Báo Cáo Robot di động đa cảm biến và định vị robot bằng phương pháp tổng hợp cảm biến với bộ lọc Kalman mở r

Robot di động đa cảm biến và định vị robot bằng
phương pháp tổng hợp cảm biến với bộ lọc Kalman mở rộng




Multi-sensor mobile robot and the sensor fusion-based localization with Extended Kalman Filter







Tóm tắt


Báo cáo trình bày việc xây dựng khối cảm nhận của một robot di động đa cảm biến và việc dùng phương pháp tổng hợp cảm biến với bộ lọc Kalman mở rộng để định vị chính xác cho robot. Các cảm biến hiện đại như cảm biến lập mã trục quay, cảm biến chỉ hướng, cảm biến đo xa laser, cảm biến ảnh toàn phương, cảm biến siêu âm, bộ định vị toàn cầu GPS cùng được sử dụng trong robot. Điều này đòi hỏi phải thiết kế một hệ thông tin dữ liệu có hiệu quả. Trên cơ sở hệ thống đó, các chương trình điều khiển đã được phát triển dựa vào phương pháp tổng hợp cảm biến bằng bộ lọc Kalman mở rộng, cho phép xác định chính xác vị trí và hướng của robot trong điều kiện có can nhiễu của môi trường.


1. Phần mở đầu


Robot di động, như dạng các xe tự hành, cho nhiều khả năng ứng dụng trong công nghiệp và dịch vụ. Việc nghiên cứu phát triển các robot kiểu này hiện đang là bài toán được nhiều nhà nghiên cứu điện tử và điều khiển tự động trên thế giới cũng như ở Việt nam quan tâm. Một trong các vấn đề cần giải quyết là việc định vị chính xác cho robot trong quá trình dẫn đường nó tới đích. Nhìn chung, một robot gồm 3 thành phần cơ bản: bộ phận cảm nhận, bộ phận điều khiển và bộ phận chấp hành [1]. Với nhiệm vụ định vị, bộ phận cảm nhận gồm các cảm biến điện tử cùng các mạch xử lý tín hiệu phần cứng và chương trình phần mềm đóng vai trò then chốt cho phép robot tự ước lượng chính xác vị trí và hướng của nó tại một thời điểm chuyển động dựa vào các thông số đọc được từ các cảm biến. Tuy nhiên, mỗi cảm biến thường chỉ đo được một hoặc hai tham số môi trường với độ chính xác giới hạn, vì vậy một cách tự nhiên thấy rằng nếu sử dụng càng nhiều cảm biến thì càng có khả năng tăng được độ chính xác ước lượng vị trí của robot. Đó là lý do phương pháp tổng hợp các cảm biến (sensor fusion) hiện nay đang được áp dụng phổ biến trong các hệ thống robot hiện đại để tăng độ chính xác của đo lường [2,3]. Cơ sở thực hiện phương pháp này hầu hết được dựa trên suy luận xác suất. Bộ lọc Kalman mở rộng (EKF) là giải pháp xác suất hiệu quả để ước


1

tính đồng thời các vị trí của robot dựa trên một số
thông tin về cảm biến nội và cảm biến ngoại của nó.


Từ các xuất phát điểm nêu trên, báo cáo này trình bày việc xây dựng bộ phận cảm nhận cho một robot di động đa cảm biến (sensor) với thiết kế các mạch điện tử liên quan và một mạng truyền thông có hiệu quả giữa các sensor và bộ điều khiển. Trên cơ sở đó, một chương trình phần mềm tổng hợp các cảm biến dựa trên lý thuyết bộ lọc Kalman mở rộng đã được phát triển và được trình bày cho phép cải thiện đáng kể độ chính xác của phép định vị robot.


Nội dung của bài báo được sắp xếp như sau: Mục 2 trình bày về kết cấu phần cứng điện tử bộ phận cảm nhận đa cảm biến cùng hệ thống truyền thông trong robot; mục 3 trình bày tóm tắt các cơ sở về mạch lọc Kalman nổi tiếng, áp dụng vào mô hình động học của robot để ước lượng chính xác vị trí; mục 4 là các kết quả thực nghiệm với robot được xây dựng và thảo luận.


2. Bộ phận cảm nhận đa sensor và hệ
thống truyền thông trong robot


2.1. Thiết kế bộ phận cảm biến cho robot


Hình 1 là ảnh chụp robot với các cảm biến được thiết kế lắp đặt trên đó.