CHƯƠNG 1: GIỚI HIỆU 1. TỔNG QUAN VỀ ROBOT DI ĐỘNG 1.1 GIỚI THIỆU ROBOT DI ĐỘNG Trước khi bắt đầu nghiên cứu, thiết kế ra một robot di động thì chúng ta phải có một chút hiểu biết về robot, robot di động khác robot ở điểm nào và cách mà một robot di động hoạt động trong môi trường của chúng. Do đó, nội dung chương này sẽ giới thiệu khái quát về robot, robot di động và cách mà các robot di động này di chuyển. Sau đó là bài toán ứng dụng robot di động cho mục đích trinh sát.
Thuật ngữ “robot” được cho là xuất phát từ tiếng Cộng hòa Séc “Robota” có nghĩa là “lao động cưỡng bức”. Thuật ngữ này được nhà văn Karel Capek sử dụng để mô tả các nhân vật hư cấu trong một vở kịch viễn tưởng mà ông viết. Còn hiện nay Robot được hiểu là một loại thiết bị có thể thực hiện những công việc một cách tự động bằng sự điều khiển của máy tính hoặc các vi mạch điện tử được lập trình. Robot phải mang những đặc điểm sau đây: do con người chế tạo ra, có khả năng nhận biết môi trường xung quanh, tương tác được với các vật thể trong môi trường, có sự thông minh, khả năng đưa ra các lựa chọn dựa trên môi trường và được điều khiển một cách tự động theo các lập trình, có thể điều khiển được bằng lệnh hay yêu cầu của người sử dụng, và cuối cùng có chúng có khả năng di chuyển quay hoặc tịnh tiến theo một hay nhiều chiều.
Robot di động (Mobile Robot) là những robot có khả năng tự di chuyển trong môi trường của chúng, không cố định vào một vị trí cụ thể như các robot công nghiệp thường gắn cố định và hoạt động bằng các tay máy. Các robot di động có thể là “tự trị” (robot di động tự động) có nghĩa là chúng có khả năng điều hướng trong một môi trường không kiểm soát được mà không cần các thiết bị hướng dẫn vật lý hay cơ điện. Ngoài ra, robot di động có thể dựa vào các thiết bị hướng dẫn cho phép nó di chuyển tuyến đường định hướng được xác định trước trong không gian tương đối được kiểm soát (robot tự điều khiển khiển). Robot di động được ứng dụng trong rất nhiều công việc khác nhau từ xây dựng đến nông nghiệp, từ xử lý môi trường, y tế, giải trí, vận chuyển, đến việc tham gia vào các chuyến thám hiểm của con người,… Với những đặc điểm và tính ứng dụng cao của robot di động.
Ngày càng nhiều các công trình nghiên cứu, chế tạo và ứng dụng robot di động vào thực tế. Các nghiên cứu này có thể biến robot di động trở nên phổ biến hơn, được ứng dụng nhiều hơn và mang lại nhiều lợi ích hơn cho con người.2 ROBOT DI ĐỘNG CHO MỤC ĐÍCH “TRINH SÁT” Như đã phân tích ở trên, robot di động ngày càng có mặt trong nhiều lĩnh vực đời sống xã hội của con người, vai trò của các robot này là rất quan trọng và chúng ta không thể nào phủ nhận điều đó. Đối với một số lĩnh vực, công việc mang những tính chất đặc biệt, có thể gây khó khăn hoặc gây nguy hiểm cho con người trong khi thực hiện thì việc áp dụng robot di động có thể là giải pháp tối ưu hơn để thực hiện với công việc đó. Một trong những công việc mang tính chất như vậy đó là công việc “trinh sát”.
“Trinh sát” được hiểu ở đây là công việc tìm kiếm, theo dõi một đối tượng trong một khu vực chưa xác định, nhằm thu thập thông tin về đối tượng đó để gửi báo cáo về trung tâm điều khiển. Dựa vào đặc điểm của công việc trinh sát, robot trinh sát sẽ được phân loại dựa theo đặc điểm khu vực nơi mà robot thực hiện nhiệm vụ. Tạm thời chúng ta sẽ tiếp cận ở hai khía cạnh nhiệm vụ đó là trinh sát quân sự truyền thống và trinh sát đô thị. Trinh sát quân sự truyền thống là nhiệm vụ thu thập thông tin về lực lượng, địa hình và các hoạt động khác của đối phương.Trinh sát quân sự truyền thống thường diễn ra trong môi trường phẳng ít vật cản.
Ví dụ là việc quân đội sử dụng robot tự động mặt đất, máy bay không người lái – UAV [1], vệ tinh hoặc bằng cách thiết lập các trạm quan sát,… Hình 1.1: UAV RQ1 cho mục đích trinh sát qua sự truyền thông Trinh sát đô thị cũng có nhiệm vụ tương tự so với trinh sát quân sự truyền thống, vẫn là việc thu thập thông tin về lực lượng, địa hình và các hoạt động khác của đối phương. Tuy nhiên trong trinh sát đô thị gặp nhiều thử thách hơn so với trinh sát quân sự truyền thống, các khu vực đô thị có nhiều chướng ngại vật gây ra cản trở về truyền thông liên lạc, ngoài ra thì các chướng vật cản trở tầm nhìn và gây ra nhiều rắc rối khác 4 cho công việc trinh sát. Các robot trinh sát được sử dụng trong trinh sát quân sự truyền thống hoàn toàn có thể được sử dụng trong trinh sát đô thị.2: RoboteX AVATAR II cho mục đích trinh sát đô thị Trên thế giới, ở các quốc gia có nền khoa học phát triển, robot trinh sát được nghiên cứu, chế tạo và sử dụng nhiều trong các lĩnh vực quân sự, tìm kiếm cứu hộ, khám phá không gian,… như máy bay trinh sát trên không UAV RQ1 ( hình 1.1 ), robot trinh sát đô thị RoboteX AVATAR II ( hình 1.2 ), robot trinh sát mặt đất DR – 10/20 ( hình 1.3) hay robot dành cho các chương trình thám hiểm không gian như Curiosity ( hình 1.3: Robot trinh sát DR-10 Hình 1.4 Robot Curiosity 5 Ở Việt Nam, ngày càng có nhiều đề tài nghiên cứu về robot di động, những thành tích cao tại các giải sáng tạo robot cho thấy các trường đại học đang quan tâm tới việc phát triển robot di động. Nhiều sản phẩm robot di động ra đời ứng dụng vào trong nhiều lĩnh vực có thể kể đến như robot phục vụ y tế - năm 2020 [2], lĩnh vực an ninh với dự án robot di động tháo gỡ bom mìn triển khai vào năm 2009 [3], lĩnh vực môi trường với hai công trình vào năm 2011 với hệ thông robot di động kiểm tra đường ống thoát nước và làm vệ sinh ống khói, lĩnh vực quân sự quốc phòng với robot trinh sát hóa học RBH – 18 [4].
Tuy nhiên, hiện thực là chưa nhiều các đề tài robot tiếp cận được ứng dụng trong thực tế, đa số các đề tài chỉ dừng lại ở nghiên cứu mô hình hoặc ứng dụng ngắn một thời gian, chưa được tiếp tục phát triển thành sản phẩm. Đặc biệt là đối với ứng dụng “trinh sát” khi còn khá ít các nghiên cứu robot di động cho bài toán này. Vấn đề này trở thành động lực để những sinh viên như chúng em thực hiện các khóa luận về chủ đề robot trinh sát. MÔ TẢ BÀI TOÁN 2.1 MỤC TIÊU TỔNG QUÁT Khóa luận này nhằm mục tiêu xây dựng một robot di động cho mục đích trinh sát.
Robot có khả năng di chuyển một cách linh hoạt, được điều khiển từ xa và hoạt động trong điều kiện môi trường ngoài trời. Sử dụng Google Map là công cụ hỗ trợ cho bài toán “dẫn đường”, vị trí GPS của robot được liên tục cập nhật lên bản đồ (được tích hợp bên trong ứng dụng điều khiển) trong quá trình robot hoạt động. Thực hiện chức năng “trinh sát” thông qua việc truyền thông tin hình ảnh thu thập được (trong khu vực “trinh sát”) dưới dạng video thời gian thực từ camera được gắn trên robot về trạm điều khiển sử dụng công nghệ WebRTC để tối ưu hóa độ trễ của video.2 CÁC MỤC TIÊU CỤ THỂ Từ những ý tưởng rời rạc ban đầu, sau khi xâu chuỗi tất cả lại và đặt các nhiệm vụ đơn lẻ vào trong bài toán thiết kế lớn, chi tiết về việc chế tạo một robot di động cho mục đích trinh sát. Trong bài toán lớn sẽ được chia thành các bài toán nhỏ hơn cần giải quyết để hoàn thành nghiên cứu.
Bài toán thiết kế hệ thống phần cho robot: - Thiết kế kết cấu khung robot: Yêu cầu trong thiết kế, đem lại cho robot độ bền, chắc chắn, khả năng di chuyển trong một số địa hình cũng như khả năng mang một trọng lượng nhất định 6 - Thiết kế vị trí lắp đặt các linh kiện điện trong robot: Yêu cầu thiết kế đem lại sự gọn, không gây cản trở cho quá trình di chuyển của robot cũng như vẫn có đủ không gian cho việc cải tiến lắp đặt thêm thiết bị. Bài toán xây dựng phần mềm cho robot - Xây dựng phần mềm cho việc di chuyển: Để hỗ việc điều khiển robot từ xa, một ứng dụng điều khiển được thiết kế, hỗ trợ chạy trên các điện thoại thông minh Android với đẩy đủ các phím tính năng di chuyển của robot cũng như hệ thống lựa chọn kết nối và ngắt kết nối. - Xây dựng phần mềm cho việc dẫn đường, trinh sát: Đối với dẫn đường, phần thiết kế được tích hợp chung với phần di chuyển của robot. Thông qua vị trí GPS trên bản đồ, người điều khiển có thể hướng dẫn quá trình di chuyển của robot.
Về phần trinh sát, thông tin “trinh sát” được như vị trí sự vật, các thay đổi bên trong vùng quan sát được gửi về trạm điều khiển thông qua video thời gian thực, với độ trễ mong muốn là nhỏ hơn 1s. 7 CHƯƠNG 2: CÁC LÝ THUYẾT LIÊN QUAN 1. LÝ THUYẾT ĐỘNG HỌC CHO ROBOT 4 BÁNH DI ĐỘNG [5] 1.1 GIỚI THIỆU Mục đích của chuyển động tinh tiến trong robot di động là việc xác định vị trí và hướng của robot dựa trên các phép đo vòng quay của bánh xe. Để hiểu được điều này, chúng ta sẽ xây dựng ra mô hình động học cho robot.
Về cơ bản mô hình robot trinh sát này là một robot di động 4 bánh (đối với các robot trinh sát bánh xe cần có khả năng chống trượt, điều này cũng có thể đạt được thông qua cấu trúc bánh xe, một cấu trúc 4 bánh hoặc 6 bánh có ưu thế chống trượt tốt hơn so với hai bánh và vì cấu trúc 6 bánh khác phức tạp nên trong trường hợp này cấu trúc 4 bánh sẽ được lựa chọn), với mỗi bánh đều là bánh phát động, được gắn một động cơ riêng biệt, tuy nhiên để đơn giản hóa tính động học, chúng ta sẽ coi hai bánh bên trái là một bánh, hai bánh bên phải là một bánh. Hai bánh xe ảo này ( được ký hiệu lần lượt là WL và WR trên sơ đồ ) sẽ có trục đi qua tâm hình học của robot.