Sinh viên Bách khoa Hà Nội nghiên cứu giải pháp đột phá điều khiển cánh tay robot bay

Ngày 23/3 tới đây, nhóm sinh viên đội EmNetLab Trường Điện – Điện tử, Đại học Bách khoa Hà Nội sẽ mang sản phẩm nghiên cứu rất “hot” trong lĩnh vực công nghệ robot và hàng không không người lái tranh tài cùng 4 đội thi khác tại Vòng Chung kết Sáng tạo trẻ 2023. Tên sản phẩm của đội EmNetLab nghe đã rất “gợi” sự tò mò, tìm hiểu: Xây dựng song sinh số vận hành robot bay!

Đội EmNetLab gồm 5 sinh viên ngành Kỹ thuật Điện tử - Viễn thông, Trường Điện – Điện tử, Đại học Bách khoa Hà Nội: Chu Tuấn Đức - K63, Đội trưởng; Lê Minh Đức K64, vừa bảo vệ tốt nghiệp; Trần Văn Lộc K65; Phạm Biên Thuỳ K65; Lê Thị Trang K66.

Đề tài nghiên cứu “hot”

Dưới sự hướng dẫn của giảng viên TS. Phạm Văn Tiến, kế thừa thành tựu NCKH của các đàn anh được thầy hướng dẫn trước đó, các sinh viên đề xuất một mô hình vận hành sáng tạo sử dụng công nghệ song sinh số (digital twin), xây dựng cánh tay robot trên UAV để thực hiện các nhiệm vụ công nghiệp tại những vị trí mà con người gặp khó khăn trong việc tiếp cận.

Sản phẩm UAV - Robot của các sinh viên hướng tới phục vụ các nhu cầu khảo sát, quan trắc, bảo dưỡng, sửa chữa tại các công trình cao tầng như nhà máy, tháp truyền hình, cột điện gió, dàn khoan dầu khí ngoài khơi... “Cánh tay robot bay của chúng em sẽ bay vòng quanh tòa nhà, thấy vết nứt hoặc nguy cơ nứt/gãy sẽ tự động phun sơn đánh dấu để đội bảo trì có thể sửa chữa chính xác, không cần qua quá trình khảo sát truyền thống” – Trần Văn Lộc tự hào giới thiệu.

Ngoài ra, điều khiển robot UAV linh hoạt sẽ giúp thực hiện nhiệm vụ một cách an toàn và hiệu quả trong công tác quân sự, cứu hộ có nhu cầu bố trí robot do thám, cứu nạn tại các khu vực hiểm trở hoặc nguy hiểm như chiến trường, vùng thiên tai.

Sản phẩm còn có thể giúp tăng thêm chức năng và tính linh hoạt cho các ứng dụng UAV tại các công ty công nghệ, trung tâm nghiên cứu phát triển các ứng dụng dân sự và thương mại của UAV như vận chuyển hàng hóa, khảo sát địa hình, giao hàng, khai thác nông nghiệp.

NCKH của nhóm 5 sinh viên được thực hiện trong khuôn khổ và là một phần kết quả của dự án "Hệ thống IoT hỗn hợp hỗ trợ kiểm soát rủi ro công nghiệp" do TS. Phạm Văn Tiến chủ trì.

Bài toán về điều khiển chính xác

Theo Đội trưởng đội EmNetLab Chu Tuấn Đức, nghiên cứu xây dựng cánh tay robot trên UAV (Unmanned Aerial Vehicle) là sự kết hợp đầy tiềm năng giữa hai công nghệ đột phá, tạo ra khả năng tương tác và thực hiện nhiều nhiệm vụ mới trên không gian. Với việc tích hợp cánh tay robot, UAV trở thành một nền tảng đa chức năng có thể thực hiện các nhiệm vụ phức tạp hơn.

Cánh tay robot tùy thuộc vào thiết kế, cho phép thực hiện các tác vụ như vận chuyển hàng hóa, giao hàng tự động, kiểm tra và bảo trì cơ sở hạ tầng, đo lường và giám sát môi trường, và nhiều ứng dụng khác. Sự linh hoạt của cánh tay robot trên UAV mở ra một thế giới mới của khả năng và tiềm năng trong lĩnh vực công nghiệp và logistics. Vấn đề đặt ra là làm sao người vận hành có thể điều khiển chính xác cả UAV lẫn cánh tay robot khi mà UAV bay ra ngoài phạm vi tầm nhìn của họ.

Nhằm giải quyết vấn đề này, công nghệ thực tại hỗn hợp (Mixed Reality - MR) đã được áp dụng để điều khiển UAV một cách hiệu quả hơn. Công nghệ MR cho phép người điều khiển tham gia vào một môi trường ảo, hoàn toàn đắm mình vào thế giới của UAV và từ đó điều khiển chiếc máy bay không người lái đó. Trong không gian ảo này, người điều khiển có thể nhìn thế giới xung quanh từ góc nhìn của UAV, mang đến một trải nghiệm chân thực và chính xác hơn so với việc sử dụng giao diện điều khiển truyền thống.

Thực tế, trong giới khoa học hiện nay, bài toàn này vẫn chưa được giải quyết triệt để. Lý do: Trong quá trình quan sát và điều khiển cánh tay robot trên UAV, người vận hành chỉ có thể dựa trên hình ảnh video truyền trực tiếp, đồng nghĩa với việc họ chỉ nhìn thấy một hình ảnh 2D. Điều này dẫn đến việc thiếu thông tin về khoảng cách giữa cánh tay robot và các vật thể, cũng như về hành vi và trạng thái của robot. Do đó, việc điều khiển cánh tay robot trở nên rất khó chính xác và đòi hỏi nhiều thời gian luyện tập để đạt được sự thành thục.

Sinh viên Bách khoa đề xuất giải pháp điều khiển tối ưu độc đáo

Thuyết trình trước BGK về tính mới, tính sáng tạo của nghiên cứu để lọt vào vòng Chung kết cuộc thi Sáng tạo trẻ 2023, nhóm sinh viên Đại học Bách khoa Hà Nội tự tin nêu một số đột phá trong việc xây dựng cánh tay robot trên UAV của mô hình hệ thống UAV - Robot bay điều khiển bằng công nghệ song sinh số. Cụ thể:

Lần đầu tiên áp dụng công nghệ mô phỏng và không gian ảo để tái tạo các thực thể vật lý (UAV, cánh tay robot, môi trường xung quanh) thành mô hình song sinh số, cho phép điều khiển robot trong không gian ảo. Điều này giúp người vận hành quan sát và điều khiển một cách trực quan thông qua giao diện đồ họa 3D, nâng cao hiệu quả so với điều khiển thông thường;

Thuật toán điều khiển dựa trên mô hình vật lý và các giải thuật AI giúp điều khiển chính xác chuyển động của UAV và cánh tay robot bay bậc tự do trong không gian. Điều này vượt trội so với các nghiên cứu trước chỉ dừng lại ở mô phỏng hay thực nghiệm với 1-2 bậc tự do;

Hệ thống kết nối hai chiều giữa thế giới thực và ảo dựa trên công nghệ IoT. Dữ liệu cảm biến được phản ánh liên tục vào môi trường mô phỏng, đồng thời các lệnh điều khiển từ không gian ảo được chuyển đổi và áp dụng cho UAV và robot thực. Đây là một giải pháp điều khiển tối ưu độc đáo.

Như vậy, với khả năng mô phỏng chính xác thế giới thực và đưa người dùng vào không gian ảo, mô hình song sinh số cho phép điều khiển linh hoạt và hiệu quả UAV và robot gắn trên trong không gian ba chiều. Đây là một đột phá về công nghệ điều khiển robot bay, mở ra nhiều cơ hội ứng dụng trong công nghiệp, dân sự cũng như quân sự.

Bền bỉ theo đuổi nghiên cứu khoa học

Trần Văn Lộc - thành viên nhóm nghiên cứu EmNetLab - đại diện cả nhóm lên thuyết trình tại vòng chung kết – rất tự hào, say mê khi giới thiệu về đề tài nghiên cứu. Nhưng khi hỏi những chuyện bên lề, Lộc thường chỉ cười và trả lời 1 câu ngắn gọn.

Hỏi: Em có thể kể một câu chuyện/kỷ niệm vui khi nghiên cứu?
Lộc: Kỷ niệm khi nghiên cứu là rất vui ạ! 😊

Lộc và một số bạn theo nhóm nghiên cứu từ giữa năm 2021 đến nay, dự án triển khai từ học kỳ 2021.2, bền bỉ theo đuổi nghiên cứu để cho ra sản phẩm Xây dựng song sinh số vận hành robot bay. Tiêu chí của thầy hướng dẫn TS. Phạm Văn Tiến là mọi người gắn bó, hỗ trợ làm việc, nghiên cứu với nhau cho đến khi ra trường. Các sinh viên được thầy Tiến hướng cho hoạt động độc lập, chủ động tìm tòi giải pháp.

Các thành viên trong lab như anh em trong gia đình, yêu thương, đùm bọc lẫn nhau, thế hệ trước giúp đỡ thế hệ sau. Các anh sau khi tốt nghiệp ra trường vẫn về lab giúp các em nghiên cứu. “Các anh hỗ trợ, giúp đỡ chúng em rất nhiều. Gặp việc gì khó là chúng em nghĩ ngay: Về hỏi các anh” - Lộc cười chia sẻ.

Trong câu chuyện của Lộc có hình ảnh cậu và các bạn trong nhóm một chiều nào đó lếch thếch về lab, tay cầm chiếc máy bay đắt tiền hỏng càng gẫy cánh do làm thử nghiệm sai bước nào đó. Cả nhóm lo ngay ngáy trận này về sẽ bị các anh mắng te tua. Nhưng không một lời khiển trách, đợi nhóm “hồi” lại, các anh hỏi cặn kẽ quá trình thử nghiệm, rồi thức đêm cũng đàn em tìm hiểu nguyên nhân để khắc phục. Nếu không thể giải được, các anh sẽ nhờ thầy Tiến! Có lẽ với Lộc và các bạn, đây không phải là kỷ niệm vui, nhưng chắc chắn là năng lượng ấm áp, truyền cảm hứng nhất, để nhóm có thêm động lực bền bỉ theo đuổi NCKH, sáng tạo, đột phá.

Để xây dựng ra song sinh số vận hành robot bay, nhóm sinh viên nhóm EmNetLab đã tự học rất nhiều tùy theo yêu cầu của công việc. Lộc được phân công phụ trách làm UAV, cậu tự học bạn bè, học trên youtube, mạng Internet về chương trình liên quan cân bằng bay của khoa Cơ khí động lực, tự học CNTT, ứng dụng song sinh số, VR. Thầy Tiến còn giới thiệu nhóm sinh viên với các thầy chuyên gia Trường Cơ khí, Trường CNTT&TT, các thầy sẽ đưa ra các giải pháp, hướng dẫn, gợi ý quý báu cho nhóm.

Nhóm đã mang sản phẩm tham gia Hội nghị sinh viên NCKH của Đại học Bách khoa Hà Nội năm 2023, trưng bày sản phẩm tại các triển lãm Techfast 2023, triển lãm quốc tế đổi mới sáng tạo 2023… Mỗi một lần “chinh chiến”, nhóm nhận lại những góp ý quý báu từ các chuyên gia, người sử dụng để hoàn thiện sản phẩm.

Tham gia cuộc thi Sáng tạo trẻ 2023, nhóm EmNetLab tự học thêm kiến thức ngành Tài chính, Marketing để có thể tính toán chi phí sản xuất, lỗ, lãi, Marketing sản phẩm… Các chuyên gia cố vấn đồng hành cùng cuộc thi đã có những góp ý chuyên môn để các sinh viên nâng cấp sản phẩm, ứng dụng sát với thực tiễn.

“Vòng chung kết sắp tới, chúng em tự tin nhất về yếu tố công nghệ mới của sản phẩm. Công nghệ song sinh số lần đầu tiên được đưa ra một cuộc thi, cùng đó, công nghệ cánh tay robot bay hiện tại khá hiếm. Bình thường, cánh tay robot hoạt động trên mặt đất, nay chúng em đã nghiên cứu để cánh tay robot bay trên trời!” – nhóm EmNetLab tự tin chia sẻ trước thềm vòng chung kết Sáng tạo trẻ 2023.

Nhóm sinh viên Đại học Bách khoa Hà Nội kỳ vọng sẽ nâng cấp sản phẩm nghiên cứu của mình đạt đến độ tự động hoá hoàn toàn. Thay vì một con to như hiện tại, nhóm sẽ nghiên cứu phân chia thành những con nhỏ, quay chụp chính xác ở một vùng diện tích nhỏ của toà nhà khi truy xét các vết nứt. Nếu chưa kịp hiện thực hóa ý tưởng này, nhóm sẽ giúp đỡ các đàn em thế hệ sau, giống như các anh đi trước đã hỗ trợ, giúp đỡ EmNetLab nghiên cứu, có được sản phẩm Xây dựng song sinh số vận hành robot bay hôm nay.