Thiết kế giải thuật điều khiển cho robot tìm đường trong mê cung

Nếu như hệ thống robotics là xương sống của cuộc cách mạng công nghiệp, thì robot di động được xem là xu hướng trong nghiên cứu các hệ thống robotics. Trong đó, bài toán tìm đường trong mê cung là một ứng dụng phổ biến của robot di động. Đây vừa là chủ đề học tập tại nhiều trường đại học, vừa là đề tài tại nhiều cuộc thi trong và ngoài nước.
Nội dung trích xuất từ tài liệu:
Thiết kế giải thuật điều khiển cho robot tìm đường trong mê cung THIẾT KẾ GIẢI THUẬT ĐIỀU KHIỂN CHO ROBOT TÌM ĐƯỜNG TRONG MÊ CUNG Nguyễn Văn Thành Danh Viện Kỹ thuật HUTECH, Trường Đại học Công nghệ TP. Hồ Chí Minh GVHD: ThS. Lê Tấn Sang TÓM TẮT Nếu như hệ thống robotics là xương sống của cuộc cách mạng công nghiệp, thì robot di động được xem là xu hướng trong nghiên cứu các hệ thống robotics. Trong đó, bài toán tìm đường trong mê cung là một ứng dụng phổ biến của robot di động. Đây vừa là chủ đề học tập tại nhiều trường đại học, vừa là đề tài tại nhiều cuộc thi trong và ngoài nước. Từ đó, chúng tôi hướng tới việc nghiên cứu giải thuật điều khiển cho robot tìm đường trong mê cung. Giải thuật Flood Fill được xem xét, cải tiến và tiến hành mô phỏng để đánh giá. Từ khóa: điều khiển, điều hướng, hoạch định đường đi, mê cung, robot di động. 1 GIỚI THIỆU Trong nền sản xuất công nghiệp, các hệ thống Robot luôn giữ vai trò quan trọng và chủ chốt. Với những tay máy có khả năng làm việc với tốc độ cao, chính xác và liên tục, làm năng suất lao động tăng nhiều lần. Chúng có thể làm việc trong các môi trường độc hại như hàn, phun sơn, các nhà máy hạt nhân, hay lắp ráp các linh kiện điện tử tạo ra điện thoại, máy tính, … một công việc đòi hỏi sự tỉ mỉ, chính xác cao. Tuy nhiên những robot này có một hạn chế chung đó là hạn chế về không gian làm việc. Không gian làm việc của chúng bị giới hạn bởi số bậc tự do tay máy và vị trí gắn chúng. Từ đó, các dạng Robot di động (RBDĐ) ra đời, mang lại khả năng hoạt động linh hoạt trong các môi trường khác nhau. Chúng có khả năng di chuyển độc lập, thực thi nhiệm vụ một cách hoàn toàn tự động. Với những cảm biến, chúng có khả năng nhận biết về môi trường xung quanh, xác định vị trí của bản thân. Ngày nay, Robot di động được ứng dụng rộng rãi trong các ngành công nghiệp, thương mại, y tế, các ứng dụng khoa học và phục vụ đời sống của con người. Dựa vào kết cấu truyền động, RBDĐ được chia làm ba dạng chính [1]. Thứ nhất, Robot hoạt động dưới nước dùng các dạng động cơ đẩy có gắn cánh quạt, giúp chúng có khả năng lặn, nổi, tiến, lùi, quay vòng trong môi trường nước. Điển hình là ROV (Remotely operated vehicle) và AUV (Autonomous underwater vehicle). Thứ hai, Robot bay trên không trung, phổ biến là máy bay trực thăng (Quadcopter). Thứ ba là các dạng RBDĐ di chuyển trên mặt đất, có thể dùng chân để đi lại hoặc dùng bánh xe. Trong các dạng trên, RBDĐ sử dụng 126 bánh xe được chọn để nghiên cứu về ứng dụng tìm đường trong mê cung. Bởi vì khả năng di chuyển nhanh, ổn định và môi trường bằng phẳng phù hợp cho chuyển động của bánh xe. Liên quan đến RBDĐ, có nhiều chủ đề được quan tâm như thiết kế kết cấu, định vị tọa độ, nhận dạng môi trường hoạt động, điều khiển chuyển động dẫn đường cho robot, tránh vật cản,… [2] Bên cạnh đó, một số hướng mới có thể kể đến như xây dựng khả năng nhận thức hay trí thông minh cho robot [3]. Tìm đường trong mê cung được xem là một ứng dụng thực tế làm nổi bật ưu điểm của robot di động so với các dạng robot khác là khả năng khám phá không gian hoạt động. Đề tài vừa là đối tượng học tập tại nhiều trường đại học, vừa là bài toán cho nhiều cuộc thi trong và ngoài nước. Bài toán thoạt nhìn đơn giản với trí tuệ con người, nhưng với robot lại mang lại nhiều khó khăn và thách thức. Robot phải cảm nhận được xung quanh để tránh vật cản, phải ghi nhớ lại đường đi, phải di chuyển hợp lý để khỏi lạc trong mê cung. Từ đó, giải thuật tìm đường trong mê cung cũng nhận được nhiều sự quan tâm từ các nhà nghiên cứu. Thuật toán bám tường [4] là một quy tắc nổi tiếng nhất để vượt qua mê cung, còn được gọi là quy tắc tay trái hoặc quy tắc tay phải. Nếu là mê cung đơn kết nối nghĩa là tất cả các bức tường của nó được kết nối với nhau hoặc kết nối với đường bao quanh mê cung, thì bằng cách dò một tay lên một bức tường của mê cung, người đi đảm bảo không bị lạc và tìm được lối ra nếu có một lối ra trên đường bao. Hoặc nếu không có lối ra thì sẽ quay trở lại lối vào và sẽ đi qua tất cả các đường của mê cung ít nhất một lần. Ưu điểm của giải thuật này là đơn giản, nhưng tốn nhiều thời gian để thoát khỏi mê cung. Để khám phá mê cung hiệu quả hơn, giải thuật Flood Fill được giới thiệu [5]. Bằng việc tạo trước một mảng dữ liệu thể hiện độ ưu tiên từ điểm xuất phát đến điểm đích. Robot lúc này sẽ như một dòng chảy luôn ưu tiên chảy về vùng trũng hay đích đến. Trên nền tảng Flood Fill, hàng loạt cải tiến đã được ra đời để giảm thời gian thực hiện [6], [7]. Trên cơ sở đó, chúng tôi lựa chọn chủ đề robot tìm đường trong mê cung và các cải tiến của giải thuật Flood Fill làm chủ đề nghiên cứu. Bài tham luận được chia làm 5 phần. Phần 1 đưa ra giới thiệu về RBDĐ, các vấn đề nghiên cứu liên quan, ứng dụng tìm đường trong mê cung và giải thuật Flood Fill. Phần 2 mô tả về đối tượng nghiên cứu là robot sử dụng bánh xe truyền động. Phần 3 trình bày về giải thuật sử dụng. Phần 4 đưa ra các mô phỏng và hình ảnh mô hình thực tế. Cuối cùng là phần kết luận và hướng phát triển. 2 ROBOT DI ĐỘNG 2.1 Phương pháp dẫn đường Để robot có khả năng di chuyển linh hoạt trong mê cung, kết cấu Robot 3 bánh như Hình 1 được lựa chọn và thiết kế. Trục của hai bánh chủ động đặt ở phía sau, phía trước được lắp một bánh đa hướng. Hai cảm biến siêu âm lắp hai bên để đo khoảng cách với tường, từ đó suy ra được khoảng cách tương đối giữa trục xe với đường tâm của lối đi. 127 Hình 1. Sơ đồ nguyên lý robot Do robot di chuyển trên đường đi, có thành (vách) dựng ở hai bên (Hình 2). Nên để đi thẳng, robot chỉ cần bám theo đường chính giữa hay đường đối xứng của hai thành. Chúng ta có thể gọi là bám theo đường line ảo. Từ việc tính toán được vị trí của xe so với ...