Luận văn Thạc sĩ Công nghệ điện tử viễn thông: Nghiên cứu phương pháp tổng hợp cảm biến dùng cho kỹ thuật dẫn đường các robot di động

pdf
Số trang Luận văn Thạc sĩ Công nghệ điện tử viễn thông: Nghiên cứu phương pháp tổng hợp cảm biến dùng cho kỹ thuật dẫn đường các robot di động 147 Cỡ tệp Luận văn Thạc sĩ Công nghệ điện tử viễn thông: Nghiên cứu phương pháp tổng hợp cảm biến dùng cho kỹ thuật dẫn đường các robot di động 8 MB Lượt tải Luận văn Thạc sĩ Công nghệ điện tử viễn thông: Nghiên cứu phương pháp tổng hợp cảm biến dùng cho kỹ thuật dẫn đường các robot di động 0 Lượt đọc Luận văn Thạc sĩ Công nghệ điện tử viễn thông: Nghiên cứu phương pháp tổng hợp cảm biến dùng cho kỹ thuật dẫn đường các robot di động 18
Đánh giá Luận văn Thạc sĩ Công nghệ điện tử viễn thông: Nghiên cứu phương pháp tổng hợp cảm biến dùng cho kỹ thuật dẫn đường các robot di động
4.6 ( 8 lượt)
Nhấn vào bên dưới để tải tài liệu
Đang xem trước 10 trên tổng 147 trang, để tải xuống xem đầy đủ hãy nhấn vào bên trên
Chủ đề liên quan

Nội dung

ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI -------------------------------------TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ Trần Thuận Hoàng NGHIÊN CỨU PHƯƠNG PHÁP TỔNG HỢP CẢM BIẾN DÙNG CHO KỸ THUẬT DẪN ĐƯỜNG CÁC ROBOT DI ĐỘNG Chuyên ngành: Mã số chuyên ngành: Kỹ thuật Điện tử 62 52 70 01 LUẬN ÁN TIẾN SĨ NGÀNH CÔNG NGHỆ ĐIỆN TỬ VIỄN THÔNG NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC: 1. PGS. TS. TRẦN QUANG VINH 2. PGS. TS. BẠCH GIA DƯƠNG Hà Nội - 2015 LỜI CAM ĐOAN Tác giả xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu của bản thân tác giả. Các kết quả nghiên cứu và các kết luận trong luận án này là trung thực, và không sao chép từ bất kỳ một nguồn nào và dưới bất kỳ hình thức nào. Việc tham khảo các nguồn tài liệu (nếu có) đã được thực hiện trích dẫn và ghi nguồn tài liệu tham khảo đúng quy định. Tác giả luận án ii MỤC LỤC Trang 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 iii 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 iv 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 v DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT I. Các ký hiệu  góc chệch hướng của xung laser so với trục X  góc ngẩng của xung laser với mặt phẳng (x,y) r khoảng cách đo được của cảm biến laser  góc hướng của robot và cột mốc trong phép đo ảnh toàn phương  góc hướng của robot, lệch so với trục X t chu kỳ lấy mẫu số liệu đo R ; L vận tốc góc của hai bánh xe phải và trái x véc-tơ trạng thái của robot w véc-tơ nhiễu hệ thống z véc-tơ đo lường (vec-tơ số đo) v véc-tơ nhiễu đo u véc-tơ điều khiển lối vào P ma trận hiệp phương sai của sai số dự báo trạng thái Q ma trận hiệp phương sai của nhiễu hệ thống R ma trận hiệp phương sai của nhiễu đo K hệ số (độ lợi) lọc Kalman A ma trận đạo hàm riêng của hàm hệ thống f theo x W ma trận đạo hàm riêng của hàm hệ thống f theo w H ma trận đạo hàm riêng của hàm đo h theo x V ma trận đạo hàm riêng của hàm đo h theo v I ma trận đơn vị II. Các chữ viết tắt AI trí tuệ nhân tạo (Artificial Intelligence) AGV xe vận tải tự động (Autonomous Guided Vehicles) LRF cảm biến đo xa laser (Laser Range Finder) vi EKF bộ lọc Kalman mở rộng (Extended Kalman Filter ) GPS hệ định vị toàn cầu (Global Positioning System) PID bộ điều khiển tỉ lệ vi tích phân (Proportional-IntegralDerivative) GYRO con quay (Gyroscope) INS hệ dẫn đường quán tính (Inertial Navigation System) INS/GPS hệ tích hợp INS và GPS KF bộ lọc Kalman (Kalman Filter) PFM phương pháp trường thế (Potential Field Methods) VFF trường lực ảo (Virtual Force Field) VFH tọa độ cực (Virtual Field Histogram) PWM điều chế độ rộng xung (Pulsed Width Modulation) UART mô-đun truyền thông nối tiếp (Universal Asynchronous Receiver/Transmitter) CAN mạng khu vực điều khiển (Control Area Network) ADC chuyển đổi tín hiệu tương tự - số (Analog-to-Digital Converter) FPGA mạng cổng có thể lập trình được (Field-Programmable Gate Array) IpaBD ép ảnh và phát hiện vật cản (Image Pressure and Barriers Detection) DANH MỤC CÁC BẢNG Bảng 2.1: Các thông số ứng với 2 thời gian quét dọc Tv ngắn và dài. .................... 61 Bảng 3.1: Giá trị của Rk của LRF .......................................................................... 82 Bảng 3.2: Các mẫu phép đo của cảm biến camera toàn phương. ............................ 89 Bảng 3.3: Sai số căn quân phương RMSE của các cấu hình tổng hợp cảm biến so với đường thực ........................ 90 vii DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ Hình 1.1: Sơ đồ khối của: a) tổng hợp đa cảm biến; b) tích hợp đa cảm biến ......... 14 Hình 1.2: Quá trình xử lý thông minh của con người ............................................. 15 Hình 1.3: Hệ thống quản lý đa cảm biến. ............................................................... 18 Hình 1.4: Các đặc điểm tổng hợp khác nhau dựa trên đầu vào /ra .......................... 21 Hình 1.5: Tổng hợp cấu hình: cạnh tranh, bổ sung và cộng tác .............................. 22 Hình 1.6: Kiến trúc trung tâm với một trung tâm xử lý .......................................... 26 Hình 1.7: Kiến trúc tổng hợp phân tán. .................................................................. 27 Hình 1.8: Kiến trúc tổng hợp cục bộ ...................................................................... 28 Hình 1.9: Sự trôi phép định vị được phát sinh bởi robot Nomad 200 ..................... 29 Hình 1.10: Tổng hợp đa cảm biến sử dụng kỹ thuật Bayesian ................................ 34 Hình 1.11: Sơ đồ thuật toán bộ lọc Kalman rời rạc. ............................................... 36 Hình 1.12: Sơ đồ thuật toán bộ lọc Kalman mở rộng. ............................................ 39 Hình 2.1: Mạng thông tin cảm nhận trong robot đa cảm biến ................................. 42 Hình 2.2: Cấu tạo của robot đa cảm biến. .............................................................. 43 Hình 2.3: Mô-đun Motion Mind ............................................................................ 44 Hình 2.4: Cảm biến lập mã quang.......................................................................... 44 Hình 2.5: a) Mô-đun cảm biến từ-địa bàn CMPS03; b) Nguyên lý hoạt động ........ 45 Hình 2.6: a) Mô-đun cảm biến siêu âm; b) Nguyên lý hoạt động ........................... 46 Hình 2.7: Cảm biến ảnh camera toàn phương ........................................................ 47 Hình 2.8: a) Dải góc quét 1800 của LRF; b) Mặt phẳng tia laser với các góc quét β. ............................................................................................................. 47 Hình 2.9: Lưu đồ chương trình thu và xử lý số liệu................................................ 49 Hình 2.10: a) Quét ngẩng lên và xuống cùng không gian hình cầu các điểm đo; b) Cơ cấu truyền động quay và mô-tơ servo.......................................................... 50 Hình 2.11: Xác định tọa độ của một điểm ảnh 3D.................................................. 51 Hình 2.12: Chi tiết bản vẽ hệ thống cơ khí tạo quét ngẩng lên-xuống .................... 51 Hình 2.13: Tốc độ mô-tơ khi không và có điều khiển PID ..................................... 52 Hình 2.14: Góc quét dọc  của LRF ...................................................................... 52 viii Hình 2.15: Mạch in và ảnh chụp mạch lắp ráp vi điều khiển MCUdsPIC ............... 54 Hình 2.16: Sơ đồ nguyên lý của mạch điện tử điều khiển dùng MCUdsPIC30F4011 ............................................................................................................ 55 Hình 2.17: Sơ đồ nguyên lí của mạch chuyển đổi USB ↔ RS485 ......................... 56 Hình 2.18: Sơ đồ mạch in của mạch chuyển đổi USB ↔ RS485............................ 56 Hình 2.19: Ảnh chụp mạch lắp ráp mạch chuyển đổi USB ↔ RS485 .................... 57 Hình 2.20: Lưu đồ quy trình dẫn đường cho robot di động .................................... 58 Hình 2.21: a) Robot chạy thẳng 7m; b) Robot chạy và quay với các vận tốc khác nhau ................................................................................................... 59 Hình 2.22: a) Ảnh camera; b) Ảnh laser 2D; c) Ảnh laser 3D ................................ 60 Hình 2.23: a) Các cặp giá trị đo (đường đứt nét) tọa độ y và z của vật và giá trị thực (đường liền nét) phụ thuộc vào góc ngẩng; b) Sai lệch tuyệt đối của giá trị z ......... 61 Hình 2.24: Ảnh 3D một vật hình tròn đặt trước LRF ............................................. 61 Hình 2.25: a) Ảnh camera; b) Ảnh Laser 3D.......................................................... 62 Hình 2.26: Ảnh 3D một người đi ngang qua LRF .................................................. 62 Hình 2.27: Ảnh 3D một người đứng tại chỗ trong khi robot di chuyển về phía đó với vận tốc 0,3 m/s .................................................................................... 62 Hình 3.1: Các khâu điều khiển trong quá trình dẫn đường ..................................... 64 Hình 3.2: a) Tư thế và các thông số của robot trong hai hệ tọa độ; b) Mô hình chuyển động......................................................................................... 65 Hình 3.3: Quỹ đạo ước lượng của robot với các cấu hình không có (màu đen) và có EKF (màu xanh lá cây) so với quĩ đạo thực (màu xanh dương).............................. 73 Hình 3.4: Máy đo LRF đặt trên robot đo 2 thông số của một đường thẳng trong môi trường. .................................................................................................. 74 Hình 3.5: Các tham số (ρ, ψ) của các phân đoạn đường thẳng với vị trí robot trong hệ tọa độ của robot. ............................................................................... 79 Hình 3.6: Các tham số trùng khớp giữa các phân đoạn đường thẳng cục bộ và toàn cục ........................................................................................................ 79 Hình 3.7: a) Trích chọn các đoạn thẳng với ngưỡng cố định; b) Trích chọn các đoạn thẳng với ngưỡng động. ........................................................................ 81 ix Hình 3.8: a) Ảnh chụp liên tiếp robot chuyển động trong môi trường; b) Làm khớp các đoạn thẳng ở bản đồ toàn cục và bản đồ cục bộ. ............................ 82 Hình 3.9: Quỹ đạo ước tính của robot với các cấu hình EKF khác nhau................. 83 Hình 3.10: Độ lệch giữa các vị trí được ước tính với đường thực ........................... 83 Hình 3.11: Ước lượng góc nhìn ˆk từ robot đến vật mốc màu đỏ (xm,ym) bằng phép đo odometry và cảm biến ảnh toàn phương. ........................................ 85 Hình 3.12: Ảnh toàn phương và trải ảnh toàn cảnh của camera-omni .................... 87 Hình 3.13: Phát hiện đường thẳng đứng sử dụng thuật toán Hough ....................... 87 Hình 3.14: Ảnh chụp liên tiếp robot chuyển động trong môi trường; b) Quỹ đạo ước tính của robot với các cấu hình EKF khác nhau ..................................................... 89 Hình 3.15: Độ lệch giữa các vị trí được ước tính với đường thực ........................... 90 Hình 3.16: Ép ảnh 3D thành 2D trên mặt phẳng xy ................................................ 93 Hình 3.17: (a) Ví dụ minh họa quét ảnh 3D, (b) hình chiếu các điểm ảnh hướng về cảm biến trên mặt phẳng xy, ứng với một giá trị góc quét k có nhiều điểm ảnh (tròn hay tam giác) có các giá trị R khác nhau, (c) mặt cắt đứng của quá trình quét với các điểm ảnh cùng có giá trị quét  k nhưng có chiều cao khác nhau nên có giá trị R khác nhau. ........................... 93 Hình 3.18: Ảnh chụp 3D môi trường toàn cục. ...................................................... 96 Hình 3.19: Bản đồ 2D với toàn bộ điểm ảnh 3D được ép trên mặt phẳng OXY. .... 96 Hình 3.20: Kết quả bản đồ thu được do giải thuật IPaBD. ..................................... 96 Hình 3.21: Vạch đường cho robot trên bản đồ IPaBD bằng giải thuật A*. ............. 98 Hình 3.22: Bản đồ Voronoi với đường đi tối ưu qua nút B..................................... 98 Hình 4.1: Thế và các thông số của robot .............................................................. 104 Hình 4.2: Vòng điều khiển phản hồi với bộ lọc Kalman ...................................... 112 Hình 4.3: Đáp ứng với các luật điều khiển dùng 1 cấu hình (a) và 2 cấu hình (b). 113 Hình 4.4: Kết quả mô phỏng ................................................................................ 114 Hình 4.5: Kết quả thực nghiệm ............................................................................ 114 Hình 4.6: a), b) Kết quả điều khiển ổn định không có bộ lọc Kalman .................. 114 Hình 4.7: a), b) Kết quả điều khiển ổn định có bộ lọc Kalman ............................. 115 x
This site is protected by reCAPTCHA and the Google Privacy Policy and Terms of Service apply.