Đề tài nghiên cứu khoa học: Robot tự vận hành

Chia sẻ: _ _ | Ngày: | Loại File: PDF | Số trang:91

Thêm vào BST

Báo xấu

25
lượt xem 11
download

Download Vui lòng tải xuống để xem tài liệu đầy đủ

Mục tiêu nghiên cứu của đề tài "Robot tự vận hành" nhằm đáp ứng tiêu chí hoàn thiện về thiết kế khung, thiết kế chi tiết hoàn chỉnh; Tính năng đạt chuẩn yêu cầu hoạt động tính năng cơ bản ổn định; Xác định được phương hướng phát triển, nâng cấp hệ thống, tính năng sau nghiên cứu nền tảng.

Chủ đề:

Bình luận(0) Đăng nhập để gửi bình luận!

Lưu

Nội dung Text: Đề tài nghiên cứu khoa học: Robot tự vận hành

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH CÔNG TRÌNH NGHIÊN CỨU KHOA HỌC CỦA SINH VIÊN ROBOT TỰ VẬN HÀNH MÃ SỐ: SV2020-131 SKC 0 0 7 3 3 5 Tp. Hồ Chí Minh, tháng 10/2020
BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐH SƯ PHẠM KỸ THUẬT TPHCM BÁO CÁO TỔNG KẾT ĐỀ TÀI NGHIÊN CỨU KHOA HỌC CỦA SINH VIÊN ROBOT TỰ VẬN HÀNH SV2020 - 131 Chủ nhiệm đề tài: Nguyễn Minh Huy MSSV: 17141082 TP Hồ Chí Minh, 10/2020
BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐH SƯ PHẠM KỸ THUẬT TPHCM BÁO CÁO TỔNG KẾT ĐỀ TÀI NGHIÊN CỨU KHOA HỌC CỦA SINH VIÊN ROBOT TỰ VẬN HÀNH SV2020 - 131 Thuộc nhóm ngành khoa học: Kỹ thuật SV thực hiện: Nguyễn Minh Huy Nam, Nữ: Nam Dân tộc: Kinh Lớp, khoa: 17141CLVT1A, Khoa Đào tạo Chất lượng cao Năm thứ: 4 /Số năm đào tạo: 4 Ngành học: Công nghệ kỹ thuật Điện tử - Viễn thông Người hướng dẫn: ThS. Thái Hoàng Linh TP Hồ Chí Minh, 10/2020
LỜI CẢM ƠN Lời đầu tiên trân trọng gửi lời cảm ơn chân thành đến Khoa Đào tạo Chất lượng cao, Phòng Khoa học Công nghệ - Quan hệ quốc tế đã tạo điều kiện hỗ trợ nhóm hoàn thành đề tài nghiên cứu. Nhóm nghiên cứu xin chân thành gửi lời cảm ơn đến người thầy đã đồng hành cùng nhóm, dưới sự hướng dẫn cũng như những điều kiện hỗ trợ tốt nhất được nhận từ phía thầy Thái Hoàng Linh đã giúp nhóm thực hiện hoàn thành tốt đề tài này. Bên cạnh đó, nhóm thực hiện xin cảm ơn đến tập thể bạn bè, quý anh chị đã tích cực hỗ trợ, đồng hành cùng nhóm trong suốt quá trình thực hiện nghiên cứu. Thành quả thực hiện của nhóm dù đã có kết quả khả quan tuy nhiên không tránh khỏi những thiếu sót về nhiều mặt, nhóm rất mong nhận được phản hồi, góp ý chỉnh sửa, nhận xét từ quý thầy cô để có thêm góc nhìn hoàn thiện dự án tốt nhất cũng như bổ trợ kinh nghiệm, kiến thức cho tất cả thành viên tham gia nghiên cứu. Một lần nữa, nhóm thực hiện xin chân thành cảm ơn.
NHẬN XÉT ………………………………………………………………………………………… ………………………………………………………………………………………… ………………………………………………………………………………………… ………………………………………………………………………………………… ………………………………………………………………………………………… ………………………………………………………………………………………… ………………………………………………………………………………………… ………………………………………………………………………………………… ………………………………………………………………………………………… ………………………………………………………………………………………… ………………………………………………………………………………………… ………………………………………………………………………………………… ………………………………………………………………………………………… ………………………………………………………………………………………… ………………………………………………………………………………………… ………………………………………………………………………………………… ………………………………………………………………………………………… ………………………………………………………………………………………… ………………………………………………………………………………………… ………………………………………………………………………………………… ………………………………………………………………………………………… ………………………………………………………………………………………… ………………………………………………………………………………………… ………………………………………………………………………………………… ………………………………………………………………………………………… ………………………………………………………………………………………… ………………………………………………………………………………………… ………………………………………………………………………………………… …………………………………………………………………………………………
Mục lục I. CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN ĐỀ TÀI ---------------------------------------------------2 1.1. Tổng quan về robot và sự phát triển của robot trong cách mạng công nghiệp 4.0 ---------------------------------------------------------------------------------------2 1.2. Đặt vấn đề -----------------------------------------------------------------------------3 1.3. Mục tiêu đề tài -----------------------------------------------------------------------4 1.3.1. Phương pháp và phạm vi nghiên cứu -------------------------------------------4 1.3.2. Giới hạn của đề tài -----------------------------------------------------------------5 II. CHƯƠNG 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT------------------------------------------------------6 2.1. Tổng quan về Robot dò line -------------------------------------------------------6 2.2. Robot dò đường trên nền tảng ROS2--------------------------------------------6 2.2.1. Giới thiệu ROS và ROS2 ---------------------------------------------------------6 2.2.2. Mục tiêu của ROS2 ----------------------------------------------------------------8 2.2.3. Kiến trúc và tính năng của ROS2 ---------------------------------------------- 10 2.2.3.1. Giao tiếp trong ROS2 ----------------------------------------------------- 10 2.2.3.2. Mô hình giao tiếp DDS---------------------------------------------------- 11 2.2.3.3. Tính năng ------------------------------------------------------------------- 13 2.2.4. So sánh giữa ROS và ROS2 ---------------------------------------------------- 14 2.2.5. Topic trong ROS2---------------------------------------------------------------- 16 2.2.6. ROS trong công nghiệp.--------------------------------------------------------- 18 2.3. Công nghệ RFID ------------------------------------------------------------------- 20 2.4. Cảm biến tốc độ - Encoder ------------------------------------------------------ 21 2.5. Động cơ DC ------------------------------------------------------------------------- 22 2.6. Cảm biến dò line ------------------------------------------------------------------- 23 2.7. Máy tính nhúng Raspberry Pi 4 ------------------------------------------------ 24 2.8. Giải thuật PID ---------------------------------------------------------------------- 25 2.9. Web ----------------------------------------------------------------------------------- 26 III. CHƯƠNG 3: THIẾT KẾ VÀ THI CÔNG MÔ HÌNH ROBOT TỰ HÀNH ---- 28
3.1. Thiết kế sơ đồ khối ---------------------------------------------------------------- 28 3.1.1. Sơ đồ khối -------------------------------------------------------------------------- 28 3.3.2. Giải thích chức năng từng khối -------------------------------------------------- 28 3.2. Sơ đồ kết nối các module trong robot tự hành ------------------------------ 30 3.2.1. Các linh kiện điện tử sử dụng trong mô hình ---------------------------------- 30 3.2.2. Sơ đồ kết nối các module --------------------------------------------------------- 34 3.3. Thiết kế cơ khí --------------------------------------------------------------------- 36 3.3.1. Giới thiệu phần mềm Solidworks ----------------------------------------------- 36 3.3.2. Các bước thiết kế cơ khí cho khung robot ------------------------------------- 36 IV. CHƯƠNG 4: XÂY DỰNG THUẬT TOÁN CHO ROBOT TỰ HÀNH --------- 40 4.1. Các thiết lập ban đầu trên Raspberry Pi 4 ----------------------------------- 40 4.1.1. Hệ điều hành Ubuntu Server --------------------------------------------------- 40 4.1.2. Các lệnh thao tác cơ bản với terminal trên Ubuntu --------------------------- 45 4.1.3. Cài đặt môi trường Python 3.7 trên Ubuntu ----------------------------------- 47 4.2. Cài đặt môi trường ROS 2 Dashing trên Ubuntu --------------------------- 48 4.3. Tạo ROS 2 workspace ------------------------------------------------------------ 49 4.4. Xây dựng thuật toán cho robot dò line trong môi trường Python 3.7 -- 50 4.4.1. Module RPi.GPIO ----------------------------------------------------------------- 50 4.4.2. Lưu đồ giải thuật ------------------------------------------------------------------ 52 4.5. Xây dựng thuật toán cho robot dò line trong môi trường ROS 2 ------- 58 4.5.1. Tạo ROS 2 package --------------------------------------------------------------- 58 4.5.2. Các node trên robot --------------------------------------------------------------- 61 4.5.3. Topic, Publisher và Subscriber -------------------------------------------------- 62 4.6. Giao tiếp giữa robot và web ----------------------------------------------------- 62 4.6.1. Thiết kế trang web ----------------------------------------------------------------- 62 4.6.2. Xây dựng server ------------------------------------------------------------------- 65 4.4.3. Trao đổi dữ liệu giữa robot và web --------------------------------------------- 66 V. Chương 5: KẾT LUẬN ------------------------------------------------------------------ 71 5.1. Kết quả và đánh giá --------------------------------------------------------------- 71
5.2. Kết quả đề tài và thảo luận ------------------------------------------------------ 71 5.3. Hướng phát triển ------------------------------------------------------------------ 72 TÀI LIỆU THAM KHẢO --------------------------------------------------------------------- 74 PHỤ LỤC ---------------------------------------------------------------------------------------- 76
Danh mục bảng biểu Bảng 1: So sánh ROS và ROS2 --------------------------------------------------------------- 14 Bảng 2: Các mối quan hệ trong Topic ------------------------------------------------------- 16 Bảng 3: Linh kiện sử dụng trong mô hình --------------------------------------------------- 30 Bảng 4: Kết nối các chân GPIO từ Raspberry tới ngoại vi. ------------------------------- 35
Danh mục hình ảnh Hình 1: Sơ đồ khối ROS file --------------------------------------------------------------------7 Hình 2: Sự tương tác của các nodes, topics với nhau ----------------------------------------7 Hình 3: Hệ thống Robot tự động làm việc trong nhà kho -----------------------------------9 Hình 4: Robot tuần tra an ninh tại các bãi giữ xe ------------------------------------------- 10 Hình 5: Mô hình giao tiếp DDS --------------------------------------------------------------- 12 Hình 6: Mối quan hệ One-to-one giữa Raspberry PI và Motor (Robot) ----------------- 16 Hình 7: Mối quan hệ Many-to-one giữa Encoders và Raspberry PI --------------------- 17 Hình 8: Mối quan hệ One-to-many giữa Lines và Sensors -------------------------------- 17 Hình 9: Mối quan hệ Many-to-many giữa nhiều Raspberry PI và Sensors ------------- 18 Hình 10: Robot giúp đỡ con người sắp xếp hàng hóa -------------------------------------- 19 Hình 11: Tàu Heron USV ---------------------------------------------------------------------- 20 Hình 12: Hoạt động của RFID --------------------------------------------------------------- 21 Hình 13: Hoạt động của encoder quang ----------------------------------------------------- 22 Hình 14: Hình dạng của một động cơ DC -------------------------------------------------- 23 Hình 15: Sơ đồ nguyên lý của LED thu phát hồng ngoại --------------------------------- 24 Hình 16: Raspberry Pi 4------------------------------------------------------------------------ 25 Hình 17: Sơ đồ thuật toán PID ---------------------------------------------------------------- 26 Hình 18: Sơ đồ khối robot tự hành. ----------------------------------------------------------- 28 Hình 19: Cảm biến dò line 5 LED ------------------------------------------------------------ 30 Hình 20: RFID Reader RDM6300 ------------------------------------------------------------ 30 Hình 21: Mạch điều khiển động cơ L298 ---------------------------------------------------- 31 Hình 22: Mạch giảm áp LM2596 ------------------------------------------------------------- 31 Hình 23: Encoder v2 ---------------------------------------------------------------------------- 31 Hình 24: Pin 18650 ----------------------------------------------------------------------------- 32 Hình 25: Công tắc ------------------------------------------------------------------------------- 32 Hình 26: Máy tính nhúng Raspberry Pi 4 ---------------------------------------------------- 32 Hình 27: UPS HAT cấp nguồn cho Raspberry Pi ------------------------------------------ 33 Hình 28: Động cơ DC giảm tốc --------------------------------------------------------------- 33 Hình 29: Bánh xe-------------------------------------------------------------------------------- 33 Hình 30: Sơ đồ kết nối các module. ---------------------------------------------------------- 34 Hình 31: Số thứ tự các chân GPIO trên Raspberry Pi 4.----------------------------------- 34
Hình 32: Thiết kế khung ban đầu ------------------------------------------------------------- 36 Hình 33: Kích thước và vị trí của thanh cảm biến dò line --------------------------------- 37 Hình 34: Vị trí đặt và kích thước cho bánh xe ---------------------------------------------- 37 Hình 35: Vị trí đặt động cơ và giá đỡ cho động cơ kích thước --------------------------- 38 Hình 36: Kích thước giá đỡ và vị trí đặt 4 động cơ ---------------------------------------- 38 Hình 37: Vị trí đặt 4 cảm biến tốc độ -------------------------------------------------------- 38 Hình 38: Kích thước của mỗi vị trí đặt cảm biến tốc độ ----------------------------------- 39 Hình 39: Khung hoàn chỉnh ------------------------------------------------------------------- 39 Hình 40: Giao diện Ubuntu Desktop 20.04 -------------------------------------------------- 40 Hình 41: Trang web tải file hệ điều hành Ubuntu Server dành cho Raspberry Pi. ----- 41 Hình 42: Phần mềm balenaEtcher ------------------------------------------------------------ 42 Hình 43: Giao diện Ubuntu console ---------------------------------------------------------- 42 Hình 44: Cấu hình truy cập wifi thông qua netplan --------------------------------------- 43 Hình 45: Giao diện desktop X-ubuntu ------------------------------------------------------- 44 Hình 46: Trang web tải ROS2 ----------------------------------------------------------------- 48 Hình 47: Sơ đồ chân trên Raspberry Pi 4 ---------------------------------------------------- 50 Hình 48: Lưu đồ giải thuật PID (a) ----------------------------------------------------------- 52 Hình 49: Lưu đồ giải thuật PID (b) ----------------------------------------------------------- 53 Hình 50: Lưu đồ giải thuật PID (c) ----------------------------------------------------------- 54 Hình 51: Lưu đồ giải thuật RFID (a) --------------------------------------------------------- 55 Hình 52: Lưu đồ giải thuật RFID (b) --------------------------------------------------------- 56 Hình 53: Sơ đồ khối hàm chính --------------------------------------------------------------- 57 Hình 54: Cây thư mục trong package ros2_robot. ------------------------------------------ 61 Hình 55: Sơ đồ giao tiếp thông qua Topic --------------------------------------------------- 62 Hình 56: Chọn ngôn ngữ SCSS --------------------------------------------------------------- 63 Hình 57: Cây thư mục chương trình ---------------------------------------------------------- 64 Hình 58: Giao diện trang web ----------------------------------------------------------------- 65 Hình 59: Giá trị tọa độ đọc được-------------------------------------------------------------- 70
Danh mục viết tắt STT Viết tắt Viết đầy đủ 1 CLI Command Line Interface - là một công cụ được phát triển đề chạy trên giao diện cửa sổ ứng dụng 2 CNC Computer Numerical Control - là một dạng máy được điều khiển tự động dưới sự trợ giúp của máy tính 3 DC Direct Current – dòng điện 1 chiều 4 DDS Data Distribution Service - dịch vụ phân phối dữ liệu 5 GPIO General purpose input/output - cổng giao tiếp vào ra của vi điều khiển 6 PID Proportional Integral Derivative - bộ điều khiển vi tích phân tỷ lệ 7 QoS Quality of Service - Chất lượng dịch vụ 8 RFID Radio Frequency Identification - nhận dạng qua sóng vô tuyến 9 ROS Robot Operating System - Hệ điều hành robot 10 RTOS Real Time Operating System - Hệ điều hành thời gian thực 11 SLAM Simultaneous localization and mapping - hệ thống sử dụng thông tin ảnh thu được từ cảm biến để tái tạo môi trường bên ngoài bằng cách đưa thông tin môi trường vào một map và định vị thiết bị.
BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐH SƯ PHẠM KỸ THUẬT TPHCM THÔNG TIN KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU CỦA ĐỀ TÀI 1. Thông tin chung: - Tên đề tài: ROBOT TỰ VẬN HÀNH - Chủ nhiệm đề tài: Nguyễn Minh Huy Mã số SV: 17141082 - Lớp: 17141CLVT1A Khoa: Đào tạo Chất lượng cao - Thành viên đề tài: Stt Họ và tên MSSV Lớp Khoa 1 Võ Quang Khương 17141093 17141CLVT1A ĐT CLC 2 Nguyễn Lê Nguyên 17110094 17110CLST1 ĐT CLC Anh 3 Lê Quốc Nguyên 17145253 17110CLST2 ĐT CLC Vương - Người hướng dẫn: Th.S Thái Hoàng Linh 2. Mục tiêu đề tài: - Đáp ứng tiêu chí hoàn thiện về thiết kế khung, thiết kế chi tiết hoàn chỉnh - Tính năng đạt chuẩn yêu cầu hoạt động tính năng cơ bản ổn định - Xác định được phương hướng phát triển, nâng cấp hệ thống, tính năng sau nghiên cứu nền tảng 3. Tính mới và sáng tạo: Đề tài nghiên cứu Robot tự vận hành được mô phỏng hoạt động trên nền tảng ROS 2 cho phép hiệu chỉnh tối ưu các tính năng giao tiếp khi phát triển về số lượng. So với các giải pháp hiện có, đề tài đáp ứng được tính cập nhật giải pháp công nghệ tiên tiến cho phép người dùng sáng tạo nhiều hướng phát triển hơn trong tương lai. 4. Kết quả nghiên cứu: - Hoàn tất thiết kế đáp ứng tiêu đề ra ban đầu của Robot - Các tính năng hoạt động ổn định - Robot tự vận hành được trang bị cảm biến giao tiếp nhằm tạo tiền đề cho việc phát triển giao tiếp khi gia tăng số lượng, làm tăng khả năng áp dụng thực tế của đề tài.
5. Đóng góp về mặt giáo dục và đào tạo, kinh tế - xã hội, an ninh, quốc phòng và khả năng áp dụng của đề tài: Nhìn chung, đề tài được phát triển dựa trên nhu cầu chung của thị trường công nghiệp hiện nay, xét trên tiêu chí này Robot tự vận hành đã có những đóng góp cụ thể về kinh tế - xã hội như sau: - Tối ưu chi phí thiết kế, lắp đặt, thuê nhân công cho các kho, bãi vận chuyển hàng hoá của doanh nghiệp. - Thuận tiện quản lý, giám sát trong quy trình sản xuất, vận chuyển. Từ đó tính toán được chính xác thời gian hoàn thành công việc, tiết kiệm tài nguyên cho doanh nghiệp nói riêng, xã hội nói chung. - Đáp ứng mục tiêu phát triển bền vững, chọn lọc linh kiện khả năng tái chế sau sử dụng, giảm thiểu ô nhiễm môi trường. 6. Công bố khoa học của SV từ kết quả nghiên cứu của đề tài (ghi rõ tên tạp chí nếu có) hoặc nhận xét, đánh giá của cơ sở đã áp dụng các kết quả nghiên cứu (nếu có): Ngày 5 tháng 10 năm 2020 SV chịu trách nhiệm chính thực hiện đề tài (kí, họ và tên) Nhận xét của người hướng dẫn về những đóng góp khoa học của SV thực hiện đề tài (phần này do người hướng dẫn ghi): ………………………………………………………………………………………… ………………………………………………………………………………………… ………………………………………………………………………………………… Ngày 5 tháng 10 năm 2020 Người hướng dẫn (kí, họ và tên)
MỞ ĐẦU Trong điều kiện của cuộc cách mạng khoa học kỹ thuật ngày nay, khoa học đóng vai trò cực kỳ quan trọng trong việc tạo ra cơ sở vật chất của xã hội, hoàn thiện các quan hệ xã hội và hình thành con người mới. Nghiên cứu khoa học có mục tiêu chủ yếu là tìm kiếm câu trả lời cho các câu hỏi đặt ra, nói cách khác là tìm kiếm kiến thức và sự hiểu biết. Tuy nhiên, với sự chia sẻ, trao đổi thông tin, kiến thức có được thông qua thực hiện nghiên cứu sẽ tạo hiệu quả tích cực đến cộng đồng nói chung và cá nhân thực hiện nói riêng. Hay nói cách khác, bản chất của nghiên cứu khoa học là một quá trình vận dụng các ý tưởng, nguyên lý và phương pháp khoa học để tìm ra các kiến thức mới nhằm mô tả, giải thích hay dự báo các sự vật, hiện tượng trong thế giới khách quan. Nghiên cứu có nghĩa là trả lời những câu hỏi mang tính học thuật hoặc thực tiễn; làm hoàn thiện và phong phú thêm các tri thức khoa học; đưa ra các câu trả lời để giải quyết các vấn đề trong thực tiễn. Với góc nhìn này, có thể dễ dàng thấy được vai trò quan trọng trong việc nghiên cứu khoa học vừa thay đổi cách nhìn nhận vấn đề của người đọc vừa thuyết phục người đọc tin vào bản chất khoa học và kết quả thực nghiệm nhằm đưa ra ý kiến, thông tin khách quan giúp người đọc được cung cấp thêm thông tin, góc nhìn trực quan nhất, từ đó có thể đưa ra quyết định và hành động phù hợp với xu hướng của những vấn đề đã, đang được đặt ra theo chiều hướng tích cực. 1
I. CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN ĐỀ TÀI 1.1. Tổng quan về robot và sự phát triển của robot trong cách mạng công nghiệp 4.0 Từ thuật ngữ “Robot” đến sự phát triển của nền công nghiệp điện tử dẫn đến sự ra đời của robot tự động điện tử đầu tiên vào những năm 1948, cũng như các công cụ máy tính điều khiển số (CNC) cuối những năm 1940. Robot kỹ thuật số và lập trình đầu tiên được xây dựng từ những năm 1954 theo dòng lịch sử đã đặt nền móng cho vai trò của Robot trong cuộc cách mạng công nghiệp 4.0 chính thức đặt dấu mốc quan trọng vào sự hỗ trợ xây dựng phát triển xã hội đa lĩnh vực từ y học, khoa học quân sự, khoa học giáo dục, đến các ngành dịch vụ, giải trí,… Robot là một loại máy hay một hệ thống cơ khí - điện tử có thể thực hiện những công việc một cách tự động bằng sự điều khiển của máy tính hoặc các vi mạch điện tử được lập trình. Thuật ngữ "robot" thường được hiểu với hai nghĩa: robot cơ khí và phần mềm tự hoạt động. Từ sự hư cấu của khoa học viễn tưởng, robot dần dần được giới kỹ thuật hình dung như những chiếc máy đặc biệt, được con người mô phỏng theo cấu tạo và hoạt động của chính mình, dùng để thay thế con người làm một số công việc xác định. Để hoàn thành nhiệm vụ đó, robot cần có khả năng cảm nhận các thông số trạng thái của môi trường và tiến hành các hoạt động tương tự con người. Khả năng hoạt động của robot được đảm bảo bởi hệ thống cơ khí gồm cơ cấu vận động để đi lại và cơ cấu hành động để có thể làm việc. Việc thiết kế và chế tạo hệ thống này thuộc lĩnh vực khoa học về cơ cấu truyền động, chấp hành và vật liệu cơ khí. Chức năng cảm nhận, gồm thu nhận tín hiệu về trạng thái môi trường và trạng thái của bản thân hệ thống, do các cảm biến (sensor) và các thiết bị liên quan thực hiện. Hệ thống này được gọi là hệ thống thu nhận và xử lý tín hiệu, hay đơn giản là hệ thống cảm biến. Muốn phối hợp hoạt động của hai hệ thống trên, đảm bảo cho robot có thể tự điều chỉnh "hành vi" của mình và hoạt động theo đúng chức năng quy định trong điều kiện môi trường thay đổi, trong robot phải có hệ thống điều khiển. Xây dựng các hệ thống điều khiển thuộc phạm vi điện tử, kỹ thuật điều khiển và công nghệ thông tin. 2
Về phát triển Robot công nghiệp, Mỹ và Nhật Bản tiên phong nắm thị trường. Theo thống kê, Nhật Bản hiện nay là nước có số lượng robot dùng trong sản xuất công nghiệp nhiều nhất thế giới, khoảng hơn 70% trong tổng số chừng 300.000 robot công nghiệp trên toàn thế giới. Trong công nghiệp Nhật Bản, những robot hay tay máy được điều khiển bằng camera cũng được liệt vào hàng ngũ robot. Lĩnh vực ứng dụng của robot không chỉ được nhân rộng mà ngày càng được đón nhận. Ngày nay, khái niệm về robot đã phát triển hơn khái niệm nguyên thuỷ rất nhiều. Kết cấu sáng tạo cũng được đưa vào robot giúp tối ưu hoá khả năng thực hiện được những việc thay thế cho nguồn lực con người. 1.2. Đặt vấn đề Đi cùng với sự phát triển nhanh chóng của khối ngành công nghiệp, mỗi năm nhu cầu sử dụng giải pháp công nghệ của khối ngành này trong những quy trình sản xuất, vận hành đều tăng lên đáng kể. Với yêu cầu đòi hỏi sự chuẩn xác về thao tác, thời gian cùng với mức chi phí phù hợp để đầu tư thì Robot tự hành là giải pháp khả thi để giải quyết bài toán cho doanh nghiệp trong bối cảnh phát triển bền vững và xu hướng tích hợp công nghệ như hiện nay. Vậy robot tự hành là gì? Robot tự hành là loại robot có thể tự quản lý, giám sát và giao tiếp với nhau. Sử dụng các công nghệ dẫn đường để vận chuyển hàng hóa, nguyên vật liệu đến những địa điểm đã được đánh dấu sẵn mà không cần đến sự can thiệp của con người. Với robot tự hành, doanh nghiệp vừa giảm được chi phí thuê nhân công vừa hạn chế được rủi ro và sự cố phát sinh bởi tính toán chính xác. Hơn nữa robot hoàn toàn đáp ứng được khối lượng hàng hóa với trọng tải lớn, tiết kiệm được thời gian và dễ dàng quản lý hệ thống một cách chặt chẽ. Cùng với sự phát triển của công nghệ 4.0, hệ thống nhúng và Internet vạn vật, robot tự hành đã, đang và sẽ phát triển mạnh mẽ nhằm đáp ứng nhu cầu xã hội, nâng cấp phiên bản phù hợp với thị trường mở trong bối cảnh hội nhập quốc tế. 3
1.3. Mục tiêu đề tài Hoàn thành một mô hình robot tự hành, tự di chuyển theo một lộ trình nhất định trông qua hình thức dò line. Robot hoạt động trong môi trường ROS 2. Dùng công nghệ RFID để quản lý trạng thái làm việc của robot. Trạng thái làm việc của robot có thể thông tin trên web để hiển thị khi làm việc hoặc vị trí cụ thể của robot. 1.3.1. Phương pháp và phạm vi nghiên cứu - Nghiên cứu cơ sở lý thuyết: Đặt vấn đề, tổng quan kiến thức về robot và cơ cấu vận hành máy. Tổng quan kiến thức về ROS và ROS2 từ lý thuyết đến ứng dụng thực tế thông qua phương thức vận hành, lắp đặt, thử nghiệm trên mô hình robot công nghiệp. Tìm kiếm, nghiên cứu dữ liệu, thống kê về các loại module, cảm biến cần thiết với Raspberry Pi 4 để tạo ra một mô hình robot tự hành. Tham khảo thông tin, tính năng, so sánh hiệu suất linh kiện phần cứng, phần mềm. Tìm kiếm, thực hành, sáng tạo và chỉnh sửa thiết kế web phù hợp với đối tượng nghiên cứu. - Quy trình thực hiện: 1. Sơ đồ khối 2. Sơ đồ nguyên lý 3. Lựa chọn phần mềm thiết kế và vật liệu làm khung mô hình theo ý tưởng thiết kế. 4. Thi công lắp ráp linh kiện điện tử vào khung xe. 5. Cài đặt hệ điều hành Ubuntu cho Raspberry Pi 4. 6. Cài đặt môi trường ROS2 Dashing trên Ubuntu. 4
7. Tạo ROS2 workspace cho robot 8. Xây dựng thuật toán dò line trong môi trường Python 3.7 9. Xử lý logic, viết giải thuật, vẽ lưu đồ giải thuật, giải quyết các vấn đề liên quan. 10. Xây dựng giao thức giao tiếp giữa robot với web. 11. Tiến hành thử nghiệm hoạt động của xe nhiều lần. 12. Khắc phục các lỗi phần mềm, cải thiện tính năng. 13. Thi công hoàn chỉnh mô hình robot dò line. 14. Viết báo cáo 1.3.2. Giới hạn của đề tài Giới hạn số lượng quy mô nghiên cứu một mô hình robot. Chính vì thế đề tài không làm nổi bật được điểm mạnh giao tiếp khi gia tăng số lượng robot của ROS2. 5
II. CHƯƠNG 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT 2.1. Tổng quan về Robot dò line Robot dò line là loại robot có thể đi theo một đường vẽ (gọi là line) có màu đen hoặc trắng sử dụng cảm biến quang điện (quang trở hoặc diode hồng ngoại) để so sánh cường độ sáng, từ đó điều chỉnh hướng đi thích hợp. Ở robot dò line, cảm biến được bố trí gần mặt đường và nguồn sáng để so sánh do chính robot tạo ra. Đường vẽ thường có màu đen để hấp thụ ánh sáng, khi robot đi lệch vào vùng có đường vẽ, ánh sáng phát ra từ cảm biến không phản xạ lại như bình thường mà bị đường kẻ hấp thụ một phần làm cho sai lệch độ sáng giữa các cảm biến. Ta phải thiết kế sao cho robot khắc phục được sự sai lệch đó bằng cách sử dụng thuật toán. 2.2. Robot dò đường trên nền tảng ROS2 2.2.1. Giới thiệu ROS và ROS2 Robot Operating System (ROS – hệ điều hành robot) là một hệ thống phần mềm chuyên dụng để lập trình và điều khiển robot. Bao gồm các công cụ để lập trình, hiển thị, tương tác trực tiếp với phần cứng, cung cấp các thư viện và các công cụ để giúp các nhà phát triển phần mềm tạo ra các ứng dụng cho robot và kết nối cộng đồng robot trên toàn thế giới. Tất cả đều là mã nguồn mở và ROS chạy trên nền Ubuntu. Tổng quan về cách hoạt động của ROS Về cơ bản ROS files được bố trí và hoạt động từ trên xuống theo thứ tự như sau, metapackages, packages, packages manifest, Misc, messages, Services, codes. 6