Phát triển giải thuật tránh vật cản sử dụng kinect cho robot tự hành

ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP. HCM
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA
--------------------

NGUYỄN TRUNG KIÊN

PHÁT TRIỂN GIẢI THUẬT TRÁNH VẬT CẢN
SỬ DỤNG KINECT CHO ROBOT TỰ HÀNH
Chuyên ngành : Kỹ Thuật Viễn Thông
Mã số: 60520208

LUẬN VĂN THẠC SĨ

TP. HỒ CHÍ MINH, tháng 12 năm 2015


CƠNG TRÌNH ĐƯỢC HỒN THÀNH TẠI
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA –ĐHQG -HCM
Cán bộ hướng dẫn khoa học : PGS.TS Hoàng Đình Chiến
(Ghi rõ họ, tên, học hàm, học vị và chữ ký)
Cán bộ hướng dẫn khoa học : TS. Hà Hoàng Kha
(Ghi rõ họ, tên, học hàm, học vị và chữ ký)
Cán bộ chấm nhận xét 1 : ...........................................................................
(Ghi rõ họ, tên, học hàm, học vị và chữ ký)
Cán bộ chấm nhận xét 2 : ...........................................................................
(Ghi rõ họ, tên, học hàm, học vị và chữ ký)
Luận văn thạc sĩ được bảo vệ tại Trường Đại học Bách Khoa, ĐHQG
Tp. HCM ngày . . . . . tháng . . . . năm . . . . .
Thành phần Hội đồng đánh giá luận văn thạc sĩ gồm:
(Ghi rõ họ, tên, học hàm, học vị của Hội đồng chấm bảo vệ luận văn
thạc sĩ)

1. ..............................................................
2. ..............................................................
3. ..............................................................
4. ..............................................................
5. ..............................................................
Xác nhận của Chủ tịch Hội đồng đánh giá LV và Trưởng Khoa quản lý
chuyên ngành sau khi luận văn đã được sửa chữa (nếu có).
CHỦ TỊCH HỘI ĐỒNG

TRƯỞNG KHOA…………


ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP.HCM
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA

CỘNG HÒA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM
Độc lập - Tự do - Hạnh phúc

NHIỆM VỤ LUẬN VĂN THẠC SĨ
Họ tên học viên: Nguyễn Trung ............................................... MSHV: 7140050.............
Ngày, tháng, năm sinh: 30/01/1991.............................................Nơi sinh: Tây Ninh.........
Chuyên ngành: Kỹ thuật Viễn thông .......................................... Mã số : . 60 52 02 08....
I. TÊN ĐỀ TÀI: ................................................................................................................
.............................................................................................................................................
.............................................................................................................................................
II. NHIỆM VỤ VÀ NỘI DUNG: ....................................................................................
.............................................................................................................................................
.............................................................................................................................................
III. NGÀY GIAO NHIỆM VỤ : (Ghi theo trong QĐ giao đề tài) .................................
IV. NGÀY HOÀN THÀNH NHIỆM VỤ: (Ghi theo trong QĐ giao đề tài) ..................

V. CÁN BỘ HƯỚNG DẪN (Ghi rõ học hàm, học vị, họ, tên): .......................................
.............................................................................................................................................

Tp. HCM, ngày . . . . tháng .. . . năm 20....
CÁN BỘ HƯỚNG DẪN
(Họ tên và chữ ký)

CHỦ NHIỆM BỘ MÔN ĐÀO TẠO
(Họ tên và chữ ký)

TRƯỞNG KHOA….………
(Họ tên và chữ ký)

Ghi chú: Học viên phải đóng tờ nhiệm vụ này vào trang đầu tiên của tập thuyết minh LV


LỜI CÁM ƠN
Lời đầu tiên xin gửi lời cám ơn chân thành nhất đến các thầy hướng dẫn luận
văn thạc sỹ của tôi, PGS.TS Hoàng Đình Chiến và TS. Hà Hoàng Kha. Trong suốt
quá trình thực hiện đề tài này các thầy đã nhiệt tình giúp đỡ và hỗ trợ tôi về vật
chất cũng như tinh thần. Là kỹ sư điện tử viễn thông chưa từng nghiên cứu về mô
hình động học, khi nhận đề tài này đã đem lại nhiều khó khăn đối với tôi, qua buổi
nói chuyện cùng thầy Chiến được thầy hướng dẫn và hỗ trợ các thiết bị, giúp cho
tôi có cái nhìn chi tiết hơn và hiểu thêm trong lĩnh vực tự động hóa.. Bên cạnh đó
từ lúc nhận đề tài, thực hiện đề cương và hoàn thành luận văn này thầy Kha đã ở
bên cạnh nhiệt tình giúp đỡ và hỗ trợ tôi về mọi mặt giúp tôi định hướng và nắm
bắt được vấn đề để tôi có thể hoàn thành được đề tài này.
Ngoài ra, xin cảm ơn đến tất cả các thầy, cô đang giảng dạy bộ môn Viễn
Thông, Trường Đại học Bách Khoa, thành phố Hồ Chí Minh đã truyền thụ kiến
thức với kinh nghiệm của mình trong suốt quá trình giảng dạy giúp tôi có kiến thức

và sự tự tin để thực hiện đề tài.
Bên cạnh đó tôi xin gửi lời cảm ơn đến tổ Mạng Ngoại Vi thuộc phòng Công
Nghệ Thông Tin Viễn Thông của công ty truyền hình cáp Saigontourist (SCTV).
Các anh, chị đã hỗ trợ và giúp đỡ nhiệt tình trong công việc để tôi có thời gian
hoàn thành đề tài này.
Cuối cùng xin dành lời cảm ơn chân thành cho Cha cho Mẹ tôi, người là nguồn
động lực để tôi phấn đấu, lời cảm ơn cho Anh, Chị, Em và ban bè tôi đã ở bên cạnh
tôi giúp đỡ tôi những lúc khó khăn nhất.
Tp Hồ Chí Minh, ngày 14 tháng 12 năm 2015
Nguyễn Trung Kiên


TÓM TẮT
Cùng với sự phát triển khoa học kỹ thuật gần đây, chế tạo robot đang nhận được
nhiều sự quan tâm trong cả lĩnh vực nghiên cứu học thuật và lĩnh vực công nghiệp.
Điều này dựa trên thực tế rằng robot được tìm thấy trong các ứng dụng phổ biến
rộng rãi ở những nơi có thể giúp con người hoàn thành những công việc nguy hiểm
và lặp đi lặp lại, đặc biệt trong môi trường khắc nghiệt như ngoài vũ trụ. Tùy theo
các ứng dụng cụ thể mà robot được phân thành nhiều loại, bao gồm robot thám
hiểm vũ trụ, thám hiểm đại dương, robot làm việc nhà, robot công qn đợi, robot
cơng nghiệp, và nhiều ví dụ khác nữa.
Trong số những loại robot trên, có lẽ robot tự hành là phổ biến nhất. Robot tự
hành được định nghĩa là mợt loại máy móc có thể di chủn và vận động dưới dự
điều khiển tự động để thực hiện được những cơng việc được giao. Mơi trường hoạt
đợng của nó có thể là đất, nước, khơng khí, khơng gian vũ trụ hoặc tở hợp các loại
mơi trường trên. Ngồi ra, bề mặt địa hình có thể bằng phẳng hoặc có sự dao động.
Sự đa dạng của môi trường làm việc đã và đang thu hút rất nhiều nghiên cứu để
phát triển loại robot tự hành này.
Trong luận văn này, chúng tôi nghiên cứu và thảo luận về một số công trình
robot nói chung và robot tránh vật cản nói riêng, bao gờm cả các cơng trình trong

nước và ngoài nước. Từ đó, xây dựng một số chức năng mới cho robot nhằm để
giảm chi phí và tận dụng tối đa chức năng của các thiết bị cấu thành.
Mục đích của ḷn văn này là xây dựng mợt tḥt tốn hiệu quả cho robot tự
hành. Bằng cách áp dụng phương pháp tránh vật cản, thuật toán đề xuất được thiết
kế sao cho robot có thể tránh vật cản và bám theo đối tượng bằng cách sử dụng
cảm biến và thiết bị Kinect. Ngoài ra, bộ lọc phần tử, được biết đến như một kỹ
thuật được quan tâm trong việc theo dõi các trạng thái của mô hình động ngay cả


đối với hệ thống phi tuyến và phi gauss, nó được sử dụng trong quá trình xác định,
theo vết và bám theo đối tượng. Bên cạnh đó, luận văn cũng xây dựng và phát triển
mô hình động học nhằm kiểm chứng các phương pháp và nghiên cứu trên bằng
thực nghiệm.


ABSTRACTS
Recently along with the development of scientific technology, manufacturing
robot has been received much attention both in academy and industry. This is
based on the fact that robot has been found in widespread applications where it can
help human to perform repetitive and dangerous tasks, especially in extreme
environments such as outer space. Due to the specific applications, robot may be
classified into various types, including ocean exploring robot, space exploring
robot, household robot, military robot, industrial robot, to name just a few.
Among those kinds, self-propelled robot is probably the most popular. Selfpropelled robot is defined as the machine that can displace and operate
automatically in order to complete all the assigned tasks. Its operating environment
can be soil, water, air, aerospace or the combination of those environments above.
Further, the surface of topography can be either flat or fluctuated. The diversity of
working environments has been attracting many studies for developing selfpropelled robot.
In this thesis, we study and discuss several previous works of robot in general
and obstacle-avoiding robot in particular, including both domestic and international

researches. Then, some new functions of robot are built and enhanced in order to
reduce the cost and maximize the utility of constructed devices.
This thesis aims to build an efficient algorithm for self-propelled robot. By
applying obstacle-avoiding method, the proposed algorithm is designed in the way
such that robot can avoid obstacles and follow the object using sensor and the
Kinect device. In addition, the particle filter, known as an attract technique to track
the state of a dynamic system even nonlinear system with non-Gaussian noise
distribution, is used throughout the processing of detecting, tracking and following
the experimental subject. Additionally, this thesis also builds and develops


dynamic models to verify those researches and investigations above by the
empirical experiments.


LỜI CAM ĐOAN
Tôi tên Nguyễn Trung Kiên, là học viên cao học ngành Kỹ thuật Viễn Thông tại
trường Đại học Bách Khoa, thành phố Hồ Chí Minh. Tôi xin cam đoan công trình
nghiên cứu này là do chính tôi thực hiện trong suốt quá trình thực hiện đề tài này, các
tư liệu tham khảo sử dụng được trích từ các nguồn thực tế, uy tín và chất lượng. Kết
quả thu được được thực hiện một cách độc lập và hoàn toàn trung thực.
Tp. Hồ Chí Minh, ngày 14 tháng 12 năm 2015

Nguyễn Trung Kiên


Mục lục
Mục Lục
Danh sach hình vẽ
Danh sach bảng

Chữ viết tắt
1 MỞ ĐẦU ................................................................................................................................ 1
1.1 Lý do chọn đề tài ............................................................................................................... 1
1.2 Mục tiêu và nhiệm vụ của luận văn................................................................................... 2
1.3 Đối tượng và phạm vi nghiên cứu ..................................................................................... 2
1.4 Phương pháp nghiên cứu ................................................................................................... 3
1.5 Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài .......................................................................... 4
1.6 Nội dung luận văn ............................................................................................................. 5
2 TỔNG QUAN VỀ ĐỀ TÀI VÀ LÝ THUYẾT LIÊN QUAN ................................................. 6
2.1 Tổng quan về đề tài ........................................................................................................... 6
2.1.1 Nhìn nhận vấn đề ........................................................................................................ 6
2.1.2 Các công trình liên quan ............................................................................................. 6
2.2 Giới thiệu thiết bị Kinect ................................................................................................. 12
2.2.1 Giới thiệu chng ......................................................................................................... 12
2.2.2 Đặc điểm của thiết bị ................................................................................................ 13
2.2.3 Thư viện hỗ trợ ......................................................................................................... 14
2.2.4 Nguồn cung cấp và công suất tiêu thụ ...................................................................... 15
2.2.5 Môi trường hoạt động ............................................................................................... 16
2.3 Tính toán độ sâu .............................................................................................................. 16
2.4 Tracking khung xương .................................................................................................... 21
3 XÂY DỰNG VÀ THIẾT KẾ MÔ HÌNH ROBOT ............................................................... 23
3.1 Cấu tạo của robot ............................................................................................................ 23

i


3.1.1 Module Điều khiển động cơ ..................................................................................... 23
3.1.2 Mạch Cầu H .............................................................................................................. 28
3.1.3 Cảm biến siêu âm ..................................................................................................... 31
3.1.4 Arduino Mega 2560 .................................................................................................. 32

3.2 Phần mềm sử dụng .......................................................................................................... 33
3.2.1 Arduino IDE ............................................................................................................. 33
3.2.2 Processing GUI ......................................................................................................... 34
3.3 PID điều khiển động cơ ................................................................................................... 35
3.3.1 Khái niệm ................................................................................................................. 35
3.3.2 Đặc tính bợ điều khiển P,I,D .................................................................................... 36
3.4 Sơ đờ khới cấu trúc khung robot ..................................................................................... 40
4 GIẢI THUẬT TRÁNH VẬT CẢN ....................................................................................... 45
4.1 Xây dựng lý thuyết .......................................................................................................... 45
4.2 Điều khiển robot tránh vật cản ........................................................................................ 46
4.2.1 Ba cảm biến phát hiện vật cản .................................................................................. 47
4.2.2 Hai cảm biến phát hiện vật cản ................................................................................. 48
4.2.3 Một cảm biến phát hiện vật cản ................................................................................ 50
4.3 Sơ đồ giải thuật tránh vật cản .......................................................................................... 51
4.4 Đáp ứng thực tế của Robot trong việc tránh vật cản ....................................................... 52
4.4.1 Trường hợp không có vật cản ................................................................................... 52
4.4.2 Robot tránh một vật cản ........................................................................................... 53
4.4.3 Robot tránh hai vật cản ............................................................................................. 55
5 PHƯƠNG PHÁP THEO VẾT ĐỐI TƯỢNG SỬ DỤNG BỘ LỌC PHẦN TỬ (PARTICLE
FILTER).................................................................................................................................... 58
5.1

Khái niệm về theo vết đối tượng ................................................................................ 58

5.1.1 Giới thiệu .................................................................................................................. 58
5.1.2 Quy trình theo vết đối tượng .................................................................................... 59
5.2

Bộ lọc phần tử ............................................................................................................ 61

ii


5.2.1 Giới thiệu .................................................................................................................. 61
5.2.2 Nền tảng toán học ..................................................................................................... 62
5.2.3 Phương pháp Monte Carlo ....................................................................................... 64
5.3

Ứng dụng bộ lọc phần tử trong việc theo dấu đối tượng sử dụng thiết bị Kinect ...... 76

5.3.1 Xây dựng mô hình .................................................................................................... 76
5.3.2 Kết quả...................................................................................................................... 81
6 KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN ............................................................................. 87
6.1 Kết luận ........................................................................................................................... 87
6.2 Hướng phát triển ............................................................................................................. 88
Tài liệu tham khảo .................................................................................................................... 89

iii


Danh sách hình vẽ
Hình 2.1 : Thiết bị Kinect . ................................................................................................................ 12
Hình 2.2 : Những thành phần chính của Kinct. .................................................................................. 13
Hình 2.3 : Adapter Kinect .................................................................................................................. 15
Hình 2.4 : Bên trong thiết bị Kinect ................................................................................................... 16
Hình 2.5 : Mẫu hình được chiếu bởi projector và được thu bởi IR Camera ...................................... 18
Hình 2.6 : Tính toán khoảng cách tới một điểm chiếu trên projector ................................................ 18
Hình 2.7 : Khoảng cách giới hạn của thiết bị Kinect theo hướng ngang ........................................... 21
Hình 2.8 : Khoảng cách giới hạn của thiết bị Kinect theo hướng dọc ............................................... 21
Hình 2.9 : Hai trong số sáu đối tượng được xác định một cách chi tiết bằng thiết bị Kinect ............ 22

Hình 3.1 : Động cơ NF5475E ........................................................................................................... 23
Hình 3.2 : Kích thước động cơ ........................................................................................................... 24
Hình 3.3 : Bảng giá trị các thông số cơ bản của động cơ NF5475E .................................................. 24
Hình 3.4 : Bảng giá trị các thông số của Encoder của động cơ .......................................................... 24
Hình 3.5 : Điều chỉnh độ rộng xung PWM ........................................................................................ 25
Hình 3.6 : Dạng sóng áp và dòng điện trên động cơ ......................................................................... 26
Hình 3.7 : Cấu tạo của Encoder phát quang ...................................................................................... 27
Hình 3.8 : Hai kênh A và B lệch qua trong Encoder .......................................................................... 28
Hình 3.9 : Sơ đồ nguyên lý của mạch cầu H ...................................................................................... 29
Hình 3.10 : Chiều quay của động cơ thay đổi khi thay đổi công tắt đóng ngắt ................................. 29
Hình 3.11 : Hình dạng của chip L298D ............................................................................................. 30
Hình 3.12 : Tên các chân của chip L298D ......................................................................................... 30
Hình 3.13 : Cấu tạo bên trong của Chip L298D ................................................................................ 30
Hình 3.14 : Cảm biến siêu âm HC-SR04( mặt trước) ........................................................................ 31
Hình 3.15 : Cảm biến siêu âm HC-SR04( mặt sau) ........................................................................... 31
Hình 3.16 : Board Arduino Mega 2560 ............................................................................................. 32
Hình 3.17 : Giao diện Arduino IDE ................................................................................................... 34
Hình 3.18 : Giao diện Processing GUI............................................................................................... 35
Hình 3.19 : Hệ thống PID vòng kín ................................................................................................... 36

iv


Hình 3.20 : Đáp ứng của hệ thống điều khiển ................................................................................... 37
Hình 3.21 : Quá trình tính toán PID ................................................................................................. 38
Hình 3.22 : Sơ đồ khối các module cấu thành robot. ......................................................................... 40
Hình 3.23 : Sơ đồ khối cấu trúc của hệ thống động học. ................................................................... 41
Hình 3.24 : DaNi robot ...................................................................................................................... 41
Hình 3.25 : Robot tránh vật cản sử dụng thiết bị Kinect ................................................................... 42
Hình 3.26 : Mô hình robot tránh vật cản ........................................................................................... 42

Hình 3.27 : Robot Dora ...................................................................................................................... 43
Hình 3.28 : Mô hình robot thực tế...................................................................................................... 44
Hình 4.1 : Sơ đồ robot tránh vật cản và theo vết ............................................................................... 45
Hình 4.2 : Môt tả bài toán .................................................................................................................. 46
Hình 4.3 : Sơ đồ bố trí cảm biến ........................................................................................................ 47
Hình 4.4 : Ba cảm biến phát hiện vật cản .......................................................................................... 47
Hình 4.5 : Vật cản ở giữa và bên phải ................................................................................................ 48
Hình 4.6 : Vật cản nằm giữa và bên trái............................................................................................. 49
Hình 4.7 : Vật cản nằm bên trái và bên phải ...................................................................................... 49
Hình 4.8 : Vật cản ở bên trái .............................................................................................................. 50
Hình 4.9 : Vật cản ở bên phải............................................................................................................. 50
Hình 4.10 : Sơ đồ khối mạch điều khiển ........................................................................................... 51
Hình 4.11 : Sơ đồ giải thuật điều khiển robot tránh vật cản............................................................... 51
Hình 4.12 : Khoảng cách thử nghiệm khi không có vật cản. ............................................................. 52
Hình 4.13 : Mô tả quá trính chuyển động không có vật cản (1)........................................................ 53
Hình 4.14 : Mô tả quá trính chuyển động không có vật cản (2)........................................................ 53
Hình 4.15 : Robot tránh một vật cản (1). ........................................................................................... 54
Hình 4.16 : Robot tránh một vật cản (2). .......................................................................................... 54
Hình 4.17 : Robot tránh hai vật cản (1). ............................................................................................ 55
Hình 4.18 : Robot tránh hai vật cản (2). ............................................................................................ 55
Hình 4.19 : Robot tránh hai vật cản (3). ............................................................................................ 56
Hình 4.20 : Robot tránh hai vật cản (4). ............................................................................................ 56
Hình 4.21 : Robot tránh hai vật cản (5). ............................................................................................ 56
v


Hình 5.1 : Ví dụ về phương pháp lấy mẫu loại trừ ............................................................................ 67
Hình 5.2: Phương pháp lấy mẫu quan trọng tuần tự ......................................................................... 70
Hình 5.3 : Ví dụ về thuật toán tái chọn mẫu hệ thống....................................................................... 75
Hình 5.4 : Điểm trung tâm nhằm trên cơ thể ..................................................................................... 76

Hình 5.5 : Điểm trung tâm nằm ngoài cơ thể ..................................................................................... 77
Hình 5.6 : Tính điểm trọng lực giữa hai diểm m1 và m2 .................................................................. 78
Hình 5.7 : Điểm phân bố tỉ lệ phần trăm điểm trọng lực .................................................................. 79
Hình 5.8 : Điểm trọng lực khảo sát trên đối tượng thực tế................................................................. 80
Hình 5.9 : Kết quả theo vết đối tượng (1) . ........................................................................................ 82
Hình 5.10 : Kết quả theo vết đối tượng (2) . ...................................................................................... 82
Hình 5.11 : Kết quả theo vết đối tượng (3) . ...................................................................................... 82
Hình 5.12 : Kết quả theo vết đối tượng (4) . ...................................................................................... 83
Hình 5.13 : Độ sáng đèn led thay đổi theo khoảng cách. .................................................................. 84
Hình 5.14 : Robot bám theo đối tượng khi không có vật cản (1). ..................................................... 84
Hình 5.15 : Robot bám theo đối tượng khi không có vật cản (2). ..................................................... 85
Hình 5.16 : Robot bám theo đối tượng khi không có vật cản (3). ..................................................... 85
Hình 5.17 : Robot không bám theo đối tượng khi Kinect bi treo. ..................................................... 86
Hình 5.18 : Robot bị sai lệch khi bám theo đối tượng . ................................................................... 86

vi


Danh sách bảng

Bảng 2.1 : Bảng tổng hợp một số công trình tiêu biểu trong nước. ......................................................7
Bảng 2.2 : Bảng so sánh một số công trình sử dụng thiết bị Kinect trong việc theo vết đối tượng. ....9
Bảng 2.3 : Bảng khảo sát một số ứng dụng của bộ lọc phần tử ......................................................... 10
Bảng 2.4 : Công suất tiêu thụ trên Kinect ........................................................................................ 16
Bảng 3.1 : Sơ đồ chân của cảm biến siêu âm HC-SR04 .................................................................... 32
Bảng 3.2 : Một số đặt điểm của Board Arduino Mega 2560 ............................................................. 33
Bảng 3.3 : Ảnh hưởng của các thành phần K P , K I , K D đới với hệ kín ......................................... 36
Bảng 5.1 : Bảng phần trăm giá trị trọng lượng trên cơ thể................................................................ 79

vii

Chữ viết tắt

3D

:

Three Dimensional

PCL

:

Point Cloud Library

ROI

:

Regions Of Interest

SOM

:

Self Organizing Map

UKF

:

Unscented Kalman Filter

SVMM

:

Support Vector Machines Model

IR Camera

:

Infrared Camera

SDK

:

Software Development Kit

PWM

:

Pulse Width Modulation

PID

:

Proportional Integral Derivative

HMM

:

Hidden Markov Model

EKF

:

Extended Kalman Filter

SMC

:

Sequential Monte Carlo

IS

:

Importance Sampling

SIS

:

Sequential Importance Sampling

ICDF

:

Inverse Cumulative Distribution Functions

viii


Luậ n vân tố t nghiệ p

CHƯƠNG 1 : MỞ ĐẦU
1.1 Lý do chọn đề tài
Trong giai đoạn khoa học và công nghệ đang phát triển hiện nay, việc chế tạo
robot nhằm giảm sức lao động cho con người luôn là mục tiêu của nhiều nghiên
cứu trên thế giới [1]. Robot đang là hướng nghiên cứu được quan tâm hiện nay và
có nhiều ứng dụng như: robot thám hiểm đại dương, robot thám hiểm vũ trụ, robot
quân sự, robot vận chuyển trong công nghiệp, robot làm việc nhà, robot hổ trợ con
người trong cuộc sống.
Robot di động được định nghĩa là một loại xe robot có khả năng tự di chuyển, tự
vận động (có thể lập trình lại được) dưới sự điều khiển tự động để thực hiện tốt
những công việc được giao [1]. Môi trường hoạt động của robot có thể là đất,
nước, khơng khí, khơng gian vũ trụ hay là sự tổ hợp của các môi trường trên. Bề
mặt địa hình robot di chuyển có thể là bằng phẳng hoặc thay đổi lồi lõm [1].
Năm 2000, robot ASIMO ra đời đánh dấu sự bùng nổ trong lĩnh vực nghiên cứu
chế tạo robot. Nhiều công trình nghiên cứu về lĩnh vực này vẫn còn phát triển cho

đến ngày nay. Trong đó việc điều khiển robot di động tránh vật cản là lĩnh vực thu
hút nhiều công trình nghiên cứu và phát triển trên thế giới. Việc điều khiển robot di
chuyển tránh vật cản cho thấy khả năng thích ứng và di chuyển một cách an tồn
trong mơi trường xác định hay không xác định.
Trước đây Robot được trang bị một hay nhiều camera trong việc xác định vật
cản, các camera này có nhiệm vụ tương tác giữa robot với môi trường xung quanh
ghi nhận những đặc điểm như vị trí, kích thước, trạng thái của vật cản. Robot nhận
tín hiệu xử lý và có hướng di chuyển thích hơp. Camera có thể được đặt trên robot
cũng có thể đặt ở các vị trí cố định trong mơi trường, số lượng thiết bị hỗ trợ càng

Trang 1


Luậ n vân tố t nghiệ p

cao khả năng kiểm sốt khơng gian của robot càng tăng, tuy nhiên chi phí và thời
gian xử lý cũng tăng cao.
Do đó việc chọn đề tài “Phát triển giải thuật tránh vật cản sử dụng Kinect
cho robot tự hành” nhằm mục đích kế thừa và phát triển phương pháp tránh vật
cản cho robot sao cho chi phí sử dụng thấp và tối ưu thiết bị một cách tốt nhất có
thể.

1.2 Mục tiêu và nhiệm vụ của luận văn
Các kiến thức và kết quả cần đạt được ở đề tài này là:
 Phân tích tìm hiều một số công trình tiêu biểu trong nước và ngoài nước
đối với lĩnh vực điều khiển robot tránh vật cản.
 Tìm hiểu thành phần cấu tạo, đặc điểm cũng như chức năng của thiết bị
Kinect camera.
 Đưa ra phương pháp tránh vật cản khi sử dụng cảm biến siêu âm cho
robot.

 Giới thiệu tổng quan về phương pháp theo vết đối tượng và sử dụng bộ
lọc phần tử trong việc xác định, theo vết và bám theo đối tượng.
 Xây dựng mô hình robot mô hình động học làm cơ sở cho việc kiểm
chứng phương pháp nghiên cứu trong thực nghiệm.

1.3 Đối tượng và phạm vi nghiên cứu
Đối tượng nghiên cứu của đề tài: Các nghiên cứu của đề tài nhằm tối ưu cho
mô hình robot tự hành tránh vật cản sử dụng thiết bị Kinect thông qua việc tìm hiểu
các công trình nghiên cứu trước đó. Đưa ra phương thức xử lý tránh vật cản cho
robot, sử dụng thiết bị với chi phí thấp nhất. Áp dụng bộ lọc phần tử trong quá

Trang 2


Luậ n vân tố t nghiệ p

trình nhận dạng, theo vết và bám theo đối tượng. Đối tượng nghiên cứu của đề tài
là :
 Xây dựng mô hình robot tránh vật cản với chi phí thấp nhất.
 Sử dụng bộ lọc phần tử trên thiết bị Kinect trong việc nhận dạng, theo vết
và bám theo đối tượng.
Phạm vi nghiên cứu: Phạm vi nghiên cứu của đề tài sẽ xây dựng mô hình
robot tự chuyển động tránh vật cản đồng thời xác định, theo vết và bám theo đối
tượng bằng việc sử dụng thiết bị Kinect, thông qua quá trình kiểm chứng giữa các
lý thuyết nghiên cứu và thực tế từ đó đưa ra các giới hạn, yêu cầu kỹ thuật và điều
kiện môi trường mà đề tài áp dụng.

1.4 Phương pháp nghiên cứu
Về lý thuyết:
 Tìm hiểu nguyên lý hoạt động và sử dụng của các thiết bị cơ bản cấu

thành robot.
 Xây dựng giải thuật xử lý tránh vật cản và phương pháp điều khiển động
cơ.
 Tìm hiểu tổng quan về thiết bị Kinect và bộ lọc phần tử , áp dụng bộ lọc
trong việc xác đinh, theo vết và bám theo đối tượng.
Về thực nghiệm:
 Tiến hành lắp đặt, xây dựng một mơ hình robot hồn chỉnh bên cạnh đó
áp dụng giải thuật xử lý tránh vật cản cho mô hình.
 Sử dụng thiết bị Kinect trong việc xác định, theo vết và bám theo đối
tượng dựa trên phương pháp sử dụng bộ lọc phần tử.

Trang 3


Luậ n vân tố t nghiệ p

1.5 Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài
Ý nghĩa khoa học:
Việc tìm hiểu áp dụng phương pháp điều khiển robot tránh vật cản sẽ giúp cho
người đọc có cái nhìn tổng quát cũng như sự phát triển của đề tài này trong nước
và ngoài nước.
Đưa ra phương pháp tránh vật cản bẳng cảm biến giúp tiết kiệm chi phí sử dụng
thay cho các thiết bị camera thông thường, bên canh đó với giá thành thấp, nhỏ
gọn, dễ sử dụng được tích hợp trên mô hình. Đây là phương pháp được sử dụng
hiện nay trong việc tránh vật cản.
Việc sử dụng bộ lọc phần tử trong việc xác định, theo vết đối tượng được ưa
chuộng hiện nay bởi tính linh động, khơng sử dụng nhiều dung lượng bộ nhớ thích
hợp đối với các mô hình phi tuyến và phi gauss nhờ đó có thể giảm thời gian xử lý
giúp cho sự tương tác robot vơi môi trường có sự đồng bộ hơn.
Mô hình robot sử dụng trong đề tài là sự kế thừa có tham khảo các mô hình

robot trước đó, mang tính linh động, giảm bớt yếu tố dư thừa, có thể thay đổi cấu
trúc tùy theo mục đích sử dụng sau này.
Ý nghĩa thực tiễn:
Việc nghiên cứu của đề tài đem lại nhiều ứng dụng và sự phát triển sau này cho
các nghiên cứu học thuật và lĩnh vực phát triển công nghiệp. Như là robot dẫn
đường cho người khiếm thị, robot hoạt động theo hành động của con người. Trong
lĩnh vực công nghiệp robot có thể được sử dụng trong quá trình vận chuyển hàng
hóa, robot hút khói, robot chữa cháy và còn nhiều các ứng dụng trên nữa.

Trang 4


Luậ n vân tố t nghiệ p

1.6 Nội dung luận văn
Luận văn gồm 6 chương trong đó :
Chương 1 : Giới thiệu chung về đề tài, đối tượng, phạm vi ngyên cứu, lý do
chọn đề tài nêu lên ý nghĩa khoa học và ý nghĩa thực tiễn của đề tài.
Chương 2 : Nhìn nhận vấn đề của đề tài cũng như việc tìm hiểu các cơng trình
trong nước và ngồi nước có liên quan, nhằm xác định phương pháp sử dụng trong
đề tài này. Bên cạnh đó giới thiệu chung về thiết bị Kinect, đặc điểm và một số ứng
dụng của thiết bị.
Chương 3 : Xây dựng mơ hình robot, từ việc tham khảo các robot thơng qua
những cơng trình có liên quan, nhằm thiết kế một mơ hình robot với chi phí thấp,
đảm bảo được yêu cầu của đề tài. Giới thiệu sơ lược một số bộ phận cấu thành của
robot.
Chương 4: Xây dựng giải thuật tránh vật cản cho robot bằng các cảm biến siêu
âm đồng thời kiểm tra đáp ứng thực tế của robot trong việc tránh vật cản.
Chương 5 : Giới thiệu sơ lược về bộ lọc phần tử, đặc điểm, phương pháp và một
số ứng dụng của bộ lọc, đồng thời áp dụng bộ lọc cho thiết bị Kinect trong quá

trình xác định, theo dấu và bám theo đối tượng.
Chương 6 : Chương này trình bày kết quả đạt được, đưa ra những ưu điểm và
hạn chế của đề tài, từ đó đề ra hướng phát triển nhằm tối ưu và mở rộng đề tài sau
này.

Trang 5


Ḷ n vân tớ t nghiệ p

CHƯƠNG 2 : TỞNG QUAN VỀ ĐỀ TÀI VÀ LÝ
THUYẾT LIÊN QUAN
2.1 Tổng quan về đề tài
2.1.1 Nhìn nhận vấn đề
Đề tài “robot tránh vật cản” không còn là mới, tuy nhiên với sự phát triển khoa
học kỹ thuật dẫn đến nhiều sản phẩm thiết bị kỹ thuật được sản xuất với chi phi
ngày càng giảm nhưng vẫn đảm bảo chất lượng. Việc lựa chọn thiết bị nào và
phương pháp nào cho phù hợp với yêu cầu. Do đó để có thể nhìn nhận một cách
khách quan hơn bằng cách thông qua việc kháo sát các công trình liên quan từ đó
xác định phương pháp và xây dựng mơ hình thích hợp.
2.1.2 Các cơng trình liên quan
Thông qua việc tìm hiểu và nghiên cứu các công trinh liên quan, nhằm kế thừa,
đánh giá, để có cái nhìn khách quan hơn và có cơ sở khoa học trong việc chọn lựa
phương pháp thực hiện để tài một cách tối ưu nhất. Các công trình các bài báo có
thể được tìm thấy trong danh mục phần tài liệu tham khảo ở phần sau.
Trong nước
Dưới đây là một số công trình tiêu biểu trong lĩnh vực robot với mỗi đề tài điều
có ưu điểm và nhược điểm khác nhau. Thông qua việc tìm hiểu, từ đó đề xuất các
phương pháp sử dụng trong đề tài này.

Trang 6


Luậ n vân tố t nghiệ p

Bảng 2.1 : Bảng tổng hợp một số công trình tiêu biểu trong nước.
Stt

Tên đề tài, bài báo
Robot tự hành tránh
vật cản sử dụng
thiết bị Kinect [1]
(2012).

1

2

3

4

5

Ưu điểm
+ Các tác giả áp dụng công
nghệ xử lý ảnh 3D trong việc
xác định vât cản đáp ứng độ
tin cậy cao hơn so với việc
sử dụng cảm biến.

+ Xây dựng được mơ hình
động học, kiểm chứng bằng
thực nghiệm.

Điều khiển robot đi + Tác giả sử dụng cảm biến
đến đích và tránh siêu âm để robot tránh vật
vật cản [13] (2015) cản trong quá trình chuyển
động đồng thời di chuyển
robot đến vị trí màu đỏ theo
yêu cầu.
Nghiên cứu xây + Tác giả xây dựng phương
dựng phương pháp pháp điều khiển robot dựa
điều khiển Robot tự trên cơ sở logic mờ (fuzzy
hành dựa trên cơ sở logic).
logic
mờ
[14] + Xây dựng được mơ hình
(2010)
thực tế và kiểm chứng bằng
thực nghiệm.

Lọc Particle dựa
trên màu ứng dụng
vào hệ thống theo
dõi giao thông [20]
(2007)

Nhược điểm
+ Phần thiết kế chưa được
hồn hảo nên có sai số khi

di chuyển.
+ Vùng quan sát của robot
chỉ quan sát được khơng
gian phía trước, khơng
xác định được vật cản bên
hông.
+ Chương trình xử dụng
thư viện PCL khó cài đặt
trong hệ điều hành
Window.
+ Luận văn xây dựng
trong môi trường cục bộ.
+ Vùng quét camera phải
duy nhất một khu vực có
màu đỏ để robot di
chuyển.
+ Luận văn chưa xây
dựng được phương pháp
xử lý nhiễu cho cảm biến,
khi robot di chuyển sẽ
xuất hiện sai số gây ra
nhiễu do xung của hai
cảm biến siêu âm lẫn vào
nhau làm robot mất
phương hướng và lệch ra
khỏi quỹ đạo.
+ Đề tài sử dụng trong
môi trường outdoor, nên
có một số trở ngại như
hiện tượng bóng đổ, tán

xạ ánh sáng gây ra bởi các
phương tiện có kích thước
lớn.

+ Các tác giả sử dụng
phương pháp phân bố màu
áp dụng trong bộ lọc particle
để xác định đối tượng đi
ngược chiều.
+ Hầu hết các đối tượng đều
được xác định khi đi vào
vùng khảo sát.
Phát hiện – Phân + Bài báo đưa ra một số khái + Các tác giả chưa xây

Trang 7


Luậ n vân tố t nghiệ p

loại – theo dõi đối
tượng chuyển động
trong hệ thống
giám sát thông
minh [21] (2006)

6

Nghiên cứu phát
triển hệ RobotCamera tự động tìm
kiếm và bám đối

tượng di động
VICON [12].

niệm, phương pháp trong
việc xác đinh đối tượng,
phân lớp và theo dõi đối
tượng.
+ Đưa ra một sô kỹ thuật
giải quyết bài toán phát hiện
đối tượng và theo dõi đối
tượng chuyển động.
+ Bài báo sử dụng mơ hình
cánh tay robot với hai khớp
được gắn thiết bị Camera,
mục tiêu xác định đối tượng
và bám theo đối tượng sao
cho ảnh đối tượng thu được
ở tâm camera.

dựng được mơ hình hồn
thiện, điều kiện quan sát,
thiết bị kỹ thuật có ảnh
hưởng đến đầu vào của hệ
thống.

+ Bài báo chỉ xác định
được một đối tượng cụ
thể, chưa nêu lên đặt tính
theo dấu đối tượng khi có
đối tượng khác xuất hiện.

Nhận xét:
Từ các bài báo tham khảo trên, với mục đính tránh vật cản, robot có thể sử dụng
cảm biến, thiết bị camera kinect, nhìn chung thiết bị Kinect có khả năng xác định
vật cản cao hơn nhưng chi phí sử dụng nhiều hơn so với cảm biến thông thường
như đề tài [1].
Sử dụng cảm biến cho mô hình robot tránh vật cản được ưa chuộng trong những
năm gần đây, bới tính nhỏ gọn, dễ sử dụng, có thể tích hợp trên mơ hình nhằm
giảm kích thước robot trong qua việc xử hệ thống thiết bị camera trên robot [13].
Các đề tài [1] và [13] điều có những ưu điểm riêng tùy theo mục đích sử dụng
mà sử dụng thiết bị, trong đề tài [1] việc sử dụng thiết bị kinect trong quá trình
tránh vật cản so với việc sử dụng cảm biến thì việc sử dụng cảm biến là điều thích
hợp bởi thiết bị Kinect ngoài ra còn có nhiều chức năng cần được khai thác, một
trong số các chức năng đó sẽ được đề cập trong chương sau.

Trang 8