BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ TP.HCM

PHẠM QUỐC THIỆN

ĐIỀU KHIỂN PHI TUYẾN HỆ AGV

LUẬN VĂN THẠC SỸ
Chuyên ngành : Kỹ thuật Cơ – điện tử
Mã số ngành : 60520114

TP. HỒ CHÍ MINH, tháng 02 năm 2014


BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ TP.HCM

PHẠM QUỐC THIỆN

ĐIỀU KHIỂN PHI TUYẾN HỆ AGV

LUẬN VĂN THẠC SỸ
Chuyên ngành : Kỹ thuật Cơ – điện tử
Mã số ngành : 60520114

HƯỚNG DẪN KHOA HỌC: TS. NGUYỄN THANH PHƯƠNG

TP. HỒ CHÍ MINH, tháng 02 năm 2014


CƠNG TRÌNH ĐƯỢC HỒN THÀNH TẠI

Xác nhận của Chủ tịch Hội đồng đánh giá Luận sau khi Luận văn đã được
sửa chữa (nếu có).
Chủ tịch Hội đồng đánh giá LV


TRƯỜNG ĐH CƠNG NGHỆ TP. HCM
PHỊNG QLKH – ĐTSĐH

CỘNG HỊA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM
Độc lập - Tự do - Hạnh phúc

TP. HCM , ngày..… tháng ….. năm …….

NHIỆM VỤ LUẬN VĂN THẠC SĨ
Họ tên học viên: PHẠM QUỐC THIỆN

Giới tính: Nam

Ngày, tháng, năm sinh: 22/2/1988

Nơi sinh: ĐỒNG NAI

Chuyên ngành: Kỹ thuật Cơ điện tử

MSHV: 1241840017

I- TÊN ĐỀ TÀI:
ĐIỀU KHIỂN PHI TUYẾN HỆ AGV.
II- NHIỆM VỤ VÀ NỘI DUNG:
Nghiên cứu hệ thống AGV, mơ hình hóa hệ thống AGV, thiết lập bộ điều khiển phi


ii

LỜI CÁM ƠN
Sau thời gian học tập và nghiên cứu tại trường, nay tơi đã hồn thành đề tài
tốt nghiệp cao học của mình. Để có được thành quả này, tôi đã nhận được rất nhiều
sự hỗ trợ và giúp đỡ tận tình từ thầy cơ, gia đình và bạn bè.
Tôi xin chân thành cảm ơn quý Thầy cô khoa Quản Lý Khoa Học - Đào Tạo
Sau Đại Học, quý Thầy cô khoa Cơ - Điện - Điện Tử Trường Đại Học Kỹ Thuật
Cơng Nghệ TP.HCM đã tận tình giúp đỡ, hỗ trợ tơi trong suốt q trình thực hiện
luận văn.
Với lịng tri ân sâu sắc, tơi muốn nói lời cám ơn đến Thầy TS. Nguyễn Thanh
Phương, người đã nhiệt tình hướng dẫn và chỉ bảo cho tơi trong suốt thời gian thực
hiện nghiên cứu này.

Tp. Hồ Chí Minh, tháng 02 năm 2014
Người thực hiện luận văn

Phạm Quốc Thiện


iii

TÓM TẮT LUẬN VĂN
Trong bài báo này, một bộ điều khiển phi tuyến dựa trên phương pháp Lyapunov
được đề xuất và áp dụng cho xe tự hành. Đầu tiên quỹ đạo

−

3


MỤC LỤC
Tên đề mục

Trang

Lời cam đoan ...........................................................................................................i
Lời cảm ơn .............................................................................................................. ii
Tóm tắt luận văn .....................................................................................................iii
Abstract ...................................................................................................................iv
Mục lục ................................................................................................................... v
Danh mục các từ viết tắt ........................................................................................ vii
Danh mục các bảng biểu ........................................................................................viii
Danh mục các sơ đồ, hình ảnh ................................................................................ix
Chương 1: Mở đầu ................................................................................................ 1
1.1

Đặt vấn đề .................................................................................................... 1

1.2

Tính cấp thiết của đề tài .............................................................................. 1

1.3

Mục tiêu đề tài ............................................................................................. 2

1.4

Nội dung nghiên cứu ................................................................................... 2

2.2.3

Xe chở hàng ...................................................................................7

2.3

Tóm tắt các cơng trình nghiên cứu ........................................................8

2.4

Nhận xét và hướng tiếp cận ..................................................................32

Chương 3: Mô hình tốn học của AGV ............................................................. 33
3.1

Cấu trúc AGV ............................................................................................. 33


vi

3.2

Xây dựng phương trình động học ............................................................... 34

3.3

Xây dựng quỹ đạo đường đi cho AGV ...................................................... 36

Chương 4: Thiết kế bộ điều khiển và hệ thống đo lường ................................. 39
4.1

4.1.5.1

Định lý ổn định Lyapunov .....................................................44

4.1.5.2

Định lý không ổn định Lyapunov ..........................................45

4.2

Thiết kế bộ điều khiển ................................................................................ 47

4.3

Hệ thống đo lường ...................................................................................... 48

Chương 5: Thiết kế thi cơng AGV và mơ phỏng .............................................. 51
5.1

Thiết kế mơ hình ......................................................................................... 51

5.2

Thiết kế mạch điện ..................................................................................... 53

5.3

5.4

5.2.1


Automated Guided Vehicles

GPS

Global Positioning System

WMR

Wheel Mobile Robot

RF

Radio Frequency

FL

Feedback Linearization

SMC

Sliding Mode Control

FSMC

Fuzzy Sliding Mode Control

WP

Way Point


DANH MỤC CÁC LƯU ĐỒ, HÌNH ẢNH
Trang

Hình 2.1

AGV dạng tàu khơng người lái

6

Hình 2.2

AGV dạng xe nâng pallet

7

Hình 2.3

AGV dạng xe chở hàng

8

Hình 2.4

Phương pháp tính tốn vị trí

9

Hình 2.5


Hình 2.10 Robot di động hai bánh

13

Hình 2.11 Vị trí thật và mục tiêu của robot

13

Hình 2.12 Đáp ứng vận tốc của bánh trái và phải

14

Hình 2.13 Sai số quỹ đạo

,

,

14

Hình 2.14 Sơ đồ khối vịng điều khiển mobile robot
Hình 2.15 Điều khiển vịng kín với

= 0.6,

15

=2

để mơ phỏng robot. Quỹ đạo robot tín hiệu



x

Hình 2.21 Sai số (

− )

21

Sai số (

− )

21

Hình 2.22

Hình 2.23 Tín hiệu điều khiển torque cho bánh phải
Hình 2.24 Sai số góc định hướng
Hình 2.25

−

Sai số (
Sai số (

23

− ): (a) FL;

Hình 2.30 Lưu đồ giải thuật điều khiển tuyến tính hồi tiếp
Hình 2.31

25
26

Quỹ đạo mong muốn của AGV
có dạng đường thẳng ( y = x )

26

Hình 2.32

Quỹ đạo của AGV ở thời gian ban đầu

28

Hình 2.33

Sai lệch vị trí trong tồn thời gian

28

Hình 2.34

Vận tốc tuyến tính của AGV trong tồn thời gian

29

Hình 2.35 Vận tốc góc của bánh phải và bánh trái

Hình 3.3

Quỹ đạo G3 đi qua hai điểm A và B

38

Hình 4.1

Sơ đồ khối của vòng điều khiển AGV bám quỹ đạo G3

49


xi

Hình 5.1

Bánh xe dùng cho động cơ có bộ giảm tốc đường kính 100 mm

51

Hình 5.2

Động cơ DC Tsukasa TG-35F-AG-18-A27

51

Hình 5.3

Bánh xe omni nhơm


55

Hình 5.9

Khối hiển thị

55

Hình 5.10 Mạch vi điều khiển Pic 18f4431

56

Hình 5.11 Mạch kết nối encoder

56

Hình 5.12

57

Pic 18F4550 và 18F4431

Hình 5.13 HM-TR/TTL/433

57

Hình 5.14 Mạch cầu H đơi

58

Hình 5.22 e2 được ước lượng trường hợp 1

63

e3 được ước lượng trường hợp 1

64

Hình 5.21

Hình 5.23
Hình 5.24

3

AGV bám theo quỹ đạo G trường hợp 2

65

Hình 5.25 Vec-tơ sai số trường hợp 2

65

Hình 5.26 Vận tốc góc bánh phải và bánh trái trường hợp 2

66

Hình 5.27 Kết quả đo giá trị ước lượng của AGV trường hợp 2

66

Đất nước ta đang trong giai đoạn cơng nghiệp hóa và hiện đại hóa, mở cửa hợp
tác với các nhà đầu tư nước ngồi để xây dựng như khu cơng nghiệp phát triển như
hiện nay, trong đó vấn đề về tự động hóa dây chuyền sản xuất có vai trị quan trọng.
Đối với lĩnh vực sản xuất kinh doanh, các nhà đầu tư ln phải giải các bài tốn về
giảm chi phí đầu vào, tăng năng suất, tăng lợi nhuận, chất lượng sản phẩm tốt, giảm
sức lao động con người.
Việc vận chuyển hàng hóa vào kho mà bất cứ dây chuyền sản xuất nào cũng phải
có thì sự xuất hiện của xe forklift khơng người lái (Automated Guided Vehicle) hay
cịn gọi là AGV vào những năm 50 đã giúp các nhà sản xuất tiết kiệm thời gian, tiền
bạc, và sức lao động. Ngày nay nền công nghiệp sản xuất AGV phát triển mạnh mẽ,
các nhà sản xuất có thể lựa chọn những loại AGV phù hợp với công ty của họ như
AGV vận chuyển đồ uống, giấy, lon, lắp ráp ô tô, thực phẩm v.v.
1.2 Tính cấp thiết của đề tài
AGV là một thay thế hiệu quả cho forklift vì nó hoạt động liên tục, tăng độ tin
cậy. Theo ước tính ở các nước Tây Âu và các nước có nền kinh tế phát triển, số tiền
phải trả cho người điều khiển forklift là 40.000 USD/năm cộng với chi phí bảo trì xe


2

thì con số thật khơng nhỏ, AGV sẽ là hướng giải quyết số chi phí này. Một điểm đáng
lưu ý của các sản xuất ngồi hiệu quả cơng việc đó là an tồn, AGV sẽ thay thế xe
folklift thơng thường, nó giúp người lao động tránh được tai nạn trong vận chuyển
hàng hóa và trong mơi trường độc hại.
Vì vậy được sự hướng dẫn của thầy TS.Nguyễn Thanh Phương, luận văn này
nghiên cứu đề tài: “Điều khiển phi tuyến hệ AGV“ dựa trên mơ hình mobile robot, ứng
dụng matlab để kiểm chứng và xây dựng mơ hình thực nghiệm.
1.3 Mục tiêu của đề tài
- Mục tiêu trước mắt: chủ yếu nghiên cứu để thiết kế AGV dựa trên mơ hình mobile
robot, bám theo quỹ đạo đường đi được định trước để tiếp cận mục tiêu.

- Nghiên cứu phần mềm Matlab.
- Lập trình mơ phỏng trên Matlab, lập trình phần mềm vi điều khiển cho hệ thống
AGV.
1.7 Nội dung luận văn
Nội dung luận văn gồm 5 chương:
Chương 1: Mở đầu.
Chương 2: Tổng quan về AGV.
Chương 3: Mơ hình tốn học AGV.
Chương 4: Thiết kế bộ điều khiển và hệ thống đo lường.
Chương 5: Thiết kế thi công AGV và mô phỏng hệ thống trên Matlab.


4

Chương 2
TỔNG QUAN VỀ AGV
2.1 Sơ lược quá trình phát triển của AGV
AGV (viết tắt của Automated Guided Vehicles) là xe tự hành di chuyển theo những
con đường được xác định, dựa vào tín hiệu từ dây được bố trí dưới sàn nhà hoặc từ
cảm biến thị giác kết hợp với các thuật toán chuyển động để xử lý. Trong công nghiệp,
AGV là xe tải không người lái, thường được trang bị động cơ điện và ắc quy.
AGV đầu tiên được đưa ra thị trường vào những năm 1950 bởi Barrett, và vào
thời điểm đó nó chỉ đơn giản là một chiếc xe tải kéo một toa hàng hóa trong nhà kho,
sử dụng một dây trên cao để định hướng di chuyển.
Công nghệ AGV bắt đầu trở lại vào 1962 khi Goran Netzler và Anders Dahlgren
sáng lập NDC Sweden, chủ yếu tập trung vào các công nghệ mới về thiết kế và tiêu
chuẩn hóa các giải pháp mơ-đun điện cơng nghiệp và bộ phận điều khiển để đáp ứng
nhu cầu bảo trì hiệu quả và dễ dàng trong việc giao tiếp giữa các người vận hành và hệ
thống. Sự ra đời của cơng nghệ AGV có thể được cơng nhận cho những nỗ lực tiên
phong của Goran Netzler và Anders Dahlgren đã mang đến cho ngành công nghiệp

Có ba dạng AGV chính:
- Tàu khơng người lái.
- Xe nâng pallet.
- Xe chở hàng.
2.2.1 Tàu không người lái
- Gồm một đầu máy kéo, kéo một hoặc nhiều toa xe phía sau tạo thành một đoàn xe
giống như một con tàu.
- Loại xe này được dùng trong việc chuyên chở những hàng hóa có tải trọng nặng
trong khơng gian nhà ko hoặc nhà máy lớn.
- Có 5-10 toa xe phía sau và là hệ thống vận chuyển hiệu quả.
- Đầu máy kéo có thể kéo được 60,000 pound.


6

Hình 2.1 AGV dạng tàu khơng người lái.
Source: />
2.2.2 Xe nâng pallet
- Dùng để vận chuyển các pallet hàng hóa theo tuyến đường xác định trước.
- Nâng được hàng ngàn kilogam, một số loại AGV có thể nâng hai pallet cùng lúc.
- Loại xe này được dùng trong chuyển động thẳng đứng thường là sắp xếp pallet hàng
hóa lên kệ hàng.


7

Hình 2.2 AGV dạng xe nâng pallet.
Source: />2.2.3 Xe chở hàng
- Dùng để vận chuyển hàng hóa từ trạm này đến trạm khác bằng cách đặt hàng hóa
lên xe.


=

−

(2.1)

=

−

(2.2)

=

+

(2.3)

=( −

)+

(2.4)

Từ (2.3) và (2.4) ta hoàn toàn xác định được ( Xr , Yr ).
Do đặc điểm của cảm biến siêu âm, ảnh hưởng của nhiệt độ hoặc chướng ngại
vật xung quanh sẽ sinh ra nhiễu trên cảm biến. Vì thế sai số vị trí được giảm thiểu
bằng cách sử dụng bộ lọc Kalman tuyến tính. Để chứng minh tính hiệu quả của hệ
thống này, các thí nghiệm đã được tiến hành trong một khơng gian kích thước tương