Kiến trúc robot tự hành và bài toán xây dựng bản đồ

1 Đại Học Quốc Gia Tp Hồ Chí Minh TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA ĐOÀN THẾ THẢO KIẾN TRÚC ROBOT TỰ HÀNH VÀ BÀI TOÁN XÂY DỰNG BẢN ĐỒ Chuyên ngành : Công nghệ thông tin Mã số ngành : 01.02.10 LUẬN VĂN THẠC SĨ TP HỒ CHÍ MINH, tháng 11 năm 2004 CÔNG TRÌNH ĐƯC HOÀN THÀNH TẠI TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP HỒ CHÍ MINH Cán hướng dẫn khoa học : TS Lê Ngọc Minh Cán chấm nhận xét : PGS TS Lê Hoài Quốc Cán chấm nhận xét : PGS TS Nguyễn Mộng Hùng Luận văn thạc só bảo vệ HỘI ĐỒNG CHẤM BẢO VỆ LUẬN VĂN THẠC SĨ TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA, ngày 17 tháng 01 năm 2005 TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA PHÒNG ĐÀO TẠO SĐH CỘNG HÒA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM ĐỘC LẬP – TỰ DO – HẠNH PHÚC Tp HCM, ngày tháng năm 200 NHIỆM VỤ LUẬN VĂN THẠC SĨ Họ tên học viên : ĐỒN THẾ THẢO Ngày, tháng, năm sinh : 19 tháng 12 năm 1962 Chuyên ngành : Công nghệ Thông tin Phái : Nam Nơi sinh : Quảng Trị MSHV : CNTT13.021 TÊN ĐỀ TÀI : KIẾN TRÚC ROBOT TỰ HÀNH VÀ BÀI TOÁN VẼ BẢN ĐỒ NHIỆM VỤ VÀ NỘI DUNG : • Tìm hiểu kiểu kiến trúc robot tự hành • Phân tích giải toán xây dựng đồ • Phân tích xây dựng kiến trúc robot tự hành thích hợp • Thiết kế chế tạo robot cụ thể để thử nghiệm NGÀY GIAO NHIỆM VỤ: 9/2/2004 NGÀY HOÀN THÀNH NHIỆM VỤ: 17/01/2005 HỌ VÀ TÊN CÁN BỘ HƯỚNG DẪN: CÁN BỘ HƯỚNG DẪN TS Lê Ngọc Minh CHỦ NHIỆM NGÀNH BỘ MÔN QUẢN LÝ CHUYÊN NGÀNH TS Lê Ngọc Minh Nội dung đề cương luận văn thạc só Hội Đồng Chuyên Ngành thông qua PHÒNG ĐÀO TẠO SĐH Ngày tháng năm KHOA QUẢN LÝ NGÀNH TÊN ĐỀ TÀI: KIẾN TRÚC CỦA ROBOT TỰ HÀNH VÀ BÀI TOÁN XÂY DỰNG BẢN ĐỒ (An Architecture for an Autonomous Mobile Robot and the Map Building Problem) Xin chân thành cám ơn Thầy Lê Ngọc Minh, Người cho số kiến thức sở chuyên sâu Robotics, phương pháp luận giải vấn đề, nhiệt tình hướng dẫn giúp đỡ tơi nhiều q trình làm luận văn Tơi thêm nhiều kiến thức, cải thiện thêm tác phong nghiên cứu, phong cách làm việc tư giải vấn đề Xin chân thành cám ơn Thầy Nguyễn Văn Giáp, Người tạo điều kiện tốt cho để làm luận văn giảm bớt công việc Bộ mơn, hỗ trợ thiết bị kinh phí làm luận văn, cho số kinh nghiệm ý kiến quý giá trình làm luận văn Xin chân thành cám ơn sinh viên Phạm Huỳnh Phong, Trần Hồng Vinh, Võ Thành Trực giúp tơi hoàn thành luận văn PHÁT BIỂU VẤN ĐỀ: Ngoài nhiệm vụ điều khiển cấu thừa hành (actuators), robot tự hành phải tiến hành đồng thời nhiều nhiệm vụ lúc tránh vật cản, ứng xử linh hoạt với kiện không mong muốn, xác định hướng để đến mục tiêu làm cơng việc Hơn để mở rộng khả ứng dụng robot tự hành lĩnh vực công nghiệp nghiên cứu, cần thiết phải có robot có mức độ tự điều khiển (autonomy) cao, có khả tự hoạt động tiến hành đồng thời tác vụ để đạt mục tiêu đề môi trường làm việc nó, đồng thời phải dễ dàng cho phép người thiết kế cập nhật hệ thống chức điều khiển khác Như robot cần thiết phải có kiến trúc (architecture) tốt, kiến trúc cho phép robot tiến hành gần đồng thời hoạt động lúc, ứng xử linh hoạt với thay đổi mơi trường, đồng thời phải có khả xây dựng đồ môi trường Bản đồ sử dụng để giúp robot định ví dụ hướng đi, tốc độ khoảng cách, tránh vật cản, xác định vị trí ước lượng chuyển động… Bài toán xây dựng đồ tốn xây dựng mơ hình (model) mơi trường xung quanh robot từ thông tin nhận thông qua cảm biến Tuy nhiên bị hạn chế độ tin cậy cảm biến môi trường làm việc môi trường truy xuất hồn tồn, khơng xác định, khơng phân đoạn, động, liên tục, nên toán xây dựng đồ tốn giải mơi trường khơng chắn (uncertain environments) MỤC LỤC Phát Biểu Vấn Đề Mục lục Chương GIỚI THIỆU 1.1 Mục đích luận văn 1.2 Một số thuận lợi khó khăn luận văn .8 1.2.1 Một số khó khăn thiết kế chế tạo Robot 1.2.2 Một số thuận lợi khó khăn tốn xây dựng đồ 1.2.3 Các giả thiết giới hạn lại toán vẽ đồ 10 1.2.4 Luận văn giải vấn đề sau 10 1.2.5 Các ph ương pháp nghiên cứu 10 1.2.6 Các chương luận văn 11 Chương KIẾN TRÚC CỦA ROBOT 12 2.1 Bản đồ Sense Plan Act (SPA) kiến trúc .12 2.2 Bản đồ Subsumption Architecture (SA) 12 2.3 Bản đồ 3T kiến trúc 14 Chương BÀI TOÁN VẼ BẢN ĐỒ 16 3.1 Các dạng đồ 16 3.2 Cảm biến toán vẽ đồ 18 3.2.1 Cảm biến siêu âm 18 3.2.2 Cảm biến laser 19 3.2.3 Cảm biến Camera 19 3.2.4 Cảm biến Encoder 20 3.2.5 Cảm biến la bàn 20 3.3 Các phương pháp xây dựng đồ 24 3.3.1 Moravec and Elfes – “High Resolution Maps From Wide Angle Sonar” 24 3.3.2 Wilfried Elmenreich, Lukas Schneider Raimund Kirner đưa “A Robust Certainty Grid Algorithm for Robotic Vision” 27 3.3.3 Sử dụng công thức Bayes Update Phương pháp Sebastian Thrun 29 3.4 Chiến lược di chuyển, khám phá robot .39 3.5 Xác định vị trí Robot trình di chuyển .42 3.6 Khắc phục sai lệch thông tin từ Cảm biến Siêu âm 43 Chương PHẦN HIỆN THỰC 45 4.1 Thiết kế thân robot 45 4.2 Kiến trúc phần cứng robot 47 4.2.1 Hiện thực giao tiếp I2C 49 4.2.1.1 Mạch giao tiếp .51 4.2.1.2 Phần mềm giao tiếp .52 a) Chương trình Master máy tính 52 b) Chương trình Slave vi điều khiển 53 4.2.2 Hiện thực giao tiếp với cổng nối tiếp .58 4.2.2.1 Mạch giao tiếp .58 4.2.2.2 Phần mềm giao tiếp 59 4.3 Kiến trúc phần mềm robot 60 4.3.1 Tạo đồ - Building map .63 4.3.1.1 Theo phương pháp Moravec Elfes [2], [30] 63 4.3.1.2 Sử dụng công thức Bayes Update [7], [21] 65 4.3.2 Xác định hướng khoảng cách di chuyển-Path Planning 67 Chương PHƯƠNG HƯỚNG VÀ KẾT QUẢ 74 5.1 Ảnh hưởng vật liệu góc phản xạ lên cảm biến .74 5.2 Một số hình ảnh kết luận văn .75 5.3 Những vấn đề tồn 77 5.4 Hướng phát triển 77 PHỤ LỤC 78 1.Các lọai cảm biến 79 2.Thân robot, mạch khối điều khiển 92 Lý thuyết xác suất 121 Bảng số liệu 125 THAM KHẢO 131 Chương GIỚI THIỆU 1.1 Mục đích luận văn: Mục đích luận văn là: • Tìm hiểu kiểu kiến trúc robot, phân tích xây dựng kiến trúc cho robot phù hợp với điều kiện nước toán vẽ đồ • Tìm hiểu lý thuyết tốn học giải thuật để giải toán xây dựng đồ • Thiết kế, chế tạo robot cụ thể 1.2 Một số thuận lợi khó khăn luận văn: 1.2.1 Một số khó khăn thiết kế chế tạo robot: • • • Việc tìm mua thiết bị động cơ, cảm biến để chế tạo robot cịn nhiều khó khăn thường thiết bị đắt tiền Nên luận văn có sử dụng số cảm biến mạch giao tiếp tự làm như: cảm biến encoder, mạch giao tiếp thực protocol I2C, điều gây khơng khó khăn cho luận văn việc điều khiển robot việc giải toán vẽ đồ Một số kiểu kiến trúc địi hỏi phải có kiến thức chun sâu Robotics, khả tài chánh thời gian thực Robot thiết bị phức tạp nguyên nhân sau: thứ cần phải có thiết bị có độ tin cậy cao (như thân robot, cảm biến, cấu thừa hành,…) Yêu cầu thách thức ngành kỹ thuật khí thứ hai robot hoạt động mơi trường không xác định 1.2.2 Một số thuận lợi khó khăn tốn xây dựng đồ: • • Một số robot thực số cơng việc đơn giản theo lộ trình cho trước làm số công việc theo quy trình cho trước Nhưng robot cần phải làm cơng việc mơi trường thực ví dụ robot hút bụi, robot phục vụ… việc robot tự thân có khả xây dựng đồ giới thực xung quanh điều tránh khỏi Một robot có khả vẽ đồ robot có nhiều khả sau: khả tự hành tránh vật cản, khả tự khám phá, khả tự đưa kế hoạch hoạt động, định khoảng cách-hướng thích hợp, khả ghi nhớ vị trí qua Lý thuyết toán vẽ đồ cho phép hợp thông tin từ nhiều loại cảm biến khác nhau, điều có tác dụng bù trừ khuyết điểm loại cảm biến Ví dụ sử dụng camera khơng thể phát tường có màu trùng với màu nền, sử dụng cảm biến siêu âm hồn tồn có thể, cảm biến siêu âm phát xác vị trí, kích thước vật cản với camera hồn tồn Hoặc kết hợp cảm biến laser siêu Cảm biến Siêu âm Vật cản Cảm biến Laser Vật cản ảo Cảm biến Siêu âm Robot Vật cản Hình 1.1: Trường hợp cảm biến Siêu âm cho kết sai • • Robot Hình 1.2: Trường hợp cảm biến Laser cho kết sai âm kết tốt nhiều so với sử dụng cảm biến siêu âm sử dụng cảm biến laser.Hình 1.1 1.2 nói lên trường hợp sai cảm biến siêu âm cảm biến laser Do cảm biến laser có góc qt nhỏ điều địi hỏi phải quét nhiều lần Nhưng kết hợp lại qt cảm biến laser có tín hiệu từ cảm biến siêu âm nhằm khắc phục khuyết điểm cảm biến siêu âm không xác định xác vị trí kích thước vật cản Độ xác đồ phụ thuộc chủ yếu vào việc xác định hướng vị trí xác robot so với đồ Nếu khơng có cấu giải pháp xác định hướng vị trí đồ xây dựng khơng xác Ở hình 1.3 quan trọng tốn xác định vị trí Hình 1.3.b) đồ xây dựng có cảm biến vị trí cịn hình 1.3.a) khơng.Vì vậy, việc phát trượt lệch hướng vấn đề quan trọng đưa toán xây dựng đồ [22, 23, 24] Hình 1.3 Trường hợp xây dựng đồ sai Khi môi trường hoạt động robot môi trường động, đồ xây dựng khơng cịn hợp lệ mơi trường bị thay đổi Điều đòi hỏi việc cập nhật đồ phải thường xuyên nhanh chóng 10 • • • Có nhiều lý thuyết, báo đưa luận văn chưa tìm tiêu chí để đánh giá phương pháp tốt phương pháp Đa số lý thuyết đưa kiểm chứng chương trình mơ máy tính Việc xác định xác quy luật phân bố xác suất chùm tia loại cảm biến siêu âm chưa xác định Khó khăn cách giải luận văn trình bày mục 3.3 Cơ sở lý thuyết luận văn dựa báo, giảng Internet nên việc kiểm chứng tính đắn độ tin cậy chúng nhiều thời gian công sức 1.2.3 Các giả thiết giới hạn lại tốn vẽ đồ: Vì vấn đề tương đối rộng nên luận văn giới hạn lại giả thiết yêu cầu toán vẽ đồ sau: • Các vật cản có chiều cao vơ hạn • Mơi trường robot cần xây dựng đồ môi trường nhà (Indoor Environment) mơi trường tĩnh • Bản đồ xây dựng 2D 1.2.4 Luận văn giải vấn đề sau: • • • • Thiết kế, chế tạo robot tự hành hoạt động Robot dễ dàng thêm vào sửa chữa khối chức điều khiển bảo đảm tính mở robot, có trao đổi message bắt tay khối chức robot hoạt động tốt Đã giải toán vẽ đồ với phương pháp giải thuật khác Có mơ hình robot để phục vụ cho việc học tập nghiên cứu sau Nếu thực giải thuật, phương pháp nhằm khắc phục sai lệch thông tin từ cảm biến siêu âm giải tốt tốn xác định vị trí robot luận văn có khả hoạt động mơi trường thực 1.2.5 Các phương pháp nghiên cứu: • • • • Thu thập, tìm hiểu giảng, báo nghiên cứu trước kiến trúc robot, tốn vẽ đồ Qua đó, phân tích ưu nhược điểm phương pháp đưa phương pháp thực luận văn phù hợp với kiến thức điều kiện luận văn Các báo Internet mà luận văn có đơi có lỗi in ấn, lỗi nhập liệu, báo đa số viết ngắn gọn nên ln phải kiểm tra tính xác thực báo Các lý thuyết kiểm chứng robot cụ thể, khơng chương trình mơ máy tính Thí nghiệm debug chương trình để kiểm tra tính xác thực lý thuyết, đưa phản ví dụ để chứng minh ưu nhược điểm phương pháp ... TOÁN VẼ BẢN ĐỒ NHIỆM VỤ VÀ NỘI DUNG : • Tìm hiểu kiểu kiến trúc robot tự hành • Phân tích giải toán xây dựng đồ • Phân tích xây dựng kiến trúc robot tự hành thích hợp • Thiết kế chế tạo robot cụ... Chương KIẾN TRÚC CỦA ROBOT 12 2.1 Bản đồ Sense Plan Act (SPA) kiến trúc .12 2.2 Bản đồ Subsumption Architecture (SA) 12 2.3 Bản đồ 3T kiến trúc 14 Chương BÀI TOÁN VẼ BẢN... TÀI: KIẾN TRÚC CỦA ROBOT TỰ HÀNH VÀ BÀI TOÁN XÂY DỰNG BẢN ĐỒ (An Architecture for an Autonomous Mobile Robot and the Map Building Problem) Xin chân thành cám ơn Thầy Lê Ngọc Minh, Người cho số kiến