Luận Văn Thạc Sĩ: Tự Động Hóa Thiết Kế Quỹ Đạo Và Điều Khiển Tối Ưu Cho Robot Di Động

• Tác giả: Nguyễn Việt Khoa
• Người hướng dẫn: PGS. Huỳnh Thái Hoàng
• Trường học: Đại học Bách Khoa - Đại học Quốc gia TP. HCM
• Chuyên ngành: Tự động hóa
• Đề tài: Thiết kế quỹ đạo và điều khiển tối ưu robot di động
• Loại tài liệu: Luận văn thạc sĩ
• Năm xuất bản: 2014
• Địa điểm: TP. Hồ Chí Minh

• LỜI CẢM ƠN
• 1. CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN
• 1.1. Sơ lược các phương pháp hoạch định quỹ đạo
• 1.2. Lý do chọn đề tài
• 1.3. Tính cấp thiết của đề tài
• 1.4. Mục tiêu và giới hạn đề tài
• 1.5. Sơ lược nội dung luận văn
• 2. CHƯƠNG 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT
• 2.1. Thuật toán Limit cycle
• 2.1.1. Limit cycle với vòng ảo là đường tròn
• 2.2. Sơ đồ cấu trúc điều khiển
• 2.3. Các bộ điều khiển cơ bản trong limit cycle
• 2.3.1. Bộ điều khiển đi đến mục tiêu
• 2.3.2. Bộ điều khiển tránh vật cản
• 2.3.3. Các bước thực hiện thuật toán tránh vật cản
• 2.4. Thuật toán bám theo quá khứ
• 2.4.1. Di chuyển theo góc định hướng được lưu lại (φβ)
• 2.4.2. Di chuyển về quỹ đạo (φα)
• 2.5. Lệnh hợp nhất
• 2.5.1. Lưu đồ thuật toán bám theo quá khứ
• 2.6. Giải thuật di truyền
• 2.6.1. Lai ghép NST mã số thực
• 2.6.1.1. Lai ghép đơn giản
• 2.6.1.2. Lai ghép rời rạc
• 2.6.1.3. Lai ghép BLX-α
• 2.6.2. Lai ghép số học
• 2.6.2.1. Lai ghép đường thẳng
• 2.6.2.2. Lai ghép trực giác
• 2.6.2.3. Lai ghép tuyến tính BGA
• 2.6.3. Đột biến mã số thực
• 2.6.3.1. Đột biến ngẫu nhiên
• 2.6.3.2. Đột biến không đồng nhất
• 2.6.3.3. Đột biến Muhlennein
• 2.6.3.4. Đột biến rời rạc
• 2.6.3.5. Đột biến liên tục
• 3. CHƯƠNG 3: THIẾT KẾ QUỸ ĐẠO ĐI TỐI ƯU CHO ROBOT
• 3.1. Robot tránh nhiều vật cản
• 3.1.1. Định nghĩa bẫy cục bộ
• 3.1.2. Gom nhiều vật cản nhỏ thành một vật cản lớn
• 3.1.2.1. Gom theo đường tròn
• 3.1.2.2. Gom theo đường ellipse
• 3.1.3. Limit cycle ellipse
• 3.1.4. Sơ đồ cấu trúc điều khiển
• 3.1.5. Bộ điều khiển tránh vật cản của limit cycle ellipse
• 3.2. Giải thuật tránh vật cản với limit cycle ellipse
• 3.2.1. Giải thuật cho việc gom vật cản
• 3.2.2. Chọn lựa vật cản để tránh
• 3.2.2.1. Xác định vật cản thật sự gây cục bộ
• 3.2.2.2. Lưu đồ giải thuật xác định bẫy cục bộ
• 3.2.3. Thoát khỏi bẫy cục bộ
• 3.2.4. Không gian cục bộ
• 3.2.5. Chọn vùng không gian ưu tiên cho robot
• 3.3. Tối ưu quỹ đạo dùng thuật toán GA
• 3.3.1. Giải thuật di truyền (GA) mã số thực
• 3.3.2. Xây dựng hàm thích nghi
• 3.3.3. Lưu đồ tổng quát các bước thực hiện giải thuật GA
• 3.4. Thiết kế và thi công mô hình phần cứng
• 3.4.1. Mô hình phần cứng robot
• 3.4.2. Các thiết bị phần cứng đính kèm trên iRobot
• 3.4.2.1. Cảm biến 3D Kinect – Microsoft
• 3.4.2.2. Mạch nguồn cho cảm biến Kinect
• 3.4.2.3. Cảm biến Gyro - Analog Device
• 3.4.2.4. Cảm biến đo xa laser LRF hãng Hokuyo – Nhật
• 3.4.2.5. Mạch nguồn cảm biến đo xa laser
• 3.4.3. Mô hình điều khiển tổng thể robot
• 4. CHƯƠNG 4: KẾT QUẢ ĐIỀU KHIỂN
• 4.1. Kết quả mô phỏng trên Matlab
• 4.1.1. Kết quả mô phỏng sử dụng thuật toán limit cycle vòng tròn
• 4.2. Kết quả mô phỏng sử dụng thuật toán limit cycle ellipse
• 4.3. Kết quả mô phỏng sử dụng thuật toán limit cycle kết hợp giải thuật di truyền GA
• 4.3.1. Mô phỏng trên căn hộ chung cư thứ 1
• 4.3.2. Kết quả mô phỏng trên căn hộ chung cư thứ 1
• 4.3.3. Mô phỏng trên căn hộ chung cư thứ 2
• 4.3.4. Kết quả mô phỏng trên căn hộ chung cư thứ 2
• 5. CHƯƠNG 5: KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN ĐỀ TÀI
• 5.1. Kết quả đạt được của đề tài
• 5.2. Hướng nghiên cứu và phát triển của đề tài
• TÀI LIỆU THAM KHẢO
• LÝ LỊCH TRÍCH NGANG

I. Tự động hóa trong thiết kế quỹ đạo robot di động

Luận văn tập trung vào tự động hóa quá trình thiết kế quỹ đạo và điều khiển tối ưu cho robot di động. Phương pháp limit cycle được sử dụng để tạo quỹ đạo trơn, ổn định, giúp robot tránh vật cản và đến đích an toàn. Quỹ đạo được thiết kế dựa trên vòng ảo bao quanh vật cản, bao gồm cả hình tròn và ellipse. Tính ổn định của hệ thống được chứng minh thông qua tiêu chuẩn Lyapunov. Hệ thống điều khiển được phân cấp để lựa chọn hành vi phù hợp cho robot trong các môi trường khác nhau.

1.1. Ứng dụng của tự động hóa trong robot di động

Tự động hóa đóng vai trò quan trọng trong việc nâng cao hiệu quả của robot di động. Luận văn đề xuất kết hợp limit cycle với giải thuật di truyền (GA) để tối ưu hóa quỹ đạo di chuyển trong môi trường phức tạp như căn hộ chung cư. Phương pháp này giúp robot tránh được các bẫy cục bộ và tìm đường đi tối ưu. Công nghệ tự động hóa được áp dụng để xây dựng mô hình phần cứng, kiểm chứng kết quả mô phỏng trên phần mềm Matlab.

II. Thiết kế quỹ đạo tối ưu cho robot di động

Luận văn đề cập đến việc thiết kế quỹ đạo tối ưu cho robot di động trong môi trường có nhiều vật cản. Phương pháp limit cycle được kết hợp với giải thuật di truyền (GA) để tìm quỹ đạo ngắn nhất và an toàn nhất. Quỹ đạo được thiết kế để đảm bảo tính trơn, ổn định, tránh rung lắc và dao động. Tối ưu hóa quỹ đạo được thực hiện thông qua việc xác định các vùng không gian ưu tiên và thoát khỏi bẫy cục bộ.

2.1. Kết hợp limit cycle và giải thuật di truyền

Limit cycle và giải thuật di truyền (GA) được kết hợp để tối ưu hóa quỹ đạo di chuyển của robot. Phương pháp này giúp robot tránh được các vật cản phức tạp và tìm đường đi tối ưu trong môi trường toàn cục. Quỹ đạo chuyển động được thiết kế dựa trên các không gian hướng ra của căn phòng, đảm bảo tính linh hoạt và hiệu quả. Kết quả mô phỏng trên Matlab cho thấy tính khả thi của phương pháp này.

III. Hệ thống điều khiển thông minh cho robot di động

Luận văn đề xuất một hệ thống điều khiển thông minh cho robot di động, bao gồm các bộ điều khiển cơ bản như đi đến mục tiêu và tránh vật cản. Điều khiển tự động được thực hiện thông qua các thuật toán bám theo quá khứ và hợp nhất lệnh. Hệ thống robot được thiết kế để hoạt động ổn định trong nhiều môi trường khác nhau, từ căn hộ chung cư đến các không gian phức tạp.

3.1. Các bộ điều khiển cơ bản

Hệ thống điều khiển bao gồm các bộ điều khiển cơ bản như đi đến mục tiêu và tránh vật cản. Bộ điều khiển tránh vật cản được thiết kế dựa trên limit cycle, giúp robot di chuyển an toàn trong môi trường có nhiều vật cản. Điều khiển thông minh được thực hiện thông qua các thuật toán bám theo quá khứ và hợp nhất lệnh, đảm bảo tính ổn định và hiệu quả của hệ thống.

IV. Ứng dụng thực tiễn và kết quả mô phỏng

Luận văn trình bày kết quả mô phỏng trên Matlab, sử dụng limit cycle và giải thuật di truyền (GA) để thiết kế quỹ đạo tối ưu cho robot di động. Kết quả cho thấy tính khả thi và hiệu quả của phương pháp trong các môi trường khác nhau, từ căn hộ chung cư đến các không gian phức tạp. Robot tự hành được thiết kế và thi công để kiểm chứng kết quả mô phỏng, đảm bảo tính ứng dụng thực tiễn của nghiên cứu.

4.1. Kết quả mô phỏng trên Matlab

Kết quả mô phỏng trên Matlab cho thấy hiệu quả của limit cycle và giải thuật di truyền (GA) trong việc thiết kế quỹ đạo tối ưu cho robot di động. Quỹ đạo chuyển động được thiết kế để đảm bảo tính trơn, ổn định và an toàn. Kết quả mô phỏng trên các căn hộ chung cư cho thấy tính khả thi và hiệu quả của phương pháp trong các môi trường phức tạp.

V. Kết luận và hướng phát triển

Luận văn kết luận rằng phương pháp limit cycle kết hợp với giải thuật di truyền (GA) là một giải pháp hiệu quả để thiết kế quỹ đạo và điều khiển tối ưu cho robot di động. Nghiên cứu mở ra hướng phát triển mới trong lĩnh vực tự động hóa và hệ thống robot, đặc biệt là ứng dụng trong các môi trường phức tạp như căn hộ chung cư. Robot tự hành được kỳ vọng sẽ trở thành một phần không thể thiếu trong cuộc sống hiện đại.

5.1. Hướng phát triển trong tương lai

Nghiên cứu mở ra hướng phát triển mới trong lĩnh vực tự động hóa và hệ thống robot. Robot di động tự động được kỳ vọng sẽ trở thành một phần không thể thiếu trong cuộc sống hiện đại, đặc biệt là trong các ứng dụng như lau nhà, vận chuyển và hỗ trợ người già. Các nghiên cứu tiếp theo sẽ tập trung vào việc nâng cao tính thông minh và khả năng thích ứng của robot trong các môi trường phức tạp.