Tóm tắt Luận văn Điều khiển bám cho robot di động sử dụng bộ điều khiển mờ - nơron
BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG
ĐẶNG SƠN
ĐIỀU KHIỂN BÁM CHO ROBOT DI ĐỘNG
SỬ DỤNG BỘ ĐIỀU KHIỂN MỜ - NƠRON
Chuyên ngành : Kỹ thuật điều khiển và tự động hóa
Mã số:
60.52.02.16
TÓM TẮT LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT
Đà Nẵng - Năm 2015
Công trình được hoàn thành tại
ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG
Người hướng dẫn khoa học: TS. VÕ NHƢ TIẾN
Phản biện 1: TS. NGUYỄN QUỐC ĐỊNH
Phản biện 2: TS. NGUYỄN BÊ
Luận văn được bảo vệ tại Hội đồng chấm Luận văn tốt
nghiệp Thạc sĩ kỹ thuật tại Đại học Đà Nẵng vào ngày 27 tháng 6
năm 2015
* Có thể tìm hiểu luận văn tại:
Trung tâm Thông tin - Học liệu, Đại học Đà Nẵng
1
MỞ ĐẦU
1. Lý do chọn đề tài
Các cuộc cách mạng công nghiệp đã tạo ta những sự phát triển
vượt bậc cho nền văn minh loài người. Ngày nay, các ứng dụng của
Robot xuất hiện trong các lĩnh vực của đời sống, nó có thể thay thế
con người làm những công việc có tính chất nặng nhọc, môi trường
làm việc khó khăn, độc hại, nguy hiểm và tác hại trực tiếp đối với
con người, hay trong những môi trường mà con người khó có thể
tương tác, làm việc như trên vũ trụ dưới lòng đại dương, hay trong
các môi trường vi mô (trong mạch máu hay trong cơ thể động vật)…
Robot tự hành là loại robot có khả năng tự hoạt động, thực thi
nhiệm vụ mà không cần sự can thiệp 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. Robot tự hành sử dụng
bánh xe Wheeled Mobile Robots (WMR) được coi là loại robot được
sử dụng rộng rãi nhất của robot di động.
Trong những năm gần đây, nhiều nghiên cứu về WMR được
tiến hành với các mục tiêu ở nhiều khía cạnh khác nhau như động
lực học và các phương pháp điều khiển. Hầu hết trong các nghiên
cứu này, các mô hình robot được xét ở điều kiện khối lượng bé do đó
bỏ qua tính chất quán tính động học mà chỉ xem xét đến chuyển
động của robot.
Hiện nay, tại Việt Nam đã có một số tác giả quan tâm nghiên
về robot, tuy nhiên chưa có các công trình nghiên cứu được công bố
2
về robot di động sử dụng bánh xe “WMR”. Với mục đích phát triển
lý thuyết về WMR và khắc phục các nhược điểm để ứng dụng WMR
trong thực tế tác giả đã chọn đề tài: “ĐIỀU KHIỂN BÁM CHO
ROBOT DI ĐỘNG SỬ DỤNG BỘ ĐIỀU KHIỂN MỜ - NƠRON”.
2. Mục tiêu đề tài
Nghiên cứu, ứng dụng bộ điều khiển mờ - nơron để điều khiển
cho robot di động WMR. Thực hiện chức năng bám mục tiêu, tránh
vật cản và ổn định tốc độ trong quá trình di chuyển.
3. Đối tƣợng và phạm vi nghiên cứu
a) Đối tượng nghiên cứu:
- Robot di động WMR
- Thuật toán điều khiển mờ - nơron
- phần mềm Mathlab Simulink
b) Phạm vi nghiên cứu:
- Xây dựng phương trình động lực học cho robot di động hai
bánh WMR.
- Ứng dụng hệ mờ - nơron điều khiển cho robot di động.
- Mô phỏng quá trình điều khiển trên Mathlab Simulink.
4. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài
Đề tài với nội dung nghiên cứu robot di động bằng bánh xe sẽ
góp phần hoàn thiện lý thuyết điều khiển robot di động sử dụng bánh
xe tại Việt Nam, đồng thời đề tài ứng dụng cấu trúc và phương pháp
điều khiển mới, đánh giá đầy đủ các yếu tố về động lực học, vật cản
vào robot là cơ sở để robot di động sử dụng bánh xe đi vào thực tế,
3
góp phần cho công cuộc tự động hóa ngành công nghiệp của đất
nước.
5. Cấu trúc của luận văn
Ngoài phần mở đầu, kết luận, tài liệu tham khảo trong luận
văn gồm có các chương như sau :
Chương 1: TỔNG QUAN ROBOT DI ĐỘNG
Chương 2: HỆ ĐIỀU KHIỂN MỜ NƠRON
Chương 3: ỨNG DỤNG BỘ ĐIỀU KHIỂN MỜ NƠRON
CHO ROBOT DI ĐỘNG
Chương 4: MÔ PHỎNG VÀ ĐÁNH GIÁ KẾT QUẢ
4
CHƢƠNG 1
TỔNG QUAN ROBOT DI ĐỘNG
1.1. TỔNG QUAN ROBOT HAI BÁNH
1.1.1. Giới thiệu chung
Robot di động có bánh xe “WMR” đang ngày càng hiện diện
trong robot công nghiệp và dịch vụ, đặc biệt khi được ứng dụng tự
hành trên bề mặt bằng phẳng và có mục tiêu rõ ràng trong điều kiện
môi trường di chuyển của robot luôn thay đổi. Một số yêu cầu về
robot di động (số lượng, chủng loại, vị trí bánh xe) có thể được nhận
thấy trong các ứng dụng khác nhau. Phổ biến nhất đối với các robot
di động là robot WMR hai bánh điều khiển chuyển động.
Quá trình xác định vị trí robot đang chuyển động được tính toán
trên cơ sở phân tích các chuyển động thành phần của mỗi bánh xe
đến chuyển động của robot. Khi robot chuyển động sẽ bao gồm hai
thành chuyển động: chuyển động tịnh tiến và chuyển động quay. Mô
hình hóa các robot di động có bánh xe đặc biệt là hệ thống điều
khiển có thể được giả thuyết với quan điểm "lăn không trượt" do tính
chất chuyển động ở tốc độ thấp.
Bộ điều khiển được sử dụng phải thỏa mãn chống lại những
thay đổi mạnh mẽ khối lượng, quán tính và thông số của robot, đặc
biệt là sự thay đổi của môi trường chuyển động, tức là có khả năng
tránh vật cản, chuyển động về mục tiêu và kiểm soát tốc độ .
5
1.1.2. Phƣơng trình động học
Để đánh giá cơ chế di chuyển của robot, trong luận văn tác giả
đưa ra một số giả thuyết như sau:
1. Khi robot thực hiện chuyển động, ta giả thuyết “lăn không
trượt” trên cơ sở ma sát giữa bánh xe và sàn là rất lớn.
2. Chuyển động của robot được xét trên bề mặt phẳng.
3. Chuyển động được xét ở tốc độ thấp, do vậy lực quán tính
theo mọi phương nhỏ hơn lực ma sát.
Khi đó phương trình vận tốc có thể biểu diễn dưới dạng ma trận
như sau:
r
r
v
c
R
2
r
2
r
(1.5)
L
2R
2R
Phương trình động học robot được thể hiện:
r
rd
r
rd
cos
sin
sin
cos
cos
sin
sin
cos
xg
2
r
2R
rd
2
r
2R
rd
R
q yg
(1.13)
L
2
2R
2
2R
r
r
2R
2R
1.1.3 Mô hình động lực học của robot
m 0 0
cos cos
sin
R
0 m 0 sin sin
cos
(1.25)
(1.26)
L
0 0 I
R
R
0
Trong đó:
m x
6
1.1.4 Hàm lyapunop robot hai bánh
Việc kiểm soát hàm Lyapunov là một trong những phương pháp
thiết kế một bộ điều khiển phản hồi của hệ thống phi tuyến; bằng
cách thiết lập một chức năng tích cực (Lyapunov chức năng) và nhân
vector gradient của ma trận định thức dương đối xứng, các đầu vào
điều khiển được thiết kế.
a) Bám quỹ đạo đặt
b) Luật điều khiển
1.2. CÁC THUẬT TOÁN ĐIỀU KHIỂN ROBOT HAI BÁNH
1.2.1. Cấu trúc chung khối điều khiển robot hai bánh
Hình 1.4 – Cấu trúc chung hệ thống điều khiển robot
1.2.2. Điều khiển robot sử dụng bộ điều khiển trƣợt
Razvan Solea, Adrian Filipescu và Urbano Nunes đã đề xuất
cấu trúc bộ điều khiển trượt.
1.2.3. Điều khiển các trạng thái tích cực dựa trên bộ điều
khiển mờ
Trong quá trình điều khiển, sự không chắc chắn và mơ hồ trong
điều kiện không biết hoặc biết một phần môi trường xung quanh, đặc
7
biệt là không lường trước được thay đổi môi trường có thể được làm
sáng tỏ bằng cách phối hợp và hợp nhất của các hành vi cơ bản của
robot di động hai bánh. Các kỹ thuật điều khiển mờ, được sử dụng để
tạo ra khả năng xác định phương hướng và điều chỉnh tốc độ thao tác
của robot tự hành, để điều khiển robot đạt được mục tiêu của mình
một cách chính xác trên địa hình có nhiều thay đổi.
1.3. KẾT LUẬN CHƢƠNG 1
Chương 1 đã trình bày cơ bản kết cấu phần cứng của robot. Đặc
biệt chương này tập trung xây dựng phương trình động học và động
lực học cho robot di động. Đồng thời trong chương này tác giả cũng
đề cập đến cấu trúc chung của các phương pháp điều khiển robot di
động đã được nghiên cứu cho robot di động sử dụng bánh xe. Để
khắc phục các nhược điểm, tác giả đề xuất phương pháp điều khiển
mờ - nơron. Đây cũng chính là lý do tác giả chọn đề tại điều khiển
bám cho robot di động sử dụng bộ điều khiển mờ - nơron.
8
CHƢƠNG 2
HỆ ĐIỀU KHIỂN MỜ NORON
2.1. SỰ KẾT HỢP GIỮA LOGIC MỜ VÀ MẠNG NƠRON
2.1.1. Khái niệm
Hai tiêu chí cơ bản trợ giúp cho người thiết kế logic mờ và
mạng nơron thể hiện trái ngược nhau ở bảng (2.1):
Bảng 2.1 - So sánh mạng nơron và logic mờ
Tiêu chí
Thể hiện
tri thức
Mạng nơron
Logic mờ
Không tường minh, khó
giải thích, khó sửa đổi.
Tường minh, dễ kiểm
chứng và dễ sửa đổi.
Không có khả năng học,
người thiết kế phải thiết
kế tất cả, dựa vào
Có khả năng học thông
qua các tập dữ liệu.
Khả năng học
kinh nghiệm
2.1.2. Hệ điều khiển mờ - nơron
a) Cấu chung của hệ điều khiển mờ nơron
b) Nơron mờ
2.2. HUẤN LUYỆN MẠNG MỜ -NƠRON
2.2.1. Khái niệm
2.2.2. Mô hình học và suy diễn mờ thông qua ANFIS
Trong ANFIS, mô hình mờ Tagazi-Sugeno được sử dụng. Ngõ
ra của hệ thống là một hằng số hay một hàm tuyến tính, kết quả ngõ
ra là tích của các luật mờ với các trọng số, trong đó các trọng số
đóng vai trò chức năng giống trong mạng nơron.
9
Cấu trúc mô hình ANFIS:
Hình 2.3 – Mô hình ANFIS
Về tổng thể cấu trúc của ANFIS tương tự mạng nơron, tuy
nhiên các liên kết của ANFIS chỉ định hướng các dòng tín hiệu giữa
các nút hay các nơron mà không có các trọng số liên kết. Kiến trúc
của ANFIS gồm năm lớp.
Dùng phương thức giảm để học:
Ek
z1
w1
z t 1 z t
1 1
z t ok yk
1
w1 w2
(2.21)
(2.22)
A xk
1
z t ok yk
1
A xk A xk
1
2
A xk
2
2
z t 1 z t ok yk
2 2
A xk A xk
1
Ek
a1
a t 1 a t
1 1
(2.23)
(2.24)
Ek
a2
a t 1 a t
2 2
Ek
b t 1 b t
1 1
(2.25)
(2.26)
b
1
Ek
b2
b t 1 b t
2 2
10
Trong quá trình học, các thông số hàm liên thuộc được điều
chỉnh nhờ sử dụng các thuật toán huấn luyện của mạng nơron như
thuật toán lan truyền ngược.
2.2.3. Một số hạn chế của thuật toán huấn luyện mạng
ANFIS
Là hệ thống loại Sugeno ở vị trí 0 hoặc 1.
Có một đầu ra đơn, giải mờ nằng phương pháp trung bình
trọng tâm, tất cả các hàm liên thuộc đầu ra phải cùng loại
hoặc tuyến tính hoặc bất biến.
Không chia sẽ luật điều khiển. Các luật khác nhau không
chia sẽ cùng một hàm liên thuộc đầu ra, cụ thể số lượng các
luật đầu ra phải bằng số lượng các luật.
Có một hệ số trọng lượng nhất định cho mỗi nguyên tắc.
2.3. SỬ DỤNG CÔNG CỤ ANFIS TRONG MATLAB ĐỂ
THIẾT KẾ HỆ MỜ - NƠRON
2.3.1. Các chức năng của ANFIS GUI
Hình 2.4 – Các chức năng của anfis Gui
11
2.3.2. Ví dụ ứng dụng anfis thiết kế bộ điều khiển mờ -
nơron điều khiển tốc độ robot
Hình 2.12 – Kết quả mô phỏng điều khiển tốc độ robot
Qua ví dụ này có thể khẳng định được, với bộ điều khiển mờ
nơron robot hoàn toàn có thể điều khiển được tốc độ robot hai bánh
kết hợp với cơ sở dữ liệu và thực nghiệm hay phương pháp học
offline sẽ giúp cho hệ đạt được chất lượng điều khiển cao hơn.
2.4. KẾT LUẬN CHƢƠNG 2
Chương 2 tác giả tập trung phân tích các ưu nhược điểm của hai
phương pháp điều khiển mờ và điều khiển mờ - nơron. Cũng như sự
kết hợp giữa hai phương pháp là cơ sở cho bộ điều khiển mờ - nơron.
Trong chương 2 tập trung nghiên cứu ANFIS là hệ mờ được xây
dựng theo cấu trúc mạng nơron có khả năng học tập để điều chỉnh
hàm liên thuộc và trọng số các luật theo dữ liệu huấn luyện và bộ
công cụ ANFIS GUI hỗ trợ thiết kế hệ mờ - nơron cho mô hình mờ
Sugeno. Với công cụ hỗ trợ ANFIS, người lập trình sẽ dễ dàng xác
định được các thông số của mô hình mờ như hình dạng các hàm liên
thuộc, trọng số các luật mờ thông qua tập dữ liệu huấn luyện
mạng nơron.
12
CHƢƠNG 3
ỨNG DỤNG BỘ ĐIỀU KHIỂN MỜ - NƠRON CHO ROBOT
DI ĐỘNG
3.1. HỆ ĐIỀU KHIỂN MỜ
3.1.1. Cấu trúc hệ điều khiển mờ điều khiển robot hai
bánh
Hình 3.1 – Cấu trúc hệ điều khiển mờ điều khiển robot hai bánh
a) Khối tín hiệu ngõ vào ra:
b) Khối mờ hóa
c) Luật mờ
d) Giải mờ
3.1.2. Xây dựng cơ chế suy luận mờ
a) Tránh chướng ngại vật (OA)
b) Chuyển động dọc tường (WF)
c) Định hướng mục tiêu (TS)
3.1.3. Xây dựng bộ giải mờ
13
3.2. BỘ ĐIỀU KHIỂN MỜ - NƠRON
3.2.1. Cấu trúc bộ điều khiển mờ - nơron cho hệ thống điều
khiển robot
Trong luận văn, tác giả có xét đến quán tính của hệ robot. Để
thực hiện được chức năng khống chế tốc độ trong hệ quán tính, tác
giả đưa vào giá trị sai lệch vận tốc, bộ điều khiển robot trở thành bộ
điều khiển mờ động PI.
Hình 3.8 – Hệ điều khiển mờ động PI
Theo [3], Cấu trúc hệ thống mờ nơron sử dụng cấu trúc
ANFIS được xây dựng như hình (3.9).
Hình 3.9 – Cấu trúc hệ điều khiển ANFIS cho robot
Trong đó cấu trúc cho mỗi bộ điều khiển ANFIS như hình
(3.10).
3.2.2. Sử dụng công cụ ANFIS trong Matlab thiết kế hệ
mờ - nơron điều khiển robot hai bánh
a) Xây dựng bảng dữ liệu ổn định tốc độ
b) Xây dựng bảng dữ liệu tránh vật cản
c) Xây dựng bảng dữ liệu bám mục tiêu
14
d) Xây dựng dữ liệu chuyển động dọc tường
Hình 3.10 - Cấu trúc ANFIS cho bộ điều khiển robot di động
3.3. BỘ ĐIỀU KHIỂN PI ĐIỀU KHIỂN ĐỘNG CƠ ĐIỆN MỘT
CHIỀU
3.3.1. Mô hình bộ điều khiển động cơ điện một chiều kích
từ độc lập
3.3.2. Xác định thông số bộ điều khiển PI
3.3.3. Kết quả điều khiển robot với bộ điều khiển PI
3.4 KẾT LUẬN CHƢƠNG 3
Chương 3 luận văn nghiên cứu cấu trúc bộ điều khiển mờ điều
khiển robot di động [1] tập trung phân tích các trạng thái chuyển
động đặc trưng của robot. Xây dựng cấu trúc bộ điều khiển mờ
nơron động PI và cơ sở dữ liệu huấn luyện cho robot di động xét
trong trường hợp có tính đến động lực học của robot.
15
CHƢƠNG 4
MÔ PHỎNG VÀ ĐÁNH GIÁ KẾT QUẢ
4.1. HỆ ĐIỀU KHIỂN MỜ
4.1.1. Thông số robot
Bán kính bánh xe: r=5cm
Khoảng cách giữa hai bánh xe: R=40cm
Khoảng cách trọng tâm đến trục hai bánh xe: d=0
Cảm biến phía trước FD, bên trái LD và RD có góc quét 300
và chiều dài cực đại 8m.
Hai cảm biến LD và RD đặt lệch với góc quét của FD một
góc 900.
Khối lượng robot: m=5kg.
Momen quán tính robot: J=m*R2 =0.8 kg.m2.
4.1.2. Xây dựng cấu trúc điều khiển mờ trong Matlab
4.1.3. Kết quả mô phỏng khi xem xét ở tốc độ thấp bộ
điều khiển tác động tức thời và khối lƣợng robot bé
Vị trí bắt đầu (0;0), góc dịch chuyển pi/6 vị trí đích (15;15)
vật cản (8,8). Kết quả như hình (4.7).
16
Hình 4.7 – Định hướng mục tiêu và tránh vật cản
4.2. HỆ ĐIỀU KHIỂN MỜ - NƠRON
4.2.1. Mô hình điều khiển robot trong Matlab
Mô hình robot được xây dựng như hình (4.8)
Hình 4.8 – Mô hình điều khiển robot trong Matlab
4.2.2 Sử dụng công cụ ANFIS trong Matlab thiết kế hệ
mờ - nơron điều khiển robot di động hai bánh
17
Mở công cụ ANFIS GUI
Load dữ liệu huấn luyện
Xây dựng thông số ban đầu cho mạng mờ nơron
Huấn luyện mạng mờ nơron sử dụng cấu trúc
ANFIS
Xuất cấu trúc hệ mờ nơron sau khi đã được huấn
luyện
Hàm liên thuộc trong quá trình huấn luyện:
Hình 4.15 – Hàm liên thuộc trước và sau khi huấn luyện
4.2.3. Kết quả điều khiển hệ mờ nơron
a) Chuyển động dọc tường bám mục tiêu
Kết quả mô phỏng: chạy có tải, khối lượng m=20kg và tốc
độ đặt Vcref=0.1ms, tốc độ ban đầu bằng 0. Vật xuất phát tại vị trí
(0,0) và đích là (10,10), vị trí vật cản là tường có y=1 và x=0:2, góc
ban đầu 00.
18
Hình 4.16 – Chuyển động dọc tường và bám mục tiêu
Ta dễ dàng nhận thấy sau quá trình tránh vật cản, robot đã di
chuyển về mục tiêu.
b) Điều khiển bám mục tiêu và ổn định tốc độ
Kết quả mô phỏng: khối lượng m=20kg và tốc độ đặt
Vcref=0.1ms tốc độ ban đầu bằng 0. Vật xuất phát tại vị trí (0,0) và
đích là (8,8) góc ban đầu 00.
Kết quả mô phỏng hình (4.17) và (4.18) thời gian ổn định
tốc độ 0.1s. Độ quá điều chỉnh góc là 250, sai lệch điều khiển khi tiến
về đích bằng không. Như vậy, bộ điều khiể mờ nơ ron đạt được yêu
cầu điều khiển.
Tải về để xem bản đầy đủ
26 trang
17861
Free
Bạn đang xem 20 trang mẫu của tài liệu "Tóm tắt Luận văn Điều khiển bám cho robot di động sử dụng bộ điều khiển mờ - nơron", để tải tài liệu gốc về máy hãy click vào nút Download ở trên
File đính kèm:
- tom_tat_luan_an_dieu_khien_bam_cho_robot_di_dong_su_dung_bo.pdf
