Điều khiển thích nghi cho xe tự hành ba bánh: Nghiên cứu và ứng dụng

• Tác giả: Nguyễn Cao Thành
• Người hướng dẫn: TS. Mạc Thị Thoa
• Trường học: Trường Đại Học Bách Khoa Hà Nội
• Chuyên ngành: Kỹ thuật Cơ điện tử
• Đề tài: Điều khiển thích nghi cho xe tự hành ba bánh
• Loại tài liệu: luận văn thạc sĩ
• Năm xuất bản: 2020
• Địa điểm: Hà Nội

• LỜI CẢM ƠN
• 1. CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ XE TỰ HÀNH BA BÁNH
• 1.1. Giới thiệu chung về robot tự hành
• 1.2. Phân loại robot tự hành
• 1.3. Các phương pháp điều hướng cho robot
• 1.4. Một số phương pháp điều khiển cho xe tự hành ba bánh
• 1.4.1. Bộ điều khiển PID
• 1.4.2. Bộ điều khiển trượt
• 1.4.3. Bộ điều khiển ứng dụng hệ logic mờ
• 1.4.4. Bộ điều khiển ứng dụng mạng noron
• 1.4.5. So sánh các bộ điều khiển
• 2. CHƯƠNG 2: THIẾT KẾ BỘ ĐIỀU KHIỂN CHO XE TỰ HÀNH BA BÁNH
• 2.1. Tổng quan về điều khiển trượt (SMC)
• 2.2. Điều khiển logic mờ
• 2.3. Mạng noron nhân tạo
• 2.4. Xây dựng mô hình toán học cho xe tự hành ba bánh
• 2.5. Thiết kế bộ điều khiển thích nghi cho xe tự hành ba bánh
• 2.5.1. Thiết kế bộ điều khiển động học
• 2.5.2. Thiết kế bộ điều khiển động lực học cho xe tự hành ba bánh
• 3. CHƯƠNG 3: KẾT QUẢ MÔ PHỎNG
• 3.1. Bộ điều khiển trượt thích nghi mờ
• 3.2. Bộ điều khiển thích nghi trên cơ sở mạng noron nhân tạo
• 3.3. So sánh bộ điều khiển trượt thích nghi mờ và bộ điều khiển trượt thích nghi noron
• 3.4. Kết luận và hướng phát triển của đề tài
• TÀI LIỆU THAM KHẢO
• CÔNG TRÌNH KHOA HỌC ĐÃ CÔNG BỐ

I. Tổng Quan Về Xe Tự Hành Ba Bánh Giới Thiệu và Phân Loại

Thuật ngữ “robot” bắt nguồn từ tiếng Czech, mang ý nghĩa “công việc tạp dịch”. Ý tưởng về robot, những cỗ máy phục vụ con người, đã thúc đẩy sự phát triển của ngành khoa học robotics. Ngày nay, robot đóng vai trò quan trọng trong sản xuất, thay thế con người trong các công việc đòi hỏi độ chính xác cao và hoạt động liên tục. Khác với cánh tay robot bị giới hạn trong không gian làm việc, robot tự hành có khả năng hoạt động linh hoạt trong nhiều môi trường khác nhau. Xe tự hành là một dạng robot tự hành di chuyển bằng bánh xe, được trang bị cảm biến để nhận biết môi trường xung quanh và thực hiện nhiệm vụ mà không cần sự can thiệp của con người. Ứng dụng của xe tự hành ngày càng mở rộng, từ công nghiệp, thương mại đến y tế và đời sống hàng ngày. Nghiên cứu về điều khiển xe tự hành là vô cùng quan trọng. Theo luận văn thạc sĩ của Nguyễn Cao Thành, "Điều khiển thích nghi cho xe tự hành ba bánh", vấn đề điều khiển đóng vai trò then chốt trong việc cải thiện chất lượng hoạt động của hệ thống.

1.1. Robot Tự Hành Chuyển Động Bằng Chân Ưu Điểm và Hạn Chế

Robot tự hành di chuyển bằng chân có ưu điểm vượt trội về khả năng thích nghi với địa hình gồ ghề và vượt qua vật cản. Tuy nhiên, cấu trúc phức tạp với nhiều bậc tự do làm tăng trọng lượng và giảm tốc độ di chuyển. Các kỹ năng cầm nắm cũng ảnh hưởng đến độ cứng vững của robot. Chi phí chế tạo robot loại này thường cao hơn. Robot di chuyển bằng chân thường được mô phỏng theo các loài động vật, có thể có 1, 2, 4, 6 chân hoặc nhiều hơn. Chúng ta thấy nhiều thiết kế thú vị như robot hai chân của Boston Dynamics và robot chó Laikago.

1.2. Robot Tự Hành Chuyển Động Bằng Bánh Đặc Điểm và Ứng Dụng

Robot tự hành di chuyển bằng bánh xe, hay còn gọi là xe tự hành, là phương pháp di chuyển phổ biến nhất. Bánh xe có kích thước đa dạng, từ vài chục cm đến hàng mét. Vật liệu làm bánh xe không có yêu cầu đặc biệt, trừ một số trường hợp cần khả năng chống trượt. Cấu trúc bánh xe cũng quan trọng, robot 4 hoặc 6 bánh có ưu thế chống trượt tốt hơn robot 2 bánh. Xe thường có ba loại bánh xe: tiêu chuẩn, lái và Swedisk. Xe tự hành có nhiều ứng dụng, từ robot hút bụi đến robot giao hàng.

II. Thách Thức Điều Khiển Xe Tự Hành Ba Bánh Vấn Đề Bất Định

Một trong những thách thức lớn nhất trong điều khiển xe tự hành ba bánh là tính chất phi tuyến và mô hình bất định của đối tượng. Xe tự hành chịu ảnh hưởng nhiều của nhiễu, gây khó khăn cho việc thiết kế bộ điều khiển chính xác và ổn định. Các phương pháp điều khiển truyền thống như PID thường không đáp ứng được yêu cầu trong các tình huống phức tạp. Do đó, các nghiên cứu gần đây tập trung vào các phương pháp điều khiển thích nghi phi tuyến, dựa trên mô hình mẫu hoặc các hệ suy luận như hệ mờ và mạng noron. Theo tóm tắt luận văn, đề tài này sẽ tập trung vào nghiên cứu tổng hợp bộ điều khiển thích nghi cho xe tự hành ba bánh sử dụng hệ mờ và mạng noron để giải quyết bài toán này.

2.1. Tính Phi Tuyến và Bất Định Của Mô Hình Xe Tự Hành Ba Bánh

Mô hình toán học của xe tự hành ba bánh là một hệ phi tuyến phức tạp, chịu ảnh hưởng bởi nhiều yếu tố như ma sát, tải trọng và sự thay đổi của môi trường. Các thông số của mô hình có thể thay đổi theo thời gian, gây khó khăn cho việc thiết kế bộ điều khiển ổn định. Do đó, cần có các phương pháp điều khiển thích nghi có khả năng tự điều chỉnh để đối phó với những thay đổi này.

2.2. Ảnh Hưởng Của Nhiễu và Yếu Tố Ngoại Cảnh Lên Xe Ba Bánh Tự Hành

Xe tự hành ba bánh hoạt động trong môi trường thực tế thường xuyên phải đối mặt với nhiễu từ cảm biến, sự thay đổi của địa hình và các yếu tố ngoại cảnh khác. Nhiễu có thể làm giảm độ chính xác của hệ thống định vị và dẫn đường, gây ra sai lệch trong quá trình bám quỹ đạo. Cần có các bộ điều khiển có khả năng chống nhiễu tốt để đảm bảo hoạt động ổn định của xe tự hành.

III. Giải Pháp Điều Khiển Thích Nghi Mờ Cho Xe Ba Bánh

Một giải pháp hiệu quả cho bài toán điều khiển xe tự hành ba bánh là sử dụng điều khiển thích nghi mờ. Phương pháp này kết hợp ưu điểm của điều khiển mờ (Fuzzy Logic) và điều khiển thích nghi, cho phép hệ thống tự điều chỉnh tham số để đối phó với sự thay đổi của môi trường và đối tượng. Trong luận văn, bộ điều khiển thích nghi mờ được xây dựng trên nền điều khiển trượt (SMC), sử dụng hệ mờ để chỉnh định tham số của bộ điều khiển trượt. Cách tiếp cận này giúp cải thiện độ chính xác và ổn định của hệ thống.

3.1. Kết Hợp Điều Khiển Mờ và Điều Khiển Trượt cho Xe Ba Bánh

Việc kết hợp điều khiển mờ và điều khiển trượt mang lại nhiều lợi ích cho điều khiển xe ba bánh. Điều khiển trượt đảm bảo tính ổn định và bám quỹ đạo tốt, trong khi điều khiển mờ cho phép xử lý các thông tin không chắc chắn và điều chỉnh tham số của bộ điều khiển trượt một cách linh hoạt. Điều này giúp hệ thống hoạt động hiệu quả hơn trong các môi trường khác nhau.

3.2. Vai Trò của Hệ Mờ Trong Chỉnh Định Tham Số Điều Khiển

Hệ mờ đóng vai trò quan trọng trong việc chỉnh định tham số của bộ điều khiển trượt. Dựa trên các luật mờ được thiết kế, hệ thống có thể tự động điều chỉnh các tham số như hệ số khuếch đại, tốc độ hội tụ để đạt được hiệu suất tốt nhất. Việc chỉnh định tham số giúp bộ điều khiển thích ứng với sự thay đổi của đối tượng và môi trường.

IV. Ứng Dụng Mạng Noron Trong Điều Khiển Thích Nghi Xe Ba Bánh

Một phương pháp khác để điều khiển thích nghi cho xe tự hành ba bánh là sử dụng mạng noron. Mạng noron có khả năng xấp xỉ các hàm phi tuyến và học từ dữ liệu, giúp hệ thống thích nghi với các thành phần bất định của đối tượng. Luận văn đề xuất sử dụng mạng noron để xấp xỉ các thành phần bất định trong mô hình xe ba bánh, từ đó cải thiện độ chính xác và ổn định của hệ thống điều khiển. Phương pháp này mang lại tiềm năng lớn cho việc điều khiển thông minh và tự động hóa.

4.1. Sử Dụng Mạng Noron Để Xấp Xỉ Hàm Phi Tuyến Trong Điều Khiển

Mạng noron, đặc biệt là mạng RBF (Radial Basis Function), có khả năng xấp xỉ các hàm phi tuyến một cách hiệu quả. Trong điều khiển xe ba bánh, mạng noron có thể được sử dụng để xấp xỉ các thành phần bất định trong mô hình, như ma sát, nhiễu và sự thay đổi của tải trọng. Việc xấp xỉ này giúp bộ điều khiển hoạt động chính xác hơn.

4.2. Học Máy Machine Learning Trong Điều Khiển Thích Nghi Xe Ba Bánh

Học máy (Machine Learning) đóng vai trò quan trọng trong điều khiển thích nghi xe ba bánh. Mạng noron có thể học từ dữ liệu thu thập được trong quá trình hoạt động của xe, từ đó cải thiện khả năng điều khiển và thích nghi với môi trường. Các thuật toán học như backpropagation có thể được sử dụng để huấn luyện mạng noron.

V. So Sánh và Đánh Giá Kết Quả Mô Phỏng Điều Khiển Xe Ba Bánh

Luận văn trình bày kết quả mô phỏng hai bộ điều khiển thích nghi: mờ và noron. Kết quả cho thấy cả hai phương pháp đều có khả năng bám quỹ đạo tốt. Tuy nhiên, mỗi phương pháp có ưu và nhược điểm riêng. Bộ điều khiển thích nghi mờ có ưu điểm đơn giản, dễ triển khai, nhưng độ chính xác có thể bị giới hạn. Bộ điều khiển thích nghi noron có độ chính xác cao hơn, nhưng phức tạp hơn và đòi hỏi nhiều tài nguyên tính toán. Việc lựa chọn phương pháp phù hợp phụ thuộc vào yêu cầu cụ thể của ứng dụng.

5.1. So Sánh Sai Số Giữa Các Phương Pháp Điều Khiển Thích Nghi

Việc so sánh sai số giữa các phương pháp điều khiển thích nghi là rất quan trọng để đánh giá hiệu quả của từng phương pháp. Luận văn cung cấp bảng so sánh sai số theo phương x và phương y cho các quỹ đạo hình sin và hình tròn. Kết quả cho thấy bộ điều khiển thích nghi noron có sai số nhỏ hơn so với bộ điều khiển thích nghi mờ trong một số trường hợp.

5.2. Ưu Điểm và Nhược Điểm Của Điều Khiển Mờ So Với Điều Khiển Noron

Điều khiển mờ có ưu điểm là dễ hiểu, dễ triển khai và ít đòi hỏi tài nguyên tính toán. Tuy nhiên, độ chính xác của điều khiển mờ có thể bị giới hạn bởi các luật mờ được thiết kế. Điều khiển noron, ngược lại, có độ chính xác cao hơn và khả năng học từ dữ liệu, nhưng phức tạp hơn và đòi hỏi nhiều tài nguyên tính toán hơn.

VI. Kết Luận và Hướng Phát Triển Điều Khiển Xe Ba Bánh Tương Lai

Luận văn đã nghiên cứu và đề xuất các giải thuật điều khiển thích nghi cho xe tự hành ba bánh có mô hình bất định. Các bộ điều khiển thích nghi mờ và noron được xây dựng trên nền điều khiển trượt và được kiểm chứng qua mô phỏng. Kết quả cho thấy các phương pháp này có tiềm năng ứng dụng trong thực tế. Hướng phát triển của đề tài có thể tập trung vào việc cải thiện khả năng chống nhiễu, giảm độ phức tạp tính toán và tích hợp các cảm biến và hệ thống định vị và dẫn đường tiên tiến.

6.1. Các Hướng Nghiên Cứu Điều Khiển Thích Nghi Mở Rộng

Các hướng nghiên cứu mở rộng trong điều khiển thích nghi có thể bao gồm việc sử dụng các thuật toán tối ưu hóa để tìm kiếm tham số tối ưu cho bộ điều khiển, tích hợp trí tuệ nhân tạo (AI) để tăng cường khả năng tự học và thích nghi, và phát triển các phương pháp điều khiển bám quỹ đạo tiên tiến hơn.

6.2. Ứng Dụng Thực Tế Của Điều Khiển Thích Nghi Xe Ba Bánh

Điều khiển thích nghi xe ba bánh có tiềm năng ứng dụng rộng rãi trong nhiều lĩnh vực, như vận chuyển hàng hóa, giám sát an ninh, và hỗ trợ người khuyết tật. Việc phát triển các hệ thống điều khiển ổn định và chính xác sẽ góp phần nâng cao hiệu quả và an toàn của các ứng dụng này.