Luận Văn Thạc Sĩ: Quy Hoạch Đường Đi Cho Robot 4 Bánh Sử Dụng Giải Thuật Tối Ưu

MỞ ĐẦU

0.1. Tổng quan tình hình nghiên cứu

0.2. Lý do chọn đề tài

0.3. Mục tiêu đề tài

0.4. Phương pháp nghiên cứu

0.5. Đối tượng và phạm vi nghiên cứu

1. CHƯƠNG 1: CƠ SỞ LÝ THUYẾT

1.1. Tổng quan về robot di động

1.1.1. Giới thiệu về robot di động

1.1.2. Phân loại robot di động

1.1.3. Ràng buộc Nonholonomic trong robot di động

1.2. Cấu trúc robot di động Car-like

1.3. Lập kế hoạch đường đi và các giải thuật tìm đường đi của robot di động

1.3.1. Giới thiệu về lập kế hoạch đường đi

1.3.2. Một số phương pháp, giải thuật sử dụng để lập kế hoạch đường đi

1.4. Lý thuyết về giải thuật di truyền

1.4.1. Giới thiệu chung về giải thuật di truyền

1.4.2. Giải thuật di truyền cơ bản

1.4.3. Các toán tử trong giải thuật di truyền

1.5. Lý thuyết trường thế năng

1.5.1. Giới thiệu về trường thế năng

1.5.2. Trường thế năng đẩy

1.6. Lý thuyết phương pháp đường cong Dubins

1.6.1. Giới thiệu về đường cong Dubins

1.6.2. Tính toán quỹ đạo cho đường cong Dubins

1.6.3. Các loại đường cong Dubins

1.7. Lý thuyết cảm biến Lidar

1.8. Lý thuyết cảm biến dò line

1.8.1. Giới thiệu chung

1.8.2. Nguyên lý hoạt động

1.9. Lý thuyết giao tiếp UART

1.9.1. Khái niệm giao tiếp UART

1.9.2. Cách thức hoạt động

1.10. Lý thuyết bộ điều khiển PID

1.10.1. Định nghĩa bộ điều khiển PID

1.10.2. Cấu trúc của bộ điều khiển PID

2. CHƯƠNG 2: KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU

2.1. Thiết kế giải thuật tìm đường đi tối ưu cho robot di động Car-like dựa trên sự kết hợp ba phương pháp

2.1.1. Tìm đường đi ngắn nhất bằng giải thuật di truyền

2.1.2. Áp dụng trường thế năng đẩy cải thiện việc tránh vật cản

2.1.3. Làm mượt đường đi bằng đường cong Dubins

2.2. Lập trình giải thuật tìm đường đi tối ưu cho robot di động Car-like

2.2.1. Chương trình chính giải thuật tìm đường đi tối ưu

2.2.2. Chương trình sử dụng GA tìm đường đi ngắn nhất

2.2.3. Chương trình áp dụng RPF cải thiện việc tránh vật cản

2.2.4. Chương trình làm mượt đường đi bằng đường cong Dubins

2.3. Động học của robot di động Car-like

2.3.1. Ràng buộc Nonholonomic

2.3.2. Động học thuận của Car-like robot

2.4. Thiết kế mô hình robot di động Car-like

2.4.1. Sơ đồ khối mô hình

2.4.2. Lựa chọn linh kiện, thiết bị cho mô hình

2.4.3. Thiết kế bố trí linh kiện và thi công mô hình

2.4.4. Sơ đồ đi dây trong mô hình robot

2.4.5. Xây dựng giải thuật cho robot di động Car-like di chuyển dò line sử dụng bộ điều khiển PID

2.4.6. Lập trình giải thuật cho robot di chuyển bám line

2.4.6.1. Chương trình chính giải thuật di chuyển bám line

2.4.6.2. Chương trình con tính luật điều khiển PD

2.4.6.3. Chương trình con đọc giá trị từ cảm biến dò line và tính sai số

2.4.6.4. Chương trình con tính giá trị góc lái và xuất tín hiệu điều khiển động cơ servo

3. CHƯƠNG 3: ĐÁNH GIÁ KẾT QUẢ

3.1. Kết quả mô phỏng giải thuật tìm đường đi tối ưu cho robot di động Car-like trên Matlab

3.1.1. Trường hợp 1: Mô phỏng trên bản đồ đơn giản

3.1.2. Trường hợp 2: Mô phỏng trên bản đồ phức tạp

3.2. Kết quả thực nghiệm robot di chuyển bám line

3.3. Kết quả thực nghiệm thu thập dữ liệu từ cảm biến Lidar

KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ

TÀI LIỆU THAM KHẢO

MINH CHỨNG SẢN PHẨM ĐỀ TÀI

I. Quy hoạch đường đi

Quy hoạch đường đi là trọng tâm của luận văn, tập trung vào việc tối ưu hóa lộ trình di chuyển cho robot 4 bánh. Nghiên cứu sử dụng giải thuật tối ưu để xác định đường đi ngắn nhất và hiệu quả nhất, đảm bảo robot có thể di chuyển trong môi trường có vật cản. Phương pháp kết hợp giải thuật di truyền, trường thế năng, và đường cong Dubins được đề xuất để giải quyết bài toán này.

1.1. Giải thuật di truyền

Giải thuật di truyền được áp dụng để tìm đường đi ngắn nhất. Phương pháp này mô phỏng quá trình tiến hóa tự nhiên, sử dụng các toán tử như chọn lọc, lai ghép, và đột biến để tạo ra các giải pháp tối ưu. Kết quả mô phỏng cho thấy hiệu quả của giải thuật trong việc tìm đường đi trong môi trường đơn giản và phức tạp.

1.2. Trường thế năng

Trường thế năng được sử dụng để cải thiện khả năng tránh vật cản của robot. Phương pháp này tạo ra lực hút từ điểm đích và lực đẩy từ vật cản, giúp robot di chuyển an toàn. Kết quả thực nghiệm cho thấy sự kết hợp giữa trường thế năng và giải thuật di truyền mang lại hiệu quả cao.

1.3. Đường cong Dubins

Đường cong Dubins được áp dụng để làm mượt đường đi, loại bỏ các góc nhọn và tối ưu hóa quỹ đạo di chuyển. Phương pháp này đặc biệt hữu ích trong việc điều khiển robot 4 bánh với ràng buộc Nonholonomic.

II. Hệ thống điều khiển robot

Luận văn tập trung vào việc thiết kế hệ thống điều khiển cho robot 4 bánh, bao gồm các thành phần như cảm biến, bộ điều khiển, và thuật toán di chuyển. Bộ điều khiển PID được sử dụng để điều khiển robot di chuyển bám theo đường line, đảm bảo độ chính xác và ổn định.

2.1. Cảm biến Lidar

Cảm biến Lidar được tích hợp để thu thập dữ liệu môi trường, giúp robot phát hiện và tránh vật cản. Kết quả thực nghiệm cho thấy khả năng hoạt động hiệu quả của cảm biến trong việc xác định vị trí vật cản.

2.2. Bộ điều khiển PID

Bộ điều khiển PID được sử dụng để điều khiển robot di chuyển bám theo đường line. Thuật toán này tính toán sai số và điều chỉnh góc lái, đảm bảo robot di chuyển chính xác theo đường line đã định.

III. Đánh giá kết quả

Kết quả nghiên cứu được đánh giá thông qua mô phỏng và thực nghiệm. Mô phỏng trên Matlab cho thấy hiệu quả của giải thuật tối ưu trong việc tìm đường đi ngắn nhất và tránh vật cản. Thực nghiệm trên mô hình robot 4 bánh cho thấy khả năng di chuyển bám line và phát hiện vật cản của robot.

3.1. Mô phỏng trên Matlab

Kết quả mô phỏng trên Matlab cho thấy hiệu quả của giải thuật di truyền trong việc tìm đường đi ngắn nhất. Sự kết hợp với trường thế năng và đường cong Dubins giúp tối ưu hóa đường đi và tránh vật cản.

3.2. Thực nghiệm trên mô hình robot

Thực nghiệm trên mô hình robot 4 bánh cho thấy khả năng di chuyển bám line và phát hiện vật cản. Cảm biến Lidar và bộ điều khiển PID hoạt động hiệu quả, đảm bảo robot di chuyển chính xác và an toàn.

IV. Ứng dụng thực tế

Nghiên cứu có tiềm năng ứng dụng cao trong các lĩnh vực như hệ thống tự động hóa, nhà kho thông minh, và xe tự hành. Giải thuật tối ưu và hệ thống điều khiển được đề xuất có thể được áp dụng để tối ưu hóa quy trình làm việc và giảm thiểu thời gian di chuyển của robot.

4.1. Nhà kho thông minh

Nghiên cứu có thể được áp dụng trong nhà kho thông minh, giúp robot di chuyển và vận chuyển hàng hóa một cách hiệu quả. Giải thuật tối ưu giúp tối ưu hóa lộ trình di chuyển, giảm thiểu thời gian và chi phí.

4.2. Xe tự hành

Nghiên cứu cũng có thể được áp dụng trong xe tự hành, giúp xe di chuyển an toàn và hiệu quả trong môi trường có vật cản. Hệ thống điều khiển và cảm biến Lidar đảm bảo xe có thể phát hiện và tránh vật cản một cách chính xác.

Luận Văn Thạc Sĩ: Quy Hoạch Đường Đi Cho Robot 4 Bánh Bằng Giải Thuật Tối Ưu