Điều khiển bám cho robot di động đa hướng dùng bộ điều khiển trượt

..

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ TP. HCM

NGUYỄN THÀNH TRUNG

ĐIỀU KHIỂN BÁM CHO ROBOT DI ĐỘNG
ĐA HƯỚNG DÙNG BỘ ĐIỀU KHIỂN TRƯỢT

LUẬN VĂN THẠC SĨ
Chuyên ngành : Kỹ thuật Cơ điện tử
Mã số ngành: 60520114

CÁN BỘ HƯỚNG DẪN: TS. NGUYỄN HÙNG

TP. HỒ CHÍ MINH, tháng 12 năm 2013


CƠNG TRÌNH ĐƯỢC HỒN THÀNH TẠI
TRƯỜNG ĐẠI HỌC CƠNG NGHỆ TP. HCM

Cán bộ hướng dẫn khoa học : TS. NGUYỄN HÙNG

Luận văn Thạc sĩ được bảo vệ tại Trường Đại học Công nghệ TP. HCM
ngày … tháng … năm ……..
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. ……………………………………………………………
2. ……………………………………………………………
3. ……………………………………………………………

4. ……………………………………………………………
5. ……………………………………………………………
Xác nhận của Chủ tịch Hội đồng đánh giá Luận sau khi Luận văn đã được
sửa chữa (nếu có).
Chủ tịch Hội đồng đánh giá LV


TRƯỜNG ĐẠI HỌC CƠNG NGHỆ TP. HCM
PHỊNG QLKH – ĐTSĐH

CỘNG HÒA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM
Độc lập - Tự do - Hạnh phúc

TP. HCM, ngày..… tháng ….. năm …….

NHIỆM VỤ LUẬN VĂN THẠC SĨ
Họ tên học viên: NGUYỄN THÀNH TRUNG

Giới tính: Nam

Ngày, tháng, năm sinh: 19/4/1977

Nơi sinh: TP.HCM

Chuyên ngành: Kỹ Thuật Cơ điện tử

MSHV: 1241840020

I- TÊN ĐỀ TÀI:
ĐIỀU KHIỂN BÁM CHO ROBOT DI ĐỘNG ĐA HƯỚNG

DÙNG BỘ ĐIỀU KHIỂN TRƯỢT
II- NHIỆM VỤ VÀ NỘI DUNG:
1. Nhiệm vụ của đề tài:
- Xây dựng mơ hình động học và mơ hình động lực học của robot di động đa
hướng ba bánh (OMR).
- Nghiên cứu phương pháp điều khiển trượt tích phân cho Robot di động đa
hướng ba bánh (OMR).
- Tìm hiểu xử lý ảnh OpenCV, kít nhúng Raspberry Pi và lập trình xử lý Pic.
- Mơ phỏng Robot bám theo quỹ đạo tham chiếu bộ điều khiển sử dụng
Matlab M-file cho Robot di động đa hướng ba bánh (OMR).
2. Nội dung của đề tài:
Chương 1: Tổng quan
Chương 2: Cơ sở lý thuyết
Chương 3: Mơ hình tốn
Chương 4: Thiết kế bộ điều khiển trượt tích phân
Chương 5: Mơ phỏng và thực nghiệm
Chương 6: Kết luận và hướng phát triển của đề tài
III- NGÀY GIAO NHIỆM VỤ: 18/6/2013
IV- NGÀY HOÀN THÀNH NHIỆM VỤ: 15/12/2013
V- CÁN BỘ HƯỚNG DẪN: TS. NGUYỄN HÙNG
CÁN BỘ HƯỚNG DẪN

KHOA QUẢN LÝ CHUYÊN NGÀNH

(Họ tên và chữ ký)

(Họ tên và chữ ký)


i

LỜI CAM ĐOAN
Tơi cam đoan đây là cơng trình nghiên cứu của riêng tôi. Các số liệu, kết quả
nêu trong Luận văn là trung thực và chưa từng được ai cơng bố trong bất kỳ cơng
trình nào khác.
Tơi cam đoan rằng mọi sự giúp đỡ cho việc thực hiện Luận văn này đã được
cảm ơn và các thơng tin trích dẫn trong Luận văn đã được chỉ rõ nguồn gốc.
Học viên thực hiện Luận văn
(Ký và ghi rõ họ tên)

Nguyễn Thành Trung


ii

LỜI CÁM ƠN
Qua thời gian học tập và nghiên cứu tại trường, nay tơi đã hồn thành đề tài
tốt nghiệp cao học của mình. Để có được thành quả này, tôi đã nhận được rất nhiều
sự hỗ trợ và giúp đỡ tận tình từ Thầy, Cơ, đồng nghiệp, bạn bè và gia đình.
Tơi chân thành cảm ơn q Thầy, Cơ Khoa Cơ - Điện - Điện Tử, q Thầy,
Cơ Phịng Quản Lý Khoa Học – Đào Tạo Sau Đại Học Trường Đại Học Công Nghệ
TP.HCM đã hướng dẫn giúp đỡ, hỗ trợ tơi trong suốt q trình thực hiện luận văn.
Trong q trình thực hiện luận văn, tơi muốn nói lời cám ơn đến Thầy TS.
Nguyễn Hùng, người đã nhiệt tình hướng dẫn tơi trong suốt thời gian thực hiện luận
văn.
Cảm ơn đồng nghiệp, bạn bè đã hỗ trợ trong quá trình thực hiện đề tài nghiên
cứu, gia đình và người thân đã động viên, hỗ trợ tôi trong suốt thời gian thực hiện
nghiên cứu này.
Trân trọng.
Tp. Hồ Chí Minh, ngày …… tháng … năm ……

Người thực hiện luận văn

Nguyễn Thành Trung


iii

TĨM TẮT LUẬN VĂN
Trong luận văn này, tác giả trình bày bộ điều khiển bám mới tích hợp gồm một
bộ điều khiển động học ( KC ) với một bộ điều khiển trượt tích phân ( ISMC ) được
thiết kế cho một Robot di động đa hướng (OMR) bám theo quỹ đạo mong muốn ở
một vận tốc mong muốn. Đầu tiên, một vector được xác định và bộ điều khiển động
học ( KC ) được chọn để vector sai số tiến về 0. Thứ hai, một vector mặt trượt tích
phân được định nghĩa dựa trên vector sai số vận tốc góc. Bộ điều khiển trượt tích
phân ( ISMC ) được thiết kế để làm cho vector mặt trượt và vector sai số vận tốc góc
tiến tới 0, các bộ điều khiển được thiết kế dựa trên lý thuyết ổn định Lyapunov.
Luận văn sử dụng phần mềm Matlab để mô phỏng và các kết quả mô phỏng đã
chứng minh khả năng hội tụ và tính ổn định của bộ điều khiển.
Luận văn giúp làm cơ sở khoa học cho việc thiết kế để chế tạo các Robot di
động đa hướng điều khiển bám theo quỹ đạo tham chiếu với độ chính xác cao về vị
trí và tốc độ như mong muốn, tạo nền tảng cơ bản với mơ hình tốn học rõ ràng cho
việc ứng dụng vào thực tế cuộc sống như : Robot hàn, vận chuyển vật tư, thiết bị
trong nhà máy, xí nghiệp, bệnh viện, các dây chuyền tự động hóa …


iv

ABSTRACT
In this paper, a new tracking controller that integrates a kinematic controller
(KC) with an integral sliding mode dynamic controller ( ISMC ) is designed for an

omnidirectional mobile platform (OMR ) to track a desired trajectory at a desired
velocity. First, a posture tracking error vector is defined, and kinematic controller
(KC) is chosen to make the posture tracking error vector go to zero asymptotically.
Second, an integral sliding surface vector is defined based on the angular velocity
tracking error vector and its integral term. A new integral sliding mode dynamic
controller ( ISMC ) is designed to make the integral sliding surface vector and the
angular velocity tracking error vector go to zero asymptotically. The above
controllers are obtained based on Lyapunov stability theory.
The paper also uses Matlab software to establish simulations and their results
prove both convergence and stability of the expected tracking slide controller.
The study contributes to the scientific foundation for designing and building
the Omni-directional Mobile Robot (OMR) to be controlled for moving along the
reference trajectory with high accuracy in terms of position and velocity as
expected, and creates basical basis with definitely mathematical model for further
application to real life, such as special robots for welding, transporting materials and
equipment in workshops, factories, hospitals, and the automation lines …


v

MỤC LỤC

LỜI CAM ĐOAN ...................................................................................................... i
LỜI CẢM ƠN ........................................................................................................... ii
TÓM TẮT LUẬN VĂN ..........................................................................................iii
ABSTRACT ............................................................................................................. iv
MỤC LỤC ................................................................................................................. v
DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT ........................................................................ vii
DANH MỤC CÁC BẢNG......................................................................................viii
DANH MỤC CÁC HÌNH . ....................................................................................... ix

GIỚI THIỆU ĐỀ TÀI ............................................................................................... 1
1 Đặt vấn đề .............................................................................................................. 1
2 Tính cấp thiết của tài .............................................................................................. 1
3 Phạm vi nghiêng cứu .............................................................................................. 2
4 Phương pháp nghiên cứu ........................................................................................ 2
5 Nội dung nghiên cứu .............................................................................................. 3
CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN VỀ ROBOT .................................................................. 3
1.1 Tổng quan ............................................................................................................ 4
1.2 Sơ lược quá trình phát triển ................................................................................ 4
1.3 Phân loại Robot tự hành ...................................................................................... 8
1.4 Tóm tắt các cơng trình nghiên cứu liên quan ..................................................... 11
1.5 Nhận xét chung và hướng tiếp cận .................................................................... 27
CHƯƠNG 2 CƠ SỞ LÝ THUYẾT ......................................................................... 28
2.1 Giới thiệu phương pháp Lyapunov .................................................................... 28
2.2 Định lý ổn định thứ 2 của Lyapunov ................................................................. 28


vi

2.3 Lý thuyết điều khiển trượt .................................................................................. 30
2.3.1 Giới thiệu chung .............................................................................................. 30
2.3.2 Thiết kế bộ điều khiển trượt ........................................................................... 32
2.4 Cơ bản về xử lý ảnh số ..................................................................................... 34
2.4.1 Giới thiệu về hệ thống xử lý ảnh .................................................................... 34
2.4.2 Các khái niệm cơ bản xử lý ảnh ..................................................................... 36
2.5 Nhận dạng khn mặt với thuật tốn ADABOOST ......................................... 40
2.5.1 Ảnh tích phân ( Integral Image) .. ................................................................. 41
2.5.2 Các hàm học phân loại .. ................................................................................ 42
2.5.3 Chuỗi phân loại tập trung (Attentional Cascade) . ......................................... 44
2.5.4 Huấn luyện một chuỗi phát hiện .... ............................................................. .45

2.6 Thư viện xử lý ảnh OpenCV của Intel .................... ......................................... 45
2.6.1 Giới thiệu ....................................................................................................... 45
2.6.2 Các thành phần chức năng của OpenCv ... .................................................... 46
2.6.3 Cấu trúc ảnh IplImage ... ................................................................................ 46
2.6.4 Các hàm dùng trong luận văn .... .................................................................. 48
CHƯƠNG 3 MƠ HÌNH TỐN ............................................................................... 51
3.1 Cấu trúc hình học của Robot di động đa hướng................................................. 51
3.2 Mơ hình tốn Robot di động đa hướng (OMR) ................................................. 52
3.2.1 Mơ hình động học ........................................................................................... 52
3.2.2 Mơ hình động lực học .................................................................................... 53
CHƯƠNG 4 THIẾT KẾ BỘ ĐIỀU KHIỂN TRƯỢT TÍCH PHÂN ....................... 56
4.1 Dẫn nhập ............................................................................................................ 56
4.2 Thiết kế bộ điều khiển trượt tích phân (ISMC) cho OMR ................................. 56
CHƯƠNG 5 KẾT QUẢ MÔ PHỎNG & THỰC NGHIỆM ................................... 60
5.1 Kết quả mô phỏng .............................................................................................. 60
5.2 Kết luận ............................................................................................................. 66


vii

5.3 Mơ hình thực nghiệm .. ..................................................................................... 66
5.3.1 Kít nhúng Pi ................................................................................................... 66
5.3.2 Mục tiêu xử lý ảnh bằng OpenCV ................................................................. 67
5.3.3 Giải thuật về xử lý ảnh sử dụng kít nhúng Raspberry Pi . .............................. 68
5.3.4 Sơ đồ khối phần cứng .................................................................................... 68
5.3.5 Lưu đồ giải thuật kit nhúng Raspberry Pi và board điều khiển Pic ................ 69
5.3.6 Mô hình thực nghiệm ................................................................................... 69
CHƯƠNG 6 KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN CỦA ĐỀ TÀI ................. 75
6.1 Những kết quả đạt được ..................................................................................... 75
6.2 Hướng phát triển của đề tài ................................................................................ 75

TÀI LIỆU THAM KHẢO ........................................................................................ 76
PHỤ LỤC ................................................................................................................. 78


vii

DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT

OMR

: Robot di động đa hướng (omnidirectional mobile robot)

ISMC

: Điều khiển trượt tích phân ( Integral Sliding Mode Control)

OMS-SOW : Robot di động đa hướng có bánh xe đa hướng (Omnidirectional
Mobile Robot - Steerable Omnidirectional Wheels)
4WD

: Bốn bánh xe có lái (Four Wheet Drive)

BELBIC

: Bộ điều khiển thông minh dựa trên khả năng tư duy cảm xúc (Brain
Emotional Learning Bared Intelligent Controller)

DOF

: Bậc tự do (degree of freedom)

KC

: Điều khiển động học (kinematic controller)

SMC

: Điều khiển kiểu trượt (sliding mode control).


viii

DANH MỤC CÁC BẢNG

Bảng 1.1: Tóm tắt lịch sử phát triển của Robot. ........................................................ 5
Bảng 1.2: Ký hiệu của các loại bánh xe . ................................................................... 9
Bảng 1.3: Các cách bố trí bánh xe của Robot . .......................................................... 9
Bảng 5.1: Giá trị các thơng số mơ hình của OMR. .................................................. 60
Bảng 5.2: Các giá trị thông số mô phỏng ban đầu. .................................................. 61


ix
DANH MỤC CÁC HÌNH
Hình 1.1: Robot di động đa hướng .......................................................................... 11
Hình 1.2: Các hệ tọa độ và thơng số cho bánh xe đa hướng . ................................. 12
Hình 1.3: Cấu trúc của OmniKity . .......................................................................... 12
Hình 1.4: OmniKity II . ............................................................................................ 13
Hình 1.5: Thuật tốn xác định vị trí cho Robot . ...................................................... 13
Hình 1.6: Kết quả thực nghiệm ngõ ra hệ mờ của Robot........................................... 13
Hình 1.7: Kết quả điều khiển bám theo hướng banh của Robot ................................ 13

Hình 1.8: Mơ tả hình học cho OMR-SOW. ............................................................... 14
Hình 1.9: Kết quả thực nghiệm bám theo đường trịn................................................ 14
Hình 1.10: Tọa độ tuyến tính .................................................................................... 15
Hình 1.11: Định nghĩa vận tốc cho khối lượng . ........................................................ 15
Hình 1.12: Góc nghiên .............................................................................................. 15
Hình 1.13: Vận tốc theo phương x. .......................................................................... 16
Hình 1.14: Góc nghiên . ............................................................................................ 16
Hình 1.15: Góc nghiên ................................................................................................. 16
Hình 1.16: Các sai số khi rô bốt bám đường thẳng . ................................................ 17
Hình 1.17: Robot đa hướng 4 bánh . ........................................................................ 18
Hình 1.18: Bánh xe vơ hướng . ................................................................................ 19
Hình 1.19: Phân tích lực tác động lên Robot. .......................................................... 19
Hình 1.20: Truyền động cho 4WD........................................................................... 20
Hình 1.21: Di chuyển đa hướng lực và cơ chế 4WD ............................................... 20
Hình 1.22: Mơ hình 3D nhìn từ bên dưới ................................................................ 20
Hình 1.23: Robot khi leo mặt phẳng nghiêng. ......................................................... 21
Hình 1.24: Robot đa hướng 3 bánh dùng để chơi đá banh ...................................... 21
Hình 1.25: Hệ thống điều khiển cho Robot ............................................................. 22
Hình 1.26: Mơ hình hình học của Robot .................................................................. 22


x
Hình 1.27: Sơ đồ điều khiển ................................................................................... 22
Hình 1.28: Chuyển động của Robot theo đường cơng kín ....................................... 23
Hình 1.29: Tốc độ của động cơ khi khơng có BELBIC và có BELBIC ................... 23
Hình 1.30: Robot bám theo đường thẳng ................................................................. 24
Hình 1.31: Robot bám theo đường cong .................................................................. 24
Hình 1.32: Cấu hình cho mơ hình hình học của các OMP ........................................ 25
Hình 1.33: Vector sai số vị trí tại thời điểm ban đầu ............................................... 25
Hình 1.34: Vector sai số vị trí tồn thời gian ............................................................ 26

Hình 1.35: Vận tốc tuyến tính của OMP .................................................................. 26
Hình 1.36: Sự di chuyển của OMP lúc ban đầu ........................................................ 26
Hình 2.1: Minh họa hàm Lyapunov ........................................................................ 29
Hình 2.2: Ví dụ minh họa định lý Lyapunov ............................................................. 29
Hình 2.3: Các hệ thống có điều khiển trượt .............................................................. 31
Hình 2.4: Hình chiếu quỹ đạo pha ............................................................................. 31
Hình 2.5: Biểu diễn hình chiếu của quỹ đạo pha ....................................................... 33
Hình 2.6: Hiện tượng dao động (Charttering) ............................................................ 34
Hình 2.7: Các bước cơ bản trong xử lý ảnh ............................................................. 34
Hình 2.8: Biểu diễn ảnh bằng pixel trong ảnh đơn sắc ............................................ 36
Hình 2.9: Thang màu xám ........................................................................................ 37
Hình 2.10: Chia ảnh màu RBG thành các kênh màu và ảnh xám ........................... 38
Hình 2.11: Một số mẫu dương dùng trong việc phát hiện khn mặt ..................... 38
Hình 2.12: Một số mẫu âm dùng trong việc phát hiện khuôn mặt ........................... 38
Hình 2.13: Ảnh trước và sau khi cân bằng histogram.............................................. 39
Hình 2.14: Dạng thuộc tính Haar-like ...................................................................... 40
Hình 2.15: Thuật tốn tính ảnh tích phân ................................................................. 41
Hình 2.16: Hai thuộc tính đầu tiên được lựa chọn trong thuật tốn AdaBoost........ 43
Hình 2.17: Sơ đồ của chuỗi phát hiện ..................................................................... 44


xi
Hình 2.18: Một phần tập mẫu các khn mặt .......................................................... 45
Hình 3.1: Cấu trúc hình học của OMR......................................................................... 51
Hình 4.1: Mơ tả hình học Vector sai số ep. ............................................................. 56
Hình 4.2: Lưu đồ giải thuật điều khiển trượt tích phân ISMC ................................... 59
Hình 5.1: Quỹ đạo tham chiếu là đường cong ........................................................ 61
Hình 5.2: Quỹ đạo chuyển động của robot ............................................................. 62
Hình.5.3: Vector sai số vị trí ep tại thời điểm ban đầu ............................................. 62
Hình.5.4: Vector sai số vị trí ep tồn thời gian ......................................................... 63

Hình 5.5: Vector sai số vận tốc ev ban đầu ............................. ................................. 63
Hình 5.6: Vector sai số vận tốc ev tồn thời gian .................................................... 64
Hình 5.7: Vận tốc gốc của OMR .............................................................................. 64
Hình 5.8: Vector mặt trượt ban đầu ......................................................................... 65
Hình 5.9 : Vector mặt trượt tồn thời gian ............................................................... 65
Hình 5.10 : Kít nhúng raspberry Pi .......................................................................... 66
Hình 5.11 : Bảng thơng số kít nhúng ....................................................................... 67
Hình 5.12 : Xác định vùng ảnh cần xử lý ................................................................ 67
Hình 5.13 : Giải thuật xử lý ảnh ............................................................................... 68
Hình 5.14 : Sơ đồ khối phần cứng ........................................................................... 68
Hình 5.15 : Lưu đồ giải thuật điều khiển Robot ...................................................... 69
Hình 5.16 : Mơ hình Robot đa hướng ...................................................................... 69
Hình 5.17 : Mạch giao tiếp RS232 ........................................................................... 70
Hình 5.18 : Sơ đồ chân chuẩn RS-232 là DB-9 ....................................................... 70
Hình 5.19 : Sơ đồ chân Pic 18F4331 ....................................................................... 71
Hình 5.20 : Cấu trúc bên trong của PIC 18F4431 .................................................... 72
Hình 5.21 : Sơ đồ mạch điều khiển Pic .................................................................... 73
Hình 5.22 : Mạch cơng suất điều khiển động cơ...................................................... 74


1
GIỚI THIỆU ĐỀ TÀI
1 Đặt vấn đề
Khoa học và công nghệ có vai trị rất quan trọng trong sự nghiệp cơng nghiệp
hóa và hiện đại hóa đất nước, là thước đo và là động lực phát triển của mỗi quốc gia.
Ngày nay khoa học kỹ thuật và công nghệ đang phát triển với tốc độ khá nhanh
chóng, mang lại những lợi ích to lớn cho con người về tất cả mọi phương diện, tinh
thần vật chất, đồng thời đưa máy móc vào thay thế cho lao động tay chân.
Trên con đường tiến tới cơng nghiệp hóa, hiện đại hóa đất nước thì vấn đề phát
triển khoa học kỹ thuật cao là mấu chốt hàng đầu với công nghệ CNC (Computer

Numerical Control), thủy lực, cơ điện tử, cơ khí…
Với xu hướng giảm tối thiểu sức người và tăng năng suất lao động địi hỏi
phải có nhiều trang thiết bị, nhiều dây chuyền tự động hóa, dùng sức máy móc thay
thế sức người…
Để đáp ứng nhu cầu này, chắc chắn cần phải nghiên cứu phát triển các thiết bị
tự động để phục vụ cho các nhà máy, xí nghiệp hay sản xuất nơng nghiệp… Trong đó
Robot là một lĩnh vực mới mà ở nước ta đang nghiên cứu và từng bước chế tạo để
ứng dụng vào q trình sản xuất góp phần nâng cao năng suất lao động. Việc nghiên
cứu và chế tạo Robot nhằm đáp ứng vào nhu cầu thực tế của các dây chuyền sản xuất
là rất cần thiết .
Việc xây dựng các chương trình hoạt động cho các Robot là điều thiết yếu đặc
biệt đối với các Robot di động. Bài toán Robot di động bằng bánh xe
(Ominidirectional Mobile Robot – OMR) được sự quan tâm lớn của nhiều người
trong những năm gần đây, vì chúng được ứng dụng rộng rãi trong các ngành khác
nhau như công nghiệp, nông lâm nghiệp, y tế, dịch vụ … do khả năng di chuyển linh
hoạt.
2 Tính cấp thiết của đề tài
Cơng nghệ Robot là một ngành khoa học tổng hợp đòi hỏi nhiều kiến thức của
nhiều ngành khác liên quan như : Tốn học, Cơ khí, Điều khiển tự động, Tin học,
trong đó lĩnh vực Cơ điện tử là một trong những ngành học đóng vai trị quan trọng,
là động lực thúc đẩy sự phát triển về Robot.
Khác với loại Robot di động sử dụng bánh truyền thống, Robot di động sử
dụng bánh đa hướng (gọi tắt là Robot di động đa hướng) có những ưu điểm vượt trội


2
như : khả năng thay đổi vị trí và định hướng linh hoạt, độ chính xác cao..., bởi vì
chúng có khả năng dịch chuyển và quay đồng thời hoặc độc lập, vì vậy Robot di
động đa hướng đã thu hút được nhiều sự chú ý hơn.
Trong kỹ thuật điều khiển chuyển động của OMR, vấn đề bám quỹ đạo và tác

động nhanh là rất cần thiết. Có nhiều phương pháp điều khiển Robot như phương
pháp điều khiển trượt (SMC: Sliding Mode Control), phương pháp này có ưu điểm là
độ chính xác cao nhưng xảy ra hiện tượng rung (chattering) do tín hiệu điều khiển
khơng liên tục, sự rung này làm tổn thất nhiệt trong các thiết bị điện, gây dao động
cho thiết bị cơ học và làm hỏng chúng.
Trong những năm gần đây một ngành khoa học mới đã được hình thành và
phát triển mạnh mẽ đó là điều khiển logic mờ mà cơng cụ tốn học của nó chính là lý
thuyết tập mờ của Jadeh. Ưu điểm của điều khiển mờ so với các phương pháp điều
khiển kinh điển là có thể tổng hợp được bộ điều khiển mà khơng cần biết trước đặc
tính của đối tượng một cách chính xác. Điều này thực sự hữu dụng cho các đối tượng
phức tạp mà ta chưa biết rõ hàm truyền. Với bộ điều khiển trượt, hiện tượng
chattering được hạn chế tối đa.
Vì các lý do trên, tơi đã chọn đề tài “Điều khiển bám cho Robot di động đa
hướng dùng bộ điều khiển trượt ” để làm đề tài nghiên cứu và ứng dụng Matlab để
kiểm chứng giải thuật điều khiển đưa ra.
3. Phạm vi nghiêng cứu :
-Ứng dụng lý thuyết về động học và động lực học, phương pháp điều khiển
trượt, xử lý ảnh OpenCV.
- Lập trình nhúng trên kít Raspberry Pi kết hợp với lập trình xử lý Pic điều
khiển Robot đa hướng theo quỹ đạo tham số cho trước.
4. Phương pháp nghiên cứu :
-Nghiên cứu lý thuyết về động học và động lực học, phương pháp điều khiển
trượt, xử lý ảnh OpenCV, kít nhúng Raspberry Pi và lập trình xử lý Pic.
-Xây dựng giải thuật điều khiển như nhận dạng đối tượng, xác định vị trí đối
tượng, bám đối tượng.
-Kiểm chứng thực nghiệm bằng việc xây dựng mơ hình mobile robot với 01
camera trên kít nhúng Raspberry Pi và điều khiển xử lý Pic.


3

5. Nội dung nghiên cứu:
- Xây dựng mơ hình động học và mơ hình động lực học của Robot di động đa
hướng ba bánh (OMR).
- Nghiên cứu thiết kế phương pháp điều khiển trượt tích phân cho Robot di
động đa hướng ba bánh (OMR), bám theo quỹ đạo.
- Mô phỏng Robot bám theo quỹ đạo tham chiếu bộ điều khiển sử dụng Matlab
M-file cho Robot di động đa hướng ba bánh (OMR).
- Thực hiện mơ hình thực nghiệm Robot đa hướng 3 bánh để kiểm chứng giải
thuật điều khiển.


4
CHƯƠNG 1
TỔNG QUAN VỀ ROBOT
1.1 Tổng quan
Ngày nay, công nghệ Robot đã đạt được những thành tựu to lớn trong nền sản
xuất cơng 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 mơi 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 cơng việc địi hỏi sự tỉ mỉ, chính
xác cao. Tuy nhiên những robot này có một hạn chế chung đó là hạn chế về khơng
gian làm việc. Khơng 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 hơn.
Robot tự hành là loại Robot di động 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 mơi 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.
1.2 Sơ lược quá trình phát triển
Thuật ngữ Robot được sinh ra từ trên sân khấu, không phải trong phân
xưởng sản xuất. Những Robot xuất hiện lần đầu tiên trên sân khấu ở NewYork vào
ngày 09/10/1922 trong vở “Rossum’s Universal Robot” của nhà soạn kịch người
Tiệp Karen Kapek viết năm 1921, còn từ Robot là cách gọi tắt của từ Robota - theo
tiếng Tiệp có nghĩa là cơng việc lao dịch. Những Robot thực sự có ích được nghiên
cứu để đưa vào những ứng dụng trong công nghiệp thực sự lại là những tay máy.
Vào năm 1948, nhà nghiên cứu Goertz đã nghiên cứu chế tạo loại tay máy
đôi điều khiển từ xa đầu tiên, và cùng năm đó hãng General Mills chế tạo tay máy


5
gần tương tự sử dụng cơ cấu tác động là những động cơ điện kết hợp với các cử
hành trình. Đến năm 1954, Goertz tiếp tục chế tạo một dạng tay máy đơi sử dụng
động cơ servo và có thể nhận biết lực tác động lên khâu cuối. Sử dụng những thành
quả đó, vào năm 1956 hãng General Mills cho ra đời tay máy hoạt động trong công
việc khảo sát đáy biển.
Tóm tắt lịch sử phát triển của Robot:
Bảng 1.1 trình bày tóm tắt q trình lịch sử hình thành và phát triển của công nghệ
chế tạo Robot và những tác động của khoa học cũng như xã hội đối với từng thời kỳ
Bảng 1.1 Tóm tắt lịch sử phát triển của Robot
Mốc
thời

Nghiên cứu và

Ứng dụng trong

phát triển

công nghiệp

gian

Kỹ thuật hỗ trợ

Các yếu tố
ảnh hưởng

Khái niệm Robot
1920

xuất hiện trong tiểu
thuyết

1940

1950

Phát minh ra cánh
tay máy
Phát sinh khái niệm

Giới thiệu về bộ

Robot thơng minh

nhớ vịng

Giới thiệu Robot
điều
1960

khiển

bằng Phát triển Robot Máy

máy tính.

tính

dùng

trong công nghiệp. transitor.

Hoạt động nghiên Ứng dụng Robot ở Giới thiệu vi xử
cứu

được

tăng NASA và NAVY. lý.

cường.

1970

Robot có trí thơng Sự bùng nổ lần
minh nhân tạo.

đầu tiên của Robot

Chế tạo ra Robot Robot
1980

để

dùng

công

Sự hạn chế
Phát triển vi xử lý của nền kinh
tế.
Kỹ thuật số và

trong nghiệp được ứng kỹ

những việc nguy dụng rộng rãi

thuật

phát triển.

Nhu

quang tăng

cầu
cường

lao động.


6
hiểm (1983)
Giới

thiệu

về

Robot thơng minh

1990

trong sản xuất.

Điều khiển logic.
Nghiên

cứu

Robot

về nên

gây
thất

Robot trí thông nghiệp.
minh nhân tạo.

Robot giống con Các tiến bộ về cơ

2000

người
Bắt

đầu

dự

khí

án

Swarm-bots.
Swram-bots
2001

gồm

nhiều Robot nhỏ
hợp lại để thực
hiện một nhiệm vụ

chung.

2002

Xuất hiện Robot tự Phục vụ cho việc
dò đường Roomba. lau chùi nhà cửa.
Robot hoạt động

Robot quét dọn tại

hoàn toàn tự chủ, Công

các bệnh viện, cao
2003

xử dụng một hệ Axxon

ốc và các trung tâm

thống cảm biến để Robotics mua

thương mại phát

tránh chướng ngại lại Intellibot

triển mạnh.

vật.
Trong

“Dự

Centibots”
Robot

2004

đồ

chơi

Robosapien

được

Mark Tilden thiết
kế và bán ra thị
trường.

ty

án
100

Robot độc lập làm
việc với nhau để
thực hiện một bản
đồ của một mơi
trường khơng rõ
và tìm kiếm các

đối tượng trong
mơi trường đó.


7
Robot di chuyển
bằng chân được
Dynamics ứng

Boston
2005

tạo ra một Robot mang
thú bốn chân.

dụng

để

vật

nặng

trên địa hình xe cộ
di

chuyển

khó

khăn.
các

Talon-Sword,

Robot thương mại
đầu tiên với súng
phóng lựu và các
tùy chọn vũ khí
2006

tích hợp khác được
phát hành.
Robot

Honda

Ứng dụng Robot
trong

lĩnh

vực

quân sự được phát
triển mạnh.

Asimo có khả năng
học chạy và leo lên
cầu thang.

Hàng loạt Robot
được chế tạo ra để

2007

ứng

dụng

trong

sinh

hoạt,

bệnh

viện và qn sự
Ví

dụ

:

Kiva,

Speci-Minder , Tug
Dynamics BigDog có thể đi

Boston

phát
2008

hành

phim

video

đoạn trên địa hình băng
của giá và phục hồi sự

một thế hệ mới cân bằng của nó
trên mặt nước đá.

BigDog
2010

Nhật Bản chế tạo Quince có thể tìm

Tình

hình

Robot

thiên

tai,

cứu

hộ kiếm người sống


8
QUINCE.

sót trong đống đổ

động đất xảy

nát và cung cấp

ra

nước, thực phẩm

xuyên

hoặc điện thoại di

Nhật.

thường
tại

động vào khu vực
xảy ra thiên tai.
1.3 Phân loại Robot tự hành

Robot tự hành được chia làm 2 loại chính đó là :
* Loại Robot tự hành chuyển động bằng chân
* Loại 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.
Robot tự hành di chuyển bằng chân ( Legged rô bốt ): 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 cịn có thể đi qua những vật cản như hố, vết nứt sâu. Nhược điểm 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 mơ phỏng theo các lồi động vật vì thế mà chúng có loại
1 chân, loại 2,4,6 chân và có thể nhiều hơn.
Robot tự hành di chuyển bằng bánh (Wheel Robot) 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 thơng 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 gồm có các loại bánh xe cơ bản được sử dụng trong Robot tự hành:
* Bánh xe tiêu chuẩn: 2 bậc tự do, có thể quay quanh trục bánh xe và điểm
tiếp xúc.


9
* Bánh lái: 2 bậc tự do, có thể quay xung quanh khớp lái.
* Bánh Swedish: 3 bậc tự do, có thể quay đơng thời xung quanh trục bánh xe,
trục lăn và điểm tiếp xúc.

Bảng 1.2 Ký hiệu của các loại bánh xe
Ký 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.
Sơ đồ bánh xe của Robot tự hành hai bánh, ba bánh, bốn bánh và sáu bánh
được liệt kê trong bảng 1.3
Bảng 1.3 Các cách bố trí bánh xe của Robot
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 ba
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
3

sau, một bánh lái ở phía trước.


10
3

Hai bánh quay tự do ở phía sau, bánh trước vừa
là bánh truyền động vừa là bánh lái.
Ba bánh Swedish được đặt ở các đỉnh của một
tam giác đều, kết cấu này cho phép Robot di
chuyển theo đa hướng.
Hai 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.
3
Cả bốn bánh đều là bánh truyền động và lái.

4

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

Bốn bánh đa hướng.

Hai bánh chuyển động vi sai và thêm hai điểm
tiếp xúc.

Bốn bánh vừa là truyền động vừa là bánh lái.

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