Hệ thống định vị của mobile robot nhận thức con người trong môi trường động và đông đúc

ĐẠI HỌC QUỐC GIA THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA

----------------------

LÊ VĂN NGHĨA

HỆ THỐNG ĐỊNH VỊ CỦA MOBILE ROBOT NHẬN
THỨC CON NGƯỜI TRONG MÔI TRƯỜNG ĐỘNG
VÀ ĐÔNG ĐÚC.

Chuyên ngành: Kỹ thuật Cơ điện tử
Mã số: 8520114

LUẬN VĂN THẠC SĨ

TP. Hồ Chí Minh, tháng 9 năm 2020.


VIET NAM NATIONAL UNIVERSITY HO CHI MINH CITY
HO CHI MINH CITY UNIVERSITY OF TECHNOLOGY

----------------------

LE, VAN NGHIA

SOCIALLY AWARE MOBILE ROBOT NAVIGATION
IN DYNAMIC AND CROWDED ENVIRONMENT

Major: Mechatronics Engineering
Number: 8520114

MASTER THESIS

September 2020.


Cơng trình được hồn thành tại: Trường Đại Học Bách Khoa – ĐHQG – HCM
Cán bộ hướng dẫn khoa học: TS. Ngô Hà Quang Thịnh.
Cán bộ chấm nhận xét 1: ......................................
Cán bộ chấm nhận xét 2: ......................................
Luận văn thạc sĩ được bảo vệ tại Trường Đại học Bách Khoa, ĐHQG Tp. HCM
ngày 3 tháng 9 năm 2020
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. Chủ tịch: PGS.TS Nguyễn Duy Anh
2. Thư ký: TS Lê Thanh Hải
3. Phản biện 1: PGS.TS Trương Đình Nhơn
4. Phản biện 2: PGS.TS Lê Mỹ Hà
5. Ủy viên: TS Phùng Trí Cơng
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

CỘNG HÒA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM

TRƯỞNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA

Độc lập – Tự do – Hạnh phúc

--------------------

--------------------

NHIỆM VỤ LUẬN VĂN THẠC SĨ
Họ tên học viên: LÊ VĂN NGHĨA .................................................... MSHV: 1870046
Ngày, tháng, năm sinh: 08/02/1995 .................................................... Nơi sinh: Gia Lai
Chuyên ngành: Kỹ thuật cơ điện tử .................................................... Mã số: 8520114
I. TÊN ĐỀ TÀI
Hệ thống định vị của mobile robot nhận thức con người trong mơi trường
động và đơng đúc
II. NHIỆM VỤ VÀ NỘI DUNG:
-

Tìm hiểu cách mơ hình hóa khơng gian của một cá nhân trong hệ tọa độ 2D.

-

Đánh giá và xây dựng các dạng tương tác điển hình trong xã hội.

-

Phát triển và thực thi thuật toán hoạch định đường di cho robot trong môi
trường đông đúc và thay đổi.

III. NGÀY GIAO NHIỆM VỤ: 20/03/2020

IV. NGÀY HOÀN THÀNH NHIỆM VỤ: 21/07/2020
V. CÁN BỘ HƯỚNG DẪN: TS. Ngô Hà Quang Thịnh.
Tp.HCM, ngày … tháng … năm 2020
CÁN BỘ HƯỚNG DẪN

CHỦ NHIỆM BỘ MÔN ĐÀO TẠO

(Họ tên và chữ ký)

(Họ tên và chữ ký)

TRƯỞNG KHOA ……….
(Họ tên và chữ ký)


LỜI CẢM ƠN
Lời đầu tiên, em xin gửi lời cảm ơn chân thành và sâu sắc nhất đến thầy Ngô Hà
Quang Thịnh, người đã tận tình hướng dẫn, định hướng cho em tạo điều kiện tốt nhất
để em hoàn thành luận văn của mình. Hơn thế nữa, thầy là nguồn cảm hứng là động lực
để em cố gắng hơn nữa trong tương lai của mình.
Em xin cảm ơn đến tất cả q Thầy/ Cơ trong khoa Cơ Khí cũng như quý Thầy/Cô
ở trường Đại Học Bách Khoa TP.HCM đã dạy dỗ, trang bị những kiến thức quý báu cho
em không chỉ trong trường học mà cả trong cuộc sống.
Em xin gửi lời cảm ơn đến gia đình, anh em bạn bè những người đã luôn sát cánh
bên em, động viên, hỗ trợ em trong suốt chặng đường học tập và làm việc.
Cuối cùng em cũng xin cảm ơn quý công ty TNHH SRD đã tạo điều kiện thuận lợi
để em có điều kiện vừa học vừa làm.
Em xin chân thành cảm ơn!
Học viên

Lê Văn Nghĩa

i


LỜI CAM ĐOAN
Luận văn này là cơng trình nghiên cứu của cá nhân tôi, được thực hiện dưới sự
hướng dẫn của TS. Ngô Hà Quang Thịnh. Các số liệu, những kết luận được trình bày
trong luận văn này hồn tồn trung thực, khơng sao chép. Học viên có tham khảo các
tài liệu liên quan nhằm khẳng định thêm sự tin cậy. Việc tham khảo các nguồn tài liệu
đã được thực hiện trích dẫn và ghi nguồn tài liệu tham khảo.
Tơi xin hoàn toàn chịu trách nhiệm về lời cam đoan này.
Học viên

Lê Văn Nghĩa

ii


TÓM TẮT LUẬN VĂN THẠC SĨ
Nếu trong cuộc sống hằng ngày của chúng ta ln có sự hiện diện của robot thì bắt
buộc chúng phải tương tác với con người theo cách tự nhiên và an tồn hơn. Một khía
cạnh quan trọng hơn của sự tương tác đó là cách robot điều hướng trong mơi trường có
sự xuất hiện của con người. Trong luận văn này, một mơ hình khơng gian cá nhân được
đề xuất nhằm đảm bảo an toàn cho con người khi tham gia vào các tương tác xã hội. Mơ
hình đề xuất đó sẽ truy xuất các thông tin trạng thái của con người bao gồm (vị trí,
hướng, chuyển động, tư thế tay) và các thơng tin liên quan đến robot để mô phỏng không
gian mở rộng và không gian tương tác xã hội tương ứng, sau đó kết hợp chúng lại với
nhau tạo nên mơ hình không gian tương tác động (DSZ). Phương pháp cửa sổ động được
áp dụng vào hệ thống hoạch định quỹ đạo di chuyển cho robot, phương pháp này thực

hiện tránh va chạm với vận cản và con người trong môi trường động và thay đổi. Ngoài
ra, một hàm tối ưu được sử dụng để điều khiển robot nhằm đánh giá tiến trình đến điểm
đích, vận tốc phía trước và khoảng cách đến vật cản tiếp theo trên quỹ đạo di chuyển
của robot. Kết quả của thuật toán được thực nghiệm trong nhiều tương tác xã hội phổ
biến nhằm khẳng định tính đúng đắn và hiệu quả của hướng nghiên cứu.

iii


ABSTRACT
If robots are to be constant presence in our daily lives, they will have to interact
with humans in more natural way. An important aspect of that interaction is the way
robots navigate in the presence of humans. In this thesis, a framework of human’s zone
to ensure safety for social interaction in the human-machine system is proposed. The
proposed framework takes human states (position, orientation, motion and hand poses)
and social interaction information relative to the robot into account to model extended
personal space and social interaction space, respectively, the combination of which
results in a dynamic social zone (DSZ). The Dynamic window approach is incorporated
into the robot motion planning system, the approach to reactive collision avoidance
obstacles and humans in dynamic and crowded environment. Moreover, a optimization
function drives the robot includes a measure of progress towards a goal location, the
forward velocity of the robot, and the distance to the next obstacle on the trajectory. The
results of the algorithm are experimented in many social interaction to confirm the
correctness and effectiveness of the research.

iv


MỤC LỤC
LỜI CẢM ƠN ......................................................................................................... i

LỜI CAM ĐOAN .................................................................................................. ii
TÓM TẮT LUẬN VĂN THẠC SĨ ...................................................................... iii
DANH MỤC bảng biểu ..........................................................................................x
CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN ................................................................................1
1.1.

Giới thiệu chung ......................................................................................1

1.2.

Đặt vấn đề ................................................................................................3

1.3.

Mục tiêu và phạm vi đề tài ......................................................................5

1.3.1. Mục tiêu ..............................................................................................5
1.3.2. Pham vi đề tài .....................................................................................5
CHƯƠNG 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT VÀ CÁC NGHIÊN CỨU LIÊN QUAN ....8
2.1.

Các nghiên cứu liên quan.........................................................................8

2.2.

Cơ sở lý thuyết .......................................................................................10

CHƯƠNG 3: PHÁT TRIỂN THUẬT TỐN ĐỊNH VỊ DỰA TRÊN NHẬN
THỨC CON NGƯỜI ....................................................................................................16
3.1.

Thơng số trạng thái của một con người .................................................17

3.1.1. Vị trí và chuyển động của một con người ........................................17
3.1.2. Hướng nhìn và tầm quan sát của mắt người .....................................18
3.1.3. Tư thế tay của con người ..................................................................18
3.2.

Đề xuất mơ hình khơng gian mở rộng (EPS) ........................................19

3.2.1. Mơ hình khơng gian cá nhân cơ bản (BPS)......................................20
3.2.2. Mơ hình khơng gian cá nhân mở rộng (EPS) ...................................22
3.2.3. Tương tác giữa người và vật ............................................................26
v


3.2.4. Tương tác giữa người với người ......................................................28
3.3.

Không gian tương tác xã hội (SIS) ........................................................30

3.4.

Không gian tương tác xã hội động (DSZ) .............................................31

3.5.

Mơ hình tốn chuyển động mobile robot ...............................................34

3.5.1. Khởi tạo phương trình tốn ..............................................................34

3.5.2. Tính gần đúng cho phương trình chuyển động của robot ................35
3.6.

Hoạch định quỹ đạo cho robot bằng phương pháp cửa sổ động (DWA)
………………………………………………………………………...37

3.6.1. Tìm kiếm vùng không gian ..............................................................38
3.6.2. Hàm mục tiêu ...................................................................................40
CHƯƠNG 4: KẾT QUẢ THỰC NGHIỆM VÀ ĐÁNH GIÁ ...........................43
4.1.

Thiết lập môi trường mô phỏng .............................................................43

4.2.

Kết quả và đánh giá ...............................................................................46

4.2.1. Robot đối xử với con người theo phương pháp truyền thống. .........46
4.2.2. Sử dụng mơ hình khơng gian mở rộng (EPS) ..................................49
4.2.3. Sử dụng mơ hình tương tác xã hội động (DSZ) ...............................53
CHƯƠNG 5: KẾT LUẬN VÀ ĐỊNH HƯỚNG PHÁT TRIỂN ........................60
5.1.

Kết luận ..................................................................................................60

5.1.1. Những nội dung đã đạt được ............................................................60
5.1.2. Những hạn chế của luận văn ............................................................60
5.2.

Định hướng phát triển ............................................................................61

TÀI LIỆU THAM KHẢO ....................................................................................62
PUBLICATIONS..................................................................................................64

vi


DANH MỤC HÌNH ẢNH
Hình 1-1. Ứng dụng xe tự hành trong kho hàng..............................................................1
Hình 1-2. Số lượng bài báo nghiên cứu robot nhận thức con người trong những năm vừa
qua đã được đánh giá. ......................................................................................................2
Hình 1-3. Một ví dụ robot tương tác với con người [10] ................................................4
Hình 1-4. Bản đồ khơng gian di chuyển của mobile robot..............................................6
Hình 2-1. Các khối chức năng của một hệ thống điều hướng robot .............................12
Hình 2-2. Robot nhận thức con người. ..........................................................................13
Hình 2-3. Mơ hình robot định vị dựa trên nhận thức con người. ..................................15
Hình 3-1. Phương pháp định vị của mobile robot dựa trên nhận thức con người .........16
Hình 3-2. Mối liên hệ vị trí giữa con người và robot. ...................................................17
Hình 3-3. Hướng nhìn và tầm nhìn của một con người: a) Con người quan sát vật thể, b)
Hai con người quan sát nhau. ........................................................................................18
Hình 3-4. Khơng gian cá nhân .......................................................................................19
Hình 3-5. Mơ hình khơng gian cá nhân cơ bản .............................................................22
Hình 3-6. Khu vực xung quanh con người ....................................................................22
Hình 3-7. Mơ hình khơng gian mở rộng (EPS) với các thông số trạng thái
v  0, f v  0, f sit  1, f ov  0, f front  0.2, Tdis  0, Tang  0 ................................................25

Hình 3-8. Tương tác giữa người với vật sử dụng mơ hình EPS ....................................26
Hình 3-9. Tương tác giữa người với người sử dụng mơ hình EPS ...............................29
Hình 3-10. Các dạng khơng gian tương tác xã hội điển hình ........................................31
Hình 3-11. Các dạng tương tác xã hội sử dụng mơ hình DSZ ......................................33

Hình 3-12. Vận tốc cho phép Va trong DWA [4]..........................................................38
Hình 3-13. Vận tốc trong cửa sổ động Vd trong DWA [4] ...........................................39
Hình 3-14. Heading của mobile robot trong DW ..........................................................41
vii


Hình 4-1. Bản đồ phân bố vùng khơng gian tương tác trong thí nghiệm. .....................43
Hình 4-2. Robot tương tác với một người đang di chuyển trong hành lang .................46
Hình 4-3. Robot tương tác với một nhóm gồm 2 người đứng n. ...............................47
Hình 4-4. Robot tương tác với một nhóm gồm 1 người tương tác với vật. ..................47
Hình 4-5. Robot tương tác với một người đang di chuyển trong vùng không gian trống
.......................................................................................................................................48
Hình 4-6. Robot tiến đến đích tiếp xúc mới nhóm gồm 3 người đang đứng n. .........48
Hình 4-7. Robot tương tác với một người đang di chuyển trong hành lang sử dụng EPS
.......................................................................................................................................49
Hình 4-8. Robot né tránh một người đang đứng yên sử dụng EPS ...............................50
Hình 4-9. Robot tương tác với một nhóm gồm 2 người đứng yên sử dụng EPS ..........51
Hình 4-10. Robot tương tác với một nhóm gồm 1 người tương tác với vật sử dụng EPS
.......................................................................................................................................51
Hình 4-11. Robot né tránh một người đang di chuyển trong vùng khơng gian trống sử
dụng EPS .......................................................................................................................52
Hình 4-12. Robot tiến đến đích trong vùng khơng gian 3 người đang tương tác sử dụng
EPS ................................................................................................................................52
Hình 4-13. Robot tương tác với một người đang di chuyển trong hành lang sử dụng DSZ
.......................................................................................................................................53
Hình 4-14. Robot né tránh một người đang đứng yên sử dụng DSZ ............................54
Hình 4-15. Robot tương tác với một nhóm gồm 2 người đứng yên sử dụng DSZ .......54
Hình 4-16. Robot né tránh một người đang tương tác với vật sử dụng DSZ ................55
Hình 4-17. Robot né tránh một người đang di chuyển trong vùng không gian trống sử
dụng DSZ .......................................................................................................................55

Hình 4-18. Robot tiến đến đích trong vùng khơng gian 3 người đang tương tác sử dụng
DSZ ................................................................................................................................56
viii


Hình 4-19. Chỉ số khoảng cách an tồn giữa robot với một cá nhân (CI) cho cả 3 mơ
hình ................................................................................................................................57
Hình 4-20. Chỉ số khoảng cách an toàn giữa robot với một nhóm tương tác (CII) cho cả
3 mơ hình .......................................................................................................................57

ix


DANH MỤC BẢNG BIỂU
Bảng 2-1. Danh sách các ký hiệu viết tắt ......................................................................10
Bảng 3-1. Thuật tốn 1. Tính giá trị  ipy [10] .............................................................23
Bảng 3-2. Thuật toán 2. Số lượng tương tác giữa người với vật [10] ...........................27
Bảng 3-3. Tính góc lệch từ vị trí robot đến điểm đích (heading)..................................40
Bảng 3-4. Tính khoảng cách đến vật cản (dist) .............................................................41
Bảng 3-5. Chuẩn hóa các hệ số trong phạm vi từ 0 đến 1 .............................................42
Bảng 4-1. Các thông số bộ thu thập dữ liệu Lidar.........................................................45
Bảng 4-2. Giá trị các thơng số chính. ............................................................................45
Bảng 4-3. Bảng giá trị chỉ số CI trong (Hình 4-19) ......................................................57
Bảng 4-4. Bảng giá trị chỉ số CII trong (Hình 4-20) .....................................................58
Bảng 4-5. Bảng đánh giá chung các phương pháp ........................................................58

x


CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN

1.1.

Giới thiệu chung
Mobile robot đã xuất hiện trong nhà máy từ những năm 1950, nơi một chiếc xe

không người lái được sản xuất bởi Barrett Electronics, ở Illinois [1], có thể di chuyển
theo trường điện từ của một sợi dây đặt trên trần nhà máy hoặc sau đó được nhúng trong
khu vực sản xuất.

Hình 1-1. Ứng dụng xe tự hành trong kho hàng
Tuy nhiên, kể từ khi Amazon mua lại nhà sản xuất xe tự hành có dẫn hướng Kiva
Systems vào năm 2012 và quyết định ngừng bán và sử dụng robot Kiva của Amazon để
cải thiện hậu cần của họ, đã có sự gia tăng lợi ích đối với ngành công nghiệp xe tự hành.
Theo một nghiên cứu từ một nhà phân tích của Loup Ventures, thị trường của xe tự hành
có thể là vào năm 2025 với tỉ lệ tăng trưởng hàng năm là 35% trong thập kỷ 2015-2015.
Trong mảng công nghiệp, hay tự động hóa, mobile robot được sử dụng chủ yếu để
xử lý vật liệu trong kho, nhà máy hoặc đôi khi ở ngoài trời. Chúng được sử dụng trong
1


các trường hợp điển hình như vận chuyển vật liệu nhận được đến khu lưu trữ, hỗ trợ
giao hàng kịp thời, cung cấp các vật liệu cho dây chuyền sản xuất như (Hình 1-1)
Về mặt định nghĩa, mobile robot là robot có khả năng tự di chuyển, tự vận động
theo một quỹ đạo được xác định trước hoặc chưa biết trước và được thực hiện một công
việc được giao. Robot có thể hoạt động ở nhiều mơi trường khác nhau như trên khơng,
trên mặt đất, dưới nước hay thậm chí là ngồi vũ trụ. Đây là một hướng đi có tính ứng
dụng rất lớn trên nhiều lĩnh vực từ dân sự, quân sự, vũ trụ và đang được nghiên cứu phát
triển rộng rãi từ các cơng ty lớn, những phịng nghiên cứu ở khắp nơi thế giới.
Trong những năm gần đây, robot lại càng trở nên phổ biến hơn và dần tham gia
vào các hoạt động có sự góp mặt của con người, do đó các nghiên cứu tập trung vào việc

giúp robot có hành vi đối xử phù hợp khi tham gia tương tác với con người là rất cần
thiết. Hình 1-2 là một cuộc khảo sát các bài báo nghiên cứu liên quan đến robot nhận
thức con người đã được đánh giá (reviewed), bắt đầu từ năm 2000 và dần phát triển
mạnh mẽ trong những năm về sau.

Hình 1-2. Số lượng bài báo nghiên cứu robot nhận thức con người trong những
năm vừa qua đã được đánh giá.
2


Tại Việt Nam việc sử dụng các mobile robot trong mơi trường như nhà xưởng,
kho, siêu thị…, cịn gặp nhiều hạn chế do nhiều điều kiện khách quan và chủ quan khác
nhau.
1.2.

Đặt vấn đề
Vấn đề được đặt ra khi robot tham gia vào các hoạt động và tương tác trực tiếp với

con người. Nếu không được trang bị hệ thống định vị và điều hướng thì vơ tình sự có
mặt của robot lại trở thành trở ngại cho các hoạt động bình thường của con người. Như
vậy, vấn đề đầu tiên và quan trọng nhất để robot và con người có thể hoạt động trong
cùng một mơi trường là robot phải né tránh được cả những vật cản cố định và vật cản di
chuyển, đồng thời các kỹ thuật né tránh phải đảm bảo khoảng cách an toàn tạo cảm giác
thoải mái cho con người.
Thứ 2, trong điều kiện thực tế con người không chỉ hoạt động đơn lẻ, độc lập mà
còn tham gia vào các tương tác xã hội, như tương tác giữa người với người, tương tác
giữa người với vật, các dạng tương tác này rất phổ biến và thường xun. Do đó địi hỏi
robot phải phân biệt được sự khác biệt giữa người với vật và từ đó có hành vì đối xử
phù hợp.
Như trong (Hình 1-3) là một ví dụ về tương tác xã hội bao gồm một nhóm gồm 3

người p1 , p2 , p3 và robot tương tác với nhau trong cùng một vùng khơng gian. Hình bên
trái trên cùng, là một ngữ cảnh 3 đang người tương tác, hình bên trái dưới cùng là mơ
hình 3D và bên phải là mơ hình 2D sử dụng hàm contour để mô phỏng con người. Robot
thực hiện di chuyển hướng tới người p1 , vấn đề xảy ra khi robot đối xử với người p2 , p3
như là vật cản bình thường và nó sẽ di chuyển đi ngang qua vùng không gian giữa 2
người, dẫn đến khoảng cách giữa người và robot quá nhỏ, tạo cảm giác khơng an tồn
cho con người. Từ đó các đặc tính về khoảng cách an tồn vật lý sẽ được chú trọng trong
luận văn này.
Để đảm bảo an toàn khoảng cách vật lý, các nghiên cứu đưa ra một số phương
pháp tránh va chạm và kiểm soát chuyển động của robot như là Artificial potential field
[2], Vector field histogram [3], Dynamic window approach [4], Velocity obstacles
3


(VOs) [5], Randomized kinodynamic planning [6], [7], Inevitable collision states [8],
and Reciprocal VOs (RVOs) [9] được áp dụng vào hoạch định quỹ đạo di chuyển của
robot.

Hình 1-3. Một ví dụ robot tương tác với con người [10]
Nhằm hướng tới khả năng điều hướng của robot trong xã hội và đồng thời giữ
khoảng cách an toàn đối với con người. Luận văn sẽ dựa trên những cơ sở đã có sẵn để
xây dựng một mơ hình mơ phỏng vùng khơng gian của một cá nhân và vùng không gian
tương tác điển hình trong xã hội bao gồm một nhóm người tương tác với nhau và tương
tác giữa người với vật.
Nhưng để xây dựng một hệ thống hồn thiện thì đây là một đề tài khá rộng và cần
có những chuyên gia có kiến thức, kinh nghiệm để có thể phát triển một hệ thống ổn
định, hoạt động trôi chảy trong nhiều điều kiện mơi trường khác nhau. Vì tính ứng dụng

4

rộng lớn và tính phức tạp của vấn đề, luận văn chỉ ở mức tìm hiểu thuật tốn và ứng
dụng các thuật tốn cơ bản để mơ phỏng chuyển động của robot trên nền tảng Matlab.
Mục tiêu và phạm vi đề tài

1.3.

1.3.1. Mục tiêu
-

Tìm hiểu cách mơ hình hóa khơng gian của một cá nhân trong hệ tọa độ 2D.

-

Đánh giá và xây dựng các dạng tương tác điển hình trong xã hội.

-

Phát triển và thực thi thuật toán hoạch định đường di cho robot trong môi
trường đông đúc và thay đổi.

1.3.2. Pham vi đề tài
Nội dung chính của luận văn bao gồm 2 phần chính:
-

Robot nhận thức con người.

-

Robot hoạch định quỹ đạo di chuyển né tránh vật cản và con người trong môi

trường động và thay đổi.

Trong phần robot nhận thức con người: Luận văn chỉ dựa trên cảm biến lidar để
robot có thể nhận biết được mơi trường xung quanh, do đó các thơng số liên quan đến
tầm nhìn, hướng nhìn, tư thế của con người được giả định cho trước và từ những thông
số giả định đó, luận văn sẽ xây dựng nên vùng khơng gian cho một cá nhân và vùng
không gian tương tác trong xã hội trên hệ tọa độ 2D.
Vùng không gian hoạt động của robot được thể hiện như trong bản đồ (Hình 1-4)
bao gồm vật cản (tường, vật cản cố định) và con người.
Trong khu vực có con người lại được chia thành 2 loại chính:
-

Khu vực con người di chuyển.

-

Khu vực con người đứng yên.

Trong khu vực con người di chuyển thì bao gồm con người xuất phát từ những vị
trí khác nhau và đi theo những hướng khác nhau.
Trong khu vực nhóm người đứng n thì chia thành 3 nhóm nhỏ sau:
-

Một nhóm gồm 2 người đứng yên.

-

Một nhóm người gồm 3 người đứng yên.
5

-

Con người tương tác với một vật thể.

Hình 1-4. Bản đồ không gian di chuyển của mobile robot.
Robot xuất phát từ một điểm bắt đầu cho trước và di chuyển đến điểm đích (biết
trước). Mơi trường xung quanh robot thay đổi. Các tương tác điển hình trong xã hội sẽ
được xây dựng thơng qua mơ hình tương tác xã hội động (DSZ), mobile robot sẽ hoạch
định quỹ đạo di chuyển bằng phương pháp cửa sổ động (DWA) tiến đến điểm đích đồng
thời bảo đảm giữ khoảng cách an tồn đối với con người. Các chỉ số sau đây thể hiện
khoảng cách vật lý an toàn giữa người và robot.
-

CI ( Collision index) : Là chỉ số khoảng cách vật lý an toàn giữa con người
và robot

-

CII: (Interaction index): Là chỉ số khoảng cách vật lý an toàn giữa robot với
một nhóm người tương tác hoặc giữa robot với nhóm bao gồm người tương
tác với vật
6


-

Vr (m/s) : Là vận tốc tương ứng của robot khi tương tác với con người.

7

CHƯƠNG 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT VÀ CÁC NGHIÊN CỨU LIÊN QUAN
2.1.

Các nghiên cứu liên quan
Trong phần này chúng ta sẽ xem xét hai hướng nghiên cứu liên quan đến hệ thống

định vị của mobile robot nhận thức được người trong môi trường động và đông đúc.
Hệ thống định vị của mobile robot nhận biết con người dựa trên các thơng tin

-

liên quan đến con người (vị trí, tư thế, hướng … )
Dựa trên các phương pháp định vị

-

Hướng nghiên cứu thứ nhất, Hệ thống định vị của mobile robot nhận biết con
người dựa trên các thông tin liên quan đến con người có thể chia thành 2 nhóm nhỏ sau:
-

Thông tin trạng thái của một cá nhân (bao gồm vị trí con người, hướng di
chuyển, phạm vi quan sát)

-

Thơng tin tương tác xã hội, là sự tương tác giữa robot với một người, với đối
tượng và với một nhóm người trong xã hội.

Hệ thống định vị của mobile robot nhận thức con người thông thường chỉ dựa vào
thông tin trạng thái của một cá nhân. Trautman và cộng sự [11] đã đề xuất ra một mơ
hình kết hợp giữa con người và robot, áp dụng cho hệ thống định vị của mobile robot
bằng cách sử dụng nhiều mục tiêu tương tác trong quá trình Gaussian. Mặc dù phương
pháp này cho phép robot định vị an toàn và hiệu quả trong mơi trường đơng đúc nhưng
nó cũng khơng giải quyết được bài tốn một nhóm người tương tác. Chi – Pang và cộng
sự [12] đã đưa ra một phương pháp lấy vị trí và sự chuyển động của con người làm trọng
tâm. Phương pháp bao gồm 6 nguyên tắc hài hịa cho phép robot đảm bảo an tồn về
mặt vật lý của con người, tuy nhiên nó cũng khơng được xem xét cho thơng tin của một
nhóm người trong xã hội.
Bên cạnh đó cũng có một số đề tài nghiên cứu tập trung cả về thông tin cá nhân và
thông tin của một nhóm người nhưng hầu hết cũng chỉ là những nghiên cứu ban đầu và
đang phát triển. Gomez và cộng sự [13] thể hiện một mơ hình Personal Space cho cả cá
nhân và một nhóm người sử dụng hai hàm Gaussian, và phát triển thành sáu đề tài nhỏ
khác nhau trong việc hoạch định đường đi cho robot. Phương pháp được sử dụng trong
nghiên cứu này là Fast – matching squares và cũng chỉ áp dụng cho trường hợp con
8


người đứng yên, không được xem xét cho thông tin của một nhóm người chuyển động
trong xã hội.
Hướng nghiên cứu thứ 2, dựa trên các phương pháp định vị, chia thành 2 phương
pháp nhỏ
-

Phương pháp 2D – Costmaps.

-

Điều khiển các đáp ứng của robot dựa trên các kỹ thuật (reactive control-based

techniques ).

Phương pháp thứ nhất, mơ hình Costmaps kết hợp với các đặc điểm không gian
xã hội của con người để hoạch định đường đi cục bộ từ đó tạo ra các hướng đi linh hoạt
cho robot được xã hội chấp nhận. Tuy nhiên phương pháp này tốn nhiều thời gian, tính
tốn khó khăn, phức tạp để tìm được hướng đi hợp lý cho mobile robot trong môi trường
đông đúc và thay đổi [14], [15]. Ngược lại SFM là một các hữu hiệu để mobile robot có
thể di chuyển trong điều kiện mơi trường đơng đúc, khối lượng tính tốn cũng hợp lý
[16], [17], các thông tin của xã hội cũng được đưa vào mơ hình. Tuy nhiên SFM cũng
khơng hoàn toàn giải quyết được các va chạm tiềm năng giữa con người và robot gây ra
cảm giác không an toàn về mặt vật lý và thoải mái về mặt tâm lý của con người.
Phương pháp thứ 2, Theo các nghiên cứu gần đây, một số thuật toán [17], [18],
[19] đã được đề xuất áp dụng trong hệ thống định vị của mobile robot sử dụng mơ hình
SFM. Mặc dù trên thực tế kỹ thuật này đã nhận được sự chấp nhận từ xã hội, nhưng nó
cũng khơng hồn tồn chủ động giải quyết các tình huống liên quan đến sự tương tác
của một nhóm người hoặc giữa người và đối tượng. Ferrer và cộng sự [17] đã sử dụng
mô hình SFM cho mobile robot nhận biết con người trong môi trường đô thị. Dữ liệu
đọc về sẽ được học liên tục để điều chỉnh các thông số hệ thống nhằm đảm bảo robot có
thể làm việc chính xác và mượt mà nhất. Ratsamme và cộng sự [18] đề xuất ra một kỹ
thuật tránh va chạm giữa con người và robot dựa trên ESFM, kỹ thuật này được phát
triển từ SFM [16] và nó bổ sung thêm một số đặc tính của con người như tư thế, hướng
của khn mặt và khơng gian giao tiếp. Mơ hình này được sử dụng để dự đoán trước
chuyển động của con người từ đó robot có thể hoạch định đường đi tránh va chạm với
con người.

9


Cơ sở lý thuyết

2.2.

Bảng 2-1. Danh sách các ký hiệu viết tắt
Ký hiệu

Mơ tả

DSZ

Mơ hình khơng gian tương tác xã hội động

BPS

Mơ hình khơng gian cá nhân cơ bản

EPS

Mơ hình khơng gian cá nhân mở rộng

SIS

Mơ hình khơng gian tương tác xã hội

M n ,m

Bản đồ ô lưới với

pi

Người thứ i

x

p
i

, yip 

nm ơ

Vị trí người thứ i trong bản đồ M n ,m

i p

Hướng nhìn của người thứ i

vip

Vận tốc di chuyển của người thứ i

p
vmax

Vận tốc di chuyển tối đa của con người

Hi

Vecto hướng nhìn của con người

FoV

Tầm nhìn của con người

x

lh
i

, yilh 

Vị trí tay trái trong mặt phẳng xy

x

rh
i

, yirh 

Vị trí tay phải trong mặt phẳng xy



px
0

,  0py 

Độ lệch chuẩn của mơ hình không gian cá nhân cơ bản

f i p  x, y 

Hàm Gauss cho mơ hình khơng gian cá nhân cơ bản

fv

Hệ số vận tốc của con người

f fov

Hệ số tầm nhìn của con người

10


Hệ số ảnh hưởng đến vùng khơng gian phía trước con

f front

người



hx
0

,  0hy 

Độ lệch chuẩn của vùng không gian tay

fi lh ( x, y )

Hàm Gauss cho vùng không gian tay trái của người thứ i

fi rh ( x, y )

Hàm Gauss cho vùng không gian tay phải của người thứ i

fi eps ( x, y )

Hàm Gauss cho mơ hình khơng gian cá nhân mở rộng

Feps ( x, y )

Hàm Gauss mơ hình khơng gian cá nhân mở rộng cho tất
cả các cá nhân trong vùng lân cận robot
Vật cản thứ j

obj

x

ob
j

, y ob
j 

Vị trí của vật cản thứ j trong bản đồ M n ,m

Tdis

Chỉ số giới hạn khoảng cách giữa người với vật

Tang

Chỉ số giới hạn góc giữa người với vật

f mo ( x, y )

Hàm Gauss thể hiện tương tác giữa người với vật

f kg ( x, y )

Hàm Gauss thể hiện tương tác giữa người với người

Fsis ( x, y )

Hàm thể hiện mơ hình tương tác xã hội

FDSZ ( x, y )

Hàm thể hiện mơ hình tương tác xã hội động

qgoal

Tọa độ điểm đích

 xr , yr 

Vị trí của robot trong bản đồ M n ,m

 r , vr 

Hướng và vận tốc robot

vr max

Vận tốc tối đa của robot

11