Tương lai của xử lý ảnh mobile robot

03/06/2022 Camera AI, Khám phá 1,106 lượt xem

Nội dung chính Show

Các loại hình ảnh
Xử lý ảnh là gì?
Các bước xử lý hình ảnh cơ bản

Học sâu đã có tác động to lớn đến nhiều lĩnh vực công nghệ khác nhau trong vài năm qua. Một trong những chủ đề nóng nhất được bàn tán sôi nổi trong ngành công nghiệp này là thị giác máy tính, với khả năng của máy có thể tự hiểu hình ảnh và video. Xe tự lái, sinh trắc học và nhận dạng khuôn mặt đều dựa vào thị giác máy tính để hoạt động. Và cốt lõi của thị giác máy tính không gì khác ngoài xử lý hình ảnh. Nếu là một “newbie” trong ngành này, bài viết dưới đây sẽ là một gợi mở hữu ích, giúp bạn nắm được các khái niệm căn bản về xử lý dữ liệu hình ảnh.

Một hình ảnh được định nghĩa là một hàm hai chiều, F (x, y), trong đó x và y là các tọa độ không gian, và biên độ của F tại bất kỳ cặp tọa độ (x, y) nào được gọi là cường độ của hình ảnh tại điểm đó. Khi các giá trị x, y và biên độ của F là hữu hạn, ta gọi nó là hình ảnh số hóa (digital image). Nói cách khác, một hình ảnh có thể được xác định bởi một mảng hai chiều, sắp xếp cụ thể theo hàng và cột.

Hình ảnh số hóa bao gồm một số lượng hữu hạn các phần tử, mỗi phần tử có một giá trị cụ thể tại một vị trí cụ thể. Các phần tử này được gọi là phần tử hình ảnh (picture elements, image elements hay pixel, trong đó pixel là thuật ngữ thông dụng nhất).

Hình ảnh được biểu thị bằng kích thước (chiều cao và chiều rộng) dựa trên số lượng pixel. Ví dụ: nếu kích thước của hình ảnh là 500 x 400 (chiều rộng x chiều cao), thì tổng số pixel trong hình ảnh là 200000.

Các loại hình ảnh

Ảnh nhị phân: Đúng như tên gọi, ảnh nhị phân chỉ chứa những pixel có giá trị 0 hoặc 1 trong đó 0 chỉ màu đen và 1 chỉ màu trắng. Hình ảnh này còn được gọi là Đơn sắc.
Ảnh đen-trắng
Ảnh màu 8 bit: Đây là định dạng hình ảnh nổi tiếng nhất, có 256 sắc thái màu khác nhau và thường được gọi là hình ảnh thang độ xám. Trong định dạng này, 0 chỉ màu đen, và 255 chỉ màu trắng, và 127 chỉ màu xám.
Ảnh màu 16 bit: Đây là định dạng ảnh màu có 65.536 màu sắc khác nhau, nó còn được gọi là định dạng màu cao. Ở định dạng này, sự phân bố màu sắc không giống như hình ảnh Thang độ xám mà thường được chia thành 3 kênh màu Đỏ, Xanh lục và Xanh lam.

Xử lý ảnh là gì?

Xử lý ảnh là quá trình chuyển đổi một hình ảnh sang dạng kỹ thuật số và thực hiện các thao tác nhất định để nhận được một số thông tin hữu ích từ hình ảnh đó. Hệ thống xử lý hình ảnh thường coi tất cả các hình ảnh là tín hiệu 2D khi áp dụng một số phương pháp xử lý tín hiệu đã xác định trước.

Các loại xử lý hình ảnh chính:

Nhận diện – Phân biệt hoặc phát hiện các đối tượng trong hình ảnh
Làm sắc nét và phục hồi – Tạo hình ảnh nâng cao từ hình ảnh gốc
Nhận dạng mẫu – Đo các mẫu khác nhau xung quanh các đối tượng trong hình ảnh
Truy xuất – Duyệt và tìm kiếm hình ảnh từ một cơ sở dữ liệu lớn gồm các hình ảnh kỹ thuật số tương tự như hình ảnh gốc

Các bước xử lý hình ảnh cơ bản

Thu thập ảnh: Thu thập hình ảnh là bước đầu tiên trong quá trình xử lý hình ảnh, hay còn được gọi là tiền xử lý. Nó liên quan đến việc lấy hình ảnh từ một nguồn, thường là nguồn dựa trên phần cứng.
Tăng cường hình ảnh: Tăng cường hình ảnh là quá trình làm nổi bật các đặc điểm trong hình ảnh đã bị che khuất, bằng cách thay đổi độ sáng, độ tương phản, v.v.
Phục hồi hình ảnh: Phục hồi hình ảnh là quá trình cải thiện hình ảnh, sử dụng các mô hình toán học hoặc xác suất nhất định.
Xử lý hình ảnh màu: Xử lý ảnh màu bao gồm một số kỹ thuật tạo mô hình màu trong miền kỹ thuật số.
Wavelets và xử lý đa phân giải: Wavelet được sử dụng để biểu diễn hình ảnh ở nhiều mức độ phân giải khác nhau.
Nén: Nén là một quá trình được sử dụng để giảm dung lượng lưu trữ hoặc băng thông cần thiết để truyền tải hình ảnh đó.
Xử lý hình thái: Xử lý hình thái liên quan đến các kỹ thuật trích xuất thành phần của ảnh nhằm phục vụ việc biểu diễn và mô tả hình dạng.
Phân đoạn: Phân đoạn là một trong những bước xử lý ảnh khó nhất, liên quan đến việc phân vùng một hình ảnh thành các phần hoặc đối tượng cấu thành của nó.
Trình bày và mô tả: Sau khi một hình ảnh được phân đoạn thành các vùng, mỗi vùng được đại diện và mô tả ở dạng phù hợp cho quá trình xử lý tiếp theo. Phần trình bày liên quan đến đặc điểm của hình ảnh và thuộc tính vùng. Mô tả đề cập đến việc trích xuất thông tin định lượng giúp phân biệt một lớp đối tượng với lớp khác.
Nhận dạng: Nhận dạng gán nhãn cho một đối tượng dựa trên mô tả của nó.

TÓM TẮT LUẬN VĂN
Robot tự hành là một loại xe robot có khả năng tự dịch chuyển, tự vận động dưới
sự điều khiển tự động, có khả năng hoàn thành công việc được giao. Cùng với sự phát
triển mạnh mẽ của các hệ thống cơ điện tử, robot tự hành ngày một hoàn thiện và đa
năng hơn. Một vấn đề rất được quan tâm khi thiết kế robot là điều khiển làm sao cho
robot có thể bám theo một đường đi cho trước. Trong luận văn này trình bày ứng dụng
kỹ thuật xử lý ảnh trong việc điều khiển robot bám theo đường đi cho trước. Một camera
được bố trí trong môi trường hoạt động của robot để quan sát. Tọa độ các điểm nằm trên
đường đi cho trước sẽ được xác định nhờ thông tin của ảnh thu được từ camera. Vị trí
của robot trong quá trình chuyển động sẽ được cập nhật liên tục dựa vào sự quan sát của
camera. Tọa độ đọc về của robot được tính toán và chuyển đổi, sau đó truyền xuống vi
điều khiển thông qua giao tiếp máy tính. Sau khi xử lý các tín hiệu được truyền xuống
cũng như xác định vị trí tương đối của robot với đường đi thực, vi điều khiển sẽ điều
khiển robot chạy bám theo đường đi đã cho trước.
Nội dung luận văn gồm có năm chương:
Chương 1: Tổng quan
Chương 2: Tính toán và thiết kế cơ khí
Chương 3: Xây dựng hệ thống điện
Chương 4: Xây dựng giải thuật điều khiển
Chương 5: Kết luận

MỤC LỤC
LỜI CẢM ƠN.......................................................... Error! Bookmark not defined.
TÓM TẮT LUẬN VĂN.........................................................................................i
MỤC LỤC ............................................................................................................ ii
DANH MỤC HÌNH ẢNH ....................................................................................v
DANH SÁCH BẢNG ...........................................................................................ix
DANH SÁCH CÁC TỪ VIẾT TẮT ....................................................................x

TỔNG QUAN ................................................................................1
1.1. Tổng quan về mobile robot ..........................................................................1
Giới thiệu chung ...................................................................................1
Các loại chuyển động của mobile robot ...............................................2
1.2. Tổng quan về hệ thống xử lý ảnh ................................................................4
Sơ lược về hệ thống xử lý ảnh ..............................................................5
Các khái niệm cơ bản trong xử lý ảnh ..................................................5
1.3. Giới thiệu mobile robot bám theo đường đi cho trước ................................8
Sử dụng khối cảm biến hồng ngoại ......................................................8
Sử dụng camera gắn trên mobile robot .................................................9
Sử dụng camera theo dõi mobile robot ...............................................10
1.4. Mục tiêu, nhiệm vụ và phạm vi đề tài .......................................................10
Mục tiêu đề tài ....................................................................................10
Nhiệm vụ đề tài ...................................................................................11
Phạm vi đề tài .....................................................................................11
TÍNH TOÁN VÀ THIẾT KẾ CƠ KHÍ .....................................12
2.1. Lựa chọn kết cấu và mô hình hóa robot ....................................................12

Lựa chọn kết cấu mobile robot ...........................................................12
Mô hình hóa moblie robot ..................................................................13
2.2. Tính toán, thiết kế và lựa chọn các thiết bị cơ khí .....................................15
Bánh xe ...............................................................................................16
Tính toán công suất và lựa chọn động cơ ...........................................19
Thiết kế khung xe và các thiết bị khác ...............................................21
XÂY DỰNG HỆ THỐNG ĐIỆN ...............................................28
3.1. Khối điều khiển trung tâm .........................................................................28
Vi điều khiển Arduino Mega 2560 .....................................................28

Sơ đồ khối điều khiển trung tâm .........................................................29
3.2. Khối điều khiển động cơ ............................................................................30
Giới thiệu về chip mạch cầu L298N ...................................................30
Sơ đồ khối điều khiển động cơ ...........................................................32
3.3. Khối nguồn ................................................................................................33
Nguồn cấp cho diver và vi điều khiển ................................................33
Nguồn cấp cho động cơ ......................................................................34
3.4. Giao tiếp giữa máy tính và vi điều khiển ...................................................34
Giới thiệu bluetooth HC-05 ................................................................35
Sơ đồ kết nối chân với vi điều khiển ..................................................37
XÂY DỰNG GIẢI THUẬT ĐIỀU KHIỂN ..............................38
4.1. Ứng dụng xử lý ảnh ...................................................................................38
Cấu trúc hệ thống xử lý ảnh dùng trong đề tài ...................................38
Calibration Camera .............................................................................40
Tìm tọa độ của đường đi cho trước ....................................................46
Theo dõi vị trí của mobile robot .........................................................52
iii

4.2. Truyền nhận dữ liệu giữa máy tính và vi điều khiển .................................53
4.3. Xây dựng giải thuật điều khiển ..................................................................55
Điều khiển tốc độ động cơ ..................................................................55
Bám theo đường đi dựa theo giải thuật PID .......................................56
Giải thuật điều khiển ...........................................................................59
4.4. Thực nghiệm và đánh giá kết quả ..............................................................65
Di chuyển theo đường thẳng ...............................................................65
Di chuyển thẳng và chuyển hướng .....................................................68
KẾT LUẬN ..................................................................................70
5.1. Kết quả đạt được ........................................................................................70
5.2. Kết quả chưa đạt được ...............................................................................70

5.3. Hướng phát triển tương lai.........................................................................70
TÀI LIỆU THAM KHẢO ..................................................................................71

DANH MỤC HÌNH ẢNH
Hình 1.1: Robot tự hành Sojourner thám hiểm sau hỏa .........................................2
Hình 1.2: Robot Pinoneer .......................................................................................2
Hình 1.3: Robot hai chân BRAT ............................................................................3
Hình 1.4: Robot di chuyển bằng bánh xe ...............................................................3
Hình 1.5: Robot di chuyển bằng bánh xích ............................................................4
Hình 1.6: Quá trình xử lý ảnh .................................................................................5
Hình 1.7: Sơ đồ tổng quát của hệ thống xử lý ảnh .................................................5
Hình 1.8: Không gian màu RGB ............................................................................8
Hình 1.9: Xe bám đường đi sử dụng cảm biến .......................................................8
Hình 1.10: Sử dụng camera gắn trên xe .................................................................9
Hình 1.11: Robot sử dụng camera gắn cố định ....................................................10
Hình 2.1: Mobile robot ba bánh ............................................................................12
Hình 2.2: Mobile robot bốn bánh .........................................................................13
Hình 2.3: Mô hình kết cấu của mobile robot ........................................................13
Hình 2.4: Mô hình động học của mobile robot .....................................................14
Hình 2.5a: Bánh xe thông thường .........................................................................16
Hình 2.5b: Bánh xe đa hướng ...............................................................................16
Hình 2.6: Bánh xe V3 80mm ................................................................................17
Hình 2.7a: Bánh dẫn hướng thông thường ...........................................................18
Hình 2.7b: Bánh mắt trâu......................................................................................18
Hình 2.8: Bánh xe V1 ...........................................................................................18
Hình 2.9: Lực tác động lên mỗi bánh xe...............................................................20
Hình 2.10: Động cơ DC Servo DSE38BE27-001 ................................................21

Hình 2.11: Kết cấu khung xe ................................................................................22
Hình 2.12: Kích thước gá động cơ ........................................................................22
Hình 2.13: Mô hình 3D lắp ghép của gá động cơ .................................................23
Hình 2.14: Kích thước tấm đỡ động cơ ................................................................23
Hình 2.15: Mô hình 3D tấm đỡ động cơ ...............................................................24
Hình 2.16: Kích thước tầng dưới ..........................................................................24
Hình 2.17: Mô hình 3D tầng dưới ........................................................................25
Hình 2.18: Kích thước tầng trên ...........................................................................25
Hình 2.19: Mô hình 3D tầng trên..........................................................................26
Hình 2.20: Nối trục động cơ .................................................................................26
Hình 2.21: Thanh ren 4mm ...................................................................................26
Hình 2.22: Mô hình thiết kế 3D trên solidworks ..................................................27
Hình 2.23: Mô hình robot thực tế ........................................................................27
Hình 3.1: Vi điều khiển Arduino 2560 .................................................................28
Hình 3.2: Sơ đồ khối điều khiển trung tâm...........................................................30
Hình 3.3: Driver L298N........................................................................................30
Hình 3.4: Sơ đồ nguyên lý đảo chiều động cơ ......................................................31
Hình 3.5: Sơ đồ nguyên lý L298N ........................................................................31
Hình 3.6: Sơ đồ mạch điều khiển động cơ 1.........................................................32
Hình 3.7: Sơ đồ mạch điều khiển động cơ 2.........................................................33
Hình 3.8: Mạch giảm áp DC LM 2596 .................................................................33
Hình 3.9: Nguồn tổ ong 24V – 10A .....................................................................34
Hình 3.10: Module bluetooth HC-05 ....................................................................36
Hình 3.11: Khung truyền theo UART ..................................................................36
Hình 3.12: Sơ đồ kết nối bluetooth với vi điều khiển...........................................37
vi

Hình 4.1: Cấu trúc hệ thống robot bám đường đi sử dụng camera.......................38
Hình 4.2: Logitech HD Webcam C615 ................................................................39
Hình 4.3: Mô hình Pinhold ...................................................................................40
Hình 4.4: Chuyển đổi tọa độ pixel về tọa độ thực ................................................42
Hình 4.5: Giao diện chương trình camera calibration trong Matlab ....................43
Hình 4.6: Bàn cờ sử dụng trong quá trình tinh chỉnh camera ...............................43
Hình 4.7: Ảnh lấy thông số nội .............................................................................44
Hình 4.8: Ảnh lấy thông số ngoại .........................................................................44
Hình 4.9: Thông số có được sau khi thực hiện calibrate với matlab ....................45
Hình 4.10: Ảnh lấy thông số ngoại .......................................................................45
Hình 4.11: Quá trình tìm tọa độ xương của ảnh ...................................................46
Hình 4.12: Ảnh sử dụng cho quá trình xử lý ........................................................47
Hình 4.13: Chuyển từ ảnh màu sang ảnh xám ......................................................48
Hình 4.14: Chuyển từ ảnh xám sang ảnh nhị phân ...............................................49
Hình 4.15: Ví dụ về phép toán dãn nở ..................................................................50
Hình 4.16: Ví dụ về phép toán co .........................................................................50
Hình 4.17: Phép biến đổi tìm xương của đối tượng với ảnh nhị phân..................51
Hình 4.18: Xương của quỹ đạo .............................................................................51
Hình 4.19: Đọc tọa độ xương sử dụng contour ....................................................52
Hình 4.20: Theo dõi tọa độ của vật.......................................................................53
Hình 4.21: Quá trình truyền nhận dữ liệu giữa máy tính và robot .......................53
Hình 4.22: Thời gian truyền nhận .........................................................................54
Hình 4.23: Sơ đồ khối tổng quát của robot ...........................................................55
Hình 4.24: Phương pháp điều chỉnh độ rộng xung ...............................................56

vii

Hình 4.25: Sơ đồ hệ thống điều khiển dùng PID ..................................................56
Hình 4.26: Hai bộ điều khiển PID sử dụng cho việc điều khiển robot .................58
Hình 4.27: Lưu đồ giải thuật chương trình chính .................................................59
Hình 4.28: Lưu đồ giải thuật chương trình điều khiển robot ................................60
Hình 4.29: Lưu đồ giải thuật chương trình “Di chuyển theo X” ..........................61
Hình 4.30: Hàm điều khiển “Dieukhien_1” .........................................................62
Hình 4.31: Lưu đồ giải thuật chương trình “Di chuyển theo Y” ..........................63
Hình 4.32: Hàm điều khiển “Dieukhien_2” .........................................................64
Hình 4.33: Robot di chuyển từ A đến B ...............................................................65
Hình 4.34: Quá trình robot di chuyển từ A đến B ................................................66
Hình 4.35: Đồ thị đáp ứng khi di chuyển theo X..................................................66
Hình 4.36: Đồ thị sai số giữa robot và đường đi theo trục Y ...............................66
Hình 4.37: Robot di chuyển từ A đến C ...............................................................67
Hình 4.38: Quá trình robot di chuyển từ A đến C ................................................67
Hình 4.39: Đồ thị đáp ứng khi di chuyển theo trục Y ..........................................67
Hình 4.40: Đồ thị sai số giữa robot và đường đi theo trục X ...............................68
Hình 4.41: Robot di chuyển thẳng và chuyển hướng 90o ...................................68
Hình 4.42: Quá trình robot di chuyển thẳng từ A đến C và chuyển hướng 90o ..69
Hình 4.43: Đồ thị đáp ứng khi robot di chuyển thẳng và chuyển hướng 90o ......69

viii

DANH SÁCH BẢNG
Bảng 1.1: Các không gian màu trong xử lý ảnh .....................................................7
Bảng 2.1: Bảng so sánh động cơ bước và động cơ servo .....................................19
Bảng 3.1: Thông số kỹ thuật Arduino Mega 2560 ...............................................29
Bảng 4.1: So sánh khoảng cách tính được và khoảng cách thực ..........................46

DANH SÁCH CÁC TỪ VIẾT TẮT
CIE

Commission Internationale de l’Eclairage

RGB

Red – Green – Blue

CYM

Cyan – Yellow – Magenta

CYMK

Cyan – Yellow – Magen – Key

HSV

Hue – Saturation – Value

CAN

Controller area network

UART

Universal Asynchronous serial Reveiver and

Transmitter

SPI

Serial peripheral interface

I2C

Inter-integrated circuit

SRAM

Static random access memory

EFPROM

Electrically Erasable Programmable
Read-Only Memory

PAN

Personal Area Network

LSB

Least Significant Bit

MSB

Most Significant Bit

PWM

Pulse Width Modulation

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN
TỔNG QUAN
1.1. Tổng quan về mobile robot
Giới thiệu chung
Thuật ngữ robot được sinh ra từ trên sân khấu, không phải trong phân xưởng sản
xuất. Những robot xuất hiện lần đầu tiên ở NewYork vào ngày 09/10/1992 trong vở
“Rossum’s Universal Robot” của nhà soạn kịch người Tiệp Karen Kapek viết năm 1921,
còn từ robot là cách gọi tắt của từ robota – theo tiếng Tiệp có nghĩa là công việc lao
dịch. Khi đó, Karen Kapek cho rằng robot là những người máy có khả năng làm việc
nhưng không có khả năng suy nghĩ.
Robot hay người máy là một loại máy có thể thực hiện những công việc một cách
tự động bằng sự điều khiển của máy tính. Robot là một tác nhân cơ khí, nhân tạo, thường
là một hệ thống cơ khí – điện tử.
Với sự xuất hiện và chuyển động của mình, robot gây cho người ta cảm giác rằng
nó có giác quan giống như con người. Từ robot (người máy) thường được hiểu với hai
nghĩa: robot cơ khí và phần mềm tự hoạt động. Về lĩnh vực người máy, Nhật Bản là
nước đi đầu thế giới về lĩnh vực này.
Ngày nay robot đang là tâm điểm của một cuộc cách mạng lớn sau Internet. Robot
ngày càng được sử dụng rộng rãi trong lĩnh vực công nghiệp, y tế, giáo dục đào tạo, giải
trí, an ninh quốc phòng, thám hiểm không gian. Robot là sản phẩm công nghệ có độ
phức tạp cao, chứa hàm lượng tri thức vô cùng phong phú về tất cả các lĩnh vực khoa
học và công nghệ.

Ngày nay, người ta vẫn còn đang tranh cãi vấn đề “ Một loại máy như thế nào thì
đủ tiêu chuẩn để được gọi là một robot ?” Một cách gần chính xác, robot phải có một số
các đặc điểm sau đây:
 Không phải là tự nhiên, tức là do con người sáng tạo ra.
 Có khả năng nhận biết môi trường xung quanh.
 Có thể tương tác với những vật thể trong môi trường.

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN
 Có sự thông minh, có khả năng đưa ra các lựa chọn dựa trên môi trường và
được điều khiển một cách tự động theo những trình tự đã được lập trình
trước.
 Có khả năng điều khiển được bằng các lệnh để có thể thay đổi tùy theo yêu
cầu của người sử dụng.
 Có thể di chuyển quay hoặc tịnh tiến theo một hay nhiều chiều.
 Có sự khéo léo trong vận động.

Hình 1.1: Robot tự hành Sojourner thám hiểm sau hỏa

Hình 1.2: Robot Pinoneer
Các loại chuyển động của mobile robot
Chuyển động bằng chân
Mobile robot di động bằng chân là loại robot có những chuyển động phức tạp bằng
cách rời rạc hóa việc tiếp xúc với mặt đất theo các điểm, việc chuyển động như vậy làm
cho các robot này có ưu thế trên các địa hình phức tạp, gồ ghề và không liên tục. Đồng
thời, bằng cách thay đổi chiều dài của các chân cho phù hợp với môi trường nên robot
di chuyển dễ dàng. Tùy thuộc vào số chân mà người ta chia thành các loại : Robot một
2

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN
chân, hai chân, bốn chân, sáu chân hoặc nhiều hơn. Nhược điểm của robot này là khó
điều khiển và rất khó chế tạo.

Hình 1.3: Robot hai chân BRAT
Chuyển động bằng bánh xe
Bánh xe là phương pháp phổ biến nhất cung cấp khả năng di chuyển cho một robot.
Phần lớn mobile robot dùng bánh xe để di chuyển, do bánh xe dễ điều khiển, ổn định và
chuyển động nhanh hơn so với bánh xích. Cơ cấu bánh xe cần được chú ý khi thiết kế
chuyển động cho robot.

Hình 1.4: Robot di chuyển bằng bánh xe
 Ưu điểm:
 Chi phí thấp, đơn giản trong thiết kế và chế tạo.
 Dễ điều khiển, ổn định và chuyển động nhanh.
 Dễ dàng mở rộng, lựa chọn phong phú.
3

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN
 Nhược điểm:
 Có khả năng kéo yếu.
 Chỉ phù hợp với địa hình nhẵn và cứng, với bề mặt mềm rất dễ bị sa lầy.
 Diện tích tiếp xúc nhỏ.
Chuyển động bằng bánh xích
Mobile robot dùng bánh xích chuyển động bằng các bánh có lắp xích như xe tăng,
rất phù hợp khi di chuyển trên các địa hình phức tạp. Để đổi hướng di chuyển, cần thay
đổi tốc độ quay của hai bánh xích chủ động. Tuy nhiên do chuyển động bằng xích khi

đổi hướng sẽ gây ra hiện tượng trượt dẫn tới việc khó điều khiển chính xác.

Hình 1.5: Robot di chuyển bằng bánh xích
 Ưu điểm:
 Tiếp xúc với bề mặt lớn, giảm khả năng trượt.
 Phân bố trọng lượng đều, có thể hoạt động linh hoạt trên nhiều loại bề
mặt khác nhau.
 Tăng đáng kể không gian sử dụng của robot, không cần kết hợp với các
bánh xe có ổ đĩa lớn.
 Nhược điểm:
 Gây tổn hại bề mặt khi di chuyển.
 Ổ đĩa xích hạn chế đáng kể số lượng động cơ có thể sử dụng được.
 Tính phức tạp cơ khí tăng (số liên kết, khớp nối, cơ cấu trục...).
1.2. Tổng quan về hệ thống xử lý ảnh
4

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN
Sơ lược về hệ thống xử lý ảnh
Con người thu nhận thông tin qua các giác quan, trong đó thị giác đóng vai trò
quan trọng nhất. Những năm trở lại gần đây với sự phát triển của phần cứng máy tính,
xử lý ảnh và đồ họa phát triển một cách mạnh mẽ và có nhiều ứng dụng trong cuộc sống.
Xử lý ảnh và đồ họa đóng vai trò vai trọng trong tương tác người máy.
Quá trình xử lý ảnh được xem như là quá trình thao tác ảnh đầu vào nhằm cho ra
kết quả mong muốn. Kết quả đầu ra của một quá trình xử lý ảnh có thể là một ảnh “ tốt
hơn” hoặc một kết luận.

Hình 1.6: Quá trình xử lý ảnh
Ảnh có thể xem là tập hợp các điểm và mỗi điểm ảnh được xem như là đặc trưng
cường độ sáng hay một dấu hiệu nào đó tại một vị trí nào đó của đối tượng trong không

gian và nó có thể xem như một hàm n biến P(c1,c2,….,cn). Do đó, ảnh trong xử lý ảnh
có thể xem như ảnh n chiều.
Sơ đồ tổng quát của một hệ thống xử lý ảnh:

Hình 1.7: Sơ đồ tổng quát của hệ thống xử lý ảnh
Các khái niệm cơ bản trong xử lý ảnh
Điểm ảnh (Pixel)
Điểm ảnh (Pixel) là một phần tử của ảnh số tại tọa độ (x,y) với độ xám hoặc màu
nhất định. Kích thước và khoảng cách giữa các điểm ảnh được chọn thích hợp sao cho
mắt người cảm nhận sự liên tục về không gian và mức xám (hoặc màu) của ảnh số gần
như ảnh thật. Mỗi phần tử trong ma trận được gọi là một phần tử ảnh.
Độ phân giải

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN
Độ phân giải (Resolution) của ảnh là mật độ điểm ảnh được ấn định trên một ảnh
số được hiển thị. Theo định nghĩa, khoảng cách giữa các điểm ảnh phải được chọn sao
cho mắt người vẫn thấy được sự liên tục của ảnh. Việc lựa chọn khoảng cách thích hợp
tạo nên một mật độ phân bố, đó chính là độ phân giải và được phân bố theo trục x và y
trong không gian hai chiều.
Mức xám
Một điểm ảnh (pixel) có hai đặc trưng cơ bản là vị trí (x,y) của điểm ảnh và độ
xám của nó. Dưới đây là một số khái niệm và thuật ngữ sử dụng trong xử lý ảnh :
 Mức xám là cường độ sáng của nó được gắn bằng giá trị số tại điểm đó.
 Các thang giá trị mức xám thông thường : 16, 32, 64, 128, 256 (Mức 256 là
mức phổ dụng vì từ kỹ thuật máy tính dùng 1 byte (8 bit) để biểu diễn mức
xám: Mức xám dùng 1 byte biểu diễn: 28 = 256 mức , tức là từ 0 đến 255).
 Ảnh đen trắng là ảnh có hai màu đen, trắng (không chứa màu khác) với mức

xám ở các điểm ảnh có thể khác nhau.
 Ảnh nhị phân là ảnh chỉ có 2 mức đen trắng phân biệt tức là dùng 1 bit mô
tả 21 mức khác nhau. Nói cách khác: mỗi điểm ảnh của nhị phân chỉ có thể
là 0 hoặc 1.
 Ảnh màu trong khuôn khổ lý thuyết ba màu (Red, Blue, Green) để tạo nên
thế giới màu, người ta thường dùng 3 byte để mô tả mức màu, khi đó các
giá trị màu 224 16,7 triệu màu.


Ảnh số là tập hợp các điểm ảnh với mức xám phù hợp dùng để mô tả ảnh
gần với ảnh thật.

Không gian màu:
Không gian màu là mô hình toán học dùng để mô tả màu sắc trong thực tế được
biểu diễn dưới dạng số học. Trên thực tế có rất nhiều không gian màu khác nhau được
sử dụng trong nhiều mục đích khác nhau.
Trong việc xử lý, có 5 mô hình màu thường được sử dụng, mỗi mô hình màu có
các ưu nhược điểm riêng biệt, nên tùy vào mục đích sử dụng mà người ta có thể chọn
các loại mô hình màu khác nhau.

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN
Bảng 1.1: Các không gian màu trong xử lý ảnh
Mô hình màu

Ưu điểm

Nhược điểm

CIE

- Người dùng dễ tương tác với
màu, các thành phần màu ứng
dụng trên các thiết bị.

- Không thể in hết mọi
màu hiển thị trên màn
hình.

RGB

- Đơn giản nên được sử dụng
rộng rãi.
- Đầy đủ các ứng dụng cho máy
tính.

- Không thể biểu diễn
mọi màu trong phổ
nhìn thấy.

CMY

- Biểu diễn được mọi màu trong
phổ nhìn thấy.

- Phức tạp vì tồn tại
mối quan hệ giữa hai
không gian.

CMYK

- Độ tương phản cao trong biểu
diễn các màu.

- Phức tạp

HSV

- Trực quan hơn RGB: khi thay
đổi độ tinh khiết ánh sáng (S) và
độ chói sáng (V) ta được màu
mong muốn.

- Phức tạp

Trong đề tài này, ta sử dụng không gian màu RGB:
RGB là không gian màu rất phổ biến được dùng trong đồ họa máy tính và nhiều
thiết bị kỹ thuật số khác. Ý tưởng chính của không gian màu này là sự kết hợp của ba
màu sắc cơ bản: màu đỏ (R,Red), xanh lục (G,Green) và xanh lơ (B,Blue) để mô tả tất
cả các màu sắc khác.
Nếu như một ảnh số được mã hóa bằng 24 bit, nghĩa là 8 bit cho kênh R, 8 bit cho
kênh G, 8 bit cho kênh B, thì mỗi kênh này sẽ nhận giá trị từ 0 – 255. Với mỗi giá trị
khác nhau của các kênh màu kết hợp với nhau sẽ được một màu khác nhau, như vậy ta
sẽ có tổng cộng 255 x 255 x 255 = 16,7 triệu màu sắc. Ví dụ: màu đen là sự kết hợp của
các kênh màu (R, G, B) với giá trị tương ứng (0,0,0) màu trắng có giá trị (255,255,255),
màu vàng có giá trị (255,255,0), màu tím đậm có giá trị (64,0,128)... Nếu ta dùng 16 bit
để mã hóa một kênh màu (48 bit cho toàn bộ 3 kênh) thì dãi màu sẽ trãi rộng lên một
con số rất lớn.

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN

Hình 1.8: Không gian màu RGB
1.3. Giới thiệu mobile robot bám theo đường đi cho trước
Theo môi trường hoạt động của robot, bài toán dẫn hướng cho robot có hai loại:
bài toán toàn cục (global) và bài toán cục bộ (local). Ở bài toán toàn cục, môi trường
hoạt động của robot được biết trước và đường đi được xác định trước lúc chuyển động.
Trong bài toán cục bộ, môi trường hoạt động chưa biết trước hoặc đã biết một phần,
trong quá trình chuyển động, các cảm biến trên robot sẽ phát hiện vật cản và đưa tín hiệu
về để điều khiển robot. Luận văn này sẽ tập trung vào bài toán toàn cục.
Hiện nay có nhiều phương pháp để mobile robot bám theo đường đi cho trước như:
 Sử dụng khối cảm biến hồng ngoại.
 Sử dụng camera gắn trên mobilerobot.
 Sử dụng camera theo dõi mobile robot.
Sử dụng khối cảm biến hồng ngoại
Để điều khiển robot bám theo quỹ đạo, người thiết kế lập trình xác định độ lệch
tương đối giữa quỹ đạo của robot và quỹ đạo mong muốn, sau đó so sánh độ lệch đó
thành các mức và điều khiển robot quay về quỹ đạo mong muốn.

Hình 1.9: Xe bám đường đi sử dụng cảm biến
8

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN
 Ưu điểm:
 Ít tốn kém khi lắp đặt hệ thống dẫn đường.
 Dễ dàng loại bỏ và thay đổi đường dẫn khi cần.

 Linh hoạt trong việc mở rộng diện tích làm việc.
 Nhược điểm:
 Chạy không ổn định, lúc nhanh, lúc chậm.
 Tính ổn định phụ thuộc vào động cơ và kết cấu cơ khí.
 Hoạt động kém tại khu vực bụi bẩn và bị nhiễu bởi ánh sáng mặt trời và
các thiết bị phát ra hồng ngoại.
Sử dụng camera gắn trên mobile robot
Một camera được gắn trên xe, giống như thị giác của con người, sẽ luôn theo dõi
quỹ đạo và gửi thông tin về máy tính để tiến hành xử lý. Sau đó, sẽ gửi thông tin cho bộ
phận điều khiển để điều khiển xe bám đường đi đã cho trước.

Hình 1.10: Sử dụng camera gắn trên xe
 Ưu điểm:
 Độ chính xác cao và khả năng bám theo quỹ đạo tốt vì camera luôn theo
dõi sát quỹ đạo trong quá trình di chuyển.
 Có khả năng dừng và tránh vật cản.
 Tầm hoạt động rộng và phạm vi di chuyển linh hoạt.
 Nhược điểm:
 Camera giá thành khá cao.
 Quá trình thiết kế và lắp rắp xe khá phức tạp.
9

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN
Sử dụng camera theo dõi mobile robot
Một camera được gắn cố định so với hệ tọa độ thực, thu thập ảnh của mục tiêu và
môi trường làm việc. Mục tiêu của hệ này là xác định sai lệch giữa tọa độ robot và tọa
độ đường đi cho trước, tiến hành xử lý trên máy tính và gửi thông tin xuống vi điều
khiển để thực hiện việc điều khiển robot bám theo đường đi cho trước

Hình 1.11: Robot sử dụng camera gắn cố định
 Ưu điểm :
 Xác định tọa độ của xe và của quỹ đạo khá chính xác.
 Cấu tạo xe đơn giản, vì camera đã lắp cố định.
 Nhược điểm:
 Giá thành camera tương đối cao.
 Độ chính xác phụ thuộc vào độ phân giải camera, tốc độ chụp ảnh
camera.
 Chỉ dùng cho những robot hoạt động trong môi trường cố định nên hạn
chế tầm hoạt động và phạm vi ứng dụng.
Trong đề tài thực hiện lần này, camera được gắn cố định so với hệ tọa độ thực.
1.4. Mục tiêu, nhiệm vụ và phạm vi đề tài
Mục tiêu đề tài
Nắm được những yêu cầu cơ bản khi thiết kế mobile robot bám theo đường đi
cho trước ứng dụng xử lý ảnh.
10

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN
Xây dựng mô hình mobile robot bám theo đường đi cho trước để kiểm nghiệm
thuật toán .
Nhiệm vụ đề tài
Để thực hiện được những mục tiêu trên, cần giải quyết các nhiệm vụ sau:
Tìm hiểu tổng quan và nguyên lý hoạt động của mobile robot bám đường đi sử
dụng camera.
Thiết kế mobile robot.
Xây dựng hệ thống mạch điều khiển và chương trình điều khiển.
Tiến hành thực nghiệm và nhận xét kết quả
Phạm vi đề tài
Phạm vi đề tài được giới hạn với các thông số đầu vào như sau:

 Robot hoạt động trên địa hình phẳng, với đường đi được xác định thông qua
quá trình xử lý ảnh. Vùng hoạt động giới hạn là hình vuông cạnh 1200
(mm).
 Camera đặt tương đối so với mặt phẳng làm việc, đường đi xác định bởi
đường line hoặc qua hoạch định của người điều khiển.
 Môi trường hoạt động có sự thay đổi ít về hình thể, giúp đảm bảo điều khiển
ổn định trong quá trình mobile robot bám theo đường đi.

CHƯƠNG 2: TÍNH TOÁN VÀ THIẾT KẾ CƠ KHÍ
TÍNH TOÁN VÀ THIẾT KẾ CƠ KHÍ
2.1. Lựa chọn kết cấu và mô hình hóa robot
Lựa chọn kết cấu mobile robot
Có rất nhiều mô hình hệ thống bánh xe có thể dùng trong mobile robot, những kết
cấu này tạo nên phần khung cho robot cũng như sự linh hoạt của robot khi di chuyển.
Sau đây là một số mô hình hệ thống bánh xe thông dụng trong mobile robot.
Mobile robot ba bánh
 Mobile robot ba bánh có đặc điểm:
 Kết cấu gọn gàng, thuận tiện trong việc tháo lắp.
 Khả năng tải không cao do cấu trúc bánh xe.
 Sử dụng hai động cơ truyền động, linh hoạt di chuyển, bán kính quay
nhỏ, tốc độ thay đổi liên tục.
 Khả năng cân bằng tốt do ba bánh nằm trên một mặt phẳng.

Hình 2.1: Mobile robot ba bánh
Mobile robot bốn bánh
 Mobile robot bốn bánh có đặc điểm:
 Kết cấu gọn gàng trong phạm vi kích thước xe.

 Khả năng tải tốt vì lúc nào cũng có 3 trong 4 bánh tiếp xúc với bề mặt
di chuyển.
 Số lượng động cơ sử dụng nhiều hơn.
 Không thuận tiện trong việc điều khiển chuyển động xoay.
12

CHƯƠNG 2: TÍNH TOÁN VÀ THIẾT KẾ CƠ KHÍ

Hình 2.2: Mobile robot bốn bánh
Mục đích của việc thiết kế và chế tạo mô hình là để kiểm nghiệm giải thuật điều
khiển nên cần cấu trúc đơn giản, dễ chế tạo và chi phí thấp. Do đó, đề tài chọn sử dụng
kết cấu robot ba bánh, trong đó có hai bánh chủ động (điều khiển bởi hai động cơ hoạt
động độc lập) và một bánh dẫn hướng (tự lựa).

Hình 2.3: Mô hình kết cấu của mobile robot
Mô hình hóa moblie robot
Mô hình bánh xe được lý tưởng hóa: bánh xe tròn, lăn không trượt. Mục tiêu thiết
kế động học là xác định mối quan hệ giữa [x1 y1 θ]T và vận tốc cấp vào cho hai bánh(
hay là số vòng quay của hai bánh).
13

CHƯƠNG 2: TÍNH TOÁN VÀ THIẾT KẾ CƠ KHÍ

Hình 2.4: Mô hình động học của mobile robot
 Ký hiệu quy ước :
 (Oxy) là hệ tọa độ toàn cục, (Cxmym) là hệ tọa độ cục bộ gắn với robot.
 C là tâm dịch chuyển dùng để xác định vị trí của robot, được thể hiện
qua ba thông số [x1 y1 θ]T với  là góc lệch giữa (Oxy) và (Cxmym).



v, vl , vr là vận tốc dài tại tâm C, bánh trái và bánh phải [m/s]



w, wl , wr là vận tốc góc tại tâm C, bánh trái và bánh phải [rad/s]

 r là bán kính của mỗi bánh xe [m]
 L là khoảng cách giữa hai bánh xe [m]
 I là tâm vận tốc tức thời
 R là khoảng cách từ tâm C của robot tới tâm vận tốc tức thời I [m]
Giả sử đã có vận tốc dài v và góc lệch θ của robot. Chiếu lên hai phương x và y ta
được như sau:
vx  x  v.cos 

v y  y  v.sin 

w  

Hoặc (2.1) có thể biểu diễn dưới dạng ma trận như sau:
14

(2.1)

CHƯƠNG 2: TÍNH TOÁN VÀ THIẾT KẾ CƠ KHÍ
.
 x   sin 
. 

 y   cos 
.  0
  
 

0
u 
0   
w
1   

(2.2)

Xác định vận tốc dài và vận tốc góc tại tâm C của robot:
 Vận tốc dài :

v

vl  vr wl  wr

.r
2
2

(2.3)

w

vr  vl r
 .( wr  wl )

L
L

(2.4)

 Vận tốc góc:

Suy ra:

 r
v   2
 w   r
  
 L

r
2   wl 

r   wr 
L 

(2.5)

Từ (2.2) và (2.5) ta có:
.
 x   sin 
. 
 y   cos 
.  0
  

 

0  r

0   2
r
1  
 L

r
2   wl 

r   wr 
L 

(2.6)

Suy ra:
r
 .   sin 
 x  2
 .  r
 y    2 sin 
. 
   r
  
 L

r


cos  
2

w 
r
sin    l 
  wr 
2
r 
L 

(2.7)

2.2. Tính toán, thiết kế và lựa chọn các thiết bị cơ khí
Dựa vào kết cấu robot ở trên, ta xác định trước các thông số đầu vào như sau:
15

Tương lai của xử lý ảnh mobile robot

Các loại hình ảnh

Xử lý ảnh là gì?

Các bước xử lý hình ảnh cơ bản

Bài Viết Liên Quan

Quảng Cáo

Có thể bạn quan tâm

Toplist được quan tâm

Quảng cáo

Xem Nhiều

Quảng cáo

Chúng tôi

Điều khoản

Trợ giúp

Mạng xã hội