Nhóm giảng viên thiết kế robot di động

Một trong những ứng dụng của robot di động là sắp xếp hàng hóa trong kho bãi.

“Định hướng điều khiển robot di động dựa trên công nghệ định vị GPS và cảm biến la bàn” là nghiên cứu của nhóm tác giả Lưu Trọng Hiếu, Nguyễn Chí Ngôn, Hà Tấn Đạt và Phạm Quang Thể - Khoa Tự động hóa, Trường Đại học Bách khoa, Đại học Cần Thơ.

Ứng dụng rộng rãi của robot di động

TS Nguyễn Chí Ngôn, trưởng nhóm nghiên cứu cho biết, robot di động (mobile robot) là dạng mô hình thiết bị cơ khí linh hoạt được thiết kế để làm các công việc từ đơn giản đến phức tạp tùy theo yêu cầu của từng nhiệm vụ khác nhau. Robot di động tìm thấy trong vô số lĩnh vực, bao gồm hậu cần, chăm sóc sức khỏe, nông nghiệp và thăm dò những khu vực nguy hiểm cho con người.

Trên thế giới, các nghiên cứu robot di động dùng để quan sát (tracking) đối tượng vẫn là chủ đề được quan tâm. Các hệ thống quan sát một hướng đếm phương tiện giao thông di chuyển trên đường bằng các máy ảnh 3D và cảm biến nhiệt cho các robot tự hành trên đường đang là chủ đề được nghiên cứu. Các hệ trí thông minh nhân tạo và học sâu cũng được áp dụng để quan sát, theo dõi đối tượng từ các cảm biến ba chiều.

Tại Việt Nam, robot di động vẫn là một chủ đề được nhiều nhà nghiên cứu quan tâm. Các nghiên cứu giải quyết bài toán mô hình hóa bánh xe ổn định điều khiển đa hướng trong môi trường bất kỳ. Các nghiên cứu cho robot tự động (autonomous mobile robot) như tự động hóa trong nhà kho và nhà lưới nông nghiệp, hoặc tăng cường bám quỹ đạo cho trước hay hệ thống định vị vị trí.

Các nghiên cứu đều hướng đến giải quyết bài toán ổn định khi chuyển động của robot hoặc mô phỏng quá trình tạo bản đồ, điều kiện robot tương tác vẫn là môi trường trong nhà. Điều khiển robot hoạt động ở môi trường bên ngoài được nhóm nghiên cứu chọn để chế tạo.

Bộ điều khiển của robot di động là một vi điều khiển 32-bit esp8266 có nhiệm vụ điều khiển các cơ cấu chấp hành bằng bộ điều khiển PID. Khi bắt đầu tìm đường đến vị trí cần đến, robot xác định vị trí ban đầu và góc quay tự động thông qua cảm biến la bàn HMC5883 rồi tự động điều chỉnh góc quay đến điểm cần.

Tiếp đó, vị trí robot và góc hợp vị trí đến luôn được cập nhật thông qua cảm biến GPS. Sau khi đến gần vị trí mong muốn, quá trình định vị góc quay và di chuyển được lặp lại đến khi hoàn thành quỹ đạo chuyển động.

Phần cứng được thiết kế nhỏ gọn để có thể tích hợp gọn gàng vào robot. Phần mạch điện bao gồm mạch điều khiển công suất và cảm biến GPS được thiết kế để tích hợp vào khung robot. Phần bên trong robot có không gian rộng, dễ dàng cố định mạch điều khiển, bố trí dây điện và có thể dễ dàng thay mới khi xảy ra sự cố.

Trong suốt quá trình robot di chuyển, thông tin về khoảng cách đến vị trí đặt và hướng của robot cũng được cập nhật liên tục về máy tính, từ đó dễ dàng kiểm tra sai sót và đánh giá được hiệu quả.

Robot di động của nhóm tác giả.

Khắc phục nhược điểm của hệ thống định vị GPS

Thực nghiệm được tiến hành tại sân bóng chuyền Trường Đại học Bách khoa, Đại học Cần Thơ. Đầu tiên, vị trí GPS tại các nơi cần đến được lấy tọa độ, sau đó các tọa độ này trở thành vị trí thiết lập cho robot di chuyển. Diện tích vùng thí nghiệm rộng khoảng 200m2, xung quanh trống, không có cây cối và chướng ngại vật, phù hợp để robot di chuyển.

Trong suốt quá trình di chuyển, vị trí của robot được cập nhật và lưu lại mỗi 2 giây, sau đó quỹ đạo di chuyển sẽ được vẽ lại. Kết quả cho thấy, mặc dù robot có thể di chuyển về đúng vị trí ban đầu, robot không di chuyển đúng đến vị trí một góc GPS. Dựa vào quỹ đạo di chuyển có thể nhận ra độ nhiễu của cảm biến GPS làm robot di chuyển không thẳng hàng, có độ lệch cong nhất định.

Kết quả cho thấy, robot có thể di chuyển đến các mốc vị trí đã thiết lập trước, tuy nhiên quỹ đạo di chuyển không được tối ưu do thời gian lấy mẫu tương đối dài cũng như sai sót do GPS giá rẻ là tương đối cao.

Ưu điểm của phương pháp tự hành bằng công nghệ định vị toàn cầu là đơn giản về thuật toán, có thể di chuyển xa, liên tục ở môi trường bên ngoài, không bị ảnh hưởng nhiễu từ môi trường như hệ thống máy ảnh số.

Phương pháp có nhược điểm về hệ cảm biến định vị do cảm biến GPS trong thí nghiệm là dạng cảm biến giá rẻ, độ chính xác ảnh hưởng rất lớn bởi tín hiệu từ số lượng vệ tinh bắt được trong cùng một thời điểm.

Cảm biến GPS đề xuất chỉ có độ chính xác cao trong điều kiện ít mây, tránh xa các tòa nhà cao tầng là những vật cản của tín hiệu giữa cảm biến với vệ tinh. Trong nghiên cứu này, nhóm tác giả đã sử dụng hệ tích hợp cảm biến bao gồm laser, encoder và lidar nhằm làm giảm sai số do yếu tố môi trường, tăng độ chính xác cho robot trong không gian kín, làm việc trong nhà.

Bên cạnh đó, xây dựng quỹ đạo cho robot di động sử dụng ROS khi đi sâu vào giải pháp lập kế hoạch cục bộ sử dụng thuật toán TEB (Timed Elastic Bands), nhằm giúp robot có thể tuần tra trong nhà lưới nông nghiệp. Trong nghiên cứu này, nhóm nghiên cứu đánh giá khả năng sử dụng các cảm biến khác nhau khi robot di chuyển ở địa hình trống trong môi trường mở.

Theo TS Nguyễn Chí Ngôn, việc thiết kế cảm biến la bàn để robot tự xác định góc quay của đỉnh đầu đến vị trí cần đến giúp gia tăng độ chính xác trong dẫn đường. Tiếp đó, một cảm biến GPS dùng để tính toán khoảng cách của robot đến vị trí mong muốn thông qua phương trình Harvesine và góc phương hướng từ robot đến vị trí xác định.

Nghiên cứu được thực nghiệm tại môi trường bên ngoài với điều kiện sân trống, không có nhiều chướng ngại vật. Kết quả cho thấy, robot có thể di chuyển đến vị trí mong muốn, từ đó là cơ sở cho các nghiên cứu sâu hơn về robot di chuyển trong môi trường bên ngoài để ứng dụng vào các lĩnh vực nêu trên.