MỤC LỤC
MỤC LỤC ...................................................................................................................... 1
DANH MỤC HÌNH VẼ ............................................................................................... 3
Danh mục các ký hiệu và chữ viết tắt .......................................................................... 6
MỞ ĐẦU......................................................................................................................... 7
1. Tính cấp thiết của luận án.....................................................................................7
2. Mục tiêu của luận án .............................................................................................9
3. Đối tượng và phạm vi nghiên cứu của luận án ...................................................9
4. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của luận án .......................................................10
5. Nội dung của luận án ...........................................................................................11
CHƯƠNG 1. ĐẶT VẤN ĐỀ NGHIÊN CỨU VÀ XÂY DỰNG MÔ HÌNH
ROBOT THÍ NGHIỆM ..............................................................................................13
1.1. Nghiên cứu tổng quan về hệ thống robot có gắn camera ..............................13
1.1.1 Tổng quan về một hệ robot có gắn camera bám mục tiêu di động ...............13
1.1.2. Tổng quan tình hình nghiên cứu trong và ngoài nước.................................17
1.2.3. Kết luận và lựa chọn hướng nghiên cứu, phát triển Luận án ......................21
1.2. Xây dựng mô hình robot tự hành. ...................................................................22
1.2.1. Xây dựng cấu trúc của hệ robot tự hành .....................................................22
1.2.2. Xây dựng phần cứng cho mạch chủ điều khiển robot: ................................24
1.3. Kết luận chương 1 .............................................................................................27
CHƯƠNG 2. THIẾT KẾ CHẾ TẠO CẢM BIẾN VỊ TRÍ TRÊN CƠ SỞ XỬ LÝ
ẢNH CHO BÀI TOÁN BÁM MỤC TIÊU DI ĐỘNG .............................................29
2.1. Tổng quan về hệ thống bám ảnh tự động .......................................................29
2.1.1. Tổng thể hệ bám ...........................................................................................29
2.1.2. Kiến trúc tổng thể hệ bám. ...........................................................................30
2.2. Lập trình xử lý ảnh bám mục tiêu chuyển động ............................................32
2.2.1. Phương pháp bám theo các đặc điểm của ảnh (Thuật toán KLT) ...............32
2.2.2. Thuật toán bám ảnh Camshift ......................................................................35
2.2.3. Kết hợp bộ lọc Kalman với thuật toán bám ảnh Camshift...........................36
2.3. Kết luận chương 2 .............................................................................................43
CHƯƠNG 3: MÔ HÌNH HÓA HỆ ROBOT TỰ HÀNHGẮN CAMERA............. 44
3.1. Mô hình hóa hệ thống Pan/Tilt. .......................................................................44
3.2. Quy chiếu tọa độ mục tiêu và camera về tọa độ tâm robot .........................48
1
3.3. Mô hình động học, động lực học robot di động .............................................50
3.4. Kết luận chương 3 .............................................................................................55
CHƯƠNG 4: THIẾT KẾ BỘ ĐIỀU KHIỂN THÍCH NGHI ĐIỀU KHIỂN BÁM
QUỸ ĐẠO CHO ROBOT TỰ HÀNH .......................................................................56
4.1. Các phương pháp điều khiển bám quỹ đạo cho robot tự hành ....................57
4.1.1. Điều khiển bám sử dụng trực tiếp hàm điều khiển Lyapunov......................58
4.1.2. Các phương pháp dựa trên điều khiển trượt................................................60
4.1.3. Một số thuật toán khác .................................................................................62
4.2. 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 ............................................63
4.3. 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. ................................................68
4.3.1. Mô hình động học, động lực học: ................................................................69
4.3.2. Cấu trúc của hệ điều khiển ..........................................................................70
4.3.3. Tổng hợp bộ điều khiển thích nghi theo mô hình mẫu .................................71
4.3.3.1. Bộ điều khiển động học vòng ngoài ..........................................................72
4.3.3.2. Tổng hợp bộ điều khiển vòng trong ..........................................................72
A. Xây dựng mô hình động học mẫu ......................................................................72
B. Giải thuật điều khiển thích nghi theo mô hình mẫu ..........................................74
C. Tính ổn định của toàn hệ:..................................................................................77
4.4. Kết quả mô phỏng ............................................................................................79
4.4.1. Khi quỹ đạo đặt là đường thẳng ..................................................................81
4.4.2 Khi quỹ đạo đặt là đường tròn có tâm tại gốc tọa độ (0,0), bán kính bằng 5
................................................................................................................................84
4.5 Kết quả chạy thực nghiệm ...............................................................................88
4.6. Kết Luận chương 4 ...........................................................................................89
KẾT LUẬN .................................................................................................................. 91
1. Các kết quả đạt được của Luận án ....................................................................91
2. 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 1.1. Sơ đồ tổng quan của một hệ thống tích hợp quang điện tử ...........................15
Hình 1.2. Sơ đồ hệ thống robot và camera cố định ......................................................16
Hình 1.3. Sơ đồ hệ thống robot và camera di chuyển ...................................................17
Hình 1.4. Ảnh một số sản phẩm hệ quang điện tử tích hợp cố định trên thế giới .........18
Hình 1.5. PAN robot, robot Pops, MIDbo ...................................................................18
Hình 1.6. robot Talon, robot MARRS và robot Spirit thám hiểm sao hỏa của NASA 19
Hình 1.7. Sơ đồ tổng quan của hệ thống robot tự hành bám mục tiêu di động ............22
Hình 1.8. Cấu trúc tổng thể phần cứng khi gắn liền bộ xử lý trung tâm trên xe robot .23
Hình 1.9. Cấu trúc tổng thể phần cứng khi tách bộ xử lý trung tâm đặt riêng tại trung
tâm điều khiển ................................................................................................................23
Hình 1.10. Ảnh chụp toàn bộ hệ robot tự hành sản phẩm ............................................26
Hình 1.11. Ảnh chụp bên trong và bên ngoài robot ......................................................27
Hình 2.1. Cảm biến ảnh, gimbal và bộ xử lý .................................................................30
Hình 2.2. Cửa sổ mục tiêu khử nhiễu ...........................................................................31
Hình 2.3. Kiến trúc toàn thể hệ thống bám ..................................................................32
Hình 2.4. Lưu đồ thuật toán Camshift ..........................................................................36
Hình 2.5. Sơ đồ kết hợp bộ lọc Kalman và Camshift ....................................................37
Hình 2.6. Sơ đồ tóm tắt của bộ lọc Kalman ..................................................................38
Hình 2.7. Kết quả dự đoán vị trí với bộ lọc Kalman .....................................................39
Hình 2.8. Bộ lọc Kalman khi bị che khuất.....................................................................40
Hình 2.9. Sơ đồ tóm tắt của bộ lọc Kalman mở rộng ....................................................41
Hình 2.10. Việc theo dõi các chuyển động phức tạp sử dụng bộ lọc Kalman mở rộng 42
Hình 2.11. Chụp các frame chạy thực nghiệm thuật toán bám Camshift không có
Kalman...........................................................................................................................42
Hình 2.12. Chụp các frame chạy thực nghiệm với thuật toán bám Camshift có Kalman
.......................................................................................................................................43
Hình 3.1. Mô hình hóa hệ đế xoay Pan/Tilt ..................................................................44
Hình 3.2. Mô hình robot tự hành có gắn đế xoay Pan/Tilt ..........................................48
Hình 3.3. Tính toán vị trí đối tượng theo tọa độ robot ..................................................49
3
Hình 3.4. Tính toán động học ngược cho vị trí thực camera ........................................50
Hình 3.5. Phối cảnh của robot tự hành dạng non-honolomic cơ bản ...........................51
Hình 3.6. Phối cảnh của robot di động .........................................................................53
Hình 4.1. Phối cảnh của hệ robot gắn camera bám mục tiêu di động ..........................56
Hình 4.2. Cấu trúc điều khiển bám sử dụng hàm Lyapunov .........................................58
Hình 4.3. Cấu trúc rút gọn điều khiển bám sử dụng hàm Lyapunov ...........................59
Hình 4.4. Cấu trúc điều bám khiển thích nghi tách mô hình động học và động lực học
.......................................................................................................................................63
Hình 4.5. Cấu trúc hai vòng điều khiển.........................................................................70
Hình 4.6. Sơ đồ khối tổng thể của hệ thống điều khiển thích nghi đề xuất ...................77
Hình 4.7. Sơ đồ cấu trúc hệ thống điều khiển ..............................................................79
Hình 4.8. Sơ đồ mô phỏng trêm Simulink hệ thống khi sử dụng bộ điều khiển thường 80
Hình 4.9. Sơ đồ mô phỏng trêm Simulink hệ thống khi sử dụng bộ điều khiển thích nghi
theo mô hình mẫu đề xuất ..............................................................................................80
Hình 4.10. (a) Hội tụ của các biến sai lệch; (b) Vận tốc tịnh tiến và vận tốc quay khi
sử dụng bộ điều khiển thường. ......................................................................................81
Hình 4.11. (a) Hội tụ của các biến sai lệch; (b) Vận tốc tịnh tiến và vận tốc quay khi
sử dụng MRAS. ..............................................................................................................82
Hình 4.12. (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. ...........................................83
Hình 4.13. (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. ............................................84
Hình 4.14. (a) Quỹ đạo bám các biến sai lệch; (b) Vận tốc tịnh tiến và vận tốc quay
khi sử dụng bộ điều khiển thường. ................................................................................85
Hình 4.15. (a) Quỹ đạo bám các biến sai lệch; (b) Vận tốc tịnh tiến và vận tốc quay
khi sử dụng MRAS. ........................................................................................................86
Hình 4.16. (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. .....................................................................87
Hình 4.17. (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 ...............................................................87
Hình 4.18. Sơ đồ khối cấu trúc tổng thể của hệ thống ..................................................88
4
Hình 4.19. Giao diện HMI trên máy tính PC ...............................................................88
Hình 4.20. 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.
.......................................................................................................................................89
Hình 4.21. 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. ..............................................................................................89
5
Danh mục các ký hiệu và chữ viết tắt
Chữ viết tắt
Tiếng anh
Tiếng việt
ASIC
Application-Specific Integrated
Circuit
Mạch tích hợp ứng dụng chuyên
biệt (hay IC chuyên dụng)
DSP
Digital Signal Processor
Bộ xử lý tín hiệu số.
không gian màu HSV, là một
không gian màu dựa trên ba số liệu:
(Hue) vùng màu; (Saturation) độ
bão hòa màu; (Value) độ sáng.
Vào/Ra
HSV
Hue, Saturation and Value
I/O
In/Out
KLT
Bám theo đặc trưng ảnh
LED
Kanade–Lucas–Tomasi Feature
Tracker
Light-emitting Diod
LCD
Liquid Crystal Display
Màn hình tinh thể lỏng
MCU
Micro Control Unit
Vi điều khiển
MIMO
Multiple-Inputs and MultipleOutputs
Hệ nhiều đầu vào-nhiều đầu ra
MRAS
Model Reference Adaptive
Systems
Hệ thích nghi mô hình mẫu
MISO
Multi Input –Single Output
Hệ nhiều đầu vào- một đầu ra
FLS
Fuzzy Logic System
Hệ logic mờ
FMRLC
Fuzzy Model Reference
Learning Control
Điều khiển mờ thích nghi mô hình
mẫu
PID
Proportional–Integral–
Derivative
Bộ điều khiển tỷ lệ vi tích phân
PC
Persional Computer
Máy tính cá nhân
PWM
Pulse Wide Modulation
Điều chế độ rộng xung
SISO
Single Input- Single Output
Hệ một đầu vào-một đầu ra
6
Đi ốt phát quang
MỞ ĐẦU
1. Tính cấp thiết của luận án
Robot đang là tâm điểm của một cuộc cách mạng lớn sau Internet, ngày càng
được ứng dụng rộng rãi trong công nghiệp, cuộc sống, an ninh quốc phòng, và thám
hiểm không gian. Các nghiên cứu tập trung vào cải thiện, tăng tính linh hoạt, khả năng
thích ứng khi làm việc ở những vị trí và các ứng dụng khác nhau cho robot tự hành
đang thu hút các nhà nghiên cứu. Bên cạnh ứng dụng các cải tiến các thiết kế cơ khí,
cơ cấu chấp hành chuyển động linh hoạt thì việc ứng dụng “mắt máy” và phần mềm
xử lý, điều khiển sẽ đem lại cho robot tính linh hoạt và thông minh. Các robot tự hành
có gắn camera và các thiết bị kỹ thuật khác nhằm thực hiện một nhiệm vụ đặt trước, ví
dụ như các hệ thống phát hiện lỗi của vật liệu sử dụng camera, các hệ thống dò đường,
hệ thống phát hiện lỗi và hàn tự động, vận chuyển hàng hóa trong kho bãi, các hệ phát
hiện và bám mục tiêu di động,…Trong các hệ phát hiện và bám mục tiêu di động,
camera được trang bị để có thể nhận biết mục tiêu, kết hợp với các thuật toán xử lý ảnh
để xác định chính xác vị trí của mục tiêu (có chức năng như một mắt thần) để từ đó
điều chỉnh cơ cấu chấp hành sao cho tâm của mắt bám đúng mục tiêu. Trong những
năm gần đây, các hệ thống bám mục tiêu di động được quan tâm nghiên cứu rất rộng
rãi, nhất là trong lĩnh vực quốc phòng. Luận án đề cập đến việc nghiên cứu thiết kế và
chế tạo robot tự hành dạng non-holonomic bám mục tiêu di động trong phòng thí
nghiệm cơ điện tử với mục đích phục vụ cho công tác nghiên cứu các thuật toán xử lý
ảnh và điều khiển hiện đại làm tiền đề cho việc chế tạo các sản phẩm phục vụ đào tạo,
y tế, công nghiệp và xa hơn nữa là ứng dụng cho an ninh, quốc phòng. Sản phẩm trông
đợi của luận án là một robot tự hành tự động bám mục tiêu di động trong phòng thí
nghiệm.
Ngày nay, với sự phát triển của công nghệ điện tử, tốc độ tính toán của vi xử lý
tăng vượt trội, các chức năng hỗ trợ giao tiếp với các ngoại vi cũng được tích hợp trên
một chip, nhờ vậy mà các phương pháp xử lý ảnh hiện đại và các phương pháp điều
khiển phức tạp như điều khiển thích nghi bền vững có thể thực thi một cách dễ dàng
hơn, chính vì thế các hệ thống bám mục tiêu di động được cải thiện rất nhiều về mặt
chất lượng. Vì thế, các nghiên cứu phát triển thuật toán xử lý ảnh hiện đại và các thuật
toán điều khiển bám thích nghi, bền vững ngày càng trở nên cấp thiết do khả năng thực
7
hiện các thuật toán này trong thực tế sẽ giúp cho các hệ thống điều khiển bám mục tiêu
ổn định, chính xác và bền vững hơn khi hệ thống hoạt động trong môi trường thực tế
có nhiễu tác động và có sự thay đổi của tham số mô hình.
Các robot thông minh có trang bị camera thường có hai loại: loại đặt cố định
thường là một bệ đế xoay Pan/Tilt có gắn camera (robot hai bậc tự do) và loại thứ hai
là robot tự hành có gắn camera. Trên thế giới, các hệ thống bám đặt cố định thường
được phát triển bởi các tập đoàn sản xuất chế tạo vũ khí, thiết bị an ninh trên thế giới,
đó đều là những tập đoàn, công ty có nhiều năm kinh nghiệm trong lĩnh vực sản xuất
chế tạo vũ khí, thiết bị an ninh. Cũng đã có một số công trình công bố liên quan
[35,36,37,38] tuy nhiên đa số là những bài nghiên cứu, giới thiệu tổng quan không hề
có các kết quả cụ thể, chi tiết hay là bí quyết công nghệ mới trong đó. Vì đây là các hệ
thống tích hợp ứng dụng nhiều cho an ninh, quốc phòng nên có tính nhạy cảm rất cao,
do vậy việc bí mật các bí quyết công nghệ là tất yếu. Đã có rất nhiều loại sản phẩm
được thương mại hóa, tuy nhiên giá của một hệ thống robot tích hợp tự động bám mục
tiêu (ứng dụng cho an ninh, quốc phòng) tùy theo các tính năng kèm theo có giá từ vài
trăm nghìn, hàng triệu đến vài chục triệu USD (đặc biệt là Việt Nam không thể mua
được đồng bộ vì thường bị cấm xuất khẩu). Do đó, việc nghiên cứu về lĩnh vực này trở
nên cấp thiết, cũng đã có một số cơ quan nghiên cứu của Việt Nam đã và đang phát
triển các nhiệm vụ nghiên cứu theo hướng này và đã đạt được một số thành quả nhất
định [13,14,15,20].
Thời gian gần đây, các robot tự động bám mục tiêu đang thu hút sự tập trung
nghiên cứu. Trên thế giới, các hệ thống này được trang bị trên các tàu chiến, xe tăng,
máy bay chiến đấu, máy bay không người lái, hay là các robot chiến binh để dò phá
bom mìn, tình báo, hoạt động trong các môi trường độc hại, các địa hình hiểm trở,….
Với hệ thống bám di động thì độ phức tạp đã tăng lên, các công bố khoa học liên quan
lại rất ít, đặc biệt là các công trình liên quan đến việc thiết kế, chế tạo thì hầu như
không có [70,77]. Tại Việt Nam, các kết quả nghiên cứu ở lĩnh vực này chưa nhiều,
đặc biệt các cơ sở nghiên cứu không trực thuộc bộ quốc phòng chưa được hỗ trợ kinh
phí để phát triển nghiên cứu và chế tạo thử nghiệm các sản phẩm nên khả năng tiếp
cận trình độ thế giới còn nhiều khó khăn.
Xuất phát từ những luận điểm đã nêu trên, nghiên cứu sinh đã lựa chọn đề tài cho
luận án của mình là:
“Xây dựng Robot tự hành dạng Non-holonomic và tổng hợp bộ điều khiển bám quỹ
đạo”
8
Nội dung nghiên cứu của luận án này sẽ tập trung vào việc xây dựng và phát
triển một hệ robot tự hành dạng non-holonomic có gắn camera, có khả năng bám theo
mục tiêu di động. Để thực hiện được nội dung này cần phải tiến hành các bước: chế
tạo phần cứng cho robot tự hành, mô hình hóa và mô phỏng hệ robot đã xây dựng,
nghiên cứu các thuật toán xử lý bám ảnh tự động và nâng cao chất lượng bám, nghiên
cứu các thuật toán điều khiển bám cho robot để từ đó đề xuất thuật toán điều khiển
thích nghi nâng cao chất lượng bám cho hệ phi tuyến có mô hình bất định, và cuối
cùng là hiện thực hóa các nghiên cứu bằng sản phẩm của luận án, một robot tự hành
bám mục tiêu di động, nhằm mục đích kiểm tra tính đúng đắn của các thuật toán được
đề xuất và làm cơ sở phát triển các nghiên cứu tiếp theo.
2. Mục tiêu của luận án
Mục tiêu của luận án là nghiên cứu, đề xuất thuật toán điều khiển thích nghi cho
robot tự hành bám quỹ đạo trên cơ sở hệ phi tuyến bất định, đặc biệt chú ý đến chất
lượng bám và sự thay đổi của các tham số của robot (bởi mục đích ứng dụng của robot
là tương tác với đối tượng và môi trường khác nhau) và chịu tác động của nhiễu khi
hoạt động trên các địa hình khác nhau.
Một yếu tố cũng cần chú ý là thuật toán đó phải hướng đến lập trình nhúng trên
vi xử lý và chạy thử nghiệm thực tế các thuật toán mới đề xuất, do đó nhiệm vụ là phải
thiết kế, chế tạo một robot tự hành có gắn camera tự động bám mục tiêu di động trong
phòng thí nghiệm để kiểm chứng. Bên cạnh việc tập trung nghiên cứu thuật toán điều
khiển mới, việc nghiên cứu và đề xuất thuật toán trong xử lý ảnh để cải thiện chất
lượng phát hiện và định vị mục tiêu phải tiến hành song song, bởi tốc độ, độ chính xác
tổng thể của toàn hệ thống gắn liền với độ chính xác của “sensor ảnh”.
3. Đối tượng và phạm vi nghiên cứu của luận án
Về lý thuyết:
Nghiên cứu tổng quan về hệ thống quang điện tử tích hợp, robot tự hành, tình
hình nghiên cứu trong và ngoài nước, từ đó rút ra các hướng nghiên cứu thích hợp cho
luận án.
Nghiên cứu các thuật toán xử lý ảnh bám bắt mục tiêu di động, đề xuất các
phương pháp cải thiện nâng cao chất lượng và tốc độ bám.
Mô hình hóa và mô phỏng động học, động lực học, động học ngược của mô
hình robot tự hành, các bài toán quy đổi các tọa độ, trục tọa độ của bài toán điều khiển
bám robot theo ảnh.
9
Nghiên cứu các thuật toán điều khiển thích nghi robot, mục đích là nâng cao
chất lượng bám và khả năng thích nghi khi robot có các tham số thay đổi và có nhiễu
tác động khi hoạt động trong môi trường thực tế và tương tác với mục tiêu (có các
tham số khối lượng và mô men quán tính thay đổi và chịu tác động của nhiễu sai lệch
mô hình).
Thiết kế một cấu trúc phần mềm điều khiển hoàn chỉnh, đồng bộ hóa và có khả
năng cài đặt cho robot thực tế để kiểm định các kết quả nghiên cứu lý thuyết chuyên sâu
vào sản phẩm robot.
Về thực hành:
Với mục tiêu sản phẩm phải có khả năng ứng dụng, do đó công việc khảo sát,
đánh giá các sản phẩm đã có trong và ngoài nước nhằm rút ra các tiêu chuẩn cho sản
phẩm của luận án là công việc đầu tiên.
Thiết kế và chế tạo đồng bộ phần cứng và các thiết bị ngoại vi với phần cơ khí
theo đúng tiêu chuẩn công nghiệp, thuận tiện cho người sử dụng, dễ dàng lắp ghép
thao tác và nâng cấp. Chế tạo các mạch điện tử, điều khiển, giao tiếp ngoại vi với mục
tiêu đủ nhanh, mạnh theo hướng có thể mở rộng và nâng cấp.
Nghiên cứu, thiết kế và chế tạo cảm biến định vị mục tiêu trên cơ sở công
nghệ xử lý ảnh kết hợp với bộ lọc Kalman.
Thiết kế cấu trúc, lập trình, cài đặt các thuật toán đã nghiên cứu cho robot,
chạy thử nghiệm và đánh giá kết quả.
4. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của luận án
Ý nghĩa khoa học:
Một thuật toán thích nghi theo mô hình mẫu mới được đề xuất để điều
khiển bám quỹ đạo cho robot tự hành khi robot có tham số m, I là bất định và có tác
động của nhiễu. Thuật toán này chưa được cài đặt trên bất cứ robot nào trước đó trong
và ngoài nước, có tính linh hoạt cao, cấu trúc đơn giản, dễ dàng cho việc lập trình cài
đặt trên vi xử lý, có khả năng thích nghi khi có nhiễu tác động hoặc khi tham số m và I
của robot thay đổi đặc biệt thích hợp với mô hình robot sản phẩm của luận án. Bộ điều
khiển đề xuất là sự kết hợp giữa hai khâu: bộ điều khiển phi tuyến cho mô hình động
học và bộ điều khiển thích nghi mô hình mẫu cho mô hình động lực học sử dụng thông
tin phản hồi từ cơ cấu chấp hành của robot tự hành.
Ý nghĩa về mặt công nghệ thực tiễn:
10
Thiết kế, chế tạo và chạy thử nghiệm thành công robot tự hành có gắn
camera. Sản phẩm này có thể sử dụng trong đào tạo thực tiễn cho sinh viên, học viên
cao học các ngành robot, tự động hóa, điều khiển và cơ điện tử… hiện đang rất cần tại
Việt Nam. Sản phẩm cũng đang được sử dụng để phục vụ đào tạo và nghiên cứu khoa
học cho sinh viên ngành điều khiển tự động, trường Đại học Bách khoa HN, Đại học
KH&CN – Viện Hàn lâm Khoa học và Công nghệ Việt Nam, ngành cơ điện tử, Điện
tử trường Đại học Công nghiệp Hà Nội và trường Cao đẳng nghề Công nghệ cao Hà
Nội. Hướng phát triển đến các ứng dụng thực tiễn như chế tạo các robot dò tìm lỗi và
hàn tự động, dò đường và trải thảm nhựa đường tự động, robot quan trắc môi trường
tại các nơi có điều kiện môi trường độc hại, robot phục vụ chăm sóc y tế, robot dò phá
bom mìn…
5. Nội dung của luận án
Bố cục của luận án bao gồm 5 Chương:
Chương 1: "Đặt vấn đề nghiên cứu và xây dựng robot tự hành", nghiên cứu
tổng quan về hệ thống robot tự hành có gắn camera tự động bám theo mục tiêu di động,
các nghiên cứu liên quan đến lĩnh vực này trong và ngoài nước nhằm định hướng
nghiên cứu phát triển cho luận án bao gồm các yêu cầu về phần cứng, phần mềm,
nghiên cứu và phát triển thuật toán xử lý ảnh, thuật toán điều khiển mới phù hợp cho
sản phẩm của luận án được đề xuất.
Chương 2: " Thiết kế chế tạo cảm biến vị trí trên cơ sở xử lý ảnh cho bài toán
bám bắt mục tiêu di động" đi sâu nghiên cứu các vấn đề về lý thuyết xử lý ảnh bám
bắt: cấu trúc của một vòng xử lý và điều khiển bám bắt mục tiêu di động, các thuật
toán xử lý ảnh bám bắt mục tiêu di động như KLT, Corelation Template, MeanShif,
Camshif. Đề xuất một giải pháp mới là kết hợp thuật toán Camshift với bộ lọc Kalman
để cải thiện chất lượng ảnh nhằm nâng cao độ chính xác của cảm biến bắt mục tiêu.
Chương 3: "Mô hình hóa hệ robot tự hành có gắn camera" đi sâu nghiên cứu
các phương pháp mô hình hóa, mô phỏng hệ robot tự hành có gắn camera, đồng bộ hệ
trục tọa độ về tọa độ tâm robot nhằm phục vụ cho bài toán thiết kế thuật toán điều
khiển bám quĩ đạo, xây dựng mô hình mô tả động học, động lực học, động học ngược
của robot tự hành có gắn camera, sản phẩm của luận án, đã được thiết kế và chế tạo ở
Chương 1 và quy đổi hệ tọa độ về tâm của robot sản phẩm được kết hợp với các thuật
toán xử lý ảnh ở chương 2 để xác định quỹ đạo đặt cho bài toán điều khiển bám quỹ
đạo của robot tự hành được nghiên cứu ở chương tiếp theo sau.
11
Chương 4: "Thiết kế bộ điều khiển thích nghi điều khiển bám quỹ đạo robot tự
hành". Đây là đóng góp chính của luận án. Trong chương này, ngoài việc trình bày
một số phương pháp điều khiển bám quỹ đạo cho robot tự hành đã được công bố,
nghiên cứu về thuật toán thích nghi theo mô hình mẫu bám quỹ đạo cho robot tự hành
mới công bố [60] được trình bày. Từ các phân tích ưu nhược điểm của thuật toán này,
một đề xuất mới nhằm mở rộng thuật toán thích nghi theo mô hình mẫu bám quỹ đạo
cho robot tự hành ngoài các tham số khối lượng m,và moment quán tính I là bất định
còn có thêm tác động của nhiễu. Bộ điều khiển đề xuất được thực hiện trên cơ sở cấu
trúc điều khiển cascade gồm hai khâu: bộ điều khiển phi tuyến cho mô hình động học
và bộ điều khiển thích nghi mô hình mẫu cho mô hình động lực học sử dụng thông tin
phản hồi từ cơ cấu chấp hành của robot tự hành. Tính ổn định của hệ kín được khảo sát
và thỏa mãn bởi việc lựa chọn hàm Lyapunov tương thích. Các kết quả mô phỏng,
chạy thử nghiệm cho thấy tính đúng đắn của các phân tích lý thuyết, hiệu quả của của
bộ điều khiển đề xuất và khả năng ứng dụng trong thực tế.
Chương 5: “Kết luận” trình bày tóm tắt các đóng góp chính của luận án và
hướng phát triển của luận án trong tương lai.
12
CHƯƠNG 1. ĐẶT VẤN ĐỀ NGHIÊN CỨU VÀ XÂY DỰNG MÔ
HÌNH ROBOT TỰ HÀNH
Các hệ quang điện tử tích hợp hay robot thông minh có trang bị camera thường
có hai loại: loại đặt cố định thường là một bệ đế xoay Pan/Tilt có gắn camera (robot
hai bậc tự do) và loại thứ hai là robot tự hành có gắn camera. Loại thứ nhất được tập
trung nghiên cứu và có nhiều sản phẩm nổi bật đã được sử dụng cho các hệ thống an
ninh, quốc phòng đặc biệt là các hệ thống khí tài trang bị cho phòng không không
quân, hải quân, và cảnh giới bờ biển… Ngoài việc hệ Pan/Tilt cố định có tích hợp
camera như trên, hiện hướng nghiên cứu các robot tự hành có gắn camera cũng đang là
hướng nghiên cứu tập trung của các nhà nghiên cứu. Một hệ thống robot thông minh
có gắn vũ khí cũng được sử dụng nhiều trong y tế, công nghiệp, an ninh quốc phòng và
có khả năng thay thế con người làm việc trong các điều kiện khắc nghiệt và nguy hiểm
hoặc khám phá không gian. Các robot tự hành loại này trước đây thường hoạt động
bằng các cảm biến như cảm biến màu sắc, hồng ngoại, cảm biến dò đường, siêu âm.
Gần đây các robot loại này được phát triển và tích hợp thêm “thị giác”, việc tích hợp
trên robot hệ thống camera thông minh ứng dụng công nghệ xử lý ảnh sẽ tăng khả
năng cơ động, và “thông minh” cho robot.
Nội dung của chương 1 tập trung vào việc nghiên cứu tổng quan về một hệ robot
tự hành có gắn camera, phân tích tình hình nghiên cứu trong và ngoài nước nhằm rút
ra hướng nghiên cứu trọng tâm của luận án. Chương này cũng trình bày việc xây dựng
và phát triển hoàn thiện phần cứng cho một robot tự hành có gắn camera nhằm mục
đích vào việc thử nghiệm lý thuyết, thuật toán nghiên cứu của luận án.
1.1. Nghiên cứu tổng quan về hệ thống robot có gắn camera
1.1.1 Tổng quan về một hệ robot có gắn camera bám mục tiêu di động
Thông tin hình ảnh nhận được từ đôi mắt có vai trò rất quan trọng đối với con
người, nó là kênh thông tin chủ yếu để đưa ra các quyết định của con người, có cấu tạo
không quá phức tạp song lại chứa một lượng thông tin khổng lồ. Do đó việc nghiên
cứu và đưa các ứng dụng của thị giác vào ứng dụng trong thực tế đã được đưa ra từ
khá lâu, tuy nhiên chỉ mới mấy thập kỷ gần đây, với sự phát triển mạnh của các ngành
công nghệ cao liên quan như toán – công nghệ thông tin, công nghệ vi điện tử – xử lý
13
tín hiệu số, đầu thu quang lượng tử, laser, vi cơ - quang - điện tử MEMS, OMEMS thì
những ý tưởng đó mới dần trở thành hiện thực và “thị giác máy” trở thành một ngành
khoa học mới với đầy những hứa hẹn. Xin nêu một số ứng dụng cụ thể [19]:
1/. Trong quân sự: Các hệ thống tích hợp nhìn ngày và quang hồng ngoại nhìn
đêm có khả năng quan sát và tự động điều khiển dàn hỏa lực (pháo, tên lửa) được lắp
đặt cho các chốt điểm trên đất liền, cho chốt canh của các hải đảo, trận địa cao xạ, trên
xe tăng, tàu chiến, máy bay, tên lửa hoặc vệ tinh. Chúng được thay thế và hỗ trợ các
dàn rada dễ bị nhiễu trong việc tự động phát hiện, cảnh giới, bám bắt mục tiêu. Đặc
biệt có những loại lắp trên máy bay có khả năng điều khiển hỏa lực đánh phá hàng
chục mục tiêu một lúc. Ngoài ra còn phải kể đến các đầu tự dẫn tên lửa và đạn thông
minh
2/. Trong an ninh, phòng chống tội phạm, bảo vệ pháp luật: Các hệ thống camera
nhận dạng khuôn mặt vân tay tự động cũng như phát hiện, theo dõi, cảnh báo các âm
mưu và hoạt động khủng bố. Các xe robot tự hành có gắn các camera cũng được ứng
dụng trong các môi trường độc hại, dò phá bom mìn.
3/. Trong lĩnh vực hàng không vũ trụ: Các hệ thống ống kính chụp ảnh viễn thám
(remote sensing) lắp trên các vệ tinh bay quanh trái đất có thể chụp và quan sát được
các vật kích cỡ 0,5 m từ độ cao 750 km trong mọi điều kiện thời tiết... Việc nối ghép
các ống kính này với hệ thống GPS sẽ cho phép xây dựng các bản đồ số có những lĩnh
vực ứng dụng cực kỳ quan trọng trong quốc phòng an ninh, phát triển kinh tế, xã hội....
Các robot tự hành thám hiểm các hành tinh mà con người chưa thể tới được.
4/. Trong công nghiệp, giao thông, xây dựng: Hệ thống quang điện tử đóng vai
trò của các thị giác máy (machine vision) có khả năng tự động đo đạc kiểm tra chất
lượng sản phẩm trong các dây chuyền sản xuất: phân loại hạt ngũ cốc, cà phê; tìm lỗi
lắp ráp linh kiện các bản vi mạch và khuyết tật các mối hàn và động cơ. Các hệ thống
này cũng được ứng dụng như các robot hàn tự động, vận chuyển kho bãi, trải thảm
nhựa, aphal trong xây dựng đường giao thông... Các hệ thống quang điện tử cũng được
ứng dụng ngày càng nhiều trong giao thông như đo tốc độ, tự động kiểm soát điều
khiển và phân luồng giao thông.
5/. Trong nghiên cứu y sinh dược học: Các kính hiển vi có khả năng tự động
nhận dạng và đo đếm các tế bào với độ chính xác cao. Các kính hiển vi có hệ thống
dẫn đường laser cho phép thực hiện những phẫu thuật rất phức tạp như mổ u não, nơi
14
mà một sự không chính xác cỡ m cũng gây tổn hại đến các dây thần kinh chằng chịt
xung quanh...
6/. Trong công nghiệp giải trí truyền hình: Các hệ thống tích hợp có thể điều
khiển các camera kích thước và khối lượng lớn dễ dàng tự động bám theo các đối
tượng chuyển động nhanh như bóng đang bay, đua xe..
- Cấu tạo và nguyên lý hoạt động
Qua những ứng dụng trên cho thấy: một hệ robot có gắn camera (hệ quang điện
tử tích hợp) là một chu trình khép kín từ lúc phát tín hiệu hình ảnh (đối tượng, nguồn
sáng sử dụng...) qua khâu truyền tải và biến đổi tín hiệu quang học (các ống kính...)
cho đến việc thu nhận (CCD...) xử lý và điều khiển các cơ cấu chấp hành. Trong mọi
khâu ta đều thấy sự tích hợp của nhiều lĩnh vực công nghệ cao như toán-tin học, vi
điện tử-máy tính, đầu thu quang lượng tử, laser, cơ khí chính xác, quang học, MEMS,
OMEMS, điều khiển điện tự động, robot, xử lý nhận dạng ảnh...
Đầu thu
CCD, IR
Điều khiển
các động cơ
Số hóa ảnh
A/D
Hiển thị ảnh
Xử lý và
nhận dạng
ảnh
Thiết bị điều
khiển (PLC,
vi điều khiển
)
truyền
thông
Lưu trữ ảnh
Các tín hiệu
cảnh báo
Truyền tín hiệu
điều khiển cho
các trạm khác
Máy in
Cảm biến hỗ trợ
khác
Các đèn chiếu
sáng phụ
Hình 1.1. Sơ đồ tổng quan của một hệ robot có tích hợp camera.
Sơ đồ nguyên lý hoạt động của hệ robot có tích hợp camera được biểu diễn qua
Hình 1.1 [19] nó bao gồm những cụm chức năng chính sau:
1/- Hệ thu nhận tín hiệu hình ảnh: bao gồm các camera, ống kính.
15
2/- Bộ chuyển đổi tín hiệu A/D: mạch vi điện tử frame grabber để số hóa tín hiệu
hình ảnh cho máy tính, bộ vi xử lý, bộ xử lý tín hiệu số.
3/- Hệ thống điều khiển trung tâm: sự phát triển vũ bão của công nghệ sản xuất vi
mạch đã đưa ra những công nghệ vi xử lý mới dựa trên xử lý tín hiệu số có tốc độ và
hiệu năng tính toán cao như ARM, DSP, FPGA và mạch ASICs (custom aplicationspecific intergrated circuits) không chỉ làm tăng tốc độ xử lý tính toán điều khiển mà
còn thu nhỏ được kích thước thiết bị gấp nhiều lần.
4/- Máy tính và chương trình phần mềm nhận dạng và xử lý ảnh tự động: có thể
viết bằng ngôn ngữ nhúng trên vi xử lý, DSP, FPGA, ASIC hoặc trên ngôn ngữ bậc
cao như C, C++, VisualC, Labview, Matlab…để chạy trên máy tính PC hoặc máy tính
nhúng.
5/- Hệ sensor hỗ trợ khác: đo xa laser (YAG-Neodym hoặc laser diode), Gyro
sensor, la bàn số, cảm biến từ trường, sensor siêu âm…vv có thể ghép nối máy tính, vi
xử lý thông qua giao tiếp nối tiếp, hoặc RF, 3G …vv.
6/- Hệ thống truyền động (các động cơ): thường dùng là các đông cơ servo AC
và DC. Nếu đặt trên phương tiện di động (xe, tàu thủy, máy bay, vệ tinh...) thì cần phải
có bộ ổn định trên cơ sở các con quay hồi chuyển (gyroscope).
7/- Hệ thống các thiết bị ngoại vi và và kết nối với trạm khác.
8/- Hệ thống cung cấp điện: ổn áp và dòng cung cấp cho toàn bộ hệ thống
Camera
Máy
tính
Đối tượng
Robot
Tín hiệu điều
khiển
Hình 1.2. Sơ đồ hệ thống robot và camera cố định.
16
Hệ thống quang điện tử tích hợp có thể phân thành 2 lớp, theo như cấu trúc của
hệ, đó là hệ đặt cố định (tay máy robot cố định và có camera gắn cố định Hình 1.2) và
hệ di động (có camera gắn trên robot tự hành Hình 1.3). Trong hệ camera cố định,
camera được gắn cố định so với hệ trục tọa độ thực, thu thập ảnh của cả mục tiêu và cả
môi trường. Mục tiêu của hệ camera cố định này là cung cấp tín hiệu điều khiển sao
cho robot có thể tương tác với đối tượng theo một bài toán mong muốn, hệ thống này
thường được ứng dụng trong các dây chuyền sản xuất, phân loại sản phẩm, trong công
nghiệp, bám mục tiêu trong an ninh quốc phòng.
camera
Vật thể cần giám sát
robot tự hành
Hình 1.3. Sơ đồ hệ thống robot tự hành gắn camera di chuyển
Trong Hình 1.3 là hệ có camera gắn trên robot và cả hệ robot và camera sẽ di
chuyển. Mục đích của cấu trúc này là điều khiển robot sao cho ảnh của mục tiêu di
động hoặc cố định được duy trì ở vị trí mong muốn trên mặt phẳng ảnh thu được.
Mục đích của hệ thống bám tự động là để duy trì một “đường ngắm” viết tắt là
LOS (Line Of Sight) cảm biến - mục tiêu một cách ổn định và hoàn toàn tự động trong
khi tồn tại cả chuyển động tương đối của mục tiêu và chuyển động của đế gắn cảm
biến làm nhiễu loạn tới dữ liệu cảm biến hình ảnh. Mục tiêu thường được định vị ban
đầu, bởi hoặc là người điều khiển hoặc là hệ thống nhận dạng mục tiêu tự động. Sau
đó, hệ thống bám sẽ khoá chặt mục tiêu và duy trì LOS tự động.
1.1.2. Tổng quan tình hình nghiên cứu trong và ngoài nước
1.1.2.1. Tình hình nghiên cứu ngoài nước
Trên thế giới có một số tài liệu như: [35, 36, 37,38, 73, 74]. Đây là một số công
bố rất ít liên đến hệ thống quang tích hợp trên thế giới. Tuy nhiên đây đa số là những
bài nghiên cứu, giới thiệu tổng quan không hề có công bố cụ thể, chi tiết hay là bí
quyết công nghệ mới trong đó. Vì đây là các hệ thống tích hợp có tính chất đa ngành,
17
ứng dụng nhiều cho an ninh, quốc phòng do đó việc bí mật các bí quyết công nghệ là
tất yếu.
Với các tập đoàn, công ty chuyên sản xuất các thiết bị cho An ninh, Quốc phòng
lớn trên thế giới như: NASA, Northrop Grumman, Lockheed Martin, Kollmorgen,
Santa Barbara, Raytheon, Radamec, Newcon Optics, Flir…thì chỉ công bố các tính
năng kỹ thuật, chức năng hoạt động của các hệ thống quang điện tử tích hợp sản phẩm
của mình, tất cả các tài liệu nghiên cứu, thiết kế, tích hợp chuyên sâu đều không được
đề cập. Việc nghiên cứu và đi đến thiết kế chế tạo hệ quang điện tử bám bắt theo ảnh
là rất có ý nghĩa, nếu chúng ta chủ động được các khâu từ nghiên cứu, phát triển cho
đến công nghệ chế tạo thì ngoài tính kinh tế còn bảo đảm tính bí mật bất ngờ. Công
nghệ này có tính lưỡng dụng nên sẽ có thể mở ra và phát triển nhiều ứng dụng trong
các lĩnh vực khác như công nghiệp, giao thông, y tế, nghiên cứu, truyền hình...
Hình 1.4. Ảnh một số sản phẩm hệ quang điện tử tích hợp cố định trên thế giới
Hình 1.5. PAN robot, robot Pops, MIDbo (nguồn: www.mobilerobot.org)
18
Thời gian gần đây, các nghiên cứu về dân sự và tập trung ở hướng robot tự hành
có gắn camera (Hình 1.6) và bám theo mục tiêu di động, các công trình nghiên cứu từ
[44÷66] đều tập trung vào hướng nghiên cứu này.
Hình 1.6. robot Talon, robot MARRS và robot Spirit thám hiểm sao hỏa của NASA
Trên thế giới, các hệ thống quang điện tử tích hợp được phát triển bởi số ít các
tập đoàn sản xuất chế tạo vũ khí, thiết bị an ninh, đó đều là những tập đoàn, công ty có
nhiều năm kinh nghiệm trong lĩnh vực sản xuất chế tạo vũ khí, thiết bị an ninh. Nhìn
chung, các bộ điều khiển này rất đa dạng về chủng loại, mục đích sử dụng, hình dáng,
kích thước và tính năng, có thể rút ra một số đặc điểm chính của các bộ điều khiển đó
như sau:
+ Về phần cứng:
Hình thức: rất đa dạng, gọn, chắc chắn, dễ lắp đặt tùy từng loại ứng dụng, tầm
quan sát, và đảm bảo các yêu cầu về an ninh, quân sự: kín khít, chống ăn mòn, chịu
được thời tiết khắc nghiệt như mưa, gió, khí hậu biển….
Mạch in được thiết kế nhiều lớp, được nhiệt đới hóa để bảo đảm hoạt động an
toàn tin cậy, có khả năng chỗng nhiễu. Các bộ điều khiển sử dụng nguồn điện điện áp
một chiều 24V hoặc 12V. Nguồn điện luôn luôn sử dụng các mạch bảo vệ quá điện áp
và quá dòng. Vi xử lý và tất cả các linh kiện điện tử đều là loại đặc chủng dành cho
quân sự.
Tùy theo mục đích từng loại và ứng dụng mà hệ có các đầu vào ra thích hợp với
các ứng dụng để tiết kiệm chi phí và kích thước sản phẩm. Tuy nhiên, các đầu vào, ra
dễ dàng giao tiếp, ghép nối với các thiêt bị ngoại vi khác cũng như có khả năng mở
rộng với thiết bị bên ngoài như hệ xoay súng, pháo, tên lửa…..
+ Về phần mềm:
Đa số đều giống nhau, có chức năng chính như sau:
19
- Đọc ảnh, video từ camera truyền về, hiển thị, lưu trữ ảnh thu được, truyền hình
ảnh qua cáp, mạng truyền thông không dây, Wifi…
- Có các chức năng điều khiển hệ đế xoay, các thiết bị ngoại vi.
- Giao tiếp với Module Joystick để điều khiển.
- Hiển thị vị trí, vận tốc và góc quay.
- Có khả năng bám mục tiêu tự động.
1.1.2.2. Tình hình nghiên cứu trong nước
Từ nhiều năm nay, một số cơ quan nghiên cứu chủ yếu thuộc Bộ Quốc phòng đã
đặt vấn đề nghiên cứu xây dựng hệ thống, có thể kể ra:
- Viện Nghiên cứu Tự động hóa Quân sự đã nghiên cứu và chế tạo thành công hệ
quang điện tử tích hợp ứng dụng cho hỏa lực tên lửa phòng không không quân. Đây là
Đề tài đã đoạt giải thưởng Hồ Chí Minh về Khoa học công nghệ. Đây cũng là công
trình mang tính chất tuyệt mật.
- Viện Vũ khí và Phân Viện Vật lý Kỹ thuật thuộc Viện Khoa học Công nghệ và
Kỹ thuật Quân sự - Bộ Quốc phòng cũng đã nghiên cứu triển khai hệ tích hợp ứng
dụng cho pháo phòng không.
- Viện Nghiên cứu ứng dụng công nghệ Bộ Khoa học và Công nghệ... đã đặt vấn
đề nghiên cứu chế tạo hệ thống quang điện tử tích hợp tự động bám mục tiêu dựa trên
hình ảnh và đã đạt được một số kết quả nhất định, và đây cũng là hệ thống ứng dụng
cho Phòng không không quân, tầm quan sát xa.
- Ngoài ra còn phải kế đến một số cơ quan khác như Học viện kỹ thuật quân sự,
quân chủng phòng không không quân cũng đã nghiên cứu triển khai, tuy nhiên các kết
quả do đặc thù quân sự mà thông tin không được công bố nhiều.
Đánh giá chung là đa số các hệ thống này đều là các sản phẩm phục vụ bám mục
tiêu bay, là các hệ quang điện tử tích hợp đặt cố định, phục vụ cho phòng không, có
tầm quan sát bám bắt xa (>2Km). Mặc dù các nghiên cứu đã có các kết quả đã được
khẳng định, tuy nhiên vì đây là một hệ thống đòi hỏi sự kết hợp của rất nhiều lĩnh vực
khoa học công nghệ cao và đặc biệt là lĩnh vực ứng dụng cho quốc phòng do đó các
thông tin là rất hạn chế.
Đối với các hệ robot tự hành gắn camera bám mục tiêu di động, cũng đã có một
số công trình thuộc các cơ quan nghiên cứu ngoài Bộ Quốc phòng được công bố [13,
14, 15, 16, 17, 18,19, 20] và cũng như đang được phát triển: như Viện Công nghệ
20
- Xem thêm -
.PDF 
101 
767 
97 
