NGHIÊN cứu, THIẾT kế, CHẾ tạo ROBOT dò ĐƯỜNG ỨNG DỤNG TRONG MẠNG cảm BIẾN KHÔNG dây DI ĐỘNG GIÁM sát tòa NHÀ

HỌC VIỆN NÔNG NGHIỆP VIỆT NAM

KHOA CƠ - ĐIỆN

ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP
ĐỀ TÀI:
NGHIÊN CỨU, THIẾT KẾ, CHẾ TẠO ROBOT DÒ
ĐƯỜNG ỨNG DỤNG TRONG MẠNG CẢM BIẾN
KHÔNG DÂY DI ĐỘNG GIÁM SÁT TÒA NHÀ

Hà Nội - 2017


HỌC VIỆN NÔNG NGHIỆP VIỆT NAM

KHOA CƠ - ĐIỆN

ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP
ĐỀ TÀI:
NGHIÊN CỨU, THIẾT KẾ, CHẾ TẠO ROBOT DÒ
ĐƯỜNG ỨNG DỤNG TRONG MẠNG CẢM BIẾN
KHÔNG DÂY DI ĐỘNG GIÁM SÁT TÒA NHÀ

Người thực hiện

: TRƯƠNG MẠNH DUY

Khoá

: 57

Ngành
Chuyên ngành

: KỸ THUẬT ĐIỆN-ĐIỆN TỬ
: TỰ ĐỘNG HÓA

Người hướng dẫn : ThS.NGUYỄN KIM DUNG

Hà Nội - 2017


LỜI CẢM ƠN

Trong thời gian làm đồ án tốt nghiệp, em đã nhận được nhiều sự giúp
đỡ, đóng góp ý kiến và chỉ bảo nhiệt tình của thầy cô, gia đình và bạn bè.
Em xin gửi lời cảm ơn chân thành đến Th.s Nguyễn Kim Dung, giảng
viên Bộ môn Tự Động Hóa - khoa Cơ Điện - trường Học viện Nông Nghiệp
Việt Nam người đã tận tình hướng dẫn, chỉ bảo em trong suốt quá trình làm
đồ án tốt nghiệp.
Em cũng xin chân thành cảm ơn các thầy cô giáo trong trường Học viện
Nông Nghiệp Việt Nam nói chung, các thầy cô trong khoa Cơ-Điện nói riêng
đã dạy dỗ cho em kiến thức về các môn đại cương cũng như các môn chuyên
ngành, giúp em có được cơ sở lý thuyết vững vàng và tạo điều kiện giúp đỡ
em trong suốt quá trình học tập.
Cuối cùng, em xin chân thành cảm ơn gia đình và bạn bè, đã luôn tạo
điều kiện, quan tâm, giúp đỡ, động viên em trong suốt quá trình học tập và
hoàn thành đồ án tốt nghiệp.
.........., ngày.....tháng....năm.....
Sinh Viên Thực Hiện

TRƯƠNG MẠNH DUY

i


MỤC LỤC

LỜI CẢM ƠN...................................................................................................i
MỤC LỤC........................................................................................................ii
DANH MỤC BẢNG.......................................................................................iv
DANH MỤC HÌNH.........................................................................................v
MỞ ĐẦU..........................................................................................................1
CHƯƠNG I: TỔNG QUAN TÀI LIỆU........................................................2
1. Tổng quan về tòa nhà thông minh.................................................................2
1.1.Tầm quan trọng của nhà thông minh trong cuộc sống hiện đại.................2
1.2.Ý nghĩa khoa học.........................................................................................2
1.3.Ý nghĩa thực tiễn.........................................................................................3
2. Tổng quan về Robot tự hành.........................................................................4
2.1.Giới thiệu chung..........................................................................................4
2.2. Phân loại robot tự hành..............................................................................6
2.2.1. Robot tự hành di chuyển bằng chân(Legged Robot)...............................6
2.2.2. Robot tự hành di chuyển bằng bánh(Wheel Robot tự hành)...................7
2.3. Phương pháp điều hướng cho robot tự hành............................................13
2.3.1. Phương pháp điều hướng có tính toán...................................................13
2.3.2. Phương pháp điều hướng robot theo phản ứng.....................................15
2.3.3.Phương pháp điều khiển lai ghép...........................................................17
2.4. Mô hình động học và kỹ thuật định vị cho robot tự hành........................17
2.4.1. Mô hình động học cho robot.................................................................17
2.4.2. Kỹ thuật định vị cho robot tự hành........................................................22
CHƯƠNG II: NỘI DUNG NGHIÊN CỨU.................................................26

1. Mô tả chung về Robot tự hành giám sát và đo nhiệt độ, độ ẩm.................26
2. Cấu trúc tổng quát của Robot giám sát và đo nhiệt độ, độ ẩm....................26
3. Xây dựng mô hình Robot tự hành di chuyển trong tòa nhà........................27
ii


3.1. Xây dựng sơ đồ khối hoạt động của robot...............................................27
3.2. Xây dựng khối điều khiển cho Mobile robot...........................................28
3.2.1. Khối xử lý tín hiệu.................................................................................29
3.2.2. Khối mạch công suất.............................................................................33
3.2.3.Gia công các khối mạch.........................................................................41
4. Thiết kế cơ khí.............................................................................................46
5. Lập trình cho robot......................................................................................47
CHƯƠNG III: KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN.............................................48
KẾT LUẬN VÀ ĐỀ NGHỊ...........................................................................49
TÀI LIỆU THAM KHẢO............................................................................50
PHỤ LỤC.......................................................................................................51

iii


DANH MỤC BẢNG

Bảng 1.1.Sơ đồ bánh xe của robot tự hành........................................................9
Bảng 1.2.Kí hiệu các loại bánh xe...................................................................11

iv


DANH MỤC HÌNH

Hình 1.1. Một số loại robot di chuyển bằng chân.............................................7
Hình 1.2. Các loại bánh xe cơ bản dùng cho robot tự hành.............................8
Hình 1.3. Robot Sojourner được sử dụng thám hiểm sao Hỏa năm 1997. Hầu hết
các hoạt động được điều khiển ở trái đất. Tuy vậy nó vẫn phải sử dụng các cảm
biến để phát hiện vật cản...................................................................................11
Hình1.4. Robot Airduct với kết cấu nhỏ gọn, nó được gắn camera để thu hình
ảnh, có thể nhìn nghiêng, đi dọc theo tường, tránh vật cản.............................11
Hình 1.5. Robot Mbari’s Altex Auv (Autonomous Underware Vehicle) được
sử dụng để hoạt động dưới đáy biển sâu ở Bắc Cực.......................................12
Hình 1.6. Robot Khepera dùng để nghiên cứu và học tập. Nó có đường kính
60mm, được tích hợp nhiều modun khác nhau như camera, tay kẹp..............12
Hình 1.7. Robot dẫn đường AGU (Autonomous Guided Vehicle) được sử
dụng trong các bệnh viện................................................................................12
Hình 1.8. Sơ đồ cấu trúc của phương pháp điều khiển có tính toán................13
Hình 1.9. Mô hình bánh xe đã được lý tưởng hóa...........................................19
Hình 1.10. Mô hình động học của robot tự hành............................................20
Hình 1.11. Sơ đồ nguyên lý của khâu định vị trong mobile robot..................23
Hình 2.1. Sơ đồ cấu trúc toàn hệ thống...........................................................27
Hình 2.2. Sơ đồ thuật toán hoạt động của Mobile robot.................................28
Hình 2.3. Sơ đồ khối của robot.......................................................................29
Hình 2.4.Vi điều khiển Pic16F877A...............................................................29
Hình 2.5. Sơ đồ cấu trúc các chân của Pic16F877A.......................................30
Hình 2.6. Các chức năng cơ bản của PIC16F877A.........................................31
Hình 2.7. Các loại mạch nạp cho Vi điều khiển..............................................32
Hình 2.8.Sơ đồ nguyên lý mạch ổn áp sử dụng IC LM7805...........................32
Hình 2.9.Thiết bị hiển thị................................................................................33
Hình 2.10.Sơ đồ nguyên lý mạch điều khiển..................................................33
v

Hình 2.11. Mô hình Mobile robot...................................................................34
Hình 2.12. Họ đặc tính cơ của động cơ điện một chiều khi............................35
Hình 2.13. Nguyên lý băm xung điện một chiều............................................36
Hình 2.14. Sơ đồ băm xung điện áp một chiều có đảo chiều..........................36
Hình 2.15. Sơ đô nguyên lý 1 mạch cầu H......................................................37
Hình 2.16. Đặc tuyến làm việc của Mosfet kênh N........................................38
Hình 2.17. Sơ đồ nguyên lý của module điều khiển động cơ L298................40
Hình 2.18.Module điều khiển động cơ L298..................................................40
Hình 2.19.Động cơ giảm tốc...........................................................................41
Hình 2.20. Sơ đồ gia công các khối mạch.......................................................41
Hình 2.21. Sơ đồ gia công thủ công các khối mạch........................................42
Hình 2.22.Thiết kế mạch nguyên lý trên phần mềm Altium Designer 15.......42
Hình 2.23.Thiết kế mạch in PCB trên phần mềm Altium Designer 15...........43
Hình 2.24.Module Điều Khiển Động Cơ L298...............................................43
Hình 2.25.Mạch điều khiển.............................................................................44
Hình 2.26.Cảm biến siêu âm SRF 05..............................................................45
Hình.2.27.Sơ đồ hoạt động của SRF05...........................................................45
Hình 2.28.Sơ đồ tình khoảng cách của SRF05................................................46
Hình 2.29.Mô hình thực tế của Mobile robot..................................................46
Hình 2.30. Đường đi của robot........................................................................47

vi


MỞ ĐẦU

Với việc phát minh ra các loại máy móc thì lao động chân tay của con
người ngày càng hạn chế, thay vào đó con người chế tạo và điều khiển các
máy móc để thực hiện công việc của mình. Tuy nhiên với các loại máy móc

thông thường thì độ chính xác không cao, phụ thuộc nhiều vào người điều
khiển.Vì vậy, con người đã phát minh ra robot, robot sẽ là lao động chính
trong tương lai, và là hướng phát triển của các ngành công nghiệp trong thời
đại ngày nay.
Với những gia đình mà mọi thành viên đều bận bịu ở công sở thì luôn
có nhu cầu về dịch vụ trông coi hay dọn dẹp nhà cửa. Với sự phát triển của
công nghệ, người ta có thể thay đổi cả nhu cầu này: thay vì đặt hàng các công
ty chuyên làm dịch vụ, họ sẽ nhờ cậy đến các robot giám sát, lau chùi cửa sổ,
hút bụi hoặc sử dụng nhiều loại thiết bị điện tử thông minh. Người Đức dường
như có xu hướng tận dụng tiến bộ kỹ thuật này. Theo kết quả một cuộc khảo
sát mới thực hiện gần đây thì có tới ba phần tư người Đức sẵn sàng mua một
con robot biết giám sát, hút bụi, lau sàn nhà, lau cửa sổ hoặc làm hàng núi
công việc nội trợ đòi hỏi sự tỉ mỉ và tốn nhiều thời gian khác. Chính vì lẽ đó
em quyết định chọn đề tài tốt nghiệp là “Nghiên cứu, thiết kế chế tạo robot dò
đường ứng dụng trong mạng cảm biến không dây di động giám sát tòa nhà.”.
Nội dung đề tài gồm 3 chương:
- Chương I: Tổng quan tài liệu
- Chương II: Nội dung nghiên cứu
- Chương III: Kết quả và thảo luận

1


CHƯƠNG I: TỔNG QUAN TÀI LIỆU
1. Tổng quan về tòa nhà thông minh
1.1. Tầm quan trọng của nhà thông minh trong cuộc sống hiện đại

Khái niệm ngôi nhà dung để che mưa che nắng ,là nơi chú ẩn cho con
người trong những tình trạng thời tiết khó khăn đã đi vào quá khứ từ rất lâu
,ngôi nhà hiện còn là nơi nghỉ ngơi,thư giãn những lúc mệt mỏi,là nơi thể hiện

tính sang tạo,óc thẩm mỹ của con người.Chính vì thế mà ta có thể thấy ngành
xây dựng luôn luôn phát triển trên thế giới về mọi mặt,quy mô,thẩm mỹ,công
nghệ,..v.v.Ngôi nhà hiện nay của con người đã to hơn,đẹp hơn,tiện nghi
hơn,và những tiêu chí ấy luôn được nâng cao nhằm phục vụ con người một
cách hiệu quả nhất.Trong tương lai những tiêu chí trên sẽ không bao giờ dừng
lại,trong đó phương diện công nghệ luôn được đề cao và là phương diện đi
đầu trong công cuộc phát triển trong ngành xây dựng.
Khi các công trình nhà phát triển mạnh theo quy mô và kiến trúc thì
người ta quan tâm hơn đến tính thoải mái của con người khi sử dụng nó,và họ
kết hợp tất cả chức năng có thể có của ngôi nhà để mang cho con người một
cuộc sống tiện nghi ,không lo nghĩ.Ngồi nhà ngày càng trở nên thông
minh,thân thiện với con người,hiểu được những suy nghĩ của chủ nhà và thực
hiện các ý nghĩ của chủ nhà một cách tự động,chính xác.Từ đó khái niệm nhà
thông minh đã được đưa ra để các nhà khoa học nghiên cứu.Nhà thông minh
là khái niệm sẽ giải quyết các vấn đề như:tiện nghi,thoải mái,an toàn,tiết
kiệm,an tâm.v.v.
1.2.Ý nghĩa khoa học
Nhà thông minh mang một ý nghĩa rất lớn cho khoa học,bởi nó đưa ra
giải pháp mới cho ngành điện tử,giải pháp truyền dẫn và quản lý tài nguyên
điện trong thiết kế xây dựng.Một giải pháp hoàn toàn khác biệt so với giải
pháp truyền thống sử dụng mạng lưới điện 220v hay 110v trên toàn hệ thống
đường dây điện,làm cho người dùng có thể gặp nguy hiểm,đặc biệt với trẻ
nhỏ.Giờ đây mạng lưới điện giao tiếp với người dùng chỉ còn 24v không thể
2


gây nguy hiểm tính mạng cho con người.Các sản phẩm trong công trình xây
dựng không còn là các sản phẩm hoạt động riêng rẽ nữa,mà chúng được phối
hợp với nhau tạo thành một hệ thống nhất,để đạt hiệu quả sử dụng cao
nhất,với chi phí thấp nhất.

Ngoài ra, giải pháp này ra đời đã đưa đến công nghệ mới, công nghệ
chế tạo sản phẩm thông minh, các phần mềm quản lý hệ thống,với tính thẩm
mỹ cao,nhiều tính năng mới,ưu việt hơn,dễ sử dụng,nhưng vẫn tiết kiệm chi
phí,năng lượng,v.v.
Tóm lại,công nghệ nhà thông minh đã lời giải cho nhiều vấn đề trong
nghiên cứu khoa học đồng thời cũng tạo nên một công cuộc nghiên cứu
mới,phạm vi ứng dụng không chỉ trong xây dựng nữa mà còn tạo ra làn sóng
công nghệ cho các lĩnh vực khác,lĩnh vực thông tin,điện tử,tự động hóa,v.v.
1.3.Ý nghĩa thực tiễn

Chúng ta không thể phủ nhận lợi ích của việc nghiên cứu và phát triển
nhà thông minh tới đời sóng hiện tại,nó mang lại tính tiện nghi,thoải mái,sang
trọng,an toàn cho cuộc sống nhiều âu lo,vất vả hằng ngày.Không những vậy
nhà thông minh còn là giải pháp tiết kiệm nguồn năng lượng,đang là vấn đề
đau đầu các nhà khoa học.
Con người sẽ có một cuộc sống tốt đẹp hơn,không phải dành quá nhiều
tâm trí trong việc quản lý ngôi nhà,mà con người có thể dành thời gian cho
nhiều việc khác.Chúng ta gần như tương tác với những vật liệu mà trước đây
gần như là không thể.
Và ngôi nhà của chúng ta cũng có một cái nhìn hoàn toàn mới,thực sự
như một vật thể có thể tự vận hành để phục vụ con người.Giờ đây ta hoàn
toàn hãnh diện với một ngôi nhà thể hiện đẳng cấp của sự chuyên nghiệp,sang
trọng,phong cách,cá tính hay bất cứ đặc trưng nào mà chúng ta muốn có.
2. Tổng quan về Robot tự hành
2.1.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,

3

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

4


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.
- Loại thứ 2 : 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.
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
2.2. Phân loại robot tự hành

Robot tự hành được chia làm 2 loại chính đó là loại robot tự hành
5


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.
2.2.1. 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.
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.

b/

a/

6


d/

c/

f/
e/
Hình 1.1. Một số loại robot di chuyển bằng chân
a/ Robot 1 chân Raibert, b/ Robot SDR-4X, chế tạo năm 2003 của hãng
Sony, c/ Robot ASIMO của hãng Honda, d/ Robot 6 chân, e/ robot chó Tian, f/
mô hình robot 4 chân.
2.2.2.Robot tự hành di chuyển bằng bánh(Wheel Robot tự hành)

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
7


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.

Hình 1.2. Các loại bánh xe cơ bản dùng cho 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:

8


Bảng 1.1.Sơ đồ bánh xe của robot tự hành

Số bánh

Sắp xếp

Miêu tả
Một bánh

lái

phía

trước, một bánh phía sau
Hai bánh truyền động

2

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

3

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.
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

4

sau, hai bánh lái ở phía trước.
Hai bánh phía trước

4

vừa là bánh lái vừa là bánh chủ
động.
Cả 4 bánh đều là bánh
truyền động và lái.

9

Hai bánh truyền động
độc lập ở phía 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
6

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

10


Bảng 1.2.Kí hiệu các loại bánh xe
Kí hiệu các loại bánh xe
Bánh đa hướng không truyền động.
Bánh truyền động Swedish(đa hướng).
Bánh quay tự do tiêu chuẩn.
Bánh truyền động tiêu chuẩn.
Bánh vừa truyền động vừa là bánh lái.
Bánh lái tiêu chuẩn.

Các bánh xe được nối với nhau.
Một số loại robot chuyển động bằng bánh:
Hình 1.3. Robot Sojourner
được sử dụng thám hiểm
sao Hỏa năm 1997. Hầu hết
các hoạt động được điều
khiển ở trái đất. Tuy vậy nó
vẫn phải sử dụng các cảm
biến để phát hiện vật cản.
Hình1.4. Robot Airduct
với kết cấu nhỏ gọn, nó
được gắn camera để thu
hình ảnh, có thể nhìn
nghiêng,

đi

dọc

tường, tránh vật cản.

11

theo


Hình 1.5. Robot Mbari’s
Altex Auv (Autonomous
Underware Vehicle) được
sử dụng để hoạt động dưới

đáy biển sâu ở Bắc Cực

Hình 1.6. Robot Khepera
dùng để nghiên cứu và học
tập. Nó có đường kính
60mm, được tích hợp
nhiều modun khác nhau
như camera, tay kẹp

Hình

1.7.

Robot

dẫn

đường AGU (Autonomous
Guided Vehicle) được sử
dụng trong các bệnh viện

2.3.Phương pháp điều hướng cho robot tự hành

12


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.
2.3.1. Phương pháp điều hướng 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

Điều khiển động cơ

Thực hiện công việc

Lập kế hoạch

Mô hình thế giới

Nhận thức

bên trái và đầu ra tới các khâu chấp hành ở phía bên phải.

Các tín hiệu
Các khâu
từ cảm Hình
biến 1.8. Sơ đồ cấu trúc của phương pháp điều khiển có tính toán

Chấp hành
- 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
13


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
14


hiện kế hoạch toàn cục để tới đích.
2.3.2. Phương pháp điều hướng 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 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
15


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.
-Trong thời kỳ đầu, các nhà nghiên cứu đã thiết kế hệ thống điều hướng
thuần tuý phản ứng bằng cách dựa vào hoạt động của côn trùng để áp dụng
vào kỹ thuật robot. Nhiều nghiên cứu về hệ thống sinh học đã được ứng dụng
cho quá trình điều khiển mobile robot. Chuyển động của một số loại côn trùng
trong thế giới sinh học có thể được sử dụng để xây dựng thành công các thuật
toán điều khiển hoạt động cho robot. Ví dụ, khi nghiên cứu về hành vi của
một con gián, các nhà khoa học nhận ra một con gián chỉ có một vài hoạt
động riêng biệt. Các hoạt động này có thể bao gồm hoạt động tìm thức ăn,
hoạt động tránh ánh sáng và hoạt động sinh sản. Dựa vào những gì mà cảm

nhận được, con gián sẽ quyết định thực hiện một trong số những hoạt động
trên. Nếu con gián cảm thấy đói, nó sẽ lục lọi để tìm thức ăn. Tuy nhiên, nếu
một bóng đèn chợt bật sáng, con gián đó sẽ từ bỏ việc tìm kiếm thức ăn và
chui ngay vào gầm tủ lạnh chẳng hạn. Đây là một ví dụ về điều khiển theo
phản ứng. Dựa vào những kích thích hiện thời, con gián sẽ chọn một hoạt
động thích hợp mà không cần phải lập kế hoạch hay tính toán gì cả. Vậy thì
tại sao những hoạt động như thế lại không thể được dịch thành những thuật
toán điều khiển đơn giản cho robot. Đây chính là những lý thuyết cơ bản của
16


kỹ thuật điều khiển dựa hành vi (behavior-base control) cho mobile robot.
2.3.3.Phương pháp điều khiển lai ghép

Điều hướng lai ghép là phương pháp kết hợp các ưu điểm của phương
pháp điều hướng theo tính toán truyền thống với các hệ thống điều hướng dựa
phản ứng. Mỗi phương pháp đều có những nhược điểm mà phương pháp kia
có thể khắc phục được. Phương pháp điều hướng theo tính toán gặp phải khó
khăn khi hoạt động trong các môi trường động, là nơi yêu cầu khả năng tính
toán nhanh cũng như các kỹ năng tránh vật cản. Nếu phương pháp điều hướng
theo phản ứng không kết hợp với bất cứ quá trình lập kế hoạch chuyển động
nào thì có thể sẽ không đưa robot theo quỹ đạo tối ưu. Phương pháp điều
khiển lai ra đời nhằm kết hợp các hoạt động có tính toán bậc cao với các hoạt
động phản ứng bậc thấp. Các hoạt động phản ứng giúp robot an toàn và xử lý
các tình trạng khẩn cấp trong khi phần điều khiển có tính toán sẽ giúp robot
đạt được mục đích cuối cùng. Phương pháp điều khiển lai ghép có thể cho ta
kết quả kha quan hơn khi chỉ sử dụng phương pháp điều hướng theo phản ứng
hoặc điều hướng theo tính toán.
2.4. Mô hình động học và kỹ thuật định vị cho robot tự hành
2.4.1. Mô hình động học cho robot

Động học là nghiên cứu cơ bản nhất để tìm hiểu quá trình hoạt động
của một hệ thống cơ khí, trong lĩnh vực mobile robot, chúng ta cần phải tìm
hiểu đặc tính cơ của robot để thiết kế sao cho phù hợp với các nhiệm vụ đặt ra,
đồng thời việc tìm hiểu đặc tính cơ còn giúp ta xác định được phương pháp thiết
kế phần mềm điều khiển sao cho phù hợp đối với từng phần cứng của robot.
Trong lĩnh vực robot, mobile robot không phải là hệ thống cơ khí quá
phức tạp. Như ta đã biết, tay máy đã và đang là lĩnh vực được chú trọng nghiên
cứu trong vòng hơn 30 năm trở lại đây. Ở một vài khía cạnh nào đó, tay máy
phức tạp hơn nhiều so với mobile robot thế hệ trước đây, ví dụ: một robot hàn
thiết kế theo tiêu chuẩn thường có 5 hoặc nhiều hơn 5 khớp, trong khi các
17