Chương I: Tổng quan Chương đầu tiên của báo cáo sẽ mô tả bối cảnh và ngữ cảnh của đồ án, bao gồm cả nguyên nhân động lực và mục tiêu nghiên cứu. Nó sẽ giới thiệu tổng quan về Robot tự động hóa và cảm biến LiDAR, đồng thời trình bày chi tiết về mục tiêu đề tài, đối tượng và phạm vi nghiên cứu đã được xác định. Chương II: Cơ sở lý thuyết Chương này sẽ trình bày kiến thức cơ bản và nền tảng lý thuyết liên quan đến đồ án. Bao gồm các khái niệm về Robotics, tự động hóa, cảm biến LiDAR, và thuật toán SLAM.
Chương III: Thiết kế và xây dựng hệ thống robot Chương này sẽ đi sâu vào thiết kế của Robot, bao gồm việc tính toán lựa chọn các thiết bị để xây dựng hệ phần cứng cho hệ thống robot cũng như xây dựng phần mềm. Phần thiết kế phần cứng sẽ mô tả cấu trúc vật lý của Robot, cách tích hợp cảm biến LiDAR, và các linh kiện chính. Trong khi đó, phần thiết kế phần mềm sẽ trình bày cách hệ thống điều khiển được xây dựng, thuật toán SLAM được triển khai, và cách tương tác với người dùng thông qua command line. Chương IV: Kết quả và đánh giá mô hình Chương này sẽ trình bày chi tiết về các kết quả thực tế của đồ án.
Bao gồm những thông số kỹ thuật, dữ liệu thu thập từ thử nghiệm, và các hiệu suất của Robot trong các nhiệm vụ cụ thể. Sự so sánh với các giải pháp hiện có cũng sẽ được đưa ra để đánh giá sự độc đáo và hiệu quả của đồ án. Chương V: Kết luận và hướng phát triển Chương cuối cùng của báo cáo sẽ tổng kết những điểm chính đã được đề cập trong đồ án và rút ra những kết luận chính. Nó sẽ đề cập đến mức độ đạt được của mục tiêu đề tài, những hạn chế gặp phải, và những học được từ quá trình nghiên cứu.
Hơn nữa, chương này cũng sẽ đề xuất hướng phát triển tiếp theo của đồ án và những nghiên cứu liên quan trong tương lai. 6 Bố cục này sẽ giúp báo cáo có sự logic, dễ theo dõi, và cung cấp thông tin một cách có tổ chức và chi tiết về quá trình nghiên cứu và thành quả của đồ án. 7 CHƯƠNG 2 CƠ SỞ LÝ THUYẾT 2.1 ROBOT DI ĐỘNG 2.1 Tổng quan về robot di động Robot di động (Mobile Robot) là một loại robot tự hành với khả năng di chuyển linh hoạt trong các môi trường khác nhau. Thông thường, robot di động bao gồm các thành phần chính như: - Cảm biến: Đảm nhận vai trò thu thập thông tin về môi trường xung quanh, bao gồm thông tin về khoảng cách, hình ảnh, âm thanh, và các tín hiệu khác.
Các loại cảm biến phổ biến bao gồm camera, lidar, siêu âm, IMU, GPS, và nhiều loại cảm biến chuyên dụng khác. - Bộ xử lý: Đảm nhiệm việc xử lý thông tin từ các cảm biến, đưa ra quyết định điều khiển và thực thi các thuật toán định hướng. Bộ xử lý có thể là vi điều khiển, máy tính nhúng hoặc các hệ thống máy tính mạnh mẽ hơn. - Cơ cấu chấp hành: Thực hiện các chuyển động của robot theo lệnh từ bộ xử lý.
Các cơ cấu chấp hành phổ biến bao gồm động cơ điện, động cơ bước, động cơ servo, và các hệ thống truyền động khác như bánh xe, bánh xích, hoặc chân. Robot di động được sử dụng phổ biến trong nhiều lĩnh vực khác nhau. Trong công nghiệp, chúng được sử dụng để vận chuyển hàng hóa, lắp ráp sản phẩm, và thực hiện các nhiệm vụ kiểm tra, giám sát tự động. Trong lĩnh vực dịch vụ, robot di động có thể được sử dụng để hỗ trợ khách hàng, vận chuyển đồ ăn, hoặc dọn dẹp vệ sinh.
Bên cạnh đó, robot di động còn được áp dụng trong các lĩnh vực như nông nghiệp, y tế, quân sự, giải trí và nhiều lĩnh vực khác. Một trong những thách thức lớn trong việc phát triển robot di động là khả năng tự hành và điều hướng trong môi trường. Các hệ thống định vị và lập bản đồ (SLAM) 8 đóng vai trò quan trọng trong việc giúp robot hiểu và di chuyển trong môi trường xung quanh. Các thuật toán SLAM tận dụng dữ liệu từ các cảm biến để tạo lập bản đồ môi trường và xác định vị trí của robot trên bản đồ một cách đồng thời.
[7] Trong những năm gần đây, sự phát triển của các công nghệ như trí tuệ nhân tạo (AI), học máy (machine learning), và thị giác máy tính (computer vision) đã mang lại những bước tiến đáng kể trong lĩnh vực robot di động. Các thuật toán AI và machine learning được sử dụng để xử lý dữ liệu từ các cảm biến, giúp robot đưa ra quyết định điều khiển thông minh và thích ứng với môi trường thay đổi. Thị giác máy tính cho phép robot nhận dạng và phân tích các đối tượng trong môi trường, từ đó hỗ trợ các nhiệm vụ như tránh chướng ngại vật, theo dõi mục tiêu, và tương tác với con người.2 Động học thuận của robot Hình 2.1: Hệ trục toạ độ của robot di động Áp dụng quy tắc Denavit-Hartenberg (DH) để xác định bảng DH cho robot, ta thiết lập hệ trục tọa độ theo cách sau.1: Bảng DH của robot di động: i ai −1 i −1 di i −1 Z0 Z1 X 0 1 0 0 0 1 X 0 X 1 Z1 Z1Z 2 X1 2 d 0 0 0 X1 X 2 Z 2 Trong đó: - ai −1 : là khoảng cách từ trục zi −1 đến trục zi dọc theo trục xi −1. - i −1 : là góc lệch của trục zi −1 đến trục zi dọc theo trục xi −1.
- d i : là khoảng cach từ trục xi −1 đến trục xi dọc theo trục zi. - i : là góc quay từ trục xi −1 dọc theo trục zi. Từ bảng 2.1, với cách đặt hệ trục tọa độ trên, ta có thể tính toán các ma trận chuyển đổi đồng nhất giữa các hệ trục tọa độ theo công thức sau: c − s c s s a c s c c − c s a s Ti +1 = i (2.1) 0 s c d 0 0 0 1 Trong đó: c là cos( ) , s là sin( ) , c là cos( ) , s là sin( ). Từ công thức (2.1), ta tính được các ma trận chuyển đổi đồng nhất.
Ma trận chuyển đổi đồng nhất từ hệ trục 0 sang hệ trục 1: c1 − s1 0 0 s c 0 0 T1 = 1 1 0 (2.2) 0 0 1 0 0 0 0 1 Ma trận chuyển đổi đồng nhất từ hệ trục 1 sang hệ trục 2: 10 1 0 0 d 0 1 0 0 T2 = 1 (2.3) 0 0 1 0 0 0 0 1 Chúng ta cũng có ma trận chuyển đổi đồng nhất giữa hệ trục tại gốc tọa độ và vị trí bắt đầu của robot.4) 0 0 1 0 0 0 0 1 “ Nhân các ma trận này với nhau sẽ cho chúng ta ma trận chuyển đổi đồng nhất giữa hệ trục thứ 2 và hệ trục thứ 0.5) 0 0 1 0 0 0 0 1 Từ ma trận trên, ta có được ma trận chuyển đổi đồng nhất giữa hệ trục thứ 2 và hệ trục tại tọa độ gốc (map) như sau: c1 − s1 0 x + dc1 s c 0 y + ds1 T2 = T0 T2 = 1 1 map map 0 (2.6) 0 0 1 0 0 0 0 1 Dựa trên tọa độ điểm đầu cuối và ma trận chuyển đổi đồng nhất, ta có thể tính được tọa độ điểm đầu cuối so với hệ trục tọa độ 0, và phương trình động học thuận của robot là: x + dc1 PEE = y + ds1 (2.3 Tính toán động lực học của robot Chúng ta có tọa độ của robot sau khi di chuyển trong hệ trục như sau: xr = xc + d cos( ) (2.8) yr = yc + d sin( ) Trong đó: - ( xc , yc ) là tọa độ điểm đầu của robot. - ( xr , yr ) là tọa độ điểm cuối của robot. Chuyển về phương trình (2.8), ta có: xr − xc = d cos( ) (2.9) yr − yc = d sin( ) Đạo hàm hai vế của phương trình (2.9), ta được: xr − xc d cos( ) dt = dt (2.10) yr − yc = d sin( ) dt dt Từ phương trình xr − xc , ta xác định quãng đường robot đã di chuyển, và khi lấy đạo hàm theo thời gian, ta thu được vận tốc của robot trên quãng đường đó: vx = v cos( ) − d sin( )d (2.13) 12 Ta có hàm Lagrange: L( , ) = K ( , ) − U ( ) (2.14) Ta có hàm vi phân của robot: d L dL − = (2.15) dt d Công thức tính động năng của robot: n 1 1 K ( , ) = ( mi vciT vci + wiT I ii ) (2.16) i =1 2 2 Công thức tính thế năng của robot: n U = (−mi g T Pci0 + U refi ) (2.17) i =1 Trong đó: - mi : khối lượng ở khâu thứ i. - vciT : vận tốc góc của khâu thứ i.
- i : gia tốc góc của khâu thứ i. - I i : moment quán tính của khâu thứ i. - g T : gia tốc trọng trường. - Pci0 : vị trí trọng tâm khâu thứ i.
- U refi : năng lượng thế năng tại gốc. “ Từ vận tốc bánh trái và vận tốc bánh phải, chúng ta tính được vận tốc thẳng của robot: ” v +v v= l r (2.18) 2 Với vl là vận tốc của bánh trái và vr là vận tốc bánh phải của robot. Động năng của robot là: 13 1 v +v 1 v −v K = m( l r ) 2 + m((md 2 + I Z ) + ( r l ) 2 R 2 ) (2.19) 2 2 2 L Thế năng của robot: U = 0 vì hướng phương của robot là nằm ngang, vuông góc với gia tốc của trọng trường, do đó thế năng của robot là 0.20) Ta có hàm vi phân của robot: d dL dL + =0 (2.21) dt dl dr Từ ba phương trình (2.21), ta có tính toán như sau: d 1 md 2 + I Z 2mdR 2 mR (r + l ) + (l − r ) R + (l − l ) 2 2 2 2 (2.