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

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.
Nội dung trích xuất từ tài liệu:
Nghiên cứu các giải thuật bám line ứng dụng cho robot di động 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 [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 P1 X b x Hình 1. Two-wheel nonholonomic mobile robot system 261 Với việc bánh xe quay không trượt trong mô hình robot, các ràng buộc “nonholonomic” được biểu diễn toán học như sau: ̇ ̇ ̇ ̇ (1) ̇ ̇ ̇ ̇ ̇ ̇ ...