ĐIỀU KHIỂN BÁM CHO ROBOT DI ĐỘNG SỬ DỤNG BỘ ĐIỀU KHIỂN MỜ - NƠRON.TÓM TẮT LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG ĐẶNG SƠN ĐIỀU KHIỂN BÁM CHO ROBOT DI ĐỘNG SỬ DỤNG BỘ ĐIỀU KHIỂN MỜ - NƠRON Chuyên ngành : Kỹ thuật điều khiển tự động hóa Mã số: 60.52.02.16 TÓM TẮT LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT Đà Nẵng - Năm 2015 Cơng trình hồn thành ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG Người hướng dẫn khoa học: TS VÕ NHƢ TIẾN Phản biện 1: TS NGUYỄN QUỐC ĐỊNH Phản biện 2: TS NGUYỄN BÊ Luận văn bảo vệ Hội đồng chấm Luận văn tốt nghiệp Thạc sĩ kỹ thuật Đại học Đà Nẵng vào ngày 27 tháng năm 2015 * Có thể tìm hiểu luận văn tại: Trung tâm Thông tin - Học liệu, Đại học Đà Nẵng MỞ ĐẦU Lý chọn đề tài Các cách mạng công nghiệp tạo ta phát triển vượt bậc cho văn minh loài người Ngày nay, ứng dụng Robot xuất lĩnh vực đời sống, thay người làm cơng việc có tính chất nặng nhọc, mơi trường làm việc khó khăn, độc hại, nguy hiểm tác hại trực tiếp người, hay môi trường mà người khó tương tác, làm việc vũ trụ lòng đại dương, hay môi trường vi mô (trong mạch máu hay thể động vật)… Robot tự hành loại robot có khả tự hoạt động, thực thi nhiệm vụ mà không cần can thiệp người Với phát triển ngành Robot học, robot tự hành ngày có khả hoạt động mơi trường khác Robot tự hành sử dụng bánh xe Wheeled Mobile Robots (WMR) coi loại robot sử dụng rộng rãi robot di động Trong năm gần đây, nhiều nghiên cứu WMR tiến hành với mục tiêu nhiều khía cạnh khác động lực học phương pháp điều khiển Hầu hết nghiên cứu này, mơ hình robot xét điều kiện khối lượng bé bỏ qua tính chất qn tính động học mà xem xét đến chuyển động robot Hiện nay, Việt Nam có số tác giả quan tâm nghiên robot, nhiên chưa có cơng trình nghiên cứu cơng bố robot di động sử dụng bánh xe “WMR” Với mục đích phát triển lý thuyết WMR khắc phục nhược điểm để ứng dụng WMR thực tế tác giả chọn đề tài: “ĐIỀU KHIỂN BÁM CHO ROBOT DI ĐỘNG SỬ DỤNG BỘ ĐIỀU KHIỂN MỜ - NƠRON” Mục tiêu đề tài Nghiên cứu, ứng dụng điều khiển mờ - nơron để điều khiển cho robot di động WMR Thực chức bám mục tiêu, tránh vật cản ổn định tốc độ trình di chuyển Đối tƣợng phạm vi nghiên cứu a) Đối tượng nghiên cứu: - Robot di động WMR - Thuật toán điều khiển mờ - nơron - phần mềm Mathlab Simulink b) Phạm vi nghiên cứu: - Xây dựng phương trình động lực học cho robot di động hai bánh WMR - Ứng dụng hệ mờ - nơron điều khiển cho robot di động - Mô trình điều khiển Mathlab Simulink Ý nghĩa khoa học thực tiễn đề tài Đề tài với nội dung nghiên cứu robot di động bánh xe góp phần hồn thiện lý thuyết điều khiển robot di động sử dụng bánh xe Việt Nam, đồng thời đề tài ứng dụng cấu trúc phương pháp điều khiển mới, đánh giá đầy đủ yếu tố động lực học, vật cản vào robot sở để robot di động sử dụng bánh xe vào thực tế, góp phần cho cơng tự động hóa ngành cơng nghiệp đất nước Cấu trúc luận văn Ngoài phần mở đầu, kết luận, tài liệu tham khảo luận văn gồm có chương sau : Chương 1: TỔNG QUAN ROBOT DI ĐỘNG Chương 2: HỆ ĐIỀU KHIỂN MỜ NƠRON Chương 3: ỨNG DỤNG BỘ ĐIỀU KHIỂN MỜ NƠRON CHO ROBOT DI ĐỘNG Chương 4: MÔ PHỎNG VÀ ĐÁNH GIÁ KẾT QUẢ CHƢƠNG TỔNG QUAN ROBOT DI ĐỘNG 1.1 TỔNG QUAN ROBOT HAI BÁNH 1.1.1 Giới thiệu chung Robot di động có bánh xe “WMR” ngày diện robot công nghiệp dịch vụ, đặc biệt ứng dụng tự hành bề mặt phẳng có mục tiêu rõ ràng điều kiện môi trường di chuyển robot thay đổi Một số yêu cầu robot di động (số lượng, chủng loại, vị trí bánh xe) nhận thấy ứng dụng khác Phổ biến robot di động robot WMR hai bánh điều khiển chuyển động Quá trình xác định vị trí robot chuyển động tính tốn sở phân tích chuyển động thành phần bánh xe đến chuyển động robot Khi robot chuyển động bao gồm hai thành chuyển động: chuyển động tịnh tiến chuyển động quay Mơ hình hóa robot di động có bánh xe đặc biệt hệ thống điều khiển giả thuyết với quan điểm "lăn khơng trượt" tính chất chuyển động tốc độ thấp Bộ điều khiển sử dụng phải thỏa mãn chống lại thay đổi mạnh mẽ khối lượng, qn tính thơng số robot, đặc biệt thay đổi môi trường chuyển động, tức có khả tránh vật cản, chuyển động mục tiêu kiểm soát tốc độ 1.1.2 Phƣơng trình động học Để đánh giá chế di chuyển robot, luận văn tác giả đưa số giả thuyết sau: Khi robot thực chuyển động, ta giả thuyết “lăn không trượt” sở ma sát bánh xe sàn lớn Chuyển động robot xét bề mặt phẳng Chuyển động xét tốc độ thấp, lực quán tính theo phương nhỏ lực ma sát Khi phương trình vận tốc biểu diễn dạng ma trận sau: r   r vc   2  R       r r        L  R R  (1.5) Phương trình động học robot thể hiện: rd r sin      cos   x 2 R g        r rd q   yg    sin   cos  2 R    r       2R  r rd  cos   sin   2R    r rd sin   cos    R   L  2R  r    2R (1.13) 1.1.3 Mơ hình động lực học robot m 0  x  cos cos   sin   0 m   y   sin  sin    R    cos      r       0 I     R  R   L    (1.25) Trong đó:   m  x.cos  y sin   (1.26) 1.1.4 Hàm lyapunop robot hai bánh Việc kiểm soát hàm Lyapunov phương pháp thiết kế điều khiển phản hồi hệ thống phi tuyến; cách thiết lập chức tích cực (Lyapunov chức năng) nhân vector gradient ma trận định thức dương đối xứng, đầu vào điều khiển thiết kế a) Bám quỹ đạo đặt b) Luật điều khiển 1.2 CÁC THUẬT TOÁN ĐIỀU KHIỂN ROBOT HAI BÁNH 1.2.1 Cấu trúc chung khối điều khiển robot hai bánh Hình 1.4 – Cấu trúc chung hệ thống điều khiển robot 1.2.2 Điều khiển robot sử dụng điều khiển trƣợt Razvan Solea, Adrian Filipescu Urbano Nunes đề xuất cấu trúc điều khiển trượt 1.2.3 Điều khiển trạng thái tích cực dựa điều khiển mờ Trong trình điều khiển, khơng chắn mơ hồ điều kiện biết phần môi trường xung quanh, đặc biệt không lường trước thay đổi mơi trường làm sáng tỏ cách phối hợp hợp hành vi robot di động hai bánh Các kỹ thuật điều khiển mờ, sử dụng để tạo khả xác định phương hướng điều chỉnh tốc độ thao tác robot tự hành, để điều khiển robot đạt mục tiêu cách xác địa hình có nhiều thay đổi 1.3 KẾT LUẬN CHƢƠNG Chương trình bày kết cấu phần cứng robot Đặc biệt chương tập trung xây dựng phương trình động học động lực học cho robot di động Đồng thời chương tác giả đề cập đến cấu trúc chung phương pháp điều khiển robot di động nghiên cứu cho robot di động sử dụng bánh xe Để khắc phục nhược điểm, tác giả đề xuất phương pháp điều khiển mờ - nơron Đây lý tác giả chọn đề điều khiển bám cho robot di động sử dụng điều khiển mờ - nơron CHƢƠNG HỆ ĐIỀU KHIỂN MỜ NORON 2.1 SỰ KẾT HỢP GIỮA LOGIC MỜ VÀ MẠNG NƠRON 2.1.1 Khái niệm Hai tiêu chí trợ giúp cho người thiết kế logic mờ mạng nơron thể trái ngược bảng (2.1): Bảng 2.1 - So sánh mạng nơron logic mờ Tiêu chí Mạng nơron Logic mờ Thể Khơng tường minh, khó Tường minh, dễ kiểm tri thức giải thích, khó sửa đổi chứng dễ sửa đổi Khơng có khả học, Khả học Có khả học thông người thiết kế phải thiết qua tập liệu kế tất cả, dựa vào kinh nghiệm 2.1.2 Hệ điều khiển mờ - nơron a) Cấu chung hệ điều khiển mờ nơron b) Nơron mờ 2.2 HUẤN LUYỆN MẠNG MỜ -NƠRON 2.2.1 Khái niệm 2.2.2 Mô hình học suy diễn mờ thơng qua ANFIS Trong ANFIS, mơ hình mờ Tagazi-Sugeno sử dụng Ngõ hệ thống số hay hàm tuyến tính, kết ngõ tích luật mờ với trọng số, trọng số đóng vai trị chức giống mạng nơron 10 Trong q trình học, thơng số hàm liên thuộc điều chỉnh nhờ sử dụng thuật toán huấn luyện mạng nơron thuật toán lan truyền ngược 2.2.3 Một số hạn chế thuật toán huấn luyện mạng ANFIS  Là hệ thống loại Sugeno vị trí  Có đầu đơn, giải mờ nằng phương pháp trung bình trọng tâm, tất hàm liên thuộc đầu phải loại tuyến tính bất biến  Khơng chia luật điều khiển Các luật khác không chia hàm liên thuộc đầu ra, cụ thể số lượng luật đầu phải số lượng luật  Có hệ số trọng lượng định cho nguyên tắc 2.3 SỬ DỤNG CÔNG CỤ ANFIS TRONG MATLAB ĐỂ THIẾT KẾ HỆ MỜ - NƠRON 2.3.1 Các chức ANFIS GUI Hình 2.4 – Các chức anfis Gui 11 2.3.2 Ví dụ ứng dụng anfis thiết kế điều khiển mờ nơron điều khiển tốc độ robot Hình 2.12 – Kết mơ điều khiển tốc độ robot Qua ví dụ khẳng định được, với điều khiển mờ nơron robot hồn tồn điều khiển tốc độ robot hai bánh kết hợp với sở liệu thực nghiệm hay phương pháp học offline giúp cho hệ đạt chất lượng điều khiển cao 2.4 KẾT LUẬN CHƢƠNG Chương tác giả tập trung phân tích ưu nhược điểm hai phương pháp điều khiển mờ điều khiển mờ - nơron Cũng kết hợp hai phương pháp sở cho điều khiển mờ - nơron Trong chương tập trung nghiên cứu ANFIS hệ mờ xây dựng theo cấu trúc mạng nơron có khả học tập để điều chỉnh hàm liên thuộc trọng số luật theo liệu huấn luyện công cụ ANFIS GUI hỗ trợ thiết kế hệ mờ - nơron cho mơ hình mờ Sugeno Với cơng cụ hỗ trợ ANFIS, người lập trình dễ dàng xác định thông số mơ hình mờ hình dạng hàm liên thuộc, trọng số luật mờ thông qua tập liệu huấn luyện mạng nơron 12 CHƢƠNG ỨNG DỤNG BỘ ĐIỀU KHIỂN MỜ - NƠRON CHO ROBOT DI ĐỘNG 3.1 HỆ ĐIỀU KHIỂN MỜ 3.1.1 Cấu trúc hệ điều khiển mờ điều khiển robot hai bánh Hình 3.1 – Cấu trúc hệ điều khiển mờ điều khiển robot hai bánh a) Khối tín hiệu ngõ vào ra: b) Khối mờ hóa c) Luật mờ d) Giải mờ 3.1.2 Xây dựng chế suy luận mờ a) Tránh chướng ngại vật (OA) b) Chuyển động dọc tường (WF) c) Định hướng mục tiêu (TS) 3.1.3 Xây dựng giải mờ 13 3.2 BỘ ĐIỀU KHIỂN MỜ - NƠRON 3.2.1 Cấu trúc điều khiển mờ - nơron cho hệ thống điều khiển robot Trong luận văn, tác giả có xét đến quán tính hệ robot Để thực chức khống chế tốc độ hệ quán tính, tác giả đưa vào giá trị sai lệch vận tốc, điều khiển robot trở thành điều khiển mờ động PI Hình 3.8 – Hệ điều khiển mờ động PI Theo [3], Cấu trúc hệ thống mờ nơron sử dụng cấu trúc ANFIS xây dựng hình (3.9) Hình 3.9 – Cấu trúc hệ điều khiển ANFIS cho robot Trong cấu trúc cho điều khiển ANFIS hình (3.10) 3.2.2 Sử dụng cơng cụ ANFIS Matlab thiết kế hệ mờ - nơron điều khiển robot hai bánh a) Xây dựng bảng liệu ổn định tốc độ b) Xây dựng bảng liệu tránh vật cản c) Xây dựng bảng liệu bám mục tiêu 14 d) Xây dựng liệu chuyển động dọc tường Hình 3.10 - Cấu trúc ANFIS cho điều khiển robot di động 3.3 BỘ ĐIỀU KHIỂN PI ĐIỀU KHIỂN ĐỘNG CƠ ĐIỆN MỘT CHIỀU 3.3.1 Mơ hình điều khiển động điện chiều kích từ độc lập 3.3.2 Xác định thông số điều khiển PI 3.3.3 Kết điều khiển robot với điều khiển PI 3.4 KẾT LUẬN CHƢƠNG Chương luận văn nghiên cứu cấu trúc điều khiển mờ điều khiển robot di động [1] tập trung phân tích trạng thái chuyển động đặc trưng robot Xây dựng cấu trúc điều khiển mờ nơron động PI sở liệu huấn luyện cho robot di động xét trường hợp có tính đến động lực học robot 15 CHƢƠNG MÔ PHỎNG VÀ ĐÁNH GIÁ KẾT QUẢ 4.1 HỆ ĐIỀU KHIỂN MỜ 4.1.1 Thông số robot Bán kính bánh xe: r=5cm Khoảng cách hai bánh xe: R=40cm Khoảng cách trọng tâm đến trục hai bánh xe: d=0 Cảm biến phía trước FD, bên trái LD RD có góc quét 300 chiều dài cực đại 8m Hai cảm biến LD RD đặt lệch với góc quét FD góc 90 Khối lượng robot: m=5kg Momen quán tính robot: J=m*R2 =0.8 kg.m2 4.1.2 Xây dựng cấu trúc điều khiển mờ Matlab 4.1.3 Kết mô xem xét tốc độ thấp điều khiển tác động tức thời khối lƣợng robot bé Vị trí bắt đầu (0;0), góc dịch chuyển pi/6 vị trí đích (15;15) vật cản (8,8) Kết hình (4.7) 16 Hình 4.7 – Định hướng mục tiêu tránh vật cản 4.2 HỆ ĐIỀU KHIỂN MỜ - NƠRON 4.2.1 Mơ hình điều khiển robot Matlab Mơ hình robot xây dựng hình (4.8) Hình 4.8 – Mơ hình điều khiển robot Matlab 4.2.2 Sử dụng công cụ ANFIS Matlab thiết kế hệ mờ - nơron điều khiển robot di động hai bánh 17  Mở công cụ ANFIS GUI  Load liệu huấn luyện  Xây dựng thông số ban đầu cho mạng mờ nơron  Huấn luyện mạng mờ nơron sử dụng cấu trúc ANFIS  Xuất cấu trúc hệ mờ nơron sau huấn luyện Hàm liên thuộc trình huấn luyện: Hình 4.15 – Hàm liên thuộc trước sau huấn luyện 4.2.3 Kết điều khiển hệ mờ nơron a) Chuyển động dọc tường bám mục tiêu Kết mơ phỏng: chạy có tải, khối lượng m=20kg tốc độ đặt Vcref=0.1ms, tốc độ ban đầu Vật xuất phát vị trí (0,0) đích (10,10), vị trí vật cản tường có y=1 x=0:2, góc ban đầu 00 18 Hình 4.16 – Chuyển động dọc tường bám mục tiêu Ta dễ dàng nhận thấy sau trình tránh vật cản, robot di chuyển mục tiêu b) Điều khiển bám mục tiêu ổn định tốc độ Kết mô phỏng: khối lượng m=20kg tốc độ đặt Vcref=0.1ms tốc độ ban đầu Vật xuất phát vị trí (0,0) đích (8,8) góc ban đầu 00 Kết mơ hình (4.17) (4.18) thời gian ổn định tốc độ 0.1s Độ điều chỉnh góc 250, sai lệch điều khiển tiến đích không Như vậy, điều khiể mờ nơ ron đạt yêu cầu điều khiển 19 Hình 4.17 – Kết mô điều khiển ổn định tốc độ bám mục tiêu với khối lượng m=5kg Hình 4.18 – Đặc tính tốc độ theo thời gian c) Điều khiển tránh vật cản bám mục tiêu Kết mơ phỏng: chạy có tải, khối lượng m=20kg, mơmen quán tính I=0.9kg.m2 tốc độ đặt Vcref=0.1ms, tốc độ ban đầu Vật xuất phát vị trí (0,0) đích (12,12), vị trí vật cản (8,8), góc ban đầu 00 20 Hình 4.20 – Tránh vật cản đường di chuyển bám mục tiêu Theo kết điều khiển hình (4.20), (4.21), robot thực ba chức bám mục tiêu sở quỹ đạo tối ưu, (trong khoảng x=0:6) robot di chuyển với góc 450 hay đường thẳng y=x quỹ đạo cho kết tối ưu đường Khi phát vật cản khoảng cách gần robot thực chức giảm tốc để chuẩn bị tránh vật cản ưu tiên rẽ trái, kết phù hợp với luật xây dựng chương 21 Hình 4.21 – Đặc tính điều khiển tốc độ Sau q trình tránh vật cản robot thực tăng tốc tốc độ đặt đồng thời thời bám vào quỹ đạo với góc định hướng 400, suất q trình tiến đích góc di chuyển ln khơng đổi tức robot di chuyển đường thẳng nên tối ưu đoạn đường di chuyển Đồng thời, với trạng thái khác robot chuyển động với quỹ đạo khác đảm bảo tránh vật cản tối ưu đường ưu điểm bật điều khiển mờ so với phương pháp khác Qua kết này, điều khiển mờ nơ ron theo cấu trúc ANFIS học tập liệu huấn luyện để tự 22 hoàn thiện cấu trúc tham số mơ hình để đáp ứng chức điều khiển 4.4 KẾT LUẬN CHƢƠNG Chương luận văn sử dụng phương trình động lực học xây dựng chương phương trình hệ truyền động động điện chiều xây dựng chương xây dựng mơ hình robot di động bánh Matlab Simulink, nhằm tạo điều kiện mơ kiểm tra tính đắn thuật tốn thơng số điều khiển Chương thực hai thành phần mô phỏng, mô điều khiển mờ mơ hình khơng xét đến yếu tố động học, nhằm mục đích đánh giá đặc trưng trạng thái chuyển động robot làm sở ban đầu cho xây dựng hệ liệu huấn luyện cho robot với điều khiển mờ - nơron Mô robot di động với điều khiển mờ - nơron hệ có xét đến đầy đủ yếu tố động học mơ hình truyền động động điện chiều DC chỉnh lưu bốn góc phần tư, kết robot với điều khiển mờ - nơron thực đầy đủ chuyển động đặc trưng đảm bảo yêu cầu điều khiển đặt ban đầu 23 KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ Sau thời gian nghiên cứu, tìm hiểu, xây dựng, tính tốn thiết kế điều khiển bám cho ROBOT di động hai bánh với điều khiển mờ - nơron với giúp đỡ nhiệt tình thầy TS.Võ Như Tiến thầy cô giáo Khoa Điện đến luận văn hoàn thành Kết luận: Luận văn với điều khiển mờ - nơron giải toán điều khiển robot di động sử dụng bánh xe điều kiện môi trường thay đổi có tải Trong q trình chuyển động, robot thực trạng thái bám mục tiêu di chuyển đích với tốc độ cố định, đồng thời gặp vật cản, robot ưu tiên chuyển hướng tránh vật cản xác định lại góc định hướng để bám góc định hướng sở quỹ đạo chuyển động đường thẳng để tối ưu đoạn đường di chuyển Qua kết mô chương 4, khẳng định thuật tốn cấu trúc điều khiển trình bày luận văn hồn tốn phù hợp đắn Luận văn hồn thành điều kiện để robot di động bánh xe với cấu chuyển động linh hoạt, điều khiển đơn giản, giảm hao phí phát triển làm tiền đề cho robot di động hai bánh sử dụng ngành công nghiệp Việt Nam Kiến nghị: Vì điều kiện thời gian kiến thức có hạn, nên luận văn dừng lại mức độ xây dựng hệ phương trình, luật điều khiển đặc trưng hệ thống liệu huấn luyện điều kiện đặc trưng Để luận văn tiếp tục hồn thiện cần đưa mơ hình vào sử dụng thí nghiệm cụ thể điều kiện 24 phong phú thu thập liệu huấn luyện cho điều khiển robot đạt chất lượng điều khiển cao Hướng phát triển đề tài: đề tài huấn luyện mạng dựa thu thập liệu thí nghiệm mơ hình Matlab Simulink, để đề tài áp dụng vào thực tế cần đưa robot vào thí nghiệm cụ thể để thu thập liệu, nhiễu tác động vào hệ thống liệu Nên vấn đề nghiên cứu nhiễu trình thu thập liệu cần nghiên cứu đánh giá có biện pháp giải để liệu thu xác, góp phần nâng cao chất lượng điều khiển robot đưa vào thực tế