thiết kế phương pháp điều khiển robot tự hành dựa trên cơ sở logic mờ, chương 9 doc

Chương 9: Thuật toán điều khiển Mobile robot, định nghĩa các biến v ào ra Như mô hình Mobile robot đã xây dựng ở Chương II, robot gồm 3 bánh, 2 bánh chủ động ở phía sau được gắn với 2 động cơ, 1 bánh lái phía trước có khả năng quay tự do. Nhiệm vụ của Mob ile robot là di chuy ển dọc theo tường và duy trì một khoảng cách xác định với tường. Nó sẽ được gắn hai cảm biến đo khoảng cách v à đo góc của trục robot so với hướng di cần chuyển. Trong mô hình điều khiển này thì các yếu tố như nhiễu, ma sát trượt, lực quán tính c ủa xe sẽ được bỏ qua. Ở đây ta chỉ xét tới các yếu tố liên quan tới robot là góc θ, khoảng cách X đ từ tâm robot tới tường. Bộ phận được tác động để điều khiển robot là 2 động cơ gắn với 2 bánh phải và trái. Gi ả sử ta cho robot chạy theo một đường có khoảng cách so với tường là X đ . Khi robot di chuyển, nó bị lệch ra khỏi đường đó, lúc đó sẽ có sự sai lệch cả về vị trí và tư thế của nó so với y êu cầu. Bộ điều khiển sẽ có nhiệm vụ xử lý các tín hiệu báo về từ các cảm biến để xác định các sai lệch, từ đó đưa ra các tín hiệu điều khiển 2 động cơ như thế nào đó để robot về quỹ đạo ban đầu. Bộ điều khiển mờ được thiết kế trong Fuzzy Logic Toolbox sẽ có đầu vào là các sai l ệch về vị trí ∆e x (bao gồm sai lệch Âm và sai lệch Dương), sai lệch về góc ∆e t (bao gồm sai lệch Âm và sai lệch Dương). Hình 4.5. Robot trong tọa độ Decade Bộ điều khiển sẽ có hai tín hiệu đầu vào là sai lệch góc ∆e t và sai l ệch khoảng cách ∆e x , hai đầu ra là hai tín hiệu điều khiển 2 động cơ chủ động, thực tế thì đó là các xung điện điều khiển tốc độ hai động cơ. Sơ đồ khối to àn bộ hệ thống được thể hiện ở hình 4.5. Giá tr ị của các sai lệch về góc định hướng θ là ∆e t sẽ nằm trong khoảng từ -0,3 đến 0,3 radian. Các giá trị sai lệch về khoảng cách ∆e x sẽ nằm trong khoảng từ -4 inch đến 4 inch (khoảng - 100mm đến 100mm). Giá trị đầu ra của bộ điều khiển mờ ( FLC ) sẽ là các giá trị vận tốc góc bánh phải (ω r ) , bánh trái ( ω l ). Các giá trị này còn phụ thuộc sự ràng buộc về kết cấu cơ khí của robot. Trong trường hợp này ta chọn dải từ -3 đến 3 rad/s Kết quả tính toán ∆e x và ∆e t Fuzzy Logic Controller ROBOT sensor θ , x ∆e x ∆e x w l w r y X sai lệch Âm sai l ệch D ương ∆e x ∆e t Hình 4.6. Sơ đồ khối toàn bộ Mobile robot 4.2.2.Xác định tập mờ a. Miền giá trị vật lý cơ sở của các biến ngôn ngữ -Tín hiệu sai lệch giữa góc đặt như trên chọn trong khoảng : -0,3≤ ∆e t ≤0,3 (rad) - Sai l ệch khoảng cách nằm trong khoảng : -4 ≤ ∆e x ≤ 4 (inch) - Tín hiệu đầu ra, vận tốc góc bánh trái và bánh phải : -3 ≤ ω l ≤ 3 rad/s -3 ≤ ω r ≤ 3 rad/s b. Số lượng tập mờ ( giá trị ngôn ngữ ) Về nguyên tắc, số lượng tập mờ cho mỗi biến ngôn ngữ thường nằm trong khoảng từ 3 đến 10 giá trị. Nếu số lượng tập mờ nhỏ hơn 3 thì ít có ý nghĩa, vì không thể thực hiện được việc chi tiết hóa các phương án xử lý. Nếu lớn hơn 10 thì đòi hỏi người lập trình phải xử lý một khối lượng lớn các suy luận, phải nghiên cứu đầy đủ để đồng thời phân biệt khoảng từ 5 đến 9 phương án khác nhau và phần cứng phải có khả năng lưu trữ lớn, cũng như khả năng xử lý nhanh đặc biệt trong bài toán điều hướng robot hoạt động trong môi trường thực (l à bài toán yêu cầu cần có tốc độ xử lý và khả năng lưu trữ rất lớn). Đối với quá tr ình điều khiển robot có thể chọn giá trị ngôn ngữ như sau : + ∆e x {ÂM, KHÔNG, DƯƠNG} + ∆e t  {ÂM, KHÔNG, DƯƠNG} + ω r  {CHẬM, TRUNG BÌNH, NHANH} + ω l  {CHẬM, TRUNG BÌNH, NHANH} c. Các hàm liên thuộc Đây là điểm cực kì quan trọng vì quá trình làm việc của bộ điều khiển mờ phụ thuộc rất nhiều v ào dạng và kiểu hàm liên thu ộc. Do vậy cần chọn kiểu hàm liên thuộc có phần chồng lên nhau và ph ủ kín miền giá trị vật lý, để trong quá trình điều khiển không xuất hiện “lỗ hổng” và tránh trường hợp với một giá trị vật lý rõ đầu vào x 0 mà tập mờ đầu ra có độ cao bằng không (miền xác định l à tập rỗng ) và bộ điều khiển không thể đưa ra một quyết định điều khiển nào được gọi l à hiện tượng “cháy nguyên tắc”. Mặt khác, hàm liên thuộc được chọn sao cho miền tin cậy của nó chỉ có một phần tử, hay nói cách khác chỉ tồn tại một điểm vật lý có độ phụ thuộc bằng độ cao của tập mờ. Đối với quá tr ình điều khiển Mobile robot có 4 tập mờ. Mỗi tập mờ có 3 biến ngôn ngữ, tương ứng với n ó là các giá trị ngôn ngữ. + Sai lệch khoảng cách Δe x và sai lệch góc định hướng Δe t có có các bi ến giá trị AM ( Âm ), KHONG ( Không ), DUONG ( Dương ). + Giá trị đầu ra là vận tốc góc ω l và ω l có các biến giá trị CHAM ( Chậm ), TRUNGBINH ( trung bình ), NHANH ( nhanh ). M ỗi giá trị ngôn ngữ sẽ được gắn với một hàm phụ thuộc dạng tam giác. Hình 4.7. Hàm phụ thuộc của sai lệch khoảng cách Δe x Hình 4.8. Hàm phụ thuộc của sai lệch góc định hướng Δe t Hình 4.9. Hàm phụ thuộc đầu ra bánh phải ω r 1 0.5 0 0 31.5-1.5 Hàm phụ thuộc D ải giá trị đầu ra vận tốc góc bánh phải ω r (rad/s) TRUNGBINHCHAM NHANH 1 0.5 0 0 0.30.15-0.15 Hàm phụ thuộc Sai l ệch góc định h ư ớng Δe t (radian) DUONGKHONGAM 1 0 42-2 Hàm phụ thuộc Sai l ệch khoảng cách ( inch ) AM KHONG DUONG Hình 4.10. Hàm phụ thuộc đầu ra bánh trái ω l d. Rời rạc hóa các tập mờ - Hàm liên thuộc của sai lệch góc Δe t là μ t (t) và được rời rạc tại 5 điểm : t  {-0.3, -0.15, 0, 0.15, 0.3 } - Hàm liên thu ộc của sai lệch khoảng cách ∆e x là μ x (x) và được rời rạc hóa tại 5 điểm : X  { -4, -2, 0, 2, 4 } - Hàm liên thu ộc đầu ra ω r , ω l là μ ω (ω ) được rời rạc hóa tại 5 điểm: ω  { -3, -1.5, 0, 1.5, 3 } 1 0.5 0 0 31.5-1.5 Hàm phụ thuộc D ải giá tr ị đầu ra vận tốc góc bánh trái ω l (rad/s) CHAM TRUNGBINH NHANH Thứ tự quá trình xây dựng bộ Fuzzy Logic Cotroller được thực hiện trong Fuzzy Logic Toolbox theo thứ tự các hình dưới đây: Hình 4.11. Sơ đồ các biến vào/ra của FLC Hình 4.11.Xây dựng các biến vào ra cho FLC Biến đầu vào Bộ hợp thành Lựa chọn luật hợp thành Phương pháp giải mờ Tên biến và giá trị Biến đầu ra Hình 4.12. Đặt giá trị cho các hàm phụ thuộc vào/ ra của FLC e. Xây dựng các luật hợp thành Từ kinh nghiệm thực tế mà ta xây dựng được 9 luật điều khiển : Bảng 4.1. Luật điều khiển cơ bản cho vận tốc góc bánh phải ω r Δe x /Δe t AM KHONG DUONG AM CHAM CHAM CHAM KHONG CHAM NHANH TRUNGBINH DUONG CHAM TRUNGBINH NHANH Bảng 4.2. Luật điều khiển cơ bản cho vận tốc góc bánh trái ω l Δe x /Δe t AM KHONG DUONG AM NHANH TRUNGBINH CHAM KHONG TRUNGBINH NHANH CHAM DUONG CHAM CHAM CHAM - Luật R1: NẾU Δe x là AM VÀ Δe t AM là THÌ ω r là CHAM VÀ ω l là CHAM - Lu ật R2: NẾU Δe x là AM VÀ Δe t là KHONG THÌ ω r là CHAM VÀ ω l là TRUNGBINH - Lu ật R3: NẾU Δe x là AM VÀ Δe t là DUONG THÌ ω r là CHAM VÀ ω l là CHAM - Luật R4: NẾU Δe x là KHONG VÀ Δe t là AM THÌ ω r là CHAM VÀ ω l là TRUNGBINH - Lu ật R5: NẾU Δe x là KHONG VÀ Δe t là KHONG THÌ ω r là NHANH VÀ ω l là NHANH - Lu ật R6: NẾU Δe x là KHONG VÀ Δe t là DUONG THÌ ω r là TRUNGBINH VÀ ω l là CHAM - Lu ật R7: NẾU Δe x là DUONG VÀ Δe t là AM THÌ ω r là CHAM VÀ ω l là CHAM - Lu ật R8: NẾU Δe x là DUONG VÀ Δe t là KHONG THÌ ω r là TRUNGBINH VÀ ω l là CHAM - Lu ật R9: NẾU Δe x là DUONG VÀ Δe t là DUONG THÌ ω r là NHANH VÀ ω l là CHAM Ví d ụ một trường hợp luật R1 như hình 4.13, Mobile robot đi ra ngoài quỹ đạo, sai số khoảng cách một khoảng là Δe x = AM (âm) và sai s ố góc định hướng Δe t = AM. Hình 4.13. Trường hợp robot đi sai khỏi quỹ đạo ICC  nhanh Chậm X Bên phải Bên trái Lúc này, để về quỹ đạo ban đầu thì đòi hỏi bánh trái phải quay nhanh (NHANH ) và bánh phải quay chậm lại ( CHAM ) ứng với luật R1. f. Chọn thiết bị hợp thành Đối với trường hợp điều khiển Mobile robot, chúng ta sẽ chọn thiết bị thực hiện luật hợp thành theo phương pháp MAX- MIN. g. Chọn nguyên lý giải Mờ Giải mờ là quá trình xác định rõ giá trị đầu ra của bộ điều khiển. Việc chọn phương pháp giải mờ cũng gây ảnh hưởng đến độ phức tạp và trạng thái làm việc của hệ thống. Đối vơi bộ điều khiển Mờ FLC sử dụng cho Mobile robot ở đây ta dùng phương pháp điểm trọng tâm (Centroid ), bởi v ì phương pháp này có sự tham gia của tất cả các kết luận điều khiển R1, R2, R3, R4, R5, R6, R7, R8, R9. Quá trình xây d ựng luật điều khiển và hợp thành được tiến hành trên Fuzzy toolbox như trong h ình 4.14 và 4.15. [...]...Hình 4.14 Xây dựng các luật điều khiển Hình 4.15 Các luật điều khiển Bộ điều khiển được mô hình hóa dưới dàng không gian 3D : Hình 4.16.Mô tả bộ điều khiển trên không gian 3D cho bánh phải Hình 4.17 Mô tả bộ điều khiển trên không gian 3D cho bánh trái Sau khi xây dựng xong, bộ điều khiển Mờ FLC sẽ được lưu dưới dạng một file FLC.fis . pháp điểm trọng tâm (Centroid ), bởi v ì phương pháp này có sự tham gia của tất cả các kết luận điều khiển R1, R2, R3, R4, R5, R6, R7, R8, R9. Quá trình xây d ựng luật điều khiển và hợp thành. CHAM ) ứng với luật R1. f. Chọn thiết bị hợp thành Đối với trường hợp điều khiển Mobile robot, chúng ta sẽ chọn thiết bị thực hiện luật hợp thành theo phương pháp MAX- MIN. g. Chọn nguyên lý. bộ điều khiển. Việc chọn phương pháp giải mờ cũng gây ảnh hưởng đến độ phức tạp và trạng thái làm việc của hệ thống. Đối vơi bộ điều khiển Mờ FLC sử dụng cho Mobile robot ở đây ta dùng phương