Hoạch định quỹ đạo cho robot di động dùng thuật toán PSO

iii LỜI CM T Đềătàiă“HoạchăđịnhăquỹăđạoăchoărobotădiăđộngădùngăthuậtătoánăPSO”ăđãăhoàn thành với sựăhướngădẫnătậnătìnhăcủaăTS. Ngô Văn Thuyên (Trưởngăphòng quảnălýăkhoaă họcă&ăquanăhệăquốcătếă- TrườngăSưăphạmăKỹăthuậtăTp.HồăChíăMinh).ăTrướcăsựătậnă tìnhăđóătôi xinăbàyătỏălòngăbiếtăơnăsâuăsắcăvàălờiăcảmăơnăchânăthànhănhấtăđếnăthầyă Ngô Văn Thuyên, ngườiăđãătậnătìnhăhướngădẫnăvàăgiúpăđỡătôi rấtănhiềuătrongăsuốtă thờiăgianăthựcăhiệnăđềătài. Tôi xin gửiălờiăcámăơn đếnăquýăthầyăcôătrườngăĐạiăHọcăSưăPhạmăKỹăThuậtătp.ăHồă Chí Minh,ă Đạiă Họcă Báchă Khoaă tp.ă Hồă Chíă Minh,ă Đạiă Họcă Quốcă Tếă đãă tậnă tìnhă hướngă dẫnă vàătruyềnă đạtă nhữngă kiếnăthức,ăphươngă phápă nghiênăcứuăvàăcácăkinhă nghiệmătrongăsuốtăhaiănĕmăhọc.ăNhữngăkiếnăthứcăvàăkinhănghiệm nàyăchínhălàănềnă tảngăgiúpăngườiăthựcăhiệnăhoànăthànhătốtăluậnăvĕnănày. Tôi xinăgửiă lờiăcảmăơnă đếnăBanăGiámăHiệu,ă cùngăquýăthầyăcôă trườngă Cao Đẳngă NghềăĐồngăThápăđãăgánhăvácăcôngăviệcăcủaătôi vàătạoăđiềuăkiệnăthuậnălợiăchoătôi tham gia và hoàn thành khóa học này. Tôi xinăgửiălờiăcảmăơnăđếnăquýăanhăchịăcácăkhóaăCaoăhọcătrước,ăbạn bè, ngườiăthână vàăgiaăđìnhăđãătậnătìnhăgiúpăđỡ,ăđộngăviên tôi trongăsuốtăkhóaăhọcăcǜngănhưătrongă quáătrìnhăthựcăhiệnăluậnăvĕn. T.p.HồăChíăMinh,ăthángă04 nĕmă2013 Họcăviênăthựcăhiện v TÓM TT H l    thúc mà .       khai             (Road Map)                                  “Hoạch định quỹ đạo cho robot di động dùng thuật toán PSO” p D*_PF.   D* và                    .   ách an toàn. vi ABSTRACT Path planning is one of the important problems of mobile robot, its task is to find an optimal path from its starting point to end point without colliding with obstacles. There are many methods for mobile robot path planning such as: potential field method (PF), the road map approach (RM), or genetic algorithm (GA) Disadvantages of those methods are trapped local minima (PF), increase of the cost of the path length (RM) or complexity (GA) due to the crossover and mutation techniques. Recent path planning solutions combining algorithm to find the shortest path D * with the above methods result in avoiding local minima traps and the path length is shorter. However, the robot's path has not been smoothed. The robot is swung when it travels near the obstacles or when it moves along a narrow path. To overcome this limitation, the proposed method named "Planning for mobile robot using PSO algorithm" on the basis of inherited method D *_PF is used in this thesis. The D* and PF algorithms are used to find the shortest path for the robot to move from its starting position to its desired position without colliding to the obstacles. Then the PSO algorithm is used to find the angular and linear velocities for the robot to move from one way point to the other along the desired path generated by D* algorithm. The algorithm is simulated on Player /Stage using C++ language. The simulation results show the path of the robot is very smooth and the robot to the goal safely. MC LC  i  iii  iv  v Chương 1: TNG QUAN 1  1 1.2.  5 1.3.  5 Chương 2: C S Lụ THUYT 7  7 2.2.1. Robot 2 bánh 7 2.2.2. Robot 3 bánh 9 2.2.3. Robot 4 bánh 10  11  11  13  14 2.3.1.  14 2.3.2.  16 2.3.3.  19 2.4. Các gi 21  * 21  * 24  29 2.5.1.  29  34  35 Chương 3: HOCH ĐNH CHUYN ĐNG CHO ROBOT DI ĐNG DÙNG THUT TOÁN PSO 37  37  37 3.3. Tìm  39  41  45 Chương 4: KT QU MÔ PHNG 46  46  46  46  48  49  50  50   * 52  56 Chương 5: KT LUN VÀ HNG PHÁT TRIN CA Đ TÀI 63 5.1.   63 5.2.  63  63  64 TÀI LIU THAM KHO 65  68 DANH SÁCH CÁC HÌNH Hình 1.1. Một số hình ảnh robot di động 2 Hình 1.2. Robot di chuyển bằng bằng bánh xe. 2 Hình 2.1. Cấu trúc robot 2 bánh 8 Hình 2.2. Cấu trúc robot với điều kiện ràng buộc nonholonomic trong hệ tọa độ toàn cục 9 Hình 2.3. Cấu trúc robot 3 bánh 10 Hình 2.4. Cấu trúc ca robot di động 4 bánh 10 Hình 2.5. Phơng pháp đồ thị trực quan (Visibility graph) 12 Hình 2.6. Sơ đồ Voronoid 13 Hình 2.7. Phơng pháp chia ô 13 Hình 2.8. Đờng đi tránh vật cản ca thuật toán Bug 1 15 Hình 2.9. Đờng đi tránh vật cản ca thuật toán Bug 2 15 Hình 2.10. Đờng đi tránh vật cản ca thuật toán DistBug 15 Hình 2.11. Phơng pháp trờng thế năng 16 Hình 2.12. Phân bố xác xuất vật cản dùng cảm biến lấy mẫu liên tục 20 Hình 2.13. Mô tả bản đồ và đờng đi ca thuật toánt A* 22 Hình 2.14. Khoảng cách giữa các ô lới 23 Hình 2.15. Mô tả bản đồ và đờng đi ca thuật toán D* 25 Hình 2.16. Sự kết hợp ca ba trọng số di chuyển 30 Hình 2.17. Sự di chuyển ca cá thể trong PSO 31 Hình 3.1. Lu đồ mô tả hoạt động ca giải thuật hoạch định đờng đi 38 Hình 3.2. Mô phỏng thuật toán D* với vật cản tĩnh 40 Hình 3.3. Mô phỏng thuật toán D* với vật cản tĩnh và động 40 Hình 3.4. Dẫn đờng giữa hai điểm 41 Hình 4.1. Mô hình Client/Sever ca Player 47 Hình 4.2. Kết nối giữa Player/Stage và Robot 49 Hình 4.3. Đờng đi ca robot sử dụng phơng pháp PF tiếp cận đợc mục tiêu 51 Hình 4.4. Đờng đi ca robot sử dụng phơng pháp PF không tiếp cận mục tiêu 52 Hình 4.5. Đờng đi ca robot sử dụng kết hợp thuật toán D* với phơng pháp PF thoát khỏi bẫy cực tiểu cục bộ 53 Hình 4.6. Biểu đồ vận tốc góc điều khiển robot với vật cản chữ U 54 Hình 4.7. Đờng đi ca robot sử dụng kết hợp thuật toán D* với phơng pháp PF cha tối u 54 Hình 4.8. Đờng đi ca robot sử dụng kết hợp thuật toán D* với phơng pháp PF cha tối u với vật cản phc tạp 55 Hình 4.9. Biểu đồ vận tốc góc điều khiển robot với vật cản phc tạp 56 Hình 4.10. Đờng đi ca robot sử dụng thuật toán PSO 57 Hình 4.11. Biểu đồ vận tốc góc điều khiển robot với vật cản chữ U 58 Hình 4.12. Biểu đồ so sánh vận tốc góc điều khiển robot phơng pháp PSO và PF_D* 58 Hình 4.13. Đờng đi ca robot sử dụng thuật toán PSO với thông số khác nhau . 59 Hình 4.14. Đờng đi ca robot sử dụng thuật toán PSO với vật cản phc tạp 60 Hình 4.15. Biểu đồ vận tốc góc điều khiển robot với vật cản phc tạp 61 Hình 4.16. Biểu đồ so sánh vận tốc góc điều khiển robot phơng pháp PSO và PF_D* 61 Ch 1 Chương 1 TNG QUAN 1.1. Gii thiu    [1]. obot  ngày càng c hoàn thi        và        nhan                       [4].   .          .   Ch 2 a. Robot tự hành thám hiểm sao hoả b. Robot hút bụi Trilobite Hình 1.1. Một số hình ảnh robot di động a. Robot di chuyển bằng bánh xe b. Robot di chuyển bằng bánh xe dạng dĩa đa hớng Hình 1.2. Robot di chuyển bằng bằng bánh xe. Ch 3  robot   tâm là làm nào  r tôi   âu     và robot có   r . Theo Lagoudakis, Michail G [14 các "task    Mapping :     Positioning :    Path planning "):    Obstacle avoidance       :        Dn đưng đi cho robot di động”  (global path planning) và   nning) robot       :  (Potential Field) [30], [...]... dựng giải thuật hoạch định quỹ đạo đường đi cho robot di động trong môi trường toàn cục trên cơ sở kết hợp thuật toán PSO và giải thuật D*_PF để điều khiển mobile robot tìm được đường đi tối ưu và đồng thời tránh được vật cản Lĩnh vực nghiên cứu về bài toán hoạch định quỹ đạo cho robot di động rất rộng, cho nên phạm vi đề tài giới hạn trong các vấn đề sau: - Nghiên cứu tổng quan về robot di động, các... thứ năm Ch ơng ̀: Hoạch định chuyển động cho robot di động dùng thuật toán PSO Đây là phần trọng tâm của đề tài Chương này tập trung nghiên cứu các phương pháp tìm đường đi và qui trình thực hiện việc hoạch định đường đi, hoạch định đường đi dùng thuật toán PSO (trình bày rõ về bài toán tìm đường dùng thuật toán tìm kiếm D* và bài toán di chuyển dùng thuật toán PSO) Ch ơng 4: Kết quả mô phỏng Chương... tổng quan về robot di động, các mô hình toán học thường gặp trên robot di động, các phương pháp lập kế hoạch đường đi và tránh vật cản, các giải thuật tìm kiếm, thuật toán PSO - Nghiên cứu bài toán tìm đường dùng thuật toán D* và bài toán di chuyển dùng thuật toán PSO (Particle Swarm Optimization) - Kiểm nghiệm các thuật toán để di chuyển robot theo quỹ đạo dùng công cụ Player/Stage chạy trên hệ điều... hình toán dùng trong điều khiển mobile robot Các phương pháp lập kế hoạch đường đi như: Phương pháp bản đồ đường đi (Road Map), Phương pháp chia ô (Cell Decomposition) Các phương pháp tránh vật cản như: Thuật toán Bug, phương páp trường thế năng, phương pháp trường lực ảo (VFF) Các giải thuật tìm kiếm như: Giải thuật A*, giải thuật D* Thuật toán PSO được trình bày ở phần thứ năm Ch ơng ̀: Hoạch định. .. nhược điểm của các giải thuật cải tiến mà đề tài đã đưa ra so với các giải thuật đã được nghiên cứu trước đây và đề xuất hướng phát triển của đề tài 6 Chương 2 Cơ sở lý thuyết Chương 2 C S Lụ THUY T 2.1 Mô t mô hình toán h c c a một số robot di động Trong thực tế, một robot muốn di chuyển được thì phải được điều khiển bằng các thuật toán Mô hình toán học là một phần hỗ trợ cho thuật toán điều khiển, tùy... ờng đi tránh vật cản c a thuật toán Bug 1 Hình 2.9 Đ ờng đi tránh vật cản c a thuật toán Bug 2 Khi sử dụng thuật toán DistBug robbot có hai động thái cơ bản là đi theo đường bao vật cản và di chuyển hướng về mục tiêu, hình 2.10 Điều làm nên sự khác biệt của DistBug với Bug 1 và Bug 2 cũng nằm ở khâu xác định điểm rời khỏi đường bao Hình 2.10 Đ ờng đi tránh vật cản c a thuật toán DistBug 15 Chương 2 Cơ... thể khẳng định rằng thuật toán DistBug có thời gian di chuyển nhanh hơn Bug 1 và cả Bug 2 Tuy nhiên, đường đi của DistBug và cả Bug 2, Bug 1 có thể là không tối ưu trong một số trường hợp Trên thực tế, robot có thể bị bẫy trong các môi trường vật cản phức tạp u điểm va hạn chê của thuật toán Bug Thuật toán Bug tuy đơn giản, nhưng thuật toán này vẫn tồn tại một số khuyết điểm là không có giải thuật nào... Lực nay thương đẩ y robot lê ̣ch sang mô ̣t bên tương và khi robot lê ̣ch sang bên tương đo, từ bức tường gần đo lực đẩy ảo tiếp tục đẩy robot lệch sang phía ngược lại và kết quả làm cho robot bị dao đô ̣ng va di chuyển không ổn định 2.4 Các gi i thu t tìm ki m Giải thuật tìm kiếm [15, 16] là những giải thuật thường sử dụng nhất trong việc lập kế hoạch đường đi cho robot di động nhằm mục đích tìm... giới thiệu về đặc điểm, chức năng của công cụ mô phỏng robot mã nguồn mở Player/Stage Thuật toán hoạch định đường đi cho robot di động dùng PSO kết hợp với trường thế năng được kiểm nghiệm trên công cụ mô phỏng này và chương trình điều khiển robot được xây dựng trên ngôn ngữ C++ Kết quả mô phỏng sẽ được phân tích để tìm ra ưu, nhược điểm của từng giải thuật và so sánh kết quả đã nghiên cứu được với kết... chạy trên hệ điều hành Linux 1.3 Nội dung đ tƠi Ch ơng 1: Tổng quan Chương này giới thiệu một cách khái quát về mobile robot, tiềm năng ứng dụng của mobile robot, kế hoạch lập quỹ đạo đường đi và ưu nhược điểm của các phương 5 Chương 1 Tổng quan pháp hoạch định quỹ đạo cho robot di động Ngoài ra, mục tiêu nghiên cứu và giới hạn của đề tài cũng như nội dung chính của luận văn cũng được thể hiện trong . iii LỜI CM T Đềătàiă Hoạch định quỹ đạo cho robot di động dùng thuật toán PSO ăđãăhoàn thành với sựăhướngădẫnătậnătìnhăcủaăTS. Ngô Văn Thuyên.    Hoạch định quỹ đạo cho robot di động dùng thuật toán PSO p D*_PF.   D* và  . góc điều khiển robot phơng pháp PSO và PF_D* 58 Hình 4.13. Đờng đi ca robot sử dụng thuật toán PSO với thông số khác nhau . 59 Hình 4.14. Đờng đi ca robot sử dụng thuật toán PSO với vật