Một số kỹ thuật định vị cho robot di động

1. Giới thiệu chung

Cuộc cách mạng công nghiệp là những bước phát triển vượt bậc của con người, cuộc cách mạng cho phép ứng dụng rộng rãi các rô bốt trong nhiều lĩnh vực của cuộc sống. Yếu tố này phù hợp với nhận thức về vấn đề an toàn trong công việc, robot thay thế cho con người trong sản xuất, trong lao động, trong các nhà máy… điều đó đã góp phần vào sự xuất hiện nhu cầu sử dụng các rô bốt.

Hình 1. Robot Sentinel3 trang bị camera, wifi, GPS,… có giá thành 12.000 USD

Ngày nay trong đời sống có rất nhiều công việc do tính chất công việc nặng nhọc, môi trường làm việc khó khăn độc hại rất nguy hiểm và tác hại trực tiếp đối với con người. Một số nơi địa hình quá khó khăn để di chuyển (vùng rừng núi, sa mạc, vùng có lở núi, động đất, vùng bị cháy rừng, vùng nhiễm phóng xạ, khu vực bị khủng bố…). Ở những nơi này con người rất cần tới sự hỗ trợ của rô bốt. Với mô hình robot đa năng có sự tuỳ biến cao, dễ lắp đặt và vận chuyển, được thiết kế và lập trình từ máy tính cá nhân, rô bốt có thể làm việc độc lập theo chu trình được cài đặt sẵn hoặc theo sự điều khiển từ xa qua vô tuyến từ người điều khiển, tính chất và công việc cụ thể được thay đổi dễ dàng, khả năng kết nối với các thiết bị chuyên dụng linh hoạt. Rô bốt có kích thước tương đối và làm việc được trong nhiều môi trường khắc nghiệt về thời tiết, khí hậu độc hại và nguy hiểm đối với con người. Ngoài ra robot có thể được thiết kế cho phù hợp với các công việc mang tính chất tự động hoá cao, có thể ứng dụng vào các dây chuyền sản xuất tự động ở các nhà máy, xí nghiệp, các khu công nghiệp, khu chế xuất…

Hiện nay hầu hết các thiết bị rô bốt và dây chuyền tự động hoá được sử dụng trong các ngành công nghiệp sản xuất và chế biến đều được nhập từ nước ngoài rất đắt tiền. Trong khi nhu cầu ở nước ta đang rất cao và trong nước có khả năng chế tạo sản xuất để phù hợp với điều kiện làm việc ở Việt Nam. Lĩnh vực thiết kế, chế tạo rô bốt và các thiết bị điều khiển tự động rất mới mẻ và có tiềm năng rộng lớn không những ở trong nước mà còn cả trên thế giới. Việc thâm nhập, nghiên cứu và chế tạo một số mô hình điều khiển tự động như rô bốt thông minh, rô bốt thăm dò, rô bốt sản xuất là một hướng cần thiết nhằm rút ngắn khoảng cách giữa khoa học công nghệ trong nước và trên thế giới trong lĩnh vực này.

Có một số sự khác biệt quan trọng giữa các yêu cầu của việc lắp đặt rô bốt cố định truyền thống với các yêu cầu của các hệ thống rô bốt di động. Một trong những mối quan tâm hàng đầu là sự không biết trước môi trường vận hành của rô bốt di động. Đối với các hệ thống rô bốt cố định, người ta thường xây dựng (thiết kế) một không gian làm việc nhỏ để thực hiện công việc và rô bốt cố định thường thực hiện các công việc lặp đi lặp lại trong môi trường xác định trước. Đối với các hệ thống rô bốt di động, việc nhận biết được môi trường làm việc là một yếu tố quyết định tới các “hành động” của rô bốt, chỉ khi nhận biết được đầy đủ các thông tin về môi trường xung quanh thì rô bốt di động mới có thể thích ứng được trong các môi trường làm việc khác nhau. Theo khái niệm, rô bốt di động phải có một số bộ phận chuyển động. Chuyển động có thể dưới dạng bánh xe, chân, cánh hoặc một số cơ cấu khác. Việc lựa chọn cơ cấu chuyển động là dựa vào chức năng của rô bốt và các công việc của rô bốt cần phải thực hiện. Trong nhiều môi trường làm việc công nghiệp, bánh xe là dạng chuyển động thích hợp nhất. Đối với các hệ thống nghiên cứu ứng dụng khác, chân hoặc cánh có thể giúp cho robot di động chuyển động được trên địa hình mà rô bốt không có khả năng đi qua. Một nhân tố quan trọng trong thiết kế của các hệ thống rô bốt di động là khả năng mang theo các thiết bị. Thiết bị bao gồm nguồn điện cũng như tất cả các phần cứng là các bộ cảm biến và các bộ xử lý mà rô bốt đòi hỏi. Các thiết bị lắp đặt của rô bốt cố định có thể được kết nối trực tiếp với các nguồn điện và bộ xử lý, không gian làm việc thường được xác định trước và có thể được kiểm soát. Hầu hết các rô bốt di động đều có một tải trọng (payload) nhất định, điều này có thể dẫn tới những sự giới hạn trong thiết kế của hệ thống, đặc biệt trong các ứng dụng hay bị giới hạn về kích cỡ và cân nặng.

Thông tin về trạng thái của hệ thống được cung cấp bởi các cảm biến nội và cảm biến ngoại. Thông tin này được một khối dẫn đường (có thể là các môđun phần cứng hoặc phần mềm, nhưng thường là một chương trình phần mềm có khả năng tính toán) sử dụng để ước lượng trạng thái của hệ thống. Tín hiệu này sau đó được môđun lập kế hoạch và điều khiển sử dụng để phát ra các lệnh gửi tới các bộ phận thao tác

2. Một số phương pháp dẫn đường cho rô bốt di động

Một rô bốt di động thông minh phải được điều khiển dẫn đường theo một chiến lược có hiệu quả. Có nhiều nghiên cứu trên thế giới với các thuật giải và phương pháp khác nhau cho dẫn đường rô bốt trong các môi trường trong nhà và ngoài trời. Ta sẽ điểm qua một vài phương pháp như sau:

2.1. Phương pháp dead-reckoning.

Hình 2. Định vị cho robot sử dụng bộ lập mã quang, cảm biến gia tốc, vận tốc góc và cảm biến từ

Dead-reckoning là phương pháp dẫn đường được sử dụng rộng rãi nhất đối với rô bốt di động. Phương pháp này cho độ chính xác trong thời gian ngắn, giá thành thấp và tốc độ lấy mẫu rất cao. Tuy nhiên do nguyên tắc cơ bản của phương pháp dead-reckoning là tích luỹ thông tin về gia tốc chuyển động theo thời gian do đó dẫn tới sự tích luỹ sai số. Sự tích luỹ sai số theo hướng sẽ dẫn đến sai số vị trí lớn tăng tỉ lệ với khoảng cách chuyển động của rô bốt. Tuy nhiên hầu hết các nhà nghiên cứu đều đồng ý rằng dead-reakoning là một phần quan trọng trong hệ thống dẫn đường rô bốt, các lệnh dẫn đường sẽ được đơn giản hoá nếu độ chính xác của phương pháp dead-reckoning được cải thiện. Phương pháp dead-reakoning dựa trên phương trình đơn giản và thực hiện được một cách dễ dàng, sử dụng dữ liệu từ bộ mã hoá số vòng quay bánh xe. Dead-reckoning dựa trên nguyên tắc là chuyển đổi số vòng quay bánh xe thành độ dịch tuyến tính tương ứng của rô bốt. Nguyên tắc này chỉ đúng với giá trị giới hạn. Có một vài lý do dẫn đến sự không chính xác trong việc chuyển từ số gia vòng quay bánh xe sang chuyển động tuyến tính. Tất cả các nguồn sai số này được chia thành 2 nhóm: sai số hệ thống và sai số không hệ thống. Để giảm sai số dead-reckoning cần phải tăng độ chính xác động học cũng như kích thước tới hạn.

2.2. Hệ thống dẫn đường cột mốc chủ động.

Hệ thống dẫn đường cột mốc chủ động là hệ thống dẫn đường được sử dụng phổ biến nhất trên tàu biển và máy bay. Hệ thống này cung cấp thông tin vị trí rất chính xác với quá trình xử lý tối thiểu. Hệ thống cho phép tốc độ lấy mẫu và độ tin cậy cao nhưng đi kèm với nó là giá thành cao trong việc thiết lập và duy trì. Cột mốc được đặt tại các vị trí chính xác sẽ cho phép xác định toạ độ chính xác của vật thể. Có 2 phương pháp đo dùng trong hệ thống cột mốc chủ động, đó là phép đo 3 cạnh tam giác và phép đo 3 góc tam giác. Phép đo 3 cạnh tam giác. Phép đo 3 cạnh tam giác xác định vị trí vật thể dựa trên khoảng cách đo được tới cột mốc biết trước. Trong hệ thống dẫn đường sử dụng phép đo này thông thường có ít nhất là 3 trạm phát đặt tại các vị trí biết trước ngoài môi trường và 1 trạm nhận đặt trên rô bốt. Hoặc ngược lại có 1 trạm phát đặt trên rô bốt và các trạm nhận đặt ngoài môi trường. Sử dụng thông tin về thời gian truyền của chùm tia hệ thống sẽ tính toán khoảng cách giữa các trạm phát cố định và trạm nhận đặt trên robot. GPS (Global Positionings Systems) - hệ thống định vị toàn cầu hoặc hệ thống cột mốc sử dụng cảm biến siêu âm là các ví dụ khi sử dụng phép đo 3 cạnh tam giác. Phép đo 3 góc tam giác.

Hình 3. Định vị sử dụng vật mốc

2.3. Hệ thống dẫn đường cột mốc

Tương tự như phần 2.2 nhưng đây là vật mốc nhân tạo và tự nhiên.

2.4. Định vị sử dụng bản đồ

Rô bốt sử dụng các cảm biến được trang bị để tạo ra một bản đồ cục bộ môi trường xung quanh. Bản đồ này sau đó so sánh với bản đồ toàn cục lưu trữ sẵn trong bộ nhớ. Nếu tương ứng, rô bốt sẽ tính toán vị trí và góc hướng thực tế của nó trong môi trường.