Với công nghệ máy tính và thông tin liên lạc ngày càng phát triển, các nhà du hành vũ trụ có thể lơ lửng trong một trạm không gian ngoài quỹ đạo của Mặt Trăng hoặc sao Hỏa và chỉ huy rob
Trang 1ROBOT IoRT THÁM HIỂM VŨ TRỤ
I XÁC ĐỊNH VẤN ĐỀ:
Khám phá vũ trụ luôn là khát khao của con người để tìm hiểu về thế giới bên ngoài Trái Đất Trong hành trình đó, con người đã phát hiện ra những vật thể quan trọng trong vũ trụ, đánh dấu những thành tựu đỉnh cao của trí tuệ và vượt
xa trí tưởng tượng của con người
Với đa số mọi người, thám hiểm nghĩa là con người phải đi những hành trình dài – như chuyến đi của thuyền trưởng James Cook khám phá các hòn đảo Thái Bình Dương, hay khi Robert Peary và Frederick Cook cắm cờ ở Bắc Cực Những cuộc đổ bộ tàu Apollo trong thập kỉ 1960 và 1970, với lá cờ quốc kì và vết chân lịch sử, vẫn còn trong tâm trí mọi người Và chúng ta cứ hình dung rằng đây sẽ là cách con người tiếp tục khám phá các hành tinh trong tương lai Với công nghệ máy tính và thông tin liên lạc ngày càng phát triển, các nhà du hành vũ trụ có thể lơ lửng trong một trạm không gian ngoài quỹ đạo của Mặt Trăng hoặc sao Hỏa
và chỉ huy robot bằng bộ điều khiển từ xa Những robot này
có thể chạy, bay, khoan, đào, múc, và thu thập vật liệu nhanh hơn, chính xác hơn những thiết bị hiện có ở Trái đất
Bộ não của con người kết hợp với thế mạnh của những robot này – những camera và dụng cụ tân tiến – có thể tiến hành thám hiểm hàng tháng trời, tránh cho cơ thể người phải tiếp xúc với những bệnh tật, nguy hiểm trên hành tinh
lạ Đồng thời giảm một khoảng chi phí rất lớn cho con người trong hành trình thám hiểm vũ trụ
Ngày nay cùng với sự phát triển của công nghệ 4.0, việc ứng dụng nền tảng Internet of Thing (IoT) cho các ứng dụng trong xã hội trở nên phổ biến Do đó, thiết kế Robot kết hợp với IoT cho ra đời khái niệm The Internet of Robotic Things (IoRT) trở thành xu hướng trong những năm gần đây và
Trang 2trong tương lai Công việc thiết kế Robot hiện nay không chỉ dừng lại ở sự vận hành tự động mà phải dùng để thu thập, truyền dữ liệu từ xa gửi về cho người dùng qua Internet, cũng như tương tác trực tiếp từ xa để thay thế con người thực hiện nhiệm vụ ở những nơi mà con người không thể đến Những ứng dụng điển hình như các nhà thám hiểm đi vào những nơi chưa ai đến hay dò địa hình ở những nơi có chất độc hại và bom mìn, hay phục vụ cho công tác cứu hộ khi con người gặp nguy hiểm trên hành trình đi thám hiểm
Do đó, việc chế tạo các Robot IoRT thám hiểm vũ trụ là điều hết sức cần thiết cho nhu cầu thám hiểm vũ trụ hiện nay
Đề tài tập trung giải quyết những yêu cầu của Robot IoRT thám hiểm vũ trụ Đầu tiên là thiết kế phần cứng hỗ trợ khả năng di chuyển và thị giác máy tính.Thứ hai là Xử lý ảnh và nhận dạng người và vật cản Thứ ba là khả năng xây dựng bản đồ và định vị vị trí robot trong bản đồ đã vẽ ra Cuối cùng là streaming video và điều khiển robot từ xa qua mạng internet thông qua giao diện người dùng
Một số sản phẩm Robot thám hiểm có mặt trên thị trường như hình 1
II THIẾT KẾ GIẢI PHÁP
1 Vấn đề mạng Internet ngoài vũ trụ
Mạng Internet ở ngoài vũ trụ hoạt động dựa vào một mạng lưới dò và gửi tín hiệu dữ liệu bởi các vệ tinh, giống với các
vệ tinh liên lạc mà các kỹ sư NASA ở mặt đất sử dụng để liên lạc với các phi hành gia ở trạm không gian quốc tế ISS
Và dường như họ không hề thiếu thốn bất kì đồ dùng công nghệ nào ở ngoài không gian Các phi hành gia đều có laptop làm việc, kể cả một laptop cá nhân để trong khu vực ngủ của họ để truy cập Internet ở mức giới hạn như email, dùng twitter, facebook, đọc tin tức Họ còn mang theo cả máy tính bảng để sử dụng được nhiều tác vụ khác nhau cũng như gọi video về cho gia đình và bạn bè dưới mặt đất
Trang 3Qua tìm hiểu trên Internet chúng em được biết, tín hiệu ping ở ngoài vũ trụ khá cao vì vệ tinh phải truyền tín hiệu xuống Trái Đất, mặc dù băng thông ở đây không quá tệ Để
có thể online, các phi hành gia phải kết nối vào đúng kênh tín hiệu, kênh này vốn được dùng chung với tất cả các phương tiện liên lạc khác trên trạm ISS Nó còn phục vụ cho các công việc khác, thậm chí đảm nhiệm bất cứ dữ liệu nào được gửi từ các hệ thống tàu vũ trụ đến trạm hay từ trạm xuống mặt đất Vì vậy, khi phi hành đoàn trên tạm ISS muốn thay đổi nhiệt độ hoặc tăng độ cao trạm, tất cả các tác vụ này đều phải do các kĩ sư dưới mặt đất điều khiển Hiện tại chất lượng Internet ngoài không gian rất mạnh, đó
là chuyển sang sử dụng hệ thống truyền tín hiệu bằng laser Các kĩ sư đã thử truyền một video chất lượng cao từ trạm ISS xuống mặt đất bằng tia laser Đây là cách truyền tín hiêu rất nhanh và có thể sẽ được vào sử dụng trong tương lai, NASA cho biết
2 Thiết kế Robot IoRT thám hiểm vũ trụ:
Mục tiêu chính của đề tài là xây dựng Robot IoRT với khả năng tự di chuyển và không bị va chạm cùng với khả năng giám sát và điều khiển từ xa qua mạng Internet Robot IoRT được áp dụng vào lĩnh vực thám hiểm nên đi vào những nơi nguy hiểm để thay thế con người Yêu cầu đầu tiên là khả năng tự vận hành và khả năng tránh vật cản Robot di chuyển trong môi trường nhiều vật cản nên phải có khả năng tránh vật cản tự động Dùng camera Kinect với hệ thống các cảm biến và camera đảm nhiệm vai trò xác định vật cản và tính toán khoảng cách… Để giao tiếp từ xa, Robot phải thực hiện chức năng streaming video và audio thời gian thực, một máy tính thực hiện xử lý và streaming video từ Robot đến người dùng qua mạng Đồng thời máy tính này cũng nhận lệnh điều khiển từ người dùng và truyền xuống Robot
Trang 43 Mô hình thực hiện
Người sử dụng máy tính hoặc điện thoại thông minh điều khiển Robot từ xa thông qua WebRTC Trong khi điều khiển, người dùng có thể xem được luồng video stream từ Robot trong thời gian thực Nhóm tự thiết kế và lắp ráp khung Robot với động cơ, nguồn, vi điều khiển… Khung Robot phải chịu được tải trọng của Robot và có hình dạng giúp Robot
dễ dàng di chuyển và có laptop kèm theo Laptop nhận dữ liệu từ camera và phát trực tiếp cho người dùng từ xa thông qua WebRTC Đồng thời laptop cũng thực hiên xử lý dữ liệu nhận được từ vi điều khiển để tính toán vị trí của Robot Laptop thực hiện vẽ bản đồ môi trường từ thông tin vị trí và vật cản đo được qua Kinect Sau khi có bản đồ, Robot có thể
tự di chuyển đến đích và tránh va chạm trên đường đi
4 Thiết kế phần cứng
4.1 Sơ đồ tổng quát hệ thống
Robot IoRT thám hiểm yêu cầu hệ thống có khung cơ khí, các ngoại vi và mạch điều khiển đáp ứng được yêu cầu xử lý về stream camera, tự vận hành tránh vật cản, điều khiển
tự hành từ xa Từ những yêu cầu trên, phần cứng được sử dụng gồm: khung xe, camera Kinect, vi điều khiển giao tiếp với ngoại vi và máy tính, động cơ DC bao gồm encoder, cầu
H để điều khiển động cơ, bo mạch kết nối các ngoại vi với vi điều khiển, cảm biến IMU đo góc quay của Robot, nguồn điện cấp cho hệ thống, máy tính cài đặt hệ thống ROS trên
hệ điều hành Linux như hình 4
4.2 Thiết kế phần cơ khí
Với chức năng chính của Robot là tự hành tránh vật cản, phần cứng được thiết kế với hình dạng khung xe rùa như hình 5 Với hình dạng này, Robot có thể đựa vào bán kính khung xe và khoảng cách đến những vật cản xung quanh, sau đó máy tính thực hiện thuật toán tránh vật cản để đưa
Trang 5ra quyết định di chuyển cho Robot Tải trọng chính của Robot như bảng 1
5 Lập trình giao tiếp ngoại vi với vi điều khiển
Giới thiệu về thư viện Tivaware
Tivaware là một bộ thư viện được viết bởi Texas Instrument cho phép truy cập đến những module ngoại vi của dòng vi điều khiển Tiva một cách dễ dàng Những điểm nổi bật của
bộ thư viện này là
Được viết hoàn toàn bằng ngôn ngữ C với cấu trúc hàm dễ hiểu, gợi nhớ
Sách hướng dẫn chi tiết cách sử dụng các ngoại vi ở các chế độ thông dụng
Được thiết kế để sử dụng hiệu quả về bộ nhớ và luồng xử lý
Được cập nhật thường xuyên để có thể tối ưu hóa việc sử dụng phần cứng của dòng Tiva
Từ những đặc điểm trên, việc lập trình giao tiếp cac module ngoại vi của hệ thống dựa trên cac hàm của thư viện Tivaware