Tổng quan nghiên cứu

Trong bối cảnh phát triển mạnh mẽ của khoa học kỹ thuật và tự động hóa, việc ứng dụng robot thám hiểm trong các môi trường nguy hiểm ngày càng trở nên cấp thiết. Theo ước tính, hàng năm tại Việt Nam xảy ra nhiều vụ tai nạn như sập hầm mỏ, cháy nhà, cháy chung cư gây thiệt hại lớn về người và tài sản. Việc sử dụng robot thám hiểm điều khiển từ xa giúp giảm thiểu rủi ro cho con người trong các tình huống nguy hiểm, đồng thời nâng cao hiệu quả công tác cứu hộ và khảo sát địa hình. Mục tiêu của luận văn là thiết kế và thi công mô hình xe thám hiểm sử dụng Raspberry Pi 3, điều khiển từ xa qua mạng Internet, có khả năng thu hình ảnh trực tiếp và vận chuyển mẫu thí nghiệm mà không cần sự tham gia trực tiếp của con người. Nghiên cứu tập trung trong phạm vi thiết kế mô hình xe robot chạy trên địa hình bằng phẳng, sử dụng các linh kiện như động cơ giảm tốc V1, module điều khiển L298N, camera Raspberry Pi và pin dự phòng. Ý nghĩa của đề tài thể hiện qua việc phục vụ đào tạo lập trình, giao tiếp vi điều khiển với thiết bị ngoại vi, đồng thời góp phần phát triển công nghệ robot thám hiểm ứng dụng trong an ninh, quốc phòng và cứu hộ.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Khung lý thuyết áp dụng

Luận văn dựa trên các lý thuyết và mô hình sau:

  • Lý thuyết truyền thông không dây: Bao gồm các chuẩn kết nối như IrDA, Bluetooth, Wi-Fi và WiMAX, trong đó Wi-Fi được sử dụng để kết nối mô hình robot với mạng Internet nhằm điều khiển từ xa và truyền dữ liệu hình ảnh.
  • Phân loại và điều khiển robot thám hiểm: Robot được phân loại theo phương thức di chuyển (bánh xe, bánh xích, chân) và phương pháp điều khiển (điều khiển từ xa, tự động theo lộ trình, hoạt động ngẫu nhiên). Mô hình xe thám hiểm trong nghiên cứu sử dụng bánh xe và điều khiển từ xa qua web server.
  • Ngôn ngữ lập trình Python: Được sử dụng để lập trình điều khiển trên Raspberry Pi, với ưu điểm cú pháp đơn giản, dễ học và hỗ trợ đa nền tảng.
  • Thiết kế phần cứng và phần mềm: Sử dụng Raspberry Pi 3 model B làm bộ xử lý trung tâm, module điều khiển động cơ L298N, camera Raspberry Pi để thu hình ảnh, và pin dự phòng Polymer PJ-JP106S cung cấp nguồn điện.

Các khái niệm chính bao gồm: truyền thông không dây, điều khiển robot từ xa, lập trình Python, thiết kế mô hình robot, và hệ thống nguồn điện cho robot.

Phương pháp nghiên cứu

Nghiên cứu sử dụng phương pháp thực nghiệm kết hợp thiết kế kỹ thuật và lập trình:

  • Nguồn dữ liệu: Thu thập từ tài liệu chuyên ngành về robot, truyền thông không dây, tài liệu kỹ thuật Raspberry Pi và các linh kiện điện tử.
  • Phương pháp phân tích: Thiết kế sơ đồ khối hệ thống, tính toán thông số kỹ thuật, lựa chọn linh kiện phù hợp, lập trình điều khiển và kiểm thử mô hình thực tế.
  • Cỡ mẫu và chọn mẫu: Mô hình robot được thiết kế với 4 động cơ giảm tốc V1, 4 bánh xe, 1 module điều khiển L298N, 1 camera Raspberry Pi và 1 bộ nguồn pin dự phòng. Lựa chọn các linh kiện dựa trên tiêu chí phù hợp với trọng lượng, tốc độ và khả năng điều khiển.
  • Timeline nghiên cứu: Quá trình nghiên cứu và thi công mô hình kéo dài trong năm học cuối đại học, bao gồm các giai đoạn chuẩn bị linh kiện, thiết kế phần cứng, lập trình phần mềm, lắp ráp và thử nghiệm.

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

  1. Thi công thành công mô hình xe thám hiểm điều khiển từ xa: Mô hình sử dụng Raspberry Pi 3 làm bộ xử lý trung tâm, kết hợp module L298N điều khiển 4 động cơ giảm tốc V1, cho phép xe di chuyển linh hoạt trên địa hình bằng phẳng. Tốc độ động cơ đạt khoảng 50-83 vòng/phút tùy điện áp, đảm bảo di chuyển ổn định.

  2. Truyền hình ảnh trực tiếp hiệu quả qua mạng Internet: Camera Raspberry Pi 5MP với độ phân giải 1080p @30fps truyền video trực tiếp về web server, giúp người điều khiển quan sát môi trường xung quanh xe. Việc sử dụng giao thức VNC và phần mềm VLC Media Player trên Raspberry Pi hỗ trợ streaming ổn định.

  3. Nguồn điện pin dự phòng đảm bảo thời gian hoạt động hợp lý: Pin dự phòng Polymer PJ-JP106S dung lượng 10.000mAh cung cấp nguồn 5V cho Raspberry Pi, trong khi pin cell 18650 2600mAh cung cấp nguồn 12V cho module điều khiển động cơ. Thời gian hoạt động ước tính khoảng 5-7 giờ tùy tải.

  4. Khung xe làm từ vật liệu mica nhẹ, bền và dễ gia công: Thiết kế khung xe với các mặt đáy, mặt bên và mặt trước bằng mica giúp giảm trọng lượng tổng thể, đồng thời đảm bảo độ cứng và tính thẩm mỹ cho mô hình.

Thảo luận kết quả

Kết quả cho thấy mô hình xe thám hiểm điều khiển từ xa hoạt động ổn định, đáp ứng được mục tiêu thu thập hình ảnh và di chuyển trên địa hình bằng phẳng. Việc sử dụng Raspberry Pi 3 với khả năng xử lý mạnh mẽ và tích hợp Wi-Fi giúp đơn giản hóa hệ thống điều khiển và truyền dữ liệu. So với các nghiên cứu khác về robot thám hiểm, mô hình này có ưu điểm về chi phí thấp, dễ lắp ráp và lập trình, phù hợp cho mục đích đào tạo và nghiên cứu. Tuy nhiên, hạn chế về địa hình vận hành (không chạy được trên đầm lầy hoặc dưới nước) và thời gian sử dụng pin là những điểm cần cải tiến trong tương lai. Dữ liệu có thể được trình bày qua biểu đồ hiệu suất động cơ theo điện áp và bảng so sánh thời gian hoạt động pin dưới các điều kiện tải khác nhau để minh họa rõ hơn hiệu quả của hệ thống.

Đề xuất và khuyến nghị

  1. Nâng cấp hệ thống nguồn điện: Sử dụng pin có dung lượng lớn hơn hoặc tích hợp hệ thống sạc năng lượng mặt trời để kéo dài thời gian hoạt động của mô hình, hướng tới mục tiêu tăng thời gian hoạt động lên ít nhất 10 giờ. Chủ thể thực hiện: nhóm nghiên cứu và nhà cung cấp linh kiện, thời gian: 6 tháng.

  2. Phát triển khả năng vận hành trên địa hình phức tạp: Thiết kế lại hệ thống bánh xe hoặc bổ sung bánh xích để mô hình có thể di chuyển trên địa hình đầm lầy, gồ ghề, mở rộng phạm vi ứng dụng. Chủ thể thực hiện: nhóm kỹ thuật, thời gian: 9 tháng.

  3. Tối ưu phần mềm điều khiển và truyền dữ liệu: Cải tiến thuật toán điều khiển, giảm độ trễ truyền hình ảnh và tăng độ ổn định kết nối Wi-Fi, đồng thời tích hợp thêm cảm biến môi trường để thu thập dữ liệu đa dạng hơn. Chủ thể thực hiện: nhóm lập trình, thời gian: 4 tháng.

  4. Mở rộng ứng dụng đào tạo và nghiên cứu: Đề xuất sử dụng mô hình trong các khóa học lập trình, điều khiển robot và truyền thông không dây tại các trường đại học, giúp sinh viên thực hành và nâng cao kỹ năng. Chủ thể thực hiện: các cơ sở đào tạo, thời gian: liên tục.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

  1. Sinh viên ngành Kỹ thuật Điện - Điện tử và Công nghệ Thông tin: Có thể áp dụng kiến thức về thiết kế phần cứng, lập trình Python và truyền thông không dây để phát triển các dự án robot tương tự.

  2. Giảng viên và nhà nghiên cứu trong lĩnh vực Robot và Tự động hóa: Tham khảo mô hình thiết kế, phương pháp thi công và kết quả thử nghiệm để phát triển các đề tài nghiên cứu nâng cao.

  3. Doanh nghiệp công nghệ và startup phát triển sản phẩm robot: Áp dụng các giải pháp thiết kế chi phí thấp, hiệu quả cho các sản phẩm robot thám hiểm, giám sát môi trường.

  4. Cơ quan cứu hộ, an ninh và quốc phòng: Nghiên cứu khả năng ứng dụng robot thám hiểm điều khiển từ xa trong các tình huống nguy hiểm, giảm thiểu rủi ro cho con người.

Câu hỏi thường gặp

  1. Mô hình xe thám hiểm này có thể hoạt động trên địa hình nào?
    Mô hình được thiết kế để vận hành trên địa hình bằng phẳng, không phù hợp với địa hình đầm lầy hoặc dưới nước do hạn chế về cấu trúc bánh xe và trọng lượng. Trong thực tế, việc mở rộng địa hình vận hành cần cải tiến hệ thống bánh xe hoặc bổ sung bánh xích.

  2. Thời gian hoạt động của mô hình là bao lâu?
    Với pin dự phòng Polymer 10.000mAh và pin cell 18650 2600mAh, mô hình có thể hoạt động liên tục khoảng 5-7 giờ tùy điều kiện tải. Thời gian này có thể được kéo dài bằng cách nâng cấp nguồn điện hoặc tối ưu hóa phần mềm.

  3. Làm thế nào để điều khiển mô hình từ xa?
    Mô hình sử dụng Raspberry Pi 3 kết nối Wi-Fi, điều khiển qua web server hoặc phần mềm VNC Viewer trên máy tính hoặc thiết bị di động, cho phép người dùng quan sát hình ảnh trực tiếp và điều khiển xe từ xa.

  4. Ngôn ngữ lập trình nào được sử dụng để phát triển phần mềm điều khiển?
    Python được sử dụng do cú pháp đơn giản, dễ học và hỗ trợ đa nền tảng, phù hợp cho việc lập trình trên Raspberry Pi và điều khiển các module ngoại vi.

  5. Mô hình có thể ứng dụng trong những lĩnh vực nào?
    Ngoài mục đích đào tạo và nghiên cứu, mô hình có thể ứng dụng trong giám sát môi trường, cứu hộ trong các khu vực nguy hiểm, khảo sát địa hình và các hoạt động an ninh quốc phòng.

Kết luận

  • Đã thiết kế và thi công thành công mô hình xe thám hiểm điều khiển từ xa sử dụng Raspberry Pi 3, module L298N và camera Raspberry Pi.
  • Mô hình có khả năng truyền hình ảnh trực tiếp và di chuyển ổn định trên địa hình bằng phẳng với thời gian hoạt động khoảng 5-7 giờ.
  • Vật liệu mica được lựa chọn làm khung xe giúp giảm trọng lượng và dễ gia công.
  • Kết quả nghiên cứu góp phần nâng cao kiến thức về lập trình, thiết kế phần cứng và ứng dụng robot trong thực tế.
  • Đề xuất các hướng phát triển tiếp theo bao gồm nâng cấp nguồn điện, mở rộng địa hình vận hành và tối ưu phần mềm điều khiển.

Tiếp theo, nhóm nghiên cứu sẽ triển khai các giải pháp nâng cao hiệu suất và mở rộng ứng dụng mô hình. Độc giả và các nhà nghiên cứu được khuyến khích áp dụng và phát triển thêm dựa trên kết quả này để thúc đẩy công nghệ robot thám hiểm tại Việt Nam.