Mở Đầu lăn điện thông minh tránh vật cản [19,20]. Khi lĩnh vực thị giác máy tính phát triển, nó trở thành một tiềm năng lớn. Camera ngày càng được sử dụng nhiều do khả năng cung cấp thông tin về môi trường chính xác hơn các loại cảm biến như siêu âm, tia laser. Camera có thể cung cấp các thông tin về màu sắc, thông tin 3D về môi trường trong khi các cảm biến như siêu âm, tia laser chỉ cung cấp thông tin 2D.
Trong những năm gần đây, để thu được những map 3D, một số nhà nghiên cứu đã sử dụng cảm biến stereo Camera gắn trên xe lăn hay robot di động [21, 22]. Ảnh 3D cho phép xe lăn di động nhận biết được những thông tin trong không gian và từ đó có những chiến lượt điều khiển hiệu quả hơn. Lĩnh vực vẽ bản đồ và định vị đã và đang được nghiên cứu rộng rãi trong lĩnh vực xe lăn hay robot tự hành. Xe lăn hay robot tự hành phải được cung cấp chi tiết về bản đồ di chuyển để có thể được định vị trong không gian di chuyển.
Hơn nữa, tọa độ hiện tại của xe lăn hay robot được dùng làm cơ sở thu thập thêm những thông tin mới trong quá trình di chuyển [23]. Các thuật toán vẽ bản đồ 3D dần dần được phát triển như thuật toán SLAM được áp dụng để vẽ bản đồ 3D [24]. Để định vị xe lăn hay robot trong không gian di chuyển, có nhiều phương pháp được thực hiện. Đầu tiên là những phương pháp định vị 2D sử dụng những thông tin khoảng cách thu về từ sóng Wifi [25], cảm biến laser kết hợp với RFID [26], định vị bằng phương pháp tìm những đường thẳng tương đồng trong không gian 2D [27].
Hiện nay, các phương pháp xử lý ảnh dần dần được sử dụng trong định vị robot [28]. Phương pháp xử lý ảnh được sử dụng để nhận biết các vật mốc nhân tạo cố định được xây dựng sẵn trong không gian di chuyển [29], từ đó áp dụng vào việc xác định vị trí hiện tại của xe lăn trên một bản đồ đã được xây dựng trước trong quá trình di chuyển. Alcantarilla và các cộng sự đề xuất phương pháp mạnh mẽ và nhanh chóng định vị cho xe lăn dựa vào thị giác máy tính, trong đó các đặc trưng của hình ảnh được trích xuất, kết hợp với các thành phần bản đồ để đưa ra vị trí hiện tại của robot tự hành [30, 31]. Ngoài ra, việc bảo vệ xe lăn điện tránh va chạm với vật thể xung quanh cũng là một vấn đề rất được quan tâm.
Bởi vì, người tàn tật nặng rất dễ mất điều khiển khi điều khiển xe, do vậy rất dễ bị xảy ra tai nạn. Hệ thống sử dụng Camera với các thuật toán áp dụng vào việc phát hiện vật cản, tìm khoảng trống để xe lăn điện vượt qua vật cản, có thể giúp người sử dụng cảm thấy an toàn hơn khi di chuyển trong khu vực có nhiều chướng ngại vật [32-34]. Sự kết hợp của một chiếc xe lăn điện, hệ thống máy tính, hệ thống Camera 3D và bản đồ cho phép người sử dụng xe lăn cảm thấy thuận lợi hơn trong việc điều khiển và an toàn hơn khi di chuyển trong môi trường trong nhà. Với hệ thống Camera và bản đồ, xe lăn có thể xác định vật mốc và di chuyển dọc theo lối đi.
Trong quá trình di chuyển của xe lăn, khoảng cách và góc lệch giữa vật mốc và xe lăn được tính toán để định vị trên bản đồ và đưa ra quyết định di chuyển phù hợp. Các nghiên cứu, triển khai trong nước đã làm: Hiện nay trong nước chỉ tập trung nghiên cứu chế tạo xe lăn điện. Cụ thể là xe lăn điện chạy bằng năng lượng acqui (Nguyễn Duy Đỉnh, giảng viên trường ĐH Bách khoa Hà Nội; cở sở Đức Cường, 62/6 Lê Niệm, phường 18, quận Tân Bình, TP. Tính cấp thiết Thống kê của Liên hiệp quốc năm 2007, trên thế giới có khoảng 10% người khuyết tật, tương đương với 650 triệu người và 80 % trong số đó sống ở các nước đang phát triển.
Theo Tổng cục Thống kê năm 2009, Việt Nam có khoảng 6,7 triệu người khuyết tật trên tổng số 85,5 triệu dân, tương đương 7,8% dân số. Việt Nam là quốc gia có số lượng người khuyết tật khá lớn trong đó 3,6 triệu là nữ và khoảng 1,2 triệu là trẻ em. Những người bị hạn chế trong việc di chuyển và về tinh thần xấp xỉ 50% những người khuyết tật ở Việt Nam. Xe lăn là phương tiện chủ yếu để người khuyết tật có thể di chuyển đến nơi mà mình mong muốn.
Ngoài loại xe lăn cổ điển thì sự xuất hiện của loại xe lăn có trang bị động cơ đã giúp cho người sử dụng giảm được nhiều sự vận động. Cùng với sự phát triển của khoa học kỹ thuật, xe lăn cũng đã có nhiều phát triển. Đã có nhiều nghiên cứu nhằm tìm ra các phương thức điều khiển xe lăn áp dụng cho từng đối tượng người khuyết tật khác nhau. Xe lăn điện được trang bị các thiết bị công nghệ cao có thể giúp cho người khuyết tật di chuyển mà không cần sự trợ giúp.
Đơn giản nhất là xe lăn điện được trang bị Joystick (một cần điều khiển) mà người sử dụng có thể điều khiển hướng di chuyển của xe lăn theo ý muốn của mình. Để hỗ trợ tốt hơn cho người khuyết tật, đã có nhiều hướng nghiên cứu điều khiển xe lăn điện sử dụng Camera như nhận dạng các cử chỉ trên khuôn mặt của người sử dụng để điều khiển xe lăn đi thẳng, đi lùi, rẽ trái, rẽ phải; nhận dạng các cử chỉ của bàn tay để điều khiển hướng đi cho xe lăn điện, nhận dạng số ngón tay được giơ lên để thực hiện các lệnh điều khiển cho xe lăn. Một cách điều khiển xe lăn khác sử dụng cử chỉ của người sử dụng là việc nhận dạng sự di chuyển của mắt. Ngoài ra, đối với người khuyết tật không thể cử động tay hoặc đầu có thể điều khiển xe lăn bằng cách giao tiếp tín hiệu điện não (EEG) với máy tính.
Tuy nhiên, trong một số trường hợp đặc biệt, khi mà khả năng vận động của người khuyết tật bị hạn chế hay nói cách khác là người khuyết tật không thể tự điều khiển được xe lăn theo ý muốn, xe lăn cần được điều khiển tự động để đảm bảo an toàn cho người sử dụng. Chế độ tự động của xe lăn đồng nghĩa với việc xe lăn phải tự di chuyển đến đúng nơi mà người sử dụng mong muốn, đồng thời phải tránh được những vật cản trên đường đi. Trong những năm gần đây, đã có nhiều phương pháp được áp dụng để xe lăn tự hành như di chuyển theo đường đi đã được vạch sẵn, di chuyển theo tọa độ sử dụng định vị GPS và bộ lọc Kalman, di chuyển theo bản đồ. Hiện nay, lĩnh vực định vị và vẽ bản đồ không gian trong nhà được nghiên cứu, phát triển rộng rãi.
Bản đồ 3D có thể cung cấp dữ liệu 3D, kết hợp với vật mốc sẽ tăng cường độ chính xác cho việc định vị, tự hành của xe lăn điện trong không gian di chuyển. Ngoài ra, việc sử dụng Camera với các thuật toán áp dụng vào việc phát hiện vật cản, tìm khoảng trống để xe lăn điện vượt qua vật cản, có thể giúp người sử dụng cảm thấy an toàn hơn khi di chuyển trong khu vực có nhiều chướng ngại vật. Mục tiêu đề tài Nghiên cứu và phát triển một xe lăn điện tự hành cho người tàn tật nặng sử dụng Camera, vật mốc và bản đồ 3D không gian trong nhà. Trong đó, hệ thống Camera và Encoder được gắn trên xe lăn để định vị và tự động tránh va chạm vào những vật thể trên đường di chuyển.
Cách tiếp cận, phương pháp nghiên cứu, phạm vi nghiên cứu Cách tiếp cận Dữ liệu ảnh 2D và thông tin độ sâu của từng điểm ảnh được thu thập từ cảm biến RGB-D được chuyển đổi thành dữ liệu đám mây 3D của không gian di chuyển. Vị trí các vật mốc và thông tin từ Encoder sẽ giúp định vị xe lăn trên bản đồ, từ đó đưa ra phương án lựa chọn đường đi để đến đích mong muốn. Ngoài ra, thông tin 3D từ môi trường sẽ giúp phát hiện vật cản và khoảng trống trên đường đi, cho phép tính toán các chiến lược né tránh va chạm với vật cản. Phương pháp nghiên cứu - Sử dụng thuật toán Speeded Up Robust Features (SURF) để nhận dạng vật mốc trong quá trình di chuyển.
- Sử dụng phép biển đổi không gian 3D để xác định vị trí tương đối của vật mốc và xe lăn điện, từ đó suy ra vị trí tuyệt đối của xe lăn. - Sử dụng mô hình toán học của xe lăn để định vị bằng tốc độ 2 bánh xe thu về từ encoder. - Sử dụng không gian 3D để phát hiện vật cản và tính toán khoảng trống cho xe lăn. - Sử dụng thuật toán tìm đường đi toàn cục (GPP) để điều khiển xe lăn đến đích.
Phạm vi nghiên cứu - Đề tài tập trung nghiên cứu thuật toán định vị, điều khiển và tránh vật cản cho xe lăn điện trong không gian trong nhà. Nội dung nghiên cứu - Nghiên cứu bộ điều khiển xe lăn điện. - Mô phỏng kiểm tra độ tin cậy của hệ thống điều khiển. - Thiết kế mô hình vật lý của xe lăn.
- Nghiên cứu phương pháp thu thập dữ liệu ảnh 2D và độ sâu sử dụng Camera RGB-D. - Nghiên cứu phương pháp chuyển đổi từ ảnh 2D và độ sâu thành đám mây 3D. - Nghiên cứu phương pháp định vị dùng vật mốc và encoder. - Nghiên cứu phương pháp nhận dạng vật mốc.
- Nghiên cứu phương pháp tránh vật cản dùng Camera. - Nghiên cứu phương pháp tìm đường đi cho xe lăn dựa vào bản đồ 3D. - Đo đạc kết quả và thống kê sai số. - Viết báo cáo khoa học.
- Chỉnh sửa báo cáo khoa học. - Hoàn thiện các hồ sơ. Thiết kế mô hình xe lăn điện tự hành cho người khuyết tật Chương 2 THIẾT KẾ MÔ HÌNH XE LĂN ĐIỆN TỰ HÀNH CHO NGƯỜI KHUYẾT TẬT 2. Thiết kế mô hình xe lăn điện Sự kết hợp của một chiếc xe lăn điện và hệ thống camera cho phép xe lăn di chuyển trong môi trường trong nhà linh hoạt hơn.
Với hệ thống camera, xe lăn có thể xác định vật mốc và di chuyển dọc theo lối đi. Ngoài ra, hệ thống còn có khả năng phát hiện chướng ngại vật và vùng trống thông qua các thuật toán xử lý thông tin 3D từ camera, sau đó chiếc xe lăn có thể tránh va chạm và đi qua vùng trống.