nghiên cứu ứng dụng hệ thống định vị trong nhà hỗ trợ định vị cho xe tự hành

39 Trang 10 MỞ ĐẦU Trang 12 CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG ĐỊNH VỊ TRONG NHÀ VÀ CÁC CÔNG NGHỆ ĐỊNH VỊ TRONG NHÀ 1.1 Tổng quan về hệ thống định vị trong nhà Trong thời đại công nghệ s

Chu Văn Cường

NGHIÊN CỨU, ỨNG DỤNG HỆ THỐNG ĐỊNH VỊ TRONG NHÀ HỖ

MỤC LỤC

LỜI CAM ĐOAN iii

LỜI CẢM ƠN iv

DANH MỤC KÝ HIỆU, CÁC CHỮ VIẾT TẮT v

DANH MỤC BẢNG vi

DANH MỤC HÌNH VẼ vii

MỞ ĐẦU 1

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG ĐỊNH VỊ TRONG NHÀ VÀ CÁC CÔNG NGHỆ ĐỊNH VỊ TRONG NHÀ 3

1.1 Tổng quan về hệ thống định vị trong nhà 3

1.2 Các công nghệ định vị trong nhà 6

1.2.1 Công nghệ sử dụng sóng vô tuyến 6

1.2.2 Công nghệ ứng dụng quang học 11

1.3 Ứng dụng của định vị trong nhà 13

1.4 Xây dựng hệ thống định vị trong nhà dựa trên UWB 14

CHƯƠNG 2: CÁC THUẬT TOÁN DẪN ĐƯỜNG CHO ROBOT 16

2.1 Giới thiệu chung về dẫn đường 16

2.2 Thuật toán dẫn đường 18

2.3 Ứng dụng của SLAM trong dẫn đường cho robot 19

2.3.1 Localization 19

2.3.2 Mapping 20

2.3.3 SLAM 21

2.3.4 Các thuật toán SLAM 24

2.4 Các vấn đề của dẫn đường 26

CHƯƠNG 3: XÂY DỰNG HỆ THỐNG ĐỊNH VỊ TRONG NHÀ HỖ TRỢ DẪN

ĐƯỜNG TRÊN ROBOT TỰ HÀNH 29

3.1 Giới thiệu chung 29

3.1.1 Bài toán định vị trong nhà với UWB 29

3.1.2 Thiết kế mô hình hệ thống định vị 32

3.2 Tích hợp định vị trong nhà hỗ trợ dẫn đường trên robot tự hành 32

3.2.1 Hệ thống định vị UWB thực tế 32

3.2.2 Hệ thống xe tự hành 34

3.2.3 Tích hợp hệ thống định vị trên xe tự hành 36

3.3 Thử nghiệm 37

3.3.1 Thử nghiệm hệ thống định vị 37

3.3.2 Thử nghiệm mô phỏng xe tự hành 39

3.3.3 Thử nghiệm mô phỏng tích hợp hệ thống 40

3.4 Đánh giá kết quả thử nghiệm 41

KẾT LUẬN 42

DANH MỤC CÁC TÀI LIỆU THAM KHẢO 43

PHỤ LỤC 45

LỜI CAM ĐOAN

Tất cả nội dung trong đề tài Đề án “Nghiên cứu, ứng dụng hệ thống định vị trong nhà hỗ trợ dẫn đường cho xe tự hành” được nghiên cứu độc lập dưới sự hướng dẫn, chỉ bảo, góp ý của TS Mai Thị Nghĩa, giảng viên Khoa Kỹ thuật Điện Tử I, Học viện Công nghệ Bưu chính Viễn thông Kết quả thể hiện trong đề án là trung thực và không sao chép dưới mọi hình thức Các tài liệu tham khảo trong đề án được trích dẫn đầy đủ, rõ ràng Tôi xin chịu hoàn toàn trách nhiệm với nội dung và hình thức của đề án

Tác giả đề án

Chu Văn Cường

LỜI CẢM ƠN

Lời đầu tiên tôi xin chân thành cảm ơn TS Mai Thị Nghĩa cùng các thầy cô giáo của khoa Kỹ thuật Điện Tử 1 và Khoa sau đại học – Học viện Công nghệ Bưu chính Viễn thông đã hỗ trợ, góp ý, chỉ bảo trong toàn bộ quá trình thực hiện đề án Đề án là kết quả của sự nỗ lực học hỏi, phấn đấu, khắc phục khó khăn dưới sự chỉ bảo, giúp

đỡ tận tình của giảng viên hướng dẫn Tôi cũng xin cảm ơn gia đình và bạn bè đã tạo điều kiện thuận lợi để tôi có thể hoàn thành khoá học một cách tốt nhất

Sau cùng, tôi xin cảm ơn các anh, chị em và các bạn học viên của lớp M22CQDT01-B đã luôn sát cánh và đồng hành cùng tôi trong quá trình học tập tại tại trường và hoàn thành đề án

Xin chân thành cảm ơn!

DANH MỤC KÝ HIỆU, CÁC CHỮ VIẾT TẮT

Viết tắt Tiếng Anh Tiếng Việt

IPS Indoor Positioning System Hệ thống định vị trong nhà GPS Global Positioning System Hệ thống định vị toàn cầu

UHF Ultra High Frequence Tần số siêu cao

RFID Radio Frequence Identification Định danh tần số vô tuyến VLC Visible Light Communications Truyền thông ánh sáng SLAM Simultaneous Localization and

Mapping

Định vị và ánh xạ bản đồ

LQR Linear-Quadratic Regulator Bộ điều chỉnh tuyến tính bậc 2

TDoA Time Difference of Arrival Sự chênh lệch thời gian đến AMR Autonomous Mobile Robot Roobot di động tự hành AGV Automated Guided Vehicle Xe có dẫn đường tự động MQTT Message Queueing Telemetry

Transport

Truyền tin nhắn hàng đợi từ xa

DANH MỤC BẢNG

Bảng 1: Thông số kỹ thuật DW1000 45 Bảng 2: Thông số kỹ thuật ESP32 45

DANH MỤC HÌNH VẼ

Hình 1.1: Hệ thống định vị trong nhà 3

Hình 1.2: Cách thức hoạt động của IPS 5

Hình 1.3: UWB IPS 6

Hình 1.4: Bluetooth IPS 7

Hình 1.5: UHF IPS 8

Hình 1.6: WiFi IPS 10

Hình 1.7: Camera IPS 11

Hình 1.8: VLC IPS 12

Hình 1.9: Mô hình hệ thống định vị UWB 15

Hình 2.1: Robot tự hành 16

Hình 2.2: Thuật toán tìm đường Gird Map 18

Hình 2.3: Thuật toán tìm đường Sample Map 18

Hình 2.4: Mô tả về Localization 19

Hình 2.5: Mô tả về ánh xạ bản đồ 20

Hình 2.6: Ví dụ về SLAM 21

Hình 2.7: Ví dụ về vấn đề dẫn đường không chính xác 27

Hình 3.1: Hoạt động của UWB 30

Hình 3.2: Bài toán tính tọa độ 31

Hình 3.3: Mô hình tính tọa độ với UWB 32

Hình 3.4: Mô hình hệ thống định vị UWB 33

Hình 3.5: Hệ thống chi tiết 33

Hình 3.6: Mô phỏng robot với Gazebo 34

Hình 3.7: Kết quả mô phỏng với Rviz2 35

Hình 3.8: Thuật toán tích hợp hệ thống định vị với xe tự hành 36

Hình 3.9: Kết quả theo dõi định vị 37

Hình 3.10: Kết quả đo khoảng cách bằng UWB 38

Hình 3.11: Thử nghiệm mô phỏng xe tự hành với lỗi định vị khi dẫn đường 39

Hình 3.12: Mô tả cách thức hoạt động của hệ thống 40

MỞ ĐẦU

Robot tự hành (Autonomous Mobile Robot) là loại robot có khả năng tự hành

và thực hiện nhiều nhiệm vụ mà không cần sự can thiệp của con người Điều này đạt được thông qua việc tích hợp nhiều công nghệ như cảm biến, trí tuệ nhân tạo, và hệ thống điều khiển tự động Robot tự hành có thể được sử dụng trong nhiều ứng dụng khác nhau, từ quản lý kho hàng và dịch vụ giao hàng tự động đến các ứng dụng trong ngành công nghiệp sản xuất Các đặc điểm chính của robot tự hành bao gồm khả năng

tự định vị, tránh vật cản, lập kế hoạch di chuyển, và thực hiện nhiều nhiệm vụ theo lịch trình hoặc theo yêu cầu Dẫn đường (Navigation) là khả năng của robot, di chuyển

từ một vị trí A đến một vị trí B một cách tự động và an toàn Hệ thống dẫn đường của robot tự hành thường sử dụng các phương pháp như bản đồ tự động, cảm biến laser, camera, và các thuật toán dẫn đường để đảm bảo rằng robot có thể di chuyển hiệu quả trong môi trường thay đổi mà không va chạm hoặc gây nguy hiểm Dẫn hướng thông minh giúp robot tự hành tự động tìm đường đi ngắn nhất hoặc an toàn nhất để hoàn thành nhiệm vụ được giao Robot tự hành và các hệ thống điều hướng tự động ngày càng trở nên quan trọng trong các ngành công nghiệp vì khả năng giảm chi phí lao động, tăng hiệu suất, và cung cấp giải pháp linh hoạt cho các ứng dụng đa dạng Dẫn đường cho robot tự hành đang đối mặt với nhiều thách thức đa dạng, đặc biệt là khi chúng hoạt động trong môi trường động và đa chiều Một trong những vấn đề quan trọng nhất là chênh lệch định vị, tức là robot tự hành có thể thấy chênh lệch giữa

vị trí thực tế và vị trí được định vị, đặc biệt là khi gặp các điều kiện môi trường thay đổi nhanh chóng Đề giải quyết vấn đề này, học viên đề xuất giải pháp sử dụng một

hệ thống định vị trong nhà để hỗ trợ dẫn đường cho robot tự hành – trong phạm vi đề tài, robot tự hành là một mẫu xe tự hành Mục tiêu của đề án đặt ra là xây dựng một

hệ thống định vị trong nhà dựa trên công nghệ Ultra Wide Band (UWB), từ đó, hỗ trợ xác định vị trí của robot tự hành và các điểm đến một cách chính xác và liên tục Điều này giúp cho robot luôn luôn xác định được vị trí của robot và đích đến Với

phương pháp này chúng ta sẽ khắc phục các vấn đề về sai lệch vị trí trong việc dẫn đường cho robot

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG ĐỊNH VỊ TRONG NHÀ VÀ CÁC CÔNG NGHỆ ĐỊNH VỊ TRONG NHÀ

1.1 Tổng quan về hệ thống định vị trong nhà

Trong thời đại công nghệ số hiện nay, định vị trong nhà (Indoor Positioning System) không chỉ là một khái niệm mới mẻ mà còn trở thành một giải pháp thông minh để tối ưu hóa không gian sống và làm việc của chúng ta Bằng cách kết hợp các công nghệ tiên tiến như GPS, Bluetooth, và Wi-Fi, định vị trong nhà mang lại nhiều tiện ích đáng kinh ngạc từ việc tìm kiếm vị trí đến quản lý không gian Định vị trong nhà, còn được gọi là theo dõi vị trí trong nhà, là mạng lưới các thiết bị được sử dụng

để định vị người hoặc vật thể trong một không gian kín nơi tín hiệu GPS không đủ mạnh Nói một cách đơn giản, nó có thể được hiểu là GPS trong nhà Giống như GPS giúp mọi người định vị các vật thể ở mọi nơi trên trái đất, IPS cũng làm như vậy nhưng ở những không gian rộng lớn trong nhà như ga tàu, trung tâm mua sắm, bệnh viện và các địa điểm dưới lòng đất Hệ thống định vị trong nhà cung cấp khả năng xác định chính xác vị trí của các vật thể bên trong tòa nhà, thường thông qua thiết bị

di động, chẳng hạn như điện thoại thông minh hoặc máy tính bảng

Hình 1.1: Hệ thống định vị trong nhà

Sự thành công của GPS đã thay đổi cách chúng ta liên quan đến công nghệ Tuy nhiên, hiệu quả của nó chỉ hoạt động tốt ở ngoài trời và không đáp ứng được mong đợi đối với môi trường phức tạp trong nhà Do công nghệ GPS sử dụng tín hiệu của các vệ tinh trên quỹ đạo nên các tín hiệu này bị suy giảm nghiêm trọng bởi mái nhà

và tường ngay khi sóng vệ tinh cố gắng xuyên qua các rào chắn và đi vào các tòa nhà Thông thường, GPS có thể đạt được độ chính xác từ 5m-10m ở khu vực mở, nơi không có tòa nhà cao tầng liền kề nào có thể chặn tín hiệu Các ứng dụng rộng rãi của định vị chính xác đã tăng cường nhu cầu về các dịch vụ hệ thống định vị trong nhà Trong khi nhu cầu là có, hệ thống định vị trong nhà ngày càng trở nên quan trọng hơn trong các lĩnh vực khác nhau nhờ lợi thế nâng cao hiệu quả dịch vụ Ngoài phạm vi tín hiệu GPS, các dịch vụ IPS được các ngành công nghiệp bao gồm thương mại, y

tế, quân sự hoặc theo dõi hàng tồn kho trong kho tận dụng Hiện tại, không có tiêu chuẩn nào cho hệ thống IPS và các công ty trong đó có tên tuổi hàng đầu Google và Nokia đang đấu tranh để đưa những giải pháp này đến với khách hàng

IPS cần thiết để nâng cao độ chính xác khi định vị trong nhà Người ta ước tính rằng hơn 70% thời gian của con người là ở trong nhà, do đó vẫn có nhu cầu lớn

về công nghệ cung cấp dịch vụ định vị trong nhà và đây cũng là cơ hội thị trường lớn cho các nhà cung cấp công nghệ IPS IPS có thể không cần thiết cho công việc hàng ngày, nhưng nó hoàn toàn cần thiết khi truy cập vào những môi trường mà bạn không quen thuộc, đặc biệt trong những trường hợp khẩn cấp khi tín hiệu GPS rất yếu, chẳng hạn như quản lý thảm họa trong tòa nhà nhiều tầng, mỏ than

Ưu điểm của định vị trong nhà

Định vị trong nhà (Indoor Positioning System - IPS) mang lại nhiều lợi ích quan trọng, giúp tối ưu hóa và cải thiện trải nghiệm của người dùng trong các môi trường bên trong như tòa nhà, khu mua sắm, sân bay, bệnh viện và nhiều nơi khác, ngoài ra nó có thể khắc phục những nhược điểm của hệ thống định vị toàn cầu (GPS) như là:

• Tìm kiếm vị trí nhanh chóng: Không còn phải mất thời gian lạc trong các tòa nhà lớn hoặc các khu mua sắm khổng lồ Hệ thống định vị trong nhà giúp bạn dễ dàng xác định vị trí cụ thể mà bạn muốn đến

• Dẫn đường tận nơi: Đi từ điểm A đến điểm B không còn là một thách thức Hệ thống định vị trong nhà có thể cung cấp hướng dẫn chi tiết từng bước để đảm bảo bạn đến nơi đích mà không gặp bất kỳ rắc rối nào

• Quản lý khoảng cách: Định vị trong nhà không chỉ giúp bạn biết vị trí của mình

mà còn cho phép bạn đo lường khoảng cách với các vật thể xung quanh, hữu ích cho việc quản lý không gian và tối ưu hóa hoạt động hàng ngày

• Ứng dụng đa dạng: Từ các trung tâm thương mại đến bệnh viện, từ sân bay đến các trung tâm hội nghị, định vị trong nhà có thể được triển khai ở nhiều loại cơ

sở khác nhau để cung cấp trải nghiệm tốt nhất cho người sử dụng

Cách thức hoạt động của IPS

Hình 1.2: Cách thức hoạt động của IPS

Tương tự như nguyên lý thu-phát của GPS, IPS hoạt động theo nguyên tắc tương

tự Bằng cách sử dụng nhiều loại đèn hiệu và thẻ, IPS ước tính vị trí của đối tượng mục tiêu từ dữ liệu quan sát được thu thập Để theo dõi các đối tượng trong tòa nhà, các neo cố định (anchors) được triển khai để nhận tín hiệu được truyền từ các thẻ di động (tags) được gắn vào các đối tượng được theo dõi Các neo nhận tín hiệu từ các thẻ và chuyển tiếp chúng đến máy chủ, sau đó máy chủ sẽ tính toán vị trí thời gian thực của đối tượng

(Ultra-Hình 1.3: UWB IPS

đến từng centimet, mà không cần phải dựa vào GPS hoặc các cơ sở hạ tầng ngoại vi Điều này làm cho công nghệ IPS-UWB trở thành một lựa chọn lý tưởng cho các ứng dụng như hỗ trợ điều hướng trong các tòa nhà lớn, quản lý kho hàng, tăng cường trải nghiệm khách hàng trong bán lẻ, và nhiều ứng dụng khác Một trong những ưu điểm lớn của IPS-UWB là khả năng hoạt động trong môi trường có nhiều người và vật cản Công nghệ này có khả năng phát hiện và phản ứng nhanh chóng đến sự thay đổi trong môi trường xung quanh, giúp đảm bảo tính chính xác và đáng tin cậy của dịch vụ định vị Tóm lại, công nghệ IPS sử dụng UWB đang mở ra nhiều cơ hội mới trong việc cải thiện trải nghiệm người dùng và tối ưu hóa quản lý không gian bên trong Với tính linh hoạt, chính xác và độ tin cậy cao, IPS-UWB hứa hẹn sẽ trở thành một phần không thể thiếu trong cuộc sống hàng ngày và các ứng dụng công nghiệp

Bluetooth

Công nghệ IPS (Indoor Positioning System) sử dụng Bluetooth là một giải pháp độc đáo cho việc định vị vị trí trong các môi trường bên trong một cách hiệu quả Sử

Hình 1.4: Bluetooth IPS

dụng tín hiệu Bluetooth, hệ thống IPS có khả năng xác định vị trí của các thiết bị di động và đối tượng khác trong không gian bên trong một cách chính xác và linh hoạt Một trong những ưu điểm lớn của công nghệ IPS sử dụng Bluetooth là tính phổ biến của Bluetooth trong các thiết bị di động hiện nay Với hầu hết các smartphone và thiết

bị thông minh được trang bị Bluetooth, việc triển khai hệ thống IPS trở nên đơn giản

và tiết kiệm chi phí Điều này cũng tạo điều kiện thuận lợi cho việc tích hợp IPS vào các ứng dụng di động và dịch vụ trực tuyến Công nghệ IPS sử dụng Bluetooth cũng mang lại sự linh hoạt trong việc mở rộng phạm vi định vị Bằng cách sử dụng mạng lưới các điểm phát Bluetooth được đặt ở các vị trí chiến lược trong không gian bên trong, hệ thống IPS có thể phủ sóng toàn bộ khu vực một cách hiệu quả và đáng tin cậy Công nghệ IPS sử dụng Bluetooth đang mở ra một loạt các cơ hội mới trong việc cải thiện trải nghiệm người dùng và tối ưu hóa quản lý không gian bên trong Với tính phổ biến, linh hoạt và chi phí hiệu quả, IPS-Bluetooth hứa hẹn sẽ trở thành một phần không thể thiếu trong các ứng dụng từ bán lẻ đến giáo dục và y tế

UHF RFID

Hình 1.5: UHF IPS

Công nghệ IPS (Indoor Positioning System) sử dụng UHF RFID (Ultra High Frequency Radio-Frequency Identification) là một công cụ mạnh mẽ trong việc định

vị vị trí trong các môi trường bên trong một cách chính xác và hiệu quả Sử dụng các thẻ RFID hoạt động ở tần số cao, hệ thống IPS-UHF RFID có khả năng xác định vị trí của các đối tượng được gắn thẻ RFID trong không gian bên trong một cách chính xác đến từng centimet Một trong những ưu điểm quan trọng của công nghệ IPS sử dụng UHF RFID là khả năng hoạt động trong các môi trường phức tạp và có nhiều vật cản Các tín hiệu UHF RFID có thể xuyên qua vật liệu như kim loại, gỗ và tường, giúp hệ thống IPS xác định vị trí một cách chính xác ngay cả khi đối tượng được gắn thẻ ở các vị trí khó tiếp cận Hệ thống IPS-UHF RFID cũng mang lại sự linh hoạt trong việc mở rộng phạm vi định vị Bằng cách triển khai các đầu đọc RFID ở các vị trí chiến lược trong không gian bên trong, hệ thống IPS có thể phủ sóng toàn bộ khu vực một cách hiệu quả và đáng tin cậy Tính bảo mật cao cũng là một điểm mạnh của công nghệ IPS sử dụng UHF RFID Với các mã xác thực và các phương thức mã hóa tiên tiến, hệ thống IPS-UHF RFID đảm bảo rằng thông tin về vị trí của các đối tượng chỉ được truy cập bởi các bên được ủy quyền Tóm lại, công nghệ IPS sử dụng UHF RFID đang mở ra nhiều cơ hội mới trong việc cải thiện trải nghiệm người dùng và tối

ưu hóa quản lý không gian bên trong Với tính chính xác, linh hoạt và bảo mật cao, IPS-UHF RFID hứa hẹn sẽ trở thành một phần không thể thiếu trong các ứng dụng

từ quản lý tài sản đến theo dõi hàng hóa và điều hướng trong nhà

Wi-Fi (Wireless Fidelity)

Công nghệ IPS (Indoor Positioning System) sử dụng Wi-Fi là một công cụ tiên tiến trong việc định vị vị trí trong các môi trường bên trong một cách chính xác và linh hoạt Sử dụng các điểm truy cập Wi-Fi đã được triển khai trong một không gian bên trong, hệ thống IPS-Wi-Fi có khả năng xác định vị trí của các thiết bị di động và người dùng trong phạm vi phủ sóng Wi-Fi Một trong những ưu điểm quan trọng của công nghệ IPS sử dụng Wi-Fi là sự phổ biến của Wi-Fi trong các môi trường bên trong Với hầu hết các khu vực công cộng, doanh nghiệp và nhà ở đã được trang bị

mạng Wi-Fi, việc triển khai hệ thống IPS trở nên dễ dàng và chi phí hiệu quả Điều này cũng giúp hệ thống IPS-Wi-Fi có khả năng phủ sóng rộng rãi và cung cấp dịch

vụ định vị chính xác cho một loạt các ứng dụng Hệ thống IPS-Wi-Fi cũng mang lại

sự linh hoạt trong việc tích hợp và mở rộng Với khả năng kết nối với hệ thống mạng Wi-Fi hiện có, việc triển khai hệ thống IPS không đòi hỏi việc cài đặt thêm cơ sở hạ tầng mới, giúp tiết kiệm thời gian và chi phí Đồng thời, việc mở rộng phạm vi định

vị cũng trở nên dễ dàng bằng cách thêm các điểm truy cập Wi-Fi vào hệ thống Tính chính xác và linh hoạt của hệ thống IPS-Wi-Fi làm cho nó trở thành một lựa chọn lý tưởng cho nhiều ứng dụng, bao gồm điều hướng trong nhà, quản lý tài sản, và tương tác khách hàng trong bán lẻ và dịch vụ công cộng Tóm lại, công nghệ IPS sử dụng Wi-Fi mang lại sự linh hoạt, tiện ích và chính xác trong việc định vị trong môi trường bên trong Với tính phổ biến và khả năng tích hợp dễ dàng, IPS-Wi-Fi hứa hẹn sẽ tiếp tục phát triển và trở thành một công cụ quan trọng trong nhiều lĩnh vực ứng dụng khác nhau

Hình 1.6: WiFi IPS

1.2.2 Công nghệ ứng dụng quang học

Video camera

Công nghệ IPS (Indoor Positioning System) sử dụng camera là một phương pháp tiên tiến trong việc định vị vị trí trong các môi trường bên trong Bằng cách sử dụng hình ảnh và công nghệ thị giác máy tính, hệ thống IPS-camera có khả năng xác định vị trí của các đối tượng di động hoặc người dùng trong không gian bên trong một cách chính xác và hiệu quả Một trong những ưu điểm quan trọng của công nghệ IPS sử dụng camera là khả năng cung cấp thông tin chi tiết và đa chiều về môi trường xung quanh Các camera có thể phát hiện và theo dõi vị trí của các đối tượng di động trong thời gian thực, đồng thời cung cấp thông tin về hướng di chuyển, tốc độ và hình dạng Hệ thống IPS-camera cũng mang lại sự linh hoạt trong việc triển khai và tích hợp Với sự phổ biến của các thiết bị camera trong cuộc sống hàng ngày và việc phát triển của công nghệ thị giác máy tính, việc triển khai hệ thống IPS-camera trở nên dễ dàng và chi phí hiệu quả Điều này cũng tạo điều kiện thuận lợi cho việc tích hợp IPS vào các ứng dụng di động và dịch vụ trực tuyến Tính chính xác và độ tin cậy của hệ thống IPS sử dụng camera phụ thuộc vào nhiều yếu tố như độ phân giải của camera, góc quan sát, ánh sáng môi trường và thuật toán xử lý hình ảnh Tuy nhiên, với sự phát triển của công nghệ, IPS-camera ngày càng trở thành một công cụ mạnh mẽ

Hình 1.7: Camera IPS

trong việc định vị trong môi trường bên trong Tóm lại, công nghệ IPS sử dụng camera mang lại sự linh hoạt, chi tiết và chính xác trong việc định vị trong môi trường bên trong Với sự phát triển của công nghệ thị giác máy tính và tích hợp dễ dàng vào các

hệ thống hiện có, IPS-camera hứa hẹn sẽ tiếp tục đóng vai trò quan trọng trong nhiều ứng dụng từ điều hướng trong nhà đến quản lý sự kiện và an ninh

VLC (Visible light communications)

Công nghệ IPS (Indoor Positioning System) sử dụng Visible Light Communications (VLC) là một phương pháp tiên tiến trong việc định vị vị trí trong các môi trường bên trong Sử dụng ánh sáng nhìn thấy để truyền dẫn dữ liệu và định

vị vị trí, hệ thống IPS-VLC có khả năng cung cấp thông tin vị trí chính xác và linh hoạt trong không gian bên trong Một trong những ưu điểm chính của công nghệ IPS

sử dụng VLC là tính an toàn và tiện lợi Do sử dụng ánh sáng nhìn thấy, không có rủi

ro về tia X hoặc tia cực tím, và không gây nhiễu điện từ cho các thiết bị điện tử khác Điều này làm cho hệ thống IPS-VLC trở thành một lựa chọn an toàn và thân thiện với môi trường Hệ thống IPS-VLC cũng mang lại sự linh hoạt trong việc triển khai

Hình 1.8: VLC IPS

và tích hợp Với sự phổ biến của đèn LED và khả năng tích hợp của VLC vào các bộ đèn thông minh và hệ thống chiếu sáng, việc triển khai hệ thống IPS-VLC trở nên dễ dàng và chi phí hiệu quả Tính chính xác và độ tin cậy của hệ thống IPS-VLC phụ thuộc vào nhiều yếu tố như độ phân giải của cảm biến, tốc độ truyền dữ liệu và điều kiện ánh sáng môi trường Tuy nhiên, với sự phát triển của công nghệ, IPS-VLC đang trở thành một công cụ mạnh mẽ trong việc định vị trong môi trường bên trong Tóm lại, công nghệ IPS sử dụng Visible Light Communications mang lại sự an toàn, tiện lợi và chính xác trong việc định vị trong môi trường bên trong Với tính năng hoạt động không gây nhiễu và tích hợp dễ dàng vào các hệ thống chiếu sáng hiện có, IPS-VLC hứa hẹn sẽ tiếp tục phát triển và trở thành một công cụ quan trọng trong nhiều lĩnh vực ứng dụng khác nhau

2 Quản lý tài sản: IPS giúp theo dõi và quản lý vị trí của các tài sản, thiết bị hoặc hàng hóa trong các môi trường như nhà kho, bãi đậu xe, hoặc trung tâm dữ liệu, giúp tăng cường hiệu suất và giảm thiểu thất thoát

3 Trải nghiệm khách hàng: Trong ngành bán lẻ, IPS có thể cung cấp trải nghiệm mua sắm cá nhân hóa bằng cách cung cấp thông điệp tiếp thị hoặc ưu đãi đặc biệt dựa trên vị trí của khách hàng trong cửa hàng

4 An ninh và giám sát: IPS giúp theo dõi vị trí của nhân viên, khách hàng hoặc thiết bị trong các khu vực công cộng hoặc thương mại, hỗ trợ trong việc giám sát an ninh và quản lý dòng người

5 Giáo dục và học tập: IPS có thể được áp dụng trong môi trường giáo dục để theo dõi vị trí của học sinh và giáo viên, cung cấp hỗ trợ điều hướng trong các trường đại học lớn hoặc các trung tâm hội nghị

6 Y tế và chăm sóc sức khỏe: Trong bệnh viện hoặc phòng khám, IPS giúp theo dõi vị trí của bệnh nhân và nhân viên y tế, hỗ trợ trong việc quản lý lưu lượng

và cải thiện trải nghiệm chăm sóc

7 Theo dõi và phát hiện: IPS có thể được sử dụng để theo dõi hoặc phát hiện các đối tượng di động trong môi trường như trung tâm thể dục, sân vận động hoặc khu vực xây dựng

8 Tương tác thực tế ảo (AR/VR): IPS có thể kết hợp với công nghệ AR/VR để tạo ra các trải nghiệm tương tác động vật ảo trong không gian bên trong như trò chơi, du lịch ảo, hoặc hội thảo trực tuyến

Những ứng dụng trên chỉ là một phần nhỏ của tiềm năng mà công nghệ IPS mang lại Có thể tùy chỉnh và phát triển thêm các ứng dụng mới tùy thuộc vào nhu cầu cụ thể của từng ngành và môi trường sử dụng

1.4 Xây dựng hệ thống định vị trong nhà dựa trên UWB

Để xây dựng hệ thống định vị trong môi trường trong nhà như là phòng, nhà, nhà xưởng, nhà kho [5] … ta cần có một số thành phần quan trọng như sau:

• Anchor UWB

• Tag UWB

• Server

Anchor UWB hiểu đơn giản là mỏ neo, giống như các mỏ neo ở tàu thuyền nó

luôn luôn được gắn cố định Anchor được sử dụng để hỗ trợ định vị cho tag, nó giống

như là một cái mốc cố định giúp cho Tag UWB có thể định vị được vị trí của Khi

triển khai thực tế cần cấu hình cho UWB ở trạng thái anchor và gắn tọa độ số cho nó

Tag UWB hiểu đơn giản nó là thẻ, giống như các loại thẻ sử dụng để định danh

cá nhân, đây là các thiết bị UWB được sử dụng để xác định vị trí Khác với các anchor,

các tag không cố định trên một vị trí nào nhất định mà, nó sẽ được gắn lên các vật thể không cố định, đồng thời giúp xác định vị trí các vật thể đó Dựa trên nguyên lí

truyền/nhận sóng Tag UWB sẽ tính toán được khoảng cách của nó tới các anchor

Server là một hệ thống tính toán bao gồm các chức năng hỗ trợ cho việc tọa độ

hóa môi trường, tính toán vị trí của các tag dựa trên các tham số về khoảng cách và tọa độ

Một hệ thống hoàn chỉnh sẽ bao gồm đủ các thành phần như trên Để thiết lập

hệ thống định vị đầu tiên cần định danh và cố định các anchor vào các góc cạnh của khu vực hoạt động, chú ý phải bố trí đều theo khoảng cách truyền sóng của UWB tránh trường hợp tag đi vào vùng chết không nhận được tín hiệu Thứ hai, thiết lập tag trên các vật thể cần theo dõi, định danh tag và kết nối để tag truyền nhận dữ liệu

với Server Cuối cùng, nhập tham số và tọa độ hóa các Anchor trên Server Khi hệ thống hoạt động, các Tag liên tục nhận được khoảng cách từ Tag tới các Anchor lân cận, Tag sẽ gửi các thông số này lên Server và Server sẽ tính toán rồi trả về tọa độ trên bản đồ số cho Tag.

Hình 1.9: Mô hình hệ thống định vị UWB

CHƯƠNG 2: CÁC THUẬT TOÁN DẪN ĐƯỜNG CHO

ROBOT

2.1 Giới thiệu chung về dẫn đường

Dẫn đường cho robot là một lĩnh vực quan trọng trong ngành robot học và tự động hóa, nơi mà các robot được thiết kế để tự động di chuyển từ điểm này đến điểm khác trong một môi trường cụ thể Mục tiêu của dẫn đường cho robot là giúp robot hiểu, phân tích và đáp ứng các yếu tố môi trường như rủi ro, cấu trúc của môi trường,

và vị trí mong muốn một cách tự động và chính xác Để thực hiện điều này, robot sử dụng các phương pháp và kỹ thuật đa dạng, từ việc sử dụng cảm biến như lidar, radar,

và camera để thu thập dữ liệu từ môi trường, đến việc phát triển bản đồ của môi trường sử dụng dữ liệu này Sau đó, thông qua các thuật toán dẫn đường phức tạp, robot có thể lập kế hoạch đường đi an toàn và hiệu quả từ vị trí hiện tại đến điểm đích mong muốn Công nghệ dẫn đường cho robot mang lại nhiều ứng dụng tiềm năng trong thực tế, từ tự động lái xe, dịch vụ giao hàng tự động, đến robot hỗ trợ trong y

tế và chăm sóc sức khỏe Việc phát triển các hệ thống dẫn đường cho robot ngày càng

Hình 2.1: Robot tự hành

trở nên quan trọng và hứa hẹn mang lại nhiều tiện ích cho xã hội trong tương lai Dẫn đường cho robot là một lĩnh vực quan trọng trong ngành robot học và tự động hóa, nơi mà các robot được thiết kế để tự động di chuyển từ một vị trí này đến vị trí khác trong một môi trường cụ thể Điều này đòi hỏi việc sử dụng các thuật toán và phương pháp để robot có thể hiểu, phân tích và đáp ứng các yếu tố môi trường như rủi ro, cấu trúc của môi trường, và vị trí mong muốn Có nhiều phương pháp và kỹ thuật dùng

để dẫn đường cho robot, bao gồm:

• Dựa trên cảm biến: Robot có thể sử dụng các loại cảm biến như lidar, radar, camera, và cảm biến siêu âm để thu thập dữ liệu từ môi trường xung quanh và dùng dữ liệu này để định vị và dẫn đường

• Phát triển bản đồ: Trước khi di chuyển, robot có thể tạo bản đồ của môi trường xung quanh bằng cách sử dụng các thuật toán xử lý ảnh và dữ liệu từ cảm biến

Dữ liệu này sau đó được sử dụng để lập kế hoạch đường đi an toàn và hiệu quả

• Thuật toán dẫn đường: Có nhiều thuật toán dùng để tìm đường đi từ điểm xuất phát đến điểm đích, bao gồm thuật toán A*, Dijkstra, RRT (Rapidly - exploring Random Tree), và thuật toán học sâu như Deep Q-Networks (DQN)

• Tích hợp với GPS hoặc IPS: Robot có thể sử dụng GPS hoặc hệ thống IPS (Indoor Positioning System) để định vị vị trí của mình và dẫn đường trong không gian mở hoặc trong nhà

• Học máy: Robot có thể học từ kinh nghiệm để cải thiện khả năng dẫn đường của mình, bao gồm học tăng cường (reinforcement learning), học giám sát (supervised learning), và học không giám sát (unsupervised learning)

Qua việc kết hợp các phương pháp này, dẫn đường cho robot trở thành một lĩnh vực nghiên cứu và ứng dụng phong phú, mang lại nhiều tiềm năng trong các ứng dụng như tự lái xe, dịch vụ giao hàng tự động, và robot hỗ trợ trong y tế và chăm sóc sức khỏe

2.2 Thuật toán dẫn đường

Trong lĩnh vực robot học, việc phát triển các thuật toán dẫn đường cho robot tự hành (AMR) đóng vai trò quan trọng trong việc đảm bảo chúng có thể di chuyển một cách an toàn và hiệu quả trong môi trường làm việc Dưới đây là một số thuật toán phổ biến được sử dụng cho dẫn đường của AMR:

1 Thuật Toán Grid-Based:

• A (A-Star): Là một thuật toán tìm

kiếm đường đi ngắn nhất trên một

bản đồ lưới, A sử dụng hàm heuristic

để tối ưu hóa việc tìm kiếm

• Dijkstra: Thuật toán tìm kiếm đường

đi ngắn nhất giữa các nút trên đồ thị,

Dijkstra thường được sử dụng khi

không có thông tin về môi trường

2 Thuật Toán Sampling-Based:

• RRT (Rapidly - exploring Random

Tree): RRT xây dựng một cây bằng

cách ngẫu nhiên lấy mẫu không gian

cấu hình để mở rộng không gian tìm

kiếm

• PRM (Probabilistic Roadmap): PRM

xây dựng một bản đồ đường bằng

cách lấy mẫu cấu hình ngẫu nhiên và

kết nối các cấu hình gần nhau và

không xảy ra va chạm

3 Thuật Toán Optimization-Based:

Hình 2.2: Thuật toán tìm đường Gird

Map

Hình 2.3: Thuật toán tìm đường Sample

Map

• D (D-Star): D là một thuật toán dựa trên ý tưởng của cập nhật định hướng khi robot di chuyển và gặp phải rủi ro mới, phù hợp với môi trường động

• LQR (Linear-Quadratic Regulator): LQR tối ưu hóa điều khiển để tối thiểu hóa một hàm chi phí, tạo ra các lộ trình điều khiển mượt mà và hiệu quả Việc sử dụng các thuật toán này, đặc biệt là việc kết hợp chúng, giúp cho AMR

có thể di chuyển một cách thông minh và linh hoạt trong môi trường làm việc Sự tiến

bộ trong lĩnh vực này không chỉ mang lại những cải tiến trong hiệu suất của robot,

mà còn mở ra những triển vọng mới cho sự ứng dụng rộng rãi của công nghệ robot trong tương lai

2.3 Ứng dụng của SLAM trong dẫn đường cho robot

2.3.1 Localization

Localization là quá trình quan trọng

trong lĩnh vực robot học và tự động hóa,

đóng vai trò chính trong việc xác định vị

trí của robot hoặc thiết bị trong một môi

trường không quen biết trước đó Trong

quá trình này, robot sử dụng dữ liệu từ

các cảm biến như lidar, camera, hoặc

cảm biến vô tuyến để ước lượng vị trí của

mình so với một hệ thống tọa độ được

xác định trước hoặc so với các điểm tham

chiếu trong môi trường Quá trình localization thường bắt đầu bằng việc thu thập dữ liệu từ các cảm biến và sau đó sử dụng các thuật toán xử lý dữ liệu để ước lượng vị trí của robot Các phương pháp thường được sử dụng trong localization bao gồm phép định vị dựa trên mô hình (model-based localization), phép định vị dựa trên đặc điểm (feature-based localization), và phép định vị dựa trên đối tượng (object-based localization) Mục tiêu của quá trình localization là xác định vị trí của robot một cách chính xác và tin cậy trong môi trường không quen biết, giúp robot có thể thực hiện

Hình 2.4: Mô tả về Localization