Thiết kế xe tự hành giảm tải sức người: sinh viên đạt điểm xuất sắc tốt nghiệp

Trong nhiều đồ án được Hội đồng bảo vệ tốt nghiệp trường Điện – Điện tử thuộc Đại học Bách khoa Hà Nội đánh giá cao trong kỳ bảo vệ vừa qua, đồ án “Thiết kế điều khiển xe tự hành cấu hình đa hướng Mecanum bám người bằng kỹ thuật xử lý ảnh” của sinh viên Nguyễn Thế Cơ – lớp 08 K62 Kỹ thuật điều khiển – Tự động đã xuất sắc giành được số điểm gần như tuyệt đối.

Kết quả đánh giá này của hội đồng không chỉ vì khả năng giải quyết bài toán công nghệ mà còn bởi ý nghĩa thực tiễn của đề tài.

• Khi nhà trường coi sinh viên là trung tâm của đào tạo
• Lễ bảo vệ đồ án tốt nghiệp đầy cảm xúc của sinh viên ngành Điện – Tự động hóa

Tìm lối đi riêng để xe tự hành giảm tải sức người

Trên thế giới, xe tự hành (AGV) đang dần trở nên phổ biến, tiện dụng không chỉ trong công nghiệp, với vai trò vận chuyển vật tư giữa các công đoạn sản xuất, mà còn cả trong các ứng dụng dân dụng như hỗ trợ con người vận chuyển hàng hóa trong siêu thị, sân bay, hoặc hỗ trợ người bệnh, bác sĩ trong bệnh viện. Với mục tiêu làm chủ công nghệ xe tự hành, từ hệ truyền động đến hệ điều khiển, sinh viên Nguyễn Thế Cơ đã bắt tay vào thực hiện thiết kế điều khiển xe tự hành cấu hình đa hướng Mecanum bám người bằng kỹ thuật xử lý ảnh.

Các nhiệm vụ cần giải quyết trong đề tài: xây dựng cấu hình xe, tính chọn thiết bị; thiết kế mạch điều khiển xe bằng vi điều khiển STM32F1, viết firmware cho mạch điều khiển; xây dựng các mô hình xử lý ảnh dựa trên lý thuyết mạng nơron tích chập CNN; xây dựng chương trình điều khiển xe trên máy tính trung tâm intel NUC.

Nguyễn Thế Cơ cho biết, thiết kế có tính ứng dụng thực tế rất cao trong điều kiện kho bãi chưa có thiết kế đồng bộ hoặc những không gian rộng (kho bãi, sân bay, trung tâm thương mại), đường hành lang hẹp (bệnh viện,…). Ví dụ trong bệnh viện, xe sẽ làm nhiệm vụ đi theo nhân viên y tế để chuyên chở thiết bị y tế hoặc những vật dụng cần thiết theo nhu cầu sử dụng. Trong các trung tâm thương mại, mặt bằng rộng, xe sẽ đi theo khách hàng để chở đồ trong toàn bộ quá trình mua sắm mà chúng ta không cần đẩy xe hàng như những cách truyền thống cũ. Trong sản xuất, thông thường các xe tự hành được cài đặt để đi theo một lộ trình cố định, với các trạm cấp/nhận vật tư biết trước. Để tăng tính linh hoạt cho hệ thống vận chuyển, người sử dụng có thể chuyển xe sang chế độ “follow me” để xe tự chuyển đồ bám theo người. Để có thể di chuyển trong không gian hẹp với nhiều chướng ngại vật, cấu hình xe sử dụng bánh đa hướng có lợi thế nhờ khả năng chuyển hướng tức thì.

Xe tự hành chủ động, linh hoạt nhờ thiết kế sáng tạo

Chia sẻ về phần thiết kế và cơ chế hoạt động xe, Nguyễn Thế Cơ cho biết: Xe có các drive động cơ và mạch điều khiển. Phần trên xe có sử dụng máy tính và cammera để thu thập hình ảnh. Hình ảnh thu thập tại camera sẽ có hai khung trả về gồm: 1 khung xử lý ảnh, 1 khung độ sâu trả về cho ta khoảng cách từng điểm ảnh để hỗ trợ tính toán khoảng cách đến người. Đặc biệt, khi khởi động xe phải có mặt người được cấp quyền điều khiển. Nhân viên cấp quyền là những nhân viên mà ta đã thu thập, lưu trữ họ trong cơ sở dữ liệu, và chỉ những nhân viên đó xe mới nhận diện và vào chế độ sẵn sàng chờ lệnh điều khiển. Xe được trang bị hai chế độ điều khiển. Với chế độ “hand pose”, người sử dụng có thể ra lệnh điều khiển bằng cử chỉ của tay như rẽ trái, rẽ phải, tiến, quay tròn, lùi. Trong chế độ bám theo người, xe sẽ thu thập hình ảnh camera xử lý hình ảnh, tìm ra vị trí người trong khung ảnh và tìm khoảng cách từ xe đến người từ đó tìm ra vận tốc đặt cho xe. Vận tốc đặt cho xe được gửi tới mạch điều khiển, từ đó xử lý qua mô hình động học ra vận tốc đặt cho 4 bánh. Xe dừng lại khi nhận lệnh Stop điều khiển bằng tay, hoặc bất ngờ mất người trong khung camera xe sẽ dừng lại.

Ngoài ra, trên xe còn được trang bị thêm các cảm biến siêu âm để đo khoảng cách tới các chướng ngại vật, sử dụng cho chế độ an toàn. Khi không nhận diện được hoặc có vật quá gần, xe sẽ tự động dừng lại để đảm bảo an toàn trong quá trình sử dụng.

Điểm nổi bật của xe là sử dụng bánh Mecanum đa hướng, cho phép xe ngay lập tức di chuyển theo một hướng bất kỳ. Ưu điểm thứ 2 là khả năng bám chính xác theo người nhờ công nghệ xử lý ảnh. Ví dụ như nhân viên y tế gom đồ, nhân viên kho bãi tới các điểm khác nhau lấy đồ, hay chở đồ trong trung tâm thương mại”. Nguyễn Thế Cơ cho biết.

Thành quả là trái ngọt

Chúng tôi có dự buổi bảo vệ đồ án của Nguyễn Thế Cơ và phỏng vấn em sau khi bảo vệ xong. Phải thừa nhận rằng, Cơ có kỹ năng, tự tin trình bày đồ án của mình, làm chủ được vấn đề nghiên cứu tốt nên tự tin trả lời các câu hỏi phản biện của thầy cô trong hội đồng. Các kết quả thực nghiệm của đề tài thu được cho thấy hệ thống đã vận hành được ở các chế độ như: Cho phép cấp quyền sử dụng qua nhận dạng khuôn mặt, vóc dáng của người sử dụng, xe bám theo người được cấp quyền với khoảng cách có thể cài đặt được, có thể điều khiển hướng dịch chuyển của xe thông qua nhận dạng cử chỉ của bàn tay (hand pose), qua đó hỗ trợ dịch chuyển xe theo yêu cầu của người sử dụng.

Sinh viên Nguyễn Thế Cơ thực hiện đề mô sản phẩm trước hội đồng.

Để giải quyết được các bài toán kỹ thuật đặt ra trong đề tài, Nguyễn Thế Cơ đã đọc nhiều tài liệu về deep learning, tham gia các khoá học về xử lý ảnh. “Em phải đọc và nghe rất nhiều để lấy kiến thức nền xử lý vấn đề của mình nhưng khó khăn lớn nhất là xử lý ảnh mới phát triển gần đây nên tài liệu, khoá học đều sử dụng tiếng Anh. Quá trình học có rất nhiều từ vựng chuyên ngành, mà để hiểu một từ có ý nghĩa gì cần bỏ khá nhiều thời gian đọc tài liệu mới có thể hiểu chuẩn được”. Bên cạnh đó, Cơ cũng cho biết mình có thuận lợi là đã theo Lab nghiên cứu của các thầy từ cuối năm thứ 2 đại học, được thầy định hướng từ sớm nên công việc đã phát triển dần từ đó, nhất là trong phần thiết kế và viết chương trình firmware cho bo mạch điều khiển xe.

Con số 9.75 điểm là kết quả xứng đáng mà Hội đồng bảo vệ đánh giá cho đồ án được Nguyễn Thế Cơ miệt mài trong nhiều tháng. Thế Cơ cho biết, em may mắn và biết ơn vì được các thầy cô trong nhóm nghiên cứu WSR tài trợ thiết bị, linh kiện nghiên cứu.

TS. Nguyễn Mạnh Linh, khoa Tự động hoá – trường Điện – Điện tử (ĐH Bách khoa Hà Nội), giáo viên trực tiếp hướng dẫn chính cho em đã chia sẻ: “Cơ là sinh viên rất thông minh, chăm chỉ. Đặc biệt là có khả năng tự nghiên cứu rất tốt. Lúc mới tham gia nhóm nghiên cứu WSR bạn ấy chưa có được các kỹ năng cũng như kiến thức thực tế. Nhưng chỉ hướng dẫn một thời gian ngắn là bạn ấy làm được mọi việc mà không cần thầy phải hỗ trợ như các bạn khác. Ở giai đoạn làm tốt nghiệp thầy giáo chỉ cần định hướng nghiên cứu, hỗ trợ trang thiết bị, còn bạn ấy tự triển khai và đã hoàn thành đồ án của mình một cách xuất sắc”.

Từ bỏ Học viện An Ninh nhân dân mà bao người mơ ước để vào ĐH Bách Khoa Hà Nội để thực hiện đam mê kỹ thuật. “Từng bước qua 2 ngôi trường đại học, nhưng dòng máu kỹ sư kỹ thuật đã chảy trong huyết quản thì có lọc máu cũng không hết”. Phát biểu mạnh mẽ đó tại đêm Gala sau lễ bảo vệ tốt nghiệp đồ án không chỉ khẳng định con đường Cơ chọn là đúng mà còn tiếp lửa, nhiệt huyết, đam mê cho tất cả sinh viên đã và sắp theo đuổi đam mê kỹ thuật.

Đỗ Phương – Bảo Hà