Đề tài "Thiết kế robot tự hành trong nhà bằng phần mềm ROS và cảm biến lidar" nhằm xây dựng hệ thống điều khiển cho robot tự hành để robot có khả năng quét, lập và ghi nhớ bản đồ cũng như di chuyển, tránh vật cản để đi tới các vị trí người dùng đặt trước trong bản đồ đã lập. Mời các bạn cùng tham khảo!
AMBIENT/
Chủ đề:
Nội dung Text: Thiết kế robot tự hành trong nhà bằng phần mềm ROS và cảm biến lidar
- THIẾT KẾ ROBOT TỰ HÀNH TRONG NHÀ
BẰNG PHẦN MỀM ROS VÀ CẢM BIẾN LIDAR
Nguyễn Văn Quốc*, Trần Đức Anh, Trần Anh Khoa
Viện Kỹ thuật, Trường Đại học Công nghệ Thành phố Hồ Chí Minh
GVHD: Phạm Nguyễn Nhựt Thanh
TÓM TẮT
Robot tự hành trong nhà hiện đang bắt đầu có nhiều ứng dụng trong các lĩnh vực khác nhau từ công
nghiệp cho đến dân dụng. Nhận thức được điều đó, đề tài này hướng tới việc xây dựng một hệ thống
điều khiển cho robot tự hành dựa trên nền tảng ROS (Robot Operating System) - một loại hệ điều hành
mã nguồn mở được tích hợp rất nhiều công cụ, thư viện ứng dụng cho robot từ đông đảo các nhà khoa
học, công ty, phòng thí nghiệm trên khắp thế giới. Thông qua sử dụng cảm biến Lidar và các thư viện
trên ROS, nhóm sẽ xây dựng hệ thống điều khiển cho robot tự hành để robot có khả năng quét, lập và
ghi nhớ bản đồ cũng như di chuyển, tránh vật cản để đi tới các vị trí người dùng đặt trước trong bản đồ
đã lập.
Từ khóa: Robot tự hành, ROS, Lidar.
1. TỔNG QUAN
1.1. Định hướng cho đề tài
Robot tự hành là robot có khả năng tự ra quyết định, tự di chuyển để thực hiện một công việc được
giao. Robot có thể hoạt động ở nhiều môi trường khác nhau như trên không, trên mặt đất, dưới nước
hay thậm chí là ngoài vũ trụ. Do đó việc nghiên cứu các robot tự hành là một hướng đi có tính ứng
dụng rất lớn trên nhiều lĩnh vực từ dân dụng, quân sự, quốc phòng và đang được mở rộng phát triển
trong các công ty lớn, những phòng nghiên cứu trên toàn thế giới. Từ những quan sát trên, nhóm quyết
định thực đề tài xây dựng một hệ thống điều khiển cho robot tự hành trong nhà.
1.2. Mục tiêu của đề tài
Một trong những yếu tố quan trọng của robot để đạt được chuẩn “tự hành” là khả năng tự giải quyết các
vấn đề nằm ngoài dự tính như khả năng nhận diện, phát hiện và tránh vật cản hoặc làm việc trong môi
trường chưa biết. Do đó, để có thể chế tạo một robot tự hành trong nhà, nhóm sẽ thực hiện các miệu
tiêu cụ thể sau:
- Chế tạo một robot di động để nhận tín hiệu điều khiển từ xa và thực thi đúng với yêu cầu do phần
mềm điều hướng điều khiển.
- Ứng dụng chương trình phần mềm trên máy tính nhúng và dùng cảm biến khoảng cách RPLIDAR
A1M8 để xây dựng bản đồ và phát hiện vật cản.
206
- - Hiểu được các thuật toán cơ bản trong tìm đường đi tối ưu và điều hướng cho xe tự hành dựa trên bản
đồ đã dựng từ môi trường thực tế. Từ đó, xây dựng hệ thống điều khiển hoàn chỉnh cho robot tự hành
có khả năng hoạch định đường đi ngắn nhất, đi theo đường đi đã hoạch định đồng thời phát hiện và
tránh các vật cản trong quá trình di chuyển.
1.3. Đối tượng và phạm vi nghiên cứu
- Thiết robot tự hành có thể mang được máy tính nhúng, lidar và hoạt động trong môi trường trong nhà.
- Nghiên cứu thuật toán hoạch định đường đi ngắn nhất và thuật toán điều hướng để robot di chuyển
theo đường đi đã hoạch định.
- Thiết lập và xây dựng ứng dụng dựa trên các gói phần mềm hiện có trên nền tảng ROS. Bên
cạnh đó, tự xây dựng hoặc hiệu chỉnh các gói phần mềm khác để phù hợp với yêu cầu bài toán của đề
tài.
1.4. Các bước thực hiện đề tài
- Chế tạo robot và thiết lập phần cứng di động cho hệ thống dùng vi điều khiển ESP32C3.
- Tìm hiểu hệ điều hành ROS, thiết lập hệ điều hành Ubuntu 18.04.6, ROS trên máy tính nhúng Nvidia
Jetson TX2.
- Nghiên cứu và mô phỏng quá trình xây dựng bản đồ và điều hướng trên bản đồ thông qua RPLIDAR
kết hợp với ROS.
- Tích hợp hệ thống để thực nghiệm và xây dựng bản đồ, điều hướng trên bản đồ đã dựng được.
- Xây dựng hoặc hiệu chỉnh các thông số của gói ứng dụng đã thiết lập trong môi trường ROS để cải
thiện chất lượng của hệ thống.
2. PHƯƠNG PHÁP THIẾT KẾ, NGUYÊN LÝ HOẠT ĐỘNG CỦA HỆ THỐNG
2.1 Bố trí các thiết bị trên xe
207
- Hình 1. Bố trí thiết bị tầng 1 đáy xe Hình 2. Bố trí thiết bị tầng 2 xe
Hình 3. Bố trí thiết bị tầng 1 phía trên
2.2 Hệ thống điện
Các khối được kết nối với nhau như sơ đồ trên. Vi điều khiển có nhiệm vụ đọc tín hiệu, điều động xung
để điều khiển động cơ và giao tiếp với máy tính nhúng để trao đổi dữ liệu. Máy tính nhúng có vai trò
xử lí dữ liệu từ các cảm biến cấp cao và vi điều khiển, từ đó thực hiện giải thuật của Robot, đồng thời
giao tiếp với GUI qua wifi để giám sát Robot.
208
- 2.3 Lưu đồ giải thuật
3. KẾT QUẢ THỰC NGHIỆM
3.1 Hình ảnh xe hoàn thiện
3.2 Hình ảnh xe hoạt động và sơ đồ quét map
209
- Robot hoạt động dựa trên các cảm biến chính là cảm biến Lidar và Encoder. Cảm biến Lidar dùng để
định hướng cho robot, xác định hướng đi chính xác, thông minh và tránh vật cản. Encoder dùng để phát
hiện robot dừng do bị trượt bánh hoặc bị mắc do các vật cản. Tất cả các cảm biến này sẽ gửi tín hiệu về
vi xử lý chính ESP32 để xử lý và đưa ra các thuật toán thích hợp từ đó đưa ra các thuật toán điều khiển
robot di chuyển và né tránh vật cản một cách thông minh nhất.
4. KẾT LUẬN
4.1 Kết luận
Sau quá tình tìm hiểu, khảo sát, nghiên cứu và triển khai đề tài thì nhóm đã đạt được các kết quả sau:
- Xây dựng thành công mô hình robot tự hành trong nhà.
- Nghiên cứu và áp dụng được giải thuật lập bản đồ và định vị cho robot trong nhà bằng ROS và Lidar.
- Nghiên cứu và áp dụng được các thuật toán tìm đường đi, điều hướng, điều khiển cho robot tự hành.
- Mô hình robot tự hành đã thiết kế có khả năng tự hành và tránh vật cản trong bản đồ đã lập.
4.2 Hướng phát triển
210
- - Thuật toán điều khiển hiện tại còn đơn giản nên gây ra sai số trong quá trình vận hành lâu dài. Do đó
có thể tìm hiểu và áp dụng thuật toán điều khiển nâng cao để cải thiện độ chính xác cũng như phù hợp
với khả năng xoay trở của mô hình robot hơn.
- Tích hợp thêm camera và cánh tay robot để mở rộng ứng dụng của robot tự hành đã thiết kế.
- Nghiên cứu và cải thiện độ chính xác của thuật toán xây dựng bản đồ.
TÀI LIỆU THAM KHẢO
1. R. N. Wiki, "Robot Operating System Wiki," Navigation, [Online]. Available:
http://wiki.ros.org/navigation/Tutorials/RobotSetup.
2. W. C. ROS, "Robot Operating System Wiki," Costmap 2D, [Online]. Available:
http://wiki.ros.org/costmap_2d.
3. A. Tomović, "Path Planning Algorithms For The Robot Operating System"
4. Thuật toán Dijkstra. https://www.geeksforgeeks.org/dijkstras-shortest-path-algorithm-greedy-
algo-7/
5. D. F. D. F. Global planner, "The Dynamic Window Approach to Collision Avoidance," pp. 10-
12.
6. T. D. Khang and N. N. Thành, "Thiết Kế Hệ Thống Hoạch Định Quỹ Đạo Và Giám Sát Hoạt
Động Cho Xe Điện Tự Hành Qua Mạng Di Động 4g," Đại học Bách Khoa, DHQG TPHCM, TPHCM,
Việt Nam, 2022.
7. Cartographer ROS Integration. Available: https://google-cartographer-
ros.readthedocs.io/en/latest/
211
Thêm vào BST
Báo xấu
Download
Vui lòng tải xuống để xem tài liệu đầy đủ
