Các Thầy, Cô đã tận tình truyền đạt kiến thức, kinh nghiệm vàcảm hứng cho tôi trong quá trình học tập và nghiên cứu cho tới khi hoàn thiệnluận văn này.Bên cạnh đó, tôi xin chân thành cảm
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI LUẬN VĂN THẠC SĨ CẢI TIẾN GIẢI THUẬT ĐIỀU KHIỂN ROBOT TỰ HÀNH THÔNG MINH TÍCH HỢP CẢM BIẾN ĐA TẦNG NGUYỄN VĂN HUY Huy.NVCB180009@sis.hust.edu.vn Ngành: Kỹ thuật Cơ Điện Tử (KH) Giảng viên hướng dẫn: TS Nguyễn Xuân Hạ Viện: Cơ Khí Chữ ký GVHD HÀ NỘI, 7/2020 Tai ngay!!! Ban co the xoa dong chu nay!!! 17061132045241000000 CỘNG HÒA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM Độc lập – Tự – Hạnh phúc BẢN XÁC NHẬN CHỈNH SỬA LUẬN VĂN THẠC SĨ Họ tên tác giả luận văn: Nguyễn Văn Huy Đề tài luận văn: Cải tiến giải thuật điều khiển robot tự hành thơng minh tích hợp cảm biến đa tầng Chuyên ngành: Kỹ thuật Cơ điện tử (KH) Mã số SV: 180009 Tác giả, Người hướng dẫn khoa học Hội đồng chấm luận văn xác nhận tác giả sửa chữa, bổ sung luận văn theo biên họp Hội đồng ngày 30/06/2020 với nội dung sau: Bổ sung phần 1.1 “Xu hướng robot cách mạng cơng nghiệp lần thứ tư” Xóa hình 3.7 trùng với hình 2.10 Sửa hình 3.6 để thể rõ vị trí tích hợp cảm biến IR Sửa hình 3.10 để thể bán kính vùng khẩn cấp R U hình Thêm hình 13.3a thể sơ đồ giải thuật tránh vật cản bong bóng phản ứng Ngày 29 tháng 07 năm 2020 Tác giả luận văn Giáo viên hướng dẫn Nguyễn Xuân Hạ Nguyễn Văn Huy CHỦ TỊCH HỘI ĐỒNG Phạm Minh Hải SĐH.QT9.BM11 Ban hành lần ngày 11/11/2014 LỜI CẢM ƠN Tơi xin bày tỏ lịng biết ơn chân thành tới Thầy TS Nguyễn Xuân Hạ, người hướng dẫn tận tình tạo điều kiện tốt cho tơi hồn thành luận văn Đồng thời xin chân thành cảm ơn tới Thầy, Cô giảng dạy giúp đỡ tơi q trình nghiên cứu học tập Thạc sĩ Trường Đại học Bách Khoa Hà Nội Các Thầy, Cơ tận tình truyền đạt kiến thức, kinh nghiệm cảm hứng cho tơi q trình học tập nghiên cứu hồn thiện luận văn Bên cạnh đó, tơi xin chân thành cảm ơn tới gia đình, anh chị bạn bè đồng nghiệp, em khóa sau hỗ trợ tơi q trình nghiên cứu Một lần tơi xin chân thành cảm ơn! TĨM TẮT NỘI DUNG LUẬN VĂN Trong luận văn này, tác giả tập trung giải hai vấn đề chính: ứng dụng hệ điều hành robot ROS điều khiển robot tự hành thông minh cải tiến hệ thống tránh vật cản cách phối hợp nhiều tầng cảm biến Dựa vào tài liệu, mã nguồn mở tác giả nghiên cứu giải thuật điều khiển robot tự hành tảng robot tự hành Dashgo D1 Tác giả phát triển thêm hệ thống cảm biến hồng ngoại, ứng dụng thuật tốn điều khiển tránh vật cản tích hợp với hệ thống điều khiển robot Các kết ứng dụng thí nghiệm thực tế tảng robot thật, đánh giá định tính cho thấy robot phát tránh vật cản tĩnh, động xuất trình di chuyển Tuy nhiên số nhược điểm mà tác giả phải giải sau luận văn để robot hoạt động tốt Ngày 29 tháng năm 2020 HỌC VIÊN Nguyễn Văn Huy Mục lục MỤC LỤC DANH SÁCH HÌNH VẼ DANH SÁCH BẢNG Tổng quan nghiên cứu 1.1 Xu hướng robot cách mạng công nghiệp lần thứ tư 1.2 Giới thiệu robot tự hành 1.3 Ứng dụng robot tự hành thông minh 1.4 Các tốn robot tự hành thơng minh 1.5 Các nghiên cứu tránh vật cản robot tự hành thông minh 1.5.1 Thuật toán Virtual Force Field (VFF) 1.5.2 The Vector Field Histogram 1.5.3 Phương pháp "Bong bóng phản ứng" tránh vật cản 1.5.4 Tránh vật cản cho thiết bị tự hành LIDAR hệ thống nhúng 1.6 1 6 10 12 Nội dung nghiên cứu 13 Cơ sở lý thuyết 2.1 Bài toán nhiễu robot tự hành 2.1.1 Sự không chắn robot 2.1.2 Xác suất robotics 2.2 Hệ điều hành robot ROS ứng dụng 2.2.1 ROS gì? 2.2.2 Tổng quan HĐH ROS 2.2.3 Tại phải dùng ROS 2.2.4 Một số thành phần ROS 2.3 Bài toán điều hướng robot 2.3.1 Điều hướng robot di động 2.3.2 15 15 15 16 21 21 21 23 25 28 29 Bản đồ trọng số (costmap) 32 2.3.3 AMCL 2.3.4 Cửa sổ tiếp cận động (Dynamic Window Approach - DWA) 2.4 Bài toán định vị tạo đồ đồng thời 2.4.1 Một số phương pháp định vị 2.4.2 Định vị tạo đồ đồng thời - SLAM Điều khiển cải tiến tránh vật cản cho robot 3.1 Đặt vấn đề 3.2 Giới thiệu tảng robot 3.2.1 Phần chân đế 3.2.2 Phần cảm biến 3.2.3 Hệ thống phần mềm 3.3 Điều khiển Dashgo robot 3.3.1 Quy trình thực 3.3.2 Đánh giá hoạt động robot 3.4 Cải tiến hệ thống tránh vật cản cho robot 3.4.1 Phần cứng 3.4.2 Xử lý liệu cảm biến 3.4.3 Trình bày giải thuật 3.5 Phối hợp điều khiển robot 3.5.1 Phân quyền điều khiển 3.5.2 Tích hợp vào đồ địa phương 3.6 Kết đánh giá 3.6.1 Đánh giá độ xác cảm biến khoảng cách hồng ngoại 3.6.2 Đánh giá giải thuật điều khiển tích hợp cảm biến 33 34 35 35 38 41 41 42 43 43 44 45 45 48 48 48 49 51 53 53 56 57 57 60 Kết luận tầm nhìn 65 4.1 Kết luận 65 4.2 Tầm nhìn 65 Danh sách hình vẽ 1.1 1.2 1.3 1.4 1.5 1.6 1.7 1.8 1.9 Robot công nghiệp Một số loại robot Mơ hình hệ thống robot tự hành Virtual Force Field Biểu đồ cực VFH Vector Field Histogram Bong bóng phản ứng Phương pháp bong bóng phản ứng động Xác định vị trí vật cản 4 10 11 11 12 2.1 2.2 2.3 2.4 2.5 2.6 2.7 2.8 2.9 2.10 2.11 2.12 2.13 2.14 2.15 2.16 2.17 Ý tưởng định vị Markov Coastal navigation Các phân phối gần ROS Hệ sinh thái ROS ROS File System Truyền thông hai node Kiểu giao tiếp topic Kiểu giao tiếp service Kiểu giao tiếp Action Dead Reckoning Quan hệ khoảng cách tới vật cản giá trị đồ trọng số Q trình AMCL cho ước tính trạng thái vị trí robot Khơng gian tìm kiếm vận tốc cửa sổ động Vận tốc dài v vận tốc góc ω Bộ lọc Kalman Online SLAM Full SLAM 17 19 22 23 25 27 27 28 29 30 33 34 35 35 36 38 39 3.1 3.2 3.3 Nền tảng robot di động 42 Cấu tạo phần chân đế 43 Kiến trúc phần mềm điều khiển robot Dashgo D1 44 3.4 3.5 3.6 3.7 3.8 3.9 3.10 3.11 3.12 3.13 3.14 3.15 3.16 3.17 3.18 3.19 3.20 3.21 3.22 3.23 Robot tạo bảo đồ thể Rviz Robot di chuyển tới đích đồ Sơ đồ bố trí cảm biến Cơ chế hoạt động cảm biến khoảng cách hồng ngoại Mối liên hệ khoảng cách điện áp cảm biến IR Sharp GP2Y0A21YK0F Sơ đồ xử lý liệu cảm biến Vùng xác định vật cản Giải thuật vùng khẩn cấp U Hình dạng bong bóng phản ứng Giải thuật tránh vật cản bong bóng phản ứng Sơ đồ điều khiển chân để robot Thiết kế phân quyền điều khiển Phối hợp điều khiển Kết đo cảm biến Đánh giá sai số lớn tương ứng với số lần lấy mẫu Sai số tương ứng với N lần lấy mẫu Robot với vật cản có biên dạng biến đổi theo chiều cao So sánh đồ hai trường hợp: a) khơng có hệ thống IR; b) có hệ thống IR Vùng khẩn cấp U bong bóng phản ứng B trình di chuyển robot Robot phản ứng với vật cản động 46 47 49 49 50 50 52 52 53 54 55 55 56 58 59 59 60 61 62 63 Danh sách bảng 3.1 Giá trị đo trung bình 100 mẫu 58