Tôi xin cam đoan luận văn “ĐIỀU KHIỂN ROBOTINO DI CHUYỂN THEO ĐƯỜNG BĂNG ỨNG DỤNG GIẢI THUẬT FUZZY”, với sự hướng dẫn khoa học của Thầy PGS.TS. ĐẶNG XUÂN KIÊN, không trùng với bất kỳ đề tài luận văn nào khác từ trước tới nay. Các tài liệu tham khảo đều có nguồn gốc xuất xứ. Các số liệu trình bày trong luận văn đã được kiểm tra và phản ánh hoàn toàn trung thực. Các kết quả đã được thí nghiệm và mô phỏng trên phần mềm Matlab cũng là kết quả đưa ra trên mô hình thực. Những nội dung trong luận văn đúng như nội dung trong đề cương và yêu cầu của thầy hướng dẫn. Nếu sai tôi hoàn toàn chịu trách nhiệm
BỘ GIAO THÔNG VẬN TẢI TRƯỜNG ĐẠI HỌC GIAO THÔNG VẬN TẢI TP.HCM - - - - - o0o - - - - - NGUYỄN NGÔ THANH TÂN ĐIỀU KHIỂN ROBOTINO DI CHUYỂN THEO ĐƯỜNG BĂNG ỨNG DỤNG GIẢI THUẬT FUZZY LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT Thành Phố Hồ Chí Minh – Năm 2019 BỘ GIAO THƠNG VẬN TẢI TRƯỜNG ĐẠI HỌC GIAO THÔNG VẬN TẢI TP.HCM - - - - - o0o - - - - - NGUYỄN NGÔ THANH TÂN ĐIỀU KHIỂN ROBOTINO DI CHUYỂN THEO ĐƯỜNG BĂNG ỨNG DỤNG GIẢI THUẬT FUZZY CHUYÊN NGÀNH: KỸ THUẬT ĐIỀU KHIỂN TỰ ĐỘNG VÀ TỰ ĐỘNG HÓA MÃ SỐ: 1581031017 LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT CBHDKH: PGS.TS ĐẶNG XUÂN KIÊN Thành Phố Hồ Chí Minh – Năm 2019 LUẬN VĂN ĐƯỢC HOÀN THÀNH TẠI TRƯỜNG ĐẠI HỌC GIAO THƠNG VẬN TẢI THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH Cán hướng dẫn khoa học : PGS.TS ĐẶNG XUÂN KIÊN Cán chấm nhận xét 1: PGS.TS Võ Công Phương Cán chấm nhận xét 2: TS Phạm Công Thành Luận văn thạc sĩ bảo vệ Trường Đại học Giao thơng vận tải Thành phố Hồ Chí Minh ngày 07 tháng 08 năm 2019 Thành phần Hội đồng đánh giá luận văn thạc sĩ gồm: PGS.TS Đồng Văn Hướng Chủ tịch Hội đồng PGS.TS Võ Công Phương Uỷ viên phản biện TS Phạm Công Thành Uỷ viên phản biện TS Lưu Hoàng Minh Uỷ viên TS Võ Nguyên Sơn Uỷ viên thư ký Thành phần Hội đồng đánh giá luận văn Trưởng khoa quản lý chuyên ngành sau luận văn sửa chữa CHỦ TỊCH HỘI ĐỒNG TRƯỞNG KHOA ĐIỆN – ĐTVT LỜI CAM ĐOAN Tôi tên là: Nguyễn Ngô Thanh Tân Học viên lớp Cao học khoá 2016-2018 Chuyên ngành Kỹ thuật điều khiển Tự động hoá, Trường Đại Học GiaoThông Vận Tải Tp.HCM Tôi xin cam đoan luận văn “ĐIỀU KHIỂN ROBOTINO DI CHUYỂN THEO ĐƯỜNG BĂNG ỨNG DỤNG GIẢI THUẬT FUZZY”, với hướng dẫn khoa học Thầy PGS.TS ĐẶNG XUÂN KIÊN, không trùng với đề tài luận văn khác từ trước tới Các tài liệu tham khảo có nguồn gốc xuất xứ Các số liệu trình bày luận văn kiểm tra phản ánh hoàn toàn trung thực Các kết thí nghiệm mô phần mềm Matlab kết đưa mơ hình thực Những nội dung luận văn nội dung đề cương u cầu thầy hướng dẫn Nếu sai tơi hồn toàn chịu trách nhiệm TP.HCM, ngày tháng năm 2019 Người cam đoan Nguyễn Ngô Thanh Tân LỜI CẢM ƠN Em xin kính gửi đến Thầy PGS.TS ĐẶNG XUÂN KIÊN lời cảm ơn sâu sắc, Thầy tận tình hướng dẫn hỗ trợ giúp em hoàn thành luận văn Em xin chân thành cảm ơn đến với thầy cô trường Đại học Giao Thông Vận Tải TP HCM, giảng dạy nhiệt tình suốt khóa học Những kiến thức quý báu giúp em hoàn thành luận văn hành trang giúp em vững bước công việc sau Cuối cùng, xin cảm ơn giúp đỡ bạn bè Những năm tháng học tập gắn bó, hỗ trợ, động viên bạn việc học, giúp đỡ để em hoàn thành luận văn TP.HCM, ngày tháng năm 2019 Người cam đoan Nguyễn Ngô Thanh Tân MỤC LỤC MỤC LỤC CHƯƠNG 1: 13 TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN ROBOTINO 13 1.1 Đặt vấn đề 13 1.2 Tổng quan chung lĩnh vực nghiên cứu: 16 1.3 Mục tiêu phạm vi nghiên cứu 19 1.3.1 Mục tiêu nghiên cứu 19 1.3.2 1.4 Phạm vi nghiên cứu 20 Tóm lược nội dung luận văn: 20 CHƯƠNG 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT 22 2.1 Các khái niệm hệ mờ 22 2.2 Định nghĩa tập mờ 22 2.3 Biến ngôn ngữ hệ mờ 23 2.4 Các phép toán tập mờ: 24 2.5 Luật hợp thành 24 2.5.1 Mệnh đề mờ: 24 2.5.2 Mệnh đề hợp thành 25 2.6 Giải mờ 26 2.6.1 Phương pháp cực đại 26 2.6.2 Phương pháp trọng tâm: 26 2.6.3 Phương pháp trung bình: 26 2.7 Điều khiển mờ: 26 2.7.1 Bộ điều khiển mờ: 27 2.7.2 Trình tự thiết kế điều khiển mờ 28 2.7.3 Cơ sở luật mờ, giải mờ mờ PID (theo phương pháp Mamdani) 29 CHƯƠNG 3: XÂY DỰNG BỘ ĐIỀU KHIỂN VÀ THIẾT KẾ MƠ HÌNH HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN ROBOTINO .30 3.1 Cấu trúc phần cứng thông số kỹ thuật Robot Robotino 30 3.1.1 Tổng quát: 30 3.1.2 Khung gầm sườn lệnh: 31 3.1.3 Thiết kế chức năng: 32 3.1.4 Bánh xe: 33 3.1.5 Bộ điều khiển: 36 3.1.6 Module giao tiếp I/O: 37 3.1.7 Nguồn điện/ Bộ sạc 37 3.1.8 Cảm biến: 38 3.1.9 Incremental encoder: 38 3.2 Mơ hình toán .39 3.3 Thiết kế điều khiển Mờ .42 3.3.1 Sơ đồ khối tổng quát hệ thống 42 3.3.2 Phương pháp điều khiển: 44 3.3.3 Bộ điều khiển Mờ 45 3.4 Khảo sát đáp ứng điều khiển robot mô 50 3.4.1 Đáp ứng điều khiển robot chưa ứng dụng giải thuật Fuzzy điều khiển 50 3.4.1.1 Sơ đồ simulink 50 3.4.1.2 Kết mô 51 a Tại vận tốc vx= 100: thời gian mô 25000ms 51 b Tại vận tốc vx=150, thời gian mô 25000ms 53 c Tại vận tốc vx=200, thời gian mô 25000ms .55 d Tại vận tốc vx=300, thời gian mô 25000ms 57 3.4.2 Đáp ứng điều khiển ứng dụng giải thuật Fuzzy 60 3.4.2.1 Sơ đồ simulink với ngõ vào analog điều khiển ngõ vx: 60 3.4.2.2 So sánh kết điều khiển non-fuzzy vận tốc vx=100 fuzzy theo vx 61 a Tại vận tốc vx biến thiên từ 100-200, thời gian mô 25000ms 61 b Tại vận tốc biến thiên từ 100-300, thời gian mô 25000ms .63 c Tại vận tốc biến thiên từ 100-500, thời gian mô 25000ms 64 3.4.2.3 Sơ đồ simulink với ngõ vào analog điều khiển ngõ vx w:66 3.4.2.4 So sánh đáp ứng điều khiển không dùng fuzzy vận tốc vx=100 dùng fuzzy điều khiển vx, w: 67 a Tại vận tốc biến thiên từ 100-300, thời gian mô 25000ms 67 b Tại vận tốc biến thiên từ 100-500, thời gian mô 25000ms .69 3.4.2.5 So sánh đáp ứng điều khiển dùng fuzzy điều khiển vx fuzzy điều khiển vx, w 72 a Tại vận tốc 100-500, thời gian mô 25000ms: .72 3.5 Thực nghiệm mô hình hệ thống điều khiển Robotino 74 3.5.1 Xây dựng mơ hình 74 3.5.2 Thực nghiệm điều khiển mơ hình Robotino bám đường băng ứng dụng giải thuật Fuzzy 75 3.5.3 Kết thực nghiệm .76 a Khi chưa áp dụng giải thuật fuzzy 76 b Khi áp dụng giải thuật fuzzy .799 CHƯƠNG 4: KẾT LUẬN 85 4.1 Những kết đạt 85 4.2 Hạn chế đề tài 85 4.3 Hướng phát triển đề tài 85 TÀI LIỆU THAM KHẢO 86 PHỤ LỤC 87 DANH MỤC TỪ VIẾT TẮT TT Từ viết tắt Diễn giải PID Robot Robotino USB universal serial bus PC Personal Computer LAN Local Area Network HD High Definition I/O Input/output DC Direct Current VGA 10 W-LAN Wireless local area network 11 SDRAM Synchronous Dynamic RAM Proportional-Integral-Drivative Video Graphics Array MỤC LỤC CÁC HÌNH Hình 1.1: Mơ chuyển động robotino 17 Hình 1.2: Sơ đồ khối hệ thống điều khiển vị trí 17 Hình 1.3: Bộ điều khiển mờ 18 Hình 2.1: Biểu diễn hàm liên thuộc tập rõ tập mờ 23 Hình 2.2: Biểu diễn biến ngơn ngữ miền giá trị 23 Hình 2.3: Một điều khiển mờ 27 Hình 2.4: Một điều khiển mờ PID 27 Hình 2.5: Cơ sở luật mờ giải mờ mờ PID 29 Hình 3.1: Robotino mobile robot 30 Hình 3.2: Vị trí ba bánh xe sensor đế Robotino 31 Hình 3.3: Khung gầm sườn lệnh robot 31 Hình 3.4: Mơ tả vị trí lắp đặt bánh xe acquy 32 Hình 3.5: Mơ tả cầu lệnh vị trí gắn camera 33 Hình 3.6: Cấu trúc bánh xe robot 34 Hình 3.7: Các cổng giao tiếp robot 37 Hình 3.8: Sơ đồ khối hệ thống điều khiển vị trí robot 41 Hình 3.9: Sơ đồ điều khiển robortino bám quỹ đạo định trước 44 Hình 3.10: Cấu trúc điều khiển fuzzy matlab 45 Hình 3.11: Thơng số ngõ vào đáp ứng ngõ điều khiển fuzzy vận tốc 100-200 46 Hình 3.12: Thơng số ngõ vào đáp ứng ngõ điều khiển fuzzy vận tốc 100-300 47 Hình 3.13: Sơ đồ điều khiển robot ứng dụng fuzzy theo vx 47 Hình 3.14: Thơng số kỹ thuật ngõ điều khiển fuzzy 48 3.5.3 Kết thực nghiệm a Khi chưa áp dụng giải thuật fuzzy: Tại vận tốc 50mm/s, thời gian hoạt động 5000ms Hình 3.68: Quỹ đạo thực nghiệm robot mơ hình thực tế vận tốc 50mm/s Hình 3.69: Đồ thị tọa độ x robot vận tốc 50mm/s Hình 3.70: Đồ thị tọa độ y robot vận tốc 50mm/s 76 Hình 3.71: Đồ thị góc phi robot vận tốc 50mm/s Tại vận tốc 100mm/s, thời gian hoạt động 5000ms Hình 3.72: Quỹ đạo thực nghiệm robot mơ hình thực tế vận tốc 100mm/s Hình 3.73 : Đồ thị tọa độ x robot vận tốc 100mm/s 77 Hình 3.74: Đồ thị tọa độ y robot vận tốc 100mm/s Hình 3.75: Đồ thị góc phi robot vận tốc 100mm/s Nhận xét: Mặc dù kết mô hoạt động tốt với vận tốc 100mm/s, nhiên thực tế, robot hoạt động tốt với vận tốc 50mm/s, vận tốc 100mm/s, robot bị lệch khỏi quỹ đạo khúc quanh Quỹ đạo vẽ lại suốt thời gian online sử dụng phương pháp tính tốn cố định bộc lộ rõ nhược điểm khiến cho quỹ đạo vẽ lại không hoàn hảo 78 b Khi áp dụng giải thuật fuzzy: Tại dải vận tốc (100-300) mm/s, thời gian mô 5000ms Hình 3.76: Quỹ đạo thực nghiệm robot mơ hình thực tế vận tốc (100-300) mm/s Hình 3.77: Đồ thị tọa độ y robot vận tốc (100-300) mm/s 79 Hình 3.78: Đồ thị tọa độ y robot vận tốc (100-300) mm/s Hình 3.79: Đồ thị góc phi robot vận tốc (100-300) mm/s Nhận xét: Khi áp dụng giải thuật fuzzy, Robot hoạt động tốt với dải vận tốc (100300) mm/s, suốt q trình hoạt động robot ln bám sát quỹ đạo quãng đường dịch chuyển dài đơn vị thời gian Tương tự, quỹ đạo vẽ lại suốt thời gian online sử dụng phương pháp tính tốn cố định bộc lộ rõ nhược điểm khiến cho quỹ đạo vẽ lại khơng hồn hảo 80 CHƯƠNG 4: KẾT LUẬN Những kết đạt 4.1 - Từ lý thuyết điều khiển mờ, Học viên tìm hiểu để điều khiển robotino di chuyển bám đường băng theo quỹ đạo không định trước dựa công cụ Matlab/Simulink - Xây dựng sơ đồ điều khiển Matlab/Simulink thu kết kiểm nghiệm hệ thống điều khiển robotino di chuyển bám đường băng theo quỹ đạo không định trước Hạn chế đề tài 4.2 - Chưa xây dựng hệ thống điều khiển robotino tránh chướng ngại vật di chuyển theo quỹ đạo - Chưa xây dựng phương pháp vẽ lại quỹ đạo xác theo thực tế - Chưa sử dụng nhiều phương pháp điều khiển khác để thực so sánh kết với đề tài Hướng phát triển đề tài 4.3 Từ phân tích hạn chế đề tài, tác giả đề nghị hướng phát triển sau: - Xây dựng thêm thuật toán điều khiển robotino tránh chướng ngại vật tĩnh động khác - Xây dựng thuật toán vẽ lại quỹ đạo xác theo thực tế - 81 TÀI LIỆU THAM KHẢO *TIẾNG VIỆT [1] Nguyễn Như Hiền & Lại Khắc Lãi (2007), Hệ Mờ Noron kỹ thuật điều khiển, Nhà xuất Khoa học Tự Nhiên Công nghệ [2] Nguyễn Thiện Phúc, Nguyễn Văn Minh, Trần Ngọc Toản, Phạm Đăng Phước (2000), Nghiên cứu thiết kế chế tạo robot sơn phủ RSP-406, Cơng trình HN Tự động hố Tồn quốc VICA [3] Lê Hoài Quốc (2004), Nghiên cứu thiết kế chế tạo robot phục vụ sản xuất điều kiện môi trường độc hại khơng an tồn *TIẾNG NƯỚC NGỒI [4] Mohammed Rabeea Hashim Al-Dahhan, Dr Mohammad M Ali, 2016 13th, Path Tracking Control of a Mobile Robot using Fuzzy Logic, Department ofMechatronics Engineering, University of Philadelphia, Jordan [5] S E Oltean, M Duläu, R Puskas, Position Control of Robotino Mobile Robot Using Fuzzy Logic, University of Tg Mures *MỘT SỐ TÀI LIỆU TỪ INTERNET : [6] https://robots.ros.org/robotino/ [7] Festo Didactic GmbH & Co KG, Robotino manual v201, 07/2012 82 PHỤ LỤC CHƯƠNG TRÌNH CHẠY MATLAB/SIMULINK Khai báo thư mục tool: cd ( getenv('ROBOTINOMATLAB_DIR')) addpath( strcat( getenv('ROBOTINOMATLAB_DIR'), '/blockset' ) ); addpath( strcat( getenv('ROBOTINOMATLAB_DIR'), '/toolbox' ) ); addpath( strcat( getenv('ROBOTINOMATLAB_DIR'), '/blockset/images/jpg' ) ); Chương trình chạy robotino ComId = Com_construct; OmniDriveId = OmniDrive_construct; AnalogInputId = AnalogInput_construct(0); BumperId = Bumper_construct; Com_setAddress(ComId, '127.0.0.1:8080'); Com_connect(ComId); OmniDrive_setComId(OmniDriveId, ComId); AnalogInput_setComId(AnalogInputId, ComId); Bumper_setComId(BumperId, ComId); tStart = tic; while (Bumper_value(BumperId) ~= 1) tElapsed = toc(tStart); if(tElapsed >= 60 ) break; end; value = AnalogInput_value(AnalogInputId); value = (value - 5.97656) * 3; OmniDrive_setVelocity(OmniDriveId, 100, ,value); end; AnalogInput_destroy(AnalogInputId); Bumper_destroy(BumperId); OmniDrive_destroy(OmniDriveId); Com_destroy(ComId); Cấu hình fuzzy điều khiển vx [System] Name='Fuzzy_Robotino' Type='mamdani' Version=2.0 83 NumInputs=1 NumOutputs=1 NumRules=3 AndMethod='min' OrMethod='max' ImpMethod='min' AggMethod='max' DefuzzMethod='centroid' [Input1] Name='sensor' Range=[2 10] NumMFs=3 MF1='E1':'trimf',[2 6] MF2='E2':'trimf',[4 8] MF3='E3':'trimf',[6 10] [Output1] Name='vx' Range=[100 200] NumMFs=2 MF1='VX1':'trimf',[100 110 120] MF2='VX3':'trimf',[120 170 200] [Rules] 2, (1) : 1, (1) : 3, (1) : Cấu hình fuzzy điều khiển vx, w [System] Name='Fuzzy_Robotino_1in_2out_100_300' Type='mamdani' Version=2.0 NumInputs=1 NumOutputs=2 NumRules=7 AndMethod='min' OrMethod='max' ImpMethod='min' AggMethod='max' DefuzzMethod='centroid' [Input1] Name='input1' Range=[2 10] NumMFs=7 MF1='E1':'trimf',[2 MF2='E2':'trimf',[3 MF3='E3':'trimf',[4 MF4='E4':'trimf',[5 MF5='E5':'trimf',[6 MF6='E6':'trimf',[7 MF7='E7':'trimf',[8 4] 5] 6] 7] 8] 9] 10] [Output1] 84 Name='output1' Range=[100 300] NumMFs=2 MF1='VX1':'trimf',[100 125 150] MF2='VX3':'trimf',[150 250 300] [Output2] Name='output2' Range=[-30 30] NumMFs=7 MF1='w1':'trimf',[-30 -22.5 -15] MF2='w2':'trimf',[-22.5 -15 -7.5] MF3='w3':'trimf',[-15 -7.5 0] MF4='w4':'trimf',[-7.5 7.5] MF5='w5':'trimf',[0 7.5 15] MF6='w6':'trimf',[7.5 15 22.5] MF7='w7':'trimf',[15 22.5 30] [Rules] 4, (1) 3, (1) 2, (1) 1, 1 (1) 5, (1) 6, (1) 7, (1) : : : : : : : 1 1 1 85 ĐIỀU KHIỂN MỜ ROBOTINO DI CHUYỂN THEO QUỸ ĐẠO ROBOTINO FUZZY CONTROL MOVING TO THE ORBIT Đặng Xuân Kiên, Nguyễn Ngô Thanh Tân Trường Đại học Giao thông vận tải Tp Hồ Chí Minh Tóm tắt: Trong báo này, đề xuất điều khiển logic mờ cho hệ thống điều khiển mơ hình rơ bốt Robotino di chuyển theo quỹ đạo bất kì, khơng cố định, hệ thống có tính phổ biến mơ hình Mobile robot Thực tế, vấn đề điều khiển Mobile robot di chuyển theo quỹ đạo gặp nhiều thách thức ảnh hưởng vận tốc sai số không xác định hệ thống So sánh kết với số phương pháp điều khiển tuyến tính khác Kết mô cho thấy giải thuật fuzzy điều khiển robot cho đáp ứng tốt biến thiên vận tốc, điều chứng minhhiệu giải thuật đề xuất Từ khóa: Biến thiên vận tốc, Robotino, logic mờ, Mobile Robot Abstract: In this paper, we use a fuzzy controller to control any orbital movement of the robotino which is a common control system for Mobile robot In fact, the problem of controlling mobile robots in orbit is always challenging under the influence of speed and unspecified errors of the system The simulation results show that the fuzzy algorithm of robot control gives a good response in terms of variable velocity, which proves the effectiveness of the proposed algorithm Keyword: Variable velocity, Robotino, fuzzy logic, Mobile Robot robot di động, giải số vấn đề điển [4,5]: - Tự động điều hướng; - Kiểm soát hành vi; - Kiểm soát tốc độ; -Tạo đồ môi trường không xác định; - Theo dõi tính tự nhiên mơi trường robot; - Điều hướng dựa tầm nhìn Tất nhiên, giao điểm lĩnh vực logic mờ robot di động trở nên rõ ràng Hơn nữa, hầu hết thiết kế báo cáo dựa phương pháp điều khiển thông minh điều khiển logic mờ mạng nơ ron [4, 5] Đối tượng nghiên cứu đề tài hướng đến Robotino Robotino hệ thống robot di động tiếng dành cho phạm vi nghiên cứu thực nghiệm, giáo dục mục đích nghiên cứu khác, chế tạo phát triển Festo Didactic Robotino tích hợp tất chức tương tự hệ thống robot cơng nghiệp, đại Bộ điều khiển với cấu hình mạnh mẽ; hệ thống cảm biến đa chức năng; cấu chấp hành linh hoạt, cứng cáp, Đặt vấn đề Hiện nay, lĩnh vực tự động hóa có vai trị vơ to lớn phát triển tích cực xã hội Với nhiệm vụ tăng suất, tăng độ xác sản phẩm, đồng thời, giảm thiểu hoạt động người môi trường độc hại khắc nghiệt, robot ngày sử dụng rộng rãi hệ thống dây chuyền sản xuất đại nhiều lĩnh vực ngành công nghiệp để thay người Cùng với phát triển khoa học công nghệ, robot đại ngày có khả tự chủ để tham gia vào sống người, địi hỏi tương tác phản ứng robot với tín hiệu, cụ thể mức độ tự động hóa cao [1,2] Mức độ tự động hóa cao tự chủ robot có giao thoa nghiên cứu từ lĩnh vực khác khoa học xã hội, trí tuệ nhân tạo, robot, tự động hóa, khoa học máy tính [3] Một bước tiến lĩnh vực chế tạo robot đối phó với điều khơng chắn môi trường người đời logic mờ Ngày logic mờ sử dụng lĩnh vực khác nhau, trường hợp 86 nhỏ gọn; chương trình đơn gián, đa dạng, dễ sử dụng với nhiều ngơn ngữ lập trình hệ thống khác Trong trình điều khiển robot di chuyển bám theo quỹ đạo, vận tốc di chuyển robot ảnh hưởng đến việc bám sát quỹ đạo định trước quỹ đạo có lúc đường thẳng, có lúc khúc quanh Muốn robot bám sát quỹ đạo với sai số nhỏ nhất, phải chọn vận tốc khúc quanh để robot bám sát quỹ đạo với sai số nhỏ nhất, vận tốc khơng đổi suốt q trình di chuyển, điều ảnh hưởng đến tốc độ làm việc robot Vì vậy, báo áp dụng logic mờ vào điều khiển mơ hình Robotino nhằm tối ưu vận tốc di chuyển robot bám sát quỹ đạo, qua đó, tăng quãng đường di chuyển robot Cấu trúc phần cứng mơ hình tốn học Robot Robotino 2.1 Cấu trúc phần cứng Robotino cấu hình gồm bánh xe Mecanum, xếp góc 120 độ, điều khiển độc lập Các bánh xe điều khiển di chuyển phía trước, chạy ngược phía sau, chạy ngang di chuyển theo vịng trịn với tốc độ tối đa lên đến 10km/h Bảng 1: Thông số kỹ thuật robotino [8] stt Robotino Kích thước robot: - Đường kính 370mm, chiều cao 210, trọng lượng tổng thể 11kg tải trọng tối đa 5kg Cảm biến: - cảm biến khoảng cách hồng ngoại Sharp GD2D120, cảm biến điện cảm tương tự, , cảm biến quang, webcam với giao tiếp USB, mã hóa quang Bộ điều khiển: Bộ xử lý PC 104, tương thích với hệ điều hành MOPSlcdVE, tần số 300 MHz, Linux với kernel thời gian thực, SDRAM 128 MB, Thẻ flash nhỏ gọn với API C ++ để kiểm sốt Robotino, truy cập mạng LAN khơng dây, Giao diện: Ethernet, x USB, x RS-232 Module giao tiếp I/O: - Ngõ điều khiển bánh xe đa hướng độc lập đặt vị trí lệch góc 120o, 10 ngõ vào tương tự (0 - 10V, 50 Hz), ngõ tương tự, 16 ngõ vào/ra dạng số, relay tốc di chuyển [2]: - - - ωi: vận tốc góc bánh xe i (vận tốc góc bánh xe mơ tả vectơ ωwh); vi: vận tốc di chuyển bánh xe riêng lẻ (vận tốc bánh xe mơ tả vectơ vwh); r: bán kính bánh xe; R: khoảng cách từ bánh xe đến trung tâm robot; xr, yr: mô tả hệ tọa độ robot; Ω: vận tốc quay tiếp tuyến robot; φi: mô tả vòng quay trục bánh xe so với hệ tọa độ robot Xác định vận tốc robot từ vận tốc bánh xe thực cách đảo ngược ma trận [1] Giai đoạn thứ hai xử lý mối quan hệ bánh xe vận tốc vận tốc robot thể trục tọa độ [1,2] - xw yw: mô tả hệ trục tọa độ; θ góc quay hệ tọa độ robot so với hệ trục tọa độ Đơn giản hóa công thức cách thay ma trận biến đổi từ vận tốc bánh xe sang vận tốc di chuyển với Twh → w [1,2] Sử dụng biểu thức dẫn xuất trên, xác định vận tốc thực robot từ phép đo vận tốc góc ba bánh xe cách đảo ngược ma trận Twh → w 2.2 Mơ hình tốn học Phương trình (1), (2) (3) thể mối quan hệ để xác định vị trí robot Hình Mơ hình tốn học robot Robotino [2] Mối quan hệ vận tốc bánh xe vận 87 mơi trường thực tế Phương pháp tính tốn cố định tạo điều kiện đơn giản để ước tính vị trí robot dựa vị trí xác định trước vận tốc thời gian trơi qua biết vị trí Vị trí ước tính robot di chuyển từ thời điểm t0 thời điểm t1 xác định cách sử dụng phương trình [5] (4) nằm quỹ đạo kim loại, ngõ có giá trị 9,95117V [7] Để thử nghiệm, sau nhận giá trị ngõ ra, ta trừ 5,97656 (là giá trị trung bình 2,00195 9,95117), sau nhân với hệ số tỷ lệ Kết cuối đặt làm giá trị đầu vào cho Omega hàm OmniDrive_setVelocity Sau nhiều lần thử với vận tốc khác nhau, ta đặt tốc độ theo phương X cố định 100 mm/s, tốc độ theo phương y = để đảm bảo robot theo sát đường quay hướng [7] Do cảm biến xuất giá trị điện áp 2,00195V≈2V nằm đường quỹ đạo, ngược lại, ngõ có giá trị 9,95117V≈10V cảm biến không nằm quỹ đạo nên chọn dải giá trị đầu vào input1 từ [2 10] Thêm vào đó, với vận tốc theo phương x, robot bám đường băng tốt khúc quanh nên chọn dải ngõ vào sau: E1[2,4,6], E2[4,6,8], E3[6,8,10] Ngõ với dải vận tốc VX1[100 125 150], VX3 [150 250 300] Mô 4.1 Thông số điều khiển mờ Bộ luật mờ xây dựng sau: xw(t1) yw(t1) hệ tọa độ dịch chuyển thời điểm t1; - (t1) góc định hướng thời điểm t1; - xw,0 yw,0 hệ tọa độ dịch chuyển thời điểm t0; - θ0 góc định hướng thời điểm t0 Trong trường hợp báo, quy trình điều khiển Robotino ngơn ngữ Matlab thông qua giao tiếp không dây đơn giản hóa cách sử dụng Robotino Matlab Toolbox Thơng tin vị trí Robotino thu cách sử dụng mã hóa trục quang phương pháp tính tốn cố định (hình học robot) If (sensor is E4) then (vx is VX3) (w is w4) If (sensor is E3) then (vx is VX1) (w is w3) If (sensor is E2) then (vx is VX1) (w is w2) If (sensor is E1) then (vx is VX1) (w is w1) If (sensor is E5) then (vx is VX1) (w is w5) If (sensor is E6) then (vx is VX1) (w is w6) If (sensor is E7) then (vx is VX1) (w is w7) Nhược điểm phương pháp tính tốn cố định vị trí xác định từ vị trí trước đó, nên lỗi xuất quy trình tích lũy, lỗi ước tính vị trí tăng dần theo thời gian Thiết kế điều khiển mờ: Qu ỹ đạ Cảm biến Vẽ quỹ đạo xw, yw, θ u Mơ hình động học robot Bộ điều khiển Fuzzy ωwh vx, vy, ω Robot x, y, θ Bộ mã hóa quang Hình Sơ đồ khối hệ thống điều khiển robot Trong đó, u điện áp đọc từ cảm biến, vx vy vận tốc tuyến tính robot theo hướng Ox Oy; x, y, θ vị trí hướng robot [6] Nếu cảm biến đường quỹ đạo kim loại, xuất giá trị điện áp 2,00195V ngược lại, cảm biến khơng Hình Bộ điều khiển logic mờ Madami 88 Hình So sánh đồ thị tọa độ x robot không dùng fuzzy điều khiển vx fuzzy điều khiển vx, w dải vận tốc 100-300 mm/s Hình Sơ đồ điều khiển Robotino sử dụng Matlab Toolbox 4.2 Kết mô so sánh với điều khiển logic mờ: Hình So sánh đồ thị góc phi robot khơng dùng fuzzy điều khiển vx fuzzy điều khiển vx, w dải vận tốc 100-300 mm/s Tại vận tốc biến thiên từ 100-300 mm/s, thời gian mô 25000ms Nhận xét: Từ kết mô dùng logic mờ, ta thấy, mặt đáp ứng robot bám sát quỹ đạo di chuyển di chuyển quãng đường dài đơn vị thời gian Thực nghiệm mơ hình vật lý 5.1 Mơ hình vật lý Hình Mơ hoạt động robot vận tốc Vx=300mm/s Hình So sánh quỹ đạo dịch chuyển robot không dùng fuzzy điều khiển vx fuzzy điều khiển vx, w dải vận tốc 100-300 mm/s Hình 10 Mơ hình robot Robotino Hình So sánh đồ thị tọa độ x robot không dùng fuzzy điều khiển vx fuzzy điều khiển vx, w dải vận tốc 100-300 mm/s Hình 11 Thực nghiệm mơ hình Robotino bám quỹ đạo Trong khối máy tính có nhiệm vụ điều khiển thu thập liệu tọa độ robot 89 để vẽ lại quỹ đạo dịch chuyển thông qua giao tiếp không dây Giá trị điện áp tương tự từ cảm biến đưa vào điều khiển logic mờ để điều khiển vận tốc theo phương x góc xoay robot nhằm bảo đảm robot giảm vận tốc khúc quanh tăng tốc đoạn thẳng để đạt quãng đường di chuyển dài mà bám sát quỹ đạo 5.2 Kết thực nghiệm Kết luận Trong báo tác giả sử dụng logic mờ để điều khiển hệ thống rơ bốt bám sát quỹ đạo nhằm mục đích tối ưu vận tốc quỹ đạo thay đổi hình dạng Đáp ứng hệ thống tốt dải vận tốc Vx từ 100-300mm/s Tuy nhiên, thông tin vị trí Robotino thu cách sử dụng mã hóa trục quang phương pháp tính tốn cố định (hình học robot) nên quỹ đạo thu thập máy tính chưa phản ánh xác quỹ đạo dịch chuyển robot Qua mô Matlab, kết so sánh với cơng trình nghiên cứu khác, báo chứng minh khả di chuyển nhanh bám sát quỹ đạo sử dụng logic mờ Tuy nhiên, robot chưa có khả tránh vật cản quỹ đạo hay tự tìm lại quỹ đạo bị quỹ đạo Kết thực nghiệm sơ để tác giả tiến hành cải tiến chất lượng điều khiển nghiên cứu sau Hình 12 So sánh quỹ đạo dịch chuyển thực nghiệm robot non-fuzzy fuzzy dải vận tốc biến thiên từ 100-300mm/s TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] Mohammed Rabeea Hashim Al-Dahhan, Dr Mohammad M Ali, 2016 13th, Path Tracking Control of a Mobile Robot using Fuzzy Logic, Department ofMechatronics Engineering, University of Philadelphia, Jordan Hình 13 So sánh đồ thị tọa độ x thực nghiệm robot non-fuzzy fuzzy điều khiển vx, w dải vận tốc 100-300 mm/s [2] S E Oltean, M Duläu, R Puskas, Position Control of Robotino Mobile Robot Using Fuzzy Logic, University of Tg Mures.2010 [3] C Barten, “Control of mobile robot”, 2007 [4] R Siegwart, I.R Nourbakhsh, “Autonomous mobile robots”, A Bradford Book, The MIT Press, 2004 [5] A Saffioti, “Fuzzy logic in autonomous robot navigation, a case study”,1997 [6] R Choomuang, N Afzulpurkar, “Hybrid Kalman filter/fuzzy logic based position control of autonomous mobile robot”, International Journal of Advanced Robotic Systems, vol.2, no.3, pp.197-208, 2005 Hình 14 So sánh đồ thị tọa độ y thực nghiệm robot non-fuzzy fuzzy điều khiển vx, w dải vận tốc 100-300 mm/s [7] https://robots.ros.org/robotino/ (Bài báo giai đoạn phản biện chỉnh sửa để đăng tạp chí khoa học cơng nghệ.) Hình 15 So sánh đồ thị góc phi robot nonfuzzy fuzzy điều khiển vx, w dải vận tốc 100300mm/s 90