Nghiên cứu bài toán động học của robot tự hành di chuyển trên mặt phẳng

NGuyễn Tiến Dũng Bộ giáo dục đào tạo Trường đại học bách khoa hà nội - Họ tên tác giả luận văn NGUYỄN TIẾN DŨNG c«ng nghƯ khí TÊN Đề TàI LUậN VĂN NGHIấN CU BI TOÁN ĐỘNG HỌC CỦA ROBOT TỰ HÀNH DI CHUYỂN TRÊN MT PHNG Luận văn thạc sĩ khoa học Ngành: Công nghệ khí MÃ số: 2007 - 2009 Hà nội 2009 Hà nội 2009 Bộ giáo dục đào tạo Trường đại học bách khoa hà nội - Họ tên tác giả luận văn NGUYỄN TIẾN DŨNG NGHIÊN CỨU BÀI TOÁN ĐỘNG HỌC CỦA ROBOT TỰ HÀNH DI CHUYỂN TRấN MT PHNG Luận văn thạc sĩ khoa học Ngành: Công nghệ khí Nguyễn Tiến Dũng Người hướng dẫn khoa häc: TS ngun Träng doanh Hµ néi 2009 Luận văn thạc sỹ Lời cam đoan Tôi xin cam đoan rằng, số liệu kết thực nghiệm nghiên cứu luận văn hoàn toàn thực tế khách quan Những kết tương tự chưa sử dụng để bảo vệ học vị Tác giả luận văn Nguyễn Tiến Dũng Học viên: Nguyễn Tiến Dũng Luận văn thạc sỹ LI CM N Tôi xin chân thành cảm ơn TS.Nguyễn Trọng Doanh tận tình hướng dẫn tơi suốt q trình thực luận văn Những lời hướng dẫn, bảo tận tình thầy giúp tơi nhiều q trình làm luận văn Xin cảm ơn tồn thể thầy cô Bộ môn Công nghệ chế tạo máy đóng góp ý tạo điều kiện thuận lợi để tơi hồn thành luận văn Cuối xin cảm ơn thầy, bạn đồng nghiệp khoa Cơ khí trường Cao đẳng Công nghiệp Sao Đỏ cổ vũ động viên tạo điều kiện thuận lợi cho suốt trình thực luận văn Hà Nội, tháng 11 năm 2009 Tác giả Nguyễn Tiến Dũng Học viên: Nguyễn Tiến Dũng Luận văn thạc sỹ MỤC LỤC MỤC LỤC DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ TÓM TẮT NỘI DUNG LUẬN VĂN THESIS SUMMARY 10 LỜI MỞ ĐẦU 11 CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ MOBILE ROBOT 13 1.1 Giới thiệu 13 1.2 Một số ứng dụng mobile robot 14 1.3 Các loại chuyển động mobile robot 18 1.3.1 Robot di động chân (legged mobile robot) 18 1.3.2 Robot di chuyển xích (tracked mobile robot) 21 1.3.3 Robot di chuyển bánh lăn (wheeled mobile robot) 22 1.3.4 Các loại bánh lăn dùng cho mobile robot 23 CHƯƠNG 2: CƠ SỞ ĐỘNG HỌC VẬT RẮN 27 2.1 Vị trí hướng vật rắn khơng gian 27 2.1.1 Hệ tọa độ vật 27 2.1.2 Ma trận côsin hướng 28 2.1.3 Ý nghĩa ma trận côsin hướng 30 2.2 Mô tả tối thiểu hướng 31 2.2.1 Góc Euler 32 2.2.2 Góc YPR 34 2.4 Tọa độ ma trận biến đổi tọa độ 36 2.4.1 Tọa độ 36 2.4.2 Ma trận biến đổi tọa độ 37 Häc viªn: Ngun Tiến Dũng Luận văn thạc sỹ 2.4.3 Ma trn Denavit-Hartenberg 39 2.5 Vận tốc điểm hệ tọa độ động 41 CHƯƠNG 3: ĐỘNG HỌC MOBILE ROBOT DI CHUYỂN TRÊN MẶT PHẲNG 43 3.1 Mở đầu 43 3.2 Các giả thiết 43 3.3 Vị trí mobile robot 44 3.4 Liên kết động học bánh lăn 45 3.4.1 Bánh lăn cố định 46 3.4.2 Bánh lái tâm 49 3.4.3 Bánh lái lệch tâm 49 3.4.4 Bánh lăn kiểu Thụy Điển 51 3.5 Phương trình ràng buộc phân loại động học mobile robot 52 3.6 Bậc di động bậc lái 57 3.7 Bậc di chuyển (degree of maneuverability) 60 3.8 Bậc tự (degree of freedom) 61 3.9 Các ví dụ 62 3.10 Phương trình động học mobile robot 67 CHƯƠNG 4: ĐỘNG LỰC HỌC MOBILE ROBOT DI CHUYỂN TRÊN MẶT PHẲNG 68 4.1 Giới thiệu 68 4.2 Phương trình Lagrange dạng nhân tử 68 4.3 Phương trình chuyển động mobile robot phẳng 69 Häc viªn: Ngun TiÕn Dịng Luận văn thạc sỹ 4.4 Vớ d 71 CHƯƠNG 5: GIẢI BÀI TOÁN CỤC BỘ TRÁNH VẬT CẢN CHO MOBILE ROBOT 73 5.1 Giới thiệu 73 5.2 Vị trí robot mặt phẳng 74 5.2.1 Mơ hình kết cấu 74 5.2.2 Vị trị robot mặt phẳng 75 5.3 Giải tốn tìm đường cục cho mobile robot 76 5.3.1 Bài toán tìm đường cục cho robot 76 5.3.2 Phương pháp dẫn hướng thích nghi 77 5.4 Chương trình điều khiển 80 CHƯƠNG 6: PHẦN CỨNG ĐIỀU KHIỂN MƠ HÌNH MOBILE ROBOT 82 6.1 Sơ đồ điều khiển mobile robot 82 6.2 Các sensor sử dụng robot 83 6.2.1 Sensor hồng ngoại 83 6.2.2 Sensor siêu âm 84 6.2.3 Sensor la bàn 87 6.3 Phần cứng điều khiển robot 89 6.3.1 Mạch điều khiển trung tâm 89 6.3.2 Mạch công suất điều khiển động DC 91 KẾT LUẬN VÀ KHUYẾN NGHỊ 93 TÀI LIỆU THAM KHẢO 95 PHỤ LỤC 96 Häc viªn: Ngun Tiến Dũng Luận văn thạc sỹ DANH MC CC HÌNH VẼ Hình 1.1 Robot hàn KUKA robot song song SIG Demaurex 13 Hình 1.2 Mobile Robot Sojourner © NASA/JPL 14 Hình 1.3 Robot Pioneer © Wide World Photos 15 Hình 1.4 Robot MBARI’s ALTEX AUV Todd Walsh © 2001 MBARI 15 Hình 1.5 Robot Plustech (http://www.plustech.fi) © Plustech 16 Hình 1.6 Robot SWISSLOG ©Swisslog 17 Hình 1.7 Robot Roboxe hãng EPFL Thụy Sĩ sản xuất 18 Hình 1.8 Robot lau nhà RC 3000 18 Hình 1.9 Robot Raiberd hopper 19 Hình 1.10 Robot Sony SDR-4X II 20 Hình 1.11 Chú chó thơng minh AIBO hãng Sony 20 Hình 1.12 Robot Lauron II trường đại học Karlsruhe, Đức 21 Hình 1.13 Robot Nanokhod robot Lunokhod 21 Hình 1.14 Robot khơng gian Rocky (hình a) robot phẳng (hình b) 22 Hình 1.15 Bánh lăn kiểu bình thường (conventional wheel) 23 Hình 1.16 Bánh lăn cố định (fixed standard wheel) 23 Hình 1.17 Bánh lái tâm (centered orientable wheel) 24 Hình 1.18 Bánh lái lệch tâm (off-centered orientable wheel) 24 Hình 1.19 Bánh lăn kiểu Thụy Điển 25 Hình 1.20 Bánh lăn Thụy Điển 90o 45o 25 Hình 1.21 Robot Uranus 26 Hình 2.1 Vị trí vật rắn khơng gian 27 Hình 2.2 Quy ước chiều quay 29 Häc viªn: Ngun TiÕn Dịng Luận văn thạc sỹ Hỡnh 2.3 Phộp quay quanh trc y0 z0 29 Hình 2.4 Biểu diễn điểm P hai hệ toạ độ 30 Hình 2.5 Sự hình thành góc quay Euler 32 Hình 2.6 Phép quay RPY 34 Hình 2.7 Biểu diễn điểm P hệ toạ độ 36 Hình 2.8 Khảo sát chuyển động điểm P 37 Hình 2.9 Biểu diễn thông số động học theo quy tắc Denavit-Hartenberg 39 Hình 2.10 Biểu diễn vận tốc điểm Q hệ toạ độ 41 Hình 3.1 Bánh lăn chuyển động mặt phẳng 44 Hình 3.2 Vị trí robot mặt phẳng 44 Hình 3.3 Bánh xe lăn mặt phẳng 46 Hình 3.4 Bánh lăn cố định thơng số hình học 46 Hình 3.5 Bánh lái tâm thơng số hình học 49 Hình 3.6 Bánh lái lệch tâm thơng số hình học 50 Hình 3.7 Bánh lăn kiểu Thụy Điển thơng số hình học 51 Hình 3.8 Cấu tạo bánh lăn kiểu Thụy Điển 51 Hình 3.9 Vận tốc điểm tiếp xúc bánh lăn kiểu Thụy Điển 52 Hình 3.10 Xe Ackerman xe đạp 56 Hình 3.11 Pygmalion robot Piaggio minitransporter 56 Hình 3.12 Robot bị suy biến 57 Hình 3.13 Robot có bánh lăn kiểu Thụy Điển 59 Hình 3.14 Năm kiểu xe bánh 61 Hình 4.1 Các thơng số hình học mobile robot 71 Hình 5.1 Mơ hình kết cấu robot 74 Häc viªn: Ngun TiÕn Dịng Ln văn thạc sỹ Hỡnh 5.2 V trớ ca robot mặt phẳng 75 Hình 5.3 Khơng gian làm việc robot tự hành 77 Hình 5.4 Các tình phát vật cản 78 Hình 5.5 Lưu đồ thuật tốn robot 800 Hình 6.1 Sơ đồ khối điều khiển mobile robot 82 Hình 6.2 Photo sensor E3F2-DS30B4 83 Hình 6.3 Sơ đồ mạch E3F2-DS30B4 84 Hình 6.4 Sensor siêu âm Devantech SRF04 85 Hình 6.5 Giản đồ xung thu phát siêu âm SRF04 87 Hình 6.6 Sensor la bàn 87 Hình 6.7 Khối nguồn dung ICLm2576 90 Hinh 6.8 Sơ đồ mạch nạp cho chip AVR qua công LPT 90 Hình 6.9 Sơ đồ mạch trung tâm 91 Hình 6.10 Sơ đồ khối IC MC33887 92 Hình 6.11 Mạch điều khiển động dùng IC MC33887 92 Học viên: Nguyễn Tiến Dũng 94 Luận văn th¹c sü triệt để, yêu cầu tốn cịn thơ Bài tốn tìm đường tồn cục chưa đề cấp đến Chương trình điều khiển mơ hình mobile robot chưa tối ưu, robot nhiều chạm vật cản q trình di chuyển Häc viªn: Nguyễn Tiến Dũng 95 Luận văn thạc sỹ TI LIU THAM KHẢO GS TSKH Nguyễn Thiện Phúc(2000), Robot công nghiệp, nhà xuất khoa học kỹ thuật, Hà Nôi GS TSKH Đỗ Xanh(2002), Cơ học tập 2, nhà xuất giáo dục, Hà Nôi PGS TS Đào Văn Hiêp(2006), Kỹ thuật robot, nhà xuất khoa học kỹ thuật, Hà Nội TS Nguyễn Văn Giáp(2003), Giải toán cục tránh vật cản cho robot tự hành, Báo cáo hội nghị Cơ điện tử lần thứ TSUSHI FUJIMORI, PETER N NIKIFORUK(1997), Adaptive Navigation of Mobile Robot, IEEE Transactions on Robotics and Automation, Vol-13, August Häc viªn: Ngun TiÕn Dịng 96 Luận văn thạc sỹ PH LC Chng trỡnh ny c viết ngôn ngữ C thông qua phần mềm CodeVisionAVR Sau chi tiết phần code chương trình: This program was produced by the CodeWizardAVR V1.24.6 Professional Automatic Program Generator © Copyright 1998-2005 Pavel Haiduc, HP InfoTech s.r.l http://www.hpinfotech.com e-mail:office@hpinfotech.com Project : Version : Date : 6/21/2009 Author : F4CG Company : F4CG Comments: Chip type : ATmega16L Program type : Application Clock frequency : 8.000000 MHz Memory model : Small External SRAM size : Data Stack size : 256 *****************************************************/ #include #include #include #include // I2C Bus functions #asm equ i2c_port=0x15 ;PORTC equ sda_bit=7 equ scl_bit=6 Häc viªn: Ngun TiÕn Dòng 97 #endasm #include // Alphanumeric LCD Module functions #asm equ lcd_port=0x1B ;PORTA #endasm #include // Declare your global variables here unsigned char msg1[16]; unsigned char msg2[16]; unsigned char data,tg,mode; unsigned int d; unsigned int giatritucthoi; //float posisi; void compass_read() { i2c_start(); i2c_write(0xC0); i2c_write(1); i2c_start(); i2c_write(0xC1); data=i2c_read(0); i2c_stop(); } void dc1_t(unsigned n) { PORTD.7=1; //D2 PORTD.6=1; PORTD.3=0; OCR1AL=n; } void dc1_l(unsigned n) { PORTD.7=1; //D2 Häc viên: Nguyễn Tiến Dũng Luận văn thạc sỹ 98 PORTD.6=0; PORTD.3=1; OCR1AL=n; }void dc1_top(void) { PORTD.7=1; //D2 PORTD.6=1; PORTD.3=0; OCR1AL=0; } void dc2_t(unsigned n) { PORTD.2=1; //D2 PORTD.1=1; //in2 PORTD.0=0; //in1 OCR1BL=n; } void dc2_l(unsigned n) { PORTD.2=1; //D2 PORTD.1=0; //in2 PORTD.0=1; //in1 OCR1BL=n; } void dc2_top(void) { PORTD.2=1; //D2 PORTD.1=0; //in2 PORTD.0=1; //in1 OCR1BL=0; } void dithang(unsigned char giatribandau) { while (1) Học viên: Nguyễn Tiến Dũng Luận văn thạc sỹ 99 Luận văn thạc sỹ { //Place your code here compass_read(); giatritucthoi=data; sprintf(msg1," giatrigoc =%d",data); lcd_gotoxy(0,1); lcd_puts(msg1); sprintf(msg2,"Khoa Co Khi"); lcd_gotoxy(0,0); lcd_puts(msg2); if((giatritucthoi>=giatribandau+1)&(giatritucthoigiatribandau+5) { dc2_t(255); dc1_top(); } if((giatritucthoi=giatribandau-5)) { dc2_t(50); dc1_t(255); } if(giatritucthoi2) { lcd_clear(); sprintf(msg1,"CHE DO"); lcd_gotoxy(0,0); lcd_puts(msg1); sprintf(msg1," NO"); lcd_gotoxy(0,1); lcd_puts(msg1); delay_ms(100); Häc viªn: Ngun TiÕn Dịng Ln văn thạc sỹ 104 mode=0; } } if(mode==1) { dithang(150); dc1_top(); dc2_top(); } } Häc viªn: Ngun TiÕn Dịng Ln văn thạc sỹ TểM TT NI DUNG LUN VN Tên đề tài: “ NGHIÊN CỨU BÀI TOÁN ĐỘNG HỌC CỦA ROBOT TỰ HÀNH DI CHUYỂN TRÊN MẶT PHẲNG” Đề tài với mục đích nghiên cứu phương pháp tính tốn động học thiết lập phương trình chuyển động robot di động bánh lăn mặt phẳng Những kết cần thiết để giải vấn đề định vị điều khiển Đồng thời, luận văn đưa lời giải tốn tìm đường cục cho mobile robot việc sử dụng kỹ thuật dẫn hướng thích nghi sở ứng dụng sensor siêu âm sensor la bàn Với mục đích trình bày nội dung luận văn thực vấn đề sau: Phần đầu luận văn, trình bày phương pháp phân tích động học động lực học mobile robot di chuyển bánh xe Phần bao gồm chương 1, 2, 3, - Chương 1: Giới thiệu chung loại mobile robot - Chương 2: Trình bày sở lý thuyết động học vật rắn - Chương 3: Nêu lên phương pháp phân tích động học phân loại mobile robot phẳng dựa hai khái niệm bậc di động bậc lái - Chương 4: Thiết lập phương trình động lực học mobile robot dựa phương trình Lagrange Phần thứ hai luận văn gồm chương giới thiệu tốn tìm đường cục tránh vật cản cho robot sở ứng dụng sensor hồng ngoại, sensor siêu âm, sensor la bàn Thesis summary Title: “ A study on the kinetic mathematical problems of plane self –propelled mobile” The study aims at studying the methods of kinetic calculating and constructing the motion equation of wheeled plane mobile robot These are very essential for solving problems in positioning and control Concurrently, the study has found out the solutions to the mathematical problem of determining the path to its next way points or goals of mobile robot using technique of direction guiding based on supersonic sensors and compass sensor … To reach the aims, the study is designed with: Part 1: Presenting the methods of kinetics and dynamics analyzing of wheeled mobile robots The part is designed with parts 1,2,3,4 Chapter 1: Introduction of mobile robot Chapter 2: Theory of kinematics of solid body Chapter 3: The chapter refers to methods of kinematics analyzing, classification of mobile robots based on the concepts of mobile degree and drive degree Chapter 4: The chapter focuses on constructing the kinematics equation of mobile robot based on Lagrange equation Part is designed with chapters and presenting the mathematic problems of determining the path out of barrier based on the application of infrared sensors, supersonic sensors and compass sensors Chapter 5: Presents the detail solutions of path determining determining mathematic problems by using direction guiding techniques Chapter 6: The chapter introduces the control hardware of mobile robot model - Chương 5: Mơ tả chi tiết việc giải tốn tìm đường cục mobile robot việc sử dụng kỹ thuật dẫn hướng thích nghi - Chương 6: Giới thiệu phần cứng điều khiển mơ hình mobile robot ... Trường đại học bách khoa hµ néi - Họ tên tác giả luận văn NGUYỄN TIẾN DŨNG NGHIÊN CỨU BÀI TOÁN ĐỘNG HỌC CỦA ROBOT TỰ HÀNH DI CHUYỂN TRÊN MẶT PHẲNG LuËn văn thạc sĩ khoa học Ngành:... điều khiển động dùng IC MC33887 92 Häc viªn: Nguyễn Tiến Dũng Luận văn thạc sỹ TểM TT NỘI DUNG LUẬN VĂN Tên đề tài: “ NGHIÊN CỨU BÀI TOÁN ĐỘNG HỌC CỦA ROBOT TỰ HÀNH DI CHUYỂN TRÊN MẶT PHẲNG”... mobile robot phẳng dựa khái niệm bậc di động bậc lái 3.2 Các giả thiết Trong q trình phân tích động học động lực học mobile robot phẳng ta đưa vào số giả thiết sau: - Robot di chuyển mặt phẳng