Thiết kế bộ điều khiển mờ hỗ trợ đỗ xe ô tô

-i- ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP HCM TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA NGUYỄN DUY HIẾU THIẾT KẾ BỘ ĐIỀU KHIỂN MỜ HỖ TRỢ ĐỖ XE ÔTÔ Chuyên ngành: Kỹ thuật Cơ điện tử LUẬN VĂN THẠC SĨ TP.HỒ CHÍ MINH – 07/2011 - ii - CƠNG TRÌNH ĐƯỢC HỒN THÀNH TẠI TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP HỒ CHÍ MINH Cán hướng dẫn khoa học: TS Đồn Thế Thảo Cán chấm nhận xét 1: Cán chấm nhận xét 2: Luận văn thạc sĩ bảo vệ Trường Đại học Bách Khoa, ĐHQG Tp.HCM, ngày tháng năm Thành phần Hội đồng đánh giá luận văn thạc sĩ gồm: Chủ tịch Hội đồng đánh giá LV Bộ môn quản lý chuyên ngành - iii - TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA CỘNG HÒA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM PHÒNG ĐÀO TẠO SĐH Độc Lập - Tự Do - Hạnh Phúc _ -oOo Tp HCM, ngày tháng năm NHIỆM VỤ LUẬN VĂN THẠC SĨ Họ tên học viên: Nguyễn Duy Hiếu Giới tính: Nam Ngày, tháng, năm sinh: 09/03/1986 Nơi sinh: Tiền Giang Chuyên ngành: Kỹ thuật Cơ điện tử Khóa (Năm trúng tuyển): 2009 I- TÊN ĐỀ TÀI: Thiết kế điều khiển mờ hỗ trợ đỗ xe ôtô II- NHIỆM VỤ LUẬN VĂN: III- NGÀY GIAO NHIỆM VỤ: ……………………………… IV- NGÀY HOÀN THÀNH NHIỆM VỤ: ………………… V- HỌ VÀ TÊN CÁN BỘ HƯỚNG DẪN: TS Đoàn Thế Thảo CÁN BỘ HƯỚNG DẪN CHỦ NHIỆM BỘ MÔN (Họ tên chữ ký) QUẢN LÝ CHUYÊN NGÀNH (Họ tên chữ ký) KHOA QL CHUYÊN NGÀNH (Họ tên chữ ký) - iv - LỜI CẢM ƠN Tôi xin gửi lời cảm ơn chân thành đến quý Thầy Cơ Trường Đại học Bách Khoa Tp Hồ Chí Minh, cảm ơn quý thầy cô cung cấp cho tơi nhiều kiến thức bổ ích suốt thời gian học tập trường Qua xin gửi lời cảm ơn đến Thầy TS Đoàn Thế Thảo tận tình định hướng hướng dẫn tơi nghiên cứu khoa học khoảng thời gian thực luận văn Tôi xin chân thành cảm ơn quý Thầy Cô môn Cơ Điện Tử tạo điều kiện thuận lợi cho mượn tài liệu sử dụng thiết bị, mơ hình thí nghiệm để tơi hồn thành luận văn Xin cảm ơn Thư viện trường Đại học Bách Khoa Tp Hồ Chí Minh cung cấp tài liệu tham khảo quý báu giúp tơi có tiền đề, định hướng làm luận văn Xin cảm ơn ý kiến đóng góp, động viên quý thầy cô bạn học viên cao học giúp tơi hồn thiện luận văn Tp HCM, ngày… tháng.… năm…… Nguyễn Duy Hiếu -v- ABSTRACT In this thesis, an fuzzy genetic algorithm (GA) was applied to design a controller which was used to control mobile robot for reversing into a parking lot The controller has been tested on a Pioneer 3AT mobile robot (P3-AT) which emulates the real vehicle The controller has three different fuzzy controllers, each of which controls each step in of the parking, namely: FLC1, FLC2 and FLC3 In order to minimize the cost function, the parameters of membership functions were determined by using a GA and experimental data FLC1 and FLC3 are two simple fuzzy controllers, GA was used for tuning the membership functions and rule bases for these controllers FLC2 is the most complex fuzzy controller, to improve the computational time of GA, not only the kinematic model was considered but the experimental data method was used to design a fuzzy-rule-based system The simulation and experimentation results will demonstrate the control effectiveness of the proposed fuzzy controller TÓM TẮT Trong luận văn này, thuật toán di truyền mờ (GA) áp dụng để thiết kế điều khiển dùng việc điều khiển robot di động tự lùi vào bãi đỗ Đối tượng sử dụng để kiểm tra đặc tính điều khiển mơ hình robot di động Pioneer3AT (P3-AT) Bộ điều khiển robot P3-AT gồm điều khiển mờ riêng biệt, điều khiển mờ điều khiển xe thực bước trình bước đỗ xe, chúng gọi là: FLC1, FLC2 FLC3 Để giảm tối thiểu giá trị hàm chi phí, thơng số hàm thuộc tập luật mờ xác định thông qua việc sử dụng GA phương pháp liệu thực nghiệm Do FLC1 FLC3 điều khiển mờ đơn giản nên GA sử dụng để dị tìm hàm thuộc tập luật mờ cho điều khiển Riêng FLC2 điều khiển mờ phức tạp nên để giảm thời gian thực thi thuật toán GA, khơng mơ hình động học quan tâm mà tác giả sử dụng phương pháp liệu thực nghiệm để xác định tập luật mờ cho điều khiển - vi - Kết mô kết thực nghiệm mơ hình P3-AT chứng minh tính hiệu thuật tốn đề nghị - vii - MỤC LỤC Trang Trang bìa i Nhiệm vụ luận văn iii Lời cảm ơn iv Tóm tắt v Mục lục vi Danh mục hình vẽ ix Danh mục bảng biểu xi CHƯƠNG 1: GIỚI THIỆU TỔNG QUAN 1.1 Tổng quan vấn đề đỗ xe tự động 1.2 Tình hình nghiên cứu nước giới 1.2.1 Trên giới 1.2.2 Ở Việt Nam 1.3 Mục tiêu nội dung luận văn 1.3.1 Mục tiêu 1.3.2 Nội dung 1.4 Cấu trúc luận văn CHƯƠNG 2: ĐỘNG HỌC VÀ THƯ VIỆN LẬP TRÌNH ĐIỀU KHIỂN MOBILE ROBOT PIONEER – 3AT 2.1 Giới thiệu chung 2.2 Máy tính nhúng 10 2.3 Các chương trình dùng để điều khiển P3-AT 12 2.4 Điều khiển PID 12 2.5 Mơ hình động học 14 - viii - CHƯƠNG 3: THIẾT KẾ BỘ ĐIỀU KHIỂN MỜ HỖ TRỢ MOBILE ROBOT P3AT TỰ LÙI VÀO BÃI ĐỖ 3.1 Các mơ hình bãi đỗ kỹ thuật đỗ xe thực tế 16 3.1.1 Mô hình bãi đỗ 16 3.2.2 Kỹ thuật đỗ xe vào bãi đỗ song song 17 3.2 Tọa độ xe hệ tọa độ bãi đỗ 19 3.3 Thiết kế điều khiển mờ hỗ trợ đỗ xe tự động 20 3.3.1 Bộ điều khiển mờ thứ 21 3.3.2 Bộ điều khiển mờ thứ 26 3.3.2.1 Phương pháp 27 3.3.2.2 Phương pháp 31 3.3.3 Bộ điều khiển mờ thứ 41 CHƯƠNG 4: KẾT QUẢ - KẾT LUẬN 4.1 Kết mô 44 4.1.1 Bước 44 4.1.2 Bước 46 4.1.2.1 Phương pháp 46 4.1.2.2 Phương pháp 49 4.1.3 Bước 52 4.1.4 Giao diện đỗ trợ đỗ xe 53 4.2 Kết thực nghiệm 54 4.3 Kết luận 56 4.3.1 Kết đạt 56 4.3.2 Hướng phát triển 56 Tài liệu tham khảo 59 Phụ lục 61 Lý lịch trích ngang 71 - ix - DANH MỤC HÌNH VẼ Trang Hình 1.1 Xe có trang bị hệ thống hỗ trợ đỗ xe hãng toyota [18] Hình 1.2 Sử dụng Remote yêu cầu xe tự động lùi vào nơi đỗ [18] Hình 2.1 Các loại robot Pioneer [5] Hình 2.2 Robot có hệ thống nhúng sử dụng công nghệ vũ trụ [18] 11 Hình 2.3 Máy tính nhúng EBX-12 11 Hình 2.4 Sự thay đổi vận tốc trình thực yêu cầu chuyển động [5] 13 Hình 2.5 Hình dạng thực tế robot P3-AT 14 Hình 2.6 Robot hệ tọa độ qn tính OXYZ [8] 14 Hình 3.1 Các loại hình bãi đỗ xe [9] 16 Hình 3.2 Xe A chuẩn bị đỗ vào xe B C [9] 17 Hình 3.3 Xe A di chuyển dọc theo lề đường [9] 17 Hình 3.4 Trình tự lùi xe vào bãi [9] 17 Hình 3.5 Xe A di chuyển trước để nằm xe B C [9] 18 Hình 3.6 Quĩ đạo di chuyển bánh sau bên phải [18] 18 Hình 3.7 Tọa độ xe hệ tọa độ bãi đỗ 19 Hình 3.8 Trình tự thực bước đỗ xe song song 20 Hình 3.9 Vị trí bắt đầu kết thúc xe thực bước 21 Hình 3.10 Dạng hàm thuộc chưa ràng buộc 22 Hình 3.11 Dạng hàm thuộc đơn giản sau ràng buộc 23 Hình 3.12 Các hàm thuộc FLC1 ràng buộc 23 Hình 3.13 Vị trí bắt đầu kết thúc xe thực bước 26 Hình 3.14 Không gian bãi đỗ phân thành vùng riêng biệt 26 Hình 3.15 Các hàm thuộc FLC2 (theo phương pháp 1) 28 Hình 3.16 Dạng hàm thuộc mang tính ước lượng biến  32 Hình 3.17 Dạng hàm thuộc mang tính ước lượng biến  33 -x- Hình 3.18 Quĩ đạo di của bánh W1 dựa theo liệu thực nghiệm 33 Hình 3.19 Hàm thuộc biến ngõ vào xinc yinc 34 Hình 3.20 Các hàm thuộc điều khiển mờ gồm biến ngõ vào biến ngõ 36 Hình 3.21 Các hàm giá trị hàm thuộc ứng với mẫu 37 Hình 3.22 Các giá trị hàm thuộc ứng với mẫu 37 Hình 3.23 Các giá trị hàm thuộc ứng với mẫu 38 Hình 3.24 Các hàm thuộc FLC2 (theo phương pháp 2) 39 Hình 3.25 Vị trí bắt đầu kết thúc xe thực bước 41 Hình 3.26 Các hàm thuộc FLC3 42 Hình 4.1 Độ thích nghi cá thể tốt qua hệ (FLC1) 44 Hình 4.2 Hàm thuộc FLC1 45 Hình 4.3 Quĩ đạo di chuyển xe thực bước 45 Hình 4.4 Độ thích nghi cá thể tốt (FLC2- phương pháp 1) 46 Hình 4.5 Hàm thuộc FLC2 theo phương pháp 48 Hình 4.6 Quĩ đạo di chuyển xe thực bước theo phương pháp 48 Hình 4.7 Độ thích nghi cá thể tốt (FLC2- phương pháp 2) 49 Hình 4.8 Hàm thuộc FLC2 theo phương pháp 50 Hình 4.9 Quĩ đạo di chuyển xe thực bước theo phương pháp 51 Hình 4.10 Độ thích nghi cá thể tốt (FLC3) 52 Hình 4.11 Hàm thuộc quĩ đạo di chuyển xe thực bước 52 Hình 4.13 Giao diện hỗ trợ đỗ xe 53 Hình 4.14 Quĩ đạo di chuyển xe tiến hành thực nghiệm bước 54 Hình 4.15 Vị trí camera hệ tọa độ oxk yk đặt bánh sau W1 [16] 57 ... - 20 - 3.3 Thiết kế điều khiển mờ hỗ trợ đỗ xe tự động Tác giả đề xuất điều khiển có khả giúp mơ hình xe dạng nonholonomic tự đỗ vào bãi thông qua luật điều khiển mờ Bộ điều khiển mờ với số lượng... CHƯƠNG THIẾT KẾ BỘ ĐIỀU KHIỂN MỜ HỖ TRỢ ROBOT DI ĐỘNG P3-AT TỰ LÙI VÀO BÃI ĐỖ 3.1 Các mơ hình bãi đỗ kỹ thuật đỗ xe thực tế 3.1.1 Mô hình bãi đỗ Trong thực tế có mơ hình bãi đỗ xe đỗ xe song song đỗ. .. song song 17 3.2 Tọa độ xe hệ tọa độ bãi đỗ 19 3.3 Thiết kế điều khiển mờ hỗ trợ đỗ xe tự động 20 3.3.1 Bộ điều khiển mờ thứ 21 3.3.2 Bộ điều khiển mờ thứ 26 3.3.2.1