Hệ thống dẫn đường chủ động cho robot tự hành trong nhà Make in Viet Nam

Hệ thống dẫn đường chủ động cho robot tự hành trong nhà và bài toán vận chuyển hàng tự động 

Thông thường, để vận chuyển hàng hóa hay đồ vật cồng kềnh giữa các vị trí trong các nhà máy như giữa các nhà xưởng hay nhà kho, công nhân thường phải đặt hàng hóa, đồ vật này lên các xe kéo và kéo hoặc đẩy xe đến vị trí mong muốn. Phương pháp thủ công này tiêu tốn rất nhiều nhân lực, nhưng hiệu suất lại thấp và chưa đạt độ chính xác cao. 

 Ngoài ra, với những kho hàng có số lượng và chủng loại hàng hóa lớn, việc vận chuyển và sắp xếp hàng hóa đúng chỗ, đúng cách cho mỗi loại hàng hóa là rất khó đạt được. Để giải quyết vấn đề này, startup công nghệ ROSTEK đã cho ra đời xe tự hành ROSTEK AGV, giúp tự động hóa quá trình vận chuyển, nhận và trả hàng hóa. 

ROSTEK AGV là sản phẩm xe tự hành dẫn đường chủ động, cho phép vận chuyển, nâng, kéo và chở hàng hóa, đáp ứng nhu cầu nhiều ngành nghề khác nhau. Đây là một giải pháp công nghệ cao, được sản xuất, lắp ráp và chế tạo 100% bởi đội ngũ kỹ sư Việt Nam giàu kinh nghiệm. 

Sản phẩm này được đưa vào sử dụng để vận chuyển hàng hóa trong nhà xưởng, tại các nhà kho, phân xưởng thuộc các khu công nghiệp, công ty và xí nghiệp có quy trình vận chuyển được lặp đi lặp lại, giúp cho các doanh nghiệp nâng cao chất lượng và năng suất, giảm chi phí về nhân công. 

Tuy nhiên, một nhược điểm lớn của các thiết bị này là chỉ có thể di chuyển theo các dải băng từ được dán sẵn trên nền của nhà xưởng để tạo thành các tuyến đường di chuyển. Điều này khiến cho tốc độ di chuyển của AGV thấp và gặp nhiều khó khăn trong quá trình hoạt động. Hơn nữa, vì điều này mà số lượng xe có thể đồng thời hoạt động trong cùng một khu vực nhà xưởng cũng bị hạn chế, khiến cho hiệu suất tổng thể cũng như quy mô của toàn hệ thống bị giới hạn, đặc biệt là với những nhà xưởng có nhu cầu hoạt động và vận tải quy mô lớn.

Ngoài ra, AGV hiện đang được sử dụng có độ an toàn rất thấp, hầu như không có khả năng nhận diện các yếu tố môi trường xung quanh, chẳng hạn như có công nhân đang làm việc ở vùng lân cận, có các vật cản ở gần. Việc sử dụng các tuyến đường cố định cũng gây nhiều hạn chế khi cần thay đổi tuyến đường và quy trình vận chuyển. Đặc biệt, khi nhà xưởng thay đổi quy trình sản xuất sẽ đòi hỏi nhiều thời gian thiết kế, triển khai và lập trình lại quy trình vận chuyển mới cho AGV. 

Nhằm giải quyết những bất cập trên mà các nhà sáng chế của Việt Nam đã nghiên cứu và phát triển hệ thống dẫn đường chủ động dùng cho rô bốt tự hành (AMR) để nâng cấp AGV thành phiên bản cao cấp ROS-AMR (AMR, Xe tự hành dẫn đường tự nhiên) trong nhà dùng để vận chuyển hàng hóa. Sáng chế này giúp cho AMR có thể di chuyển mà không bị phụ thuộc vào các đường băng từ dán sẵn. AMR còn tích hợp thêm phần mềm quản lý linh hoạt giúp tối ưu hóa tối đa việc lưu chuyển hàng hóa trong sản xuất.

AMR và khả năng di chuyển tự do theo bản đồ 

AMR có thể tự động thực hiện các yêu cầu nhận, vận chuyển và trả hàng giữa các điểm đã được quy định. Theo đó, AMR có khả năng tự hành - nghĩa là, có thể di chuyển tự do trong một bản đồ được xác định trước. Với giải pháp sử dụng hệ thống các cảm biến hình ảnh, cảm biến đo xa bằng tia laze, AMR có khả năng phát hiện các vật thể xung quanh và xác định khoảng cách tới các vật thể, nhờ đó duy trì được khoảng cách an toàn tối thiểu tới các vật thể này, tự động tránh và dừng khẩn cấp để đảm bảo an toàn khi cần. 

1) Hệ thống các cảm biến: Hệ thống cảm biến được gắn trên AMR. Mỗi hệ thống có ít nhất một cảm biến đo xa bằng tia laze (Lidar) và ít nhất một cảm biến hình ảnh (camera), các cảm biến này được bố trí ở các vị trí và góc độ thích hợp tạo thành trường nhìn thấy (Field of View - FoV) cho AMR, độ rộng của FoV tuỳ thuộc vào số lượng Lidar, Camera (nhưng không nhỏ hơn 120˚) và cảm biến nhận diện chuyển động (Inertial measurement unit - IMU).

2) Bộ xử lí trung tâm: Bộ xử lý này được tạo cấu hình phù hợp và có khả năng kết hợp với nhau với các khối chức năng: 

- Khối tính toán định vị (localization): Giúp AMR xác định vị trí trong một bản đồ có sẵn bằng cách đối chiếu bản đồ hao tổn cục bộ (local costmap), được tạo thành từ tập hợp các điểm khoảng cách từ vật thể xung quanh tới AMR do Lidar đo lường được với một bản đồ hao tổn toàn cục (global costmap), được tạo thành từ một bản đồ đã được xây dựng trước. Điều này giúp tìm ra vị trí đồng dạng nhất của bản đồ hao tổn cục bộ với các vị trí cục bộ trên bản đồ hao tổn toàn cục, qua đó xác định tọa độ của AMR; 

- Khối thị giác máy tính (computer vision): Dùng để nhận diện các vật thể xung quanh AMR và xác định hướng tương đối của chúng so với hướng của AMR bằng thuật toán học sâu (deep learning), sử dụng một mạng nơ ron thần kinh (Neural Network) để nhận diện các vật thể xung quanh này từ dữ liệu hình ảnh camera; 

- Khối dung hợp cảm biến (sensor fusion): Dùng để kết hợp thông tin về khoảng cách từ các vật thể xung quanh tới AMR, thông tin loại vật thể và hướng của các vật thể này tạo thành một miền mà AMR có thể di chuyển được một cách an toàn; 

- Khối điều khiển tối ưu (Optimal Control): Dùng để nhận các tác vụ từ một phần mềm điều khiển trung tâm (Fleet Manager), là một tập hợp các điểm bao gồm tọa độ và hướng tạo thành quỹ đạo tham chiếu (reference trajectory) của chuyển động của AMR, tính toán giá trị điều khiển cần thiết là vận tốc tức thời (velocity) và góc đánh lái (steering angle) để AMR có thể di chuyển tiệm cận và bám quỹ đạo di chuyển tham chiếu. Đây là kết quả thu được bằng việc giải một bài toán điều khiển tối ưu (optimal control) có xét đến các ràng buộc (constraints), là miền AMR có thể di chuyển một cách an toàn theo đúng mô hình động lực học của xe và có xét đến các mục tiêu (objectives) như bám quỹ đạo, giá trị điều khiển nhỏ nhất có thể, ít gia tốc, ít đổi hướng đột ngột trong quá trình chuyển động;

Khối điều khiển hành vi (Behavioral Control): Dùng để kiểm tra trạng thái tức thời của AMR, là các thông số vị trí, hướng, vận tốc hiện tại, kết hợp các thông tin khoảng cách từ các vật thể xung quanh tới AMR do Lidar cung cấp, thông tin về loại vật thể xung quanh và hướng của chúng từ khối thị giác máy tính, thông tin giá trị điều khiển từ khối điều khiển tối ưu (Optimal Control) để tính toán xác nhận giá trị điều khiển thực là tốc độ (velocity) và góc đánh lái (steering angle) sẽ được sử dụng; 

- Khối điều khiển thứ cấp: Sử dụng giá trị vận tốc (velocity) và góc đánh lái (steering angle) từ khối chức năng điều khiển hành và tính toán giá trị điều khiển cho hai bánh xe chủ động của AMR, là giá trị vận tốc động cơ và áp giá trị điều khiển này cho động cơ AMR trong đó Lidar được kết nối với bộ xử lí trung tâm này thông qua cổng Ethernet, Camera và IMU được kết nối với bộ xử lí trung tâm này thông qua cổng USB. 

AMR sử dụng hệ thống dẫn đường chủ động theo sáng chế có khả năng di chuyển theo một bản đồ được thiết kế trước một cách tự do, đồng thời có khả năng phát hiện các vật thể xung quanh và xác định khoảng cách tới các vật thể này, nhờ đó duy trì được khoảng cách an toàn tối thiểu tới các vật thể, tự động tránh và dừng khẩn cấp để đảm bảo an toàn khi cần. 

Theo phương án này, AMR có thể hoạt động hoàn toàn không phụ thuộc vào hệ thống băng từ dán trên nền của các nhà xưởng, qua đó loại bỏ hoàn toàn các nhược điểm còn đang tồn tại trong phương pháp truyền thống với độ an toàn cao, nhiều cấu hình linh hoạt, đáp ứng nhanh về nhu cầu công nghệ và ứng dụng của các doanh nghiệp vừa và nhỏ trong việc tự động hóa sản xuất. Đây là tiền đề giúp cho Việt Nam tiến tới mục tiêu công nghiệp 4.0 và có tiềm năng rất lớn trong việc giúp kết nối thông qua sự cải tiến và hợp tác.

Bước đầu khẳng định và tương lai triển vọng 

Tại mùa giải đầu tiên của cuộc thi Thử thách đổi mới sáng tạo Qualcomm® Việt Nam (QVIC) năm 2021, sáng chế của AGV của ROSTEK đã lọt top 3 đội chiến thắng vòng chung kết. Phương tiện xe tự hành dẫn đường tự động (AGV) và hệ thống quản lý phương tiện của Rostek đã gây ấn tượng mạnh mẽ và đoạt giải nhất với giá trị giải thưởng lên đến 100.000 USD. 

Với lợi thế làm chủ công nghệ điều khiển dẫn đường, đặc biệt là dẫn đường chủ động không cần kẻ vạch như AMR, Rostek cho thấy, robot công nghiệp và các phương tiện tự hành đóng vai trò quan trọng trong cuộc sống ngày nay.

Hiện nay, loại robot này đã được sử dụng trong dây truyền sản xuất của công ty Nidec Sankyo Việt Nam, thuộc tập đoàn Nidec tại Nhật Bản, một nhà sản xuất micro moto lớn nhất thế giới cho đĩa cứng và ổ đĩa quang. Trong bối cảnh giãn cách xã hội do đại dịch COVID, khi công nhân không thể đến nhà máy như hiện nay là cơ hội cho sản phẩm này được ứng dụng vào doanh nghiệp, giúp thay thế hiệu quả nhân lực con người trong thời kỳ hiện tại. 

AMR đang hứa hẹn một tương lại vô cùng khả quan với nhiều triển vọng. Hiện nay, các kỹ sư sáng chế AMR đã có được hợp đồng chuyển giao cho khá nhiều doanh nghiệp Việt Nam. Trong thời gian không xa, sản phẩm này sẽ được mở rộng vào ứng dụng trong các nhà hàng, khuôn viên các bệnh viện, trường học, trong khu vực cách ly, điều trị COVID-19 . 

Do đó, công ty khởi nghiệp sáng tạo với mục tiêu thiết kế và phát triển các robot và hệ thống robot công nghiệp có tính hiệu quả cao về mặt chi phí, sáng tạo về cấu hình và giải pháp công nghệ, đáp ứng nhanh và linh hoạt về nhu cầu tự động hóa cho các doanh nghiệp cơ khí vừa và nhỏ ở các nước đang phát triển, trước mắt là phục vụ cho thị trường Việt Nam, sau đó là xuất khẩu sang thị trường các nước đang phát triển./.

(Bài đăng ấn phẩm in Tạp chí TT&TT số 12 tháng 12/2021)