ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN KHOA CÔNG NGHỆ THÔNG TIN - ĐINH THỊ THUÝ QUỲNH ỨNG DỤNG MẠNG NƠRON TRONG BÀI TOÁN XÁC ĐỊNH LỘ TRÌNH CHO ROBOT LUẬN VĂN THẠC SĨ CÔNG NGHỆ THÔNG TIN THÁI NGUYÊN - 2008 ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN KHOA CÔNG NGHỆ THÔNG TIN - ĐINH THỊ THUÝ QUỲNH ỨNG DỤNG MẠNG NƠRON TRONG BÀI TOÁN XÁC ĐỊNH LỘ TRÌNH CHO ROBOT Chuyên ngành: Khoa học máy tính Mã số: 60.48.01 LUẬN VĂN THẠC SĨ CÔNG NGHỆ THÔNG TIN NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC: PGS – TS ĐẶNG QUANG Á THÁI NGUYÊN - 2008 MỤC LỤC MỤC LỤC DANH MỤC HÌNH LỜI NÓI ĐẦU TỔNG QUAN MẠNG NƠRON NHÂN TẠO 1.1 Giới thiệu mạng nơron 1.1.1 Những kiến trúc tính toán 1.1.2 Lịch sử phát triển mạng nơron 1.1.3 Nơron sinh học 11 1.1.4 Nơron nhân tạo 12 1.1.5 Mạng nơron nhân tạo 14 1.1.6 Tiếp cận nơron tính toán 18 1.2 Phạm vi ứng dụng mạng nơron 22 1.2.1 Những toán thích hợp 22 1.2.2 Các lĩnh vực ứng dụng mạng nơron 24 1.2.3 Ƣu nhƣợc điểm mạng nơron 25 1.3 Mạng Hopfield 26 1.3.1 Mạng Hopfield rời rạc 28 1.3.2 Mạng Hopfiel liên tục 28 1.4 Mạng nơron kỹ thuật robot 29 1.5 Nhận xét 30 CHƢƠNG GIỚI THIỆU BÀI TOÁN LẬP LỘ TRÌNH CHO ROBOT 32 2.1 Giới thiệu robot nhân tạo 32 2.1.1 Tổng quan 32 2.1.2 Giải pháp thiết kế 33 2.2 Bài toán lập lộ trình 34 CHƢƠNG 1 Số hóa Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn 2.2.1 Mở đầu 34 2.2.2 Các ví dụ thực tế 37 2.2.3 Bài toán lập lộ trình chuyển động cho robot 39 2.3 Các thành phần việc lập lộ trình 40 2.3.1 Trạng thái 40 2.3.2 Thời gian 40 2.3.3 Hành động 41 2.3.4 Trạng thái đầu trạng thái kết thúc 41 2.3.5 Tiêu chuẩn 41 2.3.6 Giải thuật 42 2.3.7 Ngƣời lập lộ trình 42 2.3.8 Lộ trình 42 2.3.9 Lập lộ trình chuyển động 46 2.4 Không gian cấu hình 46 2.4.1 Các khái niệm không gian cấu hình 46 2.4.2 Mô hình cấu hình 47 2.4.3 Không gian cấu hình chƣớng ngại 56 2.4.4 Định nghĩa xác vấn đề lập lộ trình 58 CHƢƠNG ỨNG DỤNG MẠNG NƠRON NHÂN TẠO TRONG BÀI TOÁN LẬP LỘ TRÌNH CHO ROBOT 60 3.1 Mạng nơron nhân tạo toán lập lộ trình 60 3.2 Ứng dụng mạng Hopfield giải toán lập lộ trình 62 3.2.1 Khái quát số phƣơng pháp lập lộ trình 62 3.2.2 Phƣơng pháp Yang Meng đề xuất 63 3.2.3 Mô hình Yang Meng cải tiến 67 3.3 Các kết thử nghiệm 69 3.3.1 Chƣơng trình Đềmô 69 Số hóa Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn 3.3.2 So sánh kết 71 3.3.3 Kết luận 73 KẾT LUẬN 75 TÀI LIỆU THAM KHẢO 76 PHỤ LỤC 77 Số hóa Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn DANH MỤC HÌNH Hình 1.1: Mô hình nơron sinh học 11 Hình 1.2: Mô hình nơron nhân tạo 14 Hình 1.3: Mô hình mạng truyền thẳng lớp 16 Hình 1.4: Mô hình mạng truyền thẳng nhiều lớp 17 Hình 1.5: Mạnh hồi quy lớp có nối ngƣợc 17 Hình 1.6: Mạnh hồi quy nhiều lớp có nối ngƣợc 18 Hình 1.7: Mô hình mạng Hopfield 27 Hình 2.1: Các thành phần cấu thành Robot 34 Hình 2.2: Khối Rubitc (a); toán dịch chuyển số (b) 36 Hình 2.3: Giải thuật kéo thép tách 37 Hình 2.4: Sử dụng Robot di động để di chuyển Piano 38 Hình 2.5: (a) ngƣời lập lộ trình thiết kế giải thuật lập lộ trình 43 (b) Ngƣời lập lộ trình thiết kế toàn máy 43 Hình 2.6: Một số lộ trình cải tiến lộ trình 44 Hình 2.7: Mô hình có thứ bậc máy chứa đựng máy khác 45 Hình 2.8: Không gian cấu hình 47 Hình 2.9: Một Robot điểm di chuyển không gian 2D, C – Space R2 48 Hình 2.10: Một Robot điểm di chuyển không gian 3D, C – Space R3 48 Hình 2.11: Một đa thức lồi đƣợc xác định phép giao nửa mặt phẳng 49 Hình 2.12: Dấu hiệu f(x,y) phân chia R2 thành vùng: f(x,y) 0, f(x,y) =0 50 Hình 2.13: (a)Đa diện (b)Biểu diễn cạnh mạt đa diện 53 Số hóa Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn Hình 2.14: (a) Sử dụng f để phân chia R2 thành vùng (b) Sử dụng màu đạ số để mô hình hoá vùng mặt 54 Hình 2.15: Biểu thị đa giác với lỗ Ngƣợc chiều kim đồng hồ cho biên thuận chiều kim đồng hồ cho biên 55 Hình 2.16: C – Space nhiệm vụ tìm đƣờng từ qI đến qG Cfree C = Cfree  Cobs 57 Hình 3.1: Giao diện chƣơng trình mô hình nguyên 69 Hình 3.2: Giao diện chƣơng trình mô hình cải tiến 69 Hình 3.3: Mê cung 71 Hình 3.4: Mê cung 72 Hình 3.5: Mê cung 72 Số hóa Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn LỜI NÓI ĐẦU Nhờ khả năng: Học, nhớ lại khái quát hoá từ mẫu huấn luyện liệu, mạng nơron nhân tạo trở thành phát minh đầy hứa hẹn hệ thống xử lý thông tin Các tính toán nơron cho phép giải tốt toán đặc trƣng số tất tính chất sau: Sử dụng không gian nhiều chiều, tƣơng tác phức tạp, chƣa biết theo dõi mặt toán học biến Ngoài phƣơng pháp cho phép tìm nghiệm toán đòi hỏi đầu vào cảm nhận ngƣời nhƣ: tiếng nói, nhìn nhận dạng Bài toán lập lộ trình cho robot toán phức tạp, tồn hành động môi trƣờng robot phải chịu nhiều tác động khác Tuy nhiên, tính toán nơron lại cho phép giải tốt toán có nhiều tƣơng tác phức tạp Vì vậy, ứng dụng mạng nơron toán xác định lộ trình cho robot hứa hẹn giải pháp hiệu góp phần nâng cao hiệu làm việc robot nhờ khả di chuyển nhanh chóng, xác môi trƣờng làm việc Trên giới, có số nghiên cứu ứng dụng mạng nơron toán lập lộ trình cho robot Tuy nhiên, lĩnh vực mẻ chƣa đƣợc ứng dụng rộng rãi nƣớc ta Trong nƣớc chƣa có tài liệu thống lĩnh vực Với ứng dụng ngày rộng rãi công nghệ robot, việc nghiên cứu áp dụng thành tựu công nghệ thông tin vào thiết kế cải tiến kỹ có kỹ tránh vật cản di chuyển vấn đề nóng đƣợc quan tâm Chính lý em định chọn đề tài: “Ứng dụng mạng nơron toán xác định lộ trình cho robot” Với mục đích tìm Số hóa Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn hiểu mạng nơron nhân tạo toán lập lộ trình cho robot, ứng dụng mạng nơron vào toán Luận văn gồm chƣơng với nội dung sau: Chƣơng 1: Trình bày tổng quan sở mạng nơron nhân tạo, nêu khái quát ứng dụng mạng nơron công nghệ robot Chƣơng 2: Trình bày: toán lập lộ trình thành phần nó, không gian cấu hình, cấu hình chƣớng ngại vật Chƣơng 3: Trình bày: hƣơng pháp lập lộ trình Yang Meng, cải tiến mô hình nguyên Yang Meng đề xuất, cài đặt thử nghiệm hai mô hình trình bày, đƣa nhận xét hiệu hai mô hình Mặc dù nỗ lực, song thời gian kinh nghiệm nghiên cứu khoa học hạn chế nên tránh khỏi thiếu sót Em mong nhận đƣợc góp ý thầy cô bạn bè đồng nghiệp để hiểu biết ngày hoàn thiện Qua luận văn em xin chân thành cảm ơn: PGS TS Đặng Quang Á Viện Công nghệ thông tin tận tình giúp đỡ, động viên, định hƣớng, hƣớng dẫn em nghiên cứu hoàn thành luận văn Em xin cảm ơn thầy cô giáo viện Công nghệ thông tin, thầy cô giáo khoa Công nghệ thông tin ĐH Thái nguyên, giảng dạy giúp đỡ em hai năm học qua, cảm ơn giúp đỡ nhiệt tình bạn đồng nghiệp THÁI NGUYÊN 11/2008 Ngƣời viết luận văn Đinh Thị Thuý Quỳnh Số hóa Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn CHƢƠNG I TỔNG QUAN MẠNG NƠRON NHÂN TẠO 1.1 GIỚI THIỆU MẠNG NƠRON 1.1.1 Những kiến trúc tính toán Khái niệm tính toán đƣợc hiểu theo nhiều cách Trƣớc đây, việc tính toán bị ảnh hƣởng quan niệm tính toán theo chƣơng trình (Programed computing) Theo quan điểm này, để giải toán bƣớc ta cần thiết kế giải thuật sau cài đặt giải thuật cấu trúc hành có ƣu Quan sát hệ sinh học, đặc biệt não ngƣời ta thấy chúng có đặc điểm sau: (1) Bộ não tích hợp lƣu trữ kinh nghiệm: Tức não có khả tự phân loại liên kết liệu vào (2) Bộ não xem xét kinh nghiệm dựa kinh nghiệm lƣu trữ (3) Bộ não có khả dự đoán xác tình dựa kinh nghiệm tự tổ chức trƣớc (4) Bộ não không yêu cầu thông tin hoàn hảo (5) Bộ não thể kiến trúc chấp nhận lỗi tức khôi phục vài noron cách thích nghi với noron lại cách đào tạo bổ xung (6) Cơ chế hoạt động não không rõ ràng vận hành Ví dụ với số toán cung cấp nghiệm nhƣng giải thích đƣợc bƣớc tìm nghiệm Số hóa Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn