(Luận văn thạc sĩ) hoạch định quỹ đạo cho robot di động dùng thuật toán PSO

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH LUẬN VĂN THẠC SĨ LÂM VĂN VŨ HOẠCH ĐỊNH QUỸ ĐẠO CHO ROBOT DI ĐỘNG DÙNG THUẬT TOÁN PSO S K C 0 9 NGÀNH: KỸ THUẬT ĐIÊN TỬ - 605270 S KC 0 Tp Hồ Chí Minh, 2013 BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH LUẬN VĂN THẠC SĨ LÂM VĂN VŨ HOẠCH ĐỊNH QUỸ ĐẠO CHO ROBOT DI ĐỘNG DÙNG THUẬT TOÁN PSO NGÀNH: KỸ THUẬT ĐIỆN TỬ MÃ NGÀNH: 60 52 70 Hướng dẫn khoa học: TS NGÔ VĂN THUYÊN TP Hồ Chí Minh, 04/2013 i LÝ LỊCH KHOA HỌC I LÝ LỊCH SƠ LƯỢC Họ & tên: LÂM VĂN VŨ Giới tính: Nam Ngày, tháng, năm sinh: 12-07-1978 Nơi sinh: Đồng Tháp Quê quán: Cao Lãnh – Đồng Tháp Dân tộc: Kinh Chức vụ, đơn vị công tác trước học tập, nghiên cứu: Phó Trưởng Khoa Điện – Điện tử Trường Cao Đẳng Nghề Đồng Tháp Chỗ riêng địa liên lạc: Số 02 – đường Trần Phú – F3 –TX Sa Đéc – Đồng Tháp Điện thoại quan: 0773.774059 Điện thoại riêng: 0909669728 Fax: 0773 866364 E-mail: vulamvan@yahoo.com II QUÁ TRÌNH ĐÀO TẠO Đại học: Hệ đào tạo: quy Thời gian đào tạo từ 09/1995 đến 09/2000 Nơi học: Đại học Cần Thơ, Tp Cần Thơ Ngành học: Điện Tử Tên đồ án, luận án môn thi tốt nghiệp: Thi tốt nghiệp Thạc sĩ: Hệ đào tạo: quy Thời gian đào tạo từ 09/2010 đến 09/2012 Nơi học: Đại Học Sư Phạm Kỹ Thuật Tp Hồ Chí Minh ii Ngành học: Kỹ Thuật Điện Tử Tên luận văn: Hoạch định quỹ đạo cho robot di động dùng thuật toán PSO Ngày & nơi bảo vệ luận văn: Tháng 04 năm 2013, Đại Học Sư Phạm Kỹ Thuật Tp Hồ Chí Minh Người hướng dẫn: TS Ngơ Văn Thuyên Trình độ ngoại ngữ: tiếng Anh - Trình độ: B III Q TRÌNH CƠNG TÁC CHUN MƠN KỂ TỪ KHI TỐT NGHIỆP ĐẠI HỌC Thời gian 06/2002 đến Nơi công tác Trường Cao Đẳng Nghề Đồng Tháp Công việc đảm nhận Giảng viên khoa Điện – Điện Tử iii LỜI CẢM TẠ Đề tài “Hoạch định quỹ đạo cho robot di động dùng thuật toán PSO” hồn thành với hướng dẫn tận tình TS Ngơ Văn Thun (Trưởng phịng quản lý khoa học & quan hệ quốc tế - Trường Sư phạm Kỹ thuật Tp.Hồ Chí Minh) Trước tận tình tơi xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc lời cảm ơn chân thành đến thầy Ngô Văn Thuyên, người tận tình hướng dẫn giúp đỡ tơi nhiều suốt thời gian thực đề tài Tôi xin gửi lời cám ơn đến quý thầy cô trường Đại Học Sư Phạm Kỹ Thuật Hồ Chí Minh, Đại Học Bách Khoa Hồ Chí Minh, Đại Học Quốc Tế tận tình hướng dẫn truyền đạt kiến thức, phương pháp nghiên cứu kinh nghiệm suốt hai năm học Những kiến thức kinh nghiệm tảng giúp người thực hồn thành tốt luận văn Tơi xin gửi lời cảm ơn đến Ban Giám Hiệu, quý thầy cô trường Cao Đẳng Nghề Đồng Tháp gánh vác công việc tạo điều kiện thuận lợi cho tơi tham gia hồn thành khóa học Tôi xin gửi lời cảm ơn đến quý anh chị khóa Cao học trước, bạn bè, người thân gia đình tận tình giúp đỡ, động viên tơi suốt khóa học q trình thực luận văn T.p.Hồ Chí Minh, tháng 04 năm 2013 Học viên thực iv LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan cơng trình nghiên cứu tơi Các số liệu, kết nêu luận văn trung thực chưa công bố cơng trình khác Tp Hồ Chí Minh, ngày tháng 04 năm 2013 Lâm Văn Vũ MỤC LỤC Lý lịch khoa học i Lời cảm tạ iii Lời cam đoan iv Tóm tắt v Chƣơng 1: TỔNG QUAN 1.1 Giới thiệu 1.2 Mục tiêu giới hạn đề tài 1.3 Nội dung đề tài Chƣơng 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT 2.1 Mơ tả mơ hình tốn học số robot di động 2.2.1 Robot bánh 2.2.2 Robot bánh 2.2.3 Robot bánh 10 2.2 Các phương pháp lập kế hoạch đường 11 2.2.1 Phương pháp đồ đường (Road Map) 11 2.2.2 Phương pháp chia ô (Cell decomposition) 13 2.3 Các phương pháp tránh vật cản 14 2.3.1 Thuật toán Bug 14 2.3.2 Phương pháp trường (Potential field methods) 16 2.3.3 Phương pháp trường lực ảo (Virtual Force Field) 19 2.4 Các giải thuật tìm kiếm 21 2.4.1 Giải thuật A* 21 2.4.2 Giải thuật D* 24 2.5 Thuật toán PSO 29 2.5.1 Giới thiệu PSO 29 2.5.2 Các cải tiến PSO 34 2.5.3 Ứng dụng PSO tìm đường cho robot di động 35 Chƣơng 3: HOẠCH ĐỊNH CHUYỂN ĐỘNG CHO ROBOT DI ĐỘNG DÙNG THUẬT TOÁN PSO 37 3.1 Giới thiệu 37 3.2 Lưu đồ mô tả phương pháp hoạch định đường cho robot di động 37 3.3 Tìm đường tối ưu cho robot dùng thuật tốn D* 39 3.4 Quy hoạch chuyển động cho robot di động dùng thuật toán PSO 41 3.5 Kết luận 45 Chƣơng 4: KẾT QUẢ MÔ PHỎNG 46 4.1 Phần mềm mô robot Player/Stage 46 4.1.1 Giới thiệu 46 4.1.2 Đặc điểm Player 46 4.1.3 Đặc điểm Stage 48 4.1.4 Các tập tin cần thiết sử dụng Player/Stage 49 4.2 Kết mô 50 4.2.1 Mô đường robot dùng phương pháp PF (Potential field) 50 4.2.2 Mô đường robot sử dụng kết hợp phương pháp PF thuật toán tìm kiếm D* 52 4.2.3 Mô đường robot sử dụng thuật toán PSO 56 Chƣơng 5: KẾT LUẬN VÀ HƢỚNG PHÁT TRIỂN CỦA ĐỀ TÀI 63 5.1 Kết nghiên cứu 63 5.2 Kết luận hướng phát triển đề tài 63 5.2.1 Kết luận 63 5.2.2 Hướng phát triển đề tài 64 TÀI LIỆU THAM KHẢO 65 Phụ lục …………………………………………………………………………… 68 Chương Tổng quan Chƣơng TỔNG QUAN 1.1 Giới thiệu Theo dự báo vịng 20 năm tới người có nhu cầu sử dụng robot cá nhân cần máy tính PC robot tâm điểm cách mạng công nghệ lớn sau Internet [1] Cùng với phát triển ngành điện tử robot tự hành ngày hoàn thiện hơn, ứng dụng nhiều ngành công nghiệp, thương mại, y tế, khoa học, …và mang lại nhiều lợi ích cho đời sống xã hội, thay dần sức lao động người điều kiện môi trường độc hại nguy hiểm, tăng nhanh suất lao động…đặc biệt góp phần tích cực vào q trình cơng nghiệp hóa đại hóa nước ta nói riêng giới nói chung Hình 1.1 cho thấy số loại robot di động khác nhau, ứng dụng thực tế Robot tự hành (hay robot di động) thiết bị có khả tự vận động thực nhiệm vụ cách độc lập Nhờ cảm biến để nhận biết mơi trường xung quanh kết hợp với chương trình thiết lập trước, robot di động tự hồn thành cơng việc giao mà khơng cần có tác động người [4] Tùy theo mục đích nghiên cứu, sử dụng mà ta chọn loại robot thích hợp Đề tài tập trung nghiên cứu robot di động chuyển động bánh xe, tự động di chuyển môi trường Robot di chuyển bánh xe có nhiều ưu điểm so với robot di chuyển chân, robot chuyển động bánh thường sử dụng cho địa hình phẳng Hiện có hai loại bánh xe thường sử dụng bánh xe dạng đĩa bánh xe đa hướng Bánh xe dạng đĩa có khả quay quanh trục trượt ngang Bánh xe đa hướng loại gồm nhiều bánh nhỏ dạng đĩa gắn xung quanh có khả quay quanh trục chúng Robot sử dụng loại bánh xe đa hướng di chuyển tức thời theo hướng Hình 1.2 cho thấy số loại robot di chuyển bằng bánh xe Chương Tổng quan a Robot tự hành thám hiểm hoả b Robot hút bụi Trilobite Hình 1.1 Một số hình ảnh robot di động a Robot di chuyển bánh xe dạng dĩa b Robot di chuyển bánh xe đa hướng Hình 1.2 Robot di chuyển bằng bánh xe Phụ lục int numNeighbors; ni = (NodeInfo *)parent->nodeInfo; numNeighbors = 0; for(i=0;ix + deltax[i]; posy = ni->y + deltay[i]; if(posx >= && posx < GRIDX && posy >= && posy < GRIDY) { neighbor[numNeighbors++] = &(gblGrid[posy*GRIDX + posx]); } } return(numNeighbors); } void freeNode(Node *p); void freeNode(Node *p) { NodeInfo *ni; ni = (NodeInfo *)p->nodeInfo; ni->x = ni->y = -1; p->parent = NULL; p->next = NULL; p->state = NEW; } int nodeEqual(Node *a, Node *b); int nodeEqual(Node *a, Node *b) { if(a == NULL && b == NULL) return(1); 74 Phụ lục else if(a == NULL) return(0); else if(b == NULL) return(0); if(((NodeInfo *)(a->nodeInfo))->x != ((NodeInfo *)(b->nodeInfo))->x) return(0); if(((NodeInfo *)(a->nodeInfo))->y != ((NodeInfo *)(b->nodeInfo))->y) return(0); return(1); } void printNode(Node *p); void printNode(Node *p) {} void drawArrow(Node *child, Node *parent); void drawArrow(Node *child, Node *parent) {} void initiate() { int i,j; for(i=0;ix; new_goal[1] = ni->y; } currentx = xpose; currenty = ypose; toa_do_x_hh = xpose; toa_do_y_hh = ypose; k_c_x_den_goal = fabs(x_goal - toa_do_x_hh); k_c_y_den_goal = fabs(y_goal - toa_do_y_hh); k_c_den_goal = sqrt(k_c_x_den_goal*k_c_x_den_goal + k_c_y_den_goal*k_c_y_den_goal); printf("k_c_den_goal %f\n",k_c_den_goal); if((pathcost < 1e+7)&&(k_c_den_goal > 0.2)) { ni = (NodeInfo *)p->nodeInfo; new_goal[0] = ni->x ; new_goal[1] = ni->y ; search = 2; if (search = 2) { initiate(); for(k=0;k0.3) vel_v=0.3; if (vel_v3.14) vel_w=3.14; if (vel_w