Điều khiển tập trung hay tự hành cho đội robot lau sàn?

• Máy tính điều khiển
• Robot lau
• Nơi ra quyết định (hình thoi)
• Liên kết không dây

Bạn sẽ học được gì

• So sánh ba kiểu điều khiển trên tám tiêu chí: sức xử lý, độ trễ, phụ thuộc liên kết, số robot, chịu lỗi, băng thông, bản đồ và công sức phát triển.
• Giải thích điều xảy ra với mỗi kiểu khi liên kết Wi-Fi mất.
• Chia việc giữa robot và máy tính cho một đội robot lau sàn nhỏ, rồi nêu điều kiện khiến lựa chọn đổi.

Cần biết trước

Chỉ cần biết robot là gì, ví dụ qua bài Robot là gì?; các thuật ngữ khác được giải thích ngay lần đầu xuất hiện.

Ba kiểu điều khiển khác nhau ở chỗ nào?

Ba kiểu khác nhau ở nơi đặt quyết định: một đơn vị chung, từng robot, hoặc cả hai. Theo một khảo sát về lập đường cho nhiều robot, điều khiển tập trung (centralized control) giao toàn bộ việc điều khiển và quản lý cho một đơn vị xử lý trung tâm. Đơn vị đó có thể là máy tính riêng hoặc một robot. Cùng khảo sát nói đơn vị này xử lý mọi dữ liệu và ra quyết định cho cả hệ nhiều robot.

Ở kiểu phi tập trung (decentralized control) được so sánh trong bài này, khảo sát mô tả mỗi robot có bộ điều khiển riêng. “Tự hành” ở đây chỉ việc robot tự quyết tại chỗ; một robot trong hệ lai vẫn có thể tự hành cục bộ dù trung tâm giao nhiệm vụ. Robot hoạt động độc lập dựa trên dữ liệu nó xử lý. Điều khiển lai (hybrid control) áp dụng đồng thời các cách này để tận dụng ưu điểm của từng cách.

Trong thiết kế minh họa, một robot lau ra hai loại quyết định có nhịp rất khác nhau. Dừng trước mép bậc cần phản hồi tức thì, nên vòng gồm cảm biến, chip và động cơ nằm trong thân robot. Chia khu vực hay lập đường phủ sàn cần cái nhìn toàn căn nhà, nên đi qua Wi-Fi tới máy tính rồi quay lại. Cách chia này giống ví dụ kiểu lai trong khảo sát trên: đơn vị trung tâm tạo kế hoạch cấp cao cho chuyển động của nhiều đối tượng, còn mỗi đối tượng dùng cảm biến và khả năng liên lạc riêng để điều chỉnh quỹ đạo theo điều kiện cục bộ.

• Robot lau
• Vòng phản xạ ngắn quanh chip trong robot
• Máy tính điều khiển
• Vòng lập kế hoạch dài qua Wi-Fi
• Sàn và mép bậc
• Liên kết Wi-Fi

So sánh chúng theo tám tiêu chí ra sao?

Không kiểu nào thắng ở mọi tiêu chí. Một nghiên cứu so sánh điều khiển nhiều robot quét phủ nêu rằng mục tiêu và ràng buộc của nhiệm vụ nên dẫn việc chọn tập trung, phi tập trung hay kết hợp cả hai. Nghiên cứu đó ghi nhận hệ tập trung hoàn toàn thường hiệu quả cao nhưng có thể gặp điểm lỗi đơn (single point of failure) hoặc mở rộng kém. Hệ phi tập trung hoàn toàn thường mở rộng tốt và có phần nào khả năng chịu lỗi sẵn có nhờ dự phòng, nhưng có thể chậm hơn, kém chính xác hoặc kém hiệu quả hơn.

Bảng dưới gom tám tiêu chí. Hai cột Tập trung và Tự hành tóm tắt khảo sát lập đường nhiều robot và nghiên cứu quét phủ vừa nêu; hàng băng thông lấy từ nghiên cứu về chuyển tải tính toán. Cột Lai và các ô ghi "suy luận" là lập luận của thiết kế minh họa, chưa phải kết luận của nguồn.

Băng thông và sức xử lý đáng xem kỹ vì chúng kéo giá mỗi robot lên. Nhóm tác giả nghiên cứu chuyển tải nêu rằng robot hạn chế tài nguyên, như drone công suất thấp, thường không đủ tài nguyên tính toán trên robot hoặc năng lượng dự trữ. Họ mô tả cloud robotics là cách cho robot di động chuyển tính toán (offloading) lên máy chủ trung tâm. Cái giá là mạng: gửi video hoặc LIDAR tốc độ dữ liệu cao từ nhiều robot qua mạng nghẽn có thể gây trễ quá mức cho ứng dụng thời gian thực. Đội robot lau dùng vi điều khiển rẻ, nên thiết kế minh họa xếp chúng vào nhóm robot hạn chế tài nguyên và để phần nhận dạng nặng ở máy tính.

• Robot lau có camera
• Máy tính điều khiển
• Luồng video: nhiều khung ảnh dồn trước cổ hẹp
• Cổ hẹp của Wi-Fi
• Bản tin vị trí và trạng thái: nhỏ và đều
• Nhịp tim

Khi liên kết Wi-Fi mất, mỗi kiểu xử lý ra sao?

Trong thiết kế minh họa, kiểu tập trung mất nguồn quyết định, kiểu tự hành giữ quyết định nhưng mất báo cáo, còn kiểu lai giữ phần an toàn ở robot. Với hệ tập trung, khảo sát lập đường nói nếu bộ điều khiển trung tâm quá tải hoặc hỏng thì cả hệ có thể sụp đổ. Nghiên cứu quét phủ cho biết lợi thế của cách tập trung có thể khó giữ trong thực tế khi liên lạc bị nhiễu hoặc robot giám sát hỏng. Cùng nghiên cứu thấy các cách phi tập trung chưa vượt các cách khác nhiều như kỳ vọng về chịu lỗi và mở rộng. Vì vậy khả năng chịu lỗi tốt hơn trên lý thuyết chưa đủ để chọn tự hành.

Với mẫu cảm biến có thể thay bằng mẫu mới, một lựa chọn hợp với Wi-Fi chập chờn là chấp nhận mất vài mẫu thay vì chờ gửi lại. Tài liệu ROS 2 nói chính sách best effort phù hợp hơn trong môi trường mạng không dây hay mất gói. Best effort là cố gắng gửi mẫu dữ liệu nhưng có thể mất chúng nếu mạng không vững. Với dữ liệu cảm biến, cùng tài liệu viết rằng thường nhận kịp thời quan trọng hơn nhận đủ mọi giá trị đo.

Lựa chọn này không áp dụng chung cho lệnh: trong mô hình minh họa, lệnh giao việc cần báo nhận, thời hạn hiệu lực và mã để bỏ bản trùng; nhận được bản tin cũng chưa có nghĩa robot đã thực hiện xong.

Để trung tâm biết một robot đã im lặng, thiết kế minh họa cho robot gửi đều một bản tin ngắn báo nó còn kết nối, gọi là nhịp tim. ROS 2 có khái niệm gần: thời hạn thuê (lease duration) là khoảng thời gian tối đa một bên đăng tin phải báo còn sống trước khi hệ thống coi là đã mất tín hiệu sống.

Sơ đồ dưới theo dõi cùng một sự cố, liên kết bị đứt, trong ba thiết kế minh họa. Robot tập trung không còn lệnh nên dừng chờ. Robot tự hành tiếp tục lau, nhưng trung tâm không nhận được báo cáo. Robot kiểu lai ngắt bơm, dừng lau rồi chỉ về trạm khi còn định vị được, có đường về cục bộ và đủ pin; nếu không thì dừng và lưu lỗi. Đây là chính sách của ví dụ, không phải hành vi mặc định của mọi kiến trúc.

• Liên kết bị đứt
• Robot dừng chờ lệnh (kiểu tập trung)
• Robot tiếp tục lau, trung tâm mất báo cáo (kiểu tự hành)
• Robot ngắt bơm; về trạm khi đủ điều kiện (kiểu lai)
• Máy tính điều khiển
• Robot lau
• Trạm nạp điện và nước

Nên chọn kiểu nào cho đội robot lau sàn nhỏ?

Nên chọn kiểu lai: robot giữ những quyết định cần phản hồi nhanh hoặc phải còn khi mất mạng, máy tính giữ những việc cần nhìn cả căn nhà. Đây là suy luận từ các tiêu chí ở trên, chưa phải kết quả thử. Ba lý do:

• Điều khiển tập trung thuần cần liên lạc liên tục giữa robot và đơn vị trung tâm, nên mỗi lần Wi-Fi chập chờn robot lau mất nguồn quyết định.
• Điều khiển tự hành thuần đòi mỗi robot có đủ năng lực tính toán và liên lạc để tự làm việc, và chi phí đó nhân lên theo số robot.
• Một đơn vị trung tâm giúp chia sẻ thông tin nhất quán và đầy đủ giữa mọi đối tượng, nên hợp với việc giữ bản đồ chung ở máy tính.

Ở robot, lớp phản xạ chạy trên một vi điều khiển (microcontroller) lớp ESP32. Espressif nói ESP32 có thể hoạt động như một hệ thống độc lập hoàn chỉnh hoặc như thiết bị phụ của một vi điều khiển chủ. Lớp phản xạ gồm dừng khi gặp mép bậc, va chạm hoặc kẹt, ngắt bơm khi đứng yên và phát hiện mất nhịp tim. Về trạm thuộc lớp điều hướng cục bộ: robot phải giữ vị trí trạm, đường về và khả năng định vị khi trung tâm mất; năng lực đó cần được đo và thử, không thể suy ra chỉ từ việc có chip ESP32. Ở máy tính là chia khu vực, lập đường phủ, nhận diện vật thể từ ảnh và gửi cảnh báo cho người. Phần ở giữa, bám đường và tránh vật cản cục bộ, đặt ở robot vì cần phản hồi nhanh.

• Việc đặt ở robot: tránh vật cản, về trạm, ngắt bơm, tránh vực
• Việc đặt ở máy tính: cảnh báo, nhận diện bừa bộn, chia khu
• Ranh giới Wi-Fi giữa hai nhóm
• Mũi tên xuống: việc cần phản hồi nhanh hơn
• Robot lau
• Máy tính điều khiển

Kiểu lai không miễn phí. Khảo sát lập đường nêu rằng nó đòi giao thức liên lạc hiệu quả và cơ chế phối hợp. Kiểu phi tập trung cũng đòi thuật toán tinh vi và giao thức vững để phối hợp hiệu quả.

Lựa chọn này đổi khi điều kiện đổi. Các điều kiện dưới đây là suy luận cho một mô hình minh họa:

• Wi-Fi yếu ở nhiều góc nhà: chuyển thêm quyết định về robot.
• Số robot tăng nhiều: khảo sát lập đường mô tả một hệ tập trung có thể gây trễ khi số robot tăng, nên cần tách bộ điều khiển theo khu hoặc để robot tự lập đường cục bộ.
• Vi điều khiển đủ chạy mô hình nhỏ: tài liệu LiteRT cho vi điều khiển nói thư viện được thiết kế để chạy mô hình học máy trên vi điều khiển và thiết bị chỉ có vài kilobyte bộ nhớ. Khi đó có thể chuyển phần nhận diện đơn giản về robot.
• Cần phủ sàn hiệu quả nhất: nghiên cứu quét phủ ghi nhận hệ tập trung hoàn toàn thường hiệu quả cao, nên giữ việc lập kế hoạch ở máy tính.

Ví dụ trong đời sống

Một văn phòng nhỏ có ba khu, mỗi khu một robot lau, tất cả được giao việc từ một laptop. Đây là kịch bản thiết kế, chưa phải kết quả thử. Giờ nghỉ trưa, laptop chuyển sang chế độ ngủ và trung tâm ngừng nhận nhịp tim của cả ba robot.

Ở khu bàn làm việc, robot không nhận được phản hồi từ trung tâm trong thời hạn chờ định trước. Nó ngắt bơm, dừng lau và về trạm bằng lớp điều hướng cục bộ nếu còn biết vị trí và đường về. Nếu không, nó đứng yên và ghi lỗi. Hai robot kia làm giống vậy. Khi laptop thức dậy, trung tâm hỏi lại vị trí và trạng thái từng robot trước khi giao việc; không giả định mọi robot đã về tới trạm. Muốn biết vì sao robot khu bàn làm việc dừng sớm hơn dự kiến, kỹ sư mở nhật ký đã ghi ở trung tâm. Hướng dẫn ROS 2 nói có thể phát lại dữ liệu đã ghi để tái tạo kết quả của các lần thử nghiệm.

Hiểu lầm thường gặp

Tự hành thì robot không cần mạng. Robot vẫn cần mạng để nhận khu vực được giao và gửi cảnh báo về khu bừa bộn. Tự hành giữ cho việc quan trọng chạy tiếp khi mạng mất.

Tập trung luôn cho kết quả tốt hơn. Nghiên cứu quét phủ ghi nhận hệ tập trung hoàn toàn thường hiệu quả cao, nhưng lợi thế đó có thể khó giữ khi liên lạc bị nhiễu. Kết quả tốt trên mạng ổn định chưa chắc còn lại trên Wi-Fi nhà.

Kiểu lai là trung bình cộng của hai cách. Kiểu lai đòi giao thức liên lạc và cơ chế phối hợp riêng, và người thiết kế phải quyết từng việc đặt ở đâu.

Câu hỏi thường gặp

Robot lau sàn có cần chip mạnh để tự hành không?

Còn tùy việc đặt ở robot. Lớp phản xạ chạy được trên vi điều khiển loại ESP32. Phần nhận dạng nặng thường đẩy lên máy tính vì robot hạn chế tài nguyên hay thiếu sức chạy mô hình chính xác nhất.

Một máy tính cá nhân có điều khiển được nhiều robot lau sàn không?

Về kiến trúc thì được, vì đơn vị điều khiển trung tâm có thể là một máy tính riêng. Số robot tối đa phụ thuộc tải xử lý và chất lượng Wi-Fi, nên cần đo trên hệ thật.

Có thể bắt đầu bằng điều khiển tập trung rồi chuyển dần sang tự hành không?

Có thể, nếu lớp phản xạ nằm ở robot ngay từ đầu và định dạng bản tin giữa robot và máy tính ổn định. Khi đó dời một quyết định về robot chỉ là chuyển nó sang phía bên kia của liên kết. Đây là suy luận thiết kế, cần thử trên mẫu.

Tóm tắt

• Ba kiểu khác nhau ở nơi đặt quyết định; không kiểu nào thắng mọi tiêu chí, nhiệm vụ cụ thể quyết định lựa chọn.
• Trong ví dụ mất Wi-Fi, kiểu tập trung dừng chờ; kiểu tự hành tiếp tục khi còn đủ dữ liệu; kiểu lai ngắt bơm và chỉ về trạm khi điều hướng cục bộ còn dùng được.
• Thiết kế minh họa chọn kiểu lai: phản xạ và về trạm ở robot, kế hoạch, bản đồ và nhận diện ở máy tính.