Luận án ổn định và điều khiển đa nhiệm hệ thống robot bầy đàn - Trường Đại học Bách Khoa

1 MỞ ĐẦU Giới thiệu tóm tắt luận án Luận án đi sâu nghiên cứu sự ổn định tụ bầy của robot bầy đàn, đặc biệt là cơ chế hợp tác giữa các cá thể robot trong bầy, để từ đó đƣa ra giải pháp thiết kế bộ mờ tính toán lực tƣơng tác giữa các cá thể, nhằm nâng cao chất lƣợng điều khiển ổn định robot bầy đàn. Cụ thể, nội dung của luận án gồm 4 chƣơng: - Chƣơng 1: Trình bày tổng quan về robot bầy đàn, tổng hợp các kết quả nghiên cứu liên quan đến ổn định robot bầy đàn, ƣu nhƣợc điểm của các nghiên cứu. Từ đó đề xuất các phƣơng hƣớng giải quyết: Xây dựng hàm hút/đẩy giữa các cá thể robot dựa trên cơ sở logic mờ. - Chƣơng 2: Trình bày cơ sở khoa học và mô hình toán của robot bầy đàn, xây dựng hàm tính toán lực hút/đẩy dựa trên cơ sở logic mờ.

Đồng thời chƣơng 2 đã chứng minh đƣợc tính ổn định của quá trình hội tụ nhờ lý thuyết Lyapunov trong hai trƣờng hợp: mô hình bầy đàn cơ bản và mô hình bầy đàn có x t đến khả năng tƣơng tác giữa các cá thể trong bầy. - Chƣơng 3: Đƣa ra giải pháp điều khiển robot bầy đàn tìm kiếm đích và tránh vật cản dựa trên kỹ thuật điều khiển hành vi không gian Null, đồng thời chứng minh sự ổn định của bầy đàn dựa trên cơ sở lý thuyết Lyapunov. - Chƣơng 4: Xây dựng mô hình tính toán lực hút/đẩy mờ và thực hiện mô phỏng hệ thống trên phần mềm Matlab để kiểm chứng các kết quả đã nghiên cứu ở chƣơng 2 và chƣơng 3. Kết luận và một số vấn đề cần nghiên cứu tiếp.

Lý do chọn đề tài Ngày nay, robot học đã đạt đƣợc rất nhiều thành tựu to lớn trong công nghiệp sản xuất cũng nhƣ trong đời sống xã hội. Có những công việc mà con ngƣời không thể trực tiếp tham gia thực hiện đƣợc thì sử dụng robot là một giải 2 pháp hữu hiệu. Robot bầy đàn sử dụng số lƣợng lớn các robot tƣơng đối đơn giản để thực hiện nhiệm vụ mà một robot đơn không thể thực hiện đƣợc hoặc thực hiện không hiệu quả, dựa trên cơ chế hợp tác giữa các cá thể giống hành vi của các loài vật sống thành bầy, thành đàn. Robot bầy đàn có thể đƣợc ứng dụng trong: tìm kiếm vật bị thất lạc, làm sạch, rà soát bom mìn hoặc thu thập thông tin.

Tuy nhiên, khi sử dụng số lƣợng lớn các robot cùng thực thi một nhiệm vụ thì khả năng va chạm giữa các cá thể là rất lớn và điều đó có thể dẫn đến các robot rất dễ bị hƣ hỏng. Mặt khác, trong quá trình thực thi nhiệm vụ, các robot cũng có thể bị tách ra khỏi bầy và thất lạc. Do vậy, việc xây dựng cơ chế phối hợp giữa các cá thể robot trong bầy với nhau sao cho cấu trúc bầy đàn luôn đƣợc duy trì là rất quan trọng. Điều đó phụ thuộc vào hành vi của từng cá thể, mà hành vi của mỗi cá thể lại luôn bị chi phối bởi sự tƣơng tác của nó với các cá thể khác trong bầy và với môi trƣờng.

Từ những lý do trên cho thấy việc nghiên cứu và đề xuất giải pháp điều khiển ổn định robot bầy đàn là rất cần thiết cho lĩnh vực robot ngày nay, vì vậy tác giả chọn đề tài: “Ổn định và điều khiển đa nhiệm hệ thống robot bầy đàn” để thực hiện luận án của mình. Mục đích nghiên cứu Mục đích nghiên cứu của luận án là nghiên cứu sự ổn định và điều khiển robot bầy đàn trên cơ sở sử dụng logic mờ. Việc áp dụng logic mờ để tính toán lực tƣơng tác giữa các cá thể robot trong bầy phải đảm bảo đƣợc: các robot phải hút lại gần nhau khi chúng ở khoảng cách xa và đẩy nhau ra xa khi chúng ở khoảng cách gần, mục đích của việc điều khiển ở đây là giữ cho khoảng cách giữa các cặp robot trong bầy luôn ổn định ở giá trị an toàn (không bị va chạm và không làm phân tách nhóm). Trong luận án tác giả đi sâu vào thiết kế bộ mờ tính 3 toán lực hút/đẩy giữa các cá thể robot và phân tích sự ổn định của bầy đàn khi ứng dụng bộ hút/đẩy mờ.

Nội dung tiếp theo trong luận án, tác giả đề xuất giải pháp điều khiển robot bầy đàn tránh vật cản và tìm kiếm mục tiêu dựa trên kỹ thuật điều khiển hành vi không gian Null kết hợp với logic mờ. Đối tƣợng và phạm vi nghiên cứu - Đối tƣợng nghiên cứu là một nhóm robot đƣợc liên kết với nhau. - Phạm vi nghiên cứu: Nghiên cứu phát triển thuật toán tính toán lực hút/đẩy mờ giữa các cá thể robot trong bầy. Ứng dụng thuật toán phát triển đƣợc cho bài toán tụ bầy và bài toán tránh vật cản, tìm kiếm mục tiêu.

Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài - Ý nghĩa khoa học của đề tài là kết quả đạt đƣợc trong lĩnh vực điều khiển ổn định sử dụng logic mờ. Đề tài đề xuất giải pháp tính toán lực tƣơng tác giữa các cá thể robot dựa trên cơ sở logic mờ. Giải quyết vấn đề tìm kiếm tập thể trong môi trƣờng nhiều trở ngại là rất thiết thực và hiệu quả dựa trên kỹ thuật điều khiển hành vi không gian Null kết hợp với logic mờ. Luận án đã giải quyết thành công cả về mặt lý thuyết lẫn mô hình mô phỏng.

- Ý nghĩa thực tiễn của đề tài là: Trong công nghệ robot, đối tƣợng điều khiển là thƣờng là phi tuyến, vì vậy các phƣơng pháp điều khiển kinh điển thƣờng khó đáp ứng, lúc đó logic mờ là giải pháp phù hợp nhất cho điều khiển robot bầy đàn. Những đóng góp của luận án - Luận án đề xuất cấu trúc bộ logic mờ tính toán lực hút/đẩy giữa các cá thể robot trong bầy đàn. Phát biểu và chứng minh 2 định lý về ổn định hội tụ robot bầy đàn với hàm hút/đẩy mờ. 4 - Luận án đã đƣa ra giải pháp điều khiển robot bầy đàn thực hiện nhiều hơn một nhiệm vụ dựa trên nguyên lý điều khiển hành vi không gian Null kết hợp với logic mờ.

Phát biểu và chứng minh một định lý về ổn định hệ thống robot bầy đàn khi thực hiện đa nhiệm vụ là tránh vật cản và tìm kiếm mục tiêu. 5 CHƢƠNG I TỔNG QUAN VỀ ỔN ĐỊNH ROBOT BẦY ĐÀN Chƣơng này tập trung phân tích tổng quan về tình hình nghiên cứu trong và ngoài nƣớc về robot bầy đàn nói chung và việc giải quyết bài toán ổn định robot bầy đàn nói riêng. Đặt bài toán và hƣớng nghiên cứu của luận án.1 Khái niệm robot bầy đàn Bầy đàn là sự quy tụ của một số sinh vật theo nhóm, đƣợc tìm thấy rất nhiều trong tự nhiên với nhiều loài sinh vật khác nhau nhƣ: bầy côn tr ng, đàn kiến, đàn ong, đàn mối, đàn cá,… Hành vi bầy đàn có thể giúp thực hiện đƣợc những nhiệm vụ vƣợt quá khả năng của từng cá thể độc lập, nhƣ loài kiến có thể cùng nhau tha những miếng mồi lớn về tổ của chúng, loài mối có thể xây những mô đất lớn từ b n và đất cùng với sự đòi hỏi cao về nhiệt độ và độ ẩm để bảo vệ tổ,…nhƣ hình 1. Một số hành vi bầy đàn của các loài sinh vật trong tự nhiên.

6 “Robot bầy đàn” là sử dụng số lƣợng lớn các robot tƣơng đối đơn giản để thực hiện nhiệm vụ mà một robot đơn không thể thực hiện đƣợc hoặc thực hiện không hiệu quả, dựa trên cơ chế hợp tác giữa các cá thể giống hành vi của các loài vật sống thành bầy, thành đàn. Các nhà nghiên cứu đã mô hình hóa hoạt động của robot để chúng có thể thực hiện đƣợc những nhiệm vụ có ích nhƣ tìm kiếm vật bị thất lạc, làm sạch, rà soát bom mìn, hoặc thu thập thông tin. Robot bầy đàn thƣờng có các đặc trƣng sau: - Hiệu quả tính toán: Mỗi cá thể trong bầy có một bộ vi xử lý riêng vì thế khả năng tính toán của cả bầy sẽ hiệu quả hơn so với một robot lớn chỉ có một bộ vi xử lý. - Tính bền vững: Hoạt động của bầy đàn vẫn diễn ra mặc dù có những cá thể bị lỗi hoặc bị hỏng, bên cạnh đó, khi điều kiện về môi trƣờng bị thay đổi cũng không làm ảnh hƣởng đến sự hoạt động của bầy đàn.

-Tính linh hoạt: tính linh hoạt của robot bầy đàn đƣợc thể hiện ở khả năng thích ứng các cá thể trong bầy với sự thay đổi của môi trƣờng. Tính bền vững và tính linh hoạt thƣờng trái ngƣợc nhau, khi có một vấn đề mới, hệ thống robot bầy đàn cần phải linh hoạt để chuyển đổi hành vi của từng cá thể sang giải quyết vấn đề mới, lúc này tính mạnh mẽ sẽ không còn nữa.Ví dụ, các cá nhân của một bầy kiến có thể chung sức tìm một con đƣờng ngắn nhất để đến nguồn thức ăn hay mang một con mồi lớn về tổ thông qua việc sử dụng các chiến lƣợc phối hợp khác nhau. - Khả năng mở rộng: có thể thêm vào hoặc bớt đi các cá thể robot trong bầy với số lƣợng xác định mà không đòi hỏi phải lập trình lại. Bầy đàn có thể hoạt động theo một phạm vi rộng trong một nhóm lớn và có thể hỗ trợ các nhóm khác mà không làm ảnh hƣởng đến hiệu suất hoạt động của mỗi bầy.

Đó chính là cơ chế phối hợp và chiến lƣợc phát triển hệ thống robot bầy đàn, điều này đảm bảo sự hoạt động của nhóm trong các nhóm khác. 7 - Tự tổ chức: Trong bầy đàn tất cả các robot đều có vai trò nhƣ nhau, không cần thiết phải có robot đứng đầu. - Chi phí thấp: mỗi cá thể robot trong bầy đàn đều có kết cấu cơ khí đơn giản và có thể sản xuất hàng loạt vì thế chi phí cho mỗi cá thể robot là rất thấp.2 Các nghiên cứu tổng quan về robot bầy đàn Robot bầy đàn là xu hƣớng nghiên cứu mới, có nhiều triển vọng trong lĩnh vực công nghệ robot. Với đặc th có tính trí tuệ cao mà không đòi hỏi công nghệ chế tạo phức tạp, robot bầy đàn ngày càng đƣợc quan tâm nghiên cứu.

Tuy nhiên mỗi công trình đều đƣa ra những mục tiêu nghiên cứu riêng. Di chuyển theo bầy là một trong những những vấn đề đƣợc nghiên cứu nhiều nhất trong robot bầy đàn dựa trên những cơ sở sinh học chặt chẽ đã có s n. Trong di chuyển theo bầy của đàn chim, mỗi con chim bay độc lập với đàn và không nghĩ về dạng của đàn.