ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP Nghiên cứu và thiết kế bộ Fuzzy logic ứng dụng vào bài toán điều khiển robot tự hành Tóm tắt nội dung đồ án Ngày nay, Điều khiển học đã đạt được những thành tựu to lớn và khẳng định vai trò không thể thiếu trong nền sản xuất công nghiệp. Từ những ứng dụng trong môi trường lớn như hệ thống vận hành đập thủy điện, các nhà xưởng quy mô lớn, cho đến những vật dụng trong gia đình như tủ lạnh, điều hòa... Song song với đó là sự phát triển của các lý thuyết điều khiển hiện đại đang dần thay thế cho các bộ điều khiển cổ điển nhằm nâng cao hiệu quả sản xuất. Trong đó, bộ điều khiển Fuzzy logic với những ưu điểm của mình đã được ứng dụng nhiều trong cuộc sống hiện đại. Nhóm đồ án tốt nghiệp quyết định sử dụng bộ điều khiển Fuzzy để giải quyết bài toán điều khiển robot di động di chuyển theo quỹ đạo cho trước với mong muốn tìm hiểu và ứng dụng bộ điều khiển này. Robot có 3 bánh với 2 bánh sau quay độc lập nhờ động cơ DC có gắn cảm biến encoder, bánh định hướng phía trước, sử dụng la bàn số để xác định hướng của robot. Tại mỗi thời điểm, robot sẽ dựa vào thông số đo được từ encoder và la bàn, tính toán ra được tọa độ của robot hiện tại, khi người dùng nhập tọa độ điểm đích, vi điều khiển sẽ tính toán sai lệch khoảng cách và góc hướng, đưa vào bộ Fuzzy với đầu ra là vận tốc 2 bánh phía sau để đưa robot tới đích
ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP Nghiên cứu thiết kế Fuzzy logic ứng dụng vào toán điều khiển robot tự hành Phạm Duy Thắng Nguyễn Hoàng Phương Ngành Cơ Điện tử Giảng viên hướng dẫn: TS Mạc Thị Thoa Bộ mơn: Viện: Cơ Điện tử Cơ khí HÀ NỘI, 6/2020 Chữ ký GVHD ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP ĐỀ TÀI TỐT NGHIỆP Đề tài: Nghiên cứu thiết kế Fuzzy logic ứng dụng vào toán điều khiển robot tự hành Giáo viên hướng dẫn Ký ghi rõ họ tên ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP Lời cảm ơn Trong trình thực đồ án chúng tơi giúp đỡ nhiệt tình Mạc Thị Thoa.Trong thực không khỏi mắc phải sai sót,mọi lời nhận xét,góp ý bổ sung nhằm hồn thiện đề tài thầy cô điều vô quý giá với Xin chân thành cảm ơn! Tóm tắt nội dung đồ án Ngày nay, Điều khiển học đạt thành tựu to lớn khẳng định vai trị khơng thể thiếu sản xuất công nghiệp Từ ứng dụng môi trường lớn hệ thống vận hành đập thủy điện, nhà xưởng quy mô lớn, vật dụng gia đình tủ lạnh, điều hịa Song song với phát triển lý thuyết điều khiển đại dần thay cho điều khiển cổ điển nhằm nâng cao hiệu sản xuất Trong đó, điều khiển Fuzzy logic với ưu điểm ứng dụng nhiều sống đại Nhóm đồ án tốt nghiệp định sử dụng điều khiển Fuzzy để giải toán điều khiển robot di động di chuyển theo quỹ đạo cho trước với mong muốn tìm hiểu ứng dụng điều khiển Robot có bánh với bánh sau quay độc lập nhờ động DC có gắn cảm biến encoder, bánh định hướng phía trước, sử dụng la bàn số để xác định hướng robot Tại thời điểm, robot dựa vào thông số đo từ encoder la bàn, tính tốn tọa độ robot tại, người dùng nhập tọa độ điểm đích, vi điều khiển tính tốn sai lệch khoảng cách góc hướng, đưa vào Fuzzy với đầu vận tốc bánh phía sau để đưa robot tới đích Sinh viên thực Ký ghi rõ họ tên ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP MỤC LỤC CHƯƠNG GIỚI THIỆU TỔNG QUAN VỀ ĐỀ TÀI .1 1.1 Giới thiệu chung Robot tự hành 1.2 Phân loại robot tự hành 1.3 1.4 1.2.1 Robot tự hành di chuyển chân (Legged Robot) 1.2.2 Robot tự hành di chuyển bánh(Wheel Robot tự hành) .4 Phương pháp điều hướng cho robot tự hành 1.3.1 Phương pháp điều hướng có tính tốn 1.3.2 Phương pháp điều hướng theo phải ứng 1.3.3 Phương pháp điều khiển lai ghép 10 Mơ hình động học cho robot tự hành .10 1.4.1 Mơ hình bánh xe robot 11 1.4.2 Phương trình động học robot 12 1.5 Kỹ thuật định vị cho robot tự hành 15 1.6 Giới thiệu logic Mờ (Fuzzy Logic) 16 1.6.1 Định nghĩa tập mờ thuật ngữ liên quan 19 1.6.2 Bộ điều khiển Mờ 25 1.6.3 Nguyên lý điều khiển Mờ .25 1.7 Giới thiệu Matlap - Simulink 26 1.8 Giới thiệu Fuzzy logic control .28 1.8.1 The FIS Editor 28 1.8.2 The Memberships function Editor 30 1.8.3 The Rule Editor 31 1.8.4 Rule Viewer 32 1.8.5 The surface Viewer 32 CHƯƠNG XÂY DỰNG MƠ HÌNH ROBOT TỰ HÀNH 34 2.1 2.2 Giới thiệu chung 34 2.1.1 Phân tích lựa chọn phương án di chuyển 34 2.1.2 Tính tốn lựa chọn động bánh dẫn động 35 Thiết kế khí .38 2.2.1 Chọn vật liệu khung xe 38 ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP 2.2.2 Thiết kế khung xe 38 2.2.3 Bánh xe 39 2.2.4 Mơ hình robot 40 CHƯƠNG ỨNG DỤNG CỦA BỘ ĐIỀU KHIỂN MỜ .43 3.1 Ứng dụng điều khiển mờ Robot tự hành di chuyển tới đích 43 3.1.1 Thuật tốn điều khiển robot định nghĩa biến vào .43 3.1.2 Xác định tập mờ .45 3.1.3 Kết mô Matlap Simulink 51 3.2 Ứng dụng fuzzy logic điều khiển Robot tự hành di chuyển tới đích tránh vật cản 55 3.3 3.2.1 Thuật toán điều khiển robot định nghĩa biến vào .55 3.2.2 Mô Matlap simulink kết mô 64 Ứng dụng fuzzy logic điều khiển Robot tự hành bám quỹ đạo 68 3.3.1 Xây dựng qũy đạo cho Robot tự hành 68 3.3.2 Thông số điều khiển luật điều khiển FUZZY LOGIC 69 3.3.3 Xây dựng mơ hình Matlap simulink kết mơ 74 CHƯƠNG THỰC NGHIỆM ROBOT TỰ HÀNH 77 4.1 GIỚI THIỆU CÁC MODULE VÀ LINH KIỆN SỬ DỤNG TRONG MƠ HÌNH 77 4.1.1 Giới thiệu chung .77 4.1.2 Kit chân STM32F103C8T6 77 4.1.3 Mạch cầu H L298 78 4.1.4 Encoder 80 4.1.5 LCD1602 82 4.1.6 Module I2C LCD 84 4.1.7 Cảm biến siêu âm 85 4.1.8 La bàn số LMS303DLH 87 4.1.9 Nguyên lý hoạt động 88 4.1.10 Panasonic NCR18650 .88 4.2 ỨNG DỤNG BỘ ĐIỀU KHIỂN FUZZY VÀ MƠ HÌNH THỰC DI CHUYỂN TỚI ĐÍCH VÀ TRÁNH VẬT CẢN 88 4.2.1 Nguyên lý hoạt động 88 4.2.2 Tính tốn vị trí đích đến robot 89 ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP 4.2.3 Các tập mờ hàm liên thuộc 91 4.2.4 Kết thực tế đánh giá 93 4.2.5 Thuật toán tránh vật cản 94 KẾT LUẬN TÀI LIỆU THAM KHẢO PHỤ LỤC DANH MỤC HÌNH VẼ Hình 1.1 Robot chân Boston Dynamics .3 Hình 1.2 Laikago – Chó Robot Hình 1.3 Robot chân có khả di chuyển kiến sa mạc Hình 1.4 Robot thơng minh Alpha 1s Hình 1.5 Các loại bánh xe dùng cho Robot tự hành Hình 1.6 Robot hút bụi lau nhà Hình 1.7 Robot thơng minh di chuyển bánh .7 Hình 1.8 Robot bánh dùng để giao hàng Hình 1.9 Mơ hình bánh xe lý tưởng hóa 12 Hình 1.10 Mơ hình động học Robot tự hành .13 Hình 1.11 Sơ đồnguyên lý khâu định vị Robot 15 Hình 1.12 Hàm đặc trưng 20 Hình 1.13 Miền xác định 20 Hình 1.14 Các đặc tính hàm phụ thuộc .21 Hình 1.15 Phương pháp cực đại 24 Hình 1.16 Mơ hình cấu trúc bên điều khiển mờ 25 Hình 1.17 Sơ đồ nguyên lý điều khiển mờ 25 Hình 1.18 Giao diện phần mềm Matlap 2015a 27 Hình 1.19 Cửa sổ thư viện công cụ mô Simulink 28 Hình 1.20 Giao diện Fis Editor 29 Hình 1.21 Các thành phần FIS 30 Hình 1.22 Các thành phần Membership funcition 31 Hình 1.23 Các thành phần Rule Editer 31 Hình 1.24 Các thành phần Rule Viewer 32 Hình 1.25 Chức Surface Viewer .33 Hình 2.1 cấu di chuyển bánh .34 Hình 2.2 Cơ cấu di chuyển bánh 34 ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP Hình 2.3 Cơ cấu di chuyển bánh 35 Hình 2.4 Mơ hình ý tưởng xây dựng Robot tự hành 35 Hình 2.5 Động GA25 37 Hình 2.6 Thơng số kích thước động GA25 37 Hình 2.7 MICA 38 Hình 2.8 Vỏ xe 38 Hình 2.9 Thiết kế mơ hình Solidwork 2018 .40 Hình 2.10 Robot nhìn từ bên .40 Hình 2.11 Hình chiếu đứng .41 Hình 2.12 Hình chiếu .41 Hình 2.13 Hình chiếu cạnh 42 Hình 3.1 Robot di chuyển tới đích 43 Hình 3.2 Sơ đồ thuật tốn di chuyển tới đích 44 Hình 3.3 Mơ hình điều khiển tồn Robot .45 Hình 3.4 Thiết lập thơng số Fuzzy logic control 46 Hình 3.5 Hàm phụ thuộc Distance (D) 46 Hình 3.6 Sai lệch góc ( ) 47 Hình 3.7 Vận tốc góc bánh phải wr 47 Hình 3.8 Luật hợp thành xây dựng Rule Editor 49 Hình 3.9 Các luật điều khiển .50 Hình 3.10 Mơ tả điều khiển không gian 3D cho bánh phải 50 Hình 3.11 Mơ tả điều khiển khơng gian 3D cho bánh trái .51 Hình 3.12 Mơ hình robot 51 Hình 3.13 Khối MOBILE ROBOT 52 Hình 3.14 Khối tính khoảng cách 52 Hình 3.15 Biểu thức tính Distance 52 Hình 3.16 Khối tính góc 53 Hình 3.17 Biểu thức tính góc 53 Hình 3.18 Sơ đồ khối tồn Mobile Robot .54 Hình 3.19 Khoảng cách D 54 Hình 3.20 Góc 55 Hình 3.21 Qũy đạo Mobile Robot tới đích (10 10) 55 Hình 3.22 Mobile Robot tránh vật cản 56 Hình 3.23 Thuật tốn tránh vật cản tìm đích 57 Hình 3.24 Thông số điều khiển fuzzy logic .58 ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP Hình 3.25 Thông số biến D .59 Hình 3.26 Thơng số biến 60 Hình 3.27 Thơng số biến d 61 Hình 3.28 Thông số biến Alpha 62 Hình 3.29 Thơng số vận tốc góc bánh phải .63 Hình 3.30 Thơng số vận tốc góc bánh trái 63 Hình 3.31 Luật xây dựng 64 Hình 3.32 View luật hợp thành 64 Hình 3.33 Mơ hình robot tránh vật cản .64 Hình 3.34 Khối subsystem 65 Hình 3.35 Biểu thức tính tốn bên khối Subsystem 65 Hình 3.36 Khối subsystem1 66 Hình 3.37 Biểu thức tính tốn khối Subsystem1 66 Hình 3.38 Khối Mobile Robot 66 Hình 3.39 Bên khối Mobile Robot 67 Hình 3.40 Kết mơ TH1 67 Hình 3.41 Kết mô TH2 68 Hình 3.42 Xây dựng đường thẳng d simulink 68 Hình 3.43 Mơ hình Robot bám đường thẳng .69 Hình 3.44 Xây dựng miền xác định hàm thành viên Distance 70 Hình 3.45 Xây dựng miền xác định hàm thành viên Angle 71 Hình 3.46 Xây dựng miền xác định hàm thành viên Wl,Wr 72 Hình 3.47 Luật xây dựng Rule Editer 74 Hình 3.48 Mơ hình điều khiển Robot bám đường thẳng 74 Hình 3.49 Kết mơ Robot bám đường thẳng .75 Hình 3.50 Kết góc Theta .75 Hình 3.51 quỹ đạo ziczac 75 Hình 3.52 quỹ đạo hình chữ nhật 76 Hình 3.53 Qũy đạo chữ V 76 Hình 4.1 Kit STM32F103C8T6 .77 Hình 4.2 Kích thước Kit STM32F103C8T6 .78 Hình 4.3 Cấu tạo Kit STM32F103C8T6 78 Hình 4.4 Module mạch cầu H L298 điều khiển động 78 Hình 4.5 Sơ đồ nguyên lý module mạch cầu H L298 79 Hình 4.6 Sơ đồ nguyên lý IC L298 80 ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP Hình 4.7 Encoder quang học .80 Hình 4.8 Sơ đồ mạch nguyên lý encoder 81 Hình 4.9 Hai kênh A B lệch pha 90º encoder 82 Hình 4.10 Modun LCD1602 .83 Hình 4.11 Module I2C LCD .84 Hình 4.12 Cảm biến siêu âm HC-SR04 .85 Hình 4.13 Hình mơ tả thời gian truyền nhận sóng 86 Hình 4.14 Giản đồ hoạt động SRF04 87 Hình 4.15 La bàn số LMS303DLH 87 Hình 4.16 Pin Panasonic NCR18650 88 Hình 4.17 Sơ đồ khối nguyên lý hoạt động .89 Hình 4.18 Tọa độ tuyệt đối tương đối điểm đích 90 Hình 4.19 Thơng số biến khoảng cách D 91 Hình 4.20 Thông số biến Angle 91 Hình 4.21 Thơng số vận tốc bánh trái .92 Hình 4.22 Thơng số vận tốc bánh phải 92 Hình 4.23 quỹ đạo đường thẳng 93 Hình 4.24 Qũy đạo hình trịn .93 Hình 4.25 Qũy đạo zigzac 94 Hình 4.26 Robot phát vật cản 95 Hình 4.27 Robot tính tốn tìm đường phù hợp .95 ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP DANH MỤC BẢNG BIỂU Bảng 1.1 Sơ đồ bánh xe Robot tựu hành .4 Bảng 1.2 Ký hiệu loại bánh xe Bảng 1.3 Một số hàm đặc trưng .22 Bảng 2.1 Bảng thông số Robot tự hành .36 Bảng 3.1 Bảng luật điều khiển vận tốc góc bánh phải wr 48 Bảng 3.2 Bảng luật điều khiển vận tốc góc bánh trái wl 48 Bảng 3.3 Bản thông số D 58 Bảng 3.4 Bảng thông số biến 59 Bảng 3.5 Bảng thông số biến d 60 Bảng 3.6 Bảng thông số biến Alpha 61 Bảng 3.7 Bảng thơng số vận tốc góc bánh trái, bánh phải 62 Bảng 3.8 Bảng thông số biến Distance 70 Bảng 3.9 Bảng thông số biến Angle 71 Bảng 3.10 Bảng thơng số vận tốc góc bánh trái,bánh phải 72 Bảng 3.11 bảng luật bánh phải 73 Bảng 3.12 Bảng luật bánh trái 73 Bảng 4.1 Bảng thông số cảm biến siêu âm SRF 86 Bảng 4.2 Luật điều khiển bánh phải 92 Bảng 4.3 Luật điều khiển bánh trái 93 ...ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP ĐỀ TÀI TỐT NGHIỆP Đề tài: Nghiên cứu thiết kế Fuzzy logic ứng dụng vào toán điều khiển robot tự hành Giáo viên hướng dẫn Ký ghi rõ họ tên ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP Lời cảm... bảng sau: ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP Bảng 1.1 Sơ đồ bánh xe Robot tựu hành ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP Bảng 1.2 Ký hiệu loại bánh xe Một số loại Robot di chuyển bánh: ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP Hình 1.6 Robot. .. Nhóm đồ án tốt nghiệp định sử dụng điều khiển Fuzzy để giải toán điều khiển robot di động di chuyển theo quỹ đạo cho trước với mong muốn tìm hiểu ứng dụng điều khiển Robot có bánh với bánh sau