Hệ thống thu nhận tín hiệu hồng ngoại đa hướng dùng cho hệ đa robot

 TẠP CHÍ KHOA HỌC YERSIN - CHUYÊN ĐỀ KHOA HỌC & CÔNG NGHỆ 
Tập 5 (8/2019) 77 
HỆ THỐNG THU NHẬN TÍN HIỆU HỒNG NGOẠI 
ĐA HƯỚNG DÙNG CHO HỆ ĐA ROBOT 
Lê Văn Tùng1 
Dương Thị Thanh Hiên1, Nguyễn Thị Phúc1 
Title: Infrared-based 
Omnidirectional Receiver For 
Swarm Robotics 
Từ khóa: Thiết bị thu phát hồng 
ngoại, truyền thông đa hướng, 
góc truyền thông, gương xoay, hệ 
đa robot 
Keywords: Infrared 
transmitter and receiver, 
omnidirectional 
communication, 
communication angle, rotating 
mirror, multi-robot system 
Thông tin chung: 
Ngày nhận bài: 16/5/2019; 
Ngày nhận kết quả bình duyệt: 
16/8/2019; 
Ngày chấp nhận đăng bài: 
25/7/2019. 
Tác giả: 
1 Trường Đại học Đà Lạt 
Email: tunglv@dlu.edu.vn 
TÓM TẮT 
Nghiên cứu này nhằm thực hiện hệ thống thu nhận đa hướng 
cho hệ đa robot bằng cách sử dụng bộ thu tín hiệu hồng ngoại đơn 
hướng. Truyền thông hồng ngoại là một giải pháp phổ biến trong 
lĩnh vực đa robot vì có những ưu điểm như giá thành rẻ, dễ sử dụng 
và triển khai nhanh. Tuy nhiên, đặc thù của bộ thu phát tín hiệu 
hồng ngoại là đơn hướng và đòi hỏi cần có nhiều kênh độc lập để 
có thể bao quát một trường truyền thông rộng. Điều này tạo ra trở 
ngại vì giới hạn tài nguyên phần cứng của robot. Bài báo trình bày 
thiết kế và nguyên lý hoạt động của một hệ thống gương xoay 
nhằm giải quyết vấn đề góc truyền thông do hạn chế tài nguyên 
phần cứng. Hệ thống được đề xuất chỉ khai thác hai kênh truyền 
thông để bao quát toàn bộ trường truyền thông; đồng thời thu 
thập thông tin hữu ích về hướng truyền thông. Các kết quả thí 
nghiệm đã kiểm chứng được đặc tính kỹ thuật của thiết kế. Đồng 
thời nó cũng chứng minh khả năng triển khai hệ thống trên các 
nền tảng hệ đa robot khác cùng sử dụng truyền thông hồng ngoại. 
ABSTRACT 
This paper describes a solution to achieve omnidirectional 
receiver using directional infrared transmitter and receiver. 
Infrared-based communication is a popular method for swarm 
robotics due to its advantage of inexpensive, simple and ready-to-
use. However, directional infrared transmitter and receiver 
require a number of separated channels in order to a cover large 
communication field. This creates a problem while applying 
infrared-based communication because of robot's hardware 
constrain. The paper details the design and operation of a rotating 
mirror system as a resolution for communication angle caused by 
limiting hardware resource. The proposed system exploits only 
two hardware channels to cover the whole communication field; 
at the same time, collecting meaningful directional communcation 
information. Experimental results confirm the theoretical design. 
It also proves the capability of implementation on other multi-
robot systems which employ infrared-based communication. 
1. Giới thiệu 
Truyền thông là một trong những thành 
tố chính giúp các hệ đa robot có thể phối hợp 
và thực hiện nhiệm vụ (Mark & cs., 2007; 
Levent, 2016). Do sự giới hạn tài nguyên phần 
cứng trong việc chế tạo các hệ đa robot nên 
khả năng truyền thông cũng bị ảnh hưởng và 
cần phải điều chỉnh (Levent, 2016). Truyền 
 TẠP CHÍ KHOA HỌC YERSIN - CHUYÊN ĐỀ KHOA HỌC & CÔNG NGHỆ 
Tập 5 (8/2019) 78 
thông hồng ngoại là một giải pháp truyền dẫn 
dữ liệu không dây phổ biến trong các nghiên 
cứu về robot (Kornienko, 2011; Levent, 
2016). Có khá nhiều hệ đa robot đã ứng dụng 
thành công thiết bị hồng ngoại cho truyền 
thông và các tính năng phụ trợ (Franceso & 
cs., 2009; Farshad & cs., 2010, Sergey & Olga, 
2011; Michael & Alejandro & Radhika, 2014; 
Jose & cs., 2017). Trong những hệ này, lý do 
chính mà truyền thông hồng ngoại được sử 
dụng là nhờ ưu điểm về giá thành rẻ, thiết bị 
dễ tìm kiếm và tính đơn giản. 
Ngoài ra, phương pháp truyền thông 
bằng hồng ngoại còn có thể cung cấp thông tin 
về hướng truyền thông. Trong các hệ đa robot 
nói chung và robot bầy đàn nói riêng, thông 
tin về hướng truyền thông không chỉ giúp 
robot nhận biết và xác định đồng loại trong 
môi trường làm việc mà đồng thời, truyền 
thông trên một hướng xác định còn giúp giảm 
tiêu thụ năng lượng và tránh can nhiễu so với 
phương pháp phát toàn hướng. Với nhiều hệ 
đa robot, tiết kiệm năng lượng và tài nguyên 
phần cứng là những yếu tố then chốt quyết 
định tính ứng dụng của hệ thống. 
Những thiết kế robot truyền thống cần 
nhiều cặp thu phát để có thể bao phủ toàn 
góc 3600 quanh nó (Loffler & Klahold & 
Ruckert, 2001; Daniel & Myron & Magnus, 
2015; Min & cs., 2017). Mỗi cặp thu phát độc lập sẽ chịu trách nhiệm cho một góc truyền 
thông giới hạn. Nhưng thiết kế như vậy đòi 
hỏi một số lượng kênh truyền thông tương 
ứng của bộ điều khiển. Đây không phải là 
một giải pháp phù hợp với những hệ robot 
mà tài nguyên phần cứng bị giới hạn. 
Có thể nhận thấy hồng ngoại là một giải 
pháp truyền thống, phổ biến trong nghiên 
cứu và phát triển hệ thống truyền thông cho 
các hệ đa robot. Tuy nhiên, những hệ thống 
truyền thông bằng hồng ngoại hiện có đều 
có chung đặc điểm là cần nhiều bộ thu phát 
hồng ngoại gắn cố định trên khung robot để 
có thể bao quát đầy đủ trường truyền thông. 
Điều này không chỉ làm gia tăng tính phức 
tạp về phần cứng mà còn tiêu hao tài 
nguyên phần mềm. Chính vì vậy, các hệ đa 
robot cần một hệ thống truyền thông mới, 
có thể tận dụng được ưu thế sẵn có của 
truyền thông hồng ngoại; đồng thời sử dụng 
ít tài nguyên, giảm sự phức tạp trong thiết 
kế phần cứng. 
Chúng tôi đề xuất một giải pháp cải tiến 
nhằm tận dụng các bộ truyền thông hồng 
ngoại đơn hướng sẵn có để có thể thực hiện 
truyền thông đa hướng. Hệ thống được đề 
xuất không chỉ sử dụng một lượng tài 
nguyên phần cứng giới hạn mà còn có thể 
thu thập và cung cấp thông tin về hướng 
truyền thông. Hệ thống của chúng tôi trước 
hết nhắm đến ứng dụng cho các hệ đa robot 
hoạt động trên môi trường mặt đất với điều 
kiện địa hình ít thay đổi. 
Chi tiết về thiết kế và thực nghiệm 
được trình bày trong các phần ngay tiếp 
sau. Mục 2 trình bày thiết kế của hệ thống. 
Trong đó, bố trí thí nghiệm nhằm nghiên 
cứu thiết kế cũng được trình bày. Trong Mục 3, từng khía cạnh của thực nghiệm và 
kết quả sẽ được thảo luận. Cuối cùng, các kết 
luận và khả năng mở rộng nghiên cứu trong 
tương lai được đề cập trong Mục 4. 
2. Thiết kế hệ thống 
2.1. Thiết kế phần cứng 
Để có thể truyền và nhận tín hiệu hồng 
ngoại, một cặp thu phát hồng ngoại phải 
được sử dụng. Đặc trưng của thiết bị hồng 
ngoại này là góc thu và góc phát tín hiệu. 
Góc thu phát có thể dao động từ nhỏ cỡ 100 
cho đến lớn khoảng 600. Do vậy, để có thể 
thực hiện truyền thông trong một trường 
rộng thì số lượng cặp thu phát phải đảm bảo 
đủ lớn. Vị trí và số lượng cặp thu phát hồng 
ngoại theo thiết kế truyền thống có thể thấy 
trong Hình 1. 
 TẠP CHÍ KHOA HỌC YERSIN - CHUYÊN ĐỀ KHOA HỌC & CÔNG NGHỆ 
Tập 5 (8/2019) 79 
Hình 1. Minh họa góc nhìn trên xuống của 
một robot với sáu bộ thu phát hồng ngoại. 
Chùm tia hồng ngoại với góc mở xung quanh 
robot và cường độ tín hiệu theo khoảng cách 
được thể hiện bằng độ đậm nhạt. 
Thông thường, để có thể tận dụng khả 
năng cung cấp thông tin về hướng truyền 
thông, mỗi cặp thu phát hồng ngoại được 
kết nối với một kênh quản lý truyền thông 
độc lập. Tuy nhiên, việc này làm gia tăng áp lực lên nguồn tài nguyên phần cứng vốn đã 
hạn chế của robot. Một giải pháp là sử dụng 
bộ phân kênh và trộn kênh để kết nối nhiều 
bộ thu phát vào một kênh. Tại mỗi thời 
điểm, tín hiệu điều khiển sẽ lựa chọn một bộ 
thu phát phù hợp. Dữ liệu có thể được 
truyền và nhận trên bộ thu phát tương ứng. 
Do vậy, tài nguyên phần cứng sẽ được giảm 
tải. Đồng thời, hướng truyền thông có thể 
được điều khiển. 
Thế nhưng việc cấu hình như trên gặp 
phải hai vấn đề. Một là tín hiệu hồng ngoại 
truyền đến sẽ không thể thu nhận bởi robot 
nếu nó không nằm trong hướng mà đầu thu 
đang được bật. Hai là bộ điều khiển trung 
tâm phải liên tục điều khiển bộ quét kênh. 
Để giải quyết các vấn đề này, nhiệm vụ 
xác định hướng được thực hiện bởi một 
kênh truyền thông. Nó được sử dụng với 
mục đích chính là đảm nhận nhiệm vụ phát 
hiện tín hiệu. Một kênh truyền thông thứ hai 
được sử dụng theo phương pháp phân kênh 
để truyền nhận tín hiệu sau khi đã có thông 
tin về hướng cụ thể. Như vậy hệ thống chỉ 
cần sử dụng hai kênh truyền thông độc lập 
và không đòi hỏi tín hiệu quét kênh phải 
hoạt động liên tục. 
Chúng tôi đã thiết kế một hệ thống cơ -quang - điện đơn giản chỉ với một đầu thu 
hồng ngoại và một gương xoay cho mục 
tiêu phát hiện và thu nhận tín hiệu đến. 
Thiết kế của hệ thống phát hiện tín hiệu 
truyền thông hồng ngoại được minh họa 
trong Hình 2. 
Hình 2. Thiết kế hệ gương xoay để thu 
nhận tín hiệu hồng ngoại. a) Hình vẽ ba chiều 
(3D) với vỏ ngoài, đầu thu hồng ngoại trên 
cùng, ống che và gương đặt lệch. b) Mặt cắt 
ngang của hệ dọc theo khe mở trên ống che. 
c) Minh họa hướng ánh sáng đi đến đầu thu 
hồng ngoại sau khi qua khe mở và phản xạ 
trên gương lệch. Vỏ ngoài cùng của hệ thống được làm 
bằng chất liệu nhựa trong suốt. Nó giúp bảo 
vệ gương xoay và bộ thu hồng ngoại khỏi bụi 
và ngoại vật tác động. Đồng thời vật liệu nhựa 
trong suốt cho phép ánh sáng hồng ngoại đi 
qua dễ dàng. Bọc quanh trụ là một ống nhựa 
thứ hai, có màu đục nhằm ngăn ánh sáng 
truyền qua. Một khe hở được tạo ra trên ống 
này cho phép ánh sáng đi qua theo một hướng 
nhất định. Chiều rộng của khe là 1mm và chạy 
dọc theo ống. Với thiết kế như vậy, tín hiệu 
hồng ngoại chỉ có thể đi vào gương theo một 
hướng xác định. Thành phần cuối cùng là tấm 
gương được đặt lệch 450 cho phép ánh sáng 
 TẠP CHÍ KHOA HỌC YERSIN - CHUYÊN ĐỀ KHOA HỌC & CÔNG NGHỆ 
Tập 5 (8/2019) 80 
phản chiếu hướng về phía đầu thu hồng 
ngoại. Cùng với tấm gương và trụ đỡ, ống bọc 
được đặt trên một đĩa nhựa và gắn vào một 
động cơ công suất thấp. Một trong những đặc trưng của hệ 
thống là vị trí đặt đầu thu hồng ngoại. Bằng 
cách lắp đầu thu lên phía trên, ưu điểm đầu 
tiên là giúp giảm nhiễu hồng ngoại từ môi 
trường xung quanh, ví dụ như nguồn sáng 
từ bóng đèn hay ánh sáng tự nhiên. Lợi 
điểm thứ hai là giảm thiểu điểm mù. Thiết 
bị khi hoạt động cần cấp điện và truyền tín 
hiệu về mạch trung tâm, chính những 
đường dây tín hiệu này có thể che chắn hệ 
thống và sinh ra điểm mù. Động cơ quay 
gương và cảm biến tốc độ cần nhiều đường 
dây tín hiệu hơn trong khi đầu thu hồng 
ngoại chỉ cần hai dây. Khi lắp đầu thu hồng 
ngoại ở phía dưới, góc nhìn hướng lên, 
gương xoay và cảm biến tốc độ ở phía trên 
thì đường dây tín hiệu và nguồn để cung cấp 
cho động cơ và cảm biến tốc độ sẽ tăng mức 
độ che chắn tín hiệu. 
2.2. Thiết kế phần mềm 
Để đầu thu hồng ngoại có thể xác định 
góc nhận tín hiệu từ robot khác, một cảm 
biến tốc độ được gắn phía sau đĩa xoay có 
nhiệm vụ ghi nhận tốc độ xoay. Một bộ định 
thời có sẵn trong vi điều khiển được sử 
dụng để ghi nhận thời điểm mỗi khi đĩa xoay 
hoàn thành một vòng. Thời gian này được 
lưu lại và đặt tên là tfull. Đồng thời, bộ định 
thời còn có chức năng đánh dấu thời điểm 
mà bộ thu hồng ngoại nhận được tín hiệu. 
Thời điểm này được ghi lại là tget. Như vậy, 
góc tới tương đối A giữa tín hiệu truyền đến 
và bộ thu hồng ngoại của robot được tính 
bằng công thức (1): 
 (1) Một khi biết được hướng tín hiệu 
truyền đến, robot có thể chọn kênh truyền 
tín hiệu phản hồi tương ứng. Như vậy, chỉ 
với một kênh truyền thông, robot có thể 
phát hiện tín hiệu truyền thông cũng như 
xác định hướng nhận tín hiệu. Kết hợp với 
một kênh truyền độc lập thứ hai, robot có 
thể phản hồi đúng hướng cần thiết. Nhờ vậy 
năng lượng tiêu thụ cho quá trình truyền 
thông của robot sẽ giảm xuống do không 
phải phát tín hiệu tại những hướng không 
cần thiết. Hơn thế nữa, điều này cũng giúp 
giảm thiểu can nhiễu hồng ngoại trong hệ 
nhiều robot cùng hoạt động đồng thời. 
2.3. Bố trí thí nghiệm và nghiên cứu 
Hệ thống xử lý trung tâm là một vi điều 
khiển họ AVR là Atmega2560. Tốc độ xung 
nhịp hoạt động được chọn là 11,0592 MHz 
với thạch anh ngoài. Truyền thông hồng 
ngoại được thực hiện bởi hai bộ chức năng 
USART có sẵn của vi điều khiển. Một bộ 
được kết nối đến mạch phân kênh và trộn 
kênh để làm nhiệm vụ thu phát chính. Bộ 
thu còn lại được kết nối đến đầu thu của hệ 
gương xoay với nhiệm vụ chỉ nhận tín hiệu. Tốc độ truyền dẫn được đặt là 38400 kbps 
với giao thức chuẩn 8 bit dữ liệu, 1 bit dừng 
và không kiểm tra chẵn lẻ (tiêu chuẩn 8N1). Bộ phát hồng ngoại được tạm thời chọn 
là HIR7393C với bước sóng 850 nm và góc 
quan sát 500 (Everlight, 2013). Hệ thống 
gương xoay hoạt động không phụ thuộc vào 
đặc tính góc của bộ phát mà chỉ cần đồng bộ 
về hệ số bước sóng. 
Để trao đổi dữ liệu với máy tính, robot 
sử dụng một chip CP2102 của hãng Silicon 
Labs nhằm giao tiếp qua chuẩn USB. Trong 
quá trình thí nghiệm, một chương trình viết 
bằng phần mềm MATLAB sẽ thu thập và 
hiển thị dữ liệu truyền về từ vi điều khiển. 
Chương trình này còn có nhiệm vụ phân tích 
góc truyền nhận và tỉ lệ thu phát thành công. 
Quá trình thí nghiệm được tiến hành 
theo trình tự đơn giản. Thiết bị thu và phát 
đại diện cho hai robot được đặt trên cùng 
một mặt phẳng. Thiết bị phát tín hiệu đóng 
 TẠP CHÍ KHOA HỌC YERSIN - CHUYÊN ĐỀ KHOA HỌC & CÔNG NGHỆ 
Tập 5 (8/2019) 81 
vai trò như một robot cần truyền tín hiệu. 
Nó phát tín hiệu theo chu kỳ đã định. Trong 
khi đó, thiết bị chính mang hệ gương xoay 
đóng vai trò của robot thu. Giữ nguyên 
robot thu, trong khi đó bên phía phát sau 
mỗi lần thử nghiệm được di chuyển một góc 
100 quanh robot chính so với vị trí trước đó. 
Như vậy sau 36 lần đo sẽ ghi nhận đủ dữ liệu 
một vòng quanh robot thu. Do kích thước 
của khung robot, khoảng cách tối thiểu giữa 
bên phát và thu là 10 cm. Sau mỗi lần đo đạc, 
khoảng cách được tăng lên 1cm cho đến khi 
đạt khoảng cách 60 cm. Khoảng cách lớn 
hơn làm giảm tín hiệu hồng ngoại và truyền 
thông trở nên không ổn định. Do vậy, 
khoảng cách này được coi như khoảng giới 
hạn truyền thông với hệ thống. 
Vì đặc thù của các hệ phần cứng dùng 
vi điều khiển là xử lý tuần tự, do vậy mỗi lần một robot chỉ có thể tiến hành truyền 
thông với một robot cùng hệ. Các robot 
khác nếu muốn thực hiện truyền thông 
phải chờ đến lượt tiếp sau. Truyền thông 
giữa các cặp robot là độc lập và có tính 
tương đồng về giao thức. Do vậy, kết quả 
từ quá trình thực nghiệm với một cặp 
robot có thể áp dụng cho trường hợp 
nhiều robot cùng hoạt động. 
Thí nghiệm được tiến hành trong điều 
kiện phòng thí nghiệm thông thường. Hệ 
thống chiếu sáng tiêu chuẩn bằng đèn LED, 
hạn chế tác động của nguồn sáng hồng ngoại 
không mong muốn. Nền phòng thí nghiệm 
được ghép gỗ nhờ vậy giảm thiểu tối đa 
phản xạ hồng ngoại đến hệ gương xoay. Do 
đặc thù của thiết bị thu phát hồng ngoại, hệ 
thống không phù hợp để sử dụng trên các 
hệ robot hoạt động ngoài trời. 
3. Kết quả và thảo luận 
Dựa trên các thông số trong quá trình 
thí nghiệm, các đặc tính truyền thông được 
kiểm chứng. Với tốc độ truyền tải 38400 
kbps cùng giao thức chuẩn, thời gian cần 
thiết để truyền một byte dữ liệu là khoảng 
0,3ms. Về phía thiết bị thu, tốc độ quay của 
gương xấp xỉ 30Hz hay chu kỳ 33ms. Ống 
nhựa che gương có chu vi 31,5mm và độ 
rộng khe mở là 1mm. Như vậy, thời gian cần 
thiết để quét qua góc mở tạo bởi khe mở vào 
khoảng 1ms. Do vậy, thiết bị thu có thể nhận 
đầy đủ một chuỗi ba byte qua khe mở theo 
bất kỳ hướng nào khi gương xoay. Hình 3 
cung cấp một góc nhìn về hệ thống thực tế 
trong thí nghiệm. 
Hình 3. Ảnh chụp thực tế phiên bản thứ 
nhất hệ gương xoay cùng các thành phần. a) 
Các thành phần của hệ được tách rời bao 
gồm vỏ nhựa bảo vệ bên ngoài, đầu thu hồng 
ngoại, gương lệch đặt trên giá xoay và ống 
che chắn với khe mở. b) Hệ gương xoay hoàn 
chỉnh trong khi hoạt động. Với một lượng dữ liệu chỉ có ba byte, 
việc truyền thông tin là hạn chế. Tuy vậy, 
một chuỗi ba byte là đủ để báo hiệu truyền 
thông và cung cấp thông tin về hướng dữ 
liệu. Sau đó, robot thu nhận biết hướng cần 
thiết và đưa tín hiệu điều khiển bộ trộn 
kênh để có thể lựa chọn đúng hướng cho 
truyền thông. 
Độ rộng của khe mở là 1mm nên vùng 
quan sát từ tấm gương là khoảng 110 theo 
minh họa trong Hình 4. Trong khi đó, bộ phát 
hồng ngoại có góc mở 500, lớn hơn khoảng 
năm lần. Với cấu hình thiết bị như vậy sẽ đảm 
bảo robot có thể xác định hướng truyền thông 
dễ dàng hơn ngay cả khi hướng tín hiệu phát lệch tâm so với thiết bị thu. 
 TẠP CHÍ KHOA HỌC YERSIN - CHUYÊN ĐỀ KHOA HỌC & CÔNG NGHỆ 
Tập 5 (8/2019) 82 
Hình 4. Góc quan sát của bộ thu qua khe 
mở và phân bố cường độ sáng tương đối. 
Trong quá trình thí nghiệm, chúng tôi 
nhận thấy tác động của thời gian mù. Trong 
trường hợp bộ phát và bộ thu thẳng hàng thì 
truyền thông có thể diễn ra tại bất cứ thời 
điểm nào. Khi gương xoay qua hướng không 
có tín hiệu thì bộ thu coi như bị mù vì tầm 
quan sát đến bộ phát bị che. Hình 5 minh 
họa hiện tượng này theo trục thời gian. 
Hình 5. Thời gian truyền thông và vấn 
đề truyền theo tầm nhìn. a) Bộ thu phát nằm 
trong cùng tầm nhìn hay hướng quan sát, tín 
hiệu có thể được truyền mà không có “thời 
gian mù”. b) Khi gương xoay sang hướng 
khác, bộ thu mất tầm quan sát với bộ phát. 
Với một góc nhất định, bộ thu và bộ phát có 
một khoảng “thời gian rõ” để truyền và nhận 
tín hiệu. 
Chúng tôi đã điều chỉnh độ rộng khe 
mở để tìm hiểu tác động của góc quan sát. 
Khi tăng độ rộng khe hở đồng nghĩa với việc 
mở rộng góc nhận tín hiệu. Điều này cho 
phép lượng tín hiệu đi qua nhiều hơn trong 
một khoảng thời gian khi gương quay. Nhờ 
đó tăng cường khả năng phát hiện truyền 
thông và thu nhận dữ liệu. Tuy nhiên, tăng độ 
rộng khe mở làm giảm độ chính xác khi tính 
toán góc truyền thông. Hơn thế nữa, khe mở 
rộng khiến bộ thu nhận được nhiều nhiễu 
hơn từ môi trường. Ngược lại, thu hẹp khe 
mở làm tăng độ chính xác khi xác định góc 
truyền thông. Thế nhưng điều này khiến góc 
quan sát bị co lại và giảm lượng tín hiệu thu 
nhận được. Vì thế robot khó phát hiện tín 
hiệu truyền thông cũng như lượng dữ liệu có 
ý nghĩa nhận được bị giảm theo. Như vậy, sự 
đánh đổi tác động giữa độ rộng khe mở và độ 
dài dữ liệu phải được lựa chọn kỹ lưỡng phụ 
thuộc vào ứng dụng của từng loại robot. Một đặc tính khác cần quan tâm là tốc độ 
vòng quay của gương. Tương tự như trường 
hợp độ rộng khe mở, tốc độ của vòng quay 
cũng được thay đổi để thử nghiệm. Đầu tiên, 
tốc độ quay của gương được tăng lên. Tốc độ 
quay cao làm giảm lượng tín hiệu đi qua khe 
mở và đến được đầu thu trong một khoảng 
thời gian nhất định. Ngược lại, do tốc độ quay 
cao, khoảng thời gian mù giảm xuống. Do vậy 
robot có thể phát hiện tín hiệu truyền thông 
nhanh hơn. Trường hợp hai, tốc độ quay 
được giảm xuống. Như vậy thời gian góc mù 
tăng lên. Robot thu cần chờ trong một 
khoảng thời gian lớn hơn để có thể phát hiện 
tín hiệu truyền thông. Đồng thời, phía phát 
cũng cần phát nhiều tín hiệu hơn để bù lại 
thời gian góc mù của phía thu. Nhưng ngược lại, tốc độ quay giảm xuống cho phép nhiều 
dữ liệu có thể đi qua khe mở. Kết quả là số 
lượng dữ liệu thu được tăng lên. Nhìn chung, 
tác động tốc độ quay của gương xoay là yếu 
tố thứ hai cần phải tính đến. Trên thực tế, 
động cơ có tốc độ cao thường đắt tiền và có 
công suất tiêu thụ lớn. Trong khi đó, tốc độ 
truyền dữ liệu hồng ngoại cao hơn nhiều so 
với tốc độ quay của gương. Do vậy, gương 
xoay có tốc độ vừa phải như trong hệ thống 
hiện tại là phù hợp cho các hệ robot bầy đàn. 
Cuối cùng, vị trí đầu thu hồng ngoại 
được thử nghiệm. Theo thiết kế, đầu thu 
được đặt phía trên và sử dụng hai dây tín 
hiệu. Mỗi khi gương xoay về phía có đường 
dây tín hiệu này, một phần ánh sáng bị che 
chắn và tán xạ. Bằng cách sử dụng đường 
dây có kích thước nhỏ sẽ giảm thiểu tác 
động lên đường truyền sáng. Trong thí 
nghiệm, chúng tôi đã sử dụng dây đồng có 
kích thước chuẩn 30AWG. Keo trong được 
sử dụng để cố định đường dây và tránh tác 
động lên đường truyền sáng. Kết quả thu 
 TẠP CHÍ KHOA HỌC YERSIN - CHUYÊN ĐỀ KHOA HỌC & CÔNG NGHỆ 
Tập 5 (8/2019) 83 
được cho thấy tác động của đường dây tín 
hiệu là không đáng kể và có thể bỏ qua. 
Để có thể thực hiện truyền thông, bộ thu 
và phát phải nằm trong vùng quan sát của 
nhau. Như vậy, robot chỉ cần xác định được 
góc thu nhận tín hiệu có sai số nhỏ hơn hoặc 
bằng nửa độ lớn của góc quan sát là đủ để tiến 
hành truyền thông. Dựa trên kết quả thu được 
từ thí nghiệm, chúng tôi nhận thấy sai số khi 
tính toán góc thu đạt ± 30, nhỏ hơn nhiều so 
với độ lớn của góc phát tín hiệu. Với độ chính 
xác như vậy, robot với hệ gương xoay sau khi 
phát hiện ra hướng thu nhận tín hiệu có thể 
thực hiện truyền thông trên đúng kênh cần 
thiết. Điểm cần chú ý là phía phát phải truyền 
tín hiệu liên tục cho đến khi phía thu phát hiện 
ra tín hiệu vì khoảng “thời gian mù” dài hơn 
nhiều khoảng “thời gian rõ”. Tuy nhiên, tốc độ 
truyền hồng ngoại là rất lớn so với tốc độ xoay 
của gương nên điều này không ảnh hưởng 
nhiều đến hệ thống. Cụ thể trong thí nghiệm, 
phía phát chỉ cần phát tối thiểu một chuỗi 100 
byte là đủ để hệ gương xoay phát hiện ra tín 
hiệu. Hình 6 thể hiện kết quả thí nghiệm với 
một góc cố định giữa bộ thu và phát. 
Hình 6. Kết quả xác định góc thu tín hiệu 
bằng hệ gương xoay. Góc thử nghiệm giữa bộ 
phát và thu cố định tại 900 khi khoảng cách 
giữa chúng được tăng dần. 
Phương pháp truyền thống là sử dụng 
nhiều cặp thu phát hồng ngoại và do vậy đòi 
hỏi sử dụng nhiều tài nguyên phần cứng, cụ 
thể là các khối chức năng USART. Đồng thời, 
bộ điều khiển trung tâm cũng phải thực hiện 
các tính toán phức tạp để có thể nhận biết 
và xác định hướng truyền thông (Min & cs., 
2017). Bằng cách sử dụng hệ gương xoay, 
chúng tôi có thể đơn giản hóa việc tính toán, 
giảm tải áp lực lên bộ điều khiển trung tâm. 
Điều này đem lại nhiều lợi ích cho các hệ 
robot. Thứ nhất, nó giúp bộ xử lý trung tâm 
của robot có thể tận dụng tài nguyên để 
thực hiện những tác vụ khác. Thứ hai là hệ 
thống có thể được triển khai trên những hệ 
robot có tài nguyên phần cứng hạn chế, xây 
dựng với kinh phí thấp. 
Cách tiếp cận theo phương pháp xoay 
góc thiết bị như nghiên cứu của chúng tôi đã 
được thực hiện bởi (Geunho & Young, 2011) 
nhưng với mục đích xác định vật cản chứ 
không dùng cho truyền thông. Trong hệ 
thống này, các tác giả sử dụng hai thiết bị đo 
khoảng cách bằng hồng ngoại được gắn trên 
các đầu xoay có điều khiển. Bằng cách này, 
robot xác định được góc có chướng ngại vật 
dựa trên thông tin có sẵn từ bộ điều khiển 
trục xoay. Mỗi trục chỉ xoay 1800 nên cần hai 
thiết bị để bao quát toàn bộ trường quan sát 
quanh robot. Tuy nhiên, ý tưởng sử dụng đầu 
thu phát hồng ngoại để xác định vật cản và 
khoảng cách là đáng chú ý và hoàn toàn có 
thể áp dụng cho hệ thống của chúng tôi. 
4. Kết luận 
Việc thực hiện truyền thông đa hướng 
bằng thiết bị thu phát hồng ngoại đơn 
hướng sẽ giúp giảm tiêu hao tài nguyên 
phần cứng đồng thời giữ nguyên ưu điểm về 
khai thác thông tin hướng truyền thông. Hệ 
thống gương xoay có thiết kế đơn giản và dễ 
triển khai, phù hợp cho các hệ robot được 
thiết kế với chi phí thấp, tài nguyên phần 
cứng hạn hẹp. Các kết quả thí nghiệm đã 
chứng minh tính thực tế của thiết kế. Thực 
nghiệm còn cho thấy khả năng mở rộng và 
áp dụng cho các hệ đa robot khác cũng sử 
dụng truyền thông hồng ngoại, ví dụ như hệ 
robot bầy đàn, hệ robot tái cấu trúc. 
Trên lý thuyết, tốc độ quay của gương 
xoay là ổn định. Tuy nhiên, do sự thay đổi về 
công suất nguồn và tác động từ quá trình 
hoạt động, tốc độ quay sẽ bị thay đổi. Trong 
tương lai, hệ thống cần được điều chỉnh để 
có thể quản lý tốt hơn yếu tố này. Một giải 
pháp có thể được triển khai đó là bổ sung 
tín hiệu điều khiển động cơ để kiểm soát hệ 
gương xoay tốt hơn. 
 TẠP CHÍ KHOA HỌC YERSIN - CHUYÊN ĐỀ KHOA HỌC & CÔNG NGHỆ 
Tập 5 (8/2019) 84 
TÀI LIỆU THAM KHẢO 
Daniel, P., Myron, L., & Magnus, E. The 
GRITSBot in its natural habitat - A 
multi-robot testbed. IEEE International 
Conference on Robotics and Automation 
(ICRA), 4062 - 4067, 2015. 
Everlight. Product file [Data file, 2013 
Datasheet]. Retrieved from 
 2013. 
Farshad, A., Khairulmizam, S., & Abdul, R. R. 
Development of IR-Based Short-Range 
Communication Techniques for Swarm 
Robot Applications. Advances in 
Electrical and Computer Engineering, 
vol 10 (4), 61 - 68, 2010. 
Francesco, M., Michael, B., Xavier, R., James, 
P., Christopher, C., Adam, K., Stephane, 
M., Jean-Christophe, Z., Dario, F., & 
Alcherio, M. The e-puck, a Robot 
Designed for Education in Engineering. 
In Proceedings of the 9th IEEE/RAS 
Conference on Autonomous Robot Systems 
and Competitions, vol 1 (1), 59 - 65, 2009. 
Geunho, L., & Nak Young, C. Low-Cost Dual 
Rotating Infrared Sensor for Mobile 
Robot Swarm Applications. IEEE 
Transactions on Industrial Informatics, 
vol 7 (2), 277 - 286, 2011. 
Jose, B., Bradley, W., & Prithviraj, D., Carl A. 
Nelson. Configuration Discovery of 
Modular Self-reconfigurable Robots: 
Real-Time, Distributed, IR + XBee 
Communication Method. Robotics and 
Autonomous Systems, vol 91, 284 - 
298, 2017. 
Kornienko, S., & Kernbach, S. IR-based 
Communication and Perception in 
Microrobotic Swarms. CoRR, 2011. 
Loffler, A., Klahold, J., & Ruckert, U. The 
Mini-Robot Khepera as a Foraging 
Animate: Synthesis and Analysis of 
Behaviour. In Proceedings of the 5th 
International Heinz Nixdorf 
Symposium: Autonomous Minirobots for 
Research and Edutainment (AMiRE), vol 
97, 93 - 130, 2001. 
Levent, B. A review of swarm robotics tasks. 
Neurocomputing, vol 172, 292 - 321, 2016. 
Mark, Y., Wei, M. S., Behnam, S., Daniela, R., 
Mark, M., Hod, L., Eric, K., & Gregory, C. 
Modular Self-Reconfigurable Robot 
Systems [Grand Challenges of 
Robotics]. IEEE Robotics & Automation 
Magazine, vol 14 (1), 43 - 52, 2007. 
Michael, R., Alejandro, C., & Radhika, N. 
Programmable self-assembly in a 
thousand-robot swarm. American 
Association for the Advancement of 
Science, vol 345 (6198), 795 - 799, 2014. 
Min, S. K., Sang, H. K., & Soon, J. K. 
Middleware Design for Swarm-Driving 
Robots Accompanying Humans. 
Sensors, vol 17 (392), 2017. 
doi:10.3390/s17020392. 
Sergey, K., & Olga, K. IR-based 
Communication and Perception in 
Microrobotic Swarms. CoRR, 
1109.3617, 2011.