Luận Văn Nghiên cứu ứng dụng lý thuyết mờ để điều khiển robot tự hành

Đồ án tốt nghiệp năm 2012
Đề tài: Nghiên cứu ứng dụng lý thuyết mờ để điều khiển robot tự hành


MỤC LỤC
LỜI NÓI ĐẦU .7
CHƯƠNG1TỔNG QUAN VỀ LÝ THUYẾT MỜ VÀ ROBOT TỰ HÀNH.9
1.1.Tổng Quan Tình Hình Nghiên Cứu Thuộc Lĩnh Vực Đề Tài 10
1.1.1.Tổng quan về robot tự hành. 10
1.1.1.1.Giới thiệu chung. .10
1.1.1.2.Phân loại robot tự hành. 12
1.1.1.2.1.Robot tự hành di chuyển bằng chân. .12
1.1.1.2.2.Robot tự hành di chuyển bằng bánh. .14
1.1.1.3.Phương pháp điều hướng cho robot tự hành. 19
1.1.1.3.1.Phương pháp điều hướng có tính toán .20
1.1.1.3.2.Phương pháp điều hướng robot theo phản ứng. 21
1.1.1.3.3.Phương pháp điều khiển lai ghép. .23
1.1.2.Mô hình động học và kĩ thuật định vị cho robot tự hành. 24
1.1.2.1.Mô hình động học cho robot. 24
1.1.2.1.1.Mô hình bánh xe robot. .25
1.1.2.1.2.Phương trình động học robot. 26
1.1.2.2.Kỹ thuật định vị cho robot tự hành. 28
1.1.3.Cơ sở về logic mờ và điều khiển mờ 30
1.1.3.1.Giới thiệu về logic mờ .30
1.1.3.2.Một số khái niệm cơ bản. 35
1.1.3.2.1.Định nghĩa tập mờ và các thuật ngữ liên quan. .35
1.1.3.2.2.Bộ điều khiển Mờ. .40
1.2.Tính Cấp Thiết. 42
1.3.Mục Tiêu. .42
1.4.Cách Tiếp Cận 42
1.5.Phương Pháp Nghiên Cứu. 43
1.6.Đối Tượng Và Phạm Vi Nghiên Cứu. .43
CHƯƠNG 2: NỘI DUNG NGHIÊN CỨU. 44
5
2.1.Yêu Cầu Kĩ Thuật Robot Tự Hành. .45
2.2.Động Lực Học Robot Tự Hành 45
2.2.1.Phương án 1 45
2.2.2.Phương án 2 45
2.2.3.Phương án 3 46
2.2.4.Lựa chọn phương án .47
2.3.Mạch Điều Khiển Robot Tự Hành. 48
2.3.1. Khối xử lý tín hiệu: .48
2.3.1.1. Khối nguồn: 48
2.3.1.2. Kiến trúc vi điều khiển AVR. 49
2.3.1.3. Khối xử lý .50
2.3.1.4. Sơ đồ nguyên lý: .52
2.3.2. Khối hiển thị 53
2.3.3. Khối mạch công suất. 54
2.3.4.Gia công các khối mạch. 58
2.3.5. Cảm biến. 61
2.4.Giải Thuật Và Điều Khiển. 65
2.4.1.Xây dựng thuật toán về ứng dụng logic mờ trong kĩ thuật dẫn
hướng cho robot tự hành. .65
2.4.1.1.Thuật toán điều khiển Mobile robot, định nghĩa các biến vào ra. .65
2.4.1.2.Xác định tập mờ. .67
2.4.1.3.Xây dựng các luật hợp thành .70
2.4.1.4.Chọn thiết bị hợp thành. 71
2.4.1.5.Chọn nguyên lý giải Mờ 71
2.4.2.Lập trình cho robot tự hành 72
CHƯƠNG 3: THỬ NGHIỆM VÀ ĐÁNH GIÁ KẾT QUẢ. 74
3.1.Thông Số Kĩ Thuật Robot Tự Hành. .75
3.2.Thử Nghiệm. 75
3.2.1.Các bước chuẩn bị. .75
6
3.2.2.Thử nghiệm khả năng di chuyển và bám tường. 76
3.2.3.Thử nghiệm khả năng tránh vật cản phía trước 77
3.3.Nhận Xét Kết Quả Thử Nghiệm. .79
3.4.Giải Pháp Tăng Khả Năng Hoạt Động Của Robot Tự Hành. 79
CHƯƠNG 4: KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN ĐỀ TÀI. 80
7
LỜI NÓI ĐẦU
Thế kỷ 20, thế kỷ của sự phát triển vượt bậc của nhân loại cả về khoa học
kỹ thuật lẫn kinh tế. Ngày nay, Robot không còn là cái gì đó quá xa lạ với mọi
người với những cái tên như ASIMO, TIAN Chúng là sự kết tinh những thành
tựu to lớn về khoa học kỹ thuật của nhân loại. Robot được ứng dụng rộng rãi
trong các ngành công nghiệp, y tế, nghiên cứu khoa học, giải trí, phục vụ đời
sống con người. Kéo theo đó là những yêu cầu về những thế hệ robot thông
minh, linh hoạt có kỹ năng lao động như con người. Để đáp ứng điều đó đòi hỏi
phải trang bị cho 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 quyếtđược. 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 ỨNG DỤNG LOGIC MỜ ĐIỀU KHIỂN ROBOT
TỰ HÀNH là ví dụ nhỏ về ứng dụng của logic mờ trongđiều 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 4 chương:
- Chương I: Tổng quan về lý thuyết mờ và robot tự hành.
- Chương II: Nội dung và phương pháp nghiên cứu.
- Chương III: Thử nghiệm và đánh giá kết quả.
- Chương IV: Kết luận – Hướng phát triển đề tài.


CHƯƠNG 1
TỔNG QUAN VỀ LÝ THUYẾT
MỜ VÀ ROBOT TỰ HÀNH
10
1.1.Tổng Quan Tình Hình Nghiên Cứu Thuộc Lĩnh Vực Đề Tài.
1.1.1.Tổng quan về robot tự hành.
1.1.1.1.Giới thiệu chung.
Ngày nay, Robot học đã đạt được những thành tựu to lớn trong nền sản xuất
công nghiệp. Những cánh tay robot có khả năng làm việc với tốc độ cao, chính
xác và liên tục làm năng suất lao động tăng nhiều lần. Chúng có thể làm việc
trong các môi trường độc hại như hàn, phun sơn, cácnhà máy hạt nhân, hay lắp
ráp các linh kiện điện tử tạo ra điện thoại, máy tính một công việc đòi hỏi sự tỉ
mỉ, chính xác cao. Tuy nhiên những robot này có mộthạn chế chung đó là hạn
chế về không gian làm việc. Không gian làm việc củachúng bị giới hạn bởi số
bậc tự do tay máy và vị trí gắn chúng. Ngược lại, các Robot tự hành lại có khả
năng hoạt động một cách linh hoạt trong các môi trường khác nhau.
Robot tự hành là loại Mobile robot có khả năng tự hoạt động, thực thi
nhiệm vụ mà không cần sự can thiệp của con người. Với những cảm biến, chúng
có khả năng nhận biết về môi trường xung quanh. Robot tự hành ngày càng có
nhiều ý nghĩa trong các ngành công nghiệp, thương mại, y tế, các ứng dụng khoa
học và phục vụ đời sống của con người. Với sự phát triển của ngành Robot học,
robot tự hành ngày càng có khả năng hoạt động trongcác môi trường khác nhau,
tùy mỗi lĩnh vực áp dụng mà chúng có nhiều loại khác nhau như robot sơn, robot
hàn, robot cắt cỏ, robot thám hiểm đại dương, robotlàm việc ngoài vũ trụ. Cùng
với sự phát triển của yêu cầu trong thực tế, robottự hành tiếp tục đưa ra những
thách thức mới cho các nhà nghiên cứu.
Vấn đề của robot tự hành là làm thế nào để robot tựhành có thể hoạt động,
nhận biết môi trường và thực thi các nhiệm vụ đề ra. Vấn đề đầu tiên là di
chuyển, Robot tự hành nên di chuyển như thế nào và cơ cấu di chuyển nào là sự
lựa chọn tốt nhất. Điều hướng là vấn đề cơ bản trong nghiên cứu và chế tạo
11
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 loạirobot 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 biếttrước 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 mụctiêu.
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 tụcvề 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 chuyểnở 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
dụng và duy trì bản đồ môi trường hoạt động; khả năng xác định vị trí của robot
12
trong bản đồ đó; khả năng thiết lập kế hoạch để đi tới đích hoặc tránh các tình
huống không mong muốn và khả năng thích nghi với các thay đổi của môi trường
hoạt động
1.1.1.2.Phân loại robot tự hành.
Robot tự hành được chia làm 2 loại chính đó là loạirobot tự hành chuyển
động bằng chân và robot tự hành chuyển động bằng bánh.Ngoài ra một số loại
robot hoạt động trong các môi trường đặc biệt như dưới nước hay trên không
trung thì chúng được trang bị cơ cấu di chuyển đặc trưng.
1.1.1.2.1.Robot tự hành di chuyển bằng chân.
Robot tự hành di chuyển bằng chân (Legged Robot).
Ưu điểm lớn nhất của loại robot này là có thể thíchnghi và di chuyển trên
các địa hình gồ ghề. Hơn nữa chúng còn có thể đi qua những vật cản như hố, vết
nứt sâu.
Nhược điểm chính của robot loại này chính là chế tạo quá phức tạp. Chân
robot là kết cấu nhiều bậc tự do, đây là nguyên nhân làm tăng trọng lượng của
robot đồng thời giảm tốc độ di chuyển. Các kĩ năng như cầm, nắm hay nâng tải
cũng là nguyên nhân làm giảm độ cứng vững của robot. Robot loại này càng linh
hoạt thì chi phí chế tạo càng cao.
Robot tự hành di chuyển bằng chân được mô phỏng theo các loài động vật
vì thế mà chúng có loại 1 chân, loại 2,4,6 chân và có thể nhiều hơn. Dưới đây là
một số loại robot điển hình chuyển động bằng chân.
13
a/
b/
c/
d/
e/
f/
Hình 1.1. Một số loại robot di chuyển bằng chân
a/Robot 1 chân Raibert, b/ Robot SDR-4X, chế tạo năm2003 của hãng Sony, c/ Robot
ASIMO của hãng Honda, d/ Robot 6 chân, e/ robot chóTian, f/ mô hình robot 4 chân.


TÀI LIỆU THAM KHẢO
1.Phan Xuân Minh và Nguyễn Doãn Phước, Lý thuyết điều khiển Mờ, nhà xuất
bản khoa học kỹ thuật
2. Hồ Thuần và Đặng Thanh Hà , Logic Mờ và ứng dụng, Nhà xuất bản Đại học
Quốc gia.
3. Nguyễn Hoàng Hải- Nguyễn Việt Anh, Lập trình Matlab và ứng dụng, Nhà
xuất bản khoa học và kỹ thuật.
4. J.Borenstein, Where am I?Sensors and Methods for Moble Robot Positioning,
The University of Michigan.
5. Vamsi Mohan Pery, Fuzzy logic controler for an autonomous mobilerobot,
Jawaharlal Nehru Techbological University India
6. John Holland, Designing Autonomous Mobile robots
7. Kristof Goris, Autonomous Mobile Robot Mechanical Design, University
Brussel.
Các website :
1. http://www.google.com.vn/
2. http://www.picvietnam.com/forum/
3. http://www.dientuvietnam.net/forums/
4. http://www.alldatasheet.com/
5. Http:// www.microchip.com.
6. http://www.dieukhien.net/vn/
7. http://www.hiendaihoa.com/
8. http://cdtvn.net/ //Trang web về cơ điện tử Việt Nam
9. http://hocavr.com.