Nghiên cứu xây dựng robot di động sử dụng thị giác máy có khả năng bắt bóng

ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI
TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ





LÃ TUẤN ANH




Nghiên cứu xây dựng robot di động
sử dụng thị giác máy có khả năng bắt bóng



luËn v¨n th¹c sÜ KỸ THUẬT ĐIỆN TỬ - VIỄN THÔNG









Hµ néi - 2006

ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI
TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ




LÃ TUẤN ANH



Nghiên cứu xây dựng robot di động
sử dụng thị giác máy có khả năng bắt bóng


Mã số : 2.07.00



luËn v¨n th¹c sÜ KỸ THUẬT ĐIỆN TỬ - VIỄN THÔNG


Người hướng dẫn khoa học: TS. Lê Văn Ngự

Hµ néi - 2006






i


LỜI CAM ĐOAN

Tôi xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu của tôi và chưa được công bố
trong bất cứ công trình nào, chưa đăng trong bất kỳ tài liệu, tạp chí, hội nghị nào
khác. Những kết quả nghiên cứu trong luận văn là trung thực.
Hà nội, ngày 05 tháng 05 năm 2006
Tác giả luận văn


Lã Tuấn Anh

ii

LỜI CẢM ƠN


Luận văn này sẽ không thể hoàn thành nếu không có sự giúp đỡ hết sức ân
cần và rộng lượng của nhiều người.
Trước hết, tôi xin tỏ lòng biết ơn sâu sắc tới người thầy hướng dẫn tôi TS. Lê
Văn Ngự-người đã luôn chỉ bảo, cổ vũ và giúp đỡ tôi trong suốt quá trình nghiên
cứu.
Xin tỏ lòng biết ơn Khoa Điện tử-Viễn thông, Bộ môn Điện tử và Kỹ thuật
máy tính, Phòng thí nghiệm Tự động và Robotics, Trường đại học Công nghệ đã tạo
điều kiện cơ sở vật chất và động viên tôi hoàn thành luận văn này.
Xin gửi lời cảm ơn chân thành nhất tới gia đình tôi, những người đã động
viên giúp đỡ và hỗ trợ về mọi mặt để tôi hoàn thành luận văn này.
Xin gửi lời cảm ơn tới bạn bè và đồng nghiệp những người đã động viên cổ
vũ tôi rất nhiều.


Hà Nội, ngày 05 tháng 05 năm 2006 Lã Tuấn Anh











iii

MỤC LỤC

Lời cam đoan …………………………………………………………………… i
Lời cảm ơn …………………………………………………………………………ii
Danh sách các hình ……………………………………………………………… v
Danh sách các bảng ……………………………………………………………….ix

MỞ ĐẦU i
CHƢƠNG 1 ROBOT DI ĐỘNG 3
1.1 Giới thiệu chung về robot di động. 3
1.2 Cơ cấu chuyển động 8
1.3 Các loại cảm biến hay được sử dụng trong robot di động 14
1.3.1 Bộ Encoder 15
1.3.2 Sensor xác định khoảng cách 16
1.3.3 Sensor phát hiện vật thể gần (Proximity sensor) 18
1.3.4 Sensor xúc giác (Touch sensor) 22
1.3.5 Thị giác máy 24
CHƢƠNG 2 THỊ GIÁC MÁY 25
2.1 Mở đầu 25
2.2 Quá trình tạo ảnh và các mô hình ảnh 26
2.2.1 Mắt người 26
2.2.2 Camera 28
2.2.3 Màu sắc và biểu diễn ảnh màu 35
2.3 Một số khái niệm cơ bản 39
2.4 Phép xử lý điểm ảnh dựa trên bảng tìm kiếm LUT 41
2.4.1 Kéo căng độ tương phản 42
2.4.2 Làm bằng lược đồ mức xám 42
2.5 Phép xử lý vùng ảnh. 43

2.6 Xử lý hình thái học ảnh nhị phân 44



iv

2.6.1 Phép biết đổi “trúng hoặc trượt” 44
2.6.2 Phương pháp lập bảng tìm kiếm 45
2.6.3 Phép dãn lân cận 8 45
2.6.4 Phép co lân cận 8 46
2.6.5 Phép lấp đầy đường chéo 46
2.6.6 Phép mở 46
2.6.7 Phép đóng 47
2.7 Đặc tính đường biên 47
2.7.1 Phát hiện biên dựa vào đạo hàm bậc nhất 48
2.7.2 Phát hiện biên dựa vào đạo hàm bậc hai 49
2.7.3 Phương pháp Canny để phát hiện biên 50
2.8 Đặc tính góc 51
CHƢƠNG 3 ROBOT BẮT BÓNG 54
3.1 Các mô hình của robot bắt bóng 54
3.2 Cơ cấu của robot bắt bóng 60
3.3 Thuật toán dùng cho robot 61
3.4 Mô phỏng robot bắt bóng 64
3.4.1 Mô hình OAC 64
3.4.2 Mô hình LOT 74
3.4.3 Mô hình GAG 81
3.5 Robot bắt bóng trong thực nghiệm 87
KẾT LUẬN 102
DANH MỤC CÔNG TRÌNH CỦA TÁC GIẢ 103
TÀI LIỆU THAM KHẢO 104

v



DANH SÁCH CÁC HÌNH


Hình 1.1 Robot công nghiệp 3
Hình 1.2 Robot giúp đỡ người mù 4
Hình 1.3 Robot thám hiểm 4
Hình 1.4 Robot đồ chơi Aibo 5
Hình 1.5 Robot thám hiểm đáy biển 5
Hình 1.6 Robot hút bụi 6
Hình 1.7 Các khối cơ bản trong robot di động 7
Hình 1.8 Bốn loại bánh xe robot cơ bản 10
Hình 1.9 Các cách sắp xếp bánh xe robot cơ bản 11
Hình 1.10 Hệ tọa độ toàn cục và hệ tọa độ địa phương của robot 12
Hình 1.11 Robot trong hệ tọa độ toàn cục 14
Hình 1.12 Chuỗi xung tạo ra bởi bộ encoder một kênh 15
Hình 1.13 Dạng sóng thu được của bộ encoder 2 kênh 16

Hình 1.14 Sensor đo khoảng cách sử dụng phương pháp lượng giác 16
Hình 1.15 Đo khoảng cách bằng đo pha 17
Hình 1.16 Các thành phần cấu tạo Sensor siêu âm 19
Hình 1.17 Dạng sóng siêu âm tầm gần 19
Hình 1.18 Sensor quang phát hiện vật thể gần 20
Hình 1.19 Cấu tạo Sensor phát hiện vật thể gần dùng hiệu ứng điện cảm 21
Hình 1.20 Đường cảm ứng từ trong hai trường hợp có vật và không có vật . 22
Hình 1.21 Mô hình đơn giản sensor lực 23
Hình 1.22 Một số loại CCD camera 24
Hình 2.1 Hệ thống thu nhận và xử lý ảnh số 25
Hình 2.2 Cấu tạo của mắt (a) và mô hình mắt Helmoltz (b) 26



vi

Hình 2.3 Phân bố của các tế bào hình nón và hình que trên võng mạc 27
Hình 2.4 (a)Mô hình tạo ảnh qua lỗ(b)Minh hoạ cách tính phương trình phối
cảnh 29
Hình 2.5 Quá trình tạo ảnh qua thấu kính mỏng (a) và thấu kính dầy (b) 31
Hình 2.6 Minh hoạ trường nhìn của camera 32
Hình 2.8 Cấu tạo của bộ bắt hình (frame grabber) 34
Hình 2.9 Các loại sóng điện từ (trên) và dải ánh sáng được phóng to (dưới) 36
Hình 2.10 Mô hình không gian màu RGB 37
Hình 2.11 Đồ thị sắc màu CIE 38
Hình 2.12 Mô hình không gian màu HSI 38
Hình 2.13 Pixel trung tâm và 4 pixel lân cận (a) và 8 pixel lân cận (b) 40
Hình 2.14 Hoạt động của bảng tìm kiếm 3 bit 41
Hình 2.15 Nhân chập ảnh với mặt nạ 43
Hình 2.16 Phương pháp lập bảng tìm kiếm 45

Hình 2.17 Hàm f(x) và đạo hàm bậc nhất và bậc 2 của nó 47
Hình 2.18 Tuần tự các bước xử lý tìm biên 48
Hình 2.19 Lân cận 3

3 của điểm ảnh [i,j] 49
Hình 3.1 Mô hình OAC 54
Hình 3.2 Mô hình bắt bóng 55
Hình 3.3 Hình chiếu từ trên xuống của người bắt bóng chạy để bắt bóng 56
Hình 3.4 Mô hình LOT 57
Hình 3.5 Mô hình GAG 58
Hình 3.6 Robot bắt bóng 58
Hình 3.7 Quá trình bắt bóng 59
Hình 3.8 Cấu tạo đế robot 60
Hình 3.9 Các hệ tọa độ của robot 61
Hình 3.10 Mô phỏng quỹ đạo của bóng 66



vii

Hình 3.11 Mô phỏng mô hình OAC 1 68
Hình 3.12 Mô phỏng mô hình OAC 2 69
Hình 3.13 Mô phỏng mô hình OAC 3 70
Hình 3.14 Mô phỏng mô hình OAC 4 71
Hình 3.15 Mô phỏng mô hình OAC 5 72
Hình 3.16 Mô phỏng mô hình OAC 6 73
Hình 3.17 Mô phỏng mô hình LOT 1 77
Hình 3.18 Mô phỏng mô hình LOT 2 78
Hình 3.19 Mô phỏng mô hình LOT 3 79
Hình 3.20 Mô phỏng mô hình LOT 4 80

Hình 3.21 Vùng có khả năng bắt bóng 82
Hình 3.22 Mô phỏng mô hình GAG 1 84
Hình 3.23 Mô phỏng mô hình GAG 2 85
Hình 3.24 Mô phỏng mô hình GAG 3 86
Hình 3.25 Cấu tạo và kích thước của robot bắt bóng trong thực tế 87
Hình 3.26 Robot bắt bóng trong thực tế 88
Hình 3.27 Các bước thực hiện quá trình bắt bóng 88
Hình 3.28 Mô phỏng robot bắt bóng 1 90
Hình 3.29 Robot bắt bóng 1 91
Hình 3.30 Mô phỏng robot bắt bóng 2 92
Hình 3.31 Robot bắt bóng 2 93
Hình 3.32 Mô phỏng robot bắt bóng 3 94
Hình 3.33 Robot bắt bóng 3 95
Hình 3.34 Mô phỏng robot bắt bóng 4 96
Hình 3.35 Robot bắt bóng 4 97
Hình 3.36 Mô phỏng robot bắt bóng 5 98
Hình 3.37 Robot bắt bóng 5 99



viii

Hình 3.38 Mô phỏng robot bắt bóng 6 100
Hình 3.39 Robot bắt bóng 6 101

ix


DANH SÁCH CÁC BẢNG

Bảng 1.1 Các cách thức di chuyển………………………………………………. 9

Bảng 2.1 Các trường hợp chuyển đổi từ không gian mầu HSI thành RGB …… 39



















1


MỞ ĐẦU

Ngày nay “robot” đã trở nên quen thuộc với nhiều người trong chúng ta thông qua
phim ảnh, sách báo cũng như trong đời sống hằng ngày. Trong nghiên cứu robot có
hầu hết các vấn đề của “cơ-tin-điện tử”; đó là sư kết hợp của nhiều ngành khoa học,
từ cơ khí, điện tử cho đến các ngôn ngữ lập trình. Robot di động là một lĩnh vực mới
trong nghiên cứu robot. Mặc dù là một ngành nghiên cứu non trẻ robot di động đã

ngày càng được ứng dụng nhiều trong cuộc sống hàng ngày từ giải trí, dẫn đường,
trợ giúp công việc hàng ngày cho đến các lĩnh vực mà con người khó có thể làm
được như trong các môi trường độc hại, trong quân sự hoặc thám hiểm các hành tinh
vv… Để tạo ra một robot di động để thực hiện những công việc đó ngoài các kết cấu
cơ khí phải có hệ thống các cảm biến để thu thập thông tin từ môi trường xung
quanh và chương trình phần mềm thông minh để điều khiển robot.
Qua việc tìm hiểu các đặc tính và các thành phần của robot di động, khóa
luận này trình bầy quá trình nghiên cứu, xây dựng mô phỏng một robot di động có
khả năng bám và bắt bóng nhờ vào cảm biến hình ảnh là một camera CCD.
Luận văn được chia thành 3 chương, cụ thể như sau:
Chƣơng 1: ROBOT DI ĐỘNG
- Giới thiệu chung về robot di động và các ứng dụng của nó.
- Cấu tạo của một robot di động điển hình.
- Cơ cấu chuyển động và phương trình động học của robot di động.
- Các cảm biến thường được sử dụng trong robot di động.
Chƣơng 2: THỊ GIÁC MÁY
- Giới thiệu về thị giác máy, qúa trình tạo và các mô hình biểu diễn ảnh.
- Một số khái niệm trong xử lý ảnh số.
- Xử lý điểm ảnh và xử lý phân vùng ảnh.
- Khảo sát đặc tính ảnh bao gồm đặc tính đường biên và đặc tính góc.
Chƣơng 3: ROBOT BẮT BÓNG



2

- Mục đích nghiên cứu và các mô hình của robot bắt bóng.
- Cơ cấu và thuật toán được dùng cho robot bắt bóng
- Mô phỏng robot bắt bóng theo các mô hình.
- Xây dựng robot bắt bóng trong thực tế.

- Kết qủa và thảo luận.

3

CHƢƠNG 1
ROBOT DI ĐỘNG
1.1 Giới thiệu chung về robot di động.
Ngành khoa học nghiên cứu về robot đã đạt được những thành tựu to lớn trong công
nghiệp giúp cho con người sản xuất ra rất nhiều của cải vật chất. Robot tay máy
được sử dụng trong các dây truyền sản xuất hàng loạt tiên tiến của nhiều nước trên
thế giới để tạo ra từ ôtô, xe máy cho đến các thiết bị tinh vi khác như máy nghe
nhạc, điện thoại, máy vi tính Tay máy ngày nay đã có thể di chuyển với tốc độ và
độ chính xác cao cũng như có các hệ thống an toàn đảm bảo để làm việc tốt cùng
con người [1].

Hình 1.1 Robot công nghiệp
Tuy nhiên với tất cả những thành công đó, những robot công nghiệp lại có
một nhược điểm cố hữu đó là thiếu sự di chuyển. Các hệ thống robot công nghiệp bị
giới hạn pham vi hoạt động phụ thuộc vào vị trí chúng được lắp giáp vận hành.
Chúng thường được đặt cố định trong môi trường làm việc chuyển động, điều này

làm giảm tính linh động của robot. Trong khi đó robot di động lại có thể di chuyển
khắp nơi trong môi trường và thực hiện công việc ở bất cứ nơi đâu cần tới chúng.



4

Từ đặc điểm đó robot di động đã đươc ứng dụng vào nhiều lĩnh vực của cuộc sống
ngày nay từ giải trí, dẫn đường, trợ giúp công việc hàng ngày cho đến các lĩnh vực
mà con người khó có thể làm được như trong các môi trường độc hại, trong quân sự
hoặc thám hiểm các hành tinh vv…[6]Luận văn này tập trung vào nghiên cứu robot
di động, vì thế từ đây trở về sau trong luận văn này thuật ngữ robot dùng để chỉ
robot di động.

Hình 1.2 Robot giúp đỡ người mù


Hình 1.3 Robot thám hiểm




5


Hình 1.4 Robot đồ chơi Aibo


Hình 1.5 Robot thám hiểm đáy biển

6


Hình 1.6 Robot hút bụi
Có một số sự khác biệt quan trọng giữa các yêu cầu của việc lắp đặt robot cố
định truyền thống với các yêu cầu của các hệ thống robot di động. Một trong những
mối quan tâm hàng đầu là sự không biết trước môi trường vận hành. Đối với các hệ
thống robot cố định, người ta thường xây dựng một không gian làm việc nhỏ để thực
hiện công việc và robot cố định thường thực hiện các công việc lặp đi lặp lại trong
môi trường xác định trước đó. Đối với các hệ thống robot di động, việc nhận biết
được môi trường làm việc là một yếu tố quyết định tới các “hành động” của robot,
chỉ có thể nhận biết được đầy đủ các thông tin về môi trường xung quanh thì robot
di động mới có thể thích ứng được trong các môi trường làm việc khác nhau. Mục
đích của luận văn là tìm hiểu về robot di động: cấu tạo, cách thức vận hành đồng
thời thiết kế mô phỏng để xây dựng một robot di động có khả năng bám và bắt
bóng.



7

Theo khái niệm, robot di động phải có một số bộ phận chuyển động. Chuyển
động có thể dưới dạng bánh xe, chân, cánh hoặc một số cơ cấu khác. Việc lựa chọn
cơ cấu chuyển động là dựa vào chức năng của robot và các công việc của robot cần
phải thực hiện. Trong nhiều môi trường làm việc công nghiệp, bánh xe là dạng
chuyển động thích hợp nhất. Đối với các hệ thống nghiên cứu ứng dụng khác, chân
hoặc cánh có thể giúp cho robot di động chuyển động được trên địa hình mà robot

không có khả năng đi qua.
Một nhân tố quan trọng trong thiết kế của các hệ thống robot di động là khả
năng mang theo các thiết bị. Thiết bị bao gồm nguồn điện cũng như tất cả các phần
cứng là các bộ cảm biến và các bộ xử lý mà robot đòi hỏi. Các thiết bị lắp đặt của
robot cố định có thể được kết nối trực tiếp với các nguồn điện và bộ xử lý, không
gian làm việc thường được xác định trước và có thể được kiểm soát. Hầu hết các
robot di động đều có một trọng tải nhất định, điều này có thể dẫn tới những sự giới
hạn trong thiết kế của hệ thống, đặc biệt trong các ứng dụng mà hay bị giới hạn về
kích cỡ và cân nặng.
Các thành phần cơ bản, thông dụng trong các hệ thống robot di động sử dụng
trong thực tế được chỉ ra như trên hình 1.7.

Hình 1.7 Các khối cơ bản trong robot di động




8

Các khối cơ bản cho các hệ thống robot di động bao gồm các bộ phận cảm
biến, bộ phận dẫn đường, các mô đun lập kế hoạch, điều khiển và các bộ chấp hành
dùng để di chuyển robot và tác động tới môi trường của nó. Trong khi một số các
phần cụ thể của robot di động sẽ phụ thuộc vào mục đích ứng dụng, một hệ thống
robot di dộng điển hình đòi hỏi phải có tất cả các khối trên thì mới vận hành được.
Thông tin về trạng thái môi trường xung quanh của robot và bản thân robot được
cung cấp với các cảm biến nội và cảm biến ngoại. Thông tin này được bộ xử lý
trung tâm (có cài đặt sẵn các chương trình, thuật toán dẫn đường…) sử dụng để ước
lượng trạng thái của hệ thống, không chỉ bao gồm trạng thái của bản thân robot mà
cả trạng thái của môi trường xung quanh nó. Ước lượng này được sử dụng để lập kế
hoạch hoạt động của robot và phát ra các lệnh cho các cơ cấu chấp hành của robot.

Thiết kế của các hệ thống robot di động phần nhiều sẽ bị chi phối bởi mục
đích ứng dụng. Không có giới hạn về số lượng các kết hợp giữa các thiết bị thao tác,
các bộ phận cảm biến và các thuật toán điều khiển cho các hệ thống robot di động.
Hơn nữa, luồng thông tin trong phạm vi hệ thống sẽ thay đổi tuỳ thuộc vào quá trình
thực thi, sẽ có một số thiết kế robot khác đáng kể so với những robot trình bày trong
hình. Trong một số trường hợp, dữ liệu từ các bộ phận cảm biến được trực tiếp cung
cấp cho bộ lên kế hoạch và điều khiển, cho phép hệ thống phản ứng nhanh hơn với
những thay đổi mạnh mẽ của môi trường. Sau đây, ta sẽ đi sâu vào các thành phần
cơ bản của robot di động
1.2 Cơ cấu chuyển động
Theo khái niệm, robot di động phải có một số bộ phận chuyển động. Các sự
vật và sinh vật trong tự nhiên có rất nhiều cách thức di chuyển và đó cũng là nguồn
cảm hứng để các nhà khoa học tạo ra các robot di động. Bảng 1.1 trình bày một số
cách thức di chuyển đặc thù của các sinh vật trong tự nhiên tử trượt, trườn, bò, chạy,
nhảy và đi. Người ta nói rằng động tác đi của con người là theo một hình đa giác và
với khoảng cách bước chân rất nhỏ hình đa giác sẽ biến thành hình tròn. Tuy nhiên
trong tự nhiên lại không có sinh vật nào di chuyển bằng bánh xe cả, chính con người



9

đã tạo ra các robot sử dụng bánh xe. Các bánh xe cho phép robot di chuyển cực kỳ
đơn giản, hiệu quả và linh hoạt đặc biệt là trên những địa hình bằng phẳng.


Bảng 1.1 Các cách thức di chuyển
Robot di chuyển bằng chân, loại robot cũng tương đối phổ biến có thể vượt
qua được những địa hình phức tạp (rãnh, hố…) và có khả năng di chuyển vật một
cách linh hoạt (đẩy, kéo vật …). Tuy nhiên để thực hiện điều này đổi lại robot phải

có tối thiểu hai bậc tự do, dẫn đến sự phức tạp của nguồn điện và kết cấu cơ khí và
làm tăng trọng lượng của robot. So sánh với các robot di chuyển bằng chân, robot di
chuyển trên bánh xe có kết cấu cơ khí đơn giản hơn rất nhiều, không phải quan tâm
đến vấn đề giữ thăng bằng, tốc độ di chuyển cao, vì vậy các robot chạy bằng bánh
xe được sử dụng rộng rãi hiện nay.



10

Xét về mặt cấu tạo bánh xe được dùng cho robot có thể chia ra làm 4 loại
chính như sau [6]:

Hình 1.8 Bốn loại bánh xe robot cơ bản
a) Bánh chuẩn có hai bậc tự do; quay quanh trục xe và điểm tiếp xúc.
b) Bánh Castor có ba bậc tự do; quay quanh trục bánh xe, điểm tiếp xúc
và trục castor.
c) Bánh Swedish có ba bậc tự do; quay quanh trục bánh xe, điểm tiếp
xúc và con lăn.
d) Bánh cầu có thể quay theo moi hướng.
Các loại bánh này có sự khác biệt lớn về mặt động học, vì vậy chọn loại bánh
xe phù hợp cũng ảnh hưởng lớn đến động học robot. Bánh chuẩn và bánh Castor có
một trục cố định vì vậy chúng có tính định hướng cao. Bánh Swedish và bánh cầu
thì được thiết kế mang tính linh hoạt cao hơn, ít tính định hướng hơn so với hai bánh
kia. Bánh xe robot càng to thì cho phép nó có thể vượt qua được những vật cản to
thế nhưng khi đó kéo theo yêu cầu về lực xoắn lớn hơn hoặc là thay đổi trong hộp
giảm tốc của motor.
Hình 1.9 mô tả cách thức bố trí bánh xe được sử dụng trong robot di động.
Robot có thể có hai bánh, ba bánh, bốn bánh, sáu bánh tùy thuộc vào mục đich sử
dụng.

11





Hình 1.9 Các cách sắp xếp bánh xe robot cơ bản





12

Cách thức bố trí bánh của đế robot cũng ảnh hưởng lớn đến động học robot.
Sự di chuyển của robot di động bao hàm 3 yếu tố: tính ổn định, độ linh động và khả
năng điều khiển. Mặc dù số bánh cần thiết để robot ổn định bền là 2 nếu trọng tâm
robot nằm dưới trục bánh xe, điều này yêu cầu bánh xe lớn nên thông thường để ổn
định robot người ta sử dụng ít nhất 3 bánh xe. Tất nhiên càng nhiều bánh tính ổn
định càng cao, tuy nhiên khi đó robot sẽ không linh động và khó khăn cho việc điều
khiển. Những robot cần độ linh động cao thường sử dụng bánh cầu vì nó có thể di
chuyển theo mọi hướng. Tuy nhiên robot càng linh động thì càng khó điều khiển; vì
vậy khi thiết kế một robot di động, chúng ta phải dung hòa được 3 yếu tố này tùy
thuộc vào nhiệm vụ của robot.
Trong lĩnh vực nghiên cứu robot di động, động học robot cần được nghiên
cứu để có được thiết kế cơ khí và viết được các phần mềm phù hợp cho từng nhiệm
vụ. Một robot di động thông thường được thiết kế với nhiều bánh xe. Mỗi bánh xe

có một vai trò nhất định góp phần cho sự chuyển động của toàn bộ robot vì vậy để
hiểu được sự di chuyển của robot ta phải hiểu được cách thức di chuyển của từng
bánh xe của robot đó.

Hình 1.10 Hệ tọa độ toàn cục và hệ tọa độ địa phương của robot




13

Để xác định vị trí của robot trong không gian ta thiết lập mối quan hệ giữa hệ
tọa độ toàn cục và hệ tọa độ địa phương của robot. Hệ tọa độ toàn cục có tâm là
điểm O và hai trục tọa độ X
I
và Y
I
. Để xác định vị trí của robot chọn một điểm P
nằm trên robot và là tâm của hệ tọa độ robot gồm hai trục X
R
và Y
R
. Vị trí của P
trong hệ tọa độ toàn cục được xác định bởi tọa độ x và y, góc lệch giữa hai hệ tọa độ
là . Ta có thể biểu diễn tọa độ của robot bằng một vectơ gồm 3 thành phần. Trong
hệ tọa độ toàn cục vị trí của robot được biểu diễn bằng
(1.1)
Để mô tả chi tiết chuyển động của robot dưới dạng các chuyển động của các
thành phần của robot, ta phải chuyển đổi tọa độ của robot từ hệ tọa độ toàn cục sang
hệ tọa độ địa phương của robot. Quá trình chuyển đổi này có thể thực hiện nhờ ma

trận chuyển đổi trực giao:
(1.2)
Ma trận này được sử dụng để chuyển những chuyển động của robot từ hệ tọa
độ toàn cục { X
I
, Y
I
} sang hệ tọa độ địa phương { X
R
, Y
R
}, ở đây ta dùng ký hiệu
R() bởi vì các thành phần của ma trận này phụ thuộc vào góc lệch .
(1.3)
Ta có thể lấy ví dụ ở hình 1.11. Trong trường hợp này  = /2 ta có thể tính
được ma trận chuyển đổi R
(1.4)



14


Hình 1.11 Robot trong hệ tọa độ toàn cục
Lấy vận tốc của robot trong hệ tọa độ toàn cục là
),,(



yx

ta có thể tính được
các thành phần chuyển động theo hệ tọa độ địa phương của robot.
(1.5)
Trong trường hợp này, ta thấy rằng sự di chuyển của robot theo trục X
R
là
y


và theo trục Y
R
là
x


.
1.3 Các loại cảm biến hay đƣợc sử dụng trong robot di động
Một trong những nhiệm vụ quan trọng nhất của bất kỳ hệ thống robot tự quản trị nào
là thu thập những thông tin của môi trường mà nó đang hoạt động. Để làm được
điều đó rất nhiều loại sensor được tạo ra và ứng dụng cho robot di động[3]. Người ta
phân loại sensor theo hai cách: sensor nội/sensor ngoại và sensor chủ động/sensor bị
động.
Sensor nội là những sensor dùng để đo các giá trị bên trong của hệ robot, ví
dụ như đo tốc độ, đo trọng lượng, đo điện áp…