NGHIÊN CỨU PHÁT TRIỂN HỆ THỐNG ĐỊNH VỊ VÀ DẪN ĐƯỜNG CHO ROBOT HOẠT ĐỘNG Ở MÔI TRƯỜNG TRONG NHÀ

Robot dịch vụ đang là một xu hướng nghiên cứu và phát triển của nhiều nước trên thế giới hiện nay. Rất nhiều loại robot tân tiến đã được ra đời như robot chăm sóc người nhà, robot nội chợ, robot bệnh viện, robot hướng dẫn sân bay. Một đặc điểm chung giữa những robot này là môi trường hoạt động chủ yếu ở trong nhà. Một robot di chuyển thông minh là robot có khả năng tự động di chuyển linh hoạt trong môi trường có nhiều chướng ngại vật mà không xảy ra hiện tượng, cụ thể là các vật dụng nhiều hình dạng như bàn, ghế, tủ. Trên thế giới hiện nay đã có rất nhiều nghiên cứu giới với các thuật giải và phương pháp khác nhau cho dẫn đường rô bốt trong các môi trường trong nhà. Những nghiên cứu rất đa dạng, sử dụng nhiều loại cảm biến khác nhau và phục vụ nhiều mục đích khác nhau. Tuy nhiên, các hệ thống phổ biến thường có tính đặc thù cho từng loại robot có hình dạng, kiểu dáng nhất định do đặc tính của cảm biến sử dụng. Vì vậy, tính mở rộng của hệ thống đang là bài toán rất được quan tâm. Gần dây, có nhiều sản phầm cảm biến công nghệ cao đã được ra đời nhằm nâng cao tính mở rộng của hệ thống, nhưng đổi lại giá thành rất cao. Mục tiêu của đề tài là nghiên cứu, phát triển một hệ thống định vị và dẫn đường sử dụng kết hợp hệ thống định vị trong nhà IPS và robot tạo lập bản đồ Turtlebot. Hệ thống định vị trong nhà IPS trả về dữ liệu tọa độ có độ chính xác cao và ít bị ảnh hưởng bởi yếu tố môi trường. Robot tạo lập bản đồ TurtleBot là robot phổ biến chuyên dụng trong việc thiết lập bản đồ tại môi trường trong nhà, kết quả cho ra một bản đồ dạng ảnh có thể phân tích. Hệ thống định vị và dẫn đường được phát triển mô-đun hóa, có thể mở rộng cho nhiều bài toán, nhiều loại robot khác nhau. Một robot đã được chế tạo để thử nghiệm hệ thống định vị và dẫn đường. Bên cạnh đó ứng dụng robot hướng dẫn viên cho nhà trưng bày của Đại học Quốc gia cũng đã được phát triển để tích hợp hệ thống

ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ NGHIÊN CỨU PHÁT TRIỂN HỆ THỐNG ĐỊNH VỊ VÀ DẪN ĐƯỜNG CHO ROBOT HOẠT ĐỘNG Ở MÔI TRƯỜNG TRONG NHÀ LUẬN VĂN THẠC SĨ CÔNG NGHỆ KỸ THUẬT ĐIỆN TỬ, TRUYỀN THÔNG Hà Nội, 2020 ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ NGHIÊN CỨU PHÁT TRIỂN HỆ THỐNG ĐỊNH VỊ VÀ DẪN ĐƯỜNG CHO ROBOT HOẠT ĐỘNG Ở MƠI TRƯỜNG TRONG NHÀ Ngành : Cơng nghệ kỹ thuật điện tử, truyền thông Chuyên ngành : Kỹ thuật điện tử Mã ngành : 8510302.01 LUẬN VĂN THẠC SĨ CÔNG NGHỆ KỸ THUẬT ĐIỆN TỬ, TRUYỀN THÔNG Giảng viên hướng dẫn: GS.TS Chử Đức Trình Hà Nội, 2020 LỜI CẢM ƠN Trước tiên, xin gửi lời cảm ơn đến thầy, cô giáo Trường Đại học Công nghệ ĐHQGHN, Khoa Điện tử - Viễn thông tận tình giảng dạy truyền đạt kiến thức, kinh nghiệm quý giá suốt trình học tập nghiên cứu trình thực đề tài Tôi xin gửi lời cảm ơn sâu sắc đến GS.TS Chử Đức Trình tận tình hướng dẫn, cung cấp tài liệu, thiết bị suốt trình thực đề tài Hà Nội, tháng 11 năm 2020 LỜI CAM ĐOAN Luận văn đánh dấu cho thành quả, kiến thức thu nhận trình rèn luyện, học tập trường Tơi xin cam đoan luận văn hồn thành q trình học tập nghiên cứu tơi Trong luận văn tơi có tham khảo số tài liệu số báo đưa phần tài liệu tham khảo Tôi xin cam đoan lời thật chịu trách nhiệm trước thầy cô hội đồng bảo vệ luận văn Hà Nội, tháng 11 năm 2020 MỤC LỤC LỜI CẢM ƠN LỜI CAM ĐOAN MỤC LỤC DANH MỤC HÌNH ẢNH DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT MỞ ĐẦU CHƯƠNG TỔNG QUAN NGHIÊN CỨU 1.1 Tổng quan hệ thống dẫn đường cho robot di động 1.2 Định vị xây dựng đồ 1.3 Lập kế hoạch đường 11 1.4 Đề xuất nội dung nghiên cứu 12 CHƯƠNG ĐỀ XUẤT HỆ THỐNG ĐỊNH VỊ VÀ DẪN ĐƯỜNG CHO ROBOT 14 2.1 Xây dựng đồ môi trường 14 2.2 Hệ thống định vị nhà cho robot 17 2.3 Lập kế hoạch đường cho robot 24 2.4 Hệ thống định vị dẫn đường cho robot tự hành môi trường nhà 26 CHƯƠNG CHẾ TẠO ROBOT VÀ THỬ NGHIỆM HỆ THỐNG TRONG NHÀ 28 3.1 Thiết kế chế tạo phần cứng 28 3.1.1 Thiết kế khung khí 28 3.1.2 Thiết kế hệ di chuyển bánh đa hướng 29 3.1.3 Thiết kế khối phần cứng tổng thể 30 3.2 Thiết kế phần mềm 32 3.2.1 Hệ điều hành robot (ROS) 32 3.2.2 Giải thuật điều khiển hệ di chuyển bánh xe đa hướng 33 CHƯƠNG KẾT QUẢ, ĐÁNH GIÁ KHẢO SÁT VÀ ỨNG DỤNG ROBOT 36 4.1 Tạo lập đồ phòng 36 4.2 Khảo sát độ xác hệ thống định vị 37 4.3 Khảo sát hệ lập kế hoạch đường cho robot 39 4.4 Ứng dụng Robot hướng dẫn viên phòng trưng bày sản phẩm 41 KẾT LUẬN 45 DANH MỤC CƠNG TRÌNH KHOA HỌC CỦA TÁC GIẢ LIÊN QUAN ĐẾN LUẬN VĂN 46 TÀI LIỆU THAM KHẢO 47 DANH MỤC HÌNH ẢNH Hình 1.1 Sơ đồ khối hệ thống dẫn đường cho robot di động .8 Hình 1.2 Minh họa cấu trúc đơn giản hệ thống GNSS Hình 1.3 Thuật tốn dựa lưới 12 Hình 1.4 Ví dụ thuật tốn tìm đường dựa lấy mẫu 12 Hình 2.1 Hình ảnh robot TurtleBot thực tế .14 Hình 2.2 Bản đồ phòng xây dựng robot TurtleBot .15 Hình 2.3 Lưu đồ thuật tốn SLAM robot sử dụng Particle Filter 15 Hình 2.4 Robot trình tạo đồ sử dụng lọc hạt 16 Hình 2.5 Bản đồ tích hợp gói phần mềm Costmap2D .16 Hình 2.6 Hệ thống định vị nhà để xác định tọa độ robot 17 Hình 2.7 Hệ thống định vị nhà IPS 18 Hình 2.8 Phần mềm Dashboard cài đặt cấu hình thiết bị beacon 19 Hình 2.9 Sơ đồ truyền sóng siêu âm beacon 20 Hình 2.10 Mơ tả thuật tốn trilateration khơng gian chiều 21 Hình 2.11 Sơ đồ hệ thống tổng quát 26 Hình 2.12 Đo khoảng cách đến vật thể máy ảnh Realsense 27 Hình 3.1 Khung thân robot đế di chuyển 28 Hình 3.2 Nhơm định hình đai ốc để tạo khung 29 Hình 3.3 Thiết bị phần cứng khối di chuyển .29 Hình 3.4 Sơ đồ kết nối thiết bị phần cứng khối di chuyển 30 Hình 3.5 Mơ hành vi di chuyển với hệ bánh xe đa hướng 30 Hình 3.6 Mơ tả hệ thống phần cứng robot 32 Hình 3.7 Kiến trúc Ros 33 Hình 3.8 Các thơng số hệ đế di chuyển 33 Hình 3.9 Đường robot quy trình 34 Hình 3.10 Thuật toán điều khiển robot bám đường .35 Hình 4.1 Bản đồ xây dựng 36 Hình 4.2 Bản đồ qua gói phân tích Costmap2D 37 Hình 4.3 Dữ liệu tọa độ robot theo trục X 37 Hình 4.4 Dữ liệu tọa độ theo trục Y 38 Hình 4.5 Kết tọa độ robot qua lọc Kalman Filter .38 Hình 4.6 Kết phóng to tọa độ robot qua lọc Kalman Filter 39 Hình 4.7 Đường tạo đồ 2D 40 Hình 4.8 Robot tránh vật cản chuyển động 41 Hình 4.9 Mô tả hệ thống tổng thể robot hướng dẫn viên .42 Hình 4.10 Sơ đồ phòng truyền thống 43 Hình 4.11 Robot thuyết minh khu vực đặc trưng 43 DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT STT Ký hiệu chữ viết tắt Chữ viết đầy đủ IPS Indoor Positioning System ROS Robot Operating System LIDAR Light Detection And Ranging SLAM Simultaneous localization and mapping EKF Extended Kalman Filter IMU Inertial measurement unit DoF Degree of Fredom MỞ ĐẦU Robot dịch vụ xu hướng nghiên cứu phát triển nhiều nước giới Rất nhiều loại robot tân tiến đời robot chăm sóc người nhà, robot nội chợ, robot bệnh viện, robot hướng dẫn sân bay Một đặc điểm chung robot môi trường hoạt động chủ yếu nhà Một robot di chuyển thông minh robot có khả tự động di chuyển linh hoạt mơi trường có nhiều chướng ngại vật mà không xảy tượng, cụ thể vật dụng nhiều hình dạng bàn, ghế, tủ Trên giới có nhiều nghiên cứu giới với thuật giải phương pháp khác cho dẫn đường rô bốt môi trường nhà Những nghiên cứu đa dạng, sử dụng nhiều loại cảm biến khác phục vụ nhiều mục đích khác Tuy nhiên, hệ thống phổ biến thường có tính đặc thù cho loại robot có hình dạng, kiểu dáng định đặc tính cảm biến sử dụng Vì vậy, tính mở rộng hệ thống toán quan tâm Gần dây, có nhiều sản phầm cảm biến cơng nghệ cao đời nhằm nâng cao tính mở rộng hệ thống, đổi lại giá thành cao Mục tiêu đề tài nghiên cứu, phát triển hệ thống định vị dẫn đường sử dụng kết hợp hệ thống định vị nhà IPS robot tạo lập đồ Turtlebot Hệ thống định vị nhà IPS trả liệu tọa độ có độ xác cao bị ảnh hưởng yếu tố môi trường Robot tạo lập đồ TurtleBot robot phổ biến chuyên dụng việc thiết lập đồ môi trường nhà, kết cho đồ dạng ảnh phân tích Hệ thống định vị dẫn đường phát triển mơ-đun hóa, mở rộng cho nhiều tốn, nhiều loại robot khác Một robot chế tạo để thử nghiệm hệ thống định vị dẫn đường Bên cạnh ứng dụng robot hướng dẫn viên cho nhà trưng bày Đại học Quốc gia phát triển để tích hợp hệ thống CHƯƠNG TỔNG QUAN NGHIÊN CỨU 1.1 Tổng quan hệ thống dẫn đường cho robot di động Những tiến cơng nghệ lĩnh vực robot có đóng góp to lớn nhiều lĩnh vực cơng nghiệp xã hội thời gian gần Ngày nay, nhiều ứng dụng hệ thống robot tìm thấy tự động hóa nhà máy, hệ thống giám sát, hệ thống kiểm soát chất lượng, AGV (phương tiện tự động dẫn đường), chống thảm họa, hỗ trợ y tế, v.v Ngày có nhiều ứng dụng rơ bốt nhằm mục đích cải thiện sống hàng ngày rô bốt bị bắt gặp thường xuyên hết trước thực nhiệm vụ khác [1] Đối với nhiều ứng dụng vậy, khả di chuyển tự động robot vấn đề quan trọng bắt buộc Robot di động tự động robot thực nhiệm vụ mơi trường có cấu trúc khơng có cấu trúc mà khơng có hướng dẫn liên tục người Robot di động hoàn toàn tự động có khả năng: - Thu thập thơng tin môi trường Làm việc thời gian dài mà khơng có can thiệp người Di chuyển tồn phần mơi trường hoạt động mà khơng cần hỗ trợ người Tránh tình có hại cho người, tài sản thân, trừ phần thông số kỹ thuật thiết kế Robot di động tự động học đạt khả điều chỉnh chiến lược để hồn thành (các) nhiệm vụ thích ứng với thay đổi môi trường xung quanh [2] Cho cỗ máy di chuyển tự hành nào, khả định hướng môi trường hoạt động chúng quan trọng Khả tránh tình nguy hiểm va chạm điều kiện khơng an tồn đặt lên hàng đầu(nhiệt độ, xạ, tiếp xúc với thời tiết, v.v)[3] Dẫn đường cho robot có nghĩa robot có khả xác định vị trí hệ quy chiếu sau lập kế hoạch đường tới số vị trí mục tiêu Để dẫn đường mơi trường nó, robot thiết bị di động khác yêu cầu đồ mơi trường khả phân tích đồ Dẫn đường định nghĩa kết hợp chức bản: - Tự định vị Xây dựng phân tích đồ Lập kế hoạch đường Một số hệ thống định vị dẫn đường robot sử dụng kỹ thuật tạo lập đồ định vị đồng thời để tạo 3D môi trường xung quanh chúng Định vị cho robot biểu thị khả robot thiết lập vị trí định hướng hệ quy chiếu Lập kế hoạch đường thực phần mở rộng định vị, u cầu xác định vị trí robot vị trí mục tiêu, hai cần nằm hệ quy chiếu hệ tọa độ Xây dựng đồ dạng đồ hệ mét ký hiệu mơ tả vị trí hệ quy chiếu robot Sơ đồ khối hệ thống dẫn đường cho robot di động thể Hình 1.1 Hình 1.1 Sơ đồ khối hệ thống dẫn đường cho robot di động 1.2 Định vị xây dựng đồ Để hoạt động môi trường thực tế, robot ln phải biết đâu cần đến đâu, cuối đưa định tự đến Quá trình cần hỗ trợ cảm biến chương trình kết nối cảm biến lại với kết vị trí Robot Kết hợp tất phần lại với cho hệ thống định vị Hệ thống giúp cho Robot xác định vị trí mình, trả liệu tọa độ Robot liệu đầu vào quan trọng cho thuật tốn dẫn đường cho Robot khơng gian cuối Robot xác định đường cần phải đến đích Trên giới có nhiều hệ thống định vị sử dụng rộng rãi xã hội Tuy nhiên, hệ thống định vị phân làm ba loại theo không gian hoạt động: Hệ thống định vị khơng gian ngồi trái đất, chuỗi hệ thống điều hướng toàn cầu vệ tinh (viết tắt GNSS) hệ thống định vị nhà (viết tắt IPS) Hệ thống định vị khơng gian ngồi trái đất sử dụng sóng vơ tuyến để xác định vị trí tàu khơng gian ngồi vũ trụ Các tàu vũ trụ lắp đặt phát sóng thu sóng để thu phát dải sóng vơ tuyến, dải sóng qua q trình xử lý, từ phi hành gia biết rõ vị trí cụ thể tàu Dữ liệu góc góc quay thu cách sử dụng làm điểm mốc để tính tốn Chuỗi hệ thống điều hướng tồn cầu vệ tinh hợp tác quốc gia sở hữu vệ tinh định vị cung cấp liệu vị trí cho mục đích dân Đây phương ...ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ NGHIÊN CỨU PHÁT TRIỂN HỆ THỐNG ĐỊNH VỊ VÀ DẪN ĐƯỜNG CHO ROBOT HOẠT ĐỘNG Ở MÔI TRƯỜNG TRONG NHÀ Ngành : Công nghệ kỹ thuật điện tử, truyền... rộng hệ thống, đổi lại giá thành cao Mục tiêu đề tài nghiên cứu, phát triển hệ thống định vị dẫn đường sử dụng kết hợp hệ thống định vị nhà IPS robot tạo lập đồ Turtlebot Hệ thống định vị nhà. .. dung nghiên cứu 12 CHƯƠNG ĐỀ XUẤT HỆ THỐNG ĐỊNH VỊ VÀ DẪN ĐƯỜNG CHO ROBOT 14 2.1 Xây dựng đồ môi trường 14 2.2 Hệ thống định vị nhà cho robot 17 2.3 Lập kế hoạch đường cho