Quy hoạch quỹ đạo mobile robot

ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP HỒ CHÍ MINH
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA
--------------------

NGUYỄN HỒNG PHÚC

QUY HOẠCH QUỸ ĐẠO MOBILE
ROBOT
Chuyên ngành : TỰ ĐỘNG HĨA

LUẬN VĂN THẠC SĨ

TP. HỒ CHÍ MINH, tháng 12 năm 2010.


CƠNG TRÌNH ĐƯỢC HỒN THÀNH TẠI
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA
ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP HỒ CHÍ MINH
Cán bộ hướng dẫn khoa học : GVC.TS. NGUYỄN ĐỨC THÀNH.
………………………………………………………………………………
………………………………………………………………………………
………………………………………………………………………………
………………………………………………………………………………

Cán bộ chấm nhận xét 1 :……………………………………………..
…………………………………………………………………………………
…………………………………………………………………………………
…………………………………………………………………………………
…………………………………………………………………………………

Cán bộ chấm nhận xét 2 :……………………………………………………

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

Luận văn thạc sĩ được bảo vệ tại HỘI ĐỒNG CHẤM BẢO VỆ LUẬN
VĂN THẠC SĨ
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA, ngày . . . . . tháng . . . . năm . . . . .


TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA

CỘNG HOÀ XÃ HỘI CHỦ NGHIÃ VIỆT NAM

KHOA ĐIỆN – ĐIỆN TỬ

Độc Lập - Tự Do - Hạnh Phúc

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

---oOo--Tp. HCM, ngày . . . . . tháng . . . . . năm . . . . . .

NHIỆM VỤ LUẬN VĂN THẠC SĨ
Họ và tên học viên: NGUYỄN HỒNG PHÚC.

Phái: Nam.

Ngày, tháng, năm sinh: 07/07/1985.

Nơi sinh: ĐỒNG THÁP.

Chuyên ngành: TỰ ĐỘNG HÓA.
MSHV: 01508344
1- TÊN ĐỀ TÀI: QUY HOẠCH QUỸ ĐẠO MOBILE ROBOT.
2- NHIỆM VỤ LUẬN VĂN: . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
.....................................................................
.....................................................................
.....................................................................
.....................................................................
.....................................................................
.....................................................................
3- NGÀY GIAO NHIỆM VỤ : . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
4- NGÀY HOÀN THÀNH NHIỆM VỤ : . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
5- HỌ VÀ TÊN CÁN BỘ HƯỚNG DẪN : GVC.TS. NGUYỄN ĐỨC THÀNH.
Nội dung và đề cương Luận văn thạc sĩ đã được Hội Đồng Chuyên Ngành thông qua.
CÁN BỘ HƯỚNG DẪN

CHỦ NHIỆM BỘ MÔN
QUẢN LÝ CHUYÊN NGÀNH

KHOA QL CHUYÊN NGÀNH


Để hồn thành tốt luận văn này, tơi xin chân thành cảm ơn q thầy cơ và gia đình
đã dạy dỗ, động viên và giúp đỡ tôi trong suốt quá trình học tập.
Tơi xin chân thành cảm ơn Thầy TS.Nguyễn Đức Thành đã hướng dẫn, giúp đỡ
tận tình và tạo mọi điều kiện thuận lợi cho tôi thực hiện luận văn này.
Tôi xin chân thành cảm ơn các thầy cô trong trường Đại học Bách Khoa, đặc biệt
là các thầy cô trong bộ môn Điều khiển tự động đã truyền đạt nhiều kiến thức và tạo mọi
điều kiện để tôi có thể hồn thành tốt luận văn này.

Tơi xin cảm ơn các anh chị và các bạn trong lớp Tự Động Hóa khóa 2008, đã
giúp đỡ tơi trong thời gian học tập.
Cũng xin chân thành cảm ơn sự quan tâm hỗ trợ, tạo điều kiện và hết lòng động
viên về tinh thần lẫn vật chất của các thành viên trong gia đình trong suốt thời gian qua.

Sau cùng, tơi xin gởi lời chúc sức khỏe, hạnh phúc đến quý thầy cơ, gia đình và
bạn bè.
Tp.HCM, ngày 06 tháng 12 năm 2010
Học viên thực hiện

Nguyễn Hồng Phúc


TÓM TẮT LUẬN VĂN THẠC SĨ
Trong thời đại của thế kỷ 21, với sự phát triển nhảy vọt của trình độ Khoa học kỹ
thuật, con người đã tạo nên và phát triển nhiều cơng trình khoa học mang tính tầm cỡ.
Với sự thay thế dần của máy móc cho con người trong các nhiệm vụ mang tính chính
xác và tập trung cao thì kết quả đạt được đã hồn tồn được tin cậy và đánh giá cao.
Điều này thực sự có ý nghĩa to lớn và góp phần tăng thêm giá trị và chất lượng cuộc
sống.

Đề tài luận văn này, nhằm ứng dụng những kĩ thuật tiên tiến về xử lý ảnh và hệ
thống nhúng để quy hoạch quỹ đạo cho mobile robot. Trong đề tài này sẽ trình bày
trong đó các vấn đề liên quan tới kiến thức nền tảng xây dựng nên luận văn. Học viên đã
sử dụng công cụ OpenCV ứng dụng vào lĩnh vực xử lý ảnh làm thị giác cho mobile
robot và nhúng những giải thuật này lên board Mini 2440 để xây dựng ứng dụng về quy
hoạch quỹ đạo cho mobile robot. Kết quả thu được đáp ứng thời gian thực và có tính
ứng dụng cao.

Nội dung luận văn gồm 5 chương:

Chương 1: Giới thiệu tổng quan
Chương 2: Cơ sở lý thuyết
Chương 3: Xây dựng hệ thống
Chương 4: Kết quả - Nhận xét – Phân tích
Chương 5: Kết luận và hướng phát triển đề tài


Nguyễn Hồng Phúc

Luận văn tốt nghiệp

MỤC LỤC
CHƯƠNG 1 ..................................................................................................................1
1.1 GIỚI THIỆU ĐỀ TÀI ..........................................................................................1
1.2
MỤC ĐÍCH NGHIÊN CỨU ...........................................................................2
1.3
TỔNG QUAN VỀ GIẢI THUẬT ................................................................2
1.3.1
Xác định mục tiêu:...................................................................................3
1.3.2
Quy hoạch quỹ đạo: .................................................................................3
1.4
LÝ DO THỰC HIỆN ĐỀ TÀI ........................................................................3
1.5
NHIỆM VỤ LUẬN VĂN ...............................................................................3
1.5.1 Phạm vi thực hiện..........................................................................................4
1.5.2 Dự kiến các lĩnh vực ứng dụng của đề tài .....................................................4
CHƯƠNG 2 ..................................................................................................................5

2.1 MOBILE ROBOT ...............................................................................................5
2.2 XÂY DỰNG BÀI TỐN TÌM QUỸ ĐẠO: ........................................................7
2.2.2 Lựa chọn kiểu mơ hình điều khiển robot: ......................................................8
2.3 LÝ THUYẾT VỀ XỬ LÝ ẢNH ĐƯỢC SỬ DỤNG TRONG ĐỀ TÀI : ........... 11
2.3.1 Lý thuyết về ảnh số và xử lý ảnh: ............................................................. 11
2.3.2 Không gian màu RGB và HSV .................................................................... 15
2.3.3 Các bộ lọc làm trơn ảnh.............................................................................. 19
2.3.4 OpenCV và các hàm cơ bản sử dụng trong luận văn:................................... 21
2.5
THUẬT TOÁN TRÁNH VẬT CẢN KẾT HỢP CẢM BIẾN THỊ GIÁC VÀ
XÚC GIÁC :............................................................................................................ 30
2.5 HỆ ĐIỀU HÀNH NHÚNG: ............................................................................... 32
2.6 BOARD TÍCH HỢP HỆ ĐIỀU HÀNH NHÚNG :............................................. 35
2.6.1 Chọn lựa board:........................................................................................... 35
2.6.2 Lập trình trên hệ điều hành nhúng: .............................................................. 37
CHƯƠNG 3 ................................................................................................................ 38
3.1 Ý TƯỞNG XÂY DỰNG VÀ HOẠT ĐỘNG CỦA HỆ THỐNG XE MOBILE
ROBOT: .................................................................................................................. 38
3.1.1 Ý tưởng: ...................................................................................................... 38
3.1.2 Xây dựng chương trình cho mobile robot: ................................................... 39
3.2 TIẾN HÀNH XÂY DỰNG PHẦN MỀM ......................................................... 40
3.2.1 Chuẩn bị hệ thống và các cơng cụ lập trình thích hợp .................................. 40
3.2.2 Tổ chức chương trình phần mềm hệ thống................................................... 41
3.2.3 Giải thuật thực hiện chương trình: .............................................................. 42
a) Thuật tốn ước lượng góc và vị trí khoảng cách ............................................... 46
3.2.4 Hoạt động của phần mềm ............................................................................ 47
3.3 XÂY DỰNG GIAO DIỆN CHO CHƯƠNG TRÌNH: ....................................... 50
3.3.1. Giới thiệu sơ lược về Qt GUI framework:................................................... 50
3.3.2 Xây dựng giao diện của đề tài trên nền tản Qt: ............................................ 51

Nguyễn Hồng Phúc

Luận văn tốt nghiệp

3.4 HỆ THỐNG PHẦN CỨNG VÀ CÁC CÔNG CỤ LIÊN QUAN: ..................... 54
3.4.1 Xây dựng mơ hình:...................................................................................... 54
3.4.2 các cơng cụ liên quan: ................................................................................. 57
CHƯƠNG 4 ................................................................................................................ 58
4.1 KẾT QUẢ: ....................................................................................................... 58
4.2 NHẬN XÉT:...................................................................................................... 64
CHƯƠNG 5 ................................................................................................................ 66
5.1 KẾT QUẢ ĐẠT ĐƯỢC VÀ Ý NGHĨA............................................................. 66
5.1.1 Kết quả đạt được ......................................................................................... 66
5.1.2 Ý nghĩa........................................................................................................ 66
5.2 HƯỚNG PHÁT TRIỂN..................................................................................... 67
CÁC WEBSITE THAM KHẢO.................................................................................. 69
PHỤ LỤC ................................................................................................................... 71


Nguyễn Hồng Phúc

Luận văn tốt nghiệp

LIỆT KÊ CÁC HÌNH
Hình 1.1: Sơ đồ tổng quan giải thuật của mobile robot
Hình 2.1 :Mobile Robot bám đối tượng di động SRV1
Hình 2.2b: Kiểu mơ hình phản hồi
Hình 2.2 a: Kiểu mơ hình thứ bậc
Hình 2.2 c :Kiểu mơ hình tổng hợp

Hình 2.3: Phần tử ảnh
Hình 2.4: Mảng hai chiều của một file ảnh.
Hình 2.5: Các kiểu khơng gian màu .
Hình 2.6: Khơng gian màu RGB.
Hình 2.7: Khơng gian màu HSV.
Hình 2.8 : Ảnh đầu vào và kết quả tìm đường bao
Hình 2.9 : Minh hoạ thuật tốn tính góc và khoảng cách
Hình 2.10 : Mơ hình gắn cảm biến đo khoảng cách GP2D12
Hình 2.11 : Thuật tốn tránh vật cản
Hình 2.12: Board mini2440
Hình 3.1 : Sơ đồ khối xây dựng hệ thống
Hình 3.2 : Minh họa chương trình hệ thống
Hình 3.3 : Giải thuật khối thực hiện hành vi
Hình 3.4 : Giải thuật tìm quả bóng và tránh vật cản
Hình 3.5 : Giải thuật tracking bóng
Hình 3.6 : Giao diện điều khiển robot
Hình 3.7 : Giao diện Tìm quả bóng
Hình 3.8 Giao diện Calibrate
Hình 3.9 : Giao diên ứng dụng


Nguyễn Hồng Phúc

Luận văn tốt nghiệp

Hình 3.10: Mơ hình mobile robot.
Hình 3.11 : Board arm7
Hình 3.12 : Board điều khiẻn động cơ L298

Hình 4.1 : Kết quả giao diện khi nhúng xuống board

Hình 4.2 :Giao diện điều khiển robot trên board
Hình 4.3 : Giao diện tìm quả bóng
Hình 4.4 : Giao diện Calibrate
Hình 4.5a : Kiểm tra kết quả phát hiện bóng
Hình 4.5b : Kiểm tra góc và khoảng cách phát hiện bóng
Hình 4.6a: Thay đổi vị trí quả bóng
Hình 4.6b : Kết quả khi thay đổi vị trí bóng
Hình 4.7a: Thay đổi vị trí quả bóng
Hình 4.7b : Kết quả khi thay đổi vị trí bóng
Hình 4.8a: Thay đổi vị trí quả bóng
Hình 4.8b : Kết quả khi thay đổi vị trí bóng
Hình 4.9 : Kết quả nhận dạng khi thay quả bóng có màu xanh lá cây
Hình 4.10 : Kết quả nhận dạng khi thay quả bóng có màu xanh dưong
Hình 4.11 :Kết quả nhận dạng khi thay quả bóng có màu đỏ
Hình 4.12: Kết quả nhận dạng khi thay quả bóng có màu đỏ
Hình 4.13: Kết quả ứng dụng 1
Hình 4.14 : Kết quả ứng dụng 2a
Hình 4.15: Kết quả ứng dụng 2b


Nguyễn Hồng Phúc

Luận văn tốt nghiệp

CHƯƠNG 1

GIỚI THIỆU TỔNG QUAN
1.1 GIỚI THIỆU ĐỀ TÀI
Ngành khoa học công nghệ mới, tạo ra các sản phẩm robot và nghiên cứu ứng
dụng chính hình thành trong những thập kỷ gần đây được gọi là Robotics.

Trong Robotics có hầu hết các vấn để của “cơ-điện tử”. Thuật ngữ “cơ - điện tử “(
mechatronics) thể hiện sự kết hợp giữa cơ học máy và điều khiển điện tử. Đồng
thời sự phát triển của mechatronics cũng được phản ánh trong khoa học công nghệ
robot.

Một trong những tiêu chí đặc trưng cho robot là khả năng “lập trình
được “(programable). Muốn có khả năng đó robot phải dùng đến máy tính hoặc các
thiết bị khác có chức năng tương tự. Máy tính có vai trị như bộ não của robot. Robot
ngày càng đóng vai trị quan trọng trong công nghiệp và cuộc sống hàng
ngày. Chúng sẽ thực hiện những công việc rất nhàm chán hoặc nguy hiểm, những cơng
việc mà tốc độ và độ chính xác vượt q khả năng của con người.

Ngày nay sự cải thiện của tốc độ máy tính đã tạo ra những bước trưởng thành đáng
kể cho robot trong từng giai đoạn phát triển và đang mở ra những triển vọng trở thành
những robot thông minh nhờ khả năng xử lý rất nhanh của bộ điều khiển dùng máy
tính. Song song với nó là sự lớn mạnh của ngành công nghiệp xử lý ảnh và hệ thống
nhúng, chúng giúp cho robot ngày càng hoàn thiện, linh hoạt hơn. Xe tự hành (Mobile

Trang 1


Nguyễn Hồng Phúc

Luận văn tốt nghiệp

robot) là lĩnh vực nghiên cứu có tính ứng dụng cao, áp dụng kĩ thuật tiên tiến hỗ trợ con
người thực hiện những công việc nguy hiểm như thám hiểm hang động, dị tìm chất
nổ,..hay hỗ trợ con người trong việc lái xe an toàn , hệ thống xe điện, tàu lửa tự động.
Đề tài này nhằm mục đích phát triển ứng dụng xử lý ảnh, thị giác máy tính và hệ
thống nhúng vào xe tự hành, tăng cường khả năng quy hoạch quỹ đạo, giúp robot dò

đường, phát hiện những chướng ngại vật hay nhận ra mục tiêu cần đến

1.2 MỤC ĐÍCH NGHIÊN CỨU
Vấn đề chính cần giải quyết khi thực hiện đề tài này đó là làm sao phải phát hiện
nhanh chóng phát hiện những chướng ngại vật hay nhận ra mục tiêu cần đến và tính
tốn tìm đường đi dựa trên sự phát triển của lĩnh vực thị giác máy tính (computer
vision) và hệ thống nhúng (embedded system). Mục tiêu cần đến có các đặc điểm cụ
thể về màu sắc, hình dạng và kiểu dáng . Môi trường làm việc tương đối phức tạp ,
mobile robot phải có khả năng tự quy hoạch ra đường đi đến mục tiêu
Để tăng tính ứng dụng thực tiễn của đề tài, học viên đã tìm hiểu, lựa chọn các
giải pháp, thuật tốn tìm kiếm tăng khả năng nhận dạng, phân loại chính xác mục tiêu
và thực thi được trên nền hệ thống nhúng sử dụng hệ điều hành Linux (hệ điều hành
Linux được lựa chọn do sự hoạt động ổn định, gọn nhẹ phù hợp cho việc phát triển các
ứng dụng nhúng trên nền thiết bị phần cứng cấu hình thấp, tiêu tốn năng lượng hoạt
động thấp).
1.3 TỔNG QUAN VỀ GIẢI THUẬT

webcam

Xác định mục
tiêu

Quy hoạch
quỹ đạo

HỆ THỐNG NHÚNG

Hình 1.1 Sơ đồ tổng quan giải thuật của mobile robot

Trang 2

Mobile
robot


Nguyễn Hồng Phúc

Luận văn tốt nghiệp

1.3.1 Xác định mục tiêu:
Phát hiện mục tiêu dựa trên các thông tin đã biết trước như màu sắc, hình dạng,
kích thước, … ta xây dựng một tập các đặc trưng nhằm phân biệt được nó với các
vật khác trong mơi trường hoạt động cuả mobile robot. Ảnh từ webcam đi qua bộ
tiền xử lý ảnh giữ lại các màu sắc cần quan tâm, lọc bỏ bớt nhiễu. Sau đó xác định
các vùng quan tâm, tính tốn hình dạng và kích thước so sánh với tập đặc trưng để
tìm ra mục tiêu và đưa qua bộ xử lý tìm quỹ đạo đến mục tiêu

1.3.2 Quy hoạch quỹ đạo:
Trên cơ sở xác định được mục tiêu, tìm ra vị trí toạ độ trong frame ảnh bắt được từ
webcam, ta tính tốn góc lệch so với trục chính của robot và khoảng cách đến mục
tiêu. Tiếp theo tìm quỹ đạo bằng cách phân đoạn thành các tác vụ nhỏ như: tiến
tới, lùi lại, rẽ trái, rẽ phải, tránh vật cản,…hình thành đường đi đến mục tiêu

1.4 LÝ DO THỰC HIỆN ĐỀ TÀI
Trên cơ sở tìm hiểu về kĩ thuật lập trình hệ thống nhúng và xử lý ảnh, học viên
muốn ứng dụng chúng trên mơ hình mobile robot, xây dựng giải thuật điều khiển tìm
quỹ đạo, tránh vật cản và tăng cường khả năng linh hoạt cuả chúng. Xa hơn nữa học
viên muốn tạo một lớp hàm cơ bản dùng về xử lý ảnh và hệ thống nhúng dùng để phát
triển trên các robot thực tế ứng dụng cơng nghệ thị giác máy tính.
Được xây dựng trên mơ hình và hệ thống board nhúng có tốc độ tương đối thấp,

trong khi bài toán xử lý ảnh và quy hoạch quỹ đạo địi hỏi rất nhiều phép tính nên tìm
kiếm một phương pháp để giải quyết bài tốn và các yêu cầu đặt ra về độ chính xác, tốc
độ xử lý, khả năng thực thi là mục đích của đề tài này.

1.5 NHIỆM VỤ LUẬN VĂN
 Tìm hiểu, phát triển giải thuật phát hiện mục tiêu

Trang 3


Nguyễn Hồng Phúc

Luận văn tốt nghiệp

 Xây dựng chương trình tìm quỹ đạo và điều khiển mobile robot
1.5.1 Phạm vi thực hiện
- Về lý thuyết: phương pháp tìm kiếm mục tiêu có khối lượng tính tốn
thấp phù hợp với u cầu về phần cứng
- Về ứng dụng: xây dựng chương trình và lớp hàm xử lý trên hệ thống
nhúng
- Điều kiện thực hiện: mobilerobot hoạt động trong môi trường ánh sáng
tiêu chuẩn (300-500lux) hoặc ánh sáng ngoài trời ban ngày bình thường, khơng q
tối để webcam có thể bắt được mục tiêu. Môi trường hoạt động trên một nền phẳng ,
giúp robot có thể ước lượng về vị trí so với mục tiêu

1.5.2 Dự kiến các lĩnh vực ứng dụng của đề tài
Hệ thống xe thông minh tự hành thực làm các công việc nguy hiểm như
thám hiểm hang động, dị tìm chất nổ,..hay hỗ trợ con người trong việc lái xe an toàn ,
hệ thống xe điện, tàu lửa tự động.
Ứng dụng vào các cuộc thi robot.

Trang 4


Nguyễn Hồng Phúc

Luận văn tốt nghiệp

CHƯƠNG 2

CƠ SỞ LÝ THUYẾT
2.1 MOBILE ROBOT
Các định nghĩa có liên quan :
a. Mobile robot :
Mobile robot là loại robot tự hành có khả năng di chuyển tự do trong một môi
trường đã được định sẵn. Nó khác với các loại robot cơng nghiệp như các loại tay máy
chỉ có khả năng đạt tới một vị trí nhất định.
Mobile robot hiện đang là một đề tài trọng tâm được đề cập đến trong những
nghiên cứu hiện tại và hầu hết các trường đại học lớn trên thế giới đều có một hoặc
nhiều phịng thí nghiệm nghiên cứu về mobile robot. Hiện nay, mobile robot có thể
được tìm thấy trong rất nhiều các lĩnh vực như công nghiệp, quân sự, y tế và cả trong
lĩnh vực giải trí và phục vụ cơng việc nhà.
Mobile robot có thể được phân loại dựa vào không gian hoạt động (robot di
chuyển trên mặt đất, mobile robot trên không -UAVs và mobile robot hoạt động trong
môi trường nước –AUVs) hoặc dựa vào thiết bị hỗ trợ di chuyển (chân, bánh xe hoặc
đường ray).
b.

Thị giác máy tính (computer vision) :

Thị giác máy tính là một thuật ngữ kĩ thuật dùng để chỉ các thiết bị máy móc có
khả năng “nhìn thấy” được. Về mặt khoa học, thị giác máy tính liên quan đến lý thuyết

Trang 5


Nguyễn Hồng Phúc

Luận văn tốt nghiệp

xây dựng những hệ thống nhân tạo có khả năng thu thập thơng tin từ hình ảnh. Dữ liệu
hình ảnh này có thể lấy được từ nhiều dạng khác nhau như tín hiệu video thu được từ
một hoặc nhiều camera, hay dữ liệu nhiều chiều từ một máy chụp cắt lớp… Về mặt kĩ
thuật, thị giác máy tính là tìm cách áp dụng các lý thuyết và mơ hình của thị giác máy
tính để xây dựng một hệ thống thị giác máy tính. Ví dụ như ứng dụng hệ thống thị giác
máy vào các hệ thống để :
 Điều khiển q trình (như robot cơng nghiệp hay thiết bị vận chuyển tự
động).
 Phát hiện đối tượng (ví dụ như giám sát hay đếm số người).
 Thiết lập thông tin (xây dựng cơ sở dữ liệu hình ảnh hay chuỗi hình ảnh).
 Mơ hình hố đối tượng hay môi trường (như việc kiểm tra trong công nghiệp,
phân tích hình ảnh trong y tế hay phục vụ việc xây dựng bản đồ địa hình).
 Tín hiệu ngõ vào cho một thiết bị tương tác người – máy.
Thị giác máy tính cũng có thể được miêu tả như một thành phần của thị giác sinh
vật học (biological vision). Trong thị giác sinh vật học, năng lực thị giác của con người
và các động vật khác được nghiên cứu để xây dựng một hệ thống có khả năng hoạt
động trong những điều kiện của quá trình sinh lý học. Thị giác máy tính, nói cách khác,
nghiên cứu và mơ tả hệ thống thị giác nhân tạo để bổ sung cho các phần mềm và phần
cứng.
Về cơ bản, ta có thể chia mobile robot thành hai dạng : mobile robot tự động và

mobile robot được điều khiển bởi con người.
Dạng mobile robot tự động : đây là dạng mobile robot hoạt động theo những
chương trình đã được lập trình sẵn và ít giao tiếp với con người, các robot nay hoạt
động trong môi trường độc lập và không cần con người điều khiển. Hai dạng phổ biến
của mobile robot loại này là mobile robot tránh vật cản và mobile robot bám theo đối
tượng di động.

Trang 6


Nguyễn Hồng Phúc

Luận văn tốt nghiệp

Mobile robot tránh vật cản dùng thị giác máy tính :
Những nghiên cứu đầu tiên về mobile robot là dạng mobile robot tránh vật cản.
Robot có khả năng tránh được vật cản trên đường đi nhờ vào hệ thống cảm biến như
cảm biến siêu âm, và gần đây là dùng thị giác máy tính để xác định vật cản. Hệ thống
thị giác của robot thường là hệ thống camera (có thể là 1,2 hoặc nhiều camera). Robot
sẽ xác định vật cản trên đường đi nhờ vào kĩ thuật phân tích ảnh.
Mobile robot bám theo đối tượng di động :
Một hướng nghiên cứu khác về mobile robot là robot bám theo đối tượng di
động : robot có khả năng phát hiện và bám theo đối tượng di động nhờ hệ thống
camera. So với mobile robot tránh vật cản thì mobile robot dạng này địi hỏi kĩ thuật
phân tích ảnh phức tạp hơn : có khả năng phát hiện và xác định được vật thể di chuyển
từ các dữ liệu truyền về từ camera.

Hình 2.1 Mobile Robot bám đối tượng di động SRV1
2.2 XÂY DỰNG BÀI TOÁN TÌM QUỸ ĐẠO:

2.2.1 Đặt vấn đề
Dị đường (navigation) là một khoa học (hay nghệ thuật) dẫn hướng robot tự
hành di chuyển trong khơng gian làm việc của nó (đất, nước, khơng khí...). Trong vấn
đề dị đường, bài tốn được quan tâm nhiều nhất có lẽ là tìm đường về đích mà không

Trang 7


Nguyễn Hồng Phúc

Luận văn tốt nghiệp

chạm vật cản trên đường đi. Có hai loại bài tốn tìm đường cho robot: bài tốn cục bộ
(local) và bài tốn tồn cục (global).
Trong bài tốn tồn cục, bản đồ mơi trường làm việc của robot hồn tồn được
biết trước, vấn đề chính phải giải quyết là tìm được đường đi cho robot trước khi nó
xuất phát. Ở bài tốn cục bộ, mơi trường làm việc của robot hồn tồn khơng được biết
trước hoặc chỉ biết được một phần, robot hoàn toàn phải nhờ vào sự cảm nhận môi
trường thông qua cảm biến gắn trên nó để dị đường.
Bài tốn tồn cục tỏ rõ lợi thế là ta đã biết trước có đường đi (tối ưu) tới đích hay
khơng trước khi cho robot khởi hành. Tuy vậy nó có hạn chế là địi hỏi nhiều lệnh tính
tốn và bộ nhớ, và đặc biệt tình huống xấu có thể xảy ra nếu bản đồ mơi trường làm
việc khơng được khai báo chính xác, u cầu biết trước hồn tồn mơi trường hoạt động
cũng là một nhược điểm của nó.
Trong khi đó, robot tìm đường cục bộ chỉ biết được thông tin xung quanh qua
sensor cảm nhận mơi trường gắn cùng. Vì thế, robot tìm đường cục bộ có thể khơng
hồn thành việc tới đích (mặc dù thực tế có đường đi tới đích), khái niệm tối ưu khơng
có ý nghĩa trong bài tốn này. Tuy nhiên, u cầu tính tốn, dung lượng nhớ thấp cùng
tính linh hoạt cao (như tránh được vật cản ngay cả khi vật đó di động) khiến tìm đường
cục bộ trở thành một công cụ mạnh của robot tự hành. Hiện nay, cách tiếp cận kết hợp

giữa cục bộ và toàn cục đang ở ngày càng phổ biến, giúp robot tự hành tăng tính linh
hoạt và hiệu quả.
Học viên tập trung vào giải quyết cả hai bài toán nhưng ở mức độ đơn giản, môi
trường hoạt động của robot là một mặt phẳng. Các vật cản được xem là vật cản hai
chiều, tĩnh hồn tồn. Trong bài tốn cục bộ, robot được trang bị 3 sensor xác định
khoảng cách vật cản, đã biết trước vị trí đích (cụ thể là quả bóng có màu sắc biết trước).
Trong bài tốn tồn cục, từ đầu vào là vị trí xuất phát, vị trí đích, kích thước robot, bản
đồ hoạt động, ta tìm ra đường đi để robot tự hành
2.2.2 Lựa chọn kiểu mô hình điều khiển robot:
a Kiểu mơ hình thứ bậc

Trang 8


Nguyễn Hồng Phúc

Luận văn tốt nghiệp

Đây là kiểu mơ hình xuất hiện đầu tiên, trong đó robot cố bắt chước cách con
người suy nghĩ: sau khi cảm nhận được về thế giới xung quanh, người ta sẽ
suy nghĩ để lập kế hoạch, và hành động đáp ứng.

Hình 2.2 a Kiểu mơ hình thứ bậc

Với cách này, dữ liệu cảm nhận thường phải đầy đủ để có một đánh giá
bao quát về mơi trường xung quanh, sau đó ln qua xử lý ở bước lập kế
hoạch. Như vậy, nó khơng cho phép dữ liệu truyền thẳng đến hành động như
kiểu một phản xạ vô điều kiện, điều này làm cho robot trở nên thiếu nhanh
nhẹn. Kiểu mơ hình này đã khơng còn được sử dụng từ hơn 20 năm qua.

b. Kiểu mơ hình phản hồi
Kiểu phản xạ gần như ngược lại với kiểu thứ bậc, nó khơng giữ lại phần
lập kế hoạch, các cảm nhận của robot sẽ được truyền trực tiếp sang hành
động.

Hình 2.2b Kiểu mơ hình phản hồi

Theo kiểu này, robot chứa sẵn nhiều cặp tương ứng Cảm nhận - Hành
động, được gọi là các bộ hành vi. Các hành vi xảy ra có tính đồng thời, do
được xử lý riêng rẽ. Và vì robot có thể thực hiện nhiều hành vi một lúc,
khơng lập kế hoạch nên nó tiết kiệm được rất nhiều thời gian. Kiểu mơ hình

Trang 9


Nguyễn Hồng Phúc

Luận văn tốt nghiệp

này đã mang đến nhiều thành tựu to lớn, nhưng rõ ràng nó khơng thích hợp
với các loại robot nhiều chức năng. Nó giống như kiểu người ta dạy các con
vật mà không làm cho con vật đó suy nghĩ thơng minh hơn. Kiểu mơ hình
này địi hỏi sự hiểu biết về khơng gian hoạt động tồn cục trước khi lập trình
để tìm ra tất cả các hành vi có thể có của robot. Các nhà nghiên cứu thực hiện
mơ hình này để giảm thiểu giá thành phần cứng của sản phẩm bằng cách tăng
mức độ tính tốn ban đầu khi tạo ra các hành vi của robot.

c. Kiểu mơ hình tổng hợp
Kiểu tổng hợp là sự kết hợp 2 khái niệm trên, làm cho robot suy nghĩ
uyển chuyển giống người hơn, và hiện nay hầu hết các nghiên cứu đi theo

hướng này. Kiểu này tách việc lập kế hoạch ra khỏi các hành vi của robot.

Hình 0.3: Kiểu mơ hình tổng hợp

Hình 2.2 c Kiểu mơ hình tổng hợp

Lập kế hoạch tương tác với các bộ hành vi bằng một phương thức mà
người ta gọi là “nghe lén”. “Nghe lén” là một phương thức lấy thông tin từ bộ
phận Cảm nhận để điều chỉnh lại các thơng tin tồn cục, tác động trở lại các
hành vi của robot.

Đề tài này dựa trên sự phát triển của kiểu mơ hình tổng hợp vì kiểu mơ hình này,
các robot thơng minh hơn và cũng khơng tốn nhiều thời gian cho việc lập kế hoạch

Trang 10


Nguyễn Hồng Phúc

Luận văn tốt nghiệp

như ở mơ hình thứ bậc, và lại cho phép robot thực hiện nhiều chức năng hơn so
với mơ hình phản hồi.

2.3 LÝ THUYẾT VỀ XỬ LÝ ẢNH ĐƯỢC SỬ DỤNG TRONG ĐỀ TÀI :
2.3.1

Lý thuyết về ảnh số và xử lý ảnh:

a) Khái niệm :

Khái niệm về ảnh số xuất hiện từ năm 1964 . Chẳng bao lâu, một nhánh mới của
khoa học gọi là xử lý ảnh số ra đời . Kể từ đó , liên tục phát triển và tạo ra các kỹ thuật
quan trọng ảnh hưởng trực tiếp đến các lĩnh vực truyền thông , tivi , kỹ xảo đồ họa ,... .
Xử lý ảnh là một trong các vấn đề ngày nay được thế giới quan tâm , nghiên cứu
và ứng dụng. Ở Việt Nam , vấn đề xử lý ảnh cũng được quan tâm và nghiên cứu trong
thời gian gần đây .
Cùng với sự phát triển mạnh mẽ của máy tính số , xử lý ảnh số với sự hổ trợ của
máy tính cũng được phát triển và có nhiều ứng dụng . Các ứng dụng cụ thể như : Trong
lãnh vực truyền hình , cũng như việc lấy hình ảnh từ vệ tinh về trái đất thì ảnh có thể
giảm chất lượng do tác động của nhiễu từ môi trường hay nhiễu trong các thiết bị xuất
nhập . Trong đo đạc bản đồ phục vụ cho việc xây dựng các bản đồ , trong q trình
chụp ảnh đơi khi bản đồ bị mờ, nhòe hoặc bị nhiễu do điều kiện khách quan của mơi
trường chụp. Do đó, việc xử lý khôi phục lại ảnh gốc là rất quan trọng .
Vấn đề xử lý hình ảnh bằng kỹ thuật số đã được quan tâm , có thể tóm tắt các
hướng nghiên cứu chính trong xử lý hình ảnh bằng phương pháp số như sau :
- Mã hóa , xấp xỉ và nén hình ảnh (digitalization , approximation , compression)
- Khôi phục ảnh, làm nổi bật các đặc trưng lọc, biến đổi, tạo lại hình ảnh
(restoration, filtering , enhancement , transforms , reconstrustion).
- Nhận dạng hình ảnh (pictorial pattern recognition) .

Trang 11


Nguyễn Hồng Phúc

Luận văn tốt nghiệp

- Các đặc trưng phân đoạn , phân tích ảnh (feature detection , segmentation
image analysis) .
- Ghép (matching) và biến đổi thời gian (time varying imaging).

- Tạo dạng và mẫu (shape , pattern) .
Hình ảnh của một đối tượng là sự sao chụp lại đối tượng đó . Qua hình ảnh mắt
ta cảm thụ hình ảnh một cách gián tiếp . Ảnh được hình thành qua hệ thống ảnh . Trong
thực tế ảnh sao chụp không phải là lý tưởng , ảnh bị méo , sai lệch với nhiều mức độ
khác nhau , vì vậy việc xử lý khơi phục hình ảnh là nhằm khơi phục lại ảnh ngun gốc
theo một tiêu chuẩn nào đó.
Khơi phục là quá trình so sánh một hình ảnh nào đó với một tập các hình ảnh
chuẩn . Khơi phục các hình ảnh giảm chất lượng (do chụp và ghi nhận trong điều kiện
không thuận lợi hoặc do lưu trữ lâu ngày ) bằng phương pháp số cho hiệu quả cao và
nhanh (trong nhiều trường hợp không thể giải quyết bằng phương pháp tương tự ) .
Hình ảnh được phân vào hai loại :
- Hình ảnh tĩnh (static image) .
- Hình ảnh động (dynamic image) .
Hình ảnh được biểu diễn theo nhiều chiều (hai hoặc ba chiều) . Tất nhiên hình
ảnh nhiều chiều sẽ phức tạp hơn hình ảnh một chiều khi biểu diễn và xử lý .
Xử lý hình ảnh là thực hiện các phép tốn lên các tín hiệu số của hình ảnh . Khối
lượng thơng tin trong một bức ảnh là rất lớn (đến vài trăm mêga bít/ảnh) . Bản chất các
thơng số ảnh có tính vectơ . Để xử lý với tốc độ nhanh , cần có u cầu thích hợp về
dung lượng bộ nhớ . Các phương pháp mã hóa có hiệu quả , giảm độ dư thừa về thông
tin trong ảnh và các thuật toán xử lý nhanh .

Trang 12


Nguyễn Hồng Phúc

Luận văn tốt nghiệp

b) Khái niệm về phần tử ảnh :
Ảnh trong thực tế liên tục về không gian và độ sáng, để ảnh có thể xử lý bằng

máy tính ta cần thiết phải số hóa ảnh. Q trình này, người ta biến đổi tín hiệu tương tự
thành tín hiệu rời rạc thơng qua q trình lấy mẫu (rời rạc về không gian) và lượng
thành phần giá trị mà về mặt nguyên tắc bằng mắt thường không phân biệt được hai
điểm liền kề nhau. Quá trình này người ta sử dụng khái niệm phần tử ảnh mà ta thường
gọi là pixel, nó là phần tử nhỏ nhất của ảnh. Như vậy, một ảnh là một tập hợp các pixel.
Một ảnh số là một mảng các điểm ảnh được số hóa và đưa vào bộ nhớ của máy
tính. Một số nhị phân chứa trong mỗi điểm ảnh thể hiện cường độ hay bước sóng ánh
sáng trong ảnh.
Độ phân giải của một ảnh là khu vực của mỗi điểm ảnh, thơng thường nó là số
điểm ảnh trên mỗi hàng của ảnh, nó là một hàm của khoảng cách từ camera đến khung
nhìn, chiều dài hội tụ của thấu kính và số điểm ảnh mỗi hàng của ảnh. Như màn hình
máy tính có nhiều loại với độ phân giải khác nhau: màn hình CGA có độ phân giải
320x200, màn hình VGA là 640x350.

Trang 13


Nguyễn Hồng Phúc

Luận văn tốt nghiệp

Hình 2.3: Phần tử ảnh.
c) Cấu trúc một file ảnh :
Tổng quát, một file ảnh là một tập hợp nhiều điểm ảnh, mỗi điểm ảnh được biểu
như thế nào cịn tùy vào file ảnh đó là màu hay xám, nhưng cơ bản ảnh vẫn là mảng hai
chiều.

Hình 2.4: Mảng hai chiều của một file ảnh.

Trang 14

Nguyễn Hồng Phúc

Luận văn tốt nghiệp

d) Ảnh màu :
Ảnh màu là một ảnh kĩ thuật số mà trong đó mỗi pixel có chứa các thơng tin về
màu sắc. Cụ thể, mỗi pixel sẽ bao gồm 3 kênh màu (color channels) trực giao với nhau
trong không gian màu (color space). Không gian màu thường được sử dụng để hiển thị
trên máy vi tính là khơng gian màu RBG, ngồi ra một số kênh màu khác như YcbCr và
HSV cũng thường được sử dụng.
Ảnh màu thường được lưu trữ trong bộ nhớ dưới dạng một biểu đồ các vạch
quét, hay ba biểu đồ vạch quét, trong đó mỗi biểu đồ được sử dụng cho một kênh màu.
Một biểu đồ vạch quét là một mảng hai chiều chứa các số nguyên nhỏ.
Thông thường, mỗi mẫu bao gồm 8 bits (mỗi pixel là 24 bits). Tuy nhiên, trong
một số ứng dụng đặc biệt yêu cầu chất lượng hình ảnh cao, mỗi mẫu có thể bao gồm 10
bits hoặc cao hơn. Một ảnh 24 bits màu (24 bits cho mỗi pixel) sẽ có tổng cộng 224 =
16.777.216 màu sắc khác nhau.

2.3.2 Không gian màu RGB và HSV
Màu sắc có thể được phân tích theo hai thành phần : thành phần màu và
độ sáng. Giá trị thành phần màu của một vật thể xác định đặc tính màu của vật thể đó
trong khi giá trị độ sáng là một đặc tính của mơi trường xung quanh tác động lên vật
thể. Đối với một ảnh màu, ta có thể xác định được cả hai giá trị thành phần màu và độ
chói. Một khơng gian màu là một mơ hình tốn học mơ tả cách biểu diễn màu sắc bằng
các con số, thông thường là 3 hay 4 thành phần. Bước đầu tiên của việc xác định vị trí
mắt là xác định được khn mặt người trong một ảnh dựa trên việc sử dụng đặc tính
màu sác của da trên khuôn mặt. Xác định vật thể dựa trên đặc tính màu có thể gặp vấn
đề khi thay đổi điều kiện ánh sáng xung quanh sẽ làm thay đổi màu sắc bên ngoài của

vật thể.

Trang 15


Nguyễn Hồng Phúc

Luận văn tốt nghiệp

Hình 2.5: Các kiểu khơng gian màu .
a)

Không gian màu RGB(RGB color space) :

Không gian màu RGB là không gian màu được xây dựng dựa trên mơ hình màu
RGB (RGB color model). Ánh sáng trắng được hình thành từ bảy màu khác nhau: đỏ,
cam, vàng, lục, lam, chàm, tím. Các màu này tạo nên một dãy màu liên tục mà ta
không thấy được ranh giới giữa chúng. Nhưng xét về cấu tạo của mắt và việc nhìn
thì tất cả các màu đều được liên kết bởi các màu cơ bản sau:
 Red :λ (R) = 700nm
 Green : λ (G) = 546.1 nm
 Blue : λ (B) = 435.8 nm
Trong mô hình RGB, mỗi màu xuất hiện trong các thành phần phổ sơ cấp R,G
và B. Mô hình dựa trên cơ sở hệ thống toạ độ Cartesian(toạ độ Decca).

Trang 16