Bối cảnh và vấn đề nghiên cứu

Trong môn quần vợt chuyên nghiệp và bán chuyên, các trận đấu và buổi tập cường độ cao thường kéo dài tới 3 giờ với thời gian nghỉ ngơi giữa các hiệp ít hơn 10 phút. Đối với người chơi luyện tập cá nhân, máy bắn bóng tennis tự động là công cụ hỗ trợ phổ biến. Một máy bắn bóng tiêu chuẩn trên thị trường có sức chứa trung bình 100 quả bóng với chu kỳ phát từ 2 đến 10 giây mỗi quả, tương ứng với thời gian hoạt động liên tục từ 200 giây đến 1000 giây (tối đa khoảng 16 phút 40 giây). Sau khi máy phát hết bóng, người tập phải mất hơn 5 phút để dùng rổ gom bóng thủ công trên toàn bộ mặt sân. Quá trình này chiếm khoảng 30% tổng thời gian của buổi tập, gây tiêu hao thể lực không cần thiết và làm gián đoạn chu kỳ vận động của vận động viên.

Đề tài "Thiết Kế và Chế Tạo Mô Hình Robot Nhặt Bóng Tennis" được thực hiện tại Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật TP.HCM nhằm giải quyết bài toán tự động hóa việc thu hồi bóng trên sân tập.

Mục tiêu và nhiệm vụ nghiên cứu của đề tài được xác định cụ thể như sau:

  1. Nghiên cứu tổng quan cấu trúc, động học robot tự hành dạng bánh xe và các phương pháp thu gom vật thể thể thao.
  2. Thiết kế và tính toán cơ khí hoàn chỉnh cho mô hình robot, bao gồm khung gầm, cụm dẫn hướng gom bóng, cơ cấu phóng nạp bóng bánh xe quay ép và máng nghiêng dẫn bóng vào thùng chứa.
  3. Xây dựng hệ thống phần cứng điều khiển tích hợp vi xử lý máy tính đơn bo Raspberry Pi 3B+ và 2 vi điều khiển STM32F103C8T6 cùng hệ thống cảm biến nhận diện, đo đạc.
  4. Phát triển thuật toán thị giác máy tính dựa trên phân đoạn không gian màu HSV và trích xuất đặc trưng hình học bằng thư viện OpenCV để nhận dạng và định vị quả bóng tennis.
  5. Thiết lập giải thuật điều khiển bám vị trí, điều khiển vận tốc động cơ sử dụng thuật toán PID và xây dựng ứng dụng điều khiển qua giao tiếp Bluetooth trên điện thoại thông minh.
  6. Chế tạo mô hình thực nghiệm, tiến hành kiểm tra tĩnh, kiểm tra động và đánh giá các chỉ tiêu kỹ thuật thực tế so với mục tiêu ban đầu.

Đối tượng và phạm vi nghiên cứu:

  • Đối tượng nghiên cứu: Cấu trúc cơ điện tử của robot tự hành truyền động vi sai hai bánh chủ động kết hợp hai bánh đa hướng; thuật toán xử lý ảnh số nhận dạng bóng tennis; giải thuật điều khiển động cơ DC có phản hồi encoder và giải thuật điều hướng tránh vật cản.
  • Phạm vi nghiên cứu:
    • Không gian: Hoạt động trên bề mặt phẳng tiêu chuẩn của sân tập tennis.
    • Thời gian và dữ liệu: Nghiên cứu được thực hiện trong học kỳ II năm học 2023 - 2024; thông số thiết kế tham chiếu từ dòng robot thương mại Tennibot kết hợp tính toán giải tích và đo kiểm thực nghiệm.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp

Khung lý thuyết và mô hình toán học áp dụng

Nghiên cứu ứng dụng các nền tảng lý thuyết chuyên ngành Cơ điện tử và Kỹ thuật Điều khiển - Tự động hóa:

  • Lý thuyết động học robot tự hành vi sai: Phân tích hình học chuyển động theo mô hình của Aleksandar Haber để thiết lập phương trình động học thuận và nghịch. Robot sử dụng 2 bánh xe dẫn động độc lập phía trước và 2 bánh xe đa hướng phía sau. Gọi $v_L, v_R$ lần lượt là vận tốc dài tâm bánh xe trái và phải, $s$ là khoảng cách giữa hai bánh xe, $\theta$ là góc hướng thân xe, và $(x, y)$ là tọa độ tâm robot $B$ trong hệ quy chiếu cố định:
    • Phương trình động học thuận: $$\dot{x} = \frac{v_R + v_L}{2} \cos(\theta)$$ $$\dot{y} = \frac{v_R + v_L}{2} \sin(\theta)$$ $$\omega = \frac{v_R - v_L}{s}$$
    • Phương trình động học nghịch phục vụ bám quỹ đạo: $$v_R = \sqrt{\dot{x}^2 + \dot{y}^2} + 0{,}5 \omega s$$ $$v_L = \sqrt{\dot{x}^2 + \dot{y}^2} - 0{,}5 \omega s$$
  • Cơ sở lý thuyết xử lý ảnh số: Sử dụng không gian màu HSV (Hue, Saturation, Value) để phân đoạn đối tượng bóng tennis màu xanh đặc trưng khỏi nền sân; áp dụng bộ lọc nhiễu Gaussian/Median, thuật toán tìm đường biên findContours và bao đóng hình học boundingRect để xác định tọa độ trọng tâm $(x_c, y_c)$ của quả bóng.
  • Lý thuyết điều khiển tự động: Ứng dụng bộ điều khiển PID (Proportional - Integral - Derivative) liên tục và rời rạc; tính toán thông số $K_p, K_i, K_d$ dựa trên phương pháp mô hình nội IMC (Internal Model Control) cho hàm truyền động cơ bậc 1 kết hợp tinh chỉnh thực nghiệm.
  • Giao thức truyền thông nhúng: Tiêu chuẩn USB CDC (Communication Device Class) để truyền dữ liệu tọa độ tốc độ cao giữa Raspberry Pi và STM32; chuẩn UART bất đồng bộ kết nối module Bluetooth HC-05 với vi điều khiển.

Phương pháp nghiên cứu

  • Phương pháp phân tích - tổng hợp tài liệu: Nghiên cứu, so sánh các phương án nhận diện đối tượng (mạng nơ-ron tích chập CNN, cảm biến Lidar, phân đoạn màu HSV) và các cơ cấu thu gom bóng (tay gắp, băng chuyền, lồng quay, bệ phóng máng nghiêng) để lựa chọn cấu hình tối ưu về chi phí và tài nguyên xử lý.
  • Phương pháp tính toán và thiết kế kỹ thuật: Tính toán giải tích cân bằng lực, mô-men xoắn yêu cầu của động cơ dẫn động và động cơ nạp bóng; thiết kế mô hình 3D cơ khí và sơ đồ mạch phần cứng.
  • Phương pháp mô phỏng số: Kiểm nghiệm độ bền cơ khí khung vỏ, mô phỏng động học quỹ đạo chuyển động (quỹ đạo đường chéo, parabol) và mô phỏng hệ thống robot trong môi trường ảo Gazebo.
  • Phương pháp thực nghiệm và đo kiểm: Lắp ráp mô hình vật lý, đo đạc dòng điện tiêu thụ, kiểm tra độ sụt áp ắc quy theo thời gian, đo đạc sai số định vị và hiệu suất thu gom bóng trong các kịch bản thực tế (bóng đơn lẻ, bóng thẳng hàng, bóng chụm cụm).

Nguồn dữ liệu

  • Luồng ảnh số thu thập thời gian thực từ Webcam Genius Facecam 1000X V2.
  • Dữ liệu phản hồi góc quay từ Encoder quang học gắn trên trục động cơ DC.
  • Tín hiệu đo khoảng cách từ cảm biến siêu âm HC-SR04 và tín hiệu phát hiện bóng qua máng từ cảm biến hồng ngoại E18-D80NK.

Thiết kế và triển khai hệ thống cơ điện tử

Thiết kế cơ khí và kết cấu vật lý

Robot được cấu thành từ hệ thống khung nhôm định hình và vỏ bọc bảo vệ:

  • Khung vỏ: Khung chịu lực chính chế tạo từ nhôm định hình kích thước $20 \times 20\text{ mm}$ liên kết bằng các ke góc vuông, mang lại độ cứng vững cao và trọng lượng nhẹ. Vỏ bao che và hộp bảo vệ ắc quy kích thước $300 \times 300 \times 300\text{ mm}$ được gia công từ tấm nhựa mica.
  • Cơ cấu gom và dẫn hướng: Gồm hai tấm mica dẫn hướng bố trí đối xứng phía trước đầu xe tạo thành hai góc hợp lý $80^\circ$ và $20^\circ$, giúp định hướng và gom các quả bóng nằm rải rác vào chính giữa cửa nạp mà không bị kẹt.
  • Cơ cấu nhặt và nạp bóng: Sử dụng 2 động cơ DC gắn hai bánh xe quay ngược chiều nhau đặt song song với mặt đất. Cụm bánh xe có khả năng tùy chỉnh độ cao để điều chỉnh lực nén đàn hồi lên bóng. Khi bóng đi qua họng nạp, lực ma sát từ bánh xe quay tốc độ cao sẽ ép và đẩy quả bóng phóng trượt dọc theo máng nghiêng góc $45^\circ$ rơi vào thùng chứa.
  • Thùng chứa bóng: Đặt tại đỉnh máng nghiêng với kích thước $180 \times 300 \times 385\text{ mm}$ (thể tích lý thuyết $20.790\text{ cm}^3$), cho phép lưu trữ an toàn khoảng 50 quả bóng tennis mà không bị nảy văng ra ngoài.
  • Hệ thống dẫn động: Hai bánh xe chủ động đường kính $145\text{ mm}$ đặt gần vị trí trọng tâm thân xe; hai bánh xe đa hướng bố trí phía sau dưới cụm ắc quy để cân bằng tải và hỗ trợ quay vòng linh hoạt.
+-----------------------------------------------------------------------------------+
|                              KIẾN TRÚC PHẦN CỨNG ROBOT                             |
+-----------------------------------------------------------------------------------+
| [Webcam Genius 1000X] ---> [Raspberry Pi 3B+] --(USB CDC)--> [STM32F103C8T6 (1)]  |
|                                                                    |              |
| [Cảm biến siêu âm HC-SR04] ----------------------------------------+              |
|                                                                    |              |
| [Điện thoại (App)] -----(Bluetooth HC-05)-----> [STM32F103C8T6 (2)] <-------------+
|                                                         |                         |
| [Cảm biến hồng ngoại E18-D80NK] ------------------------+                         |
|                                                         |                         |
|                                                         +---> [Driver BTS7960]    |
|                                                                     |             |
|                                                +--------------------+-------------+
|                                                |                                  |
|                                       [2x Động cơ di chuyển]            [2x Động cơ nhặt bóng]
+-----------------------------------------------------------------------------------+

Thiết kế phần cứng và hệ thống điều khiển

Hệ thống điện tử và điều khiển được phân tầng xử lý:

  • Khối xử lý thị giác (Master): Sử dụng máy tính nhúng Raspberry Pi 3B+ kết nối webcam Genius Facecam 1000X V2, đảm nhiệm việc thu nhận khung hình, chuyển đổi không gian màu, lọc ngưỡng HSV, tìm trọng tâm đối tượng và truyền tọa độ lệch qua cổng USB CDC.
  • Khối vi điều khiển trung tâm (Slave):
    • STM32F103C8T6 thứ nhất (STM32_1): Nhận dữ liệu tọa độ từ Raspberry Pi, đọc tín hiệu từ cảm biến siêu âm HC-SR04 để phát hiện chướng ngại vật và truyền dữ liệu điều hướng sang vi điều khiển thứ hai.
    • STM32F103C8T6 thứ hai (STM32_2): Nhận lệnh điều khiển từ module Bluetooth HC-05 (ở chế độ thủ công) hoặc từ STM32_1 (ở chế độ tự động); đọc xung encoder để thực thi thuật toán PID vận tốc; xuất tín hiệu PWM điều khiển mạch cầu H BTS7960; đồng thời đọc tín hiệu ngắt từ cảm biến hồng ngoại E18-D80NK để đếm số bóng đã nạp thành công.
  • Khối nguồn và mạch công suất: Nguồn cấp chính là ắc quy chì Đồng Nai 12V - 14Ah. Mạch giảm áp Buck DC-DC LM2596 hạ áp từ 12V xuống 5V để cấp nguồn cho Raspberry Pi, các vi điều khiển STM32 và cụm cảm biến. Mạch driver công suất BTS7960 chịu dòng cao cấp nguồn trực tiếp cho các động cơ DC di chuyển và động cơ nạp bóng.
Thiết bị / Linh kiện Chủng loại / Model Chức năng trong hệ thống
Máy tính nhúng Raspberry Pi 3B+ Xử lý ảnh số, nhận dạng bóng tennis, truyền tọa độ qua USB
Camera thu nhận ảnh Genius Facecam 1000X V2 Thu nhận chuỗi khung hình video thời gian thực
Vi điều khiển 1 STM32F103C8T6 Xử lý dữ liệu thị giác từ cổng USB, đọc cảm biến siêu âm
Vi điều khiển 2 STM32F103C8T6 Điều khiển PID động cơ, nhận lệnh Bluetooth, đếm bóng
Mạch điều khiển động cơ Module DC BTS7960 Cầu H công suất điều khiển đảo chiều và tốc độ động cơ DC
Cảm biến vật cản Cảm biến siêu âm HC-SR04 Phát hiện chướng ngại vật phía trước để né tránh
Cảm biến đếm bóng Cảm biến hồng ngoại E18-D80NK Phát hiện bóng đi qua máng nghiêng, tạo tín hiệu ngắt
Module truyền thông Bluetooth HC-05 Giao tiếp UART không dây với ứng dụng trên điện thoại
Mạch nguồn hạ áp Mạch Buck LM2596 Hạ áp từ 12V xuống 5V cung cấp cho mạch số và cảm biến
Nguồn cấp động lực Ắc quy Đồng Nai 12V - 14Ah Cung cấp năng lượng cho toàn bộ hệ thống

Nội dung chính theo từng chương

Chương 1: Giới thiệu

Chương này phân tích tính cấp thiết của việc tự động hóa thu gom bóng tennis xuất phát từ bài toán thực tế của các vận động viên và người chơi khi tập luyện cùng máy bắn bóng. Tác giả chỉ rõ khoảng thời gian lãng phí (~30% buổi tập) dành cho việc gom bóng thủ công bằng rổ và nguy cơ chấn thương do vận động quá tải. Trên cơ sở đó, chương xác lập mục tiêu thiết kế mô hình robot tự hành thu gom bóng giá thành thấp, sử dụng năng lượng ắc quy di động, tích hợp xử lý ảnh nhận dạng bóng tự động và có giao diện điều khiển bán tự động qua điện thoại thông minh.

Chương 2: Cơ sở lý thuyết

Nội dung chương 2 tập trung trình bày các nền tảng lý thuyết cốt lõi được áp dụng trong công trình:

  • Phân loại và cấu trúc robot tự hành bánh xe, giải thích lý do lựa chọn kết cấu 4 bánh (2 bánh dẫn động + 2 bánh đa hướng).
  • Tổng quan về cơ học chuyển động và phương trình động học vi sai.
  • Cơ sở xử lý ảnh số: cấu trúc điểm ảnh (pixel), độ phân giải, không gian màu RGB và HSV, các kỹ thuật lọc nhiễu không gian (Gaussian, Median, Sobel), phép biến đổi hình học, phép biến đổi Hough Circle và kỹ thuật phân đoạn màu (color segmentation).
  • Lý thuyết điều khiển phản hồi PID, phân tích vai trò của các khâu P, I, D và phương pháp xác định tham số theo mô hình nội IMC cho hàm truyền bậc nhất có trễ.
  • Nguyên lý giao tiếp USB CDC, UART, nguyên lý đọc xung góc từ đĩa mã hóa quang học của Encoder hai kênh A-B và tổng quan về ngôn ngữ Python cùng thư viện mã nguồn mở OpenCV.

Chương 3: Tính toán và thiết kế

Chương 3 là phần trọng tâm kỹ thuật của đồ án, bao gồm:

  • Xác lập bảng thông số kỹ thuật đầu vào tham chiếu từ mô hình Tennibot.
  • Thiết lập hệ phương trình động học thuận và nghịch cho hệ thống truyền động vi sai.
  • So sánh, đánh giá các giải pháp nhận dạng bóng (mạng CNN, cảm biến Lidar, phân đoạn màu HSV) và lựa chọn kỹ thuật phân đoạn màu HSV nhằm đảm bảo tính toán thời gian thực trên Raspberry Pi 3B+.
  • Thiết kế cơ khí chi tiết: cơ cấu gom bóng mica góc $80^\circ$ và $20^\circ$, cụm bánh xe nạp bóng quay ép điều chỉnh được độ cao, máng trượt nghiêng $45^\circ$, thùng chứa dung tích $\approx 20.790\text{ cm}^3$, hộp che ắc quy $300 \times 300 \times 300\text{ mm}$ và khung nhôm định hình $20 \times 20\text{ mm}$.
  • Tính toán công suất, chọn động cơ di chuyển dựa trên bài toán động lực học phẳng ($m = 15\text{ kg}$, $a = 0{,}5\text{ m/s}^2$, $v = 0{,}5\text{ m/s}$, hệ số ma sát $\mu = 0{,}2$, đường kính bánh xe $d = 0{,}145\text{ m}$).
  • Thiết kế kiến trúc phần cứng điều khiển phân tầng và lựa chọn các module linh kiện.
  • Xây dựng sơ đồ thuật toán điều khiển tổng quát, thuật toán xử lý ảnh trên Python/OpenCV, thuật toán điều khiển PID vận tốc động cơ trên STM32, thuật toán định vị bám bóng, thuật toán tránh vật cản với cảm biến siêu âm và giao diện ứng dụng điều khiển trên điện thoại Android.
  • Mô phỏng ứng suất bền khung vỏ, mô phỏng động học bám quỹ đạo và mô phỏng hoạt động robot trên nền tảng Gazebo.

Chương 4: Gia công

Trình bày quy trình chế tạo cơ khí và lắp ráp phần cứng thực tế:

  • Chuẩn bị danh mục linh kiện, cắt và lắp ráp khung nhôm định hình, định vị cụm bánh xe dẫn động và bánh xe đa hướng.
  • Gia công cắt mica cho vỏ xe, hộp ắc quy, máng nghiêng và cánh gom dẫn hướng; lắp ráp cụm động cơ phóng bóng lên giá đỡ trượt.
  • Lắp đặt mạch điện, bố trí bảng mạch STM32, Raspberry Pi, driver BTS7960, mạch Buck và đấu nối dây tín hiệu cảm biến.
  • Thực hiện các bước kiểm tra tĩnh (kiểm tra thông mạch, kiểm tra cách điện, kiểm tra mức điện áp cấp cho các khối vi xử lý) và kiểm tra động (kiểm tra hoạt động độc lập của cơ cấu nạp bóng, kiểm tra đáp ứng quay của động cơ dẫn động theo tín hiệu PWM và kiểm tra độ ổn định khung gầm khi chuyển động).

Chương 5: Thử nghiệm và đánh giá

Chương 5 báo cáo kết quả thực nghiệm toàn diện của robot trong điều kiện thực tế:

  • Thử nghiệm chức năng thị giác máy tính: nhận dạng chính xác bóng đơn lẻ, phân biệt bóng khi có nhiều bóng trong khung hình và khả năng lọc bỏ vật thể gây nhiễu có màu sắc tương đồng.
  • Thử nghiệm điều khiển thủ công qua ứng dụng điện thoại kết nối Bluetooth HC-05.
  • Thử nghiệm thu gom bóng tự động trong các tình huống: bóng nằm riêng lẻ, bóng rải rác thẳng hàng và bóng tập trung thành cụm.
  • Đo kiểm thông số vận hành: đo đạc độ ổn định di chuyển, thời gian tiếp cận và nạp bóng thành công, đo đạc mức độ tiêu hao điện áp và dòng điện của bình ắc quy theo thời gian vận hành.
  • So sánh các kết quả đạt được với các tiêu chí thiết kế ban đầu.

Chương 6: Kết luận

Tổng kết các kết quả đạt được về mặt cơ khí, phần cứng điện tử và thuật toán điều khiển; chỉ ra các điểm còn tồn tại của hệ thống và đề xuất phương hướng phát triển, nâng cấp robot trong tương lai.

Kết quả và đóng góp

Kết quả kỹ thuật đạt được

Robot đã được chế tạo hoàn thiện thành mô hình vật lý và vận hành ổn định trên sân phẳng với các thông số kỹ thuật thực nghiệm:

Thông số kỹ thuật Giá trị thiết kế / Đầu vào Giá trị thực nghiệm đạt được
Kích thước tổng thể ($L \times W \times H$) $950 \times 300 \times 200\text{ mm}$ $950 \times 310 \times 230\text{ mm}$
Khối lượng tổng tải $15\text{ kg}$ $15\text{ kg}$
Vận tốc di chuyển định mức $0{,}5\text{ m/s}$ $0{,}5\text{ m/s}$ (đáp ứng ổn định qua điều khiển PID)
Đường kính bánh xe dẫn động $145\text{ mm}$ $145\text{ mm}$
Góc nghiêng máng nạp bóng $45^\circ$ $45^\circ$
Dung tích thùng chứa bóng 30 - 50 quả Đạt sức chứa an toàn khoảng 50 quả bóng tennis
Phương pháp nhận dạng bóng Xử lý ảnh số Phân đoạn màu HSV kết hợp lọc đường biên trên OpenCV
Chế độ vận hành Đa chế độ Tự hành bám bóng và điều khiển thủ công qua Bluetooth
Nguồn năng lượng Ắc quy di động Ắc quy Đồng Nai 12V - 14Ah

Hệ thống thị giác máy tính trên nền tảng Raspberry Pi 3B+ hoạt động tin cậy, phân đoạn màu sắc HSV chính xác và trích xuất tọa độ trọng tâm quả bóng truyền về vi điều khiển qua USB CDC với độ trễ thấp. Cơ cấu bánh xe nạp bóng quay ép kết hợp máng nghiêng $45^\circ$ và cánh gom hướng $80^\circ - 20^\circ$ đảm bảo nạp bóng liên tục vào thùng chứa mà không bị kẹt hay văng ngược ra ngoài.

Kiến nghị và giải pháp tác giả đề xuất

  • Thiết kế cơ cấu giá đỡ động cơ nạp bóng có rãnh trượt điều chỉnh vị trí để dễ dàng thay đổi khe hở ép bóng, thích ứng với độ mòn và áp suất khí của các loại bóng tennis khác nhau.
  • Phân chia kiến trúc điều khiển thành 2 vi điều khiển chuyên biệt (STM32_1 phụ trách giao tiếp/cảm biến, STM32_2 phụ trách điều khiển động cơ/PID) nhằm tối ưu hóa thời gian thực và tránh quá tải ngắt cho chip vi điều khiển.
  • Ứng dụng phương pháp điều khiển PID kết hợp tính toán thông số theo mô hình IMC giúp triệt tiêu sai số xác lập và giảm thiểu hiện tượng vọt lố khi robot thay đổi tốc độ đột ngột.

Đóng góp của đề tài

  • Chế tạo thành công mô hình robot thu gom bóng tennis tự hành hoàn chỉnh với chi phí vật liệu thấp, khả thi cho việc ứng dụng tại các câu lạc bộ thể thao trong nước.
  • Kết hợp giải pháp thị giác máy tính phân đoạn màu HSV tốc độ cao với hệ thống cơ điện tử phân tầng (Raspberry Pi + STM32), giải quyết trọn vẹn chu trình: phát hiện bóng $\rightarrow$ định vị $\rightarrow$ di chuyển tiếp cận $\rightarrow$ nạp bóng vào thùng chứa $\rightarrow$ đếm số lượng $\rightarrow$ tránh vật cản.

Hạn chế và hướng nghiên cứu tiếp

Hạn chế được ghi nhận

  • Thuật toán phân đoạn màu trong không gian HSV còn nhạy cảm với sự thay đổi đột ngột của cường độ ánh sáng môi trường (bóng râm, nắng gắt hoặc đèn chiếu sân ban đêm) và dễ bị nhiễu bởi các vật thể có màu sắc tương đồng trên sân.
  • Khả năng xử lý trong tình huống các quả bóng nằm chụm sát nhau hoặc bị che khuất một phần còn hạn chế.
  • Nguồn cấp sử dụng ắc quy chì 12V - 14Ah có trọng lượng lớn, làm tăng tổng khối lượng quán tính của robot và kéo dài thời gian sạc lại.

Hướng nghiên cứu tiếp

  • Tích hợp mô hình trí tuệ nhân tạo (mạng nơ-ron tích chập CNN hoặc mô hình MobileNet/YOLO) hoặc kết hợp cảm biến quét Lidar 2D/3D nhằm nâng cao độ chính xác nhận diện bóng trong điều kiện ánh sáng phức tạp và nhận dạng vật thể bị che khuất.
  • Nghiên cứu và bổ sung giải thuật quy hoạch quỹ đạo tối ưu (Path Planning như A*, Dijkstra hoặc RRT) để robot có thể tự động tính toán lộ trình gom toàn bộ các quả bóng trên sân trong thời gian ngắn nhất.
  • Nâng cấp hệ thống nguồn năng lượng sang pin Lithium-ion/LiFePO4 có mật độ năng lượng cao, giúp giảm đáng kể khối lượng tổng thể của robot và rút ngắn thời gian sạc pin.

Giá trị tham khảo

Tài liệu đồ án này mang lại giá trị tham khảo thiết thực cho:

  • Sinh viên và giảng viên ngành Công nghệ Kỹ thuật Cơ điện tử, Robot học và Tự động hóa: Cung cấp tài liệu tham khảo chi tiết về quy trình thiết kế tích hợp một hệ thống cơ điện tử hoàn chỉnh từ tính toán động học, mô phỏng cơ khí, thiết kế mạch phần cứng đến lập trình nhúng và thị giác máy tính.
  • Người nghiên cứu các đề tài xe tự hành và robot dịch vụ: Cung cấp mô hình toán học giải tích cho hệ thống truyền động vi sai, phương pháp kết nối truyền thông liên vi xử lý (USB CDC, UART) và giải thuật điều khiển bám đối tượng bằng xử lý ảnh thời gian thực.
  • Các kỹ sư thiết kế cơ cấu máy: Phần tính toán cơ cấu dẫn hướng gom bóng góc $80^\circ - 20^\circ$ và cơ cấu nạp bóng bánh xe quay ép máng nghiêng $45^\circ$ là nguồn tham khảo hữu ích cho các bài toán thu hồi hoặc nạp phôi/vật thể hình cầu.

Câu hỏi thường gặp

1. Tại sao nhóm tác giả lựa chọn phương pháp phân đoạn màu HSV thay vì sử dụng mô hình AI (CNN) hay cảm biến Lidar?

Trong đồ án, nhóm đã phân tích cả 3 phương án: mô hình CNN có độ chính xác cao nhưng đòi hỏi tài nguyên tính toán lớn (GPU) và tập dữ liệu huấn luyện phức tạp; cảm biến Lidar có độ chính xác không gian cao nhưng chi phí phần cứng đắt đỏ và thuật toán phân cụm điểm mây phức tạp. Nhóm quyết định chọn phương pháp phân đoạn màu trong không gian HSV vì bóng tennis có màu xanh nhạt đặc trưng trên nền sân đơn giản, thuật toán thực thi nhẹ nhàng, đảm bảo tốc độ xử lý thời gian thực trên bo mạch nhúng Raspberry Pi 3B+ với chi phí tiết kiệm.

2. Cơ cấu thu nhặt bóng của robot hoạt động theo nguyên lý nào và kích thước thùng chứa được tính toán ra sao?

Cơ cấu thu nhặt bóng hoạt động theo nguyên lý bệ phóng nạp: sử dụng 2 động cơ DC gắn hai bánh xe quay ngược chiều song song với mặt đất để tạo lực nén đàn hồi lên quả bóng, ép bóng trượt dọc theo máng nghiêng $45^\circ$ để bắn vào thùng chứa đặt phía trên. Thùng chứa có kích thước $180 \times 300 \times 385\text{ mm}$ (thể tích $20.790\text{ cm}^3$). Với thể tích hình hộp bao quanh một quả bóng đường kính $6\text{ cm}$ là $216\text{ cm}^3$, thùng có khả năng chứa lý thuyết khoảng 96 quả; nhóm thiết kế tính toán giới hạn an toàn thực tế khoảng 50 quả bóng để tránh hiện tượng bóng nảy văng ra ngoài.

3. Hệ thống phần cứng điều khiển của robot được phân chia cấu trúc như thế nào?

Hệ thống phần cứng được phân tầng chức năng rõ rệt:

  • Raspberry Pi 3B+ kết nối với Webcam Genius Facecam 1000X V2 làm nhiệm vụ thu nhận ảnh, xử lý thuật toán phân đoạn màu HSV và trích xuất tọa độ trọng tâm bóng, sau đó truyền dữ liệu qua giao tiếp USB CDC.
  • Vi điều khiển STM32F103C8T6 thứ nhất (STM32_1) tiếp nhận dữ liệu tọa độ từ cổng USB và xử lý tín hiệu đo khoảng cách từ cảm biến siêu âm HC-SR04 để phát hiện vật cản.
  • Vi điều khiển STM32F103C8T6 thứ hai (STM32_2) nhận lệnh điều khiển từ module Bluetooth HC-05 (khi lái tay) hoặc từ STM32_1 (khi tự hành), thực thi giải thuật PID điều khiển vận tốc 2 động cơ dẫn động qua driver BTS7960, điều khiển 2 động cơ nạp bóng và nhận tín hiệu ngắt từ cảm biến hồng ngoại E18-D80NK để đếm số bóng.

4. Phương trình động học vi sai của robot được thiết lập nhằm mục đích gì?

Phương trình động học vi sai được xây dựng theo phương pháp giải tích hình học để mô tả mối quan hệ giữa vận tốc dài của hai bánh xe dẫn động ($v_L, v_R$) với vận tốc tịnh tiến $(\dot{x}, \dot{y})$ và vận tốc góc quay ($\omega$) của thân xe. Phương trình động học thuận được sử dụng để ước lượng trạng thái di chuyển của robot trong không gian, trong khi phương trình động học nghịch được lập trình trên vi điều khiển nhằm tính toán vận tốc đặt cho từng bánh xe, giúp robot bám chính xác theo góc lệch tọa độ của quả bóng do camera trả về.

5. Khung xe và cụm dẫn động của robot được chế tạo từ những vật liệu và linh kiện gì?

Khung chịu lực chính của robot được xây dựng từ các thanh nhôm định hình kích thước $20 \times 20\text{ mm}$ liên kết bằng ke vuông. Vỏ bọc ngoài và hộp che ắc quy kích thước $300 \times 300 \times 300\text{ mm}$ làm từ tấm nhựa mica nhẹ và có độ bền cao. Hệ thống di chuyển sử dụng 2 bánh xe dẫn động đường kính $145\text{ mm}$ ở phía trước nhận truyền động từ động cơ DC có encoder, kết hợp cùng 2 bánh xe đa hướng phía sau đặt dưới vị trí ắc quy Đồng Nai 12V - 14Ah để cân bằng tải trọng và hỗ trợ chuyển hướng linh hoạt.

Kết luận

Đồ án tốt nghiệp "Thiết Kế và Chế Tạo Mô Hình Robot Nhặt Bóng Tennis" đã nghiên cứu, chế tạo thành công một hệ thống cơ điện tử tự hành hoàn chỉnh phục vụ tự động hóa quá trình thu gom bóng trên sân tập. Bằng việc kết hợp kết cấu cơ khí dẫn hướng - phóng nạp máng nghiêng tối ưu với cấu trúc phần cứng nhúng phân tầng Raspberry Pi và STM32, mô hình đáp ứng tốt khả năng nhận diện bóng bằng thị giác máy tính và bám quỹ đạo ổn định. Công trình là tài liệu tham khảo có giá trị cao trong việc nghiên cứu, phát triển robot dịch vụ thể thao và các hệ thống xe tự hành sử dụng thị giác máy tính.