Bài toán xác định vị trí và tìm đường cho Mobile Robot | Khoa Điện - Điện Tử - Đại học Duy Tân

Nghiên cứu Khoa học

Bài toán xác định vị trí và tìm đường cho Mobile Robot

07/11/2024
Nghiên cứu Khoa học

1. Bài toán xác định vị trí và tìm đường cho Mobile Robot

Trong các vấn đề nghiên cứu liên quan đến mobile robot thì bài toán 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 toán tìm đường, mục tiêu của bài toán này là tìm ra đường đi phù hợp cho robot.

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 toán này có thể được giải quyết một cách thủ công 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 không đúng hoặc có thể đúng nhưng không 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 toán được áp dụng. Ưu điểm của phương pháp này là đường được tìm một cách tự động, và một số thuật toán 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 toán tìm đường tự động thì cần phải có thông tin về bản đồ.

Ngoài bài toán tìm đường thì một bài toán khác cũng cần được giải quyết để mobile robots có thể đi đến đích, đó là bài toán định vị (localization). Bài toán 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).

undefined

Hình 1. Nhiều công nghệ có thể được áp dụng cùng lúc để định vị và định hướng cho mobile robots

Trong khi bài toán định vị ngoài trời có thể được giải quyết đơn giản bằng cách 4 sử dụng các cảm biến GPS thì bài toán định vị trong nhà lại khó giải quyết hơn rất nhiều do tín hiệu GPS bị yếu, thường không ổn định ở môi trường trong nhà. Do đó, bài toán định vị trong nhà vẫn đang được nghiên cứu, tìm phương pháp giải quyết thích hợp, ví dụ như áp dụng cùng lúc nhiều công nghệ để định vị và định hướng cho robot. 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.

- 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 toán vị trí của nó thông qua việc tính toán khoảng cách của nó so với các BLE Beacons.

undefined

Hình 2. Thiết bị BLE Beacons sử dụng công nghệ bluetooth

- AprilTags: Đây là một phương pháp giá rẻ sử dụng công 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 toán được vị trí của mình.

undefined

Hình 3. Hệ thống đánh dấu AprilTags

- Ngoài các phương pháp đã trình bày thì còn một số phương pháp khác như sử dụng hệ thống định vị bằng sóng radio, hoặc sử dụng 5 các hệ thống NFC tags hay hệ thống RFID tags. Một số nhược điểm có thể còn tồn tại của các phương pháp trên như sau:

Giá thành cao
Một số phương pháp có độ linh động không cao, tại mỗi vị trí cần xác định lại phải gắn một module.
Nhiều phương pháp chỉ giải quyết được bài toán định vị hoặc định hướng, không giải quyết được bài toán chỉ đường.

undefined

Hình 4. Hệ thống định vị bằng sóng radio

2. Một số phương pháp điều khiển Mobile robot

Robot di động có thể phân loại bằng các cách:

Phân loại theo môi trường chúng di chuyển:
Robot ngoài trời và robot trong nhà: Thông thường, chúng được lắp bánh xe, nhưng cũng có loại robot có chân (gồm 2 hoặc nhiều chân) như robot hình người, robot hình dạng động vật hoặc côn trùng.
Robot trên không: thường dùng cho các phương tiện trên không, phương tiện không người lái.
Robot dưới nước: dùng cho các phương tiện hoạt động dưới nước, chúng hoạt động độc lâp.
Phân loại theo phương pháp di chuyển:
Robot có chân, chân giống người hay chân giống động vật.
Robot có bánh xe.
Robot di chuyển bằng bánh xích.

2.1 Robot điều khiển từ xa

Robot điều khiển trực tiếp bằng tay với các bộ phận có cần điều khiển hoặc những thiết bị điều khiển khác. Thiết bị điều khiển có thể được gắn trực tiếp vào robot, ví dụ: một cần gạt không dây, hoặc một phụ kiện của một máy tính không dây… Robot điều khiển từ xa giúp con người tránh khỏi những nguy hiểm. Ví dụ robot điều khiển từ xa bằng tay gồm có: Foster-Miller’s Talon và iRobot’s PackBot. Robot điều khiển từ xa tự bảo vệ có khả năng tự phát hiện và tránh những chướng ngại vật nhưng điều khiển cũng giống như robot điều khiển từ xa bằng tay. Có rất ít con robot chỉ dùng đơn lẻ bộ điều khiển từ xa tự bảo vệ.

2.2 Robot bán tự động

Một vài robot tự động đầu tiên là những robot theo lộ trình. Chúng có thể theo những đường được sơn khắc trên sàn, trần nhà hay trên một dây điện trên sàn. Đa số robot này hoạt động theo một thuật toán đơn giản là giữ lộ trình trong bộ cảm biến trung tâm, chúng không thể đi vòng qua các chướng ngại vật, chúng chỉ dừng lại khi có vật nào đó cản đường chúng

2.3 Robot tự động hoàn toàn

Robot tự động đang ngày một mang lại nhiều lợi ích bao gồm việc nâng cao lợi nhuận, năng suất, chất lượng, độ linh hoạt và thậm chí là gia tăng sự hài lòng của người lao động. Với tình hình kinh tế hiện nay, các nhà sản xuất cần đến những lợi thế này hơn bao giờ hết. Robot hoạt động độc lập với những chuyển động ngẫu nhiên, về cơ bản đó là những chuyển động như nhảy bật lên tường, những bức tường này được cảm nhận do sự cản trở về mặt vật lý như máy hút bụi Roomba.

3. Một số ứng dụng của Mobile robot

3.1 Trong công nghiệp

Robot được sử dụng rộng rãi trong một loạt các ứng dụng công nghiệp. Các ứng dụng sớm nhất có thể kể đến là xử lý vật liệu, hàn điểm và phun sơn. Robot ban đầu được áp dụng cho các công việc nóng bức, nặng nhọc và nguy hiểm như đúc khuôn, rèn và hàn điểm.

Robot được sử dụng trong nhiều ứng dụng khác. Ví dụ: cắt, mài nhẵn, sửa chữa bảo dưỡng máy công cụ, đúc trong ngành công nghiệp nhựa, áp dụng chất bịt kín cho kính chắn gió xe hơi, chọn các vật phẩm rời khỏi băng tải và đóng gói chúng vào giá nâng, vv..

3.2 Ứng dụng trong thám hiểm không gian

Khám phá không gian đặt ra những vấn đề đặc biệt cho robot. Con người chỉ có thể làm việc trong thời gian ngắn ngoài không gian với những người yêu cầu quần áo bảo hộ đắt tiền và môi trường sinh học giống như Trái Đất. Vì vậy, nhiều phi hành gia đã cho rằng robot, chứ không phải con người, nên được gửi vào vũ trụ.

3.3 Ứng dụng trong hỗ trợ người khuyết tật

Robot có tiềm năng hỗ trợ người tàn tật rất lớn từ xe lăn tự động, vận chuyển người tàn tật trong bệnh viện, đáp ứng với các lệnh bằng giọng nói, đến robot chăm sóc, cho ăn đối với người tàn tật nghiêm trọng. Mục tiêu quan trọng của nghiên cứu trong lĩnh vực này là sử dụng máy móc khôi phục lại một số công việc tự chủ mà người dùng bị mất khi họ không thể sử dụng các chức năng cơ thể của mình.

Nghiên cứu phát triển robot để sử dụng cho những người khuyết tật cũng thúc đẩy công nghệ phát triển. Công nghệ cảm biến đang gia tăng giới hạn các khả năng để bảo vệ người dùng và thực hiện các tác vụ mong muốn trong môi trường không có cấu trúc

Nhìn chung, một mobile robot có cấu trúc như sau:

undefined