Đặt vấn đề Trong những năm gần đây, rất nhiều công trình nghiên cứu về điều khiển rô bốt s dụng thông tin hình ảnh như: điều khiển thích nghi, điều khiển tối ưu, tuyến tính hóa phản hồi hay điều khiển mờ, mạng nơ ron đã được công bố. Đối với việc theo dõi mục tiêu di chuyển, việc s dụng một hay hai camera đều khả dụng nhưng để tính toán khoảng cách tới mục tiêu thì việc s dụng 2 camera sẽ thuận tiện hơn, hơn nữa việc dùng 2 camera sẽ cho khả năng quan sát và góc nhìn tốt hơn một camera. Đối với việc s dụng thông tin hình ảnh để điều khiển rô bốt di chuyển thì việc s dụng 2 camera sẽ cho không gian theo dõi mục tiêu rộng hơn, tính được tọa độ 3D của mục tiêu từ đó giúp điều khiển rô bốt di chuyển d dàng hơn. Việc điều khiển rô bốt s dụng thông tin hình ảnh stereo camera để bám mục tiêu di động còn một số khó khăn như tham số bất định trong mô hình rô bốt và camera hay ma trận Jacobian ảnh của hệ stereo camera không vuông là nguyên nhân của các điểm kỳ dị khi lấy nghịch đảo ma trận này bên cạnh đó vấn đề tối ưu hóa tham số điều khiển cũng còn nhiều điểm cần cải thiện.
Trong việc điểu khiển rô bốt di động kết hợp với hệ thống theo dõi mục tiêu di chuyển trên còn một số khó khăn như việc kết hợp điều khiển động lực học của hai rô bốt hay điều khiển tối ưu để hệ thống hoạt động hiệu quả nhất. Như vậy để điều khiển hệ thống rô bốt s dụng stereo camera hoạt động được tốt hơn thì vấn đề đặt ra là: Thứ nhất là: Phát triển các phương pháp điều khiển hệ thống rô bốt s dụng thông tin hình ảnh trong việc bám mục tiêu di động khi tồn tại các tham số bất định. Thứ hai là: Phải tìm ra cách thức xây dựng ma trận Jacobian ảnh là ma trận vuông cũng như cách để tối ưu hóa các tham số điều khiển trong hệ thống bám mục tiêu di động để hệ thống hoạt động tốt nhất. Thứ ba là: Phát triển một số phương pháp điều khiển hệ thống kết hợp rô bốt di động với rô bốt mang hai camera bám mục tiêu di động để vừa có khả năng bám mục tiêu vừa có khả năng di chuyển tới gần mục tiêu trong không gian.
7 luan an Nếu mục tiêu chỉ di chuyển trong một mặt phẳng biết trước giới hạn di chuyển hoặc ta chỉ cần xác định hướng nhắm tới mục tiêu thì một camera cố định là đủ để lấy các thông số về vị trí hay hướng tới mục tiêu đó. Nhưng khi cần xác định tọa độ của mục tiêu trong không gian 3D (biết trước giới hạn) hoặc ngoài thông tin về hướng ta cần thông tin về khoảng cách mà không cần thêm một thiết bị đo khác thì việc s dụng stereo camera cố định là cần thiết. Trong thực tế các đối tượng theo dõi thường di chuyển trong không gian không xác định trước được giới hạn, do vậy ngoài việc s dụng camera thì các hệ thống theo dõi, quan sát thường s dụng thêm hệ pan-tilt để mang camera quay quét giúp không gian theo dõi rộng hơn. Nếu hệ thống rô bốt mang một camera cho phép ta theo dõi và xác định vị trí của đối tượng khi biết trước mặt phẳng di chuyển hoặc phải dùng thêm máy đo khoảng cách thì hệ pan-tilt stereo camera cho phép ta xác định được cả ba thông số mục tiêu đồng thời.
Tuy nhiên khi s dụng hệ pan-tilt stereo camera thì việc xây dựng bài toán động học cho hệ thống còn gặp nhiều vấn đề như sự suy biến của ma trận Jacobian ảnh. Các tham số bất định của hệ thống và đặc biệt là thông số nội tại của hai camera dùng trong hệ thống cần phải được biết trước. Trong bài toán theo dõi và tiếp cận mục tiêu di chuyển thì ngoài hệ pan-tilt stereo camera trên ta cần có một rô bốt di động. Để kết hợp điều khiển hai rô bốt và camera để vừa theo dõi mục tiêu vừa di chuyển theo mục tiêu ta cần xây dựng hệ động lực học cho toàn hệ thống và xây dựng các thuật toán điều khiển hợp lý để kết hợp điều khiển toàn bô hệ thống.
Tổng quan về điều khiển rô bốt sử dụng thông tin hình ảnh 1.1 Tình hình nghiên cứu trong nước Điều khiển rô bốt s dụng thông tin hình ảnh cũng được nhiều tác giả Việt Nam quan tâm trong hơn 15 năm tr lại đây. Một số tác giả tập trung vào nghiên cứu phát triển thuật toán điều khiển rô bốt s dụng thông tin hình ảnh từ 1 camera [7], [2], [4], [6], đặc biệt được PGS.TSKH Phạm Thượng Cát tổng hợp trong sách [8] về điều khiển rô bốt công nghiệp s dụng camera. Tuy nhiên để điều khiển rô bốt di động s dụng thông tin hình ảnh thì s dụng 2 camera sẽ cho thông tin đầy đủ hơn về mục tiêu bao gồm hướng và khoảng cách [1]. Việc s dụng 1 camera trong điều khiển rô bốt 8 luan an thích hợp với các bài toán theo dõi hướng của mục tiêu mà không cần thông tin khoảng cách tới mục tiêu hoặc khoảng cách đã biết trước [10].
Trong bài toán bám mục tiêu di động, việc s dụng 1 camera thường phải kết hợp với 1 cảm biến để đo khoảng cách riêng [3] hoặc phải có thêm các điều kiện ràng buộc cụ thể [4] thì việc điều khiển rô bốt bám mục tiêu mới thực hiện được. Do vậy, s dụng 1 camera trong bài toán điều khiển rô bốt di động còn gặp nhiều hạn chế. Trong các nghiên cứu trong lĩnh vực này thì nhóm tác giả Ngô Mạnh Tiến [2], [3] tập trung đi xây dựng phần cứng cho hệ pan-tilt mang 1 camera để bám mục tiêu di động với thuật toán điều khiển thích nghi mô hình mẫu. Các kết quả nghiên cứu của nhóm tác giả Phạm Đức Long [7] – ĐH Công nghệ thông tin và truyền thông Thái Nguyên thì tập trung vào việc x lý ảnh song song CNN cho hệ rô bốt di động s dụng 1 camera thực hiện các nhiệm vụ khác nhau.
Nhóm tác giả Nguy n Văn Tính và các cộng sự [5], [57], [58], [73], [74] viện Công nghệ thông tin viên Hàn lâm khoa học Việt Nam tập trung vào xây dựng các thuật toán điều khiển cho hệ kết hợp rô bốt di động,hệ pan-tilt mang 1 camera tiếp cận mục tiêu trên mặt sàn. Ngoài ra là các thuật toán điều khiển rô bốt di động bám quỹ đạo khi có xét tới các yếu tố trơn, trượt của bánh xe và các yếu tố bất định. Nhóm tác giả Nguy n Tiến Kiệm và các cộng sự trường Đại học Công nghiệp Hà Nội [45], [46] tập trung vào xây dựng thuật điều khiển cho hệ rô bốt di động,hệ pan-tilt mang 1 camera bám mục tiêu khi xét tới các yếu tố bất định trong mô hình và yếu tố trượt ngang, dọc của bánh xe trong quá trình di chuyển. Cũng nghiên cứu về hệ rô bốt trên nhưng trong luận án của mình, tác giả s dụng hệ stereo camera và tập trung vào các yếu tố bất định như ma trận Jacobian ảnh cũng như tập trung vào bài toán theo dõi và bám mục tiêu di động.
Để điều khiển rô bốt s dụng thông tin hình ảnh thì có 2 vấn đề lớn đặt ra: một là nghiên cứu x lý ảnh để trích chọn đặc trưng và x lý để đưa ra các thông tin cần thiết như hướng, khoảng cách cho rô bốt. Nếu mục tiêu là cố định và n m trên mặt phẳng [7] thì ta có thể tính toán được vị trí, khoảng cách và hướng của mục tiêu trong bài toán cụ thể này hoặc phải có thêm các kỹ thuật x lý ảnh khác như lọc mẫu và so sánh [9] để xác định vị trí mục tiêu cho rô bốt trong bài toán xác định vị trí quả cà chua chín của tác giả Quách Tuấn Văn. Các nghiên cứu về hệ thống định vị 3D dùng 2 camera cũng đã được nghiên cứu trong thời gian gần đây. Cụ thể là trong kết quả nghiên cứu của nhóm tác giả Đặng Tâm Trung [1] đã tập trung vào phần x lý ảnh nói 9 luan an chung để xây dựng hệ thống định vị 3D s dụng stereo camera, còn ứng dụng cụ thể trong bài toán điều khiển rô bốt phải kể tới việc chế tạo rô bốt s dụng trong điều khiển giao thông của nhóm tác giả Tư ng Phước Thọ [12].
So với việc s dụng 1 camera thì dùng 2 camera cho kết quả tốt hơn với khả năng định vị mục tiêu trong không gian 3D với không gian quan sát lớn hơn. Đó là sự kế thừa từ tự nhiên vì đa số các loài động vật đều có 2 mắt chứ không phải 1 mắt. Vấn đề lớn thứ 2 là việc s dụng các thông tin về mục tiêu thu được để điều khiển rô bốt [4], [13]. Các nghiên cứu trong nước về điều khiển rô bốt s dụng thông tin hình ảnh cũng đã nghiên cứu nhiều thuật toán điều khiển khác nhau để điều khiển rô bốt mang 1 camera bám mục tiêu từ các bộ điều khiển cổ điển tới các phương pháp điều khiển hiện đại.
Bộ điều khiển cổ điển PID được dùng trong các bộ điều khiển bệ pan-tilt mang camera theo dõi mục tiêu như bộ điều khiển PD hay có thêm thành phần bù trọng trường [2]. Kết quả mô phỏng việc bắt mục tiêu vị trí bất kỳ đều cho kết quả tốt còn khi mục tiêu di chuyển liên tục theo các quỹ đạo khác nhau thì còn cần phải cải tiến. Nếu s dụng 1 camera việc theo dõi mục tiêu thực hiện tốt trong hầu hết các trường hợp nhưng khoảng cách lại cần dùng thêm một cảm biến khác do vậy khi rô bốt hoạt động trong các môi trường phi cấu trúc thì việc bám các đối tượng sẽ khó khăn hơn. Nếu dùng 2 camera ta sẽ có đầy đủ tham số tọa độ mục tiêu trong không gian nhưng một số trường hợp bị sai số lớn thậm chí mất bám.
Lý do là ma trận Jacobian ảnh với hệ 2 camera là (3x6) do vậy trong một số phép biến đổi lấy giả nghịch đảo không khả nghịch sẽ dẫn tới suy biến ma trận Jacobian của hệ và gây ra các sai số lớn. Phương pháp điều khiển mờ và mạng nơ ron trong các bài toán điều khiển rô bốt s dụng thông tin hình ảnh cũng được s dụng nhiều trong thời gian gần đây [7] để loại bỏ ảnh hư ng của các tham số bất định trong mô hình và cho kết quả tốt hơn so với các phương pháp điều khiển PD thông thường.