LỜI MỞ ĐẦU 1. Lý do chọn đề tài Cùng với sự phát triển không ngừng của các ngành khoa học kỹ thuật, các ngành công nghiệp tự động hóa cũng phát triển nhanh chóng. Việc áp dụng máy móc hiện đại vào sản xuất là một yêu cầu không thể thiếu trong các nhà máy nhằm tăng năng suất, tăng chất lượng và giảm giá thành sản phẩm [1]. Song song với sự phát triển đó, công nghệ chế tạo robot cũng phát triển nhanh chóng, đặc biệt là ở các nước phát triển nhằm đáp ứng nhu cầu về sản xuất, sinh hoạt và an ninh quốc phòng.
Chủng loại robot ngày nay khá đa dạng về bề ngoài cũng như có thể thực hiện được rất nhiều chức năng như thăm dò chinh phục vũ trụ, hỗ trợ giúp đỡ người khuyết tật, vận chuyển đồ vật và giám sát an ninh cho ngôi nhà. [2] Thực tế hiện nay, biến đổi khí hậu là một vấn đề cấp bách, có ảnh hưởng to lớn đến hệ sinh thái và cuộc sống của con người. Sự gia tăng của nhiệt độ toàn cầu, tăng mực nước biển, thiên tai và khí hậu cực đoan là những hiện tượng rõ rệt của biến đổi khí hậu. Điều này đặt ra một thách thức lớn cho cả nhân loại và môi trường chúng ta sống trong việc tìm kiếm các giải pháp bền vững và hiệu quả.
Trong bối cảnh này, việc áp dụng công nghệ robot và tự động hóa vào việc giám sát và ứng phó với biến đổi khí hậu trở nên cực kỳ cần thiết. Robot có thể được sử dụng để thu thập dữ liệu môi trường, như nhiệt độ, mức độ ô nhiễm, chất lượng không khí, và nhiều thông số khác từ các vùng khó tiếp cận hoặc nguy hiểm[3]. Chúng có thể hoạt động trong các điều kiện khắc nghiệt và tự động truyền dữ liệu về các thay đổi trong môi trường. Ngoài ra, robot cũng có thể được sử dụng trong việc giám sát và duy trì các hệ sinh thái tự nhiên.
Chúng có thể giúp theo dõi và bảo vệ các khu rừng, rạn san hô, các vùng đất hoang dã và các khu vực quan trọng khác. Robot có khả năng di chuyển linh hoạt và thực hiện các nhiệm vụ giám sát, đồng thời truyền dữ liệu về tình trạng môi trường và những thay đổi xảy ra. Nhận thức về tính cần thiết của việc nghiên cứu và phát triển xe robot thám hiểm, sinh viên đã lựa chọn đề tài " Thiết kế xe tự hành có camera quan sát môi trường ". Mục tiêu và đối tượng nghiên cứu − Mục tiêu và nhiệm vụ nghiên cứu + Mục tiêu: Nghiên cứu và thiết kế xe tự hành thu thập nhiệt độ môi trường có camera và cảm biến nhiệt độ, độ ẩm để quan sát, đo nhiệt độ và độ ẩm + Nhiệm vụ nghiên cứu: Hoàn thành sản phẩm xe tự hành thu thập nhiệt độ, độ ẩm và hình ảnh về môi trường − Đối tượng và phạm vi nghiên cứu + Đối tượng nghiên cứu: • Tìm hiểu công nghệ truyền hình ảnh, đo nhiệt độ và truyền dữ liệu qua internet.
• Tìm hiểu mô hình xe tự hành và các thành phần, hệ thống điều khiển của xe. + Phạm vi nghiên cứu: • Nghiên cứu cách thức hoạt động của cảm biến nhiệt độ, độ ẩm DHT11. • Nghiên cứu giao thức truyền dữ liệu qua internet. • Nghiên cứu lý thuyết về ESP32 camera và cách giao tiếp giữa ESP32 camera với máy tính và websever • Nghiên cứu lý thuyết về cảm biến siêu âm SRF-04.
Ưu, nhược điểm của đề tài − Ưu điểm của đề tài: + Đo lường chính xác: Mô hình xe được thiết kế để đo lường và quan sát môi trường xung quanh với độ chính xác và độ tin cậy cao, từ đó giúp con người đưa ra được các phương án hợp lý. + Theo dõi di chuyển: Mô hình xe có khả năng di chuyển linh hoạt và tự động trong các khu vực quan trọng của môi trường. Điều này cho phép nó theo dõi và giám sát các khu vực khó tiếp cận hoặc nguy hiểm đối với con người. + Tự động hóa: Giảm thiểu sự can thiệp của con người và đảm bảo tính liên tục và đồng nhất trong việc thu thập dữ liệu môi trường.
+ Dễ dàng kết hợp thêm các thiết bị khác để phát triển mô hình lớn hơn, dễ dàng hoạt động. Bên cạnh đó giá thành linh kiện ngoài thị trường lại rẻ dễ dàng tìm kiếm. 5 − Nhược điểm của đề tài + Phụ thuộc vào đường truyền tín hiệu: khi di chuyển vào những khu vực sóng wifi yếu hoặc những khu vực phá sóng có thể ảnh hưởng đến tốc độ đường truyền hình ảnh và dữ liệu. + Quãng dường di chuyển hạn chế do sóng wifi có phạm vi tín hiệu dao động trong khoảng từ 100m đến 200m.
+ Nguồn năng lượng bị giới hạn do kết nối Wi-Fi liên tục và truyền dữ liệu video sẽ tiêu tốn nhiều năng lượng. + Mô hình xe robot được thiết kế chạy trên địa hình bằng phẳng, không thể chạy trên địa hình đầm lầy và dưới nước. Ý nghĩa khoa học và ý nghĩa thực tiễn của đề tài − Ý nghĩa khoa học: + Nâng cao kiến thức và hiểu biết sâu hơn về việc sử dụng các cảm biến và module camera. + Đóng góp vào công nghệ phát triển xe tự hành và ứng dụng thực tế của xe.
Xây dựng được cơ sở khoa học về khả năng tự hành sử dụng cảm biến siêu âm và xử lý dữ liệu nhiệt độ − Ý nghĩa thực tế: + Góp phần nâng cao chất lượng cuộc sống và bảo vệ môi trường. + Theo dõi biến đổi khí hậu một cách hiệu quả và chính xác hơn, từ đó đưa ra các biện pháp phòng ngừa và thích ứng phù hợp. GIỚI THIỆU VỀ XE TỰ HÀNH CÓ CAMERA QUAN SÁT MÔI TRƯỜNG Xe tự hành có camera quan sát môi trường hay mobile robot được định nghĩa là 1 loại xe (robot) có khả năng tự di chuyển, tự vận động (có thể lập trình lại được) dưới sự điều khiển tự động để thu thập nhiệt độ, độ ẩm và hình ảnh về môi trường. Lịch sử phát triển Hình dạng robot xuất hiện đầu tiên ở nước Hoa Kỳ, là loại tay máy chép hình dung trong phòng thí nghiệm vật liệu phóng xạ.
Vào những năm 50 của thế kỷ trước, bên cạnh các loại tay máy chép hình cơ khí, các loại tay máy chép hình thủy lực điện tử đã xuất hiện. Tuy nhiên, các tay máy thương mại đều có chung nhược điểm là thiếu sự di động, các tay máy này hoạt động hạn chế quanh vị trí của nó. Ngược lại, mobile robot là lại robot di động có thể di chuyển từ không gian này đến không gian khác một cách độc lập hay được điều khiển từ xa, do đó tạo không gian hoạt động lớn. Từ năm 1939 đến năm 1945: Trong cuộc chiến thế giới lần thứ II, những con Robot di động đầu tiên xuất hiện.
Nó là kết quả của những thành tựu công nghệ trong những lĩnh vực nghiên cứu mới có liên quan như khoa học máy tính và điều khiển học, hầu hết chúng là những quả bom bay, ví dụ như những quả bom chỉ nổ trong những dãy mục tiêu nhất định, sử dụng trong hệ thống hướng dẫn và rada điều khiển. Tên lửa V1 và V2 có “ phi công tự động” và hệ thống phát nổ, chúng là tiền thân của đầu đạn hạt nhân tự điều khiển hiện đại.Gray Walter tạo nên Elmer và Elsie, hai con robot trông giống con đồi mồi. Về mặc hành chính, chúng được gọi là Machina Speculatrix bởi vì những con robot này hoạt động trong môi trường như những chú chim đồi mồi. Elmer và Elsie được trang bị một bộ cảm biến sáng.
Nếu chúng nhận ra một nguồn sáng, chúng sẽ di chuyển về phía nguồn sáng. Chúng có thể tránh hoặc chuyển những chướng ngại trên đường di chuyển. Những con robot này chứng mình rằng những cử chỉ phức tạp có thể phát sinh từ một thiết kế đơn giản. Elmer và Elsie chỉ được thiết kế tương đương hai tế bào thần kinh 7 Từ năm 1961 đến 1963: Trường đại học Johns Hopkins phát triển “Beast”.
Beast sử dụng hệ thống định vị di chuyển xung quanh. Khi pin yếu nó sẽ tự tìm ổ cắm điện và cắm vào. Năm 1969: Mowbot là con robot đầu tiên cắt cả bãi cỏ một cách tự động. The Stanford Cart line follower là một con robot di động có thể di chuyển thông qua nhận dạng đường kẻ trắng, sử dụng một camera để nhìn.
Nó bao gồm một “kênh truyền thanh” gắn với hệ thống máy tính lớn để tạo ra những tính toán. Năm 1970: Cùng thời điểm 1969-1972, viện nghiên cứu Stanford đang xây dựng và nghiên cứu ra Shakey. Shakey có một camera, một dãy kính gắm, một bộ cảm biến và một bộ truyền thanh. Shakey là con robot đầu tiên lý giải về những chuyển động của nó.
Điều này có nghĩa là Shakey có thể đưa nhiều mệnh lệnh chung và và robot này sẽ tính toán những bước cần thiết để hoàn thiện nhiệm vụ được giao. Năm 1976: Trong chương trình Vikiry, tổ chức NASA đã phóng hai tàu vũ trụ không người lái lên sao hỏa. Năm 1977: Bộ phim “Chiến tranh giữa các vì sao” phần I, A new Hope mô tả R2D2, một con Robot di động hoạt động độc lập và C3P0, một con robot hình người. Họ đã khiến công chúng biết đến những con robot.
Năm 1980: Thị hiếu của người tiêu dùng về robot tăng, robot được bày bán và mua về để sử dụng trong nhà. Ví dụ RB5X vẫn tồn tại tới ngày nay và một loạt mẫu robot HERO. Robot The Stanford Cart được phát triển mạnh, nó đã có thể lái tàu biển vượt qua những trở ngại và tạo lên bản đồ những nơi nó đi qua. Năm 1989: Mark Tinden phát minh ra BEAM robotics.
Năm 1990: Cha đẻ của nền robot công nghiệp Joseph Engelberger làm việc với các đồng nghiệp và đã phát minh ra những con robot tự động trong ngành y tế và được bán bởi Helpmate. Sở an ninh Mỹ gây quỹ cho dự án MDARS-I dựa vào robot bảo vệ trong nhà Cybermotion. Năm 1993-1994: Dante-I và Dante-II được phát triển bởi trường đại học Carnegie Mellon, cả hai con robot dung để thám hiểm núi lửa đang hoạt động. 8 Năm 1995: Robot di động có thể lập trình Pioneer (người tiên phong) được bán sẵn ở một mức giá chấp nhận được, điều đó dẫn tới sự gia tăng rộng rãi về nghiên cứu robot và các trường đại học nghiên cứu về robot trong suốt các thập sau.
Robot di động trở thành một phần không thể thiếu trong chương trình giảng dạy của các trường đại học. Năm 1996-1997: NASA phóng con tàu Mars Pathfinder có 2 Robot Rover và Sojourner lên sao Hoả. The Rover thám hiểm bề mặt sao hoả được điều khiển từ mặt đất.