Điều khiển bám cho robot di động đa hướng dùng bộ điều khiển trượt

Điều khiển bám cho robot di động đa hướng dùng bộ điều khiển trượt Điều khiển bám cho robot di động đa hướng dùng bộ điều khiển trượt Điều khiển bám cho robot di động đa hướng dùng bộ điều khiển trượt luận văn tốt nghiệp,luận văn thạc sĩ, luận văn cao học, luận văn đại học, luận án tiến sĩ, đồ án tốt nghiệp luận văn tốt nghiệp,luận văn thạc sĩ, luận văn cao học, luận văn đại học, luận án tiến sĩ, đồ án tốt nghiệp

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO

TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ TP HCM

NGUYỄN THÀNH TRUNG

ĐIỀU KHIỂN BÁM CHO ROBOT DI ĐỘNG

ĐA HƯỚNG DÙNG BỘ ĐIỀU KHIỂN TRƯỢT

TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ TP HCM

Cán bộ hướng dẫn khoa học : TS NGUYỄN HÙNG

Luận văn Thạc sĩ được bảo vệ tại Trường Đại học Công nghệ TP HCM

ngày … tháng … năm ……

Thành phần Hội đồng đánh giá Luận văn Thạc sĩ gồm: (Ghi rõ họ, tên, học hàm, học vị của Hội đồng chấm bảo vệ Luận văn Thạc sĩ)

1 ………

2 ………

3 ………

4 ………

5 ………

Xác nhận của Chủ tịch Hội đồng đánh giá Luận sau khi Luận văn đã được sửa chữa (nếu có) Chủ tịch Hội đồng đánh giá LV

TP HCM, ngày … tháng … năm ……

NHIỆM VỤ LUẬN VĂN THẠC SĨ

Họ tên học viên: NGUYỄN THÀNH TRUNG Giới tính: Nam

Ngày, tháng, năm sinh: 19/4/1977 Nơi sinh: TP.HCM Chuyên ngành: Kỹ Thuật Cơ điện tử MSHV: 1241840020

I- TÊN ĐỀ TÀI:

ĐIỀU KHIỂN BÁM CHO ROBOT DI ĐỘNG ĐA HƯỚNG

DÙNG BỘ ĐIỀU KHIỂN TRƯỢT II- NHIỆM VỤ VÀ NỘI DUNG:

1 Nhiệm vụ của đề tài:

- Xây dựng mô hình động học và mô hình động lực học của robot di động đa hướng ba bánh (OMR)

- Nghiên cứu phương pháp điều khiển trượt tích phân cho Robot di động đa hướng ba bánh (OMR)

- Tìm hiểu xử lý ảnh OpenCV, kít nhúng Raspberry Pi và lập trình xử lý Pic

- Mô phỏng Robot bám theo quỹ đạo tham chiếu bộ điều khiển sử dụng Matlab M-file cho Robot di động đa hướng ba bánh (OMR)

2 Nội dung của đề tài:

Chương 1: Tổng quan

Chương 2: Cơ sở lý thuyết

Chương 3: Mô hình toán

Chương 4: Thiết kế bộ điều khiển trượt tích phân

Chương 5: Mô phỏng và thực nghiệm

Chương 6: Kết luận và hướng phát triển của đề tài

III- NGÀY GIAO NHIỆM VỤ: 18/6/2013

IV- NGÀY HOÀN THÀNH NHIỆM VỤ: 15/12/2013

V- CÁN BỘ HƯỚNG DẪN: TS NGUYỄN HÙNG

CÁN BỘ HƯỚNG DẪN KHOA QUẢN LÝ CHUYÊN NGÀNH

(Họ tên và chữ ký) (Họ tên và chữ ký)

LỜI CAM ĐOAN

Tôi cam đoan đây là công trình nghiên cứu của riêng tôi Các số liệu, kết quả nêu trong Luận văn là trung thực và chưa từng được ai công bố trong bất kỳ công trình nào khác

Tôi cam đoan rằng mọi sự giúp đỡ cho việc thực hiện Luận văn này đã được cảm ơn và các thông tin trích dẫn trong Luận văn đã được chỉ rõ nguồn gốc

Học viên thực hiện Luận văn

(Ký và ghi rõ họ tên)

Nguyễn Thành Trung

LỜI CÁM ƠN

Qua thời gian học tập và nghiên cứu tại trường, nay tôi đã hoàn thành đề tài tốt nghiệp cao học của mình Để có được thành quả này, tôi đã nhận được rất nhiều

sự hỗ trợ và giúp đỡ tận tình từ Thầy, Cô, đồng nghiệp, bạn bè và gia đình

Tôi chân thành cảm ơn quý Thầy, Cô Khoa Cơ - Điện - Điện Tử, quý Thầy,

Cô Phòng Quản Lý Khoa Học – Đào Tạo Sau Đại Học Trường Đại Học Công Nghệ TP.HCM đã hướng dẫn giúp đỡ, hỗ trợ tôi trong suốt quá trình thực hiện luận văn

Trong quá trình thực hiện luận văn, tôi muốn nói lời cám ơn đến Thầy TS Nguyễn Hùng, người đã nhiệt tình hướng dẫn tôi trong suốt thời gian thực hiện luận văn

Cảm ơn đồng nghiệp, bạn bè đã hỗ trợ trong quá trình thực hiện đề tài nghiên cứu, gia đình và người thân đã động viên, hỗ trợ tôi trong suốt thời gian thực hiện nghiên cứu này

Trân trọng

Tp Hồ Chí Minh, ngày …… tháng … năm ……

Người thực hiện luận văn

TÓM TẮT LUẬN VĂN

Trong luận văn này, tác giả trình bày bộ điều khiển bám mới tích hợp gồm một

bộ điều khiển động học ( KC ) với một bộ điều khiển trượt tích phân ( ISMC ) được thiết kế cho một Robot di động đa hướng (OMR) bám theo quỹ đạo mong muốn ở một vận tốc mong muốn Đầu tiên, một vector được xác định và bộ điều khiển động học ( KC ) được chọn để vector sai số tiến về 0 Thứ hai, một vector mặt trượt tích phân được định nghĩa dựa trên vector sai số vận tốc góc Bộ điều khiển trượt tích phân ( ISMC ) được thiết kế để làm cho vector mặt trượt và vector sai số vận tốc góc tiến tới 0, các bộ điều khiển được thiết kế dựa trên lý thuyết ổn định Lyapunov

Luận văn sử dụng phần mềm Matlab để mô phỏng và các kết quả mô phỏng đã chứng minh khả năng hội tụ và tính ổn định của bộ điều khiển

Luận văn giúp làm cơ sở khoa học cho việc thiết kế để chế tạo các Robot di động đa hướng điều khiển bám theo quỹ đạo tham chiếu với độ chính xác cao về vị trí và tốc độ như mong muốn, tạo nền tảng cơ bản với mô hình toán học rõ ràng cho việc ứng dụng vào thực tế cuộc sống như : Robot hàn, vận chuyển vật tư, thiết bị trong nhà máy, xí nghiệp, bệnh viện, các dây chuyền tự động hóa …

ABSTRACT

In this paper, a new tracking controller that integrates a kinematic controller (KC) with an integral sliding mode dynamic controller ( ISMC ) is designed for an omnidirectional mobile platform (OMR ) to track a desired trajectory at a desired velocity First, a posture tracking error vector is defined, and kinematic controller (KC) is chosen to make the posture tracking error vector go to zero asymptotically Second, an integral sliding surface vector is defined based on the angular velocity tracking error vector and its integral term A new integral sliding mode dynamic controller ( ISMC ) is designed to make the integral sliding surface vector and the angular velocity tracking error vector go to zero asymptotically The above controllers are obtained based on Lyapunov stability theory

The paper also uses Matlab software to establish simulations and their results prove both convergence and stability of the expected tracking slide controller The study contributes to the scientific foundation for designing and building the Omni-directional Mobile Robot (OMR) to be controlled for moving along the reference trajectory with high accuracy in terms of position and velocity as expected, and creates basical basis with definitely mathematical model for further application to real life, such as special robots for welding, transporting materials and equipment in workshops, factories, hospitals, and the automation lines …

MỤC LỤC

LỜI CAM ĐOAN i

LỜI CẢM ƠN ii

TÓM TẮT LUẬN VĂN iii

ABSTRACT iv

MỤC LỤC v

DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT vii

DANH MỤC CÁC BẢNG viii

DANH MỤC CÁC HÌNH ix

GIỚI THIỆU ĐỀ TÀI 1

1 Đặt vấn đề 1

2 Tính cấp thiết của tài 1

3 Phạm vi nghiêng cứu 2

4 Phương pháp nghiên cứu 2

5 Nội dung nghiên cứu 3

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN VỀ ROBOT 3

1.1 Tổng quan 4

1.2 Sơ lược quá trình phát triển 4

1.3 Phân loại Robot tự hành 8

1.4 Tóm tắt các công trình nghiên cứu liên quan 11

1.5 Nhận xét chung và hướng tiếp cận 27

CHƯƠNG 2 CƠ SỞ LÝ THUYẾT 28

2.1 Giới thiệu phương pháp Lyapunov 28

2.2 Định lý ổn định thứ 2 của Lyapunov 28

2.3 Lý thuyết điều khiển trượt 30

2.3.1 Giới thiệu chung 30

2.3.2 Thiết kế bộ điều khiển trượt 32

2.4 Cơ bản về xử lý ảnh số 34

2.4.1 Giới thiệu về hệ thống xử lý ảnh 34

2.4.2 Các khái niệm cơ bản xử lý ảnh 36

2.5 Nhận dạng khuôn mặt với thuật toán ADABOOST 40

2.5.1 Ảnh tích phân ( Integral Image) 41

2.5.2 Các hàm học phân loại 42

2.5.3 Chuỗi phân loại tập trung (Attentional Cascade) 44

2.5.4 Huấn luyện một chuỗi phát hiện .45

2.6 Thư viện xử lý ảnh OpenCV của Intel 45

2.6.1 Giới thiệu 45

2.6.2 Các thành phần chức năng của OpenCv 46

2.6.3 Cấu trúc ảnh IplImage 46

2.6.4 Các hàm dùng trong luận văn 48

CHƯƠNG 3 MÔ HÌNH TOÁN 51

3.1 Cấu trúc hình học của Robot di động đa hướng 51

3.2 Mô hình toán Robot di động đa hướng (OMR) 52

3.2.1 Mô hình động học 52

3.2.2 Mô hình động lực học 53

CHƯƠNG 4 THIẾT KẾ BỘ ĐIỀU KHIỂN TRƯỢT TÍCH PHÂN 56

4.1 Dẫn nhập 56

4.2 Thiết kế bộ điều khiển trượt tích phân (ISMC) cho OMR 56

CHƯƠNG 5 KẾT QUẢ MÔ PHỎNG & THỰC NGHIỆM 60

5.1 Kết quả mô phỏng 60

5.2 Kết luận 66

5.3 Mô hình thực nghiệm 66

5.3.1 Kít nhúng Pi 66

5.3.2 Mục tiêu xử lý ảnh bằng OpenCV 67

5.3.3 Giải thuật về xử lý ảnh sử dụng kít nhúng Raspberry Pi 68

5.3.4 Sơ đồ khối phần cứng 68

5.3.5 Lưu đồ giải thuật kit nhúng Raspberry Pi và board điều khiển Pic 69

5.3.6 Mô hình thực nghiệm 69

CHƯƠNG 6 KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN CỦA ĐỀ TÀI 75

6.1 Những kết quả đạt được 75

6.2 Hướng phát triển của đề tài 75

TÀI LIỆU THAM KHẢO 76

PHỤ LỤC 78

DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT

OMR : Robot di động đa hướng (omnidirectional mobile robot)

ISMC : Điều khiển trượt tích phân ( Integral Sliding Mode Control)

OMS-SOW : Robot di động đa hướng có bánh xe đa hướng (Omnidirectional

Mobile Robot - Steerable Omnidirectional Wheels) 4WD : Bốn bánh xe có lái (Four Wheet Drive)

BELBIC : Bộ điều khiển thông minh dựa trên khả năng tư duy cảm xúc (Brain

Emotional Learning Bared Intelligent Controller) DOF : Bậc tự do (degree of freedom)

KC : Điều khiển động học (kinematic controller)

SMC : Điều khiển kiểu trượt (sliding mode control)

DANH MỤC CÁC BẢNG

Bảng 1.1: Tóm tắt lịch sử phát triển của Robot 5

Bảng 1.2: Ký hiệu của các loại bánh xe 9

Bảng 1.3: Các cách bố trí bánh xe của Robot 9

Bảng 5.1: Giá trị các thông số mô hình của OMR 60

Bảng 5.2: Các giá trị thông số mô phỏng ban đầu 61

DANH MỤC CÁC HÌNH

Hình 1.1: Robot di động đa hướng 11

Hình 1.2: Các hệ tọa độ và thông số cho bánh xe đa hướng 12

Hình 1.3: Cấu trúc của OmniKity 12

Hình 1.4: OmniKity II 13

Hình 1.5: Thuật toán xác định vị trí cho Robot 13

Hình 1.6: Kết quả thực nghiệm ngõ ra hệ mờ của Robot 13

Hình 1.7: Kết quả điều khiển bám theo hướng banh của Robot 13

Hình 1.8: Mô tả hình học cho OMR-SOW 14

Hình 1.9: Kết quả thực nghiệm bám theo đường tròn 14

Hình 1.10: Tọa độ tuyến tính 15

Hình 1.11: Định nghĩa vận tốc cho khối lượng 15

Hình 1.12: Góc nghiên 15

Hình 1.13: Vận tốc theo phương x 16

Hình 1.14: Góc nghiên 16

Hình 1.15: Góc nghiên 16

Hình 1.16: Các sai số khi rô bốt bám đường thẳng 17

Hình 1.17: Robot đa hướng 4 bánh 18

Hình 1.18: Bánh xe vô hướng 19

Hình 1.19: Phân tích lực tác động lên Robot 19

Hình 1.20: Truyền động cho 4WD 20

Hình 1.21: Di chuyển đa hướng lực và cơ chế 4WD 20

Hình 1.22: Mô hình 3D nhìn từ bên dưới 20

Hình 1.23: Robot khi leo mặt phẳng nghiêng 21

Hình 1.24: Robot đa hướng 3 bánh dùng để chơi đá banh 21

Hình 1.25: Hệ thống điều khiển cho Robot 22

Hình 1.26: Mô hình hình học của Robot 22

Hình 1.27: Sơ đồ điều khiển 22

Hình 1.28: Chuyển động của Robot theo đường công kín 23

Hình 1.29: Tốc độ của động cơ khi không có BELBIC và có BELBIC 23

Hình 1.30: Robot bám theo đường thẳng 24

Hình 1.31: Robot bám theo đường cong 24

Hình 1.32: Cấu hình cho mô hình hình học của các OMP 25

Hình 1.33: Vector sai số vị trí tại thời điểm ban đầu 25

Hình 1.34: Vector sai số vị trí toàn thời gian 26

Hình 1.35: Vận tốc tuyến tính của OMP 26

Hình 1.36: Sự di chuyển của OMP lúc ban đầu 26

Hình 2.1: Minh họa hàm Lyapunov 29

Hình 2.2: Ví dụ minh họa định lý Lyapunov 29

Hình 2.3: Các hệ thống có điều khiển trượt 31

Hình 2.4: Hình chiếu quỹ đạo pha 31

Hình 2.5: Biểu diễn hình chiếu của quỹ đạo pha 33

Hình 2.6: Hiện tượng dao động (Charttering) 34

Hình 2.7: Các bước cơ bản trong xử lý ảnh 34

Hình 2.8: Biểu diễn ảnh bằng pixel trong ảnh đơn sắc 36

Hình 2.9: Thang màu xám 37

Hình 2.10: Chia ảnh màu RBG thành các kênh màu và ảnh xám 38

Hình 2.11: Một số mẫu dương dùng trong việc phát hiện khuôn mặt 38

Hình 2.12: Một số mẫu âm dùng trong việc phát hiện khuôn mặt 38

Hình 2.13: Ảnh trước và sau khi cân bằng histogram 39

Hình 2.14: Dạng thuộc tính Haar-like 40

Hình 2.15: Thuật toán tính ảnh tích phân 41

Hình 2.16: Hai thuộc tính đầu tiên được lựa chọn trong thuật toán AdaBoost 43

Hình 2.17: Sơ đồ của chuỗi phát hiện 44

Hình 2.18: Một phần tập mẫu các khuôn mặt 45

Hình 3.1: Cấu trúc hình học của OMR 51

Hình 4.1: Mô tả hình học Vector sai số ep. 56

Hình 4.2: Lưu đồ giải thuật điều khiển trượt tích phân ISMC 59

Hình 5.1: Quỹ đạo tham chiếu là đường cong 61

Hình 5.2: Quỹ đạo chuyển động của robot 62

Hình.5.3: Vector sai số vị trí ep tại thời điểm ban đầu 62

Hình.5.4: Vector sai số vị trí ep toàn thời gian 63

Hình 5.5: Vector sai số vận tốc ev ban đầu 63

Hình 5.6: Vector sai số vận tốc ev toàn thời gian 64

Hình 5.7: Vận tốc gốc của OMR 64

Hình 5.8: Vector mặt trượt ban đầu 65

Hình 5.9 : Vector mặt trượt toàn thời gian 65

Hình 5.10 : Kít nhúng raspberry Pi 66

Hình 5.11 : Bảng thông số kít nhúng 67

Hình 5.12 : Xác định vùng ảnh cần xử lý 67

Hình 5.13 : Giải thuật xử lý ảnh 68

Hình 5.14 : Sơ đồ khối phần cứng 68

Hình 5.15 : Lưu đồ giải thuật điều khiển Robot 69

Hình 5.16 : Mô hình Robot đa hướng 69

Hình 5.17 : Mạch giao tiếp RS232 70

Hình 5.18 : Sơ đồ chân chuẩn RS-232 là DB-9 70

Hình 5.19 : Sơ đồ chân Pic 18F4331 71

Hình 5.20 : Cấu trúc bên trong của PIC 18F4431 72

Hình 5.21 : Sơ đồ mạch điều khiển Pic 73

Hình 5.22 : Mạch công suất điều khiển động cơ 74

GIỚI THIỆU ĐỀ TÀI

1 Đặt vấn đề

Khoa học và công nghệ có vai trò rất quan trọng trong sự nghiệp công nghiệp hóa và hiện đại hóa đất nước, là thước đo và là động lực phát triển của mỗi quốc gia Ngày nay khoa học kỹ thuật và công nghệ đang phát triển với tốc độ khá nhanh chóng, mang lại những lợi ích to lớn cho con người về tất cả mọi phương diện, tinh thần vật chất, đồng thời đưa máy móc vào thay thế cho lao động tay chân

Trên con đường tiến tới công nghiệp hóa, hiện đại hóa đất nước thì vấn đề phát

triển khoa học kỹ thuật cao là mấu chốt hàng đầu với công nghệ CNC (Computer Numerical Control), thủy lực, cơ điện tử, cơ khí…

Với xu hướng giảm tối thiểu sức người và tăng năng suất lao động đòi hỏi phải có nhiều trang thiết bị, nhiều dây chuyền tự động hóa, dùng sức máy móc thay thế sức người…

Để đáp ứng nhu cầu này, chắc chắn cần phải nghiên cứu phát triển các thiết bị

tự động để phục vụ cho các nhà máy, xí nghiệp hay sản xuất nông nghiệp… Trong đó Robot là một lĩnh vực mới mà ở nước ta đang nghiên cứu và từng bước chế tạo để ứng dụng vào quá trình sản xuất góp phần nâng cao năng suất lao động Việc nghiên cứu và chế tạo Robot nhằm đáp ứng vào nhu cầu thực tế của các dây chuyền sản xuất

là rất cần thiết

Việc xây dựng các chương trình hoạt động cho các Robot là điều thiết yếu đặc biệt đối với các Robot di động Bài toán Robot di động bằng bánh xe (Ominidirectional Mobile Robot – OMR) được sự quan tâm lớn của nhiều người trong những năm gần đây, vì chúng được ứng dụng rộng rãi trong các ngành khác nhau như công nghiệp, nông lâm nghiệp, y tế, dịch vụ … do khả năng di chuyển linh hoạt

2 Tính cấp thiết của đề tài

Công nghệ Robot là một ngành khoa học tổng hợp đòi hỏi nhiều kiến thức của

nhiều ngành khác liên quan như : Toán học, Cơ khí, Điều khiển tự động, Tin học, trong đó lĩnh vực Cơ điện tử là một trong những ngành học đóng vai trò quan trọng,

là động lực thúc đẩy sự phát triển về Robot

Khác với loại Robot di động sử dụng bánh truyền thống, Robot di động sử dụng bánh đa hướng (gọi tắt là Robot di động đa hướng) có những ưu điểm vượt trội

như : khả năng thay đổi vị trí và định hướng linh hoạt, độ chính xác cao , bởi vì chúng có khả năng dịch chuyển và quay đồng thời hoặc độc lập, vì vậy Robot di động đa hướng đã thu hút được nhiều sự chú ý hơn

Trong kỹ thuật điều khiển chuyển động của OMR, vấn đề bám quỹ đạo và tác động nhanh là rất cần thiết Có nhiều phương pháp điều khiển Robot như phương pháp điều khiển trượt (SMC: Sliding Mode Control), phương pháp này có ưu điểm là

độ chính xác cao nhưng xảy ra hiện tượng rung (chattering) do tín hiệu điều khiển không liên tục, sự rung này làm tổn thất nhiệt trong các thiết bị điện, gây dao động cho thiết bị cơ học và làm hỏng chúng

Trong những năm gần đây một ngành khoa học mới đã được hình thành và phát triển mạnh mẽ đó là điều khiển logic mờ mà công cụ toán học của nó chính là lý thuyết tập mờ của Jadeh Ưu điểm của điều khiển mờ so với các phương pháp điều khiển kinh điển là có thể tổng hợp được bộ điều khiển mà không cần biết trước đặc tính của đối tượng một cách chính xác Điều này thực sự hữu dụng cho các đối tượng phức tạp mà ta chưa biết rõ hàm truyền Với bộ điều khiển trượt, hiện tượng chattering được hạn chế tối đa

Vì các lý do trên, tôi đã chọn đề tài “Điều khiển bám cho Robot di động đa hướng dùng bộ điều khiển trượt ” để làm đề tài nghiên cứu và ứng dụng Matlab để

kiểm chứng giải thuật điều khiển đưa ra

4 Phương pháp nghiên cứu :

-Nghiên cứu lý thuyết về động học và động lực học, phương pháp điều khiển trượt, xử lý ảnh OpenCV, kít nhúng Raspberry Pi và lập trình xử lý Pic

-Xây dựng giải thuật điều khiển như nhận dạng đối tượng, xác định vị trí đối tượng, bám đối tượng

-Kiểm chứng thực nghiệm bằng việc xây dựng mô hình mobile robot với 01 camera trên kít nhúng Raspberry Pi và điều khiển xử lý Pic

5 Nội dung nghiên cứu:

- Xây dựng mô hình động học và mô hình động lực học của Robot di động đa hướng ba bánh (OMR)

- Nghiên cứu thiết kế phương pháp điều khiển trượt tích phân cho Robot di động đa hướng ba bánh (OMR), bám theo quỹ đạo

- Mô phỏng Robot bám theo quỹ đạo tham chiếu bộ điều khiển sử dụng Matlab M-file cho Robot di động đa hướng ba bánh (OMR)

- Thực hiện mô hình thực nghiệm Robot đa hướng 3 bánh để kiểm chứng giải thuật điều khiển

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN VỀ ROBOT 1.1 Tổng quan

Ngày nay, công nghệ Robot đã đạt được những thành tựu to lớn trong nền sản xuất công nghiệp Những cánh tay Robot có khả năng làm việc với tốc độ cao, chính xác và liên tục làm năng suất lao động tăng nhiều lần Chúng có thể làm việc trong các môi trường độc hại như hàn, phun sơn, các nhà máy hạt nhân, hay lắp ráp các linh kiện điện tử tạo ra điện thoại, máy tính…một công việc đòi hỏi sự tỉ mỉ, chính xác cao Tuy nhiên những robot này có một hạn chế chung đó là hạn chế về không gian làm việc Không gian làm việc của chúng bị giới hạn bởi số bậc tự do tay máy

và vị trí gắn chúng Ngược lại, các Robot tự hành lại có khả năng hoạt động một cách linh hoạt hơn

Robot tự hành là loại Robot di động có khả năng tự hoạt động, thực thi nhiệm

vụ mà không cần sự can thiệp của con người Với những cảm biến, chúng có khả năng nhận biết về môi trường xung quanh Robot tự hành ngày càng có nhiều ý nghĩa trong các ngành công nghiệp, thương mại, y tế, các ứng dụng khoa học và phục vụ đời sống của con người Với sự phát triển của ngành Robot học, Robot tự hành ngày càng có khả năng hoạt động trong các môi trường khác nhau, tùy mỗi lĩnh vực áp dụng mà chúng có nhiều loại khác nhau như Robot sơn, Robot hàn, Robot cắt cỏ, Robot thám hiểm đại dương, Robot làm việc ngoài vũ trụ Cùng với sự phát triển của yêu cầu trong thực tế, Robot tự hành tiếp tục đưa ra những thách thức mới cho các nhà nghiên cứu

1.2 Sơ lược quá trình phát triển

Thuật ngữ Robot được sinh ra từ trên sân khấu, không phải trong phân xưởng sản xuất Những Robot xuất hiện lần đầu tiên trên sân khấu ở NewYork vào ngày 09/10/1922 trong vở “Rossum’s Universal Robot” của nhà soạn kịch người Tiệp Karen Kapek viết năm 1921, còn từ Robot là cách gọi tắt của từ Robota - theo tiếng Tiệp có nghĩa là công việc lao dịch Những Robot thực sự có ích được nghiên cứu để đưa vào những ứng dụng trong công nghiệp thực sự lại là những tay máy

Vào năm 1948, nhà nghiên cứu Goertz đã nghiên cứu chế tạo loại tay máy đôi điều khiển từ xa đầu tiên, và cùng năm đó hãng General Mills chế tạo tay máy

gần tương tự sử dụng cơ cấu tác động là những động cơ điện kết hợp với các cử hành trình Đến năm 1954, Goertz tiếp tục chế tạo một dạng tay máy đôi sử dụng động cơ servo và có thể nhận biết lực tác động lên khâu cuối Sử dụng những thành quả đó, vào năm 1956 hãng General Mills cho ra đời tay máy hoạt động trong công việc khảo sát đáy biển

Tóm tắt lịch sử phát triển của Robot:

Bảng 1.1 trình bày tóm tắt quá trình lịch sử hình thành và phát triển của công nghệ chế tạo Robot và những tác động của khoa học cũng như xã hội đối với từng thời kỳ

Bảng 1.1 Tóm tắt lịch sử phát triển của Robot

Các yếu tố ảnh hưởng

1920

Khái niệm Robot

xuất hiện trong tiểu

thuyết

1940 Phát minh ra cánh

tay máy

1950 Phát sinh khái niệm

Robot thông minh

Giới thiệu về bộ nhớ vòng

Ứng dụng Robot ở NASA và NAVY

Máy tính dùng transitor

Sự hạn chế của nền kinh

Kỹ thuật số và

kỹ thuật quang phát triển

Nhu cầu tăng cường lao động

hiểm (1983)

1990

Giới thiệu về Robot thông minh trong sản xuất

Điều khiển logic

Nghiên cứu về Robot trí thông minh nhân tạo

Robot gây nên thất nghiệp

người

Các tiến bộ về cơ khí

xử dụng một hệ thống cảm biến để tránh chướng ngại vật

Công ty Axxon

Robotics mua lại Intellibot

đồ của một môi trường không rõ

và tìm kiếm các đối tượng trong môi trường đó

di chuyển khó khăn

2006

Talon-Sword, các

Robot thương mại

đầu tiên với súng

2010 Nhật Bản chế tạo

Robot cứu hộ

Quince có thể tìm kiếm người sống

Tình hình thiên tai,

QUINCE sót trong đống đổ

nát và cung cấp nước, thực phẩm hoặc điện thoại di động vào khu vực

xảy ra thiên tai

động đất xảy

ra thường xuyên tại Nhật

1.3 Phân loại Robot tự hành

Robot tự hành được chia làm 2 loại chính đó là :

* Loại Robot tự hành chuyển động bằng chân

* Loại Robot tự hành chuyển động bằng bánh

Ngoài ra một số loại Robot hoạt động trong các môi trường đặc biệt như dưới nước hay trên không trung thì chúng được trang bị cơ cấu di chuyển đặc trưng

Robot tự hành di chuyển bằng chân ( Legged rô bốt ): Ưu điểm lớn nhất của loại Robot này là có thể thích nghi và di chuyển trên các địa hình gồ ghề Hơn nữa chúng còn có thể đi qua những vật cản như hố, vết nứt sâu Nhược điểm của Robot loại này chính là chế tạo quá phức tạp Chân Robot là kết cấu nhiều bậc tự do, đây là nguyên nhân làm tăng trọng lượng của Robot đồng thời giảm tốc độ di chuyển Các

kĩ năng như cầm, nắm hay nâng tải cũng là nguyên nhân làm giảm độ cứng vững của Robot Robot loại này càng linh hoạt thì chi phí chế tạo càng cao Robot tự hành

di chuyển bằng chân được mô phỏng theo các loài động vật vì thế mà chúng có loại

1 chân, loại 2,4,6 chân và có thể nhiều hơn

Robot tự hành di chuyển bằng bánh (Wheel Robot) bánh xe là cơ cấu chuyển động được sử dụng rộng rãi nhất trong công nghệ Robot tự hành Vấn đề cân bằng thường không phải là vấn đề được chú ý nhiều trong Robot di chuyển bằng bánh Ba bánh là kết cấu có khả năng duy trì cân bằng nhất, tuy nhiên kết cấu 2 bánh cũng có thể cân bằng được Khi Robot có số bánh nhiều hơn 3 thì thông thường người ta phải thiết kế hệ thống treo để duy trì sự tiếp xúc của tất cả các bánh xe với mặt đất Vấn đề của robot loại này là về lực kéo, độ ổn định và khả năng điều khiển chuyển động gồm có các loại bánh xe cơ bản được sử dụng trong Robot tự hành:

* Bánh xe tiêu chuẩn: 2 bậc tự do, có thể quay quanh trục bánh xe và điểm tiếp xúc

* Bánh lái: 2 bậc tự do, có thể quay xung quanh khớp lái

* Bánh Swedish: 3 bậc tự do, có thể quay đông thời xung quanh trục bánh xe, trục lăn và điểm tiếp xúc

Bảng 1.2 Ký hiệu của các loại bánh xe

Ký hiệu các loại bánh xe Bánh đa hướng không truyền động

Bánh truyền động Swedish (đa hướng)

Bánh quay tự do tiêu chuẩn

Bánh truyền động tiêu chuẩn

Bánh vừa truyền động vừa là bánh lái

Sơ đồ bánh xe của Robot tự hành hai bánh, ba bánh, bốn bánh và sáu bánh được liệt kê trong bảng 1.3

Bảng 1.3 Các cách bố trí bánh xe của Robot

2

Một bánh lái phía trước, một bánh phía sau

Hai bánh truyền động với trọng tâm ở bên dưới trục bánh xe

3

3

Hai bánh quay tự do ở phía sau, bánh trước vừa

là bánh truyền động vừa là bánh lái

Ba bánh Swedish được đặt ở các đỉnh của một tam giác đều, kết cấu này cho phép Robot di chuyển theo đa hướng

Cả bốn bánh đều là bánh truyền động và lái

Hai bánh truyền động độc lập ở phía sau, hai bánh lái đa hướng ở phía trước

Bốn bánh đa hướng

Hai bánh chuyển động vi sai và thêm hai điểm tiếp xúc

Bốn bánh vừa là truyền động vừa là bánh lái

Hai bánh truyền động ở giữa, thêm bốn bánh đa hướng ở xung quanh

1.4 Tóm tắt các công trình nghiên cứu liên quan

[1] Design and Control of an Omnidirectional Mobile Robot with Steerable Omnidirectional Wheels, Jae-Bok Song*, Kyung-Seok Byun**, *Korea University,

** Mokpo National University Republic of Korea[1]

Trong nghiên cứu này tác giả đề xuất một cơ cấu mới, có thể sử dụng làm cơ cấu kéo vi sai cũng như di động đa hướng Cơ cấu này còn có tên gọi là “theo dấu chân biến đổi” (VFM) Vì mối quan hệ giữa vận tốc Robot và vận tốc bánh xe sẽ tùy thuộc vào cách sắp xếp bánh xe, nên khi có thay đổi cách sắp xếp hệ thống bánh xe

sẽ có chức năng truyền động

Hình 1.1 Robot di động đa hướng Nhưng OMR-SOW cũng có một số hạn chế nhất định Khi không cần đến khả năng đa hướng, đặc biệt trong trường hợp có lực kéo theo đường thẳng thông thường, Cơ cấu đa hướng có xu hướng ngăn trở Robot vận hành hiệu quả Trong trường hợp này sẽ cần đến sự sắp xếp các bánh xe như trong ô tô (cụ thể, 4 bánh xe

sắp song song) để vận hành cơ cấu đa hướng Hơn nữa, chiều cao tối đa của bơm lắp đặt trên OMR rất hạn chế do bán kính của trục bánh xe đa hướng nhỏ hơn nhiều so với bán kính của bánh xe của Robot di động thông thường Để khắc phục các hạn chế này, Robot chỉ có thể vận hành y như Robot di động thông thường nếu không cần đến chức năng di động đa hướng

Hình 1.2 Các hệ tọa độ và thông số cho bánh xe đa hướng [2] Omni-directional Mobile Base OK-I1; Myung-Jin Jung, Heung-Soo Kim, Sinn Kim and Jong-Hwan Kim; Dept of Electrical Engineering, KAIST, Taejon-shi, 305-

701, Republic of Korea { mjjung, hskim, skim and j ohkim} Qvivaldi kaist ac Kr http://vivaldi kaist ac kr/-iclab [9]

Trong bài viết này tác giả trình bày đặt tính di động cơ bản được phát triển trong robot di dộng đa hướng, các thiết bị truyền động, quan sát và cảm biến hồng ngoại được mô tả Ứng dụng được chứng minh trong robot bong đá Tác giả sử dụng logic mờ để điều khiển, kiểm soát sự chuyển động của robot bóng đá Tính di động

đa hướng làm cho điều khiển chuyển động robot dễ dàng hơn như được hiển thị trong các kết quả thí nghiệm

Hình 1.3: Cấu trúc của OmniKity

Cấu trúc của OK-II bao gồm 03 động cơ ĐC, 3 bánh xe di động, hai hệ điều khiển cơ bản, 01 điều khiển chuyển động tịnh tiến và một điều khiển góc chuyển động của thân OK-II Nó có dạng hình trụ với đường kính 15 cm chiều ngang và 17

cm chiều cao (bao gồm cả camera)

Hình 1.4: OmniKity – II Hình 1.5: Thuật toán xác định vị trí

Hình 1.6: Kết quả thực nghiệm Hình 1.7: Kết quả Điều khiển bám Ngỏ ra của hệ mờ theo hướng banh

[3] Energy efficient drive of an omnidirectional mobile robot with steerable omnidirectional wheels, Jae-Bok Song, Jeong-Keun Kim, Department of Mechanical Engineering, Korea University, Seoul, Korea, (Tel : +82-2-3290-3363 ; E-mail: jbsong@korea.ac.kr) [2]

Trong bài viết này tác giả sẽ trình bày phiên bản thứ hai của Robot di động đa hướng có bánh xe đa hướng (OMR-SOW) Robot này có thể hoạt động đa hướng hoặc theo chế độ di chuyển vi sai tùy vào điều kiện chuyển động Theo chế độ di

động đa hướng, sẽ có 3 DOF cùng chuyển động và 1 DOF giữ chức năng điều khiển hoạt động theo kiểu truyền động biến đổi liên tục (CVT) Có thể sử dụng chức năng CVT để nâng cao hiệu quả sử dụng năng lượng khi Robot hoạt động bằng cách tăng

tỷ suất vận tốc = vận tốc của Robot / vận tốc bánh xe Kế đến là phần khảo sát động năng và cơ năng của rô bốt Trong phần đề xuất thuật toán điều khiển, Góc điều khiển được điều khiển sao cho các motor có thể vận hành trong khu vực có tốc độ cao và lực xoắn thấp, nhờ đó sẽ tạo ra hiệu quả sử dụng năng lượng tối đa Các phép thử khác nhau sẽ cho thấy điều khiển chuyển động của OMR-SOW rất hoàn hảo , thuật toán điều khiển cho CVT đem lại hiệu quả sử dụng năng lượng cao hơn thuật toán sử dụng góc điều khiển cố định Ngoài ra, qua đó cũng sẽ cho thấy chế độ di chuyển vi sai có khả năng tạo ra lực kéo đa hướng và hiệu quả sử dụng năng lượng tốt hơn

Hình 1.8 Mô tả hình học cho OMR-SOW

Hình 1.9 Kết quả thực nghiệm bám theo đường tròn

[4] A sliding mode controlled tilting threewheeled narrow vehicle, Nestor Roqueiro*, Enric Fossas Colet†, Marcelo Gaudenzi de Faria‡, *Departamento de Automacao e Sistemas;Universidade Federal de Santa Catarina Florianopolis, Brasil Emails: nestor@das.ufsc.br, enric.fossas@upc.edu, fara@das.ufsc.br [10]

Bài báo này báo cáo chế độ điều khiển trượt kiểm soát ba bánh của xe cỡ nhỏ cho hai hành khách Toàn bộ hệ thống gồm hai ngõ vào, hai ngõ ra, mười tám hệ thống tự động Trong thiết kế đầu tiên và đơn giản, một tập hợp các thông số đạt được một hiệu suất theo chế độ nhiễu đã được lựa chọn

Kết quả đã được xác nhận bằng mô phỏng :

Hình 1.12 Góc nghiêng Hình 1.10: Tọa độ tuyến tính Hình 1.11: Định nghĩa vận tốc cho khối

lượng

Hình 1.13 Vận tốc theo phương X

Hình 1.14: Góc Nghiêng

Hình 1.15: Góc nghiêng

Hình 3 và 4 cho ta thấy cả hai hệ thống điều khiển góc nghiêng và tốc độ đều

có hiệu suất tốt

Hình 5: Cho thấy hiệu suất của hệ thống điều khiển góc nghiêng Đó là giá trị nhận xét rằng hệ thống điều khiển vận tốc không bị ảnh hưởng bởi nhiễu gây ra Hình 6: Cho thấy hiệu suất của hệ thống điều khiển góc nghiêng Đó là giá trị nhận xét rằng hệ thống điều khiển vận tốc không bị ảnh hưởng bởi không có tín hiệu nhiễu

[5] “Sliding Mode Control for Trajectory Tracking of Nonholonomic Wheeled Mobile Robots”, Jung-Min Yang and Jong-Hwan Kim, IEEE transactions on Robotics and automation, vol 15, no 3, june 1999 [11]

Trong bài báo này tác giả sử dụng kỹ thuật điều khiển kiểu trượt và bộ điều khiển động lực học có nhiễu ngoài bị chặn, đã được sử dụng để giải quyết bài toán điều khiển bám cho WMR Robot sử dụng trong thực nghiệm có tên là MICRO và kết quả mô phỏng khi Robot bám đường thẳng như hình 1.12

Hình 1.16 Các sai số khi Robot bám đường thẳng

Kết quả mô phỏng cho thấy Robot có thể bám theo đường cong tham chiếu, nhưng vẫn còn hiện tượng dao động lớn như sai số thể hiện ở hình 1.12

[6] A Motion Planning Method for Omnidirectional Mobile Robot Based on the Anisotropic Characteristics ,Chuntao Leng1, Qixin Cao2 and Yanwen Huang1

1 Research Institute of Robotics, Shanghai Jiaotong University, 800 Dongchuan Road, Shanghai, P R China, 200240

2 State Key Laboratory of Mechanical System and Vibration, Shanghai Jiaotong University, 800 Dongchuan Road, Shanghai, P R China, 200240

ctleng@sjtu.edu.cn [4]

Trong bài viết này tác giả đề xuất phương pháp quy hoạch chuyển động thích hợp hơn cho Robot di động đa hướng (OMR), phương pháp APF cải tiến (iAPF), bằng cách đưa yếu tố quay vòng vào nhân tố tiềm năng (APF) Theo đó, hướng chuyển động xuất phát từ nhân tố tiềm năng truyền thống (tAPF) sẽ được điều tiết

Kế đó là phần phân tích tốc độ tối đa, gia tốc tối đa và mức tiêu thụ năng lượng của OMR vận hành theo các hướng khác nhau, dựa trên các hạn chế động lực và động năng của OMR, và cũng trong bài viết này, tác giả sẽ trình bày tính chất phi đẳng hướng của OMR Kế đó là phần đề xuất khái niệm mới về chức năng phi đẳng hướng của chuyển động theo nhiều hướng khác nhau, để tạo ra sự kết hợp giữa tối

ưu về thời gian, ổn định và hiệu quả tối ưu Để có được chuyển động tối ưu, Robot

sẽ đi theo lộ trình tránh vật cản an toàn và từ đó sẽ suy ra lộ trình ngắn nhất đến được mục tiêu Sau cùng, là phần thực hiện mô phỏng và thực nghiệm để chứng minh chuyển động phát sinh từ iAPF có tốc độ, ổn định và hiệu quả cao so với tAPF

Hình 1.17: Robot đa hướng bốn bánh (OMR)

Hình 1.18 Bánh xe vô hướng

Unitary forces diagram (b) Forces of driving wheel (c) Forces of passive wheel

Hình.1.19 Phân tích lực tác động lên Robot [7] A 4WD Omnidirectional Wheelchair with a Chair Tilting Mechanism for Enhancing Step Climbing Capability Masayoshi Wada, Dept of Human-Robotics, Saitama Institute of Technology, JAPAN, E-mail: mwada@ieee.org [5]

Bài báo trình bày sự phát triển xe lăn đa hướng cơ học 4WD có khả năng làm nghiêng xe lăn và chứng minh thực nghiệm bằng cách sử dụng mẫu hình xe lăn Để tăng cường khả năng di động của xe lăn tiêu chuẩn, thể loại mới Robot di động đa hướng có cơ chế kéo bốn bánh xe 4WD được đưa vào sử dụng Robot di động bao gồm cặp bánh xe thường ở phía sau và cặp bánh xe đa năng ở mặt trước Bánh xe thường phía sau và bánh xe đa năng mặt trước, được gắn cùng một phía trên Robot,

và được nối kết với nhau bằng xích hay băng truyền động để tạo chuyển động quay tròn đồng thời với mô tơ kéo, cụ thể là tryền lực kéo đồng bộ Để xoay xe lăn tại tâm của rô bốt di động quanh trục đứng, cần lắp thêm mô tơ thứ ba lên Robot Mẫu xe lăn lắp hệ thống 4WD theo đề xuất có khả năng leo lên bậc thang cao 9cm

Hình 1.20 Truyền động cho 4WD

Hình.1.21 Di chuyển đa hướng lực và cơ chế 4WD

Hình.1.22: Mô hình 3D nhìn từ bên dưới

Hình.1.23: Robot khi leo mặt phẳng nghiêng [8] Motion Control of Omni-Directional Three-Wheel Robots by Brain-Emotional-Learning-Based Intelligent Controller ,Maziar A Sharbafi, Caro Lucas, and Roozbeh Daneshvar, IEEE transactions on systems, man, and cybernetics-art c: applications and reviews, vol 40, no 6, november 2010 [6]

Trong bài viết này, tác giả ứng dụng bộ điều khiển thông minh để điều khiển chuyển động của Robot đa hướng Bộ điều khiển dựa trên thuật toán học tập cảm xúc trí tuệ, xuất phát từ mô hình tính toán của hệ thống phản ứng trong não của động vật có vú Bộ điều khiển thông minh dựa trên khả năng học tập tư duy tình cảm (BELBIC) có đáp ứng bậc hai, tương thích với bộ điều khiển tuyến tính (LQR), được sử dụng trong Robot đa hướng Qua thực hiện mô phỏng thực nghiệm, Tác giả chứng minh BELBIC cải thiện được hiệu năng của hệ thống điều khiển Các kết quả cho thấy có thể sử dụng phương pháp này để giải quyết vấn đề thực tế hiệu quả hơn Tối ưu hóa chức năng điều khiển hay ứng dụng cho các mục tiêu khác chẳng hạn như giảm thiểu năng lượng sử dụng, cũng chính là mối quan tâm hàng đầu nhằm tạo được ưu thế sử dụng thông qua phương pháp đề xuất

Hình 1.24 Robot đa hướng 3 bánh dung để chơi đá banh

Hình.1.25 Hệ thống điều khiển cho Robot

Hình 1.26 Mô hình hình học của Robot

Hình 1.27: Sơ đồ điều khiển

Hình 1.28 Chuyển động của Robot theo đường cong kín (a) Khi không có BELBIC (b) Khi có BELBIC

Hình 1.29 Tốc độ của động cơ khi không có BELBIC (Hình trên)

Tốc độ của động cơ khi có BELBIC (Hình dưới) [9] “Sliding-Mode Tracking Control of Nonholonomic Wheeled Mobile Robots in Polar Coordinates”, Dongkyoung Chwa, IEEE transactions on control systems technology, vol 12, no 4, july 2004 [12]

Trong bài báo này đề xuất đến một phương pháp điều khiển trượt cho các Robot có bánh di động trong hệ tọa độ cực Phương pháp này là sự kết hợp giữa điều khiển trượt và mô hình động học để cho Robot di chuyển trong hệ tọa độ cực hai chiều Quỹ đạo tham chiếu có thể là một đường cong hay một đoạn thẳng và kết quả

mô phỏng khi Robot bám đường thẳng, đường cong như hình 1.30, 1.31

Hình 1.30 Robot bám theo đường thẳng

Hình 1.31 Robot bám theo đường cong

* Phương này cho thấy Robot bám theo quỹ đạo đường thẳng hay đường cong

tham chiếu rất tốt, có thể áp dụng và nghiên cứu thêm

[10] Motion control of an omnidirectional mobile platform for trajectory tracking using integral sliding mode controller, N Hung, Tuan D V, Jac S I, H K Kim and S B Kim, International Journal of Control, Automation and Systems (IJCAS), Vol 8., No 6, December 2011 [7]

Trong bài báo này, một bộ điều khiển theo dõi mới tích hợp gồm một bộ điều khiển động học (KC) với một bộ điều khiển trượt tích hợp chế độ (ISMC) được thiết

kế cho một Robot di động đa hướng (OMP) để theo dõi một quỹ đạo mong muốn ở một vận tốc mong muốn

Đầu tiên, một vector theo dõi vector lỗi được xác định và bộ điều khiển động học (KC) được chọn để vector theo dõi lỗi tiến về 0

Thứ hai, một vector mặt trượt được định nghĩa dựa trên vector sai số vận tốc góc và hạn tách rời của nó Một bộ điều khiển trượt (ISMC) được thiết kế để làm cho vector mặt trượt và vector theo dõi sai số vận tốc góc tiến tới 0, các bộ điều khiển được dựa trên lý thuyết ổn định Lyapunov

Các kết quả mô phỏng sau đây được trình bày để minh họa hiệu quả của bộ điều khiển theo dõi đề xuất

Hình1.32: Cấu hình cho mô hình hình học của các OMP

Hình 1.33: Vector sai số vị trí tại thời điểm ban đầu

C

v

C

