Luận văn thạc sĩ: Nghiên cứu giám sát và điều khiển robot qua mạng máy tính

Nghiên cứu giám sát và điều khiển robot qua mạng máy tính, phân tích các phương pháp và ứng dụng trong thực tiễn công nghệ hiện đại.

Chuyên ngành

Kỹ thuật Điện tử

Người đăng

Ẩn danh

Thể loại

Luận án tiến sĩ

2015

146
2
0

Phí lưu trữ

35 Point

Mục lục chi tiết

DECLARATION BY CANDIDATE

Acknowledgements

Contents

List of Abbreviations

List of Tables

List of Figures

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 Publications Related to This Thesis

Tóm tắt

I. Giới thiệu

Nghiên cứu về giám sát robotđiều khiển robot từ xa qua mạng máy tính đã trở thành một lĩnh vực quan trọng trong công nghệ hiện đại. Hệ thống robot kết nối mạng (NRS) cho phép người dùng điều khiển robot từ xa, mở ra nhiều ứng dụng trong các lĩnh vực như công nghiệp, giáo dục, y tế và dịch vụ. Việc phát triển công nghệ robot không chỉ giúp nâng cao hiệu suất làm việc mà còn giảm thiểu rủi ro cho con người trong các môi trường làm việc nguy hiểm. Theo định nghĩa, một robot kết nối mạng là thiết bị robot được kết nối với một mạng truyền thông như Internet hoặc LAN, cho phép người dùng gửi lệnh và nhận phản hồi từ robot. Những thách thức trong việc phát triển NRS bao gồm độ tin cậy của hệ thống và hiệu suất dưới ảnh hưởng của độ trễ truyền tải, mất mát thông điệp và băng thông không đảm bảo.

1.1. Hệ thống robot kết nối mạng

Hệ thống robot kết nối mạng (NRS) bao gồm hai loại chính: hệ thống tự động và hệ thống điều khiển từ xa. Trong hệ thống tự động, robot tự động tạo ra tín hiệu điều khiển để hoạt động, trong khi trong hệ thống điều khiển từ xa, người điều khiển gửi lệnh cho robot thực hiện. Việc tích hợp nhiều lĩnh vực như robot, cảm biến, và truyền thông mạng là cần thiết để phát triển NRS hiệu quả. Các vấn đề như cảm biến robot, giao tiếp mạng, và quản lý robot là những yếu tố quan trọng trong việc đảm bảo hoạt động của NRS.

II. Ứng dụng của hệ thống robot kết nối mạng

Ứng dụng của NRS có thể được phân loại thành năm nhóm chính: robot công nghiệp, robot giáo dục, robot y tế, robot dịch vụ và các robot khác. Trong lĩnh vực công nghiệp, NRS được sử dụng để điều khiển robot trong các môi trường khắc nghiệt, như trong khai thác than, nơi robot có thể thực hiện các nhiệm vụ mà con người không thể. Robot giáo dục cho phép sinh viên thực hành qua các phòng thí nghiệm từ xa, giúp tiết kiệm chi phí và tăng cường trải nghiệm học tập. Robot y tế mang lại cơ hội cho bệnh nhân được chẩn đoán và điều trị từ xa, trong khi robot dịch vụ cung cấp các dịch vụ hỗ trợ trong các khu vực công cộng.

2.1. Robot công nghiệp

Robot công nghiệp được sử dụng để thực hiện các nhiệm vụ như khai thác, lắp ráp và kiểm tra sản phẩm. Hệ thống robot điều khiển từ xa trong ngành công nghiệp giúp giảm thiểu rủi ro cho công nhân và tăng cường hiệu suất làm việc. Các robot này thường được trang bị cảm biến và camera để thu thập dữ liệu môi trường và truyền về cho người điều khiển. Việc sử dụng NRS trong công nghiệp không chỉ giúp tiết kiệm thời gian mà còn nâng cao độ chính xác trong các quy trình sản xuất.

2.2. Robot giáo dục

Robot giáo dục cho phép sinh viên thực hành và trải nghiệm các khái niệm trong robot học thông qua các phòng thí nghiệm từ xa. Hệ thống này giúp sinh viên có thể điều khiển robot thực tế và tương tác với các thiết bị khác qua Internet. Việc này không chỉ giúp sinh viên hiểu rõ hơn về công nghệ mà còn phát triển kỹ năng thực hành cần thiết cho nghề nghiệp tương lai. Các phòng thí nghiệm từ xa cũng giúp chia sẻ tài nguyên giữa các trường học và tổ chức giáo dục.

III. Các vấn đề liên quan đến NRS

Các vấn đề liên quan đến NRS bao gồm định vị, điều khiển ổn định, và dẫn đường. Định vị là yếu tố quan trọng để robot có thể hoạt động hiệu quả trong môi trường không xác định. Các phương pháp định vị bao gồm sử dụng cảm biến và các kỹ thuật lọc tối ưu. Điều khiển ổn định đảm bảo rằng robot có thể duy trì trạng thái hoạt động trong các điều kiện khác nhau. Dẫn đường dựa trên mô hình hành vi giúp robot có thể di chuyển một cách tự động và hiệu quả trong môi trường phức tạp.

3.1. Định vị robot

Định vị robot là một trong những thách thức lớn nhất trong NRS. Các phương pháp định vị hiện tại bao gồm sử dụng cảm biến như GPS, camera và cảm biến siêu âm để xác định vị trí của robot trong không gian. Việc sử dụng các bộ lọc như Kalman giúp cải thiện độ chính xác của quá trình định vị. Các nghiên cứu gần đây đã chỉ ra rằng việc kết hợp nhiều cảm biến có thể nâng cao khả năng định vị của robot trong các môi trường phức tạp.

3.2. Điều khiển ổn định

Điều khiển ổn định là một yếu tố quan trọng trong việc đảm bảo rằng robot có thể hoạt động một cách hiệu quả và an toàn. Sử dụng lý thuyết ổn định Lyapunov và các bộ lọc dự đoán giúp cải thiện khả năng điều khiển của robot trong các tình huống không chắc chắn. Việc phát triển các thuật toán điều khiển thông minh cho phép robot tự động điều chỉnh hành vi của mình dựa trên phản hồi từ môi trường, từ đó nâng cao hiệu suất hoạt động.

25/01/2025

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 z 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 z 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 z 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 z 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 z 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 .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 .2 Behavior-based navigation for NRSs.

117 List of Publications Related to This Thesis .123 v z 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 z 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 z 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 z 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.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.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.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 z 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 z • 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. The challenging issues include the guarantee of system reliability and performance under the influence of time-varying transmission delay, message loss, out-of-order delivery, and non-guaranteed transmission bandwidth.

Many new applications are now being developed ranging from automation to exploration.2 Applications of networked robot systems Applications of NRSs can be classified into five groups including industrial robots, educational robots, medical robots, service robots, and other various robots.1 Industrial networked robots Networked robots are applicable in industry. In [36], a teleoperated robot system for coal mining was developed. The robot is equipped with two cameras, two laser scanners, and some other sensors to extract the environmental parameters [figure 1. These parameters are then transmitted via the network to the human opera- tor.

The human operator, in a safe location, controls the robot to complete tasks such as shoveling and breaking [figure 1.

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

Bài viết "Luận văn thạc sĩ: Nghiên cứu giám sát và điều khiển robot qua mạng máy tính" của tác giả Phùng Mạnh Dương, dưới sự hướng dẫn của PGS.TS Trần Quang Vinh tại Trường Đại Học Bách Khoa Hà Nội, tập trung vào việc phát triển các phương pháp giám sát và điều khiển robot thông qua mạng máy tính. Nghiên cứu này không chỉ cung cấp cái nhìn sâu sắc về công nghệ điều khiển từ xa mà còn mở ra hướng đi mới cho việc ứng dụng robot trong nhiều lĩnh vực khác nhau. Độc giả sẽ tìm thấy những lợi ích thiết thực từ việc áp dụng công nghệ này trong thực tiễn, từ việc tối ưu hóa quy trình sản xuất đến nâng cao hiệu quả trong các nhiệm vụ phức tạp.

Nếu bạn quan tâm đến các ứng dụng công nghệ thông tin trong giáo dục, hãy tham khảo bài viết Quản lý ứng dụng công nghệ thông tin trong dạy học ở trường trung học cơ sở Hoằng Hóa, Thanh Hóa. Bài viết này cũng đề cập đến việc ứng dụng công nghệ trong việc giám sát và quản lý, tương tự như trong nghiên cứu về robot.

Ngoài ra, bạn có thể tìm hiểu thêm về Ứng Dụng Active Learning trong Lựa Chọn Dữ Liệu Gán Nhãn cho Bài Toán Nhận Diện Giọng Nói, nơi mà các phương pháp học máy được áp dụng để cải thiện khả năng nhận diện, một khía cạnh quan trọng trong việc phát triển công nghệ robot.

Cuối cùng, bài viết Triển khai ứng dụng mạng neural để phát hiện xâm nhập trái phép cũng sẽ cung cấp cho bạn cái nhìn về cách mà công nghệ mạng neural có thể được áp dụng trong việc giám sát và bảo mật, một yếu tố không thể thiếu trong việc điều khiển robot qua mạng.

Những tài liệu này sẽ giúp bạn mở rộng kiến thức và hiểu rõ hơn về các ứng dụng công nghệ trong lĩnh vực robot và giám sát.