Luận văn Thạc sĩ Công nghệ điện tử viễn thông: Nghiên cứu phương pháp tổng hợp cảm biến dùng cho kỹ thuật dẫn đường các robot di động

ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI<br /> -------------------------------------TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ<br /> <br /> Trần Thuận Hoàng<br /> <br /> NGHIÊN CỨU PHƯƠNG PHÁP<br /> TỔNG HỢP CẢM BIẾN<br /> DÙNG CHO KỸ THUẬT DẪN ĐƯỜNG<br /> CÁC ROBOT DI ĐỘNG<br /> <br /> Chuyên ngành:<br /> Mã số chuyên ngành:<br /> <br /> Kỹ thuật Điện tử<br /> 62 52 70 01<br /> <br /> LUẬN ÁN TIẾN SĨ NGÀNH CÔNG NGHỆ ĐIỆN TỬ VIỄN THÔNG<br /> <br /> NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC:<br /> 1. PGS. TS. TRẦN QUANG VINH<br /> 2. PGS. TS. BẠCH GIA DƯƠNG<br /> <br /> Hà Nội - 2015<br /> <br /> LỜI CAM ĐOAN<br /> <br /> Tác giả xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu của bản thân tác giả. Các kết quả<br /> nghiên cứu và các kết luận trong luận án này là trung thực, và không sao chép từ bất<br /> kỳ một nguồn nào và dưới bất kỳ hình thức nào. Việc tham khảo các nguồn tài liệu<br /> (nếu có) đã được thực hiện trích dẫn và ghi nguồn tài liệu tham khảo đúng quy định.<br /> Tác giả luận án<br /> <br /> ii<br /> <br /> MỤC LỤC<br /> Trang<br /> <br /> Trang phụ bìa ........................................................................................................... i<br /> Lời cam đoan........................................................................................................... ii<br /> Mục lục .................................................................................................................. iii<br /> Danh mục các ký hiệu và chữ viết tắt ..................................................................... vi<br /> Danh mục các bảng ............................................................................................... vii<br /> Danh mục các hình vẽ, đồ thị................................................................................. vii<br /> MỞ ĐẦU ................................................................................................................ 1<br /> CHƯƠNG 1. PHƯƠNG PHÁP TỔNG HỢP CẢM BIẾN ................................ 10<br /> 1.1. Hệ thống tổng hợp dữ liệu cảm biến ............................................................... 12<br /> 1.1.1. Tổng hợp dữ liệu đa cảm biến.................................................................. 12<br /> 1.1.2. Quản lý đa cảm biến ................................................................................ 17<br /> 1.1.3. Phân loại tổng hợp đa cảm biến ............................................................... 19<br /> 1.1.3.1. Phân loại theo mức ........................................................................... 19<br /> 1.1.3.2. Phân loại dựa trên dữ liệu vào ra ...................................................... 20<br /> 1.1.3.3. Phân loại dựa trên cấu hình cảm biến ............................................... 21<br /> 1.1.4. Các vấn đề cần giải quyết trong bài toán tổng hợp dữ liệu đa cảm biến ... 23<br /> 1.1.5. Kiến trúc hệ thống tổng hợp dữ liệu ........................................................ 26<br /> 1.1.5.1. Kiến trúc tổng hợp trung tâm ........................................................... 26<br /> 1.1.5.2. Kiến trúc tổng hợp phân tán ............................................................ 26<br /> 1.1.5.3. Kiến trúc tổng hợp cục bộ ............................................................... 27<br /> 1.2. Các phương pháp tổng hợp cảm biến cho robot di động .................................. 28<br /> 1.2.1. Định vị và lập bản đồ............................................................................... 28<br /> 1.2.2. Tổng hợp cảm biến với phương pháp suy luận xác suất để nâng cao độ tin<br /> cậy cho bài toán định vị robot ........................................................................... 33<br /> 1.2.3. Tổng hợp cảm biến bằng bộ lọc Kalman để nâng cao độ tin cậy cho bài<br /> toán định vị robot. ............................................................................................. 34<br /> 1.3. Kết luận .......................................................................................................... 40<br /> CHƯƠNG 2. XÂY DỰNG MÔ HÌNH ROBOT DI ĐỘNG ĐA CẢM BIẾN.... 41<br /> 2.1. Thiết kế chế tạo phần cứng mô hình robot di động đa cảm biến. ..................... 41<br /> 2.1.1. Các mô đun cảm nhận, khối điều khiển và cơ cấu chấp hành của robot.... 41<br /> 2.1.1.1. Cấu trúc cơ khí của robot.................................................................. 43<br /> 2.1.1.2. Các mô đun điều khiển chuyển động. ............................................... 44<br /> iii<br /> <br /> 2.1.1.3. Các mô đun cảm biến trên robot ....................................................... 44<br /> 2.1.1.4. Khối điều khiển điện tử trong robot .................................................. 53<br /> 2.1.1.5. Các khối giao tiếp truyền tin giữa vi điều khiển MCUdsPIC với máy<br /> tính ............................................................................................................... 56<br /> 2.1.2. Chương trình điều khiển hệ thống ........................................................... 57<br /> 2.2. Đo đạc đánh giá mô hình hệ thống được chế tạo ............................................. 59<br /> 2.2.1. Kiểm tra độ chính xác của chuyển động robot ......................................... 59<br /> 2.2.1. Kiểm tra độ tin cậy của ảnh laser ............................................................. 60<br /> 2.3. Kết luận .......................................................................................................... 63<br /> CHƯƠNG 3. TỔNG HỢP CẢM BIẾN DÙNG CHO ĐỊNH VỊ VÀ LẬP BẢN<br /> ĐỒ DẪN ĐƯỜNG ROBOT DI ĐỘNG .............................................................. 64<br /> 3.1. Tổng hợp cảm biến bằng bộ lọc Kalman mở rộng để nâng cao độ tin cậy của<br /> phép định vị robot ................................................................................................. 65<br /> 3.1.1. Tổng hợp dữ liệu odometry với cảm biến chỉ hướng từ-địa bàn. .............. 70<br /> 3.1.1.1. Xác định các ma trận trong các bước tổng hợp dùng EKF ................ 70<br /> 3.1.1.2. Thực nghiệm và thảo luận ................................................................ 72<br /> 3.1.2. Tổng hợp dữ liệu với thêm cảm biến đo xa laser ...................................... 73<br /> 3.1.2.1. Tính véc-tơ zk, ma trận Hk và ma trận hiệp phương sai Rk ................ 74<br /> 3.1.2.2. Nhận dạng các tham số var(ri) và var(ψi) của ma trận Rk .................. 77<br /> 3.1.2.3. Thực nghiệm và thảo luận ................................................................ 81<br /> 3.1.3. Tổng hợp dữ liệu với cảm biến camera ảnh toàn phương ........................ 84<br /> 3.1.3.1. Tính véc-tơ zk, ma trận Hk và ma trận hiệp phương sai Rk ................ 84<br /> 3.1.3.2. Áp dụng kỹ thuật thị giác máy tính phát hiện cột mốc và đo góc γk .. 87<br /> 3.1.3.3. Khảo sát sai số định góc của cảm biến ảnh toàn phương ................... 88<br /> 3.1.3.4. Kết quả thực nghiệm và thảo luận .................................................... 89<br /> 3.2. Xây dựng bản đồ dẫn đường bằng tổng hợp dữ liệu cảm biến đo xa laser ...... 91<br /> 3.2.1. Thu thập dữ liệu 3D các điểm ảnh của vật cản ........................................ 91<br /> 3.2.2. Giải thuật IPaBD xây dựng bản đồ dẫn đường 2D ................................... 92<br /> 3.2.3. Thực nghiệm xây dựng bản đồ và áp dụng cho vạch đường đi và điều<br /> khiển robot ........................................................................................................ 95<br /> 3.2.3.1. Kết quả xây dựng bản đồ bằng giải thuật IPaBD .............................. 95<br /> 3.2.3.2. Thực nghiệm vạch đường đi và điều khiển robot nhờ bản đồ dẫn<br /> đường ........................................................................................................... 97<br /> 3.3. Kết luận .......................................................................................................... 99<br /> <br /> iv<br /> <br /> CHƯƠNG 4. ĐIỀU KHIỂN CHUYỂN ĐỘNG................................................ 100<br /> 4.1. Sự ổn định Lyapunov và nguyên lý bất biến LaSalle ............................ 100<br /> 4.1.1. Khái niệm ổn định Lyapunov đối với hệ tự trị ....................................... 100<br /> 4.1.2. Nguyên lý bất biến LaSalle .................................................................... 102<br /> 4.2. Xây dựng bộ điều khiển chuyển động ổn định ............................................. 102<br /> 4.2.1. Mô hình động học.................................................................................. 103<br /> 4.2.2. Thiết kế bộ điều khiển ........................................................................... 106<br /> 4.2.2.1. Điều khiển ổn định trong tập cấu hình toàn cục G ........................ 106<br /> 4.2.2.2. Điều khiển ổn định hệ thống trong tập cấu hình cục bộ L ........... 109<br /> 4.2.3. Sử dụng bộ lọc Kalman cho vòng điều khiển phản hồi .......................... 111<br /> 4.2.4. Mô phỏng và thực nghiệm ..................................................................... 112<br /> 4.3. Kết luận ........................................................................................................ 116<br /> KẾT LUẬN VÀ THẢO LUẬN HƯỚNG PHÁT TRIỂN ................................. 117<br /> 1. Các nội dung được thực hiện trong Luận án ..................................................... 117<br /> 2. Những đóng góp chính của Luận án ................................................................ 118<br /> 3. Hướng phát triển tương lai ............................................................................... 118<br /> DANH MỤC CÔNG TRÌNH KHOA HỌC CỦA TÁC GIẢ LIÊN QUAN ĐẾN<br /> LUẬN ÁN .......................................................................................................... 120<br /> TÀI LIỆU THAM KHẢO ................................................................................. 122<br /> <br /> v<br /> <br />