Đồ án Thiết kế và thi công mô hình xe thăm dò môi trường

i ii TRƯỜNG ĐH SPKT TP. HỒ CHÍ MINH KHOA ĐIỆN-ĐIỆN TỬ BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP – Y SINH CỘNG HÒA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM ĐỘC LẬP - TỰ DO - HẠNH PHÚC ----o0o---- Tp. HCM, ngày 05 tháng 01 năm 2019 NHIỆM VỤ ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP Họ tên sinh viên: Nguyễn Tiến Hòa MSSV: 14141117 Ngô Minh Hiệp MSSV: 14141105 Chuyên ngành: Kỹ thuật Điện - Điện tử Mã ngành: 41 Hệ đào tạo: Đại học chính quy Mã hệ: 1 Khóa: 2014 Lớp: 14141DT2A I. TÊN ĐỀ TÀI: THIẾT KẾ VÀ THI CÔNG MÔ HÌNH XE THĂM DÒ MÔI TRƯỜNG II. NHIỆM VỤ 1. Các số liệu ban đầu:  kit RASPBERRY PI 3  ARDUINO UNO R3  MODULE L298N  SERVO SG90  MODULE DHT11  MODULE MPU-6050  CAMERA LOGITECH 2. Nội dung thực hiện:  Thiết kế giao diện web server điều khiển xe  Live camera trên webserver  Điều khiển camera  Gửi dữ liệu cảm biến lên web III. NGÀY GIAO NHIỆM VỤ: 07/10/2018 IV. NGÀY HOÀN THÀNH NHIỆM VỤ: 18/01/2019 V. HỌ VÀ TÊN CÁN BỘ HƯỚNG DẪN: ThS. Nguyễn Trường Duy CÁN BỘ HƯỚNG DẪN BM. ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP – Y SINH iii TRƯỜNG ĐH SPKT TP. HỒ CHÍ MINH KHOA ĐIỆN-ĐIỆN TỬ BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP – Y SINH CỘNG HÒA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM ĐỘC LẬP - TỰ DO - HẠNH PHÚC ----o0o---- Tp. HCM, ngày 7 tháng 10 năm 2018 LỊCH TRÌNH THỰC HIỆN ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP Họ tên sinh viên 1: Ngô Minh Hiệp Lớp:14141DT1B MSSV: 14141105 Họ tên sinh viên 2: Nguyễn Tiến Hòa Lớp: 14141DT1C MSSV: 14141117 Tên đề tài: THIẾT KẾ VÀ THI CÔNG MÔ HÌNH XE THĂM DÒ MÔI TRƯỜNG Tuần Tuần/ngày Nội dung Xác nhận GVHD 1 (01-07/10/2018) Nhận đồ án, tìm hiểu đề tài, viết đề cương chi tiết cho đề tài. 2 (08-14/10/2018) Tìm hiểu thông tin về thiết bị điều khiển lập trình, cơ cấu chấp hành.. 3 (15-21/10/2018) Kết nối và viết code đẩy video lên web server 4 (22/4 - 28/10/2018) Kết nối và viết code đẩy dữ liệu từ raspberry sang arduino uno. 5, 6 (29/10 -11/11/2018) Kết nối và viết code đẩy dữ liệu cảm biến DHT11, mpu6050 từ arduino qua raspberry 7,8,9 (12/11 -02/12/2018) Thiết kế giao diện web server 10 (03 -09/12/2018) Lắp đặt phần cứng của xe 11,12 (10-23/12/2018) Kết nối và hoàn thiện xe 13 (24/12 -30/12/2018) Viết báo cáo, kiểm tra các phần cứng . 14 01/01/2018 GVHD kiểm duyệt lại đề tài. GV HƯỚNG DẪN (Ký và ghi rõ họ và tên) iv LỜI CAM ĐOAN Đề tài này là do tôi tự thực hiện dựa vào một số tài liệu trước đó và không sao chép từ tài liệu hay công trình đã có trước đó. Nhóm sinh viên thực hiện đề tài Ngô Minh Hiệp – Nguyễn Tiến Hòa v LỜI CẢM ƠN Em xin gởi lời cảm ơn sâu sắc đến Thầy Nguyễn Trường Duy _ Giảng viên bộ môn Điện tử công nghiệp – y sinh đã trực tiếp hướng dẫn và tận tình giúp đỡ tạo điều kiện để hoàn thành tốt đề tài. Em chân thành cảm ơn quý thầy cô, Giảng viên bộ môn điện tử công nghiệp – y sinh đã góp ý và chia sẻ nhiều kinh nghiệm quý báu cho em thực hiện tốt đề tài. Em xin gởi lời chân thành cảm ơn các thầy cô trong Khoa Điện-Điện Tử đã tạo những điều kiện tốt nhất cho em hoàn thành đề tài. Em cũng gửi lời đồng cảm ơn đến các bạn lớp 14141DT2A đã chia sẻ trao đổi kiến thức cũng như những kinh nghiệm quý báu trong thời gian thực hiện đề tài. Cảm ơn đến gia đình đã luôn bên cạnh và ủng hộ tinh thần Xin chân thành cảm ơn! Nhóm sinh viên thực hiện đề tài Ngô Minh Hiệp – Nguyễn Tiến Hòa vi MỤC LỤC NHIỆM VỤ ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP .......................................................................... ii LỊCH TRÌNH THỰC HIỆN ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP ............................................... iii LỜI CAM ĐOAN ..................................................................................................... iv LỜI CẢM ƠN ............................................................................................................. v MỤC LỤC ................................................................................................................. vi DANH MỤC HÌNH ................................................................................................ viii DANH MỤC BẢNG ................................................................................................... x TÓM TẮT ................................................................................................................. xi Chương 1. TỔNG QUAN ........................................................................................... 1 1.1. ĐẶT VẤN ĐỀ ............................................................................................... 1 1.2. MỤC TIÊU .................................................................................................... 3 1.3. NỘi DUNG NGHIÊN CỨU .......................................................................... 4 1.4. GIỚI HẠN ..................................................................................................... 4 1.5. BỐ CỤC ........................................................................................................ 4 Chương 2. CƠ SỞ LÝ THUYẾT ................................................................................ 6 2.1 CÁC CHUẨN TRUYỀN THÔNG KHÔNG DÂY .......................................... 6 2.1.1 Một số công nghệ kết nối trong truyền thông không dây .......................... 6 2.1.3 Tìm hiểu về chuẩn IEEE 208.16 ................................................................ 8 2.2 GIỚI THIỆU VỀ WEB SERVER VÀ NGÔN NGỮ LẬP TRÌNH HTML ..... 9 2.2.1 Khái niệm web server................................................................................. 9 2.2.2 Nguyên lí hoạt động của web server .......................................................... 9 2.2.3 Các giao thức sử dụng của web server ..................................................... 10 2.2.4 Khái niệm ngôn ngữ lập trình HTML ...................................................... 11 2.2.5 Cấu trúc cơ bản của HTML ..................................................................... 11 2.3 ROBOT THĂM DÒ MÔI TRƯỜNG ............................................................. 13 2.3.1 Phân loại robot ......................................................................................... 13 2.3.2 Một số dạng điều khiển robot .................................................................. 14 2.3.3 Các loại chuyển động của robot ............................................................... 14 2.4 GIỚI THIỆU PHẦN CỨNG ........................................................................... 17 2.4.1 RASPBERRY PI 3 ................................................................................... 17 2.4.2 ARDUINO UNO R3 ................................................................................ 18 2.4.3 MODULE L298N .................................................................................... 19 2.4.4 CAMERA LOGITECH ............................................................................ 20 vii 2.4.5 ĐỘNG CƠ SERVO SG90 ....................................................................... 20 2.4.6 ĐỘNG CƠ GIẢM TỐC ........................................................................... 21 2.4.7 MODULE CẢM BIẾN DHT11 ............................................................... 22 2.4.8 MODULE CẢM BIẾN MPU-6050 ......................................................... 22 Chương 3. TÍNH TOÁN VÀ THIẾT KẾ ................................................................. 24 3.1 GIỚI THIỆU ................................................................................................ 24 3.2 TÍNH TOÁN VÀ THIẾT KẾ HỆ THỐNG ................................................ 24 3.2.1 Thiết kế sơ đồ khối hệ thống ................................................................ 24 3.2.2 Tính toán và thiết kế mạch .................................................................... 26 3.2.3 Sơ đồ nguyên lý của toàn mạch ............................................................ 32 Chương 4. THI CÔNG HỆ THỐNG ........................................................................ 33 4.1 GIỚI THIỆU ................................................................................................ 33 4.2 THI CÔNG HỆ THỐNG ............................................................................. 33 4.2.1 Thi công phần cứng .............................................................................. 33 4.3 LẬP TRÌNH HỆ THỐNG ........................................................................... 37 4.3.1 Lưu đồ giải thuật ................................................................................... 37 4.3.2 Phần mềm lập trình cho vi điều khiển .................................................. 41 Chương 5. KẾT QUẢ_NHẬN XÉT_ĐÁNH GIÁ ............................................. 44 5.1 KẾT QUẢ ...................................................................................................... 46 5.2 NHẬN XÉT VÀ ĐÁNH GIÁ ........................................................................ 49 Chương 6. KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN .............................................. 50 6.1. KẾT LUẬN .................................................................................................... 50 6.2. HƯỚNG PHÁT TRIỂN ................................................................................. 50 TÀI LIỆU THAM KHẢO ......................................................................................... 51 CÁC TỪ VIẾT TẮT ................................................................................................. 52 PHỤ LỤC .................................................................................................................. 53 viii DANH MỤC HÌNH Hình 1.1: iRobot 210 negotiator ................................................................................. 2 Hình 1.2: iRobot 710 Warrior .................................................................................... 2 Hình 1. 3: iRobot 510 Packbot ................................................................................... 3 Hình 2.1: Robot hai chân BRAT .............................................................................. 15 Hình 2.2: Robot MANOI AT01 và MANOI PF01 .................................................. 15 Hình 2.3: Robot irobot chuyển động bằng xích ....................................................... 16 Hình 2.4: Robot NASA chuyển động bánh xe ......................................................... 16 Hình 2.5. Raspberry pi 3 ........................................................................................... 17 Hình 2.6: Arduino Uno R3 ....................................................................................... 18 Hình 2.7: Module L298n .......................................................................................... 19 Hình 2.8: Camera Logitech C270 ............................................................................ 20 Hình 2.9: động cơ servo sg90 ................................................................................... 21 Hình 2.10: động cơ giảm tốc .................................................................................... 21 Hình 2.11: Module cảm biến DHT11 ...................................................................... 22 Hình 2.12: module cảm biến mpu-6050 ................................................................... 22 Hình 3.1: Sơ đồ khối toàn mạch ............................................................................... 25 Hình 3.2: Sơ đồ kết nối raspberry với các thiết bị ................................................... 26 Hình 3.3: Sơ đồ kết nối Arduino .............................................................................. 27 Hình 3.4: camera logitech ........................................................................................ 28 Hình 3.5: Servo sg90 ................................................................................................ 28 Hình 3.6: sơ đồ kết nối servo và camera .................................................................. 28 Hình 3.7: sơ đồ kết nối động cơ giảm tốc ................................................................ 29 Hình 3.8: Sơ đồ kết nối cảm biến DHT11 và MPU-6050 ........................................ 29 Hình 3.9: Mạch 3D khối đèn led .............................................................................. 30 Hình 3.10: sơ đồ kết nối đèn .................................................................................... 31 Hình 3.11: Sơ đồ nguyên lý toàn mạch .................................................................... 32 Hình 4.1. Mô hình xe nhìn từ trên ...34 Hình 4.2: Mô hình xe nhìn từ trước ......................................................................... 35 Hình 4.3: Pin dự phòng cấp cho toàn mạch ............................................................. 35 Hình 4.4: Nguồn pin cấp cho động cơ ..................................................................... 36 Hình 4.5: Kích thước thực tế của xe ........................................................................ 36 Hình 4.6: Lưu đồ chính ............................................................................................ 37 Hình 4.7: Lưu đồ chương trình con xe chạy. ........................................................... 38 Hình 4.8: Lưu đồ chương trình con camera quay .................................................... 39 Hình 4.9: Lưu đồ chương trinh con bật tắt đèn ........................................................ 40 Hình 4.10: Giao diện web server .............................................................................. 41 Hình 4.11: Remote Desktop Connection ................................................................. 42 Hình 4.12: màn hình đăng nhập raspi ...................................................................... 42 Hình 4.13: Giao diện hệ điều hành raspi .................................................................. 43 Hình 4.14: Giao diên phần mềm python. ................................................................. 43 Hình 4.15 : Giao diện phần mềm arduino. ............................................................... 44 Hình 4.16: Giao diện phần mềm LogMeIn Hamachi ............................................... 45 Hình 5.1 : Giao diện web.46 Hình 5.2: Biểu đồ nhiệt độ và độ ẩm ....................................................................... 47 Hình 5.3: Nhiệt độ và độ ẩm thực tế ........................................................................ 47 ix Hình 5.4: Xe hoạt động khi trời tối có đèn ............................................................... 48 Hình 5.5: Xe chạy trên vật cản 3-5cm ...................................................................... 48 x DANH MỤC BẢNG Bảng 4.1: Danh sách các linh kiện. .......................................................................... 33 Bảng 5.1: Thông số kỹ thuật mô hình xe robot thăm dò..49 xi TÓM TẮT Từ xa xưa khác vọng chinh phục tự nhiên luôn thúc đẩy con người tìm tòi, nghiên cứu khoa học và không ngừng phát triển kỹ thuật. Đến nay con người đã đạt được các thành tựu khoa học to lớn trong nhiều lĩnh vực bằng cách tạo ra robot thông minh có thể hoạt động một cách độc lập và linh hoạt trong các môi trường khắc nghiệt, nguy hiểm nhất. Có thể nói robot là một thành tựu đã xuất hiện từ sớm và đang có những thay đổi mạnh mẽ, robot ngày càng thông minh hơn, linh hoạt hơn và chính xác hơn. Robot có thể di chuyển với tốc độ và độ chính xác cao để thực hiện những động tác lặp đi lặp lại như hàn hay sơn. Bên cạnh đó việc ứng dụng công nghệ không dây vào việc truyền nhận thông tin giữa người điều khiển và robot giúp cho robot hoạt động có hiệu quả hơn. Robot được điều khiển trực tiếp từ con người trong những tình huống bất ngờ mà bản thân nó không thể xử lý được, ngoài ra nó cũng mang đến sự an toàn cho người điều khiển trong các môi trường công việc nguy hiểm. Robot ngày càng đa dạng và phức tạp hơn, do từng mục đích sử dụng khác nhau mà có nhiều loại robot như: robot tự hành, robot canh nhà, robot leo cầu thang, robot vận chuyển hàng hóa Và ngày nay robot còn được sử dụng nhiều cho mục đích thám hiểm, thăm dò địa hình và môi trường. Để thực hiện mục đích trên robot được đòi hỏi phải có khả năng di chuyển ở địa hình phức tạp, quan sát hình ảnh và thu thập thông số các môi trường. Robot thám hiểm có thể thay thế con người tham dò, khám phá những môi trường khắc nghiệt, nguy hiểm mà con người chỉ cần điều khiển từ xa. Đề tài “Thiết kế và thi công mô hình xe thăm dò môi trường” được trình bày về lý thuyết robot và thi công mô hình xe robot được điều khiển từ xa qua web server kết nối với wifi nhằm phục vụ công việc thay thế cho con người ở địa hình bị giới hạn. Do kiến thức và thời gian có hạn nên nhóm sinh viên thực hiện đề tài rất mong nhận được sự góp ý của quý Thầy Cô và các bạn sinh viên. CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP – Y SINH 1 Chương 1. TỔNG QUAN 1.1. ĐẶT VẤN ĐỀ Cùng với sự phát triển không ngừng của các ngành khoa học kỹ thuật, các ngành công nghiệp tự động hóa cũng phát triển nhanh chóng. Việc áp dụng máy móc hiện đại vào sản xuất là một yêu cầu không thể thiếu trong các nhà máy nhằm tăng năng suất, tăng chất lượng và giảm giá thành sẩn phẩm [1]. Song song với sự phát triển đó, công nghệ chế tạo robot cũng phát triển nhanh chóng, đặc biệt là ở các nước phát triển nhằm đáp ứng nhu cầu về sản xuất, sinh hoạt và an ninh quốc phòng [2]. Chủng loại robot ngày nay khá đa dạng về bề ngoài cũng như có thể thực hiện được rất nhiều chức năng như thăm dò chinh phục vũ trụ, hỗ trợ giúp đỡ người khuyết tật, vận chuyển đồ vật và giám sát an ninh cho ngôi nhà [2],[10]... Thế giới đã chứng kiến rất nhiều thảm họa từ thiên nhiên cũng như từ con người. Mức độ thiệt hại để lại do sự hủy hoại từ các thảm họa này càng nặng nề hơn khi xảy ra. Những thảm họa đến từ phía thiên nhiên như động đất, cháy rừng, sóng thần, bão lũ... Từ phía con người có thể kể đến là chiến tranh, hỏa hoạn, khủng bố, sập hầm mỏ... Những thảm họa đều mang đến sự thiệt to lớn về người và vật chất. Việc tìm kiếm, cứu hộ người bị thương mất tích luôn gặp nhiều khó khăn và nguy hiểm. Tại Việt Nam, hàng năm cũng nhiều vụ gây thiệt hại lớn, đặc biệt là những vụ sập hầm mỏ, cháy nhà, cháy chung cư... Tuy nhiên công tác cứu hộ còn nhiều khó khăn do phụ thuộc sức người là chính. Vấn đề an toàn cho người tham gia cứu hộ không được đảm bảo vì phải hoạt động trong môi trường tiềm ẩn nhiều nguy hiểm, nhiều chất gây cháy nổ và chất khí độc hại. Xuất phát từ những điểm nêu trên, cùng với sự phát triển của nhiều loại robot phục vụ cho nhu cầu khác nhau của con người, robot thám hiểm được rất nhiều nước nghiên cứu và sản xuất nhờ ứng dụng của nó vào thực tế. Với sự phát triển vượt bậc của nền kinh tế, khoa học kỹ thuật, sức khỏe và tính mạng của con người ngày càng được coi trọng. Chính vì thế, trong những điều kiện làm việc độc hại, robot thám hiểm điều khiển từ xa sẽ được thay thế cho con người. Robot thám hiểm với nhiệm vụ đi CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP – Y SINH 2 tiên phong nhằm tìm kiếm, phát họa địa hình, đo đạc một số thông số như nhiệt độ độ ẩm, gửi hình ảnh về trung tâm điều khiển... Nhờ những tính năng đó con người có thể đánh giá và kiểm soát được mức độ nguy hiểm của môi trường và đưa ra những phương án tiếp cận hợp lí. Nhật Bản và Hoa Kỳ là những nước đi tiên phong trong việc ứng dụng robot vào đời sống hàng ngày. Công ty I-robot là công ty sản xuất robot lớn hàng đầu Hoa Kỳ, chuyên nghiên cứu và cung cấp các loại robot thám hiểm, vượt địa hình phục vụ nhu cầu khác nhau của con người. Đây là mẫu robot chuyên làm nhiệm vụ xâm nhập, dò thám vào những vùng nguy hiểm [3]. Hình 1.1: iRobot 210 negotiator Nhiệm vụ