THIẾT LẬP XE TỰ HÀNH TRONG NHÀ DÙNG STEREO CAMERA (Phan Minh Trí)

Nội dung đề tài:

- Nghiên cứu hệ điều hành dành cho robot (ROS – Robot Operating System).

- Nghiên cứu thuật toán điều hướng cho xe tự hành dựa trên bản đồ dựng trước.

- Thiết kế mô hình xe tự hành.

- Ứng dụng máy tính nhúng và stereo camera để xây dựng nền tảng thực hiện đề tài.

- Xây dựng bản đồ và điều hướng trên bản đồ đã dựng dựa vào mô hình đã xây dựng

NỘI DUNG:

Chương 1. TỔNG QUAN VỀ ĐỀ TÀI .................................................................... 2

1.1. Định hướng cho đề tài ................................................................................... 2

1.2. Mục tiêu của đề tài ......................................................................................... 3

1.3. Đối tượng và phạm vi nghiên cứu ................................................................. 3

1.4. Các bước thực hiện đề tài .............................................................................. 3

Chương 2. TỔNG QUAN VỀ ROBOT OPERATING SYSTEM VÀ CƠ SỞ LÝ

THUYẾT ................................................................................................................. 5

2.1. Giới thiệu về Robot Operating System .......................................................... 5

2.1.1. Tổng quan về hệ điều hành dành cho robot – ROS ............................. 5

2.1.2. Cấu trúc ROS ....................................................................................... 7

2.1.2.1. ROS Filesystem Level ..................................................................... 8

2.1.2.2. ROS Computation Graph Level .................................................... 10

2.1.2.3. ROS Community Level ................................................................. 12

2.1.3. 2D Navigation stack .......................................................................... 13

2.1.3.1. Tổng quan về Navigation stack ..................................................... 15

2.1.3.2. Costmap 2D ................................................................................... 15

2.1.3.3. Cách cấu hình costmap .................................................................. 18

2.1.3.4. Cấu hình base_local_planner ......................................................... 20

2.2. Nguyên lý tính khoảng cách vật thể từ stereo camera ................................. 21

2.3. Thuật toán Dijkstra cho global planner ....................................................... 24

2.4. Thuật toán Dynamic Window Approach để tránh vật cản cho local planner .

..................................................................................................................... 28

2.4.1. Không gian tìm kiếm ......................................................................... 28

2.4.2. Tối ưu ................................................................................................ 29

Chương 3. THIẾT LẬP XE TỰ HÀNH VÀ LẬP TRÌNH TÍCH HỢP HỆ THỐNG

............................................................................................................... 32

3.1. Thiết lập xe tự hành ..................................................................................... 32

3.1.1. Board điều khiển ............................................................................... 32

3.1.2. Camera ............................................................................................... 35

3.1.3. Mobile base ....................................................................................... 38

3.1.3.1. Thiết kế phần cứng ........................................................................ 38

3.1.3.2. Thiết kế chương trình nhúng ......................................................... 43

3.1.3.3. Thiết kế cơ khí cho xe.................................................................... 46

3.2. Lập trình tích hợp hệ thống ......................................................................... 48

3.2.1. Thiết lập serial node giao tiếp với Mobile base ................................ 48

3.2.2. Xây dựng bản đồ (mapping) .............................................................. 50

3.2.2.1. Thu thập dữ liệu từ hai camera và chuyển dữ liệu về ảnh độ sâu.. 51

3.2.2.2. Chuyển ảnh độ sâu về kiểu dữ Laser scan ..................................... 52

3.2.2.3. Ước lượng tọa độ của robot từ laser scan: ..................................... 53

3.2.2.4. Thiết lập joytick để điều khiển Mobile base di chuyển ................. 55

3.2.2.5. Sử dụng package gmapping để dựng bản đồ ................................. 56

3.2.2.6. Lưu bản đồ ..................................................................................... 57

3.2.2.7. Tổng hợp các node trong dựng bản đồ .......................................... 58

3.2.3. Điều hướng trên bản đồ đã dựng (navigation) .................................. 61

3.2.3.1. Các bước chuẩn bị dữ liệu cho navigation .................................... 61

3.2.3.2. Ước lượng vị trí của robot dùng Adaptive Monte Carlo

Localization (AMCL).................................................................................... 61

3.2.3.3. Thiết lập các thông số cấu hình để cung cấp cho move_base hoạt

động ....................................................................................................... 62

3.2.3.4. Thiết lập move_base để điều hướng cho xe .................................. 64

3.2.3.5. Tổng hợp lại các node được dùng trong điều hướng ..................... 66

Chương 4. KẾT QUẢ THỰC NGHIỆM ................................................................ 68

4.1. Lấy các dữ liệu cần thiết từ camera trên hệ điều hành ROS ....................... 68

4.2. Chuyển ảnh độ sâu thành laser scan: ........................................................... 69

4.3. Quá trình mapping và kết quả bản đồ .......................................................... 70

4.4. Quá trình điều hướng cho robot................................................................... 74

Chương 5. KẾT LUẬN, ĐÁNH GIÁ, HƯỚNG PHÁT TRIỂN ............................ 79

5.1. Đánh giá ....................................................................................................... 79

5.2. Kết luận ........................................................................................................ 79

5.3. Hướng phát triển .......................................................................................... 80

TÀI LIỆU THAM KHẢO ....