(Luận văn thạc sĩ) tối ưu quỹ đạo cho robot di động bằng phương pháp limit cycle

TÓM TẮTNội dung chính của luận văn là thiết kế quỹ đạo di chuyển tối ưu cho robottrong môi trường có nhiều vật cản sử dụng thuật toán limit-cycles với vòng ảo baocác vật cản là vòng tròn

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ

THUẬT THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH

LUẬN VĂN THẠC SĨ NGUYỄN VIỆT KHOA

TỐI ƯU QUỸ ĐẠO CHO ROBOT DI ĐỘNG BẰNG PHƯƠNG PHÁP LIMIT CYCLE

NGÀNH: KỸ THUẬT ĐIỀU KHIỂN VÀ TỰ ĐỘNG HÓA - 8520216

SKC006089

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ

THUẬT THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH

LUẬN VĂN THẠC SĨ NGUYỄN VIỆT KHOA

TỐI ƯU QUỸ ĐẠO CHO ROBOT DI ĐỘNG BẰNG

PHƯƠNG PHÁP LIMIT CYCLE

NGÀNH: KỸ THUẬT ĐIỀU KHIỂN VÀ TỰ ĐỘNG HÓA - 8520216

Hướng dẫn khoa học: PGS.TS TRƯƠNG ĐÌNH NHƠN

Tp Hồ Chí Minh, tháng 04/2019

%Ӝ*,È2'È2'Ө&9¬ Ҥ27Ҥ2

TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT

THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH

PHIẾU NHẬN XÉT LUẬN VĂN THẠC SỸ

(Dành cho JiảnJ viên phản biện)

Tên tác Jiả: 1*8<ӈ19,È2'ӊ7.+2$

Ngành: WKXұW LӅXNKLӇQYj7ӵÿӝQJKyD

Định hướng: ӬQJGөQJ

Họ và tên nJười phản biện: 769 4XDQJ+X\

Cơ quDn cônJ tác: KRD jRWҥRFKҩWOѭӧQJFDR

Điện thoại liên hệ: 0918748924

2.2 Nhận xét đánh giá vi c s d ng ho c trích d n k t qu NC c a ng ử dụng hoặc trích dẫn kết quả NC của người khác có đúng qui ụng hoặc trích dẫn kết quả NC của người khác có đúng qui ặc trích dẫn kết quả NC của người khác có đúng qui ẫn kết quả NC của người khác có đúng qui ết trong ả NC của người khác có đúng qui ủa người khác có đúng qui ười khác có đúng qui i khác có đúng qui

đ nh hi n hành c a pháp lu t s h u trí tu ịnh hiện hành của pháp luật sở hữu trí tuệ ủa người khác có đúng qui ật sở hữu trí tuệ ở hữu trí tuệ ữu trí tuệ

&yWUtFKGүQÿҫ\ÿӫQKѭQJVҳS[XӃSNK{QJKӧSOê

2.3 Nhận xét v m ề m ục tiêu nghiên cứu, phương pháp nghiên cứu sử dụng trong LVTN

&ySKѭѫQJSKiSQJKLrQFӭXKӧSOêWKDPNKҧRWjLOLӋXSKkQWtFKVDXÿyÿӅ[XXҩWFiFWKXұWWRiQNӃW KӧSѭX ÿLӇPFӫDFiFWKXұWWRiQÿӇJLҧLTX\ӃWEjLWRiQÿһWUD

2.4 Nhận xét Tổng quan của đề tài

6ҳS[XӃSOҥLWjLOLӋXWKDPNKҧR+LӋXFKӍQKY QSKRQJFӫDOXұQY Q

%Ӝ*,È2'È2'Ө&9¬ Ҥ27Ҥ2

TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT

THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH

PHIẾU NHẬN XÉT LUẬN VĂN THẠC SỸ

(Dành cho JiảnJ viên phản biện)

Tên tác Jiả: 1*8<ӈ19,È2'ӊ7.+2$

Ngành: WKXұW LӅXNKLӇQYj7ӵÿӝQJKyD

Định hướng: ӬQJGөQJ

Họ và tên nJười phản biện: 761JX\ӉQ9 4X QK

Cơ quDn cônJ tác: ĈҥLKӑF/ҥF+ӗQJ

Điện thoại liên hệ: 0919150171

ÿҥRQKѭWUѭӡQJWKӃQ QJSRWHQWLDOILHOGEҧQÿӗÿѭӡQJURDGPDS4±OHDUQLQJWKXұWWRiQGL WUX\ ӅQ*HQHWLF$OJRULWKPVÿѭӡQJFRQJ VSOLQHEұFNӃWKӧSYӟL*$SKѭѫQJSKiSFKXN JLӟLKҥQ OLPLW±F\OHV LVkXSKkQWtFKYӅWKXұWWRiQOLPLW±F\FOHVYӟLYzQJҧROjÿѭӡQJWUzQVѫÿӗFҩXWU~FÿLӅX

NKLӇQFiFEӝÿLӅXNKLӇQFѫEҧQWURQJOLPLWF\

FOHVFiFEѭӟFWKӵFKLӋQWKXұWWRiQWUiQKYұWFҧQWKXұWWRiQ EiPWKHRTXiNKӭ«&KѭѫQJWUuQKEj\ YLӋFWKLӃWNӃTX ÿҥRWӕLѭXFKRURERWWURQJYLӋFWUiQKQKLӅXYұW

NӃWTXҧÿLӅXNKLӇQYӟLYLӋFP{SKӓQJNӃWTXҧVӱGөQJWKXұWWRiQOLPLWF\FOHVYzQJWUzQHOOLSVHVDEjQF QKӝ«&KѭѫQJWUuQKEj\NӃWOXұQFKXQJYӅѭX

ÿLӇPYjKҥQFKӃFӫDÿӅWjLNKҷQJÿӏQKQKӳQJNӃWTXҧÿyQJJySÿҥWÿѭӧFÿӅ[XXҩWêNLӃQÿӇFҧLWKLӋQNKX\ӃW ÿLӇPYjÿӏQKKѭӟQJSKiWWULӇQÿӅWjL

2.2 Nhận xét đánh giá vi c s d ng ho c trích d n k t qu NC c a ng ử dụng hoặc trích dẫn kết quả NC của người khác có đúng qui ụng hoặc trích dẫn kết quả NC của người khác có đúng qui ặc trích dẫn kết quả NC của người khác có đúng qui ẫn kết quả NC của người khác có đúng qui ết trong ả NC của người khác có đúng qui ủa người khác có đúng qui ười khác có đúng qui i khác có đúng qui

đ nh hi n hành c a pháp lu t s h u trí tu ịnh hiện hành của pháp luật sở hữu trí tuệ ủa người khác có đúng qui ật sở hữu trí tuệ ở hữu trí tuệ ữu trí tuệ

%jLEiRFiRVӱGөQJWjLOLӋXWKDPNKҧRQKѭQJFiFWjLOLӋXQKѭNK{QJÿѭӧFWKDP

FKLӃXYjRWURQJEjLEiRFiR0ӝWVӕSKҫQQӝLGXQJFӫDEiRFiRÿѭӧFVӱGөQJJLӕQJKRjQWRjQYӟLO XұQY Q WKҥFV FӫDWiFJLҧL/r7KDQK1JX\rQGR76+X QK7KiL+RjQJKѭӟQJGүQ

ӅQJKӏWiFJLҧOjPU}FiFQӝL GXQJQj\YjFyJLҧLWUuQKFөWKӇ

2.3 Nhận xét v m ề m ục tiêu nghiên cứu, phương pháp nghiên cứu sử dụng trong LVTN

ĈӅWjLÿһWPөFWLrXQJKLrQFӭXYj[Xk\GӵQJJLҧLWKXұWWKLӃWNӃTX ÿҥRWӕLѭXFKRURERWGLFKX\ ӇQG QJN QJ

2.6 Nh n xét đánh giá v ật sở hữu trí tuệ ề khả năng ứng dụng, giá tr th c ti n c ịnh hiện hành của pháp luật sở hữu trí tuệ ực tiễn c ễn c ủa đề tài

;XWKӃQJKLrQFӭXӭQJGөQJYӅURERWӭQJGөQJWURQJÿӡLVӕQJQJj\

FjQJWDQJFDRQKXFҫXYӅGӏFKYө[Xm KӝLQJj\

FjQJSKiWWULӇQQrQÿzLKӓLKӋWKӕQJURERWGLÿӝQJSKҧLÿӫWK{QJPLQKÿӇÿiSӭQJFiF\rXFҫXÿһW UD9LӋFQJKLrQFӭXÿӅWjLQj\OjFҫQWKLӃWYjFyJLiWUӏӭQJGөQJFDR

2.7 Luận văn c n ch nh s a, b sung nh ng n i dung gì (thi ần chỉnh sửa, bổ sung những nội dung gì (thi ỉnh sửa, bổ sung những nội dung gì (thi ử dụng hoặc trích dẫn kết quả NC của người khác có đúng qui ổ sung những nội dung gì (thi ữu trí tuệ ội dung gì (thi ết sót và tồn tại):

&zQQKLӅXOӛLFKtQKWҧ[XXҩWKLӋQWURQJOXұQY Q

&ҫQVRViQKNӃWTXҧQJKLrQFӭXFӫDWiFJLҧYӟLFiFNӃWTXҧQJKLrQFӭXÿmÿѭӧFF{QJEӕÿӇOjPQәLEұWN

II CÁC VẤ0Ề CẦN LÀM RÕ

(Các câu hỏi của giảng viên phản biện)

1

ӅVXҩWFiFJLҧLSKiSÿӇQkQJFDRFKҩWOѭӧQJFӫDWKXұWWRiQÿLӅXNKLӇQJLҧPVӵҧQKKѭӣQJFӫDP {L WUѭӡQJÿӃQFiFORҥLFҧPELӃQQKѭOD]H*\UR«

LỜI CAM ĐOAN

Tôi cam đoan đây là công trình nghiên cứu của tôi

Các số liệu, kết quả nêu trong luận văn là trung thực và chưa từng được ai công bố trong bất kỳ công trình nào khác

Tp Hồ Chí Minh, ngày 10 tháng 04 năm

2019 (Ký tên và ghi rõ họ tên)

Nguyễn Việt Khoa

CẢM TẠ

Lời đầu tiên, tác giả luận văn xin bày tỏ lòng biết ơn chân thành đến tất cả thầy

cô giáo bộ môn Kỹ thuật điều khiển và Tự Động Hóa của Khoa Điện – Điện TửTrường Đại Học Sư Phạm Kỹ Thuật TPHCM đã truyền đạt cho tác giả những kiếnthức và kinh nghiệm thật sự hết sức quý báu trong thời gian học tập tại trường Đặc

biệt, tác giả xin chân thành cảm ơn thầy PGS.TS Trương Đình Nhơn, người đã

trực tiếp hướng dẫn tác giả hoàn thành luận văn thạc sĩ này

Trong quá trình thực hiện luận văn, do thời gian và trình độ cũng còn có hạnnên chắc chắn sẽ không tránh được những thiếu xót, rất mong được sự quan tâmđóng góp của thầy cô, anh chị để luận văn được hoàn thiện hơn Một lần nữa, tác giảxin chân cám ơn

Học viên thực hiện luận vănNguyễn Việt Khoa

TÓM TẮT

Nội dung chính của luận văn là thiết kế quỹ đạo di chuyển tối ưu cho robottrong môi trường có nhiều vật cản sử dụng thuật toán limit-cycles với vòng ảo baocác vật cản là vòng tròn và vòng ellipse, với mong muốn quỹ đạo thu được đủ trơn,không gây dao động rung lắc cho robot trong quá trình di chuyển và tránh vật cản đểđến đích an toàn Sơ đồ cấu trúc phân cấp lựa chọn hành vi điều khiển robot đượctính toán ổn định theo tiêu chuẩn Lyapunov và thử nghiệm hoạt động tốt trong nhiềumôi trường khác nhau Ngoài ra, luận văn xây dựng phương pháp phát hiện và tránhbẫy cục bộ khi robot di chuyển trong môi trường nhiều vật cản Để robot hoạt độnghiệu quả trong sa bàn căn hộ, luận văn xây dựng thêm phương pháp ưu tiên khônggian con, để tìm hướng ra cửa của các căn phòng, và kết hợp với thuật toán limit-cycles để quỹ đạo đạt tối ưu cho robot di chuyển hiệu quả

The main content of the thesis is to design the orbital movement for optimalrobot in an environment with many obstacles using algorithms limit-cycles withvirtual surround many obstacles is the circle and the ellipse with the desiredtrajectory collection be smooth enough, do not cause vibrations to the robot duringmovement and avoid obstacles to reach the destination safely A hierarchicalstructure diagram for selecting the robot control behavior is calculated according toLyapunov standard and tested well in many different environments In addition, thethesis builds methods to detect and avoid local traps when robots move inenvironments with many obstacles In order for the robot to function effectively inthe apartment, the thesis builds an extra method of prioritizing the subspace to findthe door of exit direction, and incorporating limit-cycles algorithm to maximize thetrajectory effectively for the moving robot

MỤC LỤC

Quyết định giao đề tài

2.1.3 Các bộ điều khiển cơ bản trong limit-cycles 18

5.2 Kết luận 51

DANH SÁCH CÁC CHỮ VIẾT TẮT

DANH SÁCH CÁC HÌNH

Hình 1.2: Lĩnh vực máy bay không người lái trong quân sự 2

Hình 1.4: Quỹ đạo được hoạch định theo phương pháp trường thế năng 4

Hình 1.5: Quỹ đạo hoạch định khi kết hợp sơ đồ Voronoi và trường thế năng 5

Hình 1.7: Hoạch định đường đi cho robot dùng thuật toán GA 7

Hình 1.10: Quỹ đạo tìm được dựa vào kỹ thuật Spline bậc 7 và GA 9

Hình 1.11: Ứng dụng kỹ thuật đường cong spline bậc 7 tính toán quỹ đạo tối ưu tìm

Hình 1.12: Robot tránh vật cản bằng vòng ảo là vòng tròn 11

Hình 1.13: Robot tránh vật cản bằng vòng ảo là ellipse 11

Hình 1.14: Minh họa cho việc dùng các đường tròn chia nhỏ vật cản 12

Hình 2.2: Sơ đồ tổng quát cấu trúc điều khiển cho robot di động 16

Hình 2.4a: Hình minh họa quỹ đạo robot khi di chuyển tránh vật cản không có dự

Hình 2.4b: Hình minh họa quỹ đạo robot khi di chuyển tránh vật cản có dự báo 18

Hình 2.7: Minh họa 4 vùng đặc biệt quanh vật cản 23

Hình 3.2: Limit-cycles với vòng ảo vòng tròn bao quanh một bức tường dài 27

Hình 3.5: Sơ đồ cấu trúc phân cấp chọn lựa limit-cycles ellipse 29

Hình 3.6: Thuật toán phân cấp chọn lựa khi dùng limit-cycles ellipse 30

Hình 3.8: Bốn vùng xung quanh vật cản được bao bởi ellipse 32

Hình 3.9: Thuật toán tránh vật cản dùng limit-cycles ellipse 33

Hình 3.10: Robot tránh vật cản sử dụng limit-cycles hình ellipse bao vật cản 33

Hình 3.13: Lưu đồ thuật toán xác định bẫy cục bộ cho robot 37

Hình 3.14: Lưu đồ thuật toán thoát khỏi bẫy cục bộ cho robot 38

Hình 3.15: Lưu đồ thuật toán robot tránh nhiều vật cản 40

Hình 3.17: Vùng không gian trong căn hộ và các điểm hướng ra căn phòng 42

Hình 3.18: Qũy đạo thu được khi kết hợp thuật toán limit-cycles và thuật toán lựa

Hình 4.1: Robot di chuyển tránh vật cản cơ bản với thuật toán limit-cycles vòng

Hình 4.2: Robot di chuyển tránh vật cản với thuật toán limit-cycles vòng tròn có

Hình 4.3: Robot di chuyển trong môi trường nhiều vật cản rời rạc 44

Hình 4.4: Gom vật cản và tránh bẫy cục bộ dùng thuật toán limit-cycles vòng tròn

45

Hình 4.5: Gom vật cản và tránh bẫy cục bộ dùng thuật toán limit-cycles ellipse 46

Hình 4.7: Sơ đồ căn hộ chung cư xây dựng trên Matlab 47

Hình 4.8: Các vật cản được bao bởi vòng tròn và ellipse trên sơ đồ căn hộ 48

Hình 4.9: Quỹ đạo tối ưu thu được khi robot di chuyển từ phòng bếp ra phòng

Hình 4.10: Kết quả robot di chuyển theo quỹ đạo tối ưu thu được 49

Hình 5.1: Kết hợp sơ đồ thuật toán limit-cycles với bộ điều khiển mờ phía sau bộ

Chương 1 TỔNG QUAN

1.1 Giới thiệu

Trong những năm gần đây với sự phát triển vượt bậc của ngành khoa họcmáy tính và điều khiển học đã giúp ngành robotics ngày càng phát triển mạnh mẽ,đặc biệt là lĩnh vực robot tự hành (mobile robot) Theo dự đoán của các chuyên giatrong tương lai không xa mỗi người sẽ có nhu cầu sử dụng một robot cá nhân nhưcần một máy tính hiện nay và robot di động sẽ là tâm điểm của một cuộc cách mạngcông nghệ lớn sau Internet Có thể kể đến một số loại robot được quan tâm nhiềutrong thời gian qua là: Tay máy robot, Robot di động (Mobile Robots), Robot phỏngsinh học, Robot cá nhân,…

Xu thế phát triển robot hiện nay tập trung nhiều về robot di động vì những

ưu điểm nổi bật và tính năng đa dạng ứng dụng của nó Do nhu cầu dịch vụ xã hộingày càng phát triển cao nên đòi hỏi hệ thống robot di động phải đủ thông minh đểđáp ứng các yêu cầu đặt ra, tùy theo nhu cầu, mục đích sử dụng và chọn loại robotthích hợp Thông thường lĩnh vực robot di động được các nhà khoa học chia ra làm

3 loại chính đó là: Xe tự hành trên mặt đất - AGV, Robot tự hành dưới nước - AUV,Máy bay không người lái - UAV Thông thường bài toán về điều khiển robot diđộng phải thỏa mãn 3 câu hỏi mà Leonard và Durant Whyte [1991] tóm tắt đưa ra là

: “robot đang ở đâu ?”, “robot sẽ đi tới đâu ?”, “robot sẽ đi tới đó như thế nào ?”.

Để trả lời cho 3 câu hỏi này robot phải: có một mô hình môi trường (đã cho hoặc tựxây dựng); nhận biết và phân tích môi trường; tìm vị trí của nó trong môi trường;lập kế hoạch và điều khiển chuyển động Trong lĩnh vực này, các nhà nghiên cứuthường quan tâm nhiều về các bài toán quỹ đạo di chuyển cho robot, giúp robottránh các vật cản trên đường đi và đến đích an toàn với chi phi thấp nhất có thể Dovậy, bài toán về thiết kế và tối ưu quỹ đạo cho robot di động được quan tâm nhiềutrong thời gian qua Một số hình ảnh cho thấy sự phát triển

các loại robot di động thông minh liên quan tới các bài toán hoạch định quỹ đạo khi

di chuyển

Hình 1.1: hình (a) robot lau nhà hãng iRobot; hình (b) xe lăn thông minh

Hình 1.2: Lĩnh vực máy bay không người lái trong quân sự

Hình 1.3: Lĩnh vực Robot tự hành dưới nước

1.2 Sơ lược các phương pháp hoạch định quỹ đạo

Trong luận văn tác giả tiếp cận loại robot di động tự hành bằng bánh xe Córất nhiều bài toán và thuật toán được đưa ra cho robot tự hành bằng bánh xe nhưngvẫn chưa hoàn thiện và vẫn còn đang được phát triển Một trong số các bài toánđược các nhà nghiên cứu quan tâm nhiều cho lĩnh vực này là bài toán hoạch địnhquỹ đạo đường đi tối ưu cho robot di động, nhằm mục đích cuối cùng đưa robot đến

vị trí mong muốn an toàn, tránh vật cản trên đường đi, đường quỹ đạo di chuyển đủtrơn để robot di chuyển ít bị dao động, tránh các bẫy cục bộ do vật cản gây ra,

Khái niệm về bài toán hoạch định quỹ đạo:

Quy hoạch quỹ đạo là di chuyển từ điểm A tới điểm B, đồng thời tránh vậtcản theo thời gian Điều này có thề được tính toán bằng phương pháp rời rạc hoặcliên tục Quy hoạch quỹ đạo là lĩnh vực quan trọng trong robot và nó đóng vai tròrất lớn trong việc tự động hóa phương tiện di chuyển

Có 2 thuật ngữ cơ bản:

phụ thuộc vào thời gian, nghĩa là không cần xác định thời gian robot di chuyển từ điểm Atới điểm B

B trong một thời gian nhất định

Về cơ bản, quy hoạch quỹ đạo là quy hoạch đường dẫn bên cạnh việc lập kế hoạch

di chuyển dựa trên các yếu tố vận tốc, chuyển động và các đặc tính động học củarobot Nghĩa là xác định một quỹ đạo đường đi để cho robot di chuyển đến vị trímục tiêu đã định mà không va chạm vật cản trong vùng làm việc Việc lập kế hoạchđường đi trước hết là phải đưa ra một bản đồ và vị trí mục tiêu, sau đó là một chiếnlược để giải quyết bài toán robot phải quyết định làm gì để đạt được mục tiêu

Sơ lược các phương pháp giải quyết các bài toán hoạch định quỹ đạo cho robot tựhành bằng bánh xe như sau:

1.2.1 Phương pháp trường thế năng (Potential Field)

Hình 1.4: Quỹ đạo được hoạch định theo phương pháp trường thế năng

Phương pháp trường thế năng xem robot như một điểm di chuyển trong mộttrường thế năng do mục tiêu và các vật cản trong môi trường tạo ra Mục tiêu thì tạo

ra thế hút còn các vật cản tạo ra thế đẩy Robot ở trong trường thế năng là đối tượngchịu tác động của lực hút từ gradient của thế hút để đưa robot đến mục tiêu, đồngthời chịu tác động của lực đẩy từ gradient của thế đẩy để giữ cho robot tránh vachạm với vật cản Vector lực tổng hợp bao gồm tổng của vector lực hút và vectorlực đẩy đóng vai trò như lực gia tốc làm cho robot di chuyển tới vị trí mới và giảithuật được lặp lại đến khi robot đến mục tiêu Phương pháp trường thế năng đơngiản và dễ thực hiện đối với các môi trường có vật cản đơn giản hoặc khoảng cáchgiữa điểm bắt đầu và mục tiêu ngắn, đối với khoảng cách xa, vật cản phức tạp thìphương pháp này dễ rơi vào bẫy cực tiểu cục bộ Để khắc phục được nhược điểmcủa phương pháp này người ta thường kết hợp với phương pháp hoạch định phântách sơ đồ Voronoi Tất nhiên, đường tìm được trong Vonoroid thường xa hơn sovới đường tối ưu về tổng độ dài Sơ đồ Voronoid có một hạn chế là sự giới hạn vềkhoảng cách của cảm biến vị trí Vì thuật toán tìm đường đi chọn khoảng cách tối

đa giữa robot và vật cản trong môi trường nên các cảm biến có tầm hoạt động ngắncủa robot sẽ sai khi cảm nhận về môi trường xung quanh.

Tuy nhiên, một lợi điểm quan trọng của phương pháp Voronoid diagram so

với hầu hết các kỹ thuật tránh vật cản khác là khả năng thực thi Cho một kế hoạch

đường đi đã được lập bằng phương pháp Voronoid diagram, một robot với các cảm

biến khoảng cách như laser hoặc siêu âm, có thể đi theo đường Voronoid trong môi

trường thực bằng cách sử dụng thuật toán đơn giản của Voronoid diagram: robot

làm tăng tối đa các giá trị cực tiểu cục bộ mà cảm biến của nó đọc được Hệ thốngđiều khiển này sẽ giữ cho robot đi đúng trên đường Voronoid, điều này sẽ giảmthiểu khả năng sai sót

Hình 1.5: Quỹ đạo hoạch định khi kết hợp sơ đồ Voronoi và trường thế năng 1.2.2 Phương pháp bảng đồ đường (Road Map)

Phương pháp Road Map kết nối các vùng không gian trống của robot trong

một mạng lưới các đường thẳng hoặc đường cong 1D gọi là các bản đồ đường đi

Có hai phương pháp Road Map được chấp nhận với những kiểu đường đi thay đổi

đột ngột: đồ thị trực quan (visibility graph) và biểu đồ Voronoi (Voronoi diagram)

+ Phương pháp đồ thị trực quan (visibility graph) thì cho các đường đi sẽbám sát theo vật cản và đường đi cuối cùng là kết quả có độ dài ngắn nhất

để giải quyết một số bài toán tìm đường cụ thể [13] Phương pháp này cũng có thểđược coi là thuộc nhóm phương pháp hoạch định dựa vào lưới tọa độ Trước đây,người ta giải quyết các bài toán tìm đường bằng các giải thuật tìm đường cổ điển.Tuy nhiên các thuật toán tìm đường có rất nhiều hạn chế, ví dụ như đòi hỏi môi

trường phải xác định, cố định và không xử lý tốt nhiều tình huống thực tế Ngày naycon người ứng dụng trí tuệ nhân tạo, cùng với sự hỗ trợ của máy tính robot có thể tựtìm ra quy luật hành động nói chung, tìm đường đi nói riêng thông qua các kinhnghiệm thu được từ những hành động thực hiện trước đó; hay còn gọi là học tăngcường Có nhiều phương pháp học tăng cường khác nhau, trong đó Q-learning được

áp dụng khá phổ biến ở nước ta trong việc giải quyết bài toán tìm đường đi Mộttrong các ứng dụng thực tế của phương pháp này hoạch định quỹ đạo dùng cho cácrobot lau nhà

1.2.4 Phương pháp thuật toán di truyền (Genetic Algorithms)

Đây là phương pháp tìm kiếm đường đi toàn cục và tối ưu hóa ngẫu nhiêndựa trên kỹ thuật tiến hóa, thông qua ba quá trình cơ bản như: chọn lọc tự nhiên, laighép và đột biến Chính vì các quá trình trên nên GA rất hiệu quả trong việc giảiquyết các bài toán tìm cực trị của hàm phi tuyến Giải thuật di truyền dùng để tìmđường đi tối ưu cho robot tự hành di chuyển trong môi trường tĩnh, được miêu tảbởi bản đồ với các điểm nút và các đường nối [4], thuộc nhóm hoạch định đường đidựa vào việc lấy mẫu Vị trí của mục tiêu và vật cản phục vụ cho việc tìm đường đitối ưu cho robot, được cung cấp trong không gian làm việc 2 chiều Số gien trongmột nhiễm sắc thể là đặc trưng số vật cản trên bản đồ Và từ đó hiệu chỉnh lại độ dàicủa nhiễm sắc thể Tiêu chuẩn đánh giá đường đi tối ưu là đường có độ dài ngắnnhất

Hình 1.7: Hoạch định đường đi cho robot dùng thuật toán GA

Hình 1.8: Không gian làm việc (Workspace Map)

Theo [10] kết quả đưa ra sau khi tính toán là: { 0-4-6-6-7-9-15-15} Cũng sử dụngcông cụ là giải thuật di truyền nhưng một số công trình khác lại giải bài toán hoạchđịnh đường đi cho robot theo phương pháp lưới tọa độ [4] Và cho kết quả rất khảquan

Hình 1.9: Hoạch định quỹ đạo dùng GA

Chất lượng quỹ đạo trong kết quả này phụ thuộc vào quần thể ban đầu, quần thể banđầu càng đông thì kết quả tính toán sau cùng càng tốt, càng tối ưu Tiêu chuẩn tối

ưu là chọn đường ngắn nhất

Các hệ số của đa thức được tính theo [14]

sau khi tối

9

Hình 1.11: Ứng dụng kỹ thuật đường cong spline bậc 7 tính toán quỹ đạo tối ưu tìm

vị trí hướng ra của không gian phòng cho robot di động

1.2.6 Phương pháp Limit-Cycles (Chu kì giới hạn)

Thuật toán limit-cycles là một thuật toán mới trong việc định hướng và điềukhiển cho robot tự hành và được quan tâm nghiên cứu trong thời gian gần đây.Thuật toán này được áp dụng rất thành công trong lĩnh vực robot scoccer [8] Tuynhiên, lại khá mới mẻ trong lĩnh vực hoạch định quỹ đạo cho robot tự hành bằngbánh xe Hoạch định với limit-cycles có thể được xếp vào nhóm phương pháp hoạchđịnh theo trường thế năng Trong việc hoạch định quỹ đạo, thuật toán sử dụngkhung tham chiếu cụ thể để cung cấp chỉ dẫn chính xác về tình hình của robot chophép robot có thể chọn hướng an toàn và thông suốt trong môi trường nhiều vật cản.Hơn nữa, nó tính toán được thời gian để robot đi vào quỹ đạo của các vật cản vàthời điểm để đi ra khỏi vật cản Những cách xử lý quỹ đạo này được thực hiện bằngcách thích nghi giới hạn chu kỳ của quỹ đạo Trong những trường hợp xung đột cụthể, những bộ điều khiển con của limit-cycles được kích hoạt để robot di chuyểnkhông bị dao động, rơi vào bẫy cục bộ, hay có kết thúc chết hoặc bị kẹt một chỗ.Các bộ điều khiển con trong limit-cycles được chứng minh ổn định theo tiêu chuẩnLyapunov [8] Cấu trúc điều khiển tổng quát của limit-cycles cho phép giảm

đáng kể thời gian robot chạy đến mục tiêu trong khi đang dự đoán và tránh vật cản.Kết quả mô phỏng trong nhiều môi trường khác nhau chứng minh độ tin cậy của cấutrúc điều khiển limit-cycles.

Hình 1.12: Robot tránh vật cản bằng vòng ảo là vòng tròn

Hình 1.13: Robot tránh vật cản bằng vòng ảo là ellipse

có nhiều công trình thành công ứng dụng vào trong thực tiễn như robot dịch vụchăm sóc con người, xe lăn điện thông minh, robot lau nhà,… Đây chính là lý dotác giả chọn hướng tiếp cận đề tài: “Tối ưu quỹ đạo cho robot di động bằng phươngpháp limit-cycles”

Quỹ đạo

Hình 1.14: Minh họa cho việc dùng các đường tròn chia nhỏ vật

cản 1.4 Ý nghĩa và tính cấp thiết của đề tài

Hoạch định quỹ đạo là bài toán rộng trong nhiều lĩnh vực như hàng không vũtrụ, quân sự, y tế, robot dịch vụ,… đây là bài toán được các nhà khoa học quan tâmnhiều trong lĩnh vực robot di động nhằm mục đích đưa ra quỹ đạo tối ưu và giảm

chi phí khi di chuyển đến vị trí mong muốn Kết quả bước đầu của phương pháplimit-cycles với vòng ảo là vòng tròn và ellipse sẽ ứng dụng vào việc hoạch địnhquỹ đạo cho robot lau nhà, xe lăn thông minh cho người tàn tật, người già khi dichuyển trong nhà và bệnh viện hoặc trong các hệ thống UAV quân sự.

Bên cạnh đó, ứng dụng vào việc hỗ trợ, điều khiển các phương tiện giaothông cá nhân như xe tải, ô tô v.v… góp phần giảm tỉ lệ tai nạn giao thông, hiệnđang rất cao ở nước ta Do đó, việc đưa ra phương pháp hoạch định đường đi chorobot di động là cần thiết và mới mẻ trong việc phát triển lĩnh vực robot tự hành ởnước ta

1.5 Mục tiêu đề tài

chuyển dùng kỹ thuật limit-cycles với vòng ảo bao các vật cản rời rạc là vòng tròn vàvòng ellipse để robot tránh các vật cản và an toàn đến đích Do vậy:

minh theo tiêu chuẩn Lyapunov

dài hoặc các vòng ảo bao vật cản giao nhau

áp dụng thuật toán limit-cycles vào thiết kế quỹ đạo di chuyển cho robot

1.6 Giới hạn đề tài

vòng ellipse

1.7 Sơ lược nội dung luận văn

Cấu trúc luận văn gồm 5 chương

Chương 1: Tổng quan

Nội dung của chương này giới thiệu về lĩnh vực robot di động, trình bày cácphương pháp hoạch định quỹ đạo cho robot di động tự hành bằng bánh xe và cáccông trình liên quan từ đó đưa ra lý do chọn đề tài, tính cấp thiết và mục tiêu đề tài.

Chương 2: Cơ sơ lý thuyết

Nội dung của chương này trình bày cơ sơ lý thuyết phương pháp limit-cycles.Phương pháp tránh vật cản bằng các vòng ảo bao vật cản là vòng tròn, đồng thờiphân biệt 4 vùng xung quanh của vật cản khi robot di chuyển tránh vật cản

Chương 3: Thiết kế quỹ đạo đi tối ưu cho robot

Nội dung của chương này trình bày phương pháp robot tránh nhiều vật cản

và thoát khỏi bẫy cục bộ của vật cản Đồng thời, cải tiến phương pháp limit-cyclesvới vòng ảo là hình ellipse khi vật cản có biên dạng dài như bức tường Áp dụngthực tế phương pháp limit-cycles vào sa bàn là căn hộ để tính toán thiết kế quỹ đạotối ưu cho robot di chuyển

Chương 4: Kết quả điều khiển

Nội dung của chương này trình bày kết quả tính toán điều khiển mô phỏngtrên Matlab

Chương 5: Kết luận và hướng phát triển đề tài

Trình bày kết quả đạt được của luận văn và những hạn chế trong luận văn, từ

đó đưa ra hướng phát triển và hướng nghiên cứu tiếp theo để cải tiến luận văn tốthơn

Chương 2

CƠ SỞ LÝ THUYẾT

2.1 Thuật toán limit-cycles

2.1.1 Limit-cycles với vòng ảo là đường tròn

Phương pháp limit-cycles là phương pháp hoạch định quỹ đạo đường đi chorobot di động tự hành bằng bánh xe, đây là một phương pháp định hướng mới đượcđánh giá cao trong những nghiên cứu gần đây [5], [6], [7], [9] và đã áp dụng thànhcông trong robot thi đấu bóng đá [8] Với những thông tin liên quan về vị trí của vậtcản, vị trí mục tiêu, điểm xuất phát robot và những vật cản liên quan đến đường đicủa robot, sau đó thay đổi hướng chuyển động dùng các vòng ảo theo chu kì giớihạn của đường tròn để đi đến mục tiêu an toàn Giả sử rằng cả vật cản và robot đều

Hình 2.1: Vòng tròn giới hạn quanh vật cản

Trong đó:

 D PROi: độ dài đường trực giao của vật cản i với đường (l).