Ket-noi.com diễn đàn công nghệ, giáo dục TRƯỜNG ĐẠI HỌC GIAO THƠNG VẬN TẢI KHOA CƠ KHÍ ………o0o…… ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP Ngành : Cơ khí Chuyên ngành: Cơ điện tử ĐỀ TÀI: NGHIÊN CỨU XÂY DỰNG PHƯƠNG PHÁP ĐIỀU KHIỂN ROBOT TỰ HÀNH DỰA TRÊN CƠ SỞ LOGIC MỜ Sinh viên thực hiện: Nguyễn Xuân Hoàng Lớp: Cơ điện tử Khóa 46 Giáo viên hướng dẫn: ThS.An Tri Tân Hà Nội-2010 -1 - Ket-noi.com diễn đàn công nghệ, giáo dục LỜI NÓI ĐẦU CHƯƠNG I TỔNG QUAN VỀ ROBOT TỰ HÀNH 1.1.Giới thiệu chung .6 1.2.Phân loại robot tự hành 1.2.1.Robot tự hành di chuyển chân(Legged Robot) 1.2.2.Robot tự hành di chuyển bánh(Wheel Robot tự hành) 1.3.Phương pháp điều hướng cho robot tự hành 14 1.3.1.Phương pháp điều hướng có tính tốn 15 1.3.2.Phương pháp điều hướng robot theo phản ứng 16 1.3.3.Phương pháp điều khiển lai ghép 18 CHƯƠNG II MÔ HÌNH ĐỘNG HỌC VÀ KỸ THUẬT ĐỊNH VỊ CHO ROBOT TỰ HÀNH 19 2.1.Mơ hình động học cho robot 19 2.1.1.Mơ hình bánh xe robot 20 2.1.2.Phương trình động học robot 21 2.2.Kỹ thuật định vị cho robot tự hành 24 Chương III CƠ SỞ VỀ LOGIC MỜ VÀ ĐIỀU KHIỂN MỜ 26 3.1.Giới thiệu logic Mờ (Fuzzy Logic) 26 3.2.Một số khái niệm 30 3.2.1.Định nghĩa tập mờ thuật ngữ liên quan .30 3.2.2.Bộ điều khiển Mờ 37 CHƯƠNG IV -2 - Ket-noi.com diễn đàn công nghệ, giáo dục XÂY DỰNG THUẬT TOÁN VỀ ỨNG DỤNG LOGIC MỜ TRONG KỸ THUẬT DẪN HƯỚNG CHO ROBOT TỰ HÀNH VÀ MÔ PHỎNG TRÊN MATLAB – SIMULATINK 39 4.1 Giới thiệu Matlab Simulink Fuzzy Logic Toolbox 39 4.1.1.Matlab Simulink .39 4.1.2.Fuzzy Logic Toolbox .42 4.2.Xây dựng điều khiển Fuzzy Logic Controller (FLC) Fuzzy Logic Toolbox 43 4.2.1.Thuật toán điều khiển Mobile robot, định nghĩa biến vào ra43 4.2.2.Xác định tập mờ .45 4.3.Xây dựng mô Mobile robot Matlab Simulink .53 4.3.1.Xây dựng mơ hình Mobile robot 53 4.3.2.Xây dựng sơ đồ khối toàn Mobile robot .54 4.3.4.Kết mơ q trình 55 CHƯƠNG V XÂY DỰNG MƠ HÌNH ROBOT TỰ HÀNH .58 5.1 Xây dựng sơ đồ khối hoạt động robot 58 5.2 Xây dựng khối điều khiển cho Mobile robot 60 5.2.1 Khối xử lý tín hiệu 60 5.2.2 Khối mạch công suất .64 5.2.3.Gia công khối mạch 70 5.2.3.Cảm biến 72 5.4.Thiết kế khí .72 5.5.Kết thực nghiệm .72 PHỤ LỤC 76 PHỤ LỤC 76 -3 - Ket-noi.com diễn đàn công nghệ, giáo dục A.Sơ đồ nguyên lý mạch động lực .76 B.Sơ đồ nguyên lý mạch điều khiển 77 C.Chương trình áp dụng logic mờ cho Mobile robot 78 -4 - Ket-noi.com diễn đàn cơng nghệ, giáo dục LỜI NĨI ĐẦU Thế kỷ 20,thế kỷ phát triển vượt bậc nhân loại khoa học kỹ thuật lẫn kinh tế Ngày nay, Robot khơng cịn xa lạ với người với tên ASIMO, TIAN… Chúng kết tinh thành tựu to lớn khoa học kỹ thuật nhân loại Robot ứng dụng rộng rãi ngành công nghiệp, y tế, nghiên cứu khoa học, giải trí, phục vụ đời sống người Kéo theo yêu cầu hệ robot thông minh, linh hoạt có kỹ lao động người Để đáp ứng điều địi hỏi phải trang bị cho Robot điều khiển thông minh, phức tạp Và số trường hợp điều khiển kinh điển túy khơng cịn đáp ứng nữa, yêu cầu đặt phải xây dựng điều khiển đa năng, thông minh Lý thuyết Mờ đời Mỹ lần năm 1965 giáo sư L.A Zadeh trường đại học Barkeley,bang Califorlia- Mỹ, từ lý thuyết Mờ phát triển ứng dụng rộng rãi, đặc biệt Nhật nghành tự động hóa Điều khiển Mờ thực hữu dụng đối tượng phức tạp, giải vấn đề mà điều khiển kinh điển giải Trong lĩnh vực nghiên cứu chế tạo robot, điều khiển mờ cho phép tổng hợp tri thức, kinh nghiệm người vào robot cho phép linh hoạt, thơng minh Ở cấp độ cao, người ta xây dựng trí tuệ nhân tạo dựa Neuron mờ Đề tài: NGHIÊN CỨU XÂY DỰNG PHƯƠNG PHÁP ĐIỀU KHIỂN ROBOT TỰ HÀNH DỰA TRÊN LOGIC MỜ ví dụ nhỏ ứng dụng logic mờ điều khiển Không giới hạn lĩnh vực Robot, ứng dụng logic Mờ sử dụng rộng rãi nghành khoa học khác sinh học, hệ thống sản xuất tự động… Nội dung để tài gồm chương: - Chương I: Tổng quan robot tự hành - Chương II: Mơ hình tốn học Robot tự hành - Chương III: Logic mờ - Chương IV: Xây dựng thuật toán điều khiển robot tự hành dựa logic mờ mô phần mềm Matlab-Simulink - Chương V: Xây dựng mơ hình robot tự hành -5 - Ket-noi.com diễn đàn cơng nghệ, giáo dục Trong suốt q trình thực đề tài, giúp đỡ bạn nhóm, thầy mơn Kỹ thuật máy-khoa Cơ khí-ĐHGTVT, đặc biệt thầy An Tri Tân Trong q trình thực khơng khỏi mắc phải sai sót, lời nhận xét, góp ý bổ sung nhằm hoàn thiện đề tài thầy, bạn đọc điều vô quý giá Tôi xin chân thành cám ơn! -6 - Ket-noi.com diễn đàn công nghệ, giáo dục CHƯƠNG I TỔNG QUAN VỀ ROBOT TỰ HÀNH Nội dung chương I : - Giới thiệu chung robot tự hành - Phân loại robot tự hành - Các phương pháp điều hướng cho robot tự hành 1.1.Giới thiệu chung Ngày nay, Robot học đạt thành tựu to lớn sản xuất công nghiệp Những cánh tay robot có khả làm việc với tốc độ cao, xác liên tục làm suất lao động tăng nhiều lần Chúng làm việc mơi trường độc hại hàn, phun sơn, nhà máy hạt nhân, hay lắp ráp linh kiện điện tử tạo điện thoại, máy tính…một cơng việc địi hỏi tỉ mỉ, xác cao Tuy nhiên robot có hạn chế chung hạn chế không gian làm việc Không gian làm việc chúng bị giới hạn số bậc tự tay máy vị trí gắn chúng Ngược lại, Robot tự hành lại có khả hoạt động cách linh hoạt môi trường khác Robot tự hành loại Mobile robot có khả tự hoạt động, thực thi nhiệm vụ mà không cần can thiệp người Với cảm biến, chúng có khả nhận biết môi trường xung quanh Robot tự hành ngày có nhiều ý nghĩa ngành công nghiệp, thương mại, y tế, ứng dụng khoa học phục vụ đời sống người Với phát triển ngành Robot học, robot tự hành ngày có khả hoạt động môi trường khác nhau, tùy lĩnh vực áp dụng mà chúng có nhiều loại khác robot sơn, robot hàn, robot cắt cỏ, robot thám hiểm đại dương, robot làm việc vũ trụ Cùng với phát triển yêu cầu thực tế, robot tự hành tiếp tục đưa thách thức cho nhà nghiên cứu Vấn đề robot tự hành làm để robot tự hành hoạt động, nhận biết môi trường thực thi nhiệm vụ đề Vấn đề di chuyển, Robot tự hành nên di chuyển cấu di chuyển lựa chọn tốt Điều hướng vấn đề nghiên cứu chế tạo -7 - Ket-noi.com diễn đàn công nghệ, giáo dục Robot tự hành Trong hiệp hội nghiên cứu Robot tự hành có hướng nghiên cứu khác nhau: - Hướng thứ nghiên cứu Robot tự hành có khả điều hướng tốc độ cao nhờ thông tin thu từ cảm biến, loại robot có khả hoạt động mối trường phịng mơi trường bên ngồi Loại robot u cầu khả tính tốn đồ sộ trang bị cảm biến có độ nhạy cao, dải đo lớn để điều khiển robot di chuyển tốc độ cao, môi trường có địa hình phức tạp - Loại thứ : nhằm giải vấn đề loại robot tự hành dùng để hoạt động môi trường phịng Loại robot tự hành có kết cấu đơn giản loại trên, thực nhiệm vụ đơn giản Bài toán dẫn hướng cho robot tự hành chia làm loại: tốn tồn cục(global) tốn cục bộ(local) Ở tồn cục, mơi trường làm việc robot hoàn toàn xác định,đường vật cản hồn tồn biết trước Ở tốn cục bộ, môi trường hoạt động robot chưa biết trước biết phần Các cảm biến thiết bị định vị cho phép robot xác định vật cản, vị trí mơi trường giúp tới mục tiêu Các vấn đề gặp phải điều hướng cho Robot tự hành thường khơng giống loại robot khác Để điều hướng cho Robot tự hành, định theo thời gian thực phải dựa vào thông tin liên tục môi trường thông qua cảm biến, môi trường phịng ngồi trời, điểm khác biệt lớn so với kỹ thuật lập kế hoạch ngoại tuyến.Robot tự hành phải có khả tự định phương thức điều hướng, định hướng chuyển động để tới đích thực nhiệm vụ định Điều hướng cho robot tự hành công việc đòi hỏi phải thực số khả khác nhau, bao gồm : khả di chuyển mức bản, ví dụ hoạt động tới vị trí cho trước; khả phản ứng kiện theo thời gian thực, ví dụ có xuất đột ngột vật cản; khả xây dựng, sử dụng trì đồ mơi trường hoạt động; khả xác định vị trí robot đồ đó; khả thiết lập kế hoạch để tới đích tránh tình khơng mong muốn khả thích nghi với thay đổi môi trường hoạt động -8 - Ket-noi.com diễn đàn công nghệ, giáo dục 1.2.Phân loại robot tự hành Robot tự hành chia làm loại loại robot tự hành chuyển động chân robot tự hành chuyển động bánh.Ngoài số loại robot hoạt động môi trường đặc biệt nước hay khơng trung chúng trang bị cấu di chuyển đặc trưng 1.2.1.Robot tự hành di chuyển chân(Legged Robot) Ưu điểm lớn loại robot thích nghi di chuyển địa hình gồ ghề Hơn chúng cịn qua vật cản hố, vết nứt sâu Nhược điểm robot loại chế tạo phức tạp Chân robot kết cấu nhiều bậc tự do, nguyên nhân làm tăng trọng lượng robot đồng thời giảm tốc độ di chuyển Các kĩ cầm, nắm hay nâng tải nguyên nhân làm giảm độ cứng vững robot Robot loại linh hoạt chi phí chế tạo cao Robot tự hành di chuyển chân mô theo lồi động vật mà chúng có loại chân, loại 2,4,6 chân nhiều Dưới số loại robot điển hình chuyển động chân b/ a/ -9 - Ket-noi.com diễn đàn công nghệ, giáo dục c/ d/ f/ e/ Hình 1.1 Một số loại robot di chuyển chân a/ Robot chân Raibert, b/ Robot SDR-4X, chế tạo năm 2003 hãng Sony, c/ Robot ASIMO hãng Honda, d/ Robot chân, e/ robot chó Tian, f/ mơ hình robot chân 1.2.2.Robot tự hành di chuyển bánh(Wheel Robot tự hành) Bánh xe cấu chuyển động sử dụng rộng rãi công nghệ Robot tự hành Vấn đề cân thường vấn đề ý nhiều robot di chuyển bánh Ba bánh kết cấu có khả trì cân nhất, nhiên kết cấu bánh cân Khi robot có số bánh nhiều thơng thường người ta phải thiết kế hệ thống treo để trì tiếp xúc tất bánh xe với mặt đất Vấn đề robot loại lực kéo, độ ổn định khả điều khiển chuyển động.v.v Hình 1.2 giới thiệu loại bánh xe sử dụng Robot tự hành: -10 -