Điều khiển robot chui ống dùng kỹ thuật điều khiển mờ

1 CHƯƠNG I TỔNG QUAN 2 1.1 GIỚI THIỆU TỔNG QUAN Cùng với sự phát triển vượt bậc của nhân loại cả về khoa học kỹ thuật lẫn kinh tế . Ngày nay, Robot không còn xa lạ với mọi người với những cái tên như ASIMO, TITAN… 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 kinh điển không còn đáp ứng được nữa, yêu cầu đặt ra là phải xây dựng một bộ điều khiển đa năng, thông minh hơn. 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. Đề tài “Điều khiển mờ Pipeline Robot “( Robot đường ống ) là một ứng dụng của logic mờ trong điều khiển. Một số công trình nghiên cứu về lĩnh vực này đã được công bố trong và ngoài nước: - Thiết kế và chế tạo mô hình robot đường ống của nhóm tác giả Võ Anh Huy, Đặng Văn Nghìn Nội dung chính của bài báo là giới thiệu một loại robot đường ống. Các bộ phận liên kết dùng để tạo ra sự chuyển động của robot. Tất cả các bánh xe của nó bám sát vào mặt trong của ống và có thể thay đổi tùy theo đường kính của ống như 180 đến 240 mm. Robot có thể được điều khiển từ xa không dây thông qua sóng radio, trong bài báo này dùng cách điều khiển có dây. - Điều khiển robot bằng logic mờ của tác giả Vũ Anh Đào Trong bài này, tác giả sử dụng logic mờ để điều khiển một đối tượng di động là robot Khepera. Mỗi chuyển động được định nghĩa bằng một tập mờ dựa vào vị trí robot, giá trị của sensor, khoảng cách và góc so với vị trí đích. Để robot tránh chướng ngại vật, một bộ ghi nhớ đường đi được thiết kế để robot có thể tìm được đường đi mới khi nó gặp chướng ngại vật. Bài báo này bao gồm phần 1 giới thiệu chung về phương pháp này. Phần 2 giới thiệu qua về các hệ thống mờ. Phần 3 giới thiệu bộ mô phỏng robot Khepera và các phép biến đổi biến cần thiết cho các hệ thống điều khiển. Phần 4 giới thiệu mô hình bộ điều khiển và phần 5 chỉ ra các kết quả đạt được. 3 - Nhóm tác giả Kentarou Nishijima, Yixiang.Sun, Rupesh Kumar.Srivastava, Harutoshi. Trong bài báo này, tác giả đã khảo sát tính chất của tín hiệu vô tuyến với ống dẫn bằng thép và phát triển một hệ thống thông tin liên lạc không dây sử dụng sóng radio. Mặt khác, tác giả đã phát triển và thử nghiệm robot mới tích hợp cả hệ thống kiểm tra hình ảnh bằng cách sử dụng thông tin vô tuyến do đại học Waseda chuyển giao và hệ thống kiểm tra dùng đầu dò quay do Viện Công nghệ Ấn Độ chuyển giao. Trong thí nghiệm này, tác giả xác nhận rằng có thể điều khiển robot không dây bằng hệ thống thông tin liên lạc bên trong ống thu thập các hình ảnh và một số tín hiệu từ đầu dò. - Nhóm tác giả B. Kuntze and H. Haffner Hơn 20 phần trăm hệ thống thoát nước của nước Đức hư hỏng là do lâu năm. Việc lập dự toán cho các chi phí phục hồi là khoảng 100 tỷ DM. Và kết quả là chính phủ Đức đã ban hành trong luật môi trường tương đối nghiêm là chủ sở hữu của hệ thống thoát nước phải kiểm tra thường xuyên bằng công nghệ và phương tiện kiểm tra phù hợp. Tuy nhiên, thực tế thì các hệ thống kiểm tra có sẵn trên thị trường vượt trội hơn so với những công nghệ đơn giản nhưng không đáp ứng được yêu cầu của thực tế. Để lấp khoảng trống này, trong một dự án hợp tác R & D với 4 đối tác công nghiệp và các viện nghiên cứu robot cao cấp, hệ thống kiểm tra Karo được phát triển và đầu tiên là để phát hiện tự động vị trí và kích thước của thiệt hại trong hệ thống thoát nước. Hệ thống bao gồm camera màu độ phân giải cao và nhiều cảm biến trong đó phát triển hệ thống kính quang 3D, siêu âm và cảm biến vi sóng. Như vậy, robot đi trong đường ống để phát hiện những hư hỏng trong các đường ống cũng như trong môi trường xung quanh ống. Hơn nữa, các robot có nhiều cảm biến còn dùng để thăm dò cấu trúc trong hệ thống thoát nước chưa biết bằng cảm biến nhiệt hạch và phân loại hư hỏng trên cơ sở fuzzy. Trong đó, hệ thống KARO được giới thiệu và báo cáo kết quả kiểm tra. - Nhóm tác giả Majid. M. Moghaddam, and Alireza. Hadi Robot kiểm tra được sử dụng nhiều trong lĩnh vực công nghiệp. Một ứng dụng để kiểm tra và giải quyết vấn đề bên trong các đường ống và kênh rạch. Đặc biệt là kiểm tra một đường ống ngầm. Ngoài ra, nhiều cảm biến được sử dụng trên các robot để nâng cao chất lượng kiểm tra. Trong đó, một robot kiểm tra (PIC) có thể di chuyển bên trong ống nằm ngang và thẳng đứng được thiết kế tự động của đại học Tarbiat 4 Modares. Hơn nữa, các bộ phận khác được lắp đặt trên robot này để kiểm tra. Việc điều khiển và định hướng cho robot trong các đường ống được thảo luận. Thực hiện thí nghiệm để đánh giá khả năng chuyển động của robot trong đường ống thẳng đứng và khúc khủy. Robot này bao gồm hai camera DOF để theo dõi, bộ siêu âm để đo độ dày thành ống. Các đầu dò siêu âm phát hiện bên trong đường ống ở góc độ khác nhau như mong muốn. Hơn nữa, các robot có thể thay đổi kích thước bên ngoài và thích nghi với kích thước bên trong đường ống, để điều chỉnh áp lực cần thiết giữa robot và đường ống. Tất cả được điều khiển thông qua bộ điều khiển bằng phím khi nhận được tín hiệu video của camera trên một màn hình. Các phần cứng hệ thống điều khiển là một vi điều khiển dựa trên cơ sở điều chế PWM và chuyển đổi A/D. Robot được điều khiển bằng cách đo dòng của động cơ. Ngoài ra, vị trí và vận tốc của động cơ được đo bằng bộ mã hóa. - Nhóm tác giả Mihaita HORODINCA, Ioan DOROFTEI, Emmanuel MIGNON, André PREUMO Bài báo trình bày một cấu trúc cơ bản robot dùng để kiểm tra bên trong đường ống. Robot gồm hai thành phần. Một bộ phận định hướng bằng các bánh xe chuyển động song song với trục của ống và phần còn lại tạo ra lực xoắn để xoay bánh xe quay quanh trục của ống. Một động cơ được đặt giữa hai bộ phận để tạo ra chuyển động. Tất cả các bánh xe được đặt phía trước để phù hợp với thay đổi đường kính ống, robot này tự động. Các bộ phận được chế tạo phù hợp với sự thay đổi của đường kính ống lên đến 170 mm. Robot này được dùng để kiểm tra đường ống. - Nhóm tác giả Shabiul Islam, Mukter Zaman, Bakri Madon, and Masuri Othman Bài báo trình bày một mô hình thiết kế cho một robot điều khiển tự động (MRC) phần cứng là một tập hợp các khái niệm sử dụng Fuzzy Logic (FLA). Các MRC cho phép điều khiển không cần sự can thiệp của con người. Cấu trúc phần cứng của robot tự động và sử dụng dễ dàng. Ngoài ra, Fuzzy logic còn là một giải pháp thông minh trong việc điều khiển một vấn đề nào đó khi không chắc chắn. Trong bài báo này, các cấu trúc phần cứng thiết kế của MRC đã được thực hiện với các khái niệm về điều khiển robot tự động sử dụng các lý thuyết của thuật toán mờ. Sơ đồ khối của MRC bao gồm bộ mờ hóa, luật mờ, suy luận mờ và giải mờ. Mô hình của thuật toán MRC đầu tiên phát triển trên MATLAB. Khi có kết quả tin cậy trên MATLAB, các mô hình MRC được chuyển 5 sang mô hình VHDL để thực hiện phần cứng, tiếp theo là công cụ tổng hợp Quartus II từ Altera được tổng hợp từ các cổng logic. Các mã tổng hợp được tải về ở Field Programmable Gate Array (FPGA) để xác minh tính đúng đắn của thuật toán MRC dựa trên cấp độ thực hiện của VLSI. (a) Robot đường ống do PGS TS Đặng Văn Nghìn và KS Võ Anh Huy chế tạo (b) Hệ thống Robot quét bụi của nhóm Võ Xuân Quốc (ĐH Bách khoa TP.HCM) 6 Một số hình ảnh robot đường ống được giới thiệu trong và ngoài nước Hình 1.1: Robot kiểm tra hệ thống cống (Công ty TNHH thoát nước đô thị TPHCM) Hình 1.2: Robot vệ sinh đường ống nước thải (do nhóm nghiên cứu của Trường đại học Sư Phạm Kỹ Thuật TP HCM) Hình 1.3. Robot chui ống & Robot quét bụi 7 1.2 KHẢO SÁT ĐƯỜNG ỐNG VÀ LỰA CHỌN PHƯƠNG ÁN XÂY DỰNG MÔ HÌNH PIPELINE ROBOT Rất nhiều nơi từ các nhà máy lớn đến một ngôi nhà, robot được sử dụng để làm việc thay con người. Tuy nhiên, những vấn đề khó khăn như đường ống bị xuống cấp, ăn mòn, xói mòn, vết nứt và những hư hỏng do những nguyên nhân khác đã xảy ra trong đường ống. Vì vậy, bảo dưỡng đường ống là điều cần thiết và hơn thế nữa chi phí bảo dưỡng đường ống tăng lên theo thời gian. Các đường ống bị tắt nghẽn để lại những hậu quả nghiêm trọng. Hầu hết các chất lỏng và khí được vận chuyển bằng đường ống và đường ống còn dùng để dẫn nước thải, bùn, nước, Đường ống là một phần không thể thiếu trong các công trình xây dựng đô thị. Tuy nhiên các đường ống này cần phải được bảo trì và chi phí bảo trì tăng theo thời gian. Thực tế có nhiều người làm việc trong môi trường rất khó khăn chẳng hạn như trong đường ống thiếu không khí, dơ bẩn, hình dạng và kích thước đường ống thay đổi. Vì vậy robot được coi như là một giải pháp hữu hiệu để thay thế con người làm việc trong đường ống, hiện nay đã có nhiều loại robot đường ống khác nhau. Luận văn này thiết kế và chế tạo Robot đi bên trong lòng của đường ống có tiết diện dạng hình tròn không chỉ di chuyển dọc theo đường ống , mà còn di chuyển theo phương đứng, trong đường ống có cấu trúc và đường kính thay đổi. Hình 1.4: Đường ống dẫn dầu hoặc nước. 8 Hình 1.5: Đường ống dẫn khí Ethanol. Hình 1.6: Đường ống dẫn khí Hydrogen. Hình 1.7: Đường ống dẫn nước tước tiêu và nước thải. Hệ thống xử lý chất thải có hai phần: hệ thống thoát nước và hệ thống thoát khí . Hệ thống thoát nước bao gồm hệ thống đường ống dẫn nước thải đến hệ thống xử lý chất thải của thành phố để đảm bảo vấn đề vệ sinh và sức khỏe và để đảm bảo không bị tắt nghẽn thì hệ thống cấp thoát nước cần phải được xây dựng nghiêng theo độ dốc phù hợp. Như đã đề cập ở trên, đường ống phải được bảo trì tốt để duy trì chức năng, mặc dù vật liệu và kỹ thuật chế tạo đường ống đã cải thiện đáng kể đảm bảo độ bền cao, 9 nhưng hầu hết các đường ống thoát nước được chôn dưới đất. Vì vậy, hoạt động bảo dưỡng đường ống gặp rất nhiều khó khăn vì nhiều lý do như đường ống quá nhỏ mà con người không thể vào làm việc được và mọi người không muốn làm việc bên trong đường ống vì bẩn và nguy hiểm, Khi đường ống thoát nước bị tắt nghẽn thì bùn lầy và chất dơ bẩn bị tràn ra ngoài lúc này cần phải khắc phục sự tắt nghẽn, nếu không thì tất cả các khu vực có thể bị ngập do nước bẩn. Dù nhận thức được tính chất nghiêm trọng của vấn đề này, nhiều chính quyền thành phố vẫn không khắc phục được kịp thời hệ thống ống nước do rất khó tiếp cận những đường ống bị bể hoặc rò rỉ. Cách thức được áp dụng hiện nay là đào đường ở những khu vực bị nghi ngờ hư hỏng, dù phương pháp này rất bị động và hao tiền tốn của. Đó là chưa kể có những khu vực không thể đào hầm được vì nhiều lý do. Có một số phương pháp khác để khắc phục như dùng cây dài để khai thông nhưng ta gặp khó khăn khi đường ống bị uốn cong. Ngoài ra, có thể sử dụng không khí với áp suất cao để sục rửa nhưng cũng rất khó khăn. Giải pháp hiệu quả nhất là sử dụng robot để giải quyết tình huống này. Nếu một robot có thể đi được trong đường ống tìm và khắc phục vấn đề trên thì có thể làm giảm đáng kể chi phí và thời gian phục hồi và cũng giảm nhân lực. 10 Hình 1.8: Các vấn đề có thể xảy ra đối với đường ống. 1.2.1 Những vấn đề xảy ra khi khảo sát thiết kế 1.2.1.1 Khó khăn về mặt cơ khí Khó khăn thứ nhất là khi robot đi trong đường ống có tiết diện tròn có cấu tạo thay đổi liên tục về kích thước và hình dạng ngang, dọc ( Ví dụ: đường ống cong, hình chữ T, hình chữ thập và một số dạng đặc biệt khác). Khi nó làm việc trong đường ống một vấn đề lớn đặt ra là khả năng xử lý các tình huống trong đường ống thẳng đứng do ảnh hưởng của trọng lực và lực ma sát, yêu cầu robot phải bám chặt để không bị rơi khi di chuyển trong đường ống thẳng đứng và đảm bảo ổn định khi có sự thay đổi kích thước. Vì vậy, để khắc phục những tình huống trên robot đòi hỏi phải xử lý hầu hết các tình huống như kích thước của robot phải thay đổi phù hợp với sự biến đổi của đường kính đường ống và thậm chí còn phức tạp hơn nếu đường ống bị hư . [...]... Pipeline robot và phương pháp điều khiển mờ ứng dụng cho robot - Nghiên cứu thiết kế chế tạo và điều khiển Pipeline robot - Xây dựng giải thuật điều khiển cho Pipeline robot - Mô phỏng hệ thống hệ thống điều khiển các động cơ sử dụng trong Pipeline robot trên phần mềm Matlab - Thiết kế và chế tạo mô hình Pipeline robot 1.4 ĐỐI TƯỢNG NGHIÊN CỨU Tìm hiểu nguyên lý hoạt động của robot và phương pháp điều khiển, ... BỘ ĐIỀU KHIỂN MỜ 2.3.1 Cấu trúc một bộ điều khiển mờ (2.4) 29 Hình 2.5: Sơ đồ khối bộ điều khiển mờ 30 Một bộ điều khiển mờ gồm 3 khâu cơ bản: + Khâu mờ hoá + Thực hiện luật hợp thành + Khâu giải mờ Ngoài ra còn có khối giao diện vào và giao diện ra Xét bộ điều khiển mờ MISO sau, với véctơ đầu vào X = [ u1 u2 R1 If … Then… H1 y’ X Rn If … Then … Hn Hình 2.6: Sơ đồ bộ điều khiển mờ 2.3.2 Nguyên lý điều. .. tượng điều khiển là phi tuyến thì bộ điều khiển PID kinh điển không thể đảm bảo chất lượng điều khiển tại mọi điểm làm việc Do đó để điều khiển các đối tượng phi tuyến ngày nay người ta thường dùng kỹ thuật hiệu chỉnh PID mềm (dựa trên phầm mềm), đây chính là cơ sở của thiết kế PID mờ hay PID thích nghi 35 2.4.1 Sơ đồ điều khiển sử dụng bộ điều khiển PID mờ : Hình 2.9: Sơ đồ điều khiển sử dụng PID mờ. .. phân loại các BĐK mờ theo phương pháp điều khiển: i Điều khiển Mamdani (MCFC) ii Điều khiển mờ trượt (SMFC) iii Điều khiển tra bảng (CMFC) iv Điều khiển Tagaki/Sugeno (TSFC) 2.3.4 Thiết kế bộ điều khiển mờ • Các bước thiết kế: B1 : Định nghĩa tất cả các biến ngôn ngữ vào/ra B2 : Xác định các tập mờ cho từng biến vào/ra (mờ hoá) + Miền giá trị vật lý của các biến ngôn ngữ + Số lượng tập mờ + Xác định hàm... điều khiển Do bộ điều khiển mờ có khả năng xử lý các giá trị vào/ra biểu diễn dưới dạng dấu phẩy động với độ chính xác cao nên chúng hoàn toàn đáp ứng được yêu cầu của một bài toán điều khiển rõ ràng và chính xác 2.3.3 Phân loại bộ điều khiển mờ Cũng giống như điều khiển kinh điển, bộ điều khiển mờ được phân loại dựa trên các quan điểm khác nhau: Theo số lượng đầu vào và đầu ra ta phân ra bộ Điều khiển. .. cần luật điều khiển mạnh để rút ngắn thời gian lên, do vậy chọn: KP lớn, KD nhỏ và α nhỏ 36 + Lân cận b1 ta tránh vọt lố lớn nên chọn: KP nhỏ, KD lớn, α lớn + Lân cận c1 và d1 giống như lân cận a1 và b1 2.5 HỆ ĐIỀU KHIỂN MỜ LAI (F-PID) Hệ mờ lai viết tắt là F-PID là hệ điều khiển trong đó thiết bị điều khiển gồm 2 thành phần: Thành phần điều khiển kinh điển và thành phần điều khiển mờ Bộ Điều khiển F-PID... khiển mờ "Một vào - một ra" (SISO); "Nhiều vào - một ra" (MISO); "Nhiều vào - nhiều ra" (MIMO) (hình 2.8 a, 32 b, c) b) a) c) Hình 2.8 a, b, c Các bộ điều khiển mờ Bộ điều khiển mờ MIMO rất khó thiết kế thiết bị hợp thành Mặt khác, một bộ điều khiển mờ có m đầu ra dễ dàng thiết kế thành m bộ điều khiển mờ chỉ có một đầu ra vì vậy bộ điều khiển mờ MIMO chỉ có ý nghĩa về lý thuyết, trong thực tế không dùng. .. Pipeline robot 1.7 KẾ HOẠCH THỰC HIỆN - Thu thập, chọn lọc và nghiên cứu tài liệu liên quan - Ứng dụng logic mờ và phương pháp điều khiển cho Pipeline robot - Xây dựng các hệ thống điều khiển và các phương pháp liên quan đang áp dụng trong nước và trên thế giới để điều khiển robot hiệu quả nhất Từ đó so sánh ưu nhược điểm của các mô hình này - Xây dựng và đưa ra giải thuật điều khiển mờ cho Pipeline robot. .. của các hàm liên thuộc 2.4.THIẾT KẾ BỘ ĐIỀU KHIỂN PID MỜ Có thể nói trong lĩnh vực điều khiển, bộ PID được xem như một giải pháp đa năng cho các ứng dụng điều khiển Analog cũng như Digital Theo một nghiên cứu cho thấy có khoảng hơn 90% các bộ điều khiển được sử dụng hiện nay là bộ điều khiển PID Bộ điều khiển PID nếu được thiết kế tốt có khả năng điều khiển hệ thống với chất lượng quá độ tốt (đáp ứng... lai F-PID BĐK MỜ BĐK KINH ĐIỂN x u + u y ĐỐI TƯỢNG Hình 2.11:Nguyên lý điều khiển mờ lai Bộ điều khiển n x BĐK MỜ Bộ điều khiển 1 Đối tượng u y Hình 2.12: Khóa mờ Sự chuyển đổi giữa các vùng tác động của FLC và PID có thể thực hiện nhờ khoá mờ (Hình 2.12) hoặc dùng chính FLC Nếu sự chuyển đổi dùng FLC thì ngoài nhiệm vụ là bộ điều chỉnh FLC còn làm nhiệm vụ giám sát hành vi của hệ thống để thực hiện . Pipeline robot và phương pháp điều khiển mờ ứng dụng cho robot. - Nghiên cứu thiết kế chế tạo và điều khiển Pipeline robot. - Xây dựng giải thuật điều khiển cho Pipeline robot. - Mô phỏng hệ thống. ống như 180 đến 240 mm. Robot có thể được điều khiển từ xa không dây thông qua sóng radio, trong bài báo này dùng cách điều khiển có dây. - Điều khiển robot bằng logic mờ của tác giả Vũ Anh Đào Trong. giới để điều khiển robot hiệu quả nhất. Từ đó so sánh ưu nhược điểm của các mô hình này. - Xây dựng và đưa ra giải thuật điều khiển mờ cho Pipeline robot. - Mô phỏng phương pháp điều khiển bằng