MÔ HÌNH ĐỘNG học lái và PHƯƠNG PHÁP điều KHIỂN kết hợp TRÊN XE tự HÀNH

Kỷ yếu hội nghị khoa học công nghệ toàn quốc khí - Lần thứ IV MÔ HÌNH ĐỘNG HỌC LÁI VÀ PHƯƠNG PHÁP ĐIỀU KHIỂN KẾT HỢP TRÊN XE TỰ HÀNH DRIVING KINETIC MODEL AND COMBINING CONTROL METHOD ON AUTONOMOUS CAR Lê Phan Hưng1a, Nguyễn Trường Thịnh2b Trường ĐH Cần Thơ Trường ĐH Sư phạm Kỹ thuật TPHCM a lephanhung@ctu.edu.vn; bthinhnt@hcmute.edu.vn TÓM TẮT Trong báo này, đề cập đến việc thiết kế, mô hình hóa phát triển xe tự hành (XTH) dựa cấu trúc robot di động nhằm mục đích chuyên chở hành khách XTH thiết kế với khả lái tự động động điện mô hình hóa hệ thống động học non-holonomic với di chuyển lăn không trượt Phương pháp điều khiển bám theo quỹ đạo cho trước dựa mô hình hóa, động học, động lực học phần điều khiển bám theo quỹ đạo cho trước xe đề cập báo Thực nghiệm để đánh giá đáp ứng xe dựa phương pháp điều khiển theo toán động học động lực học bám theo quỹ đạo cho trước Từ khóa: xe tự hành, robot di động, động học, động lực học, xe tự dẫn hướng ABSTRACT In this paper, we mention about modelling and development of an autonomous car based on the structure of mobile robot carrying passengers This autonomous car is designed to drive by electric motors automatically, and it is modeled as dynamical system of nonholonomic movement with rolling and non-sliding Tracking method based on kinematics, dynamics and controlling for tracking desired trajectories is also mention in this paper Experiments were implemented to evaluate the responding of controlling system based on dynamics and kinematics controlling method for tracking desired trajectories Keywords: Autonomous xar, mobile robot, kinematics, dynamics, automatic guided vehicle Ký hiệu Ký hiệu Đơn vị Ý nghĩa Toạ độ trọng tâm xe tự hành G L mm Khoảng cách bánh trước bánh sau a, b mm Khoảng cách từ trọng tâm xe đến bánh trước bánh sau t mm Khoảng cách bánh sau φ radian Góc lái bánh trước trục thân xe θ radian Góc tạo trục thân xe trục x β radian Góc trục thân xe vectơ vận tốc Fu, Fw, Fd N Lực ma sát, lực tác động vuông góc lên bánh xe, lực truyền động m kg Khối lượng xe τs, u số thời gian, biến điều khiển lái 30 Kỷ yếu hội nghị khoa học công nghệ toàn quốc khí - Lần thứ IV Chữ viết tắt PID Proportional Integral Derivative AC Alternating current PWM Pulse-width modulation DC Direct current GIỚI THIỆU Ngày nay, với nhu cầu phát triển ngày mạnh mẽ phương tiện di chuyển công cộng, đặc biệt phương tiện di chuyển thông minh không người lái chuyên chở hành khách môi trường công cộng công viên, khu vui chơi giải trí Từ nhu cầu này, robot dạng xe di chuyển không người lái từ trạm đến trạm khác thiết kế phát triển Các ứng dụng robot di động tìm thấy nhiều lĩnh vực công nghiệp, y tế, môi trường chí hộ gia đình Các nghiên cứu robot di động gắn kết thu hút nhiều ý năm gần ứng dụng rộng rãi Bên cạnh đó, với phát triển ngày mạnh mẽ việc nghiên cứu robot di động thành phần quan trọng việc nghiên cứu nghiên cứu robot dạng XTH [1] XTH, gọi robot di động hay xe tự lái có khả thực việc chuyên chở vận chuyển người xe truyền thống Là robot di động nên xe có khả cảm nhận môi trường xung quanh điều hướng riêng xe Tuy nhiên, số nghiên cứu chủ đề liên quan đến đặc tính động lực học XTH cần thiết để di chuyển bám theo quỹ đạo Nó vấn đề việc tính toán phù hợp quỹ đạo địa hình khác hạn chế việc bám theo quỹ đạo Điều đòi hỏi tìm hiểu số chế để thích ứng với kế hoạch lập quỹ đạo điều kiện Bài viết trình bày công việc thực để khám phá vấn đề mô hình động học động lực học điều khiển chuyển động theo điều kiện tải khác Điều dẫn đến phát triển mô hình động lực học cho XTH Động lực di chuyển XTH đạt cách áp dụng số lực tác động điểm hướng Nó sử dụng để có động lực chung cho xe chuyển động tự Điều chia thành chuyển động lập quỹ đạo chuyển động học xoay motor theo quỹ đạo Để thực đường xác, động điều hướng quỹ đạo phải xem xét hai hạn chế làm cho động động lực tải với đặc tính riêng [2] Bài báo bao gồm phần, mô hình hóa XTH trình bày phần Phần báo tập trung vào phương pháp lập quỹ đạo điều khiển chuyển động xe Thực nghiệm kết đạt nêu phần Cuối kết luận XTH MÔ HÌNH HÓA XE TỰ HÀNH 2.1 Mô hình động học lái Hình Động học lái robot bánh mô hình hóa với xe bánh 31 Kỷ yếu hội nghị khoa học công nghệ toàn quốc khí - Lần thứ IV Mô hình XTH bắt nguồn từ khống chế quan trọng hệ thống động học non-holonomic Khống chế hệ thống động học non-holonomic XTH không khả tích liên quan đến vận tốc Mô hình động học hệ thống XTH gồm bánh: bánh lái trước bánh truyền động sau mô xe đạp với góc lái nhỏ Mô hình xe đạp động học biểu thị cách lắp bánh xe bên trái bên phải thành cặp bánh xe trung tâm trục trước phía sau thể Hình Giả thuyết bánh xe không trượt bánh trước bánh lái xe G trọng tâm XTH Khoảng cách từ G đến bánh trước bánh sau a b Với tốc độ thấp, động học hệ thống lái xác định di chuyển với chuyển động túy bánh xe Vận tốc tâm bánh xe nằm mặt phẳng Với XTH có bánh, bánh lái Mối liên hệ động học lái với điều kiện vuông góc với mặt phẳng bánh trước phải giao với đường nối tâm bánh sau: l tan (φ1 ) = R1 − tan (φ2 ) = t (1) t (2) l R1 + Với t khoảng cách bánh sau, dựa vào Hình.1 có mối quan hệ φ1 φ2 sau: t cot (φ1 ) − cot (φ2 ) = l (3) 2.2 Mô hình động lực học Mô hình động lực học XTH xác định với giả thiết là: bánh xe không trượt, bánh xe sau không lái hướng với hướng xe, lực moment truyền động giả sử tác động lên tâm bánh sau Lực tác động lên XTH biểu diễn Hình Hướng U v Fuof Fwof θ Fuif Fwif a G b Hình Mô hình toán động lực học xe tự hành 32 Kỷ yếu hội nghị khoa học công nghệ toàn quốc khí - Lần thứ IV Fu, Fw, Fd lực ma sát, lực tác động vuông góc lên bánh xe, lực truyền động Ký hiệu m khối lượng xe [3] Ký hiệu góc lệch θ góc tạo hướng xe trục ngang φ góc lái bánh trước trục thân xe Cân lực dọc theo hướng u w có: ( ) m vu − vwθ = − Fur + Fdr − Fuf cos φ − Fwf sin φ ( ) m vw + vuθ =Fwr − Fuf sin φ + Fwf cos φ (4) (5) Với Fwir + Fwor = Fwr (6) Fuir + Fuor = Fur (7) Fwif + Fwof = Fwf (8) Fuif + Fuof = Fuf (9) Fdir + Fdor = Fdr (10) Động lực học hệ thống lái XTH mô hình biểu diễn phương trình vi phân sau: = φ (u − φ ) τs (11) Với τs, u số thời gian biến điều khiển lái LẬP QUỸ ĐẠO DI CHUYỂN VÀ GIẢI THUẬT ĐIỀU KHIỂN XE TỰ HÀNH Bài toán lập đường đặt cho XTH di chuyển điều kiện biết trước, việc xác định trước môi trường hoạt động đóng vai trò lớn đến di chuyển xe Trong báo này, phương pháp điều khiển dược xem xét sử dụng điều khiển vòng hở Tuy nhiên, điều khiển theo phương pháp vòng hở sử dụng hồi tiếp nên đảm bảo XTH di chuyển dọc theo quỹ đạo mong muốn theo kế hoạch Vì xe sử dụng điều khiển vòng kín, nhánh phản hồi vòng kín cải thiện tín hiệu đáp ứng hệ thống cho dù có tín hiệu tác động bên nhiễu sai số ban đầu Trong trình điều khiển này, hệ thống đo theo thời gian thực sử dụng để xây dựng trạng thái tức thời xe Khi xe di chuyển môi trường có cấu trúc công viên khu giải trí điều quan trọng an toàn, xe đường riêng xe XTH cấu trúc hữu ích hạn chế hành động có sẵn xe làm giảm phức tạp nhiệm vụ điều hướng [4] Nhiệm vụ điều khiển đạt mục tiêu khác tính mong muốn cho việc di chuyển Bộ điều khiển thiết kế để thực trình tự di chuyển cách xác xảy sai số khác XTH thiết kế với cấu hình giống xe ô tô với bậc tự Nguồn động lực cho xe di chuyển động Servo AC truyền động cho bánh chủ động thông qua cầu sau Bộ điều khiển nhận lệnh điều khiển, vị trí tương đối xe so với quỹ đạo xuất tín hiệu điều khiển động servo DC kéo hệ thống lái cho xe quỹ đạo Hình 3a Trong trình điều khiển, XTH sử dụng cấu trúc hệ thống điều khiển tầng thiết kế để điều khiển bánh lái Lớp điều khiển mức cao dựa vào điều khiển logic mờ dựa việc thu thập liệu cảm biến so sánh với quỹ đạo tham chiếu để tạo lệnh xoay bánh lái theo yêu cầu Lớp cấp độ thấp sử dụng điều khiển động PID cổ điển nhận lệnh xoay bánh lái từ tín hiệu lớp cao điều khiển động lái đạt đến vị trí yêu cầu Cấu trúc tầng (lớp) gọi cấu trúc điều khiển theo tầng (cascade control) Sơ 33 Kỷ yếu hội nghị khoa học công nghệ toàn quốc khí - Lần thứ IV đồ điều khiển theo tầng đặc biệt thích hợp cho việc điều khiển bánh lái, có khoảng thời gian trễ đáng kể biến tác động biến điều khiển Trong trường hợp này, sử dụng tín hiệu đo tức đáp ứng nhanh so với tín hiệu điều khiển vòng điều khiển ứng dụng sơ đồ Hình 3b Một vòng biết vòng thứ cấp vòng vòng sơ cấp Với vòng điều khiển sơ cấp xác định vị trí bánh lái cần đạt vòng điều khiển thứ cấp bám theo chuyển động xoay động để hướng tới vị trí mong muốn Quỹ đạo yêu cầu Bộ điều khiển lái Vị trí lái yêu cầu Góc xoay Bộ điều PWM Động Moment Bánh khiển DC lái PID Vị trí lái Vòng điều khiển Vòng điều khiển Hướng di chuyển xe Xe tự hành a) Vị trí đặt Bộ điều khiển Hành khách Vị trí hướng mong muốn Bộ điều khiển xd Động DC Động AC Bánh lái Bánh truyền động θd yd Quỹ đạo tạo Bộ điều khiển xe tự hành Bộ điều khiển bánh lái Xe tự hành b) Bộ điều khiển bánh truyền động c) Hình Sơ đồ khối điều khiển xe tự hành: a) Hệ thống điều khiển bánh lái bánh truyền động b) Bộ điều khiển theo tầng c) Bộ điều khiển chuyển động Trong trình này, thuật toán điều khiển thích ứng chuyển động dựa điều khiển lái XTH xem xét Bộ điều khiển thiết kế với cấu trúc PID để ước tính thay đổi tham số hệ thống động lực học Cấu trúc điều khiển lái truyền động cung cấp khuôn khổ tốt để ước tính thông số mô hình Điều đạt thông qua chế dự toán Sau đó, điều khiển thực thi chống lại thay đổi động lực có điều khiển thích hợp kiểm soát chuyển động Tuy nhiên, điều khiển khả kiểm soát có thay đổi địa hình di chuyển Sơ đồ khối cho điều khiển lái truyền động thích ứng Hình 3c THỰC NGHIỆM VÀ KẾT QUẢ XTH mô tiến hành thực nghiệm Hình Để tiến hành thực nghiệm, thông số XTH kích thước sở, tải trọng cho phép, hệ thống lượng… thể Bảng Đối với robot di động XTH, điều khiển đóng vai trò quan trọng hệ thống cảm biến đóng vai trò quan trọng không Máy tính gắn xe xem điều khiển trung tâm xe, có chức tính toán, phân tích thông số xe thời xuất tín hiệu điều khiển cho xe Máy tính chạy hệ điều hành Windown XP cài đặt Visual studio C++.net XTH tương tác với máy tính giám sát thông qua máy tính gắn xe qua giao tiếp RS-232 không dây Máy tính gắn xe giao tiếp với MCU qua giao tiếp RS-232 Hệ thống định xuất phát từ máy tính từ trung 34 Kỷ yếu hội nghị khoa học công nghệ toàn quốc khí - Lần thứ IV tâm điều khiển, điều khiển phần cứng xe thông qua mạng truyền thông không dây Các tín hiệu điều khiển phân tích, xử lý truyền máy tính trung tâm 100ms Ngoài máy tính làm nhiệm vụ thu thập liệu từ cảm biến, la bàn số, GPS để định vị trí xe đồng thời gửi liệu truyền lệnh cho vi điều khiển thực lệnh điều khiển động trước nhằm bẻ hướng lái, cho vi điều khiển xuất tín hiệu điều khiển vận tốc động sau Trong báo này, đối tượng nghiên cứu XTH trang bị với số lượng lớn cảm biến Hình để xác định vị trí, tốc độ, hướng cảm biến xác định diện chướng ngại vật Phần chuyển động robot trang bị động ba phase có sẵn hộp giảm tốc truyền qua bánh sau nhờ cấu vi sai, phần lái trang bị động 24VDC có qua hộp giảm tốc để điều khiển bánh lái Đồng thời XTH trang bị cảm biến siêu âm SRF05, la bàn số, thu phát GPS, có tất 3MCU xe tự hành Các chức MCU sau: MCU nhận tín hiệu từ cảm biến sau xử lý định, MCU dùng cho trình điều khiển bánh sau, MCU điều khiển bánh trước Các MCU xe tự hành dùng PIC16F887 Tất cảm biến sử dụng để nhận diện môi trường xung quanh điều khiển hệ thống động chấp hành Bảng Bảng thông số xe tự hành STT Thông số Giá trị Kích thước (Dài x Rộng x Cao) 2750x1500x1700 (mm) Kích thước sở (Dài x Rộng) 2030x1230 (mm) Khoảng cách gầm 300mm Khối lượng 470kg (kể acquy) Khả tải người + hành lý (260kg) Nguồn lượng bình Acquy Đồng Nai: bình 24V/12(Ah),1 bình 24V/100(Ah), bình 12V/40(Ah) Thời gian hoạt động Số bậc tự Động truyền động AC servo 750 W 10 Động lái DC servo 200 W 11 Thắng Cơ/điện Hình Mô hình hóa thực tế xe tự hành 35 Kỷ yếu hội nghị khoa học công nghệ toàn quốc khí - Lần thứ IV Truyền không dây Máy tính điều khiển mức cao Hệ thống camera Vi điều khiển điều khiển mức thấp Hệ thống điều khiển trung tâm MCU MCU MCU Các cảm biến Động DC Động AC Hình Hệ thống điều khiển xe tự hành Sử dụng phần mềm Matlab để tính toán vẽ đồ thị thông số thu từ thực nghiệm Mô hình tính toán sai số xuất trình di chuyển xe, đồng thời đánh giá việc kiểm soát hoạt động điều khiển sơ cấp thứ cấp Kết cho thấy kết hợp điều khiển mức sơ cấp thứ cấp bù đắp tốt sai số sinh trình xe di chuyển Quá trình thực nghiệm tiến hành cho xe di chuyển đường thẳng Trong trình di chuyển theo đường thẳng cho trước, kiểm tra giải thuật điều khiển bám theo với thiết bị cảm biến thu thập liệu đề cập Đáp ứng trình điều khiển bám theo quỹ đạo đường thẳng cho trước Hình Hình Đáp ứng xe tự hành theo đường thẳng Trên hình thấy trình bám theo quỹ đạo đường thẳng cho trước tương đối tốt, nhiên đoạn cuối quỹ đạo chuyển động xe bị lệch khỏi quỹ đạo việc điều khiển có sai số góc lái bánh xe Sai số khe hở truyền ăn khớp ly hợp, truyền bánh trục bánh lái làm cho việc lái không ổn định gây sai số cho trình bám theo quỹ đạo cho trước Sau tiến hành chạy thử nghiệm với việc bám theo đường thẳng, tiến hành thử nghiệm chạy theo quỹ đạo nhiều lần khác Hình Trong hình vẽ, nét liền quỹ đạo yêu cầu cho trước, nét đứt quỹ đạo đáp ứng Các quỹ đạo chồng lên 36 Kỷ yếu hội nghị khoa học công nghệ toàn quốc khí - Lần thứ IV đồ di chuyển để xác định vị trí xác XTH môi trường tự nhiên Nhận thấy trình chuyển động thẳng ban đầu từ vị trí xuất phát đến điểm bắt đầu bẻ lái 90 độ trình bám theo quỹ đạo cho trước tốt, sai số lệch không đáng kể so với vectơ chuyển động Quá trình xoay 90 độ bám tốt yêu cầu, nhiên sau xoay xong xe tiếp tục di chuyển thẳng, trình bắt đầu xuất sai số nhận thấy Việc xuất sai số lớn sau xoay, sai số truyền bắt đầu tích lũy làm cho hệ thống lái tạo sai số dao động xung quanh điểm vectơ lái Như vậy, sai số gây trình điều khiển giải thuật điều khiển tạo mà sai số trình truyền động khí Start Moving direction End Start Moving direction End Hình Đáp ứng xe tự hành di chuyển theo quỹ đạo mong muốn lần KẾT LUẬN Bài báo đưa mô hình hóa động lực học phát triển robot di động dựa cấu trúc XTH chuyên chở hành khách Bài báo đánh giá hệ thống điều khiển theo tầng, điều khiển kết hợp phát thay đổi có phản ứng nhằm đáp ứng theo quỹ đạo mong muốn Tất vấn đề quan trọng cho việc kiểm soát chuyển động Hệ thống điều khiển kết hợp nghiên cứu thử nghiệm XTH để thấy khác biết bánh lái bánh truyền động Kết thực nghiệm cho thấy đáp ứng XTH theo hệ thống kết hợp cải thiện tính xác theo quỹ đạo mong muốn cải thiện đáng kể, nhìn thấy từ kết thực nghiệm Bên cạnh đó, kết thực nghiệm hiệu phương pháp điều khiển dựa toán động học động lực học XTH môi trường thực tế 37 Kỷ yếu hội nghị khoa học công nghệ toàn quốc khí - Lần thứ IV LỜI CẢM ƠN Chân thành cảm ơn OPEN LAB, Bộ môn Cơ điện tử, Trường Đại học Sư phạm Kỹ Thuật TP HCM giúp đỡ hoàn thành nghiên cứu TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] Chris, U et al., Autonomous Driving in Urban Environments: Boss and the Urban Challenge The DARPA Urban Challenge, Springer Tracts in Advanced Robotics, 2005, Vol 56, p 1-59 [2] Albagul, A., Dynamic modeling and adaptive traction control for mobile robots Industrial Electronics Society, 30th Annual Conference of IEEE, 2004, Vol 1, p 614-620 [3] Ramaswamy, S.A.P., & Balakrishnan, S.N., Formation control of car-like mobile robots: A Lyapunov function based approach American Control Conference, 2008, p 657-662 [4] Kolski, S., Ferguson, D., Bellino, M., & Siegwart, R., Autonomous Driving in Structured and Unstructured Environments Intelligent Vehicles Symposium, IEEE, 2006, p 558-563 THÔNG TIN TÁC GIẢ Lê Phan Hưng Khoa Công nghệ, Trường Đại học Cần Thơ Email: lephanhung@ctu.edu.vn Phone number: +84982204560 Nguyễn Trường Thịnh Khoa Cơ khí chế tạo máy, Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật Thành phố Hồ Chí Minh Emai: thinhnt@hcmute.edu.vn Phone number: +84903675673 38 ... lập quỹ đạo điều khiển chuyển động xe Thực nghiệm kết đạt nêu phần Cuối kết luận XTH MÔ HÌNH HÓA XE TỰ HÀNH 2.1 Mô hình động học lái Hình Động học lái robot bánh mô hình hóa với xe bánh 31 Kỷ... khiển bánh lái Xe tự hành b) Bộ điều khiển bánh truyền động c) Hình Sơ đồ khối điều khiển xe tự hành: a) Hệ thống điều khiển bánh lái bánh truyền động b) Bộ điều khiển theo tầng c) Bộ điều khiển chuyển... chuyển xe Xe tự hành a) Vị trí đặt Bộ điều khiển Hành khách Vị trí hướng mong muốn Bộ điều khiển xd Động DC Động AC Bánh lái Bánh truyền động θd yd Quỹ đạo tạo Bộ điều khiển xe tự hành Bộ điều khiển