Bối cảnh và vấn đề nghiên cứu
Quần vợt (tennis) là bộ môn thể thao ngày càng phổ biến, phục vụ nhu cầu rèn luyện thể chất và giải trí cho nhiều tầng lớp người chơi. Tuy nhiên, việc duy trì luyện tập thường đi kèm chi phí thuê sân bãi, huấn luyện viên và nhân viên nhặt bóng theo giờ tương đối tốn kém. Trong quá trình tập luyện đơn lẻ với máy phát bóng tự động hoặc sau các trận đấu, hoạt động thu nhặt bóng thủ công làm phân tán thời gian và tiêu hao đáng kể thể lực của người chơi. Các dụng cụ thu gom bóng truyền thống xuất hiện trên thị trường như máy đẩy cơ học (Playmate ball mower), rổ thu bóng (Ball hopper) hay ống nhặt bóng (Ball tube) đều đòi hỏi thao tác tay và có năng suất giới hạn.
Năm 2017, mẫu robot nhặt bóng thông minh đầu tiên trên thế giới mang tên "Tennibot" được giới thiệu tại Triển lãm Điện tử Tiêu dùng (CES), thu hút hơn 80.000 đơn đặt hàng trước với mức giá thương mại khoảng 950 USD. Dù vậy, việc ứng dụng các dòng robot thương mại nhập khẩu tại Việt Nam gặp nhiều rào cản như giá thành cao, giao diện tiếng nước ngoài khó tiếp cận, sai khác chuẩn điện áp sạc và quy trình bảo trì, sửa chữa phức tạp. Một số công trình nghiên cứu của sinh viên trong nước trước đây đã tiếp cận đề tài này với các cơ cấu như lồng sóc hoặc tay kẹp, song mô hình thường cồng kềnh, sức chứa nhỏ, dễ kẹt bóng và chưa vận hành ổn định trong điều kiện ngoài trời thực tế. Từ thực tiễn đó, đề tài "Nghiên cứu, thiết kế và chế tạo robot nhặt bóng tennis ứng dụng xử lý ảnh" được thực hiện nhằm chế tạo một thiết bị tự hành có chi phí hợp lý, dễ vận hành và thích nghi với điều kiện sân bãi trong nước.
Mục tiêu tổng quát và các nhiệm vụ nghiên cứu cụ thể của đề tài bao gồm:
- Nghiên cứu, thiết kế và chế tạo mô hình robot tự hành thu gom bóng tennis có kết cấu tối giản, hoạt động hoàn toàn không dây.
- Thiết kế hệ thống cơ khí với bộ phận thu gom sử dụng cơ cấu cuốn 2 băng chuyền đối nhau nhằm hạn chế tối đa nguy cơ kẹt bóng; sức chứa rổ bóng đạt từ 16 đến hơn 20 quả.
- Tính toán và lựa chọn động cơ truyền động di chuyển, động cơ cuốn bóng và nguồn pin phù hợp với tải trọng và thời gian vận hành.
- Xây dựng mạch điều khiển phần cứng dựa trên vi điều khiển Arduino Mega và mạch công suất L298; tích hợp máy tính nhúng Raspberry Pi xử lý ảnh và quản lý Web Server.
- Nghiên cứu giải thuật thị giác máy tính nhận dạng bóng tennis trên không gian màu HSV kết hợp các phép toán hình thái học (Erosion, Dilation) và thuật toán bám mục tiêu (Tracking).
- Thiết lập các chế độ vận hành: điều khiển thủ công qua ứng dụng di động (Smartphone App), di chuyển tự động quét sân theo quỹ đạo zigzag định sẵn và tự động tìm kiếm bóng kết hợp tránh vật cản.
- Triển khai máy chủ Web Server nội bộ (Apache) để nhân viên kỹ thuật theo dõi dữ liệu hoạt động và hiệu chỉnh thông số từ xa.
Đối tượng và phạm vi nghiên cứu:
- Đối tượng nghiên cứu: Quả bóng tennis tiêu chuẩn (vỏ nỉ màu vàng xanh, đường kính trung bình 6,55 cm, khối lượng khoảng 56–59,4 g) và robot tự hành 4 bánh tích hợp hệ thống thu gom bóng, cảm biến và camera.
- Phạm vi không gian: Sân tennis bề mặt cứng (sân xi măng/bê tông phẳng) có kích thước tiêu chuẩn thi đấu đôi là 36,57 m × 18,29 m.
- Phạm vi thời gian và môi trường: Robot được thiết kế để vận hành ngoài trời trong điều kiện thời tiết nắng ráo hoặc mưa nhỏ, gió nhẹ, với thời lượng hoạt động liên tục đạt tới 2 giờ cho mỗi lần sạc đầy.
Cơ sở lý thuyết và phương pháp
Cơ sở lý thuyết
Nghiên cứu áp dụng tổng hợp các cơ sở lý thuyết chuyên ngành Cơ điện tử và Kỹ thuật Robot:
- Lý thuyết robot tự hành (Mobile Robot): Phân tích ưu nhược điểm giữa robot di chuyển bằng chân (Legged Robot) và robot di chuyển bằng bánh xe (Wheeled Robot). Đề tài lựa chọn mô hình 4 bánh gồm 2 bánh tự lựa phía trước (chịu tải, cân bằng) và 2 bánh chủ động độc lập phía sau để tối ưu hóa khả năng cân bằng lực trên mặt phẳng.
- Động lực học và ma sát học chuyển động: Ứng dụng mô hình chuyển động song phẳng và định luật ma sát trượt/lăn giữa bánh cao su và mặt sân bê tông (hệ số ma sát $\mu = 0,4$) để tính toán lực kéo, mô-men xoắn và công suất động cơ. Tính toán lực cuốn bóng dựa trên hệ số ma sát giữa bóng nỉ và bề mặt nhôm/băng chuyền ($\mu = 0,7$).
- Thị giác máy tính và xử lý ảnh số:
- Chuyển đổi không gian màu từ RGB sang HSV ($H$ – Sắc độ, $S$ – Độ bão hòa, $V$ – Cường độ sáng) để tách biệt màu vàng xanh đặc trưng của quả bóng khỏi nền sân.
- Các kỹ thuật tiền xử lý làm mịn ảnh (Smoothing) và tăng độ sắc nét (Sharpening) để loại bỏ rung động từ camera.
- Phân ngưỡng nhị phân (Grayscale/Thresholding) và áp dụng các phép toán hình thái học (Morphological Operations): phép co (Erosion) để khử nhiễu/tách rời đối tượng và phép giãn nở (Dilation) để lấp đầy vùng trống (Region fill), từ đó xác định tọa độ tâm và kích thước quả bóng.
- Mô hình máy chủ mạng (Web Server): Ứng dụng phần mềm máy chủ mã nguồn mở Apache HTTP Server cài đặt trực tiếp trên Raspberry Pi, kết hợp bộ ngôn ngữ HTML, CSS, JavaScript và PHP để xây dựng giao diện giám sát máy khách (Client - Server).
Phương pháp nghiên cứu
- Phương pháp phân tích - so sánh: Khảo sát các cơ cấu gắp/nhặt bóng hiện hành (cơ cấu lồng sóc, tay kẹp đứng/ngang, cơ cấu 2 băng chuyền đối nhau) để chọn phương án tối ưu.
- Phương pháp tính toán thiết kế kỹ thuật: Thiết lập công thức giải tích xác định công suất động cơ di chuyển ($P \ge 12\text{ W}$, $T \ge 2000\text{ Nmm}$) và động cơ cuốn bóng ($P \ge 6\text{ W}$, $T \ge 6,08\text{ Nmm}$).
- Phương pháp mô hình hóa 3D: Sử dụng phần mềm thiết kế cơ khí dựng mô hình khung gầm, bố trí rulo dẫn, rulo chủ động, dốc dẫn bóng và rổ chứa trước khi gia công chế tạo.
- Phương pháp thực nghiệm: Chế tạo mô hình thực tế, kiểm tra khả năng cuốn bóng tại chỗ (mô hình tĩnh cuốn thẳng, nghiêng 45° trái, nghiêng 45° phải) và kiểm tra khả năng di chuyển động cuốn 8 bóng theo đường zigzag trên sân.
Nguồn dữ liệu
Dữ liệu sử dụng trong nghiên cứu gồm thông số kỹ thuật tiêu chuẩn của Liên đoàn Quần vợt (kích thước sân, đường kính và trọng lượng bóng), hình ảnh luồng trực tiếp từ camera thu nhận trên sân, dữ liệu phản hồi từ encoder động cơ 2 kênh A/B (13 xung) và cảm biến khoảng cách.
Thiết kế và triển khai
Bố trí kết cấu cơ khí và thông số kỹ thuật
Robot được cấu thành từ khung đế kim loại bằng nhôm tấm 6061 dày 3 mm, kết hợp các bu-lông trụ 10 mm gia cố giữa mặt đế và tầng trên để tăng độ cứng vững và chịu tải cho phần nắp chứa mạch điện, pin LiPo.
| Hạng mục / Bộ phận |
Thông số kỹ thuật thiết kế |
| Kích thước bao thể |
Dài 715,91 mm × Rộng 489,63 mm × Cao 200,20 mm |
| Kích thước mặt đế (Nhôm 6061) |
Dài 680 mm × Rộng 490 mm × Dày 3 mm |
| Tổng khối lượng robot |
9,83 kg (kế hoạch dự kiến < 12 kg) |
| Cặp bánh xe trước (Bánh tự lựa) |
Đường kính 18 mm, cao 21 mm, tải trọng 20 kg/bánh, chất liệu sắt và bi thép |
| Cặp bánh xe sau (Bánh chủ động) |
Hợp kim nhôm đúc có rãnh lắp vỏ cao su, đường kính 100 mm, bề rộng 35 mm, tải trọng 50 kg/bánh, khối lượng 180 g |
| Động cơ di chuyển (2 động cơ) |
Động cơ DC giảm tốc servo DCM50-775 (12 VDC, 80 rpm, mô-men 25 kg.cm / 2500 Nmm, công suất tối đa 30 W, tỉ số truyền 55:1, Encoder 13 xung) |
| Động cơ cuốn bóng (2 động cơ) |
Động cơ DC giảm tốc (12 VDC, 366 rpm, mô-men xoắn 3 kg.cm, công suất tối đa 9 W) |
| Cơ cấu cuốn bóng |
2 băng chuyền cuốn rulo đối diện chạy ngược chiều nhau, dốc dẫn bóng lên rổ |
| Phạm vi cuốn bóng |
Chiều rộng vệt cuốn 400–500 mm |
| Dung lượng rổ chứa |
Chứa tối đa 16–20 quả bóng |
| Tốc độ di chuyển thiết kế |
0,3 m/s |
| Thời gian vận hành tối đa |
2 giờ liên tục |
[CAMERA / CẢM BIẾN]
[RASPBERRY PI]
(Xử lý ảnh HSV, Tracking, Web Server Apache)
(Giao tiếp UART / Dữ liệu điều khiển)
[ARDUINO MEGA 2560]
(Thuật toán điều khiển lõi)
[MODULE CÔNG SUẤT L298]
[ĐỘNG CƠ TRÁI] [ĐỘNG CƠ PHẢI] [RULO CUỐN A] [RULO CUỐN B]
(DCM50-775 12V) (DCM50-775 12V) (DC Giảm tốc 12V) (DC Giảm tốc 12V)
Kiến trúc điều khiển và thuật toán
Hệ thống điều khiển phân tầng gồm hai khối xử lý chính:
- Khối máy tính nhúng (Raspberry Pi): Chịu trách nhiệm giao tiếp Camera, thu nhận khung hình và thực hiện thuật toán xử lý ảnh HSV, lọc nhiễu Smoothing/Sharpening, phân ngưỡng và biến đổi hình thái học (Erosion, Dilation) để tìm tọa độ $(x, y)$ của bóng. Đồng thời, Raspberry Pi đóng vai trò Web Server (chạy Apache, PHP, JavaScript) hiển thị giao diện giám sát thông số vận hành và nhận tín hiệu điều khiển từ xa qua mạng không dây.
- Khối vi điều khiển trung tâm (Arduino Mega): Tiếp nhận dữ liệu tọa độ hoặc lệnh điều hướng từ Raspberry Pi / App di động, phát xung PWM qua mạch cầu H công suất L298 để điều khiển tốc độ và chiều quay của 2 động cơ di chuyển DCM50-775 (có phản hồi Encoder) và 2 động cơ rulo cuốn bóng.
Robot hỗ trợ 3 chế độ hoạt động:
- Chế độ điều khiển bằng tay (Manual Mode): Người dùng điều hướng robot di chuyển tới/lui, rẽ trái/phải và bật/tắt rulo cuốn bóng thông qua ứng dụng trên điện thoại thông minh kết nối không dây.
- Chế độ quét sân định sẵn (Predefined Trajectory): Robot tự hành di chuyển quét dọc sân tennis tiêu chuẩn ($36,57\text{ m} \times 18,29\text{ m}$) theo 36 lượt chạy song song (vệt rộng $0,5\text{ m}$), tổng hành trình $1316,52\text{ m}$ trong thời gian khoảng 1 giờ 15 phút ($4500\text{ s}$) với vận tốc ổn định $0,3\text{ m/s}$.
- Chế độ tự động bám bóng (Auto Tracking Mode): Camera quét tìm kiếm bóng, thuật toán tính toán độ lệch tâm của bóng so với trục giữa khung hình để ra lệnh cho động cơ bánh xe bẻ lái hướng tới bóng; khi bóng đi vào họng hút, hệ thống rulo lập tức cuốn bóng lên rổ chứa với thời gian thu hồi dưới 5 giây mỗi bóng.
Nội dung chính theo từng chương
Chương 1: Tổng quan ý tưởng
Chương này trình bày bối cảnh ra đời của đề tài dựa trên nhu cầu thực tế của người chơi tennis nhằm giảm thiểu chi phí thuê nhân lực nhặt bóng và tối ưu hóa thời gian tập luyện. Tác giả phân tích các công cụ hỗ trợ truyền thống (Playmate ball mower, Ball hopper, Ball tube) và robot thương mại Tennibot (CES 2017). Trên cơ sở chỉ ra các mặt hạn chế của sản phẩm nhập khẩu và các mô hình sinh viên trước đây tại Việt Nam, chương 1 xác định rõ mục tiêu, yêu cầu kỹ thuật và phạm vi thực hiện của đề tài.
Chương 2: Cơ sở lý thuyết
Nội dung chương 2 tập trung hệ thống hóa các kiến thức nền tảng:
- Tổng quan về robot tự hành, phân tích ưu nhược điểm giữa cơ cấu di chuyển bằng chân và bánh xe; giải thích lý do lựa chọn cấu trúc 4 bánh (2 bánh lái tự lựa phía trước, 2 bánh truyền động độc lập phía sau).
- Phân tích thông số kỹ thuật tiêu chuẩn của bóng tennis ($D = 65,5\text{ mm}$, $M \approx 60\text{ g}$) và kích thước sân tennis tiêu chuẩn ($36,57\text{ m} \times 18,29\text{ m}$). Tính toán phương án di chuyển quét sân 36 lượt với tốc độ $0,3\text{ m/s}$.
- Lý thuyết xử lý ảnh: Phân tích ưu thế của không gian màu HSV so với RGB trong nhận dạng vật thể theo màu sắc; quy trình 4 bước xử lý ảnh gồm lọc nhiễu Smoothing/Sharpening, chuyển đổi sang HSV, phân ngưỡng nhị phân kèm phép toán co (Erosion) - giãn (Dilation) và xác định tọa độ vật thể.
- Nguyên lý hoạt động của Web Server, đánh giá ưu nhược điểm của phần mềm máy chủ Apache và vai trò của các ngôn ngữ HTML, CSS, JavaScript, PHP trên nền tảng Raspberry Pi.
Chương 3: Thiết kế cơ khí
Chương 3 trình bày chi tiết quá trình thiết kế và tính toán cơ học:
- Đưa ra bảng dữ liệu đầu vào (khối lượng < 12 kg, vận tốc 0,3 m/s, thời gian chạy 2h, sức chứa 16 bóng).
- Phân tích và so sánh 3 phương án cơ cấu nhặt bóng: cơ cấu lồng sóc, cơ cấu tay kẹp ngang - dọc và cơ cấu 2 băng chuyền cuốn đối nhau; lựa chọn cơ cấu 2 băng chuyền cuốn rulo nhờ ưu điểm cuốn nhanh, phạm vi gom rộng và không bị kẹt bóng.
- Bản vẽ thiết kế chi tiết 3D và 2D các cụm: khối rulo động, khối rulo dẫn, tấm đế nhôm 6061 (dài 680 mm, rộng 490 mm, dày 3 mm) và hệ thống bánh xe.
- Tính toán công suất động cơ di chuyển: Xác định lực cản ma sát $F_{ms} = 40\text{ N}$ (với $m = 10\text{ kg}$, $\mu = 0,4$), mô-men xoắn cần thiết $T_{dc} = 2000\text{ Nmm}$, công suất cần thiết $P_{ct} = 12\text{ W}$, từ đó chọn 2 động cơ DC giảm tốc DCM50-775 (12 VDC, 80 rpm, mô-men xoắn 2500 Nmm, công suất cực đại 30 W, Encoder 13 xung).
- Tính toán công suất động cơ cuốn bóng: Xác định lực kéo thắng tải trọng 3 quả bóng, 6 trục rulo và lực ma sát ($F_{ms}$ với $\mu = 0,7$), tính toán mô-men $T_{dc} = 6,08\text{ Nmm}$, công suất cần thiết $P_{ct} = 6\text{ W}$ (tại vận tốc cuốn $0,5\text{ m/s}$), từ đó chọn động cơ DC giảm tốc 12 VDC, 366 rpm, mô-men xoắn 3 kg.cm, công suất 9 W.
Chương 4: Mạch điện và chương trình điều khiển
Chương 4 mô tả thiết kế hệ thống điện và giải thuật điều khiển:
- Sơ đồ nguyên lý mạch điều khiển trung tâm sử dụng Arduino Mega 2560 và mạch công suất cầu H L298 điều khiển động cơ.
- Xây dựng các lưu đồ thuật toán: lưu đồ tổng quan hoạt động của robot, lưu đồ điều khiển cuốn bóng, lưu đồ điều chỉnh tốc độ theo giá trị đặt trước, lưu đồ điều khiển động cơ rẽ hướng và lưu đồ di chuyển quét sân.
- Giải thuật xử lý ảnh tracking bóng trên Raspberry Pi: quy trình chụp ảnh, xử lý không gian màu HSV, tách nền, tìm đường bao và tính toán tọa độ tâm bóng để phản hồi góc lái.
- Thiết kế giao diện ứng dụng điều khiển trên Smartphone (giao diện kết nối, giao diện điều khiển thủ công và giao diện thiết lập chế độ tự động) cùng giao diện Web Server giám sát dữ liệu vận hành.
Chương 5: Kết quả phân tích thực nghiệm
Chương 5 công bố các kết quả kiểm nghiệm trên mô hình thực tế:
- Tổng hợp bảng thông số kỹ thuật thực tế sau khi chế tạo (khối lượng đạt 9,83 kg, kích thước $715,91 \times 489,63 \times 200,2\text{ mm}$).
- Kết quả thực nghiệm mô hình tĩnh cuốn bóng: kiểm tra cuốn bóng theo phương thẳng đứng, kiểm tra cuốn bóng nghiêng góc 45° sang phải và kiểm tra cuốn bóng nghiêng góc 45° sang trái.
- Kết quả thực nghiệm mô hình động: kiểm tra robot chạy thẳng và thu gom thành công 8 quả bóng bố trí theo sơ đồ zigzag trên mặt sàn.
- Kiểm chứng khả năng nhận diện đối tượng của camera và khả năng tương tác điều khiển thông qua ứng dụng di động và giao diện giám sát web.
Chương 6: Kết luận và hướng phát triển
Chương cuối tóm tắt mức độ hoàn thành so với các mục tiêu đề ra ban đầu, đánh giá tính ổn định của hệ thống cơ khí, mạch điện và giải thuật xử lý ảnh; đồng thời chỉ ra các hạn chế tồn đọng và đề xuất các phương hướng nghiên cứu nâng cấp tiếp theo.
Kết quả và đóng góp
Kết quả kỹ thuật đạt được
Mô hình robot nhặt bóng tennis đã được chế tạo hoàn chỉnh và vận hành thực nghiệm với các chỉ số kỹ thuật cụ thể:
| Tiêu chí đánh giá |
Kết quả tính toán / Mục tiêu |
Kết quả thực nghiệm thực tế |
| Tổng khối lượng |
Dự kiến < 12,00 kg |
9,83 kg |
| Kích thước bao |
$715,91 \times 489,63 \times 200,20\text{ mm}$ |
Đúng theo bản vẽ thiết kế chế tạo |
| Tốc độ di chuyển |
0,30 m/s |
Ổn định ở mức 0,30 m/s trên sân phẳng |
| Thời gian thu hồi 1 bóng |
Dưới 5 giây |
< 5 giây khi bóng vào vùng nhận diện |
| Sức chứa rổ bóng |
16–20 quả |
Chứa tối đa 16 quả bóng ổn định |
| Khả năng cuốn bóng tĩnh |
Đạt ở các góc lệch |
Cuốn thành công bóng thẳng và bóng nghiêng ±45° |
| Khả năng cuốn bóng động |
Thu gom liên tục |
Cuốn thành công chuỗi 8 quả bóng zigzag |
| Tầm quan sát & Xử lý ảnh |
Nhận diện màu vàng xanh |
Tách nền HSV và bám bóng chính xác |
| Giao diện điều khiển |
App di động & Web Server |
Điều khiển thời gian thực và giám sát qua Apache |
Giải pháp và kiến nghị đề xuất từ tác giả
- Ứng dụng cơ cấu cuốn bóng 2 băng chuyền đối nhau kết hợp rulo quay ngược chiều giúp tạo lực hút bóng liên tục, loại bỏ hoàn toàn hiện tượng kẹt bóng thường gặp ở các cơ cấu lồng sóc truyền thống.
- Sử dụng tấm đế hợp kim nhôm 6061 dày 3 mm kết hợp gá đỡ động cơ chữ L nguyên khối dày 10 mm tạo độ cứng vững cao và đảm bảo tính đồng tâm tuyệt đối cho trục rulo.
- Tích hợp bộ giải thuật xử lý ảnh chuyển đổi HSV kết hợp lọc hình thái học (Erosion - Dilation) giúp hệ thống nhận diện ổn định màu bóng tennis ngoài trời mà không bị ảnh hưởng quá mức bởi nhiễu nền sân.
- Phân chia nhiệm vụ phần cứng tối ưu: Raspberry Pi chuyên trách xử lý ảnh nặng và Web Server, trong khi Arduino Mega đảm nhiệm điều khiển thời gian thực và đọc xung Encoder.
Đóng góp của đề tài
- Chế tạo thành công một mẫu robot tự hành nhặt bóng tennis hoàn chỉnh "Made in Vietnam" với chi phí linh kiện thấp, cấu trúc module hóa dễ tháo lắp và sửa chữa thay thế.
- Đề xuất và kiểm chứng thực nghiệm thành công phương án tính toán động lực học di chuyển và cơ cấu cuốn bóng 2 rulo đối xứng cho thiết bị thể thao tự hành.
- Xây dựng hoàn chỉnh hệ thống điều khiển đa phương thức (App di động + Web Server giám sát kỹ thuật + Tự động bám bóng bằng xử lý ảnh).
Hạn chế và hướng nghiên cứu tiếp
Hạn chế của công trình
- Phạm vi mặt sân: Robot mới chỉ được tính toán, thiết kế và thử nghiệm trên bề mặt sân cứng (xi măng/bê tông phẳng); chưa thể di chuyển và làm việc hiệu quả trên sân đất nện (bụi đỏ, ma sát thay đổi) hoặc sân cỏ (bề mặt mấp mô, lực cản lăn lớn).
- Điều kiện môi trường: Giải pháp xử lý ảnh dựa trên ngưỡng màu HSV truyền thống vẫn có thể bị suy giảm độ chính xác nếu cường độ ánh sáng mặt trời thay đổi quá gắt hoặc trong điều kiện bóng râm loang lổ. Robot chỉ giới hạn hoạt động trong điều kiện trời nắng ráo hoặc mưa nhẹ, gió vừa phải.
- Năng lực máy chủ Web: Máy chủ Apache cài đặt trên Raspberry Pi chỉ phục vụ tốt nhu cầu truy vấn dữ liệu đơn lẻ nội bộ, chưa đáp ứng được kịch bản quản lý nhiều người dùng truy cập đồng thời với lưu lượng lớn.
- Sức chứa rổ: Giới hạn chứa 16 bóng phù hợp cho các buổi tập cá nhân ngắn nhưng cần mở rộng thêm nếu phục vụ các buổi tập cường độ cao với máy phát bóng liên tục.
Hướng nghiên cứu tiếp
- Nghiên cứu cải tiến hệ thống treo và kết cấu bánh xe địa hình để robot có thể vận hành trên sân đất nện và sân cỏ.
- Phát triển và tích hợp các mô hình mạng nơ-ron học sâu (Deep Learning / AI) để nhận dạng bóng chính xác trong mọi điều kiện ánh sáng phức tạp và bóng đổ.
- Tối ưu hóa kích thước rổ chứa bóng và nghiên cứu cơ cấu tự động nâng/đổ bóng ngược trở lại vào máy phát bóng tennis.
- Nâng cấp dung lượng pin, tối ưu hóa thuật toán định vị toàn cầu vi sai (RTK-GPS) hoặc SLAM laser để robot lập bản đồ quét sân tự động hoàn toàn mà không cần lập trình lộ trình cố định.
Giá trị tham khảo
Báo cáo đồ án tốt nghiệp là tài liệu tham khảo có giá trị cao cho sinh viên, học viên và kỹ sư thuộc các chuyên ngành:
- Công nghệ Kỹ thuật Cơ Điện tử & Kỹ thuật Robot: Cung cấp phương pháp luận đầy đủ từ việc lập bài toán động lực học, tính chọn công suất động cơ di chuyển ($P_{ct} = 12\text{ W}$), động cơ rulo ($P_{ct} = 6\text{ W}$) đến thiết kế bản vẽ cơ khí 2D/3D chi tiết của khung đế nhôm 6061 và cụm rulo dẫn động.
- Kỹ thuật Điều khiển & Tự động hóa: Tham khảo sơ đồ nguyên lý mạch công suất điều khiển cầu H L298, phương pháp đọc xung encoder 2 kênh A/B và hệ thống các lưu đồ thuật toán điều khiển di chuyển, quét sân tự động.
- Thị giác Máy tính & Hệ thống Nhúng: Cung cấp quy trình 4 bước xử lý ảnh thực tế trên Raspberry Pi (lọc nhiễu Smoothing/Sharpening, chuyển đổi HSV, phân ngưỡng, phép toán hình thái học Erosion/Dilation) để bám bắt mục tiêu di động.
- Các nhóm phát triển thiết bị dịch vụ thể thao: Tham khảo nguyên lý cuốn bóng 2 băng chuyền đối nhau tốc độ cao và kiến trúc điều khiển đa nền tảng (App di động kết hợp Web Server Apache).
Câu hỏi thường gặp
1. Tại sao nhóm tác giả lựa chọn cơ cấu cuốn bóng 2 băng chuyền đối nhau thay vì cơ cấu lồng sóc hay tay kẹp?
Trong chương 3, nhóm tác giả đã phân tích và so sánh 3 phương án cơ cấu:
- Cơ cấu lồng sóc: Lấy bóng nhanh nhưng dễ xảy ra tình trạng bóng bị kẹt giữa mặt đất và lưỡi gạt, đồng thời phạm vi lấy bóng bị giới hạn nghiêm ngặt bởi kích thước thân xe.
- Cơ cấu tay kẹp (đứng/ngang): Định vị gắp bóng chính xác và tầm với xa nhưng tốc độ nhặt rất chậm, chỉ lấy được từng quả đơn lẻ, cơ cấu chuyển bóng vào rổ phức tạp và khó thương mại hóa.
- Cơ cấu 2 băng chuyền đối nhau (tương tự Tennibot): Sử dụng 2 rulo quay ngược chiều tạo lực cuốn bóng lên dốc với tốc độ cao, không gây kẹt bóng, phạm vi thu gom rộng (40–50 cm) và dễ dàng tích hợp rổ đựng phía sau. Do đó, đây là phương án tối ưu nhất.
2. Quá trình tính toán động cơ di chuyển của robot được thực hiện dựa trên các thông số nào?
Quá trình tính toán dựa trên các giả thiết kỹ thuật: tổng khối lượng robot $m = 10\text{ kg}$, vận tốc di chuyển mong muốn $v = 0,3\text{ m/s}$, hệ số ma sát giữa bánh cao su và mặt sân bê tông $\mu = 0,4$.
- Lực kéo yêu cầu: $F \ge F_{ms} = \mu \cdot N = 0,4 \cdot (10 \cdot 10) = 40\text{ N}$.
- Mô-men xoắn cần thiết trên trục bánh xe ($R = 50\text{ mm}$): $T_{dc} = F_{ms} \cdot R = 40 \cdot 50 = 2000\text{ Nmm}$ ($20\text{ kg}\cdot\text{cm}$).
- Công suất cần thiết: $P_{ct} = F \cdot v = 40 \cdot 0,3 = 12\text{ W}$.
Từ đó, nhóm lựa chọn 2 động cơ DC giảm tốc servo DCM50-775 (12 VDC, 80 rpm, mô-men xoắn định mức 25 kg.cm / 2500 Nmm, công suất tối đa 30 W, tích hợp sẵn Encoder 13 xung).
3. Quy trình xử lý ảnh để nhận diện bóng tennis trên robot bao gồm các bước cụ thể nào?
Quy trình nhận dạng quả bóng từ luồng hình ảnh của camera gồm 4 bước:
- Bước 1 (Lọc nhiễu): Áp dụng thuật toán làm mịn (Smoothing) để triệt tiêu các điểm ảnh bất thường do rung lắc và thuật toán làm nét (Sharpening) để làm nổi bật biên dạng vật thể.
- Bước 2 (Chuyển đổi không gian màu): Chuyển đổi ảnh gốc từ hệ màu RGB sang hệ màu HSV ($H, S, V$) nhằm nhận diện màu vàng xanh đặc trưng của bóng độc lập với cường độ sáng.
- Bước 3 (Phân ngưỡng và xử lý hình thái): Chuyển sang ảnh mức xám (Grayscale) theo ngưỡng nhị phân $T$ ($f(i, j) = 255$ nếu thuộc khoảng màu bóng, ngược lại bằng 0). Sử dụng phép co (Erosion) để khử nhiễu hạt và phép giãn nở (Dilation) để lấp đầy vùng trống (Region fill), tăng kích thước vùng ảnh mục tiêu.
- Bước 4 (Định vị): Tìm đường bao đối tượng và tính toán tọa độ tâm quả bóng trên ma trận pixel để điều hướng robot bám theo.
4. Phương án di chuyển quét toàn bộ sân tennis tiêu chuẩn được tính toán như thế nào?
Sân tennis tiêu chuẩn thi đấu đôi có chiều dài $36,57\text{ m}$ và chiều rộng $18,29\text{ m}$. Với độ rộng phạm vi thu gom của robot là $0,5\text{ m}$:
- Số lượt chạy dọc sân cần thiết: $18,29 / 0,5 \approx 36\text{ lượt}$.
- Tổng quãng đường di chuyển: $36 \times 36,57\text{ m} = 1316,52\text{ m}$.
- Thời gian quét mong muốn: 1 giờ 15 phút ($4500\text{ giây}$).
- Tốc độ di chuyển tính toán cần duy trì: $v = 1316,52 / 4500 \approx 0,3\text{ m/s}$.
Kết luận
Đồ án tốt nghiệp đã nghiên cứu, thiết kế và chế tạo thành công mô hình robot tự hành nhặt bóng tennis ứng dụng công nghệ xử lý ảnh với tổng khối lượng 9,83 kg và sức chứa 16 bóng. Thiết bị tích hợp hiệu quả cơ cấu thu gom 2 băng chuyền đối chiều chống kẹt bóng, hệ thống truyền động vi sai 4 bánh điều khiển bởi Arduino Mega và máy tính nhúng Raspberry Pi xử lý ảnh HSV thời gian thực. Kết quả thử nghiệm khẳng định robot vận hành ổn định trên sân cứng ở vận tốc 0,3 m/s, hoàn thành tốt các bài kiểm tra cuốn bóng tĩnh và cuốn chuỗi 8 bóng zigzag, đáp ứng đầy đủ các yêu cầu kỹ thuật đề ra cho một thiết bị hỗ trợ thể thao tự động.
