MỞ ĐẦU Ngày nay “robot” đã trở nên quen thuộc với nhiều người trong chúng ta thông qua phim ảnh, sách báo cũng như trong đời sống hằng ngày. Trong nghiên cứu robot có hầu hết các vấn đề của “cơ-tin-điện tử”; đó là sư kết hợp của nhiều ngành khoa học, từ cơ khí, điện tử cho đến các ngôn ngữ lập trình. Robot di động là một lĩnh vực mới trong nghiên cứu robot. Mặc dù là một ngành nghiên cứu non trẻ robot di động đã ngày càng được ứng dụng nhiều trong cuộc sống hàng ngày từ giải trí, dẫn đường, trợ giúp công việc hàng ngày cho đến các lĩnh vực mà con người khó có thể làm được như trong các môi trường độc hại, trong quân sự hoặc thám hiểm các hành tinh vv… Để tạo ra một robot di động để thực hiện những công việc đó ngoài các kết cấu cơ khí phải có hệ thống các cảm biến để thu thập thông tin từ môi trường xung quanh và chương trình phần mềm thông minh để điều khiển robot.
Qua việc tìm hiểu các đặc tính và các thành phần của robot di động, khóa luận này trình bầy quá trình nghiên cứu, xây dựng mô phỏng một robot di động có khả năng bám và bắt bóng nhờ vào cảm biến hình ảnh là một camera CCD. Luận văn được chia thành 3 chương, cụ thể như sau: Chƣơng 1: ROBOT DI ĐỘNG - Giới thiệu chung về robot di động và các ứng dụng của nó. - Cấu tạo của một robot di động điển hình. - Cơ cấu chuyển động và phương trình động học của robot di động.
- Các cảm biến thường được sử dụng trong robot di động. Chƣơng 2: THỊ GIÁC MÁY - Giới thiệu về thị giác máy, qúa trình tạo và các mô hình biểu diễn ảnh. - Một số khái niệm trong xử lý ảnh số. - Xử lý điểm ảnh và xử lý phân vùng ảnh.
- Khảo sát đặc tính ảnh bao gồm đặc tính đường biên và đặc tính góc. Chƣơng 3: ROBOT BẮT BÓNG 1 LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com - Mục đích nghiên cứu và các mô hình của robot bắt bóng. - Cơ cấu và thuật toán được dùng cho robot bắt bóng - Mô phỏng robot bắt bóng theo các mô hình. - Xây dựng robot bắt bóng trong thực tế.
- Kết qủa và thảo luận. 2 LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com CHƢƠNG 1 ROBOT DI ĐỘNG 1.1 Giới thiệu chung về robot di động. Ngành khoa học nghiên cứu về robot đã đạt được những thành tựu to lớn trong công nghiệp giúp cho con người sản xuất ra rất nhiều của cải vật chất. Robot tay máy được sử dụng trong các dây truyền sản xuất hàng loạt tiên tiến của nhiều nước trên thế giới để tạo ra từ ôtô, xe máy cho đến các thiết bị tinh vi khác như máy nghe nhạc, điện thoại, máy vi tính.Tay máy ngày nay đã có thể di chuyển với tốc độ và độ chính xác cao cũng như có các hệ thống an toàn đảm bảo để làm việc tốt cùng con người [1].1 Robot công nghiệp Tuy nhiên với tất cả những thành công đó, những robot công nghiệp lại có một nhược điểm cố hữu đó là thiếu sự di chuyển.
Các hệ thống robot công nghiệp bị giới hạn pham vi hoạt động phụ thuộc vào vị trí chúng được lắp giáp vận hành. Chúng thường được đặt cố định trong môi trường làm việc chuyển động, điều này làm giảm tính linh động của robot. Trong khi đó robot di động lại có thể di chuyển khắp nơi trong môi trường và thực hiện công việc ở bất cứ nơi đâu cần tới chúng. 3 LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com Từ đặc điểm đó robot di động đã đươc ứng dụng vào nhiều lĩnh vực của cuộc sống ngày nay từ giải trí, dẫn đường, trợ giúp công việc hàng ngày cho đến các lĩnh vực mà con người khó có thể làm được như trong các môi trường độc hại, trong quân sự hoặc thám hiểm các hành tinh vv…[6]Luận văn này tập trung vào nghiên cứu robot di động, vì thế từ đây trở về sau trong luận văn này thuật ngữ robot dùng để chỉ robot di động.2 Robot giúp đỡ người mù Hình 1.3 Robot thám hiểm 4 LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.4 Robot đồ chơi Aibo Hình 1.5 Robot thám hiểm đáy biển 5 LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.6 Robot hút bụi Có một số sự khác biệt quan trọng giữa các yêu cầu của việc lắp đặt robot cố định truyền thống với các yêu cầu của các hệ thống robot di động.
Một trong những mối quan tâm hàng đầu là sự không biết trước môi trường vận hành. Đối với các hệ thống robot cố định, người ta thường xây dựng một không gian làm việc nhỏ để thực hiện công việc và robot cố định thường thực hiện các công việc lặp đi lặp lại trong môi trường xác định trước đó. Đối với các hệ thống robot di động, việc nhận biết được môi trường làm việc là một yếu tố quyết định tới các “hành động” của robot, chỉ có thể nhận biết được đầy đủ các thông tin về môi trường xung quanh thì robot di động mới có thể thích ứng được trong các môi trường làm việc khác nhau. Mục đích của luận văn là tìm hiểu về robot di động: cấu tạo, cách thức vận hành đồng thời thiết kế mô phỏng để xây dựng một robot di động có khả năng bám và bắt bóng.
6 LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com Theo khái niệm, robot di động phải có một số bộ phận chuyển động. Chuyển động có thể dưới dạng bánh xe, chân, cánh hoặc một số cơ cấu khác. Việc lựa chọn cơ cấu chuyển động là dựa vào chức năng của robot và các công việc của robot cần phải thực hiện. Trong nhiều môi trường làm việc công nghiệp, bánh xe là dạng chuyển động thích hợp nhất.
Đối với các hệ thống nghiên cứu ứng dụng khác, chân hoặc cánh có thể giúp cho robot di động chuyển động được trên địa hình mà robot không có khả năng đi qua. Một nhân tố quan trọng trong thiết kế của các hệ thống robot di động là khả năng mang theo các thiết bị. Thiết bị bao gồm nguồn điện cũng như tất cả các phần cứng là các bộ cảm biến và các bộ xử lý mà robot đòi hỏi. Các thiết bị lắp đặt của robot cố định có thể được kết nối trực tiếp với các nguồn điện và bộ xử lý, không gian làm việc thường được xác định trước và có thể được kiểm soát.
Hầu hết các robot di động đều có một trọng tải nhất định, điều này có thể dẫn tới những sự giới hạn trong thiết kế của hệ thống, đặc biệt trong các ứng dụng mà hay bị giới hạn về kích cỡ và cân nặng. Các thành phần cơ bản, thông dụng trong các hệ thống robot di động sử dụng trong thực tế được chỉ ra như trên hình 1.7 Các khối cơ bản trong robot di động 7 LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com Các khối cơ bản cho các hệ thống robot di động bao gồm các bộ phận cảm biến, bộ phận dẫn đường, các mô đun lập kế hoạch, điều khiển và các bộ chấp hành dùng để di chuyển robot và tác động tới môi trường của nó. Trong khi một số các phần cụ thể của robot di động sẽ phụ thuộc vào mục đích ứng dụng, một hệ thống robot di dộng điển hình đòi hỏi phải có tất cả các khối trên thì mới vận hành được. Thông tin về trạng thái môi trường xung quanh của robot và bản thân robot được cung cấp với các cảm biến nội và cảm biến ngoại.
Thông tin này được bộ xử lý trung tâm (có cài đặt sẵn các chương trình, thuật toán dẫn đường…) sử dụng để ước lượng trạng thái của hệ thống, không chỉ bao gồm trạng thái của bản thân robot mà cả trạng thái của môi trường xung quanh nó. Ước lượng này được sử dụng để lập kế hoạch hoạt động của robot và phát ra các lệnh cho các cơ cấu chấp hành của robot. Thiết kế của các hệ thống robot di động phần nhiều sẽ bị chi phối bởi mục đích ứng dụng. Không có giới hạn về số lượng các kết hợp giữa các thiết bị thao tác, các bộ phận cảm biến và các thuật toán điều khiển cho các hệ thống robot di động.
Hơn nữa, luồng thông tin trong phạm vi hệ thống sẽ thay đổi tuỳ thuộc vào quá trình thực thi, sẽ có một số thiết kế robot khác đáng kể so với những robot trình bày trong hình. Trong một số trường hợp, dữ liệu từ các bộ phận cảm biến được trực tiếp cung cấp cho bộ lên kế hoạch và điều khiển, cho phép hệ thống phản ứng nhanh hơn với những thay đổi mạnh mẽ của môi trường. Sau đây, ta sẽ đi sâu vào các thành phần cơ bản của robot di động 1.2 Cơ cấu chuyển động Theo khái niệm, robot di động phải có một số bộ phận chuyển động. Các sự vật và sinh vật trong tự nhiên có rất nhiều cách thức di chuyển và đó cũng là nguồn cảm hứng để các nhà khoa học tạo ra các robot di động.1 trình bày một số cách thức di chuyển đặc thù của các sinh vật trong tự nhiên tử trượt, trườn, bò, chạy, nhảy và đi.
Người ta nói rằng động tác đi của con người là theo một hình đa giác và với khoảng cách bước chân rất nhỏ hình đa giác sẽ biến thành hình tròn. Tuy nhiên trong tự nhiên lại không có sinh vật nào di chuyển bằng bánh xe cả, chính con người 8 LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com đã tạo ra các robot sử dụng bánh xe. Các bánh xe cho phép robot di chuyển cực kỳ đơn giản, hiệu quả và linh hoạt đặc biệt là trên những địa hình bằng phẳng.1 Các cách thức di chuyển Robot di chuyển bằng chân, loại robot cũng tương đối phổ biến có thể vượt qua được những địa hình phức tạp (rãnh, hố…) và có khả năng di chuyển vật một cách linh hoạt (đẩy, kéo vật …). Tuy nhiên để thực hiện điều này đổi lại robot phải có tối thiểu hai bậc tự do, dẫn đến sự phức tạp của nguồn điện và kết cấu cơ khí và làm tăng trọng lượng của robot.
So sánh với các robot di chuyển bằng chân, robot di chuyển trên bánh xe có kết cấu cơ khí đơn giản hơn rất nhiều, không phải quan tâm đến vấn đề giữ thăng bằng, tốc độ di chuyển cao, vì vậy các robot chạy bằng bánh xe được sử dụng rộng rãi hiện nay. 9 LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com Xét về mặt cấu tạo bánh xe được dùng cho robot có thể chia ra làm 4 loại chính như sau [6]: Hình 1.