Đồ án tốt nghiệp chuyên đề robot bầy đàn

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI

ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP
NGHIÊN CỨU THIẾT KẾ ROBOT BẦY ĐÀN
PHẠM NGUYỄN TRUNG HIẾU – MSSV 20166113, CN Cơ điện tử 03 – K61
NGUYỄN TIẾN LINH ĐAN – MSSV 20165939, CN Cơ điện tử 01 – K61
VŨ THÀNH VƯƠNG – MSSV 20167028, CN Cơ điện tử 03 – K61
TỐNG QUANG ANH – MSSV 20165762, CN Cơ điện tử 01 – K61
PHAN HỒNG SƠN – MSSV 20153229, KSTN Cơ điện tử – K60

Chuyên ngành Cơ Điện Tử

Giảng viên hướng dẫn:

TS. Mạc Thị Thoa
Chữ kí của GVHD
TS. Trương Công Tuấn
Chữ kí của GVHD
TS. Nguyễn Trọng Doanh
Chữ kí của GVHD

Bộ môn:

Cơ Điện Tử

Viện:

Cơ Khí

HÀ NỘI, 7/2020

Bộ môn Cơ Điện Tử
BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO

CỘNG HÒA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI

Độc lập – Tự do – Hạnh phúc

NHIỆM VỤ
THIẾT KẾ ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP
THÔNG TIN SINH VIÊN
Họ và tên: Phạm Nguyễn Trung Hiếu
SĐT: 036 260 8387
Lớp: CN-CĐT 03 K61

MSSV: 20166113
Email:
Bộ môn: Cơ Điện Tử - Viện: Cơ khí

Họ và tên: Vũ Thành Vương
SĐT: 037 799 5818
Lớp: CN-CĐT 03 K61

MSSV: 20167028
Email:
Bộ môn: Cơ Điện Tử - Viện: Cơ khí

Họ và tên: Nguyễn Tiến Linh Đan

SĐT: 093 632 8491
Lớp: CN-CĐT 01 K61

MSSV: 20165939
Email:
Bộ môn: Cơ Điện Tử - Viện: Cơ khí

Họ và tên: Tống Quang Anh
SĐT: 0836921011
Lớp: CN – CĐT 01 K61

MSSV: 20165762
Email:
Bộ môn: Cơ Điện Tử - Viện: Cơ khí

Họ và tên: Phan Hồng Sơn
SĐT: 08 6868 8904
Lớp: KSTN – CĐT K60

MSSV: 20153229
Email:
Bộ môn: Cơ Điện Tử - Viện: Cơ khí

I/ ĐỀ TÀI THIẾT KẾ
“Nghiên cứu thiết kế robot bầy đàn”
II/ YÊU CẦU
- Nghiên cứu và thiết kế robot bầy đàn.
- Sử dụng camera 3D để xây dựng bản đồ.
- Tìm và tính đường đi khả dĩ, tối ưu đường đi của robot bầy đàn.
- Phát hiện và tránh vật cản.

- Phát hiện được con người.
III/ NỘI DUNG THUYẾT MINH VÀ TÍNH TOÁN
- Tổng quan
- Thiết kế và gia công robot.
- Trình bày các thuật toán tích hợp trong robot.
IV/ CÁC BẢN VẼ VÀ ĐỒ THỊ
- Bản vẽ kĩ thuật của robot leader (A0)
1


Bộ môn Cơ Điện Tử

- Bản vẽ kĩ thuật của robot follower (A0)
V/ CÁN BỘ HƯỚNG DẪN:
- Tiến sĩ Mạc Thị Thoa
-

Tiến sĩ Trương Công Tuấn

-

Tiến sĩ Nguyễn Trọng Doanh

V/ NGÀY GIAO NHIỆM VỤ THIẾT KẾ:
VI/ NGÀY HOÀN THÀNH ĐỒ ÁN:
Hà Nội, ngày… tháng 7 năm 2020
Giáo viên hướng dẫn

2

Bộ môn Cơ Điện Tử

Đánh giá của giảng viên hướng dẫn
……………………………………………………………………………………
……………………………………………………………………………………
……………………………………………………………………………………
……………………………………………………………………………………
……………………………………………………………………………………
……………………………………………………………………………………
……………………………………………………………………………………
……………………………………………………………………………………
……………………………………………………………………………………
……………………………………………………………………………………
……………………………………………………………………………………
……………………………………………………………………………………
……………………………………………………………………………………
……………………………………………………………………………………
……………………………………………………………………………………
……………………………………………………………………………………
……………………………………………………………………………………
……………………………………………………………………………………
……………………………………………………………………………………
……………………………………………………………………………………
Kết quả đánh giá
Họ và tên

Hà Nội, ngày tháng năm 2020
Điểm

Giảng viên hướng dẫn

Phạm Nguyễn Trung Hiếu
Vũ Thành Vương
Nguyễn Tiến Linh Đan
Tống Quang Anh
Phan Hồng Sơn
3


Bộ môn Cơ Điện Tử

Đánh giá của giảng viên phản biện
……………………………………………………………………………………
……………………………………………………………………………………
……………………………………………………………………………………
……………………………………………………………………………………
……………………………………………………………………………………
……………………………………………………………………………………
……………………………………………………………………………………
……………………………………………………………………………………
……………………………………………………………………………………
……………………………………………………………………………………
……………………………………………………………………………………
……………………………………………………………………………………
……………………………………………………………………………………
……………………………………………………………………………………
……………………………………………………………………………………
……………………………………………………………………………………
……………………………………………………………………………………

……………………………………………………………………………………
……………………………………………………………………………………
……………………………………………………………………………………

Kết quả đánh giá
Họ và tên

Hà Nội, ngày tháng năm 2020
Điểm

Giảng viên phản biện

Phạm Nguyễn Trung
Hiếu
Vũ Thành Vương
Nguyễn Tiến Linh Đan
Tống Quang Anh
Phan Hồng Sơn
4


Bộ môn Cơ Điện Tử

LỜI CẢM ƠN
Lời đầu tiên, nhóm xin gửi lời cảm ơn đến các gia đình và bạn bè vì sự hỗ trợ của
họ. Nhóm cũng xin cảm ơn sâu sắc đến cô Mạc Thị Thoa, thầy Trương Công Tuấn
và thầy Nguyễn Trọng Doanh. Những lời gợi ý, chỉ bảo của cô đã dẫn đường cho
đề tài không những mới mà còn đầy chông gai này.

TÓM TẮT NỘI DUNG ĐỒ ÁN

Trong xã hội hiện đại ngày nay, các thảm họa tự nhiên ngày càng diễn ra với tần
suất dày và quy mô lớn hơn nhiều lần trước đây. Những thảm họa xảy ra trên diện
rộng như vậy luôn yêu cầu một lượng lớn nhân viên phục tìm kiếm, cứu hộ, gây ra
thêm nhiều áp lực cho các quốc gia, vùng lãnh thổ chịu ảnh hưởng. Việc ứng dụng
robot giúp đỡ các đội cứu hộ đã được áp dụng vài lần ở các quốc ra phát triển, tuy
nhiên chưa thực sự rộng rãi. Nhóm ba robot của đề tài có khả năng hoạt động, tìm
kiếm hoàn toàn độc lập, xây dựng bản đồ 3D và hoạt động theo từng nhóm nhỏ.
Khi được đưa vào hoạt động, nhóm robot bao gồm hai robot follower sẽ theo sau
một robot leader, robot leader sẽ có nhiệm vụ: xây dựng đường đi, tạo bản đồ, chia
sẻ chúng cho các robot follower và gửi bản đồ 3D về cho máy chủ. Bằng cách sử
dụng kết nối wifi cho mạng giao tiếp nội bộ giữa các robot và mạng LORA sẽ được
thêm trong thời gian tới nhằm giải quyết bài toán giao tiếp tầm xa, các robot đã có
thể trao đổi thông tin với nhau một cách hiệu quả. Với việc áp dụng các thuật toán
như SLAM, PSO, PID Controller… nhóm robot đang cho các kết quả tương đối
tốt và đáp ứng được các yêu cầu trong quá trình nghiên cứu.

Sinh viên thực hiện
Ký và ghi rõ họ tên

5


Bộ môn Cơ Điện Tử

MỤC LỤC
MỤC LỤC.................................................................................................................................... 6
DANH MỤC BẢNG .................................................................................................................... 9
DANH MỤC HÌNH ẢNH ......................................................................................................... 10
LỜI NÓI ĐẦU ........................................................................................................................... 10
DANH MỤC VIẾT TẮT .......................................................................................................... 15

CHƯƠNG 1 GIỚI THIỆU ..................................................................................................... 16
1.1. Lịch sử phát triển của robot cứu hộ ................................................................................. 16
1.2. Nhiệm vụ của đồ án ............................................................................................................ 16
1.2.1. Mục tiêu .................................................................................................................. 17
1.2.2.2. Hardware ............................................................................................................. 20
CHƯƠNG 2 THIẾT KẾ CƠ KHÍ VÀ TÍNH TOÁN ........................................................... 30
2.1. Yêu cầu thiết kế của hai loại robot ................................................................................... 30
2.1.1. Robot Leader ............................................................................................................... 30
2.1.1.1. Cấu tạo robot Leader............................................................................................. 30
2.1.1.2. Thông số kỹ thuật của robot Leader ..................................................................... 30
2.1.2. Robot Follower ............................................................................................................ 30
2.1.2.1. Cấu tạo của robot Follower................................................................................... 30
2.1.2.2. Thông số kỹ thuật robot follower ......................................................................... 31
2.2. Thiết kế cơ khí .................................................................................................................... 31
2.2.1. Phân tích và lựa chọn cấu trúc. Tính toán thiết kế .................................................. 31
2.2.1.1. Các phương án thiết kế ......................................................................................... 31
2.2.1.2. Tính toán chọn vật liệu ......................................................................................... 33
2.2.1.3. Tính toán chọn động cơ ........................................................................................ 39
2.2.2. Thiết kế cơ khí của robot leader ................................................................................ 44
2.2.2.1 Khung gầm .............................................................................................................. 44
2.2.1.2. Bánh xe robot leader ............................................................................................. 44
2.2.1.3. Vỏ dưới robot leader ............................................................................................ 45
2.2.1.4. Vỏ trên robot leader ............................................................................................. 47
2.2.2. Thiết kế robot follower ............................................................................................... 48
2.2.2.1. Khung gầm robot follower .................................................................................... 48
2.2.2.2. Bánh xích robot follower ..................................................................................... 49
2.2.2.3. Vỏ dưới robot follower......................................................................................... 49
2.2.2.4. Vỏ trên robot follower ......................................................................................... 51
CHƯƠNG 3 THIẾT KẾ HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN ......................................................... 53
3.1. Tổng quan hệ thống điều khiển......................................................................................... 53

6


Bộ môn Cơ Điện Tử
3.2. Sơ đồ khối thuật toán trên vi điều khiển .......................................................................... 54
3.3. Mạng giao tiếp nội bộ giữa các robot ............................................................................... 56
3.4. Đặt vấn đề ........................................................................................................................... 56
3.5 Hệ thống điều khiển vòng kín ............................................................................................ 58
3.6. Bộ điều khiển PID .............................................................................................................. 58
3.7. Mô hình robot ..................................................................................................................... 62
3.8. Bài toán xác định thay đổi trạng thái của robot .............................................................. 62
3.9. Bài toán tìm đường đến đích ............................................................................................. 64
3.10. Áp dụng bộ điều khiển PID vào mô hình ....................................................................... 64
3.11. Một số kết quả của bộ điều khiển ................................................................................... 67
3.11.1. Robot Leader ............................................................................................................. 69
3.11.2. Robot Follower 1 ....................................................................................................... 70
3.11.3. Robot Follower 2 ....................................................................................................... 71
CHƯƠNG 4

BÀI TOÁN ĐỘI HÌNH .............................................................................. 72

4.1. Giới thiệu bài toán đội hình............................................................................................... 72
4.2. Thuật toán đội hình............................................................................................................ 72
4.2.1. Mô hình hóa và giải thích ........................................................................................... 72
4.2.2. Xây dựng thuật toán tạo đội hình .............................................................................. 73
4.2.3. Thuật toán PI Controller cho bài toán xây dựng đội hình ...................................... 75
4.2.4. Thuật toán FOPI Controller cho bài toán xây dựng đội hình................................. 77
4.3. Các kết quả kiểm chứng thuật toán.................................................................................. 79
CHƯƠNG 5. PATH PLANNING ............................................................................................ 82
5.1 Giới thiệu về thuật toán PSO ............................................................................................. 82

5.2 Sơ đồ thuật toán PSO.......................................................................................................... 83
5.3 Thuật toán PSO áp dụng trong bài toán Path Planning.................................................. 85
5.4. Kết quả mô phỏng trên Matlab......................................................................................... 86
CHƯƠNG 6 SLAM .................................................................................................................. 89
6.1. Giới thiệu về SLAM ........................................................................................................... 89
6.2. Bài toán localization sử dụng thuật toán Extend Kalman Filter ................................... 89
6.2.1. Lí do lựa chọn Extend Kalman Filter ........................................................................ 89
6.2.2. Nội dung thuật toán Extend Kalman Filter .............................................................. 90
6.2.3. Mô hình bài toán thực................................................................................................. 91
6.2.4. Kết quả mô phỏng ....................................................................................................... 93
6.3. Các thuật toán SLAM ........................................................................................................ 93
6.3.1. Fast SLAM ................................................................................................................... 94
6.3.2. Graph SLAM ............................................................................................................... 94
6.4. Giới thiệu về RTAB-Map .................................................................................................. 96
6.5. Kết quả đạt được .............................................................................................................. 101
7


Bộ môn Cơ Điện Tử
CHƯƠNG 7 HUMAN DETECTION .................................................................................. 104
7.1. Giới thiệu chung ............................................................................................................... 104
7.2. Bài toán nhận diện đối tương (Object Detection) .......................................................... 105
7.3. Mạng Convolutional Neural Network Yolo ................................................................... 106
7.4. Cấu hình và đề xuất giải pháp cho Robot ...................................................................... 108
7.5. Quá trình train model ...................................................................................................... 108
7.6. Một số hình ảnh trong quá trình train ........................................................................... 108
7.7. Kết quả thử nghiệm cho việc phát hiện người .............................................................. 109
7.8. Đề xuất cải thiện hiệu xuất Realtime .............................................................................. 110
KẾT LUẬN .............................................................................................................................. 111
PHƯƠNG HƯỚNG PHÁT TRIỂN ....................................................................................... 111

TÀI LIỆU THAM KHẢO ...................................................................................................... 112
PHỤ LỤC ................................................................................................................................. 115
1. Ubuntu.............................................................................................................................. 115
2. ROS .................................................................................................................................. 118
3. YOLO-v3.......................................................................................................................... 121

8


Bộ môn Cơ Điện Tử

DANH MỤC BẢNG
Bảng 1. Các linh kiện điện tử bên trong robot…………….…………..……..………18
Bảng 2. Một số thông số kỹ thuật chính của các robot…………...….….…….……20
Bảng 3. Thông số Jetson Nano…………………………………..……….…………….21
Bảng 4. Thông số Raspberry Pi 3………………………………………….….……….22
Bảng 5. Thông số STM32F103C8T6………...………….………………….…………23
Bảng 6. Thông số Intel Realsense D435…….…………...…………….………….….24
Bảng 7. Cấu tạo robot leader...……………………………………………….….……25
Bảng 8. Thông số robot leader……………….…………………………….….………25
Bảng 9. Cấu tạo robot follower...…………….…………………………….….………26
Bảng 10. Thông số robot follower……….… …………………….………..…………26
Bảng 11. Khối lượng riêng của một số kim loại phổ biến..………………..……….29
Bảng 12. Khả năng tải của từng robot……….…….………………………………….31
Bảng 13. Hệ số ma sát……………………….………..... ……….…………………….39
Bảng 14. Hàm truyền của từng động cơ trong robot leader………..………..…….73
Bảng 15. Hệ số PID cho các động cơ trên robot leader…. ………..……….….….73
Bảng 16. Hàm truyền của từng động cơ trong robot follower 1.………...….…….74
Bảng 17. Hệ số PID cho các động cơ trên robot follower 1…...…..….….……….74
Bảng 18. Hàm truyền của từng động cơ trong robot follower 2.…..…….……….75

Bảng 19. Hệ số PID cho các động cơ trên robot follower 2…...………………….75
Bảng 20. Thông số môi trường thử nghiệm …………………………………………89

9


Bộ môn Cơ Điện Tử

DANH MỤC HÌNH ẢNH
Hình 1.1. Robot cứu hộ

11

Hình 1.2: Giao tiếp giữa các robot thông qua ROS

13

Hình 1.3. Kiến trúc của Yolo v3

15

Hình 1.4. So sánh Yolo v3 với các phương pháp khác

15

Hình 1.5: Ứng dụng Yolo v3 vào phân biệt xe con và xe tải

16

Hình 1.6. Bảng mạch điện tử trong thực tế

17

Hình 1.7. Mạch nguyên lý

19

Hình 1.8. Kit NVIDIA Jetson Nano

23

Hình 1.9. Kit Raspberry Pi 3B+

24

Hình 1.10. STM32F103C8T6

25

Hình 1.11. Intel Realsense D435 3D Camera

26

Hình 2.1. Robot Leader và Robot Follower

27

Hình 2.2. Mẫu in 3D cỡ nhỏ

32

Hình 2.3. Mẫu in 3D cỡ lớn

32

Hình 2.4. Chọn vật liệu cho đế của Leader

33

Hình 2.5. Chọn các vị trí cố định và đặt lực

34

Hình 2.6. Kết quả ứng suất

34

Hình 2.7. Kết quả chuyển vị

35

Hình 2.8. Chọn vật liệu cho đế của Follower

36

Hình 2.9. Chọn các vị trí cố định và đặt lực

36

Hình 2.10. Kết quả ứng suất

37

Hình 2.11. Kết quả chuyển vị

38

Hình 2.12. Mô hình tĩnh học

39

Hình 2.13. Động cơ GM25-370

42

Hình 2.14. Bản vẽ 2D động cơ

42

Hình 2.15. Các lớp động cơ trên thực tế

43

Hình 2.16. Khung gầm robot leader thiết kế trên Solidwork

44

Hình 2.17. Bánh xích thiết kế trên Solidwork

45

Hình 2.18. Vỏ thân dưới xe

46
10


Bộ môn Cơ Điện Tử

Hình 2.19. Vị trí các linh kiện

46

Hình 2.20. Quá trình gia công vỏ bên dưới

47

Hình 2.21. Vỏ thân dưới sau khi lắp đặt vào khung gầm

47

Hình 2.22. Vỏ thân trên

48

Hình 2.23. Vị trí các linh kiện

48

Hình 2.24. Quá trình gia công vỏ thân trên

49

Hình 2.25. Robot leader hoàn thiện

49

Hình 2.26. Khung gầm robot follower

49

Hình 2.27. Bánh xe dẫn động V3 DB1522

50

Hình 2.28. Vỏ thân dưới thiết kế trên Solidwork

51

Hình 2.29. Vị trí các linh kiện điện tử

51

Hình 2.30. Quá trình gia công lớp vỏ thân dưới robot follower

52

Hình 2.31. Lớp vỏ đế dưới sau khi được lắp vào khung gầm

52

Hình 2.32. Vỏ thân trên thiết kế trên Solidwork

52

Hình 2.33. Robot follower hoàn thiện

53

Hình 3.1. Sơ đồ hoạt động trên một mẫu robot

54

Hình 3.2. Sơ đồ phân chia tác vụ trên Jetson Nano

55

Hình 3.3. Sơ đồ khối mô tả thuật toán của vi điều khiển

56

Hình 3.4. Sơ đồ tác vụ trên vi điều khiển

57

Hình 3.5. Sơ đồ giao tiếp nội khối của nhóm robot

57

Hình 3.6. Đồ thị PV theo thời gian, ba giá trị Kp (Ki và Kd là hằng số)

61

Hình 3.7. Đồ thị PV theo thời gian, tương ứng với 3 giá trị Ki
(Kp và Kd không đổi)
62
Hình 3.8. Đồ thị PV theo thời gian, với 3 giá trị Kd (Kp and Ki không đổi) 63
Hình 3.9. Dạng dữ liệu Identify

69

Hình 3.10. Dạng dữ liệu Validate

69

Hình 3.11. Kết quả sau khi chạy matlab System Identification Toolbox

70

Hình 3.12. Đồ thị biểu diễn hàm truyền của động cơ

71

Hình 3.13. Đồ thị robot di chuyển theo chuỗi điểm liên tục

72

Hình 3.14. Đồ thị robot di chuyển theo quỹ đạo hình vuông

73

11


Bộ môn Cơ Điện Tử

Hình 3.15. Đồ thị góc phi khi robot di chuyển theo quỹ đạo hình vuông
Hình 3.16. Đồ thị giá trị vận tốc và sai số bộ PID Controller – Robot
Leader
Hình 3.17. Đồ thị giá trị vận tốc và sai số bộ PID Controller – Robot
Follower 1
Hình 3.18. Đồ thị giá trị vận tốc và sai số bộ PID Controller – Robot
Follower 2
Hình 4.1. Các robot khi xếp thành đội hình

73
74
74
75
76

Hình 4.2. Minh họa bộ điều khiểu FOPI

84

Hình 4.3. Ảnh hưởng của việc thay đổi các hệ số λ và Ti lên đầu ra
của bộ điều khiển
Hình 4.4. 3 robot khi xếp thành tam giác cân

84
85

Hình 4.5. Đồ thị vị trí của 3 robot theo trục x

85

Hình 4.6. Đồ thị vị trí của 3 robot theo trục y

86

Hình 4.7. Đồ thị vị trí của 3 robot theo trục x

86

Hình 4.8. Đồ thị vị trí của 3 robot theo trục y

86

Hình 5.1. Mô tả về thuật toán PSO

83

Hình 5.2. Sơ đồ thuật toán PSO

85

Hình 5.3. Kết quả mô phỏng trên Matlab

81

Hình 6.1. Mô phỏng vị trí robot với sai số Sensor 10 cm

94

Hình 6.2. Mô phỏng vị trí robot với sai số Sensor 20 cm

95

Hình 6.3. Sự phân chia thuật toán Graph SLAM thành Front-End và
Back-End
Hình 6.4. Mô tả về đóng vòng lặp

90
90

Hình 6.5.Mô tả về 2 lần phát hiện vòng lặp trong quá trình phát triển
robot
Hình 6.6. Mô tả cách xây dựng vòng lặp

90
92

Hình 6.7. Các bước hoạt động của thuật toán RTAB-Map

93

Hình 6.8. Cách thức hoạt động của thuật toán SIFT

101

Hình 6.9. Feature Matching với FLANN

102

Hình 6.10. Thuật toán RANSAC áp dụng cho tập dữ liệu

102

Hình 6.11. Feature matching khi áp dụng RANSAC

103

Hình 6.12. Quá trình mapping sử dụng RTAB-Map

103
12


Bộ môn Cơ Điện Tử

Hình 6.13. Giao diện rtabmapviz

103

Hình 6.14. Kết quả quét bản đồ dùng Rtab-Map

104

Hình 7.1. Sơ đồ thể hiện mối quan hệ giữa các ngành thuộc AI

105

Hình 7.2. Mô phỏng mạng Deep Learning

105

Hình 7.3. Độ chính xác của các phương pháp phát hiện đối tượng

105

Hình 7.4. Mô phỏng mạng YOLO

106

Hình 7.5. Cách chia hình ảnh thành các phần đưa vào mạng

106

Hình 7.6. Terminal training mạng YOLO

106

Hình 7.7. Terminal training mạng YOLO

107

Hình 7.8. Kết quả phát hiện người

107

13

Bộ môn Cơ Điện Tử

LỜI NÓI ĐẦU
Trong xã hội hiện đại ngày nay, dưới sự phát triển thiếu cân bằng giữa các
yếu tố kinh tế và môi trường của nhiều quốc gia đã dẫn đến việc môi trường bị hủy
hoại, các thảm họa tự nhiên ngày càng diễn ra với tần suất dày và quy mô rộng hơn
nhiều lần trước đây. Những thảm họa xảy ra trên diện rộng như vậy luôn yêu cầu
một lượng lớn nhân viên phục vụ cho việc tìm kiếm, cứu hộ, gây ra thêm nhiều áp
lực cho các quốc gia, vùng lãnh thổ chịu ảnh hưởng. Đứng trước bài toán đó, nhóm
đặt ra câu hỏi là tại sao việc sử dụng các robot tự động để hỗ trợ các đội cứu hộ
không được nhân rộng, và với mong muốn áp dụng kiến thức đã học của mình để
giải quyết một phần của vấn đề, nhóm chúng em đã tiến hành nghiên cứu các thuật
toán cho robot bầy đàn tìm kiếm và cứu hộ, cứu nạn.
Nhóm robot được thiết kế gồm 3 robot di chuyển tạo thành một nhóm phục
vụ việc tìm kiếm, cứu hộ. Nhóm robot được xây dựng theo mô hình Leader –
Followers với một robot Leader có nhiệm vụ tìm đường đi, xây dựng bản đồ và
dẫn dắt các robot Followers. Hai robot followers đi theo sau robot leader có nhiệm
vụ mang tải nhẹ và camera 2D để phục vụ cho việc quan sát, tìm kiếm và cứu hộ.
Với việc sử dụng thuật toán Swarm Robotics cộng với việc cần rất ít sự can thiệp
của con người trong quá trình di chuyển của robot, nhóm hi vọng sản phẩm có thể
giải quyết một phần nhỏ của bài toán cứu hộ, cứu nạn và giúp ích cho các nghiên
cứu liên quan đến lĩnh vực ứng dụng robot trong bài toán tìm kiếm, cứu nạn.
Mặc dù đã cố gắng tuy nhiên do khối lượng công việc tương đối lớn và kiến
thức, thời gian của cả nhóm cũng có hạn nên nghiên cứu không thể tránh được
những thiếu sót, nhóm chúng em rất mong nhận được những sự đóng góp ý kiến,
chỉ bảo của thầy cô.
Nhóm chúng em xin chân thành cảm ơn!

--- Nhóm Swarm Robotics –

14


Bộ môn Cơ Điện Tử

ROS

DANH MỤC VIẾT TẮT
Robot Operating System

Hệ điều hành robot

SW(R)

Swarm (Robotics)

Robot bầy đàn

IMU

Inertia Measurement Unit

Đơn vị đo quán tính

SLAM

Simultaneous Localization and
Mapping

Xác định vị trí và
xây dựng bản đồ
đồng thời

CNN

Convolutional Neural Network

Mạng thần kinh tích
chập

PSO

Particle Swarm Optimization

Tối ưu phần tử bầy
đàn

FLANN

Fast Library for Approximate
Nearest Neighbor

Thư viện tra cứu
nhanh cho phương
pháp ước tính láng
giềng gần nhất

SIFT

Scale Invariant Feature Transform

Phép biến đổi tỉ lệ
bất biến của đặc
điểm

RANSAC Random Sample Consensus

Mẫu tập trung ngẫu
nhiên

YOLO

You Only Look Once

Bạn chỉ nhìn một
lần

PID

Proportional Integral Derivative

Tỉ lệ - Tích phân –
Đạo hàm

LORA

Long Range Radio

Sóng radio tầm xa

RTABmap

Real Time Apperance Based
Mapping

Thuật toán xây
dựng bản đồ dựa
trên hình ảnh thời
gian thực

RTOS

Real Time Operating System

Hệ điều hành thời
gian thực

FOPI(D)

Fractional Order Proportional
Integral (Derivative)

Bộ điều khiển PID
mở rộng ra dạng
phân số
15

Bộ môn Cơ Điện Tử

CHƯƠNG 1 GIỚI THIỆU

1.1.

Lịch sử phát triển của robot cứu hộ

Robot cứu hộ được sử dụng với mục đích cứu hộ, xây dựng bản đồ,… Các tình
huống phổ biến cần đến chúng như tai nạn hầm mỏ, thảm họa đô thị, các vụ nổ,...
Ưu thế của robot cứu hộ là giảm nhân công, có thể đi tới những vùng bất khả thi
với con người,…
Robot cứu hộ được phát triển với khă năng tìm kiếm, xây dựng bản đồ, loại bỏ vật
cản, đưa đồ thiết yếu đến nạn nhân, ... Nhưng còn rất nhiều vấn đề kĩ thuật cần giải
quyết.
Ba vấn đề chính là: Xử lí thông tin bên trong robot, Sự linh hoạt của robot và điều
khiển robot.
Robot cứu hộ đã được sử dụng trong vụ khủng bố 11/09. Đó là lần đầu tiên robot
cứu hộ được đưa vào sử dụng. Tuy nhiên, robot gặp khó khi xử lí đống đổ nát ở
Trung Tâm Thương Mại Thế Giới (World Trade Center) và thường xuyên bị kẹt,
hỏng.

Hình 1.1 Robot cứu hộ [1]

1.2

Nhiệm vụ của đồ án

- Độ cơ động cao của robot.
- Khả năng tránh va chạm khi di chuyển.

16


Bộ môn Cơ Điện Tử

- Tối ưu đường đi (đường ngắn nhất, ít vật cản, an toàn, …)
- Xây dựng bản đồ 3D khu vực hoạt động
- Nhận diện người nhanh và chính xác
1.2.1. Mục tiêu
Mục tiêu của đề tài là nghiên cứu và thiết kế nhóm robot có khả năng cứu hộ, cứu
nạn. Hệ thống bao gồm những công nghệ tiên tiến sau: SLAM để kiểm tra vị trí và
xây dựng bản đồ 3D. Robot có khả năng tự lên kế hoạch cho quỹ đạo mình sẽ đi.
Động cơ được điều khiển nhờ thuật toán PID. Cuối cùng là khả năng nhận diện
người nhanh và chính xác.
Trong đồ án này, nóm chúng em đã trình bày một số nhiệm vụ sau:
-

Thiết kế cơ khí và bộ điều khiển cho robot.

-

Thiết kế bộ điều khiển cho nhóm robot.

-

Hiểu và phân tích kỹ thuật giao tiếp giữa “Robot Operating System” (ROS)
và hệ thống robot thật.

-

Hiểu được nguyên lí hoạt động của các cảm biến siêu âm, khoảng cách, cảm
biến gia tốc, camera 3D, 2D, encoder, mạch thu-nạp của hệ thống sạc…

-

Nhúng thuật toán path-planning vào robot thật để hệ thống robot tự đi đến
điểm đích.

-

Nhận diện người.
1.2.2 Phương pháp
1.2.2.1 Software

Robot Operating System (ROS)
Hệ thống ROS vì sự phổ biến và khả năng của nó trong điều khiển robot. ROS
chạy trên hệ điều hành Linux, hỗ trợ C/C++, Python và một số ngôn ngữ lập trình
khác. Sau đó chúng em nghiên cứu sâu hơn về ROS, tính năng và tiện ích.
Giới thiệu về ROS
Robot Operating System là một hệ thống phần mềm chuyên dụng để lập trình và
điều khiển robot, bao gồm các công cụ để lập trình, hiển thị, tương tác trực tiếp với
phần cứng, và kết nối cộng đồng robot trên toàn thế giới.

17


Bộ môn Cơ Điện Tử

Hình 1.2 Logo hệ điều hành robot

ROS trên thực tế là một hệ điều hành meta, giữa một hệ điều hành và phần mềm
trung gian.
Nó không chỉ cung cấp các dịch vụ hệ điều hành tiêu chuẩn (trừu tượng hóa phần
cứng, quản lý tranh chấp, quản lý quy trình) mà còn cung cấp các chức năng cấp
cao (các cuộc gọi không đồng bộ và đồng bộ, cơ sở dữ liệu tập trung, hệ thống cấu
hình robot, v.v.).
Giao tiếp trong ROS
Các robot sẽ giao tiếp với nhau thông qua cơ chế truyền tin trên ROS. Đơn vị
truyền tin nhỏ nhất trên ROS là node. Các node có thể truyền đi thông tin hoặc
nhận thông tin với nhau thông qua các topic.

Hình 1.3: Giao tiếp giữa các robot thông qua ROS [2]
Trong đề tài này, mỗi một robot sẽ chia sẻ vị trí của mình cho những thành viên
còn lại để có thể dễ dàng xác định vị trí khi một con robot tìm thấy người bị nạn
hoặc robot bị hỏng và cần sự giúp đỡ. Robot Leader sẽ chia sẻ bản đồ cho các robot
còn lại.
Yêu cầu

18


Bộ môn Cơ Điện Tử

Ubuntu là môi trường chạy Linux phổ biến. Tự do sử dụng. mã nguồn mở nên nó
có thể được tùy biến tùy theo ứng dụng. Nó hỗ trợ kiến trúc như Intel x86, AMD64, ARM v7 và ARMv8 (ARM64).
Ứng dụng robot có thể chạy trong hệ điều hành cung cấp các chức năng giao tiếp
với các cơ cấu của robot và các cảm biến. Một hệ điều hành dựa trên Linux có khả
năng linh hoạt trong việc giao tiếp với các linh kiện có sức mạnh yếu hơn và có
thể tùy chỉnh hệ điều hành theo yêu cầu.
Lợi thế của Ubuntu trong hoàn cảnh này là khả năng đáp ứng, nhẹ và tính bảo mật

cao. Ngoài ra, Ubuntu có cộng đồng hỗ trợ rất lớn. Những yếu tố đó đã dẫn đến
việc phát triển ROS luôn sử dụng Ubuntu, và nó là hệ điều hành duy nhất được hỗ
trợ đầy đủ bởi ROS.
Giới thiệu về Yolo v3
You only look once (Yolo) được phát triển bởi Joseph Redmond cùng các cộng sự.
là một trong những thuật toán nhận diện vật thể nhanh nhất thời điểm hiện tại. Mặc
dù không phải là phương pháp chính có độ xác cao nhất tuy nhiên Yolo vẫn là được
ứng dụng rất nhiều trong những dự án thực tế khi mà độ chính xác không phải là
ưu tiên hàng đầu.

Hình 1.4. Kiến trúc của Yolo v3 [3]

19


Bộ môn Cơ Điện Tử

Hình 1.5. So sánh Yolo v3 với các phương pháp khác [4]
Nguyên lí hoạt động
Yolo v3 sử dụng duy nhất một mạng thần kinh (Neural Network) cho cả bức ảnh.
Mạng này sẽ chia bức ảnh thành các vùng khác nhau và dự đoán khả năng của mỗi
vùng. Neural network sẽ được train để tỉ lệ nhận diện cao (> 96%).

Hình 1.6. Ứng dụng Yolo v3 vào phân biệt xe con và xe tải [5]
Yêu cầu cấu hình
Không có cấu hình yêu cầu cho Yolo v3, nhưng nhưng mọi phương pháp nhận
diện khác, Yolo v3 cần CPU và GPU có sức mạnh trung bình trở lên, để tận dụng
được ưu thế tốc độ của mình.
Từ yêu cầu trên, chúng em lựa chọn Jetson Nano cho robot leader và Raspberry Pi
3 cho robot follower.

1.2.2.2

Hardware

a. Tổng quan phần mạch điện tử
Để giúp cho robot có thể hoạt động được, chúng ta cần thiết kế các mạch điện tử,
điều khiển phù hợp. Những mạch điện tử này phải đảm bảo nhiều yếu tố như tính
20


Bộ môn Cơ Điện Tử

ổn định, an toàn, các thông số liên quan đến việc đáp ứng hoạt động của các phần
mềm chạy trên robot đó.
Trong phạm vi đồ án này, một bản thiết kế mạch điện được thiết kế chung cho các
robot Leader và Followers, sau khi triển khai lên các phần cứng thực tế, các robot
khác nhau với yêu cầu khác nhau, mạch điện sẽ được tùy chỉnh các linh kiện cho
phù hợp.

Hình 1.7. Bảng mạch điện tử trong thực tế
Bằng sự kết hợp của vi điều khiển STM32F103C8T6 và 2 loại máy tính nhúng
(Jetson Nano với robot Leader và Raspberry Pi với các robot Followers) thông qua
giao tiếp UART, nhóm đã tạo lên một hệ thống phần cứng đáp ứng tương đối tốt
yêu cầu hoạt động, nhiệm vụ của từng robot.
b. Thiết kế mạch nguyên lý
Trong tất cả các quy trình nghiên cứu và phát triển các dòng sản phẩm, việc thiết
kế tổng thể nói chung và thiết kế về nguyên lý nói riêng là một trong những quy
trình không thể thiếu nhằm phục vụ quá trình mô phỏng, hạn chế sai sót trong
quá trình chế tạo sản phẩm thực tế... Hiểu rõ được nguyên tắc đó, trong quá trình
nghiên cứu và phát triển đề tài, nhóm đã bám sát quy trình và thiết kế ra mạch

nguyên lý của robot Leader và các robot Followers trong mô hình của mình.
Mạch nguyên lý bao gồm các thành phần chính cấu thành lên hệ thống mạch điện
của các robot như vi điều khiển, các cảm biến cũng như các phần cứng liên quan
phục vụ cho việc hoạt động của các thành phần trên.
Altium Designer là một trong những phần mềm hết sức nổi tiếng và được sử
dụng rộng rãi trong việc thiết kế, phát triển các mạch nguyên lý, mạch in… cho
sản phẩm, đảm bảo được tính tin cậy, tính chính xác cũng như tính khoa học và
chuyện nghiệp trong quá trình thiết kế.
21


Bộ môn Cơ Điện Tử

Từ đó, để đáp ứng được mục đích và các yêu cầu đã đặt ra, nhóm đã sử dụng
phần mềm Altium Designer để thiết kế ra mạch nguyên lý của các robot được
trình bày trong hình 1.7.

Hình 1.8. Mạch nguyên lý
c. Các linh kiện chính
22


Bộ môn Cơ Điện Tử

Để đáp ứng được các yêu cầu hoạt động của robot cũng như đảm bảo tính dễ mua
và lắp đặt, nhóm sử dụng phần nhiều là các module tích hợp có sẵn trên thị
trường như kit STM32, các máy tính nhúng...
Bảng 1 trình bày các linh kiện điện tử trong cả hai robot:
Bảng 1. Các linh kiện điện tử bên trong robot
Leader

Followers

Vi điều
khiển

STM32F103C8T6

STM32F103C8T6

Động cơ

Động cơ giảm tốc GM25/370

Động cơ giảm tốc kèm bánh
xích RB03

Pin

Pin LiPo 12V

3xPin Li-Ion 3.7V

Motor
Driver

Module điều khiển động cơ
L298V3

Module điều khiển động cơ

L298V1

Cảm biến
siêu âm

Cảm biến siêu âm SRF04

Cảm biến siêu âm SRF04

23


Bộ môn Cơ Điện Tử

IMU

MPU6050

MPU6050

Camera

Intel Realsense D435

Raspberry Pi camera

Bộ xử lý
trung tâm

NVIDIA Jetson nano

Raspberry Pi 3B (+)

Wifi Card

TP-Link USB Wifi card

Raspberry Pi on board card

d. Các thông số kỹ thuật chính
Do đặc thù nhiệm vụ của 2 loại robot khác nhau nên sẽ mang theo cấu hình có một
số điểm khác biệt nhằm đáp ứng các yêu cầu về mặt kinh phí cũng như một số yếu
tố kỹ thuật.
Về phần điều khiển, 2 robot mang cấu hình khá tương đồng, tuy nhiên khi xét đến
bộ xử lý trung tâm, các robot leader có nhiệm vụ nặng nề hơn được trang bị bộ xử
24