Bối cảnh và vấn đề nghiên cứu

Trong các tổ chức, cơ quan hành chính, trường đại học và doanh nghiệp có cơ cấu nhiều phòng ban, quy trình luân chuyển văn bản, tài liệu nội bộ là một hoạt động diễn ra thường xuyên nhưng tiêu tốn đáng kể thời gian và nhân lực. Việc cán bộ, nhân viên phải trực tiếp di chuyển giữa các tầng và các phòng ban để chuyển giao giấy tờ làm gián đoạn công việc chuyên môn, giảm năng suất lao động tổng thể và tiềm ẩn rủi ro thất lạc hoặc lộ lọt thông tin. Để giải quyết vấn đề này, đề tài "Robot vận chuyển tài liệu" được thực hiện nhằm nghiên cứu, thiết kế và chế tạo một mô hình robot di động tự hành (AMR - Autonomous Mobile Robot) có khả năng tự động hóa chu trình giao nhận tài liệu nội bộ trong tòa nhà văn phòng.

Nhiệm vụ và mục tiêu nghiên cứu của đề tài được xác định cụ thể qua các nội dung sau:

  1. Nghiên cứu mô hình động học của robot di động hai bánh vi sai kết hợp bánh xe đa hướng.
  2. Thiết kế hoàn chỉnh kết cấu cơ khí trên phần mềm SolidWorks và chuyển đổi mô hình sang định dạng URDF để mô phỏng trong môi trường Gazebo.
  3. Chế tạo mô hình thực tế của robot với khả năng chịu tải trọng tài liệu lên đến 50 kg.
  4. Thiết kế và thi công hệ thống phần cứng điện tử bao gồm khối nguồn, khối vi điều khiển trung gian, máy tính nhúng và mạch in PCB chuyên dụng.
  5. Xây dựng bộ điều khiển phản hồi PID vòng kín để kiểm soát vận tốc hai bánh xe dẫn động.
  6. Ứng dụng giải thuật SLAM (Gmapping) để xây dựng bản đồ 2D và thuật toán AMCL để định vị vị trí robot trên bản đồ lưới chiếm dụng.
  7. Tích hợp thuật toán DWA (Dynamic Window Approach) nhằm tạo quỹ đạo di chuyển cục bộ và né tránh vật cản tĩnh cũng như vật cản động.
  8. Xây dựng thuật toán tối ưu hóa đàn kiến (Ant Colony Optimization - ACO) để giải bài toán Người đi du lịch (TSP), tối ưu hóa lộ trình phân phối tài liệu qua nhiều phòng ban.
  9. Xây dựng hệ thống giao diện điều khiển và giám sát người dùng trên nền tảng Web qua mô hình máy chủ LAMP và cầu nối Rosbridge, tích hợp gửi mã bảo mật qua email.

Đối tượng nghiên cứu của đề tài bao gồm: robot di động tự hành hai bánh vi sai, kết cấu cơ khí, hệ thống mạch điện điều khiển, hệ điều hành robot ROS (Robot Operating System), các thuật toán định vị, lập lộ trình và giao diện điều khiển trên web.

Phạm vi nghiên cứu được giới hạn trong không gian bên trong nhà (indoor environment), cụ thể là khu vực hành lang và các phòng làm việc tại Tầng 9 Tòa nhà Trung tâm (Khối A1), Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật TP. Hồ Chí Minh. Đối tượng sử dụng hệ thống là cán bộ, nhân viên công tác tại các phòng ban từ A1-901 đến A1-907.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp

Đề tài xây dựng trên nền tảng cơ sở lý thuyết điều khiển tự động, lý thuyết robot di động và công nghệ phần mềm phân tán:

  • Mô hình động học robot hai bánh vi sai: Robot sử dụng cơ cấu hai bánh dẫn động độc lập và bốn bánh xe đa hướng xoay tự do $360^\circ$ hỗ trợ cân bằng. Phương trình động học thuận và nghịch được mô tả qua các thông số: bán kính bánh xe $R = 0{,}0725\text{ m}$, khoảng cách giữa hai tâm bánh dẫn động $L = 0{,}468\text{ m}$. Mối quan hệ giữa vận tốc dài $v$, vận tốc góc $\omega$ của robot với tốc độ vòng quay $n_{RM}, n_{LM}$ (vòng/phút) của động cơ bánh phải và bánh trái được xác lập theo công thức: $$v = \frac{v_R + v_L}{2} = \frac{\pi R}{60}(n_{RM} + n_{LM})$$ $$\omega = \frac{v_R - v_L}{L} = \frac{\pi R}{30 L}(n_{RM} - n_{LM})$$
  • Hệ điều hành Robot (ROS Noetic): Được tổ chức theo ba cấp độ:
    • Cấp độ hệ thống tệp (Filesystem Level): Quản lý Packages, Package Manifest (package.xml), Metapackages, Messages (.msg) và Services (.srv).
    • Cấp độ đồ thị tính toán (Computation Graph Level): Vận hành mạng lưới các tiến trình (Nodes) trao đổi dữ liệu qua Topics (mô hình Publish/Subscribe), Services (mô hình Request/Response), Actions và quản lý tập trung bởi ROS Master cùng Parameter Server.
    • Cấp độ cộng đồng (Community Level): Khai thác các gói thư viện mã nguồn mở phân phối cho Linux/Ubuntu.
  • Cơ sở lý thuyết giao tiếp Web và LAMP Server: Mô hình phần mềm gồm hệ điều hành Linux, máy chủ Apache, hệ quản trị cơ sở dữ liệu MySQL/MariaDB và ngôn ngữ kịch bản PHP. Giao diện người dùng sử dụng HTML, CSS, JavaScript và AJAX. Cầu nối Rosbridge được cấu hình để chuyển đổi dữ liệu giữa trình duyệt web và các ROS Node thông qua giao thức WebSockets và định dạng JSON.
  • Các thuật toán cốt lõi:
    • Thuật toán Dijkstra: Tìm đường đi ngắn nhất toàn cục trên Occupancy Grid Map.
    • Thuật toán Dynamic Window Approach (DWA): Cắt giảm không gian tìm kiếm vận tốc $V_r = V_s \cap V_a \cap V_d$ và tối ưu hóa hàm mục tiêu $G(v, \omega) = \sigma(\alpha \cdot \text{heading}(v, \omega) + \beta \cdot \text{dist}(v, \omega) + \gamma \cdot \text{velocity}(v, \omega))$ để điều khiển robot né vật cản an toàn.
    • Thuật toán Ant Colony Optimization (ACO): Giải bài toán TSP tìm lộ trình tối ưu qua nhiều điểm nút dựa trên xác suất di chuyển của cá thể kiến $p_{ij}^k$ và hàm cập nhật lượng mùi pheromone $\tau_{ij}(t+1) = (1-\rho)\tau_{ij}(t) + \Delta \tau_{ij}^k$.
    • Bộ điều khiển PID: Điều khiển phản hồi vòng kín $MV(t) = K_p e(t) + K_i \int e(t)dt + K_d \frac{de(t)}{dt}$ ổn định tốc độ quay của hai động cơ dẫn động.

Phương pháp nghiên cứu kết hợp giữa mô hình hóa toán học, mô phỏng trên phần mềm (MATLAB, Gazebo, RViz) và thực nghiệm kiểm chứng trên mô hình phần cứng tại hiện trường.

Thiết kế và triển khai

Hệ thống được thiết kế và triển khai đồng bộ từ cơ khí, điện tử đến phần mềm điều khiển:

Thành phần Đặc tính kỹ thuật và thiết bị sử dụng
Kết cấu cơ khí Khung thân dưới bằng kim loại chịu lực chứa cụm dẫn động và ắc quy; khung thân trên gồm khoang chứa tài liệu (tải trọng 50 kg) có gắn khóa điện từ; 4 bánh xe đa hướng $360^\circ$ và 2 bánh cao su dẫn động chính ($R = 0{,}0725\text{ m}$, $L = 0{,}468\text{ m}$).
Động cơ & Driver 2 động cơ DC không chổi than Z5BLD200-24GU-30S tích hợp hộp số giảm tốc và encoder quang; 2 mạch điều khiển công suất Driver ZDBLD510 DC.
Nguồn cấp & Mạch nguồn Pin ISMART BATTERY 33VDC; mạch Buck DC-DC 20A 300W (A9H4), mạch Buck XL4015 và Module nguồn đa ngõ ra Indruino; mạch in PCB thiết kế riêng tích hợp bảo vệ.
Xử lý trung tâm & Giao tiếp Máy tính Mini Desktop T9 Plus (chạy Ubuntu 20.04, ROS Noetic, Web Server Apache/MySQL); Vi điều khiển Arduino Mega 2560 (giao tiếp UART, đọc encoder, phát xung PWM, điều khiển rơ-le khóa).
Cảm biến Cảm biến LiDAR 2D RPLidar A1-M8 quét góc $360^\circ$; Cảm biến quán tính IMU MPU 6050 xác định hướng; Cảm biến siêu âm HC-SR04 phát hiện vật cản cự ly gần.
Giao diện & Ứng dụng Web Server LAMP, API dịch vụ Elastic Email gửi mật khẩu OTP mở khóa, giao diện người dùng hiển thị trạng thái và biểu cảm trên máy tính bảng (iPad).

Nội dung chính theo từng chương

Chương 1: Giới thiệu

Chương này phân tích thực trạng ứng dụng robot di động tự hành trên thế giới (điển hình như MiR250 Hook, Savioke Relay, Ubtech, RichTech Matradee) và tại Việt Nam (NextAMR của FPT Software). Tác giả tổng kết các đề tài AMR khóa trước tại Trường ĐH Sư phạm Kỹ thuật TP.HCM, từ đó xác định mục tiêu thiết kế robot vận chuyển tài liệu tải trọng 50 kg, xác lập đối tượng, phạm vi và phương pháp thực hiện đề tài.

Chương 2: Cơ sở lý thuyết

Chương 2 trình bày cơ sở toán học về động học thuận/nghịch của robot hai bánh vi sai, phân tích cấu trúc 3 tầng của hệ điều hành ROS. Chương này cũng giải thích cơ chế vận hành của máy chủ LAMP, giao thức WebSocket qua Rosbridge, cùng các giải thuật Dijkstra, Dynamic Window Approach (DWA), Ant Colony Optimization (ACO) và bộ điều khiển kinh điển PID.

Chương 3: Thiết kế phần cứng

Chương 3 trình bày các tính toán cơ học và động lực học để lựa chọn động cơ DC không chổi than Z5BLD200-24GU-30S, bộ nguồn pin 33VDC và các mạch hạ áp DC-DC. Nội dung mô tả bản vẽ 3D trên SolidWorks cho khung đế, khung thân trên, vỏ bảo vệ; trình bày sơ đồ nguyên lý (Schematic), sơ đồ đi dây hộp nguồn, hộp điều khiển và kết quả gia công mạch in PCB chuyên dụng.

Chương 4: Xây dựng phần mềm

Chương này mô tả chi tiết lưu đồ thuật toán tổng thể của hệ thống. Tác giả cấu hình gói slam_gmapping để thu thập bản đồ 2D từ dữ liệu RPLidar A1-M8; triển khai move_base với bộ định vị AMCL và bộ điều khiển DWA. Chương này cũng trình bày thuật toán ACO giải bài toán TSP, quy trình cài đặt máy chủ Apache, thiết lập cơ sở dữ liệu MySQL lưu trữ đơn hàng/tài khoản, kết nối Rosbridge và tích hợp Elastic Email API để gửi mật khẩu xác thực tới người nhận.

Chương 5: Kết quả mô phỏng và thực nghiệm

Nội dung chương tập trung đánh giá kết quả mô phỏng trên MATLAB và Gazebo đối với bài toán TSP qua 4 phòng và 5 phòng. Phần thực nghiệm công bố đồ thị đáp ứng điều khiển vận tốc bánh xe dùng PID, bản đồ SLAM thu được tại Tầng 9 Khối A1, kết quả điều hướng robot tránh vật cản tĩnh/động và dữ liệu đo đạc sai số thực tế.

Chương 6: Kết luận và hướng phát triển

Chương 6 tóm tắt toàn bộ khối lượng công việc đã hoàn thành so với mục tiêu ban đầu, chỉ rõ các điểm hạn chế về an toàn bảo mật và đề xuất các định hướng nghiên cứu tiếp theo.

Kết quả và đóng góp

Đề tài đã hoàn thành việc chế tạo mô hình thực và kiểm chứng các chức năng điều khiển thông qua các số liệu đo đạc cụ thể:

  • Kết quả xây dựng bản đồ SLAM (Gmapping): Bản đồ số hóa hành lang Tầng 9 Khối A1 được xây dựng hoàn chỉnh với độ phân giải lưới cao, thể hiện chính xác vị trí các phòng chức năng từ A1-901 đến A1-907, tương thích với sơ đồ thoát hiểm thực tế của tòa nhà.
Thông số kiểm tra Bản đồ mô phỏng (Gazebo) Bản đồ thực nghiệm (Tầng 9)
Kích thước bản đồ Trùng khớp thiết kế 3D Sai số cự ly dưới 2% so với thước đo
Thời gian quét SLAM Thời gian thực (Real-time) Hoàn thành trong 1 lượt di chuyển
Độ ổn định định vị (AMCL) Xác định chính xác tọa độ $(x, y, \theta)$ Không bị mất dấu vị trí khi di chuyển
  • Kết quả điều khiển PID và tránh vật cản: Bộ điều khiển PID giúp hai động cơ Z5BLD200-24GU-30S đạt đáp ứng vận tốc ổn định, thời gian xác lập nhanh, triệt tiêu sai lệch tĩnh khi chuyển động thẳng và bẻ lái. Thuật toán DWA phản hồi chính xác trước các chướng ngại vật xuất hiện đột ngột (người đi bộ và vật cản tĩnh), robot tự động giảm tốc và chuyển hướng an toàn.
  • Kết quả tối ưu hóa lộ trình (ACO - TSP): Thuật toán ACO tính toán chính xác chu trình di chuyển ngắn nhất qua các phòng ban được chọn:
Kịch bản thử nghiệm Số điểm giao nhận Chi phí quãng đường tính toán Trạng thái thực thi
Mô phỏng Gazebo TH1 4 phòng Tối ưu hóa chu trình ngắn nhất Hoàn thành chu trình
Mô phỏng Gazebo TH2 5 phòng Giảm tổng quãng đường so với tuần tự Hoàn thành chu trình
Thực nghiệm Tầng 9 Khối A1 Các phòng A1-901 $\rightarrow$ A1-907 Đi qua đầy đủ các điểm đặt lệnh Giao hàng đúng vị trí
  • Đóng góp của đề tài: Tác giả đã tích hợp hoàn chỉnh một hệ thống AMR từ cơ khí, điện tử công suất đến phần mềm điều khiển mức cao (ROS) và giao diện Web thời gian thực. Việc kết hợp thuật toán ACO giải bài toán TSP với bộ điều hướng ROS Navigation Stack đã giải quyết bài toán giao hàng đa điểm trong nhà một cách tự động.

Hạn chế và hướng nghiên cứu tiếp

Dựa trên nhận xét của giảng viên phản biện và đánh giá của nhóm tác giả, công trình còn tồn tại một số hạn chế và định hướng phát triển:

  • Hạn chế:
    • Cơ chế xác thực nhận hàng qua mật khẩu trên web chưa có tính năng giới hạn số lần nhập sai, chưa có quy trình xử lý tự động khi robot đến nơi nhưng không có người nhận (timeout/hủy đơn).
    • Hệ thống mới chỉ vận hành độc bản (1 robot), chưa mở rộng thuật toán điều phối cho hệ thống nhiều robot (Multi-Robot System) hoạt động chung trên một bản đồ.
    • Chưa có cơ chế tự động tìm về trạm sạc (Auto-docking station) khi nguồn pin giảm xuống dưới ngưỡng an toàn.
  • Hướng nghiên cứu tiếp:
    • Bổ sung cơ chế bảo mật nâng cao: tích hợp quét mã QR, thẻ từ RFID hoặc nhận diện khuôn mặt; hoàn thiện lưu đồ xử lý khi quá thời gian chờ giao nhận.
    • Mở rộng nghiên cứu hệ thống đa robot và giải thuật tránh va chạm giữa các robot.
    • Thiết kế hệ thống sạc tự động và tối ưu hóa thêm kết cấu vỏ ngoài nhằm tăng tính thẩm mỹ công nghiệp.

Giá trị tham khảo

Đồ án tốt nghiệp là tài liệu tham khảo cho sinh viên, học viên và kỹ sư thuộc các chuyên ngành Kỹ thuật Điều khiển và Tự động hóa, Cơ điện tử, Kỹ thuật Robot và Công nghệ Thông tin.

Tài liệu có giá trị ứng dụng cao ở các nội dung:

  • Phương pháp tính toán động học robot hai bánh vi sai và quy trình xuất mô hình cơ khí từ SolidWorks sang URDF phục vụ mô phỏng Gazebo.
  • Sơ đồ mạch điện tử nguyên lý và cấu hình phần cứng kết nối giữa Arduino Mega 2560, Driver ZDBLD510 DC, Mini Desktop T9 Plus và các cảm biến LiDAR, IMU.
  • Quy trình cấu hình gói ROS Navigation Stack (slam_gmapping, amcl, move_base, dwa_local_planner).
  • Cách thức xây dựng giao diện điều khiển robot bằng LAMP Server kết hợp cầu nối Rosbridge qua giao thức WebSockets.

Câu hỏi thường gặp

1. Robot sử dụng những cơ cấu chấp hành và thiết bị xử lý trung tâm nào? Robot trang bị hai động cơ DC không chổi than Z5BLD200-24GU-30S điều khiển qua mạch Driver ZDBLD510 DC, kết hợp bốn bánh xe đa hướng $360^\circ$. Hệ thống xử lý gồm máy tính Mini Desktop T9 Plus (chạy Ubuntu/ROS Noetic) kết hợp vi điều khiển Arduino Mega 2560 qua giao tiếp UART.

2. Thuật toán ACO (Ant Colony Optimization) được ứng dụng nhằm giải quyết bài toán gì? Thuật toán ACO được nhóm tác giả sử dụng để giải bài toán Người đi du lịch (TSP), nhằm tìm ra chu trình di chuyển có tổng quãng đường ngắn nhất khi robot phải giao nhận tài liệu qua nhiều phòng ban khác nhau trong một lần xuất phát.

3. Giao diện Web trao đổi dữ liệu với hệ điều hành ROS bằng cách nào? Hệ thống sử dụng cầu nối Rosbridge chạy trên máy chủ Apache. Giao diện web phía client sử dụng JavaScript để tạo kết nối WebSockets gửi và nhận dữ liệu JSON với các ROS Topic và ROS Service tương ứng.

4. Dữ liệu cảm biến nào được sử dụng để xây dựng bản đồ và né vật cản? Bản đồ 2D và quỹ đạo né vật cản được xây dựng từ cảm biến RPLidar A1-M8 quét $360^\circ$, kết hợp cảm biến quán tính IMU MPU 6050, encoder đọc từ hai bánh xe và các cảm biến siêu âm HC-SR04 gắn xung quanh thân robot.

5. Giảng viên phản biện đã yêu cầu nhóm tác giả bổ sung những nội dung gì? Giảng viên phản biện yêu cầu nhóm đề xuất giải pháp nâng cao tính bảo mật khi giao nhận tài liệu, thiết lập số lần giới hạn nhập mật khẩu và xây dựng kịch bản xử lý (cập nhật lưu đồ thuật toán) trong trường hợp robot đến vị trí giao hàng nhưng không có người ra nhận.

Kết luận

Đồ án tốt nghiệp "Robot vận chuyển tài liệu" của sinh viên Nguyễn Đình Hiếu và Nguyễn Thành Trung (GVHD: PGS. Vũ Văn Phong) đã hoàn thành toàn diện các mục tiêu nghiên cứu và chế tạo mô hình robot di động tự hành phục vụ văn phòng. Hệ thống tích hợp thành công thuật toán động học vi sai, bộ điều khiển PID, công nghệ SLAM định vị, giải thuật tối ưu hóa lộ trình ACO và giao diện giám sát web LAMP qua ROSBridge. Kết quả thử nghiệm tại Tầng 9 Tòa nhà Trung tâm - Trường ĐH Sư phạm Kỹ thuật TP.HCM chứng minh robot có khả năng di chuyển chính xác, né tránh vật cản linh hoạt và hoàn thành tốt nhiệm vụ phân phối tài liệu tự động.