i

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƢỜNG ĐẠI HỌC GIAO THÔNG VẬN TẢI

LÊ THỊ THÚY NGA

ỔN ĐỊNH VÀ ĐIỀU KHIỂN ĐA NHIỆM
HỆ THỐNG ROBOT BẦY ĐÀN

LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT

HÀ NỘI- 2016


ii
BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƢỜNG ĐẠI HỌC GIAO THÔNG VẬN TẢI

LÊ THỊ THÚY NGA

ỔN ĐỊNH VÀ ĐIỀU KHIỂN ĐA NHIỆM
HỆ THỐNG ROBOT BẦY ĐÀN

Chuyên ngành: Kỹ thuật điều khiển và tự động hóa
Mã số: 62.52.02.16
LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT
NGƢỜI HƢỚNG DẪN KHOA HỌC:
1: GS.TS Lê Hùng Lân
2: PGS.TS Nguyễn Thanh Hải

HÀ NỘI- 2016


i
LỜI CAM ĐOAN

Tác giả xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu của riêng tác giả
dƣới sự hƣớng dẫn của GS.TS Lê Hùng Lân và PGS.TS Nguyễn Thanh
Hải. Các số liệu, kết quả nêu trong luận án là trung thực và chƣa từng đƣợc ai
công bố trong bất kỳ công trình nào khác.
Tác giả

Lê Thị Thúy Nga


ii
LỜI CẢM ƠN
Lời đầu tiên tác giả xin chân thành cảm ơn sâu sắc tới thầy GS.TS Lê
Hùng Lân và thầy PGS.TS Nguyễn Thanh Hải đã tâm huyết hƣớng dẫn tác
giả hoàn thành luận án này.
Đặc biệt tác giả xin chân thành cảm ơn các thầy giáo, cô giáo khoa
Điện-Điện tử, Phòng đào tạo Sau đại học trƣờng Đại học Giao thông vận tải
đã giúp đỡ và đóng góp nhiều ý kiến quan trọng để tác giả có thể hoàn thành
luận án của mình.
Tác giả cũng xin cảm ơn sâu sắc tới thầy PGS.TS Nguyễn Văn Liễn,
thầy GS.TS Nguyễn Doãn Phƣớc và thầy TS. Nguyễn Văn Tiềm luôn động
viên, khích lệ, giúp đỡ và tạo mọi điều kiện để tác giả thực hiện thành công
luận án này.



iii
MỤC LỤC
LỜI CAM ĐOAN ............................................................................................... i
LỜI CẢM ƠN ....................................................................................................ii
DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU, CÁC CHỮ VIẾT TẮT ...................................vi
DANH MỤC CÁC BẢNG BIỂU .................................................................. viii
DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ VÀ ĐỒ THỊ .....................................................ix
MỞ ĐẦU ............................................................................................................ 1
CHƢƠNG I
TỔNG QUAN VỀ ỔN ĐỊNH ROBOT BẦY ĐÀN .......................................... 5
1.1 Khái niệm robot bầy đàn ......................................................................... 5
1.2 Các nghiên cứu tổng quan về robot bầy đàn ........................................... 7
1.3 Các mô hình toán học của robot bầy đàn .............................................. 16
1.3.1 Mô hình động học chất điểm ........................................................... 16
1.3.2 Mô hình động lực học ...................................................................... 19
1.4 Tổng quan về ổn định robot bầy đàn .................................................... 20
1.4.1 Khái niệm ổn định robot bầy đàn .................................................... 20
1.4.2 Các dạng hàm hút/đẩy...................................................................... 21
1.5 Các vấn đề còn tồn tại và đề xuất giải pháp mục tiêu của luận án ....... 25
1.6 Nội dung và phƣơng pháp nghiên cứu mới .......................................... 25
Kết luận chƣơng 1 ....................................................................................... 26
CHƢƠNG II
PHÂN TÍCH ỔN ĐỊNH ROBOT BẦY ĐÀN SỬ DỤNG HÀM HÚT/ĐẨY
MỜ.................................................................................................................... 27
2.1 Cơ sở logic mờ ...................................................................................... 27


iv
2.2. Xây dựng hàm hút/đẩy mờ cho bài toán tụ bầy ................................... 29
2.3. Ổn định robot bầy đàn sử dụng hàm hút/đẩy mờ ............................... 35

2.3.1 Ổn định robot bầy đàn với mô hình toán học cơ bản ...................... 35
2.3.2 Ổn định bầy đàn với mô hình toán học có hệ số tƣơng tác ............. 39
Kết luận chƣơng 2 ....................................................................................... 44
CHƢƠNG III
ĐIỀU KHIỂN ROBOT BẦY ĐÀN DỰA TRÊN NGUYÊN LÝ ĐIỀU
KHIỂN HÀNH VI KHÔNG GIAN NULL VÀ LOGIC MỜ………………45
3.1 Đặt vấn đề ............................................................................................. 45
3.2 Khái niệm không gian Null ................................................................... 48
3.3 Điều khiển hành vi robot bầy đàn dựa trên không gian Null................ 50
3.4 Thuật toán điều khiển hành vi robot bầy đàn dựa trên nguyên lý NSB và
logic mờ....................................................................................................... 54
3.5. Phân tích sự ổn định của robot bầy đàn theo kỹ thuật NSB và logic
mờ................................................................................................................ 57
Kết luận chƣơng 3: ...................................................................................... 62
CHƢƠNG IV
KIỂM NGHIỆM CÁC THUẬT TOÁN BẰNG MÔ PHỎNG VÀ TRÊN HỆ
THỐNG THỰC ................................................................................................ 63
4.1 Kiểm nghiệm thuật toán bằng mô phỏng .............................................. 63
4.1.1 Xây dựng hàm hút/đẩy mờ .............................................................. 63
4.1.2 Mô phỏng quá trình hội tụ của robot bầy đàn với mô hình toán học
cơ bản ........................................................................................................ 65
4.1.3 Mô phỏng quá trình hội tụ của robot bầy đàn với mô hình toán học
có hệ số tƣơng tác ..................................................................................... 70


v
4.1.4 Mô phỏng quá trình tránh vật cản, tìm kiếm mục tiêu của robot bầy
đàn dựa trên nguyên lý NSB và logic mờ ................................................. 73
4.2 Kiểm nghiệm trên robot thực ................................................................ 81
4.2.1 Robot e – puck ................................................................................. 81

4.2.2 Bài toán tụ bầy ................................................................................. 84
Kết luận chƣơng 4: ...................................................................................... 90
KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ.......................................................................... 92
Kết luận ....................................................................................................... 92
Kiến nghị ..................................................................................................... 92
DANH MỤC CÁC CÔNG TRÌNH CÔNG BỐ CỦA TÁC GIẢ LIÊN QUAN
ĐẾN LUẬN ÁN ............................................................................................... 93
TÀI LIỆU THAM KHẢO ................................................................................ 95
PHỤ LỤC ....................................................................................................... 104


vi
DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU, CÁC CHỮ VIẾT TẮT
Các ký hiệu:
STT

Ký hiệu

Đơn

Ý nghĩa

vị
1

Rn

Không gian Euclide n chiều.

2


N

Số lƣợng cá thể robot trong bầy.

3

m

Vector vị trí của robot thứ i.

4

m

Vector vị trí của tâm bầy.

5

m/s

6

()

7

Amax, Amin

N


Vector vận tốc của robot thứ i.
Vector lực tƣơng tác giữa các cá thể robot.
Giá trị lớn nhất và nhỏ nhất của độ lớn lực
tƣơng tác.

8

g(.)

9

Gfmax, Gfmin

N

Vector hàm hút/đẩy giữa các cá thể robot.
Giá trị lớn nhất và nhỏ nhất của độ lớn hàm
đẩy.

10

Gamax, Gamin

Giá trị lớn nhất và nhỏ nhất của độ lớn hàm
hút.

11

()


Hàm thuộc.

12

cm

Khoảng cách thực tế giữa các cá thể robot.

13

cm

Khoảng cách an toàn giữa các cá thể robot.

14

cm

Khoảng cách thực tế giữa cá thể robot thứ i
với vật cản thứ m.

15

cm

Khoảng cách an toàn giữa cá thể robot thứ i
với vật cản thứ m.



vii
16

cm

Khoảng cách thực tế giữa cá thể robot thứ i
với đích.

17

cm

Khoảng cách mong muốn cá thể robot thứ i
với đích.

18

Trọng số tƣơng tác giữa các cặp cá thể (i, j).

19

W

Ma trận tƣơng tác.

20

L

Ma trận Laplace.


21

1, 2, …n

22

n giá trị riêng của ma trận.
Vùng hội tụ của bầy đàn.

23

J

Ma trận Jacobi.

24

M

Số lƣợng vật cản trong môi trƣờng.

25

JT

Chuyển vị của ma trận J.

26


J+

Ma trận giả nghịch đảo của ma trận J.

27

(J)

Hạng của ma trận J.

Các chữ viết tắt:
STT Chữ viết tắt Diễn giải nội dung
1

SISO

Một đầu vào – một đầu ra (Single Input Single
Output)

2

NSB

Hành vi dựa trên không gian Null (Null Space
based Behavior)

3

SA


Kiến trúc phân cấp (Subsumption Architecture)

4

PSO

Tối ƣu bầy đàn (Particle Swarm Optimization)

5

TLTK

Tài liệu tham khảo


viii
DANH MỤC CÁC BẢNG BIỂU
Số

Nội dung bảng biểu

Trang

hiệu
1.1

Các dạng hàm hút/đẩy đã đƣợc nghiên cứu

24


2.1

Một số dạng lực tƣơng tác giữa các cá thể thứ i và j dựa

33

trên logic mờ
4.1

Kết quả tính toán các thông số của quá trình tụ bầy

68

4.2

So sánh kết quả mô phỏng quá trình hội tụ của bầy với

69

mô hình Gazi và mô hình mờ cơ bản
4.3

So sánh kết quả mô phỏng trong trƣờng hợp sử dụng kỹ
thuật NSB và các phƣơng pháp khác

81


ix
DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ VÀ ĐỒ THỊ

Số

Nội dung

Trang

Một số hành vi bầy đàn của các loài sinh vật trong tự

5

hiệu
1.1

nhiên.
1.2

Ba luật trong mô phỏng của Reynold

8

1.3

Nhóm 5 robot tự di chuyển của Kelly và Keating

8

1.4

Kết quả mô phỏng thuật toán di chuyển thích nghi bầy


9

đàn với 120 robot.
1.5

Robot tụ bầy của Kube và Zhang

10

1.6

Mô phỏng hành vi tụ bầy của s-bot

10

1.7

Hành vi tụ bầy của nhóm robot gián của Garnier đề xuất

11

1.8

(a) 5 robot c ng nhau tìm vũng nƣớc tràn. (b) Robot thực

11

hiện nhiệm vụ bảo vệ.
1.9


Kiểm tra tua bin sử dụng robot bầy đàn Alice

12

1.10

Mẫu robot S-bot và vận chuyển theo nhóm

14

1.11

Các robot k o thanh

14

1.12

Robot tìm mồi Mataric

15

1.13

Các robot tìm kiếm và thu gom rác thải

15

2.1


Mờ hóa tín hiệu đầu vào của bộ điều khiển mờ

31

2.2

Mờ hóa tín hiệu đầu ra của bộ điều khiển mờ

31

2.3
3.1

Đồ thị tổng hợp
Kiến trúc SA, robot bầy đàn thực hiện ba nhiệm vụ:

38
46


x
khám phá, đi lang thang, tránh vật cản
3.2

Giản đồ cấu trúc phân tán cho điều hƣớng tự động

47

3.3


Giản đồ xác định không gian Null NJ

49

3.4

Sơ đồ khối tổng hợp vector vận tốc của cá thể robot thứ i

50

3.5

Giản đồ tổng hợp vận tốc theo phƣơng pháp NSB khi

51

robot i thực hiện ba nhiệm vụ
4.1

Cấu trúc bộ mờ tính toán lực hút/đẩy giữa các cá thể

63

robot.
4.2

Hàm thuộc tín hiệu đầu vào (a) và tín hiệu đầu ra (b) của

64


bộ mờ f(.)
4.3

Mối quan hệ giữa tín hiệu vào và tín hiệu ra của bộ mờ

64

f(.)
4.4

Lƣu đồ thuật toán mô phỏng quá trình hội tụ của robot

66

bầy đàn.
4.5

Quá trình hội tụ của robot bầy đàn với mô hình cơ bản.

67

4.6

Quá trình hội tụ của robot bầy đàn với mô hình [57]

69

4.7

Quá trình hội tụ của robot bầy đàn với mô hình truyền


70

thông khi số lƣợng N robot trong bầy thay đổi
4.8

Quá trình hội tụ của robot bầy đàn với mô hình có hệ số
tƣơng tác tƣơng ứng với ma trận liên kết

71

(a),

(b) và W35(c).
4.9

Quá trình hội tụ của robot bầy đàn tƣơng ứng với các

72

trƣờng hợp số lƣơng robot trong bầy và khả năng tƣơng
tác giữa các cá thể thay đổi
4.10

Lƣu đồ thuật toán mô phỏng robot bầy đàn tránh vật cản

a

và tìm kiếm mục tiêu


74


xi
4.10

Lƣu đồ thuật toán mô phỏng robot bầy đàn tránh vật cản

b

và tìm kiếm mục tiêu

4.10

Lƣu đồ thuật toán mô phỏng robot bầy đàn tránh vật cản

c

và tìm kiếm mục tiêu

4.11

Quá trình mô phỏng robot bầy đàn di chuyển tìm kiếm
đích với

là xác định âm và

75

76


77

là xác định dƣơng khi

số lƣợng robot trong bầy thay đổi.
4.12

Kết quả mô phỏng sự ổn định của quá trình tụ bầy robot

77

bầy đàn
4.13

Quá trình mô phỏng robot bầy đàn di chuyển tìm kiếm
đích khi chỉ có hệ số

4.14

4.15

thay đổi

Quá trình mô phỏng robot bầy đàn di chuyển tìm kiếm
đích khi các hệ số

và

là xác định dƣơng hoặc


79

thay đổi

Quá trình mô phỏng robot bầy đàn di chuyển tìm kiếm
đích với

78

80

là xác định âm

4.16

Cảm biến và cơ cấu chấp hành của robot e-puck

82

4.17

(a) 8 cảm biến khoảng cách (IR0†IR7), (b) vị trí của 3

83

micro (MIC0÷ MIC2)
4.18

Cấu trúc phần cứng của e – puck


83

4.19

Sơ đồ khối hệ thống điều khiển e - puck

85

4.20

Sơ đồ biểu diễn khoảng cách

và góc lệch  của e –

85

puck
4.21

Lƣu đồ thuật toán điều khiển e - puck

86

4.22

Lƣu đồ thuật toán điều khiển e - puck quay

87


4.23

Lƣu đồ thuật toán điều khiển e - puck hút/đẩy

87


xii
4.24

Quá trình hội tụ của 3 robot e - puck

89

4.25

Quá trình hội tụ của 4 robot e - puck

90


1
MỞ ĐẦU
Giới thiệu tóm tắt luận án
Luận án đi sâu nghiên cứu sự ổn định tụ bầy của robot bầy đàn, đặc biệt là
cơ chế hợp tác giữa các cá thể robot trong bầy, để từ đó đƣa ra giải pháp thiết kế
bộ mờ tính toán lực tƣơng tác giữa các cá thể, nhằm nâng cao chất lƣợng điều
khiển ổn định robot bầy đàn. Cụ thể, nội dung của luận án gồm 4 chƣơng:
- Chƣơng 1: Trình bày tổng quan về robot bầy đàn, tổng hợp các kết quả nghiên
cứu liên quan đến ổn định robot bầy đàn, ƣu nhƣợc điểm của các nghiên cứu. Từ

đó đề xuất các phƣơng hƣớng giải quyết: Xây dựng hàm hút/đẩy giữa các cá thể
robot dựa trên cơ sở logic mờ.
- Chƣơng 2: Trình bày cơ sở khoa học và mô hình toán của robot bầy đàn, xây
dựng hàm tính toán lực hút/đẩy dựa trên cơ sở logic mờ. Đồng thời chƣơng 2 đã
chứng minh đƣợc tính ổn định của quá trình hội tụ nhờ lý thuyết Lyapunov trong
hai trƣờng hợp: mô hình bầy đàn cơ bản và mô hình bầy đàn có x t đến khả năng
tƣơng tác giữa các cá thể trong bầy.
- Chƣơng 3: Đƣa ra giải pháp điều khiển robot bầy đàn tìm kiếm đích và tránh
vật cản dựa trên kỹ thuật điều khiển hành vi không gian Null, đồng thời chứng
minh sự ổn định của bầy đàn dựa trên cơ sở lý thuyết Lyapunov.
- Chƣơng 4: Xây dựng mô hình tính toán lực hút/đẩy mờ và thực hiện mô phỏng
hệ thống trên phần mềm Matlab để kiểm chứng các kết quả đã nghiên cứu ở
chƣơng 2 và chƣơng 3.
Kết luận và một số vấn đề cần nghiên cứu tiếp.
Lý do chọn đề tài
Ngày nay, robot học đã đạt đƣợc rất nhiều thành tựu to lớn trong công
nghiệp sản xuất cũng nhƣ trong đời sống xã hội. Có những công việc mà con
ngƣời không thể trực tiếp tham gia thực hiện đƣợc thì sử dụng robot là một giải


2
pháp hữu hiệu. Robot bầy đàn sử dụng số lƣợng lớn các robot tƣơng đối đơn
giản để thực hiện nhiệm vụ mà một robot đơn không thể thực hiện đƣợc hoặc
thực hiện không hiệu quả, dựa trên cơ chế hợp tác giữa các cá thể giống hành vi
của các loài vật sống thành bầy, thành đàn. Robot bầy đàn có thể đƣợc ứng dụng
trong: tìm kiếm vật bị thất lạc, làm sạch, rà soát bom mìn hoặc thu thập thông
tin.
Tuy nhiên, khi sử dụng số lƣợng lớn các robot cùng thực thi một nhiệm vụ
thì khả năng va chạm giữa các cá thể là rất lớn và điều đó có thể dẫn đến các
robot rất dễ bị hƣ hỏng. Mặt khác, trong quá trình thực thi nhiệm vụ, các robot

cũng có thể bị tách ra khỏi bầy và thất lạc. Do vậy, việc xây dựng cơ chế phối
hợp giữa các cá thể robot trong bầy với nhau sao cho cấu trúc bầy đàn luôn đƣợc
duy trì là rất quan trọng. Điều đó phụ thuộc vào hành vi của từng cá thể, mà hành
vi của mỗi cá thể lại luôn bị chi phối bởi sự tƣơng tác của nó với các cá thể khác
trong bầy và với môi trƣờng.
Từ những lý do trên cho thấy việc nghiên cứu và đề xuất giải pháp điều
khiển ổn định robot bầy đàn là rất cần thiết cho lĩnh vực robot ngày nay, vì vậy
tác giả chọn đề tài: “Ổn định và điều khiển đa nhiệm hệ thống robot bầy đàn” để
thực hiện luận án của mình.
Mục đích nghiên cứu
Mục đích nghiên cứu của luận án là nghiên cứu sự ổn định và điều khiển
robot bầy đàn trên cơ sở sử dụng logic mờ. Việc áp dụng logic mờ để tính toán
lực tƣơng tác giữa các cá thể robot trong bầy phải đảm bảo đƣợc: các robot phải
hút lại gần nhau khi chúng ở khoảng cách xa và đẩy nhau ra xa khi chúng ở
khoảng cách gần, mục đích của việc điều khiển ở đây là giữ cho khoảng cách
giữa các cặp robot trong bầy luôn ổn định ở giá trị an toàn (không bị va chạm và
không làm phân tách nhóm). Trong luận án tác giả đi sâu vào thiết kế bộ mờ tính


3
toán lực hút/đẩy giữa các cá thể robot và phân tích sự ổn định của bầy đàn khi
ứng dụng bộ hút/đẩy mờ.
Nội dung tiếp theo trong luận án, tác giả đề xuất giải pháp điều khiển
robot bầy đàn tránh vật cản và tìm kiếm mục tiêu dựa trên kỹ thuật điều khiển
hành vi không gian Null kết hợp với logic mờ.
Đối tƣợng và phạm vi nghiên cứu
- Đối tƣợng nghiên cứu là một nhóm robot đƣợc liên kết với nhau.
- Phạm vi nghiên cứu: Nghiên cứu phát triển thuật toán tính toán lực hút/đẩy mờ
giữa các cá thể robot trong bầy. Ứng dụng thuật toán phát triển đƣợc cho bài
toán tụ bầy và bài toán tránh vật cản, tìm kiếm mục tiêu.

Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài
- Ý nghĩa khoa học của đề tài là kết quả đạt đƣợc trong lĩnh vực điều khiển ổn
định sử dụng logic mờ. Đề tài đề xuất giải pháp tính toán lực tƣơng tác giữa
các cá thể robot dựa trên cơ sở logic mờ. Giải quyết vấn đề tìm kiếm tập thể
trong môi trƣờng nhiều trở ngại là rất thiết thực và hiệu quả dựa trên kỹ thuật
điều khiển hành vi không gian Null kết hợp với logic mờ. Luận án đã giải
quyết thành công cả về mặt lý thuyết lẫn mô hình mô phỏng.
- Ý nghĩa thực tiễn của đề tài là: Trong công nghệ robot, đối tƣợng điều khiển là
thƣờng là phi tuyến, vì vậy các phƣơng pháp điều khiển kinh điển thƣờng khó
đáp ứng, lúc đó logic mờ là giải pháp phù hợp nhất cho điều khiển robot bầy
đàn.
Những đóng góp của luận án
- Luận án đề xuất cấu trúc bộ logic mờ tính toán lực hút/đẩy giữa các cá thể
robot trong bầy đàn. Phát biểu và chứng minh 2 định lý về ổn định hội tụ robot
bầy đàn với hàm hút/đẩy mờ.


4
- Luận án đã đƣa ra giải pháp điều khiển robot bầy đàn thực hiện nhiều hơn một
nhiệm vụ dựa trên nguyên lý điều khiển hành vi không gian Null kết hợp với
logic mờ. Phát biểu và chứng minh một định lý về ổn định hệ thống robot bầy
đàn khi thực hiện đa nhiệm vụ là tránh vật cản và tìm kiếm mục tiêu.


5
CHƢƠNG I
TỔNG QUAN VỀ ỔN ĐỊNH ROBOT BẦY ĐÀN
Chƣơng này tập trung phân tích tổng quan về tình hình nghiên cứu trong
và ngoài nƣớc về robot bầy đàn nói chung và việc giải quyết bài toán ổn định
robot bầy đàn nói riêng. Đặt bài toán và hƣớng nghiên cứu của luận án.

1.1 Khái niệm robot bầy đàn
Bầy đàn là sự quy tụ của một số sinh vật theo nhóm, đƣợc tìm thấy rất
nhiều trong tự nhiên với nhiều loài sinh vật khác nhau nhƣ: bầy côn tr ng, đàn
kiến, đàn ong, đàn mối, đàn cá,… Hành vi bầy đàn có thể giúp thực hiện đƣợc
những nhiệm vụ vƣợt quá khả năng của từng cá thể độc lập, nhƣ loài kiến có thể
cùng nhau tha những miếng mồi lớn về tổ của chúng, loài mối có thể xây những
mô đất lớn từ b n và đất cùng với sự đòi hỏi cao về nhiệt độ và độ ẩm để bảo vệ
tổ,…nhƣ hình 1.1.

Hình 1.1. Một số hành vi bầy đàn của các loài sinh vật trong tự nhiên.


6
“Robot bầy đàn” là sử dụng số lƣợng lớn các robot tƣơng đối đơn giản để
thực hiện nhiệm vụ mà một robot đơn không thể thực hiện đƣợc hoặc thực hiện
không hiệu quả, dựa trên cơ chế hợp tác giữa các cá thể giống hành vi của các
loài vật sống thành bầy, thành đàn. Các nhà nghiên cứu đã mô hình hóa hoạt
động của robot để chúng có thể thực hiện đƣợc những nhiệm vụ có ích nhƣ tìm
kiếm vật bị thất lạc, làm sạch, rà soát bom mìn, hoặc thu thập thông tin.
Robot bầy đàn thƣờng có các đặc trƣng sau:
- Hiệu quả tính toán: Mỗi cá thể trong bầy có một bộ vi xử lý riêng vì thế khả
năng tính toán của cả bầy sẽ hiệu quả hơn so với một robot lớn chỉ có một bộ vi
xử lý.
- Tính bền vững: Hoạt động của bầy đàn vẫn diễn ra mặc dù có những cá thể bị
lỗi hoặc bị hỏng, bên cạnh đó, khi điều kiện về môi trƣờng bị thay đổi cũng
không làm ảnh hƣởng đến sự hoạt động của bầy đàn.
-Tính linh hoạt: tính linh hoạt của robot bầy đàn đƣợc thể hiện ở khả năng thích
ứng các cá thể trong bầy với sự thay đổi của môi trƣờng. Tính bền vững và tính
linh hoạt thƣờng trái ngƣợc nhau, khi có một vấn đề mới, hệ thống robot bầy
đàn cần phải linh hoạt để chuyển đổi hành vi của từng cá thể sang giải quyết

vấn đề mới, lúc này tính mạnh mẽ sẽ không còn nữa.Ví dụ, các cá nhân của
một bầy kiến có thể chung sức tìm một con đƣờng ngắn nhất để đến nguồn thức
ăn hay mang một con mồi lớn về tổ thông qua việc sử dụng các chiến lƣợc phối
hợp khác nhau.
- Khả năng mở rộng: có thể thêm vào hoặc bớt đi các cá thể robot trong bầy với
số lƣợng xác định mà không đòi hỏi phải lập trình lại. Bầy đàn có thể hoạt
động theo một phạm vi rộng trong một nhóm lớn và có thể hỗ trợ các nhóm
khác mà không làm ảnh hƣởng đến hiệu suất hoạt động của mỗi bầy. Đó chính
là cơ chế phối hợp và chiến lƣợc phát triển hệ thống robot bầy đàn, điều này
đảm bảo sự hoạt động của nhóm trong các nhóm khác.


7
- Tự tổ chức: Trong bầy đàn tất cả các robot đều có vai trò nhƣ nhau, không cần
thiết phải có robot đứng đầu.
- Chi phí thấp: mỗi cá thể robot trong bầy đàn đều có kết cấu cơ khí đơn giản và
có thể sản xuất hàng loạt vì thế chi phí cho mỗi cá thể robot là rất thấp.
1.2 Các nghiên cứu tổng quan về robot bầy đàn
Robot bầy đàn là xu hƣớng nghiên cứu mới, có nhiều triển vọng trong lĩnh
vực công nghệ robot. Với đặc th có tính trí tuệ cao mà không đòi hỏi công nghệ
chế tạo phức tạp, robot bầy đàn ngày càng đƣợc quan tâm nghiên cứu. Tuy nhiên
mỗi công trình đều đƣa ra những mục tiêu nghiên cứu riêng.
Di chuyển theo bầy là một trong những những vấn đề đƣợc nghiên cứu
nhiều nhất trong robot bầy đàn dựa trên những cơ sở sinh học chặt chẽ đã có s n.
Trong di chuyển theo bầy của đàn chim, mỗi con chim bay độc lập với đàn và
không nghĩ về dạng của đàn. Tuy nhiên nếu quan sát toàn bộ hình dạng của đàn
ta sẽ nhận thấy giống nhƣ là tất cả các con chim đã thống nhất một kế hoạch di
chuyển theo bầy. Hàng ngàn con chim có thể gắn kết với nhau thành một nhóm
c ng di chuyển và đối phó đƣợc với những trở ngại gặp phải một cách nhanh
chóng. Theo [11], năm 1987 Reynolds lần đầu tiên mô phỏng về hành vi di

chuyển theo bầy bằng chƣơng trình của mình. Trong chƣơng trình này, sự di
chuyển của mỗi cá thể tuân theo 3 luật nhƣ hình 1.2:
- Tách rời để tránh va chạm với các cá thể bên cạnh.
- Hiệu chỉnh để điều chỉnh mức trung bình của nhóm các cá thể bên cạnh.
- Gắn kết để giữ vị trí trung bình của các cá thể bên cạnh.
Với 3 luật cơ bản trên, đàn chim trong mô phỏng di chuyển cực kì phức tạp,
chuyển động của chúng giống nhƣ những gì chúng ta quan sát đƣợc trong thiên
nhiên. Sự thành công trong mô phỏng của [11] đã gây sự chú ý đối với các nhà
nghiên cứu trong lĩnh vực robot.


8

Hình 1.2. Ba luật trong mô phỏng của Reynolds
Theo tài liệu [33], năm 1996 Kelly và Keating đã chứng minh hành vi di
chuyển theo bầy sử dụng 5 robot có kích thƣớc nhỏ nhƣ hình 1.3.

Hình 1.3. Nhóm 5 robot tự di chuyển của Kelly và Keating
Mỗi robot trong hình 1.3 đƣợc trang bị một cảm biến siêu âm để phát hiện vật
cản, cộng với một hệ thống cảm biến hồng ngoại để trao đổi thông tin giữa các
robot và xác định vị trí. Việc di chuyển theo bầy gồm có 4 mức độ điều khiển:
- tránh vật cản,
- nếu không nhìn thấy cá thể nào phía trƣớc thì chính nó sẽ trở thành cá thể đầu
đàn và nhấp nháy,
- nếu đang ở trong bầy thì giữ nguyên vị trí,
- nếu nhìn thấy cá thể đầu đàn thì tăng tốc và hƣớng về phía nó.
Việc lựa chọn con đầu đàn là linh động và tất cả di chuyển theo bầy, khi gặp vật
cản chúng có thể chia thành hai đàn nhỏ và hợp lại thành một khi vƣợt qua đƣợc
vật cản đó. Trong [27], năm 2007 Hanada đã đƣa ra chiến lƣợc để mở rộng
robot bầy đàn cho ph p robot di chuyển tự động trong môi trƣờng với nhiều vật

cản, nhƣ hình 1.4.


9

Hình 1.4. Kết quả mô phỏng thuật toán di chuyển thích nghi bầy đàn với 120
robot.
Mỗi robot tự lựa chọn 2 robot bên cạnh và giữ khoảng cách với chúng thông qua
các cảm biến, sau đó thực hiện di chuyển để bầy đàn có thể chia thành nhiều
nhóm khi gặp vận cản và hợp lại thành một khối thống nhất khi vƣợt qua đƣợc
vật cản. Họ đã chỉ ra rằng thuật toán thích nghi về dịch chuyển theo bầy cho
ph p robot có sự tƣơng tác cục bộ có thể tự dịch chuyển trong môi trƣờng với
nhiều vật cản.
Các hành vi của robot bầy đàn đƣợc phân thành các nhóm điển hình sau:
- Tụ bầy
- Tìm kiếm và hội tụ
- Vận chuyển và cầm nắm
- Tìm kiếm thức ăn.
a. T

ầy

Nhóm động vât và côn tr ng thƣờng có xu hƣớng tập hợp lại với nhau
thành bầy, việc tụ bầy sẽ giúp chúng tránh đƣợc k th và đối phó đƣợc với
những thay đổi của thiên nhiên. Trong các nghiên cứu về robot thì nhiệm vụ tụ
bầy thông thƣờng hƣớng tới việc tập hợp lại những nhóm robot bất kì trong môi
trƣờng thành một bầy robot. Vấn đề này có thể dễ dàng giải quyết khi sử dụng
phƣơng pháp điều khiển tập trung, tuy nhiên khi áp dụng với robot bầy đàn thì



10
đây là một thách thức lớn bởi vì mỗi hệ thống đều bị phụ thuộc vào ngƣỡng cho
ph p, thêm vào đó dữ liệu từ các cảm biến thì thƣờng bị nhiễu và không r ràng.
Một trong những ứng dụng đầu tiền về hành vi tụ bầy của robot đƣợc đƣa ra bởi
Kube và Zhang [12]. Trong khi c ng nhau dịch chuyển thì tất cả các robot bị thu
hút bởi ánh sáng trong hộp nhƣ hình 1.5. Khi tất cả các robot tới đƣợc chỗ nguồn
sáng thì chúng sẽ tụ lại thành một bầy.

Hình 1.5. Robot tụ bầy của Kube và Zhang
Năm 2005 Soysal và Sahin [48] đƣa ra thuật toán xác suất cho chiến lƣợc
tụ bầy của s-bots nhƣ hình 1.6. Hành vi tụ bầy ở đây đạt đƣợc bằng cách kết hợp
4 hành vi cơ bản: tránh vật cản, hút, đẩy và đợi. Robot sử dụng cảm biến siêu âm
để thực hiện cơ chế hút và đẩy trong bầy. Việc chuyển tiếp từ trạng thái đẩy sang
hút và từ trạng thái đợi sang đẩy đƣợc thực hiện bằng 2 xác suất khác nhau. Họ
đƣa ra 4 chiến lƣợc điều khiển khác nhau dựa trên 2 xác suất này.

Hình 1.6. Mô phỏng hành vi tụ bầy của s-bot.


11
Cũng trong năm 2005 trong [13], nhóm tác giả đã đƣa ra nghiên cứu về hành vi
tụ bầy của bầy gián sử dụng robot Alice nhƣ hình 1.7

Hình 1.7. Hành vi tụ bầy của nhóm robot gián của Garnier đề xuất
b. Tìm kiếm và hội t
Năm 2002 Dudenhoeffer và Bruemmer [16] thực hiện mô hình hàm thế
năng trên các nhóm robot làm nhiệm vụ tìm kiếm nƣớc tràn, các robot này tìm
kiếm những vũng nƣớc tràn trong phòng, sau đó tạo thành vòng bao quanh
chúng nhƣ hình 1.8. Trong nghiên cứu của họ, những kỹ thuật thích nghi trên
robot cũng đƣợc giới thiệu để tăng sự đa dạng của nhóm, điều này giúp bỏ qua

đƣợc những khu vực không cần thiết và tránh đƣợc sai sót gặp phải trong quá
trình tìm kiếm.

Hình 1.8. Nhóm robot tìm kiếm vũng nƣớc: (a) 5 robot c ng nhau tìm vũng
nƣớc tràn. (b) Robot thực hiện nhiệm vụ bảo vệ.