BÁO CÁQ TỔNG
HỢP
ŨỀ ĨÀỈ NGHiÊN CỬU KHOA HỌC
CẤP DHQGHN
00 KHOA QUẢN LÝ
MỤC LỤC
Nội dung Trang
Tóm tắt các kết quả chính của đề tài 3
Main results of project 5
I. MỰC TIÊU CỦA ĐỀ TÀI 6
II. NỘI DUNG NGHIÊN c ú u
1. Tổng quan về hệ thống robot thông minh 6
1.1. Các hệ thốna robot 6
1.2. Robot xử lý thông minh 8
1.3. Kiến trúc robot xử lý thông minh 12
2. Nghiên cứu thiết kê hệ thống robot thông minh
2.1. Robot di động 13
2.2. Robot hoạt động tự quản trị 14
2.3. Các sensor 14
III. CÁC KẾT QUẢ NGHIÊN c ú u VÀ THẢO LUẬN
1. Các kết quả đạt được 16
1.1. Xemina và dịch tài liệu chuyên môn
1.2. Nghiên cứu khảo sát các sensor
1.3. Nghiên cứu cấu trúc và đặc tính các vi điều khiển
1.4. Nghiên círu phương thức truyền thông tin và điều khiển
1.5. Nghiên cứu phát triển chương trình phần mềm
1.6. Nghiên cứu thiết kế lắp ráp cơ cấu chuyển động của robot
1.7. Nghiên cứu ứng dụng thị giác máy và động học tay máy
2. Các tài liệu minh chứng
2.1. Robot di động Mobibot 18-45
2.2. Báo cáo đề tài nhánh ]

2.3. Báo cáo đề tài nhánh 2
2.4. Báo cáo đề tài nhánh 3
2.5. Bài báo Hội nghị RV'02 - 1
2.6. Bài báo Hội nghị RV’02 - 2
2
TÓM TẮT CÁC KẾT QUẢ CHÍNH CỦA ĐỂ TÀI
1. Tén để tài: Nghiên cứu xây dựng hệ thống Robot xử lý thông minh/.
M ã số: QC.02.04
2. Chủ trì đề tài: Trần Quang Vinh
3. Những kết quả chính
a) Kết quả về khoa học:
- 02 báo cáo tại Kỷ yếu Hội nghị vô tuyến điện tử toàn quốc REV’02.
h) Kết quả phục vụ thực tê:
- ứng dụng cho giảng dạy lý thuyết và thực hành môn học “Robotics”
và thực hành chứng minh cho môn học “Lý thuyết điều khiển-hệ điều
khiển” tại ĐHQG.
- ứng dụng cho hướng dẫn sinh viên chế tạo sản phẩm trong cuộc thi
Robocon -2003.
c) Kết quả đào tạo:
- Số sinh viên làm Khoá luận tốt nghiệp liên quan đến đề tài: 11 (hầu
hết đạt điểm giỏi và xuất sắc).
- Số sinh viên nghiên cứu khoa học liên quan đến đề tài: 02 (đạt giải
nhất khoa Công nghệ, giải 3 cấp ĐHQG - cấp Bộ).
- Số học viên cao học làm Luận văn liên quan đến đề tài: 01 (đạl điểm
10).
d) Kết quả nâng cao tiêm lực khoa học:
- Có được 01 hệ robot di động thông minh hoạt động tự quản trị trên cơ
sở các sensor siêu âm và sensor hồng ngoại cũng như camera dùng
cho dẫn đường. Hệ robot này đã được dùng trong cuộc thi Robocon
3

và đang được tiếp tục nàng cấp phát triển dùng trong giảng dạy đào
tạo tại Khoa.
- Xây dựng được một số mô-đun phần mềm dùng cho thị giác máy và
điều khiển cơ cấu chấp hành của tay máy 5 bậc tự do; giải bài toán
động học ngược.
e) Tình hình sử dụng kinh phí:
TT Tên mục Sô tiền (đồng) Tỷ lệ %
110 Cung ứng văn phòng
500.000 1,20
112
Hội thảo, Seminar
1.000.000
2,40
113
Công tác phí 1.000.000
2,40
114 Chi phí thuê mướn
15.000.000 35,7
119 Chi phí hoạt động chuyên
môn
19.500.000
46,4
145 Tài sản cố định 5.000.000
11,9
Tổng cộng
42.000.000 100
CHỦ NHIỆM ĐỂ TÀI XÁC NHẬN CỦA ĐƠN VỊ
(Ký và ghi rõ họ tên) (ký và ghi rõ họ tên)
XÁC NHẬN CỦA C ơ QUAN CHỦ QUẢN
4

M ain R esults o f the project
1. Title:
Research and develop an intelligent robot system
QC.02.04
Dr. Tran Quang Vinh
Code:
2. Coodinator:
3. Main results
a) Scientific Signification
02 scientific reports in the proceeding of the Vietnam Radio-Electronics
Conference REV’O 2.
b) Serving:
- Used for theoritical anf practical training on the subject of Robotics also
for the demotration practice of the subject of “Theory of Control and
Controlling Systems” in Vietnam National University.
- Used for instruction students on fabricating of products in the competition
of ROBOCON-2003.
c) Training:
- Number of undergraduate theses related project: 11
- Number of Students’s Scientific Research: 02 (Third prize of Ministry
Level)
- Number of Graduate Thesis: 01
In brief:
01 intelligent mobile autonomous robotic system have been fabricated based on
sensors as ultrasonic and infrared ones as well as a camera on navigation. This
system had used in the robot Contest and also has been up graded, developed
for training in the faculty of technology. We also developed some of software
modules used for machine vision fields and control of actuators of 5 degrees of
free arm robot on resolve a reverse kinematic problems.
5

BÁO CÁO CHÍNH
I. MỤC TIÊU CỦA ĐỂ TÀI
Mục tiêu của đề tài là nghiên cứu xây dựng một hệ thống rôbốt xử lý thông
minh có khả năng cảm nhận và thích nghi với môi trường xung quanh trong một số
hoạt động đơn giản. Hệ thống này phải được phát triển cả trên cơ sở các phần cứng
như cảm biến, cơ cấu điện tử chấp hành cũng như bởi các phần mềm nhúng trong
các chip vi điều khiến tại rôbốt. Trên cơ sở đó có thể phục vụ ngay cho công tác
đào tào giảng dạy đại học và sau đại học tại khoa như hướng dẫn nghiên cứu khoa
học sinh viên, hướng dẫn luận án và khoá luận tốt nghiệp trên cơ sở hệ thống kể
trên cũng như xây dựng các bài thực hành về robotics và điều khiển tự động.
II. NỘI DUNG NGHIÊN cứu
1. TỔNG QUAN VỀ HỆ THốNG ROBOT XỬLÝ THÔNG MINH
1.1. Các hệ thống robot
Robotics là lĩnh vực nghiên círu thiết kế chế tạo rôbốt và nghiên cứu các khả
năng ứng dụng chúng. Robot là một hệ thống đặc biệt trong lĩnh vực điều khiển tự
động. Hiện tại các nước tiên tiến như Nhật, Mỹ, Châu Âu robot được sử dụng rộng
rãi trong công nghiệp và các mục đích đặc biệt khác. Thí dụ, robot công nghiệp
được thiết kế để trở thành một công nhân hoàn hảo và không biết mệt mỏi. Theo
người Nhật, đó là một cái máy đa năng được trang bị một bộ nhớ và thiết bị đầu
cuối có khả năng chuyển động và thay thế công nhân lao động bằng những thao tác
chuyển động tự động. Trong khi đó, Viện nghiên cứu rôbốt của người Mỹ lại định
nghĩa nó như một bộ thao tác đa chức năng có thể tái định chương trình, được thiết
kế để vận chuyển vật liệu, công cụ hoặc các thiết bị đặc biệt qua những chuyển
động khả trình có thể biến đổi được, để thực hiện các tác vụ khác nhau. Robot công
nghiệp được liệt vào loại máy tự động mềm dẻo liên quan đến các máy có tính
tương đối đa năng. Nó khác với các máy tự động cứng được thiết kế cho các hoạt
động đặc biệt hoặc dải hoạt động hẹp như: CNC (computer numerical-controlled),
DNC (direct computer numerical controlled), máy đóng hộp, máy in, máy tráng
phim tự động, cần cẩu tự động, v.v Robot công nghiệp được dùng trong các môi
trường, nhiệm vụ có đặc điểm 4D:

Dirty, Dull, Dangerous, Difficult (độc hại bẩn,
7
lặp lại đơn điệu buồn tẻ, nguy hiểm và khó khăn phức tạp). Nó được ứng dụng
trong rất nhiều lĩnh vực khoa học công nghệ và cuộc sống như: Công nghiệp vũ trụ,
Máy nông nghiệp., Công nghiệp Xây dựng, Thiết bị y tế, thiết bị y sinh, Các dây
chuyền sản xuất, Công nghiệp hạt nhân, Các dịch vụ trong công nghiệp, Công
nghiệp dệt, Công nghiệp giao thông vận tải, Tự động hoá phòng thí nghiệm, Các
hoạt động bảo dưỡng và điều tra dưới mặt nước, Các hệ thống dẫn đường hàng
không và hàng hải, Các hệ thống chống cháy.
Rỏbốt phi công nghiệp được dùng cho các mục đích quân sự: máy bay điéu
khiển từ xa, máy rà phá bom mìn, robot hoạt động trong vùng nhiễm chất độc hoá
học; dùng cho các dịch vụ giải trí (robot biểu diễn, robot trò chơi, ); dùng trong y
tế (robot phụ mổ, robot giúp người tàn tật); Robot dùng trong các phòng thí nghiệm
(tay máy trong môi trường độc hại, hệ thống thị giác máy, .); dùng cho các dịch vụ
tại nhà ở sinh hoạt (nội trợ, bảo mẫu, ); dùng cho đào tạo, giáo dục (các thiết bị để
dạy các nguyên tắc hoạt động của robot và robotics).
1.2. Robot xử lý thông minh
1.2.1. Các định nghĩa
Do đặc điểm khả năng về cơ sở vật chất và nhân lực, đề tài chi tập trung vào
thực hiện những nghiên cứu bước đầu một hệ thống rôbôt xử lý thông minh.
Xu lurớng hiện nay trên thế giới tập trung vào nghiên cứu thông minh hoá robot.
Có nhiều cách định nghĩa tuỳ theo mức độ “thông minh” của mộl robot. Có thể nói
vắn tắt một robot thông minh ỉà một cơ cấu cơ khí có thể thực hiện một số chức
năng tự động. Từ “thông minh” nói lên rằng robot không làm việc theo cách đơn
giản lặp đi lặp lại như khái niệm tự động hoá trong nhà máy. Cụm từ “cơ cấu cơ
khí” là một sự thừa nhận sự thực là công nghệ đang sử dụng các bộ phận cơ khí chứ
không phải các bộ phận sinh học. Trong tương lai gần cụm từ này có thể được thay
thế khi mà các công nghệ sinh học được áp dụng trong robotics. Cụm từ này cũng
nhấn mạnh sự khác nhau giữa một cơ cấu robot thông minh có chức năng vận động
và một hệ thống máy tính nằm tĩnh tại. Cụm từ “ thực hiện chức năng một cách tự

động” ngụ ý rằng nhờ sử dụng máy tính như một bộ phận điều khiển của mình (như
8
bộ não, hệ thần kinh), robot có thể vận hành độc lập trong mọi điều kiện mà không
cần đến người điều khiển trong quá trình tương tác với thế giới bên ngoài như di
chuyển, cầm nắm vật, v.v thậm chí ngay cả khi robot bị mất một phần “cơ thế”
của nó vì một lý do nào đó.
Rôbôt về cơ bản gồm 3 bộ phận: Bộ phận cảm nhận, bộ điều khiển và bộ chấp
hành. Bộ phận cảm nhận có nhiệm vụ thu thập thông tin từ môi trường. Thông tin
này được đưa vào bộ điều khiển để xử lý. Thường bộ phận điều khiển là các máy
tính gồm các bộ xử lý và bộ nhớ cùng các ghép nối vào/ra. Bộ phận chấp hành thực
hiện các lệnh ra từ bộ điều khiển đê tác động trở lại môi trường.
Nếu chương trình trong bộ điều khiển cho phép hệ thống robot có thể thực hiện
những thao tác, hành vi độc lập trên cơ sở các biến môi trường nhận được mà
không theo sự sắp đặt cụ thể trước nào đó thì có thể gọi đây là hệ rôbôt thông
minh. Tất nhiên mức độ thông minh có thể từ đơn giản đến phức tạp. Những máy
chơi cờ tự động, những rôbốt nhận dạng vật thể, chọn lựa sản phẩm theo hình dạng,
màu sắc, rôbốt tránh vật cản đi đường vòng, nhận dạng các lệnh theo ngôn ngữ tự
nhiên, v.v thuộc loại này.
Nếu chương trình điều khiển được nạp toàn bộ từ máy tính PC vào bộ nhớ của
rôbôt, được lưu trữ theo kiểu cố định (không bay hơi - non volatile) để cho phép
một khi khởi động, rôbốt có thể hoạt động độc lập không cần một kết nối nào với
PC hoặc người điều khiển thì đó là hoạt động kiểu tự quản trị.
1.2.2. Các mỏ hình của một robot thông minh.
Có thể phân loại thành 3 chức năng thuộc nhiệm vụ của một robot xử lý thông
minh là:
9
- Chức năng cảm nhận (SENSE): tiếp nhận thông tin từ các bộ cảm biến
và tạo các thông tin ra (output) để sử dụng cho các chức năng khác.
- Chức nãng lập kế hoạch (PLAN): tiếp nhận thông tin từ bộ cảm ứng
hoặc từ bộ não của robot tạo ra các nhiệm vụ mà robot phải thực hiện.

- Chức năng hành dộng (ACT): sinh ra các lệnh lối ra điều khiển các cơ
cấu chấp hành của robot.
Có thể lên một bảng sau để thấy rõ hơn vài trò và mối quan hệ giữa 3 chức năng
này:
Chức năng Thông tin vào (INPUT) Thông tin ra (OUTPUT)
SENSE Dữ kiện cần cảm biến Thông tin đã cảm ứns
PLAN Thông tin (đã cảm ứng
và/hoặc được cài sẵn)
Lời hướng dẫn
ACT Thông tin đã cảm ứng hoặc
lời hướng dẫn
Mệnh lệnh khởi động
Từ đó có thể lập ra 3 mô hình của một robot xử lý thông minh như sau:
- Mô hình kiểu tuần tự:
Đây là mô hình cổ nhất, thông dụng vào các nãm 1967-1990. Với mô hình này,
robot vận hành theo cách từ trên xuống dưới, xem nặng việc lập kế hoạch. Với
mô hình này, robot cảm nhận mọi vật, định kế hoạch cho hành động kế tiếp và
thực hiện. Sau đó nó lặp lại quá trình này. o mỗi bước, robot định rõ kế hoạch
cho sự chuyển động tiếp theo. Một đặc trưng tiêu biểu của mô hình tuần tự là
tất cả các thòng tin cảm ứng được tập hợp lại vào một mẫu cục bộ, một đại diện
để bộ lập kế hoạch sử dụng và rút ra hành động cần thực hiện.
- Mô hình kiểu phản ứng
Trái ngược với mô hình tuần tự, mô hình này đưa tới một tiến bộ lý thú trong
khoa học robot. Nó được sử dụng nhiều trong những năm 1988 và liên tục tới
1992. Sau đó vẫn được tiếp tục dùng nhưng xu hướng hiện này là kiểu lai. Mô
10
hình phản ứng chịu ảnh hướng bởi 2 xu hướng. Một là các nhà nghiên cứu robot
thông minh dựa trên các khám phá về tâm sinh lý sinh vật và nhận thức của
chúng đối với môi trường bên ngoài. Một xu hướng khác là sự giảm giá nhanh
chóng của phần cứng máy tính cùng với sự tãng lên của năng lực tính toán. Mô

hình kiểu phán ứng bỏ đi khâu lập kế hoạch. Nó là loại tổ chức cảm ứng - hành
động. Trong khi mô hình tuần tự cho rằng thông tin lối vào của hành động luôn
là việc lập kế hoạch thì mô hình cảm ứng lại cho rằng thông tin lối vào của
hành động luôn là lối ra trực tiếp của bộ cảm nhận.
- Mô hình kiểu lai
Mô hình này ra đời vào giữa những năm 90 và tiếp tục được nghiên cứu đến
hiện nay. Với mô hình này, việc đầu tiên là robot lập kế hoạch (cân nhắc) làm
thế nào phân tích một cách tốt nhất nhiệm vụ thành các nhiệm vụ con (còn gọi
là: lập kế hoạch nhiệm vụ) và sau đó tiến hành những hoạt động thích hợp để
hoàn thành mỗi nhiệm vụ con đó. Sau đó bộ thi hành sẽ bắt đầu thực hiện cho
mỗi mô hình phản ứng. Cách tổ chức này là : lập kế hoạch, cảm nhận - thi
hành. Tại đây dấu phảy chỉ ra rằng lập kế hoạch được thực hiện ở một bước, sau
đó cảm ứng và hoạt động sẽ cùng nhau thực hiện. Đây là cách tổ chức trộn lẫn
giữa kiểu tuần tự và kiểu phản ứng. Dữ liệu cảm ứng được định tuyến đến mỗi
bộ hoạt động cần dữ liệu cảm ứng đó, hơn nữa nó cũng đã có sẵn trong bộ lập
kế hoạch để cấu tạo nên mẫu cục bộ định hướng nhiệm vụ. Bộ lập kế hoạch
cũng nghe lén việc mỗi bộ hoạt động thực hiện trên các thông tin cảm ứng (thí
dụ, bộ hoạt động xác định chướng ngại vật để sau đó đưa vào bản đổ được thiết
lập bởi bộ lập kế hoạch). Mỗi bộ phận chức năng tiến hành tính toán với tốc độ
của nó, lên kế hoạch kỹ càng. Các tính toán chung thường được cập nhật sau
mỗi lần 5 giây trong khi bộ vận hành phản ứng thường thực hiện trong 1/60
giây.
11
Việc xác định một mô hình phù hợp với một ứng dụng tất nhiên là bước đầu
tiên trong việc tạo ra thành phần thông minh của robot. Nhưng bước này phải được
kế tiếp ngay bằng việc sử dụng các công cụ cần thiết kết hợp với cấu hình đó. Để
hình dung là thế nào để áp dụng những mô hình vào các ứng dụng thực tế, điều cần
thiết là phải xem xét các kiến trúc tiêu biểu. Những kiến trúc này cung cấp những
mẫu cho sự thi hành cũng như các thí dụ nói lên ý nghĩa của mỗi mô hình.
1.3. Kiến trúc robot thông minh.

Một kiến trúc cung cấp cách tổ chức một hệ thống điều khiển, kiến trúc mô tả
một tập hợp các thành phần cấu trúc và mối tương tác giữa chúng. Trong việc thiết
kế một robot, có thể có nhiều cách tổ chức các phần. Vấn đề là bằng việc tìm hiểu
kiến trúc đại diện của robot ta có thể học các cách khác nhau về việc các thành
phần và công cụ liên kết với một mô hình có thể sử dụng để xây dựng một robot
thông minh.
Vì mục đích chính là học cách chế tạo robot nên một kỹ năng quan trọng cho
việc phát triển là ước lượng có hay không một kiến trúc phát triển tiếp theo sẽ phù
hợp với ứng dụng hiện có. Kỹ năng này cũng tiết kiệm thời gian trong việc chế tạo
lại bộ máy và tránh các vấn đề khó khăn mà người khác gặp phải và phải giải
quyết. Các tiêu chuẩn sau là cần th iế t:
- Hỗ trợ tính mô-đun.
- Đặt mục tiêu thích hợp.
- Dễ chuyển sang phạm vi khác.
- Sức mạnh và chỗ yếu của hệ thống là ở đâu.
Trong quá trình thiết kế, tính đạt được mục tiêu mong đợi thường đối lập với
tính dễ chuyển đổi. Trong thực tế phải nhân nhượng giữa tổng chi phí cho việc tính
toán và lưu trữ không mong muốn.
Trong những năm đầu của thập ký 60, có một sự phân nhánh trong tiến trình
phát triển robot. Lúc này các robot dùng trong sản xuất được chú trọng như các tay
12
máy. Chìa khoá dẫn đến sự thành công trong công nghiệp là sự chính xác và tính
lặp đi lặp lại trong dây chuyền lắp ráp sản phẩm tập trung. Kết quả là các kỹ sư
công nghiệp mong muốn tự động hoá môi trường làm việc. Tầm quan trọng lúc đó
được đật vào hướng cơ khí của robot để có thể vận hành như thế nào đó nhằm mang
lại lợi nhuận tối đa. Vì đây là các dây chuyền lắp ráp được xây dựng để sản xuất
tập trung một sản phẩm nhất định nên robot không cần có khả năng nhận biết các
vấn đề khác. Một robot được tự động hoá lúc đó về cơ bản như bị mù và không có
sự cảm nhận.
Những năm gần đây, khoa học nghiên cứu robot cho các chương trình vũ trụ lại

đi theo một hướng khác, tập trung vào các thiết kế đặc biệt cho mục đích cao là tạo
ra các cỗ máy thăm dò trên các hành tinh. Khône giống các máy móc công nghiệp
được tự động hoá cao, một thiết bị thăm dò được vận hành trong các môi trường
đặc biệt (thí dụ trong vùng tối của mặt trăng) có thể gập phải những hoàn cảnh khó
ngờ. Trong trường hợp lý tưởng, một robot có khả năne nhận biết những điều bất
thường, tạm dừng công việc đang làm và suy xét vấn đề. Bởi vì không thể lập trình
lại để điều khiển tất cả các sự việc bất ngờ có thể xảy ra, nó phải có khả năng nhận
biết môi trường của nó và tự điều khiển trong bất kỳ trường hợp nào xảy ra. Với
mức tối thiểu, một robot thãm dò hành tinh phải có các nguồn cảm nhận lối vào,
một số bộ dịch các thông tin vào đó và các bộ điều chinh hoạt động để đáp ứng với
thay đổi bên ngoài. Sự cần thiết phải cảm nhận và thích ứng với một môi trường
chưa biết rõ là đồi hỏi sự thông minh của robot.
2. NGHIÊN c ú u THIẾT KẾ HỆ THốNG ROBOT XỬLÝ THÔNG MINH
Việc nghiên cứu xây dựng các robot xử lý thông minh được thực hiện trên 2
khía cạnh: phần cứng và phần mềm. Trong đề tài này tập trung vào xây dựng robot
loại di động, hoạt động tự quản trị.
2.1. Robot di động
Naoài robot dạng người, robot di động hiện đang được nghiên cứu sử sụng rất
nhiều cho các mục đích thực tế. Việc thiết kế phải đối mặt với những nghiên cứu
như sau :
- Nghiên cứu khả năng di chuyển về khía cạnh động học và động lực
học của robot trong một môi trường định trước hoặc không định trước
(ma sát của môi trường, độ mấp m ô , ).
13
- Nghiên cứu khả năng điều khiển việc di chuyển kể trên một cách trực
tiếp và từ xa.
- Nghiên cứu khả năng điều khiển việc di chuyển tránh hoặc bám các
vật cản định trước và không định trước.
2.2. Robot hoạt động tự quản trị
Robot hoạt động tự quản trị là loại robot có thể thực hiện các thao tác tách rời

sự điều khiển trực tiếp của con người. Tất nhiên để hoạt động được, robot này phải
được lập trình trước. Việc thiết kế một robot kiểu này phải đối mặt với các vân đề
nghiên cứu sau :
- Nghiên cứu xây dựng các chương trình điều khiển sơ cấp được nhúng
vào các môđun điều khiển phần cứng các cơ cấu chấp hành.
- Nghiên cứu xây dựng các mổđun điều khiển phần mềm cho các hệ vi
điều khiển đơn chip trên các robot.
- Nghiên cứu xây dựng các chương trình xử lý thông minh có dung
lượng thích hợp cài đặt trên các robot.
2.3. Các sensor
Các sensor là câu thành của các bộ phận cảm nhận trong robot. Chúng là nguồn
cung cấp các thông tin lối vào phản ánh tác động của môi trường xung quanh robot.
Hiện có rất nhiều loại sensor được sử dụng trong công nghiệp nói chung và robot
nói riêng nhưng đề tài chỉ sử đụng tập trung vào 3 loại sensor, đó là:
- Sensor siêu ảm\ dùng để phát hiện và đo khoảng cách từ robot tới một vật thể
trong môi trường xung quanh. Cấu tạo cơ bản của nó như được trình bày trong hình
14
Nguyên lý đo khoảng cách được xác định bởi khoảng thời gian từ thời điểm
phát xung siêu âm đến thời điểm nhận được xung phản xạ từ vật. Nếu khoảng cách
từ sensor tới vật đủ lớn so với kích thước sensor thì có thể tính được khoảng cách
bằng khoảng thời gian đó nhân với vận tốc sóng siêu âm trong môi trường chia cho
- Sensor hồng ngoại: dùng để phát hiện các vật thể gần.
Sensor cũng gồm một cặp phát sóng hổng ngoại là các diode phát quang LED.
Ánh sáng hổng ngoại nếu gặp vật sẽ được phản xạ từ bề mặt, quay về tế bào thu
nhạy sóng hồng ngoại (như photo-diode hoặc photo-transistor). Sự xuất hiện tín
hiệu phản xạ đổng nghĩa với sự hiện hữu của vật thể ở gần sensor.
- Sensor thị giác: là camera dùng để quan sát và truyền các hình ảnh môi
trường quanh robot đi xa. Với giá thành ngày càng rẻ và độ phân giải cũng như độ
sâu màu cao, các camera hiện là một công cụ rất tốt cho thị giác máy tính, là bộ
phận cảm nhận chính trong các robot. Các camera CCD, CMOS và số hiện nay

đang khá phổ biến. Nguyên lý hoạt động như hình sau:
Sóng ánh sáng từ nguồn phát trực tiếp hay sóng phản xạ từ vật thể được đi qua
hệ thống quang học đến bộ chuyển đổi ánh sáng thành tín hiệu điện. Các tín hiệu
điện này thường được chuyên đổi ra dạng số để có thể dễ xử lý về sau. Do hình ảnh
15
của vật và mỏi trường xung quanh bị tác động rất nhiều bởi các can nhiễu nên các
xứ lý như lọc nhiễu là rất quan trọng trước khi tìm hiên ảnh và nhận dạng.
III. KẾT QUẢ NGHIÊN cứ u VÀ THẢO LUẬN
Đề tài đã thực hiện được các nghiên cứu sau đây phục vụ cho mục tiêu xây
dựng hệ thống robot xử lý thông minh:
1. CÁC KẾT QUẢ ĐẠT ĐƯƠC
1.1. Phân công dịch sách chuvên môn về robot, tổ chức được 08 buổi xêmina
khoa học.
1.2. Nghiên cứu khảo sát các sensor sử dụng trong dẫn đường robot di động.
Đó là các sensor:
+ Sensor siêu âm SUTlOa.
+ Sensor hổng ngoại OMRON.
+ Sensor hình ảnh là camera loại Webcam truyền vô tuyến.
1.3. Nghiên cứu cấu trúc và đặc tính của vi điểu khiển dùng cổng USB
ghép nối máy tính (có hợp đổng thực hiện và báo cáo kết quả của đề tài nhánh kèm
theo).
1.4. Nghiên cứu phương thức truyền thông tin và điều khiển bằng sóng vô
tuyến giữa robot và PC, giữa các robol tự quản trị với nhau. Đề tài thực hiện việc
nghiên cứu lắp ráp phần cứng và phát triển các mô-đun phần mềm giao tiếp giữa
các đơn vị kể trên qua MODEM thương phẩm 9X Stream ở tần số 900 MHz bằng
thông tin trải phổ (có hợp đồng thực hiện và báo cáo kết quả của đề tài nhánh kèm
theo).
1.5. Nghiên cứu phát triển chương trình phần mềm cho phép các robot
nhiều chân (hexapod) có thể di chuyển trên các địa hình không bằng phẳng, ngập
nước hoặc có chướng ngại vật (có hợp đổng thực hiện và báo cáo kết quả của đề tài

nhánh kèm theo).
1.6. Nghiên cứu, thiết kẽ lắp ráp cơ cấu chuyển động (chấp hành), chế tạo
bệ của một robot di động gồm các phần:
+ Thân robot với 2 môtơ chuyển động, 1 bánh dẫn hướng.
+ Bộ phận gắn kết các sensor siêu âm, hổng ngoại để dẫn đường.
+ Bộ phận gắn kết camera dùng cho quan sát môi trường theo 1 chiều.
16
+ Bộ phận điều khiển vi xử lý hoạt động tự quản trị với các mạch điện
tử công suất điều khiển các môtơ chuyển động bánh, các môtơ quay
hướng sensor, v.v
+ Bộ phận thông tin vô tuyến qua modem 9x stream.
+ Nguồn nuôi
Robot di động hoạt động tự quản trị này có mức độ xử lý thông minh: bám
đường dẫn, đi vòng tránh vật, quan sát và truyền hình ảnh về trung tâm.
1.7. Nghiên cứu thị giác máy tính và động học tay máy cho 2 trường
hợp:
+ Điều khiển robot 5 bậc tự do vẽ lại đường cong bất kỳ bằng thị giác
máy.
+ Nhận dạng các hình cơ bản cho hệ thống robot thông minh phân
loại sản phẩm.
Dưới đây là trình bày kết quả đạt được trong quá trình thiết kế xây dựng một
robot di động xử lý thông minh của đề tài tại Bộ môn Điện tử và Kỹ thuật Máy tính
và chi tiết 3 báo cáo thực hiện đề tài nhánh.
17
2. CÁC TÀI LIỆU MINH CHÚNG
ROBOT DI ĐỘNG M OBIBOT
Robot di động (mobile robot) là loại robot có thể thực hiện các chuyển động từ
vị trí này đến vị trí khác trong không gian. Có khả năng tiếp nhận các thông số môi
trường xung quanh từ đó biến đổi xử lý ra các quyết định đáp ứng lại các sự kiện
môi trường. Các robot này có thể được điều khiển từ máy tính PC bởi nsười điều

khiển thông qua việc truyền thông giữa máy tính và bộ điều khiển của robot hoặc
có khả năng hoạt động một các độc lập với máy tính và người điều khiển sau khi
khởi phát chương trình trong bộ điều khiển. Chế độ hoạt động này gọi là tự quản
trị ịautonomous). Trên thế giới xu hướng phát triển các robot di động hiện nay là
xây dựng các robot di động thông minh. Các robot này có khả năng học hỏi thông
qua những sự kiện mà robot đã tiếp xúc trước đó từ đó ra các quyết định thích hợp
đối với các sự kiện tương tự.
Một robot di động được cấu thành từ hai thành phần không thể thiếu đó là:
- Phân cứng: Bao gồm toàn bộ các mạch điện tử thực hiện vận chuyển, lưu
thông các tín hiệu điện hình thành từ các chương trình điều khiển cũng như các kết
quả tính toán.
- Phần mềm: Là các chương trình được xây dựng để điều khiến robot giải
quyết các bài toán cho trước. Các chương trình này thường được thiết kế nạp trên
các vi điều khiển ( Phẩn mềm nhúng). Việc thực hiện các chương trình này sẽ tạo
ra các tín hiệu điện lưu thông trên phần cứng giúp robot hoạt động.
1. CÁC THÀNH PHẦN c ơ BẢN CẤU THÀNH PHAN c ú n g
CỦA ROBOT DI ĐỘNG
Một robot di động thường được cấu thành từ các cơ cấu chính sau đây:
1.1. Bộ điều khiển
Là đơn vị xử lý trung tâm của robot. Tại đây robot tiếp nhận dữ liệu từ các bộ
phận khác tính toán, gia công, xử lý dữ liệu rồi ra các quyết định điều khiển cơ cấu
chấp hành. Bộ điều khiển này thường được thiết kế trên cơ sở các họ vi điều khiển
(đối với các ứng dụng trung bình và nhỏ), đối với các robot di động thông minh
thực hiện các phép xử lý ảnh đòi hỏi tốc độ tính toán nhanh thường được trang bị
các máy tính PC chuyên dụng.
18
1.2. Bộ thu nhận tín hiệu mỏi trường
Đây là bộ phận giúp thu nhận các thông số môi trường thường ở dạng các tín
hiệu không điện và biến đổi thành các đại lượng điện cung cấp cho bộ điều khiển.
Nhờ các tín hiệu này mà bộ điều khiển có thê ra các quyết định phù hợp với những

sự kiện của môi trường. Bộ này thường là các cảm biến ( sensor) biến đổi các đại
lượng không điện thành các đại lượng điện. Tuỳ thuộc người thiết kế mà robot có
thể được trang bị các loại cảm biến khác nhau. Trong kĩ thuật robot di động hiện
nay đang sử dụng phổ 3 loại cảm biến đó là: Sensor hổng ngoại, sensor siêu âm,
camera. Ngoài ra, robot còn có thể được trang bị một số loại sensor giúp robot có
thể định vị, xác định các thông số nhiệt,
1.3. Bộ chấp hành
Đây là các bộ phận giúp robot thực hiện các thao tác đáp ứng lại các sự kiện
của môi trường như thực hiện di chuyển theo một bài toán đặt trước. Bộ phận này
nhận tín hiệu điều khiển từ bộ điều khiển. Đối với robot di động cơ cấu này thường
chỉ gồm các Motor điện giúp robot thực hiện các di chuyên hoặc cầm nắm các vật.
Bên cạnh các cơ cấu chính cấu thành nên robot di động còn xuất hiện nhiều
modun khác như modun truyền thông giữa robot - máy tính PC. robot - robot,
mođun tổng hợp, phân tích tiếng nói Tuỳ thuộc vào yêu cầu tính năng của robot
mà quyết định trang bị thêm các cơ cấu nào.
2. . PHẦM MỂM Đ lỀư KHIỂN ROBOT
Chương trình điều khiển thường được viết trên các ngôn ngữ chuyên dụng của
các hãng sản xuất robot hoặc trên các ngôn ngữ như hợp ngữ hoặc ngôn ngữ cấp
cao c , C++, Basic, visual c, v.v Trong hệ tự quản trị, các chương trình nguồn
này, thí dụ c , được biên dịch ra thành các mã đối tượng (file object) rồi được
chuyển đổi tiếp thành các file mã máy đặc biệt tuỳ loại vi điều khiển, thường có
đuôi mở rộng là ".HEX" hay “SI9” để cho phép tải lên từ máy vi tính vào bộ nhớ
của vi điều khiển.
Ngoài phần cứng ra, việc lựa chọn chiến lược, chiến thuật cho các chương trình
điều khiển là một mấu chốt cho sự thành công trong thiết kế các robot. Điều này
liên quan đến tính đơn giản và hiệu quả của chương trình hoạt động theo thời gian
thực (real-time), dung lượng bộ nhớ cũng như khả năng mở rộna; của các cổng
vào/ra.
19
3. THIẾT KẾ, XÂY DỤNG MỘT ROBOT DI ĐỘNG

Đề tài này đã thiết kế thực hiện xây dựng thành công một robot di động mang
tên Mobibot.
3.1. Đặc tính của Mobibot
Modun điều khiển trung tâm: vi điều khiển họ 8051
Có khả năng xác định được khoảng cách từ robot tới vật phía trước.
Có khá năng trao đổi thông tin với máy tính.
Có khả năng thiết lập một mạng truyền thông giữa các robot cùng loại và
các thiết bị khác
Hoạt động ở hai chế độ :
+ Tự quản trị
+ Điều khiển bằng tay.
3.2. Cấu trúc phần cứng
Mobibot được xây dựng trên cơ sở vi điều khiển họ 8051. Cấu trúc phần cứng
của robot được mô tả trong sơ đồ hình sau :
Môđun thu
Môđun
chấp hành
Camera
vó tuyến
Bộ điều khiển robot
(chứa chương trình
phản mềm nhúng)
Mỏđun
truyền thông
Ạ
T ruyền vỏ tuyến
▼
Môđun
truyền thông
Mobỉbot khác

20
3.3. Bộ điều khiến
Bộ điều khiển được xây dựng trên cơ sớ vi điều khiển họ 8051 thực hiện chức
nâng tính toán, gia công, xử lý các dữ liệu, ra quyết định điều khiển các cơ cấu
chấp hành. Một số đặc tính của 8051 có thế được kể ra sau đây:
- Đơn vị xử lý trung tâm 8 bit đã được tối ưu hoá để đáp ứng các chức năng
điều khiển.
- Khối logic xử lý theo bít thuận tiện cho các phép toán Bool
- Bộ tạo dao động giữ nhịp bên trong lên tới 12MHz
- Dao diện nối tiếp có khả năng hoạt động song công, đổng bộ (UART)
- có 5 nguồn ngắt với hai mức ưu tiên (2 ngắt ngoài. 2 ngắt do định thời, một
ngắt cho cổng nối tiếp)
- 32 đường vào/ ra hai hướng (16 đường vào/ra đối với 80251), từng đường
dẫn có thể được định địa chỉ một cách riêng biệt.
- Dung lượng bộ nhớ RAM bên trong I28byte (8051), 256 byte (8052),
- Dung lượng bộ nhớ chương trình (ROM) bên trong 4Kbyte (8051), 8Kbyte
(8052), 20Kbyte (8055)
- Dung lượng bộ nhớ chương trình (ROM) bén ngoài có thê đến 64Kbyte (do
có hai cổng có chức năng định địa chỉ).
- Dung lượng bộ nhớ dữ liệu (RAM) bên ngoài lên đến 64 Kbyte
Vi mạch 80Cxl là loại vi mạch được chế tạo bằng công nghệ CMOS tiêu thụ
dòng điện nhỏ hơn. Ngoài ra, khác với vi mạch 80xJ, loại 80Cxl còn có thêm khả
năng giảm năng lượng tiêu thụ từ nguồn nuôi đó là khi nó hoạt động ở chế độ chờ
Hình sau chí ra cấu trúc bên trong của vi xử lý 8051. Các phần chính của vi
mạch là đơn vị xử lý trung tâm, bộ đếm chương trình, bộ giải mã lệnh, bộ điều
khiên thời gian và logic.
Phần lớn các bộ xử lý 8051 được đóng vỏ theo kiêu hai hàng (DIP), 40 chân.
Lối vào /EA (chân 31) có vai trò quyết định xem liệu bộ vi xử lý làm việc với bộ
nhớ chương trình bên trong hay bên ngoài. Khi làm việc với bộ nhớ chương trình
bên ngoài chân này được nối xuống đất. Bảng dưới đây chỉ ra chức năng cụ thể của

từng chân.
2]
Cấu trúc bén trong bộ vi xử lý 8051.
B l o c k D i n g r . i m
ịi POKít I I
T m m :
ÍM »1 t
M
f * M tĩ .)
r>jwvs;**ft I
m m i T
»'*« »•> ĩ
Sơ đổ chân của chip 8051 theo kiểu DIP- 40.
PDIP
<T2) P 1.0 C
(T2 EX) P I.1 C
P1.2 c
P 1 .3 C
P1 4 c
P 1 .5 C
P1 ô c
P 1 .7 C
RST c
(RXD) P3 0 c
(TX D) P s 1 c
■ TrTTõt P3 2 c
(ỈT ĨT Ì I P 3 .3 c
(To# P 3 4 c
■ T 1) P3 5 c
<WR) P 3 « c

(RCỘ P3 7C
X T A L 2 c
X T A L 1 c
GNDC
J V C C
□ PO o (ADO)
3 PO 1 I.AD1 •
□ P0.2 (ÁD2)
□ Po 3 (AD3)
D Po 4 (AD 4.
□ Po 5 (AD5>
□ PO 6 (ADe>
□ PO 7 (AD7)
□ ẼÃ VPP
□ ALE
3PSEĨĨ
□ P2.7 ( A i5)
□ P2.6 <A14)
□ P2 5 (A13)
□ P2 4 (A12)
D P2 3 <A11)
□ P‘2.2 (A lỡ j
□ P2 1 <AO)
□ P 2 0 (A&)
22
Bảng chức năng các chân của bộ vi xử lý 8051
Chân Kí
hiệu
Chức năng
1-8 P1.0-

P1.7
Cổng giả hai hướng (quasi-bidirectional) P1 tự do sử
dụng
9 RESE
T
Lối vào reset hoạt động ở mức tích cực cao
10-17
P3.0-
P3.7
Cổng giả hai hướng P3 sắp xếp tất cả các đường dẫn
với các chức năng đặc hiệt
18 XTAL
1
Lối ra bộ dao động thạch anh bên trong
19
XTAL
2
Lối ra bộ dao động thạch anh bên ngoài
20 Vss Nối đất
21-28
P2.0-
P2.1
Cổng giả hai hướng P2
Chức năng đặc biệt: các đường dẫn địa chí A8-A15
29
/PSEN
Program Strobe Enable, xuất ra xung đọc dùng cho bộ
nhớ chương trình ở bên ngoài
30 ALE Address Latch Enable, cho phép chốt địa chỉ
31 /EA External Access: khi nối đất để làm việc với bộ nhớ

trong
32-29
P0.0-
P0.7
Cổng hai hướng open collector: dữ liệu hoặc 8 bít thấp
của địa chỉ
40
Vdd
Nguồn nuôi 5V
3.4. Modun thu nhận tín hiệu môi trường
Môđun thu nhận tín hiệu môi trường là modun giúp mobibot biến đối các thông
số môi trường, các đại lượng không điện thành các tín hiệu điên cung cấp cho bộ
điều khiển. Nhờ các tín hiệu này mà robot có khả năng ra các quyết định điều
khiển nhằm thích nghi kịp thời với môi trường. Đối với mobibot, modun này sử
dụng hai loại sensor (cảm biến) là: sensor siêu âm loại MUSTOla và sensor hổng
ngoại E3S-DS30E4 của OMRON. Sensor siêu âm giúp robot có thể thực hiện các
phép đo khoảng cách từ vị trí đặt sensor cho tới vật. Sensor hồng ngoại được sử
23
dụng với mục đích chính là giúp robot thực hiện các chuyên động bám theo đường
cong bất kì vẽ trước ngoài ra nó còn được sử dụng để phát hiện vật cản.
a. Các đặc tính của sensor hỏng ngoại E3S-DS30E4 của OM RON
Hiện nay, trên thị trường có bán các sensor hổng ngoại đã được tích hợp sẵn
các đầu thu phát trên cùng một vỏ. Loại sensor này thường chỉ có 3 dây nối trong
đó hai dây nguồn nuôi và một dây tín hiệu. Tín hiệu lối ra thường có mức logic 0
hoặc 1. Sau đây xin giới thiệu một photo sensor mang kí hiệu E3S-DS03E4 của
hãng OMRON.
Các đặc tính của sensor có thể được kể ra như sau:
- Sensor hổng ngoại sử dụng ánh sáng có bước sóng 880nm.
- ánh sáng hổng ngoại được điều chế.
- Sử dụng để phát hiện vật cản trong cự ly 70cm, có khả năng phân biện được

vạch trắng/đen.
- Độ nhậy của sensor có thể hiệu chỉnh được thông qua một biến trở.
- Trên sensor có bố trí hai đèn chỉ thị: đèn chỉ thị nguồn và đèn chỉ thị trạng
thái tín hiệu ra.
Photo sensor E3S-DS30E4
b. Sensor siêu âm MƯSTOla
Đây là loại sensor có bộ thu phát được tích hợp trên cùng một đế (không
phân biệt đầu thu và đầu phát). Đặc tinh của nó có thể kể ra như sau:
- Sử dụng nguồn nuôi một chiều 8-16V, dòng cực đạicho phép là 30mA.
- Sensor cho tín hiệu lối ra tương tự từ 0-5 V tuy nhiên giá trị cực đại trong
thực tế chỉ đạt được 4,096 V.
24
- Khoảng cách sensor phát hiện được vật từ 15cm-3m với sai sô là 2%
- Góc mở chùm siêu âm phát ra là 15"
Cấu trúc của sensor và các chân được mô tá trong hình sau.
Khi có xung kích, siêu âm phát ra sẽ đập vào vật và phản xạ trớ lại, tín hiệu
điện thu được ở lối ra của sensor có mức điện áp ti lệ với khoang cách. Cụ thế, nếu
không có sóng phản xạ điện áp lối ra ở mức cao. Ngược lại, có tín hiệu phản xạ tùy
thuộc sóng phản xạ mạnh hay yếu (vật
ờ gần hay xa) mà điện áp giảm lối ra sẽ
giảm dần.
-T
1 .7 0 0 " 1 , 5 2 5 "
[ • * - 0 3 5 C T - * r
Sơ đồ mô tá sensor siêu âm MUSTOla
Bảng cấu trúc chân của sensor siêu âm MUSTOla như sau
Chân Chức nàng
1
Nguồn nuôi được ổn áp 8-16V (30mA)
2

Đất
3
Xung kích ngoài mức TTL (không sử dụng)
4
Cho phép xung kích (không sử dụng)
5
Xung đổng hồ lối ra mức TTL (Không sử dụng)
6
Lối ra tưưng tự tỉ lệ với khoảng cách 0-5 VDC
7
Không sử dụng
RANGE SET 2 (FULL SCALE]
SET 1 (ZERO]
■NPN Ũ .C 2
NPN o.c, J
CLO CK OUT
IR J G 'E N A B L E
EX T . T R IG G E R
COMMON
+5 0 VD C
MINI A
■ NO c o n n e c t i o n
" A N A L O G O U T P U T
25