Luận án tiến sĩ: Tối ưu quỹ đạo chuyển động cho robot tự hành trong nhà, kể cả tương tác với con người

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO BỘ QUỐC PHÒNG HỌC VIỆN KỸ THUẬT QUÂN SỰ HOÀNG VĂN BẢY NGHIÊN CỨU PHÁT TRIỂN THUẬT TOÁN TỐI ƯU HÓA TÍNH TOÁN QUỸ ĐẠO CHUYỂN ĐỘNG CHO ROBOT TỰ HÀNH TRONG NHÀ CÓ KỂ ĐẾN TƯƠNG TÁC VỚI CON NGƯỜI LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT HÀ NỘI - 2023 BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO BỘ QUỐC PHÒNG HỌC VIỆN KỸ THUẬT QUÂN SỰ HOÀNG VĂN BẢY NGHIÊN CỨU PHÁT TRIỂN THUẬT TOÁN TỐI ƯU HÓA TÍNH TOÁN QUỸ ĐẠO CHUYỂN ĐỘNG CHO ROBOT TỰ HÀNH TRONG NHÀ CÓ KỂ ĐẾN TƯƠNG TÁC VỚI CON NGƯỜI LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT Chuyên ngành: TỰ ĐỘNG HÓA Mã số: 9 52 02 16 NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC: 1. TS ĐỖ ĐÌNH NGHĨA 2. TS TRƯƠNG XUÂN TÙNG HÀ NỘI - 2023 LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan luận án là công trình nghiên cứu của tôi. Các số liệu, kết quả trình bày trong luận án là hoàn toàn trung thực và chưa được công bố trong bất kỳ công trình nào trước đây.

Các kết quả sử dụng tham khảo đều đã được trích dẫn đầy đủ và theo đúng quy định. Hà Nội, ngày 8 tháng 12 năm 2023 Tác giả LỜI CẢM ƠN Trong quá trình nghiên cứu và hoàn thành luận án, nghiên cứu sinh đã nhận được sự giúp đỡ của nhiều người. Đầu tiên tôi xin gửi lời cảm ơn sâu sắc đến Thầy giáo hướng dẫn PGS. TS Trương Xuân Tùng và TS Đỗ Đình Nghĩa.

Thầy không chỉ là người hướng dẫn, giúp đỡ nghiên cứu sinh hoàn thành luận án này mà còn là người định hướng, truyền thụ động lực và ý chí quyết tâm trong quá trình nghiên cứu đầy gian khổ. Tôi cũng chân thành cảm ơn các Thầy giáo, Cô giáo trong Bộ môn Tự động và kỹ thuật tính, Khoa Kỹ thuật điều khiển, Học viện Kỹ thuật quân sự, nơi nghiên cứu sinh làm việc, đã tận tình hướng dẫn chỉ bảo trong thời gian nghiên cứu sinh nghiên cứu tại đây. Tiếp theo, tôi xin chân thành cảm ơn các đồng nghiệp nghiên cứu sinh, nhóm nghiên cứu của thầy Trương Xuân Tùng, Phòng Sau đại học - Học viện Kỹ thuật quân sự, Trường Học viện Phòng không không quân đã giúp đỡ nghiên cứu sinh hoàn thành luận án này. Cuối cùng, xin gửi lời cảm ơn sâu sắc tới gia đình, bạn bè và đồng nghiệp đã luôn động viên, chia sẻ những khó khăn của cuộc sống, gia đình và xã hội, giúp nghiên cứu sinh đạt được những kết quả như hôm nay.

Mục lục MỤC LỤC. i DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT. iv DANH MỤC HÌNH VẼ. vi DANH MỤC BẢNG.

x DANH MỤC KÝ HIỆU TOÁN HỌC. xi MỞ ĐẦU. TỔNG QUAN VỀ TÍNH TOÁN QUỸ ĐẠO CHO ROBOT TỰ HÀNH. Giới thiệu chung về robot tự hành.

Hệ thống điều khiển robot tự hành. Thu thập và xử lý thông tin. Định vị và xây dựng bản đồ. Lập kế hoạch đường đi tránh vật cản.

Điều khiển chuyển động. Cơ sở lý thuyết thiết yếu phục vụ tính toán quỹ đạo cho robot tự hành tương tác với người. Hệ quy chiếu cho robot. Thu thập và nhận biết thông tin về hành vi của con người trong xã hội.

Vùng tương tác có tính xã hội động. Xác định tư thế khi robot tiếp cận người. Tính toán quỹ đạo chuyển động cho robot tự hành sử dụng thuật toán TEB. Các chỉ số đánh giá mức độ an toàn và thân thiện khi robot tự hành gần người.

Tình hình nghiên cứu trong và ngoài nước. Tình hình nghiên cứu ngoài nước. Tình hình nghiên cứu trong nước. Kết luận chương 1.

THIẾT KẾ QUỸ ĐẠO CHUYỂN ĐỘNG CHO ROBOT TỰ HÀNH TRÁNH NGƯỜI VÀ TIẾP CẬN NGƯỜI TRONG MÔI TRƯỜNG ĐỘNG. Mô tả bài toán. Đề xuất thuật toán STEB. Xây dựng thuật toán STEB.

Tích hợp thuật toán STEB vào hệ thống điều khiển robot. Đề xuất thuật toán TDTEB. Xây dựng thuật toán TDTEB. Tích hợp thuật toán TDTEB vào hệ thống điều khiển robot.

Đề xuất thuật toán GTEB. Xây dựng thuật toán GTEB. Tích hợp thuật toán GTEB vào hệ thống điều khiển robot. Kết luận chương 2.

MÔ PHỎNG VÀ THỰC NGHIỆM KIỂM CHỨNG CÁC THUẬT TOÁN. Chuẩn bị mô phỏng và thực nghiệm. Công cụ phần mềm. Xây dựng robot hai bánh vi sai.

Kịch bản mô phỏng và thực nghiệm. Các kết quả mô phỏng. Mô phỏng robot tránh người sử dụng thuật toán STEB. Mô phỏng một số tình huống đặc biệt robot tránh người sử dụng thuật toán TDTEB.

Mô phỏng robot tiếp cận người sử dụng thuật toán GTEB. Các kết quả thực nghiệm. Thực nghiệm robot tránh người sử dụng thuật toán STEB. Thực nghiệm robot tiếp cận người sử dụng thuật toán GTEB 88 3.

Kết luận chương 3. 91 KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG NGHIÊN CỨU TƯƠNG LAI. 93 DANH MỤC CÁC CÔNG TRÌNH ĐÃ CÔNG BỐ. 108 iii DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT Từ viết tắt Nghĩa Tiếng Anh Nghĩa Tiếng Việt AUV Autonomous Underwater Phương tiện tự lái dưới Vehicle nước DFS Depth First Search Tìm kiếm theo độ sâu DSZ Dynamic Social Zone Vùng tương tác có tính xã hội động DWA Dynamic Window Ap- Tiếp cận cửa sổ động proach EB Elastic Band Thuật toán tối ưu quỹ đạo theo bóng đàn hồi EKF External Kalman Filter Bộ lọc Kalman mở rộng GPS Global Position System Hệ thống định vị toàn cầu GTEB Goal Timed Elastic Band Thuật toán tối ưu quỹ đạo theo thời gian có chọn điểm tiếp cận HCSI Human Comfortable Các chỉ số đánh giá mức Safety Indices độ an toàn thân thiện khi robot gần người KF Kalman Filter Bộ lọc Kalman iv LMR Legged Mobile Robot Robot di động có chân PCL Point Cloud Library Thư viện đám mây điểm ROS Robot operating system Hệ điều hành robot SGI Social group index Chỉ số đánh giá mức độ an toàn thân thiện khi robot gần nhóm người SII Social individual index Chỉ số đánh giá mức độ an toàn thân thiện khi robot gần một người STEB Social Timed Elastic Band Thuật toán tối ưu quỹ đạo theo thời gian có đưa vào các ràng buộc mang tính xã hội TDTEB Time-Dependent Timed Thuật toán tối ưu quỹ đạo Elastic Band theo thời gian có dự đoán va chạm với người TEB Timed Elastic Band Thuật toán tối ưu quỹ đạo theo thời gian UAV Unmanned Aerial Vehicle Phương tiện bay không người lái VO Velocity Obstacle Vận tốc vật cản WMR Wheeled Mobile Robot Robot di động có bánh xe SCM Social Cost Maps Bản đồ chi phí xã hội v DANH MỤC HÌNH VẼ 1.1 Sơ đồ khối hệ thống điều khiển robot tự hành.2 Minh họa thu thập thông tin bằng cảm biến Kinect và laser Rplidar.3 Mô tả thuật toán A*.4 Hệ quy chiếu toàn cục Xg Og Yg và hệ quy chiếu cục bộ trên robot Xr Or Yr .5 Sơ đồ quá trình lấy các hành vi trong xã hội của người.6 Không gian cá nhân của người [30].7 Mối quan hệ trạng thái của người và tư thế robot [28].8 Minh họa vùng DSZ theo phân bố Gaussian 2D: (a) Ảnh chụp ba người đang đứng, (b) Biểu đồ hình chiếu đứng phân bố Gaussian 2D với người p1 và nhóm hai người p2 , p3 , (c) Biểu đồ hình chiếu ngang phân bố Gaussian 2D với người p1 và nhóm hai người p2 , p3 .9 Minh họa vùng tiếp cận và tư thế tiếp cận người: (a) Vùng tiếp cận và tư thế tiếp cận một người, (b) Vùng tiếp cận và tư thế tiếp cận nhóm ba người.10 Mô tả ba tư thế liên tiếp của robot trong bản đồ toàn cục.11 Giải thích về mặt hình học ràng buộc động học non-holonomic.12 Đồ thị đường đi khi xem xét cặp điểm hai bên vật cản.13 Mô tả ba đường đồ thị cùng lớp tương đồng: đường số 1 (ss - v2 - sg ), đường số 2 (ss - v2 - v3 - sg ), đường số 3 (ss - v3 - sg ).14 Quỹ đạo tạo ra từ thuật toán TEB [18] bị mắc kẹt vào quỹ đạo tối ưu cục bộ khi có người đi cắt ngang.15 Thuật toán TEB được tối ưu song song.16 Quỹ đạo chuyển động cho robot theo thuật toán TEB được tối ưu song song tránh bốn vật cản: (a) Các đường đồ thị được tạo ra khi xem xét cặp điểm hai bên vật cản, (b) Tập quỹ đạo tối ưu cho robot.17 Biểu đồ thể hiện chỉ số đánh giá cho cá nhân với độ lệch chuẩn bằng 0.45 và chỉ số đánh giá cho nhóm người với độ lệch chuẩn bằng 0.1 Minh họa bài toán 1: (a) Robot vượt một người đi cùng chiều phía bên trái, (b) Robot tránh hai người đi ngược chiều phía bên phải.2 Minh họa bài toán 2: (a) Robot tránh người khi đi qua cửa hẹp, (b) Robot tránh người khi qua điểm giao cắt, (c) Robot tránh khi có người đi cắt ngang hướng di chuyển.3 Minh họa bài toán 3: (a) Ảnh chụp tình huống, (b) Mô tả tư thế người, tư thế robot và tư thế tiếp cận.4 Sơ đồ khối thực hiện thuật toán STEB.5 Mô tả cách tính ∆V(B∗p ): (a) Robot vượt bên trái một người đang đi cùng chiều, (b) Robot tránh bên phải một nhóm hai người đang đi ngược chiều.6 Sơ đồ khối hệ thống điều khiển robot khi tích hợp thuật toán STEB.7 Minh họa tính đích phụ khi robot qua khu vực giao cắt hoặc có người đi cắt ngang hướng di chuyển robot.8 Sơ đồ khối hệ thống điều khiển robot khi tích hợp thuật toán TDTEB.9 Sơ đồ khối thực hiện thuật toán GTEB.10 Sơ đồ khối hệ thống điều khiển robot khi tích hợp thuật toán GTEB.1 Ảnh chụp cơ cấu chuyển động của robot thực nghiệm.2 Sơ đồ khối phần cứng robot.3 Robot hai bánh vi sai: (a) Ảnh chụp robot đã được chế tạo, (b) Mô hình robot trên phần mềm Rviz.4 Thu thập thông tin bằng cảm biến: (a) Thông tin vị trí thu được từ laser, (b) Phát hiện người sử dụng ảnh RGB-D từ cảm biến Kinect [70].5 Minh họa tình huống 1: (a) Quỹ đạo STEB khi robot vượt một người đi cùng chiều, (b) Quỹ đạo STEB khi robot tránh một người đi ngược chiều.6 Minh họa tình huống 2: robot cần tránh người khi qua cửa hẹp.7 Minh họa tình huống 3: quỹ đạo GTEB khi robot cần tiếp cận một nhóm người đang đứng.8 Minh họa tình huống 4: quỹ đạo GTEB khi robot cần tiếp cận một người đang đi.9 Mô phỏng robot vượt và tránh một người sử dụng thuật toán STEB.10 Mô phỏng robot vượt và tránh một nhóm hai người sử dụng thuật toán STEB.11 Mô phỏng robot tránh người khi sử dụng thuật toán TDTEB: (a) (d) Robot và người cùng qua cửa hẹp, (g) (j) Robot và người cùng qua khu vực giao cắt, (m) (p) Khi có người đi cắt ngang hướng đi của robot.