Mô phỏng thiết kế bộ điều khiển mờ cho robot di động

48 Lưu Trọng Hiếu, Lê Hồng Lâm, Nguyễn Hữu Hiếu MÔ PHỎNG THIẾT KẾ BỘ ĐIỀU KHIỂN MỜ CHO ROBOT DI ĐỘNG DESIGN AND SIMULATION OF FUZZY CONTROL FOR MOBILE ROBOT Lưu Trọng Hiếu1, Lê Hồng Lâm2, Nguyễn Hữu H[.]

48 Lưu Trọng Hiếu, Lê Hồng Lâm, Nguyễn Hữu Hiếu MÔ PHỎNG THIẾT KẾ BỘ ĐIỀU KHIỂN MỜ CHO ROBOT DI ĐỘNG DESIGN AND SIMULATION OF FUZZY CONTROL FOR MOBILE ROBOT Lưu Trọng Hiếu1, Lê Hồng Lâm2, Nguyễn Hữu Hiếu2 Trường Đại học Khoa học Kỹ thuật Quốc gia Đài Loan; luutronghieu@ctu.edu.vn Trường Đại học Bách khoa, Đại học Đà Nẵng; honglambkdn@gmail.com, nhhieu@dut.udn.vn Tóm tắt - Bài báo miêu tả thiết kế điều khiển (BDK) mờ dựa tín cảm biến từ robot di động nhằm giúp robot di chuyển tránh chướng ngại vật Trong thí nghiệm, ngõ vào BDK tín hiệu nhận từ cảm biến siêu âm lắp robot; ngõ vận tốc mong muốn Bộ luật điều khiển mờ thiết kế phương pháp lỗi thử nghiệm (trial and error) Thí nghiệm mô phần mềm chuyên dụng điều khiển robot di động Mục tiêu đạt cho BDK giúp robot tự định di chuyển tránh để khơng va chạm mơi trường có chướng ngại vật động mê cung có lối vào lối Kết mô đánh giá tính khả thi, tính ổn định khả thi áp dụng BDK mờ vào môi trường thực tế Abstract - In this paper, some controls based on sensors applying to mobile robots for obstacle avoidance are proposed.a s In experiments Input signals are taken from sonar senors while output values are the expected velocity of mobile robots The designing of rules are based on the trial and error method.Experiments are simulated on specialized software, which is developeds The object is to help robots within dynamic obstacle environment as well as inmaze having one entrance and exit.the withoutting Experiment results are provided to prove the stability of the proposed control method and the ability applying it to real situations Từ khóa - robot di động; điều khiển thông minh; điều khiển mờ; di chuyển bám tường; tránh né chướng ngại vật Key words - autonomous mobile robot; intelligent control; fuzzy logic; wall following; obstacle avoidance Đặt vấn đề Điều khiển thông minh cho robot di động trở thành chủ đề quan tâm toàn giới Các nhà khoa học áp dụng ngày nhiều phương pháp vào điều khiển mơi trường xung quanh robot thay đổi ngẫu nhiên Thiết lập điều khiển (BDK) cho robot sử dụng phương pháp mờ áp dụng cho cảm biến siêu âm Demirli, K [1] Tuy nhiên, thiết kế không áp dụng môi trường thay đổi Sử dụng BDK mờ mạng nơron để tránh chướng ngại vật Beom, H R [2] Quỹ đạo robot phương pháp khơng ổn định khơng tối ưu hóa vận tốc chuyển động Robot đáp ứng môi trường thay đổi Sử dụng thuật tốn di truyền để tối ưu hóa BDK mờ – thần kinh nhằm tránh chướng ngại vật điều khiển robot di động Qiao, Liu [3] giải vấn đề [2] Tuy nhiên, hạn chế thiết kế robot nhận biết chướng ngại vật động Sử dụng mờ logic cho robot di động di chuyển theo đường dẫn (path following) Susnea, I [4] dùng để điều khiển robot di chuyển theo lộ trình cho trước, hạn chế môi trường quan sát thiết lập di chuyển trước Sử dụng mờ logic cho robot tìm đường đến mục tiêu Limin, Ren [5] cho phép robot tự tìm đường đến vị trí biết trước; nhiên thí nghiệm tiến hành đồ tương đối đơn giản nên robot di chuyển dễ dàng Mô sử dụng BDK mờ định hướng robot di chuyển đến vị trí mong muốn Raguraman, S M [6] cho phép robot di chuyển đến vị trí định trước, nhiên tương tự Qiao, Liu [3], phương pháp không nhận biết chướng ngại vật động gặp quĩ đạo Trong báo này, tác giả thiết lập điều khiển mờ cho robot môi trường khác Quĩ đạo chuyển động robot vẽ lại Từ đánh giá tính hiệu khả thi BDK Phương pháp thuật toán 2.1 Robot di động P3DX Robot di động P3DX (Hình 1), dạng mơ hình thiết kế cho giảng dạy nghiên cứu khoa học Theo Amanda Whitbrook [7] Hình Robot P3DX Phần mềm Mobile Sim từ công ty pioneer cho phép người sử dụng mơ q trình chuyển động robot nhằm kiểm tra tính xác thuật toán Trong viết này, tác giả áp dụng BDK mờ vào cho robot, mơ hình tốn thể Hình Hình Mơ hình áp dụng BDK mờ Từ Hình 2, ta thấy rằng, BDK mờ có tín hiệu ngõ vào tín hiệu từ cảm biến siêu âm, đưa vào BDK mờ Cuối ngõ BDK chuyển xuống robot nhằm thay đổi vận tốc robot trường hợp khác 2.2 Môi trường – chướng ngại vật động Trong tình này, chướng ngại vật động di chuyển từ trái qua phải phía trước robot BDK mờ cho phép robot tránh vượt qua chướng ngại vật ISSN 1859-1531 - TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG, SỐ 1(86).2015 Phát nhận diện vị trí chướng ngại vật yêu cầu quan trọng tình Vì cảm biến phía trước robot sử dụng nhằm xác định vị trí chướng ngại vật Sơ đồ cảm biến miêu tả Hình Hình Sơ đồ bố trí cảm biến cảm biến chia thành nhóm: trái = {1, 2} vị trí 300, 500; = {3, 4} vị trí -100, 10-; phải = {5, 6} vị trí -300, -500 Sau đọc cảm biến, tín hiệu đưa vào mờ tập mờ “distance” “corner” với thành phần xây dựng: + Distance = {“NEAR”, “MID” and “FAR”} + Corner = {“RIGHT”, “MID” and “LEFT”} Tiếp theo, mối quan hệ thành phần xây dựng, Hình miêu tả mối quan hệ 49 Bảng luật mờ cho môi trường DISTANCE Near Near Near Mid Mid Mid Far Far Far CORNER Right Mid Left Right Mid Left Right Mid Left DECISION Stop Stop Stop Run Run slow Run Run fast Run fast Run fast 2.3 Mơi trường – mê cung Trong tình này, tác giả thiết kế BDK mờ cho robot tự tìm đường khỏi mê cung phương pháp di chuyển bám tường “wall following” Robot di chuyển bên trái bên phải mình, bám bên theo tường mê cung để tự tìm đường Hình miêu tả sơ đồ cảm biển robot dùng trường họp FRONT LEFT FRONT LEFT BEHIND Hình Sơ đồ cảm biến Hình Mờ hóa tín hiệu ngõ vào + Tín hiệu cho “FRONT” giá trị nhỏ tín hiệu từ cảm biến – + Tín hiệu cho “LEFT_FRONT” giá trị cảm biến thứ + Tín hiệu cho “LEFT_BEHIND” giá trị cho cảm biến thứ 15 Các thành phần tập mờ miêu tả: Front, Left_front, Left_behind = {“NEAR”, “MID”, “FAR”} Hình miêu tả BDK mờ cho tín hiệu ngõ vào robot Từ tín hiệu ngõ vào, tín hiệu ngõ thiết lập Tập mờ “Distance” bao gồm thành phần xây dựng Hình miêu tả mối quan hệ + Decision = {“STOP”, “RUN_SLOW”, “RUN” and “RUN_FAST”} Hình Mờ hóa tín hiệu ngõ Cuối cùng, luật mờ thiết lập dựa tín hiệu ngõ vào Do có vào với thành phần nên ta có luật sau Bảng miêu tả điều Hình Mờ hóa tín hiệu ngõ vào 50 Lưu Trọng Hiếu, Lê Hồng Lâm, Nguyễn Hữu Hiếu Tiếp theo, dựa thông tin ngõ vào, tác giả thiết lập BDK ngõ cho robot Trong thí nghiệm này, tác giả giữ nguyên vận tốc robot 40mm/s điều khiển góc quẹo Tín hiệu ngõ mờ hóa sau: Corner= {Right, M_Right, Front, M_Left, Left} Hình miêu tả mờ hóa tín hiệu ngõ robot (a) (b) (c) (d) Hình Mờ hóa tín hiệu ngõ Cuối cùng, luật mờ thiết lập Do có ngõ vào với thành phần khác nên có 27 luật mờ cho trường hợp Bảng miêu tả luật mờ sau: Bảng luật mờ cho môi trường DISTANCE Near CORNER Near PITCH Near DECISION Right Near Near Near Near Near Near Near Near Mid Mid Mid Mid Mid Mid Mid Mid Mid Far Far Far Far Far Far Far Far Far Near Near Mid Mid Mid Far Far Far Near Near Near Mid Mid Mid Far Far Far Near Near Near Mid Mid Mid Far Far Far Mid Far Near Mid Far Near Mid Far Near Mid Far Near Mid Far Near Mid Far Near Mid Far Near Mid Far Near Mid Far M_Right Right Right M_Right M_Right Right M_Right M_Right M_Right M_Right Right M_Left Front M_Right Left M_Left M_Left M_Right M_Right Right M_Left Front M_Right Left M_Left Left Kết thảo luận 3.1 Kết 3.1.1 Chướng ngại vật động BDK mờ lập trình ngơn ngữ C Tác giả sử dụng robot chạy ngang theo hướng trái phải để mô cho chướng ngại vật động; robot chạy hướng lập trình điều khiển BDK mờ Hình mơ q trình chuyển động kết robot (e) (f) Hình (a), (b) robot gần chướng ngại vật; (c), (d) robot gần chướng ngại vật; (e), (f) robot xa chướng ngại vật + Ở Hình (a), (b) robot cách chướng ngại vật động khoảng 220 mm, góc vận tốc mm/s + Ở Hình (c), (d) robot cách chướng ngại vật động 520 mm, góc 10 vận tốc 60 mm/s + Ở Hình (e), (f) robot cách chướng ngại vật động khoảng 1220 mm, góc 50 vận tốc 200mm/s Từ kết trên, ta nhận thấy BDK mờ thiết kế hoạt động tốt trường hợp 3.1.2 Mê cung Trong tình này, tác giả thiết kế mê cung có lối vào Hình 9, robot áp dụng phương pháp tìm đường wall following để tự tìm đường ra, quỹ đạo di chuyển robot miêu tả màu đỏ Hình Robot mê cung ISSN 1859-1531 - TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CƠNG NGHỆ ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG, SỐ 1(86).2015 Từ kết Hình 9, ta nhận thấy robot tự tốt khỏi mê cung mà không xảy va chạm với chướng ngại vật Từ đánh phương pháp làm có kết tốt 3.2 Thảo luận Kết cho thấy chương trình thiết lập Visual C hoạt động tốt với phần mềm Mobile – Sim, qua thúc đẩy hướng nghiên cứu dựa phần mềm Kết cho thấy mơ chạy tốt mơi trường chướng ngại vật động mê cung Phương pháp mờ phương pháp khơng có tính hội tụ nên vẽ quỹ đạo, chuyển động robot mang hướng không ổn định Kết luận Bài báo trình phương pháp thiết kế mơ BDK mờ cho robot di động trường hợp: chướng ngại vật động di chuyển mê cung Kết mô cho thấy phương pháp xây dựng BDK mờ mơi trường: có chướng ngại vật động mê cung đạt mục tiêu đề Robot tự định di chuyển mà không chạm vào chướng ngại vật Bài báo cho thấy tính khả thi cao áp dụng điều khiển thơng minh vào robot di động Nhóm tác giả đề 51 nghị nên áp dụng thêm thuật toán genetic mạng thần kinh kết hợp với BDK mờ cho robot thêm tính chủ động (autonomous) TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] Demirli, K and İ.B Türkşen, Sonar based mobile robot localization by using fuzzy triangulation, Robotics and Autonomous Systems, 2000 33(2–3): p 109-123 [2] Beom, H.R and H.S Cho, A Sensor-based Obstacle Avoidance Controller For A Mobile Robot Using Fuzzy Logic And Neural Network, in Intelligent Robots and Systems, 1992., Proceedings of the 1992 lEEE/RSJ International Conference on, 1992 [3] Qiao, L., L Yong-gang, and X Cun-xi, Optimal Genetic Fuzzy Obstacle Avoidance Controller of Autonomous Mobile Robot Based on Ultrasonic Sensors, in Robotics and Biomimetics, 2006 ROBIO '06 IEEE International Conference on, 2006 [4] Susnea, I., et al, Path following, real-time, embedded fuzzy control of a mobile platform wheeled mobile robot, in Automation and Logistics, 2008 ICAL 2008, IEEE International Conference on, 2008 [5] Limin, R., W Weidong, and D Zhijiang, A new fuzzy intelligent obstacle avoidance control strategy for wheeled mobile robot, in Mechatronics and Automation (ICMA), 2012 International Conference on, 2012 [6] Raguraman, S.M., D Tamilselvi, and N Shivakumar, Mobile robot navigation using Fuzzy logic controller, in Control, Automation, Communication and Energy Conservation, 2009, INCACEC 2009 2009 International Conference on, 2009 [7] Whitbrook, A., (BBT nhận bài: 14/08/2014, phản biện xong: 28/01/2015) ... vật động mê cung Phương pháp mờ phương pháp khơng có tính hội tụ nên vẽ quỹ đạo, chuyển động robot mang hướng không ổn định Kết luận Bài báo trình phương pháp thiết kế mô BDK mờ cho robot di động. .. Kết thảo luận 3.1 Kết 3.1.1 Chướng ngại vật động BDK mờ lập trình ngơn ngữ C Tác giả sử dụng robot chạy ngang theo hướng trái phải để mô cho chướng ngại vật động; robot chạy hướng lập trình điều. .. vật Bài báo cho thấy tính khả thi cao áp dụng điều khiển thơng minh vào robot di động Nhóm tác giả đề 51 nghị nên áp dụng thêm thuật toán genetic mạng thần kinh kết hợp với BDK mờ cho robot thêm