Định vị cho robot di động trong không gian 2 chiều

Dead reckoning là một phương pháp phổ biến dùng để xác định vị trí tương đối của robot di động trong mặt phẳng, sau một quá trình di chuyển nào đó, so với vị trí ban đầu. Việc giải bài toán dead reckoning thực ra là giải bài toán động học cho robot di động, nhằm mục đích xác định vị trí và hướng tức thời của robot sau một quá trình chuyển động
Nội dung trích xuất từ tài liệu:
Định vị cho robot di động trong không gian 2 chiều Người báo cáo:  Đoàn Hiệp  Tài liệu:  ROB01.01  Ngày:  12/8/2005  Trang:  1/13  Robotics no 01.01    Gửi đến:  Đoàn Hiệp, Doãn Minh Đăng, www.picvietnam.com  Nội dung:  Định vị cho robot di động trong không gian 2 chiều    MICROSOFT WORD   Tóm tắt:  Định vị là một bài toán quan trọng trong robot, định vị tương đối dead‐reckoning      1. Giới thiệu  Dead reckoning là một phương pháp phổ biến dùng để xác định vị trí tương đối của  robot di động trong mặt phẳng, sau một quá trình di chuyển nào đó, so với vị trí ban đầu.  Việc giải bài toán dead reckoning thực ra là giải bài toán động học cho robot di động, nhằm  mục đích xác định vị trí và hướng tức thời của robot sau một quá trình chuyển động, trong  đó toạ độ gốc là toạ độ gắn với sàn của robot ở thời điểm ban đầu.  Cũng rất gần với bài toán động học cho tay máy, nhưng độ chính xác trong các ứng  dụng thực tế của robot di động, khiến cho bài toán dead reckoning trở nên khó khăn hơn.  Lý do chủ yếu là do các tay máy được liên kết với nhau một cách vững chắc, và nếu như ta  biết chắc được góc xoay tại các khớp, thì có thể biết được toạ độ cuối của tay máy. Trong  khi đó, robot liên kết với sàn xe bằng các bánh xe, thường làm bằng cao su, và chuyển động  nhờ vào lực ma sát tương đối yếu, do đó, các sai số trong phương pháp dead reckoning sẽ  lớn hơn vì phụ thuộc nhiều vào tương tác của bánh xe với sàn nhà.  Chúng ta cần phân biệt hai loại sai số trong phương pháp dead reckoning là sai số ngẫu  nhiên và sai số hệ thống. Trong đó, sai số ngẫu nhiên là các sai số do tương tác của robot  với môi trường, ví dụ như ngoại lực, nội lực, những vật cản bất thường, sự trượt của bánh  xe… Sai số hệ thống là các sai số do khi ta sử dụng các công thức tinh toán động học lý  tưởng, trong khi luôn có những sai lệch không thể quản lý được trong thiết kế như là hai  bánh xe không bằng nhau, khoảng cách hai bánh xe không xác định…  Phần này giới thiệu phương pháp UMBmark, được thực hiện bởi Johann Borenstein  [Borenstein94], dùng để xác định, so sánh và sửa lỗi các sai số cho phương pháp dead  reckoning trên robot di động. Sau cùng, chúng tôi sẽ giới thiệu một chương trình  UMBmark Calculator, dùng để tính toán các thông số cần thiết, cho phép người dùng đơn  giản hoá việc tính toán và có thể lấy nhanh kết quả sửa lỗi trong quá trình thí nghiệm.    Người báo cáo:  Đoàn Hiệp  Tài liệu:  ROB01.01  Ngày:  12/8/2005  Trang:  2/13  2. Giới thiệu  2.1. Phương pháp định vị tuyệt đối (Absolute Positioning Method)  Trong các ứng dụng robot, có hai phương pháp định vị thường được sử dụng là  phương pháp định vị tuyệt đối (APM) và phương pháp định vị tương đối (Relative  Positioning Methods – RPM).   Phương pháp định vị tương đối chủ yếu dựa trên bài toán dead reckoning (tính số vòng  quay của bánh xe để suy ra vị trí tương đối của robot sau một quá trình chuyển động).  Phương pháp này đơn giản, rẻ tiền và hầu như được sử dụng trong tất cả các robot di  động, cho dù robot đó sử dụng phương pháp định vị APM. Khuyết điểm của phương pháp  dead reckoning là bán kính sai số lớn, và lại là sai số tích luỹ.  Phương pháp định vị tuyệt đối thì lại dùng thêm các cảm biến khác ngoài encoder như  dùng beacons, cột mốc, so sánh các bản đồ cục bộ và bản đồ toàn cục, định vị bằng vệ tinh  (GPS)… Mỗi phương pháp APM dùng các thuật toán và cảm biến khác nhau, nhưng đều là  những phương pháp chủ yếu cho các robot di động ngày nay. Người ta thường dùng  phương pháp RPM để giới hạn phạm vi xử lý trước khi dùng phương pháp APM cho việc  định vị robot.  Chúng ta có thể phân tích một vài ưu khuyết điểm của phương pháp APM để có cái  nhìn tổng quát về việc định vị cho robot như sau: phương pháp dùng beacons chỉ thích  hợp dùng trong nhà và nó cũng giống như định vị bằng cột mốc; phương pháp so sánh bản  đồ thường dùng cho các robot tự trị phức tạp; phương pháp định vị dùng GPS thì chỉ thích  hợp dùng ngoài trời, và cũng cho sai số rất lớn (lên đến hàng mét), một số phương pháp  định vị khác thì dùng cảm biến la bàn hoặc con quay để định hướng cho robot nhờ vào từ  trường trái đất…  2.2. Tầm quan trọng của bài toán dead reckoning  Như vậy, cho dù dùng bất kỳ phương pháp định vị nào đi nữa, phương pháp dead  reckoning dường như là phương pháp luôn luôn cần thiết. Một lý luận “vui” là muốn điều  khiển robot di động thì phải giải bài toán động học cho robot, mà nếu đã giải bài toán động  học rồi thì tại sao lại không dùng phương pháp dead reckoning để giới hạn phạm vi xử lý  cho các phương pháp định vị tuyệt đối khác?  Tuy nhiên, một điều không ngờ đến là trong cuộc thi các robot sử dụng phương pháp  dead reckoning để định vị và di chuyển được tổ chức ở San Jose, California năm 1992, hai  robot thắng giải nhất và giải nhì là hai robot dùng phương pháp sửa lỗi UMBmark do  nhóm của J. Borenstein thực hiện và nó có thể di chuyển 100 m mà không có sai số. Hay cụ  thể hơn là robot có thể “dạo quanh” một phòng ngủ 5m x 5m 5‐6 vòng mà không hề có sai  số. Với lợi điểm rẻ tiền, đơn giản phương pháp dead reckoning là một giải pháp đầu tiên  và cần thiết cho các robot di động.  Người báo cáo:  Đoàn Hiệp  Tài liệu:  ROB01.01  Ngày:  12/8/2005  Trang:  3/13  3. Sai số dead rec ...