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 3
Phần I Phân tích cấu trúc tổng quát của Robot tự hành 5
1. Hệ Quang học 5
1.1. Vai trò, nhiệm vụ của hệ quang học 5
1.2. Cấu trúc cơ bản của hệ quang học 5
2. Hệ chuyển động 5
2.1. Vai trò, nhiệm vụ của hệ chuyển động 5
2.2. Cấu trúc cơ bản của hệ chuyển động 6
3. Hệ điều khiển 7
3.1. Vai trò, nhiệm vụ của hệ điều khiển 7
3.2. Cấu trúc cơ bản của hệ điều khiển 7
Phần II Phân tích các mô hình điều khiển và các phơng pháp điều khiển
thông dụng 9
1. Định nghĩa bài toán lái tự động: 9
2. Mô hình tính năng hệ điều khiển lái tự động cho Robot tự hành 9
3. Các mô hình điều khiển bám vạch thông dụng 10
3.1. Mô hình điều khiển không có phản hồi 10
3.2. Mô hình điều khiển có phản hồi 12
3.3. Kết luận: 13
Phần III Thiết kế bộ điều khiển chuyển động cho robot tự hành 14
1. Bài toán điều chế công suất: 14
1.1. Mạch động lực 14
1.2. Điều chế PWM 18
1.3. Bộ cách ly 20
2. ổn định vận tốc: 20
2.1. Các phơng pháp điều khiển thông dụng : 20
2.2. Tìm hiểu về phơng pháp điều khiển fuzzy: 22

SVTH: Lu Xuân Công 2 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 hớng
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 điều khiển
Phân tích các mô hình điều khiển và các phơng pháp điều khiển thông
dụng có thể sử dụng trong bài toán điều khiển bám.
Mô hình điều khiển không có phản hồi
Mô hình điều khiển có phản hồi

các loại điện trở quang có độ nhậy với ánh sáng cao.
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
SVTH: Lu Xuân Công 5 Trang bị điện K42
Thiết kế bộ điều khiển chuyển động theo quỹ đạo cho Robot tự hành
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.
2.2.1. Hệ chuyển động điều khiển ON/OFF và đảo chiều bằng rơle
Hệ chuyển động này là cấu trúc đơn giản nhất. Nó chỉ gồm 1 rơle dùng
để đảo chiều động cơ và 1 rơle dùng để đống, cắt động cơ với nguồn điện.
Hệ này có u điểm là không phải tiêu tốn công suất tổn hao do dùng rơle
nhng nhợc điểm của nó là chỉ có thể đóng cắt và đảo chiều động cơ với tần số
rất thấp nên chất lợng ổn định của nó không cao.
Hệ này chỉ thích hợp cho các Robot điều khiển bằng tay.
SVTH: Lu Xuân Công 6 Trang bị điện K42
Bánh xe bị động
Bánh xe
chủ động

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 7 Trang bị điện K42
Thiết kế bộ điều khiển chuyển động theo quỹ đạo cho Robot tự hành
SVTH: Lu Xuân Công 8 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:
Bài toán lái tự động là một trong những bài toán cơ bản trong điều khiển
Robot tự hành. Lái tự động có nghĩa là Robot tự hành phải tự biết tìm đờng đi theo
một quỹ đạo đã đợc vạch định sẵn. Chúng phải dựa vào các thông tin của mắt và
chân để biết đợc vị trí hiện tại của xe, vận tốc của xe, độ lệch và góc lệch của xe
so với quỹ đạo chuyển động cho trớc.

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 .
- 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:
SVTH: Lu Xuân Công 10 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
+ 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
của vòng phản hồi là độ lệch xe nên khi xe lệch ít, độ điều chỉnh công suất là
rất ít.
+ Tốc độ điều chỉnh thấp: chỉ khi nào sensor quang phát hiện đợc sai lệch thì
mới tạo ra độ lệch PWM.
+ Khi gặp vật cản, một bánh bị dừng hẳn lại thì giá trị PWM cũng chỉ tăng lên

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
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
+ Động cơ phải sử dụng loại có ECD.
Trên thực tế chạy thử không cần tín hiệu của mắt và chọn mặt phẳng có ma sát
bất kì thì khi chạy thẳng 2 m sai lệch quãng đờng của xe nhiều nhất là 20 cm.
3.3. Kết luận:
Do những u điểm của hệ thống điều khiển có phản hồi vận tốc, nên em đã

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.
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)
SVTH: Lu Xuân Công 15 Trang bị điện K42
Thiết kế bộ điều khiển chuyển động theo quỹ đạo cho Robot tự hành
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.
Vi mạch L298 là một bộ điều khiển cầu kép (dual full-bridge) dùng để
điều khiển một động cơ bớc hoặc hai động cơ một chiều . Nó có thể sử dụng
với điện áp nguồn nuôi đến 48V và dòng điện một chiều cho mỗi cầu là 2A
tổng cộng cả hai cầu là 4A.
Hình dáng bên ngoài của vi mạch L298

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
- 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
cứng, tín hiệu tựa đợc đa vào dới dạng tín hiệu analog
SVTH: Lu Xuân Công 19 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
Phần mềm: Các khối đợc tạo thành trên cơ sở phần mềm, dựa trên nhịp clock
của CPU.
Trong thiết kế, PWM đợc tạo bằng phần mềm trong 1 CPU riêng.
1.3. Bộ cách ly

)
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
Phơng pháp này gọi là điều chỉnh theo luật PD, giá trị của hệ số đạo
hàm hay còn gọi là hằng số tắt dần D có thể đợc điều chỉnh để sao cho số lần
dao động của giá trị thực quanh giá trị đặt là nhỏ nhất.
2.1.4. Điều khiển PID:
Mặc dù điều khiển theo luật PD giải quyết tốt vấn đề quá điều chỉnh và
dao động nhng còn một vấn đề tồn tại là sai lệch tĩnh của quá điều chỉnh. Để
có đợc một đáp ứng quá độ tốt, một thành phần có hành vi tích phân đợc đa

)()(
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
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
thống. Các biến này đợc xem nh là nền tảng cho các luật hoạt động. Kế đến là thiết
kế cấu trúc của hệ, mang thông tin về dòng điều khiển bên trong hệ, nh là tập mờ
nào kết hợp với tập mờ nào, đa ra tập mờ nào . Thiết kế hệ luật đợc xem nh là
phần thiết kế chính yếu, thể hiện tri thức của con ngời về đối tợng đang điều khiển.
Cuối cùng là lựa chọn phơng pháp giải mờ thích hợp.
2.2.1.2. Xác định biến ngôn ngữ
Giá trị của biến ngôn ngữ là những từ ngữ thể hiện đặc điểm của biến đó. Ví

Then), ta đợc tổng số luật của hệ luật.
SVTH: Lu Xuân Công 23 Trang bị điện K42
Dạng chữ Z Dạng tam giác
S
Dạng chữ S
Thiết kế bộ điều khiển chuyển động theo quỹ đạo cho Robot tự hành
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.
Bớc 3 trong quá trình tối u ta sẽ nhận ra một luật nào đó cần phải tăng hay giảm
tác động của nó thì ta thay đổi tơng ứng.
Bớc 4 khi hệ đã hoạt động tốt thì cần kiểm tra để loại bỏ những luật không cần
thiết, bao gồm 2 loại :
Luật d : là những luật có tác động cũng nh không do sự trùng lắp giữa các luật
trong hệ. Ví nh hệ có luật
If x = A
i
And y = B
j
Then z = C
k
If x = A
i

độ rộng xung
Mạch
cách ly
Mạch động lực
Động cơ
bánh phải
Động cơ
bánh trái
Bộ phản
hồi vận
tốc 2 bánh
Sơ đồ tính năng Robot tự hành
Bắt đầu
đo vận tốc
Khống chế gia tốc
ổn định vận tốc
Bảo vệ chống kẹt xe
Kết thúc
Sơ đồ các khối chức năng trong bộ xử lý trung tâm