Nghiên cứu, thiết kế, chế tạo mobile robot tự hành tích hợp một số công nghệ xử lý ảnh và thuật toán hiện đại

ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI
TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ
------------------------------

TRỊNH TUẤN DƯƠNG

NGHIÊN CỨU, THIẾT KẾ, CHẾ TẠO MOBILE
ROBOT TỰ HÀNH TÍCH HỢP MỘT SỐ CƠNG NGHỆ
XỬ LÝ ẢNH VÀ THUẬT TỐN HIỆN ĐẠI

LUẬN VĂN THẠC SĨ
CƠNG NGHỆ KỸ THUẬT CƠ ĐIỆN TỬ

HÀ NỘI - 2020


ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI
TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ
------------------------------

TRỊNH TUẤN DƯƠNG

NGHIÊN CỨU, THIẾT KẾ, CHẾ TẠO MOBILE
ROBOT TỰ HÀNH TÍCH HỢP MỘT SỐ CƠNG NGHỆ
XỬ LÝ ẢNH VÀ THUẬT TỐN HIỆN ĐẠI

Ngành: Cơng nghệ kỹ thuật cơ điện tử
Chun ngành: Kỹ thuật cơ điện tử
Mã số: 8520114.01

LUẬN VĂN THẠC SĨ

CÔNG NGHỆ KỸ THUẬT CƠ ĐIỆN TỬ

NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC: PGS.TS. PHẠM MẠNH THẮNG

HÀ NỘI - 2020


i

LỜI CAM ĐOAN

Tôi xin cam đoan: Luận văn này là cơng trình nghiên cứu cá nhân, khơng sao
chép lại. Tất cả những nội dung có sự tham khảo từ các tài liệu khác đều được
ghi lại đầy đủ trong phần tài liệu tham khảo.

Hà Nội, ngày 18 tháng 9 năm 2020
Học viên

Trịnh Tuấn Dương


ii

LỜI CẢM ƠN
Tôi xin gửi lời cảm ơn chân thành đến Giáo viên hướng dẫn là PGS.TS. Phạm
Mạnh Thắng vì những sự giúp đỡ, hướng dẫn tận tình của thầy. Những sự chỉ
dẫn, giúp đỡ đó có vai trị rất quan trọng giúp tơi hồn thành được Luận văn.
Tơi cũng xin gửi lời cảm ơn đến Gia đình, Bạn bè, Đồng nghiệp, những người
đã có sự giúp đỡ, động viên kịp thời trong thời gian tôi thực hiện Luận văn này.
Xin chân thành cảm ơn!

Hà Nội, ngày 18 tháng 9 năm 2020
Học viên

Trịnh Tuấn Dương


iii

MỤC LỤC
LỜI CAM ĐOAN .............................................................................................. i
LỜI CẢM ƠN ................................................................................................... ii
MỤC LỤC ....................................................................................................... iii
DANH MỤC BẢNG BIỂU ............................................................................. vi
DANH MỤC HÌNH VẼ ................................................................................. vii
MỞ ĐẦU ........................................................................................................... 1
CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN VỀ LUẬN VĂN.................................................. 2
1.1 Giới thiệu chung ........................................................................................ 2
1.1.1 Giới thiệu về robot tự hành .................................................................. 2
1.1.2 Bài toán xác định vị trí và tìm đường .................................................. 3
1.2 Mục đích, đối tượng, nội dung nghiên cứu, và giới hạn của luận văn ........ 6
1.2.1 Mục đích, và đối tượng nghiên cứu của luận văn................................. 6
1.2.2 Nội dung nghiên cứu của luận văn....................................................... 8
1.2.3 Giới hạn của luận văn .......................................................................... 9
CHƯƠNG 2 THIẾT KẾ MOBILE ROBOT ................................................ 10
2.1 Cấu tạo tổng quát của mobile robot ......................................................... 10
2.2 Thiết kế phần khung, vỏ cho mobile robot............................................... 10
2.2.1 Ứng dụng công nghệ in 3D FDM trong việc thiết kế khung, vỏ cho
robot........................................................................................................... 10
2.2.2 Thiết kế, chế tạo khung vỏ của robot bằng công nghệ in 3D FDM. ... 13
2.3 Thiết kế mạch nguyên lý cho mobile robot .............................................. 15

2.4 Thiết lập chế độ làm việc cho các linh kiện ............................................. 15
2.4.1 Arduino Uno ..................................................................................... 15
2.4.2 QTR – 5RC ....................................................................................... 16
2.4.3 Module thu phát sóng Radio nRF24L01 ............................................ 18
2.4.4 Động cơ DC ...................................................................................... 19


iv

2.4.5 Module điều khiển động cơ L298 ...................................................... 20
2.4.6 Thiết lập giao tiếp cho robot .............................................................. 21
2.5 Viết chương trình điều khiển cho mobile robot ....................................... 22
CHƯƠNG 3 XÂY DỰNG CHƯƠNG TRÌNH XỬ LÝ ẢNH VÀ ĐỊNH
HƯỚNG CHO MOBILE ROBOT ................................................................ 27
3.1 Mục đích và nội dung của chương trình .................................................. 27
3.2 Ứng dụng công nghệ xử lý ảnh trong luận văn ........................................ 27
3.2.1 Tổng quan về xử lý ảnh ..................................................................... 27
3.2.2 Khai thác thư viện OpenCV để hỗ trợ quá trình xử lý ảnh trong luận
văn. ............................................................................................................ 28
3.2.3 Một số khái niệm và thuật ngữ quan trọng về xử lý ảnh được sử dụng
trong luận văn ............................................................................................ 29
3.3 Xây dựng nguyên lý hoạt động của chương trình xử lý ảnh ..................... 31
3.4 Tạo bản đồ .............................................................................................. 32
3.4.1 Dùng ROI để xác định vùng hoạt động của robot .............................. 32
3.4.2 Xác định đường đi của robot (tìm line) .............................................. 33
3.4.3 Thu nhỏ kích thước vạch ................................................................... 35
3.4.4 Chia nút và xác định thông số của các nút ......................................... 36
3.5 Ứng dụng thuật toán Camshift trong việc truy bắt, định vị robot. ............ 37
3.5.1 Giới thiệu thuật toán Camshift........................................................... 37
3.5.2 Truy bắt robot theo thuật tốn Camshift ............................................ 42

3.6 Tìm đường cho robot ............................................................................... 46
3.6.1 Giới thiệu về thuật toán A* ............................................................... 49
3.6.2 Ứng dụng thuật tốn A* tìm đường cho robot ................................... 50
3.1 Dẫn hướng cho robot ............................................................................... 50
3.2 Kết quả thử nghiệm tìm đường, định vị và dẫn hướng cho robot theo thời
gian thực. ...................................................................................................... 51
3.2.1 Kết quả lần thử nghiệm 1 .................................................................. 52
3.2.2 Kết quả thử nghiệm lần 2 .................................................................. 54


v

3.2.3 Kết quả thử nghiệm lần 3 .................................................................. 56
3.2.4 Kết quả thử nghiệm lần 4 .................................................................. 58
KẾT LUẬN ..................................................................................................... 60
DANH MỤC CƠNG TRÌNH KHOA HỌC CỦA TÁC GIẢ LIÊN QUAN
ĐẾN LUẬN VĂN ........................................................................................... 62
TÀI LIỆU THAM KHẢO.............................................................................. 63
PHỤ LỤC 1: MỘT SỐ HÌNH ẢNH VỀ SẢN PHẨM, VÀ MƠI TRƯỜNG
THỬ NGHIỆM CỦA LUẬN VĂN ................................................................ 65
PHỤ LỤC 2: CƠNG TRÌNH KHOA HỌC CỦA TÁC GIẢ LIÊN QUAN
ĐẾN LUẬN VĂN ........................................................................................... 72


vi

DANH MỤC BẢNG BIỂU
Bảng 1-1 So sánh ưu, nhược điểm của mobile robots bám vạch và không bám
vạch. ...................................................................................................................... 7
Bảng 2-1 Một vài ưu, nhược điểm của công nghệ in 3D FDM. ......................... 12

Bảng 2-2. So sánh hành vi của robot trong luận văn và các robot bám vạch sử
dụng thuật toán bám đường trái hoặc bám đường phải....................................... 24
Bảng 2-3 Kết quả xác định ngã rẽ và hành vi của robot dựa trên tín hiệu trả về
của cảm biến dò line. ........................................................................................... 25


vii

DANH MỤC HÌNH VẼ
Hình 1.1 Một mobile robots đơn giản [27]. .......................................................... 2
Hình 1.2 Nhiều cơng nghệ có thể được áp dụng cùng lúc để định vị và định
hướng cho mobile robots [16]. .............................................................................. 3
Hình 1.3 Thiết bị BLE Beacons sử dụng cơng nghệ bluetooth [11]. .................... 4
Hình 1.4 Hệ thống đánh dấu AprilTags [11]. ....................................................... 4
Hình 1.5 Hệ thống định vị bằng sóng radio [17]. ................................................. 5
Hình 1.6 Hệ thống NFC tags [11]. ........................................................................ 5
Hình 1.7 Hệ thống RFID passive tags [11]. .......................................................... 6
Hình 1.8 Một mobile robot bám vạch có nhiệm vụ vận chuyển nguyên vật liệu
[23]. ....................................................................................................................... 6
Hình 1.9 Hệ thống đánh dấu cho một mobile robots bám vạch từ [18]................ 7
Hình 1.10 Bản đồ chứa các vịng lặp khiến cho một số thuật tốn dị đường như
bám biên khơng thể giải đúng. .............................................................................. 8
Hình 1.11 Ngun lý hoạt động của hệ thống....................................................... 9
Hình 2.1 Một mơ hình đang được in theo cơng nghệ FDM [22]. ....................... 11
Hình 2.2 Mặt trước mơ hình 3D mobile robot. ................................................... 13
Hình 2.3 Mặt sau mơ hình 3D của mobile robot................................................. 14
Hình 2.4 Mơ hình mobile robot hồn thiện. ........................................................ 14
Hình 2.5 Mạch nguyên lý của hệ thống gồm hai phần: module phát tín hiệu và
mobile robot. ....................................................................................................... 15
Hình 2.6 Board Arduino Uno [9] ........................................................................ 16

Hình 2.7 Cảm biến QTR - 5RC [16]. .................................................................. 17
Hình 2.8 Module thu phát sóng radio NRF24L01 [12]. ..................................... 18
Hình 2.9 Động cơ DC GA25 [10] ....................................................................... 19
Hình 2.10 Module điều khiển động cơ L298 [20] .............................................. 20
Hình 2.11 Cấu tạo của IC điều khiển động cơ L298........................................... 21
Hình 2.12 Sơ đồ truyền dữ liệu từ chương trình xử lý ảnh đến robot................. 21
Hình 2.13 Nguyên lý hoạt động của mobile robot .............................................. 23
Hình 3.1 Các module chính trong thư viện OpenCV [25] .................................. 28
Hình 3.2 Khơng gian màu RGB [24] .................................................................. 30
Hình 3.3 Khơng gian màu HSV [26] .................................................................. 30
Hình 3.4 Nguyên lý hoạt động của chương trình xử lý ảnh................................ 31
Hình 3.5 Bản đồ trước khi áp dụng ROI (trái) và bản đồ sau khi áp dụng ROI
(phải). .................................................................................................................. 32
Hình 3.6 Kết quả xác định vạch theo bằng phương pháp phân ngưỡng nhị phân


viii

ngược trên bản đồ 1. ............................................................................................ 34
Hình 3.7 Kết quả xác định vạch theo bằng phương pháp phân ngưỡng nhị phân
ngược trên bản đồ 2. ............................................................................................ 34
Hình 3.8 Kết quả làm giảm kích thước vạch trên bản đồ 1 bằng phép tốn co
ảnh. ...................................................................................................................... 36
Hình 3.9 Kết quả làm giảm kích thước vạch trên bản đồ 2 bằng phép tốn co
ảnh. ...................................................................................................................... 36
Hình 3.10 Ví dụ về việc chia lưới trong một bản đồ mà đường đi có kích thước
lớn [8]. ................................................................................................................. 37
Hình 3.11 Cửa sổ lọc trượt đến trọng tâm của tập hợp điểm [15]. ..................... 38
Hình 3.12 Trong thuật tốn meanshift, kích thước của cửa sổ lọc khơng thay đổi
theo sự thay đổi của đối tượng [15]. ................................................................... 40

Hình 3.13 Trong thuật tốn Camshift, kích thước và hướng của cửa sỏ lọc thay
đổi theo sự thay đổi của đối tượng [15]. ............................................................. 41
Hình 3.14 Sự thay đổi của Histogram khi dải chia lưới thay đổi [2]. ................. 42
Hình 3.15 Ảnh gốc, histogram và backprojection tương ứng [13]. .................... 43
Hình 3.16 Robot tự hành được đánh dấu nhận dạng bởi hai vùng màu khác nhau
trên thân ............................................................................................................... 44
Hình 3.17 Kết quả định vị mobile robot tại một số vị trí khác nhau. ................. 45
Hình 3.18 Kết quả giảm nhiễu nhờ việc tinh chỉnh các giá trị HSV dùng để phân
ngưỡng. ................................................................................................................ 46
Hình 3.19 Thuật tốn tìm đường theo quy tắc bám phải [30]. ............................ 46
Hình 3.20 Thuật tốn Pledge giúp thoát khỏi các vật cản phức tạp [30]. ........... 47
Hình 3.21 Kết quả tìm đường bằng thuật tốn A* (trái) và thuật tốn Dijkstra
(phải). .................................................................................................................. 49
Hình 3.22 Kết quả tìm đường của lần thử nghiệm 1. .......................................... 52
Hình 3.23 Kết quả dẫn hướng cho robot theo thời gian thực của lần thử nghiệm
1. .......................................................................................................................... 53
Hình 3.24 Kết quả tìm đường lần thử nghiệm 2 ................................................. 54
Hình 3.25 Kết quả dẫn hướng cho robot theo thời gian thực của lần thử nghiệm
2. .......................................................................................................................... 55
Hình 3.26 Kết quả tìm đường của lần thử nghiệm 3. .......................................... 56
Hình 3.27 Kết quả dẫn hướng cho robot theo thời gian thực của lần thử nghiệm
3. .......................................................................................................................... 57
Hình 3.28 Kết quả tìm đường lần thử nghiệm 4 ................................................. 58
Hình 3.29 Kết quả dẫn hướng theo thời gian thực lần thử nghiệm thứ 4. .......... 59


ix

Phụ lục 1. 1 Môi trường thử nghiệm hoạt động của robot. ................................. 65
Phụ lục 1. 2 Chương trình xử lý ảnh trên máy tính kết nối với Module phát qua

giao tiếp Serial. .................................................................................................... 66
Phụ lục 1. 3 Góc nhìn chéo về Robot. ................................................................. 67
Phụ lục 1. 4 Mặt bên của Robot. ......................................................................... 68
Phụ lục 1. 5 Mặt lưng của Robot......................................................................... 69
Phụ lục 1. 6 Mặt sau của robot. ........................................................................... 70
Phụ lục 1. 7 Mặt đáy của Robot. ......................................................................... 71


1

MỞ ĐẦU
Luận văn thạc sĩ “Nghiên cứu, thiết kế, chế tạo mobile robot tự hành tích
hợp một số cơng nghệ xử lý ảnh và thuật tốn hiện đại” có nhiệm vụ chính là
thiết kế, chế tạo một mơ hình mobile robot tự hành dạng bám vạch được định vị,
tìm đường và dẫn hướng nhờ vào sự kết hợp giữa các cơng nghệ xử lý ảnh và
thuật tốn tìm đường. Hướng tiếp cận này mang đến điểm mới so với các mobile
robot bám vạch truyền thống là khả năng giải quyết đồng thời ba bài tốn định
vị, tìm đường và dẫn hướng. Nhờ áp dụng công nghệ xử lý ảnh nên robot có thể
đến được vị trí bất kỳ trên đường đi mà không cần tạo các dấu trên bản đồ như
phương pháp truyền thống. Đồng thời, nhờ áp dụng công nghệ xử lý ảnh, sự
tương tác giữa người dùng với robot bám vạch cũng tăng lên khi người dùng có
thể lựa chọn vị trí đích cho robot một cách đơn giản thơng qua việc kích chuột
trên ảnh của bản đồ.
Nội dung của báo cáo luận văn gồm có những phần sau:
Chương 1. Tổng quan về luận văn
Chương 2. Thiết kế mobile robot dạng bám vạch
Chương 3: Xây dựng chương trình xử lý ảnh và định hướng cho mobile
robot dạng bám vạch
Hướng phát triển của luận văn vẫn còn rất rộng. Vì vậy, tác giả sẽ tiếp tục
nghiên cứu, phát triển nội dung của luận văn để có thể tìm hiểu sâu hơn về lĩnh

vực mobile robot và hoàn thiện, nâng cao tính ứng dụng của luận văn vào thực
tiễn. Báo cáo khơng tránh khỏi cịn có những sai sót, cũng như tầm hiểu biết của
tác giả chỉ có hạn nên rất mong nhận được những ý kiến đóng góp để tác giả có
thể sửa chữa và cải tiến, hồn thiện và làm phong phú thêm nội dung của luận
văn.
Xin chân thành cảm ơn!
TÁC GIẢ


2

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN VỀ LUẬN VĂN
1.1 Giới thiệu chung
1.1.1 Giới thiệu về robot tự hành
Robot tự hành, hay còn gọi là AMR (autonomous mobile robot) hoặc AGV
(autonomous guided vehicle) là những robot có khả năng di chuyển một cách tự
động. Khác với robot công nghiệp (industrial robots) là những robot ít có tính di
động hơn, mobile robot thường có khả năng tự hành trong một mơi trường
khơng kiểm sốt (các robot dạng AMR) hoặc có khả năng sử dụng các cảm biến
định hướng để di chuyển theo các đường đã được định trước (các robot dạng
AGV).

Hình 1.1 Một mobile robots đơn giản [27].
Mobile robots đang ngày càng trở nên phổ biến cả trong công nghiệp và cuộc
sống. Tất cả các lĩnh vực từ y tế, quân sự, giáo dục, sản xuất hay sinh hoạt
thường nhật đều có sự xuất hiện của mobile robots. Ví dụ, các bệnh viện cũng
như các nhà máy đã sử dụng mobile robots suốt nhiều năm trong việc vận
chuyển các dụng cụ, nguyên vật liệu. Trong gia đình, các robot hút bụi tự động
ngày một phổ biến, hoạt động hiệu quả hơn và giá thành rẻ hơn. Ngoài ra,
mobile robots cũng được sử dụng trong các nhiệm vụ như thám hiểm, hay các

nhiệm vụ liên quan đến môi trường độc hại hoặc nguy hiểm cho con người [27].


3

1.1.2 Bài tốn xác định vị trí và tìm đường
Trong các vấn đề nghiên cứu liên quan đến mobile robots thì bài tốn xác định
vị trí và tìm đường là những bài toán rất quan trọng và vẫn đang được nghiên
cứu, phát triển các giải pháp hiệu quả.
Đối với bài tốn tìm đường, mục tiêu của bài tốn này là tìm ra đường đi phù
hợp cho robots. Đường đi phù hợp ở đây là các đường đi thỏa mãn hai tiêu chí:
Có khả năng dẫn tới đích, và là đường ngắn nhất. Bài tốn này có thể được giải
quyết một cách thủ cơng nhờ người lập trình hoặc cũng có thể giải quyết bằng
việc cho robot dò đường. Tuy nhiên, nhược điểm của các cách trên là đường đi
có thể khơng đúng hoặc có thể đúng nhưng khơng phải là đường đi ngắn nhất,
và bản đồ càng phức tạp thì độ khó trong việc tìm đường càng tăng lên. Phương
hướng giải quyết thứ hai là áp dụng các thuật toán tự động. Theo đó, đường đi
đến đích phù hợp sẽ được tìm một cách tự động, tốc độ của việc tìm đường sẽ
phụ thuộc vào loại thuật tốn được áp dụng. Ưu điểm của phương pháp này là
đường được tìm một cách tự động, và một số thuật tốn tìm đường tự động đã
được chứng minh là có thể tìm được đường đi ngắn nhất. Tuy nhiên, để có thể
áp dụng được thuật tốn tìm đường tự động thì cần phải có thơng tin về bản đồ.
Ngồi bài tốn tìm đường thì một bài tốn khác cũng cần được giải quyết để
mobile robots có thể đi đến đích, đó là bài tốn định vị (localization). Bài tốn
này có thể phân thành hai loại, dựa theo môi trường hoạt động của robot như
sau: Định vị ngoài trời (outdoor localization) và định vị trong nhà (indoor
localization).

Hình 1.2 Nhiều cơng nghệ có thể được áp dụng cùng lúc để định vị và định
hướng cho mobile robots [16].

Trong khi bài tốn định vị ngồi trời có thể được giải quyết đơn giản bằng cách


4

sử dụng các cảm biến GPS thì bài tốn định vị trong nhà lại khó giải quyết hơn
rất nhiều do tín hiệu GPS bị yếu, thường khơng ổn định ở mơi trường trong nhà.
Do đó, bài tốn định vị trong nhà vẫn đang được nghiên cứu, tìm phương pháp
giải quyết thích hợp, ví dụ như áp dụng cùng lúc nhiều cơng nghệ để định vị và
định hướng cho robot (hình 1.2). Hiện tại có một số phương pháp giải quyết bài
toán này như sử dụng bluetooth, xử lý ảnh, hệ thống định vị bằng sóng radio,
NFC, RFID, hay wifi [4, 11]:
- BLE Beacons: Đây là các thiết bị kích thước nhỏ có thể gắn trên tường
hoặc các bề mặt được thiết kế chuyên dụng trong việc định vị trong nhà.
Theo đó, mobile robots sẽ phát hiện tín hiệu từ BLE Beacons, và tính tốn
vị trí của nó thơng qua việc tính tốn khoảng cách của nó so với các BLE
Beacons.

Hình 1.3 Thiết bị BLE Beacons sử dụng công nghệ bluetooth [11].
- AprilTags: Đây là một phương pháp giá rẻ sử dụng cơng nghệ xử lý ảnh
để định vị. Theo đó, các điểm đánh dấu (markers) được làm theo mẫu
AprilTags sẽ được dán ở các vị trí cần thiết. Mobile robots được trang bị
camera sẽ nhận diện các ký hiệu này và tính tốn được vị trí của mình.

Hình 1.4 Hệ thống đánh dấu AprilTags [11].
- Ngoài các phương pháp đã trình bày thì cịn một số phương pháp khác
như sử dụng hệ thống định vị bằng sóng radio (hình 1.5), hoặc sử dụng


5

các hệ thống NFC tags (hình 1.6) hay hệ thống RFID tags (hình.17). Một
số nhược điểm có thể cịn tồn tại của các phương pháp trên như sau:
o Giá thành cao
o Một số phương pháp có độ linh động khơng cao, tại mỗi vị trí cần
xác định lại phải gắn một module.
o Nhiều phương pháp chỉ giải quyết được bài tốn định vị hoặc định
hướng, khơng giải quyết được bài tốn chỉ đường.

Hình 1.5 Hệ thống định vị bằng sóng radio [17].

Hình 1.6 Hệ thống NFC tags [11].


6

Hình 1.7 Hệ thống RFID passive tags [11].
1.2 Mục đích, đối tượng, nội dung nghiên cứu, và giới hạn của luận văn
1.2.1 Mục đích, và đối tượng nghiên cứu của luận văn

Hình 1.8 Một mobile robot bám vạch có nhiệm vụ vận chuyển nguyên vật
liệu [23].


7

Đối tượng nghiên cứu của luận văn là mobile robot dạng bám vạch. Có thể phân
loại mobile robots thành hai loại là bám vạch và không bám vạch. Mỗi loại
mobile robots này có ưu và nhược điểm riêng như trên bảng 1-1.
Bảng 1-1 So sánh ưu, nhược điểm của mobile robots bám vạch và không bám

vạch.
Mobile robots không bám Mobile robots bám vạch
vạch
Ưu điểm

Độ linh động cao vì phạm vi Hoạt động ổn định.
hoạt động khơng bị giới hạn
Chi phí thường thấp hơn so với
bởi vạch.
mobile robots không bám
vạch.

Nhược điểm

Cần kết hợp nhiều loại cảm Độ linh động kém hơn so với
biến cũng như các phương mobile robots bám vạch.
pháp định hướng để có thể hoạt
động ổn định, do đó chi phí
thường đắt hơn.

Hiện tại, mobile robots bám vạch khi di chuyển thường được định vị bằng cách
đánh dấu (tạo các markers) như sau: Tại các vị trí cần định vị (thường là ngã rẽ)
sẽ sử dụng thêm mã hóa IR [7] hoặc LED [1] để làm dấu. Tuy nhiên, nhược
điểm của phương pháp này là chỉ áp dụng trong môi trường làm việc không yêu
cầu độ linh hoạt cao vì tại mỗi vị trí cần đến của phương tiện lại phải đặt các dấu
(markers) và khi muốn thay đổi lại vị trí sẽ phải can thiệp vào việc sắp xếp các
dấu.

Hình 1.9 Hệ thống đánh dấu cho một mobile robots bám vạch từ [18].

8

Ngồi ra, đối với mobile robots dạng này, nếu khơng muốn tìm đường thủ cơng
cho robots thì có thể cho robots tiến hành dò đường. Tuy nhiên, việc cho robots
dò đường cũng rất tốn công sức và thời gian trong các trường hợp bản đồ phức
tạp và việc dò đường cịn khơng thể thực hiện được trong trường hợp bản đồ có
chứa các vịng lặp.

Hình 1.10 Bản đồ chứa các vịng lặp khiến cho một số thuật tốn dị đường như
bám biên khơng thể giải đúng.
Vì vậy, mục đích và đối tượng nghiên của luận văn là tìm ứng dụng cơng nghệ
xử lý ảnh cũng như thuật tốn tìm đường vào mobile robots bám vạch để giải
quyết đồng thời bài tốn định vị, tìm đường, dẫn hướng và khắc phục một số
nhược điểm còn tồn tại trong việc di chuyển của mobile robots dạng bám vạch
như đã nêu trên.
1.2.2 Nội dung nghiên cứu của luận văn
Để đạt được mục đích các mục đích trên, luận văn sẽ tập trung vào các nội dung
sau:
- Ứng dụng công nghệ xử lý ảnh trong việc tạo bản đồ, truy bắt và định vị
robots.
- Ứng dụng thuật tốn tìm đường tự động trong việc tìm đường cho robots.
- Ứng dụng cơng nghệ in 3D trong việc thiết kế, chế tạo khung vỏ cho
robots.
- Thiết kế, chế tạo robots có khả năng bám vạch và có khả năng được dẫn
hướng thơng qua cơng nghệ giao tiếp không dây.


9

Hệ thống được xây dựng gồm một chương trình xử lý ảnh và một mobile robot
có khả năng liên kết với nhau và hoạt động theo nguyên lý như trên hình 1.11

Hình 1.11 Nguyên lý hoạt động của hệ thống
Ảnh được gửi về từ một camera gắn ngoài sẽ được thu thập bởi chương trình xử
lý ảnh trên laptop. Sau đó, chương trình xử lý ảnh sẽ xử lý, phân tích và gửi
những dữ liệu về đường đi tới robot theo thời gian thực. Mobile robots sẽ liên
tục cập nhật dữ liệu từ cảm biến và dữ liệu được gửi về từ chương trình xử lý
ảnh để có thể di chuyển đến đích.
1.2.3 Giới hạn của luận văn
Từ lý thuyết đến thực tế là một chặng đường dài, và với tốc độ phát triển hiện
nay thì cơng nghệ và kiến thức thay đổi không ngừng. Với tầm hiểu biết hạn hẹp
của tác giả thì khó lịng giải quyết được nhiều yêu cầu trên thực tế vì nhiều khi
chỉ cần thêm một yêu cầu cũng khiến khối lượng kiến thức liên quan cũng như
độ khó tăng lên nhiều lần. Do đó, luận văn chỉ tập trung vào xây dựng một hệ
thống chứng minh được tính khả thi của luận văn và giới hạn như sau:
- Mobile robots ngoài việc đáp ứng được các u cầu của luận văn thì
khơng cịn nhiệm vụ nào khác, ví dụ như tải nặng.
- Hệ thống được thiết kế lấy ảnh đầu vào từ một camera, thỏa mãn các yêu
cầu cơ bản của luận văn nhưng chưa được thiết kế để xử lý hết các tình
huống đặc biệt, đột xuất có thể xảy ra.


10

CHƯƠNG 2 THIẾT KẾ MOBILE ROBOT
2.1 Cấu tạo tổng quát của mobile robot
Mobile robot được thiết kế trong luận văn gồm có các bộ phận chính như sau:
- Bộ phận khung, vỏ: Phần khung, vỏ có tác dụng liên kết các bộ phận khác
của robot. Đồng thời, nó cũng có tác dụng trong việc tăng độ cứng vững,

bảo vệ robot khỏi các tác động từ bên ngồi.
- Bộ phận cơng suất: Bộ phận cơng suất có tác dụng cung cấp năng lượng
cho robot hoạt động. Bộ phận này phải cung cấp công suất đủ lớn nhưng
khối lượng cũng không được quá nặng. Do đó, mobile robot sử dụng hệ
pin Li-Ion làm nguồn cung cấp năng lượng.
- Bộ phận truyền động: Mobile robot được dẫn động bằng hai bánh chủ
động và một bánh dẫn hướng. Các bánh chủ động được điều khiển bởi hai
động cơ DC giảm tốc.
- Hệ thống cảm biến và giao tiếp: Cảm biến có nhiệm vụ thu thập thơng tin
từ mơi trường hỗ trợ q trình điều khiển robot. Robot trong luận văn
được trang bị cảm biến dị line QTR-5RC để hỗ trợ bám vạch. Ngồi ra,
robot cũng được trang bị module NRF24L01+ để hỗ trợ giao tiếp với
chương trình xử lý ảnh trên máy tính.
- Bộ phận mạch điều khiển: Module điều khiển trung tâm có vai trị điều
khiển hoạt động của mobile robot thơng qua q trình xử lý tín hiệu từ
cảm biến, điều khiển động cơ thông qua module L298N và giao tiếp với
máy tính qua NRF24L01+. Board điều khiển được sử dụng là Arduino
Uno.
2.2 Thiết kế phần khung, vỏ cho mobile robot
Để mobile robot hoạt động ổn định thì phần khung, vỏ đóng vai trò rất quan
trọng. Khung, vỏ của robot giúp kết nối, cố định và sắp xếp hợp lý các bộ phận
của robot như bánh xe, các linh kiện, bảng mạch và pin. Từ đó, giúp cho robot
có được sự ổn định và vững chắc trong q trình vận hành. Ngồi ra, phần
khung vỏ cịn có tác dụng tăng tính cá nhân hóa và thẩm mỹ cho robot. Xuất
phát từ các yêu cầu trên, phần khung vỏ của robot được thiết kế và chế tạo dựa
vào công nghệ in 3D FDM.
2.2.1 Ứng dụng công nghệ in 3D FDM trong việc thiết kế khung, vỏ cho robot.
Công nghệ in 3D là một q trình cơng nghệ nhằm tạo ra mơ hình vật thể 3D từ

11

một mơ hình 3D được thiết kế trên máy tính (CAD). Quá trình này thường là
liên tục đắp các lớp vật liệu theo từng lớp dưới sự điều khiển của máy in 3D để
tạo thành vật thể, do đó nó cịn có tên gọi khác là cơng nghệ sản xuất đắp dần
(Additive Manufacturing – AM). Cơng nghệ in 3D có lịch sử phát triển lâu đời
và hiện tại đã có những bước tiến lớn và xuất hiện ngày một rộng rãi hơn trong
cuộc sống cũng như sản xuất. Các máy in 3D giá rẻ cũng có độ chính xác cao
nên được sử dụng rộng rãi trong việc nghiên cứu, học tập để tạo mẫu. Trong
cơng nghiệp, tính đến năm 2019, sự chính xác của máy in 3D tăng cao, cộng với
khả năng hoạt động bền bỉ, phạm vi nguyên liệu được mở rộng đã đưa cơng
nghệ in 3D góp mặt nhiều hơn trong quá trình sản xuất. Một trong các lợi thế
lớn của công nghệ in 3D là khả năng chế tạo các vật thể có hình dạng cũng như
kết cấu phức tạp, ví dụ như các bộ phận rỗng hoặc có kết cấu đặc biệt bên trong.
Cơng nghệ in 3D được ứng dụng trong nhiều lĩnh vực khác nhau như:
-

Thời trang
Giáo dục, nghiên cứu
Xây dựng
Giao thơng
Qn sự
Y tế

- Hình 2.1 Một mơ hình đang được in theo cơng nghệ FDM [22].
Có nhiều cơng nghệ khác nhau được phát triển để có thể in 3D, ví dụ như FDM,
SLA, SLS. Trong đó, cơng nghệ FDM ( fused deposition modeling – tạo mơ
hình bằng cách hợp nhất lắng đọng) được sử dụng phổ biến hơn cả, chiếm tới

12

46% theo thống kê năm 2018 [22]. Công nghệ này tuy ra đời sau, nhưng có ưu
điểm là giá thành rất rẻ nên có độ phổ biến cao, và đây cũng là công nghệ được
lựa chọn để chế tạo phần khung vỏ cho mobile robot trong luận văn.
2.2.1.1 Quy trình tạo mẫu theo công nghệ in 3D FDM:
- Tạo mô hình 3D: Mơ hình 3D có thể được tạo bằng cách thiết kế trên các
phần mềm chuyên dụng hoặc thông qua việc quét mẫu bằng máy quét
laser (laser scanner).
- Tạo file in 3D: Đây là quá trình tạo file để nạp trực tiếp vào máy in 3D.
Quá trình này bản chất là nhằm chia mơ hình ra thành từng lớp để có thể
in 3D (slicing) được thực hiện dưới sự trợ giúp của các phần mềm chuyên
dụng. Trong quá trình này, việc thiết lập các thơng số, ví dụ như độ rỗng,
nhiệt độ in, tốc độ in sẽ ảnh hưởng trực tiếp đến chất lượng vật thể in 3D
được tạo thành.
- In 3D vật thể: Trong quá trình này, máy in 3D sẽ in từng lớp xếp chồng
lên nhau để tạo thành vật thể. Theo đó, vật liệu được sử dụng có thể là các
sợi nhựa PLA hay ABS sẽ được kéo và làm nóng chảy khi đi qua module
sinh nhiệt. Sau đó, theo sự di chuyển của đầu phun sẽ được in ra thành
từng lớp xếp chồng lên nhau. Các lớp này trong quá trình nguội đi sẽ liên
kết với nhau và tạo thành vật thể.
- Hậu xử lý: Đây là quá trình loại bỏ các phần nâng đỡ vật thể trong q
trình in (support) hoặc đánh bóng vật thể theo nhiều phương pháp khác
nhau để vật thể đạt độ bóng hoặc độ thẩm mỹ mong muốn.
2.2.1.2 Ưu, nhược điểm của công nghệ in 3D FDM:
Công nghệ in 3D FDM có một số ưu, nhược điểm chính như được trình bày tại
bảng 2-1.
Bảng 2-1 Một vài ưu, nhược điểm của công nghệ in 3D FDM.
Ưu điểm

-

Nhược điểm

- Thời gian in rất lâu.
- Các máy giá rẻ chỉ in được các vật liệu dễ nóng chảy như

Giá thành rẻ.
Nguyên liệu sử dụng đa dạng.
Độ phổ biến cao nên dễ tiếp cận.
Thích hợp cho q trình tạo mẫu.


13

PLA.
- Việc thiết kế mơ hình và thiết lập các thơng số ảnh hưởng
lớn đến chất lượng mơ hình, do đó u cầu kinh nghiệm
của người sử dụng.
- Khơng phù hợp cho quá trình sản xuất hàng loạt.

2.2.2 Thiết kế, chế tạo khung vỏ của robot bằng công nghệ in 3D FDM.
Mobile robot được thiết kế để đảm bảo các yêu cầu sau:
-

Dễ dàng tháo lắp.
Sắp xếp hợp lý các bộ phận.
Tiện lợi trong quá trình sử dụng.
Đủ độ cứng vững.
Có tính thẩm mỹ.

Dựa trên các u cầu trên, mơ hình 3D của robot được thiết kế như hình 2.2 và
2.3 và được hồn thiện như trên hình 2.4.

Hình 2.2 Mặt trước mơ hình 3D mobile robot.


14

Hình 2.3 Mặt sau mơ hình 3D của mobile robot.

Hình 2.4 Mơ hình mobile robot hồn thiện.