Nghiên cứu thiết kế hệ thống phát hiện chướng ngại vật cho robot tự hành

Luận văn thạc sĩ kỹ thuật

MỤC LỤC
HỆ THỐNG DANH MỤC HÌNH ẢNH .....................................................................3
HỆ THỐNG KÝ HIỆU, CHỮ VIẾT TẮT .................................................................5
HỆ THỐNG DANH MỤC BẢNG BIỂU ...................................................................6
LỜI CAM ĐOAN .......................................................................................................7
GIỚI THIỆU TỔNG QUAN VỀ ĐỀ TÀI ..................................................................8
1.

Lý do chọn đề tài. .......................................................................................8

2.

Mục đích của đề tài. ...................................................................................8

3.

Nội dung cơ bản của đề tài: ........................................................................8

4.

Ý nghĩa thực tiễn của đề tài:.......................................................................9

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ ROBOT TỰ HÀNH VÀ HỆ THỐNG PHÁT
HIỆN CHƯỚNG NGẠI VẬT DÙNG TRONG ROBOT TỰ HÀNH. ....................10
1.1.Tổng quan về robot tự hành. ............................................................................10
1.2.Hệ thống phát hiện chướng ngại vật trong robot tự hành. ...............................20
1.3.Kết luận. ...........................................................................................................40
CHƯƠNG 2 : GIẢI BÀI TOÁN TRÁNH VẬT CẢN CHO ROBOT TỰ HÀNH. .41
2.1. Phân tích mô hình động học robot. ................................................................41

2.2. Giải bài toán tìm đường và tránh vật cản........................................................42
2.3. Thuật toán cho robot. ......................................................................................52
2.4. Giải bài toán giao tiếp từ xa cho robot ...........................................................59
2.5. Kết luận ...........................................................................................................68
CHƯƠNG 3: ÁP DỤNG MÔ HÌNH THỰC TẾ ......................................................69
3.1. Nguyên lý hoạt động của robot. ......................................................................69
3.2. Phân tích các khối chức năng của robot. ........................................................70
3.3. Tính quãng đường di chuyển của robot. .........................................................71
3.4. Mô hình thực tế ...............................................................................................72
3.5. Các linh kiện sử dụng trong mô hình..............................................................75
3.6. Thiết kế mạch..................................................................................................84
3.7. Lập trình ..........................................................................................................87

1


Luận văn thạc sĩ kỹ thuật

3.8. Kết luận. ..........................................................................................................88
KẾT LUẬN ...............................................................................................................89
PHỤ LỤC ..................................................................................................................90
TÀI LIỆU THAM KHẢO .......................................................................................100

2


Luận văn thạc sĩ kỹ thuật

HỆ THỐNG DANH MỤC HÌNH ẢNH
Hình 1.1. Robot tự hành SmatROD ........................................................................................ 10

Hình 1.2. Mantis Robot ............................................................................................................ 11
Hình 1.3. Robot thám hiểm của trung tâm vũ trụ NASA ..................................................... 11
Hình 1.4.robot tự hành 8 bánh Lunokhod. ............................................................................. 12
Hình 1.5. Robot Lauron II từ đại học Karlsruhe ................................................................... 12
Hình 1.6. Caterpillar robot ROBHAZ_DT3 của Viện Khoa học và Công Nghệ Hàn
Quốc ( KIST ) ............................................................................................................................ 13
Hình 1.7. Robot tự hành Shrimp III của công ty Bluebotics ............................................... 13
Hình 1.8 Robot người P2 của hãng Honda (Nhật Bản) ........................................................ 14
Hình 1.9 Robot Dog Aibo của hãng Sony (Nhật Bản) ......................................................... 14
Hình 1.10 Một số loại robot di chuyển bằng chân điển hình ............................................... 16
Hình 1.11. Nguyên lý của incremental encoder ................................................................... 21
Hình 1.12. (a) Mã hóa tín hiệu từ incremental encoder băng mã gray. .............................. 22
Hình 1.13. Một số loại cảm biến gia tốc................................................................................. 23
Hình 1.14. Nguyên lý của Mechanical Gyroscope ............................................................... 24
Hình1.15. Nguyên lý của Optical Gyroscope ........................................................................ 25
Hình 1.16. Nguyên lý đo khoảng cách sử dụng cảm biến hồng ngoại ............................... 26
Hình 1.17: Nguyên lý tính khoảng cách của cảm biến siêu âm. ......................................... 27
Hình 1.18: Tầm quét của cảm biến siêu âm. .......................................................................... 27
Hình 1.19: Cảm biến siêu âm SRF05 ..................................................................................... 29
Hình 1.20. Giản đồ định thời SRF05, chế độ 1 ..................................................................... 30
Hình 1.21.Giản đồ định thời SRF05 chế độ 2. ...................................................................... 32
Hình 1.22. Biểu đồ độ rộng chùm tia của SRF05 ................................................................. 33
Hình 1.23. Nguyên lý cơ ban thu phát của sóng âm. ............................................................ 34
Hình 1.24. Sự phụ thuộc của sóng âm hồi tiếp vào góc phản xạ ........................................ 34
Hình 1.25. Vùng phát hiện vật thể của cảm biến SRF05 ..................................................... 35
Hình 1.26.Vùng phát hiện khi kết hợp 2 cảm biến. .............................................................. 35
Hình 1.27. Thị trường của robot với optical flow ................................................................. 36
Hình 1.28. Ảnh gốc và ảnh sau khi tách biên ........................................................................ 37
Hình 1.29. Phương pháp dò nền .............................................................................................. 38

3


Luận văn thạc sĩ kỹ thuật

Hình 1.30. Phương pháp sử dụng 2 camera ........................................................................... 39
Hình 2.1. Mô hình kết cấu của robot ...................................................................................... 41
Hình 2.2. Phân tích động học cho mô hình ............................................................................ 41
Hình 2.3. Mô hình bố trí cảm biến cho robot. ....................................................................... 44
Hình 2.4. Chuyển động của robot hệ tọa độ XY ................................................................... 45
Hình 2.5. Robot gặp vật cản phía trước .................................................................................. 46
Hình 2.6. Ứng xử của robot khi gặp vật cản phía trước ....................................................... 47
Hình 2.7.Robot gặp vật cản phía trước và bên phải. ............................................................. 48
Hình 2.8. Ứng xử của robot khi gặp vật cản phía trước và bên phải. ................................. 48
Hình 2.9.Robot gặp vật cản phía trước và phía bên trái. ...................................................... 49
Hình 2.10.Ứng xử của robot khi gặp vật cản phía trước và bên trái. ................................. 49
Hình 2.11.Robot gặp chướng ngại vật phía trước và 2 bên. ................................................ 50
Hình 2.12.Ứng xử của robot khi gặp vật cản trước mặt và 2 bên. ...................................... 51
Hình 2.14.Điều biên cho sóng ................................................................................................. 62
Hình 2.15. Điều tần cho sóng .................................................................................................. 62
Hình 2.16. Điều pha cho sóng.................................................................................................. 63
Hình 2.17. Sóng được phát theo nguyên tắc ASK ................................................................ 64
Hình 2.18. Sóng được phát theo nguyên tắc OOK................................................................ 64
Hình 2.16. Sơ đồ giải mã .......................................................................................................... 67
Hình 3.1. Cách xác định điểm đến cho robot. ....................................................................... 69
Hình 3.2. Mô hình robot ........................................................................................................... 69
Hình 3.3. Sơ đồ các khối chức năng dùng trong robot. ........................................................ 70
Hình 3.4. Cơ cấu truyền động của robot. ............................................................................... 71
Hình 3.5. Mô hình robot ........................................................................................................... 72
Hình 3.13. Kết nối RF và Vi điều khiển ................................................................................. 76

Hình 3.15 Sơ đồ chân IC PT2272 .......................................................................................... 78
Hình 3.16. Màn hình LCD ....................................................................................................... 79
Hình 3.18. Mạch giao tiếp RS232 ........................................................................................... 84
Hình 3.19. LCD và thu phát RF .............................................................................................. 84
Hình 3.20 Khối nguồn. ............................................................................................................. 85
Hình 3.23. Mạch cảm biến Siêu âm ........................................................................................ 86

4


Luận văn thạc sĩ kỹ thuật

HỆ THỐNG KÝ HIỆU, CHỮ VIẾT TẮT
LCD: Màn hình tinh thể lỏng.
Vss: Nguồn cung cấp
Vdd: Nguồn cung cấp (+3V~+5V)
GND: Nối đất
RF: Bộ thu phát sóng radio.

5


Luận văn thạc sĩ kỹ thuật

HỆ THỐNG DANH MỤC BẢNG BIỂU
Bảng 1: Sơ đồ bánh xe của robot tự hành.
Bảng 2: Thông số một số loại cảm biến siêu âm SRF.
Bảng 3.1 Thông số kỹ thuật của module RF 315 MHz.
Bảng 3.2 Các chân của LCD.

6


Luận văn thạc sĩ kỹ thuật

LỜI CAM ĐOAN
Tôi tên là Hoàng Văn Tiến học viên cao học lớp 13BCĐT.KT khóa 2013B
Chuyên ngành: Cơ Điện Tử
Đề tài: Nghiên cứu thiết kế hệ thống phát hiện chướng ngại vật cho robot tự hành.
Giáo viên hướng dẫn: GVCC.TS. Nguyễn Trọng Doanh
Tôi xin cam đoan các nghiên cứu, thực nghiệm trong luận văn này là do chính tác
giả thực hiện.

7


Luận văn thạc sĩ kỹ thuật

GIỚI THIỆU TỔNG QUAN VỀ ĐỀ TÀI
1. Lý do chọn đề tài.
Tác giả chọn đề tài:” Nghiên cứu, thiết kế hệ thống phát hiện chướng ngại
vật cho robot tự hành.” với lý do sau:
Ngày nay, robot được ứng dụng không chỉ trong vũ trụ, công nghiệp, quân sự
mà còn trong cuộc sống hàng ngày.Với sự phát triển của các cảm biến đã giúp
cho robot ngày càng linh hoạt và mức độ tự động hóa cao hơn.Việc nghiên cứu
và thiết kế hệ thống phát hiện chướng ngại vật chính là góp phần làm cho robot
nâng cao mức độ tự động hóa và ngày càng thông minh hơn. Với sức hấp dẫn
của lĩnh vực này tác giả đã chọn đề tài:” Nghiên cứu, thiết kế hệ thống phát hiện
chướng ngại vật cho robot tự hành.”
2. Mục đích của đề tài.

Đề tài được nghiên cứu với 2 mục đích chính:
-

Nghiên cứu hệ thống phát hiện chướng ngại vật.

-

Ứng dụng vào mô hình robot tự hành cụ thể.

3. Nội dung cơ bản của đề tài:
Nội dung của đề tài gồm ba chương:
CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ ROBOT TỰ HÀNH VÀ HỆ THỐNG
PHÁT HIỆN CHƯỚNG NGẠI VẬT DÙNG TRONG ROBOT TỰ HÀNH.
CHƯƠNG 2: GIẢI BÀI TOÁN TRÁNH VẬT CẢN CHO ROBOT TỰ
HÀNH.
2.1. Phân tích mô hình động học cho robot.
2.2. Giải bài toàn tìm đường và tránh vật cản.
2.3.Thuật toán cho robot.
2.4. Giải bài toán giao tiếp từ xa.
CHƯƠNG 3: ÁP DỤNG VÀO MÔ HÌNH THỰC TẾ

8


Luận văn thạc sĩ kỹ thuật

4. Ý nghĩa thực tiễn của đề tài:
Trong quá trình nghiên cứu tác giả mong muốn có cái nhìn tổng quan
nhất về robot tự hành và hệ thống phát hiện chướng ngại vật cho robot.Xây
dựng được mô hình robot có khả năng tránh chướng ngại vật và có khả năng

giao tiếp từ xa với máy tính.

9


Luận văn thạc sĩ kỹ thuật

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ ROBOT TỰ HÀNH VÀ HỆ
THỐNG PHÁT HIỆN CHƯỚNG NGẠI VẬT DÙNG TRONG
ROBOT TỰ HÀNH.
1.1.

Tổng quan về robot tự hành.

1.1.1. Một số mẫu robot tự hành.
Ngày nay, trong sự phát triển của nền công nghiệp cũng như sự phát triển
vượt bậc của khoa học kỹ thuật thì con người dần dần giảm thiểu tối đa phải
tiếp xúc những công việc nguy hiểm và nặng nhọc. Để có thể đảm nhiệm
thay thế con người ở những công việc như vậy đòi hỏi thiết bị phải có khả
năng thay thế được cong người cả về phương diện trí tuệ lẫn độ linh hoạt. Vì
vậy robot tự hành là một giải pháp tối ưu cho công việc đó.

Hình 1.1. Robot tự hành SmatROD
Đặc tính có thể mang trọng tải và di chuyển tụ động trên nền phẳng.
Về kết cấu mẫu robot tự hành này tương tự một hệ thống nâng chuyển được
điều khiển hoàn toàn tự động[9].

10

Luận văn thạc sĩ kỹ thuật

Hình 1.2. Mantis Robot
Đặc điểm của Robot mantis là khả năng leo địa hình đặc biệt là cầu
thang. Tuy nhiên về kết cấu phần cơ k hí của hệ thống thì còn nhiều yếu tố
chưa hoàn hảo khi chuyển động. Hinh dạng bánh không cân xứng dẫn tới
mất cân bằng và phân bố lực không đều khi chuyển động[9].

Hình 1.3. Robot thám hiểm của trung tâm vũ trụ NASA
Đặc điểm của các mẫu robốt tự hành này là tính ổn định và bền vững
trước những yễu tố tác động của môi trường. Được trang bị những hệ thống
cảm biến hiện đại và hệ thống điều khiển tối ưu. Năng lượng cấp cho toàn hệ
thống được chuyển đổi trực tiếp từ năng lượng tự nhiên (năng lượng từ mặt
trời) thông qua hệ thống pin quang học.

11


Luận văn thạc sĩ kỹ thuật

Hình 1.4.robot tự hành 8 bánh Lunokhod.

Hình 1.5. Robot Lauron II từ đại học Karlsruhe
Robot Lauron II là loại di chuyển bằng chân có khả năng thích nghi tốt
với địa hình tự nhiên nhờ khả năng tự đảm bảo cân bằng của nó . Tuy nhiên
nó có kết cấu cơ khí quá phức tạp , đòi hỏi sự điều khiển cực tốt và thường
có tốc độ rất chậm[9].

12

Luận văn thạc sĩ kỹ thuật

Hình 1.6. Caterpillar robot ROBHAZ_DT3 của Viện Khoa học và Công
Nghệ Hàn Quốc ( KIST )
Robot chạy bằng xích có khả năng vượt chướng ngại vật tốt nhờ sự vững
chắc và hệ số ma sát động cao. Tuy nhiên do ma sát lớn nên robot gặp khó
khăn trong việc xoay chuyển và nếu một động cơ của cơ cấu bánh xích bị
hỏng sẽ làm robot mất hoàn toàn tính linh hoạt[9].

Hình 1.7. Robot tự hành Shrimp III của công ty Bluebotics

13


Luận văn thạc sĩ kỹ thuật

Đây là một mẫu robot tự hành có kết cấu ấn tượng và tính năng vượt
trội với những địa hình có chiều cao trung bình và phức tạp. Những điểm đặc
biệt của nó sẽ được nói tới trong những phần sau.

Hình 1.8 Robot người P2 của hãng Honda (Nhật Bản)

Hình 1.9 Robot Dog Aibo của hãng Sony (Nhật Bản)
Hình 1.8 và 1.9 là 2 mẫu robot đặc biệt phỏng sinh theo hình dáng của
các sinh vật thực là con người và loài chó. Có thể nói 2 mẫu robot này là sự
14


Luận văn thạc sĩ kỹ thuật

tích hợp hoàn hảo và đòi hỏi độ chính xác cao và được trang bị những phần
tử hiện đại nhất.
1.1.2. 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[10].
1.1.2.1.

Robot tự hành di chuyển bằng chân

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.
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[10].

a,

b,

15

Luận văn thạc sĩ kỹ thuật

c,

d,

Hình 1.10 Một số loại robot di chuyển bằng chân điển hình
a, Robot 1 chân Raibert

b, Robot SDR-4X, chế tạo năm 2003 của hãng Sony

c, Robot 6 chân

1.1.2.2.

d, Robot 4 chân

Robot tự hành di chuyển bằng bánh.

Bánh xe là cơ cấu chuyển động được sử dụng rộng rãi nhất trong công
nghệ Robot tự hành. Vấn đề cân bằng thường khôngphải 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[10].
Bảng 1: Sơ đồ bánh xe của robot tự hành
Số bánh

Sắp xếp

Miêu tả
Một bánh chủ động phía sau,

2

bánh lái phía trước
Hai bánh truyền động, trọng
tâm bên dưới trục bánh xe.

16


Luận văn thạc sĩ kỹ thuật

Hai bánh truyền động ở giữa và
có điểm thứ 3 tiếp xúc

Hai bánh truyền động độc lập ở
phía sau và một bánh lái ở phía
trước
Hai bánh truyền động được nối

3

với trục ở phía sau, một bánh lái
ở phía trước.
Hai bánh quay tự do ở phía sau,

bánh trước vừa là bánh truyền
động vừa là bánh lái
2 bánh chủ động ở phía sau, hai
bánh lái ở phía trước.
2 bánh chủ động ở phía sau
cũng là bánh lái
4
Cả 4 bánh đều là bánh truyền
động và lái

1.1.3. Các vấn đề của robot di động
Từ những ví dụ trên có thể thấy robot đã có những bước tiến đáng kể
trong hơn nửa thế kỷqua. Robot đầu tiên được ứng dụng trong công nghiệp
vào những năm 60 để thay thế con người làm những công việc nặng nhọc,

17


Luận văn thạc sĩ kỹ thuật

nguy hiểm trong môi trường độc hại. Do nhu cầu sử dụng ngày càng nhiều
trong quá trình sản xuất phức tạp nên robot công nghiệp cần có những khả
năng thích ứng linh hoạt và thông minh hơn. Ngày nay, ngoài ứng dụng sơ
khai ban đầu của robot trong chế tạo máy thì các ứng dụng khác như trong y
tế, chăm sóc sức khỏe, nông nghiệp, đóng tàu, xây dựng, an ninh quốc
phòng đang là động lực cho sự phát triển của ngành công nghiệp robot.
Có thể kể đến những loại robot được quan tâm nhiều trong thời gian qua
là: tay máy robot (Robot Manipulators), robot di động (Mobile Robots),
robot phỏng sinh học (Bio Inspired Robots) và robot cá nhân (Personal
Robots). Robot di động được nghiên cứu nhiều như xe tự hành trên mặt đất

AGV (Autonomous Guided Vehicles), robot tự hành dưới nước

AUV

(Autonomous Underwater Vehicles), robot tự hành trên không UAV
(Unmanned Arial Vehicles) và robot vũ trụ (Space robots). Với robot phỏng
sinh học, các nghiên cứu trong thời gian qua tập trung vào hai loại
chính là robot đi bộ (Walking robot) và robot dáng người

(Humanoid

robot). Bên cạnh đó các loại robot phỏng sinh học như cá dưới nước, các
cấu trúc chuyển động phỏng theo sinh vật biển cũng được nhiều nhóm
nghiên cứu, phát triển[10].
Robot tự hành hay robot di động (mobile robots, thường được gọi tắt
là mobots) được định nghĩa là một loại xe robot có khả năng tự dịch chuyển,
tự vận động (có thể lập trình lại được) dưới sự điền khiển tự động để thực
hiện thành công công việc được giao. Theo lý thuyết, môi trường hoạt động
của robot tự hành có thể là đất, nước, không khí, không gian vũ trụ hay sự tổ
hợp giữa chúng. Địa hình bề mặt mà robot di chuyển trên đó có thể bằng
phẳng hoặc thay đổi, lồi lõm.
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

18


Luận văn thạc sĩ kỹ thuật

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 họ, 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: 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.

19


Luận văn thạc sĩ kỹ thuật

-

Hướng thứ hai : nhằm giải quyết các vấn đề về các loại robot tự hành
chỉdùng 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.
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.

Hệ thống phát hiện chướng ngại vật trong robot tự hành.

1.2.1. Rotary Encoder:

20


Luận văn thạc sĩ kỹ thuật

Rotary encoder hay còn gọi là shaft encoder, là một thiết bị điện cơ dùng
để đo vận tốc hoặc vị trí. Encoder sử dụng các cảm biến quang để đưa ra một
chuỗi xung có thể chuyển đổi thành các giá trị của chuyển động như vận tốc,
vị trí hay hướng.Hình dưới mô tả cấu tạo một dạng encoder: một đĩa rất
mỏng và một diode phát quang (LED) gắn ở một phía, phía bên kia có một
transistor nhạy sáng (light activate) phát hiện ánh sáng từ LED. Đĩa được gắn
vào trục quay và khi trục quay thì đĩa quay. Khi đĩa quay đến vị trí mà ánh
sáng từ LED có thể truyền qua khe trên đĩa đến transistor làm nó bão hòa,
transistor sẽ phát ra một xung vuông. Có hai dạng rotary encoder :
incremental encoder và absolute encoder.
Incremental encoder:
Nguyên lý của incremental encoder[1].

Hình 1.11. Nguyên lý của incremental encoder
Encoder với một chuỗi xung thì khó để nhận biết chiều chuyển động của
vật thể. Các encoder loại incremental có thêm chuỗi xung thứ hai lệch pha so
với chuỗi thứ nhất. Encoder này sử dụng hai ngõ ra A, B vuông pha với
nhau, có các trạng thái được mã hóa như sau:

21


Luận văn thạc sĩ kỹ thuật

Hình 1.12. (a) Mã hóa tín hiệu từ incremental encoder băng mã gray.
(b) Trường hợp encoder quay thuận chiều chiều kim đồng hồ.
Absolute encoder :
Hạn chế của incremental encoder là số xung phải được đếm và lưu trong
bộ đệm hoặc bộ đếm ngoài, nếu mất nguồn, giá trị đếm sẽ mất. Trong trường
một thiết bị cần tắt nguồn định kì để bảo dưỡng thì khi cấp nguồn lại nó sẽ
không biết tiếp tục ở vị trí nào. Absolute encoder có thể khắc phục điều này
bằng thiết kế đĩa với các vòng đồng tâm trên đĩa, mội vòng đều có những chỗ
hở cho ánh sáng đi qua và những chỗ kín xen kẽ nhau gọi là các phần tử nhị
phân. Các vòng này bắt đầu từ tâm đĩa và càng ra xa thì số phần tử nhị phân
lại tăng gấp đôi. Giá trị đọc được sẽ có dạng số nhị phân duy nhất cho mội vị
trí tương đương của đĩa.
1.2.2. Cảm biến gia tốc:
Cảm biến gia tốc đo gia tốc mà nó nhận được tương đối so với gia tốc rơi
tự do, tức là bằng gia tốc quán tính trừ gia tốc trọng trường, trong đó gia tốc
quán tính được hiểu theo khái niệm của Newton về gia tốc thuộc một hệ quy
chiếu đứng yên. Một điều hơi phản trực giác là nếu cảm biến gia tốc đứng
yên trên mặt đất sẽ cho ra gia tốc 1 g hướng lên. Để có được gia tốc theo

chuyển động, giá trị offset này phải được trừ ra. Nếu gia tốc cần đo nẳm
ngang thì cảm biến gia tốc sẽ cho giá trị trực tiếp.Về nguyên lý, cảm biến gia
22


Luận văn thạc sĩ kỹ thuật

tốc họat động như một vật nặng đặt trên lò xo. Khi chịu tác động một gia tốc
, vật nặng được dịch chuyển đến vị trí mà lò xo có thể đạt được với cùng một
gia tốc. Sự dịch chuyển này được đo để cho ra gia tốc[1].

Hình 1.13. Một số loại cảm biến gia tốc
Một loại cảm biến gia tốc thông dụng là MEMS ( Micro ElectroMechanical System) . MEMS là công nghệ tích hợp các phần tử cơ khí, cảm
biến, chấp hành và điện tử trên cùng một đế silicon. Trong khi phần điện tử
có thể chế tạo bằng quy trình sản xuất vi mạch, phần vi cơ học
(micromechanical) được chế tạo bằng quy trình “micromachining” : làm ăn
mòn các tấm sillicon (wafer) hoặc thêm vào các lớp cấu trúc mới để tạo nên
các thiết bị cơ và điện cơ. Cảm biến gia tốc lọai MEMS bao gồm một thanh
đỡ mang trọng lượng, khi nhận các tác động gia tốc bên ngoài, thanh đỡ này
bị lệch khỏi vị trí cân bằng của nó. Độ lệch này có thể được đo theo kiểu
tương tự ( analog) hoặc số (digital).
Một cảm biến gia tốc có thể là loại một hay nhiều trục, do robot có thể
phát hiện lực trên một hay nhiều hướng. Robot dùng cảm biến gia tốc loại
một hướng, nó có thể nhận biết khi nào robot đụng phải tường ( theo hướng
đó ) nhưng không thể biết được nếu robot khác đâm vào nó theo hướng
vuông góc. Do đó dùng cảm biến gia tốc nhiều trục sẽ tiện lợi hơn. Một ứng
dụng khác là cho robot đi bằng hai chân và ta muốn robot cân bằng trên mặt
phẳng. Do cảm biến gia tốc có thể tính được góc lệch của gia tốc so với gia
tốc trọng trường nên ta chỉ cần dùng loại hai trục, nếu gia tốc trên hai trục X-

23


Luận văn thạc sĩ kỹ thuật

Y ( 2 trục nằm ngang) bằng không, có nghĩa là robot đang cân bằng hoàn
toàn.
1.2.3. Con quay hồi chuyển (Gyroscopes)
Gyroscopes có hai loại : mechanical gyroscopes và optical gyroscope.
Mechanical gyroscopes:
Dựa trên nguyên lý lệch trục của con quay hồi chuyển. Trong trường
hợp con quay đạng quay với tốc độ cao, ta tác động vào một trục thì con
quay sẽ phản ứng ở trục còn lại. Trong sơ đồ con quay hình dưới, phần quay
(rotor ) có ba bậc tự do và trục của nó ( spin axis) có hai bậc tự do. Khi rotor
quay với vận tốc cao, ta tác động vào trục nằm ngang ( input axis ) thì con
quay sẽ đáp ứng ở trục thẳng đứng ( output axis).
Trong thực tế, con quay hồi chuyển gồm một rotor được lắp trên một khung
động quay quanh trục Y’Y với tốc độ lớn (~ 10000 vòng / phút) nhờ một
động cơ. Tốc độ quay cần đo theo trục Z’Z vuông góc với trục Y’Y. Nó làm
xuất hiện một ngẫu lực (tỉ lệ với ) theo hướng X’X vuông góc với hai trục
Y’Y và Z’Z có xu hướng làm cho khung động của con quay hồi chuyển quay
theo. Ngẫu lực cân bằng với lực đàn hồi của lò xo và thể hiện qua góc quay
của khung. Góc quay tỉ lệ với vận tốc góc cần đo, để tiện cho việc xử lý thì
góc được chuyển thành tín hiệu điện nhờ vào một điện thế kế[1].

Hình 1.14. Nguyên lý của Mechanical Gyroscope

24

Luận văn thạc sĩ kỹ thuật

Optical Gyroscope:
Mới được phát triển gần đây và được thương mại hóa vào năm 1982
với ứng dụng trên máy bay. Optical gyroscopes dựa trên nguyên lý : khi các
sóng truyền theo hai hướng ngược nhau trên chu vi hình tròn bán kính r ( chu
vi ), và hình tròn quay với tốc độ(n).
Trong thực tế, người ta cho hai chùm tia xuất phát từ cùng một nguồn
lazer truyền theo hai hướng ngược nhau trong một sợi cáp quang quay với
vận tốc cần đo. Khi ra khỏi cáp, hai tia giao thoa. Bằng cách đếm số vân giao
thoa bị dịch chuyển do cáp quay có thể tính tốc độ quay.

Hình1.15. Nguyên lý của Optical Gyroscope
Con quay quang này cho phép mở rộng phạm vi đo vận tốc về giới
hạn dưới ( tốc độ nhỏ) bằng cách tăng độ dài L của cáp quang khi cuốn nó
thành cuộn nhiều vòng.
1.2.4. Cảm biến hồng ngoại
Cảm biến hồng ngoại hoạt động dựa trên nguyên tắc sau : một xung
ánhsáng trong vùng hồng ngoại được phát đi rồi phản xạ lại ( hoặc không
phản xạ). Khi ánh sáng phản xạ lại, góc tới của sóng phản xạ sẽ phụ thuộc
vào khoảng cách của vật phản xạ. Với việc đo góc phản xạ, ta sẽ suy ra được
khoảng cách cần đo. Phép đo như vậy gọi là phép tam giác lượng
(triangulation).

25