Luận văn tốt nghiệp triển khai thuật toán định hướng trên ROS cho robot tự hành trong nhà

ĐẠI HỌC QUỐC GIA THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH TRƢỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA KHOA ĐIỆN - ĐIỆN TỬ BỘ MÔN ĐIỀU KHIỂN TỰ ĐỘNG LUẬN VĂN TỐT NGHIỆP TRIỂN KHAI THUẬT TOÁN ĐỊNH HƢỚNG TRÊN ROS CHO ROBOT TỰ HÀNH TRONG NHÀ GVHD : ThS. Huỳnh Văn Kiểm STUDENT : Nguyễn Phạm Nhất Thiên Minh 40901569 Hoàng Việt Hà 40900700 Thành phố Hồ Chí Minh, tháng 12, 2013 BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO CỘNG HÕA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM TRƢỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA Độc lập – Tự do – Hạnh phúc Thành phố Hồ Chí Minh o0o KHOA: ĐIỆN-ĐIỆN TỬ NHIỆM VỤ LUẬN VĂN TỐT NGHIỆP BỘ MÔN: ĐIỀU KHIỂN TỰ ĐỘNG HỌ VÀ TÊN: NGUYỄN PHẠM NHẤT THIÊN MINH MSSV: 40901569 HOÀNG VIỆT HÀ MSSV: 40900700 NGÀNH: ĐIỀU KHIỂN TỰ ĐỘNG LỚP: DD09KSTD Đầu đề luận văn: Triển khai thuật toán định hƣớng trên ROS cho robot tự hành trong nhà 1- Nhiệm vụ (yêu cầu về nội dung và số liệu ban đầu) 2- Ngày giao nhiệm vụ luận án: 3- Ngày hoàn thành nhiệm vụ: 4- Họ tên ngƣời hƣớng dẫn Phần hƣớng dẫn Nội dung và yêu cầu LVTN đã đƣợc thông qua bộ môn Ngày ……tháng 12 năm 2013 Chủ nhiệm bộ môn Ngƣời hƣớng dẫn chính (Ký và ghi rõ họ tên) (Ký và ghi rõ họ tên) PHẦN DÀNH CHO KHOA, BỘ MÔN Ngƣời duyệt (Chấm sơ bộ): Đơn vị: Ngày bảo vệ: Điểm tổng kết: Nơi lƣu trữ luận văn: BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO CỘNG HÕA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM TRƢỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA Độc lập – Tự do – Hạnh phúc BỘ MÔN ĐIỀU KHIỂN TỰ ĐỘNG o0o Ngày…… tháng …… năm………. PHIẾU CHẤM ĐIỂM BẢO VỆ LVTN (Dành cho ngƣời hƣớng dẫn) 1- Họ và tên sinh viên: NGUYỄN PHẠM NHẤT THIÊN MINH MSSV: 40901569 HOÀNG VIỆT HÀ MSSV: 40900700 Chuyên ngành: Điều khiển tự động 2- Đề tài luận văn: Triển khai thuật toán định hƣớng trên ROS cho robot tự hành trong nhà 3- Họ tên ngƣời hƣớng dẫn: Th.S. HUỲNH VĂN KIỂM 4- Tổng quát về bản thuyết minh: Số trang: Số chƣơng: Số bảng số liệu: Số hình vẽ: Số tài liệu tham khảo: Phần mềm tính toán: Sản phẩm: 5- Tổng quát về các bản vẽ: Số bản vẽ: bản A1 bản A2 Khổ khác: Số bản vẽ tay: Số bản vẽ máy tính: 6- Những ƣu điểm chính của luận văn tốt nghiệp: 7- Những khuyết điểm chính của luận văn tốt nghiệp: 8- Đề nghị: Đƣợc bảo vệ : □ Bổ sung thêm để bảo vệ: □ Không đƣợc bảo vệ: □ 9- Ba câu hỏi sinh viên phải trả lời trƣớc hội đồng: a. b. c. 10- Đánh giá chung (bằng chữ: giỏi, khá, trung bình): Điểm: /10 Ký tên (ghi rõ họ tên) BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO CỘNG HÕA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM TRƢỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA Độc lập – Tự do – Hạnh phúc BỘ MÔN ĐIỀU KHIỂN TỰ ĐỘNG o0o Ngày…… tháng …… năm………. PHIẾU CHẤM ĐIỂM BẢO VỆ LVTN (Dành cho ngƣời phản biện) 11- Họ và tên sinh viên: NGUYỄN PHẠM NHẤT THIÊN MINH MSSV: 40901569 HOÀNG VIỆT HÀ MSSV: 40900700 Chuyên ngành: Điều khiển tự động 12- Đề tài luận văn: Triển khai thuật toán định hƣớng trên ROS cho robot tự hành trong nhà 13- Họ tên ngƣời phản biện: 14- Tổng quát về bản thuyết minh: Số trang: Số chƣơng: Số bảng số liệu: Số hình vẽ: Số tài liệu tham khảo: Phần mềm tính toán: Sản phẩm: 15- Tổng quát về các bản vẽ: Số bản vẽ: bản A1 bản A2 Khổ khác: Số bản vẽ tay: Số bản vẽ máy tính: 16- Những ƣu điểm chính của luận văn tốt nghiệp: 17- Những khuyết điểm chính của luận văn tốt nghiệp: 18- Đề nghị: Đƣợc bảo vệ : □ Bổ sung thêm để bảo vệ: □ Không đƣợc bảo vệ: □ 19- Ba câu hỏi sinh viên phải trả lời trƣớc hội đồng: a. b. c. 20- Đánh giá chung (bằng chữ: giỏi, khá, trung bình): Điểm: /10 Ký tên (ghi rõ họ tên) NHẬN XÉT CỦA GIÁO VIÊN HƢỚNG DẪN NHẬN XÉT CỦA GIÁO VIÊN PHẢN BIỆN i LỜI CẢM ƠN Lời đầu tiên chúng tôi xin gửi tới thầy Thạc sĩ Huỳnh Văn Kiểm lời biết ơn sâu sắc nhất vì những chỉ dẫn, đánh giá, định hƣớng và những chia sẻ kinh nghiệm bổ ích của thầy từ đồ án tới luận văn, tạo điều kiện để chúng tôi có thể hoàn thành tốt luận văn này. Bên cạnh đó, phải kể đến sự chỉ dạy tận tình, tâm huyết của các thầy cô đang giảng dạy tại bộ môn điều khiển tự động, tại khoa Điện-Điện tử, trƣờng đại học Bách Khoa thành phố Hồ Chí Minh. Nhờ các thầy cô, chúng tôi mới đƣợc tiếp cận với những kiến thức mới hết sức bổ ích và những ứng dụng thực tiễn thú vị. Ngoài ra, còn có bạn bè luôn sẵn sàng đồng hành giúp đỡ chúng tôi khi khó khăn về học tập và cuộc sống, đặc biệt là các thành viên và ban chủ nhiệm câu lạc bộ nghiên cứu khoa học Pay It Forward. Nhân đây, xin gửi đến thầy cô và các bạn lời cảm ơn chân thành nhất. Cuối cùng, chúng tôi xin cảm ơn Cha Mẹ cùng gia đình đã luôn đứng về phía chúng tôi, truyền dạy, động viên và tạo điều kiện cho chúng tôi trong suốt quá trình học tập và nghiên cứu vừa qua. Tp. Hồ Chí Minh, ngày 18 tháng 12 năm 2013 Nguyễn Phạm Nhất Thiên Minh Hoàng Việt Hà ii TÓM TẮT LUẬN VĂN Hệ điều hành robot – Robot Operation System là một nền tảng mã nguồn mở dành cho việc thiết kế phần mềm robot. Tiền thân của ROS đƣợc phát triển đầu tiên bởi Phòng thí nghiệm Trí tuệ Nhân tạo của Đại học Stanford vào năm 2007. Kể từ năm 2008, ROS đƣợc phát triển và mở rộng tại phòng nghiên cứu Willow Garage cùng một mạng lƣới liên kết nhiều viện nghiên cứu lớn trên thế giới. Willow Garage hiện là đơn vị duy trì các thƣ viện mã nguồn mở rất phổ biến là OpenCV và Point Cloud Library, chính vì vậy, ROS đƣợc tích hợp đầy đủ các thƣ viện trên cùng với vô số các công cụ và chƣơng trình ứng dụng robot đƣợc đóng góp xây dựng bởi cộng đồng đông đảo các nhà nghiên cứu từ khắp nơi trên thế giới, giúp cho việc thử nghiệm, chia sẻ các thuật toán trở nên dễ dàng hơn. Trong thời gian ngắn kể từ khi xuất hiện, ROS đã phát triển nhanh chóng và trở thành một công cụ phổ biến, chuẩn mực đƣợc sử dụng rộng rãi bởi các đơn vị nghiên cứu và chế tạo robot. Định hướng cho robot di động là một vấn đề có nhiều ứng dụng to lớn và liên quan tới nhiều lĩnh vực. Đây cũng là một hƣớng ứng dụng trọng tâm của ROS. Trong phạm vi luận văn, bài toán định hƣớng đƣợc nghiên cứu trên một robot tự hành trong nhà ứng dụng các lý thuyết và công cụ tiên tiến đƣợc phát triển trên nền tảng ROS. Bằng việc ứng dụng thành công ROS, robot đã có khả năng tự định vị trong một môi trƣờng gồm các đặc điểm biết trƣớc đồng thời phản ứng thích hợp với các vật cản chƣa biết để tìm đƣờng đi đến một vị trí đích đã chọn. Từ tính năng cơ bản này, trong tƣơng lai, ta có thể khai thác sâu hơn các tính năng của ROS, tích hợp các kỹ thuật định vị tiên tiến giúp cho robot có thể di chuyển chính xác hơn, phạm vi hoạt động rộng nhằm phục vụ cho các ứng dụng trong đời sống. iii MỤC LỤC Trang LỜI CẢM ƠN i TÓM TẮT LUẬN VĂN ii MỤC LỤC iii DANH MỤC HÌNH ẢNH v DANH MỤC BẢNG vii CHƢƠNG I – TỔNG QUAN VỀ ĐỊNH HƢỚNG CHO ROBOT DI ĐỘNG 1 1.1. Định hƣớng cho robot tự hành. 1 1.2. Mục tiêu luận văn và phƣơng pháp thực hiện 2 1.3. Sơ lƣợc về nội dung luận văn 2 CHƢƠNG II – CƠ SỞ LÝ THUYẾT ĐỊNH HƢỚNG ROBOT 4 2.1. Ƣớc lƣợng tọa độ từ encoder 4 2.2. Chuyển động học xác suất và phƣơng pháp định vị Monte Carlo thích nghi 8 CHƢƠNG III – CÁC THÀNH PHẦN CHÍNH CỦA ROBOT TỰ HÀNH TRONG NHÀ 20 3.1. Hệ điều hành robot – ROS 20 3.1.1. Tổng quan về hệ điều hành robot- Robot Operating System 20 3.1.2. Cấu Trúc ROS 23 3.1.3. ROS Navigation Stack 36 3.2. Camera khoảng cách Kinect 42 3.2.1. Công nghệ và đặc tính 42 3.2.2. Package driver và điều khiển cho Kinect 46 3.3. Mobile base và Điều khiển 48 3.3.1. Thiết kế mô hình di động 48 3.3.2. Thiết kế chƣơng trình nhúng 52 CHƢƠNG IV – LẬP TRÌNH TÍCH HỢP NAVIGATION STACK TRÊN MÔ HÌNH ROBOT 56 4.1. Serial Server cho Mobile Base 56 4.2. Transform Broadcaster. 60 4.3. Dựng Static Map 63 CHƢƠNG V – THỰC NGHIỆM VÀ ĐÁNH GIÁ 67 iv 5.1. Bố trí và quan sát: 67 5.2. Đánh giá khả năng định hƣớng di động 76 5.3. Kết luận 76 5.4. Hƣớng phát triển 77 Tài liệu tham khảo 78 Phụ lục 1 – HƢỚNG DẪN LẬP TRÌNH ROS TRÊN IDE ECLIPSE. 79 Phụ lục 2 – TẠO LAUNCH FILE CHO NODE DEPTHIMAGE_TO_LASERSCAN 84 [...]... vật cản chƣa biết Với mục đích phát triển sâu xa là trở thành một robot cá nhân có thể thực hiện nhiều tác vụ nhằm giảm tải công việc cho con ngƣời nhƣ quét dọn, hút bụi, chuyển đồ,… trong phạm vi nhà ở hoặc trong các văn phòng, bệnh viện Phƣơng pháp thực hiện Triển khai thuật toán định hƣớng trên ROS và các ứng dụng ROS hỗ trợ việc định hƣớng cho robot tự hành trong nhà với sự hỗ trợ thu thập dữ liệu... đƣợc nghiên cứu với theo môi trƣờng trong đó robot chuyển động, ví dụ nhƣ xe tự hành trên mặt đất AGV (Autonomous Guided Vehicles), robot tự hành dƣới nƣớc AUV (Autonomous Underwater Vehicles), robot tự hành trên không UAV (Unmanned Arial Vehicles) và robot vũ trụ (Space Robot) Những khả năng cần có của một robot tự hành là dự trữ năng lƣợng đảm bảo cho robot tự hành trong thời gian yêu cầu, khả năng... Chƣơng 2: Cơ sở lý thuyết định hướng robot: Lý thuyết về ƣớc lƣợng tọa độ cho robot, giải bài toán ƣớc lƣợng từ tín hiệu encoder thu về Sơ lƣợc về mô hình chuyển động xác suất học của robot và phƣơng pháp định vị Monte Carlo thích nghi  Chƣơng 3: Các thành phần chính của robot tự hành trong nhà: Tổng quan về hệ điều hành robot ROS, camera khoảng cách Kinect Cấu tạo robot trong luận văn, và chƣơng trình... dòng 5 để xác định trọng số của mẫu Cảm tính ban đầu của robot có thể đƣợc giả sử bằng một phân bố đều trên toàn không gian với trọng số ban đầu bằng nhau là yêu cầu Các thông số 19 , và đƣợc chọn với CHƯƠNG 3: CÁC THÀNH PHẦN CHÍNH CỦA ROBOT TỰ HÀNH TRONG NHÀ CHƢƠNG III – CÁC THÀNH PHẦN CHÍNH CỦA ROBOT TỰ HÀNH TRONG NHÀ 3.1 Hệ điều hành robot – ROS 3.1.1 Tổng quan về hệ điều hành robot- Robot Operating... thập dữ liệu và vẽ bản đồ cho robot định hƣớng cho) và các cảm biến khác nhƣ encoder, cảm biến gia tốc góc (IMU)… để robot tự thực hiện đƣợc các chức năng nhƣ mong đợi Sơ lƣợc về nội dung luận văn 1.3 Nội dung luận văn bao gồm 5 chƣơng và 1 phụ lục  Chƣơng 1: Tổng quan về định hướng cho robot di động: Giới thiệu sơ lƣợc về bài toán định hƣớng cho robot di động, mục tiêu luận văn và phƣơng pháp thực... hành ROS này 20 CHƯƠNG 3: CÁC THÀNH PHẦN CHÍNH CỦA ROBOT TỰ HÀNH TRONG NHÀ Hình 3.1: Các robot ứng dụng thành công ROS PR2 (Personal Robot) , Kobuki, Jaguar, Turtlebot Hiện nay ROS chỉ chạy trên hệ điều hành Ubuntu và Mac OS X Cộng đồng ROS đang thử nghiệm hỗ trợ cho các nền tảng khác nhƣ Windows, ARM Linux, Fedora và Gentoo Hình 3.2: Cộng đồng các trung tâm tham gia đóng góp phát tri ển cho ROS trên. .. ĐỘNG CHƢƠNG I – TỔNG QUAN VỀ ĐỊNH HƢỚNG CHO ROBOT DI ĐỘNG 1.1 Định hƣớng cho robot tự hành Robot tự hành là một robot có khả năng tự di chuyển, tự vận động (có thể lập trình lại) dƣới sự điều khiển tự động để thực hiện tốt những công việc đƣợc giao Môi trƣờng hoạt động của robot có thể là mặt đất, nƣớc, không khí, không gian hay là sự tổ hợp của các môi trƣờng đó Các mô hình Robot di động khác nhau đƣợc... động hành trình, cảm biến trên robot cho tín hiệu robot đang ở cạnh một cánh cừa Phân bố xác suất , là xác suất để robot nhận đƣợc một tín hiệu cảm biến nhƣ vậy trên toàn hành lang theo định lý Bayes, phân bố 8 CHƯƠNG 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT ĐỊNH HƯỚNG ROBOT tập trung quanh vị trí các cánh cửa Tại thời điểm đó, của robot sẽ có dạng tƣơng tự nhƣ Nói cách khác gần đúng, robot biết rằng nó đang ở gần một trong. .. của robot, ví dụ nhƣ tại một hành lang dài có bối cảnh không thay đổi Các vấn đề lý thuyết định hƣớng và SLAM sẽ đƣợc đề cập sâu hơn trong chƣơng sau Mục tiêu luận văn và phƣơng pháp thực hiện 1.2 Mục tiêu luận văn: Thiết kế một robot di động, sử dụng cảm biến khoảng cách Kinect và các cảm biến khác cùng với thuật toán định hƣớng trên ROS để xây dựng bản đồ có đặc tính bằng phẳng và tự di chuyển trong. .. đƣợc sử dụng trong luận văn và lý thuyết cùa phương pháp định vị Monte Carlo thích nghi Ƣớc lƣợng tọa độ của robot từ giá trị hồi tiếp từ encoder Robot tự hành trong luận văn đƣợc thiết kế theo mô hình robot lái bằng hiệu tốc độ (differential steered drive) Giả sử robot chuyển động không trƣợt, ta sẽ ƣớc lƣợng tọa độ của robot dựa vào giá trị hồi tiếp từ encoder Trong hệ tọa độ tiến là , robot chuyển . THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH TRƢỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA KHOA ĐIỆN - ĐIỆN TỬ BỘ MÔN ĐIỀU KHIỂN TỰ ĐỘNG LUẬN VĂN TỐT NGHIỆP TRIỂN KHAI THUẬT TOÁN ĐỊNH HƢỚNG TRÊN ROS CHO ROBOT TỰ HÀNH TRONG NHÀ. Chuyên ngành: Điều khiển tự động 2- Đề tài luận văn: Triển khai thuật toán định hƣớng trên ROS cho robot tự hành trong nhà 3- Họ tên ngƣời hƣớng dẫn: Th.S. HUỲNH VĂN KIỂM 4- Tổng quát về. VIỆT HÀ MSSV: 40900700 NGÀNH: ĐIỀU KHIỂN TỰ ĐỘNG LỚP: DD09KSTD Đầu đề luận văn: Triển khai thuật toán định hƣớng trên ROS cho robot tự hành trong nhà 1- Nhiệm vụ (yêu cầu về nội dung và số