Nghiên Cứu Và Giải Pháp Hoạch Định Quỹ Đạo Cho Mobile Robot

• Tác giả: Hồ Vĩnh Trọng
• Người hướng dẫn: ThS. Võ Lâm Chương
• Trường học: Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật Thành phố Hồ Chí Minh
• Chuyên ngành: Công nghệ Kỹ thuật Cơ điện tử
• Đề tài: Nghiên Cứu Bài Toán Hoạch Định Quỹ Đạo Cho Mobile Robot
• Loại tài liệu: Đồ án tốt nghiệp
• Năm xuất bản: 2024
• Địa điểm: Thành phố Hồ Chí Minh

• PHIẾU NHIỆM VỤ ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP
• LỜI CAM KẾT
• LỜI CẢM ƠN
• MỤC LỤC
• DANH MỤC BẢNG BIỂU
• DANH MỤC HÌNH ẢNH
• DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT
• 1. CHƯƠNG 1: GIỚI THIỆU
• 1.1. Giới thiệu chung
• 1.2. Lí do chọn đề tài
• 1.3. Tính cấp thiết của đề tài
• 1.4. Mục tiêu của đề tài
• 1.5. Giới hạn của đề tài
• 1.6. Phương pháp nghiên cứu
• 1.7. Kết cấu của đồ án tốt nghiệp
• 2. CHƯƠNG 2: TỔNG QUAN ĐỀ TÀI
• 2.1. Tổng quan về Mobile Robot
• 2.2. Mobile Robot là gì?
• 2.3. Lịch sử ra đời và quá trình phát triển
• 2.4. Tình hình nghiên cứu trong và ngoài nước
• 3. CHƯƠNG 3: CƠ SỞ LÝ THUYẾT
• 3.1. Mô hình hóa thân Robot
• 3.2. Quan hệ giữa vận tốc bánh xe với vận tốc của robot
• 3.3. Bài toán động học thuận
• 3.4. Bài toán động học nghịch
• 3.5. Thuật toán PID
• 3.6. Phương pháp đọc xung encoder
• 3.7. Phương pháp tìm các thông số giá trị P, I, D
• 3.8. Khái niệm và phân loại Machine Learning
• 3.9. Học tăng cường (Reinforcement Learning)
• 3.10. Các giao thức truyền thông
• 3.11. Tổng quan về UART
• 3.12. Tổng quan về Rosserial
• 3.13. Tổng quan về ROS
• 3.14. Giới thiệu về ROS
• 3.15. Giao thức truyền thông trong ROS
• 3.16. MIT App Inventor
• 4. CHƯƠNG 4: TÍNH TOÁN THIẾT KẾ HỆ THỐNG CƠ KHÍ
• 4.1. Cơ cấu di chuyển
• 4.2. Cơ cấu di chuyển sử dụng bánh xe truyền thống
• 4.3. Cơ cấu di chuyển sử dụng bánh xe đa hướng Omni Wheel
• 4.4. Lựa chọn bánh xe
• 4.5. Phương án lựa chọn bộ truyền dẫn động
• 4.6. Bộ truyền đai
• 4.7. Bộ truyền xích
• 4.8. Tính toán thiết kế cơ khí
• 4.9. Yêu cầu thiết kế
• 4.10. Sơ đồ truyền động Mobile Robot
• 4.11. Tính toán và lựa chọn động cơ
• 4.12. Kiểm tra phân phối tỉ số truyền
• 4.13. Tính toán bộ truyền dẫn động
• 4.14. Thiết kế cơ khí trên phần mềm chuyên dụng
• 4.15. Kiểm nghiệm bền trên SolidWorks
• 4.16. Mobile Robot hoàn thiện
• 5. CHƯƠNG 5: TÍNH TOÁN VÀ THIẾT KẾ HỆ THỐNG ĐIỆN
• 5.1. Các thiết bị điện – điện tử
• 5.2. Kit STM32F401CCU6
• 5.3. Raspberry Pi 3 Model B+
• 5.4. Màn hình Oled
• 5.5. Mạch điều khiển động cơ DC BTS7960
• 5.6. Mạch ổn áp 5V MP2482
• 5.7. Tính toán thiết kế hệ thống điện
• 5.8. Tổng quan hệ thống điện
• 5.9. Tính toán chọn mạch ổn áp
• 5.10. Tính toán chọn Opto cách ly cho Encoder
• 6. CHƯƠNG 6: XÂY DỰNG THUẬT TOÁN VÀ GIẢI THUẬT
• 6.1. Phương pháp xác định thông số bộ điều khiển PID
• 6.2. Đáp ứng thực nghiệm
• 6.3. Điều khiển riêng lẻ từng động cơ
• 6.4. Điều khiển dùng động học
• 6.5. Thiết kế thuật toán Q – Learning
• 6.6. Rời rạc hóa không gian trạng thái và hành động
• 6.7. Xây dựng hàm đánh giá khen thưởng
• 6.8. Triển khai đào tạo và đánh giá
• 6.9. Xác định vị trí và hướng của Mobile Robot
• 6.10. Tổng quan sơ đồ điều khiển
• 6.11. Giải thuật di chuyển giữa 2 điểm
• 6.12. Lưu đồ thuật toán bộ điều khiển hồi tiếp
• 6.13. Lưu đồ thuật toán bộ điều khiển Q – Learning
• 6.14. Kết quả thu được
• 6.15. Lưu đồ thuật toán giao tiếp với người dùng
• 7. CHƯƠNG 7: KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN
• 7.1. Hướng phát triển
• TÀI LIỆU THAM KHẢO

I. Giới thiệu về quỹ đạo robot

Trong bối cảnh phát triển công nghệ, quỹ đạo robot trở thành một yếu tố quan trọng trong việc tối ưu hóa khả năng di chuyển của robot di động. Việc hoạch định quỹ đạo cho mobile robot không chỉ giúp cải thiện hiệu suất mà còn đảm bảo an toàn trong quá trình hoạt động. Các thuật toán hoạch định quỹ đạo hiện nay thường sử dụng các phương pháp như A*, Dijkstra, và RRT để tìm ra lộ trình tối ưu nhất. Theo nghiên cứu, việc áp dụng các thuật toán này giúp giảm thiểu thời gian di chuyển và năng lượng tiêu thụ, từ đó nâng cao hiệu quả hoạt động của robot tự động. "Việc tối ưu hóa quỹ đạo không chỉ là một thách thức kỹ thuật mà còn là một yêu cầu thiết yếu trong việc phát triển các ứng dụng thực tiễn cho robot di động".

1.1. Tầm quan trọng của việc hoạch định quỹ đạo

Việc quản lý quỹ đạo cho robot di động có vai trò quan trọng trong việc đảm bảo rằng robot có thể di chuyển một cách hiệu quả và an toàn trong môi trường phức tạp. Tối ưu hóa quỹ đạo không chỉ giúp tiết kiệm thời gian mà còn giảm thiểu rủi ro va chạm với các vật cản. Theo một nghiên cứu gần đây, việc áp dụng các phương pháp thuật toán hoạch định giúp tăng cường khả năng nhận diện và phản ứng của robot với các tình huống bất ngờ. "Một robot được lập trình tốt có thể tự động điều chỉnh quỹ đạo của mình để tránh va chạm, từ đó nâng cao độ an toàn trong quá trình hoạt động".

II. Các phương pháp tối ưu hóa quỹ đạo

Có nhiều phương pháp khác nhau để tối ưu hóa quỹ đạo cho mobile robot. Các phương pháp này bao gồm thuật toán di truyền, thuật toán A*, và thuật toán RRT. Mỗi phương pháp có những ưu điểm và nhược điểm riêng, phù hợp với từng loại môi trường và yêu cầu cụ thể. Ví dụ, thuật toán A* thường được sử dụng trong các môi trường có cấu trúc rõ ràng, trong khi thuật toán RRT lại hiệu quả hơn trong các không gian phức tạp và không xác định. "Việc lựa chọn phương pháp tối ưu hóa quỹ đạo phù hợp là rất quan trọng để đảm bảo rằng robot có thể hoạt động hiệu quả trong môi trường thực tế".

2.1. Thuật toán A

Thuật toán A* là một trong những phương pháp phổ biến nhất trong việc hoạch định quỹ đạo cho robot di động. Thuật toán này sử dụng một hàm chi phí để đánh giá các điểm trong không gian tìm kiếm, từ đó tìm ra lộ trình ngắn nhất từ điểm xuất phát đến điểm đích. A* có khả năng tìm kiếm hiệu quả trong các môi trường có cấu trúc rõ ràng, giúp robot di chuyển một cách nhanh chóng và chính xác. "A* không chỉ giúp tìm ra quỹ đạo tối ưu mà còn có thể điều chỉnh linh hoạt khi có sự thay đổi trong môi trường".

III. Ứng dụng thực tiễn của việc hoạch định quỹ đạo

Việc hoạch định quỹ đạo cho mobile robot có nhiều ứng dụng thực tiễn trong các lĩnh vực như logistics, y tế, và sản xuất. Trong logistics, robot có thể tự động di chuyển hàng hóa từ kho đến các điểm giao hàng mà không cần sự can thiệp của con người. Trong y tế, robot có thể hỗ trợ trong việc vận chuyển thuốc và thiết bị y tế, giúp tiết kiệm thời gian và nâng cao hiệu quả công việc. "Sự phát triển của robot di động không chỉ giúp cải thiện năng suất mà còn nâng cao chất lượng cuộc sống của con người".

3.1. Robot trong logistics

Trong lĩnh vực logistics, robot di động đã trở thành một phần không thể thiếu trong quy trình vận chuyển hàng hóa. Việc tối ưu hóa quỹ đạo cho robot giúp giảm thiểu thời gian giao hàng và tiết kiệm chi phí. Các công ty lớn như Amazon và Alibaba đã áp dụng công nghệ này để cải thiện hiệu suất hoạt động của mình. "Việc sử dụng robot trong logistics không chỉ giúp tăng cường hiệu quả mà còn giảm thiểu rủi ro cho nhân viên".