Luận án Tiến sĩ: Giám sát và điều khiển robot qua mạng máy tính

Nghiên cứu giám sát và điều khiển robot qua mạng máy tính trong luận văn thạc sĩ VNU UET, khám phá công nghệ tiên tiến và ứng dụng thực tiễn.

• Tác giả: Phung Manh Duong
• Người hướng dẫn: Assoc. Dr Tran Quang Vinh
• Trường học: VNU University Of Engineering And Technology
• Chuyên ngành: Electronic Engineering
• Đề tài: Nghiên Cứu Vấn Đề Giám Sát Và Điều Khiển Robot Qua Mạng Máy Tính
• Loại tài liệu: Luận án tiến sĩ
• Năm xuất bản: 2015
• Địa điểm: Hà Nội

Mục lục chi tiết

• LỜI MỞ ĐẦU
• 1. CHƯƠNG 1: INTRODUCTION
• 1.1. Introduction to networked robot systems
• 1.2. Applications of networked robot systems
• 1.2.1. Industrial networked robots
• 1.2.2. Educational networked robots
• 1.2.3. Medical networked robots
• 1.2.4. Service networked robots
• 1.2.5. Other networked robots
• 1.3. Networked robots in Vietnam
• 1.4. Related works
• 1.4.1. Study of NRSs on localization
• 2. CHƯƠNG 2: SYSTEM MODEL
• 2.1. State-space representation of the NRS
• 2.2. The communications network
• 3. CHƯƠNG 3: LOCALIZATION USING OPTIMAL FILTER
• 3.1. Localization of NRSs
• 3.2. Localization of NRSs using past-observation based extended Kalman filter
• 3.2.1. The standard Kalman filter
• 3.2.2. Optimal filter for linear NRSs
• 3.2.3. Optimal filter for nonlinear NRSs
• 3.2.4. Implementation of the PO-EKF for the differential-drive network robot
• 3.2.4.1. Measurement of network state
• 3.2.4.2. Implementation of the prediction phase
• 3.2.4.3. Implementation of the correction phase
• 4. CHƯƠNG 4: MOTION CONTROL USING LYAPUNOV STABILITY THEORY AND PREDICTIVE FILTER
• 4.1. Stabilization of non-networked robot system
• 4.2. Stabilization of NRS
• 5. CHƯƠNG 5: NAVIGATION USING BEHAVIOR-BASED MODEL
• 5.1. Behavior-based navigation for NRSs
• LIST OF ABBREVIATIONS
• LIST OF TABLES
• LIST OF FIGURES
• LIST OF PUBLICATIONS RELATED TO THIS THESIS

Tóm tắt

I. Nghiên cứu về giám sát và điều khiển robot qua mạng máy tính

Nghiên cứu về giám sát robot và điều khiển robot qua mạng máy tính đã trở thành một lĩnh vực quan trọng trong công nghệ hiện đại. Luận văn này tập trung vào việc phát triển các phương pháp và công nghệ để tối ưu hóa việc điều khiển robot từ xa, giúp nâng cao hiệu quả và độ chính xác trong các ứng dụng thực tiễn.

1.1. Tổng quan về hệ thống robot kết nối mạng

Hệ thống robot kết nối mạng (NRS) cho phép người dùng điều khiển robot từ xa thông qua Internet hoặc mạng LAN. Các hệ thống này có thể được phân loại thành hai loại chính: robot tự động và robot điều khiển từ xa.

1.2. Lịch sử phát triển của robot qua mạng

Robot kết nối mạng lần đầu tiên xuất hiện vào năm 1994 với dự án Mercury, cho phép người dùng điều khiển robot để khai thác các hiện vật trong khu vực ô nhiễm. Kể từ đó, nhiều hệ thống robot đã được phát triển, phục vụ cho nhiều lĩnh vực khác nhau.

II. Thách thức trong giám sát và điều khiển robot qua mạng

Việc giám sát robot qua mạng máy tính gặp phải nhiều thách thức, bao gồm độ trễ trong truyền tải dữ liệu, mất mát thông điệp và độ tin cậy của hệ thống. Những vấn đề này cần được giải quyết để đảm bảo hiệu suất và độ chính xác của robot trong các ứng dụng thực tế.

2.1. Độ trễ và mất mát thông điệp

Độ trễ trong truyền tải dữ liệu có thể ảnh hưởng đến khả năng phản hồi của robot. Mất mát thông điệp cũng có thể dẫn đến việc robot không thực hiện đúng lệnh từ người điều khiển.

2.2. Độ tin cậy của hệ thống

Để đảm bảo rằng robot hoạt động hiệu quả, cần có các phương pháp để kiểm tra và cải thiện độ tin cậy của hệ thống, đặc biệt trong các môi trường không ổn định.

III. Phương pháp giám sát robot qua mạng hiệu quả

Để giải quyết các thách thức trong giám sát robot, nhiều phương pháp đã được đề xuất, bao gồm việc sử dụng các bộ lọc tối ưu và các giao thức truyền thông tiên tiến. Những phương pháp này giúp cải thiện độ chính xác và độ tin cậy trong việc điều khiển robot từ xa.

3.1. Sử dụng bộ lọc Kalman mở rộng

Bộ lọc Kalman mở rộng (EKF) là một trong những phương pháp hiệu quả nhất để ước lượng trạng thái của robot trong môi trường không chắc chắn. Phương pháp này giúp cải thiện độ chính xác trong việc xác định vị trí và hướng di chuyển của robot.

3.2. Giao thức truyền thông TCP IP

Giao thức TCP/IP là một trong những giao thức phổ biến nhất được sử dụng trong các hệ thống robot kết nối mạng. Nó đảm bảo rằng dữ liệu được truyền tải một cách đáng tin cậy và chính xác.

IV. Ứng dụng thực tiễn của robot qua mạng

Các ứng dụng của robot qua mạng rất đa dạng, từ công nghiệp đến y tế và giáo dục. Những ứng dụng này không chỉ giúp nâng cao hiệu quả công việc mà còn mở ra nhiều cơ hội mới trong việc phát triển công nghệ.

4.1. Robot trong công nghiệp

Robot kết nối mạng được sử dụng rộng rãi trong các nhà máy để tự động hóa quy trình sản xuất, giúp giảm thiểu chi phí và tăng năng suất.

4.2. Robot trong y tế

Robot y tế cho phép bác sĩ thực hiện các ca phẫu thuật từ xa, mang lại lợi ích cho bệnh nhân ở những khu vực xa xôi.

V. Kết luận và tương lai của nghiên cứu robot qua mạng

Nghiên cứu về giám sát và điều khiển robot qua mạng đang trên đà phát triển mạnh mẽ. Tương lai của lĩnh vực này hứa hẹn sẽ mang lại nhiều cải tiến và ứng dụng mới, đặc biệt trong bối cảnh công nghệ 4.0.

5.1. Xu hướng phát triển công nghệ

Công nghệ robot sẽ tiếp tục phát triển với sự tích hợp của trí tuệ nhân tạo và học máy, giúp robot trở nên thông minh hơn và tự động hơn.

5.2. Thách thức trong tương lai

Mặc dù có nhiều tiềm năng, nhưng việc đảm bảo an toàn và bảo mật cho các hệ thống robot kết nối mạng vẫn là một thách thức lớn cần được giải quyết.

Trích đoạn nội dung tài liệu

VIETNAM NATIONAL UNIVERSITY, HANOI ------------------------------------------ VNU UNIVERSITY OF ENGINEERING AND TECHNOLOGY Phung Manh Duong STUDY ON SUPERVISION AND CONTROL OF ROBOT OVER COMPUTER NETWORK DOCTORAL THESIS IN ELECTRONICS AND TELECOMMUNICATIONS TECHNOLOGY Hanoi - 2015 LUAN VAN CHAT LUONG download : add [e-mail] VIETNAM NATIONAL UNIVERSITY, HANOI ------------------------------------------ VNU UNIVERSITY OF ENGINEERING AND TECHNOLOGY Phung Manh Duong STUDY ON SUPERVISION AND CONTROL OF ROBOT OVER COMPUTER NETWORK Major: Electronic Engineering Code: 62 52 70 01 DOCTORAL THESIS IN ELECTRONICS AND TELECOMMUNICATIONS TECHNOLOGY SUPERVISOR: Assoc. Dr Tran Quang Vinh Hanoi - 2015 LUAN VAN CHAT LUONG download : add [e-mail] ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI ------------------------------------------ TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ Phùng Mạnh Dương NGHIÊN CỨU VẤN ĐỀ GIÁM SÁT VÀ ĐIỀU KHIỂN ROBOT QUA MẠNG MÁY TÍNH Chuyên ngành: Kỹ thuật Điện tử Mã số: 62 52 70 01 LUẬN ÁN TIẾN SĨ NGÀNH CÔNG NGHỆ ĐIỆN TỬ - VIỄN THÔNG NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC: PGS.TS Trần Quang Vinh Hà Nội - 2015 LUAN VAN CHAT LUONG download : add [e-mail] DECLARATION BY CANDIDATE I hereby declare that this thesis is my own work and effort and that it has not been submitted anywhere for any award. Where other sources of information have been used, they have been acknowledged. Author Phung Manh Duong i LUAN VAN CHAT LUONG download : add [e-mail] Acknowledgements This thesis has been completed with the contributions of many people.

First of all, I would like to express my special thanks Prof. Tran Quang Vinh, my supervisor, for his guidance, encouragement, and support. I was truly fortunate to have the opportunity to work with him as a PhD student. I am greatly indebted to Prof.

Kok Kiong Tan and the members of Mechatronics and Automation Laboratory for their support and advices during my research in Nation- al University of Singapore. I am grateful to Ms. Nguyen Thi Thanh Van and Mr. Tran Thuan Hoang for their supports on simulation and experiment in my research.

I would like to express my appreciation to the teachers and students in VNU-UET. When I started working in this college, I immediately noticed and valued the high level of communication and the free flow of ideas here. I do appreciate the National Foundation for Science and Technology Development (NAFOSTED) for their financial support for my attendance of international confer- ences. Finally, I owe special thanks to my family, who always accept and encourage my decisions in the professional and the personal fields over the past years.

ii LUAN VAN CHAT LUONG download : add [e-mail] Contents List of Abbreviations. vi List of Tables. viii List of Figures. ix Chapter 1: Introduction.1 Introduction to networked robot systems .2 Applications of networked robot systems .1 Industrial networked robots .2 Educational networked robots .3 Medical networked robots .4 Service networked robots .5 Other networked robots .6 Networked robots in Vietnam .1 Study of NRSs on localization .2 Study of NRSs on stabilization control.3 Study of NRSs on navigation.4 The goal of the research.5 The organization of this thesis .14 Chapter 2: System Model .1 State-space representation of the NRS .2 The communications network .42 Chapter 3: Localization Using Optimal Filter .43 iii LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.2 Localization of NRSs.3 Localization of NRSs using past-observation based extended Kalman filter 45 3.1 The standard Kalman filter .2 Optimal filter for linear NRSs .3 Optimal filter for nonlinear NRSs .4 Implementation of the PO-EKF for the differential-drive network robot .1 Measurement of network state .2 Implementation of the prediction phase .3 Implementation of the correction phase .75 Chapter 4: Motion Control Using Lyapunov Stability Theory and Predictive Filter .3 Stabilization of non-networked robot system .4 Stabilization of NRS .95 Chapter 5: Navigation Using Behavior-based Model .96 iv LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.2 Behavior-based navigation for NRSs.

117 List of Publications Related to This Thesis .123 v LUAN VAN CHAT LUONG download : add [e-mail] List of Abbreviations 2D Two-dimensional 3D Three-dimensional ADSL Asymmetric digital subscriber line ALCAP Access link control application part ARP Address resolution protocol CAN Controller area network CCD Charge-coupled device CSMA/CD Carrier sense multiple access with collision detection DARPA Defense advanced research projects agency EKF Extended Kalman filter FIP Factory instrumentation protocol GPS Global positioning system GUI Graphic user interface HTTP Hypertext transfer protocol ICMP Internet control message protocol ID Identifier IETF Internet engineering task force IGMP Internet group management protocol IP Internet protocol IRTP Interactive real-time protocol ISP Internet service providers LAN Local area network LAS Link active scheduler LEKF Lucas-extended Kalman filter LRF Laser range finder MAC Media access control vi LUAN VAN CHAT LUONG download : add [e-mail] MSSR Multi-sensor smart robot NRS Networked robot system NRSs Networked robot systems NS2 Network simulator ns-2 PC Personal computer PID Proportional-integral-derivative PO-EKF Past observation-based extended Kalman filter PO-KF Past observation-based Kalman filter PROFIBUS Process field bus QoS Quality of service RARP Reverse address resolution protocol RMSEs Root mean square errors RTCP RTP control protocol RTP Real-time transport protocol RTT Round-trip time STCP Stream control transmission protocol SNRP Simple network robot protocol TCP Transmission control protocol TEAR TCP emulation at receivers TICP Transparent inter-process communication UDP User datagram protocol VINT Virtual internetwork test VPN Virtual private network vii LUAN VAN CHAT LUONG download : add [e-mail] List of Tables Table 2.1: Summary of data classification and transport protocols .1: Normalized computational burden of filters .2: Normalized computational burden of filters .3: Network parameters during experiments .1: Fuzzy rules of the user following behaviors.2: Fuzzy rules of the obstacle avoidance behavior .3: Rules for determination of behaviors .106 viii LUAN VAN CHAT LUONG download : add [e-mail] List of Figures Figure 1.1: The coal mining networked robot system[36] .2: A telerobotic laboratory platform[82] .3: The telesurgical system [14] .4: Service networked robots in urban areas [62] .5: Schematic structure of the thesis.1: The robot’s pose and parameters.2: Model of the NRS.3: Timing of signals in the NRS.4: Clock offset estimation.5: Overview of the developed NRS.6: Hardware configuration of the robot.7: Operation of the compass sensor.8: Operation of the omni-directional camera.9: Operation of the laser range finder [68] .10: Communications scheme between sensors and actuators.11: Graphic user interface of the control software written in Microsoft Visual C++.12: Network topology in simulations.13: Characteristics of RTP, TCP and UDP in case of no network congestion .14: Characteristics of RTP, TCP and UDP in case of network congestion .15: Data communications in the NRS using multi-protocol model.16: Network state during the experiment .17: Images transmitted by two different transport protocols .1: An ordinary theory trajectory of the robot in the motion plane.62 ix LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.2: An extreme theory trajectory of the robot in the motion plane.3: The theory, true and observation trajectories in X direction.4: The EKF, LEKF, PO-EKF, and true trajectories in the motion plane.5: RMSE of the EKF, LEKF, PO-EKF estimation and the true trajectories in X direction.6: RMSE between the EKF, LEKF, PO-EKF and the true trajectories in Y direction.7: RMSE between the EKF, LEKF, PO-EKF and the true trajectories in orientation.8: The EKF, LEKF, PO-EKF, and true trajectories of the robot in the motion plane.9: RMSE between the EKF, LEKF, PO-EKF and the true trajectories in X direction.10: RMSE between the EKF, LEKF, PO-EKF and the true trajectories in Y orientation.11: RMSE between the EKF, LEKF, PO-EKF and the true trajectories in orientation.12: Experimental configuration with local Internet service providers.13: Experimental configuration with VPN connections to the servers located at the United State.14: Comparison between the EKF, LEKF and PO-EKF in local configuration .15: Comparison between the EKF, LEKF and PO-EKF in VPN configuration .16: Estimate by the PO-EKF with uniform distribution noise .17: Estimate by the PO-EKF with non-zero mean noise .1: The goal of the controller.2: The robot poses and navigation variables.3: NRS with the presence of a state estimator.84 x LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.4: Stable control of the non-networked robot system.5: Velocities during the stable control of the non-networked robot system .6: Stable control of the NRS without using the predictive filter .7: Velocities of the robot during the stable control without using the predictive filter .8: Stable control of the NRS with the use of the predictive filter .9: Velocities of the robot during the stable control with the use of the predictive filter .10: Setup of the experimental environment.11: Stable control of NRS with the use of the predictive filter .12: Velocities of the robot during the stable control with the use of the predictive filter .13: Trajectories of the robot during the stable control with different control parameters.14: RMSE of the predictive filter with the time-out value set to 5 seconds .1: General navigation scheme for mobile robot systems.2: An architecture of the behavior-based navigation.3: The architecture of our behavior-based navigation system.4: Membership function of the network delay input.5: Membership function of the command state input.6: Membership function of the adjusting ratio output.7: The membership functions of input variables Dright, Dforward, and Dleft.8: The membership functions of output variables ωL and ωR.9: Configuration of sonar sensors in simulations.10: Result of the behavior-based navigation.11: Network state during navigation.12: Angular velocities of the left and right wheels during navigation. 110 xi LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.13: Experimental setup with the start position, target position, .14: Result of the behavior-based navigation.15: Network state during the user following process.16: Angular velocities of the left and right wheels during the user- following process.17: Distance to objects measured by the front sonar during navigation.18: Angular velocities of the left and right wheels during navigation.19: A sequence of images showing the motion of robot during the navigation. 115 xii LUAN VAN CHAT LUONG download : add [e-mail] Chapter 1 Introduction 1.1 Introduction to networked robot systems Appeared in 1994, the first networked robot system (NRS) had received over 2.5 million accesses for seven months. The system namely Mercury project permitted Internet users to operate a manipulator to excavate artifacts buried in a nuclear con- taminated region to look for evidence of ancient water flows [27].

In the next seven years, over forty such systems had been developed allowing users to remotely visit museums, tend gardens, navigate undersea, float in blimps, and handle protein crys- tals [25, 26, 48, 63, 76]. This new trend attracted the IEEE Society of Robotics and Automation and the name Networked Robots was created in 2004 with the follow- ing definition [62]: “A networked robot is a robotic device connected to a communications net- work such as the Internet or LAN. The network could be wired or wireless, and based on any of a variety of protocols such as TCP, UDP, or 802.” To reflect a broader set of problems and applications, the definition was extend- ed to include two subclasses of networked robot systems (NRSs): the autonomous systems and the teleoperated (manual) systems. • Autonomous NRSs: In autonomous systems, the controller generates control signals to operate the robot.

The robot (including actuators and sensors) com- municates with the controller via the network. The network extends the effective operating range of the robot, allowing multiple robots to communicate with each other over long distances to coordinate their activity. 1 LUAN VAN CHAT LUONG download : add [e-mail] • Teleoperated NRSs: In teleoperated systems, human operators send commands to the robot. The robot executes the commands and returns feedback to the oper- ators via the network.

Input devices and user graphic interfaces are used to sup- port the operator. They act as a passive controller to translate operator’s com- mands to control signals. NRSs call for the integration of several fields: robotics, perception (sensor sys- tems), ubiquitous computing, artificial intelligence, and network communications. The topics of NRSs transcend ‘‘conventional’’ robotic problems such as localization and motion control to the type of distributed systems over heterogeneous communi- cations networks.