thiết kế phương pháp điều khiển robot tự hành dựa trên cơ sở logic mờ, chương 9

Chia sẻ: Van Teo | Ngày: | Loại File: PDF | Số trang:14

Thêm vào BST

Báo xấu

327
lượt xem 161
download

Download Vui lòng tải xuống để xem tài liệu đầy đủ

Như mô hình Mobile robot đã xây dựng ở Chương II, robot gồm 3 bánh, 2 bánh chủ động ở phía sau được gắn với 2 động cơ, 1 bánh lái phía trước có khả năng quay tự do. Nhiệm vụ của Mobile robot là di chuyển dọc theo tường và duy trì một khoảng cách xác định với tường. Nó sẽ được gắn hai cảm biến đo khoảng cách và đo góc của trục robot so với hướng di cần chuyển. Trong mô hình điều khiển này thì các yếu tố như nhiễu, ma sát trượt, lực quán tính...

Chủ đề:

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

Lưu

Nội dung Text: thiết kế phương pháp điều khiển robot tự hành dựa trên cơ sở logic mờ, chương 9

Thuật toán điều khiển Chương 9: Mobile robot, định nghĩa các biến vào ra Như mô hình Mobile robot đã xây dựng ở Chương II, robot gồm 3 bánh, 2 bánh chủ động ở phía sau được gắn với 2 động cơ, 1 bánh lái phía trước có khả năng quay tự do. Nhiệm vụ của Mobile robot là di chuyển dọc theo tường và duy trì một khoảng cách xác định với tường. Nó sẽ được gắn hai cảm biến đo khoảng cách và đo góc của trục robot so với hướng di cần chuyển. Trong mô hình điều khiển này thì các yếu tố như nhiễu, ma sát trượt, lực quán tính của xe sẽ được bỏ qua. Ở đây ta chỉ xét tới các yếu tố liên quan tới robot là góc θ, khoảng cách Xđ từ tâm robot tới tường. Bộ phận được tác động để điều khiển robot là 2 động cơ gắn với 2 bánh phải và trái. Giả sử ta cho robot chạy theo một đường có khoảng cách so với tường là Xđ. Khi robot di chuyển, nó bị lệch ra khỏi đường đó, lúc đó sẽ có sự sai lệch cả về vị trí và tư thế của nó so với yêu cầu. Bộ điều khiển sẽ có nhiệm vụ xử lý các tín hiệu báo về từ các cảm biến để xác định các sai lệch, từ đó đưa ra các tín hiệu điều khiển 2 động cơ như thế nào đó để robot về quỹ đạo ban đầu. Bộ điều khiển mờ được thiết kế trong Fuzzy Logic Toolbox sẽ có đầu vào là các sai lệch về vị trí ∆ex (bao gồm sai lệch Âm và sai lệch Dương), sai lệch về góc ∆et (bao gồm sai lệch Âm và sai lệch Dương).
y sai lệch Âm ∆ex ∆et X sai lệch Dương Hình 4.5. Robot trong tọa độ Decade Bộ điều khiển sẽ có hai tín hiệu đầu vào là sai lệch góc ∆et và sai lệch khoảng cách ∆ex, hai đầu ra là hai tín hiệu điều khiển 2 động cơ chủ động, thực tế thì đó là các xung điện điều khiển tốc độ hai động cơ. Sơ đồ khối toàn bộ hệ thống được thể hiện ở hình 4.5. Giá trị của các sai lệch về góc định hướng θ là ∆et sẽ nằm trong khoảng từ -0,3 đến 0,3 radian. Các giá trị sai lệch về khoảng cách ∆ex sẽ nằm trong khoảng từ -4 inch đến 4 inch (khoảng - 100mm đến 100mm). Giá trị đầu ra của bộ điều khiển mờ ( FLC ) sẽ là các giá trị vận tốc góc bánh phải (ωr) , bánh trái ( ωl ). Các giá trị này còn phụ thuộc sự ràng buộc về kết cấu cơ khí của robot. Trong trường hợp này ta chọn dải từ -3 đến 3 rad/s wl Kết quả tính Fuzzy Logic ∆ex ROBOT toán ∆ex và ∆et Controller ∆ex wr θ,x sensor
Hình 4.6. Sơ đồ khối toàn bộ Mobile robot 4.2.2.Xác định tập mờ a. Miền giá trị vật lý cơ sở của các biến ngôn ngữ -Tín hiệu sai lệch giữa góc đặt như trên chọn trong khoảng : -0,3≤ ∆et ≤0,3 (rad) - Sai lệch khoảng cách nằm trong khoảng : -4 ≤ ∆ex ≤ 4 (inch) - Tín hiệu đầu ra, vận tốc góc bánh trái và bánh phải : -3 ≤ ωl ≤ 3 rad/s -3 ≤ ωr ≤ 3 rad/s b. Số lượng tập mờ ( giá trị ngôn ngữ ) Về nguyên tắc, số lượng tập mờ cho mỗi biến ngôn ngữ thường nằm trong khoảng từ 3 đến 10 giá trị. Nếu số lượng tập mờ nhỏ hơn 3 thì ít có ý nghĩa, vì không thể thực hiện được việc chi tiết hóa các phương án xử lý. Nếu lớn hơn 10 thì đòi hỏi người lập trình phải xử lý một khối lượng lớn các suy luận, phải nghiên cứu đầy đủ để đồng thời phân biệt khoảng từ 5 đến 9 phương án khác nhau và phần cứng phải có khả năng lưu trữ lớn, cũng như khả năng xử lý nhanh đặc biệt trong bài toán điều hướng robot hoạt động trong môi trường thực (là bài toán yêu cầu cần có tốc độ xử lý và khả năng lưu trữ rất lớn). Đối với quá trình điều khiển robot có thể chọn giá trị ngôn ngữ như sau : + ∆ex {ÂM, KHÔNG, DƯƠNG}
+ ∆et  {ÂM, KHÔNG, DƯƠNG} + ωr  {CHẬM, TRUNG BÌNH, NHANH} + ωl  {CHẬM, TRUNG BÌNH, NHANH} c. Các hàm liên thuộc Đây là điểm cực kì quan trọng vì quá trình làm việc của bộ điều khiển mờ phụ thuộc rất nhiều vào dạng và kiểu hàm liên thuộc. Do vậy cần chọn kiểu hàm liên thuộc có phần chồng lên nhau và phủ kín miền giá trị vật lý, để trong quá trình điều khiển không xuất hiện “lỗ hổng” và tránh trường hợp với một giá trị vật lý rõ đầu vào x0 mà tập mờ đầu ra có độ cao bằng không (miền xác định là tập rỗng ) và bộ điều khiển không thể đưa ra một quyết định điều khiển nào được gọi là hiện tượng “cháy nguyên tắc”. Mặt khác, hàm liên thuộc được chọn sao cho miền tin cậy của nó chỉ có một phần tử, hay nói cách khác chỉ tồn tại một điểm vật lý có độ phụ thuộc bằng độ cao của tập mờ. Đối với quá trình điều khiển Mobile robot có 4 tập mờ. Mỗi tập mờ có 3 biến ngôn ngữ, tương ứng với nó là các giá trị ngôn ngữ. + Sai lệch khoảng cách Δex và sai lệch góc định hướng Δet có có các biến giá trị AM ( Âm ), KHONG ( Không ), DUONG ( Dương ). + Giá trị đầu ra là vận tốc góc ωl và ωl có các biến giá trị CHAM ( Chậm ), TRUNGBINH ( trung bình ), NHANH ( nhanh ). Mỗi giá trị ngôn ngữ sẽ được gắn với một hàm phụ thuộc dạng tam giác.
AM DUONG KHONG 1 Hàm phụ thuộc -2 0 2 4 Sai lệch khoảng cách ( inch ) Hình 4.7. Hàm phụ thuộc của sai lệch khoảng cách Δex AM KHONG DUONG 1 Hàm phụ thuộc 0.5 0 -0.15 0 0.15 0.3 Sai lệch góc định hướng Δet (radian) Hình 4.8. Hàm phụ thuộc của sai lệch góc định hướng Δet CHAM TRUNGBINH NHANH Hàm phụ thuộc 1 0.5 0 -1.5 0 1.5 3 Dải giá trị đầu ra vận tốc góc bánh phải ωr (rad/s) Hình 4.9. Hàm phụ thuộc đầu ra bánh phải ωr
CHAM TRUNGBINH NHANH 1 Hàm phụ thuộc 0.5 0 -1.5 0 1.5 3 Dải giá trị đầu ra vận tốc góc bánh trái ωl (rad/s) Hình 4.10. Hàm phụ thuộc đầu ra bánh trái ωl d. Rời rạc hóa các tập mờ - Hàm liên thuộc của sai lệch góc Δet là μ t(t) và được rời rạc tại 5 điểm : t  {-0.3, -0.15, 0, 0.15, 0.3 } - Hàm liên thuộc của sai lệch khoảng cách ∆ex là μx(x) và được rời rạc hóa tại 5 điểm : X  { -4, -2, 0, 2, 4 } - Hàm liên thuộc đầu ra ωr, ωl là μω(ω ) được rời rạc hóa tại 5 điểm: ω  { -3, -1.5, 0, 1.5, 3 }
Thứ tự quá trình xây dựng bộ Fuzzy Logic Cotroller được thực hiện trong Fuzzy Logic Toolbox theo thứ tự các hình dưới đây: Bộ hợp thành Biến Biến đầu vào đầu ra Lựa chọn luật hợp Tên biến thành và giá trị Phương pháp Hình 4.11. Sơ đồ các biến vào/ra của FLC giải mờ Hình 4.11.Xây dựng các biến vào ra cho FLC
Hình 4.12. Đặt giá trị cho các hàm phụ thuộc vào/ ra của FLC e. Xây dựng các luật hợp thành Từ kinh nghiệm thực tế mà ta xây dựng được 9 luật điều khiển : Bảng 4.1. Luật điều khiển cơ bản cho vận tốc góc bánh phải ωr Δex/Δet AM KHONG DUONG AM CHAM CHAM CHAM KHONG CHAM NHANH TRUNGBINH DUONG CHAM TRUNGBINH NHANH Bảng 4.2. Luật điều khiển cơ bản cho vận tốc góc bánh trái ωl Δex /Δet AM KHONG DUONG AM NHANH TRUNGBINH CHAM KHONG TRUNGBINH NHANH CHAM DUONG CHAM CHAM CHAM - Luật R1: NẾU Δex là AM VÀ Δet AM là THÌ ωr là CHAM VÀ ωl là CHAM - Luật R2: NẾU Δex là AM VÀ Δet là KHONG THÌ ωr là CHAM VÀ ωl là TRUNGBINH - Luật R3: NẾU Δex là AM VÀ Δet là DUONG THÌ ωr là CHAM VÀ ωl là CHAM
- Luật R4: NẾU Δex là KHONG VÀ Δet là AM THÌ ωr là CHAM VÀ ωl là TRUNGBINH - Luật R5: NẾU Δex là KHONG VÀ Δet là KHONG THÌ ωr là NHANH VÀ ωl là NHANH - Luật R6: NẾU Δex là KHONG VÀ Δet là DUONG THÌ ωr là TRUNGBINH VÀ ωl là CHAM - Luật R7: NẾU Δex là DUONG VÀ Δet là AM THÌ ωr là CHAM VÀ ωl là CHAM - Luật R8: NẾU Δex là DUONG VÀ Δet là KHONG THÌ ωr là TRUNGBINH VÀ ωl là CHAM - Luật R9: NẾU Δex là DUONG VÀ Δet là DUONG THÌ ωr là NHANH VÀ ωl là CHAM Ví dụ một trường hợp luật R1 như hình 4.13, Mobile robot đi ra ngoài quỹ đạo, sai số khoảng cách một khoảng là Δex = AM (âm) và sai số góc định hướng Δet = AM. ICC Bên trái nhanh X  Bên phải Chậm Hình 4.13. Trường hợp robot đi sai khỏi quỹ đạo
Lúc này, để về quỹ đạo ban đầu thì đòi hỏi bánh trái phải quay nhanh (NHANH ) và bánh phải quay chậm lại ( CHAM ) ứng với luật R1. f. Chọn thiết bị hợp thành Đối với trường hợp điều khiển Mobile robot, chúng ta sẽ chọn thiết bị thực hiện luật hợp thành theo phương pháp MAX- MIN. g. Chọn nguyên lý giải Mờ Giải mờ là quá trình xác định rõ giá trị đầu ra của bộ điều khiển. Việc chọn phương pháp giải mờ cũng gây ảnh hưởng đến độ phức tạp và trạng thái làm việc của hệ thống. Đối vơi bộ điều khiển Mờ FLC sử dụng cho Mobile robot ở đây ta dùng phương pháp điểm trọng tâm (Centroid ), bởi vì phương pháp này có sự tham gia của tất cả các kết luận điều khiển R1, R2, R3, R4, R5, R6, R7, R8, R9. Quá trình xây dựng luật điều khiển và hợp thành được tiến hành trên Fuzzy toolbox như trong hình 4.14 và 4.15.
Hình 4.14. Xây dựng các luật điều khiển Hình 4.15. Các luật điều khiển
Bộ điều khiển được mô hình hóa dưới dàng không gian 3D : Hình 4.16.Mô tả bộ điều khiển trên không gian 3D cho bánh phải Hình 4.17. Mô tả bộ điều khiển trên không gian 3D cho bánh trái Sau khi xây dựng xong, bộ điều khiển Mờ FLC sẽ được lưu dưới dạng một file FLC.fis.