Nghiên cứu chế tạo robot bám line dùng xử lý ảnh

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT TP. HỒ CHÍ MINH
KHOA CƠ KHÍ CHẾ TẠO MÁY

ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP
NGÀNH CÔNG NGHỆ KỸ THUẬT CƠ ĐIỆN TỬ

NGHIÊN CỨU CHẾ TẠO ROBOT BÁM LINE DÙNG
XỬ LÝ ẢNH

GVHD: ThS. LÊ TẤN CUỜNG
SVTH: ÐỖ ÐÌNH CẨM
MSSV : 11146012

S KL 0 0 4 7 4 3

Tp. Hồ Chí Minh, tháng 07 năm 2016


BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT TP.HỒ CHÍ MINH
----------------------------

KHOA CƠ KHÍ CHẾ TẠO MÁY

Giảng viên hướng dẫn
Sinh viên thực hiện
MSSV
Lớp

:

:
:
:

TH.S LÊ TẤN CƯỜNG
ĐỖ ĐÌNH CẨM
11146012
111461A

Tp.Hồ Chí Minh, ngày 20 tháng 07 năm 2016


LỜI NÓI ĐẦU

Trong những năm gần đây, khả năng xử lý hình ảnh của các camera ngày càng phát
triển. Các robot được gắn camera có khả năng theo dõi, định vị hình dạng, kích thước vật
quan sát . Theo xu hướng phát triển đó, em quyết định lựa chọn thực hiện nghiên cứu đề
tài: “Nghiên cứu chế tạo Robot bám line dùng xử lý ảnh”
Ngoài việc hoàn thành đồ án tốt nghiệp với những cơng việc trên đây thì nó cịn có ý
nghĩa sâu sắc đối với sinh viên thực hiện. Một lần nữa sinh viên được thực hành những
kiến thức học được từ ghế nhà trường sẽ giúp hình thành những sản phẩm công nghiệp,
được sử dụng, cầm tay lắp những cảm biến mà từ trước chỉ nằm trên trang giấy. Trong
q trình tiến hành khơng thể khơng gặp những khó khăn vấp phải, do đó kích thích sinh
viên tư duy để tìm ra phương án tối ưu và trao đổi thảo luận với thầy cô, chúng ta bè.
Tuy nhiên do hạn chế về kinh nghiệm thực tế và thời gian thực hiện nên việc giải quyết
đề tài không thể tránh khỏi những thiếu sót. Do đó rất mong sự chỉ bảo thêm của quý thầy
cô cũng như những đóng góp của các chúng ta sinh viên.
Xin chân thành cảm ơn!

Robot bám line dùng xử lý ảnh

i


CỘNG HÒA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM
Độc Lập – Tự Do – Hạnh Phúc
Thành phố Hồ Chí Minh, ngày tháng năm

NHIỆM VỤ CỦA ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP
Họ và tên: Đỗ Đình Cẩm

MSSV: 11146012

Ngành: CƠ ĐIỆN TỬ

Lớp: 111461

Giảng viên hướng dẫn: TS. Lê Tấn Cường

ĐT: 0909744100

Ngày nhận đề tài: 25/08/2016

Ngày nộp đề tài: 28/07/2016

1. Tên đề tài: NGHIÊN CỨU CHẾ TẠO ROBOT BÁM LINE DÙNG XỬ LÝ ẢNH
2. Các số liệu, tài liệu ban đầu:
- Tài liệu tổng quan về Pixy và Wikipedia về Pixy
3. Nội dung thực hiện đề tài:
- Tìm hiểu về Pixy Camera và PixyMon.

- Thiết kế mơ hình camera.
- Tìm hiểu về stepper motor.
- Thiết kế mơ hình robot.
- Lập trình điều khiển.
- Chạy thử nghiệm.
4. Sản phẩm:
- Nghiên cứu tổng quan về xe bám line, Arduino và các cảm biến.
- Tìm hiểu về Pixy Camera
- Thiết kế xe bám line tự động có camera.
TRƯỞNG NGÀNH

GIẢNG VIÊN HƯỚNG DẪN

Robot bám line dùng xử lý ảnh

ii


CỘNG HÒA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM
Độc lập – Tự do – Hạnh phúc

----***----

PHIẾU NHẬN XÉT CỦA GIÁO VIÊN HƯỚNG DẪN
Họ và tên Sinh viên: Đỗ Đình Cẩm

MSSV: 11146012

Ngành: Cơ Điện Tử
Tên đề tài: Nghiên cứu chế tạo robot bám line dùng xử lý ảnh

Họ và tên Giáo viên hướng dẫn: TS. Lê Tấn Cường
NHẬN XÉT
1. Về nội dung đề tài & khối lượng thực hiện:
……………………………………………………………………………………………
……………………………………………………………………………………………
……………………………………………………………………………………………
……………………………………………………………………………………………
……………………………………………………………………………………………
……………………………………………………………………………………………
2. Ưu điểm:
……………………………………………………………………………………………
……………………………………………………………………………………………
……………………………………………………………………………………………
……………………………………………………………………………………………
……………………………………………………………………………………………
……………………………………………………………………………………………
……………………………………………………………………………………………
……………………………………………………………………………………………
……………………………………………………………………………………………
3. Khuyết điểm:
……………………………………………………………………………………………
……………………………………………………………………………………………
……………………………………………………………………………………………
……………………………………………………………………………………………
……………………………………………………………………………………………
……………………………………………………………………………………………
……………………………………………………………………………………………
……………………………………………………………………………………………
……………………………………………………………………………………………
Robot bám line dùng xử lý ảnh

iii


4. Điểm đánh giá cụ thể
ĐIỂM
TỐI ĐA

TT MỤC ĐÁNH GIÁ
1

2

Hình thức và kết cấu luận án
Đúng format với đầy đủ cả hình thức và nội dung của các mục
Tính tổng quan, mục tiêu và nhiệm vụ nghiên cứu
Tính cấp thiết của đề tài
Phương pháp nghiên cứu
Nội dung nghiên cứu
Khả năng ứng dụng kiến thức toán học, khoa học và kỹ thuật, khoa
học xã hội,… để giải quyết vấn đề
Khả năng phân tích/tổng hợp
 Khả năng thực hiện thiết kế và chế tạo hệ thống, máy móc,
hoặc thiết bị,…(đối với đề tài theo hướng công nghệ)
 Khả năng thực hiện nghiên cứu, đề xuất phương pháp hoặc
quy trình,… có tính mới và sáng tạo, đáp ứng yêu cầu đưa ra
với những ràng buộc thực tế (đối với đề tài theo hướng
nghiên cứu)
Khả năng cải tiến và phát triển đề tài
Khả năng sử dụng công cụ kỹ thuật, phần mềm chuyên ngành,…

Tổng điểm

10
5
100

Tổng điểm quy đổi (hệ 10)

10

ĐIỂM
ĐẠT
ĐƯỢC

20
5
5
5
5
80
10
5

50

5. Câu hỏi phản biện (nếu có):
Có nên sử dụng động cơ có encoder (thay cho động cơ bước) hay không ? So sánh ưu và
nhược điểm khi sử dụng từng loại ?

Trình bày rõ hơn về kết quả thực nghiệm của việc dò line bằng xử lý ảnh ?

6. Đề nghị cho bảo vệ hay khơng?

Đồng ý cho bảo vệ
Tp. Hồ Chí Minh, ngày 20 tháng 07 năm 2016
Giáo viên hướng dẫn
(Ký & ghi rõ họ tên)

TS. Lê Tấn Cường
Robot bám line dùng xử lý ảnh

iv


CỘNG HOÀ XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM
Độc lập – Tự do – Hạnh Phúc
******

PHIẾU NHẬN XÉT CỦA GIÁO VIÊN PHẢN BIỆN
Họ và tên Sinh viên: Đỗ Đình Cẩm ........................................ MSSV: 11146012
Ngành:

Cơ điện tử

Tên đề tài: Nghiên cứu chế tạo robot bám line dùng xử lý ảnh
Họ và tên Giáo viên hướng dẫn: Lê Tấn Cường

NHẬN XÉT
1. Về nội dung đề tài & khối lượng thực hiện:
…………………………………………………………………...………………………….
………………………………………………………………………………………………

2. Ưu điểm:
……………………………………………………………………………………………
……………………………………………………………………………………………
……………………………………………………………………………………………
……………………………………………………………………………………………
……………………………………………………………………………………………
……………………………………………………………………………………………
3. Khuyết điểm:
……………………………………………………………………………………………
……………………………………………………………………………………………
……………………………………………………………………………………………
……………………………………………………………………………………………
……………………………………………………………………………………………
……………………………………………………………………………………………
……………………………………………………………………………………………
……………………………………………………………………………………………
……………………………………………………………………………………………
…………………………………

Robot bám line dùng xử lý ảnh

v


4. Điểm đánh giá cụ thể
ĐIỂM
TỐI ĐA

TT MỤC ĐÁNH GIÁ
1

2

Hình thức và kết cấu luận án
Đúng format với đầy đủ cả hình thức và nội dung của các mục
Tính tổng quan, mục tiêu và nhiệm vụ nghiên cứu
Tính cấp thiết của đề tài
Phương pháp nghiên cứu
Nội dung nghiên cứu
Khả năng ứng dụng kiến thức toán học, khoa học và kỹ thuật, khoa
học xã hội,… để giải quyết vấn đề
Khả năng phân tích/tổng hợp
 Khả năng thực hiện thiết kế và chế tạo hệ thống, máy móc,
hoặc thiết bị,…(đối với đề tài theo hướng công nghệ)
 Khả năng thực hiện nghiên cứu, đề xuất phương pháp hoặc
quy trình,… có tính mới và sáng tạo, đáp ứng yêu cầu đưa ra
với những ràng buộc thực tế (đối với đề tài theo hướng
nghiên cứu)
Khả năng cải tiến và phát triển đề tài
Khả năng sử dụng công cụ kỹ thuật, phần mềm chuyên ngành,…
Tổng điểm

10
5
100

Tổng điểm quy đổi (hệ 10)

10

ĐIỂM
ĐẠT
ĐƯỢC

20
5
5
5
5
80
10
5

50

5. Câu hỏi phản biện (nếu có):
Có nên sử dụng động cơ có encoder (thay cho động cơ bước) hay không ? So sánh ưu và
nhược điểm khi sử dụng từng loại ?
Trình bày rõ hơn về kết quả thực nghiệm của việc dò line bằng xử lý ảnh ?
6. Đề nghị cho bảo vệ hay khơng?
Đồng ý cho bảo vệ
Tp. Hồ Chí Minh, ngày 20 tháng 07 năm 2016
Giáo viên phản biện
(Ký & ghi rõ họ tên)

Nguyễn Việt Thắng

Robot bám line dùng xử lý ảnh

vi

LỜI CAM KẾT

Tên đề tài: NGHIÊN CỨU CHẾ TẠO ROBOT BÁM LINE DÙNG XỬ LÝ ẢNH
GVHD: T.S LÊ TẤN CƯỜNG
Họ và tên: ĐỖ ĐÌNH CẨM

MSSV: 11146012

Số điện thoại liên lạc: 01649764528
Email:
Lời cam kết: “Chúng tôi xin cam đoan đồ án tốt nghiệp này là cơng trình do chính chúng
em nghiên cứu và thực hiện. Chúng em không sao chép từ bất kỳ một bài viết nào đã
được công bố mà khơng trích dẫn nguồn gốc. Nếu có bất kỳ một sự vi phạm nào, chúng
em xin chịu hoàn toàn trách nhiệm”.
Tp.HCM, ngày 20 tháng 7 năm 2016
Người thực hiện đề tài

Đỗ Đình Cẩm

Robot bám line dùng xử lý ảnh vii


LỜI CẢM ƠN
Sau một thời gian học tập và nghiên cứu nhóm thực hiện đề tài đã hồn thành đề tài tốt
nghiệp được giao. Em xin chân thành gửi lời cám ơn đến:
Ban Giám Hiệu, Các cán bộ công nhân viên nhà trường đã giúp đỡ em trong suốt thời
gian học tập tại trường.
Ban Chủ Nhiệm Khoa và các Thầy Cô trong Cơ Khí Chế Tạo Máy đã dạy em các kiến

thức cơ bản và chuyên ngành.
Các chúng ta cùng đồng hành với em trong suốt quá trình học tập và nghiên cứu.
Đặc biệt xin gửi lời tri ân đến Thầy LÊ TẤN CƯỜNG, người trực tiếp hướng dẫn đề
tài đã hỗ trợ cho em rất nhiều về kiến thức, tài liệu và cơ sở vật chất để em có thể hoàn
thành tốt đề tài.

Robot bám line dùng xử lý ảnh

vii
i


MỤC LỤC

LỜI NÓI ĐẦU .................................................................................................................i
NHIỆM VỤ CỦA ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP.................................................................. ii
PHIẾU NHẬN XÉT CỦA GIÁO VIÊN HƯỚNG DẪN ..................................... iii
PHIẾU NHẬN XÉT CỦA GIÁO VIÊN PHẢN BIỆN ...............................................v
LỜI CAM KẾT ........................................................................................................... vii
LỜI CẢM ƠN ............................................................................................................ viii
MỤC LỤC .....................................................................................................................ix
CHƯƠNG I ....................................................................................................................1
DẪN NHẬP ....................................................................................................................1
1.1 Tổng quan về vấn đề nghiên cứu........................................................................................................1
1.2 Hướng dẫn giải quyết vấn đề..............................................................................................................2
1.2.1 Bộ điều khiển trung tâm ..............................................................................................................2
1.2.2 Cảm biến......................................................................................................................................2
1.3 Mục tiêu và nhiệm vụ của đề tài.........................................................................................................2
1.3.1 Mục tiêu.......................................................................................................................................2
1.3.2 Nhiệm vụ .....................................................................................................................................2

1.4 Giới hạn của đề tài..............................................................................................................................3
1.5 Tóm tắt các chương ............................................................................................................................3

CHƯƠNG II ...................................................................................................................4
CƠ SỞ LÝ LUẬN ..........................................................................................................4
2.1 Đối tượng nghiên cứu .........................................................................................................................4
2.2 Nội dung, phương tiện và phương án thực hiện .................................................................................4
2.2.1 Nội dung ......................................................................................................................................4
2.2.2 Phương tiện và phương án thực hiện ...........................................................................................5

CHƯƠNG III .................................................................................................................6
TỔNG QUAN VỀ ROBOT...........................................................................................6
3.1 Tổng quan về Robot ...........................................................................................................................6
3.2 Giới thiệu Robot bám line tự động .....................................................................................................7
3.2.1 Giới thiệu Robot bám đường .......................................................................................................7
3.2.2 Nguyên tắc chung của robot bám line tự động ............................................................................7

Robot bám line dùng xử lý ảnh

ix


3.3 Ứng dụng của Robot bám line tự động ..............................................................................................7

CHƯƠNG IV .................................................................................................................9
TỔNG QUAN VỀ XỬ LÝ ẢNH ..................................................................................9
4.1 Giới thiệu xử lý ảnh ............................................................................................................................9
4.1.1 Cảm biến hình ảnh .......................................................................................................................9
4.1.2 Giới thiệu về Pixy........................................................................................................................9
4.2 Tính năng của Pixy ...........................................................................................................................10

4.2.1 Hỗ trợ điều khiển ........................................................................................................................10
4.2.2 Thuật toán lọc màu .....................................................................................................................10
4.2.3 Đặc điểm của Pixy ......................................................................................................................11
4.2.4 Thông số kĩ thuật ........................................................................................................................11
4.3 Tính năng PIXY camera .................................................................................................................. 12
4.3.1 Dạy pixy các đối tượng quan tâm ...............................................................................................12
4.3.2 Pixy Mon ....................................................................................................................................14
4.3.3 Giao tiếp thông qua PixyMon.....................................................................................................21
4.3.4 Một mã màu ( Color code) .........................................................................................................37

CHƯƠNG V .................................................................................................................39
THIẾT BỊ ĐIỀU KHIỂN ............................................................................................ 39
5.1 Arduino............................................................................................................................................ 39
5.1.1 Giới thiệu chung về Arduino .....................................................................................................39
5.1.2 Giới thiệu board Arduino UNO 328 R3 ....................................................................................40
5.1.3 Tổ chức bộ nhớ ..........................................................................................................................41
5.1.4 Các chân năng lượng .................................................................................................................41
5.1.5 Vi điều khiển .............................................................................................................................42
5.1.6 Các cổng vào/ ra ........................................................................................................................43
5.1.7 Một số lưu ý về Arduino ...........................................................................................................44
5.1.8 Giới thiệu về Arduino IDE và ngơn ngữ lập trình cho Arduino ................................................44
5.2 Duel Bipolar Stepper Motor Shield for Arduino (A4988) .............................................................. 51
5.2.1 Giới thiệu ...................................................................................................................................51
5.2.2 Đặc điểm kĩ thuật ......................................................................................................................51
5.2.3 Pin out & Diagram ....................................................................................................................52
5.2.4 Các chi tiết bổ trợ ......................................................................................................................53

CHƯƠNG VI ...............................................................................................................54
THIẾT KẾ ROBOT BÁM LINE TỰ ĐỘNG ........................................................... 54
6.1 Thiết kế cơ khí ................................................................................................................................. 54

Robot bám line dùng xử lý ảnh

x


6.1.1

Ý tưởng................................................................................................................................... 54

6.1.2

Khung xe ................................................................................................................................ 54

6.2 Phần điều khiển ............................................................................................................................... 55
6.2.1

Tổng quan và sơ đồ khối ........................................................................................................ 55

6.2.2

Các khối cơ bản của Robot ..................................................................................................... 56

6.2.2.1 Khối cảm biến dò đường ........................................................................................................56
6.2.2.2 Khối động lực .........................................................................................................................56
6.2.2.3 Khối xử lý trung tâm ...............................................................................................................59

CHƯƠNG VII ..............................................................................................................60
XÂY DỰNG THUẬT TOÁN VÀ GIẢI THUẬT CHO ROBOT ........................... 60
7.1 Giải thuật điều khiển PID ................................................................................................................ 60

7.2 Lưu đồ thuật toán ............................................................................................................................ 62
7.2.1 Theo dõi đối tượng (đường line) ................................................................................................62
7.2.2 Tìm kiếm đối tượng đường line.................................................................................................64
7.3 CODE .............................................................................................................................................. 65
7.4 Một số hình ảnh trong quá trình ...................................................................................................... 70

CHƯƠNG VIII ............................................................................................................73
KẾT LUẬN VÀ ............................................................................................................73
HƯỚNG PHÁT TRIỂN .............................................................................................. 73
8.1 Kết luận ........................................................................................................................................... 73
8.2 Hướng phát triển đề tài .................................................................................................................... 73

TÀI LIỆU THAM KHẢO........................................................................................... 74

Robot bám line dùng xử lý ảnh

xi


CHƯƠNG I
DẪN NHẬP
1.1 Tổng quan về vấn đề nghiên cứu
Ngày nay, với sự phát triển mạnh mẽ vượt bậc của Khoa học kỹ thuật, vi điều khiển
AVR và PIC ngày càng thơng dụng hơn, nhưng có thể nói sự xuất hiện của Arduino vào
năm 2005 tại Italia đã mở ra một hướng đi mới cho vi điều khiển. Sự xuất hiện của Arduino
đã hỗ trợ cho con người rất nhiều trong lập trình và thiết kế, nhất là đối với những người
mới bắt đầu tìm tịi về vi điều khiển mà khơng có nhiều kiến thức về lập trình và điện tử.
Phần cứng của thiết bị đã được tích hợp nhiều chức năng cơ bản và là mã nguồn mở với
ngôn ngữ C cùng thư viện phong phú nên Arduino hiện đang dần phổ biến trên thế giới.
Ngày nay điều khiển tự động đã trở thành một nhu cầu không thể thiếu được của con

người, dưới sự xuất hiện của các học thuyết và các ứng dụng cụ thể trong đời sống hằng
ngày, có thể nói điều khiển tự động đang chi phối dần cuộc sống của chúng ta. con ngƣời
đang cố gắng sáng tạo ra các con robot có khả năng làm việc thay cho con người, chúng ta
thường bắt gặp các con robot trong các dây chuyền công nghiệp sản xuất tự động hay robot
giúp việc trong gia đình. Để tìm ra các ý tưởng sáng tạo hay hàng năm đề diễn ra cuộc thi
robocon châu á Thái Bình Dương đó là tiền đề để tạo ra những con robot có khả năng áp
dụng vào thực tế.
Nhưng robot đơi khi chỉ có thể thay thế đơi tay của con người như thế là chưa đủ, có
những cơng việc cần phải quan sát và đánh giá. Để làm được điều đó thì sự phát triển của
xử lý ảnh là rất cấp thiết. Do đó khả năng sử dụng camera để trợ giúp đôi mắt của con
người trong những điều kiện khác nhau ngày càng phát triển. Và khả năng xử lý những
hình ảnh được thu về từ camera là rất quan trọng. Nó thể hiện bước tiến dài của cơng nghệ
xử lý ảnh. Với thuật tốn đúng, một bộ cảm biến hình ảnh có thể cảm nhận được hoặc phát
hiện bất cứ điều gì thực tế, do đó Pixy camera ra đời.
Xuất phát từ những thực tiễn nói trên, nhóm quyết định thực hiện đề tài: “Nghiên cứu
và chế tạo robot bám line dùng xử lý ảnh”.

Robot bám line dùng xử lý ảnh

1


1.2 Hướng dẫn giải quyết vấn đề
1.2.1 Bộ điều khiển trung tâm
Có nhiều hướng thiết kế bộ xử lý trung tâm để điều khiển chiếc xe. Gồm có:
 Dùng PIC.
 Dùng Arduino.
 Dùng Raspberry Pi .
Ở đây, nhóm đã chọn hướng giải quyết đề tài là sử dụng Arduino vì phù hợp với những
tiêu chí của nhóm như là muốn tìm hiểu nghiên cứu về Arduino và quan trọng là Arduino

có khả năng kết nối được với PixyCamera thơng qua dây cáp nối đơn giản và với giá thành
vừa phải khơng q cao như Raspberry Pi. Và vì Arduino có kích thước nhỏ gọn phù hợp
khi lắp đặt lên mô hình nên dùng Arduino là hợp lý nhất.
1.2.2 Cảm biến
Hiện nay thì robot dị line hay bám line khá phổ biến. Đa phần sử dụng cảm biến
phản xả ánh sáng hay cảm biến thu phát. Điều nay tuy là dễ dàng trong việc điều khiển
xong chỉ giúp cho robot hoạt động theo đường line có sẵn, và khơng giúp được nhiều trong
việc quan sát.
Do đó Pixy Camera là 1 lựa chọn phù hợp để giải quyết vần đề về tầm nhìn. Pixy
vừa cung cấp tầm nhìn cho người quan sát, vừa có thể theo dõi cùng lúc nhiều đối tượng.
Nhằm giảm bớt chi phí cho các thành phần phụ khác, vừa giúp thu gọn kích thước của
robot.
1.3 Mục tiêu và nhiệm vụ của đề tài
1.3.1 Mục tiêu
 Robot có khả năng xử lý hình ảnh, trả về vị trí các đối tượng mà ta cần quan sát.
 Tìm hiểu các mối tương quan giữa các tín hiệu thu được (hình ảnh) và tín hiệu trả
về bộ xử lý (tín hiệu số).
 Robot có thể đi chuyển trên đường line thiết kế sẵn.
1.3.2 Nhiệm vụ
 Robot đi chuyển theo đường đi đã được định sẵn
 Nghiên cứu sử dụng Pixy CMUcam5 và phần mêm PixyMon
 Camera xác định được vị trí line và trả về tín hiệu cho bộ điều khiển
 Điều khiển ổn định bộ động cơ sử dụng stepmotor.

Robot bám line dùng xử lý ảnh

2


1.4 Giới hạn của đề tài

Ứng dụng của Pixy camera là khá rộng lớn. Với lượng thời gian và kiến thức có hạn,
trong đề tài này nhóm chỉ thực thi một phần của Pixy camera. Đó là xây dựng mơ hình xe
với các khả năng sau:
 Thiết kế khả năng xử lý hình ảnh, nhận diện đường line của Camera.
 Thiết kế khả năng điều khiển của Arduino dành cho xe khi dùng step motor.
1.5 Tóm tắt các chương
Chương 1: Dẫn nhập
Chương 2 : Cơ sở lý luận
Chương này trình bày về kế hoạch và ý tưởng thực hiện.
Chương 3: Tổng quan về robot
Trong chương này, ta tìm hiểu sơ bộ về robot và hoạt động của robot bám line tự động.
Chương 4: Tổng quan về Pixy Camera
Chương 5: Các linh kiện sử dụng
Chương 6: Thiết kế và thi công mơ hình
Chương này trình bày các thiết kế chi tiết, nguyên lý hoạt động của mạch điện, cũng
như kết quả thu được.
Chương 7: Lưu đồ và giải thuật
Chương 8: Kết luận
Chương này nêu những ưu và khuyết của đề tài, khẳng định những đóng góp của đề tài
vào thực tiễn. Đồng thời cũng đưa ra các đề nghị hướng phát triển cho đề tài.

.

Robot bám line dùng xử lý ảnh

3


CHƯƠNG II
CƠ SỞ LÝ LUẬN

2.1 Đối tượng nghiên cứu
Đề tài hướng tới một phương thức điều khiển tự động có sự kết hợp của nhiều lĩnh vực
liên quan như: PIXY camera, vi mạch điện tử, xử lý ảnh…Do đó, để tạo ta được một sản
phẩm hoàn thiện theo mục đích đặt ra của đề tài thì người thực hiện cần phải tập trung
nghiên cứu chủ yếu đến đối tượng: Vi mạch điện tử: là một đối tượng giữ vai trò trung tâm
trong việc liên kết và xử lý tín hiệu từ các đối tượng khác. Trong đề tài có một board mạch
chính là Arduino, broad này được thiết kế và thi cơng từ các linh kiện điện tử đã có sẵn
ngoài thị trường như: điện trở, tụ điện, các IC số…với sự điều khiển trung tâm là vi điều
khiển. Board này khi nhận tín hiệu từ cảm biến sẽ điều khiển nhiệm vụ được lập trình từ
trước.
Pixy camera đóng vai trị tiếp nhận và xử lý hình ảnh. Nó chứa đựng các thông tin mà
người dùng muốn Pixy truyền tải về và để người dùng ra lệnh cho các thiết bị ngoại vi làm
việc.
2.2 Nội dung, phương tiện và phương án thực hiện
2.2.1 Nội dung
Từ những lập luận trên, nhóm thực hiện tiến hành thi công đồ án với những nội dung
như sau:
Phần viết báo cáo gồm các nội dung chính:
 Mơ hình, sơ đồ khối và phương án thiết kế.
 Lý thuyết thiết kế.
 Thiết kế phần cứng.
 Thiết kế phần mềm.
 Tóm tắt – Kết luận – Đề nghị và hướng phát triển đề tài.
Robot bám line dùng xử lý ảnh

4


Phần thi cơng mơ hình và xử lý ảnh gồm:
 Chế tạo robot bám đường tự động.

 Khả năng nhận diện hình ảnh của camera
2.2.2 Phương tiện và phương án thực hiện
Nhóm thực hiện đồ án và tiến hành cơng việc theo các giai đoạn như sau:
 Giai đoạn 1: Thiết kế, lắp ráp mơ hình xe
 Giai đoạn 2: Nghiên cứu tìm hiểu về Pixy Camera
 Giai đoạn 3: Lắp ráp hồn thiện xe mơ hình, cho chạy trên đường line
 Giai đoạn 4: Chỉnh sửa, khắc phục lỗi hồn thiện mơ hình và báo cáo với thầy hướng
dẫn về những kết quả của đề tài.

Robot bám line dùng xử lý ảnh

5


CHƯƠNG III
TỔNG QUAN VỀ ROBOT
3.1 Tổng quan về Robot
Robot đã và đang xuất hiện trong cuộc sống của chúng ta từ lâu và ngày càng trở
thành một phần không thể thiếu trong cuộc sống hiện đại. Chúng đã góp phần mình vào
cuộc sống lao động, chính robot đang làm nên một cuộc cách mạng về lao động, khoa học
và đang phục vụ đắc lực cho các ngành khoa học khác: Khoa học quân sự,khoa học giáo
dục, các ngành dịch vụ giải trí…
Năm 1921 nhà soạn kịch Karel Capek người Tiệp Khắc đã đưa lên sân khấu vở kịch
có tiêu đề “Romands Univesal Robot”. Có thể đây là một gợi ý, một ý tưởng ban đầu về
những cỗ máy có khả năng thao tác như con người. Đến trước chiến tranh thế giới lần thứ
hai nhu cầu sử dụng những máy móc có khả năng thay thế con ngƣời ở những môi trường
làm việc độc hại đã trở thành một nhu cầu cấp thiết. Ban đầu cơ cấu máy này hoạt động
giống như tay máy của người vận hành. Cấu tạo của cơ cấu này bao gồm các thanh và các
khớp và hệ thống giây chằng. Người vận hành điều khiển tay máy thông qua một cơ cấu
khuyếch đại cơ khí.Trong chiến tranh thế giới lần thứ hai (năm 1945), xuất hiện cơ cấu

máy được điều khiển từ xa để cầm nắm chất phóng xạ.
Cho đến những năm 1950 cùng với sự ra đời của kĩ thuật điều khiển chương trình
số NC(Number Control) Kỹ thuật tay máy lúc này đã kết hợp với kĩ thuật điều khiển xa và
điều khiển chương trình số. Sự kết hợp này đã tạo ra những thế hệ máy điều khiển từ xa có
khả năng mềm dẻo, khả năng tự động hóa cao nên gọi là Robot.
Năm 1960 George Devol đưa ra mẫu Robot đầu tiên. Năm 1961 cũng tại Mỹ Robot
công nghiệp (IR: Industrial Robot) đầu tiên đưa ra thị trường. Robot Unimat 1990 (Do
trường đại học MIT chế tạo) đây là Robot phản hồi lực nó được ứng dụng trong cơng
nghiệp sản xuất ơ tơ.
Trên thế giới hiện nay có rất nhiều loại Robot:
-

Quy mô lớn như: Cánh tay máy trong các dây chuyền sản xuất, những hệ thống
sản xuất tự động,…
Quy mô nhỏ hơn: là những Robot có khả năng di chuyển, làm những công việc
nguy hiểm thay thế con người, Robot giúp người già, Robot bán hàng,…

Robot bám line dùng xử lý ảnh

6


3.2 Giới thiệu Robot bám line tự động
3.2.1 Giới thiệu Robot bám đường
Loại robot mà có thể di động theo một quỹ đạo định sẵn được gọi là Robot bám
đường. Robot bám đường có thể di chuyển theo một đường, đường đi có thể được nhìn
nhận như một dịng màu vàng trên một bề mặt trắng (bám line) hoặc có thể là đường vơ
hình như một từ trường…
3.2.2 Ngun tắc chung của robot bám line tự động
Robot chuyển động theo một quỹ đạo được định trước nhờ vạch dẫn, hệ thống hai

bánh xe được dẫn động bởi 2 động cơ điện một chiều (step motor) thông qua mạch điều
khiển và mạch cơng suất. Thường thì các vạch dẫn có màu khác với màu nền của quỹ đạo
chuyển động. Để Robot chuyển động đúng quỹ đạo cần có bộ phận cảm biến, bộ phận này
có nhiệm vụ phân biệt vạch dẫn và màu nền, đưa tín hiệu điện tương ứng về mạch điều
khiển. Mạch điều khiển có nhiệm vụ thu nhận thơng tin phản hồi từ bộ phận cảm biến từ
đó điều khiển tốc độ và chiều quay của hai động cơ điện một chiều sao cho xe luôn bám
và chuyển động theo vạch dẫn. Nhìn chung, về mạch cấu tạo thì Robot tự động bám đường
được thể hiện theo sơ đồ sau.

Hình 1: Sơ đồ robot bám line tự động
3.3 Ứng dụng của Robot bám line tự động
Được ứng dụng vào cơng nghệ dị đường di chuyển tự động trong vận chuyển hàng
hóa. Tuy cịn sơ khai về ngun tắc điều khiển nhưng robot bám line đã tạo một bước ngoặc
quan trong trong công nghệ thiết kế và chế tạo robot, mở ra một kỷ nguyên mới về ngành
công nghệ kỹ thuật tự động hóa và đưa tự động hóa vào sản xuất.

Robot bám line dùng xử lý ảnh

7


Hình 2: Robot phục vụ di chuyển trên đường line
Bên cạnh đó việc xử dụng camera xử lý ảnh trên robot bám line làm tăng thêm xự
hữu ích của robot bám line, nó giúp cho theo dõi, định vị vị trí, đánh dấu và theo dõi vật.

Hình 3: Pixy pet robot

Robot bám line dùng xử lý ảnh

8

CHƯƠNG IV
TỔNG QUAN VỀ XỬ LÝ ẢNH
4.1 Giới thiệu xử lý ảnh
4.1.1 Cảm biến hình ảnh
Nếu chúng ta muốn robot của chúng ta để thực hiện một công việc như chọn lên
một đối tượng, theo đuổi một bóng, vị trí một trạm thu phí, vv, và chúng ta muốn có một
cảm biến duy nhất để giúp thực hiện tất cả các nhiệm vụ, sau đó “hình ảnh” là cảm biến
của chúng ta. Vision (hình ảnh) cảm biến này rất hữu ích bởi vì họ rất linh hoạt. Với thuật
tốn đúng, một bộ cảm biến hình ảnh có thể cảm nhận được hoặc phát hiện bất cứ điều gì
thực tế. Nhưng có hai nhược điểm với bộ cảm biến hình ảnh: Có rất nhiều đầu ra của dữ
liệu, hàng chục MB mỗi giây, và xử lý số lượng dữ liệu có thể áp đảo nhiều bộ vi xử lý. Và
nếu bộ xử lý có thể theo kịp với các dữ liệu, nhiều sức mạnh xử lý của nó sẽ khơng có sẵn
cho các nhiệm vụ khác.
PixyCam giải quyết những vấn đề này bằng cách ghép nối một bộ xử lý chuyên
dụng mạnh mẽ với bộ cảm biến hình ảnh. Pixy xử lý hình ảnh từ các bộ cảm biến hình ảnh
và chỉ gửi các thông tin hữu ích (ví dụ như PixyMon phát hiện bóng tại x = 54, y = 103)
cho vi điều khiển của chúng ta. Và nó làm việc này ở tỷ lệ khung hình (50 Hz). Các thơng
tin có sẵn thơng qua một trong những giao diện: UART nối tiếp, SPI, I2C, USB, hoặc đầu
ra digital / analog Vì vậy, Arduino của chúng ta hoặc vi điều khiển khác có thể giao tiếp
dễ dàng với Pixy và vẫn cịn có rất nhiều CPU có sẵn cho các nhiệm vụ khác.
Có thể gắn nhiều Pixy lên vi điều khiển của chúng ta - ví dụ, một robot với 4 Pixy
và 360 độ của cảm biến. Hoặc sử dụng Pixy mà khơng có một vi điều khiển và sử dụng các
kết quả đầu ra digital hoặc analog để kích hoạt sự kiện, công tắc, servo, vv
4.1.2 Giới thiệu về Pixy
 Nhỏ gọn, nhanh, dễ sử dụng, chi phí thấp, hệ thống camera dễ dàng – có sẵn.
 Có thể học để phát hiện đối tượng mà chúng ta dạy nó.
 Đầu ra những gì nó phát hiện 50 lần mỗi giây.
 Kết nối với Arduino thông qua cáp nối kèm theo. Cũng làm việc với Raspberry Pi,

BeagleBone và bộ điều khiển tương tự.
 Tất cả các thư viện cho Arduino, Raspberry Pi, .v.v. được cung cấp sẵn.
 C / C ++ và Python được hỗ trợ.
 Giao tiếp thông qua một trong những giao diện SPI, I2C, UART, USB hoặc analog
I/O digital.
 Tiện ích cấu hình chạy trên Windows, MacOS và Linux.
 Tất cả các phần mềm / firmare là mã nguồn mở GNU cấp phép.
 Tất cả các tài liệu phần cứng bao gồm sơ đồ, công thức, PCB bố trí, vv được cung
cấp.
Robot bám line dùng xử lý ảnh

9


Hình 4: Pixy CMUcam5 (mặt trước)
4.2 Tính năng của Pixy
4.2.1 Hỗ trợ điều khiển
Pixy có thể dễ dàng kết nối với rất nhiều các bộ điều khiển khác nhau, vì nó hỗ trợ
một số tùy chọn giao diện (UART nối tiếp, SPI, I2C, USB, hoặc digital / analog), nhưng
Pixy bắt đầu hoạt động của mình giao tiếp với Arduinos. Trong vài tháng qua, nhà sản xuất
đã thêm hỗ trợ cho Arduino Do, Raspberry Pi và BeagleBone Black. Thư viện phần mềm
được cung cấp cho tất cả các nền tảng, do đó chúng ta có thể nhận được và thao tác
nhanh. Ngoài ra, nhà sản xuất đã thêm một API Python nếu chúng ta đang sử dụng một bộ
điều khiển dựa trên Linux (ví dụ như Raspberry Pi, BeagleBone).
4.2.2 Thuật tốn lọc màu
Pixy sử dụng một thuật toán lọc màu dựa trên phát hiện các đối tượng. Phương pháp
lọc màu dựa trên rất phổ biến vì chúng nhanh chóng, hiệu quả, và tương đối mạnh mẽ. Hầu
hết chúng ta đã quen thuộc với RGB (đỏ, xanh lá cây, và màu xanh) để đại diện cho màu
sắc. Pixy tính tốn màu sắc và độ bão hòa của mỗi pixel RGB từ các cảm biến hình ảnh và
sử dụng các thơng số như lọc chính. Các màu sắc của một đối tượng phần lớn vẫn không

thay đổi với những thay đổi trong ánh sáng và phơi sáng. Những thay đổi trong ánh sáng
và tiếp xúc có thể có một tác động bực bội về thuật toán lọc màu, khiến chúng vỡ. Thuật
toán lọc Pixy là mạnh mẽ khi nói đến ánh sáng và tiếp xúc với những thay đổi.

Robot bám line dùng xử lý ảnh 10


4.2.3

Đặc điểm của Pixy

 Có 7 kí tự màu: Pixy nhớ lên đến 7 chữ ký màu sắc khác nhau, điều đó có nghĩa
rằng nếu chúng ta có 7 đối tượng khác nhau với màu sắc độc đáo, thuật toán lọc
màu Pixy sẽ khơng có vấn đề xác định chúng. Nếu chúng ta cần nhiều hơn bảy,
chúng ta có thể sử dụng mã màu .
 Có khả năng thấy hàng trăm đối tượng: Pixy có thể tìm thấy hàng trăm đối tượng
tại một thời điểm. Nó sử dụng một thuật toán thành phần kết nối để xác định nơi
một đối tượng bắt đầu và kết thúc khác. Pixy sau đó biên dịch các kích thước và vị
trí của từng đối tượng và báo cáo cho họ thông qua một trong các giao diện của nó
(ví dụ như SPI).
 Tốc độ 50 khung hình mội giây: "50 khung hình mỗi giây" có nghĩa là gì? Nó có
nghĩa là Pixy nhanh. Pixy xử lý tồn bộ khung 640x400 hình ảnh mỗi 1 / 50th của
một giây (20 phần nghìn giây). Điều này có nghĩa rằng chúng ta sẽ có được một
cập nhật đầy đủ các vị trí tất cả các đối tượng phát hiện mỗi 20 ms. Với tốc độ
này, theo dõi đường đi của rơi / bóng nảy là có thể.
4.2.4 Thông số kĩ thuật
 Bộ xử lý: NXP LPC4330, 204 MHz, lõi kép
 Cảm biến hình ảnh: Omnivision OV9715, 1/4 ", 1280x800
 Lens trường-of-view: 75 độ theo chiều ngang, dọc 47 độ
 loại ống kính: tiêu chuẩn M12 (loại khác nhau có sẵn)

 Cơng suất tiêu thụ: 140 mA điển hình
 Cơng suất đầu vào: đầu vào USB (5V) hoặc đầu vào khơng được kiểm sốt (6V
đến 10V)
 RAM: 264K byte
 Flash: 1M byte
 Có sẵn đầu ra dữ liệu: UART nối tiếp, SPI, I2C, USB, digital, tương tự
 Kích thước: 2.1 "x 2.0" x 1.4
 Trọng lượng: 27 gram

Hình 5 : Pixy CMUcam5 (mặt sau)
Robot bám line dùng xử lý ảnh 11


4.3 Tính năng PIXY camera
4.3.1 Dạy pixy các đối tượng quan tâm
Chúng ta có thể dạy cho Pixy những gì mà chúng ta quan tâm đền cảm biến. Đặt
quả bóng màu cam phía trước của Pixy và nhấn nút. Thật đơn giản và nhanh chóng .

Hình 6 : dạy pixy về màu sắc
Dạy Pixy một đối tượng là siêu dễ dàng, nhưng trước tiên hãy nói về những đối
tượng mà sẽ làm việc tốt với Pixy. Pixy sử dụng một thuật toán lọc màu sắc dựa trên phát
hiện các đối tượng. Các đối tượng cần phải có một màu riêng biệt. Dưới đây là một số đối
tượng là tốt, vì nó có màu nổi bật, màu sắc khác nhau rõ ràng.

Hình 7: Đối tượng tốt cho camera có thể phát hiện

Robot bám line dùng xử lý ảnh 12