Thiết kế bộ điều khiển chuyển động theo quỹ đạo cho robot tự hành

Thiết kế bộ điều khiển chuyển động theo quỹ đạo cho Robot tự hành
Mục lục
Mục lục 1
Lời Cảm Ơn 2
Lời nói đầu 4
Phần I
Phân tích cấu trúc tổng quát của Robot tự hành 6
1. Hệ Quang học 6
1.1. Vai trò, nhiệm vụ của hệ quang học 6
1.2. Cấu trúc cơ bản của hệ quang học 6
2. Hệ chuyển động 7
2.1. Vai trò, nhiệm vụ của hệ chuyển động 7
2.2. Cấu trúc cơ bản của hệ chuyển động 7
3. Hệ điều khiển 8
3.1. Vai trò, nhiệm vụ của hệ điều khiển 8
3.2. Cấu trúc cơ bản của hệ điều khiển 9
Phần II
Phân tích các mô hình điều khiển
và các phơng pháp điều khiển thông dụng 10
1. Định nghĩa bài toán lái tự động: 10
2. Mô hình tính năng hệ điều khiển lái tự động cho Robot tự hành 10
3. Các mô hình điều khiển bám vạch thông dụng 11
3.1. Mô hình điều khiển không có phản hồi 11
3.2. Mô hình điều khiển có phản hồi 13
3.3. Kết luận: 14
Phần III
Thiết kế bộ điều khiển chuyển động cho robot tự hành 15
1. Bài toán điều chế công suất: 15
1.1. Mạch động lực 15
1.2. Điều chế PWM 20
1.3. Bộ cách ly 21

2. ổn định vận tốc: 22
SVTH: Lu Xuân Công 1 Trang bị điện K42
Thiết kế bộ điều khiển chuyển động theo quỹ đạo cho Robot tự hành
2.1. Các phơng pháp điều khiển thông dụng : 22
2.2. Tìm hiểu về phơng pháp điều khiển fuzzy: 24
2.3. Thiết kế chi tiết khối ổn định vận tốc 27
3. Bộ xử lý trung tâm 33
3.1. Khảo sát họ vi điều khiển 8051 33
3.2. Ghép nối thu thập số liệu từ hệ điều khiển 60
1. SM0 SCON.7 Số xác định chế độ làm việc cổng nối tiếp 83
2. SM1 SCON.6 Số xác định chế độ làm việc cổng nối tiếp 83
3. SM2 SCON.5 Dùng cho truyền thông giữa các bộ vi xử lý (SM2 = 0).83
4. Tổng hợp bộ điều khiển 84
4.1. Phần cứng 84
4.2. Phần mềm 85
4.3. ổn định vngang: 94
Kết Luận 107
Tài liệu tham khảo 108
Lời Cảm Ơn
Em xin chân thành gửi lời cảm ơn tới tất cả các thầy cô trong bộ môn
Trang thiết bị Điện - Điện Tử trong công nghiệp và giao thông vận tải cùng
các thầy cô trong khoa Điện - Điện tử đã tận tình dạy dỗ em những kiến thức
chuyên môn làm cơ sở để em hoàn thành tốt đề tài tốt nghiệp và đã tạo điều
kiện thuận lợi cho em hoàn tất khóa học.
Đặc biệt em xin gửi lời cảm ơn tới TS. Nguyễn Văn Nghĩa, ngời đã gợi ý,
đã tạo mọi điều kiện và nhiệt tình giúp đỡ em hoàn thành đề tài này.
Con xin chân thành cảm ơn Bố Mẹ, gia đình, bạn bè đã động viên và tạo
mọi điều kiện giúp con học tập tốt.
SVTH: Lu Xuân Công 2 Trang bị điện K42
Thiết kế bộ điều khiển chuyển động theo quỹ đạo cho Robot tự hành

Đồng thời em xin gửi lời cảm ơn tới tất cả các bạn sinh viên đã đóng góp
những ý kiến quý báu giúp em hoàn thành đề tài tốt nghiệp đúng thời gian.
Em xin chân thành cảm ơn
Sinh viên thực hiện
Lu Xuân Công
SVTH: Lu Xuân Công 3 Trang bị điện K42
Thiết kế bộ điều khiển chuyển động theo quỹ đạo cho Robot tự hành
Lời nói đầu
ROBOCON là cuộc thi trí tuệ và sáng tạo đợc phát động hàng năm do
hiệp hội ROBOT Châu á Thái Bình Dơng tổ chức. Cuộc thi này đã thu hút đ-
ợc rất nhiều sự quan tâm của các bạn sinh viên ở các nớc Châu á. Đặc biệt là
các bạn sinh viên nớc ta. Là một cầu nối Đài truyền hình Việt Nam đã phát
động cuộc thi này hàng năm nhằm khuyến khích các bạn sinh viên Việt Nam
tham gia nghiên cứu khoa học, chế tạo Robot, thể hiện óc sáng tạo của sinh
viên Việt Nam để chọn ra một đội vô địch trong nớc đi tham gia thi đấu, giao
lu với các nớc trong khu vực Châu á Thái Bình Dơng.
Tổng quát các Robot tự động phải thực hiện các bài toán cơ bản sau:
Bài toán định vị: Dựa trên lới vạch trắng trên sân, xác định vị trí
hiện tại của rôbốt.
Bài toán di chuyển: Bám theo vạch trắng để dịch chuyển tới vị
trí cần tiếp cận.
Bài toán tiếp cận mục tiêu: Thực hiện thao tác ghi điểm.
Việc giải quyết tốt bài toán di chuyển sẽ cho phép rôbốt đi trên lới tọa độ với
tốc độ cao, tin cậy, chính xác. Chính vì vậy, đợc sự đồng ý của Thầy giáo h-
ớng dẫn và Bộ môn, em đã thực hiện đề tài tốt nghiệp với nội dung: Thiết kế
bộ điều khiển chuyển động theo quỹ đạo cho rôbốt tự hành
Nội dung cơ bản của đề tài gồm các phần sau:
Phân tích đầu bài
Hệ quang học
Hệ chuyển động

Hệ điều khiển
Phân tích các mô hình điều khiển và các phơng pháp điều khiển thông
dụng có thể sử dụng trong bài toán điều khiển bám.
SVTH: Lu Xuân Công 4 Trang bị điện K42
Thiết kế bộ điều khiển chuyển động theo quỹ đạo cho Robot tự hành
Mô hình điều khiển không có phản hồi
Mô hình điều khiển có phản hồi
Thiết kế bộ điều khiển chuyển động cho Robot tự hành
Thiết kế tính năng
Phân chia phần cứng, phần mềm và thiết kế chi tiết từng khối
Tổng hợp bộ điều khiển
Phân tích và đánh giá chất lợng của bộ điều khiển bằng máy tính
Do hạn chế về thời gian và kinh nghiệm nên bản đồ án này khó tránh
khỏi những khiếm khuyết. Em rất mong đợc sự đóng góp của các quý thầy cô
để đề tài này đợc hoàn thiện hơn.
SVTH: Lu Xuân Công 5 Trang bị điện K42
Thiết kế bộ điều khiển chuyển động theo quỹ đạo cho Robot tự hành
Phần I
Phân tích cấu trúc tổng quát của Robot tự hành
Về cấu trúc, có thể phân chia robot tự hành thành các khối cơ bản sau:
- Hệ quang học
- Hệ chuyển động
- Hệ điều khiển.
1. Hệ Quang học
1.1. Vai trò, nhiệm vụ của hệ quang học
Hệ quang học đợc ví nh mắt của Robot tự hành. Nhiệm vụ của nó là
giúp cho Robot tự hành dò đờng và tìm đờng đi trên lới tọa độ. Mặt khác nó
còn phải xác định góc lệch hiện tại của Robot, vị trí lệch của Robot so với quỹ
đạo chuyển động đã định sẵn của Robot.
1.2. Cấu trúc cơ bản của hệ quang học

Hệ quang học đợc cấu tạo từ rất nhiều các cặp mắt thu - phát khác nhau.
Thờng thì mỗi một Robot tự hành đợc trang bị từ 7 12 cặp mắt thu - phát
tùy thuộc vào chiều rộng của xe nhng số cặp mắt thu phát càng nhiều thì
thông tin từ hệ quang học càng nhiều và độ tin cậy của hệ quang học càng lớn.
Các cặp mắt thu phát thờng là các cặp thu phát hồng ngoại hoặc
các loại điện trở quang có độ nhậy với ánh sáng cao.
SVTH: Lu Xuân Công 6 Trang bị điện K42
Thiết kế bộ điều khiển chuyển động theo quỹ đạo cho Robot tự hành
2. Hệ chuyển động
2.1. Vai trò, nhiệm vụ của hệ chuyển động
Hệ chuyển động đợc ví nh đôi chân của Robot tự hành.nhiệm vụ của
nó là giúp cho Robot tự hành chuyển động tới mọi vị trí trên lới tọa độ. Để
làm đợc điều này hệ chuyển động phải đạt đợc những yêu cầu tốc độ, gia tốc,
mômen và công suất sao cho thời gian chuyển động của Robot từ vị trí này
đến vị trí kia trên lới tọa độ là nhanh nhất, ổn định nhất và mômen chuyển
động luôn luôn phải đủ lớn để có thể thắng đợc mọi vật cản trên sân.
2.2. Cấu trúc cơ bản của hệ chuyển động
Hệ chuyển động thờng đợc cấu tạo từ các động cơ một chiều kích từ độc
lập công suất nhỏ từ 12 24 [W] hoặc là các động cơ bớc nhng trên thực tế
động cơ bớc ít đợc dùng do khó điều khiển, giá thành cao và công suất quá
nhỏ. Cấu trúc của hệ chuyển động thờng bao gồm 2 bánh chủ động và một
bánh bị động. 2 bánh chủ động vừa có tác dụng cung cấp mômen chuyển động
cho xe vừa có tác dụng làm bánh lái. Bánh bị động chỉ có tác dụng dẫn hớng
và giúp xe cân bằng.
SVTH: Lu Xuân Công 7 Trang bị điện K42
Bánh xe bị động
Bánh xe
chủ động
Bánh xe
chủ động

Hai động cơ chính
Mô hình Robot tự hành sử dụng hệ 2 bánh xe
chủ động độc lập
Thiết kế bộ điều khiển chuyển động theo quỹ đạo cho Robot tự hành
2.2.1. Hệ chuyển động điều khiển ON/OFF và đảo chiều bằng rơle
Hệ chuyển động này là cấu trúc đơn giản nhất. Nó chỉ gồm 1 rơle dùng
để đảo chiều động cơ và 1 rơle dùng để đống, cắt động cơ với nguồn điện.
Hệ này có u điểm là không phải tiêu tốn công suất tổn hao do dùng rơle
nhng nhợc điểm của nó là chỉ có thể đóng cắt và đảo chiều động cơ với tần số
rất thấp nên chất lợng ổn định của nó không cao.
Hệ này chỉ thích hợp cho các Robot điều khiển bằng tay.
2.2.2. Hệ chuyển động điều khiển bằng PWM và đảo chiều bằng rơle
Hệ này sử dụng 1 phần tử bán dẫn công suất để điều chỉnh điện áp cung
cấp cho động cơ bằng phơng pháp điều chế độ rộng xung nên hệ này khắc
phục đợc nhợc điểm của hệ điều khiển ON/OFF là tần số đóng cắt của nó đợc
nâng lên rất cao nhng nó phải chịu thêm nhợc điểm là bị tiêu tốn công suất
trên phần tử bán dẫn công suất.
2.2.3. Hệ điều khiển chuyển động bằng PWM và đảo chiều bằng cầu
H là các phần tử bán dẫn công suất
Hệ này sử dụng 2 phần tử bán dẫn công suất kênh N và 2 phần tử bán dẫn
công suất kênh P để tạo nên một cầu H.
u điểm nổi bật của hệ này tần số đảo chiều rất cao rất thích hợp cho các
hệ thống điều khiển có chiều cần độ đáp ứng điều khiển nhanh.
Nhợc điểm chính của hệ này là do dùng 4 phần tử bán dẫn công suất nên
tiêu tốn công suất trên chúng tơng đối lớn. Nhợc điểm thứ hai là các phần tử
bán dẫn thờng có một thời gian quá độ (thời gian trễ) giữa các lần đóng và mở
dẫn đến khi tần số đảo chiều quá cao sẽ dẫn đến hiện tợng trùng dẫn trong
một thời gian rất ngắn. Nếu nh thời gian này kéo dài và lặp lại liên tục sẽ làm
cho các phần tử bán dẫn bị cháy.
3. Hệ điều khiển

3.1. Vai trò, nhiệm vụ của hệ điều khiển
Hệ điều khiển đợc ví nh bộ não của Robot tự hành. Nhiệm vụ của nó là
tổng hợp các thông tin từ hệ quang học và hệ chuyển động để đa ra các lệnh
SVTH: Lu Xuân Công 8 Trang bị điện K42
Thiết kế bộ điều khiển chuyển động theo quỹ đạo cho Robot tự hành
điều khiển ngợc trở lại hệ chuyển động giúp cho Robot thực hiện các nhiệm
vụ hay các chức năng của nó nh di chuyển đến đích, tiếp cận mục tiêu
3.2. Cấu trúc cơ bản của hệ điều khiển
Hệ điều khiển đợc cấu tạo bởi các bộ vi xử lý cỡ nhỏ có thể lập trình đợc.
Phổ biến và dễ ứng dụng nhất là họ vi điều khiển 8051. Họ vi điều khiển này
cũng có rất nhiều loại nh 89C51, 89C52, 89C2051 và tùy thuộc vào yêu
cầu của hệ thống điều khiển về tốc độ xử lý, số lợng các đầu IN/OUT và dung
lợng bộ nhớ chơng trình mà sử dụng chúng sao cho thích hợp mà tiết kiệm đợc
tối đa giá thành sản phẩm.
Từ những phân tích trên ta có thể đa ra sơ đồ khối cấu trúc tổng quát của
Robot tự hành nh sau:
SVTH: Lu Xuân Công 9 Trang bị điện K42
Bộ điều
khiển
Bộ chuyển
động
Bộ phản hồi
vận tốc
Thông tin từ
bộ quang học
Thiết kế bộ điều khiển chuyển động theo quỹ đạo cho Robot tự hành
Phần II
Phân tích các mô hình điều khiển
và các phơng pháp điều khiển thông dụng
1.Định nghĩa bài toán lái tự động:

Bài toán lái tự động là một trong những bài toán cơ bản trong điều khiển
Robot tự hành. Lái tự động có nghĩa là Robot tự hành phải tự biết tìm đờng đi theo
một quỹ đạo đã đợc vạch định sẵn. Chúng phải dựa vào các thông tin của mắt và
chân để biết đợc vị trí hiện tại của xe, vận tốc của xe, độ lệch và góc lệch của xe
so với quỹ đạo chuyển động cho trớc.
Mô hình chuyển động của một Robot tự hành:
2.Mô hình tính năng hệ điều khiển lái tự động cho Robot tự hành
SVTH: Lu Xuân Công 10 Trang bị điện K42
Vận tốc xe
Góc lệch xe
độ lệch xe
Vạch dẫn h|ớng
chuyển động
Bắt đầu
Kiểm soát vạch dọc
Thuật toán
bám vạch
Điều chỉnh vi sai
vận tốc
Kết thúc
Thiết kế bộ điều khiển chuyển động theo quỹ đạo cho Robot tự hành
Bài toán gồm 3 phân cơ bản:
1. Sensor quang nhận tín hiệu quang; từ đó phát hiện ra độ lệch của xe so
với vạch dẫn hớng.
2. Bộ điều khiển, trên cơ sở trạng thái hiện tại của xe, sẽ ra lệnh điều
chỉnh để lái xe trở về vạch dọc.
3. Trên cơ sở yêu cầu về độ lệch, các khối điều khiển động cơ sẽ tạo ra
vận tốc vi sai 2 bánh để tạo ra quỹ đạo hợp lý cho xe.
Tuy nhiên, tùy theo cách thiết kế mà ngời ta có 2 phơng pháp điều khiển
bám vạch sau:

3.Các mô hình điều khiển bám vạch thông dụng
3.1. Mô hình điều khiển không có phản hồi
Trong mô hình này, các cảm biến quang sẽ phát hiện đợc độ lệch của xe,
trên cơ sở đó trực tiếp điều khiển mômen hai bánh xe: Độ lệch xe càng nhiều -
độ chênh PWM giữa 2 bánh càng lớn để điều khiển xe về trạng thái cân bằng.
ý nghĩa và nhiệm vụ của các khối chức năng:
- Bộ tính độ lệch mômen 2 bánh: Có nhiệm vụ nhận thông tin từ mắt và
kiểm tra vị trí và độ lệch hiện tại của xe từ đó tính toán ra độ lệch mômen 2
bánh.
- Bộ điều chế độ rộng xung: Có nhiệm vụ nhận giá trị điều khiển từ bộ xử
lý và xuất ra giá trị PWM .
SVTH: Lu Xuân Công 11 Trang bị điện K42
Bộ điều chế
độ rộng xung
Mạch động lực
Động cơ trái Động cơ phải
Thông tin từ
hệ quang học
Tính độ lệch
momen 2 bánh
Cách ly
Thiết kế bộ điều khiển chuyển động theo quỹ đạo cho Robot tự hành
- Mạch cách ly: Có nhiệm vụ cách ly tín hiệu giữa mạch động lực và mạch
điều khiển.
- Mạch động lực: Có nhiệm vụ khuyếch đại tín hiệu điều khiển và đa công
suất ra 2 động cơ.
Nhận xét:
+ Từ sơ đồ trên ta thấy mô hình điều khiển không có phản hồi là mô hình đơn
giản nhất . Mô hình này có u điểm là dễ làm cả về phần cứng và phần mềm.
+ Nhợc điểm của mô hình này là chất lợng điều khiển thấp: Do giá trị đầu vào

của vòng phản hồi là độ lệch xe nên khi xe lệch ít, độ điều chỉnh công suất là
rất ít.
+ Tốc độ điều chỉnh thấp: chỉ khi nào sensor quang phát hiện đợc sai lệch thì
mới tạo ra độ lệch PWM.
+ Khi gặp vật cản, một bánh bị dừng hẳn lại thì giá trị PWM cũng chỉ tăng lên
khi xe bị xoay đáng kể - nhng khi đó độ lệch của xe rất lớn và hệ quang đã
không thể kiểm soát đợc trạng thái xe.
+ Trong điều khiển không xét đến quán tính xe, do vậy, khi xe chuyển động
với vận tốc cao, dễ dàng bị hất khỏi quỹ đạo.
+ Phụ thuộc nhiều vào mặt sân, điều kiện thi đấu, do vậy, độ ổn định xe không
cao: Với các mặt sân khác nhau, lợng điều chỉnh cần khác nhau, ngời thiết kế
phải tính toán lại độ nhạy điểu chỉnh. Muốn có đợc chất lợng điều khiển tơng
đối để có thể sử dụng đợc thì ngời điều khiển phải thử nghiệm rất nhiều để có
đợc giá trị điều khiển thích hợp và mỗi khi có sự thay đổi nào đó của Robot
nh khối lợng, trọng tâm xe thì ngời điều khiển lại phải bắt đầu lại quá trình thử
nghiệm từ đầu.
SVTH: Lu Xuân Công 12 Trang bị điện K42
Thiết kế bộ điều khiển chuyển động theo quỹ đạo cho Robot tự hành
3.2. Mô hình điều khiển có phản hồi
- Trong mô hình này, mỗi động cơ có mạch vòng ổn định tốc độ riêng, mạch
vòng này sẽ giám sát vận tốc mỗi bánh xe, từ đó khống chế giá trị PWM mỗi
bánh để đảm bảo vận tốc của bánh xe đạt gần nhất với vận tốc đặt.
- Sensor quang sẽ kiểm soát đợc độ lệch của xe. Trên cơ sở những thông tin
về chuyển động xe và độ lệch xe, bộ điều khiển sẽ quyết định độ chênh lệch
vận tốc hai bánh để giảm dần độ lệch xe.
- Nhận xét:
+ Ưu điểm: Mô hình điều khiển có phản hồi có thể đạt đợc chất lợng điều
khiển rất cao nhờ bộ phản hồi tốc độ từ hai bánh xe vì vậy sẽ có rất nhiều hơn
số lợng các đầu vào để cho bộ xử lý tính toán và đa ra giá trị điều khiển chính
xác.

+ Mô hình phản hồi này làm cho tốc độ của 2 bánh xe luôn luôn đợc ổn định
cho dù khi xe chạy gặp phải những lực cản có giá trị rất khác nhau.
SVTH: Lu Xuân Công 13 Trang bị điện K42
Bộ cách ly
Mạch động lực
Động cơ trái
Động cơ phải
Thông tin từ
hệ quang học
Tính độ lệch
vận tốc 2 bánh
Bộ phản
hồi tốc độ
Bộ phản
hồi tốc độ
Bộ điều chế
độ rộng xung
Bộ điều khiển
vận tốc 2 bánh
Thiết kế bộ điều khiển chuyển động theo quỹ đạo cho Robot tự hành
+ ổn định trực tiếp vận tốc nhờ đó khống chế sớm khả năng lệch của robot,
tạo ra độ tin cậy và chính xác cao hơn: Nhờ có phản hồi vận tốc, robot sẽ có
khả năng điều chỉnh momen ngay khi gặp chớng ngại vật làm giảm vận tốc
của xe tức là trớc khi xe bị lệch đờng.
+ Cho phép tạo mômen lớn trên trục động cơ : Khi gặp chớng ngại vật, vận tốc
của xe giảm, do có vòng phản hồi, momen trên trục động cơ đợc tăng tối đa để
thắng vật cản. Trong mô hình không có phản hồi, chỉ khi nào độ lệch của xe
đạt giá trị mà sensor quang phát hiện đợc thì mới tăng giảm mômen động
cơ ; và khi xe đạt độ lệch rất lớn thì mômen trên trục mới đạt giá trị tốt đa.
+ Nhợc điểm: Độ phức tạp cao, cần nhiều đầu vào/ra

+ Động cơ phải sử dụng loại có ECD.
Trên thực tế chạy thử không cần tín hiệu của mắt và chọn mặt phẳng có ma sát
bất kì thì khi chạy thẳng 2 m sai lệch quãng đờng của xe nhiều nhất là 20 cm.
3.3. Kết luận:
Do những u điểm của hệ thống điều khiển có phản hồi vận tốc, nên em đã
chọn phơng pháp điều khiển này.
Với phơng pháp điều khiển này, cần thực hiện các bài toán sau:
- Bài toán bám vạch : Trên cơ sở vị trí vạch dọc mà sensor quang đa lại, tính
ra độ lệch vận tốc giữa 2 bánh xe của robot.
- Bài toán ổn định vận tốc: Trên cơ sở thông tin phản hồi vận tốc từ ECD,
điều chỉnh công suất động cơ để ổn định vận tốc của mỗi bánh.
- Bài toán điều chế PWM: Thực hiện bài toán điều chế công suất 2 bánh xe
theo yêu cầu điều khiển.
Phần tiếp theo em sẽ phân tích và thiết kế 3 bài toán trên:
SVTH: Lu Xuân Công 14 Trang bị điện K42
Thiết kế bộ điều khiển chuyển động theo quỹ đạo cho Robot tự hành
Phần III
Thiết kế bộ điều khiển chuyển động cho robot tự hành
1. Bài toán điều chế công suất:
1.1. Mạch động lực
Mạch động lực đợc thiết kế hoàn toàn bằng phần cứng.
Có rất nhiều phơng pháp thiết kế phần cứng cho mạch động lực và tùy
vào yêu cầu của hệ thống nh dòng, tải, phơng pháp điều khiển, độ quá độ và
khả năng đáp ứng của mạch mà chọn phần cứng cho thích hợp.
Các yêu cầu cơ bản:
+ Cấp nguồn cho động cơ
+ Điều chế công suất
+ Đảo chiều động cơ
1.1.1. Mạch động lực sử dụng 2 nguồn điện một chiều độc lập.
Khi muốn động cơ quay theo chiều thuận thì ta bật công tắc nguồn SW1

và tắt công tắc nguồn SW2. khi muốn động cơ quay theo chiều ngợc lại thì ta
làm ngợc lại là tắt công tắc nguồn SW1 và bật công tắc nguồn SW2.
Phơng pháp đảo chiều này ít đợc sử dụng vì nó phải sử dụng 2 nguồn
điện độc lập nhau.
SVTH: Lu Xuân Công 15 Trang bị điện K42
Thiết kế bộ điều khiển chuyển động theo quỹ đạo cho Robot tự hành
1.1.2. Mạch động lực sử dụng cầu H
Muốn động cơ quay theo chiều thuận thì ta bật công tắc 1 và 3, tắt công
tắc 2 và 4. Muốn động cơ quay theo chiều ngợc lại thì ta tắt công tắc 1 và 3,
bật công tắc 2 và 4.
Tiếp điểm của công tắc có thể là công tắc cơ khí, rơ le hoặc 2 cực của
linh kiện đóng/ ngắt công suất (transitor lỡng cực, transitor trờng, IGBT ) tùy
theo dải dòng, áp cần sử dụng.
Ưu điểm: Việc sử dụng cầu H làm cho mạch trở nên rất đơn giản và chỉ
cần 1 nguồn điện.
Nhợc điểm: Nếu nh mạch điều khiển cùng bật công tắc 1 và 2 hoặc 3 và
4 thì sẽ làm cho mạch động lực bị ngắn mạch nguồn. Nếu hiện tợng xảy ra
trong thời gian ngắn (quá độ), sẽ xuất hiện dòng trùng dẫn qua van công suất
làm tăng công suất tiêu tán trên van. Nếu thời gian trùng dẫn đủ dài, dòng
trùng dẫn tăng lớn sẽ làm cháy van công suất.
SVTH: Lu Xuân Công 16 Trang bị điện K42
Thiết kế bộ điều khiển chuyển động theo quỹ đạo cho Robot tự hành
1.1.2.1. Sử dụng cầu H bằng rơle
Điều khiển đảo chiều động cơ dùng 1 transistor mosfet và role một chiều
4 tiếp điểm (2 tiếp điểm thờng đóng và 2 tiếp điểm thờng mở)
Phơng pháp đảo chiều dùng role có u điểm là mạch đơn giản và không
bị hiện tợng ngắn mạch nguồn vì cặp tiếp điểm 1 và 2, 3 và 4 chỉ luông luôn
có một tiếp điểm đợc bật. Nhợc điểm của mạch đảo chiều sử dụng role là tần
số đảo chiều thấp.
1.1.2.2. Điều khiển và đảo chiều động cơ điện một chiều dùng L298.

Vi mạch L298 là một bộ điều khiển cầu kép (dual full-bridge) dùng
để điều khiển một động cơ bớc hoặc hai động cơ một chiều . Nó có thể sử
dụng với điện áp nguồn nuôi đến 48V và dòng điện một chiều cho mỗi cầu là
2A tổng cộng cả hai cầu là 4A.
SVTH: Lu Xuân Công 17 Trang bị điện K42
Thiết kế bộ điều khiển chuyển động theo quỹ đạo cho Robot tự hành
Hình dáng bên ngoài của vi mạch L298
Các thông số cơ bản của L298
SVTH: Lu Xuân Công 18 Trang bị điện K42
Thiết kế bộ điều khiển chuyển động theo quỹ đạo cho Robot tự hành
Sử dụng L298 để điều khiển độc lập 2 động cơ 1 chiều
Vi mạch L298 có công suất rất nhỏ vì vậy khi điều khiển các Motor , thì điều
cần chú ý là phải tăng tốc độ của các Motor một cách từ từ , chứ không đợc
cho các Motor hoạt động ngay ở tốc độ định mức . Bởi vì dòng khởi động
Motor 1 chiều rất lớn(gấp 5 đến 7 lần dòng định mức) sẽ làm hỏng vi mạch
L298 . Vì vậy Motor cần đợc khởi động chậm ở tốc độ cực tiểu sau đó dần dần
, tốc độ đợc tăng cho đến khi đạt đến tốc độ cực đại có thể . Để chuyển Motor
sang trạng thái dừng , tốc độ đợc giảm từ từ trớc khi dừng hẳn .
1.1.2.3. Điều khiển và đảo chiều động cơ điện một chiều dùng cầu H sử
dụng transistor Mosfet:
Để tạo thành một cầu H cần sử dụng 2 transistor mosfet kênh P và 2
transistor mosfet kênh N. Sơ đồ mạch
SVTH: Lu Xuân Công 19 Trang bị điện K42
Thiết kế bộ điều khiển chuyển động theo quỹ đạo cho Robot tự hành
1.2. Điều chế PWM
Phơng pháp điều chế độ rộng xung là phơng pháp cơ bản chuyên dùng để
điều khiển các phần tử công suất có đờng đặc tính là tuyến tính khi có sẵn
nguồn một chiều cố định.
Phơng pháp điều chế độ rộng xung thực chất là phơng pháp điều chỉnh
điều chỉnh điện áp ra tải. Phơng pháp này thực hiện theo nguyên tắc đóng ngắt

nguồn với tải một cách chu kỳ theo luật điều chỉnh thời gian đóng ngắt. Phần
tử thực hiện nhiệm vụ đó trong mạch là các van bán dẫn.
Ta xét sơ đồ nguyên lý một bộ biến đổi điện áp một chiều thông dụng:
Trong khoảng thời gian 0 t
0
ta cho van G mở toàn bộ điện áp nguồn
Ud đợc đa ra tải. Còn khoảng thời gian t
0
T cho van G khóa, cắt nguồn khỏi
tải. Vì vậy với t
0
thay đổi từ 0 T ta sẽ cung cấp toàn bộ, một phần hay khóa
hoàn toàn điện áp cung cấp cho tải.
Nguyên tắc tạo PWM cần 2 nguồn tín hiệu:
- Tín hiệu răng ca: Xác định tần số của PWM
SVTH: Lu Xuân Công 20 Trang bị điện K42
U
GS
U
d
t
0
T
t
t
Thiết kế bộ điều khiển chuyển động theo quỹ đạo cho Robot tự hành
- Tín hiệu tựa: Xác định mức công suất cần điều chế.
Hai tín hiệu so sánh với nhau để tạo ra xung PWM.
PWM có thể đợc thực hiện bằng phần cứng hoặc phần mềm.
Phần cứng: Các khối tạo tín hiệu răng ca, so sánh đợc thực hiện bằng phần

cứng, tín hiệu tựa đợc đa vào dới dạng tín hiệu analog
Phần mềm: Các khối đợc tạo thành trên cơ sở phần mềm, dựa trên nhịp clock
của CPU.
Trong thiết kế, PWM đợc tạo bằng phần mềm trong 1 CPU riêng.
1.3. Bộ cách ly
Để đảm bảo an toàn cho mạch điều khiển, tránh các can nhiễu từ khối
công suất sang khối điều khiển, cần phải cách ly hoàn toàn về điện giữa hai
khối này.
Bộ cách ly đợc thực hiện hoàn toàn bằng phần cứng nhờ sử dụng
Optocoupler 4N35.
Các thông số kỹ thuật của Optocoupler 4N35:
SVTH: Lu Xuân Công 21 Trang bị điện K42
Thiết kế bộ điều khiển chuyển động theo quỹ đạo cho Robot tự hành
2. ổn định vận tốc:
2.1. Các phơng pháp điều khiển thông dụng :
2.1.1. Điều khiển ON/OFF
Đây là phơng pháp điều khiển đơn giản nhất nên có chất lợng điều
khiển rất thấp. Khi vận tốc của bánh xe nhỏ hơn vận tốc đặt thì ngời ta bật
công tắc nguồn cấp năng lợng với mức cực đại cho động cơ, và khi vận tốc
bánh xe lớn hơn vận tốc đặt thì động cơ bị ngắt nguồn hoàn toàn. Vận tốc đặt
và vận tốc phản hồi đợc tính toán không trùng khớp để tránh thao tác đóng cắt
quá nhiều lần có thể gây ra mất ổn định hệ thống vì vậy mà chất lợng điều
chỉnh của phơng pháp này là rất thấp do sai số giữa vận tốc đặt và vận tốc
phản hồi và do mỗi lần đóng cắt thì xe sẽ bị giật. Mô hình điều khiển này th-
ờng đợc dùng cho các Robot bằng tay.
2.1.2. Điều khiển tỷ lệ P
Là phơng pháp nhằm cải thiện việc thực hiện điều khiển ON/OFF tốt
hơn bằng cách cấp nguồn có giá trị số tỷ lệ với sai lệch giữa vận tốc đặt và vận
tốc thực của bánh xe.
V

ĐK
= P(V
Thực
V
Đặt
)
P: Hệ số tỷ lệ.
Phơng pháp này cho phép thay đổi một cách nhanh chóng vận tốc đạt
tới giá trị đặt nhng mặt khác nó lại gây ra quá điều chỉnh, kéo dài quá trình
quá độ, thậm chí gây mất ổn định hệ thống đặc biệt là khi hệ số tỷ lệ là lớn.
2.1.3. Điều khiển tỷ lệ - đạo hàm PD:
Vấn đề ổn định và quá điều chỉnh của bộ điều chỉnh tỷ lệ có thể đợc
khắc phục bằng cách thêm vào bộ điều chỉnh một thành phần tỷ lệ với đạo
hàm của sai lệch theo thời gian:







+= )()(
Do
VV
dt
d
DVVPV
ThucdoThucDK
SVTH: Lu Xuân Công 22 Trang bị điện K42
Thiết kế bộ điều khiển chuyển động theo quỹ đạo cho Robot tự hành

Phơng pháp này gọi là điều chỉnh theo luật PD, giá trị của hệ số đạo
hàm hay còn gọi là hằng số tắt dần D có thể đợc điều chỉnh để sao cho số lần
dao động của giá trị thực quanh giá trị đặt là nhỏ nhất.
2.1.4. Điều khiển PID:
Mặc dù điều khiển theo luật PD giải quyết tốt vấn đề quá điều chỉnh và
dao động nhng còn một vấn đề tồn tại là sai lệch tĩnh của quá điều chỉnh. Để
có đợc một đáp ứng quá độ tốt, một thành phần có hành vi tích phân đợc đa
vào hàm truyền bộ điều chỉnh để làm triệt tiêu sai lệch tĩnh .
Khi đó biến điều khiển có dạng:






++=

dtVVIVV
dt
d
DVVPV
DoThucDoThucDoThucDK
)()()(
I: Hệ số tích phân hay còn gọi là mức độ lặp lại của bộ điều chỉnh PID.
Thành phần tích phân có tác dụng thay đổi giá trị điều khiển cho đến
khi giá trị trung bình của sai lệch vận tốc theo thời gian là bằng 0. Đây là ph-
ơng pháp điều khiển tốt song khá phức tạp về mặt toán học lúc này hàm
truyền bộ điều chỉnh là bậc 3.
2.1.5. Luật điều khiển PI:
Biến điều khiển có dạng:

[ ]

+= dtVVIVVPV
DoThucDoThucDK
)()(
Đôi khi, đặc biệt là trong các hệ thống có các thiết bị đo lờng nhạy cảm
với các dao động điện và nhiễu, hành vi tích phân của bộ điều chỉnh tác động
vào sai lệch có thể làm cho biến điều khiển dao động một lợng lớn, điều này
gây ra tác động ngợc lại, hệ trở nên mất ổn định hơn và sai lệch hơn. Trong
những trờng hợp này thì nên sử dụng bộ điều chỉnh PI hoặc PID nhng với hệ
số D bằng 0.
2.1.6. Điều khiển bằng ứng dụng kĩ thuật NeuroFuzzy
Ta sẽ thiết kế một hệ điều khiển chuyển động cho Robot tự hành dựa trên nền
tảng NeuroFuzzy. Cần nhấn mạng rằng trong NeuroFuzzy thì phần Fuzzy đóng vai
trò chính, chịu trách nhiệm điều khiển đối tợng. Còn mạng Neuron đóng vai trò bổ
SVTH: Lu Xuân Công 23 Trang bị điện K42
Thiết kế bộ điều khiển chuyển động theo quỹ đạo cho Robot tự hành
sung, đa tri thức vào hệ bằng cách học những hành vi thông qua tập dữ liệu gồm
những cặp vào-ra mong muốn.
Nh vậy bớc đầu tiên là thiết kế một hệ mờ sơ khởi. Sau đó cho hệ hoạt động để rút ra
những sửa đổi cần thiết và ép hệ học những sửa đổi đó.
2.2. Tìm hiểu về phơng pháp điều khiển fuzzy:
2.2.1. Thiết kế hệ mờ
2.2.1.1. Các nguyên tắc trong thiết kế
Mặc dù hệ mờ chúng ta thiết kế ở đây là hệ sơ khởi, tức là hệ thô. Mọi quá
trình tối u để hệ đạt đến trạng thái hoàn chỉnh đều đợc thực hiện sau đó. Tuy nhiên,
để cho việc học đợc dễ dàng thì ta cần thiết kế một hệ tơng đối phù hợp với đối tợng
dựa trên các nguyên tắc thiết kế cần thiết.
Thiết kế hệ mờ đợc bắt đầu bằng việc xác định các biến ngôn ngữ dùng trong hệ

thống. Các biến này đợc xem nh là nền tảng cho các luật hoạt động. Kế đến là thiết
kế cấu trúc của hệ, mang thông tin về dòng điều khiển bên trong hệ, nh là tập mờ
nào kết hợp với tập mờ nào, đa ra tập mờ nào . Thiết kế hệ luật đ ợc xem nh là
phần thiết kế chính yếu, thể hiện tri thức của con ngời về đối tợng đang điều khiển.
Cuối cùng là lựa chọn phơng pháp giải mờ thích hợp.
2.2.1.2. Xác định biến ngôn ngữ
Giá trị của biến ngôn ngữ là những từ ngữ thể hiện đặc điểm của biến đó. Ví
nh trong điều khiển vận tốc của xe: đối với biến sai lệch vận tốc (sai lệch vận tốc =
vận tốc đặt vân tốc đo), ta có thể có các từ ngữ (tức các giá trị) nh âm nhiều, âm
ít, dơng nhiều, dơng ít.
Có bao nhiêu giá trị ngôn ngữ cho một biến ngôn ngữ ?
Hầu hết các ứng dụng trong thực tế đều thiết kế từ 3 đến 7 giá trị cho một biến
ngôn ngữ. Hiếm khi gặp trờng hợp ít hơn 3 giá trị, bởi vì nội trong khái niệm của
con ngời cũng đã là hai cực hai bên và một trung tâm giữa hai cực đó. Cũng ít khi
gặp trờng hợp nhiều hơn 7 giá trị do các đặc điểm mà con ngời xử lý đợc tại một
thời điểm không lớn hơn 7.
Một đặc điểm nữa là số giá trị cho một biến ngôn ngữ thờng là số lẻ, do ngời ta th-
ờng thiết kế dạng đối xứng : tạo ra các giá trị hai bên rồi đến một giá trị trung tâm.
SVTH: Lu Xuân Công 24 Trang bị điện K42
Thiết kế bộ điều khiển chuyển động theo quỹ đạo cho Robot tự hành
Do đó, một biến ngôn ngữ thờng có 3, 5, hoặc 7 giá trị.
Để xác định là 3, 5, hay 7 giá trị. Ta viết ra một số luật mờ tiêu biểu và dựa
trên các luật đó, ta sẽ xét xem cần bao nhiêu giá trị và cần loại giá trị nào để tạo nên
một hợp luật hoàn chỉnh. Nếu việc viết ra một số luật ban đầu này khó khăn thì có
thể bắt đầu với 3 giá trị cho các biến ngôn ngữ vào và 5 giá trị cho biến ngôn ngữ ra
(đây là giá trị tối thiểu cho hầu hết ứng dụng). Sau đó khi thiết kế hợp luật, ta có thể
thêm vào nếu cần.
2.2.1.3. Kiểu hàm phụ thuộc
Có khá nhiều hàm phụ thuộc đợc đề cập đến trong tài liệu. Nhng trong thực tế
ứng dụng thì chỉ có một số dạng sau đây đợc dùng, chủ yếu là nhằm đơn giản hóa

việc tính toán.
2.2.1.4. Tạo hệ luật
Các luật trong hệ mờ thể hiện những gì ta muốn hệ hoạt động, tức là dựa trên tri
thức của con ngời mà hệ mờ đa ra hành vi. Căn cứ vào những biến ngôn ngữ đã xác
định, hệ luật đợc tạo ra từ những bớc sau :
Bớc 1 đối với mỗi kết hợp của các tập mờ ở đầu vào (tức ở phần If), ta định
nghĩa một luật. Dùng giải pháp dung hòa cho tất cả các tập mờ của đầu ra (phần
Then), ta đợc tổng số luật của hệ luật.
Nh vậy, nếu ta có hai biến ngôn ngữ ở đầu vào, một biến ngôn ngữ ở đầu ra, mỗi
biến ngôn ngữ đợc định nghĩa với 5 tập mờ thì tổng số luật có đợc là 5x5x5 =
125 luật.
Bớc 2 nếu một tập mờ Z
i
nào đó của đầu ra không ảnh hởng bởi một biến ngôn
ngữ A ở đầu vào thì luật tạo ra tập mờ Z
i
sẽ không bao gồm biến ngôn ngôn ngữ
A.
SVTH: Lu Xuân Công 25 Trang bị điện K42
Dạng chữ Z Dạng tam giác
S
Dạng chữ S