 120 phút để lập bản đồ căn phịng.
Hình 2.3 Robot giao hàng starship [13]
Robot giao hàng Starship là một hệ thống giao hàng tự động của công ty Starship
Technologies. Với hình dáng nhỏ gọn và khả năng tự điều hướng, nó có thể di chuyển an tồn
trên đường phố và vỉa hè. Robot này được sử dụng để giao hàng trong các khu vực đô thị và
trường đại học, mang lại sự tiện lợi và tốc độ cho q trình giao hàng.
Lợi ích của robot dịch vụ:
Tăng hiệu suất và năng suất làm việc: Robot dịch vụ có thể làm việc liên tục mà khơng
mệt mỏi hay giảm hiệu suất. Điều này giúp tăng năng suất công việc và giảm thời gian hồn
thành.
Giảm chi phí nhân cơng: Sử dụng robot dịch vụ giảm sự phụ thuộc vào lao động con người,
giúp tiết kiệm chi phí nhân cơng và tăng tính cạnh tranh.
Cải thiện chất lượng dịch vụ: Robot dịch vụ thực hiện các tác vụ một cách chính xác và
nhất quán, giúp cải thiện chất lượng dịch vụ và đáp ứng yêu cầu của khách hàng.
Tăng tính an tồn: Robot dịch vụ có thể thực hiện các tác vụ nguy hiểm hoặc căng thẳng
mà không đặt con người vào nguy cơ. Điều này giúp tăng tính an toàn và giảm nguy cơ tai
nạn lao động.
6
CHƯƠNG 2
Trải nghiệm khách hàng tốt hơn: Robot dịch vụ cung cấp trải nghiệm tiện lợi và tốt hơn
cho khách hàng. Chúng có thể phục vụ 24/7, khơng gặp các ràng buộc thời gian và mang lại
sự tiện lợi và linh hoạt cho khách hàng.
Một số hạn chế:
Hạn chế trong tương tác con người: Robot dịch vụ chưa thể tương tác và giao tiếp một
cách tự nhiên và linh hoạt như con người, dẫn đến khó khăn trong việc hiểu và đáp ứng đúng
yêu cầu của người dùng.
Hạn chế về đa nhiệm: Một số robot dịch vụ chỉ có thể thực hiện một nhiệm vụ cụ thể và
không linh hoạt trong việc thay đổi và thích ứng với các tình huống mới.
Hạn chế về linh hoạt: Một số robot dịch vụ gặp khó khăn trong việc di chuyển trên các
mặt địa hình phức tạp hoặc vượt qua các chướng ngại vật, giới hạn sự ứng dụng của chúng
trong các môi trường đa dạng.
Hạn chế về hiệu suất và độ tin cậy: Robot dịch vụ có thể gặp khó khăn trong việc xử lý
các tình huống phức tạp và đưa ra quyết định chính xác, và đơi khi có thể gây ra lỗi hoặc hỏng
hóc.
2.1.3. Xe đẩy siêu thị thơng minh
Xe đẩy siêu thị thông minh là một dạng robot dịch vụ trong siêu thị. Robot có chức năng
chính là bám theo người để chứa hàng hoá được mua trong các siêu thị lớn, trung tâm thương
mại. Với tính năng bám theo người, robot này có khả năng tự động di chuyển theo người
dùng. Với khả năng tự động di chuyển và chứa hàng hố, nhóm mong muốn có thể giúp người
lớn tuổi tiết kiệm sức lực và tránh gánh nặng vận chuyển hàng hóa, đem lại sự tiện lợi và giúp
người lớn tuổi có trải nghiệm mua sắm dễ dàng hơn, giúp giảm bớt khó khăn và mệt mỏi trong
q trình đi lại và vận chuyển hàng hóa.
2.2.
Các nghiên cứu liên quan đến đề tài
2.2.1. Các nghiên cứu ngoài nước
Trên thế giới, có nhiều nghiên cứu và phát triển về xe đẩy hàng trong siêu thị nhằm tăng
cường hiệu suất và tiện ích cho q trình mua sắm. Dưới đây là một số nghiên cứu đáng chú
ý:
7
CHƯƠNG 2
Hình 2.4 Robotic Shopping Cart [5]
"Robotic Shopping Cart" của hãng Five Elements Robotics: Hãng Five Elements Robotics
đã nghiên cứu và phát triển một loại xe đẩy tự động có khả năng di chuyển theo người dùng
và chứa hàng hoá trong siêu thị. Xe đẩy này cũng có khả năng tương tác giọng nói và thực
hiện các tác vụ đơn giản.
Hình 2.5 Robot di động ELI [22]
Robot di động ELI hoạt động như một giỏ mua hàng thơng minh: nó có thể đi theo Khách
hàng xung quanh cửa hàng trong khi người này đang chọn sản phẩm, nó có thể hướng dẫn
8
CHƯƠNG 2
Khách hàng vị trí của sản phẩm và cũng cho phép thanh toán tự động, trong số các chức năng
khác.
ELI tích hợp các cảm biến nhận dạng giọng nói của con người và các cảm biến khác cho
phép tránh chướng ngại vật. Theo cách đó, nó có thể đi theo người tiêu dùng và điều hướng
một cách tự động. Bằng màn hình tích hợp của nó, người tiêu dùng có thể chọn các sản phẩm
quan tâm và robot sẽ hướng dẫn họ đến với chúng.
Các tính năng khác bao gồm, tìm vị trí của ơ tơ trong bãi đậu xe và xác minh thông tin
mua hàng, chẳng hạn như phiếu giảm giá hoặc thời hạn mua hàng.
2.2.2. Các nghiên cứu trong nước
Hiện nay robot dịch vụ trong siêu thị ở Việt Nam chưa được nghiên cứu, chế tạo nhiều.
Dưới đây là sản phầm của nhóm sinh viên Khoa cơ khí chế tạo máy, trường Đại Học Sư Phạm
Kỹ Thuật Tp.HCM nghiên cứu và chế tạo.
Hình 2.6 Hình ảnh follobot [15]
Robot có tên là followbot, ứng dụng AI,thuật tốn xử lí ảnh, xử lý 3D, giúp robot nhận
diện được người, vùng nền và thuật toán điều khiển quỹ đạo chuyển động của robot. Robot
hồn thiện với kích thước nhỏ gọn 506 x 466 x 680mm (dài x rộng x cao), khối lượng 18.5Kg,
tốc độ hoạt động tối đa 0.7 m/s, tải trọng tối đa 15Kg, đặc biệt rất dễ sử dụng chỉ với thao tác
một nút nhấn. Robot cơ bản có thể bám theo người để chứa hàng hố cho họ, nó chưa phân
biệt được nhiều người
9
CHƯƠNG 3
CHƯƠNG 3: CƠ SỞ LÝ THUYẾT
3.1.
Các cơ cấu hoạt động phổ biến trong robot AGV
Robot dịch vụ với cơ cấu di động thường có cấu hình của robot di động trên bánh
xe (cơ cấu hai bánh vi sai) do thuận lợi trong việc điều khiển. Với cơ cấu này, robot
dễ dàng di chuyển trên nền gạch phẳng trong nhà như nhà hàng, khách sạn, siêu thị.
Hình 3.1 Nguyên lý hoạt động của cơ cấu vi sai [20]
Kiểm soát tốc độ vi sai là phương pháp lái AGV phổ biến nhất. Nó sử dụng hai bánh dẫn
động độc lập, mỗi bánh được dẫn động ở cùng tốc độ để đi thẳng hoặc ở các tốc độ khác nhau
để rẽ.
Hình 3.2 Cơ cấu điều khiển vô lăng [20]
Điều khiển vô lăng là một phương pháp phổ biến khác được sử dụng chủ yếu trong các
phương tiện ba bánh như xe nâng hàng. Trong cơ cấu này, bánh xe truyền động cũng là bánh
xe quay. Một tổ hợp động cơ và bộ mã hóa gia tăng được sử dụng cho chuyển động tiến và
lùi, trong khi tổ hợp động cơ thứ hai và bộ mã hóa gia tăng được sử dụng để lái. Cách tiếp
cận này cung cấp đường dẫn tốt hơn và cung cấp chuyển hướng rất trơn tru. Ngoài ra, không
giống như AGV điều khiển vi sai, phương tiện điều khiển vơ lăng cũng có thể được sử dụng
để kéo.
10
CHƯƠNG 3
Hình 3.3 Cơ cấu điều khiển kết hợp [20]
Loại AGV thứ ba kết hợp các phương pháp điều khiển vi sai và lái. Hai động cơ lái/truyền
động độc lập với bộ mã hóa gia tăng phù hợp được đặt ở các góc chéo của AGV. Bánh xe
xoay được đặt ở các góc đối diện. Điều này cho phép xe rẽ theo hình vịng cung. Nó cũng có
thể di chuyển ngang hoặc theo bất kỳ hướng nào và nó có thể lái ở chế độ vi sai theo bất kỳ
hướng nào.
Dựa vào việc phân tích các cơ cấu hoạt động trên nhóm đã quyết định lựa chọn cơ cấu vi
sai với 2 bánh chủ động và 2 bánh bị động, nhằm điều khiển dễ dàng với góc xoay đa dạng
và khả năng chịu tải . Hai bánh chuyển động bởi 2 động cơ vì vậy nó có thể quay khơng đồng
tốc và không cần thiết kế cơ cấu lái. Đồng thời ở các nhà hàng hiện nay cũng đang sử dụng
cơ cấu này. Vì thế việc đưa cơ cấu này để sử dụng là hồn tồn hợp lý.
3.2.
Xử lí dữ liệu – Xử lí ảnh (2D, 3D)
3.2.1. Giới thiệu về thị giác máy, ảnh 2D
Thị giác máy tính là một lĩnh vực của trí tuệ nhân tạo liên quan đến việc máy tính có khả
năng nhận diện, phân tích và hiểu các hình ảnh và video tương tự như con người. Nó kết hợp
các phương pháp và thuật tốn trong xử lý hình ảnh, phân loại, nhận dạng đối tượng, theo dõi
chuyển động và trích xuất thơng tin từ hình ảnh và video.
Ảnh màu RGB
Không gian màu RGB là một hệ thống màu rất phổ biến được sử dụng trong đồ họa máy
tính và nhiều thiết bị kỹ thuật số khác. Nó dựa trên ý tưởng của việc kết hợp ba màu sắc cơ
bản là đỏ (R, Red), xanh lục (G, Green) và xanh lam (B, Blue).[16]
Trong không gian màu RGB, mỗi màu sắc được biểu diễn bằng một giá trị từ 0 đến 255
cho mỗi kênh màu (R, G, B). Kết hợp các giá trị này, ta có thể tạo ra hàng triệu màu sắc khác
nhau bằng cách điều chỉnh độ sáng và tỷ lệ của ba kênh màu.Hệ thống RGB thường được sử
11
