tìm hiểu và xây dựng phần mềm hỗ trợ bài toán tìm đường đi ngắn nhất tránh vật cản cho xe tự hành trong không gian 2d ppt

Giáo viên hướng dẫn : TS. Vũ Đức Lung Học viên thực hiện : Thái Quốc Thắng Đồng Nai, tháng 11 năm 2013 TÌM HIỂU VÀ XÂY DỰNG PHẦN MỀM HỖ TRỢ BÀI TOÁN TÌM ĐƯỜNG ĐI NGẮN NHẤT TRÁNH VẬT CẢN CHO XE TỰ HÀNH TRONG KHÔNG GIAN 2D ĐỀ TÀI: TRƯỜNG ĐẠI HỌC LẠC HỒNG CNTT - CAO HỌC KHÓA 3 1  NỘI DUNG TRÌNH BÀY 1. Giới thiệu bài toán. 2. Mục tiêu. 3. Giải pháp cho bài toán. 4. Hiện thực và đánh giá kết quả. 5. Kết luận và hướng phát triển. 2 1. Giới thiệu bài toán: 3 1. Giới thiệu bài toán: - Xe tự hành không có khả năng tránh vật cản trên đường đi. Vì xe tự hành không tự động tìm cho mình được một đường đi. - Khi di chuyển, xe tự hành có khả năng di chuyển ra khỏi đường đi. Do đó, xe tự hành có thể sẽ không di chuyển về đúng điểm đích. - Xe tự hành không có khả năng ghi nhận lại hình ảnh quan sát được trên đường đi, để làm dữ liệu thông tin phát triển sau này. 4 2. Mục tiêu: - Xây dựng chương trình tìm đường đi ngắn nhất tránh vật cản cho xe tự hành trong môi trường 2 chiều. - Xây dựng khối chức năng, giúp xe tự hành di chuyển bám theo đường đi đã hoạch định một cách chính xác. - Xây dựng hệ thống camera để truyền hình ảnh ghi nhận được về máy tính điều khiển và kết quả sẽ được kiểm thử trên một xe tự hành thật. 5 3. Giải pháp cho bài toán: 1. Tìm hiểu bài toán path planning. 2. Tìm hiểu đường đi ngắn nhất dùng visibilty graph (độ phức tạp O(n 2 logn)) kết hợp giải thuật Dijkstra. 3. Xây dựng khối chức năng giúp điều khiển xe tự hành di chuyển chính xác theo đường đi, dựa vào lý thuyết bộ điều khiển vi tích phân tỷ lệ (Proportional-Integral-Derivative - PID). 4. Xây dựng hệ thống camera để ghi lại hình ảnh quan sát được của xe tự hành và truyền về máy tính điều khiển. Và một mô hình kiểm thử được lắp đặt. 6 3. Giải pháp cho bài toán 3.1. Tìm hiểu bài toán path planning: - Path planning là một bài toán tìm đường đi, được áp dụng nhiều trong các lĩnh vực như sinh tin học, CAD/CAM, layout, xử lý ảnh,… và đặc biệt rất nhiều trong lĩnh vực robot. 7 - Bài toán đặt ra là tìm ra đường đi tốt nhất theo một tiêu chuẩn tối ưu nào đó, sao cho đối tượng di chuyển từ điểm bắt đầu đến điểm đích trên đường đi này mà không va vào các vật cản trong môi trường hai hoặc nhiều chiều. 3. Giải pháp cho bài toán 3.2. Đường đi ngắn nhất trong visibilty graph: Cho một tập S là các đa giác rời nhau… Khi đó G vis (S) = (V(S), E vis ) là visibility graph của tập S, với điều kiện E vis = {uv  u, v  V(S), u thấy v} …và V(S) là đỉnh của tập S. Định nghĩa: u thấy v    C free P start P goal Trong đó: S * = S  {P start , P goal }. Hệ quả: Đường đi ngắn nhất giữa P start và P goal tương ứng với một đường đi trong G vis (S * ). ngắn nhất 8 3. Giải pháp cho bài toán 3.2. Đường đi ngắn nhất trong visibilty graph:  Giải thuật tìm đường đi ngắn nhất: ShortestPath(S, P start , P goal ) Đầu vào: Một tập S của các đa giác rời nhau, 2 điểm P start và P goal trong không gian tự do. Đầu ra: Đường đi ngắn nhất giữa hai điểm P start và P goal . 1. G vis  VisibilityGraph  P start , P goal }). 2. Gán mỗi cung (v,w) trong G vis một trọng số bằng chính chiều dài của đoạn  3. Sử dụng giải thuật Dijkstra để tính đường đi ngắn nhất giữa điểm P start , P goal . 9 3. Giải pháp cho bài toán 3.3. Sử dụng giải thuật Dijkstra để tìm đường đi:  Giải thuật Dijkstra: B1 : Khởi tạo: Đặt k v := false vV; d v = ∞, vV{a}, d a := 0 B2 : Chọn vV sao cho k v = false và d v = min{d t tV, k t = false} Nếu d v = ∞ thì kết thúc, không tồn tại đường đi từ a đến b. B3 : Đánh dấu đỉnh v, gán k v := true. B4: Nếu v = b, kết thúc và d b chính là độ dài đường đi ngắn nhất đi từ a đến b. Ngược lại nếu v ≠ b thì chuyển sang B5. B5 : Với mỗi đỉnh u kề với v mà k u = false, kiểm tra. Nếu d u > d v + w(v,u) thì d u := d v + w(v,u). Ghi nhớ đỉnh v: p u := v. Quay lại bước B2. 10 Độ phức tạp của giải thuật O(n 2 ) [...]... cứu và hệ thống hóa lý thuyết tìm đường đi ngắn nhất tránh vật cản cho xe tự hành dùng visibility graph với độ phức tạp O(n2logn); • Tìm hiểu và xây dựng khối chức năng di chuyển bám theo đường đi một cách chính xác, dựa khâu tỷ lệ “P” trong bộ đi u khiển PID kết hợp hệ thống camera và bộ thư viện EmguCV • Xây dựng khối chức năng truyền hình ảnh quan sát được trên đường đi từ camera về cho máy tính đi u... năng đi u khiển xe tự hành 4.2 Chức năng bám đường đi chính xác: 4.2.2 Xây dựng chức năng bám đường: Gọi P là một đường đi được xác định bởi một chuỗi N đi m và tiểu đường đi Pi kết nối tập các đi m từ wi đến wi+1 Cho ni là vector để theo dõi lỗi Khi đó, vị trí hiện tại được cho xt và hàm theo dõi lỗi sẽ là: et = xttan(µt)ni wi i xt i x w(i+1) (i+1) ni 18 4 Khối chức năng đi u khiển xe tự hành 4.2...4 Khối chức năng đi u khiển xe tự hành  Bao gồm 2 chức năng: 1 Chức năng xác định vị trí hiện tại của xe tự hành 2 Chức năng bám đường đi chính xác cho xe tự hành dựa trên Bộ đi u khiển PID 11 4 Khối chức năng đi u khiển xe tự hành 4.1 Chức năng xác định vị trí hiện tại của xe: Màn hình giao diện chính của khối chức năng xác định vị trí hiện tại của xe: Red Red_Filter Green Blue MinValueColorFilter... tích phân trung gian 4 Khối chức năng đi u khiển xe tự hành 4.2 Chức năng bám đường đi chính xác: 4.2.1 Lý thuyết bộ đi u khiển PID:  Khâu tỷ lệ “D”: Làm giảm biên độ vọt lố được tạo ra bởi thành phần tích phân và tăng cường độ ổn định của bộ đi u khiển hỗn hợp Thừa số vi phân được cho bởi: Dout = 𝑑 Kd 𝑑𝑡 e(t) Trong đó: Dout : Thừa số vi phân của đầu ra Ki : Độ lợi vi phân, một thơng số đi u chỉnh e... Thời gian hiện tại hay thời gian tức thời 16 4 Khối chức năng đi u khiển xe tự hành 4.2 Chức năng bám đường đi chính xác: 4.2.1 Lý thuyết bộ đi u khiển PID: Tổng chập của ba tác động này dùng để đi u chỉnh q trình thơng qua một phần tử đi u khiển Cho u(t) là đầu ra của bộ đi u khiển, biểu thức cuối cùng của giải thuật PID là: u(t) = MV(t) = Kpe(t) + 𝑡 Ki 0 𝑒 𝜏 𝑑𝜏 + 𝑑 Kd 𝑑𝑡 e(t) Trong đó các thơng số đi u... của đề tài: • Phát triển hệ thống phù hợp với mơi trường thực tế; • Phát triển bài tốn tìm đường lên 3D; • Xe tự hành có khả tránh vật cản bất ngờ xuất hiện; • Ứng dụng thực tế cho xe tự hành với khoảng cách xa hơn và cần chuyển từ giao tiếp Bluetooth lên các mạng khơng dây tầm xa hơn 23 Xin chân thành cảm ơn q Thầy Cô và các bạn đã quan tâm theo dõi !!! ... khiển xe tự hành 4.2 Chức năng bám đường đi chính xác: 4.2.1 Lý thuyết bộ đi u khiển PID:  Khâu tỷ lệ “I”: Làm tăng tốc chuyển động của q trình tới đi m đặt và khử số dư sai số ổn định với một tỷ lệ chỉ phụ thuộc vào bộ đi u khiển Được cho bởi: 𝑡 Iout = Ki 0 𝑒 𝜏 𝑑𝜏 Trong đó: Iout : Thừa số tích phân của đầu ra Ki : Độ lợi tích phân, một thơng số đi u chỉnh e : Sai số t : Thời gian hiện tại hay thời gian. .. bám đường đi chính xác: 4.2.2 Xây dựng chức năng bám đường: Bộ đi u khiển được hiện thực dựa trên vòng lặp đóng sử dụng đi u khiển P trong bộ đi u khiển PID: ut = Kpet Kp được xác định bằng phương pháp đi u chỉnh ZieglerNichols Bảng phương pháp đi u chỉnh Ziegler–Nichols: Control type Kp Ki Kd P Ku/2 - - PI Ku/2.2 1.2Kp/Tu - Classic PID 0.60Ku 2Kp/Tu KpTu/8 19 5 Chức năng ghi và truyền hình ảnh: Trong. .. năng đi u khiển xe tự hành 4.2 Chức năng bám đường đi chính xác: 4.2.1 Lý thuyết bộ đi u khiển PID:  Khâu tỷ lệ “P”: Làm thay đổi giá trị đầu ra, tỷ lệ với giá trị sai số hiện tại “P” được gọi là độ lợi tỷ lệ Được cho bởi: Pout = Kpe(t) Trong đó: Pout : Thừa số tỷ lệ của đầu ra Kp : Độ lợi tỷ lệ, một thơng số đi u chỉnh e : Sai số t : Thời gian hiện tại hay thời gian tức thời 14 4 Khối chức năng đi u... 80 Green_Filter 12 4 Khối chức năng đi u khiển xe tự hành 4.2 Chức năng bám đường đi chính xác: 4.2.1 Lý thuyết bộ đi u khiển PID: PID là một bộ đi u khiển vi tích phân tỷ lệ (Proportional Integral Derivative – PID) là một cơ chế phản hồi vòng đi u khiển Bộ đi u khiển PID bao gồm 3 thơng số riêng biệt, đơi khi nó còn được gọi là đi u khiển ba khâu Viết tắt P, I và D: - “P” : Khâu giá trị tỷ lệ (Proportional); . Thắng Đồng Nai, tháng 11 năm 2013 TÌM HIỂU VÀ XÂY DỰNG PHẦN MỀM HỖ TRỢ BÀI TOÁN TÌM ĐƯỜNG ĐI NGẮN NHẤT TRÁNH VẬT CẢN CHO XE TỰ HÀNH TRONG KHÔNG GIAN 2D ĐỀ TÀI: TRƯỜNG ĐẠI HỌC LẠC HỒNG. hành không có khả năng tránh vật cản trên đường đi. Vì xe tự hành không tự động tìm cho mình được một đường đi. - Khi di chuyển, xe tự hành có khả năng di chuyển ra khỏi đường đi. Do đó, xe tự. tiêu: - Xây dựng chương trình tìm đường đi ngắn nhất tránh vật cản cho xe tự hành trong môi trường 2 chiều. - Xây dựng khối chức năng, giúp xe tự hành di chuyển bám theo đường đi đã hoạch