Tiến Sĩ Nghiên cứu phương pháp tổng hợp cảm biến dùng cho kỹ thuật dẫn đường các robot di động

Cấu trúc của Luận án.

Trên cơ sở mục tiêu đặt ra như trên, ngoài phần mở đầu là phần giới thiệu và phần kết luận, nội dung chính của Luận án được bố cục thành các chương như sau:

Chương 1: Phương pháp tổng hợp cảm biến
Chương 2: Xây dựng mô hình robot di động đa cảm biến
Chương 3: Tổng hợp cảm biến dùng cho định vị và lập bản đồ dẫn đường robot di động
Chương 4: Điều khiển chuyển động

Chương 1 trình bày tổng quan khái niệm và các phương pháp tổng hợp cảm biến dùng cho robot di động. Các khái niệm cơ bản về các phương pháp định vị robot dựa trên suy luận xác suất và bộ lọc Kalman cũng sẽ được trình bày.

Chương 2 trình bày về quá trình thiết kế chế tạo một robot di động được lắp đặt nhiều cảm biến hiện đại. Bộ phận động lực của robot với các mô-tơ điều khiển các bánh xe theo kiểu vi sai, các mạch điện tử điều khiển robot được thiết kế trên cơ sở các chip vi điều khiển sẽ được trình bày. Nhằm phát triển thêm khả năng phát hiện của robot, một bộ phận cơ khí và chương trình điều khiển để chuyển đổi hệ đo xa 2D với cảm biến laser thành hệ đo xa 3D với các kết quả đo kiểm và thảo luận
cũng được báo cáo ở phần cuối chương này.

Chương 3 là phần quan trọng của Luận án trình bày về nghiên cứu thực nghiệm phương pháp tổng hợp cảm biến với việc áp dụng bộ lọc Kalman để ước tính đồng thời tọa độ và hướng của robot, nhằm nâng cao độ chính xác của phép định vị. Tiếp đó, việc xây dựng một thuật toán mới cho phép xây dựng một bản đồ dẫn đường 2D bằng phương pháp tổng hợp các dữ liệu cảm biến 3D theo không gian sẽ được trình bày. Việc kiểm chứng thành công bản đồ này qua áp dụng các phương pháp vạch đường đi như giải thuật A*[56] hay đồ thị Voronoir [28] trên nó sẽ khép lại một việc sử dụng phương pháp tổng hợp cảm biến cho khâu định vị và lập bản đồ.

Chương 4 báo cáo về việc thực thi một giải pháp sử dụng luật điều khiển ổn định tiệm cận theo tiêu chuẩn Lyapunov cho hệ robot di động hai bánh vi sai trong khâu điều khiển chuyển động. Kết hợp với việc thiết kế bộ lọc Kalman xen vào vòng phản hồi cũng cho thấy chất lượng điều khiển được nâng cao.

MỤC LỤC
Trang phụ bìa .i
Lời cam đoan .ii
Mục lục iii
Danh mục các ký hiệu và chữ viết tắt .vi
Danh mục các bảng .vii
Danh mục các hình vẽ, đồ thị .vii
MỞ ĐẦU 1
CHƯƠNG 1. PHƯƠNG PHÁP TỔNG HỢP CẢM BIẾN 10
1.1. Hệ thống tổng hợp dữ liệu cảm biến .12
1.1.1. Tổng hợp dữ liệu đa cảm biến 12
1.1.2. Quản lý đa cảm biến 17
1.1.3. Phân loại tổng hợp đa cảm biến .19
1.1.3.1. Phân loại theo mức .19
1.1.3.2. Phân loại dựa trên dữ liệu vào ra 20
1.1.3.3. Phân loại dựa trên cấu hình cảm biến .21
1.1.4. Các vấn đề cần giải quyết trong bài toán tổng hợp dữ liệu đa cảm biến .23
1.1.5. Kiến trúc hệ thống tổng hợp dữ liệu 26
1.1.5.1. Kiến trúc tổng hợp trung tâm .26
1.1.5.2. Kiến trúc tổng hợp phân tán 26
1.1.5.3. Kiến trúc tổng hợp cục bộ .27
1.2. Các phương pháp tổng hợp cảm biến cho robot di động 28
1.2.1. Định vị và lập bản đồ .28
1.2.2. Tổng hợp cảm biến với phương pháp suy luận xác suất để nâng cao độ tin
cậy cho bài toán định vị robot .33
1.2.3. Tổng hợp cảm biến bằng bộ lọc Kalman để nâng cao độ tin cậy cho bài
toán định vị robot. .34
1.3. Kết luận 40
CHƯƠNG 2. XÂY DỰNG MÔ HÌNH ROBOT DI ĐỘNG ĐA CẢM BIẾN 41
2.1. Thiết kế chế tạo phần cứng mô hình robot di động đa cảm biến. .41
2.1.1. Các mô đun cảm nhận, khối điều khiển và cơ cấu chấp hành của robot 41
2.1.1.1. Cấu trúc cơ khí của robot 43
2.1.1.2. Các mô đun điều khiển chuyển động. .44
Trang
iv
2.1.1.3. Các mô đun cảm biến trên robot .44
2.1.1.4. Khối điều khiển điện tử trong robot 53
2.1.1.5. Các khối giao tiếp truyền tin giữa vi điều khiển MCUdsPIC với máy
tính .56
2.1.2. Chương trình điều khiển hệ thống .57
2.2. Đo đạc đánh giá mô hình hệ thống được chế tạo .59
2.2.1. Kiểm tra độ chính xác của chuyển động robot .59
2.2.1. Kiểm tra độ tin cậy của ảnh laser .60
2.3. Kết luận 63
CHƯƠNG 3. TỔNG HỢP CẢM BIẾN DÙNG CHO ĐỊNH VỊ VÀ LẬP BẢN
ĐỒ DẪN ĐƯỜNG ROBOT DI ĐỘNG 64
3.1. Tổng hợp cảm biến bằng bộ lọc Kalman mở rộng để nâng cao độ tin cậy của
phép định vị robot .65
3.1.1. Tổng hợp dữ liệu odometry với cảm biến chỉ hướng từ-địa bàn. 70
3.1.1.1. Xác định các ma trận trong các bước tổng hợp dùng EKF 70
3.1.1.2. Thực nghiệm và thảo luận 72
3.1.2. Tổng hợp dữ liệu với thêm cảm biến đo xa laser 73
3.1.2.1. Tính véc-tơ zk, ma trận Hk và ma trận hiệp phương sai Rk 74
3.1.2.2. Nhận dạng các tham số var(ri) và var(ψi) của ma trận Rk 77
3.1.2.3. Thực nghiệm và thảo luận 81
3.1.3. Tổng hợp dữ liệu với cảm biến camera ảnh toàn phương 84
3.1.3.1. Tính véc-tơ zk, ma trận Hk và ma trận hiệp phương sai Rk 84
3.1.3.2. Áp dụng kỹ thuật thị giác máy tính phát hiện cột mốc và đo góc γk 87
3.1.3.3. Khảo sát sai số định góc của cảm biến ảnh toàn phương .88
3.1.3.4. Kết quả thực nghiệm và thảo luận 89
3.2. Xây dựng bản đồ dẫn đường bằng tổng hợp dữ liệu cảm biến đo xa laser 91
3.2.1. Thu thập dữ liệu 3D các điểm ảnh của vật cản 91
3.2.2. Giải thuật IPaBD xây dựng bản đồ dẫn đường 2D .92
3.2.3. Thực nghiệm xây dựng bản đồ và áp dụng cho vạch đường đi và điều
khiển robot 95
3.2.3.1. Kết quả xây dựng bản đồ bằng giải thuật IPaBD 95
3.2.3.2. Thực nghiệm vạch đường đi và điều khiển robot nhờ bản đồ dẫn
đường .97
3.3. Kết luận 99
v
CHƯƠNG 4. ĐIỀU KHIỂN CHUYỂN ĐỘNG 100
4.1. Sự ổn định Lyapunov và nguyên lý bất biến LaSalle 100
4.1.1. Khái niệm ổn định Lyapunov đối với hệ tự trị .100
4.1.2. Nguyên lý bất biến LaSalle 102
4.2. Xây dựng bộ điều khiển chuyển động ổn định .102
4.2.1. Mô hình động học 103
4.2.2. Thiết kế bộ điều khiển .106
4.2.2.1. Điều khiển ổn định trong tập cấu hình toàn cục G 106
4.2.2.2. Điều khiển ổn định hệ thống trong tập cấu hình cục bộ L .109
4.2.3. Sử dụng bộ lọc Kalman cho vòng điều khiển phản hồi 111
4.2.4. Mô phỏng và thực nghiệm .112
4.3. Kết luận 116
KẾT LUẬN VÀ THẢO LUẬN HƯỚNG PHÁT TRIỂN .117
1. Các nội dung được thực hiện trong Luận án . 117
2. Những đóng góp chính của Luận án 118
3. Hướng phát triển tương lai .118
DANH MỤC CÔNG TRÌNH KHOA HỌC CỦA TÁC GIẢ LIÊN QUAN ĐẾN
LUẬN ÁN 120
TÀI LIỆU THAM KHẢO . 122