Áp dụng điều khiển mờ trên robot tự hành bám mục tiêu di động

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO ĐẠI HỌC QUỐC GIA THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA TRẦN VĂN TÙNG ĐỀ TÀI: ÁP DỤNG ĐIỀU KHIỂN MỜ TRÊN ROBOT TỰ HÀNH BÁM MỤC TIÊU DI ĐỘNG LUẬN VĂN CAO HỌC CHUYÊN NGÀNH: CHẾ TẠO MÁY NĂM 2003 Áp dụng điều khiển mờ robot tự hành bám mục tiêu di động – Luận văn Cao học Chương TỔNG QUAN VỀ ROBOT TỰ HÀNH – CÁC ỨNG DỤNG THỰC TIỄN VÀ MỤC TIÊU NGHIÊN CỨU CỦA ĐỀ TÀI 1.1 Tổng quan robot tự hành 1.1.1 Lịch sử phát triển Ngành điều khiển học tự động hóa có bước tiến đáng kể nhờ vào thành tựu trình phát triển khoa học kỹ thuật Chính mà ngành khoa học góp phần không nhỏ vào việc tăng suất lao động, giảm giá thành, tăng chất lượng độ đồng chất lượng loạt sản phẩm Hơn việc cải thiện điều kiện môi trường làm việc cho người, đặc biệt số ngành nghề với công việc có tính nặng nhọc, độc hại sơn, hàn, đúc, hầm lò… số công việc không nặng nhọc gây nhàm chán nhầm lẫn lựa chọn màu sản phẩm Ngày nay, việc ứng dụng thành tựu tự động hoá phổ biến, khái niệm “dây chuyền sản xuất tự động” hay cụm thuật ngữ “robot- người máy- tay máy” trở nên quen thuộc người Thông thường, nghe qua thuật ngữ robot người ta thương hình dung kiểu robot R2D2 giới thiệu phim “Chiến tranh sao” (hình1.1) Điều thật tự nhiên thuật ngữ robot sinh từ sân khấu, phân xưởng sản xuất [1] Thuật ngữ robot – theo tiếng Tiệp có nghóa lao dịch – phổ biến rộng rãi vào năm 1921 qua kịch “Rossum’s Universal Robot” nhà soạn kịch người Tiệp Karen Kapek Trong kịch này, robot giết chết người chủ chiếm toàn giới [2] Chương 1: Tổng quan robot tự hành – mục tiêu nghiên cứu đề tài Áp dụng điều khiển mờ robot tự hành bám mục tiêu di động – Luận văn Cao học Vào năm 1948, Phòng Thí Nghiệm Quốc Gia Argonne, nhà nghiên cứu Goertz nghiên cứu chế tạo loại tay máy đôi điều khiển từ xa lần đầu tiên, năm hãng General Mills chế tạo tay máy gần tương tự, sử dụng cấu tác Hình 1.1 : Robot R2D2 động động điện kết hợp với cử hành trình Đến năm 1954, Goertz tiếp tục chế tạo dạng tay máy đôi sử dụng động servo nhận biết lực tác động lên khâu cuối Sử dụng thành đó, vào năm 1956 hãng General Mills cho đời tay máy hoạt động công việc khảo sát đáy biển Năm 1968 R.S Mosher, thuộc hãng General Electric, chế tạo thiết bị biết chân, có chiều dài mét, nặng 1400 kg, sử dụng động đốt có công suất gần 100 mã lực Mỗi chân dẫn động động servo điều khiển người lái [2] Hình 1.2: thiết bị chân hãng General Electric Chương 1: Tổng quan robot tự hành – mục tiêu nghiên cứu đề tài Áp dụng điều khiển mờ robot tự hành bám mục tiêu di động – Luận văn Cao học Một thành tựu khoa học đáng quan tâm nhà khoa học Xô Viết lónh vực xe tự hành thám hiểm bề mặt mặt trăng Lunokohod I điều khiển từ trái đất vào năm 1970 Hình 1.3: Xe tự hành thám hiểm mặt trăng Lunokohod Một bước tiến việc điều khiển robot tự hành lập trình cho robot để đáp ứng theo hiệu thu nhận từ cảm biến phản ánh thông tin từ môi trường hoạt động Hướng nghiên cứu cuối thập niên 40 phòng thí nghiệm trí tuệ nhân tạo Viện nghiên cứu thuộc trường đại học Stanford vào năm 1969 thiết kế thành công robot Shakey (hình 1.4) Trên robot trang bị cảm biến giác quan để thu nhận thông tin từ môi trường hoạt động hệ thống camera thu nhận hình ảnh đối tượng Nhờ khả mà Shakey di động tinh vi để thực thí nghiệm điều khiển Robot lập trình trước để nhận dạng đối tượng camera, xác định đường đến đối tượng thực số tác động đối tượng [2] Với đời Shakey, nghiên cứu cho hệ robot tự hành sau chuyển sang hướng nghiên cứu robot thông minh, tức robot có khả thu nhận thông tin từ môi trường tự xử lý thông tin kết ứng xử phù Chương 1: Tổng quan robot tự hành – mục tiêu nghiên cứu đề tài Áp dụng điều khiển mờ robot tự hành bám mục tiêu di động – Luận văn Cao học hợp với hoàn cảnh Trong nội dung tiếp theo, tìm hiểu vấn đề: robot thông minh khả đặc trưng Anten thu sóng Camera Cảm biến vật cản Động Hình 1.4: Robot Shakey – robot nhận dạng đối tượng camera 1.1.2 Robot thông minh trí tuệ nhận tạo Nếu robot công nghiệp điều khiển số sở điều khiển có cấu tạo tương tự máy tính giúp cho robot thực hoạt động xác hàn, phun sơn dây chuyền lắp ráp, điều khiển hạn chế robot chỗ thực lặp lặp lại loạt thao tác lập trình từ trước theo yêu cầu công việc đặt Khi cần có can thiệp để thay đổi chương trình làm việc robot phải dừng lại robot khả nhận biết môi trường xung quanh Chương 1: Tổng quan robot tự hành – mục tiêu nghiên cứu đề tài Áp dụng điều khiển mờ robot tự hành bám mục tiêu di động – Luận văn Cao học Do đó, robot hoạt động hiệu hơn, chúng cần phải có khả cảm nhận môi trường bên định Những khả cần phải có tham gia trực tiếp cảm biến giác quan phần mềm xử lý tương ứng – công việc khoa học trí tuệ nhân tạo[3] Nhóm cảm biến giác quan bao gồm: thiết bị thu nhận hình ảnh, cảm biến xúc giác, cảm biến xác định khoảng cách hướng, thiết bị phân tích tổng hợp tiếng nói Trong nhóm cảm biến giác quan này, hình ảnh xem khả nhận biết quan trọng mà robot thông minh cần phải có Một robot thông minh phải có khả sau: a Khả thu nhận xử lý hình ảnh Khả thu nhận xử lý ảnh giúp cho robot “nhìn thấy” đối tượng, nhờ thực thao tác đối tượng cách xác theo yêu cầu đặt Hơn nữa, robot trở nên thông minh có khả yêu cầu thông tin môi trường hoạt động thông qua hệ thống hình ảnh giới hạn kiến thức sở cung cấp người lập trình Do đó, hệ thống thu nhận xử lý hình ảnh trang bị robot cần quan tâm trước tiên nhằm tạo cho robot có khả nhận biết hình ảnh mục tiêu, phân biệt mục tiêu với chướng ngại vật… Hầu hết hệ thống hình ảnh dùng nhiều camera để đóng vai trò mắt người Quá trình thu nhận ảnh khái quát sơ đồ hình 1.5 [4]: Hệ thống máy tính Bộ nhớ nh số Dữ liệu số Bộ chuyển đổi A/D Tín hiệu tương tự Camera Hình 1.5: Hệ thống hình ảnh sử dụng TV camera thiết bị cảm nhận hình ảnh Chương 1: Tổng quan robot tự hành – mục tiêu nghiên cứu đề tài Áp dụng điều khiển mờ robot tự hành bám mục tiêu di động – Luận văn Cao học b Khả nhận biết qua tiếp xúc Nhận biết đối tượng thao tác thông qua tiếp xúc khả robot thông minh cần quan tâm Các cảm biến xúc giác trang bị robot đảm nhận vai trò Một câu hỏi đặt là: robot cần phải có khả nhận biết đối tượng thông qua tiếp xúc khả thu nhận ảnh thay hoàn toàn ? Theo [4], vấn đề lý giải sau: Thứ : Các cảm biến xúc giác thường đơn giản rẻ tiền hệ thống thu nhận ảnh Dữ liệu thu nhận từ cảm biến dễ so sánh, lưu trữ phân tích Hơn nữa, cho dù trang bị máy tính tốc độ cao việc phân tích ảnh chậm so với thông tin nhận từ cảm biến xúc giác Thứ hai : Cảm biến xúc giác cung cấp thông tin tiếp xúc đối tượng robot, điều hệ thống thu nhận ảnh thực Ngoài ra, hệ thống thu nhận ảnh cho biết đối tượng cứng hay mềm Thứ ba : cảm biến xúc giác giúp robot phân tích môi trường hoạt động trường hợp hệ thống thu nhận ảnh cung cấp thông tin Ví dụ robot hoạt động môi trường không đủ ánh sáng Các cảm biến xúc giác gồm vi công tắc, điện trở, chuyển đổi áp suất cảm biến quang Thông số cần thiết để vận hành cảm biến xúc giác lực c Khả xác định khoảng cách hướng Khả định hướng xác định khoảng cách robot đóng vai trò quan trong việc mô hình hoá môi trường hoạt động Các hệ thống hình ảnh đóng vai trò mắt người để xác định độ sâu, khoảng cách Như nêu trên, hệ thống hình ảnh tương đối phức tạp đắt tiền Chương 1: Tổng quan robot tự hành – mục tiêu nghiên cứu đề tài Áp dụng điều khiển mờ robot tự hành bám mục tiêu di động – Luận văn Cao học Một phương pháp đơn giản để xác định khoảng cách dùng thiết bị TOF (Time Of Flight) Các thiết bị cho phép xác định khoảng cách thông qua việc đo thời gian góc lệch pha kể từ lúc gởi gởi tín hiệu qua khoảng không robot với đối tượng quay trở Tín hiệu sóng siêu âm ánh sáng hay điện từ Những hệ thống dùng độc lập để xác định khoảng cách kết hợp với hệ thống thu nhận hình ảnh camera để tái tạo lại hình ảnh 3-D trường hoạt động Ngoài ra, tùy thuộc vào ứng dụng cụ thể, sử dụng cảm biến vị trí, cảm biến tiếp cận đơn giản để xác định khoảng cách đến đối tượng d Khả phân tích tổng hợp tiếng nói Ở robot điều khiển băøng tiếng nói cần phải ứng dụng việc tổng hợp nhận biết tiếng nói Nhận dạng tiếng nói lónh vực nghiên cứu phức tạp đòi hỏi có tham gia nhiều lónh vực trí tuệ nhân tạo Như vậy, trí tuệ nhân tạo (AI – artificial intelligence) cần thiết cần phải tích hợp điều khiển robot để tổng hợp thông tin cảm biến với định điều khiển Do đó, trí tuệ nhân tạo xem mẫu số chung cho robot cao cấp Có thể khái quát điều khiển thông minh theo sơ đồ hình 1.6: Bộ điều khiển robot với trí tuệ nhân tạo Thu nhận, Phân tích, Nhận biết hình ảnh Phân tích, Nhận biết, Tổng hợp tiếng nói Nhận biết đối tượng qua tiếp xúc Định hướng xác định khoảng cách đến đối tươ Hình 1.6: Trí tuệ nhân tạo mẫu số chung cho hầu hết thành phần robot thông minh Chương 1: Tổng quan robot tự hành – mục tiêu nghiên cứu đề tài Áp dụng điều khiển mờ robot tự hành bám mục tiêu di động – Luận văn Cao học 1.2 Một số ứng dụng thực tiễn robot tự hành Robot tự hành ngành khoa học nghiên cứu phát triển mạnh khoảng ba mươi năm trở lại Ở số nước có khoa học kỹ thuật phát triển robot tự hành có ứng dụng cụ thể nhiều lónh vực khác 1.2.1 Trong lónh vực khảo sát đáy đại dương Công việc dò tìm – khảo sát đáy đại dương thường tiến hành tàu lặn không người lái, điều khiển thông qua cáp truyền để truyền mệnh lệnh người điều khiển đến tàu cung cấp nguồn hoạt động cho tàu Ví dụ việc tìm hộp đen máy bay bị nạn thuộc hãng hàng không Ấn Độ Thái Bình Dương hay việc khám phá bí mật tàu huyền thoại Titanic tử nạn vào năm 1912 [1] Loại tàu lặn điều khiển từ xa bị khống chế tầm hoạt động cáp truyền dài vô tận Khắc phục nhược điểm số nhà khoa học tiến hành nghiên cứu loại tàu lặn bơi tự mang đủ lượng cho tàu hoạt động, trang bị khả ứng xử thông minh Tuy nhiên, xảy chuyện không may, tàu dễ bị thất lạc [1] Một hướng giải khác sử dụng tia laser làm phương tiện truyền thông tàu lặn người điều khiển để hạn chế ảnh hưởng nước biển đến tín hiệu truyền Hình 1.7: Một dạng tàu lặn điều khiển thông qua cáp truyền Chương 1: Tổng quan robot tự hành – mục tiêu nghiên cứu đề tài Áp dụng điều khiển mờ robot tự hành bám mục tiêu di động – Luận văn Cao học Ngoài ứng dụng dò tìm, khám phá bí mật đại dương, robot tự hành dạng tàu lặn sử dụng việc lắp đặt loại cáp truyền thông đáy biển, kiểm tra bảo trì dàn khoan dầu khơi, khảo sát địa chất địa lý thềm đại dương Phần lớn loại tàu lặn trang bị tay máy, camera, thiết bị đo thử mật độ từ, thiết bị kiểm tra siêu âm số cảm biến chuyên dùng khác 1.2.2 Trong lónh vực thám hiểm không gian – khảo sát bề mặt hành tinh Thám hiểm không gian lónh vực mà robot ứng dụng mạnh mẽ Tháng năm 2001, phi hành gia tiến hành lắp đặt tay máy Canada chế tạo để tăng cường khả bốc dỡ hàng hoá tiếp tế cho trạm không gian Alpha Trong năm 2002, ray trượt ngón tay lắp thêm robot nhằm tăng cường tầm với khả khéo léo Việc khảo sát bề mặt hành tinh robot tự hành tiến hành nghiên cứu thử nghiệm Các phòng thí nghiệm Cơ quan Hàng Không Không Gian Hoa Kỳ (NASA) tiến hành nghiên cứu loại robot tự hành thám hiểm Sao Hỏa Trên robot trang bị phận cảm nhận đại camera màu có độ phân giải cao, phổ quang kế hồng ngoại để xác định khoáng vật học đá đất, kính hiển vi để quan sát đối tượng có kích thước nhỏ đến micromet, máy phổ tia X để xác định thành phần cấu tạo… Ngoài thiết bị phụ trợ dụng cụ làm mài mòn đá, búa đập đá để khảo sát thành phần bên đá (hình 1.8) Chương 1: Tổng quan robot tự hành – mục tiêu nghiên cứu đề tài Áp dụng điều khiển mờ robot tự hành bám mục tiêu di động – Luận văn Cao hoïc double lebsangr=-67.5; double lesangl=-67.5; double lesangr=-22.5; double straisangl=-22.5; double straisangr=22.5; double risangl=22.5; double risangr=67.5; double ribsangl=67.5; double ribsangr=90; double stareasum=0,trareasum=0; double stangsum=0,trangsum=0; double Video::trimf(double value,double tri1,double tri2) { double mf; if(value=(tri1+tri2)/2) mf=2*(tri2-value)/(tri2-tri1); return mf; } double Video::areacalc(double val1,double val2,double val3) { double area; area=5*val1*(val2-val3)*(2-val1); return area; } double Video::centcalc(double ll,double rr) { double centroid; centroid=(ll+rr)/2; return centroid; } void Video::Fuzzylogic() { camera = rtd(cam); infra_red = rtd(infra); { if(cameralecal) { caisleb=1; caisle=1; } else caisleb=1; } else if(camera>ribcal) {if(camerazelcal) { caisle=1; caiszel=1; }else caisle=1; } else if(camerarical) {if(camerazercal) {caiszel=1; caiszer=1; }else caiszel=1; } else caiszer=1; /* Test tap lien thuoc cho bien infra_red */ if(infra_redlesinfral) { infraisle=1; infraisles=1; }else infraisle=1; } else if(infra_red>riinfral) { if(infra_redzeinfral) { infraisles=1; infraisze=1; }else infraisles=1; 153 Phụ lục D: Luật mờ điều khiển tránh vật cản tầm xa Áp dụng điều khiển mờ robot tự hành bám mục tiêu di động – Luận văn Cao học } else if(infra_redrisinfral) { if(infra_red