Tóm tắt Luận án Tiến sĩ ngành Công nghệ điện tử viễn thông

ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI<br /> ---------------------------------------TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ<br /> <br /> Phùng Mạnh Dương<br /> <br /> NGHIÊN CỨU VẤN ĐỀ GIÁM SÁT VÀ ĐIỀU KHIỂN<br /> ROBOT QUA MẠNG MÁY TÍNH<br /> <br /> Chuyên ngành: Kỹ thuật Điện tử<br /> Mã số: 62 52 70 01<br /> <br /> TÓM TẮT LUẬN ÁN TIẾN SĨ NGÀNH CÔNG NGHỆ<br /> ĐIỆN TỬ VIỄN THÔNG<br /> <br /> Hà Nội - 2013<br />  <br /> <br />  <br /> <br /> Công trình được hoàn thành tại:<br /> <br />  <br /> <br /> Trường Đại học Công nghệ, Đại học Quốc gia Hà Nội<br /> <br /> Người hướng dẫn khoa học: PGS.TS Trần Quang Vinh<br /> <br /> Phản biện 1: . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .<br /> <br /> Phản biện 2: . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .<br /> <br /> Phản biện 3: . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .<br /> <br /> Luận án sẽ được bảo vệ trước Hội đồng cấp nhà nước chấm luận<br /> án tiến sĩ họp tại . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .<br /> vào hồi<br /> <br /> giờ<br /> <br /> ngày<br /> <br /> tháng<br /> <br /> năm<br /> <br /> Có thể tìm hiểu luận án tại:<br /> - Thư viện Quốc gia Việt Nam<br /> - Trung tâm Thông tin - Thư viện, Đại học Quốc gia Hà Nội<br />  <br />  <br /> <br />  <br /> <br /> CHƯƠNG 1: MỞ ĐẦU<br /> 1.1 Tổng quan về hệ robot nối mạng<br /> Hệ robot nối mạng, định nghĩa bởi hiệp hội robot quốc tế RAS, là<br /> một hệ robot được điều khiển phân tán qua mạng truyền thông máy<br /> tính như mạng Internet hay LAN. Mạng truyền thông có thể là có dây<br /> hay không dây, và dựa trên các giao thức bất kỳ như TCP, UDP, hay<br /> 802.11. Có hai loại robot nối mạng bao gồm loại hoạt động tự trị và<br /> loại điều khiển bằng tay.<br /> Nghiên cứu robot nối mạng chuyển các bài toán truyền thống như<br /> định vị và điều khiển sang dạng phân tán qua mạng truyền thông<br /> không đồng nhất. Các khó khăn đặt ra bao gồm việc đảm bảo hiệu<br /> năng và độ tin cậy hệ thống trong điều kiện bị tác động bởi các thông<br /> số mạng bất định như độ trì trễ, sự mất mát gói tin, truyền sai thứ tự<br /> gói tin, hay băng thông hạn chế. Nhiều ứng dụng thực tiễn của hệ<br /> robot nối mạng đã và đang được phát triển từ điều khiển công nghiệp<br /> tới cứu hộ cứu nạn.<br /> 1.2 Ứng dụng của robot nối mạng<br /> Xuất hiện vào năm 1994, hệ robot nối mạng đầu tiên cho phép khám<br /> phá sự sống trong vùng bị nhiễm xạ đã nhận được hơn 2,5 triệu lượt<br /> sử dụng trong 7 tháng. Bảy năm sau, hơn 40 hệ như vậy đã được phát<br /> triển cho phép người dùng từ xa tham quan bảo tàng, chăm sóc vườn<br /> cây, khám phá đại dương, thám sát không gian trên khí cầu, và gắp<br /> các tinh thể protein. Đến nay, robot nối mạng đã chứng minh được<br /> hiệu quả ứng dụng trong công nghiệp (như khai thác hầm mỏ), y tế<br /> (như mổ từ xa), giáo dục (như phòng thí nghiệm ảo), dịch vụ (như<br /> tương tác người máy), và nhiều lĩnh vực khác. Ở Việt Nam, robot nối<br /> mạng cũng đã bắt đầu thu hút được sự quan tâm nghiên cứu và được<br /> kỳ vọng tạo ra những phương thức mới giải quyết các vấn đề cấp<br /> bách trong giao thông hay cứu hộ cứu nạn.<br /> <br /> 1.3 Các nghiên cứu liên quan<br /> Trước tiềm năng ứng dụng của robot nối mạng, nhiều nghiên cứu đã<br /> được thực hiện tập trung chủ yếu vào giải quyết các bài toán cơ bản<br /> như định vị, điều khiển ổn định, và dẫn đường. Trong bài toán định<br /> vị, các hướng nổi bật bao gồm sử dụng kỹ thuật giao diện (bản đồ ảo,<br /> thực tại ảo, tái tạo mô hình 3D…) và bộ lọc tối ưu (bộ lọc Kalman và<br /> các cải tiến). Trong bài toán điều khiển ổn định, một số phương pháp<br /> đã được đề xuất như sử dụng bộ lọc dự đoán, bộ đệm thời gian, hay<br /> điều khiển dựa trên sự kiện. Bài toán dẫn đường được đề cập theo hai<br /> hướng là dẫn được trực tiếp và dẫn đường theo hành vi. Bên cạnh ưu<br /> nhược điểm riêng, nhìn chung, các nghiên cứu chủ yếu tập trung khắc<br /> phục độ trì trễ, hiếm khi giải quyết vấn đề mất mát và truyền sai thứ<br /> tự dữ liệu.<br /> 1.4 Mục tiêu nghiên cứu của luận án<br /> Trên cơ sở phân tích khả năng ứng dụng và các nghiên cứu liên quan,<br /> luận án này nghiên cứu một số vấn đề cơ bản trong việc giám sát và<br /> điều khiển robot nối mạng bao gồm định vị, điều khiển ổn định, và<br /> dẫn đường. Mục tiêu của luận án là tìm ra các giải thuật mới và hiệu<br /> quả tạo cơ sở lý thuyết cho các ứng dụng thực tiễn đồng thời đóng<br /> góp vào sự phát triển của robot nối mạng.<br /> Do mạng truyền thông máy tính nói chung rộng và phong phú về<br /> mục đích, cấu trúc, cũng như cách hoạt động, luận án này giới hạn<br /> nghiên cứu trong mạng Internet là mạng được sử dụng phổ biến cho<br /> hệ robot nối mạng. Với mạng Internet, tác giả cũng giới hạn các tham<br /> số chính là độ trì trễ, sự phân phát sai thứ tự gói tin, và độ mất mát<br /> gói tin. Tương tự, robot được nghiên cứu là loại robot di động có hai<br /> bánh điều khiển vi sai.<br /> 1.5 Cấu trúc của luận án<br /> <br /> 1<br />  <br /> <br /> 2<br />  <br /> <br /> Luận án bao gồm 6 chương. Chương 1 trình bày tổng quan về robot<br /> nối mạng. Chương 2 đặt vấn đề và mô hình hóa hệ thống. Chương 3<br /> trình bày giải thuật định vị. Chương 4 trình bày giải thuật điều khiển<br /> ổn định. Chương 5 trình bày giải thuật dẫn đường. Cuối cùng,<br /> chương 7 trình bày những đóng góp chính của luận án.<br /> CHƯƠNG 2: MÔ HÌNH HỆ THỐNG<br /> 2.1 Biểu diễn trong không gian trạng thái của hệ robot nối mạng<br /> Mô hình hệ robot nối mạng sử dụng trong luận án được mô tả trong<br /> hình 2.2 trong đó bộ điều kiển kết nối với bộ chấp hành qua một<br /> mạng truyền thông. Mạng truyền thông gây ra sự trì trễ, phân phát sai<br /> thứ tự, và mất mát lên các gói tin dữ liệu trao đổi trong hệ thống.<br /> <br /> trong đó x là trạng thái, z là phép đo lối ra, u là tín hiệu lối vào, w và<br /> v lần lượt là nhiễu hệ thống và nhiễu đó, và f và h lần lượt là các hàm<br /> hệ thống.<br /> 2.2 Mạng truyền thông<br /> Mạng truyền thông sử dụng trong robot nối mạng có thể lựa chọn<br /> tương đối rộng từ mạng truyền thông trong công nghiệp như fieldbus,<br /> CAN, đến các mạng đa dụng như Ethernet hay Internet. Các mạng<br /> này chia sẻ chung một số tính chất tác động tới hệ robot.<br /> <br /> <br /> <br /> <br /> Độ trì trễ: Độ trì trễ nói chung là ngẫu nhiên trong quá trình hệ<br /> robot hoạt động. Tuy nhiên, tại mỗi thời điểm lấy mẫu, giá trị trễ<br /> có thể đo được nhờ so sánh trường thời gian gửi trong gói tin với<br /> thời gian nhận được gói tin.<br /> Sự phân phát sai thứ tự gói tin: Vấn đề này thường xảy ra khi các<br /> gói tin được truyền đi theo các tuyến khác nhau. Gói tin sai thứ<br /> tự có thể được mô hình hóa tương đương như một gói tin bị trễ<br /> lớn nhảy bậc như sau:<br /> ti  tk  ( j  i )Ts<br /> <br /> trong đó là ti thời gian trễ tương đương của gói tin i tới sai thứ<br /> tự vào thời điểm k, tk là thời gian trễ tại thời điểm k, j là số hiệu<br /> của gói tin tới đúng thứ tự gần nhất và Ts là thời gian lấy mẫu.<br /> <br /> Hình 2.2: Mô hình hệ thống và định thời của các tín hiệu.<br /> Gọi n và m lần lượt là độ trì trễ truyền và nhận, kca và ksc lần lượt là<br /> các biến ngẫu nhiên nhị phân mô tả sự mất mát dữ liệu truyền và<br /> nhận, mô hình hệ robot nối mạng khi đó được mô tả trong không gian<br /> trạng thái như sau:<br /> <br /> x k  f (x k 1 , kca n 1u k  n 1 , w k 1 )<br /> <br /> <br /> z k  ksc m z k  m  ksc m h( x k  m , v k  m )<br /> <br /> <br /> <br /> <br /> <br /> Sự mất mát gói tin: Sự mất mát gói tin được mô hình hóa như là<br /> một biến ngẫu nhiên nhị phân k :<br /> 1,<br /> 0,<br /> <br /> ế ó ớ <br /> ườ ợ á<br /> <br /> <br /> <br /> ả<br /> <br /> ờ <br /> <br /> ừ <br /> <br /> 1 ớ <br /> <br /> (2.11)<br /> (2.4)<br /> <br /> 4<br /> <br /> 3<br />  <br /> <br /> (2.10)<br /> <br />  <br /> <br /> <br /> x  vc cos <br /> <br /> y  vc sin <br />   <br /> <br /> 2.3 Hệ robot<br /> Trong luận án này, một hệ robot nối mạng thực đã được phát triền<br /> làm cơ sở cho các nghiên cứu và thực nghiệm. Hình 2.4 trình bày mô<br /> hình tổng quát của hệ thống.<br /> <br /> Hình 2.4: Cấu trúc của hệ robot nối mạng được xây dựng.<br /> <br /> xk 1  xk  Ts vc (k ) cos  k<br /> yk 1  yk  Ts vc (k )sin  k<br /> <br /> (2.13)<br /> <br /> (2.16)<br /> <br />  k 1   k  Tsc (k )<br /> <br /> c<br /> <br /> 2.3.2 Cấu hình phần cứng<br /> Phần cứng hệ thống bao gồm 2 phần: cơ cấu chấp hành và cảm biến,<br /> và các thiết bị tương tác và điều khiển. Phần cơ cấu chấp hành và<br /> cảm biến bao gồm các động cơ một chiều cho điều khiển chuyển<br /> động, cảm biến siêu âm SRF05 cho tránh vật cản, cảm biến từ địa<br /> bàn CMPS03 và cảm biến GPS Holux UB-93 cho định vị, cảm biến<br /> ảnh EVI-D100 và cảm biến đo xa laser LMS-221 cho xây dựng bản<br /> đồ và dẫn đường. Phần thiết bị tương tác và điều khiển bao gồm các<br /> máy tính và một cần điều khiển Joystick 3D Logitech.<br /> 2.3.3 Mô hình truyền thông<br /> <br /> 2.3.1 Mô hình động học<br /> Robot sử dụng trong luận án này là loại 2 bánh vi sai như trong hình<br /> 2.5 trong đó (XG, YG) là hệ tọa độ toàn cục, (XR, YR) là hệ tọa độ gắn<br /> với robot, R là bán kính bánh xe, và L là khoảng cách giữa 2 bánh.<br /> <br /> Việc truyền tải dữ liệu giữa các thành phần của hệ robot nối mạng<br /> được thực hiện bởi một mô hình truyền thông đa giao thức. Mô hình<br /> này sử dụng các giao thức khác nhau cho mỗi loại dữ liệu cần truyền<br /> nhằm tận dụng ưu điểm của mỗi giao thức để qua đó nâng cao hiệu<br /> năng truyền thông của toàn hệ thống. Việc lựa chọn giao thức được<br /> thực hiện trên cơ sở phân tích đặc điểm của từng giao thức trong mối<br /> liên hệ với dữ liệu cần truyền tải.<br /> <br /> Mô hình động học liên tục và rời rạc của robot khi đó lần lượt được<br /> biểu diễn ở phương trình 2.13 và 2.16:<br /> <br /> Có 3 giao thức chính ở lớp vận chuyển được sử dụng phổ biến cho<br /> robot nối mạng là TCP, UDP, và RTP. TCP là giao thức hướng kết<br /> nối được thiết kế cho việc truyền dữ liệu một cách tin cậy qua các<br /> mạng có băng thông thấp và tỉ lệ lỗi cao. UDP mặt khác là một giao<br /> thức tối giản với mục tiêu truyền dữ liệu từ thiết bị này tới thiết bị<br /> khác một cách nhanh nhất có thể. RTP được thiết kế chính cho việc<br /> truyền tải dữ liệu đa phương tiện như âm thanh hay hình ảnh. Kết quả<br /> mô phỏng trên ns-2 của chúng tôi chỉ ra rằng mỗi giao thức có ưu<br /> <br /> 5<br /> <br /> 6<br /> <br /> Hình 2.5: Robot hai bánh điều khiển vi sai và các tham số.<br /> <br />  <br /> <br />  <br /> <br />