Luận văn thạc sĩ Kỹ thuật cơ điện tử: Nghiên cứu điều khiển legged mobile robot theo dấu vật thể cho trước sử dụng CMU camera

Nghiên cứu này tập trung vào hai nội dung chính là nghiên cứu khả năng di chuyển linh hoạt và điều khiển mobile robot bám sát đối tượng một cách liên tục nhằm đảm bảo các công tác bảo vệ

TỔNG QUAN VÀ ĐẶT VẤN ĐỀ

Tổng quan

Ngày nay, với sự phát triển vượt bậc của nhiều ngành khoa học kỹ thuật đặc biệt là ứng dụng của sự kết hợp các ngành cơ khí, điện tử điều khiển và tin học Những điều từng là khoa học viễn tưởng, trước đây xuất hiện trong truyện tranh và phim ảnh giờ chỉ còn cách một bước là trở thành hiện thực Những robot bảo vệ an ninh sẽ được tạo ra làm thay đổi cả thế giới Dân số trái trên trái đất hiện nay khoảng hơn bảy tỷ người, con số này sẽ còn tăng nhanh trong những năm tiếp theo Lực lượng thi hành pháp luật và an ninh toàn cầu có thể sẽ không mở rộng quy mô nếu như được sự hỗ trợ của một số robot thông minh có khả năng hạn chế tội phạm, bảo vệ tài sản và con người cũng như việc phát hiện các mối nguy hiểm hay cung cấp những thông tin quan trọng cho cơ quan điều tra khi cần thiết Do đó các robot cảnh vệ này là những tai mắt quan trọng cho cơ quan an ninh [1]

Công tác an ninh bảo vệ luôn chứa đựng nhiều khó khăn và nguy hiểm nên chúng ta có thể kết hợp cả người và robot cùng thực hiện nhiệm vụ Robot hoạt động không biết mệt mỏi nên hãy để cho chúng làm những công việc nặng về tính toán, đơn điệu, liên tục và đôi khi rất nguy hiểm Còn để cho con người đưa ra những quyết định chiến lược cho robot thi hành Vì vậy robot và người luôn làm việc song song hỗ trợ lẫn nhau [2]

Một số robot an ninh được trang bị camera quang học có khả năng đọc biển số xe và phát hiện vũ khí hóa học, sinh học Bên cạnh đó robot có thể còn được lắp đặt camera 360 độ ghi hình ngày và đêm, đặc biệt có nhiều loại robot còn được mang theo vũ khí để bắt tội phạm như là tung ra một tấm lưới ở khoảng cách nhất định khống chế phạm nhân và báo về cho cơ quan an ninh gần nhất Chúng ta có thể khẳng định chỉ cần có sự hiện diện của nó thôi, dù là robot cũng có thể làm thay đổi các hành vi phạm tội [3]

Tuy nhiên, ngoài việc hỗ trợ đắc lực cho công tác an ninh thì còn có rất nhiều vấn đề về quản lý và sử dụng robot Bên cạnh chi phí đầu tư và bảo trì bảo dưỡng cao, robot cũng như bất kì các loại máy móc khác Chúng có thể hư hỏng, ngừng hoạt động và ngay cả nguy cơ gây tai nạn Chúng hoạt động không ngừng, tự điều khiển một số công việc nhưng khi có hoạt động nào đi sai hướng thì nguy hiểm có thể xảy ra Do đó nghiên cứu sử dụng robot phải đảm bảo các đặc tính kỹ thuật an toàn cao nhất Ngoài ra vấn đề sẽ trở nên nghiêm trọng hơn nếu robot được sử dụng vào những mục đích xấu Nếu như các thông tin robot thu thập được chỉ để làm tư liệu mật cho cơ quan an ninh thì không có gì nhưng nếu dữ liệu đó được phát tán lên internet nó sẽ ảnh hưởng đến tự do cá nhân của người khác [4]

Số lượng robot trên thế giới ngày càng gia tăng nhanh chóng, dẫn đầu về số lượng là Mỹ và Nhật bản [5], [6] Chúng sẽ tiếp tục bảo vệ con người trong nhiều lĩnh vực Với sự phát triển của xã hội hiện đại ngày càng cao, ngoài việc giữ gìn an ninh các khu vực công cộng robot di động còn dần dần thâm nhập vào mỗi gia đình với vai trò là người máy bảo vệ, chăm sóc người già trẻ em hay vật nuôi giải trí … Vì vậy công việc nghiên cứu và phát triền các loại robot di động ngày càng trở nên quan trọng, tối ưu về năng lượng và kích thước, đáp ứng được các nhu cầu của con người.

Tình hình nghiên cứu ngoài nước và trong nước

Trên thế giới, robot an ninh đã được phát triển và sử dụng rộng rãi Chúng rất đa dạng về hình dáng bên ngoài cũng như lĩnh vực ứng dụng [7] với quy mô lớn, từ bảo vệ gia đình cho đến an ninh quốc gia

Năm 1999 Sony cho ra đời chú chó robot thông minh và nhanh nhẹn tợn, nhưng cũng tỏ ra ngoan ngoãn và mừng rối rít khi nhận ra mặt và giọng nói của người thân Aibo có thể giao tiếp, tạo ra những âm thanh thông qua loa với 64 âm khác nhau Đồng thời, có thể lắc lư theo tiếng nhạc mà nó thu được nhờ stereo microphone Máy đo gia tốc ba trục được gắn bên trong giúp Aibo giữ thăng bằng và nếu bị ngã, nó cũng có thể tự đứng dậy Với đồ chơi Aibone chú chó có thể tự tìm chúng, ngậm bằng miệng và đem tới cho chủ

Bộ phận nhận diện hình dạng, màu sắc có chức năng như thị giác giúp Aibo có thể nhận diện các đồ vật khác nhau và khuôn mặt con người hoặc giọng nói và tự động tới chỗ sạc để tự nạp năng lượng cho mình khi gần hết pin Điểm đặc biệt là những chú robot này có thể học và tiếp thu từ môi trường sống xung quanh nhờ việc lưu trữ hình ảnh với bộ nhớ 64 mb, Aibo sẽ tự lưu lại hình ảnh nào mới lạ mà nó thấy thích thú hoặc được bạn ra lệnh

Một robot bé nhỏ hình dáng con người được chế tạo để phục vụ nhu cầu an ninh gia đình và giải trí được bán tại Nhật bản Robot cao 38cm, nặng 2,5kg, tên gọi Nuvo do công ty ZMP sản xuất còn có kiểu đặc biệt với giá 8.200 usd Người máy có thể đi lại, đứng dậy và trả lời các mệnh lệnh bằng lời nói như “rẽ phải” Khi kết nối robot tới điện thoại di động, người sử dụng có thể xem hình trong nhà từ máy ảnh số trong đầu robot Nó có thể được điều khiển từ xa và lập trình để nhảy múa, phát ra âm nhạc [3]

Hình 1.2: Robot an ninh Nuvo [3]

Công ty phát triển robot Tmsuk và công ty an ninh Alacom đã hợp tác chế tạo thành công loại robot an ninh có tên gọi T-34 [4] Robot này được giao nhiệm vụ canh giữ hộ gia đình, văn phòng có thể điều khiển từ xa bằng điện thoại di động để phóng ra một tấm lưới bắt giữ kẻ xâm nhập gia cư bất hợp pháp T-34 có thể di chuyển với tốc độ 10km/giờ, được gắn cảm biến để có thể dò tìm và phát hiện những điều bất thường xảy ra trong văn phòng hoặc hộ gia đình Người điều khiển T-34 có thể từ xa nhìn thấy những hình ảnh mà nó ghi nhận theo thời gian thực Trong trường hợp cần thiết thì chỉ cần một lệnh từ điện thoại di động là T-34 sẽ phóng chính xác một tấm lưới bao bọc kẻ tình nghi trong khi chờ cảnh sát đến hiện trường

Lãnh đạo của hãng Knightscope nảy sinh ý tưởng chế tạo robot K5 ngay sau khi diễn ra vụ xả súng đẫm máu tại trường tiểu học Sandy Hook thuộc thị trấn Newtown, bang Connecticut vào tháng 12/2012 khiến 20 học sinh và 6 giáo viên thiệt mạng Các nhà thiết kế tạo ra robot K5 với mục đích ngăn chặn những cuộc thảm sát tương tự xảy ra trong tương lai Với hình dáng đáng yêu, thân thiện như bước ra từ các bộ phim khoa học viễn tưởng, robot K5 sẽ đảm nhiệm việc tuần tra, giám sát an ninh tại các trường học, trung tâm mua sắm hoặc khu dân cư và giúp những điệp viên lành nghề trong công tác phá án hay phát hiện ra sát thủ hoặc những vụ gài bom khủng bố Không khác gì cảnh sát, khi trời vừa sập tối cũng là lúc các robot màu trắng bước vào ca làm việc, đi tuần khắp nơi Nhiệm vụ của K5 là phát giác các hành vi bất thường, chẳng hạn như khi phát hiện ra có ai đó cầm súng đi vào tòa nhà giữa đêm khuya thì ngay lập tức người máy này sẽ gửi báo cáo tới trung tâm an ninh từ xa Để đảm bảo công việc của một nhân viên an ninh, K5 được trang bị 4 máy quay có độ phân giải cao quan sát theo 4 hướng với khả năng phát hiện đối tượng theo dõi thông qua thân nhiệt, 4 microphone thu dẫn tiếng động và thiết bị phân tích thời tiết Tất cả các thiết bị công nghệ cao này được tích hợp trong một lớp vỏ hình thoi màu trắng bóng loáng Khi cần thiết, K5 vẫn có thể tăng tốc với vận tốc di chuyển lên tới 30km/giờ Robot K5 sử dụng sóng wifi và mạng không dây để kết nối liên lạc với nhau cũng như với trạm kiểm soát từ xa Hệ thống định vị gps cùng với thiết bị đo khoảng cách bằng tia laser giúp K5 dễ dàng tìm đường và tránh được các vật thể Trước khi làm nhiệm vụ tại một địa điểm hoàn toàn mới lạ, robot sẽ được điều khiển mẫu một lần giúp nó ghi nhớ cảnh quan xung quanh [5]

Hãng điện tử Hitachi đã trình làng mẫu robot an ninh mới, có khả năng tự nhận diện môi trường xung quanh nó bằng tia hồng ngoại, từ đó thiết lập lộ trình di chuyển tối ưu nhất mà không cần sự can thiệp của con người Loại robot này có chiều cao khoảng 57 cm, di chuyển trên các bánh xe và có 1 camera trên đỉnh đầu Nếu phát hiện thấy có người xâm nhập hay đồ đạc trong phòng bị mất trên đường tuần tra, camera trên đầu robot sẽ chụp hình và gửi về bộ phận bảo vệ Theo Hitachi, đây là loại robot thiết kế dành cho các công ty an ninh và các công ty quản lý các cao ốc hay văn phòng

Tại thành phố Pohang ở phía đông Hàn quốc, robot tuần tra sẽ hoạt động tại nhà tù để quan sát các phạm nhân Robot được chế tạo bởi một nhóm chuyên gia về tội phạm và chính sách quản lý trại giam của Hàn quốc, robot có chiều cao 1,5 m và di chuyển trên 4 bánh xe Chúng được trang bị nhiều camera và cảm biến nên có khả năng phát hiện những hành vi bất thường của tù nhân như tự sát hay đánh nhau Giáo sư Lee Baik-Chu, một chuyên gia của đại học Kyonggi tại Hàn quốc, nói rằng các robot sẽ phát tín hiệu báo động nếu chúng phát hiện hành vi khả nghi [7]

Hình 1.5: Robot tuần tra nhà giam [7]

Robot an ninh di động Taifun-M mới của Nga là robot chiến đấu có thiết kế độc đáo, sẽ được sử dụng để bảo đảm an ninh cho các căn cứ tên lửa đạn đạo liên lục địa Yars và Topol-M Robot này được điều khiển từ xa bằng một hệ thông kết nối không dây an toàn và trong tương lai sẽ được trang bị hệ thống trí tuệ nhân tạo [8]

Hình 1.6: Robot an ninh Taifun-M

Robot Dragon runner [8] có thiết kế nhỏ, nhẹ, cơ động, linh hoạt đó là đặc tính dòng robot hoạt động như chiếc xe tự hành trinh sát Robot điều khiển từ xa được hãng QinetiQ tiếp tục phát triển để phục vụ trong quân đội

Mỹ Số hiệu của loại robot mới này là Dragon runner 10 (DR10), dài 38 cm, rộng 34 cm, cao 15 cm và nặng 4,5 kg nên dễ dàng được các binh sĩ mang theo bên người khi thực thi nhiệm vụ DR10 dễ dàng len lỏi vào các tòa kiến trúc hoặc môi trường mà địch thủ đang trấn giữ để làm nhiệm vụ trinh sát Không chỉ tương thích với dòng robot DR20 có từ trước mà nó còn có thể mang theo trên mình một tải trọng đến 2,3 kg, bao gồm một loạt cảm biến, radio, camera và cánh tay robot linh hoạt Thế mạnh của DR10 là hoạt động vào buổi tối khi có thể nhìn xuyên thấu màn đêm, được điều khiển từ xa 650 m, bánh xe xích giúp nó vượt những địa hình phức tạp Khi thực thi nhiệm vụ DR10 có khả năng ghi được cả những hình ảnh ngược chiều, nó sẽ di chuyển với tốc độ 6,4 km/giờ và đủ khả năng vượt dốc 45 độ Nếu chỉ dùng pin tiêu chuẩn thì DR10 hoạt động liên tục trong vòng 2 giờ, trong trường hợp tăng cường pin gắn ngoài thì thời gian hoạt động lên đến 6 giờ

Hình 1.7: Robot an ninh Dragon Runner [8]

Đặt vấn đề

Từ các phát triển trên, luận văn này đề xuất giải pháp sử dụng platform mobile robot cho nhiệm vụ tuần tra bảo vệ an ninh trật tự một số khu vực như nhà cửa hoặc những nơi công cộng Mobile robot có khả năng đi theo đối tượng nào đó như một vệ sĩ hay phát hiện và theo dõi những đối tượng khả nghi có thể làm ảnh hưởng đến an ninh khu vực nó đang hoạt động Robot an ninh này có thể khống chế một số tội phạm hoặc báo động khẩn cấp về cơ quan an ninh khi phát hiện mối nguy hiểm Để thực hiện nhiệm vụ này, mobile robot phải có khả năng di chuyển linh hoạt và bám theo đối tượng một cách liên tục Mục tiêu của robot an ninh này là phải dễ dàng vượt qua một số địa hình phức tạp và bám sát giữ một khoảng cách nhất định so với đối tượng Hoạt động theo dõi nhằm cung cấp thông tin cho công tác xử lý các tác vụ an ninh Robot sẽ chuyển động với vận tốc đủ lớn để tất cả hoạt động của đối tượng phải nằm trong tầm kiểm soát của mobile robot

Vấn đề di chuyển luôn là nghiên cứu trọng tâm của robot di động Để di chuyển được robot phải thực hiện một loạt các tác vụ quan trọng, mà mỗi tác vụ này là một bài toán nhỏ trong bài toán chuyển động Ngoài khả năng di chuyển, một phần không thể thiếu cho một robot tự hành là các bộ phận cảm biến giúp robot hoạt động thi hành nhiệm vụ một cách tốt nhất

Nghiên cứu này tập trung vào hai nội dung chính là nghiên cứu khả năng di chuyển linh hoạt và điều khiển mobile robot bám sát đối tượng một cách liên tục nhằm đảm bảo các công tác bảo vệ an ninh

Các vấn đề trên là cơ sở ban đầu để xây dựng và phát triển mobile robot phục vụ cho công tác an ninh bảo vệ, nghiên cứu này có thể làm tiền đề cho việc thiết kế robot giám sát trong nhà.

PHÂN TÍCH VÀ ĐỀ XUẤT CÁC PHƯƠNG ÁN

Phân tích các phương án

Hiện nay các loại mobile robot có rất nhiều cách di chuyển ở mọi loại địa hình như sử dụng: bánh xe, chân, thanh ray, trườn, cánh quạt …

Hình 2.1: Một số hình thức di chuyển của mobile robot [6]

Trong đó phương pháp di chuyển bằng bánh xe là khá phổ biến Cơ cấu truyền động bánh xe có thể cho vận tốc rất nhanh, dễ dàng điều khiển và chế tạo Các loại robot này hoạt động rất hiệu quả trên địa hình có bề mặt bằng phẳng nhưng rất khó di chuyển trên địa hình phức tạp: gồ gề, ngập nước hay leo lên vỉa hè

Ngoài các phương thức di chuyển bằng bánh xe còn có cách di chuyển bằng ray và cơ cấu trườn cũng được ứng dụng trong thực tế Các phương thức này không được sử dụng rộng rãi do robot kém linh hoạt vì bị hạn chế bậc tự do Robot di chuyển bằng các cách này chỉ sử dụng trong các nhiệm vụ có tính lặp lại và cần nhiều không gian để hoạt động

Bên cạnh các phương thức trên, robot di chuyển bằng chân (legged robot) đã được sử dụng rộng rãi [15] Cơ cấu chân này có khả năng di chuyển linh hoạt qua nhiều địa hình phức tạp đã biết hoặc chưa biết Nó có thể vượt qua một số chướng ngại vật, đi trên những con đường trơn trượt hay lội qua vũng nước hoặc lên xuống cầu thang … một cách dễ dàng Với cách di chuyển bằng chân này thì chế tạo và điều khiển khá phức tạp, vận tốc di chuyển chưa nhanh bằng các phương tiện bánh xe

2.1.2 Cảm biến theo dõi đối tƣợng

Ngày nay, với sự phát triển mạnh mẽ của công nghệ thông tin và kỹ thuật điện tử đã cho ra đời nhiều sản phẩm có tính ứng dụng cao phục vụ hoạt động giám sát và phân loại đối tượng Đặc biệt là lĩnh vực xử lý ảnh và công cụ hỗ trợ, độ chính xác của thiết bị tỉ lệ thuận với giá thành của các sản phẩm Các thiết bị này dễ dàng kết nối với vi xử lý qua các chuẩn giao tiếp thông thường để hỗ trợ cho robot di chuyển Một số sản phẩm phổ biến có thể nói là thông minh vì tích hợp cảm biến chuyển động và hồng ngoại giúp dễ dàng phát hiện đối tượng Bên cạnh đó một số cảm biến còn được tích hợp bộ lọc nhiễu để chọn lọc thông tin sai số đưa vào bộ điều khiển

Một số loại cảm biến thường dùng để phát hiện và theo dõi như sau:

Camera Kinect, đây là một thiết bị do hãng Microsoft sản xuất dành cho xbox 360 và máy tính windows [12] Nó được tích hợp rất nhiều cảm biến và một camera để xác định hình ảnh Tuy nhiên để xác định khoảng cách và theo dõi đối tượng Kinect cần kết nối với máy tính để viết code xử lý cho chương trình, điều này khá bất tiện với một robot an ninh tự hành

Camera pixy cmucam 5 là một loại cảm biến nhận dạng màu sắc [28]

Nó có khả năng nhớ đến 7 màu sắc khác nhau và được tích hợp vi xử lý lõi kép và cảm biến hình ảnh omnivision OV9715 Khung hình 640x400 cho tốc độ xử lý 50 hình/s, giá thành rất rẻ so với các camera cùng chức năng Cảm biến này dễ dàng sử dụng với thư viện nguồn mở và kết nối đơn giản với các dòng vi xử lý trên thị trường, đặc biệt phù hợp với mô hình nghiên cứu trong sinh viên

Cảm biến phát hiện chuyển động bằng siêu âm và hồng ngoại Khi sử dụng kết hợp các cảm biến này có thể xác định khoảng cách và góc lệch từ cảm biến đến đối tượng khi đối tượng di chuyển qua vi xử lý Sóng âm và hồng ngoại thường sử dụng trong mặt phẳng ít chướng ngại vật Trong các môi trường và không gian phức tạp tín hiệu cảm biến truyền đi rất dễ bị nhiễu dẫn đến chất lượng điều khiển kém.

Chọn phương án

Qua các phân tích trên thì phương án di chuyển bằng cơ cấu chân là phù hợp với thiết kế robot an ninh như đầu bài đặt ra do cơ cấu chân có nhiều ưu điểm hơn các phương pháp di chuyển khác sẽ được làm rõ ở mục sau Xuất phát từ ý tưởng nghiên cứu về Strandbeest của nhà điêu khắc gốc Hà lan đứng vững và mang tải trọng lớn Tuy nhiên càng kết hợp nhiều cơ cấu lại với nhau thì điều khiển robot càng phức tạp, kém khả năng linh hoạt và tổn hao năng lượng rất cao nên Strandbeest chủ yếu di chuyển nhờ sức gió

Với việc sử dụng legged mobile robot cho mục đích an ninh, nhiệm vụ đặt ra là robot phải hoạt động ổn định, đáp ứng nhanh, kích thước nhỏ gọn và dễ dàng sử dụng Quỹ đạo di chuyển của bàn chân bước qua được một số vật cản khi thực hiện công việc Mỗi chân robot được tạo thành từ rất nhiều khâu liên kết với nhau bằng khớp bản lề

Vì vậy mục tiêu chính của kết cấu cơ khí là đảm bảo legged robot có khả năng di chuyển được mà không gây ra các hiện tượng dao động hay mất cân bằng trên các loại địa hình khác nhau như trong mặt phẳng hoặc mặt nghiêng Do đó với quỹ đạo bước chân ban đầu đặt ra thì lựa chọn kết cấu mười hai khâu liên kết với nhau là phù hợp Nếu lựa chọn cơ cấu chân ít hơn mười hai khâu thì công việc thiết kế chế tạo đơn giản hơn rất nhiều nhưng quỹ đạo bước chân của chúng sẽ không linh hoạt, ổn định có thể gây dao động khi di chuyển Còn cơ cấu di chuyển nhiều hơn mười hai khâu thì quỹ đạo chân sẽ tăng độ chính xác nhưng quá trình thiết kế lắp đặt và điều khiển sẽ khó khăn hơn, chi phí sản xuất cũng tỉ lệ với độ phức tạp của cơ cấu [10]

Hình 2.3: Nguyên lý hoạt động cơ cấu chân robot

Ngoài việc xác định kết cấu mỗi chân cho robot di chuyển thì phương án chọn lựa số lượng chân của robot cũng rất quan trọng Số chân này ảnh hưởng trực tiếp đến khả năng giữ thăng bằng khi robot hoạt động trên nhiều địa hình khác nhau Vì các chân robot tiếp xúc mặt đất tại các điểm có tiết diện nhỏ và các điểm chạm đất khi di chuyển là không liên tục như đối với các robot sử dụng bánh xe khác Trên những con đường di chuyển bằng phẳng thì chỉ cần điều khiển trọng tâm robot nằm trong mặt phẳng tạo bởi ít nhất ba điểm của chân robot luôn luôn chạm đất là robot có khả năng hoạt động ổn định Nhưng với địa hình phức tạp ba chân của robot sẽ khó giữ được thăng bằng khi chuyển động do trọng tâm của robot thay đổi theo địa hình di chuyển Vì vậy ta phải chọn số chân luôn tiếp xúc với mặt đất phải từ bốn điểm trở lên Với bốn điểm chạm đất sẽ tạo thành một mặt phẳng chân đế tứ giác giúp robot dễ dàng giữ thăng bằng hơn Nếu ta chọn số điểm tiếp xúc của chân với mặt đất từ năm hoặc nhiều hơn thì khả năng cân bằng sẽ tăng nhưng kết cấu của robot sẽ phức tạp do quá nhiều chân và tiêu tốn năng lượng nhiều hơn Từ các phân tích trên ta thấy để chân robot luôn tiếp xúc với mặt đất bằng bốn điểm là phù hợp nhất

Trong quá trình di chuyển, các chân robot tiếp xúc với mặt đường bởi các điểm rời rạc theo quỹ đạo chuyển động của bàn chân Các điểm này hoạt động liên tục sẽ tạo thành một đường dài nằm trên mặt đất và có độ dài bằng hai phần năm tổng chiều dài quỹ đạo chân Vì vậy để đảm bảo mọi điểm của một nhóm chân luôn luôn chạm đất thì nhóm chân này cần có ba chân thay đổi tuần tự Mỗi chân được đặt lệch pha với nhau một góc 120 độ

Tóm lại, để legged mobile robot có thể hoạt động linh hoạt thực hiện các thao tác di chuyển phức tạp thì cần có mười hai chân Kết cấu di động của robot có hai nhóm chân là nhóm chân bên phải và nhóm chân bên trái Mỗi nhóm này gồm hai cụm chân đó là cụm chân trước và cụm chân sau Và mỗi cụm chân được tạo thành bởi ba chân để đảm bảo cụm chân luôn luôn tiếp xúc với mặt đường di chuyển

2.2.2 Phương án điều khiển Để thực hiện các nhiệm vụ bảo vệ an ninh trong khu vực đòi hỏi robot phải có khả năng phát hiện theo dõi liên tục đối tượng Các thiết bị này phải bám sát màu sắc với tần số cao, khả năng xử lý nhanh để có những thông tin sai lệch về khoảng cách và góc của robot so với đối tượng để robot hoạt động

Nhằm đáp ứng các yêu cầu trên, tác giả lựa chọn cảm biến điều khiển legged mobile robot theo dấu vật là pixy cmucam5 Camera này dễ dàng nhận diện bảy loại màu sắc (xanh đậm, xanh lá, đỏ, vàng, cam, tím, xám) Nó có khả năng nhớ đến 7 dấu hiệu khác nhau và được tích hợp vi xử lý lõi kép và cảm biến hình ảnh, giá thành rất rẻ so với các camera cùng chức năng Cảm biến này dễ dàng sử dụng với thư viện nguồn mở và kết nối đơn giản với các dòng vi xử lý trên thị trường, đặc biệt phù hợp với mô hình nghiên cứu trong sinh viên.

Sơ đồ nguyên lý của robot

Từ các phân tích ở trên, ta tổng hợp lựa chọn phương án thiết kế legged mobile robot gồm hai phần chính như sau:

Một là kết cấu di chuyển: robot sẽ chuyển động bằng cơ cấu mười hai chân Mỗi nhóm chân bên phải và bên trái sẽ được kết nối với một động cơ

DC giảm tốc qua bộ truyền đai Việc chuyển động để thực hiện các nhiệm vụ bám sát đối tượng do bộ xử lý trung tâm và mạch công suất điều khiển hai động cơ DC truyền động đến chân robot

Hai là cảm biến theo dõi đối tượng: việc sử dụng camera Pixy cmucam5 cho tốc độ xử lý tín hiệu và đáp ứng nhanh, giá cả phải chăng và sai số dao động trong vùng chấp nhận được Cảm biến này dễ dàng kết nối nhiều chuẩn giao tiếp với các loại vi điều khiển như: Spi, Uart, I2C … Camera sẽ được gắn với một cái đế gồm hai motor RC servo để theo dõi đối tượng liên tục không cho dấu hiệu nhận diện mất khỏi tầm kiểm soát

Ba là bộ xử lý trung tâm: hiện nay trên thị trường có rất nhiều loại vi xử lý khác nhau, mỗi loại có những ưu khuyết điểm riêng việc lựa chọn tùy thuộc vào kinh nghiệm cũng như khả năng lập trình của người sử dụng Trong nghiên cứu này tác giả sử dụng vi điều khiển Arduino mega 2560 để điều khiển hoạt động của robot Qua đó ta có sơ đồ nguyên lý hoạt động của robot như sau:

Hình 2.4: Nguyên lý hoạt động của hệ cơ khí

Hình 2.5: Nguyên lý hoạt động của hệ thống điện

2.4 Ƣu nhƣợc điểm của Legged mobile robot

Legged robot có nhiều ưu điểm so với các robot di động thông thường bằng bánh xe, bánh xích hay thanh ray … cụ thể như sau: Ưu điểm vượt trội là có thể bước qua một số các chướng ngại vật khi di chuyển, có khả năng đi trên các địa hình phức tạp như các bề mặt trơn trượt gồ ghề hay lên xuống cầu thang, vượt qua một số con đường lở lún hoặc ngập nước

Các chân legged robot tiếp xúc với mặt đất qua các bước rời rạc, lực ma sát phụ thuộc vào diện tích tiếp xúc của bàn chân áp lực xuống mặt đất nhỏ hơn các loại phương tiện di chuyển bằng bánh xe hay xích Trong khi đó các loại phương tiện khác luôn luôn phải tiếp xúc trên mặt đường Như vậy legged robot thuận lợi hơn khi đến các nơi hiểm trở và những nơi nguy hiểm con người không thể đến được như rà tìm bom mìn, các vùng hóa chất độc hại, ngoài vũ trụ không gian

Legged robot có thể tự điều chỉnh dáng đi của mình để phù hợp với các loại địa hình khác nhau Ngoài ra nó có thể thay đổi hướng đi và tốc độ di chuyển một cách linh hoạt hơn các loại phương tiện di chuyển khác trên những địa hình phức tạp

Phần thân legged robot luôn được nâng đỡ trên toàn bộ cơ cấu chân cách mặt đất một độ cao nhất định thường thì độ cao này lớn hơn rất nhiều so với các phương tiện di chuyển bằng bánh xe hoặc xích Với ưu điểm này legged robot có thể thích nghi với cả môi trường ngập nước hoặc đầm lầy mà các phương tiện khác khó có thể vượt qua được

Qua những ưu điểm nổi bật trên ta thấy nghiên cứu legged robot có nghiên cứu ngày càng hoàn thiện hơn nên việc phát triển legged robot ở Việt nam là rất cần thiết nhất là trong các lĩnh vực quân sự và an ninh

Cấu tạo của các cơ cấu legged robot phức tạp hơn nhiều so với các loại phương tiện di chuyển khác Nó được hình thành từ nhiều khâu khớp liên kết với nhau để tạo nên hình dáng, kết cấu và quỹ đạo bước chân

Giải quyết các bài toán về legged robot cũng gặp rất nhiều khó khăn như: số bậc tự do, số khâu khớp nhiều, vấn đề giữ thăng bằng khi chuyển động, lựa chọn quỹ đạo chuyển động của bước chân

Hiệu quả sử dụng legged robot không cao bằng các phương tiện di chuyển bằng bánh xe hoạc thanh ray Khả năng mang tải và vận tốc chuyển động bị giới hạn nhiều nên trong thực tế không được sử dụng rộng rãi Chủ yếu được ứng dụng trong kỹ thuật quân sự, thám hiểm và nghiên cứu

Vấn đề điều khiển legged robot cũng là một bài toán khó khăn Vì được tạo từ các cơ cấu phức tạp nên nó đòi hỏi nhiều cảm biến, cơ cấu chấp hành và nhiều giải thuật điều khiển đặt ra mới có thể đáp ứng được yêu cầu Các legged robot muốn linh hoạt cần có nhiều bậc tự do nên quá trình nghiên cứu càng phức tạp hơn đồng thời chi phí chế tạo cũng tỷ lệ với độ phức tạp của legged robot.

Ƣu nhƣợc điểm của Legged mobile robot

Để thực hiện những nhiệm vụ cần thiết của một robot an ninh, ngoài khả năng di chuyển trên những địa hình phức tạp và theo dõi đối tượng liên tục robot còn phải kết hợp hai yếu tố này lại với nhau để thực hiện những tác vụ nhất định Trong nghiên cứu này sẽ tập trung chính vào quan hệ mật thiết giữa vấn đề di chuyển và theo dõi đối tượng bằng việc thiết kế bộ điều khiển

Bộ điều khiển này sẽ giúp robot di chuyển và theo dõi đối tượng dễ dàng với một sai số về khoảng cách và góc lệch trong một phạm vi nhất định

3.1 Phân tích bộ điều khiển

Qua những yêu cầu và nhiệm vụ của một robot an ninh ở trên, ta phải thiết kế một bộ điều khiển kết hợp hai khả năng theo dõi và di chuyển sao cho Robot hoạt động ổn định [13] Trong quá trình làm việc có rất nhiều yếu tố dễ dàng làm ảnh hưởng tới chất lượng hoạt động của robot mà ta gọi là nhiễu

Nhiễu này rất đa dạng luôn xuất hiện khi robot di chuyển và đôi khi chúng ta không biết trước được như ma sát địa hình, bề mặt di chuyển không bằng phẳng, một số lực cản,…có thể gây ra những dao động gây mất ổn định hoạt động của robot [14] Bên cạnh những sai lệch do hệ thống cơ gây ra còn có những sai lệch do các loại cảm biến các sai số này nếu không được kiểm soát chặt chẽ sẽ làm ảnh hưởng đến chất lượng điều khiển

Với những phân tích trên, ta phải thiết kế một bộ điều khiển có khả năng khắc phục nhiễu, kiểm soát được những sai số đảm bảo cho robot di chuyển và bám theo đối tượng một cách ổn định Như vậy nếu lựa chọn bộ điều khiển truyền thẳng thì sẽ không kiểm soát được chất lượng điều khiển do nhiễu sẽ làm mất ổn định hệ thống

Do đó để kiểm soát được các sai số của robot khi di chuyển và theo dõi

THIẾT KẾ BỘ ĐIỀU KHIỂN

Phân tích bộ điều khiển

Qua những yêu cầu và nhiệm vụ của một robot an ninh ở trên, ta phải thiết kế một bộ điều khiển kết hợp hai khả năng theo dõi và di chuyển sao cho Robot hoạt động ổn định [13] Trong quá trình làm việc có rất nhiều yếu tố dễ dàng làm ảnh hưởng tới chất lượng hoạt động của robot mà ta gọi là nhiễu

Nhiễu này rất đa dạng luôn xuất hiện khi robot di chuyển và đôi khi chúng ta không biết trước được như ma sát địa hình, bề mặt di chuyển không bằng phẳng, một số lực cản,…có thể gây ra những dao động gây mất ổn định hoạt động của robot [14] Bên cạnh những sai lệch do hệ thống cơ gây ra còn có những sai lệch do các loại cảm biến các sai số này nếu không được kiểm soát chặt chẽ sẽ làm ảnh hưởng đến chất lượng điều khiển

Với những phân tích trên, ta phải thiết kế một bộ điều khiển có khả năng khắc phục nhiễu, kiểm soát được những sai số đảm bảo cho robot di chuyển và bám theo đối tượng một cách ổn định Như vậy nếu lựa chọn bộ điều khiển truyền thẳng thì sẽ không kiểm soát được chất lượng điều khiển do nhiễu sẽ làm mất ổn định hệ thống

Do đó để kiểm soát được các sai số của robot khi di chuyển và theo dõi Điều khiển phản hồi dựa trên nguyên tắc quan sát sai lệch và hiệu chỉnh lại tác động điều khiển Trong các sách lược điều chỉnh tự động, điều khiển phản hồi đóng vai trò quan trọng hàng đầu và vì vậy cũng chính là nội dung trọng tâm của lý thuyết điều khiển tự động Điều khiển phản hồi được sử dụng gần như trong tất cả các hệ thống điều khiển [15] Tư tưởng cơ bản ở đây là liên tục đo (hoặc quan sát) đại lượng được điều khiển và phản hồi thông tin về bộ điều khiển để tính toán lại giá trị của biến được tác động Vì cấu trúc khép kín này, điều khiển phản hồi còn được gọi là điều khiển vòng kín

Bộ điều khiển được chia thành hai phần chính như sau:

- Một là dựa vào những kết quả từ quá trình xử lý ảnh điều khiển hệ pan – tilt xoay camera bám theo đối tượng và giữ cho dấu đối tượng luôn nằm chính giữa mặt phẳng ảnh

- Hai là lấy những giá trị đo được từ hệ camera và pan – tilt điều khiển legged robot di chuyển theo dấu đối tượng sao cho sai số dần tiến về zero.

Mô hình hóa

Theo mô hình chuyển động của mobile robot trên mặt phẳng như hình 3.1, có ba hệ tọa độ descartes được sử dụng Hệ tọa độ thứ nhất là hệ tọa độ tham chiếu gắn với mặt đường robot đang di chuyển (Oxy) còn gọi là hệ tọa độ tham chiếu cố định Hệ tọa độ này dùng để xác định vị trí của robot so với mặt đất Hệ tọa độ thứ hai là hệ tọa độ địa phương gắn liền với mọi chuyển động của robot Đây là hệ tọa độ tham chiếu tức thời tại mọi vị trí của robot Hệ tọa độ này chuyển động tương đối so với hệ tọa độ Oxy Hệ tọa độ thứ ba là hệ tọa độ được gắn trên đối tượng để robot xác định vị trí và bám theo v r θ r

Hình 3.1: Mô hình robot bám theo đối tượng : tọa độ của robot trong mặt phẳng Oxy

: tọa độ của đối tượng trong mặt phẳng Oxy

: góc định hướng của đối tượng so với trục hoành

: góc định hướng của mobile robot so với trục hoành

: khoảng cách từ mobile robot tới điểm nhận diện của đối tượng

: vận tốc góc của robot

: vận tốc dài của robot

: vận tốc góc của đối tượng

: vận tốc dài của đối tượng

: góc lệch giữa robot và đối tượng

: điểm đặt Cmu camera trên robot

Với là khoảng cách xác định ban đầu

Phương trình động học của mobile robot đã được nghiên cứu bởi các công trình trước đây [18] Vận tốc được biểu diễn như sau:

] [ ] (3.1) Điều khiển robot bám theo điểm mục tiêu R di chuyển trên đường với vận tốc tham chiếu như sau:

Vecto sai số [ ] giữa legged mobile robot di chuyển theo mục tiêu R được xác định như sau:

] (3.5) Đạo hàm sai số ta được như sau: ̇ [ ̇̇̇

Phương trình (3.1) chỉ là phương trình động học tổng quát cho các loại mobile robot Để thực hiện bộ điều khiển chính xác ta phải biết được mô hình gần với đối tượng được điều khiển Mô hình động học legged mobile robot được thể hiện rõ trong việc làm rõ quan hệ vận tốc dưới đây

3.3.2 Tính toán quan hệ vận tốc Để xác định các thành phần động học của mobile robot ta giả sử đặt nó làm việc trong một mặt phẳng gắn liền với mặt đất như hình 3.1

Hình 3.2: Sơ đồ quan hệ vận tốc của robot

Gọi I là tâm quay tức thời của mobile robot trong khoảng thời gian , khoảng cách giữa hai chân là 2b , là vận tốc chân bên trái, chân bên phải và vận tốc trọng tâm của mobile robot Vận tốc góc của mobile robot quanh tâm I đước xác định như sau:

Từ các phương trình ta có:

Trị số thể hiện bán kính cung tròn mà mobile robot sẽ thực hiện với vận tốc Để robot đi thẳng thì khi đó nghĩa là giá trị vận tốc của hai chân phải bằng nhau Robot rẽ phải, rẽ trái hay di chuyển theo một cung tròn với bán kính bất kỳ ta chỉ cần thiết lập giá trị vận tốc cho phù hợp với các công thức trên Để tính toán vận tốc dài của legged mobile robot theo vận tóc góc động cơ mỗi chân, trước tiên ta khảo sát động học cơ cấu cơ cấu chân và xác định quỹ đạo di chuyển của bàn chân Mục đích của phân tích này là tìm ra mối quan hệ giữa vận tốc dài và vận tốc góc của mỗi chân Theo phương án cơ khí đặt ra robot có mười hai chân, quỹ đạo các chân chuyển động giống nhau về mặt động học nên ta phân tích rõ nét một chân rồi dựa vào đó tính toán chuyển động của robot Thông số các khâu của cơ cấu chân robot dựa trên các nghiên cứu trước được thể hiện trong bảng sau [10]: Đơn vị đo

Bảng 3.1: Thông số các khâu của cơ cấu chân robot

Cơ cấu này lấy ý tưởng từ quá trình nghiên cứu về strandbeest của nhà điêu khắc Theo Jansen [11] mà kỹ sư Phạm Trường An đã hiện thực hóa thành cơ cấu chân robot di chuyển theo một quỹ đạo xác định trước Nguyên lý hoạt động của cơ cấu như hình vẽ 3.3

Hình 3.3: Biểu diễn vòng vecto của mười hai khâu

Cơ cấu mười hai khâu được tạo bằng nhiều cơ cấu bốn khâu bản lề Cơ cấu bốn khâu bản lề đầu tiên bao gồm các khâu ABCD trong đó khâu 1 là khâu giá và tay quay là thanh AB, cơ cấu bốn khâu bản lề thứ hai là ABHD Khâu 5, 6, 7 và 44 tạo thành chuỗi bốn thanh Khâu 4, 5 và 8 tạo thành cơ cấu ba thanh quay quanh điểm D cố định, khâu 6, 66 và 9 tạo thành cơ cấu ba thanh khác , và quỹ đạo điểm P được xem như là chân robot , tên gọi các khâu và điểm cho trên hình 9 Tọa độ các điểm được xác định như sau:

Chọn điểm A đặt tại gốc tọa độ Oxy: A(0, 0)

Xét 4 khâu bản lề ABCD ta có thể viết phương trình vòng vecto của bốn khâu được xác định như sau:

⃗⃗ ⃗⃗⃗ ⃗⃗⃗ ⃗⃗⃗ (3.8) Chiếu lên các trục tọa độ Ox và Oy như sau:

(3.9) (3.10) Phương trình (3.4) và (3.5) có thể viết lại như sau:

Lấy tổng bình phương hai vế của phương trình ta được phương trình tương đương như sau:

Khai triển phương trình ta được

Rút gọn phương trình ta được phương trình sau:

Phương trình được đưa về dạng sau:

Với: Để giải phương trình (3.6) ta đặt biến như sau:

Phương trình bậc hai trên có hai nghiệm:

[( √ ) ] Viết lại phương trình (3.4) và (3.5) ta được:

Lấy tổng bình phương hai vế của phương trình ta được phương trình tương đương như sau:

Sau khi rút gọn phương trình trên ta được phương trình: Đưa phương trình trên về dạng (3.6):

Ta có vuông có góc ̂ , ba thanh CD, DE và CE tạo thành liên kết cứng nên góc được xác định như sau:

Tương tự Xét 4 khâu bản lề ABHD ta có thể viết phương trình vòng vecto của bốn khâu được xác định như sau:

Chiếu lên các trục tọa độ Ox và Oy như sau:

(3.11) (3.12) Phương trình (3.7) và (3.8) có thể viết lại như sau:

(3.14) Lấy tổng bình phương hai vế của phương trình (3.9) và (3.10) ta được phương trình tương đương như sau:

Sau khi rút gọn ta được phương trình sau:

Ta đưa phương trình trên về dạng (3.6):

[( √ ) ] Tương tự từ phương trình (3.7) và (3.8) ta có:

(3.16) Lấy tổng bình phương hai vế của phương trình (3.11) và (3.12) ta được phương trình tương đương như sau:

Sau khi rút gọn phương trình trên ta được phương trình:

[( √ ) ] Xét bốn thanh DEFH khi biết giá trị chiều dài các cạnh và góc thì ta tìm được giá trị các góc Phương trình vòng vecto của bốn khâu được xác định như sau:

Chiếu lên trục tọa độ Oxy ta được phương trình sau:

Ta có phương trình tương đương với (3.13) và (3.14)

(3.19) (3.20) Lấy tổng bình phương hai vế của phương trình (3.15) và (3.16) ta được phương trình tương đương như sau:

Sau khi rút gọn phương trình trên ta được phương trình:

Phương trình trên có dạng:

Sử dụng những kết quả này ta viết một đoạn code chạy trên phần mềm Matlab thì dễ dàng tìm được quỹ đạo điểm P khi góc thay đổi từ

Từ đó ta tìm được mối quan hệ gần đúng của điểm P và

Kết quả mô phỏng quỹ đạo điểm P theo góc trên phần mềm Matlab:

Hình 3.4: Đồ thị quỹ đạo kết hợp ba chân robot

Từ dữ liệu từ Workspace matlab ta có tập hợp các tọa độ của và theo theta như hình vẽ

Hình 3.5: Đồ thị hàm bậc hai và bậc ba của theta theo Px Phương trình bậc hai gần đúng:

Phương trình bậc ba gần đúng:

(3.21) Qua hình 3.5 ta thấy đồ thị hàm số bậc ba gần đúng với quỹ đạo chuyển động hơn hàm số bậc hai [21]

Giải phương trình trên ta được tập hợp nghiệm sau:

Vận tốc của điểm được thể hiện như sau: ̇ (3.22)

Quan hệ giữa theta và tọa độ :

Hình 3.6: Đồ thị hàm bậc nhất và bậc hai của theta theo Py

Phương trình bậc hai gần đúng:

Phương trình bậc ba gần đúng:

Từ các đồ thị trên ta thấy, để chân robot tiếp xúc với mặt đất thì các giá trị phải là thấp nhất Trên đồ thị tọa độ theo trục tung của bàn chân robot dao động (-125 đến -122) khoảng 3mm

Hình 3.8: Quỹ đạo chuyển động ba chân robot theo trục hoành Theo đồ thị ta thấy khoảng dịch chuyển tức thời của một chân robot đi trên mặt đất liên tục là:

Cơ cấu chân của robot hoạt động bởi động cơ có vận tốc góc là omega

Với n là số vòng quay của động cơ trong một phút Xét tại thời điểm t có n = 1, ta xác định được khoảng dịch chuyển tức thời của robot như sau

Vì ta điều khiển vị trí và vận tốc của legged mobile robot thông qua điều khiển hai động cơ kéo mỗi chân robot nên ta xem như vận tốc tức thời của mỗi chân robot bằng với vận tốc của bánh xe nào đó được tìm như sau:

Vậy vận tốc dài một chân của legged mobile robot gần bằng với vận tốc dài của một bánh xe có bán kính

Mối quan hệ giữa vận tốc dài, vận tốc góc của legged mobile robot và vận tốc góc của bánh xe như sau:

Xác định sai số

Điều khiển robot có thị giác được sử dụng để theo dõi các mục tiêu di động được ứng dụng nhiều trong lĩnh vực robot công nghiệp và an ninh quốc phòng Hệ thống hoạt động dựa trên nguyên lý phản hồi hình ảnh (visual servoing) từ camera [15] Đây là vấn đề được nhiều người nghiên cứu vì nó đi sâu vào khám phá các nguyên lý nhận dạng và điều khiển hành vi giống như việc con người hành động dựa trên quan sát từ thị giác Các thông tin từ ảnh nhận được qua camera được dùng để tạo ra tín hiệu điều khiển robot chuyển động Việc phát hiện các đối tượng di chuyển trong khung ảnh đã được áp dụng qua nhiều nghiên cứu trước đây [16]

Từ những ứng dụng của phương pháp xử lý ảnh [24] ta có thể xác định được vị trí tâm của đối tượng bởi vecto [ ] như hình 3.9 Trong luận văn này, mục tiêu chính là điều khiển legged mobile robot di chuyển theo đối tượng với hướng và khoảng cách được xác định trước Đồng thời giữ cho dấu vật thể luôn luôn ở vị trí mong muốn có tọa độ

[ ] ngay chính giữa khung hình Sai số được thể hiện bởi vecto [ ], các thông số này có thể dễ dàng đo được bằng cách sử dụng cmu camera [28] Đây là một sản phẩm của quá trình nghiên cứu giữa đại học Carnegie và phòng thí nghiệm Charmed

Pixy sử dụng một thuật toán lọc màu dựa trên phát hiện các đối tượng trong ảnh từ camera Phương pháp này rất phổ biến vì chúng được xử lý nhanh chóng, hiệu quả và tương đối mạnh mẽ Hầu hết chúng ta đã quen thuộc với RGB (red, green, and blue) để đại diện cho màu sắc Pixy tính màu và độ bão hòa của mỗi điểm ảnh RGB từ các cảm biến hình ảnh và sử dụng các thông số lọc sơ cấp Màu sắc của một đối tượng phần lớn không thay đổi trong những điều kiện ánh sáng khác nhau Nhưng cường độ ánh sáng có thể ảnh hưởng đến chất lượng hình ảnh camera thu được làm cho hình bị bể hoặc chất lượng kém Khả năng lọc màu của pixy khá mạnh trong những điều kiện ánh sáng thay đổi ít

Các thông số kỹ thuật như sau: chip xử lý: Nxp lpc4330, 204 Mhz, lõi kép, cảm biến hình ảnh: omnivision 9715, độ phân giải 1280x800, lens field- of-view: 75 degrees horizontal, 47 degrees vertical, loại lens chuẩn M12, nguồn vào usb hoặc nguồn ngoại vi từ 6 – 10 Vdc), ram: 264 Kb, flash: 1Mb, hỗ trợ nhiều chuẩn giao tiếp với vi xử lý như Uart serial, Spi, I2c, Usb, digital, analog, kích thước: 50x54x2mm, trọng lượng 27g

Pixymon là một ứng dụng chạy trên windows, mac và linux cho phép ta xem những gì pixy đang thấy Những hình ảnh đó có thể xem trực tiếp hoặc là xem tín hiệu đã qua xử lý Nó cũng cho phép ta hiệu chỉnh dễ dàng các thông số hình ảnh và thiết lập các cổng đầu ra cho camera

Hình 3.11: Giao diện hiệu chỉnh thông số Pixymon Pixymon giúp ta dễ dàng lựa chọn các màu sắc để theo dõi, nó có thể phân biệt cùng lúc bảy màu sắc khác nhau

Hình 3.12: Giao diện pixymon chọn màu sắc

Hình 3.13: Giao diện pixymon nhận diện đối tượng

Hình 3.14: Diện tích màu sắc nhận diện

Khoảng cách từ camera đến đối tượng được xác định thông qua diện tích nhận diện bằng công thức :

Với là diện tích của đối tượng khi di chuyển là diện tích đối tượng lưu trong ảnh là tiêu cự của camera.

Bộ điều khiển pan – tilt camera

Cơ cấu pan – tilt dùng để di chuyển camera hướng theo đối tượng và giữ cho dấu đối tượng luôn nằm chính giữa mặt phẳng ảnh thu được từ camera Cơ cấu gồm hai khớp xoay bao gồm hai khâu: khâu

1 có chiều dài ( cm), và khâu 2 có chiều dài cm) khối lượng g), g) giả sử khớp quay 1 quay góc ,

Hình 3.15: Nguyên lý hoạt động của hệ pan - tilt

Dựa vào hệ trục tọa độ trên, ta xác định thông số bảng D-H như sau: Khâu

Bảng 3.2: thông số bảng D-H hệ pan - tilt

Ma trận chuyển vị có dạng:

Do đó từ phương trình (3.24) ta có:

Ta có hệ phương trình động học của Robot như sau: nx= ; ny= ; nz= ;

Từ ma trận trên ta suy ra vị trí của tọa độ cuối khi biết hai góc quay và thỏa mãn hệ phương trình:

Từ phương trình (3.25) suy ra:

Lấy tổng bình phương hai vế hệ phương trình (3.25) ta được:

Từ phương trình (3.28) ta thấy vùng không gian hoạt động của hệ pan -

Dựa vào phương trình 3.26, 3.27 và 3.28 ta dễ dàng tìm được tọa độ của camera khi biết hai góc quay , và ngược lại Đồng thời có thể kiểm chứng kết quả mô phỏng động học bằng phần mềm simulink

Hình 3.16: Sơ đồ khối mô phỏng hệ pan – tilt Trường hợp 1: Giữ cố định góc và thay đổi góc cho điểm cuối camera di chuyển ở góc phần tư thứ (III) và thứ (IV) trong mặt phẳng Oxy Ta thấy giá trị Z không đổi là , giá trị X và Y dao động trong vùng từ [ ]

Hình 3.17: Đồ thị mô phỏng vị trí camera trường hợp 1

Trường hợp 2: Giữ cố định góc và thay đổi góc theo chu kỳ thì quỹ đạo điểm làm việc của camera là đường tròn trong mặt phẳng OXZ, khi đó X dao động trong khoảng [ ] và Z dao động trong khoảng [ ], giá trị Y không đổi và bằng không

Hình 3.18: Đồ thị mô phỏng vị trí camera trường hợp 2 Trường hợp 3: Cho góc và góc thay đổi đồng thời theo chu kỳ thì tọa độ điểm làm việc của camera thay đổi có tọa độ XYZ như đồ thị

Hình 3.19: Đồ thị mô phỏng vị trí camera trường hợp 3

Từ phương trình (3.25) ta có:

2 2 cos * cos cos *sin sin sin * cos sin *sin cos sin cos 0

Với (g = 9.8 m/s²) là gia tốc trọng trường, F là lực tác động làm chuyển động cơ cấu, ta có vận tốc góc khâu 1 và khâu 2:

0 *sin cos sin 0 0 sin cos 0 0 * cos

Vận tốc dài khâu 1 và khâu 2:

Gia tốc góc khâu 1 và khâu 2:

Do đó đối với khâu 1(i=1) ta có:

Gia tốc dài khâu 1 và khâu 2:

Lực và momen quán tính tác động lên khâu i:

Giả sử sự phân bố khối lượng tập trung tại mỗi điểm của khâu, và ngoại lực tác dụng là 0, nên ta được:

Phương trình chuyển động của khâu:

      Áp dụng công thức tính toán, ta có kết quả:

           Động năng và thế năng của khâu 1:

   Động năng và thế năng của khâu 2:

Momen tác động lên khâu 1 :

Momen tác động lên khâu 2:

Hình 3.20: Mô hình bộ điều khiển pan - tilt Kết quả mô phỏng:

Hình 3.21: Đáp ứng khi góc quay một góc 90 độ với ,

Hình 3.22: Đáp ứng khi góc quay một góc 90 độ với ,

Hình 3.23: Đáp ứng khi góc quay một góc 45 độ với ,

Qua ba đồ thị trên ta thấy thời gian đáp ứng góc xoay nhỏ hơn 1s, sai số của góc dao động độ.

Bộ điều khiển robot di chuyển

Mục tiêu để thiết kế là điều khiển legged mobile robot di chuyển bám theo dấu đối tượng di chuyển với vận tốc không đổi đồng thời giữ khoảng cách và góc lệch được xác định trước Phương di chuyển của robot phải nằm trên đường thẳng nối robot và đối tượng

Hình 3.24a: Cấu trúc bộ điều khiển robot Vậy để thiết kế bộ điều khiển mobile robot bám theo đối tượng trước tiên ta phải giải quyết bài toán điều khiển robot từ một vị trí ban đầu G[0 0 0] đến vị trí [x y α] Và sau đó tiếp tục điều khiển mobile robot di chuyển từ [x y α] đến [ ] rồi đến [ ] với một thời gian lấy mẫu xác định Để thực hiện bộ điều khiển này ta có thể dùng phương pháp áp dụng các công thức dời trục tọa độ

Hình 3.24: Vị trí di chuyển của robot theo thời gian Sai lệch của robot với mục tiêu được thể hiện bởi vecto e

Với là sai số về khoảng cách: , là sai số góc giữa phương của robot và đối tượng: Để thực hiện các yêu cầu trên, luận văn đề xuất thiết kế bộ điều khiển hồi tiếp có thể đáp ứng các yêu cầu và Cấu trúc của bộ điều khiển được thể hiện như hình vẽ

Chiếu lên hệ tọa độ Oxy ta có thể tách có quan hệ sau:

Sai lệch vị trí của robot theo phương trình (3.5) được viết lại như sau:

] (3.30) Đạo hàm sai số ta được như sau: ̇ ̇ ̇ Bây giờ ta đặt tín hiệu điều khiển vào

Ta thấy thành phần đi với e tuyến tính theo thời gian còn hai thành phần kia biến đổi phi tuyến Tuyến tính hóa sai số động học theo mục tiêu điều khiển [20] ta được: ̇ [ ] [ ] ( ) Để bộ điều khiển đáp ứng yêu cầu và , một số công trình nghiên cứu trước đây đã chứng minh hệ thống hoạt động ổn định với hàm Lyapunov [22] như sau:

Tính đạo hàm ̇ ̇ ̇ ̇ Để ̇ ta chọn luật điều khiển như sau:

Vì vậy tín hiệu điều khiển phản hồi được xác định như sau:

Chọn các hệ số thường là nghiệm của phương trình đặc trưng thêm vào để hệ thống được ổn định ), với , và điều kiện

Quá trình mô phỏng chuyển động của legged mobile robot bám theo dấu đối tượng sẽ áp dụng trong hai trường hợp Một là điều khiển robot di chuyển đến gần đối tượng với khoảng cách nhất định và trong lúc này đối tượng đứng yên tại chỗ Trường hợp thứ hai là mô phỏng robot bám theo đối tượng giữ khoảng cách cố định mà đối tượng sẽ di chuyển theo một quỹ đạo và vận tốc xác định trước

Khi đối tượng đứng yên, robot đang ở cách xa đối tượng phải tiến lại gần đối tượng để dễ dàng theo dõi Trong trường hợp này cảm biến sẽ nhận diện đối tượng, tính toán sai số và robot di chuyến đến gần đối tượng Giả sử vị trí ban đầu của robot là [0 0 0] và tọa độ tiếp cận

Hình 3.25: Đồ thị mô phỏng robot di chuyển trong mặt phẳng

Hình 3.26: Đồ thị sai lệch khoảng cách giữa robot và đối tượng

Qua các đồ thị ta thấy khi robot di chuyển tiến về phía đối tượng thì các sai số dần tiến về zero, thời gian đáp ứng 10s

Hình 3.27: Đồ thị sai lệch góc giữa robot và đối tượng

Mô phỏng robot bám theo đối tượng giữ khoảng cách cố định mà đối tượng sẽ di chuyển theo một quỹ đạo và vận tốc xác định trước với các thông số như sau: (m/s), d = 0.25 m, , ,

Hình 3.29: Đồ thị sai lệch khoảng cách, góc giữa robot và đối tượng

Hình 3.30: Đồ thị sai lệch khoảng cách, góc giữa robot và đối tượng Qua các hình 3.25 - 3.30 các kết quả mô phỏng cho ta thấy thời gian đáp ứng sai lệch góc khoảng 3s, sai lệch khoảng cách khoảng 7s Với các vị trí xác định thì robot di chuyển khá linh hoạt Sai số của robot khi đối tượng chuyển hướng dao động khá lớn.

THỰC NGHIỆM

Mô hình robot thực nghiệm

Các chân và khung robot được chế tạo bằng vật liệu nhôm, gia công bằng phương pháp phay CNC Robot có kích thước 320x230x270 mm, nguyên lý hoạt động cơ cấu chân được thể hiện như hình 2.3

Hình 4.1: Mô hình legged mobile robot bám theo đối tượng

Ta tiến hành tính công suất của động cơ truyền động cho legged robot di chuyển trong trường hợp nó chịu tải lớn nhất, tức là lúc Robot leo lên dốc có độ nghiêng lớn nhất

Phân tích lực tác dụng lên cơ cấu di chuyển của Robot trong hình 4.2 như sau:

: Vận tốc di chuyển của Robot,

: Lực cản do trọng lượng robot,

: Lực ma sát, , với f là hệ số ma sát phụ thuộc tính chất đường đi

: Lực kéo của động cơ Để robot có thể chuyển động thì:

Vì Robot dùng 2 động cơ để truyền cho 2 chân nên ta có công suất cần thiết của mỗi động cơ:

Moment khởi động cần thiết của động cơ: ⁄ ⁄

Theo các tính năng kỹ thuật ban đầu của Robot, ta có:

Góc nghiêng tối đa của địa hình:

Vận tốc tối đa của Robot:

Lấy hệ số ma sát của cơ cấu chân với mặt nền:

Từ phương trình công suất ta được:

Khi tải thêm acquy 12V-7.5Ah (4kg/bình)

Từ đó ta chọn động cơ có công suất phải lớn hơn 9,7 W là phù hợp Tsukasa công suất 10W – 24 VDC, tốc độ 280 vòng / phút

Tốc độ di chuyển tối đa của robot là 0.1m/s, ta cần có số vòng quay bánh đai là:

Tỉ số truyền của bộ truyền đai:

4.1.2 Mô hình mạch điện và điều khiển

Vi điều khiển trung tâm Arduino mega 2560 R3 [29] được sử dụng chip ATmega2560 cho tốc độ cao, số chân kết nối ngoại vi nhiều Board có cấu trúc chân tương thích với các board Uno và chạy điện áp 5Vdc Có 54 đầu vào/ đầu ra, trong đó 15 đầu ra pwm, 16 đầu vào analog, 4 uarts ( cổng nối tiếp phần cứng ), một thạch anh dùng để tạo xung clock 16 Mhz dao động tinh thể, kết nối usb, một jack cắm điện 7 – 12 Vdc, một đầu Icsp , và một nút reset Chứa tất cả mọi thứ cần thiết để hỗ trợ các vi điều khiển, chỉ cần kết nối với máy tính bằng cáp usb hoặc sử dụng với một bộ chuyển đổi AC - DC hay pin Arduino Mega tương thích với hầu hết các shield được thiết kế cho flash để lưu trữ mã (trong đó có 8 kb được sử dụng cho bộ nạp khởi động), 8 kb sram và 4 kb của eeprom Arduino thật ra là một bo mạch vi xử lý được dùng để lập trình tương tác với các thiết bị phần cứng như cảm biến, động cơ, đèn hoặc các thiết bị khác Đặc điểm nổi bật của Arduino là môi trường phát triển ứng dụng dễ dàng, với một ngôn ngữ lập trình có thể học một cáchnhanh chóng Và điều làm nên hiện tượng arduino chính là mức giá rất thấp và tính chất nguồn mở từ phần cứng tới phần mềm

Hình 4.2: Vi điều khiển Arduino Mega 2560

Mạch điều khiển động cơ Lmd 18200: driver này được sử dụng để điều khiển động cơ có sẵn mạch cầu H bên trong, có thể chịu được dòng điện đến 3A, hoạt động ở mức điện áp lên tới 55V Để điều khiển tốc độ động cơ ta cấp cho driver Lmd 18200 xung pwm vào chân pwm Động cơ đảo chiều bằng cách ghi hoặc xóa điện áp 5V ở chân direction Muốn động cơ dừng ta xóa tín hiệu ở chân brake

Cảm biến camera cmucam dùng để xác định khoảng cách và góc lệch để legged mobile robot hoạt động Camera được gá trên một đế pan-tilt (hình 4.3) hai bậc tự do điều khiển bởi motor servo giúp cam dễ dàng bám theo đối tượng và giữ đối tượng luôn nằm chính giữa khung ảnh

Hình 4.3: Pixy cmucam5 và pan-tilt

Hình 4.4: Sơ đồ điều khiển driver Lmd18200 Driver có thành phần cách li là sáu opto Pc817 cách ly mạch điều khiển và module công suất nhằm tránh sự quá áp hay dòng điện là hư vi điều khiển Mỗi bên driver có ba cổng logic để nắn tín hiệu ngõ vào pwm.

Khảo sát khả năng giữ thăng bằng của robot

Di chuyển trên bề mặt bằng phẳng là trường hợp đơn giản nhất để ta xác định khả năng giữ thăng bằng của robot

Xét sơ đồ động học đơn giản của một legged mobile robot gồm bốn chân (hai chân trước và hai chân sau) Gọi G là trọng tâm của robot , và tiếp xúc với mặt đường P và là trọng lực và lực quán tính của robot và là khoảng cách từ chân trước và chân sau đến trọng tâm theo phương ngang, là khoảng cách giữa chân trước và chân sau, là khoảng cách từ trọng tâm đến điểm tiếp xúc mặt đường của chân theo phương thẳng đứng

Xét lực tác dụng của legged mobile robot lên mặt đường theo phương thẳng đứng và moment quanh điểm B ta có:

Giả sử mobile robot di chuyển với vận tốc không đổi, khi đó ta tính được phản lực , từ công thức (4.1) và (4.2) như sau: l 1

Hình 4.5: Sơ đồ biểu diễn lực theo hình chiếu đứng

Theo hình 4.5 khoảng cách giữa chân trước và chân sau là Các giá trị và , sẽ thay đổi khi robot di chuyển Nếu tay quay làm việc theo chiều ngược chiều kim đồng hồ tiến gần về phía chân sau thì trọng tâm G sẽ lùi về phía chân sau Khi đó giá trị tăng lên và giảm Ngược lại khi tay quay gần về chân trước thì trọng tâm G thay đổi tiến dần về phía chân trước Để legged mobile robot luôn giữ thăng bằng theo như hình chiếu đứng thì véc tơ P luôn nằm giữa khoảng véc tơ và

Tương tự ta xét sơ đồ biểu diễn lực mặt trước của robot theo hình chiếu cạnh như sau:

Hình 4.6: Sơ đồ biểu diễn lực mặt trước theo hình chiếu cạnh Phản lực được phân bổ cho hai chân trước là chân bên trái và chân bên phải Xét lực tác dụng theo phương thẳng đứng:

Moment quanh điểm L (mặt trước):

Từ công thức (4.3) và (4.4) ta có:

Với và là khoảng cách từ chân trước bên phải và chân trước bên trái đến trọng tâm theo phương ngang, là khoảng cách giữa chân trước bên phải và chân trước bên trái:

Tương tự xét sơ đồ biểu diễn lực mặt sau robot theo hình chiếu cạnh:

Hình 4.7: Sơ đồ biểu diễn lực mặt sau theo hình chiếu cạnh Tương tự như trên, phản lực được phân bổ cho hai chân sau là chân bên trái và chân bên phải Xét lực tác dụng theo phương thẳng đứng:

Moment quanh điểm L (mặt sau):

Từ công thức (4.5) và (4.6) ta có:

Trong quá trình chuyển động, các nhóm chân bên trái và bên phải của robot sẽ lần lượt chạm đường Theo hình 4.7, khi chân ngoài cùng bên trái tiếp xúc với mặt đường thì chân trong cùng bên phải cũng chạm mặt đất Lúc này trọng tâm dịch chuyển dần về phía chân phải Ngược lại trọng tâm robot sẽ dịch chuyển dần về phía chân trái như hình 4.6 Vậy để legged mobile robot luôn giữ thăng bằng theo như các hình chiếu cạnh thì trọng tâm robot phải luôn nằm giữa khoảng véc tơ phản lực của chân phải và chân trái.

Lưu đồ giải thuật chương trình

Giải thuật cho legged mobile robot bám theo dấu vật cho trước được thực hiện nhờ hai chương trình Một là chương trình điều khiển hệ pan - tilt bằng hai motor servo giúp camera pixy cmucam5 di chuyển theo đối tượng và giữ dấu đối tượng luôn nằm chính giữa khung ảnh Hai là chương trình chính được thực hiện trên vi điều khiển Arduino mega 2560 Đây là bộ điều khiển vị trí và vận tốc di chuyển robot đi đến mục tiêu với sai số nhỏ nhất Chương trình này sẽ tính toán các sai số về khoảng cách và góc lệch để xuất các giá trị pwm điều khiển cho hai động cơ DC ở hai chân robot

Mã nguồn của chương trình xem phụ lục C

Kiểm tra tín hiệu nhận từ Cmu camera (màu sắc, diện tích) tắt các kênh pwm

Khởi động các module ADC, SPI, I2C, PWM

Nhận tín hiệu nhận từ Cmu (xác định các sai lệch d và  ) xuất pwm điều khiển pantilt

Kích xung pwm điều khiển

2 động cơ chân di chuyển robot

Ngắt các xung pwm d = 0 và   0 d # 0 và  # 0

Hiển thị sai lệch lên Lcd qua I2C

Hình 4.8: Lưu đồ giải thuật điều khiển legged mobile robot

Tiến hành thực nghiệm và so sánh kết quả

Tiến trình thực hiện thí nghiệm: Cho một robot bám line chạy theo quỹ đạo xác định trước và legged robot bám theo một quả bóng màu được gắn trên robot bám line Bật nguồn điện, reset cảm biến và vi điều khiển trên robot Cho cmucam nhận diện màu sắc đối tượng với một khoảng cách d = 0.5 m Cho robot bám line di chuyển trước sau đó để legged robot hoạt động bám theo và ghi nhận các kết quả để vẽ đồ thị

Các giá trị kết quả thu thập từ màn hình lcd 1602 được gắn trên legged robot Khi không nhận diện được dấu cơ cấu pan – tilt sẽ quét hình ảnh xung quanh với thời gian 3s một lần

Hình 4.9: Đồ thị quỹ đạo di chuyển của robot

Hình 4.10: Đồ thị sai số khoảng cách khi robot di chuyển theo quỹ đạo

Hình 4.11: Đồ thị sai số góc lệch khi robot di chuyển theo quỹ đạo

Qua hình 4.9, 4.10, 4.11 ta thấy các sai số khoảng cách và góc lệch khi robot di chuyển theo đối tượng dần tiến về zero và luôn dao động xung quanh điểm này Độ vọt lố khoảng 3 – 5% Qua quá trình nghiên cứu ta thấy: trong môi trường mô phỏng thì sai lệch khoảng cách dần hội tụ về zero trong khoảng thời gian 6 – 8 giây (hình 3.26) trong khi đó kết quả thực nghiệm là

12 – 15 giây và luôn dao động xung quanh điểm zero Sai lệch về góc trong mô phỏng hội tụ về zero khoảng 2 giây còn thực nghiệm là 5 giây và luôn dao động xung quanh điểm zero Bên cạnh đó nếu kết quả sai số thực nghiệm không hội tụ hoặc không dao động quanh điểm zero thì legged sẽ không bám theo được đối tượng và ta phải tính toán thiết kế lại bộ điều khiển

Qua đó khi điều khiển legged robot ta cần lưu ý một số vấn đề sau:

Tốc độ di chuyển của legged robot không cao như di chuyển bằng bánh xe, khả năng tăng tốc chậm Nguyên nhân do chân robot có kết cấu phức tạp: nhiều khâu, nhiều khớp, dễ dao động khi tăng tốc đột ngột, tổn hao ma sát rất nhiều Trong quá trình sử dụng phải thường xuyên kiểm tra bôi trơn các khớp Nếu muốn legged robot di chuyển với vận tốc cao cần phải tính toán thiết kế lại các cơ cấu, các không sao cho quỹ đạo bước chân dài hơn vì độ dài bước chân tỷ lệ với vận tốc

Legged robot có khả năng di chuyển trên một số địa hình phức tạp như: trên cát, đường lầy lội trơn trượt, gồ gề …Nhưng legged robot chỉ hoạt động linh hoạt trong giới hạn của quỹ đạo và độ dài chân đã thiết kế chứ không phải địa hình nào legged robot cũng hoạt động được Để đảm bảo khả năng giữ thăng bằng trọng tâm luôn phải nằm trong lòng mặt phẳng tạo bởi các chân robot, ngoài phạm vi này robot sẽ hoạt động không ổn định

Legged robot sử dụng camera để quan sát, bám theo đối tượng nên trong điều kiện thiếu hoặc thừa ánh sáng thì robot khó nhận diện được đối tượng Thực nghiệm cho thấy khi legged robot di chuyển trên địa hình gồ ghề thì đáp ứng của robot chậm hơn trên địa hình bằng phẳng do dao động về địa hình khiến các sai lệch dao động tăng lên

Hình 4.12: Thực nghiệm robot di chuyển trên một số địa hình.