nghiên cứu ứng dụng lý thuyết mờ để điều khiển robot tự hành

TRƯỜNG ĐẠI HỌC NHA TRANG
KHOA CƠ KHÍ
………o0o……



ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP
CHUYÊN NGÀNH CÔNG NGHỆ CƠ ĐIỆN TỬ

ĐỀ TÀI:
NGHIÊN CỨU ỨNG DỤNG LÝ THUYẾT MỜ
ĐỂ ĐIỀU KHIỂN ROBOT TỰ HÀNH


SVTH: Nhâm Văn Dương.
MSSV: 50130269.
Lớp: 50CKCD.
GVHD: ThS.Vũ Thăng Long.




Nha Trang tháng 06 năm 2012.
2
NHẬN XÉT CỦA CÁN BỘ HƯỚNG DẪN.

Họ và tên sinh viên: Nhâm Văn Dương.
Lớp: 50CKCD.
Chuyên ngành: Công nghệ cơ điện tử.
Đề tài: Nghiên cứu ứng dụng lý thuyết mờ để điều khiển robot tự hành.
Số trang:…89… Số chương:04

Hiện vật: 02 quyển báo cáo, 02 đĩa VCD, 01 robot tự hành, 01 bộ điều khiển.
NHẬN XÉT:
……………………………………………………………………………………
……………………………………………………………………………………
……………………………………………………………………………………
……………………………………………………………………………………
……………………………………………………………………………………
……………………………………………………………………………………
……………………………………………………………………………………
……………………………………………………………………………………
……………………………………………………………………………………
……………………………………………………………………………………
Kết luận…………………………………………………………………
……………………………………………………………………………………
……………………………………………………………………………………
……………………………………………………………………………………
……………………………………………………………………………………
Nha Trang, ngày… tháng… năm 2012.
Cán bộ hướng dẫn:
(Ký và ghi rõ họ tên)
3
PHIẾU ĐÁNH GIÁ CHẤT LƯỢNG ĐỀ TÀI

Họ và tên sinh : NHÂM VĂN DƯƠNG
Lớp : 50CKCD.
Chuyên ngành : Công nghệ cơ điện tử.
Đề tài: Nghiên cứu ứng dụng lý thuyết mờ để điều khiển robot tự hành.
Số trang: 89 Số chương :04
Hiện vật: 02 quyển báo cáo, 02 đĩa VCD, 01 robot tự hành, 01 bộ điều khiển.

NHẬN XÉTCỦA CÁN BỘ PHẢN BIỆN




Kết luận



Nha Trang, ngày tháng năm 2012.
CÁN BỘ PHẢN BIỆN
( Ký ghi rõ họ tên )



Nha Trang, ngày tháng năm 2012.
CHỦ TỊCH HỘI ĐỒNG
( Ký ghi rõ họ tên )

Điểm phản biện
Bằng số Bằng chữ

Điểm chung
Bằng số Bằng chữ

4
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 quyết được. 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 trong điều 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.
8
Trong suốt quá trình thực hiện đề tài, tôi đã được sự giúp đỡ của các bạn,
các thầy trong bộ môn Cơ Điện Tử - Khoa Cơ Khí - ĐHNT, và đặc biệt là:
ThS.Vũ Thăng Long.
Trong quá trình thực hiện không khỏi mắc phải những sai sót, mọi lời nhận
xét, góp ý hoặc bổ sung nhằm hoàn thiện đề tài của các thầy, các bạn là điều vô
cùng quý giá đối với tôi. Tôi xin chân thành cám ơn!
Nha Trang, 5/2012.
Sinh viên:
Nhâm Văn Dương.















9

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, các nhà 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 một hạn chế chung đó là hạn
chế về không gian làm việc. Không gian làm việc của chúng 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 trong các 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, robot làm việc ngoài vũ trụ. Cùng
với sự phát triển của yêu cầu trong thực tế, robot tự 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 tự hành 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 loại robot 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 biết trước 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 mục tiêu.
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 tục về 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 chuyển ở 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 loại robot 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 thích nghi 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 năm 2003 của hãng Sony, c/ Robot
ASIMO của hãng Honda, d/ Robot 6 chân, e/ robot chó Tian, f/ mô hình robot 4 chân.

14
1.1.1.2.2.Robot tự hành di chuyển bằng bánh.
Robot tự hành di chuyển bằng bánh (Wheel Robot tự hành).
Bánh xe là cơ cấu chuyển động được sử dụng rộng rãi nhất trong công nghệ
Robot tự hành. Vấn đề cân bằng thường không phải là vấn đề được chú ý nhiều
trong robot di chuyển bằng bánh. Ba bánh là kết cấu có khả năng duy trì cân
bằng nhất, tuy nhiên kết cấu 2 bánh cũng có thể cân bằng được. Khi robot có số
bánh nhiều hơn 3 thì thông thường người ta phải thiết kế hệ thống treo để duy trì
sự tiếp xúc của tất cả các bánh xe với mặt đất. Vấn đề của robot loại này là về lực
kéo, độ ổn định và khả năng điều khiển chuyển động.v.v. Hình 1.2 dưới đây giới
thiệu 4 loại bánh xe cơ bản được sử dụng trong Robot tự hành:
a/ Bánh xe tiêu chuẩn: 2 bậc tự do, có thể quay quanh trục bánh xe và điểm
tiếp xúc.
b/ Bánh lái: 2 bậc tự do, có thể quay xung quanh khớp lái.
c/ Bánh Swedish: 3 bậc tự do, có thể quay đông thời xung quanh trục bánh
xe, trục lăn và điểm tiếp xúc.

Hình 1.2. Các loại bánh xe cơ bản dùng cho robot tự hành.


15
Sơ đồ bánh xe của robot tự hành 2 bánh, 3 bánh, 4 bánh và 6 bánh được liệt
kê trong bảng dưới đây:
Bảng 1.1.Sơ đồ bánh xe của robot tự hành.
Số
bánh
Sắp xếp Miêu tả

Một bánh lái phía trước, một bánh phía sau


2


Hai bánh truyền động với trọng tâm ở bên
dưới trục bánh xe.

Hai bánh truyền động ở giữa và có điểm thứ 3
tiếp xúc

Hai bánh truyền động độc lập ở phía sau và
một bánh lái ở phía trước.

Hai bánh truyền động được nối với trục ở phía
sau, một bánh lái ở phía trước.

Hai bánh quay tự do ở phía sau, bánh trước
vừa là bánh truyền động vừa là bánh lái.



3


3 bánh Swedisk được đặt ở các đỉnh của một
tam giác đều, kết cấu này cho phép robot di
chuyển theo đa hướng.



2 bánh chủ động ở phía sau, hai bánh lái ở
phía trước.
16

Hai bánh phía trước vừa là bánh lái vừa là
bánh chủ động.

Cả 4 bánh đều là bánh truyền động và lái.

Hai bánh truyền động độc lập ở phía
trước/sau, 2 bánh lái đa hướng ở phía
sau/trước.

Bốn bánh đa hướng.

Hai bánh chuyển động vi sai và thêm 2 điểm

tiếp xúc.

4





4 bánh vừa là truyền động vừa là bánh lái.

Hai bánh truyền động ở giữa, thêm 4 bánh đa
hướng ở xung quanh.


6


Hai bánh truyền động vi sai ở giữa, bốn bánh
đa hướng ở 4 góc.


17
Bảng 1.2.Kí hiệu các loại bánh xe:
Kí hiệu các loại bánh xe

Bánh đa hướng không truyền động.

Bánh truyền động Swedish(đa hướng).

Bánh quay tự do tiêu chuẩn.

Bánh truyền động tiêu chuẩn.

Bánh vừa truyền động vừa là bánh lái.

Bánh lái tiêu chuẩn.

Các bánh xe được nối với nhau.














18
Một số loại robot chuyển động bằng bánh:


Hình1.3. Robot Sojourner
được sử dụng thám hiểm sao
Hỏa năm 1997. Hầu hết các
hoạt động được điều khiển ở

trái đất. Tuy vậy nó vẫn phải
sử dụng các cảm biến để
phát hiện vật cản.

Hình1.4.RobotAIRDUCT với
kết cấu nhỏ gọn, nó được
gắn camera để thu hình ảnh,
có thể nhìn nghiêng, đi dọc
theo tường, tránh vật cản.


Hình 1.5. RobotMbari’s
AltexAuv(AutonomousUnder
ware Vehicle) được sử dụng
để hoạt động dưới đáy biển
sâu ở Bắc Cực

19
Hình 1.6. Robot Khepera
dùng để nghiên cứu và học
tập. Nó có đường kính
60mm, được tích hợp nhiều
modun khác nhau như
camera, tay kẹp.

Hình 1.7. Robot dẫn đường
AGU (Autonomous Guided
Vehicle) được sử dụng trong
các bệnh viện.

1.1.1.3.Phương pháp điều hướng cho robot tự hành.
Kỹ thuật điều hướng sử dụng trí thông minh nhân tạo trong robot tự hành có
thể được chia thành 2 loại chính, đó là điều hướng có tính toán và điều hướng
theo phản ứng. Đúng như tên gọi, điều hướng có tính toán là phương pháp điều
hướng có kế hoạch còn điều hướng theo phản ứng là điều hướng tức thời, là quá
trình tự động thực hiện các phản ứng theo môi trường xung quanh. Ngoài ra còn
có phương pháp điều hướng lai ghép là phương pháp kết hợp cả hai phương pháp có
tính toán và điều hướng theo phản ứng để xây dựng một bộ điều khiển thông minh hơn.
20
1.1.1.3.1.Phương pháp điều hướng có tính toán.
Phương pháp điều hướng có tính toán là phương pháp thực hiện theo trình
tự: quan sát – lập kế hoạch – hành động. Thông thường một hệ thống có tính toán
bao gồm 5 khâu: nhận thức(perception), mô hình thế giới(word modelling), lập
kế hoạch(planning), thực hiện công việc(task excution) và điều khiển động
cơ(motor control).
Các khâu trên có thể được coi như là một chuỗi các “lát mỏng theo phương
thẳng đứng” với các đầu vào là tín hiệu nhận được từ cảm biến ở phía bên trái và
đầu ra tới các khâu chấp hành ở phía bên phải.








Hình 1.8. Sơ đồ cấu trúc của phương pháp điều khiển có tính toán
-
Khâu nhận thức có nhiệm vụ điều khiển các thiết bị cảm ứng, các thiết bị
này được nối với robot sẽ cho các thông tin về môi trường quan sát được.

-
Khâu mô hình thế giới: chuyển các tín hiệu từ cảm biển thành mô tả mối
liên quan giữa robot với mô hình bên trong môi trường.
-
Khâu lập kế hoạch: cố gắng xây dựng kế hoạch thực hiện của robot sao
cho đạt được mục tiêu phù hợp với tình trạng thế giới hiện thời.
-
Khâu thực hiện công việc: chia kế hoạch vừa được xây dựng thành các
lệnh điều khiển chuyển động chi tiết
-
Khâu điều khiển động cơ: dùng để thực hiện các lệnh này.

Nh
ận thức


Mô hình thế giới
Lập kế hoạch
Thực hiện công việc
Điều khiển động cơ
Các
khâu
Chấp
hành

Các tín hiệu
từ cảm biến
21
Mỗi một hệ thống con như là một khâu tương đối phức tạp và tất cả phải
hoạt động một cách đồng bộ với hoạt động của robot tại mọi thời điểm. Phương

pháp này đòi hỏi phải trang bị các cảm biến, các thiết bị đo để nhận biết thông tin
từ môi trường hoặc dạng thông tin dự đoán trước từ bản đồ toàn cục. Thông tin
đó sẽ được tham chiếu với một bản đồ môi trường nếu có thể, và sử dụng thuật
toán lập kế hoạch để tạo ra quỹ đạo chuyển động giúp robot tránh vật cản và tăng
xác suất tới mục tiêu đến tối đa. Do sự phức tạp của môi trường làm tăng thời
gian để nhận biết , xây dựng mô hình và lập kế hoạch về thế giới cũng tăng theo
hàm mũ. Đây cũng chính là bất lợi của phương pháp này. Phương pháp này tỏ ra
rất hữu hiệu cho các tình huống mà trong đó môi trường làm việc là tương đối
tĩnh (môi trường trong đó có thể bao gồm vật cản, tường chắn, hành lang, điểm
đích, v.v là các đối tượng có vị trí không thay đổi trong bản đồ toàn cục).
Trong phương pháp điều hướng có tính toán, khâu lập kế hoạch đường đi
cho robot là cực kì quan trọng. Việc lập kế hoạch đường đi cho mobile robot
thường có hai giai đoạn đó là lập kế hoạch toàn cục và lập kế hoạch cục bộ. Lập
kế hoạch toàn cục có thể được hiểu như là cách di chuyển robot qua một môi
trường tùy ý và môi trường này là tương đối lớn. Còn lập kế hoạch cục bộ sẽ đưa
ra quyết định khi robot đối mặt với môi trường tĩnh, ví dụ như khi robot gặp phải
vật cản, hành lang…. Kế hoạch cục bộ đưa ra phương pháp để đi tới đích ngắn
nhất, an toàn nhất. Chính vì thế khi gặp phải các vật cản, kế hoạch cục bộ sẽ giúp
cho robot tránh không va chạm rồi mới tiếp tục thực hiện kế hoạch toàn cục để tới đích.
1.1.1.3.2.Phương pháp điều hướng robot theo phản ứng.
Như phân tích ở phần trên, phương pháp điều hướng có tính toán có nhiều
ưu điểm đối với quá trình điều hướng cho mobile robot. Tuy nhiên, điều hướng
có tính toán thường yêu cầu khối lượng tính toán tương đối lớn và phương pháp
này tỏ ra không tối ưu khi môi trường hoạt động của robot thay đổi.
- Phương pháp điều hướng theo phản ứng ra đời nhằm giải quyết các vấn đề
có liên quan tới môi trường không biết trước hoặc môi trường thường xuyên thay
đổi . Điều hướng theo phản ứng khắc phục được những hạn chế của phương pháp
22
điều hướng tính toán, giúp giảm khối lượng tính toán, tăng tốc độ xử lý trong môi
trường phức tạp. Điều hướng theo phản ứng là phương pháp kết hợp các phản

ứng thực hiện một cách tự động với các kích thích từ cảm biến để điều khiển
robot sao cho an toàn và đạt hiệu suất cao nhất. Phương pháp này đặc biệt phù
hợp đối với những ứng dụng nơi mà môi trường là hoàn toàn động hoặc không
biết trước, ví dụ như trong không gian hoặc dưới nước. Trong thực tế, các thiết bị
vệ tinh thám hiểm kiểu robot đã sử dụng phương pháp điều hướng theo phản
ứng, lí do là phương pháp điều hướng theo tính toán đòi hỏi việc lập kế hoạch
phức tạp có quá nhiều phép tính toán bị giới hạn bởi khả năng của bộ nhớ và tốc
độ tính toán. Điều hướng theo phản ứng chỉ phụ thuộc vào trạng thái hiện thời
của robot và đòi hỏi rất ít các phép tính toán để tác động lại môi trường hoạt động.
- Tuy nhiên, phương pháp điều hướng theo phản ứng cũng có nhiều mặt hạn
chế, việc không có kế hoạch toàn cục có thể khiến cho quá trình điều khiển gặp
phải những khó khăn. Các hoạt động tối ưu cục bộ chủ yếu thu được nhờ điều
khiển theo phản ứng, chính vì thế mà có thể gây ra hiện tượng lệch hướng toàn
cục. Trong phương pháp điều hướng theo tính toán, hệ thống không bao giờ mất
tầm quan sát đích trong khi các hệ thống điều hướng theo phản ứng cần phải giữ
các đích tức thời để độ lệch hướng so với đích toàn cục là không quá lớn.
- Một thuận lợi ở điều hướng theo phản ứng so với các phương pháp tính
toán đó là khả năng mở rộng bộ điều khiển để thêm vào các thành phần phản ứng
khác mà không cần phải điều chỉnh lại toàn bộ phần mềm điều khiển. Chính vì
thế, ta có thể dễ dàng bổ xung thêm tính năng cho robot bằng cách thêm vào các
hoạt động mới mà không làm thay đổi những hoạt động đã có trước. Ví dụ, để
robot phản ứng với một kích thích thu được từ một cảm biến mới, ta chỉ cần thêm
một thành phần khác vào bộ điều khiển để nó phản ứng với kích thích thu được
từ cảm biến đó. Còn ở các phương pháp tính toán, bạn cần phải xây dựng một
thuật toán hoàn toàn mới để sử dụng dữ liệu thu được từ cảm biến mới được
thêm vào này.
23
-Trong thời kỳ đầu, các nhà nghiên cứu đã thiết kế hệ thống điều hướng
thuần tuý phản ứng bằng cách dựa vào hoạt động của côn trùng để áp dụng vào
kỹ thuật robot. Nhiều nghiên cứu về hệ thống sinh học đã được ứng dụng cho quá

trình điều khiển mobile robot. Chuyển động của một số loại côn trùng trong thế
giới sinh học có thể được sử dụng để xây dựng thành công các thuật toán điều
khiển hoạt động cho robot. Ví dụ, khi nghiên cứu về hành vi của một con gián,
các nhà khoa học nhận ra một con gián chỉ có một vài hoạt động riêng biệt. Các
hoạt động này có thể bao gồm hoạt động tìm thức ăn, hoạt động tránh ánh sáng
và hoạt động sinh sản. Dựa vào những gì mà cảm nhận được, con gián sẽ quyết
định thực hiện một trong số những hoạt động trên. Nếu con gián cảm thấy đói, nó
sẽ lục lọi để tìm thức ăn. Tuy nhiên, nếu một bóng đèn chợt bật sáng, con gián đó
sẽ từ bỏ việc tìm kiếm thức ăn và chui ngay vào gầm tủ lạnh chẳng hạn. Đây là
một ví dụ về điều khiển theo phản ứng. Dựa vào những kích thích hiện thời, con
gián sẽ chọn một hoạt động thích hợp mà không cần phải lập kế hoạch hay tính
toán gì cả. Vậy thì tại sao những hoạt động như thế lại không thể được dịch thành
những thuật toán điều khiển đơn giản cho robot. Đây chính là những lý thuyết cơ
bản của kỹ thuật điều khiển dựa hành vi (behavior-base control) cho mobile robot.
1.1.1.3.3.Phương pháp điều khiển lai ghép.
Điều hướng lai ghép là phương pháp kết hợp các ưu điểm của phương pháp điều
hướng theo tính toán truyền thống với các hệ thống điều hướng dựa phản ứng.
Mỗi phương pháp đều có những nhược điểm mà phương pháp kia có thể khắc
phục được. Phương pháp điều hướng theo tính toán gặp phải khó khăn khi hoạt
động trong các môi trường động, là nơi yêu cầu khả năng tính toán nhanh cũng
như các kỹ năng tránh vật cản. Nếu phương pháp điều hướng theo phản ứng
không kết hợp với bất cứ quá trình lập kế hoạch chuyển động nào thì có thể sẽ
không đưa robot theo quỹ đạo tối ưu. Phương pháp điều khiển lai ra đời nhằm kết
hợp các hoạt động có tính toán bậc cao với các hoạt động phản ứng bậc thấp.
Các hoạt động phản ứng giúp robot an toàn và xử lý các tình trạng khẩn cấp
trong khi phần điều khiển có tính toán sẽ giúp robot đạt được mục đích cuối
24
cùng. Phương pháp điều khiển lai ghép có thể cho ta kết quả kha quan hơn khi
chỉ sử dụng phương pháp điều hướng theo phản ứng hoặc điều hướng theo tính toán.
1.1.2.Mô hình động học và kĩ thuật định vị cho robot tự hành.

1.1.2.1.Mô hình động học cho robot.
Động học là nghiên cứu cơ bản nhất để tìm hiểu quá trình hoạt động của
một hệ thống cơ khí, trong lĩnh vực mobile robot, chúng ta cần phải tìm hiểu đặc
tính cơ của robot để thiết kế sao cho phù hợp với các nhiệm vụ đặt ra, đồng thời
việc tìm hiểu đặc tính cơ còn giúp ta xác định được phương pháp thiết kế phần
mềm điều khiển sao cho phù hợp đối với từng phần cứng của robot.
Trong lĩnh vực robot, mobile robot không phải là hệ thống cơ khí quá phức
tạp. Như ta đã biết, tay máy đã và đang là lĩnh vực được chú trọng nghiên cứu
trong vòng hơn 30 năm trở lại đây. Ở một vài khía cạnh nào đó, tay máy phức tạp
hơn nhiều so với mobile robot thế hệ trước đây, ví dụ: một robot hàn thiết kế theo
tiêu chuẩn thường có 5 hoặc nhiều hơn 5 khớp, trong khi các mobile robot trước
đây thường chỉ là thiết bị truyền động kiểu vi sai đơn giản.
Giữa tay máy và mobile robot có khá nhiều điểm tương đồng. Ví dụ, đối
với tay máy, không gian làm việc là vấn đề được quan tâm rất nhiều, nó cho phép
xác định phạm vi các vị trí khả thi của tay máy. Không gian làm việc của mobile
robot có mức độ quan trọng không kém, nó cho phép xác định phạm vi các tư thế
khả thi mà mobile robot có thể có trong môi trường hoạt động. Tính dễ điều
khiển của tay máy được định nghĩa là khả năng điều khiển các động cơ để tay
máy có thể di chuyển từ vị trí này đến vị trí kia trong không gian làm việc.
Tương tự như tay máy, tính dễ điều khiển của mobile robot được định nghĩa là
những quỹ đạo định trước hoặc không định trước có thể đạt được trong không
gian làm việc của nó. Mobile robot cũng bị giới hạn bởi các nguyên lý về động
lực học, ví dụ, giống như ở ô tô, khi chuyển động với tốc độ cao, nếu trọng tâm
của mobile robot cao nó sẽ là nguyên nhân giới hạn bán kính xoay thực tế. Tuy
nhiên, sự khác biệt chính giữa mobile robot và tay máy là thách thức đáng kể
trong kỹ thuật ước lượng vị trí. Tay máy thường có một đầu được gắn cố định,
25
việc xác định vị trí của đầu hoạt động kia hoàn toàn đơn giản, vấn đề là ta phải
hiểu được các nguyên lý động học của tay máy và xác định được vị trí của các
khớp trung gian. Chính vì thế, ta có thể xác định được vị trí của tay máy nhờ dữ

liệu thu được từ cảm biến. Trong khi đó, mobile robot lại là một thiết bị tự động
độc lập, nó hoàn toàn có thể tự do di chuyển trong môi trường hoạt động. Không
có phương pháp nào có thể giúp ta đo trực tiếp vị trí tức thời của mobile robot.
Thay vào đó, thông thường để xác định vị trí của mobile robot, người ta phải tích
hợp chuyển động của robot theo thời gian. Ngoài ra, sự trượt của bánh xe còn là
nguyên nhân khiến cho quá trình đánh giá, ước lượng chuyển động của robot
giảm bớt độ chính xác. Rõ ràng việc đo chính xác vị trí mobile robot vẫn là lĩnh
vực đầy thách thức.
Như phần trên đã trình bày, robot tự hành là lĩnh vực khá rộng, đa dạng.
Tuy nhiên chúng lại có một điểm chung đó là nhiệm vụ điều khiển robot chính là
điều khiển các động cơ. Trong đề tài này sẽ tập trung vào việc nghiên cứu điều
khiển mô hình robot tự hành cơ bản bao gồm 3 bánh. Trong đó, hai bánh sau là
hai bánh chủ động được điều khiển bởi hai động cơ độc lập, bánh phía trước là
bánh lái. Coi bánh xe di chuyển trên mặt phẳng là lăn không trượt, tốc độ của
robot là tốc độ của trung điểm khoảng cách giữa hai bánh sau. Khối lượng và
quán tính của bánh xe coi là không đáng kể, có thể bỏ qua.
1.1.2.1.1.Mô hình bánh xe robot.
Mô hình bánh xe robot được lý tưởng hóa như hình 1.9. Bánh xe quay
quanh trục của nó (trục Y). Bánh xe chuyển động theo phương X (trục X ). Khi
chuyển động ở tốc độ thấp, có thể bỏ qua ảnh hưởng của sự trượt của bánh xe so
với mặt đường.
Các thông số của bánh xe :
r= bán kính bánh xe
v= vận tốc dài của bánh
w= vận tốc góc của bánh xe