Điều khiển mờ robotino di chuyển bám theo đường đi định trước

Bài viết trình bày việc sử dụng bộ điều khiển logic mờ để điều khiển mô hình rô bốt Robotino di chuyển theo đường đi cố định cho trước, đây là hệ thống có tính phổ biến đối với các mô hình Mobile Robot.

TẠP CHÍ KHOA HỌC CƠNG NGHỆ GIAO THƠNG VẬN TẢI, SỐ 34-11/2019 45 ĐIỀU KHIỂN MỜ ROBOTINO DI CHUYỂN BÁM THEO ĐƯỜNG ĐI ĐỊNH TRƯỚC ROBOTINO FUZZY CONTROL MOVING TO THE FIXED PATH Đặng Xuân Kiên, Nguyễn Ngô Thanh Tân, Trần Tiến Đạt Trường Đại học Giao thông vận tải Tp Hồ Chí Minh Tóm tắt: Trong báo này, sử dụng điều khiển logic mờ để điều khiển mơ hình rơ bốt Robotino di chuyển theo đường cố định cho trước, hệ thống có tính phổ biến mơ hình Mobile Robot Thực tế, vấn đề điều khiển Mobile Robot di chuyển bám đường gặp nhiều thách thức ảnh hưởng vận tốc sai số không xác định hệ thống Kết mô cho thấy giải thuật Fuzzy điều khiển rô bốt cho đáp ứng tốt biến thiên vận tốc Từ khóa: Biến thiên vận tốc, Robotino, logic mờ, Mobile Robot Chỉ số phân loại: 2.2 Abstract: In this paper, we use fuzzy logic controllers to control the robotino robot model moving in a given fixed path, a system that is popular with Mobile rô bốt models In fact, the problem of controlling mobile robot on the road is always faced with many challenges under the influence of speed and unknown errors of the system The simulation results show that the fuzzy algorithm to control the rô bốt responds well to speed variations Keyword: Speed variations, robotino, fuzzy logic, mobile robot Classification number: 2.2 Giới thiệu Hiện nay, lĩnh vực tự động hóa có vai trị vơ to lớn phát triển tích cực xã hội Với nhiệm vụ tăng suất, tăng độ xác sản phẩm, đồng thời, giảm thiểu hoạt động người môi trường độc hại khắc nghiệt, rô bốt ngày sử dụng rộng rãi hệ thống dây chuyền sản xuất đại nhiều lĩnh vực ngành công nghiệp để thay người [1] Cùng với phát triển khoa học cơng nghệ, rơ bốt đại ngày có khả tham gia vào sống người, địi hỏi tương tác phản ứng rơ bốt với tín hiệu, cụ thể mức độ tự động hóa cao [2] Đối tượng nghiên cứu báo hướng đến Robotino [3] Robotino hệ thống rô bốt di động tiếng dành cho phạm vi nghiên cứu thực nghiệm, giáo dục mục đích nghiên cứu khác, chế tạo phát triển Festo Didactic [4] Robotino tích hợp tất chức tương tự hệ thống rô bốt công nghiệp, đại Bộ điều khiển với cấu hình mạnh mẽ; hệ thống cảm biến đa chức năng; cấu chấp hành linh hoạt, cứng cáp, nhỏ gọn; chương trình đơn giản, đa dạng, dễ sử dụng với nhiều ngơn ngữ lập trình hệ thống khác Trong trình điều khiển Robotino di chuyển theo đường cho trước, vận tốc di chuyển rô bốt ảnh hưởng đến việc bám sát quãng đường có đường thẳng hay khúc quanh Muốn rô bốt bám sát quãng đường di chuyển, phải chọn vận tốc nhỏ khúc quanh để rơ bốt bám sát đường đi, vận tốc khơng đổi suốt q trình di chuyển, điều ảnh hưởng đến tốc độ làm việc rô bốt Bài báo áp dụng logic mờ vào điều khiển mơ hình Robotino nhằm tối ưu vận tốc di chuyển rô bốt bám sát đường đi, qua đó, tăng quãng đường di chuyển rơ bốt Cấu trúc phần cứng mơ hình tốn học rơ bốt Robotino 2.1 Cấu trúc phần cứng Robotino cấu hình gồm ba bánh xe Mecanum, xếp góc 120 độ, điều khiển độc lập [3] Các bánh xe điều khiển di chuyển phía trước, chạy ngược phía sau, chạy ngang di chuyển theo vòng tròn với tốc độ tối đa lên đến 10km/h 46 Journal of Transportation Science and Technology, Vol 34, Nov 2019 Bảng Thông số kỹ thuật Robotino [3] STT Các thơng số Robotino Kích thước rơ bốt: Đường kính 370mm, chiều cao 210, trọng lượng tổng thể 11kg tải trọng tối đa 5kg Cảm biến: Chín cảm biến khoảng cách hồng ngoại Sharp GD2D120, cảm biến điện cảm tương tự, hai cảm biến quang, webcam với giao tiếp USB, ba mã hóa quang Bộ điều khiển: Bộ xử lý PC 104, tương thích với hệ điều hành MOPSlcdVE, tần số 300 MHz, SDRAM 128 MB, truy cập mạng LAN không dây Module giao tiếp I/O: Ngõ điều khiển ba bánh xe đa hướng độc lập đặt vị trí lệch góc 120o, 10 ngõ vào tương tự (0 - 10V, 50 Hz), hai ngõ tương tự, 16 ngõ vào/ra dạng số, ba relay 2.2 Mơ hình tốn học Hình Mơ hình tốn học rơ bốt Robotino [2] Hình thể mơ hình tốn học Robotino Xác định vận tốc rơ bốt từ vận tốc bánh xe thực cách đảo ngược ma trận, ta có [2]: 𝜔𝜔 𝑤𝑤ℎ 𝜔𝜔1 (𝑡𝑡) 𝑣𝑣 (𝑡𝑡) 1 = �𝜔𝜔2 (𝑡𝑡)� = �𝑣𝑣2 (𝑡𝑡)� 𝑟𝑟 𝜔𝜔3 (𝑡𝑡) 𝑣𝑣3 (𝑡𝑡) − sin(𝜃𝜃 + 𝜑𝜑1 ) cos(𝜃𝜃 + 𝜑𝜑1 ) 𝑅𝑅 𝑥𝑥̇ 𝑟𝑟 (𝑡𝑡) − = � sin(𝜃𝜃 + 𝜑𝜑2 ) cos(𝜃𝜃 + 𝜑𝜑2 ) 𝑅𝑅 � �𝑦𝑦̇𝑟𝑟 (𝑡𝑡)� (1) 𝑟𝑟 − sin(𝜃𝜃 + 𝜑𝜑3 ) cos(𝜃𝜃 + 𝜑𝜑3 ) 𝑅𝑅 Ω(𝑡𝑡) Trong đó: - ω i : Vận tốc góc bánh xe i (vận tốc góc bánh xe mơ tả vectơ ωwh); - - v i : Vận tốc di chuyển bánh xe riêng lẻ (vận tốc bánh xe mô tả vectơ vwh); r: Bán kính bánh xe; R: Khoảng cách từ bánh xe đến trung tâm rô bốt; x r , y r : Mô tả hệ tọa độ rô bốt; - Ω: vận tốc quay tiếp tuyến rô bốt; - - φ i: Mô tả vòng quay trục bánh xe so với hệ tọa độ rô bốt; - x w y w : Mô tả vận tốc quay hệ trục tọa độ (x,y); - θ: Góc quay hệ tọa độ rơ bốt so với hệ trục tọa độ Giai đoạn thứ hai xử lý mối quan hệ bánh xe vận tốc vận tốc rô bốt Đơn giản hóa cơng thức cách thay ma trận biến đổi từ vận tốc bánh xe sang vận tốc di chuyển với T wh → w [1,2] Ta có: 𝜔𝜔1 (𝑡𝑡) 𝑣𝑣1 (𝑡𝑡) 1 𝜔𝜔𝑤𝑤ℎ = �𝜔𝜔2 (𝑡𝑡)� = �𝑣𝑣2 (𝑡𝑡)� = 𝑣𝑣 𝑤𝑤ℎ 𝑟𝑟 𝑟𝑟 𝑣𝑣3 (𝑡𝑡) 𝜔𝜔3 (𝑡𝑡) − sin(𝜃𝜃 + 𝜑𝜑1 ) cos(𝜃𝜃 + 𝜑𝜑1 ) 𝑅𝑅 = �− sin(𝜃𝜃 + 𝜑𝜑2 ) cos(𝜃𝜃 + 𝜑𝜑2 ) 𝑅𝑅 � 𝑟𝑟 − sin(𝜃𝜃 + 𝜑𝜑3 ) cos(𝜃𝜃 + 𝜑𝜑3 ) 𝑅𝑅 𝑥𝑥̇ (𝑤𝑤) (𝑡𝑡) �𝑦𝑦̇ (𝑤𝑤) (𝑡𝑡)� Ω(𝑡𝑡) (2) Sử dụng biểu thức dẫn xuất trên, xác định vận tốc thực rô bốt từ phép đo vận tốc góc ba bánh xe cách đảo ngược ma trận T wh → w 𝑥𝑥̇ (𝑤𝑤) (𝑡𝑡) 𝜔𝜔1 (𝑡𝑡) −1 �𝑦𝑦̇ (𝑤𝑤) (𝑡𝑡)� = 𝑟𝑟 [𝑇𝑇𝑤𝑤ℎ→𝑤𝑤 ] �𝜔𝜔2 (𝑡𝑡)� 𝜔𝜔3 (𝑡𝑡) Ω(𝑡𝑡) (3) Phương trình (1), (2) (3) thể mối quan hệ để xác định vị trí rơ bốt mơi trường thực tế Phương pháp tính tốn cố định tạo điều kiện đơn giản để ước tính vị trí rơ bốt dựa vị trí xác định trước vận tốc thời gian trôi qua biết vị trí Vị trí ước tính rơ bốt di chuyển từ thời điểm t thời điểm t xác định cách sử dụng phương trình (4) sau [2]: 𝑥𝑥(𝑤𝑤) (𝑡𝑡1 ) �𝑦𝑦(𝑤𝑤) (𝑡𝑡1 )� 𝜃𝜃(𝑡𝑡1 ) 𝑥𝑥𝑤𝑤,0 𝜔𝜔1 (𝑡𝑡) 𝑡𝑡1 = �𝑥𝑥𝑤𝑤,0 � + 𝑟𝑟 � �[𝑇𝑇𝑤𝑤ℎ→𝑤𝑤 ]−1 �𝜔𝜔2 (𝑡𝑡)� 𝑑𝑑𝑑𝑑� 𝑡𝑡0 𝜃𝜃0 𝜔𝜔3 (𝑡𝑡) (4) x w (t ) y w (t ) hệ tọa độ dịch chuyển thời điểm t Trong đó: - θ(t ) góc định hướng thời điểm t ; TẠP CHÍ KHOA HỌC CƠNG NGHỆ GIAO THƠNG VẬN TẢI, SỐ 34-11/2019 - x w , y w , hệ tọa độ dịch chuyển thời điểm t ; - θ góc định hướng thời điểm t Trong trường hợp báo, quy trình điều khiển Robotino ngôn ngữ Matlab thông qua giao tiếp không dây đơn giản hóa cách sử dụng Robotino Matlab Toolbox Thơng tin vị trí Robotino thu cách sử dụng mã hóa trục quang phương pháp tính tốn cố định (hình học rơ bốt) Nhược điểm phương pháp tính tốn cố định vị trí xác định từ vị trí trước nên lỗi xuất quy trình tích lũy, lỗi ước tính vị trí tăng dần theo thời gian Thiết kế điều khiển Fuzzy 3.1 Thiết kế hệ thống điều khiển dựa logic mờ 47 theo phương x, rô bốt bám tốt khúc quanh nên chọn dải ngõ vào sau: E1[2,4,6], E2[4,6,8], E3[6,8,10] Ngõ với hai dải vận tốc VX1[100 125 150], VX3 [150 250 300] 3.2 Thiết kế Bộ luật mờ Bộ luật mờ xây dựng Matlab Simulink, tối giản số luật nhằm phù hợp với phần cứng, luật mờ thiết kế sau: Rule1: If (sensor is E4) then (vx is VX3) (w is w4) Rule2: If (sensor is E3) then (vx is VX1) (w is w3) Rule3: If (sensor is E2) then (vx is VX1) (w is w2) Rule4: If (sensor is E1) then (vx is VX1) (w is w1) Rule5: If (sensor is E5) then (vx is VX1) (w is w5) Rule6: If (sensor is E6) then (vx is VX1) (w is w6) Rule7: If (sensor is E7) then (vx is VX1) (w is w7) Hình Sơ đồ khối hệ thống điều khiển rơ bốt Mơ hình hình xây dựng dựa tài liệu phần cứng thực tế Robotino Trong đó, u điện áp đọc từ cảm biến, v x v y vận tốc tuyến tính rơ bốt theo hướng O x O y ; (x, y), θ vị trí hướng rô bốt [4] Nếu cảm biến đường kim loại, xuất giá trị điện áp 2,00195 V ngược lại, cảm biến không nằm quãng đường di chuyển định trước, ngõ có giá trị 9,95117 V [3] Để thử nghiệm, sau nhận giá trị ngõ ra, ta trừ 5,97656 (là giá trị trung bình 2,00195 9,95117), sau nhân với hệ số tỷ lệ Kết cuối đặt làm giá trị đầu vào cho Omega hàm OmniDrive_setVelocity Sau nhiều lần thử với vận tốc khác nhau, để đảm bảo rô bốt theo sát đường quay hướng, đặt tốc độ theo phương X cố định 100 mm/s, tốc độ theo phương y = [4] Cảm biến xuất giá trị điện áp 2,00195 V≈2 V nằm đường đi, ngược lại, ngõ có giá trị 9,95117 V≈10 V nên chọn dải giá trị đầu vào input từ [2…10] Thêm vào đó, với vận tốc Hình Bộ điều khiển logic mờ - Madami Hình sử dụng điều khiển logic mờ Madami sơ đồ điều khiển thiết kế Matlab Simulink hình Hình Sơ đồ điều khiển Robotino xây dựng Matlab Simulink 48 Journal of Transportation Science and Technology, Vol 34, Nov 2019 3.3 Kết mô  Tại vận tốc biến thiên từ 100-300 mm/s, thời gian mô 25000ms (a) Bộ điều khiển PID (b) Bộ điều khiển Fuzzy Hình So sánh quỹ đạo dịch chuyển rơ bốt điều khiển v x , w vận tốc 300mm/s Hình Mơ hoạt động rơ bốt vận tốc V x =100mm/s (a) Bộ điều khiển PID (b) Bộ điều khiển Fuzzy (X Axis: tọa độ theo phương x , Y Axis: tọa độ theo phương y) Hình So sánh quỹ đạo dịch chuyển rô bốt điều khiển v x , w vận tốc 100mm/s Hình kết mơ quỹ đạo di chuyển Robotino với điều khiển Fuzzy thiết kế (b) điều khiển PID (a) có sẵn Kết cho thấy điều khiển có đáp ứng tương đối ổn định (a) Bộ điều khiển PID (b) Bộ điều khiển Fuzzy Hình So sánh quỹ đạo dịch chuyển rô bốt điều khiển v x , w vận tốc 200mm/s Bộ điều khiển Fuzzy (hình 7.b) cho đáp ứng tốt Robotino hoạt động tốc độ cao (200mm/s) điều khiển PID bị lệch hướng giai đoạn cuối hành trình Tiếp tục thử nghiệm tốc độ 300mm/s, kết hình cho thấy Robotino với điều khiển PID không đạt quỹ đạo chuẩn điều khiển Fuzzy (hình 8.b) Nhận xét: Khi điều khiển rô bốt di chuyển bám đường định trước điều khiển PID với vận tốc cố định, rô bốt bám sát tốt đường vận tốc v x =100 mm/s Tuy nhiên, vận tốc di chuyển rô bốt lớn, rô bốt dần khả bám sát đường quãng đường di chuyển rô bốt dài Khi áp dụng logic mờ để điều khiển rô bốt, mặt đáp ứng, rô bốt bám sát tốt đường di chuyển quãng đường dài đơn vị thời gian tối ưu vận tốc đoạn đường khác Thực nghiệm mơ hình vật lý 4.1 Mơ hình vật lý Hình 10 Mơ hình rơ bốt Robotino [3] Khối máy tính có nhiệm vụ điều khiển thu thập liệu tọa độ rô bốt để vẽ lại quãng đường di chuyển thông qua giao tiếp không dây Giá trị điện áp tương tự từ cảm biến đưa vào điều khiển logic mờ để điều khiển vận tốc theo phương x góc xoay rơ bốt nhằm bảo đảm rô bốt giảm vận tốc khúc quanh tăng vận tốc đoạn thẳng để đạt quãng đường di chuyển dài mà bám sát đường TẠP CHÍ KHOA HỌC CƠNG NGHỆ GIAO THÔNG VẬN TẢI, SỐ 34-11/2019 4.2 Kết thực nghiệm Robotino Hình 11 Thực nghiệm mơ hình Robotino bám đường định trước (a) Bộ điều khiển PID (b) Bộ điều khiển Fuzzy Hình 12 So sánh quãng đường di chuyển thực nghiệm rô bốt PID (a) Fuzzy (b) dải vận tốc biến thiên từ 100-300mm/s Nhận xét: Khi tiến hành thực nghiệm mơ hình vật lý (hình 11) để điều khiển rô bốt di chuyển bám đường định trước đơn vị thời gian, Kết hình 12 cho thấy chưa áp dụng Fuzzy, rô bốt bám sát đường vận tốc v x = 100 mm/s đạt quãng đường di chuyển ngắn Tuy nhiên, rô bốt khả bám sát đường vận tốc v x = 150 mm/s Khi áp dụng logic mờ (hình 12.b) để điều khiển rơ bốt, tối ưu vận tốc đoạn đường khác nên rô bốt di chuyển quãng đường dài đơn vị thời gian bám sát tốt đường Mặc dù hoạt động mơ hình thực nghiệm đạt kết tốt, nhưng, quãng đường di chuyển rô bốt thu thập lại máy tính chưa phản ánh xác quãng đường thực tế khác xa so với kết thu thập rô bốt mô 49 Kết luận Trong báo nhóm tác giả sử dụng logic mờ để điều khiển hệ thống Robotino bám sát đường định trước với mục đích tối ưu vận tốc qng đường có thay đổi hình dạng, đáp ứng hệ thống tốt dải vận tốc V x từ 100 - 300mm/s Tuy nhiên, thơng tin vị trí Robotino thu cách sử dụng mã hóa trục quang phương pháp tính tốn cố định (hình học rơ bốt) nên qng đường di chuyển thu thập máy tính chưa phản ánh xác qng đường di chuyển rơ bốt Qua mô Matlab thực nghiệm, báo chứng minh khả rô bốt di chuyển nhanh bám sát đường định trước sử dụng logic mờ, kết tốt so với điều khiển PID cài đặt thông số nhà sản xuất Kết báo sở để nhóm tác giả tiếp tục mở rộng nghiên cứu giải thuật đại khác nghiên cứu sau mơ hình Robotino Tài liệu tham khảo [1] Mohammed Rabeea Hashim Al-Dahhan, Dr Mohammad M Ali, 2016 13th, Path Tracking Control of a Mobile Robot using Fuzzy Logic, Department of Mechatronics Engineering, University of Philadelphia, Jordan; [2] S E Oltean, M Duläu, R Puskas, Position Control of Robotino Mobile Robot Using Fuzzy Logic, University of Tg Mures.2010; [3] https://robot.ros.org/robotino/; [4] Festo Didactic GmbH & Co KG, 73770 Denkendorf, Germany, 2012 Ngày nhận bài: 6/9/2019 Ngày chuyển phản biện: 11/9/2019 Ngày hoàn thành sửa bài: 3/10/2019 Ngày chấp nhận đăng: 10/10/2019 ... thấy Robotino với đi? ??u khiển PID không đạt quỹ đạo chuẩn đi? ??u khiển Fuzzy (hình 8.b) Nhận xét: Khi đi? ??u khiển rơ bốt di chuyển bám đường định trước đi? ??u khiển PID với vận tốc cố định, rô bốt bám. .. Robotino với đi? ??u khiển Fuzzy thiết kế (b) đi? ??u khiển PID (a) có sẵn Kết cho thấy đi? ??u khiển có đáp ứng tương đối ổn định (a) Bộ đi? ??u khiển PID (b) Bộ đi? ??u khiển Fuzzy Hình So sánh quỹ đạo dịch chuyển. .. vào đó, với vận tốc Hình Bộ đi? ??u khiển logic mờ - Madami Hình sử dụng đi? ??u khiển logic mờ Madami sơ đồ đi? ??u khiển thiết kế Matlab Simulink hình Hình Sơ đồ đi? ??u khiển Robotino xây dựng Matlab Simulink