Luận án Tiến sĩ Kỹ thuật: Nghiên cứu phát triển thuật toán tối ưu hóa tính toán quỹ đạo chuyển động cho robot tự hành trong nhà có kể đến tương tác với con người

Chia sẻ: _ _ | Ngày: | Loại File: PDF | Số trang:142

Thêm vào BST

Báo xấu

18
lượt xem 5
download

Download Vui lòng tải xuống để xem tài liệu đầy đủ

Luận án Tiến sĩ Kỹ thuật "Nghiên cứu phát triển thuật toán tối ưu hóa tính toán quỹ đạo chuyển động cho robot tự hành trong nhà có kể đến tương tác với con người" trình bày các nội dung chính sau: Tổng quan về tính toán quỹ đạo cho robot tự hành; Thuật toán thiết kế quỹ đạo chuyển động cho robot tự hành tránh người và tiếp cận người trong môi trường động; Tiến hành mô phỏng và thực nghiệm kiểm chứng tính hiệu quả của các thuật toán đã đề xuất.

Chủ đề:

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

Lưu

Nội dung Text: Luận án Tiến sĩ Kỹ thuật: Nghiên cứu phát triển thuật toán tối ưu hóa tính toán quỹ đạo chuyển động cho robot tự hành trong nhà có kể đến tương tác với con người

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO BỘ QUỐC PHÒNG HỌC VIỆN KỸ THUẬT QUÂN SỰ HOÀNG VĂN BẢY NGHIÊN CỨU PHÁT TRIỂN THUẬT TOÁN TỐI ƯU HÓA TÍNH TOÁN QUỸ ĐẠO CHUYỂN ĐỘNG CHO ROBOT TỰ HÀNH TRONG NHÀ CÓ KỂ ĐẾN TƯƠNG TÁC VỚI CON NGƯỜI LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT HÀ NỘI - 2023
BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO BỘ QUỐC PHÒNG HỌC VIỆN KỸ THUẬT QUÂN SỰ HOÀNG VĂN BẢY NGHIÊN CỨU PHÁT TRIỂN THUẬT TOÁN TỐI ƯU HÓA TÍNH TOÁN QUỸ ĐẠO CHUYỂN ĐỘNG CHO ROBOT TỰ HÀNH TRONG NHÀ CÓ KỂ ĐẾN TƯƠNG TÁC VỚI CON NGƯỜI LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT Chuyên ngành: TỰ ĐỘNG HÓA Mã số: 9 52 02 16 NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC: 1. TS ĐỖ ĐÌNH NGHĨA 2. PGS. TS TRƯƠNG XUÂN TÙNG HÀ NỘI - 2023
LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan luận án là công trình nghiên cứu của tôi. Các số liệu, kết quả trình bày trong luận án là hoàn toàn trung thực và chưa được công bố trong bất kỳ công trình nào trước đây. Các kết quả sử dụng tham khảo đều đã được trích dẫn đầy đủ và theo đúng quy định. Hà Nội, ngày 8 tháng 12 năm 2023 Tác giả
LỜI CẢM ƠN Trong quá trình nghiên cứu và hoàn thành luận án, nghiên cứu sinh đã nhận được sự giúp đỡ của nhiều người. Đầu tiên tôi xin gửi lời cảm ơn sâu sắc đến Thầy giáo hướng dẫn PGS. TS Trương Xuân Tùng và TS Đỗ Đình Nghĩa. Thầy không chỉ là người hướng dẫn, giúp đỡ nghiên cứu sinh hoàn thành luận án này mà còn là người định hướng, truyền thụ động lực và ý chí quyết tâm trong quá trình nghiên cứu đầy gian khổ. Tôi cũng chân thành cảm ơn các Thầy giáo, Cô giáo trong Bộ môn Tự động và kỹ thuật tính, Khoa Kỹ thuật điều khiển, Học viện Kỹ thuật quân sự, nơi nghiên cứu sinh làm việc, đã tận tình hướng dẫn chỉ bảo trong thời gian nghiên cứu sinh nghiên cứu tại đây. Tiếp theo, tôi xin chân thành cảm ơn các đồng nghiệp nghiên cứu sinh, nhóm nghiên cứu của thầy Trương Xuân Tùng, Phòng Sau đại học - Học viện Kỹ thuật quân sự, Trường Học viện Phòng không không quân đã giúp đỡ nghiên cứu sinh hoàn thành luận án này. Cuối cùng, xin gửi lời cảm ơn sâu sắc tới gia đình, bạn bè và đồng nghiệp đã luôn động viên, chia sẻ những khó khăn của cuộc sống, gia đình và xã hội, giúp nghiên cứu sinh đạt được những kết quả như hôm nay.
Mục lục MỤC LỤC . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . i DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . iv DANH MỤC HÌNH VẼ . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . vi DANH MỤC BẢNG . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . x DANH MỤC KÝ HIỆU TOÁN HỌC . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . xi MỞ ĐẦU . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1 Chương 1. TỔNG QUAN VỀ TÍNH TOÁN QUỸ ĐẠO CHO ROBOT TỰ HÀNH . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 8 1.1. Giới thiệu chung về robot tự hành . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 8 1.2. Hệ thống điều khiển robot tự hành . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 9 1.2.1. Thu thập và xử lý thông tin . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 10 1.2.2. Định vị và xây dựng bản đồ . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 11 1.2.3. Lập kế hoạch đường đi tránh vật cản . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 12 1.2.4. Điều khiển chuyển động . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 15 1.3. Cơ sở lý thuyết thiết yếu phục vụ tính toán quỹ đạo cho robot tự hành tương tác với người . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 16 1.3.1. Hệ quy chiếu cho robot . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 16 1.3.2. Thu thập và nhận biết thông tin về hành vi của con người trong xã hội. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 18 i
1.3.3. Vùng tương tác có tính xã hội động . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 20 1.3.4. Xác định tư thế khi robot tiếp cận người . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 23 1.3.5. Tính toán quỹ đạo chuyển động cho robot tự hành sử dụng thuật toán TEB . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 23 1.3.6. Các chỉ số đánh giá mức độ an toàn và thân thiện khi robot tự hành gần người . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 34 1.4. Tình hình nghiên cứu trong và ngoài nước . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 36 1.4.1. Tình hình nghiên cứu ngoài nước . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 36 1.4.2. Tình hình nghiên cứu trong nước . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 40 1.5. Kết luận chương 1 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 42 Chương 2. THIẾT KẾ QUỸ ĐẠO CHUYỂN ĐỘNG CHO ROBOT TỰ HÀNH TRÁNH NGƯỜI VÀ TIẾP CẬN NGƯỜI TRONG MÔI TRƯỜNG ĐỘNG . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 44 2.1. Đặt vấn đề . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 44 2.2. Mô tả bài toán . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 44 2.3. Đề xuất thuật toán STEB . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 47 2.3.1. Xây dựng thuật toán STEB . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 47 2.3.2. Tích hợp thuật toán STEB vào hệ thống điều khiển robot . . . 54 2.4. Đề xuất thuật toán TDTEB . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 56 2.4.1. Xây dựng thuật toán TDTEB . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 56 2.4.2. Tích hợp thuật toán TDTEB vào hệ thống điều khiển robot . 59 2.5. Đề xuất thuật toán GTEB . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 60 2.5.1. Xây dựng thuật toán GTEB . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 60 ii
2.5.2. Tích hợp thuật toán GTEB vào hệ thống điều khiển robot . . 63 2.6. Kết luận chương 2 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 64 Chương 3. MÔ PHỎNG VÀ THỰC NGHIỆM KIỂM CHỨNG CÁC THUẬT TOÁN . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 65 3.1. Chuẩn bị mô phỏng và thực nghiệm. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 65 3.1.1. Công cụ phần mềm . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 65 3.1.2. Xây dựng robot hai bánh vi sai . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 66 3.2. Kịch bản mô phỏng và thực nghiệm . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 71 3.3. Các kết quả mô phỏng . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 74 3.3.1. Mô phỏng robot tránh người sử dụng thuật toán STEB . . . . . 74 3.3.2. Mô phỏng một số tình huống đặc biệt robot tránh người sử dụng thuật toán TDTEB . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 78 3.3.3. Mô phỏng robot tiếp cận người sử dụng thuật toán GTEB . . 80 3.4. Các kết quả thực nghiệm . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 85 3.4.1. Thực nghiệm robot tránh người sử dụng thuật toán STEB . . 85 3.4.2. Thực nghiệm robot tiếp cận người sử dụng thuật toán GTEB 88 3.5. Kết luận chương 3 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 91 KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG NGHIÊN CỨU TƯƠNG LAI . . . . . 93 DANH MỤC CÁC CÔNG TRÌNH ĐÃ CÔNG BỐ . . . . . . . . . . 95 PHỤ LỤC . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 108 iii
DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT Từ viết tắt Nghĩa Tiếng Anh Nghĩa Tiếng Việt AUV Autonomous Underwater Phương tiện tự lái dưới Vehicle nước DFS Depth First Search Tìm kiếm theo độ sâu DSZ Dynamic Social Zone Vùng tương tác có tính xã hội động DWA Dynamic Window Ap- Tiếp cận cửa sổ động proach EB Elastic Band Thuật toán tối ưu quỹ đạo theo bóng đàn hồi EKF External Kalman Filter Bộ lọc Kalman mở rộng GPS Global Position System Hệ thống định vị toàn cầu GTEB Goal Timed Elastic Band Thuật toán tối ưu quỹ đạo theo thời gian có chọn điểm tiếp cận HCSI Human Comfortable Các chỉ số đánh giá mức Safety Indices độ an toàn thân thiện khi robot gần người KF Kalman Filter Bộ lọc Kalman iv
LMR Legged Mobile Robot Robot di động có chân PCL Point Cloud Library Thư viện đám mây điểm ROS Robot operating system Hệ điều hành robot SGI Social group index Chỉ số đánh giá mức độ an toàn thân thiện khi robot gần nhóm người SII Social individual index Chỉ số đánh giá mức độ an toàn thân thiện khi robot gần một người STEB Social Timed Elastic Band Thuật toán tối ưu quỹ đạo theo thời gian có đưa vào các ràng buộc mang tính xã hội TDTEB Time-Dependent Timed Thuật toán tối ưu quỹ đạo Elastic Band theo thời gian có dự đoán va chạm với người TEB Timed Elastic Band Thuật toán tối ưu quỹ đạo theo thời gian UAV Unmanned Aerial Vehicle Phương tiện bay không người lái VO Velocity Obstacle Vận tốc vật cản WMR Wheeled Mobile Robot Robot di động có bánh xe SCM Social Cost Maps Bản đồ chi phí xã hội v
DANH MỤC HÌNH VẼ 1.1 Sơ đồ khối hệ thống điều khiển robot tự hành. . . . . . . . . . . 10 1.2 Minh họa thu thập thông tin bằng cảm biến Kinect và laser Rplidar. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 11 1.3 Mô tả thuật toán A*. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 14 1.4 Hệ quy chiếu toàn cục Xg Og Yg và hệ quy chiếu cục bộ trên robot Xr Or Yr . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 17 1.5 Sơ đồ quá trình lấy các hành vi trong xã hội của người. . . . . . 19 1.6 Không gian cá nhân của người [30]. . . . . . . . . . . . . . . . . 21 1.7 Mối quan hệ trạng thái của người và tư thế robot [28]. . . . . . . 22 1.8 Minh họa vùng DSZ theo phân bố Gaussian 2D: (a) Ảnh chụp ba người đang đứng, (b) Biểu đồ hình chiếu đứng phân bố Gaussian 2D với người p1 và nhóm hai người p2 , p3 , (c) Biểu đồ hình chiếu ngang phân bố Gaussian 2D với người p1 và nhóm hai người p2 , p3 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 22 1.9 Minh họa vùng tiếp cận và tư thế tiếp cận người: (a) Vùng tiếp cận và tư thế tiếp cận một người, (b) Vùng tiếp cận và tư thế tiếp cận nhóm ba người. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 24 1.10 Mô tả ba tư thế liên tiếp của robot trong bản đồ toàn cục. . . . . 25 1.11 Giải thích về mặt hình học ràng buộc động học non-holonomic. . 26 1.12 Đồ thị đường đi khi xem xét cặp điểm hai bên vật cản. . . . . . 29 vi
1.13 Mô tả ba đường đồ thị cùng lớp tương đồng: đường số 1 (ss - v2 - sg ), đường số 2 (ss - v2 - v3 - sg ), đường số 3 (ss - v3 - sg ). . 29 1.14 Quỹ đạo tạo ra từ thuật toán TEB [18] bị mắc kẹt vào quỹ đạo tối ưu cục bộ khi có người đi cắt ngang. . . . . . . . . . . . 31 1.15 Thuật toán TEB được tối ưu song song. . . . . . . . . . . . . . 32 1.16 Quỹ đạo chuyển động cho robot theo thuật toán TEB được tối ưu song song tránh bốn vật cản: (a) Các đường đồ thị được tạo ra khi xem xét cặp điểm hai bên vật cản, (b) Tập quỹ đạo tối ưu cho robot. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 33 1.17 Biểu đồ thể hiện chỉ số đánh giá cho cá nhân với độ lệch chuẩn bằng 0.45 và chỉ số đánh giá cho nhóm người với độ lệch chuẩn bằng 0.9. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 35 2.1 Minh họa bài toán 1: (a) Robot vượt một người đi cùng chiều phía bên trái, (b) Robot tránh hai người đi ngược chiều phía bên phải. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 45 2.2 Minh họa bài toán 2: (a) Robot tránh người khi đi qua cửa hẹp, (b) Robot tránh người khi qua điểm giao cắt, (c) Robot tránh khi có người đi cắt ngang hướng di chuyển. . . . . . . . . . 46 2.3 Minh họa bài toán 3: (a) Ảnh chụp tình huống, (b) Mô tả tư thế người, tư thế robot và tư thế tiếp cận. . . . . . . . . . . . . 47 2.4 Sơ đồ khối thực hiện thuật toán STEB. . . . . . . . . . . . . . . 48 2.5 Mô tả cách tính ∆V(B∗ ): (a) Robot vượt bên trái một người p đang đi cùng chiều, (b) Robot tránh bên phải một nhóm hai người đang đi ngược chiều. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 51 vii
2.6 Sơ đồ khối hệ thống điều khiển robot khi tích hợp thuật toán STEB. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 55 2.7 Minh họa tính đích phụ khi robot qua khu vực giao cắt hoặc có người đi cắt ngang hướng di chuyển robot. . . . . . . . . . . . 56 2.8 Sơ đồ khối hệ thống điều khiển robot khi tích hợp thuật toán TDTEB. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 60 2.9 Sơ đồ khối thực hiện thuật toán GTEB. . . . . . . . . . . . . . . 61 2.10 Sơ đồ khối hệ thống điều khiển robot khi tích hợp thuật toán GTEB. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 63 3.1 Ảnh chụp cơ cấu chuyển động của robot thực nghiệm. . . . . . . 67 3.2 Sơ đồ khối phần cứng robot. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 68 3.3 Robot hai bánh vi sai: (a) Ảnh chụp robot đã được chế tạo, (b) Mô hình robot trên phần mềm Rviz. . . . . . . . . . . . . . 69 3.4 Thu thập thông tin bằng cảm biến: (a) Thông tin vị trí thu được từ laser, (b) Phát hiện người sử dụng ảnh RGB-D từ cảm biến Kinect [70]. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 70 3.5 Minh họa tình huống 1: (a) Quỹ đạo STEB khi robot vượt một người đi cùng chiều, (b) Quỹ đạo STEB khi robot tránh một người đi ngược chiều. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 72 3.6 Minh họa tình huống 2: robot cần tránh người khi qua cửa hẹp. . 73 3.7 Minh họa tình huống 3: quỹ đạo GTEB khi robot cần tiếp cận một nhóm người đang đứng. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 74 3.8 Minh họa tình huống 4: quỹ đạo GTEB khi robot cần tiếp cận một người đang đi. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 74 viii
3.9 Mô phỏng robot vượt và tránh một người sử dụng thuật toán STEB. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 75 3.10 Mô phỏng robot vượt và tránh một nhóm hai người sử dụng thuật toán STEB. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 77 3.11 Mô phỏng robot tránh người khi sử dụng thuật toán TDTEB: (a) (d) Robot và người cùng qua cửa hẹp, (g) (j) Robot và người cùng qua khu vực giao cắt, (m) (p) Khi có người đi cắt ngang hướng đi của robot. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 79 3.12 Mô phỏng robot tiếp cận một nhóm ba người đang đứng đồng thời tránh một người sử dụng thuật toán GTEB. . . . . . . . . . 81 3.13 Mô phỏng robot tiếp cận một nhóm ba người đang đứng đồng thời tránh hai người sử dụng thuật toán GTEB. . . . . . . . . . 83 3.14 Mô phỏng robot tiếp cận một người đang đi đồng thời tránh hai người sử dụng thuật toán GTEB. . . . . . . . . . . . . . . . 84 3.15 Thực nghiệm robot tránh và vượt một người đang đi sử dụng thuật toán STEB. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 86 3.16 Thực nghiệm robot tránh và vượt một nhóm hai người đang đi sử dụng thuật toán STEB. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 87 3.17 Thực nghiệm robot tiếp cận nhóm người đang đứng sử dụng thuật toán GTEB: (a) (b) Robot tiếp cận nhóm hai người, (c) Robot tiếp cận nhóm ba người. . . . . . . . . . . . . . . . . . . 89 3.18 Thực nghiệm robot tiếp cận một người đang đi đồng thời tránh người khác đang đi sử dụng thuật toán GTEB. . . . . . . . . . . 91 ix
DANH MỤC BẢNG 3.1 Bộ tham số dùng chung cho mô phỏng. . . . . . . . . . . . . . . 66 3.2 Bộ tham số dùng riêng mô phỏng thuật toán STEB, TDTEB. . . 66 3.3 Bộ tham số dùng cho thực nghiệm. . . . . . . . . . . . . . . . . 72 x
DANH MỤC KÝ HIỆU TOÁN HỌC Ký hiệu Ý nghĩa. vr Vận tốc dài của robot vk Vận tốc dài của robot ở tư thế thứ k vrmax Giá trị lớn nhất vận tốc dài của robot vlw Vận tốc bánh trái vrw Vận tốc bánh phải ωr Vận tốc góc của robot ωk Vận tốc góc của robot ở tư thế thứ k ωrmax Giá trị lớn nhất vận tốc góc của robot ωlw Vận tốc góc bánh trái ωrw Vận tốc góc bánh phải ar Gia tốc của robot ωr ˙ Gia tốc góc của robot armax Giá trị lớn nhất gia tốc của robot ωrmax ˙ Giá trị lớn nhất gia tốc góc của robot θr Góc hướng của robot θk Góc hướng của robot ở tư thế thứ k ss Tư thế bắt đầu sk Tư thế thứ k của robot sr Tư thế của robot xi
′ sr Trạng thái của robot sg Tư thế đích ssg Tư thế đích phụ ρ Khoảng cách từ robot đến vật cản ρmin Khoảng cách tối thiểu từ robot đến vật cản ∆T Khoảng thời gian giữa hai trạng thái liên tiếp của robot ∆Tmax Giá trị lớn nhất khoảng thời gian giữa hai trạng thái liên tiếp của robot O Miền kết nối tạo nên vật cản h Ràng buộc động học non-holonomic ν Ràng buộc vận tốc α Ràng buộc gia tốc o Ràng buộc tránh vật cản σh Trọng số điều chỉnh ràng buộc động học non- holonomic σν Trọng số điều chỉnh ràng buộc vận tốc σα Trọng số điều chỉnh ràng buộc gia tốc σo Trọng số điều chỉnh ràng buộc tránh vật cản σpteb Trọng số điều chỉnh khoảng cách gần nhất từ quỹ đạo theo thuật toán STEB tới điểm nằm hai bên vật cản σprg Trọng số điều chỉnh khoảng cách từ người tới đường nối hướng robot và đích xii
∆θl Góc giới hạn vùng di chuyển của người rr Bán kính thân robot rh Bán kính thân người dp Khoảng cách an toàn về mặt vật lý dc Khoảng cách an toàn về mặt tâm lý rlw Bán kính bánh xe bên trái rrw Bán kính bánh xe bên phải Tv Giá trị tối thiểu cho mạch điều khiển để xe có thể dịch chuyển dw Độ dài trục giữa hai bánh xe km Tỷ số truyền hộ giảm tốc el Giá trị Encoder bánh trái er Giá trị Encoder bánh phải wlw Trọng số bù sai số bánh xe bên trái wrw Trọng số bù sai số bánh xe bên phải ww Trọng số bù sai số độ dài trục giữa hai bánh xe wf Trọng số điều chỉnh vận tốc khi robot tiến wb Trọng số điều chỉnh vận tốc khi robot lùi SI Tập các tương tác xã hội P Tập hợp người O Tập các vật cản ur Lệnh điều khiển robot xiii
MỞ ĐẦU 1. Tính cấp thiết của đề tài luận án Như chúng ta đã biết, con người đã có những bước phát triển vượt bậc về khoa học công nghệ, đây là thành quả từ các cuộc cách mạng công nghiệp, cho phép ứng dụng rộng rãi robot trong nhiều lĩnh vực của cuộc sống. Robot có thể thay thế con người trong nhiều lĩnh vực như: sản xuất, y tế, giáo dục hay đời sống hàng ngày. Chúng ta thường thấy các robot vận chuyển hàng hóa trong nhà máy, vận chuyển thuốc và vật tư y tế trong bệnh viện. Trong cuộc sống, các robot hút bụi thường thấy xuất hiện trong các hộ gia đình, robot mang nước và đồ ăn cho khách trong các nhà hàng. Ngoài ra, robot còn được sử dụng để thực hiện các nhiệm vụ đặc biệt như thám hiểm, rà phá bom mìn trong lĩnh vực quân sự. Khi nghiên cứu về robot tự hành, một trong các nhiệm vụ quan trọng là nâng cao hiệu quả tự dẫn đường. Hay nói cách khác là tạo ra các robot ngày càng thông minh hơn, có thể tự động xác định đường đi, tự động tránh vật cản, tránh người theo cách phù hợp nhất. Khác với loại robot điều khiển từ xa là phụ thuộc vào điều khiển trực tiếp từ con người hoặc robot bám vạch chỉ có thể đi theo một đường trực quan được sơn hoặc nhúng vào sàn nhà. Các robot tự hành có khả năng di chuyển một cách tự động mà không cần điều khiển trực tiếp từ con người. Chúng có thể tự động tính toán đường đi sao cho hiệu quả, tự động xử lý các tình 1
huống phát sinh xảy ra trong quá trình di chuyển. Khả năng nhận biết được môi trường xung quanh sẽ quyết định các hành động của robot tự hành, chỉ khi có được đầy đủ các thông tin về môi trường xung quanh thì robot tự hành mới có thể di chuyển và hoạt động một cách chính xác. Khi robot tự hành hoạt động trong môi trường có con người, chúng cần đảm bảo sự an toàn và thân thiện với con người, hướng tới các hành động của robot giống như con người. Khi robot tự hành tiếp cận người, sự thông minh của robot thể hiện ở chỗ chúng hoàn toàn có thể tự tính toán tư thế (vị trí và hướng) tiếp cận người sao cho phù hợp. Hướng nghiên cứu về robot tự hành hoạt động trong môi trường con người vẫn còn nhiều hạn chế và cần được quan tâm nghiên cứu nhiều hơn nữa. Chính vì lý do này, nghiên cứu sinh (NCS) đã chọn hướng nghiên cứu của luận án là "Nghiên cứu phát triển thuật toán tối ưu hóa tính toán quỹ đạo chuyển động cho robot tự hành trong nhà có kể đến tương tác với con người". 2. Mục tiêu của luận án Mục tiêu của luận án là nghiên cứu phát triển thuật toán tính toán tối ưu hóa quỹ đạo chuyển động cho robot tự hành, đảm bảo cho chúng có thể tự động chọn vị trí để tiếp cận người. Trong quá trình di chuyển, robot cần tránh vật cản, tránh người trong môi trường động, đồng thời đảm bảo tính thân thiện và an toàn cho con người. Quá trình robot tránh người phù hợp với một số ràng buộc có tính xã hội. Các ràng buộc có tính xã hội ở đây có thể hiểu đơn giản là các ràng buộc mà con người cần phải tuân theo, ví dụ như: robot không nên đi quá gần người, không nên đi vào giữa nhóm người. Trên cơ sở kế thừa và phát triển các thuật toán về dẫn đường robot tự 2
hành, có tính đến ứng dụng robot tự hành trong thực tế. Mục tiêu luận án cần đạt được là: - Nghiên cứu và phát triển các thuật toán tối ưu hóa tính toán quỹ đạo chuyển động cho robot tự hành. - Đề xuất thuật toán tối ưu hóa tính toán quỹ đạo chuyển động cho robot tự hành trong nhà, tránh người theo một số ràng buộc có tính xã hội, có dự đoán di chuyển của người. Đảm bảo tính an toàn và thân thiện với con người. - Đề xuất thuật toán tối ưu hóa tính toán quỹ đạo chuyển động cho robot tự hành tiếp cận người đang đi, tiếp cận các nhóm người. - Xây dựng robot hai bánh vi sai, tiến hành thực nghiệm để đánh giá hiệu quả của các thuật toán đã đề xuất. 3. Đối tượng, phạm vi nghiên cứu Đối tượng nghiên cứu Đối tượng nghiên cứu của luận án là hệ thống điều khiển robot tự hành (hai bánh vi sai) tránh người và tiếp cận người. Phạm vi nghiên cứu Phạm vi nghiên cứu của luận án được giới hạn như sau: - Nghiên cứu robot tự hành hai bánh vi sai hoạt động trong nhà, bỏ qua hiện tượng trượt của bánh xe và coi mặt đường robot di chuyển là bằng phẳng không có dốc lên xuống. - Nghiên cứu phát triển thuật toán tối ưu hóa tính toán quỹ đạo chuyển động cho robot tự hành, trong đó có đưa vào các ràng buộc mang tính xã hội. Cách thức xử lý của robot trong một số tình huống khác nhau, hướng 3