thuyetminhtotnghiep_hoang

TRƯỜNG ĐẠI HỌC GIAO THÔNG VẬN TẢI KHOA CƠ KHÍ ………o0o…… ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP Ngành : Cơ khí Chuyên ngành: Cơ điện tử ĐỀ TÀI: NGHIÊN CỨU XÂY DỰNG PHƯƠNG PHÁP ĐIỀU KHIỂN ROBOT TỰ HÀNH DỰA TRÊN CƠ SỞ LOGIC MỜ Sinh viên thực hiện: Nguyễn Xuân Hoàng Lớp: Cơ điện tử Khóa 46 Giáo viên hướng dẫn: ThS.An Tri Tân Hà Nội-2010 -1 - Hà Nội-2010 1 LỜI NÓI ĐẦU .6 CHƯƠNG I 8 TỔNG QUAN VỀ ROBOT TỰ HÀNH .8 nội dung chương I : 8 - Giới thiệu chung về robot tự hành 8 - Phân loại robot tự hành 8 - Các phương pháp điều hướng cho robot tự hành .8 1.1.Giới thiệu chung .8 1.2.Phân loại robot tự hành .10 1.2.1.Robot tự hành di chuyển bằng chân(Legged Robot) .10 1.2.2.Robot tự hành di chuyển bằng bánh(Wheel Robot tự hành) .11 1.3.Phương pháp điều hướng cho robot tự hành .16 1.3.1.Phương pháp điều hướng có tính toán .16 1.3.2.Phương pháp điều hướng robot theo phản ứng 18 1.3.3.Phương pháp điều khiển lai ghép 20 CHƯƠNG II .21 MÔ HÌNH ĐỘNG HỌC VÀ KỸ THUẬT ĐỊNH VỊ CHO ROBOT TỰ HÀNH 21 nội dung chính trong chương II : 21 - Xây dựng mô hình động học cho robot tự hành .21 - Các phương pháp định vị cho robot tự hành .21 2.1.Mô hình động học cho robot .21 2.1.1.Mô hình bánh xe robot 22 2.1.2.Phương trình động học robot .23 2.2.Kỹ thuật định vị cho robot tự hành .25 Chương Iii 27 cơ SỞ VỀ LOGIC MỜ VÀ ĐIỀU KHIỂN MỜ 28 Nội dung trong chương III : 28 - Giới thiệu về Logic mờ 28 -2 - - Các khải niệm cơ bản về Logic Mờ 28 - Bộ điều khiển Mờ ( Fuzzy Control) .28 3.1.Giới thiệu về logic Mờ (Fuzzy Logic) 28 3.2.Một số khái niệm cơ bản 31 3.2.1.Định nghĩa tập mờ và các thuật ngữ liên quan .31 a.Định nghĩa tập mờ: Tập mờ F xác định trên tập kinh điển M là một tập mờ mỗi phần từ của nó là một cặp các giá trị (x,µF(x)) trong đó có x ∈ M và μF là ánh xạ μF : M → [0, 1] .32 b.Miền xác định: 32 c.Hàm liên thuộc .33 d. Độ cao, miền xác định và miền tin cậy của tập mờ 33 e. Biến ngơn ngữ 34 f. Hàm đặc trưng 34 g.Mệnh đề hợp thành, luật hợp thành .36 h.Giải mờ .36 3.2.2.Bộ điều khiển Mờ 37 CHƯƠNG IV .39 XÂY DỰNG THUẬT TỐN VỀ ỨNG DỤNG LOGIC MỜ TRONG KỸ THUẬT DẪN HƯỚNG CHO ROBOT TỰ HÀNH VÀ MƠ PHỎNG TRÊN MATLAB – SIMULATINK 39 4.1. Giới thiệu về Matlab Simulink và Fuzzy Logic Toolbox .39 4.1.1.Matlab Simulink .39 4.1.2.Fuzzy Logic Toolbox 42 4.2.Xây dựng bộ điều khiển Fuzzy Logic Controller (FLC) trên Fuzzy Logic Toolbox .43 4.2.1.Thuật tốn điều khiển Mobile robot, định nghĩa các biến vào ra .43 4.2.2.Xác định tập mờ 44 4.3.Xây dựng và mơ phỏng Mobile robot trên Matlab Simulink 54 4.3.1.Xây dựng mơ hình Mobile robot .54 4.3.2.Xây dựng sơ đồ khối tồn bộ của Mobile robot .55 4.3.4.Kết quả mơ phỏng q trình 56 b/ Đồ thị đáp ứng khoảng cách của robot .59 Hình 4.23. Kết quả mơ phỏng của TH3 59 -3 - Rõ ràng khi xét tới nhiễu đường đáp ứng của hệ thống không còn trơn mịn như trước nữa, tuy nhiên hệ thống vẫn bám theo quỹ đạo đặt với sai lệch là chấp nhận được 59 Đánh giá chung quá trình khảo sát hệ thống điều khiển robot tự hành : 60 Trong cả 3 trường hợp, robot đều có khả năng trở về quỹ đạo đặt 60 Thời gian quá độ là không dài có nghĩa hệ thống có khả năng tác động tương đối nhanh (khoảng 1,2 ÷ 1,8 s) ngay cả khi có nhiễu tuy rằng đường đi của robot không hoàn toàn như giá trị đặt nhưng robot luôn có xu hướng bám sát với quỹ đạo đặt. Điều đó cho thấy hệ thống làm việc tương đối ổn định và việc áp dụng bộ điều khiển mờ vào bài toán điều hướng cho robot tự hành là hoàn toàn khả thi .60 Phần giới thiệu về quá trình xây dựng mô hình thực cũng như áp dụng bộ điều khiển mờ cho bài toán điều hướng tự hành hoạt động trong môi trường không biết trước sẽ được trình bày chi tiết trong chương V 60 CHƯƠNG V .61 XÂY DỰNG MÔ HÌNH ROBOT TỰ HÀNH .61 5.1. Xây dựng sơ đồ khối hoạt động của robot .61 5.2. Xây dựng khối điều khiển cho Mobile robot .63 5.2.1. Khối xử lý tín hiệu .63 a. Vi điều khiển Pic 18F4331 .63 b.Mạch nguồn cho khối điều khiển 66 c. Các thiết bị hiển thị 67 c.Sơ đồ nguyên lý mạch vi điều khiển 67 .68 5.2.2. Khối mạch công suất 69 a. Phân tích lựa chọn phương pháp điều khiển .69 b. Thiết kế mạch lực .70 c. Sơ đồ mạch cầu H 72 5.2.3.Gia công các khối mạch .74 Hình 5.22.Mạch điều khiển 77 5.2.3. Cảm biến 77 78 Hình.5.24.Sơ đồ hoạt động của SRF05 .78 5.4.Thiết kế cơ khí 79 84 -4 - PHỤ LỤC .85 A.Sơ đồ nguyên lý mạch động lực 85 B.Sơ đồ nguyên lý mạch điều khiển .86 C. Chương trình áp dụng logic mờ cho Mobile robot .87 -5 - 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 XÂY DỰNG PHƯƠNG PHÁP ĐIỀU KHIỂN ROBOT TỰ HÀNH DỰA TRÊN LOGIC MỜ 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 5 chương: - Chương I: Tổng quan về robot tự hành - Chương II: Mô hình toán học Robot tự hành - Chương III: Logic mờ - Chương IV: Xây dựng thuật toán điều khiển robot tự hành dựa trên logic mờ và mô phỏng trên phần mềm Matlab-Simulink - Chương V: Xây dựng mô hình robot tự hành -6 - Trong suốt quá trình thực hiện đề tài, tôi đã được sự giúp đỡ của các bạn trong nhóm, các thầy trong bộ môn Kỹ thuật máy-khoa Cơ khí-ĐHGTVT, và đặc biệt là thầy An Tri Tân. 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 đọc là điều vô cùng quý giá đối với tôi. Tôi xin chân thành cám ơn! -7 - CHƯƠNG I TỔNG QUAN VỀ ROBOT TỰ HÀNH Nội dung chương I : - Giới thiệu chung về robot tự hành - Phân loại robot tự hành - Các phương pháp điều hướng cho robot tự hành 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 -8 - Robot tự hành. Trong hiệp hội nghiên cứu về Robot tự hành có 2 hướng nghiên cứu khác nhau: - Hướng thứ nhất là nghiên cứu về Robot tự hành có khả năng điều hướng ở tốc độ cao nhờ thông tin thu được từ cảm biến, đây là loại robot có khả năng hoạt động ở mối trường trong phòng cũng như môi trường bên ngoài. Loại robot này yêu cầu khả năng tính toán đồ sộ và được trang bị cảm biến có độ nhạy cao, dải đo lớn để có thể điều khiển robot di chuyển ở tốc độ cao, trong những môi trường có địa hình phức tạp. - Loại thứ 2 : nhằm giải quyết các vấn đề về các loại robot tự hành chỉ dùng để hoạt động trong môi trường trong phòng. Loại robot tự hành này có kết cấu đơn giản hơn loại trên, thực hiện những nhiệm vụ đơn giản. Bài toán dẫn hướng cho robot tự hành được chia làm 2 loại: bài toán toàn cục(global) và bài toán cục bộ(local). Ở bài toàn cục, môi trường làm việc của robot hoàn toàn xác định,đường đi và vật cản là hoàn toàn biết trước. Ở bài toán cục bộ, môi trường hoạt động của robot là chưa biết trước hoặc chỉ biết một phần. Các cảm biến và thiết bị định vị cho phép robot xác định được vật cản, vị trí của nó trong môi trường giúp nó đi tới được mục tiêu. Các vấn đề gặp phải khi điều hướng cho Robot tự hành thường không giống như các loại robot khác. Để có thể điều hướng cho Robot tự hành, quyết định theo thời gian thực phải dựa vào thông tin liên tục về môi trường thông qua các cảm biến, hoặc ở môi trường trong phòng hoặc ngoài trời, đây là điểm khác biệt lớn nhất so với kỹ thuật lập kế hoạch ngoại tuyến.Robot tự hành phải có khả năng tự quyết định về phương thức điều hướng, định hướng chuyển động để có thể tới đích thực hiện nhiệm vụ nhất định. Điều hướng cho robot tự hành là công việc đòi hỏi phải thực hiện được một số khả năng khác nhau, bao gồm : khả năng di chuyển ở mức cơ bản, ví dụ như hoạt động đi tới vị trí cho trước; khả năng phản ứng các sự kiện theo thời gian thực, ví dụ như khi có sự xuất hiện đột ngột của vật cản; khả năng xây dựng, sử dụng và duy trì bản đồ môi trường hoạt động; khả năng xác định vị trí của robot trong bản đồ đó; khả năng thiết lập kế hoạch để đi tới đích hoặc tránh các tình huống không mong muốn và khả năng thích nghi với các thay đổi của môi trường hoạt động -9 - 1.2.Phân loại robot tự hành Robot tự hành được chia làm 2 loại chính đó là loại robot tự hành chuyển động bằng chân và robot tự hành chuyển động bằng bánh.Ngoài ra một số loại robot hoạt động trong các môi trường đặc biệt như dưới nước hay trên không trung thì chúng được trang bị cơ cấu di chuyển đặc trưng. 1.2.1.Robot tự hành di chuyển bằng chân(Legged Robot) Ưu điểm lớn nhất của loại robot này là có thể thích nghi và di chuyển trên các địa hình gồ ghề. Hơn nữa chúng còn có thể đi qua những vật cản như hố, vết nứt sâu. Nhược điểm chính của robot loại này chính là chế tạo quá phức tạp. Chân robot là kết cấu nhiều bậc tự do, đây là nguyên nhân làm tăng trọng lượng của robot đồng thời giảm tốc độ di chuyển. Các kĩ năng như cầm, nắm hay nâng tải cũng là nguyên nhân làm giảm độ cứng vững của robot. Robot loại này càng linh hoạt thì chi phí chế tạo càng cao. Robot tự hành di chuyển bằng chân được mô phỏng theo các loài động vật vì thế mà chúng có loại 1 chân, loại 2,4,6 chân và có thể nhiều hơn. Dưới đây là một số loại robot điển hình chuyển động bằng chân. a/ b/ -10 -