Công Nghệ Thông Tin, it, phầm mềm, website, web, mobile app, trí tuệ nhân tạo, blockchain, AI, machine learning - Công Nghệ Thông Tin, it, phầm mềm, website, web, mobile app, trí tuệ nhân tạo, blockchain, AI, machine learning - Điện - Điện tử - Viễn thông 1 PHẦN MỞ ĐẦU 1. Lí do chọn đề tài Công nghệ robot (Robotics) đang là tâm điểm của cuộc cách mạng lớn sau Internet và là sản phẩm công nghệ có độ phức tạp cao, chứa hàm lượng tri thức vô cùng phong phú về tất cả các lĩnh vực của khoa học và công nghệ như công nghiệp, y tế, giáo dục đào tạo, giải trí, an ninh quốc phòng, thám hiểm không gian. Những năm gần đây, sự phát triển như vũ bão của khoa học kĩ thuật đã tác động sâu sắc đến các ngành nghề nói chung và ngành công nghiệp nói riêng. Đã có không ít các doanh nghiệp thực hiện việc triển khai và ứng dụng kho hàng thông minh nhằm mục tiêu tiết kiệm chi phí, giảm thiểu lao động thủ công, tăng cường tự động hóa, tối đa hóa lợi nhuận. Sự ra đời của hàng loạt hệ thống tự động với mục đích thay thế sức lao động của con người, tăng năng suất lao động và tự động hóa trong kho hàng thông minh cũng là một sản phẩm không nằm ngoài mục đích đó. Tự động hóa kho hàng tạo nên mô hình quản lí kho tự động có sự tham gia của hệ thống các robot tự hành, robot thông minh. Các robot này có khả năng hoạt động theo chương trình được lập trình sẵn với tốc độ và độ chính xác cao, có khả năng tiếp nhận tri thức và tư duy giống như con người để phán đoán và ra quyết định mà không cần đến sự can thiệp của con người. 2. Mục đích nghiên cứu 1. Nghiên cứu và đề xuất phương pháp phát hiện, tính toán va chạm nhanh cho robot tự hành nhằm nâng cao hiệu quả phát hiện, tránh va chạm cho robot dựa trên kĩ thuật Elastic strips gốc; 2 2. Nghiên cứu và đề xuất mô hình tính toán xác suất va chạm dựa trên mô hình toán học thể tích; Thuật toán phân vùng đồng mức va chạm, mô hình xác suất va chạm (P) và phần bù xác suất va chạm (1-P) của các đối tượng; Thuật toán tránh va chạm cho robot dựa trên phân vùng xác suất va chạm cho robot tự hành. 3. Đối tượng và phạm vi nghiên cứu Đối tượng nghiên cứu: phương pháp phát hiện, tránh va chạm cho robot. Phạm vi nghiên cứu: Phương pháp phát hiện, tính toán va chạm nhanh cho robot tự hành dựa trên kĩ thuật Elastic strips gốc và kĩ thuật phát hiện, tính toán va chạm hộp bao theo hướng; Phương pháp toán tính toán va chạm dựa trên xác suất va chạm và phân vùng đồng mức xác suất va chạm. 4. Nội dung nghiên cứu 1. Hệ thống kho hàng thông minh, hệ thống tự động hóa kho hàng, vai trò của robot tự hành trong các hệ thống, các phương pháp tránh va chạm cho robot tự hành. 2. Nghiên cứu, đề xuất thuật toán phát hiện, tránh va chạm cho robot dựa trên cấu trúc cây phân lớp hệ bao BVH, nâng cao tính hiệu quả trong việc phát hiện nhanh va chạm, tính toán nhanh điểm va chạm. 3. Nghiên cứu, đề xuất mô hình tính toán va chạm dựa trên xác suất trên cơ sở toán học thể tích, thuật toán phân vùng đồng mức xác suất va chạm, mô hình xác suất va chạm (P) và (1-P). Thuật toán tránh va chạm cho dựa trên xác suất va chạm. 5. Phương pháp nghiên cứu - Phương pháp thống kê tổng hợp: thu thập, tổng hợp các tài liệu kĩ thuật, các công bố khoa học các tài liệu liên quan đến kho hàng 3 thông minh, tự động hóa kho hàng, robot tự hành và các kĩ thuật phát hiện, tránh va chạm cho robot tự hành. Phân tích và lựa chọn hướng tiếp cận khoa học phù hợp. - Nghiên cứu lí thuyết: tìm hiểu về các tài liệu kĩ thuật, các công trình nghiên cứu, các bài báo khoa học về phát hiện, tránh va chạm cho robot tự hành, các kĩ thuật tính toán va chạm dựa trên xác suất va chạm. Từ đó, luận án tiến hành phân tích, tổng hợp và đưa ra các vấn đề cần nghiên cứu. - Phương pháp chuyên gia: sử dụng phương pháp nghiên cứu chuyên gia bằng cách tham gia các hội thảo khoa học nhằm trao đổi các kinh nghiệm, thu thập các ý kiến đóng góp của các chuyên gia và tích cực trao đổi với các chuyên gia nước ngoài. - Phương pháp mô hình hóa, mô phỏng: nghiên cứu và sử dụng các mô hình toán học cho robot, mô phỏng và kiểm chứng các thuật toán xử lí số liệu, thuật toán mô phỏng trên Matlab, lập trình trên các ngôn ngữ C, C++. - Phương pháp kiểm chứng: kết hợp phân tích đánh giá thông qua các kết quả tính toán, kết quả mô phỏng. 6. Đóng góp của luận án 1. Đề xuất thuật toán phát hiện, tránh va chạm cho robot dựa trên cấu trúc cây phân lớp hệ bao BVH, kết hợp với thuật toán Elastic strips nhằm nâng cao hiệu quả của việc phát hiện và tránh va chạm cho robot. 2. Đề xuất thuật toán phát hiện, tránh va chạm dựa trên phân vùng đồng mức va chạm, các mô hình xác suất va chạm P và (1-P). 7. Bố cục luận án Cấu trúc luận án gồm 114 trang gồm: Phần mở đầu, 3 Chương nội dung và Phần kết luận. 4 CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN VỀ KHO HÀNG THÔNG MINH VÀ BÀI TOÁN TRÁNH VA CHẠM CHO ROBOT TỰ HÀNH 1.1. Tổng quan về kho hàng thông minh và các thành phần liên quan Theo tổng kết của McFarlane và cộng sự 4, thuật ngữ kho hàng thông minh đề cập đến các hoạt động quản lí kho hàng bao gồm việc lên kế hoạch, quản lí hoặc kiểm soát kho hàng theo cách thông minh hơn, hiện đại hơn so với các giải pháp thông thường. Hình 1.1. Khung kiến trúc kho hàng thông minh 3 1.1.1. Kho hàng thông minh Khi công nghệ không ngừng phát triển và ngày càng có ảnh hưởng đến mọi mặt của cuộc sống con người, cùng với đó là nền công nghiệp ngày càng hiện đại thì nhu cầu thiết kế kho hàng thông minh là tất yếu. Không những kho hàng được xây dựng chuyên nghiệp mà còn tối ưu đến 80 diện tích kho và giảm sức lao động của nhân công đến 50. Theo đó, các đơn vị sẽ cắt giảm được khoản chi phí lớn, mang lại lợi ích lâu dài cho doanh nghiệp 1,7. 5 1.1.1.1. Khái niệm Kho hàng thông minh là một tòa nhà lớn trong đó lưu trữ nguyên vật liệu và hàng hóa sản xuất, sử dụng máy móc và máy tính để hoàn thành toàn bộ hoặc một phần các hoạt động kho thông thường do con người thực hiện trước đây. 1.1.1.2. Đặc điểm và lợi ích của kho hàng thông minh Với việc tích hợp các công nghệ hiện đại, đặc biệt là các hệ thống tự động hoá và trí tuệ nhân tạo, tối ưu hóa các quy trình và hoạt động của kho. Kho hàng thông minh có những đặc điểm, lợi ích 71,72: a) Đặc điểm: Tiết kiệm không gian; Vận hành hoàn toàn tự động và chính xác; Giảm thiểu tối đa nhân công và rủi ro; Chất lượng của kho tự động cao hơn; Kết nối thời gian thực; Hệ thống phần mềm linh hoạt, dễ dàng tùy biến; Tăng tính linh hoạt và độ chính xác; Cải thiện kinh doanh. b) Lợi ích: Kho hàng thông minh mang lại nhiều lợi ích cho doanh nghiệp như: tăng năng suất, hiệu quả, tính linh hoạt, độ chính xác và đáng tin cậy trong quá trình quản lí kho hàng. 1.1.1.3. Thành phần của kho hàng thông minh Kho hàng thông minh bao gồm các thành phần chủ yếu 74,75: a) Công cụ chọn tự động; b) Xe tự hành, robot tự hành; c) Nền tảng kiểm soát hàng tồn kho tự động; d) Hệ thống quản lí kho; e) Triển khai IoT; f) Robot cộng tác; g) Hệ thống lưu trữ và truy xuất tự động. 1.1.2. Tự động hóa kho hàng 1.1.2.1. Khái niệm Tự động hóa kho hàng: là việc sử dụng một hoặc nhiều hệ thống công nghệ (điều khiển thông minh, máy móc, thiết bị công nghệ cao và robot) để tự động quản lí các hoạt động liên quan đến kho hàng. 6 1.1.2.2. Đặc điểm và lợi ích của tự động hóa kho hàng Tự động hóa kho hàng là quá trình sử dụng các công nghệ và thiết bị tự động hóa để quản lí, vận hành và tối ưu hóa hoạt động của kho hàng. 1.1.2.3. Thành phần của tự động hóa kho hàng - Tự động hóa kĩ thuật số (Digital Process Automation) sử dụng dữ liệu và phần mềm để giảm thiểu các quy trình làm việc thủ công. Ví dụ: công nghệ nhận dạng và thu thập dữ liệu tự động (AIDC), mã vạch di động,… - Tự động hóa vật lí (Physical Process Automation) là cách sử dụng công nghệ để giảm thiểu sự di chuyển của nhân viên và xây dựng quy trình làm việc hiệu quả hơn. Bao gồm: sử dụng hệ thống robot AGV, AMR, băng tải thông minh,… 1.1.3. Robot tự hành 1.1.3.1. Khái niệm Robot tự hành là một loại robot có khả năng di chuyển và thực hiện các nhiệm vụ một cách độc lập, mà không cần sự can thiệp của con người. 1.1.3.2. Phân loại robot tự hành Robot tự hành được chia làm 2 loại chính đó là: robot tự hành chuyển động bằng chân và robot tự hành chuyển động bằng bánh xe 11. 1.1.3.3. Cấu tạo và mô hình động học 1.2. Bài toán phát hiện, tránh va chạm cho robot tự hành Vấn đề phát hiện, tránh va chạm hay cảnh báo va chạm của robot đã và đang là một trong những vấn đề quan trọng được nghiên cứu và áp dụng thành công cho các robot nói chung và robot tự hành nói riêng. 7 1.2.1. Tổng hợp nghiên cứu tránh va chạm dựa trên kế hoạch Tránh va chạm dựa trên việc lập kế hoạch đường đi cho robot nhằm mục tiêu giúp robot điều hướng cách an toàn và hiệu quả trong môi trường không xác định hoặc biết một phần. Có nhiều phương pháp đã và đang được nghiên cứu: thuật toán Dijkstra 13,43 ; thuật toán A 14,42; thuật toán Rapidly-exploring Random Tree 15,43; Phương pháp Simultaneous Localization and Mapping (SLAM); Phương pháp Model Predictive Control (MPC) 18,19… 1.2.2. Tổng quan tránh va chạm dựa trên phản ứng Trong bài toán tránh va chạm dựa trên phản ứng, có nhiều công trình nghiên cứu đã được thực hiện: Certainty Grid 36, Artificial Potential Field (APF) 38, Virtual Force Field (VFF)-Borenstein và cộng sự 37,39, phương pháp Elastic strips do Khatib đề xuất 66,67. 1.2.3. Kĩ thuật phát hiện va chạm dựa vào hộp bao đối tượng Phương pháp phát hiện va chạm dựa trên hộp bao 23,24 là một phương pháp phổ biến để xác định hai đối tượng có va chạm hay không trong thông qua kiểm tra nhanh khả năng va chạm của hai hộp bao được tạo ra bởi hai đối tượng đó. 1.2.3.1. Kĩ thuật phát hiện, tính toán va chạm dựa vào hộp bao dạng trục AABB 1.2.3.2. Kĩ thuật phát hiện, tính toán va chạm dựa hộp bao theo hướng OBB 1.3. Kết luận và vấn đề nghiên cứu Phát hiện va chạm là một vấn đề quan trọng trong các ứng dụng robot và hệ thống tự động nhằm xác minh các đối tượng có xuất hiện trong khoảng cách gần nhau và có xảy ra va chạm hay không dựa trên dữ liệu về vận tốc, gia tốc và vị trí của các đối tượng. 8 Việc nghiên cứu tổng quát về kho hàng thông minh đã cho thấy vai trò và hiệu quả thực sự của robot tự hành. Để nâng cao hiệu quả, duy trì sự ổn định trong quá trình vận hành kho hàng thông minh thì việc giải quyết vấn đề phát hiện, tránh va chạm cho các robot tự hành là hết sức cần thiết, đòi hỏi sự chính xác theo thời gian thực. Vấn đề nghiên cứu 1- Nghiên cứu tổng quát các thuật toán phát hiện, tránh va chạm cho robot tự dựa trên phản ứng, kế hoạch. 2- Nghiên cứu và đề xuất thuật toán phát hiện, tránh va chạm cho robot dựa trên cấu trúc cây phân lớp hệ bao BVH, nhằm phát hiện nhanh va chạm, tính toán nhanh điểm va trong thuật toán phát hiện, tránh va chạm Elastic strips; 3- Nghiên cứu và đề xuất mô hình tính toán xác suất va chạm dựa trên mô hình toán học thể tích; Thuật toán phân vùng đồng mức va chạm, mô hình xác suất va chạm (P) và phần bù xác suất va chạm (1-P) của các đối tượng; Thuật toán tránh va chạm cho robot dựa trên phân vùng xác suất va chạm cho robot tự hành. CHƯƠNG 2 KĨ THUẬT TRÁNH VA CHẠM DỰA TRÊN CẤU TRÚC CÂY PHÂN LỚP HỆ BAO BVH, KẾT HỢP VỚI THUẬT TOÁN ELASTIC STRIPS 2.1. Giới thiệu Phương pháp Elastic strips là một phương pháp thực sự hiệu quả và đã được kiểm thử bởi nhiều nghiên cứu và các công bố đã cho thấy rằng thuật toán áp dụng đã giúp cho hệ robot tự hành cũng như hệ thống tay máy hoàn toàn có thể tránh được các va chạm cũng như vượt qua các vật cản trong môi trường cố định cũng như môi trường 9 động. Tuy nhiên, trong nhiều trường hợp, phương pháp này vẫn đang gặp phải một số tồn tại trong quá trình cài đặt và kiểm thử đối với robot. Cụ thể: Một là, quỹ đạo chuyển động của robot sẽ không thực sự trơn hoặc thậm chí robot sẽ bị tình trạng quay trái và phải liên tục tạo thành quỹ đạo rích rắc, gấp khúc (Hình 2.1). Hình 2.1. Quỹ đạo chuyển động của robot với phương pháp Elastic strips Hai là, robot sẽ bị tắc vì phương của véc tơ nội lực và ngoại lực trùng nhau. Ba là, khi tính toán theo phương pháp gốc, robot sẽ có trạng thái dịch chuyển về phía ngược lại do ngoại lực tác động dẫn đến việc tại bước dịch chuyển tiếp theo robot sẽ va chạm với vật cản ở phía còn lại. Hình 2.2. Mô tả tổng hợp lực Elastic strips gốc khi hướng di chuyển hiện tại trùng với hướng điểm va chạm 10 2.2. Kĩ thuật tránh va chạm dựa trên phương pháp Elastic strips 2.2.1. Nội lực (Internal force) 2.2.2. Ngoại lực (External force) 2.2.3. Tổng hợp lực theo phương pháp Elastic strips 2.2.4. Tính toán và cập nhật tọa độ di chuyển cho robot 2.2.5. Thuật toán phát hiện, tránh va chạm bằng phương pháp Elastic strips Hình 2.13. Thuật toán tránh va chạm dựa trên Elastic strips 11 2.3. Kĩ thuật phát hiện tránh va chạm dựa trên cấu trúc cây phân lớp hệ bao BVH, kết hợp với thuật toán Elastic strips 2.3.1. Thuật toán phát hiện, tính toán nhanh va chạm dựa trên cây phân lớp 2.3.1.1. Định nghĩa hệ bao BVH Hệ bao BVH là một cấu trúc cây đối với một nhóm các đối tượng hình học. Thuật toán xây dựng cây phân lớp được mô tả: Thuật toán Media Cut 1. Tạo hộp giới hạn cho nút gốc: xác định vùng hình chữ nhật bao đối tượng. 2. Chọn trục sắp xếp các đối tượng trong nút. 3. Lặp lại tất cả các đối tượng trong nút hiện tại, cập nhật các giá trị tối thiểu và tối đa của hộp giới hạn theo trục đã chọn. 4. Tính giá trị trung vị 5. Chia các đối tượng trong nút gốc thành hai nút con: một chứa các đối tượng nhỏ hơn giá trị trung vị và một có giá trị lớn hơn trung vị 2.3.1.2. Thuật toán phát hiện, tính toán nhanh va chạm dựa trên cây phân lớp Khởi tạo dữ liệu Mảng A: dữ liệu đọc vào từ cảm biến là khoảng cách đến các vật cản dsafe: Bán kính vùng an toàn của robot minL: minR: Khoảng cách ngắn nhất đến vật cản bên trái, phải Xác định khoảng cách ngắn nhất đến vật cản từ 02 phía trái, phải của robot For i=1 to size of (A) do if A i< dsafe then If i