Chương 1. Tổng Quan Về Đề Tài Nghiên Cứu 1. Tổng quan về lĩnh vực nghiên cứu Mobile Robot là lĩnh vực nghiên cứu,tìm hiểu và giành được mối quan tâm sâu sắc của các nhà nghiên cứu,các nhà ứng dụng trong công nghệ hàng không,quân sự,dân dụng thậm chí nó càng được tiếp xúc đa dạng với các lĩnh vực khác của xã hội như giải trí,thám hiểm,chăm sóc sức khỏe… Có nhiều Mobile Robot khác nhau,tùy vào từng mục đích sử dụng,phạm vi ứng dụng, lĩnh vực nghiên cứu mà hình dáng hay cấu tạo của Mobile Robot sẽ khác nhau,nhưng về chung thì Mobile Robot đều có chức năng tương tự gồm 4 chức năng cơ bản: + Cảm nhận: Robot phải sử dụng các cảm biến của nó để trích lấy thông tin từ môi trường xung quanh như khoảng cách,nhiệt độ,độ cao. + Định vị: Robot thông qua việc cảm nhận thông tin từ cảm biến sẽ xác định được vị trí của nó trong môi trường làm việc.
+ Nhận thức: Robot sẽ tổng hợp thông tin có được qua cơ sở dữ liệu từ hai bước trên để đưa ra thông tin điều khiển di chuyển thích hợp yêu cầu được đặt trước.Thực hiện hành động được cài đặt tùy theo từng yêu cầu cụ thể dựa trên thông tin có được. + Điều khiển chuyển động: Robot sẽ điều khiển ngõ ra hoạt động để đạt được quỹ đạo chuyển động mong muốn, yêu cầu nhiệm vụ.Trong bốn chức năng trên thìđịnh vị nhận được sự quan tâm nghiên cứu lớn nhất.Vì đóng vai trò then chốt trong sự thành công của một Mobile Robot độc lập.Một robot phải xác định được vị trí của nó trong môi trường làm việc thì Robot mới có thể giải quyết được các nhiệm vụ phức tạp hơn.Do đó định vị là một trong những vấn đề cơ bản nhất để hình thành nên một robot có khả năng độc lập. Trang 1 “Quy Hoạch Quỹ Đạo Robot Dùng Thị Giác Máy Tính” Trong kỹ thuật Robot hiện tại, việc định vị kết hợp với kỹ thuật Camera (Computer Vision) để tạo ra kỹ thuật định vị quỹ đạo cho Robot mở ra hướng nghiên cứu mới đầy tiềm năng cho lĩnh vực Robot tự hành.Kỹ thuật này mang nhiều đặc điểm nổi bật so với các kỹ thuật truyền thống khác vì nó không chỉ dừng lại ở việc phát hiện vật thể và xác định khoảng cách với vật thể mà nó còn nhận dạng được về hình dáng,kích thước,màu sắc và sự trùng lắp của vật thể. Để đạt được hiệu quả trong việc xây dựng những thuật toán quỹ đạo định vị cho Robot dựa trên kỹ thuật thị giác thì chúng ta cần phải có các chương trình và thư viện hổ trợ để cung cấp thông tin cho Robot vì để xây dựng chương trình cho Robot rất phức tạp.Vì lý đómà các nhà chuyên sản xuất chương trình đã tạo ra các chương trình hỗ trợ cho việc lâ ̣ p trình này được đơn giản hơn như:OpenCV,Development Studio,Player/stage,Matlab, labview,…Các chương trình có ưu khuyết điểm riêng,tùy mục đích và thư viện mà ta có thể chọn từng chương trình phần mềm tương ứng.Matlab là một ngôn ngữ lập trình cấp cao phổ biến hổ trợ mạnh mẽ trong công việc tính toán,bên cạnh đó,phụ lục về thư viện xử lý ảnh rất nhiều là điều kiện tốt cho việc áp dựng chương trình Mablab cho đề tài.Với đặc điểm nổi bậc như vậy và hướng nghiên cứu mới này sẽ tạo điều kiện tố t cho việc nghiên cứu tìm hiểu về kỹ thuật quỹ đạo định vịcho Robot tự hành trên cơ sở thị giác máy tính và đây cũng là hướng nghiên cứu trong đề tài này.
Đã có nhiều công trình nghiên cứu khoa học về định vị quỹ đạo cho Robot như : Xây dựng quỹ đạo cho Robot dùng VFH, Thiết lập bản bàn đồ duy chuyển cho Robot trên cơ sở mô phỏng Player, Xây dựng Robot định vị dùng Camera trên cơ sở sử dụng độ sâu của ảnh, …Từ cơ sở đó nên trong đề tải này em sẽ tiếp tục tìm hiểu và nghiên cứu về xây dựng quỹ đạo định vị cho Robot dùng thị giác máy tính, đề tài này không quá mới mẽ, vì đã có nhiều nghiên cứu về nó, mặc dù có nhiều nghiên cứu nhưng đa phần chỉ dừng lại ở cơ sở lý thuyết và mô phỏng thuật toán còn về mô hình thực tế thì chưa hoàn thiện, vì điều đó đề tài này sẽ thực hiện mô hình thực nghiện thuật toán định vị Particle Filter và thuật toán Astar trong vạch đường đi,trên cơ sở thị giác máy tính kết hợp phần mềm bổ trợ Matlab, cung cấp cho ta có cái nhìn cụ thể về cơ sở lý thuyết và thực nghiệm trong mô hình. Trang 2 “Quy Hoạch Quỹ Đạo Robot Dùng Thị Giác Máy Tính” 1. Mục tiêu nghiên cứu Mục tiêu của đề tài là xây dựng quỹ đạo cho Robot trên cơ sở thị giác máy tính(Computer Vision). Trong môi trường phạm vi giới hạn trong phòng đầy đủ ánh sáng,Robot sẽ thu nhận hình ảnh từ camera để tiến hành thu thập dữ liệu từ bản đồ thực tế đồng thời kết hợp 1 phần bổ trợ từ thuật toán Astar, bộ lọc Particle Filter,thông qua việc nhận dạng vật mốc có kích thước hình học khác nhau được bố trí ngẫu nhiên với tọa độ được cung cấp trên bản đồ Demo.Từ bản đồ này Robot sẽ được cung cấp vị trí hiện tại và vị trí cần phải di chuyển đến,với sự hổ trợ của các phương pháp,thuật toán tránh vật cản,thuật toán vạch quỹ đạo đường đi dùng thuật toán Astar,phương pháp định vịquỹ đạo từ đây Robot sẽ di chyển theo toa độ đã được ước lượng với tỉ số sai số được tính toán như vận tốc duy chuyển,vận tốc gốcvà nhận dạng vật thề đích khi đã đến vị trí được xác nhận.
Phạm vi nghiên cứu Thuật toán định vị được xây dựng dựa vào thị giác máy tính để nhận dạng các vật mốc là các vật thể có hình thể như hình vuông,hình tròn, hình tam giác , …đề tài được thực hiện trên mô hình thực tế kết hợp quá trình mô phỏng trên nền của Matlab,thuật toán được thực hiện trên Mobile Robot trong không gian bên trong nhà, điều kiện ánh sáng đầy đủ được cung cấp về tọa độ xuất phát,tọa độ đến, không gian bản đồ hoạt động của Robotđược cung cấp trong gian đoạn khởi tạo ban đầu. Phương pháp nghiên cứu Đề tài được tiếp cận dựa trên các phương pháp sau: + Phương pháp khảo sát tài liệu, tìm hiểu các tài liệu liên quan đến đến đề tài như kỹ thuật xử lý ảnh, robot di động,định vị, cảm biến. + Phương pháp khảo sát các mô hình Robot di động sẵn có và các mô hình thường được sử dụng trong định vị cho Robot di động. + Phương pháp thực nghiệm tiến hành xây dựng các thuật toán nhận dạng vật mốc, định vị trên mô hình Robot thực tế.
Trang 3 “Quy Hoạch Quỹ Đạo Robot Dùng Thị Giác Máy Tính” Chương 2. Cơ Sở Lý Thuyết Của Robot Về cơ bản thì chúng ta có thể nói rằng các Mobile Robot có thể thực hiện các nhiệm vụ khác nhau tùy vào mục đích nghiên cứu và sử dụng,mỗi Mobile Robot đều được cấu tạo từ hai thành phần cơ bản là phần cứng, phần mềm: + Phần cứng bao gồm hệ thống truyền động,hệ thống cảm biến,hệthống nhận hình ảnh có thể gọi đây là thành phần bên ngoài của Robot. + Phần mềm bao gồm hệ thống phần mềm sử dụng để xử lý thông tin,dữ liệu và điều khiển mọi hoạt động của Robot để đảm bảo được tính đồng bộ và kiểm soát hoạt động của Robot. Làm sao một Robot có thể duy chuyển trong một không gian mà chính Robot cũng không thể cảm nhận được vị trí hiện tại của nó,do vậy để Mobile Robot có thể di chuyển được thì Robot phải được trang bị các phương pháp,các giải thuật ứng dụng thông qua cơ sở phần mềm với các phương pháp tính toán trên cơ sở thực tế từ đó mới có thể đề ra phương hướng,tọa độ,góc quay, quảng đường di chuyển của Robot,quá trình như vậy được gọi là quy hoạch quỹ đạo cho Robot.
Quy hoạch quỹ đạo là một nhiệm vụ mang tính khó khăn cho Mobile Robot tự hành trong quá trình duy chuyển từ một vị trí bất kỳ đến một vị trí đã định trước.Để Robot xây dựng được quỹ đạo di chuyển thì đòi hỏi Robot phải được cung cấp đầy đủ thông tin về dữ liệu của môi trường di chuyển từ các cảm biến và Camera thu nhận hình ảnh,các dữ liệu này phải được xử lý và yêu cầu phải thể hiện được bản chất của môi trường di chuyển.Chương này đề cặp đến cơ sở chung và các thuật toán về vạch quỹ đạo cho Robot dùng thị giác máy tính (Computer Vision).Thể hiện nội dung về phương pháp tìm đường đi bao bồm việc định hướng và định vị trí của Robot.Phương pháp định vị cho Robot. Trang 4 “Quy Hoạch Quỹ Đạo Robot Dùng Thị Giác Máy Tính” Mục 2.Phương pháp xác định vật cản trong môi trường.Phương pháp nhận dạng vật thể mốc trong môi trường. Phương pháp định hướng quỹ đạo cho Robot Phạm vi định hướng cho Robot trên cơ sở thị giác máy tính được chia làm hai hướng khác nhau: + Định hướng trên cơ sở thị giác máy tính cho ứng dụng trong nhà + Định hướng trên cơ sở thị giác máy tính cho ứng dụng ngoài trời Như đề cặp ở trên thì trong đề tài này chúng ta sẽ tìm hiểu về kỹ thuật định hướng trên cơ sở thị giác máy tính cho ứng dụng trong nhà.Về lĩnh vực này có nhiều hướng nghiên cứu khác nhau, nhưng chúng ta có thể tổng hợp thành 3 hướng chính như: + Định hướng quỹ đạo dựa trên bản đồ: Robot là hoạt động định hướng dựa trên mô hình hình học hay bản đồ về môi trường do người sử dụng tạo ra và cung cấp cho Robot. + Định hướng quỹ đạo không dựa trên bản đồ: Là phương pháp định hướng mà Robot sẽ không sử dụng đến bản đồ hay mô tả hình học về môi trường để định hướng,mà chỉ sử dụng nhận dạng vật thể trong môi trường hay theo sự chuyển động của vật thể trong môi trường.
Trong nội dung đề tài này ta sẽ sử dụng kết hợp hai phương pháp trên cho Robot và sự kết hợp được mô tả như sau: Bản đồ sẽ được cài đặt và vị trí tọa độ vật mốc cũng được cài đặt sẵn trong bản đồ Mapvà bản đồ này sẽ được cung cấp cho Robot,bên cạnh đó thì robot cũng được cài đặt vị trí xuất phát và vị trí đến cần phải đạt được và nhận dạng được vật thể đích đã cung cấp sẵn. Phương pháp định hướng quỹ đạo dùng Thuật toán Astar A* là thuật toán được sử dụng rộng rãi trong ngành khoa học máy tính để tìm kiếm đường đi.