TRƯỜNG ĐẠI HỌC NHA TRANG
KHOA CƠ KHÍ
………o0o……
ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP
CHUYÊN NGÀNH CÔNG NGHỆ CƠ ĐIỆN TỬ

ĐỀ TÀI:
NGHIÊN CỨU ỨNG DỤNG LÝ THUYẾT MỜ
ĐỂ ĐIỀU KHIỂN ROBOT TỰ HÀNH SVTH: Nhâm Văn Dương.
MSSV: 50130269.
Lớp: 50CKCD.
GVHD: ThS.Vũ Thăng Long.

Nha Trang tháng 06 năm 2012.
2
NHẬN XÉT CỦA CÁN BỘ HƯỚNG DẪN.

Họ và tên sinh viên: Nhâm Văn Dương.
Lớp: 50CKCD.
Chuyên ngành: Công nghệ cơ điện tử.
Đề tài: Nghiên cứu ứng dụng lý thuyết mờ để điều khiển robot tự hành.
Số trang:…89… Số chương:04

NHẬN XÉTCỦA CÁN BỘ PHẢN BIỆN

Kết luận
Nha Trang, ngày tháng năm 2012.
CÁN BỘ PHẢN BIỆN
( Ký ghi rõ họ tên )
Nha Trang, ngày tháng năm 2012.
CHỦ TỊCH HỘI ĐỒNG
( Ký ghi rõ họ tên )

Điểm phản biện
Bằng số Bằng chữ

Điểm chung
Bằng số Bằng chữ

4
MỤC LỤC
LỜI NÓI ĐẦU 7
CHƯƠNG1TỔNG QUAN VỀ LÝ THUYẾT MỜ VÀ ROBOT TỰ HÀNH.9
1.1.Tổng Quan Tình Hình Nghiên Cứu Thuộc Lĩnh Vực Đề Tài 10

2.2.3.Phương án 3 46
2.2.4.Lựa chọn phương án 47
2.3.Mạch Điều Khiển Robot Tự Hành 48
2.3.1. Khối xử lý tín hiệu: 48
2.3.1.1. Khối nguồn: 48
2.3.1.2. Kiến trúc vi điều khiển AVR. 49
2.3.1.3. Khối xử lý 50
2.3.1.4. Sơ đồ nguyên lý: 52
2.3.2. Khối hiển thị 53
2.3.3. Khối mạch công suất 54
2.3.4.Gia công các khối mạch. 58
2.3.5. Cảm biến. 61
2.4.Giải Thuật Và Điều Khiển. 65
2.4.1.Xây dựng thuật toán về ứng dụng logic mờ trong kĩ thuật dẫn
hướng cho robot tự hành. 65
2.4.1.1.Thuật toán điều khiển Mobile robot, định nghĩa các biến vào ra. 65
2.4.1.2.Xác định tập mờ. 67
2.4.1.3.Xây dựng các luật hợp thành 70
2.4.1.4.Chọn thiết bị hợp thành 71
2.4.1.5.Chọn nguyên lý giải Mờ 71
2.4.2.Lập trình cho robot tự hành 72
CHƯƠNG 3: THỬ NGHIỆM VÀ ĐÁNH GIÁ KẾT QUẢ. 74
3.1.Thông Số Kĩ Thuật Robot Tự Hành. 75
3.2.Thử Nghiệm. 75
3.2.1.Các bước chuẩn bị 75
6
3.2.2.Thử nghiệm khả năng di chuyển và bám tường 76
3.2.3.Thử nghiệm khả năng tránh vật cản phía trước 77
3.3.Nhận Xét Kết Quả Thử Nghiệm. 79
3.4.Giải Pháp Tăng Khả Năng Hoạt Động Của Robot Tự Hành 79

- Chương III: Thử nghiệm và đánh giá kết quả.
- Chương IV: Kết luận – Hướng phát triển đề tài.
8
Trong suốt quá trình thực hiện đề tài, tôi đã được sự giúp đỡ của các bạn,
các thầy trong bộ môn Cơ Điện Tử - Khoa Cơ Khí - ĐHNT, và đặc biệt là:
ThS.Vũ Thăng Long.
Trong quá trình thực hiện không khỏi mắc phải những sai sót, mọi lời nhận
xét, góp ý hoặc bổ sung nhằm hoàn thiện đề tài của các thầy, các bạn là điều vô
cùng quý giá đối với tôi. Tôi xin chân thành cám ơn!
Nha Trang, 5/2012.
Sinh viên:
Nhâm Văn Dương.
9
xác và liên tục làm năng suất lao động tăng nhiều lần. Chúng có thể làm việc
trong các môi trường độc hại như hàn, phun sơn, các nhà máy hạt nhân, hay lắp
ráp các linh kiện điện tử tạo ra điện thoại, máy tính…một công việc đòi hỏi sự tỉ
mỉ, chính xác cao. Tuy nhiên những robot này có một hạn chế chung đó là hạn
chế về không gian làm việc. Không gian làm việc của chúng bị giới hạn bởi số
bậc tự do tay máy và vị trí gắn chúng. Ngược lại, các Robot tự hành lại có khả
năng hoạt động một cách linh hoạt trong các môi trường khác nhau.
Robot tự hành là loại Mobile robot có khả năng tự hoạt động, thực thi
nhiệm vụ mà không cần sự can thiệp của con người. Với những cảm biến, chúng
có khả năng nhận biết về môi trường xung quanh. Robot tự hành ngày càng có
nhiều ý nghĩa trong các ngành công nghiệp, thương mại, y tế, các ứng dụng khoa
học và phục vụ đời sống của con người. Với sự phát triển của ngành Robot học,
robot tự hành ngày càng có khả năng hoạt động trong các môi trường khác nhau,
tùy mỗi lĩnh vực áp dụng mà chúng có nhiều loại khác nhau như robot sơn, robot
hàn, robot cắt cỏ, robot thám hiểm đại dương, robot làm việc ngoài vũ trụ. Cùng
với sự phát triển của yêu cầu trong thực tế, robot tự hành tiếp tục đưa ra những
thách thức mới cho các nhà nghiên cứu.
Vấn đề của robot tự hành là làm thế nào để robot tự hành có thể hoạt động,
nhận biết môi trường và thực thi các nhiệm vụ đề ra. Vấn đề đầu tiên là di
chuyển, Robot tự hành nên di chuyển như thế nào và cơ cấu di chuyển nào là sự
lựa chọn tốt nhất. Điều hướng là vấn đề cơ bản trong nghiên cứu và chế tạo
11
Robot tự hành. Trong hiệp hội nghiên cứu về Robot tự hành có 2 hướng nghiên
cứu khác nhau:
-
Hướng thứ nhất là nghiên cứu về Robot tự hành có khả năng điều hướng ở
tốc độ cao nhờ thông tin thu được từ cảm biến, đây là loại robot có khả năng hoạt
động ở mối trường trong phòng cũng như môi trường bên ngoài. Loại robot này
yêu cầu khả năng tính toán đồ sộ và được trang bị cảm biến có độ nhạy cao, dải
đo lớn để có thể điều khiển robot di chuyển ở tốc độ cao, trong những môi trường

robot hoạt động trong các môi trường đặc biệt như dưới nước hay trên không
trung thì chúng được trang bị cơ cấu di chuyển đặc trưng.
1.1.1.2.1.Robot tự hành di chuyển bằng chân.
Robot tự hành di chuyển bằng chân (Legged Robot).
Ưu điểm lớn nhất của loại robot này là có thể thích nghi và di chuyển trên
các địa hình gồ ghề. Hơn nữa chúng còn có thể đi qua những vật cản như hố, vết
nứt sâu.
Nhược điểm chính của robot loại này chính là chế tạo quá phức tạp. Chân
robot là kết cấu nhiều bậc tự do, đây là nguyên nhân làm tăng trọng lượng của
robot đồng thời giảm tốc độ di chuyển. Các kĩ năng như cầm, nắm hay nâng tải
cũng là nguyên nhân làm giảm độ cứng vững của robot. Robot loại này càng linh
hoạt thì chi phí chế tạo càng cao.
Robot tự hành di chuyển bằng chân được mô phỏng theo các loài động vật
vì thế mà chúng có loại 1 chân, loại 2,4,6 chân và có thể nhiều hơn. Dưới đây là
một số loại robot điển hình chuyển động bằng chân. 13

a/

b/

c/

d/

e/

f/


Hình 1.2. Các loại bánh xe cơ bản dùng cho robot tự hành. 15
Sơ đồ bánh xe của robot tự hành 2 bánh, 3 bánh, 4 bánh và 6 bánh được liệt
kê trong bảng dưới đây:
Bảng 1.1.Sơ đồ bánh xe của robot tự hành.
Số
bánh
Sắp xếp Miêu tả

Một bánh lái phía trước, một bánh phía sau 2Hai bánh truyền động với trọng tâm ở bên
dưới trục bánh xe.

Hai bánh truyền động ở giữa và có điểm thứ 3
tiếp xúc

Hai bánh truyền động độc lập ở phía sau và
một bánh lái ở phía trước.

Hai bánh truyền động được nối với trục ở phía
sau, một bánh lái ở phía trước.


tiếp xúc.

4 4 bánh vừa là truyền động vừa là bánh lái.

Hai bánh truyền động ở giữa, thêm 4 bánh đa
hướng ở xung quanh. 6Hai bánh truyền động vi sai ở giữa, bốn bánh
đa hướng ở 4 góc. 17
Bảng 1.2.Kí hiệu các loại bánh xe:
Kí hiệu các loại bánh xe

Bánh đa hướng không truyền động.

Bánh truyền động Swedish(đa hướng).

Bánh quay tự do tiêu chuẩn.

trái đất. Tuy vậy nó vẫn phải
sử dụng các cảm biến để
phát hiện vật cản.

Hình1.4.RobotAIRDUCT với
kết cấu nhỏ gọn, nó được
gắn camera để thu hình ảnh,
có thể nhìn nghiêng, đi dọc
theo tường, tránh vật cản. Hình 1.5. RobotMbari’s
AltexAuv(AutonomousUnder
ware Vehicle) được sử dụng
để hoạt động dưới đáy biển
sâu ở Bắc Cực

19
Hình 1.6. Robot Khepera
dùng để nghiên cứu và học
tập. Nó có đường kính
60mm, được tích hợp nhiều
modun khác nhau như
camera, tay kẹp.

Hình 1.7. Robot dẫn đường
AGU (Autonomous Guided
Vehicle) được sử dụng trong
các bệnh viện.


-
Khâu mô hình thế giới: chuyển các tín hiệu từ cảm biển thành mô tả mối
liên quan giữa robot với mô hình bên trong môi trường.
-
Khâu lập kế hoạch: cố gắng xây dựng kế hoạch thực hiện của robot sao
cho đạt được mục tiêu phù hợp với tình trạng thế giới hiện thời.
-
Khâu thực hiện công việc: chia kế hoạch vừa được xây dựng thành các
lệnh điều khiển chuyển động chi tiết
-
Khâu điều khiển động cơ: dùng để thực hiện các lệnh này.

Nh
ận thức Mô hình thế giới
Lập kế hoạch
Thực hiện công việc
Điều khiển động cơ
Các
khâu
Chấp
hành

Các tín hiệu
từ cảm biến
21
Mỗi một hệ thống con như là một khâu tương đối phức tạp và tất cả phải
hoạt động một cách đồng bộ với hoạt động của robot tại mọi thời điểm. Phương

ứng thực hiện một cách tự động với các kích thích từ cảm biến để điều khiển
robot sao cho an toàn và đạt hiệu suất cao nhất. Phương pháp này đặc biệt phù
hợp đối với những ứng dụng nơi mà môi trường là hoàn toàn động hoặc không
biết trước, ví dụ như trong không gian hoặc dưới nước. Trong thực tế, các thiết bị
vệ tinh thám hiểm kiểu robot đã sử dụng phương pháp điều hướng theo phản
ứng, lí do là phương pháp điều hướng theo tính toán đòi hỏi việc lập kế hoạch
phức tạp có quá nhiều phép tính toán bị giới hạn bởi khả năng của bộ nhớ và tốc
độ tính toán. Điều hướng theo phản ứng chỉ phụ thuộc vào trạng thái hiện thời
của robot và đòi hỏi rất ít các phép tính toán để tác động lại môi trường hoạt động.
- Tuy nhiên, phương pháp điều hướng theo phản ứng cũng có nhiều mặt hạn
chế, việc không có kế hoạch toàn cục có thể khiến cho quá trình điều khiển gặp
phải những khó khăn. Các hoạt động tối ưu cục bộ chủ yếu thu được nhờ điều
khiển theo phản ứng, chính vì thế mà có thể gây ra hiện tượng lệch hướng toàn
cục. Trong phương pháp điều hướng theo tính toán, hệ thống không bao giờ mất
tầm quan sát đích trong khi các hệ thống điều hướng theo phản ứng cần phải giữ
các đích tức thời để độ lệch hướng so với đích toàn cục là không quá lớn.
- Một thuận lợi ở điều hướng theo phản ứng so với các phương pháp tính
toán đó là khả năng mở rộng bộ điều khiển để thêm vào các thành phần phản ứng
khác mà không cần phải điều chỉnh lại toàn bộ phần mềm điều khiển. Chính vì
thế, ta có thể dễ dàng bổ xung thêm tính năng cho robot bằng cách thêm vào các
hoạt động mới mà không làm thay đổi những hoạt động đã có trước. Ví dụ, để
robot phản ứng với một kích thích thu được từ một cảm biến mới, ta chỉ cần thêm
một thành phần khác vào bộ điều khiển để nó phản ứng với kích thích thu được
từ cảm biến đó. Còn ở các phương pháp tính toán, bạn cần phải xây dựng một
thuật toán hoàn toàn mới để sử dụng dữ liệu thu được từ cảm biến mới được
thêm vào này.
23
-Trong thời kỳ đầu, các nhà nghiên cứu đã thiết kế hệ thống điều hướng
thuần tuý phản ứng bằng cách dựa vào hoạt động của côn trùng để áp dụng vào
kỹ thuật robot. Nhiều nghiên cứu về hệ thống sinh học đã được ứng dụng cho quá

1.1.2.1.Mô hình động học cho robot.
Động học là nghiên cứu cơ bản nhất để tìm hiểu quá trình hoạt động của
một hệ thống cơ khí, trong lĩnh vực mobile robot, chúng ta cần phải tìm hiểu đặc
tính cơ của robot để thiết kế sao cho phù hợp với các nhiệm vụ đặt ra, đồng thời
việc tìm hiểu đặc tính cơ còn giúp ta xác định được phương pháp thiết kế phần
mềm điều khiển sao cho phù hợp đối với từng phần cứng của robot.
Trong lĩnh vực robot, mobile robot không phải là hệ thống cơ khí quá phức
tạp. Như ta đã biết, tay máy đã và đang là lĩnh vực được chú trọng nghiên cứu
trong vòng hơn 30 năm trở lại đây. Ở một vài khía cạnh nào đó, tay máy phức tạp
hơn nhiều so với mobile robot thế hệ trước đây, ví dụ: một robot hàn thiết kế theo
tiêu chuẩn thường có 5 hoặc nhiều hơn 5 khớp, trong khi các mobile robot trước
đây thường chỉ là thiết bị truyền động kiểu vi sai đơn giản.
Giữa tay máy và mobile robot có khá nhiều điểm tương đồng. Ví dụ, đối
với tay máy, không gian làm việc là vấn đề được quan tâm rất nhiều, nó cho phép
xác định phạm vi các vị trí khả thi của tay máy. Không gian làm việc của mobile
robot có mức độ quan trọng không kém, nó cho phép xác định phạm vi các tư thế
khả thi mà mobile robot có thể có trong môi trường hoạt động. Tính dễ điều
khiển của tay máy được định nghĩa là khả năng điều khiển các động cơ để tay
máy có thể di chuyển từ vị trí này đến vị trí kia trong không gian làm việc.
Tương tự như tay máy, tính dễ điều khiển của mobile robot được định nghĩa là
những quỹ đạo định trước hoặc không định trước có thể đạt được trong không
gian làm việc của nó. Mobile robot cũng bị giới hạn bởi các nguyên lý về động
lực học, ví dụ, giống như ở ô tô, khi chuyển động với tốc độ cao, nếu trọng tâm
của mobile robot cao nó sẽ là nguyên nhân giới hạn bán kính xoay thực tế. Tuy
nhiên, sự khác biệt chính giữa mobile robot và tay máy là thách thức đáng kể
trong kỹ thuật ước lượng vị trí. Tay máy thường có một đầu được gắn cố định,
25
việc xác định vị trí của đầu hoạt động kia hoàn toàn đơn giản, vấn đề là ta phải
hiểu được các nguyên lý động học của tay máy và xác định được vị trí của các
khớp trung gian. Chính vì thế, ta có thể xác định được vị trí của tay máy nhờ dữ