MÔ HÌNH ĐIỀU KHIỂN ROBOT 3 BÁNH ĐỘNG LỰC

Robot Omni là một loại mobile robot di chuyển bằng những bánh xe đã được ứng dụng nhiều trong thực tế do quỹ đạo chuyển động của nó rất đa dạng. Đặc biệt là Omni có kết cấu lạ với 3 bánh xe, nhưng chính do sự phối hợp hoạt động của 3 bánh xe lại cho ta khả năng điều khiển tốt quỹ đạo của robot.Omni robot thuộc hệ robot di động tự hành, tự định hướng và tự tránh được vật cản. Ứng dụng của nó là phục vụ trong công tác dịch vụ chăm sóc y tế, đặc biệt là trong điều kiện môi trường lây nhiễm cao hay môi trường có cường độ phóng xạ cao thay con người.Và robot 3 bánh nó cũng được sử dụng trong khách sạn đóng vai trò như 1 nhân viên tiếp tân.

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ ROBOT VÀ OMNI ROBOT

1.1Giới thiệu chung về robot

Robot là một từ chỉ người lao động trong hệ ngôn ngữ Sla-vơ Cho đến nay có rất nhiều định nghĩa khác nhau về robot Những định nghĩa đó có nội dung tương tự như nhau

Robot hay người máy là một loại máy có thể thực hiện những công việc một cách tự động bằng sự điều khiển của máy tính hoặc các vi mạch điện tử được lập trình

Robot là một tác nhân cơ khí, nhân tạo, thường là một hệ thốngcơ khí-điện tử Với sựxuất hiện và chuyển động của mình, robot gây cho người ta cảm giác rằng nó giác quan giống như con người Từ "robot" (người máy) thường được hiểu với hai nghĩa: robot cơ khí và phần mềm tự hoạt động

Ngày nay, người ta vẫn còn đang tranh cãi về vấn đề: “Một loại máy như thế nào thì

đủ tiêu chuẩn để được gọi là một robot?” Một cách gần chính xác, robot phải có một vài (không nhất thiết phải đầy đủ) các đặc điểm sau đây:

Không phải là tự nhiên, tức là do con người sáng tạo ra

Có khả năng nhận biết môi trường xung quanh

Có thể tương tác với những vật thể trong môi trường

Có sự thông minh, có khả năng đưa ra các lựa chọn dựa trên môi trường và được điều khiển một cách tự động theo những trình tự đã được lập trình trước

Có khả năng điều khiển được bằng các lệnh để có thể thay đổi tùy theo yêu cầu của người sử dụng

Có thể quay hoặc tịnh tiến theo một hay nhiều chiều

Có sự khéo léo trong vận động

1.2 Giới thiệu chung về Omni Robot và ứng dụng.

Robot Omni là một loại mobile robot di chuyển bằng những bánh xe đã được ứng dụng nhiều trong thực tế do quỹ đạo chuyển động của nó rất đa dạng Đặc biệt là Omni cókết cấu lạ với 3 bánh xe, nhưng chính do sự phối hợp hoạt động của 3 bánh xe lại cho ta khả năng điều khiển tốt quỹ đạo của robot

Omni robot thuộc hệ robot di động tự hành, tự định hướng và tự tránh được vật cản Ứng dụng của nó là phục vụ trong công tác dịch vụ chăm sóc y tế, đặc biệt là trong điều kiện môi trường lây nhiễm cao hay môi trường có cường độ phóng xạ cao thay con người.Và robot 3 bánh nó cũng được sử dụng trong khách sạn đóng vai trò như 1 nhân viên tiếp tân

Robot Omni có đặc điểm là kết cấu đơn giản, có quỹ đạo di chuyển khá linh hoạt nên được phát triển để thay thế cho các loại mobile robot truyền thống

1.3 Một số nghiên cứu về (lịch sử) Omni Robot trên thế giới và Việt Nam

Trên thế giới, Omni robot đã được phát triển từ lâu và ngày càng có nhiều ứng dụng đadạng do được tích hợp các công nghệ mới nhất

Hình 1.1: WowWee Rovio Robot

Đặc điểm:

- Di chuyển đa hướng bằng hệ thống các bánh xe rất linh hoạt

- Điều khiển bằng web browser và truyền hình ảnh qua sóng wifi trong nhà Vì vậy bất cứthiết bị nào dùng được wifi đều có thể điều khiển đc con này như laptop, PDA chẳng hạn

- Là một IP Camera nên có thể truy cập qua internet từ bất cứ đâu, nên bạn nào đi xa vẫn

có thể ngó nghiêng các ngóc ngách trong nhà

- Tích hợp speaker và mic nên có thể trò chuyện qua con này

- Tự động tìm về trạm khi hết pin mà ko cần điều khiển

- Di chuyển cực kỳ uyển chuyển

- Cho phép điều khiển qua wi-fi

- Có thể điều khiển qua mạng internet

- Có thể tự di chuyển xung quanh nhà do có nguồn dự trữ

Các cuộc thi RoboCup lần đầu tiên được Mackworth đề xuất vào năm 1993 Mục đích chính là áp dụng các phương pháp và kỹ thuật từ robot, tầm nhìn và trí tuệ nhân tạo (AI)

để tạo ra một đội robot thành công để chơi bóng đá Ngày nay, RoboCup được tổ chức tại một số giải đấu khác nhau như mô phỏng, các giải nhỏ, Kích thước trung bình và các giải đấu Robot chân (Kitano, 1997a, Kitano và cộng sự, 1997 Kitano, et al, 1998) Các robot trong giải đấu cỡ trung nên chỉ sử dụng cảm biến cục bộ và tầm nhìn cục bộ Mỗi đội có thể có số lượng tối đa bốn robot có dấu chân tối đa là 2000cm2 Họ có thể giao tiếp với nhau thông qua một máy tính trung tâm thông qua một liên kết vô tuyến Các quy tắc trong cuộc thi cũng giống như các quy tắc bóng đá quốc tế khi chúng thực tế hóa cho robot (Kitano, 1997b)

Gần đây, hầu hết các rô bốt di động thông thường đã sử dụng cơ chế có bánh xe Như là

cơ chế bao gồm hai bánh lái độc lập chịu trách nhiệm cho tất cả các chuyển động robot cần thiết (cơ cấu lái phía trước và phía sau bánh lái) Hạn chế chuyển động là một vấn đề lớn trong việc sử dụng cơ chế như vậy trong rô bốt di động Ngoài ra còn có các cơ chế được đề xuất khác như cơ chế bánh xe phổ quát, bánh xe, bánh xích và cơ chế bánh xe bù đắp (Watanabe, 1998, West, 1992, Nakano, 1993)

Robot di động định hướng Omni đã được sử dụng phổ biến trong một số ứng dụng đặc biệt là trong các robot cầu thủ bóng đá được xem xét trong các cuộc thi Robocup Những

rô bốt như vậy có thể tiếp cận với bất kỳ vị trí nào mà không quay vòng qua đường thẳng,

vì vậy chúng có thể mang lại tính di động cao mà không bị giới hạn chuyển động Trong những robot này, việc cung cấp tốc độ cao với mức lỗi có thể chấp nhận được là một yếu

tố rất quan trọng trong môi trường cạnh tranh và năng động của Robocup Tuy nhiên, hệ thống định vị omni hướng, hệ thống omni-vision và cơ chế omni-kick trong các robot cầu thủ bóng đá như vậy chưa bao giờ được kết hợp Tình huống này mang ý tưởng về một robot không có định hướng đầu, tức là một robot cầu thủ bóng đá đa hướng toàn diện Một robot như vậy có thể phản ứng nhanh hơn và nó sẽ có khả năng cho các hành vi tinh

vi hơn như đi qua bóng hoặc giữ mục tiêu (xem Hình 1)

Hình 1 Một robot đa hướng toàn diện có tầm nhìn định hướng omni,

Sử dụng hệ thống đo thị lực được sửa đổi, để bù đắp hiệu ứng trượt của lái xe bánh xe, đi kèm với cảm biến tầm nhìn omni hướng hiện tại một đáng tin cậy và phương pháp tự bản địa hóa chính xác cho bất kỳ rô-bốt lái xe nào Để cải thiện hiệu suất của bản thân thị giác

tự bản địa hóa (trong thế hệ phản hồi), đầu tiên là độ nhạy phân tích được thực hiện Kết quả cho thấy sử dụng một phương pháp cho tất cả các điểm trong lĩnh vực này không đạt

yêu cầu Do đó, rô bốt của chúng tôi sử dụng một số mốc trong lĩnh vực này để tăng khả năng tự bản địa hóa tầm nhìn trục nội suy với dự đoán vận tốc của hàm trục cũng được đề xuất và được sử dụng (Paromatchik, et al, 1994) Đối với rô bốt của chúng tôi, chúng tôi xem xét hai chuyển động đơn giản để ước tính giá trị ban đầu cho hệ số PID và PD trong khi đáng tin cậy và mạnh mẽ kiểm soát, chúng tôi đã sử dụng một cơ chế phản hồi và tầm nhìn kết hợp.

Một chủ đề quan trọng khác trong cuộc thi bóng đá robot là trí tuệ nhân tạo (AI), cho rằngbóng đá cần hành vi hợp tác và phối hợp giữa các tác nhân cần một hình thức thông minh nào đó Do đó, một kiến trúc toàn diện đã được thiết kế cho mục đích này trong ba lớp riêng biệt được xác định rõ, trong đó trao quyền nhóm làm việc với đội ngũ năng động và linh hoạt, trong khi không thêm tính toán hoặc kiến trúc phức tạp cho hệ thống Vấn đề này sẽ được thảo luận trong nhân tạo phần kiến trúc thông minh chi tiết hơn

Bằng cách kết hợp các chiến lược này và sử dụng rô bốt định hướng toàn diện (Samani, et

al al, 2004), nhóm Persia Middle Size quản lý để giành vị trí số 1 trên thế giới Cuộc thi Thách thức Kỹ thuật Robocup ở Bồ Đào Nha 2004 và hạng 3 tại Ý 2003

Những nghiên cứu về Omni Robot ở Việt Nam đã được thực hiện trong thời gian gần đây bởi các sinh viên và giáo viên trong các trường đại học Những nghiên cứu này đã đạt được những kết quả bước đầu, tạo ra được sản phẩm thực nghiệm

Robot Omni do khoa cơ khí đại học bách khoa thành phố Hồ Chí Minh chế tạo

Hình 1.3: Robot Omni do đại học bách khoa thành phố Hồ Chí Minh thiết kế

Hình 1.4: Robot Omni tránh vật cản sử dụng hồng ngoại

CHƯƠNG 2 TỔNG QUAN VỀ MÔ HÌNH

*Mục tiêu của mô hình

Điều khiển chính xác vị trí và hướng của mô hình ,xác định các thông sốcủa bộ điều khiển KP KD KI Mô hình hóa và mô phỏng các bước làm việc của động cơ, các bài toán xác định vị trí và hướng , xây dựng hàm

truyền cho bộ điều khiển PID

2.1 Mô hình vật lý.

Bánh xe định hướng Omni và khung gầm robot

Robot định hướng Omni thường sử dụng bánh xe đặc biệt Những bánh xe này được gọi

là omni bánh xe lăn đa hướng Các bánh xe phổ biến nhất bao gồm sáu cọc như con lăn cóthể xoay tự do về trục quay của chúng

Hình 2 Bánh xe đa hướng đa hướng Omni

Về cấu trúc bánh xe, tất cả các con lăn được ghi trong một vòng tròn hoàn chỉnh gây rung động thấp trên bánh xe (Hình 2) Tuy nhiên, bánh xe như vậy có tiếp xúc bề mặt nhỏ hơn

so với bánh xe thông thường Vì vậy, nó dễ bị trượt trong trường hợp này Do đặc tính rung động thấp, nhiều bánh xe lăn thích hợp cho cơ chế hoạt động trong khi xem xét độ trượt của chúng, họ không phải là ứng cử viên tốt cho cơ chế tạo phản hồi

Hình 3 Hình 4

Để giải quyết vấn đề này, chúng tôi đã sử dụng hai loại bánh xe trong robot của chúng tôi.Các bánh xe nhiều con lăn hoạt động như các bộ truyền động và được kết nối trực tiếp vớiĐộng cơ DC (Hình 3) Để tránh tác động trượt của bánh xe loại nhiều con lăn, một loại omni khác bánh xe định hướng cho cơ chế phản hồi được sử dụng ở Ba Tư Bộ mã hóa trục sau đó được đặt trên các bánh xe này Các bánh xe bao gồm một số con lăn hình trụ nhỏ gắn trên thân chính Như thể hiện trong hình 5, các loại bánh xe có một đa giác hình dạng có thể chuyển mức rung động cao từ mặt đất đến khung gầm robot Đến giảm hiệu ứng này, bánh xe cơ chế phản hồi đã gắn vào thân robot bởi một cấu trúc linh hoạt (Hình 6)

Hình 5 Hình 6

Cấu trúc Robot của chúng tôi bao gồm ba bánh xe đa hướng đen lớn cho chuyển động hệ thống (Hình 3) và ba bánh xe nhỏ tự do làm cơ chế phản hồi nơi trục bộ mã hóa được gắn trên chúng (Hình 4 và 6) Bằng cách này, các robot không chỉ có thể cân bằng trên một mặt phẳng dễ dàng và làm theo mọi quỹ đạo nhưng cũng có cơ chế phản hồi đáng tin cậy

để tự bản địa hóa

2.2 MÔ HÌNH TOÁN HỌC

Sử dụng bánh xe định hướng omni, giao diện sơ đồ robot động học có thể được hiển thị như sau

Trong đó O là trung tâm robot khối lượng, Po được định nghĩa là vector kết nối O với xuất xứ và D là vector hướng ổ đĩa của mỗi bánh xe Sử dụng xoay vòng đơn nhất ma trận, R (θ) được định nghĩa là:

R()=

Các vị trí vectơ Po1, , Po3 đối với các tọa độ cục bộ tập trung tại

trung tâm robot khối lượng được cho là:

P01=L , P02=R* P01=, P03=R* P01= (2)

Các hướng dẫn lái xe có thể thu được bằng cách:

Di=*R()*P0i (3)

D1=, D2= , D3=, D3= (4)

Trong đó, L là khoảng cách của bánh xe từ trung tâm robot khối lượng (O) Sử dụng các

ký hiệu trên, vị trí bánh xe và vectơ tốc độ có thể được biểu diễn với việc sử dụng ma trậnxoay R (θ) là:

Ri= P0+R()*P0i (5)Vi=+* P0i (6)

Vectơ là vị trí của tâm của khối lượng với sự tôn trọng tọa độ Vậntốc góc của mỗi bánh xe có thể được biểu diễn bằng:

Φ i=V* R()*Di (7)

Trong đó, r là bán kính bánh xe hệ thống của phép đo Thay thế cho Vi từ phương trình (6) sản lượng:

Φ i= (8)Lưu ý rằng thuật ngữ thứ hai ở phía bên tay phải là vận tốc tiếp tuyến của bánh xe Mặt khác, vận tốc tiếp tuyến này bằng với:

L= (9)

Từ mô hình động học của robot, rõ ràng là vận tốc bánh xe là chức năng vận tốc tuyến tính và góc của trung tâm robot khối lượng, tức là :

= (10)Shir or shit:

=W* (11)trong đó L là khoảng cách của bánh xe từ trọng tâm robot (O) và r là bán kính bánh xe chính

Áp dụng định luật II Newton:

=m*0 , Li=J (12)

Ở đâu 0 là vector gia tốc, fi là cường độ của lực do động cơ thứ i, m là khối lượng của robot và J là momen quán tính của nó về tâm của nó nghiêm trọng Giả sử điều kiện không trượt, lực được tạo ra bởi động cơ DC được mô tả bởi:

2.2.2 Thiết kế quỹ đạo chuyển động.

Bộ điều khiển PID được sử dụng để điều khiển vị trí và hướng của robot Thí nghiệm cho thấy rằng hệ thống này đủ mạnh để kiểm soát một robot cầu thủ bóng đá (Jung, et al, 2001) Để có được các hệ số bộ điều khiển PID, trước hết cần phải có được toàn bộ các chức năng truyền của hệ thống và sau đó giải quyết nó Kể từ khi các phương trình, thậm chí quản lý để lấy được, là một tập hợp của phương trình vi phân phi tuyến kết hợp, rất

khó để giải quyết chúng Mặc dù chúng tôi quản lý để giải phương trình, kết quả (hệ số PID) không đáng tin cậy vì chúng phụ thuộc vào nhiều thông số khác như hệ số ma sát bề mặt mặt đất, đặc điểm của pin và vân vân Vì vậy, các phương trình sẽ được tách rời và đơn giản hóa với các giả định sau:

1- Cơ chế định hướng Omni là một cơ chế có thể tiếp cận với bất kỳ vị trí nào không có vòng quay (0 = θ) thông qua một đường thẳng Đặc điểm kỹ thuật này giúp robot đạt được vị trí mong muốn trong thời gian ít nhất so với cơ chế hai bánh Nó cũng đúng là mọi đường cong có thể được chia thành một số đường thẳng và ở cuối mỗi dòng robot không cần phải xoay để làm theo các dòng tiếp theo

2- Bất cứ khi nào cần xoay (ví dụ như khi robot khởi động ở vị trí cụ thể), bốt quay trong khi nó di chuyển theo đường thẳng để đến đúng vị trí Điều này có thể được coi là một vòng quay thuần túy ngoài giả thiết đầu tiên (Vòng quay thuầntúy trong rô bốt của chúng tôi thu được bằng cách áp dụng điện áp bằng nhau cho mỗi động cơ)

rô-3- Để tìm các hệ số PID cho bộ điều khiển vị trí rô bốt, di chuyển qua một đường thẳng rất giống với di chuyển qua một trục như X Direction (Y = 0 trong phương trình 15)

Dựa trên các giả định trên, vị trí rô bốt không phụ thuộc vào θ, vì vậy cho kiểm soát vị trí,chúng tôi giả định rằng θ = 0 Trong trường hợp cần xoay, điện áp thu được từ điều khiển định hướng cho mỗi động cơ được cộng vào đầu ra của bộ điều khiển vị trí Đối với điều chỉnh PID trong bộ điều khiển vị trí, một chuyển động đơn giản được xem xét, ví dụ, θ =

0, Y = 0 (hoặc giá trị không đổi) trong phương trình 15 Tương tự, đối với điều khiển địnhhướng, một phép quay thuần được xem xét, nghĩa là X = 0 ( hoặc hằng số), Y = 0 (hoặc hằng số)

2.2.3 Điều khiển vị trí.

Hình 8 cho thấy sơ đồ khối tổng thể của hệ thống điều khiển Như trong hình 8, vòng

truyền PID H và PD H tương ứng), chức năng truyền thực vật (PH lấy từ động lực hệ thống) và một chức năng chuyển giao tự bản địa hóa (như một chức năng phản hồi mà chỉ cảm nhận được vị trí của robot) Một nút nhiễu, N, cũng được bao gồm có hiệu ứng cộng thêm vào đầu vào vị trí hệ thống Đầu vào của hệ thống được coi là một hàmbước và đầu ra là vị trí và hướng của rô bốt.

Hình 8 Biểu đồ điều khiển của robot định hướng omni

2.2.4 Xây dựng hàm truyền cho bộ điều khiển

H PID Có thể được viết dưới dạng chung như sau:

HPID(S)=KP++KDS |(18)

Ở đây KP, KI, KD là tỷ lệ thuận, tích phân và dẫn xuất tương ứng Các thí nghiệm cho thấy hiệu suất tổng thể của hệ thống là thỏa đáng và do đó loại bộ điều khiển này đủ mạnh để điều khiển robot cầu thủ bóng đá (KalmarNagy, et al, 2002)

Hai chuyển động đơn giản đã được xem xét và giải quyết, cụ thể là đường thẳng chuyển động của robot theo hướng x và quay vòng tinh khiết về z trục Trước đây có nghĩa là mộtđộng cơ bị tắt và hai động cơ khác được bật với vận tốc góc tương tự trong khi sau đó có nghĩa là cả ba động cơ đều quay với cùng vận tốc góc Chúng tôi sẽ nghiên cứu định

hướng riêng trong phần.Điện áp đầu ra từ bộ điều khiển định hướng (w) sau đó được thêmvào điện áp thu được từ đầu ra bộ điều khiển vị trí (vi) Giả định của tổng hợp các điện áp này là hợp lệ trong khi động cơ đang hoạt động ở các vùng tuyến tính của chúng Để áp dụng chuyển động đường thẳng, người ta có thể xem xét phương trình (15) với:

=0, ====0 công thức 15 được rút gọn thành: (và cùng vận tốc nhưng quay ngược chiều theo giả định

,=-in đậm)

m+3=U2 (19)

Áp dụng hàm truyền Laplace cho phương trình (19) với hàm ban đầu

điều kiện: X (0) = 0, X’ (0) = 0, có được:

HP(S)== (20)Hàm truyền tổng:

CHƯƠNG 3: BIỂU DIỄN MATLAB&SIMULINK 3.1 Xây dựng chương trình điều khiển.

Chương trình