Đồ án 3 đề tài thiết kế, chế tạo robot tự hành bám quỹ đạo

Trong quá trình học tập và hoàn thành đồ án, chúng em đã lĩnh hội đượcnhiều kiến thức, nhận được nhiều sự quan tâm giúp đỡ của thầy Th.S Hồ Sĩ Phương và các thầy trong nghành kĩ thuật đi

TRƯỜNG ĐẠI HỌC VINHVIỆN KỸ THUẬT VÀ CÔNG NGHỆ

-ĐỒ ÁN 3

ĐỀ TÀI: THIẾT KẾ, CHẾ TẠO ROBOT TỰ HÀNH BÁM QUỸ ĐẠO

Giảng viên hướng dẫn: ThS Hồ Sĩ PhươngThành viên nhóm: Nguyễn Tiến Mạnh

 Nguyễn Xuân Đạt

Lê Đăng DụngTrần Anh Khang

 Nghệ An, 2022

LỜI CẢM ƠN  Chúng em xin chân thành cảm ơn quý thầy bộ môn ngành kỹ thật điều khiển

và tự động hóa trong thời gian qua đã truyền đạt và trang bị chúng em đầy đủkiến thức để thực hiện tốt đề tài tốt nghiệp

  Trong quá trình học tập và hoàn thành đồ án, chúng em đã lĩnh hội đượcnhiều kiến thức, nhận được nhiều sự quan tâm giúp đỡ của thầy Th.S Hồ Sĩ Phương và các thầy trong nghành kĩ thuật điều khiển và tự động hóa

  Bên cạnh đó chúng em đã thu thập và phát triển thêm nhiều kiến thức bổ íchcho sự nghiệp trong tương lai, gặp gỡ được những thầy giỏi và tâm huyết cùngnhững người bạn đáng quý

  Mặc dù đã rất cố gắng để thực hiện bài tập lớn một cách tốt nhất Song do sựhạn chế về kiến thức chuyên môn cũng như kinh nghiệm thực tế nên không tránhkhỏi những thiếu sót Vì vậy chúng em rất mong được sự góp ý của quý thầy cô vàcác bạn để đề tài này được hoàn chỉnh hơn

  Chúng em xin chân thành cảm ơn!

 Nhóm sinh viên thực hiện

MỤC LỤC

TÓM TẮT ĐỀ TÀI

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN1.1 TỔNG QUAN VỀ XE TỰ HÀNH :

1.1.1 giới thiệu:

Thuật ngữ Robot xuất hiện lần đầu tiên vào năm 1922 trong tác phẩm

“Rossum’s Universal Robot” của Karel Capek Trong tác phẩm nhân vậtRossum và con trai đã tạo ra chiếc máy giống con người để phục vụ cho conngười

MobileRobot là loại máy tự động có khả năng di chuyển trong một số môitrường nhất định Mobile Robot hiện đang được các nhà nghiên cứu chú trọng

và hầu như các trường đại học lớn đều có phòng thí nghiệm để tập trung nghiêngcứu loại Robot này Chúng cũng được sử dụng trong các ngành công nghiệp,quân sự và sinh hoạt…, như trong sing hoạt có Robot hút bụi, lau nhà hay cắtcỏ…

đó tạo không gian hoạt động lớn

Từ năm 1939 đến năm 1945: Trong cuộc chiến thế giới lần thứ II, nhữngcon Robot di động đầu tiên xuất hiện Nó là kết quả của những thành tựu côngnghệ trong những lĩnh vực nghiên cứu mới có liên quan như khoa học máy tính

và điều khiển học, hầu hết chúng là những quả bom bay, ví dụ như những quả bom chỉ nổ trong những dãy mục tiêu nhất định, sử dụng trong hệ thống hướngdẫn vad radađiều khiển Tên lửa v 1vàv 2có “ phi công tự động” và hệ thống phát

nổ, chúng là tiền thân của đầu đạn hạt nhân tự điều khiển hiện đại

  Từ năm 1948 đến 1948: W.Gray Walter tạo nên Elmer và Elsie, hai conRobot trông giống con đồi mồi.Về mặc hành chính, chúng được gọi là MachinaSpeculatrix bởi vì những con Robot này hoạt động trong môi trường như nhữngchú chim đồi mồi Elmer và Elsie được trang bị một bộ cảm biến sáng Nếuchúng nhận ra một nguồn sáng, chúng sẽ di chuyển về phía nguồn sáng Chúng

có thể tránh hoặc chuyển những chướng ngại trên đường di chuyển Những conRobot này chứng mình rằng những cử chỉ phức tạp có thể phát sinh từ một thiết

kế đơn giản Elmer và Elsie chỉ được thiết kế tương đương hai tế bào thần kinh

Từ năm 1961 đến 1963: Trường đại học Johns Hopkins phát triển “Beast”.Beast sử dụng hệ thống định vị di chuyển xung quanh Khi pin yếu nó sẽ tự tìm

ổ cắm điện và cắm vào

 Năm 1969: Mowbot là con Robot đầu tiên cắt cả bãi cỏ một cách tự động.The Stanford Cart line follower là một con Robot di động có thể di chuyểnthông qua nhận dạng đường kẻ trắng, sử dụng một camera để nhìn Nó bao gồmmột “kênh truyền thanh” gắn với hệ thống máy tính lớn để tạo ra những tínhtoán

 Năm 1970: Cùng thời điểm 1969-1972, viện nghiên cứu Stanford đang xâydựng và nghiên cứu ra Shakey Shakey có một camera, một dãy kính gắm, một

 bộ cảm biến và một bộ truyền thanh Shakey là con Robot đầu tiên lý giải vềnhững chuyển động của nó Điều này có nghĩa là Shakey có thể đưa nhiều mệnhlệnh chung và và Robot này sẽ tính toán những bước cần thiết để hoàn thiệnnhiệm vụ được giao

 Năm 1976: trong chương trình Vikiry, tổ chức NASA đã phóng hai tàu vũ trụkhông người lái lên sao hỏa.

 Năm 1977: Bộ phim “Chiến tranh giữa các vì sao” phần I, A new Hope mô tảR2D2, một con Robot di động hoạt động độc lập và C3P0, một con robot hìnhngười Họ đã khiến công chúng biết đến những con Robot

 Năm 1980: Thị hiếu của người tiêu dùng về Robot tăng, robot được bày bán vàmua về để sử dụng trong nhà Ví dụ RB5X vẫn tồn tại tới ngày nay và một loạtmẫu robot HERO Robot The Stanford Cart được phát triển mạnh, nó đã có thểlái tàu biển vượt qua những trở ngại và tạo lên bản đồ những nơi nó đi qua. Năm 1989: Mark Tinden phát minh ra BEAM robotics

 Năm 1990: Cha đẻ của nền rôbốt công nghiệp Joseph Engelberger làm việc vớicác đồng nghiệp và đã phát minh ra những con rôbốt tự động trong ngành y tế vàđược bán bởi Helpmate Sở an ninh Mỹ gây quỹ cho dự án MDARS-I dựa vàorobot bảo vệ trong nhà Cybermotion Năm 1993-1994: Dante-I và Dante-II được phát triển bởi trường đại học Carnegie Mellon, cả hai con Robot dung để thámhiểm núi lửa đang hoạt động Năm 1995: Robot di động có thể lập trìnhPioneer (người tiên phong) được bán sẵn ở một mức giá chấp nhận được,điều đó dẫn tới sự gia tăng rộng rãi về nghiên cứu Robot và các trường đạihọc nghiên cứu về Robottrong suốt các thập sau Robot di động trở thành một phần không thể thiếu trong chương trình giảng dạy của các trường đại học Năm1996-1997: NASA phóng con tàu Mars Pathfinder có 2 Robot Rover vàSojourner lên sao Hoả The Rover thám hiểm bề mặt sao hoả được điều khiển từmặt đất Sojourner được trang bị với một hệ thống tránh rủi do cao Hệ thốngnày làm cho Sojourner có thể tìm thấy đường đi của nó một cách độc lập trên địahình của sao Hoả Năm 1999: Sony giới thiệu Aibo, một con rôbốt có khả năng

đi lại, quan sát và tác động qua lại tới môi trường Robot điều khiển từ xa dùngcho quân sự PackBot cũng được giới thiệu Năm 2001: Dự án Swaim-Bots,

Swaim-Bots giống những bầy côn trùng được khởi động Chúng bao gồm một

số lượng lớn các con Robot đơn lẻ, có thể tác động lẫn nhau và cùng nhau thựchiện những nhiệm vụ phức tạp Năm 2002: Roomaba, một con robot di độngdung trong gia đình, thực hiện công việc lau nhà xuất hiện Tiếp tục phát triểnhiện nay có rất nhiều loại Robot phục vụ cho con người dần xuất hiện ngày càngthân thiện hơn Năm 2004: Robosapien, một con rôbốt đồ chơi, thiết kế bởiMark Tilden được bán sẵn Trong dự án “The Centibots Project” 100 con Robotcùng làm việc với nhau để tạo lên một bản đồ cho một vùng không xác định vàtìm những vật thểtrong môi trường đó Trong cuộc thi đầu tiên DARPAGrand Challenge, các con Robot tự động đã cùng nhau tranh tài cùng nhau trên

sa mạc Năm 2006: Sony dừng việc sản xuất Aibo và Helpmate PatrolBot trở lên phổ biến khi các Robot di động vẫn tiếp tục cạnh tranh nhau để trở thành mặthàng độc quyền Sở an ninh Mỹ đã bỏ dự án MDARS-I, nhưng lại gây quỹ cho

dự án MDARS-E một loại Robot an ninh tự động khác TALON-Sword, mộtloạiRobot tự động dùng để bán sẵn với dàn phóng lựu đạn và những sự lựa chọn

về vũ khí hợp thành khác đã ra đời Asimo của Honda biết cách chạy và leo cầuthang chỉ với hai chân như con người Năm 2007: Hệ thống KiVa, Robot thôngminh tăng nhanh về số lượng trong quy trình phân phối, những Robot thôngminh này được phân loại theo mức độ phổ biến những nội dung của chúng.Robot Tug trở thành phương tiện phổ biến trong các bệnh viện dùng để vậnchuyển đồ trong kho từ nơi này sang nơi khác ARCSinside Speci-Minder mang máu và các vật mẫu từ trạm y tá tới phòng xét nghiệm Seekur,Robot dịch vụ dùng ngoài trời với mục đích phi quân sự có thể kéo một xe quamột bãi đậu xe, lái một cách độc lập (tự động) vào trong nhà và bắt đầu học cáchlái ra ngoài Trong khi đó, PatrolBot học cách theo sau con người và nếu cửa mà

mở thì đóng lại

1.2 Tìm hiểu về cảm biến

  Có 3 loại cảm biến thường dùng trong các robot dò line: Camera, cảm biếnquang điện trở và cảm biến hồng ngoại.

1.2.1 Camera

  Camera dùng để ghi lại hình ảnh của đường line, sau đó xử lý đưa ra thôngtin sai lệch vị trí tương đối của line so với xe Phương pháp này cho độ chínhxác cao, tuy nhiên do tốc độ xử lý ảnh cần nhiều thời gian, làm hạn chế tốc độcủa xe, nên không phù hợp với xe đua

1.2.2 Cảm biến quang điện trở và cảm biến hồng ngoại

Cảm biến quang điện trở có điện trở thay đổi khi ánh sáng thay đổi Trong bóng tối giá trị điện trở cao, nhưng khi được chiếu sáng giá trị điện trở giảmmạnh

Hình 1.1: Nguyên lý hoạt động của quang điện trở   Hai phương pháp sử dụng cảm biến quang điện trở và cảm biến hồng ngoại

có nguyên tắc hoạt động tương tự nhau, gồm 1 nguồn phát ánh sáng phản xạ xuốngđất và 1 nguồn thu ánh sáng phản xạ từ đó xử lí tín hiệu và đưa ra vị trí của xe so

với line Tuy nhiên cảm biến hồng ngoại được ứng dụng nhiều hơn vì thời gian đápứng nhanh hơn.

1.3 Tìm hiểu về các cách xử lí tín hiệu cảm biến

1.3.1 Sử dụng giải thuật so sánh

Sử dụng mạch lấy ngưỡng hoặc giải thuật lọc ngưỡng bằng lập trình đểchuyển tín hiệu điện áp đọc từ cảm biến về thành mức cao hoặc mức thấp, từ đósuy ra vị trí của xe so với đường line

Hình 1.2:Tìm vị trí trung tâm line bằng giải thuật xấp xỉ

1.4 Tìm hiểu về cấu trúc điều khiển

1.4.1 Cấu trúc điều khiển phân cấp

Mạch điều khiển phân cấp sử dụng nhiều vi điều khiển, mỗi vi điều khiển đảmnhận một chức năng riêng Nhờ đó có sự chuyên biệt hóa, mỗi vi điều khiển chỉđảm nhận một công việc giúp việc kiểm tra lỗi chương trình dễ dàng, các chứcnăng được thực hiện đồng thời, không cần phải đợi hoặc bỏ qua các tác vụ ngắt.Tuy nhiên cấu trúc phần cứng phức tạp và cần đảm bảo tín hiệu giao tiếp giữa các

vi điều khiển tuyệt đối chính xác, không bị nhiễu

Hình 1.3 Cấu trúc điều khiển phân cấp1.4.2 Cấu trúc điều khiển tập trung

Mạch chỉ sử dụng một vi điều khiển đảm nhận tất cả các chức năng nhờ vào đó mà phần cứng đơn giản Tuy nhiên, không có sự chuyên biệt hóa nên khó cho việckiểm tra lỗi chương trình, các chức năng (tính toán ra vận tốc 2 bánh xe và điềukhiển động cơ đạt vận tốc mong muốn) không được thực hiện đồng thời, khi chứcnăng này đang thực hiện thì chức năng khác phải đợi

Hình 1.4: Cấu trúc điều khiển tập trung

CHƯƠNG 2: THIẾT KẾ VÀ THI CÔNG THUẬT TOÁN ĐIỀU KIỂN XE

4 BÁNH ĐA HƯỚNG TRÊN ROBOT TỰ HÀNH2.1 Lựa chọn kết cấu xe

  Thiết kế xe 4 bánh, 2 chủ động ở giữa điều khiển bằng 2 động cơ DC độclập, hai bánh trước và bánh sau giống 2 bánh giữa, 1 khung xe

2.2 Lựa chọn cảm biến và module bluetooth

Sử dụng cảm biến LED kết hợp với phototransistor, tín hiệu đọc về dùnggiải thuật xấp xỉ để tìm vị trí tâm đường line

Hình 2.1 Cảm biến siêu âm

Hình 2.2 Cảm biến hồng ngoại

  Sử dụng module bluetooth HC06 có thiết kế nhỏ gọn, tiện lợi, giao tiếp với

vi điều khiển chỉ bằng 2 chân (T  xvà T  x)

Hình 2.3 module buletooth HC-06Thông số kĩ thuật

Bộ điều khiển bám line theo tiêu chuẩn Lyapunov Bộ điều khiển được sửdụng ở đây là arudino mega 2560 và chíp là chíp dán

2.4 Lựa chọn động cơ và bộ điều khiển động cơ 

  Bộ điều khiển động cơ được sử dụng là module điều khiển động cơ L298N

Hình 2.3 module điều khiển ĐC L298NĐộng cơ Motor 12-24V 150W 7000rpm là motor có trục vát, dùng làm máy bơmnước, quạt gió, motor xe điện,…

Hình 2.4 Động cơ motor 

THÔNG SỐ KỸ THUẬT:

 Điện áp định mức: 12-24V

 Công suất: 100-150W

 Dòng không tải: 1.1A

 Dòng điện làm việc: 4-10A

 Tốc độ: 3500-7000 vòng/phút

  Nhiệt độ làm việc: <75 độ

Phần cứng robot di động

V

Bánh trái

Bánh  phải

2.5 Lựa chọn cấu trúc điều khiển

Điều khiển tập trung dùng (1 vi điều khiển)

Hình 2.3 Cấu trúc điều khiển lựa chọn2.6 mô hình động học của xe điều khiển 4 bánh tự hành

  Xét 1 robot di động bánh xe có trượt ngang như hình 1, với giả thiết độ trượtdọc của xe có thể bỏ qua, mô hình động học của xe được mô tả như sau:

r ϕ L= ˙  x M cos θ + ˙  y M sin θ − b  ˙θ  (2)

˙

Trong đó,η là độ trượt ngang của robot di động

Hình 2.1: robot bánh xe có trượt ngang

Mô dình động lực học của robot di động

Động năng của thân Robot di động là :

Vì thế năng của robot di động bằng 0, nên hàm Lagrange của nó là: L=K

Gọi véc tơ tọa độ Lagrange của robot di động là:

q =[  x  M  , y  M  , θ , η , ϕ  R , ϕ  L ] T , phương trinh ràng buộc được biểu diễn theo dạng sau:

  Kết hợp các phương trình (1), (2) , (3) và (8), ta xác định được ma trận A q( )như sau:

Phương trình Lagrange của chuyển động của robot di động là:

Phần cứng robot di động

PM

2.7 Thiết kế luật điều khiển

  Gọi D( x D, y D) là điểm mục tiêu di chuyển với vận tốc dàiV  D không đổi theohướngθ D, ta có:

Tiếp tục đạo hàm 2 vế (24), ta được:

Thì f được thay bởi f C  như nhau:

f c=[ y  ˙ 2 ω +  y 2  ˙ ω − V   D (ω − ˙ θ  D)sin  (θ − θ  D)

  Yêu cầu cảu bài toán điều khiển là điểm P (hình 2) phải bám tiểm cẩn theođiểm D với sai lệch bám tiến về không Do vậy, ta chọn ydesired=[C , 0]T 

.  Thay (31) vào (30), ta được:

¨

  Từ phương trình động lực học sai lệch này, sai lệch e sẽ tiến tiệm cận về 0.Tức y 1 → C ; y 2 → 0

2.8 Thiết kế trục quỹ đạo di chuyển

  Sau khi nhận được số liệu đầu vào tương ứng với quỹ đạo đặt, hệ thống điềukhiển phải điều khiển robot theo đúng quỹ đạo đã đặt ra Vấn đề điều khiểnrobot nói chung rất phức tạp, vì ngoài việc đảm bảo thực hiện quỹ đạo một cáchchính xác, còn phải tương tác với đối tượng cộng tác, và địa hình di chuyển Khảnăng đi động giúp robot có nhiều ứng dụng cũng đồng thời đòi hỏi phải giảiquyết nhiều vấn đề mới, cần tập trung nghiên cứu, phát triển nhằm tăng cường

sự thích nghi và thông minh của robot Những vấn đề nghiên cứu đang đượcnhiều tác giả trên thế giới quan tâm trong lĩnh vực robot tự hành là điều khiểnthích nghi robot bám theo quỹ đạo đặt trước mong muốn đặc biệt là khi robot cócác tham số thay đổi và khi có nhiễu ( nhiễu ma sát, nhiễu sai lệch mô hình,nhiễu ngoại sinh ) tác động

  Dạng robot trong tiểu luận này thuộc loại hệ thống cơ học non- holonomic

Đã có nhiều kết quả nghiên cứu về hệ thống về hệ thống điều khiển robot tưhành này đảm bảo quỹ đạo đã đươc công bố trong thập niên trước [49, 50, 57,],một số công trình nghiên cứu về điều khiển bám sử dụng trực tiếp hàm điềukhiển lyapunov [44,49,50], một số khác sử dụng bộ điều khiển phản hồi trạngthái [51], phần lớn các giải pháp được thiết kế dựa trên nền tảng mô hình độnghọc xác định [50,59] Gần đây, các phương pháp thích nghi được sử dụng đểđiều khiển các tự hành non-holonomic vì thực chất các hệ thống này là các hệ bất định và các nhiễu tác động Các nghiên cứu theo hướng này được tập trung

Quỹ đạo đặt trước

Bộ điều khiển cho

mô hình động học

Bộ điều khiển cho

mô hình động lực học

Đối tượng robot

di động

Các cảm biến tốc độ cảm biến tọa độ

như các phương pháp dựa trên điều khiển trượt (SMC-Sliding Mode Control)hay còn được gọi là điều khiển có cấu trúc thay đổi (VSS-Variable StructureSystem), hàm điều khiển thích nghi Lyapunov [51,53,58,62,63,64], sử dụng kỹthuật backstepping kết hợp với các bộ xấp xỉ vạn năng sử dụng hệ logic mờ hoặcmạng neural [63,66], và một số phương pháp phát triển theo hướng điều khiểnthích nghi theo mô hình mẫu [60]

  Trong mục này sẽ trình bày theo một số phương pháp điều khiển đã đượccông bố, phân tích ưu và nhược điểm để từ đó rút ra những điểm hạn chế và cầnkhắc phục nhằm mục đích thiết kế bộ điều khiển thích nghi thích hợp cho luậnán

Sơ đồ cấu trúc hệ thống điều khiển

Hình 1: Sơ đồ cấu trúc hệ thống điều khiển