Thiết kế và chế tạo robot bám vật

NHẬN XÉT CỦA GIÁO VIÊN HƯỚNG DẪN


























Chữ ký GVHD
LỜI NÓI ĐẦU
Cùng với sự phát triển không ngừng của các ngành khoa học, các
ngành công nghiệp cũng phát triển nhanh chóng . Việc áp dụng các máy móc

hiện đại vào sản suất là một yêu cầu không thể thiếu trong các nhà máy nhằm
tăng năng suất , tăng chất lượng và giảm giá thành sản phẩm . Song song với
sự phát triển đó , công nghệ chế tạo Robot cũng phát triển nhanh chóng
nhằm đáp các nhu cầu về sản xuất , quốc phòng…
Ở Việt Nam, công nghệ Robot và ứng dụng Robot vào sản xuất chỉ ở
giai đoạn đầu và hứa hẹn nhiều tiềm năng trong tương lai. Muốn có một nền
1
1
kinh tế phát triển, nền công nghiệp tiên tiến, việc ứng dụng Robot vào sản
xuất và đời sống là điều cần thiết. Từ những suy nghĩ thiết thực đó, mặc dù
kiến thức còn hạn chế nhưng chúng em cũng cố gắng nghiên cứu về công
nghệ chế tạo và điều khiển Robot trong phạm vi đồ án tốt nghiệp với ước
muốn có những đóng góp vào công nghệ chế tạo Robot của nước nhà trong
thời gian tới.
Đồ án của chúng em chọn đó là “ 
 ”. Với camera có thể quay, chụp ảnh của địa hình và gửi về máy
tính, theo dõi đối tượng dưới sự giám sát của máy tính, được điều khiển
không dây bởi sóng RF. Tuy nhiên, với kinh phí và trình độ hạn hẹp, chúng
em chỉ dừng lại với mô hình, rất mong thầy cô, các bạn có thể đóng góp ý
kiến và định hướng phát triển đề tài trong tương lai.
Trước tiên, chúng em xin chân thành cảm ơn thầy giáo Lê Văn Ngự
đã tận tình giúp đỡ theo dõi, động viên và khuyến khích chúng em hoàn
thành tốt đề tài. Em xin chân thành cảm ơn Ban giám hiệu, toàn thể thầy cô
và đặc biệt là các thầy cô khoa Cơ Khí đã tạo điều kiện thuận lợi cho em
hoàn thành tốt đề tài này.
Hà nội, ngày tháng năm 2012
Sinh viên thực hiện:
Đoàn Trung Hiếu
Trần Trung Sơn
Trần Ngọc Tuấn

MỤC LỤC
HÌNH
2
2
CHƯƠNG I : GIỚI THIỆU CHUNG
1.1 Giới thiệu chung về Robot chân rết
Robot chân nết nói riêng và robot phỏng sinh phỏng sinh là một thành
phần có vai trò quan trọng trong ngành Robot học. Cũng với sự phát triển
mạnh mẽ của các hệ thống Cơ - Điện tử, robot tự hành ngày một được hoàn
thiện và càng cho thấy lợi ích của nó trong công nghiệp và sinh hoạt.
Với sự phát triển mạnh mẽ của khoa học kĩ thuật, cộng với nhu cầu con
người ngày càng cao, tiềm năng ứng dụng của robot tự hành hết sức rộng
lớn. Có thể kể đến một vài ứng dụng của Robot Phỏng sinh như:
– Vận chuyển vật liệu, hàng hóa trong các tòa nhà, nhà máy, cửa hàng, sân
bay, thư viện…
– Kiểm tra trong các môi trường nguy hiểm, khắc nhiệt như các nơi nhiễm
khí độc, môi trường nước, các đường ống ngầm…
– Dùng trong lĩnh vực quân sự, robot do thám, canh gác…
– Khám phá không gian, di chuyển trên hành tinh…
– Phục vụ sinh hoạt gia đình, hỗ trợ người khuyết tật…
Còn rất nhiều ứng dụng khác nữa của bionics Robot, nhưng cũng có
những hạn chế chưa giải quyết được của robot phỏng sinh, như chi phí chế
tạo cao, đã không cho phép chúng được sử dụng rộng rãi.
Robot phỏng sinh là một từ nói chung cho đa số các Robot mà chúng ta
thấy ở bên ngoài. Robot trong đề tài là một loại trong nhóm Robot. Chính vì
vậy, nhiệm vụ đặt ra cho Robot trong đề tài là nhiệm vụ riêng của một loại
Robot phỏng sinh ở ngoài thực tế. Với khả năng của bản thân, nhóm đã đặt
ra nhiệm vụ là thiết kế và chế tạo một con Robot chân rết đơn giản, di
chuyển trên địa hình phẳng, với kết cấu cơ khí vũng chắc và có tính thẩm mĩ
cao, chạy ổn định, gửi ảnh không dây về máy tính, Bám vật bằng camera.

1.2 Các vấn đề đặt ra
Đây là một đề tài có rất nhiều ý tưởng, những suy nghĩ về cơ khí Robot rất
phong phú, tuy nhiên, khi lựa chọn làm đề tài này chúng em gặp một số khó
khăn:
– Tìm động cơ phù hợp với Robot rất khó, yêu cầu của động cơ phải vừa
có hộp giảm tốc lại phải có cả encoder, ngoài thị trường động cơ loại này
rất hiếm. Thế nên, chúng em đã mua loại động cơ có hộp giảm tốc và lắp
thêm encoder cho nó.
3
3
– Tài liệu về xử lý ảnh trên máy tính là hoàn toàn mới đối với cả nhóm.
– Khi làm cơ khí, chúng em đã tính được việc gia công cơ khí là rất khó
khăn nên Robot trong đề tài đã phải nhờ đến gia công CNC đối với
những chi tiết đòi hỏi độ chính xác cao(chân, con quay), và một số chi
tiết là làm bằng tay để đảm bảo được độ chính xác lúc chuyển động của
robot.
– Khả năng gửi hình ảnh không dây về máy tính với tốc độ nhanh là rất
khó, với độ nét của ảnh phải đủ để xác định được địa hình, việc tìm ra
giải pháp phù hợp không hề đơn giản.
– Kinh phí thực hiện được đề tài là không nhỏ đối với sinh viên nên chúng
em không thể mua được những đồ tối ưu nhất cho Robot.
1.3 Phương pháp xây dựng đề tài
Từ những nhiệm vụ đặt ra và thực tế bên ngoài, chúng em đã có những
bước làm cụ thể để hoàn thành đề tài như sau:
– Tích cực tra cứu thông tin, tìm tài liệu liên quan đến những gì phải dùng
trong đồ án qua internet, qua những cuốn sách liên quan đến đề tài, tìm
những đồ án, công trình nghiên cứu liên quan đến Robot chân rết…
– Liên tục lên gặp thầy hướng dẫn để có được những góp ý của thầy, sau
đó kết hợp với ý tưởng của nhóm để có được một ý tưởng hoàn chỉnh.
– Phân công công việc cho từng người trong nhóm nhưng vẫn có sự hỗ trợ

lẫn nhau giữa các thành viên.
– Thiết kế cơ khí, vẽ mạch điều khiển, tính toán các linh kiện cần mua.
– Liên lạc với các công ty để dặt hàng các linh kiện, đồng thời đi tìm kiếm
những thứ có sẵn trên thị trường, mua đầy đủ những đồ cần thiết.
– Khi có dủ đồ, tiến hành chế tạo cơ khí, đi dặt mạch in, test thử cẩn thận.
– Lập trình cho Robot.
– Cho Robot chạy và so sánh với nhiệm vụ đặt ra cho đề tài.
1.4 Phạm vi và giới hạn nghiên cứu
Robot chân rết là rất đa dạng và nhiều ý tưởng khác nhau. Tuy nhiên,
trong phạm vi đề tài tốt nghiệp, với những giới hạn về thời gian, tài chính và
tầm hiểu biết, nhóm chỉ chế tạo một mô hình Robot chân rết với khả năng
sau:
– Đề tài chỉ nghiên cứu loại Robot chân rết có 32 chân di chuyển trên địa
tương đối phẳng.
– Encoder tương đối 100 xung, độ chuẩn xác không cao.
– Vật liệu chế tạo đơn giản, dễ tìm ngoài thị trường.
– Xử lý ảnh trên máy tính.
4
4
CHƯƠNG II : TỔNG QUAN VỀ ROBOT CHÂN RẾT
2.1. Lịch sử ra đời và phát triển của Robot
Robot là loại máy có thể lập trình điều khiển tự động bằng máy tính
( máy tính ở đây có thể được hiểu là một bộ vi điều khiển hoặc một máy tính
PC) để thực hiện các di chuyển, cầm nắm các vật, hoàn thành các công việc
dưới tác động của môi trường. Thường robot được sử dụng để thực hiện các
công việc lặp đi lặp lại, các công việc dễ gây nhàm chán, nó cho các kết quả
chính xác hơn nếu được thực hiện bởi con người.
Thuật ngữ Robot lần đầu tiên xuất hiện vào năm 1921 ở Tiệp Khắc trong tác
phẩm R.U.R (Rossum’s Universal Robot) của nhà soạn kịch Karel Capek
mang ý nghĩa người làm tạp dịch. Kể từ đó thuật ngữ này được sử dụng rộng

rãi.
Khái niệm máy tự động xuất hiện từ lâu với những viễn tưởng về người máy
trong cuộc sống. Ngay sau chiến tranh thế giới lần thứ hai, nhiều công trình
được bắt đầu tại các phòng thí nghiệm OakRidge và Argome để phát triển
các máy cơ khí được điều khiển từ xa nhằm phục vụ trong các phòng thí
nghiệm về vật liệu phóng xạ. Các cánh tay này được thiết kết mô phỏng một
cách chính xác sự chuyển động của bàn tay và cánh tay con người.
Trong giữa những năm 1950, bên cạnh các cánh tay cơ khí đó đã xuất
hiện các cánh tay thuỷ lực và điện từ. Cũng trong những năm này, George
C.Devol đã thiết kế một thiết bị có tên là thiết bị vận chuyền có khớp nối
được lập trình (programmed artculated transfer device). Đây là một cánh tay
máy mà hoạt động của nó có thể được lập trình thực hiện một chuỗi các bước
chuyển động được xác định trong các câu lệnh trong chương trình. Phát triển
xa hơn ý tưởng trên, Devol và Joseph F.Engelberger đã dẫn đường cho các
robot công nghiệp đầu tiên được giới thiệu năm 1959 ở công ty Unimation.
Thiết bị này sử dụng máy tính liên kết với tay máy nhằm dạy cho nó thực
hiện các công việc khác nhau một cách tự động .
Khi robot được lập trình đã tạo một sự kỳ lạ và tạo ra sức mạnh trong sản
xuất, vào năm 1960 như một sự tất yếu, sự linh hoạt của hệ thống robot được
nâng cao đáng kể thông qua hệ thống phản hồi từ các sensor. Tiếp đó
H.A.Ernst đã công bố sự ra đời và phát triển của bàn tay cơ khí được điều
khiển bằng máy tính sử dụng các sensor xúc giác. Đây là sự xuất hiện đầu
tiên về robot có khả năng thích ứng với môi trường.
Vào cuối những năm 1960, Mc Carthy cùng bạn đồng nghiệp đã công bố sự
phát triển của máy tính cùng với camera vô tuyến và microphone. Năm 1968
Pieper đã nghiên cứu những vấn đề động học trong điều khiền robot bằng
5
5
máy tính, trong khi đó năm 1971 Kanh và Roth đã phân tích về động lực học
và giới hạn điều khiển tay máy.

Trong suốt những năm 1970, một số lượng lớn các công trình nghiên
cứu đã tập trung vào việc sử dụng các sensor ngoại để tăng sự tiện lợi và linh
hoạt cho robot. Vào thời gian này công ty máy tính IBM đã chế tạo ra loại
robot có các sensor xúc giác và sensor lực để lắp ráp các máy in gồm 20 cụm
chi tiết .
Một lĩnh vực được nhiều phòng thí nghiệm quan tâm là robot tự hành, robot
di động. Nhiều công trình nghiên cứu đã thiết kế, xây dựng tạo ra các robot
tự hành bắt chước chân người hoặc súc vật.
Trong những thập kỷ 80 - 90 do sự phát triển mạnh mẽ của khoa học kỹ
thuật, đặc biệt trong lĩnh vực kỹ thuật vi xử lý và công nghệ thông tin, số
lượng robot đã gia tăng, giá thành giảm đi rõ rệt, tính năng có nhiều bước
tiến vượt bậc.
Ngày nay, chuyên ngành khoa học robot (robotics) đã trở thành một lĩnh
vực rộng trong khoa học, bao gồm việc giải quyết các vấn đề về cấu trúc cơ
cấu động học, động lực học, lập trình quỹ đạo, cảm biến tín hiệu, điều khiển
chuyển động…
2.2 Giới thiệu Robot chân rết

Robot chân rết ( robot phỏng sinh) được định nghĩa là một loại robot
có khả năng tự di chuyển tự vận động ( có thể lập trình lại được) hoặc được
điều khiển từ xa để thực hiện thành công một công việc được giao.
Môi trường hoạt động của robot phỏng sinh có thể là đất, nước, không khí,
không gian vũ trụ hay tổng hợp giữa chúng. Địa hình bề mặt mà robot di
chuyển có thể là bằng phẳng hoặc thay đổi, lồi lõm.

Có rất nhiều loại Robot phỏng sinh, những loại đó khác nhau có thể
về cách điều khiển, về môi trường hoạt động, về cấu trúc cơ khí… Một số
Robot phỏng sinh như:
a. Robot có chân
Robot có chân (Walking robots hoặc Walker) là dạng đặc biệt của

Robot phỏng sinh. Sự di chuyển của nó được thực hiện bởi sự phối hợp
chuyển động của các chân. Sự di chuyển này có thể bắt chước từ loài người
và một số loài động vật. Một số đặc điểm của Walking robots:
– Di chuyển được trên địa hình ghồ ghề, leo trèo cầu thang…
– Có nhiều cách thiết kế tùy thuộc vào số chân.
– Cần hai hay nhiều động cơ cho mỗi chân.
6
6
– Càng nhiều chân thì càng khó chế tạo, nhưng điều khiển lại dễ dàng hơn.

Hình 2.1 Robot sáu chân Genghis
b. Robot bay
Robot Chim là loại robot có thể bay lên được, loại robot này điều
khiển và cơ khí yêu cầu rất cao. Để điều khiển loại robot này, chúng ta có thể
dùng các loại máy điều khiển từ xa sử dụng sóng RF, nếu khoảng cách ngắn
hơn thì có thể dùng bluetooth… Còn để giám sát thì chúng ta có thể dùng
một module GPS (hệ thống định vị toàn cầu) để báo cho ta biết cao độ, kinh
độ, vĩ độ của robot đang bay. Một số đặc điểm của robot:
– Chế tạo khó, yêu cầu chính xác cao.
– Sử dụng điều khiển từ xa.
– Dùng để thám hiểm, thăm dò từ trên không các nơi có khí độc, các vụ
cháy nổ, nhiễm phóng xạ…

Hình 2.2 Robot chim
c. Robot dưới nước
7
7
Robot dưới nước là loại robot làm việc ở môi trường nước, môi
trường mà các thiết bị mạch điều khiển không hoạt động được, nên điều quan
trọng của robot loại này là lớp bên ngoài phải kín để cho nước không thể vào

phá hỏng các linh kiện bên trong.
Một số đặc điểm của Robot loại này:
– Chế tạo cơ khí rất khó, yêu cầu độ chính xác cao, đặc biệt lớp ngoài phải
kín để tránh nước vào.
– Điều khiển dùng thiết bị không dây như sóng vô tuyến…
– Loại này có nhiều ứng dụng như thám hiểm các vùng biển, sửa chữa các
thiết bị dưới nước, dùng trong các lĩnh vực quân sự…
Hình 2.3 Robot cá đầu tiên tại Việt Nam
2.3 Thành phần ch[nh của Robot chân rết
 !"#
Thành phần của Robot chân rết gồm có:
– Phần cơ khí: Khung Robot, động cơ, chân.
– Phần điện – điện tử: Bộ xử lí trung tâm, mạch điều khiển, hiển thị, mạch
công suất.
– Phần giao tiếp và truyền thông: Truyền thông nối tiếp, Modul RF,
camera IP.
 "$%&$%'
• Vi điều khiển Atmega 8
Atmega8 là bộ vi điều khiển CMOS 8 bit tiêu thụ điện năng thấp dựa
trên kiến trúc RISC (Reduced Intruction Set Computer). Vào ra Analog –
digital và ngược lại. Với công nghệ này cho phép các lệnh thực thi chỉ trong
một chu kì xung nhịp, vì thế tốc độ xử lý dữ liệu có thể đạt đến 1 triệu lệnh
trên giây ở tần số 1 Mhz. Vi điều khiển này cho phép người thiết kế có thể
tối ưu hoá chế độ độ tiêu thụ năng lượng mà vẫn đảm bảo tốc độ xử lí.
8
8
Hình 2.4: Vi điều khiển Atmega8
Đặc trưng:
– Được chế tạo theo kiến trúc RISC hiệu suất cao mà điện năng tiêu thụ
thấp

– Tập lệnh gồm 131 lệnh, hầu hết đều chỉ thực thi trong 1 chu kì xung
nhịp.
– 32 x 8 thanh ghi làm việc đa dụng.
– Tốc độ xử lí nhanh, lên tới 16MIPS.
– Có 8Kbyte bộ nhớ flash có thể xóa lập trình được và có thể ghi xóa
10000 lần.
– 512 byte bộ nhớ EEPROM tích hợp trên chíp, có 1 kbyte SRAM nội.
– Có 28 chân, trong đó có 23 chân I/O.
– Có hai bộ Timer/counter 8 bit và một bộ timer/counter 16 bit với bộ chia
tần lập trình được.
– Có ba kênh điều xung, 6 kênh lối vào chuyển đổi ADC với độ phân giải
10 bit.
– Nguồn nuôi từ 4.5 đến 5.5V, làm việc tiêu thụ dòng 3.6mA.
– Sử dụng mạch dao động ngoài từ 0 đến 16 Mhz. Ngoài ra chíp Atmega8
còn có bộ xung nội bên trong có thể lập trình chế độ xung nhịp
Khi sử dụng vi điều khiển Atmega8, có rất nhiều phần mềm được dùng để
lập trình bằng nhiều ngôn ngữ khác nhau đó là: Trình dịch Assembly như
9
9
AVR studio của Atmel, Trình dịch C như win AVR, CodeVisionAVR C,
ICCAVR. C - CMPPILER của GNU… Trình dịch C đã được nhiều người
dùng và đánh giá tương đối mạnh, dễ tiếp cận đối với những người bắt đầu
tìm hiểu AVR, đó là trình dịch CodeVisionAVR C. Phần mềm này hỗ trợ
nhiều ứng dụng và có nhiều hàm có sẵn nên việc lập trình tốt hơn.
• IC điều khiển động cơ L298
Do Robot chân rết trong đề tài nhỏ, động cơ công suất không cao nên
phần công suất của động cơ có thể dùng IC cầu L298.
IC L298 là mạch tích hợp đơn chip có kiểu vỏ công suất 15 chân
(multiwatt 15) và PowerSO20 (linh kiện dán công suất). Là IC mạch cầu đôi
có khả năng hoạt động ở điện thế cao 46V, dòng cao 2A. Nó được thiết kế

tương thích chuẩn TTL. Nó có 2 chân enable để cho phép/không cho phép
IC hoạt động, độc lập với các chân tín hiệu vào. Tính năng này cho phép
kiểm soát sự cố quá dòng, quá tải hay các sự cố mất an toàn khi mạch
Driver chạy. Cực phát (emitter) của transistor dưới của mỗi mạch cầu được
nối với nhau và nối ra chân ngoài để nối với điện trở cảm ứng dòng khi cần.
Nó có thêm một chân cấp nguồn giúp mạch logic có thể hoạt động ở điện thể
thấp hơn.

Hình 2.5 Sơ đồ chân IC L298
Bảng 2.1: Chức năng các chân
Số
chân
Kí hiệu Chức năng
1;15 Sense A;
sense B
Nối chân này qua điện trở cảm ứng dòng xuống
GND để điều khiển dòng tải
2;3 Out 1 Ngõ ra cầu A, dòng của tải mắc giữa hai chân này
10
10
Out 2 được quy định bởi chân 1.
4 VS Chân cấp nguồn cho tầng công suất, cần có một tụ
điện không cảm kháng 100nF nối giữa chân này và
chân GND
5;7 Input 1;
Input 2
Chân ngõ vào của cầu A. tương thích chuẩn TTL
6;11 Enable A;
Enable B
Chân ngõ vào enable (cho phép) tương thích chuẩn

TTL. Mức thấp ở chân này sẽ cấm (disable) ngõ ra
cầu A (đối với chân enable A) và/hoặc cầu B (đối
với chân enable B)
8 GND Chân nối đất (Ground)
9 VSS Chân cấp nguồn cho khối logic, cần có tụ điện
100nF nối giữa chân này với chân GND
10;1
2
Input 3;
Input 4
Các chân logic ngõ vào cầu B
13;
14
Out 3;
Out 4
Ngõ ra của cầu B, dòng của tải mắc giữa hai chân
này được quy đinh bởi chân 15
- N.C. Không kết nối
  "!()*+
• Truyền thông nối tiếp
Để xây dựng một mạch điều khiển cho Robot chân rết là rất phức tạp, cần
sử dụng nhiều vi điều khiển (hoặc vi điều khiển với máy tính) kết nối với
nhau. Trong quá trình làm việc các vi điều khiển cần trao đổi dữ liệu cho
nhau, ví dụ trường hợp Master truyền lệnh cho Slave hay Slave phản hồi tín
hiệu về cho Master… Giả sử các dữ liệu trao đổi có chiều dài 8bits, khi đó,
bạn có thể nghĩ đến cách nối đơn giản nhất là kết nối 1 PORT (8bits) của mỗi
vi điều khiển với nhau, mỗi line trên trên PORT có nhiệm vụ truyền/nhận 1
bit dữ liệu. Đây là cách giao tiếp song song, đây là cách đơn giản nhất vì dữ
liệu được xuất và nhận trực tiếp không qua bất kì một giải thuật biến đổi nào
nên tốc độc cũng rất nhanh. Tuy nhiên, nhược điểm của cách truyền này là số

đường truyền quá nhiều, dữ liệu càng lớn thì số đường truyền càng nhiều.
Truyền thông nối tiếp sẽ giải quyết vấn đề này, trong truyền thông nối tiếp,
dữ liệu được truyền từng bit trên một (hoặc một vài) đường truyền. Vì vậy,
cho dù dữ liệu của bạn có lớn đến đâu bạn cũng chỉ dùng rất ít đường truyền.
Hình dưới mô tả sự so sánh giữa hai cách truyền song song và nối tiếp trong
việc truyền con số thập phân 187.
11
11
Hình 2.6 Truyền 8 bit theo phương pháp song song và nối tiếp
Một hạn chế rất dễ nhận thấy khi truyền nối tiếp so với song song là tốc
độ truyền và độ chính xác của dữ liệu khi truyền nhận. Vì dữ liệu cần phải
chia nhỏ thành từng bít khi truyền/nhận, tốc độ sẽ bị giảm. Mặt khác, để đảm
bảo tính chính xác của dữ liệu, bộ truyền và bộ nhận cần có những tiêu chuẩn
nhất định.
Truyền thông nối tiếp có hai dạng, đó là truyên thông nối tiếp đồng bộ và
truyền thông nối tiếp không đồng bộ. Khái niệm “đồng bộ” chỉ sự “báo
trước” trong quá trình truyền.Ví dụ thiết bị 1 kết nối với thiết bị 2 bởi 2
đường, một đường dữ liệu và một đường xung nhịp. Cứ mỗi lần thiết bị 1
muốn gửi 1 bit dữ liệu, thiết bị 1 điều khiển đường xung nhịp chuyển từ mức
thấp sang mức cao báo cho thiết bị 2 sẵn sàng nhận 1 bit. Bằng cách báo
trước này tất cả các bit dữ liệu có thể truyền nhận dễ dàng và ít xảy ra lỗi.
Tuy nhiên, cách truyền này cần ít nhất 2 đường truyền cho một quá trình.
Giao tiếp giữa máy tính và bàn phím (trừ bàn phím usb) là một ví dụ về
truyền thông nối tiếp đồng bộ.
Khác với truyền thông đồng bộ, truyền thông không đồng bộ chỉ cần một
đường truyền cho một quá trình. Khung dữ liệu đã được chuẩn hóa bởi các
thiết bị nên không cần đường xung nhịp báo trước dữ liệu đến. Ví dụ 2 thiết
bị đang giao tiếp với nhau theo phương pháp này, chúng đã được thỏa thuận
với nhau rằng cứ 1ms có thì sẽ có một bit truyền đến, như thế thiết bị nhận
chỉ kiểm tra và đọc đường truyền mỗi ms để đọc các bit dữ liệu và sau đó kết

hợp chúng lại thành dữ liệu có ý nghĩa. Truyền thông nối tiếp không đồng bộ
chính vì vậy hiệu quả và được dùng nhiều hơn truyền thông nối tiếp đồng bộ
(cần ít line hơn). Các khái niệm quan trọng trong phương pháp truyền thông
này:
+ Baud rate (Tốc độ baud):
Lấy ví dụ về việc truyền 1 bit trong 1ms, ta thấy rằng để việc truyền và
nhận không đồng bộ xảy ra thành công thì các thiết bị tham gia phải “thống
nhất” nhau về khoảng thời dành cho 1 bite truyền, hay nói cách khác tốc độ
truyền phải được cài đặt như nhau trước, tốc độ này gọi là tốc độ Baud. Theo
12
12
định nghĩa, tốc độ baud là số bit truyền trong 1 giây. Ví dụ nếu tốc độ baud
được đặt là 19200 thì thời gian dành cho 1 bit truyền là 1/19200 ~ 52.083us.
+ Frame (Khung truyền):
Do truyền thông nối tiếp mà nhất là nối tiếp không đồng bộ rất dễ mất
hoặc sai lệch dữ liệu, quá trình truyền thông theo kiểu này phải tuân theo một
số quy cách nhất định. Bên cạnh tốc độ baud, khung truyền là một yếu tốc
quan trọng tạo nên sự thành công khi truyền và nhận. Khung truyền bao gồm
các quy định về số bit trong mỗi lần truyền, các bit “báo” như bit Start và bit
Stop, các bit kiểm tra như Parity, ngoài ra số lượng các bit trong một data
cũng được quy định bởi khung truyền. Hình 1 là một ví dụ của một khung
truyền theo UART, khung truyền này được bắt đầu bằng một start bit, tiếp
theo là 8 bit data, sau đó là 1 bit parity dùng kiểm tra dữ liệu và cuối cùng là
2 bits stop.
+ Start bit:
Start là bit đầu tiên được truyền trong một frame truyền, bit này có chức
năng báo cho thiết bị nhận biết rằng có một gói dữ liệu sắp được truyền tới.
Ở module USART trong AVR, đường truyền luôn ở trạng thái cao khi nghỉ
(Idle), nếu một chip AVR muốn thực hiện việc truyền dữ liệu nó sẽ gởi một
bit start bằng cách “kéo” đường truyền xuống mức 0. Như vậy, với AVR bit

start là mang giá trị 0 và có giá trị điện áp 0V (với chuẩn RS232 giá trị điện
áp của bit start là ngược lại). start là bit bắt buộc phải có trong khung truyền.
+ Data:
Data hay dữ liệu cần truyền là thông tin chính mà chúng ta cần gởi và
nhận. Data không nhất thiết phải là gói 8 bit, với AVR bạn có thể quy định
số lượng bit của data là 5, 6, 7, 8 hoặc 9 (tương tự cho hầu hết các thiết bị hỗ
trợ UART khác). Trong truyền thông nối tiếp UART, bit có ảnh hưởng nhỏ
nhất (LSB – Least Significant Bit, bit bên phải) của data sẽ được truyền
trước và cuối cùng là bit có ảnh hưởng lớn nhất (MSB – Most Significant
Bit, bit bên trái).
+ Parity bit:
Parity là bit dùng kiểm tra dữ liệu truyền đúng không (một cách tương
đối). Có 2 loại parity là parity chẵn (even parity) và parity lẻ (odd parity).
Parity chẵn nghĩa là số lượng số 1 trong dữ liệu bao gồm bit parity luôn là số
chẵn. Ngược lại tổng số lượng các số 1 trong parity lẻ luôn là số lẻ. Ví dụ,
nếu dữ liệu của bạn là 10111011 nhị phân, có tất cả 6 số 1 trong dữ liệu này,
nếu parity chẵn được dùng, bit parity sẽ mang giá trị 0 để đảm bảo tổng các
số 1 là số chẵn (6 số 1). Nếu parity lẻ được yêu cầu thì giá trị của parity bit là
1. Hình 1 mô tả ví dụ này với parity chẵn được sử dụng. Parity bit không
phải là bit bắt buộc và vì thế chúng ta có thể loại bit này khỏi khung truyền.
+ Stop bit:
13
13
Stop bits là một hoặc các bit báo cho thiết bị nhận rằng một gói dữ liệu đã
được gởi xong. Sau khi nhận được stop bits, thiết bị nhận sẽ tiến hành kiểm
tra khung truyền để đảm bảo tính chính xác của dữ liệu. Stop bits là các bits
bắt buộc xuất hiện trong khung truyền, trong AVR USART có thể là 1 hoặc
2 bits (Trong các thiết bị khác Stop bits có thể là 2.5 bits). Trong ví dụ ở
hình 1, có 2 stop bits được dùng cho khung truyền.Giá trị của stop bit luôn là
giá trị nghỉ (Idle) và là ngược với giá trị của start bit, giá trị stop bit trong

AVR luôn là mức cao (5V).
• Giao tiếp không dây RF
Truyền nhận dữ liệu không dây RF không phải là một vấn đề mới,
nhưng việc hiểu và phân tích kĩ sẽ giúp việc đơn giản hóa và tăng hiệu quả
sử dụng trong các thiết kế ứng dụng không dây với vi điều khiển.
Việc xử lí nhiễu là rất quan trọng đối với mọi chuẩn giao tiếp, giao tiếp
không dây RF cũng vậy. Chính vì lí dó đó, việc mã hóa/giải mã dữ liệu
chỗng nhiễu là việc không thể thiếu khi muốn truyền nhận qua RF. Mã hóa
dữ liệu có thể làm bằng nhiều cách: sử dụng các IC mã hóa – giải mã, lập
trình bằng vi điều khiển, mã hóa trực tiếp với PC …
Có rất nhiều dạng mã hóa khác nhau như: NRZL (Non Return to Zero
Level), NRZI ( Non Return to Zero Inverted), Manchester … Hình dưới là
dạng mã hóa Manchester. Phương pháp mã hóa Manchester theo nguyên tắc
sau:
– Mỗi bit sẽ có một khoảng thời gian truyền cố định.
– Dữ liệu được xác định vào thời khoảng giữa của bit.
– Mức 1 biểu diễn Low-to-High, mức 0 biểu diễn High-to-Low ( hoặc
ngược lại tùy theo quy ước đảo mã Manchester).
Hình 2.7 Mã hóa theo Manchester
14
14
Với một chuẩn giao tiếp bất kì, vì tận cùng bản chất của dữ liệu là bao
gồm các bit 0 và 1, bên phát dữ liệu cần có một cách thức để gửi các bit 0 và
1 để gửi cho bên nhận. Một tín hiệu xoay chiều hay một chiều tự nó sẽ không
thực hiện tác vụ này. Tuy nhiên, nếu một tín hiệu có thay đổi và dao động,
dù chỉ một ít, sự thay đổi này sẽ giúp phân biệt bit 0 và bit 1. Lúc đó, dữ liệu
cần truyền sẽ có thể gửi và nhận thành công dựa vào chính sự thay đổi của
tín hiệu. Dạng tín hiệu đã điều chế này còn được gọi là sóng mang (carrier
signal). Có ba thành phần của dạng sóng có thể thay đổi để tạo ra sóng mang,
đó là biên độ, tần số và pha. Tất cả các dạng truyền thông dùng sóng vô

tuyến đều dùng vài dạng điều chế để truyền dữ liệu. Để mã hóa dữ liệu vào
trong một tín hiệu gửi qua sóng AM/FM, điện thoại di động, truyền hình vệ
tinh, ta phải thực hiện một vài kiểu điều chế trong sóng vô tuyến đang
truyền.
Biến điệu hay điều chế là quá trình chuyển đổi phổ tần của tín hiệu cần
truyền đến một vùng phổ tần khác bằng cách dùng một sóng mang để chuyên
chở tín hiệu cần truyền đi. Mục đích của việc làm này là chọn một phổ tần
thích hợp cho việc truyền thông tin, với các tần số sóng mang khác nhau
người ta có thể truyền nhiều tín hiệu có cùng phổ tần trên các kênh truyền
khác nhau của cùng một đường truyền.
Một cách tổng quát, phương pháp điều chế là dùng tín hiệu cần truyền làm
thay đổi một thông số nào đó của sóng mang (biên độ, tần số, pha ). Tùy
theo thông số được lựa chọn mà ta có các phương pháp điều chế khác nhau:
điều chế biên độ (AM), điều chế tần số (FM), điều chế pha ΦM, điều chế
xung PM…
– Điều biên ( Điều chế AM )
Điều biên thay đổi biên độ/ độ cao của tín hiệu để mô tả dữ liệu nhị
phân. Điều biên dùng kỹ thuật trạng thái hiện hàng, trong đó một mức biên
độ được dùng để tượng trưng mức 0 và một mức được dùng để tượng trưng
mức 1. Hình bên dưới mô tả làm thế nào một dạng sóng có thể điều chế một
mã ASCII ký tự K dùng phương pháp điều biên. Biên độ lớn tượng trưng cho
bit 1, trong khi biên độ nhỏ tượng trưng cho mức 0. Chính biên độ của sóng
sẽ xác định dữ liệu đang được truyền. Bên máy nhận, đầu tiên máy nhận sẽ
chia tín hiệu nhận được ra thành những khoảng thời gian được gọi là thời
gian lấy mẫu. Máy nhận sau đó sẽ kiểm tra sóng để tìm ra biên độ. Tùy thuộc
vào giá trị biên độ của sóng, máy nhận sẽ xác định giá trị nhị phân đang được
truyền. Như bạn cũng có thể biết, các tín hiệu không dây thì có thể khó dự
đoán và cũng có thể bị nhiễu từ nhiều nguồn. Khi nhiễu xảy ra, nó thường
ảnh hưởng đến biên độ của tín hiệu vì khi có một sự thay đổi trong biên độ
có thể làm cho máy nhận diễn dịch sai giá trị dữ liệu, kỹ thuật này phải được

dùng một cách cẩn thận.
15
15
Hình 2.8 điều chế một mã ASCII ký tự K dùng phương pháp điều biên.
– Điều tần ( Điều chế FM )
Điều tần thay đổi tần số tín hiệu để mô tả dữ liệu nhị phân. Điều biên
dùng kỹ thuật trạng thái hiện hành, trong đó một mức tần số có thể tượng
trưng cho bit 0 và một tần số khác tượng trưng cho bit 1. Sự thay đổi tần số
sẽ xác định dữ liệu đang được truyền. Bên máy nhận lấy mẫu của tín hiệu, nó
sẽ xác định tần số của sóng, và tuỳ thuộc vào giá trị tần số, máy nhận sẽ xác
định giá trị nhị phân. Hình dưới đây sẽ mô tả làm thế nào một dạng sóng có
thể mô tả ký tự K của bảng mã ASCII dùng kỹ thuật điều tần. Mức tần số
nhanh hơn được diễn dịch như mức 1 và mức tần số thấp hơn được diễn tả
như mức 0.
Trong các chuẩn 802.11 ban đầu, kỹ thuật điều tần FSK được dùng. Khi yêu
cầu truyền thông nhanh hơn, kỹ thuật FSK sẽ đòi hỏi nhiều kỹ thuật đắt hơn
để hỗ trợ tốc độ nhanh hơn. Điều này làm cho nó không còn thực tế.
16
16
Hình 2.9 điều chế một mã ASCII ký tự K dùng phương pháp điều tần.
– Điều pha
Kỹ thuật này sẽ thay đổi pha của tín hiệu để mô tả dữ liệu nhị phân.
Điều pha dùng kỹ thuật thay đổi trạng thái, trong đó một pha dùng để mô tả
bit 0 và một pha khác dùng để mô tả mức 1. Sự thay đổi trạng thái của pha sẽ
xác định dữ liệu đang được truyền. Khi máy nhận lấy mẫu tín hiệu, nó sẽ xác
định pha và trạng thái của bit. Hình dưới đây mô tả làm thế nào một dạng
sóng có thể mô tả ký tự K dùng kỹ thuật điều pha. Pha thay đổi đầu chu kỳ
dùng để mô tả giá trị nhị phân là 1. Nếu pha không thay đổi ở đầu chu kỳ thì
mô tả giá trị 0. Điều pha dùng nhiều trong các chuẩn 802.11. Một cách cụ
thể, bên máy nhận sẽ lấy mẫu tín hiệu và so sánh pha của mẫu hiện hành với

pha trước đó và xác định sự khác nhau. Sự khác nhau trong pha (lệch pha) sẽ
được dùng để xác định giá trị bit. Các phiên bản cao cấp của điều pha có thể
mã hóa nhiều bit. Thay vì dùng hai pha để xác định giá trị nhị phân, bốn pha
có thể được dùng. Mỗi pha trong bộ bốn này có thể dùng để mô tả hai giá trị
nhị phân (00,01,10,11) thay vì chỉ 1 (0 hoặc 1), như vậy sẽ giúp ngắn thời
gian truyền.
17
17

Hình 2.10 điều chế một mã ASCII ký tự K dùng phương pháp điều pha.
Module thu phát DRF7020D13
Đây là một Module thu phát 2 chiều nhỏ gọn, rất tiện dụng, có thể
truyền dữ liệu với khoảng cách max 700m. Truyền với khoảng cách xa như
vậy nhưng khả năng chống nhiễu của nó rất tốt. Chip điều khiển Module này
theo chuẩn RS232 rất đơn giản.
Hình 2.11 Module thu phát DRF7020D13
DRF7020D13 là một loại Module thu phát tích hợp cao, tiêu thụ điện
năng thấp dựa trên IC ADF7020 RF. Đổi mới công nghệ mã hóa EDAC (đan
18
18
xen phát hiện lỗi và sửa lỗi) được sử dụng để đảm bảo việc truyện nhận dữ
liệu và khoảng cách xa hơn so với công nghệ mã hóa thường.
Module này bình thường giao tiếp với máy tính qua cổng COM, nhưng như
vậy sẽ không tiện cho việc kết nối, do hiện nay có nhiều loại máy tính không
có cổng COM. Tuy nhiên, cổng USB thì bất kì PC nào cũng có, nên nhóm đã
làm một bộ chuyển đổi từ cổng COM sang USB để thuận lợi cho việc giao
tiếp và điều khiển.
Một số tính năng nổi bật của Module:
– Sử dụng phương thức điều tần.
– Dải tần 418MHz ~ 455MHz.

– Tốc độ truyền nhận dữ liệu FSK: 1.2, 2.4, 4.8, 9.6, 19.2, 38.4, 57.6 Kbps
– Đa kênh
– Công suất đầu ra 13dBm (0.02W)
– Có thể điều chỉnh tốc độ Baud
– 256byte bộ đệm dữ liệu
– Dòng chờ < 5uA.
– Nguồn cấp 3.4 ~ 5.5V
– Có thể ứng dụng trong nhà thông minh, còi bảo vệ, điều khiển động cơ
từ xa…
Bảng 2.4: Chức năng các chân module thu phát DRF7020D13
Số chân Tên Chức năng I/O
1 GND
Nối mass
-
2 VCC Nguồn -
3 EN Chân cho phép(> 1.6V) I
4 RXD Đầu vào UART (TTL)
I
5 TXD Đầu vào UART (TTL)
O
6 AUX
Dẫn dữ liệu I/O
O
7 SET
Chân cài đặt giá trị
I
19
19
Bảng 2.5: Thông số giới hạn
Tên Chức năng Min Max

Đơn vị
VCC Nguồn cấp
-0.3
5.5
V
VI Điện áp vào -0.3 VCC+0.3
V
VO Điện áp ra -0.3 VCC+0.3
V
TST Nhiệt độ -55
125
°C
Hình 2.12 Biều đồ thời gian.
Camera IP
Ngày nay hệ thống Camera an ninh đã trở nên hết sức thông dụng đối với
mọi người có thể được lắp đặt để giám sát hoạt động của mọi nơi: Các nhà
máy, văn phòng, cơ quan xí nghiệp, khách sạn, cửa hàng… mà không cần
20
20
phải đi đến tận nơi quan sát hoặc có thể ở bất cứ đâu, bất cứ lúc nào mà vẫn
theo dõi được công việc hàng ngày diễn ra.
Giúp cho những nhà quản lí vừa kiểm soát công việc một cách chặt chẽ
hơn, vừa tiết kiệm được chi phí thuê nhân viên bảo vệ, mà lại làm cho hình
ảnh của doanh nghiệp được chuyên nghiệp, hiện đại hơn.
Nếu khi xẩy ra bất cứ một vấn đề hay sự cố gì đều được hệ thống Camera
an ninh ghi lại, từ đó làm tư liệu bằng chứng để tìm ra được nguyên nhân xẩy
ra vấn đề đó.
Camera an ninh gồm có các loại sau:
+ Camera box
+ Camera dome

+ Camera ip
+ Camera ptz
+ Camera mini
+ Camera hồng ngoại
Từ cách phân loại trên ta thấy camera ip là một loại camera an ninh, sử
dụng giao tiếp mạng để truyền tín hiệu. Hiện nay, camera ip được sử dụng
rất nhiều cho các Robot chân rết giúp chúng ta có thể quan sát được địa hình,
những nơi mà con người không thể tới, điều khiển Robot tránh vật cản, thực
hiện các nhiệm vụ do con người đặt ra.
Camera IP mà nhóm dùng trong đề tài là Model IPcam541. Đây là camera
an ninh giám sát từ xa qua mạng với khả năng điều khiển xoay 4 chiều thông
minh qua trình duyệt đi kèm.
21
21
Hình 2.13 Model IPcam541
Các thông số của camera:
+ Cảm biến hình ảnh: 1/4“ CMOS sensor
+ Ống kính: f = 4.5mm, F=2.0.
+ LED hồng ngoại: Tự động nhận biết trời tối
+ Độ phân giải: VGA (640x480)/QVGA(320x240)
+ Nén video dạng: M-JPEG
+ Tốc độ hình: 30 hình/s
+ Chuông báo: một đầu vào và một đầu ra
+ Người dùng cài đặt: 3 chế độ
+ Giao thức mạng: TCP/IP, UDP/IP, HTTP, SMTP, FTP, DHCP, DDN,
UPNP,WIFI.
+ Kết nối mạng: Ethernet 10/100Base-T, RJ-45 connector
+ Nâng cấp phần mềm: Hỗ trợ nâng cấp từ xa
+ Khối lượng: 320g (chỉ riêng camera)
+ Kích thước: 102mm(L)*107mm(W)*160mm(H)

+ Nguồn nuôi: 5V DC
+ Hỗ trợ các hệ điều hành: Microsoft Windows 98/2000/XP/Vista
+ Trình duyệt: Internet Explorer6.0 and Above or Compatible Browser,
Firefox etc.
 ,-.%(/010
Matlab không chỉ là phần mềm mô phỏng hệ thống mà nó còn là công cụ tính
toán , phần mềm lập trình mạnh . Nó cung cấp nhiều toolbox để giải quyết các
bài toán đồ họa , điều khiển , mô phỏng …
Image processing toolbox với thư viên lớn cung cấp nhiều hàm , các ví dụ demo
22
22
Thiết bị thu nhận ảnh (camera , sensor )
Ảnh thu nhận được Tiền xử lý
Phân đoạn ảnhBiểu diễn và mô tảNhận dạng và nội suy
phục vụ xử lý ảnh
Ngoài ra để thu nhận và nhận dạng thì kết hợp 2 toolbox là image acquisition
toolbox và neural network toolbox.
2.4 T\ng quan về xử l_ `nh
,23(4/56758
Bộ lọc trung vị (Median filter) được phát triển bởi Boyle đó là kỹ thuật làm
giảm nhiễu nhỏ và nhiễu muối tiêu ở ảnh thu được. Nó cũng có ích trong việc làm
giảm nhiễu nhẫu nhiên mà vẫn bảo vệ được biên ảnh. Nhiễu nhỏ được lọc bỏ bằng
việc di chuyển một cửa sổ quét hết diện tích ảnh đồng thời lấy giá trị trung vị của
cửa sổ đó gán vào vị trí tâm của cửa sổ.
Hình bên dưới minh họa bộ lọc trung vị.
Hình 2.14 Bộ lọc trung vị
Giá trị của pixel trong cửa sổ là 115, 119, 120, 123, 124, 125, 126, 127, và 150
giá trị trung vị là 124. Vì vậy giá trị của tâm cửa sổ sau khi qua bộ lọc trung vị là
124.
23

23
Đối với bộ lọc trung vị thì lọc nhiễu tốt khi nhiễu đó nhỏ, đồng thời nó ít làm
mờ biên. Hình sau miêu tả ảnh khi qua bộ lọc trung vị:
(a) (b)
Hình 2.15 Median filter (a):ảnh gốc, (b):ảnh sau khi qua bộc lọc trung vị
Một thông số quan trọng khi sử dụng bộ lọc trung vị là kích thước của cửa sổ.
Kích thước của sổ càng lớn thì ảnh ra càng trơn hơn tuy nhiên thời gian xử lý sẽ
lớn hơn. Việc chọn kích thước của cửa sổ phụ thuộc vào bối cảnh. Bởi khó có thể
chọn trước kích thước cửa sổ tối ưu, nên phải dùng thử nhiều cửa sổ có kích thước
khác nhau và chọn ra kích thước tối ưu trong những ảnh thu nhận được. Một số kích
thước cửa sổ hay dùng là 3x3, 5x5, 7x7, 10x10. Hình dưới minh họa ảnh đầu ra qua
bộ lọc trung vị với kích thước cửa sổ khác nhau
(a) (b) (c)
Hình 2.16 (a): ảnh gốc, (b),(c): ảnh qua bộ lọc trung vị kích thước cửa sổ lần lượt là
5x5 và 7x7.
,23(94/5758
Bộ lọc trung bình là bộ lọc tuyến tính.
Bộ lọc trung bình tính giá trị trung bình trong cửa sổ pixel và chuyển pixel vừa
tính được vào vị trí tâm của cửa sổ ở ảnh đầu ra.
Ví dụ ta có cửa sổ pixel 3x3:
24
24
Hình 2.17 Bộ lọc trung bình
Giá trị tâm = (213 +56+24+102+98+78+205+176+136)/9 = 121.
Bộ lọc trung bình có tính chất làm mượt và trơn ảnh tuy nhiên nó làm mờ biên
của ảnh khi tăng kích thước cửa sổ thì ảnh đầu ra bị mờ hơn và thời gian xử lý cũng
lâu hơn. Hình dưới minh họa ảnh sau khi qua bộ lọc trung bình.
Hình 2.18 Mean filter:(a)- ảnh gốc (b)- ảnh sau khi qua bộ lọc trung bình
Tương tự như bộ lọc trung vị kích thước của cửa sổ là thông số quan trọng
nhất của bộ lọc. Nó thường được chọn qua quá trình xử lý trong thực tế và yêu cầu

bài toán đặt ra. Ảnh hưởng của kích thước cửa sổ được minh họa như hình dưới

(a) (b) (c)
Hình 2.19 (a): ảnh gốc, (b), (c): ảnh qua bộ lọc trung bình với cửa sổ lọc là 5x5 và
10x10
, :;<45=68
Ngưỡng là quá trình chuyển một ảnh xám sang ảnh nhị phân. Quá trình náy
chuyển tất cả các pixel có giá trị lớn hơn mức xám (grey level) về giá trị 255 (trắng
hay 1 trong ảnh nhị phân) và các pixel có giá trị nhỏ hơn mức xám về giá trị 0
25
25