Bối cảnh và vấn đề nghiên cứu

Lý do chọn đề tài và tính cấp thiết

Nghiên cứu và phát triển robot mô phỏng sinh học (biomimetic robot) là hướng đi liên ngành kết hợp giữa sinh học, thủy động lực học, kỹ thuật cơ khí và công nghệ điều khiển tự động. Trong môi trường dưới nước, các phương tiện tự hành truyền thống sử dụng chân vịt thường tạo ra tiếng ồn lớn, hiệu suất năng lượng bị giới hạn ở vận tốc thấp và dễ bị vướng vào rong rêu, rác thải hoặc chướng ngại vật. Ngược lại, cơ chế bơi lội của các loài cá trong tự nhiên đã tiến hóa để đạt hiệu suất thủy động lực học tối ưu, chuyển động uyển chuyển, độ linh hoạt cao và khả năng gây xáo trộn môi trường nước ở mức tối thiểu.

Tại thời điểm thực hiện đề tài (2016), việc khảo sát, kiểm tra và giám sát các công trình ngầm, lòng sông, hồ chứa, kênh rạch và hệ thống dẫn nước tại Việt Nam gặp nhiều khó khăn về mặt trang thiết bị. Đa số các mẫu robot cá trên thế giới (như GhostSwimmer của Hải quân Mỹ, robot Firo của Hàn Quốc, hay robot cá thế hệ thứ 8 của Đại học Essex) đều có chi phí chế tạo lớn và chủ yếu dừng lại ở mức nghiên cứu chuyên sâu trong phòng thí nghiệm. Trong khi đó, các nghiên cứu robot cá trong nước (bắt đầu từ năm 2009) còn bộc lộ hạn chế: chỉ điều khiển thủ công bằng tay, chưa tích hợp các thuật toán tự hành thông minh, cơ cấu khớp chuyển động chưa tối ưu và việc truyền sóng vô tuyến trong môi trường nước bị suy giảm mạnh. Do đó, việc nghiên cứu, thiết kế và chế tạo một mô hình robot cá tự hành có khả năng tự né tránh vật cản, định vị và ứng dụng vẽ biên dạng đáy hồ tĩnh là yêu cầu kỹ thuật có tính cấp thiết và ứng dụng thực tiễn rõ nét.

Mục tiêu và nhiệm vụ nghiên cứu

Mục tiêu cốt lõi của đề tài gồm các nội dung chính:

  1. Làm chủ công nghệ thiết kế và chế tạo mô hình robot cá tự hành mô phỏng sinh học với kết cấu cơ khí 4 khâu, 3 khớp linh hoạt, phù hợp nguyên lý thủy động lực học.
  2. Thiết kế hệ thống phần cứng điều khiển có cấu trúc mở, tích hợp vi điều khiển, mạch nguồn, cơ cấu chấp hành và module truyền thông không dây Bluetooth.
  3. Tích hợp cảm biến khoảng cách hồng ngoại để phát hiện chướng ngại vật và khảo sát độ sâu/khoảng cách đáy hồ trong môi trường nước tĩnh.
  4. Xây dựng giải thuật xử lý ảnh trên phần mềm máy tính (Matlab) thông qua camera quan sát để xác định tọa độ vị trí robot cá, kết hợp dữ liệu cảm biến nhằm tái tạo biên dạng 2D đáy hồ.

Nhiệm vụ nghiên cứu được phân công cụ thể theo các mảng chuyên trách:

  • Nhiệm vụ 1 (Cơ khí & Chống thấm): Thiết kế mô hình 3D trên phần mềm SolidWorks, gia công CNC khung thân, đúc phần đầu cá, chế tạo các khớp truyền động và thực hiện các giải pháp làm kín, chống thấm nước cho động cơ servo và khoang mạch điện.
  • Nhiệm vụ 2 (Phần cứng & Điều khiển): Thiết kế mạch điện tử dựa trên vi điều khiển Arduino Uno R3, tích hợp cụm 3 cảm biến hồng ngoại, lập trình thuật toán điều khiển góc quay động cơ RC servo và thuật toán bơi tự động tránh chướng ngại vật.
  • Nhiệm vụ 3 (Thị giác máy tính & Định vị): Thiết lập hệ thống camera giám sát (3SIXT HD Sport Action), xây dựng thuật toán xử lý ảnh trên Matlab nhằm nhận diện mốc màu đỏ trên lưng robot, tính toán tọa độ trọng tâm và xây dựng giao tiếp truyền dữ liệu qua module Bluetooth HC-05.

Đối tượng và phạm vi nghiên cứu

  • Đối tượng nghiên cứu: Cơ cấu chuyển động phỏng sinh học dạng Carangiform (mô phỏng cá chép); giải thuật điều khiển chuyển động bơi tự động; thuật toán xử lý ảnh nhận diện vị trí và hệ thống định vị - vẽ bản đồ đồng thời (SLAM cơ bản).
  • Phạm vi nghiên cứu:
    • Thử nghiệm thực tế được giới hạn trong môi trường hồ bơi/bể thí nghiệm nước tĩnh, nước trong.
    • Robot hoạt động trên mặt phẳng ngang (chuyển động 2D), chưa tích hợp cơ cấu lặn/nổi chủ động theo trục thẳng đứng.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp

Khung lý thuyết và mô hình phỏng sinh học

Cơ chế bơi của cá được phân chia dựa trên bộ phận tạo ra lực đẩy: chuyển động cơ thể và/hoặc vây đuôi (BCF - Body and/or Caudal Fin) hoặc sử dụng vây ngực/vây phụ (MPF - Median and/or Paired Fin). Trong nhóm BCF, dựa vào tỷ lệ cơ thể tham gia uốn lượn, cá được phân loại thành 4 nhóm chính: Anguilliform, Subcarangiform, Carangiform và Thunniform.

Dạng bơi Đặc điểm chuyển động cơ thể Đại diện tiêu biểu Ưu điểm Nhược điểm
Anguilliform Toàn bộ cơ thể uốn lượn dạng sóng Cá chình, lươn Thích nghi môi trường hẹp Kết cấu cơ khí phức tạp, khó điều khiển
Carangiform Lực đẩy sinh ra từ $1/3$ thân sau và vây đuôi Cá chép, cá thu Hiệu suất cao, tốc độ bơi nhanh, kết cấu cơ khí đơn giản Biên độ uốn ở đầu nhỏ
Ostraciiform Chỉ dao động duy nhất ở vây đuôi Cá nóc Kết cấu cơ khí rất đơn giản Vận tốc và độ linh hoạt thấp

Đề tài chọn dạng bơi Carangiform (mô phỏng cá chép) nhờ sự cân bằng giữa hiệu suất thủy động học và tính khả thi khi mô phỏng bằng hệ cơ khí gồm 4 khâu, 3 khớp.

y_body(x, t) = (c_1 * x + c_2 * x^2) * sin(k * x - ω * t)

Trong đó:

  • $y_{body}(x, t)$ là độ dịch chuyển ngang của thân cá tại tọa độ dọc $x$ và thời điểm $t$.
  • $c_1$ là hệ số tuyến tính của biên độ sóng; $c_2$ là hệ số bậc hai của biên độ sóng.
  • $k = 2\pi / \lambda$ là số sóng ($\lambda$ là bước sóng uốn dọc thân).
  • $\omega = 2\pi f = 2\pi / T$ là tần số góc dao động của cơ thể.

Để hiện thực hóa trên hệ thống cơ điện tử gồm các khớp quay rời rạc, phương trình bơi liên tục Lighthill được nhóm nghiên cứu rời rạc hóa thành chuỗi các góc quay tương ứng của 3 động cơ servo điều khiển 3 khớp thân.

Nguyên lý chuyển hướng của robot cá

Robot cá thực hiện chuyển hướng dựa trên 3 chiến lược bơi:

  • Chế độ A (Vẫy đuôi lệch một phía): Khớp đuôi dao động tuần hoàn lệch góc về phía trái hoặc phải trong khi bơi. Phần đầu và thân trước đóng vai trò như bánh lái định hướng, thân sau và vây đuôi tạo lực đẩy.
  • Chế độ B (Chuyển hướng quán tính/động năng): Robot bơi thẳng để tích lũy vận tốc, sau đó uốn cong đuôi về một bên và giữ nguyên vị trí. Lực cản thủy động không đối xứng làm robot quay đầu với bán kính bẻ cua nhỏ hơn chế độ A.
  • Chế độ C (Chuyển hướng nhanh từ trạng thái dừng): Khi đang đứng yên, robot gập mạnh phần đuôi về một phía rồi trả về với tốc độ phù hợp. Quán tính thân tạo ra mômen xoay tức thời, mang lại bán kính quay nhỏ nhất trong 3 phương pháp.

Phương pháp xử lý ảnh và thị giác máy tính

Để theo dõi và xác định vị trí của robot cá trong hồ, nhóm tác giả xây dựng quy trình xử lý ảnh trên Matlab Image Processing Toolbox:

  1. Thu nhận luồng video thời gian thực từ Camera 3SIXT HD SPORT ACTION đặt cố định phía trên hồ nước.
  2. Trích xuất từng khung hình (frame) theo tốc độ khung hình (FPS) và tách các kênh màu đỏ (R), lục (G), lam (B).
  3. Lấy lớp ma trận màu đỏ từ khung ảnh RGB, thực hiện phép trừ khung ảnh xám từ khung ảnh màu đỏ để làm nổi bật mốc định vị màu đỏ gắn trên lưng robot cá.
  4. Chuyển đổi sang ảnh nhị phân bằng kỹ thuật phân ngưỡng thích hợp (thresholding).
  5. Áp dụng bộ lọc trung bình (average filter) để loại bỏ nhiễu màu và điểm ảnh rác.
  6. Xác định tọa độ trọng tâm $(x, y)$ của vùng ảnh màu đỏ và vẽ vệt chuyển động của robot cá trên hệ tọa độ 2D.

Phương tiện và công cụ nghiên cứu

  • Phần mềm thiết kế và mô phỏng: SolidWorks (thiết kế 3D, kiểm tra va chạm cơ học), Matlab (mô phỏng phương trình động học, xử lý ảnh số và đồ thị hóa dữ liệu).
  • Thiết bị gia công: Máy phay CNC gia công khung thân cơ khí.
  • Thiết bị điện tử và đo đạc: Bo mạch vi điều khiển Arduino Uno R3, máy hiện sóng, bộ nguồn DC, máy tính cá nhân.

Thiết kế và triển khai hệ thống

Thiết kế cơ khí và kết cấu chống thấm

Mô hình robot cá được cấu tạo gồm 4 khâu liên kết qua 3 khớp quay độc lập, mô phỏng cơ chế bơi Carangiform:

  • Đầu cá: Thiết kế dạng khí động học thuôn tròn, đúc nguyên khối để chứa mạch vi điều khiển, mạch giảm áp và cụm cảm biến.
  • Thân và khớp nối: Sử dụng vật liệu nhựa kỹ thuật Polyoxymethylene (POM) có độ bền cơ học cao, chịu mài mòn, hệ số ma sát thấp và không hút ẩm. Các liên kết khớp sử dụng trục dẫn động và trục phụ kèm bạc lót nhằm đảm bảo chuyển động quay trơn tru.
  • Giải pháp chống thấm nước:
    • Vỏ động cơ RC Servo TowerPro MG995 được tháo rời, quét silicon làm kín toàn bộ các mép ghép và mạch điện tử bên trong.
    • Vị trí trục quay đầu ra của động cơ và các trục dẫn động cơ khí được trang bị phớt cao su (O-ring) kết hợp mỡ làm kín chuyên dụng, ngăn nước xâm nhập vào các khoang linh kiện khi vận hành dưới nước.
Bộ phận / Thông số Quy cách / Giá trị thực tế
Vật liệu khung thân Nhựa kỹ thuật POM, composite/nhựa đúc đầu cá
Cơ cấu chuyển động 4 khâu, 3 khớp quay độc lập
Động cơ chấp hành 3 động cơ RC Servo TowerPro MG995 (bánh răng kim loại)
Mômen xoắn động cơ 9,4 kg·cm (tại 4,8V) đến 11 kg·cm (tại 6,0V)
Hình thái mô phỏng Phỏng sinh học cá chép (chiều dài ~50 cm)

Thiết kế hệ thống điều khiển và thu phát tín hiệu

Hệ thống điều khiển trung tâm được xây dựng trên kiến trúc module mở, liên kết giữa các khối chức năng:

[Camera trên cao] ---> (USB) ---> [Máy tính / Matlab (Xử lý ảnh & Định vị)]
                                           |
                                  (Bluetooth HC-05)
                                           v
[Cảm biến Sharp GP2D12 (x3)] ---> [Arduino Uno R3] ---> [3x Servo TowerPro MG995]
                                           ^
                                           |
                              [Pin LiPo 3S 2200mAh + LM2596]
  • Khối xử lý trung tâm: Vi điều khiển Arduino Uno R3 (vi điều khiển ATmega328P, xung nhịp 16 MHz), thực hiện tiếp nhận tín hiệu từ các cảm biến khoảng cách, tính toán góc lái và xuất xung PWM điều khiển trực tiếp 3 động cơ servo.
  • Khối cảm biến khoảng cách: Trang bị 3 cảm biến hồng ngoại Sharp GP2D12 (1 cảm biến hướng thẳng phía trước, 2 cảm biến hướng chéo hai bên thân). Cảm biến hoạt động theo nguyên lý tam giác đạc (triangulation) với dải đo hiệu dụng trong không khí từ 10 cm đến 80 cm.
  • Khối nguồn: Sử dụng khối pin Lithium Polymer (LiPo) 3 cell (11,1V, dung lượng 2200 mAh). Nguồn điện được hạ áp qua module nguồn xung LM2596 cấp điện áp ổn định 5V/3A cho Arduino, các cảm biến và cụm 3 động cơ RC servo.
  • Khối truyền thông: Module thu phát Bluetooth HC-05 thiết lập cổng nối tiếp ảo (Virtual Serial Port) giao tiếp không dây với máy tính theo giao thức UART tốc độ baud 9600 bps.

Nội dung chính theo từng chương

Chương 1: Tổng quan

Chương 1 tổng hợp tình hình nghiên cứu robot cá trên thế giới và tại Việt Nam. Tác giả phân tích các dự án quốc tế điển hình như GhostSwimmer (Mỹ, dài 1,5m, nặng 45kg, phục vụ giám sát đáy biển và thân tàu), robot Firo (Hàn Quốc, 3 bậc tự do), và robot cá thế hệ thứ 8 của Đại học Essex (Anh, năm 2006, dài 50cm, nặng 3kg, trang bị 3 khớp bơi). Đồng thời, chương này chỉ ra các hạn chế của mẫu robot cá Việt Nam năm 2009 (chỉ điều khiển thủ công, hạn chế truyền vô tuyến dưới nước, kết cấu khớp chưa tối ưu), từ đó xác lập tính cấp thiết, mục tiêu, đối tượng, phạm vi và phương pháp nghiên cứu của đề tài.

Chương 2: Cơ sở lý thuyết

Chương 2 trình bày toàn diện cơ sở sinh học và chuyển động học bơi của cá, tập trung vào phân loại bơi BCF/MPF và dạng bơi Carangiform. Tác giả thiết lập phương pháp tính toán lực đẩy theo hai trục tọa độ $x, y$ và triển khai phương trình sóng uốn Lighthill cùng 3 chế độ chuyển hướng (A, B, C). Phần tiếp theo của chương trình bày cơ sở xử lý ảnh số trong Matlab: các mô hình màu (RGB, Grayscale, Binary), cấu trúc tập tin ảnh (IMG, GIF, JPEG), các phép toán số học ma trận ảnh (imabsdiff, imadd, imsubtract, imdivide) và thuật toán phát hiện vị trí mốc màu đỏ. Cuối chương là lý thuyết truyền thông không dây, phân tích đặc tính sóng và cấu hình module Bluetooth HC-05.

Chương 3: Thiết kế và gia công cơ khí robot cá

Chương 3 đi sâu vào quy trình tính toán và chế tạo phần cứng cơ khí:

  • Lựa chọn vật liệu POM cho các khâu chuyển động dựa trên tiêu chí nhẹ, chống ăn mòn và dễ gia công CNC.
  • Tính toán mômen cản thủy động và lựa chọn động cơ RC Servo TowerPro MG995.
  • Thiết kế chi tiết từng cụm cơ khí trên SolidWorks: nắp hộp, nối hộp, thân hộp, thanh truyền trục dẫn động, thanh truyền đỡ, trục phụ và bạc lót.
  • Trình bày quy trình đúc khuôn phần đầu cá và phương pháp dán silicon, bọc phớt chống thấm nước cho động cơ và trục quay.

Chương 4: Thiết kế hệ thống điều khiển

Chương 4 giới thiệu sơ đồ khối phần cứng và nguyên lý hoạt động của các module điện tử:

  • Sơ đồ nguyên lý kết nối vi điều khiển Arduino Uno R3 với 3 cảm biến hồng ngoại GP2D12, 3 động cơ servo và module Bluetooth HC-05.
  • Khảo sát nguyên lý đo khoảng cách quang học của cảm biến GP2D12 và phân tích ảnh hưởng của môi trường nước đến mối quan hệ giữa điện áp đầu ra và khoảng cách đo.
  • Thiết kế mạch phân phối nguồn sử dụng pin LiPo 3 cell 2200 mAh và module biến đổi DC-DC LM2596.
  • Giới thiệu thông số và phương pháp kết nối Camera 3SIXT HD SPORT ACTION với máy tính.

Chương 5: Điều khiển chuyển động robot cá

Chương 5 tập trung vào giải thuật điều khiển và mô phỏng động học:

  • Thiết lập phương trình góc quay của từng khớp chuyển động dựa trên phương trình Lighthill rời rạc hóa.
  • Mô phỏng trên Matlab biên dạng dao động của 3 khớp khi robot thực hiện bơi thẳng, rẽ trái và rẽ phải.
  • Nguyên lý phát xung điều rộng PWM điều khiển góc quay động cơ servo.
  • Xây dựng sơ đồ khối thuật toán bơi tự động: liên tục đọc dữ liệu từ 3 cảm biến hồng ngoại; nếu khoảng cách phía trước an toàn, robot duy trì bơi thẳng; nếu phát hiện chướng ngại vật phía trước hoặc hai bên trong khoảng cách giới hạn, vi điều khiển kích hoạt chế độ chuyển hướng tương ứng để né tránh.

Chương 6: Kết quả và thực nghiệm

Chương 6 công bố toàn bộ dữ liệu đo đạc thực tế:

  • Kết quả khảo sát thực nghiệm đặc tính cảm biến Sharp GP2D12 trong môi trường nước và không khí: đồ thị cho thấy trong môi trường nước, độ khúc xạ và tán xạ ánh sáng hồng ngoại làm điện áp ngõ ra thay đổi so với không khí, đòi hỏi hiệu chỉnh đường đặc tuyến thực nghiệm trên phần mềm.
  • Kết quả mô phỏng động học trên Matlab khớp với quỹ đạo dao động cơ học thực tế của robot cá khi bơi thẳng, rẽ trái và rẽ phải.
  • Kết quả xử lý ảnh từ Camera 3SIXT HD: hệ thống tách thành công điểm mốc màu đỏ trên lưng cá, xuất tọa độ $(x, y, z)$ và vẽ quỹ đạo di chuyển 2D của robot trong hồ thí nghiệm.

Chương 7: Kết luận

Chương 7 tổng kết toàn bộ các kết quả đạt được về mặt khoa học, khả năng ứng dụng thực tế và hiệu quả kinh tế - xã hội của đề tài; đồng thời nêu rõ các hạn chế tồn đọng về phạm vi hoạt động và đề xuất các định hướng nâng cấp hệ thống trong tương lai.

Kết quả và đóng góp

Kết quả kỹ thuật đạt được

Mô hình robot cá tự hành được chế tạo hoàn chỉnh và thử nghiệm thành công trong môi trường hồ nước tĩnh với các thông số vận hành thực tế:

  • Tốc độ bơi tối đa: Đạt $0,2\text{ m/s}$ trong môi trường nước tĩnh, chuyển động uốn lượn nhịp nhàng nhờ kết cấu 4 khâu 3 khớp.
  • Thời gian hoạt động liên tục: Đạt xấp xỉ $3\text{ giờ}$ với khối pin LiPo 3S 2200 mAh.
  • Khả năng làm kín: Hệ thống hộp chứa và các khớp quay được làm kín tốt bằng silicon và phớt chắn nước, không xảy ra rò rỉ làm chập cháy động cơ hay mạch điều khiển trong suốt quá trình thử nghiệm.
  • Tránh vật cản tự động: Cụm 3 cảm biến hồng ngoại GP2D12 sau khi được hiệu chỉnh đặc tính trong nước đã giúp robot phát hiện vật cản ở cự ly an toàn và tự động thực hiện các thuật toán chuyển hướng A, B hoặc C để né tránh.
  • Xác định vị trí và vẽ biên dạng: Camera quan sát kết hợp thuật toán xử lý ảnh trên Matlab nhận diện ổn định mốc màu đỏ trên thân cá, tính toán tọa độ mặt phẳng $(x, y)$ và kết hợp dữ liệu khoảng cách cảm biến để tái tạo thành công đồ thị biên dạng 2D đáy hồ.
Hạng mục kiểm tra Kết quả thực nghiệm trong văn bản
Vận tốc bơi trung bình $0,2\text{ m/s}$
Thời gian vận hành nguồn pin $3\text{ giờ}$ ($2200\text{ mAh}$)
Số khâu / khớp chuyển động 4 khâu / 3 khớp quay
Giao tiếp không dây Module Bluetooth HC-05 kết nối cổng COM ảo với máy tính
Cảm biến chướng ngại vật 3 cảm biến hồng ngoại Sharp GP2D12
Xác định vị trí robot Camera 3SIXT HD SPORT ACTION + Matlab Image Processing

Đóng góp của đề tài

  1. Làm chủ thiết kế phỏng sinh học Carangiform: Hiện thực hóa thành công kết cấu cơ khí 4 khâu 3 khớp mô phỏng dáng bơi cá chép với chi phí chế tạo thấp, sử dụng vật liệu nhựa POM gia công CNC chính xác.
  2. Giải pháp chống thấm cho cơ cấu RC Servo: Đề xuất và kiểm chứng phương pháp làm kín nước cho các động cơ servo tiêu chuẩn và trục truyền động ngập nước, giải quyết được rào cản kỹ thuật phổ biến ở các dòng robot bơi giá rẻ.
  3. Tích hợp hệ thống định vị thị giác ngoài (Overhead Visual Tracking): Kết hợp xử lý ảnh lọc màu đỏ trên nền nước để xác định tọa độ robot mà không cần gắn các module định vị cồng kềnh, phức tạp lên thân cá, hỗ trợ hiệu quả cho bài toán vẽ biên dạng đáy hồ.

Hạn chế và hướng nghiên cứu tiếp

Hạn chế tồn tại

  • Phạm vi môi trường hoạt động: Robot mới chỉ vận hành ổn định trong điều kiện hồ nước phẳng lặng (nước tĩnh), nước trong; chưa hoạt động được trong môi trường dòng chảy xiết, nước đục hoặc có sóng động.
  • Bậc tự do không gian: Robot mới chỉ di chuyển trên mặt phẳng ngang 2D sát mặt nước, chưa có khoang dằn (ballast system) hoặc cánh lặn để thực hiện thao tác lặn sâu và nổi chủ động theo trục $z$.
  • Cảm biến quang học trong nước: Cảm biến hồng ngoại GP2D12 bị ảnh hưởng bởi hiện tượng khúc xạ, phản xạ và hấp thụ ánh sáng trong môi trường nước, làm giảm khoảng cách đo hiệu dụng so với môi trường không khí.
  • Khoảng cách truyền thông: Module Bluetooth HC-05 có cự ly truyền dẫn hạn chế và sóng điện từ tần số cao bị suy hao mạnh khi robot chìm sâu dưới mặt nước.

Hướng phát triển đề xuất

  • Nghiên cứu tích hợp hệ thống khoang dằn khí nén hoặc cơ cấu vây ngực chủ động (MPF) để robot có khả năng lặn - nổi linh hoạt trong không gian 3 chiều ($x, y, z$).
  • Thay thế cảm biến hồng ngoại bằng cụm cảm biến siêu âm dưới nước (Sonar / Echo Sounder) chuyên dụng nhằm nâng cao độ chính xác khi đo độ sâu và vẽ bản đồ đáy hồ trong điều kiện nước đục.
  • Nâng cấp thuật toán định vị và vẽ bản đồ đồng thời (SLAM) hoàn chỉnh, tích hợp bộ lọc Kalman mở rộng (EKF) để kết hợp dữ liệu cảm biến quán tính (IMU) gắn trong thân robot với dữ liệu camera.

Giá trị tham khảo

Báo cáo đồ án tốt nghiệp là tài liệu tham khảo có giá trị kỹ thuật đối với:

  • Sinh viên và học viên ngành Cơ điện tử, Kỹ thuật Robot, Tự động hóa: Học hỏi phương pháp mô hình hóa phương trình động học bơi Lighthill, cách thức rời rạc hóa phương trình sóng để lập trình góc quay cho nhiều động cơ servo đồng bộ.
  • Kỹ sư thiết kế cơ khí và thiết bị dưới nước: Tham khảo các giải pháp kết cấu gia công nhựa POM bằng CNC, kỹ thuật làm kín trục quay, giải pháp chống thấm nước cho động cơ servo thông dụng và thiết kế khoang thiết bị.
  • Người nghiên cứu thị giác máy tính ứng dụng: Tham khảo quy trình tách kênh màu, trừ nền, phân ngưỡng nhị phân và lọc nhiễu trung bình trên Matlab để theo dõi đối tượng di động trong môi trường chất lỏng.

Câu hỏi thường gặp

1. Robot cá trong đồ án được thiết kế theo dạng bơi nào và có bao nhiêu bậc tự do?

Robot cá được thiết kế phỏng sinh học theo dạng bơi Carangiform (mô phỏng loài cá chép), trong đó lực đẩy sinh ra chủ yếu ở $1/3$ phần thân sau và vây đuôi. Cơ cấu chuyển động gồm 4 khâu và 3 khớp quay độc lập được dẫn động bởi 3 động cơ RC Servo TowerPro MG995.

2. Tác giả sử dụng phương trình toán học nào để mô tả chuyển động bơi của robot?

Tác giả sử dụng phương trình sóng cơ thể Lighthill (được đề xuất năm 1960): $y_{body}(x, t) = (c_1 x + c_2 x^2) \sin(kx - \omega t)$, sau đó thực hiện rời rạc hóa phương trình này để tính toán chuỗi góc quay theo thời gian cho 3 động cơ servo ở 3 khớp thân cá.

3. Vận tốc bơi và thời gian hoạt động thực tế của robot cá đạt được là bao nhiêu?

Theo kết quả thử nghiệm thực tế trong môi trường hồ nước tĩnh, robot cá đạt vận tốc bơi trung bình là $0,2\text{ m/s}$ và có khả năng hoạt động liên tục trong khoảng $3\text{ giờ}$ nhờ khối pin LiPo 3 cell dung lượng $2200\text{ mAh}$.

4. Hệ thống định vị vị trí robot cá và vẽ biên dạng đáy hồ được thực hiện như thế nào?

Vị trí của robot được xác định thông qua Camera 3SIXT HD SPORT ACTION đặt cố định phía trên hồ kết hợp thuật toán xử lý ảnh trên phần mềm Matlab. Thuật toán thực hiện tách ma trận màu đỏ của điểm mốc trên lưng cá, trừ ảnh xám, phân ngưỡng nhị phân và lọc nhiễu trung bình để trích xuất tọa độ $(x, y)$. Dữ liệu tọa độ này kết hợp với khoảng cách đo được từ cụm 3 cảm biến hồng ngoại Sharp GP2D12 trên thân cá truyền về qua Bluetooth HC-05 để tái tạo đồ thị biên dạng 2D đáy hồ.

Kết luận

Đồ án tốt nghiệp "Thiết kế và chế tạo robot cá ứng dụng vẽ biên dạng đáy hồ" đã hoàn thành trọn vẹn các mục tiêu thiết kế và chế tạo một hệ thống cơ điện tử phỏng sinh học hoàn chỉnh. Nhóm nghiên cứu đã làm chủ từ khâu thiết kế cơ khí 4 khâu 3 khớp bằng nhựa POM, giải pháp chống thấm nước cho động cơ servo, đến lập trình điều khiển vi điều khiển Arduino và giải thuật xử lý ảnh định vị trên Matlab. Kết quả thực nghiệm chứng minh robot bơi linh hoạt với tốc độ $0,2\text{ m/s}$, tự động tránh vật cản và thu thập dữ liệu vẽ biên dạng đáy hồ tĩnh, tạo nền tảng vững chắc cho các nghiên cứu phát triển thiết bị khảo sát ngầm tự hành trong tương lai.