Atlas C1 — Robot Mecanum 2 máy tính, SLAM & Nav2 trên ROS2 Humble

Lưu ý: Đây là sản phẩm mô hình phục vụ mục đích nghiên cứu, dùng để kiểm chứng kiến trúc phần cứng/phần mềm của một robot di động tự hành — không phải sản phẩm thương mại hoàn thiện. README gốc của dự án ghi rõ tài liệu mô tả đúng trạng thái code hiện tại, kể cả những phần chưa hoàn chỉnh — nội dung dưới đây giữ nguyên tinh thần đó thay vì chỉ trình bày phiên bản lý tưởng hoá.

Atlas C1 khác gì so với các dự án khác

Robot Mecanum đã chứng minh kiến trúc bánh Mecanum + ESP32 + Raspberry Pi 4 + Cartographer hoạt động được. Atlas C1 dùng cùng loại bánh và cùng dòng LiDAR (YDLidar X3 Pro), nhưng thay đổi ba điểm quan trọng: máy tính onboard chuyển sang NUC (mạnh hơn Raspberry Pi 4), tách rõ 2 máy tính — robot chỉ chạy phần cứng thời gian thực, mọi tính toán SLAM/Nav2 dồn sang một PC riêng giao tiếp qua cùng ROS domain — và vòng điều khiển tốc độ bánh chuyển thành PID cục bộ trên ESP32 dựa trên encoder đọc bằng bộ đếm xung phần cứng (PCNT), thay vì chỉ xuất PWM open-loop.

So với Atlas A2 (Jetson Orin Nano, YOLOv8, auto-docking, REST API), Atlas C1 đơn giản hơn nhiều — không có nhận diện vật thể, không có docking tự động, không có tầng dịch vụ REST/WebSocket. Đổi lại, Atlas C1 bổ sung một nguồn odometry mà cả hai dự án trước không có: rf2o_laser_odometry, ước lượng vận tốc trực tiếp từ hai lần quét LiDAR liên tiếp bằng range-flow scan matching — hữu ích đúng lúc encoder bánh xe kém tin cậy nhất (trượt bánh Mecanum).

Kiến trúc hệ thống

Hai máy tính giao tiếp qua chung một ROS domain (Wi-Fi/LAN) — không có message-bridge riêng, toàn bộ là topic/service ROS2 thông thường:

• Robot (NUC, onboard) — ydlidar_ros2_driver_node đọc LiDAR qua /dev/ydlidar (symlink udev cố định theo cổng USB vật lý), publish /scan; kinematic.py nhận /cmd_vel, tính động học nghịch mecanum ra RPM 4 bánh; ros_serial_bridge.py đóng gói RPM thành khung nhị phân (0x2a + id 4 byte + 8 byte dữ liệu + 0x23) gửi cho ESP32 qua /dev/esp32.
• PC (điều khiển) — robot_state_publisher/mecanum_joint_publisher dựng mô hình robot cho RViz2; scan_relay chuyển tiếp /scan sang /atlas/scan_filtered cho rf2o_laser_odometry tính /atlas/odom; joystick qua twist_mux (ưu tiên lateral > joystick > Nav2); atlas_slam chạy slam_toolbox/AMCL/Nav2.

Tóm lại: Ranh giới giữa 2 máy trùng đúng ranh giới thời gian thực/không thời gian thực đã thấy ở các dự án khác — robot chỉ giữ lại phần bắt buộc phải nhanh (đọc LiDAR, đóng khung serial, watchdog /cmd_vel), mọi thứ nặng tính toán (SLAM, Nav2, odometry từ scan matching) đẩy hết sang PC.

Động học nghịch mecanum và vòng PID cục bộ trên ESP32

kinematic.py áp dụng đúng ma trận động học nghịch 4×3 đã trình bày ở bài Differential Drive/Mecanum trong AMR Drive System: [1,−1,−k; 1,1,k; 1,1,−k; 1,−1,k] với k = lx+ly, chuyển Twist (vx, vy, ω) thành RPM từng bánh, kèm watchdog tự đưa RPM về 0 nếu không nhận /cmd_vel quá 1 giây.

Khác với việc chỉ xuất PWM tỉ lệ thuận với RPM mong muốn (open-loop), firmware ESP32 (main.cpp, PlatformIO) đọc encoder 4 bánh bằng PCNT (pulse counter) — ngoại vi đếm xung phần cứng của ESP32, không tốn CPU polling — rồi chạy một vòng PID tốc độ cục bộ cho từng bánh, so target RPM nhận từ ROS với tốc độ đo được, xuất PWM 2 kênh/động cơ ra driver H-bridge. Toàn bộ vòng PID này chạy kín hoàn toàn trên vi điều khiển, đúng nguyên tắc phân tầng thời gian thực đã học ở Motor Control cho AMR — ROS không cần (và không nên) tham gia vào chu kỳ điều khiển tần số cao này.

SLAM, AMCL, và Nav2 — vẫn bộ ba quen thuộc, thêm một giới hạn đáng chú ý

atlas_slam dùng đúng bộ ba đã thấy ở các dự án khác: slam_toolbox (chế độ mapping, pose-graph dựa trên Karto, có loop closing) để dựng bản đồ, AMCL để định vị trên bản đồ tĩnh đã lưu, và Nav2 với planner_server chạy NavFn và controller_server chạy MPPI. Costmap cục bộ kết hợp obstacle_layer + voxel_layer (từ LiDAR) + inflation_layer; costmap toàn cục dùng static_layer + speed_filter.

Điểm đáng chú ý: dù phần cứng là bánh Mecanum (holonomic, đi ngang được) và lateral_teleop_node.py phía joystick tận dụng đúng khả năng đó, cấu hình Nav2 (atlas_nav2_mppi.yaml) lại đặt motion_model: DiffDrive và khoá vy_max = 0 — nghĩa là Nav2 hiện điều khiển Atlas C1 như một robot 2 bánh vi sai, chưa khai thác khả năng đi ngang khi tự động điều hướng. Khả năng holonomic chỉ thực sự dùng được qua 2 nút bấm strafe thủ công trên joystick.

Vấn đề đã biết / hạn chế

Danh sách dưới trích từ chính tài liệu kỹ thuật của dự án — phản ánh đúng trạng thái code thật tại thời điểm viết bài, không phải danh sách rủi ro lý thuyết:

Vấn đề	Chi tiết
twist_mux không nhận lệnh Nav2	Nav2/collision_monitor xuất thẳng /cmd_vel, trong khi twist_mux lắng nghe nhánh "navigation" ở cmd_vel_nav — không node nào publish topic đó. Chạy đồng thời Nav2 và joystick có thể khiến cả hai ghi đè trực tiếp /cmd_vel.
Không có phản hồi tốc độ bánh thật về ROS	Velinfo.msg và đoạn gửi encoder-tick trong firmware ESP32 đều tồn tại nhưng bị comment — PID chạy kín hoàn toàn cục bộ, ROS không biết tốc độ bánh thực tế.
Thông số động học không khớp giữa các package	kinematic.py dùng r=0.035, lx=0.085, ly=0.11; mecanum_joint_publisher.py (chỉ phục vụ hiển thị RViz) dùng R=0.049, Lx=0.11, Ly=0.15 — cần đối chiếu lại với kích thước robot thật để thống nhất.
Nav2 chạy như diff-drive	Đã nêu ở mục trên — motion_model: DiffDrive và vy_max=0 dù phần cứng holonomic.
Tham số localization sai tên file	Launch khai atlas_localization.yaml nhưng file thật trên đĩa tên atlas_localization_c1.yaml — chạy với tên cũ sẽ không load được tham số như ý; map mặc định cũng trỏ tới đường dẫn không tồn tại.
Cảm biến RealSense được cấu hình nhưng chưa lắp	Costmap toàn cục và collision monitor khai báo nguồn pointcloud từ /intel_realsense_r200_depth/points, nhưng URDF hiện tại không có camera nào — phần cứng dự kiến cho tương lai.
Code thừa/chưa dùng	Package c1_platform rỗng; submodule src/atlas_base chưa checkout; ESP32_code còn nhiều file CAN-bus/RFID/UDP-debug từ template dự án khác không được main.cpp include; atlas_cartographer_real.launch.py và công cụ route_manager.py/route_tool.py (GUI PyQt5 vẽ waypoint) là thử nghiệm, chưa nằm trong quy trình vận hành chính thức.

Phần cứng thực tế

Từ ảnh chụp thực tế: khung robot 2 tầng bằng mica/gỗ ép và kim loại, 4 bánh Mecanum, LiDAR gắn trên giá đỡ in 3D ở trung tâm tầng trên, NUC đặt cạnh trong hộp đế in 3D riêng, một access point Wi-Fi 2 ăng-ten dùng làm mạng nội bộ giữa robot và PC điều khiển, và màn hình hiển thị dung lượng/điện áp pin gắn lộ ở mép khung — thuận tiện kiểm tra nhanh mà không cần mở nắp hay kết nối phần mềm.

Thành phần	Model / Chi tiết	Kết nối
Khung & bánh	Mica/gỗ ép 2 tầng, 4 bánh Mecanum	—
Máy tính onboard	NUC	—
Vi điều khiển	ESP32 (PlatformIO firmware)	Serial 115200 baud (/dev/esp32)
LiDAR	YDLidar X3 Pro — 0,1–12m, 10Hz	Serial 115200 baud (/dev/ydlidar)
Driver động cơ	H-bridge, 2 kênh PWM/động cơ	GPIO ESP32
Encoder	Đọc bằng PCNT (pulse counter) của ESP32	—
Mạng	Access point Wi-Fi 2 ăng-ten	Robot ↔ PC (chung ROS domain)
Nguồn	Pin, kèm màn hình hiển thị dung lượng/điện áp	—

Version 2 — khung mica, thu gọn kích thước

Bên cạnh phiên bản mô tả ở các mục trên, dự án có thêm Version 2 (hình ảnh minh hoạ, video demo và bảng so sánh thông số kỹ thuật đầy đủ ở đầu/cuối trang) — giữ nguyên toàn bộ kiến trúc phần mềm 2 máy tính và vòng PID cục bộ trên ESP32 đã trình bày, nhưng thay đổi đáng kể phần khung cơ khí và một vài linh kiện: khung chuyển gần như hoàn toàn sang mica (acrylic) kết hợp các chi tiết in 3D (đế gắn LiDAR, hộp đỡ máy tính onboard), thu gọn kích thước tổng thể còn 32 × 26 × 23cm, bánh Mecanum đường kính 6,8cm gắn trực tiếp với động cơ JGA25, 130rpm, kèm encoder trục.

Khác với bản đầu, encoder ở Version 2 tích hợp sẵn theo cụm động cơ thay vì lắp rời — nhưng vẫn đọc qua PCNT trên ESP32 và phục vụ đúng vòng PID tốc độ cục bộ đã mô tả ở phần trên, không cần thay đổi gì ở tầng firmware.

Máy tính onboard không còn cố định là NUC mà có thể lắp mini PC hoặc Raspberry Pi tuỳ cấu hình — đánh đổi hiệu năng lấy chi phí/kích thước thấp hơn, phù hợp với hướng thu gọn khung của Version 2. Mạng giữa robot và PC điều khiển cũng chuyển từ access point 2 ăng-ten sang router Wi-Fi Tenda thông thường.

Tóm lại: Version 2 là một bài toán cơ khí nhiều hơn là phần mềm — thu gọn khung, đổi vật liệu, đổi động cơ có encoder tích hợp — trong khi kiến trúc ROS2, vòng PID trên ESP32, và bộ ba SLAM/AMCL/Nav2 giữ nguyên. Điểm cần lưu ý khi triển khai thực tế: đường kính bánh 6,8cm và khung nhỏ hơn kéo theo bán kính bánh r và khoảng cách tâm bánh lx, ly trong kinematic.py phải đo và hiệu chỉnh lại theo kích thước khung mới — dùng nguyên thông số động học cũ từ bản đầu sẽ sai tỉ lệ, giống đúng loại lỗi thông số không khớp đã nêu ở mục "Vấn đề đã biết / hạn chế" phía trên.

Tổng kết và hướng phát triển

Tổng kết

Atlas C1 là một biến thể kiến trúc đáng chú ý trong cùng dòng nghiên cứu robot Mecanum của dự án: giữ nguyên bài toán cốt lõi (SLAM + AMCL + Nav2 trên ROS2 Humble), nhưng thử nghiệm 2 thay đổi cụ thể — tách hẳn tính toán thời gian thực (robot/NUC) khỏi tính toán SLAM/Nav2 (PC riêng) thay vì gộp chung một máy như Robot Mecanum, và khép kín vòng điều khiển tốc độ bánh bằng PID cục bộ trên ESP32 thay vì open-loop. Tài liệu kỹ thuật của dự án đặc biệt minh bạch về các điểm chưa hoàn thiện — một thực hành tốt hiếm gặp, giúp bất kỳ ai đọc code sau này biết chính xác nên tin phần nào và cần sửa phần nào trước khi dựa vào.

Hướng phát triển

• Sửa twist_mux — thêm node publish cmd_vel_nav từ output Nav2 thay vì để Nav2 ghi thẳng /cmd_vel, khôi phục đúng cơ chế phân giải ưu tiên đã thiết kế.
• Bật khả năng holonomic trong Nav2 — đổi motion_model từ DiffDrive sang cấu hình omnidirectional, mở khoá vy_max để Nav2 thực sự tận dụng được bánh Mecanum khi tự động điều hướng, không chỉ khi lái tay.
• Khôi phục phản hồi tốc độ bánh — bật lại đoạn gửi encoder-tick trong firmware ESP32 và publish Velinfo.msg, cho phép ROS giám sát tốc độ bánh thực tế thay vì tin tưởng mù quáng vòng PID cục bộ.
• Thống nhất thông số động học — đối chiếu kích thước robot thật, đồng bộ r, lx, ly giữa kinematic.py và mecanum_joint_publisher.py để mô hình RViz khớp đúng chuyển động thật.
• Dọn code thừa — gỡ các file CAN-bus/RFID/UDP-debug không dùng trong ESP32_code, quyết định giữ hay bỏ package c1_platform rỗng và submodule atlas_base chưa checkout.