Luận án Tiến sĩ Kỹ thuật: Nghiên cứu hệ thống xây dựng bản đồ, lập quỹ đạo và điều khiển bám quỹ đạo cho robot tự hành bốn bánh đa hướng

Chia sẻ: _ _ | Ngày: | Loại File: PDF | Số trang:169

Thêm vào BST

Báo xấu

18
lượt xem 10
download

Download Vui lòng tải xuống để xem tài liệu đầy đủ

Luận án Tiến sĩ Kỹ thuật "Nghiên cứu hệ thống xây dựng bản đồ, lập quỹ đạo và điều khiển bám quỹ đạo cho robot tự hành bốn bánh đa hướng" nghiên cứu tổng quan về tình hình nghiên cứu, mô hình hóa và các phương pháp điều khiển cho FWOMR. Các thuật toán điều khiển bám quỹ đạo cho robot; Nghiên cứu và đề xuất thuật toán bám quỹ đạo (định hướng thuật toán điều khiển dự báo MPC) và kết hợp với thuật toán điều hướng TEB nhằm đảm bảo chất lượng bám, tốc độ, tránh các vật cản tĩnh và động đáp ứng thời gian thực của hệ thống.

Chủ đề:

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

Lưu

Nội dung Text: Luận án Tiến sĩ Kỹ thuật: Nghiên cứu hệ thống xây dựng bản đồ, lập quỹ đạo và điều khiển bám quỹ đạo cho robot tự hành bốn bánh đa hướng

i BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO BỘ QUỐC PHÒNG VIỆN KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ QUÂN SỰ -------------------------- ĐỖ QUANG HIỆP NGHIÊN CỨU HỆ THỐNG XÂY DỰNG BẢN ĐỒ, LẬP QUỸ ĐẠO VÀ ĐIỀU KHIỂN BÁM QUỸ ĐẠO CHO ROBOT TỰ HÀNH BỐN BÁNH ĐA HƯỚNG Ngành: Kỹ thuật điều khiển và tự động hóa Mã số: 9 52 02 16 LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT Hà Nội – Năm 2022
ii BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO BỘ QUỐC PHÒNG VIỆN KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ QUÂN SỰ -------------------------- ĐỖ QUANG HIỆP NGHIÊN CỨU HỆ THỐNG XÂY DỰNG BẢN ĐỒ, LẬP QUỸ ĐẠO VÀ ĐIỀU KHIỂN BÁM QUỸ ĐẠO CHO ROBOT TỰ HÀNH BỐN BÁNH ĐA HƯỚNG Ngành: Kỹ thuật điều khiển và tự động hóa Mã số: 9 52 02 16 LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC: 1. TS Lê Trần Thắng 2. GS.TS Phan Xuân Minh Hà Nội – Năm 2022
i LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu của riêng tôi. Các kết quả trình bày trong luận án là trung thực và chưa từng được công bố trong bất kỳ công trình nào khác, các dữ liệu tham khảo được trích dẫn đầy đủ. Hà nội, ngày … tháng … năm 2022 Tác giả luận án Đỗ Quang Hiệp
ii LỜI CẢM ƠN Lời đầu tiên, tác giả xin gửi lời cảm ơn sâu sắc nhất tới TS. Lê Trần Thắng và GS.TS Phan Xuân Minh đã tận tình hướng dẫn tác giả trong suốt quá trình thực hiện luận án này. Tác giả xin gửi lời trân trọng cảm ơn tới Ban Giám đốc Viện Khoa học và Công nghệ Quân sự, Thủ trưởng và cán bộ, nhân viên Phòng Đào tạo, Thủ trưởng Viện Tự động hóa KTQS và các thầy, cô giáo đã truyền đạt kiến thức, động viên, giúp đỡ và tạo môi trường nghiên cứu thuận lợi nhất để tác giả hoàn thành công trình của mình. Tác giả xin cảm ơn tới Ban Giám hiệu trường Đại học Kinh tế- Kỹ thuật Công nghiệp, Ban Chủ nhiệm khoa Điện và các đồng nghiệp nơi công tác đã tạo điều kiện tốt nhất để luận án được hoàn thành. Cuối cùng, tác giả xin gửi tới gia đình, bạn bè, người thân lời cảm ơn sâu sắc nhất vì đã động viên, giúp đỡ và đồng hành cùng tác giả trong suốt thời gian qua. Hà Nội, ngày ... tháng ... năm 2022 Tác giả luận án
iii MỤC LỤC Trang DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU, CÁC CHỮ VIẾT TẮT ............................................ vi DANH MỤC CÁC BẢNG........................................................................................ ix DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ.....................................................................................x MỞ ĐẦU .....................................................................................................................1 Chương 1. TỔNG QUAN VỀ ROBOT TỰ HÀNH BỐN BÁNH ĐA HƯỚNG .......6 1.1. Tổng quan và mô hình hóa FWOMR...................................................................6 1.1.1. Tổng quan về FWOMR .....................................................................................6 1.1.2. Mô hình hóa FWOMR ......................................................................................8 1.1.3. Cấu trúc hệ thống điều khiển robot tự hành ....................................................17 1.2. Một số thuật toán điều khiển bám quỹ đạo cho FWOMR thông dụng ..............19 1.2.1. Bộ điều khiển PID cho FWOMR ....................................................................20 1.2.2. Bộ điều khiển trượt cơ bản cho FWOMR .......................................................21 1.2.3. Thuật toán điều khiển mặt trượt động cho FWOMR ......................................24 1.2.4. Thuật toán điều khiển dự báo tựa mô hình (MPC) .........................................26 1.3. Hệ điều hành ROS ..............................................................................................28 1.3.1. Giới thiệu về ROS ...........................................................................................28 1.3.2. Mục tiêu của ROS ...........................................................................................28 1.3.3. Các hoạt động của ROS ..................................................................................29 1.3.4. Sự tương tác giữa các nút trong ROS .............................................................30 1.4. Tổng quan tình hình nghiên cứu trong và ngoài nước .......................................31 1.4.1. Tình hình nghiên cứu ngoài nước ...................................................................31 1.4.2. Tình hình nghiên cứu trong nước ....................................................................35 1.5. Kết luận chương 1 ..............................................................................................38 Chương 2. THUẬT TOÁN BẢN ĐỒ HÓA MÔI TRƯỜNG VÀ ĐỊNH VỊ ĐỒNG THỜI CHO FWOMR ................................................................................................40 2.1. Hệ thống nhận thức của FWOMR .....................................................................40 2.1.1. Phương pháp suy luận xác suất để nâng cao độ tin cậy cho bài toán định vị robot ..........................................................................................................................40
iv 2.1.2. Phương pháp sử dụng bộ lọc Kalman cho bài toán định vị robot ...................42 2.2. Thuật toán SLAM ..............................................................................................47 2.3. Thuật toán EKF-SLAM......................................................................................50 2.3.1. Bước dự đoán (Prediction) ..............................................................................53 2.3.2. Bước chỉnh sửa (Correction) ...........................................................................55 2.4. Kết quả mô phỏng ..............................................................................................60 2.4.1. Mô phỏng thuật toán EKF-SLAM trên Matlab ...............................................60 2.4.2. Kết quả mô phỏng trên trên phần mềm Gazebo..............................................63 2.4.3. Kết quả thực nghiệm thuật toán EKF-SLAM trong môi trường thực tế .........67 2.5. Kết luận chương 2 ..............................................................................................68 Chương 3. THIẾT KẾ HỆ THỐNG ĐIỀU HƯỚNG, ĐIỀU KHIỂN BÁM QUỸ ĐẠO CHO FWOMR.................................................................................................70 3.1. Hệ thống điều hướng cho FWOMR ...................................................................70 3.1.1. Lập kế hoạch di chuyển toàn cục ....................................................................76 3.1.2. Lập kế hoạch di chuyển cục bộ .......................................................................78 3.2. Xây dựng bộ điều khiển bám quỹ đạo cho FWOMR .........................................83 3.2.1. Xây dựng hàm mục tiêu cho FWOMR ...........................................................84 3.2.2. Tính toán SQP .................................................................................................86 3.3. Chương trình mô phỏng MPC cho FWOMR .....................................................90 3.4. Mô phỏng và đánh giá quỹ đạo chuyển động của FWOMR ..............................91 3.4.1. Mô phỏng quỹ đạo chuyển động của FWOMR sử dụng MPC .......................92 3.4.2. So sánh thuật toán MPC và các thuật toán SMC, DSC ..................................96 3.4.3. Thử nghiệm quỹ đạo chuyển động của FWOMR sử dụng MPC trên cơ sở phần mềm ROS .........................................................................................................99 3.5. Kết luận chương 3 ............................................................................................102 Chương 4. THỰC NGHIỆM THUẬT TOÁN ĐIỀU KHIỂN ................................104 4.1. Kiến trúc và cài đặt thông số mô hình của robot FWOMR ..............................104 4.2. Thiết lập mô hình cho robot .............................................................................106 4.2.1. Thiết lập khung điều hướng ..........................................................................106 4.2.2. Thiết lập quỹ đạo ...........................................................................................107
v 4.3. Kết quả thực nghiệm ........................................................................................110 4.3.1. Thực nghiệm robot lấy thông tin bản đồ .......................................................111 4.3.2. Thực nghiệm robot tránh vật cản tĩnh ...........................................................112 4.3.3. Thực nghiệm robot tránh vật cản động .........................................................117 4.4. Kết luận chương 4 ............................................................................................120 KẾT LUẬN .............................................................................................................121 DANH MỤC CÁC CÔNG TRÌNH KHOA HỌC ĐÃ CÔNG BỐ ........................123 TÀI LIỆU THAM KHẢO .......................................................................................124 PHỤ LỤC ..............................................................................................................PL-1
vi DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU, CÁC CHỮ VIẾT TẮT ( x, y ,  ) Hệ tọa độ toàn cục q = x y θ T Véc tơ toạ độ của robot trong hệ tọa độ toàn cục T v  vx vy ω  Véc tơ vận tốc trong hệ tọa độ liên kết  Góc lệch của robot so hệ tọa độ gốc (rad) vi Vận tốc dài mỗi bánh xe (m/s) ωi Vận tốc góc mỗi bánh xe (rad/s) fi Lực kéo mỗi bánh (N) M Khối lượng của robot (kg) d Khoảng cách tâm robot tới mỗi bánh (m) H Ma trận chuyển hệ trục tọa độ r Bán kính của bánh xe (m) M (q) Ma trận khối lượng và momen quán tính V Ma trận lực hướng tâm và Corilis, V (q, q)  0 C Ma trận hệ số lực ma sát nhớt G Ma trận hệ số lực ma sát coulomb G (q) Véc tơ trọng lực, G (q)  0 Sig(v) Véc tơ hàm dấu phụ thuộc vận tốc τd Véc tơ thành phần nhiễu bất định τ Véc tơ tín hiệu đưa ra từ bộ điều khiển e1 Véc tơ sai lệch bám quỹ đạo của robot e2 Véc tơ sai lệch bám của vận tốc robot J Mô men quán tính của xe (N.m) q Biến khớp F Lực ma sát (N) n Số bánh xe của robot  Ma trận trọng số của mạng Nơ-ron
vii x1d Quỹ đạo đặt T Thời gian trích mẫu (sec) λ Hệ số của mặt trượt τ eq Tín hiệu điều khiển giữ trạng thái của hệ thống trên mặt trượt τ sw Tín hiệu điều khiển, lái trạng thái của hệ thống về mặt trượt C1 , C2 , C3 Ma trận hệ số của bộ điều khiển DSC Θ Véc tơ chứa thành phần bất định của mô hình robot S Véc tơ mặt trượt h(S) Véc tơ hàm dấu Chuẩn của ma trận bậc 2 F Chuẩn của ma trận bậc 2 trong không gian F AGV Xe vận tải tự động (Autonomous Guided Vehicles) AI Trí tuệ nhân tạo (Artificial Intelligence) AMCL Phương pháp bản đồ hóa cục bộ Monte Carlo (Adaptive Monte Carlo Localization) API Giao diện lập trình ứng dụng (Application Programming Interface) DSC Mặt trượt động (Dynamic Sliding Surface) DWA Thuật toán cửa sổ động (Dynamic Window Approach) EB Dải đàn hồi (Elastic Band) EKF Bộ lọc Kalman mở rộng (Extended Kalman Filter) FLS Hệ logic mờ (Fuzzy Logic System) FWO Bốn bánh xe đa hướng (Four Wheels Omni) FWOMR Robot tự hành bốn bánh xe đa hướng (Four Wheeled Omnidirectional Mobile Robot) IMU Khối đo lường quán tính (Inertial Measurement Unit) KF Bộ lọc Kalman (Kalman Filter)
viii MAE Sai số tuyệt đối trung bình (Mean Absolute Error) MAP Ước tính tối đa một hậu nghiệm (Maximum A Posteriori) MMSE Ước lượng sai số bình phương trung bình tối thiểu (Minimum Mean Square Error) MPC Bộ điều khiển dự báo (Model Preditive Control) MSSC Bộ điều khiển đa mặt trượt (Multi Surface Sliding Control) NMPC Bộ điều khiển dự báo phi tuyến (Nonlinear Model Preditive Control) ODE Phương trình vi phân thông thường (Ordinary Differential Equation) OMR Robot tự hành đa hướng (Omnidirectional Mobile Robot) PFM Phương pháp trường thế (Potential Field Methods) PID Bộ điều khiển tỉ lệ vi tích phân (Proportional Integral Derivative) RBFNN Mạng Nơ-ron bán kính xuyên tâm (Radial Basic Function Neural Network) ROS Hệ điều hành robot (Robot Operating System) SLAM Thuật toán định vị và bản đồ hóa đồng thời (Simultaneous Localization And Mapping) SMC Điều khiển trượt (Sliding Mode Control) SQP Phương pháp lập trình toàn phương liên tiếp (Sequential Quadratic Programming) QP Phương pháp lập trình toàn phương (Quadratic Programming) TEB Dải đàn hồi thời gian (Timed Elastic Band) URDF Gói định dạng mô tả robot hợp nhất (Unified Robot Description Format) VSS Hệ thống có cấu trúc thay đổi (Variable Structure System)
ix DANH MỤC CÁC BẢNG Trang Bảng 1.1. Bảng thông số của FWOMR ....................................................................11 Bảng 2.1. Bảng đánh giá độ lệch chuẩn bản đồ ........................................................63 Bảng 2.2. Bảng đánh giá độ lệch chuẩn vị trí robot: .................................................63 Bảng 3.1. Bảng tham số vận tốc theo x ……………………………………………93 Bảng 3.2. Bảng tham số vận tốc theo trục y .............................................................94 Bảng 3.3. Bảng tham số vận tốc theo trục  .............................................................94 Bảng 3.4. Sai lệch theo phương x .............................................................................95 Bảng 3.5. Sai lệch theo phương y .............................................................................95 Bảng 3.6. Chi phí tính toán trung bình của miền dự báo ..........................................96 Bảng 3.7. Bảng so sánh các phương pháp.................................................................98 Bảng 3.8. Sai lệch bám quỹ đạo ..............................................................................102 Bảng 4.1. Thời gian tiến hành thực nghiệm………………………………………117 Bảng 4.2. Thời gian tiến hành thực nghiệm tránh vật cản động .............................120
x DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ Trang Hình 1.1. Robot tự hành sử dụng bánh đa hướng .......................................................7 Hình 1.2. Một số ứng dụng của robot tự hành dạng holonom ....................................7 Hình 1.3. Cấu trúc bánh xe Omni ...............................................................................8 Hình 1.4. Bánh xe Omni .............................................................................................9 Hình 1.5. Các hướng di chuyển của robot.................................................................10 Hình 1.6. Biểu diễn O ' x ' y ' trong hệ trục tọa độ Oxy .............................................11 Hình 1.7. Sơ đồ tổng quan của hệ thống robot tự hành ............................................18 Hình 1.8. Sơ đồ mô tả miền dự báo tín hiệu ra .........................................................26 Hình 1.9. Sơ đồ khối bộ điều khiển MPC .................................................................27 Hình 1.11. Cấu trúc hệ điều hành ROS .....................................................................28 Hình 1.12. Hệ thống các files trong ROS .................................................................29 Hình 1.13. Sơ đồ giao tiếp giữa các nút ....................................................................30 Hình 2.1. Phương pháp phối hợp đa cảm biến sử dụng kỹ thuật Bayesian…………41 Hình 2.2. Sơ đồ thuật toán bộ lọc Kalman chuẩn rời rạc ..........................................43 Hình 2.3. Sơ đồ thuật toán bộ lọc Kalman mở rộng .................................................45 Hình 2.4. Kỹ thuật SLAM .........................................................................................48 Hình 2.5. Quy trình thuật toán EKF-SLAM .............................................................51 Hình 2.6. Giao diện mô phỏng thuật toán EKF-SLAM ............................................61 Hình 2.7. Tiến hành chạy thuật toán .........................................................................61 Hình 2.8. Kết quả bản đồ thu được ...........................................................................62 Hình 2.9. Độ lệch chuẩn bản đồ ................................................................................62 Hình 2.10. Độ lệch chuẩn vị trí .................................................................................63 Hình 2.11. Mô hình mô phỏng cho FWOMR ...........................................................64 Hình 2.12. Mô hình 3D cho FWOMR trong môi trường mô phỏng .........................64 Hình 2.13. Quá trình SLAM của robot .....................................................................65 Hình 2.14. Bản đồ ảo được xây dựng trên Gazebo ...................................................65 Hình 2.15. Bản đồ thu được trên Rviz ......................................................................66 Hình 2.16. Bản đồ hoá môi trường............................................................................66
xi Hình 2.17. Môi trường hoạt động của FWOMR trên Rviz .......................................67 Hình 2.18. Hình ảnh môi trường thực tế ...................................................................68 Hình 3.1. Cấu trúc gói điều hướng …………………………………………………71 Hình 3.2. Sơ đồ lập kế hoạch di chuyển ...................................................................72 Hình 3.3. Biểu đồ khoảng cách an toàn cục bộ (Inflation costmap) .........................75 Hình 3.4. Minh hoạ thuật toán A*.............................................................................77 Hình 3.5. Sự thay đổi vị trí của robot trong quá trình di chuyển ..............................78 Hình 3.6. Quỹ đạo tính toán bởi TEB .......................................................................80 Hình 3.7. Khoảng cách ngắn nhất giữa TEB với vật cản (hoặc điểm đặt)................81 Hình 3.8. Cấu trúc thuật toán lập kế hoạch di chuyển cục bộ TEB ..........................82 Hình 3.9. Sơ đồ cấu trúc bộ điều khiển MPC ...........................................................83 Hình 3.10. Quỹ đạo di chuyển của robot với các miền dự báo .................................92 Hình 3.11. Các tham số bộ điều khiển ......................................................................93 Hình 3.12. Sai lệch bám của robot trong miền dự báo..............................................94 Hình 3.13. Quỹ đạo bám của robot ...........................................................................96 Hình 3.14. So sánh quỹ đạo bám giữa các bộ điều khiển .........................................97 Hình 3.15. So sánh sai lệch bám giữa các bộ điều khiển ..........................................98 Hình 3.16. Sơ đồ khối bộ điều khiển MPC trong ROS .............................................99 Hình 3.17. Quỹ đạo bám theo phương xy (Rviz) ....................................................100 Hình 3.18. Đầu ra tín hiệu điều khiển robot............................................................101 Hình 3.19. Sai lệch bám quỹ đạo của robot ............................................................101 Hình 4.1. Kết cấu FWOMR…………………………………………..………..….104 Hình 4.2 Cấu trúc phần cứng điều khiển FWOMR ................................................105 Hình 4.3. Nút lập bản đồ và vị trí sử dụng trong ROS............................................106 Hình 4.4. Cấu trúc thiết lập gói Gmapping .............................................................107 Hình 4.5. Quỹ đạo toàn cục .....................................................................................108 Hình 4.6. Tham số inflation_radius=1,5 .................................................................109 Hình 4.7. Thông số inflation_radius=0,55 ..............................................................110 Hình 4.8. Môi trường thực nghiệm cho robot .........................................................110 Hình 4.9. Bản đồ ảo được xây dựng trên Gazebo ...................................................111
xii Hình 4.10. Bản đồ quan sát trên Rviz .....................................................................111 Hình 4.11. Bản đồ ô lưới thu được..........................................................................112 Hình 4.12. Điều hướng cho robot ...........................................................................113 Hình 4.13. Robot tránh chướng ngại vật .................................................................113 Hình 4.14. Robot không thể di chuyển theo quỹ đạo cục bộ ..................................114 Hình 4.15. Robot chuyển hướng di chuyển ............................................................114 Hình 4.16. Sơ đồ bố trí vật cản thực nghiệm ..........................................................115 Hình 4.17. Robot di chuyển tránh vật cản tĩnh .......................................................115 Hình 4.18. Kết quả thực nghiệm robot tránh vật cản tĩnh theo hình zíc zắc...........116 Hình 4.19. Sơ đồ bố trí vật cản động ......................................................................117 Hình 4.20. Robot rẽ phải tránh vật cản động ..........................................................117 Hình 4.21. Robot di chuyển theo quỹ đạo mới .......................................................118 Hình 4.22. Thực nghiệm robot tránh gặp vật cản động ..........................................119
1 MỞ ĐẦU 1. Tính cấp thiết của đề tài luận án Trong thời đại phát triển của các hệ thống robot thông minh, robot tự hành là một lĩnh vực thu hút được nhiều sự chú ý của cộng đồng khoa học bởi vai trò quan trọng của nó trong công nghiệp cũng cũng như quốc phòng. Hơn nữa, việc robot tự hành di chuyển linh hoạt trong một phạm vi nhất định và thực hiện những tác vụ định trước thay thế vai trò của con người nhằm đem lại nhiều lợi ích về kinh tế, tăng năng suất lao động. Ngày nay, robot tự hành được ứng dụng trong nhiều lĩnh vực như vận chuyển hàng hóa, y tế, … đặc biệt trong các lĩnh vực nguy hiểm như thám hiểm, môi trường độc hại. Trong lĩnh vực an ninh, quốc phòng robot tự hành cũng dần dần đóng vai trò quan trọng bởi những ưu việt của nó. Trong đó, việc sử dụng các loại robot tự hành rà phá bom mìn, chống khủng bố, tác chiến trên chiến trường đóng vai trò các cảm tử quân cũng đang được chú trọng nghiên cứu phát triển. Tính thông minh hóa trong các robot tự hành phụ thuộc vào khả năng nhận thức và tự ra quyết định của nó. Ví dụ như hoạt động ở một địa hình chưa biết trước, robot có khả năng bản đồ hóa địa hình, tự xây dựng quỹ đạo chuyển động tránh vật cản động và tĩnh, đồng thời có khả năng chuyển động bám theo quỹ đạo tự hoạch định. Đây cũng là một phần nghiên cứu quan trọng nhằm chế tạo ra các robot ứng dụng trí tuệ nhân tạo có khả năng hoạt động tự trị. Gần đây, hướng nghiên cứu này được nhiều nhà khoa học trong và ngoài nước quan tâm. Bài toán xây dựng quỹ đạo, điều hướng và kết hợp với điều khiển bám quỹ đạo đã lập của robot luôn là nhiệm vụ then chốt cần được nghiên cứu giải quyết. Xu hướng nghiên cứu áp dụng kỹ thuật điều khiển hiện đại, các thuật toán điều khiển thích nghi phi tuyến mới với các hệ vi điều khiển có tốc độ tính toán cao và được tích hợp thêm các chức năng xử lý hệ thống nhúng, kết hợp với kỹ thuật lập trình nhúng (Embedded) để thiết kế các bộ điều khiển thông minh có khả năng tự động điều hướng chính xác đảm bảo tính thời gian thực đồng thời tránh vật cản và bám chính xác quỹ đạo đặt trước đang được quan tâm phát triển.
2 Vì những lý do nêu trên, hướng nghiên cứu của luận án “Nghiên cứu hệ thống xây dựng bản đồ, lập quỹ đạo và điều khiển bám quỹ đạo cho robot tự hành bốn bánh đa hướng” luôn có tính cấp thiết. Robot tự hành có rất nhiều loại, do luận án lựa chọn địa hình chưa biết trước nên các robot tự hành có khả năng cân bằng động cao là giải pháp phù hợp lựa chọn trước tiên. Chính vì vậy, trong khuôn khổ luận án, robot tự hành bốn bánh đa hướng (FWOMR- Four Wheeled Omnidirectional Mobile Robot) sẽ là đối tượng được lựa chọn nghiên cứu. Bài toán tổng quát cần giải quyết là xây dựng cho robot một hệ thống nhận thức và tự quyết định chuyển động để hoạt động trên một địa hình bất định có khả năng tránh được vật cản tĩnh và động di chuyển đến mục tiêu định trước. 2. Mục tiêu của luận án - Đề xuất các thuật toán bản đồ hóa môi trường và định vị đồng thời cho robot tự hành di chuyển đa hướng kết hợp với các giải thuật điều hướng cục bộ nhằm xây dựng hệ thống nhận thức cho robot hoạt động trong địa hình chưa biết trước có vật cản tĩnh và động. - Đề xuất các thuật toán điều khiển thông minh, điều khiển thích nghi phi tuyến trên nền tảng hệ điều hành ROS (Robot Operating System) thực hiện bài toán điều hướng chuyển động và bám quỹ đạo cho FWOMR nhằm thông minh hóa, linh hoạt hóa quá trình di chuyển, tiếp cận mục tiêu của robot và có khả năng tránh vật cản tĩnh và động. 3. Đối tượng, phạm vi nghiên cứu Đối tượng nghiên cứu Đối tượng nghiên cứu của luận án là FWOMR hoạt động trong địa hình bất định có vật cản tĩnh và động. Phạm vi nghiên cứu: - Nghiên cứu thuật toán bản đồ hóa và định vị đồng thời làm cơ sở dẫn đường cho FWOMR. Các kết quả nghiên cứu thể hiện bằng kết quả mô phỏng và thực nghiệm thực tế môi trường làm việc của robot trong địa hình phẳng của tòa nhà có vật cản tĩnh và động.
3 - Nghiên các thuật toán điều hướng, thích nghi chuyển động và bám quỹ đạo cho FWOMR trên nền tảng hệ điều hành ROS. Các kết quả nghiên cứu được mô phỏng và kiểm nghiệm thực tế trên phạm vi địa hình phẳng có bố trí vật cản tĩnh và động của tòa nhà. - Các kết quả nghiên cứu (mô phỏng và thực nghiệm) giới hạn trong môi trường địa hình phẳng của tòa nhà, giả thiết các nhiễu tác động vào bánh xe không biết trước và kết cấu vật lý robot là lý tưởng (trọng tâm robot có tính chất điểm và là tâm của đường tròn ngoại tiếp bốn bánh xe). 4. Nội dung nghiên cứu - Nghiên cứu tổng quan về tình hình nghiên cứu, mô hình hóa và các phương pháp điều khiển cho FWOMR. Các thuật toán điều khiển bám quỹ đạo cho robot. - Nghiên cứu các các thuật toán thuật toán SLAM và EKF-SLAM cho việc bản đồ hóa và định vị đồng thời môi trường hoạt động của robot. - Nghiên cứu các thuật toán điều hướng cho FWOMR, thực hiện lập trình trên nền hệ điều hành ROS, cài đặt nhúng thuật toán trên mạch xử lý hiệu năng cao Jetson TX2 và thử nghiệm trong môi trường thực tế. Nghiên cứu thuật toán dải đàn hồi thời gian TEB cho robot dựa trên nền tảng hệ điều hành ROS và nền tảng nhúng vi xử lý hiệu năng cao Jetson TX2 cho FWOMR. - Nghiên cứu và đề xuất thuật toán bám quỹ đạo (định hướng thuật toán điều khiển dự báo MPC) và kết hợp với thuật toán điều hướng TEB nhằm đảm bảo chất lượng bám, tốc độ, tránh các vật cản tĩnh và động đáp ứng thời gian thực của hệ thống. Thực thi lập trình thuật toán kết hợp trên nền hệ điều hành ROS và nhúng trên nền vi xử lý hiệu năng cao Jetson TX2, chạy thử nghiệm thuật toán kết hợp. 5. Phương pháp nghiên cứu - Phương pháp thống kê tổng hợp: Thu thập các tài liệu kỹ thuật, các công bố khoa học về FWOMR. Phân tích đánh giá và đưa ra chỉ tiêu kỹ thuật cụ thể, hướng tiếp cận khoa học và công nghệ phù hợp. - Nghiên cứu lý thuyết: Tìm hiểu về các tài liệu kỹ thuật, các công trình nghiên cứu, các bài báo khoa học về mạng nơ-ron, trí tuệ nhân tạo, học sâu cho nhận dạng
4 ảnh, định vị, điều hướng, điều khiển thích nghi cho robot tự hành. Từ đó, luận án tiến hành phân tích, tổng hợp và đưa ra các vấn đề cần nghiên cứu. - Phương pháp chuyên gia: Sử dụng phương pháp nghiên cứu chuyên gia bằng cách tham gia các hội thảo khoa học nhằm trao đổi các kinh nghiệm, thu thập các ý kiến đóng góp của các chuyên gia và tích cực trao đổi với các chuyên gia nước ngoài, những nơi có nhiều kinh nghiệm trong việc phát triển các lĩnh vực về trí tuệ nhân tạo và robot. - Phương pháp mô hình hóa, mô phỏng: Nghiên cứu và sử dụng các mô hình toán học cho robot, mô phỏng và kiểm chứng các thiết kế, thuật toán xử lý số liệu, thuật toán điều khiển, xử lý và nhận dạng ảnh trên Matlab, Gazebo, Rviz và lập trình dựa trên các ngôn ngữ C, Python. - Phương pháp kiểm chứng: Kết hợp phân tích đánh gia thông qua mô phỏng hệ thống với kiểm chứng các kết quả bằng thực nghiệm trong phạm vi tòa nhà, hoặc phạm vi địa hình đơn giản trong khả năng. 6. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn Ý nghĩa khoa học ‑ Kết quả nghiên cứu của luận án góp phần là cơ sở khoa học để nghiên cứu thuật toán định vị và bản đồ hóa môi trường sử dụng hệ điều hành ROS cho FWOMR trong môi trường bất định. ‑ Kết quả nghiên cứu của luận án được ứng dụng để xây dựng các thuật toán lập kế hoạch di chuyển toàn cục và lập kế hoạch di chuyển cục bộ, kết hợp thuật toán điều khiển dự báo MPC vòng bám quỹ đạo nhằm điều hướng cho robot tránh chướng ngại vật tĩnh và động với khoảng cách an toàn, đảm bảo chất lượng của hệ thống và tính thời gian thực. Ý nghĩa thực tiễn: ‑ Kết quả của luận án được mô phỏng và thực nghiệm trên mô hình FWOMR trong môi trường thực tế từ đó có thể ứng dụng kết quả nghiên cứu vào thực tiễn phục vụ giảng dạy, nghiên cứu khoa học và các lĩnh vực khác trong đời sống. 7. Bố cục của Luận án
5 Luận án bao gồm phần mở đầu, bốn chương nội dung chính, kết luận, mục lục, các công trình đã công bố, tài liệu tham khảo và phụ lục. Chương 1: Tổng quan về robot tự hành bốn bánh đa hướng, bao gồm giới thiệu chung về robot tự hành, mô hình hóa FWOMR, cấu trúc tổng quan hệ thống điều khiển robot tự hành và một số thuật toán điều khiển cho FWOMR thông dụng. Chương 2: Thuật toán bản đồ hóa môi trường và định vị đồng thời cho FWOMR, nghiên cứu các thuật toán suy luận xác suất, thuật toán nhận thức môi trường hoạt động, thuật toán SLAM, thuật toán EKF-SLAM ứng dụng hệ điều hành ROS. Chương 3: Thiết kế hệ thống điều hướng, điều khiển bám quỹ đạo cho FWOMR, luận án đề xuất thuật toán điều hướng toàn cục và cục bộ, từ đó thiết kế bộ điều khiển bám quỹ đạo trên cơ sở đó đề xuất kết hợp thuật toán dải đàn hồi thời gian và điều khiển dự báo nhằm giảm thời gian quá độ bám quỹ đạo cục bộ cho robot khi gặp vật cản động đáp ứng thời gian thực trên nền tảng hệ điều hành ROS. Chương 4: Thực nghiệm thuật toán điều khiển, luận án trình bày các kết quả thực nghiệm trên mô hình vật lý nhằm đánh giá tính hiệu quả của thuật toán và mô hình FWOMR, từ đó đưa ra kết luận về những vấn đề nghiên cứu.
6 Chương 1 TỔNG QUAN VỀ ROBOT TỰ HÀNH BỐN BÁNH ĐA HƯỚNG 1.1.1. Tổng quan về FWOMR Robot tự hành di chuyển đa hướng OMR (Omnidirectional Mobile Robot) có khả năng di chuyển theo bất kỳ hướng nào mà không cần phải thay đổi vị trí và tư thế. Với cấu trúc bánh khác biệt và ưu điểm về khả năng di chuyển vượt trội trong địa hình di chuyển hẹp, khó thay đổi vị trí mà mẫu robot di động này đang được áp dụng một cách rộng rãi không chỉ trong nghiên cứu mà còn trong các lĩnh vực sản xuất và đời sống. Các vấn đề về xây dựng hệ thống nhận thức cảm nhận môi trường, bản đồ hóa địa hình hoạt động, điều hướng thông minh và kiểm soát quỹ đạo, xử lý tác động nhiễu ngoại sinh, thay đổi của các thành phần bất định như khối lượng, momen, ma sát…đang là các nội dung được quan tâm trong lĩnh vực robot di động. Robot tự hành có thể di chuyển đa hướng là loại robot có dạng ràng buộc holonom. Xét về mặt cơ học Lagrange, robot có dạng holonom khi tất cả ràng buộc mà robot phải chịu có thể tích hợp được thành dạng ràng buộc vị trí thoả mãn phương trình f (q1, q2 ,..., qn , t )  0 , với qi là các toạ độ hệ thống. Ngược lại, khi hệ thống tồn tại những ràng buộc không thể viết được dưới dạng phương trình trên thì nó được coi là dạng phi holonom. Tóm lại, hệ holonom là hệ không bị ràng buộc về tốc độ giữa các hướng với nhau, còn hệ phi holonom có xét thêm điều kiện ràng buộc về tốc độ. Các hệ phi holonom thông thường là các hệ hụt cơ cấu chấp hành [82]. Đối với robot tự hành, chuyển động được đặt trên hệ toạ độ Đề-các Oxy, số bậc tự do tối đa là 3 bậc bao gồm di chuyển tịnh tiến theo phương dọc, phương ngang và theo góc quay của robot. Robot tự hành dạng phi holonom thông thường chỉ xét đến 2 bậc tự do điều khiển được là bậc tự do theo phương di chuyển tịnh tiến theo phương dọc và di chuyển theo góc. Ngược lại robot tự hành dạng holonom xét đến đầy đủ cả 3 phương di chuyển, do đó nó tăng tính linh hoạt trong chuyển động của robot. Đặc biệt, robot có thể di chuyển tức thời theo bất cứ phương nào mà không phụ thuộc vào góc quay. Khác với các loại robot sử dụng bánh truyền thống (bánh tiêu chuẩn), robot tự hành sử dụng bánh đa hướng có thêm các ưu điểm vượt trội như: khả năng thay