nghiên cứu ứng dụng lý thuyết mờ để điều khiển robot tự hành

TRƯỜNG ĐẠI HỌC NHA TRANG KHOA CƠ KHÍ ………o0o…… ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP CHUYÊN NGÀNH CÔNG NGHỆ CƠ ĐIỆN TỬ ĐỀ TÀI: NGHIÊN CỨU ỨNG DỤNG LÝ THUYẾT MỜ ĐỂ ĐIỀU KHIỂN ROBOT TỰ HÀNH SVTH: Nhâm Văn Dương. MSSV: 50130269. Lớp: 50CKCD. GVHD: ThS.Vũ Thăng Long. Nha Trang tháng 06 năm 2012. 2 NHẬN XÉT CỦA CÁN BỘ HƯỚNG DẪN. Họ và tên sinh viên: Nhâm Văn Dương. Lớp: 50CKCD. Chuyên ngành: Công nghệ cơ điện tử. Đề tài: Nghiên cứu ứng dụng lý thuyết mờ để điều khiển robot tự hành. Số trang:…89… Số chương:04 Hiện vật: 02 quyển báo cáo, 02 đĩa VCD, 01 robot tự hành, 01 bộ điều khiển. NHẬN XÉT: …………………………………………………………………………………… …………………………………………………………………………………… …………………………………………………………………………………… …………………………………………………………………………………… …………………………………………………………………………………… …………………………………………………………………………………… …………………………………………………………………………………… …………………………………………………………………………………… …………………………………………………………………………………… …………………………………………………………………………………… Kết luận………………………………………………………………… …………………………………………………………………………………… …………………………………………………………………………………… …………………………………………………………………………………… …………………………………………………………………………………… Nha Trang, ngày… tháng… năm 2012. Cán bộ hướng dẫn: (Ký và ghi rõ họ tên) 3 PHIẾU ĐÁNH GIÁ CHẤT LƯỢNG ĐỀ TÀI Họ và tên sinh : NHÂM VĂN DƯƠNG Lớp : 50CKCD. Chuyên ngành : Công nghệ cơ điện tử. Đề tài: Nghiên cứu ứng dụng lý thuyết mờ để điều khiển robot tự hành. Số trang: 89 Số chương :04 Hiện vật: 02 quyển báo cáo, 02 đĩa VCD, 01 robot tự hành, 01 bộ điều khiển. NHẬN XÉTCỦA CÁN BỘ PHẢN BIỆN Kết luận Nha Trang, ngày tháng năm 2012. CÁN BỘ PHẢN BIỆN ( Ký ghi rõ họ tên ) Nha Trang, ngày tháng năm 2012. CHỦ TỊCH HỘI ĐỒNG ( Ký ghi rõ họ tên ) Điểm phản biện Bằng số Bằng chữ Điểm chung Bằng số Bằng chữ 4 MỤC LỤC LỜI NÓI ĐẦU 7 CHƯƠNG1TỔNG QUAN VỀ LÝ THUYẾT MỜ VÀ ROBOT TỰ HÀNH.9 1.1.Tổng Quan Tình Hình Nghiên Cứu Thuộc Lĩnh Vực Đề Tài 10 1.1.1.Tổng quan về robot tự hành. 10 1.1.1.1.Giới thiệu chung 10 1.1.1.2.Phân loại robot tự hành. 12 1.1.1.2.1.Robot tự hành di chuyển bằng chân. 12 1.1.1.2.2.Robot tự hành di chuyển bằng bánh 14 1.1.1.3.Phương pháp điều hướng cho robot tự hành 19 1.1.1.3.1.Phương pháp điều hướng có tính toán 20 1.1.1.3.2.Phương pháp điều hướng robot theo phản ứng. 21 1.1.1.3.3.Phương pháp điều khiển lai ghép. 23 1.1.2.Mô hình động học và kĩ thuật định vị cho robot tự hành 24 1.1.2.1.Mô hình động học cho robot. 24 1.1.2.1.1.Mô hình bánh xe robot. 25 1.1.2.1.2.Phương trình động học robot 26 1.1.2.2.Kỹ thuật định vị cho robot tự hành. 28 1.1.3.Cơ sở về logic mờ và điều khiển mờ 30 1.1.3.1.Giới thiệu về logic mờ 30 1.1.3.2.Một số khái niệm cơ bản. 35 1.1.3.2.1.Định nghĩa tập mờ và các thuật ngữ liên quan 35 1.1.3.2.2.Bộ điều khiển Mờ. 40 1.2.Tính Cấp Thiết. 42 1.3.Mục Tiêu. 42 1.4.Cách Tiếp Cận 42 1.5.Phương Pháp Nghiên Cứu. 43 1.6.Đối Tượng Và Phạm Vi Nghiên Cứu. 43 CHƯƠNG 2: NỘI DUNG NGHIÊN CỨU 44 5 2.1.Yêu Cầu Kĩ Thuật Robot Tự Hành. 45 2.2.Động Lực Học Robot Tự Hành 45 2.2.1.Phương án 1 45 2.2.2.Phương án 2 45 2.2.3.Phương án 3 46 2.2.4.Lựa chọn phương án 47 2.3.Mạch Điều Khiển Robot Tự Hành 48 2.3.1. Khối xử lý tín hiệu: 48 2.3.1.1. Khối nguồn: 48 2.3.1.2. Kiến trúc vi điều khiển AVR. 49 2.3.1.3. Khối xử lý 50 2.3.1.4. Sơ đồ nguyên lý: 52 2.3.2. Khối hiển thị 53 2.3.3. Khối mạch công suất 54 2.3.4.Gia công các khối mạch. 58 2.3.5. Cảm biến. 61 2.4.Giải Thuật Và Điều Khiển. 65 2.4.1.Xây dựng thuật toán về ứng dụng logic mờ trong kĩ thuật dẫn hướng cho robot tự hành. 65 2.4.1.1.Thuật toán điều khiển Mobile robot, định nghĩa các biến vào ra. 65 2.4.1.2.Xác định tập mờ. 67 2.4.1.3.Xây dựng các luật hợp thành 70 2.4.1.4.Chọn thiết bị hợp thành 71 2.4.1.5.Chọn nguyên lý giải Mờ 71 2.4.2.Lập trình cho robot tự hành 72 CHƯƠNG 3: THỬ NGHIỆM VÀ ĐÁNH GIÁ KẾT QUẢ. 74 3.1.Thông Số Kĩ Thuật Robot Tự Hành. 75 3.2.Thử Nghiệm. 75 3.2.1.Các bước chuẩn bị 75 6 3.2.2.Thử nghiệm khả năng di chuyển và bám tường 76 3.2.3.Thử nghiệm khả năng tránh vật cản phía trước 77 3.3.Nhận Xét Kết Quả Thử Nghiệm. 79 3.4.Giải Pháp Tăng Khả Năng Hoạt Động Của Robot Tự Hành 79 CHƯƠNG 4: KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN ĐỀ TÀI 80 7 LỜI NÓI ĐẦU Thế kỷ 20, thế kỷ của sự phát triển vượt bậc của nhân loại cả về khoa học kỹ thuật lẫn kinh tế. Ngày nay, Robot không còn là cái gì đó quá xa lạ với mọi người với những cái tên như ASIMO, TIAN… Chúng là sự kết tinh những thành tựu to lớn về khoa học kỹ thuật của nhân loại. Robot được ứng dụng rộng rãi trong các ngành công nghiệp, y tế, nghiên cứu khoa học, giải trí, phục vụ đời sống con người. Kéo theo đó là những yêu cầu về những thế hệ robot thông minh, linh hoạt có kỹ năng lao động như con người. Để đáp ứng điều đó đòi hỏi phải trang bị cho Robot một bộ điều khiển thông minh, phức tạp. Và trong một số trường hợp bộ điều khiển kinh điển thuần túy không còn đáp ứng được nữa, yêu cầu đặt ra là phải xây dựng một bộ điều khiển đa năng, thông minh hơn. Lý thuyết Mờ ra đời ở Mỹ lần đầu tiên năm 1965 bởi giáo sư L.A Zadeh tại trường đại học Barkeley,bang Califorlia- Mỹ, từ đó lý thuyết Mờ được phát triển và ứng dụng rộng rãi, đặc biệt ở Nhật trong các nghành tự động hóa. Điều khiển Mờ thực sự hữu dụng đối với các đối tượng phức tạp, nó có thể giải quyết các vấn đề mà điều khiển kinh điển không thể giải quyết được. Trong lĩnh vực nghiên cứu và chế tạo robot, bộ điều khiển mờ cho phép tổng hợp các tri thức, kinh nghiệm của con người vào robot cho phép nó linh hoạt, thông minh hơn. Ở cấp độ cao, người ta xây dựng trí tuệ nhân tạo dựa trên bộ Neuron mờ. Đề tài: NGHIÊN CỨU ỨNG DỤNG LOGIC MỜ ĐIỀU KHIỂN ROBOT TỰ HÀNH là ví dụ nhỏ về ứng dụng của logic mờ trong điều khiển. Không chỉ giới hạn trong lĩnh vực Robot, ứng dụng của logic Mờ còn được sử dụng rộng rãi trong nghành khoa học khác như sinh học, các hệ thống sản xuất tự động… Nội dung để tài gồm 4 chương: - Chương I: Tổng quan về lý thuyết mờ và robot tự hành. - Chương II: Nội dung và phương pháp nghiên cứu. - Chương III: Thử nghiệm và đánh giá kết quả. - Chương IV: Kết luận – Hướng phát triển đề tài. 8 Trong suốt quá trình thực hiện đề tài, tôi đã được sự giúp đỡ của các bạn, các thầy trong bộ môn Cơ Điện Tử - Khoa Cơ Khí - ĐHNT, và đặc biệt là: ThS.Vũ Thăng Long. Trong quá trình thực hiện không khỏi mắc phải những sai sót, mọi lời nhận xét, góp ý hoặc bổ sung nhằm hoàn thiện đề tài của các thầy, các bạn là điều vô cùng quý giá đối với tôi. Tôi xin chân thành cám ơn! Nha Trang, 5/2012. Sinh viên: Nhâm Văn Dương. 9 CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN VỀ LÝ THUYẾT MỜ VÀ ROBOT TỰ HÀNH 10 1.1.Tổng Quan Tình Hình Nghiên Cứu Thuộc Lĩnh Vực Đề Tài. 1.1.1.Tổng quan về robot tự hành. 1.1.1.1.Giới thiệu chung. Ngày nay, Robot học 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 trong các môi trường khác nhau. Robot tự hành là loại Mobile robot 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. Vấn đề của robot tự hành là làm thế nào để robot tự hành có thể hoạt động, nhận biết môi trường và thực thi các nhiệm vụ đề ra. Vấn đề đầu tiên là di chuyển, Robot tự hành nên di chuyển như thế nào và cơ cấu di chuyển nào là sự lựa chọn tốt nhất. Điều hướng là vấn đề cơ bản trong nghiên cứu và chế tạo [...].. .Robot t hành Trong hi p h i nghiên c u v Robot t hành có 2 hư ng nghiên c u khác nhau: - Hư ng th nh t là nghiên c u v Robot t hành có kh năng i u hư ng t c cao nh thông tin thu ư c t c m bi n, ây là lo i robot có kh năng ho t ng m i trư ng trong phòng cũng như môi trư ng bên ngoài Lo i robot này yêu c u kh năng tính toán ol n có có th s và ư c trang b c m bi n có i u khi n robot di chuy... 2003 c a hãng Sony, c/ Robot ASIMO c a hãng Honda, d/ Robot 6 chân, e/ robot chó Tian, f/ mô hình robot 4 chân 13 1.1.1.2.2 .Robot t hành di chuy n b ng bánh Robot t hành di chuy n b ng bánh (Wheel Robot t hành) Bánh xe là cơ c u chuy n Robot t hành V n ng ư c s d ng r ng rãi nh t trong công ngh cân b ng thư ng không ph i là v n ư c chú ý nhi u trong robot di chuy n b ng bánh Ba bánh là k t c u có kh năng... ng, s môi trư ng ho t 11 ng; kh năng xác nh v trí c a robot trong b n ó; kh năng thi t l p k ho ch i t i ích ho c tránh các tình hu ng không mong mu n và kh năng thích nghi v i các thay ho t i c a môi trư ng ng 1.1.1.2.Phân lo i robot t hành Robot t hành ư c chia làm 2 lo i chính ó là lo i robot t hành chuy n ng b ng chân và robot t hành chuy n robot ho t ng trong các môi trư ng ng b ng bánh.Ngoài... a robot Robot lo i này càng linh ho t thì chi phí ch t o càng cao Robot t hành di chuy n b ng chân ư c mô ph ng theo các loài ng v t vì th mà chúng có lo i 1 chân, lo i 2,4,6 chân và có th nhi u hơn Dư i ây là m t s lo i robot i n hình chuy n ng b ng chân 12 a/ b/ c/ d/ f/ e/ Hình 1.1 M t s lo i robot di chuy n b ng chân a/ Robot 1 chân Raibert, b/ Robot SDR-4X, ch t o năm 2003 c a hãng Sony, c/ Robot. .. 1.1.1.2.1 .Robot t hành di chuy n b ng chân Robot t hành di chuy n b ng chân (Legged Robot) Ưu i m l n nh t c a lo i robot này là có th thích nghi và di chuy n trên các a hình g gh Hơn n a chúng còn có th i qua nh ng v t c n như h , v t n t sâu Như c i m chính c a robot lo i này chính là ch t o quá ph c t p Chân robot là k t c u nhi u b c t do, ây là nguyên nhân làm tăng tr ng lư ng c a robot ng th... thu t (1.8) nh v cho robot t hành i u hư ng là m t trong lĩnh v c thách th c nh t i v i mobile robot Có th nói, mu n i u hư ng thành công, nh t thi t robot ph i ư c trang b hoàn thi n 4 khâu sau: -Nh n th c: robot ph i d ch các tín hi u t c m bi n 28 thu ư c d li u có nghĩa - nh v : robot ph i xác nh ư c v trí c a nó trong môi trư ng ho t -Kh năng tri th c: robot ph i quy t nh hành ng ng như th nào... ng dư i áy bi n B cC c Hình 1.6 Robot Khepera dùng nghiên c u và h c t p Nó có ư ng kính 60mm, ư c tích h p nhi u modun khác nhau như camera, tay k p Hình 1.7 Robot d n ư ng AGU (Autonomous Guided Vehicle) ư c s d ng trong các b nh vi n 1.1.1.3.Phương pháp i u hư ng cho robot t hành K thu t i u hư ng s d ng trí thông minh nhân t o trong robot t hành có th ư c chia thành 2 lo i chính, ó là i u hư ng... kỳ u, các nhà nghiên c u ã thi t k h th ng i u hư ng thu n tuý ph n ng b ng cách d a vào ho t ng c a côn trùng áp d ng vào k thu t robot Nhi u nghiên c u v h th ng sinh h c ã ư c ng d ng cho quá trình i u khi n mobile robot Chuy n gi i sinh h c có th khi n ho t ng c a m t s lo i côn trùng trong th ư c s d ng xây d ng thành công các thu t toán i u ng cho robot Ví d , khi nghiên c u v hành vi c a m t... cho robot t hành ng h c cho robot ng h c là nghiên c u cơ b n nh t tìm hi u quá trình ho t ng c a m t h th ng cơ khí, trong lĩnh v c mobile robot, chúng ta c n ph i tìm hi u tính cơ c a robot vi c tìm hi u thi t k sao cho phù h p v i các nhi m v c tính cơ còn giúp ta xác m m i u khi n sao cho phù h p t ra, c ng th i nh ư c phương pháp thi t k ph n i v i t ng ph n c ng c a robot Trong lĩnh v c robot, ... lo i robot t hành ch dùng ng trong môi trư ng trong phòng Lo i robot t hành này có k t c u ơn gi n hơn lo i trên, th c hi n nh ng nhi m v ơn gi n Bài toán d n hư ng cho robot t hành ư c chia làm 2 lo i: bài toán toàn c c(global) và bài toán c c b (local) robot hoàn toàn xác bài toàn c c, môi trư ng làm vi c c a nh, ư ng i và v t c n là hoàn toàn bi t trư c c c b , môi trư ng ho t bài toán ng c a robot . Neuron mờ. Đề tài: NGHIÊN CỨU ỨNG DỤNG LOGIC MỜ ĐIỀU KHIỂN ROBOT TỰ HÀNH là ví dụ nhỏ về ứng dụng của logic mờ trong điều khiển. Không chỉ giới hạn trong lĩnh vực Robot, ứng dụng của logic Mờ. điện tử. Đề tài: Nghiên cứu ứng dụng lý thuyết mờ để điều khiển robot tự hành. Số trang: 89 Số chương :04 Hiện vật: 02 quyển báo cáo, 02 đĩa VCD, 01 robot tự hành, 01 bộ điều khiển. NHẬN XÉTCỦA. điện tử. Đề tài: Nghiên cứu ứng dụng lý thuyết mờ để điều khiển robot tự hành. Số trang:…89… Số chương:04 Hiện vật: 02 quyển báo cáo, 02 đĩa VCD, 01 robot tự hành, 01 bộ điều khiển. NHẬN XÉT: