Đặt vấn đề Một hệ thống được gọi là thông minh và tự động khi nó có thể cảm nhận và tương tác với môi trường bên ngoài hoặc có thể tích hợp những ứng dụng phục vụ nhu cầu cuộc sống của con người hằng ngày, những yếu tố đó đã thúc đẩy sự phát triển trong các lĩnh vực về trí thông minh nhân tạo, lý thuyết điều khiển, xe tự hành, robot v. Việc nghiên cứu này rất phức tạp, các hệ thống tự động đang dần dần trở thành một phần cuộc sống của chúng ta. Trong thời gian gần đây có những cải tiến của hệ thống robot về ứng dụng khác nhau như trong nhà và ngoài trời, từ các hệ thống giao vận tải, giao thông công cộng, hệ thống an ninh để ứng dụng cho quân sự v. Đất nước ta đang trong giai đoạn công nghiệp hóa và hiện đại hóa, mở cửa hợp tác với các nhà đầu tư nước ngoài để xây dựng như khu công nghiệp phát triển như hiện nay, trong đó vấn đề về tự động hóa dây chuyền sản xuất có vai trò quan trọng.
Đối với lĩnh vực sản xuất kinh doanh, các nhà đầu tư luôn phải giải các bài toán về giảm chi phí đầu vào, tăng năng suất, tăng lợi nhuận, chất lượng sản phẩm tốt, giảm sức lao động con người. Việc vận chuyển hàng hóa vào kho mà bất cứ dây chuyền sản xuất nào cũng phải có thì sự xuất hiện của xe forklift không người lái (Automated Guided Vehicle) hay còn gọi là AGV vào những năm 50 đã giúp các nhà sản xuất tiết kiệm thời gian, tiền bạc, và sức lao động. Ngày nay nền công nghiệp sản xuất AGV phát triển mạnh mẽ, các nhà sản xuất có thể lựa chọn những loại AGV phù hợp với công ty của họ như AGV vận chuyển đồ uống, giấy, lon, lắp ráp ô tô, thực phẩm v.2 Tính cấp thiết của đề tài AGV là một thay thế hiệu quả cho forklift vì nó hoạt động liên tục, tăng độ tin cậy. Theo ước tính ở các nước Tây Âu và các nước có nền kinh tế phát triển, số tiền phải trả cho người điều khiển forklift là 40.000 USD/năm cộng với chi phí bảo trì xe 2 thì con số thật không nhỏ, AGV sẽ là hướng giải quyết số chi phí này.
Một điểm đáng lưu ý của các sản xuất ngoài hiệu quả công việc đó là an toàn, AGV sẽ thay thế xe folklift thông thường, nó giúp người lao động tránh được tai nạn trong vận chuyển hàng hóa và trong môi trường độc hại. Vì vậy được sự hướng dẫn của thầy TS.Nguyễn Thanh Phương, luận văn này nghiên cứu đề tài: “Điều khiển phi tuyến hệ AGV“ dựa trên mô hình mobile robot, ứng dụng matlab để kiểm chứng và xây dựng mô hình thực nghiệm.3 Mục tiêu của đề tài - Mục tiêu trước mắt: chủ yếu nghiên cứu để thiết kế AGV dựa trên mô hình mobile robot, bám theo quỹ đạo đường đi được định trước để tiếp cận mục tiêu. - Mục tiêu lâu dài: hoàn thiện AGV có thể làm việc cùng lúc trong không gian lớn với nhiều AGV khác, chúng sẽ được lập trình để nhường đường theo mức độ ưu tiên để tránh tình trạng va chạm vào nhau. Tất cả những xe AGV này sẽ được quản lý qua máy tính.4 Nội dung nghiên cứu - Thiết kế bộ điều khiển phi tuyến trên cơ sở ổn định của Lyapunov.
- Xây dựng mô hình thực nghiệm. - Sử dụng phương pháp ước lượng để xác định vị trí của AGV. - Thiết kế bộ điều khiển vật lý để điều khiển AGV theo quỹ đạo.5 Phương pháp luận - Luận văn là tài liệu tham khảo có giá trị cho những ai quan tâm, nghiên cứu về AGV. - Tìm hiểu phương pháp ước lượng để xác định vị trí.
- Tìm hiểu thiết kế quỹ đạo − với đa thức bậc 7. - Tìm hiểu thiết kế bộ điều khiển phi tuyến trên cơ sở ổn định của Lyapunov. - Luận văn này cung cấp một mô hình điều khiển AGV có thể ứng dụng trong thực tế.6 Phương pháp nghiên cứu - Thu thập và đọc hiểu các tài liệu liên quan từ cán bộ hướng dẫn, sách, các bài báo và internet v. - Nghiên cứu mô hình động học của WMR.
- Nghiên cứu lý thuyết ổn định Lyapunov. - Nghiên cứu phần mềm Matlab. - Lập trình mô phỏng trên Matlab, lập trình phần mềm vi điều khiển cho hệ thống AGV.7 Nội dung luận văn Nội dung luận văn gồm 5 chương: Chương 1: Mở đầu. Chương 2: Tổng quan về AGV.
Chương 3: Mô hình toán học AGV. Chương 4: Thiết kế bộ điều khiển và hệ thống đo lường. Chương 5: Thiết kế thi công AGV và mô phỏng hệ thống trên Matlab. 4 Chương 2 TỔNG QUAN VỀ AGV 2.1 Sơ lược quá trình phát triển của AGV AGV (viết tắt của Automated Guided Vehicles) là xe tự hành di chuyển theo những con đường được xác định, dựa vào tín hiệu từ dây được bố trí dưới sàn nhà hoặc từ cảm biến thị giác kết hợp với các thuật toán chuyển động để xử lý.
Trong công nghiệp, AGV là xe tải không người lái, thường được trang bị động cơ điện và ắc quy. AGV đầu tiên được đưa ra thị trường vào những năm 1950 bởi Barrett, và vào thời điểm đó nó chỉ đơn giản là một chiếc xe tải kéo một toa hàng hóa trong nhà kho, sử dụng một dây trên cao để định hướng di chuyển. Công nghệ AGV bắt đầu trở lại vào 1962 khi Goran Netzler và Anders Dahlgren sáng lập NDC Sweden, chủ yếu tập trung vào các công nghệ mới về thiết kế và tiêu chuẩn hóa các giải pháp mô-đun điện công nghiệp và bộ phận điều khiển để đáp ứng nhu cầu bảo trì hiệu quả và dễ dàng trong việc giao tiếp giữa các người vận hành và hệ thống. Sự ra đời của công nghệ AGV có thể được công nhận cho những nỗ lực tiên phong của Goran Netzler và Anders Dahlgren đã mang đến cho ngành công nghiệp vận chyển hàng hóa.
Sự phát triển lớn đầu tiên cho ngành công nghiệp AGV là sự ra đời của chiếc xe nâng vào 1970, chúng được chấp nhận rộng rãi vì có khả năng liên kết trong việc kiểm soát hệ thống thông tin. Cũng cùng năm đó công nghệ định hướng ra đời, một dây được đặt dưới sàn nhà phát ra tần số và một bộ biến tần cho dây để định hướng cho AGV theo tuyến đường dự kiến. Một ăng-ten trên AGV sẽ tìm ra các tần số và định hướng chiếc xe dựa trên tín hiệu phát ra của dây. Công nghệ này cần nhiều dây trong sàn để xử lý các nút giao thông hoặc điểm quyết định khác.
Hệ thống cung cấp năng lượng cho dây sẽ tương ứng với hướng đi mong muốn. 5 Vào cuối những 1980, định hướng không dây cho các hệ thống AGV đã được giới thiệu. Sử dụng laser cho phép tăng tính linh hoạt và chính xác của hệ thống trong việc di chuyển theo đường đi mong muốn. Như với tất cả các sản phẩm công nghệ cao dựa trên phần mềm máy tính và điện tử.
Các máy tính được sử dụng trong các hệ thống AGV có thể lưu trữ thông tin, đưa ra quyết định và thực hiện quy trình. Trong thực tế, AGV có khả năng thực hiện gần như tất cả các quyết định và các chức năng điều khiển. Chúng có thể sắp xếp thời gian, giữ hàng tồn kho, quản lý chi tiết hệ thống và kiểm soát nhiều loại hệ thống máy khi hoạt động chung. Ngày nay AGV được sử dụng rộng rãi ở hầy hết các ngành công nghiệp lớn như hàng không, may mặc, sách và hệ thống thư viện, y tế, nhà kho, các cơ sở lưu trữ hàng hóa v.
Nhu cầu thị trường cho AGV có thể được đánh giá thông qua số lượng các nhà sản xuất AGV. Vào cuối những năm 1970 có 6 nhà cung cấp AGV ở Hoa Kỳ và chỉ có 3 loại xe khác nhau. Năm 1990 đã có hơn 40 nhà cung cấp trên toàn thế giới và hơn 15 loại xe với trọng tâm là tiêu chuẩn thiết kế. Công nghệ phát triển sẽ thúc đẩy sự gia tăng trong việc sử dụng AGV do đó sẽ thúc đẩy việc nghiên cứu và phát triển AGV.2 Phân loại AGV Có ba dạng AGV chính: - Tàu không người lái.
- Xe nâng pallet. - Xe chở hàng.1 Tàu không người lái - Gồm một đầu máy kéo, kéo một hoặc nhiều toa xe phía sau tạo thành một đoàn xe giống như một con tàu. - Loại xe này được dùng trong việc chuyên chở những hàng hóa có tải trọng nặng trong không gian nhà ko hoặc nhà máy lớn. - Có 5-10 toa xe phía sau và là hệ thống vận chuyển hiệu quả.
- Đầu máy kéo có thể kéo được 60,000 pound.1 AGV dạng tàu không người lái. Source: http://www.com/en/Solutions/Products/Tugger-Automatic-Guided- Vehicles-AGVs.2 Xe nâng pallet - Dùng để vận chuyển các pallet hàng hóa theo tuyến đường xác định trước. - Nâng được hàng ngàn kilogam, một số loại AGV có thể nâng hai pallet cùng lúc. - Loại xe này được dùng trong chuyển động thẳng đứng thường là sắp xếp pallet hàng hóa lên kệ hàng.2 AGV dạng xe nâng pallet.
Source: http://www.com/en/automation/material-handling- automation_ha-solutions_agv-systems_agv-types/forklift-agv 2.3 Xe chở hàng - Dùng để vận chuyển hàng hóa từ trạm này đến trạm khác bằng cách đặt hàng hóa lên xe. - Có thể vận chuyển được tối đa 250 kg. - Loại xe này được thiết kế đặc biệt để vận chuyển hàng hóa với tải trọng nhỏ.3 AGV dạng xe chở hàng. Source: http://www.com/en/Solutions/Products/Unit-Load-Automatic- Guided-Vehicles-AGVs.3 Tóm tắt các công trình nghiên cứu [1] Trong bài báo này nhóm tác giả đã giới thiệu một hệ thống GPS indoor đơn giản, sử dụng cảm biến siêu âm.
Thông thường hệ thống siêu âm cần ít nhất ba bộ phát, trong đó thời gian cập nhật thông tin vị trí là 5 cycles/s để cho sóng siêu âm từ ba bộ phát không trùng nhau. Hệ thống này bao gồm một bộ phát và hai bộ thu, trong đó bộ phát dùng để phát sóng siêu âm và RF, bộ thu dùng tính khoảng cách tương ứng với tham chiếu đến các tín hiệu RF. Hai giá trị được dùng để xác định vị trí của bộ phát bằng các công thức lượng giác.4 Phương pháp tính toán vị trí. , là khoảng cách đo được.
Ta có thể tính , : = − (2.4) ta hoàn toàn xác định được ( Xr , Yr ). Do đặc điểm của cảm biến siêu âm, ảnh hưởng của nhiệt độ hoặc chướng ngại vật xung quanh sẽ sinh ra nhiễu trên cảm biến. Vì thế sai số vị trí được giảm thiểu bằng cách sử dụng bộ lọc Kalman tuyến tính. Để chứng minh tính hiệu quả của hệ thống này, các thí nghiệm đã được tiến hành trong một không gian kích thước tương bằng 3.2 m, trong đó sai số vị trí tối đa 2 cm.5 Môi trường thực nghiệm.6 Kết quả khi sử dụng bộ lọc Kalman.