Thiết kế giải thuật điều khiển thích nghi robot đá bóng

 Trên cơ sở lý thuyết, áp dụng vào việc thiết kế giải thuật điều khiển các robot thi đấu phối hợp linh hoạt với nhau trong một trận đấu.. ‘Thiết kế giải thuật điều khiển thích nghi robo

CÔNG TRÌNH ĐƯỢC HOÀN THÀNH TẠI TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP HỒ CHÍ MINH

- -oOo -

Tp HCM, ngày tháng năm 2008

NHIỆM VỤ LUẬN VĂN THẠC SĨ

Họ và tên học viên: …… NGUYỄN VĂN THỌ Giới tính : Nam

Ngày, tháng, năm sinh : 01/02/1982 … Nơi sinh : Tp.Biên Hoà Chuyên ngành : Tự động hóa Khoá (Năm trúng tuyển) : 2006

1- TÊN ĐỀ TÀI: THIẾT KẾ GIẢI THUẬT ĐIỀU KHIỂN THÍCH NGHI

ROBOT ĐÁ BÓNG 2- NHIỆM VỤ LUẬN VĂN:

 Tìm hiểu tổng quan về hệ thống robot đá bóng

 Cơ sở lý thuyết các phương pháp điều khiển thông minh

 Trên cơ sở lý thuyết, áp dụng vào việc thiết kế giải thuật điều khiển các robot thi đấu phối hợp linh hoạt với nhau trong một trận đấu

3- NGÀY GIAO NHIỆM VỤ : (Ngày bắt đầu thực hiện LV ghi trong Quyết

Lời đầu tiên, tôi xin gởi đến cha mẹ lời cảm ơn chân thành nhất vì đã nuôi nấng và dạy dỗ tôi nên người

Tôi xin chân thành cảm ơn các Thầy, Cô trong khoa Điện-Điện tử đã hỗ trợ kiến thức trong thời gian học tại trường

Tôi xin chân thành cảm ơn Thầy Hồ Đắc Lộc đã cung cấp cho tôi những

kiến thức quí báu và tận tình hướng dẫn tôi trong thời gian thực hiện đề tài

Tôi xin chân thành cảm ơn bạn bè đã luôn ủng hộ, động viên tôi trong suốt thời gian thực hiện đề tài

Trong quá trình thực hiện đề tài tôi đã cố gắng thu thập tài liệu nghiên cứu để hoàn thành luận văn, tuy nhiên không thể tránh khỏi những thiếu sót Mong nhận được sự đóng góp từ quí Thầy, Cô và bạn bè

Tháng 12 năm 2008

Học viên

Nguyễn Văn Thọ

Luận văn thạc sĩ này báo cáo kết quả thực hiện đề tài

‘Thiết kế giải thuật điều khiển thích nghi robot đá bóng’

Nội dung luận văn nhằm cung cấp cho người đọc một cái nhìn tổng quát về hệ thống robot đá bóng, trong đó bao gồm kiến thức về xử lý ảnh, truyền thông RF, vi

xử lý Trên cơ sở lý thuyết về mô hình mạng Petri, các giải thuật quy định vai trò cho các robot và các giải thuật điều khiển robot theo từng vai trò được đề xuất Kết quả của những giải thuật được thể hiện thông qua quá trình mô phỏng thi đấu giữa hai đội bóng với mỗi đội gồm ba robot bằng chương trình SimuroSot

Nội dung luận văn bao gồm 5 chương :

Chương 1: Giới thiệu tổng quan

Chương 2: Tổng quan về robot đá bóng

Chương 3: Cơ sở lý thuyết điều khiển thông minh cho robot đá bóng Chương 4: Đề xuất phương pháp thiết kế giải thuật điều khiển thích nghi

robot đá bóng Chương 5 : Kết luận và hướng phát triển

Họ và tên : NGUYỄN VĂN THỌ

Ngày, tháng, năm, sinh : 01-02-1982 Nơi sinh : Tp.Biên Hoà Địa chỉ liên lạc : 37/182, KP.3, P.Tân Mai, Biên Hoà – Đồng Nai

QUÁ TRÌNH ĐÀO TẠO :

2000 – 2005 : Học đại học, chuyên ngành Điện – Điện tử, Khoa Điện – Điện tử

trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật Tp.Hồ Chí Minh

2006 – 2008 : Học Cao học, chuyên ngành Tự Động Hóa tại trường Đại học Bách

Khoa Tp.HCM

QUÁ TRÌNH CÔNG TÁC :

2006 – đến nay : Cán bộ giảng dạy tại Khoa Điện - Điện tử, Trường Đại học SPKT

Tp.HCM

In this thesis, the adaptive control algorithm for soccer robots is introduced The proposed method was applied to develop the source code for robots and the reasonable co-operations between robots can be uesed to prove the effectiness of this algorithm In addition, the thesis also provides the readers the basic knowledge about the mobile robots, includes image processing, RF communication, micro-controller, programming skills, On the basis theoretically about Petri-net model, role ordinance algorithms and control algorithms according to ever role are proposed The effectiveness of the algorithms is shown through the simulation matches between two teams by SimuroSot program

MỤC LỤC

CHƯƠNG 1:

GIỚI THIỆU TỔNG QUAN

1.1 Mục đích nghiên cứu 2

1.2 Tổng quan các đề tài và hướng nghiên cứu đề nghị 2

1.3 Nội dung nghiên cứu 3

1.4 Giới hạn của đề tài 4

CHƯƠNG 2: TỔNG QUAN VỀ ROBOT ĐÁ BÓNG 2.1 Các giải thi đấu đá bóng giành cho robot trên thế giới 5

2.2 Tổ chức của hệ thống robot đá bóng 6

2.3 Kết cấu phần cứng của robot 8

2.3.1 Khối truyền thông RF 11

2.3.2 Thiết lập ID cho robot 13

2.3.3 Khối nguồn 16

2.3.4 Khối vi điều khiển 17

2.3.5 Khối động cơ DC và các thành phần phụ trợ 18

2.4 Xử lý ảnh 22

2.4.1 Ảnh nhị phân 24

2.4.2 Các tính chất hình học 26

2.4.3 Giới thiệu về card MyVision 99 32

2.5 Quy hoạch quỹ đạo 42

2.5.1 Điều khiển robot chạy theo đường thẳng 43

2.5.2 Điều khiển robot chạy theo cung tròn 44

CHƯƠNG 3:

CƠ SỞ LÝ THUYẾT ĐIỀU KHIỂN CHO ROBOT ĐÁ BÓNG

3.1 Vài nét về lịch sử phát triển lý thuyết điều khiển học 45

3.2 Một số khái niệm cơ bản về điều khiển mờ 51

3.2.1 Tập mờ 51

3.2.2 Luật mờ 54

3.2.3 Suy luận mờ 54

3.2.4 Luật hợp thành mờ 54

3.2.5 Các phương pháp giải mờ 55

3.2.6 Điều khiển mờ 58

3.3 Một số khái niệm về mạng nơ-ron nhân tạo 59

3.3.1 Mạng nơ-ron đơn giản 59

3.3.2 Cấu trúc mạng nơ-ron 61

3.3.3 Học trong mạng nơ-ron 62

3.3.4 Huấn luyện mạng nơ-ron 72

3.4 Một số khái niệm về mạng Petri 73

3.4.1 Cấu trúc và sơ đồ của mạng Petri 73

3.4.2 Các quy luật xây dựng mạng Petri 74

CHƯƠNG 4: ĐỀ XUẤT PHƯƠNG PHÁP THIẾT KẾ GIẢI THUẬT ĐIỀU KHIỂN THÍCH NGHI CHO ROBOT ĐÁ BÓNG 4.1 Sự cần thiết phải có chiến lược thi đấu 79

4.2 Đề xuất phương pháp thiết kế giải thuật điều khiển robot 83

4.3 Xây dựng giải thuật điều khiển robot 85

4.3.1 Chọn sơ đồ thi đấu cho đội bóng 85

4.3.2 Xây dựng cơ chế quyết định vai trò cho các robot 86

4.3.3.2 Bộ điều khiển cho robot tấn công 104

4.3.3.3 Bộ điều khiển cho robot thủ môn 109

CHƯƠNG 5:

KẾT QUẢ ĐIỀU KHIỂN VÀ KẾT LUẬN

5.1 Kết quả thực hiện 115

5.2 Hướng phát triển của đề tài 115

TÀI LIỆU THAM KHẢO 117

PHỤ LỤC

LIỆT KÊ HÌNH

Hình 2.1 Sơ đồ tổ chức của hệ thống robot đá bóng

Hình 2.2 Sơ đồ khối cấu trúc của hệ thống robot đá bóng

Hình 2.3 Hình dáng bên ngoài của robot

Hình 2.4 Các robot được quy định với các màu khác nhau

Hình 2.5 Sơ đồ khối của một robot đá bóng

Hình 2.6 Module truyền thông SRF-433 và SRF-418

Hình 2.7 Thiết lập ID cho robot

Hình 2.8 Vị trí các công tắc để thiết lập ID cho 5 robot

Hình 2.9 Thiết lập kênh truyền cho khối truyền thông RF

Hình 2.10 Khối động cơ DC: encoder + động cơ + hộp số

Hình 2.11 Nguyên lý hoạt động của động cơ DC

Hình 2.12 Các thành phần lực tác động lên robot

Hình 2.13 Quan hệ vận tốc góc và dòng điện với moment

Hình 2.14 Cấu trúc cơ bản của hệ thống quan sát

Hình 2.15 Các dạng thay đổi mức xám của ảnh đa mức

Hình 2.16 Ảnh đa mức xám và các ảnh nhị phân với nhiều ngưỡng khác nhau

Hình 2.17 Minh hoạ vị trí tâm của đối tượng trong ảnh

Hình 2.18 Xác định hướng của đối tượng

Hình 2.19 Ảnh nhị phân và các đối tượng được đặt nhãn

Hình 2.20 Ví dụ minh hoạ giải thuật đặt nhãn cho các thành phần

Hình 2.21 Ảnh sau khi lọc kích thước với giá trị ngưỡng T = 10

Hình 2.22 Toạ độ của một điểm trên ảnh và vị trí của điểm trên sân

Hình 2.23 Thư viện xử lý ảnh MyVision

Hình 2.24 Thiết lập kích thước cho vật cần tìm

Hình 2.25 Minh hoạ quá trình tìm kiếm bóng

Hình 2.26 Tính toán vị trí và góc quay của robot

Hình 2.28 Tính toán quỹ đạo đi của robot theo cung tròn

Hình 3.1 Hàm Singleton

Hình 3.2 Hàm tam giác

Hình 3.3 Hàm hình thang

Hình 3.4 Giải mờ theo phương pháp điểm cực đại

Hình 3.5 Giải mờ theo phương pháp điểm trọng tâm

Hình 3.6 Giải mờ theo phương pháp độ cao

Hình 3.7 Sơ đồ của mạng nơ-ron đơn giản

Hình 3.8 Hai hàm sigmoid với 1 0,2 1

Hình 3.9 Cấu trúc mạng nơ-ron truyền thẳng

Hình 3.10 Cấu trúc cơ chế chọn hành động (ASM)

Hình 3.11 Quy trình chọn lựa j

fs i

a_

Hình 3.12 Trận thi đấu một đấu một

Hình 3.13 Bốn biến tình huống đặc trưng cho việc sở hữu bóng

Hình 3.14 Bốn biến tình huống đặc trưng cho đội bóng

Hình 3.15 Cấu trúc mạng nơ-ron truyền thẳng

Hình 3.16 Sơ đồ của một mạng Petri

Hình 3.17 Sơ đồ mạng Petri cho vai trò giám sát

Hình 3.18 Bộ giám sát quy định vai trò cho các robot: sự thông các chuyển tiếp và

phân phối lại các token

Hình 3.19 Lựa chọn vai trò: robot nào tấn công?

Hình 4.1 Cấu trúc hệ thống robot đá bóng

Hình 4.2 Sơ đồ thi đấu 1-1-1

Hình 4.3 Sơ đồ thi đấu 2-0-1

Hình 4.4 Sơ đồ thi đấu 0-2-1

Hình 4.5 Sơ đồ cấu trúc điều khiển cho robot

Hình 4.6 Cấu trúc điều khiển chuyển động cho robot ở cấp thấp

Hình 4.9 Phân chia sân thi đấu thành 3 vùng theo chiều dọc

Hình 4.10 Phân chia sân thi đấu thành 9 vùng khác nhau

Hình 4.11 Phân chia sân thi đấu

Hình 4.12 Cấu trúc bộ điều khiển giám sát

Hình 4.13 Mô hình mạng Petri cho cấp vai trò

Hình 4.14 Mạng Petri với chuyển tiếp T1 được thông

Hình 4.15 Mạng Petri với chuyển tiếp T6 được thông

Hình 4.16 Mạng Petri với chuyển tiếp T4 được thông

Hình 4.17 Tình huống khi bóng đi vào vùng (4) a

Hình 4.18 Tình huống khi bóng đi vào vùng (4) b

Hình 4.19 Khi bóng đi vào vùng (5) a

Hình 4.20 Khi bóng đi vào vùng (5) b

Hình 4.21 Khi bóng đi vào vùng (5) c

Hình 4.22 Tình huống khi bóng đi vào vùng (6)

Hình 4.23 Mô hình mạng Petri quyết định hành động cho robot phòng thủ

Hình 4.24 Mạng Petri cho robot phòng thủ với chuyển tiếp T1 được thông

Hình 4.25 Mạng Petri cho robot phòng thủ với chuyển tiếp T6 được thông

Hình 4.26 Khi bóng di chuyển vào vùng (5) a

Hình 4.27 Khi bóng di chuyển vào vùng (5) b

Hình 4.28 Khi bóng di chuyển vào vùng (6)

Hình 4.29 Mô hình mạng Petri cho robot tấn công

Hình 4.30 Mạng Petri cho robot tấn công với chuyển tiếp T1 được thông

Hình 4.31 Tình huống khi bóng ở khoảng cách xa hoặc ở gần robot

Hình 4.32 Hai tình huống quyết định robot hoạt động

Hình 4.33 Dự đoán đường đi của bóng

Hình 4.34 Mô hình mạng Petri quyết định hành động cho robot thủ môn

Hình 4.35 Mạng Petri cho robot thủ môn với chuyển tiếp T1 được thông

Hình 4.36 Tình huống khi xử lý cho robot thủ môn khi bóng ở góc sân

LIỆT KÊ CÁC BẢNG

Bảng 2.1 Thiết lập ID cho một đội gồm 3 robot

Bảng 2.2 Thiết lập ID cho một đội gồm 5 robot

Bảng 2.3 Thiết lập kênh cho khối truyền thông RF

Bảng 2.4 Định dạng dữ liệu với các độ phân giải khác nhau

CHƯƠNG 1

GIỚI THIỆU TỔNG QUAN

Như chúng ta cũng biết, bóng đá được xem là môn thể thao vua và cũng không

có môn thể thao nào được biết đến và chơi bởi nhiều quốc gia trên thế giới như bóng đá Chính vì vậy, khi trình độ khoa học kỹ thuật phát triển; khi kỹ thuật chế tạo robot tự động, đặc biệt là các robot có khả năng tự thích nghi, khả năng truyền thông và tương tác với nhau, ngày càng tinh vi và phức tạp thì việc phát triển ý tưởng xây dựng các robot có khả năng thi đấu với nhau trong một môi trường mô phỏng sân thi đấu bóng đá cũng dễ dàng xuất hiện và nhanh chóng trở thành sân chơi thú vị trong các trường đại học

Về mặt kỹ thuật, robot đá bóng là một sự so tài đòi hỏi cao về kỹ thuật ở nhiều khía cạnh như kết cấu cơ khí, cảm biến, truyền thông, chương trình điều khiển, …

Về mặt nghiên cứu, hệ thống robot đá bóng còn bao hàm các lĩnh vực nghiên cứu nhằm phát huy sự sáng tạo bằng cách cung cấp môi trường để thử nghiệm để có thể dễ dàng trình bày và đánh giá những khái niệm và ý tưởng mới Mặt khác đó như là một công cụ hỗ trợ giảng dạy, giúp sinh viên hiểu rõ các vấn đề hơn và giúp đánh giá được trình độ phát triển khoa học kỹ thuật trong việc chế tạo các hệ thống robot tự động thông minh

Robot đá bóng là một lĩnh vực thích hợp cho các mục đích nghiên cứu và phát triển sự nghiệp giáo dục, nó cho phép mô tả các hệ thống robot đa tác tử thông minh, trong đó các robot cần phối hợp hoạt động với nhau để đạt được các mục tiêu xác định Trên cơ sở lý thuyết điều khiển hiện đại, người chơi có thể vận dụng và kiểm chứng các giải thuật điều khiển thông minh ngay trên hệ thống

Được ra đời và phát triển từ năm 1995 tại Hàn Quốc, hệ thống robot đá bóng

đã được tổ chức thi đấu qua rất nhiều kỳ bởi các nước trong khu vực cũng như một

số nước trên thế giới và cũng có nhiều giải đấu giành cho các robot có kích cỡ khác nhau được ra đời Tuy nhiên, đối với các trường đại học ở Việt Nam thì đây còn là

Tp.HCM được trang bị hệ thống robot đá bóng thuộc loại MiroSot Do vậy, trong khuôn khổ đề tài này, người viết sẽ đề ra các giải thuật điều khiển cho các robot của một đội bóng thi đấu theo hình thức 3 robot thi đấu với 3 robot

1.1 MỤC ĐÍCH NGHIÊN CỨU

Một trong những vấn đề quan trọng trong việc điều khiển các robot đá bóng là giải thuật điều khiển cho các robot sao cho chúng có thể phối hợp hoạt động với nhau một cách linh hoạt trong môi trường hoạt động luôn có sự thay đổi (môi trường động) Diễn biến của một trận thi đấu luôn thay đổi hay nói cách khác môi trường hoạt động của robot là môi trường động, do đó để đạt được thành công thì các robot không thể di chuyển theo một kế hoạch chuyển động cố định mà bắt buộc phải có những sự thay đổi thích nghi với các tình huống khác nhau cũng như phải

có sự phối hợp với các robot khác để đạt được kết quả tốt nhất Do vậy, mục đích của đề tài là thiết kế một giải thuật điều khiển “thích nghi” cho từng robot sao cho từng robot có thể duy trì được chiến thuật thi đấu đồng thời có thể phối hợp với các robot còn lại để thực hiện một cách hiệu quả việc đưa bóng vào cầu môn đối phương Việc xây dựng các giải thuật điều khiển thích nghi cho hệ thống robot đá bóng dựa trên cơ sở mô hình mạng Petri, bao gồm việc thiết kế giải thuật quy định vai trò thi đấu cho các robot và giải thuật điều khiển cho mỗi robot ứng với vai trò được quy định

1.2 TỔNG QUAN CÁC ĐỀ TÀI VÀ HƯỚNG NGHIÊN CỨU ĐỀ NGHỊ

Cho đến nay, đã có rất nhiều các nghiên cứu về robot đá bóng mà xuất phát chủ yếu là từ các trường đại học Tuy nhiên các nghiên cứu này chủ yếu tập trung vào các vấn đề như phân tích cấu trúc và đặc tính động học cho robot đá bóng, các giải pháp xử lý ảnh cho các đối tượng chuyển động với tốc độ nhanh, các giải thuật nhận dạng đối tượng dựa trên mạng nơ-ron nhân tạo, giải thuật di truyền hay như các giải thuật điều khiển chuyển động cho robot

Trong các nghiên cứu đó, một số phương pháp điều khiển đã được đưa ra như phương pháp điều khiển mờ, một phương pháp điều khiển thông minh dựa vào quá trình xử lý các thông tin không rõ ràng để đưa ra quyết định điều khiển Hay một phương pháp khác mà [10] đề cập là phương pháp FPE (Fuzzy Potential Energy), được thiết kế cho việc hoạch định quỹ đạo chuyển động của robot, nhằm tìm kiếm đường đi hiệu quả nhất cho robot [8] lựa chọn phương pháp DAOPN (the distributed agent-oriented Petri net) cho việc mô hình hóa và điều khiển hành vi của các robot, phương pháp này giải quyết tốt vấn đề phối hợp hoạt động giữa các robot tuy nhiên vẫn chưa đánh giá được tính hiệu quả của phương pháp trong trường hợp các robot thi đấu với nhau Một nghiên cứu khác, [19] là thiết kế bộ điều khiển mờ trên cơ sở giải thuật di truyền để điều khiển vận tốc của robot nhanh và hiệu quả để đạt đến vị trí mong muốn Với phương pháp này thì các tập mờ ngõ vào và ngõ ra của hệ mờ được chọn lựa dựa trên cơ sở giải thuật di truyền

Tuy nhiên nếu áp dụng các phương pháp điều khiển như trên cho các hoạt động di chuyển của robot trên sân thì chương trình điều khiển vừa phức tạp, vừa kéo dài thời gian xử lý cho một chu kỳ của hệ thống, do đó sẽ làm giảm tốc độ hoạt động của hệ thống cũng như khả năng cập nhật thông tin của robot Do vậy, trong luận văn này, để có thể đáp ứng tốt yêu cầu về thời gian xử lý cho một chu trình của

hệ thống cũng như khả năng phối hợp hoạt động giữa các robot trong một trận đấu thì người viết đề nghị hướng nghiên cứu là dùng mạng Petri

1.3 NỘI DUNG NGHIÊN CỨU

Các nội dung nghiên cứu được thực hiện dựa trên lý thuyết cơ bản về điều khiển mờ, điều khiển dùng mô hình mạng Petri và điều khiển PID

– Tìm hiểu cấu trúc và nguyên lý hoạt động của đối tượng nghiên cứu, đó là soccer robot loại MiroSot và Yujin

– Tìm hiểu tổng quát cơ sở lý thuyết về xử lý ảnh số

– Tìm hiểu tổng quát cơ sở lý thuyết về điều khiển thông minh như điều khiển

mờ, điều khiển dùng mạng nơ-ron, mô hình điều khiển dùng mạng Petri, điều khiển thích nghi

– Tìm hiểu các phương pháp nhận dạng đối tượng

– Xây dựng giải thuật điều khiển các robot phối hợp hoạt động trong môi trường động

– Lập trình thử nghiệm cho giải thuật

– Đánh giá kết quả thử nghiệm

1.4 GIỚI HẠN CỦA ĐỀ TÀI

 Chưa thiết kế được các giải thuật thông minh để có khả năng nhận dạng đối tượng tốt hơn trong các điều kiện môi trường khác nhau

 Luận văn chỉ mới thực hiện ở mức độ là xây dựng các giải thuật thi đấu cho các robot hoạt động trong chế độ thường, tức là chưa xây dựng các hàm/chiến thuật cho robot thủ môn phát bóng sau mỗi lần một đội ghi điểm, chưa xây dựng các hàm/chiến thuật đá phạt cho các robot khi có lỗi xảy ra

CHƯƠNG 2

TỔNG QUAN VỀ ROBOT ĐÁ BÓNG

2.1 CÁC GIẢI THI ĐẤU ĐÁ BÓNG GIÀNH CHO ROBOT TRÊN THẾ GIỚI

Khi trình độ khoa học kỹ thuật phát triển thì những ý tưởng về các chú robot thi đấu bóng đá với nhau cũng dễ dàng xuất hiện và nhanh chóng phát triển trong các trường đại học Các trận thi đấu dành cho robot là cơ hội tốt để người chơi thể hiện ý tưởng và sự sáng tạo của mình, đồng thời đây còn là cơ hội để học tập và nghiên cứu lĩnh vực trí thông minh nhân tạo

Từ ý tưởng ban đầu được Viện Khoa học và Công nghệ Hàn Quốc đưa ra vào năm 1995 nhằm tạo ra một sân chơi hấp dẫn và thử thách trong học tập và nghiên cứu trong lĩnh vực tự động hóa, robot đá bóng đã nhanh chóng trở thành một lĩnh vực nghiên cứu hấp dẫn đối với ngành robot học và trí tuệ nhân tạo Việc nghiên cứu robot đá bóng đòi hỏi sự kết hợp các vấn đề như điều khiển động cơ dùng vi xử

lý, truyền thông vô tuyến, xử lý ảnh và kỹ thuật lập trình cho các chiến lược thi đấu Hiện nay, trên thế giới có hai giải thi đấu lớn liên quan đến robot đá bóng, đó

là FIRA và RoboCup FIRA tổ chức các giải thi đấu robot đầu tiên vào năm 1996 tại Hàn Quốc bởi giáo sư Jong-Hwan Kim Sau đó RoboCup cũng tổ chức giải thi đấu đầu tiên vào năm 1997 tại Nhật bởi Asada, Kuniyoshi và Kitano

Giải thi đấu “MiroSot” của tổ chức FIRA có những quy định về kích thước robot nghiêm ngặt nhất Kích thước lớn nhất của robot là hình khối có chiều dài là 7.5 cm Một camera được treo phía trên sân thi đấu, đóng vai trò là cảm biến chính của hệ thống Tất cả quá trình xử lý ảnh được thực hiện trên máy tính trung tâm và các lệnh điều khiển được gửi tới robot thông qua mạch thu phát vô tuyến RF Sau một vài năm tổ chức thi đấu, FIRA đã đưa thêm vào hệ thống thi đấu một số giải giành cho các robot có kích cỡ khác nhau, nổi bật nhất là giải thi đấu mô phỏng

“SimuroSot” và giải “RoboSot” cho các robot tự động kích cỡ nhỏ (không dùng camera quan sát) Vào năm 2002, FIRA giới thiệu thêm giải đấu “HuroSot”, giải

đấu đầu tiên giành cho các robot tương tự như các cầu thủ thực thụ, trước đó các robot chỉ là những chiếc xe hình khối được điều khiển 2 bánh

RoboCup tổ chức giải đấu đầu tiên với các robot có kích cỡ nhỏ (Small-Size League), kích cỡ trung bình (Middle-Size League) và giải thi đấu trên mô phỏng (Simulation League) Các robot cỡ nhỏ có kích thước tối đa vừa bằng đường kính ống xy-lanh 18cm và chiều cao giới hạn Cũng giống như robot MiroSot, các robot này di chuyển được trên sân là nhờ một camera treo phía trên sân thi đấu Robot cỡ

trung thì không cần hệ thống quan sát ở phía trên

2.2 TỔ CHỨC CỦA HỆ THỐNG ROBOT ĐÁ BÓNG

Tổ chức của một hệ thống robot đá bóng có thể được mô tả như hình ảnh bên dưới:

Hình 2.1 Sơ đồ tổ chức của hệ thống robot đá bóng

Hệ thống gồm nhiều robot di chuyển trên một sân thi đấu, một thiết bị quan sát được treo phía trên sân thi đấu và được kết nối đến máy tính trung tâm, một bộ truyền thông không dây dùng để kết nối máy tính đến các robot

Những thông tin hình ảnh về toàn bộ sân thi đấu được ghi nhận lại bởi camera

hướng di chuyển và tốc độ của các robot và bóng Tuỳ thuộc tình huống thi đấu trên sân mà máy tính chủ quyết định sử dụng chiến thuật thi đấu nào, kế hoạch di chuyển cho từng robot ra sao và sau đó sẽ gửi các lệnh điều khiển đến từng robot trong cùng một đội Mỗi robot nhận được các lệnh điều khiển từ máy tính chủ và điều chỉnh tốc độ quay cho các bánh trái và bánh phải

Toàn bộ quá trình hoạt động ở trên tạo thành một chu trình điều khiển hoàn chỉnh Thời gian cần thiết cho một chu kỳ càng ngắn càng tốt và được xác định tuỳ vào việc nhận định tình huống trận đấu

Hoạt động của một chu kỳ có thể hiểu một cách dễ dàng thông qua sơ đồ khối

hệ thống được mô tả như hình bên dưới:

Hình 2.2 Sơ đồ khối cấu trúc của hệ thống robot đá bóng

Dựa vào hình vẽ trên có thể nhận thấy, chức năng điều khiển giám sát toàn bộ trận thi đấu, bao gồm quá trình xử lý thông tin hình ảnh trên sân, chọn lựa chiến lược thi đấu phù hợp, hoạch định chuyển động cho các robot ở cấp cao …, được đảm trách bởi hệ thống quan sát và máy tính chủ Điều khiển chuyển động cho từng robot, điều khiển chuyển động ở cấp thấp, thì được thực hiện dựa trên các bộ vi điều khiển được thiết kế tích hợp sẵn trên robot

2.3 KẾT CẤU PHẦN CỨNG CỦA ROBOT

Trong khuôn khổ thi đấu của tổ chức FIRA, có nhiều giải đấu giành cho các robot có kích cỡ khác nhau, mỗi loại đều có những quy định nghiêm ngặt về kích thước tối đa của các robot Trên cơ sở thiết bị được trang bị tại phòng thí nghiệm C6 của trường Đại học Bách khoa Tp.HCM, có hai loại robot hiện đang được sử dụng

là robot MIROSOT và robot Yujin Trong đó, robot MIROSOT cho tốc độ xử lý và chạy nhanh hơn robot Yujin, tuy nhiên robot Yujin có kết cấu phần cứng chắc chắn hơn Trong luận văn này, người viết chỉ giới thiệu về kết cấu phần cứng cho robot Yujin

Hình dáng bên ngoài của robot Yujin có thể mô tả bằng hình ảnh bên dưới như sau:

Hình 2.3 Hình dáng bên ngoài của robot

Kích thước của mỗi robot là 7.5 cm x 7.5 cm x 7.5 cm

Phía mặt trên của mõi robot có một miếng dán, trên đó có các khối màu khác nhau dùng để nhận biết robot giữa các đội với nhau và giữa các robot trong cùng một đội Trong đó có một màu quy định là màu của đội, một hoặc hai màu khác quy

robot, trong đó màu vàng dùng để quy định màu của đội, các màu khác (ngoại trừ màu cam) dùng để quy định chỉ số cho robot

Hình 2.4 Các robot được quy định với các màu khác nhau Cấu trúc bên trong của một robot gồm có 4 phần : bộ vi điều khiển (micro-controller), mạch công suất cho động cơ (motor driver), khối thu phát vô tuyến (communication module) và khối nguồn (power unit)

Cấu trúc hoàn chỉnh của một robot có thể mô tả bằng sơ đồ khối bên dưới:

Như hình vẽ ta thấy, robot gồm có một bản mạch chính, nguồn pin, hai động

cơ và khung robot (bao gồm cả hai bánh xe) Bản mạch chính có thể được tách làm hai bản mạch: bản mạch bên dưới có các thiết bị nguồn (như mạch ổn áp, mạch công suất cho động cơ, ) và khối thu phát RF, bản mạch bên trên có vi điều khiển (ATMEGA 128)

Hình 2.5 Sơ đồ khối của một robot đá bóng

Chức năng của các khối:

– Khối truyền thông: nhận các lệnh từ máy tính chủ thông qua bộ thu phát

RF

– Khối nguồn: cung cấp nguồn để vận hành động cơ và vi điều khiển

– Khối vi điều khiển: chuyển các lệnh truyền thông từ máy tính chủ thành các lệnh điều khiển động cơ

– Khối công suất cho động cơ: tạo tín hiệu điện đưa đến điều khiển động cơ

2.3.1 Khối truyền thông RF

Để robot có thể di chuyển trên sân thi đấu theo các chiến thuật đã được lập trình, máy tính phải gởi đi các lệnh cho mỗi robot bằng cách sử dụng kỹ thuật truyền thông vô tuyến Có hai phương pháp để thực hiện truyền thông vô tuyến là

sử dụng module RF (Radio Frequency) và sử dụng module IR (Infrared Ray)

Sử dụng module IR thì dễ bị ảnh hưởng bởi ánh sáng bên ngoài Nếu trong thi đấu mà sử dụng module IR thì sẽ làm tăng tải truyền thông và quá trình xử lý sẽ chậm Do đó, các module IR chỉ sử dụng trong giảng dạy và học tập

Module RF sử dụng sóng vô tuyến và nó thích hợp cho việc truyền thông với khoảng cách xa Truyền thông giữa máy tính chủ và robot không sử dụng sóng mang Ngoài ra, module RF còn hỗ trợ truyền nhiều kênh Tuy nhiên chắc chắn sẽ

có sự ảnh hưởng qua lại lẫn nhau giữa CPU, cảm biến, mạch công suất cho động cơ

và truyền thông RF ở tần số cao Điều này gây nên nhiễu EMI Do vậy, chúng ta nên có sự cân nhấc và tính toán Hơn nữa, mạch điện cho module RF thì phức tạp

và cần hiểu biết các thông số của nhà sản xuất Chính vì vậy, việc thiết kế module

RF tương đối khó khăn Tần số phát phải được xem xét tuỳ theo sự cho phép của pháp luật và phải tránh các tần số của các đài truyền thanh, truyền hình, mạng di động và máy nhắn tin

Hầu hết các đội robot đá bóng đều sử dụng module RF thương mại Đó là module RF được phát triển để hỗ trợ truyền thông số, nó đảm bảo độ tin cậy và truyền thông với tốc độ cao nhưng lại có giá thành cao và không hỗ trợ nhiều tần số

khác nhau Module RF được dùng rộng rãi là RF-418 và RF-433 Các module này

hỗ trợ truyền dữ liệu lên đến 40 Kbps

Hình 2.6 Module truyền thông SRF-433 và SRF-418 Các thông số chỉ định của SRF-433L và SRF-418L

- Tần số sóng RF là : 433Mhz (RF-433) hoặc 418Mhz (RF-418)

- Hỗ trợ truyền song công với tốc độ lên đến 40 kbit/s

- Số kênh truyền tối đa: 10 kênh

- Công suất của bộ phát RF là : 0 – 10dBm

- Tổng trở ngõ ra : 50 ohm

- Độ nhạy thu: -101 dBm

- Tốc độ truyền là 19200 bps

- Điện áp nguồn cung cấp 4.5V đến 5.5V

- Dòng điện tiêu thu cực đại là 50mA

- Kích thước (H x W x D): 7mm x 36mm x 23mm

- Có thể thực hiện truyền tốt trong phạm vi 30 m trong các toà nhà và khoảng

120 m ngoài trời

2.3.2 Thiết lập ID cho robot

Để kiểm tra hoạt động của các robot cũng như thuận tiện cho việc lập trình sau này thì cần thiết phải cài đặt chính xác ID cho các robot Việc cài đặt ID cho robot được minh hoạ như hình bên dưới Các công tắc gạt để cài đặt ID nằm ở bản mạch trên của robot

Hình 2.7 Thiết lập ID cho robot Các công tắc gạt nằm ở góc phải bên dưới như hình Trong những công tắc gạt này thì các công tắc từ 1 đến 3 được dùng để thiết lập ID cho robot Khi có cả ba robot cùng chơi đồng thời, nếu công tắc thứ nhất của robot nào được gạt ở vị trí OFF thì robot đó được xem là robot 1, tương tự trạng thái OFF của công tắc 2, OFF của công tắc 3 tương ứng định nghĩa cho robot 2 và robot 3 Và hãy chú ý không được để đồng thời nhiều hơn hai công tắc ở vị trí OFF trên cùng một robot

Nếu một đội bóng gồm có 5 robot thì ta thiết lập ID cho các robot như bảng sau:

Bảng 2.2 Thiết lập ID cho một đội gồm 5 robot

Hình 2.8 Vị trí các công tắc để thiết lập ID cho 5 robot

Sau khi thiết lập ID cho các robot, chúng ta có thể kiểm tra các robot bằng việc

sử dụng module truyền thông RF Để sử dụng truyền thông nhiều kênh, chúng ta phải thiết lập tần số vô tuyến và kênh truyền thông qua các phím gạt như bảng bên dưới:

Bảng 2.3 Thiết lập kênh cho khối truyền thông RF

Các phím gạt từ số 4 đến số 8 được sử dụng cho việc thiết lập kênh truyền cho module RF Nếu phím gạt số 8 được đặt ở vị trí “ON” thì nó là module SRF-418, và ngược lại nếu công tắc số 8 nằm ở vị trí “OFF” thì nó là module SRF-433

Giả sử chọn module RF là 418 (công tắc 8 ở vị trí ON), khi đó ta phải thiết lập kênh phát từ board phát RF nối với máy tính chủ phù hợp với kênh nhận của robot Việc thiết lập các kênh (tương ứng với các tần số khác nhau) được minh hoạ như hình bên dưới:

Hình 2.9 Thiết lập kênh truyền cho khối truyền thông RF

2.3.3 Khối nguồn

Nguồn cấp cho robot được lấy từ pin Điện áp của pin sạc là 8.4V và nó được

sử dụng làm nguồn cung cấp cho động cơ Nguồn điện áp 8.4V từ pin được đưa qua

các mạch số Hộp số truyền động của động cơ là 8:1 Bộ encoder được thiết kế tích hợp bên trong động cơ và có độ phân giải là 512 xung/một vòng quay

2.3.4 Khối vi điều khiển

Vi điều khiển được sử dụng là AVR ATMEGA128 để người dùng có thể thay đổi chương trình có sẵn hoặc tạo ra một chương trình robot mới cho chính họ

 Chức năng của khối vi điều khiển:

– Nhận lệnh từ máy tính chủ thông qua mạch thu phát RF

– Điều khiển các động cơ bánh trái và bánh phải theo tốc độ đặt bằng phương pháp điều chế độ rộng xung

 Các đặc điểm chính của ATMEGA 128:

Là vi điều khiển 8-bit họ AVR có công suất tiêu thụ thấp, thực thi lệnh nhanh

Cấu trúc RSIC được cải tiến:

– 133 lệnh mạnh, thực hiện trong một chu kỳ máy

– 32 thanh ghi 8 bit đa chức năng và các thanh ghi điều khiển ngoại vi

– Vận hành ổn định

– Tốc độ xử lý lên đến 16 MIPS với thạch anh 16Mhz

– Bộ nhân 2 chu kỳ máy trên chip

– Các vùng bộ nhớ không bay hơi có tuổi thọ cao

 128 Kbyte bộ nhớ chương trình (flash)

 4 Kbyte EEPROM

 4 Kbyte SRAM nội

– Chu kỳ nạp xoá: 10.000 lần đối với flash và 100.000 lần đối với EEPROM

– Lưu trữ dữ liệu 20 năm ở 85oC và 100 năm tại 25oC

– Khả năng mở rộng bộ nhớ ngoài lên đến 64 Kbyte

2.3.5 Khối động cơ DC và các thành phần phụ trợ

Phần cứng của robot được cấu thành từ các bộ phận cơ khí và các bản mạch điện Trong đó động cơ là thành phần chính trong các bộ phận cơ khí của robot Động cơ DC được sử dụng nhiều trong các robot đá bóng bởi có kích thước nhỏ và giá thành thấp hơn so với động cơ bước

Tuy nhiên các động cơ DC cần thiết phải có thêm một số thành phần hỗ trợ để

có thể thực hiện chức năng điều khiển tốt hơn Bên cạnh động cơ DC, mạch công suất và bánh xe thì hệ thống động cơ DC cũng thường được tích hợp sẵn hộp số và encoder Các xung tín hiệu từ encoder, dùng để đo góc quay của động cơ, được hồi tiếp trở về và được dùng để tính toán tốc độ động cơ; còn hộp số được sử dụng để làm tăng moment quay ở ngõ ra của động cơ Ngoài ra một số vi mạch được sử dụng nhằm mục đích nâng dòng tín hiệu ngõ ra của bộ PWM để điều khiển tốc độ động

cơ

Khối động cơ DC sử dụng cho các robot đá bóng có thể xem xét như hình bên dưới:

Hình 2.10 Khối động cơ DC: encoder + động cơ + hộp số

 Nguyên lý hoạt động của động cơ DC:

Một động cơ DC gồm có stator và rotor Trên stator có hai thanh nam châm vĩnh cửu có cực tính trái ngược nhau và đặt đối diện nhau, tạo thành vùng từ trường

Hình 2.11 Nguyên lý hoạt động của động cơ DC Dòng điện I chạy trong cuộn dây rotor có chiều dài l sẽ sinh ra lực F, được cho bởi:

l I B

 : vận tốc góc của động cơ (rad/s)

I : dòng điện chạy trong cuộn dây rotor

Hình 2.13 Quan hệ vận tốc góc và dòng điện với moment

- Lực kéo cho robot:

R

R F

F o r

G 

- Lực ma sát : F r .M.g

Quan hệ giữa mô-ment trên trục động cơ và mô-ment quay (cả bánh xe):

G G

N

g M

.

2

g: gia tốc trọng trường

R0 : bán kính trục bánh R: bán kính bánh xe

G

 : hiệu suất hộp số N: tỷ lệ hộp số

 Công suất tiêu thụ:

P = V I V: điện áp cung cấp bình thường I: dòng điện xuyên qua động cơ có thể được suy ra từ moment bởi công thức:

T

r M

k

I  

Khi đó ta có :

o T

M

I k

I  Với Io được định nghĩa là:

 : môment tĩnh được cho bởi nhà sản xuất

I0 : dòng điện không tải được cho bởi nhà sản xuất

Tốc độ quay được xác định bởi điện áp nguồn U và dòng điện I

v G

.60

2

2.4 XỦ LÝ ẢNH

Trong một trận thi đấu, các thông tin thời gian thực về vị trí và hướng di chuyển của robot và bóng luôn thay đổi và rất cần thiết cho các giải thuật điều khiển Trong cấu trúc của hệ thống thì những thông tin đó có được bằng cách sử dụng một hệ thống quan sát Hệ thống quan sát dùng một camera để ghi nhận lại toàn hình ảnh của sân thi đấu, dữ liệu từ camera sau đó được chuyển đổi thành dữ liệu số để đưa về máy tính xử lý nhờ một thiết bị bắt ảnh (grabber card) Luật thi đấu của FIRA có quy định rõ màu sắc dành cho các đối tượng khác nhau trên sân thi đấu Những màu này là cơ sở để nhận biết các đối tượng trên sân thông qua quá trình xử lý ảnh Do vậy quá trình xử lý ảnh trong hệ thống robot đá bóng quá trình

xử lý dựa trên màu sắc

Đặc tính quan trọng của một hệ thống quan sát được đánh giá dựa trên tốc độ

và độ chính xác trong việc xác định toạ độ và hướng di chuyển của robot trên sân Giả sử cho rằng có được một giải thuật xử lý ảnh đủ tốt và nhanh thì trước tiên nó cũng bị giới hạn về tốc độ lấy mẫu của grabber card, kế đến là bị giới hạn về chất lượng của ảnh số mà nó xử lý

Phần lớn các grabber card thương mại đều có tốc độ lấy mẫu là 30 khung

hình/giây, nói cách khác một khung hình được lấy mẫu trong thời gian s

Cấu trúc cơ bản của một hệ thống quan sát có thể được mô tả như hình bên dưới:

Hình 2.14 Cấu trúc cơ bản của hệ thống quan sát

Camera được sử dụng phổ biến trong các hệ thống robot đá bóng thuộc loại CCD (Charge Couple Device) Đó là một thiết bị thu ảnh dưới dạng số bằng cách thu nhận cường độ sáng tại từng điểm thông qua photo diode Cường độ sáng tại mỗi điểm là một giá trị tổng hợp của 3 màu cơ bản Red, Green, Blue Mắt người thu nhận ảnh một cách liên tục theo thời gian nhưng đối với máy tính số thì không thể biểu diễn được một hàm liên tục

Hệ quang sau khi bắt ảnh sẽ truyền tín hiệu sang máy tính, máy tính phải lấy mẫu ảnh ở một số hữu hạn điểm và sau đó biểu diễn nó bằng một kích thước hữu hạn trong máy tính Quá trình này gọi là lấy mẫu và lượng tử hóa và mỗi phần tử ảnh gọi là một pixel Chúng ta thường giả sử ảnh được lấy mẫu trên một lưới vuông đều để cho khoảng cách ngang và dọc giữa các pixel là như nhau trong toàn ảnh Mỗi pixel được biểu diễn trong máy tính bằng một số nguyên nhỏ Thông thường mỗi pixel được biểu diễn bởi một số nguyên dương dạng 8 bit

Quá trình lấy mẫu sẽ xác định số pixel mà ảnh số có, ví dụ như: 640x480 hoặc 320x240 Và quá trình lượng tử hóa sẽ xác định có bao nhiêu mức sáng được dùng

để biểu diễn độ sáng ở mỗi pixel, ví dụ như: 28 = 256 hoặc 25 = 32 mức sáng khác nhau

2.4.1 Ảnh nhị phân:

 Quá trình phân ngưỡng:

Quá trình đầu tiên của bước phân tích ảnh là quá trình phân ngưỡng

(Thresholding) Phân ngưỡng là quá trình đưa giá trị tại mỗi pixel của ảnh đa mức

xám về 0 (tương ứng với mức logic 0) hay 255 (tương ứng với mức logic 1) theo một giá trị được gọi là ngưỡng Quá trình này rất quan trọng vì nó có thể làm mất thông tin của ảnh đa mức xám nếu chọn ngưỡng không thích hợp

Việc phân ngưỡng này gồm 2 mục đích chính là:

+ Che đi các điểm ảnh mà nó không thuộc vào 1 khoảng xác định, ví dụ như để tìm kiếm các vùng có độ sáng xác định hoặc là màu từ ảnh

+ Chuyển đổi ảnh xám đa mức về ảnh nhị phân hay ảnh trắng đen

Sau đây là hình ảnh của một số dạng thay đổi mức xám:

Hình 2.15 Các dạng thay đổi mức xám của ảnh đa mức Quá trình phân ngưỡng có hiệu quả khi muốn tách biệt giữa nền (background)

và đối tượng (object) Các đối tượng và nền phải có độ tương phản lớn và nhất thiết phải xác định được độ sáng của một phần tử ảnh thuộc về đối tượng hay thuộc nền

Do vậy, việc phân ngưỡng rất có ý nghĩa trong quá trình xử lý ảnh cho hệ thống robot đá bóng bởi vì sân thi đấu của robot là hình vuông có màu đen, có độ tương

phản rất lớn so với màu trắng của thành sân thi đấu, so với màu xanh hoặc màu vàng của các miếng dán trên mỗi mặt trên của robot

Với một ảnh đa mức xám F, gọi F[i,j] là cường độ sáng của điểm ảnh [i,j] trước khi phân ngưỡng và FT[i,j] là cường độ sáng của điểm ảnh sau khi phân ngưỡng Biểu thức của quá trình phân ngưỡng được cho bởi công thức:

i

F T

0

),(1,

Tuỳ thuộc phạm vi ứng dụng mà hàm đánh giá có thể có một trong các giá trị sau đây:

– F i, j T u, với Tu được gọi là ngưỡng trên Trường hợp này được sử dụng khi cần để tách các vật thể có màu tối hơn so với nền

– F i, j T l, với Tl được gọi là ngưỡng dưới Trường hợp này được sử dụng để tách các vật thể có màu sáng hơn so với nền

– T1 F i,j T2: trường hợp này được sử dụng để tách các vật thể có cường độ sáng nằm trong khoảng [T1, T2] so với nền có cường độ sáng nằm ngoài khoảng này

– F i, j  Z, với Z là các vùng ngưỡng không liên tục

Hình 2.16 Ảnh đa mức xám và các ảnh nhị phân với nhiều ngưỡng khác nhau

 Kích thước (diện tích) A của đối tượng trong ảnh B được cho bởi:

j

j i B A

1 1

,

 Vị trí của đối tượng trong ảnh:

Vị trí của đối tượng trong ảnh đóng một vai trò rất quan trong trong hệ thống robot đá bóng Trong hệ thống MiroSot, đối tượng của ảnh ở đây chính là các robot