MỞ ĐẦU 1. Lý do chọn đề tài Trong thời đại ngày nay, robot ngày càng được sử dung pho biến trong san xuất cũng như trong cuộc sống của con người, từ các lĩnh vực công nghiệp cho đến y té, giao duc dao tao, giai tri, an ninh quéc phong va tham hiém không gian. Vi vậy robot đã có một vị trí quan trong, nó còn thay thế con người làm việc trong các công việc nặng nhọc và trong điều kiện nguy hiểm, môi trường độc hại. Bên cạnh đó lĩnh vực robot di động ngày càng chiếm được nhiều sự quan tâm của các nhà nghiên cứu.
Three-wheeled omni-directional mobile robot (robot di động đa hướng ba bánh) là một loại robot di động đặc biệt. Su dụng ba bánh omni được điều khiến bởi ba động cơ độc lập, vì vậy robot có quỹ đạo chuyển động rất linh hoạt, có thể di chuyển theo bất cứ hướng nảo, bất kỳ góc nào trong những không gian nhỏ hẹp. Với cau tạo đặc biệt và khả năng di chuyển linh hoạt như vậy nên robot di động đa hướng ba bánh được sử dụng rộng rãi trong các lĩnh vực, sau đây là một số hình ảnh về robot di động đa hướng ba bánh được sử dụng trong các lĩnh vực khác nhau, từ giải trí, y tê, quôc phòng an ninh, thám hiêm.đên các cuộc thi. HVTH: Duong Khanh Son Hình 1.2: Cac robot su dụng trong cuộc thi RoboCup Hình 1.3: Robot Phase VI cua đội Ohio tham gia Robocup HVTH: Duong Khanh Son Hình 1.4: Robot di động đa hướng ba bánh phục vụ cho nghiên cứu Omnidirectional Hình 1.5: Các mô hình mobile service robot sứ dụng 3 banh omni Đã có nhiều nghiên cứu về robot di động đa hướng ba bánh, tuy nhiên đa số lại tập trung vào phát triển cải tiễn phan cung (kết cầu co khí), một số it tập trung HVTH: Đường Khanh Sơn 4 nghiên cứu mô hình động lực học robot và phương pháp điều khiến robot theo quỹ đạo cho trước.
Vì vậy cần có một mô hình động lực học chi tiết của robot dưới dạng day du bao gồm các phan tử phi tuyến và mối liên hệ phi tuyến giữa chúng. Bên cạnh đó việc nghiên cứu và giải quyết bài toán điều khiến robot di động đa hướng ba bánh một cách linh hoạt theo các quỹ đạo phức tạp với độ chính xác cao là một công việc cần thiết. Y nghĩa khoa học, tính cấp thiết và kha thi của dé tài Mobile robot: là loại robot tự hành, di chuyển , định vi, tìm đường di tối ưu. Ứng dung trong thám hiểm , cứu hộ, vẽ ban dé.
Three-wheeled omni-directional mobile robot: là một loại mobile robot di chuyền bang các bánh xe đa hướng. được ứng dụng nhiều trong thực tế do kết cầu nhỏ gọn , khả năng di chuyển đa hướng trong những khu vực nhỏ, hẹp. Việc nghiên cứu bài toán điều khiến cho robot di động đa hướng ba bánh vẫn còn nhiều hạn chế. Da số nghiên cứu dựa trên mô hình robot đã được tuyến tính hoặc bỏ qua ảnh hưởng của các phân tử phi tuyến, vi vậy việc điều khiển chưa đạt độ chính xác cao.
Can có nghiên cứu phát triển thêm trong việc mô hình hóa robot một cách day đủ nhất có thé và áp dụng thêm các phương pháp điều khiến mới dé giải quyết bài toán điều khiến robot di chuyển linh hoạt và nhanh nhất mà vẫn đảm bảo độ chính xác. Mục đích nghiên cứu Mục tiêu: Thiết kế, chế tạo mô hình robot di động đa hướng ba bánh phục vụ cho nghiên cứu giải thuật điều khiến bám quỹ đạo. Xây dựng mô hình động lực học robot dưới dạng day du bao gdm cac phan tử phi tuyến và mối liên hệ phi tuyến giữa chúng. Dựa trên mô hình này thiết kế bộ điều khiến cho hệ phi tuyến MIMO dùng phương pháp TLC.
Bên cạnh đó sử dụng thêm phương pháp PI, self- tuning fuzzy PI dé đánh giá hiệu quả của các phương pháp điều khiến đối với robot. Mô phỏng trên máy tính và thử nghiệm thực tế trên mô hình dé kiểm chứng lý thuyết. HVTH: Đường Khanh Sơn 1. Đối tượng và phạm vi nghiên cứu Dựa trên mô hình robot di động đa hướng ba bánh được chế tạo để phục vụ cho việc nghiên cứu giải thuật điều khiến bám quỹ đạo dùng phương pháp điều khiển TLC.
Nghiên cứu kỹ thuật điều khiển TLC, tính toán và mô phỏng trên Matlab, thử nghiệm thực tế trên mô hình được chế tạo. Nghiên cứu kỹ thuật xử ly ảnh, nhận dang vi tri và xác định hướng của robot. Nghiên cứu kỹ thuật điều khiến self-tuning fuzzy PI. Mô phỏng, thử nghiệm thực tế trên mô hình.
Cau trúc của luận văn Luận văn được trình bay gồm 10 chương. Chương | trình bay các van dé mà luận văn sẽ tập trung nghiên cứu. Tiếp đó chương 2 trình bày tổng quan sơ lược tình hình nghiên cứu trong và ngoài nước, trên cơ sở đó đánh giá các vẫn dé còn tổn tai, đưa ra giải pháp. Chương 3 trình bày thiết kế mô hình robot bao gồm kết cau cơ khí, mạch điện điều khiển.
Mô hình robot sẽ được mô hình hóa một cách chỉ tiết ở chương 4. Chương 5 nhắc lại các cơ sở lý thuyết của hệ phi tuyến, trên cơ sở đó xây dựng phương pháp TLC ở chương 6. Chương 7 trình bày bộ điều khiến self-tuning fuzzy PI từ đó áp dụng vào điều khiến robot dé đánh giá hiệu quả của các phương pháp. Thị giác máy tính được ứng dụng trong việc nhận biết vị trí và hướng của robot trong luận văn này sẽ được đề cập trong chương 8.
Chương 9 trình bày các kết qua mô phỏng, thực nghiệm. Các kết luận và hướng phát triển của dé tài sẽ được dé cập ở chương 10. HVTH: Đường Khanh Sơn 6 CHƯƠNG 2: TÔNG QUAN Phân này sẽ trình bày tình hình nghiên cứu three-wheeled omni-directional mobile robot trong và ngoài nước dựa trên các bài báo nghiên cứu khoa học được đăng trên các tạp chí chuyên ngành, hội nghị. Trên cơ sở đó đánh giá các vẫn đề còn tôn tại và đưa ra các van dé cân nghiên cứu.
Các công trình nghiên cứu trong và ngoài nước Three-wheeled omni-directional mobile robot là một loại robot holonomic. Robot có khả năng di chuyển một cách linh hoạt vừa quay vừa tịnh tiến một cách đông thời và độc lập nên có thé di chuyên dễ dàng trong những không gian nhỏ, hẹp. Robot được ứng dụng rộng rãi trong nhiêu lĩnh vực [1. Việc nghiên cứu và giải quyết bài toán điều khiến robot một cách linh hoạt theo các quỹ đạo phức tạp là một công việc cân thiết và thú vị.
Đã có nhiều nghiên cứu về three-wheeled omni- directional mobile robot, tuy nhiên đa số lại tập trung vào phát triển cải tiễn phân cứng (kết câu cơ khí), một số nghiên cứu phương pháp định vị, tránh vật cản và dẫn đường cho robot, một số it tập trung nghiên cứu mô hình động lực học robot và phương pháp điêu khiến robot theo quỹ đạo cho trước. Watanabe (1998) đã trình bày nghiên cứu về mô hình của robot di động da hướng ba bánh. Và mô hình động lực học được đưa ra dưới dạng biến trạng thái: X =A(X)X+B(X)U Y=CX Trong đó X là vectơ trang thái chỉ khoảng cách va vận tốc của robot, Y là ngõ ra vận tốc tịnh tiễn và quay của robot trong hệ tọa độ di chuyên va U là ngõ vào. A(X) và B(X) là các ma trận hàm sô chứa môi quan hệ phi tuyên, C là ma trận hang SỐ.
Carter (2000) đã phát triển mô hình non-symmetrically aranged three-wheeled omni-directional mobile robot dưới dạng một phương trình phi tuyên trong hệ tọa độ di chuyên: PX, +N(X,,X,)=AU Những mô hình này trình bay mối quan hệ không ảnh hưởng phi tuyên lẫn nhau giữa các bánh xe. Các mô hình này vẫn chưa đây đủ đề phân tích ảnh hưởng của các phân tử khác lên đáp ứng động lực học của robot. Vì vậy chúng ta can một HVTH: Đường Khanh Sơn mô hình rõ ràng và chỉ tiết hơn. Trong khi đó các bộ điều khiến three-wheeled omni-directional mobile robot thiết kế dựa trên nghiên cứu các mô hình động lực học khác nhau của robot.
Trong bộ điều khiển Robocat [4,5] tương tự như [6] chỉ xét đến động học và dùng nó để thiết kế bộ điều khiến. Mỗi động cơ được điều khiến bởi một bộ PID riêng dé đạt được tốc độ điều khiến từ nghịch đảo động học. Nó không hề xét đến mối liên hệ phi tuyén động lực hoc một cách rõ ràng trong khi thiết kế bộ điều khiến, quá trình thử và sai khi chỉnh định độ lợi bộ điều khiến PID thì rất lâu và không hiệu quả. Trong [7,8,9], mô hình động học và động lực học của three-wheeled omni- directional mobile robot đã được phat triển, bao gom cả động lực hoc động cơ nhưng đã bị bỏ qua mối liên hệ giữa vận tốc quay va tịnh tiễn.
Vi vậy mô hình động lực học ở đây chỉ đơn giản như một hệ tuyến tính. Trong [10], việc tối ưu hóa lập đường đi và chiến lược điều khiển được phát triển cho việc điều khiến vị trí mà không xét đến điều khién hướng, bộ điều khiến cũng được thiết kế và được kiểm tra qua mô phỏng và thực nghiệm. Trong [7] hai bộ điều khiến PID độc lập được thiết kế dé điều khiến vị trí và hướng một cách riêng biệt dựa trên mô hình tuyến tính đơn giản. Trong [11] một mô hình động lực học phi tuyến bao gồm các phan tử liên hệ phi tuyến được phát triển.
Trong [12] dựa trên mô hình tương tự [11], PID, tự chỉnh PID và điều khiển mờ cho three-wheeled omni-directional mobile robot đã được nghiên cứu. Trong luận văn này, mô hình chi tiết động lực học phi tuyến của robot di động đa hướng ba bánh sẽ được trình bày, bao gồm cả động lực học động cơ và chuyển động động lực học phi tuyến của robot cũng được xét đến. Các van đề cần giải quyết Thiết kế, chế tạo mô hình cơ khí, mạch điện điều khién của robot để phục vụ cho thực nghiệm kiểm tra giải thuật điều khiến. Xây dựng mô hình động lực hoc robot dưới dạng day đủ bao gồm các phân tử phi tuyến và mối liên hệ phi tuyến giữa chúng.
Dựa trên mô hình nay dé thiết kế bộ điều khiến dùng phương pháp điều khiến HVTH: Đường Khanh Sơn 8 TLC. Sử dung thêm các phương pháp khác như PID, self -tuning fuzzy PI dé đánh giá hiệu quả của các phương pháp điều khiến. Mô phỏng trên máy tính và thử nghiệm thực tế trên mô hình dé đánh giá kết quả cua bộ điêu khién. HVTH: Đường Khanh Sơn 9 CHƯƠNG 3: MÔ HÌNH ROBOT 3.