Ổn định và điều khiển đa nhiệm hệ thống robot bầy đàn

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƢỜNG ĐẠI HỌC GIAO THÔNG VẬN TẢI LÊ THỊ THÚY NGA ỔN ĐỊNH VÀ ĐIỀU KHIỂN ĐA NHIỆM HỆ THỐNG ROBOT BẦY ĐÀN Chuyên ngành: Kỹ thuật điều khiển tự động hóa Mã số: 62.52.02.16 TÓM TẮT LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT HÀ NỘI- 2016 Luận án hoàn thành tại: Trƣờng Đại học Giao thông vận tải Người hướng dẫn khoa học: GS.TS Lê Hùng Lân PGS.TS Nguyễn Thanh Hải Phản biện 1: GS.TSKH Cao Tiến Huỳnh Phản biện 2: GS.TS Phan Xuân Minh Phản biện 3: GS.TSKH Thân Ngọc Hoàn Luận án bảo vệ trước Hội đồng chấm luận án tiến sĩ cấp Trường họp tại: vào hồi Có thể tìm hiểu luận án tại: - Thư viện trường Đại học Giao thông vận tải - Thư viện Quốc gia MỞ ĐẦU Giới thiệu tóm tắt luận án Luận án sâu nghiên cứu xây dựng tính toán lực hút/đẩy cá thể robot bày dựa sở logic mờ Đề xuất thuật toán điều khiển robot bầy đàn thực đa nhiệm vụ dựa nguyên lý NSB hàm hút/đẩy mờ Nội dung luận án chia chia làm chương, 103 trang (kể tài liệu tham khảo), 78 tài liệu tham khảo, 45 hình vẽ đồ thị Lý chọn đề tài Ngày nay, robot học đạt nhiều thành tựu to lớn công nghiệp sản xuất đời sống xã hội Có công việc mà người trực tiếp tham gia thực sử dụng robot giải pháp hữu hiệu Robot bầy đàn sử dụng số lượng lớn robot tương đối đơn giản để thực nhiệm vụ mà robot đơn thực thực không hiệu quả, dựa chế hợp tác cá thể giống hành vi loài vật sống thành bầy, thành đàn Robot bầy đàn ứng dụng trong: tìm kiếm vật bị thất lạc, làm sạch, rà soát bom mìn thu thập thông tin Tuy nhiên, sử dụng số lượng lớn robot thực thi nhiệm vụ khả va chạm cá thể lớn điều dẫn đến robot dễ bị hư hỏng Mặt khác, trình thực thi nhiệm vụ, robot bị tách khỏi bầy thất lạc Do vậy, việc xây dựng chế phối hợp cá thể robot bầy với cho cấu trúc bầy đàn trì quan trọng Điều phụ thuộc vào hành vi cá thể, mà hành vi cá thể lại bị chi phối tương tác với cá thể khác bầy với môi trường Từ lý cho thấy việc nghiên cứu đề xuất giải pháp điều khiển ổn định robot bầy đàn cần thiết cho lĩnh vực robot ngày nay, tác giả chọn đề tài: “Ổn định điều khiển đa nhiệm hệ thống robot bầy đàn” để thực luận án Mục đích nghiên cứu Mục đích nghiên cứu luận án nghiên cứu ổn định điều khiển robot bầy đàn sở sử dụng logic mờ Việc áp dụng logic mờ để tính toán lực tương tác cá thể robot bầy phải đảm bảo được: robot phải hút lại gần chúng khoảng cách xa đẩy xa chúng khoảng cách gần, mục đích việc điều khiển giữ cho khoảng cách cặp robot bầy ổn định giá trị an toàn (không bị va chạm không làm phân tách nhóm) Trong luận án tác giả sâu vào thiết kế mờ tính toán lực hút/đẩy cá thể robot phân tích ổn định bầy đàn ứng dụng hút/đẩy mờ Nội dung luận án, tác giả đề xuất giải pháp điều khiển robot bầy đàn tránh vật cản tìm kiếm mục tiêu dựa kỹ thuật điều khiển hành vi không gian Null kết hợp với logic mờ Đối tƣợng phạm vi nghiên cứu - Đối tượng nghiên cứu nhóm robot liên kết với - Phạm vi nghiên cứu: Nghiên cứu phát triển thuật toán tính toán lực hút/đẩy mờ cá thể robot bầy Ứng dụng thuật toán phát triển cho toán tụ bầy toán tránh vật cản, tìm kiếm mục tiêu Ý nghĩa khoa học thực tiễn đề tài - Ý nghĩa khoa học đề tài kết đạt lĩnh vực điều khiển ổn định sử dụng logic mờ Đề tài đề xuất giải pháp tính toán lực tương tác cá thể robot dựa sở logic mờ Giải vấn đề tìm kiếm tập thể môi trường nhiều trở ngại thiết thực hiệu dựa kỹ thuật điều khiển hành vi không gian Null kết hợp với logic mờ Luận án giải thành công mặt lý thuyết lẫn mô hình mô - Ý nghĩa thực tiễn đề tài là: Trong công nghệ robot, đối tượng điều khiển thường phi tuyến, phương pháp điều khiển kinh điển thường khó đáp ứng, lúc logic mờ giải pháp phù hợp cho điều khiển robot bầy đàn Những đóng góp luận án - Luận án đề xuất cấu trúc logic mờ tính toán lực hút/đẩy cá thể robot bầy đàn Phát biểu chứng minh định lý ổn định hội tụ robot bầy đàn với hàm hút/đẩy mờ - Luận án đưa giải pháp điều khiển robot bầy đàn thực nhiều nhiệm vụ dựa nguyên lý điều khiển hành vi không gian Null kết hợp với logic mờ Phát biểu chứng minh định lý ổn định hệ thống robot bầy đàn thực nhiệm vụ tránh vật cản tìm kiếm mục tiêu CHƢƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ ỔN ĐỊNH ROBOT BẦY ĐÀN 1.1 Khái niệm robot bầy đàn “Robot bầy đàn” sử dụng số lượng lớn robot tương đối đơn giản để thực nhiệm vụ mà robot đơn thực thực không hiệu quả, dựa chế hợp tác cá thể giống hành vi loài vật sống thành bầy, thành đàn 1.2 Các nghiên cứu tổng quan robot bầy đàn Các hành vi robot bầy đàn phân thành nhóm điển hình sau: - Tụ bầy: [12], [13], [48] - Tìm kiếm hội tụ: [16], [45] - Vận chuyển cầm nắm: [8], [14], [15], [36], [46], [49] - Tìm kiếm thức ăn: [31], [43] 1.3 Các mô hình toán học robot bầy đàn Mô hình toán thể mối quan hệ vận tốc di chuyển cá thể robot bầy với lực hút/đẩy cá thể khác lên 1.3.1 Mô hình động học chất điểm Mỗi công trình nghiên cứu có xét đến yếu tố khác chi phối hành vi hoạt động robot bầy đàn như: tầm nhìn, khả tương tác cá thể bầy đàn, nhiễu tác động lên bầy đàn, [38], [44], [57], [59], [62], [73] 1.3.2 Mô hình động lực học Mô hình động lực học robot bầy đàn trình bày nghiên cứu [7], [26], [65] 1.4 Tổng quan ổn định robot bầy đàn 1.4.1 Khái niệm ổn định robot bầy đàn Tính ổn định hiểu khả đảm bảo đội hình, cự ly cá thể di chuyển Đã có số công trình khoa học nghiên cứu ổn định robot bầy đàn, công trình nghiên cứu ổn định dựa tương tác cá thể bầy với cá thể với môi trường [7], [26], [38], [44], [52], [57], [62], [65], [73] 1.4.2 Các dạng hàm hút/đẩy Mỗi công trình nghiên cứu [38], [44], [57], [59], [73] đưa hàm hút/đẩy (1.8), (1.9), (1.10), (1.11), (1.12), hàm hút/đẩy hàm toán học tường minh có tính chất: có độ lớn phụ thuộc vào khoảng cách cặp cá thể bầy: khoảng cách cặp cá thể (i, j) xa lực hút lớn, ngược lại, khoảng cách gần lực đẩy lớn Các nghiên cứu ổn định robot bầy đàn đạt kết quả: sau thời gian di chuyển đủ lớn, cá thể robot bầy hội tụ bao quanh khu vực có bán kính xác định 1.5 Các vấn đề tồn đề xuất giải pháp, mục tiêu luận án Qua tổng hợp cho thấy số lượng công trình nghiên cứu robot bầy đàn nhiều, công trình nghiên cứu ổn định robot bầy đàn không có thành công Tuy nhiên nghiên cứu cho thấy rằng, hành vi bầy đàn thiết lập dựa lực tương tác cá thể bầy với cá thể với môi trường Lực tương tác tác giả xây dựng thường hàm toán học tường minh, xác, lại sở lý giải thuyết phục Ngoài ra, môi trường hoạt động robot bầy đàn phức tạp, thường xuyên thay đổi nên mô hình toán học tường minh thường khó đáp ứng Vì vậy, để gần gũi với logic tự nhiên, tác giả đề xuất mô hình bầy đàn mới, mà mô hình này, lực tương tác cá thể robot bầy xây dựng dựa sở logic mờ Logic mờ có khả linh động thông qua việc lựa chọn tín hiệu vào/ra, mờ hóa, luật mờ,…, sử dụng logic mờ để sấp xỉ lực hút/đẩy phản ánh tổng quát lực hút đẩy tường minh 1.6 Nội dung phƣơng pháp nghiên cứu luận án Nội dung luận án tập trung nghiên cứu ổn định hội tụ robot bầy đàn dựa sở thiết lập mờ tính toán lực hút/đẩy cá thể robot bầy với Từ đưa giải pháp điều khiển robot bầy đàn thực nhiều mục tiêu nhiệm vụ dựa kỹ thuật điều khiển hành vi không gian Null logic mờ Phương pháp nghiên cứu luận án dựa đặc điểm, tính chất hành vi bầy đàn để xây dựng mờ tính toán lực hút/đẩy cá thể bầy robot Sau chứng minh tính ổn định robot bầy đàn dựa lý thuyết Lyapunov Cuối cùng, kiểm chứng kết thu mô phần mềm Matlab thuật toán tiến hành thử nghiệm mẫu robot bầy đàn hoạt động môi trường phòng thí nghiệm Kết luận chƣơng - Trình bầy tổng quan robot bầy đàn, hướng nghiên cứu robot bầy đàn - Tổng hợp kết nghiên cứu liên quan đến ổn định robot bầy đàn, từ đề xuất phương hướng giải quyết: Xây dựng hàm hút/đẩy cá thể robot dựa sở logic mờ đồng thời đưa giải pháp điều khiển robot bầy đàn thực nhiều nhiệm vụ dựa kỹ thuật điều khiển NSB kết hợp với logic mờ CHƢƠNG 2: PHÂN TÍCH ỔN ĐỊNH ROBOT BẦY ĐÀN SỬ DỤNG HÀM HÚT/ĐẨY MỜ 2.1 Cơ sở logic mờ [1], [6], [39] 2.2 Xây dựng hàm hút/đẩy mờ cho toán tụ bầy Thay hàm hút/đẩy có mô tả toán học tường minh nghiên cứu nêu chương hệ mờ đơn giản, linh hoạt gần gũi với logic tự nhiên Bộ mờ tính toán lực hút/đẩy cá thể robot bầy phải thỏa mãn tiên đề: có độ lớn phụ thuộc vào khoảng cách cặp cá thể bầy, khoảng cách cặp cá thể (i, j) xa lực hút lớn, ngược lại, khoảng cách cặp cá thể (i, j) gần lực đẩy lớn Từ (2.1), (2.2), (2.3) rút nhận xét: Lực tương tác cá thể bầy f( ) hàm phi tuyến phụ thuộc vào khoảng cách cặp cá thể (i, j), xây dựng hàm ( ) hệ mờ Mamdani cấu trúc SISO sau: - Bước 1:  Tín hiệu vào ̃ , giả thiết u có miền giá trị khoảng [αb, βb] R, chia u 2Nf+1 khoảng Bk hình 2.1 ) có miền giá trị khoảng [αa, βa], chia A  Tín hiệu A ( k 2Nf+1 khoảng A với k = 1, 2, …, 2Nf+1 trọng tâm khoảng k mờ A là: { (2.4) - Bước 2: Thành lập 2Nf+1 luật IF… THEN… có dạng: IF THEN Hình 2.1 Mờ hóa tín hiệu đầu vào Hình 2.2 Mờ hóa tín hiệu đầu điều khiển mờ điều khiển mờ - Bước 3: Chọn luật hợp thành, giải mờ theo phương pháp trung bình trọng số, theo [39, tr 110-111] ta luật điều khiển: ( ) ∑ ∑ ( ) ( ) (2.5) Với giải pháp thiết kế mờ qua ba bước trên, ta thu kết mối quan hệ tín hiệu vào khoảng cách tín hiệu lực tương tác cá thể (i, j) với tính chất sau: ( ) (2.6) {( ) ( ) Hàm mờ ( ) hàm liên tục thỏa mãn điều kiện: - Giới hạn dưới: ( ) đó: - Phương trình tuyến tính hóa đoạn: ( ( ) ) (2.7) (2.8) * + ], với giá trị nhỏ lớn hàm hút, giá trị nhỏ lớn hàm đẩy Từ (2.8) ta rút giới hạn hàm ( ) sau: ( ) (2.9) { ( ) đó: Gọi: [ với: [ ] [ ] [ (2.10) ] [ ] { Đáp ứng tính chất (2.6) hàm phi tuyến khác có dạng bảng 2.1 Nhận xét: Nhìn vào bảng 2.1 ta thấy đồ thị hàm mờ thỏa mãn tiên đề: có độ lớn phụ thuộc vào khoảng cách cặp cá thể bầy, khoảng cách cặp cá thể (i, j) xa lực hút lớn, ngược lại, khoảng cách cặp cá thể (i, j) gần lực đẩy lớn Các dạng đồ thị bảng 2.1 có dạng tương tự với đồ thị hàm tường minh bảng 1.1 Điều có nghĩa rằng, dạng hàm tường minh bảng 1.1 trường hợp riêng hàm mờ xây dựng theo công thức (2.5) thỏa mãn điều kiện (2.6) Ở tác giả tập trung khảo sát hình dạng đồ thị phạm vi nhìn thấy hữu hạn cá thể robot bầy, so sánh độ lớn lực hút/đẩy nghiên cứu 2.3 Ổn định robot bầy đàn sử dụng hàm hút/đẩy mờ 2.3.1 Ổn định robot bầy đàn với mô hình toán học Phương trình động học cá thể robot thứ i: ̇ ∑ (‖ ‖) ( ) ‖ ‖ ∑ (‖ Tâm bầy định nghĩa theo công thức sau: ‖)( ) (2.11) ∑ (2.12) Từ (2.13) cho thấy: Tâm bầy đàn mô tả mô hình (2.11) với hàm hút/đẩy g(.) cho công thức (2.5) bất biến với t Định nghĩa biến sai lệch vị trí cá thể i so với vị trí tâm bầy : với i=1, 2,…, N (2.14) Lúc đạo hàm sai lệch theo thời gian ta có: ̇ ̇ ̇ ̇ (2.15) Chọn hàm Lyapunov cho cá thể i: ‖ ‖ (2.16) Đạo hàm Vi (2.16) theo thời gian ta được: ̇ ∑ ̇ ̇ (‖ ‖)( ) Hàm Lyapunov tổng: ∑ ∑ (2.18) Lấy đạo hàm V theo thời gian, sau biến đổi ta có: ̇ ∑ ‖ ‖ ̇ Từ (2.37) suy để thì: ∑ (2.17) ‖ ‖ (2.37) (2.38) Từ (2.38) rút định lý 1, phát biểu sau: Định lý 1: Giả thiết bầy đàn mô hình hóa phương trình (2.11) có hàm hút/đẩy mờ xây dựng theo luật điều khiển (2.5), thỏa mãn điều kiện (2.6), theo thời gian, tất cá thể bầy hội tụ vùng giới hạn bởi: {∑‖ đó: √ ‖ } √ gọi bán kính hội tụ tính toán (2.39) bầy Từ (2.39) rút ảnh hưởng thông số đến giới hạn hội tụ bầy: - Khi tăng tức tăng lực đẩy làm tăng giới hạn hội tụ bầy - Ngược lại, tăng , làm giảm giới hạn hội tụ bầy - Kích thước N bầy lớn giới hạn hội tụ giảm 2.3.2 Ổn định robot bầy đàn với mô hình toán học có hệ số tương tác Vận tốc di chuyển cá thể bầy xác định sau: ̇ ∑ (‖ ( ‖) ‖ ) ‖ (2.40) Định lý 2: Các cá thể bầy miêu tả (2.40) có hàm hút/đẩy mờ xây dựng theo luật điều khiển (2.5), thỏa mãn điều kiện (2.4), theo thời gian, tất cá thể bầy hội tụ trì vùng có giới hạn {∑‖ đó: √ ‖ , với } (2.44) giá trị riêng nhỏ lớn L L ma trận Laplace xác định theo (2.41) Từ (2.67) rút ảnh hưởng thông số đến giới hạn hội tụ bầy: - Khi tăng tức tăng lực đẩy làm tăng giới hạn hội tụ bầy - Ngược lại, tăng , làm giảm giới hạn hội tụ bầy Kết luận chƣơng Trong chương 2, tác giả xây dựng logic mờ SISO với luật điều khiển Mamdani để tính toán lực hút/đẩy cá thể robot bầy đàn, phát biểu chứng minh hai định lý tính ổn định hệ thống robot bầy đàn với mô hình mô hình có truyền thông Từ tìm điều kiện hội tụ cá thể robot bầy CHƢƠNG 3: ĐIỀU KHIỂN ROBOT BẦY ĐÀN DỰA TRÊN NGUYÊN LÝ ĐIỀU KHIỂN HÀNH VI KHÔNG GIAN NULL VÀ LOGIC MỜ 3.1 Đặt vấn đề [50] đưa hai chế phối hợp hành vi cá thể robot: - Cơ chế phân xử: cho phép thực nhiệm vụ thời điểm, hệ thống sử dụng đầu dự đoán - Cơ chế hợp lệnh: cho phép kết hợp kết số nhiệm vụ, cố gắng để đạt mục tiêu khác nhau, khó khăn trường hợp nhiệm vụ trái ngược Để khắc phục khó khăn hai cách tiếp cận trên, [9] đưa phương pháp tiếp cận điều khiển dựa hành vi không gian Null: nhiệm vụ phức tạp robot bầy đàn chia thành nhiệm vụ (các hành vi) khác nhau, nhiệm vụ kết hợp cách đắn để đạt mục tiêu nhiệm vụ Cách kết hợp cụ thể phân cấp mức độ ưu tiên nhiệm vụ bản, sau chiếu nhiệm vụ có mức độ ưu tiên thấp vào không gian Null nhiệm vụ ưu tiên cao Đây 11 ̂ [ ] [ ̂ ̂ [̂ [ ] ‖ ‖ ‖ ‖ ] (3.20) ] [ ] ‖ ] [‖ Ma trận hình chiếu trực giao Js: ̂ ̂ , (3.21) Từ (3.7) suy vận tốc cá thể robot thứ i làm nhiệm vụ trì bầy đàn xác dịnh sau: (̃ ) (3.22) • Tổng hợp vector vận tốc di chuyển cá thể robot bầy thực ba nhiệm vụ theo nguyên lý NSB hình 3.5: (̃ ) ̃ ̃ (3.23) đó: [ ] ( ) , 3.4 Thuật toán điều khiển hành vi robot bầy đàn dựa nguyên lý NSB logic mờ Để điều khiển robot bầy đàn thực ba mục tiêu nhiệm vụ: tránh vật cản, tìm kiếm đích trì bầy đàn cần phải thực theo bước sau: Bước 1: - Nhập số lượng robot bầy: N - Nhập số lượng vật cản không gian di chuyển robot bầy đàn: M - Đặt vị trí ban đầu cho robot không gian n chiều: Đặt vị trí M vật cản đích đến g không gian n chiều: - Nhập khoảng cách an toàn cá thể robot với vật cản , khoảng cách cá thể robot với - Nhập hệ số - Nhập số bước tính K Bước 2: - Tính khoảng cách robot thứ i (i=1÷N) với vật cản , robot thứ i với đích đến robot thứ i với robot thứ j (j=1÷N, j≠i) - Tính lực hút/đẩy mờ ( ) theo luật (2.5) cho thỏa mãn điều kiện (2.6) Bước 3: 12  So sánh khoảng cách thực tế khoảng cách an toàn từ robot i tới vật cản thứ m (m=1, 2,…, M) Nếu: , : robot thứ i không cần tránh vật cản o, tức : robot thứ i cần phải tránh vật cản o, lúc cần tính theo (3.11) Tính: , ,  So sánh khoảng cách thực tế khoảng cách mong muốn từ robot i tới đích đến Nếu: , - : robot thứ i gặp đích đến g, : robot thứ i chưa gặp đích đến g, tính theo (3.15) Tính: , , Tính: , ,  So sánh khoảng cách thực tế khoảng cách mong muốn từ robot i tới robot thứ j Nếu: : robot thứ i robot thứ j di chuyển phía nhờ hàm hút ( ) : robot thứ i robot thứ j di chuyển phía cách xa nhờ hàm đẩy ( ) : robot thứ i giữ nguyên lộ trình di chuyển ( ) Tính , , Bước 4: - Vận tốc di chuyển cá thể i bước tính k (k=0÷K-1) xác định theo: , , , - , , - , - Quãng đường robot i di chuyển tương ứng với bước tính : , , , - Tọa độ cá thể thứ i sau (k+1) bước di chuyển: , , , Vòng lặp từ bước đến bước thực cá thể bầy hội tụ đích đến kết thúc K bước di chuyển 3.5 Phân tích ổn định robot bầy đàn theo kỹ thuật NSB logic mờ Định lý 3: Các điều kiện cần đủ để ổn định mục tiêu nhiệm vụ (sai lệch mục tiêu nhiệm vụ 0) Jacobi nhiệm vụ tách biệt tránh vật cản o, tìm kiếm đích g, trì bầy Jacobi ghép hai nhiệm vụ tránh vật cản – tìm kiếm đích cần phải thỏa mãn điều kiện độc lập sau: 13 { ( ) ( ) ([ ( ]) ) ( ) ( ) ( ) ([ ]) đó: ( ) hạng ma trận Một phát biểu tương tự công bố tài liệu [24], nhiên phát biểu định lý tường minh hơn, đơn giản sử dụng Kết luận chƣơng Chương áp dụng phần lý thuyết phát triển chương kết hợp với giải pháp điều khiển robot bầy đàn dựa kỹ thuật điều khiển hành vi không gian Null để giải vấn đề tìm kiếm tập thể môi trường có nhiều trở ngại Phát biểu chứng minh định lý (Định lý 3) ổn định hệ thống robot bầy đàn điều khiển robot bầy đàn dựa kỹ thuật điều khiển hành vi không gian Null hàm hút/đẩy mờ CHƢƠNG 4: KIỂM NGHIỆM CÁC THUẬT TOÁN BẰNG MÔ PHỎNG VÀ TRÊN HỆ THỐNG THỰC 4.1 Kiểm nghiệm thuật toán mô 4.1.1 Xây dựng hàm hút/đẩy mờ Hình 4.1 Cấu trúc mờ tính toán lực hút/đẩy cá thể robot - Tín hiệu vào , u = [-10, 10] R, chia u khoảng hình 4.2a ( ) có miền giá trị khoảng [-1, 1], chia - Tín hiệu ra thành khoảng hình 4.2b (a) (b) Hình 4.2 Hàm thuộc tín hiệu đầu vào (a) tín hiệu đầu (b) mờ f(u) - Thành lập luật có dạng: If Then với k=1, 2, … - Chọn luật hợp thành MAX-MIN, giải mờ theo phương pháp trung bình trọng số 14 Với giải pháp thiết kế mờ tính lực tương tác cá thể robot bước trên, ta thu mối quan hệ tín hiệu vào/ra mờ f(.) hình 4.3 Hình 4.3 Mối quan hệ tín hiệu vào tín hiệu mờ f(.) 4.1.2 Mô trình hội tụ robot bầy đàn với mô hình toán học Hình 4.4 Lưu đồ thuật toán mô trình hội tụ robot bầy đàn 15 Hình 4.5 Quá trình hội tụ robot bầy đàn với mô hình bản:  vị trí ban đầu,  vị trí cuối cùng,  đường robot Hình 4.5 cho thấy, số lượng robot khoảng cách an toàn thay đổi robot đạt kết cuối hội tụ tâm bầy vùng bán kính xác định Kết tính toán thông số bầy số trường hợp mô trình bầy bảng 4.1 Bảng 4.1: Kết tính toán thông số trình tụ bầy N 10 20 30 α β R 10 30 0.02 0.02 9.74 25.37 15.61 43.62 6.18 17.06 10 30 10 0.02 0.02 0.02 8.40 25.33 8.23 10.25 30.82 8.77 4.10 15.18 3.91 30 0.02 25.25 25.23 15.04 16 So sánh kết mô bảng 4.1 ta thấy: - Khi số lượng cá thể N bầy tăng lên bán kính hội tụ bầy giảm - Khi khoảng cách an toàn tăng bán kính hội tụ bầy tăng - Bán kính hội tụ thực tế R nhỏ giá trị tính toán Các nhận xét phù hợp với nội dung Định lý phát biểu Chương Bảng 4.2: So sánh kết mô trình hội tụ bầy với mô hình Gazi [57] mô hình mờ Mô hình [57] Mô hình mờ Tầm nhìn Vô hạn Hữu hạn cá thể bầy Bán kính hội tụ - Không phụ thuộc số - Phụ thuộc vào số lượng bầy lượng cá thể bầy cá thể bầy - Không phụ thuộc vào - Phụ thuộc vào khoảng khoảng cách an toàn cách an toàn cá cá thể thể Trong thực tế, tầm nhìn bầy sinh học giới hạn, cá thể bầy xa nhau, chúng không nhìn thấy không hội tụ lại thành nhóm Chỉ có cá thể láng giềng cảm nhận kết hợp với để tạo thành nhóm nhỏ Hơn nữa, khoảng cách an toàn cá thể tăng lên bán kính hội tụ bầy tăng không xảy va chạm cặp cá thể Nhìn vào bảng 4.2 mô hình mờ phù hợp với bầy sinh học thực tế Mô hình Gazi chưa phù hợp với bầy sinh học tự nhiên 4.1.3 Mô trình hội tụ robot bầy đàn với mô hình toán học có hệ số tương tác b) c) a) Hình 4.8 Quá trình hội tụ robot bầy đàn với mô hình có hệ số tương tác tương ứng với ma trận tương tác (a), (b) (c) Kết mô hình 4.8 cho thấy: trình hội tụ robot bầy đàn phụ thuộc vào khả tương tác cá thể với 17 a) N=11, b) N=31, , c) N=31, , R=14.79 , , , R=11.31 d) N=51, , R=20.95 , R=17.69 Hình 4.9 Quá trình hội tụ robot bầy đàn tương ứng với trường hợp số lượng robot bầy khả tương tác cá thể thay đổi Từ hình 4.9 rút nhận xét: - Bán kính hội tụ thực tế R nhỏ bán kính tính toán thỏa mãn (2.65) - Khi số lượng robot bầy tăng bán kính hội tụ giảm - Khoảng cách an toàn tăng bán kính hội tụ tăng Các nhận xét phù hợp với nội dung Định lý phát biểu Chương 4.1.4 Mô trình tránh vật cản, tìm kiếm mục tiêu robot bầy đàn dựa nguyên lý NSB logic mờ Lưu đồ thuật toán mô robot bầy đàn tránh vật cản tìm kiếm mục tiêu trình bầy hình 4.10a, b, c Kết mô trình di chuyển tránh vật cản tìm kiếm đích số lượng robot bầy vị trí đích thay đổi thể hình 4.11 Nhìn vào hình 4.11 cho thấy đường di chuyển robot bầy hệ số kvo xác định âm xác định dương đạt kết 18 quả: cá thể robot di chuyển tới đích mà đường chúng tránh chướng ngại vật a) N=21, kvo=-1.5, =0.05 b) N=41, kvo= -0.5, =0.05 Hình 4.11 Quá trình mô robot bầy đàn di chuyển tìm kiếm đích với kvo xác định âm xác định dương số lượng robot bầy thay đổi Hình 4.12 cho thấy robot hội tụ đích chúng di chuyển xung quanh khu vực đích đến không di chuyển xa Kết mô trình tìm kiếm đích tránh vật cản robot bầy đàn hệ số thay đổi thể hình 4.13: Hệ số lớn khả tránh vật cản thấp (hình 4.13b) a) N=21, M=3, , t=50s , b) N=21, M=3, , , t=20s ( ) ( ) ([ ]) ( ) ( ) ([ ]) ( ) ( ([ ]) ( ) ( ([ ]) ) ) Hình 4.13 Quá trình mô robot bầy đàn di chuyển tìm kiếm đích có hệ số thay đổi Hình 4.14 kết mô trình tìm kiếm đích tránh vật cản hệ số thay đổi: - Hệ số lớn cá thể di chuyển đích nhanh - Muốn tăng hệ số không để cá thể robot bầy va chạm vào vật cản đồng thời phải giảm hệ số , tức dương phải âm 19 - Số lượng vật cản M nhiều hệ số tránh vật cản phải âm Hệ số âm khả tránh vật cản cá thể robot lớn, thời gian di chuyển hội tụ đích lâu a) N=21, M=4, b) N=21, M=4, , t=50s , t=50s c) N=21, M=4, d) N=21, M=4, , t=50s e) N=21, M=4, , t=70s f) N=21, M=4, , t=70s , t=200s Hình 4.14 Quá trình mô robot bầy đàn di chuyển tìm kiếm đích hệ số thay đổi Khi hệ số xác định dương xác định âm thông qua hình 4.15a, quan sát thấy có vài robot không tránh vật cản bầy đàn không hội tụ đích hình 4.15b 20 a) N=21, = 0.5, =0.05 b) N=13, = -1.5, =-0.05 Hình 4.15 Quá trình mô robot bầy đàn di chuyển tìm kiếm đích với xác định dương xác định âm Kết so sánh trình mô robot bầy đàn tránh vật cản, tìm kiếm mục tiêu dựa kỹ thuật điều khiển NSB kết hợp với logic mờ với phương pháp điều khiển [50] biểu diễn bảng 4.3 Bảng 4.3: So sánh kết mô trường hợp sử dụng kỹ thuật NSB phương pháp khác Kỹ thuật điều khiển NSB Phương pháp [50] N=15, M=1, K=1000 N=21, M=4, K=1000 Từ bảng 4.3 nhận thấy, điều khiển robot bầy đàn tránh vật cản tìm kiếm mục tiêu phương pháp [50] có số cá thể bầy chưa tránh vật cản, với phương pháp điều khiển NSB tất cá thể bầy thực tốt nhiệm vụ Hiệu phương pháp NSB thấy rõ rệt trường hợp môi trường hoạt động robot bầy đàn có chứa nhiều vật cản 21 Nhận xét: Các kết mô trình thực nhiệm vụ tập thể robot bầy đàn khẳng định để hệ thống robot bầy đàn ổn định mục tiêu nhiệm vụ điều kiện (3.24) (3.25) phải đồng thời thỏa mãn Các nhận xét phù hợp với nội dung Định lý phát biểu chương 4.2 Kiểm nghiệm robot thực 4.2.1 Robot e – puck 4.2.2 Bài toán tụ bầy Bắt đầu Nhập p Đọc tín hiệu từ 8IR IR1|| IR2 || IR3 || IR4 || IR5 || IR6 || IR7=1 S (4) vt=6.5cm/s vp=1.36.5cm/s Đ - Tính - Tính Tính hàm hút/đẩy ( ) (1) Điều khiển e - puck quay (2) Điều khiển e – puck hút/đẩy (3) S Ấn nút dừng? Đ Dừng Hình 4.21 Lưu đồ thuật toán điều khiển e - puck 22 Lưu đồ thuật toán điều khiển e - puck quay hút/đẩy thể hình 4.22 4.23 t=0s t=10s t=16s t=20s Hình 4.24 Quá trình hội tụ robot e - puck t=0s t=10s t=15s Hình 4.25 Quá trình hội tụ robot e - puck t=25s 23 Từ kết thử nghiệm trình hội tụ robot bầy đàn hình 4.24 4.25 cho thấy: trình di chuyển cá thể robot không va chạm vào hướng phía để tạo thành bầy, sau khoảng thời gian đủ lớn, cá thể robot hội tụ lại khu vực xác định Điều lần khẳng định nghiên cứu lý thuyết trình bày chương hoàn toàn đắn, phù hợp với logic bầy đàn tự nhiên Kết luận chƣơng 4: - Chương ứng dụng Matlab để mô kiểm nghiệm tính đắn nghiên cứu lý thuyết phát triển chương chương Các kết mô khẳng định việc sử dụng logic mờ để mờ hóa lực hút/đẩy cá thể robot bầy hiệu - Chương thực hóa thuật toán phát triển chương vào nhóm robot thực 24 KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ Kết luận Luận án xây dựng thuật toán tính toán lực hút/đẩy cá thể robot bầy đàn dựa sở logic mờ Phát biểu chứng minh hai định lý ổn định tụ bầy hệ thống, góp phần lý luận cho điều khiển robot bầy đàn có động học phi tuyến Luận án đề xuất phương pháp điều khiển robot bầy đàn thực nhiều nhiệm vụ kỹ thuật điều khiển hành vi dựa không gian Null logic mờ Phát biểu chứng minh định lý điều kiện ổn định hệ thống robot thực nhiệm vụ tránh vật cản tìm kiếm mục tiêu Kết mô máy tính thử nghiệm nhóm robot thực khẳng định thuật toán đề xuất đảm bảo độ tin cậy, nâng cao chất lượng điều khiển tính ổn định robot bầy đàn Có khả áp dụng vào thực tế, phù hợp với lĩnh vực an ninh, quốc phòng Kiến nghị Với kết đạt được, luận án đánh giá ổn định robot bầy đàn Tuy nhiên để hoàn thiện nữa, tác giả xin đề xuất vài hướng nghiên cứu sau: - Phát triển thuật toán theo hướng môi trường hoạt động robot bầy đàn phức tạp hơn: có nhiễu, trước chướng ngại vật, - Nghiên cứu đưa thuật toán vào ứng dụng giám sát an ninh quốc phòng 25 DANH MỤC CÁC CÔNG TRÌNH CÔNG BỐ CỦA TÁC GIẢ LIÊN QUAN ĐẾN LUẬN ÁN Le Hung Lan, Le Thi Thuy Nga, Le Hong Lan (2013) “Aggregation Stability of Multiple Agents With Fuzzy Attraction and Repulsion Forces”, MMAR 2013, pp.81-85, ISBN 978-1-4673-5506-3 Lê Thị Thúy Nga, Lê Hùng Lân (2013), “ Phân tích ổn định tụ bầy robot bầy đàn sử dụng hàm hút/đẩy mờ”, Tạp chí Khoa học Giao thông Vận tải, (10), trang 88-93, ISSN 1859 – 2724 Lê Thị Thúy Nga, Vũ Sơn, Phí Văn Lâm, Trần Ngọc Tú (2013), “ Ứng dụng logic mờ điều khiển robot bầy đàn tránh vật cản”, Tạp chí Khoa học Giao thông Vận tải, (10), trang 106-11, ISSN 1859 – 2724 Lê Thị Thúy Nga, Lê Hùng Lân (2014), “ Điều khiển robot bầy đàn tìm kiếm mồi tránh vật cản sử dụng logic mờ ”, Tạp chí Khoa học Giao thông Vận tải, (3), trang 15-20, ISSN 1859 – 2724 Lê Thị Thúy Nga , Lê Hùng Lân, (2014) “ Ứng dụng logic mờ điều khiển robot bầy đàn”, Kỷ yếu Hội nghị “Đổi mới- Chìa khóa cho phát triển bền vững”- Viện Ứng dụng Công nghệ - Bộ KHCN Lê Thị Thúy Nga, Nguyễn Hoàng Vân, Nguyễn Việt Dũng (2015),„„ Điều khiển robot tự hành phương pháp điều khiển hành vi dựa không gian Null”, Tạp chí GTVT (Bộ GTVT), (7), ISSN 2354 - 0818 Le Thi Thuy Nga, Le Hung Lan (2015),„„Application of Null Space Based Behavior Control to the Swarm Robot‟s Control, Modern Mechanical Engineering”, (5), pp.97-104, ISSN 2164-0165 Lê Thị Thúy Nga, Lê Hùng Lân (2015), „„Điều khiển robot bầy đàn tránh vật cản tìm kiếm mục tiêu”, VCCA 2015, trang 87-93, ISBN: 978604-913-429-6 Lê Thị Thúy Nga (2013), “Nghiên cứu ổn định robot bầy đàn”, Đề tài NCKH cấp trường 2013