Luận án: Robot tự hành non holonomic và tổng hợp bộ điều khiển bám quỹ đạo - Ngô Mạnh Tiến

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI --------oOo-------- NGÔ MẠNH TIẾN XÂY DỰNG ROBOT TỰ HÀNH DẠNG NONHOLONOMIC VÀ TỔNG HỢP BỘ ĐIỀU KHIỂN BÁM QUỸ ĐẠO LUẬN ÁN TIẾN SĨ ĐIỀU KHIỂN VÀ TỰ ĐỘNG HÓA HÀ NỘI - 2014 1 BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI --------oOo-------- NGÔ MẠNH TIẾN XÂY DỰNG ROBOT TỰ HÀNH DẠNG NONHOLONOMIC VÀ TỔNG HỢP BỘ ĐIỀU KHIỂN BÁM QUỸ ĐẠO Chuyên ngành: KỸ THUẬT ĐIỀU KHIỂN VÀ TỰ ĐỘNG HÓA Mã số: 62520216 LUẬN ÁN TIẾN SĨ ĐIỀU KHIỂN VÀ TỰ ĐỘNG HÓA NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC 1. Phan Xuân Minh 2. Hoàng Ngọc Minh HÀ NỘI - 2014 i Lời cam đoan Tôi xin cam đoan luận án này là công trình nghiên cứu của chính bản thân. Các kết quả nghiên cứu trong luận án là trung thực và chưa được công bố trong bất kỳ công trình nào khác.

Tác giả luận án Ngô Mạnh Tiến ii Lời cảm ơn Sau một thời gian học tập, trau dồi kiến thức và nghiên cứu chuyên sâu, thực nghiệm kết quả, Luận án của tôi đã được hoàn thành. Bản Luận án này được hoàn thành trên cơ sở những kết quả nghiên cứu của tôi tại Bộ môn Điều khiển tự động - Trường Đại học Bách Khoa Hà Nội, tại cơ quan công tác của tôi là Phòng Quang điện tử - Viện Vật Lý, và dưới sự hướng dẫn Cô GS.TS Phan Xuân Minh, Đại Học Bách Khoa Hà Nội, người đã luôn tin tưởng, quan tâm, giúp đỡ, chỉ bảo và tạo mọi điều kiện cho tôi trong suốt quá trình thực hiện Luận án cũng như trong suốt hơn mười năm tôi học tập và nghiên cứu tại trường từ bậc Đại học. Cùng với Thầy và cũng là người phụ trách quản lý tại cơ quan công tác của tôi tại Viện Vật Lý là TS. Hoàng Ngọc Minh, người đã tạo điều kiện trong công việc, động viên, chỉ bảo cho tôi vượt qua những giai đoạn khó khăn nhất.

Tôi xin được bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc, sự trân trọng và gửi tới Cô giáo và Thầy hướng dẫn những lời cảm ơn đặc biệt. Đây thực sự là một cơ hội lớn và là một thách thức lớn trong cuộc đời mà tôi đã được Thầy, Cô trao cho, đã tin tưởng và cùng đồng hành. Tôi xin chân thành cảm ơn PGS. Nguyễn Doãn Phước, một người Thầy đã rất quan tâm chỉ bảo tôi từ bậc Đại học, một Trưởng Bộ môn luôn làm việc với tất cả trách nhiệm và tâm huyết dành cho các SV, NCS, cảm ơn Thầy về những gợi ý khoa học sáng tạo, những kiến thức bổ trợ chuyên sâu.

Xin gửi lời cảm ơn đến các Thầy, Cô, bạn bè thuộc Bộ môn Điều khiển tự động - Viện Điện - Đại học Bách khoa Hà Nội về những ý kiến đóng góp và sự ủng hộ nhiệt tình. Trân trọng cảm ơn Viện Đào tạo sau Đại học, Đại học Bách khoa Hà Nội đã tạo mọi điều kiện thuận lợi nhất cho tôi thực hiện Luận án Tôi xin cảm ơn các thầy, cô giáo, bạn bè và đồng nghiệp luôn giúp đỡ, động viên và chia sẻ khó khăn để tôi hoàn thành tốt nhất Luận án. Cuối cùng là những người luôn đồng hành, đồng cảm và động viên tôi, nhưng cũng là những người luôn phải chịu đựng, gánh vác trách nhiệm gia đình cho tôi trong thời gian qua, gia đình nhỏ của tôi. Xin gửi lời cảm ơn từ đáy lòng mình đến tất cả! Tác giả luận án Ngô Mạnh Tiến MỤC LỤC MỤC LỤC.

1 DANH MỤC HÌNH VẼ. 3 Danh mục các ký hiệu và chữ viết tắt. Tính cấp thiết của luận án. Mục tiêu của luận án.

Đối tượng và phạm vi nghiên cứu của luận án. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của luận án. Nội dung của luận án. ĐẶT VẤN ĐỀ NGHIÊN CỨU VÀ XÂY DỰNG MÔ HÌNH ROBOT THÍ NGHIỆM.

Nghiên cứu tổng quan về hệ thống robot có gắn camera .1 Tổng quan về một hệ robot có gắn camera bám mục tiêu di động. Tổng quan tình hình nghiên cứu trong và ngoài nước. Kết luận và lựa chọn hướng nghiên cứu, phát triển Luận án. Xây dựng mô hình robot tự hành.

Xây dựng cấu trúc của hệ robot tự hành. Xây dựng phần cứng cho mạch chủ điều khiển robot:. Kết luận chương 1. THIẾT KẾ CHẾ TẠO CẢM BIẾN VỊ TRÍ TRÊN CƠ SỞ XỬ LÝ ẢNH CHO BÀI TOÁN BÁM MỤC TIÊU DI ĐỘNG.

Tổng quan về hệ thống bám ảnh tự động. Tổng thể hệ bám. Kiến trúc tổng thể hệ bám. Lập trình xử lý ảnh bám mục tiêu chuyển động.

Phương pháp bám theo các đặc điểm của ảnh (Thuật toán KLT). Thuật toán bám ảnh Camshift. Kết hợp bộ lọc Kalman với thuật toán bám ảnh Camshift. Kết luận chương 2.

43 CHƯƠNG 3: MÔ HÌNH HÓA HỆ ROBOT TỰ HÀNHGẮN CAMERA. Mô hình hóa hệ thống Pan/Tilt. Quy chiếu tọa độ mục tiêu và camera về tọa độ tâm robot. Mô hình động học, động lực học robot di động.

Kết luận chương 3. 55 CHƯƠNG 4: THIẾT KẾ BỘ ĐIỀU KHIỂN THÍCH NGHI ĐIỀU KHIỂN BÁM QUỸ ĐẠO CHO ROBOT TỰ HÀNH. Các phương pháp điều khiển bám quỹ đạo cho robot tự hành. Điều khiển bám sử dụng trực tiếp hàm điều khiển Lyapunov.

Các phương pháp dựa trên điều khiển trượt. Một số thuật toán khác. Thuật toán thích nghi theo mô hình mẫu để điều khiển bám quỹ đạo cho robot tự hành khi robot có tham số m, I là bất định. Thuật toán điều khiển bám quỹ đạo thích nghi robot tự hành khi có các tham số m, I thay đổi và chịu tác động bởi nhiễu.

Mô hình động học, động lực học:. Cấu trúc của hệ điều khiển. Tổng hợp bộ điều khiển thích nghi theo mô hình mẫu. Bộ điều khiển động học vòng ngoài.

Tổng hợp bộ điều khiển vòng trong. Xây dựng mô hình động học mẫu. Giải thuật điều khiển thích nghi theo mô hình mẫu. Tính ổn định của toàn hệ:.

Kết quả mô phỏng. Khi quỹ đạo đặt là đường thẳng .2 Khi quỹ đạo đặt là đường tròn có tâm tại gốc tọa độ (0,0), bán kính bằng 5 .5 Kết quả chạy thực nghiệm. Kết Luận chương 4. Các kết quả đạt được của Luận án.

Hướng phát triển của Luận án.93 TÀI LIỆU THAM KHẢO. 94 CÁC CÔNG TRÌNH ĐÃ CÔNG BỐ CỦA TÁC GIẢ LUẬN ÁN. 101 2 DANH MỤC HÌNH VẼ Hình 1. Sơ đồ tổng quan của một hệ thống tích hợp quang điện tử.

Sơ đồ hệ thống robot và camera cố định. Sơ đồ hệ thống robot và camera di chuyển. Ảnh một số sản phẩm hệ quang điện tử tích hợp cố định trên thế giới. PAN robot, robot Pops, MIDbo.

robot Talon, robot MARRS và robot Spirit thám hiểm sao hỏa của NASA 19 Hình 1. Sơ đồ tổng quan của hệ thống robot tự hành bám mục tiêu di động. Cấu trúc tổng thể phần cứng khi gắn liền bộ xử lý trung tâm trên xe robot. Cấu trúc tổng thể phần cứng khi tách bộ xử lý trung tâm đặt riêng tại trung tâm điều khiển.

Ảnh chụp toàn bộ hệ robot tự hành sản phẩm. Ảnh chụp bên trong và bên ngoài robot. Cảm biến ảnh, gimbal và bộ xử lý. Cửa sổ mục tiêu khử nhiễu.

Kiến trúc toàn thể hệ thống bám. Lưu đồ thuật toán Camshift. Sơ đồ kết hợp bộ lọc Kalman và Camshift. Sơ đồ tóm tắt của bộ lọc Kalman.

Kết quả dự đoán vị trí với bộ lọc Kalman. Bộ lọc Kalman khi bị che khuất. Sơ đồ tóm tắt của bộ lọc Kalman mở rộng. Việc theo dõi các chuyển động phức tạp sử dụng bộ lọc Kalman mở rộng 42 Hình 2.

Chụp các frame chạy thực nghiệm thuật toán bám Camshift không có Kalman. Chụp các frame chạy thực nghiệm với thuật toán bám Camshift có Kalman. Mô hình hóa hệ đế xoay Pan/Tilt. Mô hình robot tự hành có gắn đế xoay Pan/Tilt.

Tính toán vị trí đối tượng theo tọa độ robot. Tính toán động học ngược cho vị trí thực camera. Phối cảnh của robot tự hành dạng non-honolomic cơ bản. Phối cảnh của robot di động.

Phối cảnh của hệ robot gắn camera bám mục tiêu di động. Cấu trúc điều khiển bám sử dụng hàm Lyapunov. Cấu trúc rút gọn điều khiển bám sử dụng hàm Lyapunov. Cấu trúc điều bám khiển thích nghi tách mô hình động học và động lực học.

Cấu trúc hai vòng điều khiển. Sơ đồ khối tổng thể của hệ thống điều khiển thích nghi đề xuất. Sơ đồ cấu trúc hệ thống điều khiển. Sơ đồ mô phỏng trêm Simulink hệ thống khi sử dụng bộ điều khiển thường 80 Hình 4.

Sơ đồ mô phỏng trêm Simulink hệ thống khi sử dụng bộ điều khiển thích nghi theo mô hình mẫu đề xuất. (a) Hội tụ của các biến sai lệch; (b) Vận tốc tịnh tiến và vận tốc quay khi sử dụng bộ điều khiển thường. (a) Hội tụ của các biến sai lệch; (b) Vận tốc tịnh tiến và vận tốc quay khi sử dụng MRAS. (a) Hội tụ của các biến sai lệch; (b) Vận tốc tịnh tiến và vận tốc quay khi sử dụng bộ điều khiển thường khi tham số robot thay đổi.

(a) Hội tụ của các biến sai lệch; (b) Vận tốc tịnh tiến và vận tốc quay khi sử dụng bộ điều khiển MRAS khi tham số robot thay đổi. (a) Quỹ đạo bám các biến sai lệch; (b) Vận tốc tịnh tiến và vận tốc quay khi sử dụng bộ điều khiển thường. (a) Quỹ đạo bám các biến sai lệch; (b) Vận tốc tịnh tiến và vận tốc quay khi sử dụng MRAS. (a) Quỹ đạo bám; (b) Vận tốc tịnh tiến và vận tốc quay khi sử dụng bộ điều khiển thường khi tham số robot thay đổi.

(a) Quỹ đạo bám; (b) Vận tốc tịnh tiến và vận tốc quay khi sử dụng bộ điều khiển MRAS khi tham số robot thay đổi. Sơ đồ khối cấu trúc tổng thể của hệ thống. Giao diện HMI trên máy tính PC. Một số hình ảnh chạy thực nghiệm robot tự hành bám và gắp đối tượng là quả bóng màu đỏ R=5cm.

Kết quả robot bám và gắp vật tốt, tuy nhiên mới chỉ thử nghiệm trong phạm vi <1m2, bối cảnh (nền và nhiễu) ảnh hưởng rất lớn đến kết quả. Một số hình ảnh chạy thực nghiệm robot tự hành bám đối tượng là quả bóng màu vàng R=5cm. Tốc độ bám chậm (<10 hình/giây) và phụ thuộc nhiều vào nền và nhiễu xung quanh.