Đồ án HCMUTE: Thiết kế giải thuật điều khiển robot tự hành trong môi trường tĩnh có vật cản

• Tác giả: Hồ Huy Cường
• Người hướng dẫn: ThS. Võ Lâm Chương
• Trường học: Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật TP. Hồ Chí Minh
• Chuyên ngành: Công Nghệ Kỹ Thuật Cơ Điện Tử
• Đề tài: Thiết kế giải thuật điều khiển robot tự hành trong môi trường tĩnh có vật cản
• Loại tài liệu: đồ án tốt nghiệp
• Năm xuất bản: 2016
• Địa điểm: Tp. Hồ Chí Minh

• LỜI NÓI ĐẦU
• LỜI CÁM ƠN
• TÓM TẮT ĐỒ ÁN
• ABSTRACT
• 1. CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN
• 1.1. Giới thiệu chung
• 1.2. Phân loại robot tự hành
• 1.2.1. Robot tự hành di chuyển bằng chân (Legged Robot)
• 1.2.2. Robot tự hành di chuyển bằng bánh (Wheel Robot)
• 1.3. Phương pháp điều hướng cho robot tự hành
• 1.3.1. Phương pháp điều hướng có tính toán
• 1.3.2. Phương pháp điều hướng robot theo phản ứng
• 1.3.3. Phương pháp điều khiển lai ghép
• 1.4. Mục tiêu đề tài
• 1.5. Nội dung đề tài
• 1.6. Giới hạn của đề tài
• 1.7. Phương pháp, đối tượng nghiên cứu
• 1.7.1. Phương pháp nghiên cứu
• 1.7.2. Đối tượng nghiên cứu
• 2. CHƯƠNG 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT
• 2.1. Mô hình động học cho robot
• 2.2. Mô hình bánh xe robot
• 2.3. Phương trình động học robot
• 2.4. Phương pháp dẫn động cho robot tự hành
• 2.4.1. Tịnh tiến trước và quay sau
• 2.4.2. Tịnh tiến và quay đồng thời
• 2.4.3. Quay trước và tịnh tiến sau
• 2.5. Một số phương pháp dẫn đường cho robot di động
• 2.6. Phương pháp định vị cho robot tự hành
• 2.7. Phương pháp tránh vật cản
• 2.7.1. Phương pháp bám tường (wall-following method)
• 2.7.2. Phương pháp phát hiện cạnh (edge-detection)
• 2.7.3. Phương pháp biểu diễn vật cản bằng sơ đồ lưới xác định
• 2.7.4. Phương pháp trường thế (Potential Field Method)
• 2.7.5. Phương pháp dùng optical flow
• 2.8. THUẬT TOÁN DẪN HƯỚNG THÍCH NGHI (ADAPTIVE NAVIGATION)
• 2.9. Mô hình robot và kĩ thuật dẫn hướng thích nghi
• 2.10. Cách tránh vật cản. Xây dựng thuật toán dẫn hướng thích nghi
• 2.11. Tổng kết các phương pháp tránh vật cản
• 3. CHƯƠNG 3: XÂY DỰNG MÔ HÌNH ROBOT TỰ HÀNH
• 3.1. Xây dựng sơ đồ khối hoạt động của robot
• 3.2. Xây dựng khối điều khiển cho robot tự hành
• 3.2.1. Khối điều khiển
• 3.2.2. Khối cảm biến
• 3.2.3. Khối công suất
• 3.3. Xây dựng mô hình cơ khí
• 3.4. Xây dựng bộ điều khiển PID
• 3.4.1. Điều khiển động cơ DC Servo
• 3.4.2. Điều khiển vận tốc động cơ bằng PID
• 3.5. Xây dựng thuật toán tránh vật cản
• 3.5.1. Môi trường di chuyển của robot
• 3.5.2. Giải thuật phát hiện và tránh vật cản
• 3.5.3. Giải thuật vẽ lại biên dạng vật cản và hướng di chuyển của robot
• 3.6. Thiết kế xây dựng chương trình điều khiển, giám sát trên máy tính
• 4. CHƯƠNG 4: KẾT QUẢ, THỰC NGHIỆM, PHÂN TÍCH, TỔNG HỢP
• 4.1. Kết quả mô hình cơ khí
• 4.2. Kết quả điều khiển và vẽ lại sơ đồ
• 4.3. Giải thuật di chuyển của robot trong môi trường tĩnh
• 4.4. Kết quả điều khiển
• 5. CHƯƠNG 5: KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN
• 5.1. Hướng phát triển
• TÀI LIỆU THAM KHẢO

I. Giới thiệu về Thiết kế giải thuật điều khiển robot tự hành trong môi trường tĩnh

Đề tài nghiên cứu tập trung vào thiết kế giải thuật điều khiển robot tự hành trong môi trường tĩnh. Đây là một lĩnh vực quan trọng của robot học, có ứng dụng rộng rãi trong nhiều ngành công nghiệp. Robot tự hành cần khả năng nhận dạng môi trường, lập kế hoạch đường đi, và tránh vật cản một cách hiệu quả. Giải thuật điều khiển đóng vai trò then chốt trong việc đảm bảo robot hoạt động chính xác và an toàn. Khó khăn chính nằm ở việc thiết kế thuật toán hiệu quả, xử lý thông tin từ cảm biến robot và ra quyết định chính xác trong thời gian thực. Môi trường tĩnh đơn giản hóa bài toán so với môi trường động, nhưng vẫn đòi hỏi phân tích hệ thống robot kỹ lưỡng.

1.1 Phân loại robot tự hành và phương pháp điều hướng

Robot tự hành được phân loại theo nhiều tiêu chí, bao gồm cơ cấu di chuyển (robot tự hành di chuyển bằng bánh, robot tự hành di chuyển bằng chân). Phương pháp điều hướng bao gồm phương pháp điều hướng có tính toán và phương pháp điều hướng robot theo phản ứng. Phương pháp điều khiển lai ghép kết hợp cả hai cách tiếp cận trên, tận dụng ưu điểm của từng phương pháp. Phương pháp định vị cho robot tự hành là một phần quan trọng của hệ thống điều khiển robot. Lập trình robot đóng vai trò quan trọng trong việc hiện thực hóa giải thuật điều khiển. AI trong robot ngày càng được ứng dụng để nâng cao khả năng tự động hóa và ra quyết định thông minh. ROS (Robot Operating System) là một nền tảng phần mềm phổ biến cho phát triển robot. Môi trường tĩnh trong nghiên cứu này giúp tập trung vào giải thuật điều khiển mà không bị ảnh hưởng bởi sự thay đổi của môi trường.

1.2 Thuật toán điều khiển robot và các yếu tố ảnh hưởng

Giải thuật điều khiển quyết định hiệu suất của robot tự hành. Điều khiển PID, điều khiển mù, điều khiển phản hồi, và điều khiển feedforward là một số giải thuật điều khiển phổ biến. Tối ưu hóa thuật toán là cần thiết để đảm bảo hiệu quả và tốc độ hoạt động. Cảm biến robot cung cấp thông tin về môi trường, ảnh hưởng trực tiếp đến chất lượng của giải thuật điều khiển. Xử lý ảnh robot và nhận dạng môi trường là những công đoạn quan trọng trước khi thực hiện quy hoạch đường đi robot. Kiến trúc điều khiển robot cũng cần được thiết kế hợp lý để đảm bảo sự ổn định và hiệu quả hoạt động. An toàn robot là yếu tố cần được ưu tiên hàng đầu trong thiết kế giải thuật điều khiển. Mô hình toán học robot giúp mô phỏng và phân tích hiệu suất của giải thuật điều khiển.

II. Thiết kế giải thuật điều khiển cho robot tự hành trong môi trường tĩnh

Phần này tập trung vào thiết kế cụ thể của giải thuật điều khiển robot tự hành trong môi trường tĩnh. Thuật toán tránh vật cản được xây dựng dựa trên dữ liệu từ cảm biến robot, bao gồm cảm biến siêu âm để đo khoảng cách đến vật cản. Phương pháp tránh vật cản được lựa chọn phù hợp với đặc điểm của robot và môi trường. Mô hình hóa robot và môi trường được thực hiện để kiểm tra và đánh giá hiệu quả của giải thuật. Mô phỏng robot giúp tối ưu hóa giải thuật điều khiển trước khi triển khai trên robot thực tế. Phân tích hệ thống robot là bước cần thiết để đảm bảo sự ổn định và an toàn trong quá trình vận hành.

2.1 Giải thuật tránh vật cản và lập trình robot

Giải thuật tránh vật cản dựa trên nguyên tắc phát hiện vật cản và điều chỉnh đường đi của robot. Việc lựa chọn giải thuật phụ thuộc vào đặc điểm của robot và môi trường. Lập trình robot được thực hiện trên nền tảng Arduino Mega2560 và phần mềm Microsoft Visual Studio. Ngôn ngữ lập trình robot cần được lựa chọn sao cho phù hợp với khả năng xử lý của robot. Kiểm tra và đánh giá robot sau khi lập trình là cần thiết để đảm bảo hoạt động đúng như mong muốn. Mô phỏng robot trước khi triển khai giúp tiết kiệm thời gian và chi phí. Vận hành robot cần được thực hiện cẩn thận để tránh hư hỏng thiết bị. An toàn robot là yếu tố cần được ưu tiên hàng đầu.

2.2 Mô hình hoá robot và mô phỏng robot

Mô hình toán học robot là cơ sở để xây dựng và phân tích hệ thống robot. Mô hình bánh xe robot được sử dụng để mô tả chuyển động của robot. Mô phỏng robot giúp kiểm tra và tối ưu hóa giải thuật điều khiển trước khi triển khai trên robot thực tế. Môi trường mô phỏng cần được thiết kế sao cho gần giống với môi trường thực tế. Kết quả mô phỏng được sử dụng để đánh giá hiệu quả của giải thuật. Mục tiêu mô phỏng là tìm ra giải thuật điều khiển tối ưu cho robot tự hành. Hiệu quả năng lượng robot cũng cần được xem xét trong quá trình mô phỏng. Thực tế ảo robot giúp việc kiểm tra và đánh giá hiệu quả hơn.

III. Kết quả và phân tích

Phần này trình bày kết quả thực nghiệm của giải thuật điều khiển robot tự hành được thiết kế. Các chỉ số hiệu suất của robot, như tốc độ, độ chính xác, và khả năng tránh vật cản, được đo lường và phân tích. Kết quả điều khiển được minh họa bằng hình ảnh và video. Phân tích hệ thống robot sau khi thực nghiệm giúp đánh giá hiệu quả của giải thuật và xác định các điểm cần cải tiến.

3.1 Kết quả thực nghiệm và phân tích hiệu suất robot

Kết quả thực nghiệm cho thấy robot tự hành có khả năng di chuyển trong môi trường tĩnh và tránh vật cản một cách hiệu quả. Hiệu suất robot được đánh giá dựa trên các chỉ số như tốc độ di chuyển, độ chính xác của đường đi, và khả năng phản hồi với vật cản. Phân tích dữ liệu thu thập được từ các cảm biến robot giúp xác định các yếu tố ảnh hưởng đến hiệu suất. So sánh kết quả với các nghiên cứu trước đó giúp đánh giá tính mới mẻ và hiệu quả của giải thuật được thiết kế. Kiểm tra và đánh giá robot đảm bảo độ chính xác và tin cậy của kết quả. Ứng dụng thực tế robot phụ thuộc vào hiệu suất và độ tin cậy.

3.2 Thảo luận và hướng phát triển

Phần này thảo luận về những hạn chế của giải thuật điều khiển robot tự hành và đề xuất các hướng phát triển trong tương lai. Các vấn đề như độ phức tạp của giải thuật, khả năng xử lý thông tin của robot, và sự ảnh hưởng của nhiễu môi trường được xem xét. Hướng phát triển tập trung vào việc cải tiến giải thuật để nâng cao hiệu suất và khả năng thích ứng với các điều kiện môi trường phức tạp hơn. Tối ưu hóa thuật toán giúp giảm thời gian tính toán và tăng tốc độ phản hồi của robot. Phát triển robot nên chú trọng đến yếu tố an toàn robot và độ tin cậy.