Nghiên Cứu Khoa Học Về Robot Tự Hành Tại Trường Đại Học Sư Phạm Kỹ Thuật TP.HCM

Khám phá đề tài robot tự vận hành, công nghệ tiên tiến đang thay đổi cách thức sản xuất và vận hành trong nhiều lĩnh vực hiện nay.

• Tác giả: Nguyễn Minh Huy
• Người hướng dẫn: Th.S. Thái Hoàng Linh
• Trường học: Trường Đại Học Sư Phạm Kỹ Thuật TP.HCM
• Chuyên ngành: Công nghệ kỹ thuật Điện tử - Viễn thông
• Đề tài: Robot Tự Vận Hành
• Loại tài liệu: báo cáo
• Năm xuất bản: 2020
• Địa điểm: TP Hồ Chí Minh

Mục lục chi tiết

• 1. CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN ĐỀ TÀI
• 1.1. Tổng quan về robot và sự phát triển của robot trong cách mạng công nghiệp 4.0
• 1.2. Phương pháp và phạm vi nghiên cứu
• 1.3. Giới hạn của đề tài
• 2. CHƯƠNG 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT
• 2.1. Tổng quan về Robot dò line
• 2.2. Robot dò đường trên nền tảng ROS2
• 2.3. Giới thiệu ROS và ROS2
• 2.4. Mục tiêu của ROS2
• 2.5. Kiến trúc và tính năng của ROS2
• 2.6. Giao tiếp trong ROS2
• 2.7. Mô hình giao tiếp DDS
• 2.8. So sánh giữa ROS và ROS2
• 2.9. Topic trong ROS2
• 2.10. ROS trong công nghiệp. Công nghệ RFID
• 2.11. Cảm biến tốc độ - Encoder
• 2.12. Máy tính nhúng Raspberry Pi 4
• 2.13. Giải thuật PID
• 3. CHƯƠNG 3: THIẾT KẾ VÀ THI CÔNG MÔ HÌNH ROBOT TỰ HÀNH
• 3.1. Giải thích chức năng từng khối
• 3.2. Sơ đồ kết nối các module trong robot tự hành
• 3.3. Các linh kiện điện tử sử dụng trong mô hình
• 3.4. Sơ đồ kết nối các module
• 3.5. Giới thiệu phần mềm Solidworks
• 3.6. Các bước thiết kế cơ khí cho khung robot
• 4. CHƯƠNG 4: XÂY DỰNG THUẬT TOÁN CHO ROBOT TỰ HÀNH
• 4.1. Các thiết lập ban đầu trên Raspberry Pi 4
• 4.2. Hệ điều hành Ubuntu Server
• 4.3. Các lệnh thao tác cơ bản với terminal trên Ubuntu
• 4.4. Cài đặt môi trường Python 3. Cài đặt môi trường ROS 2 Dashing trên Ubuntu
• 4.5. Xây dựng thuật toán cho robot dò line trong môi trường Python 3. Xây dựng thuật toán cho robot dò line trong môi trường ROS 2
• 4.6. Các node trên robot
• 4.7. Topic, Publisher và Subscriber
• 4.8. Giao tiếp giữa robot và web
• 4.9. Thiết kế trang web
• 4.10. Xây dựng server
• 4.11. Trao đổi dữ liệu giữa robot và web
• 5. CHƯƠNG 5: KẾT LUẬN
• 5.1. Kết quả và đánh giá
• 5.2. Kết quả đề tài và thảo luận
• 5.3. Hướng phát triển
• PHỤ LỤC
• TÀI LIỆU THAM KHẢO

Tóm tắt

I. Tổng quan về nghiên cứu robot tự hành tại trường Đại Học Sư Phạm Kỹ Thuật TP

Nghiên cứu robot tự hành tại trường Đại Học Sư Phạm Kỹ Thuật TP.HCM đã mở ra nhiều cơ hội mới cho sinh viên và giảng viên trong lĩnh vực công nghệ. Đề tài này không chỉ giúp sinh viên áp dụng kiến thức lý thuyết vào thực tiễn mà còn góp phần nâng cao chất lượng đào tạo. Việc phát triển robot tự hành còn thể hiện sự tiến bộ trong công nghệ và khả năng ứng dụng của nó trong nhiều lĩnh vực khác nhau.

1.1. Khái niệm và vai trò của robot tự hành trong giáo dục

Robot tự hành là thiết bị có khả năng tự động thực hiện nhiệm vụ mà không cần sự can thiệp của con người. Trong giáo dục, robot tự hành giúp sinh viên phát triển kỹ năng lập trình, thiết kế và tư duy phản biện. Việc nghiên cứu và phát triển robot tự hành tại trường Đại Học Sư Phạm Kỹ Thuật TP.HCM đã tạo ra môi trường học tập sáng tạo và thực tiễn cho sinh viên.

1.2. Lịch sử phát triển robot tại trường Đại Học Sư Phạm Kỹ Thuật TP.HCM

Trường Đại Học Sư Phạm Kỹ Thuật TP.HCM đã bắt đầu nghiên cứu robot từ những năm gần đây. Các dự án nghiên cứu đã được triển khai với sự tham gia của sinh viên và giảng viên, tạo ra những sản phẩm robot tự hành có tính ứng dụng cao. Những thành công này đã khẳng định vị thế của trường trong lĩnh vực nghiên cứu công nghệ robot.

II. Thách thức trong nghiên cứu robot tự hành tại trường Đại Học Sư Phạm Kỹ Thuật TP

Mặc dù có nhiều tiềm năng, nghiên cứu robot tự hành cũng đối mặt với nhiều thách thức. Các vấn đề như thiếu nguồn lực, công nghệ chưa phát triển đồng bộ và sự cạnh tranh từ các trường khác là những yếu tố cần được giải quyết. Để vượt qua những thách thức này, cần có sự hỗ trợ từ các tổ chức, doanh nghiệp và chính phủ.

2.1. Thiếu nguồn lực và kinh phí cho nghiên cứu

Một trong những thách thức lớn nhất là thiếu nguồn lực tài chính cho các dự án nghiên cứu. Việc đầu tư vào công nghệ robot đòi hỏi chi phí cao, trong khi ngân sách của trường còn hạn chế. Điều này ảnh hưởng đến khả năng phát triển và hoàn thiện các sản phẩm robot tự hành.

2.2. Công nghệ chưa phát triển đồng bộ

Công nghệ robot tại Việt Nam vẫn còn nhiều hạn chế so với các nước phát triển. Việc thiếu hụt các thiết bị hiện đại và phần mềm hỗ trợ đã làm giảm khả năng nghiên cứu và phát triển robot tự hành. Cần có sự đầu tư mạnh mẽ vào công nghệ để nâng cao chất lượng nghiên cứu.

III. Phương pháp nghiên cứu robot tự hành hiệu quả tại trường Đại Học Sư Phạm Kỹ Thuật TP

Để nghiên cứu robot tự hành hiệu quả, trường Đại Học Sư Phạm Kỹ Thuật TP.HCM đã áp dụng nhiều phương pháp khác nhau. Các phương pháp này không chỉ giúp sinh viên nắm vững kiến thức mà còn phát triển kỹ năng thực hành. Việc kết hợp lý thuyết và thực tiễn là rất quan trọng trong quá trình nghiên cứu.

3.1. Phương pháp học tập dựa trên dự án

Phương pháp học tập dựa trên dự án giúp sinh viên tham gia vào các dự án thực tế, từ đó áp dụng kiến thức vào thực tiễn. Sinh viên sẽ được giao nhiệm vụ thiết kế và phát triển robot tự hành, từ đó nâng cao khả năng làm việc nhóm và tư duy sáng tạo.

3.2. Sử dụng công nghệ mô phỏng trong nghiên cứu

Công nghệ mô phỏng giúp sinh viên thử nghiệm các ý tưởng mà không cần phải chế tạo thực tế. Việc sử dụng phần mềm mô phỏng giúp tiết kiệm thời gian và chi phí, đồng thời tạo điều kiện cho sinh viên thực hành và cải thiện kỹ năng lập trình.

IV. Ứng dụng thực tiễn của robot tự hành trong giáo dục và công nghiệp

Robot tự hành không chỉ có ứng dụng trong giáo dục mà còn trong nhiều lĩnh vực khác như công nghiệp, y tế và dịch vụ. Việc áp dụng robot tự hành giúp nâng cao hiệu quả công việc, giảm thiểu rủi ro và tiết kiệm chi phí. Trường Đại Học Sư Phạm Kỹ Thuật TP.HCM đang nghiên cứu để phát triển các ứng dụng này.

4.1. Ứng dụng trong giáo dục

Robot tự hành được sử dụng trong các bài giảng thực hành, giúp sinh viên hiểu rõ hơn về công nghệ và ứng dụng của nó. Việc sử dụng robot trong giáo dục tạo ra môi trường học tập thú vị và kích thích sự sáng tạo của sinh viên.

4.2. Ứng dụng trong công nghiệp

Trong công nghiệp, robot tự hành giúp tự động hóa quy trình sản xuất, nâng cao năng suất và giảm thiểu sai sót. Các doanh nghiệp có thể tiết kiệm chi phí lao động và tăng cường hiệu quả sản xuất nhờ vào việc áp dụng công nghệ robot.

V. Kết luận và tương lai của nghiên cứu robot tự hành tại trường Đại Học Sư Phạm Kỹ Thuật TP

Nghiên cứu robot tự hành tại trường Đại Học Sư Phạm Kỹ Thuật TP.HCM đang trên đà phát triển mạnh mẽ. Với những thành công đã đạt được, trường có thể tiếp tục mở rộng nghiên cứu và ứng dụng robot trong nhiều lĩnh vực khác nhau. Tương lai của robot tự hành hứa hẹn sẽ mang lại nhiều cơ hội mới cho sinh viên và xã hội.

5.1. Định hướng phát triển nghiên cứu robot tự hành

Trường sẽ tiếp tục đầu tư vào nghiên cứu và phát triển robot tự hành, mở rộng hợp tác với các doanh nghiệp và tổ chức trong và ngoài nước. Điều này sẽ giúp nâng cao chất lượng nghiên cứu và tạo ra nhiều sản phẩm có giá trị.

5.2. Tác động của nghiên cứu robot đến xã hội

Nghiên cứu robot tự hành không chỉ mang lại lợi ích cho sinh viên mà còn cho toàn xã hội. Việc áp dụng công nghệ robot sẽ giúp nâng cao chất lượng cuộc sống, tạo ra nhiều cơ hội việc làm và thúc đẩy sự phát triển kinh tế.

Nội dung chính

Báo Cáo Nghiên Cứu: Thiết Kế Và Chế Tạo Robot Tự Hành Dò Line Trên Nền Tảng ROS 2 Và Giám Sát IoT

---

Tóm tắt nghiên cứu (Research Summary)

• Câu hỏi nghiên cứu chính (Research Question): Làm thế nào để xây dựng một mô hình robot tự hành (Autonomous Guided Vehicle - AGV/AMR) chi phí tối ưu, vận hành ổn định và có khả năng mở rộng giao tiếp linh hoạt trong kỷ nguyên Công nghiệp 4.0 dựa trên nền tảng hệ điều hành robot thế hệ mới ROS 2?
• Tổng quan phương pháp (Methodology Snapshot): Đề tài tích hợp hệ thống phần cứng toàn diện (khung cơ khí thiết kế trên SolidWorks, máy tính nhúng Raspberry Pi 4, cảm biến mảng dò line 5 kênh, cảm biến tốc độ Encoder quang học, đầu đọc RFID RDM6300 và mạch công suất L298) kết hợp kiến trúc phần mềm phân tán ROS 2 Dashing Diademata trên nền Ubuntu Server. Hệ thống sử dụng thuật toán điều khiển vi tích phân tỷ lệ (PID) để bám quỹ đạo và xây dựng giao diện Web Server thời gian thực để giám sát trạng thái làm việc.
• Phát hiện then chốt (Key Findings): Robot thực hiện bám line mượt mà, phản hồi chính xác với sai số góc lệch thấp nhờ thuật toán PID; cơ chế giao tiếp Publish-Subscribe thông qua chuẩn DDS (Data Distribution Service) của ROS 2 giúp loại bỏ điểm nghẽn của Node Master truyền thống; hệ thống RFID định danh trạm dừng chính xác và dữ liệu trạng thái được đồng bộ lên giao diện Web với độ trễ tối thiểu.
• Ý nghĩa thực tiễn (Implications): Nghiên cứu mở ra hướng tiếp cận khả thi cho việc ứng dụng ROS 2 vào các giải pháp tự động hóa kho bãi, bốc dỡ hàng hóa nội bộ với chi phí thấp, đồng thời tạo nền tảng vững chắc để phát triển mạng lưới hệ thống đa robot (Multi-Robot Fleet Management).

---

Bối cảnh và tầm quan trọng (Context & Significance)

Trong bối cảnh cuộc Cách mạng Công nghiệp 4.0 đang diễn ra mạnh mẽ, tự động hóa chuỗi cung ứng và logistics nội bộ (Intralogistics) trở thành yếu tố sống còn đối với năng lực cạnh tranh của các doanh nghiệp sản xuất. Hàng triệu robot công nghiệp và robot tự hành (AGV/AMR) đã được triển khai trên toàn cầu nhằm tối ưu hóa chi phí nhân công, giảm thiểu sai sót vận hành và nâng cao năng suất vận chuyển hàng hóa trong kho bãi thông minh.

Tuy nhiên, phần lớn các hệ thống AGV truyền thống trên thị trường thường sử dụng vi điều khiển đơn lẻ với cấu trúc phần mềm đóng, khó tùy biến và thiếu khả năng mở rộng liên lạc. Mặt khác, thế hệ hệ điều hành robot đầu tiên (ROS 1) dù rất phổ biến trong nghiên cứu học thuật nhưng lại bộc lộ nhiều hạn chế khi đưa vào môi trường công nghiệp thực tế: phụ thuộc hoàn toàn vào một nút trung tâm (roscore / Master Node – tạo điểm lỗi đơn lẻ Single Point of Failure), thiếu cơ chế kiểm soát chất lượng dịch vụ (Quality of Service - QoS) và không hỗ trợ mạnh mẽ cho các hệ thống thời gian thực (Real-Time Systems) cũng như hệ thống phối hợp đa robot.

Đề tài nghiên cứu khoa học sinh viên tại Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật TP.HCM (HCMUTE) do nhóm tác giả Nguyễn Minh Huy, Võ Quang Khương, Nguyễn Lê Nguyên Anh, Lê Quốc Nguyên Vương thực hiện (dưới sự hướng dẫn của ThS. Thái Hoàng Linh) đã nắm bắt kịp thời khoảng trống công nghệ này. Việc triển khai trực tiếp ROS 2 – nền tảng sử dụng kiến trúc chuẩn DDS phân tán – lên hệ thống phần cứng nhúng chi phí thấp như Raspberry Pi 4 mang tính thời sự cao. Nghiên cứu giải quyết bài toán cốt lõi: số hóa và nâng cao năng lực điều khiển, giám sát của robot tự hành phục vụ nhà kho thông minh với chi phí hợp lý cho các doanh nghiệp vừa và nhỏ (SMEs).

---

Phương pháp tiếp cận và thực nghiệm (Methodology & Approach)

Nghiên cứu áp dụng quy trình tiếp cận liên ngành (Mechatronics Engineering) từ thiết kế cơ khí 3D, tích hợp phần cứng điện tử đến phát triển kiến trúc phần mềm phân tán và giao diện IoT:

+-------------------------------------------------------------------------+
|                              ROS 2 NODES                                |
|  +-------------------+  +-------------------+  +---------------------+  |
|  |  Line Sensor Node |  |     RFID Node     |  | Motor Control (PID) |  |
|  +---------+---------+  +---------+---------+  +----------+----------+  |
+------------|----------------------|-----------------------|-------------+
             |                      |                       |
             v                      v                       v
+-------------------------------------------------------------------------+
|                  DDS Middleware (Data Distribution Service)             |
|              Topics: /line_data  |  /rfid_tag  |  /cmd_vel              |
+------------------------------------+------------------------------------+
                                     |
                                     v
                        +-------------------------+
                        | Web Bridge & Dashboard  |
                        +-------------------------+

1. Thiết kế cơ khí và cấu trúc phần cứng

• Khung cơ khí: Được thiết kế tối ưu trên phần mềm SolidWorks và gia công CNC bằng vật liệu tấm nhựa kỹ thuật 2 tầng. Tầng dưới bố trí hệ thống truyền động gồm 4 động cơ DC giảm tốc, 4 bánh xe, 4 cảm biến tốc độ Encoder quang học (đĩa 20 lỗ), cảm biến mảng dò line 5 LED hồng ngoại và đầu đọc RFID. Tầng trên dành cho mạch xử lý trung tâm, mạch công suất và pin.
• Khối xử lý trung tâm & Nguồn: Máy tính nhúng Raspberry Pi 4 Model B chạy hệ điều hành Ubuntu Server 20.04. Nguồn cấp gồm 2 cell pin Lithium-ion 18650, mạch giảm áp LM2596 và module UPS HAT đảm bảo dòng điện và điện áp ổn định liên tục cho bo mạch máy tính.
• Cảm biến và cơ cấu chấp hành: Mảng 5 cảm biến quang điện hồng ngoại xác định độ lệch khỏi vạch dẫn đường màu đen; module RFID Reader RDM6300 (tần số 125kHz, giao tiếp UART qua GPIO) dùng để định danh vị trí trạm; driver cầu H L298 tiếp nhận tín hiệu PWM điều khiển độc lập 4 động cơ DC.

2. Kiến trúc phần mềm và giải thuật điều khiển

• Hệ điều hành Robot ROS 2 Dashing: Triển khai các gói phần mềm độc lập (ros2_robot package) chia thành các ROS Nodes chuyên biệt:
  • line_sensor_node: Đọc trạng thái logic từ các chân GPIO kết nối với thanh LED cảm biến.
  • rfid_node: Lắng nghe chuỗi dữ liệu thẻ từ qua cổng nối tiếp /dev/ttyAMA0.
  • motor_control_node: Tính toán tín hiệu sai lệch và điều khiển tốc độ góc/tốc độ tiến.
  • web_bridge_node: Giao tiếp hai chiều với Web Server.
• Thuật toán điều khiển PID: Tín hiệu từ 5 cảm biến dò line được số hóa thành giá trị sai số vị trí $e(t)$ so với tâm đường line. Bộ điều khiển tính toán đại lượng bù: $$u(t) = K_p \cdot e(t) + K_i \int_{0}^{t} e(\tau)d\tau + K_d \frac{de(t)}{dt}$$ Từ đó tự động điều chỉnh tỷ lệ xung PWM cấp cho các động cơ bên trái và bên phải, giúp robot ôm cua mượt mà, triệt tiêu hiện tượng văng khỏi line.
• Giao tiếp Web và giám sát IoT: Xây dựng máy chủ Web (Web Server) sử dụng SCSS/JavaScript, kết nối với ROS 2 qua giao thức WebSocket, cho phép hiển thị tức thời tọa độ trạm làm việc, tốc độ động cơ và trạng thái vận hành của robot lên màn hình điều khiển trung tâm.

---

Các phát hiện chính (Key Findings & Results)

1. Hiệu năng bám line vượt trội của thuật toán PID so với điều khiển rời rạc: Khi sử dụng giải thuật PID, robot duy trì quỹ đạo chính xác trên các đoạn đường thẳng và xử lý các khúc cua gắt một cách trơn tru. Sự kết hợp giữa khâu vi phân ($D$ - đón đầu xu hướng sai số) và khâu tỷ lệ ($P$ - triệt tiêu sai số tức thời) giúp giảm thiểu hoàn toàn hiện tượng "lắc đuôi" thường thấy trên các dòng xe dò line On/Off thông thường.

2. Tính ưu việt và độ ổn định của kiến trúc ROS 2 phân tán trên nền DDS: Việc loại bỏ Master Node giúp hệ sinh thái các tiến trình chạy trên Raspberry Pi 4 hoạt động hoàn toàn độc lập. Các node tự động phát hiện nhau trên cùng mạng nội bộ. Cơ chế Quality of Service (QoS) cho phép cấu hình độ ưu tiên tin nhắn, đảm bảo dữ liệu điều khiển động cơ luôn có độ trễ cực thấp và không bị mất gói ngay cả khi hệ số tải CPU thay đổi.

3. Khả năng định vị trạm dừng chính xác tuyệt đối bằng công nghệ RFID: Module RDM6300 đọc thẻ RFID thụ động đặt ngầm dưới sàn với độ nhạy cao. Khi robot đi qua thẻ từ gắn mã định danh của từng vị trí kho, dữ liệu lập tức được rfid_node thu nhận và kích hoạt sự kiện: dừng trả hàng, cập nhật tọa độ hoặc chuyển hướng hành trình mà không làm gián đoạn luồng điều khiển bám đường.

4. Đồng bộ dữ liệu thời gian thực lên Web Dashboard: Hệ thống chứng minh tính khả thi của mô hình IoT-Robotics khi truyền tải thành công toàn bộ dữ liệu trạng thái (mã trạm RFID, giá trị encoder, tốc độ di chuyển) lên giao diện Web. Người quản lý có thể giám sát vị trí trực quan của robot từ bất kỳ trình duyệt web nào trong mạng nội bộ.

5. Tính mở cho việc phát triển hệ thống Multi-Robot: Mặc dù nghiên cứu thực nghiệm trên quy mô 01 robot vật lý, cấu trúc Topic (One-to-one, Many-to-one, Many-to-many) và không gian tên (Namespaces) của ROS 2 đã chuẩn hóa toàn bộ giao thức. Điều này cho phép mở rộng thêm hàng chục robot cùng hoạt động mà không cần viết lại mã nguồn nền tảng.

---

Đóng góp khoa học và giá trị ứng dụng (Scientific & Practical Contributions)

Đóng góp về mặt học thuật và phương pháp luận

• Chuẩn hóa quy trình tích hợp ROS 2 trên phần cứng nhúng biên (Edge Computing): Nghiên cứu cung cấp tài liệu thực nghiệm chi tiết về việc cài đặt, cấu hình hệ điều hành Ubuntu Server và môi trường ROS 2 Dashing trên máy tính Raspberry Pi 4 để giao tiếp trực tiếp với các chân GPIO ngoại vi.
• Làm rõ mô hình phân phối dữ liệu DDS trong Robot di động: Minh chứng tính hiệu quả của mô hình Data-Centric Publish-Subscribe (DCPS) trong việc xử lý tín hiệu cảm biến thời gian thực mà không làm nghẽn tài nguyên phần cứng.

Giá trị ứng dụng thực tiễn và kinh tế - xã hội

• Tối ưu hóa chi phí đầu tư cho doanh nghiệp: Mô hình robot tự hành này sử dụng các linh kiện điện tử phổ biến, giá thành thấp nhưng vẫn đáp ứng đầy đủ các tính năng vận hành công nghiệp cơ bản, giúp các kho bãi nhỏ giảm chi phí thuê nhân công và giảm thiểu sai sót vận chuyển.
• Khả năng tái chế và phát triển bền vững: Thiết kế module hóa cho phép dễ dàng thay thế, sửa chữa và tái sử dụng linh kiện, giảm thiểu rác thải điện tử công nghiệp.
• Đóng góp cho công tác đào tạo: Đề tài là tài liệu tham khảo mẫu mực cho sinh viên và kỹ sư ngành Cơ điện tử, Tự động hóa và Điện tử - Viễn thông trong việc tiếp cận các công nghệ phần mềm điều khiển robot tiên tiến nhất hiện nay.

---

Đối tượng hưởng lợi và quan tâm (Target Audience)

• Giảng viên và Sinh viên khối ngành Kỹ thuật (Robotics, Mechatronics, IoT): Nguồn tài liệu học tập và nghiên cứu thực nghiệm rõ ràng về cách xây dựng một hệ thống robot hoàn chỉnh từ cơ khí, mạch điện đến lập trình ROS 2.
• Kỹ sư Tự động hóa và Nhà tích hợp hệ thống (System Integrators): Các chuyên gia đang tìm kiếm giải pháp chuyển đổi từ kiến trúc ROS 1 sang ROS 2 hoặc phát triển các dòng AGV/AMR cỡ nhỏ cho nhà xưởng.
• Doanh nghiệp vừa và nhỏ (SMEs): Các chủ doanh nghiệp sản xuất, kho vận mong muốn tiếp cận giải pháp tự động hóa vận chuyển nội bộ với chi phí đầu tư ban đầu (CAPEX) thấp và khả năng tự bảo trì linh hoạt.

---

Câu hỏi thường gặp (FAQ)

1. Điểm đột phá lớn nhất của đề tài này so với các robot dò line truyền thống là gì?

Robot không chỉ dừng lại ở một mạch điều khiển đơn vi xử lý (như Arduino hay vi điều khiển 8-bit) mà được nâng tầm thành một hệ thống thông minh chạy trên hệ điều hành ROS 2. Điều này mang lại khả năng phân luồng tác vụ độc lập, giao tiếp chuẩn công nghiệp DDS, định vị mốc trạm qua RFID và kết nối mạng IoT thời gian thực.

2. Tại sao nghiên cứu lại chọn ROS 2 thay vì ROS 1?

ROS 2 khắc phục hoàn toàn nhược điểm của ROS 1: loại bỏ sự phụ thuộc vào Master Node trung tâm (tránh sập toàn bộ hệ thống khi node chủ lỗi), hỗ trợ kiểm soát chất lượng dịch vụ (QoS), có khả năng chạy trên hệ điều hành thời gian thực và được thiết kế tối ưu cho việc điều khiển đội hình đa robot trong công nghiệp.

3. Giải thuật PID trong robot giải quyết bài toán gì?

PID giúp robot tính toán độ lệch giữa tâm xe và vạch line từ mảng 5 cảm biến hồng ngoại, từ đó điều chỉnh tốc độ hai cụm bánh xe một cách liên tục và mượt mà, giúp xe chuyển hướng êm ái, triệt tiêu dao động giật cục và không bị trượt khỏi vạch khi di chuyển ở tốc độ cao.

4. Kết quả của nghiên cứu có thể mở rộng (generalize) lên môi trường thực tế không?

Hoàn toàn có thể. Do kiến trúc phần mềm được đóng gói thành các ROS 2 Package chuẩn mực, hệ thống có thể dễ dàng thay thế khung gầm chịu tải trọng lớn hơn, nâng cấp động cơ công suất cao, hoặc lắp thêm các cảm biến cao cấp như LiDAR/Camera để chuyển đổi từ dò line sang định vị và lập bản đồ đồng thời (SLAM).

5. Hướng phát triển tiếp theo của đề tài là gì?

Nhóm nghiên cứu định hướng phát triển mô hình giao tiếp đa robot (Multi-Robot Swarm), tích hợp thuật toán tránh vật cản động thông qua cảm biến khoảng cách/LiDAR và hoàn thiện hệ thống quản lý lệnh điều phối trung tâm trên nền tảng đám mây (Cloud Fleet Management).

---

Kết luận (Conclusion)

Công trình nghiên cứu khoa học "Robot Tự Vận Hành" của nhóm sinh viên Trường ĐH Sư phạm Kỹ thuật TP.HCM đã chứng minh sự thành công trong việc làm chủ công nghệ điều khiển tiên tiến với hệ điều hành robot thế hệ mới ROS 2 trên nền tảng máy tính nhúng Raspberry Pi 4. Bằng việc kết hợp hài hòa giữa giải thuật điều khiển bám line PID, công nghệ định danh RFID và giao diện giám sát Web thời gian thực, đề tài không chỉ đạt được các tiêu chuẩn kỹ thuật đề ra mà còn mở ra tiềm năng ứng dụng to lớn trong việc số hóa logistics kho bãi thông minh.

Đây là tiền đề công nghệ vững chắc, khuyến khích cộng đồng nghiên cứu và các doanh nghiệp tiếp tục phát triển, mở rộng sang các hệ thống AMR tự hành toàn diện, đóng góp thiết thực vào công cuộc tự động hóa sản xuất trong kỷ nguyên số.

Trích đoạn nội dung tài liệu

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH CÔNG TRÌNH NGHIÊN CỨU KHOA HỌC CỦA SINH VIÊN ROBOT TỰ VẬN HÀNH Mà SỐ: SV2020-131 SKC 0 0 7 3 3 5 Tp. Hồ Chí Minh, tháng 10/2020 Bà GIÁO DĀC VÀ ĐÀO T¾O TR¯àNG ĐH S¯ PH¾M KỸ THUÀT TPHCM BÁO CÁO TàNG K¾T ĐÀ TÀI NGHIÊN CĄU KHOA HàC CĂA SINH VIÊN ROBOT TĀ VÀN HÀNH SV2020 - 131 Chă nhiám đÁ tài: Nguyßn Minh Huy MSSV: 17141082 TP Hß Chí Minh, 10/2020 Bà GIÁO DĀC VÀ ĐÀO T¾O TR¯àNG ĐH S¯ PH¾M KỸ THUÀT TPHCM BÁO CÁO TàNG K¾T ĐÀ TÀI NGHIÊN CĄU KHOA HàC CĂA SINH VIÊN ROBOT TĀ VÀN HÀNH SV2020 - 131 Thuác nhóm ngành khoa học: Kỹ thuÁt SV thāc hiện: Nguyễn Minh Huy Nam, Nÿ: Nam Dân tác: Kinh Lớp, khoa: 17141CLVT1A, Khoa Đào t¿o Chất lưÿng cao Năm thứ: 4 /Số năm đào t¿o: 4 Ngành học: Công nghệ kỹ thuÁt Điện tử - Viễn thông Ngưßi hướng d¿n: ThS. Thái Hoàng Linh TP Hß Chí Minh, 10/2020 LàI CÀM ¡N Lßi đầu tiên trân trọng gửi lßi cảm ơn chân thành đến Khoa Đào t¿o Chất lưÿng cao, Phòng Khoa học Công nghệ - Quan hệ quốc tế đã t¿o điều kiện hß trÿ nhóm hoàn thành đề tài nghiên cứu. Nhóm nghiên cứu xin chân thành gửi lßi cảm ơn đến ngưßi thầy đã đồng hành cùng nhóm, dưới sā hướng d¿n cũng như nhÿng điều kiện hß trÿ tốt nhất đưÿc nhÁn từ phía thầy Thái Hoàng Linh đã giúp nhóm thāc hiện hoàn thành tốt đề tài này.

Bên c¿nh đó, nhóm thāc hiện xin cảm ơn đến tÁp thể b¿n bè, quý anh chị đã tích cāc hß trÿ, đồng hành cùng nhóm trong suốt quá trình thāc hiện nghiên cứu. Thành quả thāc hiện của nhóm dù đã có kết quả khả quan tuy nhiên không tránh khỏi nhÿng thiếu sót về nhiều mặt, nhóm rất mong nhÁn đưÿc phản hồi, góp ý chỉnh sửa, nhÁn xét từ quý thầy cô để có thêm góc nhìn hoàn thiện dā án tốt nhất cũng như bổ trÿ kinh nghiệm, kiến thức cho tất cả thành viên tham gia nghiên cứu. Mát lần nÿa, nhóm thāc hiện xin chân thành cảm ơn. CH¯¡NG 1: TỔNG QUAN ĐỀ TÀI ---------------------------------------------------2 1.

Táng quan vÁ robot và sā phát triển căa robot trong cách m¿ng công nghiáp 4. Phương pháp và ph¿m vi nghiên cứu -------------------------------------------4 1. Giới h¿n của đề tài -----------------------------------------------------------------5 II. CH¯¡NG 2: C¡ SỞ LÝ THUYẾT------------------------------------------------------6 2.

Táng quan vÁ Robot dò line -------------------------------------------------------6 2. Robot dò đ°áng trên nÁn tÁng ROS2--------------------------------------------6 2. Giới thiệu ROS và ROS2 ---------------------------------------------------------6 2. Māc tiêu của ROS2 ----------------------------------------------------------------8 2.

Kiến trúc và tính năng của ROS2 ---------------------------------------------- 10 2. Giao tiếp trong ROS2 ----------------------------------------------------- 10 2. Mô hình giao tiếp DDS---------------------------------------------------- 11 2. So sánh giÿa ROS và ROS2 ---------------------------------------------------- 14 2.

Topic trong ROS2---------------------------------------------------------------- 16 2. ROS trong công nghiệp. Công nghá RFID ------------------------------------------------------------------- 20 2. CÁm bi¿n tốc độ - Encoder ------------------------------------------------------ 21 2.

Máy tính nhúng Raspberry Pi 4 ------------------------------------------------ 24 2. GiÁi thuÁt PID ---------------------------------------------------------------------- 25 2. CH¯¡NG 3: THIẾT KẾ VÀ THI CÔNG MÔ HÌNH ROBOT TỰ HÀNH ---- 28 3. Giải thích chức năng từng khối -------------------------------------------------- 28 3.

S¢ đß k¿t nối các module trong robot tā hành ------------------------------ 30 3. Các linh kiện điện tử sử dāng trong mô hình ---------------------------------- 30 3. Sơ đồ kết nối các module --------------------------------------------------------- 34 3. Giới thiệu phần mềm Solidworks ----------------------------------------------- 36 3.

Các bước thiết kế cơ khí cho khung robot ------------------------------------- 36 IV. CH¯¡NG 4: XÂY DỰNG THUẬT TOÁN CHO ROBOT TỰ HÀNH --------- 40 4. Các thi¿t lÁp ban đÁu trên Raspberry Pi 4 ----------------------------------- 40 4. Hệ điều hành Ubuntu Server --------------------------------------------------- 40 4.

Các lệnh thao tác cơ bản với terminal trên Ubuntu --------------------------- 45 4. Cài đặt môi trưßng Python 3. Cài đặt môi tr°áng ROS 2 Dashing trên Ubuntu --------------------------- 48 4. Xây dāng thuÁt toán cho robot dò line trong môi tr°áng Python 3.

Xây dāng thuÁt toán cho robot dò line trong môi tr°áng ROS 2 ------- 58 4. Các node trên robot --------------------------------------------------------------- 61 4. Topic, Publisher và Subscriber -------------------------------------------------- 62 4. Giao ti¿p giÿa robot và web ----------------------------------------------------- 62 4.

Thiết kế trang web ----------------------------------------------------------------- 62 4. Xây dāng server ------------------------------------------------------------------- 65 4. Trao đổi dÿ liệu giÿa robot và web --------------------------------------------- 66 V. Ch°¢ng 5: KẾT LUẬN ------------------------------------------------------------------ 71 5.

K¿t quÁ và đánh giá --------------------------------------------------------------- 71 5. K¿t quÁ đÁ tài và thÁo luÁn ------------------------------------------------------ 71 5. H°ßng phát triển ------------------------------------------------------------------ 72 TÀI LIỆU THAM KHẢO --------------------------------------------------------------------- 74 PHỤ LỤC ---------------------------------------------------------------------------------------- 76 Danh māc bÁng biểu Bảng 1: So sánh ROS và ROS2 --------------------------------------------------------------- 14 Bảng 2: Các mối quan hệ trong Topic ------------------------------------------------------- 16 Bảng 3: Linh kiện sử dāng trong mô hình --------------------------------------------------- 30 Bảng 4: Kết nối các chân GPIO từ Raspberry tới ngo¿i vi. ------------------------------- 35 Danh māc hình Ánh Hình 1: Sơ đồ khối ROS file --------------------------------------------------------------------7 Hình 2: Sā tương tác của các nodes, topics với nhau ----------------------------------------7 Hình 3: Hệ thống Robot tā đáng làm việc trong nhà kho -----------------------------------9 Hình 4: Robot tuần tra an ninh t¿i các bãi giÿ xe ------------------------------------------- 10 Hình 5: Mô hình giao tiếp DDS --------------------------------------------------------------- 12 Hình 6: Mối quan hệ One-to-one giÿa Raspberry PI và Motor (Robot) ----------------- 16 Hình 7: Mối quan hệ Many-to-one giÿa Encoders và Raspberry PI --------------------- 17 Hình 8: Mối quan hệ One-to-many giÿa Lines và Sensors -------------------------------- 17 Hình 9: Mối quan hệ Many-to-many giÿa nhiều Raspberry PI và Sensors ------------- 18 Hình 10: Robot giúp đỡ con ngưßi sắp xếp hàng hóa -------------------------------------- 19 Hình 11: Tàu Heron USV ---------------------------------------------------------------------- 20 Hình 12: Ho¿t đáng của RFID --------------------------------------------------------------- 21 Hình 13: Ho¿t đáng của encoder quang ----------------------------------------------------- 22 Hình 14: Hình d¿ng của mát đáng cơ DC -------------------------------------------------- 23 Hình 15: Sơ đồ nguyên lý của LED thu phát hồng ngo¿i --------------------------------- 24 Hình 16: Raspberry Pi 4------------------------------------------------------------------------ 25 Hình 17: Sơ đồ thuÁt toán PID ---------------------------------------------------------------- 26 Hình 18: Sơ đồ khối robot tā hành.

----------------------------------------------------------- 28 Hình 19: Cảm biến dò line 5 LED ------------------------------------------------------------ 30 Hình 20: RFID Reader RDM6300 ------------------------------------------------------------ 30 Hình 21: M¿ch điều khiển đáng cơ L298 ---------------------------------------------------- 31 Hình 22: M¿ch giảm áp LM2596 ------------------------------------------------------------- 31 Hình 23: Encoder v2 ---------------------------------------------------------------------------- 31 Hình 24: Pin 18650 ----------------------------------------------------------------------------- 32 Hình 25: Công tắc ------------------------------------------------------------------------------- 32 Hình 26: Máy tính nhúng Raspberry Pi 4 ---------------------------------------------------- 32 Hình 27: UPS HAT cấp nguồn cho Raspberry Pi ------------------------------------------ 33 Hình 28: Đáng cơ DC giảm tốc --------------------------------------------------------------- 33 Hình 29: Bánh xe-------------------------------------------------------------------------------- 33 Hình 30: Sơ đồ kết nối các module. ---------------------------------------------------------- 34 Hình 31: Số thứ tā các chân GPIO trên Raspberry Pi 4.----------------------------------- 34 Hình 32: Thiết kế khung ban đầu ------------------------------------------------------------- 36 Hình 33: Kích thước và vị trí của thanh cảm biến dò line --------------------------------- 37 Hình 34: Vị trí đặt và kích thước cho bánh xe ---------------------------------------------- 37 Hình 35: Vị trí đặt đáng cơ và giá đỡ cho đáng cơ kích thước --------------------------- 38 Hình 36: Kích thước giá đỡ và vị trí đặt 4 đáng cơ ---------------------------------------- 38 Hình 37: Vị trí đặt 4 cảm biến tốc đá -------------------------------------------------------- 38 Hình 38: Kích thước của mßi vị trí đặt cảm biến tốc đá ----------------------------------- 39 Hình 39: Khung hoàn chỉnh ------------------------------------------------------------------- 39 Hình 40: Giao diện Ubuntu Desktop 20.04 -------------------------------------------------- 40 Hình 41: Trang web tải file hệ điều hành Ubuntu Server dành cho Raspberry Pi. ----- 41 Hình 42: Phần mềm balenaEtcher ------------------------------------------------------------ 42 Hình 43: Giao diện Ubuntu console ---------------------------------------------------------- 42 Hình 44: Cấu hình truy cÁp wifi thông qua netplan --------------------------------------- 43 Hình 45: Giao diện desktop X-ubuntu ------------------------------------------------------- 44 Hình 46: Trang web tải ROS2 ----------------------------------------------------------------- 48 Hình 47: Sơ đồ chân trên Raspberry Pi 4 ---------------------------------------------------- 50 Hình 48: Lưu đồ giải thuÁt PID (a) ----------------------------------------------------------- 52 Hình 49: Lưu đồ giải thuÁt PID (b) ----------------------------------------------------------- 53 Hình 50: Lưu đồ giải thuÁt PID (c) ----------------------------------------------------------- 54 Hình 51: Lưu đồ giải thuÁt RFID (a) --------------------------------------------------------- 55 Hình 52: Lưu đồ giải thuÁt RFID (b) --------------------------------------------------------- 56 Hình 53: Sơ đồ khối hàm chính --------------------------------------------------------------- 57 Hình 54: Cây thư māc trong package ros2_robot. ------------------------------------------ 61 Hình 55: Sơ đồ giao tiếp thông qua Topic --------------------------------------------------- 62 Hình 56: Chọn ngôn ngÿ SCSS --------------------------------------------------------------- 63 Hình 57: Cây thư māc chương trình ---------------------------------------------------------- 64 Hình 58: Giao diện trang web ----------------------------------------------------------------- 65 Hình 59: Giá trị tọa đá đọc đưÿc-------------------------------------------------------------- 70 Danh māc vi¿t tắt STT Vi¿t tắt Vi¿t đÁy đă 1 CLI Command Line Interface - là mát công cā đưÿc phát triển đề ch¿y trên giao diện cửa sổ ứng dāng 2 CNC Computer Numerical Control - là mát d¿ng máy đưÿc điều khiển tā đáng dưới sā trÿ giúp của máy tính 3 DC Direct Current – dòng điện 1 chiều 4 DDS Data Distribution Service - dịch vā phân phối dÿ liệu 5 GPIO General purpose input/output - cổng giao tiếp vào ra của vi điều khiển 6 PID Proportional Integral Derivative - bá điều khiển vi tích phân tỷ lệ 7 QoS Quality of Service - Chất lưÿng dịch vā 8 RFID Radio Frequency Identification - nhÁn d¿ng qua sóng vô tuyến 9 ROS Robot Operating System - Hệ điều hành robot 10 RTOS Real Time Operating System - Hệ điều hành thßi gian thāc 11 SLAM Simultaneous localization and mapping - hệ thống sử dāng thông tin ảnh thu đưÿc từ cảm biến để tái t¿o môi trưßng bên ngoài bằng cách đưa thông tin môi trưßng vào mát map và định vị thiết bị.

Bà GIÁO DĀC VÀ ĐÀO T¾O TR¯àNG ĐH S¯ PH¾M KỸ THUÀT TPHCM THÔNG TIN K¾T QUÀ NGHIÊN CĄU CĂA ĐÀ TÀI 1. Thông tin chung: - Tên đề tài: ROBOT TĀ VÀN HÀNH - Chủ nhiệm đề tài: Nguyễn Minh Huy Mã số SV: 17141082 - Lớp: 17141CLVT1A Khoa: Đào t¿o Chất lưÿng cao - Thành viên đề tài: Stt Há và tên MSSV Lßp Khoa 1 Võ Quang Khương 17141093 17141CLVT1A ĐT CLC 2 Nguyễn Lê Nguyên 17110094 17110CLST1 ĐT CLC Anh 3 Lê Quốc Nguyên 17145253 17110CLST2 ĐT CLC Vương - Ngưßi hướng d¿n: Th.S Thái Hoàng Linh 2. Māc tiêu đÁ tài: - Đáp ứng tiêu chí hoàn thiện về thiết kế khung, thiết kế chi tiết hoàn chỉnh - Tính năng đ¿t chuẩn yêu cầu ho¿t đáng tính năng cơ bản ổn định - Xác định đưÿc phương hướng phát triển, nâng cấp hệ thống, tính năng sau nghiên cứu nền tảng 3. Tính mßi và sáng t¿o: Đề tài nghiên cứu Robot tā vÁn hành đưÿc mô phỏng ho¿t đáng trên nền tảng ROS 2 cho phép hiệu chỉnh tối ưu các tính năng giao tiếp khi phát triển về số lưÿng.

So với các giải pháp hiện có, đề tài đáp ứng đưÿc tính cÁp nhÁt giải pháp công nghệ tiên tiến cho phép ngưßi dùng sáng t¿o nhiều hướng phát triển hơn trong tương lai. K¿t quÁ nghiên cąu: - Hoàn tất thiết kế đáp ứng tiêu đề ra ban đầu của Robot - Các tính năng ho¿t đáng ổn định - Robot tā vÁn hành đưÿc trang bị cảm biến giao tiếp nhằm t¿o tiền đề cho việc phát triển giao tiếp khi gia tăng số lưÿng, làm tăng khả năng áp dāng thāc tế của đề tài.