LỜI CAM ĐOAN Tôi cam đoan đây là công trình nghiên cứu của tôi. Các số liệu, kết quả nêu trong luận văn là trung thực và chƣa từng đƣợc ai công bố trong bất kỳ công trình nào khác Tp. Hồ Chí Minh, ngày … tháng … năm 201… (Ký tên và ghi rõ họ tên) PHAN CHÂU TÖ LỜI CẢM TẠ Tôi xin gửi lời cảm ơn đến tất cả quý thầy cô giảng dạy tại Trƣờng Đại Học Sƣ Phạm Kỹ Thuật Thành Phố Hồ Chí Minh, đặc biệt là quý thầy cô khoa Cơ khí chế tạo máy đã hƣớng dẫn và truyền đạt những kiến thức quan trọng, đóng vai trò nền tảng cho đề tài của tôi. Tôi xin gửi lời cảm ơn chân thành đến giáo viên hƣớng dẫn khoa học thầy PGS.TS Nguyễn Trường Thịnh đã góp ý, hƣớng dẫn phƣơng hƣớng nghiên cứu, cung cấp các kiến thức và vật tƣ quan trọng giúp tôi hoàn thành luận văn.
Cảm ơn bạn bè,ngƣời thân, các anh chị em là thành viên của phòng thí nghiệm OpenLab đã hỗ trợ vật chất, đóng góp ý kiến giúp tôi hoàn thành luận văn này. Trân Trọng ! Ngƣời thực hiện PHAN CHÂU TÖ NHẬN XÉT CỦA CÁN BỘ HƢỚNG DẪN. Giáo viên hƣớng dẫn TS. Nguyễn Trƣờng Thịnh NHẬN XÉT CỦA GIÁO VIÊN PHẢN BIỆN.
Giáo viên phản biện TÓM TẮT Dựa trên các yêu cầu về chuyển động của robot dịch vụ trong môi trƣờng cụ thể, bài biết đã trình bày giải thuật điều khiển chuyển động, nguyên lý hoạt động của bộ điều khiển logic mờ và ứng dụng cụ thể của bộ điều khiển vào điều khiển chuyển động của Robot dịch vụ. Mô hình robot dịch vụ cũng đƣợc chế tạo và chạy thực nghiệm tại phòng thí nghiệm OpenLab – trƣờng đại học sƣ phạm kỹ thuật thành phố HCM. Bộ điều khiển đƣợc mô phỏng và tính toán bằng phần mềm Matlab trƣớc khi chạy thử nghiệm trên mô hình robot thực. Các kết quả mô phỏng và thực nghiệm của bộ điều khiển đƣợc đánh giá và kết luận trong bài viết này.
ABSTRACT Base on requirements of movement of service robot, this article present the algorithm of movement, the operating principles of fuzzy logic controller and its specifical applications to control the movement of the service robot. Model of service robot also was built at OpenLab laboratory – HCM of University technical and education. This controller is simulated and calculated by Matlab software before running on real robot model. The simulation results and experiments of system are appreciated and concluded in this article.
MỤC LỤC CHƢƠNG 1:TỔNG QUAN .2 TÌNH HÌNH NGHIÊN CỨU LIÊN QUAN ĐẾN ĐỀ TÀI .1 Nghiên cứu ngoài nƣớc .2 Nghiên cứu trong nƣớc .3 LÝ DO CHỌN ĐỀ TÀI .4 MỤC ĐÍCH NGHIÊN CỨU .5 ĐỐI TƢỢNG VÀ PHẠM VI NGHIÊN CỨU .2 Phạm vi nghiên cứu : .6 PHƢƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU .7 NỘI DUNG ĐỀ TÀI. 7 CHƢƠNG 2:LÝ THUYẾT LOGIC MỜ VÀ BỘ ĐIỀU KHIỂN MỜ .1 LÝ THUYẾT LOGIC MỜ .2 Định nghĩa tập mờ .3 Các dạng hàm liên thuộc tiêu biểu .4 Các thông số đặc trƣng của tập mờ .5 Các phép toán trên tập mờ: .1 Biến ngôn ngữ .3 Các phép toán mệnh đề mờ .4 Phép toán kéo theo mờ – luật if - then mờ thông dụng .5 Luật modus-ponens tổng quát .3 BỘ ĐIỀU KHIỂN MỜ .1 Cấu trúc của một bộ điều khiển mờ .2 Phân loại bộ điều khiển mờ .3 Các bƣớc xây dựng bộ điều khiển mờ .4 Một số phƣơng pháp giải mờ thông dụng .28 CHƢƠNG 3:XÂY DỰNG BỘ ĐIỀU KHIỂN MỜ TRÊN ĐỐI TƢỢNG ĐIỀU KHIỂN VÀ GIẢI THUẬT TÌM ĐƢỜNG ĐI CHO ROBOT .1 TỔNG QUAN ĐỐI TƢỢNG ĐIỀU KHIỂN .1 Cơ cấu chấp hành .2 Phƣơng pháp điều hƣớng cho robot tự hành .3 Hệ thống thu thập dữ liệu .4 Phƣơng pháp định vị robot .5 Mô hình động học Mobile Robot .2 XÂY DỰNG BỘ ĐIỀU KHIỂN MỜ CHO ĐỐI TƢỢNG ĐIỀU KHIỂN .1 Di chuyển từ điểm đến điểm.2 Xây dựng luật mờ .3 Chọn thiết bị hơp thành và phƣơng pháp giải mờ.3 GIẢI THUẬT TÌM ĐƢỜNG ĐI CHO ROBOT DI CHUYỂN TRÊN MẶT PHẲNG CHO TRƢỚC .1 Yêu cầu chung .2 Giải thuật tìm đƣờng đi .54 CHƢƠNG 4:THỰC NGHIỆM VỚI MÔ HÌNH ROBOT DỊCH VỤ.1 MÔ PHỎNG BỘ ĐIỀU KHIỂN MỜ CHO GIẢI THUẬT DI CHUYỂN TỪ ĐIỂM TỚI ĐIỂM .2 MÔ PHỎNG BỘ ĐIỀU KHIỂN MỜ CHO ROBOT DI CHUYỂN THEO ĐƢỜNG HOẠCH ĐỊNH. 61 CHƢƠNG 5:KẾT LUẬN .1 KẾT QUẢ ĐẠT ĐƢỢC .2 HẠN CHẾ CỦA ĐỀ TÀI .3 HƢỚNG PHÁT TRIỂN.65 TÀI LIỆU THAM KHẢO .66 DANH MỤC HÌNH VẼ Hình 2.1: Hàm phụ thuộc A ( x ) của tập kinh điển A .2: Hàm liên thuộc đơn điệu biến E .3: Hàm liên thuộc hình tam giác .4: Độ cao, miền xác định, miền tin cậy của tập mờ .5: Giao của hai tập mờ .6: Giao của hai tập mờ .7: Bù của một tập mờ .8: Hàm liên thuộc biến nhiệt độ .9: Cấu trúc của bộ điều khiển mờ .10: Bộ suy diễn mờ đầu ra 1 biến đầu vào .11 Bộ suy diễn mờ đầu ra 2 biến đầu vào .12 Phƣơng pháp giải mờ cực đại .13: Phƣơng pháp điểm trọng tâm .1 Bản thiết kế 3D phần đế robot .2: Cấu hình phần đế robot và cảm biến vật cản.3 Hệ thống điều khiển tự động tốc độ động cơ sử dụng thuật toán PID .5: Góc bố trí các cảm biến và vùng nhìn thấy vật cản .6: Đối tƣợng điều khiển .7: Động học Robot .8 Phân tích thành phần chuyển động của robot trên mặt phẳng .9 Sơ đồ các bƣớc tính tọa độ robot .10: Giải thuật điều khiển từ điểm đến điểm.11: Cấu trúc ngõ vào ra của bộ điều khiển mờ .12: Giả lập quỹ đạo cho robot di chuyển từ điểm đến điểm .13: Tính biến ngõ vào cho bộ điều khiển mờ .14: Biến vào ra của bộ điều khiển mờ .14: Hàm liên thuộc biến ngôn ngữ vào “Distance” .15: Hàm liên thuộc biến vào“ThetaStart” .16: Hàm liên thuộc biến vào “ThetaGoal” .17: Hàm liên thuộc biến LinearVelocity .18: Hàm liên thuộc biến AngularVelocity .19: Luật hợp thành và nguyên lý giải mờ.20: Bề mặt điều khiển V(t) với 2 ngõ vào (Distance, ThetaStart) .21: Bề mặt điều khiển V(t) với 2 ngõ vào (ThetaStart, ThetaGoal) .22: Bề mặt điều khiển (t) với 2 ngõ vào (ThetaStart, Distance) .22: Bề mặt điều khiển (t) với 2 ngõ vào (ThetaStart, ThetaGoal) .23: Không gian hoạt động của robot di dộng .24: Tạo node đều trên không gian robot có thề đến .25: Các đƣờng thẳng nối các node lại với nhau .26: Kết quả của giải thuật tìm đƣờng đi ngắn nhất .1: Bản đồ không gian chạy thực nghiệm của robot .2 Đƣờng đi hoạch định .3 a) So sánh đƣờng đi mô phỏng và đƣờng hoạch định.b) Kết quả mô phỏng di chuyển của robot trong bản đồ.62 DANH SÁCH BẢNG BIỂU Bảng 2.1 Các phép toán trên tập mờ……………………………………….1 Thông số của đối tƣợng điều khiển……………………………….2 Lập ma trận luật ………………………………………………….1 Kết quả mô phỏng bộ điều khiển mờ cho giải thuật di chuyển từ điểm đến điểm……………………………………………………………………. 59 CHƢƠNG 1: TỔNG QUAN 1.1 GIỚI THIỆU Hơn nữa thế kỷ qua, robot là lĩnh vực có những bƣớc phát triển và tiến hóa mạnh mẽ đáp ứng nhu cầu của xã hội loài ngƣời.
Các hƣớng nghiên cứu robot đang chuyển từ robot công nghiệp sang phát triển các robot dịch vụ. Robot dịch vụ đang là tâm điểm nghiên cứu vì nó đa dụng và đƣa robot vào hòa nhập vào nhu cầu xã hội của loài ngƣời. Ngày nay ngoài ứng dụng sơ khai ban đầu của robot trong chế tạo máy thì các ứng dụng khác nhƣ trong y tế, chăm sóc sức khỏe, nông nghiệp, đóng tàu, xây dựng, an ninh quốc phòng và gia đình đang có nhu cầu gia tăng là động lực cho các robot địa hình và các robot dịch vụ phát triển. Mặc dù về cấu trúc của robot có nhiều điểm khác nhau nhƣng các nghiên cứu hiện nay đều hƣớng về các ứng dụng dịch vụ và hoạt động của robot trong môi trƣờng tự nhiên, với sự phát triển và quá trình hiện đại hóa của các nƣớc trên thế giới thì nhiều dịch vụ mới đƣợc hình thành làm thay đổi quan điểm về robot từ robot phục vụ công việc sang phục vụ cho các nhu cầu xã hội, nhu cầu cá nhân của con ngƣời nhƣ những ngƣời giúp việc đắc lực, đa năng.
Có thể kể đến một số loại robot đƣợc quan tâm trong thời gian gần đây : robot tay máy (Manipulator robot) , robot di động (Mobile Robot), robot phỏng sinh học (Bio Inspired robot)…Trong đó thì có thể nói loại Mobile robot là đƣợc sử dụng rộng rải trong các ứng dụng dịch vụ bởi tính linh hoạt của nó trong di chuyển, đặc biệt là Mobile robot di chuyển bằng bánh xe. Loại robot này có khả năng thực hiện các nhiệm vụ ở nhiều vị trí khác nhau với khả năng kết hợp các chuyển của bánh xe mà quan trọng hơn hết đó là khả năng xác định phƣơng hƣớng ( Navigation) của robot [1]. Bắt đƣợc xu hƣớng trên, phòng thí nghiệm OpenLab thuộc trƣờng Đại học sƣ phạm kỹ thuật thành phố Hồ Chí Minh đã mở ra hƣớng nghiên cứu loại robot này. Cụ thể hơn đó là dự án về nghiên cứu robot tiếp tân di chuyển bằng bánh xe phục vụ trong môi trƣờng trƣờng học.
Dự án đang dần đƣợc hình thành với nhiều hạng mục cần giải quyết nhƣ là khả năng tự định vị, khả năng phát hiện vật cản, khả năng di chuyển đến vị trí yêu cầu và tránh vật cản, khả năng tƣơng tác với ngƣời dùng, khả năng nhận dạng, truy xuất thông tin… 1 Đề tài “Ứng dụng logic mờ vào điều khiển robot tiếp tân” nhằm tìm ra giải thuật di chuyển tối ƣu và chính xác cho robot.2 TÌNH HÌNH NGHIÊN CỨU LIÊN QUAN ĐẾN ĐỀ TÀI 1.1 Nghiên cứu ngoài nƣớc Trong đề tài “ Fuzzy control of mobile robot” đã đƣa ra 3 bộ điều khiển mờ cho robot di chuyển bằng bánh xe Khepera có khả thực hiện 3 nhiệm vụ trong quá trình di chuyển của robot đó là khả năng đạt đến mục tiêu (reach target), khả năng tránh vật cản (advoid abstacles) và khả năng thăm dò môi trƣờng (Explore the Enviroment). Mục tiêu chính của đề tài này là khả năng tự đƣa ra chiến lƣợc điều hƣớng cho robot di động khi thực hiện những nhiệm vụ phức tạp trong môi trƣờng chƣa biết trƣớc, trong đó khả năng thăm dò trong môi trƣờng nguy hiểm là một hƣớng nghiên cứu mới tiềm năng, đƣợc ứng dụng nhiều trong các lĩnh vực tự động hóa công nghiệp và công nghệ y sinh. Robot sử dụng 7 cảm biến hồng ngoại để xác định chính xác vị trí và kích thƣớc vật cản, sử dụng camera để xác định vi trí và chiều quay của robot. Kết quả của nghiên cứu chỉ ra rằng robot vẫn có thể đạt đến mục tiêu trong môi trƣờng vật cản, tuy nhiên đƣờng di chuyển chƣa tối ƣu do robot không đƣợc hoạch định đƣờng đi trƣớc.