Điều khiển bám cho robot di động hai bánh sử dụng bộ điều khiển trượt mờ

1


BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƢỜNG ĐẠI HỌC KỸ THUẬT CÔNG NGHỆ TP. HCM



PHẠM QUỐC TIẾN


ĐIỀU KHIỂN BÁM
CHO RÔ BỐT DI ĐỘNG HAI BÁNH
SỬ DỤNG BỘ ĐIỀU KHIỂN TRƢỢT MỜ


LUẬN VĂN THẠC SĨ
Chuyên ngành : Kỹ Thuật Điện
Mã số ngành : 60520202




TP. HỒ CHÍ MINH, tháng 02 năm 2013
2



BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƢỜNG ĐẠI HỌC KỸ THUẬT CÔNG NGHỆ TP. HCM

PHẠM QUỐC TIẾN


ĐIỀU KHIỂN BÁM
CHO RÔ BỐT DI ĐỘNG HAI BÁNH
SỬ DỤNG BỘ ĐIỀU KHIỂN TRƢỢT MỜ


LUẬN VĂN THẠC SĨ
Chuyên ngành : Kỹ Thuật Điện
Mã số ngành : 60520202


HƢỚNG DẪN KHOA HỌC : TS. NGUYỄN HÙNG






TP. HỒ CHÍ MINH, tháng 02 năm 2013


3

CÔNG TRÌNH ĐƢỢC HOÀN THÀNH TẠI
TRƢỜNG ĐẠI HỌC KỸ THUẬT CÔNG NGHỆ TP. HCM

Cán bộ hƣớng dẫn khoa học : TS. NGUYỄN HÙNG
(Ghi rõ họ, tên, học hàm, học vị và chữ ký)




Luận văn Thạc sĩ đƣợc bảo vệ tại Trƣờng Đại học Kỹ thuật Công nghệ
TP. HCM ngày 02 tháng 02 năm 2013

Thành phần Hội đồng đánh giá Luận văn Thạc sĩ gồm:
(Ghi rõ họ, tên, học hàm, học vị của Hội đồng chấm bảo vệ Luận văn Thạc sĩ)

1. TS. Đinh Hoàng Bách Chủ tịch
2. TS. Nguyễn Thanh Phƣơng Phản biện 1
3.TS. Võ Hoàng Duy Phản biện 2
4. PGS. TS. Trần Thu Hà Ủy viên
5. TS. Nguyễn Viễn Quốc Ủy viên, thƣ ký

Xác nhận của Chủ tịch Hội đồng đánh giá luận văn sau khi luận văn đã đƣợc
sửa chữa (nếu có).


Chủ tịch Hội đồng đánh giá LV




TS. Đinh Hoàng Bách

4

TRƢỜNG ĐH KỸ THUẬT CÔNG NGHỆ TP. HCM
PHÒNG QLKH - ĐTSĐH
CỘNG HÒA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM
Độc lập - Tự do - Hạnh phúc

TP. HCM, ngày 21 tháng 06 năm 2012

NHIỆM VỤ LUẬN VĂN THẠC SĨ

Họ tên học viên : PHẠM QUỐC TIẾN Giới tính : Nam
Ngày, tháng, năm sinh : 15/ 07 / 1977 Nơi sinh : Vĩnh Long
Chuyên ngành : Kỹ Thuật Điện MSHV : 1181031057

I- TÊN ĐỀ TÀI:
ĐIỀU KHIỂN BÁM CHO RÔ BỐT DI ĐỘNG HAI BÁNH SỬ DỤNG
BỘ ĐIỀU KHIỂN TRƢỢT MỜ

II- NHIỆM VỤ VÀ NỘI DUNG:
1. Tìm hiểu về rô bốt di động
2. Xây dựng mô hình toán cho rô bốt di động hai bánh
3. Thiết kế bộ điều khiển trƣợt mờ cho rô bốt bám quỹ đạo
4. Mô phỏng trên máy tính bằng phần mềm Matlab

III- NGÀY GIAO NHIỆM VỤ: 21/06/ 2012
IV- NGÀY HOÀN THÀNH NHIỆM VỤ : 21/12 /2012
V- CÁN BỘ HƢỚNG DẪN : TS. NGUYỄN HÙNG

CÁN BỘ HƢỚNG DẪN KHOA QUẢN LÝ CHUYÊN NGÀNH

(Họ tên và chữ ký) (Họ tên và chữ ký)



5

LỜI CAM ĐOAN

Tôi xin cam đoan rằng luận văn với nội dung “ĐIỀU KHIỂN BÁM CHO
RÔ BỐT DI ĐỘNG HAI BÁNH SỬ DỤNG BỘ ĐIỀU KHIỂN TRƢỢT MỜ”
là công trình nghiên cứu của riêng tôi, dƣới sự hƣớng dẫn của TS. Nguyễn Hùng.
Các số liệu, kết quả mô phỏng nêu trong luận văn là trung thực, có nguồn trích
dẫn và chƣa đƣợc công bố trong các công trình nghiên cứu khác.
Tôi xin cam đoan rằng mọi sự giúp đỡ cho việc thực hiện luận văn này đã
đƣợc cám ơn và các thông tin trích dẫn trong luận văn đã đƣợc chỉ rõ nguồn gốc.
Học viên thực hiện luận văn


Phạm Quốc Tiến

6

LỜI CÁM ƠN

Trong quá trình thực hiện luận văn, tôi đã nhận đƣợc sự giúp đỡ của rất nhiều
ngƣời.
Trƣớc tiên, tôi xin gửi lời cám ơn sâu sắc, chân thành tới thầy,
TS Nguyễn Hùng – Phó Trƣởng Khoa Cơ – Điện – Điện Tử Trƣờng Đại Học Kỹ
Thuật Công Nghệ Tp.HCM đã hƣớng dẫn, chỉ bảo và tận tình giúp đỡ trong suốt
quá trình nghiên cứu và hoàn thành luận văn.
Tôi cũng xin chân thành gửi lời cám ơn đến Ban Giám Hiệu Trƣờng Đại Học
Kỹ thuật Công Nghệ Thành Phố Hồ Chí Minh, cùng quý Thầy, Cô đã tận tình
truyền đạt kiến thức và tạo mọi điều kiện tốt nhất cho lớp chúng tôi trong suốt học
trình cao học.
Cuối cùng, xin cám ơn gia đình tôi và những ngƣời bạn đó luôn ở bên động
viên, giúp đỡ và tạo điều kiện tốt nhất về mọi mặt trong quá trình thực hiện luận
văn. Sự giúp đỡ này là động lực lớn để tôi hoàn thành đồ án tốt nghiệp này.
Xin chân thành cám ơn !

Học viên thực hiện luận văn


Phạm Quốc Tiến






7

TÓM TẮT
Điều khiển rô bốt là một lĩnh vực nghiên cứu quan trọng trong điều khiển tự
động hiện đại. Đã có nhiều mô hình điều khiển rô bốt đƣợc xây dựng dựa trên các
phƣơng pháp điều khiển với ƣu nhƣợc điểm khác nhau.
Luận văn đƣa ra một phƣơng pháp thiết kế bộ điều khiển trƣợt mờ cho rô bốt
di động hai bánh bám theo quỹ đạo mong muốn với vận tốc không đổi.
Bộ điều khiển trƣợt mờ đƣợc thiết kế ở đây là một hệ mờ lai: Để đạt đƣợc tính
chính xác cao, hệ thống điều khiển rô bốt di động hai bánh đƣợc thiết kế thông qua
kỹ thuật điều khiển trƣợt. Kỹ thuật này là phƣơng pháp điều khiển bền vững, nó tạo
ra ngõ vào để mang lại quỹ đạo mong muốn cho hệ thống. Trình tự thiết kế của nó
là đầu tiên bộ điều khiển động học đƣợc thiết kế để làm cho véc tơ sai lệch vị trí
tiến đến không một cách tiệm cận. Sau đó, chế độ điều khiển trƣợt tích phân đƣợc
thiết kế để làm cho véc tơ sai lệch vận tốc tiến đến không một cách tiệm cận. Bộ
điều khiển mờ đƣợc thiết kế để ƣớc lƣợng nhiễu và các thành phần bất định trong
rô bốt.
Tiêu chuẩn ổn định Lyapunov đƣợc sử dụng để chứng minh tính ổn định toàn
cục của giải thuật điều khiển
Luận văn sử dụng phần mềm Matlab để mô phỏng và các kết quả mô phỏng đã
chứng minh tính hiệu quả bộ điều khiển.

8

ABSTRACT

Robot controling is an important researching field in modern automatic
control. Many robot controller models was built with different advantages and
disadvantages.
This thesis proposes a control scheme that makes the combination of a fuzzy
mode controller and an integral sliding mode controller for a two wheeled mobile
robot to track a desired trajectory with a constant velocity.
This fuzzy sliding mode controller is a hybrid fuzzy system: For achieving
high-precision performance the control system for the two - wheeled mobile robot is
designed via sliding mode control (SMC) in this thesis. SMC is a robust control method
which generates an input to yield a desired trajectory for a given system. Its design
procedure is to first, the kinematic controller is designed to make the position error
vector go to zero asymptotically. Then, the integral sliding mode controller is designed
to make velocity error vector go to zero asymptotically. The Fuzzy controller is
designed to overcome the noises and large uncertainties in robot.
The stability of system is proved based on the Lyapunov stability theory.
Thesis uses Matlab software to simulate. The simulation results are presented to
illustrate effectiveness of the proposes control scheme








9

MỤC LỤC

Tựa Trang
Lời cam đoan i
Lời cám ơn ii
Tóm tắt iii
Mục lục v
Danh mục các từ viết tắt ix
Danh mục các bảng x
Danh mục các hình ảnh xi
Chƣơng 1 : TỔNG QUAN 1
1.1 Tổng quan về rô bốt 1
1.2 Kỹ thuật điều hƣớng cho rô bốt di động bằng bánh xe 6
1.3 Tóm tắt một số công trình nghiên cứu 7
1.4 Nhận xét chung và hƣớng tiếp cận 9
1.5 Mục tiêu của luận văn 11
1.6 Nhiệm vụ của luận văn 11
1.7 Giới hạn của luận văn 11
1.8 Điểm mới của luận văn 12
1.9 Nội dung của luận văn 12
Chƣơng 2 : CƠ SỞ LÝ THUYẾT 13
2.1 Tiêu chuẩn ổn định Lyapunov 13
2.2 Điều khiển trƣợt 14
2.2.1 Xuất phát điểm của phƣơng pháp điều khiển trƣợt 14
10

2.2.2 Nguyên lý điều khiển trƣợt 17
2.2.3 Các bƣớc xây dựng bộ điều khiển trƣợt 19
2.3 Điều khiển mờ 20

2.3.1 Khái quát 20
2.3.2 Định nghĩa tập mờ 20
2.3.3 Các thông số đặc trƣng cho tập mờ 21
2.3.4 Các dạng hàm liên thuộc của tập mờ 22
2.3.5 Các phép toán trên tập mờ 22
2.3.6 Biến ngôn ngữ và giá trị của biến ngôn ngữ 24
2.3.7 Luật hợp thành mờ 25
2.3.8 Giải mờ 29
2.3.9 Cấu trúc bộ điều khiển mờ 34
2.4 Điều khiển trƣợt mờ 34
Chƣơng 3 : XÂY DỰNG MÔ HÌNH TOÁN
CHO RÔ BỐT DI ĐỘNG HAI BÁNH 35
3.1 Mô hình hình học của rô bốt di động hai bánh 35
3.2 Mô hình động học của rô bốt di động hai bánh 36
3.3 Mô hình động lực học của rô bốt di động hai bánh 39
Chƣơng 4 : THIẾT KẾ BỘ ĐIỀU KHIỂN TRƢỢT MỜ 44
4.1 Đặt vấn đề 44
4.2 Thiết kế bộ điều khiển trƣợt 45
4.2.1 Thiết kế bộ điều khiển động học 45
4.2.2 Thiết kế bộ điều khiển động lực học 47
11

4.2.3 Thiết kế bộ điều khiển trƣợt tích hợp của luật điều khiển động học và
luật điều khiển động lực học 50
4.3 Thiết kế bộ điều khiển trƣợt mờ 50
4.3.1 Thiết kế bộ điều khiển mờ 51
4.3.2 Thiết kế bộ điều khiển trƣợt mờ 58
Chƣơng 5 : KẾT QUẢ MÔ PHỎNG 59
5.1 Các thông số sử dụng cho bộ điều khiển 59
5.2 Quỹ đạo đƣờng cong mong muốn cho WMR bám 60

5.3 Mô phỏng bộ điều khiển trƣợt 60
5.3.1 Lƣu đồ giải thuật bộ điều khiển trƣợt 60
5.3.2 Các sai lệch bám quỹ đạo đƣờng cong của WMR 61
5.4 Mô phỏng bộ điều khiển trƣợt trong trƣờng hợp có nhiễu lớn 62
5.4.1 Lƣu đồ giải thuật bộ điều khiển trƣợt có nhiễu lớn 62
5.4.2 Các sai lệch bám quỹ đạo đƣờng cong của WMR 62
5.5 Mô phỏng bộ điều khiển trƣợt mờ 63
5.5.1 Lƣu đồ giải thuật bộ điều khiển trƣợt mờ 63
5.5.2 Các sai lệch bám quỹ đạo đƣờng cong của WMR 64
5.5.3 Chuyển động bám quỹ đạo đƣờng cong của WMR 65
5.5.4 Mặt trƣợt của bộ điều khiển trƣợt mờ 66
5.5.5 Vận tốc dài của WMR khi bám quỹ đạo 67
5.5.6 Vận tốc góc của WMR khi bám quỹ đạo 68
5.5.7 Vận tốc góc của các bánh WMR khi bám quỹ đạo 68
5.5.8 Mô men quay của các bánh WMR khi bám quỹ đạo 69
5.6 Nhận xét 70
12

5.7 Kết quả mô phỏng với quỹ đạo mong muốn là đƣờng tròn 70
5.8 Kết quả mô phỏng với quỹ đạo mong muốn là đƣờng vuông tròn 72
5.9 Kết luận 73
Chƣơng 6 : KẾT LUẬN VÀ HƢỚNG PHÁT TRIỂN 74
6.1 Những kết quả đạt đƣợc 74
6.2 Giới hạn của đề tài 75
6.3 Hƣớng phát triển của đề tài 75
TÀI LIỆU THAM KHẢO 76
PHỤ LỤC

13


DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT

FLC : Điều khiển mờ (Fuzzy Logic Control)
SMC : Điều khiển trƣợt (Sliding Mode Control)
SMFC : Điều khiển trƣợt mờ (Sliding Mode Fuzzy Control)
WMR : Rô bốt di động bằng bánh xe (Wheeled Mobile Robot)

14

DANH MỤC CÁC BẢNG

Bảng 1.1 Ký hiệu các loại bánh xe 3
Bảng 4.1 Xây dựng luật hợp thành mờ 55
Bảng 5.1 Các giá trị thông số của WMR 59
Bảng 5.2 Các giá trị khởi tạo ban đầu để mô phỏng 59

15



DANH MỤC CÁC HÌNH ẢNH
Hình 1.1 Một số loại WMR 1
Hình 1.2 Hình ảnh các loại bánh xe 2
Hình 1.3 Cấu hình một bánh lái phía trƣớc, một bánh truyền động phía sau 3
Hình 1.4 Cấu hình hai bánh truyền động với trọng tâm ở bên dƣới trục bánh xe 4
Hình 1.5 Cấu hình hai bánh chuyển động vi sai và thêm hai điểm tiếp xúc 4
Hình 1.6 Cấu hình hai bánh truyền động độc lập ở sau và một bánh lái ở trƣớc. 4
Hình 1.7 Cấu hình hai bánh quay tự do ở sau, bánh trƣớc vừa là bánh truyền động vừa
là bánh lái. 5

Hình 1.8 Cấu hình ba bánh đa hƣớng 5
Hình 1.9 Cấu hình bốn bánh đa hƣớng. 5
Hình 1.10 Chuyển động cơ bản của WMR. 6
Hình 1.11 Cấu trúc của rô bốt di chuyển bằng bánh 8
Hình 1.12 Các sai số bám đƣờng thẳng của rô bốt MICRO 8
Hình 1.13 Các sai lệch bám e
1
, e
2
, e
3
của rô bốt hàn. 9
Hình 2.1 Minh họa hàm Lyapunov. 14
Hình 2.2 Đồ thị quỹ đạo pha 15
Hình 2.3 Giải thích hiện tƣợng trƣợt 16
Hình 2.4 Giải thích nguyên lý trƣợt. 18
Hình 2.5 Mô tả hàm phụ thuộc μA(x) của tập các số thực từ -5 đến 5. 20
Hình 2.6 Hàm liên thuộc μB(x) của tập “mờ” B. 21
Hình 2.7 Các dạng hàm liên thuộc của tập mờ. 22
Hình 2.8 Hợp của hai tập mờ có cùng cơ sở 22
Hình 2.9 Giao của hai tập mờ có cùng cơ sở 23
Hình 2.10 Bù của hai tập mờ 24
Hình 2.11 Ví dụ mờ hóa biến tốc độ 25
Hình 2.12 Mô tả hàm liên thuộc của luật hợp thành 27
16

Hình 2.13 Rời rạc hoá các hàm liên thuộc 28
Hình 2.14 Giá trị rõ y
0
không phụ thuộc vào đáp ứng vào của luật điều khiển 30

Hình 2.15 Giá trị rõ y
0
phụ thuộc với đáp ứng vào của luật điều khiển 31
Hình 2.16 Giá trị rõ y
0
phụ thuộc tuyến tính với đáp ứng vào của luật điều khiển 31
Hình 2.17 Giá trị rõ y
0
là hoành độ của điểm trọng tâm 32
Hình 2.18 So sánh các phƣơng pháp giải mờ 33
Hình 2.19 Cấu trúc bên trong của bộ điều khiển mờ 34
Hình 2.20 Cấu trúc bộ điều khiển trƣợt mờ. 34
Hình 3.1 Mô hình hình học của rô bốt hai bánh – WMR 35
Hình 3.2 Vận tốc dài của các bánh xe và tâm quay M 37
Hình 4.1 Sơ đồ khối bộ mờ điều khiển WMR 52
Hình 4.2 Sự phân bố các giá trị mờ của biến đầu vào f
V
53
Hình 4.3 Sự phân bố các giá trị mờ của biến đầu vào f
p
54
Hình 4.4 Sự phân bố các giá trị mờ của biến đầu ra u 54
Hình 4.5 Bộ luật mờ 56
Hình 4.6 Luật hợp thành dạng hình học 56
Hình 4.7 Bề mặt luật hợp thành 57
Hình 4.8 Sơ đồ khối bộ điều khiển trƣợt mờ cho WMR 58
Hình 5.1 Quỹ đạo đƣờng cong mong muốn cho WMR 60
Hình 5.2 Lƣu đồ giải thuật điều khiển trƣợt không nhiễu 60
Hình 5.3 Sai lệch bám quy đạo cong của WMR khi sử dụng bộ điều khiển trƣợt trong
toàn thời gian 61

Hình 5.4 Sai lệch bám quy đạo cong của WMR khi sử dụng bộ điều khiển trƣợt ở thời
gian ban đầu 61
Hình 5.5 Lƣu đồ giải thuật điều khiển trƣợt có nhiễu lớn 62
Hình 5.6 Sai lệch bám quy đạo cong của WMR khi sử dụng bộ điều khiển trƣợt với
nhiễu lớn trong toàn thời gian 62
Hình 5.7 Sai lệch bám quy đạo cong của WMR khi sử dụng bộ điều khiển trƣợt với
nhiễu lớn ở thời gian ban đầu 63
17

Hình 5.8 Lƣu đồ giải thuật điều khiển trƣợt có nhiễu lớn sử dụng bộ điều khiển trƣợt
mờ 63
Hình 5.9 Sai lệch bám quy đạo cong của WMR khi sử dụng bộ điều khiển trƣợt mờ
trong toàn thời gian 64
Hình 5.10 Sai lệch bám quy đạo cong của WMR khi sử dụng bộ điều khiển trƣợt mờ ở
thời gian ban đầu 64
Hình 5.11 Chuyển động bám quy đạo cong của WMR khi sử dụng bộ điều khiển trƣợt
mờ trong toàn thời gian 65
Hình 5.12 Chuyển động bám quy đạo cong của WMR khi sử dụng bộ điều khiển trƣợt
mờ ở thời gian ban đầu 65
Hình 5.13 Mặt trƣợt S1 của bộ điều khiển trƣợt mờ 66
Hình 5.14 Mặt trƣợt S2 của bộ điều khiển trƣợt mờ 66
Hình 5.15 Vận tốc dài của WMR khi bám theo quỹ đạo ở thời gian ban đầu 67
Hình 5.16 Vận tốc dài của WMR khi bám theo quỹ đạo trong toàn thời gian 67
Hình 5.17 Vận tốc góc của WMR khi bám theo quỹ đạo trong toàn thời gian 68
Hình 5.18 Vận tốc góc của bánh WMR khi bám theo quỹ đạo trong toàn thời gian 68
Hình 5.19 Mô men quay của các bánh WMR ở thời gian ban đầu 69
Hình 5.20 Mô men quay của các bánh WMR trong toàn thời gian 69
Hình 5.21 Sai lệch bám quy đạo tròn của WMR khi sử dụng bộ điều khiển trƣợt mờ
trong toàn thời gian 70
Hình 5.22 Sai lệch bám quy đạo tròn của WMR khi sử dụng bộ điều khiển trƣợt mờ ở

thời gian ban đầu 71
Hình 5.23 Chuyển động bám quy đạo tròn của WMR khi sử dụng bộ điều khiển trƣợt
mờ trong toàn thời gian 71
Hình 5.24 Sai lệch bám quy đạo vuông tròn của WMR khi sử dụng bộ điều khiển trƣợt
mờ trong toàn thời gian 72
Hình 5.25 Sai lệch bám quy đạo vuông tròn của WMR khi sử dụng bộ điều khiển trƣợt
mờ trong thời gian ban đầu 72
Hình 5.26 Chuyển động bám quy đạo vuông tròn của WMR khi sử dụng bộ điều khiển
trƣợt mờ trong toàn thời gian 73
18


CHƢƠNG 1
TỔNG QUAN
1.1. Tổng quan về rô bốt
Thuật ngữ “robot” xuất phát từ tiếng Czech “robota” có nghĩa là công việc tạp
dịch trong vở kịch Rossum’s Universal Robots của Karel Capek, vào năm 1921.
Trong vở kịch này, Rossum và con trai của ông ta đã chế tạo ra những chiếc máy
gần giống với con ngƣời để phục vụ con ngƣời.
Từ đó ý tƣởng thiết kế, chế tạo rô bốt đã luôn thôi thúc con ngƣời và trở thành
một ngành khoa học rô bốt học - robotics.
Rô bốt di động bằng bánh xe (Wheeled Mobile Robot - WMR) đƣợc định
nghĩa là một loại xe rô bốt có khả năng tự dịch chuyển, tự vận động (có thể lập trình
lại đƣợc) dƣới sự điều khiển tự động, có khả năng hoàn thành công việc đƣợc giao.
Tiềm năng ứng dụng của rô bốt di động bằng bánh xe hết sức rộng lớn. Có thể
kể đến nhƣ: rô bốt vận chuyển vật liệu, hàng hóa trong các tòa nhà, nhà máy, cửa
hàng, sân bay, rô bốt phục vụ quét dọn đƣờng phố, rô bốt kiểm tra trong môi trƣờng
nguy hiểm, rô bốt canh gác, rô bốt do thám, rô bốt khám phá không gian, di chuyển
trên hành tinh, rô bốt hàn, rô bốt sơn trong nhà máy, rô bốt xe lăn phục vụ ngƣời
khuyết tật, rô bốt phục vụ sinh hoạt gia đình v.v…

a)

b)

c)
19


Hình 1.1 Một số loại rô bốt di động bằng bánh xe. a) rô bốt tự hành
Sojouner, b) rô bốt Hitachi H8/3062, c) rô bốt Halluc II

Bánh xe là phƣơng pháp phổ biến nhất cung cấp khả năng di chuyển cho một
rô bốt, đƣợc sử dụng với nhiều kích thƣớc và nền tảng rô bốt khác nhau. Kích thƣớc
của bánh xe dao động khá rộng, từ nhỏ cỡ vài chục xăng xi mét đến lớn hàng mét.
Thông thƣờng, xu hƣớng phát triển tập trung vào các bánh xe cỡ nhỏ, cỡ 5 cm trở
lại với 3 bánh xe/rô bốt, một bánh lái và hai bánh di chuyển. Loại phức tạp hơn có
thể sử dụng con quay hồi chuyển
Về vật liệu, vật liệu làm bánh xe không có yêu cầu đặc biệt, nhƣng một số
trƣờng hợp cụ thể có yêu cầu khá chặt. Ví dụ bánh xe rô bốt quân sự cần có khả
năng chống trƣợt. Điều này cũng có thể đạt đƣợc thông qua cấu trúc bánh xe, một rô
bốt với 4 bánh hoặc 6 bánh sẽ có ƣu thế chống trƣợt tốt hơn trƣờng hợp 2 bánh.
Ngoài ra, cơ cấu bánh xe cũng cần đƣợc chú ý khi thiết kế chuyển động cho rô bốt.
Bánh xe là cơ cấu làm cho rô bốt di động bằng bánh di chuyển, thông thƣờng

có ba loại bánh xe:
- Bánh xe tiêu chuẩn: hai bậc tự do, có thể quay quanh trục bánh xe và điểm
tiếp xúc.
- Bánh lái: hai bậc tự do, có thể quay xung quanh khớp lái.
- Bánh đa hƣớng - Swedish: ba bậc tự do, có thể quay đồng thời xung quanh
trục bánh xe, trục lăn và điểm tiếp xúc.







a)

b)
20



Hình 1.2 Hình ảnh các loại bánh xe. a) bánh xe tiêu chuẩn,
b) bánh xe đa hƣớng omni
Bảng 1.1 Ký hiệu các loại bánh xe

Ký hiệu
Miêu tả

Bánh xe quay tự do tiêu chuẩn (Standard Fixed Wheel)

Bánh xe truyền động tiêu chuẩn (Standard DrivenWheel)

Bánh lái đa hƣớng không truyền động (Standard Non
Driven Steer Wheel)

Bánh lái đa hƣớng truyền động (Standard Driven Steer
Wheel)

Bánh xe truyền động đa hƣớng (Omni directional Wheel)

Bánh xe tiếp xúc (Castor Wheel)

Cấu trúc sơ đồ ba bánh là kết cấu có khả năng duy trì cân bằng nhất, tuy nhiên
kết cấu hai bánh cũng có thể cân bằng đƣợc. Khi rô bốt có số bánh nhiều hơn ba thì
thông thƣờng ngƣời ta phải thiết kế hệ thống treo để duy trì sự tiếp xúc của tất cả
các bánh xe với mặt đất.
Dƣới đây là một số sơ đồ bố trí bánh xe điển hình của rô bốt di động bằng
bánh xe:
21


Hình 1.3 Cấu hình một bánh lái phía trƣớc và một bánh truyền động phía sau


Hình 1.4 Cấu hình hai bánh truyền động với trọng tâm
ở bên dƣới trục bánh xe



Hình 1.5 Cấu hình hai bánh chuyển động vi sai
và thêm hai điểm tiếp xúc

22


Hình 1.6 Cấu hình hai bánh truyền động độc lập ở phía sau
và một bánh lái ở phía trƣớc.

Hình 1.7 Cấu hình hai bánh quay tự do ở phía sau
và bánh trƣớc vừa là bánh truyền động vừa là bánh lái

Hình 1.8 Cấu hình ba bánh đa hƣớng
23


Hình 1.9 Cấu hình bốn bánh đa hƣớng
Không có cấu hình “lý tƣởng” cho sơ đồ bố trí bánh xe ở rô bốt di động bằng
bánh. Mỗi ứng dụng của nó sẽ bị ràng buộc về các vần đề về thiết kế rô
bốt, và nhiệm vụ của ngƣời thiết kế là lựa chọn một sơ đồ bánh xe thích hợp nhất.
1.2. Kỹ thuật điều hƣớng cho rô bốt di động bằng bánh
Vấn đề di chuyển là vấn đề trọng tâm của rô bốt di động. Để di chuyển đƣợc,
rô bốt phải thực hiện một loạt các tác vụ, mỗi tác vụ gắn với một bài toán nhỏ trong
bài toán di chuyển.
Sự di chuyển của rô bốt di động bằng bánh xe cơ bản theo hai hƣớng sau:
- Từ điểm này (điểm bắt đầu) đến điểm kia (điểm mục tiêu).
- Di chuyển bám theo quỹ đạo cho trƣớc.
24



Hình 1.10 Chuyển động cơ bản của rô bốt di động bằng bánh xe

a) di chuyển từ điểm bắt đầu đến điểm đích, b) di chuyển theo quỹ đạo

Rô bốt di động bằng bánh xe di chuyển theo một quỹ đạo định sẵn đƣợc gọi là
rô bốt bám đƣờng. Rô bốt bám đƣờng có thể di chuyển theo một đƣờng, đƣờng đi
có thể là có thể đƣợc nhìn nhận nhƣ một dòng màu đen trên một bề mặt trắng (hoặc
ngƣợc lại) hoặc nó có thể là đƣờng vô hình nhƣ một từ trƣờng.
Trong các dây truyền sản xuất tự động, những rô bốt di động bằng bánh xe di
chuyển theo một quỹ đạo lặp lại để thực hiện một số nhiệm vụ trong hệ thống tự
động đƣợc ứng dụng ngày càng rộng rãi. Ngoài ra, ngày nay trên những xe ô tô hiện
đại thƣờng đƣợc các hãng phát triển hệ thống lái tự động. Bài toán đi theo quĩ đạo
cũng đƣợc áp dụng rộng rãi trong các cuộc thi Robocon dành cho các sinh viên các
trƣờng Cao Đẳng, Đại Học Kỹ Thuật.
25

Vấn đề bài toán điều khiển rô bốt di động bằng bánh xe di chuyển theo quỹ
đạo (Trajectory following) đã đƣợc rất nhiều nhà khoa học quan tâm, từ việc áp
dụng các thuật toán điều khiển thích nghi đến việc mã hóa thông tin về đƣờng đi
dƣới dạng số bằng việc bố trí hàng loạt cảm biến thu phát quang đến ứng dụng kỹ
thuật xử lý ảnh…Trong luận văn này bài toán rô bốt di động bằng bánh xe bám theo
quỹ đạo đƣợc giải quyết bằng một bộ điều khiển với giải thuật “trƣợt mờ” mà kết
quả đƣợc minh họa bằng mô phỏng trên Matlab.
1.3. Tóm tắt một số công trình nghiên cứu
1. “Structural Properties and Classification of Kinematicand Dynamic
Models of Wheeled Mobile Robots”, Guy Campion, Georges Bastin, and Brigitte
D’ AndrCa-Nove; IEEE transactions on Robotics and automation, vol. 12, no. 1,
february 1996.[7]

Bài báo này trình bày vấn đề về các loại rô bốt di chuyển bằng bánh đã đƣợc
sử dụng rộng rãi trong các ứng dụng công nghiệp và dịch vụ khác nhau nhƣ giao
thông vận tải, an ninh, kiểm tra và thăm dò các hành tinh, …, với các cấu hình di

động khác nhau về (số lƣợng và loại bánh xe, vị trí và bộ phận điều khiển của
chúng, cấu trúc đơn hoặc cấu trúc đôi). Các nghiên cứu phân tích chi tiết cấu trúc
của các mô hình động học và động lực học của các rô bốt di chuyển bằng bánh có
thể đƣợc tìm thấy trong [7], [8], [9].

Hình 1.11 Cấu trúc của rô bốt di chuyển bằng bánh