Nghiên cứu, thiết kế robot dò đường đi bằng sóng siêu âm

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƢỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ TP. HCM

---------------------------

PHẠM DỰ

NGHIÊN CỨU, THIẾT KẾ ROBOT DÒ ĐƢỜNG
ĐI BẰNG SÓNG SIÊU ÂM

LUẬN VĂN THẠC SĨ
Chuyên ngành: Kỹ thuật Cơ điện tử
Mã số ngành: 60520114

TP. HỒ CHÍ MINH, tháng 8 năm 2015


BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƢỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ TP. HCM

---------------------------

PHẠM DỰ

NGHIÊN CỨU, THIẾT KẾ ROBOT DÒ ĐƢỜNG
ĐI BẰNG SÓNG SIÊU ÂM

LUẬN VĂN THẠC SĨ
Chuyên ngành: Kỹ thuật Cơ điện tử
Mã số ngành: 60520114
CÁN BỘ HƢỚNG DẪN KHOA HỌC: TS. NGUYỄN DUY ANH

TP. HỒ CHÍ MINH, tháng 8 năm 2015


CÔNG TRÌNH ĐƯỢC HOÀN THÀNH TẠI
TRƢỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ TP. HCM

Cán bộ hướng dẫn khoa học: TS. Nguyễn Duy Anh

Luận văn Thạc sĩ được bảo vệ tại Trường Đại học Công nghệ TP. HCM ngày
16 tháng 8 năm 2015

Thành phần Hội đồng đánh giá Luận văn Thạc sĩ gồm:

Chức danh Hội đồng

TT

Họ và tên

1

PGS. TS. Lê Hữu Sơn

2

TS. Nguyễn Thanh Phương

Phản biện 1

3

TS. Võ Hoàng Duy

Phản biện 2

4

PGS. TS. Ngô Cao Cường

5

TS. Nguyễn Hùng

Chủ tịch

Ủy viên
Ủy viên, Thư ký

Xác nhận của Chủ tịch Hội đồng đánh giá Luận sau khi Luận văn đã được
sửa chữa.

Chủ tịch Hội đồng đánh giá luận văn


TRƯỜNG ĐH CÔNG NGHỆ TP. HCM

CỘNG HÒA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM

PHÒNG QLKH – ĐTSĐH

Độc lập – Tự do – Hạnh phúc

NHIỆM VỤ LUẬN VĂN THẠC SĨ
Họ tên học viên : PHẠM DỰ

Giới tính: Nam

Ngày, tháng, năm sinh: 15/10/1986

Nơi sinh: Gia Lai

Chuyên ngành: Kỹ Thuật Cơ Điện Tử

MSHV: 1341840005

I- Tên đề tài:
NGHIÊN CỨU, THIẾT KẾ ROBOT DÒ ĐƯỜNG ĐI BẰNG SÓNG SIÊU ÂM
II- Nhiệm vụ và nội dung:
Nhiệm vụ: Điều khiển mobile robot dò đường đi trong mê cung và tìm đường đi
ngắn nhất.
Nội dung:
˗

Nghiên cứu các thuật toán tìm đường đi trong mê cung.

˗

Giao tiếp module cảm biến siêu âm với vi điều khiển.

˗

Điều khiển mobile robot dò đường đi trong mê cung.
III- Ngày giao nhiệm vụ: ngày 18 tháng 8 năm 2014
IV- Ngày hoàn thành nhiệm vụ: ngày 11 tháng 7 năm 2015
V- Cán bộ hƣớng dẫn: TS.NGUYỄN DUY ANH

CÁN BỘ HƢỚNG DẪN

KHOA QUẢN LÝ CHUYÊN NGÀNH


i
LỜI CAM ĐOAN

Tôi xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu của riêng tôi. Các số liệu, kết quả
nêu trong Luận văn là trung thực và chưa từng được ai công bố trong bất kỳ công trình
nào khác.
Tôi xin cam đoan rằng mọi sự giúp đỡ cho việc thực hiện Luận văn này
đã được cảm ơn và các thông tin trích dẫn trong Luận văn đã được chỉ rõ nguồn gốc.
Học viên thực hiện Luận văn

Phạm Dự


ii
LỜI CẢM ƠN

Lời đầu tiên em xin gửi lời cảm ơn chân thành và sâu sắc đến quý thầy giảng viên
Trường Đại học Công Nghệ Tp.HCM đã nhiệt tình giảng dạy, truyền đạt những kiến thức

và kinh nghiệm quý báu cho chúng em trong quá trình giảng dạy khóa cao học tại trường
Đại học Công Nghệ Tp. HCM.
Em xin gửi lời cám ơn chân thành đến Thầy TS. Nguyễn Duy Anh đã tận tình hướng
dẫn em về chuyên môn và kinh nghiệm để giúp em thực hiện luận văn tốt nghiệp.
Em cũng xin gửi lời cám ơn đến các anh/chị, các bạn học viên đã giúp đỡ, cùng trau
dồi kiến thức trong suốt quá trình học tập và làm luận văn tốt nghiệp.

Phạm Dự


iii
TÓM TẮT NỘI DUNG LUẬN VĂN

Luận văn đề xuất phương pháp để điều khiển robot di động dò đường với mê
cung bất kì. Mục đích của luận văn là điều khiển, thi công một robot di động, xây
dựng dữ liệu mê cung từ đó tìm đường đi ngắn nhất.
Robot có hai chức năng: dò đường trong mê cung và truyền dữ liệu bản đồ mê
cung tìm được lên máy tính. Mô hình của Robot di động được sử dụng có hai bánh xe
chủ động và 1 bánh xe tự lựa.
Robot di chuyển độc lập trong mê cung mà không có sự can thiệp từ bên ngoài.
Robot có ba cảm biến siêu âm được sử dụng để dò đường đi và phát hiện thông tin của
các bức tường trong mê cung
Robot sau khi có được dữ liệu của các bức tường trong mê cung sẽ truyền dữ liệu
lên máy tính thông qua module RF UART. Đồng thời dữ liệu sẽ được lưu lại trong bộ
nhớ của robot để robot có thể sử dụng để dò những bức tường tiếp theo trong mê cung.
Kết hợp với giao diện Matlab GUI người dùng có thể theo dõi chính xác vị trí
đang đứng của Robot trong mê cung.
Thuật toán Tremaux được đề xuất để giải bái toán tìm đường đi ngắn nhất khi
Robot đã dò được toàn bộ mê cung. Đường đi này sẽ được hiển thị lên giao diện
Matlab GUI.

Toàn bộ kết quả của việc dò đường, tìm đường đi ngắn nhất, thông tin mê cung
sẽ được lưu trong máy tính qua file text của Matlab. Kết quả này sẽ được sử dụng cho
những lần di chuyển tiếp theo.
Việc tính toán ước lượng các thông số của robot: các loại sai số, vận tốc góc, vận
tốc dài, khoảng cách….cũng được thực hiện dựa trên các thông số về mô hình, linh
kiện của hệ thống thực tế.
Phần cứng được thi công bao gồm các khối chính: module cảm biến siêu âm,
module RF UART và module mạch động lực cho robot. Mạch điều khiển cho robot sử
dụng vi điều khiển ARM.


iv

ABSTRACT
The thesis proposes a method to control a mobile robot which finds a way with
any maze. The aim is controlling, operating the robot, constructing a maze data to find
the nearest way to destination.
Robot has two main functions: finding the way to the maze, transmitting the
map data of the maze to Laptop. The model of Robot is used two wheels with two
motors and one wheel controlled.
Robot can move in maze by itself. There are 3 ultrasonic sensors which are
used to detect the way and discover a signal that is caused from the wall in the maze.
After receiving the data from the walls in the maze, Robot transmits it to
Laptop by RF UART module. At the time, Robot saves the data in its memory to
detect different walls in the maze.
According to Matlab graphic interface, user can know exactly Robot‟s location
in the maze.
Flood fill algorithm solves the problem how to find the nearest way in the
maze, as well as Robot scan all about maze. This way will be showed in Matlab
graphic interface.

All results about finding, detecting the nearest way, the maze data will be saved
in computer by Matlab‟s file text. These results will be used for the next steps.
The calculating of the parameters of Robot such as: errors, angular velocity,
velocity, distance…etc. is performed basing on the parameters of the model, the
components of the actual system.
The main blocks of Robot platform: the ultrasonic sensor module, RF UART
module and power circuits. The robot controller is ARM microcontroller.


v
MỤC LỤC

Chương 1: TỔNG QUAN .......................................................................................1
1.1. Giới thiệu chung ..........................................................................................1
1.2. Phân loại robot tự hành ................................................................................2
1.2.1. Robot tự hành di chuyển bằng chân (Legged Robot) ...........................2
1.2.2. Robot tự hành di chuyển bằng bánh (Wheel Robot) ............................4

1.3. Phương pháp điều hướng cho robot tự hành................................................8
1.3.1. Phương pháp điều hướng có tính toán ..................................................8
1.3.2. Phương pháp điều hướng robot theo phản ứng ....................................9
1.3.3. Phương pháp điều hướng lai ghép ......................................................11
1.4. Tính cấp thiết của đề tài .............................................................................11
1.5. Mục tiêu và nội dung nghiên cứu ..............................................................11
1.5.1. Mục tiêu của đề tài ..............................................................................11
1.5.2. Nội dung nghiên cứu...........................................................................12
1.6. Tổng quan về lĩnh vực nghiên cứu ............................................................12
1.6.1. Giới thiệu tổng quan chung về lĩnh vực nghiên cứu...........................12
1.6.2. Tình hình nghiên cứu trên thế giới .....................................................13
1.6.3. Tình hình nghiên cứu trong nước .......................................................17

1.7. Lựa chọn và cách bố trí bánh xe ................................................................18
Chương 2: MÊ CUNG VÀ GIẢI THUẬT TÌM ĐƯỜNG TRONG MÊ CUNG .21
2.1. Robot vẽ bản đồ .........................................................................................21
2.1.1. Vấn đề định vị của Robot tự hành ......................................................21
2.1.2. Sóng siêu âm .......................................................................................22
2.1.3. Camera xử lí hình ảnh.........................................................................23


vi
2.1.4. Lựa chọn phương án định vị và nhận diện vật cản .............................24
2.2. Mê cung và các thuật toán tìm đường trong mê cung ...............................24
2.3. Thuật toán tìm đường ngẫu nhiên ..............................................................25
2.4. Thuật toán bám theo tường ........................................................................25
2.5. Thuật toán Pledge ......................................................................................26
2.6. Thuật toán Trémaux ...................................................................................27
2.7. Thuật toán lấp kín đường cụt .....................................................................28

2.8. Thuật toán tìm đường đi ngắn nhất (floodfill) ...........................................29
Chương 3: THIẾT KẾ MÔ HÌNH XE DÒ MÊ CUNG .......................................34
3.1. Cơ sở lý thuyết ...........................................................................................34
3.1.1. Sơ lược các loại động cơ phổ biến ......................................................34
3.1.2. Động cơ DC thường............................................................................34
3.1.3. Các phương pháp điều khiển động cơ DC cho Robot tự hành ...........36
3.2. Thiết kế cơ khí ...........................................................................................37
3.2.1. Thiết kế xe dò mê cung .......................................................................37
3.2.2. Thiết kế mê cung thực nghiệm ...........................................................40
3.3. Hệ thống điện .............................................................................................41
3.3.1. Sơ đồ khối robot dò đường .................................................................41
3.3.2. Các thành phần của hệ thống điều khiển ............................................41
3.3.3. Tổng thể kết nối giữa các module trong hệ thống ..............................50

Chương 4: GIẢI THUẬT ĐIỀU KHIỂN .............................................................53
4.1. Đặt vấn đề ..................................................................................................53
4.2. Nguyên tắc xây dựng giải thuật điều khiển cho xe ....................................53
4.3. Mảng dữ liệu lưu trữ ..................................................................................53
4.3.1. Mảng dữ liệu lưu trữ tức thời..............................................................53


vii
4.3.2. Mảng dữ liệu lưu trữ cố định ..............................................................55
4.4. Lưu đồ giải thuật ........................................................................................56
4.4.1. Giải thuật điều khiển trên vi điều khiển .............................................56
4.4.2. Giải thuật quản lí dữ liệu và vẽ mê cung ............................................59
4.5. Thiết kế giao diện mê cung bằng phần mềm matlab GUI .........................61
Chương 5: THỰC NGHIỆM ĐIỀU KHIỂN VÀ KẾT LUẬN ............................63
5.1. Đánh giá .....................................................................................................63
5.1.1. Khả năng di chuyển của robot ............................................................63
5.1.2. Khả năng nhận dạng vật cản của bộ 3 cảm biến siêu âm: ..................63
5.1.3. Khả năng di chuyển trong mê cung theo thuật toán: ..........................63
5.2. Thực nghiệm ..............................................................................................64
5.2.1. Mê cung thực nghiệm .........................................................................64
5.2.2. Kết quả thực nghiệm ...........................................................................64
KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN CỦA ĐỀ TÀI ................................69
1. Những vấn đề đã làm được: ......................................................................69
2. Những vấn đề chưa làm được: ..................................................................69
3. Hướng phát triển đề tài: ............................................................................69


viii
DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT
RF: Radio Frequency.

DANH MỤC CÁC BẢNG
Bảng 1: Sơ đồ bánh xe của Robot tự hành .............................................................5
Bảng 2: Sơ đồ chân của Module MB3A ..............................................................46
Bảng 3: Sơ đồ chân của Module RF Transceiver CC1101 ..................................49
Bảng 4: Tổng hợp các chân trên của vi điều khiển nối với các chân trên các
module ...........................................................................................................................50
Bảng 5 Bảng quy ước bit tường trong mảng ........................................................56


ix
DANH MỤC CÁC HÌNH
Hình 1.1. Robot SDR-4X, chết tạo năm 2003 của hãng Sony ...............................3
Hình 1.2. Robot 6 chân ..........................................................................................3
Hình 1.3. Mô hình robot 4 chân .............................................................................4
Hình 1.4. Các loại bánh xe dùng trong Robot tự hành...........................................5
Hình 1.5. Robot tự hành Rover thám hiểm sao Hoả ..............................................7
Hình 1.6. Robot cắt cỏ............................................................................................7
Hình 1.7. Robot hút bụi Trilobite ...........................................................................8
Hình 1.8. Sơ đồ cấu trúc phương pháp điều khiển có tính toán .............................8
Hình 1.9. Sơ đồ tìm đường đi của giải thuật ........................................................14
Hình 1.10. Giao diện mô phỏng mê cung ............................................................14
Hình 1.11. Giao diện (GUI) mô phỏng mê cung .................................................15
Hình 1.12. Tọa độ ảo của mê cung ......................................................................15
Hình 1.13. Robot cỡ nhỏ sử dụng trong bài báo ..................................................16
Hình 1.14. Mê cung thiết kế và mê cung thực tế .................................................16
Hình 1.15. Robot thí nghiệm ................................................................................17
Hình 1.16. Kết quả thí nghiệm .............................................................................17
Hình 1.17. Sơ đồ khối Mobile Robot ...................................................................18
Hình 1.18. Robot chạy trong mê cung .................................................................18
Hình 1.19. Hai bánh chuyển động vi sai ..............................................................19

Hình 1.20. Hai bánh truyền động phía sau ...........................................................19
Hình 1.21. Hai bánh truyền động ở giữa có điểm thứ ba tiếp xúc .......................20
Hình 2.1. Mê cung đơn kết nối ............................................................................24
Hình 2.2. Mê cung đa kết nối ...............................................................................25
Hình 2.3. Thuật toán bám theo tường ..................................................................26
Hình 2.4. Thuật toán Pledge .................................................................................27
Hình 2.5. Thuật toán Tremaux .............................................................................28
Hình 2.6. Bước 1 giải thuật lấp đường cụt ...........................................................29
Hình 2.7. Bước 2 giải thuật lấp đường cụt ...........................................................29
Hình 2.8. Bước 1 của giải thuật floodfill .............................................................30
Hình 2.9. Bước 2 của giải thuật Floodfill ............................................................31


x
Hình 2.10. Bước 3 của giải thuật Floodfill ..........................................................31
Hình 2.11. Mảng val sau khi hoàn thành giải thuật .............................................32
Hình 2.12. Đường đi ngắn nhất tìm được từ giải thuật Floodfill .........................32
Hình 3.1. Cấu tạo động cơ DC .............................................................................34
Hình 3.2. Động cơ DC .........................................................................................34
Hình 3.3. Động cơ DC Servo ...............................................................................35
Hình 3.4. Cấu tạo động cơ bước ..........................................................................35
Hình 3.5. Mô hình Mobile Robot .........................................................................36
Hình 3.6. Họ đặc tính cơ của động cơ điện một chiều .........................................37
Hình 3.7. Động cơ DC Servo NF5475E ..............................................................38
Hình 3.8. Bánh xe chủ động của Robot ...............................................................38
Hình 3.9. Bánh trước của Robot ..........................................................................38
Hình 3.10. Hình chiếu bằng của Robot ................................................................39
Hình 3.11. Hình chiếu cạnh của Robot ................................................................39
Hình 3.12. Hình thực tế của Robot ......................................................................40
Hình 3.13. Các tấm foam làm tường mê cung .....................................................40

Hình 3.14. Sơ đồ khối Robot dò đường ...............................................................41
Hình 3.15. Mô phỏng lan truyền sóng siêu âm ....................................................41
Hình 3.16. Phạm vi góc hoạt động tốt nhất của Module......................................42
Hình 3.17. Module cảm biến siêu âm HC-SR04 và sơ đồ đấu dây .....................42
Hình 3.18. Biểu đồ thời gian của cảm biến siêu âm SRF-04 ..............................43
Hình 3.19. Nguyên lý TOF ..................................................................................44
Hình 3.20. Hiện tượng đọc chéo ..........................................................................44
Hình 3.21. Sự phản xạ của sóng siêu âm .............................................................45
Hình 3.22. Hiện tượng Forescasting ....................................................................45
Hình 3.23. Mạch cầu H ........................................................................................46
Hình 3.24. Sơ đồ kết nối của Module MB3A ......................................................47
Hình 3.25. Cấu tạo và ngoại vi của vi điều khiển STM32F407VGT6 ................49
Hình 3.26. Sơ đồ đấu dây của Module RF Transceiver CC1101.........................50
Hình 3.27. Sơ đồ khối mạch nguồn cho Robot ....................................................52
Hình 4.1. Sơ đồ điều khiển chương trình chính ...................................................56


xi
Hình 4.2. Giải thuật đi thẳng theo tường mê cung ...............................................57
Hình 4.3. Giải thuật rẽ hướng của xe ...................................................................58
Hình 4.4. Giải thuật xác định tọa độ của xe .........................................................59
Hình 4.5. Chương trình chính trên matlab ...........................................................60
Hình 4.6. Giải thuật vẽ mê cung ..........................................................................61
Hình 4.7. Giao diện hiển thị mê cung ..................................................................62
Hình 5.1. Robot và 1 góc của mê cung ................................................................64
Hình 5.2. Mê cung chưa biết trước kích thước 8x8 .............................................64
Hình 5.3. Bản đồ mê cung sau khi chạy lần 1 ......................................................66
Hình 5.4. Bản đồ mê cung sau khi chạy lần 2 ......................................................66
Hình 5.5. Bản đồ mê cung sau khi chạy lần 3 ......................................................67
Hình 5.6. Kết quả bản đồ mê cung trên Matlab GUI ...........................................67

Hình 5.7. Kết quả thuật toán Floodfill .................................................................68


1
Chƣơng 1: TỔNG QUAN
1.1. Giới thiệu chung
Ngày nay, Robot học đã đạt được những thành tựu to lớn trong nền sản xuất công
nghiệp. Những cánh tay robot có khả năng làm việc với tốc độ cao, chính xác và liên
tục làm năng suất lao động tăng nhiều lần. Chúng có thể làm việc trong các môi trường
độc hại như hàn, phun sơn, các nhà máy hạt nhân, hay lắp ráp các linh kiện điện tử tạo
ra điện thoại, máy tính…một công việc đòi hỏi sự tỉ mỉ, chính xác cao. Tuy nhiên
những robot này có một hạn chế chung đó là hạn chế về không gian làm việc. Không
gian làm việc của chúng bị giới hạn bởi số bậc tự do tay máy và vị trí gắn chúng.
Ngược lại, các Robot tự hành lại có khả năng hoạt động một cách linh hoạt trong các
môi trường khác nhau.
Robot tự hành là loại Mobile robot có khả năng tự hoạt động, thực thi nhiệm vụ
mà không cần sự can thiệp của con người. Với những cảm biến, chúng có khả năng
nhận biết về môi trường xung quanh. Robot tự hành ngày càng có nhiều ý nghĩa trong
các ngành công nghiệp, thương mại, y tế, các ứng dụng khoa học và phục vụ đời sống
của con người. Với sự phát triển của ngành Robot học, robot tự hành ngày càng có khả
năng hoạt động trong các môi trường khác nhau, tùy mỗi lĩnh vực áp dụng mà chúng
có nhiều loại khác nhau như robot sơn, robot hàn, robot cắt cỏ, robot thám hiểm đại
dương, robot làm việc ngoài vũ trụ. Cùng với sự phát triển của yêu cầu trong thực tế,
robot tự hành tiếp tục đưa ra những thách thức mới cho các nhà nghiên cứu.
Vấn đề của robot tự hành là làm thế nào để robot tự hành có thể hoạt động, nhận
biết môi trường và thực thi các nhiệm vụ đề ra. Vấn đề đầu tiên là di chuyển, Robot tự
hành nên di chuyển như thế nào và cơ cấu di chuyển nào là sự lựa chọn tốt nhất. Điều
hướng là vấn đề cơ bản trong nghiên cứu và chế tạo Robot tự hành. Trong hiệp hội
nghiên cứu về Robot tự hành có 2 hướng nghiên cứu khác nhau:
Hướng thứ nhất là nghiên cứu về Robot tự hành có khả năng điều hướng ở tốc độ

cao nhờ thông tin thu được từ cảm biến, đây là loại robot có khả năng hoạt động ở mối
trường trong phòng cũng như môi trường bên ngoài. Loại robot này yêu cầu khả năng
tính toán đồ sộ và được trang bị cảm biến có độ nhạy cao, dải đo lớn để có thể điều
khiển robot di chuyển ở tốc độ cao, trong những môi trường có địa hình phức tạp.
Hướng thứ hai nhằm giải quyết các vấn đề về các loại robot tự hành chỉ dùng để
hoạt động trong môi trường trong phòng. Loại robot tự hành này có kết cấu đơn giản
hơn loại trên, thực hiện những nhiệm vụ đơn giản.


2
Bài toán dẫn hướng cho robot tự hành được chia làm 2 loại: bài toán toàn cục
(global) và bài toán cục bộ (local). Ở bài toàn cục, môi trường làm việc của robot hoàn
toàn xác định,đường đi và vật cản là hoàn toàn biết trước. Ở bài toán cục bộ, môi
trường hoạt động của robot là chưa biết trước hoặc chỉ biết một phần. Các cảm biến và
thiết bị định vị cho phép robot xác định được vật cản, vị trí của nó trong môi trường
giúp nó đi tới được mục tiêu.
Các vấn đề gặp phải khi điều hướng cho Robot tự hành thường không giống như
các loại robot khác. Để có thể điều hướng cho Robot tự hành, quyết định theo thời gian
thực phải dựa vào thông tin liên tục về môi trường thông qua các cảm biến, hoặc ở môi
trường trong phòng hoặc ngoài trời, đây là điểm khác biệt lớn nhất so với kỹ thuật lập
kế hoạch ngoại tuyến.Robot tự hành phải có khả năng tự quyết định về phương thức
điều hướng, định hướng chuyển động để có thể tới đích thực hiện nhiệm vụ nhất định.
Điều hướng cho robot tự hành là công việc đòi hỏi phải thực hiện được một số
khả năng khác nhau, bao gồm : khả năng di chuyển ở mức cơ bản, ví dụ như hoạt động
đi tới vị trí cho trước; khả năng phản ứng các sự kiện theo thời gian thực, ví dụ như khi
có sự xuất hiện đột ngột của vật cản; khả năng xây dựng, sử dụng và duy trì bản đồ
môi trường hoạt động; khả năng xác định vị trí của robot trong bản đồ đó; khả năng
thiết lập kế hoạch để đi tới đích hoặc tránh các tình huống không mong muốn và khả
năng thích nghi với các thay đổi của môi trường hoạt động.
1.2. Phân loại robot tự hành

Robot tự hành được chia làm 2 loại chính đó là loại robot tự hành chuyển động
bằng chân và robot tự hành chuyển động bằng bánh.Ngoài ra một số loại robot hoạt
động trong các môi trường đặc biệt như dưới nước hay trên không trung thì chúng
được trang bị cơ cấu di chuyển đặc trưng.
1.2.1. Robot tự hành di chuyển bằng chân (Legged Robot)
Ưu điểm lớn nhất của loại robot này là có thể thích nghi và di chuyển trên các địa
hình gồ ghề. Hơn nữa chúng còn có thể đi qua những vật cản như hố, vết nứt sâu.
Nhược điểm chính của robot loại này chính là chế tạo quá phức tạp. Chân robot
là kết cấu nhiều bậc tự do, đây là nguyên nhân làm tăng trọng lượng của robot đồng
thời giảm tốc độ di chuyển. Các kĩ năng như cầm, nắm hay nâng tải cũng là nguyên
nhân làm giảm độ cứng vững của robot. Robot loại này càng linh hoạt thì chi phí chế
tạo càng cao.


3
Robot tự hành di chuyển bằng chân được mô phỏng theo các loài động vật vì thế
mà chúng có loại 1 chân, loại 2,4,6 chân và có thể nhiều hơn. Dưới đây là một số loại
robot điển hình chuyển động bằng chân.

Hình 1.1. Robot SDR-4X, chết tạo năm 2003 của hãng Sony

Hình 1.2. Robot 6 chân


4

Hình 1.3. Mô hình robot 4 chân

1.2.2. Robot tự hành di chuyển bằng bánh (Wheel Robot)
Bánh xe là cơ cấu chuyển động được sử dụng rộng rãi nhất trong công nghệ

Robot tự hành. Vấn đề cân bằng thường không phải là vấn đề được chú ý nhiều trong
robot di chuyển bằng bánh. Ba bánh là kết cấu có khả năng duy trì cân bằng nhất, tuy
nhiên kết cấu 2 bánh cũng có thể cân bằng được. Khi robot có số bánh nhiều hơn 3 thì
thông thường người ta phải thiết kế hệ thống treo để duy trì sự tiếp xúc của tất cả các
bánh xe với mặt đất. Vấn đề của robot loại này là về lực kéo, độ ổn định và khả năng
điều khiển chuyển động.v.v. Hình 1.2 dưới đây giới thiệu 4 loại bánh xe cơ bản được
sử dụng trong Robot tự hành:
a/ Bánh xe tiêu chuẩn: 2 bậc tự do, có thể quay quanh trục bánh xe và điểm
tiếp xúc.
b/ Bánh lái: 2 bậc tự do, có thể quay xung quanh khớp lái.
c/ Bánh Swedish: 3 bậc tự do, có thể quay đông thời xung quanh trục bánh
xe, trục lăn và điểm tiếp xúc.


5

Hình 1.4. Các loại bánh xe dùng trong Robot tự hành
Sơ đồ bánh xe của robot tự hành 2 bánh, 3 bánh, 4 bánh và 6 bánh được liệt kê
trong bảng dưới đây:
Bảng 1: Sơ đồ bánh xe của Robot tự hành
S
ố
bánh

Sắp xếp

Miêu tả

Một bánh lái phía trước, một bánh phía
sau

2

Hai bánh truyền động với trọng tâm ở
bên dưới trục bánh xe.
Hai bánh truyền động ở giữa và có điểm
thứ 3 tiếp xúc

3

Hai bánh truyền động độc lập ở phía sau
và một bánh lái ở phía trước.
Hai bánh truyền động được nối với trục
ở phía sau, một bánh lái ở phía trước.


6
Hai bánh quay tự do ở phía sau, bánh
trước vừa là bánh truyền động vừa là bánh lái.
3 bánh Swedisk được đặt ở các đỉnh của
một tam giác đều, kết cấu này cho phép robot
di chuyển theo đa hướng.
2 bánh chủ động ở phía sau, hai bánh lái
ở phía trước.
Hai bánh phía trước vừa là bánh lái vừa
là bánh chủ động.
Cả 4 bánh đều là bánh truyền động và
lái.
Hai bánh truyền động độc lập ở phía

4

trước/sau, 2 bánh lái đa hướng ở phía
sau/trước.
Bốn bánh đa hướng.

Hai bánh chuyển động vi sai và thêm 2
điểm tiếp xúc.
4 bánh vừa là truyền động vừa là bánh
lái.
Hai bánh truyền động ở giữa, thêm 4
bánh đa hướng ở xung quanh.


7

6

Hai bánh truyền động vi sai ở giữa, bốn
bánh đa hướng ở 4 góc.

Một số loại robot chuyển động bằng bánh:

Hình 1.5. Robot tự hành Rover thám hiểm sao Hoả

Hình 1.6. Robot cắt cỏ


8

Hình 1.7. Robot hút bụi Trilobite
1.3. Phƣơng pháp điều hƣớng cho robot tự hành
Kỹ thuật điều hướng sử dụng trí thông minh nhân tạo trong robot tự hành có thể
được chia thành 2 loại chính, đó là điều hướng có tính toán và điều hướng theo phản
ứng. Đúng như tên gọi, điều hướng có tính toán là phương pháp điều hướng có kế
hoạch còn điều hướng theo phản ứng là điều hướng tức thời, là quá trình tự động thực
hiện các phản ứng theo môi trường xung quanh. Ngoài ra còn có phương pháp điều
hướng lai ghép là phương pháp kết hợp cả hai phương pháp có tính toán và điều hướng
theo phản ứng để xây dựng một bộ điều khiển thông minh hơn.
1.3.1. Phƣơng pháp điều hƣớng có tính toán
Phương pháp điều hướng có tính toán là phương pháp thực hiện theo trình tự:
quan sát – lập kế hoạch – hành động. Thông thường một hệ thống có tính toán bao
gồm 5 khâu: nhận thức (perception), mô hình thế giới (word modelling), lập kế
hoạch(planning), thực hiện công việc (task excution) và điều khiển động cơ(motor
control).
Các khâu trên có thể được coi như là một chuỗi các “lát mỏng theo phương thẳng
đứng” với các đầu vào là tín hiệu nhận được từ cảm biến ở phía bên trái và đầu ra tới
các khâu chấp hành ở phía bên phải.

Hình 1.8. Sơ đồ cấu trúc phương pháp điều khiển có tính toán


9

- Khâu nhận thức có nhiệm vụ điều khiển các thiết bị cảm ứng, các thiết bị này
được nối với robot sẽ cho các thông tin về môi trường quan sát được.

- Khâu mô hình thế giới: chuyển các tín hiệu từ cảm biển thành mổ tả mối liên
quan giữa robot với mô hình bên trong môi trường.

- Khâu lập kế hoạch: cố gắng xây dựng kế hoạch thực hiện của robot sao cho đạt
được mục tiêu phù hợp với tình trạng thế giới hiện thời.

- Khâu thực hiện công việc: chia kế hoạch vừa được xây dựng thành các lệnh
điều khiển chuyển động chi tiết

- Khâu điều khiển động cơ: dùng để thực hiện các lệnh này.
Mỗi một hệ thống con như là một khâu tương đối phức tạp và tất cả phải hoạt
động một cách đồng bộ với hoạt động của robot tại mọi thời điểm. Phương pháp này
đòi hỏi phải trang bị các cảm biến, các thiết bị đo để nhận biết thông tin từ môi trường
hoặc dạng thông tin dự đoán trước từ bản đồ toàn cục. Thông tin đó sẽ được tham
chiếu với một bản đồ môi trường nếu có thể, và sử dụng thuật toán lập kế hoạch để tạo
ra quỹ đạo chuyển động giúp robot tránh vật cản và tăng xác suất tới mục tiêu đến tối
đa. Do sự phức tạp của môi trường làm tăng thời gian để nhận biết , xây dựng mô hình
và lập kế hoạch về thế giới cũng tăng theo hàm mũ. Đây cũng chính là bất lợi của
phương pháp này. Phương pháp này tỏ ra rất hữu hiệu cho các tình huống mà trong đó
môi trường làm việc là tương đối tĩnh (môi trường trong đó có thể bao gồm vật cản,
tường chắn, hành lang, điểm đích, v.v.. là các đối tượng có vị trí không thay đổi trong
bản đồ toàn cục).
Trong phương pháp điều hướng có tính toán, khâu lập kế hoạch đường đi cho
robot là cực kì quan trọng. Việc lập kế hoạch đường đi cho mobile robot thường có hai
giai đoạn đó là lập kế hoạch toàn cục và lập kế hoạch cục bộ. Lập kế hoạch toàn cục
có thể được hiểu như là cách di chuyển robot qua một môi trường tùy ý và môi trường
này là tương đối lớn. Còn lập kế hoạch cục bộ sẽ đưa ra quyết định khi robot đối mặt
với môi trường tĩnh, ví dụ như khi robot gặp phải vật cản, hành lang…. Kế hoạch cục
bộ đưa ra phương pháp để đi tới đích ngắn nhất, an toàn nhất. Chính vì thế khi gặp
phải các vật cản, kế hoạch cục bộ sẽ giúp cho robot tránh không va chạm rồi mới tiếp
tục thực hiện kế hoạch toàn cục để tới đích.
1.3.2. Phƣơng pháp điều hƣớng robot theo phản ứng
Như phân tích ở phần trên, phương pháp điều hướng có tính toán có nhiều ưu

điểm đối với quá trình điều hướng cho mobile robot. Tuy nhiên, điều hướng có tính


10
toán thường yêu cầu khối lượng tính toán tương đối lớn và phương pháp này tỏ ra
không tối ưu khi môi trường hoạt động của robot thay đổi.
Phương pháp điều hướng theo phản ứng ra đời nhằm giải quyết các vấn đề có
liên quan tới môi trường không biết trước hoặc môi trường thường xuyên thay đổi .
Điều hướng theo phản ứng khắc phục được những hạn chế của phương pháp điều
hướng tính toán, giúp giảm khối lượng tính toán, tăng tốc độ xử lý trong môi trường
phức tạp. Điều hướng theo phản ứng là phương pháp kết hợp các phản ứng thực hiện
một cách tự động với các kích thích từ cảm biến để điều khiển robot sao cho an toàn
và đạt hiệu suất cao nhất. Phương pháp này đặc biệt phù hợp đối với những ứng dụng
nơi mà môi trường là hoàn toàn động hoặc không biết trước, ví dụ như trong không
gian hoặc dưới nước. Trong thực tế, các thiết bị vệ tinh thám hiểm kiểu robot đã sử
dụng phương pháp điều hướng theo phản ứng, lí do là phương pháp điều hướng theo
tính toán đòi hỏi việc lập kế hoạch phức tạp có quá nhiều phép tính toán bị giới hạn
bởi khả năng của bộ nhớ và tốc độ tính toán. Điều hướng theo phản ứng chỉ phụ thuộc
vào trạng thái hiện thời của robot và đòi hỏi rất ít các phép tính toán để tác động lại
môi trường hoạt động.
Tuy nhiên, phương pháp điều hướng theo phản ứng cũng có nhiều mặt hạn chế,
việc không có kế hoạch toàn cục có thể khiến cho quá trình điều khiển gặp phải những
khó khăn. Các hoạt động tối ưu cục bộ chủ yếu thu được nhờ điều khiển theo phản
ứng, chính vì thế mà có thể gây ra hiện tượng lệch hướng toàn cục. Trong phương
pháp điều hướng theo tính toán, hệ thống không bao giờ mất tầm quan sát đích trong
khi các hệ thống điều hướng theo phản ứng cần phải giữ các đích tức thời để độ lệch
hướng so với đích toàn cục là không quá lớn.
Một thuận lợi ở điều hướng theo phản ứng so với các phương pháp tính toán đó
là khả năng mở rộng bộ điều khiển để thêm vào các thành phần phản ứng khác mà
không cần phải điều chỉnh lại toàn bộ phần mềm điều khiển. Chính vì thế, ta có thể dễ

dàng bổ xung thêm tính năng cho robot bằng cách thêm vào các hoạt động mới mà
không làm thay đổi những hoạt động đã có trước. Ví dụ, để robot phản ứng với một
kích thích thu được từ một cảm biến mới, ta chỉ cần thêm một thành phần khác vào bộ
điều khiển để nó phản ứng với kích thích thu được từ cảm biến đó. Còn ở các phương
pháp tính toán, bạn cần phải xây dựng một thuật toán hoàn toàn mới để sử dụng dữ
liệu thu được từ cảm biến mới được thêm vào này.