Luận án tiến sĩ nghiên cứu hệ thống xây dựng bản đồ lập quỹ đạo và điều khiển bá

i BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO BỘ QUỐC PHÒNG VIỆN KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ QUÂN SỰ -------------------------- ĐỖ QUANG HIỆP NGHIÊN CỨU HỆ THỐNG XÂY DỰNG BẢN ĐỒ, LẬP QUỸ ĐẠO VÀ ĐIỀU KHIỂN BÁM QUỸ ĐẠO CHO ROBOT TỰ HÀNH BỐN BÁNH ĐA HƯỚNG Ngành: Kỹ thuật điều khiển và tự động hóa Mã số: 9 52 02 16 LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT Hà Nội – Năm 2022 an an tien si TIEU LUAN MOI download : skknchat123@gmail.com mo ii BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO BỘ QUỐC PHÒNG VIỆN KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ QUÂN SỰ -------------------------- ĐỖ QUANG HIỆP NGHIÊN CỨU HỆ THỐNG XÂY DỰNG BẢN ĐỒ, LẬP QUỸ ĐẠO VÀ ĐIỀU KHIỂN BÁM QUỸ ĐẠO CHO ROBOT TỰ HÀNH BỐN BÁNH ĐA HƯỚNG Ngành: Kỹ thuật điều khiển và tự động hóa Mã số: 9 52 02 16 LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC: 1. TS Lê Trần Thắng 2.TS Phan Xuân Minh Hà Nội – Năm 2022 an an tien si TIEU LUAN MOI download : skknchat123@gmail.com mo i LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu của riêng tôi. Các kết quả trình bày trong luận án là trung thực và chưa từng được công bố trong bất kỳ công trình nào khác, các dữ liệu tham khảo được trích dẫn đầy đủ. Hà nội, ngày … tháng … năm 2022 Tác giả luận án Đỗ Quang Hiệp an an tien si TIEU LUAN MOI download : skknchat123@gmail.com mo ii LỜI CẢM ƠN Lời đầu tiên, tác giả xin gửi lời cảm ơn sâu sắc nhất tới TS.

Lê Trần Thắng và GS.TS Phan Xuân Minh đã tận tình hướng dẫn tác giả trong suốt quá trình thực hiện luận án này. Tác giả xin gửi lời trân trọng cảm ơn tới Ban Giám đốc Viện Khoa học và Công nghệ Quân sự, Thủ trưởng và cán bộ, nhân viên Phòng Đào tạo, Thủ trưởng Viện Tự động hóa KTQS và các thầy, cô giáo đã truyền đạt kiến thức, động viên, giúp đỡ và tạo môi trường nghiên cứu thuận lợi nhất để tác giả hoàn thành công trình của mình. Tác giả xin cảm ơn tới Ban Giám hiệu trường Đại học Kinh tế- Kỹ thuật Công nghiệp, Ban Chủ nhiệm khoa Điện và các đồng nghiệp nơi công tác đã tạo điều kiện tốt nhất để luận án được hoàn thành. Cuối cùng, tác giả xin gửi tới gia đình, bạn bè, người thân lời cảm ơn sâu sắc nhất vì đã động viên, giúp đỡ và đồng hành cùng tác giả trong suốt thời gian qua.

Hà Nội, ngày. năm 2022 Tác giả luận án an an tien si TIEU LUAN MOI download : skknchat123@gmail.com mo iii MỤC LỤC Trang DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU, CÁC CHỮ VIẾT TẮT. vi DANH MỤC CÁC BẢNG. ix DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ.

TỔNG QUAN VỀ ROBOT TỰ HÀNH BỐN BÁNH ĐA HƯỚNG. Tổng quan và mô hình hóa FWOMR. Tổng quan về FWOMR. Mô hình hóa FWOMR.

Cấu trúc hệ thống điều khiển robot tự hành. Một số thuật toán điều khiển bám quỹ đạo cho FWOMR thông dụng. Bộ điều khiển PID cho FWOMR. Bộ điều khiển trượt cơ bản cho FWOMR.

Thuật toán điều khiển mặt trượt động cho FWOMR. Thuật toán điều khiển dự báo tựa mô hình (MPC). Hệ điều hành ROS. Giới thiệu về ROS.

Mục tiêu của ROS. Các hoạt động của ROS. Sự tương tác giữa các nút trong ROS. Tổng quan tình hình nghiên cứu trong và ngoài nước.

Tình hình nghiên cứu ngoài nước. Tình hình nghiên cứu trong nước. Kết luận chương 1. THUẬT TOÁN BẢN ĐỒ HÓA MÔI TRƯỜNG VÀ ĐỊNH VỊ ĐỒNG THỜI CHO FWOMR.

Hệ thống nhận thức của FWOMR. Phương pháp suy luận xác suất để nâng cao độ tin cậy cho bài toán định vị robot .40 an an tien si TIEU LUAN MOI download : skknchat123@gmail.com mo iv 2. Phương pháp sử dụng bộ lọc Kalman cho bài toán định vị robot. Thuật toán SLAM.

Thuật toán EKF-SLAM. Bước chỉnh sửa (Correction). Kết quả mô phỏng. Mô phỏng thuật toán EKF-SLAM trên Matlab.

Kết quả mô phỏng trên trên phần mềm Gazebo. Kết quả thực nghiệm thuật toán EKF-SLAM trong môi trường thực tế. Kết luận chương 2. THIẾT KẾ HỆ THỐNG ĐIỀU HƯỚNG, ĐIỀU KHIỂN BÁM QUỸ ĐẠO CHO FWOMR.

Hệ thống điều hướng cho FWOMR. Lập kế hoạch di chuyển toàn cục. Lập kế hoạch di chuyển cục bộ. Xây dựng bộ điều khiển bám quỹ đạo cho FWOMR.

Xây dựng hàm mục tiêu cho FWOMR. Tính toán SQP. Chương trình mô phỏng MPC cho FWOMR. Mô phỏng và đánh giá quỹ đạo chuyển động của FWOMR.

Mô phỏng quỹ đạo chuyển động của FWOMR sử dụng MPC. So sánh thuật toán MPC và các thuật toán SMC, DSC. Thử nghiệm quỹ đạo chuyển động của FWOMR sử dụng MPC trên cơ sở phần mềm ROS. Kết luận chương 3.

THỰC NGHIỆM THUẬT TOÁN ĐIỀU KHIỂN. Kiến trúc và cài đặt thông số mô hình của robot FWOMR. Thiết lập mô hình cho robot. Thiết lập khung điều hướng.

Thiết lập quỹ đạo .107 an an tien si TIEU LUAN MOI download : skknchat123@gmail. Kết quả thực nghiệm. Thực nghiệm robot lấy thông tin bản đồ. Thực nghiệm robot tránh vật cản tĩnh.

Thực nghiệm robot tránh vật cản động. Kết luận chương 4 .121 DANH MỤC CÁC CÔNG TRÌNH KHOA HỌC ĐÃ CÔNG BỐ .123 TÀI LIỆU THAM KHẢO .PL-1 an an tien si TIEU LUAN MOI download : skknchat123@gmail.com mo vi DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU, CÁC CHỮ VIẾT TẮT ( x, y ,  ) Hệ tọa độ toàn cục q = x y θ T Véc tơ toạ độ của robot trong hệ tọa độ toàn cục T v  vx vy ω  Véc tơ vận tốc trong hệ tọa độ liên kết  Góc lệch của robot so hệ tọa độ gốc (rad) vi Vận tốc dài mỗi bánh xe (m/s) ωi Vận tốc góc mỗi bánh xe (rad/s) fi Lực kéo mỗi bánh (N) M Khối lượng của robot (kg) d Khoảng cách tâm robot tới mỗi bánh (m) H Ma trận chuyển hệ trục tọa độ r Bán kính của bánh xe (m) M (q) Ma trận khối lượng và momen quán tính V Ma trận lực hướng tâm và Corilis, V (q, q)  0 C Ma trận hệ số lực ma sát nhớt G Ma trận hệ số lực ma sát coulomb G (q) Véc tơ trọng lực, G (q)  0 Sig(v) Véc tơ hàm dấu phụ thuộc vận tốc τd Véc tơ thành phần nhiễu bất định τ Véc tơ tín hiệu đưa ra từ bộ điều khiển e1 Véc tơ sai lệch bám quỹ đạo của robot e2 Véc tơ sai lệch bám của vận tốc robot J Mô men quán tính của xe (N.m) q Biến khớp F Lực ma sát (N) n Số bánh xe của robot  Ma trận trọng số của mạng Nơ-ron an an tien si TIEU LUAN MOI download : skknchat123@gmail.com mo vii x1d Quỹ đạo đặt T Thời gian trích mẫu (sec) λ Hệ số của mặt trượt τ eq Tín hiệu điều khiển giữ trạng thái của hệ thống trên mặt trượt τ sw Tín hiệu điều khiển, lái trạng thái của hệ thống về mặt trượt C1 , C2 , C3 Ma trận hệ số của bộ điều khiển DSC Θ Véc tơ chứa thành phần bất định của mô hình robot S Véc tơ mặt trượt h(S) Véc tơ hàm dấu Chuẩn của ma trận bậc 2 F Chuẩn của ma trận bậc 2 trong không gian F AGV Xe vận tải tự động (Autonomous Guided Vehicles) AI Trí tuệ nhân tạo (Artificial Intelligence) AMCL Phương pháp bản đồ hóa cục bộ Monte Carlo (Adaptive Monte Carlo Localization) API Giao diện lập trình ứng dụng (Application Programming Interface) DSC Mặt trượt động (Dynamic Sliding Surface) DWA Thuật toán cửa sổ động (Dynamic Window Approach) EB Dải đàn hồi (Elastic Band) EKF Bộ lọc Kalman mở rộng (Extended Kalman Filter) FLS Hệ logic mờ (Fuzzy Logic System) FWO Bốn bánh xe đa hướng (Four Wheels Omni) FWOMR Robot tự hành bốn bánh xe đa hướng (Four Wheeled Omnidirectional Mobile Robot) IMU Khối đo lường quán tính (Inertial Measurement Unit) KF Bộ lọc Kalman (Kalman Filter) an an tien si TIEU LUAN MOI download : skknchat123@gmail.com mo (LUAN.huong viii MAE Sai số tuyệt đối trung bình (Mean Absolute Error) MAP Ước tính tối đa một hậu nghiệm (Maximum A Posteriori) MMSE Ước lượng sai số bình phương trung bình tối thiểu (Minimum Mean Square Error) MPC Bộ điều khiển dự báo (Model Preditive Control) MSSC Bộ điều khiển đa mặt trượt (Multi Surface Sliding Control) NMPC Bộ điều khiển dự báo phi tuyến (Nonlinear Model Preditive Control) ODE Phương trình vi phân thông thường (Ordinary Differential Equation) OMR Robot tự hành đa hướng (Omnidirectional Mobile Robot) PFM Phương pháp trường thế (Potential Field Methods) PID Bộ điều khiển tỉ lệ vi tích phân (Proportional Integral Derivative) RBFNN Mạng Nơ-ron bán kính xuyên tâm (Radial Basic Function Neural Network) ROS Hệ điều hành robot (Robot Operating System) SLAM Thuật toán định vị và bản đồ hóa đồng thời (Simultaneous Localization And Mapping) SMC Điều khiển trượt (Sliding Mode Control) SQP Phương pháp lập trình toàn phương liên tiếp (Sequential Quadratic Programming) QP Phương pháp lập trình toàn phương (Quadratic Programming) TEB Dải đàn hồi thời gian (Timed Elastic Band) URDF Gói định dạng mô tả robot hợp nhất (Unified Robot Description Format) VSS Hệ thống có cấu trúc thay đổi (Variable Structure System) (LUAN.huong an an tien si TIEU LUAN MOI download : skknchat123@gmail.com mo (LUAN.huong ix DANH MỤC CÁC BẢNG Trang Bảng 1. Bảng thông số của FWOMR. Bảng đánh giá độ lệch chuẩn bản đồ.

Bảng đánh giá độ lệch chuẩn vị trí robot:. Bảng tham số vận tốc theo x ……………………………………………93 Bảng 3. Bảng tham số vận tốc theo trục y. Bảng tham số vận tốc theo trục .

Sai lệch theo phương x. Sai lệch theo phương y. Chi phí tính toán trung bình của miền dự báo. Bảng so sánh các phương pháp.

Sai lệch bám quỹ đạo. Thời gian tiến hành thực nghiệm………………………………………117 Bảng 4. Thời gian tiến hành thực nghiệm tránh vật cản động .huong an an tien si TIEU LUAN MOI download : skknchat123@gmail.com mo (LUAN.huong x DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ Trang Hình 1. Robot tự hành sử dụng bánh đa hướng.

Một số ứng dụng của robot tự hành dạng holonom. Cấu trúc bánh xe Omni. Bánh xe Omni. Các hướng di chuyển của robot.

Biểu diễn O ' x ' y ' trong hệ trục tọa độ Oxy. Sơ đồ tổng quan của hệ thống robot tự hành. Sơ đồ mô tả miền dự báo tín hiệu ra. Sơ đồ khối bộ điều khiển MPC.

Cấu trúc hệ điều hành ROS. Hệ thống các files trong ROS. Sơ đồ giao tiếp giữa các nút. Phương pháp phối hợp đa cảm biến sử dụng kỹ thuật Bayesian…………41 Hình 2.

Sơ đồ thuật toán bộ lọc Kalman chuẩn rời rạc. Sơ đồ thuật toán bộ lọc Kalman mở rộng. Kỹ thuật SLAM. Quy trình thuật toán EKF-SLAM.

Giao diện mô phỏng thuật toán EKF-SLAM .