CHƯƠNG 1. GIỚI THIỆU kín như trong phòng tập, trong nhà, văn phòng nên trong luận văn này, sinh viên thực hiện giới hạn không gian chơi bóng như trên. Để nâng cao trình độ, người chơi thường sẽ đến các trung tâm tìm huấn luyện viên hoặc mua một loại máy phát bóng để tự tập. Chương trình huấn luyện thường được chia làm từng nội dung để luyện tập như học giao bóng, đẩy công, đẩy chặn, và “lốp” bóng.
Cứ sau mỗi lượt tập thì bóng sẽ rơi xuống sàn, để tiết kiệm thời gian và tăng hiệu suất tập luyện, bóng sẽ không được nhặt ngay mà người tập sẽ sử dụng một trái bóng khác thay thế từ rổ bóng. Khi đánh hết bóng từ rổ cũng là lúc kết thúc một phiên tập. Do trái bóng bàn nhẹ và được người tập đánh nên những trái bóng sẽ rơi khắp sân tập, ngoài ra có thể có hơn 50 trái bóng được sử dụng trong mỗi phiên tập. Bản thân sinh viên thực hiện cũng đã từng chơi bóng bàn nên hiểu rõ công việc thu gom những trái bóng rơi trên sàn là mệt nhọc và hao tốn năng lượng, trong khi việc đó lại không có ý nghĩa về mặt chuyên môn.
Thay vì có thể nghỉ ngơi giữ sức cho phiên tập tiếp theo, người tập sẽ là người phải thực hiện công việc đó. Điều đó dẫn ra ảnh hưởng xấu đến chất lượng của buổi tập. Để giúp cải thiện vấn đề này, cũng có nhiều phương pháp đơn giản đã được đề xuất như là dùng chổi quét, dùng máy hút bụi hay một loại công cụ thu gom đơn giản (Hình 1.2), và thậm chí thuê người nhặt bóng. Sinh viên thực hiện đã đến sân tập bóng bàn và tiến hành khảo sát về thực trạng hiện nay trong việc thu gom bóng.
Huấn luyện viên và học viên đều thống nhất rằng việc thu gom bóng hiện nay vẫn chưa hiệu quả và còn nhiều hạn chế (sẽ được sinh viên thực hiện phân tích ở đoạn bên dưới). Họ cần một thiết bị có thể tự động thu gom bóng bàn một cách hiệu quả để nâng cao chất lượng buổi tập. Do đó, để đáp ứng nhu cầu thực tiễn này, sinh viên thực hiện đã tiến hành nghiên cứu và phát triển mô hình robot tự động thu gom bóng bàn. GIỚI THIỆU Hình 1.2: Dụng cụ thu gom bóng đơn giản.4 Các phương pháp đơn giản nêu trên theo thời gian đã bộc lộ những mặt hạn chế của nó.
Phương pháp thuê người nhặt bóng hoàn toàn không phải một ý kiến sáng suốt nên được loại đầu tiên. Vì bóng bàn là một môn thể thao phổ thông, không phải môn thể thao dành riêng cho giới quý tộc; hơn nữa công việc nhặt bóng thật sự chưa tới mức thuê người để nhặt. Mặc dù trái bóng bàn nhẹ nên việc dùng chổi quét nghe qua có vẻ khả thi, nhưng bóng nẩy tốt và lăn rất mượt, vì thế việc quét bóng có thể dẫn đến những trái bóng sẽ lăn đi xa, và lộn xộn thêm trong phòng. Khi xem xét phương pháp dùng máy hút để thu gom bóng thì phương pháp này cũng không thật sự hiệu quả.
Tuy rằng trái bóng bàn nhẹ nhưng việc hút rất nhiều trái bóng sẽ là một vấn đề hoàn toàn khác, việc hút có nguy cơ kẹt bóng rất cao và nhiều khi hút cả rác vào máy. Điều quan trọng là khi hút sẽ làm giảm chất lượng trái bóng. Tiếp theo, đối với phương pháp dùng công cụ đơn giản (Hình 1.2) để thu gom bóng, công cụ này được thiết kế với sự kết hợp giữa cây vợt (như vợt bóng bàn nhưng ô lưới sẽ rộng vừa đủ để khi căng lưới bóng có thể lọt qua) và một tấm lưới nhỏ để giữ các trái bóng. Khi sử dụng, người tập chỉ cần đập cây vợt vào trái bóng, bóng sẽ lọt được vào trong và được tấm lưới giữ lại.
Khi bóng trong tấm lưới đã đầy, người tập sẽ lấy những trái bóng bỏ vào rổ bóng. Hạn chế lớn nhất của phương pháp này chính là lúc dùng vợt đập trái bóng, hành động này có thể làm giảm chất lượng trái bóng. Một kết quả có thể đoán trước là chất lượng buổi tập tiếp theo sẽ giảm xuống khi sử 4 Website https://www.com/ping-pong-ball-collectors-pick-balls/. GIỚI THIỆU dụng lại những trái bóng bị hư hại này.
Điểm lợi của các phương pháp kể trên là nhờ vào công cụ hỗ trợ người tập không phải cúi xuống nhặt từng trái bóng (một hành động tốn năng lượng và mệt mỏi). Dù là vậy thì người tập vẫn phải đi nhặt từng trái bóng lộn xộn trên sân, trong khi đó là thời gian mà họ cần được nghỉ ngơi nhất. Để giải quyết các vấn đề nêu trên, phương pháp sử dụng một con robot tự động thu gom tất cả trái bóng rơi trên sàn đã được đề xuất. Với sự tiến bộ của khoa học kỹ thuật, về phần cứng lẫn phần mềm, mà phương pháp này ngày càng tỏ ra hiệu quả và khả thi.
Robot sẽ đi thu gom từng trái bóng thay cho người tập, do đó người tập sẽ có được những khoảng thời gian nghỉ ngơi cần thiết cho chất lượng của buổi tập. Một con robot thu gom bóng bàn ngoài thiết kế phù hợp với sân tập, cơ cấu thu gom bóng hợp lý và hiệu quả, thì chương trình phát hiện, ước tính vị trí trái bóng và điều khiển robot là không thể thiếu. Luận văn này chính là nghiên cứu và phát triển mô hình thị giác và điều khiển cho một con robot (đã được phát triển phần cứng) tiến hành thu gom bóng bàn một cách tự động.4 Nhiệm vụ Robot thu gom bóng bàn mà sinh viên thực hiện nghiên cứu và phát triển sẽ có bốn nhiệm vụ cơ bản sau đây: • Phát hiện được trái bóng. • Ước tính được khoảng cách giữa robot và bóng.
• Điều khiển được robot đến vị trí bóng và thu thập nó. • Phát hiện và tránh các vật cản trên đường di chuyển.5 Phạm vi và mục tiêu Luận văn thiết kế mô hình thị giác và điều khiển cho robot tự động thu gom bóng bàn có mục tiêu là xây dựng và phát triển một mô hình thị giác máy tính và điều khiển robot thu gom bóng bàn một cách tự động. Phần cứng robot dựa trên phần cứng đã được phát triển bởi TickLab 6 CHƯƠNG 1. GIỚI THIỆU dựa trên ý tưởng và kết quả thảo luận với sinh viên thực hiện5.
Trong quá trình phát triển phần cứng, sinh viên thực hiện đã góp phần chỉ ra những mặt hạn chế và hướng giải quyết cho robot. Kích cỡ robot, bộ phận thu gom bóng, cách robot thực hiện các hành động di chuyển (đi lên, đi lùi, rẽ trái, rẽ phải), chọn thiết bị nhúng, cách thức trao đổi giữa phần cứng và phần mềm đã được sinh viên thực hiện thảo luận và thiết kế (sẽ được trình bày chi tiết ở Chương 4). Vì vậy có thể nói rằng, sinh viên thực hiện nắm vững các nguyên lý hoạt động và cấu tạo của phần cứng robot, giúp đạt được sự thống nhất giữa phần cứng và phần mềm để có độ hiệu quả cao. Trong phạm vi luận văn này, sinh viên thực hiện sẽ không giải quyết hết tất cả kịch bản mà robot có thể gặp phải, mà chỉ tập trung giải quyết một vài kịch bản phổ biến trong số chúng.
Như những loại robot thu gom bóng bàn khác, robot cần phải đáp ứng các tiêu chí về hiệu suất nhặt bóng, chi phí thiết kế, và sự phù hợp trong sân tập bóng bàn. Về hiệu suất thu gom bóng, sinh viên thực hiện sẽ nghiên cứu và phát triển một robot thu gom được nhiều trái bóng bàn nhất có thể trong sân tập bóng bàn - đạt được một hiệu suất cao nhất có thể. Robot gồm các cơ chế di chuyển, thu gom bóng trên sân và tránh các vật cản trong phòng tập. Hơn nữa vấn đề về năng lượng cũng sẽ được quan tâm, robot cần được tối ưu về mặt di chuyển để tiết kiệm năng lượng.
Về chi phí thiết kế, bởi vì bóng bàn là một môn thể thao phổ thông nên tổng chi phí thiết kế một con robot không nên quá cao. Với một giá cả hợp lý mới có thể đến tay những người tiêu dùng. Các vấn đề về chi phí nguyên vật liệu để xây dựng robot đã được sinh viên thực hiện cân nhắc kỹ lưỡng. Về sự phù hợp trong sân tập bóng bàn, robot được thiết kế để thu gom bóng bàn trong những phòng tập và không gian kín.
Vì vậy kích thước robot được thiết kế một cách phù hợp để có thể di chuyển thoải mái trên sân tập. Trong sân tập sẽ có những vật cản hiện hữu như chân bàn, chân ghế, cột, và vách tường. Do là không gian tập thể thao nên các đồ vật sẽ được sắp xếp 5 TickLab là một tổ chức sinh viên nghiên cứu khoa học kỹ thuật do nhóm cựu sinh viên trường Đại học Bách Khoa - Đại học Quốc Gia TP.HCM thành lập. GIỚI THIỆU gọn gàng để tạo không gian thoáng.
Sinh viên thực hiện sẽ bỏ qua kịch bản robot phải nhặt bóng trong môi trường có những vật cản đặt lộn xộn trên sân. Đối với những vật cản to lớn khác những cái sinh viên thực hiện đã liệt kê, nếu xuất hiện trong sân tập thì robot cũng sẽ xử lý được. Những vật cản quá thấp (thấp hơn chiều cao của robot) thì sẽ được bỏ qua. Những tình tiết tăng độ khó cao cho robot trong quá trình thu gom bóng như có hố ở giữa sân, những vật thể có kích thước tương đương trái bóng cũng sẽ không được xem xét trong phạm vi luận văn.
Về thời điểm thu gom bóng, robot sẽ chỉ đi thu gom bóng sau khi kết thúc bài tập, điều này có nghĩa là lúc người tập nghỉ ngơi thì robot mới bắt đầu thực hiện công việc thu gom. Vì thế kịch bản có những trái bóng vẫn còn lăn lung tung trên sàn và trường hợp người chơi đang chơi dẫm phải robot sẽ không xảy ra. Trong phạm vi luận văn này, sinh viên thực hiện sẽ chỉ tập trung nghiên cứu và phát triển mô hình thị giác và điều khiển robot tự động thu gom bóng bàn trong những kịch bản và ràng buộc nêu trên.6 Ý nghĩa thực tiễn Luận văn mà sinh viên thực hiện nghiên cứu có ý nghĩa lớn đối với thực tiễn rằng đáp ứng nhu cầu của xã hội, giúp người tập có thời gian nghỉ ngơi và không phải tiêu tốn năng lượng để thu gom những trái bóng. Không những vậy, luận văn còn là nền tảng nghiên cứu, phát triển, và ứng dụng rộng rãi.
Bởi lẽ để giải quyết các vấn đề đặt ra cần có những kiến thức từ tổng quát đến chuyên sâu, đòi hỏi nghiên cứu một cách nghiêm túc và bài bản.