Luận Án Tiến Sĩ Kỹ Thuật: Nghiên Cứu Ổn Định Và Điều Khiển Đa Nhiệm Cho Hệ Thống Robot Bầy Đàn

Luận án tiến sĩ kỹ thuật phân tích kỹ thuật ổn định và điều khiển đa nhiệm hệ thống robot bầy đàn, xây dựng cơ sở lý luận, kiểm chứng thực nghiệm, đóng góp tri thức mới cho ngành.

Trường đại học

Đại học Giao thông Vận tải

Người đăng

Ẩn danh

Thể loại

luận án tiến sĩ

2016

128
3
0

Phí lưu trữ

35 Point

Mục lục chi tiết

LỜI CAM ĐOAN

1. CHƯƠNG I: TỔNG QUAN VỀ ỔN ĐỊNH ROBOT BẦY ĐÀN

1.1. Khái niệm robot bầy đàn

1.2. Các nghiên cứu tổng quan về robot bầy đàn

1.3. Các mô hình toán học của robot bầy đàn

1.3.1. Mô hình động học chất điểm

1.3.2. Mô hình động lực học

1.4. Tổng quan về ổn định robot bầy đàn

1.4.1. Khái niệm ổn định robot bầy đàn

1.4.2. Các dạng hàm hút/đẩy

1.5. Các vấn đề còn tồn tại và đề xuất giải pháp mục tiêu của luận án

1.6. Nội dung và phương pháp nghiên cứu mới

1.7. Kết luận chương 1

2. CHƯƠNG II: PHÂN TÍCH ỔN ĐỊNH ROBOT BẦY ĐÀN SỬ DỤNG HÀM HÚT/ĐẨY MỜ

2.1. Cơ sở logic mờ

2.2. Xây dựng hàm hút/đẩy mờ cho bài toán tụ bầy

2.3. Ổn định robot bầy đàn sử dụng hàm hút/đẩy mờ

2.3.1. Ổn định robot bầy đàn với mô hình toán học cơ bản

2.3.2. Ổn định bầy đàn với mô hình toán học có hệ số tương tác

2.4. Kết luận chương 2

3. CHƯƠNG III: ĐIỀU KHIỂN ROBOT BẦY ĐÀN DỰA TRÊN NGUYÊN LÝ ĐIỀU KHIỂN HÀNH VI KHÔNG GIAN NULL VÀ LOGIC MỜ

3.1. Khái niệm không gian Null

3.2. Điều khiển hành vi robot bầy đàn dựa trên không gian Null

3.3. Thuật toán điều khiển hành vi robot bầy đàn dựa trên nguyên lý NSB và logic mờ

3.4. Phân tích sự ổn định của robot bầy đàn theo kỹ thuật NSB và logic mờ

3.5. Kết luận chương 3

4. CHƯƠNG IV: KIỂM NGHIỆM CÁC THUẬT TOÁN BẰNG MÔ PHỎNG VÀ TRÊN HỆ THỐNG THỰC

4.1. Kiểm nghiệm thuật toán bằng mô phỏng

4.1.1. Xây dựng hàm hút/đẩy mờ

4.1.2. Mô phỏng quá trình hội tụ của robot bầy đàn với mô hình toán học cơ bản

4.1.3. Mô phỏng quá trình hội tụ của robot bầy đàn với mô hình toán học có hệ số tương tác

4.1.4. Mô phỏng quá trình tránh vật cản, tìm kiếm mục tiêu của robot bầy đàn dựa trên nguyên lý NSB và logic mờ

4.2. Kiểm nghiệm trên robot thực

4.2.1. Bài toán tụ bầy

4.3. Kết luận chương 4

KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ

DANH MỤC CÁC CÔNG TRÌNH CÔNG BỐ CỦA TÁC GIẢ LIÊN QUAN ĐẾN LUẬN ÁN

TÀI LIỆU THAM KHẢO

Tóm tắt

I. Tổng quan về luận án tiến sĩ

Luận án tiến sĩ 'Ổn định và điều khiển đa nhiệm hệ thống robot bầy đàn' tập trung vào việc nghiên cứu sự ổn định và điều khiển của hệ thống robot bầy đàn. Luận án đề xuất các giải pháp dựa trên logic mờ để tính toán lực tương tác giữa các cá thể robot, nhằm duy trì sự ổn định của bầy đàn. Các nội dung chính bao gồm: tổng quan về robot bầy đàn, phân tích ổn định, điều khiển đa nhiệm, và kiểm nghiệm thực tế. Luận án đóng góp quan trọng trong lĩnh vực điều khiển tự độnghệ thống thông minh.

1.1. Mục tiêu và ý nghĩa

Mục tiêu chính của luận án là nghiên cứu sự ổn định hệ thốngđiều khiển đa nhiệm của robot bầy đàn sử dụng logic mờ. Luận án đề xuất các giải pháp để duy trì khoảng cách an toàn giữa các robot, tránh va chạm và phân tách bầy. Ý nghĩa khoa học của luận án nằm ở việc áp dụng logic mờlý thuyết Lyapunov để chứng minh tính ổn định của hệ thống. Ý nghĩa thực tiễn là ứng dụng trong các lĩnh vực như tìm kiếm, thu thập thông tin, và rà soát bom mìn.

1.2. Đối tượng và phạm vi nghiên cứu

Đối tượng nghiên cứu của luận án là hệ thống robot bầy đàn, bao gồm các cá thể robot liên kết với nhau. Phạm vi nghiên cứu tập trung vào việc phát triển thuật toán tính toán lực hút/đẩy giữa các robot dựa trên logic mờ, và ứng dụng thuật toán này vào các bài toán như tụ bầy, tránh vật cản, và tìm kiếm mục tiêu.

II. Phân tích ổn định hệ thống robot bầy đàn

Chương này tập trung vào việc phân tích sự ổn định hệ thống của robot bầy đàn sử dụng hàm hút/đẩy mờ. Luận án đề xuất mô hình toán học để tính toán lực tương tác giữa các robot, và chứng minh tính ổn định của hệ thống dựa trên lý thuyết Lyapunov. Các kết quả nghiên cứu cho thấy rằng việc sử dụng logic mờ giúp duy trì sự ổn định của bầy đàn trong cả mô hình cơ bản và mô hình có hệ số tương tác.

2.1. Cơ sở logic mờ

Luận án sử dụng logic mờ để xây dựng hàm hút/đẩy giữa các cá thể robot. Các tín hiệu đầu vào và đầu ra được mờ hóa để tính toán lực tương tác, đảm bảo rằng các robot hút lại gần nhau khi ở khoảng cách xa và đẩy nhau ra xa khi ở khoảng cách gần. Phương pháp này giúp duy trì khoảng cách an toàn giữa các robot, tránh va chạm và phân tách bầy.

2.2. Ổn định hệ thống với mô hình toán học

Luận án chứng minh tính ổn định của hệ thống robot bầy đàn trong hai trường hợp: mô hình cơ bản và mô hình có hệ số tương tác. Sử dụng lý thuyết Lyapunov, luận án đã chứng minh rằng hệ thống luôn hội tụ về trạng thái ổn định khi áp dụng hàm hút/đẩy mờ. Kết quả này được kiểm chứng thông qua mô phỏng trên phần mềm Matlab.

III. Điều khiển đa nhiệm hệ thống robot bầy đàn

Chương này đề xuất giải pháp điều khiển đa nhiệm cho hệ thống robot bầy đàn dựa trên nguyên lý điều khiển hành vi không gian Null kết hợp với logic mờ. Luận án tập trung vào việc điều khiển robot thực hiện nhiều nhiệm vụ đồng thời, như tránh vật cản và tìm kiếm mục tiêu. Các kết quả nghiên cứu cho thấy rằng việc kết hợp logic mờnguyên lý không gian Null giúp nâng cao hiệu quả điều khiển và duy trì sự ổn định của hệ thống.

3.1. Nguyên lý điều khiển hành vi không gian Null

Luận án sử dụng nguyên lý điều khiển hành vi không gian Null để điều khiển robot bầy đàn thực hiện nhiều nhiệm vụ đồng thời. Nguyên lý này cho phép robot phân bổ tài nguyên và thời gian để thực hiện các nhiệm vụ khác nhau, như tránh vật cản và tìm kiếm mục tiêu, mà không làm ảnh hưởng đến sự ổn định của hệ thống.

3.2. Kết hợp logic mờ và nguyên lý không gian Null

Luận án kết hợp logic mờ với nguyên lý không gian Null để nâng cao hiệu quả điều khiển. Các thuật toán được đề xuất giúp robot tự động điều chỉnh hành vi dựa trên tín hiệu từ môi trường và các robot khác trong bầy. Kết quả mô phỏng cho thấy rằng phương pháp này giúp duy trì sự ổn định của hệ thống trong các tình huống phức tạp.

IV. Kiểm nghiệm và ứng dụng thực tế

Chương này trình bày các kết quả kiểm nghiệm thuật toán được đề xuất thông qua mô phỏng và thực nghiệm trên hệ thống robot thực. Luận án sử dụng phần mềm Matlab để mô phỏng quá trình hội tụ của robot bầy đàn và kiểm chứng tính ổn định của hệ thống. Các kết quả thực nghiệm trên robot e-puck cho thấy rằng các thuật toán đề xuất có hiệu quả cao trong việc duy trì sự ổn định và điều khiển đa nhiệm của hệ thống robot bầy đàn.

4.1. Mô phỏng trên phần mềm Matlab

Luận án thực hiện mô phỏng quá trình hội tụ của robot bầy đàn trên phần mềm Matlab để kiểm chứng tính ổn định của hệ thống. Các kết quả mô phỏng cho thấy rằng việc sử dụng hàm hút/đẩy mờ giúp duy trì sự ổn định của bầy đàn trong cả mô hình cơ bản và mô hình có hệ số tương tác. Các thuật toán đề xuất cũng được kiểm chứng trong các tình huống phức tạp như tránh vật cản và tìm kiếm mục tiêu.

4.2. Thực nghiệm trên robot e puck

Luận án thực hiện thực nghiệm trên robot e-puck để kiểm chứng hiệu quả của các thuật toán đề xuất. Các kết quả thực nghiệm cho thấy rằng các thuật toán giúp duy trì sự ổn định của hệ thống robot bầy đàn trong các tình huống thực tế. Robot e-puck có thể thực hiện các nhiệm vụ như tụ bầy, tránh vật cản, và tìm kiếm mục tiêu một cách hiệu quả.

01/03/2025
Luận án tiến sĩ kỹ thuật ổn định và điều khiển đa nhiệm hệ thống robot bầy đàn

Trích đoạn nội dung tài liệu

MỞ ĐẦU Giới thiệu tóm tắt luận án Luận án đi sâu nghiên cứu sự ổn định tụ bầy của robot bầy đàn, đặc biệt là cơ chế hợp tác giữa các cá thể robot trong bầy, để từ đó đƣa ra giải pháp thiết kế bộ mờ tính toán lực tƣơng tác giữa các cá thể, nhằm nâng cao chất lƣợng điều khiển ổn định robot bầy đàn. Cụ thể, nội dung của luận án gồm 4 chƣơng: - Chƣơng 1: Trình bày tổng quan về robot bầy đàn, tổng hợp các kết quả nghiên cứu liên quan đến ổn định robot bầy đàn, ƣu nhƣợc điểm của các nghiên cứu. Từ đó đề xuất các phƣơng hƣớng giải quyết: Xây dựng hàm hút/đẩy giữa các cá thể robot dựa trên cơ sở logic mờ. - Chƣơng 2: Trình bày cơ sở khoa học và mô hình toán của robot bầy đàn, xây dựng hàm tính toán lực hút/đẩy dựa trên cơ sở logic mờ.

Đồng thời chƣơng 2 đã chứng minh đƣợc tính ổn định của quá trình hội tụ nhờ lý thuyết Lyapunov trong hai trƣờng hợp: mô hình bầy đàn cơ bản và mô hình bầy đàn có x t đến khả năng tƣơng tác giữa các cá thể trong bầy. - Chƣơng 3: Đƣa ra giải pháp điều khiển robot bầy đàn tìm kiếm đích và tránh vật cản dựa trên kỹ thuật điều khiển hành vi không gian Null, đồng thời chứng minh sự ổn định của bầy đàn dựa trên cơ sở lý thuyết Lyapunov. - Chƣơng 4: Xây dựng mô hình tính toán lực hút/đẩy mờ và thực hiện mô phỏng hệ thống trên phần mềm Matlab để kiểm chứng các kết quả đã nghiên cứu ở chƣơng 2 và chƣơng 3. Kết luận và một số vấn đề cần nghiên cứu tiếp.

Lý do chọn đề tài Ngày nay, robot học đã đạt đƣợc rất nhiều thành tựu to lớn trong công nghiệp sản xuất cũng nhƣ trong đời sống xã hội. Có những công việc mà con ngƣời không thể trực tiếp tham gia thực hiện đƣợc thì sử dụng robot là một giải 2 pháp hữu hiệu. Robot bầy đàn sử dụng số lƣợng lớn các robot tƣơng đối đơn giản để thực hiện nhiệm vụ mà một robot đơn không thể thực hiện đƣợc hoặc thực hiện không hiệu quả, dựa trên cơ chế hợp tác giữa các cá thể giống hành vi của các loài vật sống thành bầy, thành đàn. Robot bầy đàn có thể đƣợc ứng dụng trong: tìm kiếm vật bị thất lạc, làm sạch, rà soát bom mìn hoặc thu thập thông tin.

Tuy nhiên, khi sử dụng số lƣợng lớn các robot cùng thực thi một nhiệm vụ thì khả năng va chạm giữa các cá thể là rất lớn và điều đó có thể dẫn đến các robot rất dễ bị hƣ hỏng. Mặt khác, trong quá trình thực thi nhiệm vụ, các robot cũng có thể bị tách ra khỏi bầy và thất lạc. Do vậy, việc xây dựng cơ chế phối hợp giữa các cá thể robot trong bầy với nhau sao cho cấu trúc bầy đàn luôn đƣợc duy trì là rất quan trọng. Điều đó phụ thuộc vào hành vi của từng cá thể, mà hành vi của mỗi cá thể lại luôn bị chi phối bởi sự tƣơng tác của nó với các cá thể khác trong bầy và với môi trƣờng.

Từ những lý do trên cho thấy việc nghiên cứu và đề xuất giải pháp điều khiển ổn định robot bầy đàn là rất cần thiết cho lĩnh vực robot ngày nay, vì vậy tác giả chọn đề tài: “Ổn định và điều khiển đa nhiệm hệ thống robot bầy đàn” để thực hiện luận án của mình. Mục đích nghiên cứu Mục đích nghiên cứu của luận án là nghiên cứu sự ổn định và điều khiển robot bầy đàn trên cơ sở sử dụng logic mờ. Việc áp dụng logic mờ để tính toán lực tƣơng tác giữa các cá thể robot trong bầy phải đảm bảo đƣợc: các robot phải hút lại gần nhau khi chúng ở khoảng cách xa và đẩy nhau ra xa khi chúng ở khoảng cách gần, mục đích của việc điều khiển ở đây là giữ cho khoảng cách giữa các cặp robot trong bầy luôn ổn định ở giá trị an toàn (không bị va chạm và không làm phân tách nhóm). Trong luận án tác giả đi sâu vào thiết kế bộ mờ tính 3 toán lực hút/đẩy giữa các cá thể robot và phân tích sự ổn định của bầy đàn khi ứng dụng bộ hút/đẩy mờ.

Nội dung tiếp theo trong luận án, tác giả đề xuất giải pháp điều khiển robot bầy đàn tránh vật cản và tìm kiếm mục tiêu dựa trên kỹ thuật điều khiển hành vi không gian Null kết hợp với logic mờ. Đối tƣợng và phạm vi nghiên cứu - Đối tƣợng nghiên cứu là một nhóm robot đƣợc liên kết với nhau. - Phạm vi nghiên cứu: Nghiên cứu phát triển thuật toán tính toán lực hút/đẩy mờ giữa các cá thể robot trong bầy. Ứng dụng thuật toán phát triển đƣợc cho bài toán tụ bầy và bài toán tránh vật cản, tìm kiếm mục tiêu.

Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài - Ý nghĩa khoa học của đề tài là kết quả đạt đƣợc trong lĩnh vực điều khiển ổn định sử dụng logic mờ. Đề tài đề xuất giải pháp tính toán lực tƣơng tác giữa các cá thể robot dựa trên cơ sở logic mờ. Giải quyết vấn đề tìm kiếm tập thể trong môi trƣờng nhiều trở ngại là rất thiết thực và hiệu quả dựa trên kỹ thuật điều khiển hành vi không gian Null kết hợp với logic mờ. Luận án đã giải quyết thành công cả về mặt lý thuyết lẫn mô hình mô phỏng.

- Ý nghĩa thực tiễn của đề tài là: Trong công nghệ robot, đối tƣợng điều khiển là thƣờng là phi tuyến, vì vậy các phƣơng pháp điều khiển kinh điển thƣờng khó đáp ứng, lúc đó logic mờ là giải pháp phù hợp nhất cho điều khiển robot bầy đàn. Những đóng góp của luận án - Luận án đề xuất cấu trúc bộ logic mờ tính toán lực hút/đẩy giữa các cá thể robot trong bầy đàn. Phát biểu và chứng minh 2 định lý về ổn định hội tụ robot bầy đàn với hàm hút/đẩy mờ. 4 - Luận án đã đƣa ra giải pháp điều khiển robot bầy đàn thực hiện nhiều hơn một nhiệm vụ dựa trên nguyên lý điều khiển hành vi không gian Null kết hợp với logic mờ.

Phát biểu và chứng minh một định lý về ổn định hệ thống robot bầy đàn khi thực hiện đa nhiệm vụ là tránh vật cản và tìm kiếm mục tiêu. 5 CHƢƠNG I TỔNG QUAN VỀ ỔN ĐỊNH ROBOT BẦY ĐÀN Chƣơng này tập trung phân tích tổng quan về tình hình nghiên cứu trong và ngoài nƣớc về robot bầy đàn nói chung và việc giải quyết bài toán ổn định robot bầy đàn nói riêng. Đặt bài toán và hƣớng nghiên cứu của luận án.1 Khái niệm robot bầy đàn Bầy đàn là sự quy tụ của một số sinh vật theo nhóm, đƣợc tìm thấy rất nhiều trong tự nhiên với nhiều loài sinh vật khác nhau nhƣ: bầy côn tr ng, đàn kiến, đàn ong, đàn mối, đàn cá,… Hành vi bầy đàn có thể giúp thực hiện đƣợc những nhiệm vụ vƣợt quá khả năng của từng cá thể độc lập, nhƣ loài kiến có thể cùng nhau tha những miếng mồi lớn về tổ của chúng, loài mối có thể xây những mô đất lớn từ b n và đất cùng với sự đòi hỏi cao về nhiệt độ và độ ẩm để bảo vệ tổ,…nhƣ hình 1. Một số hành vi bầy đàn của các loài sinh vật trong tự nhiên.

6 “Robot bầy đàn” là sử dụng số lƣợng lớn các robot tƣơng đối đơn giản để thực hiện nhiệm vụ mà một robot đơn không thể thực hiện đƣợc hoặc thực hiện không hiệu quả, dựa trên cơ chế hợp tác giữa các cá thể giống hành vi của các loài vật sống thành bầy, thành đàn. Các nhà nghiên cứu đã mô hình hóa hoạt động của robot để chúng có thể thực hiện đƣợc những nhiệm vụ có ích nhƣ tìm kiếm vật bị thất lạc, làm sạch, rà soát bom mìn, hoặc thu thập thông tin. Robot bầy đàn thƣờng có các đặc trƣng sau: - Hiệu quả tính toán: Mỗi cá thể trong bầy có một bộ vi xử lý riêng vì thế khả năng tính toán của cả bầy sẽ hiệu quả hơn so với một robot lớn chỉ có một bộ vi xử lý. - Tính bền vững: Hoạt động của bầy đàn vẫn diễn ra mặc dù có những cá thể bị lỗi hoặc bị hỏng, bên cạnh đó, khi điều kiện về môi trƣờng bị thay đổi cũng không làm ảnh hƣởng đến sự hoạt động của bầy đàn.

-Tính linh hoạt: tính linh hoạt của robot bầy đàn đƣợc thể hiện ở khả năng thích ứng các cá thể trong bầy với sự thay đổi của môi trƣờng. Tính bền vững và tính linh hoạt thƣờng trái ngƣợc nhau, khi có một vấn đề mới, hệ thống robot bầy đàn cần phải linh hoạt để chuyển đổi hành vi của từng cá thể sang giải quyết vấn đề mới, lúc này tính mạnh mẽ sẽ không còn nữa.Ví dụ, các cá nhân của một bầy kiến có thể chung sức tìm một con đƣờng ngắn nhất để đến nguồn thức ăn hay mang một con mồi lớn về tổ thông qua việc sử dụng các chiến lƣợc phối hợp khác nhau. - Khả năng mở rộng: có thể thêm vào hoặc bớt đi các cá thể robot trong bầy với số lƣợng xác định mà không đòi hỏi phải lập trình lại. Bầy đàn có thể hoạt động theo một phạm vi rộng trong một nhóm lớn và có thể hỗ trợ các nhóm khác mà không làm ảnh hƣởng đến hiệu suất hoạt động của mỗi bầy.

Đó chính là cơ chế phối hợp và chiến lƣợc phát triển hệ thống robot bầy đàn, điều này đảm bảo sự hoạt động của nhóm trong các nhóm khác. 7 - Tự tổ chức: Trong bầy đàn tất cả các robot đều có vai trò nhƣ nhau, không cần thiết phải có robot đứng đầu. - Chi phí thấp: mỗi cá thể robot trong bầy đàn đều có kết cấu cơ khí đơn giản và có thể sản xuất hàng loạt vì thế chi phí cho mỗi cá thể robot là rất thấp.2 Các nghiên cứu tổng quan về robot bầy đàn Robot bầy đàn là xu hƣớng nghiên cứu mới, có nhiều triển vọng trong lĩnh vực công nghệ robot. Với đặc th có tính trí tuệ cao mà không đòi hỏi công nghệ chế tạo phức tạp, robot bầy đàn ngày càng đƣợc quan tâm nghiên cứu.

Tuy nhiên mỗi công trình đều đƣa ra những mục tiêu nghiên cứu riêng. Di chuyển theo bầy là một trong những những vấn đề đƣợc nghiên cứu nhiều nhất trong robot bầy đàn dựa trên những cơ sở sinh học chặt chẽ đã có s n. Trong di chuyển theo bầy của đàn chim, mỗi con chim bay độc lập với đàn và không nghĩ về dạng của đàn.

Nội dung được bảo vệ bản quyền — Tải xuống đầy đủ

Luận Án Tiến Sĩ: Ổn Định Và Điều Khiển Đa Nhiệm Hệ Thống Robot Bầy Đàn là một nghiên cứu chuyên sâu về việc quản lý và điều khiển các hệ thống robot bầy đàn, tập trung vào tính ổn định và khả năng thực hiện đa nhiệm. Nghiên cứu này không chỉ cung cấp các giải pháp lý thuyết mà còn đưa ra các ứng dụng thực tiễn, giúp cải thiện hiệu suất và độ tin cậy của các hệ thống robot trong nhiều lĩnh vực như công nghiệp, y tế và quốc phòng. Độc giả sẽ được tiếp cận với các phương pháp tiên tiến, từ đó mở rộng hiểu biết và áp dụng vào các dự án liên quan.

Để khám phá thêm các nghiên cứu liên quan, bạn có thể tham khảo 2 tóm tắt luận án tiến sĩ tiếng việt ncs nguyễn khắc tấn, một tài liệu cung cấp cái nhìn tổng quan về các nghiên cứu khoa học. Ngoài ra, Luận văn đề xuất các giải pháp nhằm nâng cao hiệu quả áp dụng cũng là một nguồn tham khảo hữu ích để hiểu rõ hơn về các phương pháp tối ưu hóa trong nghiên cứu. Cuối cùng, Luận văn thạc sĩ xây dựng thuật toán trích xuất số phách trên phiếu trả lời trắc nghiệm của trường đại học phan thiết sẽ giúp bạn hiểu sâu hơn về ứng dụng của thuật toán trong thực tiễn.