Đồ Án Mobile robot - đồ án tốt nghiệp 99 trang (7/2012)

MỤC LỤC
Trang
TRANG BÌA .
QUYẾT ĐỊNH GIAO ĐỀ TÀI .
LỊCH TRÌNH THỰC HIỆN ĐỀ TÀI .
LỜI CẢM ƠN i
MỤC LỤC ii
LIỆT KÊ BẢNG v
LIỆT KÊ HÌNH vi
TÓM TẮT viii
CHƯƠNG 1 GIỚI THIỆU 1
1.1 Dẫn nhập. 1
1.2 Ý tưởng đề tài 1
1.3 Lựa chọn thiết bị phát triển đề tài 1
1.4 Giới hạn đề tài 2
1.5 Bố cục đồ án. 2
CHƯƠNG 2 CƠ SỞ LÝ THUYẾT 3
2.1 Kit nhúng FriendlyARM mini2440. 3
2.1.1 Hệ thống phần cứng. 3
2.1.2 Hệ thống phần mềm. 17
2.1.2.1 Cấu trúc phần mềm của hệ thống nhúng sử dụng Linux. 17
2.1.2.2 Đặc điểm hệ điều hành Linux. 18
2.2 Sơ lược về mạng WLAN 19
2.2.1 Cách làm việc của mạng WLAN 19
2.2.2 Các cấu hình mạng WLAN 20
2.2.2.1 Mạng WLAN độc lập (mạng ngang hàng). 22
2.2.2.2. Mạng WLAN cơ sở hạ tầng (infrastructure). 22
2.2.2.3 Microcells và roaming. 23
2.2.3 Các tùy chọn công nghệ. 23
2.2.3.1 Trải phổ. 23
2.2.3.2 Công nghệ trải phổ nhảy tần (Frequency Hopping pread Spectrum). 23
2.2.3.3 Công nghệ trải phổ chuỗi trực tiếp (Direct Sequence Spread Spectrum) 24
2.2.3.4 Công nghệ băng hẹp (narrowband). 25
2.2.3.5 Công nghệ hồng ngoại ( Infrared ). 25
2.2.4 Các chỉ tiêu kỹ thuật của mạng WLAN 25
2.2.4.1 Phạm vi/Vùng phủ sóng. 25
2.2.4.2 Lưu lượng. 26
2.2.4.3 Sự toàn vẹn và độ tin cậy. 26
2.2.4.4 Khả năng kết nối với cơ sở hạ tầng mạng nối dây. 26
2.2.4.6 Nhiễu. 26
2.2.4.7 Tính đơn giản và dễ dàng trong sử dụng. 27
2.2.4.8 Bảo mật 27
2.3 Chuẩn IEEE 802.11. 27
2.3.1 Giới thiệu. 27
2.3.2 Kiến trúc IEEE chuẩn IEEE 802.11. 27
2.3.2.1 Các thành phần kiến trúc. 27
2.3.2.2 Mô tả các lớp chuẩn IEEE 802.11. 28
2.3.2.3. Phương pháp truy cập cơ bản: CSMA/CA 29
2.3.2.4 Các chứng thực mức MAC 31
2.3.2.5 Phân đoạn và Tái hợp. 31
2.3.2.6 Các không gian khung Inter (Inter Frame Space). 32
2.3.2.7 Giải thuật Exponential Backoff. 32
2.3.3 Cách một trạm nối với một cell hiện hữu (BSS). 33
2.3.3.1 Quá trình chứng thực. 33
2.3.3.2 Quá trình liên kết 33
2.3.4 Roaming. 34
2.3.5 Giữ đồng bộ. 34
2.3.6 Tiết kiệm năng lượng. 34
2.3.7 Các kiểu khung. 35
2.3.8 Khuôn dạng khung. 35
2.3.8.1. Tiền tố (Preamble). 35
2.3.8.2 Đầu mục (Header) PLCP. 35
2.3.8.3 Dữ liệu MAC 36
2.3.9 Các khung định dạng phổ biến nhất 38
2.3.9.1 Khuôn dạng khung RTS. 38
2.3.9.2 Khuôn dạng khung CTS .39
2.3.9.3 Khuôn dạng khung ACK 39
2.3.10 Hàm Phối hợp Điểm (PCF). 39
2.3.11 Các mạng Ad hoc. 40
2.3.12 Họ chuẩn IEEE 802.11. 40
2.3.12.1 Chuẩn IEEE 802.11a. 40
2.3.12.2 Chuẩn IEEE 802.11b (Wifi). 40
2.3.12.3 Chuẩn IEEE 802.11d. 40
2.3.12.4 Chuẩn IEEE 802.11g. 40
2.3.12.5 Chuẩn IEEE 802.11i 41
2.3.12.6 Chuẩn IEEE 802.1x (Tbd). 41
CHƯƠNG 3 THIẾT KẾ VÀ THI CÔNG 42
3.1 Sơ đồ khối hệ thống. 42
3.2 Chức năng từng khối 43
3.3 Thiết kế các khối hệ thống. 43
3.3.1 Khối Mini2440. 43
3.3.2 Khối camera và USB wireless 44
3.3.3 Thiết kế khối điều khiển. 45
3.3.4 Thiết kế khối nguồn. 48
3.4 Nguyên lý hoạt động. 49
CHƯƠNG 4 XÂY DỰNG PHẦN MỀM . 50
4.1 Driver Servo. 50
4.2 Mjpg Mini2440. 52
4.3 Điều khiển động cơ DC 54
4.4 Lưu đồ giải thuật 56
4.5 Phát triển ứng dụng trên Mini2440. 58
CHƯƠNG 5 KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN CỦA ĐỀ TÀI. 61
5.1 Kết quả đạt được. 61
5.2 Kết luận. 61
5.2.1 Ưu điểm, khuyết điểm của đề tài 61
5.2.2 Đánh giá. 62
5.3 Hướng phát triển đề tài 62
PHỤ LỤC A: CÀI ĐẶT QT CREATOR 63
PHỤ LỤC B: MÃ CHƯƠNG TRÌNH PHẦN MỀM . .66
Tài Liệu Tham Khảo. 83




LIỆT KÊ BẢNG Trang
Bảng 2.1: User LED 8
Bảng 2.2: User Button 8
Bảng 2.3: Bảng kết nối GPIO . 13
Bảng 2.4: Bảng kết nối chân Camera . .15
Bảng 2.5: Bảng kết nối Bus Interface .16


















LIỆT KÊ HÌNH Trang
Hình 2.1: Board FirendlyARM Mini24403 2
Hình 2.2: Các module trên board Mini2440 .5
Hình 2.3: Memory address allocation . .6
Hình 2.4: Mạch tạo nguồn 1.8V và 3.3V trên board mini2440 . 7
Hình 2.5: Mạch tạo nguồn 1.25V trên board mini2440 . 7
Hình 2.6: Socket CON8 trên board mini2440 8
Hình 2.7: Mạch Reset trên board mini2440 . 8
Hình 2.8: Sơ đồ chức năng CONN12 9
Hình 2.9: Điện trở chỉnh điện áp 3.3v 9
Hình 2.10: Mạch loa PWM buzzer 9
Hình 2.11: Sơ đồ chân cổng COM . 10
Hình 2.12: Sơ đồ mạch usb host và usb device . 10
Hình 2.13: Sơ đồ chân LCD 11
Hình 2.14: Sơ đồ kết nối chân EFROM 11
Hình 2.15: Sơ đồ kết nối chân chip DM9000 12
Hình 2.16: Sơ đồ mạch audio 12
Hình 2.17: Sơ đồ kết nối chân JTAG 13
Hình 2.18: Sơ đồ kết nối chân GPIO . 13
Hình 2.19: Sơ đồ kết nối cổng Camera . 15
Hình 2.20: Sơ đồ chân bus 16
Hình 2.21 – Cấu trúc phần mềm hệ thống nhúng 17
Hình 2.22 - Một mạng ngang hàng không dây . 20
Hình 2.23 - Khách hàng và điểm truy nhập . 20
Hình 2.24 - Nhiều điểm truy cập và Roaming . 21
Hình 2.25 - Cách sử dụng của một điểm mở rộng (EP) 21
Hình 2.26 - Cách sử dụng anten định h­ướng 21
Hình 2.27 - Mạng WLAN độc lập . 22
Hình 2.28 - Mạng WLAN độc lập phạm vi được mở rộng sử dụng điểm truy cập
như một bộ chuyển tiếp 22
Hình 2.29 - Mạng WLAN Cơ sở hạ tầng . 22
Hình 2.30 - Handing off giữa các điểm truy cập 23
Hình 2.31 - Trải phổ nhảy tần . 24
Hình 2.32 - Trải phổ chuỗi trực tiếp . 24
Hình 2.33 - Mạng WLAN IEEE 802.11 tiêu biểu . 28
Hình 2.34 - Lớp MAC 28
Hình 2.35 - Giao dịch giữa hai trạm A và B, và sự thiết lập NAV 30
Hình 2.36 - Khung MSDU . 31
Hình 2.37 - Sơ đồ cơ chế truy cập 33
Hình 2.38 - Khuôn dạng khung chuẩn IEEE 802.11 35
Hình 2.39 - Khuôn dạng khung MAC . 36
Hình 2.40 – Khung RTS 38
Hình 2.41 – Khung CTS 39
Hình 2.42 – Khung ACK . 39
Hình 3.1 – Sơ đồ khối của hệ thống . . 42
Hình 3.2 – Sơ đồ chân GPIO . 43
Hình 3.3 – Camera và USB wireless . 44
Hình 3.4 – L298 . 45
Hình 3.5 – L298 và nguồn công suất . . 45
Hình 3.6 – Sơ đồ điều khiển động cơ . 46
Hình 3.7 – Sơ đồ layout . 47
Hình 3.8 – Mạch nguồn . 48
Hình 3.9 – Nguyên lý hoạt động . 49
Hình 4.1 - Lưu đồ giải thuật máy Server(Laptop-PC) . 56
Hình 4.2 – Lưu đồ giải thuật máy Client(board Mini2440) 57
Hình phụ lục – Giao diện Qtcreator . 63



TÓM TẮT Công nghệ xử lý ảnh kết hợp với robot là một trong những đề tài được quan tâm nhiều trong thời đại hiện nay,được ứng dụng nhiều trong công nghiệp,quân sự và y tế Xuất phát từ xu thế trên nhóm thực hiện đã chọn đề tài “Mobile Robot”.
Để thực hiện đề tài, nhóm đã nghiên cứu những vấn đề liên quan như các khái niệm về mạng WLAN,hệ điều hành Linux,xử lý ảnh và tìm hiểu về thiết bị phát triển ứng dụng là Mini2440 Sau quá trình nghiên cứu và thiết kế, nhóm thực hiện đã hoàn thành được đề tài “Mobile Robot” với sản phẩm là một robot di động có thể di chuyển,truyền hình ảnh quan sát được từ camera thông qua mạng WLAN về máy tính để xử lý và điều khiển.





CHƯƠNG 1 GIỚI THIỆU 1.1 Dẫn nhập
Ngày nay, robotic đã đạt được những thành tựu to lớn trong sản xuất công nghiệp cũng như trong đời sống. Sản xuất robot là ngành công nghiệp trị giá hàng tỷ USD và ngày càng phát triển mạnh. 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. Trong công nghiệp điện tử, các robot đặt các linh kiện với độ siêu chính xác, tạo nên các thiết bị tinh vi như điện thoại di động hay máy tính.
Trong các họ robot, chúng ta không thể không nhắc tới mobile robot với những đặc thù riêng mà các loại robot khác không có. Các tay máy cố định chỉ hoạt động trong một không gian bị giới hạn quanh vị trí của nó. Ngược lại, mobile robot có thể di chuyển, do đó tạo nên không gian hoạt động rất lớn và cho đến nay nó đã dần khẳng định vai trò quan trọng không thể thiếu trong nhiều lĩnh vực, thu hút được rất nhiều sự đầu tư nghiên cứu.

1.2 Ý tưởng đề tài
- Với ý tưởng là phát triển một robot có thể thay thế con người đi vào những nơi nguy hiểm,khó khan,hay những môi trường độc hại những nơi mà con người không thể đi tới được để thu thập dữ liệu,tìm kiếm hay quan sát Nhóm thực hiện đã chọn đề tài “Mobile Robot” với ý định:
o Thiết kế một mô hình có khả năng di chuyển linh hoạt,dễ dàng
o Có thể điều khiển từ xa thông qua mạng WLAN
o Quan sát và gửi tín hiệu thu được trong quá trình di chuyển về PC
1.3 Lựa chọn thiết bị phát triển đề tài
- Để đáp ứng cho việc giải quyết vấn đề trên nhóm thực hiện đã chọn triển khai trên các thiết bị:
o Development board Mini2440 sử dụng vi điều khiển S3C2440A của Samsung sản xuất.
o Camera cổng USB,USB Wireless
o Bộ công cụ QT Creater của Nokia chạy trên nền Linux


1.4 Giới hạn đề tài
- Do đây là một hướng nghiên cứu mới và thời gian cũng có hạn nên nhóm thực hiện cũng mới thực hiện được ngiên cứu và phát triển mô hình ở mức đề ra.Chưa phát triển được một robot có thể hoạt động trên mọi địa hình,và do tốc độ của mạng không dây cũng có giới hạn nên hình ảnh truyền về không được rõ lắm.
1.5 Bố cục đồ án
Đồ án thực hiện bao gồm các vấn đề sau:
- Tìm hiểu và phân tích: tìm hiểu thiết bị phát triển là hệ thống nhúng FriendlyARM mini2440, các vấn đề về tổng quan phần cứng, phần mềm của mini2440; cơ sở lý thuyết có liên quan mạng WLAN; tìm hiểu về chuẩn IEEE 802.11.

- Thiết kế và thi công: trình bày về sơ đồ khối của hệ thống thiết bị, thiết kế các khối module có trong sơ đồ khối một cách cụ thể. Đồng thời cũng nêu lên nguyên tắc hoạt động của hệ thống.

- Xây dựng phần mềm: bao gồm lưu đồ giải thuật phát triển, viết driver điều khiển động cơ,xây dựng ứng dụng MJPG cho board Mini2440,chương trình Server và Client.
- Kết quả thực hiện, kết luận và hướng phát triển của đề tài: Trình bày những kết quả đạt được trong quá trình thực hiện. Nêu bật những ưu điểm, khuyết điểm của đề tài, những kiến thức và kinh nghiệm đã thu được, hướng khắc phục những khuyết điểm và hướng phát triển đề tài.