Xây dựng Robot tự hành dạng Nonholonomic và tổng hợp bộ điều khiển bám quỹ đạo
Trang 11
M C L C
M C L C 1
DANH M C HÌNH V 3
Danh m c các ký hi u và ch vi t t t 6
M U 7
1 Tính c p thi t c a lu n án 7
2 M c tiêu c a lu n án 9
3 i t ng và ph m vi nghiên c u c a lu n án 9
4 Ý ngh a khoa h c và th c ti n c a lu n án 10
5 N i dung c a lu n án 11
CH NG 1 T V N NGHIÊN C U VÀ XÂY D NG MÔ HÌNH ROBOT THÍ NGHI M 13
1.1 Nghiên c u t ng quan v h th ng robot có g n camera 13
1.1.1 T ng quan v m t h robot có g n camera bám m c tiêu di đ ng 13
1.1.2 T ng quan tình hình nghiên c u trong và ngoài n c 17
1.2.3 K t lu n và l a ch n h ng nghiên c u, phát tri n Lu n án 21
1.2 Xây d ng mô hình robot t hành 22
1.2.1 Xây d ng c u trúc c a h robot t hành 22
1.2.2 Xây d ng ph n c ng cho m ch ch đi u khi n robot: 24
1.3 K t lu n ch ng 1 27
CH NG 2 THI T K CH T O C M BI N V TRÍ TRÊN C S X LÝ NH CHO BÀI TOÁN BÁM M C TIÊU DI NG 29
2.1 T ng quan v h th ng bám nh t đ ng 29
2.1.1 T ng th h bám 29
2.1.2 Ki n trúc t ng th h bám 30
2.2 L p trình x lý nh bám m c tiêu chuy n đ ng 32
2.2.1 Ph ng pháp bám theo các đ c đi m c a nh (Thu t toán KLT) 32
2.2.2 Thu t toán bám nh Camshift 35
2.2.3 K t h p b l c Kalman v i thu t toán bám nh Camshift 36
2.3 K t lu n ch ng 2 43
CH NG 3: MÔ HÌNH HÓA H ROBOT T HÀNHG N CAMERA 44
3.1 Mô hình hóa h th ng Pan/Tilt 44
3.2 Quy chi u t a đ m c tiêu và camera v t a đ tâm robot 48
Trang 22
3.3 Mô hình đ ng h c, đ ng l c h c robot di đ ng 50
3.4 K t lu n ch ng 3 55
CH NG 4: THI T K B I U KHI N THÍCH NGHI I U KHI N BÁM QU O CHO ROBOT T HÀNH 56
4.1 Các ph ng pháp đi u khi n bám qu đ o cho robot t hành 57
4.1.1 i u khi n bám s d ng tr c ti p hàm đi u khi n Lyapunov 58
4.1.2 Các ph ng pháp d a trên đi u khi n tr t 60
4.1.3 M t s thu t toán khác 62
4.2 Thu t toán thích nghi theo mô hình m u đ đi u khi n bám qu đ o cho robot t hành khi robot có tham s m, I là b t đ nh 63
4.3 Thu t toán đi u khi n bám qu đ o thích nghi robot t hành khi có các tham s m, I thay đ i và ch u tác đ ng b i nhi u 68
4.3.1 Mô hình đ ng h c, đ ng l c h c: 69
4.3.2 C u trúc c a h đi u khi n 70
4.3.3 T ng h p b đi u khi n thích nghi theo mô hình m u 71
4.3.3.1 B đi u khi n đ ng h c vòng ngoài 72
4.3.3.2 T ng h p b đi u khi n vòng trong 72
A Xây d ng mô hình đ ng h c m u 72
B Gi i thu t đi u khi n thích nghi theo mô hình m u 74
C Tính n đ nh c a toàn h : 77
4.4 K t qu mô ph ng 79
4.4.1 Khi qu đ o đ t là đ ng th ng 81
4.4.2 Khi qu đ o đ t là đ ng tròn có tâm t i g c t a đ (0,0), bán kính b ng 5 84
4.5 K t qu ch y th c nghi m 88
4.6 K t Lu n ch ng 4 89
K T LU N 91
1 Các k t qu đ t đ c c a Lu n án 91
2 H ng phát tri n c a Lu n án 93
TÀI LI U THAM KH O 94
CÁC CÔNG TRÌNH Ã CÔNG B C A TÁC GI LU N ÁN 101
Trang 33
DANH M C HÌNH V
Hình 1.1 S đ t ng quan c a m t h th ng tích h p quang đi n t 15
Hình 1.2 S đ h th ng robot và camera c đ nh 16
Hình 1.3 S đ h th ng robot và camera di chuy n 17
Hình 1.4 nh m t s s n ph m h quang đi n t tích h p c đ nh trên th gi i 18
Hình 1.5 PAN robot, robot Pops, MIDbo 18
Hình 1.6 robot Talon, robot MARRS và robot Spirit thám hi m sao h a c a NASA 19 Hình 1.7 S đ t ng quan c a h th ng robot t hành bám m c tiêu di đ ng 22
Hình 1.8 C u trúc t ng th ph n c ng khi g n li n b x lý trung tâm trên xe robot 23 Hình 1.9 C u trúc t ng th ph n c ng khi tách b x lý trung tâm đ t riêng t i trung tâm đi u khi n 23
Hình 1.10 nh ch p toàn b h robot t hành s n ph m 26
Hình 1.11 nh ch p bên trong và bên ngoài robot 27
Hình 2.1 C m bi n nh, gimbal và b x lý 30
Hình 2.2 C a s m c tiêu kh nhi u 31
Hình 2.3 Ki n trúc toàn th h th ng bám 32
Hình 2.4 L u đ thu t toán Camshift 36
Hình 2.5 S đ k t h p b l c Kalman và Camshift 37
Hình 2.6 S đ tóm t t c a b l c Kalman 38
Hình 2.7 K t qu d đoán v trí v i b l c Kalman 39
Hình 2.8 B l c Kalman khi b che khu t 40
Hình 2.9 S đ tóm t t c a b l c Kalman m r ng 41
Hình 2.10 Vi c theo dõi các chuy n đ ng ph c t p s d ng b l c Kalman m r ng 42 Hình 2.11 Ch p các frame ch y th c nghi m thu t toán bám Camshift không có Kalman 42
Hình 2.12 Ch p các frame ch y th c nghi m v i thu t toán bám Camshift có Kalman 43
Hình 3.1 Mô hình hóa h đ xoay Pan/Tilt 44
Hình 3.2 Mô hình robot t hành có g n đ xoay Pan/Tilt 48
Hình 3.3 Tính toán v trí đ i t ng theo t a đ robot 49
Trang 44
Hình 3.4 Tính toán đ ng h c ng c cho v trí th c camera 50
Hình 3.5 Ph i c nh c a robot t hành d ng non-honolomic c b n 51
Hình 3.6 Ph i c nh c a robot di đ ng 53
Hình 4.1 Ph i c nh c a h robot g n camera bám m c tiêu di đ ng 56
Hình 4.2 C u trúc đi u khi n bám s d ng hàm Lyapunov 58
Hình 4.3 C u trúc rút g n đi u khi n bám s d ng hàm Lyapunov 59
Hình 4.4 C u trúc đi u bám khi n thích nghi tách mô hình đ ng h c và đ ng l c h c 63
Hình 4.5 C u trúc hai vòng đi u khi n 70
Hình 4.6 S đ kh i t ng th c a h th ng đi u khi n thích nghi đ xu t 77
Hình 4.7 S đ c u trúc h th ng đi u khi n 79
Hình 4.8 S đ mô ph ng trêm Simulink h th ng khi s d ng b đi u khi n th ng 80 Hình 4.9 S đ mô ph ng trêm Simulink h th ng khi s d ng b đi u khi n thích nghi theo mô hình m u đ xu t 80
Hình 4.10 (a) H i t c a các bi n sai l ch; (b) V n t c t nh ti n và v n t c quay khi s d ng b đi u khi n th ng 81
Hình 4.11 (a) H i t c a các bi n sai l ch; (b) V n t c t nh ti n và v n t c quay khi s d ng MRAS 82
Hình 4.12 (a) H i t c a các bi n sai l ch; (b) V n t c t nh ti n và v n t c quay khi s d ng b đi u khi n th ng khi tham s robot thay đ i 83
Hình 4.13 (a) H i t c a các bi n sai l ch; (b) V n t c t nh ti n và v n t c quay khi s d ng b đi u khi n MRAS khi tham s robot thay đ i 84
Hình 4.14 (a) Qu đ o bám các bi n sai l ch; (b) V n t c t nh ti n và v n t c quay khi s d ng b đi u khi n th ng 85
Hình 4.15 (a) Qu đ o bám các bi n sai l ch; (b) V n t c t nh ti n và v n t c quay khi s d ng MRAS 86
Hình 4.16 (a) Qu đ o bám; (b) V n t c t nh ti n và v n t c quay khi s d ng b đi u k hi n th ng khi tham s robot thay đ i 87
Hình 4.17 (a) Qu đ o bám; (b) V n t c t nh ti n và v n t c quay khi s d ng b đi u khi n MRAS khi tham s robot thay đ i 87
Hình 4.18 S đ kh i c u trúc t ng th c a h th ng 88
Trang 5n n và nhi u xung quanh 89
Trang 6DSP Digital Signal Processor B x lý tín hi u s
HSV Hue, Saturation and Value
không gian màu HSV, là m t không gian màu d a trên ba s li u:
(Hue) vùng màu; (Saturation) đ
bão hòa màu; (Value) đ sáng
KLT Kanade–Lucas–Tomasi Feature
Tracker Bám theo đ c tr ng nh LED Light-emitting Diod i t phát quang
LCD Liquid Crystal Display Màn hình tinh th l ng
MIMO Inputs and
Multiple-Outputs H nhi u đ u vào-nhi u đ u ra
MRAS Model Reference Adaptive
Systems H thích nghi mô hình m u
MISO Multi Input –Single Output H nhi u đ u vào- m t đ u ra
FMRLC Fuzzy Model Reference
Learning Control
i u khi n m thích nghi mô hình
m u
PID Proportional–Integral–
Derivative B đi u khi n t l vi tích phân
PC Persional Computer Máy tính cá nhân
PWM Pulse Wide Modulation i u ch đ r ng xung SISO Single Input- Single Output H m t đ u vào-m t đ u ra
Trang 77
1 Tính c p thi t c a lu n án
Robot đang là tâm đi m c a m t cu c cách m ng l n sau Internet, ngày càng
đ c ng d ng r ng rãi trong công nghi p, cu c s ng, an ninh qu c phòng, và thám
hi m không gian Các nghiên c u t p trung vào c i thi n, t ng tính linh ho t, kh n ng thích ng khi làm vi c nh ng v trí và các ng d ng khác nhau cho robot t hành đang thu hút các nhà nghiên c u Bên c nh ng d ng các c i ti n các thi t k c khí,
c c u ch p hành chuy n đ ng linh ho t thì vi c ng d ng “m t máy” và ph n m m
x lý, đi u khi n s đem l i cho robot tính linh ho t và thông minh Các robot t hành
có g n camera và các thi t b k thu t khác nh m th c hi n m t nhi m v đ t tr c, ví
d nh các h th ng phát hi n l i c a v t li u s d ng camera, các h th ng dò đ ng,
h th ng phát hi n l i và hàn t đ ng, v n chuy n hàng hóa trong kho bãi, các h phát
hi n và bám m c tiêu di đ ng,…Trong các h phát hi n và bám m c tiêu di đ ng, camera đ c trang b đ có th nh n bi t m c tiêu, k t h p v i các thu t toán x lý nh
đ xác đ nh chính xác v trí c a m c tiêu (có ch c n ng nh m t m t th n) đ t đó
đi u ch nh c c u ch p hành sao cho tâm c a m t bám đúng m c tiêu Trong nh ng
n m g n đây, các h th ng bám m c tiêu di đ ng đ c quan tâm nghiên c u r t r ng rãi, nh t là trong lnh v c qu c phòng Lu n án đ c p đ n vi c nghiên c u thi t k và
ch t o robot t hành d ng non-holonomic bám m c tiêu di đ ng trong phòng thí nghi m c đi n t v i m c đích ph c v cho công tác nghiên c u các thu t toán x lý
nh và đi u khi n hi n đ i làm ti n đ cho vi c ch t o các s n ph m ph c v đào t o,
y t , công nghi p và xa h n n a là ng d ng cho an ninh, qu c phòng S n ph m trông
đ i c a lu n án là m t robot t hành t đ ng bám m c tiêu di đ ng trong phòng thí nghi m
Ngày nay, v i s phát tri n c a công ngh đi n t , t c đ tính toán c a vi x lý
t ng v t tr i, các ch c n ng h tr giao ti p v i các ngo i vi c ng đ c tích h p trên
m t chip, nh v y mà các ph ng pháp x lý nh hi n đ i và các ph ng pháp đi u khi n ph c t p nh đi u khi n thích nghi b n v ng có th th c thi m t cách d dàng
h n, chính vì th các h th ng bám m c tiêu di đ ng đ c c i thi n r t nhi u v m t
ch t l ng Vì th , các nghiên c u phát tri n thu t toán x lý nh hi n đ i và các thu t toán đi u khi n bám thích nghi, b n v ng ngày càng tr nên c p thi t do kh n ng th c
Trang 88
hi n các thu t toán này trong th c t s giúp cho các h th ng đi u khi n bám m c tiêu
n đ nh, chính xác và b n v ng h n khi h th ng ho t đ ng trong môi tr ng th c t
có nhi u tác đ ng và có s thay đ i c a tham s mô hình
Các robot thông minh có trang b camera th ng có hai lo i: lo i đ t c đ nh
th ng là m t b đ xoay Pan/Tilt có g n camera (robot hai b c t do) và lo i th hai
là robot t hành có g n camera Trên th gi i, các h th ng bám đ t c đ nh th ng
đ c phát tri n b i các t p đoàn s n xu t ch t o v khí, thi t b an ninh trên th gi i,
đó đ u là nh ng t p đoàn, công ty có nhi u n m kinh nghi m trong l nh v c s n xu t
ch t o v khí, thi t b an ninh C ng đã có m t s công trình công b liên quan [35,36,37,38] tuy nhiên đa s là nh ng bài nghiên c u, gi i thi u t ng quan không h
có các k t qu c th , chi ti t hay là bí quy t công ngh m i trong đó Vì đây là các h
th ng tích h p ng d ng nhi u cho an ninh, qu c phòng nên có tính nh y c m r t cao,
do v y vi c bí m t các bí quy t công ngh là t t y u ã có r t nhi u lo i s n ph m
đ c th ng m i hóa, tuy nhiên giá c a m t h th ng robot tích h p t đ ng bám m c tiêu ( ng d ng cho an ninh, qu c phòng) tùy theo các tính n ng kèm theo có giá t vài
tr m nghìn, hàng tri u đ n vài ch c tri u USD (đ c bi t là Vi t Nam không th mua
đ c đ ng b vì th ng b c m xu t kh u) Do đó, vi c nghiên c u v l nh v c này tr nên c p thi t, c ng đã có m t s c quan nghiên c u c a Vi t Nam đã và đang phát tri n các nhi m v nghiên c u theo h ng này và đã đ t đ c m t s thành qu nh t
đ nh [13,14,15,20]
Th i gian g n đây, các robot t đ ng bám m c tiêu đang thu hút s t p trung nghiên c u Trên th gi i, các h th ng này đ c trang b trên các tàu chi n, xe t ng, máy bay chi n đ u, máy bay không ng i lái, hay là các robot chi n binh đ dò phá bom mìn, tình báo, ho t đ ng trong các môi tr ng đ c h i, các đ a hình hi m tr ,…
V i h th ng bám di đ ng thì đ ph c t p đã t ng lên, các công b khoa h c liên quan
l i r t ít, đ c bi t là các công trình liên quan đ n vi c thi t k , ch t o thì h u nh không có [70,77] T i Vi t Nam, các k t qu nghiên c u lnh v c này ch a nhi u,
đ c bi t các c s nghiên c u không tr c thu c b qu c phòng ch a đ c h tr kinh phí đ phát tri n nghiên c u và ch t o th nghi m các s n ph m nên kh n ng ti p
Trang 99
N i dung nghiên c u c a lu n án này s t p trung vào vi c xây d ng và phát tri n m t h robot t hành d ng non-holonomic có g n camera, có kh n ng bám theo
m c tiêu di đ ng th c hi n đ c n i dung này c n ph i ti n hành các b c: ch
t o ph n c ng cho robot t hành, mô hình hóa và mô ph ng h robot đã xây d ng, nghiên c u các thu t toán x lý bám nh t đ ng và nâng cao ch t l ng bám, nghiên
c u các thu t toán đi u khi n bám cho robot đ t đó đ xu t thu t toán đi u khi n thích nghi nâng cao ch t l ng bám cho h phi tuy n có mô hình b t đ nh, và cu i cùng là hi n th c hóa các nghiên c u b ng s n ph m c a lu n án, m t robot t hành bám m c tiêu di đ ng, nh m m c đích ki m tra tính đúng đ n c a các thu t toán đ c
đ xu t và làm c s phát tri n các nghiên c u ti p theo
2 M c tiêu c a lu n án
M c tiêu c a lu n án là nghiên c u, đ xu t thu t toán đi u khi n thích nghi cho robot t hành bám qu đ o trên c s h phi tuy n b t đ nh, đ c bi t chú ý đ n ch t
l ng bám và s thay đ i c a các tham s c a robot (b i m c đích ng d ng c a robot
là t ng tác v i đ i t ng và môi tr ng khác nhau) và ch u tác đ ng c a nhi u khi
ho t đ ng trên các đ a hình khác nhau
M t y u t c ng c n chú ý là thu t toán đó ph i h ng đ n l p trình nhúng trên
vi x lý và ch y th nghi m th c t các thu t toán m i đ xu t, do đó nhi m v là ph i thi t k , ch t o m t robot t hành có g n camera t đ ng bám m c tiêu di đ ng trong phòng thí nghi m đ ki m ch ng Bên c nh vi c t p trung nghiên c u thu t toán đi u khi n m i, vi c nghiên c u và đ xu t thu t toán trong x lý nh đ c i thi n ch t
l ng phát hi n và đ nh v m c tiêu ph i ti n hành song song, b i t c đ , đ chính xác
Nghiên c u các thu t toán x lý nh bám b t m c tiêu di đ ng, đ xu t các
ph ng pháp c i thi n nâng cao ch t l ng và t c đ bám
Mô hình hóa và mô ph ng đ ng h c, đ ng l c h c, đ ng h c ng c c a mô hình robot t hành, các bài toán quy đ i các t a đ , tr c t a đ c a bài toán đi u khi n bám robot theo nh
Trang 1010
Nghiên c u các thu t toán đi u khi n thích nghi robot, m c đích là nâng cao
ch t l ng bám và kh n ng thích nghi khi robot có các tham s thay đ i và có nhi u tác đ ng khi ho t đ ng trong môi tr ng th c t và t ng tác v i m c tiêu (có các tham s kh i l ng và mô men quán tính thay đ i và ch u tác đ ng c a nhi u sai l ch
mô hình)
Thi t k m t c u trúc ph n m m đi u khi n hoàn ch nh, đ ng b hóa và có kh
n ng cài đ t cho robot th c t đ ki m đ nh các k t qu nghiên c u lý thuy t chuyên sâu vào s n ph m robot
V th c hành:
V i m c tiêu s n ph m ph i có kh n ng ng d ng, do đó công vi c kh o sát, đánh giá các s n ph m đã có trong và ngoài n c nh m rút ra các tiêu chu n cho s n
ph m c a lu n án là công vi c đ u tiên
Thi t k và ch t o đ ng b ph n c ng và các thi t b ngo i vi v i ph n c khí theo đúng tiêu chu n công nghi p, thu n ti n cho ng i s d ng, d dàng l p ghép thao tác và nâng c p Ch t o các m ch đi n t , đi u khi n, giao ti p ngo i vi v i m c tiêu đ nhanh, m nh theo h ng có th m r ng và nâng c p
Nghiên c u, thi t k và ch t o c m bi n đ nh v m c tiêu trên c s công ngh x lý nh k t h p v i b l c Kalman
Thi t k c u trúc, l p trình, cài đ t các thu t toán đã nghiên c u cho robot,
đ ng c a nhi u Thu t toán này ch a đ c cài đ t trên b t c robot nào tr c đó trong
và ngoài n c, có tính linh ho t cao, c u trúc đ n gi n, d dàng cho vi c l p trình cài
đ t trên vi x lý, có kh n ng thích nghi khi có nhi u tác đ ng ho c khi tham s m và I
c a robot thay đ i đ c bi t thích h p v i mô hình robot s n ph m c a lu n án B đi u khi n đ xu t là s k t h p gi a hai khâu: b đi u khi n phi tuy n cho mô hình đ ng
h c và b đi u khi n thích nghi mô hình m u cho mô hình đ ng l c h c s d ng thông tin ph n h i t c c u ch p hành c a robot t hành
Ý ngh a v m t công ngh th c ti n:
Trang 1111
Thi t k , ch t o và ch y th nghi m thành công robot t hành có g n camera S n ph m này có th s d ng trong đào t o th c ti n cho sinh viên, h c viên cao h c các ngành robot, t đ ng hóa, đi u khi n và c đi n t … hi n đang r t c n t i
Vi t Nam S n ph m c ng đang đ c s d ng đ ph c v đào t o và nghiên c u khoa
h c cho sinh viên ngành đi u khi n t đ ng, tr ng i h c Bách khoa HN, i h c KH&CN – Vi n Hàn lâm Khoa h c và Công ngh Vi t Nam, ngành c đi n t , i n
t tr ng i h c Công nghi p Hà N i và tr ng Cao đ ng ngh Công ngh cao Hà
N i H ng phát tri n đ n các ng d ng th c ti n nh ch t o các robot dò tìm l i và hàn t đ ng, dò đ ng và tr i th m nh a đ ng t đ ng, robot quan tr c môi tr ng
t i các n i có đi u ki n môi tr ng đ c h i, robot ph c v ch m sóc y t , robot dò phá
bom mìn…
5 N i dung c a lu n án
B c c c a lu n án bao g m 5 Ch ng:
Ch ng 1: " t v n đ nghiên c u và xây d ng robot t hành", nghiên c u
t ng quan v h th ng robot t hành có g n camera t đ ng bám theo m c tiêu di đ ng, các nghiên c u liên quan đ n l nh v c này trong và ngoài n c nh m đ nh h ng nghiên c u phát tri n cho lu n án bao g m các yêu c u v ph n c ng, ph n m m, nghiên c u và phát tri n thu t toán x lý nh, thu t toán đi u khi n m i phù h p cho
đ c i thi n ch t l ng nh nh m nâng cao đ chính xác c a c m bi n b t m c tiêu
Ch ng 3: "Mô hình hóa h robot t hành có g n camera" đi sâu nghiên c u
các ph ng pháp mô hình hóa, mô ph ng h robot t hành có g n camera, đ ng b h
tr c t a đ v t a đ tâm robot nh m ph c v cho bài toán thi t k thu t toán đi u khi n bám qu đ o, xây d ng mô hình mô t đ ng h c, đ ng l c h c, đ ng h c ng c
c a robot t hành có g n camera, s n ph m c a lu n án, đã đ c thi t k và ch t o
Ch ng 1 và quy đ i h t a đ v tâm c a robot s n ph m đ c k t h p v i các thu t toán x lý nh ch ng 2 đ xác đ nh qu đ o đ t cho bài toán đi u khi n bám qu
đ o c a robot t hành đ c nghiên c u ch ng ti p theo sau
Trang 12m i công b [60] đ c trình bày T các phân tích u nh c đi m c a thu t toán này,
m t đ xu t m i nh m m r ng thu t toán thích nghi theo mô hình m u bám qu đ o cho robot t hành ngoài các tham s kh i l ng m,và moment quán tính I là b t đ nh
còn có thêm tác đ ng c a nhi u B đi u khi n đ xu t đ c th c hi n trên c s c u
trúc đi u khi n cascade g m hai khâu: b đi u khi n phi tuy n cho mô hình đ ng h c
và b đi u khi n thích nghi mô hình m u cho mô hình đ ng l c h c s d ng thông tin
ph n h i t c c u ch p hành c a robot t hành Tính n đ nh c a h kín đ c kh o sát
và th a mãn b i vi c l a ch n hàm Lyapunov t ng thích Các k t qu mô ph ng,
ch y th nghi m cho th y tính đúng đ n c a các phân tích lý thuy t, hi u qu c a c a
b đi u khi n đ xu t và kh n ng ng d ng trong th c t
Ch ng 5: “K t lu n” trình bày tóm t t các đóng góp chính c a lu n án và
h ng phát tri n c a lu n án trong t ng lai
Trang 1313
Các h quang đi n t tích h p hay robot thông minh có trang b camera th ng
có hai lo i: lo i đ t c đ nh th ng là m t b đ xoay Pan/Tilt có g n camera (robot hai b c t do) và lo i th hai là robot t hành có g n camera Lo i th nh t đ c t p trung nghiên c u và có nhi u s n ph m n i b t đã đ c s d ng cho các h th ng an ninh, qu c phòng đ c bi t là các h th ng khí tài trang b cho phòng không không quân, h i quân, và c nh gi i b bi n… Ngoài vi c h Pan/Tilt c đ nh có tích h p camera nh trên, hi n h ng nghiên c u các robot t hành có g n camera c ng đang là
h ng nghiên c u t p trung c a các nhà nghiên c u M t h th ng robot thông minh
có g n v khí c ng đ c s d ng nhi u trong y t , công nghi p, an ninh qu c phòng và
có kh n ng thay th con ng i làm vi c trong các đi u ki n kh c nghi t và nguy hi m
ho c khám phá không gian Các robot t hành lo i này tr c đây th ng ho t đ ng
b ng các c m bi n nh c m bi n màu s c, h ng ngo i, c m bi n dò đ ng, siêu âm
G n đây các robot lo i này đ c phát tri n và tích h p thêm “th giác”, vi c tích h p trên robot h th ng camera thông minh ng d ng công ngh x lý nh s t ng kh
n ng c đ ng, và “thông minh” cho robot
N i dung c a ch ng 1 t p trung vào vi c nghiên c u t ng quan v m t h robot
t hành có g n camera, phân tích tình hình nghiên c u trong và ngoài n c nh m rút
ra h ng nghiên c u tr ng tâm c a lu n án Ch ng này c ng trình bày vi c xây d ng
và phát tri n hoàn thi n ph n c ng cho m t robot t hành có g n camera nh m m c đích vào vi c th nghi m lý thuy t, thu t toán nghiên c u c a lu n án
1.1 Nghiên c u t ng quan v h th ng robot có g n camera
1.1.1 T ng quan v m t h robot có g n camera bám m c tiêu di đ ng
Thông tin hình nh nh n đ c t đôi m t có vai trò r t quan tr ng đ i v i con
ng i, nó là kênh thông tin ch y u đ đ a ra các quy t đ nh c a con ng i, có c u t o không quá ph c t p song l i ch a m t l ng thông tin kh ng l Do đó vi c nghiên
c u và đ a các ng d ng c a th giác vào ng d ng trong th c t đã đ c đ a ra t khá lâu, tuy nhiên ch m i m y th p k g n đây, v i s phát tri n m nh c a các ngành công ngh cao liên quan nh toán – công ngh thông tin, công ngh vi đi n t – x lý
Trang 1414
tín hi u s , đ u thu quang l ng t , laser, vi c - quang - đi n t MEMS, OMEMS thì
nh ng ý t ng đó m i d n tr thành hi n th c và “th giác máy” tr thành m t ngành khoa h c m i v i đ y nh ng h a h n Xin nêu m t s ng d ng c th [19]:
1/ Trong quân s : Các h th ng tích h p nhìn ngày và quang h ng ngo i nhìn
đêm có kh n ng quan sát và t đ ng đi u khi n dàn h a l c (pháo, tên l a) đ c l p
đ t cho các ch t đi m trên đ t li n, cho ch t canh c a các h i đ o, tr n đ a cao x , trên
xe t ng, tàu chi n, máy bay, tên l a ho c v tinh Chúng đ c thay th và h tr các dàn rada d b nhi u trong vi c t đ ng phát hi n, c nh gi i, bám b t m c tiêu c
bi t có nh ng lo i l p trên máy bay có kh n ng đi u khi n h a l c đánh phá hàng
ch c m c tiêu m t lúc Ngoài ra còn ph i k đ n các đ u t d n tên l a và đ n thông minh
2/ Trong an ninh, phòng ch ng t i ph m, b o v pháp lu t: Các h th ng camera
nh n d ng khuôn m t vân tay t đ ng c ng nh phát hi n, theo dõi, c nh báo các âm
v c ng d ng c c k quan tr ng trong qu c phòng an ninh, phát tri n kinh t , xã h i Các robot t hành thám hi m các hành tinh mà con ng i ch a th t i đ c
4/ Trong công nghi p, giao thông, xây d ng: H th ng quang đi n t đóng vai trò c a các th giác máy (machine vision) có kh n ng t đ ng đo đ c ki m tra ch t
l ng s n ph m trong các dây chuy n s n xu t: phân lo i h t ng c c, cà phê; tìm l i
l p ráp linh ki n các b n vi m ch và khuy t t t các m i hàn và đ ng c Các h th ng này c ng đ c ng d ng nh các robot hàn t đ ng, v n chuy n kho bãi, tr i th m
nh a, aphal trong xây d ng đ ng giao thông Các h th ng quang đi n t c ng đ c
ng d ng ngày càng nhi u trong giao thông nh đo t c đ , t đ ng ki m soát đi u khi n và phân lu ng giao thông
5/ Trong nghiên c u y sinh d c h c: Các kính hi n vi có kh n ng t đ ng
nh n d ng và đo đ m các t bào v i đ chính xác cao Các kính hi n vi có h th ng
d n đ ng laser cho phép th c hi n nh ng ph u thu t r t ph c t p nh m u não, n i
Trang 15đi n t -máy tính, đ u thu quang l ng t , laser, c khí chính xác, quang h c, MEMS, OMEMS, đi u khi n đi n t đ ng, robot, x lý nh n d ng nh
Hình 1.1 S đ t ng quan c a m t h robot có tích h p camera
S đ nguyên lý ho t đ ng c a h robot có tích h p camera đ c bi u di n qua Hình 1.1 [19] nó bao g m nh ng c m ch c n ng chính sau:
1/- H thu nh n tín hi u hình nh: bao g m các camera, ng kính
S hóa nh A/D
X lý và
nh n d ng
nh
Các đèn chi u sáng ph
Hi n th nh
i u khi n các đ ng c
u thu
CCD, IR
C m bi n h tr khác
vi đi u khi n ) truy n
thông
Trang 16aplication-4/- Máy tính và ch ng trình ph n m m nh n d ng và x lý nh t đ ng: có th
vi t b ng ngôn ng nhúng trên vi x lý, DSP, FPGA, ASIC ho c trên ngôn ng b c cao nh C, C++, VisualC, Labview, Matlab…đ ch y trên máy tính PC ho c máy tính nhúng
5/- H sensor h tr khác: đo xa laser (YAG-Neodym ho c laser diode), Gyro sensor, la bàn s , c m bi n t tr ng, sensor siêu âm…vv có th ghép n i máy tính, vi
x lý thông qua giao ti p n i ti p, ho c RF, 3G …vv
6/- H th ng truy n đ ng (các đ ng c ): th ng dùng là các đông c servo AC
và DC N u đ t trên ph ng ti n di đ ng (xe, tàu th y, máy bay, v tinh ) thì c n ph i
có b n đ nh trên c s các con quay h i chuy n (gyroscope)
Máy tính
i t ng
Trang 1717
H th ng quang đi n t tích h p có th phân thành 2 l p, theo nh c u trúc c a
h , đó là h đ t c đ nh (tay máy robot c đ nh và có camera g n c đ nh Hình 1.2) và
h di đ ng (có camera g n trên robot t hành Hình 1.3) Trong h camera c đ nh,
camera đ c g n c đ nh so v i h tr c t a đ th c, thu th p nh c a c m c tiêu và c môi tr ng M c tiêu c a h camera c đ nh này là cung c p tín hi u đi u khi n sao cho robot có th t ng tác v i đ i t ng theo m t bài toán mong mu n, h th ng này
th ng đ c ng d ng trong các dây chuy n s n xu t, phân lo i s n ph m, trong công nghi p, bám m c tiêu trong an ninh qu c phòng
Hình 1.3 S đ h th ng robot t hành g n camera di chuy n
Trong Hình 1.3 là h có camera g n trên robot và c h robot và camera s di
chuy n M c đích c a c u trúc này là đi u khi n robot sao cho nh c a m c tiêu di
đ ng ho c c đ nh đ c duy trì v trí mong mu n trên m t ph ng nh thu đ c
M c đích c a h th ng bám t đ ng là đ duy trì m t “đ ng ng m” vi t t t là LOS (Line Of Sight) c m bi n - m c tiêu m t cách n đ nh và hoàn toàn t đ ng trong khi t n t i c chuy n đ ng t ng đ i c a m c tiêu và chuy n đ ng c a đ g n c m
bi n làm nhi u lo n t i d li u c m bi n hình nh M c tiêu th ng đ c đ nh v ban
đ u, b i ho c là ng i đi u khi n ho c là h th ng nh n d ng m c tiêu t đ ng Sau
đó, h th ng bám s khoá ch t m c tiêu và duy trì LOS t đ ng
1.1.2 T ng quan tình hình nghiên c u trong và ngoài n c
1.1.2.1 Tình hình nghiên c u ngoài n c
Trên th gi i có m t s tài li u nh : [35, 36, 37,38, 73, 74] ây là m t s công
b r t ít liên đ n h th ng quang tích h p trên th gi i Tuy nhiên đây đa s là nh ng bài nghiên c u, gi i thi u t ng quan không h có công b c th , chi ti t hay là bí quy t công ngh m i trong đó Vì đây là các h th ng tích h p có tính ch t đa ngành,
robot t hành camera
V t th c n giám sát
Trang 1818
ng d ng nhi u cho an ninh, qu c phòng do đó vi c bí m t các bí quy t công ngh là
t t y u
V i các t p đoàn, công ty chuyên s n xu t các thi t b cho An ninh, Qu c phòng
l n trên th gi i nh : NASA, Northrop Grumman, Lockheed Martin, Kollmorgen, Santa Barbara, Raytheon, Radamec, Newcon Optics, Flir…thì ch công b các tính
n ng k thu t, ch c n ng ho t đ ng c a các h th ng quang đi n t tích h p s n ph m
c a mình, t t c các tài li u nghiên c u, thi t k , tích h p chuyên sâu đ u không đ c
đ c p Vi c nghiên c u và đi đ n thi t k ch t o h quang đi n t bám b t theo nh
là r t có ý ngha, n u chúng ta ch đ ng đ c các khâu t nghiên c u, phát tri n cho
đ n công ngh ch t o thì ngoài tính kinh t còn b o đ m tính bí m t b t ng Công ngh này có tính l ng d ng nên s có th m ra và phát tri n nhi u ng d ng trong các lnh v c khác nh công nghi p, giao thông, y t , nghiên c u, truy n hình
Hình 1.4 nh m t s s n ph m h quang đi n t tích h p c đ nh trên th gi i
Hình 1.5 PAN robot, robot Pops, MIDbo (ngu n: www.mobilerobot.org )
Trang 1919
Th i gian g n đây, các nghiên c u v dân s và t p trung h ng robot t hành
có g n camera (Hình 1.6) và bám theo m c tiêu di đ ng, các công trình nghiên c u t [44÷66] đ u t p trung vào h ng nghiên c u này
Hình 1.6 robot Talon, robot MARRS và robot Spirit thám hi m sao h a c a NASA
Trên th gi i, các h th ng quang đi n t tích h p đ c phát tri n b i s ít các
t p đoàn s n xu t ch t o v khí, thi t b an ninh, đó đ u là nh ng t p đoàn, công ty có nhi u n m kinh nghi m trong l nh v c s n xu t ch t o v khí, thi t b an ninh Nhìn chung, các b đi u khi n này r t đa d ng v ch ng lo i, m c đích s d ng, hình dáng, kích th c và tính n ng, có th rút ra m t s đ c đi m chính c a các b đi u khi n đó
nh sau:
+ V ph n c ng:
Hình th c: r t đa d ng, g n, ch c ch n, d l p đ t tùy t ng lo i ng d ng, t m quan sát, và đ m b o các yêu c u v an ninh, quân s : kín khít, ch ng n mòn, ch u
đ c th i ti t kh c nghi t nh m a, gió, khí h u bi n…
M ch in đ c thi t k nhi u l p, đ c nhi t đ i hóa đ b o đ m ho t đ ng an toàn tin c y, có kh n ng ch ng nhi u Các b đi u khi n s d ng ngu n đi n đi n áp
m t chi u 24V ho c 12V Ngu n đi n luôn luôn s d ng các m ch b o v quá đi n áp
và quá dòng Vi x lý và t t c các linh ki n đi n t đ u là lo i đ c ch ng dành cho quân s
Tùy theo m c đích t ng lo i và ng d ng mà h có các đ u vào ra thích h p v i các ng d ng đ ti t ki m chi phí và kích th c s n ph m Tuy nhiên, các đ u vào, ra
d dàng giao ti p, ghép n i v i các thiêt b ngo i vi khác c ng nh có kh n ng m
r ng v i thi t b bên ngoài nh h xoay súng, pháo, tên l a…
+ V ph n m m:
a s đ u gi ng nhau, có ch c n ng chính nh sau:
Trang 2020
- c nh, video t camera truy n v , hi n th, l u tr nh thu đ c, truy n hình
nh qua cáp, m ng truy n thông không dây, Wifi…
- Có các ch c n ng đi u khi n h đ xoay, các thi t b ngo i vi
- Giao ti p v i Module Joystick đ đi u khi n
- Hi n th v trí, v n t c và góc quay
- Có kh n ng bám m c tiêu t đ ng
1.1.2.2 Tình hình nghiên c u trong n c
T nhi u n m nay, m t s c quan nghiên c u ch y u thu c B Qu c phòng đã
đ t v n đ nghiên c u xây d ng h th ng, có th k ra:
- Vi n Nghiên c u T đ ng hóa Quân s đã nghiên c u và ch t o thành công h quang đi n t tích h p ng d ng cho h a l c tên l a phòng không không quân ây là tài đã đo t gi i th ng H Chí Minh v Khoa h c công ngh ây c ng là công trình mang tính ch t tuy t m t
- Vi n V khí và Phân Vi n V t lý K thu t thu c Vi n Khoa h c Công ngh và
K thu t Quân s - B Qu c phòng c ng đã nghiên c u tri n khai h tích h p ng
d ng cho pháo phòng không
- Vi n Nghiên c u ng d ng công ngh B Khoa h c và Công ngh đã đ t v n
đ nghiên c u ch t o h th ng quang đi n t tích h p t đ ng bám m c tiêu d a trên hình nh và đã đ t đ c m t s k t qu nh t đ nh, và đây c ng là h th ng ng d ng cho Phòng không không quân, t m quan sát xa
- Ngoài ra còn ph i k đ n m t s c quan khác nh H c vi n k thu t quân s , quân ch ng phòng không không quân c ng đã nghiên c u tri n khai, tuy nhiên các k t
qu do đ c thù quân s mà thông tin không đ c công b nhi u
ánh giá chung là đa s các h th ng này đ u là các s n ph m ph c v bám m c tiêu bay, là các h quang đi n t tích h p đ t c đ nh, ph c v cho phòng không, có
t m quan sát bám b t xa (>2Km) M c dù các nghiên c u đã có các k t qu đã đ c
kh ng đ nh, tuy nhiên vì đây là m t h th ng đòi h i s k t h p c a r t nhi u l nh v c khoa h c công ngh cao và đ c bi t là l nh v c ng d ng cho qu c phòng do đó các thông tin là r t h n ch
i v i các h robot t hành g n camera bám m c tiêu di đ ng, c ng đã có m t
s công trình thu c các c quan nghiên c u ngoài B Qu c phòng đ c công b [13,
14, 15, 16, 17, 18,19, 20] và c ng nh đang đ c phát tri n: nh Vi n Công ngh
Trang 2121
thông tin, i h c Công ngh , i H c Bách Khoa Hà N i và TP HCM Tuy nhiên có
th nh n th y đ i v i h robot t hành có g n camera hi n t i các k t qu nghiên c u trong n c là r t ít
c ng, nâng c p Ngoài ra, th c s vi c xây d ng, ch t o m t robot c ng có ý ngh a
th c ti n b i hi n các robot lo i này các tr ng đ i h c, cao đ ng, đ n v nghiên c u ngoài quân s là r t thi u, ng d ng đ u tiên c a s n ph m này là s trang b cho các phòng thí nghi m c đi n t c a các c s đào t o
- V ph n xây d ng c m bi n t camera (x lý nh, xác đ nh v trí m c tiêu): ngoài vi c nghiên c u và ng d ng các thu t toán x lý nh đã có, v n đ nâng cao
ch t l ng, b n v ng c a quá trình bám nh là nhi m v nghiên c u xu t đ a b
l c Kalman vào vi c nâng cao ch t l ng bám là m t g i ý, b i các công trình công b
tr c đã có m t s k t qu tuy nhiên ho c là m i ch d ng k t qu mô ph ng, ho c
là m i ch áp d ng cho các h c đ nh
- V ph n thi t k h th ng đi u khi n:
+ Tr c tiên là mô hình hóa và mô ph ng t ng th h th ng robot t hành đã xây
d ng t v trí c a m c tiêu, v trí robot quy v h tr c t a đ n m trên tâm robot Tính toán đ ng h c thu n, đ ng h c ng c c a h đ ph c v cho bài toán đi u khi n Nghiên c u m t thu t toán đi u khi n thích nghi bám qu đ o cho robot t hành khi có tham s : kh i l ng, moment thay đ i và có nhi u ma sát khi robot di chuy n trên các
đ a hình khác nhau, đây là vi c th ng xuyên x y ra đ i v i robot t hành M t yêu
c u là thu t toán có c u trúc đ n gi n và b n v ng nh m m c đích có th l p trình nhúng và th nghi m trên robot
Trang 2222
1.2 Xây d ng mô hình robot t hành
Nh trong k t lu n ph n 1.2 v m c tiêu và nhi m v c a lu n án, công vi c đ u tiên là xây d ng m t robot di đ ng: thi t k c u trúc, xây d ng ph n c ng, l p trình
ph n m m cho lõi vi x lý, l p trình ph n m m trên PC đ giám sát ho t đ ng c a robot
1.2.1 Xây d ng c u trúc c a h robot t hành
1.2.1.1 C u trúc t ng quan c a h robot t hành bám m c tiêu chuy n đ ng
H th ng t ng quan bao g m có 3 b ph n chính [18, 19, 37] Hình 1.7: (1) Máy
tính PC, hình nh thu đ c t c m bi n hình nh (camera) và các tín hi u ph n h i v trí và t c đ c a robot s đ c x lý và tính toán t a đ c a m c tiêu T đó tính toán
ng c và s d ng các phép đ i tr c đ xác đ nh qu đ o chuy n đ ng m u cho bài
toán bám c a robot t hành, (2) Vi x lý ARM là b tính toán các giá tr đi u khi n t c
đ , v trí và momen (dòng c p) cho c c u ch p hành c a robot (là hai đ ng c đi n
m t chi u) u vào c a ph n này là tín hi u qu đ o đ t do máy tính PC g i xu ng và các tín hi u ph n h i t c c u ch p hành (3) robot t hành là robot hai bánh sau ch
đ ng, bánh tr c t l a, thu c d ng non-hononomic c đi m là b giá đ camera là
m t h đ xoay hai b c t do Pan/Tilt đ c g n có tr c tâm th ng v i t a đ tâm c a robot t hành
Hình 1.7 S đ t ng quan c a h th ng robot t hành bám m c tiêu di đ ng
Thu t toán đi u khi n bám
Trang 2323
1.2.1.2 C u trúc ph n c ng robot t hành bám m c tiêu chuy n đ ng
Hình 1.8 C u trúc t ng th ph n c ng khi g n li n b x lý trung tâm trên xe robot
Hình 1.9 C u trúc t ng th ph n c ng khi tách b x lý trung tâm đ t riêng t i trung tâm
đi u khi n
Trang 2424
C u trúc c a h đi u khi n g m hai ph n chính:
- Ph n 1: Máy tính PC v i nhi m v thu nh n nh và x lý nh d a vào chu i
hình nh thu đ c t camera đ nh n d ng và tính toán v trí c a đ i t ng m c tiêu Cung c p d li u v trí này cho m ch ch đi u khi n đ t trên robot (công đo n này mang tính ch t nh m t c m bi n ph n h i cho m ch ch đi u khi n robot)
- Ph n 2: Là m ch ch đi u khi n đ t trên robot, là ph n ch a các thu t toán
đi u khi n cho ho t đ ng c a robot: d a vào thông s v trí đ i t ng nh n đ c t
ph n m t trên PC (c m bi n hình nh), tính toán tín hi u đi u khi n robot bám theo sao cho đ i t ng di chuy n đ c duy trì m t v trí nh t đ nh trên m t ph ng nh và
m t kho ng cách nh t đ nh, ho c giao ti p v i đ i t ng
1.2.2 Xây d ng ph n c ng cho m ch ch đi u khi n robot:
NCS đã xây d ng m t board m ch ch đi u khi n trung tâm và các giao ti p ngo i vi, c th m ch ch đi u khi n có các kh i đã đ c xây d ng nh sau:
- Kh i x lý trung tâm: Chíp vi x lý đ c s d ng cho m ch ch đi u khi n trung tâm ph i có t c đ tính toán cao đ có th x lý các thu t toán có đ ph c t p,
đ ng th i có kh n ng m đ có th nâng c p sau này, có đ tin c y cao, kh n ng kháng nhi u t t V i nh ng yêu c u đó, NCS đã l a ch n lõi vi x lý ARM Cortex M3 LM3S8971 c a Texas Intruments (TI) ây là dòng vi đi u khi n 32 bit ARM Cortex-M3, ki n trúc Harvard, có kh n ng tính toán hi u su t cao phù h p trong các ng
d ng vi đi u khi n nhúng linh ho t M t s thông s c a lõi LM3S8971:
- Ki n trúc đ c t i u hóa v i chân linh ki n bé cho các ng d ng nhúng
- T n s ho t đ ng: 50MHz
- B nh trong: 256Kb flash, và 64 Kb SRAM
- GPIOs (General Purpose Input/Outputs, vào/ra m c đích chung): 4-38 GPIOs tùy thu c vào vi c c u hình, l p trình đi u khi n ng t cho GPIOs
- B n b Timer GPTM (General Purpose Timer Modules): m i b cung c p 2 b Timer/Counter 16 bit, và m i b có th đ c c u hình đ ho t đ ng đ c l p nh : 1 b Timer đ n 32 bit, 1 đ ng h th i gian th c 32 bit đ n m b t s ki n, b đi u ch đ
r ng xung PWM, đ kích ho t chuy n đ i t ng t -s
- ADC: 8 kênh đ u vào t ng t , t c đ l y m u là m t tri u m u trong 1 giây,
d dàng c u hình chuy n đ i t ng t -s
Trang 25ng t, kích ho t ADC
- Ngu n c p: m ch ch đi u khi n trung tâm đ c nuôi b i ngu n Acquy 24V,
s d ng các IC ngu n chuyên d ng c a TI UA7812, UA7805, TLV1117-33 cho ra các
đi n áp m t chi u +3.3V, 5V, 12V Ngu n c p đ c b o v quá đi n áp và quá dòng
- Các đ u vào
u vào Counter: m ch ch đi u khi n đ c thi t k có 08 đ u vào đ m t c đ cao có th đ m đ c xung vuông 0÷5V t n s c c đ i 65Kz u vào đ m xung này
s d ng cho các c m bi n mà tín hi u ra là xung nh encoder ph n h i Kh n ng m
r ng thêm đ u vào đ m xung t c đ cao có th lên t i đa là 16
u vào s : m ch ch đi u khi n đ c thi t k có 32 đ u vào s v i m c tín
hi u chu n 24V, v i m c đính đ c các tín hi u logic nh công t c hành trình, công t c, nút b m Kh n ng m r ng c a đ u vào s lo i này t i đa là 48 đ u vào s logic
u vào t ng t : m ch ch đi u khi n đ c thi t k có 08 đ u vào t ng t
0÷5V và 2 đ u vào 0÷10V, 1 đ u vào 0÷20mA, 1 đ u vào 0÷40mV
u vào giao ti p I2C, UART: m ch ch đi u khi n đ c thi t k có 08 đ u giao
ti p I2C ho c UART Các chu n k t n i này giúp giao ti p v i gi a vi x lý v i các tín
hi u t các c m bi n ngo i vi c a robot nh : c m bi n siêu âm nh PIR, IR c a Sharp,
c m bi n gia t c và đ nghiêng Gyro sensor, ADXL203 và MMA7455…
- Các đ u ra:
u ra s : b đi u khi n có 16 đ u ra s ki u r le 24V, dòng t i đa 1A Dùng cho các m c đích đóng m các c c u ch p hành ki u logic u ra s có th m r ng
t i lên t i đa 48
u ra xung: đ u ra s d ng xung PWM, v i biên đ 0÷5V, t n s 0÷100Kz,
u ra xung PWM có th m r ng t i đa lên 08
u ra t ng t : tín hi u ra t ng t : b đi u khi n có 04 đ u ra t ng t 0÷5V;
2 đ u ra 0÷10V, dòng l n nh t là 1A Các đ u ra này nh m m c đích đi u khi n các c
c p ch p hành ki u nh val l u l ng, val khí nén…
Trang 2626
- Kh i Driver đi u khi n đ ng c : l a ch n s d ng các IC c u chuyên d ng
c a TI đ đi u khi n các đ ng c c a robot đ có th ki m soát t c đ và góc quay m t cách chính xác Trên m ch ch có đ 06 đ u ra đi u khi n đ ng c ( đây là các đ ng
c DC Servo có Encorder 1000ppr) M t s đ c tính c a IC c u DRV8842, DRV8829, DRV8825, DRV8432:
Driver đ ng c đi u khi n dòng c u H đ n
Dòng đi u khi n l n nh t là 5A (t i đi n áp 24V, 25 đ c)
Tuân th giao di n chu n công nghi p PWM
D i đi n áp làm vi c r ng, t 8.2V đ n 45V
- Bàn phím: đây b m ch ch đi u khi n đ c thi t k bàn phím 16 nút 4x4,
đi u này s giúp ng i s d ng t ng tác d dàng h n
- Màn hình hi n th LCD: m ch ch có th giao ti p v i hai lo i hi n th th ng dùng các b đi u khi n là LCD và LCD Graphic
- C ng giao ti p RS232-RS485: m ch ch đi u khi n trung tâm có th đ c k t
n i v i máy tính ho c các thi t b khác qua c ng n i ti p RS232 ho c RS485 K t n i theo chu n RS232 đ n gi n, thu n ti n nh ng v n đ m b o đ c tính tin c y c n thi t
K t n i chu n RS485 m t m t cho phép k t n i khi b đi u khi n đ t xa máy tính giám sát Kèm theo các câu l nh chu n cung c p cho ph n m m giám sát trên máy tính
s giúp ng i s d ng t ng tác v i robot thu n ti n h n, đ ng th i c ng d dàng theo dõi quá trình đi u khi n
- C ng giao ti p m ng không dây RF: s d ng b truy n thông không dây
chuyên d ng 2.4 GHz c a TI là CC2500
Hình 1.10 nh ch p toàn b h robot t hànhs n ph m
Trang 27 Xây d ng c u trúc t ng quan c a h robot t hành bám m c tiêu chuy n đ ng
Thi t k và ch t o hoàn thi n ph n c ng c khí và m ch đi n t đi u khi n cho
m t robot t hành có g n camera nh m m c đích cho vi c th nghi m các lý thuy t, thu t toán nghiên c u c a lu n án sau này Robot đ c ch t o đ m b o các yêu c u
k thu t, m ch đi n t đi u khi n đ c thi t k và ch t o theo h ng m , có kh n ng nâng c p và ng d ng cho đa d ng robot các lo i khác nhau cho các ng d ng nâng
c p phát tri n ti p theo
Trang 2828
Các nhi m v s đ c nghiên c u ch ng ti p theo là:
- Ph n c m bi n “m t máy”: nghiên c u và ng d ng các thu t toán x lý nh bám b t m c tiêu di đ ng, xác đ nh v trí m c tiêu Chú ý vào vi c nâng cao t c đ và
ch t l ng bám
- Mô hình hóa và mô ph ng t ng th h th ng robot t hành đã xây d ng t v trí
c a m c tiêu, v trí robot quy v h tr c t a đ n m trên tâm robot, tính toán đ ng h c thu n, đ ng h c ng c c a h đ ph c v cho bài toán đi u khi n
- Ph n thu t toán đi u khi n: nghiên c u và đ xu t thu t toán đi u khi n thích nghi bám qu đ o cho robot t hành khi có tham s kh i l ng, moment thay đ i, đ c
bi t chú ý t i tác đ ng c a nhi u ma sát ây là nh ng tr ng h p th ng xuyên x y
ra đ i v i robot t hành khi nó ho t đ ng trong môi tr ng khác nhau v đ a hình và
t ng tác v i đ i t ng bám Thu t toán đòi h i ph i có c u trúc đ n gi n, b n v ng
nh m m c đích cài đ t l p trình nhúng và th nghi m trên robot đ m b o tính th i gian
th c cho toàn h
Trang 2929
C S X LÝ NH CHO BÀI TOÁN BÁM M C TIÊU DI
NG
Ch ng 2 trình bày các k t qu nghiên c u, mô ph ng và th c nghi m v x lý
nh xác đ nh v trí m c tiêu (xem hình 1.7), đây là vòng x lý trên máy tính PC ph c
v vi c tính toán qu đ o đ t cho bài toán đi u khi n bám c a robot di đ ng, đ c trình bày chi ti t
X lý nh bám m c tiêu di đ ng là m t h ng nghiên c u không m i, hi n đã có
r t nhi u các công trình, thu t toán đ c công b và ng d ng vào th c t Nh ng áp
d ng các k t qu nghiên c u này cho t ng ng d ng c th nh th nào cho phù h p
l i là v n đ luôn luôn m i M t đi u ch c ch n là không th có m t thu t toán hay
m t ph n m m nào có th đ m b o bám nh cho t t c các đ i t ng nh máy bay, tàu
th y, xe t ng, xe máy, ng i, qu bóng đá, qu bóng bàn … hay có th bám m t đ i
t ng nào đó nh k trên khi nó ho t đ ng trong các môi tr ng hay đ a hình b t k Chính vì v y, m c tiêu nghiên c u phát tri n và nâng cao kh n ng bám m c tiêu di
đ ng trong phòng thí nghi m (kho ng cách t i đa đ n m c tiêu là 3m, kích th c
m c tiêu là2cm2 S Taget 10cm2) cho robot t hành đ c quan tâm nghiên c u trong
ch ng này Bao g m các nghiên c u t ng quan v c u trúc c a m t h th ng bám s
d ng x lý nh và áp d ng các thu t toán x lý nh đã có vào bài toán bám qu bóng bàn trong ph m vi phòng thí nghi m Các k t qu nghiên c u m i nh m nâng cao ch t
t t là LOS (Line Of Sight) c m bi n - m c tiêu m t cách n đ nh và hoàn toàn t đ ng
trong khi t n t i c chuy n đ ng t ng đ i c a m c tiêu và chuy n đ ng c a đ g n
c m bi n làm nhi u lo n t i d li u c m bi n hình nh [35, 36, 37, 38] M c tiêu
th ng đ c đ nh v ban đ u, b i ho c là ng i đi u khi n ho c là h th ng nh n d ng
m c tiêu t đ ng Sau đó, h th ng bám s khoá ch t m c tiêu và duy trì LOS t đ ng
Trang 3030
H th ng bám hình nh t đ ng thông th ng bao g m 3 ph n chính (hình 2.1): (1) b c m bi n nh (camera ch ng h n), (2) b ch p hành th ng là các tr c kh p
quay (gimbal) có g n đ ng c ho c khí nén, và (3) b x lý M t vòng đi u khi n ph n
h i, đ c g i là vòng bám, liên t c hi u ch nh b ch p hành đ gi m c tiêu vào tâm
c a tr ng nhìn vi t t t là FOV (Field Of View) b c m bi n B x lý s khép kín
vòng này b ng cách tính toán đ l ch đ đi u khi n b ch p hành Các thành ph n ho t
đ ng theo th t sau: (1) b x lý đ nh v tín hi u m c tiêu trong dòng hình nh t b
c m bi n, (2) b x lý c l ng tr ng thái m c tiêu và t o ra các l nh đi u khi n c
c u ch p hành trên c s các thông tin tr ng thái, (3) l nh đi u khi n đ c áp d ng vào LOS c m bi n, (4) b c m bi n t o ra m t dòng video m i, và (5) quá trình đ c l p
và lu t đi u khi n đ c th c hi n b i giá tr trung bình c a m t vòng đi u khi n t l
đ n gi n Ng c l i, các h th ng bám hi n nay đ c thi t k đ bám chuy n đ ng c a
xe c trên m t đ t trong m t môi tr ng l n x n, có th s d ng ph ng pháp ti p c n
đa ki u d a trên thu t toán t ng quan và tr ng tâm Nh ng ví d khác có t l đ ng
l c h c cao nh thông tin b phóng máy bay, tàu sân bay đ c s d ng nh là d li u
ph thu c trong vi c xác đ nh LOS Thông th ng h th ng này yêu c u nhi u máy tính, b x lý nh tinh vi, và m t giao di n t c đ cao
Trang 3131
k ki u vòng ph n h i này, ta áp d ng nguyên lý phân tách trong lý thuy t đi u khi n
ng u nhiên [18,19, 37, 38] Nguyên lý này đ nh ngh a m t ki n trúc đi u khi n đó tách ph n c l ng tr ng thái, d a trên d li u c m bi n camera, ra kh i ph n t o lu t
đi u khi n
c l ng v trí m c tiêu th ng đ c tính trên m t nh con nh đ c g i là c a
s m c tiêu (đ n gi n là c a s hay c a) Hình 2.2 mô t c a s m c tiêu th ng bao
quanh m c tiêu B ng cách ch x lý m t ph n c a tr ng nhìn n m bên trong c a s , thì các nh h ng c a nhi u lo n và n trong quá trình bám là b tri t tiêu l n, làm cho
h th ng bám n đ nh h n T n d ng nh trong c a s đ c l ng ví tr m c tiêu
c ng tránh đ c h n ch v s l ng c n x lý Nh m t quy t c, c a s (th ng là hình ch nh t ho c hình vuông) nên có kích th c nh nh t c n thi t đ ch c ch n hoàn thành m c tiêu
Hình 2.2 C a s m c tiêu kh nhi u
Các ch c n ng c a h th ng bám nguyên thu đ c mô t trong hình 2.1 Các
ch c n ng ph thêm vào là c n thi t đ h tr cho các ch c n ng đ u tiên Hai ch c
n ng ph quan tr ng nh t là ch c n ng xác đ nh c a s m c tiêu (nó h tr vi c đ nh
c a s b ng cách đo kích th c m c tiêu) và ch c n ng dò breaklock, là tr ng thái mà
h th ng bám không thu th p đ c m c tiêu đúng, đ c s d ng b i ph n xác đ nh
LOS Hình 2.3 mô t ki n trúc h th ng bám chung, bao g m c hai ch c n ng nguyên thu và các ch c n ng ph
Th ng khi thu đ c s c l ng v trí m c tiêu không t t do vi c b c
l ng v trí m c tiêu c l ng không chính xác i u này có th xu t hi n, ví d , n u
m c tiêu l n vào n n b i nhi u lo n n n, d n t i vi c c l ng v trí không còn chính
Trang 32v n đ nh nhi u
Hình 2.3 Ki n trúc toàn th h th ng bám
Khi m t đi u ki n breaklock xu t hi n, h th ng bám có th duy trì t a đ robot
t hành d a trên tr ng thái m c tiêu d đoán đ c Trong mô hình “tr t”, vòng l p
bám là vòng m , t a đ ti p t c di chuy n theo h ng và t c đ đ c xác đ nh th i
đi m cu i cùng mà b c l ng tr ng thái m c tiêu c l ng đ c tr c khi breaklock Sau khi m c tiêu đã đ c thu th p l i và vi c c l ng v trí m c tiêu đáng tin c y l i đ c thi t l p, ch c n ng breaklock báo hi u cho ch c n ng xác đ nh LOS tr l i ho t đ ng vòng đóng
- Bám theo hình d ng, màu s c (MeanShift, Camshift)
2.2.1 Ph ng pháp bám theo các đ c đi m c a nh (Thu t toán KLT)
Trong tr ng h p t ng quát, ph ng pháp KLT [78, 80, 82] xu t phát t hai câu
h i c b n là: (1) làm th nào đ ch n các đ c tính, và (2) làm th nào đ bám chúng t khung này t i khung ti p
Trang 3333
Khi camera di chuy n, các m u c a c ng đ nh thay đ i ph c t p Trong
tr ng h p t ng quát, m i hàm s 3 bi n I(x,y,t), trong đó bi n không gian x và y, c ng
nh bi n th i gian t là r i r c và đ c gi i h n, có th bi u di n m t dãy nh liên ti p
Tuy nhiên, các nh đ c l y t i th i đi m g n nhau th ng có quan h m nh v i nhau,
b i vì chúng d a vào quang c nh gi ng nhau đ c l y t các đi m nhìn khác nhau r t
nh i u này có ngh a là hàm I(x,y,t) là không tu ý, mà
Thu t toán KLT ch c l ng hai tham s (vector d ch chuy n) trong các c a s
nh B t k s trái ng c nào gi a các c a s liên ti p đó không th đ c gi i thích
b ng m t d ch chuy n đ c xem xét là l i, và vector d ch chuy n đ c ch n đ c c
ti u l i này
N u chúng ta đ nh ngh a l i J x( ) I(x,y,t)và I(x d) I(x ,y ,t) đó
bi n th i gian đã đ c rút l i cho ng n g n, mô hình nh c c b s là
)()()(x I x d n x
(2.5)
và e là vector 21 sau:
Trang 34ma tr n G có th đ c tính toán t m t khung, b ng cách c l ng các gradient và
tính toán moment b c hai c a chúng Vector e, theo cách khác, có th đ c tính t sai
phân hai khung, theo gradient tính trên
M t v n đ quan tr ng là ph i ch n đ c c a s ch a đ c tính t t Ta có th bám
m t c a s t khung t i khung n u h (2.4) bi n di n các đo l ng t t, và n u nó có
th đ c gi i tin c y i u này có ngh a là ma tr n h s 22 G c a h ph i là c trên
m c n nh và có đi u ki n t t Nh v y, yêu c u v n là c hai giá tr riêng
(eigenvalue) c a G ph i là l n, trong khi yêu c u v đi u ki n ngh a là chúng không
th khác b i m t vài b c c a c ng đ Hai tr riêng nh ngh a là m t mô t s l c
c ng đ đ i th không đ i trong m t c a s M t tr riêng l n và m t nh t ng ng
v i m t m u không đ nh h ng Hai tr riêng l n có th bi n di n các góc, k t c u
mu i h t tiêu, ho c b t k m u nào khác có th đ c bám đáng tin c y Trong th c t , khi tr riêng nh h n là đ l n đ phù h p v i chu n n, thì ma tr n G c ng th ng là
đi u ki n t t K t qu , n u hai giá tr riêng c a G là 1 và 2, s ch p nh n m t c a s
I
L L
y x I
L L
y
Trang 35x x
x x
p
p
y x
x p
p
y x I y x I y
x I G
, (
2 2
kh i đ u c a l p L-K: v0 [ 0 0 ]T
for k=1 to K with step 1 (ho c t i khi k ng ng chính xác)
sai phân nh: ( , ) ( , ) ( 1, k1).
y L y k
x L x L L
x x
x x
p
p
x k
p
p x k
y x I y x I
y x I y x I b
) , ( ) , (
d
v trí c a đi m trên J: vud
2.2.2 Thu t toán bám nh Camshift
Thu t toán Camshift đ c phát tri n trên c s thu t toán Meanshift [76] Camshift vi t t t c a “Continuously Adaptive Meanshift” Nó bao g m thu t toán c
s Meanshift v i thích ng các b c thay đ i kích c c a vùng Các b c th c thi thu t toán:
Các b c ti n hành thu t toán Camshift:
1 Kích ch n kích th c khung bám
2 Ch n v trí kh i t o c a khung bám (c a s bám)
3 Tính giá tr trung bình bên trong khung bám
4 t tâm khung bám v trí trung bình đã tính trong b c 3
5 L p l i b c 3 và b c 4 cho đ n khi h i t (ho c cho đ n khi đ d ch chuy n
v trí tâm nh h n m t ng ng đ t tr c)
u tiên là m t histogram đ c t o ra, histogram này ch a các thu c tinh liên quan đ n màu s c và ti p theo tâm và kích c c a m c tiêu đ c tinh toán đ theo dõi
Trang 3636
m c tiêu khi hình d ng và kích c c a nó thay đ i Tính xác su t phân b m c tiêu c n
c và histogram nh n đ c D ch chuy n đ n v trí m i v i m i khung hình v a nh n
đ c t video Camshift s d ch chuy n đ n v trí mà nó c l ng t p trung nhi u
đi m sáng nh t trong b c nh xác su t, tìm v trí m i b t đ u t v trí tr c đó và tính toán giá tr tr ng tâm v a tìm đ c
L u đ thu t toán Camshift:
Hình 2.4 L u đ thu t toán Camshift
2.2.3 K t h p b l c Kalman v i thu t toán bám nh Camshift
Khi robot ho t đ ng trong nh ng đi u ki n môi tr ng khác nhau c a m c tiêu chuy n đ ng, n n nh và s che khu t có th c n tr vi c theo dõi và bám theo nh c a
đ i t ng Trong ph n này s trình bày vi c s d ng k t h p b l c Kalman v i thu t toán bám nh Camshift nh m m c đích nâng cao ch t l ng bám nh Trong thu t
nh HSV
Tính Histogram c a vùng tính toán
Xác xu t phân b m u
Tính tr ng tâm đ i
t ng
t tâm khung bám vào tâm đ i t ng và tính di n tích l i
H i t
Kích ch n kh i t o
v trí và kích th c khung bám
K t qu X, Y, Z và Roll
Trang 3737
toán bám nh Camshift đ c gi i thi u ph n trên có th th y đ i t ng đ c bám t t khi n n nh không nh h ng đ n đ i t ng, tuy nhiên khi đ i t ng bám b che khu t hay l n màu v i n n nh, s gây ra hi n t ng m t bám kh c ph c nh c đi m này
và nâng cao ch t l ng bám, b l c Kalman đ c s d ng [40, 73, 76, 77]
Sau khi ti n hành thu t toán Camshift ta s có đ c tr ng thái h th ng xk,, yk, v trí x và y c a đ i t ng t i th i đi m k V i nh ng đánh giá đ c đ c p phía trên ta
có th s d ng b l c Kalman đ t o ra ph ng pháp gi i h n v trí c a đ i t ng hi u
qu h n, đi u đó là đ nói thay vì tìm ki m đ i t ng trong toàn b m t ph ng nh ta
s đ nh ngh a m t c a s tìm ki m (hay c a s m c tiêu đ c d c p trong m c 2.1)
t p trung vào giá tr d đoán xk
c a b l c
Hình 2.5 S đ k t h p b l c Kalman và Camshift
Các b c s d ng b l c Kalman cho vi c bám đ i t ng là:
B c 1: Kh i t o (k=0) Trong b c này nó s tìm ki m đ i t ng trong toàn b
b c nh do chúng ta không bi t v trí tr c c a b c nh Theo cách này ta nh n đ c
x0 T ng t ta có th đánh giá m t l ng dung sai l n ban đ u (P0)
B c 2: D đoán (k>0) Trong giai đo n này s d ng b l c Kalman ta d đoán
v trí t ng đ i c a đ i t ng, nh v y v trí xk
đ c coi nh trung tâm tìm ki m đ tìm ki m đ i t ng
B c 3: Hi u ch nh (k>0) Trong ph n này ta đ t đ i t ng (là m t chu i đi m
đ c d đoán trong tr ng thái tiên nghi m xk
) và ta s d ng v trí th c c a nó (đo đ c)
đ th c hi n vi c hi u ch nh tr ng thái b ng cách s d ng b l c Kalman tìm ki m xk
B c 2 và 3 đ c th c hi n trong khi vi c bám đ i t ng v n đang ti n hành
- Mô ph ng k t h p b l c Kalman v i thu t toán bám nh Camshift
Trang 3838
minh h a nh ng k t qu c a vi c dùng b l c Kalman trong vi c bám đ i
t ng [77], ta l a ch n cho bám theo m t qu bóng và xem xét các tr ng h p sau:
Hình 2.6 S đ tóm t t c a b l c Kalman
a) Trong th nghi m này, ta th c hi n bám theo m t qu bóng, qu bóng s di chuy n t ng đ ng v i m t đ ng th ng tuy n tính, đ c miêu t b i h ph ng trình sau:
Trang 3939
1 1 1 1
1010 0101
W 0010
- wk, v klà vector nhi u h th ng, nhi u đo l ng d ng n tr ng, Gaussian, v i k
v ng b ng 0 Chúng gi i thích cho s không ch c ch n trong gia t c c a đ i t ng
l ng đ c v trí đ i t ng ngay c khi b che khu t nh Cách đ th c hi n vi c này
là xem xét hai giai đo n c a b l c: d đoán và hi u ch nh Có ngh a là n u vi c gi i
h n v trí c a đ i t ng là không trong m t chu i c a tr ng thái d đoán c a b l c
Trang 4040
(trong th i đi m k), ta có th coi r ng đ i t ng b che khu t b i m t vài đ i t ng
khác, do đó ta s không th dùng hi u ch nh đo và s ch l y giá tr l c tiên nghi m v trí c a đ i t ng Hình 2.8 ch ra ho t đ ng c a b l c khi đ i t ng b che khu t H
th ng này đ c mô t v i nh ng bi u th c t ng t đ c dùng trong tr ng h p a)
Hình 2.8 B l c Kalman khi b che khu t
c) H u h t các qu đ o chuy n đ ng c a đ i t ng là thay đ i ph c t p (thay đ i
c v n t c và gia t c) không th mô hình hóa b i các h th ng tuy n tính, khi đó chúng
ta ph i dùng các ph ng trình phi tuy n, do đó trong nh ng tr ng h p này ta s dùng
b l c kalman m r ng EKF (Extended Kalman Filter) Hình 2.10 cho th y rõ ch t
l ng bám s d ng b l c Kalman m r ng cho vi c bám đ i t ng v i qu đ o ph c
t p t t h n h n c a b l c Kalman thông th ng V i b l c Kalman m r ng đ c
mô hình hóa s d ng các ph ng trình không gi i h n chuy n đ ng c a Brownian (trong khi b l c Kalman thông th ng, mô hình h th ng đ c s d ng các ph ng trình c a tr ng h p a)
1
xk f k( , x )k wk (2.12)
1 1 1 1
1
4 1
4
w 1
4 1
k k
x y