NGHIÊN CỨU XÂY DỰNG PHƯƠNG PHÁP ĐIỀU KHIỂN ROBOT TỰ HÀNH DỰA TRÊN CƠ SỞ LOGIC MỜ

TRƯỜNG ĐẠI HỌC GIAO THÔNG VẬN TẢI
KHOA CƠ KHÍ
………o0o……..
ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP
Ngành : Cơ khí
Chuyên ngành: Cơ điện tử
ĐỀ TÀI: NGHIÊN CỨU XÂY DỰNG PHƯƠNG PHÁP ĐIỀU KHIỂN
ROBOT TỰ HÀNH DỰA TRÊN CƠ SỞ LOGIC MỜ
Sinh viên thực hiện: Nguyễn Xuân Hoàng
Lớp: Cơ điện tử
Khóa 46
Giáo viên hướng dẫn: ThS.An Tri Tân
Hà Nội-2010
-1 -
Hà Nội-2010....................................................................................................................1
LỜI NÓI ĐẦU...............................................................................................................................6
CHƯƠNG I....................................................................................................................................8
TỔNG QUAN VỀ ROBOT TỰ HÀNH.........................................................................................8
nội dung chương I :........................................................................................................................8
- Giới thiệu chung về robot tự hành................................................................................................8
- Phân loại robot tự hành................................................................................................................8
- Các phương pháp điều hướng cho robot tự hành .........................................................................8
1.1.Giới thiệu chung...................................................................................................................8
1.2.Phân loại robot tự hành.......................................................................................................10
1.2.1.Robot tự hành di chuyển bằng chân(Legged Robot).............................................10
1.2.2.Robot tự hành di chuyển bằng bánh(Wheel Robot tự hành).................................11
1.3.Phương pháp điều hướng cho robot tự hành.......................................................................16
1.3.1.Phương pháp điều hướng có tính toán...................................................................16
1.3.2.Phương pháp điều hướng robot theo phản ứng......................................................18
1.3.3.Phương pháp điều khiển lai ghép..........................................................................20
CHƯƠNG II.................................................................................................................................21

MÔ HÌNH ĐỘNG HỌC VÀ KỸ THUẬT ĐỊNH VỊ CHO ROBOT TỰ HÀNH........................21
nội dung chính trong chương II :..................................................................................................21
- Xây dựng mô hình động học cho robot tự hành.........................................................................21
- Các phương pháp định vị cho robot tự hành...............................................................................21
2.1.Mô hình động học cho robot...............................................................................................21
2.1.1.Mô hình bánh xe robot..........................................................................................22
2.1.2.Phương trình động học robot.................................................................................23
2.2.Kỹ thuật định vị cho robot tự hành.....................................................................................25
Chương Iii....................................................................................................................................27
cơ SỞ VỀ LOGIC MỜ VÀ ĐIỀU KHIỂN MỜ............................................................................28
Nội dung trong chương III :..........................................................................................................28
- Giới thiệu về Logic mờ..............................................................................................................28
-2 -
- Các khải niệm cơ bản về Logic Mờ............................................................................................28
- Bộ điều khiển Mờ ( Fuzzy Control)...........................................................................................28
3.1.Giới thiệu về logic Mờ (Fuzzy Logic)................................................................................28
3.2.Một số khái niệm cơ bản ....................................................................................................31
3.2.1.Định nghĩa tập mờ và các thuật ngữ liên quan.......................................................31
a.Định nghĩa tập mờ: Tập mờ F xác định trên tập kinh điển M là một tập mờ mỗi phần từ của
nó là một cặp các giá trị (x,µF(x)) trong đó có x ∈ M và μF là ánh xạ μF : M → [0, 1]...........32
b.Miền xác định:............................................................................................................32
c.Hàm liên thuộc ...........................................................................................................33
d. Độ cao, miền xác định và miền tin cậy của tập mờ....................................................33
e. Biến ngôn ngữ............................................................................................................34
f. Hàm đặc trưng............................................................................................................34
g.Mệnh đề hợp thành, luật hợp thành.............................................................................36
h.Giải mờ.......................................................................................................................36
3.2.2.Bộ điều khiển Mờ..................................................................................................37
CHƯƠNG IV...............................................................................................................................39
XÂY DỰNG THUẬT TOÁN VỀ ỨNG DỤNG LOGIC MỜ TRONG KỸ THUẬT DẪN

HƯỚNG CHO ROBOT TỰ HÀNH VÀ MÔ PHỎNG TRÊN MATLAB – SIMULATINK................39
4.1. Giới thiệu về Matlab Simulink và Fuzzy Logic Toolbox...................................................39
4.1.1.Matlab Simulink ...................................................................................................39
4.1.2.Fuzzy Logic Toolbox............................................................................................42
4.2.Xây dựng bộ điều khiển Fuzzy Logic Controller (FLC) trên Fuzzy Logic Toolbox...........43
4.2.1.Thuật toán điều khiển Mobile robot, định nghĩa các biến vào ra...........................43
4.2.2.Xác định tập mờ....................................................................................................44
4.3.Xây dựng và mô phỏng Mobile robot trên Matlab Simulink..............................................54
4.3.1.Xây dựng mô hình Mobile robot...........................................................................54
4.3.2.Xây dựng sơ đồ khối toàn bộ của Mobile robot.....................................................55
4.3.4.Kết quả mô phỏng quá trình..................................................................................56
b/ Đồ thị đáp ứng khoảng cách của robot.....................................................................................59
Hình 4.23. Kết quả mô phỏng của TH3........................................................................................59
-3 -
Rõ ràng khi xét tới nhiễu đường đáp ứng của hệ thống không còn trơn mịn như trước nữa, tuy
nhiên hệ thống vẫn bám theo quỹ đạo đặt với sai lệch là chấp nhận được..............................................59
Đánh giá chung quá trình khảo sát hệ thống điều khiển robot tự hành : ....................................60
Trong cả 3 trường hợp, robot đều có khả năng trở về quỹ đạo đặt..............................................60
Thời gian quá độ là không dài có nghĩa hệ thống có khả năng tác động tương đối nhanh (khoảng
1,2 ÷ 1,8 s) ngay cả khi có nhiễu tuy rằng đường đi của robot không hoàn toàn như giá trị đặt nhưng
robot luôn có xu hướng bám sát với quỹ đạo đặt. Điều đó cho thấy hệ thống làm việc tương đối ổn định
và việc áp dụng bộ điều khiển mờ vào bài toán điều hướng cho robot tự hành là hoàn toàn khả thi.......60
Phần giới thiệu về quá trình xây dựng mô hình thực cũng như áp dụng bộ điều khiển mờ cho bài
toán điều hướng tự hành hoạt động trong môi trường không biết trước sẽ được trình bày chi tiết trong
chương V................................................................................................................................................60
CHƯƠNG V.................................................................................................................................61
XÂY DỰNG MÔ HÌNH ROBOT TỰ HÀNH.............................................................................61
5.1. Xây dựng sơ đồ khối hoạt động của robot.........................................................................61
5.2. Xây dựng khối điều khiển cho Mobile robot.....................................................................63
5.2.1. Khối xử lý tín hiệu...............................................................................................63

a. Vi điều khiển Pic 18F4331.........................................................................................63
b.Mạch nguồn cho khối điều khiển................................................................................66
c. Các thiết bị hiển thị....................................................................................................67
c.Sơ đồ nguyên lý mạch vi điều khiển............................................................................67
.......................................................................................................................................68
5.2.2. Khối mạch công suất............................................................................................69
a. Phân tích lựa chọn phương pháp điều khiển...............................................................69
b. Thiết kế mạch lực.......................................................................................................70
c. Sơ đồ mạch cầu H......................................................................................................72
5.2.3.Gia công các khối mạch .......................................................................................74
Hình 5.22.Mạch điều khiển............................................................................................77
5.2.3. Cảm biến..............................................................................................................77
..................................................................................................................................................78
Hình.5.24.Sơ đồ hoạt động của SRF05.....................................................................................78
5.4.Thiết kế cơ khí....................................................................................................................79
....................................................................................................................................................84
-4 -
PHỤ LỤC.....................................................................................................................................85
A.Sơ đồ nguyên lý mạch động lực............................................................................................85
B.Sơ đồ nguyên lý mạch điều khiển.........................................................................................86
C. Chương trình áp dụng logic mờ cho Mobile robot...............................................................87
-5 -
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 XÂY DỰNG PHƯƠNG PHÁP ĐIỀU KHIỂN
ROBOT TỰ HÀNH DỰA TRÊN LOGIC MỜ 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 5 chương:
- Chương I: Tổng quan về robot tự hành
- Chương II: Mô hình toán học Robot tự hành
- Chương III: Logic mờ
- Chương IV: Xây dựng thuật toán điều khiển robot tự hành dựa trên logic mờ
và mô phỏng trên phần mềm Matlab-Simulink
- Chương V: Xây dựng mô hình robot tự hành
-6 -
Trong suốt quá trình thực hiện đề tài, tôi đã được sự giúp đỡ của các bạn
trong nhóm, các thầy trong bộ môn Kỹ thuật máy-khoa Cơ khí-ĐHGTVT, và đặc
biệt là thầy An Tri Tân.
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 đọc là điều
vô cùng quý giá đối với tôi. Tôi xin chân thành cám ơn!

-7 -
CHƯƠNG I
TỔNG QUAN VỀ ROBOT TỰ HÀNH
Nội dung chương I :
- Giới thiệu chung về robot tự hành
- Phân loại robot tự hành
- Các phương pháp điều hướng cho robot tự hành
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
-8 -
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
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
-9 -
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.
1.2.1.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.
a/
b/
-10 -
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.
1.2.2.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:
-11 -
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.
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
2
Một bánh lái phía trước, một bánh phía
sau
Hai bánh truyền động với trọng tâm ở
bên dưới trục bánh xe.

3
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.
-12 -
Hình 1.2. Các loại bánh xe cơ bản dùng cho robot tự hành
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 bánh Swedisk được đặt ở các đỉnh
của một tam giác đều, kết cấu này cho phép
robot di chuyển theo đa hướng.
4
2 bánh chủ động ở phía sau, hai bánh
lái ở phía trước.
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 bánh vừa là truyền động vừa là bánh
lái.

-13 -

Hai bánh truyền động ở giữa, thêm 4
bánh đa hướng ở xung quanh.
Hai bánh truyền động vi sai ở giữa,
bốn bánh đa hướng ở 4 góc.
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.
Một số loại robot chuyển động bằng bánh:
-14 -
Hình 1.3. 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. Robot
AIRDUCT 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 1.6. Robot Mbari’s
Altex Auv (Autonomous
Underware Vehicle) được sử
dụng để hoạt động dưới đáy
biển sâu ở Bắc Cực
-15 -
Hình 1.8. 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
1.3.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.
1.3.1.Phương pháp điều hướng có tính toán
-16 -
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 mổ 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.
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
-17 -
Nhận 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
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.
1.3.2.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
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,
-18 -
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.
-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
-19 -
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.
1.3.3.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 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.
-20 -
CHƯƠNG II

MÔ HÌNH ĐỘNG HỌC VÀ KỸ THUẬT ĐỊNH VỊ CHO ROBOT TỰ
HÀNH
Nội dung chính trong chương II :
- Xây dựng mô hình động học cho robot tự hành
- Các phương pháp định vị cho robot tự hành
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

-21 -
ước lượng vị trí. Tay máy thường có một đầu được gắn cố định, 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.
2.1.1.Mô hình bánh xe robot
Mô hình bánh xe robot được lý tưởng hóa như hình 2.1. 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
-22 -

Hình 2.1. Mô hình bánh xe đã
được lý tưởng hóa
Động học là bài toán về chuyển động mà không xét tới sự tác động của lực
tới chuyển động của robot, nó bao gồm các yếu tố hình học xác định vị trí của
robot. Nó bao thể hiện mối quan hệ giữa các thông số điều khiển và các thông số
trạng thái của hệ thống trong không gian.
2.1.2.Phương trình động học robot
Mô hình robot được thể hiện ở hình 2.2 dưới đây.
Hình 2.2. Mô hình động học của robot tự hành
Trước tiên để xác định vị trí của robot trong mặt phẳng, ta xây dựng mối
quan hệ giữa tọa độ tham chiếu toàn cục của mặt phẳng và hệ tọa độ tham chiếu
cục bộ của robot như hinh 2.2 . Các trục x, y xác định tọa độ của điểm bất kì
trong hệ tọa độ toàn cục có gốc O (xOy). Điểm P coi là tâm dịch chuyển của
robot, nó được dùng để xác định vị trí của robot. Hệ tọa độ x
m
Py
m
là hệ tọa độ
-23 -
L
ICC
R
r
x
m
x
y
m
y
P

0
Y
X
Θ
tham chiếu cục bộ của robot, gắn liền với robot. Như vậy vị trí điểm P trong hệ
tọa độ tham chiếu toàn cục được xác định bởi tọa độ x, y và góc lệch θ giữa hai
hệ tọa độ toàn cục và cục bộ. Các thông số hình học của robot bao gồm :
v
r
(t)- vận tốc dài của bánh phải
v
l
(t)- vận tốc dài của bánh trái
ω
r
(t)- vận tốc góc của bánh phải
ω
l
(t)- vận tốc góc của bánh trái
r- bán kính mỗi bánh robot
L- khoảng cách 2 bánh
R- khoảng cách từ tâm robot tới tâm vận tốc tức thời
ICC- tâm vận tốc tức thời
R-L/2 – bán kính mô tả quỹ đạo chuyển động cong của bánh trái
R+L/2- bán kính mô tả quỹ đạo chuyển động cong của bánh phải
Từ tâm vận tốc tức thời ICC, ta xác định được vận tốc góc của robot:

( )
( )
/ 2

r
v t
t
R L
ω
=
+
(2.1)
( )
( )
/ 2
l
v t
t
R L
ω
=
−
(2.2)
( ) ( )
( )
r l
v t v t
t
L
ω
−
=
(2.3)
Bán kính cong từ tâm di chuyển của robot tới tâm vận tốc tức thời được tính

theo công thức :

( ( ) ( ))
2( ( ) ( ))
l r
l r
L v t v t
R
v t v t
+
=
−
(2.4)
Từ đó vận tốc dài của robot được tính :
-24 -
1
( ) ( ). ( ( ) ( ))
2
r l
v t t R v t v t
ω
= = +
(2.5)
Phương trình toán học trong không gian trạng thái có thể được viết thành:
( ) ( ) os ( )
( ) ( )sin ( )
( ) ( )
x t v t c t
y t v t t
t t

θ
θ
θ ω
=
=
=
&
&
&
(2.6)
Tích phân 2 vế ta được :
0
0
0
( ) ( ) os( ( )) ( )
( ) ( )sin( ( ))
( ) ( )
t
t
t
x t v t c t d t
y t v t t dt
t t dt
θ
θ
θ ω
=
=
=
∫

∫
∫
(2.7)
Phương trình trên có thể được viết lại dưới dạng ma trận :
( )
os 0 ( ) os
( )
( )
( ) sin 0 ( )sin( )
( )
( )
0 1 ( )
( )
x
l
y
r
v t
c v t c
v t
v t
v t v t
t
v t
t
t
θ θ
θ θ
ω
ω

θ
 
   
  
 
   
= =
 
 
 
   
 
 
 
   
   
 
&
1 1 1
( ) os os os
2 2 2
1 1 1
( )sin sin sin
2 2 2
( ) / 1/ 1/
r l
r
r l
l
r l

v v c c c
v
v v
v
v v L L L
θ θ θ
θ θ θ
   
−
   
   
 
   
= + =
 
   
 
   
− −
   
   
   
(2.8)
Đây là phương trình mà sẽ được sử dụng để xây dựng mô hình robot trên
phần mềm mô phỏng Matlab-Simulink. Trên đó robot sẽ được điều khiển bởi một
bộ điều khiển dựa trên Logic mờ .
2.2.Kỹ thuật định vị cho robot tự hành
-25 -