Nghiên cứu này tập trung vào mô hình hóa và phát triển robot tự hành hoàn toàn tự động dựa trên bài toán Simultaneous Localization and Mapping (SLAM). Robot diệt khuẩn tự động là robot có khả năng tự di chuyển theo một quỹ đạo được xác định trước hoặc chưa biết trước và được thực hiện một công việc được giao. Mời các bạn cùng tham khảo!
ROBOT TỰ ĐỘNG CĨ TÍNH NĂN BẰNG TIA UV DIỆT KHUẨN Lê Quyết Chiến Khoa Công nghệ Thông tin, Trường Đại học Cơng nghệ TP Hồ Chí Minh GVHD: ThS Nguyễn Anh Tú, ThS Nguyễn Hồng Tiến TĨM TẮT Robot diệt khuẩn tự động robot có khả tự di chuyển theo quỹ đạo xác định trước chưa biết trước thực công việc giao Robot hoạt động nhiều mơi trường khác Đây hướng có tính ứng dụng lớn lĩnh vực y tế việc tìm kiếm mơi trường Một yếu tố quan trọng robot tự giải vấn đề nằm ngồi dự tính phát tránh vật cản Để robot tự định hướng xác định vị trí tại, ta cần phải tạo đồ từ môi trường thực tế mà robot hoạt động, việc ta gọi mapping Từ đồ môi trường hoạt động, ta cần phải xác định vị trí, hướng robot đồ, việc gọi localization Chúng ta lập kế hoạch điều khiển robot theo quỹ đạo dựa mapping localization việc gọi pathplanning Nghiên cứu tập trung vào mơ hình hóa phát triển robot tự hành hoàn toàn tự động dựa toán Simultaneous Localization and Mapping (SLAM) Từ khóa: Python, Hệ điều hành Robot (ROS), Open-CV, SLAM, PID, Kalman, IMU, Camera 3D GI I THIỆU CHUNG Mong muốn nhiều người để tránh tiếp xúc nhiều môi trường vi khuẩn nhiều, tránh hóa chất diệt khuẩn Việc tạo robot diệt khuẩn có tính tự vận hành nhu cầu cấp thiết Robot có tính tạo đồ xác đinh vị trí, tự tìm đường từ vị trí đến vị trí mong muốn, tự động tự tìm vị trí sạc, người dùng quan sát can thiệp vào trình làm việc robot thông qua ứng dụng di động, điều khiển robot khơng gian Robot xây dựng dựa module lắp ghép, nên thay đổi cơng cách dễ dàng Ngồi việc sử dụng cho diệt khuẩn robot cịn tháo rời module phát tia UV thay module khác để thực cơng việc khác vận chuyển hàng hóa, giao thức ăn, vệ sinh mặt sàn,… NHỮNG CÔNG VIỆC LIÊN QUAN Hiện nước có nhiều loại robot diệt khuẩn chế tạo thành công Trong thời gian diễn dịch Covid-19 số đơn vị Đại học Sư phạm Kỹ thuật (Đại học Đà Nẵng), Đại học Tôn Đức Thắng, Đại học Bách khoa Hà Nội, chế tạo thành công robot điều khiển từ xa để diệt vi khuẩn môi trường nhiễm khuẩn cao bệnh viện, khu cách ly 90 Trên giới có nhiều robot diệt khuẩn có khả tự hành tạo với cơng xuất lớn, tính thẩm mỹ cao độ bền tốt Tuy nhiên loại robot có giá thành cao Tháng 3/2020 Hong Kong chế tạo thành công Sterilization robot dùng để diệt khuẩn khu sân bay, robot có khả quay 360 độ diệt vi khuẩn 99,99% Năm 2014 nhóm OCTOPUS ROBOTS cho đời robot Octopus Biosafety, robot có khả ghi nhớ khơng gian làm việc lặp lại hành trình phun xịt thuốc diệt khuẩn GI I THIỆU KỸ THUẬT 3.1 ROS (Robot Operating System) Robot Operating System – ROS hệ điều hành mã nguồn mở dành cho robot, framework dùng rộng rãi lĩnh vực robotic với nhiều ưu điểm Nó tạo tảng phần mềm hoạt động nhiều robot khác mà không cần thay đổi nhiều chương trình phần mềm ROS mơi trường cho phép module giao tiếp với cách độc lập Nó cho phép module liên kết với cách dễ dàng thông qua topic, message service Mỗi module môi trường ROS gọi node chương trình Các node hệ thống điều phối quản lý thông qua node điều khiển gọi node master Việc sử dụng ROS giúp cho việc nâng cấp bảo trì cách dễ dàng Một robot cần phải có node sau: a Navigation Stack [1] Navigation Stack dùng để lấy thông tin từ cảm biến Lidar, IMU, Encoder, điểm cần di chuyển tới, từ thơng tin chương trình định điều khiển robot vận tốc bánh xe, góc bánh lái Hình 3.1 Mơ hình Navigation stack ROS b Costmap[3] Từ liệu trả cảm biến Lidar, IMU, I ,… xác định vật cản vùng mà robot không di chuyển qua costmap sử dụng để đánh dấu vật 91 cản loại bỏ vật cản costmap Costmap cập nhật thông tin vật cản liệu từ đồ xây dựng trước vật thể lưu trữ thông tin dạng ba chiều chuyển thành hai chiều đặt vào costmap c Thuật toán Dijkstra's cho Global Planner [6] Để robot đến vị trí mong muốn, ta phải tìm đường từ điểm bắt đầu đến điểm kết thúc Tuy nhiên có nhiều đường đi, để tối ưu hóa cho đường đi, ta cần phải lựa chọn đường ngắn hai điểm Với yêu cầu này, sử dụng thuật toán Dijkstra's để tìm đường ngắn Thuật tốn Dijkstra thuật toán dùng để tìm đường ngắn từ điểm tới điểm đó, mở rộng tìm đường ngắn từ điểm tới điểm lại đồ thị, với điều kiện trọng số đồ thị khơng âm Q trình thực thuật toán Dijkstra diễn sau: – Chọn điểm chưa duyệt có đường ngắn từ điểm gốc tới nhỏ – Từ điểm đó, loang đường tất đỉnh kề cận, cập nhật lại đường ngắn tới đỉnh đường tối ưu – Nếu điểm chưa duyệt (hoặc chưa tìm điểm đích, tùy u cầu đề bài), trở lại bước d Thuật toán Dynamic Window Approach (DWA)[4] Chúng ta sử dụng thuật toán DWA để tìm giá trị vận tốc để điều khiển robot tốt nhằm mục đích điều khiển đến đích dựa global planner hoạch định từ trước Thuật tốn gồm hai bước cắt giảm khơng gian tìm kiếm vận tốc tìm vận tốc tối ưu khơng gian tìm kiếm Các vận tốc điều khiển khơng gian tìm kiếm cắt giảm theo bước: – Quỹ đạo trịn: Thuật tốn DWA xét đến quỹ đạo hình trịn (đường cong) xác định cặp vận tốc thẳng vận tốc xoay (𝑣, 𝜔) – Vận tốc cho phép: Nhằm tạo quỹ đạo an toàn cho robot để tránh vật cản Một cặp vận tốc (𝑣, 𝜔) cho phép robot dừng trước vật cản gần mà khơng có va chạm đường cong tương ứng với vận tốc – Vận tốc cho phép định nghĩa sau: ' V v ,u |v 2.dist v ,u v b 2.dist v , 'b đó: chuỗi giá trị vận tốc (𝑣, 𝜔) cho phép robot dừng trước vật cản mà khơng có va chạm 𝑑𝑖𝑠𝑡 (𝑣, 𝜔) khoảng cách nhỏ mà robot dừng trước vật cản để khơng có va chạm 92 𝑣 𝜔 gia tốc vận tốc thẳng vận tốc xoay tối đa robot di chuyển gây va chạm với vật cản e Thuật toán PID [2] Trong trình điều khiển robot nhiều yếu tố tác động làm cho trình điều khiển bị sai lệnh quán tính xe, độ dốc mặt đường, lượng xe, để hạn chế biến động kết hợp thuật tốn PID vào trình điều khiển PID kết hợp điều khiển: tỷ lệ, tích phân vi phân, có khả điều chỉnh sai số thấp có thể, tăng tốc độ đáp ứng, giảm độ vọt lố, hạn chế dao động Giải thuật tính tốn điều khiển PID bao gồm thông số riêng biệt, đơi cịn gọi điều khiển ba khâu: giá trị tỷ lệ, tích phân đạo hàm, viết tắt P, I, D Giá trị tỷ lệ xác định tác động sai số tại, giá trị tích phân xác định tác động tổng sai số khứ, giá trị vi phân xác định tác động tốc độ biến đổi sai số Tổng chập ba tác động dùng để điều chỉnh q trình thơng qua phần tử điều khiển vị trí van điều khiển hay nguồn phần tử gia nhiệt Nhờ vậy, giá trị làm sáng tỏ quan hệ thời gian: P phụ thuộc vào sai số tại, I phụ thuộc vào tích lũy sai số khứ, D dự đoán sai số tương lai, dựa vào tốc độ thay đổi Sơ đồ khối điều khiển PID Đồ thị PV theo thời gian, ba giá trị Kp (Ki Kd số) 3.2 Tia UV [5] UV dạng ánh sáng mà mắt thường nhìn thấy Nó phần phổ điện từ tia X ánh sáng quang phổ Mặt trời phát ánh sáng cực tím, hầu hết chúng hấp thụ tầng Ozon Điều đặc biệt đèn tia cực tím diệt khuẩn chúng có phạm vi bước sóng từ 200 đến 300 nanomet, phạm vi bước sóng có khả diệt vi khuẩn, vi rút vi sinh vật nước Khả diệt khuẩn biến đèn UV tia cực tím trở nên: – Thân thiện với mơi trường – Khơng cần phải sử dụng hóa chất – Hiệu cao việc khử trùng, diệt khuẩn – Hiệu nước bị nhiễm khuẩn 93 Ánh sáng đèn tia cực tím UV phá hủy Axit Nucleic khiến cho vi sinh vật phát triển Năng lượng tia cực tím có bước sóng ngắn kết hợp với lượng cao hấp thụ RNA DNA tế bào Sự hấp thụ lượng tia cực tím hình thành liên kết Nucleotide lân cận, tạo liên kết đôi Tại vị trí ánh sáng quang phổ biến mất, Dimerization hình hành, đặc biệt Thymine QUÁ TRÌNH THỰC HIỆN 4.1 Dữ liệu đầu vào Dữ liệu đầu vào hệ thống gồm: Môi trường thực tế mà robot làm việc, vị trí robot vị trí mà robot phải tự động di chuyển đến, tương ứng với vị trì tác vụ cần thực Hình 4.1 Ảnh môi trường thực tế mà robot hoạt động 4.2 Đặt vấn đề Robot phải tự động xác định hướng di chuyển, vật cản cố định, vật cản di động 4.3 Cách giải vấn đề Lập đồ môi trường hoạt động dựa môi trường hoạt động thực tế Để lập đồ môi trường hoạt động cho robot ta cần điều khiển robot chạy quanh khu vực hoạt động thực tế chế độ thủ công, cảm biến laser Lidar quét suốt q trình chạy Hoặc vẽ đồ dựa số đo thực tế Sau xây dựng hồn thành đồ cần thực khoanh vùng hoạt động cho robot xác định vị trí trạm để robot di chuyển đến công việc cần thực Khi robot hoạt động phát vật cản nhờ cảm biến Lidar vật cản cập nhật đồ, thuật toán Dijkstra's sử dụng robot phát vật cản Khi có hướng áp dụng Thuật toán Dynamic Window Approach để xác định vận tốc góc xoay cho di chuyển không bị va chạm vào vật cản KẾT QUẢ Sau q trình xây dựng mơ hình thiết lập môi trường hệ điều hành ROS robot, xây dựng các node cần thiết hệ thống: 94 5.1 Node thu thập từ cảm biến lidar Hình 5.1 Dữ liệu thu từ cảm biến Lidar 5.2 Q trình lập đồ Để có đồ cung cấp cho robot di chuyển nên phải tạo đồ từ môi trường thực tế từ cảm biến lidar, việc cho kết xác Hình 5.2 Bản đồ tạo từ cảm biến laser 5.3 Node tìm đường Node thực xác định đường ngắn đồ Hình 5.3 Đường robot 95 KẾT LUẬN VÀ Ư NG PHÁT TRIỂN Đề tài xây dựng robot có khả di chuyển tự động theo quỹ đạo lập kế hoạch trước, trình di chuyển robot phát tia cực tím UV với bước sóng từ 200 đến 300 nanomet, phạm vi bước sóng có khả diệt vi khuẩn, vi rút vi sinh vật nước Các thuật toán áp dụng đề tài để thu thập liệu cho sai số tương đối nhỏ, chấp nhận để xây dựng đồ Robot cịn hạn chế mơi trường nhiều vật cản vật cản di chuyển với tốc độ cao robot nhiều thời gian để tính tốn tìm đường Để tăng tính ổn định mơi trường nhiễu loạn vật cản, ta áp dụng Machine learning cơng việc dự đốn tìm đường TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] Zahari Taha1, and JessnorArif Mat Jizat, ‚ Comparison of Two Approaches for Collision Avoidance of an Automated Guided Vehicle Using Monocular ision‛, Applied Mechanics and Materials Vol 145 (2012) pp 547-551Online available since 2011/Dec/08 at www.scientific.net© (2012) Trans Tech Publications, Switzerlanddoi:10.4028/www.scientific.net/AMM.145.547 [2] Liang, Y.-L.(et al) (2009) ‚Controlling fuel annealer using computational verb PID controllers‛ Proceedings of the 3rd international conference on Anti-Counterfeiting, security, and identification in communication (IEEE): 417–420 [3] Nilsson, N,J: Printciples of Artificical Intelligence Tioga Publishing Company, Palo Alto (1980) [4] Fox, D.; Burgard, W.; Thrun, S (1997) "The dynamic window approach to collision avoidance" IEEE Robotics & Automation Magazine [5] UV spectrometry group edited by B J Clark.T.Frost and M.a.Resell (1993) [6] Dilcher, K ‚Some q-Serues Identities Related to Divisor Functions.‛ Disc Math 145, 83-3,1995 96 ... giới có nhiều robot diệt khuẩn có khả tự hành tạo với công xuất lớn, tính thẩm mỹ cao độ bền tốt Tuy nhiên loại robot có giá thành cao Tháng 3/2020 Hong Kong chế tạo thành công Sterilization robot. .. Sterilization robot dùng để diệt khuẩn khu sân bay, robot có khả quay 360 độ diệt vi khuẩn 99,99% Năm 2014 nhóm OCTOPUS ROBOTS cho đời robot Octopus Biosafety, robot có khả ghi nhớ khơng gian làm... biệt đèn tia cực tím diệt khuẩn chúng có phạm vi bước sóng từ 200 đến 300 nanomet, phạm vi bước sóng có khả diệt vi khuẩn, vi rút vi sinh vật nước Khả diệt khuẩn biến đèn UV tia cực tím trở nên: