Luận văn Thạc sĩ Kỹ thuật: Điều khiển bám cho rô bốt di động hai bánh sử dụng bộ điều khiển trượt mờ

Chia sẻ: _ _ | Ngày: | Loại File: PDF | Số trang:99

Thêm vào BST

Báo xấu

33
lượt xem 7
download

Download Vui lòng tải xuống để xem tài liệu đầy đủ

Mục đích nghiên cứu của đề tài là đưa một giải thuật điều khiển mới được tích hợp giữa bộ điều khiển trượt theo nguyên tắc tích phân để điều khiển và bộ điều khiển mờ để ước lượng nhiễu bên ngoài, cho rô bốt di động hai bánh bám theo chiến lược mong muốn với vận tốc không đổi.

Chủ đề:

Bình luận(0) Đăng nhập để gửi bình luận!

Lưu

Nội dung Text: Luận văn Thạc sĩ Kỹ thuật: Điều khiển bám cho rô bốt di động hai bánh sử dụng bộ điều khiển trượt mờ

1 BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƢỜNG ĐẠI HỌC KỸ THUẬT CÔNG NGHỆ TP. HCM --------------------------- PHẠM QUỐC TIẾN ĐIỀU KHIỂN BÁM CHO RÔ BỐT DI ĐỘNG HAI BÁNH SỬ DỤNG BỘ ĐIỀU KHIỂN TRƢỢT MỜ LUẬN VĂN THẠC SĨ Chuyên ngành : Kỹ Thuật Điện Mã số ngành : 60520202 TP. HỒ CHÍ MINH, tháng 02 năm 2013
2 BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƢỜNG ĐẠI HỌC KỸ THUẬT CÔNG NGHỆ TP. HCM --------------------------- PHẠM QUỐC TIẾN ĐIỀU KHIỂN BÁM CHO RÔ BỐT DI ĐỘNG HAI BÁNH SỬ DỤNG BỘ ĐIỀU KHIỂN TRƢỢT MỜ LUẬN VĂN THẠC SĨ Chuyên ngành : Kỹ Thuật Điện Mã số ngành : 60520202 HƢỚNG DẪN KHOA HỌC : TS. NGUYỄN HÙNG TP. HỒ CHÍ MINH, tháng 02 năm 2013
3 CÔNG TRÌNH ĐƢỢC HOÀN THÀNH TẠI TRƢỜNG ĐẠI HỌC KỸ THUẬT CÔNG NGHỆ TP. HCM Cán bộ hƣớng dẫn khoa học : TS. NGUYỄN HÙNG (Ghi rõ họ, tên, học hàm, học vị và chữ ký) Luận văn Thạc sĩ đƣợc bảo vệ tại Trƣờng Đại học Kỹ thuật Công nghệ TP. HCM ngày 02 tháng 02 năm 2013 Thành phần Hội đồng đánh giá Luận văn Thạc sĩ gồm: (Ghi rõ họ, tên, học hàm, học vị của Hội đồng chấm bảo vệ Luận văn Thạc sĩ) 1. TS. Đinh Hoàng Bách Chủ tịch 2. TS. Nguyễn Thanh Phƣơng Phản biện 1 3.TS. Võ Hoàng Duy Phản biện 2 4. PGS. TS. Trần Thu Hà Ủy viên 5. TS. Nguyễn Viễn Quốc Ủy viên, thƣ ký Xác nhận của Chủ tịch Hội đồng đánh giá luận văn sau khi luận văn đã đƣợc sửa chữa (nếu có). Chủ tịch Hội đồng đánh giá LV TS. Đinh Hoàng Bách
4 TRƢỜNG ĐH KỸ THUẬT CÔNG NGHỆ TP. HCM CỘNG HÒA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM PHÒNG QLKH - ĐTSĐH Độc lập - Tự do - Hạnh phúc TP. HCM, ngày 21 tháng 06 năm 2012 NHIỆM VỤ LUẬN VĂN THẠC SĨ Họ tên học viên : PHẠM QUỐC TIẾN Giới tính : Nam Ngày, tháng, năm sinh : 15/ 07 / 1977 Nơi sinh : Vĩnh Long Chuyên ngành : Kỹ Thuật Điện MSHV : 1181031057 I- TÊN ĐỀ TÀI: ĐIỀU KHIỂN BÁM CHO RÔ BỐT DI ĐỘNG HAI BÁNH SỬ DỤNG BỘ ĐIỀU KHIỂN TRƢỢT MỜ II- NHIỆM VỤ VÀ NỘI DUNG: 1. Tìm hiểu về rô bốt di động 2. Xây dựng mô hình toán cho rô bốt di động hai bánh 3. Thiết kế bộ điều khiển trƣợt mờ cho rô bốt bám quỹ đạo 4. Mô phỏng trên máy tính bằng phần mềm Matlab III- NGÀY GIAO NHIỆM VỤ: 21/06/ 2012 IV- NGÀY HOÀN THÀNH NHIỆM VỤ : 21/12 /2012 V- CÁN BỘ HƢỚNG DẪN : TS. NGUYỄN HÙNG CÁN BỘ HƢỚNG DẪN KHOA QUẢN LÝ CHUYÊN NGÀNH (Họ tên và chữ ký) (Họ tên và chữ ký)
5 LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan rằng luận văn với nội dung “ĐIỀU KHIỂN BÁM CHO RÔ BỐT DI ĐỘNG HAI BÁNH SỬ DỤNG BỘ ĐIỀU KHIỂN TRƢỢT MỜ” là công trình nghiên cứu của riêng tôi, dƣới sự hƣớng dẫn của TS. Nguyễn Hùng. Các số liệu, kết quả mô phỏng nêu trong luận văn là trung thực, có nguồn trích dẫn và chƣa đƣợc công bố trong các công trình nghiên cứu khác. Tôi xin cam đoan rằng mọi sự giúp đỡ cho việc thực hiện luận văn này đã đƣợc cám ơn và các thông tin trích dẫn trong luận văn đã đƣợc chỉ rõ nguồn gốc. Học viên thực hiện luận văn Phạm Quốc Tiến
6 LỜI CÁM ƠN Trong quá trình thực hiện luận văn, tôi đã nhận đƣợc sự giúp đỡ của rất nhiều ngƣời. Trƣớc tiên, tôi xin gửi lời cám ơn sâu sắc, chân thành tới thầy, TS Nguyễn Hùng – Phó Trƣởng Khoa Cơ – Điện – Điện Tử Trƣờng Đại Học Kỹ Thuật Công Nghệ Tp.HCM đã hƣớng dẫn, chỉ bảo và tận tình giúp đỡ trong suốt quá trình nghiên cứu và hoàn thành luận văn. Tôi cũng xin chân thành gửi lời cám ơn đến Ban Giám Hiệu Trƣờng Đại Học Kỹ thuật Công Nghệ Thành Phố Hồ Chí Minh, cùng quý Thầy, Cô đã tận tình truyền đạt kiến thức và tạo mọi điều kiện tốt nhất cho lớp chúng tôi trong suốt học trình cao học. Cuối cùng, xin cám ơn gia đình tôi và những ngƣời bạn đó luôn ở bên động viên, giúp đỡ và tạo điều kiện tốt nhất về mọi mặt trong quá trình thực hiện luận văn. Sự giúp đỡ này là động lực lớn để tôi hoàn thành đồ án tốt nghiệp này. Xin chân thành cám ơn ! Học viên thực hiện luận văn Phạm Quốc Tiến
7 TÓM TẮT Điều khiển rô bốt là một lĩnh vực nghiên cứu quan trọng trong điều khiển tự động hiện đại. Đã có nhiều mô hình điều khiển rô bốt đƣợc xây dựng dựa trên các phƣơng pháp điều khiển với ƣu nhƣợc điểm khác nhau. Luận văn đƣa ra một phƣơng pháp thiết kế bộ điều khiển trƣợt mờ cho rô bốt di động hai bánh bám theo quỹ đạo mong muốn với vận tốc không đổi. Bộ điều khiển trƣợt mờ đƣợc thiết kế ở đây là một hệ mờ lai: Để đạt đƣợc tính chính xác cao, hệ thống điều khiển rô bốt di động hai bánh đƣợc thiết kế thông qua kỹ thuật điều khiển trƣợt. Kỹ thuật này là phƣơng pháp điều khiển bền vững, nó tạo ra ngõ vào để mang lại quỹ đạo mong muốn cho hệ thống. Trình tự thiết kế của nó là đầu tiên bộ điều khiển động học đƣợc thiết kế để làm cho véc tơ sai lệch vị trí tiến đến không một cách tiệm cận. Sau đó, chế độ điều khiển trƣợt tích phân đƣợc thiết kế để làm cho véc tơ sai lệch vận tốc tiến đến không một cách tiệm cận. Bộ điều khiển mờ đƣợc thiết kế để ƣớc lƣợng nhiễu và các thành phần bất định trong rô bốt. Tiêu chuẩn ổn định Lyapunov đƣợc sử dụng để chứng minh tính ổn định toàn cục của giải thuật điều khiển Luận văn sử dụng phần mềm Matlab để mô phỏng và các kết quả mô phỏng đã chứng minh tính hiệu quả bộ điều khiển.
8 ABSTRACT Robot controling is an important researching field in modern automatic control. Many robot controller models was built with different advantages and disadvantages. This thesis proposes a control scheme that makes the combination of a fuzzy mode controller and an integral sliding mode controller for a two wheeled mobile robot to track a desired trajectory with a constant velocity. This fuzzy sliding mode controller is a hybrid fuzzy system: For achieving high-precision performance the control system for the two - wheeled mobile robot is designed via sliding mode control (SMC) in this thesis. SMC is a robust control method which generates an input to yield a desired trajectory for a given system. Its design procedure is to first, the kinematic controller is designed to make the position error vector go to zero asymptotically. Then, the integral sliding mode controller is designed to make velocity error vector go to zero asymptotically. The Fuzzy controller is designed to overcome the noises and large uncertainties in robot. The stability of system is proved based on the Lyapunov stability theory. Thesis uses Matlab software to simulate. The simulation results are presented to illustrate effectiveness of the proposes control scheme
9 MỤC LỤC Tựa Trang Lời cam đoan ............................................................................................................. i Lời cám ơn ............................................................................................................... ii Tóm tắt .................................................................................................................... iii Mục lục ......................................................................................................................v Danh mục các từ viết tắt.......................................................................................... ix Danh mục các bảng ...................................................................................................x Danh mục các hình ảnh ........................................................................................... xi Chƣơng 1 : TỔNG QUAN .......................................................................................1 1.1 Tổng quan về rô bốt ............................................................................................1 1.2 Kỹ thuật điều hƣớng cho rô bốt di động bằng bánh xe .......................................6 1.3 Tóm tắt một số công trình nghiên cứu ................................................................7 1.4 Nhận xét chung và hƣớng tiếp cận ......................................................................9 1.5 Mục tiêu của luận văn .......................................................................................11 1.6 Nhiệm vụ của luận văn ......................................................................................11 1.7 Giới hạn của luận văn........................................................................................11 1.8 Điểm mới của luận văn .....................................................................................12 1.9 Nội dung của luận văn.......................................................................................12 Chƣơng 2 : CƠ SỞ LÝ THUYẾT ...........................................................................13 2.1 Tiêu chuẩn ổn định Lyapunov...........................................................................13 2.2 Điều khiển trƣợt ................................................................................................14 2.2.1 Xuất phát điểm của phƣơng pháp điều khiển trƣợt ...............................14
10 2.2.2 Nguyên lý điều khiển trƣợt....................................................................17 2.2.3 Các bƣớc xây dựng bộ điều khiển trƣợt ................................................19 2.3 Điều khiển mờ ...................................................................................................20 2.3.1 Khái quát ...............................................................................................20 2.3.2 Định nghĩa tập mờ .................................................................................20 2.3.3 Các thông số đặc trƣng cho tập mờ .......................................................21 2.3.4 Các dạng hàm liên thuộc của tập mờ.....................................................22 2.3.5 Các phép toán trên tập mờ .....................................................................22 2.3.6 Biến ngôn ngữ và giá trị của biến ngôn ngữ .........................................24 2.3.7 Luật hợp thành mờ ................................................................................25 2.3.8 Giải mờ ..................................................................................................29 2.3.9 Cấu trúc bộ điều khiển mờ ....................................................................34 2.4 Điều khiển trƣợt mờ ..........................................................................................34 Chƣơng 3 : XÂY DỰNG MÔ HÌNH TOÁN CHO RÔ BỐT DI ĐỘNG HAI BÁNH ...............................................35 3.1 Mô hình hình học của rô bốt di động hai bánh ................................................35 3.2 Mô hình động học của rô bốt di động hai bánh ...............................................36 3.3 Mô hình động lực học của rô bốt di động hai bánh .........................................39 Chƣơng 4 : THIẾT KẾ BỘ ĐIỀU KHIỂN TRƢỢT MỜ .......................................44 4.1 Đặt vấn đề .........................................................................................................44 4.2 Thiết kế bộ điều khiển trƣợt ..............................................................................45 4.2.1 Thiết kế bộ điều khiển động học ...........................................................45 4.2.2 Thiết kế bộ điều khiển động lực học .....................................................47
11 4.2.3 Thiết kế bộ điều khiển trƣợt tích hợp của luật điều khiển động học và luật điều khiển động lực học ..........................................................................50 4.3 Thiết kế bộ điều khiển trƣợt mờ ........................................................................50 4.3.1 Thiết kế bộ điều khiển mờ .....................................................................51 4.3.2 Thiết kế bộ điều khiển trƣợt mờ ............................................................58 Chƣơng 5 : KẾT QUẢ MÔ PHỎNG ......................................................................59 5.1 Các thông số sử dụng cho bộ điều khiển ..........................................................59 5.2 Quỹ đạo đƣờng cong mong muốn cho WMR bám ...........................................60 5.3 Mô phỏng bộ điều khiển trƣợt...........................................................................60 5.3.1 Lƣu đồ giải thuật bộ điều khiển trƣợt ....................................................60 5.3.2 Các sai lệch bám quỹ đạo đƣờng cong của WMR ................................61 5.4 Mô phỏng bộ điều khiển trƣợt trong trƣờng hợp có nhiễu lớn .........................62 5.4.1 Lƣu đồ giải thuật bộ điều khiển trƣợt có nhiễu lớn ...............................62 5.4.2 Các sai lệch bám quỹ đạo đƣờng cong của WMR ................................62 5.5 Mô phỏng bộ điều khiển trƣợt mờ ....................................................................63 5.5.1 Lƣu đồ giải thuật bộ điều khiển trƣợt mờ .............................................63 5.5.2 Các sai lệch bám quỹ đạo đƣờng cong của WMR ................................64 5.5.3 Chuyển động bám quỹ đạo đƣờng cong của WMR ..............................65 5.5.4 Mặt trƣợt của bộ điều khiển trƣợt mờ ...................................................66 5.5.5 Vận tốc dài của WMR khi bám quỹ đạo ...............................................67 5.5.6 Vận tốc góc của WMR khi bám quỹ đạo ..............................................68 5.5.7 Vận tốc góc của các bánh WMR khi bám quỹ đạo ...............................68 5.5.8 Mô men quay của các bánh WMR khi bám quỹ đạo ............................69 5.6 Nhận xét ............................................................................................................70
12 5.7 Kết quả mô phỏng với quỹ đạo mong muốn là đƣờng tròn ..............................70 5.8 Kết quả mô phỏng với quỹ đạo mong muốn là đƣờng vuông tròn ...................72 5.9 Kết luận .............................................................................................................73 Chƣơng 6 : KẾT LUẬN VÀ HƢỚNG PHÁT TRIỂN ..........................................74 6.1 Những kết quả đạt đƣợc ....................................................................................74 6.2 Giới hạn của đề tài ............................................................................................75 6.3 Hƣớng phát triển của đề tài ...............................................................................75 TÀI LIỆU THAM KHẢO .......................................................................................76 PHỤ LỤC
13 DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT FLC : Điều khiển mờ (Fuzzy Logic Control) SMC : Điều khiển trƣợt (Sliding Mode Control) SMFC : Điều khiển trƣợt mờ (Sliding Mode Fuzzy Control) WMR : Rô bốt di động bằng bánh xe (Wheeled Mobile Robot)
14 DANH MỤC CÁC BẢNG Bảng 1.1 Ký hiệu các loại bánh xe ............................................................................. 3 Bảng 4.1 Xây dựng luật hợp thành mờ ..................................................................... 55 Bảng 5.1 Các giá trị thông số của WMR .................................................................. 59 Bảng 5.2 Các giá trị khởi tạo ban đầu để mô phỏng................................................. 59
15 DANH MỤC CÁC HÌNH ẢNH Hình 1.1 Một số loại WMR ............................................................................................ 1 Hình 1.2 Hình ảnh các loại bánh xe ................................................................................ 2 Hình 1.3 Cấu hình một bánh lái phía trƣớc, một bánh truyền động phía sau ................. 3 Hình 1.4 Cấu hình hai bánh truyền động với trọng tâm ở bên dƣới trục bánh xe .......... 4 Hình 1.5 Cấu hình hai bánh chuyển động vi sai và thêm hai điểm tiếp xúc ................... 4 Hình 1.6 Cấu hình hai bánh truyền động độc lập ở sau và một bánh lái ở trƣớc. ........... 4 Hình 1.7 Cấu hình hai bánh quay tự do ở sau, bánh trƣớc vừa là bánh truyền động vừa là bánh lái. ........................................................................................................ 5 Hình 1.8 Cấu hình ba bánh đa hƣớng .............................................................................. 5 Hình 1.9 Cấu hình bốn bánh đa hƣớng. .......................................................................... 5 Hình 1.10 Chuyển động cơ bản của WMR. ...................................................................... 6 Hình 1.11 Cấu trúc của rô bốt di chuyển bằng bánh ......................................................... 8 Hình 1.12 Các sai số bám đƣờng thẳng của rô bốt MICRO ............................................. 8 Hình 1.13 Các sai lệch bám e1, e2, e3 của rô bốt hàn......................................................... 9 Hình 2.1 Minh họa hàm Lyapunov. .............................................................................. 14 Hình 2.2 Đồ thị quỹ đạo pha ......................................................................................... 15 Hình 2.3 Giải thích hiện tƣợng trƣợt ............................................................................. 16 Hình 2.4 Giải thích nguyên lý trƣợt. ............................................................................. 18 Hình 2.5 Mô tả hàm phụ thuộc μA(x) của tập các số thực từ -5 đến 5. ........................ 20 Hình 2.6 Hàm liên thuộc μB(x) của tập “mờ” B. ........................................................ 21 Hình 2.7 Các dạng hàm liên thuộc của tập mờ. ............................................................ 22 Hình 2.8 Hợp của hai tập mờ có cùng cơ sở ................................................................. 22 Hình 2.9 Giao của hai tập mờ có cùng cơ sở ................................................................ 23 Hình 2.10 Bù của hai tập mờ ........................................................................................... 24 Hình 2.11 Ví dụ mờ hóa biến tốc độ ............................................................................... 25 Hình 2.12 Mô tả hàm liên thuộc của luật hợp thành ....................................................... 27
16 Hình 2.13 Rời rạc hoá các hàm liên thuộc ...................................................................... 28 Hình 2.14 Giá trị rõ y0 không phụ thuộc vào đáp ứng vào của luật điều khiển .............. 30 Hình 2.15 Giá trị rõ y0 phụ thuộc với đáp ứng vào của luật điều khiển.......................... 31 Hình 2.16 Giá trị rõ y0 phụ thuộc tuyến tính với đáp ứng vào của luật điều khiển ........ 31 Hình 2.17 Giá trị rõ y0 là hoành độ của điểm trọng tâm ................................................. 32 Hình 2.18 So sánh các phƣơng pháp giải mờ .................................................................. 33 Hình 2.19 Cấu trúc bên trong của bộ điều khiển mờ ...................................................... 34 Hình 2.20 Cấu trúc bộ điều khiển trƣợt mờ. ................................................................... 34 Hình 3.1 Mô hình hình học của rô bốt hai bánh – WMR.............................................. 35 Hình 3.2 Vận tốc dài của các bánh xe và tâm quay M .................................................. 37 Hình 4.1 Sơ đồ khối bộ mờ điều khiển WMR .............................................................. 52 Hình 4.2 Sự phân bố các giá trị mờ của biến đầu vào fV .............................................. 53 Hình 4.3 Sự phân bố các giá trị mờ của biến đầu vào fp ............................................... 54 Hình 4.4 Sự phân bố các giá trị mờ của biến đầu ra u ................................................ 54 Hình 4.5 Bộ luật mờ ...................................................................................................... 56 Hình 4.6 Luật hợp thành dạng hình học ........................................................................ 56 Hình 4.7 Bề mặt luật hợp thành .................................................................................... 57 Hình 4.8 Sơ đồ khối bộ điều khiển trƣợt mờ cho WMR ............................................... 58 Hình 5.1 Quỹ đạo đƣờng cong mong muốn cho WMR ............................................... 60 Hình 5.2 Lƣu đồ giải thuật điều khiển trƣợt không nhiễu............................................. 60 Hình 5.3 Sai lệch bám quy đạo cong của WMR khi sử dụng bộ điều khiển trƣợt trong toàn thời gian .................................................................................................. 61 Hình 5.4 Sai lệch bám quy đạo cong của WMR khi sử dụng bộ điều khiển trƣợt ở thời gian ban đầu ................................................................................................... 61 Hình 5.5 Lƣu đồ giải thuật điều khiển trƣợt có nhiễu lớn............................................. 62 Hình 5.6 Sai lệch bám quy đạo cong của WMR khi sử dụng bộ điều khiển trƣợt với nhiễu lớn trong toàn thời gian ........................................................................ 62 Hình 5.7 Sai lệch bám quy đạo cong của WMR khi sử dụng bộ điều khiển trƣợt với nhiễu lớn ở thời gian ban đầu ......................................................................... 63
17 Hình 5.8 Lƣu đồ giải thuật điều khiển trƣợt có nhiễu lớn sử dụng bộ điều khiển trƣợt mờ ................................................................................................................... 63 Hình 5.9 Sai lệch bám quy đạo cong của WMR khi sử dụng bộ điều khiển trƣợt mờ trong toàn thời gian ........................................................................................ 64 Hình 5.10 Sai lệch bám quy đạo cong của WMR khi sử dụng bộ điều khiển trƣợt mờ ở thời gian ban đầu ............................................................................................ 64 Hình 5.11 Chuyển động bám quy đạo cong của WMR khi sử dụng bộ điều khiển trƣợt mờ trong toàn thời gian .................................................................................. 65 Hình 5.12 Chuyển động bám quy đạo cong của WMR khi sử dụng bộ điều khiển trƣợt mờ ở thời gian ban đầu ................................................................................... 65 Hình 5.13 Mặt trƣợt S1 của bộ điều khiển trƣợt mờ ...................................................... 66 Hình 5.14 Mặt trƣợt S2 của bộ điều khiển trƣợt mờ ....................................................... 66 Hình 5.15 Vận tốc dài của WMR khi bám theo quỹ đạo ở thời gian ban đầu ................ 67 Hình 5.16 Vận tốc dài của WMR khi bám theo quỹ đạo trong toàn thời gian ............... 67 Hình 5.17 Vận tốc góc của WMR khi bám theo quỹ đạo trong toàn thời gian............... 68 Hình 5.18 Vận tốc góc của bánh WMR khi bám theo quỹ đạo trong toàn thời gian ...... 68 Hình 5.19 Mô men quay của các bánh WMR ở thời gian ban đầu ............................. 69 Hình 5.20 Mô men quay của các bánh WMR trong toàn thời gian ............................. 69 Hình 5.21 Sai lệch bám quy đạo tròn của WMR khi sử dụng bộ điều khiển trƣợt mờ trong toàn thời gian ........................................................................................ 70 Hình 5.22 Sai lệch bám quy đạo tròn của WMR khi sử dụng bộ điều khiển trƣợt mờ ở thời gian ban đầu ............................................................................................ 71 Hình 5.23 Chuyển động bám quy đạo tròn của WMR khi sử dụng bộ điều khiển trƣợt mờ trong toàn thời gian .................................................................................. 71 Hình 5.24 Sai lệch bám quy đạo vuông tròn của WMR khi sử dụng bộ điều khiển trƣợt mờ trong toàn thời gian .................................................................................. 72 Hình 5.25 Sai lệch bám quy đạo vuông tròn của WMR khi sử dụng bộ điều khiển trƣợt mờ trong thời gian ban đầu ............................................................................ 72 Hình 5.26 Chuyển động bám quy đạo vuông tròn của WMR khi sử dụng bộ điều khiển trƣợt mờ trong toàn thời gian ......................................................................... 73
18 CHƢƠNG 1 TỔNG QUAN 1.1. Tổng quan về rô bốt Thuật ngữ “robot” xuất phát từ tiếng Czech “robota” có nghĩa là công việc tạp dịch trong vở kịch Rossum’s Universal Robots của Karel Capek, vào năm 1921. Trong vở kịch này, Rossum và con trai của ông ta đã chế tạo ra những chiếc máy gần giống với con ngƣời để phục vụ con ngƣời. Từ đó ý tƣởng thiết kế, chế tạo rô bốt đã luôn thôi thúc con ngƣời và trở thành một ngành khoa học rô bốt học - robotics. Rô bốt di động bằng bánh xe (Wheeled Mobile Robot - WMR) đƣợc định nghĩa là một loại xe rô bốt có khả năng tự dịch chuyển, tự vận động (có thể lập trình lại đƣợc) dƣới sự điều khiển tự động, có khả năng hoàn thành công việc đƣợc giao. Tiềm năng ứng dụng của rô bốt di động bằng bánh xe hết sức rộng lớn. Có thể kể đến nhƣ: rô bốt vận chuyển vật liệu, hàng hóa trong các tòa nhà, nhà máy, cửa hàng, sân bay, rô bốt phục vụ quét dọn đƣờng phố, rô bốt kiểm tra trong môi trƣờng nguy hiểm, rô bốt canh gác, rô bốt do thám, rô bốt khám phá không gian, di chuyển trên hành tinh, rô bốt hàn, rô bốt sơn trong nhà máy, rô bốt xe lăn phục vụ ngƣời khuyết tật, rô bốt phục vụ sinh hoạt gia đình v.v… a) b) c)
19 Hình 1.1 Một số loại rô bốt di động bằng bánh xe. a) rô bốt tự hành Sojouner, b) rô bốt Hitachi H8/3062, c) rô bốt Halluc II Bánh xe là phƣơng pháp phổ biến nhất cung cấp khả năng di chuyển cho một rô bốt, đƣợc sử dụng với nhiều kích thƣớc và nền tảng rô bốt khác nhau. Kích thƣớc của bánh xe dao động khá rộng, từ nhỏ cỡ vài chục xăng xi mét đến lớn hàng mét. Thông thƣờng, xu hƣớng phát triển tập trung vào các bánh xe cỡ nhỏ, cỡ 5 cm trở lại với 3 bánh xe/rô bốt, một bánh lái và hai bánh di chuyển. Loại phức tạp hơn có thể sử dụng con quay hồi chuyển Về vật liệu, vật liệu làm bánh xe không có yêu cầu đặc biệt, nhƣng một số trƣờng hợp cụ thể có yêu cầu khá chặt. Ví dụ bánh xe rô bốt quân sự cần có khả năng chống trƣợt. Điều này cũng có thể đạt đƣợc thông qua cấu trúc bánh xe, một rô bốt với 4 bánh hoặc 6 bánh sẽ có ƣu thế chống trƣợt tốt hơn trƣờng hợp 2 bánh. Ngoài ra, cơ cấu bánh xe cũng cần đƣợc chú ý khi thiết kế chuyển động cho rô bốt. Bánh xe là cơ cấu làm cho rô bốt di động bằng bánh di chuyển, thông thƣờng có ba loại bánh xe: - Bánh xe tiêu chuẩn: hai bậc tự do, có thể quay quanh trục bánh xe và điểm tiếp xúc. - Bánh lái: hai bậc tự do, có thể quay xung quanh khớp lái. - Bánh đa hƣớng - Swedish: ba bậc tự do, có thể quay đồng thời xung quanh trục bánh xe, trục lăn và điểm tiếp xúc. a) b)
20 Hình 1.2 Hình ảnh các loại bánh xe. a) bánh xe tiêu chuẩn, b) bánh xe đa hƣớng omni Bảng 1.1 Ký hiệu các loại bánh xe Ký hiệu Miêu tả Bánh xe quay tự do tiêu chuẩn (Standard Fixed Wheel) Bánh xe truyền động tiêu chuẩn (Standard DrivenWheel) Bánh lái đa hƣớng không truyền động (Standard Non Driven Steer Wheel) Bánh lái đa hƣớng truyền động (Standard Driven Steer Wheel) Bánh xe truyền động đa hƣớng (Omni directional Wheel) Bánh xe tiếp xúc (Castor Wheel) Cấu trúc sơ đồ ba bánh là kết cấu có khả năng duy trì cân bằng nhất, tuy nhiên kết cấu hai bánh cũng có thể cân bằng đƣợc. Khi rô bốt có số bánh nhiều hơn ba thì thông thƣờng ngƣời ta phải thiết kế hệ thống treo để duy trì sự tiếp xúc của tất cả các bánh xe với mặt đất. Dƣới đây là một số sơ đồ bố trí bánh xe điển hình của rô bốt di động bằng bánh xe: