Luận văn: Cải tiến giải thuật điều khiển robot tự hành tích hợp cảm biến đa tầng

Luận văn thạc sĩ cải tiến giải thuật điều khiển robot tự hành thông minh, tích hợp cảm biến đa tầng giúp robot nhận diện và tránh vật cản hiệu quả.

• Tác giả: Nguyễn Văn Huy
• Người hướng dẫn: TS. Nguyễn Xuân Hạ
• Trường học: Trường Đại học Bách Khoa Hà Nội
• Chuyên ngành: Kỹ Thuật Cơ Điện Tử
• Đề tài: Cải Tiến Giải Thuật Điều Khiển Robot Tự Hành Thông Minh Tích Hợp Cảm Biến Đa Tầng
• Loại tài liệu: Luận văn Thạc sĩ
• Năm xuất bản: 2020
• Địa điểm: Hà Nội

Tóm tắt

I. Tổng quan về cải tiến giải thuật điều khiển robot tự hành thông minh

Cải tiến giải thuật điều khiển robot tự hành thông minh là một lĩnh vực nghiên cứu quan trọng trong cuộc cách mạng công nghiệp lần thứ tư. Robot tự hành đóng vai trò chủ đạo trong các ứng dụng hiện đại, từ sản xuất công nghiệp đến dịch vụ. Các giải thuật điều khiển tiên tiến cho phép robot tự hành hoạt động hiệu quả và an toàn hơn. Sự phát triển của công nghệ cảm biến đa tầng đã mở ra những cơ hội mới để cải thiện khả năng nhận thức của robot. Thông qua tích hợp các hệ thống điều khiển thông minh, robot tự hành có thể tự động thích ứng với môi trường phức tạp, từ đó nâng cao hiệu suất công việc và an toàn vận hành.

1.1. Vai trò của robot tự hành trong công nghiệp hiện đại

Trong bối cảnh cuộc cách mạng công nghiệp 4.0, robot tự hành trở thành thành phần không thể thiếu của nhà máy thông minh. Chúng hỗ trợ các hoạt động sản xuất trong thời gian thực, cải thiện năng suất và giảm chi phí vận hành. Giải thuật điều khiển robot tiên tiến cho phép tối ưu hóa hiệu suất, đảm bảo độ chính xác cao và khả năng hoạt động liên tục trong các môi trường đa dạng.

1.2. Tầm quan trọng của công nghệ cảm biến trong điều khiển robot

Cảm biến đa tầng đóng vai trò then chốt trong việc cải tiến giải thuật điều khiển. Hệ thống cảm biến hồng ngoại, cảm biến khoảng cách cho phép robot tự hành phát hiện chính xác các vật cản và môi trường xung quanh. Tích hợp dữ liệu từ nhiều loại cảm biến giúp robot đưa ra quyết định điều khiển tối ưu, nâng cao độ an toàn và hiệu quả hoạt động.

II. Các phương pháp cải tiến hệ thống tránh vật cản

Hệ thống tránh vật cản là một thành phần then chốt của giải thuật điều khiển robot tự hành thông minh. Phương pháp phối hợp nhiều cảm biến cho phép robot phát hiện và tránh xa cả vật cản tĩnh lẫn vật cản động. Thuật toán điều khiển tránh vật cản hiện đại áp dụng các kỹ thuật như bong bóng phản ứng và lập kế hoạch đường đi động. Các kỹ thuật này được tích hợp với hệ thống điều khiển chính của robot, cho phép hoạt động tự động và an toàn. Thông qua các thử nghiệm thực tế trên nền tảng robot Dashgo, các giải thuật này đã chứng minh hiệu quả trong việc cải thiện khả năng điều hướng và an toàn vận hành.

2.1. Phương pháp bong bóng phản ứng trong tránh vật cản

Phương pháp bong bóng phản ứng là một giải thuật tránh vật cản hiệu quả dựa trên việc tạo các vùng bảo vệ xung quanh robot. Khi phát hiện vật cản, robot sẽ tự động điều chỉnh hướng chuyển động để tránh xa. Phương pháp này đặc biệt hiệu quả với các vật cản động, cho phép robot tự hành phản ứng nhanh chóng và tránh được va chạm nguy hiểm.

2.2. Tích hợp đa cảm biến trong điều khiển tránh vật cản

Tích hợp cảm biến đa tầng cho phép nâng cao độ chính xác của hệ thống tránh vật cản. Sự kết hợp dữ liệu từ cảm biến hồng ngoại, cảm biến siêu âm và camera giúp robot xác định vị trí, kích thước và loại vật cản. Giải thuật điều khiển có thể xử lý thông tin từ nhiều nguồn để đưa ra quyết định tối ưu nhất cho hành động tránh vật.

III. Ứng dụng hệ thống định vị và tạo bản đồ đồng thời SLAM

Hệ thống SLAM (Simultaneous Localization and Mapping) là nền tảng quan trọng cho robot tự hành thông minh. Công nghệ này cho phép robot xác định vị trí của mình đồng thời tạo bản đồ môi trường xung quanh. Sự kết hợp của SLAM với giải thuật điều khiển robot tiên tiến giúp robot hoạt động tự động trong các môi trường không quen thuộc. Các phương pháp định vị như định vị tương đối, định vị tuyệt đối đều được áp dụng để cải thiện độ chính xác. Trên nền tảng Dashgo, hệ thống SLAM được tích hợp với các bộ cảm biến để cho phép robot điều hướng an toàn và hiệu quả trong các không gian phức tạp.

3.1. Các phương pháp định vị trong robot tự hành

Định vị robot bao gồm nhiều phương pháp như định vị GPS, định vị quán tính, và định vị dựa trên landmarks. Mỗi phương pháp có ưu và nhược điểm riêng. Kết hợp nhiều phương pháp định vị giúp cải thiện độ tin cậy và chính xác. Robot tự hành hiện đại thường sử dụng các cảm biến quán tính và camera để định vị trong các môi trường không gian kín.

3.2. Tạo bản đồ và cập nhật môi trường thực thời

Quá trình tạo bản đồ đồng thời cho phép robot cập nhật môi trường trong thời gian thực. Các dữ liệu từ cảm biến được xử lý để xây dựng biểu diễn không gian 3D. Hệ thống SLAM thích ứng linh hoạt với những thay đổi của môi trường, cho phép robot tự hành hoạt động hiệu quả ngay cả khi điều kiện thay đổi.

IV. Kết quả đánh giá và hướng phát triển tương lai

Các thử nghiệm thực tế trên nền tảng robot Dashgo đã cho thấy kết quả tích cực về khả năng của giải thuật điều khiển robot tự hành thông minh. Robot đã thể hiện khả năng phát hiện và tránh được các vật cản tĩnh và động trong quá trình di chuyển. Các đánh giá định tính chứng minh rằng tích hợp cảm biến đa tầng với hệ thống điều khiển hiện đại có tác dụng rõ rệt. Tuy nhiên, vẫn còn những nhược điểm cần khắc phục để robot hoạt động tối ưu hơn. Các hướng phát triển trong tương lai bao gồm cải thiện thuật toán điều khiển, tối ưu hóa xử lý dữ liệu cảm biến, và mở rộng ứng dụng trong các lĩnh vực khác.

4.1. Kết quả thực nghiệm trên nền tảng robot thực

Trên robot Dashgo, giải thuật điều khiển đã được kiểm chứng về khả năng phát hiện và tránh vật cản. Robot đạt được độ chính xác cao trong việc xác định vị trí các vật cản và điều chỉnh hành động. Kết quả cho thấy tích hợp cảm biến hồng ngoại và các giải thuật tránh vật cản tiên tiến mang lại hiệu quả đáng kể, nâng cao an toàn và hiệu suất vận hành.

4.2. Hướng phát triển và cải tiến tiếp theo

Các hướng phát triển tương lai tập trung vào cải thiện thuật toán điều khiển robot để xử lý các tình huống phức tạp hơn. Tối ưu hóa hiệu suất tính toán, mở rộng khả năng thích ứng, và tích hợp trí tuệ nhân tạo là những mục tiêu quan trọng. Robot tự hành thông minh sẽ được ứng dụng rộng rãi hơn trong các lĩnh vực dịch vụ, logistics, và sản xuất.

Trích đoạn nội dung tài liệu

Chương 1 Tổng quan nghiên cứu 1.1 Xu hướng robot trong cuộc cách mạng công nghiệp lần thứ tư Thể giới đã chứng kiến sự phát triển liên tục và nhanh chóng của khoa. học công nghệ gốp phần tác dộng và cải thiện mạnh mãễ cuộc sỗng của con người. Chúng ta đã trải qua các cuộc CMCN với những thành tựu to lớn về khoa học và công nghệ. Các cuộc CMCN này đầu ra đời trên cd sở yêu cầu bức thiết của quá trình sản xuất.

Irong đó Itobotics giữ vai trò đặc biệt quan trọng trong tiền trình này. Ngày nay nền công nghiệp thế giới đã chuyển sang giai đoạn phát triển mới, cuộc CMƠN lần thứ 4. BD: ii đoạn này là sự thay d äï lắn về quy mũ và cách thức sản xuất từ sản phẩm hàng loạt lớn sang cá nhân hóa sản phẩm ở quy mö nhả. Các sẵn phẩm nằm trong hệ sinh thái và thay đổi tùy thuộc vào nhu cầu sử dụng.

Cách thức phân phối hàng hóa chuyển từ truyền thống sang giao dịch diện Lữ (Peonnmerieal). Sự thay đối công nghệ không ch Tả TTOTIĐ quá trình sắn xuất công nghiệp và còn ở tất cả các lĩnh vực của đời sống. Sự xuất hiện cña mạng xã hội, ác thiết bị thông minh kết nổi, thương mại điện tử làm gia tăng các nhu cầu về phân tích dữ liệu, an toàn thông tin dữ liệu cũng như cơ sở hạ tầng viễn thông. Trong bối cảnh này Itobotics một lần nữa đóng vai trò chủ đạo.

Các robot trong các nhà máy sản xuất được phát triển ở mức cao hơn, thăng mình, tác hợp, và làm việc an toàn cùng với con người. Robot sẽ là thành phân quan trọng của nhà máy thông mình trong đó (at e& các hoạt. động sắn xuất được giải Mi L thời gian thực. Roboties sẽ biến thể thành robot phdn mém (software robotics) thay người quản lý điều bành nhà raáy.

Hơn thê nữa robot sẽ được ứng dụng trong các môi trường ngoài công nghiệp. Các robot dich vu, robot tu hành, robot tác hop (Cobots), máy bay không người lái (drone), xe Ur đối sẽ dược kết, nối với 1 Tổng quan nghiên cứu| 1 [L1 Xu hướng robot trong cuộc cách mạng công nghiệp lần thứ trị.5 Cac nghién cứu tránh vật cản trong robot tự hành thông minh|.1 — toán Virtual Force Field (VEF)|. 3 Phuong HE = * ar phan đứng" tránh vật can}. TỶ vật cản cho thiết bị tự hành bằng LIDAR và Te Sea: St eee, 2 Sees La 2UEpNA\SE-SE) ta Sự: S22H4BEESSANE l3 15 B.1 Bai toan ve nhiéu trong robot tye hin] 15 2.1 Sự không chắc chan trong robot] 15 2.2 _ Xác suất trong, robotics}.

ae ca ax 16 2.2 Be diéu hanh robot ROS va cac ttn: a Ie ene ccwntemey pemtrereoe © 21 [2.2 ROS 1a i” Bhs ath eee i aah cea Mar Sie '' "5 ' 21 ie Tong quan về HĐH ROS].3 Tại sao phải dùng THỊDÌ) cụ ng 2€ TH CV XE928 aon Kane uo mange a 23 |2.4 Một số thành. trong ROS! § sak ah we gS 25 2.3 Bai ton điều hướng robot| .1 Điều hướng robot di động|.2 Bản đồ trọng số (costmap)| .- 32 Danh sách hình vẽ 1. nghiệp) N HhQÙ 58 40304 % 9fSt<4 lẽ È' EEUA ft NE 3 1.2 Một số loại robot mới).3 Mô hình hệ thống robot tự hành| 4 [4 Virtual Force Field) .5 Bieu do ue trong TVE Duy Gì to Gái MA BH, HH 2416 8 8 new aa 9 fector stony i MGW HG BSN BY OWS ENR 10 1.7 Bong — phan img} 11 I.8_ Phương pháp bon; bóng g nhận SH) ADE la š gi: cialỦ SÚI en dạ 11 1.9 Xác định vị trí vật CD S Số g0 bat he na ow 12 bi Ý tưởng cơ bản của định u¿ Markou| .3 _ Các bản phân phối gần đây của ROS].4 He sinh thai ROS). 6 Truytn thong siữa hai ngdd.7 Kiểu giao tiếp topic eel RO RSE S CSG OH RG FO ted oo 27 2:8.

Ki8u giáo Hep SERVIC) wisn os ecw a se ew wy eR we ore vi 28 |2.12 Quá trình AMCL cho ước tính trang thai vi tri robot}.13 Không gian tìm kiếm vận tốc và cửa số độn; 35 2.14 Vân tốc dài v va van toc sóc &| 35 [2.15 Bo loc Kalman] re @ @ & ae % +» 36 PE ONS SLAM aie ss ww ee Owe Re wR Ow HA Oo 38 EuÍ GA RE |. k v bài HH 2b hết 2 ee SH Hee ee 39 ö.1_ Nền tảng robot di động|.2_ Cấu tạophan chan aq SSý4“GE s8 56598) R21 XC Q4 392192 NC E2 Tạ ty S2 euanniRaD 43 B.3 Kiến trúc phần mềm điều khiển robot trên Dashso DI|. ad Danh sách bảng B1 Giá trị đo trung bình 100 mẫu|. 5 các thiết bị kết nối vạn vật (IøT) trở thành hệ sinh thái đáp ứng các nhu cầu cuộc sống của con người.

Robot không chỉ là vật lý thực mà còn là robot ảo với trí thông mình nhân tạo (Chatbot). Những thay đổi. t m hóa của Robotics sẽ dựa trên những thành tựu đạt được được của các lĩnh vực mới như trí tuệ nhân. tao (Aritificial Intelligent), công nghệ tính toán và các công nghệ cảm biến tiên tiến.

Quá trình phát triển của Robotics phụ thuộc vào thực tiễn phát triển của hoạt động sản xuất cũng như tiền bộ của các công nghệ ứng dụng trên nó. giai đoạn 1950 đến 2000 nhu cầu tự động hóa rất cao, do đó robot cõng nghiệp phát triển rất mạnh trong thời kì này. Tuy nhiên, đến những năm 2000 thì robot công nghiệp dần bão hòa. Giai đoạn tiếp theo từ năm 2000 tới nay, nhu cầu ứng dụng robot bên ngoài môi trường công nghiệp tăng mạnh.

Các nhà nghiên cứu robot dan chuyển hướng nghiên cứu sang c n phẩm robot thông minh, trên cơ sở tiền vượt bậc của ngành trí tuệ nhân tạo cũng như các công nghệ cảm biến. Có thể dự đoán rằng robot sẽ phát triển theo hướng thông minh và linh hoạt hơn để đáp ứng được chuyển động rất nhanh của các mẫu mã, sản phẩm trong sản xuất và nhu cầu giải trí từ người đùng và robot tự hành thong minh là một trong những nhân tố điển hình trong đó [I]. “Trong công trình đã công bố tại Hội thảo khoa học "Cơ học trong cuộc cách mang công nghiệp lần thứ tư" năm 3018 [T], tác giả cùng giảng viên hướng dẫn 1ã có những phan tích quá trình phát triển của Roboties trên thế giới cũng như Việt Nam, đặc bi trong xu hướng của CMCN lần thứ tư. Dây là cơ sở để tác giả lựa chọn đề tài thực hiện nghiên cứu trong nội dung luận văn này.2 Giới thiệu robot tự hành Người ta coi cánh tay robot là robot truyền thống, bởi vậy khi nói đến thuật ngữ robot người ta thường nghĩ ngay đến cánh tay robot cõng nghiệp.

Hình là hình ảnh các cánh tay robot đang làm trong chuyểns n xuất ô tô. Chúng ta không thấy bóng dáng con người ở trong bức hình này, bởi vì robot công nghiệp truyền thống phải làm việc trong không gian cách là Với con người, có hàng rào bảo vệ vì các lý do an toàn, con người không thể làm việc cùng không gian với robot. Bên cạnh đó, robot di động (mobile robot) truyền thống thực hiện các nhiệm vu di chuyển trên quỹ đạo xác định trước. Robot di động cũng hoạt động dựa chương trình được lập trình sẵn.

Các phương pháp điều khiển khiển bằng tay thông qua bảng điều khiển, qua song RF, wifi. hay di chuyển bám đường chí dẫn gắn ở dư „ đọc mã QR, bar. Các dạng robot này bị n chế về không gian hoạt động. Vĩ thiết lập, cầu hình nhà m khong Huy 180009- Lớp CH2018B 2 Tổng quan nghiên cứu| 1 [L1 Xu hướng robot trong cuộc cách mạng công nghiệp lần thứ trị.5 Cac nghién cứu tránh vật cản trong robot tự hành thông minh|.1 — toán Virtual Force Field (VEF)|.

3 Phuong HE = * ar phan đứng" tránh vật can}. TỶ vật cản cho thiết bị tự hành bằng LIDAR và Te Sea: St eee, 2 Sees La 2UEpNA\SE-SE) ta Sự: S22H4BEESSANE l3 15 B.1 Bai toan ve nhiéu trong robot tye hin] 15 2.1 Sự không chắc chan trong robot] 15 2.2 _ Xác suất trong, robotics}. ae ca ax 16 2.2 Be diéu hanh robot ROS va cac ttn: a Ie ene ccwntemey pemtrereoe © 21 [2.2 ROS 1a i” Bhs ath eee i aah cea Mar Sie '' "5 ' 21 ie Tong quan về HĐH ROS].3 Tại sao phải dùng THỊDÌ) cụ ng 2€ TH CV XE928 aon Kane uo mange a 23 |2.4 Một số thành. trong ROS! § sak ah we gS 25 2.3 Bai ton điều hướng robot| .1 Điều hướng robot di động|.2 Bản đồ trọng số (costmap)|.

tới đích trong ban do]. " vances pains posi we Bush BETES .7_ Cơ chế hoạt động của cảm biến khoảng cách hồng ngoại|.8_ Mối liên hệ giữa khoảng cách va dién Ap ctia cam bién IR Shary PLO. Wii eae Gin VEG CAN co son amers ww: wren es Rie ww Rew ww B11 Giai thuat vùng khan cap Os, mista i dị, B.12 Hình dang bong bong phan ving} su ở đò k ñi 16 TöBG| ‹.15_ Thiết kế phân quyền điều khiển].--- L16 Phối hợp điều khiếm.17 Kết quải đo cảm bien].18 Dánh giá sai số lớn nhất tương ứng với số lần lấy mãi E9[3.20 SựRobots nơvới vậttụcản võcó Nbiênla dạng tạ biến mẫj,. đổi theo chiều e 3.21 So sánh bản đỏ giữa hai trường hợp: a) không có hệ thống TR; b) 3.22 Vùng khẩn cáp U và bong bóng phản ứngB trong quá trình di chuyên của robot|.23 Robot phản ứng với vật cản động|.--- 63 Danh sách bảng B1 Giá trị đo trung bình 100 mẫu|.

5 Tổng quan nghiên cứu| 1 [L1 Xu hướng robot trong cuộc cách mạng công nghiệp lần thứ trị.5 Cac nghién cứu tránh vật cản trong robot tự hành thông minh|.1 — toán Virtual Force Field (VEF)|. 3 Phuong HE = * ar phan đứng" tránh vật can}. TỶ vật cản cho thiết bị tự hành bằng LIDAR và Te Sea: St eee, 2 Sees La 2UEpNA\SE-SE) ta Sự: S22H4BEESSANE l3 15 B.1 Bai toan ve nhiéu trong robot tye hin] 15 2.1 Sự không chắc chan trong robot] 15 2.2 _ Xác suất trong, robotics}. ae ca ax 16 2.2 Be diéu hanh robot ROS va cac ttn: a Ie ene ccwntemey pemtrereoe © 21 [2.2 ROS 1a i” Bhs ath eee i aah cea Mar Sie '' "5 ' 21 ie Tong quan về HĐH ROS].3 Tại sao phải dùng THỊDÌ) cụ ng 2€ TH CV XE928 aon Kane uo mange a 23 |2.4 Một số thành.

trong ROS! § sak ah we gS 25 2.3 Bai ton điều hướng robot| .1 Điều hướng robot di động|.2 Bản đồ trọng số (costmap)| .- 32 các thiết bị kết nối vạn vật (IøT) trở thành hệ sinh thái đáp ứng các nhu cầu cuộc sống của con người. Robot không chỉ là vật lý thực mà còn là robot ảo với trí thông mình nhân tạo (Chatbot). Những thay đổi.