ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA

HOÀNG THÁI HOÀ

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

HOÀNG THÁI HỊA

ĐỀ TÀI:

KỸ THUẬT ĐIỀU KHIỂN VÀ TỰ
ĐỘNG HỐ

NGHIÊN CỨU THUẬT TỐN ĐIỀU KHIỂN ĐỘI
HÌNH CHO HỆ THỐNG ROBOT DI ĐỘNG

LUẬN VĂN THẠC SĨ
KỸ THUẬT ĐIỀU KHIỂN VÀ TỰ ĐỘNG HỐ

KHĨA: K37
Đà Nẵng – Năm 2022


ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA
---------------------------------------

HOÀNG THÁI HOÀ

ĐỀ TÀI:

NGHIÊN CỨU THUẬT TỐN ĐIỀU KHIỂN ĐỘI HÌNH
CHO HỆ THỐNG ROBOT DI ĐỘNG

Chuyên ngành: Kỹ thuật điều khiển và tự động hoá
Mã số: 8520216

LUẬN VĂN THẠC SỸ
Người hướng dẫn khoa học: TS. TRẦN THỊ MINH DUNG

Đà Nẵng – Năm 2022


i

LỜI CAM ĐOAN

“Tôi xin cam đoan luận văn về đề tài “Nghiên cứu thuật tốn điều khiển đội hình
cho hệ thống robot di động.” là cơng trình nghiên cứu cá nhân của tôi trong thời gian
qua. Mọi số liệu sử dụng phân tích trong luận văn và kết quả nghiên cứu là do tơi tự tìm
hiểu, phân tích một cách khách quan, trung thực, có nguồn gốc rõ ràng và chưa được
cơng bố dưới bất kỳ hình thức nào. Tơi xin chịu hoàn toàn trách nhiệm của Trường.”
Học Viên thực hiện

Hoàng Thái Hoà

THƯ VIỆN TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA – ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG.

Lưu hành nội bộ



ii

LỜI CẢM ƠN

Tôi xin gửi lời cảm ơn chân thành đến TS. Trần Thị Minh Dung đã tận tình hướng
dẫn, giúp đỡ và động viên tơi trong suốt q trình thực hiện đồ luận văn này. Tôi cũng
xin gửi lời cảm ơn đến các thầy cô trong Khoa Điện, bộ mơn Tự Động Hóa, Trường Đại
học Bách Khoa – Đại học Đà Nẵng đã tận tình chỉ dạy, truyền đạt kiến thức cho tơi trong
suốt q trình học tập tại trường.
Mặc dù đã cố gắng hồn thành khóa luận tốt nghiệp, do thời gian và kiến thức còn
hạn chế nên đề tài này khơng tránh khỏi những thiếu sót. Mong nhận được ý kiến đóng
góp của thầy cơ và các bạn để đề tài được hoàn thiện hơn.
Một lần nữa xin chân thành cảm ơn!

THƯ VIỆN TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA – ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG.

Lưu hành nội bộ


iii

Thuật tốn điều khiển đội hình cho hệ thống robot di động
Học viên: Hồng Thái Hồ
Mã số: 8520216
Khố: K37_TDH

Chun ngành: Kỹ thuật điều khiển và tự động hoá
Trường Đại Học Bách Khoa - ĐHĐN


Tóm tắt: Thực tế hiện nay cơng nghệ càng ngày càng phát triển, máy móc hiện đại, nhiều loại robot được
ra đời để phục vụ con người. Trong đó có nhiều hệ thống robot rất phức tạp có thể thực hiện nhiều cơng việc
cùng một lúc và có độ chính xác cao, chính vì vậy trong nhiều trường hợp một robot không thể đáp ứng được
như nâng một vật quá nặng, nhiều công việc ở nhiều vị trí khác nhau hoặc nhiều bài tốn q phức tạp nên hệ
thống đòi hỏi nhiều robot xử lý cùng một lúc. Điều này đặt ra phải cần phối hợp nhiều robot, hợp tác cùng nhau
để hoàn thành nhiệm vụ. Trước đây hệ thống đa đối tượng thường điều khiển tập trung chỉ có một bộ phận trung
tâm điểu khiển nhiều phần tử robot, nhưng hệ thống điều khiển tập trung có nhược điểm đó là cần phải có bộ xử
lý mạnh mẽ, thời gian đáp ứng chậm, chi phí lắp đặt lớn….
Chính vì vậy điều khiển hợp tác trong hệ thống đa đối tượng rất là tiềm năng, màu mỡ cho các nhà nghiên
cứu. Việc phối hợp một nhóm các thiết bị thông minh như robot làm việc cùng nhau có lợi thế tiềm năng hơn
khi có thể thực hiện các nhiệm vụ có tính chất phức tạp mà một robot không thể thực hiện được như: giám sát
đa điểm, lập bản đồ, vận chuyển hợp tác hay trình diễn nghệ thuật….
Ngoài ra, sự hợp tác sẽ tạo ra một hệ thống dự phòng hạn chế được sự rủi ro, hỏng hóc của một robot có thể
được bù đắp bởi các robot khác. Bên cạnh đó, việc phối hợp một nhóm các thiết bị, phương tiện cơng nghệ cao
cũng đang dần được áp dụng trong nhiều lĩnh vực, đặc biệt là quân sự, an ninh quốc phòng. Trong điều khiển
hợp tác nhiều robot địi hỏi trao đổi thơng tin nhiệm vụ,vị trí. Nhiều robot phải giữ được đội hình để hồn thành
nhiệm vụ chính vì vậy để tài: “Nghiên cứu thuật tốn điều khiển đội hình cho hệ thống robot di động” là cần
thiết. Điều khiển đội hình có thể hiểu đơn giản là điều khiển đồng thời vị trí và góc định hướng của các robot
trong nhóm cùng di chuyển, đảm bảo đội hình ln được giữ khơng đổi để một số nhiệm vụ có thể được hồn
thành nhờ sự cộng tác của các robot [4]. Mục tiêu của đề tài là xây dựng thuật toán điều khiển định hình cho
robot, thiết kế cơ khí, bộ điều khiển và mơ hình thực tế để ứng dụng điều khiển hợp tác định hình trong điều
khiển robot.

Từ khóa: Điều khiển hợp tác, điều khiển định hình, hợp tác định hình, robot di động, hệ thống
đa đối tượng.
Formation control algorithm for mobile robot systems
Abstract: In fact, technology is increasingly developing and modern machines as well as many types of
robots are born to serve humans. There are many really complex robotic systems that can perform many jobs at
the same time and with high accuracy, so many cases can not be met such as lifting a heavy object, working a
lot and many different positions or the problems are too complicated, so the system requires many robots to

handle at the same time. This requires the coordination of many robots working together to complete the task.
Previously, the multi-object system used to be centrally controlled with only one central part controlling many
robot elements, but the centralized control system has the disadvantage that it requires powerful processors, fast
response time. slow response, large installation cost….
Therefore, cooperative control in multi-object systems is very potential and fertile for researchers.
Coordinating a group of intelligent devices such as robots working together has the potential advantage of being
able to perform complex tasks that cannot be performed by a single robot, such as: multipoint surveillance,
mapping, cooperative transportation or performing arts.
In addition, the cooperation will create a redundancy system that reduces the risk of the failure of one
robot which can be compensated for by other robots. Besides, the coordination of a group of high-tech equipment
and means is being applied gradually in many fields, especially military, security and defense. In cooperative
control, many robots require the exchange of tasks and position information. Many robots have to keep the
formation to complete the main task, so for the project: "Research on the formation control algorithm for the
mobile robot system" is necessary. Squad control can be understood simply as simultaneously controlling the
position and orientation of the robots in the group to move together, and ensuring the formation is always kept
constant so that some tasks can be completed thanks to the help of the team. collaboration of robots [4]. The
objective of the project is to build a formation control algorithm for the robot, mechanical design, controller
and a practical model for the application of collaborative control shaping in robot control.
Key words: -Cooperative control, Formation Control, Cooperative formation, Mobile robot, Multi-object
system.

THƯ VIỆN TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA – ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG.

Lưu hành nội bộ


iv

MỤC LỤC
LỜI CAM ĐOAN ........................................................................................................... i

LỜI CÁM ƠN ...............................................................................................................ii
MỤC LỤC .................................................................................................................... iv
DANH MỤC HÌNH ẢNH ............................................................................................. vi
CHƯƠNG 1: MỞ ĐẦU ................................................................................................. 1
1.1.

Tên đề tài. .................................................................................................. 1

1.2.

Tính cấp thiết của đề tài. ............................................................................. 1

1.3.

Mục tiêu của đề tài ..................................................................................... 2

1.4.

Đối tượng và phạm vi nghiên cứu ................................................................. 2

1.4.1.

Đối tượng nghiên cứu ................................................................................. 2

1.4.2.

Phạm vi nghiên cứu ................................................................................... 2

CHƯƠNG 2: TỔNG QUAN ĐIỀU KHIỂN HỢP TRONG HỆ THỐNG ĐA ĐỐI
TƯỢNG ........................................................................................................................... 3

2.1.

Điều khiển hợp tác trong hệ thống đa đối tượng. ........................................... 3

2.1.1.

Khái niệm ................................................................................................ 3

2.1.2.

Thực tiễn và tiềm năng. ............................................................................... 3

2.2.

Cấu trúc điều khiển. ................................................................................... 9

CHƯƠNG 3: CƠ SỞ LÝ THUYẾT VÀ THUẬT TỐN ĐỒNG THUẬN .................. 14
3.1.

Mơ hình động học robot di động ................................................................ 14

3.2.

Mơ hình động lực học của robot. ................................................................ 16

3.2.1.

Mơ hình tốn học động cơ điện một chiều. ..................................................... 16

3.2.2.


Mạch vòng điều khiển tốc độ động cơ............................................................ 19

3.3.

Lý thuyết đồ thị và thuật toán đồng thuận................................................... 22

3.3.1.

Lý thuyết đồ thị – Graph Theory. ................................................................. 22

3.3.2.

Thuật toán đồng thuận – Consensus. ............................................................ 24

3.4.

Thuật tốn điều khiển đội hình Leader - Follower. ...................................... 25

3.4.1.

Giản đồ điều khiển đội hình – Control Graph. ................................................. 25

3.4.2.

Luật điều khiển Leader-Follower cho đội hình hai robot. ................................... 26

3.4.3.

Luật điều khiển Leader-Follower cho đội hình nhiều robot.


3.5.

............................... 34

Điều khiển Leader-Follower ứng dụng thuật tốn đồng thuận....................... 35

THƯ VIỆN TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA – ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG.

Lưu hành nội bộ


v

3.7. Phát hiện vật cản bằng cảm biến siêu âm.......................................................... 36
3.6 Thuật toán tránh vật cản ................................................................................. 36
3.8 Điều khiển robot bám quĩ đạo và tránh vật cản ................................................. 37
3.8.1 . Thiết kế bộ điều khiển mờ tránh vật cản ........................................................... 37
3.8.2 . Thiết lập các qui tắc suy luận mờ: xây dựng các luật tránh vật cản

......................... 38

CHƯƠNG 4: THIẾT KẾ VÀ CHẾ TẠO MƠ HÌNH. ................................................. 42
4.1.

Mơ hình cơ khí. ........................................................................................ 42

4.2.

Hệ thống mạch điện tử .............................................................................. 43


3.2.1.

Sơ đồ cấu trúc mạch của robot Leader........................................................... 44

3.2.2.

Sơ đồ cấu trúc mạch của robot Follower. ....................................................... 45

4.3.

Thông số kĩ thuật...................................................................................... 46

4.3.1.

Arduino Nano V3.0 ATmega328P. ............................................................... 46

4.3.2.

Module Wifi ESP8266 V1 .......................................................................... 47

4.3.3.

Động cơ DC giảm tốc GA25 Encoder ............................................................ 49

4.3.4.

Mạch điều khiển động cơ LM 298 ................................................................ 50

4.4.


Phần mềm. ............................................................................................... 51

4.4.1.

Truyền thơng giữa máy tính và Robot Leader và Robot Follower ......................... 51

4.4.2.

Thuật toán điều khiển ............................................................................... 53

CHƯƠNG 5: KẾT QUẢ THỰC NGHIỆM ................................................................. 55
5.1.

Thí nghiệm 1. ........................................................................................... 56

5.2.

Thí nghiệm 2 và 3 - Hai robot di chuyển với đội hình nối tiếp với nhau .......... 57

5.3.

Thí nghiệm 4 và 5 - Hai robot di chuyển với đội hình song song với nhau ....... 60

5.4.

Thí nghiệm 6 - Hai robot di chuyển với đội hình nối tiếp khi có vật cản. ........ 62

CHƯƠNG 6: KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN .............................................. 65
6.1.


Kết luận:.................................................................................................. 65

6.2.

Hướng phát triển ...................................................................................... 66

TÀI LIỆU THAM KHẢO ........................................................................................... 67

THƯ VIỆN TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA – ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG.

Lưu hành nội bộ


vi

DANH MỤC CÁC BẢNG
Số hiệu bảng
3.1

Tên bảng

Trang

Bảng quy tắc suy luận mờ: tránh vật cản

39

DANH MỤC HÌNH ẢNH
Số hiệu hình


Tên hình vẽ

ảnh

Trang

2.1

Robot phối hợp vận chuyển quản lý kho Amazone

4

2.2

Robot phân loại hàng hóa trong kho Amazone.

4

2. 3

Robot quản lý kho của công ty Grey Orange warehouse
robots

4

2. 4

Phối hợp nhiều thiết bị bay cùng vận chuyển hàng hóa.


5

2. 5

Phối hợp nhiều thiết bị bay cùng vận chuyển hàng hóa.

5

2. 6

Phối hợp nhiều thiết bị bay cùng vận chuyển hàng hóa.

5

2. 7

Sử dụng robot trong kiểm sốt cháy rừng.

6

2.8

Mơ hình nhiều thiết bị trong kiểm soát cháy rừng

6

2.9

Phối hợp UAVs trong các nhiệm vụ trinh sát


7

2.10

Phối hợp nhiều UAVs trong dò thám và trinh sát

7

2.11

Phối hợp nhiều Robot trong việc giám sát mục tiêu và
dị thám

7

2.12

Phối hợp trong tìm kiếm mục tiêu

8

2.13

Phối hợp AUVs trong tác chiến dưới nước.

8

2.14

Phối hợp AUVs và UGV trong việc dị thám


8

2.15

Phối hợp robot trong trình diễn nghệ thuật.

9

2.16

Phối hợp nhiều robot để nâng 1 vật nặng

9

THƯ VIỆN TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA – ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG.

Lưu hành nội bộ


vii

Số hiệu hình

Tên hình ảnh

ảnh

Trang


2.17

Cấu trúc điều khiển tập trung

10

2.18

Cấu trúc điều khiển phân tán

11

2.19

Điều khiển đội hình tránh vật cản

11

2.20

Điều khiển 1 Leader - 1 Follower

12

2.21

Điều khiển virtural structure

13


3.1

Mô hình robot trong hệ tọa độ xOy

15

3.2

Mơ hình động lực học của robot

15

3.3

Mạch điện tương đương động cơ 1 chiều

17

3.4
3.5
3.6

Hàm truyền đạt tốc độ / điện áp của động cơ điện một
chiều
Sơ đồ điều khiển vịng kín sử dụng bộ điều khiển PID
Sơ đồ điều khiển PID điều khiển tốc độ đơng cơ bánh
trái.

j đến nút i .


18
20
21

3.7

Dịng chảy thơng tin từ nút

3.8

Đồ thị có hướng và đồ thị vơ hướng của các nút

23

3.9

Đồ thị cây mở rộng (directed spanning tree).

23

3.10

Mơ hình đồng thuận giữa các phần tử

25

3.11

Giản đồ điều khiển đội hình các Node [26]


26

3.12

Giản đồ điều khiển đội hình Leader – Follower [26]

26

3.13

Mối liên hệ giữa Robot Leader và Robot Follower

27

3.14

22

Tham số điều khiển Leader-Follower cho đội hình
nhiều robot

THƯ VIỆN TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA – ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG.

35

Lưu hành nội bộ


viii


Số hiệu hình

Tên hình ảnh

ảnh

Trang

3.15

Tham số robot tránh vật cản

37

3.16

Cấu trúc bộ điều khiển mờ cơ bản

38

3.17

Hình ảnh bố trí cảm biển siêu âm S1, S2 , S3

38

3.18

Tham số xác định vị trí robot


40

3.19

Tham số mối quan hệ giữa tốc độ robot

40

4.1

Hình ảnh mơ hình cơ khí robot Leader và Folower

42

4.2

Sơ đồ mạch điện của Robot Leader

44

4.3

Sơ đồ mạch điện của Robot Follower

45

4.4

Sơ đồ cấu trúc của mạch Arduino Nano V3.0
ATmega328P


46

4.5

Module Wifi ESP8266 V1

48

4.6

Động cơ GA25

49

4.7

Mạch điều khiển động cơ DC LM298

50

4.8

Cấu trúc gói tin UDP

51

4.9

Thuật tốn điều khiển Robot Leader


53

4.10

Thuật toán điêu khiển Robot Follower

54

4.11

Thuật toán robot tránh vật cản

55

5.1

Hình ảnh thực tế khi robot đang di chuyển

56

5.2

Đồ thị hiển thị vị trí toạ độ X-Y và đồ thị vận tốc góc
của bánh trái bánh phải

57

5.3


Thực nghiệm hai robot di chuyển nối tiếp nhau.

58

5.4

Đồ thị thực nghiệm 2

59

THƯ VIỆN TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA – ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG.

Lưu hành nội bộ


ix

Số hiệu hình
ảnh

Tên hình ảnh

Trang

5.5

Đồ thị thực nghiệm 3

60


5.6

Đồ thị kết quả thực nghiệm 4

61

5.7

Đồ thị kết quả thực nghiệm 5

62

5.8

Robot Leader đang trong quá trình tránh vật cản

63

5.9

Robot Follower đang trong quá trình tránh vật cản

63

5.10

Đồ thị kết quả thực nghiệm 6

64


THƯ VIỆN TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA – ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG.

Lưu hành nội bộ


1

CHƯƠNG 1: MỞ ĐẦU
1.1. Tên đề tài.
“NGHIÊN CỨU THUẬT TOÁN ĐIỀU KHIỂN ĐỘI HÌNH CHO HỆ
THỐNG ROBOT DI ĐỘNG”
1.2. Tính cấp thiết của đề tài.
Trong cuộc cách mạng công nghệ 4.0 hiện nay, robot là một trong những công cụ
không thể thiếu trong rất nhiều lĩnh vực. Hiện nay robot được ứng dụng trong mọi mặt
đời sống xã hội loài người như: Trong các nhà máy, robot tham gia vào các dây chuyền
sản xuất thay thế sức lao động của con người. Lĩnh vực an ninh có các robot giám sát
an ninh tại các địa điểm quan trọng hoặc trong các mơi trường phức tạp. Trong lĩnh vực
quốc phịng robot được sử dụng ngày càng rộng rãi như các máy bay không người lái,
xe tăng không người lái, tàu chiến khơng người lái, robot thay thế lính bộ binh trên chiến
trường. Trong lĩnh vực y học có các robot phục vụ cho việc phẫu thuật thay thế bác sĩ
với độ chính xác cao, khơng phụ thuộc vào các yếu tố tâm lí như con người. Robot cũng
được sử dụng trong lĩnh vực thám hiểm, thăm dò các vùng đất hoặc các vùng biển mà
con người chưa khám phá được. Ngày nay robot cũng được sử dụng trong việc khám
phá, thăm dị các hành tinh khác ngồi trái đất, và nó có thể được sử dụng để tìm kiếm
sự sống ngồi trái đất.
Trong những năm gần đây hoạt động nghiên cứu về robot đã phát triển nhanh chóng,
vượt bậc đặc biệt là phát triển trong lĩnh vực nghiên cứu hệ thống nhiều robot.
So với các hệ thống robot đơn thì các hệ thống nhiều robot hoạt động mạnh mẽ,
thông minh, linh hoạt hơn và hiệu quả hơn. Ứng dụng hệ thống nhiều robot là hành vi
hợp tác, điều hướng và lập kế hoạch, lập bản đồ, khảo sát và kiểm soát đội hình…..

Trên thực tế, có nhiều tài liệu về lập kế hoạch chuyển động và điều khiển robot di
động trong mơi trường có cấu trúc. Tuy nhiên, lý thuyết điều khiển truyền thống chủ
yếu cho phép thiết kế các bộ điều khiển trong một chế độ hoạt động duy nhất, trong đó
nhiệm vụ và mơ hình của hệ thống là cố định. Mặc dù lý thuyết điều khiển và ước tính
cho phép chúng ta mơ hình hóa từng hành vi như một hệ thống động lực, nhưng nó
khơng cung cấp cho chúng ta các công cụ để soạn thảo các hành vi có sẵn hoặc hệ thống
phân cấp hoặc các hành vi chuyển đổi qua lại giữa các robot hoặc nếu có địi hỏi hệ
thống cơ sở dữ liệu rất phức tạp, cồng kềnh và khó xử lý. Nên điều khiển hơp tác là một

THƯ VIỆN TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA – ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG.

Lưu hành nội bộ


2

ưu điểm trong hệ thống nhiều Robot. Với lý do trên, tôi quyết định chọn nghiên cứu đề
tài: “Nghiên cứu thuật tốn điều khiển đội hình cho hệ thống robot di động”. Điều
khiển đội hình có thể hiểu đơn giản là điều khiển đồng thời vị trí và góc định hướng của
các robot trong nhóm cùng di chuyển, đảm bảo đội hình ln được giữ khơng đổi để
một số nhiệm vụ có thể được hồn thành nhờ sự cộng tác của các robot [4]. Nhiều ứng
dụng hợp tác như phối hợp robot vận chuyển vật [5], [6], [7], [8] [9], giám sát mục tiêu
trong trinh sát [10], [11], v.v. được các tác giả nghiên cứu dựa trên cơ sở điều khiển đội
hình
Mục tiêu của đề tài là xây dựng thuật tốn điều khiển định hình cho robot, thiết kế
cơ khí, bộ điều khiển và mơ hình thực tế để ứng dụng điều khiển hợp tác định hình trong
điều khiển robot.
1.3. Mục tiêu của đề tài
Mục tiêu của đề tài là xây dựng hệ thống hai robot kiểm sốt đội hình và di chuyển
bám theo mục tiêu từ người điều khiển. Hệ thống gồm hai robot và một bộ điều khiển

từ máy tính được được phát tín hiệu wifi, Robot thứ nhất là Leader đóng vai trị dẫn đầu
khi nhận được thơng tin từ người điều khiển có thể lên kế hoạch và di chuyển theo quỹ
đạo của người điều khiển, còn robot thứ hai gọi là Follower nhận được vị trí của Robot
Leader để di chuyển bám theo Robot Leader duy trì hướng, khoảng cách, vận tốc. Khi
có chướng ngại vật thì hệ thống hai robot sẽ tự xử lý, ưu tiên tránh chướng ngại vật sau
đó sẽ giữ đúng đội hình như ban đầu.
1.4. Đối tượng và phạm vi nghiên cứu
1.4.1.

Đối tượng nghiên cứu

- Cơ sở lý thuyết về điều khiển đội hình của hệ thống đa đối tượng
- Nghiên cứu xác định tọa độ robot trong không gian hai chiều.
- Nghiên cứu thuật toán điểu khiển tốc độ, vị trí, hướng của robot.
- Nghiên cứu phương thức truyền và nhận dữ liệu.
- Nghiên cứu thuật toán tránh vật cản.
- Kết luận và hướng phát triển của đề tài
1.4.2.

Phạm vi nghiên cứu

Nghiên cứu thuật tốn và làm mơ hình thực nghiệm hai robot bằng thuật toán điều
khiển hợp tác định hình.

THƯ VIỆN TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA – ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG.

Lưu hành nội bộ


3


CHƯƠNG 2: TỔNG QUAN ĐIỀU KHIỂN HỢP TRONG HỆ THỐNG ĐA
ĐỐI TƯỢNG
2.1.

Điều khiển hợp tác trong hệ thống đa đối tượng.
2.1.1.

Khái niệm

Điều khiển hợp tác là hệ thống đa tác nhân. Các robot riêng lẻ giao tiếp, phối hợp
nhau để thực hiện một mục tiêu chung. Các nhiêm vụ đến các hệ thống robot này bao
gồm tìm kiếm, thăm dị, giám sát, cứu hộ và lập bản đồ trong các địa hình phức tạp chưa
biết hoặc đã biết một phần..
2.1.2.

Thực tiễn và tiềm năng.

Thực tế hiện nay công nghệ càng ngày càng phát triển, máy móc hiện đại, nhiều loại
robot được ra đời để phục vụ con người. Trong đó có nhiều hệ thống robot rất phức tạp
có thể thực hiện nhiều cơng việc cùng một lúc và có độ chính xác cao, chính vì vậy trong
nhiều trường hợp một robot không thể đáp ứng được như nâng một vật q nặng, nhiều
cơng việc ở nhiều vị trí khác nhau hoặc nhiều bài toán quá phức tạp nên hệ thống đòi
hỏi nhiều robot xử lý cùng một lúc. Điều này đặt ra phải cần phối hợp nhiều robot, hợp
tác cùng nhau để hoàn thành nhiệm vụ. Trước đây hệ thống đa đối tượng thường điều
khiển tập trung chỉ có một bộ phận trung tâm điểu khiển nhiều phần tử robot, nhưng hệ
thống điều khiển tập trung có nhược điểm đó là cần phải có bộ xử lý mạnh mẽ, thời gian
đáp ứng chậm, chi phí lắp đặt lớn….
Chính vì vậy điều khiển hợp tác trong hệ thống đa đối tượng rất là tiềm năng, màu
mỡ cho các nhà nghiên cứu. Việc phối hợp một nhóm các thiết bị thơng minh như robot

làm việc cùng nhau có lợi thế tiềm năng hơn khi có thể thực hiện các nhiệm vụ có tính
chất phức tạp mà một robot khơng thể thực hiện được như: giám sát đa điểm (multipoint
surveillance), lập bản đồ (mapping), vận chuyển hợp tác (cooperative transportation)
hay trình diễn nghệ thuật.
Ngoài ra, sự hợp tác sẽ tạo ra một hệ thống dự phịng hạn chế được sự rủi ro, hỏng
hóc của một robot có thể được bù đắp bởi các robot khác. Bên cạnh đó, việc phối hợp
một nhóm các thiết bị, phương tiện công nghệ cao cũng đang dần được áp dụng trong
nhiều lĩnh vực, đặc biệt là quân sự, an ninh quốc phòng.

THƯ VIỆN TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA – ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG.

Lưu hành nội bộ


4

• Phối hợp nhiều robot trong những tác vụ khó thực hiện được bởi một robot như
kiểm soát xuất nhập hàng hóa trong kho.

Hình 2. 1 Robot phối hợp vận chuyển quản lý kho Amazone

Hình 2. 2 Robot phân loại hàng hóa trong kho Amazone.

Hình 2. 3: Robot quản lý kho của công ty Grey Orange warehouse robots

THƯ VIỆN TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA – ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG.

Lưu hành nội bộ



5

• Tính linh động: Mỗi robot trong nhóm có thể đảm nhận nhiều vai trị nên có thể
được sử dụng cho nhiều mục đích khác nhau, có thể giảm hoặc tăng số lượng
robot tùy thuộc vào yêu cầu thời gian.

Hình 2. 4Phối hợp nhiều thiết bị bay cùng vận chuyển hàng hóa.

Hình 2. 5 Phối hợp nhiều thiết bị bay cùng vận chuyển hàng hóa.

Hình 2. 6 Phối hợp nhiều thiết bị bay cùng vận chuyển hàng hóa.
• Thực hiện các nhiệm vụ nguy hiểm: Phối hợp nhiều robot cùng hoạt động trong

THƯ VIỆN TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA – ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG.

Lưu hành nội bộ


6

các
khu vực có tính chất nguy hiểm mà con người khơng thể thực hiện như tìm kiếm nạn
nhân trong các tịa nhà sụp đổ, dọn dẹp khu vực ơ nhiễm độc hại (vùng phóng xạ), kiểm
sốt cháy rừng...

Hình 2. 7 Sử dụng robot trong kiểm sốt cháy rừng.

Hình 2. 8: Mơ hình nhiều thiết bị trong kiểm sốt cháy rừng
• Ứng dụng trong kỹ thuật quân sự: Phối hợp những thiết bị công nghệ cao như
xe tự hành UGVs (Unmanned Ground Vehicles), thiết bị bay không người lái UAVs

(Unmanned Aerial Vehicles), hay thiết bị tự động dưới nước AUVs (Autonomous
Underwater Vehicles) trong các nhiệm vụ quân sự như trinh sát, tìm kiếm mục tiêu hay
tác chiến dưới nước.

THƯ VIỆN TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA – ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG.

Lưu hành nội bộ


7

Hình 2. 9: Phối hợp UAVs trong các nhiệm vụ trinh sát.

Hình 2. 10: Phối hợp nhiều UAVs trong dị thám và trinh sát

Hình 2. 11: Phối hợp nhiều Robot trong việc giám sát mục tiêu và dò thám

THƯ VIỆN TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA – ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG.

Lưu hành nội bộ


8

Hình 2. 12: Phối hợp trong tìm kiếm mục tiêu.

Hình 2. 13: Phối hợp AUVs trong tác chiến dưới nước.

Hình 2. 14: Phối hợp AUVs và UGV trong việc dò thám


• Trình diễn nghệ thuật: Phối hợp một nhóm các thiết bị bay như drone trong các

THƯ VIỆN TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA – ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG.

Lưu hành nội bộ


9

buổi hịa nhạc, trình diễn ánh sáng,...

Hình 2. 15: Phối hợp robot trong trình diễn nghệ thuật.

Hình 2. 16: Phối hợp nhiều robot để nâng 1 vật nặng
Điều khiển hợp tác (Cooperative control) trong hệ thống đa đối tượng (multi-agent
systems) có thể được mơ tả như một tập hợp các phần tử có khả năng đưa ra quyết định
những khả năng xử lý và truyền thông giữa các phần tử bị giới hạn, để cùng đạt được
mục tiêu chung.
2.2.

Cấu trúc điều khiển.

THƯ VIỆN TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA – ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG.

Lưu hành nội bộ


10

Mục tiêu chính của điều khiển đội hình là hệ cùng đạt được mục tiêu chung về

khoảng cách và góc lệch mà ở đó thơng tin về vị trí của các phần tử phải được biết chính
xác. Điều này đặt ra vấn đề lựa chọn cấu trúc điều khiển và phương thức truyền thông
phù hợp giữa các phần tử. Hai cấu trúc điều khiển được áp dụng trong điều khiển đội
hình là cấu trúc điều khiển tập trung (centralized control) và cấu trúc điều khiển phân
tán (decentralized control).
Trong cấu trúc điều khiển tập trung, một trung tâm xử lý là máy tính (máy chủ) thu
thập và xử lý tất cả thông tin cần thiết và đặt ra yêu cầu chuyển động cho các robot. Cấu
trúc này dễ dàng thực hiện với nhóm Robot có số lượng ít, nhưng khi mở rộng số lượng
lớn yêu cầu giám sát, điều khiển trong phạm vi rộng yêu cầu hệ thống máy chủ phải có
tốc độ tính tốn và xử lý nhanh. Ngồi ra khi máy chủ hệ thống bị trục trặc sự cố hỏng
hóc thì nhiệm vụ sẽ khơng hồn thành dẫn đến những hạn chế nhất định của mơ hình.

Hình 2. 17: Cấu trúc điều khiển tập trung
Với cấu trúc điều khiển phân tán, mỗi robot được điều khiển độc lập thông qua dữ
liệu trạng thái được gửi đến từ các robot lân cận. Ưu điểm của cấu trúc này là chi phi
thấp, không yêu cầu các thiết bị định vị hay giám sát như camera nên khả thi hơn khi
mở rộng số lượng robot trong đội hình so với cấu trúc điều khiển tập trung. Tuy nhiên,
nhược điểm của cấu trúc điều khiển này là tính thụ động, phụ thuộc vào độ chính xác
kết quả đo từ các thiết bị được gắn trên mỗi robot.

THƯ VIỆN TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA – ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG.

Lưu hành nội bộ


11

Hình 2. 18: Cấu trúc điều khiển phân tán
Tùy vào ứng dụng thực tế, mục đích sử dụng để chúng ta lựa chọn cấu trúc điều
khiển cho phù hợp, Tuy nhiên do những hạn chế về vật lý như nguồn tài nguyên, năng

lượng, giới hạn truyền thông… cấu trúc điều khiển phân tán đang được các nhà khoa
học quan tâm, phát triển ứng dụng phổ biến hơn trong nghiên cứu điều khiển hợp tác hệ
robot di động.
Đã có nhiều phương pháp điều khiển đội hình robot được nghiên cứu và phát triển.
Mỗi phương pháp đều có những ưu và nhược điểm riêng, tuy nhiên có thể được phân
loại thành ba nhóm chính: điều khiển dựa trên một số hành vi (behavior-based), điều
khiển Leader-Follower,điều khiển virtual-structure.
❖ Trong điều khiển Behavior-Based là điều khiển dựa trên một số hành vi mong
muốn như tránh vật cản, tránh va chạm…được chỉ định cho mỗi robot. được chỉ định
cho mỗi robot và hành động cuối cùng của nhóm được quyết định bởi “tầm quan trọng
tương đối” của từng hành vi.
Ví dụ như hình bên dưới. Vừa điều khiển robot theo đội hình, và vừa tránh vật cản
theo quy luật của người điều khiển.

Hình 2. 19: Điều khiển đội hình tránh vật cản

THƯ VIỆN TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA – ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG.

Lưu hành nội bộ


12

Ưu điểm của phương pháp điều khiển behavior-based là ít thông tin cần phải chia
sẻ và giao tiếp giữa các robot, do đó thường được sử dụng để điều khiển đội hình robot
hoạt động trong mơi trường thay đổi liên tục hoặc khơng xác định. Tuy nhiên, nhược
điểm là khó có thể mơ tả chính xác mơ hình động lực học và đảm bảo sự ổn định của
toàn hệ thống.
❖ Trong điều khiển Leader-Follower
Trong phương pháp điều khiển Leader-Follower, một hay một số robot sẽ được chỉ

định là “Robot dẫn đầu” (Leader), di chuyển theo một quỹ đạo được định trước. Các
robot cịn lại (Followers) di chuyển duy trì khoảng cách và góc lệch tương đối với Leader
để giữ đội hình khơng đổi.

Hình 2. 20: Điều khiển 1 Leader - 1 Follower
Ưu điểm của phương pháp điều khiển Leader-Follower là dễ tiếp cận và thực hiện,
không yêu cầu các thiết bị định vị và giám sát. Tuy nhiên, nhược điểm dễ thấy của mơ
hình là khơng có phản hồi từ các Follower gửi về cho Leader hoặc là sai số của Leader
dẫn tới sai số toàn bộ hệ thống. Do vậy, nếu Follower hoặc Leader bị tác động bởi nhiễu,
đội hình sẽ khơng cịn được duy trì. Ngồi ra trạng thái của Robot Leader phải liên tục
được gửi đến cho các Follower, bởi hầu như trong các luật điều khiển áp dụng cho
Follower, các giá trị đó được sử dụng là tín hiệu vào của bộ điều khiển, do vậy yêu cầu
cần phải hạn chế mất thông tin giữa các robot để việc điều khiển chính xác hơn.

THƯ VIỆN TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA – ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG.

Lưu hành nội bộ


13

❖ Điều khiển virtual tructure .
Trong phương pháp điều khiển virtual structure, đội hình robot được xem như một
cấu trúc vật lý (hình vng, hình trịn,…) và quỹ đạo tham chiếu của mỗi robot phụ
thuộc vào chuyển động của điểm ảo (virtual center). Khi điểm ảo di chuyển, các robot
sẽ di chuyển theo một quỹ đạo tương đối với điểm ảo, với các ràng buộc về khoảng cách
để giữ đội hình khơng đổi.

Hình 2. 21: Điều khiển virtual structure
Ưu điểm của phương pháp điều khiển virtual structure là tính bền vững, bởi sự ràng

buộc chặt chẽ giữa các robot trong luật điều khiển, giúp đội hình ln được duy trì. Tuy
nhiên, đều này dẫn đến nhược điểm của mơ hình là mơ tả tốn học và việc thiết kế luật
điều khiển cho các robot cũng trở nên phức tạp hơn. Tương tự như phương pháp điều
khiển behavior-based, phương pháp điều khiển virtual structure sử dụng cấu trúc điều
khiển tập trung, do vậy sẽ gây hạn chế trong một số ứng dụng.
Kết luận: Trong mỗi phương pháp điều khiển đều có ưu và nhược điểm, tuỳ vào
ứng dụng, cấu trúc hệ thống để chọn phương pháp điều khiển hợp lý. Phương pháp điều
khiển Leader – Follower mặc dù vẫn còn một vài hạn chế nhưng phương pháp điều
khiển Leader-Follower vẫn luôn được đánh giá cao bởi tính đơn giản và khả năng mở
rộng của mơ hình.
Trong tương lai nếu chúng ta có thể lọc nhiễu, hạn chế mất thơng tin khi truyền dữ
liệu thì phương pháp Leader – Follower trong các ứng dụng điều khiển hợp tác, phương
pháp điều khiển Leader-Follower được nghiên cứu và áp dụng phổ biến hơn cả. Chính
vì vậy tơi chọn phương pháp điều khiển Leader – Follower.

THƯ VIỆN TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA – ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG.

Lưu hành nội bộ


14

CHƯƠNG 3: CƠ SỞ LÝ THUYẾT VÀ THUẬT TOÁN ĐỒNG THUẬN
3.1. Mơ hình động học robot di động
Mơ hình động học được sử dụng để mô tả mối quan hệ giữa vị trí và tốc độ của
robot. Chuyển động của robot được phân tích thơng qua chuyển động của khối tâm
robot.
Robot được sử dụng là robot 3 bánh, 2 bánh chủ động được gắn động cơ và 1 bánh
trước để bẻ lái. Do đó, có thể thay đổi quỹ đạo chuyển động của robot bằng cách thay
đổi tốc độ của bánh xe bên trái và bánh xe bên phải.

Xét hệ tọa độ 𝑿𝑶𝒀 cố định gắn với mặt phẳng chuyển động. Vị trí của robot trong
hệ tọa độ 𝑿𝑶𝒀 được mô tả bởi vector trạng thái:
𝑷(𝑡 ) = [𝑥 (𝑡 ) 𝑦(𝑡 ) 𝜃(𝑡 )]𝑇

(3.1)

Giả thiết robot không tác động bởi yếu tố bên ngồi mơi trường khơng có vật cản,
không tác động với nhiểu, chuyển động không trượt. Phương trình vi phân được mơ tả
của robot.
𝑥̇ = 𝑣 𝑐𝑜𝑠 (𝜃)
{ 𝑦̇ = 𝑣 𝑠𝑖𝑛 (𝜃)
𝜃̇ = 𝜔
Chúng ta biểu diễn dưới dạng ma trận 𝐏̇ = 𝐉(𝜃)u
𝑥̇
𝑐𝑜𝑠(𝜃)
𝑦̇
[ ] = [ 𝑠𝑖𝑛(𝜃)
0
𝜃̇

0
𝑣
0] [ 𝜔 ]
1

(3.2)

(3.3)

Trong đó :

𝑣 là vận tốc (m/s)
𝜔 là vận tốc góc (rad/s)
𝜃 là góc lệch của robot (rad)
Robot được biểu diễn dưới vector u= [v ω]T

THƯ VIỆN TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA – ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG.

Lưu hành nội bộ