Luận văn thạc sĩ về điều khiển đội hình robot di động theo quỹ đạo trong kỹ thuật cơ điện tử

Luận văn thạc sĩ kỹ thuật nghiên cứu kỹ thuật cơ điện tử điều khiển đội hình robot di động di chuyển theo quỹ đạo cho trước, khảo sát thực trạng, phân tích nguyên nhân, đề xuất

• Tác giả: Nguyễn Kim Đăng
• Người hướng dẫn: TS. Trần Việt Hồng
• Trường học: Đại học Bách Khoa - ĐHQG - HCM
• Chuyên ngành: Kỹ thuật Cơ Điện Tử
• Đề tài: Điều Khiển Đội Hình Robot Di Động Di Chuyển Theo Quỹ Đạo Cho Trước
• Loại tài liệu: luận văn thạc sĩ
• Năm xuất bản: 2017
• Địa điểm: TP. Hồ Chí Minh

Tóm tắt

I. Tổng quan về hệ thống đa robot

Hệ thống đa robot là một tập hợp các robot hoạt động đồng bộ nhằm đạt được mục tiêu chung. Việc nghiên cứu về hệ thống này bắt nguồn từ những ưu điểm của sự hợp tác giữa các robot, cho phép thực hiện các nhiệm vụ phức tạp mà một robot đơn lẻ không thể làm được. Hệ thống này có thể được ứng dụng trong nhiều lĩnh vực như tìm kiếm cứu nạn, khám phá, và vận chuyển. Đặc biệt, nghiên cứu về robot di động đã chỉ ra rằng khả năng phối hợp giữa các robot có thể nâng cao hiệu quả và độ tin cậy trong các tình huống khó khăn. Theo thống kê, số lượng nghiên cứu về đội hình đa robot đã tăng mạnh từ năm 2000, cho thấy sự quan tâm ngày càng lớn đến lĩnh vực này.

1.1. Đội hình đa robot di động

Đội hình đa robot di động được chia thành hai loại: đội hình đứng yên và đội hình di chuyển. Đối với đội hình di chuyển, các robot không chỉ phải hình thành đội hình mà còn duy trì nó trong khi di chuyển. Việc nghiên cứu này rất quan trọng trong các ứng dụng như cứu hộ, giám sát, và quân sự. Các robot trong đội hình cần phải tránh va chạm với nhau và các vật cản, đồng thời duy trì khoảng cách và góc tương đối với nhau. Điều này đòi hỏi phải có các thuật toán điều khiển chính xác để đảm bảo tính ổn định và hiệu quả trong quá trình di chuyển.

II. Cơ sở lý luận về điều khiển robot

Nghiên cứu về điều khiển robot bao gồm nhiều chiến lược khác nhau, trong đó nổi bật là chiến lược dẫn đầu – bám theo. Trong mô hình này, một robot sẽ đóng vai trò dẫn đầu, trong khi các robot còn lại sẽ bám theo và duy trì khoảng cách nhất định với robot dẫn đầu. Điều này giúp các robot có thể di chuyển theo quỹ đạo cho trước một cách hiệu quả. Việc áp dụng thuật toán điều khiển như phương pháp Lyapunov giúp đảm bảo tính ổn định cho đội hình. Hệ thống cảm biến trên robot cung cấp thông tin về vận tốc và vị trí, từ đó giúp robot điều chỉnh hành vi của mình để duy trì đội hình.

2.1. Chiến lược điều khiển

Có nhiều chiến lược điều khiển được đề xuất, như điều khiển dựa trên hành vi, lý thuyết trường thế năng, và lý thuyết đồ thị. Mỗi chiến lược có những ưu điểm và nhược điểm riêng. Chẳng hạn, chiến lược điều khiển dựa trên hành vi dễ dàng triển khai nhưng thiếu tính chính xác. Ngược lại, chiến lược dựa trên lý thuyết trường thế năng có thể giúp các robot tránh va chạm hiệu quả hơn. Sự kết hợp giữa các chiến lược này có thể tạo ra một hệ thống điều khiển linh hoạt và hiệu quả hơn trong việc duy trì đội hình robot.

III. Kết quả mô phỏng và ứng dụng thực tiễn

Luận văn đã tiến hành mô phỏng điều khiển đội hình hai và ba robot di động di chuyển theo quỹ đạo thẳng và đường tròn. Kết quả cho thấy rằng các robot có thể duy trì đội hình một cách ổn định, ngay cả khi có sự thay đổi trong điều kiện môi trường. Mô phỏng này không chỉ chứng minh tính khả thi của các thuật toán điều khiển mà còn mở ra hướng nghiên cứu mới trong việc phát triển các ứng dụng thực tiễn cho robot thông minh. Các ứng dụng này có thể bao gồm vận chuyển hàng hóa, cứu hộ trong các tình huống khẩn cấp, và thậm chí là trong các hoạt động quân sự.

3.1. Ứng dụng trong thực tiễn

Khả năng ứng dụng của hệ thống đa robot là rất lớn. Chẳng hạn, trong lĩnh vực tìm kiếm cứu hộ, các robot có thể phối hợp với nhau để tìm kiếm nạn nhân trong các khu vực rộng lớn. Trong nông nghiệp, robot có thể được sử dụng để tự động hóa các quy trình như thu hoạch hoặc gieo trồng. Những ứng dụng này không chỉ giúp tăng hiệu quả công việc mà còn giảm thiểu rủi ro cho con người. Nghiên cứu về cảm biến robot và công nghệ tự động hóa sẽ tiếp tục là những lĩnh vực quan trọng trong tương lai.

Trích đoạn nội dung tài liệu

Chương 1: Tổng quan về hệ thống đa robot, tình nghiên cứu về đa robot và tổng hợp nội dung của các nghiên cứu về điều khiển đội hình đa robot. 11 Luận văn thạc sĩ kỹ thuật HV: Nguyễn Kim Đăng Chương 2: Trình bày cơ sở lý luận về điều khiển đội hình đa robot theo chiến lược dẫn đầu – bám theo, phân tích động học của một robot di động. Đồng thời trình bày về tiêu chuẩn ổn định Lyapunov được sử dụng trong đề tài. Chương 3: Mô hình hóa đội hình đa robot, phân tích sai số động học tư thế của robot bám theo và giải thuật điều khiển theo phương pháp Lyapunov trực tiếp.

Chương 4: Thực hiện mô phỏng hình thành đội hình và duy trì đội hình đa robot bám theo quỹ đạo đường thẳng và đường tròn. Nhận xét và đánh giá kết quả mô phỏng. Chương 5: Kết luận về việc thực mục tiêu và nhiệm vụ đã đề ra của luận văn. 12 Luận văn thạc sĩ kỹ thuật HV: Nguyễn Kim Đăng CHƯƠNG 2: CƠ SỞ LÝ LUẬN 2.

Chiến lược điều khiển dẫn đầu – bám theo Hình dạng đội hình trong chiến lược điều khiển dẫn đầu – bám theo được định nghĩa bằng thông số khoảng cách (L) và góc tương đối (ψ) giữa robot dẫn đầu và robot bám theo. Dựa vào một trong hai hoặc cả hai thông số này, ta xác định được ba mô hình dẫn đầu bám theo như Hình 2. Để thuận tiện trong việc minh họa, tác giả sử dụng RL và RF ký hiệu cho robot dẫn đầu, robot bám theo. VL VL1 VL2 VL1 VL2 ψ ψ12 ψ11 RL RL1 RL2 RL1 RL2 VF VF VF RF RF1 RF1 (a) (b) (c) Hình 2.

Các mô hình robot dẫn đầu – bám theo (a) Dựa vào khoảng cách và góc, (b) Dựa vào hai khoảng cách, (c) Dựa vào hai góc - Mô hình dẫn đầu – bám theo dựa vào thông số khoảng cách và góc tương đối giữa hai robot [35][26] (Hình 2.1(a)) có cấu trúc đơn giản, thường được áp dụng trong nghiên cứu nhóm robot có từ hai thành viên. Mô hình này có thể mở rộng bằng cách sử dụng các robot bám theo đồng thời giữ vai trò dẫn đầu cho những thành viên khác sau nó [36] (Hình 2.2) VL RL VF1 VF2 RF1 RF2 ψ4 VF3 VF4 VF5 RF3 RF4 RF5 Hình 2. Mô hình dẫn đầu – bám theo mở rộng dựa vào khoảng cách và góc 13 Luận văn thạc sĩ kỹ thuật HV: Nguyễn Kim Đăng - Đối với mô hình hình dẫn đầu - bám theo chỉ dựa vào thông số hai khoảng cách (Hình 2.1(b)) hoặc thông số hai góc tương đối (Hình 2.1(c)) có cấu trúc tương tự nhau ( một robot bám theo hai robot dẫn dầu), nhưng vấn đề đo lường góc tương đối giữa hai robot sẽ phức tạp hơn so với đo lường khoảng cách giữa chúng, nên trong nhiều nghiên cứu khi sử dụng loại cấu trúc này, thì chỉ sử dụng mô hình dựa vào thông số hai khoảng cách. Cấu trúc hai robot dẫn đầu – một robot bám theo áp dụng trong nhóm robot có từ ba thành viên.

Hai loại cấu trúc này thông thường được sử dụng kết hợp với nhau [18][19] để tạo ra liên kết đội hình bền vững hơn (Hình 1. Trong giới hạn của luận văn này, tác giả chỉ thực hiện khảo sát trên một nhóm nhỏ tối đa ba robot di động và chỉ xem xét mối quan hệ giữa một robot dẫn đầu và một robot bám theo nên mô hình dẫn đầu –bám theo dựa vào khoảng cách – góc tương đối sẽ được phân tích chi tiết trong Chương 3. Nhưng trước hết, ta cần phân tích động học, động lực học của một robot di động và tiêu chuẩn ổn định dùng trong phân tích bộ điều khiển, các nội dung này sẽ được trình bày trong phần tiếp theo của chương này. Robot di động Trong luận văn này tác giả sử dụng mô hình robot di động vi sai (differential drive) có cấu trúc và đặc điểm như đã được mô tả trong giới hạn đề tài (Hình 1.

Mô hình động học của robot di động Yg Xm Ym θ y x Xg Hình 2. Robot di động vi sai (differential drive) 14 Luận văn thạc sĩ kỹ thuật HV: Nguyễn Kim Đăng Tư thế của robot trong mặt phẳng được định nghĩa bằng vector trạng thái của nó  x(t )  q(t )   y(t)  trong hệ tọa độ toàn cục (Xg,Yg), được minh họa trong Hình 2. Hệ tọa độ  (t ) di chuyển (Xm,Ym) được đặt trên robot. Mối quan hệ giữa hệ tọa độ di chuyển trên robot và hệ tọa độ toàn cục được gọi là động học ngoại của robot được định nghĩa bởi vector cos  sin  0  tịnh tiến [x,y] và ma trận xoay R( )   sin  T cos 0.

 0 0 1 Yg ICR v Xm ω Ym vl θ vr y R x Xg Hình 2. Động học Robot di động Mỗi bánh xe của robot di động quay tự do quanh trục riêng của nó, do đó, tồn tại một điểm chung nằm tại giao điểm của hai trục bánh xe. Điểm này gọi là tâm quay tức thời (ICR) của robot và vận tốc góc mà robot di động quay quanh điểm đó là ω, được minh họa trong Hình 2. Bên cạnh đó, hệ thống còn có các biến số khác như: - r là bán kính bánh xe; - b là khoảng cách giữa hai bánh xe; - R(t) là bán kính quay tức thời (khoảng cách giữa tâm robot với ICR) 15 Luận văn thạc sĩ kỹ thuật HV: Nguyễn Kim Đăng Tại bất kỳ thời điểm nào thì cả hai bánh xe có cùng vận tốc góc ω quanh ICR là vl (t) (t)  hoặc  (t )  vr (t ).

b R(t)  2 R (t )  b 2 Từ đó, vận tốc góc của robot di động và bán kính quay tức thời được xác định theo vận tốc của bánh xe trái (vl) và vận tốc của bánh xe phải (vr) như sau: v (t )  vl (t )  (t )  r b b vr (t )  vl (t ) R (t )  2 vr (t )  vl (t ) Và vận tốc tịnh tiến của robot di động được xác định như sau: v r ( t )  vl ( t ) v ( t )   (t ) R ( t )  b Bên cạnh đó, vận tốc tiếp tuyến của bánh xe trái (vL) và bánh xe phải (vR) được xác định vl(t) = rωl(t) và vr(t) = rωr(t), trong đó ωl, ωr là vận tốc góc của bánh xe trái và bánh xe phải quanh trục quay của nó. Từ các mối quan hệ trên, mô hình động học nội của robot di động (chỉ xem xét trong hệ trục tọa độ di chuyển (Xm,Ym ))có thể được biễu diễn dưới dạng ma trận như sau [37]:  x m (t )   v X m (t )   r 2 r  2   (t )         y m (t )    vYm (t )    0 0  l   ( t ) (2.2) (t )   0    1    Trong đó v(t) và ω(t) là các biến điều khiển của hệ thống. Ràng buộc động học trong robot di động Chuyển động của robot di động bị hạn chế bởi ràng buộc động lực học và động học. Các ràng buộc động lực học xuất phát từ mô hình hệ thống động lực học, tức là những đáp ứng của hệ thống bị giới hạn bởi quán tính hoặc các ràng buộc của bộ truyền động (như giới hạn moment xoắn của động cơ do khả năng của động cơ hoặc do mục đích tránh trượt bánh xe).

Các ràng buộc động học xuất phát từ việc chế tạo robot và mô hình động học của nó. Ràng buộc động học có thể là holonomic hoặc nonholonomic 16 Luận văn thạc sĩ kỹ thuật HV: Nguyễn Kim Đăng [37]. Ràng buộc holonomic không có giới hạn về khả năng chuyển động của robot (khả năng chuyển động bằng với số bậc tự do của không gian trạng thái hệ thống). Ràng buộc nonholonomic giới hạn một số hướng chuyển động của robot (khả năng chuyển động thấp hơn số bậc tự do của không gian trạng thái hệ thống).

Ràng buộc động học của Robot di động vi sai (differential drive) Từ Hình 2.4, ta nhận thấy Robot di động vi sai có thể chuyển động tịnh tiến theo trục Xm, và chuyển động quay quanh trục Zm (vuông góc với mặt phẳng (XmYm)). Do đó, các trường vector vận tốc theo hướng chuyển động của robot có thể có là: cos   0 s1 (q)   sin   ; s2 (q)  0  0  1 Trong đó s1(q) và s2(q) có được bằng các chiếu vector vận tốc tịnh tiến và vận tốc góc của robot lên hệ trục tọa độ toàn cục (XgYg). Như vậy, sự chuyển động của robot là sự kết hợp tuyến tính của hai chuyển động tịnh tiến và quay và có thể được biểu diễn bằng phương trình sau: q  u1s1(q) u2s2(q) (2.3) Trong đó u1 và u2 là số thực tùy ý đại điện cho ngõ vào của hệ thống. Hay nói cách khác u1 và u2 chính là vận tốc tịnh tiến v(t) và vận tốc góc ω(t) của robot di động.

Như vậy phương trình (2.3) có thể xem là hình thức thay thế của mô hình động học (2.2) Ràng buộc động học của robot di động là hướng mà robot không thể di chuyển trong hệ trục tọa độ đặt trên nó.4 thì hướng theo trục Y m là hướng mà robot không thể di chuyển. Nên ràng buộc động học theo hướng đó trong hệ tọa độ toàn cục (XgYg) là:   sin   a(q)   cos  (2.4) của robot di động vi sai vào tích 17 Luận văn thạc sĩ kỹ thuật HV: Nguyễn Kim Đăng cos 0 u  a q    sin  cos T 0  sin  0  1   0 u  0 1  2  thỏa mãn phương trình (2.5), nên robot di đông vi sai là hệ thống nonholonomic và ràng buộc động học học nonholonomic của nó là:  x sin   y cos   0 (2. Lý thuyết Lyapunov Tiêu chuẩn chất lượng đầu tiên mà bộ điều khiển cần phải mang đến được cho hệ thống là tính ổn định. Đây là tính chất động học đảm bảo rằng sau khi bị một tác động tức thời đánh bật hệ ra khỏi điểm cân bằng thì sau đó hệ có khả năng tự tìm về điểm cân bằng ban đầu hoặc ít nhất cũng về được lân cận khác của nó.

- Tự quay về một lân cận của điểm cân bằng, thì được gọi là ổn định tại điểm cân bằng.