Nghiên cứu, điều khiển mobile robot bám mục tiêu di động với khoảng cách không đổi

Wheeled Mobile Robot kết hợp với cảm biến la bàn, siêu âm sẽ biết được vị trí , khoảng cách của Line Follower Robot và điều khiển động cơ để bám theo Line Follower Robot.. CHUONG 1: TO

NGHIEN CUU, DIEU KHIEN MOBILE ROBOT

BAM MUC TIEU DI BONG VOI KHOANG

TP HO CHI MINH, thang 03 nam 2015

CONG TRINH DUGC HOAN THANH TAI

TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ TP HCM

Cán bộ hướng dẫn khoa-học : TS Võ Tường Quân

Họ và tên Chức danh Hội đồng

TT

3 | TS Bùi Thanh Luân Phản biện 2

4 | PGS.TS Nguyễn Quốc Hưng Ủy viên

5 | TS Nguyén Duy Anh Uy vién, Thu ky

Xác nhận của Chủ tịch Hội đồng đánh giá Luận sau khi Luận văn đã được

sửa chữa (nếu có)

Chủ tịch Hội đồng đánh giá LV av

5

“fế LÊ HỮU SƠN

TRƯỜNG BH CONG NGHE TP.HCM CỘNG HÒA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM PHÒNG QLKH - ĐTSĐH Độc lập — Tự do - Hạnh phúc

NHIỆM VỤ LUẬN VĂN THẠC SĨ

Họ tên học viên: [.Ê BẢO KHANH 2 re Giới tính: Nam

Ngày, tháng, năm sinh: 01 tháng 05 năm 1978 c2 Nơi sinh: Đồng Tháp

Chuyên ngành: Kỹ thuật Cơ điện tử 5c: MSHV: 1341840014

I- Tên đề tài:

Nghiên cứu, điều khiển mobile robot bám mục tiêu di động với khoảng cách không đổi

II- Nhiệm vụ và nội dung:

Nhiệm vụ: Điều khiển mobile robot bám mục tiêu di động với khoảng cách không đổi

Nội dung:

~_ Nghiên cứu bộ điều khiển Thích Nghỉ, bộ điều khiển Mo

-_ Giao tiếp module cảm biến la bản, module cảm biến siêu âm với vi điều khiển

TIII- Ngày giao nhiệm vụ: ngày I8 tháng 8 năm 2014

IV- Ngày hoàn thành nhiệm vụ: ngày 20 tháng 1 nim 2015

V- Cần bộ hướng dẫn: Tiến sĩ Võ Tường Quân

4

LOI CAM DOAN

Tôi xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu của riêng tôi Các sô liệu, ket quả nêu trong Luận văn là trung thực và chưa từng được ai công bô trong bắt kỳ công

trình nào khác

Tôi xin cam đoan răng mọi sự giúp đỡ cho việc thực hiện Luận văn này

đã được cảm ơn và các thông tin trích dẫn trong Luận văn đã được chỉ rõ nguôn gốc

Học viên thực hiện Luận văn

bud

a

Lé Bao Khanh

ii

LOI CAM ON

Lời đầu tiên em xin gửi lời cảm ơn chân thành và sâu sắc đến quý thầy giảng viên Trường Đại học Công Nghệ Tp.HCM, Trường Đại học Bách Khoa Tp HCM đã nhiệt tình giảng đạy, truyền đạt những kiến thức và kinh nghiệm quý báo cho chúng em trong quá trình giảng dạy khóa cao học tại trường Đại học Công Nghệ Tp HCM

Em xin gửi lời cám ơn chân thành đến Thầy TS Võ Tường Quân đã tận tình hướng dẫn em về chuyên môn và kinh nghiệm để giúp em thực hiện luận văn tốt nghiệp

Em cũng xin gửi lời cám ơn đến các anh/chị, các bạn học viên đã giúp đỡ, cùng trao dỗi kiến thức trong suốt quá trình học tập và làm luận văn tốt nghiệp

Lê Bảo Khanh

ili

TOM TAT Luận văn để xuất phương pháp để điều khiển robot di động bám mục tiêu với khoảng cách không đổi Mục đích của luận văn là điều khiển và thi công một robot

di động

Robot có hai chức năng: bám vị trí với vận tốc không đỗi và giữ mục tiêu với

khoảng cách cố định Mô hình của Robot di động được sử dụng có hai bánh xe chủ động và 1 bánh xe bị động

Hệ thống bao gồm một Line Follower Robot di chuyển phía trước và một Wheeled Mobile Robot di chuyển bám theo sau Cảm biến la bàn và cảm biến siêu

âm được sử dụng để xác định hướng và khoảng cách với mục tiêu cần bám

Line Follower Robot sử dụng cảm biến la bàn thông qua module bluetooth truyền dữ liệu đến khối thu là Wheeled Mobile Robot Wheeled Mobile Robot kết

hợp với cảm biến la bàn, siêu âm sẽ biết được vị trí , khoảng cách của Line Follower

Robot và điều khiển động cơ để bám theo Line Follower Robot

Bộ điều Khiển thích nghi được dé xuất cho bám vị trí với vận tốc không đổi Hệ thống ổn định đã được chứng minh bằng cách sử dụng lý thuyét 6n dinh Lyapunov

Bộ điều Khiển Fuzzy được đề xuất để giữ mục tiêu với khoảng cách có định Kết quả mô phỏng của các thông số thực hiện trong phần mềm Matlab

Việc tính toán ước lượng các thông số của robot: các loại sai số, vận tốc góc, vận tốc dài, khoảng cách cũng được thực hiện dựa trên các thông số về mô hình, linh kiện của hệ thống thực tế

Phần cứng được thi công bao gồm các khối chính: module cảm biến la bàn,

module cảm biến siêu âm, module bluetooth và module mạch động lực cho robot

Mạch điều khiển cho robot sử dụng vi điều khiển PIC.

iv

ABSTRACT

This thesis proposes the method to control a tracking mobile robot with constant distance The purpose of the thesis is to control and to implement a mobile robot The mobile robot has two functions: tracking position with constant velocity and keeping target with constant distance The model of this robot is designed with two active wheels and one passive wheel

The system includes a Line Follower Robot that moves forward and a Wheeled Mobile Robot that follows The Compass sensors and the Sonar sensors are used to

determine the direction and distance to the tracking target

The Line Follower Robot using a compass sensor via module bluetooth in other

to transfer data to Wheeled Mobile Robot which is known as the receiver The

Wheeled Mobile Robot is combined with the compass sensors; sonar sensors will

detect the position and distance of the Line Follower Robot Then, controls motor to keep tracking Line Follower Robot

Adaptive controller is proposed for tracking position with constant velocity System stability is proved using the Lyapunov stability theory

Fuzzy controller is proposed for keeping target with constant distance Simulation result of parameters performed in Matlab

Parameters of system such as: errors, angular velocity, linear velocity, distance are carried out base on parameters of model, components of actual model The Hardware is constructed including the main blocks: module Compass, module Sonar, module Bluetooth and module driving force circuit The control circuit uses PIC of microchip

MUC LUC

CHƯƠNG 1: TÓNG QUAN .-c SG He se, 1

1.1 Giới thiệu -c cà cọ nnnnnSSnnnnn TS ST SH nnn n9 ng ng 1

1.4 TỔng KkếC TT HH HH TT TS S KT TK nen km 10 CHƯƠNG 2: XÂY DỰNG MÔ HÌNH DONG HQC CHO WHEELED MOBILE ROBOT Ăn ngư 11

2.1.Mô hình động học HH HH nh nh nh nhe nà HXn II 2.2.Mô hình toán của WMIR HH nh nhe vo 13

CHƯƠNG 3: THIẾT KÉẺ BỘ ĐIÊU KHIỂN + =- 17

3.1 Mục tiêu của bộ điều khiển - S222 S Su 17 3.2 Thiết kế bộ điều khiển Thích nghi đề WBR bám vị trí 18

3.3 Thiết kế bộ điều khiển Mờ để WBR giữ khoảng cách không đổi 21

3.4 Các module mạch điều khiển - - ¿c2 2222332 xsy 25 3.5 Sơ đồ nguyên ly mạch điều khiển của Tracking Mobile Robot 45

CHUONG 4: KÉT QUÁ MÔ PHỎNG VÀ THỰC NGHIỆM 47

4.1.Mô phỏng bộ điều khiển Thích Nghỉ để WBR bám vị trí 47

4.2.Mô phỏng bộ điều khiển Mờ để WBR giữ khoảng cách không đỗi 56

4.3 Mô hình thực nghiệm QC nu HH nn nh kê 59 4.4, So d6 gidi thudt 00 sa áááäăăằăằằ 61

CHƯƠNG 5: KÉT LUẬN - ve 68 TÀI LIỆU THAM KHẢO - << << c <5 <3 19355 1 5x5 70 PHỤ LỤC A: LỰA CHỌN ĐỘNG CƠ, BÁNH XE

PHỤ LỤC B: SƠ KHÓI ROBOT BÁM LINE

PHỤ LỤC B: SƠ ĐỎ NGUYÊN LÝ ROBOT BÁM LINE

vi

DANH MUC CAC TU VIET TAT GPS: Global Positioning System

RF: Radio Frequency

LOS: Line Of Sight

FOV: Field Of View

WBR: Wheeled Mobile Robot

Vii

DANH MUC CAC BANG

Bang 3.1 Luật điều khiển cho vận tốc góc œ; , @Ì cò 24

Bang 3.3 Liệt kê các thanh ghi của HCMS883L 35

Bảng 3.4 Các bit cầu hình thanh ghi A ccccessssseecesessueeseeseenee 36

Bảng 3.5 Cấu hình tốc độ đữ liệu ngõ ra -cc cọc 2 cư 36

Bang 3.7: Cấu hình đo lường 222 2n nhe ưn 37 Bảng 3.8 Cầu hình thanh ghi B - 2222 22 khen 37

Bảng 3.10 Cài đặt độ lợi - c cọc nọ nọ HH này 38 Bang 3.11 Cau hinh chế độ thanh ghi va 39 Bảng 3.12 Chế độ thanh ghi chỉ định từng bit 22c <<e2 39 Bảng 3.13 Cấu hình cơ chế hoạt động cà c2 22222222 cscre 39

Bảng 3.14 Chức năng các chân của LCD 16x2 - 40

vill

DANH MỤC CÁC HÌNH ẢNH

Hình 1.1 Sơ đồ hệ thống Robot với camera cố định -.-ccccccsà: 3

Hình 1.2 Sơ đồ hệ thống Robot với camera di chuyến 3

Hình 1.3 Cấu trúc mô hình hệ thống định vị bang GPS cho Robot 4

Hình 1.4 Cấu trúc mô hình hệ thống định vị bằng la bàn cho Robot 4

Hình 1.5 Các hình ảnh về EyeBot cọc c2 nè 5

Hình 1.8 Sơ đồ tổng quan của hệ thống Robot tự hành bám mục tiêu di động 9

Hình 2.2 Sai số của WBR bám mục tiêu tham chiếu - 14

Hình 3.1 Sơ đồ khối bộ điều khiển thích nghi cho WBR 20

Hình 3.2 Sơ đồ khối bộ điều khiển mờ cho WBR cà cài 21 Hình 3.3 Lỗi khoảng cách - LQ TT HS Tnhh nhe 22

Hình 3.4 Đạo hàm của lỖi HH nh nHH ng hay 23

Hình 3.5 Vận tốc góc bánh phải œx c2 222222 à2 23 Hình 3.6 Vận tốc góc bánh trái @I các cà vn 23 Hình 3.7 Mô tả bộ điều khiển trên không gian 3D cho bánh phải 25 Hình 3.8 Cảm biến siêu âm SRF05 nhe 27

Hình 3.9 Cảm biến siêu âm SRF05-Mode l 5252225 ccc S2 28

Hình 3.10 Tín hiệu hoạt động-Mode Ì cu nen ve 28

Hình 3.12 Tín hiệu hoạt động-Mode 2 cà .ee 29

Hình 3.13 Nguyên lý TOE HH» nh nh kh va 30

Hình 3.14 Hiện tượng đọc chéo ch ben 31 Hinh 3.15 Sy phản xạ của sóng siêu âm trên bề mặt vật liệu 32

Hình 3.18 Thời gian đo điển hình trong chế độ Đơn 34

1X

Hình 3.19 Màn hình LCD lốx2 22113 rer 40 20) K⁄JI§ Di 3092) 8Hdiảẳẳẳ 42 Hình 3.21 Module LM2596S - S212 2n rướ 43

Hình 3.22 Module Bluetooth HC05 cc {si c.ề 43

Hình 3.23 Sơ đồ nguyên lý mạch điều khiển của Tracking Mobile Robot 45 Hình 4.1 Quỹ đạo bám - Đường thẳng ccc cv sên 47

Hình 4.2 WBR bám quỹ đạo đường thẳng cà: 48

Hình 4.3 Sai số bám e -.c co Q00 0011 n HH HH HH ng vàn 48 Hình 4.3a Sai số bám et 0022202112111 1 11tr Hệ 49 Hình 4.3b Sai số bám ea - Q.70 2 001111 Hee 49 Hình 4.3c Sai số bám ea 2220212111121 1 12121512 50 Hình 4.4 Vận tốc góc bánh trái, bánh phải 2c 22x ‡xsi 50

Hinh 4.5 Quy dao bam ctla WBR cccceee eee ee ene tee ee nee teens teeneneeenas 51

Hình 4.7 Sai số bám e với quỹ đạo phức tạp 2c cà: 33

Hình 4.7b Sai số bám e; với quỹ đạo phức tạp - c2 cv 54 Hình 4.7c Sai số bám es với quỹ đạo phức tạp c2 cào 54 Hình 4.8 Vận tốc góc bánh trái, bánh phải với quỹ đạo phức tạp 55

Hình 4.9 Điều khiển khoảng cách của WBR 2 c2 seen 57

Hình 4.10 Lỗi khoảng cách e HS HH ngay 57

Hình 4.11 Vận tốc góc bánh phải - :c cà vằ2 58 Hình 4.12 Vận tốc góc bánh trái - cccccececceeeeeeeesseueaeeewestenens 58

Hình 4.13 Robot bám mục tiêu di động cŸ 59

Hình 4.14 Sơ đồ khối Robot bám mục tiêu di động -.cs 60

Hình 4.16 Sơ đồ giải thuật đọc cảm biến siêu âm - - 5555 64 Hình 4.17 Sơ đồ giải thuật đọc cảm biến la bàn - 65

Hình 4.18 Robot bám sau Í$ -cQQnn nnn nh khe ko 66

Hình 4.19 Robot bám sau 2s -.- sàn nhe nghe nhe 66

Hình 4.20 Robot bám sau 3s LH nh nha 66

Hình 4.24 Robot bám sau 7s cọ nQnnn n nh hờ 66

CHUONG 1: TONG QUAN

Trong đó hệ thống điều khiển robot có camera quan sát được sử dụng để theo dõi các mục tiêu di động trong các ứng dụng của robot công nghiệp và quốc phòng được sử dụng khá phổ biến Tuy nhiên để theo bám được mục tiêu bằng phương pháp

nhận dạng và xử ly ảnh sẽ rất phức tạp Hoặc điều khiển bám vị trí bằng hệ thống định vị toàn cầu GPS trong điều kiện ở Việt Nam lại có độ chính xác không cao

Tuy nhiên dé bám mục tiêu di động ta có thể sử dụng cảm biến la bản thông qua module thu phát không dây kết hợp với cảm biến siêu âm sẽ điều khiển dễ dàng hơn

Đó là lý do tôi chọn đề tài “Nghiên cứu, điều khiến Mobile Robot bám mục tiêu

di động với khoảng cách không đỗi”

1.1.2 Tính cấp thiết của đề tài

Về khía cạnh khoa học và công nghệ, đề tài là một bước đệm quan trọng để có

kinh nghiệm trong việc tính toán, mô hình hóa và chế tạo các robot di chuyển bam da hướng, là đỉnh cao về khoa học và công nghệ Ngoài ra, mô hình cũng sẽ là sự bổ sung cần thiết về các giải pháp công nghệ di chuyển của các mobile robot ba bánh, bốn bánh, làm phong phú những lựa chọn giải pháp về chuyên động trong không gian

cho các robot.

1.2 MUC TIEU VA NOI DUNG NGHIEN CUU

1.2.1 Mục tiêu của dé tai

Xây dựng mô hình toán cho Mobile Robot có hai bánh chủ động

Ứng dụng bộ điều khiển Thích nghỉ và điều khiển Mờ điều khiển các chức năng

của robot nhằm bám mục tiêu di động với khoảng cách không đổi

Thi công mô hình thực nghiệm cho Mobile Robot bám mục tiêu di động với khoảng cách không đổi

Robot có khả năng xác định khoảng cách từ robot đến mục tiêu để không bị mắt

liên lạc với mục tiêu

1.2.2 Nội dung nghiên cứu

1.2.2.1 Đối tượng nghiên cứu

Bộ điêu khiên Thích Nghi và điêu khiên Mờ

Module cam bién la ban, module cam bién siêu âm

Vi diéu khién PIC

1.2.2.2, Pham vi nghién ciru

Đề tài chỉ nghiên cứu về Mobile Robot có hai bánh chủ động

Do Robot di chuyển bên trong nhà xưởng với vận tốc không đổi và bỏ qua các

lực tác động bên ngoài ảnh hưởng đến hoạt động của Robot Vì vậy luận văn chỉ

xây dựng mô hình động học cho Robot

Thiết kế bộ điều khiển Thích nghỉ để Robot bám mục tiêu di động

Thiết kế bộ điều khiển Mờ để Robot giữ khoảng cách không đổi với mục tiêu di

động

Mô phỏng kết quả trên phần mềm Matlab và thi công mô hình thực nghiệm

1.3 TONG QUAN VE LINH VUC NGHIEN CỨU

1.3.1 Giới thiệu tống quan chung về lĩnh vực nghiện cứu

Để bám mục tiêu di động thường sử dụng hai phương pháp đó là dùng camera

quan sát và định vị bằng hệ thống định vị toàn cầu GPS

Dùng camera có thể được phân thành hai hệ, đó là hệ có camera gắn cố định và

hệ có camera găn trên mobile robot

Trong trường hợp thứ nhất, các camera được găn cô định so với hệ tọa độ thực,

thu thập ảnh của cả mục tiêu và của môi trường Mục đích của hệ này là cung cấp tín hiệu điều khiển tay máy sao cho tay máy đạt tới vị trí mong muốn

J Camera

Hình 1.1 Sơ đồ hệ thống Robot với camera cô định

Trường hợp thứ hai, hệ có camera gắn trên robot thì điều khiển robot sao cho ảnh của mục tiêu cố định hoặc di động luôn luôn được duy trì ở vị trí mong muốn

trên mặt phẳng ảnh thu được Trên cơ sở ảnh thu được từ camera được số hóa, lọc

nhiễu và tích hợp trong vòng điều khiển phản hồi về hệ thống điều khiển các bánh xe của robot đề nó di chuyển bám theo mục tiêu Để cải thiện chất lượng của hệ bám,

các thuật toán điều khiển khác như thích nghĩ, tối ưu, lọc Kalman thường được sử

»—-

=P KE== camera

Vật thể cần giám sát Ro barmsnng ite

Hình 1.2 Sơ đồ hệ thống Robot với camera di chuyển

dụng

Hệ thống định vị cho mobile robot sử dụng công nghệ định vị toàn cầu GPS bao

gồm hai khối chính là khối phát và khối thu Khối phát bao gồm máy tính và module

phát dữ liệu không dây Khối thu bao gồm robot và các module gắn trên thân robot

không dây

Hình 1.3 Cầu trúc mô hình hệ thống định vị bang GPS cho Robot

Ngoài ra đề bám mục tiêu đi động, đôi tượng cân bám có thê sử dụng cảm biên

la bàn thông qua module phát dữ liệu không dây truyền dữ liệu đến khối thu là mobile

robot Khôi thu kêt hợp với cảm biên la bàn, cảm biên siều âm sẽ biết được vị trí của

khối phát là đối tượng cần bám và điều khiển động cơ để bám theo khối phát

1.3.2 Khả năng ứng dụng

Với khả bám đối tượng đi động linh hoạt, đây cũng là loại phương tiện vận chuyển mới vì nó hoạt động được trong nhà xưởng, kho bãi Có thể phối hợp với các loại robot khác để tạo ra robot tự hành trong những điều kiện địa hình phức tạp

1.3.3 Tổng quan tình hình nghiên cứu

1.3.3.1 Tình hình nghiên cứu trên thế giới

— 512 KB ROM (dùng cho hệ thống + người sử dụng)

—_1 cổng song song, 2 cổng nối tiếp, 8 chân digital input, 8 chan digital output, 8 chan analog input

— 4 phím nhắn + nút reset, nguồn

— Ngõ ra âm thanh cho speaker, ngõ vào microphone

— C6 thé két néi module wireless

— Báo trạng thái nguồn

e Những đặc điểm chính

—_ Chương trình xử lý ảnh theo thời gian thực

— Tích hợp camera màu

— Màn hình LCD rộng

— 2 động cơ DC voi encoder

— Được lập trinh từ các máy tinh IBM-PC hoaec may tram Unix

— Nạp chương trình qua RS232 vào RAM hoặc Flash-ROM

— Lập trình bằng ngôn ngữ C hoặc Assembly

> Navigation of mobile robot using Global Positioning System (GPS) and

obstacle avoidance system with commanded loop daisy chaining

application method [2]

Bài báo do tác giả Hamid, M.H.A đề xuất một Mobile robot phải di chuyển qua tuyến đường mong muốn và tránh những vật cản trên đường Đề xuất bao gồm mobile

robot được trang bị hệ thống định vị GPS và hệ thống tránh chướng ngại vật với cấu

trúc có chỉ phí thấp là module GPS và cảm biến sóng siêu âm GPS kết hợp với siêu

âm sẽ xác định vị trí và tránh chướng ngại vật cho mobile robot Mobile robot phải

di chuyển theo điểm được cài đặt sẵn để các module GPS và cảm biến sóng siêu âm phát hiện chướng ngại vật trong khi điều hướng Mobile robot

Hình 1.6 Mobile robot di chuyển theo những điểm cài đặt [2]

>» CaddyTrek Mobile Autonomous Robotic Golf Cart Caddy [3]

Robot CaddyTrek do công ty FTR CaddyTrek chế tạo và thương mại hóa

CaddyTrek được thiết kế để mang túi đựng gậy chơi golf của người chơi golf

Bộ điều khiển từ xa có thể điều khiển CaddyTrek di chuyển trước, sau, trái, phải

Chức năng định hướng ngay trên bộ thu phát, có thể đễ đàng kiểm soát từ xa, như gọi CaddyTrek trở lại từ xa, hoặc điều khiển nó đi đến vị trí lỗ golf tiếp theo

“+ Cac tinh nang:

— CaddyTrek theo sau ngudi choi golf

— Chỉ báo pin thời gian thực

— Phanh và dừng mềm mại

— Dễ dàng sử dụng với thiết bị cầm tay đa chức năng

— Động cơ 440 watt

— _ Có thể điều chỉnh độ bám phù hợp với người choi golf

— _ Nút nhắn kiểm soát tốc độ từ thấp đến cao khi điều khiển di chuyển trước, trái và phải trong chế độ điều khiển từ xa.

Hinh 1.7 Robot CaddyTrek [3]

1.3.3.2 Tình hình nghiên cứu trong nước

> Bài báo “Nghiên cứu phát triển hệ Robot tự hành có gắn camera tự động tìm kiếm và bám mục tiêu di động” [4]

Trong bài báo này hệ thống được thiết kế dựa trên cầu trúc robot tự hành có gan

camera tự động bám mục tiêu di động Mục đích của hệ thống bám tự động là để duy

trì một “đường ngắm” viết tắt là LOS (Line Of Sight) cảm biến - mục tiêu một cách

ồn định và hoàn toàn tự động trong khi tồn tại cả chuyển động tương đối của mục tiêu

và chuyển động của dé gắn cảm biến làm nhiễu loạn tới dữ liệu cảm biến hình ảnh

Mục tiêu thường được định vị ban đầu, bởi hoặc là ngudi điều khiển hoặc là hệ thống

nhận dạng mục tiêu tự động Sau đó, hệ thống bám sẽ khoá chặt mục tiêu và duy trì

LOS tự động

Hệ thống tổng quan bao gồm có các bộ phận chính: bộ cảm biến hình ảnh (camera), bộ chấp hành là các trục khớp quay (gimbal) và bánh xe có gắn động cơ

điện I chiều, máy tính PC và vi điều khiển

Một vòng điều khiển phản hồi, được gọi là vòng bám, liên tục hiệu chỉnh bộ chấp hành dé giữ trọng tâm của mục tiêu vào tâm của trường nhìn viết tắt là FOV

(Field Of View) của bộ cảm biến Bộ vi xử lý sẽ khép kín vòng này bằng cách tính toán độ lệch đê điêu khién co cau chấp hành

Hình 1.8 Sơ đồ tổng quan của hệ thống Robot tự hành bám mục tiêu đi động [4]

> Báo cáo “Một sơ đồ điều khiển hệ thống Hand-eye Rô-bốt bám mục tiêu di

động sử dụng mạng nơ-ron” [Š]

Báo cáo trình bày một ứng dụng mạng Nơron trong điều khiển hệ thống bao gồm tay máy có gắn camera (hand-eye robot) để quan sát và bám theo mục tiêu Phương thức điều khiển dựa trên nguyên lý tuyến tính hóa tín hiệu ảnh phản hồi Mạng Nơron được đưa vào nhằm giảm nhẹ tác động của những thành phần ngẫu nhiên, cho phép sử dụng các tham số có độ chính xác hạn chế vào trong mô hình động học của hệ thống Mạng Nơron được xem như là một yếu tổ thích nghỉ bỗ sung vào

hệ thống điều khiển để tăng cường khả năng của chúng

> 3.3.2.3 Luận văn thạc sỹ “Định vị cho Mobile Robot sử dụng GPS” do

PGS.TS Trần Thu Hà hướng dẫn [6]

Luận văn trình bày về định vị cho mobile robot sử dụng GPS Trong luận văn

mobile có 3 bánh, bánh trước tự đo, điều khiển bằng 2 bánh sau, có hai chế độ hoạt

động là tự động và điều khiển bằng tay Trong chế độ tự động sẽ nhập tín hiệu GPS

và robot sẽ tìm đường đến nơi có tọa độ như đã nhập Chế độ điều khiển bằng tay,

10

máy tính thông qua thiết bị thu phát không dây RF để điều khiển robot từ xa Vi điều

khiển sử dụng là STM32F103RCT6, sử dụng cảm biến siêu âm để tránh vật cản, cảm biến la bàn là CPMS03

1.4, TONG KET

s* Nội dung thực hiện của luận văn

Thiết kế bộ điều khiển Thích nghỉ và điều khiển Mờ để điều khiển robot di

động Bộ điều khiển Thích Nghỉ có nhiệm vụ điều khiển Mobile Robot bám

vị trí với vận tốc không đổi và bộ điều khiển Mờ có nhiệm vụ giữ mục tiêu với

khoảng cách cố định

Mô phỏng kết quả trên phần mềm Matlab

Lập trình vi điều khiển với PIC giao tiếp với module cảm biến la bàn, module

cảm biến siêu âm, module bluetooth và module mạch động lực

Thi công Robot bám line đi chuyền trên sa bàn cho trước nhằm làm đối tượng tham chiéu dé Wheeled Mobile Robot bám theo sau

Thi công mô hình Wheeled Mobile Robot bám mục tiêu di động với khoảng cách không đổi

% Giới hạn của đề tài

Đề tài chỉ nghiên cứu về Wheeled Mobile Robot có hai bánh xe chủ động ở phía sau và một bánh xe bị động ở phía trước

Với điều kiện Robot di chuyển bên trong nhà xưởng với địa hình bằng phẳng

và vận tốc không đổi vì vậy bỏ qua các lực tác động bên ngoài ảnh hưởng đến hoạt động của Robot Do đó luận văn chỉ xây dựng mô hình động học cho

Robot.

11

CHUONG 2: XAY DUNG MO HÌNH ĐỘNG HỌC

CHO WHEELED MOBILE ROBOT

frame) {X1,0,Y7} 14 9

Trong đó, P là điểm cố định trên mặt phẳng của robot mà vị trí được đại diện

bởi tọa độ (x,y) trong tọa độ toàn cục {O, x, y} phương trình {P, Xa, YR}

8 là góc hướng của hệ tọa độ robot {P, Xa, Yn} với tọa độ toàn cục {O, Xi, Yr} được xác định từ trục Xị với Xn

Đâu tiên vector vị trí của robot trên bê mặt là:

x

9

Xét một hệ thông robot có n chiều cấu hình không gian C, với vector trục tổng

quát q Robot là đối tượng ràng buộc theo công thức:

6 d6 A(q) € R?* 1a ma tran két hợp rang budc nonholonomic, với n: trạng

thái ngõ vào, P: trạng thái ngõ ra

Đâu tiên vector vị trí của robot trên bê mặt là:

2.2.MÔ HÌNH TOÁN CỦA WMR

r: bán kính bánh xe

2d: khoảng cách hai bánh xe

v,, 0, : van tốc dài của bánh phải, bánh trái

Vector vận tốc v ở (2.7) được định nghĩa là:

Công thức (2.9) và (2.14) là phương trình động học của WBR

2.3 SAI SÓ CỦA MOBILE ROBOT BÁM MỤC TIỂU DI ĐỘNG

Hình 2.2 Sai số của WBR bám mục tiêu tham chiếu

15

Bám mục tiêu di động có thể được mô tả như sau: cho một mục tiêu tham chiếu

có tọa độ tham chiếu (x;, y;) và góc tham chiếu Ô; đi chuyển với hăng số vận tốc mong muốn v; dương Quỹ đạo này nên thỏa mãn không chỉ các phương trình động học mà

còn cả các điều kiện ràng buộc nonholonomic, có dạng:

X, = U, cos 6,

Ổ, = ay

Vấn để bám mục tiêu di động bao gồm là làm cho quỹ đạo qc của robot bám quỹ

đạo qr của mục tiêu tham chiêu

Với: q„(£) — q(Œ) được định nghĩa là quỹ đạo bám lỗi

Lỗi bám e trong hệ tọa độ {C,x',yˆ} của robot được xác định bởi:

16

Thực hiện phép nhân hai ma trận của (2.18), ta có sai số của hệ thống:

ey Xe (x, —X,) cos 8, + (yy — ¥-) sin 6,

€2| = |¥e| = |—(x, — X,) sin 0, + (y„ — y.) cos 8, (2.19)

= YoW, — Vv + x, (cos 8, cos 8, + sin 6, sin 8.) + y,(cos 6, cos 8, + sin 8„ sín Ø„)

= z0 — 0c + (3„ cos Ø„ + 3„ sin Ø„) cos 8„ + (3„ cos 8„ + ¥, sin @,) sin 6,

= y;0; — Uẹ + v, cos A,

Yo = —(%, — Xe) Sin By + Wr — Ve) COS Oe — (x„ — x,)Ö, cos 6, + („ — y,)Ö, sim 8,

= —XeW, + X, sind, — y, cos 8, — X, sin 8, + y, cos 0,

= —X,W, — x, sin(@, — 8.) + „ cos(8„ — Ø,)

= ~x,W, — x,(sin 8, cos @, + cos 6, sin 8.) + ¥,(cos 8, cos 8, + sin 4, sin 8.)

= —Xx,w, + (%, cos 6, + y, sin 8,) sin 8, + (yj, cos 0, — x, sin 8,) cos 6,

17

CHUONG 3: THIET KE BO DIEU KHIEN

3.1 MUC TIEU CUA BO DIEU KHIEN

Để điểu khiển robot bám mục tiêu với khoảng cách không đổi, hệ thống bao gồm một Line Follower Robot đi chuyển phía trước làm đối tượng tham chiếu và một Tracking Mobile Robot di chuyển theo sau

Line Follower Robot đi chuyển với quỹ đạo bất kỳ nhưng để kiểm soát hệ thống

Line Follower Robot sé di chuyén bam line ctia sa ban cho truéc, Tracking Mobile

Robot cé nhiém vu bam theo Line Follower Robot với khoảng cách không đỗi

Line Follower Robot sử dụng cảm biến la bàn thông qua module bluetooth truyền đữ liệu góc @ dén Tracking Mobile Robot Tracking Mobile Robot nhan géc 8 ctia Line Follower Robot đồng thời kết hợp với cảm biến la bàn, cảm biến siêu âm của bản thân sẽ tính toán lỗi vị trí, lỗi khoảng cách của Line Follower Robot và điều khiển động cơ để bám theo Line Follower Robot

Với mục tiêu điều khiển Tracking Mobile Robot đi chuyển bám vị trí và giữ khoảng cách không đổi với đối tượng tham chiếu, luận văn gồm có 2 phần cần giải quyết đó là bám vị trí và giữ khoảng cách cô định

Đối với bài toán bám vị trí, van dé 1a tìm một luật hỏi tiếp để đảm bảo lỗi vị trí:

Xe

Ye

Oe

Bộ điều khiển Thích Nghỉ được sử dụng cho bám vị trí với vận tốc không đổi

Hệ thống ổn định sẽ được chứng minh bằng lý thuyết ôn dinh Lyapunov

Đối với bài toán giữ khoảng cách cố định, giả sử robot đi chuyển đồng trục với

đối tượng cần bám và giữ khoảng cách Lạt là 10cm Khi robot đi chuyển, nếu nó bị

lệch ra khỏi khoảng cách đó, lúc đó sẽ có lỗi về khoảng cách Bộ điều khiển sẽ có nhiệm vụ xử lý tín hiệu báo về từ cảm biến để xác định lỗi, từ đó đưa ra các tín hiệu điều khiển 2 động cơ để robot về khoảng cách ban đầu là 10cm

18

Bộ điều khiển Fuzzy được lựa chọn để giữ Tracking Mobile Robot có khoảng cách cố định với Line Follower Robot khi di chuyển đồng trục Bộ điều khiển được thiết kế dựa trên Fuzzy Logic Toolbox

Do bộ điều khiển Fuzzy được thiết kế để giữ khoảng cách cố định khi hai robot

di chuyển đồng trục, nên khi di chuyển ở khúc quanh cảm biến siêu âm có thể không xác định được khoảng cách của hai robot Nhưng lúc đó cảm biến la bàn vẫn xác định hướng nên sau khi robot di chuyển hết khúc quanh thì bộ điều khiển Fuzzy tiếp tục điều khiển Tracking Mobile Robot giữ khoảng cách cố định khi có sai số về khoảng

cách

3.2 THIET KE BO DIEU KHIEN THICH NGHI DE WBR BAM VI TRI

Lỗi bám e của hệ thống được xác định bởi công thức (2.19)

| = |—(&; — xe) sitØ, + (y„ — y.) co0s 6, (3.2)

#11 [Xe] (xz — x¿) c0s Ø8„ + (y„ — y¿) sin 6,

điều khiển, các biến ve và œ; sẽ được viết lại là va và œa để phân biệt chúng với các

vận tốc dài và vận tốc góc thực tế đo được va và œa là các vận tốc dài, vận tốc góc

mong muốn làm ổn định động học

Một trong những phương pháp có hiệu lực nhất để khảo sát bài toán ổn định

chuyển động là phương pháp thứ hai hay còn gọi là phương pháp trực tiếp của

Lyapunov Phương pháp được phát biểu như sau: “ Nếu tim duoc mot ham V(x) voi

19

mọi biên trạng thái x1, x2, Xn là một hàm xác định dương, sao cho đạo hàm của nó

cũng là hàm xác định dấu, song trái dấu với hàm V(x) thi chuyén dong không bị nhiễu

Dựa vào [ «| là các vận tốc mong muôn làm ôn định động học, từ đó ta tính

được vận tốc các bánh xe để điều khiển đến vị trí mong muốn

Sơ đồ khối của bộ điều khiển thích nghi được thể hiện trong hình 3.1

Hình 3.1 Sơ đồ khối bộ điều khiển thích nghỉ cho WBR

21

3.3 THIET KE BO DIEU KHIEN MO DE WBR GIU' KHOANG CÁCH

KHONG DOI

3.3.1 Thuật toán điều khiến

Như mô hình động học WBR đã xây dựng ở chương 2, khi hai WBR đi chuyển đồng trục, nhiệm vụ của bộ điều khiển là điều khiển WBR phía sau duy trì một khoảng cách xác định với đối tượng cần bám WBR sẽ được gắn cảm biến đo khoảng

cách với đối tượng cần bám Trong mô hình điều khiển này thì các yếu tế như nhiễu,

ma sát trượt, lực quán tính của xe sẽ được bỏ qua Ở đây ta chỉ xét tới các yếu tô liên

quan tới robot là khoảng cách Laạt từ robot đến đối tượng cần bám Bộ phận được tác

động để điều khiển robot là 2 động cơ gắn với 2 bánh xe phải và trái

Bộ điều khiển Mờ được thiết kế trong Fuzzy Logic Toolbox sẽ có 2 tín hiệu đầu vào là lỗi khoảng cách e = Lax — Luục và đạo hàm của lỗi là é Hai đầu ra là hai tín

hiệu điều khiển 2 động cơ chủ động, thực tế thì đó là các xung PWM điều khiển tốc

độ hai động cơ

22

“ Tin hiệu ra:

-_ Vận tốc góc bánh trái và bánh phải :

-15 <a < 15 (rad/s) -15 <a, < 15 (rad/s) 3.3.2.2 Số lượng tập mờ (giá trị ngôn ngữ)

Đối với quá trình điều khiển WBR có thể chọn giá trị ngôn ngữ như sau :

- ee {am, khong, duong}

- é€ {4m, khéng, duong}

- G, € {gidm nhanh, giam cham, khong déi, tăng chậm, tăng nhanh}

-_ œi e {giảm nhanh, giảm chậm, không đổi, tăng chậm, tăng nhanh}

3.3.2.3 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 vào dạng và kiểu hàm liên thuộc Do vậy cần chọn kiểu hàm liên thuộc

có phần chồng lên nhau và phủ kín miễn giá trị vật lý, để trong quá trình điều khiển

không xuất hiện “lỗ hỗng”

Mỗi giá trị ngôn ngữ sẽ được gắn với một hàm phụ thuộc dạng tam giác

Hình 3.4 Đạo hàm của lỗi:ê (m/s)

1

05Ƒ

Hình 3.5 Vận tốc góc bánh phải œy (rad/⁄s)

24

3.3.2.4 Luat mo

Từ kinh nghiệm thực tế mà ta xây dựng được Š luật điều khiển:

Bảng 3.1 Luật điều khiển cho vận tốc g0C Wr, al

1 NEU (ce =AM) THi (a; = GIẢM NHANH) (œ¡ = GIẢM NHANH)

2 NEU (e=DUONG) THi (@, = TANG NHANH) (@ = TANG NHANH)

3 NEU (e = KHONG) VA (é = KHONG) THI (@; = KHONG BOD) (a: = KHONG DOI)

4 NEU (e = KHONG) VA (é = DUONG) THI (@, = GIAM CHAM) (a = GIAM CHAM)

5 NEU (e =KHONG) VA (é = AM) THI (@, = TANG CHAM) (@: = TANG CHAM)

hệ thống Đối với bộ điều khiển Mờ sử dụng cho WBR ở đây ta đùng phương pháp

điểm trọng tam (Centroid)

25

Be

Hình 3.7 Mô tả bộ điều khiển trên không gian 3D cho bánh phải

3.4.CAC MODULE DIEU KHIỂN

3.4.1 Tổng quan về vi điều khiển PIC

PIC là viết tắt của “ Programable Intelligent Computer”, cd thể tạm dịch là “máy

tính thông minh khả trình” do hãng Genenral Instrument đặt tên cho vi điều khiển

đầu tiên của họ : PIC1650 được thiết kế dé ding lam các thiết bị ngoại vi cho vi điều

khiển CP1600 Vi điều khiển này sau đó được nghiên cứu phát triển thêm và từ đó

hình thành nên dòng vi điều khiển PIC ngày nay

Các kí hiệu của vi điêu khiên PIC:

PIC12xxxx: độ đài 12 bit PICIl6xxxx: độ dai 14 bit PIC18xxxx: d6 dai 16 bit C: PIC có bộ nhớ EEPROM( chỉ có 16C84 là EEPROM)

F: PIC có bộ nhớ flash

LF: PIC có bộ nhớ flash hoạt động ở điện áp thấp

LV: tương tự như LF; đây là kí hiệu cũ Bên cạnh đó một số vi điều khiển có kí hiệu xxExxx là EEPROM, nếu có thêm chữ A ở cuối là flash (vi du PIC16F877 1a EEPROM, con PIC16F877A 1a flash) Ngoài ra còn có thêm một dòng vi điều khiển PIC mới là dsPIC.

26

s* Ngôn ngữ lập trình và mạch nạp cho PIC

Ngôn ngữ lập trình cho PIC rất đa dạng Ngôn ngữ lập trình cấp thấp có MPLAB (được cung cấp miễn phí bởi nhà sản xuất Microchip), các ngôn ngữ lập trình cấp cao

hơn bao gồm C, Basic, Pascal, Ngoài ra còn có một số ngôn ngữ lập trình được

phát triển dành riêng cho PIC như PICBasic, MikroBasic, Đối với luận văn, ngôn ngữ lập trình C và trình biên dịch CCS sẽ được sử dụng để lập trình cho PIC

Có thể sử dụng các mạch nạp được cung cấp bởi nhà sản xuất Microchip như:

PICSTART plus, MPLAB ICD 2, MPLAB PM 3, PRO MATE II Có thể đùng các

sản phẩm này để nạp cho vi điều khiển khác thông qua chương trình MPLAB Dòng

sản phẩm chính thống này có ưu thế là nạp được tất cả các vi điều khiển PIC, tuy

nhiên giá thành rất cao, và thường gặp rất nhiều khó khăn trong quá trình mua sản phẩm

Ngoài lý do tính năng cho phép nhiều chế độ nạp khác nhau, còn có rất nhiều mạch nạp được thiết kế đành cho vi điều khiển PIC Có thể sơ lược một số mạch nạp cho PIC như sau:

- JDM programmer: mạch nạp này dùng chương trình nạp Icprog cho phép nạp các vi điều khiển PIC có hỗ trợ tính năng nạp chương trình điện áp thấp ICSP (In Circuit Serial Progamming)

- WARP-13A va MCP-USB: hai mach nap nay giéng véi mach nap PICSTART PLUS do nha san xuat Microchip cung cap, tương thích với trình biên dịch

MPLAB, nghĩa là ta có thể dùng chương trình MPLAB dé nap cho vi diéu

khiên PIC mà không cần sử dụng một chuơng trình nạp khác

- Mach nap Universal của Wiliem: đây không phải là mạch nạp chuyên dụng

đành cho PIC nhu P16PRO40

Các mạch nạp kể trên có ưu điểm rất lớn là đơn giản, rẻ tiền, hoàn toàn có thé

tự lắp ráp một cách đễ dàng, và mọi thông tin về sơ đồ mạch nạp, cách thiết kế, thi

công, kiểm tra và chương trình nạp đều dễ dàng tìm được và download miễn phí thông qua Internet Tuy nhiên các mạch nạp trên có nhược điểm là hạn chê về sô vi điêu

27

khiển được hỗ trợ bên cạnh đó mỗi mach nạp cần được sử dụng với một chương trình

nạp thích hợp

3.4.2 Cảm biến siêu âm SRF05

Cảm biến siêu âm SRF05 là một dòng cảm biến được phát triển từ dòng SRF04,

nó được tăng tính linh hoạt, tính thích ứng, dải đo lường và giảm chỉ phí sản xuất Do

đó SRF05 hoàn toàn tương thích với các ứng dụng của SRF04

“ Dat tinh cia module SRFOS

- Nguồn hoạt động: 5V

- Tam do: 4cm — 5m, (tam do thay đổi tùy vào mục tiêu cần đo)

-_ Độ chính xác: + l inch hay +10 micro giây

Trigger và Echo trên các chân khác nhau, để cảm biến hoạt động ở chế độ này

ta kết nỗi cảm biên như hình sau: