Thiết kế hệ thống định vị cho robot trong nhà

TRƯỜNG ĐẠI HỌC DUY TÂN
KHOA ĐIỆN- ĐIỆN TỬ

Đặng Hoàng Long

THIẾT KẾ HỆ THỐNG ĐỊNH VỊ CHO ROBOT
TRONG NHÀ

ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP ĐIỆN TỰ ĐỘNG

ĐÀ NẴNG, 2022


TRƯỜNG ĐẠI HỌC DUY TÂN
KHOA ĐIỆN- ĐIỆN TỬ

ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP

THIẾT KẾ HỆ THỐNG ĐỊNH VỊ CHO ROBOT
TRONG NHÀ
Chuyên ngành: Điện tự động
GVHD: PGS.TS HÀ ĐẮC BÌNH
SVTH: ĐẶNG HỒNG LONG
LỚP: K24 EDT2
MSSV: 24211702455

ĐÀ NẴNG, 2022


MỤC LỤC
LỜI MỞ ĐẦU .............................................................................................................. 1

PHẦN MỞ ĐẤU ......................................................................................................... 2
1. Tính cấp thiết của đề tài: ....................................................................................... 2
2. Mục tiêu nghiên cứu: ............................................................................................ 2
3. Đối tượng phạm vi, phương pháp nghiên cứu: ...................................................... 2
CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ ĐỀ TÀI .................................................................... 4
1.1. Giới thiệu chung về hệ thống định vị cho robot trong nhà: ................................. 4
1.2.1 Phương pháp dead-reckoning: ...................................................................... 5
1.2.2 Hệ thống dẫn đường cột mốc chủ động:........................................................ 5
1.2.3 Phương pháp định vị sử dụng bản đồ: ................................................. 6
1.3. Ưu nhược điểm của các hệ thống hiện nay: ........................................................ 7
1.3.1. Ưu điểm: ..................................................................................................... 7
1.3.2. Nhược điểm: ................................................................................................ 7
1.4. Vấn đề tồn tại liên quan đến hệ thống hiện nay: ................................................. 7
1.4.1. Phân tích về yếu tố kĩ thuật của các hệ thống: .............................................. 7
1.4.2 Phân tích về điều kiện triển khai: .................................................................. 8
CHƯƠNG 2: THIẾT KẾ HỆ THỐNG ĐỊNH VỊ CHO ROBOT TRONG NHÀ ........ 10
2.1 Thiết kế hệ thống: ............................................................................................. 10
2.1.1 Sơ đồ khối của hệ thống: ............................................................................ 10
2.1.2 Phân tích chức năng các khối:..................................................................... 10
2.1.3. Nguyên lí hoạt động của hệ thống:............................................................. 11
2.2. Thiết kế phần cứng ( xây dựng mơ hình robot dị đường ): ............................... 12
2.2.1 Cấu trúc cơ khí của robot:........................................................................... 12
2.2.2. Tính tốn lựa chọn linh kiện: ..................................................................... 14
2.3. Thiết kế phần mềm: ......................................................................................... 30
2.3.1 Lưu đồ thuật toán của hệ thống:.................................................................. 30
2.3.2 Mơ tả thuật tốn: ........................................................................................ 31
2.3.3 Mơ tả ngơn ngữ lập trình: ........................................................................... 35
CHƯƠNG 3: THỬ NGHIỆM VÀ THẢO LUẬN ...................................................... 36
3.1 Mô tả môi trường thử nghiệm: .......................................................................... 36
3.2. Các kịch bản thử nghiệm: ............................................................................. 36

3.3. Mô tả các thông số đo: ..................................................................................... 36


3.4. Kết quả thử nghiệm và thảo luận: ................................................................... 37
KẾT LUẬN VÀ THẢO LUẬN HƯỚNG PHÁT TRIỂN .......................................... 47
TÀI LIỆU THAM KHẢO.......................................................................................... 48
PHỤ LỤC .................................................................................................................. 49


LỜI MỞ ĐẦU
Ngày nay trong đời sống có rất nhiều cơng việc do tính chất cơng việc nặng
nhọc, mơi trường làm việc khó khăn độc hại rất nguy hiểm và tác hại trực tiếp đối
với con người. Một số nơi địa hình q khó khăn để di chuyển (vùng rừng núi, sa
mạc, vùng có lở núi, động đất, vùng bị cháy rừng, vùng nhiễm phóng xạ, khu vực bị
khủng bố…). Ở những nơi này con người rất cần tới sự hỗ trợ của robot. Với mơ
hình robot đa năng có sự tuỳ biến cao, dễ lắp đặt và vận chuyển, được thiết kế và lập
trình từ máy tính cá nhân, robot có thể làm việc độc lập theo chu trình được cài đặt
sẵn hoặc theo sự điều khiển từ xa qua vơ tuyến từ người điều khiển, tính chất và
cơng việc cụ thể được thay đổi dễ dàng, khả năng kết nối với các thiết bị chuyên
dụng linh hoạt. Robot có kích thước tương đối và làm việc được trong nhiều mơi
trường khắc nghiệt về thời tiết, khí hậu độc hại và nguy hiểm đối với con người.
Ngoài ra robot có thể được thiết kế cho phù hợp với các cơng việc mang tính chất tự
động hố cao, có thể ứng dụng vào các dây chuyền sản xuất tự động ở các nhà máy,
xí nghiệp, các khu cơng nghiệp, khu chế xuất…
Sau thời gian hơn 4 năm học và tập nghiên cứu tại Trường Đại Học Duy Tân
em đã được giao đề tài đồ án tốt nghiệp với nội dung: “Thiết kế hệ thống định vị
cho robot trong nhà ”. Với sự giúp đỡ ủng hộ của các thầy cô giáo, các bạn bè, gia
đình cũng như sự nỗ lực của bản thân đến nay em đã hoàn thành bản đồ án với đầy
đủ nội dung của đề tài.
Cuối cùng em xin gửi lời cảm ơn tới các thầy cô giáo, các cán bộ giảng dạy

thuộc Trường đại học Duy Tân, và đặc biệt em xin bày tỏ lòng biết ơn và cảm ơn sâu
sắc tới thầy giáo hướng dẫn khoa học PGS.TS.Hà Đắc Bình đã trang bị kiến thức, chỉ
bảo và động viên em trong suốt thời gian qua.

1


PHẦN MỞ ĐẤU
1. Tính cấp thiết của đề tài:
Hiện nay hầu hết các thiết bị robot và dây chuyền tự động hố được sử dụng
trong các ngành cơng nghiệp sản xuất và chế biến đều được nhập từ nước ngoài rất đắt
tiền. Trong khi nhu cầu ở nước ta đang rất cao và trong nước có khả năng chế tạo sản
xuất để phù hợp với điều kiện làm việc ở Việt Nam. Lĩnh vực thiết kế, chế tạo robot và
các thiết bị điều khiển tự động rất mới mẻ và có tiềm năng rộng lớn khơng những ở
trong nước mà còn cả trên thế giới. Việc thâm nhập, nghiên cứu và chế tạo một số mơ
hình điều khiển tự động như robot thơng minh, robot thăm dị, robot sản xuất là một
hướng cần thiết nhằm rút ngắn khoảng cách giữa khoa học công nghệ trong nước và
trên thế giới trong lĩnh vực này.
Có một số sự khác biệt quan trọng giữa các yêu cầu của việc lắp đặt robot cố
định truyền thống với các yêu cầu của các hệ thống robot di động. Một trong những
mối quan tâm hàng đầu là sự không biết trước môi trường vận hành của robot di động.
Đối với các hệ thống robot cố định, người ta thường xây dựng (thiết kế) một không
gian làm việc nhỏ để thực hiện công việc và robot cố định thường thực hiện các công
việc lặp đi lặp lại trong môi trường xác định trước. Đối với các hệ thống robot di động,
việc nhận biết được môi trường làm việc là một yếu tố quyết định tới các “hành động”
của robot, chỉ khi nhận biết được đầy đủ các thơng tin về mơi trường xung quanh thì
robot di động mới có thể thích ứng được trong các mơi trường làm việc khác nhau.
Theo khái niệm, robot di động phải có một số bộ phận chuyển động. Chuyển động có
thể dưới dạng bánh xe, chân, cánh hoặc một số cơ cấu khác. Việc lựa chọn cơ cấu
chuyển động là dựa vào chức năng của robot và các công việc của robot cần phải thực

hiện. Trong nhiều môi trường làm việc cơng nghiệp, bánh xe là dạng chuyển động
thích hợp nhất. Đối với các hệ thống nghiên cứu ứng dụng khác, chân hoặc cánh có thể
giúp cho robot di động chuyển động được trên địa hình mà robot khơng có khả năng đi
qua. Vì vậy đề tài “ Thiết kế hệ thống định vị cho robot trong nhà ” mang tính cấp
thiết và có ý nghĩa rất quan trọng điều kiện tình hình kinh tế - xã hội ở Việt Nam hiện
nay.

2. Mục tiêu nghiên cứu:
 Xây dựng một hệ thống giúp robot định vị khi di chuyển trong tòa nhà.
 Thử nghiệm và đánh giá kết quả trên robot dò đường ( hoặc mơ phỏng trên
phần mềm matlab)
 Mơ hình mang tính thực tế.

3. Đối tượng phạm vi, phương pháp nghiên cứu:
3.1. Đối tượng nghiên cứu:
Hệ thống định vị cho robot trong nhà.

2


3.2. Phạm vi nghiên cứu:
Hệ thống định vị được nghiên cứu nhằm mục đích: Nghiên cứu về hệ thống
định vị cho robot trong nhà.

3.3 Phương pháp nghiên cứu:
Để giải quyết được những vấn đề của đề tài đặt ra, sử dụng các phương pháp
nghiên cứu sau đây:
 Tìm hiểu về nghiên lý hoạt động của robot di chuyển trong nhà.
 Tìm hiểu về các phương pháp định vị cho robot trong nhà.
 Thiết kế và lắp đặt mạch điện tử cho khung robot dị đường.

 Lập trình điều khiển và giải thuật tìm đường đi cho robot.
 Tính tốn đo đạc các thông số nghiên cứu và thông số thực tế.
 Đánh giá hiệu quả của giải thuật.

4. Kế hoạch thực hiện: Từ ngày 20/08/2022 đến ngày 30/11/2022
 Bước 1: Tìm hiểu về phương pháp định vị cho robot trong nhà.
 Bước 2: Thu thập các dữ liệu liên quan.
 Bước 3: Tìm hiểu về ngun lí làm việc.
 Bước 4: Lên ý tưởng về thiết kế mạch điều khiển cho robot.
 Bước 5: Thi công lắp đặt mạch điện tử.
 Bước 6: Vận hành, thử nghiệm đánh giá giải thuật thực tế.
 Bước 7: Thu thập dữ liệu thực tế.
 Bước 8: Chỉnh sửa và hoàn thành hệ thống định vị.

5. Nội dung thực hiện: Đồ án được chia làm 3 chương với các nội dung sau:
 Chương 1: Tổng quan về đề tài: trình bày tổng quan khái niệm và các
phương pháp tổng phương pháp định vị robot ở môi trường trong nhà.
 Chương 2: Thiết kế hệ thống định vị: trình bày về quá trình thiết kế hệ thống
và chế tạo một robot dò đường.
 Chương 3: Thử nghiệm và thảo luận về hệ thống định vị cho robot trong nhà:
Thử nghiệm cho robot hoạt động, đo đạc thông số kĩ thuật giữa hệ thống so với
thực tế và đưa ra kết luận.

3


CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ ĐỀ TÀI
1.1. Giới thiệu chung về hệ thống định vị cho robot trong nhà:
Trong những năm gần đây, robot di động được nghiên cứu và ứng dụng vào
nhiều lĩnh vực đa dạng khác nhau như: vận chuyển hàng hóa, cứu hộ, thám hiểm. Sự

phát triển của lĩnh vực robot không chỉ dựa trên sự phát triển các giải pháp về phần
cứng mà còn phụ thuộc vào khả năng tương thích của phần mềm. Ngày nay, với sự
phát triển của các hệ thống thông minh, việc ứng dụng các mã nguồn mở để phát triển
hệ thống có ý nghĩa quan trọng, phát huy được sức mạnh của cộng đồng khoa học nhờ
đặc tính kế thừa khi cần cầu tái sử dụng lại các thông tin đã tạo trước đó. Do đó, hệ
điều hành dành cho robot đang được phát triển và ứng dụng rộng rãi trong những năm
gần đây. Hệ điều hành ROS hay hệ điều hành dành cho robot, là một giải pháp dành
cho robot bao gồm các thư viện và công cụ để điều khiển, có các quy định chung trong
việc thiết lập hay giao tiếp giữa các chương trình lần nhau. ROS là một hệ điều hành
mã nguồn mở được phát triển và cập nhật trong nhiều năm qua, nhằm mục đích phát
triển cơng đồng robot, do đó giúp người dùng có thể khai thác những mã nguồn được
chia sẻ để phát triển các thuật tốn hay tích hợp xây dựng robot. Ngơn ngữ lập trình
được sử dụng là các ngơn ngữ phổ biến như C và Python. Trong ROS, hệ thống được
tổ chức gồm nhiều node hoạt động cùng nhau và có cơ chế giao tiếp được quy định để
truyền nhận dữ liệu. Bên cạnh đó, mỗi node có thể được lập trình với các ngơn ngữ
khác nhau, cho phép người dùng có thể sử dụng đa ngơn ngữ phù hợp với hệ thống
thiết kế.
Các bài toán định vị cho robot là xác định vị trí và hướng của robot so với mơi
trường làm việc, các thơng tin về vị trí phải đủ tin cậy để robot hoạt động chính xác và
ổn định. Do đó định vị cho robot đóng vai trị làm tiền đề thực hiện các nhiệm vụ tiếp
theo. Các phương pháp định vị cho robot có thể chia làm hai nhóm chính: định vị
tương đối và định vị tuyệt đối. Định vị tương đối là xác định vị trí của robot so với vị
trí ban đầu tính tốn. Phương pháp phổ biến thường được sử dụng trong định vị tương
đối là odometry, đây là phương pháp sử encoder đo số vòng quay di chuyển của bánh
xe, kết hợp phương trình động học của robot để tính tốn vị trí hiện tại so với vị trí ban
đầu. Phương pháp này cho phép việc tính tốn định vị nhanh, tuy nhiên dao động lớn
về vị trí khi hoạt động trong thời gian dài do tích lũy của các lỗi theo thời gian (do độ
trượt bánh xe, chu vi bánh). Định vị tuyệt đối là việc xác định vị trí của robot so với
với hệ trục tọa độ trong môi trường làm việc. Một trong những phương pháp định vị
tuyệt đối là sử dụng các hoa tiêu như các gương phản xạ hay các Barcode gắn cố định

trên tường. Trong nghiên cứu của Pierlot đã đề xuất việc sử dụng các góc tương ứng
giữa các hoa tiêu, sau đó thiết lập ba đường trịn để tìm ra giao điểm là vị trí hiện tại
của robot.

4


1.2. Giới thiệu về một số hệ thống định vị cho robot trong nhà hiện nay
1.2.1 Phương pháp dead-reckoning:
Dead-reckoning là phương pháp dẫn đường được sử dụng rộng rãi nhất đối với
robot di động. Phương pháp này cho độ chính xác trong thời gian ngắn, giá thành thấp
và tốc độ lấy mẫu rất cao. Tuy nhiên do nguyên tắc cơ bản của phương pháp deadreckoning là tích luỹ thơng tin về gia tốc chuyển động theo thời gian do đó dẫn tới sự
tích luỹ sai số. Sự tích luỹ sai số theo hướng sẽ dẫn đến sai số vị trí lớn tăng tỉ lệ với
khoảng cách chuyển động của robot. Tuy nhiên hầu hết các nhà nghiên cứu đều đồng ý
rằng dead-reakoning là một phần quan trọng trong hệ thống dẫn đường robot, các lệnh
dẫn đường sẽ được đơn giản hố nếu độ chính xác của phương pháp dead-reckoning
được cải thiện. Phương pháp dead-reakoning dựa trên phương trình đơn giản và thực
hiện được một cách dễ dàng, sử dụng dữ liệu từ bộ mã hố số vịng quay bánh xe.
Dead-reckoning dựa trên nguyên tắc là chuyển đổi số vòng quay bánh xe thành độ
dịch tuyến tính tương ứng của robot. Nguyên tắc này chỉ đúng với giá trị giới hạn. Có
một vài lý do dẫn đến sự khơng chính xác trong việc chuyển từ số gia vòng quay bánh
xe sang chuyển động tuyến tính. Tất cả các nguồn sai số này được chia thành 2 nhóm:
sai số hệ thống và sai số không hệ thống. Để giảm sai số dead-reckoning cần phải tăng
độ chính xác động học cũng như kích thước tới hạn.

Hình 1.1. Định vị cho robot sử dụng bộ lập mã quang, cảm biến
gia tốc, vận tốc góc và cảm biến từ

1.2.2 Hệ thống dẫn đường cột mốc chủ động:
Hệ thống dẫn đường cột mốc chủ động là hệ thống dẫn đường được sử dụng

phổ biến nhất trên tàu biển và máy bay. Hệ thống này cung cấp thơng tin vị trí rất
chính xác với q trình xử lý tối thiểu. Hệ thống cho phép tốc độ lấy mẫu và độ tin cậy
cao nhưng đi kèm với nó là giá thành cao trong việc thiết lập và duy trì. Cột mốc được
đặt tại các vị trí chính xác sẽ cho phép xác định toạ độ chính xác của vật thể. Có 2
phương pháp đo dùng trong hệ thống cột mốc chủ động, đó là phép đo 3 cạnh tam giác
và phép đo 3 góc tam giác. Phép đo 3 cạnh tam giác. Phép đo 3 cạnh tam giác xác định

5


vị trí vật thể dựa trên khoảng cách đo được tới cột mốc biết trước. Trong hệ thống dẫn
đường sử dụng phép đo này thơng thường có ít nhất là 3 trạm phát đặt tại các vị trí biết
trước ngồi môi trường và 1 trạm nhận đặt trên robot. Hoặc ngược lại có 1 trạm phát
đặt trên robot và các trạm nhận đặt ngồi mơi trường. Sử dụng thơng tin về thời gian
truyền của chùm tia hệ thống sẽ tính toán khoảng cách giữa các trạm phát cố định và
trạm nhận đặt trên robot. GPS (Global Positionings Systems) - hệ thống định vị toàn
cầu hoặc hệ thống cột mốc sử dụng cảm biến siêu âm là các ví dụ khi sử dụng phép đo
3 cạnh tam giác. Phép đo 3 góc tam giác.

Hình 1.2. Định vị sử dụng vật mốc

1.2.3 Phương pháp định vị sử dụng bản đồ:
Robot sử dụng các cảm biến được trang bị để tạo ra một bản đồ cục bộ môi
trường xung quanh. Bản đồ này sau đó so sánh với bản đồ tồn cục lưu trữ sẵn trong
bộ nhớ. Nếu tương ứng, robot sẽ tính tốn vị trí và góc hướng thực tế của nó trong mơi
trường.

Hình 1.3. Định vị và dẫn đường cho robot chuyển động sử dụng bản đồ

6

1.3. Ưu nhược điểm của các hệ thống hiện nay:

1.3.1. Ưu điểm:
- Phương pháp dead-reckoning là phương pháp định vị tương đối chủ yếu dựa
trên bài tốn dead-reckoning (tính số vịng quay của bánh xe để suy ra vị trí tương đối
của robot sau một khoảng thời gian chuyển động). Phương pháp này đơn giản, rẻ tiền
và hầu như được sử dụng trong tất cả các mobile robot.
- Phương pháp sử dụng hệ thống dẫn đường cột mốc chủ động là phương pháp
định vị tuyệt đối dùng thêm các cảm biến khác ngoài encoder như dùng cột mốc, so
sánh các bản đồ cục bộ và bản đồ toàn cục, định vị bằng vệ tinh (GPS)… Trong mỗi
phương pháp định vị tuyệt đối, người ta sử dụng các thuật toán và cảm biến khác nhau,
nhưng đều là những phương pháp chủ yếu dùng cho mobile robot ngày nay, phương
pháp này có độ chính xác cao và ít sai số

1.3.2. Nhược điểm:
- Nhược điểm của phương pháp dead-reckoning là bán kính sai số lớn, nguyên
nhân gây bởi sai số tích luỹ.
-Nhược điểm của hệ thống sử dụng cột mốc chủ động là giá thành cho thiết bị
khá cao và nhiều chi tiết gây khó khăn cho việc lắp đặt. Phương pháp sử dụng cột mốc
chỉ thích hợp dùng trong nhà; phương pháp so sánh bản đồ thường dùng cho các robot
tự trị phức tạp; phương pháp định vị dùng GPS thì chỉ thích hợp dùng ngồi trời, và
cũng cho sai số rất lớn (lên đến hàng mét), một số phương pháp định vị khác thì dùng
cảm biến la bàn hoặc con quay để định hướng cho robot nhờ vào từ trường trái đất….

1.4. Vấn đề tồn tại liên quan đến hệ thống hiện nay:
1.4.1. Phân tích về yếu tố kĩ thuật của các hệ thống:
- Về phương pháp dead-reconing: phương pháp dead-reakoning dựa trên
phương trình đơn giản và thực hiện được một cách dễ dàng, sử dụng dữ liệu từ bộ mã

hoá số vòng quay bánh xe. Dead-reckoning dựa trên nguyên tắc là chuyển đổi số vòng
quay bánh xe thành độ dịch tuyến tính tương ứng của robot. Nguyên tắc này chỉ đúng
với giá trị giới hạn. Có một vài lý do dẫn đến sự khơng chính xác trong việc chuyển từ
số gia vịng quay bánh xe sang chuyển động tuyến tính. Tất cả các nguồn sai số này
được chia thành 2 nhóm: sai số hệ thống và sai số khơng hệ thống. Để giảm sai số
dead-reckoning cần phải tăng độ chính xác động học cũng như kích thước tới hạn.
Phương pháp này đơn giản chỉ sử dụng cảm biến mã trục quay ( encoder) nên
việc lắp đặt thiết bị dễ dàng và không phức tạp.
- Về phương pháp dẫn sử dụng cột mốc chủ động: đây là phương pháp mà một
robot có thể nhận biết từ chính cảm biến đầu vào của nó. Các vật mốc có thể có dạng
hình học như hình chữ nhật, hình vng, đường thẳng …, và có thể bao gồm nhiều

7


thơng tin. Thơng thường các vật mốc có các vị trí cố định và biết trước để robot có thể
xác định được vị trí của chính nó. Các vật mốc được lựa chọn cẩn thận để dễ dàng
nhận biết. Trước khi robot có thể sử dụng các vật mốc để định vị, đặc trưng của các
vật mốc phải được biết trước và lưu trữ trong bộ nhớ của robot. Các lệnh chính trong
việc định vị sau đó nhận biết các vật mốc và tính tốn vị trí robot.
Để đơn giản việc nhận biết vật mốc giả sử bằng vị trí và hướng hiện tại của
robot là biết trước, vì vậy robot chỉ cần tìm kiếm các vật mốc trong vùng diện tích giới
hạn. Phương pháp thực hiện được chỉ ra ở sơ đồ khối trên hình 1.4.
Có 2 loại vật mốc là vật mốc nhân tạo và vật mốc tự nhiên. Vật mốc tự nhiên là
các vật thể hay đặc điểm đã tồn tại từ trước ngồi mơi trường. Vật mốc nhân tạo là các
vật thể hay dấu hiệu được thiết kế với mục đích duy nhất là cho phép robot định vị.

Thông tin từ
cảm biến

Phát hiện và
phân đoạn các
điểm mốc

Xác lập sự
tương ứng giữa
số liệu thu được
và bản đồ được
lưu trữ

Tính tốn vị
trí

Hình 1.4. Phướng pháp định vị dựa vào vật mốc
- Về phương pháp định vị dựa trên bản đồ: là kỹ thuật mà robot sử dụng các
cảm biến của nó để tạo ra một bản đồ mơi trường cục bộ xung quanh nó. Bản đồ này
sau đó được so sánh với bản đồ toàn cục được lưu trữ từ trước trong bộ nhớ. Nếu sự
tương ứng được nhận ra, robot sẽ tính tốn vị trí và hướng thực tế của nó trong mơi
trường. Bản đồ được lưu trữ từ trước có thể là mơ hình CAD của môi trường hoặc đực
xây dựng từ dữu liệu cảm biến trước đó.

Thơng tin từ
cảm biến

Xây dựng bản
đồ cục bộ

Xác lập sự
tương ứng giữa
bản đồ cục bộ

và bản đồ toàn
cục được lưu

Tính tốn vị
trí

Hình 1.5. Phương pháp định vị dựa vào bản đồ.

1.4.2 Phân tích về điều kiện triển khai:
- Đối với phương pháp dead-reckoning; việc triển khai thiết kế hệ thống ít chi
tiết, giá thành cho phương pháp này rẻ và các linh kiện dễ kiếm. phương pháp này
thường sử dụng cảm biến encoder là chủ yếu nên việc lắp đặt sẽ không phức tạp như
các phương pháp khác.

8


- Đối với phương pháp dẫn đường cột mốc chủ động thì hệ thống này cung cấp
thơng tin rất chính xác với q trình xử lí tối thiểu, hệ thống cho phép tốc độ lấy mẫu
và độ tin cậy cao nhưng đi kèm với nó là giá thành cao trong việc thiết lập và duy trì.
Cột mốc được đặt tại các vị trí chính xác sẽ cho phép xác định chính xác tọa độ của vật
thể. Hạn chế của phương pháp này ở chỗ máy phát tại cột mốc phải có cơng suất cực
kỳ lớn để đảm bảo phát theo mọi hướng trên khoảng cách lớn.
Hệ thống xác định vị trí bằng vật mốc tự nhiên thường gồm các thành phần cơ
bản như:
+ Cảm biến để dị tìm tránh các vật mốc
+ Phương pháp liên kết các dấu hiệu quan sát được với bản đồ vật mốc đã biết
+ Phương pháp tính tốn vị trí và xác định sai số trong việc liên kết
- Đối với phương pháp dựa vào bản đồ: phương pháp này có các ưu điểm như:
+ Sử dụng các cấu trúc tự nhiên xuất hiện ở mơi trường ngồi để thu được

thơng tin về vị trí mà không làm thay đổi môi trường.
+ Bản đồ vị trí có thể được sử dụng để tạo ra bản đồ cập nhật của môi trường.
Bản đồ môi trường rất quan trọng đối với các nhiệm vụ khác của robot di
động như tìm đường hay tránh vật cản.
+ Bản đồ vị trí cho phép robot khảo sát một cách tỉ mỉ về môi trường xung
quanh.

9


CHƯƠNG 2: THIẾT KẾ HỆ THỐNG ĐỊNH VỊ CHO ROBOT
TRONG NHÀ
2.1 Thiết kế hệ thống:
2.1.1 Sơ đồ khối của hệ thống:
Để thực hiện được thiết kế hệ thống định vị cho robot dò đường em đưa ra sơ
đồ thiết kế như sau:

Hình 2.1. Sơ đồ khối của hệ thống

2.1.2 Phân tích chức năng các khối:
 Khối cấp nguồn: Khối cấp nguồn 5VDC có chức năng cấp nguồn 5V cho các
khối có thể hoạt động được.
 Khối cấp nguồn 12VDC có chức năng cấp nguồn 12V cho khối điều khiển
động cơ có thể hoạt động được.
 Khối cảm biến: Sử dụng cảm biến encoder để tính tốn bằng phương pháp
odometry để truyền dữ liệu cho khối điều khiển trung tâm
 Khối điều khiển trung tâm: Sử dụng Arduino Uno R3, nhận tín hiệu từ khối
cảm biến rồi tinh tốn để xác định trạng thái robot đang di chuyển và xuất ra
tín hiệu xung chuyển qua khối điều khiển động cơ.

10


 Khối điều khiển động cơ: Sử dụng module VNH2SP30A để nhận tín hiệu từ
khối điều khiển trung tâm rồi xử lý tín hiệu để điều hướng xe di chuyển
đúng.
 Khối hiển thị: Nhận tín hiệu từ khối điều khiển trung tâm và hiển thị lên màn
hình lcd tọa độ của robot trên trục x y.

2.1.3. Nguyên lí hoạt động của hệ thống:
Tín hiệu từ cảm biến được đưa qua mạch điều khiển chính, dựa vào tín hiệu từ
khối cảm biến, khối điều khiển trung tâm sẽ tính tốn để xác định trạng thái robot đang
di chuyển và xuất ra tín hiệu xung PWM để điều khiển các động cơ thơng qua mạch
điều khiển động cơ VNH2SP30A. Việc đó sẽ giúp robot tự di chuyển theo quỹ đạo xác
định trước.
Điều này giúp cho robot có khả năng định vị một cách chính xác và hiệu quả.
Hiện nay, thị trường có rất nhiều loại cảm biến khác nhau. Chúng giúp cho
robot có khả năng định vị một cách chính xác và hiệu quả như, cảm biến la bàn điện
từ, cảm biến tiếp xúc, cảm biến quang, bộ giải mã encoder, hệ thống định vị toàn cầu
GPS, camera quan sát kết hợp công nghệ xử lý ảnh…. Trong đề tài này em sử dụng
cảm biến encoder vì dễ tính tốn, giá thành hợp lí và thích hợp để định vị được robot ở
mơi trường trong nhà.
Ngun lí hoạt động của cảm biến encoder:
Cảm biến được gắn trực tiếp với trục quay mô-tơ, dùng để đo vận tốc 2 bánh xe robot.
Bộ mã trục quay như trình bày trên hình dưới đây về cơ bản là một đĩa quay làm đóng- ngắt
chùm tia sáng đi qua các khe. Cùng bộ phận điện tử chuyển đổi quang điện (optron), cơ cấu
này phát ra số xung điện lối ra tương ứng với một vòng quay của trục mơ-tơ.

Hình 2.2. Cảm biến encoder

Nếu đường kính của bánh xe và tỷ số truyền lực (tỷ số truyền bánh răng từ trục
mô-tơ ra bánh xe robot) đã biết thì vị trí góc và tốc độ quay của bánh xe có thể xác
định được bằng việc đếm số xung ánh sáng chiếu qua các khe hẹp của đĩa lập mã.

11


Việc xác định vị trí của robot bằng bộ lập mã này là phương pháp phổ biến trên thế
giới có tên gọi là phương pháp Odometry. Phương pháp này có ưu điểm đơn giản dễ sử
dụng để đo vận tốc của bánh xe. Tuy nhiên nó có nhược điểm là mắc phải sai số tích lũy,
gây nên sự bất định của vị trí ước tính bởi hệ thống odometry tăng theo thời gian trong khi
robot di chuyển. Thường phải triệt sai số tích lũy này một cách định kỳ bằng hỗ trợ bởi
một cảm biến khác. Trong hệ thống của em đĩa encoder có 100 rãnh/1 đĩa.
Sau khi đọc dữ liệu từ cảm biến và tính tốn, dữ liệu sẽ đường hiển thị lên màn
hình LCD để so sánh với vị trí thực tế. Dữ liệu tính tốn được cũng sẽ hiển thị đường
đi của robot lên màn hình máy tính thơng qua truyền nhận dữ liệu ở cổng Serial của
arduino uno R3. Cổng serial sẽ được kết nối trực tiếp với máy tính và thơng qua phần
mềm Streamer data for excel, dữ liệu định vị sẽ được hiển thị dưới dạng các đường đứt
quãng trên hệ tọa độ X Y.

2.2. Thiết kế phần cứng ( xây dựng mơ hình robot dò đường ):
Để phục vụ việc nghiên cứu các phương pháp định vị cho dẫn đường robot
trong nhà ta cần có một mơ hình robotdị đường. Với mục đích này chúng tôi đã thiết
kế chế tạo được một robot dị đường có cấu trúc đặc điểm sau: ngồi bộ điều khiển và
bộ chấp hành, bộ cảm nhận của robot sẽ được chọn lựa cảm biến phù hợp để hệ thống
truyền tin giữa các bộ phận phải có tốc độ đủ đáp ứng với yêu cầu thời gian thực. Từ
xuất phát điểm như vậy các cảm biến đã được lựa chọn trang bị cho robot là: cảm biến
mã trục quay (encoder).
Nội dung chương này sẽ trình bày các bước thiết kế và chế tạo mơ hình robot di
động đa cảm biến tại phịng thí nghiệm.

2.2.1 Cấu trúc cơ khí của robot:
Cấu trúc cơ khí và cơ cấu của robot được thể hiện trên hình 2.3. Robot chuyển
động được với 2 bánh xe vi sai, mỗi bánh được gắn với một động cơ 24VDC có kèm
theo bộ chuyền động.

Hình 2.3. Chi tiết bản vẽ cơ khí của robot dị đường

12


Đặc điểm về cơ khí của robot:
+ Kích thước đáy: Đáy hình trịn với đường kính 0,36m.
+ Trọng lượng: 6kg
+ Đặc điểm về điện tử:
+ Hệ thống điều khiển động cơ 2 bánh xe
+ Nguồn gồm 4 viên pin 18650
+ Cảm biến encoder

Hình ảnh thực tế của robot như hình 2.4 và 2.5:

Hình 2.4. Hình ảnh thực tế của robot

Hình 2.5. Hình ảnh mặt dưới của robot

13


2.2.2. Tính tốn lựa chọn linh kiện:
2.2.2.1. Mạch điều khiển chính:

Phần 1: Giới thiệu chung về arduino:
Arduino đã và đang được sử dụng rất rộng rãi trên thế giới, và ngày càng chứng
tỏ được sức mạnh của chúng thông qua vô số ứng dụng độc đáo của người dùng trong
cộng đồng nguồn mở (open- source).
Arduino cơ bản là một nền tảng mẫu mở về điện tử (open-source electronic
sprototyping platform) được tạo thành từ phần cứng lẫn phần mềm. Về mặt kỹ thuật có
thể coi Arduino là 1 bộ điều khiển logic có thể lập trình được. Đơn giản hơn, Arduino
là một thiết bị có thể tương tác với ngoại cảnh thơng qua các cảm biền và hành vi được
lập trình sẵn. Với thiết bị này, việc lắp ráp và điều khiển các thiết bị điện tử sẽ dễ dàng
hơn bao giờ hết. Arduino được phát triển nhằm đơn giản hóa việc thiết kế, lắp ráp linh
kiện điện tử cũng như lập trình trên vi xử lí và mọi người có thể tiếp cận dễ dàng hơn
với thiết bị điện tử mà không cần nhiều về kiến thức điện tử và thời gian. Sau đây là
nhưng thế mạnh của Arduino so với các nền tảng vi điều khiển khác:
 Chạy trên đa nền tảng: Việc lập trình Arduino có thể thể thực hiện trên các
hệ điều hành khác nhau như Windows, Mac Os, Linux trên Desktop, …
 Android trên di động.
 Ngơn ngữ lập trình đơn giản dễ hiểu.
 Nền tảng mở: Arduino được phát triển dựa trên nguồn mở nên phần mềm
chạy trên Arduino được chia s dễ dàng và tích hợp vào các nền tảng khác
nhau.
 Mở rộng phần cứng: Arduino được thiết kế và sử dụng theo dạng module nên
việc mở rộng phần cứng cũng dễ dàng hơn.
 Đơn giản và nhanh: Rất dễ dàng lắp ráp, lập trình và sử dụng thiết bị.
 Dễ dàng chia sẽ: Mọi người dễ dàng chia s mã nguồn với nhau mà không lo
lắng về ngôn ngữ hay hệ điều hành mình đang sử dụng.
Arduino có rất nhiều module, mỗi module được phát triển cho một ứng dụng.
Về mặt chức năng, các bo mạch Arduino được chia thành hai loại, loại bo mạch chính
có chip Atmega và loại mở rộng thêm chức năng cho bo mạch chính. Các bo mạch
chính về cơ bản là giống nhau về chức năng, tuy nhiên về mặt cấu hình như số lượng
I/O, dung lượng bộ nhớ, hay kích thước có sự khác nhau. Một số bo có trang bị thêm

các tính năng kết nối như Ethernet và Bluetooth. Các bo mở rộng chủ yếu mở rộng
thêm một số tính năng cho bo mạch chính. Ví dụ như tính năng kết nối Ethernet,
Wireless, điều khiển động cơ.

14


Phần 2: Bo mạch Arduino Uno R3:
Sử dụng chip AVR Atmega328 của Atmel. Mạch arduino được lắp ráp từ các
linh kiện dễ tìm và hướng đến đối tượng người dùng đa dạng.
Arduino UNO có thể sử dụng 3 vi điều khiển họ 8bit AVR là Atmega8,
Atmega168, Atmega328. Bộ não này có thể xử lí những tác vụ đơn giản như điều
khiển đèn LED nhấp nháy, xử lí tín hiệu cho xe điều khiển từ xa, làm một trạm đo
nhiệt độ, độ ẩm và hiển thị lên màn hình LCD,… hay những ứng dụng khác.
Arduino UNO có thể được cấp nguồn 5V thơng qua cổng USB hoặc cấp nguồn
ngồi với điện áp khuyên dùng là 7-12V DC và giới hạn là 6-20V. Thường thì cấp
nguồn bằng pin vng 9V là hợp lí nhất nếu khơng có sẵn nguồn từ cổng USB. Nếu
cấp nguồn vượt quá ngưỡng giới hạn trên, sẽ làm hỏng Arduino UNO.

Hình 2.6. Arduino Uno R3

Bảng chức năng các chân của Arduino Uno R3:
Vi điều khiển

Atmega328 (họ 8bit)

Điện áp hoạt động

5V – DC (chỉ được cấp qua cổng USB)

Tần số hoạt động

16 MHz

Dòng tiêu thụ

30mA

Điện áp vào khuyên dùng

7-12V – DC

Điện áp vào giới hạn

6-20V – DC

15


Số chân Digital I/O

14 (6 chân PWM)

Số chân Analog

6 (độ phân giải 10bit)

Dòng tối đa trên mỗi chân

30 mA

I/O
Dòng ra tối đa (5V)

500 mA

Dòng ra tối đa (3.3V)

50 mA

Bộ nhớ flash

32 KB (Atmega328) với 0.5KB dùng bởi
bootloader

SRAM

2 KB (Atmega328)

EEPROM

1 KB (Atmega328)
Bảng 2.1. Bảng chức năng các chân của Arduino Uno R3

Chức năng các chân:













GND (Ground): Khi dùng các thiết bị sử dụng những nguồn điện riêng biệt
thì những chân này phải được nối với nhau.
5V: cấp điện áp 5V. Dòng tối đa cho phép ở chân này là 500mA.
3.3V: cấp điện áp 3.3V. Dòng tối đa cho phép ở chân này là 50mA.
Vin (Voltage Input): để cấp nguồn ngoài cho Arduino UNO, nối cực dương
của nguồn với chân này và cực âm của nguồn với chân GND.
IOREF: điện áp hoạt động của vi điều khiển trên Arduino UNO có thể được
đo ở chân này. Và dĩ nhiên nó ln là 5V. Mặc dù vậy không được lấy nguồn
5V từ chân này để sử dụng bởi chức năng của nó khơng phải là cấp nguồn.
RESET: việc nhấn nút Reset trên board để reset vi điều khiển tương đương
với việc chân RESET được nối với GND qua 1 điện trở 10KΩ.
Các cổng vào/ra: Arduino UNO có 14 chân digital dùng để đọc hoặc xuất tín
hiệu. Chúng chỉ có 2 mức điện áp là 0V và 5V với dòng vào/ra tối đa trên
mỗi chân là 40mA. Ở mỗi chân đều có các điện trở pull-up từ được cài đặt
ngay trong vi điều khiển Atmega328 (mặc định thì các điện trở này khơng
được kết nối). Một số chân digital có các chức năng đặc biệt như sau:
2 chân Serial: 0 (RX) và 1 (TX): dùng để gửi (transmit – TX) và nhận
(receive – RX) dữ liệu TTL Serial. Arduino Uno có thể giao tiếp với thiết bị
khác thông qua 2 chân này. Kết nối bluetooth thường thấy nói nơm na chính
là kết nối Serial không dây. Nếu không cần giao tiếp Serial, không nên sử
dụng 2 chân này nếu không cần thiết
Chân PWM (~): 3, 5, 6, 9, 10, và 11: cho phép xuất ra xung PWM với độ

phân giải 8bit (giá trị từ 0 → 28-1 tương ứng với 0V → 5V) bằng hàm
analogWrite(). Nói một cách đơn giản, có thể điều chỉnh được điện áp ra ở

16