ISSN 1859 1531 TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG, VOL 20, NO 8, 2022 93 THIẾT KẾ VÀ CHẾ TẠO VALI THÔNG MINH ỨNG DỤNG CÔNG NGHỆ XỬ LÝ ẢNH DESIGN AND MANUFACTURING A SMART SUITCASE USING IMA[.]
ISSN 1859-1531 - TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CƠNG NGHỆ - ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG, VOL 20, NO 8, 2022 93 THIẾT KẾ VÀ CHẾ TẠO VALI THÔNG MINH ỨNG DỤNG CÔNG NGHỆ XỬ LÝ ẢNH DESIGN AND MANUFACTURING A SMART SUITCASE USING IMAGE PROCESSING Nguyễn Đình Khang, Nguyễn Quốc Đạt, Đặng Phước Vinh* Trường Đại học Bách khoa - Đại học Đà Nẵng1 *Tác giả liên hệ: dpvinh@dut.udn.vn (Nhận bài: 22/6/2022; Chấp nhận đăng: 15/7/2022) Tóm tắt - Việt Nam ta ngày phát triển lĩnh vực xã hội, văn hóa, kinh tế, dẫn đến địi hỏi người phải động, sáng tạo để tạo sản phẩm đáp ứng nhu cầu đa dạng đời sống Ngay nhu cầu di chuyển hàng ngày, người cần gọn nhẹ, tự động hóa, bảo mật tiện lợi Trong sản phẩm công nghệ, “Vali tự hành” mang tính ứng dụng cao phù hợp với đại hóa đất nước Ngày nay, nhiều người đến Cảng Hàng kéo theo vali nặng cồng kềnh Điều có nhiều hạn chế, gây bất tiện, đau mỏi khó chịu cho người sử dụng Hơn nữa, vali truyền thống không hỗ trợ quản lý bảo mật, bị khó tìm lại Trong báo này, tác giả đề xuất phương án thiết kế chế tạo vali tự hành với khả theo người dùng, có kích thước theo chuẩn hành lí máy bay (356 × 552 × 278 mm) có hệ thống mở khóa nhận diện khn mặt Abstract - The increasing development of socio -cultural, and economic fields requires human-beings to be dynamic and innovative in order to create goods that adapt to the diversified demands of life Even in daily travel needs, people still need compactness, automation, security, and convenience "Autonomous suitcase" is a technology product that is extremely useful and appropriate for the country's modernization Nowadays, pulling a bulky and heavy baggage to the airport causes several restrictions as well as making people feel inconvenience, pain, and uncomfortable Furthermore, the standard luggages not assist security monitoring and it is difficult to find out when getting lost In this paper, authors present a designing and manufacturing option for a suitcase that can follow the user, with the dimensions meeting the airline luggage regulations (356 × 552 × 278 mm) and having a face unlock system Từ khóa - Vali tự hành; nhu cầu di chuyển; tiện lợi; theo người dùng; nhận diện khuôn mặt Key words - Autonomous suitcase; daily travel; convenience; follow the user; face-recognizing Đặt vấn đề Robot tự hành ngày sử dụng nhiều kinh doanh, thương mại, y tế lĩnh vực khác phục vụ nghiên cứu đời sống người Nó đưa thách thức cho nhà nghiên cứu nhu cầu thực tế ngày phát triển Việc tích hợp robot tự hành vali nhằm nâng cao trải nghiệm di chuyển số hãng công nghệ trước thực chi phí để sở hữu chúng cao rộng rãi thị trường Cowardrobot R1 có kích thước 380 × 550 × 200 mm, nặng 4,8kg có giá $999,99; Ưu điểm Cowardrobot R1: Bền, nhẹ, theo người dùng tránh vật cản bất tiện yêu cầu người dùng phải đeo vịng tay để theo sau; Ngồi ,cịn dùng GPS để giám sát vị trí vali [1] Ovis có kích thước 380 × 550 × 230 mm, nặng 5,9kg có giá $899; Ưu điểm Ovis tương tự Cowardrobot R1 không cần mang theo vịng tay sử dụng cơng nghệ xử lý ảnh điều kiện song song với người nên đến góc cần rẽ người dùng cần phải di chuyển chậm lại để vali theo, sử dụng smartphone để kiểm tra cân nặng vali [2] Cả hai loại vali sử dụng khóa chuẩn TSA truyền thống Travelmate có kích thước 400 × 550 × 200 mm có giá $1099, sử dụng xử lý ảnh cảm biến để theo người dùng tránh vật cản; Bên cạnh đó, Travelmate sở hữu khóa Bluetooth chuẩn TSA [3] Trong nghiên cứu này, nhóm tác giả đề xuất phương án thiết kế chế tạo sản phẩm vali tự hành với khả theo người dùng hệ thống bảo mật dựa công nghệ xử lý ảnh Việc tự động hóa vali giúp người dùng khơng phải tốn nhiều sức lực di chuyển, từ cải thiện trải nghiệm chất lượng chuyến Mặc dù, không cung cấp số chức nâng cao sản phẩm vali nhóm tác giả có mức chi phí sản xuất thấp (khoảng 10 triệu đồng), mang lại khả dễ tiếp cận cho Hình Các loại vali thơng minh (Nguồn: Internet) Đã có nhiều nghiên cứu để chế tạo sản xuất thành công sản phẩm vali tự động đưa vào kinh doanh The University of Danang – University of Science and Technology (Nguyen Dinh Khang, Nguyen Quoc Dat, Dang Phuoc Vinh) 94 người dùng so với sản phẩm khác Sở hữu ứng dụng robot tự hành dựa cảm biến, cơng nghệ xử lý hình ảnh, sản phẩm đáp ứng nhu cầu người dùng, tăng tính tiện lợi tất điều khiển điện thoại không cần phải mang theo linh kiện để vali theo sau Đây cải tiến so với sản phẩm khác thị trường đa số chúng theo người dùng dựa việc sử dụng loại sóng, hiệu gặp số điều kiện định Bên cạnh đó, nhóm tác giả cịn trang bị cho sản phẩm tính nhận diện khn mặt mở khóa vali Đây thay hoàn hảo cho phương pháp truyền thống mật mã kí tự Áp dụng cơng nghệ vào hệ thống khóa vali nâng cao tính bảo mật sản phẩm Mặc dù xuất thời gian cải tiến áp dụng lên hệ thống bảo mật vali Hơn nữa, tính nhóm tác giả phát triển thêm tính chống giả mạo ảnh video, giúp tăng an toàn riêng tư khách hàng Ứng dụng bao gồm hai hệ thống hệ thống tự hành vali để theo sau người dùng, hệ thống mở khóa Face-ID chức phụ Ngồi ra, tính gửi vị trí GPS vali trường hợp thất lạc khẩn cấp đặc điểm bật sản phẩm Kết nghiên cứu khảo sát 2.1 Mục tiêu nghiên cứu Mục tiêu nghiên cứu phát triển sản phẩm vali thông minh, phát triển dựa sở robot tự hành công nghệ xử lý hình ảnh điều khiển Arduino, ESP32 HuskyLens Thêm vào cơng nghệ nhận diện khn mặt vận hành máy tính nhúng NVIDIA Jetson Nano thơng qua ngơn ngữ lập trình Python Dựa vào tính mang tính thực dụng cao liên kết với hệ thống công nghệ định vị mơ hình thuật tốn khác nhằm tích hợp vào sản phẩm phục vụ cho việc di chuyển người Khi nói tiện lợi mà công nghệ ứng dụng mang lại việc giải nhu cầu thường nhật Việt Nam trước dừng lại mức độ khơng có tính phổ cập cao đến người dân có mức thu nhập trung bình, người thực cần sản phẩm giải pháp cho vấn đề sống họ Vì vậy, sản phẩm giải pháp thay đổi tư duy, cải thiện tốc độ trải nghiệm di chuyển, đem lại hiệu cao cho ngành liên quan đến du lịch 2.2 Phương pháp 2.2.1 Cơ cấu khí Đầu tiên, sử dụng phần mềm Fusion360 để thiết kế 3D, thực tính tốn hệ thống khung, hệ thống truyền động Sau bước này, xác định bố trí linh kiện/thiết bị điện tử sau tiến hành bước gia cơng lắp ráp để tạo sản phẩm hoàn chỉnh Các bước thực bao gồm: • Thiết kế khung vỏ vali phần mềm Fusion360, đưa hai phương án thiết kế, so sánh ưu nhược điểm chọn phương án thiết kế tối ưu Nguyễn Đình Khang, Nguyễn Quốc Đạt, Đặng Phước Vinh Hình Thiết kế 3D phần mềm Fusion360 • Tính chọn động truyền động: Tốc độ quay bánh xe: 60 × 1000 × v 60 × 1000 × 0,5 n= = ≈ 147 (rpm) 2πr 65π Trong đó: Đường kính bánh xe: 65mm; Tải trọng tối đa: 12 kg; Tốc độ tối đa: 0,5 m/s Khi vali chuyển động đều, trọng lượng vali tác động lên bánh: 12 × 10 N= = 60 (N) Lực kéo: Fk = μ × N = 0,015 × 60 = 0,9 (N) Cơng suất: Ncđđ = Fk × v = 0,9 × 0,5 = 0,45 (W) Khi vali bắt đầu di chuyển từ trạng thái nghỉ: Gia tốc: a = 0,5 m/s2 Lực kéo: Fk = μ × N + m1 × a = 33 (N) Cơng suất: Ntt = Fk × v = 33 × 0,5 = 16,5 (W) Momen: Mtt = Fk × r = 33 × 0,0325 = 1,0725 (Nm) Từ thông số chọn động GW31ZY 12VDC có cơng suất 18W tốc độ 158 vịng/phút Hình Tính chọn hệ thống truyền động • Gia cơng khí: Sử dụng nhôm làm hệ thống khung, hợp kim nhôm để làm vỏ, mút để đệm… Sau tiến hành lắp ráp ISSN 1859-1531 - TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ - ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG, VOL 20, NO 8, 2022 • Tính thời lượng pin: Nguồn cấp từ pin: 12,6V; 8Ah Nguồn sạc: 12,6V; 2A Thực tế cho thấy trình sạc, hao hụt 40%, thời lượng để sạc đầy pin là: × 140% = 5,6 (giờ) Công suất tiêu thụ hệ thống chủ yếu từ động cơ: × 18 = 36 (W) Dòng tải tối đa: P 36 I= = ≈ 1,65 (A) 1,732 × V 1,732 × 12,6 Hình Module SIM GPS gửi vị trí vali đến người dùng Thời lượng pin: × 0,7 ≈ 3,39 (giờ) 1,65 2.2.2 Hệ thống tự hành/tránh vật cản Sử dụng tín hiệu lấy từ bốn cảm biến siêu âm để nhận biết vị trí vật cản cách vật cản 15cm, vali thực hành động tránh Hệ thống điều khiển giao tiếp ESP32 Arduino UNO Các bước thực bao gồm: • Thiết lập cảm biến: Lắp đặt cảm biến siêu âm vào vali kết nối với Arduino UNO ESP32 Hình Sản phẩm vali thơng minh Hình Kết nối ESP32 cảm biến siêu âm • Code C/C++ phần mềm ArduinoIDE để thiết lập hệ thống Các tính bao gồm: - Tránh vật cản - Phát bậc thang - Gửi vị trí GPS vali đến người dùng trường hợp cần thiết - Điều khiển bật/tắt đèn biểu thị, Jetson Nano - Theo dõi hành trình di chuyển ESP32-CAM Hình Cảm biến hồng ngoại tiệm cận phát bậc thang Hình Nhiệm vụ Arduino UNO 95 Nguyễn Đình Khang, Nguyễn Quốc Đạt, Đặng Phước Vinh 96 Hình 12 Lưu đồ thuật tốn HuskyLens Chỉ nút bấm, người dùng kích hoạt hệ thống mà không cần thao tác phụ phức tạp khác Các bước thực sau: Hình Nhiệm vụ ESP32 • Lắp đặt module • Thiết lập sa hình với vật cản ngẫu nhiên cho chạy thử Hình 10 Chạy thử thực tế chức tránh vật cản bậc thang Bãi đỗ xe Nhà hát Trưng Vương Đà Nẵng Hình 13 Lắp đặt HuskyLens Đây linh kiện có vai trị quan trọng tính theo sau người dùng, đảm nhiệm việc xử lý ảnh truyền tín hiệu điều khiển hướng vali Hơn nữa, việc học vật thể tùy biến làm nên tính tiện lợi vali, HuskyLens học vật thể cần theo dõi cách nhanh chóng độ xác chấp nhận • Thiết lập giao diện điều khiển phần mềm Blynk Giao diện bao gồm nút bấm trực quan mang lại khả dễ sử dụng cho người dùng Hình 11 Chạy thử tính gửi vị trí GPS vali 2.2.3 Hệ thống theo người dùng xử lý hình ảnh Sử dụng HuskyLens, vali xác định vị trí tương đối người dùng nhờ vào công nghệ xử lý ảnh đưa lệnh điều hướng Sau nhận tín hiệu, Arduino điều khiển động để vali theo sau chủ nhân Hình 14 Giao diện điều khiển Blynk ISSN 1859-1531 - TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CƠNG NGHỆ - ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG, VOL 20, NO 8, 2022 • Chạy thử vali điều kiện khác Sản phẩm chạy thử điều kiện thay đổi ánh sáng, không gian quãng đường điều kiện vật cản xung quanh Hình 15 Chạy thử tính theo người dùng 97 hợp dựa vào dataset để nhận dạng khn mặt người dùng chống giả mạo từ hình ảnh video Độ xác hệ thống lên đến 75% tùy thuộc vào video mà người dùng cung cấp Ngồi ra, trường hợp khách hàng khơng thể mở khóa Face-ID, tính mở khóa mật tích hợp hệ thống Sau mở khóa, vali gửi email cảnh báo cho người dùng Hơn nữa, hệ thống điện, vali tích hợp hệ thống mở khóa cấu vật lí Hệ thống mở khóa khn mặt tích hợp tính chống giả mạo hình ảnh video, nâng cao tính bảo mật cho người sử dụng Các bước thực bao gồm: • Lắp đặt thành phần hệ thống (Jetson Nano, camera, rơ-le, khóa điện, hình, nguồn điện) vào vali • Ngồi ra, vali bị thất lạc, đồng nghĩa với việc bị kết nối với điện thoại, hệ thống cảnh báo bao gồm đèn biểu thị còi điện tự động phát tín hiệu cảnh báo người dùng tìm thấy vali 2.2.4 Hệ thống mở khóa Face-ID tính bổ sung khác Hình 17 Sơ đồ nối dây hệ thống Jetson Nano • Lập trình tính phụ trợ Bên cạnh tính chính, vali cịn mang đến cho người dùng số chức khác tra cứu thông tin thời tiết để có chuẩn bị tốt cho chuyến Bên cạnh đó, vali cịn sử dụng máy tính bảng Hình 18 Tính mở khóa mật Hình 16 Lưu đồ thuật tốn nhận diện khn mặt Hệ thống sử dụng máy tính nhúng Jetson Nano có tính xử lý ảnh mạnh mẽ kết hợp với camera, khóa điện từ rơ-le, lập trình ngơn ngữ Python Visual Studio Code, tất liệu mà khách hàng cần cung cấp video khoảng 60 giây quay chân dung vali sử dụng nhận diện khn mặt người dùng để mở khóa Tất lập trình sẵn người dùng không cần phải thực thao tác phức tạp, phù hợp với người khơng có trình độ chun mơn cao kỹ thuật Tính chống giả mạo khuôn mặt yêu cầu người dùng cung cấp video khoảng 60 giây quay đủ góc mặt (trước, trái phải) Sau đó, video cơng cụ tự động cắt thành khung hình tự động xử lý ảnh để xuất liệu vào dataset Hệ thống huấn luyện mạng nơ-ron tích Hình 19 Tính tra cứu thời tiết Mọi tính dễ dàng truy cập thông qua bảng điều khiển trung tâm thiết lập sẵn thao tác hình cảm ứng tích hợp Hình 20 Bảng điều khiển trung tâm Nguyễn Đình Khang, Nguyễn Quốc Đạt, Đặng Phước Vinh 98 2.2.5 Tính tốn chi phí Bảng Tính tốn chi phí chế tạo sản phẩm vali thông minh Nội dung Khung vỏ vali, cấu khí Hệ thống theo người dùng Hệ thống bảo mật sử dụng Face-ID Các phụ phí khác Chi phí (VND) 500.000 3.500.000 5.500.000 200.000 Chi phí cần thiết để chế tạo sản phẩm vali thông minh khoảng 10 triệu đồng (chưa bao gồm chi phí thiết kế, tiền công lao động chi phí khác sản xuất) Tuy nhiên, đưa vào sản xuất hàng loạt giảm đáng kể chi phí cho phần cứng, giúp giảm giá thành sản phẩm 2.3 Kết Kết thực đến thao tác cuối kết hợp tất hệ thống lên vali, làm việc hiệu quả, dễ dàng sử dụng đạt mục tiêu đặt Mặc dù, trình chạy thử phát sinh số lỗi nhỏ khắc phục đến mức tối đa sai số chấp nhận Với mức chi phí để sản xuất thấp nhiều so với sản phẩm khác thị trường, sản phẩm có khả tiếp cận với khách hàng cao Kết thử nghiệm chức tự hành: Hình 21 Chạy thử chức theo sau người dùng tự hành Cảng Hàng Không Quốc Tế Đà Nẵng cao lược bỏ tính khơng thực cần thiết để có mức giá dễ tiếp cận Sản phẩm đáp ứng nhu cầu tiện lợi, tự động hóa bảo mật, từ cải thiện nhiều nhu cầu di chuyển người Ngồi ra, việc tự chủ cơng nghệ ưu thế, khơng phụ thuộc vào nước ngồi, có lợi đường đua chung công nghệ thu hút đầu tư 3.2 Nhược điểm Vì tích hợp linh kiện thiết bị điện tử chưa tối ưu khối lượng nên có hạn chế cân nặng người dùng muốn mang vali lên máy bay Ở phiên khối lượng vali lớn (gần kg) tải trọng tối đa 12 kg Do phiên thử nghiệm nên tác giả chưa tối ưu khối lượng cách lắp đặt, xếp thành phần khí, bo mạch điện tử… Ở nghiên cứu tiếp theo, nhóm tác giả thay đổi vật liệu làm khung vỏ vali, sử dụng linh kiện điện tử tối ưu khối lượng cách lắp đặt, xếp thành phần, cấu… Bên cạnh đó, độ xác hệ thống theo sau có độ xác chưa cao mang lại trải nghiệm chưa tốt Việc đưa sản phẩm vào thực tiễn cần thời gian dài 3.3 Hướng nghiên cứu tương lai Cải thiện cân nặng, tốc độ di chuyển độ trễ phản hồi vali Phát triển thêm chức tự cân liệt kê đồ vật cho vào để người dùng lo lắng vấn đề cân lên máy bay hay thất lạc đồ dùng Hơn nữa, thời điểm đại dịch COVID-19 lây lan tính tự khử khuẩn phát triển Ngoài ra, phát triển số cải tiến ngoại hình vali để phù hợp với thị hiếu người dùng Kết luận Sản phẩm vali thông minh làm cho nhóm tác giả có niềm tin việc sử dụng sản phẩm cơng nghệ mang tính ứng dụng cao để cải thiện chất lượng sống cho người Các công nghệ phục vụ đời sống thường nhật hướng tiềm tương lai Việc không số cá nhân mà cộng đồng tiếp cận cơng nghệ mới, thay đổi tư mang lại phát triển cho đất nước TÀI LIỆU THAM KHẢO Hình 22 Chức mở khóa nhận diện khuôn mặt Bàn luận 3.1 Ưu điểm Ở giới mà người tiệm cận đến tồn diện khoa học, sản phẩm vali thông minh yếu tố thúc đẩy phát triển chung cho lĩnh vực Cơ điện tử - Tự động hóa Khi mức giá để sản xuất sản phẩm nửa với đối thủ, khoảng 10 triệu đồng so với mặt chung sản phẩm khác khoảng 20 triệu đồng, mang tính cạnh tranh [1] Daniel, “Cowarobot R1 Smart Suitcase Autonomously Follows You”, Gadgetsin, 28/07/2016 [2] Talia Avakian, “This Self-driving Suitcase Will Follow You Around the Airport”, TravelandLeisure, 31/05/2018 [3] “Travelmate Robot Suitcase”, 55Gadgets, 30/04/2020 [4] Đặng Phước Vinh, Võ Như Thành, Giáo trình Kỹ thuật Vi điều khiển PIC, NXB Xây dựng, 2019 [5] Hồng Minh Cơng, Giáo trình Cảm biến cơng nghiệp, NXB Xây dựng, 2020 [6] Lê Thị Mỹ Hạnh, Giáo trình mơn học Lập trình hướng đối tượng, Trường Đại học Bách khoa, Đại học Đà Nẵng Lưu hành nội bộ, 2002 [7] Lưu Đức Bình, Kỹ thuật gia cơng cơ, NXB Xây dựng, 2019 [8] Lưu Đức Bình, Kỹ thuật Đo Cơ khí, NXB Giáo dục VN, 2015 ... dụng cho người dùng Hình 11 Chạy thử tính gửi vị trí GPS vali 2.2.3 Hệ thống theo người dùng xử lý hình ảnh Sử dụng HuskyLens, vali xác định vị trí tương đối người dùng nhờ vào công nghệ xử lý. .. • Thiết kế khung vỏ vali phần mềm Fusion360, đưa hai phương án thiết kế, so sánh ưu nhược điểm chọn phương án thiết kế tối ưu Nguyễn Đình Khang, Nguyễn Quốc Đạt, Đặng Phước Vinh Hình Thiết kế. .. cải tiến ngoại hình vali để phù hợp với thị hiếu người dùng Kết luận Sản phẩm vali thông minh làm cho nhóm tác giả có niềm tin việc sử dụng sản phẩm cơng nghệ mang tính ứng dụng cao để cải thiện