BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TO BỘ QUỐC PHÒNG
HỌC VIỆN KỸ THUẬT QUÂN SỰ
HOÀNG VĂN BẢY
NGHIÊN CỨU PHÁT TRIỂN THUẬT TOÁN TỐI ƯU A
TÍNH TOÁN QUỸ ĐO CHUYỂN ĐỘNG CHO ROBOT TỰ HÀNH
TRONG NHÀ KỂ ĐẾN TƯƠNG TÁC VỚI CON NGƯỜI
Ngành: Kỹ thuật điều khiển và Tự động hóa
số: 9 52 02 16
TÓM TT LUẬN ÁN TIẾN KỸ THUẬT
NỘI - 2023
Công trình được hoàn thành tại:
HỌC VIỆN KỸ THUẬT QUÂN SỰ
Người hướng dẫn khoa học:
TS Đỗ Đình Nghĩa
PGS.TS Trương Xuân Tùng
Phản biện 1: GS.TS Chử Đức Chình
Đại học Quốc gia Nội
Phản biện 2: GS.TS Hùng Lân
Trường Đại học Giao thông Vận tải
Phản biện 3: PGS.TS Nguyễn Phạm Thục Anh
Đại học Bách khoa Nội
Luận án được bảo v tại Hội đồng đánh giá luận án tiến cấp Học viện
họp tại:
Học viện Kỹ thuật quân sự
Vào hồi: ........giờ........ngày........tháng........năm...........
thể tìm hiểu luận án tại:
- Thư viện Học viện Kỹ thuật quân sự
- Thư viện Quốc gia Việt Nam
1
MỞ ĐU
1. Tính cấp thiết của đề tài luận án
Trong thời đại ngày nay, khoa học và công nghệ những bước phát triển vượt
bậc, cho phép ứng dụng rộng rãi robot tự hành trong nhiều lĩnh vực cuộc sống
như y tế, giáo dục, sản xuất và cả quân sự.
Khi robot tự hành hoạt động trong môi trường 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 chỗ chúng hoàn toàn thể tự tính toán thế (vị trí và hướng) tiếp
cận người sao cho phù hợp.
Hướng nghiên cứu v robot tự hành hoạt động trong môi trường con người vẫn
còn đặt ra nhiều thách thức và cần được được quan tâm nghiên cứu nhiều hơn
nữa. Chính do y, nghiên cứu sinh (NCS) đã chọn hướng nghiên cứu của
luận án "Nghiên cứu phát triển thuật toán tối ưu hóa tính toán quỹ đạo chuyển
động cho robot tự hành trong nhà k đến tương tác với con người".
2. Mục tiêu của luận án
- 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 tính hội, dự đoán di
chuyển của người. Đảm bảo 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.
- y 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 hệ thống dẫn đường cho robot tự hành
(hai bánh vi sai) tránh người và tiếp cận người.
Phạm vi nghiên cứu
- 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 bằng phẳng không
dốc lên xuống.
- Nghiên cứu phát triển thuật toán tối ưu hóa tính toán đạo chuyển động cho
robot tự hành, trong đó đưa vào các ràng buộc mang tính hội. Cách thức
xử của robot trong một số tình huống khác nhau, hướng tới việc di chuyển của
robot giống di chuyển của con người.
- Nghiên cứu phát triển thuật toán tối ưu hóa tính toán quỹ đạo chuyển động
cho robot tự hành tiếp cận người trong môi trường động đồng thời đảm bảo tính
an toàn và thân thiện với con người.
4. Nội dung nghiên cứu
- Nghiên cứu các thuật toán tối ưu hóa tính toán quỹ đạo chuyển động cho
robot tự hành. Đảm bảo robot di chuyển thông minh, các hành vi của robot gần
giống với con người.
2
- Nghiên cứu các thuật toán dẫn đường, tránh vật cản, xác định vùng tiếp cận
người cho robot tự hành.
- Nghiên cứu viết chương trình phỏng, y dựng robot thực. Tiến hành
kiểm nghiệm các thuật toán đã đề xuất bằng phỏng và trên robot thực.
5. Phương pháp nghiên cứu
- Các phương pháp thống kê, phân tích, tổng hợp.
- Nghiên cứu thuyết.
- Kế thừa và phát triển các nghiên cứu trong và ngoài nước.
- Phương pháp phỏng.
- Phương pháp thực nghiệm, kiểm chứng.
6. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn
Ý nghĩa khoa học
- Các kết quả nghiên cứu của luận án sở khoa học để mở rộng nghiên cứu
v robot tự hành hoạt động trong môi trường con người, tự động tránh vật cản,
tránh người an toàn thân thiện, tính toán thông minh khi tiếp cận người.
- Các kết quả nghiên cứu của luận án thể ứng dụng để phát triển các thuật
toán tính toán quỹ đạo chuyển động, dẫn đường robot tự hành trong môi trường
con người. Nội dung thuyết thể đưa vào giảng dạy cho các đối tượng học
chuyên ngành điều khiển robot.
Ý nghĩa thực tiễn
Các kết quả nghiên cứu của luận án thể ứng dụng thực tế cho robot tự hành
hoạt động trong nhà, đáp ứng nhu cầu cuộc sống con người như: robot phục vụ
trong các bệnh viện, trong các nhà hàng, trong các kho bãi. Ngoài ra còn thể
sử dụng robot tự hành tiếp cận mục tiêu trong môi trường độc hại và nguy hiểm.
7. Các đóng góp chính
- Đề xuất thuật toán STEB thiết kế quỹ đạo chuyển động cho robot tự hành
tránh người tính đến một số ràng buộc mang tính hội (bài báo số 1, 3).
- Đề xuất thuật toán TDTEB thiết kế quỹ đạo chuyển động cho robot tự hành
trong đó dự đoán hướng di chuyển của người, dự đoán nguy xảy ra va chạm
với người xét trong một số tình huống cụ thể (bài báo số 2, 3).
- Đề xuất thuật toán GTEB thiết kế quỹ đạo chuyển động cho robot tự hành
tiếp cận các nhóm người hoặc một người đang đi (bài báo số 4, 5, 6).
8. Bố cục của luận án
Luận án gồm phần mở đầu, ba chương, mục lục, các công trình công bố, tài
liệu tham khảo và ph lục.
Chương 1: Tổng quan v tính toán quỹ đạo cho robot tự hành
Chương 2: Thiết kế quỹ đạo chuyển động cho robot tự hành tránh người và
tiếp cận người trong môi trường động
Chương 3: phỏng và thực nghiệm các thuật toán
Chương 1
TỔNG QUAN VỀ TÍNH TOÁN QUỸ ĐO CHO ROBOT TỰ HÀNH
1.1. Giới thiệu chung về robot tự hành
Robot tự hành loại robot thực hiện các nhiệm vụ với mức độ tự ch cao, sự
can thiệp của con người đến hoạt động của không hoặc rất ít [21].
3
1.2. Hệ thống dẫn đường robot tự hành
Hình 1.1 đồ khối hệ thống dẫn đường robot tự hành.
Cảm biến
Lấy thông tin
Định vvà
xây dựng bản đ
Lập kế hoạch đường đi
và tránh vật cản
Hành đng
Thực hiện kế hoạch
Đường đi
Bản đ toàn cục
Thu thập và
x thông tin
Điều khiển
chuyn động
Môi tờng thc
hình môi trường
Bản đ cục b
Dữ liệu thô Lệnh điều
khiển
Hình 1.1: đồ khối hệ thống dẫn đường robot tự hành.
Chức năng và nhiệm vụ từng khối như sau:
1.2.1. Thu thập và xử thông tin
Một trong những nhiệm vụ quan trọng của bất kỳ hệ thống tự động nào thu
thập thông tin v môi trường. Với robot tự hành, việc thu thập thông tin môi
trường xung quanh bằng cách sử dụng các cảm biến hoặc dữ liệu thu v từ bản
thân robot qua encoder, sau đó lấy ra thông tin ích. Các cảm biến hay được
sử dụng trên robot tự hành như laser, camera.
1.2.2. Định vị và y dựng bản đồ
Để di chuyển trong môi trường, robot cần biết chúng đang đâu trong môi
trường đó. Định vị quá trình xác định vị trí và hướng của robot thời điểm
hiện tại dựa trên các thông tin v trạng thái bắt đầu, các trạng thái trước đó của
robot. Do đó, để robot thể tự động di chuyển trong môi trường, quá trình định
vị rất quan trọng và không thể thiếu.
1.2.3. Lập kế hoạch đường đi
Lập kế hoạch đường đi cho robot tự hành thường được chia thành hai loại: lập
kế hoạch đường đi toàn cục và lập kế hoạch đường đi cục b [7].
Lập kế hoạch đường đi toàn cục
Lập kế hoạch đường đi toàn cục quá trình xác định đường đi của robot từ
điểm đầu tới đích cho trước dựa trên bản đồ đã được nạp sẵn vào robot. nhiều
thuật toán lập kế hoạch đường đi toàn cục như: thuật toán A* [8], [9], thuật toán
D* [10]. Đây những thuật toán đã được lập trình thành các module và hoàn
toàn thể cài vào hệ điều hành robot (ROS) để sử dụng.
Thuật toán A* được lựa chọn để lập kế hoạch đường đi toàn cục đơn
giản, linh hoạt và phổ biến.
Lập kế hoạch đường đi cục b
nhiều thuật toán khác nhau sử dụng để lập kế hoạch đường đi cục b cho
robot tự hành như: PF [11], [12], RRT [13], TEB [16]. Mỗi thuật toán sẽ những
ưu điểm và nhược điểm riêng. Với PF và RRT thời gian tính toán nhanh, tuy
nhiên dễ rơi vào bẫy cực trị địa phương. Vị trí bẫy xảy ra khi robot di chuyển vào