Thiết kế bộ điều khiển chuyển động theo quỹ đạo cho Robot tự hành
Mục lục
Mục lục 1
Lời Cảm Ơn 2
Lời nói đầu 4
Phần I
Phân tích cấu trúc tổng quát của Robot tự hành 6
1. Hệ Quang học 6
1.1. Vai trò, nhiệm vụ của hệ quang học 6
1.2. Cấu trúc cơ bản của hệ quang học 6
2. Hệ chuyển động 7
2.1. Vai trò, nhiệm vụ của hệ chuyển động 7
2.2. Cấu trúc cơ bản của hệ chuyển động 7
3. Hệ điều khiển 8
3.1. Vai trò, nhiệm vụ của hệ điều khiển 8
3.2. Cấu trúc cơ bản của hệ điều khiển 9
Phần II
Phân tích các mô hình điều khiển
và các phơng pháp điều khiển thông dụng 10
1. Định nghĩa bài toán lái tự động: 10
2. Mô hình tính năng hệ điều khiển lái tự động cho Robot tự hành 10
3. Các mô hình điều khiển bám vạch thông dụng 11
3.1. Mô hình điều khiển không có phản hồi 11
3.2. Mô hình điều khiển có phản hồi 13
3.3. Kết luận: 14
Phần III
Thiết kế bộ điều khiển chuyển động cho robot tự hành 15
1. Bài toán điều chế công suất: 15
1.1. Mạch động lực 15
1.2. Điều chế PWM 20
1.3. Bộ cách ly 21

Đồng thời em xin gửi lời cảm ơn tới tất cả các bạn sinh viên đã đóng góp
những ý kiến quý báu giúp em hoàn thành đề tài tốt nghiệp đúng thời gian.
Em xin chân thành cảm ơn
Sinh viên thực hiện
Lu Xuân Công
SVTH: Lu Xuân Công 3 Trang bị điện K42
Thiết kế bộ điều khiển chuyển động theo quỹ đạo cho Robot tự hành
Lời nói đầu
ROBOCON là cuộc thi trí tuệ và sáng tạo đợc phát động hàng năm do
hiệp hội ROBOT Châu á Thái Bình Dơng tổ chức. Cuộc thi này đã thu hút đ-
ợc rất nhiều sự quan tâm của các bạn sinh viên ở các nớc Châu á. Đặc biệt là
các bạn sinh viên nớc ta. Là một cầu nối Đài truyền hình Việt Nam đã phát
động cuộc thi này hàng năm nhằm khuyến khích các bạn sinh viên Việt Nam
tham gia nghiên cứu khoa học, chế tạo Robot, thể hiện óc sáng tạo của sinh
viên Việt Nam để chọn ra một đội vô địch trong nớc đi tham gia thi đấu, giao
lu với các nớc trong khu vực Châu á Thái Bình Dơng.
Tổng quát các Robot tự động phải thực hiện các bài toán cơ bản sau:
Bài toán định vị: Dựa trên lới vạch trắng trên sân, xác định vị trí
hiện tại của rôbốt.
Bài toán di chuyển: Bám theo vạch trắng để dịch chuyển tới vị
trí cần tiếp cận.
Bài toán tiếp cận mục tiêu: Thực hiện thao tác ghi điểm.
Việc giải quyết tốt bài toán di chuyển sẽ cho phép rôbốt đi trên lới tọa độ với
tốc độ cao, tin cậy, chính xác. Chính vì vậy, đợc sự đồng ý của Thầy giáo h-
ớng dẫn và Bộ môn, em đã thực hiện đề tài tốt nghiệp với nội dung: Thiết kế
bộ điều khiển chuyển động theo quỹ đạo cho rôbốt tự hành
Nội dung cơ bản của đề tài gồm các phần sau:
Phân tích đầu bài
Hệ quang học
Hệ chuyển động

Hệ quang học đợc cấu tạo từ rất nhiều các cặp mắt thu - phát khác nhau.
Thờng thì mỗi một Robot tự hành đợc trang bị từ 7 12 cặp mắt thu - phát
tùy thuộc vào chiều rộng của xe nhng số cặp mắt thu phát càng nhiều thì
thông tin từ hệ quang học càng nhiều và độ tin cậy của hệ quang học càng lớn.
Các cặp mắt thu phát thờng là các cặp thu phát hồng ngoại hoặc
các loại điện trở quang có độ nhậy với ánh sáng cao.
SVTH: Lu Xuân Công 6 Trang bị điện K42
Thiết kế bộ điều khiển chuyển động theo quỹ đạo cho Robot tự hành
2. Hệ chuyển động
2.1. Vai trò, nhiệm vụ của hệ chuyển động
Hệ chuyển động đợc ví nh đôi chân của Robot tự hành.nhiệm vụ của
nó là giúp cho Robot tự hành chuyển động tới mọi vị trí trên lới tọa độ. Để
làm đợc điều này hệ chuyển động phải đạt đợc những yêu cầu tốc độ, gia tốc,
mômen và công suất sao cho thời gian chuyển động của Robot từ vị trí này
đến vị trí kia trên lới tọa độ là nhanh nhất, ổn định nhất và mômen chuyển
động luôn luôn phải đủ lớn để có thể thắng đợc mọi vật cản trên sân.
2.2. Cấu trúc cơ bản của hệ chuyển động
Hệ chuyển động thờng đợc cấu tạo từ các động cơ một chiều kích từ độc
lập công suất nhỏ từ 12 24 [W] hoặc là các động cơ bớc nhng trên thực tế
động cơ bớc ít đợc dùng do khó điều khiển, giá thành cao và công suất quá
nhỏ. Cấu trúc của hệ chuyển động thờng bao gồm 2 bánh chủ động và một
bánh bị động. 2 bánh chủ động vừa có tác dụng cung cấp mômen chuyển động
cho xe vừa có tác dụng làm bánh lái. Bánh bị động chỉ có tác dụng dẫn hớng
và giúp xe cân bằng.
SVTH: Lu Xuân Công 7 Trang bị điện K42
Bánh xe bị động
Bánh xe
chủ động
Bánh xe
chủ động

3.1. Vai trò, nhiệm vụ của hệ điều khiển
Hệ điều khiển đợc ví nh bộ não của Robot tự hành. Nhiệm vụ của nó là
tổng hợp các thông tin từ hệ quang học và hệ chuyển động để đa ra các lệnh
SVTH: Lu Xuân Công 8 Trang bị điện K42
Thiết kế bộ điều khiển chuyển động theo quỹ đạo cho Robot tự hành
điều khiển ngợc trở lại hệ chuyển động giúp cho Robot thực hiện các nhiệm
vụ hay các chức năng của nó nh di chuyển đến đích, tiếp cận mục tiêu
3.2. Cấu trúc cơ bản của hệ điều khiển
Hệ điều khiển đợc cấu tạo bởi các bộ vi xử lý cỡ nhỏ có thể lập trình đợc.
Phổ biến và dễ ứng dụng nhất là họ vi điều khiển 8051. Họ vi điều khiển này
cũng có rất nhiều loại nh 89C51, 89C52, 89C2051 và tùy thuộc vào yêu
cầu của hệ thống điều khiển về tốc độ xử lý, số lợng các đầu IN/OUT và dung
lợng bộ nhớ chơng trình mà sử dụng chúng sao cho thích hợp mà tiết kiệm đợc
tối đa giá thành sản phẩm.
Từ những phân tích trên ta có thể đa ra sơ đồ khối cấu trúc tổng quát của
Robot tự hành nh sau:
SVTH: Lu Xuân Công 9 Trang bị điện K42
Bộ điều
khiển
Bộ chuyển
động
Bộ phản hồi
vận tốc
Thông tin từ
bộ quang học
Thiết kế bộ điều khiển chuyển động theo quỹ đạo cho Robot tự hành
Phần II
Phân tích các mô hình điều khiển
và các phơng pháp điều khiển thông dụng
1.Định nghĩa bài toán lái tự động:

3.Các mô hình điều khiển bám vạch thông dụng
3.1. Mô hình điều khiển không có phản hồi
Trong mô hình này, các cảm biến quang sẽ phát hiện đợc độ lệch của xe,
trên cơ sở đó trực tiếp điều khiển mômen hai bánh xe: Độ lệch xe càng nhiều -
độ chênh PWM giữa 2 bánh càng lớn để điều khiển xe về trạng thái cân bằng.
ý nghĩa và nhiệm vụ của các khối chức năng:
- Bộ tính độ lệch mômen 2 bánh: Có nhiệm vụ nhận thông tin từ mắt và
kiểm tra vị trí và độ lệch hiện tại của xe từ đó tính toán ra độ lệch mômen 2
bánh.
- Bộ điều chế độ rộng xung: Có nhiệm vụ nhận giá trị điều khiển từ bộ xử
lý và xuất ra giá trị PWM .
SVTH: Lu Xuân Công 11 Trang bị điện K42
Bộ điều chế
độ rộng xung
Mạch động lực
Động cơ trái Động cơ phải
Thông tin từ
hệ quang học
Tính độ lệch
momen 2 bánh
Cách ly
Thiết kế bộ điều khiển chuyển động theo quỹ đạo cho Robot tự hành
- Mạch cách ly: Có nhiệm vụ cách ly tín hiệu giữa mạch động lực và mạch
điều khiển.
- Mạch động lực: Có nhiệm vụ khuyếch đại tín hiệu điều khiển và đa công
suất ra 2 động cơ.
Nhận xét:
+ Từ sơ đồ trên ta thấy mô hình điều khiển không có phản hồi là mô hình đơn
giản nhất . Mô hình này có u điểm là dễ làm cả về phần cứng và phần mềm.
+ Nhợc điểm của mô hình này là chất lợng điều khiển thấp: Do giá trị đầu vào

+ Mô hình phản hồi này làm cho tốc độ của 2 bánh xe luôn luôn đợc ổn định
cho dù khi xe chạy gặp phải những lực cản có giá trị rất khác nhau.
SVTH: Lu Xuân Công 13 Trang bị điện K42
Bộ cách ly
Mạch động lực
Động cơ trái
Động cơ phải
Thông tin từ
hệ quang học
Tính độ lệch
vận tốc 2 bánh
Bộ phản
hồi tốc độ
Bộ phản
hồi tốc độ
Bộ điều chế
độ rộng xung
Bộ điều khiển
vận tốc 2 bánh
Thiết kế bộ điều khiển chuyển động theo quỹ đạo cho Robot tự hành
+ ổn định trực tiếp vận tốc nhờ đó khống chế sớm khả năng lệch của robot,
tạo ra độ tin cậy và chính xác cao hơn: Nhờ có phản hồi vận tốc, robot sẽ có
khả năng điều chỉnh momen ngay khi gặp chớng ngại vật làm giảm vận tốc
của xe tức là trớc khi xe bị lệch đờng.
+ Cho phép tạo mômen lớn trên trục động cơ : Khi gặp chớng ngại vật, vận tốc
của xe giảm, do có vòng phản hồi, momen trên trục động cơ đợc tăng tối đa để
thắng vật cản. Trong mô hình không có phản hồi, chỉ khi nào độ lệch của xe
đạt giá trị mà sensor quang phát hiện đợc thì mới tăng giảm mômen động
cơ ; và khi xe đạt độ lệch rất lớn thì mômen trên trục mới đạt giá trị tốt đa.
+ Nhợc điểm: Độ phức tạp cao, cần nhiều đầu vào/ra

và tắt công tắc nguồn SW2. khi muốn động cơ quay theo chiều ngợc lại thì ta
làm ngợc lại là tắt công tắc nguồn SW1 và bật công tắc nguồn SW2.
Phơng pháp đảo chiều này ít đợc sử dụng vì nó phải sử dụng 2 nguồn
điện độc lập nhau.
SVTH: Lu Xuân Công 15 Trang bị điện K42
Thiết kế bộ điều khiển chuyển động theo quỹ đạo cho Robot tự hành
1.1.2. Mạch động lực sử dụng cầu H
Muốn động cơ quay theo chiều thuận thì ta bật công tắc 1 và 3, tắt công
tắc 2 và 4. Muốn động cơ quay theo chiều ngợc lại thì ta tắt công tắc 1 và 3,
bật công tắc 2 và 4.
Tiếp điểm của công tắc có thể là công tắc cơ khí, rơ le hoặc 2 cực của
linh kiện đóng/ ngắt công suất (transitor lỡng cực, transitor trờng, IGBT ) tùy
theo dải dòng, áp cần sử dụng.
Ưu điểm: Việc sử dụng cầu H làm cho mạch trở nên rất đơn giản và chỉ
cần 1 nguồn điện.
Nhợc điểm: Nếu nh mạch điều khiển cùng bật công tắc 1 và 2 hoặc 3 và
4 thì sẽ làm cho mạch động lực bị ngắn mạch nguồn. Nếu hiện tợng xảy ra
trong thời gian ngắn (quá độ), sẽ xuất hiện dòng trùng dẫn qua van công suất
làm tăng công suất tiêu tán trên van. Nếu thời gian trùng dẫn đủ dài, dòng
trùng dẫn tăng lớn sẽ làm cháy van công suất.
SVTH: Lu Xuân Công 16 Trang bị điện K42
Thiết kế bộ điều khiển chuyển động theo quỹ đạo cho Robot tự hành
1.1.2.1. Sử dụng cầu H bằng rơle
Điều khiển đảo chiều động cơ dùng 1 transistor mosfet và role một chiều
4 tiếp điểm (2 tiếp điểm thờng đóng và 2 tiếp điểm thờng mở)
Phơng pháp đảo chiều dùng role có u điểm là mạch đơn giản và không
bị hiện tợng ngắn mạch nguồn vì cặp tiếp điểm 1 và 2, 3 và 4 chỉ luông luôn
có một tiếp điểm đợc bật. Nhợc điểm của mạch đảo chiều sử dụng role là tần
số đảo chiều thấp.
1.1.2.2. Điều khiển và đảo chiều động cơ điện một chiều dùng L298.

nguồn với tải một cách chu kỳ theo luật điều chỉnh thời gian đóng ngắt. Phần
tử thực hiện nhiệm vụ đó trong mạch là các van bán dẫn.
Ta xét sơ đồ nguyên lý một bộ biến đổi điện áp một chiều thông dụng:
Trong khoảng thời gian 0 t
0
ta cho van G mở toàn bộ điện áp nguồn
Ud đợc đa ra tải. Còn khoảng thời gian t
0
T cho van G khóa, cắt nguồn khỏi
tải. Vì vậy với t
0
thay đổi từ 0 T ta sẽ cung cấp toàn bộ, một phần hay khóa
hoàn toàn điện áp cung cấp cho tải.
Nguyên tắc tạo PWM cần 2 nguồn tín hiệu:
- Tín hiệu răng ca: Xác định tần số của PWM
SVTH: Lu Xuân Công 20 Trang bị điện K42
U
GS
U
d
t
0
T
t
t
Thiết kế bộ điều khiển chuyển động theo quỹ đạo cho Robot tự hành
- Tín hiệu tựa: Xác định mức công suất cần điều chế.
Hai tín hiệu so sánh với nhau để tạo ra xung PWM.
PWM có thể đợc thực hiện bằng phần cứng hoặc phần mềm.
Phần cứng: Các khối tạo tín hiệu răng ca, so sánh đợc thực hiện bằng phần

ĐK
= P(V
Thực
V
Đặt
)
P: Hệ số tỷ lệ.
Phơng pháp này cho phép thay đổi một cách nhanh chóng vận tốc đạt
tới giá trị đặt nhng mặt khác nó lại gây ra quá điều chỉnh, kéo dài quá trình
quá độ, thậm chí gây mất ổn định hệ thống đặc biệt là khi hệ số tỷ lệ là lớn.
2.1.3. Điều khiển tỷ lệ - đạo hàm PD:
Vấn đề ổn định và quá điều chỉnh của bộ điều chỉnh tỷ lệ có thể đợc
khắc phục bằng cách thêm vào bộ điều chỉnh một thành phần tỷ lệ với đạo
hàm của sai lệch theo thời gian:







+= )()(
Do
VV
dt
d
DVVPV
ThucdoThucDK
SVTH: Lu Xuân Công 22 Trang bị điện K42
Thiết kế bộ điều khiển chuyển động theo quỹ đạo cho Robot tự hành


[ ]

+= dtVVIVVPV
DoThucDoThucDK
)()(
Đôi khi, đặc biệt là trong các hệ thống có các thiết bị đo lờng nhạy cảm
với các dao động điện và nhiễu, hành vi tích phân của bộ điều chỉnh tác động
vào sai lệch có thể làm cho biến điều khiển dao động một lợng lớn, điều này
gây ra tác động ngợc lại, hệ trở nên mất ổn định hơn và sai lệch hơn. Trong
những trờng hợp này thì nên sử dụng bộ điều chỉnh PI hoặc PID nhng với hệ
số D bằng 0.
2.1.6. Điều khiển bằng ứng dụng kĩ thuật NeuroFuzzy
Ta sẽ thiết kế một hệ điều khiển chuyển động cho Robot tự hành dựa trên nền
tảng NeuroFuzzy. Cần nhấn mạng rằng trong NeuroFuzzy thì phần Fuzzy đóng vai
trò chính, chịu trách nhiệm điều khiển đối tợng. Còn mạng Neuron đóng vai trò bổ
SVTH: Lu Xuân Công 23 Trang bị điện K42
Thiết kế bộ điều khiển chuyển động theo quỹ đạo cho Robot tự hành
sung, đa tri thức vào hệ bằng cách học những hành vi thông qua tập dữ liệu gồm
những cặp vào-ra mong muốn.
Nh vậy bớc đầu tiên là thiết kế một hệ mờ sơ khởi. Sau đó cho hệ hoạt động để rút ra
những sửa đổi cần thiết và ép hệ học những sửa đổi đó.
2.2. Tìm hiểu về phơng pháp điều khiển fuzzy:
2.2.1. Thiết kế hệ mờ
2.2.1.1. Các nguyên tắc trong thiết kế
Mặc dù hệ mờ chúng ta thiết kế ở đây là hệ sơ khởi, tức là hệ thô. Mọi quá
trình tối u để hệ đạt đến trạng thái hoàn chỉnh đều đợc thực hiện sau đó. Tuy nhiên,
để cho việc học đợc dễ dàng thì ta cần thiết kế một hệ tơng đối phù hợp với đối tợng
dựa trên các nguyên tắc thiết kế cần thiết.
Thiết kế hệ mờ đợc bắt đầu bằng việc xác định các biến ngôn ngữ dùng trong hệ

việc tính toán.
2.2.1.4. Tạo hệ luật
Các luật trong hệ mờ thể hiện những gì ta muốn hệ hoạt động, tức là dựa trên tri
thức của con ngời mà hệ mờ đa ra hành vi. Căn cứ vào những biến ngôn ngữ đã xác
định, hệ luật đợc tạo ra từ những bớc sau :
Bớc 1 đối với mỗi kết hợp của các tập mờ ở đầu vào (tức ở phần If), ta định
nghĩa một luật. Dùng giải pháp dung hòa cho tất cả các tập mờ của đầu ra (phần
Then), ta đợc tổng số luật của hệ luật.
Nh vậy, nếu ta có hai biến ngôn ngữ ở đầu vào, một biến ngôn ngữ ở đầu ra, mỗi
biến ngôn ngữ đợc định nghĩa với 5 tập mờ thì tổng số luật có đợc là 5x5x5 =
125 luật.
Bớc 2 nếu một tập mờ Z
i
nào đó của đầu ra không ảnh hởng bởi một biến ngôn
ngữ A ở đầu vào thì luật tạo ra tập mờ Z
i
sẽ không bao gồm biến ngôn ngôn ngữ
A.
SVTH: Lu Xuân Công 25 Trang bị điện K42
Dạng chữ Z Dạng tam giác
S
Dạng chữ S