Cân định lượng là một thiết bị rất hữu ích trong việc định lượng chính xác khối lượng hàng hóa. Vì vậy, thiết bị này thường được sử dụng cùng với các máy đóng gói để tự động hóa và chuẩn hóa quy trình sản xuất. Cùng với sự phát triển của khoa học kỹ thuật, các hệ thống cân tự động ngày càng được cải tiến để hoàn thiện hơn về độ chính xác cũng như tốc độ cân, trong đó nổi bật nhất phải kể đến là hệ thống cân đa đầu. Hệ thống cân đa đầu được phát triển và giới thiệu lần đầu tiên bởi Công ty Ishida vào năm 1972 và phục vụ chủ yếu trong lĩnh vực công nghiệp thực phẩm (Ishida, 2024). Nhờ vào độ chính xác cao và tốc độ cân nhanh, hệ thống cân đa đầu ngày nay được sử dụng cho rất nhiều lĩnh vực khác nhau và thường được tích hợp vào các dây chuyền cân và đóng gói sản phẩm tự động.

Hệ thống cân đa đầu gồm có nhiều đầu cân và tại mỗi đầu cân thường có 3 bộ phận chính là bộ phận cấp liệu, bộ phận cân và bộ phận tổng hợp nguyên liệu. Nguyên liệu sẽ được cung cấp vào các đầu cân để xác định khối lượng của từng đầu cân. Sau đó, bộ điều khiển trung tâm sẽ nhận thông tin về khối lượng sản phẩm tại các đầu cân và tính toán khối lượng của tất cả các tổ hợp có thể xảy ra từ các đầu cân để tìm ra tổ hợp có khối lượng gần với khối lượng mong muốn nhất. Sau cùng, hệ thống cân sẽ xả nguyên liệu tại các đầu cân tương ứng với tổ hợp được chọn. Hình 1 mô tả nguyên lý hoạt động của hệ thống cân đa đầu với 8 đầu cân và thực hiện việc tìm kiếm tổ hợp tối ưu khi khối lượng mong muốn là 200 g. Từ Hình 1 này cho thấy nếu kết hợp các đầu cân tại vị trí số 2, 4, 5 và 8 thành một tổ hợp sẽ cho qua kết quả cân đúng với khối lượng mong muốn. Do đó, các đầu cân tại vị trí 2, 4, 5 và 8 sẽ được chọn và nguyên liệu tại các đầu cân này sẽ được xả ra. Tuy nhiên, hệ thống cân đa đầu không bắt buộc phải tìm kiếm được tổ hợp có khối lượng đúng với khối lượng mong muốn. Người dùng có thể cài đặt giá trị sai số cho phép phù hợp với quy định của từng loại sản phẩm cụ thể.

Hiện nay việc cân để đóng gói sản phẩm tại các cơ sở đóng gói thường được thực hiện thủ công. Do đó, để cân chính xác một khối lượng nhất định cho một gói sản phẩm, người cân cần phải cẩn thận lựa chọn những sản phẩm có khối lượng hợp lý để kết hợp lại nhau. Đặc biệt, trong trường hợp cân các sản phẩm nông nghiệp và thủy sản thì quá trình lựa chọn các sản phẩm phù hợp để kết hợp lại với nhau cho đúng khối lượng mong muốn càng khó khăn hơn do khối lượng các sản phẩm này thường không đồng đều nhau. Do đó, hệ thống cân đa đầu được xem là giải pháp tốt nhất trong việc cân nhanh và chính xác, giúp tăng năng suất, giảm chi phí sản xuất và hướng đến việc tự động hóa toàn bộ quá trình cân và đóng gói sản phẩm.

Bên cạnh công ty Ishida, một số công ty lớn trên thế giới cũng đã tham gia vào việc chế tạo và kinh doanh hệ thống cân đa đầu chẳng hạn như công ty Yamato (Nhật Bản), công ty Vtops (Trung Quốc), công ty ATCOPACK (Các Tiểu vương quốc Ả Rập Thống nhất). Mặc dù có nhiều sản phẩm thương mại từ nhiều công ty khác nhau đã bán trên thị trường nhưng nhìn chung giá thành của các hệ thống cân đa đầu thường khá cao. Điều này làm cho hầu hết các doanh nghiệp vừa và nhỏ khó có thể sử dụng được hệ thống cân nhanh và chính xác này.

Để từng bước tiếp cận công nghệ hệ thống cân đa đầu, một số công trình nghiên cứu trước đây cũng đã đề cập đến các giải thuật tìm kiếm tổ hợp các đầu cân để giảm thiểu tối đa sai số trong quá trình cân. James and Kim (2007) đã đề xuất một giải thuật tìm kiếm tổ hợp tối ưu mà tiết kiệm được thời gian tính toán bằng cách dùng thêm bộ phận nhớ tạm. Vài nghiên cứu đã thảo luận vấn đề thiết kế tối ưu cho hệ thống cân đa đầu và đã chỉ ra rằng số lượng đầu cân càng nhiều thì độ chính xác càng cao (Beretta et al., 2016; del Castillo et al., 2017; Van Niekerk et al., 2021). Một số nhóm nghiên cứu đã đề xuất giải pháp tìm kiếm tổ hợp tối ưu có xem xét cả hai mục tiêu đó là độ chính xác và thời gian tìm kiếm (Carlos García-Díaz & Pulido-Rojano, 2017; Pulido-Rojano et al., 2015; Rojano & Díaz, 2020; Karuno & Nakahama, 2020; García-Jiménez et al., 2024). Nhìn chung, các nghiên cứu này đã tập trung tìm kiếm các giải thuật nhằm tăng độ chính xác và tăng tốc độ xử lý. Tuy nhiên, các giải thuật này chỉ được mô phỏng trên máy tính, vẫn chưa thật sự kiểm chứng tính hiệu quả trên hệ thống thật. Parag et al. (2016) đã thử nghiệm một hệ thống cân đa đầu sử dụng vi điều khiển làm bộ xử lý trung tâm. Tuy nhiên, kết quả thực nghiệm vẫn chưa đạt được như mong muốn do dữ liệu còn bị nhiễu trong quá trình cân.

Từ những phân tích trên cho thấy rằng hệ thống cân đa đầu thương mại có chi phí cao, khó áp dụng rộng rãi cho các doanh nghiệp vừa và nhỏ ở Việt Nam. Các nghiên cứu trước về hệ thống cân đa đầu chủ yếu tập trung phát triển giải thuật và mô phỏng giải thuật trên máy tính nên vẫn chưa thể triển khai ứng dụng thực tế. Do đó, nghiên cứu này sẽ thiết kế, chế tạo và thử nghiệm thực tế một hệ thống cân đa đầu với chi phí thấp và độ chính xác đáp ứng được yêu cầu theo quy định hiện hành. Từ đó, các doanh nghiệp vừa và nhỏ có thể dễ dàng từng bước làm chủ công nghệ chế tạo hệ thống cân nhanh và chính xác này và hướng đến việc tự động hóa hoàn toàn trong công đoạn cân định lượng và đóng gói sản phẩm.

Qua quá trình nghiên cứu, kết quả đạt được như sau: robot có thể di chuyển đến các mốc vị trí đã thiết lập trước, tuy nhiên quỹ đạo di chuyển không được tối ưu do thời gian lấy mẫu tương đối dài cũng như sai sót do GPS giá rẻ là tương đối cao.

Ưu điểm của phương pháp tự hành bằng công nghệ định vị toàn cầu là đơn giản về thuật toán và có thể di chuyển xa, liên tục bên môi trường bên ngoài, không bị ảnh hưởng nhiễu từ môi trường như hệ thống máy ảnh số (digital camera).

Bên cạnh đó, phương pháp cũng có nhược điểm về hệ cảm biến định vị, do cảm biến GPS trong thí nghiệm là dạng cảm biến giá rẻ, độ chính xác ảnh hưởng rất lớn bởi tín hiệu từ số lượng vệ tinh bắt được trong cùng một thời điểm. Cảm biến GPS đề xuất chỉ có độ chính cao trong điều kiện ít mây, tránh xa các tòa nhà cao tầng, đều ảnh hưởng trực tiếp đến giao tiếp tín hiệu giữa cảm biến và vệ tinh.

Trong những nghiên cứu có liên quan, Nguyen et al. (2021) nghiên cứu xây dựng hệ thống định vị cho robot di động sử dụng ROS. Trong nghiên cứu này, nhóm tác giả đã sử dụng hệ tích hợp cảm biến bao gồm laser, encoder và lidar nhằm làm giảm sai robot trong không gian kín, làm việc trong nhà. Bên cạnh đó, Pham et al. (2023) xây dựng quỹ đạo cho robot di động sử dụng ROS khi đi sâu vào giải pháp lập kế hoạch cục bộ sử dụng thuật toán TEB (Timed Elastic Bands), nhằm giúp roobt có thể tuần tra trong nhà lưới nông nghiệp. Trong nghiên cứu này, nhóm nghiên cứu đánh giá khả năng sử dụng các cảm biến khác nhau khi robot di chuyển ở địa hình trống trong môi trường mở.

Từ đó, có một số kết luận: Nghiên cứu trình bày một giải pháp điều khiển robot di động tự xác định phương hướng và di chuyển đến vị trí cần đến trong môi trường bên ngoài thông qua hệ nhiều cảm biến. Theo đó một cảm biến la bàn HMC5883 được sử dụng để robot tự xác định góc quay của đỉnh đầu đến vị trí cần đến. Tiếp đó, một cảm biến GPS dùng để tính toán khoảng cách của robot đến vị trí mong muốn thông qua phương trình Harvesine và góc phương hướng từ robot đến vị trí xác định. Nghiên cứu được thực nghiệm tại môi trường bên ngoài với điều kiện sân trống, không có nhiều chướng ngại vật. Kết quả cho thấy robot có thể di chuyển đến vị trí mong muốn, từ đó là cơ sở cho các nghiên cứu sâu hơn về robot di chuyển trong môi trường bên ngoài.