Những điều cần biết về định vị trong nhà, ứng dụng Robot

Đăng lúc: Thứ ba - 02/02/2016 09:26 - Người đăng bài viết: SuperG
Một số giải pháp định vị

Một số giải pháp định vị

Hệ thống định vị trong nhà – IPS, là giải pháp nhằm xác định vị trí các đối tượng hoặc người bên trong tòa nhà bằng cách sử dụng sóng vô tuyến điện, từ trường, tín hiệu âm thanh… được thu thập bởi các thiết bị di động.

 1. Giới thiệu chung

Thiết bị GPS (global positioning system - hệ thống định vị toàn cầu) không thể vận hành nếu chưa nhận được tín hiệu trực tiếp từ vệ tinh nên người ta thường phải sử dụng ngoài trời. Hơn nữa, GPS không đủ chính xác khi dùng nó để tìm kiếm trong phòng hoặc người ở một địa điểm nào đó. Các tín hiệu vệ tinh bị suy yếu và phân tán bởi nhiều vật cản như mái nhà, tường và các đối tượng khác. Còn riêng đối với hệ thống vệ tinh dẫn đường toàn cầu (GNSS) có thể đáp ứng được nhiều nhu cầu hơn GPS tiến bộ không ngừng trong công nghệ chip và sức mạnh xử lý. Tuy nhiên, GNSS lại không tương thích nhiều với các phần cứng được thiết kế trong những năm 2008- 2011 với các hoạt động trong nhà. Ngoài ra sai số trung bình cho hệ thống GNSS thường là lớn hơn nhiều đối với những lĩnh vực đòi hỏi độ chính xác cao.

Vì vậy, công nghệ định vị trong nhà ra đời (Indoor Positioning System - IPS). Ý tưởng của công nghệ định vị trong nhà dựa trên tín hiệu vô tuyến giao thoa không có gì mới. Đã có rất nhiều ứng trên các mạng di động cho phép xác định vị trí tương đối của mình nhờ vào tham số thời gian đến ToA (Time of Arrival - thời gian truyền từ máy phát đến máy thu), chu vi cell, hay góc đến (AoA) của tín hiệu.

Hiện nay chưa có tiêu chuẩn chung trong thiết kế của một hệ thống IPS. Tuy nhiên đã có rất nhiều dự án định vị trong nhà được thương mại hóa. Thay vì sử dụng vệ tinh, các giải pháp IPS dựa trên các công nghệ khác nhau, bao gồm cả đo khoảng cách đến các nút gần đó (nút ở đây là vị trí được xác định, ví dụ như điểm truy cập WiFi), định vị từ tính, xác định vị trí bằng cách dùng la bàn... Hệ thống chủ động xác định vị trí các thiết bị di động, hoặc cung cấp vị trí xung quanh hay bối cảnh môi trường có thệ nhận diện được. Tính chất cục bộ của IPS đã dẫn đến thiết kế phân mảnh, với hệ thống hoạt động sử dụng nhiều phương thức xác định vị trí khác nhau như ánh sáng hay công nghệ sóng âm… Về cơ bản, hệ thống được thiết kế trong đó ít nhất phải đảm bảo 3 phép đo độc lập để xác định vị trí một các chính xác.

Hiện tại có hơn 130 công ty trong nhiều lĩnh vực từ ngành quảng cáo, thiết kế bản đồ, hay như trong lĩnh vực y tế và ngành hàng hải đang phát triển công nghệ định vị trong nhà. Những tên tuổi lớn đáng kể như Google hay Nokia đang dẫn đầu giải pháp này. Các ứng dụng thực tế như:

  • Tìm địa điểm trong các tòa nhà văn phòng lớn, các tòa nhà trường đại học, khu trung tâm, viện bảo tàng, bệnh viện
  • Tình huống khẩn cấp: điều hướng cứu hộ và khoanh vùng tình huống khẩn cấp
  • Theo dõi người và tài sản - bệnh nhân, trẻ em, khách tham quan, du khách, ví dụ: theo dõi hành lý tại các sân bay; giao nhận, vận chuyển hàng hóa và theo dõi container trong kho, bến cảng, sân bay…; xác định vị trí thiết bị trong nhà máy, văn phòng và bệnh viện.
  • Các ứng dụng xã hội: Tìm người hay tìm chỗ mua sắm, hỗ trợ đỗ xe trong nhà
  • Ứng dụng trong lĩnh vực quảng cáo

Thị trường tìm kiếm trong nhà được kì vọng mang đến nguồn doanh thu khổng lồ trong tương lai. Một ví dụ điển hình là ứng dụng trong ngành quảng cáo khi có ước tính chỉ ra rằng các doanh nghiệp địa phương trên toàn cầu sẽ chi ra 50 tỷ USD mỗi năm cho hệ thống tìm kiếm trong nhà.

 

 

Một số giải pháp định vị trong nhà hoạt động tương tự như GPS

Locata - một công ty của Úc đã cung cấp các cảnh báo bằng việc gửi tín hiệu trên khu vực rộng và có thể xuyên tường. Locata với khả năng hoạt động tương tự GPS đã được ứng dụng trong Bộ Quốc phòng Hoa Kỳ. Việc kết hợp giữa GPS bên ngoài tòa nhà với mọi trạm thu phát di động và điểm Wi-Fi giúp công nghệ của Nokia cho phép liên kết thiết bị với một vị trí được xác định (một khu vực có đường chéo không quá 10m) khi di chuyển trong tòa nhà. Tất cả dữ liệu sẽ được chuyển đến một cơ sở dữ liệu để hệ thống ráp nối lại tạo thành hình ảnh 3D nội thất của tòa nhà. Hồi năm 2012, Nokia đã thành lập liên minh In-Location với 22 công ty phát triển giải pháp định vị thông qua kết nối Bluetooth.

Nhiều công ty khai thác tín hiệu Wi-Fi luôn xuất hiện xung quanh chúng ta - kể cả khi chúng ta đang ở trong nhà. Với một bản đồ chi tiết và vị trí của các điểm truy cập, máy thu Wi-Fi như chiếc điện thoại di động bạn sử dụng có thể đóng vai trò của xhệ thống định vị ngay cả trong nhà. Google, Navizon và Skyhook là một trong những nhà thiết kế hệ thống dẫn đầu trong lĩnh vực này. Hãng công nghệ TruePosition cung cấp giải pháp định vị thông qua tháp di động và cách đây không lâu hãng này đã mua lại Rosum - công ty sở hữu công nghệ dùng tín hiệu truyền hình để xác định vị trí.

 

Mô hình giải pháp Locata
Sử dụng ánh sáng để xác định vị trí

 

Các giải pháp sử dụng ánh sáng hoặc từ trường để xác định vị trí

Công ty ByteLight, có trụ sở tại Boston,sử dụng công nghệ nhận diện các tín hiệu đèn nhấp nháy từ thiết bị chiếu sáng LED để xác định vị trí nhằm ứng dụng trong cửa hàng bán lẻ. Thiết bị đầu đọc ánh sáng tầm gần (có thể làmáy ảnh trên điện thoại di động) tiếp nhận các đoạn mã từ tín hiệu đèn và gửi đến một máy chủ. Trên máy chủ, tín hiệu được so sánh với bản đồ và từ đó nhằm khởi động một ứng dụng thanh toán hoặc tìm kiếm các loại hàng hóa trong cửa hàng. Kỹ thuật này chính xác trong cự ly 1 mét và chủ cửa hàng không phải lắp đặt bộ cảm biến hay cài đặt Wi-Fi. Hay như công ty khởi nghiệp IndoorAtlas, có trụ sở tại Phần Lan với ứng dụng giúp người bán hàng biết rõ những gì khách hàng đang làm bên trong cửa hiệu. Ứng dụng này hoạt động dựa trên dao động sóng từ điện thoại, từ đó cho phép theo dõi khách hàng ở những cự ly rất nhỏ. Công nghệ xác thực của IndoorAtlas tương tự như ByteLight khi sử dụng phương thức xác định vị trí trên bản đồ bên trong của hàng.

Định vị trong nhà bằng sóng vô tuyến

Công nghệ nhận dạng đối tượng bằng sóng vô tuyến Radio Frequency Identification (RFID) đánh dấu vị trí khi người dùng thiết bị đến gần bộ cảm biến được gắn trong tòa nhà. Ví dụ điển hình có thể thấy là cửa an ninh của tòa nhà đóng lại và yêu cầu người dùng phải sử dụng thẻ ra vào để mở; hoặc ứng dụng phổ biến khác là chống mất trộm hàng hóa trong siêu thị... Các tần số thường được sử dụng trong hệ thống RFID là 125Khz hoặc 900Mhz. Những hệ thống thụ động thường chỉ nhận biết được người hay vật nhưng lại không cung cấp thông tin chi tiết về vị trí phòng. Ngược lại, những hệ thống RFID có khả năng chủ động nhận diện và gửi đi tín hiệu cho người nhận để xác minh vị trí của họ. Đây là sự đảo ngược đối với GPS. Hệ thống nhận biết được vị trí của bộ cảm biết và cho khả năng định vị chính xác trong nhà theo thời gian thực. Với thông tin thu thập được, hệ thống sử dụng cảm biến gia tốc, con quay hồi chuyển và cảm biến khác, bao gồm cả đồng hồ để theo dõi hướng và khoảng cách để xác định vị trí trong thời gian gần thực.

Giải pháp tốt nhất cho vị trí trong nhà và ngoài trời có thể là hệ thống lai

Không có giải pháp duy nhất nào hoạt động hoàn hảo trong mọi môi trường. Vì lý do đó các thiết bị có thể hỗ trợ nhiều hơn một giải pháp định vị và chuyển đổi giữa chúng khi cần thiết. Điện thoại di động ngày nay sử dụng công nghệ GPS ở ngoài trời, nhưng có thể chuyển sang định vị Wi-FI khi tín hiệu vệ tinh yếu. Kiến trúc hệ thống định vị kết hợp giữa Bluetooth và Wi-Fi có thể giúp bù đắp được giữa độ chính xác và hiệu suất hoạt động của thiết bị. Trạm Wi-Fi có vùng phủ sóng lớn hơn 100 lần so với Bluetooth nhưng lại có mức tiêu thụ khá lớn. Do đó, Wi-Fi là không phù hợp cho việc phát hiện chính xác vị trí khi thiết bị di chuyển nhưng Bluetooth có thể. Trong trường hợp đơn giản nhất, thông tin dùng để tính toán vị trí của một thiết bị di động chỉ là những tín hiệu nhận diện từ trung tâm điện thoại hoặc từ điểm truy cập (access point) của mạng WLAN- mỗi trong số đó có một địa chỉ duy nhất mà có thể được xác định bởi định danh của trạm không dây (BSSID). Những tín hiệu này được sử dụng để tìm ra nguồn phát của chúng, từ đó tìm và dự báo khu vực tương đối của một thiết bị di động. Công nghệ này được gọi là Cell-Identification (Cell-ID). Độ chính xác của công nghệ này phụ thuộc vào phạm vi hoạt động của các trung tâm tín hiệu.

Định vị trong nhà có nhu cầu sử dụng hàng loạt

Đối với các sự cố đang xảy ra với tần số ngày càng tăng trong trung tâm mua sắm, cao ốc văn phòng, trường học và thậm chí cả cơ quan chính phủ, các công nghệ IPS giúp đưa ra cảnh báo nhanh nhất hiện có để bảo vệ cá nhân, làm giảm thương tích và ngăn chặn thiệt hại về người.Mục tiêu của định vị trong nhà dành cho nhóm người dùng có số lượng lớn, đặc biệt là bệnh viện và trung tâm thương mại, ngoài việc cung cấp khả năng trợ giúp điều hướng thì còn mang đến nhiều dịch vụ tốt hơn cho người dùng; cung cấp thông tin chi tiết theo thời gian thực, phục vụ video, tăng cường trải nghiệm thực tế hay đáp ứng các ứng dụng kết nối gần như NFC.

 

Xác đinh vị trí trong siêu thị

 

Các hãng công nghệ lớn tham gia vào không gian trong nhà

Apple, Google và Microsoft đều tham gia vào lĩnh vực sử dụng định vị trong nhà để ứng dụng vào các dòng sản phẩm của mình. Vào thời điểm này, nỗ lực tập trung vào công nghệ định vị trong nhà, cùng theo đó là tạo ra một bản đồ nền tảng sẽ làm cho các giải pháp tương tự tăng giá trị hơn cho sản phẩm. Google có hệ thống định vị Android của riêng mình dựa trên Wi-Fi. Trong khi đó một số nhà phát triển Android (Samsung, Motorola) đã cố gắng sử dụng giải pháp của Skyhook trong việc định vị nhằm cạnh tranh với Location Services Android. Microsoft thì sử dụng công nghệ Wi-Fi để nhằm xác định vị trí trong nhà và hãng đã có một số nghiên cứu liên quan đến việc sử dụng của cường độ tín hiệu của thiết bị di động. Ngoài ra việc Apple gần đây mua lại WifiSLAM cho thấy việc các ông lớn trong làng công nghệ tham gia vào thị trường tiềm năng này là điều tất yếu.

Công nghệ sử dụng phổ biến với IPS

• Công nghệ định vị sử dụng tia hồng ngoại:  Với 3 nguồn phát tia hồng ngoại ở 3 vị trí khác nhau, thiết bị thu có thể xác định được vị trí của mình. Điểm yếu của công nghệ này là tia hồng ngoại có sức lan tỏa yếu, dễ bị hấp thụ bởi các môi trường khác, khó có khả năng phát tia hồng ngoại ở bán kính trên 5m.
• Công nghệ định vị sử dụng sóng siêu âm: sóng siêu âm với các thiết bị thu phát có giá thành cao nên khó áp dụng trong nhiều trường hợp. 
• Công nghệ định vị sử dụng Bluetooth: Công nghệ này có mức phổ biến cao hơn so với công nghệ hồng ngoại do phạm vi sóng mạnh hơn chút ít. Tuy nhiên vẫn là công nghệ không thể áp dụng trong phạm vi tòa nhà lớn và giá thành cũng không thấp. Bluetooth được sử dụng khá nhiều trong điện thoại nhưng không phổ biến ở các thiết bị cầm tay khác.
• Công nghệ định vị sử dụng WLAN: Đây là công nghệ được sử dụng nhiều nhất, bởi các điểm phát sóng có mặt hầu hết khắp mọi nơi xung quanh, nhất là ở trong các tòa nhà

 

 

 

2. Một số phương pháp dẫn đường cho Robot di động

Một rô bốt di động thông minh phải được điều khiển dẫn đường theo một chiến lược có hiệu quả. Có nhiều nghiên cứu trên thế giới với các thuật giải và phương pháp khác nhau cho dẫn đường rô bốt trong các môi trường trong nhà và ngoài trời. Ta sẽ điểm qua một vài phương pháp như sau:

2.1. Phương pháp dead-reckoning.

robot-2
Hình 2. Định vị cho robot sử dụng bộ lập mã quang, cảm biến gia tốc, vận tốc góc và cảm biến từ

Dead-reckoning là phương pháp dẫn đường được sử dụng rộng rãi nhất đối với rô bốt di động. Phương pháp này cho độ chính xác trong thời gian ngắn, giá thành thấp và tốc độ lấy mẫu rất cao. Tuy nhiên do nguyên tắc cơ bản của phương pháp dead-reckoning là tích luỹ thông tin về gia tốc chuyển động theo thời gian do đó dẫn tới sự tích luỹ sai số. Sự tích luỹ sai số theo hướng sẽ dẫn đến sai số vị trí lớn tăng tỉ lệ với khoảng cách chuyển động của rô bốt. Tuy nhiên hầu hết các nhà nghiên cứu đều đồng ý rằng dead-reakoning là một phần quan trọng trong hệ thống dẫn đường rô bốt, các lệnh dẫn đường sẽ được đơn giản hoá nếu độ chính xác của phương pháp dead-reckoning được cải thiện. Phương pháp dead-reakoning dựa trên phương trình đơn giản và thực hiện được một cách dễ dàng, sử dụng dữ liệu từ bộ mã hoá số vòng quay bánh xe. Dead-reckoning dựa trên nguyên tắc là chuyển đổi số vòng quay bánh xe thành độ dịch tuyến tính tương ứng của rô bốt. Nguyên tắc này chỉ đúng với giá trị giới hạn. Có một vài lý do dẫn đến sự không chính xác trong việc chuyển từ số gia vòng quay bánh xe sang chuyển động tuyến tính. Tất cả các nguồn sai số này được chia thành 2 nhóm: sai số hệ thống và sai số không hệ thống. Để giảm sai số dead-reckoning cần phải tăng độ chính xác động học cũng như kích thước tới hạn.

2.2. Hệ thống dẫn đường cột mốc chủ động.

Hệ thống dẫn đường cột mốc chủ động là hệ thống dẫn đường được sử dụng phổ biến nhất trên tàu biển và máy bay. Hệ thống này cung cấp thông tin vị trí rất chính xác với quá trình xử lý tối thiểu. Hệ thống cho phép tốc độ lấy mẫu và độ tin cậy cao nhưng đi kèm với nó là giá thành cao trong việc thiết lập và duy trì. Cột mốc được đặt tại các vị trí chính xác sẽ cho phép xác định toạ độ chính xác của vật thể. Có 2 phương pháp đo dùng trong hệ thống cột mốc chủ động, đó là phép đo 3 cạnh tam giác và phép đo 3 góc tam giác. Phép đo 3 cạnh tam giác. Phép đo 3 cạnh tam giác xác định vị trí vật thể dựa trên khoảng cách đo được tới cột mốc biết trước. Trong hệ thống dẫn đường sử dụng phép đo này thông thường có ít nhất là 3 trạm phát đặt tại các vị trí biết trước ngoài môi trường và 1 trạm nhận đặt trên rô bốt. Hoặc ngược lại có 1 trạm phát đặt trên rô bốt và các trạm nhận đặt ngoài môi trường. Sử dụng thông tin về thời gian truyền của chùm tia hệ thống sẽ tính toán khoảng cách giữa các trạm phát cố định và trạm nhận đặt trên robot. GPS (Global Positionings Systems) - hệ thống định vị toàn cầu hoặc hệ thống cột mốc sử dụng cảm biến siêu âm là các ví dụ khi sử dụng phép đo 3 cạnh tam giác. Phép đo 3 góc tam giác.

robot-3
Hình 3. Định vị sử dụng vật mốc

2.3. Hệ thống dẫn đường cột mốc

Tương tự như phần 2.2 nhưng đây là vật mốc nhân tạo và tự nhiên.

2.4. Định vị sử dụng bản đồ

Rô bốt sử dụng các cảm biến được trang bị để tạo ra một bản đồ cục bộ môi trường xung quanh. Bản đồ này sau đó so sánh với bản đồ toàn cục lưu trữ sẵn trong bộ nhớ. Nếu tương ứng, rô bốt sẽ tính toán vị trí và góc hướng thực tế của nó trong môi trường.

robot-4
Hình 4. Định vị và dẫn đường cho robot chuyển động sử dụng bản đồ

Để nâng cao độ chính xác của việc định vị thì một giải pháp hiện nay là kết hợp hai hoặc nhiều phương pháp định vị nêu trên.

Có thể nói, muốn điều hướng thành công, Robot cần phải được trang bị hoàn thiện 4 khâu sau:

-Nhận thức: robot phải dịch các tín hiệu từ cảm biến để thu được dữ liệu có nghĩa.

-Định vị: robot phải xác định được vị trí của nó trong môi trường hoạt động.

-Khả năng tri thức: robot phải quyết định hành động như thế nào để đạt được mục đích.

-Điều khiển chuyển động: robot phải điều chỉnh các thông số đầu ra động cơ để đạt được quỹ đạo mong muốn.

Hình miêu tả sơ đồ nguyên lý chung của khâu định vị trong mobile robot.Hình 2.3. Sơ đồ nguyên lý của khâu định vị trong mobile robo

Trong các ứng dụng robot, có hai phương pháp định vị thường được sử dụng là phương pháp định vị tuyệt đối (APM) và phương pháp định vị tương đối (Relative Positioning Methods - RPM). Phương pháp định vị tương đối chủ yếu dựa trên bài toán dead-reckoning (tính số vòng quay của bánh xe để suy ra vị trí tương đối của robot sau một khoảng thời gian chuyển động). Phương pháp này đơn giản, rẻ tiền và hầu như được sử dụng trong tất cả các mobile robot, cho dù robot đó sử dụng phương pháp định vị APM.
 

Khuyết điểm của phương pháp dead- reckoning như đã biết là bán kính sai số lớn, nguyên nhân gây bởi sai số tích luỹ. Phương pháp định vị tuyệt đối thì lại dùng thêm các cảm biến khác ngoài encoder như dùng beacon, cột mốc, so sánh các bản đồ cục bộ và bản đồ toàn cục, định vị bằng vệ tinh (GPS)… 

Trong mỗi phương pháp định vị tuyệt đối, người ta sử dụng các thuật toán và cảm biến khác nhau, nhưng đều là những phương pháp chủ yếu dùng cho mobile robot ngày nay. 
Theo kinh nghiệm, người ta thường dùng phương pháp định vị tương đối để giới hạn phạm vi xử lý trước khi dùng phương pháp định vị tuyệt đối để xác định vị trí robot. 
Chúng ta có thể phân tích một vài ưu khuyết điểm của phương pháp định vị tuyệt đối để có cái nhìn tổng quát về việc định vị cho robot như sau: 
- Phương pháp sử dụng cột mốc (beacons) chỉ thích hợp dùng trong nhà; 
- Phương pháp so sánh bản đồ thường dùng cho các robot tự trị phức tạp; 
- Phương pháp định vị dùng GPS thì chỉ thích hợp dùng ngoài trời, và cũng cho sai số rất lớn (lên đến hàng mét).
Một số phương pháp định vị khác thì dùng cảm biến la bàn hoặc con quay để định hướng cho robot nhờ vào từ trường trái đất… Như vậy, cho dù sử dụng bất kỳ phương pháp định vị nào đi nữa thì phương pháp dead- reckoning dường như luôn là sự lựa chọn đầu tiên. 
 
Một lý luận vui là muốn điều khiển mobile robot thì phải giải bài toán động học cho robot, mà nếu đã giải bài toán động học rồi thì tại sao lại không dùng phương pháp dead-reckoning để giới hạn phạm vi xử lý cho các phương pháp định vị tuyệt đối khác?
 
Tuy nhiên, một điều không ngờ đến là trong cuộc thi các robot sử dụng phương pháp dead reckoning để định vị và di chuyển được tổ chức ở San Jose, California năm 1992, hai robot thắng giải nhất và giải nhì là hai robot dùng phương pháp sửa lỗi UMBmark do nhóm của J. Borenstein thực hiện và nó có thể di chuyển 100 m mà không có sai số.

 Hay cụ thể hơn là robot có thể dạo quanh một phòng ngủ 5mx5m, 5-6 vòng mà không hề có sai số. Với lợi điểm rẻ tiền, đơn giản phương pháp dead- reckoning là một giải pháp đầu tiên và cần thiết cho các mobile robot. 

Đánh giá bài viết
Tổng số điểm của bài viết là: 5 trong 1 đánh giá
Click để đánh giá bài viết
 

Đào tạo, hướng dẫn học làm Robot

Đặt vấn đề: Công nghệ robot – môn học giúp làm giàu trí óc trẻ    Ngày nay, ở Mỹ và các nước đang phát triển, tương lai của ngành công nghệ chế tạo robot ngày càng hứa hẹn những chuyển biến vượt bậc. Đồng thời, ghi nhận sức mạnh trí tuệ của lớp trẻ ngày nay, các nước không ngừng cải...

Thăm dò ý kiến

Bạn có muốn sở hữu một Robot trong nhà không?

Cần một Robot để dọn dẹp

Cần một Robot trông nh

Cần một Robot để giải trí

Bạn cần một Robot theo cách khác

Bạn đã có rồi

Bạn không cần

Liên kết