Bài tập dài ngành điều khiển và tự động hóa tìm hiểu tổng quan về xe tự hành

TRƯỜNG ĐẠI HỌC KINH TẾ-KỸ THUẬT CÔNG NGHIỆP KHOA ĐIỆN -  - BÀI TẬP DÀI NGÀNH: ĐIỀU KHIỂN VÀ TỰ ĐỘNG HĨA TÌM HIỂU TỔNG QUAN VỀ XE TỰ HÀNH Giảng viên hướng dẫn: Võ Thu Hà Sinh viên thực hiện: Đỗ Tùng Lâm Lớp: DHTD13A1HN MSV: 19104300057 Hà Nội 2022-2022 MỤC LỤC CHƯƠNG TỔNG QUAN VỀ ROBOT DI ĐỘNG 1.1 Khái niệm mobile robot 1.2 Các thành phần tiêu chí khả tự chủ robot tự hành 1.3 Nguyên lý hoạt động mobile robot 1.4 Ưu điểm nhược điểm mobile robot 1.4.1 Ưu điểm 1.4.2 Nhược điểm .6 1.5 Ứng dụng mobile robot 1.6 Xe tự hành AGV 13 CHƯƠNG XÂY DỰNG MƠ HÌNH ĐỘNG HỌC VÀ ĐỘNG LỰC HỌC .18 2.1 Cơ sở lý thuyết động học robot di động hai bánh xe .18 2.1.1.Giới thiệu robot di động khung tọa độ .18 2.1.2 Ràng buộc động học robot di động .19 2.2 Mơ hình động học robot di động .23 2.3 Mơ hình động lực học robot di động 27 CHƯƠNG 3: MƠ PHỎNG THUẬT TỐN ĐIỀU KHIỂN PID BẰNG MATLAB SIMULINK 38 CHƯƠNG TỔNG QUAN VỀ ROBOT DI ĐỘNG 1.1 Khái niệm mobile robot Robot loại thiết bị thực cơng việc cách tự động điều khiển máy tính vi mạch điện tử lập trình Robot có số đặc điểm sau đây: Do người sáng tạo ra, tùy theo công nghệ trang bị mà robot có khả nhận biết mơi trường xung quanh tương tác với vật thể mơi trường, có khả đưa lựa chọn dựa môi trường điều khiển cách tự động theo trình tự lập trình trước, điều khiển lệnh để thay đổi tùy theo yêu cầu người sử dụng, di chuyển quay tịnh tiến theo hay nhiều chiều khéo léo vận động Robot di động loại robot thực nhiệm vụ địa điểm khác nhau, không cố định vị trí Khác với robot cố định, robot di động có yêu cầu cao hơn, đòi hỏi đầu tư nhiều Trong robot cố định vận hành đơn giản, cần không gian cố định để thực công việc lặp lặp lại, hệ thống robot di động hoạt động không gian mở, thay đổi liên tục phức tạp Linh động đặc tính robot di động, có từ phận chuyển động bánh xe, chân, tay, cánh quạt … Robot di động “Phải biết” định vị “Thu nhận” thông tin đầy đủ môi trường xung quanh, sau định thực hành động cho phù hợp Do đó, robot di động thường tích hợp cảm biến nhằm giúp cho chúng nhận biết Ngồi ra, robot di động cịn gắn kết với hệ thống máy tính điều khiển hệ thống cung cấp điện cho chuyển động cảm biến Tùy vào tính chất cơng việc, robot di động mang theo nguồn điện, camera, micro, cảm biến xử lý Tuy nhiên, robot di động có tải trọng định, nên thiết kế, cần tính tốn trọng lượng vật mang theo mức vừa phải Một đặc điểm quan trọng khác robot di động cần phải có tính tự động cách tương đối, nghĩa phải có khả tự làm hành động mà khơng cần có can thiệp người Phân loại Có thể phân loại robot di động dựa vào môi trường làm việc theo ứng dụng chúng Theo mơi trường làm việc có loại robot di động sau: - Robot di động không - Robot di động nước - Robot di động đất liền Tùy thuộc vào môi trường hoạt động mà loại robot cần hệ thống truyền động khác Đối với robot di động không, phận chuyển động cánh quạt hay cánh bay động cơ, với robot di động nước, tùy thuộc vào nơi làm việc hay mặt nước mà có cấu trúc truyền động khác nhau: làm việc mặt nước, phận chuyển động phao động với phận điều khiển, hoạt động sâu nước, phận chuyển động chân động phản lực; robot di động cạn có phận chuyển động đa dạng, phụ thuộc vào địa hình hoạt động mà phận chuyển động chân, bánh xe, bánh xích loại kết hợp Phổ biến robot di chuyển bánh xe Theo ứng dụng ta có loại robot di động sau: - Robot vận chuyển - Robot quân - Robot thám hiểm - Robot dịch vụ - Robot dân dụng - Robot giải trí Robot di động ứng dụng cho nhiều loại công việc khác từ xây dựng đến nơng nghiệp, từ đào mìn đến thăm dị dầu khí, xử lý mơi trường, y tế, giải trí, vận chuyển… Robot có khả giúp nhiều cơng việc mà người làm Tuy nhiên, có khả xảy cố đáng tiếc, robot giúp việc nhà hay hỗ trợ việc sinh hoạt hàng ngày, robot bị kiểm sốt linh kiện hệ thống bị bất ngờ gặp trục trặc ngồi tầm kiểm sốt 1.2 Các thành phần tiêu chí khả tự chủ robot tự hành - Tự bảo trì Yêu cầu để tự chủ hoàn toàn thể chất khả để robot tự chăm sóc thân Nhiều robot chạy pin thị trường tìm kết nối với trạm sạc Tự bảo trì dựa “nhận thức”, cảm nhận trạng thái bên robot nói chung hay robot tự hành nói riêng Trong ví dụ sạc pin, robot tự nhận biết pin hết sau tìm kiếm sạc Một cảm biến nhạy cảm phổ biến khác theo dõi nhiệt Khả tự nhận diện ngày tăng yêu cầu để theo dõi nhiệt Khả tự nhận diện ngày tăng yêu cầu để robot hoạt động tự chủ gần người môi trường khắc nghiệt Các cảm biến nhạy cảm phổ biến bao gồm cảm biến nhiệt, quang học xúc giác, hiệu ứng Hall (điện) - Cảm biến môi trường Khả mở rộng cảm nhận thứ mơi trường Robot tự hành phải có loạt cảm biến môi trường để thực nhiệm vụ chúng tránh gặp rắc rối Các cảm biến mở rộng phổ biến bao gồm phổ điện từ, âm thanh, cảm ứng, hóa chất, nhiệt độ, phạm vi tới đối tượng khác độ cao - Điều hướng tự động Điều hướng nhà: Để robotics liên kết hành vi với địa điểm (bản địa hóa) địi hỏi phải biết vị trí điều hướng từ điểm đến điểm Khi kỹ thuật nhà tiếp tục phát triển, robot hút bụi có khả làm phòng cụ thể người dùng định tồn tầng Robot an ninh hợp tác bao vây kẻ xâm nhập lối Khả tự chủ trời: Dễ dàng đạt có chương ngại vật Một số máy bay khơng người lái (UAV) có khả bay tồn sứ mệnh chúng mà khơng cần tương tác người, ngoại trừ khả hạ can thiệp cách sử dụng điều khiển vô tuyến 1.3 Nguyên lý hoạt động mobile robot Mobile robot hoạt động dựa nguyên lý sau: Nguyên lý 1: Dẫn đường với phương pháp dead – reckoning Hiện nay, phương pháp dead – reckoning mobile robot sử dụng phổ biến rộng rãi Đây giải pháp nhiều người lựa chọn cho độ xác cao, tốc độ lấy mẫu nhanh, giá thành lại thấp Phương pháp có ngun tắc tích lũy thông tin gia tốc chuyển động theo thời gian Nó thực cách dễ dàng, sử dụng liệu từ mã hóa số vịng quanh bánh xe nhờ theo phương trình đơn giản Phương pháp dead – reckoning dựa nguyên tắc chuyển đổi số vòng quay bánh xe thành độ dịch tuyến tính tương ứng robot Nguyên lý 2: Sử dụng hệ thống đường cột mốc chủ động Đây phương pháp dẫn đường mobile robot áp dụng chủ yếu tàu biển máy bay Nguyên lý hoạt động cung cấp thơng tin vị trí xác với q trình xử lý tối thiểu Bên cạnh cho phép tốc độ độ tin cậy lấy mẫu cao Thế nhưng, việc dẫn đường robot di động phương pháp sử dụng hệ thống đường cột mốc chủ động thường có giá cao Tại phương pháp sử dụng hệ thống đường cột mốc chủ động ta lại chia thành cách đo dùng hệ thống mốc chủ động là: Cách đo tam giác Phép đo góc tam giác Nguyên lý 3: Hệ thống dẫn đường cột mốc Tương tự hệ thống dẫn đường cột mốc chủ động, nhiên hệ thống dẫn đường có vật mốc nhân tạo tự nhiên Nguyên lý 4: Định vị sử dụng đồ Phương pháp định vị sử dụng đồ cho phép mobile robot sử dụng cảm biến trang bị để tạo đồ cục mơi trường xung quanh Sau đó, đồ so sánh trực tiếp với đồ lưu trữ sẵn nhớ Nếu hai đồ tương ứng với nhau, robot tính tốn vị trí góc hướng thực tế môi trường Trên thực tế, phương pháp định vị sử dụng đồ thường cho độ xác Do đó, muốn tăng độ xác kết hợp hai hay nhiều phương pháp định vị khác nêu cột mốc có vật mốc nhân tạo tự nhiên 1.4 Ưu điểm nhược điểm mobile robot 1.4.1 Ưu điểm Rất linh hoạt: Đây đặc tính robot di động dễ dàng chuyển động nhờ vào wheel mobile robot phận bánh xe, chân, tay, cánh quạt… Nhờ đó, mobile robot thực công việc địa điểm khác nhau, không cố định vị trí Biết định vị thu nhận thơng tin: Mobile robot có hệ thống control of mobile robot nên biết định vị “thu nhận” thông tin đầy đủ môi trường xung quanh Tiếp đưa định thực hành động cho phù hợp Mobile robot tích hợp cảm biến nên dễ dàng nhận biết việc xung quanh chúng Hơn nữa, chúng cịn gắn kết với hệ thống máy tính điều khiển hệ thống cung cấp điện cho chuyển động cảm biến Ngoài ra, dựa vào tính chất cơng việc khác mà mobile robot phải mang theo nguồn điện, camera, micro, cảm biến xử lý Tuy nhiên, mobile robot chịu tải trọng định nên thiết kế cần có tính tốn trọng lượng cho hợp lý vừa phải Tự động hóa: Mobile robot có tính tự động cách tương đối, nghĩa phải có khả tự làm hành động mà khơng cần có can thiệp bàn tay người 1.4.2 Nhược điểm Yêu cầu phức tạp: Mobile robot có yêu cầu cao hơn, đòi hỏi đầu tư nhiều Khác với robot cố định vận hành đơn giản, thực công việc có tính chất lặp lặp lại, mobile robot hoạt động không gian mở, cần thường xuyên thay đổi đầu tư phức tạp Chi phí đắt: Mobile robot có u cầu sản xuất cao chi phí đầu tư thường đắt so với loại robot khác Giới hạn tải trọng: Robot di động chịu vật có tải trọng vừa phải đáp ứng vật lớn 1.5 Ứng dụng mobile robot Mobile Robot dùng phổ biến môi trường độc hại, nơi người tới hay tới cách khó khăn nguy hiểm, Mobile Robot dùng lĩnh vực giải trí phục vụ đời sống Các nơi người khơng có khả đến Hỏa, đáy biển, núi lửa người ta phải sử dụng Robot tự hành với cấu trúc phù hợp với mơi trường Ví dụ như: Robot Sojourner nhiệm vụ tìm kiếm sống hỏa năm 1997 Robot MBARI’s ALTEX AUV robot hoạt động đáy biển với nhiệm vụ thăm dị độ phóng xạ, áp suất, độ sâu…và Robot Pioneer thiết kế để dị tìm kiểm tra nồng độ thảm họa Chernobyl Hình 1.1 Robot Pioneer Robot MBARI’s ALTEX AUV Mobile robot ứng dụng cho nhiều loại công việc khác từ xây dựng đến nơng nghiệp, từ đào mìn đến thăm dị dầu khí, xử lý mơi trường, y tế, giải trí, vận chuyển… - Ngành lắp ráp tự động Lắp ráp lốp: di chuyển lốp xe màu xanh từ lưu trữ trung gian để chữa trạm báo chí Thiết bị điện tử ô tô: PCBs di chuyển thành phần nhỏ cho dòng phụ bổ sung Phụ kiện tự động: vận chuyển totes đến từ trạm ép phun - Kỹ thuật số  Semiconductor wafer fab: vận tải WIP intrabay stockers để xử lý cơng cụ, lưới carơ vận tải cho q trình in ảnh litơ  Đóng gói bán dẫn kiểm tra: di chuyển khay chip IC qua xe đẩy - Mobile Device Sản xuất: di chuyển tote PCBs lắp ráp thiết bị cầm tay - Trung tâm liệu: giám sát môi trường xử lý cố máy chủ trang trại lớn - Đồ ăn - uống  Nhà máy Snack: di chuyển hộp tông để đóng gói đường  Cơ sở phục vụ: di chuyển totes thực phẩm nướng để phịng chứng khốn - Logictics  Kho hàng: thương mại điện tử thực đơn hàng, trung tâm phân phối hàng  Chung ánh sáng Sản xuất Sản phẩm / tiêu dùng - Sản xuất đồ trang sức  Di chuyển khuôn mẫu trang sức hồn thành trạm đúc  Sản xuất kính mát: băng tải ảo để di chuyển hộp kính mát từ ASRS đài xếp lại sau mang lại cho phần hoàn thiện đến tải - Khách san: Dịch vụ phòng giao hàng Trong cứu hộ quan trắc môi trường Sau nhiều năm nghiên cứu, thử nghiệm, nhóm nghiên cứu cho đời phiên robot tự hành mặt nước, robot ngầm nước với phiên khác Cụ thể, robot không người lái vận hành mặt nước (USV), coi phương tiện đại ngày giúp cho người khám phá nhiều môi trường nước, đặc biệt biển USV ứng dụng thực tế để nghiên cứu giám sát mơi trường (khí tượng, thủy văn học…); Lấy mẫu nước; Lập đồ; Tuần tra, trinh sát; Trung chuyển thông tin, vận tải thiết bị; Có thể mang vũ khí đa dạng tác vụ cho mục đích qn Ngồi ra, USV cịn kết hợp với robot khác tạo thành hệ thống tự động tự hành cho tác vụ lớn khơng nước USV nhóm chế tạo có phiên VIAM-USV1000, VIAM-USV1500, VIAM-USV2000, có khối lượng từ 23 – 150kg; tốc độ tối đa knots (1 knot = 1.852 km/h), kích thước từ 1,1 – 2m (dài) x 0,5 – 1m (rộng) x 0,2 – 0,35 m (cao) Thiết bị điều khiển phím chức năng, dễ dàng chuyển đổi chế độ điều khiển tự động tay Hình 1.2 Robot khơng người lái vận hành mặt nước VIAM-USV1000 Robot ngầm điều khiển từ xa (ROV), làm việc nước thời gian dài, môi trường khắc nghiệt ROV ứng dụng đặt, tháo gỡ bom mìn, thủy lôi 46; Tuần tra, đảm bảo an ninh, cứu hộ; Thăm dị mỏ dầu khí, khống sản; Đóng mở van, lắp đặt sửa chữa đường ống, bảo trì giàn khoan; Đào rãnh, lắp đặt, kiểm tra tình trạng cáp ngầm; Thu thập thơng tin địa hình, sinh học biển; Khảo cổ nước, thăm dò tàu đắm ROV nhóm chế tạo có phiên VIAM-ROV500, VIAM-ROV900, KIAL-CROV, có khối lượng từ 25 – 70kg, kích thước 0.6 – 1m (dài) x 0.37 -0,6m (rộng), 0.4 – 0,9 m (cao), tốc độ tối đa knots Hình 1.3 Robot ngầm điều khiển từ xa (ROV) Robot ngầm tự hành (AUV), cải tiến ROV, phương tiện khơng người lái có khả tự hành cao cho ứng dụng nước Chủ yếu có dạng ngư lôi với động đẩy cánh lái, có tính tự điều khiển AUV trang bị thiết bị cảm biến, phục vụ đa dạng tác vụ cho mục đích quân dân dụng xây dựng đồ đáy biển; Khảo sát, giám sát theo khu vực; Thăm dò bề mặt địa chất, thu thập thơng tin mỏ, khống sản; Phát hiện, tiêu diệt mục tiêu nước, rà phá bom mìn; … AUV với độ sâu di chuyển 100m, có khối lượng 31,5kg, kích thước 0.18m x 1.67m, tốc độ knots M 2 C2  L d L ( ) ya (2.54) dt y a Với: d L ( ) mya  mc d C   mc d  2C  dt x a L 0 y a  M  C2  d L L ( ) mxa  m cdC  m cd 2S  xa dt xa (2.55) + Ta có phương trình động lực học biến  : M  C3  d L L ( ) dt   (2.56) d L ( )  mcdS xa  mcdC ya  I  mcdC x a  mcdS y a dt  L  mc d C x a  mc d S y a  d L L  M  C3  (  )   mc dS xa  mc dC ya  I  dt    m d C x  m d S y  m d C x  m d S y c a c a  M  C3  mc dS xa  mc dC ya  I c a (2.58) + Ta có phương trình động lực học biến 1 : 1  C5  d L L ( )  dt 1 1 (2.59) 34 c a d L ( ) I w 1 dt  L 0 1 1 : Mô men bánh xe trái  1  C  d L L  ( ) I w.  dt 1 1 + Ta có phương trình động lực học biến 2  C4  d L L ( ) 2 dt  2 : (2.61) d L ( ) I w 2 dt  L 0  2 : Mô men bánh xe phải d L L  2  C4  ( Iw.2 ) dt  1 (2.62) Tổng hợp phương trình (2.53), (2.55), (2.57), (2.59), (2.61) ta có hệ phương trình sau: 35 mxa  mcdS  mcd C M  C1  mya  mc dC  mcd S M  C   mcdS x a  m cdC y a  I M  C  I w.2 2  C4  1 1  C5 Iw    (C1, C2, C3, C4, C5) hệ số liên quan đến ràng buộc động học  C1  C   2 T  ( qg )   C3     C4   C5  (2.62) Phương trình chuyển động thu được biểu diễn dạng phương trình ma trận tổng quát sau: H *( q g ).q g  C *( qg , q g ).q g B *( qg ).  T ( q g ). Trong đó:  m   * H ( q g )    mc dS     0 m  mc dS mcdC mc dC I 0 Iw 0 0 36 0 0  0  0 I w  (2.63) 0 0  C*( qg , q g )   0  0 0  B* ( qg )   1  0  mc dS mc dC 0 0 0 0 0 0 0  0  0    S C   T  ( q g ).     0 0  0  0 1 C S L R C  S   1    L   2       3   R  Với mục đích điều khiển mô chuyển động xe, hai bánh xe truyền động từ hai động Phương trình (2.63) phương chuyển thành dạng đơn giản loại bỏ điều kiện ràng buộc biết T (q g ).  chưa Đặt vecto tốc độ bánh xe có dạng:           (2.64) Biểu thị vecto vận tốc tổng quát sử dụng phương trình (2.32) ta có:  RC  x a    y   RS  a  R         L   2        Ta viết (2.65) dạng: 37 RC  RS   R  2   .  L   1    (2.65) q g S (qg ) (2.66) Có thể chứng minh ma trận biến đổi ràng buộc ( qg ) S (q g ) không gian rỗng ma trận Vì có: S T ( q g ).T ( q g ) 0 (2.67) Kế tiếp, ta đạo hàm theo thời gian phương trình (2.66):   S( q )  q S ( q )  g g g (2.68) Thay (2.66), (2.68) vào phương trình (2.63) ta có:  S T ( q g ) H * ( q g ) S ( q g )   S T ( q g )  H * ( q g ) S ( q g )  C* ( q g , q g ).S ( q g )   S( qg ) B* ( qg )   ST ( qg ) T ( qg ).  S (q )B * (q )    S T (q g )H * (q )S (q g )  H * (q g )S (q g ) C * (q g , q g ).S (q g )   g g Sắp xếp lại phương trình nhân vế với sau: S T (q g ) ta phương trình (2.70)   S T ( qg )  H * (q g ) S ( qg )  C* (qg , q g ).S (q g )  S T (qg ) H * (qg ) S (qg )   S ( q g ) B* ( q g ).  S T ( q g ) T ( q g ).  S (q )B * (q )    S T (q g )H * (q )S (q g )  H * (q g )S (q g ) C * (q g , q g ).S (q g )   g g Do: S T (q g ).T (q g ) 0 (2.71) Đặt ma trận mới: H (q ) S T (qg ) H * (qg ) S (qg ) (2.72) C( q , q )  ST ( qg )  H * ( qg ) S ( qg )  C* ( qg , q g ).S ( qg )  T * B S (qg )B (qg ) (2.74) 38 (2.73) q Từ đó, để đơn giản sử dụng vecto vi trí xe q thay cho vecto tổng qt g Khi phương trình động lực học trở thành:   C (q , q ) B  H ( q ) (2.7) Trong đó:  R2  L2 ( mL  I )  I  H (q )   R  4L2 ( mL  I )  C( q , q )  R2  m d  L c  R2 ( mL2  I )  L2  R2  ( mL  I )  I   4L2  (2.76)  R2 mc d  2L   (2.77)  0 B    0 (2.78) Phương trình (2.75) cho thấy động lực học robot mô tả hàm phụ thuộc vào tốc độ góc bánh xe chủ động phải bánh xe chủ động trái robot  ,  ) , tốc độ góc  mơ men động bánh chủ động (1 , 2 ) ( 39 CHƯƠNG 3: MƠ PHỎNG THUẬT TỐN ĐIỀU KHIỂN PID BẰNG MATLAB SIMULINK Bộ điều khiển 40 Phương trình động học Khối Iterator 41 Khối quỹ đạo 42 Khối sai lệch Kết mô 43 44 Bộ điều khiển trượt Matlab function function [x,y,teta] = fcn(t) x=5.*cos((pi/15).*t) y=5.*sin((pi/15).*t) teta=(pi/15).*t+(pi/2) end Bộ ĐK-DSC 45 Mơ hình Robot DSC 46 Kết mô 47 48