Luận án Tiến sĩ Điều khiển và tự động hóa: Xây dựng Robot tự hành dạng Non-holonomic và tổng hợp bộ điều khiển bám quỹ đạo

Chia sẻ: _ _ | Ngày: | Loại File: PDF | Số trang:141

Thêm vào BST

Báo xấu

33
lượt xem 9
download

Download Vui lòng tải xuống để xem tài liệu đầy đủ

Mục tiêu của luận án là nghiên cứu, đề xuất thuật toán điều khiển thích nghi cho robot tự hành bám quỹ đạo trên cơ sở hệ phi tuyến bất định, đặc biệt chú ý đến chất lượng bám và sự thay đổi của các tham số của robot (bởi mục đích ứng dụng của robot là tương tác với đối tượng và môi trường khác nhau) và chịu tác động của nhiễu khi hoạt động trên các địa hình khác nhau.

Chủ đề:

Bình luận(0) Đăng nhập để gửi bình luận!

Lưu

Nội dung Text: Luận án Tiến sĩ Điều khiển và tự động hóa: Xây dựng Robot tự hành dạng Non-holonomic và tổng hợp bộ điều khiển bám quỹ đạo

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI --------oOo-------- NGÔ MẠNH TIẾN XÂY DỰNG ROBOT TỰ HÀNH DẠNG NONHOLONOMIC VÀ TỔNG HỢP BỘ ĐIỀU KHIỂN BÁM QUỸ ĐẠO LUẬN ÁN TIẾN SĨ ĐIỀU KHIỂN VÀ TỰ ĐỘNG HÓA HÀ NỘI - 2014
1 BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI --------oOo-------- NGÔ MẠNH TIẾN XÂY DỰNG ROBOT TỰ HÀNH DẠNG NONHOLONOMIC VÀ TỔNG HỢP BỘ ĐIỀU KHIỂN BÁM QUỸ ĐẠO Chuyên ngành: KỸ THUẬT ĐIỀU KHIỂN VÀ TỰ ĐỘNG HÓA Mã số: 62520216 LUẬN ÁN TIẾN SĨ ĐIỀU KHIỂN VÀ TỰ ĐỘNG HÓA NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC 1. GS. TS. Phan Xuân Minh 2. TS. Hoàng Ngọc Minh HÀ NỘI - 2014
i Lời cam đoan Tôi xin cam đoan luận án này là công trình nghiên cứu của chính bản thân. Các kết quả nghiên cứu trong luận án là trung thực và chưa được công bố trong bất kỳ công trình nào khác. Tác giả luận án Ngô Mạnh Tiến
ii Lời cảm ơn Sau một thời gian học tập, trau dồi kiến thức và nghiên cứu chuyên sâu, thực nghiệm kết quả, Luận án của tôi đã được hoàn thành. Bản Luận án này được hoàn thành trên cơ sở những kết quả nghiên cứu của tôi tại Bộ môn Điều khiển tự động - Trường Đại học Bách Khoa Hà Nội, tại cơ quan công tác của tôi là Phòng Quang điện tử - Viện Vật Lý, và dưới sự hướng dẫn Cô GS.TS Phan Xuân Minh, Đại Học Bách Khoa Hà Nội, người đã luôn tin tưởng, quan tâm, giúp đỡ, chỉ bảo và tạo mọi điều kiện cho tôi trong suốt quá trình thực hiện Luận án cũng như trong suốt hơn mười năm tôi học tập và nghiên cứu tại trường từ bậc Đại học. Cùng với Thầy và cũng là người phụ trách quản lý tại cơ quan công tác của tôi tại Viện Vật Lý là TS. Hoàng Ngọc Minh, người đã tạo điều kiện trong công việc, động viên, chỉ bảo cho tôi vượt qua những giai đoạn khó khăn nhất. Tôi xin được bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc, sự trân trọng và gửi tới Cô giáo và Thầy hướng dẫn những lời cảm ơn đặc biệt. Đây thực sự là một cơ hội lớn và là một thách thức lớn trong cuộc đời mà tôi đã được Thầy, Cô trao cho, đã tin tưởng và cùng đồng hành. Tôi xin chân thành cảm ơn PGS.TS. Nguyễn Doãn Phước, một người Thầy đã rất quan tâm chỉ bảo tôi từ bậc Đại học, một Trưởng Bộ môn luôn làm việc với tất cả trách nhiệm và tâm huyết dành cho các SV, NCS, cảm ơn Thầy về những gợi ý khoa học sáng tạo, những kiến thức bổ trợ chuyên sâu. Xin gửi lời cảm ơn đến các Thầy, Cô, bạn bè thuộc Bộ môn Điều khiển tự động - Viện Điện - Đại học Bách khoa Hà Nội về những ý kiến đóng góp và sự ủng hộ nhiệt tình. Trân trọng cảm ơn Viện Đào tạo sau Đại học, Đại học Bách khoa Hà Nội đã tạo mọi điều kiện thuận lợi nhất cho tôi thực hiện Luận án Tôi xin cảm ơn các thầy, cô giáo, bạn bè và đồng nghiệp luôn giúp đỡ, động viên và chia sẻ khó khăn để tôi hoàn thành tốt nhất Luận án. Cuối cùng là những người luôn đồng hành, đồng cảm và động viên tôi, nhưng cũng là những người luôn phải chịu đựng, gánh vác trách nhiệm gia đình cho tôi trong thời gian qua, gia đình nhỏ của tôi. Xin gửi lời cảm ơn từ đáy lòng mình đến tất cả! Tác giả luận án Ngô Mạnh Tiến
MỤC LỤC MỤC LỤC ...................................................................................................................... 1 DANH MỤC HÌNH VẼ ............................................................................................... 3 Danh mục các ký hiệu và chữ viết tắt .......................................................................... 6 MỞ ĐẦU......................................................................................................................... 7 1. Tính cấp thiết của luận án .....................................................................................7 2. Mục tiêu của luận án ............................................................................................. 9 3. Đối tượng và phạm vi nghiên cứu của luận án ...................................................9 4. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của luận án .......................................................10 5. Nội dung của luận án ...........................................................................................11 CHƯƠNG 1. ĐẶT VẤN ĐỀ NGHIÊN CỨU VÀ XÂY DỰNG MÔ HÌNH ROBOT THÍ NGHIỆM ..............................................................................................13 1.1. Nghiên cứu tổng quan về hệ thống robot có gắn camera ..............................13 1.1.1 Tổng quan về một hệ robot có gắn camera bám mục tiêu di động ...............13 1.1.2. Tổng quan tình hình nghiên cứu trong và ngoài nước.................................17 1.2.3. Kết luận và lựa chọn hướng nghiên cứu, phát triển Luận án ......................21 1.2. Xây dựng mô hình robot tự hành. ...................................................................22 1.2.1. Xây dựng cấu trúc của hệ robot tự hành .....................................................22 1.2.2. Xây dựng phần cứng cho mạch chủ điều khiển robot: ................................ 24 1.3. Kết luận chương 1 ............................................................................................. 27 CHƯƠNG 2. THIẾT KẾ CHẾ TẠO CẢM BIẾN VỊ TRÍ TRÊN CƠ SỞ XỬ LÝ ẢNH CHO BÀI TOÁN BÁM MỤC TIÊU DI ĐỘNG .............................................29 2.1. Tổng quan về hệ thống bám ảnh tự động .......................................................29 2.1.1. Tổng thể hệ bám ...........................................................................................29 2.1.2. Kiến trúc tổng thể hệ bám. ...........................................................................30 2.2. Lập trình xử lý ảnh bám mục tiêu chuyển động ............................................32 2.2.1. Phương pháp bám theo các đặc điểm của ảnh (Thuật toán KLT) ...............32 2.2.2. Thuật toán bám ảnh Camshift ......................................................................35 2.2.3. Kết hợp bộ lọc Kalman với thuật toán bám ảnh Camshift...........................36 2.3. Kết luận chương 2 ............................................................................................. 43 CHƯƠNG 3: MÔ HÌNH HÓA HỆ ROBOT TỰ HÀNHGẮN CAMERA............. 44 3.1. Mô hình hóa hệ thống Pan/Tilt. .......................................................................44 3.2. Quy chiếu tọa độ mục tiêu và camera về tọa độ tâm robot .........................48 1
3.3. Mô hình động học, động lực học robot di động .............................................50 3.4. Kết luận chương 3 ............................................................................................. 55 CHƯƠNG 4: THIẾT KẾ BỘ ĐIỀU KHIỂN THÍCH NGHI ĐIỀU KHIỂN BÁM QUỸ ĐẠO CHO ROBOT TỰ HÀNH .......................................................................56 4.1. Các phương pháp điều khiển bám quỹ đạo cho robot tự hành ....................57 4.1.1. Điều khiển bám sử dụng trực tiếp hàm điều khiển Lyapunov ......................58 4.1.2. Các phương pháp dựa trên điều khiển trượt. ...............................................60 4.1.3. Một số thuật toán khác .................................................................................62 4.2. Thuật toán thích nghi theo mô hình mẫu để điều khiển bám quỹ đạo cho robot tự hành khi robot có tham số m, I là bất định ............................................63 4.3. Thuật toán điều khiển bám quỹ đạo thích nghi robot tự hành khi có các tham số m, I thay đổi và chịu tác động bởi nhiễu. ................................................68 4.3.1. Mô hình động học, động lực học: ................................................................ 69 4.3.2. Cấu trúc của hệ điều khiển ..........................................................................70 4.3.3. Tổng hợp bộ điều khiển thích nghi theo mô hình mẫu .................................71 4.3.3.1. Bộ điều khiển động học vòng ngoài ..........................................................72 4.3.3.2. Tổng hợp bộ điều khiển vòng trong ..........................................................72 A. Xây dựng mô hình động học mẫu ......................................................................72 B. Giải thuật điều khiển thích nghi theo mô hình mẫu ..........................................74 C. Tính ổn định của toàn hệ:..................................................................................77 4.4. Kết quả mô phỏng ............................................................................................79 4.4.1. Khi quỹ đạo đặt là đường thẳng ..................................................................81 4.4.2 Khi quỹ đạo đặt là đường tròn có tâm tại gốc tọa độ (0,0), bán kính bằng 5 ................................................................................................................................ 84 4.5 Kết quả chạy thực nghiệm ...............................................................................88 4.6. Kết Luận chương 4 ...........................................................................................89 KẾT LUẬN .................................................................................................................. 91 1. Các kết quả đạt được của Luận án ....................................................................91 2. Hướng phát triển của Luận án. ..........................................................................93 TÀI LIỆU THAM KHẢO .......................................................................................... 94 CÁC CÔNG TRÌNH ĐÃ CÔNG BỐ CỦA TÁC GIẢ LUẬN ÁN ........................ 101 2
DANH MỤC HÌNH VẼ Hình 1.1. Sơ đồ tổng quan của một hệ thống tích hợp quang điện tử ...........................15 Hình 1.2. Sơ đồ hệ thống robot và camera cố định ......................................................16 Hình 1.3. Sơ đồ hệ thống robot và camera di chuyển ...................................................17 Hình 1.4. Ảnh một số sản phẩm hệ quang điện tử tích hợp cố định trên thế giới .........18 Hình 1.5. PAN robot, robot Pops, MIDbo ...................................................................18 Hình 1.6. robot Talon, robot MARRS và robot Spirit thám hiểm sao hỏa của NASA 19 Hình 1.7. Sơ đồ tổng quan của hệ thống robot tự hành bám mục tiêu di động ............22 Hình 1.8. Cấu trúc tổng thể phần cứng khi gắn liền bộ xử lý trung tâm trên xe robot .23 Hình 1.9. Cấu trúc tổng thể phần cứng khi tách bộ xử lý trung tâm đặt riêng tại trung tâm điều khiển ................................................................................................................23 Hình 1.10. Ảnh chụp toàn bộ hệ robot tự hành sản phẩm ............................................26 Hình 1.11. Ảnh chụp bên trong và bên ngoài robot ......................................................27 Hình 2.1. Cảm biến ảnh, gimbal và bộ xử lý .................................................................30 Hình 2.2. Cửa sổ mục tiêu khử nhiễu ...........................................................................31 Hình 2.3. Kiến trúc toàn thể hệ thống bám ..................................................................32 Hình 2.4. Lưu đồ thuật toán Camshift ..........................................................................36 Hình 2.5. Sơ đồ kết hợp bộ lọc Kalman và Camshift ....................................................37 Hình 2.6. Sơ đồ tóm tắt của bộ lọc Kalman ..................................................................38 Hình 2.7. Kết quả dự đoán vị trí với bộ lọc Kalman .....................................................39 Hình 2.8. Bộ lọc Kalman khi bị che khuất .....................................................................40 Hình 2.9. Sơ đồ tóm tắt của bộ lọc Kalman mở rộng ....................................................41 Hình 2.10. Việc theo dõi các chuyển động phức tạp sử dụng bộ lọc Kalman mở rộng 42 Hình 2.11. Chụp các frame chạy thực nghiệm thuật toán bám Camshift không có Kalman...........................................................................................................................42 Hình 2.12. Chụp các frame chạy thực nghiệm với thuật toán bám Camshift có Kalman .......................................................................................................................................43 Hình 3.1. Mô hình hóa hệ đế xoay Pan/Tilt ..................................................................44 Hình 3.2. Mô hình robot tự hành có gắn đế xoay Pan/Tilt ..........................................48 Hình 3.3. Tính toán vị trí đối tượng theo tọa độ robot ..................................................49 3
Hình 3.4. Tính toán động học ngược cho vị trí thực camera ........................................50 Hình 3.5. Phối cảnh của robot tự hành dạng non-honolomic cơ bản ...........................51 Hình 3.6. Phối cảnh của robot di động .........................................................................53 Hình 4.1. Phối cảnh của hệ robot gắn camera bám mục tiêu di động ..........................56 Hình 4.2. Cấu trúc điều khiển bám sử dụng hàm Lyapunov .........................................58 Hình 4.3. Cấu trúc rút gọn điều khiển bám sử dụng hàm Lyapunov ...........................59 Hình 4.4. Cấu trúc điều bám khiển thích nghi tách mô hình động học và động lực học .......................................................................................................................................63 Hình 4.5. Cấu trúc hai vòng điều khiển.........................................................................70 Hình 4.6. Sơ đồ khối tổng thể của hệ thống điều khiển thích nghi đề xuất ...................77 Hình 4.7. Sơ đồ cấu trúc hệ thống điều khiển ..............................................................79 Hình 4.8. Sơ đồ mô phỏng trêm Simulink hệ thống khi sử dụng bộ điều khiển thường 80 Hình 4.9. Sơ đồ mô phỏng trêm Simulink hệ thống khi sử dụng bộ điều khiển thích nghi theo mô hình mẫu đề xuất ..............................................................................................80 Hình 4.10. (a) Hội tụ của các biến sai lệch; (b) Vận tốc tịnh tiến và vận tốc quay khi sử dụng bộ điều khiển thường. ......................................................................................81 Hình 4.11. (a) Hội tụ của các biến sai lệch; (b) Vận tốc tịnh tiến và vận tốc quay khi sử dụng MRAS. ..............................................................................................................82 Hình 4.12. (a) Hội tụ của các biến sai lệch; (b) Vận tốc tịnh tiến và vận tốc quay khi sử dụng bộ điều khiển thường khi tham số robot thay đổi. ...........................................83 Hình 4.13. (a) Hội tụ của các biến sai lệch; (b) Vận tốc tịnh tiến và vận tốc quay khi sử dụng bộ điều khiển MRAS khi tham số robot thay đổi. ............................................84 Hình 4.14. (a) Quỹ đạo bám các biến sai lệch; (b) Vận tốc tịnh tiến và vận tốc quay khi sử dụng bộ điều khiển thường. ................................................................................85 Hình 4.15. (a) Quỹ đạo bám các biến sai lệch; (b) Vận tốc tịnh tiến và vận tốc quay khi sử dụng MRAS. ........................................................................................................86 Hình 4.16. (a) Quỹ đạo bám; (b) Vận tốc tịnh tiến và vận tốc quay khi sử dụng bộ điều khiển thường khi tham số robot thay đổi. .....................................................................87 Hình 4.17. (a) Quỹ đạo bám; (b) Vận tốc tịnh tiến và vận tốc quay khi sử dụng bộ điều khiển MRAS khi tham số robot thay đổi ............................................................... 87 Hình 4.18. Sơ đồ khối cấu trúc tổng thể của hệ thống ..................................................88 4
Hình 4.19. Giao diện HMI trên máy tính PC ............................................................... 88 Hình 4.20. Một số hình ảnh chạy thực nghiệm robot tự hành bám và gắp đối tượng là quả bóng màu đỏ R=5cm. Kết quả robot bám và gắp vật tốt, tuy nhiên mới chỉ thử nghiệm trong phạm vi
Danh mục các ký hiệu và chữ viết tắt Chữ viết tắt Tiếng anh Tiếng việt Application-Specific Integrated Mạch tích hợp ứng dụng chuyên ASIC Circuit biệt (hay IC chuyên dụng) DSP Digital Signal Processor Bộ xử lý tín hiệu số. không gian màu HSV, là một HSV Hue, Saturation and Value không gian màu dựa trên ba số liệu: (Hue) vùng màu; (Saturation) độ bão hòa màu; (Value) độ sáng. I/O In/Out Vào/Ra KLT Kanade–Lucas–Tomasi Feature Bám theo đặc trưng ảnh Tracker LED Light-emitting Diod Đi ốt phát quang LCD Liquid Crystal Display Màn hình tinh thể lỏng MCU Micro Control Unit Vi điều khiển Multiple-Inputs and Multiple- MIMO Hệ nhiều đầu vào-nhiều đầu ra Outputs Model Reference Adaptive MRAS Hệ thích nghi mô hình mẫu Systems MISO Multi Input –Single Output Hệ nhiều đầu vào- một đầu ra FLS Fuzzy Logic System Hệ logic mờ Fuzzy Model Reference Điều khiển mờ thích nghi mô hình FMRLC Learning Control mẫu Proportional–Integral– PID Bộ điều khiển tỷ lệ vi tích phân Derivative PC Persional Computer Máy tính cá nhân PWM Pulse Wide Modulation Điều chế độ rộng xung SISO Single Input- Single Output Hệ một đầu vào-một đầu ra 6
MỞ ĐẦU 1. Tính cấp thiết của luận án Robot đang là tâm điểm của một cuộc cách mạng lớn sau Internet, ngày càng được ứng dụng rộng rãi trong công nghiệp, cuộc sống, an ninh quốc phòng, và thám hiểm không gian. Các nghiên cứu tập trung vào cải thiện, tăng tính linh hoạt, khả năng thích ứng khi làm việc ở những vị trí và các ứng dụng khác nhau cho robot tự hành đang thu hút các nhà nghiên cứu. Bên cạnh ứng dụng các cải tiến các thiết kế cơ khí, cơ cấu chấp hành chuyển động linh hoạt thì việc ứng dụng “mắt máy” và phần mềm xử lý, điều khiển sẽ đem lại cho robot tính linh hoạt và thông minh. Các robot tự hành có gắn camera và các thiết bị kỹ thuật khác nhằm thực hiện một nhiệm vụ đặt trước, ví dụ như các hệ thống phát hiện lỗi của vật liệu sử dụng camera, các hệ thống dò đường, hệ thống phát hiện lỗi và hàn tự động, vận chuyển hàng hóa trong kho bãi, các hệ phát hiện và bám mục tiêu di động,…Trong các hệ phát hiện và bám mục tiêu di động, camera được trang bị để có thể nhận biết mục tiêu, kết hợp với các thuật toán xử lý ảnh để xác định chính xác vị trí của mục tiêu (có chức năng như một mắt thần) để từ đó điều chỉnh cơ cấu chấp hành sao cho tâm của mắt bám đúng mục tiêu. Trong những năm gần đây, các hệ thống bám mục tiêu di động được quan tâm nghiên cứu rất rộng rãi, nhất là trong lĩnh vực quốc phòng. Luận án đề cập đến việc nghiên cứu thiết kế và chế tạo robot tự hành dạng non-holonomic bám mục tiêu di động trong phòng thí nghiệm cơ điện tử với mục đích phục vụ cho công tác nghiên cứu các thuật toán xử lý ảnh và điều khiển hiện đại làm tiền đề cho việc chế tạo các sản phẩm phục vụ đào tạo, y tế, công nghiệp và xa hơn nữa là ứng dụng cho an ninh, quốc phòng. Sản phẩm trông đợi của luận án là một robot tự hành tự động bám mục tiêu di động trong phòng thí nghiệm. Ngày nay, với sự phát triển của công nghệ điện tử, tốc độ tính toán của vi xử lý tăng vượt trội, các chức năng hỗ trợ giao tiếp với các ngoại vi cũng được tích hợp trên một chip, nhờ vậy mà các phương pháp xử lý ảnh hiện đại và các phương pháp điều khiển phức tạp như điều khiển thích nghi bền vững có thể thực thi một cách dễ dàng hơn, chính vì thế các hệ thống bám mục tiêu di động được cải thiện rất nhiều về mặt chất lượng. Vì thế, các nghiên cứu phát triển thuật toán xử lý ảnh hiện đại và các thuật toán điều khiển bám thích nghi, bền vững ngày càng trở nên cấp thiết do khả năng thực 7
hiện các thuật toán này trong thực tế sẽ giúp cho các hệ thống điều khiển bám mục tiêu ổn định, chính xác và bền vững hơn khi hệ thống hoạt động trong môi trường thực tế có nhiễu tác động và có sự thay đổi của tham số mô hình. Các robot thông minh có trang bị camera thường có hai loại: loại đặt cố định thường là một bệ đế xoay Pan/Tilt có gắn camera (robot hai bậc tự do) và loại thứ hai là robot tự hành có gắn camera. Trên thế giới, các hệ thống bám đặt cố định thường được phát triển bởi các tập đoàn sản xuất chế tạo vũ khí, thiết bị an ninh trên thế giới, đó đều là những tập đoàn, công ty có nhiều năm kinh nghiệm trong lĩnh vực sản xuất chế tạo vũ khí, thiết bị an ninh. Cũng đã có một số công trình công bố liên quan [35,36,37,38] tuy nhiên đa số là những bài nghiên cứu, giới thiệu tổng quan không hề có các kết quả cụ thể, chi tiết hay là bí quyết công nghệ mới trong đó. Vì đây là các hệ thống tích hợp ứng dụng nhiều cho an ninh, quốc phòng nên có tính nhạy cảm rất cao, do vậy việc bí mật các bí quyết công nghệ là tất yếu. Đã có rất nhiều loại sản phẩm được thương mại hóa, tuy nhiên giá của một hệ thống robot tích hợp tự động bám mục tiêu (ứng dụng cho an ninh, quốc phòng) tùy theo các tính năng kèm theo có giá từ vài trăm nghìn, hàng triệu đến vài chục triệu USD (đặc biệt là Việt Nam không thể mua được đồng bộ vì thường bị cấm xuất khẩu). Do đó, việc nghiên cứu về lĩnh vực này trở nên cấp thiết, cũng đã có một số cơ quan nghiên cứu của Việt Nam đã và đang phát triển các nhiệm vụ nghiên cứu theo hướng này và đã đạt được một số thành quả nhất định [13,14,15,20]. Thời gian gần đây, các robot tự động bám mục tiêu đang thu hút sự tập trung nghiên cứu. Trên thế giới, các hệ thống này được trang bị trên các tàu chiến, xe tăng, máy bay chiến đấu, máy bay không người lái, hay là các robot chiến binh để dò phá bom mìn, tình báo, hoạt động trong các môi trường độc hại, các địa hình hiểm trở,…. Với hệ thống bám di động thì độ phức tạp đã tăng lên, các công bố khoa học liên quan lại rất ít, đặc biệt là các công trình liên quan đến việc thiết kế, chế tạo thì hầu như không có [70,77]. Tại Việt Nam, các kết quả nghiên cứu ở lĩnh vực này chưa nhiều, đặc biệt các cơ sở nghiên cứu không trực thuộc bộ quốc phòng chưa được hỗ trợ kinh phí để phát triển nghiên cứu và chế tạo thử nghiệm các sản phẩm nên khả năng tiếp cận trình độ thế giới còn nhiều khó khăn. Xuất phát từ những luận điểm đã nêu trên, nghiên cứu sinh đã lựa chọn đề tài cho luận án của mình là: “Xây dựng Robot tự hành dạng Non-holonomic và tổng hợp bộ điều khiển bám quỹ đạo” 8
Nội dung nghiên cứu của luận án này sẽ tập trung vào việc xây dựng và phát triển một hệ robot tự hành dạng non-holonomic có gắn camera, có khả năng bám theo mục tiêu di động. Để thực hiện được nội dung này cần phải tiến hành các bước: chế tạo phần cứng cho robot tự hành, mô hình hóa và mô phỏng hệ robot đã xây dựng, nghiên cứu các thuật toán xử lý bám ảnh tự động và nâng cao chất lượng bám, nghiên cứu các thuật toán điều khiển bám cho robot để từ đó đề xuất thuật toán điều khiển thích nghi nâng cao chất lượng bám cho hệ phi tuyến có mô hình bất định, và cuối cùng là hiện thực hóa các nghiên cứu bằng sản phẩm của luận án, một robot tự hành bám mục tiêu di động, nhằm mục đích kiểm tra tính đúng đắn của các thuật toán được đề xuất và làm cơ sở phát triển các nghiên cứu tiếp theo. 2. Mục tiêu của luận án Mục tiêu của luận án là nghiên cứu, đề xuất thuật toán điều khiển thích nghi cho robot tự hành bám quỹ đạo trên cơ sở hệ phi tuyến bất định, đặc biệt chú ý đến chất lượng bám và sự thay đổi của các tham số của robot (bởi mục đích ứng dụng của robot là tương tác với đối tượng và môi trường khác nhau) và chịu tác động của nhiễu khi hoạt động trên các địa hình khác nhau. Một yếu tố cũng cần chú ý là thuật toán đó phải hướng đến lập trình nhúng trên vi xử lý và chạy thử nghiệm thực tế các thuật toán mới đề xuất, do đó nhiệm vụ là phải thiết kế, chế tạo một robot tự hành có gắn camera tự động bám mục tiêu di động trong phòng thí nghiệm để kiểm chứng. Bên cạnh việc tập trung nghiên cứu thuật toán điều khiển mới, việc nghiên cứu và đề xuất thuật toán trong xử lý ảnh để cải thiện chất lượng phát hiện và định vị mục tiêu phải tiến hành song song, bởi tốc độ, độ chính xác tổng thể của toàn hệ thống gắn liền với độ chính xác của “sensor ảnh”. 3. Đối tượng và phạm vi nghiên cứu của luận án Về lý thuyết:  Nghiên cứu tổng quan về hệ thống quang điện tử tích hợp, robot tự hành, tình hình nghiên cứu trong và ngoài nước, từ đó rút ra các hướng nghiên cứu thích hợp cho luận án.  Nghiên cứu các thuật toán xử lý ảnh bám bắt mục tiêu di động, đề xuất các phương pháp cải thiện nâng cao chất lượng và tốc độ bám.  Mô hình hóa và mô phỏng động học, động lực học, động học ngược của mô hình robot tự hành, các bài toán quy đổi các tọa độ, trục tọa độ của bài toán điều khiển bám robot theo ảnh. 9
 Nghiên cứu các thuật toán điều khiển thích nghi robot, mục đích là nâng cao chất lượng bám và khả năng thích nghi khi robot có các tham số thay đổi và có nhiễu tác động khi hoạt động trong môi trường thực tế và tương tác với mục tiêu (có các tham số khối lượng và mô men quán tính thay đổi và chịu tác động của nhiễu sai lệch mô hình).  Thiết kế một cấu trúc phần mềm điều khiển hoàn chỉnh, đồng bộ hóa và có khả năng cài đặt cho robot thực tế để kiểm định các kết quả nghiên cứu lý thuyết chuyên sâu vào sản phẩm robot. Về thực hành:  Với mục tiêu sản phẩm phải có khả năng ứng dụng, do đó công việc khảo sát, đánh giá các sản phẩm đã có trong và ngoài nước nhằm rút ra các tiêu chuẩn cho sản phẩm của luận án là công việc đầu tiên.  Thiết kế và chế tạo đồng bộ phần cứng và các thiết bị ngoại vi với phần cơ khí theo đúng tiêu chuẩn công nghiệp, thuận tiện cho người sử dụng, dễ dàng lắp ghép thao tác và nâng cấp. Chế tạo các mạch điện tử, điều khiển, giao tiếp ngoại vi với mục tiêu đủ nhanh, mạnh theo hướng có thể mở rộng và nâng cấp.  Nghiên cứu, thiết kế và chế tạo cảm biến định vị mục tiêu trên cơ sở công nghệ xử lý ảnh kết hợp với bộ lọc Kalman.  Thiết kế cấu trúc, lập trình, cài đặt các thuật toán đã nghiên cứu cho robot, chạy thử nghiệm và đánh giá kết quả. 4. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của luận án Ý nghĩa khoa học:  Một thuật toán thích nghi theo mô hình mẫu mới được đề xuất để điều khiển bám quỹ đạo cho robot tự hành khi robot có tham số m, I là bất định và có tác động của nhiễu. Thuật toán này chưa được cài đặt trên bất cứ robot nào trước đó trong và ngoài nước, có tính linh hoạt cao, cấu trúc đơn giản, dễ dàng cho việc lập trình cài đặt trên vi xử lý, có khả năng thích nghi khi có nhiễu tác động hoặc khi tham số m và I của robot thay đổi đặc biệt thích hợp với mô hình robot sản phẩm của luận án. Bộ điều khiển đề xuất là sự kết hợp giữa hai khâu: bộ điều khiển phi tuyến cho mô hình động học và bộ điều khiển thích nghi mô hình mẫu cho mô hình động lực học sử dụng thông tin phản hồi từ cơ cấu chấp hành của robot tự hành. Ý nghĩa về mặt công nghệ thực tiễn: 10
 Thiết kế, chế tạo và chạy thử nghiệm thành công robot tự hành có gắn camera. Sản phẩm này có thể sử dụng trong đào tạo thực tiễn cho sinh viên, học viên cao học các ngành robot, tự động hóa, điều khiển và cơ điện tử… hiện đang rất cần tại Việt Nam. Sản phẩm cũng đang được sử dụng để phục vụ đào tạo và nghiên cứu khoa học cho sinh viên ngành điều khiển tự động, trường Đại học Bách khoa HN, Đại học KH&CN – Viện Hàn lâm Khoa học và Công nghệ Việt Nam, ngành cơ điện tử, Điện tử trường Đại học Công nghiệp Hà Nội và trường Cao đẳng nghề Công nghệ cao Hà Nội. Hướng phát triển đến các ứng dụng thực tiễn như chế tạo các robot dò tìm lỗi và hàn tự động, dò đường và trải thảm nhựa đường tự động, robot quan trắc môi trường tại các nơi có điều kiện môi trường độc hại, robot phục vụ chăm sóc y tế, robot dò phá bom mìn… 5. Nội dung của luận án Bố cục của luận án bao gồm 5 Chương: Chương 1: "Đặt vấn đề nghiên cứu và xây dựng robot tự hành", nghiên cứu tổng quan về hệ thống robot tự hành có gắn camera tự động bám theo mục tiêu di động, các nghiên cứu liên quan đến lĩnh vực này trong và ngoài nước nhằm định hướng nghiên cứu phát triển cho luận án bao gồm các yêu cầu về phần cứng, phần mềm, nghiên cứu và phát triển thuật toán xử lý ảnh, thuật toán điều khiển mới phù hợp cho sản phẩm của luận án được đề xuất. Chương 2: " Thiết kế chế tạo cảm biến vị trí trên cơ sở xử lý ảnh cho bài toán bám bắt mục tiêu di động" đi sâu nghiên cứu các vấn đề về lý thuyết xử lý ảnh bám bắt: cấu trúc của một vòng xử lý và điều khiển bám bắt mục tiêu di động, các thuật toán xử lý ảnh bám bắt mục tiêu di động như KLT, Corelation Template, MeanShif, Camshif. Đề xuất một giải pháp mới là kết hợp thuật toán Camshift với bộ lọc Kalman để cải thiện chất lượng ảnh nhằm nâng cao độ chính xác của cảm biến bắt mục tiêu. Chương 3: "Mô hình hóa hệ robot tự hành có gắn camera" đi sâu nghiên cứu các phương pháp mô hình hóa, mô phỏng hệ robot tự hành có gắn camera, đồng bộ hệ trục tọa độ về tọa độ tâm robot nhằm phục vụ cho bài toán thiết kế thuật toán điều khiển bám quĩ đạo, xây dựng mô hình mô tả động học, động lực học, động học ngược của robot tự hành có gắn camera, sản phẩm của luận án, đã được thiết kế và chế tạo ở Chương 1 và quy đổi hệ tọa độ về tâm của robot sản phẩm được kết hợp với các thuật toán xử lý ảnh ở chương 2 để xác định quỹ đạo đặt cho bài toán điều khiển bám quỹ đạo của robot tự hành được nghiên cứu ở chương tiếp theo sau. 11
Chương 4: "Thiết kế bộ điều khiển thích nghi điều khiển bám quỹ đạo robot tự hành". Đây là đóng góp chính của luận án. Trong chương này, ngoài việc trình bày một số phương pháp điều khiển bám quỹ đạo cho robot tự hành đã được công bố, nghiên cứu về thuật toán thích nghi theo mô hình mẫu bám quỹ đạo cho robot tự hành mới công bố [60] được trình bày. Từ các phân tích ưu nhược điểm của thuật toán này, một đề xuất mới nhằm mở rộng thuật toán thích nghi theo mô hình mẫu bám quỹ đạo cho robot tự hành ngoài các tham số khối lượng m,và moment quán tính I là bất định còn có thêm tác động của nhiễu. Bộ điều khiển đề xuất được thực hiện trên cơ sở cấu trúc điều khiển cascade gồm hai khâu: bộ điều khiển phi tuyến cho mô hình động học và bộ điều khiển thích nghi mô hình mẫu cho mô hình động lực học sử dụng thông tin phản hồi từ cơ cấu chấp hành của robot tự hành. Tính ổn định của hệ kín được khảo sát và thỏa mãn bởi việc lựa chọn hàm Lyapunov tương thích. Các kết quả mô phỏng, chạy thử nghiệm cho thấy tính đúng đắn của các phân tích lý thuyết, hiệu quả của của bộ điều khiển đề xuất và khả năng ứng dụng trong thực tế. Chương 5: “Kết luận” trình bày tóm tắt các đóng góp chính của luận án và hướng phát triển của luận án trong tương lai. 12
CHƯƠNG 1. ĐẶT VẤN ĐỀ NGHIÊN CỨU VÀ XÂY DỰNG MÔ HÌNH ROBOT TỰ HÀNH Các hệ quang điện tử tích hợp hay robot thông minh có trang bị camera thường có hai loại: loại đặt cố định thường là một bệ đế xoay Pan/Tilt có gắn camera (robot hai bậc tự do) và loại thứ hai là robot tự hành có gắn camera. Loại thứ nhất được tập trung nghiên cứu và có nhiều sản phẩm nổi bật đã được sử dụng cho các hệ thống an ninh, quốc phòng đặc biệt là các hệ thống khí tài trang bị cho phòng không không quân, hải quân, và cảnh giới bờ biển… Ngoài việc hệ Pan/Tilt cố định có tích hợp camera như trên, hiện hướng nghiên cứu các robot tự hành có gắn camera cũng đang là hướng nghiên cứu tập trung của các nhà nghiên cứu. Một hệ thống robot thông minh có gắn vũ khí cũng được sử dụng nhiều trong y tế, công nghiệp, an ninh quốc phòng và có khả năng thay thế con người làm việc trong các điều kiện khắc nghiệt và nguy hiểm hoặc khám phá không gian. Các robot tự hành loại này trước đây thường hoạt động bằng các cảm biến như cảm biến màu sắc, hồng ngoại, cảm biến dò đường, siêu âm. Gần đây các robot loại này được phát triển và tích hợp thêm “thị giác”, việc tích hợp trên robot hệ thống camera thông minh ứng dụng công nghệ xử lý ảnh sẽ tăng khả năng cơ động, và “thông minh” cho robot. Nội dung của chương 1 tập trung vào việc nghiên cứu tổng quan về một hệ robot tự hành có gắn camera, phân tích tình hình nghiên cứu trong và ngoài nước nhằm rút ra hướng nghiên cứu trọng tâm của luận án. Chương này cũng trình bày việc xây dựng và phát triển hoàn thiện phần cứng cho một robot tự hành có gắn camera nhằm mục đích vào việc thử nghiệm lý thuyết, thuật toán nghiên cứu của luận án. 1.1. Nghiên cứu tổng quan về hệ thống robot có gắn camera 1.1.1 Tổng quan về một hệ robot có gắn camera bám mục tiêu di động Thông tin hình ảnh nhận được từ đôi mắt có vai trò rất quan trọng đối với con người, nó là kênh thông tin chủ yếu để đưa ra các quyết định của con người, có cấu tạo không quá phức tạp song lại chứa một lượng thông tin khổng lồ. Do đó việc nghiên cứu và đưa các ứng dụng của thị giác vào ứng dụng trong thực tế đã được đưa ra từ khá lâu, tuy nhiên chỉ mới mấy thập kỷ gần đây, với sự phát triển mạnh của các ngành công nghệ cao liên quan như toán – công nghệ thông tin, công nghệ vi điện tử – xử lý 13
tín hiệu số, đầu thu quang lượng tử, laser, vi cơ - quang - điện tử MEMS, OMEMS thì những ý tưởng đó mới dần trở thành hiện thực và “thị giác máy” trở thành một ngành khoa học mới với đầy những hứa hẹn. Xin nêu một số ứng dụng cụ thể [19]: 1/. Trong quân sự: Các hệ thống tích hợp nhìn ngày và quang hồng ngoại nhìn đêm có khả năng quan sát và tự động điều khiển dàn hỏa lực (pháo, tên lửa) được lắp đặt cho các chốt điểm trên đất liền, cho chốt canh của các hải đảo, trận địa cao xạ, trên xe tăng, tàu chiến, máy bay, tên lửa hoặc vệ tinh. Chúng được thay thế và hỗ trợ các dàn rada dễ bị nhiễu trong việc tự động phát hiện, cảnh giới, bám bắt mục tiêu. Đặc biệt có những loại lắp trên máy bay có khả năng điều khiển hỏa lực đánh phá hàng chục mục tiêu một lúc. Ngoài ra còn phải kể đến các đầu tự dẫn tên lửa và đạn thông minh 2/. Trong an ninh, phòng chống tội phạm, bảo vệ pháp luật: Các hệ thống camera nhận dạng khuôn mặt vân tay tự động cũng như phát hiện, theo dõi, cảnh báo các âm mưu và hoạt động khủng bố. Các xe robot tự hành có gắn các camera cũng được ứng dụng trong các môi trường độc hại, dò phá bom mìn. 3/. Trong lĩnh vực hàng không vũ trụ: Các hệ thống ống kính chụp ảnh viễn thám (remote sensing) lắp trên các vệ tinh bay quanh trái đất có thể chụp và quan sát được các vật kích cỡ 0,5 m từ độ cao 750 km trong mọi điều kiện thời tiết... Việc nối ghép các ống kính này với hệ thống GPS sẽ cho phép xây dựng các bản đồ số có những lĩnh vực ứng dụng cực kỳ quan trọng trong quốc phòng an ninh, phát triển kinh tế, xã hội.... Các robot tự hành thám hiểm các hành tinh mà con người chưa thể tới được. 4/. Trong công nghiệp, giao thông, xây dựng: Hệ thống quang điện tử đóng vai trò của các thị giác máy (machine vision) có khả năng tự động đo đạc kiểm tra chất lượng sản phẩm trong các dây chuyền sản xuất: phân loại hạt ngũ cốc, cà phê; tìm lỗi lắp ráp linh kiện các bản vi mạch và khuyết tật các mối hàn và động cơ. Các hệ thống này cũng được ứng dụng như các robot hàn tự động, vận chuyển kho bãi, trải thảm nhựa, aphal trong xây dựng đường giao thông... Các hệ thống quang điện tử cũng được ứng dụng ngày càng nhiều trong giao thông như đo tốc độ, tự động kiểm soát điều khiển và phân luồng giao thông. 5/. Trong nghiên cứu y sinh dược học: Các kính hiển vi có khả năng tự động nhận dạng và đo đếm các tế bào với độ chính xác cao. Các kính hiển vi có hệ thống dẫn đường laser cho phép thực hiện những phẫu thuật rất phức tạp như mổ u não, nơi 14
mà một sự không chính xác cỡ m cũng gây tổn hại đến các dây thần kinh chằng chịt xung quanh... 6/. Trong công nghiệp giải trí truyền hình: Các hệ thống tích hợp có thể điều khiển các camera kích thước và khối lượng lớn dễ dàng tự động bám theo các đối tượng chuyển động nhanh như bóng đang bay, đua xe.. - Cấu tạo và nguyên lý hoạt động Qua những ứng dụng trên cho thấy: một hệ robot có gắn camera (hệ quang điện tử tích hợp) là một chu trình khép kín từ lúc phát tín hiệu hình ảnh (đối tượng, nguồn sáng sử dụng...) qua khâu truyền tải và biến đổi tín hiệu quang học (các ống kính...) cho đến việc thu nhận (CCD...) xử lý và điều khiển các cơ cấu chấp hành. Trong mọi khâu ta đều thấy sự tích hợp của nhiều lĩnh vực công nghệ cao như toán-tin học, vi điện tử-máy tính, đầu thu quang lượng tử, laser, cơ khí chính xác, quang học, MEMS, OMEMS, điều khiển điện tự động, robot, xử lý nhận dạng ảnh... Điều khiển Đầu thu Số hóa ảnh các động cơ CCD, IR A/D Thiết bị điều Xử lý và khiển (PLC, vi điều khiển Các tín hiệu nhận dạng Hiển thị ảnh truyền ) cảnh báo ảnh thông Lưu trữ ảnh Truyền tín hiệu điều khiển cho các trạm khác Máy in Cảm biến hỗ trợ khác Các đèn chiếu sáng phụ Hình 1.1. Sơ đồ tổng quan của một hệ robot có tích hợp camera. Sơ đồ nguyên lý hoạt động của hệ robot có tích hợp camera được biểu diễn qua Hình 1.1 [19] nó bao gồm những cụm chức năng chính sau: 1/- Hệ thu nhận tín hiệu hình ảnh: bao gồm các camera, ống kính. 15
2/- Bộ chuyển đổi tín hiệu A/D: mạch vi điện tử frame grabber để số hóa tín hiệu hình ảnh cho máy tính, bộ vi xử lý, bộ xử lý tín hiệu số. 3/- Hệ thống điều khiển trung tâm: sự phát triển vũ bão của công nghệ sản xuất vi mạch đã đưa ra những công nghệ vi xử lý mới dựa trên xử lý tín hiệu số có tốc độ và hiệu năng tính toán cao như ARM, DSP, FPGA và mạch ASICs (custom aplication- specific intergrated circuits) không chỉ làm tăng tốc độ xử lý tính toán điều khiển mà còn thu nhỏ được kích thước thiết bị gấp nhiều lần. 4/- Máy tính và chương trình phần mềm nhận dạng và xử lý ảnh tự động: có thể viết bằng ngôn ngữ nhúng trên vi xử lý, DSP, FPGA, ASIC hoặc trên ngôn ngữ bậc cao như C, C++, VisualC, Labview, Matlab…để chạy trên máy tính PC hoặc máy tính nhúng. 5/- Hệ sensor hỗ trợ khác: đo xa laser (YAG-Neodym hoặc laser diode), Gyro sensor, la bàn số, cảm biến từ trường, sensor siêu âm…vv có thể ghép nối máy tính, vi xử lý thông qua giao tiếp nối tiếp, hoặc RF, 3G …vv. 6/- Hệ thống truyền động (các động cơ): thường dùng là các đông cơ servo AC và DC. Nếu đặt trên phương tiện di động (xe, tàu thủy, máy bay, vệ tinh...) thì cần phải có bộ ổn định trên cơ sở các con quay hồi chuyển (gyroscope). 7/- Hệ thống các thiết bị ngoại vi và và kết nối với trạm khác. 8/- Hệ thống cung cấp điện: ổn áp và dòng cung cấp cho toàn bộ hệ thống Camera Máy tính Đối tượng Robot Tín hiệu điều khiển Hình 1.2. Sơ đồ hệ thống robot và camera cố định. 16