I. GIỚI THIỆU

Sau 17 năm khi hệ thống đầu tiên xuất hiện vào năm 1994 [3], telerobot dựa trên Internet đã đóng góp rất nhiều vào cuộc sống hiện đại, cho phép chúng ta tham quan từ xa các viện bảo tàng, chăm sóc khu vườn, điều hướng dưới biển, trôi nổi trong vỉ hoặc xử lý các tinh thể protein [1] - [5]. Trong khi các nghiên cứu ban đầu cố gắng trả lời câu hỏi làm thế nào để điều khiển rô bốt thông qua Internet [3] [6] [7], thì các nghiên cứu gần đây lại tập trung vào cách điều khiển nó trong thời gian thực và đối phó với sự chậm trễ đường truyền Internet, độ trễ chập chờn và băng thông không đảm bảo, v.v. [8] - [10]. Để có hiệu quả, một dự án nghiên cứu có thể chỉ tập trung vào một khía cạnh cụ thể duy nhất và một nền tảng thử nghiệm chung thường được mong muốn cho mục đích xác minh triển khai; tuy nhiên, sẽ cần nhiều công việc quan trọng để xây dựng một nền tảng thử nghiệm từ đầu. Do đó, một số nền tảng rô bốt dựa trên Internet đã được đề xuất với những điểm mạnh và hạn chế của chúng [9] [11] [12].

Trong [11], một khung telerobot dựa trên web được phát triển trong đó giao tiếp giữa người dùng và robot được tập trung xung quanh một máy chủ web. Hệ thống bao gồm bốn mô-đun: robot di động Pioneer thương mại, màn hình phản hồi trực quan, bản đồ môi trường toàn cầu và giao diện web, được giao tiếp qua giao thức TCP. Bằng cách sử dụng giao diện web, người dùng có thể điều khiển robot qua Internet để khám phá phòng thí nghiệm hoặc đẩy bóng vào khung thành. Tuy nhiên, việc sử dụng TCP ban đầu được thiết kế để truyền dữ liệu tĩnh như e-mail và tệp qua băng thông thấp, mạng tỷ lệ lỗi cao làm giao thức truyền thông, tuy nhiên, có thể hạn chế hệ thống khỏi những phát triển trong tương lai trong đó thuộc tính thời gian thực được yêu cầu cao. Ngoài ra, việc thiếu các cơ chế tự trị có thể ảnh hưởng đến sự an toàn của robot và hạ cấp hiệu suất của hệ thống trong trường hợp mạng bị tắc nghẽn hoặc gián đoạn.

Một cách tiếp cận linh hoạt và có thể mở rộng hơn là sử dụng kiến trúc máy khách-máy chủ như được mô tả trong [12]. Cấu trúc mô-đun này cho phép người dùng nhanh chóng xây dựng các bước phát triển tiếp theo của robot di động Internet. Hệ thống sử dụng UDP làm giao thức truyền tải và bao gồm các mô-đun thiết yếu cho hệ thống robot Internet như robot di động, màn hình phản hồi trực quan, màn hình môi trường ảo và giao diện người dùng đồ họa thân thiện với người dùng.

Trên một lưu ý tương tự, Dawei và cộng sự đã đề xuất một nền tảng robot trực tuyến khá hoàn chỉnh trong đó robot di động đa hướng với năm cánh tay DOF được điều khiển qua Internet bằng cách sử dụng một đại diện ảo [9]. Trong suốt quá trình điều khiển, môi trường ảo của trang từ xa liên tục được cập nhật tại trang cục bộ và vị trí tiếp theo của robot được dự đoán và chỉ ra trong môi trường ảo. Điều này kết hợp với màn hình phản hồi trực quan cho phép người dùng điều hướng dễ dàng robot di động trong môi trường không xác định. Ngoài ra, sự an toàn của robot được đảm bảo nghiêm ngặt bằng các cơ chế tự động được tích hợp sẵn. Tuy nhiên, việc sử dụng các cảm biến sonar với phạm vi đo từ 4cm đến 400cm để xây dựng môi trường ảo, tuy nhiên, có thể hạn chế khả năng ứng dụng của hệ thống đối với các ứng dụng trong nhà.

Trong bài báo này, chúng tôi đề xuất một nền tảng mới cho các hệ thống robot di động dựa trên Internet với những cải tiến về cấu hình phần cứng và phát triển phần mềm. Hệ thống đang ở chế độ Máy khách-Máy chủ, chứa người dùng làm đầu vào lệnh và Robot thông minh đa cảm biến (MSSR) là thiết bị được điều khiển. MSSR có khả năng điều khiển chuyển động chính xác với thuật toán PID và chứa nhiều loại cảm biến để hỗ trợ các mục đích phát triển đa dạng. MSSR được kết nối với Internet qua mạng di động 3G. Các cơ chế tự động bao gồm tránh chướng ngại vật và đạt được điểm an toàn được thực hiện trong robot. Phần mềm có hai mô-đun chính: một bộ điều khiển máy khách tại trang web người dùng và một mô-đun máy chủ tại trang web robot. Mô hình đa giao thức được áp dụng để cung cấp dữ liệu được trao đổi giữa máy khách và máy chủ. Nền tảng được triển khai trên Internet thực và kết quả thử nghiệm đầy hứa hẹn. Bằng cách áp dụng điều này, sẽ rất dễ dàng để xây dựng một hệ thống thực nghiệm cho nghiên cứu về các chủ đề viễn thông đa dạng như thuật toán điều khiển từ xa, thiết kế giao diện, giao thức mạng và ứng dụng, v.v.

Bài báo được tổ chức như sau. Chi tiết về cấu hình phần cứng được mô tả trong Phần II. Việc phát triển phần mềm được mô tả trong Phần III. Mục IV giới thiệu các thí nghiệm trong môi trường Internet thực. Bài báo kết thúc bằng việc đánh giá hệ thống, về điểm mạnh và điểm yếu của nó, và với các đề xuất về những phát triển có thể có trong tương lai.

II.THIẾT KẾ PHẦN CỨNG

Để trở thành nền tảng cho những phát triển khác nhau, phần cứng hệ thống cần được thiết kế để hỗ trợ không chỉ một tác vụ cụ thể mà còn cho nhiều ứng dụng bao gồm cả môi trường trong nhà và ngoài trời. Trong hệ thống của chúng tôi, thiết kế phần cứng được chia thành ba quan điểm: cấu hình giao tiếp, cảm biến và cơ cấu chấp hành, và tương tác của người dùng; mỗi cái đều được phát triển với tính khả thi, tính linh hoạt và khả năng mở rộng trong tâm trí. Hình một biểu diễn một cách tổng quan của hệ thống. 

Hình 1. Hệ thống phần cứng

Cấu hình giao tiếp:

Theo hiểu biết của chúng tôi, hầu hết các hệ thống robot Internet hiện tại sử dụng cấu hình chung cho kết nối mạng trong đó robot và các thành phần được kết nối với Internet thông qua một điểm truy cập không dây trung tâm (hình 2) [9] [11] [12 ]. Cấu hình này dễ thiết lập nhưng nó hạn chế khu vực hoạt động của robot và các bộ phận trong bán kính vài trăm mét do giới hạn công suất truyền của điểm truy cập không dây. Phạm vi này có thể chấp nhận được đối với môi trường trong nhà nhưng không đủ cho các ứng dụng ngoài trời như kiểm soát giao thông và cứu hộ thảm họa.

Trong hệ thống của chúng tôi, thay vì sử dụng điểm truy cập không dây, mạng di động 3G được sử dụng làm cầu nối giao tiếp giữa rô bốt và Internet. Thiết bị USB 3G với thẻ SIM di động bên trong được sử dụng. USB được cắm vào máy tính bên trong robot và được đăng ký với nhà cung cấp dịch vụ điện thoại di động cho phép nó có quyền truy cập Internet (hình 1). Cấu hình đơn giản này cho phép robot kết nối Internet mà không có bất kỳ giới hạn nào về khoảng cách vật lý khi tín hiệu di động 3G được trình bày, hầu như ở khắp mọi nơi trên toàn quốc do tín hiệu 3G đã bao phủ tất cả.

III. CẢM BIẾN VÀ BỘ TRUYỀN ĐỘNG

Các cảm biến và thiết bị truyền động được bao gồm trong Robot thông minh đa cảm biến (MSSR) do phòng thí nghiệm của chúng tôi phát triển. Sơ đồ trong hình 3 mô tả các cảm biến, bộ truyền động và các kênh giao tiếp trong MSSR. Nó chứa các thành phần cơ bản để điều khiển chuyển động, cảm biến và điều hướng. Các thành phần này là động cơ truyền động để điều khiển di chuyển, cảm biến sóng siêu âm để tránh chướng ngại vật, la bàn và cảm biến GPS để định hướng và định vị toàn cầu, công cụ tìm phạm vi laser (LMS) và cảm biến hình ảnh (máy ảnh) để lập bản đồ và điều hướng.

Hệ thống truyền động sử dụng động cơ DC tốc độ cao, mô-men xoắn cao, đảo chiều. Mỗi động cơ được gắn một bộ mã hóa trục quang vuông góc cung cấp 500 tích tắc mỗi vòng quay để định vị chính xác và cảm biến tốc độ. Việc điều khiển động cơ được thực hiện trong một mạch điện tử dựa trên bộ vi xử lý với phần sụn nhúng cho phép điều khiển động cơ bằng thuật toán PID.

Các mô-đun định vị và đầu chứa một cảm biến la bàn CMPS03 và một mô-đun HOLUX GPS UB-93 [14] [15]. Cảm biến la bàn có độ phân giải đề mục tốt là 0,1. GPS với độ chính xác thấp hơn được sử dụng để định vị trong điều hướng ngoài trời. Do mạng có sẵn trong hệ thống của chúng tôi, GPS có hỗ trợ (A-GPS) cũng có thể được sử dụng để xác định vị trí và sử dụng thông tin vệ tinh từ mạng trong điều kiện tín hiệu kém.

MSSR cung cấp tám cảm biến siêu âm SFR-05 được chia thành bốn mảng, mỗi mảng có hai cảm biến, được bố trí ở bốn cạnh của robot. Phạm vi đo từ 0,04m đến 4m. 

Ở mặt trước của robot, một hệ thống chụp ảnh 3D được xây dựng dựa trên công cụ tìm phạm vi laser 2D SICK-LMS 221 [13] [22]. Hệ thống có góc nhìn ngang là 100 (độ phân giải của góc là 0,25, 0,5 và 1) và góc nhìn dọc (cao độ) là 25. Dữ liệu được tạo ra bởi cảm biến siêu âm và công cụ tìm khoảng cách laze trong phạm vi từ 0,04m đến 80m là được sử dụng để xây dựng bản đồ toàn cầu và cục bộ về môi trường hoạt động của robot.

Hệ thống trực quan có thể tháo rời và gắn trên đầu của MSSR. Nó chủ yếu bao gồm một máy ảnh màu zoom nghiêng (PTZ) Sony EVI-D100 và một bộ chuyển đổi EasyCap để quay video. Phạm vi xoay của máy ảnh xoay nghiêng là từ -100 đến +100 độ theo đường chân trời, từ -25 đến +25 độ theo chiều dọc và có sẵn để cung cấp cho người dùng một cái nhìn rõ ràng về môi trường phía trước robot.

Hình 2. Cảm biến, cơ cấu truyền động và thông tin liên lạc trong MSSR

Dữ liệu giao tiếp giữa các thiết bị và máy tính trong robot được truyền qua một số kênh: kênh tốc độ thấp với tiêu chuẩn RS-485 và RS-232 và kênh tốc độ cao với cổng USB. Các thiết bị sử dụng RS-485 được quản lý bởi vi điều khiển dựa trên Microchip dsPIC30F4011 trên bo mạch với các bo mạch điều khiển độc lập cho một môi trường hoạt động linh hoạt. Một bus RS-485 được thiết lập để duy trì giao tiếp giữa các bộ điều khiển và dự trữ khả năng mở rộng để hỗ trợ các phụ kiện khác nhau. Các thiết bị sử dụng RS-232 được kết nối trực tiếp với mô-đun USB-to-COM. Các lệnh điều khiển và thu nhận với các thông điệp ngắn được thực hiện trong các kênh tốc độ thấp. Mặt khác, hình ảnh từ máy ảnh được chụp bằng bộ lấy khung hình và được chuyển hướng đến cổng USB tốc độ cao. Giao tiếp giữa trang web từ xa (robot) và trang web khách hàng (người dùng), như đã mô tả trước đây, được thực hiện bằng mạng máy tính.

Các thiết bị tương tác tại trang web của người dùng chỉ bao gồm một máy tính cá nhân và một cần điều khiển. Máy tính này là một máy tính xách tay ASUS với bộ xử lý M-Centrino 1,5 GHz, RAM 500 MB và hệ điều hành Windows XP. Máy tính, với phần mềm điều khiển được cài đặt, cho phép người dùng lấy thông tin phản hồi của trang web từ xa và điều hướng robot khám phá một môi trường không xác định. Để hỗ trợ người dùng cách điều khiển thuận tiện hơn, một phím điều khiển được thêm vào. Cần điều khiển là dòng 3D Logitech Extreme với độ phân giải 10 bit theo trục ngang và dọc cùng 12 nút chức năng. Trong hệ thống, cần điều khiển diễn giải đầu vào của người dùng thành một chuỗi các tham số điều khiển và chuyển tiếp chúng tới phần mềm điều khiển để xử lý.

Nhiều loại thông tin khác nhau cần được trao đổi giữa robot và người vận hành. Nói chung, có ba lớp dữ liệu:

• Dữ liệu quản trị (chẳng hạn như kiểm soát truy cập, xác thực người dùng và dữ liệu cấu hình) và các lệnh điều khiển của người dùng (chẳng hạn như tốc độ dịch mong muốn và góc quay): kích thước gói nhỏ, truyền không định kỳ và yêu cầu phân phối đáng tin cậy.
• Dữ liệu hình ảnh (phản hồi thông tin quan trọng và tốn kém nhất): kích thước gói lớn, truyền định kỳ, phân phối thời gian thực, yêu cầu băng thông đáng kể và thông tin mới nhất được ưu tiên nếu gói bị mất.
• Dữ liệu điều khiển liên tục (tín hiệu cần điều khiển) và thông tin phản hồi về hiện trường và robot (chẳng hạn như vị trí của robot và dữ liệu cảm biến): kích thước gói nhỏ, truyền định kỳ, phân phối thời gian thực là bắt buộc và thông tin mới nhất được ưu tiên nên gói tin bị mất.

Từ cách phân loại trên, rõ ràng là tất cả các loại thông tin đều yêu cầu cung cấp thời gian thực ngoại trừ dữ liệu quản trị sử dụng một lần cho tất cả và các lệnh điều khiển của người dùng. Do đó, để đạt được hiệu suất tối ưu, các giao thức truyền tải khác nhau nên được sử dụng để truyền từng loại thông tin.

Hiện có ba giao thức truyền tải chính có sẵn để triển khai các ứng dụng điều khiển từ xa qua Internet: Giao thức sơ đồ người dùng (UDP) [16], Giao thức điều khiển truyền (TCP) [17] và Giao thức truyền tải thời gian thực (RTP) [ 18]. 

UDP dựa trên ý tưởng gửi một gói dữ liệu từ thiết bị này sang thiết bị khác càng nhanh càng tốt mà không cần xem xét kỹ trạng thái mạng. Giao thức này không duy trì kết nối giữa người gửi và người nhận, và nó không đảm bảo rằng các gói dữ liệu được truyền sẽ đến đích cũng như thứ tự thời gian của dữ liệu ở đầu nhận.TCP là một giao thức phức tạp hơn, ban đầu được thiết kế để truyền tải dữ liệu tĩnh như e-mail và tệp qua mạng băng thông thấp, tỷ lệ lỗi cao một cách đáng tin cậy. Trong mỗi phiên truyền, TCP thiết lập một kết nối ảo giữa người gửi và người nhận, thực hiện xác nhận các gói dữ liệu đã nhận và thực hiện cơ chế truyền lại khi cần thiết.TCP cũng có thể thích ứng với sự thay đổi của điều kiện mạng bằng cách áp dụng chính sách kiểm soát tắc nghẽn nghiêm ngặt với cơ chế khởi động chậm, khôi phục nhanh, truyền lại nhanh và cơ chế kiểm soát luồng dựa trên cửa sổ.RTP là tiêu chuẩn để cung cấp dữ liệu đa phương tiện theo thời gian thực. Giao thức cung cấp cơ sở để bù jitter và phát hiện dữ liệu đến ngoài trình tự, và nó thường được sử dụng cùng với Giao thức điều khiển RTP (RTCP). Chi tiết hơn về so sánh giữa các giao thức được nghiên cứu trong công trình trước đây của chúng tôi [20].

Từ những phân tích trên, có thể nhận thấy rõ rằng RTP phù hợp cho việc phát trực tuyến video; UDP có lợi thế trong việc nhận biết truyền dữ liệu trong khi TCP là tốt nhất trong việc cung cấp dữ liệu quản trị và các lệnh điều khiển của người dùng. Cấu hình này được thực hiện thành công trong mô-đun giao tiếp của chúng tôi.

Trong quá trình phát triển dự án, các cấu hình khác nhau đã được thử nghiệm trong các môi trường khác nhau. Mục đích là phát triển một khung hệ thống đáng tin cậy hơn có thể được sử dụng trong thế giới thực.

Như trong hình 7, robot di động MSSR được điều khiển từ khoảng cách 30km để khám phá phòng thí nghiệm mà chúng tôi đang làm việc; camera PTZ đã được sử dụng. Trong một thử nghiệm khác, MSSR được điều khiển từ khoảng cách 20km để di chuyển ngoài trời xung quanh khuôn viên trường đại học trong khi tránh một số chướng ngại vật tĩnh; camera PTZ và đại diện ảo đã được sử dụng trong thử nghiệm này.

Hình 4. Đường di chuyển của rô bốt tại địa điểm cục bộ (đường liền nét màu xanh lam) và đường dẫn mô phỏng tại địa điểm từ xa (đường gạch ngang màu đỏ)

V. KẾT LUẬN

Việc xây dựng một nền tảng thử nghiệm cho việc nghiên cứu robot Internet từ đầu là vô cùng tốn thời gian. Trong bài báo này, một nền tảng mô-đun mới cho các hệ thống robot di động Internet được phát triển. Phần cứng của hệ thống chủ yếu bao gồm một Robot thông minh đa cảm biến. Nhiều loại cảm biến bao gồm bộ mã hóa tốc độ vị trí, cảm biến đa dạng sonar tích hợp, la bàn và cảm biến tìm tia laser, hệ thống định vị toàn cầu (GPS) và hệ thống trực quan được triển khai cho phép robot hỗ trợ nhiều ứng dụng bao gồm cả môi trường trong nhà và ngoài trời. Hạn chế trong khu vực làm việc được loại bỏ bởi việc sử dụng mạng di động 3G. Hệ thống sử dụng kiến trúc phần mềm máy khách-máy chủ để điều khiển robot và hiển thị thông tin phản hồi. Dữ liệu trao đổi giữa máy khách và máy chủ được truyền qua Internet theo mô hình đa giao thức. Các cơ chế tự chủ dựa trên các thuật toán logic mờ được thực hiện để đảm bảo an toàn cho robot. Nền tảng này đã được thử nghiệm trong các môi trường khác nhau và kết quả rất hứa hẹn.

                                                                                                     TS.TRẦN THUẬN HOÀNG