Đặt vấn đề Từ các phát triển trên, luận văn này đề xuất giải pháp sử dụng platform mobile robot cho nhiệm vụ tuần tra bảo vệ an ninh trật tự một số khu vực như nhà cửa hoặc những nơi công cộng. Mobile robot có khả năng đi theo đối tượng nào đó như một vệ sĩ hay phát hiện và theo dõi những đối tượng khả nghi có thể làm ảnh hưởng đến an ninh khu vực nó đang hoạt động. Robot an ninh này có thể khống chế một số tội phạm hoặc báo động khẩn cấp về cơ quan an ninh khi phát hiện mối nguy hiểm. Để thực hiện nhiệm vụ này, mobile robot phải có khả năng di chuyển linh hoạt và bám theo đối tượng một cách liên tục.
Mục tiêu của robot an ninh này là phải dễ dàng vượt qua một số địa hình phức tạp và bám sát giữ một khoảng cách nhất định so với đối tượng. Hoạt động theo dõi nhằm cung cấp thông tin cho công tác xử lý các tác vụ an ninh. Robot sẽ chuyển động với vận tốc đủ lớn để tất cả hoạt động của đối tượng phải nằm trong tầm kiểm soát của mobile robot. Vấn đề di chuyển luôn là nghiên cứu trọng tâm của robot di động.
Để di chuyển được robot phải thực hiện một loạt các tác vụ quan trọng, mà mỗi tác vụ này là một bài toán nhỏ trong bài toán chuyển động. Ngoài khả năng di chuyển, một phần không thể thiếu cho một robot tự hành là các bộ phận cảm biến giúp robot hoạt động thi hành nhiệm vụ một cách tốt nhất. Nghiên cứu này tập trung vào hai nội dung chính là nghiên cứu khả năng di chuyển linh hoạt và điều khiển mobile robot bám sát đối tượng một cách liên tục nhằm đảm bảo các công tác bảo vệ an ninh. Các vấn đề trên là cơ sở ban đầu để xây dựng và phát triển mobile robot phục vụ cho công tác an ninh bảo vệ, nghiên cứu này có thể làm tiền đề cho việc thiết kế robot giám sát trong nhà.
Trang 9 CHƢƠNG 2: PHÂN TÍCH VÀ ĐỀ XUẤT CÁC PHƢƠNG ÁN Việc nghiên cứu và phát triển robot an ninh rất đa dạng và phong phú. Tùy theo mỗi mục đích sử dụng và nhiệm vụ khả thi của robot mà người chế tạo lựa chọn các phương án phù hợp với môi trường hoạt động [6]. Trong luận văn này yêu cầu một robot an ninh có thể di chuyển linh hoạt với địa hình khá phức tạp. Ví dụ môi trường xung quanh nhà, sân vườn, công viên, vỉa hè, sân vận động, siêu thị, nhà ga, đường ngập nước … Bên cạnh đó vấn đề theo dõi đối tượng cũng rất rộng rãi và còn nhiều khó khăn do dễ dàng bị nhiễu.
Do các đối tượng có rất nhiều đặc điểm khác nhau nên trong nghiên cứu này tác giả chọn cách nhận diện đối tượng với một số loại màu sắc của một số dấu vết đặc thù. Phân tích các phƣơng án 2. Cách di chuyển Hiện nay các loại mobile robot có rất nhiều cách di chuyển ở mọi loại địa hình như sử dụng: bánh xe, chân, thanh ray, trườn, cánh quạt … Hình 2.1: Một số hình thức di chuyển của mobile robot [6] Trang 10 Trong đó phương pháp di chuyển bằng bánh xe là khá phổ biến. Cơ cấu truyền động bánh xe có thể cho vận tốc rất nhanh, dễ dàng điều khiển và chế tạo.
Các loại robot này hoạt động rất hiệu quả trên địa hình có bề mặt bằng phẳng nhưng rất khó di chuyển trên địa hình phức tạp: gồ gề, ngập nước hay leo lên vỉa hè. Ngoài các phương thức di chuyển bằng bánh xe còn có cách di chuyển bằng ray và cơ cấu trườn cũng được ứng dụng trong thực tế. Các phương thức này không được sử dụng rộng rãi do robot kém linh hoạt vì bị hạn chế bậc tự do. Robot di chuyển bằng các cách này chỉ sử dụng trong các nhiệm vụ có tính lặp lại và cần nhiều không gian để hoạt động.
Bên cạnh các phương thức trên, robot di chuyển bằng chân (legged robot) đã được sử dụng rộng rãi [15]. Cơ cấu chân này có khả năng di chuyển linh hoạt qua nhiều địa hình phức tạp đã biết hoặc chưa biết. Nó có thể vượt qua một số chướng ngại vật, đi trên những con đường trơn trượt hay lội qua vũng nước hoặc lên xuống cầu thang … một cách dễ dàng. Với cách di chuyển bằng chân này thì chế tạo và điều khiển khá phức tạp, vận tốc di chuyển chưa nhanh bằng các phương tiện bánh xe.
Cảm biến theo dõi đối tƣợng Ngày nay, với sự phát triển mạnh mẽ của công nghệ thông tin và kỹ thuật điện tử đã cho ra đời nhiều sản phẩm có tính ứng dụng cao phục vụ hoạt động giám sát và phân loại đối tượng. Đặc biệt là lĩnh vực xử lý ảnh và công cụ hỗ trợ, độ chính xác của thiết bị tỉ lệ thuận với giá thành của các sản phẩm. Các thiết bị này dễ dàng kết nối với vi xử lý qua các chuẩn giao tiếp thông thường để hỗ trợ cho robot di chuyển. Một số sản phẩm phổ biến có thể nói là thông minh vì tích hợp cảm biến chuyển động và hồng ngoại giúp dễ dàng phát hiện đối tượng.
Bên cạnh đó một số cảm biến còn được tích hợp bộ lọc nhiễu để chọn lọc thông tin sai số đưa vào bộ điều khiển. Trang 11 Một số loại cảm biến thường dùng để phát hiện và theo dõi như sau: Camera Kinect, đây là một thiết bị do hãng Microsoft sản xuất dành cho xbox 360 và máy tính windows [12]. Nó được tích hợp rất nhiều cảm biến và một camera để xác định hình ảnh. Tuy nhiên để xác định khoảng cách và theo dõi đối tượng Kinect cần kết nối với máy tính để viết code xử lý cho chương trình, điều này khá bất tiện với một robot an ninh tự hành.
Camera pixy cmucam 5 là một loại cảm biến nhận dạng màu sắc [28]. Nó có khả năng nhớ đến 7 màu sắc khác nhau và được tích hợp vi xử lý lõi kép và cảm biến hình ảnh omnivision OV9715. Khung hình 640x400 cho tốc độ xử lý 50 hình/s, giá thành rất rẻ so với các camera cùng chức năng. Cảm biến này dễ dàng sử dụng với thư viện nguồn mở và kết nối đơn giản với các dòng vi xử lý trên thị trường, đặc biệt phù hợp với mô hình nghiên cứu trong sinh viên.
Cảm biến phát hiện chuyển động bằng siêu âm và hồng ngoại. Khi sử dụng kết hợp các cảm biến này có thể xác định khoảng cách và góc lệch từ cảm biến đến đối tượng khi đối tượng di chuyển qua vi xử lý. Sóng âm và hồng ngoại thường sử dụng trong mặt phẳng ít chướng ngại vật. Trong các môi trường và không gian phức tạp tín hiệu cảm biến truyền đi rất dễ bị nhiễu dẫn đến chất lượng điều khiển kém.
Chọn phƣơng án 2. Phƣơng án cơ khí Qua các phân tích trên thì phương án di chuyển bằng cơ cấu chân là phù hợp với thiết kế robot an ninh như đầu bài đặt ra do cơ cấu chân có nhiều ưu điểm hơn các phương pháp di chuyển khác sẽ được làm rõ ở mục sau. Xuất phát từ ý tưởng nghiên cứu về Strandbeest của nhà điêu khắc gốc Hà lan - Theo Jansen [11], robot do ông chế tạo phải di chuyển được trên bờ cát bãi biển, chịu được sức gió lớn nên chúng có rất nhiều chân để tăng khả năng Trang 12 đứng vững và mang tải trọng lớn. Tuy nhiên càng kết hợp nhiều cơ cấu lại với nhau thì điều khiển robot càng phức tạp, kém khả năng linh hoạt và tổn hao năng lượng rất cao nên Strandbeest chủ yếu di chuyển nhờ sức gió.2: Strandbeest [9] Với việc sử dụng legged mobile robot cho mục đích an ninh, nhiệm vụ đặt ra là robot phải hoạt động ổn định, đáp ứng nhanh, kích thước nhỏ gọn và dễ dàng sử dụng.
Quỹ đạo di chuyển của bàn chân bước qua được một số vật cản khi thực hiện công việc. Mỗi chân robot được tạo thành từ rất nhiều khâu liên kết với nhau bằng khớp bản lề. Vì vậy mục tiêu chính của kết cấu cơ khí là đảm bảo legged robot có khả năng di chuyển được mà không gây ra các hiện tượng dao động hay mất cân bằng trên các loại địa hình khác nhau như trong mặt phẳng hoặc mặt nghiêng. Do đó với quỹ đạo bước chân ban đầu đặt ra thì lựa chọn kết cấu mười hai khâu liên kết với nhau là phù hợp.
Nếu lựa chọn cơ cấu chân ít hơn mười hai khâu thì công việc thiết kế chế tạo đơn giản hơn rất nhiều nhưng quỹ đạo bước chân của chúng sẽ không linh hoạt, ổn định có thể gây dao động khi di chuyển. Còn cơ cấu di chuyển nhiều hơn mười hai khâu thì quỹ đạo chân sẽ Trang 13 tăng độ chính xác nhưng quá trình thiết kế lắp đặt và điều khiển sẽ khó khăn hơn, chi phí sản xuất cũng tỉ lệ với độ phức tạp của cơ cấu [10].3: Nguyên lý hoạt động cơ cấu chân robot Ngoài việc xác định kết cấu mỗi chân cho robot di chuyển thì phương án chọn lựa số lượng chân của robot cũng rất quan trọng. Số chân này ảnh hưởng trực tiếp đến khả năng giữ thăng bằng khi robot hoạt động trên nhiều địa hình khác nhau. Vì các chân robot tiếp xúc mặt đất tại các điểm có tiết diện nhỏ và các điểm chạm đất khi di chuyển là không liên tục như đối với các robot sử dụng bánh xe khác.
Trên những con đường di chuyển bằng phẳng thì chỉ cần điều khiển trọng tâm robot nằm trong mặt phẳng tạo bởi ít nhất ba điểm của chân robot luôn luôn chạm đất là robot có khả năng hoạt động ổn định. Nhưng với địa hình phức tạp ba chân của robot sẽ khó giữ được thăng bằng khi chuyển động do trọng tâm của robot thay đổi theo địa hình di chuyển. Vì vậy ta phải chọn số chân luôn tiếp xúc với mặt đất phải từ bốn điểm trở lên. Với bốn điểm chạm đất sẽ tạo thành một mặt phẳng chân đế tứ giác giúp robot dễ dàng giữ thăng bằng hơn.
Nếu ta chọn số điểm tiếp xúc của chân với mặt đất từ năm hoặc nhiều hơn thì khả năng cân bằng sẽ tăng nhưng kết cấu của robot sẽ phức tạp do quá nhiều chân và tiêu tốn năng lượng nhiều Trang 14 hơn. Từ các phân tích trên ta thấy để chân robot luôn tiếp xúc với mặt đất bằng bốn điểm là phù hợp nhất. Trong quá trình di chuyển, các chân robot tiếp xúc với mặt đường bởi các điểm rời rạc theo quỹ đạo chuyển động của bàn chân.