Nghiên cứu các giải thuật bám line ứng dụng cho robot di động

Nội dung text: Nghiên cứu các giải thuật bám line ứng dụng cho robot di động

1. NGHIÊN CỨU CÁC GIẢI THUẬT BÁM LINE ỨNG DỤNG CHO ROBOT DI ĐỘNG Tạ Bửu Trí Viện Kỹ thuật HUTECH, Trường Đại học Công nghệ TP. Hồ Chí Minh GVHD: ThS. Lê Tấn Sang TÓM TẮT Bài toán điều khiển chuyển động bám line luôn là chủ đề cơ bản, có vai trò quyết định đến việc áp dụng robot vào thực tế. Từ đó, chúng tôi lựa chọn robot di động sử dụng bánh xe làm đối tượng nghiên cứu. Tiến hành tìm hiểu các mô hình động học để biểu diễn cho chuyển động của robot. Nghiên cứu để áp dụng các bộ điều khiển, sau đó tiến hành mô phỏng và đánh giá. Từ khóa: điều khiển, điều hướng, dẫn đường, hoạch định đường đi, robot di dộng. 1 GIỚI THIỆU Lĩnh vực tự động hóa trong công nghiệp phát triển không ngừng từ nhiều thập kỷ qua. Bởi vì nó mang lại lợi thế cạnh tranh cho doanh nghiệp bằng việc tăng năng suất, nâng cao chất lượng sản phẩm, giảm rủi ro trong sản xuất. Trong đó, tự động hóa sử dụng hệ thống robot di động đang nhận được sự quan tâm lớn của giới nghiên cứu. Robot có nhiệm vụ là vận chuyển hàng hóa giữa các vị trí trong nhà xưởng. Việc này có thể được thực hiện bằng các giải pháp truyền thống như con người hay băng tải. Con người thì tốn chi phí lớn và dễ xảy ra lỗi. Băng tải thì tốn không gian lớn và kém linh hoạt khi các vị trí trong nhà xưởng thay đổi. Do đó, giải pháp sử dụng robot di động mang lại giá trị và tính hiệu quả. Robot di động (RBDĐ) được giới thiệu từ đầu những năm 1950, một phương tiện không người lái đi theo vạch dẫn hướng trên sàn nhà máy. Theo thống kê [1], cho đến năm 2019, có gần 100 000 robot di động được sử dụng trên toàn thế giới. Và dự báo đến năm 2025, số lượng sẽ tăng lên đến 400 000. Con số tăng trưởng ấn tượng này cho thấy tiềm năng phát triển rất lớn của RBDĐ trong nền công nghiệp ngày nay. Trong công nghiệp, RBDĐ được sử dụng đa dạng trên các lĩnh vực với nhiệm vụ chủ yếu là vận chuyển hàng hóa trong nhà kho, trong nhà máy hay cả ở ngoài trời. Có thể kể để đến một số ứng dụng phổ biến như nhập, xuất hàng hóa từ nhà kho, cảng biển, (“Automated Storage and Retrieval System” – AS/RS), hỗ trợ tự động hóa các dây chuyền đóng gói, các công đoạn cấp phôi trong dây chuyền gia công, RBDĐ hoạt động trên mặt đất được chia thành nhiều dạng [2]. Thứ nhất là dạng sử dụng chân để di chuyển, ưu điểm là có thể vượt qua các vật cản, các bề mặt gồ ghề hay không gian hẹp. Một số công trình nổi tiếng như robot người máy ASIMO [3] hay robot dạng thú Boston Dynamics’ BigDog [4]. Dạng thứ hai là sử dụng chuyển động quay để di chuyển. Tuy không phù hợp với cách di chuyển tự nhiên của con người, nhưng nhờ tính đơn giản trong điều khiển, Robot sử dụng bánh xe được nghiên cứu rộng rãi và đạt được nhiều thành tựu 260
2. [6]. Ngoài ra, một số dạng di chuyển khác trên mặt đất được áp dụng cho robot như di chuyển kiểu rắn hay kiểu sâu. Trong các vấn đề liên quan đến robot di động sử dụng bánh xe, thì điều khiển chuyển động bám line luôn là bài toán cơ bản, có vai trò quyết định đến khả năng ứng dụng thực tế của robot. Giải thuật bám line dựa trên tiêu chuẩn lyapunov [7] được giới thiệu mạng lại tính ổn định cao. Thuật toán Fuzzy Logic cũng được áp dụng vào bài toán điều khiển chuyển động cho robot di động [8]. Bên cạnh đó, một giải thuật phổ biến khác là PID cũng được hiệu chỉnh để áp dụng [9]. Nhìn chung các giải thuật đều xử lý trên hệ nhiều đầu vào MIMO, ở đây chúng tôi sẽ giới hạn còn một đầu vào và tiến hành áp dụng các giải thuật bám line cho đối tượng robot di động. Bài tham luận được chia làm 5 phần. Phần 1 đưa ra giới thiệu về RBDĐ, các giải thuật bám line cho robot di động. Phần 2 mô tả về đối tượng nghiên cứu là robot sử dụng bánh xe truyền động. Phần 3 trình bày về giải thuật sử dụng. Phần 4 đưa ra các mô phỏng. Cuối cùng là phần kết luận và hướng phát triển. 2 ROBOT DI ĐỘNG SỬ DỤNG BÁNH XE 2.2 Động học RBDĐ được sử dụng có dạng như Hình 1, là một hệ “nonholonomic”. Nó bao gồm 2 bánh chủ động lắp trên cùng một trục và 2 bánh caster. Chuyển động của robot được tạo bởi 2 động cơ độc lập cung cấp moment cho 2 bánh chủ động. Trọng tâm của của robot là , điểm gốc tọa độ được đặt tại P0 là trung điểm của đoạn trục nối hai bánh xe. Chiều dài và chiều rộng của khung robot lần lượt là và . Bán kính của mỗi bánh là . Robot được biểu diễn bởi một vector tổng quát như sau: [ ] (1) Trong đó: : là góc quay của 2 bánh chủ động của Agv. : là tọa độ của điểm trọng tâm. : là hướng của Agv so với phương X. y a Y d Pc P0 φ b b P1 X x Hình 1. Two-wheel nonholonomic mobile robot system 261
3. Với việc bánh xe quay không trượt trong mô hình robot, các ràng buộc “nonholonomic” được biểu diễn toán học như sau: ̇ ̇ ̇ ̇ (1) ̇ ̇ ̇ ̇ ̇ ̇ ̇ (2) Trong đó (2) là 2 ràng buộc quay không trượt khi vận tốc thẳng của robot được quyết định bởi vận tốc góc của hai bánh chủ động, (3) là ràng buộc vận tốc theo phương ngang của robot luôn luôn bằng 0. Vận tốc tịnh tiến và vận tốc góc của robot lần lượt được tính như sau: ̇ ̇ (3) ̇ ̇ Động học của robot được biểu diễn như sau: ̇ { ̇ (4) ̇ 2.3 Mô hình sai số bám line (Hình 2) Tọa độ điểm tracking . Tọa độ điểm tham khảo . Chọn là sai số khoảng cách từ điểm tracking đến điểm tham khảo theo phương của xe. Chọn là sai số khoảng cách từ điểm tracking đến điểm tham khảo theo phương vuông góc với phương của xe. Chọn là sai số góc giữa phương của xe và tiếp tuyến tại điểm tham khảo. Khi đó, ta có sai số trong quá trình tracking như sau: [ ] [ ] [ ] (5) Lấy đạo hàm theo thời gian: ̇ [ ̇ ] [ ] [ ] [ ] (6) ̇ 262
4. Hình 2. Mô hình sai số bám line Trên thực tế, được xác định trực tiếp từ hệ thống sensor. Đối với , phương án xác định được đề xuất là cho robot di chuyển theo phương trước đó một đoạn ds đủ nhỏ để khi nối 2 điểm RR’ tạo thành tiếp tuyến của đường cong (Hình 3). Khi đó, sai số được xác định theo công thức. ( ) (7) y e3 R R e2 C ds d x O Hình 3. Xác định 263
5. 3 GIẢI THUẬT BÁM LINE 3.1 PID Với phương trình động học đã phân tích, thì hệ robot di động sử dụng bánh xe là hệ MIMO. Trong đó, nhận thấy sai số ảnh hưởng lớn đến vị trí tương đối của xe so với đường dẫn. Do đó, để đơn giản hóa bộ điều khiển, ta sẽ thiết kế bộ điều khiển áp dụng cho hệ SISO. Áp dụng giải thuật PID để đưa sai số về không, có được: { (8) ∫ 3.2 Fuzzy Logic Tương tự, giải thuật Fuzzy được sử dụng để tính vận tốc góc dựa trên sai số . Mờ hóa Sai số với các biến trạng thái: NB, NS, ZE, PS, PB. Vận tốc góc đầu ra với các biến trạng thái: NB, NS, ZE, PS, PB. Membership Function cho NB NS ZE PS `PB 1 0 -50 -25 0 25 50 Membership Function cho vận tốc góc đầu ra NB NS ZE PS `PB 1 0 -100 -50 0 50 100 Luật Fuzzy sử dụng được cho theo bảng sau: Bảng 1. Luật Fuzzy NB NS ZE PS PB NB NS ZE PS PB 264
6. Phương pháp giải mờ được sử dụng là CA (center-average). 4 MÔ PHỎNG Giải thuật PID và Fuzzy được mô phỏng sử dụng phần mềm Matlab. Hình 4. Mô phỏng bám line dùng giải thuật PID Hình 5. Mô phỏng bám line dùng giải thuật Fuzzy 5 KẾT LUẬN Bài tham luận đã giới thiệu về bài toán điều khiển bám line cho robot di động. Từ đó, áp dụng giải thuật PID và Fuzzy để điều khiển robot đi theo đường dẫn cho trước. Sau đó tiến hành mô phỏng. Kết quả cho thấy hai giải thuật đều đạt được mục tiêu đề ra. Để nâng cao khả năng bám line, một số giải thuật khác dựa trên tiêu chuẩn ổn định lyapunov sẽ được nghiên cứu trong thời gian tới. Bên cạnh đó, tiến hành chế tạo mô hình thực nghiệm để đánh giá khả năng áp dụng thực tế của giải thuật. TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] Wagner, “Global AGV market volume 2018-2025,” Internet: Jul. 2018. [2] M. Russo and M. Ceccarelli, “A Survey on Mechanical Solutions for Hybrid Mobile Robots,” Robotics, vol. 9, no. 2, p. 32, May 2020. 265
7. [3] Hirose, M.; Ogawa, K. Honda humanoid robots development. Philos. Trans. R. Soc. A Math. Phys. Eng. Sci. 2006, 365, 11–19. [4] Boston Dynamics. 2019. Available online: (accessed on 10 June 2019). [5] Karavaev, Y.L.; Kilin, A.A. The dynamics and control of a spherical robot with an internal omniwheel platform. Regul. Chaotic Dyn. 2015, 20, 134–152. [6] Armour, R.H.; Vincent, J.F. Rolling in nature and robotics: A review. J. Bionic Eng. 2006, 3, 195–208. [7] Wang, Q. Z., & Wang, X. X. (2012). Mobile Robot Tracking Control Based on Lyapunov Method. Advanced Materials Research, 468–471, 1512–1515. [8] Benbouabdallah, Karim & Qi-dan, Zhu. (2012). Design of a fuzzy logic controller for a mobile robot tracking a moving target. Proceedings of 2nd International Conference on Computer Science and Network Technology, ICCSNT 2012. 634-638. [9] Lee, G. H., & Jung, S. (2013). Line Tracking Control of a Two-Wheeled Mobile Robot Using Visual Feedback. International Journal of Advanced Robotic Systems. 266