TRƯỜNG ĐẠI HỌC GIAO THÔNG 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 -
Hà Nội-2010....................................................................................................................1
LỜI NÓI ĐẦU...............................................................................................................................6
CHƯƠNG I....................................................................................................................................8
TỔNG QUAN VỀ ROBOT TỰ HÀNH.........................................................................................8
nội dung chương I :........................................................................................................................8
- Giới thiệu chung về robot tự hành................................................................................................8
- Phân loại robot tự hành................................................................................................................8
- Các phương pháp điều hướng cho robot tự hành .........................................................................8
1.1.Giới thiệu chung...................................................................................................................8
1.2.Phân loại robot tự hành.......................................................................................................10
1.2.1.Robot tự hành di chuyển bằng chân(Legged Robot).............................................10
1.2.2.Robot tự hành di chuyển bằng bánh(Wheel Robot tự hành).................................11
1.3.Phương pháp điều hướng cho robot tự hành.......................................................................16
1.3.1.Phương pháp điều hướng có tính toán...................................................................16
1.3.2.Phương pháp điều hướng robot theo phản ứng......................................................18
1.3.3.Phương pháp điều khiển lai ghép..........................................................................20
CHƯƠNG II.................................................................................................................................21

HƯỚNG CHO ROBOT TỰ HÀNH VÀ MÔ PHỎNG TRÊN MATLAB – SIMULATINK................39
4.1. Giới thiệu về Matlab Simulink và Fuzzy Logic Toolbox...................................................39
4.1.1.Matlab Simulink ...................................................................................................39
4.1.2.Fuzzy Logic Toolbox............................................................................................42
4.2.Xây dựng bộ điều khiển Fuzzy Logic Controller (FLC) trên Fuzzy Logic Toolbox...........43
4.2.1.Thuật toán điều khiển Mobile robot, định nghĩa các biến vào ra...........................43
4.2.2.Xác định tập mờ....................................................................................................44
4.3.Xây dựng và mô phỏng Mobile robot trên Matlab Simulink..............................................54
4.3.1.Xây dựng mô hình Mobile robot...........................................................................54
4.3.2.Xây dựng sơ đồ khối toàn bộ của Mobile robot.....................................................55
4.3.4.Kết quả mô phỏng quá trình..................................................................................56
b/ Đồ thị đáp ứng khoảng cách của robot.....................................................................................59
Hình 4.23. Kết quả mô phỏng của TH3........................................................................................59
-3 -
Rõ ràng khi xét tới nhiễu đường đáp ứng của hệ thống không còn trơn mịn như trước nữa, tuy
nhiên hệ thống vẫn bám theo quỹ đạo đặt với sai lệch là chấp nhận được..............................................59
Đánh giá chung quá trình khảo sát hệ thống điều khiển robot tự hành : ....................................60
Trong cả 3 trường hợp, robot đều có khả năng trở về quỹ đạo đặt..............................................60
Thời gian quá độ là không dài có nghĩa hệ thống có khả năng tác động tương đối nhanh (khoảng
1,2 ÷ 1,8 s) ngay cả khi có nhiễu tuy rằng đường đi của robot không hoàn toàn như giá trị đặt nhưng
robot luôn có xu hướng bám sát với quỹ đạo đặt. Điều đó cho thấy hệ thống làm việc tương đối ổn định
và việc áp dụng bộ điều khiển mờ vào bài toán điều hướng cho robot tự hành là hoàn toàn khả thi.......60
Phần giới thiệu về quá trình xây dựng mô hình thực cũng như áp dụng bộ điều khiển mờ cho bài
toán điều hướng tự hành hoạt động trong môi trường không biết trước sẽ được trình bày chi tiết trong
chương V................................................................................................................................................60
CHƯƠNG V.................................................................................................................................61
XÂY DỰNG MÔ HÌNH ROBOT TỰ HÀNH.............................................................................61
5.1. Xây dựng sơ đồ khối hoạt động của robot.........................................................................61
5.2. Xây dựng khối điều khiển cho Mobile robot.....................................................................63
5.2.1. Khối xử lý tín hiệu...............................................................................................63

Robot một bộ điều khiển thông minh, phức tạp. Và trong một số trường hợp bộ
điều khiển kinh điển thuần túy không còn đáp ứng được nữa, yêu cầu đặt ra là
phải xây dựng một bộ điều khiển đa năng, thông minh hơn.
Lý thuyết Mờ ra đời ở Mỹ lần đầu tiên năm 1965 bởi giáo sư L.A Zadeh tại
trường đại học Barkeley,bang Califorlia- Mỹ, từ đó lý thuyết Mờ được phát triển
và ứng dụng rộng rãi, đặc biệt ở Nhật trong các nghành tự động hóa. Điều khiển
Mờ thực sự hữu dụng đối với các đối tượng phức tạp, nó có thể giải quyết các
vấn đề mà điều khiển kinh điển không thể giải quyết được. Trong lĩnh vực nghiên
cứu và chế tạo robot, bộ điều khiển mờ cho phép tổng hợp các tri thức, kinh
nghiệm của con người vào robot cho phép nó linh hoạt, thông minh hơn. Ở cấp
độ cao, người ta xây dựng trí tuệ nhân tạo dựa trên bộ Neuron mờ.
Đề tài: NGHIÊN CỨU XÂY DỰNG PHƯƠNG PHÁP ĐIỀU KHIỂN
ROBOT TỰ HÀNH DỰA TRÊN LOGIC MỜ là ví dụ nhỏ về ứng dụng của logic
mờ trong điều khiển. Không chỉ giới hạn trong lĩnh vực Robot, ứng dụng của
logic Mờ còn được sử dụng rộng rãi trong nghành khoa học khác như sinh học,
các hệ thống sản xuất tự động…
Nội dung để tài gồm 5 chương:
- Chương I: Tổng quan về robot tự hành
- Chương II: Mô hình toán học Robot tự hành
- Chương III: Logic mờ
- Chương IV: Xây dựng thuật toán điều khiển robot tự hành dựa trên logic mờ
và mô phỏng trên phần mềm Matlab-Simulink
- Chương V: Xây dựng mô hình robot tự hành
-6 -
Trong suốt quá trình thực hiện đề tài, tôi đã được sự giúp đỡ của các bạn
trong nhóm, các thầy trong bộ môn Kỹ thuật máy-khoa Cơ khí-ĐHGTVT, và đặc
biệt là thầy An Tri Tân.
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 đọc là điều
vô cùng quý giá đối với tôi. Tôi xin chân thành cám ơn!

lựa chọn tốt nhất. Điều hướng là vấn đề cơ bản trong nghiên cứu và chế tạo
-8 -
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
có địa hình phức tạp.
- Loại thứ 2 : nhằm giải quyết các vấn đề về các loại robot tự hành chỉ dùng
để hoạt động trong môi trường trong phòng. Loại robot tự hành này có kết cấu
đơn giản hơn loại trên, thực hiện những nhiệm vụ đơn giản.
Bài toán dẫn hướng cho robot tự hành được chia làm 2 loại: bài toán toàn
cục(global) và bài toán cục bộ(local). Ở bài toàn cục, môi trường làm việc của
robot hoàn toàn xác định,đường đi và vật cản là hoàn toàn biết trước. Ở bài toán
cục bộ, môi trường hoạt động của robot là chưa biết trước hoặc chỉ biết một phần.
Các cảm biến và thiết bị định vị cho phép robot xác định được vật cản, vị trí của
nó trong môi trường giúp nó đi tới được mục tiêu.
Các vấn đề gặp phải khi điều hướng cho Robot tự hành thường không giống
như các loại robot khác. Để có thể điều hướng cho Robot tự hành, quyết định
theo thời gian thực phải dựa vào thông tin liên tục về môi trường thông qua các
cảm biến, hoặc ở môi trường trong phòng hoặc ngoài trời, đây là điểm khác biệt
lớn nhất so với kỹ thuật lập kế hoạch ngoại tuyến.Robot tự hành phải có khả năng
tự quyết định về phương thức điều hướng, định hướng chuyển động để có thể tới
đích thực hiện nhiệm vụ nhất định.
Điều hướng cho robot tự hành là công việc đòi hỏi phải thực hiện được một
số khả năng khác nhau, bao gồm : khả năng di chuyển ở mức cơ bản, ví dụ như
hoạt động đi tới vị trí cho trước; khả năng phản ứng các sự kiện theo thời gian
thực, ví dụ như khi có sự xuất hiện đột ngột của vật cản; khả năng xây dựng, sử

a/ Robot 1 chân Raibert, b/ Robot SDR-4X, chế tạo năm 2003 của hãng Sony, c/
Robot ASIMO của hãng Honda, d/ Robot 6 chân, e/ robot chó Tian, f/ mô hình
robot 4 chân.
1.2.2.Robot tự hành di chuyển bằng bánh(Wheel Robot tự hành)
Bánh xe là cơ cấu chuyển động được sử dụng rộng rãi nhất trong công nghệ
Robot tự hành. Vấn đề cân bằng thường không phải là vấn đề được chú ý nhiều
trong robot di chuyển bằng bánh. Ba bánh là kết cấu có khả năng duy trì cân bằng
nhất, tuy nhiên kết cấu 2 bánh cũng có thể cân bằng được. Khi robot có số bánh
nhiều hơn 3 thì thông thường người ta phải thiết kế hệ thống treo để duy trì sự
tiếp xúc của tất cả các bánh xe với mặt đất. Vấn đề của robot loại này là về lực
kéo, độ ổn định và khả năng điều khiển chuyển động.v.v. Hình 1.2 dưới đây giới
thiệu 4 loại bánh xe cơ bản được sử dụng trong Robot tự hành:
-11 -
a/ Bánh xe tiêu chuẩn: 2 bậc tự do, có thể quay quanh trục bánh xe và điểm
tiếp xúc.
b/ Bánh lái: 2 bậc tự do, có thể quay xung quanh khớp lái.
c/ Bánh Swedish: 3 bậc tự do, có thể quay đông thời xung quanh trục bánh
xe, trục lăn và điểm tiếp xúc.
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
2
Một bánh lái phía trước, một bánh phía
sau
Hai bánh truyền động với trọng tâm ở
bên dưới trục bánh xe.

-13 -

Hai bánh truyền động ở giữa, thêm 4
bánh đa hướng ở xung quanh.
Hai bánh truyền động vi sai ở giữa,
bốn bánh đa hướng ở 4 góc.
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.
Bánh truyền động tiêu chuẩn.
Bánh vừa truyền động vừa là bánh lái.
Bánh lái tiêu chuẩn.
Các bánh xe được nối với nhau.
Một số loại robot chuyển động bằng bánh:
-14 -
Hình 1.3. Robot
Sojourner được sử dụng thám
hiểm sao Hỏa năm 1997. Hầu
hết các hoạt động được điều
khiển ở trái đất. Tuy vậy nó
vẫn phải sử dụng các cảm biến
để phát hiện vật cản.
Hình1.4. Robot
AIRDUCT với kết cấu nhỏ
gọn, nó được gắn camera để
thu hình ảnh, có thể nhìn
nghiêng, đi dọc theo tường,
tránh vật cản.

cơ(motor control).
Các khâu trên có thể được coi như là một chuỗi các “lát mỏng theo phương
thẳng đứng” với các đầu vào là tín hiệu nhận được từ cảm biến ở phía bên trái và
đầu ra tới các khâu chấp hành ở phía bên phải.
Hình 1.8. Sơ đồ cấu trúc của phương pháp điều khiển có tính toán
- Khâu nhận thức có nhiệm vụ điều khiển các thiết bị cảm ứng, các thiết bị
này được nối với robot sẽ cho các thông tin về môi trường quan sát được.
- Khâu mô hình thế giới: chuyển các tín hiệu từ cảm biển thành mổ 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.
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
pháp này đòi hỏi phải trang bị các cảm biến, các thiết bị đo để nhận biết thông tin
từ môi trường hoặc dạng thông tin dự đoán trước từ bản đồ toàn cục. Thông tin
đó sẽ được tham chiếu với một bản đồ môi trường nếu có thể, và sử dụng thuật
-17 -
Nhận thức
Mô hình thế giới
Lập kế hoạch
Thực hiện công việc
Điều khiển động cơ
Các
khâu
Chấp
hành
Các tín hiệu

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,
-18 -
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.
-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
trình điều khiển mobile robot. Chuyển động của một số loại côn trùng trong thế
giới sinh học có thể được sử dụng để xây dựng thành công các thuật toán điều

MÔ HÌNH ĐỘNG HỌC VÀ KỸ THUẬT ĐỊNH VỊ CHO ROBOT TỰ
HÀNH
Nội dung chính trong chương II :
- Xây dựng mô hình động học cho robot tự hành
- Các phương pháp định vị cho robot tự hành
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

Hình 2.1. Mô hình bánh xe đã
được lý tưởng hóa
Động học là bài toán về chuyển động mà không xét tới sự tác động của lực
tới chuyển động của robot, nó bao gồm các yếu tố hình học xác định vị trí của
robot. Nó bao thể hiện mối quan hệ giữa các thông số điều khiển và các thông số
trạng thái của hệ thống trong không gian.
2.1.2.Phương trình động học robot
Mô hình robot được thể hiện ở hình 2.2 dưới đây.
Hình 2.2. Mô hình động học của robot tự hành
Trước tiên để xác định vị trí của robot trong mặt phẳng, ta xây dựng mối
quan hệ giữa tọa độ tham chiếu toàn cục của mặt phẳng và hệ tọa độ tham chiếu
cục bộ của robot như hinh 2.2 . Các trục x, y xác định tọa độ của điểm bất kì
trong hệ tọa độ toàn cục có gốc O (xOy). Điểm P coi là tâm dịch chuyển của
robot, nó được dùng để xác định vị trí của robot. Hệ tọa độ x
m
Py
m
là hệ tọa độ
-23 -
L
ICC
R
r
x
m
x
y
m
y
P

r
v t
t
R L
ω
=
+
(2.1)
( )
( )
/ 2
l
v t
t
R L
ω
=
−
(2.2)
( ) ( )
( )
r l
v t v t
t
L
ω
−
=
(2.3)
Bán kính cong từ tâm di chuyển của robot tới tâm vận tốc tức thời được tính

θ
θ
θ ω
=
=
=
&
&
&
(2.6)
Tích phân 2 vế ta được :
0
0
0
( ) ( ) os( ( )) ( )
( ) ( )sin( ( ))
( ) ( )
t
t
t
x t v t c t d t
y t v t t dt
t t dt
θ
θ
θ ω
=
=
=
∫

θ
 
   
  
 
   
= =
 
 
 
   
 
 
 
   
   
 
&
1 1 1
( ) os os os
2 2 2
1 1 1
( )sin sin sin
2 2 2
( ) / 1/ 1/
r l
r
r l
l
r l