Luận Văn Robot di động theo dấu tường

Để thực hiện đề tài, tác giả đã nhận được rất nhiều sự chỉ dẫn, giúp đỡ và
động viên quý báu của nhiều người, thiếu một trong các sự giúp đỡ đó cũng có thể
làm cho đề tài không đạt kết quả như hiện nay.
Trước hết, em xin bày tỏ lòng cảm ơn sâu sắc đối với thầy TS. Nguyễn Tấn
Tiến, người thầy hướng dẫn đã tận tình chỉ cho em phương pháp nghiên cứu khoa
học, thầy cũng đã cung cấp cho em rất nhiều kiến thức chuyên sâu để thực hiện đề
tài.
Em cũng vô cùng cảm ơn cô Th.S Trần Thị Ngọc Dung và các thầy cô ở
chương trình đào tạo Kỹ sư chất lượng cao, thầy TS. Nguyễn Văn Giáp và các thầy
cô ở bộ môn Cơ Điện Tử, Khoa Cơ khí, Trường Đại Học Bách Khoa Tp.HCM đã
tham gia quá trình đào tạo và hướng dẫn em trong suốt thời gian học đại học, nhờ
các thầy cô mà em có đủ kiến thức và lòng tự tin để thực hiện đề tài nghiên cứu
này cũng như các đề tài trong tương lai.
Bên cạnh đó, sự hợp tác và giúp đỡ của bạn bè và các thế hệ đàn anh cũng
giúp tôi rất nhiều trong việc thực hiện đề tài này. Em xin được cảm ơn KS. Lưu
Tuấn Anh, Khoa Công nghệ Vật Liệu, người đã hướng dẫn em đi vào nghiên cứu
vè robot, Th.S Trần Văn Tùng và các bạn ở Phòng thí nghiệm Thiết Kế Máy đã
tích cực giúp đỡ em trong thời gian thực hiện đề tài. Tôi cũng xin chân thành cảm
ơn các bạn cùng học lớp Cơ Điện Tử – Việt Pháp 99, đặc biệt là các bạn Đoàn
Hiệp, Nguyễn Anh Kiệt, Phạm Huỳnh Phong, Nguyễn Minh Trung, những người
cùng nghiên cứu về robot di động đã cho tôi các ý kiến đóng góp quý giá!
Con cũng xin cảm ơn gia đình đã luôn chăm sóc và quan tâm đến việc học của
con, con vô cùng cảm ơn và luôn tự hào vì có Bố, Mẹ, Chị luôn động viên con
trong quá trình học tập.
Và cuối cùng, tôi xin gửi lời cảm ơn tới những người đã tham gia giúp đỡ tôi
trong quá trình thực hiện luận văn mà tôi chưa nêu tên ở đây, sự giúp đỡ của họ dù
ít hay nhiều cũng đóng góp một phần vào kết quả thực hiện đề tài tốt nghiệp này.
Tp. Hồ Chí Minh, ngày 19 tháng 7 năm 2004
Doãn Minh Đăng
i
Mục lục
Lời cảm ơn .
Mục lục i
Danh mục các hình vẽ .iii
Danh mục các bảng iii
Tóm tắt đề tài .iv
Abstract v
1 Tổng quan và đặt vấn đề .1
1.1 Giới thiệu chung về robot 1
1.2 Tổng quan về các bài toán của robot di động [5] 4
1.3 Bài toán di chuyển theo tường và các nghiên cứu liên quan 5
1.3.1 Giới thiệu bài toán 6
1.3.2 Mô hình toán học 6
1.3.3 Mục tiêu điều khiển 8
1.4 Phương pháp giải quyết vấn đề 8
2 Tóm tắt thuật toán điều khiển 9
2.1 Mô hình bộ điều khiển 9
2.2 Đặc tính bộ điều khiển (theo kết quả chứng minh và mô phỏng) . 9
3 Thiết kế và thực hiện phần cứng 10
3.1 Kiến trúc robot . 10
3.2 Vi điều khiển PIC 16F877[13] . 11
3.3 Thiết kế khung giao tiếp I2C . 13
3.3.1 Lý do sử dụng giao tiếp I2C . 13
3.3.2 Khung giao tiếp I2C trong robot . 13
3.4 Thiết kế đế di chuyển và bộ điều khiển động cơ 14
3.4.1 Thiết kế đế di chuyển . 14
3.4.2 Bộ điều khiển PID [15] . 14
3.5 Thiết kế cảm biến . 16
3.5.1 Mô hình toán học của cảm biến . 16
3.5.2 Thực hiện cảm biến 17
3.6 Thiết kế các mạch điện tử . 19
3.6.1 Mạch module master . 19
3.6.2 Mạch module slave . 20
4 Thực hiện bộ điều khiển và kiểm chứng giải thuật .22
4.1 Sơ đồ giải thuật chương trình . 22
4.1.1 Giải thuật cho master module 23
4.1.2 Giải thuật cho slave module 24
4.2 Tiến hành thí nghiệm 25
4.3 So sánh các kết quả mô phỏng và thí nghiệm . 26
4.3.1 So sánh kết quả mô phỏng bằng Matlab với kết quả thí nghiệm 26
4.3.2 Các nhận xét bổ sung 28
5 Kết luận .33
ii
5.1 Độ thích hợp của giải thuật 33
5.2 Những hạn chế của đề tài 33
5.2.1 Về việc chế tạo phần cứng 33
5.2.2 Những hiện tượng ảnh hưởng đến kết quả và cách khắc phục 33
5.3 Hướng nghiên cứu tiếp 34
TÀI LIỆU THAM KHẢO 35
PHỤ LỤC A 37
PHỤ LỤC B .39
iii
Danh mục các hình vẽ
Hình 1.1 Một số hình ảnh về robot và các ứng dụng 4
Hình 1.2 Mô hình bài toán robot di động bám tường 7
Hình 3.1 Sơ đồ khối của all-following mobile robot .11
Hình 3.2 Sơ đồ chân PIC 16F877 12
Hình 3.3 Mô hình đế di chuyển lật ngược .14
Hình 3.4 Bộ điều khiển PID vận tốc theo mô hình song song 14
Hình 3.5 Đáp ứng của bộ điều khiển PID với kp=8, ki=1, kd=1 .15
Hình 3.6 Đáp ứng của bộ điều khiển PID với kp=8.2, ki=1, kd=0.8 .16
Hình 3.7 Mô hình toán học của cảm biến .17
Hình 3.8 Phần đệm tín hiệu từ encoder vào vi điều khiển ở module master 18
Hình 3.9 Hình chụp module cảm biến .18
Hình 3.10 Sơ đồ nguyên lý của mạch module master .19
Hình 3.11 Hình chụp module master .20
Hình 3.12 Sơ đồ nguyên lý khối xử lý chính của module slave 20
Hình 3.13 Sơ đồ nguyên lý khối khuếch đại công suất của module slave 21
Hình 3.14 Hình chụp module slave .21
Hình 4.1 Lưu đồ giải thuật của master module .23
Hình 4.2 Lưu đồ giải thuật của slave module 24
Hình 4.3 Mô hình thí nghiệm .26
Hình 4.4 So sánh đồ thị của vận tốc robot .27
Hình 4.5 So sánh đồ thị của sai số khoảng cách .27
Hình 4.6 So sánh đồ thị của sai số góc 28
Hình 4.7 Giá trị của cảm biến .29
Hình 4.8 Giá trị vận tốc góc của robot và vận tốc góc (ước lượng) của tường .29
Hình 4.9 Biến đổi của các sai lệch trong quá trình hoạt động 30
Hình 4.10 Giá trị vận tốc ra lệnh cho 2 bánh xe .30
Hình 4.11 So sánh các đồ thị e1 và e2 của hai thí nghiệm .32
Danh mục các bảng
Bảng 1.1 Tóm tắt lịch sử phát triển của công nghệ robot .2
Bảng 4.1 Thông số thí nghiệm 26
Bảng 4.2 Thông số của 2 thí nghiệm (TN) dùng để so sánh .31
Bảng 5.1 Các hiện tượng ảnh hưởng đến kết quả và cách khắc phục 33
iv
Tóm tắt đề tài
Trong thời đại công nghiệp ngày nay, Robot ngày càng được sử dụng phổ
biến trong sản xuất cũng như trong cuộc sống của con người. Robot đã có một vị trí
quan trọng khó có thể thay thế được, nó giúp con người để làm việc trong các điều
kiện nguy hiểm, khó khăn. Ngoài ra, Robot còn được dùng vào các lĩnh vực thám
hiểm không gian, quân sự, giải trí Lĩnh vực Robot di động đang ngày càng chiếm
được sự quan tâm của các nhà nghiên cứu và xã hội. Từ tình hình thực tế đó, việc
xây dựng các chương trình hoạt động cho các Robot là điều thiết yếu đặc biệt đối
với các Robot di động. Bài toán Robot di động bám tường (wall-following problem)
là một trong các bài toán thường gặp của Robot kiểu phản xạ (reactive paradigm),
nó đã được giải bằng nhiều cách khác nhau. Trong đề tài "Robot di động theo dấu
tường", bài toán Robot di động bám tường được giải quyết bằng một bộ điều khiển
hồi tiếp đầy đủ trạng thái mà kết quả đã được chứng minh bằng mô phỏng. Một
cảm biến tiếp xúc dùng các encoder được tạo ra để sử dụng cho robot. Mô hình
robot được chế tạo để tiến hành thí nghiệm nhằm kiểm chứng giải thuật của bộ
điều khiển. Kết quả thí nghiệm là căn cứ để phát triển bộ điều khiển dành cho bài
toán wall-following trong các Robot sau này.